JP2016134287A - Fuel battery system, operation method for the same and configuration method for the same - Google Patents

Fuel battery system, operation method for the same and configuration method for the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the influence of dispersion in performance among plural fuel batteries which are connected to one another in parallel.SOLUTION: Three fuel battery cells 18A to 18c are electrically connected to one another in parallel by electrical wires 50, 52, and successively connected in series in the order of the fuel battery cells 18A, 18B, 18C through a fuel gas pipe 30 and fuel electrode exhaust gas pipes 36, 40 so as to supply fuel in series. A fuel controller 16 can control the fuel supply amount to the fuel battery cell 18a, and a power conditioner 20 can control the magnitude of the total current corresponding to added current of the fuel battery cells 18A to 18C. An operation controller 22 controls the magnitude of the total current flowing in the electrical wires 50, 52 according to a request output, and controls the fuel supply amount to the fuel battery cell 18A at the most upstream side to the fuel amount corresponding to the total current.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムの構成方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell system operation method, and a fuel cell system configuration method.

燃料電池システムを高出力化する手法としては、例えば、燃料電池セルの1枚当たりの電極面積を大きくして燃料電池セルを流れる電流を増やす手法と、燃料電池セルの積層数を増やして高電圧化する手法と、がある。   As a method for increasing the output of the fuel cell system, for example, a method of increasing the current flowing through the fuel cell by increasing the electrode area per fuel cell, and increasing the number of stacked fuel cells to increase the voltage There is a method to make it.

しかし、燃料電池セルの電極面積を大面積化すると、一般に、燃料電池セルが反り易くなってガスシールや電気的接触が悪化したり、内部のガスや電流の偏りが生じて性能に悪影響を与えたり、燃料電池セルを収納する容器の形状や配置に制約が生じたり、と多くの課題が生じる。製造上も大型の設備が必要になる等の欠点があるので、燃料電池セルの電極面積の大面積化には或る程度の限界がある。   However, when the electrode area of the fuel cell is increased, generally, the fuel cell tends to warp and the gas seal and electrical contact are deteriorated, and the internal gas and current are biased to adversely affect the performance. There are many problems such as restrictions on the shape and arrangement of the container for storing the fuel cells. Since there is a drawback that a large facility is required in production, there is a certain limit to increasing the electrode area of the fuel cell.

このため、燃料電池セルの電極面積を或る程度大面積化した上で、燃料電池システムの一層の高出力化を実現するには、燃料電池セルの積層数を増やす必要が生じる。また、燃料電池セルの電極面積の大面積化で電流を増やした大電流型よりも、燃料電池セルを流れる電流を小さくし多数枚積層することで出力を稼ぐ小電流高電圧型の方が、電流抵抗による損失を小さくでき、燃料電池の性能の面で有利なことが多い。   For this reason, it is necessary to increase the number of stacked fuel cells in order to further increase the output of the fuel cell system after increasing the electrode area of the fuel cell to some extent. In addition, the small current high voltage type that gains output by reducing the current flowing through the fuel cell and stacking many sheets is larger than the large current type that increases the current by increasing the electrode area of the fuel cell. Loss due to current resistance can be reduced, which is often advantageous in terms of fuel cell performance.

一方、燃料電池セルの積層数の増加による高電圧化に関しても、電気配線や各種電力機器の耐電圧性能から、一般的な機器で対応できる範囲に限界がある。それ以上の高電圧化には、特殊な絶縁部材、或いは絶縁部材の厚肉化等が必要となり、燃料電池システムのサイズ及びコストが嵩むという課題が生ずる。   On the other hand, regarding the increase in voltage due to the increase in the number of stacked fuel cells, there is a limit to the range that can be handled by general equipment due to the withstand voltage performance of electrical wiring and various power equipment. In order to increase the voltage further, a special insulating member or thickening of the insulating member is required, which causes a problem that the size and cost of the fuel cell system increase.

このため、燃料電池システムの高出力化に際しては、燃料電池セルを複数枚積層したスタック同士を電気的に並列に接続するか、複数枚の燃料電池セルを並列に接続したものを複数個直列に接続するつなぐ手法が考えられる。このような構成を採ることで、燃料電池セルの1枚当たりの電極面積を一定レベル以下に抑えつつ、複数枚の燃料電池セルを並列接続にすることで全体の電流を増やすことができ、多数枚の燃料電池セルを積層することなくスタック全体としての高出力化を実現できる。   For this reason, when increasing the output of the fuel cell system, stacks in which a plurality of fuel cells are stacked are electrically connected in parallel, or a plurality of fuel cells connected in parallel are connected in series. A connection method is conceivable. By adopting such a configuration, the overall current can be increased by connecting a plurality of fuel cells in parallel while suppressing the electrode area per fuel cell to a certain level or less. High output as a whole stack can be realized without stacking one fuel cell.

上記に関連して特許文献1には、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックシステムにおいて、電解液流路及び燃料流路を燃料電池セルの全部について直列に接続した構成が開示されている。   In relation to the above, Patent Document 1 discloses a configuration in which an electrolyte flow path and a fuel flow path are connected in series for all the fuel cells in a fuel cell stack system having a plurality of fuel cells.

また、特許文献2には、1ないし複数の燃料電池セルから構成されるスタックと、スタックの温度を計測する温度計測装置と、スタックと電気的に直列接続されてスタックの温度を調節するためのスタック温度調節装置とを備える系統を複数設定し、各系統を電気的に並列接続すると共に、各系統のスタックを相互に間隔を空けて配置し、前記温度計測装置の計測結果に基づいてスタック温度調節装置を制御する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a stack composed of one or more fuel cells, a temperature measuring device that measures the temperature of the stack, and a temperature that is electrically connected to the stack in series to adjust the temperature of the stack. A plurality of systems including a stack temperature control device are set, and each system is electrically connected in parallel, and the stacks of each system are arranged with a space between each other, and the stack temperature is determined based on the measurement result of the temperature measurement device. Techniques for controlling the adjustment device are disclosed.

特開2009−37915号公報JP 2009-37915 A 特開2007−250287号公報JP 2007-250287 A

一般に燃料電池セルは、一例として図1に示すように、電流が大きくなるに従って内部抵抗により電圧が低下してくる特性を有している。電流の増加に対する電圧の低下の傾き(以下、これを燃料電池の「性能」と称する)は、燃料電池セルの温度等の環境や、燃料電池セルの製造ばらつき、燃料電池セルの経時劣化の程度等によって変わってくるため、燃料電池セル毎に個体差があり、また常に一定ではない。燃料電池セルを電気的に並列に接続する場合、個々の燃料電池セルに性能のばらつきがあると、一例として図2に示すように、電圧は全ての燃料電池セルで同じになる一方で、電流は燃料電池セル毎に相違することになる。また、燃料電池セル毎の電流の差異は燃料電池セル毎の性能のばらつき具合により変化するため、経時的にも変化する。   In general, as shown in FIG. 1 as an example, the fuel cell has a characteristic that the voltage decreases due to the internal resistance as the current increases. The slope of the voltage drop with respect to the increase in current (hereinafter referred to as the `` performance '' of the fuel cell) is the environment such as the temperature of the fuel cell, the manufacturing variation of the fuel cell, the degree of deterioration of the fuel cell over time Therefore, there are individual differences for each fuel cell, and they are not always constant. When connecting fuel cells electrically in parallel, if there is a variation in performance among individual fuel cells, as shown in FIG. 2 as an example, the voltage is the same in all fuel cells, Is different for each fuel cell. In addition, the difference in current for each fuel cell changes depending on the performance variation of each fuel cell, and therefore changes over time.

燃料電池セルは電流に比例した量の燃料を消費する特性を有しており、個々の燃料電池セルに電流のばらつきがあるということは、各燃料電池セルにおける燃料消費量にもばらつきがあることを意味する。また、一般に燃料電池セルでは、燃料供給量と燃料消費量とのバランスが耐久性や効率に多大な影響を与える。具体的には、燃料供給量に対して燃料消費量が多過ぎると耐久性が低下し、燃料供給量に対して燃料消費量が少な過ぎると、燃料電池セルの排ガスに含まれる燃料の割合が高くなることで効率が低下する。よって、燃料電池セルの耐久性が担保できる範囲で、燃料供給量に対する燃料消費量の割合を高く保つことが理想である。しかし、図2に示すように個々の燃料電池セルの電流がばらつくことで、個々の燃料電池セルにおける燃料消費量がばらつくと、個々の燃料電池セルにおける燃料供給量と燃料消費量の割合にもばらつきが生じることになる。   The fuel cell has a characteristic of consuming an amount of fuel proportional to the current, and the fact that there is a variation in current among individual fuel cells means that the fuel consumption in each fuel cell also varies. Means. In general, in a fuel cell, the balance between the amount of fuel supplied and the amount of fuel consumed greatly affects durability and efficiency. Specifically, if the amount of fuel consumed is too large relative to the amount of fuel supplied, the durability will be reduced, and if the amount of fuel consumed is too small relative to the amount of fuel supplied, the proportion of fuel contained in the exhaust gas of the fuel cell will be reduced. Higher efficiency decreases. Therefore, it is ideal to keep the ratio of the fuel consumption amount to the fuel supply amount high as long as the durability of the fuel cell can be ensured. However, as shown in FIG. 2, if the current consumption of each fuel cell varies, and the fuel consumption in each fuel cell varies, the ratio of the fuel supply amount to the fuel consumption in each fuel cell also increases. Variation will occur.

ここで、燃料電池セルの耐久性の低下を問題視し、全体の燃料供給量に余裕を持たせることが考えられるが、この場合、個々の燃料電池セルに性能のばらつきがあっても、何れの燃料電池セルでも燃料供給量に対して燃料消費量が過多になることは防止できるが、効率の低下を招く。また、各燃料電池セルを流れる電流を計測し、各燃料電池セルへの燃料供給量を逐次制御する技術や、燃料は各燃料電池セルへ一定割合で常に分配させながら、各燃料電池セルの電流をその割合に合うように各々制御する技術(特許文献2に開示の技術)も考えられるが、何れの技術もシステムの構成の複雑化を招く。   Here, considering the deterioration of the durability of the fuel cell, it may be possible to give a margin to the overall fuel supply amount. In this case, even if the individual fuel cells vary in performance, Even in these fuel cells, it is possible to prevent the fuel consumption from being excessive with respect to the fuel supply amount, but this leads to a decrease in efficiency. In addition, the current flowing through each fuel cell is measured and the amount of fuel supplied to each fuel cell is sequentially controlled. Although a technique for controlling each of them in accordance with the ratio (the technique disclosed in Patent Document 2) is also conceivable, any technique causes a complicated system configuration.

従って、簡易な構成で、各燃料電池セルにおける燃料供給量に対する燃料消費量の割合が過多になることを防ぎ、かつ高い効率を得られる燃料電池システムが求められている。なお、特許文献1に記載の技術は、複数の燃料電池を電気的に並列に接続する場合に、個々の燃料電池の性能のばらつきの影響を抑制することについては考慮されていない。   Accordingly, there is a need for a fuel cell system with a simple configuration that prevents an excessive ratio of fuel consumption to the amount of fuel supplied in each fuel cell, and that can achieve high efficiency. Note that the technique described in Patent Document 1 does not take into account the suppression of the influence of variations in the performance of individual fuel cells when a plurality of fuel cells are electrically connected in parallel.

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響を抑制できる燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムの構成方法を得ることが目的である。   The present invention has been made in consideration of the above-described facts, and is a fuel cell system capable of suppressing the influence of variation in the performance of each of a plurality of fuel cells electrically connected in parallel, a method for operating the fuel cell system, and fuel The object is to obtain a battery system configuration method.

請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部と、を含んでいる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a plurality of fuel cells that generate electricity using supplied fuel; an electrical wiring that connects the plurality of fuel cells in parallel; and a fuel that is connected in series to the plurality of fuel cells. A flow path for connecting the plurality of fuel cells in series, a current of the whole of the plurality of fuel cells flowing through the electric wiring is controlled to a magnitude corresponding to a required output, and the plurality of the fuel cells are supplied. A control unit that controls the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell of the flow path among the fuel cells to a fuel amount corresponding to the current of the plurality of fuel cells as a whole.

請求項1記載の発明では、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を含み、当該複数の燃料電池は電気配線によって並列に接続されている。なお、請求項1記載の発明において、上記の複数の燃料電池の各々は、燃料電池セルであってもよいし、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであっても構わない。ここで、請求項1記載の発明では、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続し、制御部は、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、複数の燃料電池のうち流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する。   According to the first aspect of the present invention, the fuel cell system includes a plurality of fuel cells that generate electric power from the supplied fuel, and the plurality of fuel cells are connected in parallel by electric wiring. In the first aspect of the invention, each of the plurality of fuel cells may be a fuel cell or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Here, in the first aspect of the invention, the plurality of fuel cells are connected in series by the flow paths so that the fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells, and the control unit includes the plurality of fuels flowing in the electric wiring. The amount of fuel supplied to the uppermost fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells is controlled according to the current output of the plurality of fuel cells. Control the amount.

上記のように、複数の燃料電池を電気的に並列に接続した場合、電圧は個々の燃料電池毎に一定になるものの、電流は個々の燃料電池の性能に応じてばらつくことになる(図2も参照)。しかし、請求項1記載の発明では、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御するので、電気的に並列に接続された複数の燃料電池全体としては、要求出力に応じた出力(電圧・電流)が得られる。   As described above, when a plurality of fuel cells are electrically connected in parallel, the voltage is constant for each fuel cell, but the current varies according to the performance of each fuel cell (FIG. 2). See also). However, in the invention according to claim 1, since the current of the plurality of fuel cells flowing through the electric wiring is controlled to a magnitude according to the required output, the plurality of fuel cells connected in parallel electrically are Output (voltage / current) according to the required output can be obtained.

また、上記のように個々の燃料電池の性能に応じて個々の燃料電池毎の電流がばらつくことに伴い、燃料消費量についても個々の燃料電池毎にばらつくことになる。しかし、請求項1記載の発明では、複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、かつ複数の燃料電池のうち流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する。これにより、流路の最上流の燃料電池への燃料供給量が、複数の燃料電池の各々における燃料消費量の和に応じた燃料量となるので、個々の燃料電池毎に燃料消費量がばらついていても、流路の最下流の燃料電池への燃料供給量が、当該燃料電池における燃料消費量に対して過少となることで耐久性が低下したり、過多となることで効率が低下することも防止できる。   In addition, as described above, the current consumption of each fuel cell varies depending on the performance of the individual fuel cell, and the fuel consumption also varies for each fuel cell. However, in the first aspect of the present invention, fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells through the flow path, and the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells is set to the plurality of fuel cells. The fuel amount is controlled according to the current of the entire battery. As a result, the amount of fuel supplied to the uppermost fuel cell in the flow path becomes the amount of fuel corresponding to the sum of the fuel consumption in each of the plurality of fuel cells, so that the fuel consumption varies for each individual fuel cell. Even if the fuel supply amount to the fuel cell at the most downstream side of the flow path becomes too small relative to the fuel consumption amount in the fuel cell, the durability is lowered or the efficiency is lowered by being excessive. Can also be prevented.

