(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する
燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する
燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項３】
燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する
燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する
燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムでは、燃料電池本体（セルスタック等）の燃料極側と酸素極側とに燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ供給して電気化学反応を生じさせることより発電する。そして、このときの燃料電池発電システム全体の発電量を増やそうとする場合には、複数の燃料電池本体が設けられる。
【０００３】
図６は複数の燃料電池スタックを有する従来の燃料電池発電システムの構成図である。図６には燃料電池本体として２体の燃料電池スタック（セルスタック）１，２を有する場合を例示しており、これらの燃料電池スタック１，２は燃料ガス配管３によって並列に接続されており、燃料ガス供給装置５から送給される燃料ガスを、図６中に実線の矢印で示すように燃料ガス配管３により分岐して燃料電池スタック１と燃料電池スタック２とに同量づつ並列に供給するようになっている。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック１，２が酸化ガス配管４によって並列に接続されており、酸化ガス供給装置６から送給される酸化ガスを、図６中に点線の矢印で示すように酸化ガス配管４により分岐して燃料電池スタック１と燃料電池スタック２とに同量づつ並列に供給するようになっている。
【０００４】
燃料電池スタック１，２で発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック１，２の出口側（図中右側）から、燃料ガス配管３及び酸化ガス配管４を介して排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７には燃料電池発電システムにおける発電量（発電の電流密度）と燃料ガスの供給量との関係を示すが、燃料電池発電システムの運転においては、発電量が小さくなった場合、図７に実線で示すように燃料電池スタック１，２に供給する燃料ガスの量も、発電量の低下に比例して減少させるように運転することが理想である。図示は省略するが、酸化ガスついても、同様に、発電量の低下に比例して燃料電池スタック１，２への酸化ガスの供給量を減少させるように運転することが理想である。
【０００６】
しかし、同時に燃料ガス及び酸化ガスは発電性能を劣化させる燃料電池スタック１，２内の余剰水分を排水する役割も担っているため、燃料ガスや酸化ガスの減少はその排水能力の低下を招き、ひいては発電性能を低下させる要因となる。つまり、燃料電池スタック１，２の酸素極側には燃料ガスと酸化ガスとの反応による生成水や、酸化ガスとともに供給される水蒸気の凝縮水が存在し、燃料極側には燃料ガスととともに供給される水蒸気の凝縮水が存在するが、これらの余剰水分を排水することができないと、これらが抵抗となって燃料ガスや酸化ガスの流れを妨げることなどから、発電性能の低下を招いてしまう。更に、燃料ガス流量や酸化ガス流量の減少は、燃料電池スタック１，２における圧力損失の低下により、燃料電池スタック１，２の入口圧力が低下して、燃料電池スタック１，２内の作動圧力（燃料電池スタック１，２内のガスの平均圧力）の低下を招くため、ネルンストの式からも明らかなように電圧が低下する。即ち、このことも発電性能を低下させる要因となる。
【０００７】
このため、低発電量運転時には、所望の発電量を得るために図７に点線で示すように発電量に比例する量（図７に実線で示す理想量）よりも過剰に燃料ガスや酸化ガスを供給することが必要となり、これらのガス利用効率が低下するという欠点を有していた。この傾向は図７に示すように発電量（ガス流量）が低くなるほど顕著である。高発電量運転時には例えば８０％の高いガス利用効率であったものが、低発電量運転時には例えば５０％以下となってしまう。
【０００８】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、複数の燃料電池本体（セルスタック等）を有する場合において、低発電量運転時にも高いガス利用効率を維持することができる燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転することを特徴とする。
【００１０】
また、第２発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転することを特徴とする。
【００１３】
また、第３発明の燃料電池発電システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
また、第４発明の燃料電池発電システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成図である。同図に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは２体の燃料電池スタック（セルスタック）１１，１２を有しており、これらの燃料電池スタック１１，１２が燃料ガス配管１３及び酸化ガス配管１４によって接続されている。燃料電池スタック１１，１２としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００１９】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック１１，１２の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管１３が分岐部１３ａで２本の燃料ガス配管１３に分岐して燃料電池スタック１１，１２にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック１１，１２の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック１１，１２に接続された２本の燃料ガス配管１３が合流部１３ｂで１本の燃料ガス配管１３に合流している。そして、燃料電池スタック１１の出口と燃料ガス配管合流部１３ｂとの間、及び、燃料電池スタック１２の入口と燃料ガス配管分岐部１３ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ設けられており、これらの切換弁１９Ａ，１９Ｂは直列接続用の燃料ガス配管１７によって接続されている。
【００２０】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック１１，１２の入口側では、１本の酸化ガス配管１４が分岐部１４ａで２本の燃料ガス配管１４に分岐して燃料電池スタック１１，１２にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック１１，１２の出口側では、各々の燃料電池スタック１１，１２に接続された２本の酸化ガス配管１４が合流部１４ｂで１本の酸化ガス配管１４に合流している。そして、燃料電池スタック１１の出口と酸化ガス配管合流部１４ｂとの間、及び、燃料電池スタック１２の入口と酸化ガス配管分岐部１３ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）２０Ａ，２０Ｂがそれぞれ設けられており、これらの切換弁２０Ａ，２０Ｂは直列接続用の酸化ガス配管１８によって接続されている。
【００２１】
切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０ＢのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック１１，１２の接続切換制御は、接続切換制御装置２１によって行う。即ち、接続切換制御装置２１では、運転状態検出器２２の検出信号に基づいて切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０ＢのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、高発電量運転時には燃料電池スタック１１，１２を並列接続にし、低発電量運転時には燃料電池スタック１１，１２を直列接続にする（詳細後述）。
