JP2008135204A - 燃料電池発電装置及びその制御方法並びに制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュール内の温度変化を抑制し発電セルの破損を防止する燃料電池発電装置及び制御方法並びに制御プログラムの提供。
【解決手段】発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタック３と、燃料ガスや酸化剤ガスなどを供給する手段と、電力を出力する経路を切り替える切り替え手段１１と、切り替え手段１１の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷に繋がるインバータ１２と、切り替え手段１１の第２の経路に接続され、電力を消費する電力消費手段１３と、前記切り替え手段の経路の切り替え制御を行う制御手段５とを少なくとも備え、制御手段５では電力系統の停電や外部負荷の切断を検知したら発電条件を略一定に維持したまま出力を第２の経路に切り替えて電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら出力を第１の経路に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムに関し、特に、電力系統の停電又は外部負荷の切断時の制御手法に関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いためにＰｔ等の高価な貴金属の触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータ或いはインターコネクタは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極： １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極： Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合されるが、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている（例えば、下記引用文献１参照）。

この燃料電池発電装置は、例えば、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤ガスを導入する空気供給系と、燃料電池スタックに燃料ガスを導入する燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水蒸気供給系と、各種制御を行う制御手段などで構成され、燃料電池スタックと燃料改質器とで燃料電池モジュールが構成される。

ここで、燃料電池発電装置は、運転に際して燃料電池モジュールを高温に維持する必要があり、一旦運転を停止すると運転の再開に時間を要するため、所定の発電条件で略一定の出力電力が得られるように運転を継続することが重要である。そこで、燃料電池発電装置を商用電力系統などと連結し、必要以上の電力を発電した場合には、余剰電力を電力系統に逆潮流する方法が用いられる（例えば、下記特許文献１等）。

特開２００３−１７３８０８号公報（第６−７頁、第１図）

しかしながら、燃料電池発電装置を商用電力系統などに連結するシステムでは、発電した電力を電力系統に逆潮流している際に電力系統が停電した場合、燃料電池発電装置の出力が開回路状態（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）になり、燃料電池スタックに供給した燃料を電力に変化させることができず、熱として燃料電池モジュール内に放出され、その結果、燃料電池モジュール内の温度が急激に変化し、セラミックス材料などで形成されている発電セルなどが破損するという問題が生じる。特に、発電セルの外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレスタイプの場合、供給された燃料ガスが発電セル外周部で燃料電池モジュール内部に放出され、放出された燃料ガスが酸化剤ガス中に酸素と反応して燃焼して熱を発生させるため、上記問題が顕著に現れる。

一方、電力系統が停電した場合に、燃料電池発電装置を非常停止させることもできるが、この場合も燃料電池モジュール内の温度が急激に変化して、発電セルなどが破損してしまう。また、電力系統が停電した場合に、燃料ガスの供給量を減少させる制御を行うこともできるが、発電条件を変更して電流値が減少すると、発電セルにおける電池の内部抵抗に起因するジュール発熱が減少し、やはり温度変化によって発電セルなどが破損してしまう。

このような発電セルなどの燃料電池スタックの構成部品が破損してしまうという問題は電力系統が停電した場合に限らず、燃料電池発電装置で発電した電力を消費する外部負荷が瞬時或いは一時的に切断された場合にも同様に生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、燃料電池発電装置が電力系統及び外部負荷に連結されるシステムにおいて、電力系統が停電したり外部負荷が切断されるなど、燃料電池発電装置の出力が開回路状態になった場合であっても、燃料電池モジュール内の温度変化を抑制し、発電セルなどの燃料電池スタックの構成部品の破損を確実に防止することができる燃料電池発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、少なくとも前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記燃料電池スタックに、電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段が接続され、前記切り替え手段の第１の経路は、少なくともインバータを介して電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に接続され、前記切り替え手段の第２の経路は、前記電力を消費する電力消費手段に接続され、前記制御手段は、前記第１の経路の状態を監視し、前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替えるものである。

本発明においては、前記制御手段は、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替える構成とすることができる。

また、本発明においては、前記制御手段は、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することが好ましい。

また、本発明においては、前記電力消費手段は抵抗発熱体であり、前記第２の経路が接続されている場合に、前記電力を熱として消費する構成とすることができる。

また、本発明においては、前記燃料電池発電装置は、前記燃料電池スタックの周囲に、前記燃料極層を通過した前記燃料ガスを放出するシールレス構造とすることができる。

また、本発明は、燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックで生成される電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段と、前記切り替え手段の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に繋がるインバータと、前記切り替え手段の第２の経路に接続され、前記電力を消費する電力消費手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記第１の経路の状態を監視し、前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替える制御手段、として機能させるものである。

