JP6205282B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、系統電源からの電力供給がない場合でも、起動が可能な燃料電池システムに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、この燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池システムが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池セルは、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができるように構成されている。

ところで次世代エネルギーとして期待される燃料電池システムにおいて、燃料電池モジュールに燃料ガスや酸素含有ガスなどを供給するためのポンプ等の補機の多くは電力により稼働する電動式である。従って、例えば、系統電源の停電時において、燃料電池システムの運転が一旦停止すると、その後、停電が回復するまで、燃料電池システムの起動ができないという問題があった。

このため、従来、停止していた燃料電池システムを系統電源の停電時に起動させる際には、例えば大容量の蓄電池を用い、全ての補機に電力を供給して稼働させ起動していた（例えば、特許文献２、３、４参照）。

特開２００７−５９３７７号公報 特開２００７−２０７６６１号公報 特開２００８−２２６５０号公報 特開２００８−２６９９０８号公報

しかしながら、上記した特許文献２〜４に記載された燃料電池システムでは、複数のスタック装置の発電に必要な全ての補機に電力を供給して稼働させていたため、燃料電池システムが大型化すると、大容量の蓄電池を用いて起動する必要があり、燃料電池システムのコストが高くなるという問題があった。

本発明は、系統電源からの電力供給がない場合でも、小容量の蓄電池で起動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。

本発明の燃料電池システムは、系統電源に連系し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池スタック、該燃料電池スタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管および前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を備える、複数のスタック装置と、前記燃料電池スタックの発電に用いる補機と、蓄電池と、該蓄電池から前記補機に電力を供給するように電力供給経路を切り替える補機電力切替器と、該補機電力切替器を制御する制御装置とを具備し、前記蓄電池は、前記複数のスタック装置のうち一部のスタック装置のみの起動に必要な電力を前記補機に供給し、前記制御装置は、停止している燃料電池システムを起動する際に、前記一部のスタック装置の起動に必要な前記補機に対して、前記蓄電池から電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記一部のスタック装置を起動して所定の電力を得るとともに、前記一部のスタック装置以外の他のスタック装置の起動に必要な前記補機に対して、前記一部のスタック装置によって発電された電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記他のスタック装置を起動することを特徴とする。

本発明の本発明の燃料電池システムでは、停止している燃料電池システムを起動する際に、複数のスタック装置のうち一部のスタック装置のみの起動に必要な電力を補機に供給し、まず一部のスタック装置を起動して、他のスタック装置の起動に必要な所定の電力を発電するので、停止している大型の燃料電池システムを起動する場合であっても、小容量の蓄電池で起動することができる。

（ａ）は、燃料電池スタックがそれぞれ収納容器内に収容され、かつ燃料電池スタックを駆動するための補機をそれぞれ有する燃料電池システムの概念図、（ｂ）は燃料電池スタックがそれぞれ収納容器内に収容され、かつ、共用補機を有する燃料電池システムの概念図である。 発電ユニットと貯湯ユニットとを備える燃料電池システムの一形態を示す構成図である。 燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。 図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池システムを概略的に示す分解斜視図である。 燃料電池スタックがそれぞれ収納容器内に収容され、かつ、それぞれ共用補機を有するとともに、一つの燃料電池スタックに専用補機を有する燃料電池システムの概念図である。 燃料電池モジュールを示す断面図である。 （ａ）は、複数の燃料電池スタックが一つの収納容器内に収容され、かつ燃料電池スタックを駆動するための補機をそれぞれ有する燃料電池システムの概念図、（ｂ）は複数の燃料電池スタックが一つの収納容器内に収容され、かつ、それぞれ共用補機を有する燃料電池システムの概念図である。 複数の燃料電池スタックが一つの収納容器内に収容され、かつ、それぞれ共用補機を有するとともに、一つの燃料電池スタックに専用補機を有する燃料電池システムの概念図である。

図１は、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）を備える燃料電池システムの一形態を示す概念図である。なお、図１においては、燃料電池装置として固体酸化物形の燃料電池を用いる場合を示しており、以降の説明においては、燃料電池として固体酸化物形の燃料電池を例示して説明する。なお、燃料電池として固体高分子形の燃料電池を用いた燃料電池装置とすることもでき、その場合、固体高分子形の燃料電池にあわせて、適宜燃料電池装置の構成を変更すればよい。

