(57)【要約】【課題】アノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する一部の単セルに不純物ガスが滞留することに起因する発電性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、第１ないし第３の燃料ガスマニホールド１２，１４，１６を備える。第１ないし第３の燃料ガスマニホールド１２，１４，１６にそれぞれ接続された第１ないし第３の燃料ガス供給配管３２，３４，３６には、それぞれ第１ないし第３のバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３が配設されている。制御ユニット４０は、低負荷運転時に、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の制御モードを、第１のバルブ制御モード（Ｖ１，Ｖ２：開、Ｖ３：閉、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）、第３のバルブ制御モード（Ｖ２：開、Ｖ１，Ｖ３：閉、Ｐ２＞Ｐ１，Ｐ３）、第２のバルブ制御モード（Ｖ１：閉、Ｖ２，Ｖ３：開、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１）、第３のバルブ制御モード、第１のバルブ制御モードの順に切り換える。【選択図】図１
2010146733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の単セルを積層してなる燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの各アノードに燃料ガスを分配して供給するための第１の燃料ガスマニホールドと、第２の燃料ガスマニホールドと、第３の燃料ガスマニホールドとを備える燃料電池スタックと、
前記第１の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第１の燃料ガスマニホールドに燃料ガスを供給するか否かを切り換えるための第１のバルブが配設された第１の燃料ガス供給配管と、
前記第２の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第２の燃料ガスマニホールドに供給される燃料ガスの圧力を調整するための第２のバルブが配設された第２の燃料ガス供給配管と、
前記第３の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第３の燃料ガスマニホールドに燃料ガスを供給するか否かを切り換えるための第３のバルブが配設された第３の燃料ガス供給配管と、
前記第１ないし第３のバルブを制御するバルブ制御部と、を備え、
前記燃料電池スタックにおいて、
前記第１の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部に配置された第１の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、
前記第２の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部に配置された第２の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、
前記第３の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部において、前記第１の供給口からの距離が、前記第１の供給口から前記第２の供給口までの距離よりも遠い位置に配置された第３の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、
前記バルブ制御部は、
前記第１のバルブを開弁し、前記第３のバルブを閉弁するとともに、前記第１の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ１とし、前記第２の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ２とし、前記第３の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ３とした場合に、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の関係が成り立つように、前記第２のバルブを制御する第１のバルブ制御モードと、
前記第１のバルブを閉弁し、前記第３のバルブを開弁するとともに、前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１の関係が成り立つように、前記第２のバルブを制御する第２のバルブ制御モードと、
前記第１のバルブを閉弁し、前記第２のバルブを開弁し、前記第３のバルブを閉弁する第３のバルブ制御モードと、
の間で、バルブ制御モードを切り換え可能であり、
前記燃料電池スタックに接続された負荷が所定値よりも低い低負荷運転時に、前記バルブ制御モードを、前記第１のバルブ制御モード、前記第３のバルブ制御モード、前記第２のバルブ制御モード、前記第３のバルブ制御モード、前記第１のバルブ制御モードの順に切り換える、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、供給された燃料ガスを燃料電池スタックの内部に滞留させた状態で発電を行う、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムが提案されている。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックには、燃料電池スタックを構成する複数の単セルの各アノードに燃料ガスを分配して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、各アノードから、窒素等の発電に寄与しないガス（以下、不純物ガスと呼ぶ）を排出するための不純物ガス排出マニホールドが形成される。
【０００３】
ところで、燃料電池スタックを構成する各単セルには、製造上のバラツキによって圧力損失にバラツキが生じる。このため、圧力損失が比較的低い単セル（以下、低圧損セルと呼ぶ）のアノードから不純物ガス排出マニホールドに移動した不純物ガスが、圧力損失が比較的高い単セル（以下、高圧損セルと呼ぶ）のアノードに逆流して滞留し、セル電圧の低下を招き、ひいては、燃料電池スタック全体としての発電性能の低下を招く。
