JP6585269B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関する。
燃料電池システムには、複数の燃料電池セルスタックを有するものがある。例えば、複数の燃料電池セルスタックを多段化し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガス中の未反応燃料を、後段の燃料電池セルスタックでの発電に使用する、発電効率の高いものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように、複数の燃料電池セルスタックを有する場合、燃料電池セルスタックからの発熱量の違いや、ガスの流量変化などにより燃料電池セルスタックの温度が不安定になることがある。温度が高いほど発電効率が高くなる燃料電池セルスタックを用いる場合、燃料電池セルスタックの温度を高く維持する工夫が必要となる。
特開２００６−３１９８９号公報
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃焼電池セルスタックを高温に維持す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。
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、を備え、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックは、前記燃焼器と隣接して熱交換可能に配置され、前記燃焼器内の燃焼空間へ前記第２アノードオフガスが放出される放出部は、前記第２燃料電池セルスタックよりも前記第１燃料電池セルスタックに近い位置に形成されたものである。
請求項１に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックは、燃焼器と隣接して熱交換可能に配置されているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。また、燃焼器内の燃焼空間へ第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスが放出される放出部が、第２燃料電池セルスタックよりも第１燃料電池セルスタックに近い位置に形成されている。ここでの放出部は、燃焼器内部で第２アノードオフガスが燃焼する燃焼点となる位置であり、燃焼器内でも高温となる部分である。したがって、第１燃料電池セルスタックへ燃焼器の熱が伝達されやすくなり、第１燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。
なお、燃料電池システムは、前記燃料電池システムは、運転制御部により、要求電力負荷に追従するように運転され、前記第１燃料電池セルスタックが電力負荷追従運転に応じて前記第２燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御することもできる。
ここで、要求電力負荷に追従するように運転するとは、要求電力負荷に応じ、定格出力を上限として出力を変化させて運転することを意味する。電力負荷追従運転を行った場合には、燃料電池セルスタックの出力を定格出力時よりも減少させることがあるので、燃料電池セルスタックでの発熱量が減り、燃料電池セルスタックの温度が低下しやすい。請求項２に係る発明では、第１燃料電池セルスタックが電力負荷追従運転に応じて第２燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御されているが、第１燃料電池セルスタックの近くに燃焼点を配置することにより、第１燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。これにより、電力負荷追従運転による第１燃料電池セルスタックの温度低下による発電効率の低下を抑制することができる。
なお、第１燃料電池セルスタックが第２燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御されている、とは、第１燃料電池セルスタックのみの出力が定格出力よりも減少している場合の他、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合を含む。第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合には、第１燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量が第２燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量以上であること、または、第１燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率が第２燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率以上であることを意味する。
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃焼器の燃焼空間を挟んで前記放出部と反対側に接続され、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管、を備えている。
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去して前記第２燃料電池セルスタックへ送出する燃料再生器、を備えている。
請求項３に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの昇温時（起動時）に、燃料再生器の影響を受けずに発電可能な第１燃料電池セルスタックに対して第２燃料電池セルスタックよりも優先的に熱を加えて発電可能温度にすることができるので、発電開始までの待機時間を短縮することができる。また、燃料再生器に不具合があった場合でも、燃料再生器の影響を受けない第１燃料電池セルスタックを高温に維持して、運転を継続させることができる。
燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、を備え、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックは、前記燃焼器と隣接して熱交換可能に配置され、前記燃焼器内の燃焼空間へ前記第２アノードオフガスが放出される放出部が、前記第１燃料電池セルスタックよりも前記第２燃料電池セルスタックに近い位置に形成されたものである。
上記に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックは、燃焼器と隣接して熱交換可能に配置されているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。また、燃焼器内の燃焼空間へ第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスが放出される放出部が、第１燃料電池セルスタックよりも第２燃料電池セルスタックに近い位置に形成されている。ここでの放出部は、燃焼器内部で第２アノードオフガスが燃焼する燃焼点となる位置であり、燃焼器内でも高温となる部分である。したがって、第２燃料電池セルスタックへ燃焼器の熱が伝達されやすくなり、第２燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。
燃料電池システムは、前記燃料電池システムは、運転制御部により、要求電力負荷に追従するように運転され、前記第２燃料電池セルスタックが電力負荷追従運転に応じて前記第１燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御されている。
ここで、要求電力負荷に追従するように運転するとは、要求電力負荷に応じ、定格出力を上限として出力を変化させて運転することを意味する。電力負荷追従運転を行った場合には、燃料電池セルスタックの出力を定格出力時よりも減少させることがあるので、燃料電池セルスタックでの発熱量が減り、燃料電池セルスタックの温度が低下しやすい。請求項５に係る発明では、第２燃料電池セルスタックが電力負荷追従運転に応じて第１燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御されているが、第２燃料電池セルスタックの近くに燃焼点を配置することにより、第２燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。これにより、電力負荷追従運転による第２燃料電池セルスタックの温度低下による発電効率の低下を抑制することができる。
なお、第２燃料電池セルスタックが第１燃料電池セルスタックよりも優先して出力が変動するように制御されている、とは、第２燃料電池セルスタックのみの出力が定格出力よりも減少している場合の他、第２燃料電池セルスタック及び第１燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合を含む。第２燃料電池セルスタック及び第１燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合には、第２燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量が第１燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量以上であること、または、第２燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率が第１燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率以上であることを意味する。
