(57)【要約】【課題】燃料電池の耐久性を高めるのに有利な燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システムの運転方法は、電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池１，３等を用い、電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池１を運転し、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に小さな燃料電池３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】
電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池を用い、
電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな前記燃料電池を運転し、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に小さな前記燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１において、電極面積が相対的に異なる複数の前記燃料電池は電気的に並列な関係で配置されており、
各前記燃料電池を他の前記燃料電池に対して独立して前記電力負荷に接続する接続部が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項３】
請求項１または２において、複数の前記燃料電池は、電極面積の大きな順で第１燃料電池、第２燃料電池、第３燃料電池を備えており、
前記電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな前記第１燃料電池を運転し、前記電力負荷の電力負荷量が相対的に中間であるときには、電極面積が相対的に中間の前記燃料電池を運転し、前記電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に小さい前記第３燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項４】
電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池と、
各前記燃料電池を他の前記燃料電池に対して独立して電力負荷に接続する接続部とを具備していることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４において、複数の前記燃料電池は電気的に並列な関係で配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項４または５において、複数の前記燃料電池の酸化剤極に連通する酸化剤用共通配管と、前記酸化剤用共通配管に設けられ各前記燃料電池の酸化剤極にそれぞれ個別に酸化剤を供給する酸化剤用弁部と、複数の前記燃料電池の燃料極に連通する燃料用共通配管と、前記燃料用共通配管に設けられ各前記燃料電池の燃料極にそれぞれ個別に燃料を供給する燃料用弁部とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の耐久性を高めるのに有利な燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池によれば、セル電圧を高くしないことが好ましい。その理由としては、燃料電池のセル電圧が高いと、電位が高くなる酸化剤極において、電極の構成材料、殊に触媒の溶解、析出が発生し、触媒が粗大化するためである。ここで、一般的には、燃料電池では、図８に示すように、電流密度が小さくなるとそのセル電圧が増加する傾向がある。このため電流量が少なくて済むように電力負荷の電力負荷量が小さいときには、燃料電池の電流密度が小さくなり、燃料電池のセル電圧が高くなりがちである。このように燃料電池のセル電圧が高くなると、触媒等の構成材料の更なる長寿命化には好ましくない。そこで、従来、電力負荷量が小さいときには、例えば、燃料電池の出力側に開閉器を介して放電抵抗を接続し、出力電流の大部分を放電抵抗に流して見掛けの電力負荷率が下がらないようにする等の対策を施す方策が知られている。
【０００３】
また、燃料電池発電システムに関する技術として、１セルにおいて、燃料電池ガス室が２以上の燃料用分割室に分割されていると共に、空気室が２以上の空気用分割室に分割されている燃料電池発電装置が開示されている（特許文献１）。このものによれば、電力負荷の電力負荷量が小さいときには、１セルにおいて、使用する燃料用分割室及び空気用分割室の数を少なくする。また電力負荷の電力負荷量が大きいときには、１セルにおいて、使用する燃料用分割室及び空気用分割室の数を多くする。
【０００４】
また、燃料電池のスタックの燃料配管及び空気配管をそれぞれ並列と、直列に接続可能とした中・大容量燃料電池発電装置が知られている（特許文献２,３）。
【特許文献１】特許第２７０１５２２号（特開平４−５１４６７号公報）
【特許文献２】特開平１１−７９７１号公報
【特許文献３】特開平１１−７９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように出力電流の大部分を放電抵抗に流して見掛けの電力負荷率が下がらないようにする対策では、燃料ガスの使用量が増加し、発電効率が低下する不具合がある。また上記した特許文献１に係る技術によれば、電力負荷量が小さいときには、燃料を供給する燃料用分割室及び酸化剤ガスを供給する空気用分割室の数を少なくし、電力負荷量が大きいときには、燃料を供給する燃料用分割室及び酸化剤ガスを供給する空気用分割室の数を多くする。
