JP2005276628A - 固体高分子形燃料電池発電システムおよび家庭用定置分散電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】
燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】
制御部５０により、電力変換部３０の電力検出部が検出する負荷が所定の時間定格負荷でないときに、燃料電池部２０を定格負荷に対応した発電モードで所定の時間運転する
【選択図】 図 １

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムおよびこの固体高分子形燃料電池発電システムを用いた家庭用定置分散電源システムに関する。
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気又は酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって、燃料ガスと酸化剤ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーとして直接発生させる発電システムである。燃料電池は、電解質を間に挟んで水素と反応する燃料極と空気と反応する空気極とから主に構成されており、用途・特性によってリン酸型燃料電池、溶融塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子形燃料電池など種々のものがある。これら燃料電池の中で特に、電解質に高分子膜を用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池は、出力密度が大きいので電池のコンパクト化を容易にし、かつ低温（約７０〜８０℃）で作動することができるので電池の起動・停止に伴う性能特性等の劣化も少ないため電池の寿命を長くできる等の長所を有している。このため、自動車等の移動体用電源あるいは業務用及び家庭用の分散電源等として、固体高分子形燃料電池は幅広い用途が期待されている。これらの用途の中で、固体高分子形燃料電池を用いた分散電源システム（例えば、コジェネレーション発電システム）は、固体高分子形燃料電池によって発電された電気エネルギーと、発電時の電気化学反応により発生する熱とを同時に回収してエネルギーを有効活用するシステムである。
この固体高分子形燃料電池を用いた分散電源システムは、システムの使用期間として５０，０００時間以上が要求されているので、システムの耐久性に影響を与えるシステムの出力電圧の低下や発電効率の低下はできるだけ小さいことが望まれている。この分散電源システムは定格負荷に対して８０％〜３０％の範囲の負荷（以下、「低負荷」という）で電池を運転する場合が実際には多い。低負荷でこの固体高分子形燃料電池を長時間運転すると負荷に対応した発電を燃料電池は行うので、燃料極と燃料極に隣接する空気極との間に設けたセパレータの内部に水が徐々に溜まってくる。このセパレータ内部の水の滞留は、供給ガス量を負荷に対応して減少させるので、セパレータ内部に設けたガス流路用の溝の水分が供給ガスによって充分な排出ができないため生じるものである。そして、このガス流路用の溝に水分が溜まると、ガスの流れが不均一になることから電極に供給されるガスの分布が不均一になって、出力電圧の不規則な変動や出力電圧の低下等を招くので、長期間連続的に発電をする分散電源システムにとっては発電を安定して行うことができないこととなり問題になっていた。
さらに、低負荷でこの固体高分子形燃料電池を長時間運転すると、低負荷に対応して燃料ガスの水素供給量を少なくするので、微量の空気又は酸素が空気極から固体高分子膜を通過（ガスクロス）して燃料極に混入する。この混入した微量の空気又は酸素は、燃料極の電極触媒を酸化して電極触媒表面に局部電池を作り、酸化皮膜形成と電極触媒の凝集を招く原因となる。特に、この酸化皮膜に覆われた表面では、反応は不活性なので、電極触媒の性能が低下して出力電圧等の電池性能の低下が起こる。このことは、安定した発電を長期間連続運転する分散電源システムにとっては発電を安定して行うことができないこととなり問題になっていた。このため、電極性能が低下してシステムの出力電圧が低下した場合における電池性能の回復を図る方法が要望されていた。
そこで近年、固体高分子形燃料電池の長期間連続運転において、セパレータなどの部材から溶出する金属イオンや汚染物質が、固体高分子形燃料電池の内部に蓄積して固体高分子形燃料電池の性能を低下させて固体高分子形燃料電池の耐久性を損ねていた場合の回復方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１は、性能が低下した固体高分子形燃料電池に対して、高電流密度で負荷をかける、通電方向を逆転させる、または、ｐＨが７以下の酸性水をガス流路に通水して洗浄をすることによって、性能が低下した固体高分子形燃料電池の特性を回復する方法である。
特開２００３−１２３８１２号公報（第２−３頁）
しかし、この特許文献１の固体高分子形燃料電池の特性を回復する方法は、固体高分子形燃料電池を連続運転しているときに電池の性能が低下した場合に、
ａ）高電流密度で負荷をかける、
ｂ）通電方向を逆転させる、
または、
ｃ）ｐＨが７以下の酸性水をガス流路に通水して洗浄をする、
というものである。
このため、この方法により電池性能を回復するには大電流を電池に一時的に流すか、あるいは電池の運転を一時的に停止しなければならないので、長期間連続的に安定した運転を行う分散電源システムにとっては、使い勝手の悪い操作であるという問題を有している。
また、この特許文献１の固体高分子形燃料電池の特性を回復する方法は、長期間の低負荷運転によるセパレータ内部の水の滞留、あるいは燃料極の電極触媒の酸化による性能低下によって電池の出力電圧等の性能が低下するといった上記問題の解決を依然として残している。
本発明の目的は、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる固体高分子形燃料電池発電システムと、この固体高分子形燃料電池発電システムを用いた家庭用定置分散電源システムとを提供することにある。
請求項１に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、上記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、上記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、上記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、上記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、上記電力変換部が供給する負荷を検出する負荷検出部と、上記燃料電池部、上記水素製造装置部、上記酸化剤ガス供給部、上記電力変換部、及び上記熱回収部を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記負荷検出部が検出する負荷が所定の時間定格負荷でないときに、上記燃料電池部を所定の時間定格負荷に対応した発電モードで運転するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、上記制御部は、上記燃料電池部を所定の時間定格負荷に対応した発電モードで運転するときに、上記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、上記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、上記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、上記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、上記