JP5328119B2

JP5328119B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5328119B2
Application number: JP2007195916A
Authority: JP
Inventors: 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: JP2009032555A

Description

本発明は、改質器に供給する原燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給量を制御する制御装置を具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置およびその運転方法が種々提案されている。

ここで、燃料電池装置の起動処理工程においては、燃料電池に燃料ガス（水素ガス）を供給するための改質器を所定の温度にまで上昇させるとともに、燃料電池（セル）を所定の温度にまで上昇させる必要がある。そして、燃料電池（セル）が所定の温度に達した後に、起動処理工程を終了し、燃料電池を発電状態へと切り替えることとなる。

ここで、改質器の起動処理工程としては、天然ガス等の炭化水素ガスから燃料電池の発電に必要な水素を生成するための方法である部分酸化改質法（ＰＯＸ）、オートサーマル法（ＡＴＲ）、水蒸気改質法（ＳＲ）を適宜組み合わせて行なうことが知られている。

具体的には、例えば、改質器の温度が低い場合には部分酸化改質法により改質反応を行ない、部分酸化改質により改質器の温度が上昇するに伴い、部分酸化改質法からオートサーマル法に切り替えて改質反応を行ない、さらに改質器の温度が上昇した場合に、オートサーマル法から水蒸気改質法に切り替えて改質反応を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。それにより、改質器の温度が上昇するとともに、改質器で生成される燃料ガス自体の温度が上昇する。

そして、起動処理工程において改質器で生成された温められた燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）が燃料電池（セル）に供給され、温められた燃料ガスにより燃料電池自身が温められること、さらには燃料電池（セル）に供給される酸素含有ガスとの燃焼反応により燃料電池（セル）自身が加熱されることで、燃料電池の温度が上昇し、起動処理工程が完了する。
特開２００４−３１９４２０号公報

ところで、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルの場合、要求される負荷にあわせて運転する負荷追従運転を行うことができ、さらには、負荷追従運転の発電量にあわせて、改質器に供給される燃料ガスや、改質器およびセルスタックに供給される酸素含有ガスの流量調整を行なって負荷追従運転を行なう、すなわち高効率の負荷追従運転を行うことができる（以下、この運転を高効率の負荷追従運転と称する。）。それゆえ、高効率の負荷追従運転の制御を行なっている場合には、負荷（要求電力）にあわせて、改質器に供給される燃料ガスや、改質器およびセルスタックに供給される酸素含有ガスの流量が調整される。

ここで、例えば燃料電池の起動において、燃料電池が起動状態から高効率の負荷追従運転（発電状態）に切り替えられた直後は、発電量が抑えられる（発電状態が一端リセット状態となる）ことから、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスは最低流量で供給されることとなる。

それゆえ、燃料電池装置の起動時において、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が、セルスタック（燃料電池セル）の温度上昇のために燃料ガスや酸素含有ガスが大量に供給されていた状態から、ただちに最低流量にまで減少することに伴い、燃料電池（セル）での燃焼反応が不安定となり、燃料電池セルが失火し、十分な発電量を得ることができなくなるといった問題が生じるおそれがあった。

また、燃料電池が起動状態から高効率の負荷追従運転（発電状態）に切り替えられると、要求される負荷にあわせた発電が直ちに要求されるため、例えば高効率の負荷追従運転に切り替えられた直後に、大きな需用電力が生じた場合には、高効率の負荷追従運転に切り替えられた直後にもかかわらず高い発電量が要求され、それにあわせて改質器に供給される燃料ガスやセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が急激に増加することとなる。

その際、複数個の燃料電池セルを組み合わせたセルスタックにおいては、セルスタックの一部の温度が低く、十分な電圧が得られない場合があるといったおそれがあった。

一方で、燃料電池を起動状態から高効率の負荷追従運転（発電状態）に切り替えた際に、十分な電圧を得ることができるよう、燃料電池の起動状態から高効率の負荷追従運転（発電状態）に切り替えるセルスタックの設定温度を高温に設定した場合には、燃料電池装置の起動時間が非常に長くなるとともに、セルスタック（燃料電池セル）の一部が劣化するというおそれもあった。

