JP2015176737A

JP2015176737A - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP2015176737A
Application number: JP2014052016A
Authority: JP
Inventors: 河合　秀樹; Hideki Kawai; 秀樹河合; 山▲崎▼　修; Osamu Yamazaki; 修山▲崎▼
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP6344936B2

Abstract

【課題】セルスタックを構成するセルブロック毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができ、その結果、発電運転を行わせることに伴う経時劣化の進行度合いをセルブロック毎に変えることができる固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池セル部ＣＳの発電電力は電力出力回路部を介して電力負荷部に供給され、燃料電池セル部ＣＳは、複数のセルブロックＣＢ毎に、燃料極１１への燃料ガスの供給及び停止と空気極１２への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数のセルブロックＣＢ毎に、電力出力回路部に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成され、運転制御手段は、電力負荷部による負荷電力の大きさ及び複数のセルブロックＣＢのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数のセルブロックＣＢの中から発電運転させるセルブロックＣＢを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成されるセルを複数個有する燃料電池セル部と、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池は、要求された負荷に対して、供給するガス量を制御することで柔軟に対応できる特徴がある。現在は、一つの固体高分子形燃料電池に一つのセルスタックを設置し、この負荷変動に対応している。そのため、発電をしている限りセルスタック内の全てのセルが運転状態にあり、継時的な劣化を免れない。このような劣化の問題に鑑みて、単セルあるいは複数の単セルからなるセルブロックの電圧パターンを監視し、異常を感知した場合、セルの加湿条件やセルへの供給ガス量を変更する方法が提案されている（特許文献１を参照）。

特開平９−２４５８２６号公報

特許文献１に記載の燃料電池では、セルの加湿条件やセルへの供給ガス量の変更は、セルスタック全体として行われ、個別のセルに対して加湿条件や供給ガス量を変更する構成とはなっていない。そして、燃料電池を発電運転させるときは全てのセルで発電運転が行われるため、経時的な劣化でセルスタックの中の一部のセルのみが特異的に劣化することになる。その結果。劣化の程度が小さいセルが存在していても、その特異的に劣化したセルの存在により、セルスタック全体として発電不能となる可能性もある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルスタックを構成するセルブロック毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができ、その結果、発電運転を行わせることに伴う経時劣化の進行度合いをセルブロック毎に変えることができる固体高分子形燃料電池を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成されるセルを複数個有する燃料電池セル部と、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記燃料電池セル部は、前記セルが複数積層して形成される一つのセルスタックで構成され、当該セルスタックは、隣接して積層されている複数の前記セルで構成されるセルブロックを複数個有し、
前記燃料電池セル部の発電電力は電力出力回路部を介して電力負荷部に供給され、
前記燃料電池セル部は、複数の前記セルブロック毎に、前記燃料極への燃料ガスの供給及び停止と前記空気極への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数の前記セルブロック毎に、前記電力出力回路部に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成され、
前記運転制御手段は、前記電力負荷部による負荷電力の大きさ及び複数の前記セルブロックのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数の前記セルブロックの中から発電運転させるセルブロックを決定する点にある。

上記特徴構成によれば、燃料電池セル部は、複数のセルブロック毎に、燃料極への燃料ガスの供給及び停止と空気極への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数のセルブロック毎に、電力出力回路部に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成されている。つまり、固体高分子形燃料電池を発電運転させるとき、セルブロック毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができるため、全てのセルが常時発電運転する訳ではない。
また、運転制御手段は、電力負荷部による負荷電力の大きさ及び複数のセルブロックのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数のセルブロックの中から発電運転させるセルブロックを決定する。つまり、運転優先度が低いセルブロックは、運転優先度が高いセルブロックに比べて、発電運転する時間が相対的に短くなる。その結果、運転優先度が低いセルブロックについては、発電運転することに伴う経時劣化の進行度合いを、運転優先度が高いセルブロックに比べて遅らせることができる。
従って、セルスタックを構成するセルブロック毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができ、その結果、発電運転を行わせることに伴う経時劣化の進行度合いをセルブロック毎に変えることができる固体高分子形燃料電池を提供できる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の別の特徴構成は、前記運転制御手段は、
前記発電運転させるセルブロックの数を、前記負荷電力の大きさに応じて決定する運転数決定部と、
前記運転数決定部が決定した前記発電運転させるセルブロックの数を満たすように、複数の前記セルブロックのうち、前記運転優先度の相対的に高いセルブロックから順に、前記発電運転させるセルブロックとして決定する運転セルブロック決定部とを有する点にある。

