JP2017027890A

JP2017027890A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2017027890A
Application number: JP2015147964A
Authority: JP
Inventors: 広和小竹; Hirokazu Kotake
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因するシール部材の破壊を防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２の温度を検出する温度センサ３５と、コントローラ３６とを備える。コントローラ３６は、燃料電池２の温度を上昇させる際に、温度センサ３５により検出された燃料電池２の温度と、インターコネクタ１２の熱膨張率がシール部材２４の熱膨張率よりも大きい低温域とシール部材２４の熱膨張率がインターコネクタ１２の熱膨張率よりも大きい高温域との境界をなす特性切り換わり温度とを比較し、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池２の温度上昇速度が高くなるように、燃料供給ユニット２８及び空気供給ユニット２９を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池としては、例えば特許文献１に記載されている固体酸化物型燃料電池が知られている。特許文献１に記載の燃料電池は、固体電解質、燃料電極及び酸素電極からなる発電膜と、この発電膜を挟持するインターコネクタと、発電膜の周辺に配置されたシール部材とを備えている。このとき、インターコネクタの線熱膨張係数とシール部材の線熱膨張係数とは異なっている。

特開２００４−１４６１９３号公報

しかしながら、上記従来技術においては、互いに接合するインターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因する熱応力によるシール部材の破壊については一切考慮されていない。一般に、インターコネクタは金属材料から構成され、シール部材はガラス等から構成されている。従って、インターコネクタとシール部材とでは熱膨張率が異なるため、インターコネクタとシール部材との界面に発生する熱応力によってシール部材が破壊する可能性がある。

本発明の目的は、インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因するシール部材の破壊を防止することができる燃料電池システムを提供することである。

燃料電池において、インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率は、燃料電池の温度によって異なる。具体的には、燃料電池の温度が所定温度よりも低い低温域では、インターコネクタの熱膨張率がシール部材の熱膨張率よりも大きく、燃料電池の温度が所定温度よりも高い高温域では、シール部材の熱膨張率がインターコネクタの熱膨張率よりも大きい。本発明は、そのような知見に基づいて為されている。

即ち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給ユニットと、燃料電池に空気を供給する空気供給ユニットと、燃料電池の温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出された燃料電池の温度に基づいて燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御する制御部とを備え、燃料電池は、燃料と空気とを発電反応させるセル本体と、セル本体を表裏両側から挟むように配置されたインターコネクタと、隣り合う２つのインターコネクタ間におけるセル本体の周囲に配置されると共にインターコネクタと接合され、燃料と空気とが混合しないように隣り合う２つのインターコネクタ間をシールするシール部材とを有し、制御部は、燃料電池の温度を上昇させる際に、温度検出部により検出された燃料電池の温度と、インターコネクタの熱膨張率がシール部材の熱膨張率よりも大きい低温域とシール部材の熱膨張率がインターコネクタの熱膨張率よりも大きい高温域との境界をなす特性切り換わり温度とを比較し、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池の温度上昇速度が高くなるように、燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度を上昇させる際に、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池の温度上昇速度を高くする。従って、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときは、インターコネクタが膨張しにくくなるため、シール部材に引っ張り応力がかかりにくくなる。一方、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、シール部材が膨張しやすくなるため、シール部材に圧縮応力がかかりやすくなる。その結果、燃料電池の温度上昇時においてシール部材の強度が高くなる。これにより、インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因するシール部材の破壊を防止することができる。

制御部は、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が多くなるように、燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御してもよい。燃料電池の温度上昇時には、燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が多くなるほど、燃料電池の温度上昇速度が高くなる。従って、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池の温度上昇速度が確実に高くなる。

このとき、制御部は、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が２倍以上多くなるように、燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御してもよい。この場合には、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以上でないときに比べて、燃料電池の温度上昇速度が十分に高くなる。

また、制御部は、燃料電池の温度を下降させる際に、温度検出部により検出された燃料電池の温度と特性切り換わり温度とを比較し、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下でないときに比べて、燃料電池の温度下降速度が高くなるように、燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御してもよい。このように燃料電池の温度を下降させる際に、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下でないときに比べて、燃料電池の温度下降速度を高くする。従って、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下でないときは、シール部材が収縮しにくくなるため、シール部材に引っ張り応力がかかりにくくなる。一方、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下であるときは、インターコネクタが収縮しやすくなるため、シール部材に圧縮応力がかかりやすくなる。その結果、燃料電池の温度下降時においてシール部材の強度が高くなる。これにより、インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因するシール部材の破壊を一層防止することができる。

