JP5329306B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する複数の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムに関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。この固体電解質の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池スタックを組み込む電力供給システムでは、例えば、電力需要量の変動に対応するために、あるいは、複数の負荷に対応するために、複数の燃料電池スタックを併設する場合がある。
特許文献１に開示されている電力供給システムは、データを送受信することが可能な制御手段で受信した信号により発電量が制御される複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池の前記制御手段とを送受信することが可能な制御装置を有している。制御装置は、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、複数の燃料電池毎に発電量を検出する発電量検出手段と、前記発電量検出手段で検出された一定期間の発電量を前記複数の燃料電池毎に累積する一定期間発電量累積手段と、前記一定期間発電量累積手段が累積する発電量が所定の閾値を越えたときに累積する発電量をクリアする累積発電量クリア手段と、前記複数の燃料電池の動作順位を決定する動作順位決定手段と、前記電力負荷検出手段で検出された電力負荷と前記動作順位決定手段で決定された動作順位をもとに前記複数の燃料電池毎の発電量を決定する発電量決定手段と、前記発電量決定手段で決定された発電量を前記複数の燃料電池に係る制御手段へ送信する送信手段を備えている。そして、動作順位決定手段は、一定期間発電量累積手段で累積した発電量が大きい前記複数の燃料電池ほど動作順位を高くしている。
これにより、電力需要者毎の電力負荷の変動に対して、複数の燃料電池において動作順位が高いものから発電させることで、最も発電効率がよい最大定格出力で燃料電池相互間で電力補完を行うととともに、動作順位を定期的に変えることで、複数の燃料電池の総発電量の平均化により経年劣化を均等化することができ、複数の燃料電池のメンテナンス時期や交換時期等を平均化することが可能となる、としている。
また、特許文献２は、複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法であって、各固体酸化物形燃料電池スタックの燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御し、システム全体として発電効率を最大にすることを特徴としている。
特開２００９−０４３５２０号公報 特開２００７−０５９３５９号公報
例えば、ＳＯＦＣ等の高温型燃料電池では、燃料電池を効率的に発電させるために、前記燃料電池が熱自立可能な温度範囲にあり、且つ熱自立可能な発電量範囲で発電することが必要である。なお、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
しかしながら、上記の特許文献１では、単に、動作順位を決定して各燃料電池の未発電（未稼動）と発電（稼動）とを切り換えているだけである。このため、燃料電池を予め熱自立可能な温度範囲まで昇温させ、且つ熱自立可能な発電量範囲で発電することが考慮されておらず、ＳＯＦＣの制御に良好に適用させることができないという問題がある。
また、上記の特許文献２では、各固体酸化物形燃料電池スタックの燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御するだけである。従って、燃料電池を予め熱自立可能な温度範囲まで昇温させ、且つ熱自立可能な発電量範囲で発電することが考慮されておらず、ＳＯＦＣの制御に良好に適用させることができないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の燃料電池モジュールを予め熱自立可能な温度範囲まで昇温させ、且つ熱自立可能な発電量範囲で発電させるとともに、負荷追従性の向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電するｎ（ｎ：２以上の自然数）個の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
この燃料電池システムは、ｍ（１≦ｍ＜ｎ：自然数）個目の燃料電池モジュールが、ｍ個目の前記燃料電池モジュールから排ガスを排出させるｍ個目の排ガス排出通路と、ｍ個目の前記排ガス排出通路から分岐するとともに、ｍ個目の前記燃料電池モジュールから（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに前記排ガスを供給して、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールを暖機させるためのｍ個目の排ガス供給通路とを備えている。
そして、制御装置は、ｍ個目の燃料電池モジュールの発電量及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度に基づいて、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率を制御する燃料利用率制御部と、ｍ個目の排ガス排出通路からｍ個目の排ガス供給通路を通って、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される排ガスの流量を制御する排ガス流量制御部と、ｍ個目の前記燃料電池モジュール及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量を制御する発電量制御部とを備えている。
また、制御装置は、ｍ個目の燃料電池モジュールの発電量と予め設定された第１発電量設定値との比較、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの前記発電量と予め設定された前記第１発電量設定値よりも大きな第２発電量設定値との比較、及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度と予め設定された温度設定値との比較を行う比較部を備える。
このため、例えば、ｍ個目の燃料電池モジュールの発電量と予め設定された第１発電量設定値との比較結果、及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度と予め設定された温度設定値との比較結果に基づいて、燃料利用率制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率が低くなるように制御し、且つ排ガス流量制御部は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される前記排ガスの流量が多くなるように制御することができる。
従って、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの温度を増加させることが可能になり、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度を、熱自立可能な温度範囲まで迅速に昇温させることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