上記特徴構成によれば、運転制御手段が有する運転数決定部が、発電運転させるセルブロックの数を、負荷電力の大きさに応じて決定し、運転制御手段が有する運転セルブロック決定部が、運転数決定部が決定した発電運転させるセルブロックの数を満たすように、複数のセルブロックのうち、運転優先度の相対的に高いセルブロックから順に、発電運転させるセルブロックとして決定する。つまり、必要以上の数のセルブロックが発電運転しないので、セルブロックの経時劣化が無用に進行することを避けることができる。また、運転優先度が相対的に高いセルブロックの方が発電運転する頻度が高くなるので、運転優先度が低いセルブロックは、発電運転することに伴う経時劣化の進行度合いを、運転優先度が高いセルブロックに比べて遅らせることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記運転優先度に関する情報は、複数の前記セルブロックのそれぞれの劣化の程度に関する情報を含み、
前記運転セルブロック決定部は、前記セルブロックの前記劣化の程度が相対的に低いほど、当該セルブロックの前記運転優先度が相対的に高いと判定する点にある。

上記特徴構成によれば、運転セルブロック決定部は、セルブロックの劣化の程度が相対的に低いほど、そのセルブロックの運転優先度が相対的に高いと判定する。その結果、劣化の程度が相対的に高いセルブロック（即ち、運転優先度が低いセルブロック）は、劣化の程度が相対的に低いセルブロック（運転優先度が高いセルブロック）に比べて、発電運転する時間が相対的に短くなる。その結果、劣化の程度が相対的に高いセルブロックについては、発電運転することに伴う経時劣化の進行度合いを、劣化の程度が相対的に低いセルブロックに比べて遅らせることができる。つまり、各セルブロックの劣化の進行度合いを均等化することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記セルブロックの前記劣化の程度に関する情報は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積であり、
前記運転セルブロック決定部は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど、前記セルブロックの前記劣化の程度が相対的に低いと判定する点にある。

上記特徴構成によれば、運転セルブロック決定部が、セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど、セルブロックの劣化の程度が相対的に低いと判定するように構成する。各セルブロックの劣化の程度を、セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積によって定量的に評価した上で、発電運転させるセルブロックを決定することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記運転優先度に関する情報は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積を含み、
前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど前記運転優先度が高いと判定される点にある。

上記特徴構成によれば、運転優先度の高低を判定するための指標として、セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積を用い、セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど運転優先度が高いと判定される。その結果、運転優先度の高い（即ち、過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さい）セルブロックから順に発電運転させられることで、複数のセルブロックの累積発電運転期間と発電電力との積が均等化することになる。

燃料電池システムの構成を説明する図である。セルスタックの構成を説明する図である。セルスタックへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給経路並びにセルスタックからの燃料ガス及び酸化剤ガスの排出経路を説明する図である。燃料電池の制御機構を説明する図である。セルスタックが４つのセルブロックで構成される場合の模式図である。

以下に図面を参照して固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を説明する図であり、図２は、セルスタックＣＳの構成を説明する図であり、図３は、セルスタックＣＳへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給経路並びにセルスタックＣＳからの燃料ガス及び酸化剤ガスの排出経路を説明する図であり、図４は、固体高分子形燃料電池の制御機構を説明する図である。図示するように、この燃料電池システムは、発電ユニットＵ１と貯湯ユニットＵ２とを備える。尚、本願で示す図面では、本発明の理解を容易にするために、各部材の位置関係や大きさなどを本来の位置関係や大きさなどとは異なるように描いている箇所もある。

発電ユニットＵ１は、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置としての固体高分子形燃料電池を有する。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成されるセルＣを複数個有する燃料電池セル部としてのセルスタックＣＳを備える。具体的には、セルスタックＣＳは、固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成される膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、燃料ガス流路１３ａを通してその燃料極１１に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ１３と、膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられ、酸化剤ガス流路１４ａを通してその空気極１２に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ１４とを有するセルＣを複数積層して形成されるセルスタックＣＳとを備える。また、図４に示すように、固体高分子形燃料電池は、自身の運転を制御する運転制御手段３６を備える。この運転制御システムは、燃料電池システムの運転を制御するように構成されている。

本実施形態では、固体高分子形燃料電池には、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）とが供給される。
燃料ガスとしての水素は、発電ユニットＵ１が備える改質器８が、炭化水素を含む原燃料を改質することで生成される。図１に示した例では、メタン（ＣＨ₄）を主成分とする原燃料ガス（都市ガス等）が、原燃料ガス供給路６を介して改質器８に供給されて改質され、その結果として得られる水素を主成分とする燃料ガスが、燃料ガス供給路７を介してセルＣに供給される。また、セルＣには、酸化剤ガスとしての空気も、酸化剤ガス供給路１を介して供給される。

