(57)【要約】【課題】発電に使用する燃料ガスの損失を削減して高い発電効率の実現と、アノードにおける窒素濃度の上昇を抑制し、長時間の安定発電を可能にする燃料電池システムを提供する。【解決手段】第１〜第Ｎ燃料電池スタック（Ｎは、２以上の整数）と、第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路と、未反応燃料ガスを排出する第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から、未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１の整数）と、第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路と、を備え、第ｋ燃料電池スタックは、第（ｋ−１）燃料電池スタックの未反応燃料ガスを使用しながら窒素濃度の上昇を抑制し、高い発電効率かつ長時間の安定運転を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う第１〜第Ｎ燃料電池スタック（Ｎは、２以上の整数）と、
燃料ガス供給源から前記第１〜第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路と、
前記第１〜第Ｎ燃料電池スタックから未反応燃料ガスを排出する第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、
第ｍ未反応燃料ガス排出経路から、前記未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に燃料ガスとして供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１の整数）と、
前記第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数の搬送手段の少なくとも１つは、エジェクタである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の搬送手段の少なくとも１つは、定容積ポンプである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路の少なくとも１つに、前記燃料ガス供給源から供給される前記燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整器が設けられた、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】
前記パージ経路に、前記未反応燃料ガス排出経路から排出される前記未反応燃料ガスの流量を調整するパージ流量調整器が設けられた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
第（Ｐ×ｋ）未反応燃料ガス排出経路（ｋは、１≦ｋ≦Ｎの整数、Ｐは、１≦Ｐ×ｋ≦Ｎを満たす１つの整数）から前記未反応燃料ガスを排出する第（Ｐ×ｋ）パージ経路が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
第１パージ経路及び第２パージ経路を含む複数の前記パージ経路を備え、
前記第１パージ経路を通じて前記未反応燃料ガスが排出されるべき前記燃料電池スタックの数は、前記第２パージ経路を通じて前記未反応燃料ガスが排出されるべき前記燃料電池スタックの数に等しい、請求項１〜５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】
本発明は、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給して発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質層を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで挟持してセルを構成し、燃料として水素を含む燃料ガスを供給し、また、空気極に、酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により、電気エネルギーが得られる。１個の単電池で得られる発生電圧は、１Ｖ未満であることが多いため、実用の燃料電池では、単電池を積層して、高い電圧を得ている。
【０００３】
また、近年、燃料電池システムは、一般家庭用途だけでなく、車載又は業務用途としても用いられるようになっており、車載又は業務用途では、一般家庭用途の燃料電池システムよりも高い発電量が求められている。
【０００４】
高い発電量を実現するために、単電池を積層して構成した複数個の燃料電池スタックを並列に構成することによって使用しているものが一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図３は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。図３に示すように、燃料電池システム３００は、燃料ガス供給源３０１と、燃料ガス供給経路３０２−（１）、３０２−（２）及び３０２−（３）と、未反応燃料ガス排出経路３０３−（１）、３０３−（２）及び３０３−（３）と、燃料ガス流量調整弁３１１−（１）、３１１−（２）及び３１１−（３）と、燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）とから構成されている。
【０００６】
従来の燃料電池システム３００は、燃料ガス供給経路３０２−（１）、３０２−（２）及び３０２−（３）と、未反応燃料ガス排出経路３０３−（１）、３０３−（２）及び３０３−（３）と、燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）とが並列に構成されており、燃料ガス供給源３０１から燃料ガス供給経路３０２−（１）、３０２−（２）及び３０２−（３）を流通した燃料ガスを燃料ガス流量調整弁３１１−（１）、３１１−（２）及び３１１−（３）にて流量調整してから燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）へ供給し、燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）で使用されなかった燃料ガスは、未反応燃料ガス排出経路３０３−（１）、３０３−（２）及び３０３−（３）を経由して、燃料電池システム３００の外へ排出していた。
【０００７】
また、燃料電池システム３００の発電中にカソードへ供給される空気中の窒素の一部は、燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）のカソードからアノードへ透過してくるが、アノードへ透過してきた窒素は、未反応燃料ガスと共に未反応燃料ガス排出経路３０３−（１）、３０３−（２）及び３０３−（３）から燃料電池システム３００の外へ排出されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
しかしながら、特許文献１で提案されたものでは、燃料電池スタックを複数台、並列に構成することで、大きな発電量を得ることができるが、燃料電池スタックの信頼性を守るために、発電に必要な燃料ガス量よりも１割から２割程度多い量の燃料ガスを燃料電池スタックへ供給して、燃料電池スタック内の燃料ガスの欠乏を防ぐ必要がある。そして、燃料電池スタックで使用しなかった燃料ガスを燃料電池システムの外へ排出している。
【００１０】
燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ（％）は、以下の式（１）で表現できる。
（燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ）（％）
＝（燃料電池スタック１台で使用された平均燃料ガス量）÷（燃料電池スタックに供給された平均燃料ガス量）×１００                                          （１）
【００１１】
燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）は、以下の式（２）で表現できる。
（燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ）（％）
＝（燃料電池システムで使用された燃料ガス量）÷（燃料電池システムに供給された燃料ガス量）×１００                                                      （２）
