【事件の表示】
　特許第３１０８６８６号「発電システム」の請求項１ないし３に係る特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。
【結　論】
　訂正を認める。
　特許第３１０８６８６号の請求項１ないし３に係る特許を取り消す。
【理　由】
１．手続の経緯
　本件特許第３１０８６８６号の請求項１ないし３に係る発明は、平成１１年３月１０日に特許出願され、平成１２年９月８日にその発明について特許の設定登録がなされ、その後、その特許について吉田春男より特許異議の申立てがなされ、取消理由通知がなされ、その指定期間内である平成１４年４月２３日に訂正請求がなされたものである。 
　
２．訂正の適否についての判断
２−１．訂正の内容 
（ａ）特許請求の範囲の請求項１の
「発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
　前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である発電システム。」を、
「発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
　前記発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である発電システム。」と訂正する。 
（ｂ）明細書の段落【０００５】の
「この目的を達成するための本発明に係る発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である点にある。」を、
「この目的を達成するための本発明に係る発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、前記発電システムの動作中に前記変換装置が５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である点にある。」と訂正する。
２−２．訂正の目的の適否、新規事項の有無及び拡張・変更の存否 
　上記（ａ）の訂正は、特許請求の範囲の請求項１において、変換装置が「前記発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある」ことを限定するものであるから、特許請求の範囲の減縮を目的とするものである。そして、この訂正は、特許明細書の段落【００１８】の「これにより、前記変換装置３全体を５５℃以上の高温下で動作させることができ、前記排熱回収装置４における排熱回収効率が改善でき、発電システム全体の総合エネルギ効率を向上することができるのである。」という記載に基づくものであるから、願書に添付した明細書に記載した事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張又は変更するものではない。
　上記（ｂ）の訂正は、上記（ａ）の訂正により特許請求の範囲が訂正されることに伴い、これに整合するように発明の詳細な説明の記載を訂正するものであるから、明りょうでない記載の釈明を目的とするものであって、しかも、願書に添付した明細書に記載した事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張又は変更するものではない。
２−３．訂正の適否についての結論
　以上のとおりであるから、上記訂正は、特許法第１２０条の４第２項及び第１２０条の４第３項で準用する第１２６条第２、３項の規定に適合するので、当該訂正を認める。
　
３．特許異議の申立てについての判断 
３−１．本件発明 
　上記２．で述べたとおり訂正が認められるから、本件請求項１ないし３に係る発明は、平成１４年４月２３日付け訂正請求書に添付された訂正明細書の特許請求の範囲の請求項１ないし３に記載された次のとおりのものである（以下、「本件発明１」ないし「本件発明３」という）。
「【請求項１】　発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
　前記発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である発電システム。
【請求項２】　前記変換装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる請求項１記載の発電システム。
【請求項３】　前記燃料電池または前記変換装置の少なくとも何れか一方の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる請求項２記載の発電システム。」 
３−２．引用刊行物の記載 
　当審が通知した取消理由に引用された刊行物１（特開平９−２１３３５５号公報：甲第１号証に同じ）には、燃料電池発電装置に関して、
「【従来の技術】
　図３は、従来の燃料電池発電装置における反応ガス系および冷却水系の構成例の模式系統図である。図において、１は模式的に表示した燃料電池本体、２は原燃料改質器、３はエゼクタ、４は水蒸気分離器、５は補給水タンク、６は水処理装置、２１〜２３は冷却用熱交換器、３１は電力変換装置、４０は排熱回収装置である。