燃料ガス供給路７の途中には燃料極側加湿器４が設けられ、セルＣへ供給される燃料ガスの加湿が行われる。また、酸化剤ガス供給路１の途中には空気極側加湿器２が設けられ、セルＣへ供給される酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２については既存の様々な加湿器を利用できる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の動作は運転制御手段３６が制御する。具体的には、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の加湿部分での温度を制御することで、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を調節する。一例を挙げると、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４の加湿部分での温度を高くすると、燃料ガスに含まれる水分量を増加させる（即ち、燃料ガスの露点を高くする）ことができる。

加えて、燃焼器９には、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（以下、「排燃料ガス」と記載することもある）が排燃料ガス路５を介して供給され、且つ、空気（酸素）が酸化剤ガス供給路１ａを介して供給される。そして、燃焼器９で排燃料ガスが燃焼され、その燃焼熱が改質器８に伝達されることで、改質器８での改質反応が促進される。そして、燃焼器９から排出される排ガスと、セルＣでの発電反応に用いられた後の空気とは、排ガス路３を介して発電ユニットＵ１の外部へと排出される。尚、図１では、排燃料ガスと空気とが予め混合された上で燃焼器９に供給される状態（排燃料ガス路５が酸化剤ガス供給路１ａに連結された状態）を示しているが、排燃料ガスと空気とを別々に燃焼器９へ供給してもよい。

セルＣでは、燃料極セパレータ１３が膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、空気極セパレータ１４が膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられる。そして、燃料極セパレータ１３に形成される燃料ガス流路１３ａを通して燃料極１１に燃料ガスが導入され、空気極セパレータ１４に形成される酸化剤ガス流路１４ａを通して空気極１２に酸化剤ガスが導入される。図１に示した例では、一つのセルＣは、一方の面に燃料ガスが流通する上記燃料ガス流路１３ａとなる燃料ガス用溝が形成される燃料極セパレータ１３と、一方の面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１４ａとなる酸化剤ガス用溝が形成され且つ他方の面に冷却水が流通する冷却水用溝が形成される空気極セパレータ１４と、膜電極接合体４０とを用いて構成される。そして、一つのセルＣにおいて、燃料ガス用溝が形成されている燃料極セパレータ１３の一方の面を膜電極接合体４０の燃料極１１に相対させることで燃料ガスを燃料極１１に導入し、及び、酸化剤ガス用溝が形成されている空気極セパレータ１４の一方の面を膜電極接合体４０の空気極１２に相対させることで酸化剤ガスを空気極１２に導入するように構成される。セルスタックＣＳにおいて、一方のセルＣの冷却水用溝が形成されている空気極セパレータ１４の他方の面を、他方のセルＣの燃料ガス用溝が形成されていない燃料極セパレータ１３の他方の面に相対させるようにして複数のセルＣが順に積層される。

セルＣは、図２に示すＹ軸方向に順に積層される。そして、セルスタックＣＳは、セルＣの積層方向に沿った上流側から下流側に向かって延びる（即ち、Ｙ軸方向に沿って延びる）、セルスタックＣＳへ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド部１５と、セルスタックＣＳへ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド部１７と、セルスタックＣＳから排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホールド部１６と、セルスタックＣＳから排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド部１８とを備える。燃料ガス供給マニホールド部１５には燃料ガス供給路７が接続され、それにより燃料ガスがセルスタックＣＳへ供給される。酸化剤ガス供給マニホールド部１７には酸化剤ガス供給路１が接続され、それにより酸化剤ガスがセルスタックＣＳへ供給される。燃料ガス排出マニホールド部１６には排燃料ガス路５が接続され、それにより、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（排燃料ガス）がセルスタックＣＳから排出される。酸化剤ガス排出マニホールド部１８には排ガス路３が接続され、セルＣでの発電反応に用いられた後の酸化剤ガスがセルスタックＣＳから排出される。

図３に示すように、セルＣが複数積層して形成される一つのセルスタックＣＳは、隣接して積層されている複数のセルで構成されるセルブロックＣＢを複数個有する。後述するように、セルブロックＣＢは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給並びに排出が一括して行われ、電力出力回路部３２への接続並びに切断も一括して行われる。
尚、図３に示すようなセルスタックＣＳに対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給並びに排出の仕組みは、燃料ガス及び酸化剤ガスの双方に共通する。そのため、図３中では、酸化剤ガスに関する部材の参照番号を括弧書きで付している。