【００１２】
以上のように、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆと燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓとを定義する。特許文献１で提案されたものでは、燃料電池スタック３１０−（１）、３１０−（２）及び３１０−（３）で使用されなかった未反応燃料ガスは、未反応燃料ガス排出経路３０３−（１）、３０３−（２）及び３０３−（３）を通過して、燃料電池システム３００の外へ排出していた。この構成では、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と同一の値しか得られなかった。また、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆを高く設定しすぎると、燃料電池スタックの燃料出口付近での燃料ガスの欠乏が生じ、燃料電池スタックの信頼性を保つことが難しい。そのため、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信頼性を守れる範囲での値しか設定できない。所定量以上の燃料ガスを未反応燃料ガスとして燃料電池システムの外へ放出することとなり、高い発電効率で燃料電池システムを運転できないという課題を有していた。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池スタックの未反応燃料ガスを燃料ガス供給源からの燃料ガスと合流させてから、他の燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する構成とする。また、複数の未反応燃料ガス排出経路の少なくとも１つ以上にパージ経路を有し、未反応燃料ガスの一部を燃料電池システムの外へ排出する構成とする。それにより、今まで排気していた未反応燃料ガスを他の燃料電池スタックの燃料ガスの一部として用いることができる。また、燃料電池システムの発電中にカソードへ供給される空気中の窒素の一部は、燃料電池スタックのカソードからアノードへ透過するが、発電時間の経過と共にアノードにおける窒素濃度が上昇し、アノードでの燃料ガスの反応を阻害することで、燃料電池スタックの電圧低下を引き起こし、必要な発電量を得ることができなくなる。本発明の燃料電池システムは、複数の未反応燃料ガス排出経路の少なくとも１つ以上にパージ経路を有し、未反応燃料ガスの一部を燃料電池システムの外へ排出する構成とすることで、燃料電池スタックのカソードからアノードへ透過してくる窒素を燃料電池システムの外へ排出することが可能であり、発電に使用する燃料ガスの損失を削減することで、高い発電効率で運転することと、アノード及び未反応燃料ガス排出経路における窒素濃度の上昇を防いで、長時間に渡って安定した発電を行う燃料電池システムを提供することとを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う第１〜第Ｎ燃料電池スタック（Ｎは、２以上の整数）と、燃料ガス供給源から第１〜第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路と、第１〜第Ｎ燃料電池スタックから未反応燃料ガスを排出する第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から、未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に燃料ガスとして供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１の整数）と、第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路と、を備えたものである。
【００１５】
これによって、第ｋ燃料電池スタックは、第（ｋ−１）燃料電池スタックで消費されなかった未反応燃料ガスを燃料ガスとして使用することが可能となる。第１〜第Ｎまでの燃料電池スタックから未反応燃料ガスが排出されるが、第１〜第（Ｎ−１）までの燃料電池スタックから排出された未反応燃料ガスは、第２〜第Ｎ燃料電池スタックで再利用される。また、パージ経路からは、カソードからアノードへ透過してきた窒素と、未反応燃料ガスの一部とを排出することが可能となる。そのため、燃料電池システムから排出される未反応燃料ガス量を低減し、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを高め、高い発電効率で燃料電池システムを運転することと、アノードにおける窒素濃度の上昇を抑制し、長時間に渡って安定して燃料電池システムを運転することとを両立できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明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を燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆとは独立して高めることが可能で、燃料電池システムで使用する燃料ガス量に対する燃料ガス供給量を低減できるため、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。さらに、アノードにおける窒素濃度の上昇を抑制し、長時間に渡って安定した運転を行うことができる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図３】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う第１〜第Ｎ燃料電池スタック（Ｎは、２以上の整数）と、燃料ガス供給源から第１〜第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路と、第１〜第Ｎ燃料電池スタックから未反応燃料ガスを排出する第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から、未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に燃料ガスとして供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１の整数）と、第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路と、を備えることにより、第ｋ燃料電池スタックは、第（ｋ−１）燃料電池スタックで消費されなかった未反応燃料ガスを燃料ガスとして使用することが可能となり、未反応燃料ガスは、パージ経路と、第Ｎ未反応燃料ガス排出経路とからのみ排出されるため、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆを一定値以上に高めずとも、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆとは個別に高めることができ、燃料電池システムで使用する燃料ガス量に対する燃料ガス供給量を低減できるため、高い発電効率で運転することができ、かつ、第１〜第（ｋ−１）燃料電池スタック（ｋは、１≦ｋ≦Ｎの整数）においてカソードからアノードへ透過してきた窒素は、第（ｋ−１）未反応燃料ガス排出経路から分岐しているパージ経路から未反応燃料ガスの一部と共に排出されるため、第ｋ燃料電池スタックのアノードにおける窒素濃度を抑制することができ、長時間に渡って安定して燃料電池システムを運転する燃料電池システムを提供することができる。
【００１９】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、複数の搬送手段の少なくとも１つをエジェクタにすることにより、駆動電力を必要としなくなり、余分な電力を消費することなく、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路へ未反応燃料ガスを供給することができる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、複数の搬送手段の少なくとも１つを定容積ポンプにすることにより、未反応燃料ガス排出経路において、水蒸気が多い条件でも、安定して第ｍ未反応燃料ガス排出経路から第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路へ未反応燃料ガスを供給することができる。
