(57)【要約】【課題】  エネルギー効率の低下を小さくし、各燃料電池セルに供給するガスのばらつきを改善する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】    第１のＭＥＡ１２を有する第１の燃料電池セル１８を複数含む第１の燃料電池スタック１５と、各第１の燃料電池セル１８の発電電圧を監視する電圧監視装置３３と、第２のＭＥＡ１１２を有する第２の燃料電池セル２３を複数含む第２の燃料電池スタック２０と、各第２の燃料電池セル２３の負荷を制御する第２の負荷制御装置２５と、を備え、電圧監視装置３３が、複数の第１の燃料電池セル１８のうちのいずれかの発電電圧が他の第１の燃料電池セル１８よりも所定量低下したことを検知したとき、負荷制御装置２５は、発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セル１８に接続されている第２の燃料電池セル２３の少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、燃料供給ラインから分岐されて、前記第１の燃料ガス流路の上流側に接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、酸化剤ガス供給ラインから分岐されて、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する第２の燃料電池セルを複数含む第２の燃料電池スタックと、
前記各第２の燃料電池セルの第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する第２の負荷制御装置と、を備え、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の燃料電池セルの負荷の増加は、前記第２の燃料電池セルにおいて水が生成され、前記生成された水により、前記第２の燃料ガス流路における圧力損失が増加し、前記圧力損失の増加により、前記第２の燃料ガス流路に流入すべき燃料ガスが、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの第１の燃料ガス流路に流入し、また、前記第２の燃料電池セルにおいて生成された水により、前記第２の酸化剤ガス流路における圧力損失が増加し、前記圧力損失の増加により、前記第２の酸化剤ガス流路に流入すべき酸化剤ガスが、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの第１の酸化剤ガス流路に流入し、前記流入により前記電圧が低下した第１の燃料電池セル内において生成された水が排出される、程度の負荷の増加である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの発電電圧が回復した後に、前記第２の燃料電池セルの負荷を減少させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の燃料電池セルは、前記第２の燃料電池セルに流入する、燃料ガスおよび酸化剤ガスから、不純物の少なくとも一部を取り除いて前記第１の燃料電池セルに供給する、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の燃料ガス流路、および前記第２の酸化剤ガス流路の少なくともいずれかは、サーペンタイン構造を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の燃料電池セルが前記第１の燃料電池セルと同一平面上にある、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
第２の燃料電池セル中のガス拡散層の撥水性が、前記第１の燃料電池セルのガス拡散層の撥水性より低い、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの負荷を制御する第１の負荷制御装置と、を備え、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料ガス流路は、燃料供給ラインから分岐されてそれぞれ接続されており、前記各第１の燃料電池セルの第１の酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス供給ラインから分岐されてそれぞれ接続されており、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルの負荷を増加させる、燃料電池システム。
【請求項９】
前記第２の燃料電池セルまたは前記第１の燃料電池セルの負荷を増加させた後に、燃料ガス圧または酸化剤ガス圧を増加させる、請求項１または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する複数の第１の燃料電池セルを含む第１の燃料電池スタックと、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、前記第１の燃料ガス流路の上流側に燃料供給ラインから分岐されて接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に酸化剤ガス供給ラインから分岐されて接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する複数の第２の燃料電池セルを含む第２の燃料電池スタックと、を備える燃料電池スタックであって、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極は、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置とそれぞれ電気的に接続され、
前記第２の燃料極、および前記第２の酸化剤ガス極は、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する負荷制御装置にそれぞれ電気的に接続され、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池スタック。
【請求項１１】
第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、燃料供給ラインから分岐されて、前記第１の燃料ガス流路の上流側に接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、酸化剤ガス供給ラインから分岐されて、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する第２の燃料電池セルを複数含む第２の燃料電池スタックと、
前記各第２の燃料電池セルの第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する第２の負荷制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の燃料電池システムの、前記負荷制御装置として、コンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形等の、燃料電池システム、燃料電池スタック、燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを、熱エネルギーや機械エネルギーを経ることなく直接電気エネルギーに変換するため、高いエネルギー変換効率が実現可能な方法として知られている。燃料電池は、空気側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、燃料極側には水素を含有する燃料ガスの供給を受けて、その電極部において以下に示す電気化学反応を進行する。
（化１）
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                      ・・・（１）
