(57)【要約】【課題】  出力変動による燃料電池の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性向上を図る。【解決手段】  燃料供給と酸化剤供給とを受けて電力を出力する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御ユニット５０と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御ユニット５０は、前記燃料電池の運転履歴に基づいて出力電圧の変動回数を制限する。すなわち、前記燃料電池の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段５２と、該運転履歴記憶手段５２に記憶された運転履歴に応じて前記出力電圧の変動回数を制限する変動回数制限手段５３と、該変動回数制限手段５３により制限される前記変動回数と外部からの要求出力とに基づいて前記燃料電池の出力を制御する出力設定部５１とを備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、出力電圧の変動回数を制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段と、該運転履歴記憶手段に記憶された運転履歴に応じて前記出力の変動回数を制限する変動回数制限手段と、該変動回数制限手段により制限される前記変動回数と外部からの要求出力とに基づいて前記燃料電池の出力目標値を設定する出力設定部と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記運転履歴記憶手段に記憶される運転履歴は、少なくとも前記出力の累積変動回数を含むものであり、
前記変動回数制限手段は、前記累積変動回数が大きくなるほど、前記変動回数の制限値を小さくすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
所定の場合に、前記累積変動回数を所定の値に変更する変動回数変更手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記変動回数制限手段は、外部からの要求出力が所定値よりも高くなる時間帯にのみ前記出力の上昇変動を許可し、他の時間帯では前記出力の変動を制限することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする燃料電池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、燃料電池システムとその運転方法に関し、特に、燃料電池の耐久性を向上するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、出力電圧の変動、例えば定格出力と１／２〜１／４定格出力との切り替え（出力変動）を頻繁に行うと、燃料電池の耐久寿命が低下する。この耐久寿命の低下は、燃料電池が備える膜‐電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ。）における電解質膜の含水量が変化し、電解質膜が膨張と収縮を繰返すことにより化学的に劣化するために生ずる。また、触媒の活性低下（溶出、凝集）が生じ、これによっても耐久性が低下する。
【特許文献１】特開２００４−１０３３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の発明者らによる研究の結果、燃料電池の上記耐久寿命の低下は、累積運転時間と出力変動の回数とに依存することが分かっている。これは、一定出力による定常運転での累積運転時間の増加に伴う性能低下に、出力変動による性能低下が上乗せされるからである。特許文献１には、燃料電池の出力に固定的な上限値を設ける技術が記載されているが、当該技術においては上限値が固定であるため、劣化が進んだ場合でも、そのままのスピードで劣化が進むおそれがある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上することができる燃料電池システムとその運転方法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】
【０００５】
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴に基づいて、前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、燃料電池の出力に固定的な上限値が設けられるのではなく、出力変動を許可される回数に制限が設けられる。よって、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができる。「単位時間あたり」とは、例えば１日あたり、所定時間あたり等、適宜の時間間隔に設定することが可能である。
【０００７】
前記制御装置は、出力電圧の変動回数を制限するようにしてもよい。
【０００８】
前記制御装置は、前記燃料電池の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段と、該運転履歴記憶手段に記憶された運転履歴に応じて前記出力の変動回数を制限する変動回数制限手段と、該変動回数制限手段により制限される前記変動回数と外部からの要求出力とに基づいて前記燃料電池の出力目標値を設定する出力設定部と、を備えた構成としてもよい。
【０００９】
このような構成によれば、燃料電池の運転履歴、例えば出力の累積変動回数に基づいて、耐久寿命を判定する。耐久寿命が基準よりも短い場合に、変動回数制限手段により燃料電池の変動回数を制限し、これにより耐久寿命を確保する。
【００１０】
前記運転履歴記憶手段に記憶される運転履歴は、少なくとも前記出力の累積変動回数を含むものであり、前記変動回数制限手段は、前記累積変動回数が大きくなるほど、前記変動回数の制限値（言い換えれば、上限値）を小さくする構成としてもよい。
【００１１】
燃料電池の運転を続けるにしたがって、出力の累積変動回数は増加し、これによって燃料電池の劣化が進んで寿命が低下するところ、上記構成によれば、累積変動回数が増加するに従い、単位時間あたりに許容される出力の変動回数が減る。例えば、出力の変動回数を一日あたり２回から１回に減らす。
