JP2012160336A - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池ユニットの出力分担を電力需要に応じて最適に調整し、システム全体としての効率の向上をはかる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数の燃料電池スタック１１ａ〜ｃと、燃料極に水素含有ガスを供給する水素供給部１２ａ〜ｃ、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸素供給部１３ａ〜ｃと、燃料電池スタック１１ａ〜ｃから出力される電力を調整する電力調整部１６ａ〜ｃと、燃料電池スタック１１ａ〜ｃの電圧及び電流をそれぞれ定期的に検出し、各々の燃料電池スタック１１ａ〜ｃにおける電流−電圧出力特性を検知する特性検知部５と、水素供給部１２ａ〜ｃ、酸素供給部１３ａ〜ｃ、及び電力調整部１６ａ〜ｃを制御する制御部４を備える。制御部４は、特性検知部５で検知された燃料電池スタック１１ａ〜ｃ毎の電流−電圧出力特性を基に、全体の電力出力要求に対して燃料電池スタック１１ａ〜ｃを電圧の高い方から優先的に稼働させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システム係わり、特に電力需要に応じた電力供給を行うための燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックで燃料電池ユニットを構成し、この燃料電池ユニットを用いた燃料電池システムが開発されている。この種の燃料電池システムでは、需要家の必要とする電力に応じた最大電力を定め、通常の運転時においては燃料電池ユニットの出力電力を低下させて対処している。

例えば、家庭用燃料電池コジェネレーションシステムでは、家庭の電力需要を予測して、出力電力として１ｋＷや５００Ｗ等の最大電力を設定し、製品を設計・開発している。従って、最大電力以下の電力需要に対しては燃料電池システムの出力を絞ることで対応できるが、最大電力以上の出力要求があっても燃料電池システムとしては対処できない。

要求される最大電力は、小型家庭用、集合住宅用、小型店舗向け、大型店舗向け、非常用電源設備のように用途によって大きく相違するため、各用途別に燃料電池システムの最大電力を定めるものとすると、多種多様の最大電力の燃料電池システムを設計・開発することになる。しかし、多種多様の最大電力の燃料電池ユニットを製造するのでは、量産効果が充分発揮できないので非常にコスト高になる。

そのため、電力需要及び熱エネルギーに応じて、量産されたある仕様の燃料電池ユニットを複数用意し、それらを並列接続して、電力及び熱エネルギーを出力することが望ましい。このとき、需要に対して、各燃料電池ユニットの出力分担を調整する必要性がある。各燃料電池ユニットの出力電力分担の調整によりシステム全体において最も効率良く運転するために、電圧の高い燃料電池スタックを持つ燃料電池ユニットが電圧の低い燃料電池ユニットよりも多く電力を供給する方法が考えられる。例えば、電圧の高い燃料電池ユニットが電圧の低いものよりも多く電力を供給する調整方法として、燃料電池ユニットの累積運転時間を平準化する方法が挙げられる。

しかし、燃料電池スタックはスタック個々において性能に分布があり、さらに燃料電池スタックの電流に対する電圧は急激に低下することがあるため、その性能の変化は累積運転時間だけでは予測できない。つまり、燃料電池ユニットの累積運転時間平準化による調整方法だけでは、システム全体として高効率な燃料電池システムとはならない。

一方、燃料電池の電圧が急激に低下する例として、固体高分子型燃料電池では、電解質膜の破断によって酸素と水素が交じり合ってしまい、電圧が急激に下がる。また、燃料ガスを水素含有ガスへの改質や燃料電池の酸素供給のために利用している空気が不純物に汚染され、不純物が燃料電池に供給されると、触媒が不純物によって被覆され触媒の活性が低下して、燃料電池の性能が急激に低下する。特に、硫黄酸化物など脱着不可能な不純物が混入すると、電圧低下速度が大きくなるだけではなく、回復操作によっても電圧が完全には回復しない。このように、不純物の混入は燃料電池の性能に悪影響を及ぼすため、不純物の混入の検知及びその除去が高効率な燃料電池システムには必要である。

また、燃料電池システムの高効率化のためには、燃料電池ユニットの発電を停止して、燃料電池スタックの性能を回復させることも有効である。燃料電池システムが複数の燃料電池スタックを持っている場合には、システム全体としては需要電力及び熱エネルギーを供給しながらも、一部の燃料電池スタックは回復のために発電停止することができる。