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、上記燃料電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、上記燃料電池部、上記水素製造装置部、上記酸化剤ガス供給部、上記電力変換部、及び上記熱回収部を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記電圧検出部で検出された電池電圧の変動が所定の電圧以上のときに、上記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、上記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、上記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、上記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、上記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、上記燃料電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、上記燃料電池部、上記水素製造装置部、上記酸化剤ガス供給部、上記電力変換部、及び上記熱回収部を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記電圧検出部で検出された電池電圧が所定の電圧以下のときに、上記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、請求項４に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、上記制御部は、上記電圧検出部で検出された電池電圧が所定の電圧以下のときに、上記水素製造装置部から燃料電池部に供給する燃料ガスの濃度を定格負荷の発電モードに対応した燃料ガス濃度の１００〜２０００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、上記電力変換部に充放電可能な２次電池を備え、上記制御部は、上記負荷検出部が検出する負荷電力に対して上記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を上記２次電池に充電し、上記負荷検出部が検出する負荷電力に対して上記燃料電池部の発電した電力が不足なときに、その不足電力を上記２次電池から放電するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、上記電力変換部に充放電可能なキャパシタを備え、上記制御部は、上記負荷検出部が検出する負荷電力に対して上記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を上記キャパシタに充電し、上記負荷検出部が検出する負荷電力に対して上記燃料電池部の発電した電力が不足なときに、その不足電力を上記キャパシタから放電するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項８に記載の本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、上記熱回収部に電熱手段を備え、上記制御部は、上記負荷検出部が検出する負荷電力に対して上記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を上記電熱手段によって熱に変換して熱回収するように制御する機能を有することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明に家庭用定置分散電源システムは、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムを構成の一部として用いていることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項６に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項８に記載の発明によれば、燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
請求項９に記載の発明によれば、家庭用定置分散電源システムとして燃料電池の発電を停止することなく燃料電池をリフレッシュして、安定した電池性能を長期間維持することができる。
以下、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態について、詳しく説明する。
図１には、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの構成図が示されている。
図１において、固体高分子形燃料電池発電システム１は、水素製造装置部１０、燃料電池部２０、電力変換部３０、貯湯／給湯部４０、制御部５０、および酸化剤ガス供給部６０から主に構成されている。
水素製造装置部１０は、原燃料の都市ガス、ＬＰＧ，天然ガス、あるいは灯油、ガソリン、メタノールなどの種々の炭化水素系燃料を改質器１３の改質反応によって水素を生成し、この水素を燃料電池部２０の燃料用に供給するものである。燃料電池部２０は、燃料電池部２０の燃料電池セルスタック２００によって、空気とこの水素製造装置部１０から供給された燃料の水素との電気化学反応によって発電するものである。電力変換部３０は、燃料電池部２０の発電により得られた直流電力をチョッパで昇圧し、その昇圧された直流電力を交流出力に変換するインバータなどから構成されるパワーコンディショナ３１と、充放電可能な２次電池又はキャパシタ等の電力貯蔵手段３２とから構成されている。貯湯／給湯部４０は、水素製造装置部１０または燃料電池部２０の排熱を温水として貯湯槽４１に貯湯し、貯湯された温水を家庭内等のユーザに給湯するものである。なお、貯湯槽４１の内部には余剰の発電電力を熱エネルギーとして回収できる電熱器を設けてもよい。制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路によって構成され、ＣＰＵによって信号処理する信号処理手段５１、ＲＯＭあるいはＲＡＭ等のメモリによって記憶する記憶手段５２、各種信号を入出力する入出力ポート（図示しない）などを有するものである。制御部５０は、固体高分子形燃料電池発電システム１全体を制御するもので、電力変換部３０の制御と、この高分子形燃料電池発電システム１に要求される負荷に対応した発電を行うための水素製造装置部１０、燃料電池部２０、および酸化剤ガス供給部６０の運転の制御と、貯湯／給湯部４０の運転制御と、空気ブロアや水ポンプなどの補機（図示しない）の制御とをマイクロコンピュータ等を利用して行うものである。酸化剤ガス供給部６０は、空気等の酸化剤ガスを空気ブロワ−によって燃料電池部２０に供給するものである。
次に、本発明の高分子形燃料電池発電システム１の実施形態ついて、図２に示すガスの流れに基づいてさらに詳しく説明する。
水素製造装置部１０に供給される都市ガス、ＬＰＧ，天然ガス、あるいは灯油、ガソリン、メタノールなどの種々の炭化水素系燃料である原燃料は、まず、水素製造装置部１０の脱硫器１１で硫黄成分を触媒によって除去する。この硫黄成分は、原燃料に付臭材として含有されているものであり、改質器１３の触媒性能の低下をもたらすので有害なものである。次に、この硫黄成分が除去された原燃料は気化器１２で添加された水と共に気化・昇温され、改質器１３へ送られる。
改質器１３へ送られた原燃料と水蒸気の混合ガスは、改質器１３において改質反応に供されて水素リッチガス（改質ガスともいうが、以下、「燃料ガス」という）を生成する。ここで、改質器１３には、改質用燃料の種類に適合した改質反応用触媒が備えられている。改質器１３の内部温度は、バーナ部１６からの供給熱量を制御して改質反応に適した温度に保持される。改質器１３の加熱源は、バーナ部１６により供給される熱によるものであり、バーナ部１６に供給される燃料は、水素製造装置部１０に供給される原燃料や燃料電池部２０に供給されて反応に用いた燃料ガスのオフガス（以下、「残燃料ガス」という）が用いられる。
