(57)【要約】【課題】燃料電池の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路の除熱効率を高める。【解決手段】燃料電池に、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルなどを正極集電板４と負極集電板２との間に積層し、正極集電板４と負極集電板２の外側から締付板３，５で圧縮締め付けされたセル積層部１と、正極集電板４に接触する伝熱板７とを設け、セル積層部１の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路のスイッチング素子８１，９１を伝熱板７に接触させる。【選択図】図１
2008192393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、
前記集電板に接触する伝熱板と、
前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記締付板とともに前記電力変換回路を囲むケーシングを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ケーシングの内面に設けられた吸音機能および断熱機能の少なくとも一方の機能を備えた部材を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ケーシングには開口部が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電力変換回路は、チョッパ回路、インバータ回路、および、整流回路と高周波トランスとを備えた高周波インバータ回路の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記発熱部品は、半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記発熱部品は、前記伝熱板の表面に固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発熱部品に取り付けられた空冷式の冷却フィンを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記単位セルは、固体高分子形燃料電池セルであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、
前記集電板に接触する伝熱板と、
前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、
前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、
前記冷却媒体流路に冷却媒体を循環させる冷却系と、
前記酸化剤供給系、前記燃料供給系および前記冷却系を制御するシステム制御器と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記電力変換回路の電気出力をシステム内の補記電源および外部への系統出力とに分岐する配電盤と、
前記配電盤を収容する電気室区画と、
前記電気室区画を換気し、その排気の一部を前記開口部を通じて前記ケーシングに送るファンと、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記酸化剤供給系は、ブロアと、前記ブロアから前記ケーシングに延びる第１の酸化剤供給用管路と、前記ケーシングから前記酸化剤流路に延びる第２の酸化剤供給用管路と、前記第２の酸化剤供給用管路の途中に挿入された遮断弁と、を有することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記冷却系は、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと、前記冷却媒体を駆動するポンプと、前記冷却媒体を除熱する熱交換器と、前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとを備え、前記システム制御器は、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記循環ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記冷却系は前記酸化剤流路の出口での気体の温度を測定する酸化剤出口温度センサを有し、前記システム制御器はさらに前記酸化剤出口温度センサが検出した気体の温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記冷却系は、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと、前記冷却媒体を駆動するポンプと、一次側を流れる前記冷却媒体を二次側を流れる二次冷却媒体を用いて除熱する熱交換器と、前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサと、ラジエタファンによって前記二次冷却媒体を冷却するラジエタと、前記二次側冷却媒体を駆動して前記熱交換器の二次側および前記ラジエタを通って循環させる二次冷却媒体循環ポンプと、を備え、前記システム制御器は、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記二次冷却媒体循環ポンプの回転数および前記ラジエタファンの回転数の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと前記冷却媒体を除熱する除熱用熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１７】
