JP5721825B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統電源からの電力供給がない場合でも、起動が可能な燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、この燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池セルは、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができるように構成されている。

ところで次世代エネルギーとして期待される燃料電池装置において、燃料電池モジュールに燃料ガスや酸素含有ガスなどを供給するためのポンプ等の補機の多くは電力により稼働する電動式である。従って、例えば、系統電源の停電時において、燃料電池装置の運転が一旦停止すると、その後、停電が回復するまで、燃料電池装置の起動ができないという問題があった。

このため、従来、停止していた燃料電池装置を系統電源の停電時に起動させる際には、例えば大容量の蓄電池を用い、全ての補機に電力を供給して稼働させ起動していた（例えば、特許文献２、３、４参照）。

特開２００７−５９３７７号公報 特開２００７−２０７６６１号公報 特開２００８−２２６５０号公報 特開２００８−２６９９０８号公報

しかしながら、上記した特許文献２〜４に記載された燃料電池装置では、全ての補機に電力を供給して稼働させていたため、大容量の蓄電池を用いて起動する必要があり、燃料電池装置が大型化し、また燃料電池装置のコストが高くなるという問題があった。

本発明は、系統電源からの電力供給がない場合でも、起動が可能な小型で安価な燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、系統電源に連系し、外装ケース内に収納された燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、該燃料電池の発電に用いる複数の補機と、蓄電池と、該蓄電池から前記複数の補機へのそれぞれの電力供給を切り替える補機電力切替器と、該補機電力切替器を制御する制御装置とを具備し、該制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記複数の補機について、前記燃料電池の起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判別し、前記起動に必要な補機に対し、前記蓄電池から電力を供給するように前記補機電力切替器を制御するとともに、前記蓄電池を用いて前記燃料電池装置を起動する際の前記燃料電池の発電開始温度が、前記系統電源を用いて前記燃料電池装置を起動する際の前記燃料電池の発電開始温度よりも低く設定されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置では、停止している燃料電池装置を系統電源の停電時に起動する場合には、大容量の蓄電池が不要となり、小型の蓄電池で起動することができ、系統電源からの電力供給がない場合でも起動が可能な小型で安価な燃料電池装置を提供することができる。

発電ユニットと貯湯ユニットとを備える燃料電池システムの一形態を示す構成図である。 燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。 図２に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池装置を概略的に示す分解斜視図である。

図１は、燃料電池装置を備える燃料電池システムの一形態を示す構成図である。なお、図１においては、燃料電池装置として固体酸化物形の燃料電池を用いる場合を示しており、以降の説明においては、燃料電池として固体酸化物形の燃料電池を例示して説明する。なお、燃料電池セルとして固体高分子形の燃料電池を用いた燃料電池装置とすることもでき、その場合、固体高分子形の燃料電池にあわせて、適宜燃料電池装置の構成を変更すればよい。

図１に示す燃料電池システムは、燃料電池装置からなる発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管１５とから構成されている。発電ユニット、貯湯ユニットを、それぞれを図１に一点鎖線で囲って示す。

図１に示す燃料電池装置である発電ユニットは、セルスタック５、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置１、セルスタック５に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置２、原燃料と酸素含有ガスまたは水蒸気とにより原燃料を改質する改質器３を備えている。原燃料供給装置１は電動式のポンプを具備し、このポンプで原燃料、例えば、都市ガス、プロパンガス等を改質器３に供給している。酸素含有ガス供給装置２は電動式のブロアを具備し、このブロアで酸素含有ガス、例えば空気をセルスタック５に供給している。

酸素含有ガス供給装置２と改質器３およびセルスタック５との間には、弁２０が設けられている。なお、後述するが、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで、図２、３に示すような燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある）が構成されている。図１においては、モジュール４を二点鎖線により囲って示している。

また、図１に示す発電ユニットにおいては、熱交換器８で生成された凝縮水を処理するための凝縮水処理装置９と、凝縮水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。発電ユニットの熱交換器８と貯湯ユニットの貯湯タンク１６との間は、水を循環させる循環配管１５とで接続されている。熱交換器８では、発電ユニットのセルスタック５の発電により生じた排ガス（排熱）と、貯湯ユニットの水との間で熱交換を行なうように構成されている。

なお、熱交換器８での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置９を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置９が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク１１を設けない構成とすることもできる。

水タンク１１と改質器３とは水供給管１３により接続されており、この水供給管１３には水供給装置である水ポンプ１２が設けられており、水タンク１１に貯水された水は水ポンプ１２により改質器３に供給されるように構成されている。

