(57)【要約】【課題】燃料のロスを削減するための技術を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、燃料供給源（１０）と、燃料供給口及び燃料排出口をそれぞれ有する複数の燃料電池スタック（１１）と、複数の燃料電池スタック（１１）に含まれた第１燃料電池スタック（１１ａ）の燃料供給口と燃料供給源（１０）とを接続している第１燃料供給路（１２ａ）と、複数の燃料電池スタック（１１）に含まれた第２燃料電池スタック（１１ｂ）の燃料供給口と燃料供給源（１０）とを接続している第２燃料供給路（１２ｂ）と、第１燃料電池スタック（１１ａ）の燃料排出口と第２燃料供給路（１２ｂ）とを接続している未反応燃料供給路（１３）とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給源と、
燃料供給口及び燃料排出口をそれぞれ有する複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第１燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第１燃料供給路と、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第２燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第２燃料供給路と、
前記第１燃料電池スタックの前記燃料排出口と前記第２燃料供給路とを接続している未反応燃料供給路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記未反応燃料供給路に配置されたポンプをさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給源から前記複数の燃料電池スタックに供給されるべき燃料がガスであり、
前記燃料電池システムは、前記第２燃料供給路に配置されたエジェクタをさらに備え、
前記未反応燃料供給路が前記エジェクタに接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１燃料供給路及び前記第２燃料供給路から選ばれる少なくとも１つに配置された流量調整装置をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２燃料電池スタックの前記燃料排出口と前記第２燃料供給路とを接続している未反応燃料循環路をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般家庭だけでなく、自動車、船舶、オフィス、商業施設、公共施設など幅広い分野に普及しつつある。これらの用途の燃料電池システムには、一般家庭用の燃料電池システムよりも高い発電量が求められることがある。高い発電量を得るための構成として、互いに並列に配置された複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成図である。従来の燃料電池システムは、並列に接続された複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂ及び１ｃを備えている。複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂ及び１ｃのそれぞれには、共通の配管２を通じて空気が供給されるとともに、共通の配管３を通じて燃料が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４０５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
当業者に知られているように、燃料電池スタックには、通常、発電に最低限必要な流量を上回る流量で燃料が供給される。これにより、燃料電池スタックの内部における燃料の欠乏が防止され、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。ただし、未反応の燃料が無駄になるという課題がある。図７に示す構成によれば、各燃料電池スタックから未反応の燃料が排出されるので、燃料のロスが多くなりがちである。
【０００６】
本開示の目的は、燃料のロスを削減するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本開示は、
燃料供給源と、
燃料供給口及び燃料排出口をそれぞれ有する複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第１燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第１燃料供給路と、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第２燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第２燃料供給路と、
前記第１燃料電池スタックの前記燃料排出口と前記第２燃料供給路とを接続している未反応燃料供給路と、
を備えた、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の技術によれば、燃料のロスを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の実施形態１にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、変形例にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図３】図３は、本開示の実施形態２にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図４】図４は、本開示の実施形態３にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図５】図５は、別の変形例にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図６】図６は、さらに別の変形例にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図７】図７は、従来の燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