電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと一次側を流れる前記冷却媒体を二次側を流れる二次冷却媒体を用いて除熱する熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとラジエタファンによって前記二次冷却媒体を冷却するラジエタと前記二次側冷却媒体を駆動して前記熱交換器の二次側および前記ラジエタを通って循環させる二次冷却媒体循環ポンプとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記二次冷却媒体循環ポンプの回転数および前記ラジエタファンの回転数の少なくとも一方を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電するエネルギ変換装置である。燃料はたとえば水素を含む混合ガスであり、酸化剤はたとえば空気である。この燃料電池は、高効率で環境負荷の少ない発電装置であり、性能向上、コスト低減、そして高耐久化のための研究・開発が進められている。
【０００３】
燃料電池の適用が検討されている分野は多岐にわたるが、特に活発に開発されている分野のひとつに家庭用コジェネレーションシステムがある。家庭用コジェネレーションシステムは、発電ユニットと熱利用ユニットからなり、その間は排熱回収のために温水循環ラインで結ばれている。
【０００４】
発電ユニットは、直流発電デバイスである燃料電池スタックと、燃料処理系、空気供給系、熱管理システム、電力変換器などをパッケージ内に収納したものである。燃料処理系は、都市ガスやプロパンガスなどの原燃料ガスを改質し水素リッチガスを製造して燃料電池本体の燃料極に供給する。空気供給系は、空気を燃料電池本体の酸化剤極に供給する。熱管理システムは、電池や燃料処理系の排熱を回収し熱利用ユニットに熱入力する。電力変換器は、燃料電池スタックの直流出力を電力系統に連係可能な交流に変換する。
【０００５】
燃料電池スタックは、たとえば電解質を含んだ固体高分子膜を酸化剤極（カソード）と燃料極（アノード）で挟持した単位セルを、複数積層して形成されている。燃料電池におけるエネルギ変換は、固体高分子形を例にとれば、下式に示す単位セルにおける電気化学反応である。
【０００６】
燃料極での反応    ：２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−              （１）
酸化剤極での反応  ：Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ  （２）
全反応            ：２Ｈ２  ＋  Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ              （３）
単位セルの発生電圧は、動作条件での電極における酸化還元反応のギブスエネルギに規制され、理論上の上限は１．２Ｖ程度である。さらに反応に伴う活性化分極、濃度分極、抵抗などの損失により、通常１Ｖ以下のセル電圧しか得られない。そこで、通常は、所要の電圧を得るために多数の単位セルを電気的に直列になるように積層し、両端から締め付けた積層電池として用いられる。積層電池に反応ガスや冷却水の取合いや電力の取出しタップ、計装線などを取り付けたものを燃料電池スタック（Cell Stack Assembly）と称する。
【０００７】
単位セルは、化学反応に伴うエネルギ落差（生成熱）を電気エネルギに変換する変換デバイスである。電気エネルギに変換されなかったエネルギ落差（束縛エネルギ分、分極による損失エネルギ分）は、熱となる。セルの過熱を防止すると共に、発生熱を回収してシステム内で有効に活用するため、積層電池には冷却板が挿入され、燃料電池発電システム内を循環する冷却水にセルの発生熱を移動させる。
【特許文献１】特開２００５−３４９９８０号公報
【特許文献２】特開２００２−８６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池発電システムには、コストの削減、耐久性の向上、信頼性の向上が求められている。また、家庭に設置される場合には、設置スペースが小さいこと、エネルギ利用効率が高く光熱費のメリットが出ることも求められる。