一方、例えば、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの温度と予め設定された温度設定値との比較結果、及びｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量と予め設定された第１発電量設定値よりも大きな第２発電量設定値との比較結果に基づいて、発電量制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量が多くなるように制御することができる。
これにより、ｍ個目及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。しかも、第１発電量設定値（排ガスによる暖機開始用閾値）は、第２発電量設定値（稼動開始用閾値）未満である。このため、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の前記燃料電池モジュールの排ガスを介して、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールを予め暖機することができる。従って、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの起動エネルギを最小化することが可能になるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
さらに、この燃料電池システムは、ｍ個目の燃料電池モジュールの発電量が第１発電量設定値以上で、且つ、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度が温度設定値未満である際に、燃料利用率制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率が低くなるように制御し、且つ排ガス流量制御部は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される排ガスの流量が多くなるように制御する。
これにより、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの温度を増加させることができ、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度を、熱自立可能な温度範囲まで迅速に昇温させることが可能になる。
一方、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの温度が温度設定値以上で、且つ、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量が第２発電量設定値以上である際に、発電量制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量が多くなるように制御することが好ましい。このため、ｍ個目及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。
さらにまた、ｎ個目の燃料電池モジュールは、ｎ個目の排ガス排出通路及びｎ個目の排ガス供給通路を介して１個目の前記燃料電池モジュールに連通することが好ましい。従って、各燃料電池モジュールは、各排ガス排出通路及び各排ガス供給通路を介して連通するため、いずれの燃料電池モジュールから稼動を開始しても、全ての燃料電池モジュールを稼動させることができる。
これにより、最初に稼動される燃料電池モジュールを可変にすることによって、各燃料電池モジュールの運転時間を平準化させることが可能になり、燃料電池システムの耐久性の向上が図られる。
また、燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。このため、高温型燃料電池モジュールに最適に採用することができる。
さらに、ｍ個目の排ガス供給通路の一端は、ｍ個目の燃料電池モジュールのｍ個目の排ガス排出通路から分岐するとともに、ｍ個目の前記排ガス供給通路の他端は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの少なくとも燃料電池スタック又は熱交換器のいずれかに連通することが好ましい。
従って、ｍ個目の排ガス供給通路の他端を、燃料電池スタックに連通させると、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の前記燃料電池モジュールの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の前記燃料電池スタックを暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
一方、ｍ個目の排ガス供給通路の他端を、熱交換器に連通させると、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の前記燃料電池モジュールの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の前記熱交換器を流通する酸化剤ガスにより（ｍ＋１）個目の燃料電池スタックを暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
さらにまた、ｎ個目の排ガス供給通路の一端は、ｎ個目の燃料電池モジュールのｎ個目の排ガス排出通路から分岐するとともに、ｎ個目の前記排ガス供給通路の他端は、１個目の前記燃料電池モジュールの少なくとも燃料電池スタック又は熱交換器のいずれかに連通することが好ましい。
このため、各燃料電池モジュールは、各排ガス排出通路及び各排ガス供給通路を介して連通するため、いずれの燃料電池モジュールから稼動を開始しても、全ての燃料電池モジュールを稼動させることができる。
従って、最初に稼動される燃料電池モジュールを可変にすることにより、各燃料電池モジュールの運転時間を平準化させることが可能になり、燃料電池システムの耐久性の向上が図られる。
また、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、高温型燃料電池モジュールに最適に採用することができる。
本発明によれば、ｎ個の燃料電池モジュールを備えているため、運転範囲（発電量範囲）を良好に拡大させることができ、汎用性の向上が図られる。
また、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールを稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の前記燃料電池モジュールの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールを暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
さらに、ｍ個目の燃料電池モジュールの発電量及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度に基づいて、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率が制御され、且つ（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される排ガスの流量が制御される。