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去して前記第２燃料電池セルスタックへ送出する燃料再生器、を備えている。
燃料電池システムは、燃料再生器を有している。燃料再生器としては、一般的に、分離膜や凝縮器等が用いられるため、第２燃料電池スタックへ供給される第１アノードオフガスの温度は、第１燃料電池セルスタックから排出された直後よりも低下する。そこで、第２燃料電池セルスタックに近い位置に燃焼点を形成する。これにより、第２燃料電池セルスタックを高温に維持することができる。また、運転開始時の燃料再生器の安定化待ちの際に、第２燃料電池セルスタックは発電できないか、または低負荷運転となるが、このときに、第２燃料電池セルスタックの温度低下を抑制することができる。
燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させ、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックと隣接して熱交換可能に配置された燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼空間へ前記第２アノードオフガスを放出させる、前記第１燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第１放出部、及び前記第２燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第２放出部、を有する放出部と、前記第１放出部、及び前記第２放出部の少なくとも一方から前記第２アノードオフガスが放出されるように切換えられる切換部と、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの運転状態に応じて、前記切換部を制御する運転制御部と、を備えている。
燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池セルスタックは、燃焼器と隣接して熱交換可能に配置されているので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。
また、燃焼器内の燃焼空間へ第２アノードオフガスを放出させる放出部は、第１燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第１放出部、及び、第２燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第２放出部、を有している。そして、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの運転状態に応じて、第１放出部、及び第２放出部の少なくとも一方から第２アノードオフガスが放出されるように切換部が切換えられる。当該切換えは、運転制御部によって制御される。
ここでの第１放出部、及び第２放出部は、燃焼器内部で第２アノードオフガスが燃焼する燃焼点となる位置であり、燃焼器内でも高温となる部分である。したがって、第１燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第１放出部から第２アノードオフガスが放出されて燃焼点となる場合には、第１燃料電池セルスタックの温度を高くすることができる。また、第２燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた第２放出部から第２アノードオフガスが放出されて燃焼点となる場合には、第２燃料電池セルスタックの温度を高くすることができる。
燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの運転状態に応じて、燃焼点を切換えることができるので、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックを適切な温度に維持することができる。
燃料電池システムは、前記運転制御部により、要求電力負荷に追従するように運転され、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの内の一方が電力負荷追従運転に応じて他方よりも優先的に出力が変動するように制御され、前記運転制御部は、前記第１放出部及び前記第２放出部の内、優先的に出力が変動するように制御された優先変動の燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた方から前記第２アノードオフガスが放出されるように前記切換部を制御するものである。
ここで、電力負荷追従運転とは、要求電力負荷に応じ、定格出力を上限として出力を変化させて運転することを意味する。電力負荷追従運転に応じて出力が変動するように制御を行った場合には、燃料電池セルスタックの出力を定格出力時よりも減少させることがあるので、燃料電池セルスタックでの発熱量が減り、燃料電池セルスタックの温度が低下しやすい。請求項８に係る発明では、第１燃料電池セルスタックまたは第２燃料電池セルスタックの内、電力負荷追従運転に応じて優先的に出力が変動するように制御されている方の近くに燃焼点を配置することにより、当該優先変動の燃料電池セルスタックの温度を高く維持することができる。これにより、電力負荷追従運転による当該優先変動の燃料電池セルスタックの温度低下による発電効率の低下を抑制することができる。
なお、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの内の一方が他方よりも優先的に出力が変動するように制御されている、とは、一方の燃料電池セルスタックのみの出力が定格出力よりも減少している場合の他、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合を含む。第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの両方の出力が定格出力よりも減少している場合には、優先変動の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量が他方の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量以上であること、または、優先変動の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率が他方の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率以上であることを意味する。
燃料電池システムは、前記運転制御部は、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの一方が発電状態、他方が発電停止状態である場合には、前記第１放出部及び前記第２放出部の内、発電状態の燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた方から前記第２アノードオフガスが放出されるように前記切換部を制御するものである。
第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックを有する、所謂多段式の燃料電池システムでは、場合によって、一部の燃料電池セルスタックを停止させ、残りの燃料電池スタックのみの運転で発電する場合がある。この場合には、発電状態の燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた方を燃焼点とすることにより、発電状態の燃料電池セルスタックを効率よく高温にすることができる。
なお、ここでの「停止状態」とは、燃料電池セルスタックが実際に出力がゼロの場合の他、予め記憶された停止条件が成立している状態であってもよく、運転制御部により停止制御のための信号が送信される前後も問わない。
燃料電池システムは、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの各々の温度を検知する温度検知部を備え、前記第１放出部及び前記第２放出部の内、前記温度検知部により検知された温度が低い側の低温燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた方から前記第２アノードオフガスが放出されるように前記切換部を制御するものである。
燃料電池システムによれば、温度が低い側の低温燃料電池セルスタックに対応する側に設けられた放出部を燃焼点とすることにより、低温の燃料電池スタックを高温にでき、第１燃料電池セルスタックと第２燃料電池スタックへの温度差を小さくすることができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃焼電池セルスタックを高温に維持することができる。