改質器１３で進行する改質反応は、水蒸気改質方式や部分酸化方式、あるいは両者を組み合わせたオートサーマル方式など種々の態様方式を選択することができ、改質器１３に備える触媒は、上記の態様方式から選択された改質反応に応じたものを選択して用いることになる。
改質器１３で生成された燃料ガスは、ＣＯ変成器１４（ＣＯシフト反応器ともいう）に備えた触媒で燃料電池に有害な一酸化炭素（ＣＯ）がシフト反応によって除去される。シフト反応は、燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素（ＣＯ２）と水素ガスを生じる反応であり、この反応によって燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１％程度に低減することができる。
ＣＯ変成器１４を出た燃料ガスは、ＣＯ除去器１５に備えた触媒でさらに一酸化炭素が選択酸化反応によって除去される。選択酸化反応は、燃料ガス中の水素ガスに優先して一酸化炭素を選択酸化する反応であり、この反応によって一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減することができ、燃料電池の触媒性能の低下防止が図れるようになる。
ＣＯ除去器１５を出た燃料ガスは、制御部５０により負荷に対応した設定量に制御されて燃料電池分部２０の燃料極（アノードともいう）２０３（ａ）へ供給される。同様に、酸化剤ガス供給部６０のブロア（図示しない）から供給される圧縮空気は、制御部５０により負荷に対応した設定量に制御されて燃料電池２０の空気極（カソードともいう）２０３−ｂに供給される。燃料電池部２０は、これら供給された燃料ガス及び空気を連続的に使用することにより、電気化学反応によって発生した起電力に基づいて連続的に発電することができるようになる。
燃料電池部２０の燃料極に供給され反応した燃料ガスの残燃料ガスは、オフガスとして水素製造装置部１０のバーナ部１６へ供給され、バーナ部１６で燃焼される。燃焼後の排ガスは、排熱回収装置（図示しない）へ供給されて、熱回収後は大気中に排気される。燃料電池部２０の空気極２０３−ｂに供給された空気の残りは、そのままオフガスとして大気中に排気されるか、あるいは残燃料ガスと同様に排熱回収装置へ供給されて熱回収後大気中に排気される。
図３は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１に用いる燃料電池部２０の燃料電池の基本原理や構造を説明するための構成図である。図３（ａ）に燃料電池部２０の燃料電池セルスタック２００の構成を示し、図３（ｂ）に燃料電池セルスタック２００燃料電池部２０の最小構成単位である単セル（単電池）の構成を示している。この燃料電池セルスタック２００は、目的とする電力を得るために単セル２０１を複数積層（スタック）したものである。単セル２０１は、図３（ｂ）の拡大図に示すように固体高分子電解質膜２０２と燃料極２０３−ａと、空気極２０３−ｂおよび第１のセパレータ２０４−ａと第２のセパレータ２０４−ｂを基本構成としている。特に、固体高分子電解質膜２０２の両面に燃料極２０３−ａと空気極２０３−ｂを一体型に接合した膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ，以下「ＭＥＡ」という）を基本構造として用いていることが特徴である。
この固体高分子電解質膜２０２は、主にナフィオン（デュポン社製）と呼ばれるフッ素樹脂系のイオン交換樹脂膜が用いられ、プロトン（水素イオン）導電性（プロトンの移動によって導電性が得られる）やガス分離能（燃料ガスや酸化剤ガス（空気）が電解質を通って互に対極側へ移動するのを防止する）を備えた厚さ数十μｍの非常に薄い膜である。そのためＭＥＡを用いた単セル２０１の厚さを薄くすることができ、燃料電池セルスタック２００のサイズをコンパクトにすることができる。なお、プロトンは、水を伴って固体高分子電解質膜２０２中を移動するため、水が十分に存在しないとプロトンの移動が妨げられ導電性が低下してしまう（燃料電池の内部抵抗が大きくなる）。そのため、固体高分子電解質膜２０２中に水を十分確保する水分管理が非常に重要であり、燃料ガスや酸化剤ガス（空気）を適度な温度と水分で加湿して燃料電池セルスタック２００に供給する必要がある。
燃料極２０３−ａは、電極触媒層２０５−ａとガス拡散層２０６−ａとから構成されている。空気極２０３−ｂは、電極触媒層２０５−ｂとガス拡散層２０６−ｂとから構成されている。なお、このように構成された燃料極２０３−ａと空気極２０３−ｂはガス拡散電極ともいわれる。触媒層２０５−ａおよび２０５−ｂは、この単セル２０１の作動温度が約７０〜８０℃と低いので、電気化学反応（発電）の迅速化を図るために用いられている。この触媒層２０５−ａおよび２０５−ｂは、微粒子状の白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀等の貴金属およびそれらの合金を触媒としてカーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパ等の導電性の炭素材料をベースにしたものの上に分散担持して形成している。ガス拡散層２０６−ａは第１のセパレータ２０４−ａを介して供給された燃料ガスを触媒層２０５−ａに導くために多孔質体のシート状の構造をしており、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパ等の導電性の炭素材料をベースにしたものを用いている。同様に、ガス拡散層２０６−ｂは第２のセパレータ２０４−ｂを介して供給された空気を触媒層２０５−ｂに導くために多孔質体のシート状の構造をしており、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンペーパ等の導電性の炭素材料をベースにしたものを用いている。
セパレータ２０４は、燃料電池セルスタック２００で発電するのに必要な燃料ガスと空気を流すための流路として用いられている。第１のセパレータ２０４−ａは燃料極に対向する一方の面側に燃料ガスを供給・排出できる溝を形成している。第２のセパレータ２０４−ｂは空気極に対向する他方の面側に空気を供給・排出できる溝を形成している。この第１のセパレータ２０４−ａと第２のセパレータ２０４−ｂは共に、ガス不透過性の導電材料としてカーボンを圧縮した緻密なカーボン等の導電材料を用いている。なお、必要に応じてこの第１のセパレータ２０４−ａと第２のセパレータ２０４−ｂのガスを供給・排出できる溝を形成していない面同士を接合した一体型のものを使用することができる。
冷却水用セパレータ２０７は、燃料電池セルスタック２００を冷却するのに必要な冷却水を流すための流路として用いられる。燃料電池セルスタック２００を冷却する目的は、この燃料電池の電気化学反応が発電と共に熱も発生するので、固体高分子電解質膜２０２の熱による劣化の防止と電気化学反応の促進を図るため燃料電池セルスタック２００内を適正温度（約７０〜８０℃）に維持する必要があるからである。
