JP6924925B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給して発電する燃料電池システムに関するものである。

電解質層を燃料極（アノード）と空気極（カソード）で挟持してセルを構成し、燃料として水素を含む燃料ガスを、また空気極に酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により、電気エネルギーが得られる。１個の単電池で得られる発生電圧は１Ｖ未満であることが多いため、実用の燃料電池では単電池を積層して、高い電圧を得ている。

また近年、燃料電池システムは一般家庭用途だけでなく、車載や、業務用途としても用いられるようになっており、車載や業務用途では、一般家庭用途の燃料電池システムよりも大きな容量の発電能力が求められている。

大きな容量の発電量を実現するために、単電池を積層して構成した複数個の燃料電池スタックを用いたものが一般的に知られている。（例えば、特許文献１参照）

図２は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成を示したブロック図から、主要な構成を抜き出したものである。図２に示すように、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給源１、燃料ガス供給経路２−１、２−２、２−３、未反応燃料ガス排出経路３−１、３−２、３−３、燃料ガス流量調整弁１１−１、１１−２、１１−３、燃料電池スタック１０−１、１０−２、１０−３から構成されている。

従来の燃料電池システム２００は、燃料ガス供給経路２−１、２−２、２−３、未反応燃料ガス排出経路３−１、３−２、３−３、燃料電池スタック１０−１、１０−２、１０−３によって構成されている。燃料ガス供給源１から燃料ガス供給経路２−１、２−２、２−３を流通した燃料ガスを燃料ガス流量調整弁１１−１、１１−２、１１−３にて流量調整してから燃料電池スタック１０−１、１０−２、１０−３へ供給し、燃料電池スタック１０−１、１０−２、１０−３で使用されなかった燃料ガスは未反応燃料ガス排出経路３−１、３−２、３−３を経由して、燃料電池システム２００外へ排出している。

また、燃料電池システムで発電と停止を行う場合、発電停止状態の燃料電池スタック内への外気混入を防ぐために燃料排出弁を閉じたまま、定期的に燃料ガス供給弁を開閉し、燃料電池スタック内へ燃料ガスを供給するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

図３は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムを大気圧に対して正圧に保つ構成を示したブロック図から、主要な構成を抜き出したものである。図３に示すように、燃料電池システム３００は、燃料ガス供給経路２、未反応燃料ガス排出経路３、制御部６、燃料電池スタック１２、アノード１２ａ、カソード１２ｂ、電解質膜１２ｃ、燃料処理器１３、加湿器１４、弁ａ１５、弁ｂ１６から構成されている。

従来の燃料電池システム３００は、発電中は、燃料ガスである炭化水素を燃料処理器１３によって水素に改質し、弁ａ１５と弁ｂ１６を開放することで水素を含む燃料ガスを燃料ガス供給経路２、加湿器１４を通過して燃料電池スタック１２のアノード１２ａへ供給する。また、発電停止中は、カソード１２ｂから電解質膜１２ｃを介してアノード１２ａへ酸化剤ガスが侵入してアノード１２ａが劣化することを防ぐ為に弁ｂ１６は常時閉止状
態で、定期的に弁ａ１５を開いている。これによって、水素を含む燃料ガスを定期的に燃料電池スタック１２のアノード１２ａへ供給することが可能となり、アノード１２ａの圧力が大気圧あるいはカソード１２ｂに対して正圧となるようにし、アノード１２ａが劣化することを防いでいる。

特開２０００−４０５１８号公報 特開２０１４−７１６９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、大きな容量の発電能力に対応するために複数台の燃料電池スタックを用いて発電及び停止を行う場合、発電停止状態の燃料電池スタックの数が増える程、燃料電池スタック内の圧力を大気圧に対して正圧に保つ為に燃料ガス供給弁の開閉で消費される消費電力が増加し、燃料電池システムの発電効率が低下する。また、燃料ガス供給弁の開閉回数の増加に伴う燃料ガス供給弁の耐久性が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池スタックから排出される未反応燃料ガスを他の燃料電池スタックへ供給可能な接続経路を有する複数台の燃料電池スタックから成るシステム構成とし、燃料ガス供給弁の開閉を行うことなく、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことで大気の進入防止を実現する燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに設けられ、複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する燃料ガスの流量を独立に制御する複数の燃料ガス供給弁と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから未反応燃料ガスを排出する複数の未反応燃料ガス排出経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれについて、複数の未反応燃料ガス排出経路から未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックと複数の燃料ガス供給弁との間に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、複数の未反応燃料ガス循環経路を連通させる未反応燃料ガス接続経路と、制御部と、を備え、制御部は、発電量に応じて発電を行う複数の燃料電池スタックの台数を決め、発電を行う複数の燃料電池スタックの上流に設けられた複数の燃料ガス供給弁を開いて、発電させ、停止している複数の燃料電池スタックに接続された燃料ガス供給弁を介して停止している複数の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を遮断し、停止している複数の燃料電池スタックに接続された未反応燃料ガス循環手段を介して未反応燃料ガスを供給して停止している複数の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするものである。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックから排出される大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスを発電停止状態の燃料電池スタックへ供給できる未反応燃料ガス接続経路を設けることにより、燃料ガス供給弁の開閉を行わずとも、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことで燃料ガス供給弁の開閉回数を低減し、燃料ガス供給弁の消費電力低減による燃料電池システムの発電効率向上と燃料ガス供給弁の耐久性向上による燃料電池システムの耐久性向上を実現することができる。

