WO2017077711A1 - 燃料電池システム及びその集合体 - Google Patents

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WO2017077711A1
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佳央 田村
尾関　正高
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system in which a plurality of fuel cell stacks are mounted and an assembly thereof.
  • This household fuel cell system is configured to cover the power consumed at home, and its power generation output is as small as 0.7 to 1 kW, for example.
  • FIG. 7 is a block diagram of a configuration of a conventional power generation system described in Patent Document 1. As shown in FIG. 7, the fuel cell system 100 includes fuel cell stacks 1A to 1C and power controllers 2A to 2C.
  • the DC power supplied from the fuel cell stacks 1A to 1C is converted into AC power by the power controllers 2A to 2C such as inverters, and the power is supplied to the load connected to the fuel cell system 100.
  • the power controllers 2A to 2C such as inverters
  • the remaining power controllers 2A to 2C are set as slaves for constant power control of the power generation output.
  • the remaining power controllers 2B and 2C are set as slaves for constant power control of the power generation output.
  • the slave power controllers 2B and 2C follow the voltage waveform generated by the master power controller 2A and generate power with the same voltage waveform.
  • the voltage waveforms of the power output from the power controllers 2A to 2C are different from each other, and the problem of supplying unstable power to the load is prevented.
  • the power controller set as the master needs to always perform constant voltage control while the fuel cell system generates power, it is connected to the power controller set as the master.
  • the fuel cell stack has a long operating time.
  • the fuel cell stack connected to the master power controller deteriorates most, Even if the fuel cell stack connected to the power controller is normal, there is a problem that the fuel cell system becomes unusable when the endurance life of the fuel cell stack connected to the master power controller comes.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and by providing a master power controller and a slave power controller, independent power generation is possible even when the system power is cut off due to a power failure or the like.
  • the present invention provides a fuel cell system and an assembly thereof that prevent a specific fuel cell stack from deteriorating and shortening the life of the fuel cell system.
  • a fuel cell system corresponds to a plurality of fuel cell stacks that generate power using a hydrogen-containing gas and an oxidant gas, and a plurality of fuel cell stacks, respectively.
  • a plurality of power controllers connected to each other and taking out the power generated by the plurality of fuel cell stacks. Furthermore, in the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention, at least one of the plurality of fuel cell stacks and the plurality of power controllers is changed according to the load to be driven.
  • a controller for controlling the operation of the plurality of fuel cell stacks and the plurality of power controllers is provided.
  • the master power controller can be self-supporting at the time of power failure.
  • the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention includes (i) an operation time of the fuel cell stack connected to the slave power controller is longer than an operation time of the fuel cell stack connected to the master power controller. As described above, a master power controller is set from a plurality of power controllers.
  • the operation time of the fuel cell stack connected to the master power controller is equivalent to the operation time of the fuel cell stack connected to the slave power controller. Therefore, it is possible to prevent only the fuel cell stack connected to the master power controller from deteriorating as compared with other fuel cell stacks and shortening the life of the fuel cell system.
  • only one of the power controllers of the battery system can serve as a master power controller, and the system can be self-supporting by performing constant voltage control during a power failure. Since the fuel cell system is configured in this way, it is possible to equalize the operating time of the fuel cell stack while shortening the life of the fuel cell system while preventing a problem that the fuel cell system cannot output power during a power failure. Can be prevented.
  • a fuel cell system includes (ii) a voltage of a fuel cell stack that includes a voltage measurement unit that measures a voltage of each of a plurality of fuel cell stacks and is connected to a master power controller. Is less than the predetermined value, the controller is configured to set the master power controller to another power controller among the plurality of power controllers.
  • the deterioration state of the fuel cell stack connected to the master power controller can be confirmed by the voltage. If the deterioration seems to be progressing, the power controller of the master is changed to prevent the deterioration of the fuel cell stack connected to the master power controller from proceeding excessively compared to other fuel cell stacks. It is possible to prevent the life of the fuel cell system from being shortened.
  • the fuel cell system may be configured such that when the fuel cell system is started, the fuel cell stack connected to the master power controller starts power generation.
  • the master power controller always operates when the fuel cell system generates power, and even if a power failure occurs, constant voltage control is performed by the master power controller to stably supply power. Can do.
  • the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention may be configured not to change the setting of the master power controller while the system is out of power. With such a configuration, it is possible to prevent the constant voltage control by the master power controller from being disturbed and the stable output of power.
  • the master power controller determines the voltage waveform to be generated when the system fails, and the slave power controller is determined by the master power controller.
  • the voltage waveform may be generated according to the voltage waveform.
  • the voltage waveforms output from all the power controllers can be made the same, so that stable power can be supplied even during a power failure.
  • the fuel cell system includes an operation time of the fuel cell stack connected to the master power controller and a longest operation time among the fuel cell stacks connected to the slave power controller. If the difference in operating time between the short fuel cell stacks exceeds the specified time, the fuel cell stack with the shortest operating time is generated, and the power controller connected to the fuel cell stack with the shortest operating time is the master's power. It may be configured to be set in the controller.
  • the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention is configured such that when starting the fuel cell system, the power controller connected to the fuel cell stack having the shortest operation time is set as the master power controller. May be. With such a configuration, the fuel cell stack with the shortest operation time can be operated, the operation time of the fuel cell stack can be leveled, and the life of the fuel cell system can be extended.
  • the power controller connected to the fuel cell stack having the highest value correlated with the voltage of the fuel cell stack is connected to the master power. It may be configured to set in the controller.
  • the assembly of the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention corresponds to each of a plurality of fuel cell stacks that generate power using a hydrogen-containing gas and an oxidant gas, and each of the plurality of fuel cell stacks.
  • a plurality of fuel cell systems having a plurality of power controllers that are connected and take out the power generated by the fuel cell stack are provided.
  • An assembly of fuel cell systems according to an example of an embodiment of the present invention is configured such that a plurality of fuel cell systems operate in conjunction with each other.
  • the assembly of the fuel cell system according to an example of the embodiment of the present invention includes a plurality of units such that only one of the plurality of power controllers included in the plurality of fuel cell systems becomes a master power controller.
  • a master power controller is configured to determine a voltage waveform to be generated when the system is capable of self-sustaining during a power outage and the system is out of power. Yes.
  • the assembly controller is connected to the fuel cell stack having the shortest operation time among the power controllers of each of the plurality of fuel cell systems.
  • the power controller may be set as a master power controller, and the master power controller may not be changed during the power failure.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiments 1 and 2 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of operating the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method of operating the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system assembly according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method for operating a fuel cell system assembly according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional power generation system.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes fuel cell stacks 1A, 1B, and 1C, power controllers 2A, 2B, and 2C, and a controller 3.
  • the fuel cell stacks 1A to 1C are configured to generate power using a hydrogen-containing gas and an oxidant gas.
  • the hydrogen-containing gas and the oxidant gas are supplied by respective supply devices (not shown).
  • pure hydrogen gas is used as the hydrogen-containing gas
  • air is used as the oxidant gas.
  • the fuel cell stack a polymer electrolyte fuel cell is used.
  • the power controllers 2A to 2C are connected to the fuel cell stacks 1A to 1C in a one-to-one correspondence, and take out the electric power generated by the corresponding fuel cell stacks 1A to 1C.
  • inverters that convert DC power generated by the fuel cell stacks 1A to 1C into AC power are used as the power controllers 2A to 2C, respectively.
  • the controller 3 may have any configuration as long as it has a control function for controlling the fuel cell system 100, but in this embodiment, an arithmetic processing unit (not shown), a control program, And a storage unit (not shown).
  • an arithmetic processing unit (not shown)
  • a control program for controlling the fuel cell system 100
  • a storage unit for example, a CPU is used as the arithmetic processing unit.
  • a memory is used as the storage unit.
  • the polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which MEA (Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between separators.
  • the MEA generally has a structure in which a gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated.
  • the battery reaction proceeds in a catalyst layer composed of a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and an ionomer (ion conductive polymer).
  • the cause of the deterioration is generally a change in the electrode structure due to poisoning of the cathode catalyst layer due to impurity components contained in the atmosphere and poisoning of the anode catalyst layer due to impurity components contained in the fuel gas.
  • the electrode structures of the fuel cell stacks 1A to 1C are changed, the gas diffusibility and the discharge of generated water are lowered, and the voltage is lowered.
  • the fuel cell stacks 1A to 1C cannot output the necessary power, and the durable life of the fuel cell stacks 1A to 1C is exhausted.
  • the operation time of the fuel cell stacks 1A to 1C increases, the voltage output from the fuel cell stacks 1A to 1C decreases. This operation time is the time during which each of the fuel cell stacks 1A to 1C is generating power. is there.
  • the fuel cell stack 1 indicates one or a plurality of units.
  • the power controller 2 indicates one or a plurality of units.
  • the number of power generations of the fuel cell stack 1 is changed according to the amount of power to be generated.
  • the amount of power generated by the fuel cell system 100 is small, power is not generated by all the fuel cell stacks 1, but is generated by the minimum number of fuel cell stacks 1 necessary to obtain the amount of power to be generated.
  • the amount of power to be generated is large, power is generated using a larger number of fuel cell stacks 1 (all numbers depending on the amount of power to be generated).
  • the power controller 2 When the power generated by the fuel cell system 100 is connected to the system power supplied from an electric power company or the like, the power controller 2 outputs the power with a voltage having the same waveform as the voltage waveform of the system power.
  • the power controller 2 when the system power is cut off due to a power failure or the like, the power controller 2 must determine the voltage waveform and output the power, but the plurality of power controllers 2 determine the voltage waveform and output the power. Then, the voltage waveform output from the fuel cell system 100 is disturbed, and it becomes impossible to generate power that can be used stably.
  • the power controllers 2 only one of the power controllers 2 is set as the master power controller 2, and the voltage waveform is determined in the event of a power failure.
  • the other power controller 2 is set as the slave power controller 2, and the master power controller is determined. 2, power is output with the same voltage waveform as the voltage waveform determined by the master power controller 2.