図３及び図４に示すように、セルスタックＣＳに至る燃料ガス供給路７の途中には燃料ガスの流通量を調節する流量制御器群３８が設けられ、セルスタックＣＳに至る酸化剤ガス供給路１の途中には酸化剤ガスの流通量を調節する流量制御器群３９が設けられる。燃料ガス供給路７は各セルブロックＣＢに至るように分岐し、酸化剤ガス供給路１は各セルブロックに至るように分岐する。流量制御器群３８は複数の流量制御器３８ａで構成され、分岐した後の燃料ガス供給路７の途中に各流量制御器３８ａが設けられる。同様に、流量制御器群３９は複数の流量制御器３９ａで構成され、分岐した後の酸化剤ガス供給路１の途中に各流量制御器３９ａが設けられる。加えて、燃料ガス供給マニホールド部１５の内部は各セルブロックＣＢで共通の空間を形成するように分割され、酸化剤ガス供給マニホールド部１７は各セルブロックＣＢで共通の空間を形成するように分割されている。

セルスタックＣＳから出た排燃料ガス路５の途中にはその流路の開閉を切り替える電磁弁群４１が設けられ、セルスタックＣＳから出た排ガス路３の途中にはその流路の開閉を切り替える電磁弁群４２が設けられる。また、燃料ガス排出マニホールド部１６の内部は各セルブロックＣＢで共通の空間を形成するように分割され、酸化剤ガス排出マニホールド部１８は各セルブロックＣＢで共通の空間を形成するように分割されている。燃料ガス排出マニホールド部１６の分割された各空間には、分岐された排燃料ガス路５が接続され、各排燃料ガス路５の途中には電磁弁群４１を構成する電磁弁４１ａが設けられる。酸化剤ガス排出マニホールド部１８の分割された各空間には、分岐された排ガス路３が接続され、各排ガス路３の途中には電磁弁群４２を構成する電磁弁４２ａが設けられる。その後、排燃料ガス路５は一つの流路に合流し、並びに、排ガス路３は一つの流路に合流する。

各セルＣの内部において、燃料ガス流路１３ａは、燃料ガス供給マニホールド部１５と燃料ガス排出マニホールド部１６との間を接続し、酸化剤ガス流路１４ａは、酸化剤ガス供給マニホールド部１７と酸化剤ガス排出マニホールド部１８との間を接続する。そして、燃料ガス供給マニホールド部１５では、燃料ガスが、同じセルブロックＣＢ内のセルＣの各燃料ガス流路１３ａへ流入し、酸化剤ガス供給マニホールド部１７では、酸化剤ガスが、同じセルブロックＣＢ内のセルＣの各酸化剤ガス流路１４ａへ流入する。図２に示す例では、図面の簡略化のため、セルＣにおいて、燃料ガス流路１３ａがＸ軸方向に沿って直線形状に形成され、酸化剤ガス流路１４ａがＺ軸方向に沿って直線形状に形成されているような模式図を描いているが、セルＣの内部での燃料ガス流路１３ａの形状及び酸化剤ガス流路１４ａの形状は自在に設計できる。例えば、一つのセルＣにおいて、燃料ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＸ軸の正の方向に向かって流れるように、燃料ガス流路１３ａを形成することができる。また、一つのセルＣにおいて、酸化剤ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＺ軸の正の方向に向かって流れるように、酸化剤ガス流路１４ａを形成することができる。また、図２に示す例では、冷却水についての説明は省略している。

上述した冷却水はセルＣを冷却する役割を担うと共に、セルＣから排熱を回収する役割も担っている。本実施形態では、冷却水は、冷却水循環路１９を流れている。冷却水循環路１９の途中には、上述したセルスタックＣＳ内の冷却水流路２０と、冷却水用熱交換器２１と、冷却水用ポンプ２２とが設けられており、冷却水用ポンプ２２によって付勢された冷却水がセルスタックＣＳ（冷却水流路２０）と冷却水用熱交換器２１とを順に流れながら循環するように構成されている。また、冷却水用熱交換器２１には、貯湯ユニットＵ２が備える貯湯タンク２５に貯えられている湯水が排熱回収路２３を介して流入する。その結果、冷却水用熱交換器２１では、冷却水循環路１９を流れる冷却水と排熱回収路２３を流れる湯水との間で熱交換が行われる。排熱回収路２３での湯水の流量は、排熱回収路２３の途中に設けられている排熱回収用ポンプ２４の出力を制御することで調節される。冷却水用ポンプ２２及び排熱回収用ポンプ２４の動作は運転制御手段３６が制御する。

