(57)【要約】【課題】  本発明は、起動時間の改善された燃料電池システム、特に多数の燃料電池を備える燃料電池システムを開発することを課題とする。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、個々独立に始動可能な燃料電池（１０２、１０４）を含んで成る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの反応物入口経路（１２４、１２６、１３４、１３６）及び少なくとも１つの排出物出口（１５４、１５６、１５８、１６６）をそれぞれ有する少なくとも第１及び第２の燃料電池（１０２、１０４）と、
前記第１の燃料電池（１０２）の前記少なくとも１つの排出物出口に作動し得るように接続され且つ前記第２の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）と関連付けられた第１のヒータ機構（１４６、１４８）と、
を備え、それによって、前記第１のヒータ機構（１４６、１４８）からの熱が、前記第２の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）内の反応物に伝達される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１及び第２の燃料電池（１０２、１０４）が、実質的に同一である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの反応物入口経路が、燃料入口経路（１２４、１２６）と酸化剤入口経路（１３４、１３６）を含み、
前記少なくとも１つの排出物出口が、燃料極排出物出口（１５４、１５８）と空気極排出物出口（１５６、１６６）を含み、
前記第１のヒータ機構が、前記第２の燃料電池（１０４）の前記燃料入口経路（１２６）と関連付けられた第１の燃料ヒータ（１４６）と、前記第２の燃料電池（１０４）の前記酸化剤入口経路（１３６）と関連付けられた第１の酸化剤ヒータ（１４８）とを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１のヒータ機構（１４６、１４８）が前記排出物出口（１６０、１６８）を備える燃料電池システムであって、
少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）及び少なくとも１つの排出物出口（１５８、１６６）とを有する第３の燃料電池（１０４）と、
前記第２の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの排出物出口（１５８、１６６）と、前記第１のヒータ機構（１４６、１４８）の前記排出物出口（１６０、１６８）とに作動し得るように接続され且つ前記第３の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）と関連付けられた第２のヒータ機構（１４６、１４８）と、
をさらに備え、それによって、前記第２のヒータ機構（１４６、１４８）からの熱が、前記第３の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）内の反応物に伝達される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の燃料電池（１０４）の前記少なくとも１つの反応物入口経路（１２６、１３６）と関連付けられ且つ前記第１のヒータ機構（１４６、１４８）の下流に配置されている入口バルブ機構（１４０、１４４）をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の燃料電池の前記少なくとも１つの反応物入口経路が、燃料入口経路（１２６）と酸化剤入口経路（１３６）とを備え、
前記第１のヒータ機構が、前記第２の燃料電池（１０４）の前記燃料入口経路（１２６）と関連付けられた第１の燃料ヒータ（１４６）と、前記第２の燃料電池（１０４）の前記酸化剤入口経路（１３６）と関連付けられた第１の酸化剤ヒータ（１４８）とを含み、
前記入口バルブ機構が、前記第１の燃料ヒータ（１４６）の下流に配置された燃料入口バルブ（１４０）と、前記第１の酸化剤ヒータ（１４８）の下流に配置された酸化剤入口バルブ（１４４）とを含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
反応物を消費し、電力及び排出物を生成する少なくとも第１及び第２の燃料電池（１０２、１０４）を含む燃料電池システムを作動させる方法であって、
前記第２の燃料電池（１０４）を起動させずに、前記第１の燃料電池（１０２）を起動するステップと、