本発明の実施の形態１および２における燃料電池システムのブロック図 従来の燃料電池システムの構成を示したブロック図 従来の燃料電池システムを大気圧に対して正圧に保つ構成を示したブロック図

第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに設けられ、複数の燃料電池スタックのそれぞれに供
給する燃料ガスの流量を独立に制御する複数の燃料ガス供給弁と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから未反応燃料ガスを排出する複数の未反応燃料ガス排出経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれについて、複数の未反応燃料ガス排出経路から未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックと複数の燃料ガス供給弁との間に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、複数の未反応燃料ガス循環経路を連通させる未反応燃料ガス接続経路と、制御部と、を備え、制御部は、発電量に応じて発電を行う複数の燃料電池スタックの台数を決め、発電を行う複数の燃料電池スタックの上流に設けられた複数の燃料ガス供給弁を開いて、発電させ、停止している複数の燃料電池スタックに接続された燃料ガス供給弁を介して停止している複数の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を遮断し、停止している複数の燃料電池スタックに接続された未反応燃料ガス循環手段を介して未反応燃料ガスを供給して停止している複数の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする、燃料電池システムである。

第１の発明によれば、燃料電池スタックから排出される大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスを発電停止状態の燃料電池スタックへ供給できる未反応燃料ガス接続経路を設けることにより、燃料ガス供給弁の開閉を行わずとも、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことで、燃料ガス供給弁の開閉回数を低減し、燃料ガス供給弁の消費電力低減による燃料電池システムの発電効率向上と燃料ガス供給弁の耐久性向上による燃料電池システムの耐久性向上を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、全ての燃料電池スタックが停止している場合、所定タイミングで任意の数の燃料ガス供給弁を開き、停止している複数の燃料電池スタックに、大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスを供給して停止している燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする処理を行う。

第２の発明によれば、燃料電池システムが発電停止している場合、全ての燃料ガス供給弁を開閉せずとも、最小限の数の燃料ガス供給弁を開くことで、全ての燃料電池スタック内へ大気圧に対して正圧の燃料ガスを供給して、全ての燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にすることとなり、大気圧の進入防止を実現することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、複数の燃料ガス供給弁の開閉回数の最小のものを開く設定を行うことにより、燃料ガス供給弁の開閉回数を平準化することとなり、燃料ガス供給弁の耐久性向上を実現することができる。

第４の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに設けられ、複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する燃料ガスの流量を独立に制御する複数の燃料ガス供給弁と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから未反応燃料ガスを排出する複数の未反応燃料ガス排出経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれについて、複数の未反応燃料ガス排出経路から未反応燃料ガスを、複数の燃料電池スタックと複数の燃料ガス供給弁との間に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、複数の未反応燃料ガス循環経路を連通させる未反応燃料ガス接続経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、発電量に応じて発電を行う複数の燃料電池スタックの台数を決め、発電を行う複数の燃料電池スタックの上流に設けられた複数の燃料ガス供給弁を開いて、発電させるステップと、停止している複数の燃料電池スタックに接続された複数の燃料ガス供給弁を介して当該燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を遮断し、停止している複数の燃料電池スタックに接続された複数の未反応燃料ガス循環手段を介して未反応燃料ガスを供給して停止している燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするステップと、を有する燃料電池システムの運転方法である。

第４の発明によれば、燃料電池スタックから排出される大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスを発電停止状態の燃料電池スタックへ供給できる未反応燃料ガス接続経路を設けることにより、燃料ガス供給弁の開閉を行わずとも、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことで、燃料ガス供給弁の開閉回数を低減することで、燃料ガス供給弁の消費電力低減による燃料電池システムの発電効率向上と燃料ガス供給弁の耐久性向上による燃料電池システムの耐久性向上を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図１において、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎと、未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎと、未反応燃料ガス循環手段４−１〜４−Ｎと、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎと、制御部６と、未反応燃料ガス接続経路７と、未反応燃料ガス循環経路８−１〜８−Ｎと、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎとを備える。なお、Ｎは２以上の整数である。

