JP4979952B2

JP4979952B2 - 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法

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Publication number: JP4979952B2
Application number: JP2006019996A
Authority: JP
Inventors: 中村　　慎; 輝好小村; 順秋草; 周柴田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JP2007200786A

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置を制御するための制御プログラム並びに制御方法に関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いために触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極：Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合され、燃料電池発電装置を起動する際には、水素と窒素を用いて燃料極の還元状態が保持される。例えば、１ｋＷ級モジュールでは、窒素２０ＮＬ／ｍｉｎ（”Ｎ”は０℃基準を意味する。）と水素２ＮＬ／ｍｉｎの混合ガスを用いてパージを行っており、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。特に、燃料電池スタックが密閉されていないシールレスタイプの燃料電池発電装置では上記混合ガスの使用量が更に増加するため、発電に利用されない窒素を無駄に消費してしまい、発電コストが増加するという問題があった。

そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている（例えば、下記引用文献１参照）。この燃料電池発電装置は、例えば、図６に示すように、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガスとしても空気を導入する空気ブロア６や熱交換器２０、空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、各種制御を行う制御部５などで構成され、燃料電池スタック３と燃料改質器４とで燃料電池モジュール２が構成される。

特開２００２−２６０６９７号公報（第４−９頁、第２図）

ここで、固体酸化物型燃料電池発電装置では、発電セルを構成する固体電解質層内をイオンが移動して発電反応が起こる温度（作動温度）が約７００〜１０００℃と高いため、燃料電池スタック３の温度を高温に維持するために、発電時には燃料電池スタック３の燃料極側に導入する燃料ガスや水蒸気、燃料電池スタック３の空気極側に導入する空気を昇温する必要がある。

そこで、図６に示すように、水蒸気発生器１０内に熱交換器を設け、発電時に生じる排熱を利用して水蒸気の温度を高めてから燃料ガスに混合することにより燃料ガスを昇温し、また、空気供給系に熱交換器２０を配置し、発電時に生じる排熱を利用して空気を昇温する制御を行い、これにより燃料電池スタック３の温度を高温に維持している。

一方、発電反応は発熱反応であるため、発電時に燃料電池スタック３の温度が高くなりすぎる場合もあり、その場合は、通常、空気極側に導入する空気の流量を増やして燃料電池スタック３を冷却する制御を行う。しかしながら、上述したように、空気供給系で供給される空気は熱交換器２０によって温められているため、燃料電池スタック３を冷却するためには多量の空気が必要となり、また、流量を増やしたとしても燃料電池スタック３の温度を制御することが難しいという問題があった。また、酸化剤ガスとしての空気の流量を変化させた場合、出力を一定にするためには他の条件（例えば、燃料ガスの流量や水蒸気の流量など）も変化させなければならないため、燃料電池発電装置の制御が難しくなるという問題もあった。

このような問題は、燃料ガスとして炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置に限らず、水素を使用する燃料電池発電装置においても同様に生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、装置全体の制御を複雑にすることなく、燃料電池スタックの温度を確実に制御することができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、少なくとも前記空気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池発電装置に前記燃料電池スタックの温度を測定する手段を備え、前記制御手段では、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行うものである。

また、本発明の装置は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記空気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池発電装置に前記燃料電池スタックの温度を測定する手段を備え、
前記制御手段では、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行うものである。

また、本発明のプログラムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行う制御手段、として機能させるものである。

また、本発明のプログラムは、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行う制御手段、として機能させるものである。

また、本発明の方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置の定格運転時に、前記燃料電池スタックの温度を監視するステップと、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御ステップと、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御ステップと、を少なくとも有するものである。

また、本発明の方法は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置の定格運転時に、前記燃料電池スタックの温度を監視するステップと、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御ステップと、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御ステップと、を少なくとも有するものである。

このように、本発明は上記構成により、熱交換器を含む第１の空気供給系から供給される温空気と、熱交換器を含まない第２の空気供給系から供給される冷空気を混合した適切な温度の混合空気を燃料電池スタックに供給するため、燃料電池スタックの温度を確実に制御することができる。

また、制御手段では、温空気及び冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、温空気と冷空気の混合比率を変える第１の制御や、温空気又は冷空気の一方の流量を変えずに、少なくとも燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、温空気又は冷空気の他方の流量を変える第２の制御を行うため、燃料電池発電装置の制御を簡単にし、また、燃料電池スタックの温度を確実に制御することができる。

本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、装置全体の制御を複雑にすることなく、燃料電池スタックの温度を確実に制御することができる。

