(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装ケース内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを複数個配列してなり、モジュール収納容器内に収納されたセルスタックと、前記モジュール収納容器の外側から前記モジュール収納容器内の前記燃料電池セルに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、前記セルスタックにおける発電量を調整するための供給電力調整部と、前記酸素含有ガス供給部および前記供給電力調整部のそれぞれを制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、
前記外装ケースの外側に配置され、前記燃料電池セルに供給される前記酸素含有ガスの温度である外気温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、
定格運転時は、前記燃料電池セルが発電する電流量によらず、前記燃料電池セルの空気利用率が一定である関係となるように制御し、
部分負荷運転時は、外部負荷の要求電力に応じて前記燃料電池セルが発電する電流量に対応して前記燃料電池セルの空気利用率を変化させるように制御し、
かつ、前記燃料電池セルが発電する電流量と前記燃料電池セルの空気利用率との関係式が、前記温度センサで測定される温度の範囲に対応して複数記憶されており、前記温度センサで測定された温度に対応した前記関係式が選択され、前記酸素含有ガス量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外装ケース内に燃料電池セルを収納してなる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、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、この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）。セルスタックは、燃料ガス（水素含有ガス）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複数個配列して構成されている。【０００３】
このような燃料電池装置においては、例えば、冷蔵庫等の外部負荷が要求する電力量に基づいて、適宜、燃料電池セルに酸素含有ガスおよび燃料ガスが供給されて、外部負荷が要求する電力量に対応して発電が行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池装置の運転時において、燃料電池セルに供給される空気等の酸素含有ガスの温度変化に伴って、燃料電池モジュールやセルスタックの周囲の温度が変化する場合がある。そのため、燃料電池装置の運転時において、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を一定の関係に保持した運転を行なう場合に、セルスタックの運転温度が変動し、効率の良い運転を行なうことが困難となるおそれや、セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。【０００６】
本発明は、耐久性を向上できる燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを複数個配列してなり、モジュール収納容器内に収納されたセルスタックと、前記モジュール収納容器の外側から前記モジュール収納容器内の前記燃料電池セルに前記酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、前記セルスタックにおける発電量を調整するための供給電力調整部と、前記酸素含有ガス供給部および前記供給電力調整部のそれぞれを制御するための制御装置とを具備してなる燃料電池装置であって、前記外装ケースの外側に配置され、前記燃料電池セルに供給される前記酸素含有ガスの温度である外気温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、定格運転時は、前記燃料電池セルが発電する電流量によらず、前記燃料電池セルの空気利用率が一定で
ある関係となるように制御し、部分負荷運転時は、外部負荷の要求電力に応じて前記燃料電池セルが発電する電流量に対応して前記燃料電池セルの空気利用率を変化させるように制御し、かつ、前記燃料電池セルが発電する電流量と前記燃料電池セルの空気利用率との関係式が、前記温度センサで測定される温度の範囲に対応して複数記憶されており、前記温度センサで測定された温度に対応した前記関係式が選択され、前記酸素含有ガス量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池装置では、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスの温度の影響を小さくすることができ、セルスタックの発電効率や耐久性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの外観斜視図である。
【図３】燃料電池装置の一部を省略して示す概略図である。
【図４】燃料電池装置の一部を省略して示す分解斜視図である。
【図５】燃料電池装置の運転時におけるセルスタックの空気利用率と、外部負荷の要求に応じてセルスタックが発電する電流量との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図であり、図２は燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの外観斜視図である。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。
【００１１】