特開平８−１０６９１４号公報 特開２００４−１７８８７７号公報

このように従来の燃料電池システムにおいては、電力需要に対して、各燃料電池ユニットの出力分担を調整し、電圧の高い燃料電池スタックを持つ燃料電池ユニットが電圧の低いものよりも多く出力することにより、燃料電池システム全体が常に最も効率良く運転することが望ましい。しかし、燃料電池の性能は運転中に急激に劣化することがあるため、予測的手法を用いた調整方法だけでは、電圧の高い燃料電池を特定することができず、高効率な燃料電池システムとはならない。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、複数の燃料電池ユニットの出力分担を電力需要に応じて最適に調整することができ、システム全体としての効率の向上をはかり得る燃料電池システム及びその運転方法を提供することにある。

本実施形態によれば、燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池を積層してなる複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の燃料極に水素含有ガスを供給する水素供給手段と、前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、前記複数の燃料電池スタックから出力される電力をそれぞれ調整する電力調整手段と、前記複数の燃料電池スタックの電圧及び電流をそれぞれ検出し、各々の燃料電池スタックにおける電流−電圧出力特性を検知する特性検知手段と、前記燃料電池スタック毎に前記水素供給手段、前記酸素供給手段、及び電力調整手段を制御する制御手段を備えている。そして、制御手段は、前記特性検知手段で検知された前記燃料電池スタック毎の電流−電圧出力特性を基に、全体の電力出力要求に対して前記燃料電池スタックを電圧の高い方から優先的に稼働させるようにしている。

本発明の実施形態によれば、複数の燃料電池ユニットの特性変化に拘わらず、電力需要に応じた出力分担を最適に調整することができ、システム全体としての効率の向上をはかることができる。

第１の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。 第１の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャート。 運転時間と電池電流及び電池電圧との関係を示す図。 複数の燃料電池ユニットの性能を比較して示す図。 複数の燃料電池ユニットの累積運転時間と電池電圧との関係を示す図。 第２の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。 第２の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャート。 一定期間使用後の燃料電池ユニットの性能を比較して示す図。 第３の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。 第３の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャート。

以下、本発明の実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態は、システム全体を常に最も効率良く運転するために、燃料電池ユニットの電圧と電流の関係を常に診断し、高電圧な燃料電池ユニットにより多くの出力を分担させるものである。

燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質を挟んで設けられた一対の触媒電極のうち燃料極に水素含有ガスを供給すると共に、他方の酸化剤極に酸素を含有する酸素含有ガスを供給し、これら一対の電極で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

燃料極反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- …（１）
酸化剤極反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （1/2）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料極に供給する燃料ガスの水素は、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素分子を含有する燃料を改質して得られた水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素分子を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。一方、酸化剤極に供給する酸素含有ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

燃料電池には、例えばリン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型などがあり、近年のエネルギー資源不足問題や地球温暖化問題から、高効率に電力及び熱エネルギー（お湯など）を出力することが求められている。本実施形態では、固体高分子電解質型を用いるものとした。

また、燃料電池は発電に利用した水素に比例した電流を出力するため、燃料電池システムにおいて電力を高効率に出力するためには、燃料電池の電流に対する電圧を高くすることが望ましい。そのため、燃料電池の性能の評価方法として、燃料電池から出力された電流と電圧の相関グラフを利用することが一般的である。

本実施形態の燃料電池システムは、複数の燃料電池ユニット１，２，３、燃料電池ユニット１，２，３の運転を制御する制御装置４、燃料電池ユニット１，２，３の電圧データ及び電流データを取込み、その比較結果から電流−電圧特性を検知する電流−電圧特性検知装置５、電圧データ及び電流データを検出した時刻を記憶するための時計６、等で構成されている。

燃料電池ユニット１は、複数の燃料電池を積層し、水素と酸素によって発電を行う燃料電池スタック１１ａ、燃料電池スタック１１ａに外部から燃料としての水素含有ガスを供給する水素供給装置１２ａ、燃料電池スタック１１ａに外部から酸素含有ガスを供給する酸素供給装置１３ａ、燃料電池スタック１１ａの電圧を計測する電圧計１４ａ、燃料電池スタック１１ａの電流を計測する電流計１５ａ、燃料電池スタック１１ａの出力電流を制御する電力調整器１６ａで構成されている。ここでは、酸素供給装置１３ａとしては空気ブロア、水素供給装置１２ａとしては改質器などが用いられるものとする。

