JPWO2017010069A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

複数の燃料電池スタック（１０Ａ〜１０Ｎ）が接続された燃料電池システム（１００）であって、制御器（３）を備え、制御器（３）は、目標発電出力を得るために必要最少台数の燃料電池スタック（１０Ａ〜１０Ｎ）を稼働させるよう複数の燃料電池スタック（１０Ａ〜１０Ｎ）の稼動を制御する。

Description

本発明は、燃料電池スタックを複数、接続した燃料電池システム及びその運転方法に関する。
近年、一戸建て住宅および集合住宅などに設置して使用する家庭用燃料電池システムが知られている。家庭用燃料電池システムは、家庭で消費する消費電力をまかなうように構成され、その発電出力は例えば７００〜１０００Ｗと小さい。
そこで、このような家庭用燃料電池システムを利用して、例えば、３〜５ｋＷの発電出力を得るような技術の開発も進められ、複数の燃料電池ユニットを並列に接続して発電出力を得る制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システム２００を示す。図７に示すように、燃料電池システム２００は、第１電流変換器２０８Ａ〜２０８Ｄ、第２電流変換器２０９Ａ〜２０９Ｄおよび燃料電池ユニット２２０Ａ〜２２０Ｄから構成されている。燃料電池ユニット２２０Ａ〜２２０Ｄは、制御器２０３Ａ〜２０３Ｄ、出力制御器２０６Ａ〜２０６Ｄおよび燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄから構成されている。制御器２０３Ａ〜２０３Ｄは、燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄの発電出力を制御し、出力制御器２０６Ａ〜２０６Ｄにより燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄで発電した直流電力を交流電力に変換している。
従来の燃料電池システム２００は、第１電流変換器２０８Ａ〜２０８Ｄを用いて商業電力ラインを流れる電流を検知し、第２電流変換器２０９Ａ〜２０９Ｄを用いて燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄの発電出力ラインを流れる電流を検知するよう構成されており、商用電力ラインの電力および複数の燃料電池ユニット２２０Ａ〜２２０Ｄの発電出力を監視して、燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄの発電出力を制御している。
これにより、燃料電池スタック２１０Ａ〜２１０Ｄそれぞれの発電出力が均等になるように制御されるとともに安定して電力を出力することができる。その結果、複数の燃料電池ユニット２２０Ａ〜２２０Ｄ全体の発電効率を高めることができる。
しかしながら、上記のような従来の構成では、燃料電池システムの運転時間が長くなるほど燃料電池スタックが劣化し、電圧が低下することが考慮されておらず、燃料電池システム全体として発電効率が高くなるように、各々の燃料電池ユニットの発電出力が均等になるように制御されている。
各々の燃料電池ユニットの発電出力が均等になるように制御する場合、例えば、定格発電出力７００Ｗの燃料電池ユニットを４台並列に接続し、電気機器が消費する消費電力が１２００Ｗの場合においては、４台の燃料電池ユニットは各々３００Ｗずつ発電する。この場合、４台全ての燃料電池ユニットが稼動することになり、燃料電池ユニット内の全ての燃料電池スタックが運転時間とともに電圧低下する。
そのため、１つ目の燃料電池スタックが７００Ｗ、２つ目の燃料電池スタックが５００Ｗ、および、３つ目と４つ目の燃料電池スタックは稼動しない場合などに比べ、各々の燃料電池スタックの発電出力が均等になるように制御する場合には、全ての燃料電池スタックの電圧が低下し、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系（例えば、ガスボンベおよび昇圧器など）の能力の上限から、必要な燃料ガスが燃料電池スタックに供給されない。このため、燃料電池スタックの電流を上げられず、運転時間ともに最大発電出力が低下するという問題を有している。
特開２０１４−１０３０９２号公報
本発明は、上記のような従来の課題を解決するもので、複数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、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制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、目標発電出力を得るために必要最少台数の燃料電池スタックを稼働させるよう、複数の燃料電池スタックの稼動を制御する制御器を備える。
このような構成によって、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタックの台数を最少とすることができ、目標発電出力に対し全ての燃料電池スタックを稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる。
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１における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 図３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４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 図７は、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において、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給器１と、酸化ガス供給器２と、制御器３と、燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎと、酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎと、出力制御器６（出力制御器６Ａ〜６Ｎ）と、電気機器７と、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎとを備える。
燃料ガス供給器１は、燃料ガスを燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎへ供給する機器である。燃料ガス供給器１としては、例えば、所定の供給圧を有する燃料ガスインフラストラクチャが挙げられる。燃料ガスには、水素ガスが用いられる。
酸化ガス供給器２は、酸化ガスを燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎへ供給する酸化ガス流量を調整する機器であり、例えば、定容積型ポンプが用いられる。一般的に酸化ガスには、空気が用いられる。
制御器３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、メモリが例示される。
燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎは、燃料ガス供給器１から燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎへ燃料ガスを供給する経路に夫々設置され、制御器３からの制御信号に従って夫々開閉される。燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎは、経路の開閉を行えるものであればよく、例えば、電磁弁が挙げられる。
酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎは、酸化ガス供給器２から燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎへ酸化ガスを供給する経路に夫々設置され、制御器３からの制御信号に従って夫々開閉される。酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎは、経路の開閉を行えるものであればよく、例えば、電磁弁が用いられる。
出力制御器６は、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎと電気機器７との間に設けられ、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが発電した直流電力を交流電力に変換するためのＤＣ／ＡＣ変換器（図示せず）を備えている。出力制御器６は、例えば、インバータで構成される。
電気機器７は、例えば冷蔵庫および洗濯機などの電力消費機器であり、電気を使用する様々な機器が含まれ、出力制御器６から供給される交流電力を消費する機器であればよい。
燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎ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２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。