燃料電池システムは、図１（ａ）および図２に示すように、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、それぞれの燃料電池装置１に接続され、熱交換後の湯水を貯湯する一つの貯湯ユニット２と、燃料電池装置１と貯湯ユニット２間を水が循環するための循環配管１５とから構成されている。燃料電池装置１、貯湯ユニット２を、それぞれを図２に一点鎖線で囲って示す。なお、図２では、１個の燃料電池装置１に貯湯ユニット２が接続されている状態を記載している。

燃料電池装置１は、系統電源に連系し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池スタック（以下、セルスタックということがある）５、都市ガス等の原燃料を供給する燃料ガス供給管１８、セルスタック５に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管１９、原燃料と酸素含有ガスまたは水蒸気とにより原燃料を改質する改質器３を備えている。

燃料ガス供給管１８は電動式のポンプＰを具備し、このポンプＰで原燃料、例えば、都市ガス、プロパンガス等を改質器３に供給している。酸素含有ガス供給管１９は電動式のブロアＢを具備し、このブロアＢで酸素含有ガス、例えば空気をセルスタック５に供給している。セルスタック５、燃料ガス供給管１８および酸素含有ガス供給管１９でスタック装置２１を構成しており、後述する収納容器２２内にスタック装置２１を収容して燃料電池モジュール４が構成されている。燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、それぞれこのスタック装置２１を具備している。

なお、後述するが、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで、図３、４に示すような燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある）が構成されている。図２においては、モジュール４を二点鎖線により囲って示している。

また、図２に示す燃料電池システムにおいては、熱交換器８で生成された凝縮水を処理するための凝縮水処理装置９と、凝縮水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。燃料電池装置１の熱交換器８と貯湯ユニット２の貯湯タンク１６との間は、水を循環させる循環配管１５とで接続されている。熱交換器８では、燃料電池装置１のセルスタック５の発電により生じた排ガス（排熱）と、貯湯ユニット２の水との間で熱交換を行なうように構成されている。

なお、熱交換器８での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置９を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置９が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク１１を設けない構成とすることもできる。

水タンク１１と改質器３とは水供給管１３により接続されており、この水供給管１３には水供給装置である水ポンプ１２が設けられており、水タンク１１に貯水された水は水ポンプ１２により改質器３に供給されるように構成されている。

さらに図２に示す燃料電池装置１には、補機として、パワーコンディショナ（供給電力調整部）６、パワーコンディショナ６の換気ファン（図示せず）、燃料ガス供給管１８のポンプＰ、酸素含有ガス供給管１９のブロアＢのほか、収納容器２２内の各種センサ、循環配管１５内の水を循環させる循環ポンプ１７、後述する図５に示す燃料電池装置４６の外装板４９の排気口５３に設けられた換気ファン（図示せず）、出口水温センサ１４、後述する着火装置等が設けられている。

なお、図１（ａ）に示す燃料電池システムの燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）についても、それぞれ図２に示す補機を有しているが、図１（ａ）においては、燃料ガス供給管１８のポンプＰ、酸素含有ガス供給管１９のブロアＢのみ記載している、
パワーコンディショナ６は、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電力を外部の負荷に供給する量を調整するものである。出口水温センサ１４は、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定する。

そして、一点鎖線で囲った燃料電池モジュール４を外装ケース内に収納するとともに、一点鎖線で囲った範囲の燃料電池装置１のうち、二点鎖線で囲った範囲を除くものは、補機として、後述する外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置１とすることができる。

本実施形態では、図１（ａ）に示したように、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄ）を有しており、一つの貯湯ユニット２は、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）に接続され、それぞれの燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の熱交換器８において熱交換されて高温の湯水が貯湯タンク１６に溜められる。それぞれの燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）内にはそれぞれスタック装置２１を有している。

