特許 6984047 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6984047

(24)【登録日】2021年11月26日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20211206BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20211206BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20211206BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04746

   H01M8/04537

   !H01M8/12 101

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2020-564024(P2020-564024)

(86)(22)【出願日】2020年5月25日

(86)【国際出願番号】JP2020020609

(87)【国際公開番号】WO2020241593

(87)【国際公開日】20201203

【審査請求日】2020年11月12日

(31)【優先権主張番号】特願2019-98644(P2019-98644)

(32)【優先日】2019年5月27日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2019-98645(P2019-98645)

(32)【優先日】2019年5月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】谷口 英二

【審査官】 加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２９２２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、
燃料電池で発電した電流の負荷への供給を調整する電力調整装置と、
前記酸素含有ガス供給部および／または前記燃料供給部と、前記電力調整装置の動作と、を制御する制御装置と、を備え
前記制御装置は、
予め定められた、前記燃料電池の発電量と、空気利用率および／または燃料利用率と、の関係式を複数有しており、
前記電力調整装置で設定された電流上昇速度に基づいて、前記関係式を選択する選択制御を実行する燃料電池装置。

【請求項2】

前記燃料電池の発電量と、前記空気利用率との関係式を複数有しており、
前記制御装置は、前記電力調整装置で設定された前記電流上昇速度が所定速度以上の場合、
少なくとも一部の電流区間において、前記電流上昇速度が前記所定速度より低い場合の第１関係式よりも空気利用率が低くなるように設定された第２関係式を選択する、請求項１に記載の燃料電池装置。

【請求項3】

前記第２関係式は、前記少なくとも一部の電流区間内において、電流の増加に伴う空気利用率の増加率が異なっている、請求項２に記載の燃料電池装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記燃料電池が自立運転を行なう場合に、前記第２関係式を選択する、請求項２または３に記載の燃料電池装置。

【請求項5】

前記燃料電池の発電量と、前記燃料利用率との関係式を複数有しており、
前記制御装置は、前記電力調整装置で設定された前記電流上昇速度が所定速度以上の場合に、
少なくとも一部の電流区間において、前記電流上昇速度が前記所定速度より低い場合の第３関係式よりも燃料利用率が低くなるように設定された第４関係式を選択する、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池装置。

【請求項6】

前記第４関係式は、前記少なくとも一部の電流区間内において、電流の増加に伴う燃料利用率の増加率が異なっている、請求項５に記載の燃料電池装置。

【請求項7】

前記制御装置は、前記燃料電池が自立運転を行なう場合に、前記第４関係式を選択する、請求項５または６に記載の燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形の燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、原燃料（水素含有ガス）および空気（酸素含有ガス）を用いて発電を行なう。この燃料電池装置は、家庭用途や小規模事業所用途等、使用電力（電流値）の低い、小規模な発電に利用される場合、外部負荷（以下、単に「負荷」ともいう）による要求電力は、比較的大きく変動する。そのため、燃料電池装置は、いわゆる定格運転の他に、発電電流が定格運転未満の低電流で発電運転を行なう、「負荷追従運転」または「部分負荷運転」と呼ばれる仕様（モード）を備える。

【0003】

この部分負荷運転に関し、特許文献１には、部分負荷（負荷追従）運転中の、セルスタックの空気利用率〔Ｕａ（％）〕と発電電流量〔電流値Ｉ（Ａ）〕との関係が示されている。すなわち、特許文献１の図に示す、空気利用率Ｕａと発電電流量Ｉの相関を表すグラフにおいて、負荷の要求に応じた発電電流量Ｉの増加に伴う空気利用率Ｕａの増加割合を、筐体内の空気（酸素含有ガス）の温度に応じて変化させる提案が開示されている。