【００２１】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の燃料電池システムにおいて、第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路の少なくとも１つに、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整器を設置することにより、発電出力の大きさに応じて変化する、各燃料ガス供給経路を通過する供給燃料ガスの流量を精度良く調整できるため、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを高め、発電効率の高い運転を行うことができる。
【００２２】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、パージ経路に、未反応燃料ガス排出経路から排出される未反応燃料ガスの流量を調整するパージ弁を設置することにより、アノードにおける窒素濃度の変化による第（ｋ−１）燃料電池スタックの電圧値の変化に合わせて、パージ経路を通過する未反応燃料ガスと窒素との混合気体（パージガス）の流量を調整できるため、アノードにおける窒素濃度を一定以下に抑えながら長時間に渡って燃料電池システムの運転を行うことができる。
【００２３】
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、第（Ｐ×ｋ）未反応燃料ガス排出経路（ｋは、１≦ｋ≦Ｎの整数、Ｐは、１≦Ｐ×ｋ≦Ｎを満たす１つの整数）から未反応燃料ガスを排出する第（Ｐ×ｋ）パージ経路を設置することにより、Ｎが大きな値であっても、複数個のパージ経路を用いて、窒素を燃料電池システムの外へ排出できるため、アノードにおける窒素濃度を一定以下に抑えながら長時間に渡って燃料電池システムの運転を行うことができる。
【００２４】
第７の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、第１パージ経路及び第２パージ経路を含む複数のパージ経路を備え、第１パージ経路を通じて未反応燃料ガスが排出されるべき燃料電池スタックの数は、第２パージ経路を通じて未反応燃料ガスが排出されるべき燃料電池スタックの数に等しい。
【００２５】
第８の発明は、アノード入口部及びアノード出口部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のそれぞれの前記アノード入口部と燃料ガス供給源とを接続している複数の燃料ガス供給経路と、
前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの前記アノード出口部と前記複数の燃料ガス供給経路のそれぞれとを接続している複数の未反応燃料ガス排出経路（リサイクル経路）と、
前記複数の未反応燃料ガス排出経路から選ばれる１つの前記未反応燃料ガス排出経路から分岐している第１パージ経路と、
を備えた、燃料電池システムである。
【００２６】
第９の発明は、特に、第８の発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の未反応燃料ガス排出経路のそれぞれに設けられ、前記複数の燃料電池スタックに含まれた特定の燃料電池スタックから排出された未反応燃料ガスを前記複数の燃料ガス供給経路のいずれかに供給する搬送手段をさらに備えている。
【００２７】
第１０の発明は、特に、第９の発明の燃料電池システムにおいて、前記搬送手段がエジェクタを含む。
【００２８】
第１１の発明は、特に、第９の発明の燃料電池システムにおいて、前記搬送手段がポンプを含む。
【００２９】
第１２の発明は、特に、第８〜第１１のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに配置された複数の流量調整器をさらに備えている。
【００３０】
第１３の発明は、特に、第８〜第１２のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記第１パージ経路に配置された流量調整器をさらに備えている。
【００３１】
第１４の発明は、特に、第８〜第１３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の未反応燃料ガス排出経路から選ばれる他の１つの前記未反応燃料ガス排出経路から分岐している第２パージ経路をさらに備え、
前記第１パージ経路を通じて前記未反応燃料ガスが排出されるべき前記燃料電池スタックの数は、前記第２パージ経路を通じて前記未反応燃料ガスが排出されるべき前記燃料電池スタックの数に等しい。
【００３２】
第１５の発明は、特に、第８〜第１３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の未反応燃料ガス排出経路から選ばれる他の１つの前記未反応燃料ガス排出経路から分岐している第２パージ経路をさらに備え、
前記複数の燃料ガス供給経路は、前記未反応燃料ガス排出経路に接続されていない第１燃料ガス供給経路を含み、
前記第１燃料ガス供給経路から前記第１パージ経路までの区間に存在する前記燃料電池スタックの数は、前記第１パージ経路から前記第２パージ経路までの区間に存在する前記燃料電池スタックの数に等しい。
【００３３】
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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図１において、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給源１と、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）と、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ）と、搬送手段であるエジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）と、燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）と、制御部６と、パージ経路７−（４）と、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）とを備える。
【００３５】
Ｎは、２以上の整数である。ｋは、１≦ｋ≦Ｎを満たす整数である。ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１を満たす整数である。
【００３６】
ここで、複数の同一要素について付与された参照符号について説明しておく。例えば、燃料ガス供給経路２−（１）、２−（２）、２−（ｋ）及び２−（Ｎ）の場合、添え字の（１）、（２）、（ｋ）及び（Ｎ）は、同一要素を互いに区別するために付与されたものであり、Ｎ個の燃料ガス供給経路がある場合に、その燃料ガス供給経路の通し番号を表している。特に、ｋは、ある任意の燃料ガス供給経路の通し番号について表現している。本実施の形態では、ｋ＝４、Ｎ≧５の場合について記載する。他の未反応燃料ガス排出経路、エジェクタ、燃料供給部及び燃料電池スタックについても同様である。
【００３７】
また、複数の同一要素を連続的に記載する符号について説明しておく。例えば、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（３）と記載した場合、この「〜」の符号は、２−（１）、２−（２）及び２−（３）を全て指し示していることを意味する。他の未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ）、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）、燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）及び燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）についても同様である。
【００３８】
燃料ガス供給源１は、所定の圧力の供給圧を有する燃料ガスインフラである。燃料ガスとしては、例えば、水素ガスを用いる。
【００３９】
燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）は、燃料ガス供給源１から燃料ガスを燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）へと各々供給するための経路である。詳細には、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）のそれぞれのアノード入口部と燃料ガス供給源１とを接続している。
【００４０】
未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ−１）から排出される未使用の燃料ガスを燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）に各々戻すための経路である。未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）は、未使用の燃料ガスを燃料電池システム１００の外へ排出する経路である。未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）の上流端は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ−１）のアノード出口部に各々接続され、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）の下流端は、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）に各々接続される。未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）の上流端は、燃料電池スタック１０−（Ｎ）のアノード出口部に接続され、未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）の下流端は燃料電池システム１００の筐体内に開放される。詳細には、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ−１）のそれぞれのアノード出口部と燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）のそれぞれとを接続している。すなわち、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）は、未反応燃料ガスをリサイクルするためのリサイクル経路である。
【００４１】
エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）は、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）と燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）との合流部に配置され、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）を通過する未反応燃料ガスを、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）を通過する燃料ガス側へ吸引する搬送手段である。言い換えると、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）は、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）のそれぞれに設けられている。エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ−１）に含まれた特定の燃料電池スタックから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）のいずれかに供給する。例えば、未反応燃料ガス排出経路３−（１）に設けられたエジェクタ４−（２）は、燃料電池スタック１０−（１）から排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路２−（２）に供給する。
【００４２】
燃料供給部５−（１）は、燃料ガス供給経路２−（１）の経路上に設けられ、燃料ガス供給源１から供給された燃料ガスを燃料電池スタック１０−（１）へ供給する。
【００４３】
燃料供給部５−（２）〜５−（Ｎ）は、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）の経路上において、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）の上流に備えられる。燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）は、ポンプと流量計とによって構成されており、ポンプは、燃料ガス供給源１の燃料ガスを昇圧して、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）へ供給する。流量計は、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）の燃料ガスの流量を計測し、過不足があれば、制御部６へ流量情報を返し、制御部６の指示でポンプの能力値を制御し、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）の燃料ガス量を調整する。言い換えると、燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）は、燃料ガス供給源１から供給される燃料ガスの流量を調整するための流量調整器である。本実施形態において、燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）は、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）のそれぞれに配置されている。
【００４４】
制御部６は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
【００４５】
パージ経路７−（４）は、未反応燃料ガス排出経路３−（４）から、未反応燃料ガス排出経路３−（４）内の窒素と未反応燃料ガスの一部とを燃料電池システム１００の筐体内に排出するための経路である。詳細には、パージ経路７−（４）は、未反応燃料ガス排出経路３−（４）から分岐している。
【００４６】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）は、燃料ガス供給源１により供給される燃料ガスと、酸化剤ガスとして空気供給器（図示せず）によって空気が供給され、その空気中の酸素とを用いて発電するものである。燃料電池スタックとしては、例えば、固体高分子型燃料電池を用いる。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下、その動作及び作用を説明する。
【００４８】
まず、燃料電池システム１００が発電を行うとき、次のような動作を行う。燃料ガス供給源１の燃料ガスは、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（Ｎ）を通過し、燃料供給部５−（１）〜５−（Ｎ）によって燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）へ供給される。燃料電池スタック１０−（１）には、燃料供給部５−（１）から燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１０−（２）〜１０−（Ｎ）には、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）を通った燃料ガスと、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）を通過してエジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）を経由し、合流した燃料ガスとが供給される。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）にて、燃料ガスは発電の為に使用され、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）で未使用の燃料ガスは、未反応燃料ガスとして、それぞれ、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ）を通って排出される。未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）を通った未反応燃料ガスは、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）によって吸引され、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）に合流する。未反応燃料ガス排出経路３−（４）を通った未反応燃料ガスの一部は、パージ経路７−（４）を通って、燃料電池システム１００の筐体内に排出される。未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）を通った未反応燃料ガスは、燃料電池システム１００の筐体内に排出される。
