WO2017043048A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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明子 谷山
佳央 田村
尾関　正高
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system in which a plurality of fuel cell stacks that reuse fuel gas that has not been used for power generation are connected.
  • the fuel cell maintains the following ability to vary the power generation output, which is equivalent to the case where pumps are provided in all the fuel gas circulation paths of each of the plurality of fuel cell stacks in accordance with fluctuations in the electric power consumed by the electrical equipment.
  • the power consumption of the system can be reduced.
  • the flow rate regulator may be constituted by a pump with a variable flow rate.
  • the flow rate of the fuel gas to be circulated which changes according to the magnitude of the power generation output, can be finely and smoothly adjusted, so that the power generation output varies according to the power fluctuations consumed by the electrical equipment.
  • the sex can be further improved.
  • a combination of all the power generation outputs from at least one fuel cell stack with a constant power generation output to all units, and the sum of the power generation outputs of the fuel cell stack with a constant power generation output for each combination (total power generation output value) Is calculated.
  • the calculated power generation output total values are arranged in order from the smallest, and a value that maximizes the difference between the two adjacent power generation output total values is obtained. This value is the maximum value of the power generation output difference between at least one fuel cell stack with a constant power generation output.
  • the fuel gas supply device 1 is a device that supplies fuel gas to the power generation output variable fuel cell stack 10A and the power generation output constant fuel cell stacks 11B and 11C.
  • the fuel gas supply device 1 is composed of, for example, a fuel gas infrastructure having a predetermined supply pressure.
  • hydrogen gas is used as the fuel gas.
  • the ejectors 5B and 5C are arranged at a junction between the fuel gas supply paths 2B and 2C and the fuel gas circulation paths 3B and 3C.
  • the ejectors 5B and 5C include a nozzle part (not shown), a mixing part (not shown), and a diffuser part (not shown).
  • the controller 6 only needs to have a control function, and includes an arithmetic processing unit (not shown) and a storage unit (not shown) for storing a control program.
  • a CPU is used as the arithmetic processing unit.
  • a memory is used as the storage unit.
  • the power generation output of the fuel cell system 100 is temporarily changed to the target power generation.
  • the output increases by 400W.
  • the power generation output 400W increased by, for example, a heater is consumed inside the fuel cell system 100.
  • the fuel gas supply device 1 is not limited to the fuel gas infrastructure, and may be a device that includes a fuel gas cylinder, a booster, and a flow meter, and adjusts the flow rate of the fuel gas. Further, the fuel gas is not limited to hydrogen gas, and hydrocarbons such as city gas and alcohols such as methanol may be used.
  • the power generation output variable fuel cell stack 10A and the power generation output constant fuel cell stacks 11B and 11C are formed of solid oxide fuel cells, a reforming unit (not shown), and a power generation output variable fuel cell are provided.
  • the stack 10A and the constant power generation output fuel cell stacks 11B and 11C are configured to be built in one container.
  • the minimum power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is set to 1 W in the present embodiment, but is not limited to this, and the minimum power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is, for example, 200 W And may be set to constrain the lower limit. Specifically, when the power generation output of 10 A in the power generation output variable fuel cell stack is rated 700 W, the power generation output may be varied from 1 to 700 W, or the power generation output may be varied from 200 to 700 W.
  • the increase / decrease in the power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is set to be variable in increments of 1W.
  • the present invention is not limited to this, and the power generation output variable fuel cell stack 10A It may be set to a value that can sufficiently cope with an increase / decrease in the number, for example, may be set in increments of 10W.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment instead of the flow rate regulator 4A of the first embodiment, a flow rate is provided at the junction of the fuel gas supply path 2A and the fuel gas circulation path 3A.
  • a variable ejector 8A is disposed.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment is a first embodiment in that a constant power generation output fuel cell stack 11D, a fuel gas supply path 2D, a fuel gas circulation path 3D, and an ejector 5D are added. Different from the fuel cell system 100 of FIG.
  • the two are compared.
  • the larger power generation output is set to the maximum power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A.
  • the power output of the fuel cell stack 11B with constant power output is 400 W
  • the power output of the fuel cell stack 11C with constant power output is 1000 W
  • the power output of the fuel cell stack 11D with constant power output is A case of 1200 W will be described.
  • the calculated power generation output total values are 400 W, 1000 W, 1200 W, 1400 W, 1600 W, 2200 W, and 2600 W.
  • the maximum value of the difference between two adjacent power generation outputs is 600 W (1000 W-400 W or 2200 W-1600 W).
  • the maximum power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is set to a larger value of 600W or more by comparing the minimum power generation output 400W with the maximum value 600W of the power generation output difference.
  • the maximum value of the power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is set to 800 W, for example.
  • the controller 6 is provided in the fuel gas switching valve provided in the fuel gas supply path 2D, and in the oxidizing gas supply path for supplying the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supplier to the fuel cell stack 11D with constant power generation output.
  • the oxidant gas switching valve is opened, and the flow of the current of the constant power generation output fuel cell stack 11D is started. Then, the controller 6 reduces the power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A from 600 W to 400 W by 1 W per second.
  • the fuel cell system 100 in the present embodiment does not use drive power by providing the ejectors 5B to 5D in the fuel gas circulation paths 3B to 3D of the fuel cell stacks 11B to 11D with constant power generation output.
  • fuel gas that is not used for power generation can be supplied to the fuel gas supply paths 2B to 2D. Thereby, the power consumption of the fuel cell system 100 can be reduced.