【0004】

またこの部分負荷運転に関し、特許文献２には、部分負荷（負荷追従）運転中の、セルスタックの燃料利用率〔Ｕｆ（％）〕と発電電流量〔電流値Ｉ（Ａ）〕との関係が示されている。すなわち、特許文献１の図に示す、燃料利用率Ｕｆと発電電流量Ｉの相関を表すグラフにおいて、負荷の要求に応じた発電電流量Ｉの増加に伴う燃料利用率Ｕｆの増加割合を、二次曲線あるいは三次曲線等の「非直線」（非一次直線）状とする提案が開示されている。

【0005】

燃料電池装置においては、停電や外部電源の喪失等、系統電源と解列した場合、燃料電池装置単体で、負荷に対して電力の供給を行なうことのできる「自立運転」モードが実行される。

【0006】

この自立運転モードにおいては、外部負荷の変動（要求）に即座に応えることを目的に、外部負荷への出力追従性能（以下、「負荷追従性」という）を引き上げるべく、電流上昇速度を高くする場合がある。この場合に、一時的に、セルスタックの中で、発電に必要な空気の量および／または燃料ガスの量が不足する状態が発生し、燃料電池セルに損傷等が発生するおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５５２８４５１号公報

【特許文献2】特許第５５９１２４９号公報

【発明の概要】

【0008】

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給部と、燃料電池で発電した電流の負荷への供給を調整する電力調整装置と、前記酸素含有ガス供給部および／または前記燃料供給部と、前記電力調整装置の動作と、を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、予め定められた、前記燃料電池の発電量と、空気利用率および／または燃料利用率と、の関係式を複数有しており、前記電力調整装置で設定された電流上昇速度に基づいて、前記関係式を選択する選択制御を実行する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

【図1】実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。

【図2】外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

【図3】第１実施形態の燃料電池装置のセルスタックにおける、発電により発生する電流量〔Ｉ〕と空気利用率〔Ｕａ〕との関係を示すグラフである。

【図4】第２実施形態の燃料電池装置のセルスタックにおける、発電により発生する電流量〔Ｉ〕と空気利用率〔Ｕａ〕との関係を示すグラフである。

【図5】第３実施形態の燃料電池装置のセルスタックにおける、発電により発生する電流量〔Ｉ〕と燃料利用率〔Ｕｆ〕との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参考にして本実施形態の燃料電池装置について説明する。
図１に示す実施形態の燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池モジュール１と、空気ブロアＢ１および空気流路Ｆを有する酸素含有ガス供給部１３、燃料ポンプＢ２および原燃料流路Ｇを有する燃料供給部１４、改質水タンク６および改質水ポンプＰ１等を含む改質水供給部１５等、燃料電池の自立した発電運転を補助するための補機類を備える。

【0011】

また、燃料電池装置１００は、外部への電力供給と系統電源への連係を担う補機として、電力調整装置（パワーコンディショナ２０）を備え、このパワーコンディショナ２０と連係して、前述の燃料電池の発電運転を補助する各補機の動作を制御する制御装置３０を備える。なお、パワーコンディショナ２０は、電流計（Ａアンペア）、電圧計（Ｖボルト）等を有している。

【0012】

さらに、本実施形態の燃料電池装置１００は、熱交換器２、蓄熱タンク３（貯湯タンクともいう）、放熱器（ラジエータ４）およびこれらを繋ぐ流路配管、熱媒ポンプＰ２等を含む、排熱回収システム（ヒートサイクルＨＣ１）を備える。

【0013】

図１に記載の燃料電池装置１００は、さらに、外部に供給するための水道水（上水）を加温するための第２熱交換器５（上水熱交換器ともいう）と、前述の蓄熱タンク３から高温の熱媒を取り出して循環させるための与熱ポンプＰ３および循環配管等を含む、温水供給システム（ヒートサイクルＨＣ２）を備えている。なお、燃料電池装置は、外部への温水供給を行わない、いわゆるモノジェネレーションシステムとしてもよい。