【０００６】
しかしながらこの技術によれば、電力負荷量が小さいときにおいて、１セルあたりにおいて、使用する燃料用分割室及び空気用分割室の数を少なくしているものの、電極の全体にセル電圧が作用するものである。このため触媒等の構成材料の長寿命化には限界があり、燃料電池の耐久性の向上には限界がある。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の耐久性を高めるのに有利な燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）様相１の本発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池を用い、電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転し、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に小さな燃料電池を運転することを特徴とするものである。
【０００９】
前述したように電力負荷量が相対的に小さいときには、燃料電池の電流密度が小さくなり、セル電圧が高くなる傾向がある。この場合、触媒等の電極構成材料の長寿命化の点では好ましくない。この点について様相１の本発明に係る運転方法によれば、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転するのではなく、電極面積が相対的に小さな燃料電池を運転する。このため燃料電池の電流密度を減少させることなく、燃料電池発電システムの発電出力を減少させることができる。従って、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときであっても、電流密度の減少を抑制できるため、燃料電池のセル電圧の過剰の上昇を抑制しつつ、燃料電池の発電出力を小さくすることができる。
【００１０】
これに対して電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、発電出力を大きくする必要があるため、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転する。このため燃料電池のセル電圧を上昇を抑制しつつ、電力負荷の変動に対処することができる。電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいとき、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときとは、電力負荷の電力負荷量の相対的な量をいう。電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいとは、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときよりも大きいことをいう。電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいとは、電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときよりも小さいことをいう。
【００１１】
（２）様相２の本発明に係る燃料電池発電システムは、電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池と、各燃料電池を他の燃料電池に対して独立して電力負荷に接続する接続部とを具備していることを特徴とするものである。
【００１２】
様相２に係る燃料電池発電システムによれば、上記した様相１に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施することができる。即ち、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転するのではなく、電極面積が相対的に小さな燃料電池を運転する。このため燃料電池の電流密度を減少させることなく、燃料電池発電システムの発電出力を減少させることができる。従って、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときであっても、電流密度の減少を抑制できるため、燃料電池のセル電圧の過剰の上昇を抑制しつつ、燃料電池の発電出力を小さくすることができる。これに対して電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転する。このため燃料電池のセル電圧を上昇を抑制しつつ、電力負荷の変動に対処することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に大きな燃料電池を運転するのではなく、電極面積が相対的に小さな燃料電池を運転する。このため電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときであっても、燃料電池のセル電圧の過剰上昇を抑制しつつ、燃料電池の発電出力を小さくできる。このように燃料電池のセル電圧の過剰上昇を抑制できるため、燃料電池の触媒等の電極構成材料の長寿命化、耐久性の向上に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明によれば、電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池は、電気的に並列な関係で配置されており、各燃料電池を他の燃料電池に対して独立して電力負荷に接続する接続部が設けられている形態を例示することができる。複数の燃料電池は、電気的に並列な関係で配置されている形態を例示することができる。接続部としては、各燃料電池の端子と電力負荷との電気的導通及び非導通を行うスイッチング素子を例示できる。スイッチング素子としては、特に限定されるものではなく、リレー等の有接点方式でも良いし、トランジスタ、サイリスタ、IGBT等の無接点方式でも良い。