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的に、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）がセパレータで挟持された構造を有する。ＭＥＡは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層された構造を有する。電池反応は、触媒と、触媒を担持する担体と、アイオノマー（イオン伝導性高分子）とからなる触媒層において進行する。
燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎは、運転時間が長くなるほど劣化し、劣化により電圧が低下することが知られている。劣化の原因は、一般的に、大気中に含まれる不純物成分によるカソード触媒層の被毒、および、燃料ガスに含まれる不純物成分によるアノード触媒層の被毒による電極構造の変化などである。電極構造が変化すると、ガスの拡散性および生成水の排出性が低下して、電圧が低下する。
燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの電圧が低下すると、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器１の能力の上限から、必要な燃料ガスが燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに供給されないため、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの電流を上げられず、運転時間ともに最大発電出力が低下する。
運転時間が長くなると、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎは電圧低下する。この運転時間とは、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎ夫々が発電している時間である。
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する。例えば「燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎ」の場合、添え字の「Ａ」，「Ｎ」は、同一要素を互いに区別するために付したものであり、Ｎ個の燃料電池スタック１０を備えていることを意味している。
以下の説明では、任意の燃料電池スタック１０を示す場合には、添え字を省略して参照符号「１０」のみを付し、「燃料電池スタック１０」と表記する。この場合、燃料電池スタック１０は、１台もしくは複数台を示す。
さらに、任意の燃料電池スタック１０を互いに区別するため、燃料電池スタック１０に添え字を「ｋ」または「ｍ」と付す。「ｋ」と「ｍ」は、任意の１〜ｎの整数を意味する。
同様に、燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎは、Ｎ個の燃料ガス切換弁４を備えていることを意味し、酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎは、Ｎ個の酸化ガス切換弁５を備えていることを意味している。
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。
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１００の運転方法を示すフローチャートである。図２のフローチャートに示す動作（ステップ）は、制御器３の制御によって実行される。
制御器３は、図２に示すように、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を、燃料電池システム１００の運転のスタートとし、常時以下の動作を行う。
まず、制御器３は、電気機器７が消費する消費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し、目標発電出力の変動を確認する（ステップＳ１０１）。目標発電出力の変動は発電時だけでなく、起動から発電に切り替えられる際にも、例えば、目標発電出力は０Ｗから２００Ｗと変動する。
ステップＳ１０１で制御器３が目標発電出力の変動を確認した場合（Ｓ１０１でＹｅｓ）には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、制御器３は、ステップＳ１０１で確認した目標発電出力に対して、可能な限り少ない稼動台数の燃料電池スタック１０で目標発電出力が得られるように、燃料電池スタック１０の稼動させる台数を算出する。すなわち、制御器３は、目標発電出力を得るために必要最少の燃料電池スタック１０の台数を算出する。
例えば、燃料電池システム１００が、定格発電出力７００Ｗの燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｄが４台並列に接続され、目標発電出力が１２００Ｗの場合においては、１つ目の燃料電池スタック１０の発電出力を７００Ｗ、２つ目の燃料電池スタック１０の発電出力を５００Ｗとし、必要最少台数は２台と算出する。
ステップＳ１０１で制御器３が目標発電出力の変動が無いことを確認した場合（Ｓ１０１でＮｏ）には、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１が繰り返される。
次に、ステップＳ１０３では、制御器３は、現在発電している燃料電池スタック１０の台数と、ステップＳ１０２で算出した燃料電池スタック１０の台数を比較し、稼動させる燃料電池スタック１０の台数に変更がある場合（Ｓ１０３でＹｅｓ）には、ステップＳ１０４へ進む。
ステップＳ１０４では、制御器３は、ステップＳ１０３で確認した燃料電池スタック１０の稼動台数が増加するか確認し、増加する場合（Ｓ１０４でＹｅｓ）には、ステップＳ１０５へ進む。
ステップＳ１０５では、制御器３は、発電停止中の燃料電池スタック１０の内で相対的に累積発電時間が短い燃料電池スタック１０ｋを選択し、ステップＳ１０６へ進む。累積発電時間は、燃料電池スタック１０が発電なしの初期の状態から、発電した発電時間の総和の時間のことである。
ステップＳ１０６では、制御器３は、ステップＳ１０５で選択した燃料電池スタック１０ｋを起動させるため、燃料ガス切換弁４ｋおよび酸化ガス切換弁５ｋを開放させ、ステップＳ１０７へ進む。
ステップＳ１０７では、制御器３は、出力制御器６により電流を流すことを開始させ、ステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１０１からステップＳ１０７の制御周期は、目標発電出力の変動の早さに応じて、設定されればよく、例えば、１秒とする。
ステップＳ１０４で稼動させる燃料電池スタック１０の台数が減少する場合（Ｓ１０４でＮｏ）には、ステップＳ１０８へ進む。
ステップＳ１０８では、制御器３は、発電中の燃料電池スタック１０の内で相対的に累積発電時間が長い燃料電池スタック１０ｍを選択し、ステップＳ１０９へ進む。
ステップＳ１０９では、制御器３は、ステップＳ１０８で選択した燃料電池スタック１０ｍを停止させるため、燃料ガス切換弁４ｍおよび酸化ガス切換弁５ｍを閉止させ、ステップＳ１１０へ進む。
ステップＳ１１０では、制御器３は、出力制御器６により電流を流すことを停止させ、ステップＳ１０１へ戻る。ステップＳ１０１からステップＳ１１０の制御周期は、目標発電出力の変動の早さに応じて、設定されればよく、例えば、１秒とする。
以上説明したステップＳ１０１からステップＳ１１０の動作が燃料電池システム１００において繰り返される。
以上のような構成（動作）により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタック１０の台数を最少とすることができ、目標発電出力に対し全ての燃料電池スタック１０を稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる。
さらに、燃料電池スタック１０の稼働台数を増やす場合には、発電停止中の燃料電池スタック１０の内で相対的に累積発電時間が短い燃料電池スタック１０から優先的に稼働させることにより、特定の燃料電池スタック１０だけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
また、燃料電池スタック１０の稼働台数を減らす場合には、発電中の燃料電池スタック１０の内で相対的に累積発電時間が長い燃料電池スタック１０から優先的に発電停止させることにより、特定の燃料電池スタック１０だけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
なお、燃料ガス供給器１は、燃料ガスインフラに限られず、燃料ガスボンベまたは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が用いられてもよい。
燃料ガスが、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である場合には、燃料ガスを用いて改質反応により水素ガスを生成する改質部が燃料ガス供給器１と燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎとの間に設けられていてもよい。
また、酸化ガス供給器２は、定容積型ポンプに限られず、昇圧器と流量計により構成されていてもよい。
