(57)【要約】【課題】発電量に応じて適切な台数の燃料電池スタックを発電するシステムにおいて、消費電力を増加せずに、停止中の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧に維持する。【解決手段】水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２と、制御部３と、を備え、制御部３は、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタック１−１〜１−Ｎからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内を大気圧に対して正圧にする。かかる構成により、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つための消費電力を削減でき、燃料電池システム１００の発電効率を向上させることがでる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、
停止された前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された前記燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする、
燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う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燃料ガスを供給する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から排出する未反応燃料ガスを、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス供給経路に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、
前記複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、
停止された前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、停止された前記燃料電池スタック内ならびに前記未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にする、
燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、運転中の前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの発電量に基づいて前記未反応燃料ガス循環手段が運転中の前記複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガスの流量を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、
停止された前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された前記燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするステップと、を有する燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う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燃料ガスを供給する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から排出する未反応燃料ガスを、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス供給経路に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、
前記複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、
停止された前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、停止された前記燃料電池スタック内ならびに前記未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にするステップと、を
有する燃料電池システムの運転方法。
【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】
従来、この種燃料電池システムは、電解質層を燃料極（アノード）と空気極（カソード）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、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大きな容量の発電能力が求められている。
【０００４】
大きな容量の発電量を実現するために、複数台の燃料電池スタックを並列構成となるように燃料ガス供給配管の連結を行い、必要な発電量を確保している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、複数台の燃料電池スタックで発電と停止を行う場合、発電停止状態の燃料電池スタック内への外気混入を防ぐために定期的に燃料電池スタックの上流の燃料ガス供給経路に設けられた弁（以下、燃料供給弁と呼ぶ）を開閉し、燃料電池スタック内へ燃料ガスを供給して大気圧に対して正圧にする制御を行っている。かかる制御を行うことで燃料電池スタック内の圧力が大気圧に対して負圧になることを防ぎ、燃料電池スタック内に空気が侵入しないようにすることで、燃料電池スタックの信頼性を確保している（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１８８２３号公報
【特許文献２】特開２０１４−７１６９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、前記従来構成では、燃料供給弁の開閉による燃料供給弁の耐久劣化という課題を有していた。また、大きな容量の発電能力に対応するために複数台の燃料電池スタックを用いて発電を行う場合、発電停止状態の燃料電池スタックの数が増える程、燃料電池スタック内の圧力を大気圧に対して正圧に保つ為に燃料供給弁の数が増える。そのため、燃料電池システム全体として燃料供給弁を開閉する回数が増加し、燃料供給弁を動作するための消費電力が増大するという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、停止された燃料電池スタックに燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給可能な複数台の燃料電池スタックからなるシステムとすることで、燃料供給弁を用いることなく、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことができる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】
【０００９】
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、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、制御部と、を備え、制御部は、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするものである。
【００１０】
これによって、発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させた場合、停止している複数の燃料電池スタックに対して、複数の燃料供給弁を開閉せずとも、停止している複数の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧にすることができ、複数の燃料供給弁を削減し、燃料供給弁の耐久劣化の課題を解決できるとともに、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス供給経路に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、制御部と、を備え、制御部は、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、停止された燃料電池スタック内ならびに未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にするものである。
【００１２】