このように、請求項1記載の発明は、電気配線に流れる複数の燃料電池全体の電流を制御し、かつ、流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を制御する、という簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   As described above, the invention according to claim 1 controls the currents of the plurality of fuel cells as a whole flowing through the electric wiring and also controls the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path. With the configuration, it is possible to suppress a decrease in durability and efficiency due to the influence of the performance variation of each of the plurality of fuel cells electrically connected in parallel.

なお、請求項1記載の発明において、電気配線により並列に接続され、流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備えた構成であってもよい。この場合、複数の燃料電池群は、例えば請求項2に記載したように、電気的に直列に接続され、並列に燃料が供給される構成であってもよいし、例えば請求項3に記載したように、電気的に直列に接続され、直列に燃料が供給される構成であってもよい。   In the first aspect of the invention, a configuration may be provided in which a plurality of fuel cell groups including a plurality of fuel cells connected in parallel by electric wiring and supplied with fuel in series by a flow path are provided. In this case, the plurality of fuel cell groups may be configured to be electrically connected in series and supplied with fuel in parallel, as described in claim 2, for example, or as described in claim 3. Thus, a configuration in which fuel is electrically connected in series and fuel is supplied in series may be employed.

請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、を含んでいる。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a plurality of fuel cells that generate electricity using supplied fuel; an electrical wiring that connects the plurality of fuel cells in parallel; and an output current among the plurality of fuel cells. A fuel cell having a small absolute value of the slope of the change in output voltage with respect to the change of the fuel is supplied in series in a sequence located downstream of the fuel cell having a large absolute value of the slope in the fuel flow direction. And a flow path connecting the plurality of fuel cells in series.

請求項4記載の発明では、請求項1記載の発明と同様に、供給された燃料により発電する複数の燃料電池が電気配線によって並列に接続され、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池が流路によって直列に接続されている。なお、請求項4記載の発明においても、上記の複数の燃料電池の各々は、燃料電池セルであってもよいし、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであっても構わない。   In the fourth aspect of the invention, as in the first aspect of the invention, a plurality of fuel cells that generate power from the supplied fuel are connected in parallel by electric wiring, and the fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells. As described above, a plurality of fuel cells are connected in series by flow paths. In the fourth aspect of the present invention, each of the plurality of fuel cells may be a fuel cell or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked.

上記構成の燃料電池システムでは、複数の燃料電池に直列に燃料を供給することで、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池への燃料供給量が、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池への燃料供給量よりも多く(リッチに)なり、これに伴い、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池が、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池よりも性能が高くなり、性能が高い燃料電池には性能が低い燃料電池よりも大電流が流れる、という燃料電池毎の性能及び電流の差異が生じる。個々の燃料電池は電流と電圧に応じた発熱をするが、電気的に並列に接続された燃料電池は電圧が等しいため、電流に応じて発熱量が決まる。従って、燃料の流通方向の上流側に位置している燃料電池は、燃料の流通方向の下流側に位置している燃料電池よりも発熱量が多く温度が高くなる。   In the fuel cell system configured as described above, by supplying fuel to a plurality of fuel cells in series, the amount of fuel supplied to the fuel cell located upstream in the fuel flow direction is reduced downstream in the fuel flow direction. As a result, the amount of fuel supplied to the fuel cell located in the fuel cell is larger (richer), and accordingly, the fuel cell located upstream in the fuel flow direction is located downstream in the fuel flow direction. There is a difference in performance and current for each fuel cell, in which the performance is higher than that of a fuel cell, and a higher current flows in a fuel cell with higher performance than in a fuel cell with lower performance. Each fuel cell generates heat according to current and voltage. However, since fuel cells connected in parallel electrically have the same voltage, the amount of heat generated is determined according to current. Therefore, the fuel cell located on the upstream side in the fuel flow direction has a higher calorific value and the temperature is higher than the fuel cell located on the downstream side in the fuel flow direction.

一般に燃料電池は、一例として図3に示すように、温度が高い方が内部抵抗が低くて効率が高く、温度が低くなるに従い内部抵抗が高くなって効率も低下する傾向にある。しかしながら、燃料電池の温度が過度に高くなると、燃料電池の構成部材やその他周囲の部材に悪影響を及ぼし、耐久性が低下する恐れがある。   In general, as shown in FIG. 3 as an example, the fuel cell has a higher internal resistance and a higher efficiency at a higher temperature, and the internal resistance increases and the efficiency tends to decrease as the temperature decreases. However, if the temperature of the fuel cell becomes excessively high, it may adversely affect the constituent members of the fuel cell and other surrounding members, and the durability may decrease.

請求項4記載の発明は、上記に基づき、複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池(すなわち性能が高い燃料電池)が、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池(すなわち性能が低い燃料電池)よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続している。これにより、複数の燃料電池の各々の性能のばらつきが、個々の燃料電池への燃料供給量の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、複数の燃料電池の温度のばらつきも均されることになる。従って、請求項4記載の発明によれば、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   The invention according to claim 4 is based on the above, and among the plurality of fuel cells, a fuel cell having a small absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current (that is, a fuel cell having high performance) A plurality of fuel cells are arranged so that the fuel is supplied in series in the order of being located downstream of the fuel cell in which the absolute value of the change of the output voltage with respect to the change is large (that is, the fuel cell having low performance). They are connected in series by a flow path. As a result, the fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells in the order in which the variation in performance of each of the plurality of fuel cells is reduced by the difference in the amount of fuel supplied to the individual fuel cells. The variation in the temperature of the fuel cell is also equalized. Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, it is possible to suppress a decrease in durability and efficiency due to the influence of the variation in performance of each of the plurality of fuel cells connected in parallel.

なお、請求項4記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項5に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも高温となる環境に設置された燃料電池であってもよい。複数の燃料電池が設置された環境温度が互いに相違している場合、複数の燃料電池の各々の性能は設置環境の温度の相違に起因してばらつくことになるが、請求項5記載の発明では、複数の燃料電池が設置環境の温度の相違に起因する性能のばらつき、個々の燃料電池への燃料供給量の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになるので、複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。   In addition, in the invention according to claim 4, the fuel cell having a small absolute value of the slope of the change of the output voltage with respect to the change of the output current, for example, as shown in claim 5, the change of the output voltage with respect to the change of the output current. It may be a fuel cell installed in an environment where the temperature is higher than that of a fuel cell having a large absolute value of inclination. In the case where the environmental temperatures at which the plurality of fuel cells are installed are different from each other, the performance of each of the plurality of fuel cells varies due to the difference in the temperature of the installation environment. The fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells in an order reduced by the variation in performance due to the difference in temperature of the installation environment and the difference in the amount of fuel supplied to the individual fuel cells. Therefore, the performance and temperature variations of the plurality of fuel cells can be leveled.

また、請求項4記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項6に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池であってもよい。   According to a fourth aspect of the present invention, the fuel cell having a small absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current is, for example, as shown in the sixth aspect, the change in the output voltage with respect to the change in the output current. The fuel cell may have a larger electrode area than the fuel cell having a large absolute value of the slope.

一般に燃料電池は、電極面積を大きくすると、単位電流量に対して電流密度が下がるため内部抵抗が低下し、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さくなる傾向にある。一方、燃料電池の電極面積を小さくすると、単位電流量に対して電流密度が上がるため内部抵抗が増加し、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きくなる傾向にある。   In general, when the electrode area of the fuel cell is increased, the current density decreases with respect to the unit current amount, so that the internal resistance decreases, and the absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current tends to be reduced. On the other hand, when the electrode area of the fuel cell is reduced, the current density increases with respect to the unit current amount, so that the internal resistance increases, and the absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current tends to increase.

上記に基づき請求項6記載の発明では、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池として用い、当該燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続する。これにより、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能のばらつきが、個々の燃料電池の電極の面積の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。   Based on the above, in the invention described in claim 6, a fuel cell having an electrode area larger than that of a fuel cell having a large absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current is obtained. The fuel cell is used as a fuel cell having a small absolute value of the change slope, and the fuel cell is serially arranged in the order of being located downstream in the fuel flow direction from the fuel cell having a large absolute value of the change of the output voltage with respect to the change of the output current. A plurality of fuel cells are connected in series by flow paths so that fuel is supplied. Thus, the variation in performance of the plurality of fuel cells due to the difference in the amount of fuel supplied to the individual fuel cells is serially connected to the plurality of fuel cells in an order that is reduced by the difference in the area of the electrodes of the individual fuel cells. As fuel is supplied, the performance and temperature variations of the plurality of fuel cells due to the difference in the amount of fuel supplied to the individual fuel cells can be leveled.

また、請求項4記載の発明において、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池は、例えば請求項7に記載したように、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池であってもよい。   According to a fourth aspect of the present invention, the fuel cell having a small absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current is, for example, as shown in the seventh aspect, the change in the output voltage with respect to the change in the output current. A fuel cell in which the number of stacked fuel cells is larger than that of a fuel cell having a large absolute value of inclination may be used.

燃料電池が燃料電池セルを複数積層した構成の場合、燃料電池セルの積層数が多くなるに従って燃料電池の電圧が高くなる。上記に基づき請求項7記載の発明では、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池として用い、当該燃料電池を、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、複数の燃料電池を流路によって直列に接続している。   When the fuel cell has a configuration in which a plurality of fuel cells are stacked, the voltage of the fuel cell increases as the number of stacked fuel cells increases. Based on the above, according to the seventh aspect of the present invention, a fuel cell in which the number of stacked fuel cells is larger than that of a fuel cell having a larger absolute value of the slope of the change in output voltage with respect to the change in output current is obtained. An order in which the absolute value of the slope of the change in the output voltage is used as a fuel cell, and the fuel cell is located on the downstream side in the fuel flow direction from the fuel cell in which the absolute value of the change in the output voltage with respect to the change in the output current is large. A plurality of fuel cells are connected in series by flow paths so that the fuel is supplied in series.

これにより、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能のばらつきが、個々の燃料電池における燃料電池セルの積層数の相違によって減じられる順序で、複数の燃料電池に直列に燃料が供給されることになり、個々の燃料電池への燃料供給量の相違に起因する複数の燃料電池の性能や温度のばらつきを均すことができる。   Accordingly, the plurality of fuel cells are arranged in an order in which the variation in performance of the plurality of fuel cells due to the difference in the amount of fuel supplied to the individual fuel cells is reduced by the difference in the number of stacked fuel cells in each fuel cell. Thus, the fuel is supplied in series, and the performance and temperature variations of the plurality of fuel cells due to the difference in the fuel supply amount to the individual fuel cells can be leveled.

また、請求項4〜請求項7の何れか1項記載の発明において、例えば請求項8に記載したように、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部を更に含んでいてもよい。これにより、請求項1記載の発明と同様に、簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   Further, in the invention according to any one of claims 4 to 7, as described in claim 8, for example, the current of the whole of the plurality of fuel cells flowing through the electric wiring is sized according to the required output. And a control unit that controls the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells to a fuel amount corresponding to the current of the plurality of fuel cells as a whole. You may go out. Thus, similarly to the first aspect of the invention, with a simple configuration, it is possible to suppress a decrease in durability and efficiency due to the influence of each of the performance variations of the plurality of fuel cells connected in parallel. can do.

また、請求項9記載の発明は、請求項1〜請求項8の何れか1項記載の発明において、前記流路は、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされ、前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、を更に含んでいる。   The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1 to 8, wherein the flow path is switchable in order of connecting the plurality of fuel cells in series. A detection unit that detects at least one of a temperature and an output current of each of the plurality of fuel cells, and an output current based on at least one of the temperature and the output current of each of the plurality of fuel cells detected by the detection unit The plurality of fuel cells are connected in series so that the fuel cell having a small absolute value of the change in the output voltage relative to the change is positioned downstream of the fuel cell having the large absolute value of the gradient in the fuel flow direction. And a switching unit for switching the order.

請求項9記載の発明では、複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知部によって検知し、切替部が、検知部によって検知された複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が所定値以上小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える。   In the invention according to claim 9, at least one of the temperature and the output current of each of the plurality of fuel cells is detected by the detection unit, and the switching unit detects the temperature and the output current of each of the plurality of fuel cells detected by the detection unit. Based on at least one of the above, the fuel cell in which the absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current is smaller than a predetermined value is located downstream of the fuel cell in which the absolute value of the slope is large in the fuel flow direction In this way, the order of connecting a plurality of fuel cells in series is switched.

これにより、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の各々の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値(燃料電池の性能)が相違した場合に、この相違が複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方のばらつきとして検知され、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が所定値以上小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、複数の燃料電池を直列に接続する順番が切り替わるので、複数の燃料電池の各々の経時劣化の度合いの相違等に起因して、複数の燃料電池の性能のばらつきが生じた場合にも、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   As a result, the absolute value (fuel cell performance) of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current of each of the plurality of fuel cells due to the difference in the degree of deterioration with time of each of the plurality of fuel cells. If there is a difference, this difference is detected as a variation in at least one of the temperature and output current of each of the plurality of fuel cells, and a fuel cell in which the absolute value of the slope of the change in output voltage with respect to the change in output current is smaller than a predetermined value Since the order of connecting the plurality of fuel cells in series is switched so that the fuel cell has a larger absolute value of the slope than the fuel cell in the flow direction of the fuel, the degree of deterioration with time of each of the plurality of fuel cells is changed. Even when the performance of the plurality of fuel cells varies due to the difference or the like, it is possible to suppress a decrease in durability and efficiency.

請求項10記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御することを含んでいるので、請求項1記載の発明と同様に、簡易な構成により、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method of operating a fuel cell system in which a plurality of fuel cells that generate electricity using supplied fuel are connected in parallel by electric wiring, and fuel is connected in series to the plurality of fuel cells by flow paths. And the current of the plurality of fuel cells flowing through the electrical wiring is controlled to a magnitude corresponding to a required output, and is supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells. The amount of fuel to be controlled is controlled to the amount of fuel corresponding to the current of the whole of the plurality of fuel cells. Therefore, as in the first aspect of the invention, it is electrically connected in parallel with a simple configuration. It can suppress that durability and efficiency fall by the influence of the dispersion | variation in each performance of a some fuel cell.

請求項11記載の発明に係る燃料電池システムの構成方法は、供給された燃料により発電する複数の燃料電池を電気配線によって並列に接続すると共に、前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を流路によって直列に接続することを含んでいるので、請求項4記載の発明と同様に、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響で、耐久性や効率が低下することを抑制することができる。   According to a eleventh aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system configuration method in which a plurality of fuel cells that generate power using supplied fuel are connected in parallel by electric wiring, and among the plurality of fuel cells, a change in output current is detected. The plurality of fuel cells are supplied in series in the order in which the fuel cells having a small absolute value of the change in the output voltage are positioned downstream of the fuel cell having the large absolute value of the gradient in the fuel flow direction. In the same manner as in the invention of claim 4, due to the influence of variation in the performance of each of the plurality of fuel cells electrically connected in parallel, It can suppress that durability and efficiency fall.

本発明は、電気的に並列に接続された複数の燃料電池の各々の性能のばらつきの影響を抑制できる、という効果を有する。   The present invention has an effect that the influence of variation in performance of each of the plurality of fuel cells electrically connected in parallel can be suppressed.

