JP6475023B2 - 燃料電池システム、その運転方法及びその構成方法 - Google Patents

燃料電池システム、その運転方法及びその構成方法 Download PDF

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Description

本発明は燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムの構成方法に関する。
燃料電池システムを高出力化する手法としては、例えば、燃料電池セルの１枚当たりの電極面積を大きくして燃料電池セルを流れる電流を増やす手法と、燃料電池セルの積層数を増やして高電圧化する手法と、がある。
しかし、燃料電池セルの電極面積を大面積化すると、一般に、燃料電池セルが反り易くなってガスシールや電気的接触が悪化したり、内部のガスや電流の偏りが生じて性能に悪影響を与えたり、燃料電池セルを収納する容器の形状や配置に制約が生じたり、と多くの課題が生じる。製造上も大型の設備が必要になる等の欠点があるので、燃料電池セルの電極面積の大面積化には或る程度の限界がある。
このため、燃料電池セルの電極面積を或る程度大面積化した上で、燃料電池システムの一層の高出力化を実現するには、燃料電池セルの積層数を増やす必要が生じる。また、燃料電池セルの電極面積の大面積化で電流を増やした大電流型よりも、燃料電池セルを流れる電流を小さくし多数枚積層することで出力を稼ぐ小電流高電圧型の方が、電流抵抗による損失を小さくでき、燃料電池の性能の面で有利なことが多い。
一方、燃料電池セルの積層数の増加による高電圧化に関しても、電気配線や各種電力機器の耐電圧性能から、一般的な機器で対応できる範囲に限界がある。それ以上の高電圧化には、特殊な絶縁部材、或いは絶縁部材の厚肉化等が必要となり、燃料電池システムのサイズ及びコストが嵩むという課題が生ずる。
このため、燃料電池システムの高出力化に際しては、燃料電池セルを複数枚積層したスタック同士を電気的に並列に接続するか、複数枚の燃料電池セルを並列に接続したものを複数個直列に接続するつなぐ手法が考えられる。このような構成を採ることで、燃料電池セルの１枚当たりの電極面積を一定レベル以下に抑えつつ、複数枚の燃料電池セルを並列接続にすることで全体の電流を増やすことができ、多数枚の燃料電池セルを積層することなくスタック全体としての高出力化を実現できる。
上記に関連して特許文献１には、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックシステムにおいて、電解液流路及び燃料流路を燃料電池セルの全部について直列に接続した構成が開示されている。
また、特許文献２には、１ないし複数の燃料電池セルから構成されるスタックと、スタックの温度を計測する温度計測装置と、スタックと電気的に直列接続されてスタックの温度を調節するためのスタック温度調節装置とを備える系統を複数設定し、各系統を電気的に並列接続すると共に、各系統のスタックを相互に間隔を空けて配置し、前記温度計測装置の計測結果に基づいてスタック温度調節装置を制御する技術が開示されている。
特開２００９−３７９１５号公報 特開２００７−２５０２８７号公報
一般に燃料電池セルは、一例として図１に示すように、電流が大きくなるに従って内部抵抗により電圧が低下してくる特性を有している。電流の増加に対する電圧の低下の傾き(以下、これを燃料電池の「性能」と称する)は、燃料電池セルの温度等の環境や、燃料電池セルの製造ばらつき、燃料電池セルの経時劣化の程度等によって変わってくるため、燃料電池セル毎に個体差があり、また常に一定ではない。燃料電池セルを電気的に並列に接続する場合、個々の燃料電池セルに性能のばらつきがあると、一例として図２に示すように、電圧は全ての燃料電池セルで同じになる一方で、電流は燃料電池セル毎に相違することになる。また、燃料電池セル毎の電流の差異は燃料電池セル毎の性能のばらつき具合により変化するため、経時的にも変化する。
燃料電池セルは電流に比例した量の燃料を消費する特性を有しており、個々の燃料電池セルに電流のばらつきがあるということは、各燃料電池セルにおける燃料消費量にもばらつきがあることを意味する。また、一般に燃料電池セルでは、燃料供給量と燃料消費量とのバランスが耐久性や効率に多大な影響を与える。具体的には、燃料供給量に対して燃料消費量が多過ぎると耐久性が低下し、燃料供給量に対して燃料消費量が少な過ぎると、燃料電池セルの排ガスに含まれる燃料の割合が高くなることで効率が低下する。よって、燃料電池セルの耐久性が担保できる範囲で、燃料供給量に対する燃料消費量の割合を高く保つことが理想である。しかし、図２に示すように個々の燃料電池セルの電流がばらつくことで、個々の燃料電池セルにおける燃料消費量がばらつくと、個々の燃料電池セルにおける燃料供給量と燃料消費量の割合にもばらつきが生じることになる。
ここで、燃料電池セルの耐久性の低下を問題視し、全体の燃料供給量に余裕を持たせることが考えられるが、この場合、個々の燃料電池セルに性能のばらつきがあっても、何れの燃料電池セルでも燃料供給量に対して燃料消費量が過多になることは防止できるが、効率の低下を招く。また、各燃料電池セルを流れる電流を計測し、各燃料電池セルへの燃料供給量を逐次制御する技術や、燃料は各燃料電池セルへ一定割合で常に分配させながら、各燃料電池セルの電流をその割合に合うように各々制御する技術(特許文献２に開示の技術)も考えられるが、何れの技術もシステムの構成の複雑化を招く。
従って、簡易な構成で、各燃料電池セルにおける燃料供給量に対する燃料消費量の割合が過多になることを防ぎ、かつ高い効率を得られる燃料電池システムが求められている。なお、特許文献１に記載の技術は、複数の燃料電池を電気的に並列に接続する場合に、個々の燃料電池の性能のばらつきの影響を抑制することについては考慮されていない。
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響を抑制できる燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムの構成方法を得ることが目的である。
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流（個々の前記燃料電池を流れる電流の和）Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を、
Ｉ／Ｆ＝最適値 …（１）
上記（１）式（但し、上記最適値は、Ｉ／Ｆの値が大きくなる程、前記燃料電池の効率が高くなる一方で、前記燃料電池の耐久性が低下し、Ｉ／Ｆの値が小さくなる程、前記効率が低下する、という前記複数の燃料電池の耐久性と効率のバランスから定まる）に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた、個々の前記燃料電池における燃料消費量の和に相当する燃料量Ｆに制御する制御部と、を含んでいる。
請求項１記載の発明では、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を含み、当該複数の燃料電池は電気配線によって並列に接続されている。なお、請求項１記載の発明において、上記の複数の燃料電池の各々は、燃料電池セルであってもよいし、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであっても構わない。ここで、請求項１記載の発明では、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続し、制御部は、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御し、かつ、複数の燃料電池のうち流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記（１）式に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた燃料量Ｆに制御する。
上記のように、複数の燃料電池を電気的に並列に接続した場合、電圧は個々の燃料電池毎に一定になるものの、電流は個々の燃料電池の性能に応じてばらつくことになる(図２も参照)。しかし、請求項１記載の発明では、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御するので、電気的に並列に接続された複数の燃料電池全体としては、要求出力に応じた出力(電圧・電流)が得られる。
また、上記のように個々の燃料電池の性能に応じて個々の燃料電池毎の電流がばらつくことに伴い、燃料消費量についても個々の燃料電池毎にばらつくことになる。しかし、請求項１記載の発明では、複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、かつ複数の燃料電池のうち流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記（１）式に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた燃料量Ｆに制御する。これにより、流路の最上流の燃料電池への燃料供給量が、複数の燃料電池の各々における燃料消費量の和に応じた燃料量となるので、個々の燃料電池毎に燃料消費量がばらついていても、流路の最下流の燃料電池への燃料供給量が、当該燃料電池における燃料消費量に対して過少となることで耐久性が低下したり、過多となることで効率が低下することも防止できる。
このように、請求項１記載の発明は、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流を制御し、かつ、流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を制御する、という簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続し、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされた流路と、前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部と、前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、を含んでいる。
