(57)【要約】【課題】燃料電池本体の長寿命化を図ること。【解決手段】実施形態によれば、燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極が配置され、水素を含む燃料ガスが前記燃料極を通るように構成された燃料ガス流路と、酸化剤ガスが前記酸化剤極を通るように構成された酸化剤ガス流路とを備えた燃料電池本体と、前記燃料ガス流路の入口よりも下流側に位置し、且つ前記燃料ガス流路の出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から前記燃料ガス流路へ導入する酸素系ガス導入部とを具備する。【選択図】図２
2014032752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極が配置され、水素を含む燃料ガスが前記燃料極を通るように構成された燃料ガス流路と、酸化剤ガスが前記酸化剤極を通るように構成された酸化剤ガス流路とを備えた燃料電池本体と、
前記燃料ガス流路の入口よりも下流側に位置し、且つ前記燃料ガス流路の出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から前記燃料ガス流路へ導入する酸素系ガス導入部と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガスは、水素のほかに一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質膜は、固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記固体高分子電解質膜を加湿する方式として、前記燃料ガス流路を構成するセパレータから蒸発する水分で燃料ガスを加湿する内部加湿方式を採用するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは多孔質であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池本体は、単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタックを、複数個のスタックからなる複数段構成としたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのマニホールドを更に備え、
前記酸素系ガス導入部が、前記マニホールドに設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料極は、白金系合金触媒を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを前記燃料電池に供給する改質手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１，３乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池と、純水素ガスを前記燃料電池に供給する純水素ガス供給手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極（アノード極）に導入される燃料ガス中の水素と、酸化剤極（カソード極）に導入される酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応から電力を生成する。
【０００３】
燃料となる水素は、天然ガス、プロパンガスや灯油などの炭化水素系の原燃料から、改質器での燃料処理により得られる。改質器は、下記の化学式（１）に示すような水蒸気改質反応、あるいは化学式（２）に示すような部分酸化反応によって、炭化水素系を二酸化炭素と水素に分解する処理を行なう。
【０００４】
ＣＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ２  ＋  ＣＯ２…（１）
ＣＨ４  ＋  Ｏ２  →  ２Ｈ２  ＋  ＣＯ２…（２）
ここで、改質器内では、一酸化炭素（ＣＯ）も少量ながら生成される。この一酸化炭素が燃料電池本体の燃料極に導入されると、触媒表面に吸着し、触媒活性を低下させることがよく知られている。
【０００５】
この燃料極の活性低下を抑制するために、一酸化炭素の含有量（濃度）を低減する手段として、改質器の後段に配置する選択酸化反応器（ＰＲＯＸ）を使用することが一般的である。ＰＲＯＸは、改質器によって生成された燃料ガス中に酸化剤ガスを混合させて、下記化学式（３）に示す酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。
【０００６】
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＣＯ２…（３）
また、当該ＰＲＯＸとシフト変成器とを組み合わせることによって、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、通常では１０ｐｐｍ以下まで低減できることが確認されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，９１０，０９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、ある程度まで低減することは可能であるが、それでもなお燃料極の触媒活性の低下を抑制することは難しい。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池においては、６０〜８０℃の低温下で運転されるため、濃度１０ｐｐｍ程度の一酸化炭素であっても、燃料極の触媒活性は低下する。
【０００９】
このような問題に対しては、例えば以下のような対策が考えられる。
【００１０】
