(57)【要約】【課題】水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置において、電力変換装置内の半導体素子の、外気温度の上昇に伴う過昇温を防止しつつも、発電を停止せずに運転を継続でき、長期的にみてより効率的な運転をすることが可能な発電装置の運転方法を提供する。【解決手段】半導体素子の冷却体または半導体素子の冷却水の温度を計測し、この計測値が、所定の上限設定値（出力低減温度設定値）に到達した際に、燃料電池の出力電力を所定の値低減する。また、燃料電池の出力電力を低減した後、前記温度計測値が、所定の下限設定値（出力低減解除設定値）に到達した際に、燃料電池の出力電力の低減を解除し、再度、低減前の出力電力で燃料電池を運転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池で発電された直流出力電力を、直流または交流に電力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た燃料電池発電装置の運転方法において、
前記半導体素子の冷却体または半導体素子の冷却水の温度を計測し、この計測値が、所定の上限設定値に到達した際に、前記燃料電池の出力電力を所定の値低減することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記燃料電池の出力電力を低減した後、前記温度計測値が、所定の下限設定値に到達した際に、前記燃料電池の出力電力の低減を解除し、再度、低減前の出力電力で燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の運転方法において、前記電力変換装置の出力電力が減少した際に、当該出力電力の減少値に基づき、前記上限設定値を増大して更新した設定値とすることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池で発電された直流出力電力を、直流または交流に電力変換する水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置の運転方法、特に、前記水冷式半導体素子の過昇温防止に関わる運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、実用されている燃料電池のタイプとしては、天然ガスを改質した二酸化炭素を含むガスを精製せずにそのまま使用できる等の利点を持っているリン酸高濃度水溶液を電解質として用いたリン酸型燃料電池や、高分子電解質膜を用い比較的低温度で作動する固体高分子型燃料電池等が知られている。
【０００３】
例えば、上記リン酸型燃料電池は、メタンガス等の原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行う。原燃料を燃料ガスに改質するには、原燃料としてのメタンに水蒸気を加えて、水とメタンとの反応を触媒で促進して行う燃料改質装置が用いられる（特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、燃料電池の出力は、電圧垂下特性をもつ直流出力である。この直流出力電力は、燃料電池に供給する燃料ガスとの協調を取り制御する必要がある。通常は、これらの電圧垂下特性を補正し、また、その出力を調整するために直流又は交流に変換する半導体電力変換装置を備えている。
【０００５】
例えば、燃料電池の直流出力を交流に変換するインバータは、直交変換の損失分が内部発熱するため、変換素子の冷却が必要であり、インバータの冷却方法としては、通常、環境要因に比較的左右されない水冷式が採用されている。水冷式インバータの発熱量は、燃料電池における生成水回収水の除熱量の１割程度であることから、例えば、生成水回収器装置用冷却設備を水冷式インバータの冷却と兼用して、中間熱交換器によりインバータ冷却用の二次冷却水を冷却することにより、システム全体を簡素化する方法が採用されている（特許文献２参照）。
【０００６】
図４は、上記インバータの冷却系を含む回収水の冷却システムの従来システムの一例であって、特許文献２に開示された図を示す。図４において、燃料電池１は、模式的に示され、図示しないリン酸電解質層を挟持する燃料極２１と空気極３１と、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される、図示しない冷却管を有する冷却板とから構成される。
【０００７】