さらに図１に示す発電ユニットには、補機として、パワーコンディショナ（供給電力調整部）６、パワーコンディショナ６の換気ファン（図示せず）、原燃料供給装置１のポンプ（図示せず）、酸素含有ガス供給装置２のブロア（図示せず）のほか、制御装置７、収納容器２２内の各種センサ、循環配管１５内の水を循環させる循環ポンプ１７、後述する図４に示す燃料電池装置４６の外装板４９の排気口５３に設けられた換気ファン（図示せず）、出口水温センサ１４、後述する着火装置等が設けられている。

パワーコンディショナ６は、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電力を外部の負荷に供給する量を調整するものである。出口水温センサ１４は、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定する。

そして、一点鎖線で囲った発電ユニットを外装ケース内に収納するとともに、一点鎖線で囲った範囲の発電ユニットのうち、二点鎖線で囲った範囲を除くものは、補機として、後述する外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置４６とすることができる。さらに、燃料電池装置４６は、図１に示したように、蓄電池Ｂを具備している。この蓄電池Ｂは、例えば、車両用のバッテリー、二次電池、乾電池等の少なくとも一つから構成されている。特に、小型で、安価な乾電池からなることが望ましい。

蓄電池Ｂは制御装置７に接続されており、この制御装置７は、停止していた燃料電池装置を系統電源の停電時において起動する際に、複数の補機について、燃料電池装置の起動に必要な補機と、起動に不要な補機とにそれぞれ判別し、起動に必要な補機に対し、蓄電池Ｂから電力を供給するように制御する。すなわち、制御装置７は、蓄電池Ｂから上記それぞれの補機への電力供給をＯＮ・ＯＦＦに切り替える補機電力切替器５７に接続されており、制御装置７は、蓄電池Ｂからの電力を、制御装置７にて電力供給必要とされた補機にのみ供給するように補機電力切替器５７を制御している。この補機電力切替器５７は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により構成されている。

図２、図３は、燃料電池装置を構成するモジュール４の一形態を示し、図２はモジュール４を示す外観斜視図であり、図３は図２に示すモジュール４の断面図である。

図２に示すモジュール４においては、収納容器２２の内部に、複数の柱状の燃料電池セル２３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でガスタンク２４に固定してなるセルスタック５を２つ備えるセルスタック装置２１を収納している。セルスタック５は、複数の燃料電池セル２３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２３間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。燃料電池セル２３は、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有している。

なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル２３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図２においては、セルスタック装置２１が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。

また、収納容器２２には、後述する燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させるための手動式の第２の着火装置３０および電動式の第１の着火装置３１、モジュール４内の温度を測定するための熱電対３２が設けられている。

また、図２においては、燃料電池セル２３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２３を例示している。なお、燃料電池セル２３においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもできる。この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール４の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セル２３は中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２２の形状を適宜変更することが好ましい。

また、図２に示すモジュール４においては、燃料電池セル２３の発電で使用する燃料ガスを得るために、改質器３をセルスタック５の上方に配置している。この改質器３に、原燃料供給管２８を介して都市ガス等の原燃料を供給し、改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成する。

また、改質器３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質と、部分酸化改質とを行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部２６と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２５とを備えている。

改質触媒としては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質も可能な燃焼触媒を用いることができる。

そして、図２に示すように、改質器３で生成された燃料ガス（水素含有ガス）は、燃料ガス流通管２７を介してガスタンク２４に供給され、ガスタンク２４より燃料電池セル２３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置２１の構成は、燃料電池セル２３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置２１に改質器３を含むこともできる。

また図２においては、収納容器２２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置２１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示したモジュール４においては、セルスタック装置２１を、収納容器２２内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器２２の内部には、酸素含有ガスが燃料電池セル２３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、空気等の酸素含有ガス（反応ガス）を供給するための反応ガス導入部材２９が配置されている。この反応ガス導入部材２９は、ガスタンク２４に並置されたセルスタック５の間に配置されている。

図３に示すように、モジュール４を構成する収納容器２２は、内壁３３と外壁３４とを有する二重構造で、外壁３４により収納容器２２の外枠が形成されるとともに、内壁３３によりセルスタック装置２１を収納する発電室３５が形成されている。さらに収納容器２２においては、内壁３３と外壁３４との間を、燃料電池セル２３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路４０としている。

ここで、収納容器２２内には、反応ガス導入部材２９が、内壁３３を貫通して挿入されて固定されている。反応ガス導入部材２９は、収納容器２２の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部４４とを備え、下端部に燃料電池セル２３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口３６が設けられている。

