(57)【要約】【課題】セルの故障を回避可能な固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成される膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、燃料ガス流路１３ａを通して当該燃料極１１に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ１３と、膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられ、酸化剤ガス流路１４ａを通して当該空気極１２に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ１４とを有するセルＣを複数積層して形成されるセルスタックＣＳと、運転を制御する運転制御手段３６とを備える固体高分子形燃料電池であって、運転制御手段３６は、複数のセルＣのうち、発電運転しているセルＣのセル電圧に応じて、発電運転させるセルＣの数を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に設けられ、燃料ガス流路を通して当該燃料極に燃料ガスを導入する燃料極セパレータと、前記膜電極接合体の前記空気極側に設けられ、酸化剤ガス流路を通して当該空気極に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータとを有するセルを複数積層して形成されるセルスタックと、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、発電運転している前記セルのセル電圧が高くなるほど、発電運転させるセルの数を少なくする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記運転制御手段は、
複数の前記セルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって前記セル電圧が前記設定上限電圧より高いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧より低いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧以上且つ前記設定上限電圧以下であると判定されたとき、発電運転する前記セルの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部とを有する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記運転制御手段は、
前記運転セル数増加処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させ、
前記運転セル数減少処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜及びそれを両側から挟む燃料極と空気極とが湿潤することにより水素イオン伝導性が高められ、それによって発電が可能となる。そのため、燃料極に供給する燃料ガス及び空気極に供給する酸化剤ガスに水蒸気を混合するなど、加湿して運転させている。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での作動が一般的である。この条件では、低負荷運転時には電池温度が低下して結露水が発生し易くなるため、反応に必要なガスの流路閉塞を引き起こし、電池性能の低下や不安定化が生じることとなる。そのため、ガス流路内のガス流速を確保するといった余剰水分排出対策がなされてきた（特許文献１を参照）。
【０００３】
一方、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する加湿機能を簡略化もしくは削除することによって、コスト低減を図ることができる。そのため、飽和加湿条件でなくてもセルの劣化が抑制されるような開発が進められてきた（例えば、非特許文献１を参照）。
また、このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何にセルの湿潤に効率よく利用できるかが発電性能を引き出す上で重要であり、セルの構成部材の最適化が進められている（例えば、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４７２８９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｅｉｊｉ  Ｅｎｄｏｈ，  ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１６（２），１２２９，（２００８）
【非特許文献２】西川，中村，松山，柏，第１５回燃料電池シンポジウム講演予稿集，１２３，（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、発電に伴う生成水を効率よく利用してセル内部の湿潤を保つ場合、運転する条件や環境の変化によりセル内部の湿潤状態が変わる可能性がある。そして、湿潤が足りなくなればセルの劣化は促進されるという問題が発生する。
【０００７】
固体高分子形燃料電池に対する負荷が低下して、固体高分子形燃料電池の発電出力が低下すると、その固体高分子形燃料電池を構成する複数のセルの各セルにおけるセル電圧が上昇する。そして、このような固体高分子形燃料電池の低負荷状態が連続すると（即ち、各セルにおけるセル電圧が高い状態が連続すると）、生成水の量が少なく、湿潤不足によるセルの劣化が促進されやすい。また電圧によっては空気極を構成している例えばカーボンが腐食するという問題が発生する。