燃料電池セルの電流−電圧特性の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of the current-voltage characteristic of a fuel cell. 燃料電池セルの電流−電圧特性の性能に応じた変化の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of the change according to the performance of the current-voltage characteristic of a fuel cell. 燃料電池セルの電流−電圧特性の温度に応じた変化の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of the change according to the temperature of the current-voltage characteristic of a fuel cell. 第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第1実施形態における燃料電池システム運転制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the fuel cell system operation control process in 1st Embodiment. 燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other structure of a fuel cell system. 第2実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態における燃料電池システム運転制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the fuel cell system operation control process in 5th Embodiment. 本発明の比較例としての燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system as a comparative example of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔第1実施形態〕
図4には、本第1実施形態に係る燃料電池システム10Aが示されている。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、改質器12、バーナ14、燃料制御器16、3個の燃料電池セル18A〜18C、パワーコンディショナ20及び運転制御部22を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 4 shows a fuel cell system 10A according to the first embodiment. The fuel cell system 10A includes a reformer 12, a burner 14, a fuel controller 16, three fuel cells 18A to 18C, a power conditioner 20, and an operation control unit 22 as main components.

改質器12には、一端が燃料制御器16に接続された原料ガス管28の他端が接続されている。また、改質器12には改質水供給管24の一端が接続されており、改質水供給管24の途中にはポンプ26が設けられている。改質水供給管24には改質水が供給され、供給された改質水はポンプ26によって下流側(改質器12側)へ送出され、改質器12へ供給される。ポンプ26は運転制御部22と電気的に接続されており、ポンプ26の駆動は運転制御部22によって制御される。   The reformer 12 is connected to the other end of a source gas pipe 28 having one end connected to the fuel controller 16. One end of a reforming water supply pipe 24 is connected to the reformer 12, and a pump 26 is provided in the middle of the reforming water supply pipe 24. Reformed water is supplied to the reformed water supply pipe 24, and the supplied reformed water is sent to the downstream side (the reformer 12 side) by the pump 26 and supplied to the reformer 12. The pump 26 is electrically connected to the operation control unit 22, and the driving of the pump 26 is controlled by the operation control unit 22.

改質器12は、バーナ14によって加熱され、原料ガス管を介して供給された原料ガスを、改質水供給管24を介して供給された改質水(水蒸気)を利用して水蒸気改質し、水素ガスを含む燃料ガスを生成する。改質器12で生成された燃料ガスは、燃料ガス管30を介して燃料ガスの流通方向の最上流に位置している燃料電池セル18Aに供給される。   The reformer 12 is steam-reformed using the reformed water (steam) supplied through the reformed water supply pipe 24 by using the reformed water (steam) supplied through the reformed water supply pipe 24 by being heated by the burner 14. Then, fuel gas containing hydrogen gas is generated. The fuel gas generated by the reformer 12 is supplied via the fuel gas pipe 30 to the fuel battery cell 18A located at the uppermost stream in the fuel gas flow direction.

燃料制御器16は、原料ガス管23を介して図示しないガス源に接続されている。燃料制御器16には、脱硫器によって硫黄化合物が吸着除去された原料ガス(炭化水素燃料)がガス源から原料ガス管23を介して供給される。燃料制御器16は、上記の通り原料ガス管28を介して改質器12に接続されている。すなわち、燃料制御器16は、原料ガス管28、改質器12及び燃料ガス管30を介して、燃料電池セル18Aに接続されている。また、燃料制御器16は、運転制御部22と電気的に接続されている。燃料制御器16は、改質器12から燃料ガス管30を介して燃料電池セル18Aの燃料極へ供給される燃料ガスの量(燃料供給量)を制御可能とされ、燃料制御器16から改質器12を介した燃料電池セル18Aの燃料極への燃料供給量は運転制御部22によって制御される。具体的には、運転制御部22は、燃料制御器16から改質器12へ供給される原料ガスの量(原料ガス供給量)を制御することで燃料電池セル18Aの燃料極への燃料供給量を制御する。なお、運転制御部22は、ポンプ26による改質器12への改質水供給量については、燃料供給量に応じて、改質器12での水蒸気改質に不足のない量に制御する。   The fuel controller 16 is connected to a gas source (not shown) via the raw material gas pipe 23. A raw material gas (hydrocarbon fuel) from which sulfur compounds are adsorbed and removed by the desulfurizer is supplied to the fuel controller 16 from a gas source through a raw material gas pipe 23. The fuel controller 16 is connected to the reformer 12 via the raw material gas pipe 28 as described above. That is, the fuel controller 16 is connected to the fuel cell 18 </ b> A via the raw material gas pipe 28, the reformer 12 and the fuel gas pipe 30. The fuel controller 16 is electrically connected to the operation control unit 22. The fuel controller 16 can control the amount of fuel gas (fuel supply amount) supplied from the reformer 12 to the fuel electrode of the fuel cell 18 </ b> A via the fuel gas pipe 30. The amount of fuel supplied to the fuel electrode of the fuel cell 18 </ b> A via the mass device 12 is controlled by the operation control unit 22. Specifically, the operation control unit 22 controls the amount of source gas supplied from the fuel controller 16 to the reformer 12 (source gas supply amount), thereby supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell 18A. Control the amount. The operation control unit 22 controls the amount of reforming water supplied to the reformer 12 by the pump 26 to an amount that is sufficient for steam reforming in the reformer 12 according to the fuel supply amount.

また、燃料電池セル18Aには酸化ガス供給管32の一端が接続され、酸化ガス供給管32の途中にはブロア34が設けられている。酸化ガス供給管32には酸化ガス(空気)が供給され、供給された酸化ガスはブロア34によって燃料電池セル18A側へ送出され、燃料電池セル18Aの空気極に供給される。ブロア34は運転制御部22と電気的に接続されており、ブロア34の駆動は運転制御部22によって制御される。   Further, one end of an oxidizing gas supply pipe 32 is connected to the fuel cell 18 </ b> A, and a blower 34 is provided in the middle of the oxidizing gas supply pipe 32. The oxidizing gas (air) is supplied to the oxidizing gas supply pipe 32, and the supplied oxidizing gas is sent to the fuel cell 18A side by the blower 34 and supplied to the air electrode of the fuel cell 18A. The blower 34 is electrically connected to the operation control unit 22, and the drive of the blower 34 is controlled by the operation control unit 22.

燃料電池セル18A〜18Cは、互いに同一の構成とされており、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極及び空気極と、を有している。空気極(カソード極)には酸化ガス(空気)が供給される。空気極では、下記(1)式で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って燃料極に到達する。
(空気極反応)
1/2O+2e →O2− …(1)
The fuel cells 18 </ b> A to 18 </ b> C have the same configuration, and include an electrolyte layer, and a fuel electrode and an air electrode that are respectively stacked on the front and back surfaces of the electrolyte layer. An oxidizing gas (air) is supplied to the air electrode (cathode electrode). In the air electrode, as shown by the following formula (1), oxygen and electrons in the oxidizing gas react to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the fuel electrode through the electrolyte layer.
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (1)

一方、燃料極では、下記(2)式及び(3)式で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極で生成された電子が燃料極から外部回路を通って空気極に移動することで、各燃料電池セル18A〜18Cにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に上記反応に伴って発熱する。
(燃料極反応)
+O2− →HO+2e …(2)
CO+O2−→CO+2e …(3)
On the other hand, at the fuel electrode, as shown by the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, and water (water vapor) and carbon dioxide. Carbon and electrons are generated. Electrons generated in the fuel electrode move from the fuel electrode to the air electrode through an external circuit, and are thus generated in the fuel cells 18A to 18C. In addition, each fuel cell generates heat with the above reaction during power generation.
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (3)

燃料電池セル18Aには燃料極排ガス管36及び空気極排ガス管38の一端が接続されており、燃料極排ガス管36及び空気極排ガス管38の他端は燃料電池セル18Bに接続されている。燃料電池セル18Aの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管36を介して燃料電池セル18Bの燃料極に供給され、燃料電池セル18Aの空気極から排出された酸化ガスは、空気極排ガス管38を介して燃料電池セル18Bの空気極に供給される。   One end of a fuel electrode exhaust pipe 36 and an air electrode exhaust pipe 38 is connected to the fuel cell 18A, and the other end of the fuel electrode exhaust pipe 36 and the air electrode exhaust pipe 38 is connected to the fuel cell 18B. The fuel electrode exhaust gas containing unreacted hydrogen gas, water, carbon monoxide and carbon dioxide discharged from the fuel electrode of the fuel cell 18A is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 18B via the fuel electrode exhaust pipe 36. The oxidizing gas discharged from the air electrode of the fuel cell 18A is supplied to the air electrode of the fuel cell 18B via the air electrode exhaust pipe 38.

なお、燃料電池には、電解質の種類等に応じて、固体高分子型燃料電池(PEFC)、りん酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)及び固体酸化物型燃料電池(SOFC)等、幾つかの型式があるが、本第1実施形態において、燃料電池セル18A〜18Cは上記の何れの型式の燃料電池であってもよい。   Fuel cells include solid polymer fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells depending on the type of electrolyte. Although there are several types such as (SOFC), in the first embodiment, the fuel cells 18A to 18C may be any of the above types of fuel cells.

また、燃料電池セル18Bには燃料極排ガス管40及び空気極排ガス管42の一端が接続されており、燃料極排ガス管40及び空気極排ガス管42の他端は燃料電池セル18Cに接続されている。燃料電池セル18Bの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管40を介して燃料電池セル18Cの燃料極に供給され、燃料電池セル18Bの空気極から排出された酸化ガスは空気極排ガス管42を介して燃料電池セル18Cの空気極に供給される。   Further, one end of a fuel electrode exhaust pipe 40 and an air electrode exhaust pipe 42 is connected to the fuel cell 18B, and the other end of the fuel electrode exhaust pipe 40 and the air electrode exhaust pipe 42 is connected to the fuel cell 18C. Yes. The fuel electrode exhaust gas containing unreacted hydrogen gas, water, carbon monoxide and carbon dioxide discharged from the fuel electrode of the fuel cell 18B is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 18C through the fuel electrode exhaust pipe 40. The oxidizing gas discharged from the air electrode of the fuel cell 18B is supplied to the air electrode of the fuel cell 18C via the air electrode exhaust pipe 42.

このように、本第1実施形態に係る燃料電池システム10Aは、燃料電池セル18A〜18Cに、燃料電池セル18A,18B,18Cの順に直列に燃料が供給されるように、燃料ガス管30、燃料極排ガス管36,40によって直列に接続されている。なお、燃料電池セル18A〜18Cは本発明における複数の燃料電池の一例であり、燃料ガス管30、燃料極排ガス管36,40は本発明における流路の一例である。   As described above, the fuel cell system 10A according to the first embodiment includes the fuel gas pipe 30, the fuel cell 18A to 18C, so that the fuel is supplied in series in the order of the fuel cells 18A, 18B, and 18C. The fuel electrode exhaust pipes 36 and 40 are connected in series. The fuel cells 18A to 18C are examples of a plurality of fuel cells in the present invention, and the fuel gas pipe 30 and the fuel electrode exhaust pipes 36 and 40 are examples of flow paths in the present invention.

また、燃料電池セル18Cには燃料極排ガス管44の一端が接続されており、燃料極排ガス管44の他端はバーナ14に接続されている。燃料電池セル18Bの燃料極から排出された、未反応の水素ガス、水、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス管44を介してバーナ14に供給される。なお、燃料電池セル18Cの空気極から排出された酸化ガスは、燃料電池セル18Cに一端が接続された空気極排ガス管46を介して系外へ排出される。   Further, one end of a fuel electrode exhaust pipe 44 is connected to the fuel cell 18C, and the other end of the fuel electrode exhaust pipe 44 is connected to the burner 14. The fuel electrode exhaust gas containing unreacted hydrogen gas, water, carbon monoxide, and carbon dioxide discharged from the fuel electrode of the fuel battery cell 18B is supplied to the burner 14 via the fuel electrode exhaust pipe 44. The oxidizing gas discharged from the air electrode of the fuel cell 18C is discharged out of the system through the air electrode exhaust pipe 46 having one end connected to the fuel cell 18C.

バーナ14は、燃料極排ガス管44を介して燃料電池セル18Cから供給された燃料極排ガスを空気と混合して燃焼させ、改質器12を加熱する。また、バーナ14における燃焼によって生じた排ガスは、バーナ14に一端が接続されたバーナ排ガス管48を介して系外へ排出される。   The burner 14 mixes and burns the fuel electrode exhaust gas supplied from the fuel cell 18 </ b> C via the fuel electrode exhaust gas pipe 44 with air, and heats the reformer 12. Further, the exhaust gas generated by the combustion in the burner 14 is discharged out of the system through a burner exhaust pipe 48 having one end connected to the burner 14.

燃料電池セル18A〜18Cは、各々の燃料極が電気配線50を介して互いに接続されており、各々の空気極が電気配線52を介して互いに接続されていることで、電気的に並列に接続されている。燃料電池セル18A〜18Cで発電が行われている場合、電気配線50,52には各燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流を足し合わせた電流(この電流は本発明における「複数の燃料電池全体の電流」の一例であり、以下、全体電流という)が流れる。電気配線50,52は本発明における電気配線の一例である。   The fuel cells 18 </ b> A to 18 </ b> C are electrically connected in parallel because the fuel electrodes are connected to each other via the electrical wiring 50 and the air electrodes are connected to each other via the electrical wiring 52. Has been. When power generation is performed in the fuel cells 18A to 18C, a current obtained by adding the currents flowing through the fuel cells 18A to 18C to the electrical wirings 50 and 52 (this current is the "multiple fuel cells in the present invention"). Current ”), and hereinafter referred to as an overall current. The electric wirings 50 and 52 are examples of the electric wiring in the present invention.

電気配線50,52はパワーコンディショナ20に各々接続されており、パワーコンディショナ20は運転制御部22と電気的に接続されている。パワーコンディショナ20は電気配線50,52を流れる全体電流の大きさを制御可能とされ、電気配線50,52を流れる全体電流の大きさはパワーコンディショナ20を介して運転制御部22によって制御される。また、電気配線50,52は図示しない変電機器を介して図示しない電力負荷に接続されており、燃料電池セル18A〜18Cによって発電された電力(電圧・電流)は、直流→交流変換や電圧変換等の変電処理を経て電力負荷に供給されて消費される。   The electrical wirings 50 and 52 are connected to the power conditioner 20, respectively, and the power conditioner 20 is electrically connected to the operation control unit 22. The power conditioner 20 can control the magnitude of the total current flowing through the electric wirings 50 and 52, and the magnitude of the total current flowing through the electric wirings 50 and 52 is controlled by the operation control unit 22 via the power conditioner 20. The The electric wirings 50 and 52 are connected to a power load (not shown) via a transformer (not shown), and the power (voltage / current) generated by the fuel cells 18A to 18C is converted from DC to AC or voltage conversion. It is supplied to the power load through the transformation process such as, and consumed.

なお、パワーコンディショナ20及び運転制御部22は、先に説明した燃料制御器16と共に、本発明における制御部の一例である。   In addition, the power conditioner 20 and the operation control part 22 are an example of the control part in this invention with the fuel controller 16 demonstrated previously.