【００１５】
好ましくは、複数の燃料電池としては、電極面積の大きな順で第１燃料電池、第２燃料電池、第３燃料電池という３種の燃料電池を備えている形態を例示することができる。この場合、電力負荷の電力負荷量が相対的に大きいときには、第１燃料電池、第２燃料電池、第３燃料電池のうち、電極面積が相対的に大きな第１燃料電池を運転する。電力負荷の電力負荷量が相対的に中間であるときには、第１燃料電池、第２燃料電池、第３燃料電池のうち、電極面積が相対的に中間の燃料電池を運転する。電力負荷の電力負荷量が相対的に小さいときには、第１燃料電池、第２燃料電池、第３燃料電池のうち、電極面積が相対的に小さい第３燃料電池を運転する。また、複数の燃料電池としては、電極面積の大きな順で第１燃料電池、第２燃料電池という２種の燃料電池を備えている形態を例示することができる。
【００１６】
本発明によれば、複数の燃料電池の酸化剤極に連通する酸化剤用共通配管と、酸化剤用共通配管に設けられ各燃料電池の酸化剤極にそれぞれ個別に酸化剤を供給する酸化剤用弁部と、複数の燃料電池の燃料極に連通する燃料用共通配管と、燃料用共通配管に設けられ各燃料電池の燃料極にそれぞれ個別に燃料を供給する燃料用弁部とを有する形態を採用することができる。
【００１７】
また本発明によれば、電極面積が異なる燃料電池間において燃料電池の運転切替を行うときには、燃料電池から電極負荷への給電を停止すると共に、給電を停止しているとき、商用電源から買電した電力により電力負荷を作動させる形態を採用することができる。
【実施例１】
【００１８】
本発明の実施例１について図１及び図２を参照して説明する。燃料電池発電システムは、単セルあたりの電極面積が相対的に異なる複数の燃料電池のスタックが用いられている。即ち、図１に示すように、複数の燃料電池として、電極面積の大きな順で第１燃料電池１を積層した第１スタック１０、第２燃料電池２を積層した第２スタック２０、第３燃料電池３を積層した第３スタック３０が設けられている。つまり、電極面積が相対的に大きい第１燃料電池１を積層した第１スタック１０、電極面積が相対的に中間の第２燃料電池２を積層した第２スタック２０、電極面積が相対的に小さい第３燃料電池３を積層した第３スタック３０が設けられている。ここで電極面積は１セル当たりの電極面積である。第１燃料電池１の電極面積Ｓ１を相対的に１００と表示すると、第２燃料電池２の電極面積Ｓ２は相対的に４０〜６０、殊に５０に設定されており、第３燃料電池３の電極面積Ｓ２は相対的に１５〜３５、殊に２５に設定されている。
【００１９】
第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０、第３燃料電池３の第３スタック３０については、積層セル枚数が基本的には同一となるように設定されている。更に、発電運転時には各スタック１０，２０，３０の電流密度が基本的には同じとなるように設定されている。
【００２０】
図２は燃料電池発電システムの構成を模式的に示す。図２に示すように、第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０、第３燃料電池３の第３スタック３０は、それぞれ電力負荷７に対して並列的関係に電気的に接続されている。第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０、第３燃料電池３の第３スタック３０を他の燃料電池に対して独立して電力負荷７に接続する接続部４が設けられている。接続部４は、第１スタック１０用の第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂと、第２スタック２０用の第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂと、第３スタック３０用の第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂとで形成されている。
【００２１】
第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂは、第１燃料電池１の第１スタック１０と電力負荷７とを繋ぐ第１導電経路６１に設けられており、第１燃料電池１で発電した電力を電力負荷７に給電したり停止したりする。第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂは、第２燃料電池２の第２スタック２０と電力負荷７とを繋ぐ第２導電経路６２に設けられており、第２燃料電池２で発電した電力を電力負荷７に給電したり停止したりする。第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂは、第３燃料電池３の第３スタック３０と電力負荷７とを繋ぐ第３導電経路６３に設けられており、第３燃料電池３の第３スタック３０で発電した電力を電力負荷７に給電したり停止したりする。
