(57)【要約】【課題】従来よりもシステム全体の電力効率を向上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】燃料ガス１の流通経路を直列ループ状にするようにサブスタック１１１，１１２を接続し、燃料ガス供給源１３０をサブスタック１１１，１１２の燃料ガス受入口に接続し、燃料ガス供給源１３０とサブスタック１１１，１１２との間及びサブスタック１１１，１１２間にバルブ１０１〜１０６を設け、サブスタック１１１，１１２からの電力取り出し量を調整するインバータ１４１，１４２を設け、タイマからの情報に基づいて、燃料ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置するサブスタックの切り換え及び前記最上流側に位置するサブスタックの電力取り出し量を規定値以下へ調整するようにバルブ１０１〜１０６及びインバータ１４１，１４２を制御する制御装置１４０とを備えた。【選択図】図１
2008147179.tif 000002
【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酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックからの電力取り出し量をそれぞれ調整する電力取出量調整手段と、
運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、
前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を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２】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックからの電力取り出し量をそれぞれ調整する電力取出量調整手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を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、
前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と
を備え、
前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を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又は請求項３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、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの少なくとも一つからの電力の取り出し量を前記定常運転量よりも小さい切換運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御してから、当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御した後に、当該燃料ガスの流通方向最上流側に新たに位置した当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とすると共に、当該流通方向最上流側に新たに位置した当該サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの電力取り出し量を前記定常運転量とするように前記電力取出量調整手段を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５】
請求項２又は請求項３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、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの少なくとも一つからの電力の取り出し量を前記定常運転量よりも小さい切換運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御してから、当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御した後に、当該酸化ガスの流通方向最上流側に新たに位置した当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とすると共に、当該流通方向最上流側に新たに位置した当該サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの電力取り出し量を前記定常運転量とするように前記電力取出量調整手段を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６】
請求項１，３，４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、
前記燃料ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えている
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７】
請求項２，３，５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、
前記酸化ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えている
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８】
請求項１，３，４，６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が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
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９】
請求項２，３，５，７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、
前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【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】
固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスの流路及び酸素ガスを含有する酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成されている。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池を備えた固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、固体高分子形燃料電池の上記エンドフランジに形成された燃料ガス受入口及び酸化ガス受入口から燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給すると、当該燃料ガス及び当該酸化ガスが各上記セパレータの各上記流路内をそれぞれ流通して、前記水素ガス及び前記酸素ガスが上記セルで電気化学的に反応し、上記集電板から電力を取り出すことができるようになっている。
【０００４】
そして、使用済みの上記燃料ガス及び上記酸化ガスは、上記電気化学反応に伴って生じた生成水と共に各上記流路を流通して、上記エンドフランジに形成された燃料ガス排出口及び酸化ガス排出口から外部へそれぞれ排出されるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０３１２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、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では、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを上記セルで電気化学的に反応させるにあたって、前記セルの固体高分子電解質膜を常に湿潤させておく必要があるため、固体高分子形燃料電池の前記ガス排出口から排出された上記生成水をドレントラップ等で回収して、前記ガス受入口側に配設した加湿器にポンプ等により送給して上記燃料ガスや上記酸化ガスを加湿することにより、当該ガスと共に水蒸気を前記セルに併せて供給するようにしている。
【０００７】
このため、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においては、燃料ガスや酸化ガスを加湿するのに電力が必要となってしまい、システム全体の電力効率低下の一因となっていた。
【０００８】
このようなことから、本発明は、従来よりもシステム全体の電力効率を向上させ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】
【０００９】
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、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックからの電力取り出し量をそれぞれ調整する電力取出量調整手段と、運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
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、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックからの電力取り出し量をそれぞれ調整する電力取出量調整手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
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、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の湿度、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの抵抗値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１２】
