JP2012018823A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 全ての燃料電池スタックを起動せずとも、起動・運転時におけるシステムの異常有無をチェックすることができ、チェック時の消費エネルギーを抑制することができる燃料電池システム及びその運転方法の提供。
【解決手段】 燃料電池システム４は、燃料電池スタックＦと制御器１０とを備え、複数の燃料電池スタックＦは、発電出力を供給する外部負荷３０に対して並列接続となるように互いに接続されており、制御器１０は、複数の燃料電池スタックＦを、その一部を運転させると共に残りを停止させた一部運転状態とし、且つ、該一部運転状態において運転させる対象とする燃料電池スタックＦを、所定期間の経過に伴って順次切り換えるよう構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池を用いた発電システム及びその運転方法に関するものであり、特に、通信基地局等のバックアップ電源等に好適に用いることができる、信頼性の高い発電システム及びその運転方法に関する。

従来、災害等の非常時における停電や断線によって系統電源からの電力供給が途絶えた場合に備えるべく、例えば通信基地局や病院などではバックアップ電源が設置されている。各種のバックアップ電源のうち、燃料電池を備えるものとしては、水素ボンベに貯蔵した水素を用いて発電するものが提案されている（特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に開示されたバックアップ電源システムを示す図面である。この図８に示すシステムの場合、水素ボンベ８１から供給される水素と、酸化剤ガス供給器８２から供給される空気とを用い、燃料電池スタック８３にて発電を行うようになっている。また、発電の際に生じる熱を放熱して燃料電池スタックの温度を抑制するために、一般的には、燃料電池スタックに冷却水を循環させると共に、該冷却水により回収した熱を熱交換器８４によって放熱させている。

このような、水素ボンベに貯蔵した水素を用いるバックアップ電源は、燃料電池を迅速に起動できるという利点を有するが、ボンベ内の水素が空になると新たなボンベへの交換が必要であり、交換の手間を要しコスト高にもなる。更にはハリケーン等の大災害時には道路が寸断され、水素ボンベの供給自体が滞る恐れがあり、バックアップ電源の働きが最も期待される災害時に十分な機能を発揮できないかもしれないといった懸念がある。

一方、バックアップ電源ではないが、燃料電池を用いた発電システムとして、水素ボンベを用いず、天然ガスを改質して燃料電池に供給するものがある（特許文献２参照）。また、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）を採用し、運転中の一部のユニットから発生する高温の排ガスにより、停止中の他のユニットを暖機しようとするシステムが提案されている（特許文献３参照）。更に、車載用の発電システムとして、複数の燃料電池区分から負荷に応じて選択した区分のみを稼働することで、停車時の燃料電池スタックの劣化を防止すべく、排出される水素ガス量を低減し、燃費を向上させようとするシステムが提案されている（特許文献４参照）。

特開２０００−３３３３８６号公報 特開２００５−２８５４０３号公報 特開２００４−３４９０９３号公報 特開２００６−３３８９６７号公報

ところで、バックアップ電源は、系統電源が正常に電力供給を行っている間（通常時）は発電をせず、停電等の非常時に起動して発電を行うものであるため、このような非常時に確実に発電することが求められる。特に医療機器や通信基地局のバックアップ電源のように、非常時であっても確実に動作することが要求されるものにおいては、定期的に模擬的な起動を行い、正常に発電することをチェックする必要がある。この発電チェックの頻度は、燃料電池システムの信頼性や電力を供給する機器の停電許容度に依存するが、典型的には１日１回チェックすることが好ましい。

しかしながら、特許文献１に開示された水素ボンベを使用するシステムの場合、上述したように水素ボンベの供給が滞って必要なときに十分な機能を発揮し切れない可能性がある他、好ましい頻度で発電チェックを行うと、累積発電時間が長くなって早期に燃料電池の寿命に達してしまう可能性がある。

また、特許文献２に開示された天然ガスを用いるシステムの場合は、起動時に改質器や燃料電池を暖機するために熱が必要であり、発電能力が５ｋＷのシステムの場合、典型的には起動のために１５ｋＷｈの天然ガスが消費されてしまう。このため、好適な頻度で発電チェックを行おうとすると、そのためだけに莫大なエネルギーを消費することになる。

また、特許文献３に開示されたシステムは、作動温度（800度前後）が高い固体酸化物形燃料電池を採用しているために、その起動には膨大なエネルギー及び長時間を要し、１日１回という頻度で起動及び停止するには不向きである。従って、非常時に迅速に発電することが望まれるバックアップ電源用には適さない。

更に、特許文献４に開示されたシステムは、特定の燃料電池区分が他の区分に比べて頻繁に選択及び使用される可能性があり、一部の燃料電池区分のみが早期に寿命に達してしまう可能性がある。

本発明は上述したような事情に鑑みてなされたものであり、エネルギーの消費を抑制しつつ好適な頻度で発電チェックを行うことができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、外部負荷に対して互いに並列に接続される複数の固体高分子形燃料電池スタックと、制御器とを備え、前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックを、その一部を発電させると共に残りを停止させた一部発電状態とし、且つ、該一部発電状態において発電させる対象とする燃料電池スタックを、所定期間の経過に伴って順次切り換えるよう構成されている。