【0014】

そして、燃料電池装置１００は、図２に示すような、各フレーム４１と各外装パネル４２とからなるケース４０の中に配設されている。このケース４０の中の、燃料電池モジュール１および各補機の周りや流路、配管等には、以下のような複数の計測機器やセンサ等が設けられている。

【0015】

たとえば、燃料電池モジュール１に空気（酸素含有ガス）を供給する酸素含有ガス供給部１３の空気流路Ｆには、フローメータ等の空気流量計ＦＭ１が配設される。空気流量計ＦＭ１は、セルスタック１１に供給する、空気の時間あたり流量を計測する。

【0016】

たとえば、燃料電池モジュール１に原燃料（ガス）を供給する燃料供給部１４の原燃料流路Ｇには、フローメータ等の燃料流量計ＦＭ２が配設される。燃料流量計ＦＭ２は、改質器１２に供給する、都市ガス等の原燃料（燃料ガス）の時間あたり流量を計測する。

【0017】

また、燃料電池装置１００は、燃料電池各部の温度を計測する温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計（図示省略）等を複数備えることもできる。

【0018】

そして、燃料電池装置１００全体を統括して、その運転を制御する制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。また、制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

【0019】

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。

【0020】

なお、本実施形態において、制御装置３０は特に、外部負荷から要求される電力の大小、燃料電池装置に繋がる外部装置（給湯器２００等）の指示、指令や、外部への電力供給量を表す電流計、電圧計等の計測値（ＶＡ皮相電力等）、あるいは先に述べた各種センサの指示や計測値にもとづいて、セルスタック１１に空気を供給する酸素含有ガス供給部１３の空気ブロアＢ１の動作と、燃料供給部１４の燃料ポンプＢ２等の動作を制御する。

【0021】

具体的には、前述したような構成の燃料電池装置１００では、制御装置３０は、酸素含有ガス供給部１３および燃料供給部１４の動作を制御して、運転に必要な量の酸素含有ガスと燃料ガスとを、燃料電池セルに供給する。それにより、燃料電池セルで発電した電力は、電力調整装置（パワーコンディショナ２０）を介して、外部負荷に供給される。

【0022】

以下、発電電流量〔Ｉ（Ａ）〕に対応して、空気の流量を代替する「空気利用率（Ｕａ）」を操作・増減させる「空気流量制御」について説明する。

【0023】

第１および第２実施形態の燃料電池装置１００の制御装置３０は、電力調整装置（以下、パワーコンディショナ２０）により制御される燃料電池の発電電流量Ｉ（Ａ）に対応して、空気ブロアＢ１を制御する。ここで、制御装置３０は、発電電流量Ｉ（Ａ）に対応して予め設定された「空気利用率」（すなわちＵａ）に応じて、空気ブロアＢ１を制御する。なお、「空気利用率」（Ｕａ）とは、燃料電池に供給される空気の量に対する、発電に利用される空気量の割合を意味するものである。

【0024】

ここで、実施形態の燃料電池装置１００の制御装置３０は、燃料電池（燃料電池モジュール１）の発電量と空気利用率との関係式を複数有しており、パワーコンディショナ２０で設定された電流上昇速度に基づいて、関係式を選択する選択制御を実行する。それにより、電流上昇速度に応じて適切な関係式を選択して実行することで、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

【0025】

なお、「電流上昇速度」とは、単位時間あたりに、燃料電池で発電した電流の量（発電電流量または電流値）が増加方向に変化する際の変位量（差分）のことを言う。単位は、Ａ（アンペア）／秒である。

【0026】

図３は、実施形態の燃料電池装置のセルスタックにおける、発電により発生する電流量〔Ｉ〕と空気利用率〔Ｕａ〕との関係を示す第１実施形態のグラフである。この図３においては、実線で示す関係式と、一部破線で示す関係式の２種類のグラフを示している。なお、燃料電池装置のサイズ（定格発電量）等により、空気利用率Ｕａや発電量である電流量Ｉの値は適宜設定できる。したがって、図３は、あくまで空気利用率Ｕａと発電量（Ｉ）との関係式（グラフ）の一例を示すものである。また、関係式は３つ以上の関係式を有していてもよい。以下の説明においては、図３に示すグラフを用いて説明する。