第１の対策として、燃料極に含まれる触媒として、白金−ルテニウムあるいは白金−パラジウムなどの合金を使用する。このような合金成分が、白金に吸着した一酸化炭素の脱着反応を促進するために、一酸化炭素による燃料電池の性能低下を抑制することができる。但し、合金触媒によって抑制できる一酸化炭素濃度には限界があり、過剰な一酸化炭素が燃料ガスに混入した場合には、燃料電池の性能が著しく低下する。
【００１１】
第２の対策として、燃料電池の燃料入口側で燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる。この場合、燃料極においては、前記化学式（３）に示す一酸化炭素の酸化反応が生じるため、一酸化炭素の量が減り、触媒活性の低下を抑制することができる。
【００１２】
このような対策によって燃料極の触媒活性の低下を抑制することは可能であるが、一方で、以下のような要因により、電解質膜、例えば固体高分子電解質型の燃料電池における固体高分子電解質膜（以下、「高分子膜」と呼ぶ。）の寿命が短くなる。
【００１３】
一つは、一酸化炭素の影響を低減するために燃料入口側で燃料ガスに空気を混入すると、多数の単位セルの燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成され、この過酸化水素の生成の際に生じる中間生成体であるＯＨラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させることである。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。
【００１４】
もう一つは、例えば、導入される燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータから蒸発する水分で加湿する内部加湿方式を採用する燃料電池においては、ガス導入部の加湿が不足すると、ガス導入部の高分子膜が乾燥により劣化することである。燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式を採用する燃料電池においても、加湿された水分が燃料電池に導入される前に凝縮する場合や、加湿器の消費電力を最小限にする場合には、ガス導入部の加湿が不足し、ガス導入部の高分子膜が乾燥により劣化する。
【００１５】
また、燃料ガスとして純水素ガスを使用する方式の燃料電池においても、やはりガス導入部の加湿が不足すると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。
【００１６】
発明が解決しようとする課題は、燃料電池本体の長寿命化を図ることが可能な燃料電池および燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
実施形態の燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極が配置され、水素を含む燃料ガスが前記燃料極を通るように構成された燃料ガス流路と、酸化剤ガスが前記酸化剤極を通るように構成された酸化剤ガス流路とを備えた燃料電池本体と、前記燃料ガス流路の入口よりも下流側に位置し、且つ前記燃料ガス流路の出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から前記燃料ガス流路へ導入する酸素系ガス導入部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る外部ガスマニホールド形式の燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池に備えられる燃料電池スタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。
【図３】図３（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図３（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。
【図４】図４は、燃料電池スタック１内のＣＯ濃度を説明するためのグラフである。
【図５】図５は、第２の実施形態に係る内部ガスマニホールド形式の燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図６】図６は、図５の燃料電池に備えられる燃料電池スタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。
【図７】図７は、第３の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図８】図８は、燃料ガスの利用率を説明するためのグラフである。
【図９】図９（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる第１のスタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図であり。図９（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる第２のスタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。
【図１０】図１０（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図１０（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。
【図１１】図１１は、燃料電池スタック内のＣＯ濃度を説明するためのグラフである。
【図１２】図１２（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図であり、図１２（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例の変形例を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図であり、図１３（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、第４の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、第５の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１乃至図３を参照して、第１の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００２２】