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、発電ユニットが燃料電池装置に相当し、以下に説明する各装置を外装ケース内に収納することで構成されている。まずは、燃料電池装置を構成する各装置について説明する。
【００１２】
図１に示す燃料電池装置は、複数個の燃料電池セル（図示せず）を配列してなるセルスタック１、天然ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給部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部３、原燃料と水蒸気とにより水蒸気改質反応を行なう改質器４とを具備している。
【００１３】
なお、改質器４は、後述する水ポンプ５によって供給される純水を気化し、原燃料供給部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（図示せず）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を生成するための改質部（図示せず）とを備えている。それにより、改質器４にて生成された燃料ガスと酸素含有ガス供給部３によって供給される酸素含有ガスとで、燃料電池セルの発電が行なわれる。
【００１４】
また、図１において、セルスタック１や改質器４をモジュール収納容器内に収納することで、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）が構成される。なお図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（図１においてＭで示している）。
【００１５】
ここで、モジュールＭについて図２を用いて説明する。モジュールＭとしては、既知の燃料電池モジュールを用いることができる。例えば、モジュール収納容器（以下、単に収納容器ということがある）２３内に、セルスタック装置２７と改質器４とを収納して構成されている。
【００１６】
セルスタック装置２７は、セルスタック１を構成する燃料電池セル２４の下端を、ガラスシール材等の絶縁性接合材によってマニホールド２５に固定して構成されている。セルスタック１は、内部をガスが長手方向に沿って流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル２４を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル２４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構成されている。
【００１７】
改質器４は、燃料電池セル２４の上方に配置されており、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料電池セル２４に供給する燃料ガスを生成する。なお、改質器４にて生成された燃料ガスは、ガス流通管２６を介してマニホールド２５に供給され、マニホールド２５を介して燃料電池セル２４に設けられたガス流路に供給される。
【００１８】
セルスタック１を構成する燃料電池セル２４としては、各種燃料電池セルが知られているが、部分負荷運転（負荷追従運転）を行うにあたり、固体酸化物形燃料電池セルとすることが好ましい。また、セルスタック１を構成する燃料電池セル２４を固体酸化物形燃料電池セルとすることにより、燃料電池セル２４のほか、燃料電池セル２４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。
【００１９】
燃料電池セル２４の形状としては各種形状の燃料電池セル２４を用いることができるが、効率よく燃料電池セル２４の発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池セル２４とすることができる。このような中空平板型２４の燃料電池セルとしては、内側に燃料極層が、外側に酸素極層が形成された燃料極支持タイプの中空平板型の燃料電池セル２４を用いることができる。
【００２０】
なお、図２においては、収納容器２３の一部（前後の壁）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置２７および改質器４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Ｍにおいては、セルスタック装置２７を、収納容器２３内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置２７は、改質器４を含むものとしても取り扱っても良い。
【００２１】
また収納容器２３の内部には酸素含有ガス導入部材２８が設けられており、図２においては、マニホールド２５に並置されたセルスタック１の間に配置されるようになっている。酸素含有ガス導入部材２８は、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて燃料電池セル２４の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル２４の下端部に酸素含有ガスを供給する。
【００２２】
燃料電池セル２４のガス流路より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２４の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２４の温度を上昇させることができ、セルスタック装置２７の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２４の上端部側にて、燃料電池セル２４のガス流路から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル２４の上方に配置された改質器４を温めることができる。それにより、改質器４で効率よく改質反応を行うことができる。
【００２３】