【0027】

図３においては、通常運転時に選択される本開示の「第１関係式」（一部破線で表示）と、停電等の際の自立運転時に選択される本開示の「第２関係式」（実線で表示）の一例を示している。なお、第１関係式の破線部分以外は、共通の関係式となっている。なお、第１関係式の破線で示しているカーブは、停電等の際の「自立運転」時以外の、すなわち通常運転時（本開示の「電流上昇速度」が遅いまたは低い場合）の、空気利用率Ｕａと発電電流量Ｉとの関係を示すグラフのカーブの一例である。

【0028】

まず共通部分について説明する。燃料電池の発電電流量Ｉと空気利用率Ｕａとの関係（式）を表す図３のグラフにおいて、燃料電池の電流量Ｉの増加に対応して空気利用率Ｕａが漸次増加する〔第１の増加区間〕を有している。

【0029】

この〔第１の増加区間〕は、言い換えれば、起動時は空気利用率Ｕａが低く設定され、その後、燃料電池の電流量Ｉの増加に対応して、空気利用率Ｕａが漸次増加する区間である。それにより、起動時は余剰の酸素含有ガス（空気）量が増えることで、燃焼熱を大きくすることができ、燃料電池の温度を早く上昇させることができる。よって起動時間を早めることができる。一方で、電流量Ｉの増加とともに、空気利用率Ｕａを漸次増加させることで、燃料電池の温度を上昇させつつも、効率のよい運転が可能となる。

【0030】

続いて、図３のグラフにおいて、空気利用率Ｕａが一定となる〔第２の一定区間〕を有している。この〔第２の一定区間〕は、燃料電池の出力が定格最大となった「定格」と呼ばれる区間を示している。電流量Ｉが高い区間においては、空気利用率Ｕａを高く設定することで、効率のよい運転を行なうことができる。

【0031】

続いて第１関係式と第２関係式とで異なる区間について説明する。具体的には、前述の図３のグラフにおける、通常運転時とは異なるグラフカーブの区間である、〔第１の一定区間〕と〔第２の増加区間〕とについて説明する。なお、前述の〔第１の一定区間〕および〔第２の増加区間〕は連続しており、本開示における「少なくとも一部の電流区間」の一例である。以下の説明においては、第２関係式を基準として説明する。

【0032】

図３における〔第１の一定区間〕は、〔第１の増加区間〕で、電流量Ｉの増加にともない漸次増加してきた空気利用率Ｕａの上昇を、抑えるために設けられている区間（電流区間）である。〔第１の一定区間〕では、電流量Ｉの増加分に対して、同比率の空気流量を増量しており、結果として、グラフカーブの傾きがない、すなわち、電流量Ｉと空気利用率Ｕａの関係を表す「一次式」の係数が「０（ゼロ）」の区間になっている。なお、一次式の係数は完全に０である必要はなく、ほぼ０となっていればよい。

【0033】

すなわち、制御装置３０は、電力調整装置２０で設定された電流上昇速度が所定速度以上の自立運転モードの場合に、少なくとも前述の〔第１の一定区間〕において、電流上昇速度が所定速度より低い場合の第１関係式を表す〔第１の増加区間〕よりも空気利用率Ｕａが低くなるように設定された第２関係式を表す〔第１の一定区間〕を選択する。

【0034】

関係式の選択としては、上述までの説明の通り、全体の関係式を選択するようにしてもよいが、たとえば、この異なる区間のみを関係式を選択するようにしてもよい。なお、〔第１の一定区間〕は、前述の〔第１の増加区間〕とは、電流の増加に伴う空気利用率Ｕａの増加率が異なっている区間である。