また、固体高分子形燃料電池に対する負荷が上昇して、固体高分子形燃料電池の発電出力が上昇すると、その固体高分子形燃料電池を構成する複数のセルの各セルにおけるセル電圧が低下する。そして、このような固体高分子形燃料電池の高負荷状態が連続して（即ち、各セルにおけるセル電圧が低い状態が連続して）、発電により発生する水が多い状態が連続すると、セル内のガス流路がその生成水によって閉塞されるフラッディングが発生するという問題がある。
【０００８】
このように、固体高分子形燃料電池にとっての負荷の大きさが変化するのに伴って各セルのセル電圧が大きすぎる値或いは小さすぎる値になると、セルが故障する可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルの故障を回避可能な固体高分子形燃料電池を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に設けられ、燃料ガス流路を通して当該燃料極に燃料ガスを導入する燃料極セパレータと、前記膜電極接合体の前記空気極側に設けられ、酸化剤ガス流路を通して当該空気極に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータとを有するセルを複数積層して形成されるセルスタックと、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、発電運転している前記セルのセル電圧が高くなるほど、発電運転させるセルの数を少なくする点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、発電運転しているセルのセル電圧が高くなったととき（即ち、固体高分子形燃料電池に対する負荷が低下したとき）、発電運転させるセルの数が減少させられる。つまり、発電運転をすることになるセルにとっての負荷が大きくなり、その発電運転することになるセルのセル電圧は低くなる方向に変化する。その結果、生成水の量が少ないことによる湿潤不足によるセルの劣化いった問題の発生を抑制でき、セルの故障を回避できる。
【００１２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の別の特徴構成は、前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定上限電圧より高いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧より低いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧以上且つ前記設定上限電圧以下であると判定されたとき、発電運転する前記セルの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部とを有する点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、運転制御手段が有する判定部は、複数のセルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定し、運転制御手段が有する運転セル数調節部は、判定部によってセル電圧が設定上限電圧より高いと判定されたとき上記運転セル数減少処理を行い、判定部によってセル電圧が設定下限電圧より低いと判定されたとき上記運転セル数増加処理を行い、判定部によってセル電圧が設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であると判定されたとき上記運転セル数維持処理を行う。その結果、セル電圧が設定上限電圧より高いと判定されたときはセル電圧が低下して設定上限電圧以下になるようなセル数調節が行われ、セル電圧が設定下限電圧より低いと判定されたときにはセル電圧が高くなって設定下限電圧以上になるようなセル数調節が行われ、設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であると判定されたときはセル電圧がそのまま設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下となるようにセル数の維持が行われる。このように、発電運転を行っているセルのセル電圧が設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下となるように固体高分子形燃料電池を運転させることができる。
【００１４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記運転制御手段は、前記運転セル数増加処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させ、前記運転セル数減少処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、運転セル数増加処理を行って固体高分子形燃料電池からの排熱量が増加したときにはセルスタックへの冷却水の流入温度を低温側へ変化させ、運転セル数減少処理を行って固体高分子形燃料電池からの排熱量が減少したときにはセルスタックへの冷却水の流入温度を高温側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度を調節することで、固体高分子形燃料電池からの排熱量が増加してもセルスタックの温度が過剰に高くなることを防止でき、固体高分子形燃料電池からの排熱量が減少してもセルスタックの温度が過剰に低くなることを防止できる。
【００１６】
尚、セルスタックへの冷却水の流入温度を高くするとセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に減少し、セルスタックへの冷却水の流入温度を低くするとセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に増加する。特に、空気極側では発電反応により水が生成されるため、セルスタックへの冷却水の流入温度が低くなって液体の水として存在する水の量が増加すると、ガス流路が水で閉塞されるといった問題が起こり得る。