従って、ｍ個目の燃料電池モジュールの燃料利用率が減少されて排ガスの流量を増加させた際には、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度を増加させることが可能になる。これにより、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュールの温度を、熱自立可能な温度範囲まで昇温させることができる。
さらにまた、ｍ個目の燃料電池モジュール及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量が制御されるため、ｍ個目の前記燃料電池モジュール及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールを、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムの要部説明図である。 前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 前記燃料電池システムの運転状況の説明図である。 前記制御方法における個別出力及び総合出力の関係説明図である。 前記制御方法における起動順序の説明図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電するｎ（ｎ：２以上の自然数）個の燃料電池モジュール１２ａ〜１２ｎと、前記燃料電池モジュール１２ａ〜１２ｎの発電量を制御する制御装置１４とを備える。
図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１２ａ〜１２ｎ（以下、単に燃料電池モジュール１２ともいう）は、複数の固体酸化物形の燃料電池１６が積層される固体酸化物形の燃料電池スタック１８を備える。燃料電池１６は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体は、円板状に形成されるとともに、シールレスタイプの燃料電池を構成する。
図２に示すように、燃料電池スタック１８の中心部には、燃料ガス供給連通孔２０が積層方向（矢印Ａ方向）に延在して設けられ、前記燃料ガス供給連通孔２０から各燃料電池１６のアノード電極に燃料ガスが供給される。
燃料電池スタック１８の中央縁部には、燃料ガス供給連通孔２０を中心に同心円上に複数の酸化剤ガス供給連通孔２２が設けられ、この酸化剤ガス供給連通孔２２から各燃料電池１６のカソード電極に空気が供給される。排ガス連通孔２４は、アノード電極で使用された燃料ガス及びカソード電極で使用された空気を排出する。
燃料電池スタック１８の積層方向一端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１８に供給する前に加熱する熱交換器２６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器３０とが配設される。
燃料電池スタック１８の積層方向他端側には、必要に応じて燃焼器３２が配設される。燃料電池スタック１８には、燃料電池モジュール１２の温度を検出するための温度センサ３３が装着される。
改質器３０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池１６は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。
熱交換器２６は、燃料電池スタック１８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガスともいう）を流すための排ガス通路３４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路３６とを有する。空気通路３６の下流側は、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス供給連通孔２２に連通する。空気通路３６の上流側は、空気供給管３８を介して酸化剤ガス供給装置４０に連通する。
蒸発器２８の入口側は、原燃料通路４２及び水通路４４を介して原燃料供給装置４６及び水供給装置４８に接続される。蒸発器２８の出口側は、改質器３０に連通するとともに、前記改質器３０は、燃料ガス供給連通孔２０に連通する。
熱交換器２６には、新たな空気と熱交換された排ガスを、燃料電池モジュール１２から排出させる排ガス排出通路５０（５０ａ〜５０ｎ）が設けられる。図１に示すように、排ガス排出通路５０（５０ａ〜５０ｎ）は、流量調整弁（開閉弁も含む）５２（５２ａ〜５２ｎ）を介して排ガス供給通路５４（５４ａ〜５４ｎ）が分岐する。
ｍ（１≦ｍ＜ｎ：自然数）個目の燃料電池モジュール１２ｍは、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍから排ガスを排出させるｍ個目の排ガス排出通路５０ｍと、ｍ個目の前記排ガス排出通路５０ｍから分岐するとともに、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍから（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に前記排ガスを供給して、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を暖機させるためのｍ個目の排ガス供給通路５４ｍとを備える。
ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍは、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を構成する（ｍ＋１）個目の燃料電池スタック１８に連通して前記燃料電池スタック１８に排ガスを供給する。なお、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍは、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を構成する（ｍ＋１）個目の熱交換器２６に連通して前記熱交換器２６に排ガスを供給してもよい。また、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍは、切換弁５６を介装して排ガスを燃料電池スタック１８と熱交換器２６とに選択的に供給するように構成してもよい。
ｎ個目の燃料電池モジュール１２ｎでは、ｎ個目の排ガス供給通路５４ｎの一端は、ｎ個目の前記燃料電池モジュール１２ｎのｎ個目の排ガス排出通路５０ｎから分岐するとともに、ｎ個目の前記排ガス供給通路５４ｎの他端は、１個目の燃料電池モジュール１２ａの少なくとも燃料電池スタック１８又は熱交換器２６のいずれかに連通する。