さらに、燃料電池システムは、図２に示したように、蓄電池２０を具備している。この蓄電池２０は、例えば、車両用のバッテリー、二次電池、乾電池等の少なくとも一つから構成されている。特に、小型で、安価な乾電池からなることが望ましい。

蓄電池２０は制御装置７に接続されており、蓄電池２０からそれぞれの燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の補機に電力供給できるように構成されている。制御装置７は、停止していた燃料電池システムを起動する際に、４つ燃料電池装置１（スタック装置）のうち一部の燃料電池装置１（のスタック装置）の起動に必要な補機に対して、蓄電池２０から電力を供給するように補機電力切替器５７を制御する。

すなわち、制御装置７は、蓄電池２０からそれぞれの補機への電力供給をＯＮ・ＯＦＦに切り替える補機電力切替器５７に接続されており、制御装置７は、蓄電池２０からの電力を、制御装置７にて電力供給必要とされた補機にのみ供給するように補機電力切替器５７を制御している。この補機電力切替器５７は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により構成されている。これにより、４つの燃料電池装置１（スタック装置）のうち一つの燃料電池装置１（スタック装置）を起動できる。

そして、制御装置７は、一つの燃料電池装置１を起動した後に、起動した燃料電池装置１から所定の電力が得られるようになった場合に、起動している燃料電池装置１以外の他の燃料電池装置１の起動に必要な補機に対して、先に起動した燃料電池装置１が発電した電力を供給するように補機電力切替器５７を制御し、他の燃料電池装置１を起動し、燃料電池システムを起動する。例えば、図１（ａ）の燃料電池装置１ｂを起動し、所定電力量が得られるようになった後に、燃料電池装置１ｂの発電電力を、他の燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄの起動に必要な補機に対して供給するように、補機電力切替器５７が制御される。

従って、本形態の燃料電池システムでは、停止している燃料電池システムを起動する際に、複数の燃料電池装置１のうち一部の燃料電池装置１の起動に必要な補機に対して、蓄電池２０から電力を供給し、複数の燃料電池装置１のうち一部の燃料電池装置１を起動するので、停止している、例えば、３ｋｗ級以上の大型の燃料電池システムを、小容量の蓄電池２０で起動することができる。このような燃料電池システムでは、特に系統電源の停電時において有用である。

なお、例えば、燃料電池装置１ｂのみに蓄電池２０、補機電力切替器５７を設け、起動する際に、先ず、蓄電池２０から燃料電池装置１ｂの補機を駆動させ、起動発電させた後、燃料電池装置１ｂの発電電力を用いて他の燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄを起動させても良い。

図３、図４は、燃料電池装置１を構成するモジュール４の一形態を示し、図３はモジュール４を示す外観斜視図であり、図４は図３に示すモジュール４の断面図である。

図３に示すモジュール４においては、収納容器２２の内部に、複数の柱状の燃料電池セル２３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でガスタンク２４に固定してなるセルスタック５を２つ備えるスタック装置２１を収納している。セルスタック５は
、複数の燃料電池セル２３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２３間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。燃料電池セル２３は、内部を燃料ガスが流通するガス流路（図示せず）を有している。

なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル２３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図３においては、セルスタック装置２１が２個のセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１個だけ備えていてもよく、３個以上備えていても良い。

また、収納容器２２には、後述する燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させるための電動式の第１、第２の着火装置３０、３１、モジュール４内の温度を測定するための熱電対３２が設けられている。

また、図３においては、燃料電池セル２３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２３を例示している。なお、燃料電池セル２３においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもできる。この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール４の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セル２３は中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２２の形状を適宜変更することが好ましい。

また、図３に示すモジュール４においては、燃料電池セル２３の発電で使用する燃料ガスを得るために、改質器３をセルスタック５の上方に配置している。この改質器３に、原燃料ガス供給管１８を介して都市ガス等の原燃料を供給し、改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成する。

また、改質器３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質と、部分酸化改質とを行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部２６と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２５とを備えている。

改質触媒としては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質も可能な燃焼触媒を用いることができる。

そして、図３に示すように、改質器３で生成された燃料ガス（水素含有ガス）は、燃料ガス流通管２７を介してガスタンク２４に供給され、ガスタンク２４より燃料電池セル２３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置２１の構成は、燃料電池セル２３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばスタック装置２１に改質器３を含むこともできる。

