JPWO2012004963A1 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る燃料電池システムでは、稼働中の改質器（Ｒ１）で生成した改質ガスを燃料電池スタック（Ｆ１）に供給し、当該燃料電池スタック（Ｆ１）から排出されるオフガスを、停止中の改質器（Ｒ２）に設けられる熱供給器（Ｂ２）に供給する。これにより、少なくとも１つの改質器（Ｒｎ）を稼働させるだけで、複数の改質器（Ｒｎ）の全てを暖機することができる。それゆえ、待機状態でのエネルギー消費を抑制し、かつ、非常時に迅速に起動することが可能となる。なお、オフガスでなく改質ガスそのものを熱供給器（Ｂ２）に供給する構成であってもよい。

Description

本発明は、通信基地局等のバックアップ電源等に好適に用いることが可能な、信頼性の高い燃料電池システムと、その運転方法とに関する。
従来から、通信基地局、データセンター等の通信設備、病院、放送局等では、災害等の非常時における停電に対応すべく、バックアップ電源が設置されている。このうち、燃料電池を用いたバックアップ電源としては、水素ボンベに貯蔵した水素を用いて燃料電池で発電を行う構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成のバックアップ電源は、燃料電池を迅速に起動できるという利点を有するが、水素ボンベ内の水素が全て消費されれば当該水素ボンベを交換しなければならないので、ボンベ交換の手間とコストとが必要になるという難点がある。また、地震、台風、ハリケーン等の大きな災害が発生したときには、道路等の交通網が寸断され、水素ボンベの供給そのものが滞るおそれがあり、この場合、バックアップ電源が特に必要となる災害時に役に立たなくなる可能性がある。
一方、燃料電池を用いた電源として、水素ボンベを用いない構成のものが知られている。代表的なものとしては、ガス事業者（ガス供給のインフラストラクチャ）により需要に応じて供給される炭化水素系ガスの燃料を利用する構成の電源が挙げられる。この構成では、典型的には、炭化水素系ガスの燃料を改質器で改質して水素を主成分とする改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池スタックに供給することで発電が行われる（例えば、特許文献２参照）。
前記構成の燃料電池システムの一例について具体的に説明すると、図１０に示すように、燃料電池システム１１０においては、燃料は、原料供給ライン１０１から脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔを介して原料遮断弁Ｖａ０の開閉により改質器Ｒ０に供給される。当該燃料は、改質器Ｒ０において、水素を主成分とする改質ガスに改質され、改質ガス供給ライン１０２を介して燃料電池スタックＦ０に供給される。燃料電池スタックＦ０を通過した後の改質ガス（オフガス）は、オフガス用ライン１０３および燃焼ガス弁Ｖｂ０を介して熱供給器Ｂ０に供給され、熱供給器Ｂ０は、オフガスを燃焼することで改質器Ｒ０を暖機している。
燃料電池スタックＦ０には、さらに酸化剤ガス供給ライン１０４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０から空気が供給され、燃料電池スタックＦ０は、改質ガスを空気と反応させることにより発電を行う。なお、参照符号１０５は、水添脱硫器からなる脱硫器Ｄ０に水素を供給するための改質ガス再利用ライン１０５を示し、参照符号Ｖｃ０は、改質ガス再利用弁Ｖｃ０を示す。
特開２０００−３３３３８６号公報 特開２００２−０９７００１号公報
しかしながら、改質器を用いた燃料電池システムをバックアップ電源として用いようとすると、以下のような課題がある。
すなわち、バックアップ電源は、通常時には発電を停止しており、停電が発生したとき（非常時）に起動して発電を行うものであるため、非常時には確実に発電できることが要求される。特に、通信基地局あるいは病院で医療機器用に設置されるバックアップ電源は、非常時に緊急かつ確実に発電する必要があることから、模擬的な起動を定期的に行い、正常な発電が可能であることが検査される（発電チェック）。発電チェックの頻度は、燃料電池システムの信頼性、または、電源を供給する設備、機器等の停電許容度に依存するが、典型的には、１日１回である。
一方、燃料電池システムを起動するときには改質器を暖機する必要があるため、機用に多くのエネルギーを消費することになる。通常、改質反応を良好に進行させるためには、改質器を７００℃程度まで加熱する必要があり、例えば、燃料電池システムの発電能力が５ｋＷであれば、起動のために約１５ｋＷの燃料が消費される。それゆえ、燃料電池システムは、発電を行わずに非常事態に対する待機状態にあるだけでも、改質器の暖機のために多くのエネルギーが必要になり、模擬的な起動を要する発電チェックを頻繁に行えば、さらに多くのエネルギーを消費することになる。
さらに、燃料電池システムが、改質器に加えてＣＯ除去器等を備えていれば、これらを暖機するためにもエネルギーが必要となるので、停電に対する待機状態または発電チェックに用いられるエネルギー量は増加する。しかも、停止している改質器が室温まで冷却されていれば、当該改質器を７００℃程度まで加熱して暖機する時間、並びに、ＣＯ除去器を暖機する時間等として、通常、約１時間程度の起動時間が必要となる。このように起動時間が長ければ、停電時に緊急に発電することができず、非常時の迅速かつ確実な電力のバックアップを実現することが困難となる。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、改質器を備えていても、非常事態に対する待機状態でのエネルギー消費を抑制し、かつ、非常時に迅速に起動できる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、前記の課題を解決するために、原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより、対応する当該改質器に熱を供給する熱供給器と、それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、を備えている構成である。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器から前記燃料電池スタックに供給され、かつ、当該燃料電池スタックから排出される改質ガスであるオフガスの一部を他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する、オフガス相互利用ラインである構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記複数の改質器にそれぞれ対応する複数の前記燃料電池スタックを備えているとともに、複数の前記改質器と複数の前記燃料電池スタックとをそれぞれ一対一で接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、複数の前記改質器で生成された改質ガスを合流して前記燃料電池スタックに供給するように、前記改質器および前記燃料電池スタックを接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記原料に含まれる硫黄成分を、水添脱硫反応で除去して前記改質器に供給する脱硫器と、前記改質器で生成された前記改質ガスの一部を前記脱硫器に戻す改質ガス再利用ラインと、を備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記脱硫器が、複数の前記改質器それぞれに対応して設けられている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質器に対応する前記熱供給器に、当該改質器で生成された改質ガスを供給する、燃焼ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器で生成された前記燃料電池スタックに供給される前記改質ガスの一部を、他の前記改質器に対応する熱供給器に、当該他の改質器と前記燃焼ガス供給ラインとを介して供給するように構成されている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、制御器をさらに備え、当該制御器は、少なくとも１つの前記改質器を稼働させている間は他の前記改質器を停止させ、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つについて稼働を開始させる場合に、前記改質ガス相互利用ラインを介して当該稼働を開始させる前記改質器に対応する前記熱供給器に、稼働中の前記改質器で生成された改質ガスを供給して当該稼働を開始させる前記改質器を当該熱供給器により暖機し、その後、当該稼働を開始させる前記改質器を稼働させるとともに当該稼働中の前記改質器を停止させる制御を行う構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの発電状態を検査する発電検査器をさらに備え、前記制御器は、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックに発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させ、検査の完了後に、当該燃料電池スタックの発電を停止させる制御を行う構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、複数の前記燃料電池スタックを備え、前記制御器は、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電を停止させた後に、他の燃料電池スタックの発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させる制御を行う構成であってもよい。
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、前記の課題を解決するために、原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、を備えている、燃料電池システムの運転方法であって、当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、少なくとも１つの前記改質器が稼働している間は他の前記改質器が停止し、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つが稼働を開始したときには、稼働中の前記改質器が停止する構成である。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが、前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより当該改質器に熱を供給する熱供給器と、それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、をさらに備え、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記改質ガス相互利用ラインを介して停止中の前記改質器に対応する前記熱供給器に稼働中の前記改質器で生成した前記改質ガスを供給して、当該停止中の前記改質器を当該熱供給器により暖機する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査し、検査の完了後に、当該燃料電池スタックが発電を停止する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが複数の前記燃料電池スタックを備え、当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電が停止した後に、他の燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムは、１つの前記改質器から１つの前記燃料電池スタックに対して改質ガスが供給される複数の発電ユニットを備え、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記発電ユニットを１つずつ順次交代させて発電状態を検査する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、当該燃料電池システムおよび他の給電系統から電力が供給される電力消費設備に対して、前記給電系統からの電力供給が停止したか否かを検知し、電力供給の停止を検知しない場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時よりも低下させて、前記燃料電池システムの前記待機状態を維持し、電力供給の停止を検知した場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時まで増加させるとともに、停止中の前記改質器の稼働を開始させて、前記燃料電池システムを前記待機状態から発電状態に移行させる構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、複数の前記改質器のうち、停止中の前記改質器に対する稼働中の前記改質器の割合を、時間帯によって変更する構成であってもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
以上のように、本発明では、燃料電池システムおよびその運転方法において、改質器を備えていても、非常事態に対する待機状態のエネルギー消費を抑制し、かつ、非常時に迅速に起動することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを通信基地局のバックアップ電源として用いる場合の構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの要部構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムを運転するための制御系統の構成の一例を示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 従来の燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０は、図２に示すように、例えば、通信基地局８１のバックアップ電源として設置される。通信基地局８１は、電源切換器８２を介して商用電力網８４と燃料電池システム１０とに切換可能に接続されている。電源切換器８２は、通常、商用電力網８４から通信基地局８１に電力が供給される状態にあるが、電源切換器８２と商用電力網８４との間に設けられる停電検知器８３で停電が検知されれば、通信基地局８１を、商用電力網８４に代えて燃料電池システム１０に接続する。以下の説明では、通信基地局を「外部負荷」と称する。なお、「外部負荷」として、燃料電池システム１０に抵抗素子等の模擬負荷を備え、後述する出力制御器を、この模擬負荷と電源切換器８２とに切り換えて接続可能な構成としてもよい。
燃料電池システム１０をバックアップ電源として用いる対象（外部負荷）は、通信基地局８１に限定されず、燃料電池システム１０以外の給電系統（商用電力網等）から電力が供給され、給電系統からの電力供給が停止した非常時であっても、正常な運営が必要な電力消費設備であればよい。具体的には、例えば、通信基地局、データセンター等の通信設備、病院、放送局等を挙げることができる。また、燃料電池システム１０は、それ単独でバックアップ電源として用いることができるだけでなく、コジェネレーションシステムへの適用も可能である。さらに、他の給電系統は、商用電力網に限定されず、常時稼働する自家発電装置等であってもよい。
［燃料電池システムの構成］
図２に要部構成を示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、複数の改質器Ｒ１〜Ｒｎ、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、複数の熱供給器Ｂ１〜Ｂｎおよびこれらを接続するライン、並びに、これらラインに設けられる弁を備えている。燃料電池システム１０は、改質器Ｒ１〜Ｒｎ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、および熱供給器Ｂ１〜Ｂｎを複数備えていればよい。
ここで、これら構成要素の符号について説明すると、改質器Ｒ１〜Ｒｎを例に挙げれば、「Ｒ１」は「１つ目」の改質器を指し、「Ｒｎ」は「ｎ個目」の改質器を指している。したがって、「改質器Ｒ１〜Ｒｎ」は、ｎ個の改質器を備えていることを指す。図２では、いずれも３つずつ備えているので、ｎ＝３となる。なお、以下の説明では、便宜上、ｎ個の改質器のうち、いずれでもよい場合を説明するときには、ｎ個目の「改質器Ｒｎ」を例示するものとする。また、以下の説明では、原料またはガスの流れ方向の上流または下流を、単に「上流」または「下流」と表現する。
