JP3905748B2

JP3905748B2 - Operation method of fuel cell power generation system and fuel cell power generation system

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Publication number: JP3905748B2
Application number: JP2001360406A
Authority: JP
Inventors: 正毅小川; 徳一峰尾; 正樹戸田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP2002358991A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムでは、燃料電池本体（セルスタック等）の燃料極側と酸素極側とに燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ供給して電気化学反応を生じさせることより発電する。そして、このときの燃料電池発電システム全体の発電量を増やそうとする場合には、複数の燃料電池本体が設けられる。
【０００３】
図６は複数の燃料電池スタックを有する従来の燃料電池発電システムの構成図である。図６には燃料電池本体として２体の燃料電池スタック（セルスタック）１，２を有する場合を例示しており、これらの燃料電池スタック１，２は燃料ガス配管３によって並列に接続されており、燃料ガス供給装置５から送給される燃料ガスを、図６中に実線の矢印で示すように燃料ガス配管３により分岐して燃料電池スタック１と燃料電池スタック２とに同量づつ並列に供給するようになっている。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック１，２が酸化ガス配管４によって並列に接続されており、酸化ガス供給装置６から送給される酸化ガスを、図６中に点線の矢印で示すように酸化ガス配管４により分岐して燃料電池スタック１と燃料電池スタック２とに同量づつ並列に供給するようになっている。
【０００４】
燃料電池スタック１，２で発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック１，２の出口側（図中右側）から、燃料ガス配管３及び酸化ガス配管４を介して排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７には燃料電池発電システムにおける発電量（発電の電流密度）と燃料ガスの供給量との関係を示すが、燃料電池発電システムの運転においては、発電量が小さくなった場合、図７に実線で示すように燃料電池スタック１，２に供給する燃料ガスの量も、発電量の低下に比例して減少させるように運転することが理想である。図示は省略するが、酸化ガスついても、同様に、発電量の低下に比例して燃料電池スタック１，２への酸化ガスの供給量を減少させるように運転することが理想である。
【０００６】
しかし、同時に燃料ガス及び酸化ガスは発電性能を劣化させる燃料電池スタック１，２内の余剰水分を排水する役割も担っているため、燃料ガスや酸化ガスの減少はその排水能力の低下を招き、ひいては発電性能を低下させる要因となる。つまり、燃料電池スタック１，２の酸素極側には燃料ガスと酸化ガスとの反応による生成水や、酸化ガスとともに供給される水蒸気の凝縮水が存在し、燃料極側には燃料ガスととともに供給される水蒸気の凝縮水が存在するが、これらの余剰水分を排水することができないと、これらが抵抗となって燃料ガスや酸化ガスの流れを妨げることなどから、発電性能の低下を招いてしまう。更に、燃料ガス流量や酸化ガス流量の減少は、燃料電池スタック１，２における圧力損失の低下により、燃料電池スタック１，２の入口圧力が低下して、燃料電池スタック１，２内の作動圧力（燃料電池スタック１，２内のガスの平均圧力）の低下を招くため、ネルンストの式からも明らかなように電圧が低下する。即ち、このことも発電性能を低下させる要因となる。
【０００７】
このため、低発電量運転時には、所望の発電量を得るために図７に点線で示すように発電量に比例する量（図７に実線で示す理想量）よりも過剰に燃料ガスや酸化ガスを供給することが必要となり、これらのガス利用効率が低下するという欠点を有していた。この傾向は図７に示すように発電量（ガス流量）が低くなるほど顕著である。高発電量運転時には例えば８０％の高いガス利用効率であったものが、低発電量運転時には例えば５０％以下となってしまう。
【０００８】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、複数の燃料電池本体（セルスタック等）を有する場合において、低発電量運転時にも高いガス利用効率を維持することができる燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転することを特徴とする。
【００１０】
また、第２発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転することを特徴とする。
【００１３】
また、第３発明の燃料電池発電システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
また、第４発明の燃料電池発電システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給によって発電する燃料電池本体を複数有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成図である。同図に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは２体の燃料電池スタック（セルスタック）１１，１２を有しており、これらの燃料電池スタック１１，１２が燃料ガス配管１３及び酸化ガス配管１４によって接続されている。燃料電池スタック１１，１２としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００１９】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック１１，１２の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管１３が分岐部１３ａで２本の燃料ガス配管１３に分岐して燃料電池スタック１１，１２にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック１１，１２の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック１１，１２に接続された２本の燃料ガス配管１３が合流部１３ｂで１本の燃料ガス配管１３に合流している。そして、燃料電池スタック１１の出口と燃料ガス配管合流部１３ｂとの間、及び、燃料電池スタック１２の入口と燃料ガス配管分岐部１３ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ設けられており、これらの切換弁１９Ａ，１９Ｂは直列接続用の燃料ガス配管１７によって接続されている。
【００２０】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック１１，１２の入口側では、１本の酸化ガス配管１４が分岐部１４ａで２本の燃料ガス配管１４に分岐して燃料電池スタック１１，１２にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック１１，１２の出口側では、各々の燃料電池スタック１１，１２に接続された２本の酸化ガス配管１４が合流部１４ｂで１本の酸化ガス配管１４に合流している。そして、燃料電池スタック１１の出口と酸化ガス配管合流部１４ｂとの間、及び、燃料電池スタック１２の入口と酸化ガス配管分岐部１３ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）２０Ａ，２０Ｂがそれぞれ設けられており、これらの切換弁２０Ａ，２０Ｂは直列接続用の酸化ガス配管１８によって接続されている。
【００２１】
切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０ＢのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック１１，１２の接続切換制御は、接続切換制御装置２１によって行う。即ち、接続切換制御装置２１では、運転状態検出器２２の検出信号に基づいて切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０ＢのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、高発電量運転時には燃料電池スタック１１，１２を並列接続にし、低発電量運転時には燃料電池スタック１１，１２を直列接続にする（詳細後述）。
【００２２】
運転状態検出器２２では燃料電池スタック１１，１２によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、所定の発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、所定の発電量よりも小さい場合には低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器２２としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック１１，１２の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置１６から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値が所定流量以上であるか以下であるかによって高発電量運転状態か低発電量運転状態かを判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００２３】
ここで、燃料電池スタック１１，１２の運転状態と、切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂの作動状態と、燃料電池スタック１１，１２の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図１に示した矢印に基づき具体的に説明する。図１には、各切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図１中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００２４】
高発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＦＦにすることにより図１に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置１５から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管１３により分岐されて燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とに同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＦＦにすることにより図１に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置１６から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管１４により分岐されて燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とに同量づつ並列に供給される。
【００２５】
燃料電池スタック１１，１２において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック１１，１２の出口側から、燃料ガス配管１３及び酸化ガス配管１４を介して排出される。
【００２６】
一方、低発電量運転状態では、切換弁１９Ａ，１９ＢをＯＮにすることにより図１に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置１５から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管１３により上流側の燃料電池スタック１１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック１１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック１１の出口側から出た後、切換弁１９Ａ、直列接続用の燃料ガス配管１７、切換弁１９Ｂを流れて下流側の燃料電池スタック１２へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック１２で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック１２の出口側から燃料ガス配管１３を介して排出される。
【００２７】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、低発電量運転状態では、切換弁２０Ａ，２０ＢをＯＮにすることにより図１に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック１１，１２を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置１６から送給される酸化ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管１４により上流側の燃料電池スタック１１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック１１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック１１の出口側から出た後、切換弁２０Ａ、直列接続用の酸化ガス配管１８、切換弁２０Ｂを流れて下流側の燃料電池スタック１２へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック１２で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック１２の出口側から酸化ガス配管１４を介して排出される。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における２体の燃料電池スタック１１，１２の接続状態を、切換弁１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００２９】
即ち、低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック１１，１２に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック１１，１２へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック１１，１２内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００３０】
具体例を挙げて説明すると、例えば燃料ガス供給系統の各部のガス流量は図１中に数値で示したようになる（但し、これらの数値は実際の流量を表すものではなく、説明のための便宜的な数値である）。並列運転の場合には、括弧内に記載した数値のように、全体の燃料ガス供給量が１０であったとすると、燃料電池スタック１１と燃料電池スタック１２とにそれぞれ５づつの量の燃料ガスが供給されて、そのうちの例えば４（燃料電池スタックに要求される発電量に応じた値）づつが発電に利用され、余りの１つづ（合計２）が排出されることになる。一方、直列運転の場合には、括弧外に記載した数値のように、全体の燃料ガス供給量が１０であったとすると、上流側の燃料電池スタック１１にはそのまま１０の燃料ガス量が供給され、ここで１０のうちの４が発電に利用された後、残りの６が下流側の燃料電池スタック１２に供給される。下流側の燃料電池スタック１２では燃料ガス供給量６のうちの４が発電に利用されて、余りの２が排出されることになる（利用効率８０％）。
【００３１】
このように、全体のガス供給量は同じでも、直列にすれば並列の場合よりも、各燃料電池スタック１１，１２に供給する燃料ガス量を多くすることができる。そして、実際には、低発電量運転時に並列運転を行った場合、燃料電池スタック１１，１２における排水能力や作動圧力の低下による発電性能の劣化を補うため、全体の燃料ガス供給量を１０ではなく、例えば１２にして（過剰に供給して）、各燃料電池スタック１１，１２に６づつ供給することが必要となる。この場合、発電量が同じであれば、燃料ガスの消費量は８であるから、余りは４になるため、燃料ガスの利用効率は６６％に低下することになる。酸化ガス供給系統についても同様である。
【００３２】
図２には２体の燃料電池スタックを備えた燃料電池発電システムにおいて、低発電量運転時に並列運転から直列運転に切り換えた場合と切り換えない場合の燃料ガス供給量の比較を示す。同図に示すように、発電量がＷ以下の低発電量運転時において並列運転から直列運転に切り換えた場合（図中の一点鎖線）には、並列運転を継続した場合（図中の点線）に比べて、過剰ガス量が低下し、理想の燃料ガス供給量（図中の実線）に近づき、燃料ガスの利用効率が向上した。図示は省略するが、酸化ガス供給系統についても同様である。
【００３３】
なお、全ての発電量運転状態において燃料電池スタック１１，１２を直列にすることも考えられるが、燃料電池スタック１１，１２を直列にした場合、高発電量運転状態では並列の場合に比べて全体の圧力損失が極端に大きくなり過ぎてしまう。つまり、直列の場合には並列の場合に比べて全体の圧力損失が増加するが、特に、ガス流量の多い高発電量運転時には、この圧力損失の増加が極端に大きくなってしまう。従って、高発電量運転時にも直列とするには、コンプレッサなどの燃料ガス供給装置１５や酸化ガス供給装置１６における各機器の動力を大きくする必要があり、システムの大型化やコストアップを招いてしまう。このため、高発電量運転時には並列とし、低発電量運転時に直列に切り換えるようにしている。低発電量運転時であれば全体のガス供給量も少なくなり、圧力損失の増加も小さいため、ガスの供給圧力（燃料電池スタック１１の入口圧力）を多少高めにする程度で対応することができる。
【００３４】
＜実施の形態２＞
図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態２は３本の燃料電池スタックの接続状態を発電量に応じて並列から直列に切り換える場合の例である。
【００３５】
詳述すると、図３に示すように、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは３体の燃料電池スタック（セルスタック）３１，３２，３３を有しており、これらの燃料電池スタック３１，３２，３３が燃料ガス配管３４及び酸化ガス配管３５によって接続されている。燃料電池スタック３１，３２，３３としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００３６】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック３１，３２，３３の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管３４が分岐部３４ａで３本の燃料ガス配管３４に分岐して燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック３１，３２，３３に接続された３本の燃料ガス配管３４が合流部３４ｂで１本の燃料ガス配管３４に合流している。そして、燃料電池スタック３１の出口と燃料ガス配管合流部３４ｂとの間、燃料電池スタック３２の入口と燃料ガス配管分岐部３４ａとの間、燃料電池スタック３２の出口と燃料ガス配管合流部３４ｂとの間、及び、燃料電池スタック３３の入口と燃料ガス配管分岐部３４ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄがそれぞれ設けられており、切換弁３６Ａ，３６Ｂは直列接続用の燃料ガス配管３８によって接続され、切換弁３６Ｃ，３６Ｄは直列接続用の燃料ガス配管３９によって接続されている。
【００３７】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック３１，３２，３３の入口側では、１本の酸化ガス配管３５が分岐部３５ａで３本の燃料ガス配管３５に分岐して燃料電池スタック３１，３２，３３に接続されており、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側では、各々の燃料電池スタック３１，３２，３３に接続された３本の酸化ガス配管３５が合流部３５ｂで１本の酸化ガス配管３５に合流している。そして、燃料電池スタック３１の出口と酸化ガス配管合流部３３５との間、燃料電池スタック３２の入口と酸化ガス配管分岐部３５ａとの間、燃料電池スタック３２の出口と酸化ガス配管合流部３５ｂとの間、及び、燃料電池スタック３３の入口と酸化ガス配管分岐部３５ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄがそれぞれ設けられており、切換弁３７Ａ，３７Ｂは直列接続用の燃料ガス配管４０によって接続され、切換弁３７Ｃ，３７Ｄは直列接続用の燃料ガス配管４１によって接続されている。
【００３８】
切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７ＤのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック３１，３２，３３の接続切換制御は、接続切換制御装置４２によって行う。即ち、接続切換制御装置４２では、運転状態検出器４３の検出信号に基づいて切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７ＤのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、高発電量運転時には燃料電池スタック３１，３２，３３を並列に接続し、低発電量運転時には燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続にする（詳細後述）。
【００３９】