また、発電中の前記燃料電池スタックの発電状態を検知するための発電検知器を備えるようにしてもよい。

また、前記複数の燃料電池スタックを冷却する冷却流体が流れる冷却流体ラインと前記冷却流体ラインにおける前記冷却流体の通流経路を切り替える通流経路切換機構とを備え、該冷却流体ラインは、前記通流経路切換機構によって前記複数の燃料電池スタックを通って前記冷却流体が循環可能となるように構成されていてもよい。

また、前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックが直列に接続されていてもよい。

また、前記冷却流体を放熱させるための該複数の燃料電池スタックに共通の放熱部を備え、前記制御器は、前記冷却流体ラインを、発電中の前記燃料電池スタック、停止中の前記燃料電池スタック、及び前記放熱部の順に、前記冷却流体が通流するように前記通流経路切換機構を制御するよう構成されていてもよい。

また、前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックが並列に接続されていてもよい。

また、前記冷却流体を貯留する冷却流体タンクと、前記冷却流体を放熱させるための該複数の燃料電池スタックに共通の放熱部とを備え、前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックと前記放熱部とが共に前記冷却流体タンクに対して並列に接続されていてもよい。

また、原料を改質して生成した水素含有改質ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する複数の改質器を備え、該複数の改質器の各一つは前記複数の燃料電池スタックの各一つと対を成すように設けられていてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、外部負荷に対して互いに並列に接続される複数の固体高分子形燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、前記複数の燃料電池スタックのうち少なくとも１つを発電させると共に残りを停止させた一部発電状態とするステップと、前記一部発電状態において停止していた前記燃料電池スタックのうち少なくとも１つを起動して発電させた後に、それまで発電状態にあった前記燃料電池スタックを停止させるステップと、を備える。

また、前記一部発電状態において発電中の前記燃料電池スタックの発電状態を検知するステップと、検知した発電状態に基づいて前記燃料電池スタックが正常に発電しているか否かを判定するステップとを備え、正常に発電していると判定した場合に、前記一部発電状態において停止していた前記燃料電池スタックのうち少なくとも１つを起動させるようにしてもよい。

また、前記複数の燃料電池スタックを冷却する冷却流体を介し、発電中の前記燃料電池スタックの熱を停止中の前記燃料電池スタックに供給して暖機するようにしてもよい。

また、発電中の前記燃料電池スタック、停止中の前記燃料電池スタック、及び放熱部の順に前記冷却流体を通流させるようにしてもよい。

また、発電中の前記燃料電池スタックの熱を、冷却流体を介して冷却流体タンクに貯留し、該冷却流体タンク内の冷却流体の温度が所定値以上にならないように放熱部を駆動するようにしてもよい。

また、前記燃料電池システムは、原料を改質して生成した水素含有改質ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する複数の改質器を備え、該複数の改質器の各一つは前記複数の燃料電池スタックの各一つと対を成すように設けられており、前記改質器及び前記燃料電池スタックの対を、順次切り換えて起動させるようにしてもよい。

また、系統電源から前記外部負荷に電力が供給されている間は、発電中の前記燃料電池スタックによる発電出力を定格値より小さくするようにしてもよい。

また、系統電源から前記外部負荷への電力供給が停止したことを検知すると、発電中の前記燃料電池スタックの発電出力を増大させるようにしてもよい。

また、系統電源から前記外部負荷への電力供給が停止したことを検知すると、前記一部発電状態である場合にはこれを終了し、停止中の前記燃料電池スタックを起動させるようにしてもよい。

また、前記一部発電状態における発電中の前記燃料電池スタックの数と停止中の前記燃料電池スタックの数との割合を、時期に応じて変更するようにしてもよい。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、全ての燃料電池スタックを起動せずとも、起動・運転時におけるシステムの異常有無をチェックすることができるため、チェック時の消費エネルギーを抑制することができる。また、チェック時に運転させる燃料電池スタックを所定期間経過ごとに順次切り換えるため、特定の燃料電池スタックが他に比べて早期に寿命に達するのを防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを、通信基地局のバックアップ電源として用いた場合の構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの発電チェック動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの発電チェック動作の他の例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

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、以下では全ての図を通じて同一又は対応する要素には同一の参照符号を付すこととし、当該要素に関する重複した説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを、通信基地局のバックアップ電源として用いた場合の構成を模式的に示すブロック図である。ここに示すように、通信基地局１は、切換器２を介して系統電源３と燃料電池システム４とに対しこれらの間で切り換え可能に接続されている。切換器２は、通常時においては系統電源３を通信基地局１に接続しており、系統電源３からの電力が通信基地局１へ供給されるようにしている。一方、切換器２と系統電源３との間には停電検知器５が設けられており、該停電検知器５によって系統電源３での停電が検知されると、切換器２は、系統電源３に代えて燃料電池システム４を通信基地局１に接続し、燃料電池システム４からの電力が通信基地局１へ供給されるようにしている。

なお、燃料電池システム４をバックアップ電源として用いる対象は、通信基地局１に限定されない。即ち、通常時には燃料電池システム４以外の電源から電力が供給され、該電源からの電力供給が停止した非常時においても、所定の電力を使用して引き続き一定の活動・運営を維持することが必要な電力消費設備であればよい。具体的には、通信基地局の他に、データセンター等の通信設備、病院、放送局等を挙げることができる。