脱硫器Ｄ０は、原料供給ライン１１に接続され、原料に含まれる硫黄成分を除去する。脱硫された原料は、原料供給器Ｂｔに供給される。原料供給器Ｂｔは、原料供給ライン１１および原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎを介して改質器Ｒ１〜Ｒｎに原料を供給する。このとき、原料供給器Ｂｔは、原料の供給を調整しながら当該原料の供給を行う。原料供給ライン１１は、原料ガス源（例えば、都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）のインフラストラクチャ）に接続されており、需要に応じて炭化水素系ガス（例えば、天然ガス）が供給される。また、原料供給ライン１１は、各改質器Ｒ１〜Ｒｎそれぞれに接続されるように分岐しており、それぞれの分岐点の下流側（改質器Ｒ１〜Ｒｎの上流側）に原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎが設けられている。
改質器Ｒ１〜Ｒｎは、脱硫された原料を改質して、水素含有ガスである改質ガスを生成し、改質ガス供給ライン１２−１〜１２−ｎを介して、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎにそれぞれ供給する。改質ガス供給ライン１２−ｎは、改質器Ｒｎと燃料電池スタックＦｎとをそれぞれ一対一で接続する。そして、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎが、それぞれ改質ガス供給ライン１２−１〜１２−ｎから分岐して脱硫器Ｄ０の上流側である原料供給ライン１１に接続されている。改質ガス再利用ライン１５−ｎの上流側には改質ガス再利用弁Ｖｃｎが設けられており、改質ガス再利用弁Ｖｃｎの開閉により原料供給ライン１１に改質ガスの一部を合流させたり遮断させたりすることが可能となっている。
燃料電池スタックＦｎには、さらに、酸化剤ガス供給ライン１４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０が接続され、当該酸化剤ガス供給器Ｓ０から燃料電池スタックＦｎに酸化剤ガス（例えば空気）が供給される。燃料電池スタックＦｎは、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。また、発電に用いられなかった改質ガスすなわちオフガスは、燃焼ガスとして燃料電池スタックＦｎから燃焼ガス供給ライン１６−ｎに排出される。したがって、この燃焼ガスすなわちオフガスも改質ガスである。燃焼ガス供給ライン１６−ｎは、燃焼ガス弁Ｖｂｎを介して熱供給器Ｂｎに接続されている。１つの熱供給器Ｂｎは、１つの改質器Ｒｎに対応して設けられ、燃焼ガスを燃焼して、当該改質器Ｒｎに、水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。
各燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎは、オフガス相互利用ライン１３により互い接続されている。したがって、各燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎに設けられた燃焼ガス弁Ｖｂｎを適宜開閉することにより、ある熱供給器Ｂｎに、その対応する燃料電池スタックＦｎからの燃焼ガス（対応する改質器Ｒｎからの改質ガス）と他の燃料電池スタックＦｎからの燃焼ガス（他の改質器Ｒｎからの改質ガス）とを選択的に供給することができる。
脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、改質器Ｒｎ、燃料電池スタックＦｎ、熱供給器Ｂｎ、各ラインおよび各弁の具体的構成は特に限定されない。一例を挙げると、脱硫器Ｄ０としては、硫黄成分を水添脱硫反応で除去する構成のものが用いられる。この構成において、脱硫用に炭化水素系ガスに添加される水素は、改質器Ｒｎで生成された改質ガスを用いることができる。図２に示すように、改質ガス再利用ライン１５−ｎは改質器Ｒｎの下流側と脱硫器Ｄ０の上流側を接続しているので、改質器Ｒｎで生成した改質ガスが脱硫器Ｄ０に戻されて再利用されることになる。なお、脱硫器Ｄ０としては、硫黄成分を吸着する吸着剤を備える構成のものであってもよい。この場合は、改質ガス再利用ライン１５−ｎは不要である。
原料供給器Ｂｔとしては、例えば、公知の原料供給器ポンプが用いられる。酸化剤ガス供給器Ｓ０としては、例えば、公知のブロアが用いられる。なお、燃料電池スタックＦｎに対しては、改質ガスとともに酸化剤ガスが供給されればよく、当該酸化剤ガスは空気に限定されず、純酸素等も用いることができる。
改質器Ｒｎとしては、例えば、水蒸気改質器が用いられる。この場合、炭化水素系ガスに水蒸気を加えたものを原料として当該改質器Ｒｎに供給すればよい。また、図示しないが、改質器Ｒｎの下流側にＣＯ除去器が設けられてもよい。ＣＯ除去器は、改質器Ｒｎによって生成した改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を減少させるために用いられ、例えば、変成器、選択酸化器、メタン化器等の公知の反応器が用いられる。
燃料電池スタックＦｎとしては、複数の発電セルをスタック化したものである。各発電セルの具体的な種類は特に限定されず、固体高分子電解質形、固体酸化物形、りん酸形、溶融炭酸塩形等の公知のものを挙げることができる。燃料電池スタックＦｎに供給される「発電用燃料」は前記のとおり改質ガスであるが、改質ガスを生成するために供給される原料は、天然ガス等の炭化水素系ガスに限定されない。例えば、プロパンガス等の他の炭化水素系ガスであってもよいし、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料を原料として供給してもよいし、炭化水素以外の有機系燃料、例えばメタノール等を原料として供給してもよい。
熱供給器Ｂｎは、オフガスを燃焼して改質器Ｒｎを加熱するものであり、言い換えれば、改質器Ｒｎの温度を所望の範囲内に保持するための熱供給器である。改質器Ｒｎが水蒸気改質器であれば、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、当該反応を進行させるためには外部からの加熱を要する。したがって、改質器Ｒｎは、熱供給器Ｂｎに限定されず、オフガスまたは改質ガスを燃料として熱を発生させる公知の熱供給器を用いることができる。改質器Ｒｎにおいて、水蒸気改質反応に好ましい温度としては、典型的には、７００℃程度を挙げることができ、熱供給器Ｂｎは、この温度を実現できる火力を備えていればよい。
なお、本実施の形態においては、改質器Ｒｎの近傍に熱供給器Ｂｎを配置している。換言すると、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、改質器Ｒｎの外部から熱供給器Ｂｎにより改質器Ｒｎを加熱する構成としている。
原料供給ライン１１、改質ガス供給ライン１２−ｎ、オフガス相互利用ライン１３、酸化剤ガス供給ライン１４、改質ガス再利用ライン１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−ｎとしては、公知の配管が用いられるが、配管以外の他の公知の経路を用いてもよい。原料遮断弁Ｖａｎ、燃焼ガス弁Ｖｂｎ、改質ガス再利用弁Ｖｃｎとしては、公知の開閉弁等が用いられる。
なお、燃料電池スタックＦｎには水通流経路が設けられているが、図２においては、水通流経路の具体的な構成については、その記載を省略している。水通流経路としては、改質水供給経路、冷却水循環経路、回収水循環経路、貯湯水循環経路等が挙げられるが、特に限定されない。また、燃料電池システム１０は、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ等の一部の構成を備えていなくてもよい。例えば、原料（典型的には炭化水素系ガス）に硫黄成分が含まれていないのであれば、脱硫器Ｄ０は不要であり、原料の圧力が十分に確保できるのであれば、原料供給器Ｂｔにおける昇圧機能は不要である（ただし、流量調整機能は必要である）。
図２に示すように、改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎは改質ガス供給ライン１２−ｎにより一対一で接続されているので、１つの改質器Ｒｎから１つの燃料電池スタックＦｎに対して改質ガスが供給されるように、１つの改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの組は、発電ユニットＵｎを構成している。燃料電池システム１０は、複数の発電ユニットＵ１〜Ｕｎを備えていることになるが、これら発電ユニットＵ１〜Ｕｎは、図３に示すように、制御器Ｃｔにより制御される。なお、制御器Ｃｔは、発電ユニットＵ１〜Ｕ３を含む燃料電池システム１０全体の運転を制御してもよい。
具体的には、燃料電池システム１０は、発電ユニットＵ１〜Ｕｎで発電した電力を外部負荷に出力するための出力制御器（図示せず）を備えている。出力制御器はインバータ等で構成され、この出力制御器に対し、発電ユニットＵ１〜Ｕｎのそれぞれの電気出力端子が互いに並列に接続されている。制御器Ｃｔは、この出力制御器により外部負荷への出力を制御しつつ、それに応じて原料供給器Ｂｔにより原料供給量を制御することにより、発電ユニットＵ１〜Ｕｎの発電運転、すなわち、改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの稼働を制御する。制御器Ｃｔは、発電ユニットＵｎに含まれる原料遮断弁Ｖａｎ、燃焼ガス弁Ｖｂｎ、改質ガス再利用弁Ｖｃｎの開閉も制御する。また、発電ユニットＵｎに含まれる燃料電池スタックＦｎ（図３には図示せず）は、発電検査器Ｃｋにより正常な発電が可能であることが検査される（発電チェック）。
この発電チェックは、例えば、燃料電池スタックＦｎの発電電圧を電圧検知器（図示せず）で検出して所定の基準電圧と比較することにより行われる。この発電検査器Ｃｋによる発電チェックは制御器Ｃｔの制御により実行される。また、発電チェックの結果は、発電検査器Ｃｋから制御器Ｃｔに入力され、発電ユニットＵｎ（および燃料電池システム１０）の制御に用いられる。
また、制御器Ｃｔは、停電検知器８３から停電の検知信号が入力されると、後述するように、燃料電池システム１０を「停電等の非常事態に対する待機状態」（以下、単に「待機状態」と略す。）から「発電状態」に移行させる制御も行う。なお、後述するように、制御器Ｃｔは、待機状態では、発電ユニットＵ１〜Ｕｎを順次交代で模擬的に稼働させて発電チェックを行う制御を可能としている。
電源切換器８２、停電検知器８３、制御器Ｃｔ、発電検査器Ｃｋの具体的な構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。
［燃料電池システムの運転方法］
前記構成の燃料電池システム１０は、通常は「待機状態」にあるが、非常時には「発電状態」に移行するように運転される。このうち待機状態では、複数の発電ユニットＵ１〜Ｕｎを順次交代で模擬的に稼働させることで、発電チェックが行われる。この発電チェックは改質器Ｒ１〜Ｒｎの暖機運転を兼ねて行われ、この暖機運転は、停電の発生時に発電ユニットＵ１〜Ｕｎをすぐに起動させるために行われる。待機状態における運転制御の一例について、図４を参照して具体的に説明する。なお、図４に示す例では、発電ユニットＵｎを３つ備えている構成を前提とし、発電ユニットＵ１について発電チェックを行う場合を例示している。
燃料電池システム１０の初期状態においては、全ての弁、すなわち、原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３、燃焼ガス弁Ｖｂ１〜Ｖｂ３、および改質ガス再利用弁Ｖｃ１〜Ｖｃ３が閉じられている。
制御器Ｃｔは、まず、原料遮断弁Ｖａ１を開け（ステップＳ１０１）、次いで、燃焼ガス弁Ｖｂ１を開ける（ステップＳ１０２）。原料遮断弁Ｖａ１および燃焼ガス弁Ｖｂ１を開ける順序は逆でもよいし同時でもよい。これにより、停止中の燃料電池スタックＦｎから排出される改質ガスが熱供給器Ｂ１に供給される。その後、制御器Ｃｔは、熱供給器Ｂ１を点火する（ステップＳ１０３）。これにより、改質器Ｒ１が稼働を開始する。なお、図４にはステップを示さないが、改質器Ｒ１が稼働を開始した後には、制御器Ｃｔは、改質ガス再利用弁Ｖｃ１を開けて改質ガスの一部を脱硫器Ｄ０の上流に戻す。これにより脱硫器Ｄ０では、水添脱硫反応が促進され、より効率的に脱硫が行われる。
稼働中の改質器Ｒ１によって生成した改質ガスは、燃料電池スタックＦ１に供給されるので、制御器Ｃｔは、酸化剤ガス供給器Ｓ０を作動させ、かつ、出力制御器により電流を取り出して外部負荷に供給することで、燃料電池スタックＦ１に発電を開始させる（ステップＳ１０４）。なお、発電チェックを行わない場合には、燃料電池スタックＦ１から電流を取り出さないことで、発電を開始させなくてもよい。また、発電している間、改質ガスが燃料電池スタックＦ１を通過する過程で、当該改質ガスに含まれる水素が消費されるが、燃料電池スタックＦ１から流出するオフガスには、消費されなかった水素が含まれている。このオフガスは、燃焼ガスとして燃焼ガス供給ライン１６−１を介して熱供給器Ｂ１に供給され、熱供給器Ｂ１はオフガスを燃焼することで、改質器Ｒ１の温度を維持する。
次に、制御器Ｃｔは、発電中の燃料電池スタックＦ１について、発電検査器Ｃｋによる発電チェックを行わせる（ステップＳ１０５）。燃料電池スタックＦ１の発電状態に異常が発見されれば（ステップＳ１０５でＮＧ）、制御器Ｃｔは燃料電池システム１０を停止させ、エラー信号を発する（ステップＳ１０６）。一方、燃料電池スタックＦ１が正常に発電を行っていれば（ステップＳ１０５でＯＫ）、制御器Ｃｔは、燃料電池スタックＦ１の電流を出力制御器により遮断して発電を停止し（ステップＳ１０７）、発電ユニットＵ２の燃焼ガス弁Ｖｂ２を開け（ステップＳ１０８）、熱供給器Ｂ２を点火して（ステップＳ１０９）、発電ユニットＵ２の改質器Ｒ２の暖機を開始する。さらに、制御器Ｃｔは、発電ユニットＵ３の燃焼ガス弁Ｖｂ３を開け（ステップＳ１１０）、熱供給器Ｂ３を点火して（ステップＳ１１１）、発電ユニットＵ３の改質器Ｒ３の暖機を開始する。このように、待機状態では、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３を暖機することができるので、停電に備えて燃料電池システム１０を待機させておくことができる。
その後、停電検知器８３による停電の検知が行われ（ステップＳ１１２）、停電が検知されなければ（ステップＳ１１２でＮＯ）、改質器Ｒ２およびＲ３の暖機を継続する（ステップＳ１０８に戻る）。一方、停電が検知されれば（ステップＳ１１２でＹＥＳ）、待機状態から発電状態に移行し、発電ユニットＵ２の原料遮断弁Ｖａ２を開けるとともに（ステップＳ１１３）、発電ユニットＵ３の原料遮断弁Ｖａ３を開け（ステップＳ１１４）、出力制御器により電流を取り出して外部負荷に供給することにより、全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に発電を開始させる（ステップＳ１１５）。前記のとおり改質器Ｒ１〜Ｒ３は全て暖機されているので、停電が発生して迅速に発電を行う必要が生じたときには、原料が供給され次第、全ての発電ユニットＵ１〜Ｕ３は直ちに発電を開始することができる。
これ以降は、制御器Ｃｔにより発電状態の制御が行われるので、待機状態の制御は終了することになる。なお、他の発電ユニットＵ２，Ｕ３に対する制御も同様に行われる。つまり、１つ目の発電ユニットＵ１の発電チェックが完了して発電が停止した後に、２つ目の発電ユニットＵ２の発電チェックを行い、発電ユニットＵ２の発電チェックが完了すれば、３つ目の発電ユニットＵ３の発電チェックを行うよう制御すればよい。
このように、燃料電池システム１０が待機状態にあれば、複数の改質器Ｒｎのうち少なくとも１つが稼働し残りは暖機されているので、複数の燃料電池スタックＦｎは、いずれも迅速に発電を開始して発電チェックを行うことができる。それゆえ、待機状態で改質器Ｒｎにより消費されるエネルギーの一部を、発電チェックにも利用することができる。
ここで、前記運転制御において、各発電ユニットＵ１〜Ｕ３のエネルギー収支としては、次の表１に示す例をあげることができる。なお、表１に示す例では、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３としてバーナーが用いられている。