【0035】

また、続く〔第２の増加区間〕では、第１の一定区間と第２の一定区間とを繋ぐ区間となっており、電流量Ｉと空気利用率Ｕａの関係を表す「一次式」の係数が「正（プラス）」の区間になっている。なお、この区間におけるグラフの傾き等は適宜設定でき、第１の増加区間よりも傾きが急になっていてもよく、また緩くなっていてもよい。

【0036】

このように、〔第１の増加区間〕と、〔第２の一定区間〕との間に、通常運転状態より空気利用率Ｕａを下げた区間、すなわち、多くの空気をセルスタックに供給する〔第１の一定区間〕および〔第２の増加区間〕を設定することにより、これらの区間における、自立運転時の、高空気利用率（高Ｕａ）の状態の発生を抑制することができる。

【0037】

したがって、本実施形態の燃料電池装置１００は、自立運転モードに移行して、先に述べたような電流上昇速度が高く設定されている状態で、外部負荷の要求により、負荷（出力電流）が急激に上昇した場合でも、空気の供給量が、予め、通常運転時より多めに設定されているため、一時的にセルスタックの中で、発電に必要な空気の量が不足して高Ｕａ状態が発生することが、抑制されている。

【0038】

その結果、停電時等に自立運転を行なっても、燃料電池セルに損傷等が発生するおそれを回避することができ、耐久性が向上した燃料電池装置とすることができる。

【0039】

なお、図３における〔第１の一定区間〕における電流量Ｉと空気利用率Ｕａの関係を表す一次式の係数は、「負（マイナス）」、すなわち、グラフカーブの傾きが負（マイナス）をとるようにしてもよい。

【0040】

また、〔第２の増加区間〕における、電流量Ｉに対する空気利用率Ｕａの増分は、必ずしも一次（関数）的である必要はなく、二次曲線（二次関数）あるいは三次曲線（三次関数）等の、非直線的なグラフカーブとなるようにしてもよい。〔第１の増加区間〕も同様である。

【0041】

つぎに、第２実施形態について図４を用いて説明する。なお、第１実施形態の空気利用率Ｕａの設定を表す図３と、第２実施形態の空気利用率Ｕａの設定を表す図４との違いは、第１関係式において、第２の増加区間が減少区間となっていることと、燃料電池の出力が定格最大となった「定格」と呼ばれる区間における空気利用率Ｕａの値が、一定（図３）であるか、電流値の上昇に伴って低下（図４）しているかである。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ部分については説明を簡略化する。

【0042】

第２実施形態である「図４」のグラフにおいても、〔第１の増加区間〕で電流量Ｉの増加にともない漸次増加してきた空気利用率Ｕａの上昇を抑えるために、〔一定区間〕が設けられている。この〔一定区間〕では、第１実施形態の〔第１の一定区間〕と同様、電流量Ｉの増加分に対して、同比率の空気が増量されている。なお、〔一定区間〕は、グラフカーブの傾きがない、電流量Ｉと空気利用率Ｕａの関係を表す「一次式」の係数が「０（ゼロ）」の区間である。なお、一次式の係数は完全に０である必要はなく、ほぼ０となっていればよい。

【0043】

言い換えれば、燃料電池装置１００の制御装置３０は、電力調整装置２０で設定された電流上昇速度が所定速度以上の自立運転モードの場合に、少なくとも前述の〔一定区間〕において、電流上昇速度が所定速度より低い場合の「第１関係式」（〔第１の増加区間〕に相当）よりも空気利用率Ｕａが低くなるように設定された「第２関係式」（〔第１の一定区間〕に相当）を、選択する。

【0044】

関係式の選択としては、上述までの説明の通り、全体の関係式を選択するようにしてもよいが、たとえば、異なる区間のみを関係式を選択するようにしてもよい。なお、〔一定区間〕は、前述の〔第１の増加区間〕とは、電流の増加に伴う空気利用率Ｕａの増加率が異なっている区間である。

