(57)【要約】【課題】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でき、発電する燃料電池スタックを任意に選択することができ、発電に使用する燃料ガスの損失を削減して、高い発電効率で運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）上に設けられて燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）と、未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給する搬送手段７−（１）〜７−（３）を有する未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）と、隣接する未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）同士を接続する接続経路６−（１）〜６−（Ｎ−１）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤とを反応させることで発電を行う第１から第Ｎ（Ｎは２以上の整数）燃料電池スタックと、
第１から第Ｎ燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給経路と、
前記第１から第Ｎ燃料ガス供給経路上に設け、前記第１から第Ｎスタックに所定量の燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給部と、
前記第１から第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から第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、
前記第Ｋ未反応燃料ガス排出経路（Ｋは、１≦Ｋ≦Ｎのすべての整数）から前記未反応燃料ガスを前記第Ｋ燃料ガス供給経路に供給する第Ｋ搬送手段を有する第Ｋ未反応燃料ガス循環経路と、
前記第Ｍ未反応燃料ガス排出経路（Ｍは、１≦Ｍ≦Ｎ−１のすべての整数）と前記第Ｍ＋１未反応燃料ガス循環経路とを接続する第Ｍ接続経路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１から第Ｎの燃料ガス供給部と、前記第１から第Ｎの搬送手段と、を制御する制御器を備え、
前記制御器は、
前記第１から第Ｎの燃料電池スタックの中で発電しない燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で燃料ガスの供給を止め、
前記第１から第Ｎの燃料電池スタックの中で発電する燃料電池スタックの中の任意の１台の燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第１所定量とし、
前記発電する燃料電池スタックの中の別の任意の１台の燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第２所定量とし、
前記発電する燃料電池スタックの中で、前記第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、前記第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、を除く燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第３所定量とし、前記所定量の関係は、第１所定量＞第３所定量＞第２所定量とし、
前記発電しない燃料電池スタックと、前記第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、に対応する搬送手段で未反応燃料ガスを供給せず、
前記第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックに対応する搬送手段で供給する未反応燃料ガスの量を第４所定量とし、
前記第３所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックに対応する搬送手段で供給する未反応燃料ガスの量は前記第４所定量よりも小さな第５所定量とする、ことを特徴とする、請求項１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】
電解質層を燃料極と空気極で挟持してセル（単電池）を構成し、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給すると共に、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、車載や、業務用途としても用いられるようになっており、車載や業務用途では、一般家庭用途の燃料電池システムよりもより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構成することによって、使用しているのが一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）
図３は、特許文献１に開示された従来の燃料電池システムのブロック図を示すものである。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１、燃料ガス供給経路３−（１）、燃料ガス供給経路３−（２）、燃料ガス供給経路３−（３）、未反応燃料ガス排出経路４−（１）、未反応燃料ガス排出経路４−（２）、未反応燃料ガス排出経路４−（３）、燃料ガス流量調整弁８−（１）、燃料ガス流量調整弁８−（２）、燃料ガス流量調整弁８−（３）、燃料電池スタック１０−（１）、燃料電池スタック１０−（２）、燃料電池スタック１０−（３）から構成されている。
【０００５】
従来の燃料電池システム３００は、燃料ガス供給経路３−（１）、燃料ガス供給経路３−（２）、燃料ガス供給経路３−（３）、未反応燃料ガス排出経路４−（１）、未反応燃料ガス排出経路４−（２）、未反応燃料ガス排出経路４−（３）、燃料電池スタック１０−（１）、燃料電池スタック１０−（２）、燃料電池スタック１０−（３）が並列構成されており、燃料ガス供給源１から燃料ガス供給経路３−（１）、燃料ガス供給経路３−（２）、燃料ガス供給経路３−（３）を流通した燃料ガスを燃料ガス流量調整弁８−（１）、燃料ガス流量調整弁８−（２）、燃料ガス流量調整弁８−（３）にて流量調整してから燃料電池スタック１０−（１）、燃料電池スタック１０−（２）、燃料電池スタック１０−（３）へ供給し、燃料電池スタック１０−（１）、燃料電池スタック１０−（２）、燃料電池スタック１０−（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４−（１）、未反応燃料ガス排出経路４−（２）、未反応燃料ガス排出経路４−（３）を経由して、燃料電池システム３００外へ排出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
しかしながら、特許文献１で提案された従来の燃料電池システム３００は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）を複数台並列構成とすることで、大きな発電量を得ることができるが、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）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１０−（１）〜１０−（３）へ供給して、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）内の燃料ガス欠乏を防ぐ必要がある。そして、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）で使用しなかった燃料ガスを、燃料電池システム３００外へ排出している。