・・・（中略）・・・
　燃料電池本体１で電気化学反応により生じる直流電力は、半導体素子を用いた電力変換装置３１によって、使用電力形態に変換され、負荷あるいは電力系統に供給される。変換に際して半導体素子で生じる発熱は、冷却器３２を冷却ファン３３によって冷却することにより、外部へ除去している。また、上記の冷却用熱交換器２１、２２、２３の冷却用配管は、いずれも冷却水を還流する配管を介して排熱回収装置４０に連結されており、各冷却用熱交換器に低温の冷却水を送り、各冷却用熱交換器で加熱されて得られた高温水を還流することにより排熱の回収を行っている。」（段落【０００２】〜【０００５】：摘示１−Ａ）、
「本発明においては、
（１） 電解質マトリックスを燃料極と空気極とで挟持した単電池を積層し冷却板を挿入して構成される燃料電池本体と、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを導入して改質水素ガスを生じる原燃料改質器と、燃料電池本体の燃料極と空気極にそれぞれ改質水素ガスと酸化剤ガスを供給して生じる直流電力を使用電力形態に変換する水冷式半導体素子を用いた電力変換装置とを備え、原燃料改質器から燃料電池本体の燃料極に送られる改質水素ガスと、燃料電池の空気極よりの排出ガスと、原燃料改質器からの排出ガスのうち、少なくともいずれか一つが、冷却用配管を冷却水を還流する配管を介して排熱回収装置に接続された冷却用熱交換器を通流する燃料電池発電装置において、電力変換装置の水冷式半導体素子の冷却器を、冷却水を還流する配管を介して、上記の排熱回収装置に接続することとする。
・・・（中略）・・・
　上記の（１）のごとくとすれば、電力変換装置の水冷式半導体素子で生じた定格電気出力の約１０％に相当する損失は、冷却器において排熱回収装置より導かれた冷却水の加熱に供され、加熱して高温となった水が還流して、排熱回収装置により熱回収される。通常の燃料電池発電装置では、熱出力と電気出力がほぼ同程度であるので、熱出力が約１０％向上し、熱出力と電気出力とを加えた総合効率は約５％向上することとなる。」（段落【００１０】〜【００１２】：摘示１−Ｂ）と記載されている。
　同じく引用された刊行物２（「電子情報通信学会論文誌」Vol.Ｊ８１−Ｃ−II　No.１（１９９８年１月発行）第８〜１５頁：甲第２号証に同じ）には、「ワイドギャップパワー半導体素子の性能と適用インパクト−ＳｉＣを中心にして−」と題して、
「パワーエレクトロニクスのキーデバイスであるＳｉパワー半導体素子は高性能化・高信頼性がよりいっそう要求され、急ピッチで改良が進められてきているが、Ｓｉの物性限界に直面しはじめている。このＳｉの物性限界を打破して将来の過大なニーズにも対応できるように飛躍的な特性改善を図るには、Ｓｉに比べて種々の秀でた物性値をもつワイドギャップ半導体を用いてパワー半導体素子を構成することが極めて有効な手段であると考えられる。中でもＳｉＣは単結晶基板製作技術やプロセス技術等の点で他のワイドギャップ半導体にかなり先行しており、近い将来の実用化を指向した場合に最も短距離にある。」（第８頁「１．まえがき」第４〜１５行：摘示２−Ａ）、
「上記のようなパワー半導体素子の高性能化が原理的に期待できる結果、ＳｉＣ素子を電力変換装置に適用した場合に次のような大きなインパクトを期待できる。すなわち、４００℃以上の高温動作が可能になることにより、ヒートシンクの大幅な小型化・簡略化が期待できる。また、現行の大電力用交直変換装置は大半が水冷方式を採用しているが、冷却に要する大量の水の安定調達が容易ではない。高温動作が可能になることからコンパクトな風冷方式を採用し冷却水調達問題を解消できる可能性がある。」（第９頁「３．２　ＳｉＣパワー半導体素子の適用インパクト」第１〜１０行：摘示２−Ｂ）と記載され、また、表１には、「ワイドギャップ半導体のエネルギーギャップ比とデバイス性能指数」と題して、Ｓｉのエネルギーギャップを１としたときのエネルギーギャップ比が、３Ｃ−ＳｉＣは１．９６、６Ｈ−ＳｉＣは２．６８、４Ｈ−ＳｉＣは２．９７、ＩｎＰは１．２０、ＧａＡｓは１．２７、ＧａＮは３．１２であること（摘示２−Ｃ）が、図１には、Ｓｉ素子と比較した「ＳｉＣパワー素子の性能」とそれによる「装置用インパクト」について、高温動作可　３倍、ヒートシンク小型簡易化、高耐圧化　１０倍、バルブ構成素子数低減、広安全動作領域　３０倍、スナバレス・簡略保護回路、大電流低損失化　１００倍、小型・高効率化、高速高周波数化　１０倍、高速・小型化であること（摘示２−Ｄ）がそれぞれ記載されている。
　同じく引用された刊行物３（特開平５−２９０８６８号公報：甲第３号証に同じ）には、パッケージ型燃料電池発電装置に関して、