【００２２】
運転状態検出器２２では燃料電池スタック１１，１２によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、所定の発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、所定の発電量よりも小さい場合には低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器２２としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック１１，１２の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置１６から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値が所定流量以上であるか以下であるかによって高発電量運転状態か低発電量運転状態かを判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００２３】
ここで、燃料電池スタック１１，１２の運転状態と、切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂの作動状態と、燃料電池スタック１１，１２の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図１に示した矢印に基づき具体的に説明する。図１には、各切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図１中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００２４】
高発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＦＦにすることにより図１に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置１５から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管１３により分岐されて燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とに同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＦＦにすることにより図１に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置１６から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管１４により分岐されて燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とに同量づつ並列に供給される。
【００２５】
燃料電池スタック１１，１２において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック１１，１２の出口側から、燃料ガス配管１３及び酸化ガス配管１４を介して排出される。
【００２６】
一方、低発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＮにすることにより図１に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置１５から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管１３により上流側の燃料電池スタック１１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック１１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック１１の出口側から出た後、切換弁１９Ａ、直列接続用の燃料ガス配管１７、切換弁１９Ｂを流れて下流側の燃料電池スタック１２へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック１２で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック１２の出口側から燃料ガス配管１３を介して排出される。
【００２７】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、低発電量運転状態では、切換弁２０Ａ，２０ＢをＯＮにすることにより図１に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置１６から送給される酸化ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管１４により上流側の燃料電池スタック１１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック１１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック１１の出口側から出た後、切換弁２０Ａ、直列接続用の酸化ガス配管１８、切換弁２０Ｂを流れて下流側の燃料電池スタック１２へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック１２で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック１２の出口側から酸化ガス配管１４を介して排出される。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における２体の燃料電池スタック１１，１２の接続状態を、切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００２９】
即ち、低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック１１，１２に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック１１，１２へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック１１，１２内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００３０】
具体例を挙げて説明すると、例えば燃料ガス供給系統の各部のガス流量は図１中に数値で示したようになる（但し、これらの数値は実際の流量を表すものではなく、説明のための便宜的な数値である）。並列運転の場合には、括弧内に記載した数値のように、全体の燃料ガス供給量が１０であったとすると、燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とにそれぞれ５づつの量の燃料ガスが供給されて、そのうちの例えば４（燃料電池スタックに要求される発電量に応じた値）づつが発電に利用され、余りの１つづ（合計２）が排出されることになる。一方、直列運転の場合には、括弧外に記載した数値のように、全体の燃料ガス供給量が１０であったとすると、上流側の燃料電池スタック１１にはそのまま１０の燃料ガス量が供給され、ここで１０のうちの４が発電に利用された後、残りの６が下流側の燃料電池スタック１２に供給される。下流側の燃料電池スタック１２では燃料ガス供給量６のうちの４が発電に利用されて、余りの２が排出されることになる（利用効率８０％）。
【００３１】
このように、全体のガス供給量は同じでも、直列にすれば並列の場合よりも、各燃料電池スタック１１，１２に供給する燃料ガス量を多くすることができる。そして、実際には、低発電量運転時に並列運転を行った場合、燃料電池スタック１１，１２における排水能力や作動圧力の低下による発電性能の劣化を補うため、全体の燃料ガス供給量を１０ではなく、例えば１２にして（過剰に供給して）、各燃料電池スタック１１，１２に６づつ供給することが必要となる。この場合、発電量が同じであれば、燃料ガスの消費量は８であるから、余りは４になるため、燃料ガスの利用効率は６６％に低下することになる。酸化ガス供給系統についても同様である。
【００３２】