【０００９】
燃料電池発電システムの中で高コストの機器は、セル積層体である。セル積層体は単位セル、隔離板、冷却板を多数積層したものである。セル積層体の積層数を削減して低電圧・高電流で運用することは、高価な積層部品の使用量を減らすことになる。したがって、コスト削減に有力な方法である。さらに、積層数の削減は燃料電池スタックのコンパクト化の手段としても有効である。
【００１０】
しかし、積層電池のセル数を削減し大電流で運転すると、単位セルの反応面内の温度勾配が大きくなり、電池特性が悪化し、セル損傷リスクが増加する。このような悪影響は、特に放熱の大きな端部の単位セルで顕著である。また、インバータなどを用いた電力変換器の変換効率は、主回路電流が大きくなるのに伴って低下する。このため、電池の直流電力（電圧×電流）が同じでも、低電圧かつ高電流になるにしたがって、発熱が増加する。
【００１１】
このため燃料電池発電システムの積層電池を大電流低電圧化するためには、電力変換器の除熱強化が必要である。
【００１２】
たとえば特許文献１には、スイッチング素子と熱交換器を一体化し、スイッチング素子からの発熱をエアコンの熱源に用いる方法が開示されている。また、特許文献２では、暖められた水をラジエタと熱交換することで、水冷式の大型のインバータからの発熱をプロセス空気の予熱に利用する方法が開示されている。しかし、水冷システムを小規模のシステムに適用するには、パッケージサイズの制限や、補機動力の増加の点で困難を伴う。
【００１３】
そこで、本発明は、燃料電池の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路の除熱効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池において、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を循環させる冷却系と、前記酸化剤供給系、前記燃料供給系および前記冷却系を制御するシステム制御器と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと前記冷却媒体を除熱する除熱用熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第１の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第２の隔離板と前記第１および第２の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと一次側を流れる前記冷却媒体を二次側を流れる二次冷却媒体を用いて除熱する熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとラジエタファンによって前記二次冷却媒体を冷却するラジエタと前記二次側冷却媒体を駆動して前記熱交換器の二次側および前記ラジエタを通って循環させる二次冷却媒体循環ポンプとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記二次冷却媒体循環ポンプの回転数および前記ラジエタファンの回転数の少なくとも一方を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路の除熱効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。図２は、本実施の形態における単位セルの断面図である。
【００２１】
電池スタック５０は、単位セル７０を複数積層したセル積層部１を有している。
【００２２】
単位セル７０は、電解質７１と、この電解質７１を挟む一対の酸化剤極（カソード）７３および燃料極（アノード）７４を有している。電解質７１は、たとえば固体高分子膜中に保持されている。酸化剤極７３および燃料極７４は、いずれもガスを透過する導電性の多孔質材が用いられる。
【００２３】
固体高分子形の燃料電池では、たとえば１００℃以下で動作する。このため、反応を促進させるために、酸化剤極７３と電解質７１との間、および、燃料極７４と電解質７１との間に触媒７２の薄層が形成されている。触媒としては、白金触媒あるいは白金を主体とする合金触媒を用いることができる。さらに必要に応じてバインダー樹脂や親水材あるいは撥水材を触媒と混合して用いる。
【００２４】
また、単位セル７０は、酸化剤極７３および燃料極７４を挟む一対の隔離板（セパレータ）７５，７６を有している。隔離板７５，７６は、燃料ガス、酸化剤ガスなどのガスを透過しない材料で形成される、もしくは多孔質板に例えば水を含浸させてその耐泡圧（バブルプレッシャー）によってガスを隔離する方法を用いることもある。酸化剤極７３に接する隔離板７５には、空気などの酸化剤ガスが流れる酸化剤流路７７が形成されている。燃料極７４に接する隔離板７６には、水素などの燃料ガスが流れる燃料流路７８が形成されている。
【００２５】