さらに、制御器３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、出力制御器６は、図１に示すように、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに対し１つだけ設けられてもよいし、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに対し、各々設けられてもよい。一般的に、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに対し、各々出力制御器６Ａ〜６Ｎが設けられる方が、直流電力を交流電力に変換する効率が良い。
また、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎは、固体高分子型燃料電池に限られず、他のいずれの種類であってもよく、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る。なお、燃料電池スタックが、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質部と燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎとが１つの容器内に内蔵されるよう構成される。
また、運転時間とは、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎ夫々が発電している時間に限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに酸化ガスが供給されている時間および燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに燃料ガスが供給されている時間などでもよい。
なお、本実施の形態においては、制御器３は、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとしているが、これに限られず、燃料電池スタック１０が発電を開始した時点をスタートとしてもよい。
また、本実施の形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが並列に接続されているが、これに限られず、直列に接続されていてもよい。
（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構成について、図３を用いて説明する。図３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、本実施の形態においては、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、その説明は本実施の形態では省略する。
図３に示す本実施の形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック１０と、燃料ガス切換弁４と、酸化ガス切換弁５と、出力制御器６と、燃料電池ユニット制御器とを夫々１つずつ備える燃料電池ユニット２０が複数（燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎ）接続されている点で実施の形態１と異なっている。
燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎは、直流電力を発生する燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎと、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎからの直流電力を交流電力に変換する出力制御器６Ａ〜６Ｎと、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの運転を制御する燃料電池ユニット制御器を夫々備える。燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎはそれぞれ、制御器３の指令を受け、起動および停止を行う。
一般的に、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに対し、各々出力制御器６Ａ〜６Ｎが設けられる方が、直流電力を交流電力に変換する効率が良いため、出力制御器６Ａ〜６Ｎでのエネルギロスを小さくすることができる。
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する。例えば「燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎ」の場合、添え字の「Ａ」，「Ｎ」は同一要素を互いに区別するために付したものであり、Ｎ個の燃料電池ユニット２０を備えていることを意味している。
以下の説明では、任意の燃料電池ユニット２０を示す場合には、添え字を省略して参照符号「２０」のみを付し、「燃料電池ユニット２０」と表記する。この場合、燃料電池ユニット２０は、１台もしくは複数台を示す。さらに、任意の燃料電池ユニット２０それぞれを区別するため、燃料電池ユニット２０に添え字を「ｋ」または「ｍ」と付す。「ｋ」と「ｍ」は任意の１〜ｎの整数を意味する。
同様に、燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎは、Ｎ個の燃料ガス切換弁４を備えていることを意味し、酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎは、Ｎ個の酸化ガス切換弁５を備えていることを意味している。さらに、出力制御器６Ａ〜６Ｎは、Ｎ個の出力制御器６を備えていることを意味し、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎは、Ｎ個の燃料電池１０を備えていることを意味している。
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は、実施の形態１と同様であるため、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、説明を省略する。
本実施の形態の燃料電池システム１００が実施の形態１と異なる点は、制御器３が、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池ユニット２０の累積発電時間と、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池ユニット２０の累積発電時間との差が、所定値以上になると、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池ユニット２０を停止させながら、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池ユニット２０を発電させ、発電出力が維持されるよう制御することである。
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４を参照しながら説明する。
図４は、本実施の形態の燃料電池システム１００の運転方法を示すフローチャートである。図４のフローチャートに示す動作（ステップ）は、制御器３の制御によって実行される。制御器３は、例えば、図４に示すように、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を、燃料電池システム１００の運転のスタートとし、常時以下の動作を行う。
まず、制御器３は、燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎのうち少なくとも１台が発電中か否かを確認する（ステップＳ２０１）。
ステップＳ２０１で制御器３が、燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎのうち少なくとも１台が発電中であることを確認した場合（Ｓ２０１でＹｅｓ）には、ステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０１で制御器３が、燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎが発電していないことを確認した場合（Ｓ２０１でＹｅｓ）には、ステップＳ２０１に戻る。
ステップＳ２０２では、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）と、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）とを確認し、ステップＳ２０３へ進む。
燃料電池システム１００が、定格発電出力７００Ｗの燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｄが４台並列に接続されて構成されている場合、制御器３は、燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｄ夫々の累積発電時間を確認する。例えば、燃料電池ユニット２０Ａは４９０時間、燃料電池ユニット２０Ｂは４８０時間、燃料電池ユニット２０Ｃは、４７８時間、および、燃料電池ユニット２０Ｄは４９０時間と確認する。また、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ＝４９０時間）の燃料電池ユニット２０ｋを、燃料電池ユニット２０Ａまたは２０Ｄとし、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ＝４７８時間）の燃料電池ユニット２０ｍを、燃料電池ユニット２０Ｃとする。