【0045】

続いて、〔第２の増加区間〕および空気利用率Ｕａが低下する〔低下区間〕を有している。なお、第１関係式を基準とすると、第２の増加区間および低下区間は、連続する低下区間であるとも言える。〔低下区間〕は、燃料電池の出力が定格最大となった「定格」と呼ばれる区間を示している。

【0046】

また、燃料電池（燃料電池モジュール１）における最大の電流量Ｉに対して最低限必要な空気量を算出することができる。この空気量が最低限となるように空気利用率Ｕａを算出する。

【0047】

すなわち、〔第２の増加区間〕および〔低下区間〕における空気利用率Ｕａは、最大の電流量Ｉに対して最低限必要な空気量に基づいて算出され、第１関係式を基準とすると、連続する低下区間となる。それにより、外部負荷の要求により、負荷（出力電流）が急激に上昇した場合でも、一時的にセルスタックの中で、発電に必要な空気の量が不足して高Ｕａ状態が発生することが、抑制されている。

【0048】

一方で、第２関係式においては、〔第２の増加区間〕は、一定区間と低下区間とを繋ぐ区間となっており、第１実施形態と同様、電流量Ｉの増加分に対して、それより小さな比率の空気流量が増量される区間である。この区間において、グラフカーブの傾き、すなわち、電流量Ｉと空気利用率Ｕａの関係を表す「一次式」の係数は「正（プラス）」になっている。なお、この区間におけるグラフの傾き等は適宜設定でき、第１の増加区間よりも傾きが急になっていてもよく、また緩くなっていてもよい。

【0049】

このように、第２実施形態においても、〔第１の増加区間〕と、〔低下区間〕との間に、通常運転状態より空気利用率Ｕａを下げた区間、すなわち、多くの空気をセルスタックに供給する〔一定区間〕および〔第２の増加区間〕を設定することにより、これらの区間における、自立運転時の、高空気利用率（高Ｕａ）の状態の発生を抑制することができる。

【0050】

その結果、停電時等に自立運転を行なっても、燃料電池セルに損傷等が発生するおそれを回避することができ、耐久性が向上した燃料電池装置とすることができる。

【0051】

また関係式として、例えば空気利用率Ｕａの上限値に関する関係式や、酸素含有ガス流量における上限下限値に関する関係式を有していてもよい。この場合に、例えば上述した〔第１の増加区間〕、〔一定区間〕、〔第２の増加区間〕、〔低下区間〕において、適宜優先する関係式を設定して、関係式を選択するようにしてもよい。

【0052】

続いて、以下、発電電流量〔Ｉ（Ａ）〕に対応して、燃料ガスの流量を代替する「燃料利用率（Ｕｆ）」を操作・増減させる「燃料ガス流量制御」について説明する。

【0053】

第３実施形態の燃料電池装置１００の制御装置３０は、電力調整装置（以下、パワーコンディショナ２０）により制御される燃料電池の発電電流量Ｉ（Ａ）に対応して、燃料ポンプＢ２を制御する。ここで、制御装置３０は、発電電流量Ｉ（Ａ）に対応して予め設定された「燃料利用率」（すなわちＵｆ）に応じて、燃料ポンプＢ２を制御する。なお、燃料利用率（Ｕｆ）とは、燃料電池に供給される燃料ガスの量に対する、発電に利用される燃料ガス量の割合を意味するものである。

【0054】

ここで、第３実施形態の燃料電池装置１００の制御装置３０は、燃料電池（燃料電池モジュール１）の発電量と燃料利用率の関係式を複数記憶しており、パワーコンディショナ２０で設定された電流上昇速度に基づいて、関係式を選択する選択制御を実行する。それにより、電流上昇速度に応じて適切な関係式を選択して実行することで、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

【0055】

なお、「電流上昇速度」とは、単位時間あたりに、燃料電池で発電した電流の量（発電電流量または電流値）が増加方向に変化する際の変位量（差分）のことを言う。単位は、Ａ（アンペア）／秒である。