  • the total value of the maximum power output of the fuel cell stack 10 with variable power output is the highest among at least one fuel cell stack 11 with constant power output.
  • the power generation output is set to be equal to or greater than the power generation output of the fuel cell stack 11 with a small power generation output, and there are a plurality of fuel cell stacks 11 with the constant power generation output, the power generation output difference between the fuel cell stacks 11 with the constant power generation output It is set to be equal to or greater than the maximum value of.
  • the maximum value of the power generation output difference between at least one power generation output constant fuel cell stack 11 is calculated as follows.
  • the power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is 800 W
  • the power generation output of the constant fuel cell stack 11D is operated at 1200W
  • the power generation output of the power generation output variable fuel cell stack 10A is operated at 200 W
  • the power generation output of the constant power generation output fuel cell stack 11B is 400 W
  • the power generation output of the constant power generation output fuel cell stack 11D is operated at 1200 W.

Abstract

燃料電池システムは、発電出力可変燃料電池スタック（１０Ａ）から排出される未利用の燃料ガスを発電出力可変燃料電池スタック（１０Ａ）燃料ガス供給経路（２Ａ）に戻す燃料ガス循環経路（３Ａ）に、燃料ガスの流量を調整する流量調整器（４Ａ）を備える。発電出力一定燃料電池スタック（１１Ｂ，１１Ｃ）から排出される未利用の燃料ガスを発電出力一定燃料電池スタック（１１Ｂ，１１Ｃ）の燃料ガス供給経路（２Ｂ，２Ｃ）に戻す燃料ガス循環経路（３Ｂ，３Ｃ）と、発電出力一定燃料電池スタック（１１Ｂ，１１Ｃ）の燃料ガス供給経路（２Ｂ，２Ｃ）との合流部にエジェクタ（５Ｂ，５Ｃ）を備える。

Description

燃料電池システム
　本発明は、発電に利用されなかった燃料ガスを再利用する複数台の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムに関する。
　従来、この種の燃料電池システムは、理論上発電に利用する燃料ガス流量より多い流量の燃料ガスが燃料電池スタックに供給されている。燃料電池スタックに供給される燃料ガス流量に対し、実際に発電に利用する燃料ガス流量の比率を燃料利用率といい、従来の燃料電池システムにおける燃料利用率は、例えば８０％というように実用上、上限がある。
　発電に利用されなかった燃料ガスは、燃焼排気され、燃料電池システムの発電効率を悪化させる原因となる。このため、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックで利用されなかった燃料ガスをポンプにより循環させ、再利用している（例えば、特許文献１参照）。
　図３は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示す。図３に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガス供給器５０１、燃料ガス供給経路５０２ａ、燃料ガス循環経路５０３ａ、制御器５０６、ポンプ５０７および燃料電池スタック５１０ａから構成されている。
　従来の燃料電池システム５００は、燃料ガス供給器５０１から燃料ガス供給経路５０２ａを流通した燃料ガスが燃料電池スタック５１０ａへ供給され、燃料電池スタック５１０ａで利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス循環経路５０３ａに備えられたポンプ５０７により、燃料ガス供給経路５０２ａに戻される。
　また、複数の燃料電池ユニットが並列に接続されて、従来の燃料電池システムより大きな発電出力を得るように構成されたシステムがある（例えば、特許文献２参照）。
　図４は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムを示す。図４に示すように、複数の燃料電池ユニットが並列に接続された従来の燃料電池システム６００は、制御器６０６ａ～６０６ｄ、電力制御器６０８ａ～６０８ｄ、燃料電池スタック６１０ａ～６１０ｄおよび、燃料電池ユニット６２０ａ～６２０ｄから構成されている。
　燃料電池ユニット６２０ａ～６２０ｄは、制御器６０６ａ～６０６ｄ、電力制御器６０８ａ～６０８ｄ、および、燃料電池スタック６１０ａ～６１０ｄから構成されている。制御器６０６ａ～６０６ｄは、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、燃料電池スタック６１０ａ～６１０ｄの発電出力を制御し、電力制御器６０８ａ～６０８ｄにより燃料電池スタック６１０ａ～６１０ｄで発電された直流電力を交流電力に変換させている。
　上記のような従来の燃料電池システムは、燃料電池スタック６１０ａ～６１０ｄで利用されなかった燃料ガスがポンプにより循環され、燃料電池ユニット６２０ａ～６２０ｄで再利用されるよう構成されている。このように構成された燃料電池ユニット６２０ａ～６２０ｄが複数台接続された場合、大きな発電出力が得られるとともに、低発電出力から高発電出力まで幅の広い発電出力を得ることができ、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、発電出力を変動させることが可能となる。しかしながら、上記のような従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池ユニット６２０ａ～６２０ｄそれぞれの燃料ガス循環経路にポンプが設けられているため、消費電力が大きくなるという課題を有している。
特開２０１０－１０１５号公報 特開２０１４－１０３０９２号公報
　本発明は、上記のような従来の課題に鑑みて成されたものであり、複数台の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムにおいて、燃料電池システムにより駆動される電気機器が消費する電力の変動に合わせ、それぞれの燃料ガス循環経路全てにポンプが設けられることなく、複数台の燃料電池スタックそれぞれの燃料ガス循環経路全てにポンプが設けられる場合と同等の、発電出力を変動させる追従性（目標発電出力の変化に応じて発電出力を変動させる性能）を維持させながら、燃料電池システムの消費電力を削減する燃料電池システムを提供する。
