JP6145683B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電電力と排熱を利用する燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて、電気と熱を作り出し、燃料の持つ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。

また、燃料電池発電システムは、この燃料電池を搭載したシステムであり、燃料電池で発電した電力を供給するとともに、発電時に発生する排熱を有効利用してお湯を沸かし、沸かしたお湯を貯湯タンクに貯めることにより、ユーザーの給湯需要に応じて、お湯を供給することができる。

ここで、燃料電池発電システムは、発生する熱をお湯として蓄えることができなくなると、効率が低下するため、貯湯タンクがお湯で満杯になれば、発電を停止して、効率を高く維持する必要がある。

しかし、単純に貯湯タンクが満杯になったら、発電を停止する運転を行えば、ユーザーのお湯の消費量が少ない場合、貯湯タンクがすぐ満杯になるので、燃料電池発電システムの起動停止回数が増え、燃料電池発電システムの耐久に悪影響が出る可能性があり、一方、ユーザーのお湯の消費量が多い場合、ユーザーが、最も多くお湯を使用したい肝心な時に湯切れを起こしてしまう可能性がある。

したがって、ユーザーが快適に、効率よく燃料電池発電システムを使用するためには、ユーザーの電力需要や、給湯需要に基づいて運転することが不可欠となる。

そこで、従来の燃料電池発電システムは、ユーザーの電力需要、および／または、給湯需要を予測し、予測した需要に基づいた運転制御を行っていた。

例えば、特許文献１には、個々のユーザー毎に異なる電力需要、および／または、給湯需要を正確に予測し、運転効率を向上させた燃料電池発電システムが開示されている。

図９に従来の燃料電池発電システムのブロック構成図を示す。従来の燃料電池発電システムは、電力需要、および／または、給湯需要予測手段１０１を備え、燃料電池発電システムの起動停止や、モードを選択して入力する各種指令入力手段１０２と、電力需要データを計測する電力需要計測手段１０３と、お湯の消費量を計測する給湯需要計測手段１０４と、室温データを計測する室温計測手段１０５と、日付や、曜日を入力するカレンダー機能１０６と、時間を計測する計時手段１０７と、現在の温水貯湯量を計測する貯湯量計測手段１０８と、過去事例データベース１０９から電力需要、および／または、給湯需要を予測し、制御器１１０が、水素を生成する燃料処理器や１１１、燃料電池１１２を制御して、電力や、給湯といった外部負荷１１３を制御する構成となっていた。

特許第３８９７２８９号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池発電システムは、主としてユーザーの電力需要、および／または、給湯需要から予測した需要に基づいて、起動停止を行うため、例えば、停止時間や、停止時の外気温によって、停止、あるいは、待機中、必ずしも燃料電池を十分に冷却することができない場合がある。

発電中、燃料電池には、不純物が蓄積することがあり、不純物が蓄積すると、電圧低下などの性能低下が引き起こされたり、燃料電池の耐久性が低下したりすることがある。

ここで、発電中に蓄積する可能性のある不純物とは、発電に使用する大気中の空気に含まれる不純物や、燃料電池発電システムの内部に使用される部材から発生する不純物である。

大気中に含まれる不純物としては、二酸化硫黄や、窒素酸化物などがあり、特に二酸化硫黄は、燃料電池の電極に使用されている貴金属などからなる触媒に強く吸着し、触媒被毒を起こし、触媒活性を低下させる作用がある。

また、燃料電池発電システムの内部に使用される部材から発生する不純物としては、有機物系の不純物などがあり、同じように触媒表面を被覆して、反応を阻害したり、拡散層や流路の濡れ性を変化させ、ガス拡散性を阻害したりする可能性がある。

また、一方で、これらの不純物の中には、例えば、二酸化硫黄など、水溶性の不純物があり、燃料電池の生成水や、加湿水の凝縮した凝縮水によく溶け込む性質を有する不純物がある。

したがって、燃料電池が停止したときに、燃料電池の温度が低下して、燃料電池内の生成水や、加湿水が凝縮して生成した凝縮水によって、水溶性の不純物をある程度洗い流して除去することができる。

ところが、例えば、燃料電池の停止時間が短い場合、停止時の外気温が高い場合、燃料電池の温度の降温速度が遅い場合など、停止期間中に燃料電池の温度を十分に冷却することができず、燃料電池内の生成水や、加湿水の凝縮する量が減少し、水溶性の不純物を十分に洗い流すことができなくなるため、蓄積した不純物により燃料電池の性能低下や、耐久性低下が発生するという課題があった。