図１に示される燃料電池は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、その燃料電池本体は、固体高分子電解質膜（以下、「高分子膜」と呼ぶ。）を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の燃料電極の外側に燃料ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置し、酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック１を有する。また、この燃料電池は、燃料電池スタック１の外側の一方に集電板２を設け、もう一方に集電板３を設け、燃料電池スタック１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給すると共に燃料ガス流路から燃料ガスを排出するためのガス室を有する燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック１の燃料入口／出口側に燃料入口／出口マニホールド４を設け、燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのガス室を有する燃料ガスマニホールドとして、燃料リターン部（燃料ガス折返し部）側に燃料リターンマニホールド５を設け、燃料入口／出口マニホールド４に燃料入口配管６および燃料出口配管７を設け、燃料リターンマニホールド５に空気導入配管８を設けた構成を有する。
【００２３】
また、燃料電池として機能するためには、酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドも必要であるが、これらは本願発明に直接関係するものではないため、本実施形態では酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドの図示を省略している（他の実施形態も同様）。
【００２４】
また、本実施形態では、高分子膜の加湿方式として、燃料電池に導入される燃料ガスや酸化剤ガスを多孔質のセパレータから蒸発する水分で加湿する内部加湿方式を採用するが、燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式を採用しても構わない。
【００２５】
図２は、図１の燃料電池に備えられる燃料電池スタック１をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。また、図３（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド４をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図３（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド５をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。
【００２６】
燃料電池スタック１は、図２に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス１Ａおよび第２のパス１Ｂを有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００２７】
燃料入口／出口マニホールド４は、図３（ａ）に示されるように、その内側に、燃料ガスのパス間を境に仕切られた２つの空間４Ａ，４Ｂを有する。空間７Ａには燃料入口配管６が接続され、空間７Ｂには燃料出口配管７が接続されている。空間４Ａは、燃料電池スタック１の第１のパス１Ａに対向し、空間４Ｂは、燃料電池スタック１の第２のパス１Ｂに対向している。
【００２８】
一方、燃料リターンマニホールド５は、図３（ｂ）に示されるように、その内側に、空間５Ａを有する。空間５Ａには空気導入配管８が接続されている。空間５Ａは、燃料電池スタック１の第１のパス１Ａおよび第２のパス１Ｂに対向している。
【００２９】
ここで、図２および図３を参照して、本実施形態における燃料ガスフロー等について説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは主に燃料ガスのフローについて示す。
【００３０】
燃料ガスが燃料入口配管６を通じて燃料入口／出口マニホールド４の空間４Ａに供給されると、燃料ガスは、燃料電池スタック１の第１のパス１Ａを通り、燃料リターンマニホールド５の空間５Ａで折り返す。空間５Ａに入った燃料ガスは、空気導入配管８を通じて外部から導入される空気と混合し、燃料電池スタック１の第２のパス１Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド４の空間４Ｂに入る。空間４Ｂに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管７より排出される。
【００３１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００３２】
燃料電池に導入される燃料ガスには通常微量の一酸化炭素（ＣＯ）が含まれている。燃料ガス中のＣＯ濃度が例えば１０ｐｐｍの場合の燃料電池の各部分でのＣＯ濃度を図４に示す。燃料電池スタックの燃料入口部が１０ｐｐｍであり、燃料利用率６７．５％の条件で、燃料リターン部に到達するまでに全体で消費する水素の６０％を消費し、燃料リターン部から燃料出口部に到達するまでに残りの４０％を消費すると、各場所でのＣＯ濃度は下記のように下流に向かうに従ってＣＯ濃度が高くなる。
