JP5597628B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数個の燃料電池セルを配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを、外装ケース内に収納してなる燃料電池装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを、集電部材を介して複数個配置し、電気的に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに固定してセルスタック装置を構成し、そのセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池装置においては、負荷が要求する要求電力を供給するために、燃料電池セルに供給する燃料ガスの流量や、燃料電池セルの電圧等を適宜調整する。
特開２００７−５９３７７号公報
ところで、燃料電池装置（燃料電池セル）の発電開始時や、深夜等の低負荷が長時間継続する場合においては、燃料電池モジュール（収納容器内）の温度が低い状態となっている。
このような場合に、高い負荷が要求されると、その高い負荷により燃料電池セルから多くの電流を引出されるため、燃料電池セルの電圧が低下するとともに、電流が増加することとなる。この場合に、燃料電池セルの温度が低い状態で電流が増加すると、燃料電池セルにおける電流の流れが不均一となり、燃料電池セルの一部に電流が集中することで、燃料電池セルが劣化するおそれがあった。特に、外部負荷の要求に応じて最大出力を必要とする場合において、燃料電池セルが劣化するおそれがあった。
それゆえ、本発明においては、燃料電池装置の発電開始時や、深夜等の低負荷が長時間継続した場合において、燃料電池セルの劣化を抑制しつつ、要求負荷に対応する電力を生成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、外装ケース内に、燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタックで発電した電流を外部負荷に供給するためのパワーコンディショナと、該パワーコンディショナを制御するための制御装置と、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを備え、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記燃料電池装置の発電開始時において、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、前記外部負荷に電流を供給するように、前記パワーコンディショナを制御するとともに、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電
池セルに供給する燃料ガスの最低流量値よりも高くなるように、前記原燃料供給手段を制御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、制御装置が、燃料電池装置（燃料電池セル）の発電開始時に、燃料電池セルの電圧値を、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、外部負荷に電流を供給するようにパワーコンディショナを制御することから、燃料電池セルスタック（燃料電池セル）の発電により生じる電流量が低減することとなり、燃料電池セルに流れる電流量を低減させることができる。それにより、燃料電池セルにおける電流の流れが不均一となることを抑制でき、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。さらに、パワーコンディショナを燃料電池セルの電圧値を燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧よりも高く維持するように制御している間は、その制御を行なっていない間に比べて、燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が高くなるように制御することにより、燃料電池セルの発電に利用されなかった余剰の燃料ガス量が増加することとなる。それにより、余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱の熱量が増加することから、燃料電池モジュール内の温度を迅速に上昇させることができる。
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなるとともに、該収納容器内の温度を測定するための温度センサを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタックで発電した電流を外部負荷に供給するためのパワーコンディショナと、該パワーコンディショナを制御するための制御装置と、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを備え、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定温度未満の場合に、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、前記外部負荷に電流を供給するように、前記パワーコンディショナを制御するとともに、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値よりも高くなるように、前記原燃料供給手段を制御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、制御装置が、収納容器（燃料電池モジュール）内の温度が所定の温度未満の場合に、燃料電池セルの電圧値を、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、外部負荷に電流を供給するようにパワーコンディショナを制御することから、燃料電池セルスタック（燃料電池セル）の発電により生じる電流量が低減することとなり、燃料電池セルに流れる電流量を低減させることができる。それにより、燃料電池セルにおける電流の流れが不均一となることを抑制でき、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。さらに、パワーコンディショナを燃料電池セルの電圧値を燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧よりも高く維持するように制御している間は、その制御を行なっていない間に比べて、燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が高くなるように制御することにより、燃料電池セルの発電に利用されなかった余剰の燃料ガス量が増加することとなる。それにより、余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱の熱量が増加することから、燃料電池モジュール内の温度を迅速に上昇させることができる。
