(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックを用いた発電システムの設計を簡易化する。【解決手段】  本発明の燃料電池モジュールは、筐体内に、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、該燃料電池セルの電圧や温度などを検出し監視する監視手段と、前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧してモジュール外に出力する電圧変換手段とを備え、該電圧変換手段は前記監視手段が出力する燃料電池セル電圧や温度などの状態に基づいて最適出力電流を決定し、前記燃料電池スタックの発電電流を増加あるいは減少させる。【選択図】図１
2006302629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを筐体に納めた燃料電池モジュールにおいて、
該燃料電池モジュールが、
前記燃料電池セルの状態を監視し燃料電池セルの状態を出力する監視手段と、
該燃料電池スタックに電気的に接続され、前記燃料電池スタックが出力する発電電流を入力する電圧変換手段とを前記該筐体内に備え、
該電圧変換手段が、前記監視手段が出力する前記燃料電池セルの状態を入力して、前記燃料電池スタックが出力する発電電流を増加あるいは減少させることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体に、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを排出する排ガス排出手段と、前記燃料電池スタックで発生する熱を交換する熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、前記電圧変換手段の出力電力を供給する電圧出力手段とが配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記電圧変換手段は、前記燃料電池スタックの発電電流を入力する入力側と電圧変換手段の出力側との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記電圧変換手段は、変圧器と半導体素子を備え、入力された直流電圧を一旦交流電力に変換し、該交流電力を整流して直流電圧を出力することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記監視手段が、前記燃料電池セルの電圧と温度のいずれかもしくは両方を監視することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記監視手段と電圧変換手段とが消費する電力の、一部または全てが前記燃料電池スタックから供給されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体に通信手段あるいは表示手段の少なくとも一方を備え、前記燃料電池スタックの状態を、該通信手段もしくは表示手段を介して、燃料電池モジュール外部に通知することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体に通信手段を備え、該通信手段を介して入力された燃料電池モジュール外部の通信に基づき、前記電圧変換手段が出力する電力供給の開始あるいは停止を実行することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体内に配置した前記燃料電池スタックと前記電圧変換手段とを、断熱手段を介して配置したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体内に配置した電圧変換手段に通気が可能な空孔を、前記筐体に備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを筐体に納めた燃料電池モジュールにおいて、
該燃料電池モジュールが、
前記筐体内に燃料電池スタックが出力する発電電流を入力する電圧変換手段を配置し、
前記筐体の対面する２面、あるいは１面に、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを排出する排ガス排出手段と、前記電圧変換手段の出力電力を供給する電圧出力手段とを配置したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記筐体が互いに対面する２面を３組有する略直方体形状であって、前記燃料供給手段と、前記排ガス排出手段と、前記電圧出力手段とを、前記３組の中で最も面積の小さい対面した２面、または最も面積の小さい対面した２面のうちの１面に配置したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料供給手段と、前記排ガス排出手段と、熱媒体供給手段と、熱媒体排出手段とが、前記筐体の同じ面に配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１４】