それゆえ、本発明においては、燃料電池装置の起動時における上記不具合を解消することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃焼反応させることが可能な複数の固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルに供給する水素ガスを生成するための改質器と、該改質器に燃料ガ
スを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器および前記燃料電池セル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と、前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御するとともに、前記セルスタックの発電状態を切り替える制御を行なう制御装置とを具備する燃料電池装置であって、前記制御装置は、起動開始から前記セルスタックの温度が発電開始可能な第１の設定温度に達するまでの間は、前記燃料ガスおよび前記酸素含有ガスを供給して前記燃焼反応をさせるように、前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御し、前記第１の設定温度に達すると前記セルスタックの発電を開始するよう制御して負荷追従運転モードに移行させるとともに、起動開始から所定時間が経過するまでの間であって、前記第１の設定温度に達した後は、前記燃焼反応が継続するように、前記燃料ガスを最大流量で供給し、かつ前記最大流量の前記燃料ガスに対応した量の前記酸素含有ガスを供給するように前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御することを特徴とすることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、定格運転時は高効率の負荷追従運転を行なう燃料電池装置において、セルスタックの温度が発電開始可能な第１の設定温度に達するとセルスタックの発電を開始するよう制御して負荷追従運転モードに移行させるとともに、起動開始から第１の設定温度に達するまでの間は、燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給して、燃焼反応をさせるように、燃料ガス供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御し、起動開始から所定時間が経過するまでの間であって、第１の設定温度に達した後は、燃焼反応が継続するように、燃料ガスを最大流量で供給し、かつ最大流量の燃料ガスに対応した量の酸素含有ガスを供給するように、燃料ガス供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置を具備することから、発電状態を切り替えて、高効率の負荷追従運転を開始する際に、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制できる。

それにより、燃料電池セルでの燃焼反応が不安定となり、燃料電池セルが失火し、十分な発電量を得ることができないといった問題が生じることを抑制することができる。

また、起動開始から所定時間が経過するまでの間であって、第１の設定温度に達した後は、燃焼反応が継続するように、燃料ガスを最大流量で供給し、かつ最大流量の燃料ガスに対応した量の酸素含有ガスを供給するように、燃料ガス供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御することから、継続してセルスタックの温度を上昇させることができ、セルスタックの一部の温度が低く、十分な電圧が得られないといった問題が生じることを抑制できる。

さらに、セルスタックの温度が、発電開始可能な第１の設定温度に達すると、燃料電池セルの発電を開始することから、所定時間経過後に高効率の負荷追従運転を開始する場合に、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記所定時間は、起動開始から前記セルスタックが安定して作動する最高温度である第２の設定温度に達するまでの時間であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、例えばセルスタックの第２の設定温度をセルスタックが安定して作動する最高温度に設定し、第２の設定温度に達した後は高効率の負荷追従運転を開始する。

それにより、セルスタック（燃料電池セル）の一部が非常に高温となることで、セルスタックの作動が不安定となる（セルスタックが劣化する）ことを抑制できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記所定時間は、起動開始から前記セルスタックの発電量が所定の発電量となるまでの時間であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの所定流量を供給する時間を、セルスタックの発電量が所定の発電量となるまでの時間とすることにより、高効率の負荷追従運転開始時に、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制できる。

このような燃料電池装置においては、改質器に供給される燃料ガスの所定流量を最大流量とすることにより、改質器およびセルスタックの温度を素早く上昇させることができ、燃料電池装置の起動時間を短縮することができる。