ところが本特徴構成では、運転セル数増加処理を行うと共に、セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つセルスタックへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度が低くなってセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に増加し得る状況になったとしても、空気極側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が減少側へ変化させられているので、液体として存在することになる水の量が大幅に増加しないようにでき、ガス流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。また、運転セル数減少処理を行うと共に、セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つセルスタックへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度が高くなってセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に減少し得る状況になったとしても、空気極側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が増加側へ変化させられているので、セルスタック内を湿潤した状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】セルスタックの構成を説明する模式図である。
【図３】燃料電池の制御機構を説明する図である。
【図４】第１実施形態での運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。
【図５】発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。
【図６】出力電流とセル電圧との関係例を示すグラフである。
【図７】第２実施形態での運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。
【図８】セルの劣化の前後での、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を説明する図であり、図２は、セルスタックＣＳの構成を説明する模式図であり、図３は、固体高分子形燃料電池の制御機構を説明する図である。図示するように、この燃料電池システムは、発電ユニットＵ１と貯湯ユニットＵ２とを備える。尚、本願で示す図面では、本発明の理解を容易にするために、各部材の位置関係や大きさなどを本来の位置関係や大きさなどとは異なるように描いている箇所もある。
【００１９】
発電ユニットＵ１は、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置としての固体高分子形燃料電池を有する。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜１０を燃料極１１及び空気極１２で挟んで構成される膜電極接合体４０と、膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、燃料ガス流路１３ａを通してその燃料極１１に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ１３と、膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられ、酸化剤ガス流路１４ａを通してその空気極１２に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ１４とを有するセルＣを複数積層して形成されるセルスタックＣＳとを備える。また、図３に示すように、固体高分子形燃料電池は、自身の運転を制御する運転制御手段３６を備える。この運転制御システムは、燃料電池システムの運転を制御するように構成されている。
【００２０】
本実施形態では、固体高分子形燃料電池には、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）とが供給される。
燃料ガスとしての水素は、発電ユニットＵ１が備える改質器８が、炭化水素を含む原燃料を改質することで生成される。図１に示した例では、メタン（ＣＨ4）を主成分とする原燃料ガス（都市ガス等）が、原燃料ガス供給路６を介して改質器８に供給されて改質され、その結果として得られる水素を主成分とする燃料ガスが、燃料ガス供給路７を介してセルＣに供給される。また、セルＣには、酸化剤ガスとしての空気も、酸化剤ガス供給路１を介して供給される。
【００２１】
燃料ガス供給路７の途中には燃料極側加湿器４が設けられ、セルＣへ供給される燃料ガスの加湿が行われる。また、酸化剤ガス供給路１の途中には空気極側加湿器２が設けられ、セルＣへ供給される酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２については既存の様々な加湿器を利用できる。燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の動作は運転制御手段３６が制御する。具体的には、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４及び空気極側加湿器２の加湿部分での温度を制御することで、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を調節する。一例を挙げると、運転制御手段３６が燃料極側加湿器４の加湿部分での温度を高くすると、燃料ガスに含まれる水分量を増加させる（即ち、燃料ガスの露点を高くする）ことができる。
【００２２】