これによって、発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させる場合、安全の観点から燃料ガス供給経路、複数の燃料電池スタック、複数の未反応燃料ガス循環経路（以下、上記をまとめてアノード経路と呼ぶ）中の水素に空気が混入することを防止するために、アノード経路が大気圧に対して正圧になるように燃料電池システムを設計する。アノード経路が大気圧に対して正圧とするために、未反応燃料ガスも大気圧に対して正圧となるように設計する。これにより、停止している複数の燃料電池スタックならびに未反応燃料ガス循環経路に対して、複数の燃料供給弁を開閉せずとも、大気圧に対して正圧にすることができ、複数の燃料供給弁を削減し、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、発電停止状態の燃料電池スタック内の圧力を、燃料供給弁の開閉を行わずとも、大気圧に対して正圧に保つことが可能となるため、燃料供給弁を削減することが可能となる。これにより、燃料供給弁の開閉回数するための消費電力を削減することができ、燃料電池システムの発電効率向上を実現することができる。さらに、燃料供給弁の開閉回数増加による耐久劣化の課題を解消できるため、燃料電池システムの耐久性向上を実現できる。また、燃料供給弁を削減することで、燃料電池システムのコストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、制御部と、を備え、制御部は、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料
電池スタックに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にすることにより、燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするための燃料供給弁を削減することが可能となり、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することができ、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。
【００１６】
第２の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス供給経路に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、制御部と、を備え、制御部は、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、停止された前記燃料電池スタック内ならびに未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にすることにより、燃料電池スタック内ならびに未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にするための燃料供給弁を削減することが可能となり、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することができ、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第２の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、運転中の複数の燃料電池スタックのそれぞれの発電量に基づいて未反応燃料ガス循環手段が運転中の複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガスの流量を制御することにより、燃料電池スタックの下流から燃料ガスを余らせて排出させ、未反応燃料ガスとして流量の制御を行うことができる。これにより、発電している燃料電池スタックに対して発電に必要な燃料ガスよりも多くの燃料ガスを供給することが可能となり、燃料電池スタックの電圧低下を防止し、燃料電池システムの安定した発電を実現することができる。
【００１８】
第４の発明では、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路とを備えた燃料電池システムの運転方法で、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、停止された燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするステップを実行することにより、燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするための燃料供給弁を削減することが可能となり、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することができ、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。
【００１９】
第５の発明では、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス供給経路に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段とを備えた燃料電池システムの運転方法で、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、停止された燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、停止された前記燃料電池スタック内ならびに未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にするステップとを実行することにより、燃料電池スタック内ならびに未反応燃料ガス循環経路内を大気圧に対して正圧にするための燃料供給弁を削減することが可能となり、燃料供給弁を開閉するための消費電力を削減することができ、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。
【００２０】
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。
（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。
【００２１】
図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎと、燃料ガス供給経路２と、制御部３とを備える。Ｎは２以上の整数である。
【００２２】
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１−１、１−２、１−Ｎの場合、添え字の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個の燃料電池スタックがある場合にその燃料電池スタックの通し番号を表している。
【００２３】
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１−１〜１−３と記載した場合、この〜の符号は１−１、１−２、１−３を全て指し示していることを意味する。
【００２４】
燃料電池スタック１−１〜１−Ｎは、燃料ガスと、酸化剤ガス供給器（図示せず）によって供給される酸化剤ガスとを用いて発電するものである。燃料電池スタック１−１〜１−Ｎとしては、固体高分子型燃料電池を用いる。
【００２５】
燃料ガス供給経路２は、燃料ガスを燃料電池スタック１−１〜１−Ｎへと各々供給するための経路である。
【００２６】
制御部３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。
【００２７】
燃料電池スタック１−１〜１−Ｎへは燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給され、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの出口は封止している。燃料電池スタック１−１〜１−Ｎで発電のために燃料ガスが消費されると、消費した量に相当する燃料ガスが燃料ガス供給経路２から燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに供給される。また、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎが発電停止している間に、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの温度低下などにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内の燃料ガスが収縮した場合にも、燃料ガスが燃料ガス供給経路２から燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに供給される。
【００２８】
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。
【００２９】
燃料電池システム１００が発電を行う場合、必要な発電量に合わせて、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの中から発電を行う機器を決定する。燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するものには発電に使用した量に相当する燃料ガスが燃料ガス供給経路２から供給される。また、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しないものに対しても、常に燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給されており、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しないものの内部の圧力を大気圧に対して正圧に維持することができる。