また図３においては、収納容器２２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるスタック装置２１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール４においては、スタック装置２１を、収納容器２２内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器２２の内部には、酸素含有ガスが燃料電池セル２３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、空気等の酸素含有ガス（反応ガス）を供給するための反応ガス導入部材２９が配置されている。この反応ガス導入部材２９は、ガスタンク２４に並置されたセルスタック５の間に配置されている。

図４に示すように、モジュール４を構成する収納容器２２は、内壁３３と外壁３４とを有する二重構造で、外壁３４により収納容器２２の外枠が形成されるとともに、内壁３３によりセルスタック装置２１を収納する発電室３５が形成されている。さらに収納容器２２においては、内壁３３と外壁３４との間を、燃料電池セル２３に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路４０としている。この反応ガス流路４０に、酸素含有ガス供給管１９が接続されている。

ここで、収納容器２２内には、反応ガス導入部材２９が、内壁３３を貫通して挿入されて固定されている。反応ガス導入部材２９は、収納容器２２の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部４４とを備え、下端部に燃料電池セル２３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口３６が設けられている。

なお、図４においては、空気等の反応ガスを収納容器２２内に導入する反応ガス導入部材２９が、収納容器２２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材２９を２つ設け、セルスタック５を両側から挟み込むように配置することができる。

また発電室３５内には、モジュール４内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール４内の温度を高温に維持するための断熱部材３７が適宜設けられている。

断熱部材３７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル２３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル２３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３７を配置することが好ましい。

なお、セルスタック５の両側に断熱部材３７を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材２９より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル２３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

なお、セルスタック５の両側に配置された断熱部材３７においては、燃料電池セル２３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル２３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３８が設けられている。なお、複数の断熱部材３７を組み合わせて開口部３８を形成するようにしてもよい。

また、燃料電池セル２３の配列方向に沿った内壁３３の内側には、排ガス用内壁３９が設けられており、内壁３３と排ガス用内壁３９との間が、発電室３５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路４１とされている。なお、排ガス流路４１は、収納容器２２の底部に設けられた排気孔４５と通じている。

それにより、モジュール４の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路４１を流れた後、排気孔４５より排気される構成となっている。なお、排気孔４５は収納容器２２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

ここで、モジュール４においては、後述する燃料電池セル２３を通過した燃料ガスに着火させるための電動式の着火装置３０、３１が、燃料電池セル２３と改質器３との間に位置するように、収納容器２の両側面よりそれぞれ挿入されている。

固体酸化物形の燃料電池においては、燃料電池セル２３が発電可能となる温度が高温であるため、燃料電池装置の起動工程においてはモジュール４の温度を高温に上昇させる必要があり、また燃料電池装置の通常運転工程には、モジュール４を高温に維持する必要がある。ここで、図３および図４に示す燃料電池装置においては、着火装置３０、３１を作動させて、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスを燃焼させることで、モジュール４の温度を向上させることができ、それにより燃料電池装置の起動処理を行なうことができる。あわせて、改質器３の温度も向上させることができる。

なお、反応ガス導入部材２９の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための熱電対３２が配置されており、熱電対３２の測温部４３が燃料電池セル２３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル２３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

図５に示す燃料電池装置４６は、支柱４７と外装板４９とから構成される外装ケース内を仕切板４８により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール４を収納するモジュール収納室５０とし、下方側をモジュール４を動作させるための補機類を収納する補機収納室５１として構成されている。なお、図５においては、補機収納室５１に収納する補機類を省略して示しているが、図２に示す構成においては、補機収納室５１内に、水供給装置である水ポンプ１２、水タンク１１、パワーコンディショナ（供給電力調整部）６、制御装置７、循環ポンプ１７および凝縮水処理装置９等の各装置（補機）が収納されている。

また、仕切板４８は、補機収納室５１の空気をモジュール収納室５０側に流すための空気流通口５２が設けられており、モジュール収納室５０を構成する外装板４９の一部に、モジュール収納室５０内の空気を排気するための排気口５３が設けられている。排気口５３には、図示しないが換気ファンが設けられている。