  • the fuel cell system 100 can independently generate power even when the grid power fails.
  • the master power controller 2 always prepares for when a power failure occurs while the fuel cell system 100 is generating power. When the power failure occurs, the master power controller 2 needs to determine the voltage waveform and output power. Needs to be generated by the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2.
  • the master power controller 2 is fixed to a specific power controller 2, the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the power controller 2 becomes longer than the other fuel cell stacks 1, Only the specific fuel cell stack 1 will deteriorate.
  • the timing for setting the master power controller 2 to another power controller 2 is set by the controller 3 based on the operation time of the fuel cell stack 1.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an operation method of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the operation (step S) shown in the flowchart of FIG. 2 is executed under the control of the controller 3.
  • the controller 3 starts the operation of the fuel cell system 100 when the power is supplied to the fuel cell system 100, and always performs the following operations.
  • the controller 3 acquires information on the operation time Tm1 of the fuel cell stack 1A connected to the master power controller 2A, and the operation time is the shortest among the fuel cell stacks 1 connected to the slave power controller 2.
  • Information on the operation time Ts1 of the fuel cell stack 1 (here, for example, the fuel cell stack 1B) is acquired (step S101).
  • the controller 3 calculates a difference ⁇ T1 between the operation time of the fuel cell stack 1A and the operation time of the fuel cell stack 1B by subtracting Ts1 from Tm1 (step S102). Further, if the calculated ⁇ T1 is equal to or longer than the predetermined time (step S103), the controller 3 starts the power generation of the fuel cell stack 1 (here, the fuel cell stack 1B) having the shortest operation time during which the operation is stopped. (Step S104).
  • the predetermined time is set to 5 hours in the present embodiment.
  • step S102 If ⁇ T1 calculated in step S102 is less than the predetermined time of 5 hours (No in step S103), the process returns to step S101, and the operations after step S101 are performed again.
  • step S104 after the fuel cell stack 1B starts power generation, the power controller 2B connected to the fuel cell stack 1B that is the fuel cell stack 1 with the shortest operating time is set as the master power controller 2 (step S104). S105).
  • step S101 to step S105 The control from step S101 to step S105 is performed in a time period longer than the time required for the fuel cell stack 1 to generate power.
  • a timer is set so that the control is performed at a cycle of 5 minutes, and the timer is started (step S106).
  • step S107 the process waits for the timer to elapse 5 minutes (step S107). If 5 minutes elapses, the timer is stopped (step S108), the process returns to step S101, and the operations after step S101 are performed again.
  • the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 does not become longer than a predetermined time (for example, 5 hours) than the operation time of the other fuel cell stacks 1.
  • a predetermined time for example, 5 hours
  • the master power controller 2 can be changed.
  • the power controller 2 connected to the fuel cell stack 1 with the shortest operation time is configured as the newly set master power controller 2, the operation time of all the fuel cell stacks 1 can be reduced. Can be leveled.
  • the master power controller 2 must determine the voltage waveform of the power to be generated when the system has a power failure. Therefore, if the setting of the master power controller 2 is changed during a power failure, the voltage waveform is changed. Since the power controller 2 to be determined changes, the voltage waveform is transiently disturbed, and there is a possibility that stable power cannot be output.
  • the control described in FIG. 2 may be set to stop.
  • the number of the fuel cell stack 1 and the power controller 2 is not limited to three as long as it is plural, and any number may be used.
  • the fuel cell stacks 1A to 1C are not limited to solid polymer fuel cells, and may be any type.
  • solid oxide fuel cells and phosphoric acid fuel cells are used.
  • the hydrogen-containing gas used for power generation in the fuel cell stacks 1A to 1C may be generated by reforming a hydrocarbon-based raw material such as city gas and LPG, or pure hydrogen gas. It doesn't matter.
  • power controllers 2A to 2C are not limited to inverters that convert DC power into AC power, but may be those that convert DC power into DC power of another voltage.
  • the operation time may be a cumulative power generation time or a continuous power generation time. Furthermore, it is not limited to the time during which the fuel cell stack 1 is generating electricity, but may be the time during which the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 1 and the time during which the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel cell stack 1. .
  • the predetermined time used in step S103 for changing the power controller 2 is not limited to 5 hours, and may be any time as long as the specific fuel cell stack 1 does not deteriorate. However, if the predetermined time is set to a short time, the fuel cell stack 1 may frequently start and stop repeatedly, so that it is preferable to use time units instead of seconds and minutes.
  • the operation of the flowchart of FIG. 2 may be performed constantly at the time when the fuel cell system 100 is turned on, starting operation of the fuel cell system 100. It may be carried out during power generation or only during power generation.
  • step S104 when step S104 is executed during power generation, the fuel cell stack 1 that starts power generation is the fuel cell stack 1 that has the shortest operating time.
  • the difference in the operation time of the fuel cell stacks 1A to 1C occurs because at least one fuel cell stack 1 is stopped, and the stopped fuel cell This is because there is a difference between the operation time of the stack 1 and the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2.
  • the fuel cell system 100 stops the operation of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 before the change. It is desirable to be configured. By being comprised in this way, it can suppress that the driving
  • the fuel cell stacks 1 are connected in parallel.
  • the fuel cell stack 1 is not limited to this, and may be connected in series.
  • the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 is transiently longer than the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the slave power controller 2.
  • the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 becomes the fuel cell stack 1 with the shortest operating time. Absent.
  • the timing at which the master power controller 2 is set is not limited to the above.
  • the controller 3 always operates the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2.
  • the operation of the fuel cell stack 1 and the power controller 2 may be controlled so that the time does not become the longest in the fuel cell stack 1.
  • Embodiment 2 A block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention is the same as that of Embodiment 1 shown in FIG. An operation at the time of starting the power generation of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG.
  • the fuel cell stack 1 indicates one or a plurality of units.
  • the power controller 2 indicates one or a plurality of units.
  • the master power controller 2 When operating the fuel cell system 100 for the first time, it is necessary to set the master power controller 2 from among the power controllers 2. As a setting method of the master power controller 2, if there is a difference in the operation time of the fuel cell stack 1, the power controller 2 corresponding to the fuel cell stack 1 having the shortest operation time is set as the master power controller 2. .
  • the master power controller can be set, and the problem that the system cannot operate independently during a power failure can be prevented.
  • the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 set during the previous operation starts generating power.
  • the operation can be performed so that the master power controller 2 is always operating.
  • the master power controller 2 is always set at the time of startup, so that the fuel cell system 100 can stably generate independent power even when the system power fails. Is possible.
  • the method for identifying the fuel cell stack 1 when the operation times of the fuel cell stack 1 are all the same may not be numbers but may be symbols.
  • a number for identifying the power controller 2 may be provided, and the power controller 2 having the smallest number may be set as the master power controller 2. Any method may be used as long as it can be determined which power controller 2 is set as the master.
  • the power controller 2 connected to the fuel cell stack 1 with the shortest operation time is set as the master power controller 2 and the power generation of the fuel cell stack 1 with the shortest operation time is started. It doesn't matter. By doing so, the operating time of the fuel cell stack 1 can be leveled even at the time of startup.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • symbol is provided about the component similar to Embodiment 1, and the description is abbreviate
  • the fuel cell system 100 of the third embodiment differs from that of the first embodiment in that it includes voltage measuring units 4A, 4B, and 4C that measure the voltages of the fuel cell stacks 1A to 1C. ing.
  • the voltage measuring unit 4 indicates one or a plurality of units.
  • the voltage measuring unit 4 only needs to be able to measure the voltage of the fuel cell stack 1, and in this embodiment, a voltmeter that measures the total voltage output from the fuel cell stack 1 is used.
  • the controller 3 determines the voltage of the fuel cell stack 1 instead of the operating time of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2. It differs from the first embodiment in that the master power controller 2 is controlled to be changed to another slave power controller 2. Since the operations of other devices are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the deterioration state of the fuel cell stack 1 is determined from the absolute value of the current voltage of the fuel cell stack 1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an operation method of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the operation (step S) of the fuel cell system 100 in the flowchart shown in FIG. 4 is executed under the control of the controller 3.
  • the controller 3 starts the fuel cell system 100 when the power is supplied to the fuel cell system 100 and always performs the following operations.
  • the current power controller 2 of the master is the power controller 2A.
  • the controller 3 measures the voltage V of the fuel cell stack 1A connected to the master power controller 2A by the voltage measuring unit 4A, and acquires information on the voltage V (step S201).
  • the voltage V is lower than the predetermined value (Yes in step S202)
  • the fuel cell stack 1 that has been stopped is started to generate power (step S203).
  • step S202 the fuel cell stack 1 is started to generate power. If the voltage V is equal to or higher than the predetermined value (No in step S202), the process returns to step S201, and the operations after step S201 are performed again.
  • the controller 3 is connected to the fuel cell stack 1 having the highest voltage (here, for example, the fuel cell stack 1B), and is connected to the power controller 2 (here, the power controller 2B). Is set in the master power controller 2 (step S204).
  • step S201 to step S204 The control from step S201 to step S204 is performed in a time period longer than the time required for the fuel cell stack 1 to generate power.
  • a timer is set so as to be controlled by the controller 3 at a cycle of 5 minutes, and the timer is started (step S205).
  • the controller 3 waits until the timer elapses 5 minutes (step S206), and if 5 minutes elapses (Yes in step S206), stops the timer (step S207), returns to step S201, and repeats the step.
  • the operations after S201 are executed.
  • the master power controller 2 is changed so that the voltage of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 does not fall below a predetermined value. .
  • the power controller 2 connected to the fuel cell stack 1 having the highest voltage and the least deteriorated is configured to be set as the newly set master power controller 2.
  • the progress of deterioration of all the fuel cell stacks 1 can be leveled.
  • the fuel cell system 100 can prevent only the specific fuel cell stack 1 from deteriorating, and the fuel cell system 100 enables self-sustained power generation even when the system power fails. However, the life of the fuel cell system 100 can be extended.
  • the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 starts power generation, so that the master power controller 2 always operates during power generation.
  • the starting method is not limited to this.