加えて、燃焼器９には、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（以下、「排燃料ガス」と記載することもある）が排燃料ガス路５を介して供給され、且つ、空気（酸素）が酸化剤ガス供給路１ａを介して供給される。そして、燃焼器９で排燃料ガスが燃焼され、その燃焼熱が改質器８に伝達されることで、改質器８での改質反応が促進される。そして、燃焼器９から排出される排ガスと、セルＣでの発電反応に用いられた後の空気とは、排ガス路３を介して発電ユニットＵ１の外部へと排出される。尚、図１では、排燃料ガスと空気とが予め混合された上で燃焼器９に供給される状態（排燃料ガス路５が酸化剤ガス供給路１ａに連結された状態）を示しているが、排燃料ガスと空気とを別々に燃焼器９へ供給してもよい。
【００２３】
セルＣでは、燃料極セパレータ１３が膜電極接合体４０の燃料極１１側に設けられ、空気極セパレータ１４が膜電極接合体４０の空気極１２側に設けられる。そして、燃料極セパレータ１３に形成される燃料ガス流路１３ａを通して燃料極１１に燃料ガスが導入され、空気極セパレータ１４に形成される酸化剤ガス流路１４ａを通して空気極１２に酸化剤ガスが導入される。図１に示した例では、一つのセルＣは、一方の面に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１３ａとなる燃料ガス用溝が形成される燃料極セパレータ１３と、一方の面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１４ａとなる酸化剤ガス用溝が形成され且つ他方の面に冷却水が流通する冷却水用溝が形成される空気極セパレータ１４と、膜電極接合体４０とを用いて構成される。そして、一つのセルＣにおいて、燃料ガス用溝が形成されている燃料極セパレータ１３の一方の面を膜電極接合体４０の燃料極１１に相対させることで燃料ガスを燃料極１１に導入し、及び、酸化剤ガス用溝が形成されている空気極セパレータ１４の一方の面を膜電極接合体４０の空気極１２に相対させることで酸化剤ガスを空気極１２に導入するように構成される。セルスタックＣＳにおいて、一方のセルＣの冷却水用溝が形成されている空気極セパレータ１４の他方の面を、他方のセルＣの燃料ガス用溝が形成されていない燃料極セパレータ１３の他方の面に相対させるようにして複数のセルＣが順に積層される。
【００２４】
セルＣは、図２に示すＹ軸方向に順に積層される。そして、セルスタックＣＳは、セルＣの積層方向に沿った上流側から下流側に向かって延びる（即ち、Ｙ軸方向に沿って延びる）、セルスタックＣＳへ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド部１５と、セルスタックＣＳへ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド部１７と、セルスタックＣＳから排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホールド部１６と、セルスタックＣＳから排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド部１８とを備える。燃料ガス供給マニホールド部１５には燃料ガス供給路７が接続され、それにより燃料ガスがセルスタックＣＳへ供給される。酸化剤ガス供給マニホールド部１７には酸化剤ガス供給路１が接続され、それにより酸化剤ガスがセルスタックＣＳへ供給される。燃料ガス排出マニホールド部１６には排燃料ガス路５が接続され、それにより、セルＣでの発電反応に用いられた後の燃料ガス（排燃料ガス）がセルスタックＣＳから排出される。酸化剤ガス排出マニホールド部１８には排ガス路３が接続され、セルＣでの発電反応に用いられた後の酸化剤ガスがセルスタックＣＳから排出される。
【００２５】
各セルＣの内部において、燃料ガス流路１３ａは、燃料ガス供給マニホールド部１５と燃料ガス排出マニホールド部１６との間を接続し、酸化剤ガス流路１４ａは、酸化剤ガス供給マニホールド部１７と酸化剤ガス排出マニホールド部１８との間を接続する。そして、燃料ガス供給マニホールド部１５では、燃料ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら燃料ガス流路１３ａへ流入し、酸化剤ガス供給マニホールド部１７では、酸化剤ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら酸化剤ガス流路１４ａへ流入する。図２に示す例では、図面の簡略化のため、セルＣにおいて、燃料ガス流路１３ａがＸ軸方向に沿って直線形状に形成され、酸化剤ガス流路１４ａがＺ軸方向に沿って直線形状に形成されているような模式図を描いているが、セルＣの内部での燃料ガス流路１３ａの形状及び酸化剤ガス流路１４ａの形状は自在に設計できる。例えば、一つのセルＣにおいて、燃料ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＸ軸の正の方向に向かって流れるように、燃料ガス流路１３ａを形成することができる。また、一つのセルＣにおいて、酸化剤ガスが、Ｘ−Ｚ平面内で蛇行しながら、全体としてＺ軸の正の方向に向かって流れるように、酸化剤ガス流路１４ａを形成することができる。また、図２に示す例では、冷却水についての説明は省略している。
【００２６】
上述した冷却水はセルＣを冷却する役割を担うと共に、セルＣから排熱を回収する役割も担っている。本実施形態では、冷却水は、冷却水循環路１９を流れている。冷却水循環路１９の途中には、上述したセルスタックＣＳ内の冷却水流路２０と、冷却水用熱交換器２１と、冷却水用ポンプ２２とが設けられており、冷却水用ポンプ２２によって付勢された冷却水がセルスタックＣＳ（冷却水流路２０）と冷却水用熱交換器２１とを順に流れながら循環するように構成されている。また、冷却水用熱交換器２１には、貯湯ユニットＵ２が備える貯湯タンク２５に貯えられている湯水が排熱回収路２３を介して流入する。その結果、冷却水用熱交換器２１では、冷却水循環路１９を流れる冷却水と排熱回収路２３を流れる湯水との間で熱交換が行われる。排熱回収路２３での湯水の流量は、排熱回収路２３の途中に設けられている排熱回収用ポンプ２４の出力を制御することで調節される。冷却水用ポンプ２２及び排熱回収用ポンプ２４の動作は運転制御手段３６が制御する。