請求項１１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池セルに固体高分子型の燃料電池を用いたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１５】
商用交流電力系統に接続した連系インバータと、該連系インバータの直流側に接続した燃料電池モジュールとを備えた燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
該燃料電池モジュールが、
筐体内に、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池セルの状態を監視し燃料電池セルの状態を出力する監視手段と、
該燃料電池スタックに電気的に接続され、前記燃料電池スタックが出力する発電電流を入力する電圧変換手段とを備え、
該電圧変換手段が、前記監視手段が出力する前記燃料電池セルの状態を入力して、前記燃料電池スタックが出力する発電電流を増加あるいは減少させることを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
前記燃料電池モジュールを複数個備え、該複数個の燃料電池モジュールの電圧出力手段の出力電圧を電気的に直列または並列接続したことを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
前記複数個の燃料電池モジュールは互いに異なる電力を出力することを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応を利用して発電する燃料電池を用いた燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ないエネルギー源として燃料電池が検討されている。例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その熱と電力を用いたコージェネレーションシステムのエネルギー源として、または電動車両の電源として利用が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、燃料電池セルの個別の起電力はせいぜい０．７Ｖ程度に過ぎない。このため一般的に数十から数百セルを積層して一つの燃料電池スタックが構成され使用される。スタック化した燃料電池各セルの電圧は、スタック内部での燃料ガス密度や湿度、温度の分布によってばらつき、セル毎に電圧劣化傾向は異なる。各セル電圧の低下はスタックの寿命や安全性に影響を及ぼす恐れがあるため、燃料電池スタックの発電電流は各セルの状態を監視しながら調整する必要がある。このように複数の燃料電池セルの各々の状態を監視するセル電圧判定ユニットが特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９７４０７号公報（（００３８）段落から（００４２）段落の記載と、図２の記載。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池スタックを用いたシステムの設計には燃料電池セルの発電特性ノウハウに基づく発電電流調整が必要であり、設計を困難にする原因となっていた。
【０００６】
本発明は前記の問題に対処し、燃料電池スタックを用いた発電システムの設計を簡易化できる燃料電池モジュール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】
本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを筐体に納めてあり、燃料電池セルの状態を監視する監視手段と、該燃料電池スタックに電気的に接続された電圧変換手段とを該筐体内に備え、該電圧変換手段は該監視手段の監視する該燃料電池セルの状態に基づき該燃料電池スタックの発電電流を増加および減少する機能を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発電システムの設計を簡易化できる燃料電池モジュールを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例の詳細について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