【００３０】
ここで、燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１−１のみが発電を行い、それ以外の燃料電池スタック１−２〜１−Ｎが発電しない場合について述べる。燃料電池スタック１−１は燃料ガス供給経路２から供給される燃料ガスを用いて発電を行う。燃料電池スタック１−２〜１−Ｎは発電をしていないが、燃料電池スタック１−２〜１−Ｎの温度低下などにより燃料ガスが収縮し、燃料電池スタック１−２〜１−Ｎの内部の圧力が低下する。その際、燃料電池スタック１−１と燃料電池スタック１−２〜１−Ｎの燃料ガス供給経路２が常に連通していることにより、燃料電池スタック１−２〜１−Ｎにも燃料ガスが供給される。それにより、燃料電池スタック１−２〜１−Ｎの内部の圧力を大気圧に対して正圧に維持することができる。
【００３１】
つぎに、燃料電池システム１００が発電を行わない場合、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎは全て発電を実施しないが、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎには、常時、燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給されている。このため、全ての燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内の圧力は大気圧に対して正圧に保たれる。
【００３２】
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を、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに燃料ガスを供給し、該燃料電池スタック１−１〜１−Ｎからの未反応燃料ガスの排出を閉止し、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内を大気圧に対して正圧にすることにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つための燃料供給弁のような電磁弁を削減することが可能となり、電磁弁を開閉するための消費電力を削減できる。このため、燃料電池システム１００の発電効率向上を実現することができる。
【００３３】
また、停止中のスタックのアノードに大気が進入すると、水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入る可能がある。しかしながら、本実施の形態によれば、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ、燃料ガス供給経路２、未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎの内部の圧力は発電、停止に関わらず、常に大気圧に対して正圧に保つことができるので、アノードで水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入ることがない。
【００３４】
なお、本実施の形態では、燃料ガスとして、水素ガスを用いたが、これに限らず、都市ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールなどでも良い。
【００３５】
また、制御部３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。
【００３６】
なお、燃料電池スタック１−１〜１−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、燐酸型燃料電池であってもよい。
（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。
【００３７】
図２において、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎと、燃料ガス供給経路２と、制御部３と、未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎと、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎとを備える。
【００３８】
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。また、参照符号についても実施の形態１と同様である。
【００３９】
燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎは、複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのそれぞれから排出する未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのそれぞれの燃料ガス供給経路２に合流させるものである。
【００４０】
未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎは、流量計と燃料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２へ未反応燃料ガスを供給する。
【００４１】
燃料電池スタック１−１〜１−Ｎへは燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１−１〜１−Ｎにて発電するための反応に使用されなかった未反応燃料ガスは燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの下流から排出され、未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎを通して、それぞれの燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに対応する燃料ガス供給経路２に循環する。未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎを流通する未反応燃料ガスの流量は、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎにより制御する。未反応燃料ガスを燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するものに供給することで、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するものに供給される燃料ガスの流量を、発電により消費される燃料ガスの流量よりも多くすることができる。これにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの発電を安定させ、燃料電池システム２００の発電の信頼性を向上させることができる。このため、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎは、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するものに対応したものだけ動作すればよい。
【００４２】
燃料電池スタック１−１〜１−Ｎで発電のためにガスが消費されると、消費した量に相当する燃料ガスが燃料ガス供給経路２から燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに供給される。また、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎが発電停止している間に、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの温度低下などにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内の燃料ガスが収縮した場合にも、燃料ガスが燃料ガス供給経路２から燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに供給される。
【００４３】
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、作用を説明する。
【００４４】
燃料電池システム２００が発電を行う場合、必要な発電量に合わせて、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの中から発電を行う機器を決定する。燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するものに対応する未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎを動作することで、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎには発電に使用した量に相当する燃料ガスと未反応燃料ガスとの和が供給される。
