JP5208417B2

JP5208417B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5208417B2
Application number: JP2006529307A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: US8815456B2; JPWO2006009264A1; DE112005001725B4; CN1989645A; CN1989645B; CA2574395A1; US20070281115A1; DE112005001725T5; WO2006009264A1; CA2574395C

Description

本発明は、燃料電池の出力電力量を制御するための電力制御手段と燃料電池に供給される燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を制御するための発電制御手段とを備えた燃料電池システムに関する。

周知の如く、水素リッチな燃料ガスと空気でよい酸素含有ガスを電極反応せしめて発電する燃料電池システムが提案され、実用され始めている。かような燃料電池システムの典型例は、発電室、この発電室内に配設された複数個の燃料電池、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段、燃料電池の直流出力を交流に変換するための電力変換手段を含んでいる。電力変換手段は、商用電源の如き系統電源と連係して、一般家庭における電気機械器具の如き負荷に交流電力を供給する。燃料電池システムは、更に、燃料電池から電力変換手段に出力される電力量を負荷の変動によって適宜に制御するための電力量制御手段、及び燃料電池に供給される燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を制御して燃料電池の発電を制御する発電制御手段も備えている。燃料電池の発電量は負荷の変動に応じて適宜に制御されることが望まれ、それ故に電力量制御手段と発電制御手段とは相互に連携せしめられる。

負荷が増大し、従って燃料電池の出力電力量を増大せしめる場合、出力電力量は増大指令に瞬時に応じて増大せしめられ、時間遅れはミリ秒単位である。一方、燃料電池に供給される燃料ガスは都市ガスの如き被改質燃料ガスに所要の改質を施して水素リッチな燃料ガスに改質する必要がある等に起因して、燃料ガス流量は増大指令を受けても瞬時には増大せしめられず、秒単位の時間遅れを伴って増大せしめられる。それ故に、出力電力量の増大率が大きい場合、燃料電池において燃料ガスが不足し、燃料枯れと称されている現象が発生する虞がある。燃料枯れ現象が発生すると、所要電力出力を得ることができず、そしてまた燃料電池を劣化せしめてしまう。

上述した燃料枯れ現象の発生を回避するために、特開平７−１４５９８号公報に開示されている燃料電池システムにおいては、負荷が増大した場合、これに応じて直ちに燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を増大せしめるが、出力電力量の増大は適宜に遅延せしめている。また、特開平７−５７７５３号公報に開示されている燃料電池システムにおいては、負荷が増大した場合の出力電力量の増大速度を所定値以下に制限し、これによって燃料枯れ現象の発生を回避している。

しかしながら、従来の燃料電池システムにおける上述したとおりの燃料枯れ現象の発生を回避する様式には、次のとおりの問題がある。出力電力量の増大を遅延せしめる、或いは出力電力量の増大速度を所定値以下に制限する故に、負荷の変動に対する追従速度が比較的遅くなる。負荷変動が激しい場合には、負荷変動に適切に応じることなく発電することも少なくなく、有効発電効率が相当低くなってしまう。更に、電力量制御手段による出力電力量の制御と発電制御手段による燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量の制御を適切に関連せしめることが必要であり、これらの制御を統括して遂行することが必要である。従って、燃料電池スシテムを付設すべき負荷を変更する場合、或いは単一の負荷に対して燃料電池システムを追加して配設する場合等には、制御様式の全体を大幅に変更することが必要である。

特開平７−１４５９８号公報特開平７−５７７５３号公報

従って、本発明の主たる目的は、燃料枯れ現象を発生せしめることなく、負荷の変動に応じて充分迅速に出力電力量と共に燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量が適切に制御される、新規且つ改良された燃料電池システムを提供することである。

本発明の他の目的は、燃料電池スシテムを付設すべき負荷を変更する場合、或いは単一の負荷に対して燃料電池システムを追加して配設する場合にも、制御様式の大幅な変更を必要とすることなく充分容易に対応することができる、新規且つ改良された燃料電池システムを提供することである。