本実施例を図１〜図４を用いて説明する。図１を用いて、本実施例の燃料電池モジュールの概要から説明する。燃料電池モジュールの筐体１１内には、複数の燃料電池セルを積層して構成される燃料電池スタック１、電圧変換手段としての昇圧コンバータ２、および監視手段としてのセル状態監視基板３が納められる。
【００１１】
ここで、筐体１１内部の昇圧コンバータ２、およびセル状態監視基板３の形状は、燃料電池スタック１を構成するセルの寸法に応じて、任意に選択すればよい。筐体１１外面には電圧出力手段としての端子台１３、および通信手段としての通信コネクタ１２が設けられる。また、図１には記載していないが、筐体１１外面に燃料電池モジュールの状態を示す表示手段として発光ダイオードや液晶パネルを設置しても良い。
【００１２】
さらに筐体１１には、燃料電池スタック１の燃料ガスとなる水素リッチガスを通流する燃料供給手段８ｉ、燃料供給手段８ｉより供給された水素リッチガスの一部の水素が燃料電池スタック１で消費された後の排ガスを排出する排ガス排出手段８ｏ、燃料電池スタック１の発熱を冷却するための熱媒体を循環するための熱媒体供給手段９ｉおよび熱媒体排出手段９ｏが接続され、筐体１１の外部の燃料ガス系統、および伝熱系統との連系が行われる。
【００１３】
本実施例では、燃料電池スタック１に固体高分子型の燃料電池を使用する。また、筐体１１は金属または樹脂製で必要な絶縁処理が成されている。また、筐体１１は接地端子を有し、例えば端子台１３の端子のひとつを接地用に利用してもよい。また例えば、燃料供給手段８ｉ、排ガス排出手段８ｏ、熱媒体供給手段９ｉおよび熱媒体排出手段９ｏには金属または樹脂製の管を用いる。なお、図示を省略しているが、燃料電池スタック１に酸化剤を供給および排出する酸化剤供給手段および酸化剤排出手段を併設する構成でも良く、例えば酸化剤供給手段および酸化剤排出手段には金属または樹脂製の管を用いて、空気を酸化剤に用いて供給しても良い。
【００１４】
図２は本実施例の燃料電池モジュールの内部構造を示す。燃料電池スタック１は、燃料電池セルを積層し、両端を端板５Ａ、５Ｂに挟まれる構成となる。ここで図示を省略しているが、端板５Ａ、５Ｂ間をネジ等の締め付け機構により締結して燃料電池スタック１のシール性を高めても良い。
【００１５】
燃料電池スタック１の積層面上にはセル状態監視基板３が固定され、燃料電池スタック１の各セル電圧、およびスタック温度などの状態を監視する。また図１に示すように、燃料電池スタック１の一方の側面に昇圧コンバータ２が隣接して配置される。昇圧コンバータ２には接続ケーブル６を介してセル状態監視基板３が接続されるほか、電極７Ｐ、７Ｎ、外部との情報通信を行う通信ケーブル１０が接続されている。電極７Ｐおよび７Ｎは、筐体１１に設置された端子台１３に電気的に接続され、また通信ケーブル１０は、筐体１１に設置された通信コネクタ１２に接続されている。ここで、電極７Ｐ、７Ｎの代わりに端子台１３が昇圧コンバータ２に直接固定され、筐体１１の一部を開口し、筐体１１内に昇圧コンバータ２を納めた状態で端子台１３が筐体１１に設けた開口部から筐体１１の外面に現れる構成でも構わない。さらに燃料電池スタック１の他の側面には、燃料供給手段８ｉ、排ガス排出手段８ｏ、熱媒体供給手段９ｉおよび熱媒体排出手段９ｏが接続されている。ここで、筐体１１の他の面の一部を開口し、筐体１１内に燃料電池スタック１を納めた状態で、燃料供給手段８ｉ、排ガス排出手段８ｏ、熱媒体供給手段９ｉおよび熱媒体排出手段９ｏが筐体１１の他の面に設けた開口部から筐体１１の外面に現れる構成でも構わない。
【００１６】
図３は，筐体１１に納めた燃料電池モジュールのシステム構成を示す。昇圧コンバータ２の入力端子部は、燃料電池スタック１両端のセルに電気的に接続される。また、燃料電池スタック１、昇圧コンバータ２、およびセル状態監視基板３は、筐体１１に設けた接地用端子と、接地ライン７Ｇで示すようにそれぞれ電気的な接続が可能な構成となっている。なお、図３に示すように本実施例の昇圧コンバータは、入力した直流電圧を一旦交流電力に変換し、この交流電力を整流して直流電圧を出力する構成の電気回路を備えている。
【００１７】
燃料電池スタック１のうち、複数個のセル例えば５セル〜６セル、または全てのセルがそれぞれ電圧検出端子１０１を備えており、この電圧検出端子１０１はセル状態監視基板３内部のセル電圧検知部３０１に電気的に接続されている。また同様に燃料電池スタック１は温度検出器１０２を備えており、温度検出器１０２はセル状態監視基板３内部のスタック温度検知部３０２に接続されている。