  • the power controller 2 connected to the fuel cell stack 1 having the highest value correlated with the voltage of the fuel cell stack 1 is set as the master power controller 2, and the fuel cell stack 1 The power generation of the fuel cell stack 1 having the highest value correlated with the voltage of By doing so, the voltage level of the fuel cell stack 1 can be leveled even at the time of startup.
  • the value correlated with the voltage of the fuel cell stack 1 may be a cell voltage of the fuel cell stack 1 or may be a total voltage output from the fuel cell stack 1 or may be an operation time or the like. It does not matter.
  • the voltage output by the fuel cell stack 1 during power generation is not known, so the voltage of the fuel cell stack 1 at the previous power generation is stored, and the voltage is In addition, the one having the highest voltage of the fuel cell stack 1 may be derived.
  • the master power controller 2 since the master power controller 2 must determine the voltage waveform of the power to be generated when the system has a power failure, changing the setting of the master power controller 2 during the power failure causes the voltage waveform to be changed. Since the power controller 2 to be determined changes, the voltage waveform is transiently disturbed, and there is a possibility that stable power cannot be output.
  • the voltage measuring unit 4 may be configured to measure the total voltage output from both ends of the fuel cell stack 1.
  • the voltage measuring unit 4 may be configured to individually measure the voltage of each cell included in the fuel cell stack 1.
  • the voltage measuring unit 4 may be configured to measure the voltage of one cell representing the fuel cell stack 1. Any voltage of the fuel cell stack 1 may be measured as long as the deterioration state of the fuel cell stack 1 can be grasped using the voltage measured by the voltage measuring unit 4.
  • the means for determining the deterioration of the fuel cell stack 1 is not limited to the absolute value of the voltage of the fuel cell stack 1, and may be the amount of voltage decrease and the rate of decrease from the beginning of operation. Any means may be used as long as the deterioration state of the fuel cell stack 1 can be detected using the voltage of the fuel cell stack 1.
  • the predetermined value used in step S202 is not always constant and is preferably changed according to the operating state. For example, it is desirable to set a voltage value that is a certain amount less than the voltage value of the fuel cell stack 1 having the highest voltage.
  • the current power generation voltage of each fuel cell stack 1 may be used, or the voltage value measured at the previous power generation may be used. It doesn't matter. Any timing voltage may be used as long as the fuel cell stack 1 that is least deteriorated can be selected.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system assembly according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the fuel cell system assembly 200 in the fourth embodiment is a collection of a plurality of fuel cell systems 100, and has the same configuration as the fuel cell system in the first embodiment. 100A, 100B, 100C and the assembly controller 5 are provided.
  • the devices constituting the fuel cell systems 100A, 100B, and 100C in the fuel cell system assembly 200 of the present embodiment are the same as those in the first embodiment, the same components as those in the first embodiment are described. The same reference numerals are given, and the description thereof is omitted here.
  • the fuel cell system 100A includes fuel cell stacks 1Aa, 1Ba, 1Ca, power controllers 2Aa, 2Ba, 2Ca, and a controller 3a.
  • the fuel cell system 100B includes fuel cell stacks 1Ab, 1Bb, 1Cb, power controllers 2Ab, 2Bb, 2Cb, and a controller 3b.
  • the fuel cell system 100C includes the fuel cell stacks 1Ac, 1Bc, 1Cc. And power controllers 2Ac, 2Bc, 2Cc, and a controller 3c.
  • fuel cell system 100 out of the fuel cell systems 100A to 100C is provided as a method of assigning the reference numerals, at the end of the reference numerals, corresponding to each of the fuel cell systems 100A to 100C.
  • a to c are assigned.
  • the fuel cell stack 1B provided in the fuel cell system 100C is referred to as a fuel cell stack 1Bc.
  • fuel cell stack 1 is not limited to any one of the fuel cell stacks 1, but means any one or a plurality of the fuel cell stacks 1.
  • fuel cell stack 1B it is not specified which one of the fuel cell systems 100A to 100C, but it means one of the fuel cell systems 100A to 100C, and the number thereof is Both one and a plurality of cases are included.
  • any one of the fuel cell stacks 1 for example, the fuel cell of the fuel cell systems 100A to 100C (for example, the fuel cell system 100C) is described. It means that it is specified as stack 1Bc).
  • the subscript is omitted and only the reference symbol “100” is given, and is expressed as “fuel cell system 100”. In this case, the fuel cell system 100 indicates one or a plurality of units.
  • the assembly controller 5 only needs to have a control function for controlling the assembly 200 of the fuel cell system, 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 assembly 200 of the fuel cell system is configured by assembling the fuel cell system 100A, the fuel cell system 100B, and the fuel cell system 100C, and each of the fuel cell systems 100 (fuel cell systems 100A, 100B, 100C).
  • the generated electric power is collectively supplied to the outside of the fuel cell system assembly 200.
  • the voltage waveform is determined by the fuel cell system assembly 200 to generate power. There is a need.
  • the plurality of power controllers 2 included in the fuel cell system assembly 200 determine the voltage waveform and output power, the voltage waveforms interfere with each other, and normal power generation cannot be performed. In view of this, stable power generation is possible by using only one power controller 2 in the fuel cell system assembly 200 for determining the voltage waveform at the time of a power failure.
  • the power controller 2 that determines the voltage waveform at the time of a power failure in the system is set as a master power controller 2, and the other power controllers 2 are set as slave power controllers 2 subordinate to the master.
  • the slave power controller 2 outputs power having the same voltage waveform as the voltage waveform determined by the master power controller 2.
  • the master power controller 2 always prepares for the occurrence of a power failure while the fuel cell system assembly 200 is generating power, and it is necessary to determine the voltage waveform at the time of the power failure. Therefore, the fuel cell system assembly 200 generates power. In this case, the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 needs to generate power.
  • the master power controller 2 is fixed to a specific power controller 2, the operation time of the fuel cell stack 1 connected to the power controller 2 becomes longer than the other fuel cell stacks 1. Only the specific fuel cell stack 1 deteriorates.
  • the master power controller 2 needs to be set so that the master power controller 2 is changed to another power controller 2 before the deterioration of the specific fuel cell stack 1 proceeds.
  • the operation time of the fuel cell stack 1 is used as the timing at which the master power controller 2 is set to another power controller 2.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of operating the assembly of the fuel cell system according to the fourth embodiment. The operation of the flowchart shown in FIG. 6 is executed under the control of the aggregate controller 5.
  • the assembly controller 5 always starts the operation of the assembly 200 of the fuel cell system when the power is supplied to the assembly 200 of the fuel cell system, and always performs the following operations.
  • the assembly controller 5 obtains information on the operation time Tm2 of the fuel cell stack 1 (here, the fuel cell stack 1Cc) connected to the master power controller 2 (here, for example, the power controller 2Cc).
  • the information of the operation time Ts2 of the fuel cell stack 1 (here, for example, the fuel cell stack 1Ab) having the shortest operation time in the fuel cell system assembly 200 is acquired (step S301).
  • the assembly controller 5 calculates a difference ⁇ T2 between the operation time Tm2 and the operation time Ts2 (hereinafter referred to as an operation time difference ⁇ T2) by subtracting Ts2 from Tm2 (step S302).
  • an operation time difference ⁇ T2 it is confirmed whether the operation time difference ⁇ T2 is equal to or longer than a predetermined time (step S303). If the operating time difference ⁇ T2 is equal to or longer than the predetermined time (Yes in step S303), the process proceeds to step S304. If the operating time difference ⁇ T2 is less than the predetermined time, the process returns to step S301, and the operations after step S301 are performed.
  • the predetermined time is set to 5 hours.
  • the assembly controller 5 starts the power generation of the fuel cell stack 1Ab having the shortest operation time when the process proceeds to step S304 (step S304).
  • the power controller 2Ab connected to the fuel cell stack 1Ab having the shortest operation time is set as the master power controller 2 (step S305).
  • the master power controller 2 can be changed from the power controller 2Cc to the power controller 2Ab.
  • step S301 to step S305 The control from step S301 to step S305 is performed in a time period longer than the time required for the fuel cell stack 1 to generate power.
  • a timer is set so as to be controlled at a cycle of 5 minutes, and the timer is started (step S306).
  • the process waits for 5 minutes to elapse (step S307), and if 5 minutes elapses (Yes in step S307), stops the timer (step S308), returns to step S301, and repeats the operations after step S301. To be implemented.
  • the master power controller 2 when the system is interrupted during the control shown in FIG. 6, even if the master power controller 2 has a condition for changing the setting, the master power The setting of the power controller 2 is not changed. The reason for doing so is that if the master power controller 2 is changed during a power failure, the voltage waveform determined by the master power controller 2 may be disturbed.
  • the operating time of the fuel cell stack 1 connected to the master power controller 2 is not longer than the predetermined operating time of the other fuel cell stacks 1.
  • the master power controller 2 is changed.
  • the power controller 2 connected to the fuel cell stack 1 with the shortest operation time is configured as a master power controller 2 to be newly set, the operation time of all the fuel cell stacks 1 is set. Can be leveled.
  • the assembly 200 of the fuel cell system enables self-sustaining power generation even when the system power is interrupted, The lifetime of the fuel cell system assembly 200 can be extended.
  • the number of fuel cell systems 100 constituting the fuel cell system assembly 200 is three in this embodiment, but is not limited to this, and any number of fuel cell systems may be used as long as there are a plurality of fuel cell systems.
  • the assembly 200 of the fuel cell system may be configured as 100 assemblies.
  • the means for supplying the hydrogen-containing gas and the oxidant gas to each fuel cell stack 1 may have any configuration as long as the hydrogen-containing gas and the oxidant gas can be stably supplied.
  • each fuel cell stack 1 may include supply means such as a pump.
  • each of the fuel cell systems 100 includes a supply unit such as a pump, and the hydrogen-containing gas and the oxidant gas are branched in each of the fuel cell systems 100 to each fuel cell stack 1. It may be configured to be supplied.