運転状態検出器４３では燃料電池スタック３１，３２，３３によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、所定の発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、所定の発電量よりも小さい場合には低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器４３としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック３１，３２，３３の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置４４から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置４５から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値が所定流量以上であるか以下であるかによって高発電量運転状態か低発電量運転状態かを判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００４０】
ここで、燃料電池スタック３１，３２，３３の運転状態と、切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄの作動状態と、燃料電池スタック３１，３２，３３の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図３に示した矢印に基づき具体的に説明する。図３には各切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図３中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００４１】
高発電量運転状態では、切換弁３６Ａ〜３６ＤをＯＦＦにすることにより図３に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置４４から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管３４により分岐されて燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁３７Ａ〜３７ＤをＯＦＦにすることにより図３に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置４５から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管３５により分岐されて燃料電池スタック３１，３２，３３にそれぞれ同量づつ並列に供給される。
【００４２】
燃料電池スタック３１，３２，３３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック３１，３２，３３の出口側から、燃料ガス配管３４及び酸化ガス配管３５を介して排出される。
【００４３】
一方、低発電量運転状態では、切換弁３６Ａ〜３６ＤをＯＮにすることにより図３に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置４４から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管３４により最上流の燃料電池スタック３１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック３１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック３１の出口側から出た後、切換弁３６Ａ、直列接続用の燃料ガス配管３８、切換弁３６Ｂを流れて下流の燃料電池スタック３２へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック３２で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック３２の出口側から出た後、切換弁３６Ｃ、直列接続用の燃料ガス配管３９、切換弁３６Ｄを流れて最下流の燃料電池スタック３３へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック３３で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック３３の出口側から燃料ガス配管３４を介して排出される。
【００４４】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、低発電量運転状態では、切換弁３７Ａ〜３７ＤをＯＮにすることにより図３に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック３１，３２，３３を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置４４から送給される酸化ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管３５により最上流の燃料電池スタック３１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック３１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック３１の出口側から出た後、切換弁３７Ａ、直列接続用の酸化ガス配管４０、切換弁３７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック３２へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック３２で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック３２の出口側から出た後、切換弁３７Ｃ、直列接続用の酸化ガス配管４１、切換弁３７Ｄを流れて最下流の燃料電池スタック３３へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック３３で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック３３の出口側から酸化ガス配管３５を介して排出される。
【００４５】
以上のように、本実施の形態２によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における３体の燃料電池スタック３１，３２，３３の接続状態を、切換弁３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するようにしたため、上記実施の形態１の場合と同様に、次のような効果が得られる。
【００４６】
即ち、低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック３１，３２，３３に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック３１，３２，３３へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック３１，３２，３３内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００４７】
＜実施の形態３＞
図４は本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態３は４本の燃料電池スタックの接続状態を発電量に応じて並列、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換える場合の例である。
【００４８】
詳述すると、図１に示すように、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは４体の燃料電池スタック（セルスタック）５１，５２，５３，５４を有しており、これらの燃料電池スタック５１〜５４が燃料ガス配管５５及び酸化ガス配管５６によって接続されている。燃料電池スタック５１〜５４としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００４９】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック５１〜５４の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管５５が分岐部５５ａで４本の燃料ガス配管５５に分岐して燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック５１〜５４の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック５１〜５４に接続された４本の燃料ガス配管５５が合流部５５ｂで１本の燃料ガス配管５５に合流している。そして、燃料電池スタック５１の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、燃料電池スタック５２の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間、燃料電池スタック５２の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、燃料電池スタック５３の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間、燃料電池スタック５３の出口と燃料ガス配管合流部５５ｂとの間、及び、燃料電池スタック５４の入口と燃料ガス配管分岐部５５ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ，５７Ｅ，５７Ｆがそれぞれ設けられており、切換弁５７Ａ，５７Ｂは直列接続用の燃料ガス配管５９によって接続され、切換弁５７Ｃ，５７Ｄは直列接続用の燃料ガス配管６０によって接続され、切換弁５７Ｅ，５７Ｆは直列接続用の燃料ガス配管６１によって接続されている。
【００５０】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック５１〜５４の入口側では、１本の酸化ガス配管５６が分岐部５６ａで４本の酸化ガス配管５６に分岐して燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック５１〜５４の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック５１〜５４に接続された４本の酸化ガス配管５６が合流部５６ｂで１本の酸化ガス配管５６に合流している。そして、燃料電池スタック５１の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、燃料電池スタック５２の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間、燃料電池スタック５２の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、燃料電池スタック５３の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間、燃料電池スタック５３の出口と酸化ガス配管合流部５６ｂとの間、及び、燃料電池スタック５４の入口と酸化ガス配管分岐部５６ａとの間には、接続切換手段としての切換弁（三方弁）５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄ，５８Ｅ，５８Ｆがそれぞれ設けられており、切換弁５８Ａ，５８Ｂは直列接続用の酸化ガス配管６２によって接続され、切換弁５８Ｃ，５８Ｄは直列接続用の酸化ガス配管６３によって接続され、切換弁５８Ｅ，５８Ｆは直列接続用の酸化ガス配管６４によって接続されている。
【００５１】
切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８ＦのＯＮ・ＯＦＦ制御、即ち、燃料電池スタック５１〜５４の接続切換制御は、接続切換制御装置６５によって行う。即ち、接続切換制御装置６５では、運転状態検出器６６の検出信号に基づいて切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８ＦのＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、運転状態が高発電量運転状態から低発電量運転状態へと移行するにしたがって、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、並列、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換える（詳細後述）。
【００５２】
運転状態検出器６６では燃料電池スタック５１〜５４によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、第１の所定発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、第１の所定発電量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態（中発電量運転状態）であると判断し、更に、第１の所定発電量より小さい第２の所定発電量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器６６としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック５１〜５４の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置６７から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置６８から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値と、第１の所定流量及びこの第１の所定流量よりも小さい第２の所定流量とを比較して、流量検出値が、第１の所定流量よりも大きい場合には高発電量運転状態、第１の所定流量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態、第２の所定流量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断するようにしてもよい。なお、接続切り換えの具体的な設定値については、並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００５３】
ここで、燃料電池スタック５１〜５４の運転状態と、切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆの作動状態と、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態（スタック間のガス流れ状態）との関係について、図４に示した矢印に基づき具体的に説明する。図４には各切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆの動作がＯＮの場合とＯＦＦの場合の各切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆにおけるガス流れ方向を、それぞれ実線の矢印と点線の矢印とで示している。なお、図４中に一点鎖線で示す矢印はガス導入口及びガス排出口における全体のガス流れ方向と各燃料電池スタックにおけるガス流れ方向である。
【００５４】
高発電量運転状態では、切換弁５７Ａ〜５７ＦをＯＦＦにすることにより図４に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を並列接続とする。その結果、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）は、燃料ガス配管５５により分岐されて燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ同量づつ並列に供給される。酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、高発電量運転状態では、切換弁５８Ａ〜５８ＦをＯＦＦにすることにより図４に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を並列接続とする。その結果、コンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置６８から送給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、酸化ガス配管５６により分岐されて燃料電池スタック５１〜５４にそれぞれ同量づつ並列に供給される。
【００５５】
燃料電池スタック５１〜５４において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック５１〜５４の出口側から、燃料ガス配管５５及び酸化ガス配管５６を介して排出される。
【００５６】
一方、第１の低発電量運転状態では、切換弁５７Ａ，５７Ｂと切換弁５７Ｅ，５７ＦはＯＮにして図４に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにし、且つ、切換弁５７Ｃ，５７ＤはＯＦＦにして図４に点線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにすることにより、燃料電池スタック５１，５２は直列接続、燃料電池スタック５３，５４も直列接続、燃料電池スタック５１，５２と燃料電池スタック５３，５４は並列接続とする。即ち、並列と直列の組み合わせとする。
【００５７】
その結果、燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガスは、まず、燃料ガス配管５５により２分されて燃料電池スタック５１と燃料電池スタック５３とにそれぞれ同量づつ並列に供給され、ここでそれぞれ発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５７Ａ、直列接続用の燃料ガス配管５９、切換弁５７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。一方、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５７Ｅ、直列接続用の燃料ガス配管６１、切換弁５７Ｆを流れて下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック５２，５４において発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック５２，５４の出口側から、燃料ガス配管５５を介して（合流部５５ｂで合流して）排出される。
【００５８】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、第１の低発電量運転状態では、切換弁５８Ａ，５８Ｂと切換弁５８Ｅ，５８ＦはＯＮにして図４に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにし、且つ、切換弁５８Ｃ，５８ＤはＯＦＦにして図４に点線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにすることにより、燃料電池スタック５１，５２は直列接続、燃料電池スタック５３，５４も直列接続、燃料電池スタック５１，５２と燃料電池スタック５３，５４は並列接続とする。即ち、並列と直列の組み合わせとする。
【００５９】
その結果、酸化ガス供給装置６８から送給される燃料ガスは、まず、酸化ガス配管５６により２分されて燃料電池スタック５１と燃料電池スタック５３とにそれぞれ同量づつ並列に供給され、ここでそれぞれ発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５８Ａ、直列接続用の酸化ガス配管６２、切換弁５８Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。一方、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５８Ｅ、直列接続用の酸化ガス配管６４、切換弁５８Ｆを流れて下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。燃料電池スタック５２，５４において発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック５２，５４の出口側から、酸化ガス配管５６を介して（合流部５６ｂで合流して）排出される。
【００６０】
次に、第２の低発電量運転状態では、切換弁５７Ａ〜５７ＦをＯＮにすることにより図４に実線の矢印で示す方向に燃料ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を直列接続とする。その結果、燃料ガス供給装置６７から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、燃料ガス配管５５により最上流の燃料電池スタック５１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５７Ａ、直列接続用の燃料ガス配管５９、切換弁５７Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。続いて、燃料電池スタック５２で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５２の出口側から出た後、切換弁５７Ｃ、直列接続用の燃料ガス配管６０、切換弁５７Ｄを流れて更に下流の燃料電池スタック５３へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った燃料ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５７Ｅ、直列接続用の燃料ガス配管６１、切換弁５７Ｆを流れて最下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。最後に、燃料電池スタック５４で発電に利用されずに余った燃料ガスは、燃料電池スタック５４の出口側から燃料ガス配管５５を介して排出される。