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。 第１実施形態における放出部の例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。 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。 第２実施形態における放出部の例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。 第３実施形態（及び第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。 第３実施形態における放出部の例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。 第３実施形態における第１オフガス送出切換処理のフローチャートである。 第４実施形態における第２オフガス送出切換処理のフローチャートである。 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。 第５実施形態における第３オフガス送出切換処理のフローチャートである。 第５実施形態における第３オフガス送出切換処理の変形例のフローチャートである。 第５実施形態における第３オフガス送出切換処理の他の変形例のフローチャートである。
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃料再生器２０、パワーコンディショナ２２、運転制御部２４、第１電流制御器２６、第２電流制御器２８、及び、燃焼器４０を備えている。
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。ブロアＢ１は、運転制御部２４と電気的に接続されており、運転制御部２４によってメタンの供給量が制御される。
また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱を用いることができる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、後述する燃焼器４０との熱交換により加熱される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。
第１燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。第１燃料電池セルスタック１６は、後述する燃焼器４０の一方面に沿って隣接して配置され、燃焼器４０との間で熱交換可能となっている。なお、当該熱交換は、輻射であってもよいし、伝熱材を介した伝熱であってもよい。
第１燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２は、運転制御部２４と電気的に接続されており、運転制御部２４によって空気Ｇ５の供給量が制御される。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、カソード１６Ｂへ供給される。なお、空気管Ｐ５を流通する空気Ｇ５は、後述する燃焼排ガスＧ１０との間で熱交換を行って、加熱してもよい。
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気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膜を通って第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
一方、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜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。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７−１の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７−１へ、第１アノードオフガスＧ３が排出される。第１アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
アノードオフガス管Ｐ７−１の他端は、燃料再生器２０と接続されている。燃料再生器２０は、第１アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の内の少なくとも一方を除去するものであり、分離膜、凝縮器などを用いることができる。燃料再生器２０には、再生燃料ガス管Ｐ７−２の一端が接続され、アノード１８Ａには、再生燃料ガス管Ｐ７−２の他端が接続されている。燃料再生器２０で第１アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の内の少なくとも一方が除去された再生燃料ガスＧ４は、再生燃料ガス管Ｐ７−２を通ってアノード１８Ａへ供給される。
第２燃料電池セルスタック１８は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成を有しており、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａと、カソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを備えている。第２燃料電池セルスタック１８では、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により、発電される。第２燃料電池セルスタック１８は、後述する燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６と同一面側に沿って並んで配置され、燃焼器４０との間で熱交換可能となっている。なお、当該熱交換は、輻射であってもよいし、伝熱材を介した伝熱であってもよい。
カソード１８Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９−２の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９−２の他端は、燃焼器４０と接続されている。カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−２は燃焼器４０へ送出される。燃焼器４０は、内部に燃焼空間Ｒが形成された金属製の箱体とされ、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の一方面側を覆うように配置されている。燃焼器４０には、燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２を放出する放出部４３が形成されている。放出部４３は、燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６が配置されている側の一端に設けられている。
アノード１８Ａには、アノードオフガス管Ｐ８の一端が接続されている。アノードオフガス管Ｐ８の他端は、燃焼器４０と接続されている。燃焼器４０には、燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８を放出する放出部４２が形成されている。放出部４２は、燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６が配置されている側の一端に設けられている。放出部４２から放出された第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、放出部４２近傍で燃焼する。これにより、燃焼器４０内の放出部４２近傍が燃焼点となる。
なお、放出部４２までの経路としては、図２（Ａ）に示されるように、燃焼器４０の外側から放出部４２までアノードオフガス管Ｐ８を延在させてもよいし、図２（Ｂ）に示されるように、燃焼器４０の内側にアノードオフガス管Ｐ８を引き込んで放出部４２まで延在させてもよい。さらに、図２（Ｃ）に示されるように、燃焼器４０の内部に第２アノードオフガスＧ８の流路４１を設けて放出部４２まで導き、燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８を放出させてもよい。また、放出部４３についても、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、放出部４２と同様に形成してもよい。
燃焼器４０には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａが接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０Ａは、燃焼器４０の燃焼空間Ｒを挟んで放出部４２、４３と反対の他端側に接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０Ａから、燃焼排ガスＧ１０が排出される。
