(57)【要約】【課題】  供給ガス流量を変化させても、大きな設備の追加をすることなく供給ガス分配に不均一が生じ難く、良好な発電を持続可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池のセルスタック３へ供給するガス流量を制御するガス流量制御装置１からセルスタック３のガス流入口の間のガス流路４の途中に、内部容量を連続して変更可能なガス貯留タンク２を設けた。このガス貯留タンク２は、少なくともセルスタック３内の燃料ガス流路容量より大きな内部容量を有し、ガス流量制御装置１からのガス供給量に合わせて容量を変化させた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池発電システムにおいて、燃料電池へ供給するガス流量を制御するガス流量制御装置から燃料電池セルスタックのガス流入口までのガス流路の途中に、少なくとも前記セルスタック内の燃料ガス流路容量と同程度の内部容量を有し、且つ前記内部容量を連続して増減可能なガス貯留タンクを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
ガス貯留タンクの容量にセルスタック内の燃料ガス流路容量を加えた燃料ガス流路総容量と、ガス流量制御装置から供給される燃料ガス流量との比が一定となるように前記ガス貯留タンクの容量が供給ガス容量に応じて変更制御される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
ガス貯留タンクは、供給する燃料ガスを加湿する加湿器と兼用されて成る請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、詳しくは供給する燃料ガスの流量が変化しても安定した発電を継続する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む燃料ガスとを電気化学反応させて電力を発生させている。この燃料電池は、高出力で有りながら小型化できるため、固定設置型電源としてだけでなく、車両用やモバイル機器用電源として実用化されつつある。このような燃料電池の場合、発電電力の調整は供給ガス流量を変化して行われ、高い発電効率を実現するために負荷電流の変化に合わせて供給ガス流量を調整して発電電力を変化させている。
【０００３】
ところが、供給ガス流量を変化させると供給ガスの分配が不均一となって、ガス流路に結露が生じてフラッディング現象が発生する場合があった。このような現象が発生すると、動作不良となってしまい燃料電池としての性能が大きく劣化してしまうため、その解決として次のように幾つか対策が提案されている。
（１）供給ガス流量に応じてセパレータのガス流路を変更することで、供給ガスの流速を一定に保ち、圧力変化を低減させて結露の発生を防ぐ（例えば、特許文献１参照）。
（２）各単セルへのガス導入口前に空間（マニホールド）を設け、供給ガス流量の変化による圧力変化量を低減させる（例えば、特許文献２参照）。  
（３）多孔質体から成る燃料整流部材を燃料電池のガス流入部或いはガス流出部に設置し、供給ガス流量が変化しても、各流路に常に均等な圧力が加わるようにする（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１９１６５号公報
【特許文献２】特開２００１−２０２９８４号公報
【特許文献３】特開平８−２１３０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記対策は何れも多くの設備の追加が必要であるし、発電容量に合わせて制御設備を個別に設計しなければならないため、追加設備のコストが高く、燃料電池製造コストを上昇させるものであった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、供給ガス流量を変化させても、大きな設備の追加をすることなく供給ガス分配に不均一が生じ難く、安定した発電を持続可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、燃料ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池発電システムにおいて、燃料電池へ供給するガス流量を制御するガス流量制御装置から燃料電池セルスタックのガス流入口までのガス流路の途中に、少なくとも前記セルスタック内の燃料ガス流路容量と同程度の内部容量を有し、且つ前記内部容量を連続して増減可能なガス貯留タンクを有することを特徴とする。
この構成により、供給する燃料ガスの流路容量を変更できるので、燃料ガスの供給量に合わせてガス貯留タンクの容量を変更することで、ガス供給量が変化しても供給する燃料ガスの圧力を常に一定にすることが可能となり、供給ガスの分配を均一に保つことができ燃料電池の安定した発電の持続が可能となる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、ガス貯留タンクの容量にセルスタック内の燃料ガス流路容量を加えた燃料ガス流路総容量と、ガス流量制御装置から供給される燃料ガス流量との比が一定となるように前記ガス貯留タンクの容量が供給ガス容量に応じて変更制御されることを特徴とする。