図３（ａ）に示す燃料電池セルスタック２００は、末端に正極（空気極）集電板２１４と負極（燃料極）集電板２１５を配置し、この正極集電板２１４と負極集電板２１５の外側から絶縁板２０８を介してエンドプレート２１０によって加圧し、ガスケット２０９を介して単セル２０１を８０セル積層したものである。エンドプレート２１０の固定は、ボルト２１６、皿バネ２１７、およびナット２１８の部品を用いて行う。燃料ガスは、エンドプレート２１０に設けた燃料ガス配管用コネクタ２１１により燃料電池セルスタック２００内に導入される。導入された燃料ガスは、第１のセパレータ２０４−ａに形成された燃料ガスの供給・排出できる溝を介して燃料極に供給されて反応用ガスとして使われる。そして、反応に使用されなかったガスは第１のセパレータ２０４−ａを介して次の単セルの燃料極に再度供給されて反応用ガスとして使われる。最終的には、燃料ガスは、同様の繰り返しで燃料電池セルスタック２００内を流れて反対側のエンドプレート２１０の燃料ガス配管用コネクタ２１１よりオフ燃料ガスとして水素製造装置部１０のバーナ部１６へ供給され、バーナ部１６で燃焼される。同様に、空気は、一方のエンドプレート２１０に設けた空気配管用コネクタ２１２により燃料電池セルスタック２００内に導入され、第２のセパレータ２０４−ｂに形成された空気の供給・排出できる溝を介して各単セル２０１の空気極に順次供給されて反応用ガスとして使われ、オフガスは他方のエンドプレート２１０に設けた空気配管用コネクタ２１２により燃料電池セルスタック２００から排出される。冷却水は、燃料電池セルスタック２００に設けた冷却水配管用コネクタ２１３により燃料電池セルスタック２００内に導入され、冷却水用セパレータ２０７に形成された冷却水路を介して順次供給されて燃料電池セルスタック２００内を冷却して、他方のエンドプレート２１０に設けた冷却水配管用コネクタ２１３により燃料電池セルスタック２００から排水される。
次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１の制御方法について説明する。
一般に、小出力の燃料電池発電システムは、系統連係運転（逆潮流なし）を行っている。負荷の増減に関係なく常に出力一定で運転する方法もあるが、負荷の増減に対して緩やかに自動的に追従する負荷追従運転方式が主流であり、本発明のシステム１も負荷追従運転方式を採用している。負荷の大きさは、電力変換部３０に設けた交流電流計等（図示しない）で計測され、この計測された信号が制御部５０に入力される。制御部５０は、負荷が変動した場合、計測された負荷信号を認識し、記憶手段５２に記憶されている予め設定された負荷変化速度で原燃料受入量、改質用水蒸気量、燃焼用空気量、ＣＯ除去器供給空気量、燃料電池セルスタック反応空気量等を負荷に見合った量に設定変更する信号を信号処理手段５１によって行う。制御部５０は、原燃料受入量、改質用水蒸気量、燃焼用空気量、ＣＯ除去器供給空気量、燃料電池セルスタック反応空気量の実測値から負荷に対応可能なインバータの出力値を算出し、信号処理手段５１によってパワーコンディショナ３１のインバータに出力指示を与える。
このため、燃料電池セルスタック２００には常にインバータの出力に見合った充分な反応ガス量（燃料ガス量、空気量）が供給されることになり、燃料電池セルスタック２００へ原燃料が充分に供給されない場合において、燃料電池セルスタック２００は燃料ガス不足、空気（酸素）不足による過度な負担に基づいて大きなダメージを受けることがないように保護されている。このとき、燃料電池セルスタック２００の温度は、燃料電池セルスタック２００内に設けた温度センサの測定した温度に基づいて、制御部５０による冷却水温度と冷却水量等の制御によって予め設定された温度範囲内に管理されている。
次に、実施例を挙げて本発明の特徴について例証するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
［実施例１］
図４は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１が起動された後、制御部５０において所定の時間ごとに実行されるリフレッシュ処理ルーチン１を表すフローチャートである。このルーチン１が開始されると、制御部５０は、以下の実行ステップによってこのリフレッシュ処理ルーチン１を行う。
すなわち、まず電力変換部３０に設けた交流電流計が検出したこのシステム１の負荷を読み込む（ステップＳ１１）。次に、このステップＳ１１で読み込んだ負荷が定格負荷の８０％〜３０％（これを「低負荷」という）になっているか否かを判断する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、このシステム１の負荷を低負荷と判断した場合には、この判断と同時にクロックに同期して時間をカウントする（ステップＳ１３）。ステップＳ１３でカウントされた時間が１時間に到達したか否かを判断する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においてカウントした時間が１時間と判断した場合には、このシステム１の負荷を強制的に定格負荷とする定格負荷モードの信号を信号処理手段によって水素製造装置部１０及び酸化剤ガス供給部６０に同時に出力する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において信号を出力すると同時にクロックに同期して時間をカウントする（ステップＳ１６）。ステップＳ１５でカウントした時間が１０分に到達したか否かを判断する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、カウントした時間が１０分に到達したと判断した場合には、このル−チン１を終了する。ステップＳ１２において、このシステム１の負荷が低負荷になっていないと判断した場合には、ステップＳ１１に戻ってシステム１の負荷を再び読み込む。また、ステップＳ１４において、カウントされた時間が１時間に到達していないと判断した場合には、ステップＳ１１に戻ってこのカウント時間を再び読み込む。ステップＳ１７において、カウントした時間が１０分に到達していないと判断した場合には、ステップＳ１６に戻ってカウントした時間が１０分に到達するまで再び読み込む。
次に、上記リフレッシュ処理ルーチン１の実施例と比較例を示す。図５は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１の運転スタート後３５０時間における燃料電池セルスタックの出力電圧と負荷の関係を示すグラフである。図６は、比較例として固体高分子形燃料電池発電システム１の運転スタート後３５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン１を初めて行ったものである。図５と図６のグラフの縦軸は燃料電池セルスタックの出力電圧を示し、横軸は上記リフレッシュ処理ルーチン１に従って行った場合の時間を示している。具体的には、リフレッシュ処理ルーチン１として定格負荷に対して５０％の負荷を２０分間、その後定格負荷に対して３０％の負荷を１０分間行うことを２度繰り返した後に、燃料電池セルスタック２００の運転を定格負荷モードに強制的に設定して定格負荷に対応したガス量を１０分間燃料極２０３−ａおよび空気極２０３−ｂに流したものである。この図５の結果を、図６と比較すると、図５に示す出力電圧が安定していることがわかる。すなわち、図５は、このシステムのスタート後強制的にリフレッシュ処理ルーチン１を行っているので、セパレータ内部の水の滞留が少ないために出力電圧の低下がほとんど見られずにほぼ一定であることを示している。一方、図６は、燃料電池セルスタックが低負荷に対応した発電量に基づいた運転を長時間した結果、セパレータの内部に水が溜まり、燃料極中の燃料ガスの流れと空気極中の空気の流れが共に不均一になって出力電圧が低下したので、リフレッシュ処理ルーチン１を行っても一度低下した出力電圧は初期の出力電圧レベルまでに再び回復することができないことを示している（破線部分が出力電圧の変化の傾向を表している）。
このように、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、低負荷の運転を長期間行っても、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理を行うことによってセパレータの内部に水が溜まることを防いでいる。そのため、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極中の燃料ガスの流れと空気極中の空気の流れが共に不均一にならないので、出力電圧をほとんど低下することなく、安定した運転を長期間行うことができる。
［実施例２］