本発明者は、鋭意検討の結果、燃料電池に固有の燃料ガスバッファ量を、燃料ガス流量の増加量が最大に設定された場合における燃料ガス流量が所要量に増加されるまでに要する増加必要最大時間内に必要とされる燃料ガス量以上にせしめて、燃料電池の電流値に基づいて燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を設定すれば、燃料電池の出力電力量を負荷の変動に迅速に対応して制御しても、燃料枯れ現象の発生を回避することができ、かくして上記主たる目的を達成することができることを見出した。本明細書で使用する表現「燃料電池に固有の燃料ガスバッファ」は、平常状態において燃料電池の構成自体に起因して燃料電池（例えば電極支持基板に形成されているガス通路内等）に存在している燃料ガス量を意味する。特に、燃料電池が固体電解質型のものである場合には、問題を発生せしめることなく上記燃料ガスバッファ量を充分大きい量にせしめることができる。

即ち、本発明によれば、上記主たる目的を達成する燃料電池システムとして、発電室、該発電室内に配設された複数個の燃料電池、該燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段、該燃料電池の直流出力を交流に変換するための電力変換手段、該燃料電池から該電力変換手段に出力される電力量を制御する電力量制御手段、及び該燃料電池に供給される燃料ガス流量及び該燃料電池に供給される酸素含有ガス流量を制御する発電制御手段を含み、該燃料電池においては電極反応によって発電される、燃料電池システムにおいて、
該燃料電池内に存在する燃料ガス量であって、該燃料電池に固有の燃料ガスバッファ量は、該燃料ガス供給手段により供給される燃料ガス流量が該発電制御手段により最小量から最大量に設定された場合に、実際に該燃料電池に供給される燃料ガス流量が最小値から最大値に増加されるまでに要する時間内に必要とされる燃料ガス量以上であり、
系統電源および該燃料電池から負荷に所定の電力量が供給され、
該負荷に供給すべき該所定の電力量が該燃料電池の出力電力よりも所定量大きい場合に、該発電制御手段により燃料ガス流量が最大量に設定され、該燃料ガス供給手段により該燃料電池に供給される燃料ガス流量が実際に最大量に増加されるまで待つことなく、該電力量制御手段により該燃料電池から該電力変換手段を介して該負荷に該所定の電力量を供給することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
好適実施形態においては、該燃料電池は固体電解質型である。そして、該燃料ガス供給手段は改質手段、該改質手段に水素リッチな燃料ガスに改質すべき被改質燃料ガスを供給する被改質燃料ガス供給手段及び該改質手段に水を供給する水供給手段を含み、該発電制御手段は該改質手段に供給される被改質燃料ガス流量及び該改質手段に供給される水流量を制御して燃料ガス流量を制御する。好ましくは、該電力量制御手段は、該発電制御手段による該燃料電池に供給される燃料ガス流量の制御及び該燃料電池に供給される酸素含有ガス流量の制御に依存することなく、該燃料電池から出力される電力量を制御する。かような場合には、発電制御手段と電力量制御手段とを夫々独立して構成することができ、かくして上記他の目的を達成することができる。該電力量制御手段が設定する電力量が該燃料電池の発電電力量よりも所定量以上大きい場合には、該発電制御手段は燃料ガス流量を所定最大値に設定するのが好ましい。該発電制御手段が設定する燃料ガス流量は所定最小量以上であり、該発電制御手段が設定する酸素含有ガス流量も所定最小量以上であるのが好都合である。該発電室内の所定部位の温度が所定値を超えると、該発電制御手段は酸素含有ガス流量を所定最大値に設定するのが好適である。該電力量制御手段は、該電力変換手段に出力される該燃料電池の直流出力の電圧を開放起電力の半分以上に維持するのが好ましい。