ステップＳ２０３では、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）と、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）との差（Ｔｋ−Ｔｍ）が、所定値Ｔ１以上になるか否かを確認し、累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）が所定値Ｔ１以上になる場合、ステップＳ２０４へ進む。
目標発電出力を得るために、稼動させる燃料電池ユニット２０の台数の増減に関わらず、同じ燃料電池ユニット２０が継続して発電を長時間行う場合、特定の燃料電池ユニット２０の累積発電時間は長くなり、極端に電圧が低下してしまう。
一度発電を開始させて発電を停止させるまでの燃料電池ユニット２０の連続発電時間は、燃料電池スタック１０が固体高分子型燃料電池の場合、一般的に２４時間であるが、固体酸化物形燃料電池の場合、１０００時間以上になることもある。
このように、用いられる燃料電池スタック１０の種類および燃料電池システム１００の運転方法によって、適切な所定値Ｔ１は異なるため、用いられる燃料電池スタック１０の種類および燃料電池システム１００の運転方法等によって、所定値Ｔ１は設定されればよく、例えば、Ｔ１＝１２時間と設定される。
本実施の形態においては、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ＝４９０時間）の燃料電池ユニット２０ｋは燃料電池ユニット２０Ａまたは２０Ｄ、および、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ＝４７８時間）の燃料電池ユニット２０ｍは燃料電池ユニット２０Ｃであるため、累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）＝１２時間となる。よって、所定値Ｔ１＝１２時間と設定されている場合は、累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）が所定値Ｔ１以上になるので、ステップＳ２０４へ進む。
ステップＳ２０３で制御器３が累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）が所定値Ｔ１未満になることを確認した場合（Ｓ２０１でＮｏ）には、ステップＳ２０１に戻る。ステップＳ２０１からステップＳ２０３の制御周期は、例えば、１秒とする。
ステップＳ２０４では、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力を５Ｗ下げ、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力を下げる前と同じ発電出力を得られるように、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）の燃料電池ユニット２０ｍを発電させ、発電出力を５Ｗ上げ、ステップＳ２０５へ進む。
燃料電池ユニット２０ｍを発電させる際は、燃料電池ユニット制御器は、燃料ガス切換弁４ｍと酸化ガス切換弁５ｍとを開放し、出力制御器６ｍにより電流を流すことを開始する。
ここで、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）の燃料電池ユニット２０ｍの最小発電出力が、例えば２００Ｗの場合、２００Ｗから発電開始となり、燃料電池システム１００の発電出力が、目標発電出力を越えてしまう。
そのため、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力が、２００Ｗ分下がった後に、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）の燃料電池ユニット２０ｍの発電出力を２００Ｗ上げる。このとき、一時的に発電出力が２００Ｗ分下がるため、商業用電源などから電力供給してもよい。
ステップＳ２０５では、制御器３は、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力が０Ｗになっているかを確認し、０Ｗの場合（Ｓ２０５でＹｅｓ）には、ステップＳ２０１に戻る。
ステップＳ２０５で制御器３が、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力が０Ｗになっていないことを確認した場合（Ｓ２０５でＮｏ）には、ステップＳ２０４に戻る。
ステップＳ２０４からステップＳ２０５の制御周期は、燃料電池ユニット２０が発電出力の増減量に十分対応できる値に設定されればよく、例えば、１秒とする。
以上のような構成により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２０の稼動台数の増減に関わらず、特定の燃料電池ユニット２０だけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
さらに、上記のような構成により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池ユニット２０と、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池ユニット２０とが切り替えられるときに、切り替えられる前と同じ発電出力が維持されることができ、安定した発電出力を供給することができる。
なお、制御器３は、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとしたが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが発電を開始した時点をスタートとしてもよい。
また、本実施の形態では、累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）が所定値Ｔ１以上になる場合としているが、これに限られず、累積発電時間の比Ｔｋ／Ｔｍが所定値Ｔ２以上になる場合としてもよい。この場合、例えばＴ２＝１．１と設定する。
さらに、ステップＳ２０１からステップＳ２０３の制御周期は、１秒としたが、これに限られず、１時間に一回、累積発電時間の差（Ｔｋ−Ｔｍ）が所定値Ｔ１以上になるか確認する構成としてもよい。
なお、ステップＳ２０４で、発電出力の増減は５Ｗずつとしているが、これに限られず、燃料電池ユニット２０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い。
また、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋと、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）の燃料電池ユニット２０ｍとの切り替えを行う際に、過渡的に発電中の燃料電池ユニット２０の台数が増加するが、これは一時的なものとする。
さらに、ステップＳ２０４で、発電停止中の燃料電池ユニット２０の中で最も短い累積発電時間（Ｔｍ）の燃料電池ユニット２０ｍの発電出力を、例えば最小発電出力の２００Ｗに上げた後、発電中の燃料電池ユニット２０の中で最も長い累積発電時間（Ｔｋ）の燃料電池ユニット２０ｋの発電出力を２００Ｗ分下げてもよいが、一時的に発電出力が２００Ｗ分上がるため、この場合、燃料電池システム１００の内部で、増加した発電出力２００Ｗを、例えばヒータなどにより消費する。
なお、本実施の形態における燃料電池システム１００は、複数の燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎが接続されている燃料電池システム１００を例としているが、これに限られず、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが接続されている燃料電池システムでもよい。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成について説明する。本発明の実施の形態３における燃料電池システム１００を構成する各機器は、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるため、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。
本発明の実施の形態３の燃料電池システム１００が実施の形態１および実施の形態２と異なる点は、制御器３が、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの稼働台数を増やす場合には、発電停止中の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの内で前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎから優先的に稼働させ、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの稼働数を減らす場合には、発電中の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの内で電圧が相対的に低い燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎから優先的に発電停止させる点である。