【００２２】
図２に示すように、配管系５は、加湿器５２に繋がる酸化剤用共通配管５３と、酸化剤用共通配管５３に設けられた酸化剤ガス供給用の酸化剤用弁部５４ａ，５４ｂ，５４ｃと、燃料用共通配管５５と、燃料用共通配管５５に設けられた燃料供給用の燃料用弁部５６ａ，５６ｂ，５６ｃとを有する。なお酸化剤ガスを加湿させる必要がないときには、加湿器５２を廃止しても良い。酸化剤用共通配管５３は、第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０、第３燃料電池３の第３スタック３０の酸化剤極にそれぞれ連通する。酸化剤用弁部５４ａは、第１燃料電池１の第１スタック１０に個別に酸化剤ガスを供給する。酸化剤用弁部５４ｂは、第２燃料電池２の第２スタック２０に個別に酸化剤ガスを供給する。酸化剤用弁部５４ｃは、第３燃料電池３の第３スタック３０に個別に酸化剤ガスを供給する。燃料用共通配管５５は燃料源５７に接続されており、第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０、第３燃料電池３の第３スタック３０の燃料極に連通する。燃料源５７は原料ガスを改質する改質ガス生成装置または水素ガスタンク（燃料タンク）とすることができる。
【００２３】
燃料用弁部５６ａは、第１燃料電池１の第１スタック１０に個別にガス状の燃料を供給する。燃料用弁部５６ｂは、第２燃料電池２の第２スタック２０に個別にガス状の燃料を供給する。図２に示すように、燃料用弁部５６ｃは、第３燃料電池３の第３スタック３０に個別にガス状の燃料を供給する。更に図２に示すように、配管系５は、酸化剤オフガス排出用の酸化剤用弁部６４ａ，６４ｂ，６４ｃと、燃料オフガス排出用の燃料用弁部６６ａ，６６ｂ，６６ｃとを有する。
【００２４】
上記した酸化剤ガスとしては一般的に空気（酸素含有ガス）を採用する。燃料としては水素ガスまたは水素含有ガスを採用する。
【００２５】
制御装置８は、第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂと、第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂと、第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂと、酸化剤用弁部５４ａ,５４ｂ,５４ｃと、燃料用弁部５６ａ,５６ｂ,５６ｃと、電力負荷７を個別に制御する。
【００２６】
本実施例に係る燃料電池発電システムの使用方法について説明を加える。
【００２７】
（i）まず、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きい領域であるときには、酸化剤用弁部５４ａが開放して第１燃料電池１の第１スタック１０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、燃料用弁部５６ａが開放して第１燃料電池１の第１スタック１０の燃料極にガス状の燃料が供給され、第１スタック１０が発電する。そして、第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂがオンされるため、第１燃料電池１の第１スタック１０と電力負荷７とが電気的に接続され、第１スタック１０が発電した電力は電力負荷７に給電される。この場合、酸化剤用弁部５４ｂが閉鎖されており、第２燃料電池２の第２スタック２０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ｂが閉鎖されており、第２燃料電池２の第２スタック２０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。更に、酸化剤用弁部５４ｃが閉鎖されており、第３燃料電池３の第３スタック３０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ｃが閉鎖されており、第３燃料電池３の第３スタック３０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。これにより第１スタック１０は運転されているものの、基本的には第２スタック２０及び第３スタック３０の運転は停止されている。
【００２８】
また、第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂはオフとされており、第２燃料電池２の第２スタック２０と電力負荷７とは非導通とされている。第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂはオフとされており、第３燃料電池３の第３スタック３０と電力負荷７とは非導通とされている。
【００２９】
（ii）また、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域であるときには、酸化剤用弁部５４ｂが開放して第２燃料電池２の第２スタック２０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、燃料用弁部５６ｂが開放して第２燃料電池２の第２スタック２０の燃料極にガス状の燃料が供給され、第２スタック２０が発電する。そして、第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂがオンされるため、第２燃料電池２の第２スタック２０が発電した電力は電力負荷７に給電される。この場合、酸化剤用弁部５４ａが閉鎖されており、第１燃料電池１の第１スタック１０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ａが閉鎖されており、第１燃料電池１の第１スタック１０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。