【００２７】
貯湯ユニットＵ２に設けられる貯湯タンク２５では、上部に相対的に高温の湯水が貯えられ、下部に相対的に低温の湯水が貯えられる。具体的には、排熱回収路２３は、貯湯タンク２５の下部と貯湯タンク２５の上部とを接続するように設けられ、その間に上記冷却水用熱交換器２１が設けられる。その結果、貯湯タンク２５の下部に貯留されている相対的に低温の湯水が、排熱回収路２３を通って冷却水用熱交換器２１に至って昇温され、その昇温された相対的に高温の湯水が貯湯タンク２５の上部に帰還して流入する。
【００２８】
貯湯タンク２５の上部には給湯路２７が接続され、台所や風呂などの給湯用途に湯水が供給される。また、貯湯タンク２５の下部には給水路２６が接続され、貯湯タンク２５への湯水の補充が行われる。
【００２９】
次に、固体高分子形燃料電池の運転制御について説明する。以下に詳細に説明するように、運転制御手段３６は、複数のセルＣのうち、発電運転しているセルＣのセル電圧に応じて、発電運転させるセルＣの数を変更する運転制御を行う。
【００３０】
固体高分子形燃料電池は、複数のセルＣと電力出力回路部３２との間の電気的な接続状態をセルＣ毎に選択的に切り替える接続状態切替部３１と、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入状態及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入状態を調節するガス流入状態調節部３５とを備える。ここで、電力出力回路部３２は、電力負荷部による負荷電力に対応した電力を出力するように動作する。
【００３１】
接続状態切替部３１は、複数のリレー回路３０を用いて構成される。各リレー回路３０は、セルスタックＣＳを構成する一つのセルＣの燃料極１１と空気極１２とを接続している。全てのリレー回路３０が切断状態に切り換えられているとき、それらのリレー回路３０には電流が流れないため、互いに直列接続されている全てのセルＣの出力電流が電力出力回路部３２に流れることになる。これに対して、特定のセルＣの燃料極１１と空気極１２とを接続しているリレー回路３０が接続状態に切り替えられると、そのリレー回路３０には電流が流れる、即ち、対応するセルＣをバイパスして電流が流れることになる。尚、発電運転するセルＣの数が変化すれば、セルスタックＣＳでの発電反応において必要となる燃料ガスの量及び酸化剤ガスの量も変化するが、セルスタックＣＳへ供給される燃料ガスの流量を流量制御器３８を用いて制御し、酸化剤ガスの流量を流量制御器３９を用いて制御することができる。リレー回路３０及び電力出力回路部３２の動作は運転制御手段３６が制御する。流量制御器３８及び流量制御器３９の動作は運転制御手段３６が制御する。
また、各セルＣの出力電圧であるセル電圧を測定する電圧計２９が設けられている。これら複数の電圧計２９によって電圧検出手段２９Ａが構成されている。
【００３２】
本実施形態では、ガス流入状態調節部３５は、図２に例示する仕切板３３と、その仕切板３３の位置を制御する仕切板制御部３４とで構成される。仕切板３３は、側部３３ａとしての４面の板状部材と、底部３３ｂとしての一面の板状部材とを備え、その矩形の底部３３ｂの各辺に側部３３ａが垂直に装着された形状となっている。燃料ガス供給マニホールド部１５及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７でのガスの流れる方向を順方向とした場合、仕切板３３は下流側から上流側に向かって装着された状態で、セルＣの積層方向（図２のＹ軸方向）に沿って平行移動可能に構成されている。そして、４つある各側部３３ａは、セルＣの積層方向の下流側から上流側に向かって、マニホールドとセルＣとの間に挿入可能である。４つある各側部３３ａは、燃料ガス供給マニホールド部１５とセルスタックＣＳとの間、酸化剤ガス供給マニホールド部１７とセルスタックＣＳとの間、燃料ガス排出マニホールド部１６とセルスタックＣＳとの間、酸化剤ガス排出マニホールド部１８とセルスタックＣＳとの間に挿入可能である。そして、マニホールドとセルスタックＣＳとの間に仕切板３３の側部３３ａが挿入されると、その仕切板３３の側部３３ａが挿入されている部分では、マニホールドからセルＣの燃料ガス流路１３ａ及び酸化剤ガス流路１４ａへのガスの流入が遮断される。つまり、仕切板３３をセルＣの積層方向に沿って平行移動させることで、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入状態及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入状態を調節することができる。尚、本実施形態の仕切板３３の構成では各側部３３ａは一体となって移動するため、仕切板３３を移動させることによる、マニホールドからセルＣの燃料ガス流路１３ａ及び酸化剤ガス流路１４ａへのガスの流入の遮断タイミング及び開始タイミングは同じになる。ガス流入状態調節部３５の動作は運転制御手段３６が制御する。
【００３３】
図４は、運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。尚、図４に示すようなセルスタックＣＳに対する仕切板３３の動きは、燃料ガス及び酸化剤ガスの双方に共通する。そのため、図４中では、酸化剤ガスに関する部材の参照番号を括弧書きで付している。図示するように、仕切板３３をＹ軸の負の方向に移動させると（即ち、仕切板３３を図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態に移動させると）、燃料ガスが流入するセルＣの数及び酸化剤ガスが流入するセルＣの数が減少し、それに伴って発電運転可能なセルＣの数が減少する。これに対して、仕切板３３をＹ軸の正の方向に移動させると（即ち、仕切板３３を図４（ｂ）に示す状態から図４（ａ）に示す状態に移動させると）、燃料ガスが流入するセルＣの数及び酸化剤ガスが流入するセルＣの数が増加し、それに伴って発電運転可能なセルＣの数が増加する。