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、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの少なくとも一つからの電力の取り出し量を前記定常運転量よりも小さい切換運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御してから、当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御した後に、当該燃料ガスの流通方向最上流側に新たに位置した当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とすると共に、当該流通方向最上流側に新たに位置した当該サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの電力取り出し量を前記定常運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１３】
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、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの少なくとも一つからの電力の取り出し量を前記定常運転量よりも小さい切換運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御してから、当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを新たに設定するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御した後に、当該酸化ガスの流通方向最上流側に新たに位置した当該固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とすると共に、当該流通方向最上流側に新たに位置した当該サブスタックを除いた残りの前記サブスタックの電力取り出し量を前記定常運転量とするように前記電力取出量調整手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１４】
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、第一，三，四番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
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、第二，三，五番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
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、第一，三，四，六番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００１７】
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、第二，三，五，七番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
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、原料ガスの流通方向最上流側及び最下流側に位置するサブスタックを運転経過時間等に対応して順次切り換えると共に、最上流側に位置するサブスタックの電力取り出し量を定常運転量よりも小さい加湿運転量とすることから、加湿器を省略することができ、システム全体の電力効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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に限定されるものではない。
【００２０】
［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１，２に基づいて説明する。図１は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図２は、図１の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。
【００２１】
図１に示すように、固体高分子形燃料電池１１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して、積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成された複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２を、燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続した構造となっている。
【００２２】
各前記サブスタック１１１，１１２のエンドフランジに形成された各燃料ガス受入口には、燃料ガス１の供給手段である燃料ガス供給源１３０が電磁式の二方型のバルブ１０１，１０２を介してそれぞれ接続している。
【００２３】
前記第一のサブスタック１１１のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式の二方型のバルブ１０３が介在している。前記第二のサブスタック１１２のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式の二方型のバルブ１０４が介在している。
【００２４】
前記ドレントラップ１２１，１２２のガス送出口と前記バルブ１０３，１０４との間は、電磁式の二方型のバルブ１０５，１０６を介して外部へ連絡している。前記ドレントラップ１２１，１２２の下部には、気液分離した生成水２を外部へ排出する電磁式の二方型のバルブ１０７，１０８が設けられている。
【００２５】
前記第一，第二のサブスタック１１１，１１２の集電板は、電力取出量調整手段である第一，第二のインバータ１４１，１４２に各々接続している。これらのインバータ１４１，１４２は、各種の図示しない外部負荷器へ接続している。
【００２６】
前記インバータ１４１，１４２及び前記バルブ１０１〜１０８は、制御手段である制御装置１４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置１４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該インバータ１４１，１４２からの電力取出し量及び当該バルブ１０１〜１０８の開閉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）。
【００２７】
このような本実施形態では、前記バルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１０３〜１０６等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成している。
【００２８】
なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図１において、固体高分子形燃料電池発電システム１００の酸化ガス供給手段等の酸化ガス系統や温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、燃料ガス系統等の主要部のみを記載しているが、これら酸化ガス系統や温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。
【００２９】
このような構造をなす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。
【００３０】
前記制御装置１４０を作動させると、当該制御装置１４０は、前記バルブ１０７，１０８を閉鎖すると共に、前記バルブ１０２，１０４，１０５を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０３，１０６を開放するように、これらバルブ１０１〜１０８を制御し、さらに、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する（図２Ａ参照）。
【００３１】
これにより、燃料ガス供給源１３０からの燃料ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、図示しない酸化ガス系統から供給された酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿されながら、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１及び前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出された後、使用済みの燃料ガス１が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２２で当該生成水２を分離されてから前記バルブ１０６を介して外部へ排出される。
【００３２】
つまり、燃料ガス１を前記第一のサブスタック１１１の前記セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿して第二のサブスタック１１２へ送給するようにしているのである。
【００３３】
このようにして発電運転を行うと、前記第一のサブスタック１１１の前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第二のサブスタック１１２に送給する燃料ガス１が十分に加湿されなくなり始める。
【００３４】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０２，１０４，１０５を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０３，１０６を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０６を制御し、さらに、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御すると共に、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御する（図２Ｂ参照）。