なお、図３においては、空気等の反応ガスを収納容器２２内に導入する反応ガス導入部材２９が、収納容器２２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材２９を２つ設け、セルスタック５を両側から挟み込むように配置することができる。

また発電室３５内には、モジュール４内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４内の温度を高温に維持するための断熱部材３７が適宜設けられている。

断熱部材３７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル２３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル２３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３７を配置することが好ましい。

なお、セルスタック５の両側に断熱部材３７を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材２９より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル２３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

なお、セルスタック５の両側に配置された断熱部材３７においては、燃料電池セル２３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル２３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３８が設けられている。なお、複数の断熱部材３７を組み合わせて開口部３８を形成するようにしてもよい。

また、燃料電池セル２３の配列方向に沿った内壁３３の内側には、排ガス用内壁３９が設けられており、内壁３３と排ガス用内壁３９との間が、発電室３５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路４１とされている。なお、排ガス流路４１は、収納容器２２の底部に設けられた排気孔４５と通じている。

それにより、モジュール４の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路４１を流れた後、排気孔４５より排気される構成となっている。なお、排気孔４５は収納容器２２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

ここで、モジュール４においては、後述する燃料電池セル２３を通過した燃料ガスに着火させるための手動式の第２の着火装置３０および電動式の第１の着火装置３１が、燃料電池セル２３と改質器３との間に位置するように、収納容器２の両側面よりそれぞれ挿入されている。

固体酸化物形の燃料電池においては、燃料電池セル２３が発電可能となる温度が高温であるため、燃料電池装置の起動工程においてはモジュール４の温度を高温に上昇させる必要があり、また燃料電池装置の通常運転工程には、モジュール４を高温に維持する必要がある。ここで、図２および図３に示す燃料電池装置においては、着火装置を作動させて、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させることで、モジュール４の温度を向上させることができ、それにより燃料電池装置の起動処理を行なうことができる。あわせて、改質器３の温度も向上させることができる。

なお、反応ガス導入部材２９の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための熱電対３２が配置されており、熱電対３２の測温部４３が燃料電池セル２３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル２３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

図４は、本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図であり、一部構成を省略して示している。

図４に示す燃料電池装置４６は、支柱４７と外装板４９とから構成される外装ケース内を仕切板４８により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール４を収納するモジュール収納室５０とし、下方側をモジュール４を動作させるための補機類を収納する補機収納室５１として構成されている。なお、図４においては、補機収納室５１に収納する補機類を省略して示しているが、図１に示す構成においては、補機収納室５１内に、水供給装置である水ポンプ１２、水タンク１１、パワーコンディショナ（供給電力調整部）６、制御装置７、循環ポンプ１７および凝縮水処理装置９等の各装置（補機）が収納されている。

また、仕切板４８は、補機収納室５１の空気をモジュール収納室５０側に流すための空気流通口５２が設けられており、モジュール収納室５０を構成する外装板４９の一部に、モジュール収納室５０内の空気を排気するための排気口５３が設けられている。排気口５３には、図示しないが換気ファンが設けられている。

そして、本実施形態では、制御装置７は、燃料電池装置の状態に応じて、ケースバイケースで、起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判別し、起動に必要な補機にそれぞれ電力を供給すべく、補機電力切替器５７を制御し、停止している燃料電池装置を系統電源の停電時に起動する際に、複数の補機のうち起動に必要な最小限の一部の補機に、蓄電池Ｂから電力を供給するように構成されている。

さらに言い換えると、蓄電池Ｂの電力を制御装置７に供給することにより、制御装置７は、燃料電池装置の状態に応じて、ケースバイケースで、起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判定するようにプログラムされており、その判定に応じて、補機電力切替器５７を制御し、燃料電池装置が停止した状態から、系統電源の停電時に起動する際に、複数の補機のうち起動に必要な一部の補機に、蓄電池Ｂから電力を供給するようにプログラムされている。これにより、起動時に必要とされる電力を少なくすることができ、蓄電池Ｂを小型化でき、例えば安価な乾電池からなる蓄電池Ｂとすることが可能となる。

系統電源の停電時とは、燃料電池システムへの電力会社からの電力供給が停止されている状態をいい、例えば、自然災害等により送電線が破壊されて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合、各家庭内における燃料電池システムへの配線が切断等されて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合、各家庭内に配置されているブレーカーが落ちて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合等がある。