　具体的には、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、複数台の燃料電池スタックと、複数台の燃料電池スタックそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、複数台の燃料電池スタックで利用されなかった燃料ガスを、燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路とを備える。複数台の燃料電池スタックは、燃料ガス供給経路を通じて供給される燃料ガスを用いて発電出力が可変に設定され運転される、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックと、燃料ガス供給経路を通じて供給される燃料ガスを用いて一定の発電出力で運転される、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックとを有する。また、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムにおいて、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックから排出される利用されなかった燃料ガスを、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックの燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路に、燃料ガスの流量を調整する流量調整器が設けられている。さらに、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムにおいて、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックから排出される未利用の燃料ガスを、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路と、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの燃料ガス供給経路との合流部に、エジェクタが設けられている。
　このような構成により、大きな発電出力が得られるとともに、低発電出力から高発電出力まで幅広い発電出力を得ることができる。これにより、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、複数台の燃料電池スタックそれぞれの燃料ガス循環経路全てにポンプを備える場合と同等の、発電出力を変動させる追従性を保持しながら、燃料電池システムの消費電力を削減することができる。
　また、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、流量調整器が流量可変のポンプで構成されていてもよい。このような構成により、発電出力の大きさに応じて変化する、循環させる燃料ガス流量を細かく滑らかに調整することができるため、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、発電出力を変動させる追従性をより向上させることができる。
　また、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、流量調整器が流量可変式のエジェクタで構成されていてもよい。このような構成により、電気駆動によりエジェクタノズル部の開口面積を可変にすることができ、ノズル部の内部にある可動ニードルを一度可動させた後は、開口面積を変えない限り、駆動電力を必要としない。このため、このような構成の方が、流量可変のポンプに比べ、さらに消費電力を削減することができるとともに、燃料電池システムの駆動時の振動を低減できるため、燃料電池システムを低騒音化することができる。
　また、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックの最大発電出力の合計値は、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの中で、最も発電出力が小さい発電出力一定燃料電池スタックの発電出力以上であり、かつ、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックが複数台ある場合において、発電出力一定燃料電池スタック間の発電出力差の最大値以上となるよう構成されていてもよい。この場合、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック間の発電出力差の最大値は、次のようにして算出される。すなわち、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの１台から全台数までの全ての発電出力の組み合わせを行い、各組み合せについての発電出力一定燃料電池スタックの発電出力の和（発電出力合計値）を算出する。算出された発電出力合計値を小さい方から順番に並べ、隣り合う二つの発電出力合計値の差が最大である値を求める。この値が、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック間の発電出力差の最大値となる。
　このような構成により、大きな発電出力が得られるとともに、低発電出力から高発電出力まで幅広い発電出力を得ることができるため、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、より確実に発電出力を変動させることができる。
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構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図３は、特許文献１の従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図４は、特許文献２の従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
　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、この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構成を示すブロック図である。
　図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、複数台の燃料電池スタックと、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｃと、燃料ガス循環経路３Ａ～３Ｃとを備える。複数台の燃料電池スタックそれぞれは、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃとを有する。複数台の燃料電池スタックに供給される燃料ガスは、燃料ガス供給器１から供給される。本実施の形態の燃料電池システム１００は、さらに、流量調整器４Ａと、エジェクタ５Ｂ，５Ｃと、制御器６とを備える。
　燃料ガス供給器１は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃとに燃料ガスを供給する機器である。燃料ガス供給器１は、例えば、所定の供給圧を有する燃料ガスインフラで構成される。燃料ガスには、例えば、水素ガスが用いられる。
　燃料ガス供給経路２Ａは、燃料ガス供給器１から発電出力可変燃料電池スタック１０Ａに燃料ガスを供給するための経路である。燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃは、燃料ガス供給器１から発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃそれぞれに燃料ガスを供給するための経路である。燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｃには、その流路の開閉を行うために燃料ガス切換弁（図示せず）がそれぞれ設けられている。
　燃料ガス循環経路３Ａは、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａから排出される未利用の燃料ガスを燃料ガス供給経路２Ａに戻すための経路である。燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃは、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃから排出される未利用の燃料ガスを燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃそれぞれに戻すための経路である。なお、未利用の燃料ガスとは、燃料電池スタックにおいて発電に利用されなかった燃料ガスをいい、以下、循環燃料ガスと呼ぶこともある。
　燃料ガス循環経路３Ａの上流端は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの水素側の出口部に接続され、燃料ガス循環経路３Ａの下流端は、燃料ガス供給経路２Ａに接続される。燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃの上流端は、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃの水素側の出口部にそれぞれ接続され、燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃの下流端は、燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃにそれぞれ接続される。
　流量調整器４Ａは、燃料ガス循環経路３Ａに設置され、燃料ガス循環経路３Ａを流通する循環燃料ガス流量を調整する流量可変のポンプであり、本実施の形態では、定容積型ポンプが用いられている。
　エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃと、燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃとの合流部に配置される。エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、ノズル部（図示せず）と混合部（図示せず）とディフューザ部（図示せず）とにより構成される。
　ノズル部は、燃料ガス供給器１により圧送された燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃの断面積を狭めることで、ガスの流速を高め、燃料ガスの圧力をベンチュリ効果により低下させる。混合部は、ノズル部で発生する圧力低下により、燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃをそれぞれ経由した循環燃料ガスを吸引し、燃料ガスに混合させる。
　ディフューザ部は、流路断面積が連続的に拡径するテーパ状の部分を有する。ディフューザ部は、ノズル部で発生した圧力低下を回復させ、燃料ガスおよび循環燃料ガスの混合ガスを発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃそれぞれへ供給する。
　このように、エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、エジェクタ５Ｂ，５Ｃに流入する燃料ガス流量が一定のときに、吸い込む循環燃料ガス流量が一定になるよう構成されている。
　制御器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、例えば、ＣＰＵが用いられる。記憶部としては、例えば、メモリが用いられる。
　発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃは、燃料ガス供給器１により供給される燃料ガスと、酸化ガス供給器（図示せず）により供給される酸化ガスを用いて発電する。
　燃料電池スタックとしては、例えば、固体高分子型燃料電池が用いられる。発電出力可変燃料電池スタック１０Ａは、制御器６により発電出力を可変に運転され、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃは、制御器６により一定の発電出力で運転される。
　ここで、複数の同一要素に対して付された参照符号について説明しておく。例えば、「発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃ」の場合、添え字の「Ｂ」および「Ｃ」は、同一要素を互いに区別するために付されたものであり、２個の発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃを備えていることを意味している。
　さらに、発電出力一定燃料電池スタックの数が増えるときには、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ・・・１１Ｎ・・・とする。以下の説明では、任意の発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃを示す場合には、添え字を省略して参照符号「１１」のみを付し、「発電出力一定燃料電池スタック１１」と表記する。この場合、発電出力一定燃料電池スタック１１は、１台もしくは複数台を示す。
　同様に、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｃは、３個の燃料ガス供給経路を備えることを意味し、燃料ガス循環経路３Ａ～３Ｃは、３個の燃料ガス循環経路を備えることを意味する。また、同様に、エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、２個のエジェクタを備えることを示す。さらに、例えば、エジェクタ５Ｂは、燃料ガス供給経路２Ｂと燃料ガス循環経路３Ｂとの合流部に設けられたエジェクタを意味し、エジェクタ５Ｃは、燃料ガス供給経路２Ｃと燃料ガス循環経路３Ｃとの合流部に設けられたエジェクタを意味する。
　以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム１００について、以下その動作および作用を説明する。
　まず、燃料電池システム１００が発電を行うとき、次のような動作を行う。なお、本実施の形態においては、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最小発電出力は１Ｗとし、燃料電池システム１００の発電出力は、１Ｗ刻みで可変できるものとする。
　例えば、燃料電池システム１００の発電出力を、１Ｗ～２０００Ｗとする場合、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を１Ｗ～６００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力を４００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力を１０００Ｗとする。
　制御器６は、燃料電池システム１００内のインバータ（図示せず）から供給される交流電力を、消費する電気機器（図示せず）が消費する電力の変動に合わせて、燃料電池システム１００が発電する目標発電出力を決定する。また、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃの中から、目標発電出力を得るための最適な組み合わせを選択し、運転させる。
　また、制御器６は、発電を開始する際には、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｃそれぞれに設けられた燃料ガス切換弁（図示せず）、および、酸化ガスを発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃとに供給する酸化ガス供給経路（図示せず）それぞれに設けられた酸化ガス切換弁（図示せず）のうちで、発電する燃料電池スタックに関連する弁を開放させ、インバータ（図示せず）により電流を引くことを開始させる。
　制御器６は、発電を停止する際には、インバータ（図示せず）により電流を引くことを停止させ、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｃにそれぞれ設けられた燃料ガス切換弁（図示せず）、および、酸化ガスを発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃとに供給する酸化ガス供給経路（図示せず）それぞれに設けられた酸化ガス切換弁（図示せず）のうちで、発電を停止する燃料電池スタックに関連する弁を閉止させる。
　目標発電出力が１６００Ｗの場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃの発電出力の合計が１６００Ｗとなるように、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力を４００Ｗ、および、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力を１０００Ｗで運転させる。
　一般的に、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃに供給される燃料ガス流量に対する、実際に発電に利用される燃料ガス流量の比率を、燃料利用率という。燃料利用率は、セルの構成材料およびその他の要因によっても異なるが、例えば８０％というように実用上、上限がある。
　したがって、燃料電池システム１００では、理論上発電に利用する燃料ガス流量より多い燃料ガスが、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃに供給されている。
　例えば、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａを２００Ｗで発電させるときに、燃料ガス２．５ＮＬＭを発電出力可変燃料電池スタック１０Ａに供給させる。ここで、燃料利用率を８０％とすると、２ＮＬＭの燃料ガスが発電に利用される。発電に利用されず排出される循環燃料ガス流量は、０．５ＮＬＭとなり、制御器６は、流量調整器４Ａにより、循環燃料ガス０．５ＮＬＭを燃料ガス供給経路２Ａに戻す。
　また、燃料利用率を一定とした場合、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力の大きさに比例して、循環燃料ガス流量も比例する。この場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力が６００Ｗのときには、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力が２００Ｗのときの循環燃料ガス流量より多い流量になるように、流量調整器４Ａにより、循環燃料ガス流量の流量を調整する。