「【従来の技術】　図２は出力５０ｋｗ程度の燃料電池発電装置の従来の機能別機器配置の一例を示すブロック図であり、燃料電池発電装置の装置室１は、隔壁２により発電装置室１Ａと制御室１Ｂとに画成され、発電装置室には燃料電池スタック３および反応空気ブロワ３Ｂ、燃料改質装置４および燃焼空気ブロワ４Ｂと、両装置の排熱を回収するための熱交換器からなる熱利用装置５Ａ，発熱体である燃料電池３を所定の運転温度に保持するための冷却装置５Ｂ，および燃料電池をその始動温度に予熱するための昇温装置５Ｃなどの熱機器５など、外表面温度が高くなる発電装置の高温部が収納される。また、制御室１Ｂには燃料電池の発電電力を例えば所望の電圧の交流電力に変換して出力する電力変換装置６、燃料電池発電装置全体をシステム制御する計測制御装置７、および各種ポンプモータ等の補機８など発電装置の低温部が収納される。また、各室の収納機器は図示しない配管系により相互に連結され、燃料改質装置４および反応空気ブロワ３Ｂから燃料電池２に燃料ガスおよび反応空気を供給することにより電気化学反応に基づく発電が行われる。
　ところで、燃料電池２がりん酸形燃料電池である場合、その反応温度は約２００℃であり、燃料電池の外表面の温度は約１８０℃に及ぶ。また、天然ガスやメタノールなどの原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器はバーナを備え、その外表面の温度は３００℃以上にも達することがある。さらに、補助バーナ等を有する昇温装置や排ガスの熱利用装置などの熱機器も、その外表面の温度がかなりの高温になる。一方、電力変換装置６，計測制御装置７などの電子回路を含む装置や、駆動モータを含む補機８などの電気装置は、それぞれ規定の許容温度以下に保持し、温度上昇による性能および寿命特性の低下を防止する必要があり、このため、通常雰囲気温度を例えば４０℃以下に保持することが求められる。そこで、断熱性を有する隔壁２により装置室１Ａと制御室１Ｂを熱絶縁し、各室をそれぞれ強制換気または自然対流換気することにより、制御室内の温度を上記雰囲気温度に保持するとともに、発電装置室１Ａ内の機器配置に余裕を持たせて室内温度の異常な上昇を阻止するよう構成される。」（段落【０００２】〜【０００３】：摘示３−Ａ）と記載されている。
　同じく引用された刊行物４（特開平８−３３６２３９号公報：甲第４号証に同じ）には、車両用交流発電機の制御装置に関して、
「車両用交流発電機の出力を整流してバッテリを充電する整流手段と、前記発電機の励磁電流を断続制御する励磁電流制御用トランジスタと、前記バッテリの電圧と所定の基準値との差を減少する方向に前記励磁電流制御用トランジスタの導通率を制御する電圧制御手段と、出力が増大する高出力発生条件かどうかを入力された状態量に基づいて判定する判定手段と、前記高出力発生条件であると判定した場合に前記励磁電流を所定のしきい値以下に制限する励磁電流制限手段とを備え、
　前記励磁電流制御用トランジスタは、表面に反転チャンネルが形成される一導電型の半導体領域及び前記反転チャンネルにより導通される反対導電型のソース領域及びドレイン領域を含む基板が単結晶ＳｉＣを素材とするＭＯＳトランジスタからなることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。」と記載されている（特許請求の範囲の請求項１：摘示４−Ａ）。　
　
３−４．対比・判断 
　刊行物１には、摘示１−Ａないし１−Ｂの記載からみて、「燃料電池本体と、燃料電池本体で生じる直流電力を使用電力形態に変換する半導体素子を用いた電力変換装置などを備えた発電システム。」の発明が記載されていると認められる。
　本件発明１と刊行物１記載の発明とを対比すると、燃料電池が６０℃以上の高温の熱エネルギーを発生することは通常のことであるし、また、電池出力の変換装置として、直流電力を直交変換して交流化するインバータや直流電力の電圧レベルを変換するコンバータを用いることは、本件特許の出願前において周知のことであるから、両者は、「発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システム。」である点で一致するが、本件発明１は、「発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である」のに対し、刊行物１には、そのような事項が記載されていない点で相違する。
　以下、この相違点について検討する。
　本件発明１は、「燃料電池の排熱は、上記の作動温度より明らかなように通常６０℃以上の高温であるため、前記インバータがかかる高温によって加熱されると正常動作できず、システム全体として動作不良に陥ることになる。従って、前記インバータを最悪でも６０℃以下の周囲温度で動作させるため、前記インバータをかかる高温から遮断したり、冷却したりする処理を施すとともに、前記排熱回収装置において、高温の熱エネルギを低温に冷却する処置がなされている。この冷却処理により、総合エネルギ効率が約５％は低下していると考えられる。」