【００３５】
つまり、前記制御装置１４０は、水素ガス３の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、燃料ガス供給源１３０からの燃料ガス１の送給先を、第一のサブスタック１１１から第二のサブスタック１１２に切り換えると共に、第一のサブスタック１１１を燃料ガス１の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック１１２から切り換え、これに併せて、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えるのである。
【００３６】
これにより、燃料ガス供給源１３０からの燃料ガス１が、前記バルブ１０２を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルで前記酸化ガスと電気化学的に反応することなく、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿されながら、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２２及び前記バルブ１０４を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第一のインバータ１４１を介して電力が取り出された後、使用済みの燃料ガス１が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離されてから前記バルブ１０５を介して外部へ排出される。
【００３７】
つまり、燃料ガス１を前記第二のサブスタック１１２の前記セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿して第一のサブスタック１１１へ送給するようにしているのである。
【００３８】
このようにして発電運転を行うと、前記第二のサブスタック１１２の前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第一のサブスタック１１１に送給する燃料ガス１が十分に加湿されなくなり始める。
【００３９】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０１，１０３，１０６を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０４，１０５を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０６を制御し、さらに、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４１を制御する（図２Ａ参照）。
【００４０】
つまり、前記制御装置１４０は、燃料ガス１の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、燃料ガス供給源１３０からの燃料ガス１の送給先を、第二のサブスタック１１２から第一のサブスタック１１１に切り換えると共に、第二のサブスタック１１２を燃料ガス１の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック１１１から切り換え、これに併せて、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。
【００４１】
これにより、燃料ガス供給源１３０からの燃料ガス１が、先に説明した当初の状態の場合と同様に、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿されながら、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１及び前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出された後、使用済みの燃料ガス１が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２２で当該生成水２を分離されてから前記バルブ１０６を介して外部へ排出される。
【００４２】
以下、制御装置１４０は、前記バルブ１０１〜１０６及び前記インバータ１４１，１４２の上述した制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池１１０は、燃料ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２並びに電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする前記インバータ１４１，１４２が運転経過時間に対応して順次切り換えられるようになる。
【００４３】
なお、前記ドレントラップ１２１，１２２内に回収された生成水２は、前記制御装置１４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０７，１０８の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。
【００４４】
このため、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においては、加湿器がなくても問題なく運転することができるので、燃料ガス１を加湿する加湿器やポンプ等を省略することができる。
【００４５】
したがって、本実施形態によれば、システム１００全体の電力効率を向上させることができる。
【００４６】
［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３，４に基づいて説明する。図３は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図４は、図３の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。ただし、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施の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、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００４７】
図３に示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各前記燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス３の供給手段である水素ガスボンベ２３０が前記バルブ１０１，１０２を介してそれぞれ接続している。
【００４８】
また、前記ドレントラップ１２１，１２２のガス送出口と前記バルブ１０３，１０４との間は、外部へ連絡することなく接続している。
【００４９】
そして、前記インバータ１４１，１４２及び前記バルブ１０１〜１０４，１０７，１０８は、制御手段である制御装置２４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置２４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該インバータ１４１，１４２からの電力取出し量及び当該バルブ１０１〜１０４，１０７，１０８の開閉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）。
【００５０】
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、水素ガスを含有する燃料ガス１（例えば、炭化水素系原料を改質した燃料ガス）を燃料ガス供給源１３０から供給する場合、すなわち、固体高分子形燃料電池１１０から排出される使用済みの燃料ガス１を系外へ排出する場合の適用例であったが、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においては、燃料ガスとして水素ガス３そのものを水素ガスボンベ２３０から供給する場合、すなわち、固体高分子形燃料電池１１０から系外に水素ガス３を排出せずにすべて使用する場合の適用例なのである。
【００５１】
このような本実施形態では、前記バルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成している。
【００５２】
なお、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と同様に、図面の煩雑化を避けるため、図３において、固体高分子形燃料電池発電システム２００の酸化ガス供給手段等の酸化ガス系統や温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、燃料ガス系統等の主要部のみを記載しているが、これら酸化ガス系統や温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。
【００５３】
このような構造をなす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の作動を次に説明する。
【００５４】
前記制御装置２４０を作動させると、当該制御装置２４０は、前記バルブ１０７，１０８を閉鎖すると共に、前記バルブ１０２，１０４を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０３を開放するように、これらバルブ１０１〜１０４，１０７，１０８を制御し、さらに、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する（図４Ａ参照）。
【００５５】
これにより、水素ガスボンベ２３０からの水素ガス３が、前述した第一番目の実施形態の燃料ガス１の場合と同様に、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿されながら、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１及び前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出される。