【００３３】
燃料リターン部：１０ｐｐｍ×１００／（１００−６７．５×０．６）≒１７ｐｐｍ
燃料出口部：１０ｐｐｍ×１００／（１００−６７．５）≒３１ｐｐｍ
一般的にＣＯ濃度が高くなると電圧低下が大きくなるため、特にＣＯ濃度が高くなる下流側で性能低下の影響を受けやすい。性能低下を抑制するためには、燃料ガス側極に供給する燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる手法が有効である。
【００３４】
一方、燃料ガス導入部は乾燥により劣化し、高分子膜が損傷しやすい場所であり、かつ燃料ガス導入前に空気を混入させると、燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成されることが確認されている。この過酸化水素が生成する際に生じる中間生成体であるＯＨラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させる。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。このように乾燥による劣化と空気導入による化学的な劣化が重なる燃料入口部が面内で最も損傷を受けやすい。したがって、空気を燃料リターンマニホールド５に設けられた空気導入配管８から導入することで、燃料入口部の損傷を抑制できかつ、ＣＯ濃度の高い燃料ガス下流側のＣＯ濃度を低減できる。なお、空気導入配管８から導入するガスは、空気に限らず、酸素を含む酸素系ガスであれば空気以外のガスを適用してもよい。
【００３５】
電圧寿命と高分子寿命について、（１）酸素系ガス導入なし、（２）酸素系ガス導入あり（燃料入口部）、（３）酸素系ガス導入あり（燃料リターン部）の３つのケースを比較して検証した結果を以下の表に示す。ここでは、酸素系ガスは空気であるものとする。
【表１】
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【００３６】
電圧寿命と高分子膜寿命については（３）のケースを１．０とした場合の相対値で示している。ケース（１）については空気導入がないため、電圧寿命が０．４と短い一方、高分子膜寿命については空気導入による劣化がないため、１．１と長くなっており、トータルで寿命の短い方である０．４となっている。ケース（２）については空気を燃料入口部より導入しており、電圧寿命は１．１と長くなっているが、空気を燃料入口部から導入しており、燃料入口部の劣化が大きいことから、高分子膜の寿命は０．９となっている。ケース（３）については、燃料リターン部から空気を導入することで電圧寿命の低下を抑制し、かつ燃料入口部の高分子膜寿命の低下を抑制しているため、トータルの寿命は１．０となり、３つのケースの内で最も良好な結果を示した。
【００３７】
以上のように本実施形態によれば、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１を、第１のパス１Ａおよび第２のパス１Ｂからなる２パスフロー構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３パス以上のスタックからなる構成としてもよい。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５および図６を参照して、第２の実施形態について説明する。
【００４０】
図５は、第２の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。図６は、図５の燃料電池に備えられる燃料電池スタック２１をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。
【００４１】
前述の第１の実施形態では、燃料電池スタック１に燃料入口／出口マニホールド４と燃料リターンマニホールド５とを設け、燃料入口配管６および燃料出口配管７を燃料入口／出口マニホールド４に設けると共に、空気導入配管８を燃料リターンマニホールド５に設ける構成を示したが、この第２の実施形態では、このような構成ではなく、集電板２２，２３のうちの片方の集電板２３の裏側に、燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を有する燃料入口マニホールド２４Ａ、および燃料ガス流路から燃料ガスを排出するためのガス室を有する燃料出口マニホールド２４Ｂ、並びに燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのガス室を有する燃料リターンマニホールド２５を配置し、燃料入口配管２６および燃料出口配管２７並びに空気導入配管２８を集電板２３に設け、これら燃料入口配管２６および燃料出口配管２７並びに空気導入配管２８が集電板２３を貫通してそれぞれ燃料入口マニホールド２４Ａおよび燃料出口マニホールド２４Ｂ並びに燃料リターンマニホールド２５の各ガス室に接続されるように構成する。
【００４２】
そのほかの構成や作用については、第１の実施形態と同様である。
【００４３】
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果があり、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図７乃至図１１を参照して、第３の実施形態について説明する。
【００４５】
図７は、第３の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００４６】