また、図１に示す燃料電池装置においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガスと循環配管１３を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換により生成された凝縮水を浄化する（好ましくは純水を生成する）ための凝縮水浄化装置７、熱交換器６で生成された凝縮水を凝縮水浄化装置７に供給するための凝縮水供給管１５が設けられており、凝縮水浄化装置７にて処理された凝縮水は、タンク連結管１６にて連結された水タンク８に貯水された後、水ポンプ５によって改質器４に供給される。なお、凝縮水浄化装置７に水タンクの機能を持たせることで、水タンク８をなくすこともできる。
【００２４】
さらに図１に示す燃料電池装置は、外部負荷の要求に応じてセルスタック１の発電量を調整するとともに、セルスタック１にて発電された直流電力を交流電力に変換するための供給電力調整部９、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水の水温を測定するための出口水温センサ１１、収納容器２３の外部であって、発電ユニット（外装ケース内）の温度を測定するための温度センサ２２、制御装置１０が設けられており、循環配管１３内で水を循環させる循環ポンプ１２とあわせて発電ユニットが構成されている。
【００２５】
なお、図１において、供給電力調整部９と外部負荷との接続は省略して示しており、供給電力調整部９としてはパワーコンディショナを例示することができる。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。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１４を具備して構成されている。
【００２６】
また、セルスタック１と熱交換器６との間には、セルスタック１の運転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、収納容器内に排ガス処理部を収納してなり、排ガス処理部としては、一般的に公知の燃焼触媒を用いることができる。
【００２７】
一方、凝縮水浄化装置７に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理部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を浄化して改質器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浄化する手段として各水処理装置を具備している。
【００２８】
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１９、逆浸透膜装置２０およびイオン交換樹脂装置２１の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置２１（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２１にて生成された純水は水タンク８に貯水される。なお、図１に示す燃料電池装置においては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁１８が設けられている。
【００２９】
また、改質器４に供給する水を純水に処理するための各水処理装置を一点鎖線により囲って示している（外部水浄化装置Ｘとして示している）。
【００３０】
なお、燃料電池セルの発電により生じた排ガス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をまかなうことができる場合においては、外部水浄化装置Ｘを設けなくてもよい。
【００３１】
ここで、図１に示した燃料電池装置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６において燃料電池セルの運転に伴って生じた排ガスと循環配管１３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。
【００３２】
なお、循環配管１３を流れて排ガスとの熱交換により温度が上昇した水（即ちお湯）は、貯湯タンク１４に貯湯される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管１５を流れて凝縮水浄化装置７に供給される。凝縮水浄化装置７に備える凝縮水浄化部にて処理された凝縮水はタンク連結管１６を介して水タンク８に供給される。水タンク８に貯水された水は水ポンプ５によって改質器４に供給され、この水と原燃料供給部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、改質器４を介して供給された燃料ガスと、酸素含有ガス供給部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、燃料電池セルで発電された電力が、供給電力調整部９を介して外部負荷に供給される。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。
【００３３】
一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水浄化装置７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を用いることもできる。
【００３４】
この場合においては、まず例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等の給水弁１８が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管１７を通して活性炭フィルタ１９に供給される。活性炭フィルタ１９にて処理された水は、続いて逆浸透膜２０に供給される。逆浸透膜２０にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置２１に供給され、イオン交換樹脂装置２１で浄化された水が、水タンク８に貯水される。水タンク８に貯水された浄化された水は、上述した方法により、燃料電池セルの発電に利用される。