図２には２体の燃料電池スタックを備えた燃料電池発電システムにおいて、低発電量運転時に並列運転から直列運転に切り換えた場合と切り換えない場合の燃料ガス供給量の比較を示す。同図に示すように、発電量がＷ以下の低発電量運転時において並列運転から直列運転に切り換えた場合（図中の一点鎖線）には、並列運転を継続した場合（図中の点線）に比べて、過剰ガス量が低下し、理想の燃料ガス供給量（図中の実線）に近づき、燃料ガスの利用効率が向上した。図示は省略するが、酸化ガス供給系統についても同様である。
【００３３】
なお、全ての発電量運転状態において燃料電池スタック１１，１２を直列にすることも考えられるが、燃料電池スタック１１，１２を直列にした場合、高発電量運転状態では並列の場合に比べて全体の圧力損失が極端に大きくなり過ぎてしまう。つまり、直列の場合には並列の場合に比べて全体の圧力損失が増加するが、特に、ガス流量の多い高発電量運転時には、この圧力損失の増加が極端に大きくなってしまう。従って、高発電量運転時にも直列とするには、コンプレッサなどの燃料ガス供給装置１５や酸化ガス供給装置１６における各機器の動力を大きくする必要があり、システムの大型化やコストアップを招いてしまう。このため、高発電量運転時には並列とし、低発電量運転時に直列に切り換えるようにしている。低発電量運転時であれば全体のガス供給量も少なくなり、圧力損失の増加も小さいため、ガスの供給圧力（燃料電池スタック１１の入口圧力）を多少高めにする程度で対応することができる。
【００３４】
＜実施の形態２＞
図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態２は３本の燃料電池スタックの接続状態を発電量に応じて並列から直列に切り換える場合の例である。
【００３５】
詳述すると、図３に示すように、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは３体の燃料電池スタック（セルスタック）３１，３２，３３を有しており、これらの燃料電池スタック３１，３２，３３が燃料ガス配管３４及び酸化ガス配管３５によって接続されている。燃料電池スタック３１，３２，３３としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００３６】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック３１，３２，３３の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管３４が分岐部３４ａで３本の燃料ガス配管３４に分岐して燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック３１，３２，３３に接続された３本の燃料ガス配管３４が合流部３４ｂで１本の燃料ガス配管３４に合流している。そして、燃料電池スタック３１の出口と燃料ガス配管合流部３４ｂとの間、燃料電池スタック３２の入口と燃料ガス配管分岐部３４ａとの間、燃料電池スタック３２の出口と燃料ガス配管合流部３４ｂとの間、及び、燃料電池スタック３３の入口と燃料ガス配管分岐部３４ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄがそれぞれ設けられており、切換弁３６Ａ，３６Ｂは直列接続用の燃料ガス配管３８によって接続され、切換弁３６Ｃ，３６Ｄは直列接続用の燃料ガス配管３９によって接続されている。
【００３７】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック３１，３２，３３の入口側では、１本の酸化ガス配管３５が分岐部３５ａで３本の燃料ガス配管３５に分岐して燃料電池スタック３１，３２，３３に接続されており、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側では、各々の燃料電池スタック３１，３２，３３に接続された３本の酸化ガス配管３５が合流部３５ｂで１本の酸化ガス配管３５に合流している。そして、燃料電池スタック３１の出口と酸化ガス配管合流部３３５との間、燃料電池スタック３２の入口と酸化ガス配管分岐部３５ａとの間、燃料電池スタック３２の出口と酸化ガス配管合流部３５ｂとの間、及び、燃料電池スタック３３の入口と酸化ガス配管分岐部３５ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄがそれぞれ設けられており、切換弁３７Ａ，３７Ｂは直列接続用の燃料ガス配管４０によって接続され、切換弁３７Ｃ，３７Ｄは直列接続用の燃料ガス配管４１によって接続されている。
【００３８】
切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７ＤのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック３１，３２，３３の接続切換制御は、接続切換制御装置４２によって行う。即ち、接続切換制御装置４２では、運転状態検出器４３の検出信号に基づいて切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７ＤのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、高発電量運転時には燃料電池スタック３１，３２，３３を並列に接続し、低発電量運転時には燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続にする（詳細後述）。
【００３９】
運転状態検出器４３では燃料電池スタック３１，３２，３３によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、所定の発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、所定の発電量よりも小さい場合には低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器４３としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック３１，３２，３３の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置４４から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置４５から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値が所定流量以上であるか以下であるかによって高発電量運転状態か低発電量運転状態かを判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００４０】
ここで、燃料電池スタック３１，３２，３３の運転状態と、切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄの作動状態と、燃料電池スタック３１，３２，３３の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図３に示した矢印に基づき具体的に説明する。図３には各切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図３中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００４１】
高発電量運転状態では、切換弁３６Ａ〜３６ＤをＯＦＦにすることにより図３に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置４４から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管３４により分岐されて燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁３７Ａ〜３７ＤをＯＦＦにすることにより図３に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置４５から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管３５により分岐されて燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ同量づつ並列に供給される。
【００４２】
燃料電池スタック３１，３２，３３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側から、燃料ガス配管３４及び酸化ガス配管３５を介して排出される。
【００４３】
