(57)【要約】【課題】発電運転の停止時に使用する不活性ガスの使用量を大幅に低減して、設置スペースを小さくすることができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】スタック１１１の燃料ガス排出部と接続弁１２９ｃとの間に接続弁１６９ａを介して一端側を接続されて内部にピストン１６２を配設されると共に他端側に開口部１６１ａを有するシリンダ１６１と、スタック１１１の酸化ガス排出部と接続弁１３９ｃとの間に接続弁１７９ａを介して一端側を接続されて内部にピストン１７２を配設されると共に他端側に開口部１７１ａを有するシリンダ１７１と、スタック１１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を自己消費させる抵抗１８１及び切換スイッチ１８２等とを備える固体高分子形燃料電池発電システム１００とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルが複数積層されて当該燃料極へ供給する燃料ガスの供給部及び排出部を有すると共に当該酸化極へ供給する酸化ガスの供給部及び排出部を有するスタックと、
前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段と、
前記スタックの前記燃料ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、
前記スタックの前記酸化ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、
前記スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させる自己消費手段と、
前記スタックの前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた燃料ガス用圧縮手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部と前記酸化ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記酸化ガス排出部と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた酸化ガス用圧縮手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段と、
前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、
発電運転停止信号に基づいて、前記スタックへの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖制御すると共に、当該スタック内からの前記ガスの排気を停止するように前記排気手段の前記接続弁を閉鎖制御し、当該スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御した後、上記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記燃料極側の圧力が第二の燃料極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記燃料極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、上記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記酸化極側の圧力が第二の酸化極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記酸化極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、発電運転開始信号に基づいて、前記スタックへ前記燃料ガス及び前記酸化ガスを供給するように前記ガス供給手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記燃料ガスを流入させるように当該燃料ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記酸化ガスを流入させるように当該酸化ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が前記第一の燃料極側規定値以下になると、上記燃料ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が前記第一の酸化極側規定値以下になると、上記酸化ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部を大気開放させる開口部である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に不活性ガスを加圧供給する押圧用不活性ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に接続されて内部に水を貯留する貯水槽である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に燃料ガスを加圧供給する押圧用燃料ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に酸化ガスを加圧供給する押圧用酸化ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部に設けられて当該シリンダの一端側へ向けて前記ピストンを付勢する付勢部材を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁と前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記燃料ガスの流通経路の容積が、前記酸化ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁と前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記酸化ガスの流通経路の容積の２倍以上となっている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積と前記酸化ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積とが同一である
ことを特徴とする固体高分子形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、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子形燃料電池発電システムの概略構成を図７に示す。
図７に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック１１の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス２を送給する水素ガスボンベ２１が圧調弁２９ａを介して接続されている。上記圧調弁２９ａと上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、水素ガス２を加湿する加湿器２２が配設されている。上記加湿器２２と上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁２９ｂが介在している。
【０００３】