なお、系統電源の停電時において起動するとは、一旦発電していた燃料電池装置が停止した後に再起動する際も含む概念である。すなわち、燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、負荷への電力供給を停止した、燃料電池の運転を停止した状態から再起動する場合も含む。

そして、本実施形態の燃料電池装置では、起動スイッチを押すことにより起動を開始し、負荷（補機も含む）への電力供給を開始し始めるまでを起動工程といい、負荷への電力供給を開始し始めた状態から、燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、負荷への電力供給を停止するまでを通常運転工程といい、これ以降を停止工程という。

停電中の起動工程では、少なくとも原燃料、酸素含有ガスが必要とされるため、最小限必要な補機としては、例えば、制御装置７、原燃料供給装置１のポンプ、酸素含有ガス供給装置２のブロアがある。

これらについては、後述するように、原燃料を電動式のポンプで供給せずに、手動式で供給する場合は、原燃料供給装置１の電動式のポンプは起動工程で不要な補機となり、また、改質器３での改質反応を水を使用しない部分酸化改質反応とする場合には、電動式の水ポンプ１２が起動工程で不要な補機となり、酸素含有ガスを電動式のブロアで供給することなく、手動式の空気ポンプ等で供給する場合は、酸素含有ガス供給装置２の電動式のブロアは起動工程で不要な補機となる。

燃料電池装置の小型化、低コストという点からは、通常、原燃料、酸素含有ガスを供給する手動式の装置を具備しないため、停電中の起動工程で最小限必要な補機としては、通常、制御装置７、原燃料供給装置１の電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２の電動式のブロアとなる。

以下、上記した各補機について順次説明する。

制御装置７は、系統電源の停電時に起動する際に、パワーコンディショナ６を起動に不要な補機と判断する。すなわち、系統電源の停電時に起動する際に、制御装置７は、補機としてのパワーコンディショナ６には電力供給しないように、補機電力切替器５７を制御することが望ましい。起動工程では発電しないため、交流電流に変換するパワーコンディショナ６は不要であり、パワーコンディショナ６には電力供給を停止することにより、起動時に必要とされる電力を少なくすることができ、蓄電池Ｂを小型かつ安価とできる。

パワーコンディショナ６は、通常運転工程では、直流電流を交流電流に変換する機能と、外部負荷に供給する量を調整する機能以外に、停電検出などの機能もあり、電力を供給している。一方、起動する際は、直流電流を交流電流に変換する必要もなく、電力を負荷に供給する必要もないことから、起動工程が終わるまでは復電検出せず、復電しても停電表示のままで可とし、パワーコンディショナ６への電力供給を停止し、これにより、起動工程で必要とされる電力を少なくする。また、制御装置７は、パワーコンディショナ６用換気ファンについても、起動に不要な補機と判断する。

すなわち、系統電源の停電時において起動する際には、先ず、系統電源と蓄電池Ｂとの電力供給源を切り換えるための電力供給源切替器ＳＷを切り替え、制御装置７に蓄電池Ｂからの電力を供給する。この電力供給源切替器ＳＷは通常手動にて切り換える。なお、電力供給源切替器ＳＷは、電力供給源を蓄電池Ｂから燃料電池に切り換えることが可能であり、制御装置７は、起動工程から通常運転工程になった際に、電力供給源切替器ＳＷを制御し、電力供給源を蓄電池Ｂから燃料電池に切り換え、燃料電池からの発電電力が補機等に供給されるように制御する。

次に、系統電源の停電時に起動する際に、制御装置７は、原燃料供給装置１である電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアを、燃料電池の起動に必要な補機と判別し、蓄電池Ｂからの電力を原燃料供給装置１である電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアに供給するように補機電力切替器５７を制御し、原燃料供給装置１、酸素含有ガス供給装置２を作動させる。

ここで、原燃料を供給する装置として、上記したように、原燃料供給装置１の電動式(第１)のポンプとは別個に手動式(第２)の供給装置を具備することができる。例えば、カセットボンベ、可搬式のプロパンガスボンベ、水素ボンベ等を用いることができる。なお水素ボンベを用いる場合には、改質器３を介さずに直接セルスタック５に供給することもできる。これにより、原燃料供給装置１の電動式のポンプを駆動させるために必要な電力を不要とすることができる。

また、酸素含有ガス供給装置２の電動式（第１）のブロアとは別個に手動式(第２)の供給装置を具備することができる。例えば、ばね式ポンプ、袋体式ポンプ、振動式ポンプ、酸素含有ガスが充填されたボンベ等を用いることができる。これにより、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアを駆動させるために必要な電力を不要とすることができる。