本発明の燃料電池装置は、セルスタックの温度が発電開始可能な第１の設定温度に達するとセルスタックの発電を開始するよう制御して負荷追従運転モードに移行させるとともに、起動開始から第１の設定温度に達するまでの間、燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給して、燃焼反応を行なうように、燃料ガス供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御し、起動開始から所定時間が経過するまでの間であって、第１の設定温度に達した後は、燃焼反応が継続するように、燃料ガスを最大流量で供給し、かつ最大流量の燃料ガスに対応した量の酸素含有ガスを供給するように、燃料ガス供給手段および酸素含有ガス供給手段を制御する制御装置を具備することから、発電状態を切り替えて、高効率の負荷追従運転を開始する際に、改質器に供給される燃料ガスおよびセルスタックに供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制でき、燃料電池セルでの燃焼反応が不安定となり、燃料電池セルが失火し、十分な発電量を得ることができないといった問題が生じることを抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置を備えてなる燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。このような燃料電池システムは、本発明の燃料電池装置である発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環ポンプおよび循環配管から構成されている。なお、本発明の燃料電池装置を、発電ユニット、貯湯ユニット、循環ポンプおよび循環配管の全てを具備したものとすることもできる。

図１に示す燃料電池装置（システム）は、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する燃料ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガス（燃料ガス）を改質するための改質器４を具備している。

ここで、改質器４にて水蒸気改質を行なう場合には、改質器４に水を供給する必要がある。それゆえ、図１に示す燃料電池装置においては、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水タンク１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水タンク１９に貯水された水（凝縮水）が、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

一方、凝縮水タンク１９に貯水される水の量が少ない場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理し改質器４に供給することが好ましく、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置からなる水処理装置Ｘを具備している。また、これらの各装置を、水供給管５によりこの順で接続して配置しており、さらに水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整するための給水弁６が設けられている。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水され、水ポンプ１１により改質器４に水が供給される。なお、図１においては、凝縮水タンク１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている状態を示しており、水ポンプ１１により水タンク１０に貯水された凝縮水または外部から供給され純水に処理された水を改質器４に供給する。なお図１においては、これら改質器４に水を供給するための手段を、一点鎖線により囲って示している。

さらに、図１に示す燃料電池装置（システム）は、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２が設けられており、このパワーコンディショナ１２を系統電源（負荷）と接続することで、燃料電池１の発電が開始されるとともに、負荷追従運転が開始されることとなる。

そして、図１に示す燃料電池装置（システム）は、この燃料ガス供給手段２や酸素含有ガス供給手段３、さらにはパワーコンディショナ１２等を制御する制御装置１４が設けられている。なお、各制御については後述するものとし、制御装置１４は各制御を行なう制御部を１つの収納容器に収納する、もしくはそれぞれ別個の装置とすることができる。

なお、図１においては、燃料電池１にて発電された熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５が設けられており、上述した各装置により、発電ユニットが構成されている。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。

さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環ポンプ１６、循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環ポンプ１６、循環配管１７をあわせて燃料電池装置（システム）が構成される。

なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の各流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに図示していないが、燃料ガス供給手段２と改質器４との間に、燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿器を設けることも可能である。

なお、燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

図２は、本発明の燃料電池装置を構成する部材である燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。燃料電池モジュール２２は、直方体状の収納ケース２３の内部に、複数の燃料電池セル２４を並設して電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタック２５（以下、セルスタックという場合がある）を収納する。図２においては、燃料電池セル２４として、燃料電池セル２４の内部を長手方向に反応ガス（水素ガス等）が流れる中空平板型の燃料電池セル２４を例示している。また、天然ガスや灯油等の燃料を改質して、燃料電池セル２４にて使用する水素ガスを生成するための改質器４が、セルスタック２５の上部に配置されている。さらにセルスタック２５は、生成された水素ガスを燃料電池セル２４に供給するためのマニホールド２６の上面に立設されており、改質器４で生成された水素ガスが、マニホールド２６を介して燃料電池セル２４に供給される。そして、これらの構成により燃料電池セルスタック装置２７が構成されている。

なお、図２においては、収納ケース２３の一部（前面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置２７を前方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示した燃料電池モジュール２２においては、燃料電池セルスタック装置２７を、収納ケース２３内にスライドさせて収納することが可能である。