次に本第1実施形態の作用を説明する。運転制御部22は、燃料電池システム10Aの電源が投入されて燃料電池システム10Aの運転開始が指示されると、図5に示す燃料電池システム運転制御処理を行う。   Next, the operation of the first embodiment will be described. When the power of the fuel cell system 10A is turned on and the operation start of the fuel cell system 10A is instructed, the operation control unit 22 performs the fuel cell system operation control process shown in FIG.

燃料電池システム運転制御処理のステップ200において、運転制御部22は、電力負荷の消費電力を検知し、検知した消費電力に基づいて、燃料電池システム10Aに対して要求されている出力電力を算出する。次のステップ202において、運転制御部22は、ステップ200で算出した出力電力から出力電流(電気配線50,52を流れる全体電流)を算出する。燃料電池システム10Aでは燃料電池セル18A〜18Cが電気的に並列に接続されているので、燃料電池システム10Aから出力される直流電力の電圧は一定であり、出力電流は出力電力を出力電圧で除すことで算出される。   In step 200 of the fuel cell system operation control process, the operation control unit 22 detects the power consumption of the power load, and calculates the output power required for the fuel cell system 10A based on the detected power consumption. . In the next step 202, the operation control unit 22 calculates an output current (total current flowing through the electrical wirings 50 and 52) from the output power calculated in step 200. In the fuel cell system 10A, since the fuel cells 18A to 18C are electrically connected in parallel, the DC power voltage output from the fuel cell system 10A is constant, and the output current is obtained by dividing the output power by the output voltage. Is calculated.

次のステップ204において、運転制御部22は、ステップ202で算出した出力電流に基づいて、燃料ガスの流通方向の最上流に位置している燃料電池セル18Aへの燃料供給量及び空気供給量、改質器12への改質水供給量を算出する。   In the next step 204, the operation control unit 22, based on the output current calculated in step 202, the fuel supply amount and the air supply amount to the fuel cell 18 </ b> A located at the uppermost stream in the fuel gas flow direction, The amount of reforming water supplied to the reformer 12 is calculated.

燃料供給量は、供給した燃料が反応可能な電子の総量をF、電流によって生み出され燃料と反応する電子の量をIとし、燃料電池セル18A〜18Cの耐久性と効率のバランスから、I/Fの最適値を例えばI/F=80%と仮定したときに、I/F=80%のIに出力電流を代入し、Fを燃料供給量として算出することで求めることができる。この演算で算出される燃料供給量は、Iに出力電流(個々の燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流の和)を代入しているので、出力電流に応じた燃料量、すなわち個々の燃料電池セル18A〜18Cにおける燃料消費量の和に相当する燃料供給量となる。なお、空気供給量及び改質水供給量は、算出した燃料供給量から求めることができる。   The amount of fuel supply is defined as F, where I is the total amount of electrons that can be reacted by the supplied fuel, and I is the amount of electrons generated by the current that reacts with the fuel. From the balance between durability and efficiency of the fuel cells 18A-18C, When the optimum value of F is assumed to be, for example, I / F = 80%, the output current can be substituted for I where I / F = 80%, and F can be calculated as the fuel supply amount. The fuel supply amount calculated by this calculation is obtained by substituting the output current (the sum of the currents flowing through the individual fuel cell units 18A to 18C) for I, so the fuel amount corresponding to the output current, that is, the individual fuel cell unit The fuel supply amount corresponds to the sum of the fuel consumption in the cells 18A to 18C. The air supply amount and the reforming water supply amount can be obtained from the calculated fuel supply amount.

次のステップ206において、運転制御部22は、電気配線50,52を流れる全体電流をステップ202で算出した出力電流に制御する制御信号をパワーコンディショナ20へ出力し、最上流の燃料電池セル18Aへの燃料供給量をステップ204で算出した燃料供給量に制御する制御信号を燃料制御器16へ出力し、燃料電池セル18Aへの空気供給量をステップ204で算出した空気供給量に制御する制御信号をブロア34へ出力し、改質器12への改質水の供給量をステップ204で算出した改質水供給量に制御する制御信号をポンプ26へ出力する。   In the next step 206, the operation control unit 22 outputs to the power conditioner 20 a control signal for controlling the total current flowing through the electric wirings 50 and 52 to the output current calculated in step 202, and the most upstream fuel cell 18A. A control signal for controlling the fuel supply amount to the fuel supply amount calculated in step 204 is output to the fuel controller 16, and the air supply amount to the fuel cell 18 A is controlled to the air supply amount calculated in step 204. A signal is output to the blower 34, and a control signal for controlling the supply amount of reforming water to the reformer 12 to the reforming water supply amount calculated in step 204 is output to the pump 26.

次のステップ208において、運転制御部22は、燃料電池システム10Aの運転終了が指示されたか否か判定する。判定が否定された場合はステップ200に戻り、ステップ208の判定が肯定される迄、ステップ200〜208を繰り返す。燃料電池システム10Aの運転終了が指示されると、ステップ208の判定が肯定されて燃料電池システム運転制御処理を終了する。   In the next step 208, the operation control unit 22 determines whether or not an instruction to end the operation of the fuel cell system 10A is given. If the determination is negative, the process returns to step 200, and steps 200 to 208 are repeated until the determination of step 208 is affirmed. When the end of the operation of the fuel cell system 10A is instructed, the determination in step 208 is affirmed and the fuel cell system operation control process is ended.

上記のように、燃料電池システム10Aでは、3つの燃料電池セル18A〜18Cを電気的に並列に接続しているので、個々の燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流は個々の燃料電池セル18A〜18Cの性能に応じてばらつくことになる。しかし、燃料電池システム10Aでは、電気配線50,52に流れる全体電流を要求出力に応じた大きさに制御するので、3つの燃料電池セル18A〜18C全体としては、要求出力に応じた出力(電圧・電流)が得られる。   As described above, in the fuel cell system 10A, since the three fuel cells 18A to 18C are electrically connected in parallel, the currents flowing through the individual fuel cells 18A to 18C are the individual fuel cells 18A to 18A. It will vary according to the performance of 18C. However, in the fuel cell system 10A, the total current flowing in the electric wirings 50 and 52 is controlled to a magnitude corresponding to the required output, so that the three fuel cells 18A to 18C as a whole have outputs (voltages) corresponding to the required output.・ Current can be obtained.

また、個々の燃料電池セル18A〜18Cの性能に応じて個々の燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流がばらつくことに伴い、燃料消費量についても個々の燃料電池セル18A〜18C毎にばらつくことになる。しかし、燃料電池システム10Aでは、燃料ガス管30、燃料極排ガス管36,40によって燃料電池セル18A〜18Cに直列に燃料を供給し、かつ最上流の燃料電池セル18Aに供給される燃料量を全体電流に応じた燃料量に制御している。これにより、最上流の燃料電池セル18Aへの燃料供給量が、燃料電池セル18A〜18Cの各々における燃料消費量の和に応じた燃料量となるので、個々の燃料電池セル18A〜18C毎に燃料消費量がばらついていても、最下流の燃料電池セル18Cへの燃料供給量が、当該燃料電池セル18Cにおける燃料消費量に対して過少となることで耐久性が低下したり、過多となることで効率が低下することも防止できる。   Further, as the current flowing through the individual fuel cells 18A to 18C varies depending on the performance of the individual fuel cells 18A to 18C, the fuel consumption also varies for each individual fuel cell 18A to 18C. Become. However, in the fuel cell system 10A, fuel is supplied in series to the fuel cells 18A to 18C by the fuel gas pipe 30 and the fuel electrode exhaust pipes 36, 40, and the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell 18A is set. The fuel amount is controlled according to the total current. As a result, the amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell 18A becomes the amount of fuel corresponding to the sum of the fuel consumption in each of the fuel cells 18A to 18C. Therefore, for each individual fuel cell 18A to 18C. Even if the fuel consumption varies, the fuel supply amount to the most downstream fuel battery cell 18C becomes too small relative to the fuel consumption in the fuel battery cell 18C, so that the durability decreases or becomes excessive. This can also prevent the efficiency from decreasing.

本第1実施形態に係る燃料電池システム10Aの作用について更に説明する。なお、以下の説明では、図13に示すように、燃料制御器16から燃料電池セル18A〜18Cへ並列に燃料を供給する構成の燃料電池システム300を比較例とする。なお、図13では改質器12、バーナ14、運転制御部22等は図示を省略している。   The operation of the fuel cell system 10A according to the first embodiment will be further described. In the following description, as shown in FIG. 13, a fuel cell system 300 configured to supply fuel in parallel from the fuel controller 16 to the fuel cells 18A to 18C is used as a comparative example. In FIG. 13, the reformer 12, the burner 14, the operation control unit 22 and the like are not shown.

比較例に係る燃料電池システム300は、燃料ガス管302が燃料制御器16の下流側で3本に分岐され、燃料電池セル18A〜18Cに各々接続されており、燃料電池セル18A〜18Cへ並列に燃料が供給される構成となっている。この場合、燃料制御器16は燃料電池セル18A〜18Cへの燃料供給量の合計値を調整し、個々の燃料電池セル18A〜18Cへの燃料供給量は、燃料電池セル18A〜18Cにおける圧力損失等によりほぼ一定割合(例えば等分)で分配される。一方、燃料電池セル18A〜18Cは電気的に並列に接続されているため、個々の燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流は個々の燃料電池セル18A〜18Cの性能に応じて定まる。   In the fuel cell system 300 according to the comparative example, the fuel gas pipe 302 is branched into three on the downstream side of the fuel controller 16 and is connected to the fuel cells 18A to 18C, respectively, and is parallel to the fuel cells 18A to 18C. It is the structure where fuel is supplied to. In this case, the fuel controller 16 adjusts the total fuel supply amount to the fuel cells 18A to 18C, and the fuel supply amount to the individual fuel cells 18A to 18C is the pressure loss in the fuel cells 18A to 18C. It is distributed at a substantially constant rate (for example, equally divided). On the other hand, since the fuel cells 18A to 18C are electrically connected in parallel, the current flowing through the individual fuel cells 18A to 18C is determined according to the performance of the individual fuel cells 18A to 18C.

比較例に係る燃料電池システム300は、個々の燃料電池セル18A〜18Cでの燃料消費量がばらつくと、個々の燃料電池セル18A〜18Cでの燃料供給量と燃料消費量との割合にもばらつきが生じる。   In the fuel cell system 300 according to the comparative example, when the fuel consumption in the individual fuel cells 18A to 18C varies, the ratio between the fuel supply amount and the fuel consumption in the individual fuel cells 18A to 18C also varies. Occurs.

具体的には、燃料電池システム300では、燃料電池セル18A〜18Cを流れる電流の合計値(全体電流)と燃料電池セル18A〜18Cへの燃料供給量の合計値は制御できるものの、電流及び燃料供給量を個々の燃料電池セル18A〜18C毎には制御できない。ここで、例えばI/F=80%になるように全体電流と燃料供給量の合計値を制御した場合、F1:F2:F3=I1:I2:I3を満たす状況であれば、I1/F1=I2/F2=I3/F3=I/F=80%となり、燃料電池セル18A〜18Cの燃料供給量と燃料消費量との割合は目標通りの値となる。   Specifically, in the fuel cell system 300, although the total value (total current) of the current flowing through the fuel cells 18A to 18C and the total amount of fuel supplied to the fuel cells 18A to 18C can be controlled, the current and fuel The supply amount cannot be controlled for each of the individual fuel cells 18A to 18C. Here, for example, when the total value of the total current and the fuel supply amount is controlled so that I / F = 80%, if the situation satisfies F1: F2: F3 = I1: I2: I3, I1 / F1 = I2 / F2 = I3 / F3 = I / F = 80%, and the ratio between the fuel supply amount and the fuel consumption amount of the fuel cells 18A to 18C becomes a target value.

しかしながら、燃料電池セル18A〜18Cの電流の比率が燃料供給量の比率とずれてしまうと(F1:F2:F3≠I1:I2:I3)、I1/F1、I2/F2、I3/F3の何れか1つ以上は目標値I/F=80%を上回ることになり、I/Fが閾値以上になった1つ以上の燃料電池セル18では燃料極の酸化等による破損が生ずる可能性がある。また、1つ以上の燃料電池セル18で必ず燃料供給量に対する燃料消費量の割合が過多になることで、耐久性が低下する虞もある。   However, if the current ratio of the fuel cells 18A to 18C deviates from the ratio of the fuel supply amount (F1: F2: F3 ≠ I1: I2: I3), any of I1 / F1, I2 / F2, and I3 / F3 If one or more of the fuel cells exceeds the target value I / F = 80%, the one or more fuel cells 18 having the I / F exceeding the threshold value may possibly be damaged due to oxidation of the fuel electrode or the like. . In addition, since the ratio of the fuel consumption to the fuel supply amount is always excessive in one or more fuel cells 18, there is a possibility that durability may be reduced.

一例として、比較例に係る燃料電池システム300において、燃料電池セル18A〜18Cの電流の比率がI1:I2:I3=9:8:7、燃料電池セル18A〜18Cへの燃料の配分が等分(つまりF1:F2:F3=1:1:1)であり、燃料電池セルの耐久性と効率のバランスからI/F=80%が理想と仮定する。燃料電池システム300において、上記の条件の下で全体電流と燃料供給量の合計値の比率I/F=80%に制御すると、I1/F1=90%、I2/F2=80%、I3/F3=70%となり、燃料電池セル18Aで燃料消費量が過多となる。また、燃料消費量が過多の状態を抑制し、全ての燃料電池セルにおいてIn/Fn≦80%とするためにはI/F=71%とする必要があり、燃料電池システム300全体としての効率の大幅な低下を招くことになる。   As an example, in the fuel cell system 300 according to the comparative example, the current ratio of the fuel cells 18A to 18C is I1: I2: I3 = 9: 8: 7, and the fuel is equally distributed to the fuel cells 18A to 18C. (That is, F1: F2: F3 = 1: 1: 1), and I / F = 80% is assumed to be ideal from the balance between durability and efficiency of the fuel cell. In the fuel cell system 300, when the ratio of the total current and the total amount of fuel supply is controlled to 80% under the above conditions, I1 / F1 = 90%, I2 / F2 = 80%, I3 / F3 = 70%, and the fuel consumption is excessive in the fuel cell 18A. Further, in order to suppress an excessive fuel consumption state and to make In / Fn ≦ 80% in all the fuel cells, it is necessary to set I / F = 71%, and the efficiency of the fuel cell system 300 as a whole Will lead to a significant drop in

一方、本第1実施形態に係る燃料電池システム10Aでは、上記の条件下で全体電流と燃料供給量の合計値(最上流の燃料電池セル18Aへの燃料供給量)の比率をI/F=80%に制御した場合、燃料電池セル18A単体ではI1/F=30%、燃料電池セル18A,18Bでは(I1+I2)/F=57%、燃料電池セル18A〜18Cnの総計では(I1+I2+I3)/F=80%となり、燃料消費量が過多の状態の燃料電池セルは存在しない。また、燃料電池セル18A〜18Cの総計では燃料供給量の80%が消費されているため、理想通りの高い効率も得られる。これは、燃料電池セルの数や、複数の燃料電池セルにおける電流のばらつき具合に拘わらず、普遍的に成り立つ。   On the other hand, in the fuel cell system 10A according to the first embodiment, the ratio of the total current and the fuel supply amount (the fuel supply amount to the most upstream fuel cell 18A) under the above conditions is I / F = When controlled to 80%, the fuel cell 18A alone has I1 / F = 30%, the fuel cells 18A and 18B have (I1 + I2) / F = 57%, and the total of the fuel cells 18A-18Cn has (I1 + I2 + I3) / F = 80%, and there is no fuel cell in which the fuel consumption is excessive. In addition, since the total amount of the fuel cells 18A to 18C consumes 80% of the fuel supply amount, an ideal high efficiency can be obtained. This is universally true regardless of the number of fuel cells and the variation in current among the plurality of fuel cells.