以下、添付図面を参照して、本発明に従って構成された燃料電池システムの好適実施形態について、更に詳細に説明する。
図１には、本発明に従って構成された燃料電池システムの主要構成要素が簡略に図示されている。図示の燃料電池システムは直方体形状でよい発電室２を含んでいる。この発電室２は耐熱金属板から形成された外枠体とこの外枠体の内面に配設された断熱材とから構成されているのが好都合である。発電室２の下部には箱形状の燃料ガスタンク４が配設されている。そして、燃料ガスタンク４上には燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃが配設されている。図１と共に図２を参照して説明すると、燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃの各々は、鉛直方向、即ち図１において上下方向、図２において紙面に垂直な方向、に細長く延在する固体電解質型燃料電池８を、図１において紙面に垂直な方向、図２において上下方向に複数個（図示の場合は５個）配置して構成されている。

燃料電池８の各々は、電極支持基板１０、内側電極層である燃料極層１２、固体電解質層１４、外側電極層である酸素極層１６及びインターコネクタ１８から構成されている。電極支持基板１０は鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面とを有する。電極支持基板１０にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）のガス通路２０が形成されている。かような電極支持基板１０の各々は、燃料ガスタンク４の上面壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。燃料ガスタンク４の上面壁には図１おいて左右方向及び紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個（図示の場合は１５個）のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板１０の各々に形成されているガス通路２０がスリットの各々に連通せしめられ、従って燃料ガスタンク４内に連通せしめられている。インターコネクタ１８は電極支持基板１０の片面（図２の燃料電池スタック６ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層１２は電極支持基板１０の他面（図２の燃料電池スタック６ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ１８の両端に接合せしめられている。固体電解質層１４は燃料極層１２の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ１８の両端に接合せしめられている。酸素極層１６は、固体電解質層１４の主部上、即ち電極支持基板１０の上記他面を覆う部分上、に配置され、電極支持基板板１０を挟んでインターコネクタ１８に対向して位置せしめられている。

燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃの各々における隣接する燃料電池８間には集電部材２２が配設されており、一方の燃料電池８のインターコネクタ１８と他方の燃料電池８の酸素極層１６とを接続している。燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃの各々において両端、即ち図２において上端及び下端に位置する燃料電池８の片面及び他面にも集電部材２２が配設されている。そして、燃料電池スタック６ａ及び６ｂの、図２において下端に配設された集電部材２２は導電部材２４によって接続され、燃料電池スタック６ｂ及び６ｃの、図２において上端に配設された集電部材２２も導電部材２４によって接続されている。更に、燃料電池スタック６ａの、図２において上端に配設された集電部材２２には端子部材２６が接続され、燃料電池スタック６ｃの、図２において下端に配設された集電部材２２にも端子部材２６が接続されている。かくして、全ての燃料電池８が電気的に直列接続され、直列接続の両端には端子部材２６が存在する。

図１を参照して説明を続けると、燃料電池システムは
、更に、燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段２８、燃料電池スタック６ａ、６ｂ及び６ｃに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３０、及び発電室２内から排ガスを排出するための排ガス排出手段３２を具備している。