図２に示すように、制御装置１４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの発電量及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度に基づいて、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率を制御する燃料利用率制御部６０と、ｍ個目の排ガス排出通路５０ｍからｍ個目の排ガス供給通路５４ｍを通って、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に供給される排ガスの流量を制御する排ガス流量制御部６２と、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍ及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の発電量を制御する発電量制御部６４とを備える。
制御装置１４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの発電量と予め設定された第１発電量設定値Ｐ１との比較、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍの発電量と予め設定された前記第１発電量Ｐ１よりも大きな第２発電量設定値Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）との比較、及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度と予め設定された温度設定値Ｔ１との比較を行う比較部６６を備える。
このように構成される燃料電池システム１０の制御動作について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
燃料電池システム１０の運転状況は、例えば、図４に示すように、１個目の燃料電池モジュール１２ａ〜ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍまでが稼動中である。
具体的には、燃料電池モジュール１２ａでは、図２に示すように、原燃料供給装置４６の駆動作用下に、原燃料通路４２には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置４８の駆動作用下に、水通路４４には、水が供給されるとともに、空気供給管３８には、酸化剤ガス供給装置４０を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
蒸発器２８では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器３０に供給される。混合燃料は、改質器３０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする燃料ガス（改質ガス）が得られる。この燃料ガスは、燃料電池スタック１８の燃料ガス供給連通孔２０に供給される。
一方、空気供給管３８から熱交換器２６に供給される空気は、この熱交換器２６の空気通路３６に沿って移動する際、排ガス通路３４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器２６で加温された空気は、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス供給連通孔２２に供給される。
従って、各燃料電池１６のアノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に空気が供給され、化学反応により発電が行われる。反応に使用された燃料ガス及び空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路３４を介して熱交換器２６に供給された後、排ガス排出通路５０（５０ａ）に排出される。
制御装置１４では、先ず、燃料電池システム１０内の稼動中の燃料電池モジュール１２の台数ｍを検出する（図３中、ステップＳ１）。１個目の燃料電池モジュール１２ａ〜ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍまでが稼動中であることが検出されると、ステップＳ２に進んで、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの目標発電量Ｐｔａｒ（ｍ）が設定される。さらに、ステップＳ３に進んで、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が検出される。なお、ステップＳ２とステップＳ３とは、逆の順に行ってもよい。
次に、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍにおいて、目標発電量Ｐｔａｒ（ｍ）と現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）とが比較される（ステップＳ４）。そして、現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、目標発電量Ｐｔａｒ（ｍ）未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、前記現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、第１発電量設定値Ｐ１と比較される。図４に示すように、第１発電量設定値Ｐ１は、燃料電池モジュール１２の定格の５０％〜７０％、より好ましくは、６０％に設定される。この第１発電量設定値Ｐ１は、排ガスを次段の燃料電池モジュール１２に供給するための熱トリガーとして機能する。
ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍにおいて、現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、第１発電量設定値Ｐ１以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）が検出される。
さらに、ステップＳ７に進み、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）が、温度設定値Ｔ１（図４参照）と比較される。温度Ｔ（ｍ＋１）が、温度設定値Ｔ１未満であると判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、燃料利用率制御部６０は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が低くなるように制御し、且つ排ガス流量制御部６２は、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に排ガスの供給が開始又は前記排ガスの流量が増加されるように制御する。
具体的には、図１に示すように、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍにおいて、ｍ個目の排ガス排出通路５０ｍに配設されている流量調整弁５２ｍの開度が調整され（又は排ガス供給通路５４ｍ側に開放され）、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍに供給される排ガスの流量が多くなるように調整される。上記の処理の後、ステップＳ２に戻される。