【００５６】
このようにして発電運転を行うと、前記第一のサブスタック１１１において、前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第二のサブスタック１１２に送給する水素ガス３が十分に加湿されなくなり始めると共に、前記第二のサブスタック１１２において、送給された水素ガス３のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００５７】
ここで、前記制御装置２４０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０２，１０４を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０３を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４を制御し、さらに、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御すると共に、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御する（図４Ｂ参照）。
【００５８】
これにより、水素ガスボンベ２３０からの水素ガス３が、前述した第一番目の実施形態の燃料ガス１の場合と同様に、前記バルブ１０２を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルで前記酸化ガスと電気化学的に反応することなく、前記流路内に滞留する前記生成水２を押し出しつつ、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水及び当該生成水２によって加湿されながら、燃料ガス排出口から上記生成水２と共に排出され、前記ドレントラップ１２２で余剰の上記生成水２を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第一のインバータ１４１を介して電力が取り出される。
【００５９】
このようにして発電運転を行うと、前記第二のサブスタック１１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第一のサブスタック１１１に送給する水素ガス３が十分に加湿されなくなり始めると共に、前記第一のサブスタック１１１において、送給された水素ガス３のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００６０】
ここで、前記制御装置２４０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０１，１０３を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０４を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４を制御し、さらに、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する、すなわち、当初の状態に戻す（図４Ａ参照）。
【００６１】
これにより、水素ガスボンベ２３０からの水素ガス３が、先に説明した当初の状態の場合と同様に、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、前記流路内に滞留する前記生成水２を押し出しつつ、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水及び当該流路内に滞留する上記生成水２によって加湿されながら、燃料ガス排出口から上記生成水２と共に排出され、前記ドレントラップ１２１で余剰の上記生成水２を分離された後、前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記酸化ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出される。
【００６２】
以下、制御装置２４０は、前記バルブ１０１〜１０４及び前記インバータ１４１，１４２の上述した制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池１１０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、燃料ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２並びに電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする前記インバータ１４１，１４２が運転経過時間に対応して順次切り換えられるようになる。
【００６３】
このため、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、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、加湿器がなくても問題なく運転することができるので、水素ガス３を加湿する加湿器やポンプ等を省略することができるのはもちろんのこと、燃料ガスとして水素ガス３そのものを使用する場合、すなわち、固体高分子形燃料電池１１０から系外に水素ガス３を排出せずにすべて使用する場合であっても、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置を用いることなく前記生成水２を前記流路内から排出することができる。
【００６４】
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、燃料ガスとして水素ガス３そのものを使用する場合であっても、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置を用いることなく固体高分子形燃料電池１１０から系外に水素ガス３を排出せずにすべて使用することができるので、システム２００全体の電力効率をさらに向上させることができる。
【００６５】
［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５，６に基づいて説明する。図５は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図６は、図５の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。ただし、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一，二番目の実施の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、前述した第一，二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６６】
図５に示すように、固体高分子形燃料電池３１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して、積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成された複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック３１１，３１２を、酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続した構造となっている。
【００６７】
各前記サブスタック３１１，３１２のエンドフランジに形成された各酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス４の供給手段である酸素ガスボンベ３３０が電磁式の三方型のバルブ３０１，３０２を介してそれぞれ接続している。
【００６８】
前記第一のサブスタック３１１のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック３１２の前記燃料ガス受入口との間は、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ３２１及び前記バルブ３０２の残りの口を介して接続している。前記第二のサブスタック３１２のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック３１１の前記燃料ガス受入口との間は、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ３２２及び前記バルブ３０１の残りの口を介して接続している。
【００６９】
前記ドレントラップ３２１，３２２の下部には、気液分離した生成水２を外部へ排出する電磁式の二方型のバルブ３０７，３０８が設けられている。
【００７０】
前記第一，第二のサブスタック３１１，３１２の集電板は、電力取出量調整手段である第一，第二のインバータ１４１，１４２に各々接続している。これらのインバータ１４１，１４２は、各種の図示しない外部負荷器へ接続している。
【００７１】
前記インバータ１４１，１４２及び前記バルブ３０１，３０２，３０７，３０８は、制御手段である制御装置３４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置３４０は、酸化ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該インバータ１４１，１４２からの電力取出し量及び当該バルブ３０１，３０２，３０７，３０８の開閉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）。
【００７２】
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、水素ガスボンベ２３０と各前記サブスタック１１１，１１２との間を二方型のバルブ１０１，１０２によって接続すると共に、各前記サブスタック１１１，１１２間を二方型のバルブ１０３，１０４によって接続するようにしたが、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においては、酸素ガスボンベ３３０と各前記サブスタック３１１，３１２との間及び各前記サブスタック３１１，３１２間を三方型のバルブ３０１，３０２によってまとめて接続するようにしたのである。