（１／２）Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ              ・・・（３）
（１）式は燃料極側における反応、（２）式は空気極側における反応を示し、燃料電池全体では、（３）式に示す反応が進行する。上記したように、燃料電池における電気化学反応では、空気極側において水を生じる。また、燃料電池の一種である高分子電解質形燃料電池が備える水素イオン伝導性高分子電解質膜の乾燥を防ぐ目的で、上記燃料ガスや酸化ガスには、水蒸気が加えられることがある。従って、水素イオン伝導性高分子電解質内部の所定の領域では、上記した生成水やガス中の水蒸気が凝縮して水滴をなし、ガスの流路を塞いでしまうという不都合を生じることがある。
【０００３】
凝縮水によるガス流路の閉塞の説明に先立って、まず水素イオン伝導性高分子電解質の構造について説明する。水素イオン伝導性高分子電解質は、通常は、単セルを複数積層したスタック構造をなしている。図１０は燃料電池を構成する基本単位である上記単セル１の構成を示す断面模式図である。単セル１は水素イオン伝導性高分子電解質膜２と燃料極３および空気極４、セパレータ５、６とから構成されており、外周部は燃料ガスおよび酸化ガスをシールする目的でガスケット７でシールされている。燃料極３と空気極４はそれぞれ、触媒層８、９およびガス拡散層１０、１１で構成されており、水素イオン伝導性高分子電解質膜２を両側からはさんだサンドイッチ構造をとり、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２を構成している。セパレータ５、６はこのサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、燃料極３および空気極４との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。燃料極３とセパレータ５との間には、燃料ガス流路１３が形成されており、空気極４とセパレータ６との間には空気流路１４が形成されている。実際に高分子電解質形燃料電池を組み立てる時には、上記単セル１を所定の枚数積層してスタック構造を形成する。このようなスタック構造を備えた高分子電解質形燃料電池の内部には、スタック構造を貫通してガスの流路が設けられている。このガス流路とは、各単セルに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドまたは酸化ガスマニホールド、あるいは各単セルにおける電池反応に供された後の燃料ガスまたは酸化ガスが集められる燃料ガス排出ガスマニホールドまたは酸化ガス排出マニホールドである。これらの流路はそれぞれ、燃料電池の外部に設けられた所定の燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置、あるいは燃料ガス排出装置や酸化ガス排出装置に接続されている。
【０００４】
このような構造の高分子電解質形燃料電池において、既述した生成水やガス中の水蒸気は、例えば、ガス拡散電極、各単セル内部の流路（単セル内流路）、燃料電池内部を貫通して各単セルにガスの給排を行う流路（ガスマニホールド）等において、凝縮して水滴を形成し、ガスの流路を塞いでしまう。ＭＥＡ内において、凝縮水によって水の膜が生成されると、電極内でガスの拡散が阻害され、ＭＥＡ内においてガスの供給を受けられない領域が生じる。また、上記電池反応によって生じた生成水や水素イオン伝導性高分子電解質膜２内を移動してきた水が各単セル１内部の流路においては凝縮してしまう場合には、水滴によって単セル内流路が塞がれるため、やはりＭＥＡにおいてガスの供給を受けられない領域が生じる。上記したようにＭＥＡ内、単セル内流路において凝縮が起こった場合にも、高分子電解質形燃料電池内部での水の凝縮は、電池性能を悪化させる原因となっていた。
【０００５】
また、上記した単セル内流路等において生成水が凝縮してしまうと、凝縮水によって流路が塞がれてしまう前に、高分子電解質形燃料電池を構成する各単セル間で、供給されるガス量にバラツキが生じ、これによって高分子電解質形燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題を生じる。すなわち、単セル内流路内で生成水が凝縮すると、このような単セル内流路ではガスの流れに対する抵抗が増すため、供給されるガス量が他の単セルに比べて少なくなる。供給されるガス量が少なくなれば、単セル内で進行する電気化学反応の量も少なくなり、これによって燃料電池スタック内において単セル間で発電量にばらつきが生じ、燃料電池スタック全体の性能が低下してしまう。
【０００６】
そこで従来は、燃料電池スタック内部の各所で水蒸気が凝縮して、上記した不都合が生じてしまうのを防止するために、燃料電池に供給するガスの流量および圧力を一時的に上昇させ、凝縮した水を吹き飛ばして、水滴の除去を行う方法が提案されていた（例えば、特許文献１参照。）。このように、燃料電池スタック内に供給するガスの流量および圧力を一時的に上昇させることによって、凝縮水がガス流路を閉塞してしまうという前者の不都合が生じるのを妨げることができる。さらに、ガスの圧力を一時的に上昇させて単セル内流路に供給されるガス量および各単セル毎の発電量がばらつくのを抑えることによって、燃料電池スタックの性能が低下してしまうという後者の不都合を防ぐことができる。
【０００７】
一方、燃料電池スタックを長期間運転すると、空気極の触媒層中の触媒上に触媒反応を阻害する酸化物が付着し、反応が酸化され活性が低下し、その結果、燃料電池スタック電圧の低下が生じる。これに対し、空気極の電位を標準水素電極に対して、０Ｖ近辺（ｖｓＮＨＥ）に近づけると、触媒表面を被覆している酸化物皮膜が還元されて、触媒活性が回復することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。この回復操作を行う一つとして、空気極に水素ガスを供給する方法がある。この効果は、燃料電池スタックを発電しながら、空気極側に供給する酸化ガスの量を少なくすることで可能である。しかし、スタックの各単セルに供給する酸化ガスを同時に少なくすると、所定の出力電圧が維持できないために、各単セル毎に個別にガス流量を調節し、燃料電池スタック内の一部の単セルだけの空気極に供給する酸化ガスの流量を、通常の運転条件より少なくすることが求められるが、上記既述のように燃料電池スタック中の各単セル毎のガス流量の分配の割合を個別に変化させることは困難であった。
【０００８】
また、高分子電解質形燃料電池は、不純物が混入すると電気化学反応が阻害され、性能が低下してしまうために、不純物の混入を抑制することが必要であった。
【特許文献１】特開昭５４−１４４９３４号公報
【特許文献２】特開２０００−２６０４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記したように燃料電池スタックに供給するガスの流量や圧力を一時的に増加させることによって凝縮水を吹き飛ばす構成とする場合には、上記ガスマニホールド内の水滴は容易に吹き飛ばすことができても、上記ＭＥＡ内や単セル内流路等で凝縮した水に対しては、効果を得にくいという問題があった。これは、燃料電池スタックに供給するガスの流量や圧力をガスの供給装置側で増加させても、実際に水滴が生じている箇所に達するガスの流量や圧力はさほど増加しないことに起因している。燃料電池スタックは既述したように単セルを複数積層したスタック構造をとっているため、各単セルにガスが分配されている時には、燃料電池スタックが備える単セル数に応じて、ガス供給量の増加分もまた分割されてしまう。そのため、水滴が生じている箇所に供給されるガスの流量や圧力の増加量は、不十分となってしまい、燃料電池スタックに供給するガスの流量や圧力を増加させても結果的に水滴の除去が行われないことがあった。