第１燃料電池セルスタック１６は、電気配線２６Ａを介して第１電流制御器２６と接続されている。第１電流制御器２６は、電気配線２６Ｂを介してパワーコンディショナ２２と電気的に接続されている。第１電流制御器２６は、電気配線２６Ａ、２６Ｂを流れる電流の大きさを制御可能とされている。第２燃料電池セルスタック１８は、電気配線２８Ａを介して第２電流制御器２８と接続されている。第２電流制御器２８は、電気配線２６Ｂを介してパワーコンディショナ２２と電気的に接続されている。第２電流制御器２８は、電気配線２８Ａ、２８Ｂを流れる電流の大きさを制御可能とされている。パワーコンディショナ２２は、運転制御部２４と電気的に接続されている。パワーコンディショナ２２は、第１電流制御器２６、第２電流制御器２８を介して電気配線２６Ａ、２６Ｂ、２８Ａ、２８Ｂを流れる各々の電流の大きさを制御可能とされ、電気配線２６Ａ、２６Ｂ、２８Ａ、２８Ｂを流れる各々の電流の大きさは、パワーコンディショナ２２を介して運転制御部２４によって制御されている。また、パワーコンディショナ２２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いる。第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８で発電された電力は、直流→交流や電圧変換などの変電処理を経て電力負荷で消費される。
運転制御部２４は、燃料電池システム１０Ａに対して要求される負荷電力に応じて、定格出力を上限として出力を変化させつつ運転するように制御を行っている。具体的には、第２燃料電池セルスタック１８は一定の出力とし、第１燃料電池セルスタック１６に接続された電気配線２６Ａを流れる電流を制御することで第１燃料電池セルスタック１６の出力を下げる。すなわち、燃料電池システム１０Ａの出力が要求電力負荷に追従するように第１燃料電池セルスタック１６の出力を変えて、電力負荷追従運転が行われている。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
ブロアＢ２により所定の流量で送出された空気Ｇ５は、カソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９−１を経てカソードオフガスＧ９−１がカソード１８Ｂへ送出される。カソードオフガスＧ９−１は、カソード１８Ｂで発電に供され、カソード１８ＢからカソードオフガスＧ９−２が排出される。カソードオフガスＧ９−２は、カソードオフガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０へ送出される。
一方、ブロアＢ１により送出されたメタンは、気化器１２へ供給される。また、気化器１２には、ポンプＰにより水（液相）が供給され、燃焼排ガス（不図示）により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は配管Ｐ３を経て改質器１４へ送出され、燃料ガスＧ１へ改質される。燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を経てアノード１６Ａへ供給され、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含む第１アノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７−１を経て、燃料再生器２０へ送出される。第１アノードオフガスＧ３は、燃料再生器２０で二酸化炭素及び水蒸気の内の少なくとも一方が除去されて、再生燃料ガスＧ４となる。再生燃料ガスＧ４は、再生燃料ガス管Ｐ７−２を通ってアノード１８Ａへ供給される。再生燃料ガスＧ４は、アノード１８Ａで発電に供され、アノード１８Ａから第２アノードオフガスＧ８が排出される。
第２アノードオフガスＧ８は、アノードオフガス管Ｐ８を経て燃焼器４０へ送出され、放出部４２から燃焼器４０内へ放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、放出部４２近傍で燃焼する。これにより、放出部４２近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａから排出される。
本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０と隣接されて熱交換可能となっているので、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８を高温に維持することができる。また、放出部４２が、第２燃料電池セルスタック１８よりも第１燃料電池セルスタック１６に近い位置に配置されているので、第１燃料電池セルスタック１６側の温度をより高温に維持することができる。
なお、本実施形態では、燃料再生器２０を設けたが、燃料再生器２０は必ずしも必要ではない。本実施形態のように、燃料再生器２０を設けることにより、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を向上させることができる。燃料再生器２０を設けた場合、燃料電池システム１０Ａの昇温時に、燃料再生器２０の作動状態が不安定で、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８による発電開始までに時間がかかる場合がある。本実施形態のように、放出部４２を配置することにより、第１燃料電池セルスタック１６側に優先的に熱を加えて第２燃料電池セルスタック１８よりも先に高温にすることができるので、燃料再生器２０の影響を受けずに発電可能な第１燃料電池セルスタック１６を第２燃料電池セルスタック１８よりも先に発電可能温度にし、第１燃料電池セルスタック１６による発電開始までの待機時間を短縮することができる。また、燃料再生器２０に不具合があった場合でも、燃料再生器２０の影響を受けない第１燃料電池セルスタック１６を高温に維持して、燃料電池システム１０Ａの運転を継続することができる。
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６側の温度をより高温に維持することができるので、電力負荷追従運転が行われている第１燃料電池セルスタック１６について、発電効率の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａが、燃焼器４０の放出部４２、４３が形成された一端と燃焼空間Ｒを挟んで反対側の他端に接続されている。したがって、燃焼器４０内で燃焼排ガスが一端側から他端側へ流れ、燃焼器４０内の第２燃料電池セルスタック１８側との温度差を小さくすることができる。
なお、本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１８は一定の出力とし、第１燃料電池セルスタック１６の出力のみを変えて、電力負荷追従運転が行われる例について説明したが、各種の条件に応じて、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方の出力を変えてもよい。この場合には、第１燃料電池セルスタック１６での出力、もしくは電流の変化量が第２燃料電池セルスタック１８での出力、もしくは電流の変化量以上となるか、第１燃料電池セルスタック１６での出力、もしくは電流の変化率が第２燃料電池セルスタック１８での出力、もしくは電流の変化率以上となるように、第１燃料電池セルスタック１６での出力を優先的に変化させる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１６を前段、第２燃料電池セルスタック１８を後段とする、２段の構成の例で説明したが、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図３に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、放出部４２、４３に代えて、燃焼器４０の第２燃料電池セルスタック１８が配置されている側の一端に、放出部４４、４６が設けられている。
アノード１８Ａから送出された第２アノードオフガスＧ８は、第２アノードオフガス管Ｐ８を経て、燃焼器４０の第２燃料電池セルスタック１８が配置されている側の一端に設けられた放出部４４から燃焼器４０内へ放出される。また、カソード１８Ｂから送出された第２カソードオフガスＧ９−２は、第２カソードオフガス管Ｐ９−２を経て、燃焼器４０の第２燃料電池セルスタック１８が配置されている側の一端に設けられた放出部４６から燃焼器４０内へ放出される。
放出部４４された第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、放出部４４の近傍で燃焼する。これにより、燃焼器４０内の放出部４４の近傍が燃焼点となる。
なお、放出部４４は、図４（Ａ）に示されるように、燃焼器４０の外側から放出部４４までアノードオフガス管Ｐ８を延在させてもよいし、図４（Ｂ）に示されるように、燃焼器４０の内側にアノードオフガス管Ｐ８を引き込んで放出部４４まで延在させてもよい。さらに、図４（Ｃ）に示されるように、燃焼器４０の内部に第２アノードオフガスＧ８の流路４５を設けて放出部４４まで導き、燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８を放出させてもよい。また、放出部４６についても、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、放出部４４と同様に形成してもよい。
燃焼器４０には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂが接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の並び方向の中間部に対応する位置に接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂから、燃焼排ガスＧ１０が燃焼器４０の外へ排出される。