前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される反応物を、前記第１の燃料電池（１０２）からの前記排出物によって加熱するステップと、
前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される反応物が所定の温度まで加熱された後に、前記第２の燃料電池（１０４）を起動するステップと、
を包含する方法。
【請求項８】
前記第２の燃料電池（１０４）を起動させずに前記第１の燃料電池（１０２）を起動する前記ステップが、前記第２の燃料電池（１０４）に反応物を供給することなく前記第１の燃料電池（１０２）に反応物を供給するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される反応物を、前記第１の燃料電池（１０２）からの前記排出物によって加熱するステップが、前記排出物を前記第１の燃料電池（１０２）からヒータ（１４６、１４８）に供給し、前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される反応物を前記ヒータ（１４６、１４８）により加熱するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される反応物を、前記第１の燃料電池（１０２）からの前記排出物によって加熱するステップが、一定量の反応物を他の反応物から分離し、前記分離した一定量の反応物を、前記第１の燃料電池（１０２）からの排出物によって加熱するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の燃料電池（１０４）を起動するステップが、前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される前記反応物を、所定の温度に前記反応物を加熱した後に、前記第２の燃料電池（１０４）に供給するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池システムに負荷がかけられているかどうかを判定するステップをさらに包含し、
前記第２の燃料電池（１０４）を起動する前記ステップが、前記第２の燃料電池（１０４）によって消費される前記反応物を所定のレベルに加熱し、負荷がシステムにかけられたと判定した後に前記第２の燃料電池（１０４）を起動するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池システムが、少なくとも第１、第２及び第３の燃料電池（１０２、１０４）を備え、
前記第１の燃料電池（１０２）を起動するステップが、前記第２及び第３の燃料電池（１０４）を起動させずに前記第１の燃料電池（１０２）を起動するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応物（例えば、燃料や酸化剤）を、電気及び反応生成物に変換する燃料電池は、充電式電池のような長い充電サイクルによって中断されることはなく、比較的小型軽量であり、実質的に環境排出物を生成しないので有利である。燃料電池は、多くの場合、複数の燃料電池を備えるシステムでにおいて使用される。そのようなシステムは適応性が高く、従って、燃料電池の種類、寸法及び数によって、小さな電子装置から工場全体までといった、全てのものに電力を供給するために使用することができる。しかしながら、本明細書の発明者は、従来の燃料電池システムに改良の余地があると判断した。例えば、本明細書の発明者は、従来の燃料電池システム、特に多数の燃料電池を備える燃料電池システムの起動時間は長すぎることがあると判断した。携帯型電子装置用の小型システムによっては、起動するのに数分かかることがあり、大型商用システムによっては、最大数時間もかかることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、起動時間の改善された燃料電池システム、特に多数の燃料電池を備える燃料電池システムを開発することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、個々独立に始動（起動）可能な燃料電池を含んで成る。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によって、起動時間の改善された燃料電池システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、現在最もよく知られている本発明の実施形態に関して詳細に説明する。