図７は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１が起動された後、制御部５０において所定の時間ごとに実行されるリフレッシュ処理ルーチン２を表すフローチャートである。このルーチン２は、上記図７に示すフローチャートのステップＳ２５とステップＳ２７の間に設けたステップＳ２６を除いたステップＳ２１〜ステップＳ２５およびステップＳ２６〜ステップＳ２８と、リフレッシュ処理ルーチン１のステップＳ１１〜ステップＳ１７とは共通する。そこで、このリフレッシュ処理ルーチン１と共通する実行ステップの説明を省いて、制御部５０によるこのリフレッシュ処理ルーチン２の実行をここでは説明する。
すなわち、このステップＳ２６は、ステップＳ２５で定格負荷モードに設定された後、燃料電池部２０に供給する燃料ガス量と空気量を定格負荷の１００〜２００％の範囲、好ましくは１３０〜１７０％の範囲に強制的に設定した信号を水素製造装置部１０および酸化剤ガス供給部６０に出力する。この場合、供給する燃料ガス量と空気量が定格負荷の１００％より小さいとセパレータ内の水分除去を効果的に行うことができない。一方、供給する燃料ガス量と空気量が定格負荷の２００％より大きいと、セパレータ内の水分除去の効果に対して過剰な供給となるので、特に燃料ガスの利用効率を悪化する。ステップＳ２７において、この設定されたガス量の信号を出力すると同時にクロックに同期して時間をカウントする。そして、次のステップＳ２８において、ステップＳ２７でカウントした時間が１０分に到達したか否かを判断する。ステップＳ２８において、カウントした時間が１０分に到達したと判断した場合には、このル−チン２を終了する。
次に、上記リフレッシュ処理ルーチン２の実施例と比較例を示す。図８の実線部分（８−ａで示す線）は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後７５０時間における燃料電池セルスタックの出力電圧と負荷の関係を示すグラフである。図８の破線部分（８−ｂで示す線）は、比較例として固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後７５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン２を初めて行ったものである。図８のグラフの縦軸は燃料電池セルスタックの出力電圧を示し、横軸は上記リフレッシュ処理ルーチン２に従って行った場合の時間を示している。具体的には、リフレッシュ処理ルーチン２として定格負荷に対して５０％の負荷を２０分間、その後定格負荷に対して３０％の負荷を１０分間行うことを２度繰り返した後に、燃料電池セルスタック２００の運転を定格負荷モードに強制的に設定して定格負荷の１５０％の燃料ガス量と空気量を１０分間燃料極２０２に流したものである。
この図８の実線部に示す結果を、固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後７５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン２を初めて行ったもの（図８の破線部）と比較すると出力電圧が極めて安定していることがわかる。すなわち、図８の破線部は、燃料電池セルスタックが低負荷に対応した発電量に基づいた運転を長時間した結果、セパレータの内部に水が溜まり、燃料極中の燃料ガスの流れと空気極中の空気の流れが共に不均一になって出力電圧が低下したので、リフレッシュ処理ルーチン２を行ったが、もはや一度低下した出力電圧を初期の出力電圧レベルまで再び回復することができないことを示している。一方、図８の実線部は、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理ルーチン２を行っているので、セパレータ内部の水の滞留が少ないために出力電圧の低下がほとんど見られないことを示している。
このように、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、低負荷の運転を長期間行っても、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理を行うことによってセパレータの内部に水が溜まることを一層確実に防いでいる。そのため、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極中の燃料ガスの流れと空気極中の空気の流れが共に不均一にならないので、出力電圧をほとんど低下することなく、安定した運転を長期間行うことができる。
［実施例３］
図９は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１が起動された後、制御部５０において所定の電池電圧の変動ごとに実行されるリフレッシュ処理ルーチン３を表すフローチャートである。このルーチン３が開始されると、制御部５０は、以下の実行ステップによってこのリフレッシュ処理ルーチン３を行う。すなわち、まず燃料電池部２０に設けた電圧計が検出したこのシステム１の燃料電池セルスタック２００の出力電圧を読み込む（ステップＳ３１）、次に電圧計からの検出信号に基づいてこの燃料電池セルスタック２００の出力電圧の変動が５Ｖ以上になっているか否かを判断する（ステップＳ３２）。この場合の出力電圧の変動とは定格負荷における出力電圧を初期の定格負荷における出力電圧（６０Ｖ）を基準に比較した電圧差をいう。ステップＳ３２において、この燃料電池セルスタック２００の出力電圧の変動が５Ｖ以上と判断された場合には、制御部５０は、燃料電池部２０に供給するガス量を定格負荷の１００〜２００％の範囲、好ましくは１３０〜１７０％の範囲に強制的に設定した信号を信号処理手段によって水素製造装置部１０および酸化剤ガス供給部６０に同時に出力する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３において信号を出力すると同時にクロックに同期して時間をカウントする（ステップＳ３４）。次に、ステップＳ３４でカウントした時間が１０分に到達したか否かを判断する（ステップＳ３５）。ステップＳ３５において、カウントした時間が１０分に到達したと判断した場合には、このル−チン３を終了する。
ステップＳ３２において、この燃料電池セルスタック２００の出力電圧の変動が５Ｖ以上と判断されなかった場合には、この燃料電池セルスタック２００の出力電圧を再度ステップＳ３１で読み込む。ステップＳ３５において、カウントした時間が１０分に到達していないと判断した場合には、ステップＳ３４に戻ってカウントした時間が１０分に到達するまで再び読み込む。
次に、上記リフレッシュ処理ルーチン３の実施例と比較例を示す。図１０の実線部分（１０−ａで示す線）は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間における燃料電池セルスタックの出力電圧と負荷の関係を示すグラフである。図１０の破線部分（１０−ｂで示す線）は、比較例として固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン２を初めて行ったものである。図１０のグラフの縦軸は燃料電池セルスタックの出力電圧を示し、横軸は上記リフレッシュ処理ルーチン３に従って行った場合の時間を示している。具体的には、リフレッシュ処理ルーチン３として燃料電池セルスタック２００の出力電圧の変動が５Ｖ以上と判断された場合には、燃料電池セルスタック２００に強制的に定格負荷の１５０％の燃料ガス量と空気量を１０分間燃料電池部２０に流したものである。この図１０の実線部分の結果を、固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間定格負荷の５０％で運転して同じリフレッシュ処理ルーチン３を初めて行ったもの（図１０の破線部）と比較すると出力電圧が安定していることがわかる。すなわち、図１０の破線部分は、燃料電池セルスタックが低負荷に対応した発電量に基づいた運転を長時間した結果、セパレータ内部に水が溜まって燃料極中の燃料ガスと空気極中の空気の流れが共に不均一になっているので、回復した出力電圧は短時間で再び低下してしまうことを示している。つまり、リフレッシュ処理ルーチン３を行っても、セパレータの内部に滞留した水を除去するのが難しいため、回復した出力電圧は短時間で再び低下してしまうことになる。一方、図１０の実線部分は、このシステムのスタート後強制的にリフレッシュ処理ルーチン３を行っていることによって、低負荷運転を連続的に行ったにもかかわらずセパレータ内部の水の滞留とが少ないので、出力電圧の低下がほとんど見られないことを示している。