図３は、図２で示す燃料電池モジュール２２のＸ断面図であり、内部に温度センサ３５を配置してなる燃料電池モジュール３１の一例を示す。

図３で示す収納ケース２３は、内壁３０と外壁３２を有する二重壁構造で、外壁３２により収納ケース２３の外枠が形成されるとともに、内壁３０によりセルスタック２５（燃料電池セルスタック装置２７）を収納する発電室２９が形成されている。

さらに収納ケース２３においては、内壁３０と外壁３２との間を、燃料電池セル２４に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル２４に導入する燃料ガスや酸素含有ガスが流れる。

ここで内壁３０には、セルスタック２５（燃料電池セル２４）の配列方向における幅に対応し、内壁３０と外壁３２とで形成される流路に連通してセルスタック２５の配列方向に沿った側面側よりセルスタック２５に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材２８が備えられている。また、反応ガス導入部材２８の下端側（燃料電池セル２４の下端側）には、燃料電池セル２４に反応ガスを導入するための吹出口３４が設けられている。なお図３において、反応ガス導入部材２８は、収納ケース２３の上面側から発電室２９に垂下する形状を示しており、反応ガス導入部材２８は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端側で底部材に接合して形成されている。そして、反応ガス導入部材２８の内部に、測温部３６がセルスタック２５の最も高い温度となる部位の近傍に位置するよう温度センサ３５が収納ケース２３の上面側より挿入されている。なお、温度センサ３５としては、例えば熱電対等を用いることができる。また、セルスタック２５の最も高い温度となる部位とは、セルスタック２５（燃料電池セル２４）の配列方向における中央部で、かつ燃料電池セル２４の長手方向における中央部となる。

ここで、燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池セルを用いる燃料電池装置の起動処理工程においては、燃料電池セル２４に供給する水素ガスを生成するための改質反応を行なう改質器４を所定の温度にまで上昇させるとともに、セルスタック２５（燃料電池セル２４）を所定の温度にまで上昇させる必要があり、セルスタック２５が所定の温度に達すると起動処理工程を終了し、燃料電池を発電状態へと切り替えることとなる。

ここで改質器４での改質反応としては、例えば、部分酸化改質、オートサーマル、水蒸気改質を順に行なう改質法を採用することができる。具体的には、まず燃料ガス供給手段２より供給される燃料ガスを用いて部分酸化改質を行なう。なお、部分酸化改質を行なうにあたり空気（酸素）が必要となり、図１においては燃料電池１に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段３を共用する場合の例を示したが、別の供給手段を設けて改質器４に空気を供給してもいい。

ここで部分酸化改質は発熱反応であるため、改質反応に伴い改質器４の温度が上昇する。そして、改質器４の温度上昇に伴い、部分酸化改質と水蒸気改質とを組み合わせたオートサーマル、さらには水蒸気改質へと切り替えることができ、改質器４の温度が所定の温度に達することができる。なお、オートサーマルや水蒸気改質で必要な水は、図１で示した水タンク１０に貯水された水（凝縮水等）を、水ポンプ１１により改質器４に供給することで供給できる。

そして、改質器４の温度上昇に伴い、改質器４で生成される水素ガス自体の温度が上昇するため、改質器４で生成され燃料電池セル２４に供給された温められた水素ガスにより、燃料電池セル２４自身が温められる。

さらに、燃料電池セル２４（セルスタック２５）の上部側では、改質器４により供給される水素ガスや、改質器４で反応しなかった未反応ガス（燃料ガス）が、セルスタック２５に供給される酸素含有ガスと燃焼反応を行なうことで、燃料電池セル２４（セルスタック２５）の温度を上昇させることができる。

なお、例えば図２や図３に示したように、改質器４をセルスタック２５の上部に配置した場合においては、燃料電池セル２４の上部側での燃焼反応による熱を改質器４に伝熱することができることから、改質器４の起動工程に必要となる時間、すなわち改質器４が所定の温度となるまでの時間を短くすることができる。