この説明は、本発明を特定の実施形態に限定する意図はなく、単に本発明の原理を例示するために示すものである。簡略化のため、本発明に関係のない燃料電池構造の詳細な検討は省略していることに注意されたい。本発明はまた、現在開発中又はこれから開発される予定のものをはじめとする広範な燃料電池技術及び燃料電池システムに適用可能である。例えば、種々の例示的な燃料電池システムを、固体酸化物燃料電池（「Ｓ０ＦＣ」）と関連して説明するが、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池などの他の種類の燃料電池にも同様に本発明を適用することができる。本発明はまた、燃料供給機構に燃料を補充し得る燃料電池システムにも、また、消費される全ての燃料が最初からシステム内にある（「バッテリ」と呼ばれることがある）システムにも適用可能である。
【０００７】
図１に、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００を示している。例示的な燃料電池システム１００は、１つのパイロットユニット及び複数の電源ユニットを備えている。パイロットユニットと電源ユニット、及び各電源ユニットは、個々独立に作動可能であることが好ましく、即ち、１つのユニットを他のユニットを作動させることなく作動させ得ることが好ましい。後により詳細に説明するように、パイロットユニットは、一般的に、システム１００がスタンバイ状態のときに起動され、システムが負荷に電力を供給しているときに作動し続ける。一方、電源ユニットは、一般的に、システムが電力供給状態に切り換えられ、負荷に電力を供給する（あるいは、電力を供給しようとする）まで起動されない。さらに、電源ユニットは、起動時間を短縮し且つシステムの柔軟性及び効率を高めるために、図３に関して後に説明するような所定の順序で起動することができる。
【０００８】
パイロットユニットは燃料電池１０２を備え、電源ユニットの各々は燃料電池１０４を備える。例示的な実施形態における燃料電池１０２及び１０４は、電解質１１０によって隔てられている燃料極１０６と空気極１０８を含む、実質的に同一の固体酸化物燃料電池であるが、本発明は、そのような場合に限定されるものではない。（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。燃料電池１０２及び１０４は、燃料及び酸化剤の吸入マニホルドと排出マニホルド（図示せず）を有するハウジング１１２内に密閉されていることが好ましい。燃料供給機構１１４からの燃料は、燃料マニホルド１１６を通して、各燃料極１０６に供給される。適切な燃料には、Ｈ２、並びにＣＨ４やＣ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素燃料が含まれる。例示的な燃料供給機構１１４は、燃料源１１８及び触媒燃焼器１２０から構成されている。燃料は、燃料マニホルド共通経路１２２を通り、次いでパイロットユニット供給経路１２４及び電源ユニット供給経路１２６のうちの一方を通る。０２や周囲空気などの酸化剤は、酸化剤供給源１２８から、酸化剤マニホルド１３０を通って、それぞれの空気極１０８に供給される。周囲空気を使用するそのような例では、酸化剤供給源は、単に通気孔、又は通気孔及びファンからなる構成とすることができる。酸化剤は、酸化剤マニホルド共通ライン１３２を通り、次いでパイロットユニット供給経路１３４又は電源ユニット供給経路１３６のうちの一方を通る。酸化剤は、空気極１０８において電気化学的にイオン化され、それによって、導電性電解質１１０内に拡散し、燃料極１０６にて燃料と反応する。各々の燃料電池は適切な電流コレクタを備え、負荷に応じて、個々の燃料電池は直列又は並列に互いに接続される。
【０００９】
例示的な燃料電池を以下に示す。ここで、例示的な燃料電池システムの燃料電池の材料、寸法及び構成は、燃料電池の種類（例えば、ＳＯＦＣ、ＰＥＭなど）及び意図される用途に依存するものであり、本発明は、特定の材料、寸法、構成又は種類に限定されるものではないことを注意されたい。例示的な燃料電池は、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）を利用する技術を用いて製造された比較的小さな（例えば、約１０μｍｘ１０μｍ〜約５ｃｍｘ５ｃｍ）ＳＯＦＣである。例示的な燃料電池はまた、「薄い」（即ち、約３０〜８００μｍ）ことが好ましい。燃料極は、厚さ約１〜１００μｍの多孔質のセラミックと金属との複合物（「サーメット」とも呼ばれる）であることが好ましい。