本実施の形態の燃料電池システム１００は、発電中の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧を検出する検出部と、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧の電圧履歴を記憶する記憶部とを備える。
以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作および作用を、図５を参照しながら説明する。
図５は、本実施の形態の燃料電池システム１００の運転方法を示すフローチャートである。図５のフローチャートに示す動作（ステップ）は、制御器３の制御によって実行される。
図５に示すように、制御器３は、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとし、常時以下の動作を行う。
まず、制御器３は、電気機器７が消費する消費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し、目標発電出力の変動を確認する（ステップＳ３０１）。目標発電出力の変動は発電時だけでなく、起動から発電に切り替えられる際にも、例えば、目標発電出力は０Ｗから２００Ｗと変動する。
ステップＳ３０１で制御器３が目標発電出力の変動を確認した場合（Ｓ３０１でＹｅｓ）には、ステップＳ３０２に進む。
ステップＳ３０２では、制御器３は、ステップＳ３０１で確認した目標発電出力に対して、可能な限り少ない台数の燃料電池スタック１０で目標発電出力が得られるように、稼動させる燃料電池スタック１０の台数を算出する。すなわち、目標発電出力を得るために必要最少の燃料電池スタック１０の台数を算出する。
例えば、燃料電池システム１００が、定格発電出力７００Ｗの燃料電池スタック１０が４台並列に接続されて構成されており、目標発電出力が１２００Ｗの場合においては、１つ目の燃料電池スタック１０の発電出力を７００Ｗ、２つ目の燃料電池スタック１０の発電出力を５００Ｗとして、目標発電出力を得るために稼動させる必要がある燃料電池スタック１０の台数（必要最少台数）を２台と算出する。
ステップＳ３０１で制御器３が目標発電出力の変動が無いことを確認した場合（Ｓ３０１でＮｏ）には、ステップＳ３０１に戻る。
次に、ステップＳ３０３では、制御器３は、現在発電している燃料電池スタック１０の台数と、ステップＳ３０２で算出した燃料電池スタック１０の台数を比較し、台数に変更がある場合（Ｓ３０３でＹｅｓ）には、ステップＳ３０４へ進む。
ステップＳ３０４では、制御器３は、ステップＳ３０３で確認した燃料電池スタック１０の台数が増加するか確認し、増加する場合（Ｓ３０４でＹｅｓ）には、ステップＳ３０５へ進む。
ステップＳ３０５では、制御器３は、記憶部の電圧履歴を参照し、発電停止中の燃料電池スタック１０の内で前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタック１０ｋを選択した後、ステップＳ３０６へ進む。
前回発電時の電圧としては、前回発電時の電圧の平均値が用いられてもよいし、停止する前のある瞬間値が用いられてもよいが、一般的に、電圧は、発電出力の大きさにより異なり、低発電出力（例えば２００Ｗ）の方が高発電出力（例えば７００Ｗ）に比べ、高いため、前回発電時の電圧を比較するときには、同じ発電出力における電圧を比較することが好ましい。
また、前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタック１０ｋとは、前回発電時の電圧の平均値（電圧の平均値とは、所定の時間当たり（例えば数秒〜数十秒）における電圧の平均値をいう。）が他の燃料電池スタック１０より高い燃料電池スタック１０、発電を停止する前のある瞬間の電圧値が他の燃料電池スタック１０より高い燃料電池スタック１０、前回発電時の発電出力が同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０同士の電圧で比較したとき、電圧の平均値が他の燃料電池スタック１０より高い燃料電池スタック１０、および、前回発電時の発電出力が同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０同士の電圧を比較したとき、発電を停止する前のある瞬間の電圧値がより高い方の燃料電池スタック１０などを意味する。
ステップＳ３０６では、制御器３は、ステップＳ３０５で選択した燃料電池スタック１０ｋを起動させるため、燃料ガス切換弁４ｋと酸化ガス切換弁５ｋを開放させ、ステップＳ３０７へ進む。
ステップＳ３０７では、制御器３は、出力制御器６により電流を流すことを開始させ、ステップＳ３０１へ戻る。ステップＳ３０１からステップＳ３０７の制御周期は、目標発電出力の変動の早さに応じて、設定されればよく、例えば、１秒とする。
ステップＳ３０４で燃料電池スタック１０の台数が減少する場合（Ｓ３０４でＮｏ）には、ステップＳ３０８へ進む。
ステップＳ３０８では、制御器３は、検出部が検出する電圧を参照し、発電中の燃料電池スタック１０の内で電圧が相対的に低い燃料電池スタック１０ｍを選択した後、ステップＳ３０９へ進む。
検出する電圧としては、発電中の電圧の平均値が用いられてもよいし、発電中の電圧のある瞬間値が用いられてもよいが、一般的に、電圧は、発電出力の大きさにより異なり、低発電出力（例えば２００Ｗ）の方が高発電出力（例えば７００Ｗ）に比べ、高いため、検出した電圧を比較するときには、同じ発電出力における電圧を比較することが好ましい。
また、検出した電圧が相対的に低い燃料電池スタック１０ｍとは、例えば、発電中の電圧の平均値が発電中の他の燃料電池スタック１０より低い燃料電池スタック１０、発電中の電圧のある瞬間値が発電中の他の燃料電池スタック１０より低い燃料電池スタック１０、発電中の同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０のうち、発電中の電圧の平均値が発電中の他の燃料電池スタック１０がより低い燃料電池スタック１０、および、発電中の同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０のうち、発電中の電圧のある瞬間値がより低い燃料電池スタック１０などを意味する。
ステップＳ３０９では、制御器３は、ステップＳ３０８で選択した燃料電池スタック１０ｍを停止するため、燃料ガス切換弁４ｍと酸化ガス切換弁５ｍを閉止させ、ステップＳ３１０へ進む。
ステップＳ３１０では、制御器３は、出力制御器６により電流を流すことを停止させ、ステップＳ３０１へ戻る。ステップＳ３０１からステップＳ３１０の制御周期は、目標発電出力の変動の早さに応じて、設定されればよく、例えば、１秒とする。
これら、ステップＳ３０１からステップＳ３１０までの処理が繰り返される。
以上のような構成により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタック１０の台数を最少とすることができ、目標発電出力に対し全ての燃料電池スタック１０を稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる。
さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の稼働台数を増やす場合には、発電停止中の燃料電池スタック１０の内で前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタック１０から優先的に稼働させるよう構成されており、累積発電時間ではなく、前回発電時の電圧を基に、稼動させる燃料電池スタック１０が選択されるため、より確実に電圧低下の小さい燃料電池スタックから発電させることができる。
また、燃料電池スタック１０の稼働台数を減らす場合には、発電中の燃料電池スタック１０の内で電圧が相対的に低い燃料電池スタック１０から優先的に発電停止させるよう構成されているため、より確実に電圧低下の大きい燃料電池スタック１０から停止させることができる。
なお、本実施の形態では、制御器３は、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧を検出し、記憶部から前回発電時の電圧を参照しているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの単セル電圧を検出し、前回発電時の単セル電圧を参照してもよい。
また、制御器３は、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとしているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが発電を開始した時点をスタートとしてもよい。
さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが接続されている燃料電池システム１００を例としているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎおよび出力制御器６Ａ〜６Ｎを含む燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎが複数接続されている燃料電池システムでもよい。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における燃料電池システム１００を構成する各機器は、実施の形態１と同様であるため、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。