【００３０】
また、酸化剤用弁部５４ｃが閉鎖されており、第３燃料電池３の第３スタック３０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ｃが閉鎖されており、第３燃料電池３の第３スタック３０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。これにより第２スタック２０は運転されるものの、基本的には第１スタック１０及び第３スタック３０の運転は停止されている。また、第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂはオフとされており、第１燃料電池１の第１スタック１０と電力負荷７とは非導通とされている。また第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂはオフとされており、第３燃料電池３の第３スタック３０と電力負荷７とは非導通とされている。
【００３１】
（iii）また、電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域であるときには、酸化剤用弁部５４ｃが開放して第３燃料電池３の第３スタック３０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると共に、燃料用弁部５６ｃが開放して第３燃料電池３の第３スタック３０の燃料極にガス状の燃料が供給され、第３スタック３０が発電する。そして、第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂがオンされるため、第３燃料電池３の第３スタック３０が発電した電力は電力負荷７に給電される。この場合、酸化剤用弁部５４ａが閉鎖されており、第１燃料電池１の第１スタック１０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ａが閉鎖されており、第１燃料電池１の第１スタック１０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。
【００３２】
また酸化剤用弁部５４ｂが閉鎖されており、第２燃料電池２の第２スタック２０の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることが防止されていると共に、燃料用弁部５６ｂが閉鎖されており、第２燃料電池２の第２スタック２０の燃料極にガス状の燃料が供給されることが防止されている。
【００３３】
これにより第３スタック３０は運転されるものの、基本的には第１スタック１０及び第２スタック２０の運転は停止されている。従って第１スタック１０及び第２スタック２０にはセル電圧が作用しない。
【００３４】
また、第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂはオフとされており、第１燃料電池１の第１スタック１０と電力負荷７とは非導通とされている。また第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂはオフとされており、第２燃料電池２の第２スタック２０と電力負荷７とは非導通とされている。
【００３５】
図８は燃料電池の電流と電圧との関係を模式的に示す。図８の特性線Ｗ１に示すように、一般的な燃料電池によれば、電流密度が大きくなるとそのセル電圧が低下する傾向があり、また、電流電流が小さくなるとそのセル電圧が増加する傾向がある。このため電流量が少なくて済むような電力負荷量が小さい領域であるときには、燃料電池の電流密度が小さくなり、燃料電池のセル電圧が高くなりがちである。この場合、燃料電池の構成材料の長寿命化、殊に触媒等の更なる長寿命化には好ましくない。
【００３６】
この点について本実施例によれば、電流が小さくて済む電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域であるときには、セル電圧が高くなりがちな電極面積が相対的に大きな第１燃料電池１、第２燃料電池２を運転するのではなく、電極面積が相対的に小さな第３燃料電池３を運転する。このため出力電流が小さくて済む電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域であるときにおいて、第１燃料電池１のセル電圧が過剰に上昇した状態で第１燃料電池１を発電運転させることを未然に防止することができ、ひいては燃料電池発電システムの発電出力を小さくできる。このため、第１燃料電池１の触媒等の構成材料の長寿命化に有利である。
【実施例２】
【００３７】
図３〜図５は実施例２を示す。本実施例は前記した実施例と基本的には同様の構成及び作用効果を奏する。以下、相違する部分を中心として説明する。燃料電池発電システムは商用電源２００に電力変換装置２０１及びスイッチング素子２０２を介して系統連係されており、商用電源２００から買電したり、燃料電池発電システムで発電した電力を商用電源２００に売電できるようにされている。電力変換装置２０１は直流電力を交流電力に変換したり、あるいは、交流電力を直流電力に変換したりすることができる。