このとき、制御部は、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下でないときに比べて、燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が少なくなるように、燃料供給ユニット及び空気供給ユニットを制御してもよい。燃料電池の温度下降時には、燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が少なくなるほど、燃料電池の温度下降速度が高くなる。従って、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下であるときは、燃料電池の温度が特性切り換わり温度以下でないときに比べて、燃料電池の温度下降速度が確実に高くなる。

本発明によれば、インターコネクタ及びシール部材の熱膨張率の差に起因するシール部材の破壊を防止することができる燃料電池システムが提供される。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図１に示された燃料電池の外観を示す斜視図である。図２のＡ２−Ａ２線断面図及びＢ２−Ｂ２線断面図である。燃料電池の温度とインターコネクタ及びシール部材の熱膨張率との関係を表すグラフである。図１に示されたコントローラにより燃料電池の温度を上昇させる際の制御処理手順を示すフローチャートである。図１に示されたコントローラにより燃料電池の温度を下降させる際の制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料である水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。

図２は、燃料電池２の外観を示す斜視図である。図２において、燃料電池２は、スタック３と、このスタック３を上下方向に挟むように配置されたエンドプレート４Ａ，４Ｂとを備えている。スタック３とエンドプレート４Ａ，４Ｂとの間には、絶縁プレート５が配置されている。スタック３、エンドプレート４Ａ，４Ｂ及び絶縁プレート５は、平面視正方形状を呈している。スタック３とエンドプレート４Ａ，４Ｂとは、４つのボルト６により固定されている。

上側のエンドプレート４Ａには、スタック３内に燃料を導入するための燃料導入管７と、スタック３内から燃料を導出するための燃料導出管８と、スタック３内に空気を導入するための空気導入管９と、スタック３内から空気を導出するための空気導出管１０とが取り付けられている。燃料導入管７及び燃料導出管８は、エンドプレート４Ａにおける一方の対向する２つの縁部近傍の中央部に取り付けられている。空気導入管９及び空気導出管１０は、エンドプレート４Ａにおける他方の対向する２つの縁部近傍の中央部に取り付けられている。

図３（ａ）は、図２のＡ２−Ａ２線断面図であり、図３（ｂ）は、図２のＢ２−Ｂ２線断面図である。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、エンドプレート４Ａ，４Ｂ及び絶縁プレート５は省略している。

図３において、スタック３は、セル本体１１とインターコネクタ１２とが複数ずつ交互に積層された構造を有している。スタック３の最上層及び最下層は、インターコネクタ１２である。

セル本体１１は、電解質１３と、この電解質１３の表面側に配置された燃料極（アノード）１４と、電解質１３の裏面側に配置された空気極（カソード）１５とを有している。セル本体１１は、水素と酸素とを発電反応させる。

インターコネクタ１２は、セル本体１１を表裏両側（燃料極１４側及び空気極１５側）から挟むように配置されている。インターコネクタ１２は、耐熱ステンレス鋼等の金属材料から構成されている。インターコネクタ１２は、各セル本体１１間の導通を確保すると共に、燃料及び空気の流路を形成する。インターコネクタ１２は、燃料を導入する燃料導入流路１６と、燃料を導出する燃料導出流路１７と、空気を導入する空気導入流路１８と、空気を導出する空気導出流路１９とを有している。

また、インターコネクタ１２は、燃料極１４と対向する燃料流路形成部２０と、空気極１５と対向する空気流路形成部２１とを有している。燃料流路形成部２０は、燃料極１４に供給される燃料が流れる燃料流路２２を形成する。空気流路形成部２１は、空気極１５に供給される空気が流れる空気流路２３を形成する。燃料流路形成部２０及び空気流路形成部２１は、例えば複数の柱状または壁状の突起が設けられた構造を有している。燃料流路２２は、燃料導入流路１６及び燃料導出流路１７と連通している。空気流路２３は、空気導入流路１８及び空気導出流路１９と連通している。

インターコネクタ１２の燃料導入流路１６に導入された燃料が燃料流路２２を通ってセル本体１１の燃料極１４に供給されると共に、インターコネクタ１２の空気導入流路１８に導入された空気が空気流路２３を通ってセル本体１１の空気極１５に供給されることで、セル本体１１において発電反応が起こる。このとき、未反応の燃料がインターコネクタ１２の燃料導出流路１７を通って排出されると共に、未反応の空気がインターコネクタ１２の空気導出流路１９を通って排出される。