燃料ガス供給手段２８は、都市ガスの供給ライン或いはプロパンガスボンベでよい被改質燃料ガス供給源３４に接続された供給ライン３６を含んでおり、この供給ライン３６には切断弁３８及び流量制御手段４０が配設されている。燃料ガス供給手段２８は、上記発電室２の上端部に配置された改質手段４２及びこの改質手段４２に付設された気化手段４４も含んでいる。改質手段４２は、燃料ガスの部分改質及び水蒸気改質に必要なそれ自体は周知の触媒を収容した改質室（図示していない）を有する。上記供給ライン３６は発電室２内に延び、改質手段４２の入口に接続されている。改質手段４２の出口は発電室２の側壁内に形成されている連通路（図示していない）を介して上記燃料ガスタンク４に接続されている。上記流量制御手段４０の下流側において、上記供給ライン３６には切断弁４６を介して送風手段４８が接続されている。燃料ガス供給手段２８は、更に、上水供給ラインでよい水供給源５０に接続された供給ライン５２を含んでおり、この供給ライン５２には切断弁５４、浄水手段５６及び流量制御手段５８が配設されている。供給ライン５２も発電室２内に延びており、上記気化手段４４の入口に接続されている。気化手段４４の出口は改質手段４２の上流側において上記供給ライン３６に接続、従って供給ライン３６を介して改質手段４２に接続されている。供給ライン３６を通して改質手段４２に都市ガス或いはプロパンガスでよい被改質燃料ガスが供給され、改質手段４２において水素リッチな燃料ガスに改質された後に燃料ガスタンク４に供給され、そして燃料電池８、更に詳細にはその電極支持基板１０に形成されているガス通路２０に供給される。送風手段４８は、例えば起動時等に必要に応じて作動されて（更に詳しくは、発電室２内の温度が充分に上昇して気化手段４４が所要気化を遂行し得る状態になるまでの間に作動されて）改質手段４２に空気を供給する。燃料電池システムの正常運転時（即ち発電室２内の温度が充分に上昇して気化手段４４が所要気化を遂行し得る状態の時）には、上水でよい水が浄水手段５６によって所要浄化処理を受けた後に気化手段４４に供給され、気化手段４４においては水蒸気が生成され、かかる水蒸気が所謂水蒸気改質のために改質手段４２に供給される。

酸素含有ガス供給手段３０は、発電室２内まで延びる供給ライン６０を含んでいる。供給ライン６０の上流端には送風手段６２が配設されている。供給ライン６０には、更に、流量計６４及び熱交換手段６６が配設されている。送風手段６２が作動せしめられると、空気でよい酸素含有ガスが供給ライン６０を通して流動せしめられて発電室２に送給され、発電室２内に配設された酸素含有ガス散布手段（図示していない）を通して発電室２内に散布され、かくして燃料電池８に供給される。

後に更に言及するとおり、例えば燃料ガスを発電室２内で燃焼せしめることによって発電室２内の温度が所要温度以上になると、水素リッチな燃料ガスが燃料ガスタンク４から燃料電池８における電極支持基板１０のガス通路２０に供給されてガス通路２０を上昇し、そしてまた酸素含有ガスが発電室２内に散布せしめられることによって、燃料電池８の各々においては、酸素極層１６で下記式（１）の電極反応が生成され、また燃料極層１２では下記式（２）の電極反応が生成されて発電される。そして、生成された電力は一対の端子部材２６を通して取り出される。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→ Ｏ２−（固体電解質）・・・（１）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→ Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（２）

燃料電池８における電極支持基板１０のガス通路２０を流動する燃料ガスの、電極反応に使用されなかった燃料ガスは、電極支持基板１０の上端から発電室２内に流出せしめられ、流出と同時に燃焼せしめられる。発電室２内に散布された酸素含有ガス中の酸素で電極反応に使用されなかったものは燃焼に利用される。発電室２内は、燃料電池８での発電及び燃焼ガスの燃焼に起因して例えば８００乃至１０００℃程度の高温になる。上記排ガス排出手段３２は、発電室２から延出する排出ラインから構成されており、この排出ラインは上記熱交換手段６６を通って延びる。従って、熱交換手段６６において排ガスの熱が発電室２に供給される酸素含有ガスに伝導される。所望ならば、排ガスの熱を、更に、給湯システム（図示していない）における水の加熱に利用することもできる。

而して、図示の燃料電池システムにおける上述したとおりの構成及び作用は、本発明に従って構成された燃料電池システムの新規な特徴を構成するものではなく、例えば特開２００５−５２１３号公報に開示されている燃料電池システムと実質上同一でよく、それ故にこれらについての詳細な説明は特開２００５−５２１３号公報に委ね、本明細書においては省略する。