【００１０】
逆に、水滴が生じている箇所に供給するガスの流量や圧力を十分に増加させて水滴の除去を効果的に行おうとすると、流量や圧力の増加量を大過剰にする必要があり、採用し難い場合がある。特に、燃料ガスの流量または圧力を増加させて水滴の除去を行おうとする場合には、燃料ガスの供給量を過剰にすることによって、電池反応に関わることなく排出される水素量が増加してしまうという不都合を生じる。電池反応で利用されない水素量の増大は、この燃料電池スタックを備える燃料電池システム全体でのエネルギーの効率の低下を引き起こす。特に、燃料電池スタックを車両駆動用の電源として車載する場合のように、準備可能な可能な燃料の量に限りがある場合には不利となる。車両駆動用の電源として燃料電池スタックを用いる場合には、供給するガス量を増加することによって水滴を吹き飛ばす上記した構成は、車載された所定量の燃料で走行可能な距離を短縮させてしまうことになる。また、燃料電池スタックに供給するガスの流量および圧力を増加させるためには、より多くのエネルギーを消費することになり、装置全体のエネルギー効率の低下を引き起こしてしまう。さらに、家庭用コージェネレーションシステムの場合にもあてはまることであるが、供給するガスの増加量を大過剰にする場合には、燃料電池スタックにガスを供給する配管などの設備もまた大過剰の流量や圧力に耐えるものとし、ガス供給装置も大過剰の流量や圧力のガスを供給可能にする必要が生じ、装置全体の大型化などの問題を新たに引き起こす恐れがある。
【００１１】
なお、単セル内流路に生じた凝縮水によって、各単セル毎に発電量がばらついてしまうという弊害は、燃料電池スタックに供給するガス量を上記したように、一時的に十分に増加させる代わりに、燃料電池スタックに供給するガス量を恒常的に所定量だけ増加させることによっても、防ぐことが可能である。すなわち、ガスの流量および圧力をある程度増加させることによって、凝縮水がより滞留しにくい環境にして、各単セルに供給されるガス量のバラツキを抑えることができる。
【００１２】
燃料電池スタックに供給すべきガスの量は、燃料電池スタックの発電量、すなわち燃料電池に接続される負荷の大きさによってきまる。負荷の大きさに対応する所定の電力を得るために要するガス量は、既述した（１）式および（２）式に基づいて、理論的に求めることができる。以下、このように理論的に求められる水素のモル数および酸素のモル数、あるいは、これらの値に対応する燃料ガスの量および酸化ガスの量をストイキ１と呼ぶことにする。このストイキ１を十分に越える量のガスを燃料電池スタックに常に供給することによって、上述したように、各単セル内の流路に凝縮水が滞留し、燃料電池の性能が低下してしまうのを防止することができる。しかしながら、このような場合にも、燃料電池に供給するガス量をより多くすることによって、ガスの供給のためにより多くのエネルギーを消費して、装置全体のエネルギー効率の低下を引き起こしてしまう。
【００１３】
また、燃料電池スタックの長期間の運転に伴い電圧が低下する現象を抑制するために行う回復操作において、燃料電池スタックの各単セルに供給する酸化ガスを同時に少なくすると、所定の出力電圧が維持できないために、各単セル毎に個別にガス流量を調節し、燃料電池スタック内の一部の単セルだけの空気極に供給する酸化ガスの流量を、通常の運転条件より少なくすることが求められるが、上記既述のように燃料電池スタック中の各単セル毎のガス流量の分配の割合を個別に変化させることは困難であった。
【００１４】
さらに、高分子電解質形燃料電池は、不純物が混入すると電気化学反応が阻害され、性能が低下してしまうために、不純物の混入を抑制することが必要であった。
【００１５】
本発明は、このような問題を考慮し、エネルギー効率の低下を小さくし、各燃料電池セルに供給するガスのばらつきを改善する燃料電池システム、燃料電池スタック、燃料電池システムの運転方法、そのプログラム、記録媒体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】
【００１６】
上記課題を解決するために、第１の本発明は、第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、燃料供給ラインから分岐されて、前記第１の燃料ガス流路の上流側に接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、酸化剤ガス供給ラインから分岐されて、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する第２の燃料電池セルを複数含む第２の燃料電池スタックと、
前記各第２の燃料電池セルの第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する第２の負荷制御装置と、を備え、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池システムである。
【００１７】
第２の本発明は、前記第２の燃料電池セルの負荷の増加は、前記第２の燃料電池セルにおいて水が生成され、前記生成された水により、前記第２の燃料ガス流路における圧力損失が増加し、前記圧力損失の増加により、前記第２の燃料ガス流路に流入すべき燃料ガスが、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの第１の燃料ガス流路に流入し、また、前記第２の燃料電池セルにおいて生成された水により、前記第２の酸化剤ガス流路における圧力損失が増加し、前記圧力損失の増加により、前記第２の酸化剤ガス流路に流入すべき酸化剤ガスが、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの第１の酸化剤ガス流路に流入し、前記流入により前記電圧が低下した第１の燃料電池セル内において生成された水が排出される、程度の負荷の増加である、第１の本発明の燃料電池システムである。
【００１８】
第３の本発明は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの発電電圧が回復した後に、前記第２の燃料電池セルの負荷を減少させる、第１または２の本発明の燃料電池システムである。
【００１９】
第４の本発明は、前記第２の燃料電池セルは、前記第２の燃料電池セルに流入する、燃料ガスおよび酸化剤ガスから、不純物の少なくとも一部を取り除いて前記第１の燃料電池セルに供給する、第１〜３のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２０】
第５の本発明は、前記第２の燃料ガス流路、および前記第２の酸化剤ガス流路の少なくともいずれかは、サーペンタイン構造を有する、第１〜４のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２１】
第６の本発明は、前記第２の燃料電池セルが前記第１の燃料電池セルと同一平面上にある、第１〜５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２２】
第７の本発明は、第２の燃料電池セル中のガス拡散層の撥水性が、前記第１の燃料電池セルのガス拡散層の撥水性より低い、第１〜６のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２３】
第８の本発明は、第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの負荷を制御する第１の負荷制御装置と、を備え、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料ガス流路は、燃料供給ラインから分岐されてそれぞれ接続されており、前記各第１の燃料電池セルの第１の酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス供給ラインから分岐されてそれぞれ接続されており、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルの負荷を増加させる、燃料電池システムである。