燃料電池ユニット２は、燃料電池ユニット１と同様に、燃料電池スタック１１ｂ、水素供給装置１２ｂ、酸素供給装置１３ｂ、電圧計１４ｂ、電流計１５ｂ、電力調整器１６ｂで構成されている。燃料電池ユニット３は、燃料電池ユニット１，２と同様に、燃料電池スタック１１ｃ、水素供給装置１２ｃ、酸素供給装置１３ｃ、電圧計１４ｃ、電流計１５ｃ、電力調整器１６ｃで構成されている。

この燃料電池システムは、発電中に、燃料電池ユニット１，２，３から出力した電力及び熱湯をそれぞれ電力系統７と熱湯系統８に出力する。

なお、電力調整器１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃから直流電流を取り出し、インバータで直流から交流に変換し、更に高周波トランスインバータで電圧を昇圧し、ノイズフィルタで整流して電力系統７に出力する。このように電力調整器１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、インバータを利用して、燃料電池ユニット１，２，３が目標の需要電力を出力できるように、電流を制御する。また、インバータに流れる電流、電圧を計測して、計測した電流に応じて、酸化剤極に供給する空気、燃料極に供給する水素含有ガスの流量を調整するようになっている。

制御装置４は、燃料電池ユニット１，２，３の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ，記憶装置，及び入出力装置等を備えた、例えばマイクロコンピュータ等により実現される。そして、燃料電池ユニット１，２，３における各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号並びに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、水素供給装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、酸素供給装置１３ａ，１３ｂ，１３ｃを含む燃料電池ユニット１，２，３の各構成要素に指令を送り、燃料電池ユニット１，２，３の運転／停止に必要な全ての動作を統括管理して制御する。

この燃料電池システムを、例えばマンションに設置する場合には、熱湯系統８はマンションの外壁に配管を設置して各家庭にお湯を輸送する。電流−電圧特性検知装置５が無線装置などを利用して電圧・電流データを集め、それらを比較し、高電圧な燃料電池により多くの電力を出力させるために、各燃料電池ユニット１，２，３にそれぞれ負荷帯を指定する。なお、図には示していないが、酸化剤及び水素含有ガスを排出する手段を備えても良い。

次に、本実施形態の燃料電池システムの運転方法を、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、各燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃの電流−電圧特性を検知する（ステップＳ１）。具体的には、各々の燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対して、図３に示すように、負荷変動時の電流と電圧データを測定し、これを記憶しておく。そして、一定期間記憶された複数の出力電流点と電圧との関係から、図４に示すように、電流−電圧特性としてデータベース化する。ここで、電流−電圧特性の検知からデータベースの作成は、１回だけではなく定期的に行うものとする。

電流−電圧特性検知装置５は上記のデータベースから、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに負荷帯を割りあてる（ステップＳ２）。例えば、図４においては、燃料電池スタック１１ａが最も高負荷帯における電圧が高いのが分かる。さらに、燃料電池スタック１１ｂは、燃料電池スタック１１ｃと中間負荷帯の電圧は同程度であるものの、低負荷帯では燃料電池スタック１１ｃよりも電圧が低く、高負荷帯では燃料電池スタック１１ｃよりも電圧が高いことが分かる。そこで、燃料電池スタック１１ａには高負荷帯Ａ（５００〜７００Ｗ）、燃料電池スタック１１ｂには中間負荷帯Ｂ（３５０〜５００Ｗ）、燃料電池スタック１１ｃには低負荷帯Ｃ（２５０〜３５０Ｗ）において発電させることを、Ｓ２において決定する。なお、負荷帯は電流基準でもＷＤＣ基準でも構わない。

電力需要や熱湯の需用を検知すると（ステップＳ３）、必要な電力量から発電する燃料電池スタックを決定する（ステップＳ４）。発電する燃料電池スタックを有する燃料電池ユニットは水素や酸素の供給を継続若しくは開始する。そして、各燃料電池ユニット１，２，３に負荷変動、発電開始、発電停止の指令を与える（ステップＳ５）。