これにより、後述する請求項１０の発明と同様に、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の各々の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値(燃料電池の性能)が相違した場合に、この相違が複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方のばらつきとして検知され、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が所定値以上小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、複数の燃料電池を直列に接続する順番が切り替わるので、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の性能のばらつきが生じた場合にも、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
なお、請求項１又は請求項２記載の発明において、電気配線により並列に接続され、流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備えた構成であってもよい。この場合、複数の燃料電池群は、例えば請求項３に記載したように、電気的に直列に接続され、並列に燃料が供給される構成であってもよいし、例えば請求項４に記載したように、電気的に直列に接続され、直列に燃料が供給される構成であってもよい。
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、を含んでいる。
請求項５記載の発明では、請求項１又は請求項２記載の発明と同様に、供給された燃料により発電する複数の燃料電池が電気配線によって並列に接続され、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池が流路によって直列に接続されている。なお、請求項５記載の発明においても、上記の複数の燃料電池の各々は、燃料電池セルであってもよいし、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであっても構わない。
上記構成の燃料電池システムでは、複数の燃料電池に直列に燃料を供給することで、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池への燃料供給量が、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池への燃料供給量よりも多く(リッチに)なり、これに伴い、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池が、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池よりも性能が高くなり、性能が高い燃料電池には性能が低い燃料電池よりも大電流が流れる、という燃料電池毎の性能及び電流の差異が生じる。個々の燃料電池は電流と電圧に応じた発熱をするが、電気的に並列に接続された燃料電池は電圧が等しいため、電流に応じて発熱量が決まる。従って、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池は、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池よりも発熱量が多く温度が高くなる。
一般に燃料電池は、一例として図３に示すように、温度が高い方が内部抵抗が低くて効率が高く、温度が低くなるに従い内部抵抗が高くなって効率も低下する傾向にある。しかしながら、燃料電池の温度が過度に高くなると、燃料電池の構成部材やその他周囲の部材に悪影響を及ぼし、耐久性が低下する恐れがある。
請求項５記載の発明は、上記に基づき、複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池(すなわち性能が高い燃料電池)が、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池(すなわち性能が低い燃料電池)よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続している。これにより、複数の燃料電池の各々の性能のばらつきが、個々の燃料電池への燃料供給量の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、複数の燃料電池の温度のばらつきも均されることになる。従って、請求項５記載の発明によれば、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
なお、請求項５記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項６に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも高温となる環境に設置された燃料電池であってもよい。複数の燃料電池が設置された環境温度が互いに相違している場合、複数の燃料電池の各々の性能は設置環境の温度の相違に起因してばらつくことになるが、請求項５記載の発明では、複数の燃料電池が設置環境の温度の相違に起因する性能のばらつき、個々の燃料電池への燃料供給量の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになるので、複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。
また、請求項５記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項７に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池であってもよい。
一般に燃料電池は、電極面積を大きくすると、単位電流量に対して電流密度が下がるため内部抵抗が低下し、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さくなる傾向にある。一方、燃料電池の電極面積を小さくすると、単位電流量に対して電流密度が上がるため内部抵抗が増加し、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きくなる傾向にある。
上記に基づき請求項７記載の発明では、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池として用い、当該燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続する。これにより、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能のばらつきが、個々の燃料電池の電極の面積の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。
また、請求項５記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項８に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池であってもよい。
燃料電池が燃料電池セルを複数積層した構成の場合、燃料電池セルの積層数が多くなるに従って燃料電池の電圧が高くなる。上記に基づき請求項８記載の発明では、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池として用い、当該燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続している。
これにより、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能のばらつきが、個々の燃料電池における燃料電池セルの積層数の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。
また、請求項５〜請求項８の何れか１項記載の発明において、例えば請求項９に記載したように、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部を更に含んでいてもよい。これにより、請求項１記載の発明と同様に、簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
また、請求項１０記載の発明は、請求項１、請求項３〜請求項９の何れか１項記載の発明において、前記流路は、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされ、前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、を更に含んでいる。
請求項１０記載の発明では、複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知部によって検知し、切替部が、検知部によって検知された複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が所定値以上小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える。
これにより、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の各々の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値(燃料電池の性能)が相違した場合に、この相違が複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方のばらつきとして検知され、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が所定値以上小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、複数の燃料電池を直列に接続する順番が切り替わるので、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の性能のばらつきが生じた場合にも、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
請求項１１記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流（個々の前記燃料電池を流れる電流の和）Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を、
Ｉ／Ｆ＝最適値 …（１）