【００２４】
第９の本発明は、前記第２の燃料電池セルまたは前記第１の燃料電池セルの負荷を増加させた後に、燃料ガス圧または酸化剤ガス圧を増加させる、第１または８の本発明の燃料電池システムである。
【００２５】
第１０の本発明は、第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する複数の第１の燃料電池セルを含む第１の燃料電池スタックと、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、前記第１の燃料ガス流路の上流側に燃料供給ラインから分岐されて接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に酸化剤ガス供給ラインから分岐されて接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する複数の第２の燃料電池セルを含む第２の燃料電池スタックと、を備える燃料電池スタックであって、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極は、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置とそれぞれ電気的に接続され、
前記第２の燃料極、および前記第２の酸化剤ガス極は、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する負荷制御装置にそれぞれ電気的に接続され、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池スタックである。
【００２６】
第１１の本発明は、第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体の一方側に設置されている第１の燃料ガス流路と、前記第１の膜電極接合体の他方側に設置されている第１の酸化剤ガス流路と、を有する第１の燃料電池セルを複数含む第１の燃料電池スタックと、
前記各第１の燃料電池セルの第１の燃料極および第１の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第１の燃料電池セルの発電電圧を監視する電圧監視装置と、
第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極を有する第２の膜電極接合体と、前記第２の膜電極接合体の一方側に設置され、燃料供給ラインから分岐されて、前記第１の燃料ガス流路の上流側に接続されている第２の燃料ガス流路と、前記第２の膜電極接合体の他方側に設置され、酸化剤ガス供給ラインから分岐されて、前記第１の酸化剤ガス流路の上流側に接続されている第２の酸化剤ガス流路と、を有する第２の燃料電池セルを複数含む第２の燃料電池スタックと、
前記各第２の燃料電池セルの第２の燃料極および第２の酸化剤ガス極にそれぞれ電気的に接続され、前記各第２の燃料電池セルの負荷を制御する第２の負荷制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記電圧監視装置が、前記複数の第１の燃料電池セルのうちのいずれかの第１の燃料電池セルの発電電圧が他の第１の燃料電池セルの発電電圧よりも所定量低下したことを検知したとき、前記負荷制御装置は、前記発電電圧が低下した第１の燃料電池セルの他の第１の燃料電池セルに接続されている第２の燃料電池セルの少なくともいずれかの負荷を増加させる、燃料電池システムの運転方法である。
【００２７】
第１２の本発明は、第１の本発明の燃料電池システムの、前記負荷制御装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００２８】
第１３の本発明は、第１２の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、エネルギー効率の低下を小さくし、各燃料電池セルに供給するガスのばらつきを改善する燃料電池システム、燃料電池スタック、燃料電池システムの運転方法、そのプログラム、記録媒体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下本発明の実施の形態を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池システムの構成を表している。第１の燃料電池スタック１５は、第１のＭＥＡ１２をセパレータ５，６で挟んだ第１の燃料電池セル１８が直列に接続されて構成されている、第１の燃料電池セルの構成は、図１０に示す従来の単セル電池の構成と同様である。ここで、本発明の第１の燃料極は、燃料極３に一例として対応し、本発明の第１の酸化剤極は、空気極４に一例として対応し、本発明の第１の膜電極接合体は、第１のＭＥＡ１２に一例として対応し、本発明の第１の燃料ガス流路は、燃料ガス流路１３に一例として対応し、第１のＭＥＡ１２の一方側に設置されたセパレータ５の内部に形成されている。本発明の第１の酸化剤ガス流路は、空気流路１４に一例として対応し、第１のＭＥＡ１２の他方側に設置されたセパレータ６の内部に形成されている。
【００３１】
第１の燃料電池セル１８は、は水素イオン伝導性高分子電解質膜２と燃料極３および空気極４、セパレータ５、６とを有して構成されており、外周部は燃料ガスおよび酸化ガス（反応ガス２２）をシールする目的でガスケット７でシールされている。燃料極３と空気極４はそれぞれ、触媒層８、９およびガス拡散層１０、１１で構成されており、水素イオン伝導性高分子電解質膜２を両側からはさんだサンドイッチ構造をとり、第１の膜電極接合体（第１のＭＥＡ）１２を構成している。セパレータ５、６はこのサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、燃料極３および空気極４との間に、燃料ガスおよび空気の流路を形成する。すなちわ、燃料極３とセパレータ５との間には、燃料ガス流路１３が形成されており、空気極４とセパレータ６との間には空気流路１４が形成されている。
【００３２】
各第１の燃料電池セル１８の上流側には、第２の燃料電池セル２３が接続され、各第２の燃料電池セル２３は、直列に接続されることにより第２の燃料電池スタック２０を構成している。第２の燃料電池セル２３の構成を図２に示す。
【００３３】
ここで、本発明の第２の燃料極は、燃料極１０３に一例として対応し、本発明の第２の酸化剤極は、空気極１０４に一例として対応し、本発明の第２の膜電極接合体は、第２のＭＥＡ１１２に一例として対応し、本発明の第２の燃料ガス流路は、燃料ガス流路１１３に一例として対応し、第１の燃料電池セル１８の燃料ガス流路１３の上流側に接続されている。燃料ガス流路１１３の第２のＭＥＡ１１２の一方側に設置されたセパレータ１０５の内部に形成されている。本発明の第１の酸化剤ガス流路は、空気流路１１４に一例として対応し、第２のＭＥＡ１１２の他方側に設置されたセパレータ１０６の内部に形成されている。
【００３４】
第２の燃料電池セル２３は、は水素イオン伝導性高分子電解質膜１０２と燃料極１０３および空気極１０４、セパレータ１０５、１０６を有しており、外周部は燃料ガスおよび酸化ガスをシールする目的でガスケット１０７でシールされている。燃料極１０３と空気極１０４はそれぞれ、触媒層１０８、１０９およびガス拡散層１１０、１１１を有しており、水素イオン伝導性高分子電解質膜２を両側からはさんだサンドイッチ構造をとり、第２の膜電極接合体（第２のＭＥＡ）１１２を構成している。セパレータ１０５、１０６はこのサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、燃料極１０３および空気極１０４との間に、燃料ガスおよび空気の流路を形成する。すなちわ、燃料極１０３とセパレータ１０５との間には、第２の燃料ガス流路１１３が形成されており、空気極１０４とセパレータ１０６との間には第２の空気流路１１４が形成されている。