　同様に、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃにも、理論上、発電に利用する燃料ガス流量より多い燃料ガスが供給され、発電に利用されない燃料ガスが発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃから排出される。
　ここで、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃで利用されず排出される燃料ガスは、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの場合と異なり、燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃと燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃとの合流部それぞれに設置されたエジェクタ５Ｂ，５Ｃにより、吸引される。
　エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、それぞれ内部に、燃料ガスを噴射するノズル部（図示せず）を有する。ノズル部は、燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃの流通経路の流路断面積が、エジェクタ５Ｂ，５Ｃ内部方向にいくにしたがって徐々に狭くなるよう構成されている。また、エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、それぞれ、燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃと合流する混合部（図示せず）を有する。さらに、エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、燃料ガスおよび循環燃料ガスの混合ガスが流れる流通経路の流路断面積が、エジェクタ５Ｂ，５Ｃの内部から外部方向にいくにしたがって徐々に大きくなるよう構成されたディフューザ部（図示せず）を有する。
　このような構成により、エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、燃料ガスおよび循環燃料ガスの混合部にて、燃料ガスの流速が最も速くなり、燃料ガスの圧力はもっとも低くなる。このときの燃料ガスの圧力が、燃料ガス循環経路３Ｂ，３Ｃの上流側の圧力よりも低くなるように、流路断面積が設計されることにより、循環燃料ガスが燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃに引き込まれることが可能となる。
　エジェクタ５は、ノズル部の流路断面積が一定の場合は、エジェクタ５に流通する燃料ガス流量が多いほど、エジェクタ５内部のノズル部での燃料ガスの流速が早くなるのに伴い、ノズル部での圧力低下が大きくなり、循環燃料ガスを吸引する能力が高くなる特性を有する。
　つまり、発電出力が小さいときには、エジェクタ５に流入するガス流量が少ないため、必要な循環燃料ガスを吸い込むだけの能力は得られない。このため、発電出力がそれぞれ異なる発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃのエジェクタ５Ｂ，５Ｃのノズル部に流入する燃料ガスの流量に応じて、必要な循環燃料ガスを吸い込むだけの能力は得られるよう、ノズル部の流路断面積がそれぞれ最適に設計される。
　発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃで利用されず排出される燃料ガスは、必要な循環燃料ガスを吸い込むだけの能力は得られるよう最適に設計されたエジェクタ５Ｂ，５Ｃにより、駆動電力を必要とせず、燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃに供給される。
　目標発電出力が、１６００Ｗから１３００Ｗに変わる場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃの合計発電出力が１３００Ｗとなるように、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗから３００Ｗに増加させた後、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電を停止させ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力が１０００Ｗで維持されるように運転させる。
　本実施の形態においては、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力が２００Ｗから３００Ｗに増加されるときの制御周期は、１秒とする。
　制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗから、１秒あたり１Ｗずつ増加させ、３００Ｗまで発電させる。さらに、制御器６は、インバータにより、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの電流を流すことを停止させ、燃料ガス供給経路２Ｂに設けられた燃料ガス切換弁、および、酸化ガス供給器により供給される酸化ガスを発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂに供給する酸化ガス供給経路に設けられた酸化ガス切換弁を閉止させる。
　ここで、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗから３００Ｗに増加させた後、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電を停止させると、一時的に燃料電池システム１００の発電出力が目標発電出力に対し、４００Ｗ分上がる。このような場合は、燃料電池システム１００の内部で、例えば、ヒータなどにより増加した発電出力４００Ｗを消費させる。
　以上述べたような構成により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂと、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃとの発電出力の組み合わせにより、大きな発電出力が得られるとともに、低発電電力から高発電電力まで幅広い発電出力を得ることができる。これにより、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、複数台の燃料電池スタック（発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃ）それぞれの燃料ガス循環経路全てにポンプを備える場合と同等の、発電出力を変動させる追従性（目標発電出力の変化に応じて発電出力を変動させる性能）を保持することができる。
　さらに、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの燃料ガス循環経路３Ｂにエジェクタ５Ｂが設けられ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの燃料ガス循環経路３Ｃにエジェクタ５Ｃが設けられていることにより、駆動電力を使わずに、発電に利用されなかった燃料ガスを燃料ガス供給経路２Ｂ，２Ｃに供給することができるため、燃料電池システム１００の消費電力を削減することができる。
　さらに、流量調整器４Ａが流量可変のポンプで構成されていることにより、発電出力の大きさに応じて変化する循環燃料ガス流量を細かく滑らかに調整することができる。これにより、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、発電出力を変動させる追従性をより向上させることができる。
　なお、燃料ガス供給器１は、燃料ガスインフラに限らず、燃料ガスボンベ、昇圧器および流量計により構成され、燃料ガスの流量を調整する機器などでもよい。また、燃料ガスは、水素ガスに限られず、都市ガス等の炭化水素、および、メタノール等のアルコールなどが用いられてもよい。
　さらに、流量調整器４Ａである流量可変のポンプは、燃料ガスを所定の流量を送れるものであればよく、例えば、流量可変の昇圧器でもよい。
　また、制御器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、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃは、固体高分子型燃料電池に限られず、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、固体酸化物形燃料電池、および、燐酸形燃料電池等が用いられてもよい。
　なお、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃが、固体酸化物形燃料電池で構成されている場合は、改質部（図示せず）と、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａと、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃとが、１つの容器内に内蔵されるよう構成される。