本発明の実施の形態４における燃料電池システム１００が実施の形態１〜実施の形態３と異なる点は、制御器３が、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの電圧と、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの前回発電時の電圧との差が、所定値以上になると、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎを停止させながら、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎを発電させて、発電出力を維持させる点である。
本実施の形態の燃料電池システム１００においては、制御器３は、発電中の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧を検出する検出部と、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧の電圧履歴を記憶する記憶部とを備える。
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６を参照しながら説明する。
図６は、本発明の実施の形態４の燃料電池システム１００の運転方法を示すフローチャートである。図６のフローチャートに示す動作（ステップ）は、制御器３の制御によって実行される。
図６に示すように、制御器３は、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとし、常時以下の動作を行う。
まず、制御器３は、燃料電池スタック１０が発電中か否かを確認する（ステップＳ４０１）。
ステップＳ４０１で制御器３が、燃料電池スタック１０が発電中であることを確認した場合（Ｓ４０１でＹｅｓ）には、ステップＳ４０２に進む。
ステップＳ４０１で、燃料電池スタック１０が発電していない場合（Ｓ４０１でＹｅｓ）には、ステップＳ４０１に戻り、ステップＳ４０１が繰り返される。
ステップＳ４０２では、制御器３は、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）と、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）とを確認し、ステップＳ４０３へ進む。
ステップＳ４０３では、制御器３は、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）と、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）の差（Ｖｍ−Ｖｋ）が、所定値Ｖ１以上になるか否かを確認し、電圧の差（Ｖｍ−Ｖｋ）が所定値Ｖ１以上になる場合、ステップＳ４０４へ進む。
一般的に、電圧は、発電出力の大きさにより異なり、低発電出力（例えば２００Ｗ）の方が高発電出力（例えば７００Ｗ）に比べ、高いため、電圧の差（Ｖｍ−Ｖｋ）を算出するときには、同じ発電出力における電圧を比較するのが好ましい。
したがって、ステップＳ４０３では、制御器３は、例えば、発電出力２００Ｗで発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）と、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で前回発電時の発電出力が２００Ｗの燃料電池スタック１０の電圧（Ｖｍ）との差（Ｖｍ−Ｖｋ）を算出する。
所定値Ｖ１は、用いられる燃料電池スタック１０の種類によって、適切な所定値Ｖ１は異なるため、用いられる燃料電池スタック１０の種類に応じて、所定値Ｖ１は設定されればよいが、例えば、固体高分子型燃料電池の場合、Ｖ１＝０．１（Ｖ）と設定される。
ステップＳ４０３で電圧の差（Ｖｍ−Ｖｋ）が所定値Ｖ１未満の場合（Ｓ２０１でＮｏ）には、Ｓ４０１に戻る。ステップＳ４０１からステップＳ４０３の制御周期は、例えば１秒とする。
ステップＳ４０４では、制御器３は、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）の燃料電池スタック１０ｋの発電出力を燃料電池スタック１０ｋの発電可能な最小発電出力（例えば、２００Ｗ）まで下げ、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）を有する燃料電池スタック１０ｍを２００Ｗまで発電させ、ステップＳ４０５へ進む。
燃料電池スタック１０ｍを発電させる際には、制御器３は、燃焼ガス切換弁４ｍと酸化ガス切換弁５ｍとを開放させ、出力制御器６により電流を流すことを開始させる。
ステップＳ４０５では、制御器３は、燃料電池スタック１０ｋの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋが発電可能な最小発電出力である２００Ｗまで低下しているか確認し、燃料電池スタック１０ｋの発電出力が、２００Ｗまで低下している場合（Ｓ４０５でＹｅｓ）には、ステップＳ４０６へ進む。
ステップＳ４０５で、制御器３が、燃料電池スタック１０ｋの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋの発電可能な最小発電出力である２００Ｗまで低下していないことを確認した場合（Ｓ４０５でＮｏ）には、ステップＳ４０４に戻る。
ステップＳ４０６では、制御器３は、燃料電池スタック１０ｋを停止し、ステップＳ４０７へ進む。燃料電池スタック１０ｋを停止させる際には、燃料ガス切換弁４ｋと酸化ガス切換弁５ｋとを閉止させ、出力制御器６により電流を流すことを停止させる。
ステップＳ４０７では、制御器３は、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）を有する燃料電池スタック１０ｍの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋの発電出力を下げる前と同じ発電出力を得られるように、発電出力を、例えば１０Ｗ上げ、ステップＳ４０５へ進む。
ステップＳ４０８では、制御器３は、燃料電池スタック１０ｍの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋの発電出力を下げる前の発電出力と同じになるか確認し、同じ場合（Ｓ４０８でＹｅｓ）には、ステップＳ４０１へ戻る。
ステップＳ４０９で、制御器３が、燃料電池スタック１０ｍの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋの発電出力を下げる前の発電出力と同じではないことを確認した場合（Ｓ４０８でＮｏ）には、ステップＳ４０７に戻る。
ステップＳ４０７からステップＳ４０８の制御周期は、燃料電池スタック１０が発電出力の増減量に十分対応できる値に設定されればよく、例えば、１秒とする。
以上のような構成により、本実施の形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の稼動台数の増減に関わらず、特定の燃料電池スタック１０だけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。さらに、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も電圧が低い燃料電池スタック１０と、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタック１０を切り替えるときに、切り替える前と同じ発電出力が維持されることができ、安定した発電出力を供給することができる。
なお、本実施の形態では、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの両端の電圧を検出し、記憶部から前回発電時の電圧を参照しているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎそれぞれの単セル電圧を検出し、前回発電時の単セル電圧を参照してもよい。
また、ステップＳ４０３では、電圧の差（Ｖｍ−Ｖｋ）が所定値Ｖ１以上になる場合としているが、これに限られず、電圧の比Ｖｍ／Ｖｋが所定値Ｖ２以上になる場合としてもよい。この場合、例えばＶ２＝１．００７と設定する。
さらに、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）の燃料電池スタック１０ｋと、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）の燃料電池スタック１０ｍの切り替えを行う際に、過渡的に発電中の燃料電池スタック１０の台数が増加するが、これは一時的なものとする。
なお、制御器３は、例えば、燃料電池システム１００に電源が投入された時点を燃料電池システム１００の運転のスタートとしているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが発電を開始した時点をスタートとしてもよい。