例えば、電力需要が１０００ＷＤＣから１４００ＷＤＣに増加する場合を考える。燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃは１０００ＷＤＣの負荷帯において、例えばそれぞれ６００ＷＤＣ、４００ＷＤＣ、発電停止で運転している。ここで、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂの出力調整は、水素供給装置１２ｂ、酸素供給装置１３ｂ、及び電力調整器１６ａの制御により成される。また、燃料電池スタック１１ｃの運転停止は、水素供給装置１２ｂ、酸素供給装置１３ｂにより水素含有ガスの供給及び酸素含有ガスの供給を停止し、電力調整器１６ｃで燃料電池スタック１１ｃを電力系統７から電気的に切り離すことにより成される。

いま、Ｓ３において電力需要を１４００ＷＤＣと検知したとする。Ｓ４において、燃料電池ユニット１１ａ，１１ｂの全ての最高負荷を合計しても１２００ＷＤＣと１４００ＷＤＣよりも小さいので、燃料電池ユニット１１ｃを発電開始させることを決定する。そして、Ｓ５において、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対し、それぞれ６５０ＷＤＣ、４５０ＷＤＣ、３００ＷＤＣの負荷に移行するように指令を与える。これにより、全体の電力出力要求に対して燃料電池スタック１１ａ，１１ｂ，１１ｃを電圧の高い方から優先的に稼働させることができ、電力需要に応じて出力分担を最適に調整することができる。

一方、燃料電池はその使用時間と共に特性が変化する。例として、特定電流における燃料電池スタックの電圧の運転時間推移を、図５に示す。燃料電池スタックＤのように、発電初期から性能の良い電池は、比較的高い電圧を保ち続ける。しかし、燃料電池スタックＥのように、発電初期は燃料電池スタックＦより電圧が高くても、劣化が激しくて電圧が燃料電池スタックＦよりも電圧が低くなってしまうことがある。このように燃料電池スタックはスタック個々において性能に大きな分布があり、また、その性能は累積運転時間だけでは予測できない。

これに対し本実施形態の燃料電池システムにおいては、電流−電圧出力特性の検知からデータベースの作成は、１回だけではなく定期的に行うことにより、常に最新の電流−電圧特性を得ることができる。そして、更新された電流−電圧特性を全ての燃料電池スタックで比較することによって、電圧が高い燃料電池スタックを持つ燃料電池ユニットに、確実により多くの出力を割り振ることができる。図５の例では、最初はＤ→Ｅ→Ｆの順に選択し、累積運転時間が長くなった場合に、Ｄ→Ｆ→Ｅの順に選択することが可能となる。これにより、長期にわたって高効率な燃料電池システムを実現することが可能となる。

このように本実施形態によれば、複数の燃料電池ユニットの出力分担を電力需要に応じて最適に調整することができ、システム全体としての効率の向上をはかることができる。しかも、複数の燃料電池スタックの電流−電圧特性を更新することにより、燃料電池ユニットの特性変化に拘わらず、出力分担を常に最適に調整することができ、システム全体としての効率の更なる向上をはかることができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

基本的な構成は第１の実施形態と同様であり、本実施形態では第１の実施形態の構成に加え、燃料電池スタックのガス供給部に対してフィルターとバルブが設けられている。

燃料電池ユニット１は、第１の実施形態の構成に加え、燃料供給側の一方のガス流路（第２のライン）に燃料の不純物を取り除く燃料不純物フィルター２１ａと流路を開閉する電磁弁２２ａ、更には燃料不純物フィルター２１ａを迂回する流路（第１のライン）を開閉する電磁弁２３ａを備えている。また、酸化剤供給側の一方の流路（第２のライン）に酸化剤の不純物を取り除く酸化剤不純物フィルター２５ａと流路を開閉する電磁弁２６ａ、更には酸化剤不純物フィルター２５ａを迂回する流路（第１のライン）を開閉する電磁弁２７ａを備えている。

