(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を複数の発電部に分割し、前記燃料電池を加熱及び冷却する循環水の流路を前記発電部に対応して切替可能とした燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度が所定値以下の間は、前記循環水を前記発電部の一部にのみ流して加熱し、循環水を流した前記発電部の一部の温度が所定値に到達した後は、前記発電部の一部を通過した循環水を前記発電部の他部にも流して前記発電部の一部と前記発電部の他部の両方に循環水が循環するように前記循環水の流路を切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池を複数の発電部に分割し、供給するガスの流路を前記発電部に対応して切替可能とした燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度が所定値以下の間は、前記発電部の一部で低効率発電を行う場合と前記発電部の一部を含んだ複数の前記発電部で低効率発電を行う場合とで前記発電部の発熱量が多くなる場合を選択して前記ガスの流路を切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度が所定値以上となった場合は、前記ガスの流路を前記発電部の発電効率が高くなるように切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システム、特に始動性の向上された燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種の燃料電池が開発されているが、この燃料電池から電力の供給を受ける負荷側の電力消費量は常に一定であるとは限らない。従って、負荷側の最大要求電力にあわせて燃料電池の能力を決定した場合、負荷の要求電力が少なくなると、燃料電池の発電効率が極めて悪くなり、経済性が悪化するという問題があった。
【０００３】
そこで、この問題を解決するために、燃料電池の発電部を複数に分割し、負荷側の要求電力に応じて使用する発電部の数を適宜制御する方法が考えられる。例えば、特開平４−２６２３７０号公報にも、このような技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術においては、始動時において、燃料電池をその運転温度まで昇温させる暖機を短時間で行う方法は開示されていない。運転温度までの暖機を短時間で行わないと、燃料ガスとして改質ガスを用いた場合、その中に含まれるＣＯの影響を受け、電極触媒が被毒される等の不都合が生じるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、燃料電池の始動時に運転温度までの暖機を促進でき、短時間で安定運転を実現できる燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を複数の発電部に分割し、燃料電池を加熱及び冷却する循環水の流路を発電部に対応して切替可能とした燃料電池システムであって、燃料電池の温度が所定値以下の間は、循環水を上記発電部の一部にのみ流して加熱し、循環水を流した上記発電部の一部の温度が所定値に到達した後は、発電部の一部を通過した循環水を発電部の他部にも流して上記発電部の一部と上記発電部の他部の両方に循環水が循環するように循環水の流路を切り替えることを特徴とする。
【０００７】
また、燃料電池を複数の発電部に分割し、供給するガスの流路を上記発電部に対応して切替可能とした燃料電池システムであって、燃料電池の温度が所定値以下の間は、上記発電部の一部で低効率発電を行う場合と上記発電部の一部を含んだ複数の発電部で低効率発電を行う場合とで発電部の発熱量が多くなる場合を選択してガスの流路を切り替えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が所定値以上となった場合は、ガスの流路を発電部の発電効率が高くなるように切り替えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１０】
実施形態１．
図１には、本発明に係る燃料電池システムの実施形態１の構成図が示される。図１において、燃料電池は２つの発電部１０ａ，１０ｂに分割されており、それぞれ負荷側の要求電力に応じてその起動停止が制御される。これらの発電部１０ａ，１０ｂには、これらを加熱及び冷却する循環水の流路が接続されており、それぞれの発電部１０ａ，１０ｂに対応して切り替え可能となるように弁１２、１４、１６が設けられている。この循環水流路には、ポンプ１８も設置されており、循環水はこのポンプ１８により流路を循環される。また流路中には、循環水を加熱するためのヒータ２０が設けられており、たとえばメタンを燃焼させて循環水を加熱する。さらに、循環水の流路には循環水を冷却するための冷却器２２が設けられており、発電部１０ａ，１０ｂでの発電量が増加し、発熱量が多くなった場合に循環水を冷却する。