（段落【０００３】）という問題点に鑑みなされたもので、「発電システムの総合エネルギ効率を改善する」（段落【０００４】）ことを目的とし、前記相違点で示される発明特定事項を具備し、「バンドギャップの大きな半導体素子ほどより高温動作が可能なため、前記変換装置の動作温度を律速している半導体素子の動作温度の上限をＳｉ半導体素子を使用した従来の変換装置より改善でき、更に、前記変換装置に含まれる半導体素子が５５℃以上の高温の周囲温度で動作可能となるため、前記燃料電池が発電時に発生する６０℃以上の高温の熱エネルギを不必要に冷却することなく高効率で有効利用でき、発電効率と熱回収効率を合わせた総合エネルギ効率を向上させることができるのである。また、前記変換装置の断熱または冷却処理等が簡略化できるため、前記変換装置を前記燃料電池或いは熱回収装置に近接して設けることができ、発電システムとして一体化及び小型化が可能となるのである。」（段落【０００８】）という作用効果を奏するものである。
　これに対し、刊行物２には、Ｓｉの物性限界を打破して将来の過大なニーズにも対応できるように飛躍的な特性改善を図るには、Ｓｉに比べて種々の秀でた物性値をもつワイドギャップ半導体を用いてパワー半導体素子を構成することが極めて有効な手段であると考えられていること（摘示２−Ａ参照）、ワイドギャップ半導体の先行例であるＳｉＣ素子を電力変換装置に適用した場合には、４００℃以上の高温動作が可能になることによるヒートシンクの大幅な小型化・簡略化や、大電流低損失化となることによる変換装置の小型・高効率化等が期待できること（摘示２−Ｂ、２−Ｄ）が記載されている。そして、「ワイドギャップ半導体としてのＳｉＣ半導体素子」は、本件発明１における「Ｓｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子」に相当し、「ヒートシンクの大幅な小型化・簡略化、変換装置の小型・高効率化」は、「変換装置の冷却処理の簡略化」、「発電システムの小型化」と同様の事項を意味するから、刊行物２には、Ｓｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子を電力変換装置に適用した場合には、高温動作が可能になることなどにより、変換装置の冷却処理の簡略化、発電システムの小型化等が期待できることが教示されているといえる。また、電力変換装置等に使用する半導体素子は、正常に作動する温度範囲が存在するので、そのような温度範囲に維持するために該素子から発生する熱を周囲等へ放出する必要があること、及び、そのような発生熱の放出には、周囲の熱的環境の影響があることは、本件特許の出願前において周知のことである。してみれば、刊行物１記載の発明において、半導体素子を含む変換装置の周囲の熱的環境を考慮し、変換装置の冷却処理の簡略化や発電システムの小型化等のために、発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子をＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子とすることは、当業者が容易に想到し得たことということができる。
　特許権者は、刊行物１に記載の燃料電池発電装置において、刊行物２に記載の４００℃以上の高温動作可能なＳｉＣ素子を採用する意義は見いだせないから、刊行物１記載の発明において、刊行物２に記載の発明を採用する動機付けがなく、本件発明１は、当業者が容易に想到し得たものではない旨を主張しているが（特許異議意見書第５頁末行〜第６頁末行）、排熱を回収する部分の温度が高い方が排熱の有効利用が容易となることは、本件特許の出願前において周知のことであって、ＳｉＣ素子を用いれば使用温度を高くでき、そこからの排熱の有効利用が容易となることは、容易に予測できることであるし（例えば、特開平８−１９０９２７号公報の第２欄第２４〜２８行参照）、また、刊行物２には、Ｓｉよりバンドギャップが大きいＳｉＣ素子を用いると、ヒートシンクの大幅な小型化・簡略化、変換装置の小型・高効率化等が期待できることが記載されているから（摘示２−Ｂ、２−Ｄ参照）、４００℃以上の高温動作可能なＳｉＣ素子を採用する意義は見いだせないことを根拠とした特許権者の前記主張は、その根拠が妥当なものでなく採用できない。
　したがって、本件発明１は、刊行物１、２に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものということができる。
　本件発明２は、本件発明１を引用し、さらに、「変換装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる」ことを限定したものであるが、電力変換装置にワイドギャップ半導体としてのＳｉＣ半導体素子を用いることや、ワイドギャップ半導体としてＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等が存在することが刊行物２に記載されているから（摘示２−Ｂ、２−Ｃ参照）、本件発明２は、本件発明１と同様に、刊行物１、２に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものということができる。