燃料電池ユニット２も燃料電池ユニット１と同様に、燃料不純物フィルター２１ｂ、燃料供給側の電磁弁２２ｂ，２３ｂ、酸化剤不純物フィルター２５ｂ、酸化剤供給側の電磁弁２６ｂ，２７ｂを備えている。なお、これらの電磁弁は、制御装置４及び電流−電圧特性検知装置５によって制御されるようになっている。また、図では２つのユニットしか示していないが、更に多数のユニットが設置されていても良いのは勿論のことである。

本実施形態では、先に説明した第１の実施形態と同様の制御を行うことに加え、以下のようなフィルターの選択使用を制御することができる。このフイルター選択使用に関する本実施形態の動作を、図７のフローチャートを用いて説明する。

ここで、システムは通常運転で、各燃料電池ユニット１，２において、電磁弁２１ａ，２１ｂ，２６ａ，２６ｂは閉じ、電磁弁２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂは開いているものとする。即ち、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂには、フィルターを通すことなく水素含有ガス及び空気が直接供給されているものとする。

まず、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂにおいて、所定の出力電流値に対する電圧を計測する（ステップＳ１１）。続いて、一定の時間が経過した後に、燃料電池スタック１１ａ，１１ｂにおいて、所定の出力電流値に対する電圧を再び計測する（ステップＳ１２）。そして、Ｓ１２における電圧データとＳ１１における電圧データとの差である電圧低下量ΔＶを算出する（ステップＳ１３）。次いで、電圧低下量ΔＶを許容電圧低下量Ｖrと比較する（ステップＳ１４）
燃料電池は発電すると、通常、酸化剤極の触媒に酸化物が付着して全電流において電圧が一様に低下する。図８は、同じ燃料電池スタックに対し、異なる累積運転時間において電流と電圧との関係を測定した結果を示している。図８のａとｃの違いが、例えば酸化剤極の触媒が被覆されている状態を表している。酸化物は水素を利用するなどして還元することができて、電圧は回復することができる。通常、酸化剤極の触媒の被覆は、低電流密度域の電圧低下で判定する。

一方、燃料電池に不純物が混入すると、触媒が不純物によって被覆され触媒の活性が低下して、電圧低下が大きくなる。特に、硫黄酸化物など脱着不可能な不純物が混入すると、電圧低下が急激に大きくなるだけではなく、回復操作によって電圧が完全には回復しない。

低電流密度領域の電圧低下量ΔＶが複数の燃料電池スタックにおいて、実験よって得られた単位時間当たりの通常の電圧低下量Ｖｒ（電圧回復可能の低下量）よりも小さければ、不純物が混入していないと判断してそのままの運転を継続する（ステップＳ１５）。複数の燃料電池スタックにおいて、ΔＶがＶｒよりも大きい場合には、不純物が混入したと判断して、全ての燃料電池の燃料極直近の燃料不純物フィルターと酸化剤極直近の酸化剤不純物フィルターを利用開始し、警報を発報する（ステップＳ１６）。

このように本実施形態の燃料電池システムは、単位時間当たりの低電流密度領域の電圧低下量ΔＶを実験によって得られた値Ｖｒと比較することによって、燃料電池スタックに不純物が混入しているかどうかを判断することができる。しかも、複数の燃料電池スタックでΔＶとＶｒとを比較することにより、燃料電池ユニット付近の空気の不純物が電圧低下要因であると決定できる。即ち、１つの燃料電池スタックの電圧低下量が通常よりも大きな低下である場合には、その燃料電池スタック固有の問題である可能性があるが、複数の燃料電池スタックの単位時間当たりの電圧低下量を比較することによって、スタック固有の問題と切り離すことができて、確実に燃料電池ユニット付近の空気の不純物が電圧低下要因であると決定できる。

例えば、燃料電池ユニット付近の空気が灯油雰囲気になった場合には、灯油に含まれる硫黄分の影響を無視することができない。その空気がそのまま燃料電池のカソードに供給されたり、改質器にその空気が取り込まれ、硫黄分が除去されないまま燃料電池のアノードに供給されることが考えられる。硫黄系の不純物としては、温泉の雰囲気なども挙げられる。固体高分子形燃料電池においては数ｐｐｍのオーダーの硫黄分でさえ、回復不可能な深刻な電圧低下を及ぼす。