燃料電池スタックの信頼性を守るためには、発電に必要な流量よりも１割から２割程度大きい流量で燃料を燃料電池スタックに供給して、燃料電池スタックの内部における燃料の欠乏を防ぐ必要がある。燃料電池スタックで使用されなかった未反応の燃料は、燃料電池システムの外部に排出される。
【００１１】
複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ（％）及び燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）は、それぞれ、以下の式で表される。
【００１２】
Ｕｆ＝（燃料電池スタックで使用された燃料の量の平均値）÷（燃料電池スタックに供給された燃料の量の平均値）＊１００
【００１３】
Ｕｆｓ＝（燃料電池システムで使用された燃料の量）÷（燃料電池システムに供給された燃料の量）＊１００
【００１４】
図７に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１ａ，１ｂ及び１ｃで使用されなかった未反応の燃料は、燃料電池システムの外部にそのまま排出される。このような構成によれば、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓは、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆに一致する。燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを上げるためには、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆを上げる必要がある。燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆを上げるためには、各燃料電池スタックへの燃料の供給流量を減らすことが必要である。しかし、各燃料電池スタックへの燃料の供給流量を減らすと、燃料電池スタックの出口付近で燃料が欠乏するので、燃料電池スタックの劣化が進行しやすく、燃料電池システムの信頼性が損なわれる。そのため、図７に示す従来の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓは、各燃料電池スタックの信頼性が維持されうる範囲にとどまる。燃料電池システムの外部に未反応の燃料が多量に放出されるので、高い発電効率で燃料電池システムを運転することが難しい。
【００１５】
本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料供給源と、
燃料供給口及び燃料排出口をそれぞれ有する複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第１燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第１燃料供給路と、
前記複数の燃料電池スタックに含まれた第２燃料電池スタックの前記燃料供給口と前記燃料供給源とを接続している第２燃料供給路と、
前記第１燃料電池スタックの前記燃料排出口と前記第２燃料供給路とを接続している未反応燃料供給路と、
を備えたものである。
【００１６】
本開示の第１態様によれば、第１燃料電池スタックから排出された未反応の燃料が第２燃料電池スタックに供給され、発電のために使用される。燃料電池システムから排出される燃料の量が減るので、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓが向上する。その結果、高い発電効率で燃料電池システムを運転することができる。燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓが燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆに左右されにくい。
【００１７】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様の燃料電池システムは、前記未反応燃料供給路に配置されたポンプをさらに備えている。第２態様によれば、未反応の燃料に含まれた水蒸気の量が多い条件においても、未反応燃料供給路から第２燃料供給路に未反応の燃料を安定して供給することができる。
【００１８】
本開示の第３態様において、例えば、第１態様の燃料電池システムの前記燃料供給源から前記複数の燃料電池スタックに供給されるべき燃料がガスであり、前記燃料電池システムは、前記第２燃料供給路に配置されたエジェクタをさらに備え、前記未反応燃料供給路が前記エジェクタに接続されている。エジェクタによれば、余分な電力を消費することなく、未反応燃料供給路から第２燃料供給路に未反応の燃料を流入させることができる。
【００１９】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つの燃料電池システムは、前記第１燃料供給路及び前記第２燃料供給路から選ばれる少なくとも１つに配置された流量調整装置をさらに備えている。流量調整装置によれば、燃料の流量を精度よく調節できるため、より高い燃料利用率Ｕｆｓ、つまり、より高い発電効率で燃料電池システムを運転することが可能である。
【００２０】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つの燃料電池システムは、前記第２燃料電池スタックの前記燃料排出口と前記第２燃料供給路とを接続している未反応燃料循環路をさらに備えている。第５態様によれば、より高い発電効率で燃料電池システムを運転することができる。