このように、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、低負荷の運転を長期間行っても、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理を行うことによってセパレータの内部に水が溜まることを防いでいる。そのため、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極中の燃料ガスと空気極中の空気の流れが共に不均一な流れとなることを防止することができるので、出力電圧をほとんど低下することなく、安定した運転を長期間行うことができる。
［実施例４］
図１１は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１が起動された後、制御部５０において電池電圧が所定の電圧以下に低下するごとに実行されるリフレッシュ処理ルーチン４を表すフローチャートである。このルーチン４が開始されると、制御部５０は、燃料電池部２０に設けた電圧計が検出したこのシステム１の燃料電池セルスタック２００の出力電圧を読み込む（ステップＳ４１）、次に電圧計からの検出信号に基づいてこの燃料電池セルスタック２００の定格負荷における出力電圧が５６Ｖ以下になっているか否かを判断する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２において、この燃料電池セルスタック２００の定格負荷における出力電圧が５６Ｖ以下と判断された場合には、制御部５０は、燃料極２０２に供給する燃料ガスの供給量を１００〜２００％の範囲、好ましくは１３０〜１７０％の範囲に設定した信号を水素製造装置部１０に出力する（ステップＳ４３）。ステップＳ４３において信号を出力すると同時にクロックに同期して時間をカウントする（ステップＳ４４）。次に、ステップＳ４４でカウントした時間が１０分に到達したか否かを判断する（ステップＳ４５）。ステップＳ４５において、カウントした時間が１０分に到達したと判断した場合には、このル−チン４を終了する。ステップＳ４２において、この燃料電池セルスタック２００の出力電圧が５６Ｖ以下と判断されなかった場合には、ステップＳ４１に戻って再度この燃料電池セルスタック２００の出力電圧を再度読み込む。また、ステップＳ４５において、この設定された濃度の燃料ガスが１０分以上供給されていない場合には、ステップＳ４４に戻って再びこの設定された濃度の燃料ガスが１０分以上供給されるまで待機する。
次に、上記リフレッシュ処理ルーチン４の実施例と比較例を示す。図１２の実線部分（１２−ａで示す線）は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間における燃料電池セルスタックの出力電圧と負荷の関係を示すグラフである。図１２の破線部分（１２−ｂで示す線）は、比較例として固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン４を初めて行ったものである。図１２のグラフの縦軸は燃料電池セルスタックの出力電圧を示し、横軸は上記リフレッシュ処理ルーチン４に従って行った場合の時間を示している。具体的には、リフレッシュ処理ルーチン４として燃料電池セルスタック２００の出力電圧が５６Ｖ以下と判断された場合には、燃料電池セルスタック２００に強制的に燃料ガスの水素濃度を１３０％の濃度に設定して１０分間燃料極２０２に流したものである。この場合、供給する燃料ガスの水素濃度が定格負荷の１００％より小さいと電極触媒表面の酸化皮膜の除去を効果的に行うことができない。一方、供給する燃料の水素濃度が定格負荷の２００％より大きいと、電極触媒表面の酸化皮膜除去の効果に対して過剰な供給となるので、燃料ガスの利用効率を悪化する。この図１２の実線部分の結果を、固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間定格負荷で運転して同じリフレッシュ処理ルーチン４を初めて行ったもの（図１２の破線部）と比較すると出力電圧が安定していることがわかる。すなわち、図１２の破線部分は、燃料電池セルスタックが長時間運転した結果、クロスオーバして空気極から燃料極に混入した空気による電極触媒の酸化による性能低下によって出力電圧が低下したので、リフレッシュ処理ルーチン４を行ったが、もはや一度低下した出力電圧を初期の出力電圧レベルまで再び回復することができないことを示している。一方、図１２の実線部分は、連続的に運転を行ったにもかかわらず、このシステムのスタート後強制的にリフレッシュ処理ルーチン４を行っているので、燃料極の触媒の性能低下が小さいために出力電圧の低下はわずかに見られるだけである。
このように、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、低負荷の運転を長期間行っても、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理を行うことによって燃料極の触媒性能が低下することを防いでいる。そのため、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極の触媒性能の維持によって、出力電圧をほとんど低下することなく、安定した運転を長期間行うことができる。
［実施例５］
図１３は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム１が起動された後、制御部５０において電池電圧が所定の電圧以下に低下するごとに実行されるリフレッシュ処理ルーチン５を表すフローチャートである。このルーチン５が開始されると、制御部５０は、燃料電池部２０に設けた電圧計が検出したこのシステム１の燃料電池セルスタック２００の出力電圧を読み込む（ステップＳ５１）、次に電圧計からの検出信号に基づいてこの燃料電池セルスタック２００の定格負荷における出力電圧が５６Ｖ以下になっているか否かを判断する（ステップＳ５２）。ステップＳ５２において、この燃料電池セルスタック２００の定格負荷における出力電圧が５６Ｖ以下と判断された場合には、制御部５０は、燃料極２０２に供給する燃料ガスの水素濃度を１００〜２００％の範囲、好ましくは１００〜１５０％の範囲に設定した信号を水素製造装置部１０に出力する（ステップＳ５３）。ステップＳ５３において信号を出力すると同時にクロックに同期して時間をカウントする（ステップＳ５４）。次に、ステップＳ５４でカウントした時間が１０分に到達したか否かを判断する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５において、カウントした時間が１０分に到達したと判断した場合には、このルーチン５を終了する。ステップＳ５２において、この燃料電池セルスタック２００の出力電圧が５６Ｖ以下と判断されなかった場合には、ステップＳ５１に戻って再度この燃料電池セルスタック２００の出力電圧を再度読み込む。また、ステップＳ５５において、この設定された濃度の燃料ガスが１０分以上供給されていない場合には、ステップＳ５４に戻って再びこの設定された濃度の燃料ガスが１０分以上供給されるまで待機する。