適切なセラミックとして、サマリウムドープドセリア（「ＳＤＣ」）、ガドリニウムドープドセリア（ＧＤＣ）、及びイットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」）が挙げられ、適切な金属として、ニッケル及び銅が挙げられる。空気極は、厚さ約１〜１００μｍの多孔質セラミックスフィルムであることが好ましい。適切なセラミック材料として、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（「ＳＳＣＯ」）、ランタンストロンチウムマンガン酸塩、銅置換ビスマスバナジン酸塩が挙げられる。電解質は、厚さ約１〜１００μｍのＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺなどからなる非多孔質のセラミック薄膜であることが好ましい。
【００１０】
当該燃料電池システムはまた、個々の燃料電池への反応物の流れを個別に制御するバルブ機構を備え得る。そのため、図１に示す例示的なシステム１００は、パイロットユニット燃料電池１０２内への燃料の流れを制御する複数の燃料入口バルブ１４０と、電源ユニット燃料電池１０４内への燃料の流れを制御する燃料入口バルブ１３８とを備える。例示的なシステム１００はまた、パイロットユニット燃料電池内への酸化剤の流れを制御する酸化剤入口バルブ１４２と、電源ユニット燃料電池内への酸化剤の流を制御する複数の酸化剤入口バルブ１４４とを備える。例示的な入口バルブは開閉バルブであるが、必要に応じて、流量を制御し得る種類のバルブを用いることもできる。
【００１１】
本発明による燃料電池システムはまた、本明細書で「排出物（ｏｕｔｐｕｔ）」と称する１つ又は複数の燃料電池からの比較的高温の副生物及び未使用反応物（もしある場合）を用いて、燃料電池にまだ達していない反応物を予熱するよう構成することができる。例えば、１つ又は複数の燃料電池からの排出物を用いて、燃料マニホルド１１６及び酸化剤マニホルド１３０内の燃料及び酸化剤を加熱することができる。より詳細には、図１に示す例示的なシステム１００内の電源ユニット燃料供給経路１２６はそれぞれ、燃料ヒータ１４６を備え、電源ユニット酸化剤供給経路１３６はそれぞれ、酸化剤ヒータ１４８を備える。燃料ヒータ１４６と酸化剤ヒータ１４８は、上流に位置する１つ又は複数の燃料電池の燃料極及び空気極からの熱せられた排出物が、燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６に流れる燃料及び酸化剤に対して逆方向に流れる対向流形熱交換器であることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。また、燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８は、バルブ１４０及び１４４の上流にある燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６の一部と関連付けられることが好ましい。ここで、加熱プロセスの効率を高めるために、関連する燃料電池１０４が作動するまでの間、供給経路１２６及び１３６内の燃料及び酸化剤が、共通経路１２２及び１３２内の燃料及び酸化剤と分離されていることに注意されたい。そのような分離が望ましい例では、燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６は、燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８の上流側に遮断バルブ１５０及び１５２を備えることができる。また、例示的な遮断バルブ１５０及び１５２は、開閉バルブであるが、必要に応じて、流れを制御する種類のバルブも用いることができる。
【００１２】
例示的なシステム１００のパイロットユニット燃料電池１０２からの燃料極排出物は、出口経路１５４を通って、第１の電源ユニットの燃料ヒータ１４６入口に導かれ、一方、パイロットユニット燃料電池からの空気極排出物は、出口経路１５６を通って、第１の電源ユニットの酸化剤ヒータ１４８入口に導かれる。パイロットユニット燃料電池１０２からの排出物は、第１の電源ユニットの燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８を通り、それによって供給経路１２６及び１３６内の燃料及び酸化剤を加熱した後に、後に説明するようにシステム１００内を流れ続ける。代替構成に関しては、図４及び図５を参照して後で考察する。
【００１３】