また、一方で、停止、または、待機中に、燃料電池の温度が十分に冷却したかどうかを判断するためには、停止、または、待機中に、燃料電池を冷却する冷却媒体を循環させ、冷却媒体の温度を検出するなどして、停止、または、待機中の燃料電池の温度を検出する必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、停止時の外気温が高い場合においても、また、停止、または、待機中における燃料電池の温度を検出しなくても、十分な凝縮水量が得られる温度まで、燃料電池を冷却し、不純物による性能低下や、耐久性低下を抑制する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を用いて熱及び電気を生成する燃料電池と、燃料電池の温度を判断する燃料電池温度判断手段と、外気温を判断する外気温判断手段と、燃料電池の発電が停止された時に、停止直前の燃料電池の温度と、外気温から、燃料電池の停止、または、待機時の温度が発電時に燃料電池に蓄積した不純物を洗い流すのに十分な量の凝縮水が得られる第１温度以下になる時間を予測し、予測した時間までの期間を燃料電池の次回起動を禁止する起動禁止期間として設定する起動禁止期間設定手段と、燃料電池の起動、発電運転、停止及び待機を制御する制御器を備え、制御器が、燃料電池が発電を停止している時に、停止後の経過
時間が起動禁止期間設定手段の設定する起動禁止期間以上の場合に、燃料電池の次回起動を許可し、燃料電池の停止後の経過時間が起動禁止期間に満たない場合に、燃料電池の次回起動を禁止するよう制御するものである。

これにより、停止時の外気温が高い場合においても、また、停止、または、待機時の燃料電池の温度を検出しなくても、十分な凝縮水量が得られる第１温度まで、燃料電池の温度を低下させることができる。

本発明の燃料電池発電システムによれば、発電時に燃料電池に蓄積した不純物を、停止時に凝縮水で洗い流すことができ、不純物による性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

実施の形態１における燃料電池発電システムのブロック構成図 （ａ）燃料電池発電システムの発電需要パターン例の説明図（ｂ）燃料電池発電システムの給湯需要パターン例の説明図 燃料電池発電システムの各外気温における燃料電池の温度と時間の関係を示す図 燃料電池発電システムの燃料電池の起動禁止期間と外気温の関係を示す図 燃料電池発電システムの不純物添加起動停止試験の電圧挙動を示す図 実施の形態１における燃料電池発電システムの制御シーケンスを示すフローチャート 各月における一日の外気温の平均温度の推移を示す図 実施の形態３における燃料電池発電システムの制御シーケンスを示すフローチャート 従来の燃料電池発電システムのブロック構成図

第１の発明は、固体高分子電解質膜を用いて熱及び電気を生成する熱及び電気を生成する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を判断する燃料電池温度判断手段と、
外気温を判断する外気温判断手段と、
前記燃料電池の発電が停止された時に、前記燃料電池温度判断手段で判断した停止直前の前記燃料電池の温度と、前記外気温判断手段で判断した外気温から、前記燃料電池の停止、または、待機時の温度が発電時に前記燃料電池に蓄積した不純物を洗い流すのに十分な量の凝縮水が得られる第１温度以下になる時間を予測し、前記予測した時間までの期間を前記燃料電池の次回起動を禁止する起動禁止期間として設定する起動禁止期間設定手段と、
前記燃料電池の起動、発電運転、停止及び待機を制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している時に、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記起動禁止期間設定手段の設定する起動禁止期間以上の場合に、前記燃料電池の次回起動を許可し、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記起動禁止期間に満たない場合に、前記燃料電池の次回起動を禁止するよう制御することを特徴とする。

この構成により、停止、または、待機時の燃料電池の温度を検出しなくても、停止時の燃料電池の温度と、外気温から、燃料電池の温度が第１温度以下になる時間を予測することができ、燃料電池の温度が、停止、または、待機時に十分な凝縮水量が得られる第１温度に低下するまで、次回発電を開始しないので、停止、または、待機時の外気温が高い場合でも、燃料電池内の生成水や、加湿水の凝縮した凝縮水の十分な量が確保され、発電中
に蓄積した不純物を停止時に凝縮水で洗い流して、除去することができ、燃料電池の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

また、停止、または、待機時に燃料電池を冷却する冷却水を循環させ、冷却水の温度を検出するなどして、燃料電池の温度を検出する必要がないため、構成が簡素化され、経済的であるだけでなく、停止、または、待機時に消費する無駄なエネルギーを削減することができ、燃料電池発電システムの効率を高く維持することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池温度判断手段は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出器を備えることを特徴とする。