上記（１）式（但し、上記最適値は、Ｉ／Ｆの値が大きくなる程、前記燃料電池の効率が高くなる一方で、前記燃料電池の耐久性が低下し、Ｉ／Ｆの値が小さくなる程、前記効率が低下する、という前記複数の燃料電池の耐久性と効率のバランスから定まる）に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた、個々の前記燃料電池における燃料消費量の和に相当する燃料量Ｆに制御することを含んでいるので、請求項１記載の発明と同様に、簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
請求項１２記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御し、前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知し、検知した前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替えることを含んでいるので、請求項２記載の発明と同様に、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の性能のばらつきが生じた場合にも、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
請求項１３記載の発明に係る燃料電池システムの構成方法は、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を電気配線によって並列に接続すると共に、前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を流路によって直列に接続することを含んでいるので、請求項５記載の発明と同様に、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の発明において、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御するので、請求項９記載の発明と同様に、簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。
本発明は、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響を抑制できる、という効果を有する。
燃料電池セルの電流−電圧特性の一例を示す線図である。 燃料電池セルの電流−電圧特性の性能に応じた変化の一例を示す線図である。 燃料電池セルの電流−電圧特性の温度に応じた変化の一例を示す線図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態における燃料電池システム運転制御処理を示すフローチャートである。 燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。 燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第５実施形態における燃料電池システム運転制御処理を示すフローチャートである。 本発明の比較例としての燃料電池システムの概略構成図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図４には、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、改質器１２、バーナ１４、燃料制御器１６、３個の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃ、パワーコンディショナ２０及び運転制御部２２を備えている。
改質器１２には、一端が燃料制御器１６に接続された原料ガス管２８の他端が接続されている。また、改質器１２には改質水供給管２４の一端が接続されており、改質水供給管２４の途中にはポンプ２６が設けられている。改質水供給管２４には改質水が供給され、供給された改質水はポンプ２６によって下流側(改質器１２側)へ送出され、改質器１２へ供給される。ポンプ２６は運転制御部２２と電気的に接続されており、ポンプ２６の駆動は運転制御部２２によって制御される。
改質器１２は、バーナ１４によって加熱され、原料ガス管を介して供給された原料ガスを、改質水供給管２４を介して供給された改質水(水蒸気)を利用して水蒸気改質し、水素ガスを含む燃料ガスを生成する。改質器１２で生成された燃料ガスは、燃料ガス管３０を介して燃料ガスの流通方向の最上流に位置している燃料電池セル１８Ａに供給される。
燃料制御器１６は、原料ガス管２３を介して図示しないガス源に接続されている。燃料制御器１６には、脱硫器によって硫黄化合物が吸着除去された原料ガス(炭化水素燃料)がガス源から原料ガス管２３を介して供給される。燃料制御器１６は、上記の通り原料ガス管２８を介して改質器１２に接続されている。すなわち、燃料制御器１６は、原料ガス管２８、改質器１２及び燃料ガス管３０を介して、燃料電池セル１８Ａに接続されている。また、燃料制御器１６は、運転制御部２２と電気的に接続されている。燃料制御器１６は、改質器１２から燃料ガス管３０を介して燃料電池セル１８Ａの燃料極へ供給される燃料ガスの量(燃料供給量)を制御可能とされ、燃料制御器１６から改質器１２を介した燃料電池セル１８Ａの燃料極への燃料供給量は運転制御部２２によって制御される。具体的には、運転制御部２２は、燃料制御器１６から改質器１２へ供給される原料ガスの量（原料ガス供給量）を制御することで燃料電池セル１８Ａの燃料極への燃料供給量を制御する。なお、運転制御部２２は、ポンプ２６による改質器１２への改質水供給量については、燃料供給量に応じて、改質器１２での水蒸気改質に不足のない量に制御する。
また、燃料電池セル１８Ａには酸化ガス供給管３２の一端が接続され、酸化ガス供給管３２の途中にはブロア３４が設けられている。酸化ガス供給管３２には酸化ガス(空気)が供給され、供給された酸化ガスはブロア３４によって燃料電池セル１８Ａ側へ送出され、燃料電池セル１８Ａの空気極に供給される。ブロア３４は運転制御部２２と電気的に接続されており、ブロア３４の駆動は運転制御部２２によって制御される。
燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは、互いに同一の構成とされており、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極及び空気極と、を有している。空気極(カソード極)には酸化ガス(空気)が供給される。空気極では、下記(１)式で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って燃料極に到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …(１)
一方、燃料極では、下記(２)式及び(３)式で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極で生成された電子が燃料極から外部回路を通って空気極に移動することで、各燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に上記反応に伴って発熱する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
燃料電池セル１８Ａには燃料極排ガス管３６及び空気極排ガス管３８の一端が接続されており、燃料極排ガス管３６及び空気極排ガス管３８の他端は燃料電池セル１８Ｂに接続されている。燃料電池セル１８Ａの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管３６を介して燃料電池セル１８Ｂの燃料極に供給され、燃料電池セル１８Ａの空気極から排出された酸化ガスは、空気極排ガス管３８を介して燃料電池セル１８Ｂの空気極に供給される。
なお、燃料電池には、電解質の種類等に応じて、固体高分子型燃料電池(PEFC)、りん酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)及び固体酸化物型燃料電池(SOFC)等、幾つかの型式があるが、本第１実施形態において、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは上記の何れの型式の燃料電池であってもよい。
また、燃料電池セル１８Ｂには燃料極排ガス管４０及び空気極排ガス管４２の一端が接続されており、燃料極排ガス管４０及び空気極排ガス管４２の他端は燃料電池セル１８Ｃに接続されている。燃料電池セル１８Ｂの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管４０を介して燃料電池セル１８Ｃの燃料極に供給され、燃料電池セル１８Ｂの空気極から排出された酸化ガスは空気極排ガス管４２を介して燃料電池セル１８Ｃの空気極に供給される。
このように、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃに、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂ,１８Ｃの順に直列に燃料が供給されるように、燃料ガス管３０、燃料極排ガス管３６,４０によって直列に接続されている。なお、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは本発明における複数の燃料電池の一例であり、燃料ガス管３０、燃料極排ガス管３６,４０は本発明における流路の一例である。
また、燃料電池セル１８Ｃには燃料極排ガス管４４の一端が接続されており、燃料極排ガス管４４の他端はバーナ１４に接続されている。燃料電池セル１８Ｂの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管４４を介してバーナ１４に供給される。なお、燃料電池セル１８Ｃの空気極から排出された酸化ガスは、燃料電池セル１８Ｃに一端が接続された空気極排ガス管４６を介して系外へ排出される。
バーナ１４は、燃料極排ガス管４４を介して燃料電池セル１８Ｃから供給された燃料極排ガスを空気と混合して燃焼させ、改質器１２を加熱する。また、バーナ１４における燃焼によって生じた排ガスは、バーナ１４に一端が接続されたバーナ排ガス管４８を介して系外へ排出される。
燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは、各々の燃料極が電気配線５０を介して互いに接続されており、各々の空気極が電気配線５２を介して互いに接続されていることで、電気的に並列に接続されている。燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃで発電が行われている場合、電気配線５０,５２には各燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流を足し合わせた電流(この電流は本発明における「複数の燃料電池全体の電流」の一例であり、以下、全体電流という)が流れる。電気配線５０,５２は本発明における電気配線の一例である。
電気配線５０,５２はパワーコンディショナ２０に各々接続されており、パワーコンディショナ２０は運転制御部２２と電気的に接続されている。パワーコンディショナ２０は電気配線５０,５２を流れる全体電流の大きさを制御可能とされ、電気配線５０,５２を流れる全体電流の大きさはパワーコンディショナ２０を介して運転制御部２２によって制御される。また、電気配線５０,５２は図示しない変電機器を介して図示しない電力負荷に接続されており、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃによって発電された電力(電圧・電流)は、直流→交流変換や電圧変換等の変電処理を経て電力負荷に供給されて消費される。
なお、パワーコンディショナ２０及び運転制御部２２は、先に説明した燃料制御器１６と共に、本発明における制御部の一例である。
次に本第１実施形態の作用を説明する。運転制御部２２は、燃料電池システム１０Ａの電源が投入されて燃料電池システム１０Ａの運転開始が指示されると、図５に示す燃料電池システム運転制御処理を行う。
燃料電池システム運転制御処理のステップ２００において、運転制御部２２は、電力負荷の消費電力を検知し、検知した消費電力に基づいて、燃料電池システム１０Ａに対して要求されている出力電力を算出する。次のステップ２０２において、運転制御部２２は、ステップ２００で算出した出力電力から出力電流(電気配線５０,５２を流れる全体電流)を算出する。燃料電池システム１０Ａでは燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃが電気的に並列に接続されているので、燃料電池システム１０Ａから出力される直流電力の電圧は一定であり、出力電流は出力電力を出力電圧で除すことで算出される。
次のステップ２０４において、運転制御部２２は、ステップ２０２で算出した出力電流に基づいて、燃料ガスの流通方向の最上流に位置している燃料電池セル１８Ａへの燃料供給量及び空気供給量、改質器１２への改質水供給量を算出する。
燃料供給量は、供給した燃料が反応可能な電子の総量をＦ、電流によって生み出され燃料と反応する電子の量をＩとし、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの耐久性と効率のバランスから、Ｉ／Ｆの最適値を例えばＩ／Ｆ＝80％と仮定したときに、Ｉ／Ｆ＝80％のＩに出力電流を代入し、Ｆを燃料供給量として算出することで求めることができる。この演算で算出される燃料供給量は、Ｉに出力電流(個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流の和)を代入しているので、出力電流に応じた燃料量、すなわち個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃにおける燃料消費量の和に相当する燃料供給量となる。なお、空気供給量及び改質水供給量は、算出した燃料供給量から求めることができる。
次のステップ２０６において、運転制御部２２は、電気配線５０,５２を流れる全体電流をステップ２０２で算出した出力電流に制御する制御信号をパワーコンディショナ２０へ出力し、最上流の燃料電池セル１８Ａへの燃料供給量をステップ２０４で算出した燃料供給量に制御する制御信号を燃料制御器１６へ出力し、燃料電池セル１８Ａへの空気供給量をステップ２０４で算出した空気供給量に制御する制御信号をブロア３４へ出力し、改質器１２への改質水の供給量をステップ２０４で算出した改質水供給量に制御する制御信号をポンプ２６へ出力する。
次のステップ２０８において、運転制御部２２は、燃料電池システム１０Ａの運転終了が指示されたか否か判定する。判定が否定された場合はステップ２００に戻り、ステップ２０８の判定が肯定される迄、ステップ２００〜２０８を繰り返す。燃料電池システム１０Ａの運転終了が指示されると、ステップ２０８の判定が肯定されて燃料電池システム運転制御処理を終了する。
上記のように、燃料電池システム１０Ａでは、３つの燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを電気的に並列に接続しているので、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流は個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの性能に応じてばらつくことになる。しかし、燃料電池システム１０Ａでは、電気配線５０,５２に流れる全体電流を要求出力に応じた大きさに制御するので、３つの燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃ全体としては、要求出力に応じた出力(電圧・電流)が得られる。
また、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの性能に応じて個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流がばらつくことに伴い、燃料消費量についても個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃ毎にばらつくことになる。しかし、燃料電池システム１０Ａでは、燃料ガス管３０、燃料極排ガス管３６,４０によって燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃに直列に燃料を供給し、かつ最上流の燃料電池セル１８Ａに供給される燃料量を全体電流に応じた燃料量に制御している。これにより、最上流の燃料電池セル１８Ａへの燃料供給量が、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの各々における燃料消費量の和に応じた燃料量となるので、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃ毎に燃料消費量がばらついていても、最下流の燃料電池セル１８Ｃへの燃料供給量が、当該燃料電池セル１８Ｃにおける燃料消費量に対して過少となることで耐久性が低下したり、過多となることで効率が低下することも防止できる。
本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの作用について更に説明する。なお、以下の説明では、図１３に示すように、燃料制御器１６から燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへ並列に燃料を供給する構成の燃料電池システム３００を比較例とする。なお、図１３では改質器１２、バーナ１４、運転制御部２２等は図示を省略している。
比較例に係る燃料電池システム３００は、燃料ガス管３０２が燃料制御器１６の下流側で３本に分岐され、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃに各々接続されており、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへ並列に燃料が供給される構成となっている。この場合、燃料制御器１６は燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへの燃料供給量の合計値を調整し、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへの燃料供給量は、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃにおける圧力損失等によりほぼ一定割合(例えば等分)で分配される。一方、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは電気的に並列に接続されているため、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流は個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの性能に応じて定まる。
比較例に係る燃料電池システム３００は、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃでの燃料消費量がばらつくと、個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃでの燃料供給量と燃料消費量との割合にもばらつきが生じる。
具体的には、燃料電池システム３００では、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃを流れる電流の合計値(全体電流)と燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへの燃料供給量の合計値は制御できるものの、電流及び燃料供給量を個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃ毎には制御できない。ここで、例えばＩ／Ｆ＝80％になるように全体電流と燃料供給量の合計値を制御した場合、Ｆ1：Ｆ2：Ｆ3＝Ｉ1：Ｉ2：Ｉ3を満たす状況であれば、Ｉ1／Ｆ1＝Ｉ2／Ｆ2＝Ｉ3／Ｆ3＝Ｉ／Ｆ＝80％となり、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの燃料供給量と燃料消費量との割合は目標通りの値となる。
しかしながら、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流の比率が燃料供給量の比率とずれてしまうと(Ｆ1：Ｆ2：Ｆ3≠Ｉ1：Ｉ2：Ｉ3)、Ｉ1／Ｆ1、Ｉ2／Ｆ2、Ｉ3／Ｆ3の何れか１つ以上は目標値Ｉ／Ｆ＝80％を上回ることになり、Ｉ／Ｆが閾値以上になった１つ以上の燃料電池セル１８では燃料極の酸化等による破損が生ずる可能性がある。また、１つ以上の燃料電池セル１８で必ず燃料供給量に対する燃料消費量の割合が過多になることで、耐久性が低下する虞もある。