本実施形態では、不純物が混入している場合の対処方法として、不純物が混入したと判断した時だけ、通常の運転ではバイパスしているフィルターを利用する。このため、フィルターは、通常時は目詰まりしないようにバイパスされるため、かつフィルターの交換頻度を低下させることができる。なお、フィルターの利用は、酸化剤極及び燃料極の触媒の不純物による被毒を回避する観点からは、酸化剤不純物フィルターと燃料不純物フィルターの両方を用いた方が望ましい。但し、披毒の影響が一方で特に大きいような場合は、片側のみを用いるようにしても良い。

このように本実施形態によれば、先に説明した第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、周辺環境の変化に応じてフィルターを使用することにより、燃料電池ユニットを保護することができる。しかも、通常時はフィルターを使用しないため、高価なフィルターを有効に利用することができる利点もある。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

基本的な構成は第１の実施形態と同様であり、本実施形態では第１の実施形態の構成に加え、燃料電池を回復させるための機能が設けられている。

システム全体が常に最も効率良く運転するには、燃料電池ユニットの電圧と電流の関係を常に診断し、高電圧な燃料電池により多くの出力を分担し、劣化の見られる燃料電池スタックには劣化の回復と抑制を行うことが有効である。即ち、システム全体としては需要電力及び熱エネルギーを最大効率で供給しながらも、一部の燃料電池スタックは回復操作を行うことが有効である。

本実施形態では、燃料電池ユニット１，２の改質器１２ａ，１２ｂが生成した水素を貯蔵する水素貯蔵装置９を備えている。燃料電池ユニット１には、第１の実施形態の構成に加え、水素貯蔵装置９に貯蔵された水素を燃料電池スタック１１ａに選択的に配流する電磁弁３１ａと、酸化剤極へのガスの供給を閉止する電磁弁３２ａが設けられている。さらに、燃料電池スタック１１ａの電圧を低下させる手段として、燃料極と酸化剤極との間に抵抗３３ａとスイッチ３４ａが直列に接続されている。燃料電池ユニット２は、燃料電池ユニット１と同様に、電磁弁３１ｂ，３２ｂと、抵抗３３ｂ、スイッチ３４ｂを備えている。なお、図では２つのユニットしか示していないが、更に多数のユニットが設置されていても良いのは勿論のことである。

本実施形態では、先に説明した第１の実施形態と同様の制御を行うことに加え、以下のような電圧低下の燃料電池ユニットの回復動作を行うことができる。この回復動作に関する本実施形態の作用を、図１０のフローチャートを用いて説明する。

まず、全燃料電池スタックの電流−電圧特性を取得し（ステップＳ３１）、その後、それぞれの予め定められた時間遡った間に得られた過去の電流−電圧特性と比較し、電流−電圧特性の全電流域における平均的な電圧低下量ΔＶlow が規定値Ｖlow よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３２）。例えば、前記図８において、電流−電圧特性ａに比較して、電流−電圧特性ｂは低電流域を含めて全電流域において電圧が低下している。

ある燃料電池スタックの低電流域における電圧低下量ΔVlow が規定値Ｖlow よりも小さいときは、その燃料電池スタックは全燃料電池ユニット制御装置による通常運転を継続する（ステップＳ３３）。電圧変化量ΔVlow が規定値Ｖlow より大きい場合には、その燃料電池スタックを全燃料電池ユニット制御装置による通常運転からは離脱させる（ステップＳ３４）。そして、改質器の運転によって生成された余剰な水素が水素貯蔵装置に保管されている場合には、Ｓ３５に移行して発電停止する（ステップＳ３５）。次いで、酸化剤極への空気の供給を停止すると共に、燃料極に連通する空間に水素を供給し、更にスイッチをオンすることにより燃料極と酸化剤極との間に抵抗を接続することにより、燃料電池スタックの電圧を所定の電圧以下まで低下させる（ステップＳ３６）。即ち、触媒の被毒低減操作を行う。ここで、所定の電圧とは、０〜７０ｍＶ程度である。