【００６１】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、第２の低発電量運転状態では、切換弁５８Ａ〜５８ＦをＯＮにすることにより図４に実線の矢印で示す方向に酸化ガスが流れるようにして、燃料電池スタック５１〜５４を直列接続とする。その結果、酸化ガス供給装置６８から送給される燃料ガスは、まず、全量とも、酸化ガス配管５６により最上流の燃料電池スタック５１に供給され、ここで発電に利用される。その後、燃料電池スタック５１で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５１の出口側から出た後、切換弁５８Ａ、直列接続用の酸化ガス配管６２、切換弁５８Ｂを流れて下流の燃料電池スタック５２へ供給され、ここで発電に利用される。続いて、燃料電池スタック５２で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５２の出口側から出た後、切換弁５８Ｃ、直列接続用の酸化ガス配管６３、切換弁５８Ｄを流れて更に下流の燃料電池スタック５３へ供給され、ここで発電に利用される。次に、燃料電池スタック５３で発電に利用されずに残った酸化ガスは、燃料電池スタック５３の出口側から出た後、切換弁５８Ｅ、直列接続用の酸化ガス配管６４、切換弁５８Ｆを流れて最下流の燃料電池スタック５４へ供給され、ここで発電に利用される。最後に、燃料電池スタック５４で発電に利用されずに余った酸化ガスは、燃料電池スタック５４の出口側から酸化ガス配管５６を介して排出される。
【００６２】
以上のように、本実施の形態３によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統における４体の燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、切換弁５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆにより、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時（第１の低発電量運転時、第２の低発電量運転時）には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００６３】
即ち、第１の低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、燃料電池スタック５１〜５４の全部に並列に流れるのではなく、一部（燃料電池スタック５１，５２の間と燃料電池スタック５３，５４の間）で直列に流れるため、並列に流れる場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック５１〜５４へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック５１〜５４内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００６４】
また、第２の低発電量運転時には、燃料ガス及び酸化ガスが、直列に流れて燃料電池スタック５１〜５４に順次供給されるため、並列に供給する場合や並列と直列を組み合わせて供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池スタック５１〜５４へのガス供給量を多くすることができる。このため、燃料ガス及び酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガスや酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池スタック５１〜５４内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００６５】
従って、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。しかも、本実施の形態３では、燃料電池スタック５１〜５４の接続状態を、並列から直ぐに直列に切り換えるのではなく、並列、並列と直列の組み合わせ、直列の順に段階的に切り換えていくため、ガス流量の低下に応じて切り換わることになり、接続切り換え時の圧力損失の変動（増加）を低減できてコンプレッサなどの燃料ガス供給装置６７や酸化ガス供給装置６８における各機器への負担を低減することができるなど、より円滑で高性能な運転を行うことができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態１〜３では、２〜４体の燃料電池スタックを有する燃料電池発電システムについて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は５体以上の燃料電池スタックを有する燃料電池発電システムにも適用することができる。特に、燃料電池スタックの数が多い場合には、並列と直列の組み合わせも、段階的に切り換えていくようにしてもよい。例えば６体の燃料電池スタックを有する場合には、発電量の低下に応じて、はじめは２体づつ直列にし、その後、３体づつ直列にすることもできる。
【００６７】
また、上記実施の形態１〜３では、燃料ガス供給系統側と酸化ガス供給系統側の両方とも、運転状態に応じて燃料電池スタックの接続を切り換えているが、必ずしもこれに限定するものではなく、例えば燃料ガス供給系統側のみ、運転状態に応じて燃料電池スタックの接続を切り換えるようにしてもよい。
【００６８】
＜実施の形態４＞
図５は本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成図である。本実施の形態４は燃料電池スタックの運転本数を発電量の低下（燃料ガス及び酸化ガスの供給流量の低下）に応じて３本、２本、１本と順次低減する場合の例である。
【００６９】
詳述すると、図５に示すように、本実施の形態４の燃料電池発電システムでは３体の燃料電池スタック（セルスタック）７１，７２，７３を有しており、これらの燃料電池スタック７１，７２，７３が、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統において燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により並列に接続されている。燃料電池スタック７１，７２，７３としては、例えばイオン交換樹脂膜を電解質膜として用い、この電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んだ構造の単セルを、多数積層してなる固体高分子型のものを用いる。
【００７０】
燃料ガス供給系統側において、燃料電池スタック７１，７２，７３の入口側（図中左側）では、１本の燃料ガス配管７４が分岐部７４ａで３本の燃料ガス配管７４に分岐して燃料電池スタック７１，７２，７３にそれぞれ接続されており、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側（図中右側）では、各々の燃料電池スタック７１，７２，７３に接続された３本の燃料ガス配管７４が合流部７４ｂで１本の燃料ガス配管７４に合流している。そして、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの入口と燃料ガス配管分岐部７４ａとの間、及び、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの出口と燃料ガス配管合流部７４ｂとの間には、接続遮断手段としての遮断弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７６Ｄ，７６Ｅ，７６Ｆがそれぞれ設けられている。
【００７１】
酸化ガス供給系統側についても燃料ガス供給系統側と同様であり、燃料電池スタック７１，７２，７３の入口側では、１本の酸化ガス配管７５が分岐部７５ａで３本の燃料ガス配管７５に分岐して燃料電池スタック７１，７２，７３に接続されており、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側では、各々の燃料電池スタック７１，７２，７３に接続された３本の酸化ガス配管７５が合流部７５ｂで１本の酸化ガス配管７５に合流している。そして、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの入口と燃料ガス配管分岐部７５ａとの間、及び、燃料電池スタック７１，７２，７３のそれぞれの出口と燃料ガス配管合流部７５ｂとの間には、接続遮断手段としての遮断弁７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ，７７Ｄ，７７Ｅ，７７Ｆがそれぞれ設けられている。
【００７２】
遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉制御、即ち、燃料電池スタック７１，７２，７３の接続遮断制御は、接続遮断制御装置８２によって行う。接続遮断制御装置８２では、運転状態検出器８３の検出信号に基づいて遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉制御を行うことにより、高発電量運転状態から低発電量運転状態へと発電量が低下するのに応じて、即ち、発電量の低下に応じた燃料ガスや酸化ガスの供給流量の低下に応じて、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転本数を順次低減する（詳細後述）。
【００７３】
運転状態検出器８３では燃料電池スタック７１，７２，７３によって発電される発電量を検出し、この発電量検出値が、第１の所定発電量よりも大きい場合には高発電量運転状態であると判断し、第１の所定発電量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態（中発電量運転状態）であると判断し、更に、第１の所定発電量より小さい第２の所定発電量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断する。なお、運転状態検出器８３としては発電量を直接検出するものに限らず、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転状態を検出することができるものであればよい。例えば、燃料ガス供給装置８４から供給される燃料ガスの流量や酸化ガス供給装置８５から供給される酸化ガスの流量を流量検出器によって検出し、この流量検出値と、第１の所定流量及びこの第１の所定流量よりも小さい第２の所定流量とを比較して、第１の所定流量よりも小さい場合には第１の低発電量運転状態、第２の所定流量よりも小さい場合には第２の低発電量運転状態であると判断するようにしてもよい。なお、接続遮断制御の具体的な設定値については、燃料電池スタック７１，７２，７３の並列運転を継続した場合の過剰ガス量の増加状況などから適宜設定すればよい。
【００７４】
ここで、遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆの開閉状態と、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転状態（接続遮断状態）との関係について、図５に示した矢印に基づき具体的に説明する。図５には各運転状態での燃料電池スタック７１，７２，７３に対するガスの流れを、それぞれ実線の矢印と点線の矢印と二点鎖線の矢印とで示している。なお、図５中に一点鎖線で示す矢印は入口側及び出口側の共通部における全体のガス流れ方向を示している。
【００７５】
高発電量運転状態では、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の出入口の遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆを全て開けることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３とも運転（発電）させる。この場合、燃料改質器などからなる燃料ガス供給装置８４から供給される燃料ガス（水素、又は、メタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス等）及びコンプレッサなどからなる酸化ガス供給装置８５から供給される酸化ガス（酸素又は空気等）は、図５に実線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により分岐されて３本の燃料電池スタック７１，７２，７３に同量づつ分配される。燃料電池スタック７１，７２，７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７１，７２，７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７６】
一方、第１の低発電量運転状態では、燃料電池スタック７１の出入口の遮断弁７６Ａ，７６Ｂ，７７Ａ，７７Ｂを閉めて燃料電池スタック７１への燃料ガス及び酸化ガスの供給は遮断し、燃料電池スタック７２，７３の出入口の遮断弁７６Ｃ〜７６Ｆ，７７Ｃ〜７７Ｆは開けたままにして燃料電池スタック７２，７３への燃料ガス及び酸化ガスの供給は継続する。即ち、燃料電池スタック７１の運転（発電）を停止し、燃料電池スタック７２，７３だけを運転（発電）させて、燃料電池スタックの運転本数を２本に低減する。この場合、燃料ガス供給装置８４及び酸化ガス供給装置８５から供給される燃料ガス及び酸化ガスは、図５に点線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５により分岐されて２本の燃料電池スタック７２，７３に同量づつ分配される。燃料電池スタック７２，７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７２，７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７７】
次に、第２の低発電量運転状態では、燃料電池スタック７１，７２の出入口の遮断弁７６Ａ〜７６Ｄ，７７Ａ〜７７Ｄを閉めて燃料電池スタック７１，７２への燃料ガス及び酸化ガスの供給を遮断し、燃料電池スタック７３の出入口の遮断弁７６Ｃ〜７６Ｆ，７７Ｃ〜７７Ｆは開けたままにして燃料電池スタック７３への燃料ガス及び酸化ガスの供給は継続する。即ち、燃料電池スタック７１，７２の運転（発電）を停止し、燃料電池スタック７３だけを運転（発電）させて、燃料電池スタックの運転本数を１本に低減する。この場合、燃料ガス供給装置８４及び酸化ガス供給装置８５からの燃料ガス及び酸化ガスは、図５に２点鎖線の矢印で示すように燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して１本の燃料電池スタック７３にのみ供給される。燃料電池スタック７３において発電に利用されずに余った燃料ガス及び酸化ガスは、燃料電池スタック７３の出口側から、燃料ガス配管７４及び酸化ガス配管７５を介して排出される。
【００７８】
つまり、例えば各燃料電池スタック７１，７２，７３における燃料ガス及び酸化ガスの適正流量が１とすると、発電量の低下（燃料ガス及び酸化ガスの全体の供給流量の低下）に応じて次のように燃料電池スタックの運転本数を順次低減する。
【００７９】
（１）高発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が２〜３の時）には、燃料電池スタック７１，７２，７３の３本で運転（発電）する。
（２）第１の低発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が１〜２の時）には、燃料電池スタック７１の１本を遮断し、燃料電池スタック７２，７３の２本で運転（発電）する。
（３）第２の低発電量運転時（燃料ガス及び酸化ガスの全体流量が０〜１の時）には、燃料電池スタック７１，７２の２本を遮断し、燃料電池スタック７３の１本で運転（発電）する。
【００８０】
また、接続遮断制御装置８２では、上記のような運転によって特定の燃料電池スタックに負担が集中しないようにするため、第１の低発電量運転状態及び第２の低発電量運転状態において遮断する燃料電池スタックを所定の運転時間ごとに切り換えることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の運転時間を合わせる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態４によれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統において並列に接続された３本の燃料電池スタック７１，７２，７３に対し、高発電量運転状態から低発電量運転状態への発電量の低下に応じて燃料ガス及び酸化ガスの供給流量が低下するのに応じて、遮断弁７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆにより燃料ガス及び酸化ガスの供給を順次遮断することによって、燃料電池スタック７１，７２，７３の運転本数を順次低減するようにしたため、次のような効果が得られる。
【００８２】
即ち、第１及び第２の低発電量運転時において燃料電池スタックに供給される燃料ガス及び酸化ガスの流量低下を抑えることができるため、従来のような燃料ガスや酸化ガスの供給流量低下に起因する排水能力の低下や、燃料電池スタック内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態において高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００８３】
また、第１及び第２の低発電量運転時に遮断する燃料電池スタックを所定の運転時間ごとに切り換えることにより、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３の運転時間を合わせるようにしたことによって、特定の燃料電池スタックに負担が集中しないようにすることができるため、特定の燃料電池スタックだけが先に劣化してしまうことなどを防止することができる。
【００８４】
なお、上記実施の形態４では、３本の燃料電池スタック７１，７２，７３を並列接続した燃料電池発電システムについて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は２本又は４本以上の燃料電池スタックを並列接続した燃料電池発電システムにも適用することができる。
【００８５】
また、上記実施の形態４では、発電量の低下に応じて燃料ガス及び酸化ガスの両方の供給を順次遮断しているが、必ずしもこれに限定するものではなく、燃料ガス及び酸化ガスの何れか一方の供給だけを、発電量の低下（ガス供給流量の低下）に応じて順次遮断するようにしてもよい。例えば、燃料ガス供給装置８４では発電量の低下に応じて全体の燃料ガス供給量を低下させる一方、酸化ガス供給装置８５では発電量の増減にかかわらず全体の酸化ガス供給流量を一定にするようにした場合には、燃料電池スタック７１，７２，７３に対し、発電量の低下（燃料ガスの全体の供給流量の低下）に応じて、燃料ガスだけを順次遮断し、酸化ガスについては運転を停止した燃料電池スタックにも流すようにしてもよい。
【００８６】
また、上記実施の形態１〜４では燃料電池本体として固体高分子型のセルスタックを備えた場合について説明したが、必ずしもこれに限定するものではなく、本発明は他の形式の燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムにも広く適用することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の燃料電池発電システムの運転方法又は第３発明の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には直列に切り換えて運転するため、低発電量運転時には、燃料ガス又は酸化ガスが、直列に流れて燃料電池本体に順次供給されるため、並列に供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となり、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。
【００８８】
また、第２発明の燃料電池発電システムの運転方法又は第４発明の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス供給系統及び酸化ガス供給系統の何れか一方又は両方における前記複数の燃料電池本体の接続状態を、接続切換手段により、高発電量運転時には並列に、低発電量運転時には発電量の低下に応じて、並列と直列の組み合わせ、直列に順次切り換えて運転するため、低発電量運転時において次のような効果が得られる。
【００８９】
並列と直列の組み合わせにしたときには、燃料電池本体の全部に並列に流れるのではなく、一部の燃料電池本体で直列に流れるため、並列に流れる場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、従来のように燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。直列にしたときには、燃料ガス又は酸化ガスが、直列に流れて複数の燃料電池本体に順次供給されるため、並列に供給する場合や並列と直列を組み合わせて供給する場合に比べて、全体のガス供給量は同じでも、各燃料電池本体へのガス供給量を多くすることができる。このため、燃料ガス又は酸化ガスを過剰に流すことなく、燃料ガス又は酸化ガスによる排水能力の劣化や、燃料電池本体内の作動圧力の低下を防止することが可能となる。
【００９０】
従って、全ての発電量運転状態においてほぼ一定の高いガス利用効率で発電することができる。また、ガス利用効率の向上は消費資源の無駄を無くすことにもなる。しかも、燃料電池本体の接続状態を、並列から直ぐに直列に切り換えるのではなく、並列、並列と直列の組み合わせ、直列の順に段階的に切り換えていくため、ガス流量の低下に応じて切り換わることになり、接続切り換え時の圧力損失の変動（増加）を低減できてコンプレッサなどの燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置における各機器への負担を低減することができるなど、より円滑で高性能な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】低発電量運転時に並列運転から直列運転に切り換えた場合と切り換えない場合の燃料ガス供給量の比較を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成図である。
【図６】複数の燃料電池スタックを有する従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【図７】燃料電池発電システムにおける発電量（発電の電流密度）と燃料ガスの供給量との関係を示すである。
【符号の説明】
１１，１２燃料電池スタック
１３燃料ガス配管
１３ａ分岐部
１３ｂ合流部
１４酸化ガス配管
１４ａ分岐部
１４ｂ合流部
１５燃料ガス供給装置
１６酸化ガス供給装置
１７直列接続用の燃料ガス配管
１８直列接続用の酸化ガス配管
１９Ａ，１９Ｂ，２０Ａ，２０Ｂ切換弁
２１接続切換制御装置
２２運転状態検出器
３１，３２，３３燃料電池スタック
３４燃料ガス配管
３４ａ分岐部
３４ｂ合流部
３５酸化ガス配管