また、電気的に並列に接続した燃料電池セル18A〜18Cのうちの一部の燃料電池セルに、破損等により大幅な性能低下が生じた場合を想定すると、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル18には殆ど電流が流れず、残りの燃料電池セルでその分を補償することになる。比較例に係る燃料電池システム300は、上記の想定条件下で、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル18にも他の燃料電池セル18と同様に燃料が供給されるため、その燃料は消費されることなく無駄に放出されてしまう。また、正常な他の燃料電池セル18では、大幅な性能低下が生じた燃料電池セル18の分まで電流を増やす必要があるにも拘わらず、燃料供給量は増えないので燃料不足に陥る。   In addition, assuming that a case where the fuel cell 18A to 18C electrically connected in parallel has undergone a significant performance degradation due to damage or the like, the fuel cell in which a significant performance degradation has occurred. Almost no current flows through the cell 18, and the remaining fuel cell compensates for that amount. In the fuel cell system 300 according to the comparative example, the fuel is also supplied to the fuel cell 18 in which the performance is greatly deteriorated in the same manner as the other fuel cells 18 under the above-described assumption conditions. It is discharged in vain without being done. Further, in other normal fuel cells 18, the fuel supply amount does not increase even though it is necessary to increase the current up to the amount of the fuel cells 18 in which the significant performance degradation has occurred.

これに対し、本第1実施形態に係る燃料電池システム10Aは、最上流の燃料電池セル18Aに全ての燃料が供給され、燃料電池セル18Aに供給された燃料は、燃料電池セル18B,18Cへ順次供給されるので、燃料電池セル18A〜18Cの中に電流が流れない燃料電池セル18が発生したとしても、当該燃料電池セル18で消費されなかった燃料は後段の燃料電池セル18へ供給され、後段の燃料電池セル18で有効に消費されるので、後段の燃料電池セル18で燃料不足になったり、燃料が無駄に放出されてしまうことも防止できる。   In contrast, in the fuel cell system 10A according to the first embodiment, all the fuel is supplied to the most upstream fuel cell 18A, and the fuel supplied to the fuel cell 18A is supplied to the fuel cells 18B and 18C. Since the fuel cells are sequentially supplied, even if the fuel cells 18 in which no current flows are generated in the fuel cells 18A to 18C, the fuel not consumed in the fuel cells 18 is supplied to the subsequent fuel cells 18. Since the fuel cells 18 in the subsequent stage are effectively consumed, it is possible to prevent the fuel cells 18 in the subsequent stage from running out of fuel and the wasteful release of fuel.

次に本発明に係る燃料電池システムの他の構成を説明する。図6には燃料電池システム10Bを、図7には燃料電池システム10Cを示している。なお、図6,7では改質器12、バーナ14、運転制御部22等の図示を省略している。   Next, another configuration of the fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 6 shows a fuel cell system 10B, and FIG. 7 shows a fuel cell system 10C. 6 and 7, illustration of the reformer 12, the burner 14, the operation control unit 22, and the like is omitted.

図6に示す燃料電池システム10B及び図7に示す燃料電池システム10Cは、共に、p個(p≧2)の燃料電池セル18が電気配線60によって電気的に並列に接続され、p個の燃料電池セル18を並列接続したs個(s≧2)のユニットが電気配線60によって電気的に直列に接続されている。個々の燃料電池セル18への燃料の供給の基本的な考え方は、燃料電池システム10Aと同様であり、電気的に並列に接続されたp個の燃料電池セルには燃料供給管62(又は燃料供給管64)によって燃料が直列に供給される。但し、電気的に直列に接続されたs個の各ユニット間については、図6に示す燃料電池システム10Bのように、燃料供給管62によって燃料が並列に供給されてもよいし、図7に示す燃料電池システム10Cのように、燃料供給管62によって燃料が直列に供給されてもよいし、或いは、燃料が並列に供給される部分と直列に供給される部分とを混在させることも可能である。   In both the fuel cell system 10B shown in FIG. 6 and the fuel cell system 10C shown in FIG. 7, p (p ≧ 2) fuel cells 18 are electrically connected in parallel by electric wiring 60, and p fuels S (s ≧ 2) units in which the battery cells 18 are connected in parallel are electrically connected in series by the electric wiring 60. The basic concept of the fuel supply to the individual fuel cells 18 is the same as that of the fuel cell system 10A, and the fuel supply pipe 62 (or fuel) is connected to the p fuel cells electrically connected in parallel. The fuel is supplied in series by the supply pipe 64). However, between the s units electrically connected in series, fuel may be supplied in parallel by the fuel supply pipe 62 as in the fuel cell system 10B shown in FIG. Like the fuel cell system 10C shown in the figure, the fuel may be supplied in series by the fuel supply pipe 62, or the part to which the fuel is supplied in parallel and the part to be supplied in series can be mixed. is there.

前述の通り、電気的に並列接続されているp個の燃料電池セルには電流分布(電流のばらつき、或いは電流の勾配)が生じ得るため、燃料を直列に供給することで効率と耐久性の両立を実現する。一方、電気的に直列に接続されているs個の各ユニットは、全体電流が全てのユニットで等しくなるため、図6に示す燃料電池システム10Bのように、各ユニットに燃料を一定の割合で分配する構成(図6の構成では、分配割合の変動を抑制するためにオリフィスを設け、例えば等分配などに固定することが好ましい)でも、燃料供給量と燃料消費量の割合にばらつきが生ずることはなく、燃料の有効利用が可能である。勿論、図7に示す燃料電池システム10Cのようにs個の各ユニットに直列に燃料を供給する構成でも燃料の有効利用が可能である。 As described above, current distribution (current variation or current gradient) can occur in the p fuel cells electrically connected in parallel. Therefore, supplying fuel in series improves efficiency and durability. Achieve both. On the other hand, the s number of units electrically connected in series have the same total current in all the units. Therefore, like the fuel cell system 10B shown in FIG. Even in the configuration of distributing (in the configuration of FIG. 6, it is preferable to provide an orifice in order to suppress fluctuations in the distribution ratio, and for example, it is preferably fixed to equal distribution, etc.), the ratio between the fuel supply amount and the fuel consumption amount varies. It is possible to use the fuel effectively. Of course, the fuel can be effectively used even in a configuration in which fuel is supplied in series to each of the s units as in the fuel cell system 10C shown in FIG.

なお、図6は請求項2に記載の燃料電池システムの一例であり、図7は請求項3に記載の燃料電池システムの一例である。   FIG. 6 is an example of the fuel cell system according to claim 2, and FIG. 7 is an example of the fuel cell system according to claim 3.

〔第2実施形態〕
次に本発明の第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図8には本第2実施形態に係る燃料電池システム10Dが示されている。なお、図8では改質器12、バーナ14、運転制御部22等の図示を省略している。燃料電池システム10Dは6個の燃料電池セル18A〜18Fを備えている。燃料電池セル18A〜18Fはセル収容容器70の内部に、一端部から順に配置されている。燃料電池セル18A〜18Fは、パワーコンディショナ20に接続された電気配線72により、3個の燃料電池セル18A〜18Cが電気的に並列に接続されていると共に、3個の燃料電池セル18D〜18Fが電気的に並列に接続されており、燃料電池セル18A〜18Cのユニットと燃料電池セル18D〜18Fのユニットとが直列に接続されている。   FIG. 8 shows a fuel cell system 10D according to the second embodiment. In FIG. 8, the reformer 12, the burner 14, the operation control unit 22, and the like are not shown. The fuel cell system 10D includes six fuel cells 18A to 18F. Fuel cell 18A-18F is arrange | positioned in the inside of the cell storage container 70 in order from one end part. In the fuel cells 18A to 18F, the three fuel cells 18A to 18C are electrically connected in parallel by the electric wiring 72 connected to the power conditioner 20, and the three fuel cells 18D to 18F are connected. 18F is electrically connected in parallel, and units of the fuel cells 18A to 18C and units of the fuel cells 18D to 18F are connected in series.

また、燃料電池セル18A〜18Fは、一端が燃料制御器16に接続された燃料供給管74により、燃料電池セル18A〜18Cのユニットと燃料電池セル18D〜18Fのユニットに燃料が並列に供給される。また燃料供給管74は、燃料電池セル18A〜18Cのユニット内については、燃料電池セル18A, 18B,18Cの順(セル収容容器70の一端部から中央部へ向かう順)に直列に燃料が供給されるように接続され、燃料電池セル18D〜18Fのユニット内については、燃料電池セル18F, 18E,18Dの順(セル収容容器70の他端部から中央部へ向かう順)に直列に燃料が供給されるように接続されている。   The fuel cells 18A to 18F are supplied with fuel in parallel to the units of the fuel cells 18A to 18C and the units of the fuel cells 18D to 18F through the fuel supply pipe 74 having one end connected to the fuel controller 16. The The fuel supply pipe 74 supplies fuel in series in the order of the fuel cells 18A, 18B, and 18C (in the order from one end portion of the cell container 70 to the central portion) in the units of the fuel cells 18A to 18C. In the units of the fuel cells 18D to 18F, the fuel is serially connected in the order of the fuel cells 18F, 18E, and 18D (from the other end of the cell container 70 toward the center). Connected to be supplied.

本第2実施形態の作用を説明する。複数の燃料電池セル18に直列に燃料を供給した場合、上流側の燃料電池セル18への燃料供給量が下流側の燃料電池セル18への燃料供給量よりも多く(リッチに)なる。これに伴い、上流側の燃料電池セル18が下流側の燃料電池セル18よりも性能が高くなり、よりも大きな電流が流れる。電気的に並列に接続された燃料電池セル18は電圧が等しいため、電流に応じて発熱量が決まり、上流側の燃料電池セル18は下流側の燃料電池セル18よりも発熱量が多く温度が高くなる。   The operation of the second embodiment will be described. When fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells 18, the amount of fuel supplied to the upstream fuel cells 18 is larger (richer) than the amount of fuel supplied to the downstream fuel cells 18. Accordingly, the performance of the upstream fuel cell 18 is higher than that of the downstream fuel cell 18, and a larger current flows. Since the fuel cells 18 electrically connected in parallel have the same voltage, the amount of heat generated is determined according to the current, and the upstream fuel cell 18 has a larger amount of heat than the downstream fuel cell 18 and has a higher temperature. Get higher.

一方、本第2実施形態のように、セル収容容器70内に複数の燃料電池セル18が配置されている場合、一般に、セル収容容器70内における燃料電池セル18の配置位置がセル収容容器70の側壁面に近くなるに従って、燃料電池セル18の放熱が増加して温度が低下する傾向にあり、逆に側壁面から離れるに従って、燃料電池セル18の放熱が減少して温度が上昇する傾向にある。   On the other hand, when a plurality of fuel cells 18 are arranged in the cell container 70 as in the second embodiment, generally, the arrangement position of the fuel cells 18 in the cell container 70 is the cell container 70. As the temperature approaches the side wall surface, the heat dissipation of the fuel cell 18 increases and the temperature tends to decrease. Conversely, as the distance from the side wall surface increases, the heat dissipation of the fuel cell 18 decreases and the temperature tends to increase. is there.

本第2実施形態は、上記のように、セル収容容器70内における燃料電池セル18の配置位置に応じて燃料電池セル18の温度が相違することを利用し、燃料電池セル18A〜18Cのユニットについては、燃料電池セル18A, 18B,18Cの順、すなわちセル収容容器70の側壁面からに近い順に直列に燃料が供給されるように燃料供給管74を接続している。また、燃料電池セル18D〜18Fのユニットについては、燃料電池セル18F, 18E,18Dの順、すなわちセル収容容器70の側壁面からに近い順に直列に燃料が供給されるように燃料供給管74を接続している。   As described above, the second embodiment utilizes the fact that the temperature of the fuel battery cell 18 varies depending on the position of the fuel battery cell 18 in the cell storage container 70, and the units of the fuel battery cells 18A to 18C. Is connected to the fuel supply pipe 74 so that the fuel is supplied in series in the order of the fuel cells 18A, 18B, 18C, that is, from the side wall surface of the cell container 70. In addition, for the units of the fuel cells 18D to 18F, the fuel supply pipe 74 is provided so that the fuel is supplied in series in the order of the fuel cells 18F, 18E, 18D, that is, from the side of the side wall of the cell container 70. Connected.

上記構成により、容器70内の温度が低くなる位置に配置された燃料電池セル18A,18Fについては燃料供給量が多くなることで発熱量が増加する一方、容器70内の温度が高くなる位置に配置された燃料電池セル18C,18Dについては燃料供給量が少なくなることで発熱量が低減するため、セル収容容器70内の燃料電池セル18A〜18Fの温度分布及び電流分布を平準化することができ、燃料電池システム10Dの効率及び耐久性を改善することができる。   With the above configuration, the fuel cells 18A and 18F arranged at positions where the temperature in the container 70 is lowered increase the amount of heat generated by increasing the fuel supply amount, while the temperature in the container 70 becomes higher. Since the calorific value is reduced by reducing the fuel supply amount for the arranged fuel battery cells 18C and 18D, the temperature distribution and current distribution of the fuel battery cells 18A to 18F in the cell container 70 may be leveled. The efficiency and durability of the fuel cell system 10D can be improved.

また、第2実施形態では、セル収容容器70内における燃料電池セル18の配置位置とセル収容容器70の側壁面との距離に応じて燃料電池セル18の温度が相違することを前提にして、燃料電池セル18への燃料の供給順序を決定していたが、これに限定されるものではない。例えばセル収容容器70の中で、放熱面近辺や空気投入経路周囲からの距離が小さい燃料電池セルは温度が低くなり、バーナ14からの距離が小さい燃料電池セルは温度が高くなる傾向がある等のように、セル収容容器70内における燃料電池セル18の温度分布が側壁面からの距離との相関が小さい場合には、セル収容容器70内における燃料電池セル18の実際の温度分布に応じて燃料電池セル18への燃料の供給順序を決定すればよいことは言うまでもない。   Further, in the second embodiment, on the premise that the temperature of the fuel cell 18 is different depending on the distance between the arrangement position of the fuel cell 18 in the cell container 70 and the side wall surface of the cell container 70, Although the order of supplying the fuel to the fuel cells 18 has been determined, the present invention is not limited to this. For example, in the cell container 70, the temperature of a fuel cell having a small distance from the vicinity of the heat radiating surface or the surroundings of the air input path tends to be low, and the temperature of a fuel cell having a small distance from the burner 14 tends to be high. As described above, when the temperature distribution of the fuel cell 18 in the cell container 70 has a small correlation with the distance from the side wall surface, according to the actual temperature distribution of the fuel cell 18 in the cell container 70. Needless to say, the order of supplying the fuel to the fuel cells 18 may be determined.