【０００４】
そこで、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの高圧損セルに不純物ガスが滞留することに起因する発電性能の低下を抑止するための技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、セルの燃料流路の最下流部に第１遮断手段を設け、第１遮断手段の上流側に第２遮断手段を設けて、第１遮断手段と第２遮断手段とをそれぞれ独立して制御することによって、上述した不純物ガスの逆流を防止することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７７１２３号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５５３号公報
【特許文献３】特開２００６−２８６５５４号公報
【特許文献４】特開２００５−２１６５１９号公報
【特許文献５】特開２００６−３５１３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、各セルの燃料流路に第１遮断手段と第２遮断手段とを設ける必要があり、燃料電池の構造が複雑だった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、供給された燃料ガスを燃料電池スタックの内部に滞留させた状態で発電を行う、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタックを構成する一部の単セルに不純物ガスが滞留することに起因する発電性能の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］燃料電池システムであって、複数の単セルを積層してなる燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの各アノードに燃料ガスを分配して供給するための第１の燃料ガスマニホールドと、第２の燃料ガスマニホールドと、第３の燃料ガスマニホールドとを備える燃料電池スタックと、前記第１の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第１の燃料ガスマニホールドに燃料ガスを供給するか否かを切り換えるための第１のバルブが配設された第１の燃料ガス供給配管と、前記第２の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第２の燃料ガスマニホールドに供給される燃料ガスの圧力を調整するための第２のバルブが配設された第２の燃料ガス供給配管と、前記第３の燃料ガスマニホールドに接続され、前記第３の燃料ガスマニホールドに燃料ガスを供給するか否かを切り換えるための第３のバルブが配設された第３の燃料ガス供給配管と、前記第１ないし第３のバルブを制御するバルブ制御部と、を備え、前記燃料電池スタックにおいて、前記第１の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部に配置された第１の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、前記第２の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部に配置された第２の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、前記第３の燃料ガスマニホールドは、前記単セルの端部において、前記第１の供給口からの距離が、前記第１の供給口から前記第２の供給口までの距離よりも遠い位置に配置された第３の供給口から前記単セルに燃料ガスを供給するように形成されており、前記バルブ制御部は、前記第１のバルブを開弁し、前記第３のバルブを閉弁するとともに、前記第１の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ１とし、前記第２の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ２とし、前記第３の燃料ガスマニホールド内の圧力をＰ３と場合に、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の関係が成り立つように、前記第２のバルブを制御する第１のバルブ制御モードと、前記第１のバルブを閉弁し、前記第３のバルブを開弁するとともに、前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１の関係が成り立つように、前記第２のバルブを制御する第２のバルブ制御モードと、前記第１のバルブを閉弁し、前記第２のバルブを開弁し、前記第３のバルブを閉弁する第３のバルブ制御モードと、の間で、バルブ制御モードを切り換え可能であり、前記燃料電池スタックに接続された負荷が所定値よりも低い低負荷運転時に、前記バルブ制御モードを、前記第１のバルブ制御モード、前記第３のバルブ制御モード、前記第２のバルブ制御モード、前記第３のバルブ制御モード、前記第１のバルブ制御モードの順に切り換える、燃料電池システム。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが上記第１ないし第３の燃料ガスマニホールドを備え、第１の供給口と第３の供給口との間に配置された第２の供給口から各単セルのアノードに燃料ガスを供給することができるので、特に、高圧損セルにおける燃料ガスの流れ方向の上流から下流にかけての圧力低下を減少させて、低圧損セルと高圧損セルとの圧力差を小さくし、高圧損セルのアノードへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。そして、適用例１の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックを構成する各単セルに先に説明した第１遮断手段と第２遮断手段とを設ける必要がなく、比較的簡易な構成で、燃料電池スタックを構成する一部の単セル（高圧損セル）に不純物ガスが滞留することに起因する発電性能の低下を抑制することができる。
【００１１】
また、本適用例の燃料電池システムでは、上記バルブ制御モードを順次切り換えることによって、燃料電池スタック内における燃料ガスの配流パターンを切り換えるので、各単セルの面内における一部の領域に不純物ガスが滞留することを抑制し、各単セルの面内における発電分布の均一化を図ることができる。