一方、低発電量運転状態では、切換弁３６Ａ〜３６ＤをＯＮにすることにより図３に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置４４から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管３４により最上流の燃料電池スタック３１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック３１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック３１の出口側から出た後、切換弁３６Ａ、直列接続用の燃料ガス配管３８、切換弁３６Ｂを流れて下流の燃料電池スタック３２へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック３２で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック３２の出口側から出た後、切換弁３６Ｃ、直列接続用の燃料ガス配管３９、切換弁３６Ｄを流れて最下流の燃料電池スタック３３へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック３３で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック３３の出口側から燃料ガス配管３４を介して排出される。
【００４４】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、低発電量運転状態では、切換弁３７Ａ〜３７ＤをＯＮにすることにより図３に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置４４から送給される酸化ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管３５により最上流の燃料電池スタック３１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック３１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック３１の出口側から出た後、切換弁３７Ａ、直列接続用の酸化ガス配管４０、切換弁３７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック３２へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック３２で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック３２の出口側から出た後、切換弁３７Ｃ、直列接続用の酸化ガス配管４１、切換弁３７Ｄを流れて最下流の燃料電池スタック３３へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック３３で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック３３の出口側から酸化ガス配管３５を介して排出される。
【００４５】
以上のように、本実施の形態２によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における３体の燃料電池スタック３１，３２，３３の接続状態を、切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するようにしたため、上記実施の形態１の場合と同様に、次のような効果が得られる。
【００４６】
即ち、低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック３１，３２，３３に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック３１，３２，３３へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック３１，３２，３３内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００４７】
＜実施の形態３＞
図４は本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態３は４本の燃料電池スタックの接続状態を発電量に応じて並列、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換える場合の例である。
【００４８】
詳述すると、図１に示すように、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは４体の燃料電池スタック（セルスタック）５１，５２，５３，５４を有しており、これらの燃料電池スタック５１〜５４が燃料ガス配管５５及び酸化ガス配管５６によって接続されている。燃料電池スタック５１〜５４としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００４９】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック５１〜５４の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管５５が分岐部５５ａで４本の燃料ガス配管５５に分岐して燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック５１〜５４の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック５１〜５４に接続された４本の燃料ガス配管５５が合流部５５ｂで１本の燃料ガス配管５５に合流している。そして、燃料電池スタック５１の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、燃料電池スタック５２の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間、燃料電池スタック５２の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、燃料電池スタック５３の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間、燃料電池スタック５３の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、及び、燃料電池スタック５４の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ，５７Ｅ，５７Ｆがそれぞれ設けられており、切換弁５７Ａ，５７Ｂは直列接続用の燃料ガス配管５９によって接続され、切換弁５７Ｃ，５７Ｄは直列接続用の燃料ガス配管６０によって接続され、切換弁５７Ｅ，５７Ｆは直列接続用の燃料ガス配管６１によって接続されている。
【００５０】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック５１〜５４の入口側では、１本の酸化ガス配管５６が分岐部５６ａで４本の酸化ガス配管５６に分岐して燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック５１〜５４の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック５１〜５４に接続された４本の酸化ガス配管５６が合流部５６ｂで１本の酸化ガス配管５６に合流している。そして、燃料電池スタック５１の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、燃料電池スタック５２の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間、燃料電池スタック５２の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、燃料電池スタック５３の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間、燃料電池スタック５３の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、及び、燃料電池スタック５４の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄ，５８Ｅ，５８Ｆがそれぞれ設けられており、切換弁５８Ａ，５８Ｂは直列接続用の酸化ガス配管６２によって接続され、切換弁５８Ｃ，５８Ｄは直列接続用の酸化ガス配管６３によって接続され、切換弁５８Ｅ，５８Ｆは直列接続用の酸化ガス配管６４によって接続されている。