一方、セルスタック２５の起動処理においては、温度センサ３９にてセルスタック２５の最も高い温度となる部位（もしくはその近傍）の温度が測定され、その温度情報が制御装置１４に伝送される。そして温度センサ３９で測定されるセルスタック２５の温度が所定の温度（第１の設定温度）に達すると、制御装置１４は燃料電池１が発電開始可能であると判断し、パワーコンディショナ１２に対し、系統電源（負荷）と接続してセルスタック２５の運転を負荷追従運転モードに移行させるよう信号を伝送する。

ここで、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルである場合には、要求される負荷にあわせて運転する負荷追従運転を行うことができる。さらには、負荷追従運転の発電量にあわせて、改質器に供給される燃料ガスや、改質器およびセルスタックに供給される酸素含有ガスの流量調整を行なって負荷追従運転を行なう、すなわち高効率の負荷追従運転を行うことができる。それゆえ、効率よい燃料電池装置とすることができる。そのため、制御装置１４は、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達すると、負荷追従運転モードに移行するよう制御し、要求される負荷にあわせて燃料ガス供給手段２や酸素含有ガス供給手段３を制御し、適量の燃料ガスを改質器４に、適量の酸素含有ガスをセルスタック２５に供給する。なお高効率の負荷追従運転において、負荷が小さい場合や負荷がない場合においては、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスを最低流量で流すよう制御される。ここで最低流量とは、燃料ガス供給手段２や酸素含有ガス供給手段３が供給できる最も少ない流量を意味する。

しかしながら、このような高効率の負荷追従運転を行なう燃料電池装置においては、燃料電池１が起動処理から負荷追従運転モードに移行して、高効率の負荷追従運転が開始された直後は、発電状態が一端リセットされた状態（すなわち、発電量が０の状態）となるため、改質器４には最低流量の燃料ガスが、セルスタック２５には最低流量の酸素含有ガスが供給されることとなる。

それに伴い、セルスタック２５の温度を発電開始可能となるまで（第１の設定温度に達するまで）上昇させるために、燃料ガスおよび酸素含有ガスが大量に供給されていた状態から、ただちに最低流量にまで減少することに伴い、セルスタック２５の上部側での燃焼反応が不安定となり、燃料電池セルが失火するおそれがあった。

それゆえ、本発明においては、高効率の負荷追従運転を行なう燃料電池装置において、セルスタック２５の温度が発電開始可能な第１の設定温度に達するとセルスタック２５の発電を開始するよう制御して負荷追従運転モードに移行させるとともに、起動開始から第１の設定温度を越えて所定時間が経過するまでの間は、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの所定流量を継続して供給するよう制御する制御装置１４を具備している。

具体的には、温度センサ３９により測定されるセルスタック２５の温度情報が制御装置１４に伝送される。制御装置１４はセルスタック２５の温度が第１の設定温度に達した後は、パワーコンディショナ１２に対し、セルスタック２５（燃料電池セル２４）を発電状態に切り替える指令を伝送し、燃料電池装置を系統電源(負荷)と接続して、負荷追従運転モードに移行するよう指令する。あわせて、制御手段１４は燃料ガス供給手段２および酸素含有ガス供給手段３に対して、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの所定流量を供給するよう信号を伝送する。

それにより、セルスタック２５（燃料電池１）が発電状態に切り替わり負荷追従運転モードに移行して、高効率の負荷追従運転が開始される際に、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少し、それに伴い燃料電池セル２４が失火し、十分な発電量を得ることができないといった問題が生じることを抑制できる。なお、改質器４に供給される燃料ガスの所定流量とは、言い換えるとセルスタック２５に供給される水素ガスの所定流量と言い換えることも可能である。

なお、図３において、温度センサ３９はセルスタック２５の最も高い温度となる部位の温度を測定しているが、これはセルスタック２５の温度が所定の温度を超えた場合に、セルスタック２５（燃料電池セル２４）が劣化したり破損したりして、安定に作動することができなくなるおそれがあるためである。また、セルスタック２５が発電開始可能となるセルスタック２５の温度（第１の設定温度）としては、例えば約６５０℃程度とすることができる。