【００２１】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２２】
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料供給源１０、複数の燃料電池スタック１１、複数の燃料供給路１２、未反応燃料供給路１３、及び、燃料排出路１４を備えている。複数の燃料供給路１２、未反応燃料供給路１３、及び、燃料排出路１４は、それぞれ、少なくとも１つの配管で構成されている。複数の燃料供給路１２、未反応燃料供給路１３、及び、燃料排出路１４は、それぞれ、配管と配管とを接続するための少なくとも１つの継手を含んでいてもよい。
【００２３】
燃料供給源１０は、所定の供給圧力を有する燃料を各燃料電池スタック１１に供給するためのインフラストラクチャである。燃料は、典型的には、水素ガスである。燃料供給源１０は、例えば、液化水素の貯蔵タンクである。本実施形態では、単一の燃料供給源１０から複数の燃料電池スタック１１のそれぞれに燃料が供給される。ただし、燃料供給源１０の数は１つに限定されない。燃料電池システム１００は、複数の燃料供給源１０を備えていてもよいし、燃料供給源１０が複数の部分（例えば、複数の貯蔵タンク）に分かれていてもよい。
【００２４】
燃料の種類は水素ガスに限定されない。燃料は、炭化水素ガスであってもよい。燃料が炭化水素ガスであるとき、燃料供給源１０は、炭化水素ガスを改質することによって水素ガスを生成する水素生成装置を含んでいてもよい。この場合、水素生成装置は、脱硫器、改質器などのデバイスを含む。炭化水素ガスとしては、都市ガス、ＬＰガスなどが挙げられる。燃料は、メタノール、エタノールなどのアルコール又はアルコールを含む溶液であってもよい。さらに、燃料供給源１０は、昇圧器及び流量計を含んでいてもよい。つまり、燃料の供給流量を調節する機能が燃料供給源１０に備わっていてもよい。燃料がガスの場合もあるし、液体の場合もある。
【００２５】
複数の燃料電池スタック１１は、第１燃料電池スタック１１ａ及び第２燃料電池スタック１１ｂを含む。複数の燃料電池スタック１１は、燃料供給口及び燃料排出口をそれぞれ有する。燃料電池スタック１１は、例えば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池又はリン酸型燃料電池で構成されている。燃料電池スタック１１は、燃料供給源１０から供給された燃料と、酸化剤供給源（図示せず）から供給された酸化剤とを反応させて電力を生成する。酸化剤は、典型的には空気である。酸化剤供給源は、例えば、燃料電池スタック１１に空気を供給するためのファン又はブロワである。
【００２６】
複数の燃料供給路１２は、燃料供給源１０から複数の燃料電池スタック１１のそれぞれに燃料を供給するための経路である。本実施形態において、複数の燃料供給路１２は、第１燃料供給路１２ａ及び第２燃料供給路１２ｂを含む。第１燃料供給路１２ａは、第１燃料電池スタック１１ａの燃料供給口と燃料供給源１０とを接続している。第２燃料供給路１２ｂは、第２燃料電池スタック１１ｂの燃料供給口と燃料供給源１０とを接続している。本実施形態では、第１燃料供給路１２ａから第２燃料供給路１２ｂが分岐しているが、第２燃料供給路１２ｂが燃料供給源１０に直接接続されていてもよい。第１燃料供給路１２ａを通じて、燃料供給源１０から第１燃料電池スタック１１ａに燃料が供給される。第２燃料供給路１２ｂを通じて、燃料供給源１０から第２燃料電池スタック１１ｂに燃料が供給される。つまり、第１燃料電池スタック１１ａ及び第２燃料電池スタック１１ｂが燃料供給源１０に並列に接続されている。
【００２７】
未反応燃料供給路１３は、第１燃料電池スタック１１ａの燃料排出口と第２燃料供給路１２ｂとを接続している。未反応燃料供給路１３は、第１燃料電池スタック１１ａから排出された未使用の（未反応の）燃料を第２燃料供給路１２ｂに流入させるための経路である。
【００２８】
燃料排出路１４は、未使用の（未反応の）燃料を燃料電池システム１００の外部に排出するための経路である。燃料排出路１４は、第２燃料電池スタック１１ｂの燃料排出口に接続された一端を有する。燃料排出路１４の他端は、例えば、燃料電池スタック１１が納められた筐体の内部空間に向かって開口している。未反応の燃料は、十分に低い濃度まで空気で希釈され、筐体の外部に放出される。燃料排出路１４の他端は、筐体の外部に向かって開口していてもよい。
【００２９】
また、燃料電池システム１００は、エジェクタ４を備えている。エジェクタ４は、第２燃料供給路１２ｂに配置されている。未反応燃料供給路１３がエジェクタ４に接続されている。言い換えれば、エジェクタ４は、未反応燃料供給路１３と第２燃料供給路１２ｂとの合流位置に配置されている。エジェクタ４の高圧側入口に第２燃料供給路１２ｂを構成する配管が接続され、エジェクタ４の低圧側入口に未反応燃料供給路１３を構成する配管が接続されうる。第２燃料供給路１２ｂを構成する別の配管によって、エジェクタ４の出口と第２燃料電池スタック１１ｂの燃料供給口とが接続されている。第１燃料電池スタック１１ａから排出された未反応の燃料は、未反応燃料供給路１３を通じて、エジェクタ４に吸引される。エジェクタ４は、第１燃料電池スタック１１ａから排出された未反応の燃料を第２燃料供給路１２ｂに流入させるための搬送手段の一例である。エジェクタ４によれば、余分な電力を消費することなく、未反応燃料供給路１３から第２燃料供給路１２ｂに未反応の燃料を流入させることができる。
【００３０】
また、燃料電池システム１００は、少なくとも１つの燃料供給装置５を備えている。本実施形態では、複数の燃料供給路１２のそれぞれに燃料供給装置５が配置されている。詳細には、第１燃料供給路１２ａと第２燃料供給路１２ｂとの分岐位置Ｐよりも燃料の流れ方向の下流側において、第１燃料供給路１２ａに燃料供給装置５が配置されている。言い換えれば、分岐位置Ｐと第１燃料電池スタック１１ａとの間に燃料供給装置５が配置されている。また、燃料供給源１０とエジェクタ４との間において、第２燃料供給路１２ｂに燃料供給装置５が配置されている。詳細には、分岐位置Ｐとエジェクタ４との間において、第２燃料供給路１２ｂに燃料供給装置５が配置されている。各燃料供給路１２の燃料の流量は、発電出力の大きさに応じて変化する。燃料供給装置５によれば、燃料の流量を精度よく調節できるため、より高い燃料利用率Ｕｆｓ、つまり、より高い発電効率で燃料電池システム１００を運転することが可能である。