また、燃料電池セル18を複数用意した場合、用意した複数の燃料電池セル18には製造ばらつき等に起因する性能(電流−電圧特性の傾き:図1〜3参照)のばらつきがあることが多い。このため、第2実施形態において、セル収容容器70内に6個の燃料電池セル18A〜18Fを配置するにあたり、無作為に燃料電池セル18A〜18Fを配置することに代えて、事前に個々の燃料電池セル18A〜18Fの性能を各々測定し、製造ばらつき等に起因する個々の燃料電池セル18A〜18Fの性能のばらつき、セル収容容器70内の温度分布に起因して生ずるセル収容容器70内の配置位置に応じた燃料電池セル18の性能の変化(図3参照)、及び、個々の燃料電池セル18への燃料供給量の差に起因して生ずる燃料供給順序に応じた燃料電池セル18性能の変化を総合的に勘案し、燃料電池システム10の運転状態で個々の燃料電池セルの性能のばらつきが最小となるように、各燃料電池セル18のセル収容容器70内の配置位置を選択し、各燃料電池セル18への燃料の供給順序を選択するようにしてもよい。   When a plurality of fuel cells 18 are prepared, the prepared plurality of fuel cells 18 often have variations in performance (current-voltage characteristic slopes: see FIGS. 1 to 3) due to manufacturing variations. . For this reason, in the second embodiment, in arranging the six fuel cells 18A to 18F in the cell storage container 70, instead of randomly arranging the fuel cells 18A to 18F, individual fuel cells 18A to 18F are arranged in advance. Each of the performances of the fuel cells 18A to 18F is measured, and the variation in the performance of the individual fuel cells 18A to 18F due to manufacturing variation or the like, the temperature distribution in the cell accommodation container 70, and the like. The change of the performance of the fuel cell 18 according to the arrangement position of the fuel cell 18 (see FIG. 3), and the fuel cell 18 according to the fuel supply sequence caused by the difference in the fuel supply amount to the individual fuel cells 18 Considering the change in performance comprehensively, in the operation state of the fuel cell system 10, the variation in the performance of the individual fuel cells is minimized, so that the inside of the cell container 70 of each fuel cell 18. Select location position, it may be selected to supply order of fuel to each fuel cell 18.

〔第3実施形態〕
次に本発明の第3実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Note that the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図9には本第3実施形態に係る燃料電池システム10Eが示されている。なお、図9では改質器12、バーナ14、運転制御部22等の図示を省略している。前述のように、複数の燃料電池セル18に直列に燃料を供給した場合、上流側の燃料電池セル18は下流側の燃料電池セル18よりも発熱量が多く温度が高くなる。   FIG. 9 shows a fuel cell system 10E according to the third embodiment. In FIG. 9, the reformer 12, the burner 14, the operation control unit 22, and the like are not shown. As described above, when fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells 18, the upstream fuel cells 18 generate more heat and have a higher temperature than the downstream fuel cells 18.

本第3実施形態に係る燃料電池システム10Eは、複数の燃料電池セル18への燃料の供給順序に依存する燃料電池セル18の温度のばらつきを軽減するために、図9に示すように、最上流の燃料電池セル18Aの電極面積を燃料電池セル18B,18Cの電極面積よりも小さくし、最下流の燃料電池セル18Cの電極面積を燃料電池セル18A,18Bの電極面積よりも大きくしている。   As shown in FIG. 9, the fuel cell system 10E according to the third embodiment reduces the temperature variation of the fuel cells 18 depending on the fuel supply order to the plurality of fuel cells 18. The electrode area of the upstream fuel cell 18A is made smaller than the electrode area of the fuel cells 18B and 18C, and the electrode area of the most downstream fuel cell 18C is made larger than the electrode area of the fuel cells 18A and 18B. .

一般に、燃料電池セル18の電極面積が大きい方が、単位電流量に対して電流密度が下がるため内部抵抗が低下し、燃料電池セル18の電極面積が小さい方が、単位電流量に対して電流密度が上がるため内部抵抗が増加する傾向にある。このため、電気的に並列に接続した燃料電池セル18に燃料を直列に供給する場合、上記のように、下流側の燃料電池セル18の電極面積をより大きくし、上流側の燃料電池セル18の電極面積をより小さくすることで、上流側の燃料電池セル18に対して下流側の燃料電池セル18の内部抵抗を相対的に低下させることができるので、燃料電池セル18A〜18Cの電流分布及び温度分布を均一化することができ、燃料電池システム10Eの効率及び耐久性を改善することができる。   In general, the larger the electrode area of the fuel battery cell 18, the lower the current density with respect to the unit current amount, so that the internal resistance decreases. The internal resistance tends to increase due to increased density. For this reason, when fuel is supplied in series to the fuel cells 18 electrically connected in parallel, as described above, the electrode area of the downstream fuel cell 18 is increased, and the upstream fuel cell 18 is increased. Since the internal resistance of the downstream fuel cell 18 can be relatively decreased with respect to the upstream fuel cell 18, the current distribution of the fuel cells 18A to 18C can be reduced. In addition, the temperature distribution can be made uniform, and the efficiency and durability of the fuel cell system 10E can be improved.

燃料電池セル18A〜18Cの電流分布及び温度分布を均一化するために必要な電極面積の算出の考え方を以下に説明する。燃料電池セル18の内部抵抗は以下の(4)式で示される。
ΔV=η+IR …(4)
但し、ΔVは開放起電力に対する電圧低下量、ηは燃料電池セルの分極抵抗、Rは燃料電池セルのオーム抵抗、Iは電流値である。(4)式より燃料電池セルを流れる電流は以下の(5)式で書き表される。
I=(ΔV−η)/R …(5)
燃料電池セルの分極抵抗ηもオーム抵抗Rも電極面積によって変化する。また分極抵抗ηは燃料の濃度(燃料供給量)によっても変化する。燃料の濃度が高いほど分極抵抗ηは小さくなるため、図9に示す順序で燃料電池セル18A〜18Cに燃料を供給したとすると、η1<η2<η3となる。
The concept of calculating the electrode area necessary to make the current distribution and temperature distribution of the fuel cells 18A to 18C uniform will be described below. The internal resistance of the fuel cell 18 is expressed by the following equation (4).
ΔV = η + IR (4)
Where ΔV is the amount of voltage drop with respect to the open electromotive force, η is the polarization resistance of the fuel cell, R is the ohmic resistance of the fuel cell, and I is the current value. From the equation (4), the current flowing through the fuel cell is expressed by the following equation (5).
I = (ΔV−η) / R (5)
Both the polarization resistance η and the ohmic resistance R of the fuel cell change depending on the electrode area. The polarization resistance η also changes depending on the fuel concentration (fuel supply amount). Since the polarization resistance η decreases as the fuel concentration increases, assuming that fuel is supplied to the fuel cells 18A to 18C in the order shown in FIG. 9, η1 <η2 <η3.

一方、燃料電池セル18A〜18Cは電気的に並列に接続されているため、燃料電池セル18A〜18Cの電圧低下量ΔVは等しくなる。従って、燃料電池セル18A〜18Cの電極面積が同じでオーム抵抗Rが等しいとすると、I1>I2>I3となり電流分布が生じる。そこで、燃料電池セル18Aの電極面積は小さめに、燃料電池セル18Cの電極面積は大きめに調整し、R1>R2>R3とすることで、電流分布を低減することが可能となる。具体的には、以下の(6)式を満たすように電極面積を調整するのが好ましいが、(6)式に近づけるだけでも電流分布及び温度分布を低減する効果は得られる。
(ΔV−η1)/R1=(ΔV−η2)/R2=(ΔV−η3)/R3 …(6)
On the other hand, since the fuel cells 18A to 18C are electrically connected in parallel, the voltage drop amounts ΔV of the fuel cells 18A to 18C are equal. Therefore, if the electrode areas of the fuel cells 18A to 18C are the same and the ohmic resistance R is equal, I1>I2> I3 and current distribution occurs. Therefore, the current distribution can be reduced by adjusting the electrode area of the fuel battery cell 18C to be larger while the electrode area of the fuel battery cell 18C is adjusted to be larger so that R1>R2> R3. Specifically, it is preferable to adjust the electrode area so as to satisfy the following expression (6), but the effect of reducing the current distribution and the temperature distribution can be obtained simply by approaching the expression (6).
(ΔV−η1) / R1 = (ΔV−η2) / R2 = (ΔV−η3) / R3 (6)

〔第4実施形態〕
次に本発明の第4実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Note that the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図10には本第4実施形態に係る燃料電池システム10Eが示されている。なお、図10では改質器12、バーナ14、運転制御部22等の図示を省略している。これまでに説明した実施形態における燃料電池セル18に代えて、燃料電池セル18を複数積層した燃料電池スタック120(図10参照)を複数用意し、当該複数の燃料電池スタック120を電気的に並列に接続すると共に、直列に燃料を供給した場合についても、燃料の流通方向で上流側の燃料電池スタック120は下流側の燃料電池スタック120よりも発熱量が多く、温度が高くなる。   FIG. 10 shows a fuel cell system 10E according to the fourth embodiment. In FIG. 10, the reformer 12, the burner 14, the operation control unit 22, and the like are not shown. Instead of the fuel cells 18 in the embodiments described so far, a plurality of fuel cell stacks 120 (see FIG. 10) in which a plurality of fuel cells 18 are stacked are prepared, and the plurality of fuel cell stacks 120 are electrically connected in parallel. In addition, when the fuel is supplied in series, the upstream fuel cell stack 120 in the fuel flow direction generates more heat and the temperature is higher than the downstream fuel cell stack 120.

本第4実施形態に係る燃料電池システム10Fは、複数の燃料電池スタック120への燃料の供給順序に依存する燃料電池スタック120の温度のばらつきを軽減するために、図10に示すように、最上流の燃料電池スタック120Aにおける燃料電池セル18の積層数を燃料電池スタック120B,120Cにおける燃料電池セル18の積層数よりも少なくし、最下流の燃料電池スタック120Cにおける燃料電池セル18の積層数を燃料電池スタック120A,120Bにおける燃料電池セル18の積層数よりも多くしている。   As shown in FIG. 10, the fuel cell system 10F according to the fourth embodiment reduces the temperature variation of the fuel cell stack 120 depending on the fuel supply sequence to the plurality of fuel cell stacks 120. The number of stacks of the fuel cells 18 in the upstream fuel cell stack 120A is made smaller than the number of stacks of the fuel cells 18 in the fuel cell stacks 120B and 120C, and the number of stacks of the fuel cells 18 in the most downstream fuel cell stack 120C is reduced. More than the number of stacked fuel cells 18 in the fuel cell stacks 120A and 120B.

燃料電池スタック120全体の電圧は、燃料電池セル18の積層数が多くなるに従って高くなる。このため、電気的に並列に接続した複数の燃料電池スタック120へ直列に燃料を供給する場合に、上記のように、上流側の燃料電池スタック120における燃料電池セル18の積層数を少なくし、下流側の燃料電池スタック120における燃料電池セル18の積層数を多くすることで、上流側の燃料電池スタック120に対し下流側の燃料電池スタック120の電圧を相対的に上げることができる。従って、燃料電池スタック120A〜120Cの電流分布及び温度分布を均一化することができ、燃料電池システム10Fの効率及び耐久性を改善することができる。   The voltage of the entire fuel cell stack 120 becomes higher as the number of stacked fuel cells 18 increases. For this reason, when supplying fuel in series to a plurality of fuel cell stacks 120 electrically connected in parallel, as described above, the number of stacked fuel cells 18 in the upstream fuel cell stack 120 is reduced, By increasing the number of stacked fuel cells 18 in the downstream fuel cell stack 120, the voltage of the downstream fuel cell stack 120 can be relatively increased with respect to the upstream fuel cell stack 120. Therefore, the current distribution and temperature distribution of the fuel cell stacks 120A to 120C can be made uniform, and the efficiency and durability of the fuel cell system 10F can be improved.

燃料電池スタック120A〜120Cの電流分布及び温度分布を均一化するために必要な、燃料電池セル18の積層数の算出の考え方を以下に説明する。燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタック全体の電圧は次の(7)式で示される。
V=N(VOCV−η−IR) …(7)
但し、Vは燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタック全体の電圧、Nは燃料電池セルの積層数、VOCVは燃料電池セルの1枚当たりの開放起電力、ηは燃料電池セルの1枚当たりの分極抵抗、Rは燃料電池セルの1枚当たりのオーム抵抗、Iは電流値である。(7)式より燃料電池セルの電流は次の(8)式で表される。
I=(VOCV−V/N−η)/R …(8)
The concept of calculating the number of stacks of the fuel cells 18 necessary for making the current distribution and temperature distribution of the fuel cell stacks 120A to 120C uniform will be described below. The voltage of the entire fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked is expressed by the following equation (7).
V = N (V OCV −η−IR) (7)
Where V is the voltage of the entire fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, N is the number of stacked fuel cells, V OCV is the open electromotive force per fuel cell, and η is 1 of the fuel cells. The polarization resistance per sheet, R is the ohmic resistance per sheet of fuel cells, and I is the current value. From the equation (7), the current of the fuel cell is expressed by the following equation (8).
I = (V OCV −V / N−η) / R (8)

分極抵抗ηは燃料の濃度によって変化する。分極抵抗ηは燃料が濃くなるに従って小さくなるため、図10に示すように、燃料電池スタック120A〜120Cに直列に燃料を供給したとすると、η1<η2<η3となる。一方、燃料電池スタック120A〜120Cは電気的に並列に接続されているため、電圧Vは燃料電池スタック120A〜120Cとも同じ値になる。従って、燃料電池スタック120A〜120Cにおける燃料電池セルの積層数Nが同一であり、かつ個々の燃料電池セルの特性が同じでオーム抵抗Rが同じ値であるとすると、I1>I2>I3となって電流分布が生じ、これに伴い温度分布も生ずる。そこで、燃料電池スタック120Aの燃料電池セル18の積層数N1を少なくする一方、燃料電池スタック120Cの燃料電池セルの積層数N3を多めに調整し、N1<N2<N3とすることで、電流分布及び温度分布を低減することが可能となる。   The polarization resistance η varies depending on the fuel concentration. Since the polarization resistance η becomes smaller as the fuel becomes thicker, as shown in FIG. 10, if fuel is supplied in series to the fuel cell stacks 120A to 120C, η1 <η2 <η3. On the other hand, since the fuel cell stacks 120A to 120C are electrically connected in parallel, the voltage V has the same value as the fuel cell stacks 120A to 120C. Therefore, assuming that the number N of stacked fuel cells in the fuel cell stacks 120A to 120C is the same, the characteristics of the individual fuel cells are the same, and the ohmic resistance R is the same value, I1> I2> I3. As a result, a current distribution is generated, and a temperature distribution is also generated. Therefore, while reducing the number N1 of the fuel cell stacks 18 in the fuel cell stack 120A, the current distribution is adjusted by adjusting the number N3 of the fuel cell stacks 120C in a large amount so that N1 <N2 <N3. In addition, the temperature distribution can be reduced.