［燃料電池システムの構成］
図２は、図１に示す燃料電池システム４の構成を模式的に示すブロック図である。この図２に示すように、燃料電池システム４は、原料供給器Ｍ、改質器Ｒ、酸化剤ガス供給器Ｓ、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、複数の燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎ、空気遮断弁Ｖｂ１〜Ｖｂｎ、制御器１０、及び放熱部１１などを備えている。

なお、複数の同一要素に対して付された参照符号について説明しておくと、例えば「燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ」の場合、添え字の「１」，「ｎ」は同一要素を互いに区別するために付したものであり、１〜ｎまでの連続する整数の添え字が付されるｎ個の燃料電池スタックを備えていることを意味している。そして、以下の説明では任意の一の燃料電池スタックを示す場合には、添え字を省略して参照符号「Ｆ」のみを付し、「燃料電池スタックＦ」と表記する。同様に、燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎはｎ個の燃料遮断弁Ｖａを備えていることを意味し、空気遮断弁Ｖｂ１〜Ｖｂｎはｎ個の空気遮断弁Ｖｂを備えていることを意味している。

原料供給器Ｍは、原料供給源に接続され、制御器１０からの制御信号に従って原料供給量を調整しながら原料を供給するよう構成されている。原料供給器Ｍは、例えば、ブースタ及び流量調整弁、流量調整可能なプランジャーポンプ等で構成される。原料供給源としては、例えば、都市ガスインフラ等が挙げられる。原料としては天然ガス等の炭化水素系化合物が挙げられる。また、原料供給器の上流側に脱硫器を設けてもよい。

改質器Ｒは、原料供給器Ｍから供給された原料を改質して水素含有ガスである改質ガス（燃料ガス）を生成する。この改質ガスは、改質ガス供給配管（改質ガス供給ライン）１２−１〜１２−ｎを介して燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの夫々に供給される。また、改質ガス供給配管１２−１〜１２−ｎの途中には燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎが設けられており、制御器１０からの制御信号に従って改質ガス供給配管１２−１〜１２−ｎを夫々開閉するようになっている。

酸化剤ガス供給器Ｓは、例えば、公知のブロア等を用いて構成されており、制御器１０からの制御信号に従って酸化剤ガスである空気の供給量を調整しながら、空気供給配管（空気供給ライン）１３−１〜１３−ｎを介して燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの夫々に空気を供給する。また、空気供給配管１３−１〜１３−ｎの途中には空気遮断弁Ｖｂ１〜Ｖｂｎが設けられており、制御器１０からの制御信号に従って空気供給配管１３−１〜１３−ｎを夫々開閉するようになっている。

燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎは、プロトン伝導性を有する高分子膜を電解質とする発電セルを積層したものであり、固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell, PEFC）を構成している。該燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎは、上記改質器Ｒ及び酸化剤ガス供給器Ｓから供給される改質ガス及び空気を用いて発電する。また、所定の燃料遮断弁Ｖａ及び空気遮断弁Ｖｂを開放して他を閉鎖することで、任意の一部の燃料電池スタックＦにのみ燃料ガス及び空気を供給し、これを運転して発電することができる。更に、後述する出力制御器３１による電力出力を制御し、これに応じて原料供給器Ｍによる原料供給量及び酸化剤ガス供給器Ｓによる空気供給量を制御することで、各燃料電池スタックＦの出力を制御することができる。

これらの燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎは、発電電力を供給する外部負荷３０に対して並列接続されるように給電線１４が配線されており、該給電線１４上の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎと外部負荷３０との間には出力制御器３１が設けられ、更に燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎと出力制御器３１との間には発電検知器３２が設けられている。出力制御器３１は例えばインバータで構成される。なお、ここでいう外部負荷３０は、図１において切換器２から下流側（通信基地局１側）に位置する負荷を意味している。また、外部負荷３０として、抵抗器等からなる模擬負荷を備えてもよい。この場合、燃料電池システム４を模擬負荷と切換器２とに選択的に接続可能なように構成すればよい。また、発電検知器３２は、各燃料電池スタックＦの発電状態として発電電圧を検知するものである。上述したように各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎは外部負荷３０に対して並列接続されているため、この燃料電池システム４に異常が生じていなければ、何れの燃料電池スタックＦの運転中も、発電検知器３２で検知される発電電圧は出力（電流）に応じて定まる値となる。

各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎには、冷却流体ラインを構成する冷却流体管路１５を介して冷却流体が供給されるようになっている。冷却流体として、例えば、水、不凍液、その他の熱媒体が用いられる。冷却流体ラインは、冷却流体が通流する経路であり、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの冷却流路と冷却流体管路１５とを含む。本実施の形態の冷却流体管路１５は、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを直列的に接続しており、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに対して冷却流体がこの順序で循環する。また、冷却流体管路１５において、燃料電池スタックＦ１の冷却流体ラインの上流端と燃料電池スタックＦｎの冷却流体ラインの下流端との間には放熱部１１が配設され、該放熱部１１の上流側には温度検知器３３が配設されている。温度検知器３３は、例えば、サーミスタ等の温度センサで構成される。また、冷却流体管路１５において放熱部１１と燃料電池スタックＦ１の上流端との間には、冷却流体の流量を調整可能なポンプＰａが配設されている。放熱部１１は、例えば、ラジエータ、熱交換システム等で構成される。なお、熱交換システムには熱交換器と該熱交換器の二次側流路に流体を通流させる流体回路（流路、ポンプ等）とが含まれる。