本発明においては、前記制御手段は、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替える構成とすることができ、前記制御手段は、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することが好ましい。

また、本発明は、燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックで生成される電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段と、前記切り替え手段の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に繋がるインバータと、前記切り替え手段の第２の経路に接続され、前記電力を消費する電力消費手段と、少なくとも前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御すると共に前記切り替え手段の経路の切り替えを制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置における制御方法であって、前記第１の経路の状態を監視する第１のステップと、前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替える第２のステップと、を少なくとも有するものである。

本発明においては、前記第２のステップでは、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替える構成とすることができ、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することが好ましい。

このように、本発明では、電力系統の停電又は外部負荷の切断を検知したら発電条件を略一定に維持したまま、燃料電池スタックの出力を電力消費手段が接続された第２の経路に切り替えて電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧又は外部負荷の切断の復旧を検知したら、燃料電池スタックの出力を電力系統及び外部負荷が接続された第１の経路に切り替える制御を行うため、電力系統が停電した場合や外部負荷が切断された場合でも燃料電池モジュール内の急激な温度変化を抑制することができ、これにより発電セルなどの燃料電池スタックの構成部品の破損を確実に防止することができる。

本発明の燃料電池発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムによれば、燃料電池発電装置が電力系統及び外部負荷に連結されるシステムにおいて、電力系統が停電したり外部負荷が切断されるなど、燃料電池発電装置の出力が開回路状態になった場合であっても、燃料電池モジュール内の温度変化を抑制し、発電セルなどの燃料電池スタックの構成部品の破損を確実に防止することができる。

その理由は、燃料電池スタックの出力側に、電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段を設け、切り替え手段の第１の経路をインバータなどを介して商用電力系統などの電力系統及び電力を利用する外部負荷に接続すると共に、切り替え手段の第２の経路を発熱などによって電力を消費する発熱抵抗体などの電力消費手段に接続し、制御手段では、電力系統の停電や外部負荷の切断を検知したら発電条件を略一定に維持したまま燃料電池スタックの出力を第２の経路に切り替えて電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら燃料電池スタックの出力を第１の経路に切り替える制御を行うため、電力系統が停電した場合や外部負荷が切断した場合でも燃料電池モジュール内の急激な温度変化を抑制することができるからである。

本発明は、その好ましい一実施の形態において、燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と燃料極層及び空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段と、切り替え手段の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷に繋がるインバータと、切り替え手段の第２の経路に接続され、電力を消費する電力消費手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、制御手段では、電力系統の停電や外部負荷の切断による開回路状態を検知したら発電条件を略一定に維持したまま燃料電池スタックの出力を第２の経路に切り替えて電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら燃料電池スタックの出力を第１の経路に切り替える制御を行うため、電力系統が停電した場合や外部負荷が切断した場合でも燃料電池モジュール内の急激な温度変化を抑制することができ、これにより発電セルなどの燃料電池スタックの構成部品の破損を確実に防止することができる。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムについて、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図であり、図２は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図である。また、図３は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた電力系統停電時の動作を示すフローチャート図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガス昇圧器７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、燃料電池スタック３に接続され、電力を出力する経路の切り替えを行う切り替え手段１１と、切り替え手段１１の第１の経路に接続され、燃料電池スタック３の直流出力を交流出力に変換して商用電力系統などの電力系統や電力を利用する外部負荷に供給するインバータ１２と、切り替え手段１１の第２の経路に接続され、燃料電池スタック３の直流出力を熱などに変換して電力を消費する発熱抵抗体などの電力消費手段１３と、空気供給系や燃料ガス供給系、水蒸気供給系などを制御すると共に、電力系統の停電や復旧、外部負荷の切断や復旧などの第１の経路の状態を検知し、その状態に基づいて切り替え手段１１の経路を切り替える制御手段５などで構成される。

なお、本発明は、燃料電池スタック３の出力経路の切り替え制御を特徴としており、燃料電池モジュール２や燃料電池スタック３、空気供給系、燃料ガス供給系、水蒸気供給系などの他の要素の構成、配置などは任意である。また、上記制御手段５は、燃料電池発電装置１内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御手段５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを燃料電池発電装置１で実行させるようにしてもよい。

また、図１では切り替え手段１１と電力系統及び外部負荷との間にインバータ１２のみを配置しているが、電力系統や外部負荷の構成に応じてインバータ１２の前段にＤＣ／ＤＣコンバータを設けるなどの変更も可能である。また、電力消費手段１３は、燃料電池スタック３が生成した電力を消費できればよく、必ずしも電力を熱に変換する必要はない。また、電力を熱に変換する場合にその熱を利用して温水を生成するなど、消費した電力の利用形態も任意である。また、切り替え手段１１は、制御手段５の制御信号に基づいて燃料電池スタック３の出力を第１の経路又は第２の経路に切り替えることができればよく、その回路構成は任意である。