　本件発明３は、本件発明２を引用し、さらに、「燃料電池または前記変換装置の少なくとも何れか一方の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる」ことを限定したものであるが、刊行物３には、燃料電池発電装置全体をシステム制御する計測制御装置を設けることが記載され、刊行物４には、制御装置にＳｉＣ半導体素子を用いることが記載されているから、本件発明３は、刊行物１〜４に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものということができる。
　
４．むすび
　以上のとおりであるから、本件発明１ないし本件発明３の特許は、特許法第２９条第２項の規定に違反してなされたものであり、同法第１１３条第２号に該当し、取り消されるべきものである。
　よって、結論のとおり決定する。
【異議決定日】
平成１４年６月４日（２００２．６．４）
【訂正の要旨】
訂正の要旨
（ａ）特許請求の範囲の請求項１を、特許請求の範囲の減縮を目的として、
「発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
　前記発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である発電システム。」と訂正する。
（ｂ）明細書の段落【０００５】の
「この目的を達成するための本発明に係る発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である点にある。」を、明りょうでない記載の釈明を目的として、
「この目的を達成するための本発明に係る発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、前記発電システムの動作中に前記変換装置が５５℃以上の周囲温度下にある前記変換装置に含まれる半導体素子がＳｉよりバンドギャップが大きい５５℃以上の周囲温度で動作可能な半導体素子である点にある。」と訂正する。
（５４）【発明の名称】
発電システム
（５７）【特許請求の範囲】
　【請求項１】　発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
　
前記発電システムの動作中に５５℃以上の周囲温度下にある
　【請求項２】　前記変換装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる請求項１記載の発電システム。
　【請求項３】　前記燃料電池または前記変換装置の少なくとも何れか一方の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる請求項２記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
　【０００１】
　【発明の属する技術分野】
　本発明は、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方とを備えてなる発電システムに関し、具体的には、かかる発電システムのエネルギ効率の改善技術に関する。
　【０００２】
　【従来の技術】
　この種の発電システムとして、天然ガス等の原燃料から水素を生成する改質器と、この改質器で生成された水素と空気中の酸素から水の電気分解の逆反応により高温を排熱するとともに直流電力を発電する燃料電池と、この燃料電池が発電した直流電力を直交変換して交流化するインバータと、前記燃料電池からの高温の排熱の熱エネルギを回収する排熱回収装置とを備えた燃料電池発電システムがある。
　かかる燃料電池発電システムは、硫黄酸化物ＳＯＸの排出がなく、また、窒素酸化物ＮＯＸの排出が極めて少なく、二酸化炭素ＣＯ２、騒音や振動が少なく、地球環境に優しい発電システムであり、更に、発電効率が約４０％と高く、また、発電効率と回収熱効率を合わせた総合エネルギ効率が約８５％と高く、エネルギを有効利用ができるという素晴らしい特徴を有しており、新しいエネルギとして注目されている。
　【０００３】
　【発明が解決しようとする課題】
　上述のインバータは一般にシリコン半導体からなるダイオードやトランジスタ等を使用した電子回路で構成されるため、インバータの動作温度の上限は、シリコン半導体素子の動作温度の上限で律速されることになる。シリコン半導体素子の定格動作における周囲温度は通常２５℃であり、一般的な民生仕様のシリコン半導体素子の定格動作における周囲温度の上限は５５℃である。
　ところで、燃料電池は発電時の化学反応で高温の排熱が発生するため、これを有効利用するため、上記したように排熱回収装置を設けて、温水や蒸気の形態で熱エネルギを回収している。因みに、固体高分子型燃料電池の作動温度は６０〜１２０℃であり、リン酸型燃料電池では１７０〜２２０℃であり、溶融炭素塩型燃料電池では６５０℃、固体電解質型燃料電池では１０００℃と、更に作動温度が高温となっており、高温の排熱を発生する。