【００５１】
切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８ＦのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック５１〜５４の接続切換制御は、接続切換制御装置６５によって行う。即ち、接続切換制御装置６５では、運転状態検出器６６の検出信号に基づいて切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８ＦのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、運転状態が高発電量運転状態から低発電量運転状態へと移行するにしたがって、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、並列、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換える（詳細後述）。
【００５２】
運転状態検出器６６では燃料電池スタック５１〜５４によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、第１の所定発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、第１の所定発電量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態（中発電量運転状態）であると判断し、更に、第１の所定発電量より小さい第２の所定発電量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器６６としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック５１〜５４の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置６７から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置６８から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値と、第１の所定流量及びこの第１の所定流量よりも小さい第２の所定流量とを比較して、流量検出値が、第１の所定流量よりも大きい場合には高発電量運転状態、第１の所定流量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態、第２の所定流量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００５３】
ここで、燃料電池スタック５１〜５４の運転状態と、切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆの作動状態と、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図４に示した矢印に基づき具体的に説明する。図４には各切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図４中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００５４】
高発電量運転状態では、切換弁５７Ａ〜５７ＦをＯＦＦにすることにより図４に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管５５により分岐されて燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁５８Ａ〜５８ＦをＯＦＦにすることにより図４に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置６８から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管５６により分岐されて燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ同量づつ並列に供給される。
【００５５】
燃料電池スタック５１〜５４において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック５１〜５４の出口側から、燃料ガス配管５５及び酸化ガス配管５６を介して排出される。
【００５６】
一方、第１の低発電量運転状態では、切換弁５７Ａ，５７Ｂと切換弁５７Ｅ，５７ＦはＯＮにして図４に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにし、且つ、切換弁５７Ｃ，５７ＤはＯＦＦにして図４に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにすることにより、燃料電池スタック５１，５２は直列接続、燃料電池スタック５３，５４も直列接続、燃料電池スタック５１，５２と燃料電池スタック５３，５４は並列接続とする。即ち、並列と直列の組み合わせとする。
【００５７】
その結果、燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガスは、まず、燃料ガス配管５５により２分されて燃料電池スタック５１と燃料電池スタック５３とにそれぞれ同量づつ並列に供給され、ここでそれぞれ発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５７Ａ、直列接続用の燃料ガス配管５９、切換弁５７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。一方、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５７Ｅ、直列接続用の燃料ガス配管６１、切換弁５７Ｆを流れて下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック５２，５４において発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック５２，５４の出口側から、燃料ガス配管５５を介して（合流部５５ｂで合流して）排出される。
【００５８】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、第１の低発電量運転状態では、切換弁５８Ａ，５８Ｂと切換弁５８Ｅ，５８ＦはＯＮにして図４に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにし、且つ、切換弁５８Ｃ，５８ＤはＯＦＦにして図４に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにすることにより、燃料電池スタック５１，５２は直列接続、燃料電池スタック５３，５４も直列接続、燃料電池スタック５１，５２と燃料電池スタック５３，５４は並列接続とする。即ち、並列と直列の組み合わせとする。
【００５９】
その結果、酸化ガス供給装置６８から送給される燃料ガスは、まず、酸化ガス配管５６により２分されて燃料電池スタック５１と燃料電池スタック５３とにそれぞれ同量づつ並列に供給され、ここでそれぞれ発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５８Ａ、直列接続用の酸化ガス配管６２、切換弁５８Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。一方、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５８Ｅ、直列接続用の酸化ガス配管６４、切換弁５８Ｆを流れて下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック５２，５４において発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック５２，５４の出口側から、酸化ガス配管５６を介して（合流部５６ｂで合流して）排出される。
【００６０】