  • common hydrogen-containing gas and oxidant gas supply means are provided, and hydrogen-containing gas and oxidant gas supplied from the common hydrogen-containing gas and oxidant gas supply means.
  • the fuel cell system may be configured so as to be branched in the fuel cell system assembly 200 and supplied to each fuel cell stack 1.
  • each fuel cell system assembly 200 includes a controller 3, and further includes an assembly controller 5 for controlling the entire fuel cell system assembly 200.
  • the controller 3 is not individually arranged for each fuel cell system 100, and the assembly controller 5 is configured to control everything. I do not care. In this case, each controller 3 of the fuel cell system 100 does not perform control related to the setting of the master power controller.
  • the operating time of the fuel cell stack 1 is used as a condition for changing the master power controller 2, but this is not a limitation, and the deterioration state of the fuel cell stack 1 is determined. Any condition can be used as long as it can be grasped.
  • the voltage of the fuel cell stack 1 may be used.
  • the operating time may be cumulative power generation time or continuous power generation time. Furthermore, it is not limited to the time during which the fuel cell stack 1 is generating electricity, but may be the time during which the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 1 or the time during which the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel cell stack 1. .
  • the fuel cell stack 1 having the shortest operation time is specified in each of the fuel cell systems 100, and the operation time is the shortest among these fuel cell stacks 1. May be a method of identifying a short one. Alternatively, a method may be used in which all the fuel cell stacks 1 in the fuel cell system assembly 200 are compared and the one having the shortest operation time is specified. Any method may be used as long as it can identify the fuel cell stack 1 having the shortest operation time in the assembly 200 of the fuel cell system.
  • step S starts at the time when power is supplied to the assembly 200 of the fuel cell system, and may be always performed, or may be performed during startup and power generation. Of course, it may be performed only during power generation.
  • the predetermined time used in step S303 for changing the power controller 2 may be any time as long as the specific fuel cell stack 1 does not deteriorate. However, if the predetermined time is set to a short time, there is a possibility that the fuel cell stack 1 will frequently start and stop. Therefore, it is desirable to set the time not in units of seconds or minutes.
  • the present invention provides a fuel cell capable of preventing only a specific fuel cell stack from deteriorating as compared with other fuel cell stacks while enabling independent power generation even when the system is interrupted.
  • a system and a collection thereof are provided. Therefore, it can be widely used for applications such as household and commercial fuel cell systems that generate stable power generation over a long period of time.

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Abstract

燃料電池システムは、複数台の燃料電池スタック（１）と、複数台のパワーコントローラ（２）と、を備える。燃料電池システムは、負荷に応じて燃料電池スタック（１）及びパワーコントローラ（２）の稼働台数が変更され、複数台のパワーコントローラ（２）のうちの１台のみがマスタのパワー（２）コントローラに設定され、それ以外がスレーブのパワーコントローラ（２）に設定される。マスタのパワーコントローラ（２）は系統が停電時に自立可能である。（ｉ）マスタのパワーコントローラ（２）と接続された燃料電池スタック（１）の運転時間よりも、スレーブのパワーコントローラ（２）に接続された燃料電池スタック（１）の運転時間が長くなるように、マスタとなるパワーコントローラ（２）が設定される、または、（ii）マスタのパワーコントローラ（２）と接続された燃料電池スタック（１）の電圧が所定値を下回る場合は、マスタのパワーコントローラ（２）が別のパワーコントローラ（２）に設定される。

Description

燃料電池システム及びその集合体
　本発明は、燃料電池スタックが複数台搭載された燃料電池システム及びその集合体に関する。
　近年、一戸建て住宅及び集合住宅などに設置されて使用される家庭用燃料電池システムが知られている。この家庭用燃料電池システムは、家庭で消費する電力をまかなうように構成され、その発電出力は例えば０．７～１ｋＷ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の発電出力を得るために、複数の燃料電池スタックを並列に接続して発電出力を得る燃料電池システムが提案されている（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発電システムの構成のブロック図である。図７に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃ及びパワーコントローラ２Ａ～２Ｃから構成されている。
　燃料電池スタック１Ａ～１Ｃが供給する直流電力をインバータなどのパワーコントローラ２Ａ～２Ｃにより交流電力に変換し、燃料電池システム１００に接続された負荷に対して電力を供給する。
　従来の燃料電池システム１００は、複数のパワーコントローラ２Ａ～２Ｃのうち、１台のみが発電出力を定電圧制御するマスタに設定され、残りのパワーコントローラは発電出力を定電力制御するスレーブに設定されている。パワーコントローラ２Ａ～２Ｃの中で、例えば、パワーコントローラ２Ａが発電出力を定電圧制御するマスタに設定されている場合は、残りのパワーコントローラ２Ｂ，２Ｃは発電出力を定電力制御するスレーブに設定されている。
　これにより、燃料電池システム１００を系統電力と接続せずに自立運転する場合において、マスタのパワーコントローラ２Ａが生成する電圧波形に追従して、スレーブのパワーコントローラ２Ｂ，２Ｃが同じ電圧波形で電力を出力することで、パワーコントローラ２Ａ～２Ｃが出力する電力の電圧波形がそれぞれ異なり負荷に対して不安定な電力を供給する不具合を防止している。
　しかしながら、上記のような従来の発電システムの構成では、マスタに設定されたパワーコントローラは燃料電池システムが発電中は常に定電圧制御を行う必要があるため、マスタに設定されたパワーコントローラと接続される燃料電池スタックは、運転時間が長くなってしまう。
　また、上記のような従来の発電システムの構成では、運転時間が長くなるほど燃料電池スタックが劣化することが考慮されていないため、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックが最も劣化し、他のパワーコントローラに接続された燃料電池スタックが正常であっても、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの耐久寿命が来ると、燃料電池システムが使えなくなってしまう課題を有している。
特開２００９－２９０９３９号公報
　本発明は、上記のような従来の課題に鑑みてなされたものであり、マスタのパワーコントローラ及びスレーブのパワーコントローラが設けられることにより、系統電力が停電などで断たれた場合でも自立発電可能とするとともに、特定の燃料電池スタックの劣化が進み、燃料電池システムの寿命が短くなることを防止する燃料電池システム及びその集合体を提供する。
　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、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する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と対応して接続され、複数台の燃料電池スタックが発電した電力を取り出す複数台のパワーコントローラとを備える。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は、複数台の燃料電池スタック及び複数台のパワーコントローラのうち、少なくともいずれかの稼働台数が、駆動させる負荷に応じて変更されるよう、複数台の燃料電池スタック及び複数台のパワーコントローラの稼働を制御する制御器を備える。本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、複数台のパワーコントローラのうちの１台のみがマスタのパワーコントローラに設定され、マスタ以外のパワーコントローラがスレーブのパワーコントローラに設定される。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において、マスタのパワーコントローラは系統が停電時に自立可能である。本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、（ｉ）マスタのパワーコントローラと接続された燃料電池スタックの運転時間よりも、スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間が長くなるように、複数台のパワーコントローラの中からマスタとなるパワーコントローラが設定されるよう構成されている。
　このような構成により、系統が停電時に自立可能な燃料電池システムにおいて、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間を、スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間と同等の時間に抑えることが可能となり、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックだけが他の燃料電池スタックに比べて劣化が進み、燃料電池システムの寿命が短くなることを防止することができる。
　また、料電池システムが有するパワーコントローラのうち、１台だけがマスタのパワーコントローラとして系統が停電時に定電圧制御することで自立可能である。このように構成されているため、燃料電池システムが停電時に電力を出力できない不具合が発生することを防止しながら、燃料電池スタックの運転時間を平準化することができ燃料電池システムの寿命が短くなることを防止できる。
　上記（ｉ）に代えて、以下のような構成も採用され得る。すなわち、本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムは、（ii）複数台の燃料電池スタックそれぞれの電圧を計測する電圧計測部を備え、マスタのパワーコントローラと接続された燃料電池スタックの電圧が所定値を下回る場合は、制御器により、マスタのパワーコントローラが複数台のパワーコントローラのうちの別のパワーコントローラに設定されるよう構成されている。