本実施形態の燃料電池システムは、過去の電流−電圧特性と現状の電流−電圧特性を比較して、燃料電池の低電流域の電圧低下の主要因である酸化剤極の触媒活性の劣化を判定する。そして、その判定結果に基づいて、燃料電池システム内で生成される余剰な水素を利用し、酸化剤極の触媒に付着した酸化物を還元することによって、触媒活性を回復する操作を行う。回復操作のために水素を作り出すことなく、余剰な水素を利用することによって、燃料を有効に利用することができる。即ち、余剰に生成されてしまった水素を有効利用して、燃料電池の性能を回復することができ、電池性能の回復により、燃料電池システムの高効率化に貢献することができる。

燃料極に水素を供給し、抵抗を燃料電池スタックの燃料極と酸化剤極の間に接続し、酸化剤極の酸素を消費することによって、燃料電池スタックの電圧を規定値以下まで低下させる。このことによって、酸化剤極の触媒の白金酸化物を還元して、酸化剤極の触媒の活性を回復させる。このように、システム全体が常に最も効率良く運転するためには、燃料電池の電圧と電流の関係を常に診断し、高電圧な燃料電池により多くの出力を分担し、劣化の見られる燃料電池スタックには劣化の抑制と回復を行うことが有効である。

このように本実施形態では、燃料電池システムが複数の燃料電池スタックを持っている場合には、システム全体としては需要電力及び熱エネルギーを供給しながらも、一部の燃料電池スタックは回復のために発電停止することができる。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、電池性能の回復により、燃料電池システムの高効率化に貢献することができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。燃料電池ユニットの構成は前記図１、図６、図９に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。燃料電池の基本構成に加え、電流及び電圧を測定する機構、更には出力を調整する機構を有するものであれば良い。さらに、並列接続する燃料電池ユニットの数は、仕様に応じて適宜変更可能である。

また、第２及び第３の実施形態では、必ずしも第１の実施形態と同様に電流−電圧出力特性の更新による出力分担の制御を行う必要はなく、第２の実施形態ではフィルター選択使用の制御、第３の実施形態では燃料電池ユニットの回復動作の制御のみを行うようにしても良い。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１〜３…燃料電池ユニット
４…制御装置
５…電流−電圧特性記憶装置
６…時計
７…電力系統
８…熱湯系統
９…水素貯蔵装置
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…燃料電池スタック
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…水素供給装置（改質器）
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…酸素供給装置
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…電圧計
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…電流計
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…電力調整器
２１ａ，２１ｂ…燃料不純物フィルター
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…燃料供給側の電磁弁
２５ａ，２５ｂ…酸化剤不純物フィルター
２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ…酸化剤供給側の電磁弁
３１ａ，３１ｂ…燃料供給側の電磁弁
３２ａ，３２ｂ…酸化剤供給側の電磁弁
３３ａ，３３ｂ…抵抗
３４ａ，３４ｂ…スイッチ

Claims (9)