【００１２】
なお、燃料電池の運転条件にもよるが、累積変動回数と累積運転時間との間に所定の相関（複合的な関係）を有する場合があるので、累積変動回数に応じて小さくした制限値を累積運転時間に応じて補正してもよい。
【００１３】
所定の場合に、前記累積変動回数を所定の値に変更する変動回数変更手段を備えてもよい。
【００１４】
例えば燃料電池のメンテナンスを行った場合（所定の場合）は耐久寿命が延びるため、上記構成によれば、運転履歴記憶手段に記憶された出力の累積変動回数を初期化する（所定の値に戻す）ことにより、不要な出力制限が回避される。また、累積変動回数を初期化するだけでなく、累積変動回数に応じて所定の値に戻してもよい。
【００１５】
なお、運転履歴記憶手段が累積変動回数だけでなく累積運転時間をも記憶可能に構成されている場合には、累積変動回数を累積変動回数又は／及び累積運転時間に応じて所定の値に戻すようにしてもよい。
【００１６】
前記変動回数制限手段は、外部からの要求出力が所定値よりも高くなる時間帯にのみ前記出力の上昇変動を許可し、他の時間帯では前記出力の変動を制限する構成としてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、例えば計時手段を設け、例えば朝夕などのように消費電力が大きくなるために、定格発電が必要な時間帯を過去の運転履歴に基づいて判定する。これにより、燃料電池システムの使用環境に応じて最適な制限パターンを得ることができる。
【００１８】
この場合、出力要求が高い時間帯に優先順位を高く設定し、出力の累積変動回数が大きくなるほど、前記優先順位に従って変動回数の制限を厳しくしてもよい。すなわち、寿命が低下した場合は、優先順位が低い時間帯においても出力の上昇変動を制限するようにしてもよい。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料供給と酸化剤供給とを受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池の運転履歴に基づいて前記出力の単位時間あたりの変動回数を制限することを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、燃料電池の耐久寿命が短くなる可能性がある場合や劣化が進んだ場合に、単位時間あたりの出力変動を所定回数までに制限することが可能となる。「単位時間あたり」とは、例えば１日あたり、所定時間あたり等、適宜の時間間隔に設定することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、出力変動による燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上することができる。また、燃料電池の劣化が進んだ場合には、出力変動の制限を厳しくすることにより、より一層効果的に耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。本実施形態における燃料電池システムは、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムとして適用された例である。ただし、本発明の燃料電池システムは、このような適用例に限らず、車両、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用が可能である。
また、本実施形態では、酸化剤、燃料として、それぞれガス状態の酸化ガス、燃料ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料としてメタノール等の液体状態のものも使用できる。さらにまた、本実施形態では、酸化ガスとして空気を使用しており、燃料ガスとして改質ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料ガスとして水素ガス、水素含有ガス等を使用してもよい。
【００２３】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、エアポンプ，エアフィルタ等からなるスタックエアー供給系１から加湿器２により加湿された後、燃料電池（ＦＣスタック）２０に供給される。燃料電池２０から排出される空気オフガス（残エアー）は、第１凝縮器１１により水回収された後、排気される。
【００２４】
他方、燃料電池２０に供給される燃料ガスとしての改質ガス（水素含有ガス）は、改質器３０の改質部３２に原燃料ガスとして供給される都市ガス（１３Ａ等）が該改質部３２にて水素を含むガスに変換された後、同改質器３０のシフト部３３とＣＯ浄化部３４を経て生成される。燃料電池２０からの改質ガスオフガス（残ガス）は、第２凝縮器１２で水回収された後、改質器３０の燃焼部３１に導入されて燃焼し、改質反応の熱源として利用される。この燃焼排ガスは、第３凝縮器１３で水回収された後、排気される。
【００２５】
また燃料電池２０には、スタック冷却水が循環され、このスタック冷却水が発電に伴う熱を吸収し、吸収された熱が熱交換器４０に伝えられる。
【００２６】
第１凝縮器１１〜第３凝縮器１３および熱交換器４０には、貯湯タンク１５からの貯湯水が循環され、それぞれからの熱量を吸収し、貯湯タンク１５内に貯湯水が貯められる。この貯湯水は、給湯に利用される。第１凝縮器１１〜第３凝縮器１３で得られる回収水は、図１中の破線で示すように、改質水供給系３６に戻されて改質器３０での改質反応に利用される。
【００２７】
燃料電池２０で発電された電気出力は直流である為、インバータ２１で交流に変換されて出力される。燃料電池２０は、単セルを所要数積層した燃料電池スタック（ＦＣスタック）として構成されている。単セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有している。セパレータは、ガス不透過の導電性材料よりなり、ＭＥＡ側に対向する面には、酸化ガスまたは燃料ガスのガス流路が形成されている。
【００２８】
ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極とで構成されている。電極は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極には、空気などの酸化ガスが供給され、他方の電極には、改質ガスなどの燃料ガスが供給される。