また、循環配管１５内の水を循環させる循環ポンプ１７についても、起動工程では、一般的に排ガス温度が低いため、制御装置７は、モジュール４より排出される排ガスの温度が所定の温度以上の場合に、循環ポンプ１７を起動に必要な補機と判別し、循環ポンプ１７の運転を行う電力を蓄電池Ｂから供給するように制御する。

循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７は、起動工程には、そこまで循環ポンプ１７の運転が要求されないため、最小限の運転を行うか、あるいは停止するように、制御装置７は、蓄電池Ｂからの電力供給を制御することが望ましい。これにより、系統電源の停電時に起動する際に必要とされる電力をさらに少なくすることができ、蓄電池Ｂを小型化できる。

この循環ポンプ１７は、高温の水蒸気が外部に放出されることにより白煙となることでユーザーに不安感を与えることを防止するために駆動させるが、停電時には、起動に要する時間は白煙が出ても仕方なしとし、消費電力低減のために停止することができる。また、起動工程では、通常、排ガスの温度は高くないため、そこまで循環ポンプ１７の運転は必要とされず、通常は起動工程では不要な補機と判断される。また、循環ポンプ１７は消費電力が大きいため、停電中の起動工程では不要な補機とすることが望ましい。

例えば、停止から時間の経過が短い再起動時には、モジュール４から排出される排ガスの温度が所定温度以上、例えば９０℃以上となる場合があり、また、起動開始から時間が経過して、モジュール４から排出される排ガスの温度が所定温度以上、例えば９０℃以上となる場合があり、これらの場合には、制御装置７は、循環ポンプ１７を起動に必要な補機と判別して、循環ポンプ１７の運転を行う電力を蓄電池Ｂから供給するように制御する。

この場合、循環ポンプ１７の運転は、最小限の運転を行えるだけの電力とすることが望ましい。これにより、起動時に必要とされる電力を少なくすることができ、蓄電池Ｂを小型化でき、安価な乾電池によっても構成することが可能となる。なお、モジュール４は、排ガス温度を測定する熱電対等からなる温度センサ３２を具備している。上記場合には排ガス温度を測定する温度センサ３２にも電力が供給されることになるが、センサ自体は電力消費量が少ない。

図４に示す燃料電池装置４６の外装板４９の排気口５３に設けられた換気ファンは、起動工程では、通常、燃料電池装置４６内の温度が低いため必要とされず、通常は起動時に不要な補機と判別される。また、換気ファンは消費電力が大きいため、停電中の起動工程では不要な補機とすることが望ましい。

一方、停止から時間の経過が短い再起動の場合には、燃料電池装置内が所定の温度以上、例えば４０℃以上の場合があり、また、起動開始から時間が経過して、燃料電池装置内が所定の温度以上、例えば４０℃以上となる場合があり、これらの場合には、制御装置７は、換気ファンを起動に必要な補機と判断して、換気ファンの運転を行う電力を蓄電池Ｂから供給するように補機電力切替器５７を制御する。

この場合、換気ファンの運転は、最小限の運転を行えるだけの電力とすることが望ましい。これにより、起動工程で必要とされる電力を少なくすることができ、蓄電池Ｂを小型化でき、安価な乾電池によっても構成することが可能となる。

例えば、換気ファンは、通常では、外装ケース表面温度があまり高くならないように、法規上は６０℃以下、特に４０℃以下となるように駆動することが望ましいとされている。これに対して、停電工程では、４０℃以上となっても６０℃以下であれば、外装ケース表面温度が多少熱く、補機の耐久性が低下するとしても可とし、換気ファンの最小限の運転をするか、あるいは停止し、これにより、起動時に必要とされる電力を少なくする。従って、燃料電池装置の温度として外装ケース表面温度を用いることができ、外装ケース表面温度を基に換気ファンの運転を制御できる。なお、外装ケース表面温度とは、外装ケースを構成する外装板の外面温度をいい、外装ケース表面温度は外装板に設けられた温度センサで検出できる。

また、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスをそのまま燃料電池装置の外部に放出することは安全性や環境面で好ましくない。それゆえ、図２および図３に示す燃料電池装置においては、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させた後に、燃料電池装置の外部に排気するための、手動式の第２の着火装置３０および電動式の第１の着火装置３１が設けられている。系統電源の停電時には、手動式の第２の着火装置３０を用いて起動することにより、起動工程で必要とされる電力を少なくすることができる。