この構成により、燃料電池温度検出器が、直接的、あるいは、間接的に、停止直前の燃料電池の温度を精度よく検出して、起動禁止期間設定手段が設定する、不純物を十分に洗い流す凝縮水量が確保できる第１温度以下になる起動禁止期間の予測精度が向上するので、より確実に不純物を除去することができ、燃料電池の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

第３の発明は、第１の発明において、前記燃料電池温度判断手段は、前記燃料電池に冷却媒体を供給して冷却する冷却部を備え、
前記冷却媒体の温度と前記燃料電池の温度の関係に基づいて前記燃料電池の停止直前の温度を推定することを特徴とする。

この構成により、停止時の燃料電池の温度を検出しなくとも、発電時に燃料電池と熱交換する冷却媒体の温度と、燃料電池の温度の関係から、停止時の燃料電池の温度を推定することができるので、構成が簡素化され、経済的であるだけでなく、停止時の燃料電池の入口または出口の冷却媒体の温度データを用いることにより、より正確な燃料電池の温度を求めることができる。

第４の発明は、第１の発明において、前記外気温判断手段は、日時を管理するカレンダーを備え、
日時と外気温の関係に基づいて前記外気温を判断することを特徴とする。

この構成により、予め燃料電池発電システムが設置される場所、あるいは、その近傍の場所、あるいは、環境や季節が類似している場所の年間の外気温データベースを用い、現在の日時から、外気温を判断することができ、判断した外気温から、燃料電池の温度が第１温度以下になる時間を予測して、起動禁止期間を求めるので、簡単な構成で、燃料電池の温度を低下させ、発電中に蓄積した不純物を停止時に凝縮水で洗い流して、除去することができ、燃料電池の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

第５の発明は、第１〜４いずれか一つの発明において、前記外気温判断手段は、外気温を検出する外気温検出器を備え、
前記起動禁止期間設定手段は、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記停止時に予測した起動禁止期間に満たない場合に、前記外気温検出器で検出した外気温から、前記燃料電池の温度が第１温度以下になる時間を予測し、その都度、前記起動禁止期間を更新することを特徴とする。

この構成により、停止後、または、待機中に外気温が変動した場合でも、起動禁止期間をその都度、補正することができ、燃料電池の温度を、常により正確に第１温度に到達させて、不純物を洗い流すことができる。

また、停止、または、待機時に外気温が低下した場合、起動禁止期間を短くするので、停止時間を短くすることができ、需要に応じて起動するタイミングを早くすれば、発電時間を延長することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムのブロック構成図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムは、燃料電池１で発電して電力を供給する電力供給部と、燃料電池１で発電する際に発生する熱でお湯を沸かして貯湯タンク２に貯めたお湯を給湯する給湯部で構成されている。

電力供給部と、給湯部には、それぞれ電力需要検出手段３と、給湯需要検出手段４が備え付けられており、電力供給部の供給電力量データ情報や、給湯部のお湯消費量データ情報を取得している。これらの取得されたデータ情報は、過去事例データベース５に蓄積される構成となっている。

燃料電池発電システムは、需要予測手段６を備えており、需要予測手段６は、ユーザーが快適に、効率よく電気と、お湯を使用できるように、過去事例データベース５と、電力需要検出手段３や、給湯需要検出手段４から得られる、現在の電力需要情報や、給湯需要情報から、ユーザー毎に適した電力需要や給湯需要を予測し、その予測値に基づいて、運転計画を立て、制御器７が、燃料電池１の発電の開始、負荷の制御、発電の停止などの電力制御を行い、ユーザーに電力や、お湯を効率よく供給できる構成となっている。

図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ本発明の実施の形態の燃料電池発電システムの発電需要、および、給湯需要の例を示す。本発明の実施の形態の燃料電池発電システムは、定格が７５０Ｗのものを用いたが、定格の範囲はこれに限定するものではない。

本発明の実施の形態の燃料電池発電システムは、例えば、図２（ａ）に示すように、電力需要が高まる午前９時に発電を開始し、電力需要に合わせて、最大７５０Ｗまでの電力（斜線部）を供給すると同時に、発電時に発生した熱でお湯を沸かし、給湯需要がピークに到達する午後９時頃までに、貯湯タンク２の湯量が満杯近くになるように燃料電池１の発電の制御を行っている。