1. 複数の燃料電池を積層してなる複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の燃料極に水素含有ガスを供給する水素供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックから出力される電力をそれぞれ調整する電力調整手段と、
   前記複数の燃料電池スタックの電圧及び電流をそれぞれ検出し、各々の燃料電池スタックにおける電流−電圧出力特性を検知する特性検知手段と、
   前記特性検知手段で検知された前記燃料電池スタック毎の電流−電圧出力特性を基に、前記燃料電池スタック毎に前記水素供給手段、前記酸素供給手段、及び電力調整手段を制御し、全体の電力出力要求に対して前記燃料電池スタックを電圧の高い方から優先的に稼働させる制御手段と、
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記特性検知手段は、負荷変化を含む運転中に、予め定めた単一又は複数の出力電流点において前記燃料電池スタック毎に電圧と計測時刻を記録し、予め設定された期間遡った間に記録された出力電流点と電圧との関係に基づいて前記燃料電池スタック毎の電流−電圧出力特性を更新し、
   前記制御手段は、前記更新された電流−電圧出力特性を基に前記制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池スタック毎に、前記特性検知手段により検知された電流−電圧出力特性を予め設定した設定値と比較し、前記電流−電圧出力特性が前記設定値よりも低下した場合に、該低下した燃料電池スタックに対して電圧回復操作を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記特性検知手段により検知された電流−電圧出力特性を基に、所定の電流領域での電圧低下量を許容低下量と比較することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記電圧回復操作を行う燃料電池スタックに対し、該燃料電池スタックから外部への電力供給を停止し、前記燃料極への水素含有ガスの供給を行いつつ、前記酸化剤極への酸素含有ガスの供給を停止し、前記燃料極と前記酸化剤極とを抵抗を介して電気的に接続することにより、該燃料電池スタックの電圧を所定の電圧まで低下させることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記水素供給手段は、前記燃料電池スタックの燃料極に水素含有ガスを直接供給する燃料用第１のラインと、燃料不純物フィルターを介して水素含有ガスを供給する燃料用第２のラインと、を選択的に使用するものであり、
   前記酸素供給手段は、前記燃料電池スタックの酸化剤極に酸素含有ガスを直接供給する酸化剤用第１のラインと、酸化剤不純物フィルターを介して酸素含有ガスを供給する酸化剤用第２のラインと、を選択的に使用するものであり、
   前記制御部は、通常時は前記水素供給手段及び前記酸素供給手段の両方で前記第１のラインを選択させ、前記特性検知手段により複数の前記燃料電池スタックにおいて前記電流−電圧特性が設定値よりも低下したと判定された場合に、前記水素供給手段及び前記酸素供給手段の少なくとも一方で前記第２のラインを選択させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 複数の燃料電池を積層してなる複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料極と前記酸化剤極との間にスイッチを介して接続された抵抗と、
   前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の燃料極に水素含有ガスを供給する水素供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックに対し、前記燃料電池の酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックから出力される電力をそれぞれ調整する電力調整手段と、
   前記複数の燃料電池スタックの電圧及び電流をそれぞれ定期的に検出し、各々の燃料電池スタックにおける電流−電圧出力特性を検知する特性検知手段と、
   前記燃料電池スタック毎に前記水素供給手段、前記酸素供給手段、及び電力調整手段を制御する制御手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタック毎に、前記特性検知手段により検知された電流−電圧出力特性を予め設定した設定値と比較し、前記電流−電圧出力特性が前記設定値よりも低下した場合に、該低下した燃料電池スタックに対して電圧回復操作を行うために、該燃料電池スタックから外部への電力供給を停止し、前記燃料極への水素含有ガスの供給を行いつつ、前記酸化剤極への酸素含有ガスの供給を停止し、前記スイッチをオンして前記燃料極と酸化剤極とを前記抵抗を介して電気的に接続することにより、該燃料電池の電圧を所定の電圧まで低下させることを特徴とする燃料電池システム。
8. 複数の燃料電池を積層してなる複数の燃料電池スタックと、
   ガスを直接供給する燃料用第１のラインと、燃料不純物フィルターを介してガスを供給する燃料用第２のラインとを有し、前記複数の燃料電池スタックに対し何れかのラインを通して前記燃料電池の燃料極に水素含有ガスを供給する水素供給手段と、
   ガスを直接供給する酸化剤用第１のラインと、酸化剤不純物フィルターを介してガスを供給する酸化剤用第２のラインとを有し、前記複数の燃料電池スタックに対し何れかのラインを通して前記燃料電池の酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックから出力される電力をそれぞれ調整する電力調整手段と、
   前記複数の燃料電池スタックの電圧及び電流をそれぞれ定期的に検出し、各々の燃料電池スタックにおける電流−電圧出力特性を検知する特性検知手段と、
   前記燃料電池スタック毎に前記水素供給手段、前記酸素供給手段、及び電力調整手段を制御する制御手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、通常時は前記水素供給手段及び前記酸素供給手段の両方で前記第１のラインを選択させ、前記特性検知手段により複数の前記燃料電池スタックにおいて前記電流−電圧特性が設定値よりも低下したと判定された場合に、前記燃料電池スタックの全てに対し、前記水素供給手段及び前記酸素供給手段の少なくとも一方で前記第２のラインを選択させることを特徴とする燃料電池システム。
9. 複数の燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムにおいて、電力需要に応じて複数の燃料電池ユニットの出力電流を個別に制御する燃料電池システムの運用方法であって、
   前記複数の燃料電池ユニット毎の電圧及び電流を定期的に検出し、各々の燃料電池ユニットにおける電流−電圧出力特性を求め、求めた電流−電圧出力特性に基づき、全体の電力需要に応じて前記燃料電池ユニットを電圧の高い方から優先的に稼働させるように制御することを特徴とする燃料電池システムの運用方法。

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