単位セル７０は、さらに隔離板７５，７６に接する冷却板６を有している。冷却板６には、冷却材流路７９が形成されている。セル積層部１で発生した熱は、冷却材流路７９を流れる冷却媒体によって燃料電池の外部に排出されるようになっている。冷却媒体は、たとえば水である。
【００２６】
セル積層部１は、積層方向の両端で負極集電板２および正極集電板４に挟まれている。負極集電板２は、接地されている。負極集電板２と正極集電板４に挟まれたセル積層部１は、負極締付板３および正極締付板５によって挟まれている。負極締付板３および正極締付板５には、ロッド５１が貫通している。ロッド５１に取り付けられたナット５２で移動が制限された負極締付板３および正極締付板５によって、セル積層部１は締め付けられている。セル積層部１の冷却板６のうち、正極集電板４に接するものを端部冷却板６６と呼ぶこととする。
【００２７】
セル積層部１の周囲には、燃料および酸化剤のガスや冷却水を所定の流路に分配する取合部３２が設けられている。
【００２８】
また、正極締付板５の一部は貫通部を有し、その貫通部分には、正極集電板４に取り付けられた伝熱板７が配置されている。伝熱板７は、セル積層部１の反応面内における温度分布を考慮し、反応面内の低温部に近接して配置されている。
【００２９】
正極締付板５を挟んで、セル積層部１の反対側には、ケーシング１３が設けられている。ケーシング１３の内面には、吸音材１５が配設されている。吸音材１５は、断熱機能も有している。またケーシング１３には、排気ポート６１および給気ポート６２が設けられている。
【００３０】
ケーシング１３の内部には、チョッパ回路４３、インバータ回路４２が収められている。チョッパ回路４３およびインバータ回路４２は、伝熱板７に固定されている。
【００３１】
チョッパ回路４３は、スイッチング素子８１、リップル吸収用コンデンサ１１、その他の部品８２で構成されている。リップル吸収用コンデンサ１１は、負極集電板２から延びるブスバー１０、および、正極集電板４から延びる導電体９と接続されている。スイッチング素子８１は、伝熱板７の表面に熱的に接触するように固定されている。スイッチング素子８１以外の、リップル吸収用コンデンサ１１やチョッパ回路４３のその他の部品８２は、スイッチング素子８１とは隔離して設置されている。
【００３２】
インバータ回路４２は、スイッチング素子９１、およびその他の部品９２で構成されている。スイッチング素子９１は、伝熱板７の表面に熱的に接触するように固定されている。スイッチング素子９１以外の、インバータ回路４２の部品９２は、スイッチング素子９１とは隔離して設置されている。
【００３３】
チョッパ回路４３およびインバータ回路４２は、ケーシング１３の外部に設けられたスイッチング制御回路１４によって制御される。
【００３４】
ケーシング１３の外部には、交流出力端子１２が設けられている。また、伝熱板７の表面には、温度センサ１７が配設されている。
【００３５】
図３は、本実施の形態における電力変換回路の回路図である。
【００３６】
セル積層部１は、直流出力機器である。しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムは、たとえば家庭内で一般的に使用されている交流機器を動作させるとともに、電力系統とも連係して使用される。そこで、セル積層部１で発生した直流電力をシステム内で交流へ変換し、電圧、周波数および位相を調整して電力系統への接続を可能とする必要がある。こうした一切の調整機能を担うのが電力変換回路である。
【００３７】
電力変換回路は、電力変換を行う昇圧回路と直交変換回路、そしてこれらの回路の動作を制御して電圧・周波数および位相の調整を行うとともに、異常検出やシステムの制御装置との通信を司る制御回路などから構成されている。
【００３８】
昇圧と直交変換には幾つかの方式があるが、本実施の形態では、チョッパ回路４３とインバータ回路４２を組み合わせている。
【００３９】
チョッパ回路４３は、セル積層部１の発生電圧をスイッチング素子により高周波でＯＮ／ＯＦＦし、リアクトルＬ１，Ｌ２に生じるインダクタンス分をコンデンサＣ１，Ｃ２に蓄積することにより印加電圧より高い電圧を得る。電圧の上昇比はＯＮ／ＯＦＦの時間比により制御される。昇圧された電圧は、インバータ回路４２に印加される。
【００４０】
インバータ回路４２では、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６により交流周波数での極性の周期的反転と、高周波のＯＮ／ＯＦＦ時間制御であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）方式による制御波形を重畳することにより高調波を抑制した交流波形が得られる。
【００４１】
スイッチング素子にはトランジスタ（Bipolar Transistor）の他、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった半導体素子を用いてもよい。また、電力変換回路には、整流回路と高周波トランスを含む高周波インバータ回路を用いてもよい。
【００４２】