表１における状態Ｉは、待機状態のうち発電ユニットＵ１でのみ発電が行われている状態であり、図４におけるステップＳ１０４に相当する。この状態Ｉでは、改質器Ｒ１には、１．２ｋＷのエネルギーを有する燃料が供給され、当該改質器Ｒ１によって１ｋＷのエネルギーを有する改質ガスに改質される。この改質ガスのうち、エネルギー全体の２／３に相当する（６６６Ｗ）水素が発電によって消費され、エネルギー全体の１／３（３３３Ｗ）に相当するオフガスが発生する。このオフガスの一部を熱供給器Ｂ１に供給して燃焼することで、改質器Ｒ１の温度が良好に維持される。
状態ＩＩは、待機状態のうち燃料電池スタックＦ１の発電を停止した状態であり、図４におけるステップＳ１０８〜Ｓ１１１に相当する。この状態ＩＩでは、燃料電池スタックＦ１でエネルギーが消費されなくなるので、オフガスは改質ガスと同じ１ｋＷのエネルギーを有することになる。このオフガスをそのまま熱供給器Ｂ１に供給すると、燃焼熱量が過剰となり、改質器Ｒ１の温度が過剰に上昇するおそれがある。そこで、燃焼ガス弁Ｖｂ２，Ｖｂ３を開き、オフガスを発電ユニットＵ２，Ｕ３の熱供給器Ｂ２，Ｂ３に供給することで、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３のいずれも、オフガスのエネルギー全体の１／３（３３３Ｗ）を燃焼して、改質器Ｒ１〜Ｒ３のそれぞれを暖機することになる。それゆえ、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３の温度は、いずれも良好に維持される。
状態ＩＩＩは、待機状態ではなく発電状態に対応し、図４におけるステップＳ１１５に相当する。この状態では、全ての発電ユニットＵ１〜Ｕ３において、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３が発電を行い、改質ガスのエネルギー全体の２／３を消費するので、いずれの発電ユニットＵ１〜Ｕ３においても、オフガスは１／３のエネルギーを有する。それゆえ、各発電ユニットＵ１〜Ｕ３のいずれにおいても、改質器Ｒ１〜Ｒ３の温度が良好に維持される。
なお、燃料電池システム１０が図２に示す構成であれば、状態ＩまたはＩＩに示すように、供給される原料のエネルギーは１．２ｋＷで済むが、従来の構成（図１０参照）を３つ並列させただけの構成であれば、待機状態であっても、表１に示す状態ＩＩＩと同じく３．６ｋＷのエネルギーが必要となる。しかも、図２に示す構成であれば、待機状態で稼働する改質器Ｒｎは改質器Ｒ１のみであり、他の改質器Ｒ２，Ｒ３は暖機されているが改質処理を行っていないので、改質器Ｒ２，Ｒ３の寿命を延ばすことができる。一方、従来の構成では、全ての改質器Ｒ１〜Ｒ３を稼働させるため、改質器Ｒｎの運転時間が長くなって寿命が短くなる。
また、図４に示す運転制御を、発電ユニットＵ２，Ｕ３についても順次交代して行えば、改質器Ｒ１〜Ｒ３および燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３を順次交代して稼働させることになる。そのため、全ての燃料電池スタックＦｎを稼働させる場合よりもエネルギー消費を大幅に抑制することができる。また、各改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの累積稼働時間を短くし、これらの寿命を延ばすことも可能となる。
さらに、燃料電池スタックＦ１の発電チェックを行わず、改質器Ｒ１〜Ｒ３の暖機運転のみを行う運転制御は、図４において、実質的にステップＳ１０４〜Ｓ１０７を省略しただけの制御となる。したがって、発電チェックは、改質器Ｒ１〜Ｒｎの暖機運転と兼ねて実行することができ、それゆえ、待機状態のエネルギー消費を抑制できるだけでなく、効率的な運転制御を行うことが可能となる。
［変形例］
図４に示す運転制御では、例えば、ステップＳ１１２においてＮＯである場合（停電が検知されない場合）に、稼働中の改質器Ｒ１に供給される原料（例えば、炭化水素系ガス）の流量を通常稼働時よりも低下させるステップを行ってもよい。このステップでの流量は、改質器Ｒ１の最少改質能力に合わせて設定することができる。このステップを行う場合であって、ステップＳ１１２においてＹＥＳである場合（停電が検知された場合）には、稼働中の改質器Ｒ１に供給される原料の流量を通常稼働時に戻すように増加させるステップを行えばよい。これにより、燃料電池システム１０を待機状態から発電状態に適切に移行することができる。
前記構成であれば、改質器Ｒ１は、最少レベルの改質を行う状態から通常の改質を行う状態に立ち上げることになるため、停止している改質器Ｒ１を立ち上げる場合よりも燃料電池システム１０の迅速な起動が可能となる。また、待機状態で最小限の改質しか行わないため、エネルギー消費をより一層抑制することができる。
また、図示しないが、燃料電池システム１０が待機状態にあるときに、複数の改質器Ｒ１〜Ｒｎのうち、停止中の改質器Ｒｎに対する稼働中の改質器Ｒｎの割合を、時間帯によって変更するように運転制御することもできる。例えば、夕刻に電力消費量がピークとなって停電が頻発することが予め明らかである場合には、夕刻に稼働中の改質器Ｒｎの数を他の時間帯よりも増やすように制御器Ｃｔで運転制御する。これにより、停電時に迅速な電力のバックアップが可能となる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２０は、図５に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに代えて、単一で大型の燃料電池スタックＦ０を備えている点が異なっている。なお、図５では、説明の便宜上、脱硫器Ｄ０、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、改質器Ｒｎの数を具体的に３つに特定して（ｎ＝３）記載している（改質器Ｒ１〜Ｒ３）。
燃料電池システム２０においては、改質ガス供給ライン２２が、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３で生成された改質ガスを、まとめて単一の燃料電池スタックＦ０に供給するために、上流側が複数に分岐（図５では３分岐）し、下流側が１つに合流する形状のラインとなっている。また、酸化剤ガス供給ライン２４は、単一の燃料電池スタックＦ０に酸化剤ガス（空気）を供給すればよいので、酸化剤ガス供給ライン１４とは異なり全体的に単一のラインとなっている。
なお、図５には、水通流経路の一例として、燃料電池スタックＦ０を冷却するための冷却水循環経路も示している。冷却水循環経路は、冷却水タンクＴｋ、放熱器Ｈｅ、冷却用ポンプＰｗ０、放熱用ポンプＰｈ、冷却用水配管２８および放熱用水配管２９を備える構成となっている。なお、これらタンク、ポンプ、放熱器、配管等の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を用いることができる。また、冷却水循環経路は、これら以外の機器、部材、配管等を含んでもよい。さらに、冷却水に代えて、不凍液等の他の熱媒体を用いて循環経路を構成してもよい。
次に、前記構成の燃料電池システム２０の運転方法について、前記実施の形態１と異なる点についてのみ、以下に具体的に説明する。
原料は、原料供給器Ｂｔにより原料供給ライン１１を介して改質器Ｒ１〜Ｒ３に供給され、これら改質器Ｒ１〜Ｒ３で改質されることにより改質ガスが生成する。各改質器Ｒ１〜Ｒ３で生成した改質ガスは、改質ガス供給ライン２２により合流されて燃料電池スタックＦ０に供給される。
燃料電池スタックＦ０には冷却水循環経路が設けられており、冷却水タンクＴｋに貯蔵された冷却水は、冷却用ポンプＰｗ０によって冷却用水配管２８を循環する。これにより、燃料電池スタックＦ０が冷却される。また、燃料電池スタックＦ０を冷却した冷却水は当該燃料電池スタックＦ０から熱を回収するので、当該冷却水は昇温した状態で冷却水タンクＴｋに戻るが、冷却水タンクＴｋ内の冷却水は、放熱用ポンプＰｈによって放熱用水配管２９を循環し、放熱器Ｈｅにより放熱されて冷却される。これにより、燃料電池スタックＦ０が所定の温度範囲に維持される。
本実施の形態によれば、大型の燃料電池スタックＦ０を１つのみ備えているため、燃料電池システム２０の全体構成は簡素なものとなっているが、前記実施の形態１と同様に、稼働中の改質器Ｒｎ（例えば改質器Ｒ１）に由来するオフガスを停止中の他の改質器Ｒｎ（例えば改質器Ｒ２，Ｒ３）の暖機に用いることができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費を抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３０は、図６に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎにそれぞれ対応する複数の酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓｎを備えている点が異なっている。なお、図６においても、説明の便宜上、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、改質器Ｒｎ、燃料電池スタックＦｎおよび酸化剤ガス供給器Ｓｎの数を具体的に３つに特定して（ｎ＝３）記載している。
各酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれ酸化剤ガス供給ライン３４−１〜３４−３を介して燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に一対一で接続されている。したがって、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３の少なくともいずれかが稼働しているときには、稼働中の燃料電池スタックＦｎに対応する酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３を適切な出力で稼働させればよい。それゆえ、燃料電池スタックＦｎの稼働状態に応じて酸化剤ガス供給器Ｓｎの稼働状態をより精密に制御することが可能となる。
さらに、燃料電池システム３０においては、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のそれぞれに冷却水循環経路が設けられており、冷却水タンクＴｋに接続される冷却用水配管３８は、途中で分岐して各燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に接続されている。また、冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３は、それぞれの燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に対して設けられている。それゆえ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のそれぞれの稼働状態に応じて、対応する冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３を適切に動作させて、冷却水の循環量を変化させることができる。
本実施の形態によれば、発電中の燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に応じて、対応する酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３、冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３の稼働状態をより精密に制御することができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費をより一層抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、より効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４０は、図７に示すように、前記実施の形態３に係る燃料電池システム３０と同様の構成を有しているが、さらに、各改質器Ｒ１〜Ｒ３の上流側にそれぞれ対応する脱硫器Ｄ１〜Ｄ３が設けられている点が異なっている。なお、図７においては、説明の便宜上、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、原料供給ライン４１は、脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔを備えていない以外は、前述した原料供給ライン１１と同様の構成を有している。
燃料電池システム４０の運転について、前記実施の形態１で説明した待機状態から発電状態に移行する場合を例に挙げて説明する。待機状態では、改質器Ｒ１が稼働中で、改質器Ｒ２，Ｒ３が暖機されている状態にある。改質器Ｒ２，Ｒ３の稼働を開始させるときには、対応する原料遮断弁Ｖａ２，Ｖａ３を開けば、原料供給ライン４１から供給される原料は、脱硫器Ｄ２，Ｄ３を介して改質器Ｒ２，Ｒ３に供給される。この時点で、改質器Ｒ１に接続される改質ガス再利用ライン１５−１においては、改質ガス再利用弁Ｖｃ１が開かれている。それゆえ、改質器Ｒ１からの改質ガスは、脱硫器Ｄ１だけでなく脱硫器Ｄ２，Ｄ３の上流側に供給されるため、当該脱硫器Ｄ２，Ｄ３における水添脱硫反応が促進されて効率的な脱硫が可能となる。
本実施の形態によれば、各改質器Ｒ１〜Ｒ３に対してそれぞれ脱硫器Ｄ１〜Ｄ３が設けられているため、各脱硫器Ｄ１〜Ｄ３を流れる炭化水素系ガスの流量は、単一の脱硫器Ｄ０（実施の形態１，３参照）と比較して大きく変動することがない。それゆえ、脱硫器Ｄ１〜Ｄ３の容量を流量に合わせて小さくすることができるので、脱硫器Ｄ０において再利用される改質ガスの量も少なくなり、熱供給器Ｂｎに供給される改質ガスの量を多くすることが可能となる。
また、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のうち発電中のものに対応する脱硫器Ｄｎのみで脱硫を行えばよいので、脱硫器Ｄ１〜Ｄ３の寿命を延ばすことができる。さらに、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３の稼働状態をより精密に制御することができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費をさらに一層抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、さらに効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム５０は、図８に示すように、前記実施の形態２に係る燃料電池システム２０と同様の構成を有しているが、オフガス相互利用ライン１３の代わりに、改質ガス相互利用ライン５３−１〜５３−３を備えている点が異なっている。なお、図８においては、説明の便宜上、脱硫器Ｄ０および冷却水循環経路の記載は省略している。
燃料電池システム５０の構成について、前記実施の形態２に係る燃料電池システム２０と異なる点についてのみ、具体的に説明すると、まず、原料供給ライン５１は、下流側に原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３ではなく三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３（参照符号Ｖｄｎとすれば、ｎ＝３）が設けられている点を除けば、前述した原料供給ライン１１と同様の構成を有している。三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、原料供給ライン５１からの原料の供給または遮断を行うだけでなく、他の改質器Ｒｎで生成された改質ガスの供給または遮断も行う。
各改質器Ｒ１〜Ｒ３と燃料電池スタックＦ０とは、改質ガス供給ライン５２により互いに接続されている。改質ガス供給ライン５２は、前述した改質ガス供給ライン２２と同様に上流側が３分岐し下流側が１つに合流している。上流側で３つに分岐している各ラインを枝ライン５２−ｎと称すれば、枝ライン５２−１〜５２−３には改質ガス供給弁Ｖｅ１〜Ｖｅ３が設けられている。
また、枝ライン５２−ｎにおいて改質器Ｒｎおよび改質ガス供給弁Ｖｅｎの間となる部位からは、改質ガス相互利用ライン５３−ｎが接続している。燃焼ガス供給ライン５６−ｎは、前述した燃焼ガス供給ライン１６−ｎと同様の構成を有しており、燃焼ガス弁Ｖｂｎが設けられている。ただし、ここでの燃焼ガスは、燃料電池スタックＦｎに供給される前の改質ガスである。具体的には、熱供給器Ｂ１につながる燃焼ガス供給ライン５６−１は枝ライン５２−１から分岐し、熱供給器Ｂ２につながる燃焼ガス供給ライン５６−２は枝ライン５３−２から分岐し、熱供給器Ｂ３につながる燃焼ガス供給ライン５６−３は枝ライン５２−３から分岐している。