【００７３】
このような本実施形態では、前記バルブ３０１，３０２等により酸化ガス用最上流位置切換手段と酸化ガス用最下流位置切換手段とを兼ねるように構成している。
【００７４】
なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図５において、固体高分子形燃料電池発電システム３００の燃料ガス供給手段等の燃料ガス系統や温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、酸化ガス系統等の主要部のみを記載しているが、これら燃料ガス系統や温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。
【００７５】
このような構造をなす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の作動を次に説明する。
【００７６】
前記制御装置３４０を作動させると、当該制御装置３４０は、前記バルブ３０７，３０８を閉鎖すると共に、酸化ガスボンベ３３０と第一のサブスタック３１１の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０１を切り換え、第一のサブスタック３１１の前記酸化ガス排出口と第二のサブスタック３１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０２を切り換えるように、これらバルブ３０１，３０２，３０７，３０８を制御し、さらに、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、前記第一のサブスタック３１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック３１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する（図６Ａ参照）。
【００７７】
これにより、酸素ガスボンベ３３０からの酸素ガス４が、前記バルブ３０１を経由して第一のサブスタック３１１の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック３１１において、図示しない燃料ガス系統から供給された燃料ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿されながら、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ３２１及び前記バルブ３０２を経由して第二のサブスタック３１２の酸化ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック３１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記燃料ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出される。
【００７８】
つまり、酸素ガス４を前記第一のサブスタック３１１の前記セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿して第二のサブスタック３１２へ送給するようにしているのである。
【００７９】
このようにして発電運転を行うと、前記第一のサブスタック３１１において、前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第二のサブスタック３１２に送給する酸素ガス４が十分に加湿されなくなり始めると共に、前記第二のサブスタック３１２において、送給された酸素ガス４のほとんどが消費されて、酸化ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００８０】
ここで、前記制御装置３４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、酸素ガスボンベ３３０と第二のサブスタック３１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０２を切り換えると共に、第二のサブスタック３１２の前記酸化ガス排出口と第一のサブスタック３１１の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０１を切り換えるように、当該バルブ３０１，３０２を制御し、さらに、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、前記第二のサブスタック３１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御すると共に、前記第一のサブスタック３１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御する（図６Ｂ参照）。
【００８１】
つまり、前記制御装置３４０は、酸素ガス４の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、酸素ガスボンベ３３０からの酸素ガス４の送給先を、第一のサブスタック３１１から第二のサブスタック３１２に切り換えると共に、第一のサブスタック３１１を酸素ガス４の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック３１２から切り換え、これに併せて、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えるのである。
【００８２】
これにより、酸素ガスボンベ３３０からの酸素ガス４が、前記バルブ３０２を経由して第二のサブスタック３１２の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック３１２において、前記セルで前記燃料ガスと電気化学的に反応することなく、前記流路内に滞留する前記生成水２を押し出しつつ、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水及び当該生成水２によって加湿されながら、酸化ガス排出口から上記生成水２と共に排出され、前記ドレントラップ３２２で余剰の上記生成水２を分離された後、前記バルブ３０１を経由して第一のサブスタック３１１の酸化ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック３１１において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記燃料ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第一のインバータ１４１を介して電力が取り出される。
【００８３】
つまり、酸素ガス４を前記第二のサブスタック３１２の前記セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水によって加湿して第一のサブスタック３１１へ送給するようにしているのである。
【００８４】
このようにして発電運転を行うと、前記第二のサブスタック３１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜が次第に乾燥していき、前記第一のサブスタック３１１に送給する酸素ガス４が十分に加湿されなくなり始めると共に、前記第一のサブスタック３１１において、送給された酸素ガス４のほとんどが消費されて、酸化ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００８５】
ここで、前記制御装置３４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、酸素ガスボンベ３３０と第一のサブスタック３１１の前記酸素ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０１を切り換えると共に、第一のサブスタック３１１の前記酸化ガス排出口と第二のサブスタック３１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ３０２を切り換えるように、当該バルブ３０１，３０２を制御し、さらに、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、前記第一のサブスタック３１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック３１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する（図６Ａ参照）。
【００８６】
つまり、前記制御装置３４０は、酸素ガス４の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、酸素ガスボンベ３３０からの酸素ガス４の送給先を、第二のサブスタック３１２から第一のサブスタック３１１に切り換えると共に、第二のサブスタック３１２を酸素ガス４の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック３１１から切り換え、これに併せて、電力取り出し量を定常運転量よりも小さい規定値以下とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。
【００８７】
これにより、酸素ガスボンベ３３０からの酸素ガス４が、先に説明した当初の状態の場合と同様に、前記バルブ３０１を経由して第一のサブスタック３１１の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック３１１において、前記燃料ガスと前記セルで電気化学的に反応することなく、前記流路内に滞留する前記生成水２を押し出しつつ、当該セルの前記固体高分子電解質膜の湿潤水及び当該流路内に滞留する上記生成水２によって加湿されながら、酸化ガス排出口から上記生成水２と共に排出され、前記ドレントラップ３２１で余剰の上記生成水２を分離された後、前記バルブ３０２を経由して第二のサブスタック３１２の酸化ガス受入口へ水分と共に送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック３１２において、前記セルの前記固体高分子電解質膜を湿潤しながら前記燃料ガスと前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から前記第二のインバータ１４２を介して電力が取り出される。