図１を参照して説明を続けると、直列接続されている燃料電池８（図２）には電流検出手段６８を介して電力変換手段７０が接続されている。電流検出手段６８は燃料電池８が出力する直流電流値を検出する。電力変換手段７０の制御の下、燃料電池８から電力変換手段７０に直流電流が出力され、電力変換手段７０は直流電流を変換し、例えば家庭における電気機械器具である負荷７２に交流電流を供給する。電力変換手段７０には燃料電池８の出力電圧を検出する電圧検出手段７４が内蔵されている。図示の実施形態においては、負荷７２には系統電力検出手段７６を介して商用電源でよい系統電源７８も接続されている。系統電力検出手段７６は系統電源７８から負荷７２に供給されている電力量を検出する。

本発明に従って構成された燃料電池システムには、更に発電制御手段８０と電力量制御手段８２が配設されている。後に更に詳述する如く、発電制御手段８０は、電流検出手段６８が検出する燃料電池８の出力電流値に基づいて、燃料電池８に対する燃料ガス流量を制御、更に詳しくは被改質燃料ガスの供給ライン３６に配設された流量制御手段４０及び水の供給ライン５２に配設された流量制御手段５８を制御し、そしてまた酸素含有ガス流量を制御、更に詳しくは酸素含有ガスの供給ライン６０に配設された送風手段６２を制御する。

本発明に従って構成された燃料電池システムにおいては、燃料電池８に固有の燃料ガスバッファ量は、燃料ガス流量の増加量が最大に設定された場合、即ち燃料ガス流量が最小量から最大量に変動せしめられる場合における燃料ガス流量が所要量即ち最大量に増加されるまでに要する増加必要最大時間（本発明者等が試作した燃料電池システムでは約１秒であった）内に必要とされる燃料ガス量に設定されていることが重要である（本発明者等が試作した燃料電池システムでは燃料電池８に固有の燃料ガスバッファ量は約３秒間に必要とされる燃料ガス量に対応する量であった）。そして、かかる設定を前提要件として、発電制御手段８０及び電力量制御手段８２による制御は次のとおりにして遂行される。図示の示威し形態においては、燃料電池８に固有の燃料ガスバッファ量は、全燃料電池８の電極支持基板１０のガス通路２０及び燃料電池８を構成している各種ポーラス材料の空隙に存在する燃料ガス量である。燃料ガス中の水蒸気は発電に寄与しないので水蒸気の割合αを差し引くと、Ｍ×（１−α）の燃料ガスが発電に寄与することになる。Ｍは燃料電池８におけるガス通路２０及びポーラス材料の空隙の全体積である。燃料ガスの利用率をＵとすると、燃料電池８に投入開始時の利用率は０で最終利用率はＵとなるので、時間遅れｔの間の平均利用率はＵ／２となる。１モルの体積及びファラデー定数を参酌して電荷量に換算すると、燃料ガスバッファ量の電荷量はＭ×（１−α）×Ｕ×Ｆ（ファラデー定数）／（２×２２．４）となる。一方、時間遅れｔの間の必要電荷量はＷ／Ｖ×ｔ／２となる。従って、Ｍ×（１−α）×Ｕ×Ｆ（ファラデー定数）／（２×２２．４）＞Ｗ／Ｖ×ｔ／２を充足すればよい。

燃料電池システムの正常動作における制御様式を示すフローチャートである図３を参照して説明すると、所要起動ステップ（かかる起動ステップは上記特開２００５−５２１３号公報、特にその図５及び図６に図示するとおりのステップでよい）が遂行されて燃料電池システムの所要起動動作が終了すると、通常動作に移行され、そしてステップｎ−１においては、電力量制御手段８２が電力変換手段７０を始動し、電力変換手段７０は燃料電池８を負荷７２に接続し、かくして燃料電池８から直流電力を取り出して交流電力に変換し負荷７２に供給することが可能になる。次いで、電力量制御手段８２による電力変換手段７０の制御と発電制御手段８０による発電制御、即ち燃料ガス流量制御及び酸素含有ガス流量制御、とが並列して遂行される。