次に、第２の低発電量運転状態では、切換弁５７Ａ〜５７ＦをＯＮにすることにより図４に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管５５により最上流の燃料電池スタック５１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５７Ａ、直列接続用の燃料ガス配管５９、切換弁５７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。続いて、燃料電池スタック５２で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５２の出口側から出た後、切換弁５７Ｃ、直列接続用の燃料ガス配管６０、切換弁５７Ｄを流れて更に下流の燃料電池スタック５３へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５７Ｅ、直列接続用の燃料ガス配管６１、切換弁５７Ｆを流れて最下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。最後に、燃料電池スタック５４で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック５４の出口側から燃料ガス配管５５を介して排出される。
【００６１】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、第２の低発電量運転状態では、切換弁５８Ａ〜５８ＦをＯＮにすることにより図４に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置６８から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管５６により最上流の燃料電池スタック５１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５８Ａ、直列接続用の酸化ガス配管６２、切換弁５８Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。続いて、燃料電池スタック５２で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５２の出口側から出た後、切換弁５８Ｃ、直列接続用の酸化ガス配管６３、切換弁５８Ｄを流れて更に下流の燃料電池スタック５３へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５８Ｅ、直列接続用の酸化ガス配管６４、切換弁５８Ｆを流れて最下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。最後に、燃料電池スタック５４で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック５４の出口側から酸化ガス配管５６を介して排出される。
【００６２】
以上のように、本実施の形態３によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における４体の燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時（第１の低発電量運転時、第２の低発電量運転時）には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００６３】
即ち、第１の低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、燃料電池スタック５１〜５４の全部に並列に流れるのではなく、一部（燃料電池スタック５１，５２の間と燃料電池スタック５３，５４の間）で直列に流れるため、並列に流れる場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック５１〜５４へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック５１〜５４内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００６４】
また、第２の低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック５１〜５４に順次供給されるため、並列に供給する場合や並列と直列を組み合わせて供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック５１〜５４へのガス供給量を多くすることができる。このため、燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック５１〜５４内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００６５】
従って、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。しかも、本実施の形態３では、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、並列から直ぐに直列に切り換えるのではなく、並列、並列と直列の組み合わせ、直列の順に段階的に切り換えていくため、ガス流量の低下に応じて切り換わることになり、接続切り換え時の圧力損失の変動（増加）を低減できてコンプレッサなどの燃料ガス供給装置６７や酸化ガス供給装置６８における各機器への負担を低減することができるなど、より円滑で高性能な運転を行うことができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態１〜３では、２〜４体の燃料電池スタックを有する燃料電池発電システムについて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は５体以上の燃料電池スタックを有する燃料電池発電システムにも適用することができる。特に、燃料電池スタックの数が多い場合には、並列と直列の組み合わせも、段階的に切り換えていくようにしてもよい。例えば６体の燃料電池スタックを有する場合には、発電量の低下に応じて、はじめは２体づつ直列にし、その後、３体づつ直列にすることもできる。
【００６７】
また、上記実施の形態１〜３では、燃料ガス供給系統側と酸化ガス供給系統側の両方とも、運転状態に応じて燃料電池スタックの接続を切り換えているが、必ずしもこれに限定するものではなく、例えば燃料ガス供給系統側のみ、運転状態に応じて燃料電池スタックの接続を切り換えるようにしてもよい。
【００６８】
＜実施の形態４＞
図５は本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態４は燃料電池スタックの運転本数を発電量の低下（燃料ガス及び酸化ガスの供給流量の低下）に応じて３本、２本、１本と順次低減する場合の例である。
【００６９】
詳述すると、図５に示すように、本実施の形態４の燃料電池発電システムでは３体の燃料電池スタック（セルスタック）７１，７２，７３を有しており、これらの燃料電池スタック７１，７２，７３が、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統において燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により並列に接続されている。燃料電池スタック７１，７２，７３としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００７０】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック７１，７２，７３の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管７４が分岐部７４ａで３本の燃料ガス配管７４に分岐して燃料電池スタック７１，７２，７３にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック７１，７２，７３に接続された３本の燃料ガス配管７４が合流部７４ｂで１本の燃料ガス配管７４に合流している。そして、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの入口と燃料ガス配管分岐部７４ａとの間、及び、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの出口と燃料ガス配管合流部７４ｂとの間には、接続遮断手段としての遮断弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７６Ｄ，７６Ｅ，７６Ｆがそれぞれ設けられている。