また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持するように制御してから所定時間経過後に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することが好ましい。
燃料電池セルの電圧値を、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持するように制御してから所定時間経過後においては、燃料電池モジュール（収納容器）内の温度が十分に上昇していなくとも、各燃料電池セルの温度が均一に近づく、もしくは均一となる。
そして、各燃料電池セルの温度が均一に近づくことにより、燃料電池セルの電圧値を、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値とした場合に、燃料電池セルの一部に電流が集中することや、温度の低い燃料電池セルにおいて電気抵抗が高くなる部位が生じることを抑制でき、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。
それゆえ、このような場合には、制御装置が、燃料電池セルの電圧値が、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナを制御することにより、燃料電池セルの出力を最大にまで増加させることができる。
また、本発明の燃料電池装置は、前記収納容器内の温度を測定するための温度センサを備えるとともに、前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することが好ましい。
収納容器（燃料電池モジュール）内の温度が所定の温度以上となった場合には、燃料電池セルの温度も上昇していることとなる。このような場合においては、燃料電池セルの電圧値を、最大出力を生じることが可能な電圧値となるようにすることが好ましい。
それゆえ、温度センサにより測定される燃料電池モジュール内の温度が所定の温度以上となった場合に、制御装置が、燃料電池セルの電圧値が、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナを制御することにより、燃料電池セルの出力を最大にまで増加させることができる。
また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することが好ましい。
このような燃料電池装置においても、上述と同様に、温度センサにより測定される燃料電池モジュール内の温度が所定の温度以上となった場合に、制御装置が、燃料電池セルの電圧値が、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナを制御することにより、燃料電池セルの出力を最大にまで増加させることができる。
また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池モジュールが、前記収納容器内に、前記燃料電池セルスタックの上方に配置された前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器の温度を測定するための改質器温度センサとを具備し、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させることにより生じる燃焼熱にて、前記改質器を加熱する構成を有するとともに、前記制御装置は、前記改質器温度センサにより測定される前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することが好ましい。
収納容器内に、燃料電池セルスタックの上方に配置された燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器を具備するとともに、燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃料電池セルの上端部側で燃焼させることにより生じる燃焼熱にて改質器を加熱する構成を有する燃料電池装置においては、改質器の温度が所定の温度以上となった場合に、改質触媒が劣化するおそれがある。
それゆえ、このような場合においては、制御装置が、燃料電池セルの電圧値を、燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるようにパワーコンディショナを制御することにより、燃料電池セルの出力を最大にまで増加させることができるとともに、余剰の燃料ガスの量を低減することができることから、改質器の温度が上昇することを抑制でき、改質触媒が劣化することを抑制できる。
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタックで発電した電流を外部負荷に供給するためのパワーコンディショナと、該パワーコンディショナを制御するための制御装置と、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを備え、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有する燃料電池装置であって、前記制御装置は、前記燃料電池装置
の発電開始時において、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、前記外部負荷に電流を供給するように、前記パワーコンディショナを制御するとともに、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値よりも高くなるように、前記原燃料供給手段を制御することから、燃料電池セルに流れる電流量を低減することができることで、燃料電池セルにおける電流の流れが不均一となることを抑制でき、それにより燃料電池セルが劣化することを抑制できるとともに、燃料電池セルの発電に利用されなかった余剰の燃料ガス量が増加し、該余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱の熱量が増加することから、燃料電池モジュール内の温度を迅速に上昇させることができる。さらに、収納容器内の温度を測定するための温度センサを備える燃料電池装置においては、温度センサにより測定される収納容器内（燃料電池モジュール内）の温度が所定の温度未満の場合に、燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように、パワーコンディショナを制御することにより、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。
本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システム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を構成す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を構成する燃料電池セルスタックで発電された電流の外部負荷への供給を説明するための説明図である。