温度検知器３３の検出値は制御器１０へ入力されるようになっており、制御器１０は、検出値に基づいて放熱部１１を駆動して冷却流体の放熱量を制御し、且つポンプＰａを制御して冷却流体の流量を調整する。即ち、制御器１０は、発電中の燃料電池スタックＦの数と温度検知器３３の検出値とに基づいて冷却流体の放熱量と流量とを制御することにより、冷却流体の温度（燃料電池スタックＦの温度）を所定値にフィードバック制御する。

［発電チェック動作１］
次に、上述した燃料電池システム４の動作として、発電状態のチェックに関する動作について説明する。特にここでは、一部の燃料電池スタックＦを常に運転させておきつつ発電チェックを行う場合の動作について説明する。

図３は、燃料電池システム４の発電チェック動作を示すフローチャートである。図３に示すように、制御器１０は、所定の基準に従って燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの中から一部（例えば、１つ）の燃料電池スタックＦを選択する（ステップＳ１）。そして、選択した燃料電池スタックＦを起動する（ステップＳ２）。本実施の形態の場合、原料供給器Ｍ及び酸化剤ガス供給器Ｓを動作させるとともに選択した燃料電池スタックＦに対応する燃料遮断弁Ｖａ及び空気遮断弁Ｖｂを開放することで、改質ガス及び空気を供給する。そして、出力制御器３１を動作させる（外部負荷を接続する）。これにより、選択した燃料電池スタックＦを起動及び発電運転させる。次に、冷却流体を循環させるためにポンプＰａを駆動する（ステップＳ３）。

燃料電池スタックＦを起動させると、発電検知器３２からの入力信号（発電電圧値）に基づき、起動した燃料電池スタックＦの発電状態が正常であるか否かをチェックする（ステップＳ４）。その結果、所定の電圧値に満たないなど、検知信号に異常があると判定した場合は（ステップＳ４：ＮＯ）、全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの運転を停止させると共にエラー信号を出力（報知）する（ステップＳ５）。この場合、起動した燃料電池スタックＦ、駆動させた燃料遮断弁Ｖａ，空気遮断弁Ｖｂ、又はその他の何れかの部分に異常が発生したと考えられるため、作業員によって、その点検・補修を行うこととなる。

一方、起動した燃料電池スタックＦの発電状態が正常であると判定した場合は（ステップＳ４：ＹＥＳ）、温度検知器３３からの入力信号に基づき、冷却流体の温度が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ６）。その結果、冷却流体の温度が所定値以上であると判定した場合（ステップＳ６：ＮＯ）は、放熱部１１を駆動（ステップＳ７）して冷却流体の放熱を行う。そして、冷却流体の温度が所定値未満になるまでの間は、冷却流体温度の判定動作（ステップＳ６）と放熱部１１の駆動（ステップＳ７）とを継続する。なお、放熱部１１を駆動するタイミングは、このステップＳ７のときのみに限定されない。即ち、制御器１０は、温度検知器３３から常時又は定期的に信号を受け付けており、その信号に基づいて適宜放熱部１１を駆動する。

冷却流体の温度が所定値未満であると判定した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）は、前回起動してまだ発電中の燃料電池スタックＦが存在するか否かを判定する（ステップＳ８）。即ち、直前のステップＳ１にて選択して起動した燃料電池スタックＦとは別に、該燃料電池スタックＦを選択する直前に選択して起動した燃料電池スタックＦが存在するか否かを判定する。そして、前回起動して発電中の燃料電池スタックＦが存在すると判定した場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）は、この燃料電池スタックＦを停止し（ステップＳ９）、所定時間（例えば、２４時間）を経過したか否かを判定する（ステップＳ１０）。また、ステップＳ８において、前回起動して発電中の燃料電池スタックＦが存在しないと判定した場合（ステップＳ８：ＮＯ）は、そのままステップＳ１０の動作へ移行する。なお、ステップＳ１０での所定時間の計測開始基準時は、例えば直前のステップＳ１にて選択した燃料電池スタックＦの起動開始時とすることができるが、その他の基準時を適宜採用することもできる。

次に、ステップＳ１０にて所定時間が経過したと判定すると（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、改めて所定の基準に従って一部（例えば、１つ）の燃料電池スタックＦを選択する（ステップＳ１１）。そして、選択した燃料電池スタックＦを起動させ（ステップＳ１２）、その後は、既に説明したステップＳ４以降の動作を再び実行する。

ここで、ステップＳ１，Ｓ１１にて、所定の基準に従って一部の燃料電池スタックＦを選択する方法としては、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎについて予め一定の順序を設定しておき、この順序に従って該当する燃料電池スタックＦを選択するようにしてもよい。このような順序に関する情報は、制御器１０が備えるメモリに記憶させておけばよい。また、予め順序を定めた上方を記憶しておくのに代えて、選択動作を実行する際に、その都度、乱数を用いるなどして無作為に燃料電池スタックＦを選択するようにしてもよい。

但し、連続して同一の燃料電池スタックＦを選択しないようにすることが好ましく、且つ、好適には、長期的に見て各燃料電池スタックＦが選択される頻度がほぼ均一になるようにするのが望ましい。なお、「連続して同一の燃料電池スタックＦを選択しない」とは、前回選択した燃料電池スタックＦの全てを次回に選択しない、という意味であり、前回選択した燃料電池スタックＦの一部を次回に選択することを除外する意味ではない。例えば、燃料電池システム４が３つの燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３を備え、各選択動作において２つの燃料電池スタックＦを選択するよう設定した場合、前回に燃料電池スタックＦ１，Ｆ２を選択し、次に燃料電池スタックＦ２，Ｆ３を選択し、更に次に燃料電池スタックＦ３，Ｆ１を選択する、という態様は許容される。