【０００８】
燃料電池スタックの平均燃料利用率Ｕｆ（％）は以下の（数１）で表現できる。
【０００９】
【数１】
2018129138.tif 000003
燃料電池システムの燃料利用率Ｕｆｓ（％）は以下の（数２）で表現できる。
【００１０】
【数２】
2018129138.tif 000004
特許文献１で提案されたものでは、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（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４−（１）〜４−（３）を通過して、燃料電池システム３００外へ排出していた。
【００１１】
この構成では、燃料電池システム３００の燃料利用率Ｕｆｓは燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）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１０−（１）〜１０−（３）の平均燃料利用率Ｕｆを高く設定し過ぎると、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）の燃料出口付近での燃料ガス欠乏が生じ、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）の信頼性を保つことが難しい。
【００１２】
そのため、燃料電池システム３００の燃料利用率Ｕｆｓは燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）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３００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３００を運転できないという課題を有していた。
【００１３】
また、複数の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）を有する燃料電池システム３００の運転において、ある特定の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）を優先的に動作させるようにすると、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）の運転時間にばらつきができて、耐久性が低下するという課題を有していた。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、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でき、発電する燃料電池スタックを任意に選択することができ、発電に使用する燃料ガスの損失を削減して、高い発電効率で運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、燃料ガスと酸化剤とを反応させることで発電を行う第１から第Ｎ（Ｎは、２以上の整数）燃料電池スタックと、第１から第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給経路と、第１から第Ｎ燃料ガス供給経路上に設け、第１から第Ｎスタックに所定量の燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給部と、第１から第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から第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第Ｋ未反応燃料ガス排出経路（Ｋは、１≦Ｋ≦Ｎのすべての整数）から未反応燃料ガスを第Ｋ燃料ガス供給経路に供給する第Ｋ搬送手段を有する第Ｋ未反応燃料ガス循環経路と、第Ｍ未反応燃料ガス排出経路（Ｍは、１≦Ｍ≦Ｎ−１のすべての整数）と第Ｍ＋１未反応燃料ガス循環経路とを接続する第Ｍ接続経路とを備えたものである。
【００１６】
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。また、発電量に合わせて適当な数の燃料電池スタックを選択して発電させることができるので、各燃料電池スタックの発電時間を均等にするように運転すれば、燃料電池スタックの耐久時間を最大限延ばすことができる。選択した燃料電池スタックの間で消費されなかった未反応燃料ガスを使用することができる。
【００１７】
また、選択した燃料電池スタックの中の最も下流側に位置する燃料電池スタックでは、排出した未反応燃料ガスをその燃料電池スタックの入口へ循環させて発電させる。そのため、燃料電池システムとして排出す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ができる。
【００１８】
また、発電量に合わせて任意の燃料電池スタックを発電させることができるので、各燃料電池スタックの発電時間が均等になるように制御して燃料電池システムを運転することで、燃料電池スタックの耐久時間を最大限延ばすことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、発電量に合わせた適切な数の燃料電池スタックを連結させて、燃料排ガス中に含まれる未反応燃料ガスを発電に利用することにより、低発電量の運転においても安定した発電ができ、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。
【００２０】
さらに、燃料電池システムに構成される燃料電池スタックを少ない台数発電する場合には、複数の燃料電池スタックの発電時間をほぼ均一にするように燃料電池システムを運転すれば、燃料電池システムに構成される燃料電池スタックの耐久時間をほぼ均一にすることができ、燃料電池システムとして耐久性（耐久時間）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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１における５台の燃料電池スタックを備えた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】
【００２２】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤とを反応させることで発電を行う第１から第Ｎ（Ｎは、２以上の整数）燃料電池スタックと、第１から第Ｎ燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給経路と、第１から第Ｎ燃料ガス供給経路上に設け、第１から第Ｎスタックに所定量の燃料ガスを供給する第１から第Ｎ燃料ガス供給部と、第１から第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から第Ｎ未反応燃料ガス排出経路と、第Ｋ未反応燃料ガス排出経路（Ｋは、１≦Ｋ≦Ｎのすべての整数）から未反応燃料ガスを第Ｋ燃料ガス供給経路に供給する第Ｋ搬送手段を有する第Ｋ未反応燃料ガス循環経路と、第Ｍ未反応燃料ガス排出経路（Ｍは、１≦Ｍ≦Ｎ−１のすべての整数）と第Ｍ＋１