図１は、本発明の燃料電池装置を具備す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。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されており、発電ユニットが本発明の燃料電池装置に相当する。
図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、複数個の燃料電池セル（図示せず）を組み合わせてなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段２、セルスタック１を構成する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３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、改質器４は、後述する水ポンプ１１により供給される純水を気化し、原燃料供給手段２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えており、さらに改質器４の内部の温度を測定するための改質器温度センサ２３を備えている。
また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す場合がある。）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処理するための凝縮水処理装置１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水処理装置１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水は、水タンク１０に貯水された後、水ポンプ１１により改質器４（気化部、図示せず）に供給される。
一方、凝縮水処理装置１９に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することもでき、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各外部水処理装置を具備している。
ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各外部水処理装置としては、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の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置９（好ましくは全ての装置）を具備する。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に貯水される。なお、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁６が設けられている。また、凝縮水処理装置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。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、凝縮水処理装置１９と改質器４とを水ポンプ１１を介して接続することも可能である。なお、本発明でいう水処理装置とは、上述した凝縮水処理装置１９と外部から供給される水を処理するための各外部水処理装置を意味するものとし、図１に示した燃料電池システムにおいては、上記水処理装置のすべてを備える構成を示している。
また、改質器４に供給する水を純水に処理するための各外部水処理装置および凝縮水処理装置１９（本発明でいう水処理装置）を一点鎖線により囲って示している（なお、改質器４と各水処理装置とを接続する給水管５、タンク連結管２０、凝縮水供給管２１も含めて水供給装置Ｘとして示している。）。
なお、本発明の燃料電池装置においては、燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とでの熱交換により生成された凝縮水のみで、改質器４での水蒸気改質反応に必要な水（純水）をまかなうことができる場合においては、外部からの水を供給する構成を設けなくてもよい。さらに、熱交換器１３にて生成される凝縮水の純度が高い場合には、凝縮水処理装置１９を配置しない構成とすることもできる。
さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セル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、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のほか、制御装置１４が設けられており、循環ポンプ１６とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内（図示せず）に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。また図示していないが、原燃料供給手段２と改質器４との間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。なお、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。
また、セルスタック１と熱交換器１３との間には、燃料電池セルの稼働に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に一般的に公知の燃焼触媒を収納して構成することができる。
なお、図中の矢印は、原燃料、酸素含有ガス、水の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（発信）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。
ここで、図１に示した燃料電池装置（発電ユニット）の運転方法について説明する。燃料電池セルの発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される主な純水は、熱交換器１３において燃料電池セルの稼動に伴って生じた排ガスと循環配管１７を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器１３にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水処理装置１９に供給される。凝縮水処理装置１９に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管２０を介して水タンク１０に供給される。水タンク１０に貯水された水は、水ポンプ１１により改質器４に供給され、原燃料供給手段２より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。以上の方法により、凝縮水を有効に利用して、水自立運転を行なうことができる。
一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。