積層方向に隣り合う２つのインターコネクタ１２間におけるセル本体１１の周囲には、環状のシール部材２４がセル本体１１を取り囲むように配置されている。シール部材２４は、燃料と空気とが混合しないように隣り合う２つのインターコネクタ１２間をシールすると共に、隣り合う２つのインターコネクタ１２同士を電気的に絶縁する部材である。シール部材２４は、ガラス等から構成されている。シール部材２４は、隣り合う２つのインターコネクタ１２に接合されている。シール部材２４は、燃料導入流路１６及び燃料導出流路１７と連通する燃料通路２４ａと、空気導入流路１８及び空気導出流路１９と連通する空気通路２４ｂとを有している。

図４は、燃料電池２の温度とインターコネクタ１２及びシール部材２４の熱膨張率αとの関係を表すグラフである。図４において、破線Ｐはインターコネクタ１２の熱膨張率αを示し、実線Ｑはシール部材２４の熱膨張率αを示している。なお、インターコネクタ１２の材料は、例えばＣｒを含有したフェライト系合金であり、シール部材２４の材料は、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３またはＢ_２Ｏ_３を主成分としたガラスである。

図４に示されるグラフから分かるように、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０（ここでは３２０℃）である状態では、インターコネクタ１２の熱膨張率αとシール部材２４の熱膨張率αとが等しい。燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０よりも低い低温域では、インターコネクタ１２の熱膨張率αがシール部材２４の熱膨張率αよりも大きい。燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０よりも高い高温域では、シール部材２４の熱膨張率がインターコネクタ１２の熱膨張率よりも大きい。なお、特性切り換わり温度Ｔ０は、インターコネクタ１２及びシール部材２４の熱膨張率αの温度特性が切り換わる温度であり、低温域と高温域との境界をなしている。

図１に戻り、燃料電池２で発生した電力は、コンバータ２５により電力変換されて、リチウムイオン電池等の蓄電デバイス２６に蓄えられる。

また、燃料電池システム１は、燃焼器２７と、燃料供給ユニット２８と、空気供給ユニット２９とを備えている。燃焼器２７は、燃料電池２から排出された未反応の燃料及び空気が混合された状態の排ガス（オフガス）を燃焼する。

燃料供給ユニット２８は、燃料電池２に燃料を供給する。燃料供給ユニット２８は、燃料である水素を気体の状態で貯蔵する燃料タンク３０と、この燃料タンク３０に貯蔵された燃料を送り出す流量調整弁３１と、この流量調整弁３１から送り出された燃料を熱交換して昇温する熱交換器３２とを有している。流量調整弁３１の開度が大きくなるほど、流量調整弁３１から送り出される燃料の流量が多くなる。熱交換器３２は、燃焼器２７により燃焼された排ガスの熱により燃料を熱交換して昇温する。なお、燃焼器２７から熱交換器３２に供給される排ガスの流路は、燃料供給ユニット２８の一部を構成している。

空気供給ユニット２９は、燃料電池２に空気を供給する。空気供給ユニット２９は、空気を取り込んで圧送するコンプレッサ３３と、このコンプレッサ３３より圧送された空気を熱交換して昇温する熱交換器３４とを有している。コンプレッサ３３の回転数が高くなるほど、コンプレッサ３３より圧送される空気の流量が多くなる。熱交換器３４は、燃焼器２７により燃焼された排ガスの熱により空気を熱交換して昇温する。なお、燃焼器２７から熱交換器３４に供給される排ガスの流路は、空気供給ユニット２９の一部を構成している。

さらに、燃料電池システム１は、温度センサ３５と、コントローラ３６とを備えている。温度センサ３５は、燃料電池２の温度を検出する温度検出部である。温度センサ３５は、例えばセル本体１１に隣接するインターコネクタ１２に設けられ、検出した温度を燃料電池２の温度としている。コントローラ３６は、燃料電池２の温度を上昇及び下降させる際に、温度センサ３５の検出値に基づいて流量調整弁３１及びコンプレッサ３３を制御する制御部である。

図５は、コントローラ３６により燃料電池２の温度を上昇させる際の制御処理手順を示すフローチャートである。図５において、コントローラ３６は、まず温度センサ３５の検出値を取得する（手順Ｓ１０１）。そして、コントローラ３６は、温度センサ３５により検出された燃料電池２の温度と上記の特性切り換わり温度Ｔ０とを比較し、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。

コントローラ３６は、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、高速昇温用供給ガス流量指令値を流量調整弁３１及びコンプレッサ３３に出力して、流量調整弁３１及びコンプレッサ３３を制御する（手順Ｓ１０３）。高速昇温用供給ガス流量指令値は、燃料電池２の温度上昇速度を高くするために燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量の指令値である。コントローラ３６は、具体的には、高速昇温用供給ガス流量指令値に応じて流量調整弁３１の開度及びコンプレッサ３３の回転数を制御する。