未反応燃料ガス循環経路とを接続する第Ｍ接続経路と、を備えた、燃料電池システムである。
【００２３】
本構成により、高発電量運転時には大きな発電量を得ると共に燃料排ガス中に含まれる未反応燃料ガスを発電に利用することができ、低発電量運転時には、発電量に合わせた適切な数の燃料電池スタックを発電させて、燃料排ガス中に含まれる未反応燃料ガスを発電に利用することができ、低発電量運転においても高い発電効率と安定した発電が可能となる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池システムによれば、発電量に合わせた適切な数の燃料電池スタックを発電させる場合は、任意の燃料電池スタックを適切な時間発電させることにより、特定の燃料電池スタックに発電時間が偏ることなく、燃料電池システムを運転することができる。
【００２５】
第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムに、第１から第Ｎの燃料ガス供給部と、第１から第Ｎの搬送手段と、を制御する制御器を備え、制御器が、第１から第Ｎの燃料電池スタックの中で発電しない燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で燃料ガスの供給を止め、第１から第Ｎの燃料電池スタックの中で発電する燃料電池スタックの中の任意の１台の燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第１所定量とし、発電する燃料電池スタックの中の別の任意の１台の燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第２所定量とし、発電する燃料電池スタックの中で、第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、を除く燃料電池スタックに対応する燃料ガス供給部で供給する燃料ガスの量を第３所定量とし、所定量の関係は、第１所定量＞第３所定量＞第２所定量とし、発電しない燃料電池スタックと、第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックと、に対応する搬送手段で未反応燃料ガスを供給せず、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックに対応する搬送手段で供給する未反応燃料ガスの量を第４所定量とし、第３所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックに対応する搬送手段で供給する未反応燃料ガスの量は第４所定量よりも小さな第５所定量とすることを特徴としたものである。
【００２６】
本構成により、低発電量運転時には、発電量に合わせた適切な数の燃料電池スタックを発電させて、燃料排ガス中に含まれる未反応燃料ガスを発電に利用することができ、どの燃料電池スタックを発電に利用しても第３所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックでは、１台分の燃料電池スタックの未反応燃料ガスを発電に利用し、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部で供給する燃料電池スタックでは、２台分の燃料電池スタックの未反応燃料ガスを発電にて未反応燃料ガスを循環させることができるので、低発電量運転においても高い発電効率と、安定した発電が可能となる。
【００２７】
また、上記のように、発電量に合わせて任意の燃料電池スタックを発電させることができるので、各燃料電池スタックの発電時間が均等になるように制御して燃料電池システムを運転すれば、燃料電池スタックの耐久時間を最大限延ばすことができる。
【００２８】
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、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。
【００２９】
（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、燃料ガスと酸化剤とを反応させることで
発電を行うＮ台の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）と、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）と、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）上に設けられて、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に所定量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）と、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から未反応燃料ガスを排出する未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）と、経路上に搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）を有して未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給する未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）と、隣接する未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）同士を接続する接続経路６−（１）〜６−（Ｎ−１）と、制御器１１と、で構成されている。Ｎは２以上の整数である。
【００３０】
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、燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（Ｎ）の場合、（１）、（２）、（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（Ｎは２以上の整数）の燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（Ｎ）がある場合に、その燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（Ｎ）の通し番号を表している。他の構成要素、燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）についても同じである。
【００３１】
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、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（３）と記載した場合、この〜の符号は１１−（１）、１１−（２）、１１−（３）を全て指し示していることを意味する。他の構成要素についても同様である。
【００３２】
燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）は、所定の圧力の供給圧を有する燃料ガスインフラから燃料ガスを燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）へ各々供給する配管経路であり、燃料ガスとして水素ガスを利用し、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）上に、燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）を各々設置する。
【００３３】
燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）は、流量計とガスを送るポンプによって構成されており、ポンプは燃料ガスを昇圧して、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）へ供給する。流量計は燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）の燃料ガスの流量を計測し、過不足があれば、制御器１１へ流量情報を返し、制御器１１の指示でポンプの能力値を制御し、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）の燃料ガス量を調整する。
【００３４】
制御器１１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を用いる。記憶部としては、メモリーを用いる。
【００３５】
燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）は、燃料ガスと、酸化ガス供給器（図示せず）により供給される酸化ガス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、固体高分子型燃料電池を用いる。
【００３６】
未反応燃料排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）は、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の出口を一端として燃料排ガスが通る配管経路であり、他端に未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）を備える。
【００３７】
未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）の他端は、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）上の燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）と燃料電池スタック１０−（
１）〜１０−（Ｎ）との間に接続され、未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）上に搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）を備える。
【００３８】
搬送手段は、流量計とガスを送るポンプによって構成されており、ポンプは未反応燃料ガスを昇圧して、燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）へ供給する。
【００３９】
接続経路６−（１）〜６−（Ｎ−１）は、未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）と隣り合う一つ番号の大きな燃料電池スタックの未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）を接続する配管経路であり、第Ｍ接続経路は、第Ｍ未反応燃料ガス排出経路（Ｍは、１≦Ｍ≦Ｎ−１のすべての整数）と第Ｍ＋１未反応燃料ガス循環経路とを接続する。
【００４０】
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、作用を説明する。
【００４１】
まず、燃料電池システム１００が運転を行うとき、次のような動作を行う。発電量に合わせて最適な燃料電池スタック数を決め、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料供給部２−（１）〜２−（Ｎ）でガスを所定量供給すると共に発電しない燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料供給部２−（１）〜２−（Ｎ）でガスを止めるよう制御器１１で制御する。
【００４２】
少なくとも２台の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）で発電する場合は、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の中で任意の１台の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第１所定量とする）は、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の燃料ガス供給量の中で最も多い量とし、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の中で別の任意の１台の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第２所定量とする）は、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の燃料ガス供給量の中で最も少ない量とし、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の中で、第１所定量を燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）と、第２所定量を燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）と、を除く燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第３所定量とする）は、第１所定量＞第３所定量＞第２所定量の関係になるように制御器１１で制御する。
【００４３】
また、発電しない燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）と、第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）では未反応燃料ガスを供給せず、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）で供給する未反応燃料ガスの量を第４所定量とし、第３所定量を燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）で供給する未反応燃料ガスの量は第４所定量よりも小さな第５所定量とするように制御器１１で制御する。
【００４４】
このように制御することにより、第１所定量の燃料ガスを燃料供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）は、純粋な燃料ガスのみを供給して発電を行い、発電するすべての燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出された未反応燃料ガスは、未反応燃料ガス排出経路４−（１）〜４−（Ｎ）から