図７に示される燃料電池は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、その燃料電池本体は、高分子膜を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の燃料電極の外側に燃料ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置し、酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック４１を有する。また、この燃料電池は、燃料電池スタック４１を、第１のスタック４９および第２のスタック５０からなる２段構成とし、第１のスタック４９の外側に集電板４２を設け、第２のスタック５０の外側に集電板４３を設け、スタック間に隔離板５１を設け、燃料電池スタック４１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック４１の燃料入口／出口側に燃料入口／出口マニホールド４４を設け、燃料リターン部側に燃料リターンマニホールド４５を設け、燃料入口／出口マニホールド７に燃料入口配管４６および燃料出口配管４７を設け、さらに、燃料入口／出口マニホールド４４の外側にスタック間連絡流路５２を設けた構成を有する。スタック間連絡流路５２は、燃料ガスを燃料入口／出口マニホールド４４内の低い場所の空間から同じ燃料入口／出口マニホールド４４内の高い場所の空間へと導く。なお、単位セルの数は、第１のスタック４９よりも第２のスタック５０の方が少ないものとする（例えば、７５％対２５％の割合とする）。
【００４７】
また、燃料電池として機能するためには、酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドも必要であるが、これらは本願発明に直接関係するものではないため、本実施形態では酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドの図示を省略している（他の実施形態も同様）。
【００４８】
ところで、効率を上げる手法の一つに燃料利用率（燃料の供給量に対する消費量の割合）を向上させる方法がある。燃料を水素に変換する改質器を備えたプラントの場合は燃料電池から排出された燃料ガスは熱源として活用されるが、純水素燃料のプラントの場合は発電に使われない水素は排気されるか燃焼されてしまうので、燃料利用率を向上させることがプラント効率を向上させる上で有効となる。
【００４９】
本実施形態のように燃料電池スタックを２つのスタックからなる２段構成とした燃料電池においては、燃料電池全体の単電池セル数の７５％を第１のスタックとし、残りの２５％の単電池を第２のスタックとすると、図８に示すように全ての領域において全体の利用率より個々のスタックの利用率を低くすることが可能となる。例えば全体の燃料ガスの利用率を９０％とすると、第１のスタックの燃料ガスの実質利用率は、９０％×０．７５＝６７．５％であり、また、第２のスタックの燃料ガスの実質利用率は、０．２５／｛（１００％／９０％）−０．７５｝×１００≒６９．２％であり、全体の燃料ガスの利用率を変えずに個々のスタックの利用率を下げる、すなわち全体の燃料ガスの流量を変えることなく、個々のスタックに供給される燃料ガスの流量を増やすことが可能となる。このような手法は、全体の燃料ガス流量を低減できるため、プラント効率を向上させる上で有効となる。したがって、本実施形態ではこのような手法を、前述の第１のスタック４９および第２のスタック５０に適用している。
【００５０】
図９（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる第１のスタック４９をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図であり、図９（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる第２のスタック５０をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。また、図１０（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド４４をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図１０（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド４５をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。
【００５１】
第１のスタック４９は、図９（ａ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス４９Ａおよび第２のパス４９Ｂを有する。また、第２のスタック５０は、図９（ｂ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス５０Ａおよび第２のパス５０Ｂを有する。図９（ａ）および図９（ｂ）から分るように、第１のスタック４９と第２のスタック５０とは、共通した２段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００５２】
燃料入口／出口マニホールド４４は、図１０（ａ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスのパス間を境に仕切られた４つの空間４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄを有する。空間４４Ａには燃料入口配管４６が接続され、空間４４Ｄには燃料出口配管４７が接続され、空間４４Ｂ，４４Ｃには、燃料入口／出口マニホールド４４に設けられた開口部５３，５４を介して両空間を燃料入口／出口マニホールド４４の外側で連絡する前述のスタック間連絡流路５２が接続されている。空間４４Ａは、第１のスタック４９の第１のパス４９Ａに対向し、空間４４Ｂは、第１のスタック４９の第２のパス４９Ｂに対向し、空間４４Ｃは、第２のスタック５０の第１のパス５０Ａに対向し、空間４４Ｄは、第２のスタック５０の第２のパス５０Ｂに対向している。
【００５３】