　このような構成より、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの劣化状態を電圧により確認することができる。劣化が進んでいるようであれば、マスタのパワーコントローラを変更することで、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの劣化が他の燃料電池スタックに比べて極端に進むことを防止し、燃料電池システムの寿命が短くな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、燃料電池システムを起動するときは、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックが発電を開始するよう構成されていてもよい。このような構成により、燃料電池システムが発電するときは必ずマスタのパワーコントローラが動作しており、系統が停電してもマスタのパワーコントローラで定電圧制御することで、安定に電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、系統が停電している間は、マスタのパワーコントローラを設定変更しないよう構成されていてもよい。このような構成により、マスタのパワーコントローラによる定電圧制御が乱れ、安定に電力を出力できなくなることを防止できる。
　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において、マスタのパワーコントローラは、系統が停電した場合に、生成する電圧波形を決定し、スレーブのパワーコントローラは、マスタのパワーコントローラが決定した電圧波形に従って、電圧波形を生成するよう構成されていてもよい。
　このような構成により、系統が停電した場合に、全てのパワーコントローラが出力する電圧波形を同じにすることができるため、停電時においても安定した電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、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間と、スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの中で最も運転時間が短い燃料電池スタックの運転時間の差が、所定時間以上になった場合は、最も運転時間の短い燃料電池スタックを発電させ、最も運転時間の短い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラがマスタのパワーコントローラに設定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、マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間が、他の燃料電池スタックの運転時間に比べて、所定時間を越えて長くなることを防止でき、特定の燃料電池スタックの劣化が進み、燃料電池システムの寿命が短くなることを防止できる。
　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、燃料電池システムを起動するときは、最も運転時間が短い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラがマスタのパワーコントローラに設定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、最も運転時間が短い燃料電池スタックを運転させ、燃料電池スタックの運転時間を平準化し、燃料電池システムとして寿命を延ばして行くことができる。
　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、燃料電池システムを起動するときは、燃料電池スタックの電圧に相関する値が最も高い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラをマスタのパワーコントローラに設定するよう構成されていてもよい。
　このような構成により、最も劣化していない燃料電池スタックを運転させ、燃料電池スタックの運転による劣化を平準化し、燃料電池システムとして寿命を延ばして行くことができる。
　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集合体は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する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と対応して接続され、燃料電池スタックが発電した電力を取り出す複数台のパワーコントローラを有する燃料電池システムを複数台備える。本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムの集合体は、複数台の燃料電池システムが互いに連動して動作するよう構成されている。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集合体は、複数台の燃料電池システムが有する複数台のパワーコントローラのうちの１台のみがマスタのパワーコントローラとなるよう、複数台の燃料電池スタック及び複数台のパワーコントローラを制御する集合体制御器を備える。本発明の実施の形態の一例による燃料電池システムの集合体において、マスタのパワーコントローラは、系統が停電時に自立可能であり、系統が停電した場合に、生成する電圧波形を決定するよう構成されている。
　このような構成により、複数台の燃料電池システムが互いに連動して動作する燃料電池システムの集合体において、複数台の燃料電池システムそれぞれに個別にマスタのパワーコントローラが設けられる必要が無く、燃料電池システムの集合体として１台のマスタのパワーコントローラを持つことができる。このため、燃料電池システムの各々が定電圧制御を行った場合に電圧波形が相互干渉することで系統が停電時に自立運転できない不具合を防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の集合体は、集合体制御器が、複数台の燃料電池システムそれぞれのパワーコントローラの中で、最も運転時間が短い燃料電池スタックと接続されたパワーコントローラをマスタとなるパワーコントローラに設定し、系統が停電している間は、マスタのパワーコントローラを設定変更しないよう構成されていてもよい。
　このような構成により、マスタのパワーコントローラによる定電圧制御が乱れ、安定に電力を出力できなくなることを防止できる。
図１は、本発明の実施の形態１および２における燃料電池システムの概略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３における燃料電池システムの概略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５は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの集合体の概略構成を示すブロック図である。 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集合体の運転方法を示すフローチャートである。 図７は、従来の発電システムの概略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、以下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概略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、燃料電池スタック１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、パワーコントローラ２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、制御器３とを備える。
　燃料電池スタック１Ａ～１Ｃは、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するよう構成されている。水素含有ガス及び酸化剤ガスは、それぞれの供給装置（図示せず）により供給される。本実施の形態では、水素含有ガスとしては純水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとしては空気が用いられている。燃料電池スタックとしては、固体高分子型燃料電池が用いられている。
　パワーコントローラ２Ａ～２Ｃは、それぞれ、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃに１対１で対応して接続され、対応する燃料電池スタック１Ａ～１Ｃが発電した電力を取り出す。本実施の形態では、パワーコントローラ２Ａ～２Ｃとして、それぞれ、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃが発電した直流電力を交流電力に変換するインバータが用いられている。
　制御器３は、燃料電池システム１００を制御するための制御機能を有するものであれば如何なる構成であっても構わないが、本実施の形態では、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。
　固体高分子型燃料電池は、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、及び、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（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１Ａ～１Ｃ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、及び、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などによる電極構造の変化である。燃料電池スタック１Ａ～１Ｃの電極構造が変化すると、ガスの拡散性及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１Ａ～１Ｃの電圧低下が進むと、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃにて必要な電力を出力することができなくなり、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃの耐久的な寿命が尽きることとなる。また、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃの運転時間が長くなると、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃが出力する電圧は低下するが、この運転時間とは、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃそれぞれ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しておく。例えば「燃料電池スタック１Ａ～１Ｃ」の場合、添え字の「Ａ」、「Ｂ」及び「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、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」の３個の燃料電池スタック１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１を示す場合には、添え字を省略して参照符号「１」のみを付し、「燃料電池スタック１」と表記する。この場合、燃料電池スタック１は、１台もしくは複数台を示す。
　この記載の仕方は、パワーコントローラ２についても同様である。例えば「パワーコントローラ２Ａ～２Ｃ」の場合、添え字の「Ａ」、「Ｂ」及び「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、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」の３台のパワーコントローラ２を意味している。
　以下の説明では、任意のパワーコントローラ２を示す場合には、添え字を省略して参照符号「２」のみを付し、「パワーコントローラ２」と表記する。この場合、パワーコントローラ２は、１台もしくは複数台を示す。
　燃料電池システム１００では、発電する電力量に応じて、燃料電池スタック１の発電台数が変更される。燃料電池システム１００で発電する電力量が少ない場合は、全ての燃料電池スタック１にて発電するのではなく、発電する電力量を得るために必要最少の台数の燃料電池スタック１にて発電する。また、発電する電力量が多い場合には、より多くの台数（発電する電力量の大きさによっては全ての台数）の燃料電池スタック１を用いて発電する。
　燃料電池システム１００にて発電された電力を、電力会社などから供給される系統電力と接続させる場合には、パワーコントローラ２は系統電力の電圧波形と同じ波形の電圧で電力を出力する。
　ここで、系統電力が停電などにより断たれた場合には、パワーコントローラ２が電圧波形を決めて電力を出力しなければならないが、複数台のパワーコントローラ２がそれぞれ電圧波形を決めて電力を出力すると、燃料電池システム１００から出力する電圧波形が乱れ、安定して利用可能な電力を生み出すことができなくなる。
　そこで、パワーコントローラ２のうち１台のみをマスタのパワーコントローラ２に設定し、停電時には、電圧波形を決定することとし、他のパワーコントローラ２をスレーブのパワーコントローラ２に設定し、マスタのパワーコントローラ２に従属させ、マスタのパワーコントローラ２が決定した電圧波形と同じ電圧波形で電力を出力する。
　そうすることで、系統電力が停電した場合でも燃料電池システム１００は自立して発電することが可能となる。
　マスタのパワーコントローラ２は、燃料電池システム１００が発電している間は、常に停電発生時に備え、停電発生時には電圧波形を決定し電力を出力する必要があるため、燃料電池システム１００が発電する際は、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１が発電する必要がある。
　このため、マスタのパワーコントローラ２が特定のパワーコントローラ２に固定されてしまうと、そのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が他の燃料電池スタック１よりも長くなってしまい、特定の燃料電池スタック１のみ劣化が進んでしまう。