３５ａ分岐部
３５ｂ合流部
３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄ切換弁
３８，３９直列接続用の燃料ガス配管
４０，４１直列接続用の酸化ガス配管
４２接続切換制御装置
４３運転状態検出器
４４燃料ガス供給装置
４５酸化ガス供給装置
５１〜５４燃料電池スタック
５５燃料ガス配管
５５ａ分岐部
５５ｂ合流部
５６酸化ガス配管
５６ａ分岐部
５６ｂ合流部
５７Ａ〜５７Ｆ，５８Ａ〜５８Ｆ切換弁
５９，６０，６１直列接続用の燃料ガス配管
６２，６３，６４直列接続用の酸化ガス配管
６５接続切換制御装置
６６運転状態検出器
６７燃料ガス供給装置
６８酸化ガス供給装置
７１，７２，７３燃料電池スタック
７４燃料ガス配管
７４ａ分岐部
７４ｂ合流部
７５酸化ガス配管
７５ａ分岐部
７５ｂ合流部
７６Ａ〜７６Ｆ，７７Ａ〜７７Ｆ遮断弁
８２接続遮断制御装置
８３運転状態検出器
８４燃料ガス供給装置
８５酸化ガス供給装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell power generation system, power is generated by supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the fuel electrode side and the oxygen electrode side of a fuel cell main body (cell stack or the like) to cause an electrochemical reaction. And in order to increase the electric power generation amount of the whole fuel cell power generation system at this time, a some fuel cell main body is provided.
[0003]
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell stacks. FIG. 6 exemplifies a case where two fuel cell stacks (cell stacks) 1 and 2 are provided as a fuel cell body, and these fuel cell stacks 1 and 2 are connected in parallel by a fuel gas pipe 3. The fuel gas supplied from the fuel gas supply device 5 is branched by the fuel gas pipe 3 as shown by the solid line arrow in FIG. 6, and the fuel cell stack 1 and the fuel cell stack 2 are arranged in parallel in the same amount. It comes to supply. The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and the fuel cell stacks 1 and 2 are connected in parallel by the oxidant gas pipe 4, and the oxidant gas fed from the oxidant gas supply device 6 is As shown by the dotted arrows in FIG. 6, the gas is branched by the oxidizing gas pipe 4 and supplied in parallel to the fuel cell stack 1 and the fuel cell stack 2 in the same amount.
[0004]
The remaining fuel gas and oxidizing gas that are not used for power generation in the fuel cell stacks 1 and 2 pass through the fuel gas pipe 3 and the oxidizing gas pipe 4 from the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 1 and 2. Discharged.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 7 shows the relationship between the power generation amount (current density of power generation) in the fuel cell power generation system and the supply amount of fuel gas. In the operation of the fuel cell power generation system, when the power generation amount becomes small, FIG. As shown by the solid line, it is ideal to operate so that the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stacks 1 and 2 is also reduced in proportion to the decrease in the amount of power generation. Although not shown, it is ideal to operate the oxidant gas so as to decrease the supply amount of the oxidant gas to the fuel cell stacks 1 and 2 in proportion to the decrease in the power generation amount.
[0006]
However, at the same time, the fuel gas and the oxidizing gas also have a role of draining excess water in the fuel cell stacks 1 and 2 that deteriorates the power generation performance. Therefore, the decrease in the fuel gas and the oxidizing gas leads to a decrease in the drainage capacity. As a result, it becomes a factor which reduces electric power generation performance. That is, there is water produced by the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas on the oxygen electrode side of the fuel cell stacks 1 and 2 and condensed water vapor supplied together with the oxidizing gas, along with the fuel gas on the fuel electrode side. Condensed water of the supplied steam exists, but if these surplus water cannot be drained, they become resistance and hinder the flow of fuel gas and oxidant gas, leading to a decrease in power generation performance. End up. Further, the decrease in the flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas flow is caused by the decrease in the pressure loss in the fuel cell stacks 1 and 2, the inlet pressure of the fuel cell stacks 1 and 2 decreases, and the operating pressure in the fuel cell stacks 1 and 2. Since the (average gas pressure in the fuel cell stacks 1 and 2) is lowered, the voltage is lowered as is apparent from the Nernst equation. In other words, this is also a factor that reduces the power generation performance.
[0007]
Therefore, at the time of low power generation operation, in order to obtain a desired power generation amount, as shown by a dotted line in FIG. 7, the amount of fuel gas or oxidizing gas is larger than the amount proportional to the power generation amount (ideal amount shown by the solid line in FIG. 7). Therefore, there is a disadvantage that the efficiency of using these gases is reduced. This tendency becomes more prominent as the power generation amount (gas flow rate) becomes lower as shown in FIG. For example, 80% gas utilization efficiency during high power generation operation is 50% or less during low power generation operation.
[0008]
Therefore, in view of the above circumstances, the present invention has an operation method for a fuel cell power generation system that can maintain high gas utilization efficiency even during low power generation operation when a plurality of fuel cell bodies (cell stacks, etc.) are provided. It is an object to provide a fuel cell power generation system.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The operation method of the fuel cell power generation system of the first invention that solves the above problem is an operation method of a fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell main bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is switched by the connection switching means in parallel during high power generation operation and in series during low power generation operation. It is characterized by doing.
[0010]
The operation method of the fuel cell power generation system of the second invention is an operation method of the fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell main bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidant gas,
The connection state of the plurality of fuel cell main bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is reduced in parallel during high power generation operation and reduced in power generation during low power generation operation. Accordingly, it is characterized in that the operation is performed by sequentially switching to a combination of parallel and series.
[0013]
The second 3 The fuel cell power generation system of the invention is a fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell main bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is switched by the connection switching means in parallel during high power generation operation and in series during low power generation operation. It is characterized by having constituted so.
[0014]
The second 4 The fuel cell power generation system of the invention is a fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell main bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell main bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is reduced in parallel during high power generation operation and reduced in power generation during low power generation operation. Accordingly, the present invention is characterized in that it is configured to operate by switching in parallel and in series in parallel and in series.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell power generation system of the first embodiment has two fuel cell stacks (cell stacks) 11 and 12, and these fuel cell stacks 11 and 12 are fuel gas pipes 13. And an oxidant gas pipe 14. As the fuel cell stacks 11 and 12, for example, an ion exchange resin membrane is used as an electrolyte membrane, and a solid polymer type in which a large number of single cells having a structure in which the electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked. Is used.
[0019]
On the fuel gas supply system side, on the inlet side (left side in the figure) of the fuel cell stacks 11 and 12, one fuel gas pipe 13 branches into two fuel gas pipes 13 at a branch portion 13a, and the fuel cell stack 11 , 12 and two fuel gas pipes 13 connected to each of the fuel cell stacks 11, 12 are connected to each other at a junction 13b on the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 11, 12. The fuel gas piping 13 is joined. A switching valve (three-way valve) serving as connection switching means is provided between the outlet of the fuel cell stack 11 and the fuel gas pipe junction 13b and between the inlet of the fuel cell stack 12 and the fuel gas pipe branch 13a. ) 19A and 19B are provided, and these switching valves 19A and 19B are connected by a fuel gas pipe 17 for series connection.
[0020]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. On the inlet side of the fuel cell stacks 11 and 12, one oxidant gas pipe 14 is branched into two fuel gas pipes 14 at a branch portion 14a. Are connected to the fuel cell stacks 11 and 12, respectively. On the outlet side of the fuel cell stacks 11 and 12, two oxidant gas pipes 14 connected to the fuel cell stacks 11 and 12 are connected to each other at a junction 14b. It joins the main oxidizing gas pipe 14. A switching valve (three-way valve) serving as connection switching means is provided between the outlet of the fuel cell stack 11 and the oxidant gas pipe junction 14b, and between the inlet of the fuel cell stack 12 and the oxidant gas pipe branch 13a. ) 20A and 20B are provided, and the switching valves 20A and 20B are connected by an oxidation gas pipe 18 for series connection.
[0021]
The connection switching control device 21 performs ON / OFF control of the switching valves 19A, 19B, 20A, 20B, that is, connection switching control of the fuel cell stacks 11, 12. In other words, the connection switching control device 21 performs ON / OFF control of the switching valves 19A, 19B, 20A, and 20B based on the detection signal of the operation state detector 22, so that the fuel cell stacks 11 and 12 are operated during high power generation operation. Are connected in parallel, and the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in series during low power generation operation (details will be described later).