　しかしながら、燃料電池の排熱は、上記の作動温度より明らかなように通常６０℃以上の高温であるため、前記インバータがかかる高温によって加熱されると正常動作できず、システム全体として動作不良に陥ることになる。従って、前記インバータを最悪でも６０℃以下の周囲温度で動作させるため、前記インバータをかかる高温から遮断したり、冷却したりする処理を施すとともに、前記排熱回収装置において、高温の熱エネルギを低温に冷却する処置がなされている。この冷却処理により、総合エネルギ効率が約５％は低下していると考えられる。
　【０００４】
　本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムの総合エネルギ効率を改善する点にある。
　【０００５】
　【課題を解決するための手段】
　この目的を達成するための本発明に係る発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発電時に６０℃以上の高温の熱エネルギを発生する燃料電池と、前記燃料電池が出力した直流電力を直交変換して交流化するインバータまたはその直流電力の電圧レベルを変換するコンバータの少なくとも何れか一方を備えた変換装置とを備えてなる発電システムであって、
前記発電システムの動作中に前記変換装置が５５℃以上の周囲温度下にある
　【０００６】
　同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記変換装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる点にある。
　【０００７】
　同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した如く、上記第二の特徴構成に加えて、前記電池または前記変換装置の少なくとも何れか一方の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置がＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子若しくはＧａＮ系半導体素子またはこれら半導体素子の組み合わせを備えてなる点にある。
　【０００８】
　以下に作用並びに効果を説明する。
　本発明に係る発電システムの第一の特徴構成によれば、後述するように、バンドギャップの大きな半導体素子ほどより高温動作が可能なため、前記変換装置の動作温度を律速している半導体素子の動作温度の上限をＳｉ半導体素子を使用した従来の変換装置より改善でき、更に、前記変換装置に含まれる半導体素子が５５℃以上の高温の周囲温度で動作可能となるため、前記燃料電池が発電時に発生する６０℃以上の高温の熱エネルギを不必要に冷却することなく高効率で有効利用でき、発電効率と熱回収効率を合わせた総合エネルギ効率を向上させることができるのである。
　また、前記変換装置の断熱または冷却処理等が簡略化できるため、前記変換装置を前記燃料電池或いは熱回収装置に近接して設けることができ、発電システムとして一体化及び小型化が可能となるのである。
　【０００９】
　同第二の特徴構成によれば、ＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子またはＧａＮ系半導体素子が５５℃以上の高温の周囲温度で動作可能であるため、前記変換装置が６０℃以上の高温で動作可能となり、上記第一特徴構成の場合と同様に、発電システムの総合エネルギ効率を向上させることができるのである。
　【００１０】
　以下にＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣ半導体素子またはＧａＮ系半導体素子が５５℃以上の周囲温度で動作可能であることを定性的に説明する。
　半導体は伝導帯と価電子帯とに分離したエネルギバンド構造を有し、伝導帯と価電子帯間のバンドギャップＥｇの値によって半導体的性質を現し、半導体素子としてダイオード動作やトランジスタ動作を呈するわけである。ところが、バンドギャップＥｇは、大部分の半導体において、高温で狭くなり、その温度変化は数１で近似される。ここで、ｔは温度で、ａは温度変化の係数である。
　【００１１】
　【数１】
　　　　　　　ｄＥｇ／ｄｔ＝−ａ×１０−４（ｅＶ／Ｋ）
　【００１２】
　従って、高温ではバンドギャップＥｇが狭くなるとともに、大きな熱エネルギを得て、自由電子が価電子帯から伝導帯へと容易に熱励起されるようになり、通常の半導体的性質を失い、ダイオードやトランジスタが正常動作しなくなる。常温で広いバンドギャップを有するＧａＡｓ系半導体素子、ＩｎＰ系半導体素子、ＳｉＣやＧａＮ系の半導体では、５５℃以上の高温でもバンドギャップＥｇが大きく、それらで形成されたダイオードやトランジスタは十分に正常動作できるわけである。
　【００１３】
　同第三の特徴構成によれば、前記燃料電池の入出力制御や前記変換装置の制御を行う制御装置を備えた発電システムにおいても、その制御装置を５５℃以上の周囲温度下で高温動作可能とすることができるため、上記第一または第二の特徴構成の場合と同様に、発電システムの総合エネルギ効率を向上させることができるのである。