【００１８】
セル電圧検知部３０１およびスタック温度検知部３０２で得られたセル電圧およびスタック温度の情報に基づき、セル状態監視基板３内部のスタック状態監視部３０３において、燃料電池スタック１の状態について正常か異常かを診断する異常診断処理、および燃料電池セルを健全な状態に維持できる発電電流である最適電流指令値を演算する最適電流指令値演算が行われる。スタック状態監視部３０３で得られた異常診断結果および最適電流指令値は、セル状態監視基板３内部の通信部３０４および接続ケーブル６を通じて、昇圧コンバータ２に送信される。
【００１９】
昇圧コンバータ２内部にはコンバータ主回路２０１、コンバータ制御部２０２、通信部２０３、および補機電源２０７があり、コンバータ制御部２０２では、接続ケーブル６を通じて得た最適電流指令値、コンバータ入力電流検出値２０４、およびコンバータ出力電圧検出値２０５の各情報に基づきコンバータ制御パルス２０６を演算し、コンバータ主回路２０１中の電力半導体スイッチング素子に対し出力を行う。また、通信部２０３では、接続ケーブル６を通じて得た異常診断結果の情報が、通信ケーブル１０および通信コネクタ１２を介して所定の通信手順で、例えばディジタル通信やアナログ通信で筐体１１の外部へ送信される。補機電源２０７は、燃料電池スタック１の両端の電圧が所定の閾値Ｖ１以上となった場合に、燃料電池スタック１の発生電力の一部を変換し、昇圧コンバータ２およびセル状態監視基板３を構成する電気回路素子などで消費するＤＣ３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖなどの所定電圧の電力を供給する。
【００２０】
スタック状態監視部３０３は、通常は最適電流指令値として燃料電池スタック１が健全な状態を保てる条件下で最も発電出力の多い電流値を出力する。また、セル電圧の変動に関して低周波数の変動成分を抽出し異常を診断するよう演算すれば、燃料電池スタック１内の水詰まり等の回復可能な電圧低下を無視して異常診断を行うことができる。また、一般に燃料電池セルは発電電流の増加に従ってセル電圧が低下する特性を持つため、任意のセル電圧が異常低下した場合に一時的に最適電流指令値を低減するよう演算して昇圧コンバータ２の入力電流を低減すれば、セル電圧低下の進行を抑制して燃料電池スタック１を健全な状態に保つことができる。
【００２１】
以上述べた構成の本実施例の燃料電池モジュールは、燃料電池セルの状態に基づきスタック状態監視部３０３が燃料電池スタック１の最適電流指令値を決定し、昇圧コンバータ２が最適電流指令値に従い燃料電池スタック１の発電電流を調整するため、燃料電池モジュールの外部から電流を調整することなく燃料電池スタック１の発電が行われ、燃料電池スタック１を用いた発電システムの設計が容易になる。
【００２２】
また、本実施例の燃料電池モジュールは、一体化して筐体１１内部に納めてあるので、燃料電池スタック１など電圧を生じる部分と筐体１１外部との絶縁距離が確保できるため、ユーザの感電や、電圧印加部の短絡などを防ぎ、安全に燃料電池スタック１で発電できる。
【００２３】
また、本実施例の燃料電池モジュールで、コンバータ主回路２０１をトランスを備えた絶縁型の昇圧コンバータ２として、複数台の燃料電池モジュールの端子台１３に出力される電圧を電気的に直列接続して使用する際に、各燃料電池スタック間の絶縁を考慮する必要が無く、組み合わせが容易となる。
【００２４】
本実施例の燃料電池モジュールは、燃料電池スタック１のセル電圧からはセル内部の燃料分布や湿度分布を、セル温度からはセルの内部抵抗を推定することができるため、セル状態監視基板３は燃料電池スタック１の電圧および温度状態を監視しながら最適電流指令値を演算し、昇圧コンバータ２を最適発電電流指令値に基づき駆動することで、燃料電池スタック１は燃料電池セルの特性に応じた最適な発電状態を維持することが可能となり、過剰な発電などに起因する燃料電池スタック１の劣化などを抑制できる。
【００２５】
また、本実施例の燃料電池モジュールでは、燃料電池スタック１で発生する電圧を利用して補機電源２０７の電力を供給すれば、燃料電池モジュール外部からの電力供給が不要となり配線の低減となるほか、燃料供給手段８ｉに燃料ガスを通流するだけで燃料電池モジュールの自動起動が可能となる。
【００２６】