[0022]
The operation state detector 22 detects the amount of power generated by the fuel cell stacks 11 and 12, and determines that the power generation amount detected value is a high power generation amount operation state when the power generation amount detection value is larger than a predetermined power generation amount. When the power generation amount is smaller than the predetermined power generation amount, it is determined that the low power generation amount operation state is set. The operation state detector 22 is not limited to the one that directly detects the power generation amount, but may be any device that can detect the operation state of the fuel cell stacks 11 and 12. For example, the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 15 or the flow rate of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 16 is detected by a flow rate detector, and the detected flow rate is equal to or higher than a predetermined flow rate. Depending on whether there is a high power generation amount operating state or a low power generation amount operating state, it may be determined. In addition, what is necessary is just to set suitably about the specific setting value of connection switching from the increase condition of the excess gas amount at the time of continuing a parallel operation.
[0023]
Here, regarding the relationship between the operating state of the fuel cell stacks 11 and 12, the operating state of the switching valves 19A, 19B, 20A and 20B, and the connection state of the fuel cell stacks 11 and 12 (gas flow state between the stacks), A specific description will be given based on the arrows shown in FIG. FIG. 1 shows the direction of gas flow in each switching valve 19A, 19B, 20A, 20B when the operation of each switching valve 19A, 19B, 20A, 20B is ON and OFF, respectively, as a solid line arrow and a dotted line arrow. It shows with. In addition, the arrow shown with a dashed-dotted line in FIG. 1 is the whole gas flow direction in a gas inlet and a gas outlet, and the gas flow direction in each fuel cell stack.
[0024]
In the high power generation amount operating state, the switching valves 19A and 19B are turned OFF so that the fuel gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. 1 so that the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in parallel. As a result, the fuel gas (hydrogen or a hydrogen rich gas obtained by reforming a fuel such as methanol) fed from the fuel gas supply device 15 including a fuel reformer is branched by the fuel gas pipe 13. Then, the same amount is supplied in parallel to the fuel cell stack 11 and the fuel cell stack 12. The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and in the high power generation amount operation state, the switching valves 19A and 19B are turned off so that the oxidant gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. Thus, the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in parallel. As a result, the oxidizing gas (oxygen, air, or the like) fed from the oxidizing gas supply device 16 such as a compressor is branched by the oxidizing gas pipe 14 and is parallel to the fuel cell stack 11 and the fuel cell stack 12 in the same amount. To be supplied.
[0025]
The remaining fuel gas and oxidizing gas that are not used for power generation in the fuel cell stacks 11 and 12 are discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 11 and 12 through the fuel gas pipe 13 and the oxidizing gas pipe 14.
[0026]
On the other hand, in the low power generation amount operating state, the switching valves 19A and 19B are turned on so that the fuel gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. As a result, the entire amount of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 15 is first supplied to the upstream fuel cell stack 11 through the fuel gas pipe 13 and used for power generation. Thereafter, the fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 11 exits from the outlet side of the fuel cell stack 11, and then flows through the switching valve 19A, the fuel gas pipe 17 for series connection, and the switching valve 19B. It is supplied to the fuel cell stack 12 on the downstream side, where it is used for power generation. The excess fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 12 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 12 through the fuel gas pipe 13.
[0027]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and in the low power generation amount operation state, by turning on the switching valves 20A and 20B, the oxidant gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. Thus, the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in series. As a result, all the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 16 is first supplied to the upstream fuel cell stack 11 via the oxidizing gas pipe 14 and used for power generation. Thereafter, the remaining oxidizing gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 11 flows out of the outlet side of the fuel cell stack 11, and then flows through the switching valve 20A, the oxidizing gas pipe 18 for series connection, and the switching valve 20B. It is supplied to the fuel cell stack 12 on the downstream side, where it is used for power generation. Excess oxidizing gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 12 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 12 through the oxidizing gas pipe 14.
[0028]
As described above, according to the first embodiment, the connection state of the two fuel cell stacks 11 and 12 in the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system is increased by the switching valves 19A, 19B, 20A, and 20B. Since the operation is switched in parallel during the power generation operation and in series during the low power generation operation, the following effects can be obtained.
[0029]
That is, at the time of low power generation operation, since the fuel gas and the oxidizing gas flow in series and are sequentially supplied to the fuel cell stacks 11 and 12, even if the total gas supply amount is the same as compared with the case of supplying in parallel, The amount of gas supply to each fuel cell stack 11, 12 can be increased. For this reason, it becomes possible to prevent deterioration of the drainage capacity due to the fuel gas and the oxidizing gas and the decrease in the operating pressure in the fuel cell stacks 11 and 12 without flowing the fuel gas and the oxidizing gas excessively as in the prior art. Thus, it is possible to generate power with almost constant high gas utilization efficiency in all power generation amount operating states. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources.
[0030]
For example, the gas flow rate of each part of the fuel gas supply system is shown by numerical values in FIG. 1 (however, these numerical values do not represent actual flow rates, For convenience). In the case of parallel operation, if the total fuel gas supply amount is 10, as indicated by the numbers in parentheses, the fuel cell stack 11 and the fuel cell stack 12 each have 5 amounts of fuel gas. For example, 4 (a value corresponding to the amount of power required for the fuel cell stack) is used for power generation, and the remainder (total 2) is discharged. On the other hand, in the case of series operation, if the total fuel gas supply amount is 10, as shown in the numerical values described outside the parentheses, 10 fuel gas amounts are supplied to the upstream fuel cell stack 11 as they are. Here, after 4 of 10 are used for power generation, the remaining 6 is supplied to the fuel cell stack 12 on the downstream side. In the fuel cell stack 12 on the downstream side, 4 of the fuel gas supply amount 6 is used for power generation, and the remaining 2 is discharged (utilization efficiency 80%).
[0031]
Thus, even if the total gas supply amount is the same, the fuel gas amount supplied to the fuel cell stacks 11 and 12 can be increased if the gas supply units are connected in series as compared with the case where the gas supply units are connected in series. Actually, when parallel operation is performed at the time of low power generation amount operation, the total fuel gas supply amount is set to 10 in order to compensate for deterioration in power generation performance due to a decrease in drainage capacity and operating pressure in the fuel cell stacks 11 and 12. Instead, for example, it is necessary to supply 12 to each fuel cell stack 11 and 12 by supplying 12 (oversupply). In this case, if the power generation amount is the same, the consumption amount of the fuel gas is 8, so the remainder is 4, so the utilization efficiency of the fuel gas is reduced to 66%. The same applies to the oxidizing gas supply system.
[0032]
FIG. 2 shows a comparison of the fuel gas supply amount when the fuel cell power generation system having two fuel cell stacks is switched from parallel operation to serial operation during low power generation operation and when it is not switched. As shown in the figure, when switching from parallel operation to series operation during low power generation operation where the power generation amount is W or less (dotted line in the figure), when parallel operation is continued (dotted line in the figure) Compared with, the excess gas amount decreased, approaching the ideal fuel gas supply amount (solid line in the figure), and the fuel gas utilization efficiency was improved. Although not shown, the same applies to the oxidizing gas supply system.
[0033]
Although it is conceivable that the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in series in all the power generation amount operation states, when the fuel cell stacks 11 and 12 are connected in series, the whole operation in the high power generation amount operation state is more than that in the parallel operation. The pressure loss becomes extremely large. That is, in the case of series, the overall pressure loss increases compared to the case of parallel, but this increase in pressure loss becomes extremely large particularly during high power generation operation with a large gas flow rate. Therefore, in order to make it in series even during high power generation operation, it is necessary to increase the power of each device in the fuel gas supply device 15 and the oxidizing gas supply device 16 such as a compressor, resulting in an increase in system size and cost. End up. For this reason, parallel operation is performed during high power generation operation, and series switching is performed during low power generation operation. During low power generation operation, the total gas supply amount is reduced, and the increase in pressure loss is small, so that it is possible to cope with a slight increase in the gas supply pressure (inlet pressure of the fuel cell stack 11). .
[0034]
<Embodiment 2>
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention. The second embodiment is an example in which the connection state of the three fuel cell stacks is switched from parallel to series according to the amount of power generation.
[0035]
More specifically, as shown in FIG. 3, the fuel cell power generation system according to Embodiment 2 has three fuel cell stacks (cell stacks) 31, 32, and 33, and these fuel cell stacks 31, 32 and 33 are connected by a fuel gas pipe 34 and an oxidizing gas pipe 35. As the fuel cell stacks 31, 32, 33, for example, an ion exchange resin membrane is used as an electrolyte membrane, and a solid polymer type obtained by laminating a large number of single cells having a structure in which this electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. Use one.
[0036]
On the fuel gas supply system side, on the inlet side (left side in the figure) of the fuel cell stacks 31, 32, 33, one fuel gas pipe 34 is branched into three fuel gas pipes 34 at a branch portion 34a, and the fuel cell. Three fuel gases connected to each of the fuel cell stacks 31, 32, 33 are connected to the stacks 31, 32, 33, respectively, and on the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 31, 32, 33. The pipe 34 is joined to one fuel gas pipe 34 at the junction 34b. Then, between the outlet of the fuel cell stack 31 and the fuel gas pipe junction 34b, between the inlet of the fuel cell stack 32 and the fuel gas pipe branch 34a, and between the outlet of the fuel cell stack 32 and the fuel gas pipe junction 34b, Switching valves (three-way valves) 36A, 36B, 36C, 36D as connection switching means are respectively provided between the inlet of the fuel cell stack 33 and the fuel gas pipe branching portion 34a. The valves 36A and 36B are connected by a fuel gas pipe 38 for series connection, and the switching valves 36C and 36D are connected by a fuel gas pipe 39 for series connection.
[0037]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. On the inlet side of the fuel cell stacks 31, 32, 33, one oxidant gas pipe 35 is divided into three fuel gas pipes 35 at the branch portion 35a. Branched and connected to the fuel cell stacks 31, 32, 33, and on the outlet side of the fuel cell stacks 31, 32, 33, three oxidizing gas pipes connected to each fuel cell stack 31, 32, 33 35 merges into one oxidant gas pipe 35 at the merge portion 35b. Then, between the outlet of the fuel cell stack 31 and the oxidizing gas pipe junction 335, between the inlet of the fuel cell stack 32 and the oxidizing gas pipe branch 35a, and between the outlet of the fuel cell stack 32 and the oxidizing gas pipe junction 35b, Switching valves (three-way valves) 37A, 37B, 37C, 37D as connection switching means are respectively provided between the inlet of the fuel cell stack 33 and the oxidizing gas pipe branching portion 35a. The valves 37A and 37B are connected by a fuel gas pipe 40 for series connection, and the switching valves 37C and 37D are connected by a fuel gas pipe 41 for series connection.
[0038]
The connection switching control device 42 performs ON / OFF control of the switching valves 36A to 36D and 37A to 37D, that is, connection switching control of the fuel cell stacks 31, 32, and 33. That is, the connection switching control device 42 performs ON / OFF control of the switching valves 36A to 36D and 37A to 37D based on the detection signal of the operation state detector 43, so that the fuel cell stacks 31 and 32 are operated during high power generation operation. , 33 are connected in parallel, and the fuel cell stacks 31, 32, 33 are connected in series during low power generation operation (details will be described later).
[0039]
The operation state detector 43 detects the amount of power generated by the fuel cell stacks 31, 32, and 33, and if this power generation amount detection value is larger than a predetermined power generation amount, it is determined that the operation state is a high power generation amount operation state. If the power generation amount is smaller than the predetermined power generation amount, it is determined that the operation is in the low power generation amount operating state. The operation state detector 43 is not limited to the one that directly detects the amount of power generation, and any device that can detect the operation state of the fuel cell stacks 31, 32, and 33 may be used. For example, the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 44 or the flow rate of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 45 is detected by a flow rate detector, and this flow rate detection value is greater than or equal to a predetermined flow rate. Depending on whether there is a high power generation amount operating state or a low power generation amount operating state, it may be determined. In addition, what is necessary is just to set suitably about the specific setting value of connection switching from the increase condition of the excess gas amount at the time of continuing a parallel operation.