系統電源の停電時とは、燃料電池システムへの電力会社からの電力供給が停止されている状態をいい、例えば、自然災害等により送電線が破壊されて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合、各家庭内における燃料電池システムへの配線が切断等されて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合、各家庭内に配置されているブレーカーが落ちて燃料電池システムへの電力供給が停止されている場合等がある。

なお、起動するとは、一旦発電していた燃料電池装置が停止した後に再起動する際も含む概念である。すなわち、燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止するとともに、負荷への電力供給を停止した、燃料電池の運転を停止した状態から再起動する場合も含む。

そして、本実施形態の燃料電池システムでは、起動スイッチを押すことにより起動を開始し、負荷（補機も含む）への電力供給を開始し始めるまでを起動工程といい、負荷への電力供給を開始し始めた状態から、負荷への電力供給を停止するまでを通常運転工程といい、電力供給を停止した後に燃料電池セルを降温するまでを停止工程という。

起動工程では、少なくとも原燃料、酸素含有ガスが必要とされるため、最小限必要な補機としては、例えば、制御装置７、原燃料ガス供給管１のポンプＰ、酸素含有ガス供給管２のブロアＢがある。

起動する際には、先ず、系統電源と蓄電池２０との電力供給源を切り換えるための電力供給源切替器ＳＷを切り替え、制御装置７に蓄電池２０からの電力を供給する。この電力供給源切替器ＳＷは通常手動にて切り換える。なお、電力供給源切替器ＳＷは、電力供給源を蓄電池２０から燃料電池装置に切り換えることが可能であり、制御装置７は、起動工程から通常運転工程になった際に、電力供給源切替器ＳＷを制御し、電力供給源を蓄電池２０から燃料電池装置に切り換え、燃料電池装置からの発電電力が補機等に供給されるように制御する。

制御装置７は、停止している燃料電池システムを起動する際に、例えば、４つの燃料電池装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうち燃料電池装置１ｂの起動に必要な補機に対して、蓄電池２０から電力を供給するように補機電力切替器ＳＷを制御し、４つの燃料電池装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうち燃料電池装置１ｂを起動する。そして、燃料電池装置１ｂが所定量発電するようになると、燃料電池装置１ｂで発電した電力を、燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄの起動に必要な補機に供給するように、補機電力切替器ＳＷを制御し、燃料電池システムを起動する。

ここで、燃料電池システムを起動するには、系統電源を用いる場合と蓄電池を用いる場合があるが、図１に示した燃料電池装置について系統電源を用いた通常起動工程および通常運転工程について説明する。系統電源からの電力供給がある場合には、起動時に、電力供給源切替器ＳＷにより系統電源から電力供給されるようになっており、先ず原燃料ガス供給管１の電動式のポンプＰ、酸素含有ガス供給管２の電動式のブロアＢを作動させる。この時点ではモジュール４の温度が低いため、燃料電池セル２３での発電や改質器３での改質反応は行なわれない。なお、補機電力切替器５７は、全ての補機に電力を供給するように制御されている。

次に、燃料電池装置１のモジュール４に設けられた着火装置３０、３１を作動させる。それにより、原燃料ガス供給管１のポンプＰより供給され、燃料電池セル２３を通過した燃料ガスが燃焼し、その燃焼熱により、モジュール４や改質器３の温度が上昇する。改質器３の温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水供給装置である水ポンプ１２を作動させ改質器３に水を供給する。それにより、改質器３にて燃料電池セル２３の発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。燃料電池セル２３は、発電開始可能な温度となれば、改質器３にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給管２より供給される酸素含有ガスとで発電を開始する。

ここで、燃料電池装置の起動工程を完了させ、通常運転工程に切り替える。セルスタック５で生じた電力は、パワーコンディショナ６にて交流に変換された後、外部負荷の要求に応じて、制御装置７により外部負荷に供給制御されるとともに、補機にも、系統電源からの電力供給に替えてセルスタック５からの電力が供給されるように、電力供給源切替器ＳＷが制御される。