貯湯ユニットＵ２に設けられる貯湯タンク２５では、上部に相対的に高温の湯水が貯えられ、下部に相対的に低温の湯水が貯えられる。具体的には、排熱回収路２３は、貯湯タンク２５の下部と貯湯タンク２５の上部とを接続するように設けられ、その間に上記冷却水用熱交換器２１が設けられる。その結果、貯湯タンク２５の下部に貯留されている相対的に低温の湯水が、排熱回収路２３を通って冷却水用熱交換器２１に至って昇温され、その昇温された相対的に高温の湯水が貯湯タンク２５の上部に帰還して流入する。

貯湯タンク２５の上部には給湯路２７が接続され、台所や風呂などの給湯用途に湯水が供給される。また、貯湯タンク２５の下部には給水路２６が接続され、貯湯タンク２５への湯水の補充が行われる。

セルスタックＣＳの発電電力は電力出力回路部３２を介して電力負荷部（図示せず）に供給される。固体高分子形燃料電池は、複数のセルＣと電力出力回路部３２との間の電気的な接続状態をセルブロックＣＢ毎に選択的に切り替える接続状態切替部３１を備える。ここで、電力出力回路部３２は、電力負荷部による負荷電力に対応した電力を出力するように動作する。

接続状態切替部３１は、複数のリレー回路３０を用いて構成される。各リレー回路３０は、セルスタックＣＳを構成する一つのセルブロックＣＢの両端に位置する燃料極１１と空気極１２とを接続している。全てのリレー回路３０が切断状態に切り換えられているとき、それらのリレー回路３０には電流が流れないため、互いに直列接続されている全てのセルブロックＣＢの出力電流が電力出力回路部３２に流れることになる。これに対して、特定のセルブロックＣＢの燃料極１１と空気極１２とを接続しているリレー回路３０が接続状態に切り替えられると、そのリレー回路３０には電流が流れる、即ち、対応するセルブロックＣＢをバイパスして電流が流れることになる。尚、発電運転するセルブロックＣＢの数が変化すれば、セルスタックＣＳでの発電反応において必要となる燃料ガスの量及び酸化剤ガスの量も変化するが、セルスタックＣＳへ供給される燃料ガスの流量及び酸化剤ガスの流量を、流量制御器群３８及び流量制御器群３９を用いて制御することができる。リレー回路３０及び電力出力回路部３２の動作は運転制御手段３６が制御する。流量制御器群３８及び流量制御器群３９の動作は運転制御手段３６が制御する。
また、各セルブロックＣＢの出力電圧であるセルブロック電圧を測定する電圧計２９が設けられている。これら複数の電圧計２９によって電圧検出手段２９Ａが構成されている。

以上のように、セルスタックＣＳは、複数のセルブロックＣＢ毎に、燃料極１１への燃料ガスの供給及び停止と空気極１２への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数のセルブロックＣＢ毎に、電力出力回路部３２に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成されている。

本実施形態では、運転制御手段３６は、電力負荷部（図示せず）による負荷電力の大きさ（即ち、電力出力回路部３２の出力電力）及び複数のセルブロックＣＢのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数のセルブロックＣＢの中から発電運転させるセルブロックＣＢを決定する。ここで、電力負荷部による負荷電力は、電力出力回路部３２での出力電力に対応し、運転制御手段３６はその出力電力の値を電力出力回路部３２から取得しているものとする。具体的には、運転制御手段３６は、発電運転させるセルブロックＣＢの数を、負荷電力の大きさ（即ち、電力出力回路部３２の出力電力）に応じて決定する運転数決定部３６ａと、運転数決定部３６ａが決定した発電運転させるセルブロックＣＢの数を満たすように、複数のセルブロックＣＢのうち、運転優先度の相対的に高いセルブロックＣＢから順に、発電運転させるセルブロックＣＢとして決定する運転セルブロック決定部３６ｂとを有する。上記運転優先度に関する情報は、運転制御手段３６が備える記憶部３６ｃに記憶しておくことができる。

運転優先度に関する情報は、複数のセルブロックＣＢのそれぞれの劣化の程度に関する情報を含む。そして、運転セルブロック決定部３６ｂは、セルブロックＣＢの劣化の程度が相対的に低いほど、当該セルブロックＣＢの運転優先度が相対的に高いと判定する。例えば、セルブロックＣＢの劣化の程度に関する情報は、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積である。そして、運転セルブロック決定部３６ｂは、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど、セルブロックＣＢの劣化の程度が相対的に低いと判定する。過去の累積発電運転期間と、その累積発電運転期間での発電電力は、運転制御手段３６が常時収集して記憶部３６ｃに記憶しておけばよい。