【００４９】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の各セル出口における燃料ガスの確保という観点から、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の各セル入口には、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）が使用する燃料ガス量よりも２割程度多い燃料ガス量を供給する必要があり、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆは、通常、８０％前後で運転される。
【００５０】
パージ経路７−（４）からは、未反応燃料ガス排出経路３−（４）中の窒素と共に未反応燃料ガスの一部も燃料電池システム１００の外へ排出されるため、燃料ガス供給経路２−（５）については、燃料ガスを、パージ経路７−（４）から排出される未反応燃料ガスの流量分だけ多く、燃料電池スタック１０−（５）へ供給する必要がある。
【００５１】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）における燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝Ｐ（％）とした場合、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の入口部分での燃料ガス量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）で使用される燃料ガス量は、（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎとなるため、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の出口部分での燃料ガス量は、（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００５２】
また、パージ経路７−（４）から排出される燃料ガス量を０．１Ｌ／ｍｉｎと設定すると、未反応燃料ガス排出経路３−（４）から燃料ガス供給経路２−（５）には、（１０−（Ｐ／１０）−０．１）Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを供給することとなるから、燃料供給部５−（５）から供給される燃料ガス量は、（Ｐ／１０＋０．１）Ｌ／ｍｉｎ必要となる。
【００５３】
未反応燃料ガス排出経路３−（４）を除く未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ）では、それぞれ、（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎの量の未反応燃料ガスが通過することになる。未反応燃料ガス排出経路３−（４）は、パージ経路７−（４）が接続されているため、未反応燃料ガス排出経路３−（４）でパージ経路７−（４）よりも上流部分では（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量が流れる。また、未反応燃料ガス排出経路３−（４）でパージ経路７−（４）よりも下流部分では、（１０−（Ｐ／１０）−０．１）Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量が流れる。
【００５４】
燃料供給部５−（１）については、燃料ガス供給経路２−（１）と、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ）の合流部が存在しないため、１０Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量を供給する必要がある。燃料供給部５−（５）を除く燃料供給部５−（２）〜５−（Ｎ）については、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）へ、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）が合流するため、（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量をそれぞれ供給することになる。
【００５５】
よって、燃料供給部５−（１）は、１０Ｌ／ｍｉｎ、燃料供給部５−（５）は、（Ｐ／１０＋０．１）Ｌ／ｍｉｎ、燃料供給部５−（５）を除く燃料供給部５−（２）〜５−（Ｎ）については、（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量をそれぞれ供給することとなるから、これらを合計して、燃料ガス供給源１からは（１０．１＋（Ｐ／１０）×（Ｎ−１））Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを燃料電池システム１００に供給することとなる。
【００５６】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、合計（（Ｐ／１０）×Ｎ）Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを使用し、パージ経路７−（４）からは０．１Ｌ／ｍｉｎ、未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）からは（１０−（Ｐ／１０））Ｌ／ｍｉｎの未反応燃料ガスを排出することとなる。
【００５７】
従って、燃料電池システム１００において、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓは、次の式（３）で表現できる。
Ｕｆｓ（％）
＝（（Ｐ×Ｎ）／１０）／（１０．１＋（ＰＮ−Ｐ）／１０）×１００        （３）
【００５８】
燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝Ｐ（％）だから、式（３）で求めた燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）を燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝Ｐ（％）で割ると、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝Ｐ（％）に対する燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）の比は、以下の式（４）で表現できる。
Ｕｆｓ／Ｕｆ＝１００×Ｎ／（１０１＋Ｐ×（Ｎ−１））                    （４）
【００５９】
式（４）の分子について、Ｎは、２以上の整数だから、１００×Ｎは、２００以上の整数となる。次に、分母の（１０１＋Ｐ×（Ｎ−１））について、Ｎ−１は、１以上の整数だから、Ｐ×（Ｎ−１）は、Ｐ以上の実数となる。Ｐは、０以上１００以下の実数だから、Ｐ＜９９の場合、Ｕｆｓ／Ｕｆ＞１となり、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）を燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝Ｐ（％）よりも高めることができる。
【００６０】
例えば、Ｎ＝１０、Ｐ＝８０（％）の場合、式（３）及び式（４）より、Ｕｆｓ＝９７．４（％）及びＵｆｓ／Ｕｆ＝１．２１となり、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ＝８０（％）よりも高い値で燃料電池システム１００を運転することができる。
【００６１】
エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）は、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）からエジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）に流通する燃料ガスの流量が多いほど、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）の内部の燃料ガスの流速が速くなるのに伴い、エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）の内部の圧力の低下が大きくなり、未反応燃料ガスを吸引する能力が大きくなる特性を有する。エジェクタ４−（２）〜４−（Ｎ）では、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ（％）＝８０にて運転する場合、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（Ｎ）から流入する燃料ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとすると、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（Ｎ−１）から２Ｌ／ｍｉｎの量の燃料ガスを吸引するものを適切な設計とする。
【００６２】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システム１００の構成を、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う第１〜第Ｎ燃料電池スタック（Ｎは、２以上の整数）と、燃料ガス供給源から第１〜第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１〜第Ｎ燃料ガス供給経路と、第１〜第Ｎ燃料電池スタックから未反応燃料ガスを排出する第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から、未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に燃料ガスとして供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦Ｎ−１の整数）と、第１〜第Ｎ未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路と、を備えた燃料電池システムとすることにより、第ｋ燃料電池スタックは、第（ｋ−１）燃料電池スタックで消費されなかった未反応燃料ガスを燃料ガスとして使用することが可能となり、未反応燃料ガスは、パージ経路と、第Ｎ未反応燃料ガス排出経路とからのみ排出されるため、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆを一定値以上に高めずとも、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆとは個別に高めることができ、燃料電池システムで使用する燃料ガス量に対する燃料ガス供給量を低減できるため、高い発電効率で運転することができ、かつ、第１〜第（ｋ−１）燃料電電池スタックにおいてカソードからアノードへ透過してきた窒素は、第（ｋ−１）未反応燃料ガス排出経路から分岐しているパージ経路から未反応燃料ガスの一部と共に排出されるため、第ｋ燃料電池スタックのアノードにおける窒素濃度を抑制することができ、長時間に渡って安定して運転する燃料電池システムを提供できる。
【００６３】
Ｎは、３以上の整数であってもよい。このとき、燃料電池システムは、第１〜第（Ｎ−１）未反応燃料ガス排出経路から選ばれる少なくとも１つから未反応燃料ガスを排出する少なくとも１つのパージ経路を備えていてもよい。
【００６４】
なお、燃料ガス供給源１は、燃料ガスインフラに限らず、燃料ガスボンベ、昇圧器及び流量計により構成され、燃料ガスの流量を調整する機器でもよい。また、燃料ガスは、水素ガスに限らず、都市ガス等の炭化水素、及び、メタノール等のアルコールが挙げられる。
【００６５】
また、制御部６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、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。
【００６６】
なお、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池又は燐酸型燃料電池であってもよい。
【００６７】
なお、未反応燃料ガス排出経路３−（４）を通った未反応燃料ガスの一部は、パージ経路７−（４）を通って、燃料電池システム１００の筐体の外に大気開放される構成であってもよい。
【００６８】
さらに、未反応燃料ガス排出経路３−（Ｎ）を通った未反応燃料ガスは、燃料電池システム１００の筐体の外に大気開放される構成であってもよい。
【００６９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図２において、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給源１と、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）と、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（７）と、燃料供給部５−（１）〜５−（７）と、制御部６と、パージ経路７−（３）及び７−（６）と、搬送手段である定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）と、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）とを備える。
【００７０】
実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
【００７１】
燃料ガス供給源１から供給した燃料ガスは、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）、燃料供給部５−（１）〜５−（７）、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）及び未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（７）を通過する際の圧力損失よりも高い圧力にて供給される。燃料ガス供給源１から供給した燃料ガスは、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）を通過し、燃料供給部５−（１）〜５−（７）にて燃料ガスを適当な圧力に調整する。燃料供給部５−（１）〜５−（７）は、ニードル弁と、差圧から燃料ガス流量を測定する流量計とで構成されており、燃料ガス供給源１から燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）へ供給する燃料ガス量を調整する。燃料ガス供給源１から供給した燃料ガスは、燃料供給部５−（１）〜５−（７）での圧力損失よりも高い圧力にて供給されるため、燃料供給部５−（１）〜５−（７）にニードル弁を用いることができる。燃料供給部５−（１）〜５−（７）は、各燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）上に設けられ、燃料電池スタックへ供給する燃料ガス量を調整する。ニードル弁は、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）のニードル弁の上流側に供給された燃料ガスの流量を調整することができる。流量計は、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）内に配置されており、ある２点での圧力を検知することにより、その差圧からベルヌーイの式を用いて燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）を流れる燃料ガスの流速を求め、燃料ガス供給経路２−（１）〜２−（７）の断面積をかけることで燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）へ供給する流量を計測する。
【００７２】