前記スタック１１の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス３を送給する酸素ガスボンベ３１が圧調弁３９ａを介して接続されている。上記圧調弁３９ａと上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス３を加湿する加湿器３２が配設されている。上記加湿器３２と上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁３９ｂが介在している。
【０００４】
前記スタック１１の燃料ガス排出部には、ドレンポット２３が接続弁２９ｃを介して接続されている。上記スタック１１の酸化ガス排出部には、ドレンポット３３が接続弁３９ｃを介して接続されている。
【０００５】
前記スタック１１の燃料ガス供給部と前記接続弁２９ｂとの間には、不活性ガスである窒素ガス４を送給する窒素ガスボンベ４１が圧調弁４９ａを介して接続されている。上記圧調弁４９ａと上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、窒素ガス４を加湿する加湿器４２が配設されている。上記加湿器４２と上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁４９ｂが介在している。
【０００６】
前記スタック１１の酸化ガス供給部と前記接続弁３９ｂとの間には、窒素ガスボンベ５１が圧調弁５９ａを介して接続されている。上記圧調弁５９ａと上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、窒素ガス４を加湿する加湿器５２が配設されている。上記加湿器５２と上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁５９ｂが介在している。
【０００７】
このような従来の固体高分子形燃料電池発電システム１０の作動を次に説明する。
発電運転を行う場合には、前記圧調弁２９ａで圧調して前記接続弁２９ｂ，２９ｃを開放することにより、前記水素ガスボンベ２１から水素ガス２が送出されて、前記加湿器２２内の水１中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック１１の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記圧調弁３９ａで圧調して前記接続弁３９ｂ，３９ｃを開放することにより、前記酸素ガスボンベ３１から酸素ガス３が送出されて、前記加湿器３２内の水１中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック１１の酸化ガス供給部へ供給され、当該水素ガス２と当該酸素ガス３とが当該スタック１１内で電気化学的に反応して、電力が得られる。
【０００８】
前記スタック１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス２は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット２３で上記水１を除去された後、再利用等される。また、前記スタック１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス３は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット３３で上記水１を除去された後、再利用等される。
【０００９】
そして、発電運転を停止する場合には、前記弁２９ａ，２９ｂ，３９ａ，３９ｂを閉鎖して、前記スタック１１内への前記水素ガスボンベ２１からの水素ガス２及び前記酸素ガスボンベ３１からの酸素ガス３の供給を停止した後、前記圧調弁４９ａ，５９ａで圧調して前記接続弁４９ｂ，５９ｂを開放して、前記窒素ガスボンベ４１，５１から窒素ガス４を送給し、前記加湿器４２，５２内の水１中へ送給して飽和状態にまで加湿した後、前記スタック１１の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部へ供給し、当該スタック１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を燃料ガス排出部及び酸化ガス排出部からパージすると共に、当該スタック１１内を窒素ガス４に置換したら、前記弁２９ｃ，３９ｃ，４９ａ，４９ｂ，５９ａ，５９ｂを閉鎖して、当該スタック１１内を飽和水蒸気の窒素ガス４の雰囲気とすることにより、セルの固体高分子膜の乾燥を防止しつつ、残存する水素ガス２及び酸素ガス３による余計な反応に伴う固体高分子膜や電極中の触媒等の劣化を抑制するようにしている（例えば、下記特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２５１７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したような従来の固体高分子形燃料電池発電システム１０においては、発電運転を停止した後に、スタック１１内に残存している水素ガス２及び酸素ガス３を窒素ガス４でパージして、当該スタック１１内を窒素ガス４に置換するため、発電運転を停止するにあたって、窒素ガス４を大量に使用してしまうことから（スタック１１の前記ガス２，３の流路系の容積の約４〜５倍）、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合、窒素ガス４の使用量が非常に多くなり、ランニングコストが高くなってしまうと共に、窒素ガスボンベ４１，５１を多数本設置したり、窒素ガスボンベ４１，５１の大容量化を図ったりしなければならず、多大な設置スペースが必要になってしまう。
【００１２】
このようなことから、本発明は、発電運転の停止時に使用する不活性ガスの使用量を大幅に低減して、設置スペースを小さくすることができる固体高分子形燃料電池発電システム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】
【００１３】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルが複数積層されて当該燃料極へ供給する燃料ガスの供給部及び排出部を有すると共に当該酸化極へ供給する酸化ガスの供給部及び排出部を有するスタックと、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段と、前記スタックの前記燃料ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、前記スタックの前記酸化ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、前記スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させる自己消費手段と、前記スタックの前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた燃料ガス用圧縮手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部と前記酸化ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記酸化ガス排出部と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた酸化ガス用圧縮手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段と、前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、発電運転停止信号に基づいて、前記スタックへの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖制御すると共に、当該スタック内からの前記ガスの排気を停止するように前記排気手段の前記接続弁を閉鎖制御し、当該スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御した後、上記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記燃料極側の圧力が第二の燃料極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記燃料極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、上記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記酸化極側の圧力が第二の酸化極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記酸化極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記制御手段が、発電運転開始信号に基づいて、前記スタックへ前記燃料ガス及び前記酸化ガスを供給するように前記ガス供給手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記燃料ガスを流入させるように当該燃料ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記酸化ガスを流入させるように当該酸化ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が前記第一の燃料極側規定値以下になると、上記燃料ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が前記第一の酸化極側規定値以下になると、上記酸化ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御するものであることを特徴とする。
【００１６】
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部を大気開放させる開口部であることを特徴とする。
【００１７】
第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に不活性ガスを加圧供給する押圧用不活性ガス供給手段であることを特徴とする。
【００１８】
第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に接続されて内部に水を貯留する貯水槽であることを特徴とする。
【００１９】
第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に燃料ガスを加圧供給する押圧用燃料ガス供給手段であることを特徴とする。
【００２０】
第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に酸化ガスを加圧供給する押圧用酸化ガス供給手段であることを特徴とする。
【００２１】
第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部に設けられて当該シリンダの一端側へ向けて前記ピストンを付勢する付勢部材を備えていることを特徴とする。
【００２２】
第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第九番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁と前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記燃料ガスの流通経路の容積が、前記酸化ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁と前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記酸化ガスの流通経路の容積の２倍以上となっていることを特徴とする。
【００２３】
第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第十番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積と前記酸化ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積とが同一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、発電運転停止後に、前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖することにより、スタック内を外部から遮断するように封じ切り、スタック内に残存する水素ガス及び酸素ガスを自己消費手段で自己消費、すなわち、スタック内に残存する水素ガス及び酸素ガスを当該スタック内で化学反応させて消費させて、当該スタック内から水素ガス及び酸素ガスを除去した後に、当該スタック内に不活性ガスを送給して当該スタック内を不活性ガスで置換できることから、スタック内に供給する不活性ガスの量を従来よりも大幅に少なくすることができるので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、不活性ガス供給手段を省スペースで設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の概略構成図である。
【図４】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第四番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第五番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図６】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第六番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図７】従来の固体高分子形燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２７】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。
【００２８】
図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック１１１の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス２を送給する水素ガスボンベ１２１が圧調弁１２９ａを介して接続されている。上記圧調弁１２９ａと上記スタック１１１の燃料ガス供給部との間には、水素ガス２を加湿する加湿器１２２が配設されている。上記加湿器１２２と上記スタック１１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁１２９ｂが介在している。
【００２９】
前記スタック１１１の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス３を送給する酸素ガスボンベ１３１が圧調弁１３９ａを介して接続されている。上記圧調弁１３９ａと上記スタック１１１の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス３を加湿する加湿器１３２が配設されている。上記加湿器１３２と上記スタック１１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁１３９ｂが介在している。