例示的なシステム１００内の電源ユニット燃料電池１０４からの排出物の説明に移ると、第１の電源ユニット燃料電池１０４からの燃料極排出物は、出口経路１５８及び１６０と、出口経路への逆流を防ぐよう構成された混合Ｔ型コネクタ１６２によって、第１の電源ユニット燃料ヒータ１４６を通った燃料極排出物と混合される。次いで、混合された排出物は、入口経路１６４を通って、次の電源ユニットの燃料ヒータ１４６入口に入る。同様に、第１の電源ユニット燃料電池１０４からの空気極排出物は、出口経路１６６及び１６８と、出口経路内への逆流を防ぐよう構成された混合Ｔ字コネクタ１７０とによって、第１の電源ユニット酸化剤ヒータ１４８を通った空気極排出物と混合される。次いで、混合された排出物は、入口経路１７２を通って、次の電源ユニットの酸化剤ヒータ１４８に入る。燃料電池１０２と１０４、並びに燃料ヒータ１４６と酸化剤ヒータ１４８からの燃料極排出物及び空気極排出物は、このようにして、最後の電源ユニットにまで混合され続ける。電源ユニットのうちの１つ又は複数がまだ起動されていない例では、当然ながらそれらのユニット内の燃料電池１０４からの排出物はなく、前のヒータを通った排出物に混合されることはない。
【００１４】
例示的なシステム１００内の最後の電源ユニットでは、燃料電池１０４からの燃料極排出物と空気極排出物が、混合Ｔ型コネクタ１６２及び１７０によって、燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８を通った排出物と混合される。次いで、混合された排出物は、燃料マニホルド主管路１２２内の燃料と、酸化剤マニホルド主管路１３２内の酸化剤をそれぞれ加熱するヒータ１７４及び１７６（例えば、向流型熱交換器）に送られる。燃料マニホルド主管路ヒータ１７４からの排出物は、熱交換器を用いて、触媒燃焼器１２０（図示するように）に熱を供給するために用いられるか又は触媒燃焼器に達する前に放出され、一方、酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７６からの排出物は放出される（図示するように）か、又は触媒燃焼器に熱を供給するために用いることができる。
【００１５】
例示的な実施形態はまた、パイロットユニット燃料電池１０２に供給される燃料及び酸化剤を加熱するための１対のヒータ１７８及び１８０を備えている。ヒータ１７８及び１８０の電力は、充電式電池やキャパシタなどの電源１８２によって供給され、その電源１８２は、燃料電池１０２及び１０４からの未使用電力を蓄えるために使用することもできる。燃料及び酸化剤が周囲温度でパイロットユニット燃料電池１０２に供給される例では、ヒータ１７８及び１８０を省略することができる。
【００１６】
例示的な燃料電池システム１００の作動（運転）は、コントローラ１８４によって、又はホスト（即ち、電力を消費する）システムもしくは装置によって監視され制御される。いずれにしても、前述のように、例示的な燃料電池システム１００は、パイロットユニットだけが作動しているスタンバイ状態と、１つ又は複数の電源ユニットも作動し、それによって電力を負荷に供給できる電力供給状態とで作動可能である。システム１００が作動していないとき（即ち、電力を供給していない、即ちスタンバイ状態）、バルブは全て閉じられている。
【００１７】
図３に、１つの例示的な制御方式を示す。システム１００は、起動されると、最初、スタンバイ状態となり（ステップ１０）、従って、パイロットユニットが起動される（ステップ１２）。より詳細には、再び図１を参照して、システム１００がスタンバイ状態になると、バルブ１３８及び１４２が開き、電源１８２によって電力を供給されるヒータ１７８及び１８０が起動し、それによって、適切な反応温度の燃料及び酸化剤が、パイロットユニット燃料電池１０２に供給される。各電源ユニット内の燃料入口バルブ１４０と酸化剤入口バルブ１４４は閉じたままであるが、第１の電源ユニット内の燃料遮断バルブ１５０と酸化剤遮断バルブ１５２は短い間開く。これによって、第１の電源ユニット内の燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８と関連付けられた燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６の一部を燃料及び酸化剤で満たすことができる。次いで、マニホルド１１６及び１３０内の燃料及び酸化剤から燃料及び酸化剤を分離するために、燃料遮断バルブ１５０及び酸化剤遮断バルブ１５２が閉じる。パイロットユニット燃料電池１０２での反応によって生成される電力は、電源１８２によって蓄えられる。さらに、パイロットユニット燃料電池１０２からの燃料極排出物及び空気極排出物は、第１の電源ユニットの燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８に移動し、燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６内で分離された燃料及び酸化剤を加熱する。燃料極排出物及び空気極排出物はまた、他の電源ユニットの燃料及び酸化剤ヒータと、マニホルド主管路ヒータ１７４及び１７６を通った後、システム１００から放出される。いくつかの実施形態では、燃料極及び／又は空気極排出物は、触媒燃焼器１２０の熱源として利用することができる。例示的なシステム１００は、負荷が加えられる（ステップ１４）か、システムが遮断される（ステップ１６）までスタンバイ状態を維持する。