【００３５】
上述したような構成の燃料電池装置においては、定格運転時においては、制御装置１０は、原燃料供給部２および酸素含有ガス供給部３の動作を制御し、定格運転に必要な量の燃料ガス量と酸素含有ガス量とを燃料電池セルに供給する。それにより、燃料電池セルにおいて定格の電力を発生させ、この時燃料電池セルに直流電流が流れる。また、燃料電池セルの発電により生じた電力は、供給電力調整部９にて交流電力に変換された後、外部負荷に供給される。
【００３６】
すなわち、定格運転時においては、図５に示すように、制御装置１０は、セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と外部負荷の要求に応じて燃料電池セルが発電する電流量（Ｉ）との関係が一定の関係になるように、すなわち、電流量（Ｉ）が多少変動しても空気利用率（Ｕａ）が一定となるように各装置を制御する。
【００３７】
一方、家庭用として燃料電池装置を用いる場合には、外部負荷の要求電力が変動しやすい。特に朝方や夕方以降の時間帯においては要求電力が高くなり、燃料電池セルでの発電量を高くすることが好ましいため、定格運転が行われるのに対し、日中や夜中などにおいては要求電力が低くなり、燃料電池セルでの発電量を低くすることが好ましい。
【００３８】
要求電力が低い時間帯において燃料電池装置を定格運転させることは、燃料電池装置に接続される系統電力に、燃料電池装置からの電力を逆潮させるおそれがある。従って、特には家庭用の燃料電池装置の運転において、外部負荷の要求電力に応じた部分負荷運転（負荷追従運転）、言い換えると、外部負荷の要求電力に応じて発電量を変動させる運転を行なうことが好ましい。
【００３９】
このような部分負荷運転中は、制御装置１０は、原燃料供給部２および酸素含有ガス供給部３の動作を制御し、外部負荷の要求電力に応じた電力量を得るために必要量の燃料ガス量と酸素含有ガス量を燃料電池セルに供給する。燃料電池セルの発電により生じた直流電力は、供給電力調整部９にて交流電力に変換された後、外部負荷に供給される。すなわち、部分負荷運転中は、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）とが、要求負荷に応じて変動することとなる（定格運転時と比較すると空気利用率（Ｕａ）は低下する）。
【００４０】
燃料電池装置の定格運転時においては、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）とを一定の関係に保持することにより、効率の良い運転を行なうことができる。また、燃料電池装置の部分負荷運転時においては、外部負荷の変動に応じてセルスタックの空気利用率と電流量も変動するが、この場合においてもセルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を予め設定することにより、効率の良い運転を行なうことができる。
【００４１】
ここで、燃料電池装置の運転において、燃料電池セルに供給される酸素含有ガス（空気）の温度の変化に伴って、燃料電池モジュールやセルスタックの周囲の温度が変化する場合がある。そのため、燃料電池装置の運転時において、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を一定の関係に保持した運転を行なう場合に、燃料電池セルの運転温度が変動し、効率の良い運転を行なうことが困難となるおそれや、セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。
【００４２】
それゆえ、本実施形態においては、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスの温度に基づいて、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を変動させている。
【００４３】
ここで、燃料電池装置において、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスは、モジュール用収納容器２３の外部より取り込まれた酸素含有ガスが供給される。それゆえ、収納容器２３が収納される外装ケースの外側の外気温に基づいて、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を変動させることも可能である。一方で、外気温を測定するための熱電対等を外装ケースの外面に配置した場合に、衝撃による破損が懸念される他、家屋に隣接して燃料電池装置が配置された場合に、家屋の壁や燃料電池装置の輻射熱等の影響を受け、測定される外気温に誤差が生じるおそれがある。このため、収納容器２３の外部であって、外装ケースの内側の酸素含有ガスの温度を測定し、この外装ケースの内側の酸素含有ガスの温度に基づいて酸素含有ガスの供給量を制御し、セルスタックの空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を変動させることが望ましい。
【００４４】
本実施形態の燃料電池装置では、収納容器２３の外側の温度センサで測定された酸素含有ガスの温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対する、セルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させるように酸素含有ガス供給部３の動作を制御する。
【００４５】
収納容器２３の外側における酸素含有ガスの温度を測定する場合には、外装ケース内に、外装ケース内の温度（外装ケース内の酸素含有ガスの温度）を測定する温度センサ２２を配置するとともに、温度センサ２２によって測定された外装ケース内の温度に基づいて、酸素含有ガス供給部３を制御する場合がある。または、外装ケースの外側に温度センサを配置し、外装ケースの外側の外気温に基づいて、酸素含有ガス供給部３を制御する場合がある。