この構成により、供給した燃料ガスの平均流速が変化しないので、ガス流量が変化しても圧力の変化がなく安定した発電を実施できる。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、ガス貯留タンクは、供給する燃料ガスを加湿する加湿器と兼用されて成ることを特徴とする。
この構成により、専用のガス貯留タンクを設ける必要がなく、安価に構成できる。
【発明の効果】
【０００９】
このように、本発明によれば、供給した燃料ガスの平均流速が変化しないようにガス貯留タンクの容量を変化させることで、ガス流量が変化しても供給ガスの圧力の変化を無くすことができ、燃料電池の安定した発電が可能となる。また、ガス流路の途中にガス貯留タンクを設けるだけなので、大きな設備の追加をすることなく安定した発電を実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池発電システムの一例を示す要部ブロック図であり、１はガス流量制御装置、２はガス貯留タンク、３は燃料電池のセルスタック、４はガス流路を示し、セルスタックへ供給される燃料ガスは、ガス流量制御装置１で調整されて送出され、ガス貯留タンク２に一次的に収容された後各セルスタック３へ供給される。
尚、ガス流量制御装置１及びガス貯留タンク２は、実際には一対づつ設けられ、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する燃料ガス（酸化剤ガス）がセルスタックへ供給される。
【００１１】
ガス貯留タンク２は、蛇腹状に形成され伸縮自在であり、別途設けられた容量変更装置（図示せず）により制御されて内容量が増減される。図２は、ガス貯留タンク２が収縮して容量が小さくなった状態を示し、ガス流量制御装置１から供給される燃料ガスの流量が変化したら、そのガス流量制御装置１の制御信号を受けて容量変更装置が動作し、内部容量が制御される。
具体的に説明すると、図１において、ガス流路４とセルスタック３内のガス流路容量を合わせた容量をＶとすると、ガス貯留タンク２の最大容量はその５倍の５Ｖと設定されている。また、ガス流量制御装置１の標準出力ガス流量（最大流量）を２Ｑとすると、最小流量はその２分の１のＱとなっている。そして、燃料ガス流量が最大の２Ｑのときガス貯留タンク容量が５Ｖ、燃料ガス流量が最小のＱの時にガス貯留タンク２の容量が２Ｖに変化するよう制御される。
【００１２】
このガス供給量とガス貯留タンク２の容量の関係は、次のように設定される。まず、セルスタック３内のガス流路容量及び燃料ガスの標準圧力（最適な圧力）を求める。最大ガス流量（２Ｑ）でこの最適圧力を得るために、セルスタック３内のガス流路と外部のガス流路４を合わせた流路容量Ｖの６倍の流路空間が必要であるとすると、容量Ｖの５倍の容量５Ｖがガス貯留タンクとして必要となる。そこで、内部容量５Ｖのガス貯留タンク２を用意してガス流路４の途中に組み付ける。
【００１３】
こうして、容量Ｖの６倍のガス流路空間を得ることで、最大流量において燃料ガスの標準ガス圧での供給を実現できる。また、最小発電時のガス供給量が最大流量の２分の１のＱであれば、ガス貯留タンク２の容量を２Ｖにすることで、同様に標準ガス圧での供給を実現できる。これは、次式に示すガス流量とガス流路の総容量の関係式から求めることができる。
【００１４】
２Ｑ／（５Ｖ＋Ｖ）＝Ｑ／（２Ｖ＋Ｖ）＝一定 
【００１５】
これは、ガス流量がＱの時はガス貯留タンクの容量を２Ｖとすることでガス流量が２Ｑの時と同様の比となることを示し、燃料ガスの流量とセルスタック３内を含む全てのガス流路容量との比が一定で変化しないことを示している。即ち燃料ガスの平均流速が一定であり、ガス供給量が低下してもガス流路内のガス圧が変化しないことを示している。
【００１６】
このように、供給する燃料ガスの流路容量を変更可能とし、燃料ガスの供給量に合わせてガス貯留タンクの容量を変更することで、ガス供給量が変化しても供給する燃料ガスの圧力を常に最適な圧力に保つことが可能となり、燃料電池の安定発電を維持することが可能となる。
【００１７】
尚、上記実施形態では、ガス貯留タンク２の大きさを、最小でもセルスタック内のガス流路容量の２倍としているが、供給する燃料ガスの最適圧力に合わせて設定すればよく１倍程度であっても良い。また、ガス貯留タンク２をガス流量制御装置１と燃料電池セルスタック３の間に専用のタンクとして設けたが、燃料ガスを加湿する加湿器が設けられているシステムにあっては、加湿器の容量を変更可能とすることでガス貯留タンクと兼用させることが可能であり、この場合、専用のガス貯留タンクを設ける必要がないので、コストダウンを図ることができる。
また、ガス貯留タンク２は蛇腹構造でなくとも良く、例えば図３に示すように筒体５ａとピストン状の摺動板５ｂから成るシリンダー構造としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態の一例を示す要部ブロック図である。
【図２】図１のシステムのガス貯留タンクが収縮した状態を示す要部ブロック図である。
【図３】ガス貯留タンクの他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１９】
１・・ガス流量制御装置、２・・ガス貯留タンク、３・・セルスタック、４・・ガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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