【００１８】
図３に示す例示的な制御方式によれば、燃料電池システム１００は、負荷がシステムに加えられたときにスタンバイ状態から電力供給状態に自動的に移行する（ステップ１８）。次に、第１の電源ユニットのバルブ１４０及び１４４が開き、燃料電池１０４内への燃料及び酸化剤を予熱し、それによって燃料電池を素早く作動温度にし、燃料電池反応を開始できるようにする。ここで、バルブ１４０及び１４４は、関連する燃料及び酸化剤が、温度センサよって又は単に所定の加熱期間を待つことによって決定される、所望の温度になるまで開くべきではないことに注意されたい。次に、第１の電源ユニットのバルブ１５０及び１５２が開くことで、マニホルド１１６及び１３０からの燃料及び酸化剤が供給経路１２６及び１３６を通り、ヒータ１４６及び１４８を通過して燃料電池１０４までながれ、それによって燃料電池１０４は作動し続けることができる。第１の電源ユニットの燃料電池１０４内の反応の継続時には、電力が負荷に供給され、余分な電力が有る場合は、その電力は電源１８２によって蓄えられる。第１の電源ユニット燃料電池１０４からの燃料極及び空気極排出物はそれぞれ、混合Ｔ型コネクタ１６２及び１７０において、パイロットユニット燃料電池１０２からの燃料極及び空気極排出物（ヒータ１４６及び１４８を通ったもの）と混合される。
【００１９】
次に、第１の電源ユニットからの混合排出物は、第２の電源ユニットのヒータ１４６及び１４８において用いられ、燃料及び酸化剤を予熱することができる。従って、第２の電源ユニットの燃料入口バルブ１４０及び酸化剤入口バルブ１４４は閉じられているが、第２の電源ユニットの燃料遮断バルブ１５０及び酸化剤遮断バルブ１５２は短い間開く。これによって、第２の電源ユニットの燃料ヒータ１４６及び酸化剤ヒータ１４８と関連付けられている燃料供給経路１２６及び酸化剤供給経路１３６の一部を燃料及び酸化剤で満たし、それによって、第２の電源ユニットの作動前に燃料と酸化剤を予熱することができる。また、燃料極及び空気極排出物は、残りの他の電源ユニットに移動し、放出されるか又は前述のように利用される。
【００２０】
パイロットユニット及び第１の電源ユニットは、例示的なシステム１００に負荷が加えられ、この負荷が燃料電池１０２及び１０４によって生成される電力レベルよりも小さい限り、このように作動し続ける（ステップ２０及び２２）。パイロットユニット及び第１の電源ユニットの燃料電池によって生成される電力レベルが、負荷よりも小さい場合は、第２の電源ユニットを起動し、前述のように第３の電源ユニットの反応物の予熱プロセスが始まる（ステップ２４）。補足的電源ユニットの順次的起動、並びに次の非起動状態の電源ユニット内の反応物の予熱は、システム１００によって生成される電力が負荷を操作するのに十分になるか、又は最後（即ち、Ｎ番目）の電源ユニットが起動されるまで継続する。一方、複数の電源ユニットが起動され、１つ又は複数の電源ユニットが必要でなくなるようなレベルまで負荷が低下した場合、電源ユニットは、生成された電力レベルが負荷に対応するまで順次的に停止される（ステップ２６）。負荷が完全に除去された場合は、電源ユニットは停止されるが（ステップ２８）、システム１００がスタンバイ状態を維持する場合は、パイロットユニットは作動し続ける（ステップ３０）。他の状況では、パイロットユニットもやはり停止される（ステップ３２）。
【００２１】
本システム及び方法に関連する利点がいくつかある。例えば、大型の複数燃料電池システムをいくつかの小さいユニットに分割し、それを順次起動することによって、本システムは、全ての燃料電池が同時に起動される大きいシステムよりもかなり速く電力を供給し始めることができる。本システムは、従来のシステムの場合のように、負荷の大きさに関係なくシステム内の全ての燃料電池が起動されるのを待たなければならないのとは対照的に、負荷に電力を供給するのに必要な数の燃料電池が起動されると直ちに、負荷に電力を供給し始める。さらに、パイロット燃料電池からの排出物を利用して１つ又は複数の他の燃料電池を予熱することにより、本システムの起動時間は短いものである。起動しようとする燃料電池の反応物を、既に起動している電源ユニット燃料電池からの排出物を使用して予熱することにより、始動時間が短縮されるだけでなく、システムの総合効率も向上し、多くの大型の複数燃料電池システムをその作動温度まで高めるのに必要な比較的大きいヒータが不要となる。また、本発明のモジュール式設計によって、設計及び製造の柔軟性が向上する。例えば、それぞれの燃料電池が同じ寸法の場合には、製造の複雑さが大幅に低下する。