一例として、比較例に係る燃料電池システム３００において、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流の比率がＩ1：Ｉ2：Ｉ3＝９：８：７、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃへの燃料の配分が等分(つまりＦ1：Ｆ2：Ｆ3＝１：１：１)であり、燃料電池セルの耐久性と効率のバランスからＩ／Ｆ＝80％が理想と仮定する。燃料電池システム３００において、上記の条件の下で全体電流と燃料供給量の合計値の比率Ｉ／Ｆ＝80％に制御すると、Ｉ1／Ｆ1＝90％、Ｉ2／Ｆ2＝80％、Ｉ3／Ｆ3＝70％となり、燃料電池セル１８Ａで燃料消費量が過多となる。また、燃料消費量が過多の状態を抑制し、全ての燃料電池セルにおいてＩn／Ｆn≦80％とするためにはＩ／Ｆ＝71％とする必要があり、燃料電池システム３００全体としての効率の大幅な低下を招くことになる。
一方、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａでは、上記の条件下で全体電流と燃料供給量の合計値(最上流の燃料電池セル１８Ａへの燃料供給量)の比率をＩ／Ｆ＝80％に制御した場合、燃料電池セル１８Ａ単体ではＩ1／Ｆ＝30％、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂでは(Ｉ1＋Ｉ2)／Ｆ＝57％、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃｎの総計では(Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3)／Ｆ＝80％となり、燃料消費量が過多の状態の燃料電池セルは存在しない。また、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの総計では燃料供給量の80％が消費されているため、理想通りの高い効率も得られる。これは、燃料電池セルの数や、複数の燃料電池セルにおける電流のばらつき具合に拘わらず、普遍的に成り立つ。
また、電気的に並列に接続した燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃのうちの一部の燃料電池セルに、破損等により大幅な性能低下が生じた場合を想定すると、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル１８には殆ど電流が流れず、残りの燃料電池セルでその分を補償することになる。比較例に係る燃料電池システム３００は、上記の想定条件下で、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル１８にも他の燃料電池セル１８と同様に燃料が供給されるため、その燃料は消費されることなく無駄に放出されてしまう。また、正常な他の燃料電池セル１８では、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル１８の分まで電流を増やす必要があるにも拘わらず、燃料供給量は増えないので燃料不足に陥る。
これに対し、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、最上流の燃料電池セル１８Ａに全ての燃料が供給され、燃料電池セル１８Ａに供給された燃料は、燃料電池セル１８Ｂ,１８Ｃへ順次供給されるので、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの中に電流が流れない燃料電池セル１８が発生したとしても、当該燃料電池セル１８で消費されなかった燃料は後段の燃料電池セル１８へ供給され、後段の燃料電池セル１８で有効に消費されるので、後段の燃料電池セル１８で燃料不足になったり、燃料が無駄に放出されてしまうことも防止できる。
次に本発明に係る燃料電池システムの他の構成を説明する。図６には燃料電池システム１０Ｂを、図７には燃料電池システム１０Ｃを示している。なお、図６,７では改質器１２、バーナ１４、運転制御部２２等の図示を省略している。
図６に示す燃料電池システム１０Ｂ及び図７に示す燃料電池システム１０Ｃは、共に、ｐ個(ｐ≧２)の燃料電池セル１８が電気配線６０によって電気的に並列に接続され、ｐ個の燃料電池セル１８を並列接続したｓ個(ｓ≧２)のユニットが電気配線６０によって電気的に直列に接続されている。個々の燃料電池セル１８への燃料の供給の基本的な考え方は、燃料電池システム１０Ａと同様であり、電気的に並列に接続されたｐ個の燃料電池セルには燃料供給管６２(又は燃料供給管６４)によって燃料が直列に供給される。但し、電気的に直列に接続されたｓ個の各ユニット間については、図６に示す燃料電池システム１０Ｂのように、燃料供給管６２によって燃料が並列に供給されてもよいし、図７に示す燃料電池システム１０Ｃのように、燃料供給管６２によって燃料が直列に供給されてもよいし、或いは、燃料が並列に供給される部分と直列に供給される部分とを混在させることも可能である。
前述の通り、電気的に並列接続されているｐ個の燃料電池セルには電流分布(電流のばらつき、或いは電流の勾配)が生じ得るため、燃料を直列に供給することで効率と耐久性の両立を実現する。一方、電気的に直列に接続されているｓ個の各ユニットは、全体電流が全てのユニットで等しくなるため、図６に示す燃料電池システム１０Ｂのように、各ユニットに燃料を一定の割合で分配する構成(図６の構成では、分配割合の変動を抑制するためにオリフィスを設け、例えば等分配などに固定することが好ましい)でも、燃料供給量と燃料消費量の割合にばらつきが生ずることはなく、燃料の有効利用が可能である。勿論、図７に示す燃料電池システム１０Ｃのようにｓ個の各ユニットに直列に燃料を供給する構成でも燃料の有効利用が可能である。
なお、図６は請求項３に記載の燃料電池システムの一例であり、図７は請求項４に記載の燃料電池システムの一例である。
〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
図８には本第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄが示されている。なお、図８では改質器１２、バーナ１４、運転制御部２２等の図示を省略している。燃料電池システム１０Ｄは６個の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆを備えている。燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆはセル収容容器７０の内部に、一端部から順に配置されている。燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆは、パワーコンディショナ２０に接続された電気配線７２により、３個の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃが電気的に並列に接続されていると共に、３個の燃料電池セル１８Ｄ〜１８Ｆが電気的に並列に接続されており、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃのユニットと燃料電池セル１８Ｄ〜１８Ｆのユニットとが直列に接続されている。
また、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆは、一端が燃料制御器１６に接続された燃料供給管７４により、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃのユニットと燃料電池セル１８Ｄ〜１８Ｆのユニットに燃料が並列に供給される。また燃料供給管７４は、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃのユニット内については、燃料電池セル１８Ａ, １８Ｂ,１８Ｃの順(セル収容容器７０の一端部から中央部へ向かう順)に直列に燃料が供給されるように接続され、燃料電池セル１８Ｄ〜１８Ｆのユニット内については、燃料電池セル１８Ｆ, １８Ｅ,１８Ｄの順(セル収容容器７０の他端部から中央部へ向かう順)に直列に燃料が供給されるように接続されている。
本第２実施形態の作用を説明する。複数の燃料電池セル１８に直列に燃料を供給した場合、上流側の燃料電池セル１８への燃料供給量が下流側の燃料電池セル１８への燃料供給量よりも多く(リッチに)なる。これに伴い、上流側の燃料電池セル１８が下流側の燃料電池セル１８よりも性能が高くなり、よりも大きな電流が流れる。電気的に並列に接続された燃料電池セル１８は電圧が等しいため、電流に応じて発熱量が決まり、上流側の燃料電池セル１８は下流側の燃料電池セル１８よりも発熱量が多く温度が高くなる。
一方、本第２実施形態のように、セル収容容器７０内に複数の燃料電池セル１８が配置されている場合、一般に、セル収容容器７０内における燃料電池セル１８の配置位置がセル収容容器７０の側壁面に近くなるに従って、燃料電池セル１８の放熱が増加して温度が低下する傾向にあり、逆に側壁面から離れるに従って、燃料電池セル１８の放熱が減少して温度が上昇する傾向にある。
本第２実施形態は、上記のように、セル収容容器７０内における燃料電池セル１８の配置位置に応じて燃料電池セル１８の温度が相違することを利用し、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃのユニットについては、燃料電池セル１８Ａ, １８Ｂ,１８Ｃの順、すなわちセル収容容器７０の側壁面からに近い順に直列に燃料が供給されるように燃料供給管７４を接続している。また、燃料電池セル１８Ｄ〜１８Ｆのユニットについては、燃料電池セル１８Ｆ, １８Ｅ,１８Ｄの順、すなわちセル収容容器７０の側壁面からに近い順に直列に燃料が供給されるように燃料供給管７４を接続している。
上記構成により、容器７０内の温度が低くなる位置に配置された燃料電池セル１８Ａ,１８Ｆについては燃料供給量が多くなることで発熱量が増加する一方、容器７０内の温度が高くなる位置に配置された燃料電池セル１８Ｃ,１８Ｄについては燃料供給量が少なくなることで発熱量が低減するため、セル収容容器７０内の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆの温度分布及び電流分布を平準化することができ、燃料電池システム１０Ｄの効率及び耐久性を改善することができる。