　この場合、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃから排出される未利用の燃料ガスは、燃料ガス循環経路３Ａ～３Ｃを流通して改質器（図示せず）の上流に戻される。
　発電出力一定および一定の発電出力とは、電流が一定の場合を含み、また、運転状況および燃料電池スタックの劣化によって発電出力が変化する場合を含む。
　エジェクタ５Ｂ，５Ｃは、必ずしも燃料ガスの流速が最大となる位置で循環燃料ガスを流入させるよう構成されていなくてもよい。
　なお、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最小発電出力は、本実施の形態では１Ｗに設定されているが、これに限られず、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最小発電出力は、例えば、２００Ｗなどと下限を制約するよう設定されていてもよい。具体的には、発電出力可変燃料電池スタックにおいて１０Ａの発電出力が定格７００Ｗである場合、１～７００Ｗで発電出力を可変してもよいし、２００～７００Ｗで発電出力を可変としてもよい。
　さらに、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力の増減は、本実施の形態では、１Ｗ刻みで可変できるよう設定されているが、これに限られず、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａが、発電出力の増減に十分対応できる値に設定されればよく、例えば１０Ｗ刻みで設定されていてもよい。
　なお、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ，１１Ｃの発電出力の合計が１６００Ｗとなるように、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗ、および、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力を１０００Ｗで運転させることも可能である。しかしながら、制御器６は、可能な限り発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃを用いて発電を行うように制御する方が、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を小さくすることができ、その結果、流量調整器４Ａの消費電力を下げることができるため、望ましい。
　さらに、目標発電出力が１６００Ｗから、１３００Ｗに変わる場合、制御器６は、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電を停止させた後、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗから３００Ｗに増加させてもよい。ただし、このとき、燃料電池システム１００の発電出力が一時的に下がるため、燃料電池システム１００は、不足の発電出力を商業用電源から電力供給するよう構成されていてもよい。
　また、制御周期は、１秒に限られず、目標発電出力の変動の早さに応じて、設定されればよい。
　（実施の形態２）
　図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
　図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００においては、実施の形態１の流量調整器４Ａの代わりに、燃料ガス供給経路２Ａと燃料ガス循環経路３Ａとの合流部に、流量可変式エジェクタ８Ａが配置されている。また、本実施の形態の燃料電池システム１００は、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄと、燃料ガス供給経路２Ｄと、燃料ガス循環経路３Ｄと、エジェクタ５Ｄとが追加されている点で実施の形態１の燃料電池システム１００と異なっている。
　本実施の形態における燃料電池システム１００を構成する各機器の動作については、実施の形態１と同様の機器の重複する説明については省略する。
　本実施の形態では、制御器６については、以下の動作を行う点で実施の形態１と異なる。すなわち、制御器６が、発電出力可変燃料電池スタック１０で発電に利用されず排出される燃料ガス（以下、未利用の燃料ガスまたは循環燃料ガスという。）を、流量可変式エジェクタ８Ａによって吸い込ませる点が実施の形態１と異なる。さらに、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０の最大発電出力の合計値が、少なくとも、発電出力一定燃料電池スタック１１の中で、最も発電出力が小さい発電出力一定燃料電池スタック１１の発電出力以上に設定され、かつ、発電出力一定燃料電池スタック１１が複数台ある場合においては、複数台の発電出力一定燃料電池スタック１１の最大発電出力と複数台の発電出力一定燃料電池スタック１１の最小発電出力との発電出力の差以上となるように設定される点が、実施の形態１と異なる。
　本実施の形態の燃料電池システム１００においては、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０の最小発電出力は１Ｗに設定され、発電出力の増減は、１Ｗ刻みで可変できるよう設定されている。
　流量調整器４Ａは、流量可変式エジェクタ８Ａで構成されている。本実施の形態の燃料電池システム１００においては、エジェクタ５は、ノズル部（図示せず）の流路断面積が一定であり、エジェクタ５に流入する燃料ガス流量が一定のときに、吸い込む循環燃料ガス流量が一定になるよう構成されている。
　これに対し、流量可変式エジェクタ８Ａは、ノズル部（図示せず）の流路断面積が任意に可変制御できるよう構成されている。流量可変式エジェクタ８Ａに流入する燃料ガス流量が一定のときに、ノズル部の流路断面積が狭められると、吸い込む循環燃料ガス流量を増やすことができ、ノズル部の流路断面積が広げられると、吸い込む循環燃料ガス流量を減らすことができる。
　また、流量可変式エジェクタ８Ａは、ノズル部の流路断面積を可変にするため、ノズル部の内部には、テーパ状の端部を有する可動ニードルが同軸的に配置されている。さらに、流量可変式エジェクタ８Ａは、可動ニードルを軸方向に移動させることで、テーパ状の端部の、ノズル部からの突き出し量を調整できる。このような構成により、流量可変式エジェクタ８Ａは、流路断面積が任意に可変制御されることができる。
　可動ニードルは、本実施の形態では、電気的に駆動されるよう構成されている。可動ニードルが一度可動された後は、開口面積が変更されない限り、駆動電力を必要としない。このため、所定の発電出力を維持する場合においては、可動ニードルを有する流量可変式エジェクタ８Ａの方が、流量可変のポンプにより循環燃料ガスを供給する場合に比べ、少ない消費電力で、循環燃料ガスを供給することができる。
　さらに、流量可変式エジェクタ８Ａは、流量可変のポンプに比べ、電気駆動によりノズル部の開口面積が可変に構成されていることにより、駆動時の振動をより低減することができるため、燃料電池システム１００の低騒音化を実現することができる。
　以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム１００について、以下その動作および作用を、図２を参照しながら説明する。
　燃料電池システム１００が発電を行うとき、次のような動作が行われる。
　まず、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最大発電出力は、少なくとも、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの中で、最も発電出力が小さい発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電出力以上に設定される。また、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最大発電出力は、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄが複数台ある場合において、複数台の発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄ間の発電出力差の最大値以上となるように設定される。発電出力一定燃料電池スタック１１の最も発電出力が小さい発電出力と、複数台の発電出力一定燃料電池スタック１１の発電出力差の最大値（発電出力）とが存在する場合は、両者を比較して、大きい方の発電出力が、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最大発電出力に設定される。