なお、図１〜図３では部位ごとに機能を分離したため昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を別のブロックとして示しているが、燃料電池モジュール内部の配置構成によっては、昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロック、例えば同一の基板上に配置しても構わない。昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロックに配置して、接続ケーブル６を省略しても良い。
【００２７】
図４は、燃料電池モジュールの起動および停止時の遷移状態を、横軸に時間を用いて示した。まず起動時は、時刻Ｔ１で燃料電池モジュールの外部から燃料供給手段８ｉに所定量の燃料ガス８ｉ′を通流させる。燃料供給後すぐに燃料電池スタック１両端の電極間の電圧５′が上昇を始め、電圧５′が所定の電圧閾値Ｖ１に到達した時刻Ｔ２より補機電源２０７が駆動を始め、所定の制御電圧２０７′を供給する。その後、電圧５′が飽和電圧Ｖ２に達する時刻Ｔ３まで電圧５′は上昇を続ける。時刻Ｔ３の後、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５にかけて、燃料電池スタック１の発電電流２０４′がセル状態監視基板３の演算した最適電流指令値に一致するまで発電電流２０４′を増やしていく。発電電流２０４′の増加に伴い、電圧５′は燃料電池スタック１のＶ−Ｉ特性に従い減少する。
【００２８】
停止時は、時刻Ｔ６において燃料ガス８ｉ′の通流を停止する。燃料ガス８ｉ′の停止により電圧５′が垂下し、電圧５′の下降に合わせて発電電流２０４′を減らしていく。時刻Ｔ６において発電電流２０４′は補機電源２０７への供給電流まで低下し、その後は燃料電池スタック１内部に残留した水素ガスが消滅する時刻Ｔ７まで補機電源２０７内部に微弱な電流を流し続け、モジュールの停止に至る。時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間に補機電源２０７の回路に微弱な電流を流すことで燃料電池スタック１内部に可燃性ガスを内部に残すことなく安全に燃料電池モジュールの運転を停止できる。
【００２９】
また、電圧５′が飽和電圧Ｖ２に達したＴ３の段階で、発電可能となったことを燃料電池モジュールの外部に通信コネクタ１２などを介した通信手段により知らせても良い。また、時刻Ｔ４の開始時は通信手段を介した外部からの開始トリガに基づいて決定しても良い。このように通信手段を介した燃料電池モジュールの外部との通信を用いて燃料電池モジュールを運転すれば、端子台１３に燃料電池モジュール外部から接続した外部回路の状況に合わせて燃料電池モジュールを運転できるため、昇圧コンバータ２の過電圧などの出力異常を防止できる。また、燃料電池モジュール筐体１１上に表示用の発光ダイオードを設置して、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ７の少なくとも一つの時点に基づき発光ダイオードを点灯、消灯、もしくは点滅させれば、例えば燃料電池モジュールと外部との間の通信の異常が起きてモジュール内部の状態が判断できない場合にも、モジュール内部の状態を視覚的に判断することが可能になる。
【実施例２】
【００３０】
本実施例の燃料電池モジュールについて図５を用いて説明する。前述の実施例１と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を用い、詳細の説明を省略する。燃料電池スタック１が例えば固体高分子型の燃料電池スタックであった場合、燃料電池スタック１の発電時の動作温度は約７０℃〜８０℃程度となる。そのため、燃料電池モジュール筐体１１内部の温度が上昇し、昇圧コンバータ２などの電気回路素子に影響を与える可能性がある。本実施例では、燃料電池スタック１と昇圧コンバータ２の接する面同士の間に、さらには燃料電池スタック１とセル状態監視基板３の接する面同士の間に断熱手段５０１を設けることにより、燃料電池スタック１の発熱が筐体１１内部に伝播することによる筐体１１内部の電気回路素子への影響を抑制できる。
【００３１】
ここで断熱手段５０１として、例えば、グラスウールなど断熱性のある断熱部材や、熱電効果のある熱電材料、および空気の通流する通風路などを設けることができる。また、燃料電池スタック１と昇圧コンバータ２やセル状態監視基板３との接する面同士の間に断熱手段５０１を設けるだけでなく、燃料電池スタック１の全面を断熱手段５０１によって包む構成によっても筐体１１内部の温度上昇を抑制できる。また図５に示すように、昇圧コンバータ２内部のうち燃料電池スタック１から離れた位置に放熱手段としての放熱フィン５０２を備え、高温で特性劣化する素子を放熱フィン５０２に設置し、昇圧コンバータ２に面した筐体１１の面の一部に通気口５０３を設け、昇圧コンバータ２に対する燃料電池スタック１の発熱の影響を軽減しても良い。