【００２２】
本発明は、当然ながら、図３と関連して説明した例示的な制御方式に限定されるものではない。例えば、負荷が既知の値の場合には、自動的に適切な数の電源ユニットを起動し（一度に１つが好ましいが、できるだけ迅速に）その後、負荷を監視するように、システムを構成することができる。
【００２３】
図１に示す例示的なシステムの燃料電池システム１００はまた、様々な形態に修正することができる。例えば、図４に示す燃料電池システム１００ａは、図１に示す燃料電池システム１００と実質的に同一であり、類似の要素は類似の符号によって示している。しかしながら、この場合、システムは、各電源ユニットのヒータ１４６及び１４８を通った後の燃料極及び空気極排出物の流れを調整する制御バルブ１８６及び１８８を備えている。制御バルブ１８６及び１８８によって、システム１００ａは、燃料極排出物及び空気極排出物を、燃料マニホルド主管路ヒータ１７４と酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７６に選択的に導くことができる。より詳細には、制御バルブ１８６及び１８８によって、システムは、作動される予定のない電源ユニットのヒータ１４６及び１４８の一部又は全てをバイパスすることによって、燃料極排出物及び空気極排出物の熱をより効率的に利用することができる。制御バルブ１８６及び１８８は、経路１９０及び１９２を介して、燃料マニホルド主管路ヒータ１７４及び酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７６に接続されている。
【００２４】
例えば、図４に示す燃料電池システム１００ａがスタンバイモードであると仮定すると、パイロットユニット燃料電池１０２からの燃料極排出物と空気極排出物が、第１の電源ユニットのヒータ１４６及び１４８に導かれる。制御バルブ１８６及び１８８を用いて、第１の電源ユニットヒータ１４６及び１４８を通った燃料極排出物及び空気極排出物を、混合Ｔ型コネクタ１６２及び１７０並びに他の残りの電源ユニットのヒータに導くのではなく、燃料マニホルド主管路ヒータ１７４及び酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７６に直に導くことができる。パイロットユニット燃料電池１０２からの燃料極排出物と空気極排出物は、起動時の第１電源ユニットの燃料電池１０４に入る燃料と酸化剤を予熱するためだけに利用され、場合によっては、マニホルド主管路１２２及び１３２内の燃料及び酸化剤は、触媒燃焼器１２０に熱を供給するために使用される。第１の電源ユニットが起動すると、第１の電源ユニットのヒータ１４６及び１４８と関連付けられた制御バルブ１８６及び１８８が切り換わり、通る燃料極排出物及び空気極排出物を混合Ｔ型コネクタ１６２及び１７０に導き、それによって、第２の電源ユニット内の燃料電池１０４に入る燃料と酸化剤を、第２の電源ユニットヒータ１４６及び１４８によって予熱することができる。第２の電源ユニットヒータ１４６及び１４８の出口に接続されている制御バルブ１８６及び１８８を用いて、燃料電池１０２及び１０４からの燃料極及び空気極排出物を、燃料及び酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７４及び１７６内に導くことができる。制御バルブ１８６及び１８８の残りのものは、各電源ユニットが起動されるまでこれと同じように使用され、個々の電源ユニットが停止されたときに同様に使用される。
【００２５】
図５に移り、図に部分的に示している燃料電池システム１００ｂは、図４に示す燃料電池システム１００ａと実質的に同一であり、類似の要素は類似の符号によって示している。しかしながら、ここでは、システムは、１つの電源ユニットと関連付けられた混合Ｔコネクタ１６２及び１７０の出口と、次の電源ユニットのヒータ１４６及び１４８の入口との間に入口バルブ１９３及び１９４を備える。そのような構成によって、システム１００ｂは、例えば、パイロットユニット燃料電池１０２と任意の起動している電源ユニット燃料電池１０４からの燃料極排出物と空気極排出物を全て、停止中の燃料電池のヒータ１４６及び１４８から、燃料マニホルド主管路ヒータ１７４及び酸化剤マニホルド主管路ヒータ１７６に選択的に方向転換させことができる。そのような方向転換は、次の電源ユニットがすぐには起動されないと判断された状況で有用になる。関連付けられている電源ユニットが起動されようとしていると判断した場合には、入口バルブ１９３及び１９４が開き、それによって、燃料極排出物及び空気極排出物は、次のヒータ１４６及び１４８内に流れることができる。