【００３５】
第１の燃料電池セル１８と第２の燃料電池セル２３は絶縁体２１によって電気的に絶縁されているとともに、各々の第２の燃料電池セル２３に供給された燃料ガスおよび空気が、その後各々の第１の燃料電池セル１８に導入されるよう燃料ガスおよび空気は流通されるようになっている。第２の燃料電池セル２３はそれぞれ個別に発電制御できるように、各第２の燃料電池セル２３には端子２４が設けられており、外部の負荷・制御回路２５につながっている。負荷制御回路２５は、電圧を測定することもできる。また、第１の燃料電池セル１８のそれぞれにも、同様に端子３２が取り付けられており、外部の電圧監視装置３３に接続されている。このため、第１の燃料電池セル１８および第２の燃料電池セル２３の各電圧を観測することが可能である。さらに、第２の燃料電池セル２３については、個別に発電制御することが可能である。
【００３６】
第２の燃料電池セル２３の一部を発電させると、発電した第２の燃料電池セル２３からは式３による生成水により、第２の燃料ガス流路１１３および第２の空気流路１１４内もしくは第２のＭＥＡ１１２のガス拡散層１１０、１１１に水が発生し、滞留することで第２の燃料ガス流路１１３および第２の空気流路１１４内のガスが通過するための抵抗を増加させることができる。これにより、抵抗が増加した各流路内には、ガスが流れにくくなることから、つながっている第１の燃料電池セル１８内にもガスが流れにくくなる。その結果、他の第１の燃料電池セル１８に優先的に圧力の高いガスが流れるようになり、滞留している凝縮水を吹き飛ばすことが可能である。燃料電池スタックの長期間の発電で、一部の第１の燃料電池セル１８内に凝縮水が生成し、凝縮水による滞留でガスの分配が低下した単セルにガスを優先的に流すには、この凝縮水が滞留している第１の燃料電池セル１８に接続している第２の燃料電池セル２３以外の第２の燃料電池セル２３をすくなくとも１つ以上発電させればよい。第２の燃料電池セル２３からそれぞれ端子をとっていることで、第２の燃料電池セル２３を選択的に負荷を変動させて発電させることが可能である。
【００３７】
すなわち、凝縮水の生成により第１の燃料電池セル１８の１つの発電電圧が他の第１の燃料電池セル１８よりも所定値以上に低下したとき、負荷制御回路２５は、発電電圧が低下していない他の第１の燃料電池セル１８に接続されている第２の燃料電池セル２３に負荷を加える。例えば、そのような特定の第２の燃料電池セル２３の端子間に抵抗を個別に接続することにより、特定の第２の燃料電池セル２３を発電させることができる。この負荷は、第１の燃料電池スタック１５に接続される負荷とは別の負荷であることが好ましい。また、第２の燃料ガス流路１１３、および第２の空気流路１１４には、第１の燃料電池スタック１５での発電量に加えて、少なくとも特定の第２の燃料電池スタック２０における発電量に相当する燃料ガスおよび空気が供給させる必要がある。このような動作により、第１の燃料電池スタック１５の出力を実質上低下させることなく、特定の第２の燃料電池セル２３を発電させることができる。
【００３８】
また、第１の燃料電池セル１８の上流部に第２の燃料電池セル２３を設置することで、第２の燃料電池セル２３の発電を終えた後に残る凝縮水は、次第に第１の燃料電池セル１８の流路へ蒸発してなくなる。これは、下流部にある第１の燃料電池セル１８が発電すると、単セル温度が高温になるため、第２の燃料電池セル２３に残存している凝縮水は次第に蒸発乾燥することが可能である。
【００３９】
また、第２の燃料電池セル２３は、第１の燃料電池セル１８と同一平面にあれば、両者の距離を短くすることが可能であるが、燃料電池システムの空間を有効利用する観点から、異なる平面においても同様の効果が得られる。
【００４０】
または、図３に示すようにサーペンタイン構造２８であっても、図４に示すようにストレート構造２９であっても、第２の燃料電池セル２３で発電した生成水が凝縮して、第２の燃料電池セル２３にガスが通過するための抵抗が増加する程度の長さが確保できる程度であれば、上記効果を得ることが可能である。
【００４１】
また、第２のＭＥＡ１１２のガス拡散層の撥水性を第１のＭＥＡ１２のガス拡散層の撥水性よりも低くすると、撥水性の低いガス拡散層内には、凝縮水がつまり易くなるため、第２の燃料電池セル２３内のガスが流れを妨げる抵抗を上げることが可能である。
【００４２】
また、燃料電池スタック２０の発電中は、少なくとも第２の燃料電池セル２３を発電させることで、第２のＭＥＡ１１２中の燃料極１０３側から空気極１０４側への水素イオン伝導性高分子電解質膜１０２を介したガスの移動を抑制し、燃料ガスと空気の燃焼反応による水素イオン伝導性高分子電解質および触媒層１０８、１０９へのダメージを抑制することできるため、第２のＭＥＡ１１２の耐久性を向上させることが可能である。
【００４３】
また、各第２の燃料電池セル２３のうちの１つ以上を他の第２の燃料電池セル２３よりも高電流で発電させることで、高電流密度で発電させた第２の燃料電池セル２３の下流側にある第１の燃料電池セル１８へガスの供給が低下する。そのため、単セルの電圧回復操作を行うことになるため、燃料電池スタックの運転中に電圧低下現象が起きた時の緊急対応モードの運転として利用することが可能である。
【実施例１】
【００４４】
本実施例では、図１０に示す燃料電池を構成する基本単位である単セル１をまず作製した。
【００４５】
まず、ガス拡散層を作製するために次のことを行った。カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰＨ−０６０）にポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン工業（株）製：ルブロンＬＤＷ−４０）を乾燥重量として１０重量％含侵させた後、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで撥水処理を行った。ここで得られたものを第１のＭＥＡ１２用のガス拡散層とした。また、乾燥重量として１０重量％含侵させたものを第２のＭＥＡ１１２用のガス拡散層とした。さらに、導電性炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成した。すなわち炭素粉末としての電気化学工業（株）製：デンカブラックに、フッ素樹脂としてのポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン製：ルブロンＬＤＷ−４０）を、乾燥重量として３０重量％混合して作製した分散液を、前記撥水処理したカーボンペーパーに塗工し、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで高分子含有導電層を含むガス拡散層を作製した。
【００４６】
次に、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を以下の方法で作製した。導電性炭素粉末に平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持したもの（田中貴金属工業（株）製：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇに、水１０ｇを加え、水素イオン伝導性高分子電解質膜と同じような成分が含まれている水素イオン伝導性高分子電解質の９重量％エタノール溶液（旭硝子（株）製：フレミオン）５５ｇを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、燃料極、空気極側触媒層とした。  触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ２当り０．３ｍｇになるように調整した。この触媒層２組のポリプロピレンフィルムを、水素イオン伝導性高分子電解質膜（ジャパンゴアテックス（株）社製：ゴア−セレクト、膜厚３０μｍ）の外側表面に挟み込み、１３０℃で１０分間ホットプレスした後、ポリプロピレンフィルムを除去し、触媒層が形成された水素イオン伝導性高分子電解質膜を得た。この触媒層が形成された水素イオン伝導性高分子電解質膜の両側にガス拡散層を、その高分子含有導電層が内側になるように挟み、さらに外周部をガスのシール性を高めるためにガスケットで挟んでＭＥＡとした。黒鉛板にガス流路と冷却水流路を切削加工してセパレータ板を作製した。ＭＥＡを一対のセパレータ板で挟み、燃料電池セルを構成した。