一方、図３で示したように、温度センサ３９がセルスタック２５の劣化や破損を抑制すべくセルスタック２５の最高温度のみを測定している場合には、セルスタック２５（燃料電池１）を発電状態に切り替え負荷追従運転モードに移行する際に、セルスタック２５の一部の温度が低く、十分な電圧が得られないといった問題が生じるおそれがあるが、本発明においてはセルスタック２５の温度が第１の設定温度に達し、起動開始から第１の設定温度を越えて所定時間の間は、改質器４に供給される燃料ガスとセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの所定流量を継続して供給するため、継続してセルスタック２５の温度を上昇させることができ、安定して十分な電圧を得ることができる。

なお、この場合の所定流量の燃料ガスと酸素含有ガスとは、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達するまで供給していた量と同一の量とすることができる。それにより、セルスタック２５の温度を継続して上昇させることができ、安定して発電を行なうことができる。

また、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達し、起動開始から第１の設定温度を越えて所定時間経過後に高効率の負荷追従運転を開始する場合に、すでにセルスタック２５が発電を開始していることから、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制できる。それにより、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達し、起動開始から第１の設定温度を越えて所定時間経過後（セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達して所定時間経過後）に、高効率の負荷追従運転を開始する時にも、燃料電池セル２４が失火することが抑制できる。

なお、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達してから、高効率の負荷追従運転を開始するまでの間（すなわち、負荷追従運転モードに移行している間）は、適宜要求負荷に応じて電力を供給することができるが、この場合は、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスを、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達するまで供給していた量と同一の量を供給することから、負荷追従運転は行なえるものの、高効率の負荷追従運転を行なうことは難しいこととなる。

ところで、制御装置１４は、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間の間は、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの所定流量を継続して供給するよう制御するが、この場合に、長時間継続して所定流量の燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給し続けると、発電効率が悪い状態が継続することとなる。

したがって、制御装置１４は、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間が経過した後は、セルスタック２５は高効率の負荷追従運転を開始するよう制御することが好ましい。それにより、セルスタック２５の運転を高効率の負荷追従運転に切り替えた後は、発電効率を向上することができる。

ここで、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間とは、例えば、セルスタック２５が安定して作動する最高温度である第２の設定温度に達するまでの時間とすることができる。

そして、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間を、セルスタック２５の第２の設定温度に達するまでの時間とすることにより、セルスタック２５（燃料電池セル２４）が劣化や破壊するといったことを抑制（防止）できるとともに、第１の設定温度を越えて所定時間の間に、セルスタック２５の温度を十分に高めることができ、安定して十分な電圧を得ることができる。

また、セルスタック２５の温度が第２の設定温度に達した後は、高効率の負荷追従運転を開始することにより、制御装置１４は要求電力にあわせて燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給するよう制御することで、燃料電池１の発電効率を高めることができる。

なお、第２の設定温度は、燃料電池セル２４（セルスタック２５）の形状や構成等により適宜設定することができるが、例えば第２の設定温度を８５０℃〜１０００℃の範囲とすることができる。

また、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間を、セルスタック２５の第２の設定温度に達するまでの時間とするほか、セルスタック２５の発電量が所定の発電量となるまでの時間とすることもできる。

制御装置１４は、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達した後は、セルスタック２５（燃料電池１）の発電を開始するよう制御する。そして、上述したのと同様に、セルスタック２５の温度が第１の設定温度に達した後、長時間継続して所定流量の燃料ガスおよび酸素含有ガスを供給し続けると、発電効率が悪い状態が継続することとなるため、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間が経過した後は、燃料電池１の運転として高効率の負荷追従運転を開始することが好ましい。

ここで、燃料電池１の運転として高効率の負荷追従運転を開始する際に、要求電力が少ないもしくは要求電力がない場合においては、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少し、それに伴い燃料電池セル２４が失火し、十分な発電量を得ることができないという問題が生じるおそれがある。