そして、改質ガス相互利用ライン５３−ｎが、その対応する改質器Ｒｎの下流側である枝ライン５２−ｎと他の改質器Ｒｎの上流側に位置する三方弁Ｖｄｎとを接続するように設けられている。具体的には、改質器Ｒ１の下流側の枝ライン５２−１と改質器Ｒ２の上流側の三方弁Ｖｄ２とは、改質ガス相互利用ライン５３−１により接続され、改質器Ｒ２の下流側の枝ライン５２−２と改質器Ｒ３の上流側の三方弁Ｖｄ３とは、改質ガス相互利用ライン５３−２により接続され、改質器Ｒ３の下流側の枝ライン５２−３と改質器Ｒ１の上流側の三方弁Ｖｄ１とは、改質ガス相互利用ライン５３−３により接続されている。
次に、前記構成の燃料電池システム５０の運転方法について、前記実施の形態１または実施の形態２と異なる点についてのみ、以下に具体的に説明する。
初期状態においては、三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、それぞれ、その対応する改質器Ｒｎと改質ガス相互利用ラインとを連通している。そして、図４に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０４において、制御器Ｃｔは、まず、発電ユニットＵ１を構成する改質器Ｒ１を、原料供給器Ｂｔに連通するように、三方弁Ｖｄ１を切り換えるとともに、改質ガス供給弁Ｖｅ１および燃焼ガス弁Ｖｂ１を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ１を介して改質器Ｒ１に流入し、改質ガスに改質される。
改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−１に流入し、熱供給器Ｂ１による改質器Ｒ１の加熱に用いられるが、残部は、発電ユニットＵ１を構成する燃料電池スタックＦ１に供給されて発電に用いられる。なお、他の発電ユニットＵ２，Ｕ３においては、それぞれ改質ガス供給弁Ｖｅ２，Ｖｅ３および燃焼ガス弁Ｖｂ２，Ｖｂ３が閉じているため、改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部は他の発電ユニットＵ２，Ｕ３には供給されない。
次に、図４に示すステップＳ１０８〜Ｓ１１１において、燃焼ガス弁Ｖｂ２を開くと、改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部が、改質ガス相互利用ライン５３−１および三方弁Ｖｄ２を介して改質器Ｒ２に流入する。改質器Ｒ２に流入した改質ガスは、前記のとおり改質器Ｒ１で既に改質されているので、その組成がほとんど変わることなく改質器Ｒ２から流出する。この改質ガスは、燃焼ガス供給ライン５６−２に流入し、熱供給器Ｂ２による改質器Ｒ２の暖機に用いられる。そして、燃焼ガス弁Ｖｂ３を開くと、この改質ガスの一部は、改質ガス相互利用ライン５３−２および三方弁Ｖｄ３を介して改質器Ｒ３に流入する。改質器Ｒ３から流出した改質ガスは、燃焼ガス供給ライン５６−３に流入し、熱供給器Ｂ３による改質器Ｒ３の暖機に用いられる。
そして、停電が検知されると、図４に示すステップＳ１１３〜Ｓ１１５において、制御器Ｃｔは、まず、三方弁Ｖｄ２を、改質器Ｒ２を原料供給器Ｂｔに連通するよう切り換えるとともに改質ガス供給弁Ｖｅ２及び燃焼ガス弁Ｖｂ２を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ２を介して改質器Ｒ２に流入し、改質ガスに改質される。この改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−２に流入し、熱供給器Ｂ２による改質器Ｒ２の加熱に用いられ、残部は燃料電池スタックＦ２に供給されて発電に用いられる。
次に、制御器Ｃｔは、三方弁Ｖｄ３を、改質器Ｒ３を原料供給器Ｂｔに連通するよう切り換えるとともに改質ガス供給弁Ｖｅ３および燃焼ガス弁Ｖｂ３を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ３を介して改質器Ｒ３に流入し、改質ガスに改質される。この改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−３に流入し、熱供給器Ｂ３による改質器Ｒ３の加熱に用いられ、残部は燃料電池スタックＦ３に供給されて発電に用いられる。なお、この状態では、全ての三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３が、それぞれ、その対応する改質ガス相互利用ライン５３−ｎとその対応する改質器Ｒｎとを遮断しているので、ある改質器で生成された改質ガスが他の改質器に対応する熱供給器に供給されることはない。
このように、燃料電池システム５０においては、熱供給器Ｂｎの燃焼ガスとして、燃料電池スタックＦｎから排出されるオフガスではなく、改質器Ｒｎで生成され、燃料電池スタックＦｎに供給される改質ガスの一部を用いている。改質ガスは水素が主成分であるので、待機状態において、原料（典型的には炭化水素系ガス）が改質器Ｒｎの内部に残存している場合よりも改質器Ｒｎの寿命を延ばすことができる。
すなわち、待機状態で改質器Ｒｎが稼働していなければ、原料が改質器Ｒｎの内部に残存しているが、原料に、炭化水素等の炭素骨格を有する成分（便宜上、炭化水素成分と称する）が含まれていると、暖機による温度上昇で炭化水素成分が熱分解して炭素微粒子（すす）が生じる。すすの発生が多量になると改質器Ｒｎ内の改質触媒の表面を覆ってしまうため、改質反応の進行を妨げる。これに対して、改質ガスを、改質器Ｒｎを通流させながら熱供給器Ｂｎの燃料ガスとして用いれば、すすの発生が回避されるので、改質触媒を長期間使用することができる。
本実施の形態によれば、待機状態のエネルギー消費を一層抑制できるだけでなく、改質器Ｒｎの寿命を延ばすことができ、さらに、発電チェックを並行して行うことで、より効率的な運転制御を行うことが可能となる。
燃料電池システム５０においては、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として、燃料電池スタックＦｎに供給される改質ガスの一部を利用しているが、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様に、オフガス相互利用ライン１３を備えることで、オフガスの一部を熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として利用できる構成であってもよい。この場合、オフガス相互利用ライン１３にオフガス利用弁を設けることで、三方弁Ｖｄｎおよびオフガス利用弁を適宜開閉することで、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として、改質器Ｒｎで生成された改質ガス、または、燃料電池スタックＦｎから排出されるオフガスのいずれかを使い分けることができる。例えば、待機状態では前者の改質ガスを用い、発電状態では後者のオフガスを用いることが可能となる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム６０は、図９に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、個々の燃料電池スタックＦｎが、改質器Ｒｎとともに断熱材Ｈｎに包まれている点で異なっている。
具体的には、図９に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム６０は、図９に示すように、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、複数の改質器Ｒ１〜Ｒ３、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３、複数の熱供給器Ｂ１〜Ｂ３およびこれらを接続するライン、並びに、これらラインに設けられる弁を備えている。
燃料電池スタックＦ１は、前記実施の形態１と同様に、例えば固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、改質器Ｒ１と共に断熱材Ｈ１で包まれている。そして、この断熱材Ｈ１の内部には熱供給器Ｂ１が設けられ、この熱供給器Ｂ１により燃料電池スタックＦ１および改質器Ｒ１に熱を供給することができる。なお、燃料電池スタックＦ２およびＦ３の構成も同様である。
脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔは原料供給ライン１１に接続され、脱硫された原料は、当該原料供給ライン１１および原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３を介して改質器Ｒ１〜Ｒ３にそれぞれ供給される。各改質器Ｒｎからの改質ガスは、改質ガス供給ライン１２−ｎを介して各燃料電池スタックＦｎに供給される。燃料電池スタックＦｎには、酸化剤ガス供給ライン１４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０から例えば空気等の酸化剤ガスが供給され、燃料電池スタックＦｎは、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。
ここで燃料電池スタックＦｎは、改質器Ｒｎおよび熱供給器Ｂｎとともに断熱材Ｈｎに包まれている。燃料電池スタックＦ１では、改質ガス中の水素は発電に応じた量が消費されるので、当該燃料電池スタックＦ１からはオフガスが排出される。このように発電に用いられなかったオフガスが燃料電池スタックＦｎから燃焼ガス供給ライン１６−ｎおよび燃焼ガス弁Ｖｂｎを介して熱供給器Ｂｎに供給される。燃焼ガス弁Ｖｂｎは断熱材Ｈｎの外側に位置している。なお、燃料電池システム６０には改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎは設けられていない。
前記構成の燃料電池システム６０においては、燃料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３および燃焼ガス弁Ｖｂ１〜Ｖｂ３を操作することにより、改質器Ｒ１〜Ｒ３のうち起動させる改質器Ｒｎにのみ原料およびオフガスを供給する。例えば、改質器Ｒ１を起動させる場合には、燃料遮断弁Ｖａ１のみを開いて改質器Ｒ１にのみ原料が供給される状態とし、同時に燃焼ガス弁Ｖｂ１を開いて燃料電池スタックＦ１を通過して排出されるオフガスを熱供給器Ｂ１に供給する。熱供給器Ｂ１は、オフガスを燃焼させて改質器Ｂ１の温度維持を行うが、改質器Ｂ１とともに燃料電池スタックＦ１も断熱材Ｈ１に覆われているので、熱供給器Ｂ１は改質器Ｂ１および燃料電池スタックＦ１の暖機を行うことができる。また、他の改質器Ｒ２あるいはＲ３を暖機したい場合には、燃焼ガス弁Ｖｂ２またはＶｂ３を開いて熱供給器Ｂ２またはＢ３にオフガスを供給すればよい。
前記構成によれば、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同じく、燃焼ガス弁Ｖｂ１だけでなく燃焼ガス弁Ｖｂ２およびＶｂ３を開くことで、例えば３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３を暖機して停電に備えて待機しておくことができる。燃料電池システム６０が４つ以上の発電ユニット（図２参照）を備えていれば、４つ以上の改質器Ｒ１〜Ｒｎを暖機することができる。
それゆえ、停電が発生して燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３において発電の必要性が生じた場合には、燃料遮断弁Ｖａ２およびＶａ３を開いて改質器Ｒ２およびＲ３にも燃料を供給すればよい。改質器Ｒ２およびＲ３は改質可能な温度まで暖機されているので、燃料が供給されればすぐに改質ガスを生成することができる。改質ガスが供給されれば燃料電池スタックＦ２およびＦ３は直ちに発電可能状態になる。
燃料電池スタックＦｎに用いられるＳＯＦＣは、温度の変化に応じて膨張または収縮するため、頻繁な温度変化を行うとスタックを構成するセルが破損する等の劣化を引き起こすおそれがある。これに対して、本実施の形態のように、常に暖機を行い、かつ、燃料電池スタックＦｎを改質器Ｒｎおよび熱供給器Ｂｎとともに断熱材Ｈｎで包んでいれば、温度変化を極力少なくした状態で運転を行うことができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、通信設備、病院、放送局等のバックアップ電源の分野に好適に用いることができるだけでなく、燃料電池システムを適用可能な分野に広く用いることができる。
Ｂｎ，Ｂ１〜Ｂ３ 熱供給器
Ｃｔ 制御器
Ｃｋ 発電検査器
Ｄ０，Ｄｎ，Ｄ１〜Ｄ３ 脱硫器
Ｆ０，Ｆｎ，Ｆ１〜Ｆ３ 燃料電池スタック
Ｒｎ，Ｒ１〜Ｒ３ 改質器
Ｕｎ，Ｕ１〜Ｕ３ 発電ユニット
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 燃料電池システム
１２−ｎ，１２−１〜１２−３ 改質ガス供給ライン
１３ オフガス相互利用ライン（改質ガス相互利用ライン）
１５−ｎ，１５−１〜１５−３ 改質ガス再利用ライン
２２ 改質ガス供給ライン
４２−ｎ，４２−１〜４２−３ 改質ガス供給ライン
５２ 改質ガス供給ライン
８１ 通信基地局（電力消費設備）
８４ 商用電力網（給電系統）
本発明は、通信基地局等のバックアップ電源等に好適に用いることが可能な、信頼性の高い燃料電池システムと、その運転方法とに関する。
従来から、通信基地局、データセンター等の通信設備、病院、放送局等では、災害等の非常時における停電に対応すべく、バックアップ電源が設置されている。このうち、燃料電池を用いたバックアップ電源としては、水素ボンベに貯蔵した水素を用いて燃料電池で発電を行う構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成のバックアップ電源は、燃料電池を迅速に起動できるという利点を有するが、水素ボンベ内の水素が全て消費されれば当該水素ボンベを交換しなければならないので、ボンベ交換の手間とコストとが必要になるという難点がある。また、地震、台風、ハリケーン等の大きな災害が発生したときには、道路等の交通網が寸断され、水素ボンベの供給そのものが滞るおそれがあり、この場合、バックアップ電源が特に必要となる災害時に役に立たなくなる可能性がある。
一方、燃料電池を用いた電源として、水素ボンベを用いない構成のものが知られている。代表的なものとしては、ガス事業者（ガス供給のインフラストラクチャ）により需要に応じて供給される炭化水素系ガスの燃料を利用する構成の電源が挙げられる。この構成では、典型的には、炭化水素系ガスの燃料を改質器で改質して水素を主成分とする改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池スタックに供給することで発電が行われる（例えば、特許文献２参照）。
前記構成の燃料電池システムの一例について具体的に説明すると、図１０に示すように、燃料電池システム１１０においては、燃料は、原料供給ライン１０１から脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔを介して原料遮断弁Ｖａ０の開閉により改質器Ｒ０に供給される。当該燃料は、改質器Ｒ０において、水素を主成分とする改質ガスに改質され、改質ガス供給ライン１０２を介して燃料電池スタックＦ０に供給される。燃料電池スタックＦ０を通過した後の改質ガス（オフガス）は、オフガス用ライン１０３および燃焼ガス弁Ｖｂ０を介して熱供給器Ｂ０に供給され、熱供給器Ｂ０は、オフガスを燃焼することで改質器Ｒ０を暖機している。
燃料電池スタックＦ０には、さらに酸化剤ガス供給ライン１０４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０から空気が供給され、燃料電池スタックＦ０は、改質ガスを空気と反応させることにより発電を行う。なお、参照符号１０５は、水添脱硫器からなる脱硫器Ｄ０に水素を供給するための改質ガス再利用ライン１０５を示し、参照符号Ｖｃ０は、改質ガス再利用弁Ｖｃ０を示す。
特開２０００−３３３３８６号公報 特開２００２−０９７００１号公報
しかしながら、改質器を用いた燃料電池システムをバックアップ電源として用いようとすると、以下のような課題がある。
すなわち、バックアップ電源は、通常時には発電を停止しており、停電が発生したとき（非常時）に起動して発電を行うものであるため、非常時には確実に発電できることが要求される。特に、通信基地局あるいは病院で医療機器用に設置されるバックアップ電源は、非常時に緊急かつ確実に発電する必要があることから、模擬的な起動を定期的に行い、正常な発電が可能であることが検査される（発電チェック）。発電チェックの頻度は、燃料電池システムの信頼性、または、電源を供給する設備、機器等の停電許容度に依存するが、典型的には、１日１回である。