【0056】

図５は、第３実施形態の燃料電池装置のセルスタックにおける、発電により発生する電流量〔Ｉ〕と燃料利用率〔Ｕｆ〕との関係を示すグラフである。この図５においては、実線で示す関係式と、一部破線で示す関係式の２種類のグラフを示している。なお、燃料電池装置のサイズ（定格発電量）等により、燃料利用率Ｕｆや発電量である電流量Ｉの値は適宜設定できる。したがって、図５は、あくまで燃料利用率Ｕｆと発電量（Ｉ）との関係式（グラフ）の一例を示すものである。また、関係式は３つ以上の関係式を有していてもよい。以下の説明においては、図５に示すグラフを用いて説明する。

【0057】

図５においては、通常運転時に選択される本開示の「第３関係式」（一部破線で表示）と、停電等の際の自立運転時に選択される本開示の「第４関係式」（実線で表示）の一例を示している。なお、第３関係式の破線部分以外は、共通の関係式となっている。なお、第３関係式の破線で示しているカーブは、停電等の際の「自立運転」時以外の、すなわち通常運転時（本開示の「電流上昇速度」が遅いまたは低い場合）の、燃料利用率Ｕｆと発電電流量Ｉとの関係を示すグラフのカーブの一例である。

【0058】

まず共通部分について説明する。燃料電池の発電電流量Ｉと燃料利用率Ｕｆとの関係（式）を表す図５のグラフにおいて、燃料電池の電流量Ｉの増加に対応して燃料利用率Ｕｆが漸次増加する〔第１の増加区間〕を有している。

【0059】

この〔第１の増加区間〕は、言い換えれば、起動時は燃料利用率Ｕｆが低く設定され、その後、燃料電池の電流量Ｉの増加に対応して、燃料利用率Ｕｆが漸次増加する区間である。

【0060】

それにより、起動時は余剰の燃料ガス量が増えることで、燃焼熱を大きくすることができ、燃料電池の温度を早く上昇させることができる。よって起動時間を早めることができる。一方で、電流量Ｉの増加とともに、燃料利用率Ｕｆを漸次増加させることで、燃料電池の温度を上昇させつつも、効率のよい運転が可能となる。

【0061】

続いて、図５のグラフは、燃料利用率Ｕｆが一定となる〔第２の一定区間〕を有している。この〔第２の一定区間〕は、燃料電池の出力が定格最大となった「定格」と呼ばれる区間を示している。このように、電流量Ｉが高い区間においては、燃料利用率Ｕｆを高く設定することで、効率のよい運転を行なうことができる。

【0062】

続いて第３関係式と第４関係式とで異なる区間について説明する。具体的には、前述の図５のグラフにおける、通常運転時とは異なるグラフカーブの区間である、〔第１の一定区間〕と〔第２の増加区間〕とについて説明する。なお、前述の〔第１の一定区間〕および〔第２の増加区間〕は連続しており、本開示における「少なくとも一部の電流区間」の一例である。以下の説明においては、第４関係式を基準として説明する。

【0063】

図５における〔第１の一定区間〕は、〔第１の増加区間〕で、電流量Ｉの増加にともない漸次増加してきた燃料利用率Ｕｆの上昇を、抑えるために設けられている区間（電流区間）である。〔第１の一定区間〕では、電流量Ｉの増加分に対して、同比率の原燃料流量を増量しており、結果として、グラフカーブの傾きがない、すなわち、電流量Ｉと燃料利用率Ｕｆの関係を表す「一次式」の係数が「０（ゼロ）」の区間になっている。なお、一次式の係数は、完全に０である必要はなく、ほぼ０となっていればよい。