【００３０】
前記スタック１１１の燃料ガス排出部には、ドレンポット１２３が接続弁１２９ｃを介して接続されている。上記スタック１１１の酸化ガス排出部には、ドレンポット１３３が接続弁１３９ｃを介して接続されている。
【００３１】
前記スタック１１１の燃料ガス供給部と前記接続弁１２９ｂとの間には、不活性ガスである窒素ガス４を送給する窒素ガスボンベ１４１が圧調弁１４９ａ及び接続弁１４９ｂを介して接続されている。前記スタック１１１の酸化ガス供給部と前記接続弁１３９ｂとの間には、窒素ガスボンベ１５１が圧調弁１５９ａ及び接続弁１５９ｂを介して接続されている。
【００３２】
前記スタック１１１の燃料ガス排出部と前記接続弁１２９ｃとの間には、円筒型のシリンダ１６１の一端側が接続弁１６９ａを介して接続されている。このシリンダ１６１の内部には、当該シリンダ１６１の内部を軸方向に沿って摺動移動可能なピストン１６２が配設されている。このシリンダ１６１の他端側には、押圧手段となる大気開放された開口部１６１ａが設けられている。
【００３３】
前記スタック１１１の酸化ガス排出部と前記接続弁１３９ｃとの間には、円筒型のシリンダ１７１の一端側が接続弁１７９ａを介して接続されている。このシリンダ１７１の内部には、当該シリンダ１７１の内部を軸方向に沿って摺動移動可能なピストン１７２が配設されている。このシリンダ１７１の他端側には、押圧手段となる大気開放された開口部１７１ａが設けられている。
【００３４】
そして、前記接続弁１２９ｂ，１２９ｃ，１４９ｂ及び前記シリンダ１６１で囲まれる水素ガス２の流通経路（以下略して「スタックの水素（燃料）ガス系」という。）の容積が、前記接続弁１３９ｂ，１３９ｃ，１５９ｂ及び前記シリンダ１７１で囲まれる酸素ガス３の流通経路（以下略して「スタックの酸素（酸化）ガス系」という。）の容積の２倍以上となるように、上記シリンダ１６１は、上記シリンダ１７１と比べて、径方向における内径での断面積が同一でありながらも、容積が大きく（軸方向の断面積が大きく）なっている。
【００３５】
前記スタック１１１には、各種の外部負荷Ｌ及び自己消費用の抵抗１８１が切換スイッチ１８２を介して電気的に接続されており、当該切換スイッチ１８２は、上記スタック１１１に対する上記外部負荷Ｌと当該抵抗１８１との電気的な接続を切り換えることができるようになっている。
【００３６】
また、前記スタック１１１の燃料ガス供給部と前記接続弁１２９ｂ，１４９ｂとの間には、燃料極側圧力計測手段である圧力計１９２ａが配設されている。前記スタック１１１の酸化ガス供給部と前記接続弁１３９ｂ，１５９ｂとの間には、酸化極側圧力計測手段である圧力計１９２ｂが配設されている。これら圧力計１９２ａ，１９２ｂは、制御手段である制御装置１９１の入力部にそれぞれ電気的に接続している。
【００３７】
前記制御装置１９１の出力部は、前記弁１１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃ，１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂ，１６９ａ，１７９ａ及び前記切換スイッチ１８２に電気的に接続しており、当該制御装置１９１は、上記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報等に基づいて、上記弁１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃ，１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂ，１６９ａ，１７９ａの開閉作動及び上記切換スイッチ１８２の切換作動等を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００３８】
なお、本実施形態においては、前記水素ガスボンベ１２１、前記加湿器１２２、前記圧調弁１２９ａ、前記接続弁１２９ｂ等により、本発明に係る燃料ガス供給手段を構成し、前記酸素ガスボンベ１３１、前記加湿器１３２、前記圧調弁１３９ａ、前記接続弁１３９ｂ等により、本発明に係る酸化ガス供給手段を構成し、前記ドレンポット１２３、前記接続弁１２９ｃ等により、本発明に係る燃料ガス排気手段を構成し、前記ドレンポット１３３、前記接続弁１３９ｃ等により、本発明に係る酸化ガス排気手段を構成し、前記窒素ガスボンベ１４１、前記圧調弁１４９ａ、前記接続弁１４９ｂ等により、本発明に係る燃料極用不活性ガス供給手段を構成し、前記窒素ガスボンベ１５１、前記圧調弁１５９ａ、前記接続弁１５９ｂ等により、本発明に係る酸化極用不活性ガス供給手段を構成し、前記シリンダ１６１、前記ピストン１６２、前記接続弁１６９ａ等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段を構成し、前記シリンダ１７１、前記ピストン１７２、前記接続弁１７９ａ等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段を構成し、前記抵抗１８１、切換スイッチ１８２等により、本発明に係る自己消費手段を構成している。
【００３９】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。
【００４０】
発電運転を開始する旨の信号が制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１は、前記スタック１１１を外部負荷Ｌに接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御すると共に、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１内に水素ガス２及び酸素ガス３を規定の運転圧力（例えば、約１００〜６００ｋＰａ（ａｂｓ））で供給するように、前記圧調弁１２９ａ，１３９ａの圧調制御及び前記接続弁１２９ｂ，１２９ｃ，１３９ｂ，１３９ｃ，１６９ａ，１７９ａを開放制御する。
【００４１】
これにより、前記水素ガスボンベ１２１から送出された水素ガス２は、前記加湿器１２２内の水１中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック１１１の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記酸素ガスボンベ１３１から送出された酸素ガス３は、前記加湿器１３２内の水１中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック１１１の酸化ガス供給部へ供給されて、当該水素ガス２と当該酸素ガス３とが当該スタック１１１内で電気化学的に反応し、当該スタック１１１から外部負荷Ｌに対して給電することができる。
【００４２】
そして、前記スタック１１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス２は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１１の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット１２３で上記水１を除去された後、再利用等される。また、前記スタック１１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス３は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１１の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット１３３で上記水１を除去された後、再利用等される。