具体的には、次の(9)式を満たすように、各スタック毎の燃料電池セルの積層数を調整することが好ましいが、(9)式に近づけるだけでも電流分布及び温度分布の低減効果は得られる。
V/N1+η1 =V/N2+η2 =V/N3+η3 …(9)
上記の(9)式では、個々の燃料電池セルの特性が同じでオーム抵抗Rが同じ値であることを前提としていたが、温度環境の相違等により各スタック毎に燃料電池セルの特性に差異がある場合は、次の(10)式を満たすように各スタック毎の燃料電池セルの積層数Nを調整してもよい。
(VOCV−V/N1−η1)/R1
=(VOCV−V/N2−η2)/R2
=(VOCV−V/N3−η3)/R3 …(10)
Specifically, it is preferable to adjust the number of stacks of fuel cells for each stack so as to satisfy the following equation (9). Is obtained.
V / N1 + η1 = V / N2 + η2 = V / N3 + η3 (9)
In the above equation (9), it is assumed that the characteristics of the individual fuel cells are the same and the ohmic resistance R is the same value. However, the characteristics of the fuel cells differ for each stack due to differences in temperature environment. If there is, the stacking number N of fuel cells for each stack may be adjusted so as to satisfy the following equation (10).
(V OCV -V / N1-η1) / R1
= (V OCV -V / N2-η2) / R2
= (V OCV -V / N3 -η3) / R3 (10)

なお、第2実施形態では、セル収容容器70内の配置位置に応じた燃料電池セル18の温度分布に応じて燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル18A〜18Cの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。また、第3実施形態では、燃料電池セル18A〜18Cの電極面積を燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル18A〜18Cの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。更に、第4実施形態では、燃料電池スタック120A〜120Cにおける燃料電池セルの積層数を燃料の供給順序に応じて変化させることで、燃料電池セル18A〜18Cの電流分布及び温度分布を低減する態様を説明した。しかし、本発明は上記で説明した態様に限定されるものではなく、上記の3つの態様のうちの少なくとも2つの態様を組み合わせて用いた態様も本発明の権利範囲に含まれる。   In the second embodiment, the current distribution of the fuel cells 18A to 18C is changed according to the fuel supply sequence according to the temperature distribution of the fuel cells 18 according to the arrangement position in the cell container 70. In addition, the aspect of reducing the temperature distribution has been described. Moreover, 3rd Embodiment demonstrated the aspect which reduces the current distribution and temperature distribution of fuel cell 18A-18C by changing the electrode area of fuel cell 18A-18C according to the supply order of fuel. Furthermore, in the fourth embodiment, the current distribution and temperature distribution of the fuel cells 18A to 18C are reduced by changing the number of stacked fuel cells in the fuel cell stacks 120A to 120C in accordance with the fuel supply order. Explained. However, the present invention is not limited to the embodiment described above, and an embodiment using a combination of at least two of the three embodiments is also included in the scope of the right of the present invention.

〔第5実施形態〕
次に本発明の第5実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Note that the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図11には本第5実施形態に係る燃料電池システム10Gが示されている。なお、図11では改質器12、バーナ14等の図示を省略している。図11に示すように、燃料電池システム10Gは2個の燃料電池セル18A,18Bを備えている。一端が燃料制御器16に接続された配管72の他端は三方弁78に接続されている。三方弁78には配管74,76の一端が各々接続され、配管74の他端は燃料電池セル18Aの燃料供給側に接続されており、配管76の他端は燃料電池セル18Bの燃料供給側に接続されている。三方弁78は、配管72を配管74と連通する状態a又は配管72を配管76と連通する状態bに切り替わる。三方弁78は運転制御部22に接続されており、運転制御部22によって状態a,bの切替えが制御される。   FIG. 11 shows a fuel cell system 10G according to the fifth embodiment. In addition, illustration of the reformer 12, the burner 14, etc. is abbreviate | omitted in FIG. As shown in FIG. 11, the fuel cell system 10G includes two fuel cells 18A and 18B. The other end of the pipe 72 whose one end is connected to the fuel controller 16 is connected to the three-way valve 78. One ends of pipes 74 and 76 are connected to the three-way valve 78, the other end of the pipe 74 is connected to the fuel supply side of the fuel cell 18A, and the other end of the pipe 76 is the fuel supply side of the fuel cell 18B. It is connected to the. The three-way valve 78 is switched to a state a where the pipe 72 communicates with the pipe 74 or a state b where the pipe 72 communicates with the pipe 76. The three-way valve 78 is connected to the operation control unit 22, and the operation control unit 22 controls switching between the states a and b.

また、燃料電池セル18Aの燃料排出側には配管82の一端が接続され、配管82は途中で配管84と配管86とに分岐されており、配管84の他端は三方弁80に接続されている。また、燃料電池セル18Bの燃料排出側には配管92の一端が接続され、配管92は途中で配管94と配管96とに分岐されており、配管94の他端は三方弁80に接続されている。三方弁80には燃料極排ガス管44の一端が接続されている。三方弁80は、配管94を燃料極排ガス管44と連通する状態a又は配管84を燃料極排ガス管44と連通する状態bに切り替わる。三方弁80は運転制御部22に接続されており、運転制御部22によって状態a,bの切替えが制御される。   One end of a pipe 82 is connected to the fuel discharge side of the fuel cell 18 </ b> A, the pipe 82 is branched into a pipe 84 and a pipe 86 on the way, and the other end of the pipe 84 is connected to a three-way valve 80. Yes. Further, one end of a pipe 92 is connected to the fuel discharge side of the fuel cell 18B, the pipe 92 is branched into a pipe 94 and a pipe 96 on the way, and the other end of the pipe 94 is connected to the three-way valve 80. Yes. One end of a fuel electrode exhaust pipe 44 is connected to the three-way valve 80. The three-way valve 80 is switched to a state “a” where the pipe 94 communicates with the fuel electrode exhaust pipe 44 or a state “b” where the pipe 84 communicates with the fuel electrode exhaust pipe 44. The three-way valve 80 is connected to the operation control unit 22, and the operation control unit 22 controls switching between the states a and b.

また、配管86の他端は三方弁88に接続され、配管96の他端は三方弁88に接続されており、三方弁88には配管98の一端が接続されている。三方弁88は、配管86を配管98と連通する状態a又は配管96を配管98と連通する状態bに切り替わる。三方弁88は運転制御部22に接続されており、運転制御部22によって状態a,bの切替えが制御される。   The other end of the pipe 86 is connected to the three-way valve 88, the other end of the pipe 96 is connected to the three-way valve 88, and one end of the pipe 98 is connected to the three-way valve 88. The three-way valve 88 switches to a state a where the pipe 86 communicates with the pipe 98 or a state b where the pipe 96 communicates with the pipe 98. The three-way valve 88 is connected to the operation control unit 22, and the operation control unit 22 controls switching between the states a and b.

また、配管98の他端は三方弁90に接続され、三方弁90には配管110,112の一端が各々接続されている。配管110の他端は配管74の中間部に接続され、配管112の他端は配管76の中間部に接続されている。三方弁90は、配管98を配管112と連通する状態a又は配管98を配管110と連通する状態bに切り替わる。三方弁90は運転制御部22に接続されており、運転制御部22によって状態a,bの切替えが制御される。   The other end of the pipe 98 is connected to the three-way valve 90, and one ends of the pipes 110 and 112 are connected to the three-way valve 90. The other end of the pipe 110 is connected to the middle part of the pipe 74, and the other end of the pipe 112 is connected to the middle part of the pipe 76. The three-way valve 90 is switched to a state “a” where the pipe 98 communicates with the pipe 112 or a state “b” where the pipe 98 communicates with the pipe 110. The three-way valve 90 is connected to the operation control unit 22, and the operation control unit 22 controls switching between the states a and b.

また、燃料電池セル18A,18Bとパワーコンディショナ20とを接続する電気配線50,52のうち、燃料電池セル18Aの電流を検出可能な位置には電流センサ114が設けられており、燃料電池セル18Bの電流を検出可能な位置には電流センサ116が設けられている。電流センサ114,116は運転制御部22に接続されており、電流センサ114,116によって検出された燃料電池セル18A,18Bの電流は運転制御部22に入力される。   Further, a current sensor 114 is provided at a position where the current of the fuel battery cell 18A can be detected in the electrical wiring 50, 52 connecting the fuel battery cells 18A, 18B and the power conditioner 20, and the fuel battery cell. A current sensor 116 is provided at a position where the current of 18B can be detected. The current sensors 114 and 116 are connected to the operation control unit 22, and the currents of the fuel cells 18 </ b> A and 18 </ b> B detected by the current sensors 114 and 116 are input to the operation control unit 22.

更に、燃料電池セル18A,18Bには温度センサ102,104が設けられている。温度センサ102,104は運転制御部22に接続されており、温度センサ102,104によって検出された燃料電池セル18A,18Bの温度は運転制御部22に入力される。なお、温度センサ102,104及び電流センサ114,116は本発明における検知部の一例である。   Further, temperature sensors 102 and 104 are provided in the fuel cells 18A and 18B. The temperature sensors 102 and 104 are connected to the operation control unit 22, and the temperatures of the fuel cells 18 </ b> A and 18 </ b> B detected by the temperature sensors 102 and 104 are input to the operation control unit 22. The temperature sensors 102 and 104 and the current sensors 114 and 116 are examples of the detection unit in the present invention.

運転制御部22は、三方弁78,80,88,90に対し、三方弁78,80,88,90を各々状態aに切替える第1の運転状態、又は、三方弁78,80,88,90を各々状態bに切替える第2の運転状態へ切替える制御を行う。   The operation control unit 22 performs a first operation state in which the three-way valves 78, 80, 88, 90 are respectively switched to the state a with respect to the three-way valves 78, 80, 88, 90, or the three-way valves 78, 80, 88, 90. Is controlled to switch to the second operating state that switches to state b.

第1の運転状態では、燃料制御器16から燃料電池セル18Aに燃料が供給された後、燃料電池セル18Aからの燃料極排ガスが燃料電池セル18Bに供給され、燃料電池セル18Bからの燃料極排ガスが燃料極排ガス管44へ排出される。また、第2の運転状態では、燃料制御器16から燃料電池セル18Bに燃料が供給された後、燃料電池セル18Bからの燃料極排ガスが燃料電池セル18Aに供給され、燃料電池セル18Aからの燃料極排ガスが燃料極排ガス管44へ排出される。   In the first operating state, after fuel is supplied from the fuel controller 16 to the fuel cell 18A, the fuel electrode exhaust gas from the fuel cell 18A is supplied to the fuel cell 18B, and the fuel electrode from the fuel cell 18B is supplied. Exhaust gas is discharged to the fuel electrode exhaust pipe 44. Further, in the second operating state, after fuel is supplied from the fuel controller 16 to the fuel cell 18B, the fuel electrode exhaust gas from the fuel cell 18B is supplied to the fuel cell 18A, and from the fuel cell 18A. The fuel electrode exhaust gas is discharged to the fuel electrode exhaust gas pipe 44.

なお、本第5実施形態において、配管72,74,76,82,84,86,92,94,98,110,112及び三方弁78,80,88,90は請求項9に記載の流路の一例であり、運転制御部22は請求項9に記載の切替部の一例である。なお、本第5実施形態における燃料電池セル18A,18Bとしては、低温作動型の燃料電池セル、例えば固体高分子型やりん酸型の燃料電池セルが好適である。   In the fifth embodiment, the pipes 72, 74, 76, 82, 84, 86, 92, 94, 98, 110, 112 and the three-way valves 78, 80, 88, 90 are flow paths according to claim 9. The operation control unit 22 is an example of a switching unit according to claim 9. In addition, as the fuel cells 18A and 18B in the fifth embodiment, a low temperature operation type fuel cell, for example, a solid polymer type or phosphoric acid type fuel cell is suitable.

本第5実施形態の作用を説明する。燃料電池システム10Gが設置される際には、運転制御部22に対し、第1の運転状態で運転するか第2の運転状態で運転するかが指示される。このときの運転状態の指示は、デフォルトで予め設定された運転状態でもよいし、第2実施形態で説明したように、より低温の環境に配置された燃料電池セル18に先に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、第3実施形態で説明したように、燃料電池セル18A,18Bの電極面積が相違されているのであれば、電極面積がより大きい燃料電池セル18に後に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、燃料電池セル18A,18Bの性能を予め測定し、性能がより高い(電流−電圧特性の傾きの絶対値がより小さい)燃料電池セル18に後に燃料が供給される運転状態を選択してもよいし、上記の選択方法を組み合わせて運転状態を選択してもよい。   The operation of the fifth embodiment will be described. When the fuel cell system 10G is installed, the operation control unit 22 is instructed whether to operate in the first operation state or the second operation state. The operation state instruction at this time may be an operation state set in advance by default, or as described in the second embodiment, the fuel is first supplied to the fuel cells 18 disposed in a lower temperature environment. If the electrode areas of the fuel cells 18A and 18B are different from each other as described in the third embodiment, the fuel cell 18 having a larger electrode area can be selected later. The operating state in which fuel is supplied may be selected, or the performance of the fuel cells 18A and 18B is measured in advance, and the performance is higher (the absolute value of the slope of the current-voltage characteristic is smaller). In addition, an operation state in which fuel is supplied later may be selected, or an operation state may be selected by combining the above selection methods.

燃料電池システム10Gの設置が完了し、燃料電池システム10Gの電源が投入されて燃料電池システム10Gの運転開始が指示されると、運転制御部22は、図12に示す燃料電池システム運転制御処理を行う。   When the installation of the fuel cell system 10G is completed, the fuel cell system 10G is turned on, and the operation start of the fuel cell system 10G is instructed, the operation control unit 22 performs the fuel cell system operation control process shown in FIG. Do.

図12に示す燃料電池システム運転制御処理では、まずステップ210において、運転制御部22は、切替フラグに1が設定されているか否か判定する。なお、切替フラグは運転制御部22の不揮発性メモリに記憶されており、燃料電池システム10Gが設置される際に0が設定される。ステップ210の判定が否定された場合はステップ200へ移行し、ステップ200〜ステップ206の処理を行う。なお、ステップ200〜ステップ206は第1実施形態で説明した処理と同一であるので、説明を省略する。   In the fuel cell system operation control process shown in FIG. 12, first, in step 210, the operation control unit 22 determines whether or not 1 is set in the switching flag. Note that the switching flag is stored in the nonvolatile memory of the operation control unit 22, and is set to 0 when the fuel cell system 10G is installed. If the determination in step 210 is negative, the process proceeds to step 200, and the processes in steps 200 to 206 are performed. Steps 200 to 206 are the same as the processing described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

次のステップ216において、運転制御部22は、温度センサ102,104及び電流センサ114,116から、燃料電池システム10Gの燃料電池セル18A,18Bの温度及び電流を取得し、取得した燃料電池セル18A,18Bの温度及び電流のばらつきから、燃料電池セル18A,18Bへの燃料の供給順序を切替えるか否か判定する。   In the next step 216, the operation control unit 22 acquires the temperature and current of the fuel cells 18A and 18B of the fuel cell system 10G from the temperature sensors 102 and 104 and the current sensors 114 and 116, and acquires the acquired fuel cells 18A. , 18B, it is determined whether or not the order of supplying the fuel to the fuel cells 18A, 18B is switched.