一方、ステップＳ７において、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）が、温度設定値Ｔ１以上であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。このステップＳ９では、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、第２発電量設定値Ｐ２と比較される。図４に示すように、第２発電量設定値Ｐ２は、燃料電池モジュール１２の定格の９０％〜１００％、より好ましくは、１００％に設定される。この第２発電量設定値Ｐ２は、次段の燃料電池モジュール１２を発電させるための発電トリガーとして機能する。
ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍにおいて、現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、第２発電量設定値Ｐ２以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進む。このステップＳ１０では、発電量制御部６４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの発電量が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の発電量が多くなるように制御する（図５参照）。
そして、ステップＳ１１に進んで、燃料電池システム１０内の稼動台数が、（ｍ＋１）→ｍに設定された後、ステップＳ１２に進む。なお、このステップＳ１１は、省略してもよい。
ステップＳ１２では、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が、燃料利用率Ｕｆ１に設定されるとともに、流量調整弁５２ｍの開度が調整され、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍへの排ガスの供給が停止される。ここで、燃料利用率Ｕｆ１は、図４に示すように、１０％〜８０％、より好ましくは、７０％に設定される。
また、ステップＳ４で、現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、目標発電量Ｐｔａｒ（ｍ）以上であると判断された際（ステップＳ４中、ＮＯ）、及びステップＳ５で、前記現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が、第１発電量設定値Ｐ１未満であると判断された際（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。
この場合、本実施形態では、燃料電池システム１０は、ｎ個の燃料電池モジュール１２ａ〜１２ｎを備えているため、運転範囲（発電量範囲）を良好に拡大ささせることができ、汎用性の向上が図られる。
また、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られるという効果が得られる。
さらに、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）に基づいて、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が制御され、且つ（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に供給される排ガスの流量が制御される。
従って、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が減少されて排ガスの流量を増加させた際には、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度を増加させることが可能になる。これにより、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度を、熱自立可能な温度範囲まで迅速に昇温させることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池１６の動作温度を維持することをいう。
さらにまた、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍ及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の発電量が制御されるため、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍ及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。
また、制御装置１４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）と予め設定された第１発電量設定値Ｐ１との比較、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍの前記現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）と予め設定された前記第１発電量Ｐ１よりも大きな第２発電量設定値Ｐ２との比較、及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）と予め設定された温度設定値Ｔ１との比較を行う比較部６６を備えている。
このため、例えば、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）と予め設定された第１発電量設定値Ｐ１との比較結果（ステップＳ５）、及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）と予め設定された温度設定値Ｔ１との比較結果（ステップＳ７）に基づいて、燃料利用率制御部６０は、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２ｍの燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が低くなるように制御し、且つ排ガス流量制御部６２は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に供給される排ガスの流量が多くなるように制御することができる（ステップＳ８）。
従って、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）を増加させることが可能になり、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）を、熱自立可能な温度範囲（温度設定値Ｔ１）まで迅速に昇温させることができる。
一方、例えば、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）と予め設定された温度設定値Ｔ１との比較結果（ステップＳ７）、及びｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）と予め設定された第１発電量設定値Ｐ１よりも大きな第２発電量設定値Ｐ２との比較結果（ステップＳ９）に基づいて、発電量制御部６４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの発電量が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の発電量が多くなるように制御することができる（ステップＳ１０）。