図４は、本実施の形態における電気室区画の内部を電池スタックとともに示す断面図である。図４には、空気の流れを破線の矢印であわせて示した。
【００４３】
電気室区画１８には、スイッチング制御回路１４、システム制御器１９、配電盤２０が収められ、電気室換気ファン２１が取り付けられている。電気室区画１８は、ケーシング１３と連通している。電気室換気ファン２１により吸引された外気は、給気ポート６２を経てケーシング１３内に導入され、排気ポート６１から排出される。
【００４４】
図５は、本実施の形態における冷却系のブロック図である。
【００４５】
セル積層部１を冷却するための冷却系は、一次側配管４４と二次側配管４５を有している。一次側配管４４を流れる冷却材２８と二次側配管４５を流れる冷却材は、熱交換器２３を介して熱交換する。
【００４６】
一次側配管４４を流れる冷却材２８は、一次側配管４４の途中に挿入された一次冷却材ポンプ２２で駆動されて、取合部３２を経てセル積層部１の冷却材流路７９に供給され、取合部３２を経てセル積層部１の外部に排出される。セル積層部１の外部に排出された冷却材２８は、熱交換器２３を通過した後、冷却材タンク２４に貯えられる。一次側配管４４の途中には電池出口温度センサ２５が取り付けられていて、セル積層部１の外部に排出された冷却材２８の温度が測定される。
【００４７】
二次側配管４５の途中に挿入された二次冷却材ポンプ２６によって駆動される冷却材は、二次側配管４５の途中に挿入されたラジエタ２７によって冷却される。
【００４８】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、上述の電力変換回路を含む電池スタックおよび冷却系に加えて、都市ガスやプロパンガスなどの原燃料ガスを改質し水素リッチガスを製造して燃料極７４に供給する燃料供給系や、酸化剤極７３に酸化剤として空気を供給する酸化剤供給系などを備えている。
【００４９】
次に、この燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００５０】
この燃料電池発電システムにおいて、システム制御器１９は、伝熱板７の表面温度を温度センサ１７で監視しながら、ラジエタ２７の冷却量、二次冷却材ポンプ２６および一次冷却材ポンプ２２の回転数などを制御する。
【００５１】
また、システム制御器１９は、温度センサ１７が測定した伝熱板７の表面温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。さらに、システム制御器１９は、電池出口温度センサ２５によって測定したセル積層部１から排出された一次側の冷却材の温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。このほか、一次冷却材ポンプ２２の回転数を測定したり、一次側配管４４を流れる冷却材の流量を直接測定することなどにより一次側の冷却材が適切に流れているかどうかを調べて、異常を判定してもよい。システム制御器１９は、これらの異常があるか否かに基づいて燃料電池発電システムの運転の可否を決定する。これにより、セル積層部１や電力変換回路のスイッチング素子８１，９１などの素子の温度が過度に上昇することを抑制する。
【００５２】
高速でスイッチングされるトランジスタは、Ｏｎ（飽和状態）およびＯｎ／Ｏｆｆの中間状態位置でのコレクタ損失により発熱する。発熱により半導体素子の接合部温度が上昇すると動作が不安定になり、さらには熱暴走を生じて破損にいたる場合がある。一般的には、接合部温度の上限はシリコン素子などで１５０℃ないし１７５℃程度といわれており、実用上は長期の使用に際しての信頼性を確保するため１２０℃程度まで動作温度を下げることが好ましい。
【００５３】
本実施の形態の燃料電池発電システムでは、運転中のチョッパ回路４３のスイッチング素子８１およびインバータ回路４２のスイッチング素子９１における発熱は、温度勾配に沿って伝熱板７から正極集電板４を通過して端部冷却板６６に伝わり、これらのスイッチング素子８１，９１は除熱される。また、正極集電板４に接する単位セル７０では、スイッチング素子８１，９１からの発熱により放熱が補償される。
【００５４】
スイッチング制御回路１４は、スイッチング素子８１，９１から離れた電気室区画１８内に設置されるため、スイッチング素子８１，９１から熱的に遮断されている。さらにスイッチング制御回路１４が受けるスイッチング素子８１，９１からの電磁ノイズの影響を格段に小さくできる。また、ケーシング１３および電気室区画１８の内部は、電気室換気ファン２１から導入される外気により周囲より高めに保圧されたまま、換気される。また、ケーシング１３内に気流を導入することにより伝熱板７に接していないリアクトルやコンデンサなどの他の電力変換回路を構成する部品からの放熱が促進される。
【００５５】
このようにして、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、電力変換回路の除熱効率を高めることができる。
【００５６】