　【００１４】
　【発明の実施の形態】
　本発明に係る発電システムの一実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１に示すように、本発明に係る発電システムは、水素と酸素の供給を受けて直流電力を発生するリン酸型の燃料電池本体１と、前記燃料電池本体１に水素を供給するために都市ガス等から水素を生成する改質器２と、前記燃料電池本体１が出力する直流電力を直交変換して交流電力を発生する変換装置３と、前記改質器２と前記燃料電池本体１の排熱を蒸気や温水として回収する排熱回収装置４と、前記燃料電池本体１と前記改質器２と前記変換装置３の動作を制御する制御装置５とを備えた、一般的なリン酸型燃料電池システムと同じシステム構成である。
　【００１５】
　前記変換装置３は、例えば、１００〜２００Ｖの正弦波交流を出力するＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ６で構成されている。このＰＷＭインバータ６の主回路７の基本構成は、図２に示すように、四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４からなり、ＳＷ１とＳＷ４がオン、ＳＷ２とＳＷ３がオフの状態で正の半サイクル、ＳＷ１とＳＷ４がオフ、ＳＷ２とＳＷ３がオンの状態で負の半サイクルとなって、負荷Ｌに対して交流電流ＩＡＣが流れる。
　ここで、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４に印加されるオン・オフの制御信号は、図３（イ）に示すようなパルス幅変調されたパルス信号であり、パルス幅に応じて電力量が制御され、ローパスフィルタを介して図３（ロ）に示すような正弦波の交流出力波形が得られる。
　【００１６】
　前記制御信号のスイッチング周波数は高周波ほど滑らかな正弦波形が得られるが、スイッチング損失が増大する。つまり、前記四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４が瞬時的に全てがオンする瞬間に貫通電流が流れるためである。これを回避すべく、回路中に共振回路を挿入して、電圧と電流の位相をずらすことにより、当該スイッチング損失を軽減する試みがあるが、共振リアクトルでの損失分が増加する。従って、本質的な解決策として、前記四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のスイッチング速度の高速化が求められる。
　【００１７】
　そこで、本実施形態では、前記四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４に、バンドギャップが２．８ｅＶとＳｉ半導体のバンドギャップの約２．５倍と広いＳｉＣ半導体からなるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用する。
　このＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、オン抵抗が理論上Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴより２桁小さく、現状の製造技術での結晶性の悪さを勘案しても４分の１程度となる。また、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴより高耐圧であるため、耐圧を確保しながらチャンネル長を短くできるため、上述の低オン抵抗と合わせてスイッチング速度の高速化が見込まれる。従って、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用することで、インバータ主回路におけるスイッチング損失を軽減でき、前記変換装置３の変換効率の改善が図れるのである。この場合、前記制御信号はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲートに入力される。
　【００１８】
　ところで、前記燃料電池本体１からは６０℃以上の高温の排熱が発生するため、Ｓｉ半導体を使用したインバータでは、動作温度が５５℃以下となるように前記変換装置３の断熱処理や排熱の冷却処理を行う必要があったが、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの定格動作時の周囲温度の上限は３００℃と高温であるため、特別な断熱処理や不必要な排熱の冷却処理を行う必要がない。この場合、前記制御信号を発生する制御回路等の周辺回路もＳｉＣ半導体素子で構成する。これにより、前記変換装置３全体を５５℃以上の高温下で動作させることができ、前記排熱回収装置４における排熱回収効率が改善でき、発電システム全体の総合エネルギ効率を向上することができるのである。また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ自体の放熱処理や冷却処理も小型の部品で済むため、前記変換装置３の小型化も図れる。