【００４３】
このとき、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２は、前記ガス２，３が当該シリンダ１６１，１７１内に一端側から流入することにより、当該シリンダ１６１，１７１内の他端側へ位置するようになる。
【００４４】
このようにして発電運転を行なっている際に、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１は、前記弁１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃを閉鎖するように制御して、前記スタック１１１内への前記水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２及び前記酸素ガスボンベ１３１からの酸素ガス３の供給を停止すると共に、当該スタック１１１内からの前記ガス２，３の排気を停止することにより、当該スタック１１１の前記ガス２，３系を外部から遮断し、さらに、当該スタック１１１を前記抵抗１８１に接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御する。
【００４５】
これにより、前記スタック１１１の前記ガス２，３系内に残存する当該ガス２，３は、上記抵抗１８１での電力消費によって自己消費、すなわち、スタック１１１内で化学反応によって消費されて減少していく。そして、当該ガス２，３の自己消費（減少）に伴って、上記スタック１１１の上記ガス２，３系の圧力が大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ））になると、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２が大気圧によって当該シリンダ１６１，１７１の他端側から一端側へ向って押圧され始め、上記系内に残存する上記ガス２，３が上記ピストン１６２，１７２の圧縮力（大気圧力）によって当該スタック１１１の前記セルへ強制的に送り込まれて迅速に消費される。
【００４６】
そして、前記スタック１１１の燃料ガス系内に残存する水素ガス２がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１内の燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａからの情報に基づいて、前記接続弁１６９ａを閉鎖するように制御した後、前記スタック１１１の燃料ガス系内に窒素ガス４を供給するように、前記圧調弁１４９ａを圧調制御すると共に、前記接続弁１４９ｂを開放制御する。
【００４７】
これと同様に、前記スタック１１１の酸化ガス系内に残存する酸素ガス３がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１内の酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、前記接続弁１７９ａを閉鎖するように制御した後、前記スタック１１１の酸化ガス系内に窒素ガス４を供給するように、前記圧調弁１５９ａを圧調制御すると共に、前記接続弁１５９ｂを開放制御する。
【００４８】
続いて、前記スタック１１１の燃料極側の圧力が窒素ガス４により第二の燃料極側規定値（例えば、約１００〜１５０ｋＰａ（ａｂｓ））にまで達すると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａからの情報に基づいて、前記弁１４９ａ，１４９ｂを閉鎖制御し、当該スタック１１１の燃料ガス系内（前記シリンダ１６１内を除く）を窒素ガス４に置換（窒素ガス雰囲気化）する。
【００４９】
これと同様に、前記スタック１１１の酸化極側の圧力が窒素ガス４により第二の酸化極側規定値（例えば、約１００〜１５０ｋＰａ（ａｂｓ））にまで達すると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、前記弁１５９ａ，１５９ｂを閉鎖制御し、当該スタック１１１の酸化ガス系内（前記シリンダ１７１内を除く）を窒素ガス４に置換（窒素ガス雰囲気化）する。
【００５０】
つまり、従来は、発電運転停止後に、スタック１１内に窒素ガス４を送給して当該スタック１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を外部へパージすることにより、当該スタック１１内から上記ガス２，３を除去すると同時に当該スタック１１内を窒素ガス４で置換するようにしていたが、本実施形態では、発電運転停止後に、スタック１１１の前記ガス２，３系を外部から遮断するように封じ切って当該スタック１１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を自己消費、すなわち、スタック１１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を当該スタック内で化学反応させて消費させることにより、当該スタック１１１の当該ガス２，３系内から上記ガス２，３を除去した後に、当該スタック１１１内に窒素ガス４を送給して当該スタック１１１内を窒素ガス４で置換するようにしたのである。
【００５１】
このため、本実施形態においては、前記スタック１１１内に供給する窒素ガス４の量を従来よりも大幅に少なくすることができる（スタック１１１の前記ガス２，３の流路系の容積の１〜１．５倍程度）ので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、窒素ガス４の使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、窒素ガスボンベ１４１，１５１を省スペースで設置することができる。
【００５２】
したがって、本実施形態によれば、発電運転の停止時に使用する窒素ガス４の使用量を大幅に低減することができると共に、設置スペースを小さくすることができる。
【００５３】
また、前記スタック１１１内に窒素ガス４を流通させて水素ガス２及び酸素ガス３をパージする必要がなく、当該スタック１１１内への窒素ガス４の供給量を必要最小限量で抑えることができるので、当該スタック１１１内へ供給する窒素ガス４を加湿しなくても、当該スタック１１１のセルの固体高分子膜を乾燥させて劣化させてしまうことがない。このため、従来のような窒素ガス４用の加湿器４３，５３等を省略することができるので、設置スペースのさらなるコンパクト化を図ることができる。
【００５４】
また、前記スタック１１１の前記ガス系内に残存する前記ガス２，３を大気圧によって前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２で押圧して当該スタック１１１の前記セルへ強制的に送り込むようにしたので、当該系内に残存する上記ガス２，３を迅速に自己消費することができ、当該系内からの上記ガス２，３の除去を効率よく行うことができるだけでなく、例えば、当該系内に残存する上記ガス２，３を当該系内でブロア等により強制的に流通させて自己消費させる場合よりも、自己消費に要する電力を不要とすることができ、システム全体の消費電力を削減することができるので、システム全体の効率を高めることができる。
【００５５】