したがって、セルスタック２５の温度が第１の設定温度を越えて所定時間経過後に、燃料電池１の運転として高効率の負荷追従運転を開始する場合に、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少しないよう、セルスタック２５の発電量が所定の発電量となった際に、燃料電池１の運転として高効率の負荷追従運転を開始することが好ましい。

それにより、燃料電池１が高効率の負荷追従運転を開始する際に、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量が急激に減少することを抑制でき、あわせて、燃料電池セル２４が失火し、十分な発電量を得ることができないという問題が生じることを抑制できる。

なお、ここでいう所定の発電量は、例えば一定の発電量とすることもできるし、また所定時間に所定の発電量を超えた時間等により定義することもできる。

ところで、改質器４に供給される燃料ガスおよびセルスタック２５に供給される酸素含有ガスは、燃料電池装置１に具備する燃料ガス供給手段２や酸素含有ガス供給手段３の供給能力に応じて供給されるが、改質器４やセルスタック２５の温度を素早く上昇させ、燃料電池１の起動時間を短くする点で、燃料ガス供給手段２における最大の供給量（最大流量）にて供給することが好ましい。

それゆえ、燃料ガス供給手段２を制御し、改質器４に供給される燃料ガスを、燃料電池１の運転として高効率の負荷追従運転を開始するまでは、最大流量で供給することで、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。

なお、この場合においてセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの量は、燃料ガスの供給量に応じて供給すればよい。したがって、改質器４に供給される燃料ガスを最大流量で供給している場合には、その最大流量に応じた酸素含有ガスを、酸素含有ガス供給手段３を制御して供給することが好ましい。

また、上述したように燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合、固体酸化物形燃料電池セルの運転温度が非常に高温であることから、改質器４に供給される燃料ガスやセルスタック２５に供給される酸素含有ガスの供給量の変動が大きくなる。それゆえ、本発明の燃料電池装置を適用するにあたり非常に有効となる。

ここで、燃料電池セル２４の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等が知られているが、燃料電池の発電を効率よく行なう上で、図２に示したように中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。

このような、中空平板型の燃料電池セル２４としては、内側に燃料極が、外側に酸素極が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池を用いることができ、それによりさらに効率よく発電を行なうことができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、燃料電池セル２４として内側が燃料極、外側が酸素極とした燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池セル２４を示したが、例えば、内側が酸素極、外側が燃料極とした空気極支持タイプの中空平板型燃料電池セルや、固体高分子形燃料電池セル等の他の燃料電池セルを収納してなる燃料電池装置を用いることもできる。

本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。本発明の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料ガス供給手段
３：酸素含有ガス供給手段
４：改質器
１２：パワーコンディショナ
１４：制御装置
２２、３１：燃料電池モジュール
２３：収納容器
２４：燃料電池セル
２５：セルスタック
２６：マニホールド
２７：燃料電池セルスタック装置
２８：ガス導入部材
３５：温度センサ

Claims

収納容器内に、燃焼反応させることが可能な複数の固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルに供給する水素ガスを生成するための改質器と、該改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器および前記燃料電池セル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と、前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御するとともに、前記セルスタックの発電状態を切り替える制御を行なう制御装置とを具備する燃料電池装置であって、
前記制御装置は、起動開始から前記セルスタックの温度が発電開始可能な第１の設定温度に達するまでの間は、前記燃料ガスおよび前記酸素含有ガスを供給して前記燃焼反応をさせるように、前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御し、
前記第１の設定温度に達すると前記セルスタックの発電を開始するよう制御して負荷追従運転モードに移行させるとともに、起動開始から所定時間が経過するまでの間であって、前記第１の設定温度に達した後は、前記燃焼反応が継続するように、前記燃料ガスを最大流量で供給し、かつ前記最大流量の前記燃料ガスに対応した量の前記酸素含有ガスを供給するように前記燃料ガス供給手段および前記酸素含有ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。
前記所定時間は、起動開始から前記セルスタックが安定して作動する最高温度である第２の設定温度に達するまでの時間であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記所定時間は、起動開始から前記セルスタックの積算発電量が所定の発電量となるまでの時間であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。