運転制御部２４は、燃料電池システム１０Ｂに対して要求される負荷電力に応じて、第２燃料電池セルスタック１８の出力を定格出力を上限として出力を変化させつつ運転するように制御を行っている。具体的には、第１燃料電池セルスタック１６は一定の出力とし、第２燃料電池セルスタック１８に接続された電気配線２８Ａを流れる電流を制御することで第２燃料電池セルスタック１８の出力を下げる。すなわち、燃料電池システム１０Ｂの出力が要求電力負荷に追従するように、第２燃料電池セルスタック１８の出力を変えて電力負荷追従運転が行われている。
本実施形態でも、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０と隣接されて熱交換可能となっているので、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８を高温に維持することができる。また、放出部４４が、第１燃料電池セルスタック１６よりも第２燃料電池セルスタック１８に近い位置に配置されているので、第２燃料電池セルスタック１８側の温度をより高温に維持することができる。
なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に燃料再生器２０は必ずしも必要ではない。本実施形態のように、燃料再生器２０を設けることにより、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を向上させることができる。また、燃料再生器２０を設けた場合、燃料電池システム１０Ｂの昇温時に、燃料再生器２０の作動状態が不安定で、第２燃料電池セルスタック１８による発電開始までに時間がかかったり、低出力での発電になったりする場合がある。本実施形態のように、放出部４４を配置することにより、第２燃料電池セルスタック１８側に優先的に熱を加えることができるので、燃料再生器２０が不安定であっても、第２燃料電池セルスタック１８を昇温させて発電可能温度することができる。また、燃料再生器２０を通過して温度が低下した再生燃料ガスＧ４を昇温することができる。
また、本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１８側の温度を高温に維持することができるので、電力負荷追従運転が行われている第２燃料電池セルスタック１８について、発電効率の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂが、燃焼器４０の放出部４４、４６が形成された一端と燃焼空間Ｒを挟んで反対側の他端に接続されている。したがって、燃焼器４０内で燃焼排ガスが一端側から他端側へ流れ、燃焼器４０内の第１燃料電池セルスタック１６側との温度差を小さくすることができる。
なお、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６は一定の出力とし、第２燃料電池セルスタック１８の出力のみを変えて、電力負荷追従運転が行われる例について説明したが、各種の条件に応じて、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方の出力を変えてもよい。この場合には、第２燃料電池セルスタック１８での出力、もしくは電流の変化量が、第１燃料電池セルスタック１６での出力、もしくは電流の変化量以上となるか、又は、第２燃料電池セルスタック１８での出力、もしくは電流の変化率が、第１燃料電池セルスタック１６での出力、もしくは電流の変化率以上となるように、第２燃料電池セルスタック１８での出力を優先的に変化させる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂについても、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図５に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第１放出部４２Ｄ、４３Ｄ、第２放出部４４Ｄ、４６Ｄを備えている。アノードオフガス管Ｐ８は、分岐部Ｖ１で前アノードオフガス管Ｐ８−１と後アノードオフガス管Ｐ８−２に分岐されており、前アノードオフガス管Ｐ８−１が放出部４２と接続され、後アノードオフガス管Ｐ８−２が放出部４４と接続されている。切換部としての分岐部Ｖ１はバルブで構成されており、運転制御部２４と電気的に接続され、運転制御部２４によって開閉が制御される。
分岐部Ｖ１のバルブは、アノードオフガス管Ｐ８からの流路を、前アノードオフガス管Ｐ８−１側への流路を開、後アノードオフガス管Ｐ８−２側への流路を閉にする場合、前アノードオフガス管Ｐ８−１側への流路を閉、後アノードオフガス管Ｐ８−２側への流路を開にする場合、前アノードオフガス管Ｐ８−１側への流路と後アノードオフガス管Ｐ８−２側への流路の両方を開にする場合で切換え可能とされている。
カソードオフガス管Ｐ９−２は、分岐部Ｖ２で前カソードオフガス管Ｐ９−３と後カソードオフガス管Ｐ９−４に分岐されており、前カソードオフガス管Ｐ９−３が放出部４３と接続され、後カソードオフガス管Ｐ９−４が放出部４６と接続されている。切換部としての分岐部Ｖ２はバルブで構成されており、運転制御部２４と電気的に接続され、運転制御部２４によって開閉が制御される。
分岐部Ｖ２のバルブは、カソードオフガス管Ｐ９−２からの流路を、前カソードオフガス管Ｐ９−３側への流路を開、後カソードオフガス管Ｐ９−４側への流路を閉にする場合、前カソードオフガス管Ｐ９−３側への流路を閉、後カソードオフガス管Ｐ９−４側への流路を開にする場合、前カソードオフガス管Ｐ９−３側への流路と後カソードオフガス管Ｐ９−４側への流路の両方を開にする場合で切換え可能とされている。
アノード１８Ａから送出された第２アノードオフガスＧ８は、第２アノードオフガス管Ｐ８を経て、第１放出部４２または第２放出部４４、或いは第１放出部４２及び第２放出部４４の両方から燃焼器４０内へ放出される。また、カソード１８Ｂから送出された第２カソードオフガスＧ９−２は、第２カソードオフガス管Ｐ９−２を経て、第１放出部４３若しくは第２放出部４６、又は第１放出部４３及び第２放出部４６の両方から燃焼器４０内へ放出される。
第１放出部４２、第２放出部４４から燃焼器４０内へ放出された第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２、第２放出部４４の近傍で燃焼する。第１放出部４２からの放出の場合には、燃焼器４０内の第１放出部４２の近傍が燃焼点となり、第２放出部４４からの放出の場合には、燃焼器４０内の第２放出部４４の近傍が燃焼点となり、第１放出部４２及び第２放出部４４の両方からの放出の場合には、燃焼器４０内の第１放出部４２、第２放出部４４の近傍が燃焼点となる。
なお、第１放出部４２、第２放出部４４は、図６（Ａ）に示されるように、燃焼器４０の外側から第１放出部４２、第２放出部４４までアノードオフガス管Ｐ８−１、Ｐ８−２を延在させてもよいし、図６（Ｂ）に示されるように、燃焼器４０の内側にアノードオフガス管Ｐ８−１を引き込んで第１放出部４２まで延在させてもよい。さらに、図６（Ｃ）に示されるように、燃焼器４０の内部に第２アノードオフガスＧ８の流路４７を設けて放出部４２まで導き、燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８を放出させてもよい。また、第１放出部４３、第２放出部４６についても、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、第１放出部４２、第２放出部４４と同様に形成してもよい。
燃焼器４０には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃが接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の並び方向の中間部に対応する位置に接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから、燃焼排ガスＧ１０が燃焼器４０の外へ排出される。
運転制御部２４は、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭや、データ等の書き込み及び読み出しが可能な記憶部を備えており、予め記憶部に記憶された条件に基づいて、燃料電池システム１０Ｃに対して要求される負荷電力に応じて、第１燃料電池セルスタック１６、または、第２燃料電池セルスタック１８のいずれか一方の出力を優先的に変動させつつ運転するように制御を行っている。すなわち、燃料電池システム１０Ｃの出力が要求電力負荷に追従するように、第１燃料電池セルスタック１６または第２燃料電池セルスタック１８の出力を優先的に変動させて、電力負荷追従運転が行われている。具体的には、一方の燃料電池セルスタックのみの出力を定格出力よりも減少させる場合の他、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方の出力を定格出力よりも減少させる場合を含む。第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方の出力を定格出力よりも減少させる場合には、優先変動の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量を他方の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化量以上とするか、または、優先変動の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率を他方の燃料電池セルスタックでの出力、もしくは電流の変化率以上とする。