また、ステップＳ４０１からステップＳ４０３の制御周期は、例えば１秒とするが、これに限られず、１時間に一回、電圧の差（Ｖｍ−Ｖｋ）が所定値Ｖ１以上になるか確認してもよい。
さらに、ステップＳ４０８で、制御器３は、燃料電池スタック１０ｍの発電出力が、燃料電池スタック１０ｋの発電出力を下げる前の発電出力と同じになるか確認しているが、これに限られず、制御器３は、現在の目標発電出力に合わせ、燃料電池スタック１０ｍの発電出力を決定してもよい。
なお、ステップＳ４０５で、発電出力の増加量を１０Ｗずつとしているが、これに限られず、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い。
さらに、ステップＳ４０４からステップＳ４０８において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０ｋの発電出力を下げている間、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などから電力供給してもよい。
また、発電停止中の燃料電池スタック１０の中で最も高い前回発電時の電圧（Ｖｍ）の燃料電池スタック１０ｍを発電させ、発電出力を最小発電出力（例えば２００Ｗ）に上げた後、発電中の燃料電池スタック１０の中で最も低い電圧（Ｖｋ）の燃料電池スタック１０ｋの発電出力を２００Ｗ分下げてもよいが、一時的に発電出力が２００Ｗ分上がるため、この場合、燃料電池システム１００の内部で、例えば、増加した発電出力２００Ｗをヒータなどにより消費する。
さらに、本実施の形態における燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎが接続されている燃料電池システム１００を例としているが、これに限られず、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎおよび出力制御器６Ａ〜６Ｎを含む燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎが複数接続されている燃料電池システムでもよい。
以上、本発明について、実施の形態１〜実施の形態４において例示説明したが、本発明は、上記の実施の形態１〜実施の形態４それぞれに例示された実施の形態が互いに独立して成立する構成に限られず、実施の形態１〜実施の形態４に例示された実施の形態が組み合わされて成立する構成も含む。例えば、燃料電池システム１００は、実施の形態１および実施の形態３それぞれに例示された制御を組み合わせて燃料電池スタックの運転台数を決定することができる。この場合、例えば、実施の形態１に例示したような累積発電時間に基づく制御、および、実施の形態３に例示したような前回発電時の電圧に基づく制御に基づいて、それぞれの重み付けから燃料電池スタックの運転台数を決定できるよう構成されていてもよい。
以上説明したように、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムであって、目標発電出力を得るために、稼動させる複数の燃料電池スタックの台数が最少となるように燃料電池スタックを稼働させる制御器を備える。
このような構成により、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタックの台数を最少とすることができ、目標発電出力を得るために全ての燃料電池スタックを稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる。
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、制御器が、稼動させる燃料電池スタックの台数を増やす場合には、発電停止中の燃料電池スタックの内で相対的に累積発電時間が短い燃料電池スタックから優先的に稼働させるよう構成されていてもよい。このような構成により、特定の燃料電池スタックだけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
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、制御器が、稼動させる燃料電池スタックの台数を減らす場合には、発電中の燃料電池スタックの内で相対的に累積発電時間が長い燃料電池スタックから優先的に発電停止させるよう構成されていてもよい。このような構成により、特定の燃料電池スタックだけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
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、制御器が、発電中の燃料電池スタックの累積発電時間と、発電停止中の燃料電池スタックとの累積発電時間との差が、所定値以上のとき、発電停止中の燃料電池スタックを発電させ、発電中の燃料電池スタックを停止させるよう構成されていてもよい。このような構成により、燃料電池スタックの稼動台数の増減に関わらず、特定の燃料電池スタックだけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
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、制御器が、発電中の燃料電池スタックの累積発電時間と、発電停止中の燃料電池スタックの累積発電時間との差が、所定値以上のとき、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池スタックを停止させながら、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池スタックを発電させ、発電出力が維持されるよう構成されていてもよい。このような構成により、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池スタックと、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池スタックを切り替えるときに、切り替える前と同じ発電出力が維持されることができ、安定した発電出力を供給することができる。
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、稼動させる燃料電池スタックの台数を増やす場合には、制御器が、発電停止中の燃料電池スタックの内で前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタックから優先的に稼働させるよう構成されていてもよい。このような構成により、制御器は、燃料電池スタックの稼働数を増やす場合に、新たに稼働させる燃料電池スタックを、累積発電時間ではなく、前回発電時の電圧を基に選択するため、より確実に電圧低下の小さい燃料電池スタックから発電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、稼動させる燃料電池スタックの台数を減らす場合には、制御器が、発電中の燃料電池スタックの内で電圧が相対的に低い燃料電池スタックから優先的に発電停止させるよう構成されていてもよい。このような構成により、より確実に電圧低下の大きい燃料電池スタックから停止することができる。
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、制御器が、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックの電圧と、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックの前回発電時の電圧との差が、所定値以上のとき、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックを発電させ、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックを停止させるよう構成されていてもよい。このような構成により、燃料電池スタックの稼動台数の増減に関わらず、特定の燃料電池スタックだけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。
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、制御器が、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックの電圧と、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックの前回発電時の電圧との差が、所定値以上のとき、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックを停止させながら、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックを発電させ、発電出力が維持されるよう構成されていてもよい。これにより、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックと、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックを切り替えるときに、切り替える前と同じ発電出力が維持されることができ、安定した発電出力を供給することができる。