この場合においては、まず給水弁６（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管５を通して活性炭フィルタ７に供給される。活性炭フィルタ７にて処理された水は、続いて逆浸透膜８に供給される。逆浸透膜８にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置９に供給され、イオン交換樹脂装置９で処理されることにより生成された純水が、水タンク１０に貯水される。水タンク１０に貯水された純水は、上述した方法により、燃料電池セルの発電に利用される。
また、燃料電池装置（発電ユニット）において、燃料電池装置の稼働に伴いセルスタック１を構成する燃料電池セルに改質器４を介して燃料ガスが供給されるとともに、酸素含有ガス供給手段３より酸素含有ガスが供給される。
なお、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールが構成される。図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している。また、燃料電池モジュールＭの内部には、燃料電池モジュールＭ内部の温度を測定するための温度センサ２２を備えている。
そして、改質器４を介して供給された燃料ガスと、酸素含有ガス供給手段３より供給された酸素含有ガスとで、セルスタック１（燃料電池セル）にて発電が行なわれ、燃料電池セルで発電された電流が、パワーコンディショナ１２を介して外部負荷に供給される。なお、この電流の流れや制御については後述する。
続いて、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール（以下、モジュールと略す場合がある。）について説明する。図２は、本発明の燃料電池装置を構成するモジュール２４の一例を示す外観斜視図である。
図２に示すモジュール２４においては、収納容器２５の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル２７を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル２７間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック１を、セルスタック１を構成する各燃料電池セル２７の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２６に固定してなるセルスタック装置３２を収納して構成されている。また、セルスタック１の両端には、セルスタック１（燃料電池セル）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。
図２においては、燃料電池セル２７として、内部を燃料ガス（水素含有ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層をこの順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セルを例示している。
さらに図２においては、燃料電池セル２７の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管３１を介して供給される天然ガス等の原燃料（原燃料）を改質して燃料ガスを生成するための改質器４をセルスタック１（燃料電池セル２７）の上方に配置している。ここで、改質器４は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部２８と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２９とを備えている。また、気化部２８に純水を供給するための給水管３４が接続され、給水管３４と原燃料供給管３１とが別個に設けられているが、原燃料供給管３１と給水管３４とを二重管とすることもできる。また、改質器４には、改質器４内部の温度を測定するための改質器温度センサ２３が配置されている。なお、改質器温度センサ２３は、目的に応じて、気化部２８内や改質部２９内の温度を測定するように適宜配置してもよく、また複数配置することもできる。
そして、改質器４で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管３０を介してマニホールド２６に供給され、マニホールド２６より燃料電池セル２７の内部に設けられたガス流路に供給される。
また図２においては、収納容器２５の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置３２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュール２４においては、セルスタック装置３２を、収納容器２５内にスライドして収納することが可能である。
なお、収納容器２５の内部には、マニホールド２６に並置されたセルスタック１の間に配置され、酸素含有ガス（酸素含有ガス）が集電部材の内部を介して燃料電池セル２７の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材３３が配置されている。さらに、収納容器２５には、収納容器２５内（モジュール２４内）の温度を測定するための温度センサ２２が配置されている。図２に示す温度センサ２２は、収納容器２５の上方より、収納容器２５内に挿入して配置されている例を示している。ここで、温度センサ２２は、収納容器２５内の温度を測定できればよいが、温度センサ２２の測温部が、より温度の高いセルスタック１の燃料電池セル２７の配列方向に沿った中央部に位置するように配置することが好ましい。
また、燃料電池セル２７のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２７の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２７の温度を上昇させることができ、セルスタック１の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル２７（セルスタック１）の上方に配置された改質器４を温めることができ、改質器４で効率よく改質反応を行なうことができる。
図３は、図１に示す燃料電池装置の一部を抜粋するとともに、セルスタック１（燃料電池セル２７）で発電された電流の外部負荷３５への供給を説明するための説明図である。
セルスタック１において発電された直流電力は、パワーコンディショナ１２により交流電力に変換され、系統電源３４から供給される電力と組み合わせて外部負荷３５に供給される。それゆえ、パワーコンディショナ１２は、セルスタック１で発電された電力を外部負荷３５に供給するだけでなく、外部負荷３５に供給される燃料電池装置側の電力量を制御する機能も有している。
それゆえ、パワーコンディショナ１２はセルスタック１より外部負荷３５に供給する電力量を制御することから、セルスタック１の発電に伴う電流量と、セルスタック１の電圧値とを制御する機能を有する。
ところで、燃料電池装置（セルスタック１）の発電開始時や、深夜等の低負荷が長時間継続する場合においては、収納容器２５（モジュール２４）内の温度が低い状態となっている。