また、前記スタック１１１の燃料ガス（Ｈ2）系内の容積が、前記スタック１１１の酸化ガス（Ｏ2）系内の容積の２倍以上となるように、前記シリンダ１６１の容積（軸方向の断面積）を前記シリンダ１７１の容積（軸方向の断面積）よりも大きくしたことから、前記スタック１１１での前記電気化学反応（２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ）による上記酸化ガス系内からの酸素ガス３の除去をより確実に行うことができる（９９％以上）ので、当該酸化ガス系内に残留する酸素ガス３による発電運転起動時の不具合（セル内に高電位箇所が局所的に発生して触媒に電気腐食を生じさせるおそれ）を未然に防止することができる。
【００５６】
また、前記シリンダ１６１と前記シリンダ１７１との径方向における内径での断面積が同一、すなわち、前記ピストン１６２と前記ピストン１７２との径方向における外径での断面積が同一であることから、自己消費の際に前記スタック１１１の燃料ガス系内に前記ピストン１６２から加わる圧力と当該スタック１１１の酸化ガス系内に前記ピストン１７２から加わる圧力とを同等にすることができるので、当該スタック１１１の前記セルにかかる圧力負荷を均一にすることができ、当該セルの損傷を大きく抑制することができる。
【００５７】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００５８】
図２に示すように、前記シリンダ１６１の前記開口部１６１ａは、前記窒素ガスボンベ１４１の前記圧調弁１４９ａと前記接続弁１４９ｂとの間に開閉弁２６９ｂを介して連結されている。上記シリンダ１６１の上記開口部１６１ａと上記開閉弁２６９ｂとの間には、三方型の切換弁２６９ｃが介在しており、当該切換弁２６９ｃは、一つの口が外部と連絡できるようになっている。
【００５９】
前記シリンダ１７１の前記開口部１７１ａは、前記窒素ガスボンベ１５１の前記圧調弁１５９ａと前記接続弁１５９ｂとの間に開閉弁２７９ｂを介して連結されている。上記シリンダ１７１の上記開口部１７１ａと上記開閉弁２７９ｂとの間には、三方型の切換弁２７９ｃが介在しており、当該切換弁２７９ｃは、一つの口が外部と連絡できるようになっている。
【００６０】
また、前記弁２６９ｂ，２６９ｃ，２７９ｂ，２７９ｃは、前記制御装置１９１の出力部にそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報等に基づいて、さらに、上記弁２６９ｂ，２７９ｂの開閉作動及び上記弁２６９ｃ，２７９ｃの切換作動を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００６１】
なお、本実施形態においては、前記窒素ガスボンベ１２１、前記圧調弁１２９ａ、前記開閉弁２６９ｂ、前記切換弁２６９ｃ等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段（押圧用不活性ガス供給手段）を構成し、前記窒素ガスボンベ１３１、前記圧調弁１３９ａ、前記開閉弁２７９ｂ、前記切換弁２７９ｃ等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段（押圧用不活性ガス供給手段）を構成している。
【００６２】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、発電運転を開始する旨の信号が前記制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１が前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様な制御を行って、前記スタック１１１から外部負荷Ｌに対して給電する。
【００６３】
そして、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１は、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様に、前記弁１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃを閉鎖するように制御して、前記スタック１１１内への前記水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２及び前記酸素ガスボンベ１３１からの酸素ガス３の供給を停止すると共に、当該スタック１１１内からの前記ガス２，３の排気を停止することにより、当該スタック１１１の前記ガス２，３の流路系を外部から遮断し、さらに、前記スタック１１１を前記抵抗１８１に接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御する。
【００６４】
これに加えて、前記制御装置１９１は、前記圧調弁１４９ａ，１５９ａの圧調制御及び前記開閉弁２６９ｂ，２７９ｂの開放制御を行うと共に、前記窒素ガスボンベ１４１，１５１と前記シリンダ１６１，１７１とを連絡させるように前記切換弁２６９ｃ，２７９ｃを切換制御することにより、当該窒素ガスボンベ１４１，１５１内の窒素ガス４を上記シリンダ１６１，１７１内の他端側へ加圧供給（例えば、約１００〜６００ｋＰａ（ａｂｓ））する。
【００６５】
これにより、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２が上記窒素ガス４の圧力によって当該シリンダ１６１，１７１の他端側から一端側へ向って押圧され、前記スタック１１１の前記ガス２，３系内に残存する前記ガス２，３が上記ピストン１６２，１７２の圧縮力（窒素ガス４の供給圧力）によって当該スタック１１１の前記セルへ強制的に送り込まれてさらに迅速に消費される。
【００６６】
このようにして前記スタック１１１の燃料ガス系内に残存する水素ガス２がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１内の燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａからの情報に基づいて、前記接続弁１６９ａ及び前記開閉弁２６９ｂを閉鎖制御すると共に、前記シリンダ１６１内の他端側と外部とを連絡させるように前記切換弁２６９ｃを切換制御して、前記シリンダ１６１内の一端側を減圧させるように当該シリンダ１６１内の一端側の窒素ガス４を外部へ排気する。
【００６７】
これと同様に、前記スタック１１１の酸化ガス系内に残存する酸素ガス３がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１内の酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、前記接続弁１７９ａ及び前記開閉弁２７９ｂを閉鎖制御すると共に、前記シリンダ１７１内の他端側と外部とを連絡させるように前記切換弁２７９ｃを切換制御して、前記シリンダ１７１内の一端側を減圧させるように当該シリンダ１７１内の一端側の窒素ガス４を外部へ排気する。
【００６８】
そして、前記スタック１１１の前記ガス２，３系内に窒素ガス４を供給するように、前記圧調弁１４９ａ，１５９ａを圧調制御すると共に、前記接続弁１４９ｂ，１５９ｂを開放制御し、前記スタック１１１の燃料極側及び酸化極側の圧力が窒素ガス４により第二の前記規定値（例えば、約１００〜１５０ｋＰａ（ａｂｓ））にまで達すると、前記制御装置１９１は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記弁１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂを閉鎖制御し、当該スタック１１１の前記ガス２，３系内（前記シリンダ１６１，１７１内を除く）を窒素ガス４に置換（窒素ガス雰囲気化）する。