【００３８】
本実施例においても、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きい領域のときには、電極面積が相対的に大きな第１燃料電池１の第１スタック１０を運転する。電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域のときには、電極面積が相対的に中間の第２燃料電池２の第２スタック２０を運転する。電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域のときには、電極面積が相対的に小さい第３燃料電池３の第３スタック３０を運転する。
【００３９】
本実施例においては、電極面積が異なる燃料電池１，２，３間において燃料電池１，２，３の運転切替を行うときには、燃料電池１，２，３から電極負荷７への給電を停止すると共に、給電を停止しているとき、商用電源２００から買電した電力により電力負荷７を作動させる形態を採用している。以下、更に説明を加える。
【００４０】
図４は、電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域から、相対的に中間の領域に変化し（時刻ｔ１１）、更に、相対的に中間の領域から相対的に大きな領域に変化する（時刻ｔ１３）形態を模式的に示す。図４において、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までは、電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さいため、電極面積が相対的に小さな第３燃料電池３の第３スタック３０が運転されている。時刻ｔ１１から、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域になるため、時刻ｔ１１の前後から、燃料用弁部５６ｂ及び酸化剤用弁部５４ｂが開放し、第２燃料電池２の第２スタック２０に燃料及び酸化剤ガスが供給され、第２スタック２０の運転が開始される。時刻ｔ１１の前後とは、時刻ｔ１１の前、時刻ｔ１１の後、時刻ｔ１１の時点のいずれかを意味する。
【００４１】
しかし第２燃料電池２の第２スタック２０の運転が安定するまでは、つまり時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までは、商用電源２００から買電し、商用電源２００からの電力により電力負荷７を作動させる。そして第２燃料電池２の第２スタック２０の運転が安定すれば、第２スイッチング素子４２ｂ，４２ｂをオンして、第２燃料電池２の第２スタック２０と電力負荷７とを電気的に接続し、第２スタック２０が発電した電力で電力負荷７を作動させる。これにより商用電源２００からの買電は終了する。このように電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さい領域から相対的に大きい領域に変化する場合、燃料電池のスタックの運転を切り替えるとき、新しく切り替えられる燃料電池のスタックの発電運転が安定するまで商用電源２００から買電する買電手段が設けられている。
【００４２】
更に、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までは、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域であるため、電極面積が相対的に中間の第２燃料電池２の第２スタック２０が運転している。時刻ｔ１３から、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きな領域となるため、時刻ｔ１３の前後から、燃料用弁部５６ａ及び酸化剤用弁部５４ａが開放し、第１燃料電池１の第１スタック１０に燃料及び酸化剤ガスが供給され、第１スタック１０の運転が開始される。しかし第１燃料電池１の第１スタック１０の運転が安定するまでは、つまり時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までは、商用電源２００から買電し、商用電源２００からの電力により電力負荷７を作動させる。そして第１燃料電池１の第１スタック１０の運転が安定すれば、時刻ｔ１４において第１スイッチング素子４１ａ，４１ｂをオンして、第１燃料電池１の第１スタック１０と電力負荷７とを電気的に接続し、第１スタック１０が発電した電力で電力負荷７を作動させる。これにより商用電源２００からの買電は終了する。
【００４３】
図５は、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きな領域から、相対的に中間の領域に変化し（時刻ｔ２１）、更に、相対的に中間の領域から相対的に小さな領域に変化する（時刻ｔ２３）形態を模式的に示す。図５において、時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までは、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きいため、電極面積が相対的に大きな第１燃料電池１の第１スタック１０が運転されている。時刻ｔ２１から、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域になるため、時刻ｔ２１の前後から、燃料用弁部５６ｂ及び酸化剤用弁部５４ｂが開放し、第２燃料電池２の第２スタック２０に酸化剤ガス及び燃料が供給され、第２燃料電池２の第２スタック２０の運転が開始される。