　【００１９】
　以上、本発明の本旨は、前記変換装置３に使用する半導体素子として、ワイドバンドギャップのＳｉＣ半導体のＭＯＳＦＥＴ等を使用する点にある。従って、前記燃料電池本体１、前記改質器２、前記排熱回収装置４等は、本発明を実施する時点で使用可能なものを適宜選択して使用すればよい。例えば、前記燃料電池本体１はリン酸型燃料電池以外に固体高分子型燃料電池や固体電解質型燃料電池や溶融炭素塩型燃料電池等であっても構わない。
　【００２０】
　次に、本発明に係る発電システムの別実施形態について説明する。
〈１〉上記実施の形態では、前記四つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４に夫々ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用したが、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ以外にＳｉＣ半導体のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　）や、当該ＭＯＳＦＥＴと当該ＩＧＢＴを並列接続したもの、当該ＭＯＳＦＥＴと還流ダイオードを逆並列接続したもの等であってもよい。また、ワイドバンドギャップ半導体素子として、ＳｉＣ半導体の他にＧａＮ系半導体素子を使用しても構わない。
　【００２１】
〈２〉前記制御装置５が本発電システムの前記燃料電池本体１と同じ筐体内の高温環境下に設置される場合は、前記変換装置３と同様に、ＳｉＣ半導体素子またはＧａＮ系半導体素子を使用して構成することにより、高温環境下に耐えることができ、システム全体の小型化が図れるのである。
　【００２２】
〈３〉　前記変換装置３の他の実施例として、例えば、２００Ｖの３相正弦波交流を出力するＡＲＣＰ形（補助共振転流ポール形）ＰＷＭインバータ８で構成されている。このＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータ８の主回路９の構成は、図４に示すように、各相毎に補助共振回路を備えたスイッチ回路ユニット１０を複数並列接続した構成となっている。ここで、主スイッチＳ１，Ｓ２はＳｉＣ−ＩＧＢＴからなり各別に還流ダイオードを逆並列接続した構成とし、補助スイッチＳＡ１，ＳＡ２はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴからなり各別に整流ダイオードを直列接続したものを互いに逆並列接続した構成としており、何れも５５℃以上の高温下で動作させることができる。
　尚、図４中、ＬＲは共振リアクトルで、ＣＲ１，ＣＲ２は共振コンデンサで、Ｃ１，Ｃ２は直流コンデンサで直流入力電圧を分圧している。前記ＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータ８の動作は、従来のＳｉ半導体素子で構成したものと同様であるため説明は割愛する。
　尚、前記変換装置３に使用するインバータは上記したＰＷＭインバータ６，８以外の方式のものであっても構わない。
　【００２３】
〈４〉上記実施の形態では、前記変換装置３として前記インバータ６，８を使用して前記燃料電池本体１が発生した直流電力を交流化して出力する発電システムであったが、前記インバータ６，８の代わりに、直流電圧レベルを変換するコンバータを設けて、所定の直流電力を出力する発電システムであっても構わない。この場合、前記コンバータに使用される半導体素子が上記したＳｉＣ半導体素子またはＧａＮ系半導体素子であればよい。
　また、前記変換装置３が、前記インバータ６，８と前記コンバータの両方を備え、直流電力と交流電力の両方を出力する形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
　【図１】
　本発明に係る発電システムの一実施の形態のシステム構成図
　【図２】
　本発明に係る発電システムの一実施の形態におけるＰＷＭインバータの主回路の基本回路構成の概念を示す回路図
　【図３】
　ＰＷＭインバータの制御信号波形（イ）と交流出力波形（ロ）を模式的に示す波形図
　【図４】
　本発明に係る発電システムの別実施の形態におけるＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータの主回路のスイッチ回路ユニットを示す回路図
　【符号の説明】
　１　　　燃料電池本体
　２　　　改質器
　３　　　変換装置
　４　　　排熱回収装置
　５　　　制御装置
　６　　　ＰＷＭインバータ
　７　　　ＰＷＭインバータの主回路
　８　　　ＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータ
　９　　　ＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータの主回路
　１０　　ＡＲＣＰ形ＰＷＭインバータの主回路のスイッチ回路ユニット