【００３１】
燃料供給装置５は、例えば、ポンプを含む。ポンプは、燃料供給源１０から供給された燃料を昇圧して燃料電池スタック１１に供給する。ポンプは、例えば、回転数を変更可能なポンプである。ピストンポンプ、ロータリポンプなどの定容積ポンプが燃料供給装置５に使用されうる。
【００３２】
燃料供給装置５は、ポンプ及び流量計の組み合わせによって構成されていてもよい。流量計は、燃料供給路１２における燃料の流量を計測する。流量計は、例えば、差圧式流量計である。差圧式流量計の原理は次のとおりである。燃料供給路１２の２点で圧力を検出する。検出された圧力の差からベルヌーイの式を用いて燃料供給路１２における燃料の流速を求める。流速に燃料供給路１２の断面積を乗ずると流量が得られる。
【００３３】
また、燃料電池システム１００は、制御器１６を備えている。制御器１６は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御器１６には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００３４】
制御器１６には、燃料供給装置５の流量計から燃料供給路１２における燃料の流量に関する流量情報が入力される。制御器１６は、流量情報に基づいて燃料供給装置５のポンプの能力（回転数）を制御する。これにより、各燃料供給路１２の燃料の流量が目標流量に調節される。つまり、燃料供給装置５は、流量調整装置の機能を持っている。制御器１６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００３５】
十分に高い圧力を持った燃料が燃料供給源１０から各燃料供給路１２に供給される場合、燃料供給装置５は、流量調整弁及び流量計の組み合わせによって構成されうる。流量調整弁は、例えば、ニードル弁である。ニードル弁は、燃料供給源１０から燃料供給装置５に供給された燃料の圧力を適切な圧力に調節し、調節された圧力を有する燃料を燃料電池スタック１１に供給する。言い換えれば、ニードル弁を制御することによって、燃料の流量を目標流量に調節することができる。
【００３６】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００３７】
燃料供給装置５を作動させると、燃料は、燃料供給源１０から燃料供給路１２のそれぞれに供給される。燃料は、第１燃料供給路１２ａを通じて、第１燃料電池スタック１１ａに供給される。燃料は、第２燃料供給路１２ｂ及びエジェクタ４を通じて、第２燃料電池スタック１１ｂにも供給される。第１燃料電池スタック１１ａで使用されなかった燃料は、未反応の燃料として、第１燃料電池スタック１１ａから未反応燃料供給路１３に排出される。未反応の燃料は、未反応燃料供給路１３を通じてエジェクタ４に吸引され、第２燃料供給路１２ｂの燃料に合流する。未反応の燃料と燃料供給源１０から供給された燃料とがエジェクタ４で混ざり合い、第２燃料電池スタック１１ｂに供給され、発電のために使用される。第２燃料電池スタック１１ｂで使用されなかった余剰の燃料は、未反応の燃料として、第２燃料電池スタック１１ｂから燃料排出路１４に排出される。未反応の燃料は、燃料排出路１４を通じて、燃料電池システム１００の筐体の内部空間又は筐体の外部に放出される。
【００３８】
燃料電池スタック１１の各セルに燃料を均一に流すことは容易ではない。実際には、５〜１０％程度の流量配分のアンバランスが発生する。したがって、流量配分のアンバランスと燃料電池スタック１１の各セルの出口における燃料の確保という観点から、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆは、通常、８０％前後に設定される。
【００３９】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆが８０％であり、各燃料電池スタック１１の燃料供給口での燃料の流量が１０Ｌ／ｍｉｎであるとすると、各燃料電池スタック１１で使用される燃料の流量は８Ｌ／ｍｉｎである。各燃料電池スタック１１の燃料排出口での燃料の流量は２Ｌ／ｍｉｎである。未反応燃料供給路１３及び燃料排出路１４には、それぞれ、２Ｌ／ｍｉｎの流量にて未反応の燃料が流れる。第２燃料供給路１２ｂには、未反応燃料供給路１３を通じて、第１燃料電池スタック１１ａから２Ｌ／ｍｉｎの流量で未反応の燃料が供給される。そのため、燃料供給源１０から第２燃料供給路１２ｂには、８Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。
【００４０】
つまり、第１燃料電池スタック１１ａから排出されて未反応燃料供給路１３を通じて第２燃料電池スタック１１ｂに供給された未反応の燃料の流量と、燃料供給源１０から第２燃料供給路１２ｂに供給された燃料の流量との合計が目標流量に収斂するように、第２燃料供給路１２ｂに配置された燃料供給装置５が制御器１６によって制御される。
【００４１】
第１燃料供給路１２ａには、１０Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料供給源１０から燃料が供給される。よって、燃料供給源１０から複数の燃料電池スタック１１に合計１８Ｌ／ｍｉｎの流量で燃料が供給され、消費される。
【００４２】
第１燃料電池スタック１１ａ及び第２燃料電池スタック１１ｂにおいては、合計１６Ｌ／ｍｉｎの流量の燃料が使用される。燃料排出路１４から２Ｌ／ｍｉｎの流量にて未反応の燃料が燃料電池システム１００の外部に排出される。燃料電池システム１００の燃料利用率Ｕｆｓは下記式１で表される。
【００４３】
（式１）
Ｕｆｓ＝１００＊１６／１８＝８８．９（％）