つまり、本実施形態では、運転優先度に関する情報は、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積を含み、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど運転優先度が高いと判定される。このように、運転優先度の高低を判定するための指標として、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積を用い、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど運転優先度が高いと判定される。その結果、運転優先度の高い（即ち、過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さい）セルブロックＣＢから順に発電運転させられることで、複数のセルブロックＣＢの累積発電運転期間と発電電力との積が均等化することになる。

図５は、セルスタックＣＳが４つのセルブロックＣＢ１〜ＣＢ４で構成される場合の例である。尚、セルスタックＣＳを構成するセルブロックＣＢの数は適宜変更可能である。
先ず、運転数決定部３６ａは、発電運転させるセルブロックＣＢの数を、負荷電力の大きさに応じて決定する。例えば、電力負荷部による負荷電力が固体高分子形燃料電池の定格電力であれば、電力出力回路部３２はその負荷電力に見合った電力を出力し、その出力電力の値は運転制御手段３６に伝達される。そして、運転制御手段３６が有する運転数決定部３６ａは、最大数のセルブロックＣＢ（即ち、全てのセルブロックＣＢ）を発電運転させる。この場合、運転数決定部３６ａは、発電運転させるセルブロックＣＢの数を「４」に決定する。従って、運転セルブロック決定部３６ｂは、全てのセルブロックＣＢ１〜ＣＢ４を、発電運転させるセルブロックＣＢとして決定する。

これに対して、負荷電力が固体高分子形燃料電池の定格電力の５０％であれば、電力出力回路部３２はその負荷電力に見合った電力を出力し、その出力電力の値は運転制御手段３６に伝達される。そして、運転制御手段３６が有する運転数決定部３６ａは、「２個（＝４個×５０％）」のセルブロックＣＢを発電運転させるセルブロックＣＢの数として決定し、運転セルブロック決定部３６ｂは、記憶部３６ｃに記憶されている運転優先度に関する情報に基づいて、運転数決定部３６ａが決定した発電運転させるセルブロックＣＢの数を満たすように、複数のセルブロックＣＢのうち、運転優先度の相対的に高いセルブロックＣＢから順に、発電運転させるセルブロックＣＢとして決定する。

以下の表１には、運転優先度に関する情報の一例として、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ４の過去の累積発電運転期間と発電電力との積を示す。この表１において示している過去の累積発電運転期間と発電電力との積は、ＣＢ１については０．７ｋＷで１２０時間運転された場合に相当し、ＣＢ２については０．７ｋＷで９０時間運転された場合に相当し、ＣＢ３については０．７ｋＷで１５０時間運転された場合に相当し、ＣＢ４については０．７ｋＷで１４０時間運転された場合に相当する。尚、各セルブロックＣＢが常時０．７ｋＷで発電運転されている訳ではない。

運転セルブロック決定部３６ｂは、過去の累積発電運転期間と発電電力との積が相対的に小さいＣＢ１及びＣＢ２を、発電運転させるセルブロックＣＢとして決定する。この表１の情報に基づくと、運転優先度の相対的に高いセルブロックは、ＣＢ２→ＣＢ１→ＣＢ４→ＣＢ３の順になる。

以上のように、セルスタックＣＳは、複数のセルブロックＣＢ毎に、燃料極１１への燃料ガスの供給及び停止と空気極１２への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数のセルブロックＣＢ毎に、電力出力回路部３２に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成されている。つまり、固体高分子形燃料電池を発電運転させるとき、セルブロックＣＢ毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができるため、全てのセルＣが常時発電運転する訳ではない。また、運転制御手段３６は、電力負荷部による負荷電力の大きさ及び複数のセルブロックＣＢのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数のセルブロックＣＢの中から発電運転させるセルブロックＣＢを決定する。つまり、運転優先度が低いセルブロックＣＢは、運転優先度が高いセルブロックＣＢに比べて、発電運転する時間が相対的に短くなる。その結果、運転優先度が低いセルブロックＣＢについては、発電運転することに伴う経時劣化の進行度合いを、運転優先度が高いセルブロックに比べて遅らせることができる。加えて、特定のセルブロックＣＢの劣化が進行した場合には、セルスタックＣＳ全体ではなく一部のセルブロックＣＢを交換するといった対応を採ることもできる。