以上に説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム４は、その動作チェックのために、ステップＳ１で選択した一部の燃料電池スタックＦについてのみ起動する。また、ステップＳ９以降は、ステップＳ１又はステップＳ１１で選択した一部の燃料電池スタックＦのみが発電している「一部発電状態」となる。従って、動作チェックに伴うエネルギーの消費を抑制することができる。

また、一旦ステップＳ４を経過した後は、ステップＳ４〜Ｓ１２の動作を繰り返すが、その際、ステップＳ９を経てステップＳ１１の動作を実行するたびに、発電する燃料電池スタックＦが順次切り換わることとなる。即ち、一部発電状態において発電させる対象の燃料電池スタックＦを、所定時間の経過に伴って順次切り換えるようになっている。従って、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎが早期に寿命に達することがなく、また、特定の一部の燃料電池スタックＦが早期に寿命に達することも回避できる。

また、発電中の燃料電池スタックＦにて発生する熱は、冷却流体を介して停止中の他の燃料電池スタックＦへ伝えられる。従って、次に起動する燃料電池スタックＦを予熱しておくことができるため、その起動時には迅速に発電状態へと移行させることができ、バックアップ電源として好適であると共に、起動に伴う消費エネルギーを抑制することができる。

なお、上述した図３に示す動作では、はじめにステップＳ１〜Ｓ１２の動作を経て再びステップＳ４の動作に移行した後は、発電状態に異常が検出（ステップＳ４：ＮＯ）されない限り、常に一部発電状態が継続され、何れかの燃料電池スタックＦが常時運転している状態となる。従って、系統電源３が停電した場合であっても、その際に発電している燃料電池スタックＦから所定の電力が供給されることになるため、バックアップ電源の運転方法として好適である。

［発電チェック動作２］
ところで、通常時には全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを停止しておき、所定時間（例えば、２４時間）ごとに短時間で済む発電チェックのみを行う場合もありえる。この場合は、図３のフローチャートに換えて、図４に示すフローチャートに沿って動作させる。

具体的に説明すると、図４に示すように、燃料電池システム４の制御器１０は、ステップＳ２１〜Ｓ２７の動作を実行可能になっている。このうち、ステップＳ２１〜Ｓ２５は、図３に示したステップＳ１〜Ｓ５と同様の動作内容であるため、ここでの説明は省略する。一方、ステップＳ２４において、ステップＳ２１，Ｓ２２にて選択及び起動した燃料電池スタックＦの発電状態が正常であると判定した場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）は、発電中の燃料電池スタックＦ及びポンプＰａを停止させる（ステップＳ２６）。そして、所定時間（例えば、２４時間）が経過したか否かを判定し（ステップＳ２７）、経過したと判定した場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）には、ステップＳ２１からの動作を再び実行する。

このように動作させることで、所定時間ごとに、選択した一部の燃料電池スタックＦについて発電チェックのみを行うことができる。従って、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの寿命をより長くすることができる。

［燃料電池システムの他の運転方法］
上述した燃料電池システム４の動作は、系統電源からの電力供給が正常に行われている通常時の運転方法を示すものであるが、特に図３で説明した一部発電状態を常時行う場合は、少なくとも発電状態のチェック（ステップＳ４）をしていない間は、起動している燃料電池スタックＦを定格で発電し続ける必要はない。従って、この間に発電している燃料電池スタックＦは、その定格の発電出力より小さい出力となるように運転すればよい。そして、停電検知器５（図１参照）にて系統電源の停電を検知した場合には、発電中の燃料電池スタックＦの発電出力を定格値又は最大定格値近傍まで増大させ、及び／又は、一部発電状態を終了して停止中の全ての燃料電池スタックＦを起動及び発電させるようにすればよい。このようにすることで、通常時における消費エネルギーを抑制しつつ、停電等の非常時には、より多くの電力を迅速に通信基地局１へ供給することができる。

また、国や地域によっては、系統電源による電力の安定供給が十分に確立されていないところがあり、そのようなところでは、決まった時期（例えば、夕方の４〜６時の時間帯）に電力需要の増大に伴って停電が発生しやすい場合がある。従って、このような環境にて燃料電池システム４をバックアップ電源として使用する場合には、一部発電状態における発電中の燃料電池スタックＦの数と、停止中の燃料電池スタックＦの数との割合を、時期に応じて変更するように設定することが好ましい。

例えば、電力需要が相対的に増大する時期には、一部発電状態において発電させる燃料電池スタックＦの数を増加（停止させる燃料電池スタックＦの数を減少）させる。そして、電力需要が相対的に減少する時期には、一部発電状態において発電させる燃料電池スタックＦの数を減少（停止させる燃料電池スタックＦの数を増加）させる。これにより、停電等の非常に、迅速に大きな電力を燃料電池システム４から供給することができる。

（実施の形態２）
図５は、燃料電池システムの他の構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池システム４１は、原料供給器Ｍ、改質器Ｒ、酸化剤ガス供給器Ｓ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎ、空気遮断弁Ｖｂ１〜Ｖｂｎ、制御器１０、放熱部１１、発電検知器３２等を備える点で、実施の形態１に係る燃料電池システム４と同様である。