【実施例３】
【００３２】
本実施例について図６、図７を用いて説明する。実施例１、実施例２と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を用いて、詳細の説明を省略する。本実施例では図６に示すように、昇圧コンバータ２を燃料電池スタック１の積層面に隣接する位置に設置した。図６では、昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３は共に燃料電池スタック１の積層面に隣接して設置されており、さらに昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３の機能を、一つの基板上に構成して、単一のブロックに集約してもよい。
【００３３】
本実施例では燃料電池モジュール筐体１１の外形を図６に示すように、互いに対面する２つの面を３組有する概略直方体型として、燃料供給手段８ｉ、排ガス排出手段８ｏ、熱媒体供給手段９ｉ、および熱媒体排出手段９ｏなどの配管系統や、端子台１３、通信コネクタ１２などの電気配線系統など外部との接続を伴う系統は、例えばＡ面とＢ面で示すように、対面する１組の面に集約して設置する。この構成によれば、複数台の燃料電池モジュールを並列接続あるいは直列接続して同時使用する際には、燃料電池モジュール同士をＡ面およびＢ面を除く面同志を接して配置できるので、配置空間の削減や配線の短縮が可能となる。また、前記配管系統は、前記電気配線系統に比べ、曲げ加工を施した場合に占有する空間が大きい。
【００３４】
従って、直方体型の筐体１１については、対面する１組の面の両面に配管を接続するより、前記電気配線系統と前記配管系統を別々の面に振り分け、例えば面Ａに前記電気配線系統を備え、面Ｂに前記配管系統を備え、面Ａと面Ｂが対面するように構成すれば、前記電気配線系統を接続した面側の配管が占める空間を省略でき、モジュール接続部の空間を削除あるいは小さくできる。また、熱媒体供給手段９ｉおよび熱媒体排出手段９ｏを流れる冷却水系統と、端子台１３の距離を離すことができるため、前記冷却水系統から例え漏水が起きても端子台１３間の絶縁破壊の可能性を回避できる。
【００３５】
さらに筐体１１のＡ面およびＢ面が直方体を構成する６面のうち最も面積の小さい１対の面であれば、前記電気配線系統や前記配管系統の接続によるデッドスペースを小さくできる。
【００３６】
図７は、排ガス排出手段８ｏおよび熱媒体排出手段９ｏと燃料電池スタック１との接続点が昇圧コンバータ２と接する面に配置された場合を示す。前記電気配線系統と前記配管系統を同一の面Ａに配置する場合には、図７に示すように、筐体１１の接続面Ａ上の配置を、配管系統を面Ａの１辺に沿わせ、配管系統の部品を結ぶ線、図７では排ガス排出手段８ｏの中心と熱媒体排出手段９ｏの中心とを結ぶ線と、電気配線系統を結ぶ線、図７では通信コネクタ１２の中心と端子台１３の中心とを結ぶ線とが面Ａ上で交差しない位置に配置することで、配線および配管を容易にすることができる。また前記配管系統に冷却水系統が含まれる場合には、電気配線系統を冷却水系統の上側に配置して、冷却水系統に漏水が起きた際にも電気配線系統の絶縁破壊を回避する。
【実施例４】
【００３７】
本実施例について図８を用いて説明する。前述の実施例１から実施例３と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を用いて、詳細の説明を省略する。図８は、実施例１乃至実施例３に示す燃料電池モジュールを使用した発電システムを示す。端子台１３を介して電極７Ｐ、７Ｎには、連系インバータ４０７が電気的に接続される。連系インバータ４０７は端子台１３に発生した電力を、商用交流電力系統４０９の電圧振幅および周波数をもつ交流電力に逆変換を行う。連系インバータ４０７の逆変換により得た交流電力は、商用交流電力系統４０９または系統負荷４１１に供給される。また、筐体１１の所定の接地端子には接地線４１０が接続される。
【００３８】