電力量制御手段８２による電力変換手段７０の制御について説明すると、ステップｎ−２において系統電力検出手段７６が系統電源７８から負荷７２に供給されている電力を検出する。次いで、ステップｎ−３において電力変換手段７０に内蔵されている電圧検出手段７４が燃料電池８の出力電圧を検出し、ステップｎ−４に進行する。ステップｎ−４においては、ステップｎ−２において検出した電力及びステップｎ−３において検出した出力電圧に基づいて電力量制御手段８２が燃料電池８の出力電力量を演算する。更に詳述すると、燃料電池８の出力はできるだけ大きく、換言すれば系統電源７８からの電力をできるだけ小さくするように、燃料電池８の出力電圧を設定する。例えば、系統電源７８から負荷７２に供給されている電力が８００Ｗであり、燃料電池８の出力能力は８００Ｗを超えている場合、燃料電池８の出力電力を７００乃至７９０Ｗ程度に設定することができる。燃料電池８の出力電力を８００Ｗに設定して系統電源７８からの電力を０Ｗにせしめることも意図され得るが、かくした場合には所謂逆潮流（系統電源７８への電力の流れ）が発生する虞があるので、系統電源７８から負荷７２への供給電力の下限を１０乃至１００Ｗ程度にせしめるのが好都合である。加えて、燃料電池８の出力電圧を開放起電力Ｅ（電流が流れない時の電圧値）の半分以上に維持する、換言すれば半分より小さくしないのが好ましい。この点について更に詳述すると、図４に図示する如く、燃料電池８の電流Ｉと電圧Ｖとの関係は、Ｖ＝Ｅ−ＩＲである。Ｒは燃料電池８の内部抵抗である。電流Ｉと電力Ｗとの関係はＷ＝Ｉ×Ｖ＝Ｅ×Ｉ−Ｉ^２×Ｒとなり、従ってＷ＝−Ｒ（Ｉ−Ｅ／２Ｒ）^２＋Ｅ^２／４Ｒとなる。それ故に、ＷはＩ＝Ｅ／２Ｒの時に最大値となる。この時の電圧ＶはＥ−ＩＲ即ちＥ／２である。図４において、最大電力量の左側では電流値Ｉが増加すると電力量も増加し、一方最大電力量の右側では電流値Ｉが増加すると電力量は低減する。電流値Ｉに基づいて燃料電池８への燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を制御する場合、最大電力量の左側のみに制限すれば、右側と比べて電流値が小さい故に発電効率が高くなる。そしてまた、最大電力量の左側のみに制限すれば、電力変換手段７０の制御様式としても、電圧が低くなれば出力電力量が上昇し電圧が高くなれば出力電力量が減少するという関係が維持される故に、簡潔な制御様式を採用することができる。電力変換手段７０への入力電圧がＥ／２を超えて低減せんとする場合には、電力変換手段７０は燃料電池８の出力電流値Ｉを変動せしめて入力電圧をＥ／２以上に維持する。次いで、ステップｎ−５に進行し、負荷７２に供給すべき電力量と燃料電池８の出力電力量が比較される。そして、負荷７２に供給すべき電力量が燃料電池８の出力電力よりも所定量、例えば２００Ｗ以上大きい場合には、ステップｎ−６に進行し、電力量制御手段８２は発電制御手段８０に燃料ガス流量を最大値にすべき信号を送信する。図示実施形態においては、電力量制御手段８２と発電制御８０との連携は、かかる信号の送信のみである。ステップｎ−５において負荷７２に供給すべき電力量と燃料電池８の出力電力量との差が所定値を超えないときには、ステップｎ−７に進行し、燃料電池システムの作動を停止するための停止手段（図示していない）がＯＮされたか否かが判別され、ＯＮされていない場合にはステップｎ−１に戻る。停止手段がＯＮされた場合には、所要停止ステップを遂行して燃料電池システムの作動を停止する（かかる作動停止ステップは上記特開２００５−５２１３号公報、特にその図９に図示するとおりのステップでよい）。