【００４６】
通常、外装ケース内の酸素含有ガスが吸引されて燃料電池セルに供給されるように構成されているため、外装ケースの外側に配置された温度センサで測定された外気温よりも、外装ケース内に配置された温度センサ２２で測定された酸素含有ガスの温度が、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスの温度により近くなるため、外装ケース内に配置された温度センサ２２で測定された酸素含有ガスの温度に基づいて、酸素含有ガス供給部３を制御することが望ましい。以下、収納容器２３の外側であって、外装ケースの内側に温度センサ２２を配置し、温度センサ２２によって測定された外装ケース内の温度により酸素含有ガス供給部３を制御する場合について説明する。
【００４７】
本実施形態の燃料電池装置においては、外装ケース内に、外装ケース内の温度（外装ケース内の酸素含有ガスの温度）を測定する温度センサ２２を配置するとともに、温度センサ２２によって測定された外装ケース内の温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対するセルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させるように、酸素含有ガス供給部３の動作を制御する。
【００４８】
図３は、本実施形態の燃料電池装置を、内部を構成する各装置を一部省略して示す概略図であり、図４は、本発明の燃料電池装置を、内部を構成する各装置を一部省略して示す分解斜視図である。なお、図３中において破線は、制御装置１０に伝送される主な信号経路、または制御装置１０より伝送される主な信号経路を示している。また、矢印は空気等の酸素含有ガスの流れを、破線矢印はモジュールＭの運転に伴って生じる排ガスの流れを示している。
【００４９】
図３および図４で示す燃料電池装置２９は、支柱３６と外装板３０とから構成される外装ケース３９内を仕切板３１によって上下に区画し、その上方側を上述したモジュールＭを収納するモジュール収納室３２とし、下方側をモジュールＭを動作させるための補機類を収納する補機収納室３３として構成されている。なお、図３においては、補機収納室３３内に収納する補機類として、酸素含有ガス供給部３、熱交換器６、制御装置１０を示し、図１で示した他の各装置は省略し、図４においては図３に示す各装置のうち、熱交換器６をさらに省略して示している。
【００５０】
図３および図４に示す酸素含有ガス供給部３においては、燃料電池セルに供給する酸素含有ガスとして外装ケース３９内の酸素含有ガスを用い、外装ケース３９内の酸素含有ガスを吸い込むための吸気部３４と、吸気部３４にて吸い込んだ酸素含有ガスを燃料電池セルに送り出すための排気部３５を備えている。なお、吸気部３４の一端は外装ケース３９の外側の外気を直接吸気するように、外装ケース３９の外部とつながるように配置されていてもよい。この場合は、外気を直接、燃料電池セル２４に供給することとなる。
【００５１】
温度センサ２２は、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度で、燃料電池セル２４に最も近い酸素含有ガスの温度を測定することが好ましい。それゆえ、温度センサ２２は、酸素含有ガス供給部３における吸気部３４内または排気部３５内に配置することが好ましく、図３および図４に示す燃料電池装置２９においては、温度センサ２２を酸素含有ガス供給部３における吸気部３４内に配置した例を示している。それにより、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度をより正確に測定することができる。また、温度センサ２２は、吸気部３４内と排気部３５内の両方に配置することも可能ある。
【００５２】
本実施形態の燃料電池装置２９においては、温度センサ２２によって測定された外装ケース内（好ましくは、吸気部３４もしくは排気部３５）の温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対するセルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させるように、酸素含有ガス供給部３の動作を制御する。以下に、酸素含有ガス供給部３の制御について説明する。
【００５３】
図５は本実施形態の燃料電池装置の運転中におけるセルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係の一例を示すグラフである。
【００５４】
図中において、実線Ａは、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度（収納容器２３と外装ケース３９との間の酸素含有ガスの温度、以下単に外装ケース内の温度ということがある）が所定の温度範囲内の場合のセルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を示すグラフであり、一点鎖線Ｂは、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度（外装ケース３９内の温度）が所定の温度よりも高い場合のセルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を示すグラフであり、二点鎖線Ｃは、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低い場合のセルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を示すグラフである。なお、それぞれのグラフにおいて、空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係が一定となっている領域（左端部）は、セルスタック１に最低流量の酸素含有ガスを供給する範囲である。
【００５５】