次に、上記リフレッシュ処理ルーチン５の実施例と比較例を示す。図１４の実線部分（１４−ａで示す線）は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間における燃料電池セルスタックの出力電圧と負荷の関係を示すグラフである。図１４の破線部分（１４−ｂで示す線）は、比較例として固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間で同じリフレッシュ処理ルーチン５を初めて行ったものである。図１４のグラフの縦軸は燃料電池セルスタックの出力電圧を示し、横軸は上記リフレッシュ処理ルーチン５に従って行った場合の時間を示している。具体的には、リフレッシュ処理ルーチン５として燃料電池セルスタック２００の出力電圧が５６Ｖ以下と判断された場合には、燃料電池セルスタック２００に強制的に燃料ガスの水素濃度を１３０％の濃度に設定して１０分間燃料極２０２に流したものである。この場合、供給する燃料ガスの水素濃度が定格負荷の１００
一方、供給する燃料の水素濃度が定格負荷の２００％より大きいと、電極触媒表面の酸化皮膜除去の効果に対して過剰な供給となるので、燃料ガスの利用効率を悪化する。この図１４の実線部分の結果を、固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後７５０時間定格負荷で運転して同じリフレッシュ処理ルーチン５を初めて行ったもの（図１４の破線部）と比較すると出力電圧が安定していることがわかる。すなわち、図１４の破線部分は、燃料電池セルスタックが長時間運転した結果、クロスオーバして空気極から燃料極に混入した空気による電極触媒の酸化による性能低下によって出力電圧が低下したので、リフレッシュ処理ルーチン４を行ったが、もはや一度低下した出力電圧を初期の出力電圧レベルまで再び回復することができないことを示している。一方、図１４の実線部分は、連続的に運転を行ったにもかかわらず、このシステムのスタート後強制的にリフレッシュ処理ルーチン５を行っているので、燃料極の触媒の性能低下が小さいために出力電圧の低下はわずかに見られるだけである。
このように、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、低負荷の運転を長期間行っても、このシステムのスタート後から強制的にリフレッシュ処理を行うことによって燃料極の触媒性能が低下することを防いでいる。そのため、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極の触媒性能の維持によって、出力電圧をほとんど低下することなく、安定した運転を長期間行うことができる。
［他の実施例］
制御部５０は、電力変換部３０に設けた交流電流計が検出した負荷の信号と、燃料電池部２０に設けた電圧計が検出した発電電力の信号とを比較し、発電電力が負荷よりも大きいときには、電力変換部３０に設けた電力貯蔵手段３２に余剰となった発電電力を充電する信号を出力する。また、制御部５０は、負荷が発電電力よりも大きいときは、不足した発電電力をバックアップするために電力貯蔵手段３２に放電する信号を出力する。このバックアップ用電力貯蔵手段３２は、２次電池またはキャパシタなど電力を充放電することができるものであればよい。２次電池は、鉛蓄電池、ニッケル水素２次電池、ニッケル−カドミウム２次電池、リチウム２次電池等の公知の２次電池を用いることができる。キャパシタは、ウルトラキャパシタ（あるいはスーパーキャパシタ）ともいう大容量電解コンデンサ等の公知のキャパシタを用いることができる。なお、このバックアップ用電力貯蔵手段３２は、起動用電源ともなる。
制御部５０はまた、電力変換部３０に設けた交流電流計が検出した負荷の信号と、燃料電池部２０に設けた電圧計が検出した発電電力の信号とを比較し、発電電力が負荷よりも大きいときには、貯湯槽４１の内部に設けた電熱器４２にこの余剰となった電力を温水加熱用に用いる信号を出力する。電熱器４２は、電気エネルギーを熱に変換する抵抗加熱ヒータ等の公知の電熱器であればよい。
「応用例」
図１５は、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの応用例として、このシステムを家庭用定置型分散電源として用いた場合の例を示す。家庭用定置型分散電源３００は、外部から供給された都市ガス等の燃料ガスを家庭用定置型分散電源３００に設けられた水素製造装置の改質器で水素ガスに改質して燃料電池に供給し、この燃料と外部から供給された空気を用いて燃料電池で発電する分散電源システムである。燃料電池は電気化学反応による発電のほかに熱を同時に発生することが特徴である。固体高分子形燃料電池の場合、発電時の電池温度が約７０〜８０℃程度になるように常に維持しているので、上記反応熱と発電に伴う電池内部の抵抗熱を除去するために電池内部に冷却用の水を流して除去している。家庭用定置型分散電源３００は、この冷却水で除去した熱を温水にして回収している。
なお、外部から供給する水を燃料電池の冷却に直接使用すると、この水に含まれている鉄や銅などの金属イオンや塩化物イオンなどの不純物によって燃料電池を腐食するなどの悪影響を及ぼす場合がある。このような場合には、熱交換機などの熱交換機能を有する手段によって外部から供給する水を間接的に昇温して温水にすればよい。このように熱回収によって得られた温水は、例えば５０〜６０℃ぐらいの温水になるので、この温水を貯温槽に蓄えて使用すれば、台所や風呂等の家庭内で使用する温水を給湯器に替わって提供できる。加えて、発電によって得られた電力は、外部からの供給電力と併せて家庭内のさまざまな電気製品の電源として使用されるので、外部からの供給電力を削減できる。もちろん、家庭内の使用電力に対して燃料電池の発電量が多ければ、外部からの電力の供給はいらなくなる。また、燃料電池の発電量または家庭内の使用電力に変動が起きて電力のバランスが崩れた場合には、電力貯蔵手段として設けた２次電池等を用いてこの家庭用定置型分散電源３００に及ぼす影響を少なくすることができる。
このように固体高分子形燃料電池発電システムを用いた家庭用定置型分散電源は、電力負荷変動の大きい家庭用分散電源でありながら、燃料電池のリフレッシュ処理を適宜行うことができるので、エネルギー効率の大きいコジェネレーションとして長期的に安定した運転を行うことができる。
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの構成を説明するための図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの燃料ガスの流れを説明するための図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの燃料電池セルスタックと燃料電池単セルの構成を説明するための図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムのリフレッシュ処理ルーチン１を表すフローチャートである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間においてリフレッシュ処理ルーチン１を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間において初めてリフレッシュ処理ルーチン１を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムのリフレッシュ処理ルーチン２を表すフローチャートである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後７５０時間においてリフレッシュ処理ルーチン２を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムのリフレッシュ処理ルーチン３を表すフローチャートである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間においてリフレッシュ処理ルーチン３を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムのリフレッシュ処理ルーチン４を表すフローチャートである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間においてリフレッシュ処理ルーチン４を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムのリフレッシュ処理ルーチン５を表すフローチャートである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転スタート後３５０時間においてリフレッシュ処理ルーチン５を行った場合の燃料電池セルスタックの出力電圧とリフレッシュ処理時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの応用例として、家庭用定置型分散電源の構成の一部に用いた例を示した図である。