【００６９】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、前記シリンダ１６１，１７１内の一端側を大気開放することにより、前記ピストン１６２，１７２を大気圧で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００では、前記シリンダ１６１，１７１内の他端側に窒素ガス４を加圧供給することにより、前記ピストン１６２，１７２を大気圧以上で押圧するようにしたのである。
【００７０】
このため、本実施形態においては、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、前記スタック１１１の前記ガス２，３系内に残存する前記ガス２，３を当該スタック１１１の前記セルへさらに強制的に送り込んでより迅速に消費することができる。
【００７１】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前記スタック１１１の運転圧力が大気圧よりも比較的高い場合（約１１０〜６００ｋＰａ（ａｂｓ）程度）であっても、前記スタック１１１の前記ガス２，３系内からの前記ガス２，３の除去を前述した第一番目の実施形態の場合よりもさらに効率よく行うことができる。
【００７２】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図３に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７３】
図３に示すように、スタック１１１及びシリンダ１７１，１８１は、外部と内部とを遮蔽するシールドボックス３８３の内部に配設されている。このシールドボックス３８３の内部には、窒素ガス４が大気圧以上（約１１０〜６００ｋＰａ（ａｂｓ）程度）で加圧充填されている。
【００７４】
このような本実施形態においては、前記シールドボックス３８３等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段及び酸化ガス用圧縮手段の押圧手段（押圧用不活性ガス供給手段）を兼ねるように構成している。
【００７５】
つまり、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００では、前記窒素ガスボンベ１４１，１５１内の窒素ガス４を前記シリンダ１６１，１７１内の他端側に対して前記弁１４９ａ，２６９ｂ，２６９ｃ，１５９ａ，２７９ｂ，２７９ｃを介して給排するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を前記シールドボックス３８３内に加圧充填されている窒素ガス４で加圧するようにしたのである。
【００７６】
このため、前述した第二番目の実施形態においては、前記シリンダ１７１，１８１内の他端側に対する窒素ガス４の給排用に、前記弁１４９ａ，２６９ｂ，２６９ｃ，１５９ａ，２７９ｂ，２７９ｃを制御する必要があったが、本実施形態においては、前記シリンダ１７１，１８１内の他端側に対する窒素ガス４の給排のためだけの弁等を不要とすることができる。
【００７７】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第二番目の実施形態の場合よりも、制御系を簡略化することができ、システムコストの削減を図ることができる。
【００７８】
［第四番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第四番目の実施形態を図４に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７９】
図４に示すように、前記シリンダ１６１の前記開口部１６１ａには、内部に水素ガス２を加圧充填された水素ガスタンク４６４が連結されている。また、前記シリンダ１７１の前記開口部１７１ａには、内部に酸素ガス３を加圧充填された酸素ガスタンク４７４が連結されている。
【００８０】
このような本実施形態においては、前記水素ガスタンク４６４等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段（押圧用燃料ガス供給手段）を構成し、前記酸素ガスタンク４７４等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段（押圧用酸化ガス供給手段）を構成している。
【００８１】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を空気で押圧するようにし、前述した第二，三番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００，３００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を窒素ガス４で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４００では、前記スタック１１１のセルの燃料極側と連絡する前記シリンダ１６１内の前記ピストン１６２を水素ガス２で押圧すると共に、前記スタック１１１のセルの酸化極側と連絡する前記シリンダ１７１内の前記ピストン１７２を酸素ガス３で押圧するようにしたのである。
【００８２】
このため、本実施形態においては、前記シリンダ１６１，１７１と前記ピストン１６２，１７２との間のシール性能が低下して、万が一、当該シリンダ１６１，１７１内の他端側から一端側へガス漏れを生じてしまっても、前記スタック１１１内での前記電気化学反応に何ら問題を生じることがない。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一〜三番目の実施形態の場合よりも前記スタック１１１内での前記電気化学反応をさらに確実に実施することができる。
【００８４】
［第五番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第五番目の実施形態を図５に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００８５】
図５に示すように、前記開口部１６１ａ，１７１ａを上方へ位置させるように鉛直方向へ軸方向を向けた前記シリンダ１６１，１７１の当該開口部１６１ａ，１７１ａには、内部に水１を貯留すると共に上方を大気開放された貯水槽５６５，５７５の下部が連結されており、当該シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２よりも上方は、上記水１で満たされている。
【００８６】
このような本実施形態においては、前記貯水槽５６５等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段を構成し、前記貯水槽５７５等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段を構成している。
【００８７】
つまり、前述した第一〜四番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００，２００，３００，４００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を空気や前記ガス２，３，４で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム５００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を水１の自重で押圧するようにしたのである。
【００８８】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜四番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【００８９】