【００２９】
この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、燃料電池２０が発生した電力は、建物（住宅、ビル等）に対して給電される。
【００３０】
制御ユニット５０は、図示しない外部からの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（図示略）から制御情報を受け取り、システム各部の運転を制御する。なお、制御ユニット５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００３１】
図２に制御ユニット５０のブロック図を示した。制御ユニット５０は、燃料電池２０に対する出力目標値を設定する出力設定部５１と、燃料電池２０の運転履歴が記憶される運転履歴記憶手段５２と、運転履歴記憶手段５２に記憶された燃料電池２０の運転履歴に応じて、出力電圧の変動回数を制限する変動回数制限手段５３と、出力電圧の累積変動回数を所定の値に変更する変動回数変更手段５４と、外部からの要求出力が高くなる時間帯を推定する高負荷時間帯推定手段５５と、を備える。
【００３２】
出力設定部５１は、変動回数制限手段５３により制限される変動回数と、外部からの要求出力とに基づいて、燃料電池２０の出力目標値を設定する。具体的には、燃料電池２０の発電量を第１所定出力と、これより低い第２所定出力のいずれかに切り替える。この切り替えを出力変動と呼ぶ。例えば、第１所定出力を１ｋＷの定格出力とし、第２所定出力を１／２〜１／４定格出力とすることができる。
【００３３】
運転履歴記憶手段５２は、燃料電池２０の出力電圧の累積変動回数、すなわち第２所定出力から第１所定出力への切り替え、あるいはその逆の切り替え回数の累計、及び累積運転時間が記憶される。
【００３４】
変動回数制限手段５３は、運転履歴記憶手段５２によって記憶された累積変動回数に基づいて、一日あたりに許容する出力電圧の変動回数を求める。図３に示した一日あたりの変動回数と耐久寿命との相関関係に基づいて、耐久寿命を算出する。なお、図３に示した相関は、予め変動回数制限手段５３に与えられている。
【００３５】
耐久寿命が基準よりも短い（例えば１０，０００時間以下）と判定された場合、１日あたりの変動回数を抑えた制御（制限モード）に切り替え、最終的な寿命が長くなるようにする。例えば、２５，０００時間程度の寿命となるようにする。詳細には、変動回数制限手段５３が出力設定部５１による燃料電池２０の発電を以下のような制限モードに切り替える。
【００３６】
制限モード時には、例えば１ｋｗ定格出力（第１所定出力）への出力変動を、朝に一回、夜に一回に制限した制限パターンで出力電圧が制御される。これを図４に示した。図の例では、符号Ａで示したものが燃料電池を設置された住宅における消費電力の一例、符号Ｂが制限パターンである。
【００３７】
制限パターンでは、消費電力が大きくなる時間帯である朝と夜に、それぞれ一度だけ１ｋＷ（第１所定出力）の定格発電を行い、それ以外の時間では第２所定出力である１／２〜１／４定格出力（２５０〜５００Ｗ）で発電を行う。なお、夜間は停止状態とする。この制限パターンは、予め設定されたパターンでもよいが、以下のように、運転パターンの履歴に基づいて自動的に設定することができる。
【００３８】
計時手段を備える高負荷時間帯推定手段５５が、消費電力が大きくなり、定格発電が必要な時間帯（高出力要求時間帯）を過去の発電履歴または消費電力に基づいて判定する。図４の例では朝と夜に消費電力が増加しているが、設置環境によっては図４の消費電力パターンと異なる場合がある。本例のように高負荷時間帯推定手段５５が高出力要求時間帯を推定することにより、燃料電池システムの使用環境に応じて最適な制御パターンを得ることができる。
【００３９】
運転を続けるにしたがって出力電圧の累積変動回数または燃料電池２０の累積運転時間は増加し、これによって燃料電池２０の劣化が進み、寿命が低下する。このため、変動回数制限手段５３は、寿命が低下した場合に更に変動回数の制限を厳しくする。例えば図４の制限パターンでは、定格出力は一日あたり２回許可されるが、これを１回に減らす。
【００４０】
これを実現するために、上記高負荷時間帯推定手段５５は、高出力が要求される高出力要求時間帯に優先順位を高く設定し、寿命が低下した場合は、定格出力の優先順位が低い高出力要求時間帯についても定格出力を制限する。なお、制限パターンを超える電力（制限パターンの斜線部を超える消費電力部分）は、別途給電される商用電力により賄われる。
【００４１】
燃料電池２０のメンテナンスを行った場合は、燃料電池２０の耐久寿命が延びるため、運転履歴記憶手段５２に記憶された出力電圧の累積変動回数および累積運転時間を変動回数変更手段５４によって初期化する、または所定の値に戻す。かかる初期化を実施する、または所定値に戻すことにより、不要な出力電圧の制限は回避される。なお、累積変動回数は、累積変動回数又は／及び累積運転時間に応じて所定の値に戻すようにしてもよい。
【００４２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、出力変動による燃料電池２０の劣化を抑制することができ、燃料電池２０の耐久性を向上することができる。特に、燃料電池２０の劣化が進んだ場合には、変動回数の制限を厳しくすることにより、より一層効果的に耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】同燃料電池システムが備える制御ユニットの構成を示したブロック図である。
【図３】一日あたりの出力電圧の変動回数と耐久寿命との相関関係を示した図である。
【図４】燃料電池が設置された家庭における消費電力の一例及び燃料電池の発電パターン（制限パターン）について示した図である。
【符号の説明】
【００４４】
２０…燃料電池、５０…制御ユニット、５１…出力設定部、５２…運転履歴記憶手段、５３…変動回数制限手段、５４…変動回数変更手段、５５…高負荷時間帯推定手段、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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