【００１１】
次に、図１に示された本実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。図２には、燃料電池の始動時において、循環水の温度が所定値以下の低い状態で一方の発電部１０ａのみを起動する場合が示される。この場合には、弁１４を閉とし、弁１２と弁１６とにより、発電部１０ａとヒータ２０との間のみ循環水が循環するように流路を切り替える。この場合、循環水は、図２に実線で示された流路に流れており、破線で示された流路には流れていない。これにより、加熱された循環水が発電部１０ａのみに流れるので、発電部１０ａの加熱を促進でき、短時間で発電部１０ａの温度を運転温度まで到達させることができる。これは、分割された一方の発電部１０ａのみに循環水を流すことにより、加熱すべき発電部の熱容量を小さくできるためである。なお、上記の場合に、当初に循環水を流す発電部１０ａを他方の発電部１０ｂよりも小さくしておけば、そのぶん熱容量も小さくなるので、上述した加熱時間をより短縮化することができる。
【００１２】
以上のように、燃料電池の温度が所定値以下の間は、循環水の流路を一方の発電部１０ａのみに流して加熱するが、燃料電池の温度が上昇し、所定値に到達した場合には、図３に示されるように、弁１２、１４により、発電部１０ａと発電部１０ｂの両方に循環水が循環するように流路を切り替える。この場合には、発電部１０ａはすでに発電状態となっており、発熱状態となっているので、他方の発電部１０ｂに循環水を接続してもヒータ２０と発電部１０ａの熱により発電部１０ｂの暖機を短時間で行うことができる。
【００１３】
発電部１０ｂでも発電動作が開始され、発熱しはじめると、ヒータ２０による循環水の加熱は不要となるので、図４に示されるように、弁１２、１４、１６により循環水の流路を発電部１０ａ、１０ｂのみに循環するように切り替える。さらに、発電部１０ａ，１０ｂにおける発電量が増加し、発熱量も増えた場合には、循環水の冷却が必要となるので、図５に示されるように、弁１２、１４とにより循環水の流路を、発電部１０ａ，１０ｂと冷却器２２との間で循環水が循環するように切り替える。これにより、燃料電池のフル能力による運転状態となる。
【００１４】
以上のように、本実施形態においては、燃料電池を複数の発電部１０ａ，１０ｂに分割し、始動時には、発電部１０ａのみの加熱を行うので、燃料電池の始動を短時間で行うことができる。また、他方の発電部１０ｂを始動する場合には、ヒータ２０のほかに発電部１０ａによる発熱量も使用できるので、発電部１０ｂの始動も短時間で行うことができる。
【００１５】
なお、本実施形態においては、燃料電池を２つの発電部１０ａ，１０ｂに分割しているが、分割数は２つに限られるものではなく、燃料電池の用途や負荷変動の状態に応じて適宜決定することができる。
【００１６】
実施形態２．
図６（ａ）には、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図が示される。図６（ａ）において、燃料電池は２つの発電部１０ａ，１０ｂに分割されている。燃料である水素と空気とは、ガスの流路により２つの発電部１０ａ，１０ｂに供給されているが、このガスの流路には切替弁２４、２６が設けられている。この切替弁２４、２６により、発電部１０ａのみにガスを供給する場合と、発電部１０ａと発電部１０ｂの両方にガスを供給する場合が切り替えられる。
【００１７】
図６（ｂ）には、燃料電池に要求される電流と電流量に対応した燃料電池の電圧の関係が示される。図６（ｂ）においては、Ａで示される実線が発電部１０ａのみを使用した場合のものであり、Ａ＋Ｂで示される実線が両方の発電部１０ａ，１０ｂを使用した場合のものである。
【００１８】
図６（ｂ）に示されるように、電圧は要求電流が小さい間は低くなっており、電流の増加とともに電圧も高くなる。さらに一定のピークを過ぎると電流の増加とともに電圧も低下する。この場合、電圧が高いということは燃料電池の発電効率が高くなっていることを意味する。逆にいえば、電圧が低い場合には、燃料のエネルギが熱に変換され、各発電部１０ａ，１０ｂにおける発熱量が増大することを意味する。そこで、始動時において燃料電池の温度が低い時に暖機をする場合には、燃料電池の発電効率が低く、発熱量が大きい状態で運転した方が早く暖機が行える。したがって、燃料電池に要求される電流値が図６（ｂ）の横軸のαまでは２つの発電部１０ａ，１０ｂを使用して発電を行わせ、電流値が横軸のαからβの間では発電部１０ａのみで発電を行わせたほうが発熱量が大きくなるので、より暖機時間を短縮化することができる。このように、燃料電池の温度が所定値以下であり、暖機をする必要がある間は、図６（ａ）に示された切替弁２４，２６により、ガスの流路を発電部１０ａ，１０ｂの発熱量が多くなるように切り替えるのが好適である。これにより、上述したように、暖機が促進され、より短時間で通常の運転温度まで到達できるので、始動性を向上させることができる。