［第六番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第六番目の実施形態を図６に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００９０】
図６に示すように、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２よりも他端側には、圧縮コイルばね６６６，６７６が配設されている。
【００９１】
このような本実施形態においては、前記圧縮コイルばね６６６等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段（付勢部材）を構成し、前記圧縮コイルばね６７６等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段（付勢部材）を構成している。
【００９２】
つまり、前述した第一〜五番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００，２００，３００，４００，５００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を空気や前記ガス２，３，４や水１で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム６００では、前記シリンダ１６１，１７１内の前記ピストン１６２，１７２を圧縮コイルばね６６６，６７６で押圧するようにしたのである。
【００９３】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜五番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【００９４】
［他の実施形態］
なお、前述した第五番目の実施形態においては、個別の前記貯水槽５６５，５７５を前記シリンダ１６１，１７１にそれぞれ連結するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記シリンダ１６１，１７１を同一の貯水槽に連結することにより、燃料ガス用圧縮手段の押圧手段と酸化ガス用圧縮手段の押圧手段とを兼ねるようにすることも可能である。
【００９５】
また、前述した実施形態においては、前記スタック１１１の前記ガス排出部と前記接続弁１２９ｃ，１３９ｃとの間に前記接続弁１６９ａ，１６９ｂを介して前記シリンダ１６１，１７１を接続する、すなわち、前記スタック１１１の前記ガス流通方向下流側位置に前記シリンダ１６１，１７１を接続するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１の前記ガス供給部と前記接続弁１２９ｂ，１３９ｂ，１４９ｂ，１５９ｂとの間に前記接続弁１６９ａ，１６９ｂを介して前記シリンダ１６１，１７１を接続する、すなわち、前記スタック１１１の前記ガス流通方向上流側位置に前記シリンダ１６１，１７１を接続することも可能である。
【００９６】
また、前述した実施形態においては、前記スタック１１１に切換スイッチ１８２を介して抵抗１８１を電気的に接続することにより、当該スタック１１１内に残存する前記ガス２，３を自己消費する自己消費手段を構成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１に電流を印加する電流印加手段や、前記スタック１１１に電圧を印加する電圧印加手段等によって、当該スタック１１１内に残存する前記ガス２，３を自己消費する自己消費手段を構成することも可能である。
【００９７】
また、前述した実施形態においては、前記スタック１１１の燃料ガス系内と酸化ガス系内とに供給する窒素ガス４をそれぞれ異なる窒素ガスボンベ１４１，１５１を用いるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１の燃料ガス系内と酸化ガス系内とに供給する窒素ガス４を同一の窒素ガスボンベから供給するようにすることも可能である。
【００９８】
また、前述した実施形態においては、前記ガス２，３を充填した前記ガスボンベ１２１，１３１から当該ガス２，３を送給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ガス２，３を発生させる発生装置で当該ガス２，３を発生させて送給するようにすることも可能である。
【００９９】
また、前述した実施形態においては、不活性ガスとして窒素ガス４を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ヘリウムガスやアルゴンガス等のような他の不活性ガスを適用することも可能である。しかしながら、不活性ガスとして窒素ガス４を適用すると、最も低コスト化を図ることができるので、最も好ましい。
【０１００】
また、前述した実施形態においては、水素ガス２を燃料ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、天然ガスや灯油等の炭化水素を改質して水素ガスを含有させたもの等のように、水素ガスを含有する燃料ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、燃料ガスが水素ガス２の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。
【０１０１】
また、前述した実施形態においては、酸素ガス３を酸化ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、空気等のように、酸素ガスを含有する酸化ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、酸化ガスが酸素ガス３の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。
【０１０２】
また、本発明は、前述した実施形態のみに限らず、前述した実施形態を必要に応じて適宜組み合わせて適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、不活性ガス供給手段を省スペースで設置することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
Ｌ  外部負荷
１  水
２  水素ガス
３  酸素ガス
４  窒素ガス
１００  固体高分子形燃料電池発電システム
１１１  スタック
１２１  水素ガスボンベ
１２２  加湿器
１２３  ドレンポット
１２９ａ  圧調弁
１２９ｂ，１２９ｃ  接続弁
１３１  酸素ガスボンベ
１３２  加湿器
１３３  ドレンポット
１３９ａ  圧調弁
１３９ｂ，１３９ｃ  接続弁
１４１，１５１  窒素ガスボンベ
１４９ａ，１５９ａ  圧調弁
１４９ｂ，１５９ｂ  接続弁
１６１，１７１  シリンダ
１６１ａ，１７１ａ  開口部
１６２，１７２  ピストン
１６９ａ，１７９ａ  接続弁
１８１  抵抗
１８２  切換スイッチ
１９１  制御装置
１９２ａ，１９２ｂ  圧力計
２００  固体高分子形燃料電池発電システム
２６９ｂ，２７９ｂ  開閉弁
２６９ｃ，２７９ｃ  切換弁
３００  固体高分子形燃料電池発電システム
３８３  シールドボックス
４００  固体高分子形燃料電池発電システム
４６４  水素ガスタンク
４７４  酸素ガスタンク
５００  固体高分子形燃料電池発電システム
５６５，５７５  貯水槽
６００  固体高分子形燃料電池発電システム
６６６，６７６  圧縮コイルばね
【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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