このような状況下で、外部負荷３５より高い負荷が要求されると、その高い負荷により燃料電池セル２７から多くの電流が引出されるため、燃料電池セル２７（セルスタック１）からの電流量が増加するとともに、燃料電池セル２７の電圧が低下することとなる。
そして、燃料電池セル２７の温度が低い状態で電流が増加すると、燃料電池セル２７における電流の流れが不均一となり、燃料電池セル２７の一部に電流が集中することで、燃料電池セル２７が劣化するおそれがある。あわせて、温度の低い燃料電池セル２７においては、温度の高い燃料電池セル２７に比べて電気抵抗が高くなり、電気抵抗の高い部位が局所的に劣化するおそれもある。特に、外部負荷の要求に応じて最大出力を必要とする場合において燃料電池セル２７が劣化するおそれがある。
なお、燃料電池セル２７における最大出力とは、燃料電池セル２７（セルスタック１）のＤＣ出力がＷ＝Ｉ×Ｖであることから、燃料電池セル２７の電圧が、開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶと略す）の半分、すなわち１／２ＯＣＶの場合となる（以下、最大出力を得る電圧値を表す場合に、１／２ＯＣＶという場合がある。）。すなわち、例えば、燃料電池セル２７のＯＣＶが１Ｖの場合には、燃料電池セル２７が最大出力を得るための電圧（１／２ＯＣＶ）としては０．５Ｖとなる。
そこで、本発明の燃料電池装置においては、制御装置１４は、燃料電池装置（燃料電池セル２７）の発電開始時においては、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように、パワーコンディショナ１２を制御する。それにより、燃料電池セル２７から外部負荷３５に供給される電流量を低減させることができ、燃料電池セル２７が劣化することを抑制できる。ここで、燃料電池セル２７の電圧値が、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるとは、燃料電池セル２７の電圧値が大小に振れた場合であっても、その最も小さい電圧値が、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように設定されることが好ましい。以降の説明においても同様である。
なお、燃料電池セル２７の電圧値は、各燃料電池セル２７の電圧値を測定する他、セルスタック１の全電圧を、セルスタック１を構成する燃料電池セル２７の数で割ることによって算出してもよい。
また、収納容器２５（モジュール２４）内に温度センサ２２を配置してなる燃料電池装置においては、制御装置１４は、温度センサ２２により測定される収納容器２５内（モジュール２４内）の温度が所定の温度未満の場合に、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように、パワーコンディショナ１２を制御する。
すなわち、温度センサ２２により測定される収納容器２５内の温度が所定の温度未満の場合には、燃料電池セル２７の電圧値を、１／２ＯＣＶよりも高い値に設定することで、燃料電池セル２７から外部負荷３５に供給される電流量を低減させる。それにより、燃料電池セル２７に流れる電流量を低減させることができ、燃料電池セル２７が劣化することを抑制できる。
なお、収納容器２５内における所定温度とは、収納容器２５の大きさや、セルスタック１（燃料電池装置）の出力等により、適宜設定することができるが、例えば燃料電池装置の出力が７００Ｗで、収納容器２５が容積約２７Ｌの場合においては、６５０℃〜７００℃の間で適宜設定することができる。また、この場合における、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにするとは、ＯＣＶが１Ｖの場合においては、０．６Ｖ〜０．８Ｖの間で適宜設定することができる。
ところで、燃料電池装置を効率よく運転させるにあたっては、パワーコンディショナ１２を制御して、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御する時間は短い方がよい。
それゆえ、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御している間において、迅速に収納容器２５内の温度を上昇できることが好ましい。
ここで、制御装置１４は、燃料電池セル２７の電圧値を燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御している間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガスの最低流量値を、その制御をしていない間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガスの最低流量値（すなわち、収納容器２５（モジュール２４）内の温度が、上述の所定の温度以上の場合における最低流量値）よりも高くなるように、原燃料供給手段２を制御することが好ましい。具体的には、燃料電池セル２７の電圧値を燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御している間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガスの最低流量値を、その制御をしていない間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガスの最低流量値に対して１．２〜２倍程度となるように、原燃料供給手段２を制御することが好ましい。
それにより、燃料電池セル２７の発電に利用されなかった余剰の燃料ガス量が増加することとなり、その余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱の熱量が増加するため、収納容器２５（モジュール２４）内の温度を迅速に上昇させることができる。
それにより、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御する時間を短くすることができ、効率よく燃料電池装置を運転することができる。
なお、図２に示したモジュール２４においては、燃料電池セル２７の上端部側、すなわち改質器４の下方で余剰の燃料ガスを燃焼させることが好ましい。それにより、余剰の燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により改質器４を温めることができ、改質器４にて効率よく改質反応を行なうことができる。
また、制御装置１４は、燃料電池セル２７の電圧値を燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御している間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガス量を、その制御をしていない間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガス量よりも多くなるように、原燃料供給手段２を制御することもできる。例えば、燃料電池セル２７の電圧値を燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御している間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガス量を、その制御をしていない間における燃料電池セル２７に供給する燃料ガス量に対して１．１〜１．４倍程度となるように、原燃料供給手段２を制御することが好ましい。