コントローラ３６は、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないとき、つまり燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０よりも低いときは、低速昇温用供給ガス流量指令値を流量調整弁３１及びコンプレッサ３３に出力して、流量調整弁３１及びコンプレッサ３３を制御する（手順Ｓ１０４）。低速昇温用供給ガス流量指令値は、燃料電池２の温度上昇速度を低くするために燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量の指令値である。低速昇温用供給ガス流量指令値は、高速昇温用供給ガス流量指令値よりも小さい。コントローラ３６は、具体的には、低速昇温用供給ガス流量指令値に応じて流量調整弁３１の開度及びコンプレッサ３３の回転数を制御する。

これにより、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が多くなり、結果的に燃料電池２の温度上昇速度が高くなる。このとき、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が２倍以上多くてもよい。

例えば、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量は、５０〜１００ＮＬ／ｍｉｎである。この場合には、燃料電池２の温度上昇速度は、３℃／ｓｅｃである。一方、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量は、１５０〜３００ＮＬ／ｍｉｎである。この場合には、燃料電池２の温度上昇速度は、１０℃／ｓｅｃである。

このようにコントローラ３６は、燃料電池２の温度を上昇させる際に、温度センサ３５により検出された燃料電池２の温度と、インターコネクタ１２の熱膨張率αがシール部材２４の熱膨張率αよりも大きい低温域とシール部材２４の熱膨張率αがインターコネクタ１２の熱膨張率αよりも大きい高温域との境界をなす特性切り換わり温度Ｔ０とを比較し、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２の温度上昇速度が高くなるように、燃料供給ユニット２８の流量調整弁３１及び空気供給ユニット２９のコンプレッサ３３を制御する。

図６は、コントローラ３６により燃料電池２の温度を下降させる際の制御処理手順を示すフローチャートである。図６において、コントローラ３６は、まず温度センサ３５の検出値を取得する（手順Ｓ１１１）。そして、コントローラ３６は、温度センサ３５により検出された燃料電池２の温度と特性切り換わり温度Ｔ０とを比較し、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるかどうかを判断する（手順Ｓ１１２）。

コントローラ３６は、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、高速降温用供給ガス流量指令値を流量調整弁３１及びコンプレッサ３３に出力して、流量調整弁３１及びコンプレッサ３３を制御する（手順Ｓ１１３）。高速降温用供給ガス流量指令値は、燃料電池２の温度下降速度を高くするために燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量の指令値である。コントローラ３６は、具体的には、高速降温用供給ガス流量指令値に応じて流量調整弁３１の開度及びコンプレッサ３３の回転数を制御する。

コントローラ３６は、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないとき、つまり燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０よりも高いときは、低速降温用供給ガス流量指令値を流量調整弁３１及びコンプレッサ３３に出力して、流量調整弁３１及びコンプレッサ３３を制御する（手順Ｓ１１４）。低速降温用供給ガス流量指令値は、燃料電池２の温度下降速度を低くするために燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量の指令値である。低速降温用供給ガス流量指令値は、高速降温用供給ガス流量指令値よりも大きい。コントローラ３６は、具体的には、低速降温用供給ガス流量指令値に応じて流量調整弁３１の開度及びコンプレッサ３３の回転数を制御する。

これにより、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が少なくなり、結果的に燃料電池２の温度下降速度が高くなる。例えば、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量は少量である。一方、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量はゼロである。

このようにコントローラ３６は、燃料電池２の温度を下降させる際に、温度センサ３５により検出された燃料電池２の温度と、インターコネクタ１２の熱膨張率αがシール部材２４の熱膨張率αよりも大きい低温域とシール部材２４の熱膨張率αがインターコネクタ１２の熱膨張率αよりも大きい高温域との境界をなす特性切り換わり温度Ｔ０とを比較し、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときに比べて、燃料電池２の温度下降速度が高くなるように、燃料供給ユニット２８の流量調整弁３１及び空気供給ユニット２９のコンプレッサ３３を制御する。

以上のように本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料電池２の温度を上昇させる際に、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２の温度上昇速度を高くする。従って、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないとき、つまり燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０よりも低いときは、インターコネクタ１２が膨張しにくくなるため、シール部材２４に引っ張り応力がかかりにくくなる。一方、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、シール部材２４が膨張しやすくなるため、シール部材２４に圧縮応力がかかりやすくなる。その結果、燃料電池２の温度上昇時においてシール部材２４の強度が高くなる。これにより、インターコネクタ１２及びシール部材２４の熱膨張率αの差に起因するシール部材２４の破壊を防止することができる。