　そうなると、特定の燃料電池スタック１が寿命に達した時点で、燃料電池システム１００を運転することができなくなってしまう。そこで、マスタのパワーコントローラ２が別のパワーコントローラ２に変更されるように、マスタとなるパワーコントローラ２を設定する必要がある。
　マスタのパワーコントローラ２を別のパワーコントローラ２に設定するタイミングは、本実施の形態では、燃料電池スタック１の運転時間に基づき、制御器３により設定される。
　以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作及び作用を、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Ｓ)は、制御器３の制御によって実行される。
　図２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。
　なお、現在のマスタのパワーコントローラ２が、パワーコントローラ２Ａであるとして以下説明を行う。
　制御器３は、マスタのパワーコントローラ２Ａに接続された燃料電池スタック１Ａの運転時間Ｔｍ１の情報を取得するとともに、スレーブのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１のうち、最も運転時間が短い燃料電池スタック１（ここでは、例えば、燃料電池スタック１Ｂとする）の運転時間Ｔｓ１の情報を取得する（ステップＳ１０１）。
　次に、制御器３は、燃料電池スタック１Ａの運転時間と燃料電池スタック１Ｂの運転時間との差ΔＴ１を、Ｔｍ１からＴｓ１を引くことで算出する（ステップＳ１０２）。また、制御器３は、算出されたΔＴ１が所定時間以上（ステップＳ１０３）であれば、現在運転停止中の最も運転時間が短い燃料電池スタック１（ここでは、燃料電池スタック１Ｂ）を発電開始させる（ステップＳ１０４）。ここで、所定時間は、本実施の形態では５時間に設定されている。
　ステップＳ１０２にて算出されたΔＴ１が所定時間である５時間未満（ステップＳ１０３でＮｏ）であれば、ステップＳ１０１に戻り、再びステップＳ１０１以下の動作が行われる。
　ステップＳ１０４にて、燃料電池スタック１Ｂが発電開始した後、最も運転時間の短い燃料電池スタック１である燃料電池スタック１Ｂに接続されたパワーコントローラ２Ｂが、マスタのパワーコントローラ２に設定される（ステップＳ１０５）。
　ステップＳ１０１からステップＳ１０５までの制御は、燃料電池スタック１が発電するのに要する時間よりも長い時間周期で実施される。例えば、本実施の形態では、５分周期で制御が実施されるように、タイマが設定され、タイマをスタートさせる（ステップＳ１０６）。次に、タイマが５分経過するまで待ち（ステップＳ１０７）、５分経過すれば、タイマをストップさせて（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０１に戻り、再びステップＳ１０１以下の動作が行われる。
　このような構成（制御）により、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が、他の燃料電池スタック１の運転時間よりも所定時間（例えば５時間）を上回って長くならないように、マスタとなるパワーコントローラ２を変更することができる。
　また、最も運転時間が短い燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２が、新たに設定されるマスタのパワーコントローラ２となるよう構成されていることにより、全ての燃料電池スタック１の運転時間を平準化することができる。
　このように、特定の燃料電池スタック１だけが劣化することを防止することができ、燃料電池システム１００は系統電力が停電した場合でも自立発電を可能としながら、燃料電池システム１００として、寿命を延ばすことが可能となる。
　なお、マスタのパワーコントローラ２は、系統が停電している場合には、発電する電力の電圧波形を決定しなければならないため、停電中にマスタのパワーコントローラ２の設定を変更すると、電圧波形を決定するパワーコントローラ２が変わるため、過渡的に電圧波形が乱れ、安定した電力を出力できない可能性がある。
　このため、系統が停電している間は、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する条件が整っていても、マスタのパワーコントローラ２を設定変更しないように燃料電池システム１００を運転することが望ましい。
　そして、系統が正常に電力を供給し始めた際に、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する条件を満たしていれば、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する。停電発生時は、図２に記載の制御を停止するように設定しても構わない。
　なお、燃料電池スタック１及びパワーコントローラ２は、複数台であれば３台に限らず、何台であっても構わない。
　また、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃは、固体高分子型燃料電池に限らず、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、及び、燐酸形燃料電池などが用いられる。
　なお、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃでの発電に用いられる水素含有ガスは、都市ガス及びＬＰＧなどの炭化水素系原料が改質されて生成されたものであっても構わないし、純水素ガスであっても構わない。
　なお、パワーコントローラ２Ａ～２Ｃは、直流電力を交流電力に変換するインバータに限られるものではなく、直流電力を別電圧の直流電力に変換するものであっても構わない。
　また、運転時間とは、累積の発電時間であってもよいし、連続発電時間であっても構わない。さらに、燃料電池スタック１が発電している時間に限らず、燃料電池スタック１に酸化剤ガスが供給されている時間、及び、燃料電池スタック１に水素含有ガスが供給されている時間などでもよい。
　なお、パワーコントローラ２を変更するためにステップＳ１０３で用いられる所定時間は、５時間に限られず、特定の燃料電池スタック１が劣化しなければ如何なる時間であっても構わない。ただし、所定時間が短い時間に設定されると、燃料電池スタック１が起動停止を頻繁に繰り返す可能性があるため、秒単位及び分単位ではなく、時間単位が望ましい。
　なお、燃料電池システム１００において、図２のフローチャートの動作は、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、常時行われても構わないし、起動中及び発電中に実施されても構わないし、発電中のみ実施されても構わない。
　なお、燃料電池システム１００において、発電中にステップＳ１０４が実行される場合は、発電を開始する燃料電池スタック１は、最も運転時間が短い燃料電池スタック１となる。
　燃料電池システム１００が発電を継続する中で、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃの運転時間に差が生じるのは、少なくとも一つ以上の燃料電池スタック１が運転停止しており、停止している燃料電池スタック１の運転時間とマスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間との間に差が生じるためである。
　また、ステップＳ１０５にて、マスタのパワーコントローラ２の設定が変更された場合は、燃料電池システム１００は、変更前のマスタのパワーコントローラ２に接続されていた燃料電池スタック１の運転を停止させるよう構成されていることが望ましい。このように構成されていることで、運転時間が長くなっていた燃料電池スタック１の運転時間が延びることを抑えることができる。
　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１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。
　なお、本実施の形態では、過渡的に、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が、スレーブのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間よりも長くなるが、マスタのパワーコントローラ２が設定される際に、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１が最も運転時間が短い燃料電池スタック１となるので、燃料電池スタック１の耐久上問題はない。
　なお、マスタのパワーコントローラ２が設定されるタイミングは、上記に限られることはなく、燃料電池システム１００において、制御器３が、常に、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が、燃料電池スタック１の中で一番長くなることがないように、燃料電池スタック１及びパワーコントローラ２の稼動を制御するよう構成されていても構わない。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図は、図１に示す実施の形態１と同じである。燃料電池システム１００の発電を開始する起動時の動作について、図１を参照しながら説明する。
　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「燃料電池スタック１Ａ～１Ｃ」の場合、添え字の「Ａ」、「Ｂ」及び「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、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」の３個の燃料電池スタック１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１を示す場合には、添え字を省略して参照符号「１」のみを付し、「燃料電池スタック１」と表記する。この場合、燃料電池スタック１は、１台もしくは複数台を示す。
　この記載の仕方は、パワーコントローラ２Ａ～２Ｃについても同様である。例えば「パワーコントローラ２Ａ～２Ｃ」の場合、添え字の「Ａ」、「Ｂ」及び「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、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」の３台のパワーコントローラ２を意味している。
　以下の説明では、任意のパワーコントローラ２を示す場合には、添え字を省略して参照符号「２」のみを付し、「パワーコントローラ２」と表記する。この場合、パワーコントローラ２は、１台もしくは複数台を示す。
　燃料電池システム１００を初めて運転するときは、パワーコントローラ２の中から、マスタのパワーコントローラ２を設定する必要がある。マスタのパワーコントローラ２の設定方法としては、燃料電池スタック１の運転時間に差があるのであれば、最も運転時間が短い燃料電池スタック１に対応したパワーコントローラ２をマスタのパワーコントローラ２に設定する。
　ここで、燃料電池スタック１の運転時間が全て同じならば、燃料電池スタック１の全てに識別するための番号を設けておき、その番号が最も小さい燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２をマスタのパワーコントローラ２に設定する。
　そうすることで、燃料電池システム１００が初めて運転するときでも、マスタのパワーコントローラを設定することができ、系統が停電時に自立運転できない不具合を防止することができる。
　燃料電池システム１００を一度以上運転し、停止した後、再度起動する場合は、前回運転時に設定されていたマスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１が発電を開始することで、発電時には必ずマスタのパワーコントローラ２が動作しているように運転を実施することができる。
　以上のように、本実施の形態において、起動時にマスタのパワーコントローラ２が必ず設定されている状態にすることで、系統電力が停電した場合も、燃料電池システム１００を安定して自立発電することが可能となる。
　なお、燃料電池システム１００を初めて運転するときに、燃料電池スタック１の運転時間が全て同じ場合の燃料電池スタック１の識別方法は数字でなくても、記号などであっても構わない。
　また、パワーコントローラ２に識別するための番号を設けておき、その番号が最も小さいパワーコントローラ２をマスタのパワーコントローラ２に設定しても構わない。どのパワーコントローラ２をマスタに設定するか判断できれば如何なる方法であっても構わない。
　なお、燃料電池システム１００を起動するときは、最も運転時間が短い燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２をマスタのパワーコントローラ２に設定し、最も運転時間が短い燃料電池スタック１を発電開始しても構わない。そうすることで、起動時においても、燃料電池スタック１の運転時間を平準化することが可能となる。
　（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３における燃料電池システムの概略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３に示すように、実施の形態３の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１Ａ～１Ｃのそれぞれの電圧を計測する電圧計測部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを備える点で、実施の形態１と異なっている。
　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「電圧計測部４Ａ～４Ｃ」の場合、添え字の「Ａ」、「Ｂ」及び「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、「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」の３台の電圧計測部４を意味している。
　以下の説明では、任意の電圧計測部４を示す場合には、添え字を省略して参照符号「４」のみを付し、「電圧計測部４」と表記する。この場合、電圧計測部４は、１台もしくは複数台を示す。
　電圧計測部４は、燃料電池スタック１の電圧を計測できればよく、本実施の形態では、燃料電池スタック１が出力する総電圧を計測する電圧計が用いられている。