上記判定は、具体的には、例えば、燃料の流通方向で現在は下流側となっている燃料電池セル18(現在は後に燃料が供給されている燃料電池セル18)の温度が、現在は上流側となっている燃料電池セル18(現在は先に燃料が供給されている燃料電池セル18)の温度よりも、予め定めた閾値以上低いか否か判定することで行うことができる。   Specifically, for example, the above-described determination is performed when, for example, the temperature of the fuel cell 18 that is currently downstream in the fuel flow direction (currently the fuel cell 18 to which fuel is supplied later) is currently upstream. This can be done by determining whether the temperature is lower than a predetermined threshold value than the temperature of the fuel cell 18 on the side (the fuel cell 18 to which the fuel has been supplied first).

また、上記判定は、具体的には、例えば、燃料の流通方向で現在は下流側となっている燃料電池セル18(現在は後に燃料が供給されている燃料電池セル18)の電流が、現在は上流側となっている燃料電池セル18(現在は先に燃料が供給されている燃料電池セル18)の電流よりも、予め定めた閾値以上低いか否か判定することで行うことができる。   Further, specifically, the determination is made, for example, when the current of the fuel cell 18 that is currently downstream in the fuel flow direction (currently the fuel cell 18 to which fuel is supplied later) is Can be performed by determining whether the current is lower than a predetermined threshold value or more than the current of the fuel cell 18 on the upstream side (the fuel cell 18 to which fuel has been supplied first).

ステップ216の判定が否定された場合はステップ208へ移行する。ステップ208の判定は、燃料電池システム10Gの運転終了が指示される迄は否定され、ステップ210に戻る。従って、ステップ216の判定が否定されている間の運転制御部22の処理は、第1実施形態と同じである。   If the determination in step 216 is negative, the process proceeds to step 208. The determination in step 208 is negative until the end of the operation of the fuel cell system 10G is instructed, and the process returns to step 210. Therefore, the process of the operation control unit 22 while the determination in step 216 is negative is the same as that in the first embodiment.

また、燃料電池システム10Gが設置されてから或る程度の期間が経過し、例えば、この間の燃料電池セル18の経時劣化の度合いが燃料電池セル18Aと燃料電池セル18Bとで大きく相違していた等の場合には、現在は下流側となっている燃料電池セル18の温度が、現在は上流側となっている燃料電池セル18の温度よりも閾値以上低い状態、或いは現在は下流側となっている燃料電池セル18の電流が、現在は上流側となっている燃料電池セル18の電流よりも閾値以上低い状態は生じ得る。また、上記のように温度及び電流の少なくとも一方が閾値以上相違している状態では、現在は上流側となっている燃料電池セル18の劣化も懸念される。   Further, a certain period has elapsed since the installation of the fuel cell system 10G. For example, the degree of deterioration with time of the fuel cell 18 during this period is greatly different between the fuel cell 18A and the fuel cell 18B. In such a case, the temperature of the fuel cell 18 that is currently downstream is lower than the temperature of the fuel cell 18 that is currently upstream, or is currently downstream. A state may occur in which the current of the fuel cell 18 being lower than the current of the fuel cell 18 currently on the upstream side is lower than the threshold value. Further, in the state where at least one of the temperature and the current is different by a threshold value or more as described above, there is a concern that the fuel cell 18 that is currently on the upstream side is deteriorated.

このため、現在は下流側となっている燃料電池セル18の温度及び電流の少なくとも一方が、現在は上流側となっている燃料電池セル18の温度よりも閾値以上低い状態になった場合には、ステップ216の判定が肯定されてステップ218へ移行する。ステップ218において、運転制御部22は、切替フラグに1を設定し、ステップ208へ移行する。   For this reason, when at least one of the temperature and current of the fuel cell 18 currently on the downstream side is lower than the temperature of the fuel cell 18 currently on the upstream side by a threshold value or more, The determination at step 216 is affirmed and the routine proceeds to step 218. In step 218, the operation control unit 22 sets 1 to the switching flag, and proceeds to step 208.

ステップ218で切替フラグに1を設定すると、ステップ210の判定が肯定されてステップ212へ移行する。ステップ212において、運転制御部22は、現在の運転状態が第1の運転状態であれば第2の運転状態へ切替え、現在の運転状態が第2の運転状態であれば第1の運転状態へ切替えることで、燃料電池セル18A,18Bのうち先に燃料を供給する燃料電池セル18を入れ替える。また、次のステップ214において、運転制御部22は、切替フラグに0を設定してステップ210に戻る。   When the switching flag is set to 1 in step 218, the determination in step 210 is affirmed and the routine proceeds to step 212. In step 212, the operation control unit 22 switches to the second operation state if the current operation state is the first operation state, and changes to the first operation state if the current operation state is the second operation state. By switching, the fuel cell 18 that supplies the fuel first is replaced among the fuel cells 18A and 18B. Further, in the next step 214, the operation control unit 22 sets the switching flag to 0 and returns to step 210.

上記処理により、燃料電池セル18の経時劣化の度合いが燃料電池セル18Aと燃料電池セル18Bとで大きく相違していた等の場合や、燃料電池セル18A,18Bの性能の高低の順序が経時的に変化した等の場合にも、燃料電池セル18A,18Cの電流及び温度の相違を低減することができ、燃料電池システム10Gの効率及び耐久性の経時的な低下を抑制することができる。   By the above processing, when the degree of deterioration of the fuel cell 18 with time is greatly different between the fuel cell 18A and the fuel cell 18B, or the order of the performance of the fuel cells 18A, 18B is changed over time. Even in the case of a change to the fuel cell system, the difference in current and temperature of the fuel cells 18A and 18C can be reduced, and the deterioration of the efficiency and durability of the fuel cell system 10G over time can be suppressed.

なお、第5実施形態では、燃料電池セル18が2個の場合を説明したが、より多数の燃料電池セル18が設けられた燃料電池システム10にも適用可能であることは言うまでもない。また、第5実施形態では、燃料電池セル18の温度を検出することで、燃料電池セル18の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値を間接的に検知する態様を説明したが、これに限定されるものではなく、燃料電池セル18毎の出力電流を検知することで、燃料電池セル18の出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値を直接的に検知する構成を採用することも可能である。   In the fifth embodiment, the case where there are two fuel cells 18 has been described. Needless to say, the present invention is also applicable to the fuel cell system 10 provided with a larger number of fuel cells 18. Moreover, although 5th Embodiment demonstrated the aspect which detects indirectly the absolute value of the inclination of the change of the output voltage with respect to the change of the output current of the fuel cell 18 by detecting the temperature of the fuel cell 18. However, the present invention is not limited to this, and a configuration that directly detects the absolute value of the slope of the change in the output voltage with respect to the change in the output current of the fuel battery cell 18 by detecting the output current of each fuel battery cell 18. It is also possible to adopt.

また、上述した各実施形態における燃料電池セルは、本発明における燃料電池の一例に過ぎず、第4実施形態を除く各実施形態における燃料電池セルに代えて、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを用いてもよいことは言うまでもない。   Moreover, the fuel cell in each embodiment mentioned above is only an example of the fuel cell in this invention, it replaces with the fuel cell in each embodiment except 4th Embodiment, and the fuel cell which laminated | stacked multiple fuel cells. Needless to say, a stack may be used.

また、上述した各実施形態で説明した燃料電池システムは本発明の一例に過ぎない。例えば、上述した実施形態では改質器及びバーナが設けられた構成の燃料電池システムを説明したが、外部から燃料が供給される燃料電池システムであれば改質器及びバーナは不要である。外部から燃料が供給される燃料電池システムの一例としては車両等の移動体に搭載される燃料電池システムが挙げられる。このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能であることは言うまでもない。   Further, the fuel cell system described in each of the above-described embodiments is merely an example of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the fuel cell system having the configuration in which the reformer and the burner are provided has been described. However, the reformer and the burner are not necessary if the fuel cell system is supplied with fuel from the outside. An example of a fuel cell system to which fuel is supplied from the outside is a fuel cell system mounted on a moving body such as a vehicle. Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the present invention.

10A,10B,10C,10D,10E,10F,10G…燃料電池システム、16…燃料制御器(制御部)、18A,18B,18C,18D,18E,18F…燃料電池セル(燃料電池)、20…パワーコンディショナ(制御部)、22…運転制御部(制御部)、30…燃料ガス管(流路)、36,40…燃料極排ガス管(流路)、50,52,60,72…電気配線、62,64,74…燃料供給管(流路)、72,74,76,82,84,86,92,94,98,110,112…配管(流路)、78,80,88,90…三方弁(流路)、102,104…温度センサ(検知部) 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G ... Fuel cell system, 16 ... Fuel controller (control unit), 18A, 18B, 18C, 18D, 18E, 18F ... Fuel cell (fuel cell), 20 ... Power conditioner (control part), 22 ... Operation control part (control part), 30 ... Fuel gas pipe (flow path), 36, 40 ... Fuel electrode exhaust pipe (flow path), 50, 52, 60, 72 ... Electricity Wiring, 62, 64, 74 ... fuel supply pipe (flow path), 72, 74, 76, 82, 84, 86, 92, 94, 98, 110, 112 ... piping (flow path), 78, 80, 88, 90 ... Three-way valve (flow path), 102, 104 ... Temperature sensor (detection unit)

Claims (11)

供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、
前記複数の燃料電池に直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、
前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部と、
を含む燃料電池システム。
A plurality of fuel cells that generate electricity using the supplied fuel;
Electrical wiring connecting the plurality of fuel cells in parallel;
A flow path connecting the plurality of fuel cells in series so that fuel is supplied in series to the plurality of fuel cells;
The amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells is controlled by controlling the current of the plurality of fuel cells flowing through the electrical wiring to a magnitude corresponding to a required output. A control unit that controls the amount of fuel in accordance with the current of the entire plurality of fuel cells;
Including fuel cell system.
前記電気配線により並列に接続され、前記流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備え、当該複数の燃料電池群が電気的に直列に接続され、並列に燃料が供給される請求項1記載の燃料電池システム。   A plurality of fuel cell groups including a plurality of fuel cells connected in parallel by the electrical wiring and supplied in series by the flow path, the plurality of fuel cell groups being electrically connected in series and in parallel The fuel cell system according to claim 1, wherein fuel is supplied. 前記電気配線により並列に接続され、前記流路により直列に燃料が供給される複数の燃料電池を含む燃料電池群を複数備え、当該複数の燃料電池群が電気的に直列に接続され、直列に燃料が供給される請求項1記載の燃料電池システム。   A plurality of fuel cell groups including a plurality of fuel cells connected in parallel by the electrical wiring and supplied in series by the flow path, the plurality of fuel cell groups are electrically connected in series, and in series The fuel cell system according to claim 1, wherein fuel is supplied. 供給された燃料により発電する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池を並列に接続する電気配線と、
前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を直列に接続する流路と、
を含む燃料電池システム。
A plurality of fuel cells that generate electricity using the supplied fuel;
Electrical wiring connecting the plurality of fuel cells in parallel;
Among the plurality of fuel cells, an order in which a fuel cell having a smaller absolute value of a change in output voltage with respect to a change in output current is located on the downstream side of the fuel flow direction than a fuel cell having a larger absolute value of the gradient. A flow path connecting the plurality of fuel cells in series so that the fuel is supplied in series at
Including fuel cell system.
前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも高温となる環境に設置された燃料電池である請求項4記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell having a small absolute value of the slope is a fuel cell installed in an environment where the temperature is higher than that of the fuel cell having a large absolute value of the slope. 前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも電極の面積が大きくされた燃料電池である請求項4記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell having a small absolute value of the slope is a fuel cell having an electrode area larger than that of the fuel cell having a large absolute value of the slope. 前記傾きの絶対値が小さい燃料電池は、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料電池セルの積層数が多くされた燃料電池である請求項4記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell having a small absolute value of the slope is a fuel cell in which the number of stacked fuel cells is larger than that of the fuel cell having the large absolute value of the slope. 前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する制御部を更に含む請求項4〜請求項7の何れか1項記載の燃料電池システム。   The amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells is controlled by controlling the current of the plurality of fuel cells flowing through the electrical wiring to a magnitude corresponding to a required output. The fuel cell system according to any one of claims 4 to 7, further comprising a control unit configured to control the amount of fuel according to the current of the plurality of fuel cells as a whole. 前記流路は、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切替可能とされ、
前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方を検知する検知部と、
前記検知部によって検知された前記複数の燃料電池の各々の温度及び出力電流の少なくとも一方に基づいて、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置するように、前記複数の燃料電池を直列に接続する順番を切り替える切替部と、
を更に含む請求項1〜請求項8の何れか1項記載の燃料電池システム。
The flow path can be switched in order to connect the plurality of fuel cells in series,
A detector that detects at least one of a temperature and an output current of each of the plurality of fuel cells;
Based on at least one of the temperature and output current of each of the plurality of fuel cells detected by the detection unit, a fuel cell having a small absolute value of the slope of the change in output voltage relative to the change in output current is an absolute value of the slope. A switching unit that switches the order in which the plurality of fuel cells are connected in series so that the fuel cell is located downstream of the larger fuel cell in the fuel flow direction;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, further comprising:
供給された燃料により発電する複数の燃料電池を、電気配線によって並列に接続すると共に、
前記複数の燃料電池に流路によって直列に燃料を供給し、
前記電気配線に流れる前記複数の燃料電池全体の電流を要求出力に応じた大きさに制御し、かつ、前記複数の燃料電池のうち前記流路の最上流の燃料電池に供給される燃料量を前記複数の燃料電池全体の電流に応じた燃料量に制御する
ことを含む燃料電池システムの運転方法。
A plurality of fuel cells that generate electricity with the supplied fuel are connected in parallel by electric wiring,
Supplying fuel in series by flow paths to the plurality of fuel cells;
The amount of fuel supplied to the most upstream fuel cell in the flow path among the plurality of fuel cells is controlled by controlling the current of the plurality of fuel cells flowing through the electrical wiring to a magnitude corresponding to a required output. A method of operating a fuel cell system, comprising controlling the amount of fuel according to the current of the plurality of fuel cells as a whole.
供給された燃料により発電する複数の燃料電池を電気配線によって並列に接続すると共に、
前記複数の燃料電池のうち、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の傾きの絶対値が小さい燃料電池が、前記傾きの絶対値が大きい燃料電池よりも燃料の流通方向の下流側に位置する順序で直列に燃料が供給されるように、前記複数の燃料電池を流路によって直列に接続する
ことを含む燃料電池システムの構成方法。
A plurality of fuel cells that generate electricity with the supplied fuel are connected in parallel by electric wiring,
Among the plurality of fuel cells, an order in which a fuel cell having a smaller absolute value of a change in output voltage with respect to a change in output current is located on the downstream side of the fuel flow direction than a fuel cell having a larger absolute value of the gradient. A method for configuring a fuel cell system, comprising: connecting the plurality of fuel cells in series by a flow path so that fuel is supplied in series.
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