また、第２実施形態では、セル収容容器７０内における燃料電池セル１８の配置位置とセル収容容器７０の側壁面との距離に応じて燃料電池セル１８の温度が相違することを前提にして、燃料電池セル１８への燃料の供給順序を決定していたが、これに限定されるものではない。例えばセル収容容器７０の中で、放熱面近辺や空気投入経路周囲からの距離が小さい燃料電池セルは温度が低くなり、バーナ１４からの距離が小さい燃料電池セルは温度が高くなる傾向がある等のように、セル収容容器７０内における燃料電池セル１８の温度分布が側壁面からの距離との相関が小さい場合には、セル収容容器７０内における燃料電池セル１８の実際の温度分布に応じて燃料電池セル１８への燃料の供給順序を決定すればよいことは言うまでもない。
また、燃料電池セル１８を複数用意した場合、用意した複数の燃料電池セル１８には製造ばらつき等に起因する性能(電流−電圧特性の傾き：図１〜３参照)のばらつきがあることが多い。このため、第２実施形態において、セル収容容器７０内に６個の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆを配置するにあたり、無作為に燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆを配置することに代えて、事前に個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆの性能を各々測定し、製造ばらつき等に起因する個々の燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｆの性能のばらつき、セル収容容器７０内の温度分布に起因して生ずるセル収容容器７０内の配置位置に応じた燃料電池セル１８の性能の変化(図３参照)、及び、個々の燃料電池セル１８への燃料供給量の差に起因して生ずる燃料供給順序に応じた燃料電池セル１８性能の変化を総合的に勘案し、燃料電池システム１０の運転状態で個々の燃料電池セルの性能のばらつきが最小となるように、各燃料電池セル１８のセル収容容器７０内の配置位置を選択し、各燃料電池セル１８への燃料の供給順序を選択するようにしてもよい。
〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
図９には本第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｅが示されている。なお、図９では改質器１２、バーナ１４、運転制御部２２等の図示を省略している。前述のように、複数の燃料電池セル１８に直列に燃料を供給した場合、上流側の燃料電池セル１８は下流側の燃料電池セル１８よりも発熱量が多く温度が高くなる。
本第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｅは、複数の燃料電池セル１８への燃料の供給順序に依存する燃料電池セル１８の温度のばらつきを軽減するために、図９に示すように、最上流の燃料電池セル１８Ａの電極面積を燃料電池セル１８Ｂ,１８Ｃの電極面積よりも小さくし、最下流の燃料電池セル１８Ｃの電極面積を燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの電極面積よりも大きくしている。
一般に、燃料電池セル１８の電極面積が大きい方が、単位電流量に対して電流密度が下がるため内部抵抗が低下し、燃料電池セル１８の電極面積が小さい方が、単位電流量に対して電流密度が上がるため内部抵抗が増加する傾向にある。このため、電気的に並列に接続した燃料電池セル１８に燃料を直列に供給する場合、上記のように、下流側の燃料電池セル１８の電極面積をより大きくし、上流側の燃料電池セル１８の電極面積をより小さくすることで、上流側の燃料電池セル１８に対して下流側の燃料電池セル１８の内部抵抗を相対的に低下させることができるので、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流分布及び温度分布を均一化することができ、燃料電池システム１０Ｅの効率及び耐久性を改善することができる。
燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流分布及び温度分布を均一化するために必要な電極面積の算出の考え方を以下に説明する。燃料電池セル１８の内部抵抗は以下の(４)式で示される。
ΔＶ＝η＋ＩＲ …(４)
但し、ΔＶは開放起電力に対する電圧低下量、ηは燃料電池セルの分極抵抗、Ｒは燃料電池セルのオーム抵抗、Ｉは電流値である。(４)式より燃料電池セルを流れる電流は以下の(５)式で書き表される。
Ｉ＝(ΔＶ−η)／Ｒ …(５)
燃料電池セルの分極抵抗ηもオーム抵抗Ｒも電極面積によって変化する。また分極抵抗ηは燃料の濃度(燃料供給量)によっても変化する。燃料の濃度が高いほど分極抵抗ηは小さくなるため、図９に示す順序で燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃに燃料を供給したとすると、η1＜η2＜η3となる。
一方、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃは電気的に並列に接続されているため、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電圧低下量ΔＶは等しくなる。従って、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電極面積が同じでオーム抵抗Ｒが等しいとすると、Ｉ1＞Ｉ2＞Ｉ3となり電流分布が生じる。そこで、燃料電池セル１８Ａの電極面積は小さめに、燃料電池セル１８Ｃの電極面積は大きめに調整し、Ｒ1＞Ｒ2＞Ｒ3とすることで、電流分布を低減することが可能となる。具体的には、以下の(６)式を満たすように電極面積を調整するのが好ましいが、(６)式に近づけるだけでも電流分布及び温度分布を低減する効果は得られる。
(ΔＶ−η1)／Ｒ1＝(ΔＶ−η2)／Ｒ2＝(ΔＶ−η3)／Ｒ3 …(６)
〔第４実施形態〕
次に本発明の第４実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
図１０には本第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｅが示されている。なお、図１０では改質器１２、バーナ１４、運転制御部２２等の図示を省略している。これまでに説明した実施形態における燃料電池セル１８に代えて、燃料電池セル１８を複数積層した燃料電池スタック１２０(図１０参照)を複数用意し、当該複数の燃料電池スタック１２０を電気的に並列に接続すると共に、直列に燃料を供給した場合についても、燃料の流通方向で上流側の燃料電池スタック１２０は下流側の燃料電池スタック１２０よりも発熱量が多く、温度が高くなる。
本第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｆは、複数の燃料電池スタック１２０への燃料の供給順序に依存する燃料電池スタック１２０の温度のばらつきを軽減するために、図１０に示すように、最上流の燃料電池スタック１２０Ａにおける燃料電池セル１８の積層数を燃料電池スタック１２０Ｂ,１２０Ｃにおける燃料電池セル１８の積層数よりも少なくし、最下流の燃料電池スタック１２０Ｃにおける燃料電池セル１８の積層数を燃料電池スタック１２０Ａ,１２０Ｂにおける燃料電池セル１８の積層数よりも多くしている。
燃料電池スタック１２０全体の電圧は、燃料電池セル１８の積層数が多くなるに従って高くなる。このため、電気的に並列に接続した複数の燃料電池スタック１２０へ直列に燃料を供給する場合に、上記のように、上流側の燃料電池スタック１２０における燃料電池セル１８の積層数を少なくし、下流側の燃料電池スタック１２０における燃料電池セル１８の積層数を多くすることで、上流側の燃料電池スタック１２０に対し下流側の燃料電池スタック１２０の電圧を相対的に上げることができる。従って、燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃの電流分布及び温度分布を均一化することができ、燃料電池システム１０Ｆの効率及び耐久性を改善することができる。
燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃの電流分布及び温度分布を均一化するために必要な、燃料電池セル１８の積層数の算出の考え方を以下に説明する。燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタック全体の電圧は次の(７)式で示される。
Ｖ＝Ｎ(ＶＯＣＶ−η−ＩＲ) …(７)
但し、Ｖは燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタック全体の電圧、Ｎは燃料電池セルの積層数、ＶＯＣＶは燃料電池セルの１枚当たりの開放起電力、ηは燃料電池セルの１枚当たりの分極抵抗、Ｒは燃料電池セルの１枚当たりのオーム抵抗、Ｉは電流値である。(７)式より燃料電池セルの電流は次の(８)式で表される。
Ｉ＝(ＶＯＣＶ−Ｖ／Ｎ−η)／Ｒ …(８)
分極抵抗ηは燃料の濃度によって変化する。分極抵抗ηは燃料が濃くなるに従って小さくなるため、図１０に示すように、燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃに直列に燃料を供給したとすると、η1＜η2＜η3となる。一方、燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃは電気的に並列に接続されているため、電圧Ｖは燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃとも同じ値になる。従って、燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃにおける燃料電池セルの積層数Ｎが同一であり、かつ個々の燃料電池セルの特性が同じでオーム抵抗Ｒが同じ値であるとすると、Ｉ1＞Ｉ2＞Ｉ3となって電流分布が生じ、これに伴い温度分布も生ずる。そこで、燃料電池スタック１２０Ａの燃料電池セル１８の積層数Ｎ1を少なくする一方、燃料電池スタック１２０Ｃの燃料電池セルの積層数Ｎ3を多めに調整し、N1<N2<N3とすることで、電流分布及び温度分布を低減することが可能となる。
具体的には、次の(９)式を満たすように、各スタック毎の燃料電池セルの積層数を調整することが好ましいが、(９)式に近づけるだけでも電流分布及び温度分布の低減効果は得られる。
Ｖ／Ｎ1+η1 =V／N2+η2 =V／N3+η3 …(９)
上記の(９)式では、個々の燃料電池セルの特性が同じでオーム抵抗Ｒが同じ値であることを前提としていたが、温度環境の相違等により各スタック毎に燃料電池セルの特性に差異がある場合は、次の(10)式を満たすように各スタック毎の燃料電池セルの積層数Ｎを調整してもよい。