【００８８】
以下、制御装置３４０は、前記バルブ３０１，３０２及び前記インバータ１４１，１４２の上述した制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池３１０は、酸素ガス４の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック３１１，３１２並びに電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする前記インバータ１４１，１４２が運転経過時間に対応して順次切り換えられるようになる。
【００８９】
なお、前記ドレントラップ３２１，３２２内に回収された生成水２は、前記制御装置３４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ３０７，３０８の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。
【００９０】
このため、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においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、加湿器がなくても問題なく運転することができるので、酸素ガス４を加湿する加湿器やポンプ等を省略することができるのはもちろんのこと、酸化ガスとして酸素ガス４そのものを使用する場合、すなわち、固体高分子形燃料電池３１０から系外に酸素ガス４を排出せずにすべて使用する場合であっても、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置を用いることなく前記生成水２を前記流路内から排出することができる。
【００９１】
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、酸化ガスとして酸素ガス４そのものを使用する場合であっても、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置を用いることなく固体高分子形燃料電池３１０から系外に酸素ガス４を排出せずにすべて使用することができるので、システム３００全体の電力効率をさらに向上させることができる。
【００９２】
［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７〜９に基づいて説明する。図７は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図８は、図７の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図、図９は、図７に続く作動説明図である。ただし、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜三番目の実施の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、前述した第一〜三番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００９３】
図７に示すように、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は、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の制御装置２４０を、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、前記インバータ１４１，１４２からの電力取出し量及び前記バルブ１０１〜１０４，１０７，１０８の開閉を後述するように制御する制御手段である制御装置４４０としたものである。
【００９４】
この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において、上記制御装置４４０を作動させると、当該制御装置４４０は、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０２，１０４を閉鎖すると共に前記バルブ１０１，１０３を開放するように、当該バルブ１０１〜１０４を制御し、さらに、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御して、発電運転を行う（図８Ａ参照）。
【００９５】
そして、予め設定された運転時間が経過すると、前記制御装置４４０は、前記タイマからの情報に基づいて、まず、水素ガス３の流通方向最下流側に位置する前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい切換運転量Ｗｃ（例えば、５０％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御する（図８Ａ’参照）。
【００９６】
このようにして前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を前記切換運転量Ｗｃ（例えば、５０％）にしたら、前記制御装置４４０は、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０２，１０４を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０３を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４を制御することにより、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、水素ガス３の流通方向最上流側に位置する、すなわち、燃料ガス供給源１３０からの水素ガス３の送給先を、第一のサブスタック１１１から第二のサブスタック１１２に新たに設定すると共に、第一のサブスタック１１１を水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置させるように第二のサブスタック１１２から切り換える（図８Ａ”参照）。
【００９７】
このようにして前記バルブ１０１〜１０４の切り換え制御を行うと、前記制御装置４４０は、水素ガス３の流通方向最上流側に新たに位置させた前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御すると共に、水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置させた前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御することにより、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えて、発電運転を継続する（図９Ｂ参照）。
【００９８】
続いて、予め設定された運転時間がさらに経過すると、上記制御装置４４０は、前記タイマからの情報に基づいて、水素ガス３の流通方向最下流側に位置する前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい切換運転量Ｗｃ（例えば、５０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御する（図９Ｂ’参照）。
【００９９】
このようにして前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を前記切換運転量Ｗｃ（例えば、５０％）にしたら、前記制御装置４４０は、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０１，１０３を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０４を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４を制御することにより、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、水素ガス３の流通方向最上流側に位置する、すなわち、燃料ガス供給源１３０からの水素ガス３の送給先を、第二のサブスタック１１２から第一のサブスタック１１１に新たに設定すると共に、第二のサブスタック１１２を水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置させるように第一のサブスタック１１１から切り換える（図９Ｂ”参照）。
【０１００】
このようにして前記バルブ１０１〜１０４の切り換え制御を行うと、前記制御装置４４０は、水素ガス３の流通方向最上流側に新たに位置した前記第一のサブスタック１１１からの電力の取り出し量を加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とするように前記第一のインバータ１４１を制御すると共に、水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置した前記第二のサブスタック１１２からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とするように前記第二のインバータ１４２を制御することにより、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい加湿運転量Ｗｗ（例えば、０％）とする制御を前記第二のインバータ１４２から前記第一のインバータ１４１に切り換えると共に、電力取り出し量を定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）とする制御を前記第一のインバータ１４１から前記第二のインバータ１４２に切り換えて、発電運転を継続する（図８Ａ参照）。
【０１０１】
以下、制御装置４４０は、前記バルブ１０１〜１０４及び前記インバータ１４１，１４２の上述した制御を繰り返す。
【０１０２】