【００３４】
図５は、発電運転を行っているセルＣを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。図示するように、セルスタックＣＳの負荷が小さくなると（即ち、発電運転を行っているセルＣを流れる電流が小さくなると）、セル電圧が高くなる。この生成水量が少ない状態で長時間連続して運転することは、セルＣを劣化させる要因になるため好ましくない。このような場合、発電運転を行っているセルＣの数を減少させれば、同等の出力を得るためにその発電運転を行うセルＣを流れる電流が相対的に増加するため、それらのセルＣのセル電圧も低下することになる。
逆に、セルスタックＣＳの負荷が大きくなると（即ち、発電運転を行っているセルＣを流れる電流が大きくなると）、セル電圧が低くなる。このような場合、発電運転を行っているセルＣの数を増加させれば、その発電運転を行うセルＣを流れる電流が相対的に減少するため、それらのセルＣのセル電圧も増大することになる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、複数のセルＣのうち、発電運転しているセルＣのセル電圧が所定の設定下限電圧ＶL1以上且つ設定上限電圧ＶH1以下であるか否かを判定する判定部３６ａと、判定部３６ａによってセル電圧が設定上限電圧ＶH1より高い（即ち、セルスタックＣＳの負荷が減少した）と判定されたとき、発電運転するセルＣの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、判定部３６ａによってセル電圧が設定下限電圧ＶL1より低い（即ち、セルスタックＣＳの負荷が増大した）と判定されたとき、発電運転するセルＣの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、判定部３６ａによってセル電圧が設定下限電圧ＶL1以上且つ設定上限電圧ＶH1以下であると判定されたとき、発電運転するセルＣの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部３６ｂとを有する。ここで、「セル電圧」とは、発電運転を行っているセルＣのセル電圧の平均値、発電運転を行っているセルＣのセル電圧のうちの最大値又は最小値など、適宜設定できる。また、運転制御手段３６、取り扱う情報を記憶する記憶部３６ｃも有する。
【００３６】
そして、運転制御手段３６の運転セル数調節部３６ｂは、運転セル数増加処理として、発電運転を行っていないセルＣのうちの上流側にあるセルＣから順に、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入を開始させるようにガス流入状態調節部３５の動作を制御すると共に、発電運転させるセルＣが電力出力回路部３２に対して接続されるように接続状態切替部３１の動作を制御し、及び、運転セル数減少処理として、発電運転を行っているセルＣのうちの下流側にあるセルＣから順に、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入を停止させるようにガス流入状態調節部３５の動作を制御すると共に、発電運転させるセルＣが電力出力回路部３２に対して接続されるように接続状態切替部３１の動作を制御する。
【００３７】
図６に示すのは、セル電圧、運転セル数、出力電力（図６では「出力」と記す）、冷却水温度、反応ガスの露点、出力電流（図６では「電流」と記す）の時間的な推移を示すグラフ例である。図６に示すように、運転セル数調節部３６ｂは、時刻ｔ１及び時刻ｔ２において、判定部３６ａによってセル電圧が設定上限電圧ＶH1より高いと判定されたとき、発電運転するセルＣの数を減少させる運転セル数減少処理を行っている。この運転セル数減少処理が行われることで、時刻ｔ１の後、及び、時刻ｔ２の後では、セル電圧が低下している。
また、運転セル数調節部３６ｂは、時刻ｔ３及び時刻ｔ４において、判定部３６ａによってセル電圧が設定下限電圧ＶL1より低いと判定されたとき、発電運転するセルＣの数を増加させる運転セル数増加処理を行っている。この運転セル数増加処理が行われることで、時刻ｔ３の後、及び、時刻ｔ４の後では、セル電圧が増大している。
【００３８】
運転セル数を増加させるときに何個のセルＣの発電運転数を増加させるのか、及び、運転セル数を減少させるときに何個のセルＣの発電運転数を減少させるのかは適宜設定可能である。例えば、１個ずつ増加及び減少させるような設定も可能であり、複数個ずつ増加及び減少させるような設定も可能である。
或いは、目標とする（即ち、発電運転させる）運転セル数を、現在の運転セル数を参照して、以下の数式１に従って決定してもよい。但し、以下の数式１において、目標とする運転セル数は、１以上且つ最大運転セル数以下の整数値である。また、出力電力は、電力出力回路部３２での出力電力であり、運転制御手段３６はその出力電力の値を電力出力回路部３２から取得しているものとする。
【００３９】
〔数式１〕
目標とする運転セル数＝現在の運転セル数×（設定上限電圧より高くなったとき又は設定下限電圧より低くなったときの出力電力／現在の運転セル数を設定したときの出力電力）
【００４０】