　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、制御器３が、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間ではなく、燃料電池スタック１の電圧を用いて、マスタのパワーコントローラ２を他のスレーブのパワーコントローラ２に変更する制御を行う点が実施の形態１と異なる。その他の各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
　燃料電池スタック１は、運転時間が経過するなどで劣化が進むと、出力する電圧が低下する。本実施の形態では、燃料電池スタック１の現在の電圧の絶対値から、燃料電池スタック１の劣化状態を判断する。
　以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作及び作用を、図４を参照しながら説明する。
　図４は、本発明の実施の形態３の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４に示すフローチャートの燃料電池システム１００の動作（ステップＳ）は、制御器３の制御によって実行される。図４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のスタートとし、常時以下の動作を行う。
　まず、現在のマスタのパワーコントローラ２は、パワーコントローラ２Ａであるとして以下説明を行う。
　制御器３は、マスタのパワーコントローラ２Ａに接続された燃料電池スタック１Ａの電圧Ｖを、電圧計測部４Ａにより計測し、電圧Ｖの情報を取得する（ステップＳ２０１）。電圧Ｖが所定値を下回る（ステップＳ２０２でＹｅｓ）場合は、運転停止中の燃料電池スタック１を発電開始させる（ステップＳ２０３）。
　最も電圧が高い燃料電池スタック１が運転停止中である場合は、その燃料電池スタック１を発電開始させる。また、電圧Ｖが所定値以上である（ステップＳ２０２でＮｏ）場合は、ステップＳ２０１に戻り、再びステップＳ２０１以下の動作を行う。
　制御器３は、ステップＳ２０３を実施した後、最も電圧が高い燃料電池スタック１（ここでは、例えば、燃料電池スタック１Ｂとする）に接続されたパワーコントローラ２（ここでは、パワーコントローラ２Ｂとする）をマスタのパワーコントローラ２に設定する（ステップＳ２０４）。
　ステップＳ２０１からステップＳ２０４までの制御は、燃料電池スタック１が発電するのに要する時間よりも長い時間周期で実施される。例えば、本実施の形態では、制御器３により、５分周期で制御されるように、タイマが設定され、タイマをスタートさせる（ステップＳ２０５）。次に、制御器３は、タイマが５分経過するまで待ち（ステップＳ２０６）、５分経過すれば（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、タイマをストップさせて（ステップＳ２０７）、ステップＳ２０１に戻り、再びステップＳ２０１以降の動作が実行される。
　以上のように、本実施の形態において、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の電圧が、所定値を大きく下回るような状態にならないように、マスタのパワーコントローラ２が変更される。
　また、上述したように、最も電圧が高く劣化が進んでいない燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２が、新たに設定されるマスタのパワーコントローラ２に設定されるように構成されていることで、全ての燃料電池スタック１の劣化の進行度合いを平準化することができる。
　このように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、特定の燃料電池スタック１だけが劣化することを防止することができ、燃料電池システム１００は系統電力が停電した場合でも自立発電を可能としながら、燃料電池システム１００の寿命を延ばすことが可能となる。
　なお、本実施の形態では、燃料電池システム１００を起動するときは、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１が発電を開始することで、発電時には必ずマスタのパワーコントローラ２が動作しているように運転を実施したが、起動方法は、これに限らない。
　例えば、燃料電池システム１００を起動するときは、燃料電池スタック１の電圧に相関する値が最も高い燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２をマスタのパワーコントローラ２に設定し、燃料電池スタック１の電圧に相関する値が最も高い燃料電池スタック１を発電開始しても構わない。そうすることで、起動時においても、燃料電池スタック１の電圧の高さを平準化することが可能となる。
　ここで、燃料電池スタック１の電圧に相関する値とは、燃料電池スタック１のセル電圧であっても構わないし、燃料電池スタック１の出力する総電圧であっても構わないし、運転時間などであっても構わない。
　燃料電池スタック１が発電を停止している場合は、燃料電池スタック１が発電時に出力する電圧が分からないため、前回発電時の燃料電池スタック１の電圧を記憶しておき、その電圧をもとに、最も燃料電池スタック１の電圧が高いものを導き出せばよい。
　また、マスタのパワーコントローラ２は、系統が停電している場合には、発電する電力の電圧波形を決定しなければならないため、停電中にマスタのパワーコントローラ２の設定を変更すると、電圧波形を決定するパワーコントローラ２が変わるため、過渡的に電圧波形が乱れ、安定した電力を出力できない可能性がある。
　このため、系統が停電している間は、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する条件が整っていても、マスタのパワーコントローラ２を設定変更しないように燃料電池システム１００を運転することが望ましい。そして、系統が正常に電力を供給し始めた際に、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する条件を満たしていれば、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する。
　なお、電圧計測部４は、燃料電池スタック１が両端から出力する総電圧を計測するよう構成されていても構わない。また、電圧計測部４は、燃料電池スタック１が有する各セルの電圧を個別に計測するよう構成されていても構わない。また、電圧計測部４は、燃料電池スタック１を代表する１つのセルの電圧を計測するよう構成されていても構わない。電圧計測部４にて計測された電圧を用いて、燃料電池スタック１の劣化状態を把握することができれば、燃料電池スタック１の如何なる電圧が計測されるよう構成されていても構わない。
　また、燃料電池スタック１の劣化を判断する手段としては、燃料電池スタック１の電圧の絶対値だけに限られず、運転開始初期からの電圧の低下量及び低下率などでも構わない。燃料電池スタック１の電圧を用いて、燃料電池スタック１の劣化状態を検知できれば、如何なる手段であっても構わない。
　なお、ステップＳ２０２で用いられる所定値は、常に一定ではなく、運転状態に応じて変更されることが望ましい。例えば、最も電圧が高い燃料電池スタック１の電圧値よりも一定量少ない電圧値に設定されることなどが望ましい。
　また、ステップＳ２０４にて最も電圧が高い燃料電池スタック１を選ぶ際に、燃料電池スタック１それぞれの現在の発電時の電圧が用いられても構わないし、前回発電時に計測された電圧値が用いられても構わない。最も劣化が進んでいない燃料電池スタック１を選定することができれば如何なるタイミングの電圧が用いられても構わない。
　（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の集合体の構成について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの集合体の概略構成を示すブロック図である。
　図５に示すように、実施の形態４における燃料電池システムの集合体２００は、燃料電池システム１００を複数集合させたものであり、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成の燃料電池システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃと、集合体制御器５を備える。
　以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
　本実施の形態の燃料電池システムの集合体２００における燃料電池システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ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。
　燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１Ａａ，１Ｂａ，１Ｃａと、パワーコントローラ２Ａａ，２Ｂａ，２Ｃａと、制御器３ａと、を備える。同様に、燃料電池システム１００Ｂは、燃料電池スタック１Ａｂ，１Ｂｂ，１Ｃｂと、パワーコントローラ２Ａｂ，２Ｂｂ，２Ｃｂと、制御器３ｂと、を備え、燃料電池システム１００Ｃは、燃料電池スタック１Ａｃ，１Ｂｃ，１Ｃｃと、パワーコントローラ２Ａｃ，２Ｂｃ，２Ｃｃと、制御器３ｃと、を備える。
　符号の付与の仕方として、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｃのうち、どの燃料電池システム１００が備える機器であるかを明確化するために、符号の最後に、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｃそれぞれに対応して、ａ～ｃが付与されている。例えば、燃料電池システム１００Ｃに備えられている燃料電池スタック１Ｂは、燃料電池スタック１Ｂｃと記載する。
　燃料電池スタック１と記載されている場合は、燃料電池スタック１のいずれかに限定されるものではなく、燃料電池スタック１のいずれか一つ及び複数のいずれをも意味する。燃料電池スタック１Ｂと記載されている場合は、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｃのいずれであるかは特定されないが、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｃのいずれかの燃料電池スタック１Ｂを意味し、その数は、一つ及び複数のいずれの場合も含まれる。
　燃料電池スタック１Ｂｃなどのように記載されている場合は、燃料電池システム１００Ａ～１００Ｃのいずれか一つ（例えば、燃料電池システム１００Ｃ）の、燃料電池スタック１のいずれか一つ（例えば、燃料電池スタック１Ｂｃ）に特定されることを意味する。以下の説明では、任意の燃料電池システム１００を示す場合には、添え字を省略して参照符号「１００」のみを付し、「燃料電池システム１００」と表記する。この場合、燃料電池システム１００は、１台もしくは複数台を示す。
　集合体制御器５は、燃料電池システムの集合体２００を制御するための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。
　燃料電池システムの集合体２００は、燃料電池システム１００Ａと燃料電池システム１００Ｂと燃料電池システム１００Ｃとを集合させて構成されており、燃料電池システム１００（燃料電池システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ）それぞれにて発電された電力は、まとめて、燃料電池システムの集合体２００の外部に供給される。
　燃料電池システムの集合体２００にて発電された電力を、電力会社などから供給される系統電力と接続する場合には、系統電力の電圧波形と同じ電圧波形の電力を生成する。ここで、系統が停電した場合には、系統電力の電圧波形を見ることができなくなるため、自立発電を行うためには、燃料電池システムの集合体２００にて電圧波形を決め、電力を生成する必要がある。
　燃料電池システムの集合体２００が有する複数台のパワーコントローラ２が、電圧波形をそれぞれ決めて電力を出すと、互いの電圧波形が干渉して、正常な発電を行うことができなくなる。そこで、系統が停電時に電圧波形を決定するパワーコントローラ２を燃料電池システムの集合体２００の中で１台のみとすることで、安定した発電を可能とする。
　系統が停電時に電圧波形を決定するパワーコントローラ２は、マスタのパワーコントローラ２として設定され、それ以外のパワーコントローラ２は、マスタに従属するスレーブのパワーコントローラ２として設定される。スレーブのパワーコントローラ２は、マスタのパワーコントローラ２が決定した電圧波形と同じ電圧波形の電力を出力する。
　マスタのパワーコントローラ２は、燃料電池システムの集合体２００が発電している間は、常に停電発生に備え、停電時には電圧波形を決定する必要があるため、燃料電池システムの集合体２００が発電する際は、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１が発電する必要がある。
　このため、マスタのパワーコントローラ２が、特定のパワーコントローラ２に固定されてしまうと、そのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が他の燃料電池スタック１よりも長くなってしまい、特定の燃料電池スタック１のみ劣化が進んでしまう。
　そうなると、特定の燃料電池スタック１が寿命に達した時点で、燃料電池システムの集合体２００は、運転することができなくなってしまう。そこで、特定の燃料電池スタック１の劣化が進む前に、マスタのパワーコントローラ２が別のパワーコントローラ２に変更されるように、マスタのパワーコントローラ２が設定される必要がある。
　マスタのパワーコントローラ２が別のパワーコントローラ２に設定されるタイミングとして、本実施の形態では、燃料電池スタック１の運転時間が用いられている。
　以上のように構成された燃料電池システムの集合体２００について、以下その動作及び作用を、図６を参照しながら説明する。
　図６は、本実施の形態４の燃料電池システムの集合体の運転方法を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの動作は、集合体制御器５の制御によって実行される。
　図６に示すように、集合体制御器５は、燃料電池システムの集合体２００に電源が投入された時点を燃料電池システムの集合体２００の運転のスタートとし、常時以下の動作を行う。
　まず、集合体制御器５は、マスタのパワーコントローラ２（ここでは、例えば、パワーコントローラ２Ｃｃとする）に接続された燃料電池スタック１（ここでは、燃料電池スタック１Ｃｃ）の運転時間Ｔｍ２の情報を取得するとともに、燃料電池システムの集合体２００の中で最も運転時間が短い燃料電池スタック１（ここでは、例えば、燃料電池スタック１Ａｂとする）の運転時間Ｔｓ２の情報を取得する（ステップＳ３０１）。