接続流路６−（１）〜６−（Ｎ−１）でつながる他の発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）に設置された搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）により、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の中で第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）を除く燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給され、他の発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の発電に利用される。
【００４５】
ここで、第３所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、他の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の１台分の未反応燃料ガスを発電に利用するように搬出手段７−（１）〜７−（Ｎ）で供給するように、制御器１１で制御する。その供給量は第５所定量である。
【００４６】
また、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、他の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の１台分の未反応燃料ガスに加えて、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）自身の排出する未反応燃料ガスも発電に利用するように、搬出手段７−（１）〜７−（Ｎ）で供給し、その供給量（第４所定量）は、発電に利用する燃料ガスの中の未反応燃料ガスの割合が第５所定量よりも多くなるように制御器１１で制御する。
【００４７】
一方、１台の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）で発電する場合は、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出される未反応燃料ガスは、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する未反応燃料ガス循環経路５−（１）〜５−（Ｎ）を通って発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給されるように、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）では、第３所定量の燃料ガスを供給し、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に対応する搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）では、第５所定量の未反応ガスを供給するように、制御器１１で制御する。
【００４８】
ここで、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）入口部分での燃料ガス量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）における燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の平均燃料利用率ＵｆをＰ（％）とした場合、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）出口部分での未反応燃料ガス量は１０−（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００４９】
したがって、第１所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、供給される未反応燃料ガスがないために、燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第１所定量）は１０Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００５０】
第３所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、別の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出された未反応燃料ガスが燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給されるため、燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第３所定量）は、第１所定量−第５所定量＝１０−（１０−（Ｐ／１０））＝Ｐ／１０Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００５１】
第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池ス
タック１０−（１）〜１０−（Ｎ）では、別の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出された未反応燃料ガス（第５所定量）と第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）自身から排出された未反応燃料ガスが燃料ガス供給経路３−（１）〜３−（Ｎ）に供給されるので、燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する量（第２所定量）は、第１所定量―第５所定量−（第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出された未反応燃料ガス量）＝１０−（１０−（Ｐ／１０））−（１０−（Ｐ／１０））＝２×（Ｐ／１０）−１０Ｌ／ｍｉｎとなり、最も少なくなる。
【００５２】
また、第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の搬送手段７−（１）〜７−（Ｎ）で供給される未反応燃料ガスの流量（第４所定量）は、第４所定量＝第５所定量＋（第２所定量の燃料ガスを燃料ガス供給部２−（１）〜２−（Ｎ）で供給する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）から排出された未反応燃料ガス量）＝１０−（Ｐ／１０）＋１０−（Ｐ／１０）＝２０−２×（Ｐ／１０）Ｌ／ｍｉｎとなり、第４所定量＞第５所定量となる。
【００５３】
以上より、発電するすべての燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）に供給する燃料ガスの量は、発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の数がＱ台の場合、第１所定量＋第２所定量＋第３所定量×（Ｑ−２）＝１０＋２×（Ｐ／１０）−１０＋（Ｐ／１０）×（Ｑ−２）＝Ｑ×（Ｐ／１０）となる。
【００５４】
従って、燃料電池システム１００において発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の数がＱ台の場合、燃料電池システム１００の燃料利用率Ｕｆｓは次の（数３）で表現できる。