しかしながら、上述したように、停電時には、系統電源からの電力供給がないため、電動式の着火装置（本実施形態においては第１の着火装置３１）を作動させることができず、それにより固体酸化物形の燃料電池においてはモジュール４の温度を上昇させることが困難となり、燃料電池装置の起動処理を行なうことが困難な場合がある。

それゆえ、本実施形態の燃料電池装置においては、手動式の第２の着火装置３０を備えていることが好ましい。それにより、停電時においては、系統電源からの電力供給がない場合でも、手動式の第２の着火装置３０を作動させることにより、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させることで、安全性や環境面の問題を改善できるとともに、モジュール４の温度を上昇させることができ、燃料電池装置の起動処理を効率よく行なうことができる。なお、手動式の第２の着火装置３０としては、例えば、点火棒のようなライター類を用いることができる。

また、手動式の第２の着火装置３０とあわせて、電動式の第１の着火装置３１を設けることで、通常運転工程では電動式の第１の着火装置３１を用いて着火し、停電時の起動工程では手動式の第２の着火装置３０を用いて着火することにより、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。

ここで、図１に示した燃料電池装置の起動工程および通常運転工程について説明する。系統電源からの電力供給がある場合には、起動時に、電力供給源切替器ＳＷにより系統電源から電力供給されるようになっており、先ず原燃料供給装置１である電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアを作動させる。この時点ではモジュール４の温度が低いため、燃料電池セル２３での発電や改質器３での改質反応は行なわれない。なお、補機電力切替器は、全ての補機に電力を供給するように制御されている。

次に、モジュール４に設けられた第１の着火装置３１を作動させる。それにより、原燃料供給装置１のポンプより供給され、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスが燃焼し、その燃焼熱により、モジュール４や改質器３の温度が上昇する。改質器３の温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水供給装置である水ポンプ１２を作動させ改質器３に水を供給する。それにより、改質器３にて燃料電池セル２３の発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。燃料電池セル２３は、発電開始可能な温度となれば、改質器３にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給装置２より供給される酸素含有ガスとで発電を開始する。

ここで、燃料電池装置の起動工程を完了させ、通常運転工程に切り替える。セルスタック５で生じた電力は、パワーコンディショナ６にて交流に変換された後、外部負荷の要求に応じて、制御装置７により外部負荷に供給制御されるとともに、補機にも、系統電源からの電力供給に替えてセルスタック５からの電力が供給されるように、電力供給源切替器ＳＷが制御される。

なお、制御装置７は、セルスタック５の発電量に対応して必要となる酸素含有ガスを供給するように、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアの動作を制御し、あわせて、改質器３にて、セルスタック５の発電量に対応して必要となる燃料ガスを生成するように、原燃料供給装置１である電動式のポンプの動作を制御するとともに、水供給装置である電動式の水ポンプ１２の動作を制御する。

セルスタック５の運転に伴って生じた排ガスは、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、凝縮水処理装置９に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水供給装置である電動式の水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

ところで、例えば、地震、台風等の自然災害により、系統電源の停電時、すなわち電力会社からの電力供給が停止されること等に起因し、燃料電池装置が停止する場合がある。そして、系統電源の停電時に、燃料電池装置を起動させたい場合がある。

しかしながら、例えば系統電源の停電時においては、電力会社からの電力供給がないことで、上述した原燃料供給装置１、酸素含有ガス供給装置２、水供給装置である電動式のポンプ、ブロア、水ポンプ１２、制御装置７など、各種補機類の動作が停止するため、燃料電池装置である発電ユニットを起動させることができなくなるという問題がある。

そこで、本実施形態の燃料電池装置においては、別途蓄電池Ｂを備え、系統電源の停電時において起動する際に、制御装置７は、補機について、燃料電池の起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判別し、起動に必要な補機に対し、蓄電池８から電力を供給するように制御する。

すなわち、系統電源の停電時において起動する際には、先ず、燃料電池、系統電源と蓄電池Ｂとからの電力供給源を電力供給源切替器ＳＷを用いて切り替え、制御装置７に蓄電池Ｂからの電力を供給する。この電力供給源切替器ＳＷは、燃料電池、系統電源から蓄電池Ｂに切り替えるもので、通常手動にて切り換える。次に、制御装置７が、例えば、原燃料供給装置１である電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアを、燃料電池の起動に必要な補機と判別し、蓄電池Ｂからの電力を原燃料供給装置１である電動式のポンプ、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアに供給するように補機電力切替器５７を制御し、原燃料供給装置１、酸素含有ガス供給装置２を作動させる。