ここで、複数の同一要素について付与された参照符号について説明しておく。例えば、燃料ガス供給経路２−１、２−２、２−Ｎの場合、添え字の１、２、Ｎは同一要素を互いに区別するために付与されたものであり、Ｎ個の燃料ガス供給経路がある場合にその燃料ガス供給経路の通し番号を表している。他の未反応燃料ガス排出経路、未反応燃料ガス循環手段、燃料ガス供給弁、燃料電池スタックについても同様である。

また、複数の同一要素を連続的に記載する符号について説明しておく。例えば、燃料ガス供給経路２−１〜２−３と記載した場合、この〜の符号は２−１、２−２、２−３を全て指し示していることを意味する。他の未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎ、未反応燃料ガス循環手段４−１〜４−Ｎ、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎ、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎについても同様である。

燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎは、燃料ガスを燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへと各々供給するための経路である。

未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎは、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎから排出される未使用の燃料ガスが通る配管経路であり、下端に未反応燃料ガス接続経路７を備える。

未反応燃料ガス接続経路７は、未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎの下端を全て接続し、未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎを通過した未反応燃料ガスを燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎで共有する配管径路である。燃料電池システム１００が発電中は、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの内発電しているものの未反応燃料ガスを燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの内発電していないものへ搬送する。また、燃料電池システム１００が停止中は、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎのうちの１台に燃料ガスが供給されると、燃料ガスは未反応燃料ガス接続経路７を通過して、残りのＮ−１台の燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎも大気圧に対して正圧に保つことができる。

未反応燃料ガス循環経路８−１〜８−Ｎは、未反応燃料ガス接続経路７を上端として、下流端は、それぞれの燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎにおける燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎと燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎとの間に各々接続される。

燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎは、燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎの経路上に各々設けられ、発電で燃料が必要な場合には弁を開いて燃料ガスを燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへ供給する。また、燃料の供給を止める場合には、弁を閉じて燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへの燃料の供給を遮断する。

未反応燃料ガス循環手段４−１〜４−Ｎは、流量計と燃料ガスを送るポンプによって構成されており、ポンプは未反応燃料ガスを昇圧して、燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎへ供給する。

制御部６は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。

燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎは、燃料ガスと、酸化剤ガス供給器（図示せず）によって供給される酸化剤ガスとを用いて発電するものである。燃料電池スタックとしては、固体高分子型燃料電池を用いる。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、燃料電池システム１００が発電を行う場合、次のような動作を行う。発電量に合わせて、発電を行う燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの台数を決め、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを開いて燃料ガスを供給すると共に燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを閉じて、燃料ガスの供給を遮断するよう制御部６で制御する。

このように制御することにより、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものから排出される未反応燃料ガスは、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものに対応する未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎを通過して未反応燃料ガス接続経路７に到る。未反応燃料ガス接続経路７に到った未反応燃料ガスの一部は、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものに対応する未反応燃料ガス循環手段４−１〜４−Ｎによって燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものに対応する未反応燃料ガス循環経路８−１〜８−Ｎを通過する。そして、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものに対応する燃料ガス供給経路２−１〜２−Ｎへ供給される。また、未反応燃料ガス接続経路７に到った残りの未反応燃料ガスは、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する未反応燃料ガス循環手段４−１〜４−Ｎを介して、未反応燃料ガス循環経路８−１〜８−Ｎを通過する。これによって、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものまで大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスが供給される。あるいは、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎを通過し、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものまで大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスが供給される。よって、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを閉状態のまま、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものへ燃料ガスを供給し、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものの内部を大気圧に対して正圧に保つこととなる。

まず、未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムが発電中に燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ際の燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数について述べる。未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムの１日の発電時間を８ｈｏｕｒとし、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものは１日中停止しているものと仮定する。また、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの内、発電状態のものは１台〜Ｎ台まで何台でも良く、１台でも発電状態であれば、未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムは発電しているものとする。さらに、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものを大気圧に対して正圧に保つために１ｈｏｕｒに１回ずつ、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを開閉するものとする。このとき、未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムが発電している８ｈｏｕｒの間、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎは８回ずつの開閉動作を行うこととなる。