【００４７】
本実施例では、第１のＭＥＡ１２の触媒層を縦６ｃｍ、横６ｃｍで３６ｃｍ２とした。また、第２のＭＥＡ１１２の触媒層の面積を縦６ｃｍ、横２ｃｍで１２ｃｍ２とした。
【００４８】
またこの時の各ガス拡散層の大きさは、触媒層の時と同じで第１のＭＥＡ１２の場合は、縦６ｃｍ、横６ｃｍで３６ｃｍ２、第２のＭＥＡの場合は縦６ｃｍ、横２ｃｍで１２ｃｍ２とした。
【００４９】
また、ＭＥＡのガスケットを含めた大きさは、第１のＭＥＡ１２は縦１２ｃｍ、横１２ｃｍで１４４ｃｍ２、第２のガスケットを含めた大きさは、縦１２ｃｍ、横４ｃｍで４８ｃｍ２とした。
【００５０】
本実施例では、図４に示すセパレータの流路を用いて図６のようなセパレータを用い、単セルを構成した。第１の燃料電池セル１８の大きさは、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍで１４４ｃｍ２、第２の燃料電池セル２３の大きさは、縦１２ｃｍ、横４ｃｍで４８ｃｍ２となるようにした。また絶縁部はガスケットと同じ樹脂を用い、縦１２ｃｍ、横２ｍｍとした。尚、セパレータの溝の幅及び深さは、セパレータ板の表裏に燃料極側、空気極側の流路を作製し、とも第１の燃料電池セル１８、第２の燃料電池セル２３、絶縁体とも同じで、幅１．５ｍｍ、深さ２ｍｍとした。この時、また絶縁部の流路以外の部分は樹脂でシールされガスの気密性が保たれるようにした。また、第２の燃料電池セル２３から燃料極、正極側の端子をそれぞれ取り出し、外部回路の電子負荷装置に接続した。この時外部回路の電子負荷装置は、第１の燃料電池セル１８の発電によって得られる発電エネルギーを用いることで行った。この単セルをそれぞれ１００セル積層し、燃料電池スタックとした。
【００５１】
このスタックを各セルの電池温度を７０℃になるように調節し、燃料極側に水素ガスをガスの露点が６５℃になるように導入し、空気極側には空気ガスをガスの露点が６５℃になるように導入した。この時、水素ガスおよび空気ガスのガス利用率は、７０％、４０％になるようにし、８時間の電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で運転した後、耐久試験として電流密度０．２Ａ／ｃｍ２となるようにした。また、全ての第２のＭＥＡは電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ２付近になるように電池温度を７０℃にして発電を行った。また、１０００時間の連続運転中の第１の燃料電池セル１８のいずれか１つでも、７５０ｍＶの電圧を下回った場合には、下回った第１の燃料電池セル１８とつながっている第２の燃料電池セル２３以外をまず電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で発電させる。その後、各第１の燃料電池セル１８の電圧が７５０ｍＶの電圧を下回ったセルから順に電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２付近での発電に切り替え、電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の発電に切り替えたセル全てが、電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２付近での発電に切り替えた後、一番初めに第１の燃料電池セル１８の電圧が７５０ｍＶを下回ったセルとつながっている第２の燃料電池セル２３を電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で発電させ、第１の燃料電池セル１８の電圧が０．２Ｖを下回るまで発電を行った。この一連の操作を行った後は、また第２の燃料電池セル２３は全て電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ２付近になるように発電を行った。
【００５２】
その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７６．５Ｖであった。この燃料電池スタックの耐久試験中の電圧の時間変化の様子を図８に示す。
【実施例２】
【００５３】
本実施例においては、第１の実施例において、第２の燃料電池セル２３で０．０５Ａ／ｃｍ２付近で発電するところを全て発電しない状態にする以外は全て実施例１と同様の条件で同様に行った。
【００５４】
その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７６．３Ｖであった。しかし、次第に第２の燃料電池セル２３の発電電圧が低下し、電流密度が０．７Ａ／ｃｍ２での運転が困難になってきた。
【実施例３】
【００５５】
本実施例においては、第１の実施例と同様の構造をとり、第１の燃料電池セル１８の１０００時間の連続運転中、第２の燃料電池セル２３は通常は０．０５Ａ／ｃｍ２で発電し、２００時間おきに１０セルを一組として十組全てを一組毎に、電流密度が０．７Ａ／ｃｍ２となるように発電を行い、発電している第２の燃料電池セル２３に接続している第１の燃料電池セル１８の発電電圧が０．２ＶになったＭＥＡから順に第２の燃料電池セル２３の電流密度を０．０５Ａ／ｃｍ２に戻し、第２の燃料電池セル２３の１００セル全てを行う運転条件以外は、全て実施例１と同様に行った。
【００５６】
その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５．６Ｖであった。
【実施例４】
【００５７】
本実施例においては、第３の実施例と同様の構造をとり、各第２の燃料電池セル２３を電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で発電する時間が、発電している第２の燃料電池セル２３によって電圧が低下する第１の燃料電池セル１８の電圧の低下の度合いに関わらず１秒間とし、その後は電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２で発電する以外は、全て実施例３と同様に行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５Ｖであった。
【実施例５】
【００５８】
本実施例においては、実施例１において、１０００時間の連続運転中、第１の燃料電池セル１８のいずれか１つでも、７５０ｍＶの電圧を下回った場合には、全ての第２の燃料電池セル２３を電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で発電させ、第１の燃料電池セル１８の発電電圧が０．２Ｖを下回ったものから順に、第２の燃料電池セル２３を電流密度０．０５Ａ／ｃｍ２付近での発電に切り替える以外は、全て実施例１と同様の条件で行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５Ｖであった。
【実施例６】
【００５９】
本実施例では、実施例１の第１と第２の撥水処理量を逆にする以外は全て実施例１と同様のことを行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５．８Ｖであった。
【実施例７】
【００６０】