【００４４】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆが８０％であるから、燃料電池システム１００の全体での燃料利用率Ｕｆｓは、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆを８．９％上回る。すなわち、本実施形態によれば、高い発電効率で燃料電池システム１００を運転することができる。
【００４５】
（変形例１）
図２に示すように、本変形例にかかる燃料電池システム１０２は、３以上の燃料電池スタック１１を備えている。本開示の技術は、Ｎ台（Ｎは、２以上の整数）の燃料電池スタック１１を備えた燃料電池システムに適用可能である。
【００４６】
燃料電池システム１０２において、Ｎ台の燃料電池スタック１１が燃料供給源１０に並列に接続されている。複数の燃料供給路１２のそれぞれによって燃料電池スタック１１と燃料供給源１０とが接続されている。燃料電池システム１０２は、少なくとも１つの未反応燃料供給路１３をさらに備えている。本変形例では、燃料電池システム１０２は、複数の未反応燃料供給路１３を備えている。詳細には、未反応燃料供給路１３の数は、燃料電池スタック１１の数よりも１つ少ない。
【００４７】
また、燃料電池システム１０２は、少なくとも１つのエジェクタ４を備えている。本変形例では、燃料電池システム１０２は、複数のエジェクタ４を備えている。詳細には、エジェクタ４の数も燃料電池スタック１１の数よりも１つ少ない。エジェクタ４は、複数の燃料供給路１２に含まれた第１燃料供給路１２ａ（特定の燃料供給路）を除く複数の燃料供給路１２のそれぞれに配置されている。第１燃料供給路１２ａにはエジェクタ４が配置されていない。燃料供給装置５は、複数の燃料供給路１２のそれぞれに配置されている。
【００４８】
複数の未反応燃料供給路１３は、それぞれ、任意の燃料電池スタック１１の燃料排出口に接続された一端と、エジェクタ４の低圧側入口に接続された他端とを有する。複数の燃料電池スタック１１のそれぞれから排出された未反応の燃料が別の燃料電池スタック１１に供給される。複数の燃料電池スタック１１のそれぞれに１からＮまで順番に番号を付与したとき、番号ｋ（ｋは、１以上かつＮ未満の任意の整数）を有する燃料電池スタック１１から排出された未反応の燃料が番号（ｋ＋１）を有する燃料電池スタック１１への燃料供給路１２に導かれる。言い換えれば、未反応燃料供給路１３は、番号ｋを有する燃料電池スタック１１の燃料排出口に接続された一端と、燃料供給源１０と番号（ｋ＋１）を有する燃料電池スタック１１とを接続している燃料供給路１２に接続された他端とを有する。
【００４９】
燃料電池システム１０２は、燃料排出路１４も備えている。燃料排出路１４は、複数の燃料電池スタック１１から選ばれる任意の燃料電池スタック１１の燃料排出口に接続されている。本実施形態では、番号Ｎを有する燃料電池スタック１１の燃料排出口に燃料排出路１４が接続されている。燃料排出路１４の構成及び機能は、図１を参照して説明したとおりである。燃料排出路１４が設けられていることにより、燃料中の窒素ガスなどの不純物の濃度が徐々に上昇して閾値を上回ることを回避できる。
【００５０】
本変形例では、燃料電池スタック１１の数の上限は特に限定されない。ただし、燃料中の不純物の濃度が閾値を上回ることを回避するために、例えば２０台の燃料電池スタック１１に対して少なくとも１つの燃料排出路１４が設けられていることが望ましい。
【００５１】
また、燃料電池システム１０２に含まれた複数の燃料電池スタック１１の全てが未反応の燃料の再利用に関与している必要はない。つまり、複数の燃料電池スタック１１に含まれた一部の複数の燃料電池スタック１１のみが図１及び図２を参照して説明した構造を有していてもよい。
【００５２】
次に、燃料電池システム１０２の燃料利用率について説明する。
【００５３】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率ＵｆがＰ（％）であり、各燃料電池スタック１１の燃料供給口での燃料の流量が１０Ｌ／ｍｉｎであるとすると、各燃料電池スタック１１で使用される燃料の流量は（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎである。各燃料電池スタック１１の燃料排出口での燃料の流量は（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎである。未反応燃料供給路１３及び燃料排出路１４には、それぞれ、（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎの流量にて未反応の燃料が流れる。
【００５４】
燃料供給源１０から第１燃料供給路１２ａには、１０Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。他の燃料供給路１２には、未反応燃料供給路１３を通じて、燃料電池スタック１１から２Ｌ／ｍｉｎの流量で未反応の燃料が供給される。そのため、燃料供給源１０から他の燃料供給路１２のそれぞれには、１０−（１０−（Ｐ／１０））＝（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。
【００５５】
よって、燃料供給源１０から複数の燃料電池スタック１１に合計で１０＋（Ｐ／１０）＊（Ｎ−１）Ｌ／ｍｉｎの流量で燃料が供給され、消費される。
【００５６】
燃料電池スタック１１においては、合計（（Ｐ／１０）＊Ｎ）Ｌ／ｍｉｎの流量の燃料が使用される。燃料排出路１４から（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎの流量にて未反応の燃料が燃料電池システム１０２の外部に排出される。燃料電池システム１０２の燃料利用率Ｕｆｓは下記式２で表される。
【００５７】
（式２）
Ｕｆｓ＝１００＊（Ｐ／１０）＊Ｎ／（１０＋（Ｐ／１０）＊（Ｎ−１））（％）