さらに、スイッチング素子８１，９１、および、リアクトルなどの他の電力変換回路を構成する部品からのスイッチングノイズなどの発振音は、ケーシング１３に遮蔽され、外部への伝達が抑制される。また、運転を通じてケーシング１３の内部が保圧、換気されており、可燃性ガスの進入を防げるようになっている。さらに、ブスバー１０は接地されており、正極の端子はケーシングの内部に収納されるため、充電部が露出せず、安全性が高い。
【００５７】
また、電池スタック５０では、伝熱板７上に設けられた温度センサ１７によりスイッチング素子８１，９２と端部冷却板６６の温度をモニタし、電力変換回路およびセル積層部１の両方の過熱を監視できる。
【００５８】
図６は、本実施の形態における燃料電池発電システムの運転中の温度分布の例を示すグラフである。
【００５９】
この温度分布は、次のような燃料電池発電システムにおける例である。
【００６０】
端部冷却板６６は、冷却材流路７９の流路面積を中央部の冷却板より大きくし、約２倍の冷却水を流せるようにしたものである。スイッチング素子としてはシリコンパワートランジスタをチョッパおよびインバータにそれぞれ４個ずつ合計８個使用し、すべてのスイッチング素子を面積５０ｃｍ２の伝熱板７に固定した。伝熱板７としては金メッキを施したオーステナイト系ステンレス板（熱伝導率：１６Ｗ／ｍＫ）を用いている。伝熱板としては工業グレードのアルミ合金（熱伝導率：１９０Ｗ／ｍＫ）を用いている。素子内部熱抵抗は３．５Ｋ／Ｗ、コレクタ損失は１個あたり７．５Ｗ、触熱抵抗／絶縁板熱抵抗は０．８Ｋ／Ｗ程度である。
【００６１】
このとき、セル積層部１の端部、すなわち端部冷却板６６の温度は６５℃、スイッチング素子接合部の温度は１０３℃程度と予想され、スイッチング素子、電池セルとも適切な温度にすることができる。
【００６２】
図７は、本実施の形態における正極集電板に接する単位セル（端部セル）の電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。なお、図７には、比較のために、一般的な燃料電池における電流密度と端部セル電圧の関係を破線で示した。
【００６３】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、空気出口部の放熱が抑制された結果、端部セルのフラッディングが解消され高電流密度での特性が改善されている。
【００６４】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。
【００６５】
本実施の形態の電池スタック５０では、スイッチング素子８１，９１に放熱フィン６８が取り付けられている。
【００６６】
図９は、本実施の形態における酸化剤供給系のブロック図である。
【００６７】
酸化剤供給系は、取合部３２を介して酸化剤流路７７（図２参照）に酸化剤ガスを供給する。セル積層部１から排出される酸化剤ガスは、取合部３２を介して排気管３５に排出される。排気管３５には、排気温度センサ３４が取り付けられている。
【００６８】
酸化剤ガスである空気は、プロセス空気ブロワ２９によって吸い込まれ、第１の空気供給用管路３６を介して給気ポート６２からケーシング１３に導入される。ケーシング１３に導入された空気は、排気ポート６１から排出され、第２の空気供給用管路３７を介して取合部３２に供給される。プロセス空気ブロワ２９と給気ポート６２の間には、流量調節弁３０が挿入されている。排気ポート６１と取合部３２の間には、遮断弁３１が挿入されている。また、プロセス空気ブロワ２９からケーシング１３を経ずに取合部３２に至るバイパス管３３も設けられている。なお、遮断弁３１の下流に、加湿器を導入してもよい。
【００６９】
このような燃料電池発電システムにおいては、運転中には遮断弁３１を開け、流量調節弁３０を操作してケーシング１３の内部へのプロセス空気の導入比を調整し、スイッチング素子８１，９１を空冷する。スイッチング素子８１，９１は、ケーシング１３の内部を流れる空気と、セル積層部１の端部冷却板６６の両方から冷却される。また、ケーシング１３の内部に導入された空気は、スイッチング素子８１，９１と熱交換することによって予熱される。
【００７０】
また、停止中は遮断弁３１を閉じることにより、セル積層部１から湿分が逆流するのを防止する。ケーシング１３への分流比は、伝熱板上の温度センサ１７の測定値と排気温度センサ３４の出力を監視しながら調整することができる。あるいは、電池電流に応じて分流比を調整してもよい。
【００７１】
図１０は、本実施の形態における電池電流とプロセス空気のケーシングへの分流比のスケジュールの例を示すグラフである。
【００７２】
また、第１の実施の形態と同様に、システム制御器１９は、伝熱板７の表面温度や、セル積層部１から排出された一次側の冷却材の温度などから異常を判定する他、排気温度センサ３４が測定するセル積層部１から排気される空気の温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。システム制御器１９は、これらの異常があるか否かに基づいて燃料電池発電システムの運転の可否を決定する。これにより、セル積層部１や電力変換回路のスイッチング素子８１，９１などの素子の温度が過度に上昇することを抑制する。