本実施例では、実施例２の第１の燃料電池セル１８の流路を、図４に示すストレート構造からサーペンタイン構造にする以外は全て同じ条件で実施例１と同様のことを行った。本実施例では、セパレータ構造をサーペンタイン構造にする時に、セパレータの流路長を実施例２と比較して３倍長くし、断面積が３倍になるように溝深さを深くすることで、ストレート構造からサーペンタイン構造になるようにした。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５．５Ｖであった。
【実施例８】
【００６１】
本実施例では、構造例３において絶縁体２１の面積を増やし、第１の燃料電池セルと第２のセパレータが同一平面上に存在しない以外は、全て同じ条件で構造例３と同様のことを行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５．２Ｖから７５．６Ｖの範囲で振動していた。
【実施例９】
【００６２】
本実施例では、第１の燃料電池セル１８と第２の燃料電池セル２３の流路の配置を図５のようにし、図７のようなセパレータを用い、絶縁体の部分は２ｍｍ幅となるようにして、第２の燃料電池セル２３のセパレータの流路をサーペンタイン構造にして、単セルを構成した。この時、第１の燃料電池セル１８と第２の燃料電池セル２３の流路長は、実施例１と同じになるようにした。この時の第１のＭＥＡ１２の触媒層８とガス拡散層の面積は、実施例１の時と同じで３６ｃｍ２、第２のＭＥＡ１９の触媒層とガス拡散層の面積は、１２ｃｍ２となるようにした。本実施例におけるＭＥＡの作製方法は、以下に記す方法で行った。まず、第１のＭＥＡ１２は、縦６ｃｍ、横８ｃｍの触媒層、ガス拡散層を実施例１と同様の方法で作製し、抜き型で図５のサイズにそれぞれ切断した。次に、第２のＭＥＡ１９は縦３ｃｍ、横４ｃｍの触媒層、ガス拡散層を実施例１と同様の方法で作製した抜き型で図５のサイズにそれぞれ切断した。その後、同一の水素イオン伝導性高分子電解質膜上に、第１・第２の触媒層を絶縁部も含めて外周部をガスケットで囲み、１３０℃で１０分間ホットプレスした後、ポリプロピレンフィルムを除去し、外周部をガスケットで囲まれ、かつ触媒層が形成された水素イオン伝導性高分子電解質膜を得た。さらに触媒層の水素イオン伝導性高分子電解質膜と接していない側に、ガス拡散層を形成し、第１のＭＥＡ１２、第２のＭＥＡ１９とした。
【００６３】
この時の第１の燃料電池セル１８、第２の燃料電池セル２３および絶縁体２１を合わせた大きさは、縦１２ｃｍ、横１２ｃｍで１４４ｃｍ２となるようにした。
【００６４】
このＭＥＡを図７に示すような第１・第２の燃料電池セル用いて単セルを構成した。これ以外は、全て実施例１と同条件で実施例１と同様のことを行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、７５．５Ｖであった。
【実施例１０】
【００６５】
本実施例では、実施例１の運転条件において、第２の燃料電池セル２３を一切発電しない以外は全て実施例１と同じ条件で同様のことを行った。その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、３３Ｖであった。
（比較例１）
本比較例では、実施例１において、第２の燃料電池セル２３、絶縁体２１、第２の燃料電池セル２３に接続している端子、および外部の負荷・制御回路をなくし、第２の燃料電池セル２３に関することを全てなくす以外は全て、実施例１と同様に同様の条件で第１の燃料電池セル１８以外は、全て第２の燃料電池セル２３を全く発電させない以外は全て第一の実施例と同様のことを行った。すなわち、第１の燃料電池セル１８のみで構成されている燃料電池スタックの１０００時間の連続発電試験を行った。
【００６６】
その結果、耐久試験開始から１０００時間後のスタック電圧は、３０Ｖであった。本比較例においては、第１の燃料電池セル１８を電圧回復操作をすることができない。また、セパレータ流路内に滞留している凝縮水が存在すると、その凝縮水を吹き飛ばすためのガスの分配をかえることができないために、凝縮水がセパレータ流路内に残ってしまう。その結果、ガスの流れの悪いセパレータで挟まれているＭＥＡは電位が低下したまま回復しない。そのため、１０００時間後のスタック電圧は低くなっていると考えられる。この燃料電池スタックの耐久試験中の電圧の時間変化の様子を図８、９に示す。
（比較例２）
本比較例では、比較例１と同様の燃料電池スタックの構成とし、本比較例１と同じ条件で燃料電池スタックを発電させた。そして、２００時間経過毎に、空気ガスの供給を４０％にまで１分間減少させた。その結果、１００セル中１０セルは電圧が０．７Ｖ付近にまで低下し、これ以外の１０セルは０Ｖ以下にまで低下し、残りの８０セルは０Ｖから０．７Ｖまでの間の電位であった。その後、空気の供給を通常の流量に戻したところ、燃料電池スタック全体の電位は空気の供給停止前の状態まで回復せずに、電位は低下したままであった。
【００６７】
その結果、耐久試験開始から４５０時間後のスタック電圧は、０Ｖ以下になった。この燃料電池スタックの耐久試験中の電圧の時間変化の様子を図９に示す。本比較例においては、空気の供給を絞った後、もとの状態に戻してもスタック内のガスの分配が不均一であるために、第１の燃料電池セル１８の一部しか電圧回復操作をすることができない。
【００６８】
また、セパレータ流路内に滞留している凝縮水が存在すると、その凝縮水を吹き飛ばすためのガスの分配をかえることができないために、凝縮水がセパレータ流路内に残ってしまう。その結果、ガスの流れの悪いセパレータで挟まれているＭＥＡは電位が低下したまま回復しない。燃料電池スタックは１００セル全てで電流密度０．２Ａ／ｃｍ２になるように発電するため、発電できない分の出力を正常に発電するＭＥＡから電力を賄わないといけないため、電圧は低下する。その結果、燃料電池スタック全体の電圧が低下し、電圧回復操作を２回目に行って５０時間が経過した時点で燃料電池スタック電圧は０Ｖになったものと考えられる。
【００６９】
第１の実施例が第１の比較例と比較して優れているのは、以下の２つの理由によるものと思われる。一つ目の理由としては、実施例１は比較例１と比較して、第１の燃料電池セル１８から構成されるスタックの一部の単セル中のセパレータ流路に水がたまっても容易に排出される点にある。第１の燃料電池セル１８のうち７５０ｍＶの電圧を下回るのは、第１の燃料電池セル１８の流路中に凝縮水が滞留しガスの流れを抑制していると考えられる。そこで、この第１の燃料電池セル１８につながっていない第２の燃料電池セル２３を電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で発電させることで、第２のＭＥＡ１９から生成した凝縮水が第２の燃料電池セル２３の燃料ガス流路１１３、空気流路１１４および第２のＭＥＡ１９のガス拡散層を塞ぐこととなり、ガスの流れを抑制する。その結果、初めに電圧が７５０ｍＶを下回った第１の燃料電池セル１８の燃料ガス流路１３、空気流路１４を流れるガスの流れにくさが、他の第１の燃料電池セル１８の燃料ガス流路１３、空気流路１４を流れるガスの流れにくさと同じ、もしくはそれ以下になるため、優先的にガスが流れるようになり、セパレータ流路内を塞いでいた凝縮水を吹き飛ばすことができる。第２の燃料電池セル２３の電流密度０．７Ａ／ｃｍ２での発電に伴い生成した凝縮水は、第２の燃料電池セル２３の電流密度０．７Ａ／ｃｍ２での発電中は第２の燃料電池セル２３の燃料ガス流路１１３、空気流路１１４、およびガス拡散層を塞いでいる。しかし、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ２での発電に変わると、生成水量も減少するため、燃料ガス流路１１３、空気流路１１４内に滞留する凝縮水も減少する。第２のＭＥＡ１９内に滞留している凝縮水は、量が少ない時には第１の燃料電池セル１８の燃料ガス流路１３、空気流路１４内に時間の経過とともに自然に蒸発してなくなる。これは、第１のＭＥＡ１２が発電している燃料電池スタックの温度が７０℃であり、導入されるガスの露点が６５℃と燃料電池スタック温度よりも低いために、燃料電池スタック内では水蒸気となる余地が残されていることが大きい。