符号の説明
１……………………固体高分子形燃料電池発電システム
１０…………………水素製造装置部
２０…………………燃料電池部
３０…………………電力変換部
４０…………………貯湯／給湯部
５０…………………制御部
６０…………………酸化剤ガス供給部
２００………………燃料電池セルスタック
２０１………………燃料電池単セル
３００………………家庭用定置型分散電源

Claims (9)

  1. 高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、
    前記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、
    前記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、
    前記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、
    前記電力変換部が供給する負荷を検出する負荷検出部と、
    前記燃料電池部、前記水素製造装置部、前記酸化剤ガス供給部、前記電力変換部、及び前記熱回収部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記負荷検出部が検出する負荷が所定の時間定格負荷でないときに、前記燃料電池部を所定の時間定格負荷に対応した発電モードで運転するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記制御部は、前記燃料電池部を所定の時間定格負荷に対応した発電モードで運転するときに、前記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  3. 高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、
    前記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、
    前記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、
    前記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、
    前記燃料電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、
    前記燃料電池部、前記水素製造装置部、前記酸化剤ガス供給部、前記電力変換部、及び前記熱回収部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電池電圧の変動が所定の電圧以上のときに、前記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  4. 高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を挟んで設けた燃料極および空気極と、その燃料極の外側に設けた燃料ガスを供給排出する流路を有する第１のセパレータと、その空気極の外側に設けた空気を供給排出する流路を有する第２のセパレータとによって構成された単電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池部と、
    前記燃料電池部に燃料ガスを供給する水素製造装置部と、
    前記燃料電池部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記燃料電池部から発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、
    前記燃料電池部から発生した熱を回収する熱回収部と、
    前記燃料電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、
    前記燃料電池部、前記水素製造装置部、前記酸化剤ガス供給部、前記電力変換部、及び前記熱回収部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電池電圧が所定の電圧以下のときに、前記燃料電池部に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を定格負荷の発電モードに対応した供給量の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  5. 請求項４に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電池電圧が所定の電圧以下のときに、前記水素製造装置部から燃料電池部に供給する燃料ガスの濃度を定格負荷の発電モードに対応した燃料ガス濃度の１００〜２００％の比率で供給するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  6. 請求項１、２、３、４又は５に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記電力変換部に充放電可能な２次電池を備え、
    前記制御部は、前記負荷検出部が検出する負荷電力に対して前記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を前記２次電池に充電し、前記負荷検出部が検出する負荷電力に対して前記燃料電池部の発電した電力が不足なときに、その不足電力を前記２次電池から放電するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  7. 請求項１、２、３、４又は５に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記電力変換部に充放電可能なキャパシタを備え、
    前記制御部は、前記負荷検出部が検出する負荷電力に対して前記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を前記キャパシタに充電し、前記負荷検出部が検出する負荷電力に対して前記燃料電池部の発電した電力が不足なときに、その不足電力を前記キャパシタから放電するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  8. 請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記熱回収部に電熱手段を備え、
    前記制御部は、前記負荷検出部が検出する負荷電力に対して前記燃料電池部の発電した電力が過剰なときに、その過剰電力を前記電熱手段によって熱に変換して熱回収するように制御する機能を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  9. 請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の固体高分子形燃料電池発電システムを用いた家庭用定置分散電源システム。
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