一方、異なる点について説明すると、燃料電池システム４１は冷却流体を貯留する冷却流体タンク３４を備えており、冷却流体が流れる冷却流体管路１５が、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを冷却流体タンク３４に対して並列に接続し、冷却流体管路１６が、放熱部１１を冷却流体タンク３４に対して並列に接続している。より詳しく説明すると、冷却流体タンク３４には冷却流体管路１５の上流端と下流端とが接続されており、両端間には互いに並列的に分岐した複数の枝管路１５−１〜１５−ｎが設けられている。そして、枝管路１５−１〜１５−ｎの夫々は、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ（正確には夫々の冷却流体流路）の夫々を経由しており、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに対して冷却流体を供給可能になっている。また、冷却流体タンク３４には冷却流体管路１６の上流端と下流端とが接続されており、両端間には放熱部１１が並列的に設けられている。

更に、各枝管路１５−１〜１５−ｎの途中（図５では燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの上流側の途中）にはポンプＰｂ１〜Ｐｂｎが配設されており、冷却流体管路１６の途中（図５では放熱部１１の上流側の途中）にもポンプＰｃが配設されている。これらのポンプＰｂ１〜Ｐｂｎ，Ｐｃは、何れも制御器１０からの制御信号に従って互いに独立的に駆動し、冷却流体の流量を調整可能になっている。従って、冷却流体タンク３４内の冷却流体は、駆動中のポンプＰｂに対応する枝管路を介して冷却流体配管１５を流れ、再び冷却流体タンク３４に戻ってくる。また、冷却流体タンク３４には温度検知器３３が設けられており、貯留された冷却流体の温度を検出して制御器１０へ出力する。従って、冷却流体タンク３４内の冷却流体の温度が所定値以上になった場合、制御器１０はポンプＰｃを駆動し、冷却流体タンク３４内の冷却流体を放熱部１１に通流して放熱させる。

次に、このような燃料電池システム４１の動作について説明する。一部の燃料電池スタックＦを常に運転させておきつつ発電チェックを行う場合の動作は、実施の形態１において図３に示したのと同様の手順により実行する。但し、ステップＳ６において冷却流体の温度が所定値以上であると判定した場合（ステップＳ６：ＮＯ）は、ステップＳ７にて、放熱部１１に加えてポンプＰｃも駆動する。また、通常時には全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを停止しておき、所定時間（例えば、２４時間）ごとに発電チェックのみを行う場合の動作については、実施の形態１において図４に示したのと同様の手順により実行する。

一方、燃料電池システム４１では、一部の燃料電池スタックＦを運転させている間に、次に起動する予定の燃料電池スタックＦのみを予熱することができる。例えば、燃料電池スタックＦ１のみが運転しているという状況において、次の発電チェックのために燃料電池スタックＦ２が起動される予定になっている（即ち、図３のステップＳ１１又は図４のステップＳ２１で選択されている）とする。この場合、燃料電池スタックＦ１，Ｆ２に対応するポンプＰｂ１，Ｐｂ２のみを駆動し、その他のポンプＰｂ３〜Ｐｂｎは停止させて冷却流体の通流を遮断させておく。

これにより、運転中の燃料電池スタックＦ１にて生じた熱は、冷却流体を介して効率的に燃料電池スタックＦ２に伝達することができるため、該燃料電池スタックＦ２をより効率的に予熱することができる。

（実施の形態３）
図６は、燃料電池システムの更に他の構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池システム４２は、原料供給器Ｍ、改質器Ｒ、酸化剤ガス供給器Ｓ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎ、空気遮断弁Ｖｂ１〜Ｖｂｎ、制御器１０、放熱部１１、発電検知器３２等を備える点で、実施の形態１に係る燃料電池システム４と同様である。

一方、この燃料電池システム４２が備える冷却流体ラインを構成する冷却流体配管１７は、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを直列的に接続し、且つ、並列的にも接続している。より詳しく説明すると、冷却流体管路１７は、大別すると管路１７ａ〜１７ｄの４つの要素から構成されている。このうち管路１７ａは、放熱部１１から途中で分岐して各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ向かう管路１７ａ１〜１７ａｎであり、その下流端には三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄｎの第１ポート（図６中の三方弁Ｖｄを示す図形に付した番号参照：第２，第３ポートも同様）が接続されている。また、管路１７ｂは、三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄｎの第２ポートに上流端が接続され、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの夫々を経て延設され、その下流端には別の三方弁Ｖｅ１〜Ｖｅｎの第１ポート（図６中の三方弁Ｖｅを示す図形に付した番号参照：第２，第３ポートも同様）が接続されている。なお、以下では、ある三方弁において、任意の２つのポートが連通することを、残りの１つのポートが「閉鎖する」と表現する。

管路１７ｃは、一の燃料電池スタックＦを通る管路１７ｂの下流端と他の一の燃料電池スタックＦを通る管路１７ｂの上流端とを連通する管路１７ｃ１〜１７ｃｎである。従って、該管路１７ｃの上流端は、前記一の燃料電池スタックＦを通る管路１７ｂの下流端に接続された三方弁Ｖｅの第２ポートに接続され、その下流端は、前記他の一の燃料電池スタックＦを通る管路１７ｂの上流端に接続された三方弁Ｖｄの第３ポートに接続されている。また、管路１７ｄは、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを通る管路１７ｂ１〜１７ｂｎを経た冷却流体を放熱部１１へ導く管路１７ｄ１〜１７ｄｎであり、各管路１７ｄ１〜１７ｄｎは、各三方弁Ｖｅ１〜Ｖｅｎの第３ポートと放熱部１１との間を連通しつつ、途中で互いに合流している。