そして、給湯需要のピークを越え、電力需要のピークも減少するタイミングに合わせて、必要なお湯の量が貯まった時点（午後１０時頃）で発電を停止する。

次に、燃料電池１の構成と、発電の仕組みについて説明する。

燃料電池１は、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に、アノード、および、カソードが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノード、および、カソードにそれぞれ燃料ガス、および、酸化剤ガスを供給排出する流路が形成されたセパレータとからなる単セルモジュールを複数積層したスタックで構成される。

ここで、電解質膜は、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質で構成され、アノード、および、カソードは、耐酸化性の高い多孔質カーボ
ンに白金などの貴金属を担持した触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質のイオノマーとの混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性及び電子伝導性を有するガス拡散層で構成される。

このとき、アノード触媒には、一般に、燃料ガス中に含まれる不純物、特に一酸化炭素による被毒を抑制するように、白金−ルテニウムなどの合金触媒が用いられる。

また、ガス拡散層には、生成水の排水性を促進するために、撥水処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいはカーボン不織布などが用いられる。

また、アノード、および、カソードに配設されるセパレータは、カーボンや、金属などの導電性材料からなり、それぞれアノード、あるいは、カソードの電極面に面する側に、それぞれ燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを供給、または、排出する、例えば、サーペンタイン状の流路が形成されている。

さらに、アノード、あるいは、カソードセパレータの、それぞれアノード、あるいは、カソードに直接面していない側には燃料電池１を冷却する冷却媒体を供給、排出する冷却媒体流路が形成されている。

そして、単セルを積層したスタックと、スタックの両端から電流を取り出す集電体と、一対の端板を締結して一体化することにより燃料電池１が構成され、燃料電池１の周囲には外部への放熱を防止して排熱回収効率を高めるための断熱材が配置されている。

そして、図１に示すように、燃料電池１のカソード経路（Ｃ）に少なくとも酸素を含む酸化剤ガス（空気）を供給し、アノード経路（Ａ）に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給し、さらに、冷却媒体経路（Ｗ）に冷却媒体を供給できるように構成されている。

ここで、カソードに供給される空気は、ブロワなどの酸化剤ガス供給手段を用いて供給され、必要に応じて空気中の不純物を除去する不純物除去手段や、空気を加湿する加湿手段が設けられる。

また、アノードに供給される水素は、燃料処理器８で生成される。

ここで、燃料処理器８の構成と水素生成の仕組みについて説明する。燃料処理器８は、都市ガスなどの原料ガスから付臭剤として含まれる触媒毒となる硫黄化合物を除去する脱硫部と、脱硫した原料ガスの流量を調整して供給する原料ガス供給部と、脱硫した原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部と、改質部で発生した一酸化炭素を変成して一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ変成部と、さらに燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ除去部とで構成される。ＣＯ除去部には、大気中の空気が供給されている。

ここで、例えば原料ガスにメタンを用いた場合、改質部では、水蒸気を伴って（化１）及び（化２）に示した反応が起こり、水素が発生する。

なお、改質部で起こる全反応をまとめると（化３）に示す反応が行われる。

しかし、改質部で生成した改質ガス中には水素以外に１０％程度の一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は、燃料電池の運転温度域においてアノードに含まれる触媒を被毒し、その触媒活性を低下させる。そこで、ＣＯ変成部で、（化２）の反応式に示すように、改質部で発生した一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。これにより、一酸化炭素の濃度が約５０００ｐｐｍにまで減少する。

さらに、濃度が低減した一酸化炭素を、ＣＯ除去部で（化４）で示す反応により、大気中から取り込んだ酸素で選択的に酸化する。これにより、一酸化炭素の濃度は、アノードの触媒の触媒活性の低下を抑制できる約１０ｐｐｍ以下までに減少することができる。

また、発電中、アノードに大気から取り込んだ空気を供給し、燃料処理器８で生成した水素ガスに１〜２％程度の空気を混合（エアブリード）することにより、わずかに残る一酸化炭素の影響をさらに軽減させることができる。

次に、冷却部について説明する。冷却部は、燃料電池１を冷却する冷却媒体を貯える冷却媒体タンク９ａと、冷却媒体を供給する冷却媒体ポンプ９ｂと、冷却媒体流路（Ｗ）を流通し、燃料電池１で発生した熱と熱交換した冷却媒体とさらに熱交換してお湯を作る熱交換器１０で構成される。貯湯タンク２の下部の低温の水、または、お湯が貯湯循環ポンプ２ａにより熱交換器１０に供給され、高温の冷却媒体と熱交換して、高温のお湯となり、貯湯タンク２の上部に戻され、貯えられる構成となっている。