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においては、定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）で電力を取り出している状態で、前記バルブ１０１〜１０４の切り換えを行うように当該バルブ１０１〜１０４及び前記インバータ１４１，１４２を前記制御装置１４０で制御するようにしたが、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においては、定常運転量Ｗｒ（例えば、１００％）よりも小さい切換運転量Ｗｃ（例えば、５０％）で電力を取り出すようにした状態で、前記バルブ１０１〜１０４の切り換えを行うように当該バルブ１０１〜１０４及び前記インバータ１４１，１４２を前記制御装置４４０で制御するようにしたのである。
【０１０３】
このため、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においては、上記バルブ１０１〜１０４の開閉切換のタイムラグによって生じる可能性のある水素ガス３の無給状態における前記サブスタック１１１，１１２での水素ガス３の消費を抑えることができるので、上記水素ガス３の無給状態における当該サブスタック１１１，１１２での水素ガス３の消費に伴う内圧の低下を大幅に抑制することができる。
【０１０４】
したがって、本実施形態によれば、前述した第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、前記バルブ１０１〜１０４の切り換えに伴う前記サブスタック１１１，１１２内の圧力変動による前記セルへの衝撃を抑制することができるので、前記セルの機械的劣化を抑制することができる。
【０１０５】
［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１０に基づいて説明する。図１０は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図である。ただし、前述した第一〜四番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜四番目の実施の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、前述した第一〜四番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【０１０６】
図１０に示すように、前記ドレントラップ１２１，１２２の上側には、ガスリーク手段であるバルブ５０１，５０２の一端側がそれぞれ連結されている。これらバルブ５０１，５０２の他端側は、系外へ連絡している。
【０１０７】
前記バルブ５０１，５０２は、制御手段である制御装置５４０の出力部にそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置５４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０７，１０８と共に当該バルブ５０１，５０２の開閉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）。
【０１０８】
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５００においては、前記制御装置５４０を作動させると、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、当該制御装置５４０が前記バルブ１０１〜１０４，１０７，１０８を制御することにより、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、水素ガス３を高効率で利用しながら全体の電力効率を向上させつつ発電運転を行うことができる。
【０１０９】
このようにして発電運転を行っているとき、前記制御装置５４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に、前記水素ガス３の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第二のサブスタック１１２）に接続するドレントラップ１２１，１２２（例えば、ドレントラップ１２２）、言い換えれば、前記サブスタック１１１，１１２の間に位置して閉鎖している前記バルブ１０３，１０４（例えば、バルブ１０４）が接続しているドレントラップ１２１，１２２（例えば、ドレントラップ１２２）に連結する前記バルブ５０１，５０２（例えば、バルブ５０２）のみを所定時間開放し、当該ドレントラップ１２１，１２２（例えば、ドレントラップ１２２）内の水素ガス３を所定量だけ系外へ排出する。
【０１１０】
つまり、水素ガスボンベ１３０中の水素ガス３は、前記サブスタック１１１，１１２内で循環使用されると、僅かに含んでいる不純ガスが当該サブスタック１１１，１１２内で発電反応に関与することなくそのまま残留して次第に高濃度になり、当該サブスタック１１１，１１２の発電効率を低下させてしまうことから、予め設定された運転時間経過毎に、水素ガス３の流通方向最下流側に位置する当該サブスタック１１１，１１２（例えば、第三のサブスタック１１２）に接続するドレントラップ１２１，１２２（例えば、ドレントラップ１２２）に連結する前記バルブ５０１，５０２（例えば、バルブ５０２）のみを所定時間開放して、当該ドレントラップ１２１，１２２（例えば、ドレントラップ１２２）内の水素ガス３と共に上記不純ガスを系外へ排出することにより、当該サブスタック１１１，１１２内に残留する上記不純ガスの高濃度化を抑制するようにしたのである。
【０１１１】
したがって、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によれば、前述した第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、前記サブスタック１１１，１１２内に残留する前記不純ガスの高濃度化を抑制することができるので、発電効率の低下をさらに抑制することができる。
【０１１２】
［他の実施形態］
なお、前述した第二，四，五番目の実施形態においては、電磁式の二方型のバルブ１０３，１０４を用いて、前記第一のスタック１１１と前記第二のスタック１１２との間の水素ガス３の流路の切り換えを行う固体高分子形燃料電池発電システム２００，４００，５００の場合について説明したが、他の実施形態として、上記バルブ１０３，１０４に代えて、例えば、図１１に示すように、四つの接続ポートを有すると共に、対向する一組の接続ポート間のみを連絡できるようにしたロータリ式のバルブ６０１を適用して固体高分子形燃料電池発電システム６００を構成し、当該バルブ６０１を９０°ずつ回転させていくことにより、第一のスタック１１１と第二のスタック１１２との間の水素ガス３の流路を切り換えできるようにすることも可能である。
【０１１３】
また、前述した第一番目の実施形態において、酸化ガス系統も上述した燃料ガス系統と同様に構成することにより、酸化ガス系統においても燃料ガス系統と同様な作用効果を得ることができる。
【０１１４】
加えて、前述した第二，四，五番目の実施形態では、水素ガス３そのものを燃料ガスとして使用し、酸素を含有するガス（例えば空気等）を酸化ガスとして使用する場合について説明したが、酸素ガスそのものを酸化ガスとして使用する場合には、酸化ガス系統も前述した第二，四，五番目の実施形態に係る上述した燃料ガス系統と同様に構成することにより、酸化ガス系統においても前述した第二，四，五番目の実施形態での説明と同様な作用効果を得ることができる。
【０１１５】
他方、前述した第三番目の実施形態では、酸素ガス４そのものを酸化ガスとして使用し、水素を含有するガス（例えば炭化水素の改質ガス等）を燃料ガスとして使用する場合について説明したが、水素ガスそのものを燃料ガスとして使用する場合には、燃料ガス系統も前述した第三番目の実施形態に係る上述した酸化ガス系統と同様に構成することにより、燃料ガス系統においても前述した第三番目の実施形態での説明と同様な作用効果を得ることができる。
【０１１６】
また、前述した各実施形態では、燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、運転時間を計測する前記タイマを設け、前記制御装置１４０，２４０，３４０，４４０，５４０が、当該タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間の経過により、前記バルブ１０１〜１０６，３０１，３０２，５０１，５０２及び前記インバータ１４１，１４２等を制御するようにしたが、他の実施形態として、例えば、以下のようにすること等によっても、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【０１１７】
（１）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの送給量や酸化ガス供給手段からの酸化ガスの送給量を計測するガス流量計測手段（例えば、マスフローメータやオリフィス式ガス流量計等）を設け、制御手段が、当該ガス流量計測手段からの情報に基づいて、燃料ガスや酸化ガスの送給量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする。
【０１１８】
（２）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックに流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、前記サブスタックに流れた電流量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする。
【０１１９】
（３）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記セルの電圧を計測するセル電圧計測手段を設け、制御手段が、当該セル電圧計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最上流側に位置する前記サブスタックの電圧値が、予め設定されたセル電圧基準値よりも小さくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする（例えば、特開２００２−１５１１２５号公報等に記載されている技術の応用）。
【０１２０】
（４）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタック内の湿度を計測するサブスタック湿度計測手段を設け、制御手段が、当該サブスタック湿度計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最上流側に位置する前記サブスタック内の湿度が、予め設定された湿度基準値よりも小さくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする。