これにより、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍ及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。しかも、第１発電量設定値（排ガスによる暖機開始用熱トリガー）Ｐ１は、第２発電量設定値（稼動開始用発電トリガー）Ｐ２未満である。このため、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの排ガスを介して、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を予め暖機することができる。従って、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の起動エネルギを最小化することが可能になるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
さらに、この燃料電池システム１０では、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が第１発電量設定値Ｐ１以上で、且つ、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）が温度設定値Ｔ１未満である際に、燃料利用率制御部６０は、ｍ個目の前記燃料電池モジュール１２の燃料利用率Ｕｆ（ｍ）が低くなるように制御し、且つ排ガス流量制御部６２は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）に供給される排ガスの流量が多くなるように制御する。
これにより、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）を増加させることができ、未稼動状態の（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）を、熱自立可能な温度範囲まで迅速に昇温させることが可能になる。
一方、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の温度Ｔ（ｍ＋１）が温度設定値Ｔ１以上で、且つ、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が第２発電量設定値Ｐ２以上である際に、発電量制御部６４は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの現在発電量Ｐｎｏｗ（ｍ）が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の発電量が多くなるように制御する。このため、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍ及び（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を、熱自立可能な発電量範囲で発電させることが可能になる。
さらにまた、ｎ個目の燃料電池モジュール１２ｎは、ｎ個目の排ガス排出通路５０ｎ及びｎ個目の排ガス供給通路５４ｎを介して１個目の燃料電池モジュール１２ａに連通している。従って、各燃料電池モジュール１２ａ〜１２ｎは、各排ガス排出通路５０ａ〜５０ｎ及び各排ガス供給通路５４ａ〜５４ｎを介して連通している。このため、いずれの燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）から稼動を開始しても、全ての燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）を稼動させることができる。
これにより、図６に示すように、最初に稼動される１個目の燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）を可変にすることによって、各燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）の運転時間を平準化させることが可能になり、燃料電池システム１０の耐久性の向上が図られる。
また、燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）は、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池１６を設け、複数の前記燃料電池１６が積層される燃料電池スタック１８と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１８に供給する前に加熱する熱交換器２６と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器３０とを備えている。このため、高温型燃料電池モジュールに最適に採用することができる。
さらに、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍの一端は、ｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍのｍ個目の排ガス排出通路５０ｍから分岐するとともに、ｍ個目の前記排ガス供給通路５４ｍの他端は、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の少なくとも燃料電池スタック１８又は熱交換器２６のいずれかに連通している。
従って、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍの他端を、燃料電池スタック１８に連通させると、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の前記燃料電池スタック１８を暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
一方、ｍ個目の排ガス供給通路５４ｍの他端を、熱交換器２６に連通させると、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）を稼動させる前に、稼動中であるｍ個目の燃料電池モジュール１２ｍの排ガスを介して、予め（ｍ＋１）個目の熱交換器２６を流通する酸化剤ガスにより（ｍ＋１）個目の燃料電池スタック１８を暖機することが可能になる。これにより、稼動台数の増加（負荷増加）時に、（ｍ＋１）個目の燃料電池モジュール１２（ｍ＋１）の起動エネルギを最小化することができるとともに、負荷追従性の向上が図られる。
さらにまた、ｎ個目の排ガス供給通路５４ｎの一端は、ｎ個目の燃料電池モジュール１２ｎのｎ個目の排ガス排出通路５０ｎから分岐するとともに、ｎ個目の前記排ガス供給通路５４ｎの他端は、１個目の燃料電池モジュール１２ａの少なくとも燃料電池スタック１８又は熱交換器２６のいずれかに連通している。
このため、各燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）は、各排ガス排出通路５０（５０ａ〜５０ｎ）及び各排ガス供給通路５４（５４ａ〜５４ｎ）を介して連通するため、いずれの燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）から稼動を開始しても、全ての燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）を稼動させることができる。