また、燃料電池スタック３は、例えば、図２に示すように、固体電解質層１５の両面に燃料極層１６と空気極層１４とを配置した発電セル１７と、燃料極層１６の外側に配置した燃料極集電体２２と、空気極層１４の外側に配置した空気極集電体２１と、各集電体の外側に配したセパレータ２０とからなる単セル（ユニット）が縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層１５はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１６はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層１４はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成されている。また、燃料極集電体２２はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体２１はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。

また、セパレータ２０は、ステンレス等で構成され、空気極集電体２１側の面にはＡｇメッキ層が形成され、燃料極集電体２２側の面にはＮｉメッキ層が形成され、発電セル１７間を電気的に接続する。また、セパレータ２０は、発電セル１７に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ２０の外周面から導入して燃料極集電体２２に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ２０の外周面から導入して空気極集電体２１に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１８、１９が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１８、１９を介して外部に取り出すことができるようになっている。

また、燃料電池スタック３は、発電セル１７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ２０の略中心部から発電セル１７に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１７の外周方向に拡散させながら燃料極層１６及び空気極層１４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１７の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

なお、図２では、シールレス構造の燃料電池スタック３を示したが、燃料電池スタック３が隔壁によって密閉されるシール構造に対しても、本発明を適用することができる。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１を用いた電力系統停電時又は外部負荷切断時の動作について、図３のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において、制御装置のボタン操作などによって燃料電池発電装置１の起動が指示されると、制御手段５は、燃料電池モジュール２を起動用のヒータやバーナにより加熱して、燃料電池スタック３を発電可能な温度まで昇温させる。

次に、ステップＳ１０２で、制御手段５は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の空気を供給し、引き続きステップＳ１０３で、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の燃料ガス及び水蒸気を供給する。

次に、ステップＳ１０４で、制御手段５は燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０５で、燃料電池スタック３の温度と予め定められた温度とを比較し、所定の温度に達したらホットスタンバイ状態になったと判断して、ステップＳ１０６で発電を開始する。例えば、ホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）から燃料電池スタック３の温度を上げながら定格（例えば、出力３００Ｗ）まで徐々に取得電流を増加させ、定格出力到達後、定格出力範囲内（例えば、出力３００〜１ＫＷ）において燃料電池スタック３の温度と出力を一定に保持する。その際、ステップＳ１０７で、制御手段５は、切り替え手段１１を制御して燃料電池スタック３の出力を電力系統又は外部負荷（第１の経路）に接続し、ステップＳ１０８で運転の停止が指示されるまで、運転を継続する。

ここで、従来のシステムでは、発電した電力を電力系統に逆潮流している際に電力系統が停電したり、外部負荷に電力を供給している際に外部負荷が切断された場合に、燃料を電力に変化させることができず、熱として燃料電池モジュール２内に放出され、急激な温度変化により発電セル１７などの燃料電池スタック３の構成部品が破損するという問題があった。また、燃料電池発電装置１を非常停止したり、燃料ガスの供給量を減らすなどの制御を行った場合も、発電セル１７の内部抵抗に起因するジュール発熱が減少して温度が低下し、同様に、急激な温度変化により発電セル１７などの燃料電池スタック３の構成部品が破損するという問題があった。

そこで、本実施例の燃料電池発電装置１では、ステップＳ１０９で、制御手段５は切り替え手段１１やインバータ１２から第１の経路の状態（電圧や電流、抵抗等）を取得し、電力系統の停電や外部負荷の切断などによって第１の経路が開回路状態になるなどの状態の変化を検知したら、ステップＳ１１０で、制御手段５は、燃料電池発電装置１の発電条件（例えば、燃料ガスや酸化剤ガス、水蒸気の流量や燃料電池スタック３の温度など）を略一定に保ったまま、切り替え手段１１の経路を電力系統又は外部負荷（第１の経路）から電力消費手段１３（第２の経路）に切り替え、電力消費手段１３は、燃料電池スタック３で生成した電力を熱などに変換して消費する。これにより、電力系統の停電や外部負荷の切断などによって開回路状態になった場合であっても、燃料電池発電装置１の運転を非常停止したり発電条件を変更することなく、燃料電池スタック３内部の温度変化を抑制することができ、発電セル１７などの燃料電池スタック３の構成部品が破損するといった不具合を未然に防止することができる。