【００５８】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆに対する燃料電池システム１０４の燃料利用率Ｕｆｓの比は、下記式３で表される。
【００５９】
（式３）
Ｕｆｓ／Ｕｆ＝Ｎ／（１＋（Ｐ／１００）＊（Ｎ−１））
【００６０】
式３において、分母の（Ｐ／１００）＊（Ｎ−１）の項について検討する。燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆを表す「Ｐ」は、０以上１００以下の実数である。Ｐ／１００は０以上１以下の実数である。（Ｐ／１００）＊（Ｎ−１）の項は、０以上（Ｎ−１）以下の実数である。分母の（１＋（Ｐ／１００）＊（Ｎ−１））は、１以上Ｎ以下の実数である。よって、上記式３の左辺（Ｕｆｓ／Ｕｆ）は、１以上Ｎ以下の実数である。
【００６１】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆに対する燃料電池システム１０４の燃料利用率Ｕｆｓの比は、常に１以上である。つまり、本変形例によれば、燃料電池システム１０４の燃料利用率Ｕｆｓが燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆを常に上回る。
【００６２】
燃料電池スタック１１で使用されなかった燃料は、未反応燃料供給路１３を通じて燃料供給路１２に導かれ、エジェクタ４に吸引される。エジェクタ４の高圧側入口における燃料の流量が多ければ多いほど、エジェクタ４の内部での燃料の流速が増加する。すると、エジェクタ４の内部の圧力の低下幅も増加し、低圧側入口を通じて未反応の燃料を吸引する能力も上がる。燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆが８０％であり、エジェクタ４の高圧側入口における燃料の流量が８Ｌ／ｍｉｎであるとき、未反応燃料供給路１３から２Ｌ／ｍｉｎの流量で燃料がエジェクタ４に吸引される。
【００６３】
実施形態１と同じように、本変形例においても、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆとは独立して、燃料電池システム１０４の燃料利用率Ｕｆｓを向上させることができる。燃料電池スタック１１の数の増加に比例して、燃料電池システム１０４の燃料利用率Ｕｆｓを向上させることができる。未反応の燃料は、未反応燃料排出路１４のみから燃料電池システム１０４の外部に排出される。燃料電池スタック１１の数と未反応燃料排出路１４の数を適切に調整することによって、効率的かつ信頼性の高い燃料電池システム１０４を提供できる。
【００６４】
（実施形態２）
図３に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム１０４は、エジェクタ４に代えてポンプ１８を備えている。ポンプ１８を除き、燃料電池システム１０４は、燃料電池システム１００の構成と同じ構成を有する。
【００６５】
ポンプ１８は、未反応燃料供給路１３に配置されている。ポンプ１８は、典型的には、ピストンポンプ、ロータリポンプなどの定容積ポンプである。エジェクタ４と同様に、ポンプ１８も、第１燃料電池スタック１１ａから排出された未反応の燃料を第２燃料供給路１２ｂに流入させるための搬送手段の一例である。本実施形態によれば、未反応の燃料に含まれた水蒸気の量が多い条件においても、未反応燃料供給路１３から第２燃料供給路１２ｂに未反応の燃料を安定して供給することができる。
【００６６】
図２を参照して説明した燃料電池システム１０２において、エジェクタ４に代えて、ポンプ１８が使用されていてもよい。図２を参照して説明した燃料電池システム１０２において、エジェクタ４とポンプ１８とが混在していてもよい。このことは、他の実施形態及び変形例にもあてはまる。
【００６７】
（実施形態３）
図４に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム１０６は、３以上の燃料電池スタック１１を備えている。詳細には、燃料電池システム１０６は、図３を参照して説明した燃料電池システム１０４の構成に加え、第３燃料電池スタック１１ｃ、第３燃料供給路１２ｃ、第２未反応燃料供給路１３ｂ、及び、未反応燃料循環路２０を備えている。第３燃料電池スタック１１ｃは、複数の燃料電池スタック１１に含まれた燃料電池スタックの１つである。第１燃料電池スタック１１ａ及び第２燃料電池スタック１１ｂと同じように、第３燃料電池スタック１１ｃは、燃料供給源１０に並列に接続されている。
【００６８】
第３燃料供給路１２ｃは、第３燃料電池スタック１１ｃの燃料供給口と燃料供給源１０とを接続している。第２未反応燃料供給路１３ｂは、第２燃料電池スタック１１ｂの燃料排出口と第３燃料供給路１２ｃとを接続している。未反応燃料循環路２０は、第３燃料電池スタック１１ｃの燃料排出口と第３燃料供給路１２ｃとを接続している。第２未反応燃料供給路１３ｂにはポンプ１８が配置されている。未反応燃料循環路２０には循環ポンプ１９が配置されている。なお、本実施形態では、第１燃料電池スタック１１ａの燃料排出口と第２燃料供給路１２ｂとを接続している未反応燃料供給路１３を第１未反応燃料供給路１３ａと定義する。第２未反応燃料供給路１３ｂの出口端と未反応燃料循環路２０の出口端との位置関係は特に限定されない。第３燃料供給路１２ｃにおいて、第２未反応燃料供給路１３ｂの出口端は、未反応燃料循環路２０の出口端よりも上流側に位置していてもよいし、下流側に位置していてもよい。
【００６９】
循環ポンプ１９は、未反応燃料循環路２０において燃料を昇圧するためのポンプである。第３燃料電池スタック１１ｃから排出された未反応の燃料は、未反応燃料循環路２０を通じて、第３燃料供給路１２ｃに流入する。所定の流量で燃料が第３燃料供給路１２ｃに供給されるように、制御器１６によって循環ポンプ１９が制御される。言い換えれば、第３燃料電池スタック１１ｃの燃料供給口における燃料の流量が目標流量に収斂するように、循環ポンプ１９が制御される。
【００７０】