ここで、原燃料を供給する装置として、原燃料供給装置１の電動式（第１）のポンプとは別個に手動式（第２）の供給装置を具備することができる。このような手動式の供給装置を用いることにより、原燃料供給装置１の電動式のポンプを駆動させるために必要な電力を不要とすることができる。

また、酸素含有ガス供給装置２の電動式（第１）のブロアとは別個に手動式（第２）の供給装置を具備することができる。このような手動式の供給装置を用いることにより、酸素含有ガス供給装置２である電動式のブロアを駆動させるために必要な電力を不要とすることができる。

次に、モジュール４に設けられた第１の電動式の着火装置３１が、制御装置７により燃料電池の起動に必要な補機として判断され、蓄電池Ｂからの電力が供給され、作動させる。それにより、原燃料供給装置１より供給され、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスが燃焼し、その燃焼熱により、モジュール４や改質器３の温度が上昇する。

改質器３の温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水供給装置である水ポンプ１２が制御装置７により燃料電池の起動に必要な補機として判別され、水ポンプ１２に蓄電池Ｂからの電力が供給され、水ポンプ１２を作動させ改質器３に水を供給する。それにより、改質器３にて燃料電池セル２３の発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。燃料電池セル２３は、発電開始可能な温度となれば、改質器３にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給装置２より供給される酸素含有ガスとで発電を開始し、起動工程から通常運転工程に移行する。

ここで、図１に示す発電ユニットにおいては、起動工程において、酸素含有ガス供給装置２から供給される酸素含有ガスを改質器３およびモジュール４に供給することができるよう、酸素含有ガスの流量を調整するための弁２０が設けられている。これにより改質器３の温度が部分酸化改質可能な温度となった時に、弁２０を操作し、改質器３に酸素含有ガスを供給し、部分酸化改質を行なうことで、セルスタック５に供給する水素含有ガスを含む燃料ガスを生成することができる。

起動工程において、系統電源からの電力供給がなく、原燃料供給装置１から供給される原燃料を改質器３にて改質する必要がある場合においては、水供給装置である水ポンプ１２の動作も停止していることから、改質器３において部分酸化改質を行なうことで、セルスタック５に供給する水素含有ガスである燃料ガスを生成することが好ましい。ここで、本実施形態においては、弁２０を手動にて調整することで、酸素含有ガス供給装置２から供給される酸素含有ガスを改質器３およびモジュール４に供給することができ、水ポンプの駆動電力を無くすことができる。なお、この場合、弁２０および、弁２０と改質器３とを連結する配管が、改質器３に酸素含有ガスを供給する第３の酸素含有ガス供給装置となる。また、改質器に、酸素含有ガス供給装置２とは全く別個の第３の酸素含有ガス供給装置を設けることもできる。

なお、起動当初に、制御装置７および各部位の温度等を測定する各種センサに、蓄電池Ｂからの電力が供給され、各種センサからの情報を基に制御装置７で燃料電池装置の状態を自己診断し、燃料電池の起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判別することができる。

系統電源の停電時に起動する際には、酸素含有ガス供給装置２による酸素含有ガスの供給量を少なくすることが、省電力化という点から望ましい。また、改質器３への原燃料の供給量を通常運転時よりも増加させることにより、燃料電池装置内を短時間で昇温させることができ、起動を早めることができる。

蓄電池Ｂを用いて起動する際のセルスタック５での発電開始温度は、系統電源を用いて起動する際（通常時）の発電開始温度よりも低く設定し、発電電力を補機に供給することが望ましい。言い換えれば、系統電源の停電時に起動する際に、燃料電池（モジュール４内）の温度が、起動に必要な一部の補機の駆動電力が得られる温度に達した場合（通常時の発電開始温度よりも低い）に、制御装置７は、電力供給源切替器ＳＷを制御し、蓄電池Ｂからの電力供給に代えて燃料電池からの電力に切り替えることが望ましい。これにより、蓄電池Ｂに蓄えられる電力を少なくすることができ、小型の蓄電池Ｂとすることができる。すなわち、モジュール４内の温度が補機に供給できるような電力を発電し得る温度となった場合には、起動工程から通常運転工程に移行し、発電を開始し、補機に電力を供給し、蓄電池Ｂからの電力供給は停止する。例えば、系統電源を用いて起動する場合には、６００℃で発電開始し、２００Ｗ発電していたものを、停電時に蓄電池Ｂを用いて起動する場合には５００℃で発電開始とし、１００Ｗ発電し、この１００Ｗの電力は補機に供給する。これにより、蓄電池Ｂの蓄電量を少なくでき、小型化できる。なお、通常運転工程の初期では、発電量が少ないため、一部の補機にのみ燃料電池からの電力を供給するとともに、他の補機には、蓄電池Ｂからの電力を供給しても良い。