次に、ステップＳ１１１で、制御手段５は、ステップＳ１０９と同様に切り替え手段１１やインバータ１２から第１の経路の状態（電圧や電流、抵抗等）を取得し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら、ステップＳ１０７に戻って、制御手段５は、切り替え手段１１の経路を電力消費手段１３（第２の経路）から電力系統又は外部負荷（第１の経路）に切り替える。そして、燃料電池発電装置１の停止が指示されるまで発電を継続し、運転の停止が指示されたら、ステップＳ１１２で、燃料電池スタック３の温度を下げながら徐々に取得電流を下げて燃料電池発電装置１の運転を停止する。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、燃料電池スタック３の出力側に、電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段１１を設け、切り替え手段１１の第１の経路をインバータ１２などを介して商用電力系統などの電力系統及び電力を利用する外部負荷に接続すると共に、第２の経路を熱などによって電力を消費する電力消費手段１３に接続し、制御手段５では、電力系統の停電や外部負荷の切断などの開回路状態を検知したら、発電条件を略一定に維持したまま燃料電池スタック３の出力を第２の経路に切り替えて電力を熱などに変換して消費し、電力系統の停電の復旧や外部負荷の切断の復旧を検知したら、燃料電池スタック３の出力を第１の経路に切り替える制御を行うため、電力系統が停電した場合や外部負荷が切断された場合でも燃料電池モジュール２内の急激な温度変化を抑制することができ、これにより発電セル１７などの燃料電池スタック３の構成部品の破損を確実に防止することができる。

なお、上記実施例では、炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを用いる燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、水素ガスと窒素ガスを用いる燃料電池発電装置１においても同様に適用することができる。また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、シールタイプの燃料電池発電装置１においても、同様に適用することができる。

本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた電力系統停電時の動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池モジュール
３ 燃料電池スタック
４ 燃料改質器
５ 制御手段
６ 空気ブロア
７ 燃料ガスブロア
８ 水移送ポンプ
９ 純水タンク
１０ 水蒸気発生器
１１ 切り替え手段
１２ インバータ
１３ 負荷
１４ 空気極層
１５ 固体電解質層
１６ 燃料極層
１７ 発電セル
１８、１９ 端板
２０ セパレータ
２１ 空気極集電体
２２ 燃料極集電体

Claims (13)

1. 燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、少なくとも前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記燃料電池スタックに、電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段が接続され、
   前記切り替え手段の第１の経路は、少なくともインバータを介して電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に接続され、
   前記切り替え手段の第２の経路は、前記電力を消費する電力消費手段に接続され、
   前記制御手段は、前記第１の経路の状態を監視し、前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替えることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記制御手段は、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 前記制御手段は、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記電力消費手段は抵抗発熱体であり、前記第２の経路が接続されている場合に、前記電力を熱として消費することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記燃料電池発電装置は、前記燃料電池スタックの周囲に、前記燃料極層を通過した前記燃料ガスを放出するシールレス構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の燃料電池発電装置。
6. 燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックで生成される電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段と、前記切り替え手段の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に繋がるインバータと、前記切り替え手段の第２の経路に接続され、前記電力を消費する電力消費手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
   コンピュータを、
   前記第１の経路の状態を監視し、前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替える制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
7. 前記制御手段は、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替えることを特徴とする請求項６記載の制御プログラム。
8. 前記制御手段は、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することを特徴とする請求項６又は７に記載の制御プログラム。
9. 燃料ガスが供給される燃料極層と酸化剤ガスが供給される空気極層と前記燃料極層及び前記空気極層の間に配設される固体電解質層とで構成される発電セルがセパレータを挟んで積層された燃料電池スタックと、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックで生成される電力を出力する経路を切り替えるための切り替え手段と、前記切り替え手段の第１の経路に接続され、電力系統及び外部負荷の少なくとも一方に繋がるインバータと、前記切り替え手段の第２の経路に接続され、前記電力を消費する電力消費手段と、少なくとも前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量を制御すると共に前記切り替え手段の経路の切り替えを制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置における制御方法であって、
   前記第１の経路の状態を監視する第１のステップと、
   前記電力系統の停電又は前記外部負荷の切断を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第２の経路に切り替える第２のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
10. 前記第２のステップでは、前記電力系統の停電の復旧又は前記外部負荷の切断の復旧を検知した場合に、前記切り替え手段の経路を前記第１の経路に切り替えることを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電装置の制御方法。
11. 前記第２のステップでは、前記切り替え手段の経路の切り替えに際して、前記燃料電池発電装置の発電条件を略一定に維持することを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
12. 前記電力消費手段を抵抗発熱手段で構成し、前記第２の経路が接続されている場合に、前記電力を熱として消費することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
13. 前記燃料電池発電装置は、前記燃料電池スタックの周囲に、前記燃料極層を通過した前記燃料ガスを放出するシールレス構造であることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一に記載の燃料電池発電装置の制御方法。

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