次に発電制御手段８０による発電制御について説明する。ステップｎ−８においては、電流検出手段６８が燃料電池８の出力電流を検出する。次いで、ステップｎ−９に進行し、燃料電池８の出力電流に基づいて燃料電池８に供給すべき燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量を演算する。燃料ガス流量（Ｌ／ｍｉｎ）演算の一例について言及すると、
燃料ガス流量＝Ｉ×ｎ×２２．４×６０／（Ｆ×Ｈ×平均価数）×１００
ここで、Ｉ：検出電流値
ｎ：燃料電池数
Ｆ：ファラデー定数（９６４８４．５６）
Ｈ：燃料利用率（例えば７０％）
平均価数：例えば都市ガス中の燃料の平均価数。ＣＨ_４は８価、Ｃ_２Ｈ_６
は１４価であり、これらの燃料ガス中の体積分率をかけて平均化したもの
。
１００を掛けるのは、燃料利用率を考慮して１００／Ｈだけ多く供給する
ことが必要である故である。

酸素含有ガスが空気の場合、酸素含有ガス流量（Ｌ／ｍｉｎ）は、次の式によって演算することができる。
酸素含有ガス流量＝Ｉ×ｎ×２２．４×６０／（Ｆ×Ａ×価数×０．２１）×１００
ここで、Ａ：空気利用率（例えば３０％）
０.２１：空気中に含まれる酸素の割合

次いで、ステップｎ−１０において、演算された燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量の各々が最低流量以上であるか否かが判別される。発電量が過剰に低下すると温度が過剰に低下し、正常作動を維持することが不可能になる。そこで、燃料ガス及び酸素含有ガスの各々は所定最低流量以上供給することが重要である。燃料ガス流量及び／又は酸素含有ガス流量が最低流量より小さい場合にはステップｎ−１１に進行して燃料ガス流量及び／又は酸素含有ガス流量を所定最低流量に設定する。ステップｎ−１０において燃料ガス流量及び酸素含有ガス流量が最低流量以上である場合には、ステップｎ−１２に進行し、電力量制御手段８２から燃料ガス流量を最大値にすべき信号が送信されているか否かを判別する。かかる信号が送信されている場合にはステップｎ−１３に進行し、燃料ガス流量を最大値に設定する。ステップｎ−１２において燃料ガス流量を最大値にすべき信号が送信されていない場合にはステップｎ−１４に進行し、発電室２の特定部位に配設されている温度検出手段（図示していない）が検出する温度が所定温度、例えば８３０℃、以下か否かが判別される。検出温度が８３０℃を超えている場合にはステップｎ−１５に進行し、酸素含有ガス流量を所定最大値に設定する（これは充分な量の酸素含有ガスを供給して発電室２内を冷却するためである）。ステップｎ−１４において検出温度が８３０℃以下である場合にはステップｎ−１６に進行し、演算された（或いは最低値又は最大値に設定された）燃料ガス流量に応じた水流量を演算する。水流量（Ｌ／ｍｉｎ）は、水１モルは気体２２．４Ｌ、液体１８ｃｃに対応することを考慮すると、例えば次の式によって演算することができる。
水流量＝燃料中の平均炭素数×燃料ガス流量×Ｚ×１８／２２，４
ここで、Ｚは燃料ガス中のカーボン量と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）量の比率で、例えば２．５
程度である。

次いで、ステップｎ−１７に進行して酸素含有ガス流量を設定、更に詳しくは流量計６４が示す値が演算され（設定された最低値又は最大値）になるように送風手段６２の作動状態を設定する。ステップｎ−１８においては、演算された（或いは設定された最低値又は最大値）になるように被改質燃料ガスの流量を設定、更に詳しくは流量制御手段４０を設定する。そして、ステップｎ−１９においては、演算された水流量になるように流量制御手段５８を設定する。しかる後に、ステップｎ−２０に進行し、燃料電池システムの作動を停止するための停止手段（図示していない）がＯＮされたか否かが判別され、ＯＮされていない場合にはステップｎ−８に戻る。停止手段がＯＮされた場合には、所要停止ステップを遂行して燃料電池システムの作動を停止する。