【００７３】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、運転中のスイッチング素子の発熱を、セル積層部１に供給される空気などの酸化剤の予熱に用いることができる。また、スイッチング素子の発熱のうち、酸化剤の予熱に用いる分と、セル積層部１の正極集電板４に接する単位セル７０の保温に用いる分との比率を変えることが可能である。このため、単位セル７０の内部の温度分布をより細かく制御することが可能になる。
【００７４】
図１１は、本実施の形態における正極集電板に接する単位セルの場所と温度の関係を示すグラフである。なお、図１１には、比較のために、一般的な燃料電池における温度の例を破線で示した。
【００７５】
図１１に示すように、単位セル７０の内部の温度分布を、より均一化することができ、特性を安定化することができる。
【００７６】
以上述べたように、本発明に係る第１および第２の実施の形態の燃料電池発電システムでは、単位セルの数を削減して発熱が増加した場合であっても、特別の冷却ループを構成せずに電力変換回路の温度が過度に上昇することを抑制することができる。また端部に位置する燃料電池の単位セルの特性低下を抑制することができる。さらに、スイッチングノイズも削減できる。このように、燃料電池発電システムを低コスト化、コンパクト化、高効率化および静粛化することができるため、商品価値の向上に大いに寄与する。
【００７７】
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における単位セルの断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における電力変換回路の回路図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における電気室区画の内部を電池スタックとともに示す断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における冷却系のブロック図である。
【図６】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における燃料電池発電システムの運転中の温度分布の例を示すグラフである。
【図７】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態における正極集電板に接する単位セルの電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。
【図９】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態における酸化剤供給系のブロック図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態における電池電流とプロセス空気のケーシングへの分流比のスケジュールの例を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態における正極集電板に接する単位セルの場所と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１…セル積層部、２…負極集電板、３…負極締付板、４…正極集電板、５…正極締付板、６…冷却板、７…伝熱板、９…導電体、１０…ブスバー、１１…リップル吸収用コンデンサ、１２…交流出力端子、１３…ケーシング、１４…スイッチング制御回路、１５…吸音材、１７…温度センサ、１８…電気室区画、１９…システム制御器、２０…配電盤、２１…電気室換気ファン、２２…一次冷却材ポンプ、２３…熱交換器、２４…冷却材タンク、２５…電池出口温度センサ、２６…二次冷却材ポンプ、２７…ラジエタ、２８…冷却材、２９…プロセス空気ブロワ、３０…流量調節弁、３１…遮断弁、３２…取合部、３３…バイパス管、３４…排気温度センサ、３５…排気管、３６，３７…空気供給用管路、４２…インバータ回路、４３…チョッパ回路、４４…一次側配管、４５…二次側配管、５０…電池スタック、５１…ロッド、５２…ナット、６１…排気ポート、６２…給気ポート、６６…端部冷却板、６８…放熱フィン、７０…単位セル、７１…電解質、７２…触媒、７３…酸化剤極（カソード）、７４…燃料極（アノード）、７５，７６…隔離板、７７…酸化剤流路、７８…燃料流路、７９…冷却材流路、８１，９１…スイッチング素子
【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】
2008192393.tif 000010
【図９】
2008192393.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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