　ここで、発電出力一定燃料電池スタック１１が複数台（例えば、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄ）ある場合において、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄ間の発電出力差の最大値を算出する方法について、以下述べる。
　まず、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの１台から全台数までの全ての発電出力の組み合わせを行い、各組み合せについて、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電出力の和（以下、発電出力合計値という。）を算出する。
　算出された発電出力合計値を小さい方から順番に並べ、隣り合う二つの発電出力合計値の差を算出し、その差の最大値を発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄ間の発電出力差の最大値とする。
　例えば、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄにおいて、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力が４００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力が１０００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電出力が１２００Ｗである場合について説明する。算出された発電出力合計値は、４００Ｗ、１０００Ｗ、１２００Ｗ、１４００Ｗ、１６００Ｗ、２２００Ｗ、および、２６００Ｗである。ここで、隣り合う二つの発電出力の差のうち、最大値となるのは、６００Ｗ（１０００Ｗ－４００Ｗ、もしくは、２２００Ｗ－１６００Ｗ）となる。
　つまり、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最大発電出力は、最小発電出力４００Ｗと、発電出力差の最大値６００Ｗとを比較し、大きい方の６００Ｗ以上が設定される。
　ここで、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力の最大値は、例えば、８００Ｗと設定される。
　また、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの最小発電出力は１Ｗとし、発電出力が１Ｗ～８００Ｗと設定される。つまり、燃料電池システム１００の発電出力は、１Ｗ～３４００Ｗ（発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力８００Ｗ、および、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電出力４００Ｗ、１０００Ｗおよび１２００Ｗの合計）となる。
　制御器６は、燃料電池システム１００内のインバータ（図示せず）から供給される交流電力を利用する電気機器（図示せず）が消費する電力の変動に合わせ、燃料電池システム１００が発電する目標発電出力を決定する。制御器６は、さらに、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの中から、最適な組み合わせ（交流電力を利用する電気機器が消費する電力にできるだけ近い発電出力が得られるような組み合わせ）を選択し、選択された発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄで運転が行われるよう制御する。
　燃料電池システム１００において発電を開始する際には、制御器６は、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｄそれぞれに設けられた燃料ガス切換弁（図示せず）、および、酸化ガス供給器（図示せず）により供給される酸化ガスを発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄに供給する酸化ガス供給経路（図示せず）それぞれに設けられた酸化ガス切換弁（図示せず）を開放させ、インバータにより電流を流すことを開始させる。
　燃料電池システム１００において発電を停止する際には、制御器６は、インバータにより電流を流すことを停止させ、燃料ガス供給経路２Ａ～２Ｄそれぞれに設けられた燃料ガス切換弁、および、酸化ガス供給器により供給される酸化ガスを発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄに供給する酸化ガス供給経路それぞれに設けられた酸化ガス切換弁を閉止させる。
　目標発電出力が２０００Ｗの場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの合計発電出力が２０００Ｗとなるように、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力を４００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力を１０００Ｗで運転させる。このとき、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄによる発電は行われない。
　さらに、目標発電出力が２０００Ｗから３０００Ｗに変わる場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０および発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの合計発電出力が３０００Ｗとなるように、停止している発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電を開始させる。そして、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗから４００Ｗに低下させ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力は４００Ｗで維持され、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｃの発電出力は１０００Ｗで維持されるように運転させる。
　制御器６は、燃料ガス供給経路２Ｄに設けられた燃料ガス切換弁、および、酸化ガス供給器により供給される酸化ガスを発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄに供給する酸化ガス供給経路に設けられた酸化ガス切換弁を開放させ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの電流を流すことを開始させる。そして、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗから４００Ｗに１秒あたり１Ｗずつ低下させる。
　ここで、停止している発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電を開始させた後、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗから４００Ｗに低下させると、一時的に発電出力が目標発電出力に対し、２００Ｗ分上がる。このため、この場合は、燃料電池システム１００の内部で、例えば、ヒータなどにより増加した発電出力２００Ｗを消費させる。
　以上述べたように、本実施の形態における燃料電池システム１００は、大きな発電出力が得られるとともに、低発電出力から高発電出力まで幅広い発電出力を得ることができるよう、制御器６により、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電出力の最適な組み合わせが選択されるよう構成されている。このような構成により、目標発電出力に対する発電出力の追従性（目標発電出力の変化に応じて発電出力を変化させる性能）をより確実に維持することができる。
　さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００は、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの燃料ガス循環経路３Ｂ～３Ｄに、エジェクタ５Ｂ～５Ｄがそれぞれ設けられていることにより、駆動電力を使わずに、発電に未利用の燃料ガスを燃料ガス供給経路２Ｂ～２Ｄに供給することができる。これにより、燃料電池システム１００の消費電力を削減することができる。
　さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００は、流量調整器４Ａに代えて、流量可変式エジェクタ８Ａを備える。このような構成により、流量可変のポンプに比べ、電気駆動によりエジェクタ５のノズル部の開口面積が可変に構成されている方が、ノズル部の内部にある可動ニードルを一度可動させた後は、開口面積を変えない限り、駆動電力を必要としないため、さらに消費電力を削減することができる。また、このような構成により、駆動時の振動を低減することができるため、燃料電池システム１００を低騒音化することができる。