【００５５】
【数３】
2018129138.tif 000005
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）の排出した未反応燃料ガスを再び燃料として利用するため、燃料電池システム１００の燃料利用率Ｕｆｓは１００％となり、Ｕｆの値に影響されることなく高い燃料利用率の燃料電池システム１００を提供することができる。
【００５６】
なお、燃料電池システム１００を運転させるとき、すべての燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）が同時間ずつ発電できるように発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）を選択し、一定時間ごとに発電する燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）を切り替えるなどの運用をすると、ある一部の燃料電池スタック１０−（１）〜１０−（Ｎ）だけ劣化することを防ぐことができ、燃料電池システム１００の長寿命化につながる。
【実施例】
【００５７】
本実施の形態について、より具体的な例を図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における５台の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムのブロック図である。図２において、燃料電池システム２００は、Ｎ＝５の場合についての構成を示したものである。
【００５８】
図２において、図１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、重複する説明はここでは省略する。
【００５９】
燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（３）、１０−（４）、１０−（５）の中で、発電させる燃料電池スタックを１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）とし、燃料電池スタック１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）の平均燃料利用率Ｕｆが８０％とする。燃料電池スタック１０−（１）、１０−（３）に対応する燃料ガス供給部２−（１）、２−（３）と搬送手段７−（１）、７−（２）、７−（３）、でガスを供給せず、燃料電池スタック１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）入り口部分での燃料ガス量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。
【００６０】
このとき、燃料電池スタック１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）で消費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−（２）、１０−（４）、１０−（５）から排出される未反応燃料ガスの量は２Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００６１】
したがって、燃料ガス供給部２−（２）で燃料ガスを１０Ｌ／ｍｉｎ供給し、燃料電池スタック１０−（２）を通って排出された未反応燃料ガスは接続経路６−（２）、６−（３）を通り、未反応燃料ガス循環経路５−（４）を通り、搬送手段７−（４）で２Ｌ／ｍｉｎの未反応燃料ガスを燃料電池スタック１０−（４）の燃料ガス供給経路３−（４）に供給する。
【００６２】
燃料ガス供給部２−（４）では、燃料ガスを８Ｌ／ｍｉｎ供給する。これより、未反応燃料ガス２ｍｌ／ｍｉｎと合わせて１０ｍｌ／ｍｉｎの燃料ガスを燃料電池スタック１０−（４）に供給することができる。燃料電池スタック１０−（４）から排出された未反応燃料ガス２Ｌ／ｍｉｎは、未反応燃料排ガス経路４−（４）を通り、接続経路６−（４）を通り、未反応燃料ガス循環経路５−（５）へ供給される。
【００６３】
一方、燃料電池スタック１０−（５）から排出された未反応燃料ガス２ｍｉｎ／ｍｉｎは、未反応燃料排ガス経路４−（５）を通り、未反応燃料ガス循環経路５−（５）へ供給される。
【００６４】
したがって、未反応燃料ガス循環経路５−（５）には、燃料電池スタック１０−（４）と１０−（５）の二つの燃料電池スタックの未反応燃料排ガスが供給されるので、搬送手段７−（５）で供給する未反応燃料ガスの量は４Ｌ／ｍｉｎとなり、燃料ガス供給部２−（５）で供給する燃料ガスの量は１０−４＝６Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００６５】
以上より、燃料電池システム２００に供給する燃料ガスの量は、１０＋８＋６＝２４Ｌ／ｍｉｎとなる。燃料電池スタック１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）では、合計８×３＝２４Ｌ／ｍｉｎとなり、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２４／２４×１００＝１００％となり、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２０％高くなった。
【００６６】
以上のように本実施例では、燃料電池システム２００の燃料利用率Ｕｆｓを燃料電池スタック１０−（２）、１０−（４）、１０−（５）の燃料利用率Ｕｆよりも高くすることができる。また、燃料電池システム２００に構成される燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（３）、１０−（４）、１０−（５）を少ない台数で発電する場合に、発電する燃料電池スタックを発電時間に基づいて切り替えるように運転すると複数の燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（３）、１０−（４）、１０−（
５）の発電時間をほぼ均一にすることができるので、燃料電池システム２００に構成される燃料電池スタック１０−（１）、１０−（２）、１０−（３）、１０−（４）、１０−（５）の耐久時間が均一になり、燃料電池システム２００として耐久性（耐久時間）を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
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する構成とすることにより、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一部燃料ガスとして用いることが可能になり、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】
【００６８】
１  燃料ガス供給源
２−（１）〜２−（Ｎ）  燃料ガス供給部
３−（１）〜３−（Ｎ）  燃料ガス供給経路
４−（２）〜４−（Ｎ）  未反応燃料ガス排出経路
５−（１）〜５−（Ｎ）  未反応燃料ガス循環経路
６−（１）〜６−（Ｎ−１）  接続経路
７−（１）〜７−（Ｎ）  搬送手段
１０−（１）〜１０−（Ｎ）  燃料電池スタック
１１  制御器
１００、２００、３００  燃料電池システム
【図１】
2018129138.tif 000006
【図２】
2018129138.tif 000007
【図３】
2018129138.tif 000008