次に、本内容の形態の燃料電池システム１００が発電中に燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ時の燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉について述べる。燃料電池システム１００についても仮定は未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムと同様とする。燃料電池システム１００は、未反応燃料ガス接続経路７を有するため、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しているものの未反応燃料ガスを燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものへ供給することが可能となる。これによって、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを開閉せずとも、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものへ大気圧に対して正圧である未反応燃料ガスを供給することとなる。だから、燃料電池システム１００が８ｈｏｕｒの発電中に燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数は０回となる。

未反応燃料ガス接続経路７を設けることで、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数は８回削減することとなる。

また、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎを開いている際に燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つが消費する消費電力を３Ｗ、１回に燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つが開く時間を１０ｓｅｃとすると、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つについて、８ｈｏｕｒで平均化すると、０．００８３Ｗの電力消費となる。未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムと燃料電池システム１００それぞれの燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの中で発電しないものに対応する燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数を比較すると、８回の開閉回数の削減を行うこととなるため、８ｈｏｕｒで０．００８３Ｗの消費電力を削減することとなる。

以上のように、本実施の形態においては燃料電池システム１００の構成を、未反応燃料ガス接続経路７を設ける構成とすることにより、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉を行わずとも、発電している燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎから排出される未反応燃料ガスを発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへ供給することとなる。発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つことで、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの消費電力低減による燃料電池システム１００の発電効率向上と燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数低減による燃料電池システム１００の耐久性向上を実現することができる。

また、停止中のスタックのアノードに大気が進入すると、水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入る可能性がある。しかしながら、本実施の形態によれば、発電している燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎから排出される未反応燃料ガスを発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへ供給することとなり、発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つことができるので、アノードで水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入ることがない。

なお、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎは、弁に限らず、燃料ガスの流量を調整する流量調整器でもよい。また、燃料ガスは、水素ガスに限らず、都市ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールが挙げられる。

また、制御部６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎは、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。

なお、燃料電池システム１００を発電するとき、全ての燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎが同時間ずつ発電できるように、発電する燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを選択し、一定時間ごとに発電する燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを切り替える制御を実施すると、一部の燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎだけの開閉回数が増加することを防ぐことができ、燃料電池システム１００の耐久性向上につながる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図は実施の形態１と同じであり、実施の形態２における燃料電池システムのブロック図は図１に示すものである。

構成要素と構成要素の符号については、実施の形態１と同様であり、その説明はここでは省略する。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

燃料電池システム１００が停止中について、次のような動作を行う。まず、燃料電池システム１００が停止してから、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎについて、内部の圧力を検知し、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの内の１台でもその内部の圧力が所定圧力以下を検知する場合、制御部６によって、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの中で開閉回数の積算値が最も小さい弁のみを開く。これによって、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの中で開閉回数の積算値が最も小さい弁に対応する燃料電池スタックだけでなく、未反応燃料ガス排出経路３−１〜３−Ｎ、未反応燃料ガス接続経路７、未反応燃料ガス循環経路８−１〜８−Ｎを大気圧に対して正圧である燃料ガスが通過し、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つことができる。燃料電池システム１００が停止状態の場合、上記の動作を繰り返すことによって、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの１つだけを開くことで、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎの全てを大気圧に対して正圧に保つこととなる。

例えば、未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムについて、停止中の燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ為の燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数について述べる。１日の間で未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムの停止時間を１６ｈｏｕｒとする。また、１ｈｏｕｒに１回、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの１つだけを開くことで大気圧に対して正圧に保つ動作を繰り返して、未反応燃料ガス接続経路７が存在しない燃料電池システムに大気圧に対して正圧である燃料ガスを供給することを１年間継続するとする。燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの全てを開いて、上記の条件で大気圧に対して正圧に保つ動作を繰り返すから、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つは、１日で燃料ガス供給弁を開く回数は１６回となる。１日に燃料電池システム１００を１６ｈｏｕｒ停止状態とし、これが１年間継続されるとすると、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つは、１年間で５８４０回の開閉を行うこととなる。

次に、本内容の形態の燃料電池システム１００が停止中において、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ時の燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉について述べる。１６ｈｏｕｒの燃料電池システム１００が停止状態の間に燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの１つだけを開くことで燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ動作を繰り返し、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎが、毎日、１つずつ入れ替わりながら燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ動作を繰り返すとする。この場合、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の１つは、１年間で５８４０／Ｎ回の開閉を行うこととなる。

燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの全てを開いて燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ動作を繰り返す場合と比較すると、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数は１／Ｎ倍となるため、開閉回数を削減することが可能となり、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの耐久性を向上することとなる。

また、燃料電池システム１００が停止中に燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎを大気圧に対して正圧に保つ為に消費している燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの電力は、開閉回数が１／Ｎ倍となるため、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの電力も１／Ｎ倍となるので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することとなる。