本発明に従って構成された燃料電池システムにおける上述したとおりの制御様式に関しては、次の事実が注目されるべきである。即ち、発電制御手段８０と電力量制御手段８２との連携は必要最小限度にせしめられており、発電制御手段８０と電力量制御手段８２とは殆どの制御ステップにおいて夫々単独で機能する。それ故に、例えば燃料電池システムを付設する負荷の形態を変更する場合、或いは共通の負荷に複数個の燃料電池システムを配設する場合等における、制御様式の必要な変更は、最小限度であり、充分容易且つ安価に実現することができる。

以上、添付図面を参照して本発明に従って構成された燃料電池システムの好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能であることが理解されるべきである。

図１は、本発明に従って構成された燃料電池システムの好適実施形態における主要構成要素を図式的に示す簡略図。図２は、図１の燃料電池システムにおける燃料電池スタックを示す断面図。図３は、図１の燃料電池システムの正常作動状態における制御様式を示すフローチャート。図４は、燃料電池における電流、電圧及び電力の相対低関係を示す線図。

８燃料電池
２８燃料ガス供給手段
３０酸素含有ガス供給手段
４２改質手段
７０電力変換手段
８０発電制御手段
８２電力量制御手段

Claims

発電室、該発電室内に配設された複数個の燃料電池、該燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段、該燃料電池の直流出力を交流に変換するための電力変換手段、該燃料電池から該電力変換手段に出力される電力量を制御する電力量制御手段、及び該燃料電池に供給される燃料ガス流量及び該燃料電池に供給される酸素含有ガス流量を制御する発電制御手段を含み、該燃料電池においては電極反応によって発電される、燃料電池システムにおいて、
該燃料電池内に存在する燃料ガス量であって、該燃料電池に固有の燃料ガスバッファ量は、該燃料ガス供給手段により供給される燃料ガス流量が該発電制御手段により最小量から最大量に設定された場合に、実際に該燃料電池に供給される燃料ガス流量が最小値から最大値に増加されるまでに要する時間内に必要とされる燃料ガス量以上であり、
系統電源および該燃料電池から負荷に所定の電力量が供給され、
該負荷に供給すべき該所定の電力量が該燃料電池の出力電力よりも所定量大きい場合に、該発電制御手段により燃料ガス流量が最大量に設定され、該燃料ガス供給手段により該燃料電池に供給される燃料ガス流量が実際に最大量に増加されるまで待つことなく、該電力量制御手段により該燃料電池から該電力変換手段を介して該負荷に該所定の電力量を供給する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
該燃料電池は固体電解質型である、請求項１記載の燃料電池システム。
該燃料ガス供給手段は改質手段、該改質手段に水素リッチな燃料ガスに改質すべき被改質燃料ガスを供給する被改質燃料ガス供給手段及び該改質手段に水を供給する水供給手段を含み、該発電制御手段は該改質手段に供給される被改質燃料ガス流量及び該改質手段に供給される水流量を制御して燃料ガス流量を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
該電力量制御手段が設定する電力量が該燃料電池の発電電力量よりも所定量以上大きい場合には、該発電制御手段は燃料ガス流量を所定最大値に設定する、請求項１記載の燃料電池システム。
該発電制御手段が設定する燃料ガス流量は所定最小量以上であり、該発電制御手段が設定する酸素含有ガス流量も所定最小量以上である、請求項１記載の燃料電池システム。
該発電室内の所定部位の温度が所定値を超えると、該発電制御手段は酸素含有ガス流量を所定最大値に設定する、請求項１記載の燃料電池システム。