【００１９】
なお、暖機終了後は、図６（ｂ）に示されたより電圧（発電効率）の高い状態で運転をすることになる。
【００２０】
実施形態３．
以上に述べた実施形態１及び実施形態２の始動方法は、それぞれ単独で実施しても暖機時間を短縮する効果があるが、これらを組み合わせれば、さらに暖機時間を短縮でき、始動性を向上できる。
【００２１】
表１には、本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の説明が示される。なお、表１においては、Ａが発電部１０ａ、Ｂが発電部１０ｂをそれぞれ示している。
【表１】
0004081896.tif 000002
本実施形態においては、冷却水温度に応じて４段階に運転を切り替えることになる。なお、この場合冷却水温度ではなく燃料電池の温度を直接測定できればこれを使用するのもよい。
【００２２】
冷却水温度が第１の所定値T1より低い場合には、図２に示されるように、ヒータ２０で循環水を加熱しながら発電部１０aのみの加熱を行う。この状態で、発電部１０aの温度が発電可能温度に到達した場合には、燃料系からガス（水素と空気）を供給し、発電を開始する。
【００２３】
次に、冷却水温度が上昇し、第１の所定値Ｔ１と第２の所定値Ｔ２との間にある時には、冷却系を切り替え、循環水の流路を図３に示されるように２つの発電部１０ａと１０ｂに接続する。ただしこの場合には、発電部１０ｂの温度が十分上昇していないと考えられるので、燃料系は発電部１０ａのみにガスを供給する。
【００２４】
次に、冷却水温度がさらに上昇し、第２の所定値Ｔ２と第３の所定値Ｔ３との間にある時には、発電部１０ａと発電部１０ｂともに発電動作を行わせることができる温度になっているので、燃料系からのガスも両方の発電部１０ａ，１０ｂに供給される。この場合には、まだ暖機運転中であるので、図６（ａ），（ｂ）に示された実施形態２の場合にあたり、発電部１０ａ，１０ｂへのガスの供給は発熱量が大きくなる方の組み合わせとする。また、この場合の冷却系の状態は、図３〜図５の間のいずれかの状態が冷却水温度によって選択される。
【００２５】
さらに、冷却水温度が第３の所定値Ｔ３を超えた場合には、発電部１０ａ，１０ｂがいずれも通常運転状態となるので、冷却系及び燃料系ともに通常運転動作となる。
【００２６】
以上のようにして、冷却系及び燃料系の動作を組み合わせることにより、より短時間で燃料電池の暖機を終了することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の温度が所定値以下の場合には、循環水を燃料電池を構成する発電部の一部のみに流して加熱するので、循環水が流れる部分の熱容量を小さくでき、循環水の温度を急速に上昇させることができる。この結果、燃料電池を短時間で暖機することができ、始動性を向上できる。
【００２８】
また、燃料電池の温度が所定値以下の場合には、ガスの流路を、発電部における発電量が多くなるように切り替えるので、内部発熱量が多くなり、暖機が促進される。この結果、燃料電池の暖機を短時間で終了でき、始動性を向上することができる。
【００２９】
また、暖機終了後は、ガスの流路を燃料電池の発電効率が高くなるように切り替えるので、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る燃料電池システムの実施形態１の構成を示す図である。
【図２】  図１に示された燃料電池システムの暖機時における冷却水の流路の状態の説明図である。
【図３】  図１に示された燃料電池システムの暖機時における冷却水の流路の状態の説明図である。
【図４】  図１に示された燃料電池システムの暖機時における冷却水の流路の状態の説明図である。
【図５】  図１に示された燃料電池システムの暖機時における冷却水の流路の状態の説明図である。
【図６】  本発明に係る燃料電池システムの実施形態２の構成及び運転状態の説明図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ  発電部、１２，１４，１６  弁、１８  ポンプ、２０  ヒータ、２２  冷却器、２４，２６  切替弁。
【図１】
0004081896.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004081896.tif 000007
【図６】
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