【００７１】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック７１，７２，７３の入口側では、１本の酸化ガス配管７５が分岐部７５ａで３本の燃料ガス配管７５に分岐して燃料電池スタック７１，７２，７３に接続されており、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側では、各々の燃料電池スタック７１，７２，７３に接続された３本の酸化ガス配管７５が合流部７５ｂで１本の酸化ガス配管７５に合流している。そして、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの入口と燃料ガス配管分岐部７５ａとの間、及び、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの出口と燃料ガス配管合流部７５ｂとの間には、接続遮断手段としての遮断弁７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ，７７Ｄ，７７Ｅ，７７Ｆがそれぞれ設けられている。
【００７２】
遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉制御、即ち、燃料電池スタック７１，７２，７３の接続遮断制御は、接続遮断制御装置８２によって行う。接続遮断制御装置８２では、運転状態検出器８３の検出信号に基づいて遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉制御を行うことにより、高発電量運転状態から低発電量運転状態へと発電量が低下するのに応じて、即ち、発電量の低下に応じた燃料ガスや酸化ガスの供給流量の低下に応じて、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転本数を順次低減する（詳細後述）。
【００７３】
運転状態検出器８３では燃料電池スタック７１，７２，７３によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、第１の所定発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、第１の所定発電量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態（中発電量運転状態）であると判断し、更に、第１の所定発電量より小さい第２の所定発電量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器８３としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置８４から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置８５から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値と、第１の所定流量及びこの第１の所定流量よりも小さい第２の所定流量とを比較して、第１の所定流量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態、第２の所定流量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断するようにしてもよい。なお、接続遮断制御の具体的な設定値については、燃料電池スタック７１，７２，７３の並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００７４】
ここで、遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉状態と、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転状態（接続遮断状態）との関係について、図５に示した矢印に基づき具体的に説明する。図５には各運転状態での燃料電池スタック７１，７２，７３に対するガスの流れを、それぞれ実線の矢印と点線の矢印と二点鎖線の矢印とで示している。なお、図５中に一点鎖線で示す矢印は入口側及び出口側の共通部における全体のガス流れ方向を示している。
【００７５】
高発電量運転状態では、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の出入口の遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆを全て開けることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３とも運転（発電）させる。この場合、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置８４から供給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）及びコンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置８５から供給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、図５に実線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により分岐されて３本の燃料電池スタック７１，７２，７３に同量づつ分配される。燃料電池スタック７１，７２，７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７６】
一方、第１の低発電量運転状態では、燃料電池スタック７１の出入口の遮断弁７６Ａ，７６Ｂ，７７Ａ，７７Ｂを閉めて燃料電池スタック７１への燃料ガス及び酸化ガスの供給は遮断し、燃料電池スタック７２，７３の出入口の遮断弁７６Ｃ〜７６Ｆ，７７Ｃ〜７７Ｆは開けたままにして燃料電池スタック７２，７３への燃料ガス及び酸化ガスの供給は継続する。即ち、燃料電池スタック７１の運転（発電）を停止し、燃料電池スタック７２，７３だけを運転（発電）させて、燃料電池スタックの運転本数を２本に低減する。この場合、燃料ガス供給装置８４及び酸化ガス供給装置８５から供給される燃料ガス及び酸化ガスは、図５に点線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により分岐されて２本の燃料電池スタック７２，７３に同量づつ分配される。燃料電池スタック７２，７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７２，７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７７】
次に、第２の低発電量運転状態では、燃料電池スタック７１，７２の出入口の遮断弁７６Ａ〜７６Ｄ，７７Ａ〜７７Ｄを閉めて燃料電池スタック７１，７２への燃料ガス及び酸化ガスの供給を遮断し、燃料電池スタック７３の出入口の遮断弁７６Ｃ〜７６Ｆ，７７Ｃ〜７７Ｆは開けたままにして燃料電池スタック７３への燃料ガス及び酸化ガスの供給は継続する。即ち、燃料電池スタック７１，７２の運転（発電）を停止し、燃料電池スタック７３だけを運転（発電）させて、燃料電池スタックの運転本数を１本に低減する。この場合、燃料ガス供給装置８４及び酸化ガス供給装置８５からの燃料ガス及び酸化ガスは、図５に２点鎖線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して１本の燃料電池スタック７３にのみ供給される。燃料電池スタック７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７８】
つまり、例えば各燃料電池スタック７１，７２，７３における燃料ガス及び酸化ガスの適正流量が１とすると、発電量の低下（燃料ガス及び酸化ガスの全体の供給流量の低下）に応じて次のように燃料電池スタックの運転本数を順次低減する。
【００７９】
（１）高発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が２〜３の時）には、燃料電池スタック７１，７２，７３の３本で運転（発電）する。
（２）第１の低発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が１〜２の時）には、燃料電池スタック７１の１本を遮断し、燃料電池スタック７２，７３の２本で運転（発電）する。
（３）第２の低発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が０〜１の時）には、燃料電池スタック７１，７２の２本を遮断し、燃料電池スタック７３の１本で運転（発電）する。
【００８０】