【００１２】
また、上記バルブ制御モードを、第１のバルブ制御モードから第２のバルブ制御モード、あるいは、第２のバルブ制御モードから第１のバルブ制御モードに切り換えて、燃料電池スタック内における燃料ガスの流れが大きく変化すると、各単セルの面内における燃料ガスの濃度分布が大きく変化し、セル電圧が安定するまでに時間を要するが、本適用例の燃料電池システムでは、バルブ制御部が、低負荷運転時に、上記バルブ制御モードを、第１のバルブ制御モード、第３のバルブ制御モード、第２のバルブ制御モード、第３のバルブ制御モード、第１のバルブ制御モードの順に切り換えることによって、バルブ制御モードの切り換えごとのガスの流れの大きな変化を抑制し、セル電圧が安定するまでの時間が長くなるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、供給された燃料ガス（水素）を燃料電池スタック１０の内部に滞留させた状態で発電を行う、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムである。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを、複数積層させたスタック構造を有している。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。
【００１５】
図示するように、燃料電池スタック１０の内部には、複数の単セルの各アノードに水素を分配して供給するための第１の燃料ガスマニホールド１２と、第２の燃料ガスマニホールド１４と、第３の燃料ガスマニホールド１６とが形成されている。第１の燃料ガスマニホールド１２は、各単セルの一方の端部に配置された第１の供給口から各単セルに水素を供給するようにそれぞれ形成されており、第３の燃料ガスマニホールド１６は、各単セルの他方の端部に配置された第３の供給口から各単セルに水素を供給するようにそれぞれ形成されており、第２の燃料ガスマニホールド１４は、第１の供給口と第３の供給口との間に配置された第２の供給口から各単セルに水素を供給するように形成されている。なお、図示は省略しているが、各単セルには、アノードとカソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するための電圧センサが接続されている。
【００１６】
燃料電池スタック１０のアノードには、水素を貯蔵した水素タンク２０から、配管３０、および、配管３０に接続された配管３２，３４，３６を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。配管３０には、レギュレータ３１が配設されており、水素の供給圧力、および、流量が調整される。配管３２は、第１の燃料ガスマニホールド１２に接続されており、配管３２には、バルブＶ１、および、圧力計３３が配設されている。バルブＶ１は、開閉弁である。また、配管３４は、第２の燃料ガスマニホールド１４に接続されており、配管３４には、バルブＶ２、および、圧力計３５が配設されている。バルブＶ２は、調圧弁である。また、配管３６は、第３の燃料ガスマニホールド１６に接続されており、配管３６には、バルブＶ３、および、圧力計３７が配設されている。バルブＶ３は、開閉弁である。配管３２，３４，３６は、それぞれ、本発明における第１ないし第３の燃料ガス供給配管に相当する。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ、本発明における第１ないし第３のバルブに相当する。
【００１７】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１０には、各単セルのカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給配管や、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料電池スタック１０の外部に排出するためのカソードオフガス排出配管や、各単セルに冷却水を循環させるための冷却水循環系が接続されている。
【００１８】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、各種バルブ等、システムの運転を制御する。
【００１９】
Ｂ．比較例：
ここで、本発明の燃料電池システム１００における特長を説明する前に、比較例として、従来のアノードデッドエンド型の燃料電池システムにおける問題点について説明する。
【００２０】
図６は、従来のアノードデッドエンド型の燃料電池システムの概略構成、および、問題点を説明するための説明図である。図６（ａ）に示したように、従来のアノードデッドエンド型の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０Ｒの内部には、複数の単セルの各アノードに水素を分配して供給するための燃料ガス供給マニホールド１８ｉｎと、各アノードから不純物ガスを排出する不純物ガス排出マニホールド１８ｏｕｔが形成される。そして、燃料電池スタック１０Ｒの内部において、水素は、図中に白抜き矢印で示したように、燃料ガス供給マニホールド１８ｉｎ（入口）から不純物ガス排出マニホールド１８ｏｕｔ（出口）に流れる。
【００２１】
ところで、燃料電池スタック１０Ｒを構成する各単セルには、製造上のバラツキによって圧力損失にバラツキが生じる。そして、図６（ｂ）に示したように、圧力損失が比較的高い高圧損セルでは、圧力損失が比較的低い低圧損セルと比較して、入口から出口にかけての圧力低下が大きく、特に、出口において、低圧損セルと高圧損セルとの圧力差が大きい。このため、図６（ａ）中に矢印で示したように、低圧損セルのアノードから不純物ガス排出マニホールド１８ｏｕｔに移動した不純物ガスが、高圧損セルのアノードに逆流して滞留し、セル電圧の低下を招き、ひいては、燃料電池スタック１０Ｒ全体としての発電性能の低下を招いていた。
【００２２】
そこで、本実施例では、燃料電池システム１００の構成を図１に示した構成とし、以下に説明するバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の制御を行うことによって、上述した従来の問題点の解決を図っている。
【００２３】
Ｃ．バルブ制御モード：