【００４４】
しかし第２燃料電池２の第２スタック２０の運転が安定するまでは、つまり時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までは、商用電源２００から買電し、商用電源２００からの電力により電力負荷７を作動させる。そして第２燃料電池２の第２スタック２０の運転が安定すれば、時刻ｔ２２において第２スイッチング素子４２ａ，４２ｂをオンして、第２燃料電池２の第２スタック２０と電力負荷７とを電気的に接続し、第２スタック２０が発電した電力で電力負荷７を作動させる。これにより商用電源２００からの買電は終了する。このように電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きい領域から相対的に小さい領域に変化する場合、燃料電池のスタックの運転を切り替えるとき、新しく切り替えられる燃料電池のスタックの発電運転が安定するまで商用電源２００から買電する買電手段が設けられている。
【００４５】
更に、時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までは、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域であるため、電極面積が相対的に中間の第２燃料電池２の第２スタック２０が運転されている。時刻ｔ２３から、電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さな領域となるため、時刻ｔ２３の前後から、燃料用弁部５６ｃ及び酸化剤用弁部５４ｃが開放し、第３燃料電池３の第３スタック３０に酸化剤ガス及び燃料が供給され、第３燃料電池３の第３スタック３０の運転を開始する。しかし第３燃料電池３の第３スタック３０の運転が安定するまでは、つまり時刻ｔ２３から時刻ｔ２４までは、商用電源２００から買電し、商用電源２００からの電力により電力負荷７を作動させる。そして第３燃料電池３の第３スタック３０の運転が安定すれば、時刻ｔ２４において第３スイッチング素子４３ａ，４３ｂをオンして、第３燃料電池３の第３スタック３０と電力負荷７とを電気的に接続し、第３スタック３０が発電した電力で電力負荷７を作動させる。これにより商用電源２００からの買電は終了する。
【００４６】
ところで、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域から、相対的に大きい領域に変化するとき、第２燃料電池２の第２スタック２０を運転させつつ、し第１燃料電池１の第１スタック１０に切り替える方式も考えられる。同様に、電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きな領域から、相対的に中間の領域に変化するとき、第１燃料電池１の第１スタック１０を運転させつつ、第２燃料電池２の第２スタック２０に切り替える方式も考えられる。これらの場合には、電極面積が中間の第２スタック２０の他に、電極面積が大きな第１スタック１０との双方に、燃料及び酸化剤ガスを供給させる必要がある。このため、改質器等の燃料源５７及び加湿器５２等が大型化する傾向がある。
【００４７】
この点本実施例によれば、電力負荷７の電力負荷量が相対的に中間の領域と、相対的に大きい領域との間で変化するとき、電極面積が中間の第２スタック２０と、電極面積が大きな第１スタック１０との双方に燃料及び酸化剤ガスを供給しないガス停止期間を設定し、そのガス停止期間において、商用電源２００から買電した電力により電力負荷７を作動させることにしている。このため電極面積が中間の第２スタック２０の他に、電極面積が大きな第１スタック１０が発電運転されることを回避できる。ひいては改質器等の燃料源５７及び加湿器５２等が大型化するおそれを回避できる利点が得られる。
【実施例３】
【００４８】
図６は実施例３を示す。本実施例は前記した実施例２と基本的には同様の構成及び作用効果を奏する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、スタック１０，２０，３０を繋ぐ冷却水循環通路３００と、貯湯槽３０１をもつ貯湯槽通路３０２と、冷却水循環通路３００の冷却水と貯湯槽通路３０２の水とを熱交換する熱交換器３０３と、冷却水循環通路３００の水を循環させるポンプなどの第１冷却水搬送装置３０５と、貯湯槽通路３０２の水を循環させるポンプなどの第２冷却水搬送装置３０６とを備えている。冷却水循環通路３００は複数のスタック１０，２０，３０について共通の冷却水循環通路とされている。つまり冷却水循環通路３００を流れる冷却媒体である冷却水は複数のスタック１０，２０，３０を直列に流れるように、複数のスタック１０，２０，３０について共通する冷却媒体循環通路（冷却水循環通路）とされている。冷却水が複数のスタック１０，２０，３０を直列に流れるとき、スタックを流れる順番は特に限定されない。熱交換器３０３は複数のスタック１０，２０，３０について共通の熱交換器とされている。なお熱交換器３０３の熱交換能力は、複数のスタック１０，２０，３０のうち発熱量が最も大きいスタックを冷却できるように、即ち、冷却水の温度が最も高くなるスタックに対応できるように、複数のスタックのうち発熱量が最も大きいスタックに適応させて設定することができる。但しこれに限定されるものではない。
【００４９】