また、燃料電池１の入口および出口に燃料電池温度判断手段として、燃料電池温度検出器１１ａおよび１１ｂを備え、冷却媒体ポンプ９ｂにより、冷却媒体流路（Ｗ）を循環する冷却媒体の燃料電池１の入口および／または出口における温度を検出し、検出した冷却媒体の温度から発電時、および、停止時の燃料電池１の温度を判断できる構成となっている。

また、外気温を判断する外気温判断手段１２を備え、停止、または、待機時の燃料電池発電システムの置かれる外気温を判断できる構成となっている。

上記構成の燃料電池発電システムにおいて、アノードに少なくとも水素を含む燃料ガスと、カソードに少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給して、燃料電池１に外部負荷を接続すると、燃料ガス中の水素は反応式（化５）で示すようにアノードの触媒と電解質の界面で電子を放出して水素イオンとなる。

そして、放出された水素イオンは、電解質膜内を通ってカソードへ移動し、カソードの触媒と電解質の界面で電子を受け取る。このとき、カソードに供給された酸素と反応して、反応式（化６）で示すように水が生成される。

上記反応をまとめると（化７）に示す反応が行われる。

ところで、大気中には様々な不純物が含まれており、例えば、二酸化硫黄や、窒素酸化物などが上げられるが、特に二酸化硫黄は、燃料電池の電極に使用されている貴金属などからなる触媒に強く吸着し、触媒被毒を起こし、触媒活性を低下させる作用がある。

また、燃料電池発電システムの内部に使用される部材の中には、不純物を発生する部材もあり、例えば、有機物系などの不純物を発生する部材があり、こうした不純物も同様に触媒表面を被覆して、反応を阻害し、あるいは、拡散層や流路の濡れ性を変化させ、ガス拡散性を阻害する作用がある。

これらの不純物が、発電中に燃料電池１に浸入し、蓄積すると、電圧低下などの性能低下を引き起こしたり、燃料電池１の耐久性を低下させたりする場合がある。

また、一方で、これらの不純物の中には、例えば、二酸化硫黄など、水溶性の不純物があり、燃料電池１の生成水や、加湿水の凝縮した凝縮水によく溶け込む不純物もある。

したがって、燃料電池１が停止したときに、燃料電池１の温度が十分に低下すれば、燃料電池１内の生成水や、加湿水が凝縮して凝縮水が生成し、水溶性の不純物なら、停止後、待機中に、凝縮水に溶かし込むことができ、次回供給される燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスとともに、不純物の溶け込んだ凝縮水を燃料電池１の系外へと排出することにより、ある程度洗い流して除去することができる。

この燃料電池１の耐久性に影響を及ぼさない、不純物を十分に洗い流すことができる停止時の燃料電池１の温度を第１温度と定義する。

本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムは、燃料電池温度判断手段１１ａ、１１ｂで判断した燃料電池１の温度と、外気温判断手段１２で判断した外気温から、燃料電池１の停止、または、待機時の温度が第１温度以下になる時間を予測し、予測した時間までの期間を燃料電池１の次回起動を禁止する起動禁止期間として設定する起動禁止期間設定手段１３を備え、制御器７が、燃料電池１の停止後の経過時間が燃料電池の停止時に設定した起動禁止期間以上の場合に、燃料電池１の次回起動を許可し、燃料電池１の停止後の経過時間が起動禁止期間に満たない場合に、燃料電池１の次回起動を禁止するよう制御する構成となっている。

この構成により、燃料電池温度検出器１１ａ、１１ｂが、直接的、あるいは、間接的に、停止時の燃料電池１の温度を精度よく検出して、不純物を十分に洗い流す凝縮水量が確保できる第１温度以下になる起動禁止期間の予測精度を向上させるので、より確実に不純物を除去することができ、燃料電池の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

ここで、燃料電池１の温度と停止後の経過時間との関係を実験的に調べるため、熱電対
を用いて燃料電池１の中央付近の温度を直接検出し、発電、停止、および、待機時における燃料電池１の温度変化を測定した。停止直前の燃料電池１の温度は約６４℃であった。

また、外気温に対する依存性を調べるため、燃料電池発電システムを恒温室に配置し、恒温室の温度を１０〜３５℃と変化させたときの、各外気温における燃料電池１の温度を計測した。