第１燃料電池セルスタック１６の出力を優先的に変化させるか、第２燃料電池セルスタック１８の出力を優先的に変化させるか、については、各々の燃料電池セルスタックにおける総発電電力量、劣化度合い、時間帯、各々の性能や使用状態等によって決定することができ、その条件が予め運転制御部２４に記憶されている。例えば、一方の燃料電池セルスタックの総発電電力量が一定の上限値を超えた場合には、他方の燃料電池セルスタックを優先的に負荷追従運転に対応させて優先的に出力、もしくは電流を制御するように条件を記憶しておくことができる。また、時間の場合であれば、午前７時から午後９時までは、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方を一定出力で運転し、午後９時〜午前２時までは第１燃料電池セルスタック１６の出力、もしくは電流を制御し、午前２時〜午前７時までは第２燃料電池セルスタック１８の出力、もしくは電流を制御する、という設定を予め記憶しておくことができる。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃの動作について説明する。
運転制御部２４は、燃料電池システム１０Ｃの運転中、所定のタイミング、例えば一定時間毎に、図７に示される、第１オフガス送出切換処理を実行する。
第１オフガス送出切換処理では、ステップＳ１０で、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方が定格出力で運転されているかどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１２で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ、第１放出部４２、４３、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。運転制御部２４からの信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２、８−１の両方が開放される。分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４、９−３の両方が開放される。これにより、第１放出部４２、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２、第２放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４２、第２放出部４４近傍の温度が上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
一方、ステップＳ１０での判断が否定された場合には、ステップＳ１４へ進み、予め記憶された条件に基づいて、第１燃料電池セルスタック１６の出力を要求負荷電力に応じて優先的に変化させるかどうかを判断する。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ第１放出部４２、４３へ送出する旨の信号が送信される。この信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−１側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−２側が閉鎖される。また、分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−３側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−４側が閉鎖される。これにより、第１放出部４２から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４２近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
一方、ステップＳ１４での判断が否定された場合には、第２燃料電池セルスタック１８の出力を優先的に変化させるため、ステップＳ１８で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。運転制御部２４からの信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−１側が閉鎖される。分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−３側が閉鎖される。これにより、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第２放出部４４近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
本実施形態でも、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０と隣接されて熱交換可能となっているので、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８を高温に維持することができる。また、第１燃料電池セルスタック１６が電力負荷追従運転に応じて出力を優先的に変化させている場合には、第１放出部４２の近傍に燃焼点を設けて、第１燃料電池セルスタック１６側の温度をより高温に維持することができるので、第１燃料電池セルスタック１６について、発熱量低下による発電効率の低下を抑制することができる。また、第２燃料電池セルスタック１８が電力負荷追従運転に応じて出力を優先的に変化させている場合には、第２放出部４４の近傍に燃焼点を設けて、第２燃料電池セルスタック１８側の温度をより高温に維持することができるので、第２燃料電池セルスタック１８について、発熱量低下による発電効率の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に燃料再生器２０は必ずしも必要ではない。本実施形態のように、燃料再生器２０を設けることにより、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃが、燃焼器４０の第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の並び方向の中間部に対応する位置に設けられた例について説明したが、第１実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ａ、及び第２実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂを更に備え、電力負荷追従運転に応じて開放される燃焼排ガス管を、各々に切換弁を設置して切換えてもよい。例えば、第１燃料電池セルスタック１６の出力が変化するように制御されている場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａの切換弁のみを開放し、第２燃料電池セルスタック１８の出力が変化するように制御されている場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂの切換弁のみを開放し、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方が一定出力で運転されている場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃの切換弁のみを開放して、燃焼排ガスＧ１０を排出することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃについても、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃと同様の構成を有し、運転制御部２４に記憶された、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８の運転状況と分岐部Ｖ１、Ｖ２の切換えの条件関係が、第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃと異なっている。
運転制御部２４は、予め記憶部に記憶された条件に基づいて、第１燃料電池セルスタック１６、または、第２燃料電池セルスタック１８のいずれか一方を一時的に停止させ、他方のみの発電により運転するように制御を行っている。例えば、燃料電池システム１０Ｄに対する要求負荷が所定の電力量以下の超低負荷である場合には、各々の燃料電池セルスタックにおける総発電電力量、劣化度合い、時間帯、各々の性能や使用状態等によって一方の燃料電池セルスタックを停止させるように運転制御を行うことができる。
なお、第１燃料電池セルスタック１６を停止させる場合、運転制御部２４は、パワーコンディショナ２２を介して第１電流制御器２６を制御することにより、電気配線２６Ａ、２６Ｂを流れる電流の大きさがゼロになるようにする。また、第２燃料電池セルスタック１８を停止させる場合、運転制御部２４は、パワーコンディショナ２２を介して第２電流制御器２８を制御することにより、電気配線２８Ａ、２８Ｂを流れる電流の大きさがゼロになるようにする。停止されている燃料電池セルスタックへの燃料ガスＧ１、再生燃料ガスＧ４の供給は、運転時と同様に行われ、発電に用いられることなく排出される。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｄの動作について説明する。