一方、燃料リターンマニホールド４５は、図１０（ｂ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られた２つの空間４５Ａ，４５Ｂを有する。空間４５Ａには空気導入配管４８が接続されている。空間４５Ａは、第１のスタック４９の第１のパス４９Ａおよび第２のパス４９Ｂに対向し、空間４５Ｂは、第２のスタック５０の第１のパス５０Ａおよび第２のパス５０Ｂに対向している。
【００５４】
ここで、図９および図１０を参照して、本実施形態における燃料ガスフロー等について説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック４１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは主に燃料ガスのフローについて示す。
【００５５】
燃料ガスが燃料入口配管４６を通じて燃料入口／出口マニホールド４４の空間４４Ａに供給されると、燃料ガスは、第１のスタック４９の第１のパス４９Ａを通り、燃料リターンマニホールド４５の空間４５Ａで折り返す。空間４５Ａに入った燃料ガスは、空気導入配管４８を通じて外部から導入される空気と混合し、第１のスタック４９の第２のパス４９Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド４４の空間４４Ｂに入る。空間４４Ｂに入った燃料ガスは、燃料入口／出口マニホールド７の開口部５３を介してスタック間連絡流路５２を通り、燃料入口／出口マニホールド４４の開口部５４を介して空間４４Ｃに入る。空間４４Ｃに入った燃料ガスは、第２のスタック５０の第１のパス５０Ａを通り、燃料リターンマニホールド４５の空間４５Ｂで折り返し、第２のスタック５０の第２のパス５０Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド４４の空間４４Ｄに入る。空間４４Ｄに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック４１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管４７より排出される。
【００５６】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック４１を、第１のスタック４９および第２のスタック５０からなる２段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３つ以上のスタックからなる３段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック１を、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とした場合、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口部に対向する空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口部に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路５２がそれぞれ燃料入口／出口マニホールド４４の外側に設けられる。
【００５７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００５８】
燃料電池に導入される燃料ガスには通常微量の一酸化炭素（ＣＯ）が含まれている。燃料ガス中のＣＯ濃度が例えば１０ｐｐｍの場合の燃料電池の各部分でのＣＯ濃度を図１１に示す。燃料電池スタックの燃料入口部が１０ｐｐｍであり、燃料利用率９０％の条件で、燃料リターン部に到達するまでに各スタックで消費する水素の６０％を消費し、燃料リターン部から燃料出口部に到達するまでに残りの４０％を消費すると、各場所でのＣＯ濃度は下記のように下流に向かうに従ってＣＯ濃度が高くなる。
【００５９】
第１のスタック４９の燃料リターン部：１７ｐｐｍ
第１のスタック４９の燃料出口部、第２のスタック５０の燃料入口部：３１ｐｐｍ
第２のスタック５０の燃料リターン部：５３ｐｐｍ
第２のスタック５０の燃料出口部：１００ｐｐｍ
一般的にＣＯ濃度が高くなると電圧低下が大きくなるため、特にＣＯ濃度が高くなる下流側で性能低下の影響を受けやすい。特に第１の実施形態と比較して、各スタックの燃料利用率は７０％弱とほぼ一緒であるが、全体の燃料利用率が９０％と高いため、電池の下流にいくにしたがってＣＯ濃度が著しく高くなる。性能低下を抑制するためには、燃料ガス側極に供給する燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる手法が有効である。
【００６０】
一方、前述したように、燃料ガス導入部は乾燥により劣化し、高分子膜が損傷しやすい場所であり、かつ燃料ガス導入前に空気を混入させると、燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成されることが確認されている。この過酸化水素が生成する際に生じる中間生成体であるＯＨラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させる。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。このように乾燥による劣化と空気導入による化学的な劣化が重なる燃料入口部が面内で最も損傷を受けやすい。したがって、空気を燃料リターンマニホールド４５に設けられた空気導入配管４８から導入することで、第１の実施形態と同様に、燃料入口部の損傷を抑制できかつ、ＣＯ濃度の高い燃料ガス下流側のＣＯ濃度を低減できる。なお、空気導入配管４８から導入するガスは、空気に限らず、酸素を含む酸素系ガスであれば空気以外のガスを適用してもよい。
【００６１】