図２に示す燃料電池システム２００において、定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）を未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）に設置している。定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（６）で使用されなかった燃料ガスをそれぞれ昇圧し、定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）で昇圧した未反応燃料ガスは、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（７）へ合流する。
【００７３】
未反応燃料ガス排出経路３−（３）及び３−（６）からは、それぞれ、パージ経路７−（３）及び７−（６）が接続されている。パージ経路７−（３）及び７−（６）には、パージ弁９−（３）及び９−（６）が備えられている。詳細には、パージ経路７−（３）は、未反応燃料ガス排出経路３−（３）から分岐している。パージ経路７−（６）は、未反応燃料ガス排出経路３−（６）から分岐している。パージ弁９−（３）及び９−（６）は、未反応燃料ガス排出経路３−（３）及び３−（６）から排出される未反応燃料ガスの流量を調整するための流量調整器である。
【００７４】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）から排出された未反応燃料ガスは、パージ経路７−（３）を通じて燃料電池システム２００の外に排出される。燃料電池スタック１０−（４）〜１０−（６）から排出された未反応燃料ガスは、パージ経路７−（６）を通じて燃料電池システム２００の外に排出される。本実施形態では、燃料ガス供給経路２−（１）からパージ経路７−（３）までの区間に存在する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）の数は、パージ経路７−（３）からパージ経路７−（６）までの区間に存在する燃料電池スタック１０−（４）〜１０−（６）の数に等しい。
【００７５】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）について、運転時間が長くなると、カソードからアノードへ窒素が透過してくることによって、アノードにおける窒素濃度が上昇する。運転時間が０ｈの場合の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の電圧をＶ０と設定すると、運転時間が１０ｍｉｎ経過した時の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の電圧は、約０．９５×Ｖ０となる。運転時間の経過と共に、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の電圧が低くなるため、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の電圧に基づいて、又は、所定時間ごとに、パージ弁９−（３）又は９−（６）を開いて、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）のアノードにおける窒素濃度を低減し、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の電圧を回復しなければならない。
【００７６】
以上のように構成された燃料電池システム２００について、以下、その動作及び作用を、図２を参照しながら説明する。まず、燃料電池システム２００が発電を行うとき、次のような動作を行う。
【００７７】
燃料ガス供給源１の燃料ガスは、燃料供給経路２−（１）〜２−（７）を通過して、燃料供給部５−（１）〜５−（７）によって流量調整を行って、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）へ供給される。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）にて燃料ガスは、発電の為に使用される。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）で未使用の燃料ガスは、未反応燃料ガスとして、それぞれ、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（７）を通過する。未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）を通過した未反応燃料ガスは、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）を通過する際に、定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）によって昇圧される。未反応燃料ガス排出経路３−（７）からは、常に、燃料電池システム２００の筐体内に未反応燃料ガスが排出される。未反応燃料ガス排出経路３−（３）及び３−（６）には、それぞれ、パージ経路７−（３）及び７−（６）が接続されているが、パージ経路７−（３）及び７−（６）には、パージ弁９−（３）及び９−（６）が備えられており、燃料電池スタックのアノードにおける窒素濃度が低い場合には、パージ弁９−（３）及び９−（６）は閉じられており、パージ経路７−（３）及び７−（６）から燃料電池システム２００の外に、未反応燃料ガスの一部と窒素とが排出されることはない。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の出力電圧を制御部６にて常時検知しているが、燃料電池スタック１０−（３）又は１０−（６）の電圧が低下したことを制御部６にて検知した場合、パージ弁９−（３）又は９−（６）は、開となり、パージ経路７−（３）又は７−（６）から燃料電池システム２００の外に未反応燃料ガスの一部と窒素とが排出され、燃料電池システム２００の筐体内に排出される。燃料電池スタック１０−（３）又は１０−（６）の電圧が所定値まで回復したことを制御部６にて検知した場合、パージ弁９−（３）又は９−（６）は、再び閉となり、未反応燃料ガス排出経路３−（３）又は３−（６）を通過した未反応燃料ガスは、全量、燃料ガス供給経路２−（４）又は２−（７）へそれぞれ供給されるようになる。
【００７８】
燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆは、一般的に８０％程度で設定される。例えば、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）における燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆが８０％で、かつ、パージ弁９−（３）及び９−（６）が閉である場合、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の入口部分での燃料ガス量を１０Ｌ／ｍｉｎとすると、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）で使用される燃料ガス量は、８Ｌ／ｍｉｎとなるため、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）の出口部分での燃料ガス量は、２Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００７９】
つまり、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（７）では、それぞれ、２Ｌ／ｍｉｎの量の未反応燃料ガスが通過することになる。燃料ガス供給経路２−（１）については、未反応燃料ガス排出経路との合流部が存在しないため、１０Ｌ／ｍｉｎの燃料ガス量が必要となる。燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（７）については、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）が合流するため、８Ｌ／ｍｉｎの量の燃料ガスを供給することになる。
【００８０】
よって、燃料ガス供給源１からは、合計５８Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを燃料電池システム２００に供給することとなる。