また、図４に示す生成水回収装置４１は、燃料電池１における反応空気オフガス中に含まれる水分（発電生成水）や改質装置７１におけるバーナの燃焼排ガス中に含まれる水分（燃焼生成水）を、それぞれ、ライン１５および１８を介して生成水回収装置４１に導入して凝縮させて回収するための装置であり、この回収水は、水蒸気改質用の補給水として用いる。この生成水回収装置４１の下方には、回収水４１ｃを収容する回収タンク４１ａを有し、この回収タンクに連通してオーバーフロー管４１ｄを備え、さらに、ノズルの下方に、冷却水直接接触式凝縮器４１ｂを備えている。
【０００８】
前記回収タンク４１ａ内の回収水４１ｃは、回収水循環ポンプ４２により、空気式冷却器５５の冷却管５６に通流して冷却され、さらに、中間熱交換器５８を経て、生成水回収装置４１に還流する。この中間熱交換器５８には、インバータ７０の変換素子冷却用の二次冷却水がポンプ７２によって通流される。なお、図４において、６０は回収水循環ライン、６０ａは空気冷却器への回収水導入ライン、６０ｂは生成水回収装置への戻りライン、５４は空気式冷却器用の冷却ファンである。
【０００９】
次に、図３について述べる。図３は、インバータの冷却系に着目し、その他の系については、説明の便宜上簡略化した、燃料電池発電装置の模式的システム系統図である。図３において、１は燃料電池、２は半導体電力変換装置、３は電力負荷、４は電力変換装置における半導体素子冷却水の冷却装置、５は半導体素子の冷却体、６Ａは冷却体温度の温度検出点、６Ｂは冷却水温度の温度検出点を示す。
【００１０】
図３において、燃料電池１の出力は半導体電力変換装置２、例えば、インバータで交流に変換されて電力負荷３に供給される。半導体電力変換装置２内の半導体素子は、冷却体５を介して冷却水によって冷却される。前記半導体素子から熱を奪つて温められた冷却水は、冷却装置４にて外気により冷却される。
【００１１】
ところで、前述のような空冷式冷却器と水冷インバータを備える従来の燃料電池発電装置においては、以下のような問題があった。
【００１２】
空冷式冷却器の冷却能力が、外気温上昇により不足した場合、冷却水の戻り温度が上昇することになる。一方、インバータの冷却方式として水冷式を採用する場合、インバータの半導体素子の過熱を防止するためには、その冷却水入口温度は、所定温度、例えば４５℃程度以下に保つ必要がある。
【００１３】
そのため、空冷式冷却器の冷却能力が不足した場合、インバータの半導体素子の冷却が不十分となり、半導体素子はダメージを受ける。そのため、従来は、例えば夏場の日中等の一時的な外気温の上昇、それに伴う冷却水の温度上昇により冷却水又は冷却体の温度が温度上限に達した場合、燃料電池発電装置の運転を、一時停止し、半導体素子の保護を行つている。なお、前記冷却水又は冷却体の温度上限値は、半導体素子の規定の動作温度上限値に基づいて、予め設計および実験上求めた温度上限値である。
【００１４】
図２は、上記のような従来の半導体素子の保護動作を説明する燃料電池発電装置の運転方法を模式的に示す。図２の上段は冷却水又は冷却体温度ならびに外気温度の時間経過モードを示し、下段は、燃料電池出力の時間経過モードを示す。本図は、冷却水又は冷却体温度が上昇し、半導体素子保護のための保護設定値に到達した際に、燃料電池発電装置は停止され、停止後は、冷却水又は冷却体温度が外気温度まで低下していく様子を模式的に示している。
【特許文献１】特開平１０−６４５６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３０６号公報（第３−４頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、燃料電池発電装置の稼動時間をできる限り延ばし、長期的にみて効率的な運転を行うためには、前述のように、燃料電池発電装置の運転を一時停止することは好ましくない。
【００１６】
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、半導体電力変換装置内の半導体素子の、外気温度の上昇に伴う過昇温を防止しつつも、発電を停止せずに運転を継続することが可能な燃料電池発電装置の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題は、以下により達成される。即ち、請求項１の発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池で発電された直流出力電力を、直流または交流に電力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た燃料電池発電装置の運転方法において、前記半導体素子の冷却体または半導体素子の冷却水の温度を計測し、この計測値が、所定の上限設定値に到達した際に、前記燃料電池の出力電力を所定の値低減することを特徴とすることを特徴とする。