このような構成の燃料電池システム４２の場合、三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄｎの各第３ポートを閉鎖（第１ポートと第２ポートとを連通）し、且つ、三方弁Ｖｅ１〜Ｖｅｎの各第２ポートを閉鎖することにより、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの夫々へ並列的に冷却流体が供給されるようになる。従って、例えば全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎが発電中である場合には、このような弁操作によって各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ並列的に冷却流体を供給する。これにより、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの温度の均一化を図ることができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池システム４２では、弁操作により、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに対して冷却流体を直列的に循環させることも可能である。例えば、三方弁Ｖｄ１の第３ポート及び三方弁Ｖｄ２〜Ｖｄｎの各第１ポートを閉鎖し、且つ、三方弁Ｖｅ１〜Ｖｅｎ−１の第３ポート及び三方弁Ｖｅｎの第２ポートを閉鎖する。これにより、放熱部１１から出た冷却流体は、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを、この順序で直列的に循環するようになる。

また、直列的に循環させるに際しては、どの三方弁Ｖｄの第３ポートを閉鎖するか（換言すれば、どの三方弁Ｖｅの第２ポートを閉鎖するか）により、全燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎのうち任意の一の燃料電池スタックＦを最上流（放熱部１１の冷却流体出口に最も近い位置）に位置づけることができる。従って、発電中の一の燃料電池スタックＦ、停止中の他の燃料電池スタックＦ、放熱部１１の順になるよう冷却流体を直列的に循環させることで、発電中の燃料電池スタックＦから生じた熱を、停止中の他の燃料電池スタックＦの予熱のために効率的に利用することができる。

なお、この燃料電池システム４２においても、一部の燃料電池スタックＦを常に発電させておきつつ発電チェックを行う場合は、実施の形態１において図３に示したのと同様の手順により実行することができる。また、通常時には全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを停止しておき、所定時間（例えば、２４時間）ごとに発電チェックのみを行う場合も、実施の形態１において図４に示したのと同様の手順により実行することができる。

（実施の形態４）
図７は、燃料電池システムの更に他の構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池システム４３は、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、制御器１０、放熱部１１、発電検知器３２、冷却流体タンク３４、ポンプＰｃ等を備える点で、実施の形態２に係る燃料電池システム４１と同様である。

一方、この燃料電池システム４３は、実施の形態２に燃料電池システム４１が備えるポンプＰｂ１〜Ｐｂｎに換えて、これに対応する位置に弁Ｖｃ１〜Ｖｃｎを備えている。また、冷却流体管路１５の途中であって、冷却流体タンク３４から各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ向かう部分（枝管路１５−１〜１５−ｎへの分岐点より上流側の部分）に、ポンプＰｄが設けられている。

更に、実施の形態２の燃料電池システム４１では１つの改質器Ｒからの改質ガスを全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ分配し、１つの酸化剤ガス供給器Ｓからの空気を全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ分配するようにしているが、本実施の形態に係る燃料電池システム４３では、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎの夫々に対して１組の原料供給器Ｍ及び改質器Ｒと１つの酸化剤ガス供給器Ｓとが備えられている。

即ち、原料供給器Ｍ及び改質器Ｒは、各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに対応して各ｎ個の原料供給器Ｍ１〜Ｍｎ及び改質器Ｒ１〜Ｒｎが備えられ、１組の原料供給器Ｍ及び改質器Ｒと１つの燃料電池スタックＦとが対を成すように設けられている。同様に、酸化剤ガス供給器Ｓも各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに対応してｎ個の酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓｎが備えられ、１つの酸化剤ガス供給器Ｓと１つの燃料電池スタックＦとが対を成すように設けられている。そして、対を成す改質器Ｒと燃料電池スタックＦとの間が燃料供給管路により接続され、対を成す酸化剤ガス供給器Ｓと燃料電池スタックＦとの間が空気供給管路により接続されている。

このような構成の燃料電池システム４３の場合、起動しようとする燃料電池スタックＦに接続された原料供給器Ｍ及び酸化剤ガス供給器Ｓのみを駆動させる。従って、１つの燃料電池スタックＦの運転に適したスペックの原料供給器Ｍ、改質器Ｒ、及び酸化剤ガス供給器Ｓを備えることができ、１つの燃料電池スタックＦの起動及び発電を効率的に行うことができる。そのため、全燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ同時にガスを供給可能な原料供給器Ｍ、改質器Ｒ、及び酸化剤ガス供給器Ｓを駆動して１つの燃料電池スタックＦを起動及び発電する場合に比べて、消費エネルギーを抑制することができる。

また、冷却流体タンク３４内の冷却流体は、ポンプＰｄを駆動することによって各燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎへ供給可能になっており、弁Ｖｃ１〜Ｖｃｎを操作することにより、発電中の燃料電池スタックＦと次に起動する燃料電池スタックＦとにのみ冷却流体を供給するようにする。これにより、発電中の燃料電池スタックＦから生じた熱を、次に起動する他の燃料電池スタックＦの予熱のために効率的に利用することができる。