本実施例では、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の制御モードであるバルブ制御モードとして、３種類のバルブ制御モード、すなわち、第１のバルブ制御モードと、第２のバルブ制御モードと、第３のバルブ制御モードとが用意されており、制御ユニット４０は、これらのバルブ制御モードを、適宜、切り換える。
【００２４】
図２は、第１のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。第１のバルブ制御モードは、バルブＶ１，Ｖ２を「開」、バルブＶ３を「閉」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係が、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となるように、バルブＶ２の開度を調整するバルブ制御モードである（図２（ａ））。
【００２５】
そして、第１のバルブ制御モード時には、燃料電池スタック１０の内部において、水素は、図２（ｂ）中に白抜き矢印で示したように、第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）から第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）に流れる（配流パターン１）。このとき、低圧損セル、および、高圧損セルの内部における圧力は、それぞれ、図２（ｃ）に示したように、第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）から第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）にかけて低くなる。ただし、第１のバルブ制御モードでは、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から水素が供給されることによって、低圧損セルと高圧損セルとの間での圧力差が、図６に示した比較例の場合よりも小さくなるので、先に説明した高圧損セルのアノードへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００２６】
図３は、第２のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。第２のバルブ制御モードは、バルブＶ１を「閉」、Ｖ２，Ｖ３を「開」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係が、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１となるように、バルブＶ２の開度を調整するバルブ制御モードである（図３（ａ））。
【００２７】
そして、第２のバルブ制御モード時には、燃料電池スタック１０の内部において、水素は、図３（ｂ）中に白抜き矢印で示したように、第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）から第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）に流れる（配流パターン２）。このとき、低圧損セル、および、高圧損セルの内部における圧力は、それぞれ、図３（ｃ）に示したように、第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）から第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）にかけて低くなる。ただし、第２のバルブ制御モードにおいても、第１のバルブ制御モードと同様に、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から水素が供給されることによって、低圧損セルと高圧損セルとの間での圧力差が、図６に示した比較例の場合よりも小さくなるので、先に説明した高圧損セルのアノードへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００２８】
図４は、第３のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。第３のバルブ制御モードは、バルブＶ１，Ｖ３を「閉」、バルブＶ２を「開」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係を、Ｐ２＞Ｐ１，Ｐ３とするバルブ制御モードである（図４（ａ））。
【００２９】
そして、第３のバルブ制御モード時には、燃料電池スタック１０の内部において、水素は、図４（ｂ）中に白抜き矢印で示したように、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）、また、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）に流れる（配流パターン３）。このとき、低圧損セル、および、高圧損セルの内部における圧力は、それぞれ、図４（ｃ）に示したように、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第１の燃料ガスマニホールド１２（第１の供給口）にかけて、また、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から第３の燃料ガスマニホールド１６（第３の供給口）にかけて低くなる。そして、第３のバルブ制御モードにおいても、第２の燃料ガスマニホールド１４（第２の供給口）から水素が供給されることによって、低圧損セルと高圧損セルとの間での圧力差が、図６に示した比較例の場合よりも小さくなるので、先に説明した高圧損セルのアノードへの不純物ガスの逆流を抑制することができる。
【００３０】
Ｄ．運転制御：
図５は、燃料電池システム１００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、燃料電池スタック１０に接続された負荷が所定値よりも低い低負荷運転時の運転制御処理（低負荷運転制御）について説明する。この処理は、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。
【００３１】