測定結果を図３に示す。図３に示すように、燃料電池１の温度は、いずれの外気温においても発電停止後経過時間とともに低下し、外気温が低いほど、燃料電池１の温度の低下する速度が速く、外気温が高いほど、燃料電池１の温度の低下する速度が遅くなる傾向があることが判った。例えば、外気温が２０℃のとき、燃料電池１の温度（Ｔ）を検出することにより、測定した燃料電池１の温度と時間の関係から、第１温度（Ｔ１）に到達する時間が凡そ４時間後であることが判る。

したがって、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムによれば、予め停止時の燃料電池１の温度と、外気温と、停止後の経過時間の関係を求め、関係式、あるいは、データベースを準備しておき、外気温から、停止、または、待機時における燃料電池１の温度を予測して、燃料電池１の温度が、燃料電池１の耐久性に影響を及ぼさない、不純物を十分に洗い流すことができる第１温度（Ｔ１）に到達する時間を予測することができることが判った。

ここで、燃料電池１の温度は、予め各外気温において実験的に計測して求めておく方法を説明したが、燃料電池１を構成する部材の材質の熱容量や、熱抵抗などの物性値を用い、予め各外気温における、停止後の燃料電池の温度変化を計算して求めてもよい。

また、発電時に燃料電池１に蓄積した不純物を洗い流すのに十分な量の凝縮水が得られる第１温度（Ｔ１）に到達する時間までの期間を、起動禁止期間と定義すると、起動禁止期間と外気温は、図４で示すような関係となることが判った。

次に、上記構成の燃料電池発電システムの不純物に対する燃料電池１の性能を確認するため、模擬的にカソードに供給する空気中に不純物を添加して、燃料電池１を発電、および、停止させたときの、電圧挙動について調べた。

不純物には二酸化硫黄を用い、濃度が約５ｐｐｂになるように混合した酸化剤ガスを供給して、発電と停止を繰り返す起動停止試験を行い、起動後一定時間後の電圧の低下量を測定した。また、停止、または、待機時の燃料電池１の温度の違いによる電圧挙動を比較するため、待機時の燃料電池１の温度が、燃料電池１に蓄積した不純物を洗い流すことができる第１温度（Ｔ１）（例えば４５℃）に到達した後、発電を再開させた場合と、待機時の燃料電池１の温度が、例えば、外気温が高い場合などを想定した、燃料電池１の温度の第１温度（Ｔ１）より高い温度（例えば５５℃）で、発電を再開させた場合について繰り返し起動停止試験を行った。

測定結果を図５に示す。図５より、待機時の燃料電池１の温度が、燃料電池１に蓄積した不純物を洗い流すことができる第１温度（Ｔ１）（例えば４５℃）に到達するように起動停止を行った場合は、電圧低下がほとんど見られず、不純物を添加しない通常発電時の電圧レベルと同じであったことから、停止、または、待機時の凝縮水により不純物が洗い流され、不純物の影響が無くなっていることが判った。

一方、第１温度より高い温度（例えば５５℃）で起動停止を行った場合、徐々に電圧が低下する傾向が見られ、一回の起動停止では不純物を完全に洗い流すことができず、少し
ずつ蓄積していく不純物により、電圧低下が増加していく傾向があることが判った。

ここで、燃料電池１に蓄積した不純物を洗い流すことができる第１温度（Ｔ１）は、４５℃などに限定するものではなく、不純物の濃度や、不純物の蓄積する量にも依存するが、発電時の燃料電池１の温度よりも低い温度であれば、凝縮して凝縮水が生成し、同様の洗浄効果を得ることができる。好ましくは、発電時の燃料電池１の温度より、少なくとも１０℃以上低く設定し、また、燃料電池発電システムで許容できる電圧低下量と、燃料電池発電システムとして要望される停止時間との関係から、効果的に不純物を洗い流すことができる温度を設定することが望ましい。

また、発電時に燃料電池１に蓄積する不純物の量と、起動停止一回で洗い流すことができる不純物の量は、相関があり、予め発電時間内に蓄積する可能性のある不純物の量、あるいは、濃度に応じて、不純物を洗い流すことができる第１温度（Ｔ１）を実験的に求めておき、不純物の量が多いほど、第１温度（Ｔ１）の設定値を低くすることが好ましい。