一方、燃料電池システムを起動するときには改質器を暖機する必要があるため、暖機用に多くのエネルギーを消費することになる。通常、改質反応を良好に進行させるためには、改質器を７００℃程度まで加熱する必要があり、例えば、燃料電池システムの発電能力が５ｋＷであれば、起動のために約１５ｋＷの燃料が消費される。それゆえ、燃料電池システムは、発電を行わずに非常事態に対する待機状態にあるだけでも、改質器の暖機のために多くのエネルギーが必要になり、模擬的な起動を要する発電チェックを頻繁に行えば、さらに多くのエネルギーを消費することになる。
さらに、燃料電池システムが、改質器に加えてＣＯ除去器等を備えていれば、これらを暖機するためにもエネルギーが必要となるので、停電に対する待機状態または発電チェックに用いられるエネルギー量は増加する。しかも、停止している改質器が室温まで冷却されていれば、当該改質器を７００℃程度まで加熱して暖機する時間、並びに、ＣＯ除去器を暖機する時間等として、通常、約１時間程度の起動時間が必要となる。このように起動時間が長ければ、停電時に緊急に発電することができず、非常時の迅速かつ確実な電力のバックアップを実現することが困難となる。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、改質器を備えていても、非常事態に対する待機状態でのエネルギー消費を抑制し、かつ、非常時に迅速に起動できる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、前記の課題を解決するために、原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより、対応する当該改質器に熱を供給する熱供給器と、それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、を備えている構成である。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器から前記燃料電池スタックに供給され、かつ、当該燃料電池スタックから排出される改質ガスであるオフガスの一部を他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する、オフガス相互利用ラインである構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記複数の改質器にそれぞれ対応する複数の前記燃料電池スタックを備えているとともに、複数の前記改質器と複数の前記燃料電池スタックとをそれぞれ一対一で接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、複数の前記改質器で生成された改質ガスを合流して前記燃料電池スタックに供給するように、前記改質器および前記燃料電池スタックを接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記原料に含まれる硫黄成分を、水添脱硫反応で除去して前記改質器に供給する脱硫器と、前記改質器で生成された前記改質ガスの一部を前記脱硫器に戻す改質ガス再利用ラインと、を備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記脱硫器が、複数の前記改質器それぞれに対応して設けられている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質器に対応する前記熱供給器に、当該改質器で生成された改質ガスを供給する、燃焼ガス供給ラインをさらに備えている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器で生成された前記燃料電池スタックに供給される前記改質ガスの一部を、他の前記改質器に対応する熱供給器に、当該他の改質器と前記燃焼ガス供給ラインとを介して供給するように構成されている構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、制御器をさらに備え、当該制御器は、少なくとも１つの前記改質器を稼働させている間は他の前記改質器を停止させ、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つについて稼働を開始させる場合に、前記改質ガス相互利用ラインを介して当該稼働を開始させる前記改質器に対応する前記熱供給器に、稼働中の前記改質器で生成された改質ガスを供給して当該稼働を開始させる前記改質器を当該熱供給器により暖機し、その後、当該稼働を開始させる前記改質器を稼働させるとともに当該稼働中の前記改質器を停止させる制御を行う構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの発電状態を検査する発電検査器をさらに備え、前記制御器は、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックに発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させ、検査の完了後に、当該燃料電池スタックの発電を停止させる制御を行う構成であってもよい。
前記燃料電池システムにおいては、複数の前記燃料電池スタックを備え、前記制御器は、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電を停止させた後に、他の燃料電池スタックの発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させる制御を行う構成であってもよい。
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、前記の課題を解決するために、原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、を備えている、燃料電池システムの運転方法であって、当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、少なくとも１つの前記改質器が稼働している間は他の前記改質器が停止し、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つが稼働を開始したときには、稼働中の前記改質器が停止する構成である。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが、前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより当該改質器に熱を供給する熱供給器と、それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、をさらに備え、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記改質ガス相互利用ラインを介して停止中の前記改質器に対応する前記熱供給器に稼働中の前記改質器で生成した前記改質ガスを供給して、当該停止中の前記改質器を当該熱供給器により暖機する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査し、検査の完了後に、当該燃料電池スタックが発電を停止する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが複数の前記燃料電池スタックを備え、当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電が停止した後に、他の燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムは、１つの前記改質器から１つの前記燃料電池スタックに対して改質ガスが供給される複数の発電ユニットを備え、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記発電ユニットを１つずつ順次交代させて発電状態を検査する構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、当該燃料電池システムおよび他の給電系統から電力が供給される電力消費設備に対して、前記給電系統からの電力供給が停止したか否かを検知し、電力供給の停止を検知しない場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時よりも低下させて、前記燃料電池システムの前記待機状態を維持し、電力供給の停止を検知した場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時まで増加させるとともに、停止中の前記改質器の稼働を開始させて、前記燃料電池システムを前記待機状態から発電状態に移行させる構成であってもよい。
前記運転方法においては、前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、複数の前記改質器のうち、停止中の前記改質器に対する稼働中の前記改質器の割合を、時間帯によって変更する構成であってもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
以上のように、本発明では、燃料電池システムおよびその運転方法において、改質器を備えていても、非常事態に対する待機状態のエネルギー消費を抑制し、かつ、非常時に迅速に起動することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを通信基地局のバックアップ電源として用いる場合の構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの要部構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムを運転するための制御系統の構成の一例を示すブロック図である。 図２に示す燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 従来の燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０は、図２に示すように、例えば、通信基地局８１のバックアップ電源として設置される。通信基地局８１は、電源切換器８２を介して商用電力網８４と燃料電池システム１０とに切換可能に接続されている。電源切換器８２は、通常、商用電力網８４から通信基地局８１に電力が供給される状態にあるが、電源切換器８２と商用電力網８４との間に設けられる停電検知器８３で停電が検知されれば、通信基地局８１を、商用電力網８４に代えて燃料電池システム１０に接続する。以下の説明では、通信基地局を「外部負荷」と称する。なお、「外部負荷」として、燃料電池システム１０に抵抗素子等の模擬負荷を備え、後述する出力制御器を、この模擬負荷と電源切換器８２とに切り換えて接続可能な構成としてもよい。
燃料電池システム１０をバックアップ電源として用いる対象（外部負荷）は、通信基地局８１に限定されず、燃料電池システム１０以外の給電系統（商用電力網等）から電力が供給され、給電系統からの電力供給が停止した非常時であっても、正常な運営が必要な電力消費設備であればよい。具体的には、例えば、通信基地局、データセンター等の通信設備、病院、放送局等を挙げることができる。また、燃料電池システム１０は、それ単独でバックアップ電源として用いることができるだけでなく、コジェネレーションシステムへの適用も可能である。さらに、他の給電系統は、商用電力網に限定されず、常時稼働する自家発電装置等であってもよい。
［燃料電池システムの構成］
図２に要部構成を示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、複数の改質器Ｒ１〜Ｒｎ、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、複数の熱供給器Ｂ１〜Ｂｎおよびこれらを接続するライン、並びに、これらラインに設けられる弁を備えている。燃料電池システム１０は、改質器Ｒ１〜Ｒｎ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎ、および熱供給器Ｂ１〜Ｂｎを複数備えていればよい。
ここで、これら構成要素の符号について説明すると、改質器Ｒ１〜Ｒｎを例に挙げれば、「Ｒ１」は「１つ目」の改質器を指し、「Ｒｎ」は「ｎ個目」の改質器を指している。したがって、「改質器Ｒ１〜Ｒｎ」は、ｎ個の改質器を備えていることを指す。図２では、いずれも３つずつ備えているので、ｎ＝３となる。なお、以下の説明では、便宜上、ｎ個の改質器のうち、いずれでもよい場合を説明するときには、ｎ個目の「改質器Ｒｎ」を例示するものとする。また、以下の説明では、原料またはガスの流れ方向の上流または下流を、単に「上流」または「下流」と表現する。
脱硫器Ｄ０は、原料供給ライン１１に接続され、原料に含まれる硫黄成分を除去する。脱硫された原料は、原料供給器Ｂｔに供給される。原料供給器Ｂｔは、原料供給ライン１１および原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎを介して改質器Ｒ１〜Ｒｎに原料を供給する。このとき、原料供給器Ｂｔは、原料の供給を調整しながら当該原料の供給を行う。原料供給ライン１１は、原料ガス源（例えば、都市ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）のインフラストラクチャ）に接続されており、需要に応じて炭化水素系ガス（例えば、天然ガス）が供給される。また、原料供給ライン１１は、各改質器Ｒ１〜Ｒｎそれぞれに接続されるように分岐しており、それぞれの分岐点の下流側（改質器Ｒ１〜Ｒｎの上流側）に原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａｎが設けられている。
改質器Ｒ１〜Ｒｎは、脱硫された原料を改質して、水素含有ガスである改質ガスを生成し、改質ガス供給ライン１２−１〜１２−ｎを介して、燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎにそれぞれ供給する。改質ガス供給ライン１２−ｎは、改質器Ｒｎと燃料電池スタックＦｎとをそれぞれ一対一で接続する。そして、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎが、それぞれ改質ガス供給ライン１２−１〜１２−ｎから分岐して脱硫器Ｄ０の上流側である原料供給ライン１１に接続されている。改質ガス再利用ライン１５−ｎの上流側には改質ガス再利用弁Ｖｃｎが設けられており、改質ガス再利用弁Ｖｃｎの開閉により原料供給ライン１１に改質ガスの一部を合流させたり遮断させたりすることが可能となっている。
燃料電池スタックＦｎには、さらに、酸化剤ガス供給ライン１４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０が接続され、当該酸化剤ガス供給器Ｓ０から燃料電池スタックＦｎに酸化剤ガス（例えば空気）が供給される。燃料電池スタックＦｎは、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。また、発電に用いられなかった改質ガスすなわちオフガスは、燃焼ガスとして燃料電池スタックＦｎから燃焼ガス供給ライン１６−ｎに排出される。したがって、この燃焼ガスすなわちオフガスも改質ガスである。燃焼ガス供給ライン１６−ｎは、燃焼ガス弁Ｖｂｎを介して熱供給器Ｂｎに接続されている。１つの熱供給器Ｂｎは、１つの改質器Ｒｎに対応して設けられ、燃焼ガスを燃焼して、当該改質器Ｒｎに、水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。
各燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎは、オフガス相互利用ライン１３により互い接続されている。したがって、各燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎに設けられた燃焼ガス弁Ｖｂｎを適宜開閉することにより、ある熱供給器Ｂｎに、その対応する燃料電池スタックＦｎからの燃焼ガス（対応する改質器Ｒｎからの改質ガス）と他の燃料電池スタックＦｎからの燃焼ガス（他の改質器Ｒｎからの改質ガス）とを選択的に供給することができる。
脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、改質器Ｒｎ、燃料電池スタックＦｎ、熱供給器Ｂｎ、各ラインおよび各弁の具体的構成は特に限定されない。一例を挙げると、脱硫器Ｄ０としては、硫黄成分を水添脱硫反応で除去する構成のものが用いられる。この構成において、脱硫用に炭化水素系ガスに添加される水素は、改質器Ｒｎで生成された改質ガスを用いることができる。図２に示すように、改質ガス再利用ライン１５−ｎは改質器Ｒｎの下流側と脱硫器Ｄ０の上流側を接続しているので、改質器Ｒｎで生成した改質ガスが脱硫器Ｄ０に戻されて再利用されることになる。なお、脱硫器Ｄ０としては、硫黄成分を吸着する吸着剤を備える構成のものであってもよい。この場合は、改質ガス再利用ライン１５−ｎは不要である。
原料供給器Ｂｔとしては、例えば、公知の原料供給器ポンプが用いられる。酸化剤ガス供給器Ｓ０としては、例えば、公知のブロアが用いられる。なお、燃料電池スタックＦｎに対しては、改質ガスとともに酸化剤ガスが供給されればよく、当該酸化剤ガスは空気に限定されず、純酸素等も用いることができる。
改質器Ｒｎとしては、例えば、水蒸気改質器が用いられる。この場合、炭化水素系ガスに水蒸気を加えたものを原料として当該改質器Ｒｎに供給すればよい。また、図示しないが、改質器Ｒｎの下流側にＣＯ除去器が設けられてもよい。ＣＯ除去器は、改質器Ｒｎによって生成した改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を減少させるために用いられ、例えば、変成器、選択酸化器、メタン化器等の公知の反応器が用いられる。
燃料電池スタックＦｎとしては、複数の発電セルをスタック化したものである。各発電セルの具体的な種類は特に限定されず、固体高分子電解質形、固体酸化物形、りん酸形、溶融炭酸塩形等の公知のものを挙げることができる。燃料電池スタックＦｎに供給される「発電用燃料」は前記のとおり改質ガスであるが、改質ガスを生成するために供給される原料は、天然ガス等の炭化水素系ガスに限定されない。例えば、プロパンガス等の他の炭化水素系ガスであってもよいし、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料を原料として供給してもよいし、炭化水素以外の有機系燃料、例えばメタノール等を原料として供給してもよい。
熱供給器Ｂｎは、オフガスを燃焼して改質器Ｒｎを加熱するものであり、言い換えれば、改質器Ｒｎの温度を所望の範囲内に保持するための熱供給器である。改質器Ｒｎが水蒸気改質器であれば、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、当該反応を進行させるためには外部からの加熱を要する。したがって、改質器Ｒｎは、熱供給器Ｂｎに限定されず、オフガスまたは改質ガスを燃料として熱を発生させる公知の熱供給器を用いることができる。改質器Ｒｎにおいて、水蒸気改質反応に好ましい温度としては、典型的には、７００℃程度を挙げることができ、熱供給器Ｂｎは、この温度を実現できる火力を備えていればよい。
なお、本実施の形態においては、改質器Ｒｎの近傍に熱供給器Ｂｎを配置している。換言すると、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、改質器Ｒｎの外部から熱供給器Ｂｎにより改質器Ｒｎを加熱する構成としている。
原料供給ライン１１、改質ガス供給ライン１２−ｎ、オフガス相互利用ライン１３、酸化剤ガス供給ライン１４、改質ガス再利用ライン１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−ｎとしては、公知の配管が用いられるが、配管以外の他の公知の経路を用いてもよい。原料遮断弁Ｖａｎ、燃焼ガス弁Ｖｂｎ、改質ガス再利用弁Ｖｃｎとしては、公知の開閉弁等が用いられる。
なお、燃料電池スタックＦｎには水通流経路が設けられているが、図２においては、水通流経路の具体的な構成については、その記載を省略している。水通流経路としては、改質水供給経路、冷却水循環経路、回収水循環経路、貯湯水循環経路等が挙げられるが、特に限定されない。また、燃料電池システム１０は、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ等の一部の構成を備えていなくてもよい。例えば、原料（典型的には炭化水素系ガス）に硫黄成分が含まれていないのであれば、脱硫器Ｄ０は不要であり、原料の圧力が十分に確保できるのであれば、原料供給器Ｂｔにおける昇圧機能は不要である（ただし、流量調整機能は必要である）。
図２に示すように、改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎは改質ガス供給ライン１２−ｎにより一対一で接続されているので、１つの改質器Ｒｎから１つの燃料電池スタックＦｎに対して改質ガスが供給されるように、１つの改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの組は、発電ユニットＵｎを構成している。燃料電池システム１０は、複数の発電ユニットＵ１〜Ｕｎを備えていることになるが、これら発電ユニットＵ１〜Ｕｎは、図３に示すように、制御器Ｃｔにより制御される。なお、制御器Ｃｔは、発電ユニットＵ１〜Ｕｎを含む燃料電池システム１０全体の運転を制御してもよい。
具体的には、燃料電池システム１０は、発電ユニットＵ１〜Ｕｎで発電した電力を外部負荷に出力するための出力制御器（図示せず）を備えている。出力制御器はインバータ等で構成され、この出力制御器に対し、発電ユニットＵ１〜Ｕｎのそれぞれの電気出力端子が互いに並列に接続されている。制御器Ｃｔは、この出力制御器により外部負荷への出力を制御しつつ、それに応じて原料供給器Ｂｔにより原料供給量を制御することにより、発電ユニットＵ１〜Ｕｎの発電運転、すなわち、改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの稼働を制御する。制御器Ｃｔは、発電ユニットＵｎに含まれる原料遮断弁Ｖａｎ、燃焼ガス弁Ｖｂｎ、改質ガス再利用弁Ｖｃｎの開閉も制御する。また、発電ユニットＵｎに含まれる燃料電池スタックＦｎ（図３には図示せず）は、発電検査器Ｃｋにより正常な発電が可能であることが検査される（発電チェック）。
この発電チェックは、例えば、燃料電池スタックＦｎの発電電圧を電圧検知器（図示せず）で検出して所定の基準電圧と比較することにより行われる。この発電検査器Ｃｋによる発電チェックは制御器Ｃｔの制御により実行される。また、発電チェックの結果は、発電検査器Ｃｋから制御器Ｃｔに入力され、発電ユニットＵｎ（および燃料電池システム１０）の制御に用いられる。
また、制御器Ｃｔは、停電検知器８３から停電の検知信号が入力されると、後述するように、燃料電池システム１０を「停電等の非常事態に対する待機状態」（以下、単に「待機状態」と略す。）から「発電状態」に移行させる制御も行う。なお、後述するように、制御器Ｃｔは、待機状態では、発電ユニットＵ１〜Ｕｎを順次交代で模擬的に稼働させて発電チェックを行う制御を可能としている。
電源切換器８２、停電検知器８３、制御器Ｃｔ、発電検査器Ｃｋの具体的な構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。
［燃料電池システムの運転方法］
前記構成の燃料電池システム１０は、通常は「待機状態」にあるが、非常時には「発電状態」に移行するように運転される。このうち待機状態では、複数の発電ユニットＵ１〜Ｕｎを順次交代で模擬的に稼働させることで、発電チェックが行われる。この発電チェックは改質器Ｒ１〜Ｒｎの暖機運転を兼ねて行われ、この暖機運転は、停電の発生時に発電ユニットＵ１〜Ｕｎをすぐに起動させるために行われる。待機状態における運転制御の一例について、図４を参照して具体的に説明する。なお、図４に示す例では、発電ユニットＵｎを３つ備えている構成を前提とし、発電ユニットＵ１について発電チェックを行う場合を例示している。
燃料電池システム１０の初期状態においては、全ての弁、すなわち、原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３、燃焼ガス弁Ｖｂ１〜Ｖｂ３、および改質ガス再利用弁Ｖｃ１〜Ｖｃ３が閉じられている。
制御器Ｃｔは、まず、原料遮断弁Ｖａ１を開け（ステップＳ１０１）、次いで、燃焼ガス弁Ｖｂ１を開ける（ステップＳ１０２）。原料遮断弁Ｖａ１および燃焼ガス弁Ｖｂ１を開ける順序は逆でもよいし同時でもよい。これにより、停止中の燃料電池スタックＦｎから排出される改質ガスが熱供給器Ｂ１に供給される。その後、制御器Ｃｔは、熱供給器Ｂ１を点火する（ステップＳ１０３）。これにより、改質器Ｒ１が稼働を開始する。なお、図４にはステップを示さないが、改質器Ｒ１が稼働を開始した後には、制御器Ｃｔは、改質ガス再利用弁Ｖｃ１を開けて改質ガスの一部を脱硫器Ｄ０の上流に戻す。これにより脱硫器Ｄ０では、水添脱硫反応が促進され、より効率的に脱硫が行われる。
稼働中の改質器Ｒ１によって生成した改質ガスは、燃料電池スタックＦ１に供給されるので、制御器Ｃｔは、酸化剤ガス供給器Ｓ０を作動させ、かつ、出力制御器により電流を取り出して外部負荷に供給することで、燃料電池スタックＦ１に発電を開始させる（ステップＳ１０４）。なお、発電チェックを行わない場合には、燃料電池スタックＦ１から電流を取り出さないことで、発電を開始させなくてもよい。また、発電している間、改質ガスが燃料電池スタックＦ１を通過する過程で、当該改質ガスに含まれる水素が消費されるが、燃料電池スタックＦ１から流出するオフガスには、消費されなかった水素が含まれている。このオフガスは、燃焼ガスとして燃焼ガス供給ライン１６−１を介して熱供給器Ｂ１に供給され、熱供給器Ｂ１はオフガスを燃焼することで、改質器Ｒ１の温度を維持する。
次に、制御器Ｃｔは、発電中の燃料電池スタックＦ１について、発電検査器Ｃｋによる発電チェックを行わせる（ステップＳ１０５）。燃料電池スタックＦ１の発電状態に異常が発見されれば（ステップＳ１０５でＮＧ）、制御器Ｃｔは燃料電池システム１０を停止させ、エラー信号を発する（ステップＳ１０６）。一方、燃料電池スタックＦ１が正常に発電を行っていれば（ステップＳ１０５でＯＫ）、制御器Ｃｔは、燃料電池スタックＦ１の電流を出力制御器により遮断して発電を停止し（ステップＳ１０７）、発電ユニットＵ２の燃焼ガス弁Ｖｂ２を開け（ステップＳ１０８）、熱供給器Ｂ２を点火して（ステップＳ１０９）、発電ユニットＵ２の改質器Ｒ２の暖機を開始する。さらに、制御器Ｃｔは、発電ユニットＵ３の燃焼ガス弁Ｖｂ３を開け（ステップＳ１１０）、熱供給器Ｂ３を点火して（ステップＳ１１１）、発電ユニットＵ３の改質器Ｒ３の暖機を開始する。このように、待機状態では、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３を暖機することができるので、停電に備えて燃料電池システム１０を待機させておくことができる。
その後、停電検知器８３による停電の検知が行われ（ステップＳ１１２）、停電が検知されなければ（ステップＳ１１２でＮＯ）、改質器Ｒ２およびＲ３の暖機を継続する（ステップＳ１０８に戻る）。一方、停電が検知されれば（ステップＳ１１２でＹＥＳ）、待機状態から発電状態に移行し、発電ユニットＵ２の原料遮断弁Ｖａ２を開けるとともに（ステップＳ１１３）、発電ユニットＵ３の原料遮断弁Ｖａ３を開け（ステップＳ１１４）、出力制御器により電流を取り出して外部負荷に供給することにより、全ての燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に発電を開始させる（ステップＳ１１５）。前記のとおり改質器Ｒ１〜Ｒ３は全て暖機されているので、停電が発生して迅速に発電を行う必要が生じたときには、原料が供給され次第、全ての発電ユニットＵ１〜Ｕ３は直ちに発電を開始することができる。
これ以降は、制御器Ｃｔにより発電状態の制御が行われるので、待機状態の制御は終了することになる。なお、他の発電ユニットＵ２，Ｕ３に対する制御も同様に行われる。つまり、１つ目の発電ユニットＵ１の発電チェックが完了して発電が停止した後に、２つ目の発電ユニットＵ２の発電チェックを行い、発電ユニットＵ２の発電チェックが完了すれば、３つ目の発電ユニットＵ３の発電チェックを行うよう制御すればよい。
このように、燃料電池システム１０が待機状態にあれば、複数の改質器Ｒｎのうち少なくとも１つが稼働し残りは暖機されているので、複数の燃料電池スタックＦｎは、いずれも迅速に発電を開始して発電チェックを行うことができる。それゆえ、待機状態で改質器Ｒｎにより消費されるエネルギーの一部を、発電チェックにも利用することができる。
ここで、前記運転制御において、各発電ユニットＵ１〜Ｕ３のエネルギー収支としては、次の表１に示す例をあげることができる。なお、表１に示す例では、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３としてバーナーが用いられている。
表１における状態Ｉは、待機状態のうち発電ユニットＵ１でのみ発電が行われている状態であり、図４におけるステップＳ１０４に相当する。この状態Ｉでは、改質器Ｒ１には、１．２ｋＷのエネルギーを有する燃料が供給され、当該改質器Ｒ１によって１ｋＷのエネルギーを有する改質ガスに改質される。この改質ガスのうち、エネルギー全体の２／３に相当する（６６６Ｗ）水素が発電によって消費され、エネルギー全体の１／３（３３３Ｗ）に相当するオフガスが発生する。このオフガスの一部を熱供給器Ｂ１に供給して燃焼することで、改質器Ｒ１の温度が良好に維持される。
状態ＩＩは、待機状態のうち燃料電池スタックＦ１の発電を停止した状態であり、図４におけるステップＳ１０８〜Ｓ１１１に相当する。この状態ＩＩでは、燃料電池スタックＦ１でエネルギーが消費されなくなるので、オフガスは改質ガスと同じ１ｋＷのエネルギーを有することになる。このオフガスをそのまま熱供給器Ｂ１に供給すると、燃焼熱量が過剰となり、改質器Ｒ１の温度が過剰に上昇するおそれがある。そこで、燃焼ガス弁Ｖｂ２，Ｖｂ３を開き、オフガスを発電ユニットＵ２，Ｕ３の熱供給器Ｂ２，Ｂ３に供給することで、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３のいずれも、オフガスのエネルギー全体の１／３（３３３Ｗ）を燃焼して、改質器Ｒ１〜Ｒ３のそれぞれを暖機することになる。それゆえ、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３の温度は、いずれも良好に維持される。
状態ＩＩＩは、待機状態ではなく発電状態に対応し、図４におけるステップＳ１１５に相当する。この状態では、全ての発電ユニットＵ１〜Ｕ３において、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３が発電を行い、改質ガスのエネルギー全体の２／３を消費するので、いずれの発電ユニットＵ１〜Ｕ３においても、オフガスは１／３のエネルギーを有する。それゆえ、各発電ユニットＵ１〜Ｕ３のいずれにおいても、改質器Ｒ１〜Ｒ３の温度が良好に維持される。
なお、燃料電池システム１０が図２に示す構成であれば、状態ＩまたはＩＩに示すように、供給される原料のエネルギーは１．２ｋＷで済むが、従来の構成（図１０参照）を３つ並列させただけの構成であれば、待機状態であっても、表１に示す状態ＩＩＩと同じく３．６ｋＷのエネルギーが必要となる。しかも、図２に示す構成であれば、待機状態で稼働する改質器Ｒｎは改質器Ｒ１のみであり、他の改質器Ｒ２，Ｒ３は暖機されているが改質処理を行っていないので、改質器Ｒ２，Ｒ３の寿命を延ばすことができる。一方、従来の構成では、全ての改質器Ｒ１〜Ｒ３を稼働させるため、改質器Ｒｎの運転時間が長くなって寿命が短くなる。
また、図４に示す運転制御を、発電ユニットＵ２，Ｕ３についても順次交代して行えば、改質器Ｒ１〜Ｒ３および燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３を順次交代して稼働させることになる。そのため、全ての燃料電池スタックＦｎを稼働させる場合よりもエネルギー消費を大幅に抑制することができる。また、各改質器Ｒｎおよび燃料電池スタックＦｎの累積稼働時間を短くし、これらの寿命を延ばすことも可能となる。
さらに、燃料電池スタックＦ１の発電チェックを行わず、改質器Ｒ１〜Ｒ３の暖機運転のみを行う運転制御は、図４において、実質的にステップＳ１０４〜Ｓ１０７を省略しただけの制御となる。したがって、発電チェックは、改質器Ｒ１〜Ｒｎの暖機運転と兼ねて実行することができ、それゆえ、待機状態のエネルギー消費を抑制できるだけでなく、効率的な運転制御を行うことが可能となる。
［変形例］
図４に示す運転制御では、例えば、ステップＳ１１２においてＮＯである場合（停電が検知されない場合）に、稼働中の改質器Ｒ１に供給される原料（例えば、炭化水素系ガス）の流量を通常稼働時よりも低下させるステップを行ってもよい。このステップでの流量は、改質器Ｒ１の最少改質能力に合わせて設定することができる。このステップを行う場合であって、ステップＳ１１２においてＹＥＳである場合（停電が検知された場合）には、稼働中の改質器Ｒ１に供給される原料の流量を通常稼働時に戻すように増加させるステップを行えばよい。これにより、燃料電池システム１０を待機状態から発電状態に適切に移行することができる。