【００２６】
本発明による特定の燃料電池システム内の電源ユニットの数は、システム及び意図された用途に使用される燃料電池の種類及び寸法によって異なる。当然ながら、燃料電池の種類及び寸法のそれぞれの組合せごとに、例えば図１、図４及び図５に示すように、直列に配列される電源ユニットの数には物理的制限がある（燃料電池排出物の流れに関してであり、電気に関しては必ずしもそうではない）。意図された用途の電力要件が、最大数直列に接続された電源ユニットが供給し得るよりも多くの電力を必要とする場合は、例えば図６に示すように、複数の並列電源ユニットグループを設けることができる。例示的な燃料電池システム２００は、複数の電源ユニットグループを備え、それぞれのグループは、それ自体のパイロットユニットを有する。各グループ内のパイロットユニットと電源ユニットは、システム１００、１００ａ及び１００ｂに関して先述したのと同様に接続することができる。各グループ内の電源ユニットの電気接続と、１つの電源ユニットグループと別の電源ユニットグループとの電気接続は、負荷に依存する。図示する実施形態では、全ての電源ユニットグループに共通の、燃料供給機構１１４、酸化剤供給機構１２８、及び電源１８２がある。あるいはまた、各電源ユニットグループ、又はグループのサブセットは、それ自体の燃料供給機構１１４、酸化剤供給機構１２８及び／又は電源１８２を備えることができる。例示的なシステム２００内の各電源ユニットグループはまた、それ自体のパイロットユニットを有する。あるいはまた、各電源ユニットグループ、又はグループのサブセットに共通のパイロットユニットを設けることもできる。
【００２７】
本発明はまた、限定はしないが、前述の燃料電池システムのうちの１つによって少なくともある程度電力を供給される、電子装置（例えば、ノートブック型コンピュータ、携帯情報端末、ディジタルカメラ、携帯電話機、ゲーム）、車両、工場、家、キャンプに使用されるような比較的小さい携帯型発電機、商用に使用される比較的大きい携帯型発電機をはじめとする種々の電気装置を包含する。図７に移ると、例示的な装置又はシステム３００は、燃料電池システム１００と種々の電力消費装置装置３０２、３０４及び３０６を含んで成る。
【００２８】
以上、本発明を実施形態の観点から説明したが、前述の実施形態に対して、多くの変更及び／又は追加が当業者には容易に明らかであろう。例えば、パイロットユニット燃料電池及び電源ユニット燃料電池には、様々な種類の燃料電池を使用することができる。さらに、パイロットユニット及び／又は電源ユニットは、単一の電池の代わりに、燃料電池スタックを備えることができる。シングルチャンバ燃料電池を使用することもできる。もう１つの代替形態は、燃料経路１２６と１３６を互いに近接して配置し、それによって、単一ヒータを用いて電源ユニット燃料電池１０４に入る燃料及び酸化剤の両方を加熱できるようにすることである。本発明の適用範囲は、そのような全ての変更及び／又は追加に拡張されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図
【図２Ａ】図１記載の燃料電池システムと共に使用し得る燃料電池の概略図
【図２Ｂ】図１記載の燃料電池システムと共に使用し得る燃料電池の概略図
【図３】本発明の一実施形態による作動方法を示すフローチャート
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システムの部分概略図
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図
【図７】本発明の一実施形態によるシステム又は装置の概略図
【符号の説明】
【００３０】
１０２、１０４  燃料電池
１２４、１２６、１３４、１３６  反応物入口経路
１４６、１４８  ヒータ機構
１５４、１５６、１５８、１６６  排出物出口
１６０、１６８  排出物出口
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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