冷却水循環通路３００の水は第１冷却水搬送装置３０５によりスタック１０，２０，３０を循環するため、スタック１０，２０，３０の熱は冷却水循環通路３００の冷却水に伝熱され、冷却水循環通路３００の冷却水は加熱されて温水となる。そして、冷却水循環通路３００を流れる温水は、熱交換器３０３を介して貯湯槽通路３０２の水を加熱する。これにより貯湯槽３０１の水は加熱される。このため貯湯槽３０１には温水が貯留される。
【００５０】
前記したように冷却水循環通路３００は複数のスタック１０，２０，３０について共通の冷却水循環通路とされているため、冷却水循環通路３００を流れる冷却水はスタック１０，２０，３０を流れる。このためスタック１０，２０，３０のうちいずれかのスタックが発電運転していれば、冷却水循環通路３００の冷却水は温水であり、他のスタックを所定温度領域に保温することができる。例えば、
スタック１０，２０，３０のうちスタック１０が発電運転していれば、冷却水循環通路３００の冷却水は温水であり、他のスタック２０，３０を発電運転していなくても、他のスタック２０，３０を所定温度領域またはそれ付近に保温することができる。またスタック２０が発電運転していれば、冷却水循環通路３００の冷却水は温水であり、他のスタック１０，３０が発電運転していなくても、他のスタック１０，３０を所定温度領域またはそれ付近に保温することができる。またスタック３０が発電運転していれば、冷却水循環通路３００の冷却水は温水であり、他のスタック１０，２０を所定温度領域またはそれ付近に保温することができる。故に、スタック１０，２０，３０の運転を開始するときには、そのスタックの温度が維持されており、そのスタックの運転の立ち上がり時間を短縮化できる。
【００５１】
なお本実施例では、冷却水循環通路３００を流れる冷却媒体である冷却水が複数のスタック１０，２０，３０を直列に流れるように設定されているが、これに限らず、冷却水は複数のスタック１０，２０，３０を並列的に流れるようにしても良い。
【実施例４】
【００５２】
図７は実施例４を示す。本実施例は前記した実施例３と基本的には同様の構成及び作用効果を奏する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、複数の燃料電池として、電極面積の大きな順で第１燃料電池１の第１スタック１０、第２燃料電池２の第２スタック２０が設けられている。電力負荷７の電力負荷量が相対的に大きいときには、電極面積が相対的に大きな第１燃料電池１の第１スタック１０を運転し、電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に小さい第２燃料電池２の第２スタック２０を運転する。
【００５３】
本実施例においても、電流が小さくて済む電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さいときには、電極面積が相対的に大きな第１燃料電池１の第１スタック１０を運転するのではなく、電極面積が相対的に小さな第２燃料電池２の第２スタック２０を運転する。このため電力負荷７の電力負荷量が相対的に小さいときにおて、第１燃料電池１の電圧の過剰の上昇を抑制しつつ、燃料電池発電システムの発電出力を小さくできるため、第１燃料電池１の触媒等の構成材料の長寿命化に有利である。
【００５４】
（他の例）
電極面積が異なる燃料電池１，２，３間において燃料電池１，２，３の運転切替を行うときには、燃料電池１，２，３から電極負荷７への給電を停止することなく、燃料電池１，２，３のうちのいずれかを発電運転させつつ、燃料電池１，２，３のうちの他のいずれかを発電運転させることにしても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は車両用、定置用、電気機器用、携帯用の燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】電極面積が相対的に大きい第１燃料電池の第１スタック、電極面積が相対的に中間の第２燃料電池の第２スタック、電極面積が相対的に小さい第３燃料電池の第３スタックの斜視図である。
【図２】第１スタック、第２スタック、第３スタックを有する燃料電池発電システムの概念を模式的に示す構成図である。
【図３】実施例２に係り、第１スタック、第２スタック、第３スタックを有する燃料電池発電システムの概念を模式的に示す構成図である。
【図４】電力負荷が増加していくときにおける給電形態を示すグラフである。
【図５】電力負荷が減少していくときにおける給電形態を示すグラフである。
【図６】実施例３に係り、第１スタック、第２スタック、第３スタックを有する燃料電池発電システムの概念を模式的に示す構成図である。
【図７】実施例４に係り、第１スタック、第２スタック、第３スタックを有する燃料電池発電システムの概念を模式的に示す構成図である。
【図８】燃料電池において電流密度とセル電圧との関係を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
図中、１は第１燃料電池、１０は第１スタック、２は第２燃料電池、２０は第２スタック、３は第３燃料電池、３０は第３スタック、４は接続部、４１は第１スイッチング素子、４２は第２スイッチング素子、４３は第３スイッチング素子、５は配管系、５３は酸化剤用共通配管、５４ａ，５４ｂ，５４ｃは酸化剤用弁部、５５は燃料用共通配管、５６ａ，５６ｂ，５６ｃは燃料用弁部、７は電力負荷、８は制御装置を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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