前記構成であれば、改質器Ｒ１は、最少レベルの改質を行う状態から通常の改質を行う状態に立ち上げることになるため、停止している改質器Ｒ１を立ち上げる場合よりも燃料電池システム１０の迅速な起動が可能となる。また、待機状態で最小限の改質しか行わないため、エネルギー消費をより一層抑制することができる。
また、図示しないが、燃料電池システム１０が待機状態にあるときに、複数の改質器Ｒ１〜Ｒｎのうち、停止中の改質器Ｒｎに対する稼働中の改質器Ｒｎの割合を、時間帯によって変更するように運転制御することもできる。例えば、夕刻に電力消費量がピークとなって停電が頻発することが予め明らかである場合には、夕刻に稼働中の改質器Ｒｎの数を他の時間帯よりも増やすように制御器Ｃｔで運転制御する。これにより、停電時に迅速な電力のバックアップが可能となる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２０は、図５に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎに代えて、単一で大型の燃料電池スタックＦ０を備えている点が異なっている。なお、図５では、説明の便宜上、脱硫器Ｄ０、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、改質器Ｒｎの数を具体的に３つに特定して（ｎ＝３）記載している（改質器Ｒ１〜Ｒ３）。
燃料電池システム２０においては、改質ガス供給ライン２２が、３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３で生成された改質ガスを、まとめて単一の燃料電池スタックＦ０に供給するために、上流側が複数に分岐（図５では３分岐）し、下流側が１つに合流する形状のラインとなっている。また、酸化剤ガス供給ライン２４は、単一の燃料電池スタックＦ０に酸化剤ガス（空気）を供給すればよいので、酸化剤ガス供給ライン１４とは異なり全体的に単一のラインとなっている。
なお、図５には、水通流経路の一例として、燃料電池スタックＦ０を冷却するための冷却水循環経路も示している。冷却水循環経路は、冷却水タンクＴｋ、放熱器Ｈｅ、冷却用ポンプＰｗ０、放熱用ポンプＰｈ、冷却用水配管２８および放熱用水配管２９を備える構成となっている。なお、これらタンク、ポンプ、放熱器、配管等の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を用いることができる。また、冷却水循環経路は、これら以外の機器、部材、配管等を含んでもよい。さらに、冷却水に代えて、不凍液等の他の熱媒体を用いて循環経路を構成してもよい。
次に、前記構成の燃料電池システム２０の運転方法について、前記実施の形態１と異なる点についてのみ、以下に具体的に説明する。
原料は、原料供給器Ｂｔにより原料供給ライン１１を介して改質器Ｒ１〜Ｒ３に供給され、これら改質器Ｒ１〜Ｒ３で改質されることにより改質ガスが生成する。各改質器Ｒ１〜Ｒ３で生成した改質ガスは、改質ガス供給ライン２２により合流されて燃料電池スタックＦ０に供給される。
燃料電池スタックＦ０には冷却水循環経路が設けられており、冷却水タンクＴｋに貯蔵された冷却水は、冷却用ポンプＰｗ０によって冷却用水配管２８を循環する。これにより、燃料電池スタックＦ０が冷却される。また、燃料電池スタックＦ０を冷却した冷却水は当該燃料電池スタックＦ０から熱を回収するので、当該冷却水は昇温した状態で冷却水タンクＴｋに戻るが、冷却水タンクＴｋ内の冷却水は、放熱用ポンプＰｈによって放熱用水配管２９を循環し、放熱器Ｈｅにより放熱されて冷却される。これにより、燃料電池スタックＦ０が所定の温度範囲に維持される。
本実施の形態によれば、大型の燃料電池スタックＦ０を１つのみ備えているため、燃料電池システム２０の全体構成は簡素なものとなっているが、前記実施の形態１と同様に、稼働中の改質器Ｒｎ（例えば改質器Ｒ１）に由来するオフガスを停止中の他の改質器Ｒｎ（例えば改質器Ｒ２，Ｒ３）の暖機に用いることができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費を抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３０は、図６に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆｎにそれぞれ対応する複数の酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓｎを備えている点が異なっている。なお、図６においても、説明の便宜上、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎ、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、改質器Ｒｎ、燃料電池スタックＦｎおよび酸化剤ガス供給器Ｓｎの数を具体的に３つに特定して（ｎ＝３）記載している。
各酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれ酸化剤ガス供給ライン３４−１〜３４−３を介して燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に一対一で接続されている。したがって、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３の少なくともいずれかが稼働しているときには、稼働中の燃料電池スタックＦｎに対応する酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３を適切な出力で稼働させればよい。それゆえ、燃料電池スタックＦｎの稼働状態に応じて酸化剤ガス供給器Ｓｎの稼働状態をより精密に制御することが可能となる。
さらに、燃料電池システム３０においては、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のそれぞれに冷却水循環経路が設けられており、冷却水タンクＴｋに接続される冷却用水配管３８は、途中で分岐して各燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に接続されている。また、冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３は、それぞれの燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に対して設けられている。それゆえ、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のそれぞれの稼働状態に応じて、対応する冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３を適切に動作させて、冷却水の循環量を変化させることができる。
本実施の形態によれば、発電中の燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３に応じて、対応する酸化剤ガス供給器Ｓ１〜Ｓ３、冷却用ポンプＰｗ１〜Ｐｗ３の稼働状態をより精密に制御することができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費をより一層抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、より効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４０は、図７に示すように、前記実施の形態３に係る燃料電池システム３０と同様の構成を有しているが、さらに、各改質器Ｒ１〜Ｒ３の上流側にそれぞれ対応する脱硫器Ｄ１〜Ｄ３が設けられている点が異なっている。なお、図７においては、説明の便宜上、熱供給器Ｂ１〜Ｂｎ、オフガス相互利用ライン１３、燃焼ガス供給ライン１６−１〜１６−ｎの記載は省略している。また、原料供給ライン４１は、脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔを備えていない以外は、前述した原料供給ライン１１と同様の構成を有している。
燃料電池システム４０の運転について、前記実施の形態１で説明した待機状態から発電状態に移行する場合を例に挙げて説明する。待機状態では、改質器Ｒ１が稼働中で、改質器Ｒ２，Ｒ３が暖機されている状態にある。改質器Ｒ２，Ｒ３の稼働を開始させるときには、対応する原料遮断弁Ｖａ２，Ｖａ３を開けば、原料供給ライン４１から供給される原料は、脱硫器Ｄ２，Ｄ３を介して改質器Ｒ２，Ｒ３に供給される。この時点で、改質器Ｒ１に接続される改質ガス再利用ライン１５−１においては、改質ガス再利用弁Ｖｃ１が開かれている。それゆえ、改質器Ｒ１からの改質ガスは、脱硫器Ｄ１だけでなく脱硫器Ｄ２，Ｄ３の上流側に供給されるため、当該脱硫器Ｄ２，Ｄ３における水添脱硫反応が促進されて効率的な脱硫が可能となる。
本実施の形態によれば、各改質器Ｒ１〜Ｒ３に対してそれぞれ脱硫器Ｄ１〜Ｄ３が設けられているため、各脱硫器Ｄ１〜Ｄ３を流れる炭化水素系ガスの流量は、単一の脱硫器Ｄ０（実施の形態１，３参照）と比較して大きく変動することがない。それゆえ、脱硫器Ｄ１〜Ｄ３の容量を流量に合わせて小さくすることができるので、脱硫器Ｄ０において再利用される改質ガスの量も少なくなり、熱供給器Ｂｎに供給される改質ガスの量を多くすることが可能となる。
また、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３のうち発電中のものに対応する脱硫器Ｄｎのみで脱硫を行えばよいので、脱硫器Ｄ１〜Ｄ３の寿命を延ばすことができる。さらに、燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３の稼働状態をより精密に制御することができる。それゆえ、待機状態のエネルギー消費をさらに一層抑制できるだけでなく、発電チェックを並行して行うことで、さらに効率的な運転制御を行うことが可能となる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム５０は、図８に示すように、前記実施の形態２に係る燃料電池システム２０と同様の構成を有しているが、オフガス相互利用ライン１３の代わりに、改質ガス相互利用ライン５３−１〜５３−３を備えている点が異なっている。なお、図８においては、説明の便宜上、脱硫器Ｄ０および冷却水循環経路の記載は省略している。
燃料電池システム５０の構成について、前記実施の形態２に係る燃料電池システム２０と異なる点についてのみ、具体的に説明すると、まず、原料供給ライン５１は、下流側に原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３ではなく三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３（参照符号Ｖｄｎとすれば、ｎ＝３）が設けられている点を除けば、前述した原料供給ライン１１と同様の構成を有している。三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、原料供給ライン５１からの原料の供給または遮断を行うだけでなく、他の改質器Ｒｎで生成された改質ガスの供給または遮断も行う。
各改質器Ｒ１〜Ｒ３と燃料電池スタックＦ０とは、改質ガス供給ライン５２により互いに接続されている。改質ガス供給ライン５２は、前述した改質ガス供給ライン２２と同様に上流側が３分岐し下流側が１つに合流している。上流側で３つに分岐している各ラインを枝ライン５２−ｎと称すれば、枝ライン５２−１〜５２−３には改質ガス供給弁Ｖｅ１〜Ｖｅ３が設けられている。
また、枝ライン５２−ｎにおいて改質器Ｒｎおよび改質ガス供給弁Ｖｅｎの間となる部位からは、改質ガス相互利用ライン５３−ｎが接続している。燃焼ガス供給ライン５６−ｎは、前述した燃焼ガス供給ライン１６−ｎと同様の構成を有しており、燃焼ガス弁Ｖｂｎが設けられている。ただし、ここでの燃焼ガスは、燃料電池スタックＦｎに供給される前の改質ガスである。具体的には、熱供給器Ｂ１につながる燃焼ガス供給ライン５６−１は枝ライン５２−１から分岐し、熱供給器Ｂ２につながる燃焼ガス供給ライン５６−２は枝ライン５２−２から分岐し、熱供給器Ｂ３につながる燃焼ガス供給ライン５６−３は枝ライン５２−３から分岐している。
そして、改質ガス相互利用ライン５３−ｎが、その対応する改質器Ｒｎの下流側である枝ライン５２−ｎと他の改質器Ｒｎの上流側に位置する三方弁Ｖｄｎとを接続するように設けられている。具体的には、改質器Ｒ１の下流側の枝ライン５２−１と改質器Ｒ２の上流側の三方弁Ｖｄ２とは、改質ガス相互利用ライン５３−１により接続され、改質器Ｒ２の下流側の枝ライン５２−２と改質器Ｒ３の上流側の三方弁Ｖｄ３とは、改質ガス相互利用ライン５３−２により接続され、改質器Ｒ３の下流側の枝ライン５２−３と改質器Ｒ１の上流側の三方弁Ｖｄ１とは、改質ガス相互利用ライン５３−３により接続されている。
次に、前記構成の燃料電池システム５０の運転方法について、前記実施の形態１または実施の形態２と異なる点についてのみ、以下に具体的に説明する。
初期状態においては、三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、それぞれ、その対応する改質器Ｒｎと改質ガス相互利用ラインとを連通している。そして、図４に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０４において、制御器Ｃｔは、まず、発電ユニットＵ１を構成する改質器Ｒ１を、原料供給器Ｂｔに連通するように、三方弁Ｖｄ１を切り換えるとともに、改質ガス供給弁Ｖｅ１および燃焼ガス弁Ｖｂ１を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ１を介して改質器Ｒ１に流入し、改質ガスに改質される。
改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−１に流入し、熱供給器Ｂ１による改質器Ｒ１の加熱に用いられるが、残部は、発電ユニットＵ１を構成する燃料電池スタックＦ１に供給されて発電に用いられる。なお、他の発電ユニットＵ２，Ｕ３においては、それぞれ改質ガス供給弁Ｖｅ２，Ｖｅ３および燃焼ガス弁Ｖｂ２，Ｖｂ３が閉じているため、改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部は他の発電ユニットＵ２，Ｕ３には供給されない。
次に、図４に示すステップＳ１０８〜Ｓ１１１において、燃焼ガス弁Ｖｂ２を開くと、改質器Ｒ１で生成した改質ガスの一部が、改質ガス相互利用ライン５３−１および三方弁Ｖｄ２を介して改質器Ｒ２に流入する。改質器Ｒ２に流入した改質ガスは、前記のとおり改質器Ｒ１で既に改質されているので、その組成がほとんど変わることなく改質器Ｒ２から流出する。この改質ガスは、燃焼ガス供給ライン５６−２に流入し、熱供給器Ｂ２による改質器Ｒ２の暖機に用いられる。そして、燃焼ガス弁Ｖｂ３を開くと、この改質ガスの一部は、改質ガス相互利用ライン５３−２および三方弁Ｖｄ３を介して改質器Ｒ３に流入する。改質器Ｒ３から流出した改質ガスは、燃焼ガス供給ライン５６−３に流入し、熱供給器Ｂ３による改質器Ｒ３の暖機に用いられる。
そして、停電が検知されると、図４に示すステップＳ１１３〜Ｓ１１５において、制御器Ｃｔは、まず、三方弁Ｖｄ２を、改質器Ｒ２を原料供給器Ｂｔに連通するよう切り換えるとともに改質ガス供給弁Ｖｅ２及び燃焼ガス弁Ｖｂ２を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ２を介して改質器Ｒ２に流入し、改質ガスに改質される。この改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−２に流入し、熱供給器Ｂ２による改質器Ｒ２の加熱に用いられ、残部は燃料電池スタックＦ２に供給されて発電に用いられる。
次に、制御器Ｃｔは、三方弁Ｖｄ３を、改質器Ｒ３を原料供給器Ｂｔに連通するよう切り換えるとともに改質ガス供給弁Ｖｅ３および燃焼ガス弁Ｖｂ３を開く。これにより、原料供給ライン５１から原料が三方弁Ｖｄ３を介して改質器Ｒ３に流入し、改質ガスに改質される。この改質ガスの一部は、燃焼ガス供給ライン５６−３に流入し、熱供給器Ｂ３による改質器Ｒ３の加熱に用いられ、残部は燃料電池スタックＦ３に供給されて発電に用いられる。なお、この状態では、全ての三方弁Ｖｄ１〜Ｖｄ３が、それぞれ、その対応する改質ガス相互利用ライン５３−ｎとその対応する改質器Ｒｎとを遮断しているので、ある改質器で生成された改質ガスが他の改質器に対応する熱供給器に供給されることはない。