また、不純物を洗い流す第１温度（Ｔ１）は、毎回同じ設定値である必要はなく、定期的に変動させてもよい。定期的に変動させることにより、許容内で不純物が蓄積したところでまとめて除去することも可能となり、まとめて除去を行えば、通常の停止時間は短くすることができるなど、効率のよい運転が可能となる。

図６に、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの動作を示すフローチャート図を示す。図６のように、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムは、まず、発電が停止されると（ＳＴＥＰ１０１）、起動禁止期間設定手段１３が、停止時の燃料電池１の温度と、外気温から、停止、または、待機時の燃料電池１の温度が第１温度（Ｔ１）以下になる起動禁止期間を予測する（ＳＴＥＰ１０２）。そして、制御器７が、停止後の経過時間が起動禁止期間以上と判断した場合に（ＳＴＥＰ１０３）、次回起動を許可する（ＳＴＥＰ１０４）ように制御する。

この構成によれば、燃料電池１の温度が十分に低下するまで、次の発電を開始しないので、停止時の外気温が高いなど、燃料電池１の冷却速度が遅い場合でも、燃料電池１内の生成水や、加湿水の凝縮した凝縮水の十分な量が確保され、発電時に蓄積した不純物を停止、または、待機、あるいは、起動時に凝縮水で洗い流して、除去することができ、燃料電池１の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

また、停止、または、待機時に燃料電池１を冷却する冷却媒体を循環させ、冷却媒体の温度を検出するなどして、燃料電池１の温度を検出する必要がないため、構成が簡素化され、経済的であるだけでなく、停止、または、待機時に消費する無駄なエネルギーを削減することができ、燃料電池発電システムの効率を高く維持することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムは、実施の形態１において、前記燃料電池温度判断手段が、前記燃料電池１に冷却媒体を供給して冷却する冷却部を備え、予め求めておいた前記冷却媒体の温度と前記燃料電池１の温度の関係に基づいて、前記燃料電池の停止時の温度を検出ではなく、関係式や、データベースなどを用いて推定する点で、実施の形態１と異なるが、それ以外は同様の構成であり、説明を省略する。

この構成によれば、停止時の燃料電池１の温度を検出しなくても、燃料電池１の各発電条件下における、燃料電池１と熱交換する冷却媒体の温度と、燃料電池１の温度の関係を予め計測してデータベース化しておくことにより、停止時の燃料電池１の温度を推定することができ、構成が簡素化され、経済的であるだけでなく、発電を停止した直後の燃料電
池１の入口または出口の冷却媒体の温度データを用いることにより、より正確な燃料電池１の温度を求めることができる。

したがって、本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムによれば、実施の形態１と同様に、発電時に蓄積した不純物を停止、または、待機、あるいは、起動時に凝縮水で洗い流して、除去することができ、燃料電池１の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムは、実施の形態１において、外気温判断手段１２が、日時を管理するカレンダーを備え、日時と外気温の関係に基づいて外気温を予測し、予測した前記外気温から、起動禁止期間を予測する点で、実施の形態１と異なるが、それ以外は同様の構成であり、説明を省略する。

図７は、ある地点における年間の各季節における代表的な月の一日の時間の外気温の平均温度の推移を表している。外気温は、場所と季節、日時が決まれば、ほぼ毎年、平均的に同じような傾向で外気温が推移しており、リアルタイムに外気温を検出できない場合でも、日時から凡その外気温を判定することができる。

したがって、燃料電池発電システムを設置する場所、あるいは、その近傍の場所、あるいは、環境や季節が類似している場所の年間の外気温データベースを予め備えることにより、現在の日時が判れば、外気温を検出することができ、検出した外気温から、図３で示したように、予め測定した外気温と燃料電池１の温度の関係式から、燃料電池１の温度を予測することができる。

したがって、本発明の実施の形態３の構成により、停止時に、外気温を直接検出しなくとも、停止時の日時から、外気温を推定するので、簡単な構成で、起動禁止期間を予測することができ、同様に、発電時に蓄積した不純物を停止、または、待機、あるいは、起動時に凝縮水で洗い流して、除去することができ、燃料電池１の性能低下や、耐久性低下を抑制することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムは、実施の形態１〜４いずれか一つにおいて、外気温判断手段１２が、外気温を検出する外気温検出器を備え、前記起動禁止期間設定手段１３が、燃料電池１の停止後の経過時間が停止時に予測した起動禁止期間に満たない場合に、外気温検出器で外気温を検出し、検出した外気温から、燃料電池１の温度が第１温度以下になる時間を予測し、その都度、起動禁止期間を更新する点で、実施の形態１〜３と異なるが、それ以外は同様の構成であり、説明を省略する。