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の運転方法は、複数の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムの運転方法であって、目標発電出力を得るために必要最少台数の燃料電池スタックを稼働させる動作（ステップ）を有する。これにより、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタックの台数を最少とすることができ、目標発電出力に対し全ての燃料電池スタックを稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる。
以上述べたとおり、本発明は、複数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、運転時間とともに電圧低下する燃料電池スタックの台数を最少とすることができ、目標発電出力に対し全ての燃料電池スタックを稼動させる場合に比べ、運転時間とともに最大発電出力が低下することを抑制することができる燃料電池システムを提供する。よって、家庭用および業務用その他各種の燃料電池システムに広く利用されることができる。
１ 燃料ガス供給器
２ 酸化ガス供給器
３ 制御器
４Ａ〜４Ｎ 燃料ガス切換弁
５Ａ〜５Ｎ 酸化ガス切換弁
６，６Ａ〜６Ｎ 出力制御器
７ 電気機器
１０Ａ〜１０Ｎ 燃料電池スタック
２０Ａ〜２０Ｎ 燃料電池ユニット
１００ 燃料電池システム
そのため、１つ目の燃料電池スタックが７００Ｗ、２つ目の燃料電池スタックが５００Ｗ、および、３つ目と４つ目の燃料電池スタックは稼動しない場合などに比べ、各々の燃料電池スタックの発電出力が均等になるように制御する場合には、全ての燃料電池スタックの電圧が低下し、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系（例えば、ガスボンベおよび昇圧器など）の能力の上限から、必要な燃料ガスが燃料電池スタックに供給されない。このため、燃料電池スタックの電流を上げられず、運転時間とともに最大発電出力が低下するという問題を有している。
燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの電圧が低下すると、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器１の能力の上限から、必要な燃料ガスが燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎに供給されないため、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎの電流を上げられず、運転時間とともに最大発電出力が低下する。
同様に、燃料ガス切換弁４Ａ〜４Ｎは、Ｎ個の燃料ガス切換弁４を備えていることを意味し、酸化ガス切換弁５Ａ〜５Ｎは、Ｎ個の酸化ガス切換弁５を備えていることを意味している。さらに、出力制御器６Ａ〜６Ｎは、Ｎ個の出力制御器６を備えていることを意味し、燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｎは、Ｎ個の燃料電池スタック１０を備えていることを意味している。
ステップＳ２０１で制御器３が、燃料電池ユニット２０Ａ〜２０Ｎが発電していないことを確認した場合（Ｓ２０１でＮｏ）には、ステップＳ２０１に戻る。
また、検出した電圧が相対的に低い燃料電池スタック１０ｍとは、例えば、発電中の電圧の平均値が発電中の他の燃料電池スタック１０より低い燃料電池スタック１０、発電中の電圧のある瞬間値が発電中の他の燃料電池スタック１０より低い燃料電池スタック１０、発電中の同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０のうち、発電中の電圧の平均値が発電中の他の燃料電池スタック１０より低い燃料電池スタック１０、および、発電中の同じ発電出力（例えば２００Ｗ）の燃料電池スタック１０のうち、発電中の電圧のある瞬間値がより低い燃料電池スタック１０などを意味する。
ステップＳ４０１で、燃料電池スタック１０が発電していない場合（Ｓ４０１でＮｏ）には、ステップＳ４０１に戻り、ステップＳ４０１が繰り返される。
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、制御器が、発電中の燃料電池スタックの累積発電時間と、発電停止中の燃料電池スタックと累積発電時間との差が、所定値以上のとき、発電停止中の燃料電池スタックを発電させ、発電中の燃料電池スタックを停止させるよう構成されていてもよい。このような構成により、燃料電池スタックの稼動台数の増減に関わらず、特定の燃料電池スタックだけが極端に電圧低下することを防ぐことができる。

Claims (10)

  1. 複数の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムであって、目標発電出力を得るために必要最少台数の前記複数の燃料電池スタックが稼働するよう、前記複数の燃料電池スタックの稼動を制御する制御器を備えた燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックの稼働台数を増やす場合には、前記複数の燃料電池スタックのうち、発電停止中の燃料電池スタックであり、かつ相対的に累積発電時間が短い前記発電停止中の燃料電池スタックから優先的に稼働させるよう構成された請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックの稼働台数を減らす場合には、前記複数の燃料電池スタックのうち、発電中の燃料電池スタックであり、かつ相対的に累積発電時間が長い前記発電中の燃料電池スタックから優先的に発電停止させるよう構成された請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックのうち、発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池スタックの累積発電時間と、発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池スタックの累積発電時間との差が、所定値以上になると、前記発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池スタックを稼動させ、前記発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池スタックを停止させる請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御器は、前記発電中で累積発電時間が最も長い燃料電池スタックの累積発電時間と、前記発電停止中で累積発電時間が最も短い燃料電池スタックの累積発電時間との差が、前記所定値以上になると、前記発電中で累積発電時間が最も長い前記燃料電池スタックを停止させながら、前記発電停止中で累積発電時間が最も短い前記燃料電池スタックを稼動させ、発電出力が維持されるよう、前記複数の燃料電池スタックの稼動を制御する請求項１または４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックの稼働台数を増やす場合には、前記複数の燃料電池スタックの発電停止中の燃料電池スタックの内で前回発電時の電圧が相対的に高い燃料電池スタックから優先的に稼働させるよう構成された請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックの稼働台数を減らす場合には、前記複数の燃料電池スタックの発電中の燃料電池スタックの内で電圧が相対的に低い燃料電池スタックから優先的に発電停止させるよう構成された請求項１または６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御器は、前記複数の燃料電池スタックのうち、発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックの電圧と、発電停止中で前回発電時の電圧が最も高い燃料電池スタックの前回発電時の電圧との差が、所定値以上になると、前記発電停止中で前回発電時の電圧が最も高い燃料電池スタックを稼動させ、前記発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックを停止させるよう構成された請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御器は、前記発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックの前記電圧と、前記発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックの前回発電時の前記電圧との差が、前記所定値以上になると、前記発電中で最も電圧が低い燃料電池スタックを停止させながら、前記発電停止中で前回発電時の電圧が最も高かった燃料電池スタックを稼動させ、発電出力が維持されるよう、前記複数の燃料電池スタックの稼動を制御する用に構成された請求項１または８に記載の燃料電池システム。
  10. 複数の燃料電池スタックが接続された燃料電池システムの運転方法であって、目標発電出力を得るために必要最少台数の燃料電池スタックを稼働させる燃料電池システムの運転方法。
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