(ＶＯＣＶ−Ｖ／Ｎ1−η1)／Ｒ1
＝(ＶＯＣＶ−Ｖ／Ｎ2−η2)／Ｒ2
＝(ＶＯＣＶ−Ｖ／Ｎ3−η3)／Ｒ3 …(10)
なお、第２実施形態では、セル収容容器７０内の配置位置に応じた燃料電池セル１８の温度分布に応じて燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。また、第３実施形態では、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電極面積を燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。更に、第４実施形態では、燃料電池スタック１２０Ａ〜１２０Ｃにおける燃料電池セルの積層数を燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル１８Ａ〜１８Ｃの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。しかし、本発明は上記で説明した態様に限定されるものではなく、上記の３つの態様のうちの少なくとも２つの態様を組み合わせて用いた態様も本発明の権利範囲に含まれる。
〔第５実施形態〕
次に本発明の第５実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
図１１には本第５実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇが示されている。なお、図１１では改質器１２、バーナ１４等の図示を省略している。図１１に示すように、燃料電池システム１０Ｇは２個の燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂを備えている。一端が燃料制御器１６に接続された配管７２の他端は三方弁７８に接続されている。三方弁７８には配管７４,７６の一端が各々接続され、配管７４の他端は燃料電池セル１８Ａの燃料供給側に接続されており、配管７６の他端は燃料電池セル１８Ｂの燃料供給側に接続されている。三方弁７８は、配管７２を配管７４と連通する状態ａ又は配管７２を配管７６と連通する状態ｂに切り替わる。三方弁７８は運転制御部２２に接続されており、運転制御部２２によって状態ａ,ｂの切替えが制御される。
また、燃料電池セル１８Ａの燃料排出側には配管８２の一端が接続され、配管８２は途中で配管８４と配管８６とに分岐されており、配管８４の他端は三方弁８０に接続されている。また、燃料電池セル１８Ｂの燃料排出側には配管９２の一端が接続され、配管９２は途中で配管９４と配管９６とに分岐されており、配管９４の他端は三方弁８０に接続されている。三方弁８０には燃料極排ガス管４４の一端が接続されている。三方弁８０は、配管９４を燃料極排ガス管４４と連通する状態ａ又は配管８４を燃料極排ガス管４４と連通する状態ｂに切り替わる。三方弁８０は運転制御部２２に接続されており、運転制御部２２によって状態ａ,ｂの切替えが制御される。
また、配管８６の他端は三方弁８８に接続され、配管９６の他端は三方弁８８に接続されており、三方弁８８には配管９８の一端が接続されている。三方弁８８は、配管８６を配管９８と連通する状態ａ又は配管９６を配管９８と連通する状態ｂに切り替わる。三方弁８８は運転制御部２２に接続されており、運転制御部２２によって状態ａ,ｂの切替えが制御される。
また、配管９８の他端は三方弁９０に接続され、三方弁９０には配管１１０,１１２の一端が各々接続されている。配管１１０の他端は配管７４の中間部に接続され、配管１１２の他端は配管７６の中間部に接続されている。三方弁９０は、配管９８を配管１１２と連通する状態ａ又は配管９８を配管１１０と連通する状態ｂに切り替わる。三方弁９０は運転制御部２２に接続されており、運転制御部２２によって状態ａ,ｂの切替えが制御される。
また、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂとパワーコンディショナ２０とを接続する電気配線５０,５２のうち、燃料電池セル１８Ａの電流を検出可能な位置には電流センサ１１４が設けられており、燃料電池セル１８Ｂの電流を検出可能な位置には電流センサ１１６が設けられている。電流センサ１１４,１１６は運転制御部２２に接続されており、電流センサ１１４,１１６によって検出された燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの電流は運転制御部２２に入力される。
更に、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂには温度センサ１０２,１０４が設けられている。温度センサ１０２,１０４は運転制御部２２に接続されており、温度センサ１０２,１０４によって検出された燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの温度は運転制御部２２に入力される。なお、温度センサ１０２,１０４及び電流センサ１１４,１１６は本発明における検知部の一例である。
運転制御部２２は、三方弁７８,８０,８８,９０に対し、三方弁７８,８０,８８,９０を各々状態ａに切替える第１の運転状態、又は、三方弁７８,８０,８８,９０を各々状態ｂに切替える第２の運転状態へ切替える制御を行う。
第１の運転状態では、燃料制御器１６から燃料電池セル１８Ａに燃料が供給された後、燃料電池セル１８Ａからの燃料極排ガスが燃料電池セル１８Ｂに供給され、燃料電池セル１８Ｂからの燃料極排ガスが燃料極排ガス管４４へ排出される。また、第２の運転状態では、燃料制御器１６から燃料電池セル１８Ｂに燃料が供給された後、燃料電池セル１８Ｂからの燃料極排ガスが燃料電池セル１８Ａに供給され、燃料電池セル１８Ａからの燃料極排ガスが燃料極排ガス管４４へ排出される。
なお、本第５実施形態において、配管７２,７４,７６,８２,８４,８６,９２,９４,９８,１１０,１１２及び三方弁７８,８０,８８,９０は請求項１０に記載の流路の一例であり、運転制御部２２は請求項１０に記載の切替部の一例である。なお、本第５実施形態における燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂとしては、低温作動型の燃料電池セル、例えば固体高分子型やりん酸型の燃料電池セルが好適である。
本第５実施形態の作用を説明する。燃料電池システム１０Ｇが設置される際には、運転制御部２２に対し、第１の運転状態で運転するか第２の運転状態で運転するかが指示される。このときの運転状態の指示は、デフォルトで予め設定された運転状態でもよいし、第２実施形態で説明したように、より低温の環境に配置された燃料電池セル１８に先に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、第３実施形態で説明したように、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの電極面積が相違されているのであれば、電極面積がより大きい燃料電池セル１８に後に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの性能を予め測定し、性能がより高い(電流−電圧特性の傾きの絶対値がより小さい)燃料電池セル１８に後に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、上記の選択方法を組み合わせて運転状態を選択してもよい。
燃料電池システム１０Ｇの設置が完了し、燃料電池システム１０Ｇの電源が投入されて燃料電池システム１０Ｇの運転開始が指示されると、運転制御部２２は、図１２に示す燃料電池システム運転制御処理を行う。
図１２に示す燃料電池システム運転制御処理では、まずステップ２１０において、運転制御部２２は、切替フラグに１が設定されているか否か判定する。なお、切替フラグは運転制御部２２の不揮発性メモリに記憶されており、燃料電池システム１０Ｇが設置される際に０が設定される。ステップ２１０の判定が否定された場合はステップ２００へ移行し、ステップ２００〜ステップ２０６の処理を行う。なお、ステップ２００〜ステップ２０６は第１実施形態で説明した処理と同一であるので、説明を省略する。
次のステップ２１６において、運転制御部２２は、温度センサ１０２,１０４及び電流センサ１１４,１１６から、燃料電池システム１０Ｇの燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの温度及び電流を取得し、取得した燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの温度及び電流のばらつきから、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂへの燃料の供給順序を切替えるか否か判定する。
上記判定は、具体的には、例えば、燃料の流通方向で現在は下流側となっている燃料電池セル１８(現在は後に燃料が供給されている燃料電池セル１８)の温度が、現在は上流側となっている燃料電池セル１８(現在は先に燃料が供給されている燃料電池セル１８)の温度よりも、予め定めた閾値以上低いか否か判定することで行うことができる。
また、上記判定は、具体的には、例えば、燃料の流通方向で現在は下流側となっている燃料電池セル１８(現在は後に燃料が供給されている燃料電池セル１８)の電流が、現在は上流側となっている燃料電池セル１８(現在は先に燃料が供給されている燃料電池セル１８)の電流よりも、予め定めた閾値以上低いか否か判定することで行うことができる。
ステップ２１６の判定が否定された場合はステップ２０８へ移行する。ステップ２０８の判定は、燃料電池システム１０Ｇの運転終了が指示される迄は否定され、ステップ２１０に戻る。従って、ステップ２１６の判定が否定されている間の運転制御部２２の処理は、第１実施形態と同じである。
また、燃料電池システム１０Ｇが設置されてから或る程度の期間が経過し、例えば、この間の燃料電池セル１８の経時劣化の度合いが燃料電池セル１８Ａと燃料電池セル１８Ｂとで大きく相違していた等の場合には、現在は下流側となっている燃料電池セル１８の温度が、現在は上流側となっている燃料電池セル１８の温度よりも閾値以上低い状態、或いは現在は下流側となっている燃料電池セル１８の電流が、現在は上流側となっている燃料電池セル１８の電流よりも閾値以上低い状態は生じ得る。また、上記のように温度及び電流の少なくとも一方が閾値以上相違している状態では、現在は上流側となっている燃料電池セル１８の劣化も懸念される。