なお、制御装置７は、セルスタック５の発電量に対応して必要となる酸素含有ガスを供給するように、酸素含有ガス供給管２の電動式のブロアＢの動作を制御し、あわせて、改質器３にて、セルスタック５の発電量に対応して必要となる燃料ガスを生成するように、原燃料ガス供給管１の電動式のポンプＰの動作を制御するとともに、水供給装置である電動式の水ポンプ１２の動作を制御する。

セルスタック５の運転に伴って生じた排ガスは、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、凝縮
水処理装置９に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水供給装置である電動式の水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

図１（ｂ）は、他の形態の燃料電池システムを示すもので、この形態では、４個のスタック装置２１は、それぞれ収納容器２２内に収容されており、それぞれのスタック装置に対応する補機が共用されている。

すなわち、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）には、例えば、それぞれ原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９が接続されており、これらの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９はそれぞれ連結され、１個の電動式のポンプＰ、電動式のブロアＢが接続されている。４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）に接続された原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、電磁弁６１がそれぞれ設けられており、これらの電磁弁６１は制御装置７により開閉制御される。

このような燃料電池システムでは、起動する際には、例えば、燃料電池装置１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を開とし、燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を閉とし、燃料電池装置１ｂを起動させて発電させ、この後、燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を開とし、燃料電池装置１ｂの発電電力を用いて補機を駆動させ、燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄを起動発電させることができる。

図６は、さらに他の形態の燃料電池システムを示すもので、この形態では、４個のスタック装置２１は、それぞれ収納容器２２内に収容されており、それぞれのスタック装置２１に対応する補機が共用されている。また、燃料電池装置１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、専用の補機が接続されている。

すなわち、４個の燃料電池装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）には、例えば、それぞれ原燃料ガス供給管１、酸素含有ガス供給管２が接続されており、これらの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９はそれぞれ連結され、１個の電動式のポンプＰ、電動式のブロアＢが接続されている。一方、燃料電池装置１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、この燃料電池装置１ｂにだけに原燃料ガス、酸素含有ガスを供給するための専用の補機（電動式のポンプＰ１、電動式のブロアＢ１）が接続されている。

このような燃料電池システムでは、起動する際には、例えば、専用の補機（電動式のポンプＰ１、電動式のブロアＢ１）を蓄電池２０で駆動させ、燃料電池装置１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９を介してガスを供給し、燃料電池装置１ｂを起動させて発電させ、この後、専用の補機の駆動を停止し、燃料電池装置１ｂの発電電力を用いて共用の補機を駆動させ、燃料電池装置１ａ、１ｃ、１ｄを起動発電させることができる。

図７は、さらに他の形態の燃料電池システムを示すもので、この形態では、４個のスタック装置２１は一つの収納容器２２内に収容されており、図８（ａ）に示すように、それぞれのスタック装置２１に対応する補機を具備している。

すなわち、４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）には、例えば、それぞれ原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９が配置されており、これらの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９はそれぞれ電動式のポンプＰ、電動式の
ブロアＢが接続されている。

このような燃料電池システムでは、起動する際には、例えば、スタック装置２１ｂの補機（電動式のポンプＰ、電動式のブロアＢ）を蓄電池２０で駆動させ、スタック装置２１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９を介してガスを供給し、スタック装置２１ｂを起動させて発電させ、この後、スタック装置２１ｂの発電電力を用いて他のスタック装置２１ａ、２１ｃ、２１ｄを起動発電させることができる。

図８（ｂ）は、他の形態の燃料電池システムを示すもので、この形態では、４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は一つの収納容器２２内に収容されており、それぞれのスタック装置２１に対応する補機が共用されている。

すなわち、４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）には、例えば、それぞれ原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９が配置されており、これらの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９はそれぞれ連結され、１個の電動式のポンプＰ、電動式のブロアＢが接続されている。４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）に接続された原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、電磁弁６１がそれぞれ設けられており、これらの電磁弁６１は制御装置７により開閉制御される。