その理由は、本発明の燃料電池発電装置では、燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系を、熱交換器を通して温めた空気（温空気）を供給する第１の空気供給系と、熱交換器を通さずに外部からの冷えた空気（冷空気）をそのまま供給する第２の空気供給系の２系統とし、第１の空気供給系と第２の空気供給系とを燃料電池モジュール内で連結した後に燃料電池スタックに接続する構造としているため、温空気と冷空気とを混合した適切な温度の空気（混合空気）を燃料電池スタックに供給することができるからである。

また、本発明の制御手段では、温空気及び冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、温空気と冷空気の混合比率を変える第１の制御を行うため、出力を一定に保つために燃料ガスの流量や水蒸気の流量などの他の条件を変更する必要がなくなる又は変更が容易になるからである。

また、本発明の制御手段では、第１の制御で燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、温空気又は冷空気の一方の流量を変えずに、少なくとも燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、温空気又は冷空気の他方の流量を変える第２の制御を行うため、燃料電池スタックの温度が大きく変化した場合にも対処することができるからである。

上述したように、従来の固体酸化物型燃料電池発電装置では空気供給系に熱交換器を配置し、発電時に生じる排熱を利用して昇温した空気を燃料電池スタックに供給する制御を行っているため、燃料電池スタックの温度が上昇した場合に、多量の空気を供給しなければならず、空気の流量を増やしたとしても燃料電池スタックの温度を制御することが難しかった。

ここで、燃料電池スタックを効果的に冷却する構造として、本願発明者は先願（特開２００５−５０７４号公報）において、図７に示すように、熱交換器２０を通した温空気を供給する系とは別に、熱交換器を通さずに外部からの冷空気を供給する系を設ける構造を提案しているが、温空気と冷空気とを別々に燃料電池スタック３に供給した場合には、温空気を供給する部分では燃料電池スタック３を十分に冷却することができず、また、冷空気を供給する部分では燃料電池スタック３を必要以上に冷却してしまい、その部分の温度が急激に低下してセルが破損してしまう恐れがある。

そこで、本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給手段と、燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも空気の供給量を制御する制御手段と、を備える燃料電池発電装置において、空気供給手段を、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と、熱交換器を通さずに外部からの冷空気を供給する第２の空気供給系の２系統とし、かつ、第１の空気供給系と第２の空気供給系とを燃料電池モジュール内で連結して燃料電池スタックに接続し、温空気と冷空気とを混合した適切な温度の混合空気として燃料電池スタックに供給する構造とし、また、制御手段では、温空気及び冷空気の合計流量を変えずに温空気と冷空気の混合比率を変える第１の制御と、第１の制御で燃料電池スタックの温度が制御できない場合に、温空気又は冷空気の一方の流量を変えずに温空気又は冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行うようにして上記問題を解決する。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。また、図２は、燃料電池スタックの具体的構成例を示す図であり、図３は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。また、図４は、第１の制御方法を模式的に示す図であり、図５は、第２の制御方法を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、少なくとも燃料電池モジュール２の温度を測定する温度測定手段（図示せず）と、水や燃料ガス、空気の流量制御などを行う制御部５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成されている。

また、上記空気供給系は、空気ブロア６ａや熱交換器２０、空気供給配管などを含み、熱交換器２０で温めた空気（以下、温空気と呼ぶ。）を供給する第１の空気供給系（図の右上側の系）と、空気ブロア６ｂや空気供給配管などを含み、外部からの空気（以下、冷空気と呼ぶ。）を供給する第２の空気供給系（図の右下側の系）とで構成され、第１の空気供給系と第２の空気供給系とは、燃料電池モジュール２内部で連結した後、燃料電池スタック３に接続され、温空気と冷空気を混合した空気（以下、混合空気と呼ぶ。）が燃料電池スタック３に供給されるようになっている。

また、制御部５は、燃料電池スタック３の温度が変化した場合に、温空気及び冷空気の合計流量を変えずに、温空気と冷空気の混合比率を変える第１の制御と、第１の制御で燃料電池スタック３の温度を制御できない場合に、温空気又は冷空気の一方の流量を変えずに、温空気又は冷空気の他方の流量を変える第２の制御とを実行するように構成される。この制御部５は制御装置内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御部５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。