このため、現在は下流側となっている燃料電池セル１８の温度及び電流の少なくとも一方が、現在は上流側となっている燃料電池セル１８の温度よりも閾値以上低い状態になった場合には、ステップ２１６の判定が肯定されてステップ２１８へ移行する。ステップ２１８において、運転制御部２２は、切替フラグに１を設定し、ステップ２０８へ移行する。
ステップ２１８で切替フラグに１を設定すると、ステップ２１０の判定が肯定されてステップ２１２へ移行する。ステップ２１２において、運転制御部２２は、現在の運転状態が第１の運転状態であれば第２の運転状態へ切替え、現在の運転状態が第２の運転状態であれば第１の運転状態へ切替えることで、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂのうち先に燃料を供給する燃料電池セル１８を入れ替える。また、次のステップ２１４において、運転制御部２２は、切替フラグに０を設定してステップ２１０に戻る。
上記処理により、燃料電池セル１８の経時劣化の度合いが燃料電池セル１８Ａと燃料電池セル１８Ｂとで大きく相違していた等の場合や、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｂの性能の高低の順序が経時的に変化した等の場合にも、燃料電池セル１８Ａ,１８Ｃの電流及び温度の相違を低減することができ、燃料電池システム１０Ｇの効率及び耐久性の経時的な低下を抑制することができる。
なお、第５実施形態では、燃料電池セル１８が２個の場合を説明したが、より多数の燃料電池セル１８が設けられた燃料電池システム１０にも適用可能であることは言うまでもない。また、第５実施形態では、燃料電池セル１８の温度を検出することで、燃料電池セル１８の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値を間接的に検知する態様を説明したが、これに限定されるものではなく、燃料電池セル１８毎の出力電流を検知することで、燃料電池セル１８の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値を直接的に検知する構成を採用することも可能である。
また、上述した各実施形態における燃料電池セルは、本発明における燃料電池の一例に過ぎず、第４実施形態を除く各実施形態における燃料電池セルに代えて、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを用いてもよいことは言うまでもない。
また、上述した各実施形態で説明した燃料電池システムは本発明の一例に過ぎない。例えば、上述した実施形態では改質器及びバーナが設けられた構成の燃料電池システムを説明したが、外部から燃料が供給される燃料電池システムであれば改質器及びバーナは不要である。外部から燃料が供給される燃料電池システムの一例としては車両等の移動体に搭載される燃料電池システムが挙げられる。このように、本発明は、上述した実施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で様々な変形や応用が可能であることは言うまでもない。
１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｄ,１０Ｅ,１０Ｆ,１０Ｇ…燃料電池システム、１６…燃料制御器(制御部)、１８Ａ,１８Ｂ,１８Ｃ,１８Ｄ,１８Ｅ,１８Ｆ…燃料電池セル(燃料電池)、２０…パワーコンディショナ(制御部)、２２…運転制御部(制御部)、３０…燃料ガス管(流路)、３６,４０…燃料極排ガス管(流路)、５０,５２,６０,７２…電気配線、６２,６４,７４…燃料供給管(流路)、７２,７４,７６,８２,８４,８６,９２,９４,９８,１１０,１１２…配管(流路)、７８,８０,８８,９０…三方弁(流路)、１０２,１０４…温度センサ(検知部)

Claims (14)

  1. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、
    前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、
    前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流（個々の前記燃料電池を流れる電流の和）Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を、
    Ｉ／Ｆ＝最適値 …（１）
    上記（１）式（但し、上記最適値は、Ｉ／Ｆの値が大きくなる程、前記燃料電池の効率が高くなる一方で、前記燃料電池の耐久性が低下し、Ｉ／Ｆの値が小さくなる程、前記効率が低下する、という前記複数の燃料電池の耐久性と効率のバランスから定まる）に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた、個々の前記燃料電池における燃料消費量の和に相当する燃料量Ｆに制御する制御部と、
    を含む燃料電池システム。
  2. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、
    前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続し、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされた流路と、
    前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、
    前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部と、
    前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、
    を含む燃料電池システム。
  3. 前記電気配線により並列に接続され、前記流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備え、当該複数の燃料電池群が電気的に直列に接続され、並列に燃料が供給される請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記電気配線により並列に接続され、前記流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備え、当該複数の燃料電池群が電気的に直列に接続され、直列に燃料が供給される請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
  5. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、
    前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、
    を含む燃料電池システム。
  6. 前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも高温となる環境に設置された燃料電池である請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池である請求項５記載の燃料電池システム。
  8. 前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池である請求項５記載の燃料電池システム。
  9. 前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部を更に含む請求項５〜請求項８の何れか１項記載の燃料電池システム。
  10. 前記流路は、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされ、
    前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、
    前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、
    を更に含む請求項１、請求項３〜請求項９の何れか１項記載の燃料電池システム。
  11. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、
    前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、
    前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流（個々の前記燃料電池を流れる電流の和）Ｉを、要求出力を出力電圧で除して求めた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を、
    Ｉ／Ｆ＝最適値 …（１）
    上記（１）式（但し、上記最適値は、Ｉ／Ｆの値が大きくなる程、前記燃料電池の効率が高くなる一方で、前記燃料電池の耐久性が低下し、Ｉ／Ｆの値が小さくなる程、前記効率が低下する、という前記複数の燃料電池の耐久性と効率のバランスから定まる）に前記複数の燃料電池全体の電流Ｉを代入して求めた、個々の前記燃料電池における燃料消費量の和に相当する燃料量Ｆに制御する
    ことを含む燃料電池システムの運転方法。
  12. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、
    前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、
    前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御し、
    前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知し、
    検知した前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える
    ことを含む燃料電池システムの運転方法。
  13. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池を電気配線によって並列に接続すると共に、
    前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を流路によって直列に接続する
    ことを含む燃料電池システムの構成方法。
  14. 前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する請求項１３記載の燃料電池システムの構成方法。
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