尚、発電運転させるセルブロックＣＢの数が増大すると、セルスタックＣＳ全体で見ると排熱量が増大し、冷却水循環路１９を流れてセルスタックＣＳに流入してくる冷却水の温度が高くなることになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、発電運転させるセルブロックＣＢの数を増加させるとき、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段３６は、排熱回収用ポンプ２４の流量を増加側へ変更することで、冷却水循環路１９を流れる冷却水の温度を低下側へ変化させ、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させることができる。このとき、運転制御手段３６は、冷却水循環路１９の途中に設けられる温度計２８の測定結果を参照して、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度についての情報を取得することができる。
これに対して、発電運転させるセルブロックＣＢの数が減少すると、セルスタックＣＳ全体で見ると排熱量が低下し、排熱回収した湯水の温度が低下することになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、発電運転させるセルブロックＣＢの数を減少させるとき、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段３６は、排熱回収用ポンプ２４の流量を減少側へ変更することで、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させると共に排熱回収した湯水の温度を上昇させる。

また、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度を高くするとセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に減少し、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度を低くするとセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に増加する。特に、空気極１２側では発電反応により水が生成されるため、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が低くなって液体の水として存在する水の量が増加すると、ガス流路が水で閉塞されるといった問題が起こり得る。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、発電運転させるセルブロックＣＢの数を増加させるとき、上述したようにセルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つセルスタックＣＳへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器２を用いて減少側へ変化させる。つまり、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が低くなってセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に増加し得る状況になったとしても、空気極１２側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が減少側へ変化させられているので、液体として存在することになる水の量が大幅に増加しないようにでき、ガス流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。同様に、運転制御手段３６は、発電運転させるセルブロックＣＢの数を減少させるとき、上述したようにセルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つセルスタックＣＳへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器２を用いて増加側へ変化させる。つまり、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が高くなってセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に減少し得る状況になったとしても、空気極１２側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が増加側へ変化させられているので、セルスタックＣＳ内を湿潤した状態に保つことができる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、燃料電池システムの構成は適宜変更可能である。
例えば、図１に示した発電ユニットＵ１に変成器や一酸化炭素除去器などを追加で設けてもよい。即ち、図１に示した例では、改質器８で生成された改質ガス（水素を主成分とするガス）が固体高分子形燃料電池のセルＣに供給される例を示したが、変成器を用いてその改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、更に一酸化炭素除去器を用いてその変成処理を施した後の改質ガスに残存している一酸化炭素を除去した上でセルＣに供給するような変更を行ってもよい。
他にも、図１等に示した各ガスの流路の構成、冷却水の流路の構成、湯水の流路の構成なども適宜変更可能である。

＜２＞
上記実施形態において、運転優先度に関する情報としての過去の累積発電運転期間と発電電力との積の値に制限を設けてもよい。
例えば、特定のセルブロックＣＢが、運転優先度が最も高い（即ち、過去の累積発電運転期間と発電電力との積が最も小さい）として発電運転することになった場合、発電運転が継続される間に、その特定のセルブロックＣＢの累積発電運転期間と発電電力との積も大きくなる。つまり、発電運転を行うセルブロックＣＢとして選定された時点では、過去の累積発電運転期間と発電電力との積が最も小さかったが、その後、発電運転が継続される間に累積発電運転期間と発電電力との積が最も大きくなっている（即ち、その特定のセルブロックＣＢの劣化が最も進行している）こともある。

そこで、運転制御手段３６の運転セルブロック決定部３６ｂは、発電運転が継続される間に、累積発電運転期間と発電電力との積の値が設定上限値に達すると、発電運転させるセルブロックＣＢの選定をやり直すように動作する。この場合、累積発電運転期間と発電電力との積の値が設定上限値に達したセルブロックＣＢの運転優先度は最も低く判定される。最終的には、全てのセルブロックＣＢについての累積発電運転期間と発電電力との積の値が設定上限値に達することになる。そして、運転制御手段３６は、全てのセルブロックＣＢについての累積発電運転期間と発電電力との積の値が設定上限値に達すると、それら全てのセルブロックＣＢについての累積発電運転期間と発電電力との積の値をゼロにリセットする。例えば、設定上限値として１１７．６（ｋＷ・時間）という値を予め設定しておいて記憶部３６ｃに記憶させておくことができる。この１１７．６（ｋＷ・時間）という値は、０．７ｋＷで１６８時間運転された場合に相当する。