【００１８】
前記運転方法によれば、夏場に外気温度が上昇し、前記上限設定値、即ち半導体素子の保護設定値に達した時点で、発電装置の発電量を低下させることにより、半導体素子の発熱量が減少し、これにより冷却体または冷却水の温度も低下する。従って、半導体素子の温度保護設定値を超えることなく、安全に運転を継続することが可能となる。
【００１９】
上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の運転方法において、前記燃料電池の出力電力を低減した後、前記温度計測値が、所定の下限設定値に到達した際に、前記燃料電池の出力電力の低減を解除し、再度、低減前の出力電力で燃料電池を運転することを特徴とする（請求項２）。
【００２０】
上記によれば、一旦、燃料電池の出力を低下させた後に外気温が低下し、冷却体または冷却水の温度が十分下がったことを確認した後に出力を再び上昇することにより、より高い出力での運転を継続させることができる。
【００２１】
また、請求項１または２に記載の運転方法において、前記電力変換装置の出力電力が減少した際に、当該出力電力の減少値に基づき、前記上限設定値を増大して更新した設定値とすることを特徴とする（請求項３）。これにより、定格最大電流時の条件から求めた冷却体または冷却水温度の上限設定値に基づく不要な保護動作を回避することができる。従って、より高い出力での運転を継続させることができ、長期的にみてより効率的な運転を行うようにすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置において、電力変換装置内の半導体素子の、外気温度の上昇に伴う過昇温を防止しつつも、発電を停止せずに運転を継続でき、長期的にみてより効率的な運転をすることが可能な発電装置の運転方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は、従来の図２に対応する本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置の運転方法を模式的に示す。
【００２４】
図２と同様に、図１の上段には冷却水又は冷却体温度ならびに外気温度の時間経過モードを示し、下段には、燃料電池出力の時間経過モードを示す。図１の場合、半導体素子の冷却体または半導体素子の冷却水の温度（図２の６Ａまたは６Ｂ）を計測し、この計測値が、所定の上限設定値（図１の出力低減温度設定値）に到達した際に、前記燃料電池の出力電力を所定の値低減する。また、上記のように、燃料電池の出力電力を低減した後、前記温度計測値が、所定の下限設定値（図１の出力低減解除設定値）に到達した際に、前記燃料電池の出力電力の低減を解除し、再度、低減前の出力電力で燃料電池を運転する。
【００２５】
上記において、例えば、冷却水温度（図２の６Ｂ）の上限設定値は、６０℃であり、燃料電池の出力は、１００ｋＷ定格機の場合４０ｋＷに低減する。また、冷却水温度の下限設定値は、４５℃である。
【００２６】
さらに、図１における出力低減温度設定値（上限設定値）は、電力変換装置の出力電力が減少した際には、この出力電力の減少値に基づき、前記上限設定値を増大して更新した設定値とする。例えば、１００ｋＷ定格出力時の場合、上限設定値６０℃において、４０ｋＷ出力時には、上限設定値を７５℃とする。
【００２７】
上記運転方法によれば、電力変換装置内の半導体素子の、外気温度の上昇に伴う過昇温を防止しつつも、発電を停止せずに運転を継続でき、長期的にみてより効率的な運転とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施形態に関わる燃料電池発電装置の運転方法の模式図。
【図２】従来の燃料電池発電装置の運転方法の模式図。
【図３】インバータの冷却系に着目した燃料電池発電装置の模式的システム系統図。
【図４】特許文献２に開示された燃料電池発電装置のシステム構成図。
【符号の説明】
【００２９】
１    燃料電池
２    半導体電力変換装置
３    電力負荷
４    冷却装置
５    冷却体
６Ａ    温度検出点（冷却体温度）
６Ｂ    温度検出点（冷却水温度）
７    循環ポンプ
【図１】
2005158314.tif 000003
【図２】
2005158314.tif 000004
【図３】
2005158314.tif 000005
【図４】
2005158314.tif 000006