このような燃料電池システムでは、起動する際には、例えば、スタック装置２１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を開とし、スタック装置２１ａ、２１ｃ、２１ｄの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を閉とし、スタック装置２１ｂを起動させて発電させ、この後、スタック装置２１ａ、２１ｃ、２１ｄの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９の電磁弁６１を開とし、スタック装置２１ｂの発電電力を用いて補機を駆動させ、スタック装置２１ａ、２１ｃ、２１ｄを起動発電させることができる。

図９は、さらに他の形態の燃料電池システムを示すもので、この形態では、４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は一つの収納容器２２内に収容されており、それぞれのスタック装置２１に対応する補機が共用されている。また、スタック装置２１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、専用の補機が接続されている。

すなわち、４個のスタック装置２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）には、例えば、それぞれ原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９が接続されており、これらの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９はそれぞれ連結され、１個の電動式のポンプＰ、電動式のブロアＢが接続されている。一方、スタック装置２１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９には、このスタック装置２１ｂにだけに原燃料ガス、酸素含有ガスを供給するための専用の補機（電動式のポンプＰ１、電動式のブロアＢ１）が接続されている。

このような燃料電池システムでは、起動する際には、例えば、専用の補機（電動式のポンプＰ１、電動式のブロアＢ１）を蓄電池２０で駆動させ、スタック装置２１ｂの原燃料ガス供給管１８、酸素含有ガス供給管１９を介してガスを供給し、スタック装置２１ｂを起動させて発電させ、この後、専用の補機の駆動を停止し、スタック装置２１ｂの発電電力を用いて共用の補機を駆動させ、スタック装置２１ａ、２１ｃ、２１ｄを起動発電させることができる。

なお、図１、図６、図８，図９では、原燃料ガス供給管１８の電動式のポンプＰ、酸素
含有ガス供給管１９の電動式のブロアＢのみ補機として記載している。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、制御装置７と補機電力切替器５７とを別体として、図１に記載したが、本発明では、制御装置と補機電力切替器とが一体となっているものであっても良い。

本発明の燃料電池システムは、特に系統電源の停電時に起動する場合に好適に用いることができる。

１：燃料電池装置
２：貯湯ユニット
３：改質器
４：燃料電池モジュール
５：スタック
６：パワーコンディショナ
７：制御装置
８：熱交換器
１７：ポンプ
１８：燃料ガス供給管
１９：酸素含有ガス供給管
２０：蓄電池
２１：スタック装置
２２：収納容器
５７：補機電力切替器
Ｐ、Ｐ１：ポンプ
Ｂ、Ｂ１：ブロア
ＳＷ：電力供給源切替器

Claims (5)

1. 系統電源に連系し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池スタック、該燃料電池スタックに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管および前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を備える、複数のスタック装置と、前記燃料電池スタックの発電に用いる補機と、蓄電池と、該蓄電池から前記補機に電力を供給するように電力供給経路を切り替える補機電力切替器と、該補機電力切替器を制御する制御装置とを具備し、
   前記蓄電池は、前記複数のスタック装置のうち一部のスタック装置のみの起動に必要な電力を前記補機に供給し、
   前記制御装置は、停止している燃料電池システムを起動する際に、前記一部のスタック装置の起動に必要な前記補機に対して、前記蓄電池から電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記一部のスタック装置を起動して所定の電力を得るとともに、前記一部のスタック装置以外の他のスタック装置の起動に必要な前記補機に対して、前記一部のスタック装置によって発電された電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記他のスタック装置を起動することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記補機は、前記複数のスタック装置の起動に共用する共用補機と、前記一部のスタック装置の起動に必要な専用補機とを具備しており、
   前記制御装置は、停止している燃料電池システムを起動する際に、前記一部のスタック装置の起動に必要な前記専用補機に対して、前記蓄電池から電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記一部のスタック装置を起動して前記所定の電力を得た後に、前記専用補機の駆動を停止させるとともに、前記共用補機に対して、前記発電された電力を供給するように前記補機電力切替器を制御し、前記他のスタック装置を起動することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数のスタック装置は、それぞれ収納容器内に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記複数のスタック装置は、一つの収納容器内に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記補機は、前記酸素含有ガス供給管に設けられたブロア、および前記燃料ガス供給管に設けられたポンプを含むことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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