燃料電池装置の運転時において、部分負荷運転時や定格運転時において、セルスタック１の発電効率、セルスタック１の温度、モジュールＭ内の温度等に基づいて、最も効率よい運転を行なうことが好ましいため、セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との最良の関係式を予め設定することが好ましい。この関係式の一例をグラフＡとして示す。なお、グラフＡにおいては、温度が所定の温度範囲内で一定、例えば外装ケース３９内の温度が１５〜２５℃の範囲内で一定とした状態のグラフを示している。
【００５６】
燃料電池セルに供給される酸素含有ガスの温度が高温や低温の場合においては、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度の変化に伴って、モジュールＭやセルスタック１の周囲の温度が変化する場合がある。そのため、燃料電池装置の運転時において、セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を一定の関係式で保持した運転（グラフＡだけの運転）を行うと、セルスタック１の運転温度が変動し、効率の良い運転を行なうことが困難となるおそれや、セルスタック１の耐久性が低下するおそれがある。
【００５７】
それゆえ、本実施形態の燃料電池装置においては、制御装置１０は、温度センサ２２によって測定された外装ケース３９内の酸素含有ガスの温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対するセルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させるように、酸素含有ガス供給部３を制御する。それにより、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスの温度の影響を小さくすることができ、セルスタック１の発電効率や耐久性を向上することができる。
【００５８】
具体的には、外装ケース３９内の酸素含有ガスの温度が所定の温度よりも高い場合（例えば、２５℃よりも高温の場合）には、セルスタック１の温度が上昇し、耐久性が低下するおそれがある。それゆえ、この場合においては、制御装置１０は、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度が所定の温度範囲内の場合において予め設定された、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対するセルスタック１における空気利用率に対して、セルスタック１における空気利用率が減少するように、酸素含有ガス供給部３を制御することが好ましい。図５においては、この状態をグラフＢとして示している。
【００５９】
なお、空気利用率が減少するように制御するとは、図５のグラフを用いて説明すると、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度（外装ケース３９内の温度）が所定の温度範囲内（例えば、１５〜２５℃）の場合におけるセルスタック１の任意の発電量（Ｉ）における空気利用率（Ｕａ）に対して（グラフＡで示される）、空気利用率が減少していることを意味する。なお、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの所定の温度範囲とは、上記したように、例えば１５〜２５℃とすることができるほか、例えば２０℃といった一点の温度とすることもできる。なお、所定の温度範囲は、温度センサ２２が配置された場所に基づいて、適宜設定することができる。
【００６０】
それにより、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも高い場合に、セルスタック１に対してより多くの酸素含有ガスが供給され、セルスタック１の温度上昇を小さくすることができる。それにより、耐久性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００６１】
一方、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低い場合（例えば、１５℃よりも低温の場合）には、セルスタック１の温度が低下し、セルスタック１の発電性能が低下するおそれがある。
【００６２】
それゆえ、この場合においては、制御装置１０は、外装ケース３９内の温度が所定の温度範囲（例えば、１５〜２５℃）内の場合において予め設定された、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対するセルスタック１における空気利用率に対して、セルスタック１における空気利用率が増加するように、酸素含有ガス供給部３を制御することが好ましい。図５においては、この状態をグラフＣとして示している。
【００６３】
なお、空気利用率が増加するように制御するとは、図５のグラフを用いて説明すると、外装ケース３９内の温度が所定の温度範囲（例えば、１５〜２５℃）内の場合におけるセルスタック１の任意の発電量（Ｉ）における空気利用率（Ｕａ）に対して（グラフＡで示される）、空気利用率が増加していることを意味する。
【００６４】
それにより、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低い場合に、セルスタック１に対してより少ない酸素含有ガスが供給され、セルスタック１の温度低下を小さくすることができる。
【００６５】
また、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低い場合（低温の場合）には、発電性能の低下に伴いセルスタック１の電圧が低下し、外部負荷の要求に対応すべく電力量が増加し、より大きな電流が流れることで、セルスタック１の耐久性が低下するおそれもある。
【００６６】