また、接続遮断制御装置８２では、上記のような運転によって特定の燃料電池スタックに負担が集中しないようにするため、第１の低発電量運転状態及び第２の低発電量運転状態において遮断する燃料電池スタックを所定の運転時間ごとに切り換えることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の運転時間を合わせる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態４によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統において並列に接続された３本の燃料電池スタック７１，７２，７３に対し、高発電量運転状態から低発電量運転状態への発電量の低下に応じて燃料ガス及び酸化ガスの供給流量が低下するのに応じて、遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆにより燃料ガス及び酸化ガスの供給を順次遮断することによって、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転本数を順次低減するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００８２】
即ち、第１及び第２の低発電量運転時において燃料電池スタックに供給される燃料ガス及び酸化ガスの流量低下を抑えることができるため、従来のような燃料ガスや酸化ガスの供給流量低下に起因する排水能力の低下や、燃料電池スタック内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態において高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００８３】
また、第１及び第２の低発電量運転時に遮断する燃料電池スタックを所定の運転時間ごとに切り換えることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の運転時間を合わせるようにしたことによって、特定の燃料電池スタックに負担が集中しないようにすることができるため、特定の燃料電池スタックだけが先に劣化してしまうことなどを防止することができる。
【００８４】
なお、上記実施の形態４では、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３を並列接続した燃料電池発電システムについて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は２本又は４本以上の燃料電池スタックを並列接続した燃料電池発電システムにも適用することができる。
【００８５】
また、上記実施の形態４では、発電量の低下に応じて燃料ガス及び酸化ガスの両方の供給を順次遮断しているが、必ずしもこれに限定するものではなく、燃料ガス及び酸化ガスの何れか一方の供給だけを、発電量の低下（ガス供給流量の低下）に応じて順次遮断するようにしてもよい。例えば、燃料ガス供給装置８４では発電量の低下に応じて全体の燃料ガス供給量を低下させる一方、酸化ガス供給装置８５では発電量の増減にかかわらず全体の酸化ガス供給流量を一定にするようにした場合には、燃料電池スタック７１，７２，７３に対し、発電量の低下（燃料ガスの全体の供給流量の低下）に応じて、燃料ガスだけを順次遮断し、酸化ガスについては運転を停止した燃料電池スタックにも流すようにしてもよい。
【００８６】
また、上記実施の形態１〜４では燃料電池本体として固体高分子型のセルスタックを備えた場合について説明したが、必ずしもこれに限定するものではなく、本発明は他の形式の燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムにも広く適用することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の燃料電池発電システムの運転方法又は第３発明の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するため、低発電量運転時には、燃料ガス又は酸化ガスが、直列に流れて燃料電池本体に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００８８】
また、第２発明の燃料電池発電システムの運転方法又は第４発明の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するため、低発電量運転時において次のような効果が得られる。
【００８９】
並列と直列の組み合わせにしたときには、燃料電池本体の全部に並列に流れるのではなく、一部の燃料電池本体で直列に流れるため、並列に流れる場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。直列にしたときには、燃料ガス又は酸化ガスが、直列に流れて複数の燃料電池本体に順次供給されるため、並列に供給する場合や並列と直列を組み合わせて供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００９０】
従って、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。しかも、燃料電池本体の接続状態を、並列から直ぐに直列に切り換えるのではなく、並列、並列と直列の組み合わせ、直列の順に段階的に切り換えていくため、ガス流量の低下に応じて切り換わることになり、接続切り換え時の圧力損失の変動（増加）を低減できてコンプレッサなどの燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置における各機器への負担を低減することができるなど、より円滑で高性能な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】低発電量運転時に並列運転から直列運転に切り換えた場合と切り換えない場合の燃料ガス供給量の比較を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図６】複数の燃料電池スタックを有する従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【図７】燃料電池発電システムにおける発電量（発電の電流密度）と燃料ガスの供給量との関係を示すである。
【符号の説明】
１１，１２  燃料電池スタック
１３  燃料ガス配管
１３ａ  分岐部
１３ｂ  合流部
１４  酸化ガス配管
１４ａ  分岐部
１４ｂ  合流部
１５  燃料ガス供給装置
１６  酸化ガス供給装置
１７  直列接続用の燃料ガス配管
１８  直列接続用の酸化ガス配管
１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂ  切換弁
２１  接続切換制御装置
２２  運転状態検出器
３１，３２，３３  燃料電池スタック
３４  燃料ガス配管
３４ａ  分岐部
３４ｂ  合流部
３５  酸化ガス配管
３５ａ  分岐部
３５ｂ  合流部
３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄ  切換弁
３８，３９  直列接続用の燃料ガス配管
４０，４１  直列接続用の酸化ガス配管
４２  接続切換制御装置
４３  運転状態検出器
４４  燃料ガス供給装置
４５  酸化ガス供給装置
５１〜５４  燃料電池スタック
５５  燃料ガス配管
５５ａ  分岐部
５５ｂ  合流部
５６  酸化ガス配管
５６ａ  分岐部
５６ｂ  合流部
５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆ  切換弁
５９，６０，６１  直列接続用の燃料ガス配管
６２，６３，６４  直列接続用の酸化ガス配管
６５  接続切換制御装置
６６  運転状態検出器
６７  燃料ガス供給装置
６８  酸化ガス供給装置
７１，７２，７３  燃料電池スタック
７４  燃料ガス配管
７４ａ  分岐部
７４ｂ  合流部
７５  酸化ガス配管
７５ａ  分岐部
７５ｂ  合流部
７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆ  遮断弁
８２  接続遮断制御装置
８３  運転状態検出器
８４  燃料ガス供給装置
８５  酸化ガス供給装置
【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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