【００４５】
未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎにより循環する未反応燃料ガス流量は、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するもののそれぞれの目標発電量に応じ、予め定められた流量となるように制御する。
【００４６】
また、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しないものに対しても、常に燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給されており、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しないものの内部の圧力を大気圧に対して正圧に維持することができる。このとき、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しないものに対応する未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎは動作させない。
【００４７】
ここで、燃料電池システム２００において、燃料電池スタック１−２〜１−３のみが発電を行い、それ以外の燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎが発電しない場合について述べる。燃料電池スタック１−２〜１−３に対応する未反応燃料ガス循環手段５−２〜５−３を動作することで、燃料電池スタック１−２〜１−３に対して、発電に必要な量の燃料ガスよりも多くの燃料ガスを供給する。このように、燃料電池スタック１−２〜１−３に燃料ガスおよび未反応燃料ガスを供給しながら、燃料電池スタック１−２〜１−３を発電する。発電しない燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎに対応する未反応燃料ガス循環手段５−１および未反応燃料ガス循環手段５−４〜５−Ｎは動作を停止し、未反応燃料ガスを循環しない。燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎは発電をしていないが、燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎの温度低下などにより燃料ガスが収縮し、燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎの内部の圧力が低下する。その際、発電する燃料電池スタック１−２〜１−３と発電しない燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎの燃料ガス供給経路２が常に連通していることにより、燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎにも燃料ガスが供給される。それにより、燃料電池スタック１−１および燃料電池スタック１−４〜１−Ｎの内部の圧力を大気圧に対して正圧に維持することができる。
【００４８】
さらに、燃料電池システム２００での必要な発電量が増加した場合において、燃料電池スタック１−２〜１−３のみが発電している状態から必要な発電量が１．５倍に増加すると、燃料電池スタック１―４を発電開始させる。燃料電池スタック１−４を発電するために、まず、燃料電池スタック１−４に対応する未反応燃料ガス循環手段５−４を動作することで、燃料電池スタック１−４に対して、発電に必要な量の燃料ガスよりも多くの燃料ガスを供給する。このように、燃料電池スタック１−４に燃料ガスおよび未反応燃料ガスを供給しながら、燃料電池スタック１−４を発電する。
【００４９】
次に、燃料電池システム２００が発電を行わない場合、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎは全て発電を実施しないが、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎには、常時、燃料ガス供給経路２から燃料ガスが供給されている。このため、全ての燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内の圧力は大気圧に対して正圧に保たれる。このとき、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎは全て停止する。
【００５０】
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を、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの運転台数を変えて発電させ、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに燃料ガスを供給し、停止された燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内ならびに未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎ内を大気圧に対して正圧にすることにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つための燃料供給弁のような電磁弁を削減することが可能となり、燃料供給弁のような電磁弁を開閉するための消費電力を削減できる。このため、燃料電池システム２００の発電効率向上を実現することができる。
【００５１】
また、本実施の形態では、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎを用いて、発電する燃料電池スタック１−１〜１−Ｎに対して未反応燃料ガスを循環することにより、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電するもの対して発電するために必要な燃料ガス流量よりも多くの流量の燃料ガスを供給できるため、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎでの発電を安定させることができる。
【００５２】
また、停止中のスタックのアノードに大気が進入すると、水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入る可能がある。しかしながら、本実施の形態によれば、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎ、燃料ガス供給経路２、未反応燃料ガス循環経路４−１〜４−Ｎの内部の圧力は発電、停止に関わらず、常に大気圧に対して正圧に保つことができるので、アノードで水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入ることがない。
【００５３】
なお、燃料ガスとして、水素ガスを用いたが、これに限らず、都市ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールなどでも良い。
【００５４】
また、制御部３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。
【００５５】
なお、燃料電池スタック１−１〜１−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、燐酸型燃料電池であってもよい。
【００５６】
また、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎにより循環する未反応燃料ガス流量は、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎのうち発電しているもののそれぞれの発電量を検出し、それぞれの発電量に基づいて制御しても構わない。このように制御することで、燃料電池スタック１−１〜１−Ｎの発電をより安定させるだけでなく、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎを必要な未反応燃料ガス流量に対して無駄なく動作することができるため、未反応燃料ガス循環手段５−１〜５−Ｎの消費電力を削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料供給弁のような電磁弁を用いることなく、発電停止状態の燃料電池スタックの内部圧力を大気圧に対して正圧に保つことでアノードの劣化を防止することが可能となるので、高い発電効率と信頼性が必要な燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１−１〜１−Ｎ    燃料電池スタック
２                燃料ガス供給経路
３                制御部
４−１〜４−Ｎ    未反応燃料ガス循環経路
５−１〜５−Ｎ    未反応燃料ガス循環手段
１００、２００    燃料電池システム
【図１】
2018206509.tif 000003
【図２】
2018206509.tif 000004