また、蓄電池Ｂとして乾電池を用いる場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータにより、乾電池からなる蓄電池Ｂの出力電圧を補機に必要な電圧に調整することができる。乾電池からなる蓄電池Ｂの電圧が低い場合には、ポンプ等への出力指令値（出力Ｄｕｔｙ）を増加させ、ポンプのパワーを確保することが望ましい。

なお、セルスタック５にて発電された電力は、まず、電力供給源切替器ＳＷを介して、各補機への電力供給を切り替える補機電力切替器５７に通電した後、各種補機類である原燃料供給装置１、酸素含有ガス供給装置２、水供給装置である水ポンプ１２等に通電するように構成されていることが好ましい。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、制御装置７と補機電力切替器５７とを別体として、図１に記載したが、本発明では、制御装置と補機電力切替器とが一体となっているものであっても良い。

１：原燃料供給装置
２：酸素含有ガス供給装置
３：改質器
４：燃料電池モジュール
６：パワーコンディショナ
７：制御装置
８：熱交換器
１７：ポンプ
３０：第１の着火装置
３１：第２の着火装置
５７：補機電力切替器
Ｂ：蓄電池
ＳＷ：電力供給源切替器

Claims (9)

1. 系統電源に連系し、外装ケース内に収納された燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、該燃料電池の発電に用いる複数の補機と、蓄電池と、該蓄電池から前記複数の補機へのそれぞれの電力供給を切り替える補機電力切替器と、該補機電力切替器を制御する制御装置とを具備し、該制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記複数の補機について、前記燃料電池の起動に必要な補機と、起動に不要な補機とを判別し、前記起動に必要な補機に対し、前記蓄電池から電力を供給するように前記補機電力切替器を制御するとともに、前記蓄電池を用いて前記燃料電池装置を起動する際の前記燃料電池の発電開始温度が、前記系統電源を用いて前記燃料電池装置を起動する際の前記燃料電池の発電開始温度よりも低く設定されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記外装ケースが該外装ケース内の換気を行なうための排気口を有し、該排気口に設けられた前記補機としての換気ファンを具備するとともに、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記燃料電池が所定の温度以上であると、前記換気ファンを前記起動に必要な補機と判別して、前記換気ファンを駆動させるための電力を前記蓄電池から供給するように前記補機電力切替器を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃料電池より排出される排ガスと水との間で熱交換する熱交換器と、該熱交換器に前記水を供給する前記補機としてのポンプとを有し、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記燃料電池より排出される排ガスの温度が所定の温度以上であると、前記ポンプを前記起動に必要な補機と判別して、前記ポンプを駆動させるための電力を前記蓄電池から供給するように前記補機電力切替器を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記補機への電力供給源を、前記蓄電池および前記燃料電池のいずれかに切り換える電力供給源切替器を有し、前記制御装置は、前記系統電源の停電時における燃料電池装置の起動工程において、前記燃料電池の発電電力量が、前記起動に必要な補機の駆動電力量以上となった場合に、前記起動に必要な補機に対し、前記蓄電池からの電力供給を前記燃料電池からの電力供給に切り替えるように前記電力供給源切替器を制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
5. 前記補機として、前記燃料電池にて発電された直流電力を交流電力に変換して外部負荷
   に供給するためのパワーコンディショナを具備するとともに、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記パワーコンディショナを前記起動に不要な補機と判別することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する電動式の第１の酸素含有ガス供給装置と手動式の第２の酸素含有ガス供給装置とを具備し、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記第１の酸素含有ガス供給装置を、前記起動に不要な補機と判別することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
7. 原燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質を行い、水素ガスを含む前記燃料ガスを生成する改質器と、該改質器に水を供給する水ポンプと、前記改質器に酸素含有ガスを供給する第３の酸素含有ガス供給装置とを具備し、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記水ポンプを前記起動に不要な補機と判別することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
8. 前記燃料電池で使用されなかった余剰の前記燃料ガスに着火する電動式の第１の着火装置と手動式の第２の着火装置とを具備し、前記制御装置は、停止している燃料電池装置を前記系統電源の停電時に起動する際に、前記第１の着火装置を前記起動に不要な補機と判別することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
9. 前記蓄電池は、複数の乾電池を直列に接続してなることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池装置。

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