運転制御部２４は、燃料電池システム１０Ｄの運転中、所定のタイミング、例えば一定時間毎に、図８に示される、第２オフガス送出切換処理を実行する。
第２オフガス送出切換処理では、ステップＳ２０で、予め記憶された条件に基づいて、第１燃料電池セルスタック１６が停止されているかどうかを判断する。なお、ここでの「第１燃料電池セルスタック１６が停止されている」についての判断は、運転制御部２４が第１電流制御器２６へ運転停止のための信号を送信する前後を問わず、停止のための条件が検出された後で運転停止のための信号送出前に運転停止と判断してもよいし、運転停止の信号送信後の一定時間経過後に運転停止と判断してもよい。
第１燃料電池セルスタック１６第１燃料電池セルスタック１６が停止されていると判断した場合には、ステップＳ２２で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。この信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−１側が閉鎖される。また、分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−３側が閉鎖される。これにより、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第２放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第２放出部４４近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
一方、ステップＳ２０で、第１燃料電池セルスタック１６が停止されていないと判断した場合には、ステップＳ２４、で予め記憶された条件に基づいて、第２燃料電池セルスタック１８が停止されているかどうかを判断する。ここでの「第２燃料電池セルスタック１８が停止されている」についての判断についても、運転制御部２４が第２電流制御器２８へ運転停止のための信号を送信する前後を問わず、停止のための条件が検出された後で運転停止のための信号送出前に運転停止と判断してもよいし、運転停止の信号送信後の一定時間経過後に運転停止と判断してもよい。
第２燃料電池セルスタック１８が停止されていると判断した場合には、ステップＳ２６で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ第１放出部４２、４３へ送出する旨の信号が送信される。この信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−１側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−２側が閉鎖される。また、分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−３側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−４側が閉鎖される。これにより、第１放出部４２から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４２近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
ステップＳ２４で、第２燃料電池セルスタック１８が停止されていないと判断した場合には、ステップＳ２８で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ第１放出部４２、４３、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。運転制御部２４からの信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２、８−１の両方が開放される。分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４、９−３の両方が開放される。これにより、第１放出部４２、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２、第２放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４３、第２放出部４４近傍の温度が上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
本実施形態でも、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０と隣接されて熱交換可能となっているので、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８を高温に維持することができる。また、第１燃料電池セルスタック１６が停止されている場合には、第２放出部４４の近傍に燃焼点を設けて、第２燃料電池セルスタック１８側の温度を効率よく高温に維持することができる。また、第２燃料電池セルスタック１８が停止されている場合には、第１放出部４２の近傍に燃焼点を設けて、第１燃料電池セルスタック１８側の温度を効率よく高温に維持することができる。
なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に燃料再生器２０は必ずしも必要ではない。本実施形態のように、燃料再生器２０を設けることにより、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を向上させることができる。
また、本実施形態でも、第３実施形態で説明したように、第１実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ａ、及び第２実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂを更に備え、開放される燃焼排ガス管を、各々に切換弁を設置して切換えてもよい。例えば、第１燃料電池セルスタック１６が停止の場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａの切換弁のみを開放し、第２燃料電池セルスタック１８が停止の場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂの切換弁のみを開放し、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方が発電状態で運転されている場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃの切換弁のみを開放して、燃焼排ガスＧ１０を排出することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｄについても、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃと同様の構成を有し、さらに、温度検知部ＴＣ１、ＴＣ２を有している。そして、運転制御部２４に記憶された、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８の運転状況と分岐部Ｖ１、Ｖ２の切換えの条件関係、オフガス送出切換処理が、第３、第４実施形態の燃料電池システム１０Ｃ、１０Ｄと異なっている。
図９に示されるように、第１燃料電池セルスタック１６には、温度検知部ＴＣ１が設けられている。温度検知部ＴＣ１は、第１燃料電池セルスタック１６の温度α１を検知可能とされており、熱電対などを用いることができる。第２燃料電池セルスタック１８には、温度検知部ＴＣ２が設けられている。温度検知部ＴＣ２は、第２燃料電池セルスタック１８の温度α２を検知可能とされており、熱電対などを用いることができる。温度検知部ＴＣ１、ＴＣ２は、運転制御部２４と電気的に接続されており、温度α１、α２を運転制御部２４へ出力している。
運転制御部２４は、予め記憶部に記憶された条件に基づいて、温度α１、α２に応じて分岐部Ｖ１、Ｖ２の開閉を制御する。具体的には、温度α１、α２の差が予め記憶部に記憶された閾値ＴＨ以下の場合には、第１放出部４２、第２放出部４４の両方へ第２アノードオフガスＧ８が送出され、第１放出部４４、第２放出部４６の両方へカソードオフガスＧ９−２が送出されるように分岐部Ｖ１、Ｖ２を切換える。温度α１、α２の差が閾値ＴＨを超え、α１＞α２の場合には、第２放出部４４へ第２アノードオフガスＧ８が送出され、第２放出部４６へカソードオフガスＧ９−２が送出されるように分岐部Ｖ１、Ｖ２を切換える。温度α１、α２の差が閾値ＴＨを超え、α１＜α２の場合には、第１放出部４２へ第２アノードオフガスＧ８が送出され、第１放出部４３へカソードオフガスＧ９−２が送出されるように分岐部Ｖ１、Ｖ２を切換える。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅの動作について説明する。
運転制御部２４は、燃料電池システム１０Ｅの運転中、所定のタイミング、例えば一定時間毎に、図１０に示される、第３オフガス送出切換処理を実行する。