まず、ＣＰＵは、バルブ制御モードを第１のバルブ制御モードに設定して、燃料電池スタック１０内における水素の流れを、図２に示した配流パターン１とする。すなわち、ＣＰＵは、バルブＶ１，Ｖ２を「開」、バルブＶ３を「閉」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係が、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となるように、バルブＶ２の開度を調整する（ステップＳ１００）。
【００３２】
次に、ＣＰＵは、いずれかの単セルのセル電圧の低下量Ｓが所定量Ｓ0よりも大きくなったか否かを判断する（ステップＳ１１０）。セル電圧の低下量Ｓは、Ｓ＝（所望のセル電圧）−（実際のセル電圧）で表される。
【００３３】
そして、いずれかの単セルのセル電圧の低下量Ｓが所定量Ｓ0よりも大きくなった場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、バルブ制御モードを第１のバルブ制御モードから第３のバルブ制御モードに切り換え、燃料電池スタック１０内における水素の流れを、図４に示した配流パターン３とする。すなわち、ＣＰＵは、バルブＶ１，Ｖ３を「閉」、バルブＶ２を「開」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係を、Ｐ２＞Ｐ１，Ｐ３とする（ステップＳ１２０）。
【００３４】
次に、ＣＰＵは、ステップＳ１２０の後、所定の待機時間ｔ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。
【００３５】
そして、ステップＳ１２０の後、所定の待機時間ｔ１が経過したか場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、バルブ制御モードを第３のバルブ制御モードから第２のバルブ制御モードに切り換え、燃料電池スタック１０内における水素の流れを、図３に示した配流パターン２とする。すなわち、ＣＰＵは、バルブＶ１を「閉」、Ｖ２，Ｖ３を「開」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係が、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１となるように、バルブＶ２の開度を調整する（ステップＳ１４０）。
【００３６】
次に、ＣＰＵは、いずれかの単セルのセル電圧の低下量Ｓが所定量Ｓ0よりも大きくなったか否かを判断する（ステップＳ１５０）。
【００３７】
そして、いずれかの単セルのセル電圧の低下量Ｓが所定量Ｓ0よりも大きくなった場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、バルブ制御モードを第２のバルブ制御モードから第３のバルブ制御モードに切り換え、燃料電池スタック１０内における水素の流れを、図４に示した配流パターン３とする。すなわち、ＣＰＵは、バルブＶ１，Ｖ３を「閉」、バルブＶ２を「開」として、第１の燃料ガスマニホールド１２内の圧力Ｐ１と、第２の燃料ガスマニホールド１４内の圧力Ｐ２と、第３の燃料ガスマニホールド１６内の圧力Ｐ３との関係を、Ｐ２＞Ｐ１，Ｐ３とする（ステップＳ１６０）。
【００３８】
次に、次に、ＣＰＵは、ステップＳ１６０の後、所定の待機時間ｔ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ１７０）。
【００３９】
そして、ステップＳ１６０の後、所定の待機時間ｔ１が経過したか場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１００に戻る。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の運転制御では、バルブ制御モードを順次切り換えることによって、燃料電池スタック１０内における水素の配流パターンを切り換えるので、各単セルの面内における一部の領域に不純物ガスが滞留することを抑制し、各単セルの面内における発電分布の均一化を図ることができる。
【００４１】
また、バルブ制御モードを、第１のバルブ制御モードから第２のバルブ制御モード、あるいは、第２のバルブ制御モードから第１のバルブ制御モードに切り換えて、燃料電池スタック１０内における水素の流れが大きく変化すると、各単セルの面内における水素の濃度分布が大きく変化し、セル電圧が安定するまでに時間を要するが、本実施例では、低負荷運転時に、バルブ制御モードを、第１のバルブ制御モード、第３のバルブ制御モード、第２のバルブ制御モード、第３のバルブ制御モード、第１のバルブ制御モードの順に切り換えるので、バルブ制御モードの切り換えごとのガスの流れの大きな変化を抑制し、セル電圧が安定するまでの時間が長くなるのを抑制することができる。
【００４２】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、比較的簡易な構成で、特に、高圧損セルにおける水素の流れ方向の上流から下流にかけての圧力低下を減少させ、高圧損セルのアノードへの不純物ガスの逆流を抑制し、燃料電池スタック１０を構成する一部の単セル（高圧損セル）に不純物ガスが滞留することに起因する発電性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。
【図３】第２のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。
【図４】第３のバルブ制御モード時の燃料電池スタック１０における燃料ガスの配流パターン、および、単セルにおける圧力分布を示す説明図である。
【図５】燃料電池システム１００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】従来のアノードデッドエンド型の燃料電池システムの概略構成および問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００…燃料電池システム
１０，１０Ｒ…燃料電池スタック
１２…第１の燃料ガスマニホールド
１４…第２の燃料ガスマニホールド
１６…第３の燃料ガスマニホールド
１８ｉｎ…燃料ガス供給マニホールド
１８ｏｕｔ…不純物ガス排出マニホールド
２０…水素タンク
３０…配管
３１…レギュレータ
３２，３４，３６…配管
３３，３５，３７…圧力計
４０…制御ユニット
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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