従って、最初に稼動される燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）を可変にすることにより、各燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）の運転時間を平準化させることが可能になり、燃料電池システム１０の耐久性の向上が図られる。
また、燃料電池モジュール１２（１２ａ〜１２ｎ）は、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、高温型燃料電池モジュールに最適に採用することができる。
１０…燃料電池システム
１２、１２ａ〜１２ｎ…燃料電池モジュール
１４…制御装置 １８…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給連通孔 ２２…酸化剤ガス供給連通孔
２４…排ガス連通孔 ２６…熱交換器
２８…蒸発器 ３０…改質器
３２…燃焼器 ３３…温度センサ
３４…排ガス通路 ３６…空気通路
３８…空気供給管 ４０…酸化剤ガス供給装置
４２…原燃料通路 ４４…水通路
４６…原燃料供給装置 ４８…水供給装置
５０、５０ａ〜５０ｎ…排ガス排出通路
５２、５２ａ〜５２ｎ…流量調整弁 ５４、５４ａ〜５４ｎ…排ガス供給通路
５６…切換弁 ６０…燃料利用率制御部
６２…排ガス流量制御部 ６４…発電量制御部
６６…比較部

Claims (6)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電するｎ（ｎ：２以上の自然数）個の燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システムであって、
    ｍ（１≦ｍ＜ｎ：自然数）個目の前記燃料電池モジュールは、ｍ個目の前記燃料電池モジュールから排ガスを排出させるｍ個目の排ガス排出通路と、
    ｍ個目の前記排ガス排出通路から分岐するとともに、ｍ個目の前記燃料電池モジュールから（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに前記排ガスを供給して、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールを暖機させるためのｍ個目の排ガス供給通路と、
    を備えるとともに、
    前記制御装置は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度に基づいて、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率を制御する燃料利用率制御部と、
    ｍ個目の前記排ガス排出通路からｍ個目の前記排ガス供給通路を通って、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される前記排ガスの流量を制御する排ガス流量制御部と、
    ｍ個目の前記燃料電池モジュール及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量を制御する発電量制御部と、
    ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量と予め設定された第１発電量設定値との比較、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの前記発電量と予め設定された前記第１発電量設定値よりも大きな第２発電量設定値との比較、及び（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度と予め設定された温度設定値との比較を行う比較部と、
    を備え、
    ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量が前記第１発電量設定値以上で、且つ、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの温度が前記温度設定値未満である際に、
    前記燃料利用率制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの燃料利用率が低くなるように制御し、且つ前記排ガス流量制御部は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールに供給される前記排ガスの流量が多くなるように制御する一方、
    （ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの前記温度が前記温度設定値以上で、且つ、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの前記発電量が前記第１発電量設定値よりも大きな第２発電量設定値以上である際に、
    前記発電量制御部は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールの発電量が少なくなるように制御するとともに、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの発電量が多くなるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、ｎ個目の前記燃料電池モジュールは、ｎ個目の前記排ガス排出通路及びｎ個目の前記排ガス供給通路を介して１個目の前記燃料電池モジュールに連通することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、少なくとも電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
    前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
    炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
    前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、ｍ個目の前記排ガス供給通路の一端は、ｍ個目の前記燃料電池モジュールのｍ個目の前記排ガス排出通路から分岐するとともに、
    ｍ個目の前記排ガス供給通路の他端は、（ｍ＋１）個目の前記燃料電池モジュールの少なくとも前記燃料電池スタック又は前記熱交換器のいずれかに連通することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、ｎ個目の前記排ガス供給通路の一端は、ｎ個目の前記燃料電池モジュールのｎ個目の前記排ガス排出通路から分岐するとともに、
    ｎ個目の前記排ガス供給通路の他端は、１個目の前記燃料電池モジュールの少なくとも前記燃料電池スタック又は前記熱交換器のいずれかに連通することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
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