なお、本明細書における温空気及び冷空気の具体的な温度は特に限定されず、温空気は少なくとも冷空気よりも温度が高ければよい。また、本実施例の燃料電池発電装置１は、空気供給系の構成及び制御部５の制御方法に特徴を有するものであり、燃料電池モジュール２や燃料電池スタック３、燃料ガス供給系、水蒸気供給系などの他の構成物の構造や形状、配置などは特に限定されない。また、図１では、第１の空気供給系の配管や第２の空気供給系の配管、連結後の配管を各々１本としているが、第１の空気供給系と第２の空気供給系とが連結されて混合空気が供給される限りにおいて、各々の配管の本数は限定されない。

また、図１では燃料電池スタック３を模式的に示しているが、例えば、図２に示すような構成とすることができる。具体的に説明すると、燃料電池スタック３は、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７とからなる単セルが縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層１２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層１１はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１７はステンレス等で構成されている。

また、セパレータ１７は、発電セル１４間を電気的に接続すると共に、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができるようになっている。

なお、この燃料電池スタック３は、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１を用いた具体的な制御手順について、図３のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において制御装置のボタン操作などによって起動を指示すると、ステップＳ１０２で、燃料電池モジュール２内の設けられたヒータ等の加熱手段（図示せず）によって、燃料電池スタック３が加熱、昇温される。

次に、ステップＳ１０３で、第１の空気供給系及び第２の空気供給系を用いて、燃料電池スタック３に混合空気を供給する。ここで、第１の空気供給系と第２の空気供給系とが独立して燃料電池スタック３に接続されている構造（本願発明者の先願）では、温空気が供給される部分と冷空気が供給される部分とで温度差が生じ、燃料電池スタック３の温度を均一に上昇させることができないなどの問題があったが、本実施例では、温空気と冷空気とを混合した混合空気を供給しているため、燃料電池スタック３の温度を均一に上昇させることができる。

次に、ステップＳ１０４で、水蒸気供給系を用いて燃料ガス供給配管に水蒸気を導入する。その際、水蒸気供給配管の温度が低いと燃料ガス供給系に水が混入してしまうため、制御部５で水蒸気発生器１０の出口近傍の温度を監視し、その温度が気化可能な所定の温度以上になってから水蒸気発生器１０に水を投入することが好ましい。また、初期投入時に少量の水を投入し、その後、徐々に水の流量を増やすと、発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかり、装置を迅速に起動することができないため、水の初期投入時に定常状態よりも多い第１の流量（例えば、約１０ｍｌ／ｍｉｎ）で水を供給した後、水蒸気発生器１０の出口近傍の温度の低下量が予め定められた所定の範囲を超えたら、水蒸気発生器１０に十分な量の水が供給されていると判断し、第１の流量よりも少ない流量（第２の流量）で水を供給するように制御することが好ましい。

次に、ステップＳ１０５で、燃料ガス供給系に炭化水素系の燃料ガスを供給する。その際、水の供給量が多いと燃料ガス供給系に水が混入したり燃料ガスの温度が低下し、また、水の供給量が少ないと発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかるため、燃料ガス投入後、燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度を監視し、この部分の温度が低下したら水蒸気発生器１０への水の供給量を減少又は水の供給を停止し、逆にこの部分の温度が上昇したら水の供給量を増やす制御を行うことが好ましい。

次に、ステップＳ１０６で、制御部５は、予め配設された温度測定手段を用いて燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０７で、燃料電池スタック３が所定の温度以上となったら、ステップＳ１０８で、自動運転モードで発電を開始する。この自動運転モードは、例えば、ホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）から燃料電池スタック３の温度を上げながら定格（例えば、出力３００Ｗ）まで徐々に取得電流を増加させる第１の運転パターンと、定格出力到達後、定格出力範囲内（例えば、出力３００〜１ＫＷ）において燃料電池スタック３の温度と出力を一定に保持する第２の運転パターンと、定格出力時に燃料電池スタック３の温度を下げながら徐々に取得電流を下げてホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）に移行する第３の運転パターンなどで構成される。

そして、上記第２の運転パターンでは、取り出す電流を一定にした時の出力電圧が略一定の値になるように、ステップＳ１０９で、制御部５は、温度測定手段を用いて燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１１０で、燃料電池スタック３の温度が変化した場合、制御部５は、燃料電池スタック３の温度が略一定に保たれるように制御する。その際、従来の燃料電池発電装置では、空気供給系で温空気を供給し、燃料電池スタック３の温度が上昇した場合に空気の供給量を増加させ、逆に、燃料電池スタック３の温度が下降した場合に空気の供給量を減少させる制御を行っていたため、特に燃料電池スタック３の温度が上昇した場合に多量の空気を供給しなければならなかった。