【０１２１】
（５）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス流通方向上流側に位置する前記セルの抵抗値を計測するセル抵抗計測手段（例えば、１ｋＨｚ程度の交流電流をセルに印加して、その応答を計測するもの等）を設け、制御手段が、当該セル抵抗計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最上流側に位置する前記サブスタックの、当該ガス流通方向上流側に位置する前記セルの抵抗値が、予め設定されたセル抵抗基準値よりも大きくなったときに（固体高分子電解質膜の水分が少なくなるとセル抵抗が大きくなる）、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする。
【０１２２】
（６）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタック内の圧損値を計測する圧損計測手段を設け、制御手段が、当該圧損計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最上流側に位置する前記サブスタックの圧損値が、予め設定された圧損基準値よりも小さくなったときに（固体高分子電解質膜の膨潤により圧迫された前記流路が当該固体高分子電解質膜の乾燥による収縮に伴って拡張して圧力損失が小さくなる）、前記バルブ等の位置切換手段及び前記ガスリーク手段並びに前記インバータ等の電力取出量調整手段を制御するようにする。
【０１２３】
また、前述した各実施形態においては、前記制御装置１４０，２４０，３４０，４４０，５４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０７，１０８，３０７，３０８の開閉を行うことにより、前記ドレントラップ１２１，１２２，３２１，３２２内に回収した生成水２を系外へ排出するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ドレントラップ１２１，１２２，３２１，３２２内の水位を計測する水位計測手段を設け、当該ドレントラップ１２１，１２２，３２１，３２２内の水位が規定値を超えると、制御手段が、当該水位計測手段からの情報に基づいて、前記バルブ１０７，１０８，３０７，３０８の開閉を行うことにより、当該ドレントラップ１２１，１２２，３２１，３２２内に回収した生成水２を系外へ排出するようにすることや、前記サブスタック１１１，１１２，３１１，３１２に流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１，１１２，３１１，３１２に流れた電流量の積算値により、前記バルブ１０７，１０８，３０７，３０８の開閉を行うことにより、当該ドレントラップ１２１，１２２，３２１，３２２内に回収した生成水２を系外へ排出するようにすることも可能である。
【０１２４】
また、前述した各実施形態における加湿運転量Ｗｗは、定常運転量Ｗｒよりも小さい大きさ（Ｗｒ＞Ｗｗ≧０）であればよく、発電運転条件等の各種条件によって適宜設定される値である。
【０１２５】
加えて、前述した第四番目の実施形態において説明した切換運転量Ｗｃは、定常運転量Ｗｒよりも小さい大きさ（Ｗｒ＞Ｗｃ≧０）であればよく、発電運転条件等の各種条件によって適宜設定される値である。
【０１２６】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２，３１１，３１２を接続した固体高分子形燃料電池１１０，３１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した各実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【０１２７】
なお、前述した第四番目の実施形態においては、２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した固体高分子形燃料電池１１０を備えた発電システム４００であったことから、水素ガス３の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第二のサブスタック１１２）からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒよりも小さい切換運転量Ｗｃとするように前記インバータ１４１，１４２（例えば、第二のインバータ１４２）を制御してから、水素ガス３の流通方向最上流側に新たに位置させる前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第二のサブスタック１１２）を設定すると共に、水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置させる前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第一のサブスタック１１１）を設定した後に、水素ガス３の流通方向最上流側に新たに位置させた前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第二のサブスタック１１２）からの電力の取り出し量を加湿運転量Ｗｗとするように前記インバータ１４１，１４２（例えば、第二のインバータ１４２）を制御すると共に、水素ガス３の流通方向最下流側に新たに位置させた前記サブスタック１１１，１１２（例えば、第一のサブスタック１１１）からの電力の取り出し量を定常運転量Ｗｒとするように前記インバータ１４１，１４２（例えば、第一のインバータ１４１）を制御するようにしたが、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上のサブスタックを接続した固体高分子形燃料電池を備えた発電システムの場合には、前記ガスの流通方向最上流側に位置するサブスタックを除いた残りのサブスタックの少なくとも一つからの電力の取り出し量を前記定常運転量Ｗｒよりも小さい切換運転量Ｗｃとするように電力取出量調整手段を制御してから、当該ガスの流通方向最上流側に位置するサブスタックを新たに設定するように前記最上流位置切換手段を制御すると共に、当該ガスの流通方向最下流側に位置するサブスタックを新たに設定するように前記最下流位置切換手段を制御した後に、当該ガスの流通方向最上流側に新たに位置したサブスタックの電力取り出し量を定常運転量Ｗｒよりも小さい加湿運転量Ｗｗとすると共に、当該流通方向最上流側に新たに位置したサブスタックを除いた残りのサブスタックの電力取り出し量を定常運転量Ｗｒとするように前記電力取出量調整手段を制御するようにする。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、加湿器やポンプ等を省略することができ、従来よりもシステム全体の電力効率を向上させることができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【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主要部の概略構成図である。
【図２】図１の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。
【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二番目の実施形態の主要部の概略構成図である。
【図４】図３の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。
【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三番目の実施形態の主要部の概略構成図である。
【図６】図５の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。
【図７】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主要部の概略構成図である。
【図８】図７の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。
【図９】図８に続く作動説明図である。
【図１０】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主要部の概略構成図である。
【図１１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの他の実施形態の主要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１  燃料ガス
２  生成水
３  水素ガス
４  酸素ガス
１００  固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０８  バルブ
１１０  固体高分子形燃料電池
１１１，１１２  サブスタック
１２１，１２２  ドレントラップ
１３０  燃料ガス供給源
１４０  制御装置
１４１，１４２  インバータ
２００  固体高分子形燃料電池発電システム
２３０  水素ガスボンベ
２４０  制御装置
３００  固体高分子形燃料電池発電システム
３０１，３０２，３０７，３０８  バルブ
３１０  固体高分子形燃料電池
３１１，３１２  サブスタック
３２１，３２２  ドレントラップ
３３０  酸素ガスボンベ
３４０  制御装置
４００  固体高分子形燃料電池発電システム
４４０  制御装置
５００  固体高分子形燃料電池発電システム
５０１，５０２  バルブ
５４０  制御装置
６００  固体高分子形燃料電池発電システム
６０１  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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【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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