第３オフガス送出切換処理では、ステップＳ３０で、温度α１、α２の差の絶対値が、予め記憶された閾値ＴＨ以下かどうかを判断する。温度α１、α２の差の絶対値が閾値ＴＨ以下と判断された場合には、ステップＳ３２で、運転制御部２４から分岐部Ｖ１及び分岐部Ｖ２へ第１放出部４２、４３、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。
運転制御部２４からの信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２、８−１の両方が開放される。分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４、９−３の両方が開放される。これにより、第１放出部４２、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２、第２放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４２、第２放出部４４近傍の温度が上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
一方、ステップＳ３０で、温度α１、α２の差の絶対値が、閾値ＴＨ以下でないと判断された場合には、ステップＳ３４へ進む。ステップＳ３４では、温度α１が温度α２よりも高いかどうか（温度α１＞温度α２）を判断する。温度α１が温度α２よりも高いと判断された場合には、ステップＳ３６で、第２放出部４４、４６へ送出する旨の信号が送信される。
この信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−２側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−１側が閉鎖される。また、分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−４側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−３側が閉鎖される。これにより、第２放出部４４から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第２放出部４６から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第２放出部４４近傍で燃焼する。これにより、第２放出部４４近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
ステップＳ３４で、温度α１が温度α２よりも高くないと判断された場合には、ステップＳ３８で、第１放出部４２、４３へ送出する旨の信号が送信される。この信号により分岐部Ｖ１は、アノードオフガス管Ｐ８−１側が開放され、アノードオフガス管Ｐ８−２側が閉鎖される。また、分岐部Ｖ２は、カソードオフガス管Ｐ９−３側が開放され、カソードオフガス管Ｐ９−４側が閉鎖される。これにより、第１放出部４２から燃焼器４０内へ第２アノードオフガスＧ８が放出され、第１放出部４３から燃焼器４０内へカソードオフガスＧ９−２が放出される。第２アノードオフガスＧ８中の未反応水素、一酸化炭素は、第１放出部４２近傍で燃焼する。これにより、第１放出部４２近傍の温度が最も上昇する。燃焼器４０内の燃焼排ガスＧ１０は、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃから排出される。
本実施形態でも、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８は、燃焼器４０と隣接されて熱交換可能となっているので、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８を高温に維持することができる。また、第１燃料電池セルスタック１６が低温の場合には、第１放出部４２の近傍に燃焼点を設けて、第１燃料電池セルスタック１６側の温度を高温にして、第２燃料電池セルスタック１８との温度差を小さくすることができる。また、第２燃料電池セルスタック１８が低温の場合には、第２放出部４４の近傍に燃焼点を設けて、第２燃料電池セルスタック１８側の温度を高温にして、第１燃料電池セルスタック１６との温度差を小さくすることができる。
なお、本実施形態でも、第１実施形態と同様に燃料再生器２０は必ずしも必要ではない。本実施形態のように、燃料再生器２０を設けることにより、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を向上させることができる。
また、本実施形態の第３オフガス送出切換処理を、第３実施形態の第１オフガス送出切換処理や、第４実施形態の第２オフガス送出切換処理に組み込んで実施してもよい。本実施形態の第３オフガス送出切換処理を、第３実施形態の第１オフガス送出切換処理に組み込む場合には、図１１に示されるように、第１オフガス送出切換処理において、ステップＳ１２に換えて、第３オフガス送出切換処理をステップＳ１３として組み込むことができる。また、第４実施形態の第２オフガス送出切換処理に組み込む場合には、図１２に示されるように、第２オフガス送出切換処理において、ステップＳ２８に換えて、第３オフガス送出切換処理をステップＳ２９として組み込むことができる。
さらに、第４実施形態の第２オフガス送出処理の後に続けて、本実施形態の第３オフガス送出切換処理を行ってもよい。これにより、一方の燃料電池セルスタックの温度が上がりすぎることを防止できる。
また、本実施形態でも、第３実施形態で説明したように、第１実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ａ、及び第２実施形態の燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂを更に備え、開放される燃焼排ガス管を、各々に切換弁を設置して切換えてもよい。例えば、第１燃料電池セルスタック１６が停止の場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ａの切換弁のみを開放し、第２燃料電池セルスタック１８が停止の場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｂの切換弁のみを開放し、第１燃料電池セルスタック１６及び第２燃料電池セルスタック１８の両方が発電状態で運転されている場合には、燃焼排ガス管Ｐ１０Ｃの切換弁のみを開放して、燃焼排ガスＧ１０を排出することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅについても、第２燃料電池セルスタック１８の後段に別の燃料電池セルスタックを有する３段の構成、更に４段目の燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システムに本発明を適用することもできる。
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
さらに、本発明は、前述の第１〜５実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 燃料電池システム
１６ 第１燃料電池セルスタック、 １６Ａ アノード（燃料極）
１８ 第２燃料電池セルスタック、 ２０ 燃料再生器
２４ 運転制御部、 ４０ 燃焼器
４２、４３、４４、４６ 放出部
４２Ｄ、４３Ｄ 第１放出部、 ４４Ｄ、４６Ｄ 第２放出部
Ｇ１ 燃料ガス、 Ｇ３ 第１アノードオフガス、 Ｇ８ 第２アノードオフガス
ＴＣ１、ＴＣ２ 温度検知部
Ｖ１、Ｖ２ 分岐部（切換部）

Claims (3)

  1. 燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、
    空気と前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出された第１アノードオフガスとを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、
    前記第２燃料電池セルスタックから排出された第２アノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
    を備え、
    前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックは、前記燃焼器と隣接して熱交換可能に配置され、
    前記燃焼器内の燃焼空間へ前記第２アノードオフガスが放出される放出部は、前記第２燃料電池セルスタックよりも前記第１燃料電池セルスタックに近い位置に形成された、
    燃料電池システム。
  2. 前記燃焼器の燃焼空間を挟んで前記放出部と反対側に接続され、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管、
    を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去して前記第２燃料電池セルスタックへ送出する燃料再生器、を備えた請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
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