【００８１】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）では、合計５６Ｌ／ｍｉｎの量の燃料ガスを使用し、未反応燃料ガス排出経路３−（７）から燃料電池システム２００の外へ２Ｌ／ｍｉｎの未反応燃料ガスを排出することになる。従って、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆが８０％の場合、燃料電池システム２００において、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓは、以下の式（５）で表されることとなる。
Ｕｆｓ（％）＝５６／５８×１００＝９６．６                              （５）
【００８２】
よって、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆである８０％と比較すると、燃料電池システム２００として、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）は、１６．６％高くなり、高い発電効率で燃料電池システム２００を運転することができる。
【００８３】
次に、パージ弁９−（３）及び９−（６）が開状態となった場合について、パージ経路７−（３）及び７−（６）から燃料ガスが０．１Ｌ／ｍｉｎ排出されるとする。定容積ポンプ８−（４）及び８−（７）からは、それぞれ、１．９Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスが排出されることになるから、燃料ガス供給経路２−（４）及び２−（７）では、８．１Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスが供給されることとなる。燃料ガス供給経路２−（１）は、１０Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを必要とし、燃料ガス供給経路２−（２）、２−（３）、２−（５）及び２−（６）は、それぞれ、８Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスが必要だから、燃料ガス供給源１からは、合計５８．２Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスを燃料電池システム２００に供給することとなる。燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（７）では、合計５６Ｌ／ｍｉｎの量の燃料ガスを使用するから、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆが８０％の場合、燃料電池システム２００において、パージを行う場合の燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓは、以下の式（６）で表されることとなる。
Ｕｆｓ（％）＝５６／５８．２×１００＝９６．２                          （６）
【００８４】
パージ弁の開閉時共に、燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆである８０％と比較すると、燃料電池システム２００として、燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）は、高い値を示し、高い発電効率で燃料電池システム２００を運転することができる。
【００８５】
定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（６）の出口部分である未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）について、水蒸気が多い条件となっても、昇圧して、未反応燃料ガスを燃料供給経路２−（２）〜２−（７）へ供給するため、燃料ガス供給経路２−（２）〜２−（７）と、未反応燃料ガス排出経路３−（１）〜３−（６）との合流部において、水詰まりを発生させるリスクを低減できる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池システム２００の構成を、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う第１〜第７燃料電池スタックと、燃料ガス供給源から第１〜第７燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１〜第７燃料ガス供給経路と、第１〜第７燃料電池スタックから未反応燃料ガスを排出する第１〜第７未反応燃料ガス排出経路と、第ｍ未反応燃料ガス排出経路から未反応燃料ガスを第（ｍ＋１）燃料ガス供給経路に燃料ガスとして供給する複数の搬送手段（ｍは、１≦ｍ≦６の整数）と、第３未反応燃料ガス排出経路と第６未反応燃料ガス排出経路とから未反応燃料ガスを排出する第３パージ経路及び第６パージ経路と、を備えた燃料電池システムとすることにより、燃料電池システム２００としての燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓを燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆよりも高めることが可能となり、燃料電池システム２００の外へ排出する未反応燃料ガス量を低減しながら、パージ経路を用いて燃料電池スタックのカソードからアノードへ透過してきた窒素を燃料電池システムの外へ排出することができるため、アノードにおける燃料ガスの欠乏を抑制し、高い発電効率でかつ長時間に渡って安定した運転を行うことが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００８７】
なお、定容積ポンプ８−（２）〜８−（７）は、定容積型ポンプに限らず、昇圧器により構成されていてもよいし、昇圧器と流量計とにより構成されていてもよい。昇圧器により構成されている場合は、発電に必要な所定の未反応燃料ガス流量の上下限を満たすように、燃料電池システムの各部における圧力損失のばらつきを考慮し、制御する。
【００８８】
さらに、パージ弁９−（３）及び９−（６）とパージ経路７−（３）及び７−（６）とを未反応燃料ガス排出経路３−（３）及び３−（６）に備えている構成を例示しているが、必要であれば、パージ経路とパージ弁とを増やしても良いし、アノードの内容積が大きく、アノードにおける窒素濃度の上昇がゆっくり進む場合であれば、パージ経路とパージ弁とを設けない構成であってもよい。
【００８９】
なお、パージ弁９−（３）及び９−（６）は、燃料電池スタック１０−（３）及び１０−（６）の電圧に基づいて開閉を行うのではなく、所定の時間間隔で開閉動作を行うものであってもよい。
【００９０】
なお、未反応燃料ガス排出経路３−（３）及び３−（６）を通った未反応燃料ガスの一部は、パージ経路７−（３）及び７−（６）を通って、燃料電池システム１００の筐体の外に大気開放される構成であってもよい。
【００９１】
また、制御部６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協業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。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタックの未反応燃料ガスを燃料ガス供給源からの燃料ガスと合流させてから他の燃料電池スタックへ燃料ガスを供給し、カソードからアノードへ透過してくる窒素を未反応燃料ガス排出経路から燃料電池システムの外へ排出する構成とすることにより、アノードにおける窒素濃度の上昇を抑制しながら、今まで排気していた未反応燃料ガスを他の燃料電池スタックの一部燃料ガスとして用いることが可能となり、発電に使用する燃料ガスの損失を削減し、高い発電効率での運転を実現し、長時間に渡って安定して運転することが可能な燃料電池システムを提供できるものとして有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１  燃料ガス供給源
２−（１）〜２−（Ｎ）  燃料ガス供給経路
３−（１）〜３−（Ｎ）  未反応燃料ガス排出経路
４−（２）〜４−（Ｎ）  エジェクタ
５−（１）〜５−（Ｎ）  燃料供給部
６  制御部
７−（４）  パージ経路
８−（２）〜８−（７）  定容積ポンプ
９−（３）、９−（６）  パージ弁
１０−（１）〜１０−（Ｎ）  燃料電池スタック
１００、２００  燃料電池システム
【図１】
2018137138.tif 000003
【図２】
2018137138.tif 000004
【図３】
2018137138.tif 000005