外気温判断手段１２は、外気温を検出し、例えば、凍結予防のために外気温を監視する温度センサを用いることができる。あるいは、直接外気温を検出しなくとも、外気温と相関があり、外気温が推定できれば、他の温度センサを代用してもよい。

図８に本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの動作を示すフローチャート図を示す。図８のように、本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムは、まず、発電が停止されると（ＳＴＥＰ２０１）、実施の形態１と同様にして、起動禁止期間設定手段１３が、停止時に燃料電池１の温度と外気温（Ｔ２１）から起動禁止期間を決定する（ＳＴＥＰ２０２）。

そして、停止後の経過時間が設定した起動禁止期間に満たない、起動禁止期間に到達す
るまでの任意の時間で（ＳＴＥＰ２０３）、外気温検出器でその時点における外気温（Ｔ２２）を検出し、起動禁止期間設定手段１３が、検出した外気温（Ｔ２２）から、都度、燃料電池１の温度が第１温度以下になる起動禁止期間を予測して更新する（ＳＴＥＰ２０４）。

そして、制御器７が、停止後の経過時間が予測して更新された最新の起動禁止期間以上経過した場合に、次回起動を許可する（ＳＴＥＰ２０５）ように制御する。

例えば、図３において、停止時の外気温が２０℃であった場合、起動禁止期間は一旦約４時間と予測された場合でも、４時間経過する前に、外気温を再度検出し、外気温の変動などにより、例えば外気温が１０℃に低下したと判断されれば、起動禁止期間を４時間から３時間に短く補正して起動禁止期間を更新することができる。

また、あるいは、４時間経過する前に、再度検出した外気温が３０℃まで上昇したと判断できれば、起動禁止期間を４時間から８時間に延長して補正することができる。

したがって、本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムによれば、停止、または、待機時に外気温が変動した場合でも、その都度、起動禁止期間を補正して更新することができ、燃料電池の温度を、より正確に第１温度に到達させて、不純物を確実に洗い流すことができる。

また、停止、または、待機時に外気温が低下した場合、起動禁止期間を短くすることができるので、停止時間も短縮することができ、起動するタイミングを早くすることが可能となり、発電時間を延長することができる。

以上のように、本発明の燃料電池発電システムは、不純物を含有する環境で使用、あるいは、不純物を含有する部材を使用する燃料電池に適用でき、モバイル用燃料電池、自動車用燃料電池、定置用燃料電池等の用途に適用できる。

１ 燃料電池
７ 制御器
１１ａ、１１ｂ 燃料電池温度判断手段
１２ 外気温判断手段
１３ 起動禁止期間設定手段

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜を用いて熱及び電気を生成する燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を判断する燃料電池温度判断手段と、
   外気温を判断する外気温判断手段と、
   前記燃料電池の発電が停止された時に、前記燃料電池温度判断手段で判断した停止直前の前記燃料電池の温度と、前記外気温判断手段で判断した外気温から、前記燃料電池の停止、または、待機時の温度が発電時に前記燃料電池に蓄積した不純物を洗い流すのに十分な量の凝縮水が得られる第１温度以下になる時間を予測し、前記予測した時間までの期間を前記燃料電池の次回起動を禁止する起動禁止期間として設定する起動禁止期間設定手段と、
   前記燃料電池の起動、発電運転、停止及び待機を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している時に、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記起動禁止期間設定手段の設定する起動禁止期間以上の場合に、前記燃料電池の次回起動を許可し、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記起動禁止期間に満たない場合に、前記燃料電池の次回起動を禁止するよう制御する、
   燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池温度判断手段は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出器を備える、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記燃料電池温度判断手段は、前記燃料電池に冷却媒体を供給して冷却する冷却部を備え、
   前記冷却媒体の温度と前記燃料電池の温度の関係に基づいて前記燃料電池の温度を判断する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記外気温判断手段は、日時を管理するカレンダーを備え、
   日時と外気温の関係に基づいて前記外気温を判断する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記外気温判断手段は、外気温を検出する外気温検出器を備え、
   前記起動禁止期間設定手段は、前記燃料電池の停止後の経過時間が前記停止時に予測した起動禁止期間に満たない場合に、前記外気温検出器で検出した外気温から、前記燃料電池の温度が第１温度以下になる時間を予測し、その都度、前記起動禁止期間を更新する、請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池発電システム。

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