本実施形態によれば、第１の実施形態や第２の実施形態と同様、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック４１を、第１のスタック４９の第１のパス４９Ａおよび第２のパス４９Ｂ、第２のスタック５０の第１のパス５０Ａおよび第２のパス５０Ｂからなる２パスフロー構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３パス以上のスタックからなる構成としてもよい。
【００６３】
また、図１０の構成を、図１２の構成や、図１３の構成のように変形して実施してもよい。図１２は空気導入配管５８を燃料入口／出口マニホールド４４に設けて空間４４Ｃに接続するように構成した例を、図１３は空気導入配管６８を燃料リターンマニホールド４５に設けて空間４５Ｂに接続するように構成した例をそれぞれ示している。この場合も、図１０のように構成した場合と同様な効果が得られる。
【００６４】
（第４の実施形態）
図１４を参照して、第４の実施形態について説明する。
【００６５】
図１４は、第４の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【００６６】
図１４に示される燃料電池システムは、前述の第１乃至第３の実施形態で示した燃料電池のいずれかに相当する燃料電池９１と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池９１の燃料極９１ａに供給する改質装置９２と、酸化剤ガスを燃料電池９１の酸化剤極９１ｂに供給する酸化剤ガス供給装置９３と、冷却剤を燃料電池９１の電池冷却部９１ｃに供給して回収する冷却装置９４と、燃料電池９１から取り出される電気を外部へ供給する電気制御装置９５とを備えたものとなっている。
【００６７】
このような構成において、都市ガスなどの原燃料ガスが改質装置９２に供給され、改質された水素リッチの燃料ガスが燃料電池９１の燃料極９１ａに供給される。また、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給装置９３により酸化剤極９１ｂに供給され、冷却剤が冷却装置９４により電池冷却部９１ｃに供給される。このとき、酸化剤ガス供給装置９３から供給される酸化剤ガスの一部が、前述した空気導入配管８（図示せず）を通じて燃料電池９１の燃料ガス流路の途中から燃料極９１ａに供給される。燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して得られた電気は、電気制御装置９５により当該燃料電池システムの外部へ供給される。
【００６８】
この第４の実施形態によれば、第１乃至第３の実施形態で示した燃料電池の利点を活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。
【００６９】
（第５の実施形態）
図１５を参照して、第５の実施形態について説明する。
【００７０】
なお、この第５の実施形態においては、図１５に示した第４の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７１】
図１５は、第５の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【００７２】
図１５に示される燃料電池システムは、前述の改質装置９２の代わりに、純水素ガス供給装置９６を備えたものとなっている。純水素ガス供給装置９６は、純水素ガスを燃料電池９１の燃料極９１ａに供給する。
【００７３】
純水素ガスを燃料ガスに用いた場合は、複数段からなるスタック群のいずれにおいても、水素濃度は微量な不純物を除けば１００％となり、スタック間で燃料ガスの組成に違いはなく、スタック間の比較においてほぼ同じ条件での運転が可能となる。
【００７４】
この第５の実施形態によれば、純水素ガスを燃料ガスに用いた場合に第１乃至第３の実施形態で示した燃料電池の利点を更に活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。
【００７５】
なお、各実施形態では、燃料電池スタックの燃料ガス導入部（燃料入口部）には空気が導入されないため、燃料ガス上流の空気が導入されない範囲が一酸化炭素の影響を受け、燃料電池の性能を向上させる上で妨げになる可能性がある。これを防ぐためには、各実施形態において、燃料極に白金系の合金触媒を適用することが好ましい。具体的には、白金−ルテニウム合金触媒あるいは白金−パラジウム合金触媒などである。燃料極に、これらの合金触媒を適用することによって、数ｐｐｍ程度の一酸化炭素濃度が燃料ガス中に含まれている場合でも、燃料電池の性能低下を抑制することが可能である。
【００７６】
また、各実施形態において、燃料極に導入する酸化剤ガスとして、空気の場合について説明したが、純酸素あるいは酸素を含むガスであれば他の種類のガスでもよい。
【００７７】
以上詳述したように各実施形態によれば、少なくとも、燃料ガス流路の燃料入口よりも下流側に位置し、且つ燃料ガス流路の燃料出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から燃料ガス流路へ導入する構成を採用しているため、燃料電池本体の長寿命化を図ることが可能となる。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１，２１，４１…燃料電池スタック、２，３，２２，２３，４２，４３…集電板、４，２４，４４…燃料入口／出口マニホールド、２４Ａ…燃料入口マニホールド、２４Ｂ…燃料出口マニホールド、５，２５，４５…燃料リターンマニホールド、６，２６，４６…燃料入口配管、７，２７，４７…燃料出口配管、８，２８，４８，５８，６８…空気導入配管、４９…第１のスタック、５０…第２のスタック、５１…隔離板、５２…スタック間連絡流路、５３，５４…開口部、９１…燃料電池、９２…改質装置、９３…酸化剤ガス供給装置、９４…冷却装置、９５…電気制御装置、９６…純水素ガス供給装置。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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