[0040]
Here, the operating state of the fuel cell stacks 31, 32, 33, the operating state of the switching valves 36A-36D, 37A-37D, the connection state of the fuel cell stacks 31, 32, 33 (gas flow state between the stacks), This relationship will be specifically described based on the arrows shown in FIG. FIG. 3 shows gas flow directions in the switching valves 36A to 36D and 37A to 37D when the operations of the switching valves 36A to 36D and 37A to 37D are ON and OFF, respectively, as solid line arrows and dotted line arrows. Is shown. In addition, the arrow shown with a dashed-dotted line in FIG. 3 is the whole gas flow direction in a gas inlet and a gas outlet, and the gas flow direction in each fuel cell stack.
[0041]
In the high power generation amount operating state, the switching valves 36A to 36D are turned OFF so that the fuel gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. 3 so that the fuel cell stacks 31, 32, and 33 are connected in parallel. As a result, fuel gas (hydrogen-rich gas obtained by reforming fuel such as hydrogen or methanol) fed from the fuel gas supply device 44 including a fuel reformer is branched by the fuel gas pipe 34. Then, the fuel cell stacks 31, 32, 33 are supplied in parallel by the same amount. The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and in the high power generation amount operation state, the oxidant gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. 3 by turning off the switching valves 37A to 37D. Thus, the fuel cell stacks 31, 32, and 33 are connected in parallel. As a result, the oxidant gas (oxygen or air, etc.) fed from the oxidant gas supply device 45 such as a compressor is branched by the oxidant gas pipe 35 and is parallel to the fuel cell stacks 31, 32, 33 in parallel. Supplied.
[0042]
Fuel gas and oxidizing gas remaining in the fuel cell stacks 31, 32, and 33 that are not used for power generation are discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 31, 32, and 33 through the fuel gas pipe 34 and the oxidizing gas pipe 35. Is done.
[0043]
On the other hand, in the low power generation amount operating state, by turning ON the switching valves 36A to 36D, the fuel gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. 3 so that the fuel cell stacks 31, 32, 33 are connected in series. To do. As a result, the entire amount of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 44 is first supplied to the most upstream fuel cell stack 31 through the fuel gas pipe 34 and used for power generation. Thereafter, the fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 31 exits from the outlet side of the fuel cell stack 31, and then flows through the switching valve 36A, the serially connected fuel gas pipe 38, and the switching valve 36B. It is supplied to the downstream fuel cell stack 32, where it is used for power generation. Next, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 32 exits from the outlet side of the fuel cell stack 32, and then flows through the switching valve 36C, the fuel gas pipe 39 for series connection, and the switching valve 36D. Is supplied to the fuel cell stack 33 on the most downstream side, where it is used for power generation. The excess fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 33 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 33 through the fuel gas pipe 34.
[0044]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and in the low power generation amount operation state, the switching valves 37A to 37D are turned on so that the oxidant gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. Thus, the fuel cell stacks 31, 32, and 33 are connected in series. As a result, all of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 44 is first supplied to the uppermost fuel cell stack 31 through the oxidizing gas pipe 35 and used for power generation. Thereafter, the oxidant gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 31 exits from the outlet side of the fuel cell stack 31, and then flows through the switching valve 37A, the oxidizing gas pipe 40 for series connection, and the switching valve 37B. It is supplied to the downstream fuel cell stack 32, where it is used for power generation. Next, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 32 exits from the outlet side of the fuel cell stack 32 and then flows through the switching valve 37C, the oxidizing gas pipe 41 for series connection, and the switching valve 37D. Is supplied to the fuel cell stack 33 on the most downstream side, where it is used for power generation. Excess oxidizing gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 33 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 33 through the oxidizing gas pipe 35.
[0045]
As described above, according to the second embodiment, the connection state of the three fuel cell stacks 31, 32, and 33 in the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system is changed by the switching valves 36A to 36D and 37A to 37D. Since the operation is switched in parallel at the time of high power generation operation and in series at the time of low power generation operation, the following effects can be obtained as in the case of the first embodiment.
[0046]
That is, at the time of low power generation operation, the fuel gas and the oxidizing gas flow in series and are sequentially supplied to the fuel cell stacks 31, 32, 33, so that the total gas supply amount is the same as compared with the case of supplying in parallel. However, the amount of gas supplied to each fuel cell stack 31, 32, 33 can be increased. For this reason, it is possible to prevent deterioration of the drainage capacity due to the fuel gas or the oxidizing gas and the decrease in the operating pressure in the fuel cell stacks 31, 32, 33 without flowing the fuel gas and the oxidizing gas excessively as in the prior art. Therefore, it is possible to generate power with almost constant high gas utilization efficiency in all power generation amount operating states. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources.
[0047]
<Embodiment 3>
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 3 of the present invention. The third embodiment is an example of a case where the connection state of four fuel cell stacks is switched in parallel, in parallel, in combination with parallel and in series, and sequentially in series.
[0048]
More specifically, as shown in FIG. 1, the fuel cell power generation system according to the third embodiment has four fuel cell stacks (cell stacks) 51, 52, 53, and 54, and these fuel cell stacks. 51 to 54 are connected by a fuel gas pipe 55 and an oxidizing gas pipe 56. As the fuel cell stacks 51 to 54, for example, an ion exchange resin membrane is used as an electrolyte membrane, and a solid polymer type that is formed by laminating a large number of single cells having a structure in which the electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. Is used.
[0049]
On the fuel gas supply system side, on the inlet side (left side in the figure) of the fuel cell stacks 51 to 54, one fuel gas pipe 55 branches into four fuel gas pipes 55 at a branching portion 55a, and the fuel cell stack 51 To 54, and on the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 51 to 54, four fuel gas pipes 55 connected to each of the fuel cell stacks 51 to 54 are connected at the junction 55b. The fuel gas pipe 55 is joined. And between the outlet of the fuel cell stack 51 and the fuel gas pipe junction 55b, between the inlet of the fuel cell stack 52 and the fuel gas pipe branching portion 55a, and between the outlet of the fuel cell stack 52 and the fuel gas pipe junction 55b, Between the inlet of the fuel cell stack 53 and the fuel gas pipe branch 55a, between the outlet of the fuel cell stack 53 and the fuel gas pipe junction 55b, and between the inlet of the fuel cell stack 54 and the fuel gas pipe branch Switching valves (three-way valves) 57A, 57B, 57C, 57D, 57E, and 57F serving as connection switching means are respectively provided between the section 55a and the switching valves 57A and 57B are fuel gas pipes for series connection. 59, the switching valves 57C and 57D are connected by a fuel gas pipe 60 for series connection, and the switching valves 57E and 57F are connected by a fuel gas distribution for series connection. They are connected by 61.
[0050]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. On the inlet side of the fuel cell stacks 51 to 54, one oxidant gas pipe 56 branches into four oxidant gas pipes 56 at a branching portion 56a. Are connected to the fuel cell stacks 51 to 54, and on the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 51 to 54, four oxidizing gas pipes 56 connected to the fuel cell stacks 51 to 54 are provided. The merging portion 56b merges with one oxidizing gas pipe 56. Then, between the outlet of the fuel cell stack 51 and the oxidizing gas pipe junction 56b, between the inlet of the fuel cell stack 52 and the oxidizing gas pipe branch 56a, and between the outlet of the fuel cell stack 52 and the oxidizing gas pipe junction 56b, Between the inlet of the fuel cell stack 53 and the oxidizing gas pipe branching portion 56a, between the outlet of the fuel cell stack 53 and the oxidizing gas pipe junction 56b, and between the inlet of the fuel cell stack 54 and the oxidizing gas pipe branching Switching valves (three-way valves) 58A, 58B, 58C, 58D, 58E, and 58F serving as connection switching means are provided between the unit 56a and the switching valves 58A and 58B, respectively. 62, the switching valves 58C and 58D are connected by an oxidation gas pipe 63 for series connection, and the switching valves 58E and 58F are connected by an oxidation gas distribution for series connection. They are connected to each other by 64.
[0051]
The connection switching control device 65 performs ON / OFF control of the switching valves 57A to 57F and 58A to 58F, that is, connection switching control of the fuel cell stacks 51 to 54. That is, the connection switching control device 65 performs ON / OFF control of the switching valves 57A to 57F and 58A to 58F based on the detection signal of the operation state detector 66, so that the operation state is changed from the high power generation amount operation state to the low power generation. As the state shifts to the quantity operation state, the connection state of the fuel cell stacks 51 to 54 is sequentially switched to a combination of parallel, parallel and series, and in series (details will be described later).
[0052]
The operation state detector 66 detects the amount of power generated by the fuel cell stacks 51 to 54, and determines that the power generation amount is in the high power generation operation state when this power generation amount detection value is larger than the first predetermined power generation amount. When the power generation amount is smaller than the first predetermined power generation amount, it is determined that the first low power generation amount operation state (medium power generation amount operation state) is performed, and the second predetermined power generation amount is smaller than the first predetermined power generation amount. When it is smaller than the amount, it is determined that the second low power generation amount operating state is set. The operation state detector 66 is not limited to one that directly detects the amount of power generation, and any device that can detect the operation state of the fuel cell stacks 51 to 54 may be used. For example, the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 67 and the flow rate of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 68 are detected by a flow rate detector, and this flow rate detection value, the first predetermined flow rate, and this When the flow rate detection value is larger than the first predetermined flow rate when compared with the second predetermined flow rate that is smaller than the first predetermined flow rate, the high power generation amount operating state, and smaller than the first predetermined flow rate May be determined to be in the first low power generation amount operating state, and in the case of being smaller than the second predetermined flow rate, the second low power generation amount operating state is determined. In addition, what is necessary is just to set suitably about the specific setting value of connection switching from the increase condition of the excess gas amount at the time of continuing a parallel operation.
[0053]
Here, regarding the relationship between the operation state of the fuel cell stacks 51 to 54, the operating state of the switching valves 57A to 57F, 58A to 58F, and the connection state of the fuel cell stacks 51 to 54 (gas flow state between the stacks), A specific description will be given based on the arrows shown in FIG. FIG. 4 shows the gas flow directions in the switching valves 57A to 57F and 58A to 58F when the operations of the switching valves 57A to 57F and 58A to 58F are ON and OFF, respectively, as solid line arrows and dotted line arrows. Is shown. In addition, the arrow shown with a dashed-dotted line in FIG. 4 is the whole gas flow direction in a gas inlet and a gas outlet, and the gas flow direction in each fuel cell stack.
[0054]
In the high power generation amount operating state, the switching valves 57A to 57F are turned OFF so that the fuel gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. 4 so that the fuel cell stacks 51 to 54 are connected in parallel. As a result, fuel gas (hydrogen or hydrogen rich gas obtained by reforming fuel such as methanol) fed from the fuel gas supply device 67 including a fuel reformer is branched by the fuel gas pipe 55. Then, the same amount is supplied in parallel to the fuel cell stacks 51 to 54. The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side, and in the high power generation amount operation state, the switching valves 58A to 58F are turned off so that the oxidant gas flows in the direction indicated by the dotted arrows in FIG. Thus, the fuel cell stacks 51 to 54 are connected in parallel. As a result, the oxidizing gas (oxygen, air, or the like) fed from the oxidizing gas supply device 68 such as a compressor is branched by the oxidizing gas pipe 56 and supplied in parallel to the fuel cell stacks 51 to 54 in the same amount. The
[0055]
The remaining fuel gas and oxidizing gas that are not used for power generation in the fuel cell stacks 51 to 54 are discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 51 to 54 through the fuel gas pipe 55 and the oxidizing gas pipe 56.
[0056]
On the other hand, in the first low power generation amount operating state, the switching valves 57A and 57B and the switching valves 57E and 57F are turned on so that the fuel gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. 57D is turned OFF so that the fuel gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. 4, so that the fuel cell stacks 51 and 52 are connected in series, the fuel cell stacks 53 and 54 are also connected in series, and the fuel cell stack 51, 52 and the fuel cell stacks 53 and 54 are connected in parallel. That is, a combination of parallel and series.