＜３＞
上記実施形態において、運転優先度の相対的な高低を、上述した累積発電運転期間と発電電力との積以外の情報に基づいて判定してもよい。例えば、運転セルブロック決定部３６ｂが、現在発電運転している或いは直近に発電運転していた特定のセルブロックＣＢに隣接しているセルブロックＣＢを最も運転優先度が高いと判定するように構成してもよい。これは、現在発電運転している或いは直近に発電運転していた特定のセルブロックＣＢに隣接しているセルブロックＣＢは、その特定のセルブロックＣＢからの熱伝達によりある程度の高さの温度になっていることが期待できるという理由による。

また、上述した累積発電運転期間と発電電力との積についての情報と、現在発電運転している或いは直近に発電運転していた特定のセルブロックＣＢに隣接しているか否かの情報とを、運転優先度の判定において併用することもできる。例えば、運転セルブロック決定部３６ｂが、複数のセルブロックＣＢについての累積発電運転期間と発電電力との積の値の差異が所定値以内の場合、累積発電運転期間と発電電力との積に基づく運転優先度の高低は同等であると見なし、現在発電運転している或いは直近に発電運転していた特定のセルブロックＣＢに隣接しているか否かの情報に基づく運転優先度の高低によって、発電運転させるセルブロックＣＢを選定してもよい。

他にも、運転セルブロック決定部３６ｂが、電圧検出手段２９Ａの検出結果に基づいて運転優先度の高低を決定してもよい。例えば、セルブロックＣＢの電圧が、設定下限電圧未満になっている（即ち、劣化の程度が大きい）セルブロックＣＢの運転優先度を最も低く判定してもよい。

＜４＞
上記実施形態では、セルブロックＣＢの劣化の程度に関する情報が、セルブロックＣＢの過去の累積発電運転期間と発電電力との積である例を説明したが、セルブロックＣＢの劣化の程度を他の情報に基づいて決定してもよい。

本発明は、セルスタックを構成するセルブロック毎に発電運転させるか否かの切り替えを行うことができ、その結果、発電運転を行わせることに伴う経時劣化の進行度合いをセルブロック毎に変えることができる固体高分子形燃料電池に利用できる。

１０固体高分子電解質膜
１１燃料極
１２空気極
１３ａ燃料ガス流路
１４ａ酸化剤ガス流路
３２電力出力回路部
３５ガス流入状態調節部
３６運転制御手段
３６ａ運転数決定部
３６ｂ運転セルブロック決定部
４０膜電極接合体
Ｃセル
ＣＳセルスタック（燃料電池セル部）
ＣＢセルブロック

Claims

固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成されるセルを複数個有する燃料電池セル部と、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記燃料電池セル部は、前記セルが複数積層して形成される一つのセルスタックで構成され、当該セルスタックは、隣接して積層されている複数の前記セルで構成されるセルブロックを複数個有し、
前記燃料電池セル部の発電電力は電力出力回路部を介して電力負荷部に供給され、
前記燃料電池セル部は、複数の前記セルブロック毎に、前記燃料極への燃料ガスの供給及び停止と前記空気極への酸化剤ガスの供給及び停止とを行うことができ、並びに、複数の前記セルブロック毎に、前記電力出力回路部に対する電気的な接続状態を切り替えることができるように構成され、
前記運転制御手段は、前記電力負荷部による負荷電力の大きさ及び複数の前記セルブロックのそれぞれに与えられる運転優先度に関する情報に応じて、複数の前記セルブロックの中から発電運転させるセルブロックを決定する固体高分子形燃料電池。
前記運転制御手段は、
前記発電運転させるセルブロックの数を、前記負荷電力の大きさに応じて決定する運転数決定部と、
前記運転数決定部が決定した前記発電運転させるセルブロックの数を満たすように、複数の前記セルブロックのうち、前記運転優先度の相対的に高いセルブロックから順に、前記発電運転させるセルブロックとして決定する運転セルブロック決定部とを有する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
前記運転優先度に関する情報は、複数の前記セルブロックのそれぞれの劣化の程度に関する情報を含み、
前記運転セルブロック決定部は、前記セルブロックの前記劣化の程度が相対的に低いほど、当該セルブロックの前記運転優先度が相対的に高いと判定する請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
前記セルブロックの前記劣化の程度に関する情報は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積であり、
前記運転セルブロック決定部は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど、前記セルブロックの前記劣化の程度が相対的に低いと判定する請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
前記運転優先度に関する情報は、前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積を含み、
前記セルブロックの過去の累積発電運転期間と発電電力との積が小さいほど前記運転優先度が高いと判定される請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池。