　次に、集合体制御器５は、運転時間Ｔｍ２と運転時間Ｔｓ２との差ΔＴ２（以下、運転時間差ΔＴ２と記す）を、Ｔｍ２からＴｓ２を引いて算出する（ステップＳ３０２）。次に、運転時間差ΔＴ２が所定時間以上であるか確認する（ステップＳ３０３）。運転時間差ΔＴ２が所定時間以上であれば（ステップＳ３０３でＹｅｓ）、ステップＳ３０４に移行し、運転時間差ΔＴ２が所定時間未満であれば、ステップＳ３０１に戻り、ステップＳ３０１以降の動作が行われる。ここで、本実施の形態では、所定時間は５時間に設定されている。
　集合体制御器５は、ステップＳ３０４に移行した場合、最も運転時間が短い燃料電池スタック１Ａｂを発電開始させる（ステップＳ３０４）。燃料電池スタック１が発電開始した後、最も運転時間の短い燃料電池スタック１Ａｂに接続されたパワーコントローラ２Ａｂがマスタのパワーコントローラ２に設定される（ステップＳ３０５）。これにより、マスタのパワーコントローラ２は、パワーコントローラ２Ｃｃからパワーコントローラ２Ａｂに変更されることができる。
　ステップＳ３０１からステップＳ３０５までの制御は、燃料電池スタック１が発電するのに要する時間よりも長い時間周期で実施される。例えば、本実施の形態では、５分周期で制御されるように、タイマが設定され、タイマをスタートさせる（ステップＳ３０６）。次に、タイマが５分経過するまで待ち（ステップＳ３０７）、５分経過すれば（ステップＳ３０７でＹｅｓ）、タイマをストップさせて（ステップＳ３０８）、ステップＳ３０１に戻り、再びステップＳ３０１以降の動作が実施される。
　本実施の形態において、図６に示す制御を実施中に、系統が停電した場合は、例え、マスタのパワーコントローラ２を設定変更する条件になったとしても、停電が解消されるまで、マスタのパワーコントローラ２の設定を変更しない。そのようにする理由は、停電中に、マスタのパワーコントローラ２を変更すると、マスタのパワーコントローラ２が決定している電圧波形が乱れる可能性があるためである。
　停電中は、図６に示す制御を停止させておき、停電が解消した時点で、再度図６の制御を実行するのが望ましい。
　以上のように、本実施の形態においては、マスタのパワーコントローラ２に接続された燃料電池スタック１の運転時間が、他の燃料電池スタック１の運転時間よりも所定時間を上回って長くならないように、マスタのパワーコントローラ２が変更される。
　また、最も運転時間が短い燃料電池スタック１に接続されたパワーコントローラ２が、新たに設定されるマスタのパワーコントローラ２となるように構成されていることにより、全ての燃料電池スタック１の運転時間を平準化することができる。
　このように、本実施の形態の特定の燃料電池スタック１だけが劣化することを防止することができるので、燃料電池システムの集合体２００は系統電力が停電した場合でも自立発電を可能としながら、燃料電池システムの集合体２００の寿命を延ばすことが可能となる。
　なお、燃料電池システムの集合体２００を構成する燃料電池システム１００の台数は、本実施の形態では３台としたが、これに限られるものではなく、複数台であれば如何なる台数の燃料電池システム１００の集合体として、燃料電池システムの集合体２００が構成されていても構わない。
　また、燃料電池スタック１それぞれに対して、水素含有ガス及び酸化剤ガスを供給する手段は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを安定して供給可能であれば如何なる構成であっても構わない。
　例えば、燃料電池システムの集合体２００は、燃料電池スタック１それぞれがポンプなどの供給手段を備えてもよい。また、燃料電池システムの集合体２００は、燃料電池システム１００それぞれがポンプなどの供給手段を備え、燃料電池システム１００それぞれの内で水素含有ガス及び酸化剤ガスが分岐されて燃料電池スタック１それぞれに供給されるよう構成されていてもよい。また、燃料電池システムの集合体２００において、共通の水素含有ガス及び酸化剤ガスの供給手段が設けられ、共通の水素含有ガス及び酸化剤ガスの供給手段から供給された水素含有ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池システムの集合体２００内で分岐されて燃料電池スタック１それぞれに供給されるよう構成されていても構わない。
　なお、本実施の形態では、燃料電池システムの集合体２００が、燃料電池システム１００それぞれが制御器３を備え、さらに、燃料電池システムの集合体２００全体を制御するための集合体制御器５を備える構成を例示しているが、燃料電池システムの集合体２００は、制御器３が燃料電池システム１００毎に個別に配置されず、集合体制御器５が全てを制御するよう構成されていても構わない。この場合、燃料電池システム１００それぞれの制御器３は、マスタのパワーコントローラの設定に関わる制御は行わない。
　なお、本実施の形態では、マスタのパワーコントローラ２が変更される条件として、燃料電池スタック１の運転時間が用いられているが、これに限られるものではなく、燃料電池スタック１の劣化状態を把握できるものであれば如何なる条件であっても構わない。例えば、燃料電池スタック１の電圧などであってもよい。
　運転時間は、累積の発電時間であってもよいし、連続発電時間であってもよい。さらに、燃料電池スタック１が発電している時間に限られず、燃料電池スタック１に酸化剤ガスが供給されている時間、または、燃料電池スタック１に水素含有ガスが供給されている時間などでもよい。
　ステップＳ３０１で最も運転時間が短い燃料電池スタック１を特定する方法としては、燃料電池システム１００それぞれにおいて最も運転時間が短い燃料電池スタック１を特定し、それらの燃料電池スタック１の中で最も運転時間が短いものを特定する方法であってもよい。また、燃料電池システムの集合体２００における全ての燃料電池スタック１を比較し、最も運転時間が短いものを特定する方法であっても構わない。燃料電池システムの集合体２００において、最も運転時間が短い燃料電池スタック１を特定することができれば、如何なる方法であっても構わない。
　なお、図６のフローチャートに示す動作（ステップＳ）は、燃料電池システムの集合体２００に電源が投入された時点をスタートとし、常時行われても構わないし、起動及び発電中に実施されても構わないし、発電中のみ実施されても構わない。
　なお、パワーコントローラ２を変更するためにステップＳ３０３で用いられる所定時間は、特定の燃料電池スタック１が劣化しなければ如何なる時間であっても構わない。ただし、所定時間が短い時間に設定されると、燃料電池スタック１が起動停止を頻繁に繰り返す可能性があるため、秒単位及び分単位などではなく、時間単位で設定されることが望ましい。
　上記の説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良及び他の実施の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、その構造及び機能の詳細を実質的に変更できる。
　以上述べたように、本発明は、系統が停電しても自立発電を可能としながら、特定の燃料電池スタックのみが他の燃料電池スタックに比べて劣化することを防止することが可能な燃料電池システム及びその集合体を提供する。よって、長期間にわたり安定した発電を行うような家庭用及び業務用の燃料電池システム等の用途に広く利用することができる。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　燃料電池スタック
　１Ａａ，１Ａｂ，１Ａｃ，１Ｂａ，１Ｂｂ，１Ｂｃ，１Ｃａ，１Ｃｂ，１Ｃｃ　燃料電池スタック
　２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　パワーコントローラ
　２Ａａ，２Ａｂ，２Ａｃ，２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ，２Ｃａ，２Ｃｂ，２Ｃｃ　パワーコントローラ
　３，３ａ，３ｂ，３ｃ　制御器
　４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ　電圧計測部
　５　集合体制御器
　１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ　燃料電池システム
　２００　燃料電池システムの集合体

Claims (9)

  1. 　水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する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と対応して接続され、前記複数台の燃料電池スタックが発電した電力を取り出す複数台のパワーコントローラと、
    　前記複数台の燃料電池スタック及び前記複数台のパワーコントローラのうち、少なくともいずれかの稼働台数が、駆動させる負荷に応じて変更されるよう、前記複数台の燃料電池スタック及び前記複数台のパワーコントローラの稼働を制御する制御器とを備え、
    　前記複数台のパワーコントローラのうちの１台のみがマスタのパワーコントローラに設定され、
    　前記複数台のパワーコントローラのうちの前記マスタのパワーコントローラ以外のパワーコントローラがスレーブのパワーコントローラに設定され、
    　前記マスタのパワーコントローラは系統が停電時に自立可能であり、
    　（ｉ）前記複数台の燃料電池スタックのうち、前記マスタのパワーコントローラと接続された燃料電池スタックの運転時間よりも、前記スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間が長くなるように、前記制御器により、前記マスタのパワーコントローラが設定されるよう構成されている、または、
    　（ii）前記複数台の燃料電池スタックそれぞれの電圧を計測する電圧計測部をさらに備え、前記複数台の燃料電池スタックのうち、前記マスタのパワーコントローラと接続された燃料電池スタックの前記電圧が所定値を下回る場合は、前記制御器により、前記マスタのパワーコントローラが、前記複数台のパワーコントローラのうちの別のパワーコントローラに設定されるよう構成されている、燃料電池システム。
  2. 　燃料電池システムを起動するときは、前記複数台の燃料電池スタックのうちの前記マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックが、発電を開始するよう構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　系統が停電している間は、前記マスタのパワーコントローラを設定変更しないよう構成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記マスタのパワーコントローラは、系統が停電した場合に、生成する電圧波形を決定し、
    　前記スレーブのパワーコントローラは、前記マスタのパワーコントローラが決定した電圧波形に従って、電圧波形を生成するよう構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記複数台の燃料電池スタックのうち、前記マスタのパワーコントローラと接続された燃料電池スタックの運転時間よりも、前記スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの運転時間が長くなるように、前記制御器により、前記マスタのパワーコントローラが設定されるよう構成されており、
    　前記マスタのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの前記運転時間と、前記スレーブのパワーコントローラに接続された燃料電池スタックの中で最も運転時間が短い燃料電池スタックの運転時間との差が、所定時間以上になると、前記複数台の燃料電池スタックのうちの最も運転時間の短い燃料電池スタックを発電させ、前記複数台のパワーコントローラのうち、前記複数台の燃料電池スタックのうちの最も運転時間の短い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラが、前記マスタのパワーコントローラに設定されるよう構成されている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 　燃料電池システムを起動するときは、前記複数台のパワーコントローラのうち、前記複数台の燃料電池スタックのうちの最も運転時間が短い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラが、前記マスタのパワーコントローラに設定されるよう構成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 　燃料電池システムを起動するときは、前記複数台のパワーコントローラのうち、前記複数台の燃料電池スタックのうちの燃料電池スタックの電圧に相関する値が最も高い燃料電池スタックに接続されたパワーコントローラを、前記マスタのパワーコントローラに設定するよう構成されている請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 　水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する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と対応して接続され、前記複数台の燃料電池スタックそれぞれが発電した電力を取り出す複数台のパワーコントローラとを有する燃料電池システムを複数台備え、
    　前記複数台の燃料電池システムは、互いに連動して動作するよう構成され、
    　前記複数台の燃料電池システムが有する前記複数台のパワーコントローラのうちの１台のみが、マスタのパワーコントローラに設定されるよう、前記複数台の燃料電池スタック及び複数台のパワーコントローラを制御する集合体制御器を備え、
    　前記マスタのパワーコントローラは、系統が停電時に自立可能であり、系統が停電した場合に、生成する電圧波形を決定するよう構成された燃料電池システムの集合体。
  9. 　前記集合体制御器は、前記複数台の燃料電池システムの中の前記複数台のパワーコントローラの中で、前記複数台の燃料電池スタックのうち最も運転時間が短い前記燃料電池スタックと接続された前記パワーコントローラを、前記マスタのパワーコントローラに設定し、
    　系統が停電している間は、前記マスタのパワーコントローラを設定変更しないよう構成されている請求項８に記載の燃料電池システムの集合体。
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