水素製造装置４０１は燃料電池スタック１の燃料となる水素リッチガスを発生する装置であり、都市ガスや灯油などより水素を抽出する改質装置や、水を電気分解する電解槽などを用いることができる。水素製造装置４０１で発生した水素リッチガスは燃料ブロア４０２により燃料供給手段８ｉに送られる。排ガス排出手段８ｏから排出された排ガスは水素製造装置へと循環し、排ガス中の水素を回収もしくは燃焼に利用される。ここで、燃料供給手段８ｉおよび排ガス排出手段８ｏのいずれにおいても、筐体１１への接続点近傍で配管を下向きに曲げ加工を施し、水素リッチガスおよび排ガスに含まれる水蒸気が結露した液滴が筐体１１内部に侵入することを防いでも良い。冷却水タンク４０３には燃料電池スタック１で発生した熱を交換する熱媒体となる冷却水が貯水されており、冷却水は冷却水ポンプ４０４によって熱媒体供給手段９ｉへ送られる。ここで例えば、冷却水には純度の高い水を使用する。燃料電池スタック１の熱を交換した後の冷却水は熱媒体排出手段９ｏから排出され、熱交換器４０５を通過した後に冷却水タンク４０３へと循環する。
【００３９】
システム制御４０６は、連系インバータ４０７と系統負荷４１１との接続点と、商用交流電力系統４０９との間に設置された受電電力センサ４０８が検出した受電電流値４１２と、燃料電池モジュールの通信コネクタ１２より得たモジュール状態信号４１５とを監視しながら、燃料ブロア流量指令４１３および冷却水ポンプ指令４１４を指令する。ここで、受電電流値４１２の増減に合わせて燃料ブロア流量指令４１３を増減すれば、燃料の増減に合わせて燃料電池モジュール内最適電流指令値が変化し、端子台１３から得られる電力が増減するため、系統負荷４１１の変化に合わせた発電システムの運転が可能となる。
【００４０】
以上述べた構成によれば、燃料電池モジュールは、最適電流発電、異常診断、絶縁機能を備えているので、システムへの燃料電池の組み込み設計が容易な発電システムを構築できる。
【００４１】
また、燃料電池モジュール１個分の燃料電池スタック１の発電電力で系統負荷４１１を賄えない場合は、用途に応じて複数台の燃料電池モジュールを組み合わせ、それぞれの端子台１３を直列または並列に接続するだけで、発電システムの出力容量を増加することができる。複数個の燃料電池モジュールを組み合わせた場合には、各々の燃料電池モジュールへ分配する燃料ガス供給がモジュール間で均一にならない可能性があるが、燃料ガスの供給量が少ない燃料電池モジュールでは自ら出力を抑制して過剰な発電運転を防ぎ、全ての燃料電池スタック１を健全な状態に保つことができるため、複数台の燃料電池モジュールを組み合わせた発電システムの長寿命化を実現できる。
【００４２】
また、複数台の燃料電池モジュールを組み合わせる場合には、例えばモジュール状態信号４１５の通信に関して、それぞれの燃料電池モジュールを、マスタ／スレーブの選択をできるようにして、システム制御４０６にはマスタを選択した燃料電池モジュールからのみ通信用の配線を接続するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１の燃料電池モジュールの概要を示す説明図。
【図２】実施例１の燃料電池モジュールの筐体内部の構成の説明図。
【図３】実施例１の燃料電池モジュールのシステム構成を示す説明図。
【図４】実施例１の燃料電池モジュールの起動および停止時の状態遷移を示す説明図。
【図５】実施例２の燃料電池モジュールの概要を示す説明図。
【図６】実施例３の燃料電池モジュールの概要を示す説明図。
【図７】実施例３の別の燃料電池モジュールの概要を示す説明図。
【図８】実施例４の発電システムの概要を示す説明図。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池スタック、２…昇圧コンバータ、３…セル状態監視基板、５Ａ、５Ｂ…端板、６…接続ケーブル、７Ｐ、７Ｎ…電極、７Ｇ…接地ライン、８ｉ…燃料供給手段、８ｏ…排ガス排出手段、９ｉ…熱媒体供給手段、９ｏ…熱媒体排出手段、１０…通信ケーブル、１１…筐体、１２…通信コネクタ、１３…端子台、１０１…電圧検出端子、１０２…温度検出器、２０１…コンバータ主回路、２０２…コンバータ制御部、２０３…通信部、２０４…コンバータ入力電流検出値、２０５…コンバータ出力電圧検出値、２０６…コンバータ制御パルス、２０７…補機電源、３０１…セル電圧検知部、３０２…スタック温度検知部、３０３…スタック状態監視部、３０４…通信部、４０１…水素製造装置、４０２…燃料ブロア、４０３…冷却水タンク、４０４…冷却水ポンプ、４０５…熱交換器、４０６…システム制御、４０７…連系インバータ、４０８…受電電力センサ、４０９…商用交流電力系統、４１０…接地線、４１１…系統負荷、４１２…受電電流値、４１３…燃料ブロア流量指令、４１４…冷却水ポンプ指令、４１５…モジュール状態信号、５０１…断熱手段、５０２…放熱フィン、５０３…通気口。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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