また、燃料電池２の温度上昇時には、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が多くなるほど、燃料電池２の温度上昇速度が高くなる。従って、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量を多くすることにより、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２の温度上昇速度が確実に高くなる。

このとき、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量を２倍以上多くすることにより、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以上でないときに比べて、燃料電池２の温度上昇速度が十分に高くなる。

さらに、燃料電池２の温度を下降させる際に、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときに比べて、燃料電池２の温度下降速度を高くする。従って、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときは、シール部材２４が収縮しにくくなるため、シール部材２４に引っ張り応力がかかりにくくなる。一方、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、インターコネクタ１２が収縮しやすくなるため、シール部材２４に圧縮応力がかかりやすくなる。その結果、燃料電池２の温度下降時においてシール部材２４の強度が高くなる。これにより、インターコネクタ１２及びシール部材２４の熱膨張率αの差に起因するシール部材２４の破壊を一層防止することができる。

また、燃料電池２の温度下降時には、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が少なくなるほど、燃料電池２の温度下降速度が高くなる。従って、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときに比べて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量を少なくすることにより、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下であるときは、燃料電池２の温度が特性切り換わり温度Ｔ０以下でないときに比べて、燃料電池２の温度下降速度が確実に高くなる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、コントローラ３６は、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量を制御することで、燃料電池２の温度上昇速度及び温度下降速度を制御しているが、特にその形態には限られず、燃焼器２７から熱交換器３２，３４に供給される排ガスの流量を制御することで、燃料電池２の温度上昇速度及び温度下降速度を制御してもよい。このとき、燃料電池２の温度上昇速度を高くするときは、燃焼器２７から熱交換器３２，３４に供給される排ガスの流量を増加させ、燃料電池２の温度下降速度を高くするときは、燃焼器２７から熱交換器３２，３４に供給される排ガスの流量を減少させる。また、燃料電池２の温度上昇速度を高くする手段としては、例えば別途加熱部を設け、コントローラ３６により加熱部を加熱するように制御することも可能である。

また、上記実施形態では、コンプレッサ３３より燃料電池２に空気を供給しているが、燃料電池２に空気を送る装置としては、特にコンプレッサ３３には限られず、ブロワー等であってもよい。

さらに、上記実施形態の燃料電池システム１は、燃料として水素を貯蔵する燃料タンク３０を備えており、燃料タンク３０内の水素が流量調整弁３１により燃料電池２に供給されるが、特にその形態には限られない。燃料電池システムは、燃料としてアンモニア、軽油または都市ガス等を貯蔵する燃料タンクと、この燃料タンク内の燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質器とを備え、改質器により生成された改質ガスを燃料電池２に供給してもよい。このとき、燃料の種類によっては、燃料タンク内の燃料を流量調整弁ではなくポンプにより改質器に送り出してもよい。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、１１…セル本体、１２…インターコネクタ、２４…シール部材、２８…燃料供給ユニット、２９…空気供給ユニット、３５…温度センサ（温度検出部）、３６…コントローラ（制御部）。

Claims

燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給ユニットと、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給ユニットと、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御する制御部とを備え、
前記燃料電池は、燃料と空気とを発電反応させるセル本体と、前記セル本体を表裏両側から挟むように配置されたインターコネクタと、隣り合う２つの前記インターコネクタ間における前記セル本体の周囲に配置されると共に前記インターコネクタと接合され、燃料と空気とが混合しないように前記隣り合う２つのインターコネクタ間をシールするシール部材とを有し、
前記制御部は、前記燃料電池の温度を上昇させる際に、前記温度検出部により検出された前記燃料電池の温度と、前記インターコネクタの熱膨張率が前記シール部材の熱膨張率よりも大きい低温域と前記シール部材の熱膨張率が前記インターコネクタの熱膨張率よりも大きい高温域との境界をなす特性切り換わり温度とを比較し、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上であるときは、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上でないときに比べて、前記燃料電池の温度上昇速度が高くなるように、前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上であるときは、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上でないときに比べて、前記燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が多くなるように、前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上であるときは、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以上でないときに比べて、前記燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が２倍以上多くなるように、前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の温度を下降させる際に、前記温度検出部により検出された前記燃料電池の温度と前記特性切り換わり温度とを比較し、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以下であるときは、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以下でないときに比べて、前記燃料電池の温度下降速度が高くなるように、前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以下であるときは、前記燃料電池の温度が前記特性切り換わり温度以下でないときに比べて、前記燃料電池に供給される燃料及び空気の流量が少なくなるように、前記燃料供給ユニット及び前記空気供給ユニットを制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。