この場合においても、燃料電池セル２７の発電に利用されなかった余剰の燃料ガス量が増加することとなり、その余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱の熱量が増加するため、収納容器２５（モジュール２４）内の温度を迅速に上昇させることができる。
それにより、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御する時間を短くすることができ、効率よく燃料電池装置を運転することができる。
なお、制御装置１４が、燃料電池セル２７での燃料利用率（Ｕｆ）を下げるように制御することにより、余剰の燃料ガス量を増加させて、余剰の燃料ガス量を増加するように制御することもできる。
また、燃料電池セル２７に供給する燃料ガス量と、外部負荷に供給する電流量と、セルスタック１（燃料電池セル２７）の電圧値とを検知し、それぞれの相関関係を調査することにより、本発明の燃料電池装置の採用の有無を判別することができる。
ところで、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御することにより、燃料電池セル２７の劣化を抑制することができるが、この間はセルスタック１（燃料電池セル２７）において最大出力を得ることができないため、燃料電池装置の運転効率が低下することとなる。
それゆえ、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるようにパワーコンディショナ１２を制御した後、所定の状態になった場合には、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）となるように制御することが好ましい。なお、この場合において、外部負荷の要求に応じて燃料電池セル２７の発電において最大出力を生じることが可能となるようにすればよい。それゆえ、例えば燃料電池セル２７の発電における電圧値（下限電圧値）を、燃料電池セル２７の電圧値が、最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）に達することができるようにパワーコンディショナ１２を制御すればよい。
ここで、上述の所定の状態としては、例えば、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御してから、所定時間が経過した後とすることができる。具体的には、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御してから、０．５〜２時間が経過した後とすることができる。
燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御してから所定時間が経過した場合には、モジュール２４（収納容器２５）内の温度が所定の温度以上となっていない場合であっても、その間継続して発電を行なっていることから、セルスタック１を構成する各燃料電池セル２７の温度が均一に近づくか、均一となる（言い換えれば、燃料電池セル２７の温度がほぼ均一となる）。そして、各燃料電池セル２７の温度がほぼ均一となることにより、特定の燃料電池セル２７に電流が集中することが抑制でき、燃料電池セルが劣化することを抑制できる。あわせて、燃料電池セル２７の特定部位において電気抵抗が高くなることを抑制でき、燃料電池セル２７の特定部位が局所的に劣化することを抑制することができる。
それゆえ、制御装置１４が、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）よりも高くなるように制御してから所定時間が経過した後に、燃料電池セル２７の電圧値が、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）となるようにパワーコンディショナ１２を制御することで、燃料電池セル２７の出力を最大にまで増加させることができ、効率よく燃料電池装置を運転させることができる。
また、温度センサ２２を備える燃料電池装置においては、上述の所定の状態としては、例えば、温度センサ２２により測定される収納容器２５（モジュール２４）内の温度が、前述の所定の温度以上となった場合が例示される。この場合においては、収納容器２５（モジュール２４）内の温度が、前述の所定の温度以上となることにより、燃料電池セル２７（セルスタック１）の温度も上昇する。それにより、燃料電池セル２７における電流の流れが不均一となることを抑制でき、一部の燃料電池セル２７に電流が集中することを抑制でき、燃料電池セル２７が劣化することを抑制できる。
そして、この状態となった場合に、制御装置１４が、燃料電池セル２７の電圧値が、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値（１／２ＯＣＶ）となるように、パワーコンディショナ１２を制御することで、燃料電池セル２７の出力を最大にまで増加させることができ、効率よく燃料電池装置を運転させることができる。
ところで、図２に示したモジュール２４のように、セルスタック１（燃料電池セル２７）の上方に、気化部２８と改質触媒を備える改質器２９とから構成される改質器４を配置するとともに、燃料電池セル２７の発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを、燃料電池セル２７の上端部側（燃料ガスの排出側）で燃焼させて生じる燃焼熱にて改質器４を加熱する構成を有するモジュールにおいては、改質器４の温度が所定の温度以上となった場合に、改質触媒が劣化するおそれがある。
それゆえ、改質器４内の温度を測定するための改質器温度センサ２３を備えるとともに、改質器温度センサ２３により測定される改質器４の温度が所定温度以上となった場合には、燃料電池セル２７の上端部側での余剰の燃料ガスの燃焼量を低減する（燃焼熱量を低減する）ことにより、改質器４の温度が上昇することを抑制する、もしくは改質器４の温度を低下させることができ、改質触媒が劣化することを抑制することができる。
ここで、収納容器２５内に、燃料電池セル２７に供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器４と、改質器４の温度を測定するための改質器温度センサ２３とを具備し、燃料電池セル２７の上端部側（燃料ガスの排出側）で燃料電池セル２７の発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱にて改質器４を加熱する構成を有するモジュール２４においては、制御装置１４が、改質器温度センサ２３により測定される改質器４の温度が所定温度以上となった場合に、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナ１２を制御することで、燃料電池セル２７での発電量を増加することができる。そして、燃料電池セル２７での発電量を増加することにより、燃料電池セル２７に供給される燃料ガスのうち、燃料電池セル２７の発電に使用される燃料ガスの量が増加する。言い換えると、余剰の燃料ガスの量が低減する。それにより、燃料電池セル２７の上端部側で燃焼させる余剰の燃料ガスの量が低減することから、改質器４の改質器４の温度が上昇することを抑制する、もしくは改質器４の温度を低下させることができ、改質触媒が劣化することを抑制することができる。