【0064】

すなわち、制御装置３０は、パワーコンディショナ２０で設定された電流上昇速度が所定速度以上の自立運転モードの場合に、少なくとも前述の〔第１の一定区間〕において、電流上昇速度が所定速度より低い場合の第３関係式を表す〔第１の増加区間〕よりも燃料利用率Ｕｆが低くなるように設定された第４関係式を表す〔第１の一定区間〕を選択する。

【0065】

関係式の選択としては、上述までの説明の通り、全体の関係式を選択するようにしてもよいが、たとえば、この異なる区間のみを関係式を選択するようにしてもよい。なお、〔第１の一定区間〕は、前述の〔第１の増加区間〕とは、電流の増加に伴う燃料利用率Ｕｆの増加率が異なっている区間である。

【0066】

また、続く〔第２の増加区間〕では、第１の一定区間と第２の一定区間とを繋ぐ区間となっており、電流量Ｉと燃料利用率Ｕｆの関係を表す「一次式」の係数が「正（プラス）」の区間になっている。なお、この区間におけるグラフの傾き等は適宜設定でき、第１の増加区間よりも傾きが急になっていてもよく、また緩くなっていてもよい。

【0067】

このように、〔第１の増加区間〕と、〔第２の一定区間〕との間に、通常運転状態より燃料利用率Ｕｆを下げた区間、すなわち、多くの原燃料ガスを改質器に供給する〔第１の一定区間〕および〔第２の増加区間〕を設定することにより、これらの区間における、自立運転時の、高燃料利用率（高Ｕｆ）の状態の発生を抑制することができる。

【0068】

したがって、本実施形態の燃料電池装置１００は、自立運転モードに移行して、先に述べたような電流上昇速度が高く設定されている状態で、外部負荷の要求により、負荷（出力電流）が急激に上昇した場合でも、原燃料の供給量が、予め、通常運転時より多めに設定されているため、一時的にセルスタックの中で、発電に必要な燃料ガスの量が不足して高Ｕｆ状態が発生することが、抑制されている。

【0069】

その結果、停電時等に自立運転を行なっても、燃料電池セルに損傷等が発生するおそれを回避することができ、耐久性が向上した燃料電池装置とすることができる。

【0070】

なお、図５における〔第２の増加区間〕における、電流量Ｉに対する燃料利用率Ｕｆの増分は、必ずしも一次（関数）的である必要はなく、二次曲線（二次関数）あるいは三次曲線（三次関数）等の、非直線的なグラフカーブとなるようにしてもよい。〔第１の増加区間〕も同様である。

【0071】

また関係式として、例えば燃料利用率Ｕｆの上限値に関する関係式や、燃料ガス流量における上限値または下限値に関する関係式を有していてもよい。この場合に、たとえば上述した〔第１の増加区間〕、〔第１の一定区間〕、〔第２の増加区間〕、〔第２の一定区間〕において、適宜優先する関係式を設定して、関係式を選択するようにしてもよい。

【0072】

なお、以上の説明において、発電電流量〔Ｉ（Ａ）〕に対応して、空気の流量を代替する「空気利用率（Ｕａ）」を操作・増減させる「空気流量制御」と、発電電流量〔Ｉ（Ａ）〕に対応して、燃料ガスの流量を代替する「燃料利用率（Ｕｆ）」を操作・増減させる「燃料ガス流量制御」とを、個別に説明したが、それぞれの制御を同時に行うこともできる。

【0073】

本開示の燃料電池装置によれば、自立運転を行ないつつも、燃料電池セルに損傷等が発生することが抑制された、耐久性が向上した燃料電池装置を提供できる。

【0074】

本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0075】

１ 燃料電池モジュール
１１ セルスタック
１２ 改質器
２０ パワーコンディショナ
３０ 制御装置
１３ 酸素含有ガス供給部
１４ 燃料供給部
１００ 燃料電池装置
Ｆ 空気流路
Ｇ 原燃料流路
Ｂ１ 空気ブロア
Ｂ２ 燃料ポンプ
ＦＭ１ 空気流量計
ＦＭ２ 燃料流量計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】