本実施形態では、ポンプ１８が未反応燃料供給路１３のそれぞれに配置されている。循環ポンプ９が未反応燃料循環路２０に配置されている。第１燃料電池スタック１１ａから排出された未反応の燃料は、第１未反応燃料供給路１３ａにおいてポンプ１８で昇圧され、第２燃料供給路１２ｂに流入する。第２燃料電池スタック１１ｂから排出された未反応の燃料は、第２未反応燃料供給路１３ｂにおいてポンプ１８で昇圧され、第３燃料供給路１２ｃに流入する。第３燃料電池スタック１１ｃから排出された未反応の燃料は、未反応燃料循環路２０において循環ポンプ１９で昇圧され、第３燃料供給路１２ｃに流入する。未反応燃料循環路２０の出口端が第３燃料供給路１２ｃに接続されている点において、本実施形態の燃料電池システム１０６は、図１〜３を参照して説明した燃料電池システムと異なっている。
【００７１】
本実施形態では、未反応の燃料が燃料電池システム１０６の外部に間欠的に排出される。詳細には、燃料電池システム１０６は、未反応燃料循環路２０から分岐したパージ経路２１に設けられた開閉弁２２を備えている。パージ経路２１は、第３燃料電池スタック１１ｃの燃料排出口と循環ポンプ１９の吸入口との間において、未反応燃料循環路２０に接続されている。パージ経路２１の端部に開閉弁２２が配置されている。開閉弁２２は、制御器１６によって制御される。燃料電池システム１０６の通常運転時において、開閉弁２２は閉じられている。所定の開放条件が成立した場合、制御器１６は、開閉弁２２を開くように制御する。未反応燃料循環路２０の出口端が第３燃料供給路１２ｃに接続されているので、開閉弁２２を開かない限り、未反応の燃料は燃料電池システム１０６の外部に排出されない。
【００７２】
第１燃料供給路１２ａ及び第２燃料供給路１２ｂのそれぞれには燃料供給装置５が配置されている。第３燃料供給路１２ｃには燃料供給装置５が配置されていない。燃料供給装置５によって燃料の流量が調節され、燃料供給源１０から第１燃料電池スタック１１ａ及び第２燃料電池スタック１１ｂのそれぞれに燃料が供給される。燃料供給源１０から十分な圧力にて各燃料供給路１２に燃料が流れ込む。第３燃料供給路１２ｃにおいて燃料の流量調節は行われず、燃料供給源１０の供給圧力にて第３燃料電池スタック１１ｃに燃料が供給される。燃料供給源１０から十分に高い圧力を持った燃料が各燃料供給路１２に導かれる場合、燃料供給装置５は、ポンプのような昇圧機器を必要とせず、例えば、ニードル弁及び流量計で構成されうる。もちろん、第３燃料供給路１２ｃを含む全て燃料供給路１２に燃料供給装置５が配置されていてもよい。
【００７３】
第１燃料電池スタック１１ａで使用されなかった燃料は、第１未反応燃料供給路１３ａに流れ込み、ポンプ１８によって昇圧され、第２燃料供給路１２ｂに導入される。第２燃料電池スタック１１ｂで使用されなかった燃料は、第２未反応燃料供給路１３ｂに流れ込み、ポンプ１８によって昇圧され、第３燃料供給路１２ｃに導入される。第３燃料電池スタック１１ｃで使用されなかった燃料は、未反応燃料循環路２０に流れ込み、循環ポンプ１９によって昇圧され、第３燃料供給路１２ｃに戻される。ポンプ１８及び循環ポンプ１９は、それぞれ、制御器１６によって制御される。これにより、未反応燃料供給路１３及び未反応燃料循環路２０における燃料の流量が調節される。
【００７４】
燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆが８０％であり、各燃料電池スタック１１の燃料供給口での燃料の流量が１０Ｌ／ｍｉｎであるとすると、各燃料電池スタック１１で使用される燃料の流量は８Ｌ／ｍｉｎである。各燃料電池スタック１１の燃料排出口での燃料の流量は２Ｌ／ｍｉｎである。燃料供給源１０から第１燃料供給路１２ａには、１０Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。第２燃料供給路１２ｂには、第１未反応燃料供給路１３ａを通じて、第１燃料電池スタック１１ａから２Ｌ／ｍｉｎの流量で未反応の燃料が供給される。そのため、燃料供給源１０から第２燃料供給路１２ｂには、８Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。第３燃料供給路１２ｃには、第２未反応燃料供給路１３ｂを通じて、第２燃料電池スタック１１ｂから２Ｌ／ｍｉｎの流量で未反応の燃料が供給されるとともに、未反応燃料循環路２０を通じて、第３燃料電池スタック１１ｃから２Ｌ／ｍｉｎの流量で未反応の燃料が供給される。燃料供給源１０から第３燃料供給路１２ｃには、６Ｌ／ｍｉｎの流量にて燃料が供給される。よって、燃料供給源１０から複数の燃料電池スタック１１に合計２４Ｌ／ｍｉｎの流量で燃料が供給され、消費される。
【００７５】
３つの燃料電池スタック１１においては、合計２４Ｌ／ｍｉｎの流量の燃料が使用される。第１未反応燃料供給路１２ａ、第２未反応燃料供給路１２ｂ及び未反応燃料循環路２０に合計６Ｌ／ｍｉｎの流量にて未反応の燃料が排出される。通常運転時において、燃料電池システム１０６から外部に未反応の燃料は排出されない。したがって、通常運転時における燃料電池システム１０６の燃料利用率Ｕｆｓは、下記式４で表される。
【００７６】
（式４）
Ｕｆｓ＝１００＊２４０／２４０＝１００（％）
【００７７】
燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆが８０％であるから、燃料電池システム１０６の全体での燃料利用率Ｕｆｓは、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆを２０％上回る。すなわち、本実施形態によれば、より高い発電効率で燃料電池システム１０６を運転することができる。
【００７８】
ただし、燃料電池システム１０６を長時間運転すると、空気極から燃料極に向かって不活性ガスが電解質層を通過し、第３燃料電池スタック１１ｃ及び未反応燃料循環路２０に不活性ガスが蓄積する。この不活性ガスを除去するために、先に説明したように、パージ経路２１の開閉弁２２を一定時間おきに開き、蓄積した不活性ガスを燃料電池システム１０６の外部に排出する。このとき、燃料電池システム１０６の外部に燃料も一定量排出される。そのため、実際の燃料利用率Ｕｆｓは１００％を若干下回るものの、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆを大幅に上回る。すなわち、本実施形態によれば、燃料電池システム１０６の信頼性を保ちつつ、高い発電効率で燃料電池システム１０６を運転することができる。