このように、燃料電池システム５０においては、熱供給器Ｂｎの燃焼ガスとして、燃料電池スタックＦｎから排出されるオフガスではなく、改質器Ｒｎで生成され、燃料電池スタックＦｎに供給される改質ガスの一部を用いている。改質ガスは水素が主成分であるので、待機状態において、原料（典型的には炭化水素系ガス）が改質器Ｒｎの内部に残存している場合よりも改質器Ｒｎの寿命を延ばすことができる。
すなわち、待機状態で改質器Ｒｎが稼働していなければ、原料が改質器Ｒｎの内部に残存しているが、原料に、炭化水素等の炭素骨格を有する成分（便宜上、炭化水素成分と称する）が含まれていると、暖機による温度上昇で炭化水素成分が熱分解して炭素微粒子（すす）が生じる。すすの発生が多量になると改質器Ｒｎ内の改質触媒の表面を覆ってしまうため、改質反応の進行を妨げる。これに対して、改質ガスを、改質器Ｒｎを通流させながら熱供給器Ｂｎの燃料ガスとして用いれば、すすの発生が回避されるので、改質触媒を長期間使用することができる。
本実施の形態によれば、待機状態のエネルギー消費を一層抑制できるだけでなく、改質器Ｒｎの寿命を延ばすことができ、さらに、発電チェックを並行して行うことで、より効率的な運転制御を行うことが可能となる。
燃料電池システム５０においては、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として、燃料電池スタックＦｎに供給される改質ガスの一部を利用しているが、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様に、オフガス相互利用ライン１３を備えることで、オフガスの一部を熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として利用できる構成であってもよい。この場合、オフガス相互利用ライン１３にオフガス利用弁を設けることで、三方弁Ｖｄｎおよびオフガス利用弁を適宜開閉することで、熱供給器Ｂ１〜Ｂ３の燃料として、改質器Ｒｎで生成された改質ガス、または、燃料電池スタックＦｎから排出されるオフガスのいずれかを使い分けることができる。例えば、待機状態では前者の改質ガスを用い、発電状態では後者のオフガスを用いることが可能となる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム６０は、図９に示すように、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、個々の燃料電池スタックＦｎが、改質器Ｒｎとともに断熱材Ｈｎに包まれている点で異なっている。
具体的には、図９に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム６０は、脱硫器Ｄ０、原料供給器Ｂｔ、酸化剤ガス供給器Ｓ０、複数の改質器Ｒ１〜Ｒ３、複数の燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３、複数の熱供給器Ｂ１〜Ｂ３およびこれらを接続するライン、並びに、これらラインに設けられる弁を備えている。
燃料電池スタックＦ１は、前記実施の形態１と同様に、例えば固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、改質器Ｒ１と共に断熱材Ｈ１で包まれている。そして、この断熱材Ｈ１の内部には熱供給器Ｂ１が設けられ、この熱供給器Ｂ１により燃料電池スタックＦ１および改質器Ｒ１に熱を供給することができる。なお、燃料電池スタックＦ２およびＦ３の構成も同様である。
脱硫器Ｄ０および原料供給器Ｂｔは原料供給ライン１１に接続され、脱硫された原料は、当該原料供給ライン１１および原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３を介して改質器Ｒ１〜Ｒ３にそれぞれ供給される。各改質器Ｒｎからの改質ガスは、改質ガス供給ライン１２−ｎを介して各燃料電池スタックＦｎに供給される。燃料電池スタックＦｎには、酸化剤ガス供給ライン１４を介して酸化剤ガス供給器Ｓ０から例えば空気等の酸化剤ガスが供給され、燃料電池スタックＦｎは、改質ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。
ここで燃料電池スタックＦｎは、改質器Ｒｎおよび熱供給器Ｂｎとともに断熱材Ｈｎに包まれている。燃料電池スタックＦ１では、改質ガス中の水素は発電に応じた量が消費されるので、当該燃料電池スタックＦ１からはオフガスが排出される。このように発電に用いられなかったオフガスが燃料電池スタックＦｎから燃焼ガス供給ライン１６−ｎおよび燃焼ガス弁Ｖｂｎを介して熱供給器Ｂｎに供給される。燃焼ガス弁Ｖｂｎは断熱材Ｈｎの外側に位置している。なお、燃料電池システム６０には改質ガス再利用ライン１５−１〜１５−ｎは設けられていない。
前記構成の燃料電池システム６０においては、原料遮断弁Ｖａ１〜Ｖａ３および燃焼ガス弁Ｖｂ１〜Ｖｂ３を操作することにより、改質器Ｒ１〜Ｒ３のうち起動させる改質器Ｒｎにのみ原料およびオフガスを供給する。例えば、改質器Ｒ１を起動させる場合には、原料遮断弁Ｖａ１のみを開いて改質器Ｒ１にのみ原料が供給される状態とし、同時に燃焼ガス弁Ｖｂ１を開いて燃料電池スタックＦ１を通過して排出されるオフガスを熱供給器Ｂ１に供給する。熱供給器Ｒ１は、オフガスを燃焼させて改質器Ｒ１の温度維持を行うが、改質器Ｂ１とともに燃料電池スタックＦ１も断熱材Ｈ１に覆われているので、熱供給器Ｂ１は改質器Ｒ１および燃料電池スタックＦ１の暖機を行うことができる。また、他の改質器Ｒ２あるいはＲ３を暖機したい場合には、燃焼ガス弁Ｖｂ２またはＶｂ３を開いて熱供給器Ｂ２またはＢ３にオフガスを供給すればよい。
前記構成によれば、前記実施の形態１に係る燃料電池システム１０と同じく、燃焼ガス弁Ｖｂ１だけでなく燃焼ガス弁Ｖｂ２およびＶｂ３を開くことで、例えば３つの改質器Ｒ１〜Ｒ３を暖機して停電に備えて待機しておくことができる。燃料電池システム６０が４つ以上の発電ユニット（図２参照）を備えていれば、４つ以上の改質器Ｒ１〜Ｒｎを暖機することができる。
それゆえ、停電が発生して燃料電池スタックＦ１〜Ｆ３において発電の必要性が生じた場合には、原料遮断弁Ｖａ２およびＶａ３を開いて改質器Ｒ２およびＲ３にも燃料を供給すればよい。改質器Ｒ２およびＲ３は改質可能な温度まで暖機されているので、燃料が供給されればすぐに改質ガスを生成することができる。改質ガスが供給されれば燃料電池スタックＦ２およびＦ３は直ちに発電可能状態になる。
燃料電池スタックＦｎに用いられるＳＯＦＣは、温度の変化に応じて膨張または収縮するため、頻繁な温度変化を行うとスタックを構成するセルが破損する等の劣化を引き起こすおそれがある。これに対して、本実施の形態のように、常に暖機を行い、かつ、燃料電池スタックＦｎを改質器Ｒｎおよび熱供給器Ｂｎとともに断熱材Ｈｎで包んでいれば、温度変化を極力少なくした状態で運転を行うことができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、通信設備、病院、放送局等のバックアップ電源の分野に好適に用いることができるだけでなく、燃料電池システムを適用可能な分野に広く用いることができる。
Ｂｎ，Ｂ１〜Ｂ３ 熱供給器
Ｃｔ 制御器
Ｃｋ 発電検査器
Ｄ０，Ｄｎ，Ｄ１〜Ｄ３ 脱硫器
Ｆ０，Ｆｎ，Ｆ１〜Ｆ３ 燃料電池スタック
Ｒｎ，Ｒ１〜Ｒ３ 改質器
Ｕｎ，Ｕ１〜Ｕ３ 発電ユニット
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 燃料電池システム
１２−ｎ，１２−１〜１２−３ 改質ガス供給ライン
１３ オフガス相互利用ライン（改質ガス相互利用ライン）
１５−ｎ，１５−１〜１５−３ 改質ガス再利用ライン
２２ 改質ガス供給ライン
４２−ｎ，４２−１〜４２−３ 改質ガス供給ライン
５２ 改質ガス供給ライン
８１ 通信基地局（電力消費設備）
８４ 商用電力網（給電系統）

Claims (18)

  1. 原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、
    前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、
    前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより、対応する当該改質器に熱を供給する熱供給器と、
    それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、を備えている、燃料電池システム。
  2. 前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器から前記燃料電池スタックに供給され、かつ、当該燃料電池スタックから排出される改質ガスであるオフガスの一部を他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する、オフガス相互利用ラインである、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記複数の改質器にそれぞれ対応する複数の前記燃料電池スタックを備えているとともに、
    複数の前記改質器と複数の前記燃料電池スタックとをそれぞれ一対一で接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 複数の前記改質器で生成された改質ガスを合流して前記燃料電池スタックに供給するように、前記改質器および前記燃料電池スタックを接続する改質ガス供給ラインをさらに備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記原料に含まれる硫黄成分を、水添脱硫反応で除去して前記改質器に供給する脱硫器と、
    前記改質器で生成された前記改質ガスの一部を前記脱硫器に戻す改質ガス再利用ラインと、を備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記脱硫器が、複数の前記改質器それぞれに対応して設けられている、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記改質器に対応する前記熱供給器に、当該改質器で生成された改質ガスを供給する、燃焼ガス供給ラインをさらに備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記改質ガス相互利用ラインは、それぞれの前記改質器で生成された前記燃料電池スタックに供給される前記改質ガスの一部を、他の前記改質器に対応する熱供給器に、当該他の改質器と前記燃焼ガス供給ラインとを介して供給するように構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 制御器をさらに備え、
    当該制御器は、少なくとも１つの前記改質器を稼働させている間は他の前記改質器を停止させ、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つについて稼働を開始させる場合に、前記改質ガス相互利用ラインを介して当該稼働を開始させる前記改質器に対応する前記熱供給器に、稼働中の前記改質器で生成された改質ガスを供給して当該稼働を開始させる前記改質器を当該熱供給器により暖機し、その後、当該稼働を開始させる前記改質器を稼働させるとともに当該稼働中の前記改質器を停止させる制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池スタックの発電状態を検査する発電検査器をさらに備え、
    前記制御器は、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックに発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させ、検査の完了後に、当該燃料電池スタックの発電を停止させる制御を行う、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 複数の前記燃料電池スタックを備え、
    前記制御器は、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電を停止させた後に、他の燃料電池スタックの発電を開始させ、その発電状態を前記発電検査器に検査させる制御を行う、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 原料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する、複数の改質器と、前記改質器から供給される前記改質ガスを用いて発電する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、を備えている、燃料電池システムの運転方法であって、
    当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、少なくとも１つの前記改質器が稼働している間は他の前記改質器が停止し、停止中の前記改質器のうち少なくとも１つが稼働を開始したときには、稼働中の前記改質器が停止する、燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記燃料電池システムが、前記改質器それぞれに対応して設けられ、前記改質ガスを燃焼することにより当該改質器に熱を供給する熱供給器と、それぞれの前記改質器で生成された前記改質ガスを、他の前記改質器に対応する前記熱供給器に供給する改質ガス相互利用ラインと、をさらに備え、
    前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記改質ガス相互利用ラインを介して停止中の前記改質器に対応する前記熱供給器に稼働中の前記改質器で生成した前記改質ガスを供給して、当該停止中の前記改質器を当該熱供給器により暖機する、請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  14. 前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、稼働中の前記改質器から前記改質ガスが供給される前記燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査し、検査の完了後に、当該燃料電池スタックが発電を停止する、請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法。
  15. 前記燃料電池システムが複数の前記燃料電池スタックを備え、
    当該燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、１つの前記燃料電池スタックの発電状態の検査が完了して発電が停止した後に、他の燃料電池スタックが発電を開始し、その発電状態を検査する、請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法。
  16. 前記燃料電池システムは、１つの前記改質器から１つの前記燃料電池スタックに対して改質ガスが供給される複数の発電ユニットを備え、
    前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、前記発電ユニットを１つずつ順次交代させて発電状態を検査する、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、当該燃料電池システムおよび他の給電系統から電力が供給される電力消費設備に対して、前記給電系統からの電力供給が停止したか否かを検知し、
    電力供給の停止を検知しない場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時よりも低下させて、前記燃料電池システムの前記待機状態を維持し、
    電力供給の停止を検知した場合には、稼働中の前記改質器に供給される原料の流量を通常稼働時まで増加させるとともに、停止中の前記改質器の稼働を開始させて、前記燃料電池システムを前記待機状態から発電状態に移行させる、請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  18. 前記燃料電池システムが非常事態に対する待機状態にあるときには、複数の前記改質器のうち、停止中の前記改質器に対する稼働中の前記改質器の割合を、時間帯によって変更する、請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。

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