しかしながら、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低い場合に、セルスタック１における空気利用率が増加するように酸素含有ガス供給部３を制御することで、セルスタック１の温度低下を抑制することができる。それにより、発電効率や耐久性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００６７】
なお、セルスタック１における電流量（Ｉ）と空気利用率（Ｕａ）との関係式は、セルスタック１の定格発電量や、モジュールＭの容積等に基づいて適宜設定することができる。
【００６８】
また、セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係は、上述した一定の関係に限られるものではない。例えば部分負荷運転時や定格運転時に、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度が所定の温度範囲内から所定の温度範囲よりも高い状態または所定の温度範囲よりも低い状態に変化した場合や、所定の温度範囲よりも高い状態または所定の温度範囲よりも低い状態から所定の温度範囲内に変化した場合においては、その温度変化に伴って空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係を変更することも可能である。
【００６９】
例えば、制御装置１０は、燃料電池セル２４に供給される酸素含有ガスの温度が所定の温度範囲内にある場合にはグラフＡで示される関係式となるように酸素含有ガス供給部３を制御し、部分負荷運転中や定格運転中に外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも高くなった場合には、制御装置１０は、グラフＢで示される関係式となるように酸素含有ガス供給部３を制御することもできる。
【００７０】
同様に、制御装置１０は、外装ケース３９内の温度が所定の温度範囲内にある場合にはグラフＡで示される関係式となるように酸素含有ガス供給部３を制御し、部分負荷運転中に、外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも低くなった場合には、制御装置１０は、グラフＣで示される関係式となるように酸素含有ガス供給部３を制御することもできる。
【００７１】
さらには、外装ケース３９内の温度に基づいて、制御装置１０は、グラフＢやＣで示される関係式から、グラフＡで示される関係式となるように酸素含有ガス供給部３を制御するほか、この関係式を変更する制御を繰り返して行なうことも可能である。すなわち、言い換えると、セルスタック１における空気利用率（Ｕａ）は、セルスタック１における発電量（Ｉ）と温度（ｔ）との２変数関数ｆ（ｉ，ｔ）とすることができる。それゆえ、例えば外装ケース３９内の温度が所定の温度よりも高い場合において、適宜セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係式を変更することができ、また外装ケース３９内の温度が所定温度よりも低い場合においても、適宜セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係式を変更することができる。
【００７２】
このような、温度センサ２２によって測定された外装ケース３９内の温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対する、セルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させる運転は、特に燃料電池装置が定格運転を行っている場合に有用となるので、少なくとも定格運転時に行うことが望ましい。
【００７３】
燃料電池装置が定格運転を行っている場合に、外装ケース３９内の温度が高い場合にはセルスタック１の耐久性が低下するおそれがあり、逆に外装ケース３９内の温度が低い場合にはセルスタック１の発電効率が低下するおそれがある。そのため、燃料電池装置が定格運転を行なっている間において、制御装置１０が、温度センサ２２による外装ケース３９内の温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対する、セルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させることで、セルスタック１の耐久性および発電効率を向上することができ、発電効率や耐久性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００７４】
なお、図５に示したように、部分負荷運転時においても、制御装置１０が、ケース内温度センサ２２によって測定された外装ケース３９内の温度に基づいて、供給電力調整部９によって調整されるセルスタック１の発電量に対する、セルスタック１における空気利用率（Ｕａ）を変動させることで、セルスタック１の温度低下を有効に抑制することができ、発電効率や耐久性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００７５】
また、上記形態では、外装ケース内の温度が１５〜２５℃の場合、１５℃よりも低い場合、２５℃よりも高い場合の３つに区分し、セルスタック１の空気利用率（Ｕａ）と電流量（Ｉ）との関係式を変更したが、温度については任意の温度に設定でき、また、外装ケース内の温度を４つ以上に区分し、それぞれの温度に対応した関係式に基づき、酸素含有ガス供給部を制御することもできる。この場合には、より発電効率および耐久性を向上できる。
【符号の説明】
【００７６】
１    セルスタック
３    酸素含有ガス供給部
９    供給電力調整部（パワーコンディショナ）
１０  制御装置
２２  温度センサ
２３  モジュール収納容器
２４  燃料電池セル
２８  吸気部
２９  排気部
３９    外装ケース
Ｍ    燃料電池モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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