[0057]
As a result, the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 67 is first divided into two by the fuel gas pipe 55 and supplied in parallel to the fuel cell stack 51 and the fuel cell stack 53 in parallel. Each is used for power generation. Thereafter, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 51 exits from the outlet side of the fuel cell stack 51, and then flows through the switching valve 57A, the fuel gas pipe 59 for series connection, and the switching valve 57B. The fuel cell stack 52 is supplied downstream and used for power generation. On the other hand, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 53 exits from the outlet side of the fuel cell stack 53, and then flows through the switching valve 57E, the fuel gas pipe 61 for series connection, and the switching valve 57F. It is supplied to the downstream fuel cell stack 54 where it is used for power generation. Fuel gas remaining in the fuel cell stacks 52 and 54 that is not used for power generation is discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 52 and 54 via the fuel gas pipe 55 (joined at the joining portion 55b).
[0058]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. In the first low power generation amount operating state, the switching valves 58A and 58B and the switching valves 58E and 58F are turned on and indicated by solid arrows in FIG. The fuel cell stacks 51 and 52 are connected in series by allowing the oxidizing gas to flow in the direction and turning off the switching valves 58C and 58D so that the oxidizing gas flows in the direction indicated by the dotted arrow in FIG. The fuel cell stacks 53 and 54 are also connected in series, and the fuel cell stacks 51 and 52 and the fuel cell stacks 53 and 54 are connected in parallel. That is, a combination of parallel and series.
[0059]
As a result, the fuel gas supplied from the oxidizing gas supply device 68 is first divided into two by the oxidizing gas pipe 56 and supplied in parallel to the fuel cell stack 51 and the fuel cell stack 53, respectively. Each is used for power generation. Thereafter, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 51 exits from the outlet side of the fuel cell stack 51, and then flows through the switching valve 58A, the oxidizing gas pipe 62 for series connection, and the switching valve 58B. The fuel cell stack 52 is supplied downstream and used for power generation. On the other hand, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 53 flows from the outlet side of the fuel cell stack 53, and then flows through the switching valve 58E, the oxidizing gas pipe 64 for series connection, and the switching valve 58F. It is supplied to the downstream fuel cell stack 54 where it is used for power generation. The remaining oxidizing gas that is not used for power generation in the fuel cell stacks 52 and 54 is discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 52 and 54 via the oxidizing gas pipe 56 (joined at the joining portion 56b).
[0060]
Next, in the second low power generation amount operating state, by switching ON the switching valves 57A to 57F, the fuel gas flows in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. Connect. As a result, the entire amount of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 67 is first supplied to the most upstream fuel cell stack 51 through the fuel gas pipe 55 and used for power generation. Thereafter, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 51 exits from the outlet side of the fuel cell stack 51, and then flows through the switching valve 57A, the fuel gas pipe 59 for series connection, and the switching valve 57B. The fuel cell stack 52 is supplied downstream and used for power generation. Subsequently, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 52 exits from the outlet side of the fuel cell stack 52, and then flows through the switching valve 57C, the serially connected fuel gas pipe 60, and the switching valve 57D. Is further supplied to the fuel cell stack 53 further downstream, where it is used for power generation. Next, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 53 exits from the outlet side of the fuel cell stack 53, and then flows through the switching valve 57E, the fuel gas pipe 61 for series connection, and the switching valve 57F. To the most downstream fuel cell stack 54, where it is used for power generation. Finally, surplus fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 54 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 54 through the fuel gas pipe 55.
[0061]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. In the second low power generation amount operation state, the oxidant gas is turned in the direction indicated by the solid line arrow in FIG. 4 by turning on the switching valves 58A to 58F. So that the fuel cell stacks 51 to 54 are connected in series. As a result, the entire amount of the fuel gas supplied from the oxidizing gas supply device 68 is first supplied to the uppermost fuel cell stack 51 through the oxidizing gas pipe 56 and used here for power generation. Thereafter, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 51 exits from the outlet side of the fuel cell stack 51, and then flows through the switching valve 58A, the oxidizing gas pipe 62 for series connection, and the switching valve 58B. The fuel cell stack 52 is supplied downstream and used for power generation. Subsequently, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 52 exits from the outlet side of the fuel cell stack 52 and then flows through the switching valve 58C, the oxidizing gas pipe 63 for series connection, and the switching valve 58D. Is further supplied to the fuel cell stack 53 further downstream, where it is used for power generation. Next, the oxidizing gas remaining without being used for power generation in the fuel cell stack 53 exits from the outlet side of the fuel cell stack 53, and then flows through the switching valve 58E, the oxidizing gas pipe 64 for series connection, and the switching valve 58F. To the most downstream fuel cell stack 54, where it is used for power generation. Finally, the remaining oxidizing gas that is not used for power generation in the fuel cell stack 54 is discharged from the outlet side of the fuel cell stack 54 through the oxidizing gas pipe 56.
[0062]
As described above, according to the third embodiment, the connection state of the four fuel cell stacks 51 to 54 in the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is increased by the switching valves 57A to 57F and 58A to 58F. In parallel during power generation operation, in parallel during low power generation operation (during the first low power generation operation, during the second low power generation operation), the combination of parallel and series, and sequentially in series according to the decrease in power generation amount Since the operation is switched, the following effects can be obtained.
[0063]
That is, at the time of the first low power generation amount operation, the fuel gas and the oxidizing gas do not flow in parallel to all of the fuel cell stacks 51 to 54, but a part (between the fuel cell stacks 51 and 52 and the fuel cell stack 53). 54), the gas supply amount to each of the fuel cell stacks 51 to 54 can be increased even if the total gas supply amount is the same as compared with the case of flowing in parallel. For this reason, it is possible to prevent deterioration of drainage capacity due to fuel gas and oxidizing gas and decrease in operating pressure in the fuel cell stacks 51 to 54 without excessively flowing fuel gas and oxidizing gas as in the past. Become.
[0064]
Further, during the second low power generation amount operation, the fuel gas and the oxidizing gas flow in series and are sequentially supplied to the fuel cell stacks 51 to 54. Therefore, when supplying in parallel or in combination with parallel and series In contrast, even if the overall gas supply amount is the same, the gas supply amount to each of the fuel cell stacks 51 to 54 can be increased. For this reason, it becomes possible to prevent the drainage capacity from being deteriorated by the fuel gas or the oxidizing gas and the decrease in the operating pressure in the fuel cell stacks 51 to 54 without flowing the fuel gas and the oxidizing gas excessively.
[0065]
Therefore, it is possible to generate power with a substantially constant high gas utilization efficiency in all power generation amount operation states. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources. Moreover, in the third embodiment, the connection state of the fuel cell stacks 51 to 54 is not switched from serial to serial in series, but is switched in stages in the order of parallel, parallel and series, and serial. It will be switched according to the decrease in the flow rate, and the fluctuation (increase) in the pressure loss at the time of connection switching can be reduced, and the burden on each device in the fuel gas supply device 67 such as the compressor and the oxidizing gas supply device 68 is reduced. It is possible to perform a smoother and higher performance operation.
[0066]
In the first to third embodiments, the fuel cell power generation system having 2 to 4 fuel cell stacks has been described. Of course, the present invention is not limited to this, and the present invention includes five or more fuel cell stacks. The present invention can also be applied to a fuel cell power generation system having In particular, when the number of fuel cell stacks is large, the parallel and serial combinations may be switched in stages. For example, in the case of having six fuel cell stacks, two units can be connected in series at first, and then three units can be connected in series, as the power generation amount decreases.
[0067]
In the first to third embodiments, both the fuel gas supply system side and the oxidant gas supply system side switch the connection of the fuel cell stack according to the operating state, but this is not necessarily limited thereto. For example, only the fuel gas supply system side may switch the connection of the fuel cell stack according to the operating state.
[0068]
<Embodiment 4>
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 4 of the present invention. The fourth embodiment is an example in which the number of operating fuel cell stacks is sequentially reduced to 3, 2, and 1 in accordance with a decrease in power generation amount (a decrease in the supply flow rate of fuel gas and oxidizing gas).
[0069]
More specifically, as shown in FIG. 5, the fuel cell power generation system according to Embodiment 4 has three fuel cell stacks (cell stacks) 71, 72, 73, and these fuel cell stacks 71, 72 and 73 are connected in parallel by a fuel gas pipe 74 and an oxidizing gas pipe 75 in the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system. As the fuel cell stacks 71, 72, 73, for example, an ion exchange resin membrane is used as an electrolyte membrane, and a solid polymer type obtained by laminating a large number of single cells having a structure in which the electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. Use one.
[0070]
On the fuel gas supply system side, on the inlet side (left side in the figure) of the fuel cell stacks 71, 72, 73, one fuel gas pipe 74 is branched into three fuel gas pipes 74 at a branch portion 74a. Three fuel gases connected to each of the fuel cell stacks 71, 72, 73 are connected to the respective fuel cell stacks 71, 72, 73 on the outlet side (right side in the figure) of the fuel cell stacks 71, 72, 73. The pipe 74 is joined to one fuel gas pipe 74 at the junction 74b. And between the respective inlets of the fuel cell stacks 71, 72, 73 and the fuel gas pipe branch 74a, and between the respective outlets of the fuel cell stacks 71, 72, 73 and the fuel gas pipe junction 74b. Are provided with shut-off valves 76A, 76B, 76C, 76D, 76E, and 76F as connection shut-off means, respectively.
[0071]
The oxidant gas supply system side is the same as the fuel gas supply system side. On the inlet side of the fuel cell stacks 71, 72, 73, one oxidant gas pipe 75 is divided into three fuel gas pipes 75 at the branch portion 75a. Branched and connected to the fuel cell stacks 71, 72, 73, and on the outlet side of the fuel cell stacks 71, 72, 73, three oxidizing gas pipes connected to the fuel cell stacks 71, 72, 73, respectively. 75 joins one oxidant gas pipe 75 at a junction 75b. And between each inlet of the fuel cell stacks 71, 72, 73 and the fuel gas pipe branching portion 75a, and between each outlet of the fuel cell stacks 71, 72, 73 and the fuel gas piping junction 75b. Are provided with shut-off valves 77A, 77B, 77C, 77D, 77E and 77F as connection shut-off means.
[0072]
Open / close control of the shutoff valves 76A to 76F and 77A to 77F, that is, connection shutoff control of the fuel cell stacks 71, 72, and 73 is performed by the connection shutoff control device 82. The connection cutoff control device 82 performs open / close control of the cutoff valves 76A to 76F and 77A to 77F based on the detection signal of the operating state detector 83, thereby generating power from the high power generation amount operating state to the low power generation amount operating state. The number of operating fuel cell stacks 71, 72, 73 is sequentially reduced in accordance with a decrease in the fuel cell volume, that is, in accordance with a decrease in the supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas in accordance with a decrease in the amount of power generation (details will be described later). .
[0073]
The operation state detector 83 detects the power generation amount generated by the fuel cell stacks 71, 72, 73, and when this power generation amount detection value is larger than the first predetermined power generation amount, the operation state detector 83 is in a high power generation amount operation state. If it is smaller than the first predetermined power generation amount, it is determined that the first low power generation amount operation state (medium power generation amount operation state), and further, the second power generation amount is smaller than the first predetermined power generation amount. When the power generation amount is smaller than the predetermined power generation amount, it is determined that the second low power generation amount operation state is set. The operation state detector 83 is not limited to one that directly detects the power generation amount, but may be any device that can detect the operation state of the fuel cell stacks 71, 72, and 73. For example, the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 84 or the flow rate of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 85 is detected by a flow rate detector, and this flow rate detection value, the first predetermined flow rate, and this When the second predetermined flow rate smaller than the first predetermined flow rate is compared with the first predetermined flow rate, the first low flow rate operation state is smaller than the first predetermined flow rate, and the second predetermined flow rate is smaller than the second predetermined flow rate. You may make it judge that it is a 2nd low electric power generation amount operation state. In addition, what is necessary is just to set suitably about the specific setting value of connection interruption | blocking control from the increase state of the excess gas amount at the time of continuing the parallel operation of the fuel cell stacks 71, 72, and 73.
[0074]
Here, the relationship between the open / close states of the shut-off valves 76A to 76F and 77A to 77F and the operating states (connection cut-off states) of the fuel cell stacks 71, 72, and 73 will be specifically described based on the arrows shown in FIG. To do. In FIG. 5, the gas flows to the fuel cell stacks 71, 72, and 73 in each operation state are indicated by solid arrows, dotted arrows, and two-dot chain arrows, respectively. In addition, the arrow shown with a dashed-dotted line in FIG. 5 has shown the whole gas flow direction in the common part of an entrance side and an exit side.