これに対して、本実施例では、ステップＳ１１１で、制御部５は、混合空気の流量（温空気及び冷空気の合計流量）は変化させずに、温空気と冷空気の混合比率を変化させて混合空気の温度を変える制御（第１の制御）を行う。この第１の制御について図４を参照して説明する。図４は、第１の制御方法を模式的に示す図であり、上図は温空気、冷空気及び混合空気の流量（相対値）の時間変化を示し、下図は燃料電池スタック３の温度（相対値）の時間変化を示している。

図４の下図左側に示すように、燃料電池スタック３の温度が制御しようとする温度（以下、制御温度と呼ぶ。）よりも上昇した場合には、上図左側に示すように、燃料電池スタック３の温度の変化量に基づいて、温度の低い冷空気（上図の一点鎖線）の流量を増加（例えば相対値を０．５から０．７に増加）させ、その分、温度の高い温空気（上図の破線）の流量を減少（例えば相対値を０．５から０．３に減少）させる。これにより、混合空気の温度を低くして燃料電池スタック３を効率的に冷却することができると共に、空気極に供給される混合空気（上図の実線）の流量が変化しないため、燃料極に供給される燃料ガスや水蒸気の流量を調整する必要がなくなり（又は調整が容易になり）、制御を簡単にすることができる。

また、下図右側に示すように、燃料電池スタック３の温度が制御温度よりも下降した場合には、上図右側に示すように、燃料電池スタック３の温度の変化量に基づいて、温度の低い冷空気の流量を減少（例えば相対値を０．５から０．３に減少）させ、その分、温度の高い温空気の流量を増加（例えば相対値を０．５から０．７に増加）させる。これにより、混合空気の温度を高くして燃料電池スタック３を効率的に昇温することができると共に、この場合も、空気極に供給される混合空気の流量が変化しないため、燃料極に供給される燃料ガスや水蒸気の流量を調整する必要がなくなり（又は調整が容易になり）、制御を簡単にすることができる。

通常は上述した第１の制御で燃料電池スタック３の温度を略一定に維持することができるが、燃料電池スタック３の温度変化が大きい場合には、温空気と冷空気の混合比率を変化させるだけでは燃料電池スタック３の温度を略一定に維持することができない場合もある。一方、温空気と冷空気の双方の流量を変化させると制御が複雑になる。そこで、本実施例では、ステップＳ１１２で、第１の制御で燃料電池スタック３の温度が制御できたかを判断し、第１の制御では燃料電池スタック３の温度が制御できない場合には、ステップＳ１１３で、制御部５は、温空気又は冷空気の一方（ここでは温空気）の流量は変えずに、温空気又は冷空気の他方（ここでは冷空気）の流量のみを変化させる制御（第２の制御）を行う。この第２の制御について図５を参照して説明する。図５は、第２の制御方法を模式的に示す図であり、上図は温空気、冷空気及び混合空気の流量（相対値）の時間変化を示し、下図は燃料電池スタック３の温度（相対値）の時間変化を示している。

図５の下図左側に示すように、第１の制御に関わらず燃料電池スタック３の温度が上昇して制御温度から大きくずれた場合には、上図左側に示すように、温度の高い温空気の流量（例えば相対値が０．３）は変えずに、燃料電池スタック３の温度の変化量に基づいて、温度の低い冷空気の流量を増加（例えば相対値を０．７から１．０に増加）させる。これにより、混合空気の温度を低くして燃料電池スタック３を効率的に冷却することができる。また、第２の制御では混合空気の流量は増加（例えば相対値が１．０から１．３に増加）するが、温空気の流量を変えないため、温空気と冷空気の双方の流量を変える場合に比べて制御を簡単にすることができる。

また、下図右側に示すように、第１の制御に関わらず燃料電池スタック３の温度が下降して制御温度から大きくずれた場合には、上図右側に示すように、温度の高い温空気の流量（例えば相対値が０．７）は変えずに、燃料電池スタック３の温度の変化量に基づいて、温度の低い冷空気の流量を減少（例えば相対値を０．３から０に減少）させる。これにより、混合空気の温度を高くして燃料電池スタック３を効率的に昇温することができる。また、この場合は混合空気の流量は減少（例えば相対値が１．０から０．７に減少）するが、温空気の流量を変えないため、温空気と冷空気の双方の流量を変える場合に比べて制御を簡単にすることができる。