尚、運転セル数が増大すると、セルスタックＣＳ全体で見ると排熱量が増大し、冷却水循環路１９を流れてセルスタックＣＳに流入してくる冷却水の温度が高くなることになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、運転セル数増加処理を行うと共に、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段３６は、排熱回収用ポンプ２４の流量を増加側へ変更することで、冷却水循環路１９を流れる冷却水の温度を低下側へ変化させ、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させることができる。このとき、運転制御手段３６は、冷却水循環路１９の途中に設けられる温度計２８の測定結果を参照して、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度についての情報を取得することができる。
これに対して、運転セル数が減少すると、セルスタックＣＳ全体で見ると排熱量が低下し、排熱回収した湯水の温度が低下することになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、運転セル数減少処理を行うと共に、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段３６は、排熱回収用ポンプ２４の流量を減少側へ変更することで、セルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させると共に排熱回収した湯水の温度を上昇させる。
【００４１】
また、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度を高くするとセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に減少し、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度を低くするとセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に増加する。特に、空気極１２側では発電反応により水が生成されるため、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が低くなって液体の水として存在する水の量が増加すると、ガス流路が水で閉塞されるといった問題が起こり得る。そこで、本実施形態では、運転制御手段３６は、運転セル数増加処理を行うと共に、上述したようにセルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つセルスタックＣＳへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器２を用いて減少側へ変化させる。つまり、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が低くなってセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に増加し得る状況になったとしても、空気極１２側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が減少側へ変化させられているので、液体として存在することになる水の量が大幅に増加しないようにでき、ガス流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。同様に、運転制御手段３６は、運転セル数減少処理を行うと共に、上述したようにセルスタックＣＳへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つセルスタックＣＳへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器２を用いて増加側へ変化させる。つまり、セルスタックＣＳへの冷却水の流入温度が高くなってセルスタックＣＳ内で液体として存在する水の量が相対的に減少し得る状況になったとしても、空気極１２側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が増加側へ変化させられているので、セルスタックＣＳ内を湿潤した状態に保つことができる。
【００４２】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の固体高分子形燃料電池は、ガス流入状態調節部３５の構成が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００４３】
図７は、運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。図示するように、第２実施形態では、ガス流入状態調節部３５が有する仕切板３７は、燃料ガス供給マニホールド部１５並びに酸化剤ガス供給マニホールド部１７の内部でガスの流通を許容及び遮断する複数の板状部材で構成される。また、上述した仕切板制御部３４は、各仕切板３７の姿勢をモータ等の駆動機構（図示せず）を用いて切り替えることができる。仕切板制御部３４からの制御によって、各仕切板３７は、下流側へのガスの流通を許容するガス流通許容状態と、下流側へのガスの流通を遮断するガス流通遮断状態との何れかの姿勢に切り換えられる。
【００４４】
ガス流通許容状態は、仕切板３７の面方向が、燃料ガス供給マニホールド部１５並びに酸化剤ガス供給マニホールド部１７におけるガスの流通方向と平行になっている状態である。この状態では、燃料ガス供給マニホールド部１５並びに酸化剤ガス供給マニホールド部１７の内部において、ガスは仕切板３７に阻害されることなく仕切板３７の面方向に沿って流れることができる。
これに対して、ガス流通遮断状態は、仕切板３７の面方向が、燃料ガス供給マニホールド部１５並びに酸化剤ガス供給マニホールド部１７におけるガスの流通方向と直交している状態である。この状態では、燃料ガス供給マニホールド部１５並びに酸化剤ガス供給マニホールド部１７の内部において、ガスの流れは仕切板３７に阻害され、その仕切板３７よりも下流側へはガスが流れなくなる（即ち、仕切板３７によって下流側へのガスの流通が遮断される）。
【００４５】