また、あわせて、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナ１２を制御することで、燃料電池セル２７の出力を最大にまで増加させることができ、効率よく燃料電池装置を運転させることができる。
なお、改質触媒としては、改質部１１にて行なう改質反応にあわせて、適宜一般的に知られている改質触媒を用いることができ、例えばγ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。
また、制御装置１４が、改質器温度センサ２３により測定される改質器４の温度が所定温度以上となった場合に、燃料電池セル２７の電圧値を、燃料電池セル２７の発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、パワーコンディショナ１２を制御するが、この改質器４の温度が所定温度とは、上記改質触媒にあわせて適宜設定することができ、例えば８００℃以上とすることができる。
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の例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。
たとえば、燃料電池セル２７は、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型とすることができるほか、平板型や円筒型の燃料電池セルを用いることもできる。
１：燃料電池セルスタック
２：原燃料供給手段
４：改質器
１２：パワーコンディショナ
１４：制御装置
２２：温度センサ
２３：改質器温度センサ

Claims (6)

  1. 外装ケース内に、燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタックで発電した電流を外部負荷に供給するためのパワーコンディショナと、該パワーコンディショナを制御するための制御装置と、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを備え、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有する燃料電池装置であって、
    前記制御装置は、前記燃料電池装置の発電開始時において、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、前記外部負荷に電流を供給するように、前記パワーコンディショナを制御するとともに、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値よりも高くなるように、前記原燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 外装ケース内に、燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納してなるとともに、該収納容器内の温度を測定するための温度センサを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタックで発電した電流を外部負荷に供給するためのパワーコンディショナと、該パワーコンディショナを制御するための制御装置と、原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを備え、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成を有する燃料電池装置であって、
    前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定温度未満の場合に、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持しつつ、前記外部負荷に電流を供給するように、前記パワーコンディショナを制御するとともに、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高くなるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの最低流量値が、前記燃料電池セルの電圧値が該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように前記パワーコンディショナを制御している間における前記燃料電池セルに供給
    する燃料ガスの最低流量値よりも高くなるように、前記原燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  3. 前記制御装置は、前記燃料電池セルの電圧値を、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値よりも高く維持するように制御してから所定時間経過後に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 前記収納容器内の温度を測定するための温度センサを備えるとともに、前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
  5. 前記制御装置は、前記温度センサにより測定される前記収納容器内の温度が所定の温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
  6. 前記燃料電池モジュールが、前記収納容器内に、前記燃料電池セルスタックの上方に配置された前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質器と、該改質器の温度を測定するための改質器温度センサを具備し、前記燃料電池セルの発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させることにより生じる燃焼熱にて、前記改質器を加熱する構成を有するとともに、前記制御装置は、前記改質器温度センサにより測定される前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池セルの電圧値が、該燃料電池セルの発電における最大出力を生じるための電圧値となるように、前記パワーコンディショナを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
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