以上のように、本実施の形態においては燃料電池システム１００の構成を、未反応燃料ガス接続経路７を設ける構成とすることにより、燃料電池システム１００が停止中において、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの内の一部を開閉することによって、発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへ大気圧に対して正圧である燃料ガスを供給することとなり、発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つことで、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの消費電力低減による燃料電池システム１００の発電効率向上と燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎの開閉回数低減による燃料電池システム１００の耐久性向上を実現することができる。

また、停止中のスタックのアノードに大気が進入すると、水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入る可能性がある。しかしながら、本実施の形態によれば、発電している燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎから排出される未反応燃料ガスを発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎへ供給することとなり、発電していない燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎ内を大気圧に対して正圧に保つことができるので、アノードで水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入ることがない。

なお、燃料ガス供給弁５−１〜５−Ｎは、弁に限らず、燃料ガスの流量を調整する流量調整器でもよい。また、燃料ガスは、水素ガスに限らず、都市ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールが挙げられる。

また、制御部６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、燃料電池スタック１０−１〜１０−Ｎは、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、発電停止状態の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧に保つことでアノードの劣化を防止することが可能となるので、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムに有用である。

１ 燃料ガス供給源
２−１〜２−Ｎ 燃料ガス供給経路
３−１〜３−Ｎ 未反応燃料ガス排出経路
４−１〜４−Ｎ 未反応燃料ガス循環手段
５−１〜５−Ｎ 燃料ガス供給弁
６ 制御部
７ 未反応燃料ガス接続経路
８−１〜８−Ｎ 未反応燃料ガス循環経路
１０−１〜１０−Ｎ、１２ 燃料電池スタック
１１−１〜１１−３ 燃料ガス流量調整弁
１２ａ アノード
１２ｂ カソード
１２ｃ 電解質膜
１３ 燃料処理器
１４ 加湿器
１５ 弁ａ
１６ 弁ｂ
１００、２００、３００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、
   前記複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに設けられ、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する燃料ガスの流量を独立に制御する複数の燃料ガス供給弁と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれから未反応燃料ガスを排出する複数の未反応燃料ガス排出経路と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれについて、前記複数の未反応燃料ガス排出経路から前記未反応燃料ガスを、前記複数の燃料電池スタックと前記複数の燃料ガス供給弁との間に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、
   前記複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、
   前記複数の未反応燃料ガス循環経路を連通させる未反応燃料ガス接続経路と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、発電量に応じて発電を行う前記複数の燃料電池スタックの台数を決め、発電を行う前記複数の燃料電池スタックの上流に設けられた複数の前記燃料ガス供給弁を開いて、発電させ、
   停止している複数の燃料電池スタックに接続された燃料ガス供給弁を介して前記停止している複数の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を遮断し、前記停止している複数の燃料電池スタックに接続された未反応燃料ガス循環手段を介して未反応燃料ガスを供給して前記停止している複数の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする、
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、全ての燃料電池スタックが停止している場合、
   所定タイミングで任意の数の前記燃料ガス供給弁を開き、停止している前記複数の燃料電池スタックに未反応燃料ガスを供給して前記燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする処理を行う、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記複数の燃料ガス供給弁の開閉回数の最小のものを開く設定を行う、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、
   前記複数の燃料ガス供給経路のそれぞれに設けられ、前記複数の燃料電池スタックのそ
   れぞれに供給する燃料ガスの流量を独立に制御する複数の燃料ガス供給弁と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれから未反応燃料ガスを排出する複数の未反応燃料ガス排出経路と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれについて、前記複数の未反応燃料ガス排出経路から前記未反応燃料ガスを、前記複数の燃料電池スタックと前記複数の燃料ガス供給弁との間に合流させる複数の未反応燃料ガス循環経路と、
   前記複数の未反応燃料ガス循環経路のそれぞれに設けられた複数の未反応燃料ガス循環手段と、
   前記複数の未反応燃料ガス循環経路を連通させる未反応燃料ガス接続経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   発電量に応じて発電を行う前記複数の燃料電池スタックの台数を決め、発電を行う前記複数の燃料電池スタックの上流に設けられた複数の前記燃料ガス供給弁を開いて、発電させるステップと、
   停止している前記複数の燃料電池スタックに接続された前記複数の燃料ガス供給弁を介して停止している前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を遮断し、停止している前記複数の燃料電池スタックに接続された前記複数の未反応燃料ガス循環手段を介して未反応燃料ガスを供給して停止している前記燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするステップと、を有する、
   燃料電池システムの運転方法。

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