以上のようにして、運転制御手段３６の運転セル数調節部３６ｂは、運転セル数増加処理として、発電運転を行っていないセルＣのうちの上流側にあるセルＣから順に、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入を開始させるようにガス流入状態調節部３５の動作を制御すると共に、発電運転させるセルＣが電力出力回路部３２に対して接続されるように接続状態切替部３１の動作を制御し、及び、運転セル数減少処理として、発電運転を行っているセルＣのうちの下流側にあるセルＣから順に、燃料ガス供給マニホールド部１５から燃料ガス流路１３ａへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部１７から酸化剤ガス流路１４ａへの酸化剤ガスの流入を停止させるようにガス流入状態調節部３５の動作を制御すると共に、発電運転させるセルＣが電力出力回路部３２に対して接続されるように接続状態切替部３１の動作を制御する。
【００４６】
本実施形態において、燃料ガス供給マニホールド部１５の内部に設けられる仕切板３７と、酸化剤ガス供給マニホールド部１７の内部に設けられる仕切板３７とは同じタイミングで動作させてもよく、或いは、別々のタイミングで動作させてもよい。
【００４７】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、燃料電池システムの構成は適宜変更可能である。
例えば、図１に示した発電ユニットＵ１に変成器や一酸化炭素除去器などを追加で設けてもよい。即ち、図１に示した例では、改質器８で生成された改質ガス（水素を主成分とするガス）が固体高分子形燃料電池のセルＣに供給される例を示したが、変成器を用いてその改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、更に一酸化炭素除去器を用いてその変成処理を施した後の改質ガスに残存している一酸化炭素を除去した上でセルＣに供給するような変更を行ってもよい。
他にも、図１等に示した各ガスの流路の構成、冷却水の流路の構成、湯水の流路の構成なども適宜変更可能である。
【００４８】
＜２＞
上記実施形態において、図５に例示した設定下限電圧ＶL1及び設定上限電圧ＶH1はセルＣの劣化状態に応じて変更してもよい。これは、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すＩ−Ｖ曲線がセルＣの劣化により低電圧側（図では下方向）にシフトするため、それ合わせて設定下限電圧ＶL1及び設定上限電圧ＶH1もシフトさせる必要があるからである。
【００４９】
図８は、セルの劣化の前後での、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。このようなＩ−Ｖ曲線は、固体高分子形燃料電池の起動時の出力電力上昇途中や停止時の出力電力低下途中、或いは、その他、最低出力電力から最大出力電力又は最大出力電力から最低出力電力へ一度に出力変更した際に取得できる。ここで、設定下限電圧ＶL2及び設定上限電圧ＶH2は、シフト前後の出力電力（Ｗ＝Ｖ×Ｉ）が等しくなる電圧とする。即ち、運転制御手段３６は、以下の数式２の関係から、セルＣの劣化状態に応じて変更した後の設定下限電圧ＶL2及び設定上限電圧ＶH2を導出できる。
【００５０】
〔数式２〕
ＶH1×ＩH1＝ＶH2×ＩH2
ＶL1×ＩL1＝ＶL2×ＩL2
【００５１】
＜３＞
上記第１実施形態では、各側部３３ａを有する仕切板３３が一体となって移動する例を説明したが、各側部３３ａが別々に移動可能に構成してもよい。具体的には、燃料ガス側の側部３３ａ（燃料ガス供給マニホールド部１５とセルスタックＣＳとの間に挿入される側部３３ａ、燃料ガス排出マニホールド部１６とセルスタックＣＳとの間に挿入される側部３３ａ）とを一体に構成し、酸化剤ガス側の側部３３ａ（酸化剤ガス供給マニホールド部１７とセルスタックＣＳとの間に挿入される側部３３ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部１８とセルスタックＣＳとの間に挿入される側部３３ａ）とを一体に構成する。そして、燃料ガス側の仕切板３３（側部３３ａ）と、酸化剤ガス側の仕切板３３（側部３３ａ）とを別体に構成して、運転制御手段３６がそれぞれの移動を別々に制御できるようにする。例えば、運転制御手段３６が、マニホールドからセルＣの燃料ガス流路１３ａ及び酸化剤ガス流路１４ａへのガスの流入を遮断するとき、先ずは酸化剤ガス側の仕切板３３（側部３３ａ）の動作を制御して酸化剤ガス流路１４ａへのガスの流入を遮断し、その後、燃料ガス側の仕切板３３（側部３３ａ）の動作を制御して燃料ガス流路１３ａへのガスの流入を遮断するような処理を行うこともできる。
【００５２】
＜４＞
上記実施形態において、発電運転を行っていないセルＣには、冷却水を流してもよいし或いは流さなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、セルの故障を回避可能な固体高分子形燃料電池に利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  固体高分子電解質膜
１１  燃料極
１２  空気極
１３  燃料極セパレータ
１３ａ  燃料ガス流路
１４  空気極セパレータ
１４ａ  酸化剤ガス流路
３６  運転制御手段
３６ａ  判定部
３６ｂ  運転セル数調節部
４０  膜電極接合体
Ｃ  セル
ＣＳ  セルスタック
ＶＨ１  設定上限電圧
ＶＨ２  設定上限電圧
ＶＬ１  設定下限電圧
ＶＬ２  設定下限電圧
【図１】
2015176736.tif 000003
【図２】
2015176736.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015176736.tif 000007
【図６】
2015176736.tif 000008
【図７】
2015176736.tif 000009
【図８】
2015176736.tif 000010