　なお、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０の最小発電出力を１Ｗとしているが、これに限られず、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０の最小発電出力は、例えば、２００Ｗと下限が設定されていてもよい。
　さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００には、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０の発電出力の増減が、１Ｗ刻みで可変できるよう構成されているが、これに限られず、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタック１０が、発電出力の増減に十分対応できる値に設定されればよく、例えば１０Ｗ刻みで設定されていてもよい。
　また、発電出力一定燃料電池スタック１１が複数台ある場合は、発電出力可変燃料電池スタック１０の最大発電出力の合計値は、少なくとも、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック１１の中で、最も発電出力が小さい発電出力一定燃料電池スタック１１の発電出力以上となるように設定され、かつ、発電出力一定燃料電池スタック１１が複数台ある場合において、発電出力一定燃料電池スタック１１間の発電出力差の最大値以上となるように設定される。少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック１１間の発電出力差の最大値は、次のようにして算出される。すなわち、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック１１の１台から全台数までの全ての発電出力の組み合わせを行い、各組み合せについての発電出力一定燃料電池スタック１１の発電出力の和（発電出力合計値）を算出する。算出された発電出力合計値を小さい方から順番に並べ、隣り合う二つの発電出力合計値の差が最大である値を求める。この値が、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック間の発電出力差の最大値となる。
　なお、エジェクタ５は、ノズル部の流路断面積において、エジェクタ５に流入する燃料ガス流量が一定のときに、吸い込む循環燃料ガス流量が変動する場合は、吸い込む循環燃料ガス流量に合わせて、ノズル部の流路断面積が設定される。
　発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電出力の合計を２０００Ｗとするには、上記の組み合わせの他に、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を８００Ｗ、および、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電出力を１２００Ｗで運転する組み合わせがある。さらに、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を２００Ｗ、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂの発電出力を４００Ｗ、および、発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電出力を１２００Ｗで運転させる組み合わせがある。
　目標発電出力の変化に応じた発電出力の追従（増減の調整）が早く行われるようにしたい場合には、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力が、設定可能な発電出力の幅の間に設定されるようにすることが、流量可変式エジェクタ８Ａにより、目標発電出力の変化に応じて循環燃料ガス流量を変化させることができるため、望ましい。このような構成の方が、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａおよび発電出力一定燃料電池スタック１１Ｂ～１１Ｄの発電および停止を切り替えるより、制御が簡易となり望ましいが、このような構成に限られない。
　なお、目標発電出力が２０００Ｗから３０００Ｗに変わる場合、制御器６は、発電出力可変燃料電池スタック１０Ａの発電出力を６００Ｗから４００Ｗに低下させた後、停止している発電出力一定燃料電池スタック１１Ｄの発電を開始させてもよい。ただし、このとき、燃料電池システム１００の発電出力が一時的に下がるため、不足の発電出力を商業用電源から電力供給させてもよい。
　本発明の燃料電池システムによれば、電気機器が消費する電力の変動に合わせ、低発電出力から高発電出力まで発電出力を変動させる追従性と、燃料電池システムの消費電力削減による燃料電池システムの発電効率向上を両立する燃料電池システムを提供することができる。よって、燃料電池が用いられたシステム等に幅広く利用することができる。
　１　　燃料ガス供給器
　２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ　　燃料ガス供給経路
　３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ　　燃料ガス循環経路
　４Ａ　　流量調整器
　５，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ　　エジェクタ
　６　　制御器
　７　　ポンプ
　８Ａ　　流量可変式エジェクタ
　１０，１０Ａ　　発電出力可変燃料電池スタック
　１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ　　発電出力一定燃料電池スタック
　１００　　燃料電池システム

Claims (4)

  1. 複数台の燃料電池スタックと、
    前記複数台の燃料電池スタックそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、
    前記複数台の燃料電池スタックで利用されなかった前記燃料ガスを、前記燃料ガス供給経路に戻すための燃料ガス循環経路とを備え、
    前記複数台の燃料電池スタックそれぞれは、前記燃料ガス供給経路を通じて供給される前記燃料ガスを用いて発電出力が可変に設定されて運転される、少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックと、前記燃料ガス供給経路を通じて供給される前記燃料ガスを用いて一定の発電出力で運転される、少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックとを有し、
    前記少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックから排出される利用されなかった前記燃料ガスを、前記少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックの前記燃料ガス供給経路に戻すための前記燃料ガス循環経路に、前記燃料ガスの流量を調整する流量調整器が設けられ、
    前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックから排出される利用されなかった前記燃料ガスを、前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの前記燃料ガス供給経路に戻すための前記燃料ガス循環経路と、前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの前記燃料ガス供給経路との合流部に、エジェクタが設けられた
    燃料電池システム。
  2. 前記流量調整器は、流量可変のポンプで構成されている、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記流量調整器は、流量可変式のエジェクタで構成されている、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記少なくとも１台の発電出力可変燃料電池スタックの最大発電出力の合計値は、少なくとも、前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックの中で、最も発電出力が小さい前記発電出力一定燃料電池スタックの発電出力以上に設定され、かつ、前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタックが複数台ある場合は、前記少なくとも１台の発電出力一定燃料電池スタック間の発電出力差の最大値以上に設定される、
    請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
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