なお、この燃料電池システム４３においても、一部の燃料電池スタックＦを常に発電させておきつつ発電チェックを行う場合は、実施の形態１において図３に示したのと同様の手順により実行することができる。また、通常時には全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎを停止しておき、所定時間（例えば、２４時間）ごとに発電チェックのみを行う場合も、実施の形態１において図４に示したのと同様の手順により実行することができる。なお、図３のステップＳ１１，Ｓ１２や図４のステップＳ１，Ｓ２にて、燃料電池スタックＦを選択及び起動する際、本実施の形態においては、選択された燃料電池スタックＦに応じて、対を成す改質器Ｒ及び酸化剤ガス供給器Ｓが順次切り換えられて起動することとなる。

本発明は、全てのスタックを起動せずとも、起動及び発電時におけるシステムの異常有無をチェックすることができ、チェック時の消費エネルギーを抑制することができる燃料電池システム及びその運転方法に適用することができる。

１ 通信基地局
２ 切換器
３ 系統電源
４ 燃料電池システム
５ 停電検知器
１０ 制御器
１１ 放熱部
３０ 負荷
３１ 出力制御器
３２ 発電検知器
３３ 温度検知器
３４ 冷却流体タンク
Ｆ，Ｆ１〜Ｆｎ 燃料電池スタック
Ｒ，Ｒ１〜Ｒｎ 改質器
Ｓ，Ｓ１〜Ｓｎ 酸化剤ガス供給器

Claims (18)

1. 外部負荷に対して互いに並列に接続される複数の固体高分子形燃料電池スタックと、制御器とを備え、
   前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックを、その一部を発電させると共に残りを停止させた一部発電状態とし、且つ、該一部発電状態において発電させる対象とする燃料電池スタックを、所定期間の経過に伴って順次切り換えるよう構成されている、燃料電池システム。
2. 発電中の前記燃料電池スタックの発電状態を検知するための発電検知器を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数の燃料電池スタックを冷却する冷却流体が流れる冷却流体ラインと前記冷却流体ラインにおける前記冷却流体の通流経路を切り替える通流経路切換機構とを備え、該冷却流体ラインは、前記通流経路切換機構によって前記複数の燃料電池スタックを通って前記冷却流体が循環可能となるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックが直列に接続されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記冷却流体を放熱させるための該複数の燃料電池スタックに共通の放熱部を備え、前記制御器は、前記冷却流体ラインを、発電中の前記燃料電池スタック、停止中の前記燃料電池スタック、及び前記放熱部の順に、前記冷却流体が通流するように前記通流経路切換機構を制御するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックが並列に接続されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却流体を貯留する冷却流体タンクと、前記冷却流体を放熱させるための該複数の燃料電池スタックに共通の放熱部とを備え、前記冷却流体ラインにおいて、前記複数の燃料電池スタックと前記放熱部とが共に前記冷却流体タンクに対して並列に接続されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 原料を改質して生成した水素含有改質ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する複数の改質器を備え、該複数の改質器の各一つは前記複数の燃料電池スタックの各一つと対を成すように設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 外部負荷に対して互いに並列に接続される複数の固体高分子形燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
   前記複数の燃料電池スタックのうち少なくとも１つを発電させると共に残りを停止させた一部発電状態とするステップと、
   前記一部発電状態において停止していた前記燃料電池スタックのうち少なくとも１つを起動して発電させた後に、それまで発電状態にあった前記燃料電池スタックを停止させるステップと
   を備える燃料電池システムの運転方法。
10. 前記一部発電状態において発電中の前記燃料電池スタックの発電状態を検知するステップと、検知した発電状態に基づいて前記燃料電池スタックが正常に発電しているか否かを判定するステップとを備え、
    正常に発電していると判定した場合に、前記一部発電状態において停止していた前記燃料電池スタックのうち少なくとも１つを起動させる、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
11. 前記複数の燃料電池スタックを冷却する冷却流体を介し、発電中の前記燃料電池スタックの熱を停止中の前記燃料電池スタックに供給して暖機する、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
12. 発電中の前記燃料電池スタック、停止中の前記燃料電池スタック、及び放熱部の順に前記冷却流体を通流させる、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
13. 発電中の前記燃料電池スタックの熱を、冷却流体を介して冷却流体タンクに貯留し、該冷却流体タンク内の冷却流体の温度が所定値以上にならないように放熱部を駆動する、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
14. 前記燃料電池システムは、原料を改質して生成した水素含有改質ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する複数の改質器を備え、該複数の改質器の各一つは前記複数の燃料電池スタックの各一つと対を成すように設けられており、
    前記改質器及び前記燃料電池スタックの対を、順次切り換えて起動させる、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
15. 系統電源から前記外部負荷に電力が供給されている間は、発電中の前記燃料電池スタックによる発電出力を定格値より小さくする、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
16. 系統電源から前記外部負荷への電力供給が停止したことを検知すると、発電中の前記燃料電池スタックの発電出力を増大させる、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
17. 系統電源から前記外部負荷への電力供給が停止したことを検知すると、前記一部発電状態である場合にはこれを終了し、停止中の前記燃料電池スタックを起動させる、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
18. 前記一部発電状態における発電中の前記燃料電池スタックの数と停止中の前記燃料電池スタックの数との割合を、時期に応じて変更する、請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
    

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