なお、図５では、燃料電池スタック３の温度が上昇又は下降した場合に、温度の高い温空気の流量は変えずに、温度の低い冷空気の流量を増減させる制御を行ったが、例えば、温度の低い冷空気の流量は変えずに、温度の高い温空気の流量を増減させる制御を行ってもよい。この場合も、混合空気の温度を変化させて燃料電池スタック３を効率的に冷却又は昇温することができると共に、冷空気の流量を変えないため、温空気と冷空気の双方の流量を変える場合に比べて制御を簡単にすることができる。

また、上記では燃料電池スタック３の温度の変化量に基づいて混合比率や流量を制御したが、これらは燃料電池スタック３の熱容量や混合空気の合計流量などによっても変化するため、上記混合比率や流量の制御に際して、燃料電池スタック３の温度の変化量のみならず、燃料電池スタック３の熱容量や混合空気の合計流量などを参照してもよい。

上記制御を自動運転モード（特に第２の運転パターン）の間、継続して行い、その後、ステップＳ１１４で、制御装置のボタン操作などによって停止を指示すると、ステップＳ１１５で、制御部５は、燃料ガス及び水蒸気の供給量を徐々に減らすと共に、混合空気の供給量を増やして燃料電池スタック３の温度を下げ、コールドスタンバイ状態（常温状態）戻して一連の処理を終了する。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、燃料電池スタック３の空気極側に供給する空気供給系を、熱交換器２０を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と、熱交換器を通さずに外部からの冷空気をそのまま供給する第２の空気供給系の２系統とし、第１の空気供給系と第２の空気供給系とを連結して燃料電池スタック３に接続しているため、燃料電池スタック３に温空気と冷空気を混合した適切な温度の混合空気を供給することができ、これにより、燃料電池スタック３の温度を確実に制御することができる。

また、制御手段では、温空気及び冷空気の合計流量を変えずに温空気と冷空気の混合比率を変える第１の制御と、第１の制御で燃料電池スタック３の温度が制御できない場合に、温空気又は冷空気の一方の流量を変えずに他方の流量のみを変える第２の制御を行うため、効率的に燃料電池スタック３を冷却又は昇温することができる。また、第１の制御では燃料ガスや水蒸気の流量調整が不要（又は流量調整が容易）となり、第２の制御では温空気の調整が不要となるため、燃料電池発電装置１の制御を簡単にすることができる。

なお、上記実施例では、燃料ガスとして炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置を示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、水素を使用する燃料電池発電装置に対しても同様に適用することができる。また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、シールタイプの燃料電池発電装置１に対しても同様に適用することができる。

本発明の制御方法は、作動温度の高い固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、アルカリ型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における第１の制御方法を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における第２の制御方法を模式的に示す図である。従来の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。本願発明者の先願に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１燃料電池発電装置
２燃料電池モジュール
３燃料電池スタック
４燃料改質器
５制御部
６ａ、６ｂ空気ブロア
７燃料ガスブロア
８水移送ポンプ
９純水タンク
１０水蒸気発生器
１１空気極層
１２固体電解質層
１３燃料極層
１４発電セル
１５、１６端板
１７セパレータ
１８空気極集電体
１９燃料極集電体
２０熱交換器

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、少なくとも前記空気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続され、
前記燃料電池発電装置に前記燃料電池スタックの温度を測定する手段を備え、
前記制御手段では、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記空気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続され、
前記燃料電池発電装置に前記燃料電池スタックの温度を測定する手段を備え、
前記制御手段では、前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行う制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御を行い、前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御を行う制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置の定格運転時に、前記燃料電池スタックの温度を監視するステップと、
前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御ステップと、
前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御ステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、を少なくとも備え、前記空気供給手段は、熱交換器を通して温めた温空気を供給する第１の空気供給系と熱交換器を通さない冷空気を供給する第２の空気供給系とを含み、前記第１の空気供給系及び前記第２の空気供給系は、各々、前記温空気又は前記冷空気の供給量を制御する手段を備え、前記第１の空気供給系と前記第２の空気供給系とは、前記燃料電池モジュール内で連結して前記燃料電池スタックに接続されてなる燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置の定格運転時に、前記燃料電池スタックの温度を監視するステップと、
前記燃料電池スタックの温度が変化した場合に、前記温空気及び前記冷空気の合計流量を変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気と前記冷空気の混合比率を変える第１の制御ステップと、
前記第１の制御では前記燃料電池スタックの温度を制御できない場合に、前記温空気又は前記冷空気の一方の流量は変えずに、少なくとも前記燃料電池スタックの温度の変化量に基づいて、前記温空気又は前記冷空気の他方の流量のみを変える第２の制御ステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。