【００７９】
ポンプ１８及び循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１から排出された未反応の燃料に含まれた水蒸気の量が多い条件においても、未反応の燃料を確実に昇圧する。したがって、燃料供給路１２と未反応燃料供給路１３（又は未反応燃料循環路２０）との合流部で水詰まりなどの不具合が生じる可能性も低く、各燃料供給路１２に未反応の燃料を確実に流入させることができる。
【００８０】
本実施形態によれば、燃料電池システム１０６の燃料利用率Ｕｆｓを１００％に近づけることができる。言い換えれば、燃料電池システム１０６の外部に排出される未反応の燃料の量を大幅に減らすことができる。燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆとは独立して、燃料電池システム１０６の燃料利用率Ｕｆｓを向上させることができる。
【００８１】
ポンプ１８は、定容積ポンプに限定されず、昇圧器によって構成されていてもよいし、昇圧器及び流量計の組み合わせによって構成されていてもよい。ポンプ１８が昇圧器によってり構成されている場合、未反応燃料供給路１３における燃料の流量が発電に必要な流量範囲に収まるように、圧力損失のバラつきを考慮に入れて、昇圧器における印加電圧が設定されうる。ポンプ１８に代えて、エジェクタが使用されていてもよい。
【００８２】
ポンプ１８と同じように、循環ポンプ１９は、定容積ポンプでありうる。また、循環ポンプ１９は、定容積ポンプ及び流量計の組み合わせによって構成されていてもよい。また、循環ポンプ１９に代えて、エジェクタが使用されていてもよい。この場合、エジェクタの高圧側入口に第３燃料供給路１２ｃを構成する配管が接続され、エジェクタの低圧側入口に未反応燃料循環路２０を構成する配管が接続されうる。
【００８３】
本実施形態では、未反応燃料循環路２０には燃料供給装置５が設けられていない。未反応燃料循環路２０の燃料の流量は、燃料電池スタック１１の平均燃料利用率Ｕｆ及びポンプ１８の回転数によって調整することができる。もちろん、未反応燃料循環路２０に燃料供給装置５が設けられていてもよい。この場合、未反応燃料循環路２０における燃料の流量を燃料供給装置５によって検出し、検出された流量が目標流量に収斂するように、燃料供給装置５が制御器１６によって制御される。
【００８４】
また、本実施形態の燃料電池システム１０６にも図２を参照して説明した構成が採用されうる。この場合、未反応燃料循環路２０が燃料電池システムに１つのみ設けられていてもよいし、複数の未反応燃料循環路２０が燃料電池システムに設けられていてもよい。前者によれば、より高い燃料利用率を達成できる。後者は、燃料電池スタック１１の数が多きときに有用である。
【００８５】
（変形例２）
図４を参照して説明した燃料電池システム１０６の構成は、２つの燃料電池スタック１１を有する燃料電池システムにも適用可能である。図５に示すように、本変形例にかかる燃料電池システム１０７は、図２を参照して説明した燃料電池システム１０４の燃料排出路１４を図４を参照して説明した燃料電池システム１０６の未反応燃料循環路２０に置き換えることによって得られる。つまり、未反応燃料循環路２０は、第２燃料電池スタック１１ｂの燃料排出口と第２燃料供給路１２ｂとを接続している。
【００８６】
図４及び図５から理解できるように、１つの未反応燃料循環路２０に対する燃料電池スタック１１の数（又は未反応燃料供給路１３の数）は特に限定されない。燃料排出路１４と同じように、不純物の濃度を考慮に入れて、１つの未反応燃料循環路２０に対する燃料電池スタック１１の数（又は未反応燃料供給路１３の数）が決定されうる。燃料供給装置５は、第２燃料供給路１２ｂに設けられていてもよいし、第２燃料供給路１２ｂから省略されていてもよい。ポンプ１８に代えて、エジェクタ４（実施形態１）が設けられていてもよい。
【００８７】
（変形例３）
図６に示す燃料電池システム１０８は、複数の燃料電池ユニット３０を備えている。燃料電池ユニット３０は、筐体２４及び燃料電池スタック１１を含む。燃料電池スタック１１が筐体２４に収められている。各燃料電池ユニット３０が筐体２４を備えている点を除き、本変形例の燃料電池システム１０８は、図４を参照して説明した燃料電池システム１０６の構成と同じ構成を有する。ポンプ１８及び１９は、筐体２４に収められていてもよいし、筐体２４の外部（言い換えれば、燃料電池ユニット３０の外部）に設けられていてもよい。また、複数の燃料電池ユニット３０のそれぞれが図１〜５を参照して説明した燃料電池システムと同じ構成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本明細書に開示された技術は、高い発電量が求められる燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８９】
４  エジェクタ
５  燃料供給装置
１０  燃料供給源
１１  燃料電池スタック
１１ａ  第１燃料電池スタック
１１ｂ  第２燃料電池スタック
１１ｃ  第３燃料電池スタック
１２  燃料供給路
１２ａ  第１燃料供給路
１２ｂ  第２燃料供給路
１２ｃ  第３燃料供給路
１３  未反応燃料供給路
１４  燃料排出路
１６  制御器
１８  ポンプ
１９  循環ポンプ
２０  未反応燃料循環路
１００，１０２，１０４，１０６，１０７，１０８  燃料電池システム
【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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