[0075]
In the high power generation amount operating state, the three fuel cell stacks 71, 72, 73 are also operated by opening all the shutoff valves 76A-76F, 77A-77F at the entrances / exits of the three fuel cell stacks 71, 72, 73 ( Power generation). In this case, a fuel gas (hydrogen-rich gas obtained by reforming a fuel such as hydrogen or methanol) supplied from a fuel gas supply device 84 including a fuel reformer, an oxidizing gas supply device including a compressor, and the like. The oxidizing gas (oxygen or air, etc.) supplied from 85 is branched by a fuel gas pipe 74 and an oxidizing gas pipe 75 as shown by solid arrows in FIG. The same amount will be distributed. Fuel gas and oxidizing gas remaining in the fuel cell stacks 71, 72, and 73 that are not used for power generation are discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 71, 72, and 73 through the fuel gas pipe 74 and the oxidizing gas pipe 75. Is done.
[0076]
On the other hand, in the first low power generation amount operating state, the shutoff valves 76A, 76B, 77A, 77B at the inlet / outlet of the fuel cell stack 71 are closed to cut off the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell stack 71, and the fuel cell The supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell stacks 72 and 73 is continued with the shut-off valves 76C to 76F and 77C to 77F at the entrances and exits of the stacks 72 and 73 kept open. That is, the operation (power generation) of the fuel cell stack 71 is stopped, only the fuel cell stacks 72 and 73 are operated (power generation), and the number of operation of the fuel cell stack is reduced to two. In this case, the fuel gas and the oxidizing gas supplied from the fuel gas supplying device 84 and the oxidizing gas supplying device 85 are branched by the fuel gas pipe 74 and the oxidizing gas pipe 75 as shown by the dotted arrows in FIG. The same amount is distributed to the fuel cell stacks 72 and 73. The remaining fuel gas and oxidizing gas that are not used for power generation in the fuel cell stacks 72 and 73 are discharged from the outlet side of the fuel cell stacks 72 and 73 through the fuel gas pipe 74 and the oxidizing gas pipe 75.
[0077]
Next, in the second low power generation amount operating state, the shutoff valves 76A to 76D and 77A to 77D at the inlets and outlets of the fuel cell stacks 71 and 72 are closed to supply the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell stacks 71 and 72. The supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell stack 73 is continued with the shut-off valves 76C to 76F and 77C to 77F being opened at the entrance and exit of the fuel cell stack 73. That is, the operation (power generation) of the fuel cell stacks 71 and 72 is stopped, only the fuel cell stack 73 is operated (power generation), and the number of operation of the fuel cell stack is reduced to one. In this case, the fuel gas and the oxidant gas from the fuel gas supply device 84 and the oxidant gas supply device 85 are supplied through a fuel gas pipe 74 and an oxidant gas pipe 75 as shown by a two-dot chain line arrow in FIG. It is supplied only to the fuel cell stack 73. Fuel gas and oxidizing gas that are not used for power generation in the fuel cell stack 73 are discharged from the outlet side of the fuel cell stack 73 through the fuel gas pipe 74 and the oxidizing gas pipe 75.
[0078]
That is, for example, assuming that the proper flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas in each fuel cell stack 71, 72, 73 are 1, according to the decrease in the power generation amount (reduction in the overall supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas) as follows. In addition, the number of operating fuel cell stacks will be gradually reduced.
[0079]
(1) During high power generation operation (when the total flow rates of fuel gas and oxidizing gas are 2 to 3), the fuel cell stacks 71, 72, 73 are operated (power generation).
(2) During the first low power generation amount operation (when the total flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas are 1 to 2), one of the fuel cell stacks 71 is shut off and two of the fuel cell stacks 72 and 73 are shut off. Drive (power generation) at
(3) During the second low power generation amount operation (when the total flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas are 0 to 1), the two fuel cell stacks 71 and 72 are shut off and one fuel cell stack 73 is Drive (power generation) at
[0080]
Further, the connection cutoff control device 82 shuts off in the first low power generation amount operation state and the second low power generation amount operation state so that the load is not concentrated on the specific fuel cell stack by the above operation. By switching the fuel cell stacks every predetermined operation time, the operation times of the three fuel cell stacks 71, 72, 73 are matched.
[0081]
As described above, according to the fourth embodiment, the three fuel cell stacks 71, 72, 73 connected in parallel in the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system are reduced from the high power generation operation state. The supply of the fuel gas and the oxidizing gas is sequentially shut off by the shutoff valves 76A to 76F and 77A to 77F in accordance with the decrease in the supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas in accordance with the reduction in the power generation amount to the power generation amount operating state. As a result, the number of operating fuel cell stacks 71, 72, 73 is sequentially reduced, and the following effects are obtained.
[0082]
That is, since it is possible to suppress a decrease in the flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack during the first and second low power generation amount operations, the conventional supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas is reduced. It is possible to prevent a decrease in drainage capacity and a decrease in operating pressure in the fuel cell stack, and power can be generated with high gas utilization efficiency in all power generation amount operating states. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources.
[0083]
In addition, by switching the fuel cell stacks that are shut off during the first and second low power generation operations every predetermined operation time, the operation times of the three fuel cell stacks 71, 72, and 73 are matched. Since it is possible to prevent the load from being concentrated on a specific fuel cell stack, it is possible to prevent only the specific fuel cell stack from being deteriorated first.
[0084]
In the fourth embodiment, the fuel cell power generation system in which the three fuel cell stacks 71, 72, 73 are connected in parallel has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is limited to two or four. The present invention can also be applied to a fuel cell power generation system in which two or more fuel cell stacks are connected in parallel.
[0085]
In the fourth embodiment, the supply of both the fuel gas and the oxidizing gas is sequentially cut off according to the decrease in the amount of power generation. However, the present invention is not necessarily limited to this, and either the fuel gas or the oxidizing gas is used. Only one supply may be sequentially cut off in accordance with a decrease in power generation amount (a decrease in gas supply flow rate). For example, the fuel gas supply device 84 reduces the total fuel gas supply amount in accordance with a decrease in the power generation amount, while the oxidant gas supply device 85 makes the entire oxidant gas supply flow rate constant regardless of the increase or decrease in the power generation amount. In this case, the fuel cell stacks 71, 72, 73 are sequentially cut off only for the fuel gas in response to a decrease in the amount of power generation (a decrease in the overall supply flow rate of the fuel gas), and the oxidizing gas is operated. You may make it flow also into the stopped fuel cell stack.
[0086]
Moreover, although the said Embodiment 1-4 demonstrated the case where the solid polymer type cell stack was provided as a fuel cell main body, it is not necessarily limited to this, This invention is a fuel cell main body of another type. It can be widely applied to the fuel cell power generation system provided.
[0087]
【The invention's effect】
As described above in detail with the embodiment of the invention, the method for operating the fuel cell power generation system of the first invention or the first 3 According to the fuel cell power generation system of the invention, the connection state of the plurality of fuel cell bodies in either one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is connected in parallel during the high power generation amount operation by the connection switching means. Since the operation is switched in series during low power generation operation, fuel gas or oxidant gas flows in series and is sequentially supplied to the fuel cell body during low power generation operation. Even if the gas supply amount is the same, the gas supply amount to each fuel cell body can be increased. For this reason, it becomes possible to prevent deterioration of drainage capacity due to fuel gas or oxidant gas and decrease in operating pressure in the fuel cell body without excessively flowing fuel gas or oxidant gas as in the prior art. It is possible to generate power with a substantially constant high gas utilization efficiency in the power generation amount operating state. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources.
[0088]
Also, the method for operating the fuel cell power generation system of the second invention or the second 4 According to the fuel cell power generation system of the invention, the connection state of the plurality of fuel cell bodies in either one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is connected in parallel during the high power generation amount operation by the connection switching means. In the low power generation operation, the combination of parallel and series is operated in accordance with the decrease in the power generation, and the operation is sequentially switched in series. Therefore, the following effects can be obtained during the low power generation operation.
[0089]
When combined in parallel and in series, it does not flow in parallel to all of the fuel cell bodies, but flows in series in some fuel cell bodies, so the overall gas supply amount is the same as compared to the case of flowing in parallel. The amount of gas supplied to each fuel cell body can be increased. For this reason, it is possible to prevent the drainage capacity from being deteriorated by the fuel gas or the oxidizing gas and the operating pressure in the fuel cell body from being lowered without excessively flowing the fuel gas or the oxidizing gas as in the prior art. When in series, the fuel gas or oxidizing gas flows in series and is sequentially supplied to a plurality of fuel cell bodies. Therefore, compared to the case of supplying in parallel or the combination of parallel and series, Even if the supply amount is the same, the gas supply amount to each fuel cell body can be increased. For this reason, it becomes possible to prevent the drainage capacity from being deteriorated by the fuel gas or the oxidizing gas and the operating pressure in the fuel cell body from being lowered without flowing the fuel gas or the oxidizing gas excessively.
[0090]
Therefore, it is possible to generate power with a substantially constant high gas utilization efficiency in all power generation amount operation states. Further, improvement of gas utilization efficiency also eliminates waste of consumption resources. In addition, the connection state of the fuel cell main body is not switched immediately in series from parallel, but is switched stepwise in the order of parallel, parallel and series, and in series, so that it switches according to the decrease in gas flow rate. Therefore, smoother and higher performance operation is possible, such as reducing fluctuations (increase) in pressure loss when switching connections and reducing the burden on each device in the fuel gas supply device such as a compressor and the oxidant gas supply device. It can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a comparison of fuel gas supply amounts when switching from parallel operation to serial operation during low power generation operation and when switching is not performed.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell stacks.
FIG. 7 shows the relationship between the amount of power generation (current density of power generation) and the amount of fuel gas supplied in the fuel cell power generation system.
[Explanation of symbols]
11,12 Fuel cell stack
13 Fuel gas piping
13a Branch
13b Junction
14 Oxidizing gas piping
14a Bifurcation
14b Junction
15 Fuel gas supply device
16 Oxidizing gas supply device
17 Fuel gas piping for series connection
18 Oxidizing gas piping for series connection
19A, 19B, 20A, 20B selector valve
21 Connection switching control device
22 Operating state detector
31, 32, 33 Fuel cell stack
34 Fuel gas piping
34a Branch
34b Junction
35 Oxidizing gas piping
35a branch
35b Junction
36A-36D, 37A-37D Switching valve
38,39 Fuel gas piping for series connection
40, 41 Oxidizing gas piping for series connection
42 Connection switching control device
43 Operating state detector
44 Fuel gas supply device
45 Oxidizing gas supply device
51-54 Fuel cell stack
55 Fuel gas piping
55a Bifurcation
55b Junction
56 Oxidizing gas piping
56a branch
56b Junction
57A-57F, 58A-58F Switching valve
59, 60, 61 Fuel gas piping for series connection
62, 63, 64 Oxidizing gas piping for series connection
65 Connection switching control device
66 Operating state detector
67 Fuel gas supply device
68 Oxidizing gas supply device
71, 72, 73 Fuel cell stack
74 Fuel gas piping
74a Bifurcation
74b Junction
75 Oxidizing gas piping
75a branch
75b Junction
76A-76F, 77A-77F Shut-off valve
82 Connection cutoff control device
83 Operating state detector
84 Fuel gas supply device
85 Oxidizing gas supply device

Claims

A method for operating a fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is switched by the connection switching means in parallel during high power generation operation and in series during low power generation operation. A method for operating a fuel cell power generation system.

A method for operating a fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell main bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is reduced in parallel during high power generation operation and reduced in power generation during low power generation operation. Accordingly, the operation method of the fuel cell power generation system is characterized in that the operation is performed by sequentially switching the combination in parallel and in series.

A fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is switched by the connection switching means in parallel during high power generation operation and in series during low power generation operation. A fuel cell power generation system configured to

A fuel cell power generation system having a plurality of fuel cell bodies that generate power by supplying fuel gas and oxidizing gas,
The connection state of the plurality of fuel cell main bodies in one or both of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system is reduced in parallel during high power generation operation and reduced in power generation during low power generation operation. Accordingly, the fuel cell power generation system is configured to be operated by sequentially switching to a combination of parallel and series and in series.