【００７０】
次に、二つ目の理由としては、一番初めに７５０ｍＶの電圧を低下した第１の燃料電池セル１８に対して電圧回復操作がかかることにある。第１の燃料電池セル１８とつながっている第２の燃料電池セル２３の燃料ガス流路１１３、空気流路１１４に、第２の燃料電池セル２３を発電で生成させた凝縮水により、第１の燃料電池セル１８内へ供給されるガスの流れをとめることで、第１の燃料電池セル１８の電位が０．２Ｖ付近にまで低下する。この操作により空気極側の電位が標準水素電極電位に近づき、空気極側の反応を阻害していた酸化物を還元により除去される。その結果、空気極側の反応性が高くなり、電圧が回復したものと思われる。またこの時も、第２の燃料電池セル２３を電流密度０．７Ａ／ｃｍ２から、０．０５Ａ／ｃｍ２の発電に戻すと、生成する水の量も減るため、時間の経過とともに自然に水は蒸発していき、最終的にガスの流れにくさは改善する。
【００７１】
上記二つの理由により、実施例１の方が、比較例１と比較して特性がよくなったと考えられる。
【００７２】
次に第２の実施例が第一の比較例と比較して優れているのは、第１の実施例が第１の比較例に対して優れているのと同じ理由である。次第に第２の燃料電池セル２３の０．７Ａ／ｃｍ２での運転が困難になってくるのは、第１の実施例と異なり第２の燃料電池セル２３を常に発電させていないことにある。第２の燃料電池セル２３を必要な時以外は全く発電させない場合には、燃料極側から空気極側へ水素イオン伝導性高分子膜を介して、水素ガスが移動し水素ガスと酸素ガスの燃焼反応により、第２のＭＥＡ１９が損傷を受けるためと考えられる。
【００７３】
次に第３の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第一の実施例と同じ理由である。実施例１と違い実施例３では、電圧回復操作を１０セル毎に行っているために、一度にする時と比較して、電圧回復操作時間が長くなることが考えられる。また、最初の方に電圧回復操作をしたものと最後の方で電圧回復操作をするセルでは、各セパレータ内流路を流れるガスの流れにくさが異なるために、ガスの流れにくさを運転初期の状態に戻すのに時間がかかることが考えられる。しかし、実施例１と異なり、全てのセルに対して回復操作をすることが可能である。また、実施例では１０セルを一組としたが、一組にするセルの数はいくつでもよい。また、一組の発電が終わった後に行う次の一組は、どの順番で行ってもよい。また、２００時間おきにしたが、２００時間以外の間隔で行っても同様の効果が得られた。
【００７４】
次に第４の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、実施例１の第１の燃料電池セル内に凝縮する水を取り除くのと同じ理由だからである。但し、電圧回復操作が十分に行われないために、実施例１と比較して１０００時間後の電位は低くなっていると考えられる。また本実施例では１秒間隔で行ったが、この時間は第２のＭＥＡの流路構成、およびガス拡散層の撥水性の違い、いくつの電流密度で第２のＭＥＡを発電させるか等の違いにより異なるが、条件を選ぶことで同様の効果が得られた。
【００７５】
次に第５の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、実施例１の電圧回復操作を行うのと同じ理由だからである。但し、第１の燃料電池セル１８全てに対して行うために、電圧回復操作が終了するまで、第１の燃料電池スタック１５の電圧は低くなる。また、実施例１と比較して第１の燃料電池セル１８の流路内にある凝縮水を吹き飛ばす効果が弱いために、実施例１と比較して１０００時間後の電位は低くなっていると考えられる。
【００７６】
次に第６の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第１の実施例と同じ理由である。
【００７７】
第６の実施例では、第１と第２のＭＥＡのガス拡散層の撥水性が、第一の実施例と逆転している。このため、第２のＭＥＡ１９のガス拡散層内に生成した水が滞留しにくくなる結果、第２のＭＥＡ１９の発電時間を長くしないとガスの流れを抑制することが困難である。その結果、第１のＭＥＡ１２内には第１の実施例と比較して多量の蒸発水が流れ込むため、１０００時間後の電位は低くなっていると考えられる。
【００７８】
次に第７の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第１の実施例と同じ理由である。第７の実施例では、第６の実施例と比較して第２の燃料電池セル２３の燃料ガス流路１１３、および空気流路１１４の流路構造が流路長３倍、流路断面積３倍のサーペンタイン構造となっている。このため、第２のＭＥＡ１１２のガス拡散層中の水がガスと接する面積が増えるため、第２の燃料電池セル２３内の各流路および第２のＭＥＡ１１２のガス拡散層内を発電によって生成する凝縮水でガスの流れを悪くすることは困難である。そのため、第１のＭＥＡ１２内には第１の実施例と比較して多量の蒸発水が流れ込むため、１０００時間後の電位は低くなっていると考えられる。
【００７９】
次に第８の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第１の実施例と同じ理由である。第８の実施例では、第７の実施例と比較して第２の燃料電池セル２３が第１の燃料電池セル１８から構成されている第１の燃料電池スタック１５から離れた距離に存在することになるので、絶縁体２１の距離が長くなる。その結果、絶縁体２１が冷えやすくなるため、絶縁体２１部で水が凝縮しやすくなる。そのため、１０００時間後の電位はばらついていると考えられる。
【００８０】
次に第９の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第７の実施例と同じ理由である。
【００８１】
次に第１０の実施例が第１の比較例に対して優れているのは、第１０の実施例では第２のＭＥＡ１１２が化学フィルターの役割を果たし、第１のＭＥＡ１２へ不純物が混入されるのが抑制されるためと考えられる。第９の実施例と比較して、電圧回復操作と第１の燃料電池セル内に滞留する凝縮水を吹き飛ばす効果がないため、１０００時間後の電位は低くなっていると考えられる。
【００８２】
尚、上記の効果は、第１のＭＥＡ１２の発電時の電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の時にとどまらず、例えば電流密度０．７Ａ／ｃｍ２の時にも第２のＭＥＡ１１２の発電電流密度を制御することで同様の効果が得られた。
【００８３】
なお、以上までの説明においては、本発明の燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタック１５および第２の燃料電池スタック２０の両方を有して構成されるとしたが、第１の燃料電池スタック１５のみで構成されることも考えられる。その場合は、各第１の燃料電池セル１８は、定格発電出力に対して余力を持って、すなわち、上記の説明の第２の燃料電池セル２３が発電した電力を付加的に発電することができる余裕を持って設定されればよい。そして、電圧監視装置３３は、各第１の燃料電池セル１８の電圧を監視するのみではなく、各第１の燃料電池セル１８の負荷を制御する機能があればよい。
【００８４】
その場合、特定の第１の燃料電池セル１８の発電電圧が他の第１の燃料電池セル１８の発電電圧よりも低下したときに、電圧監視装置３３は、第２の燃料電池セル２３を発電させる代わりに、発電電圧が低下した特定の第１の燃料電池セル１８以外の第１の燃料電池セル１８に負荷を加えるように制御する。例えば、そのような各第１の燃料電池セル１８の端子間に抵抗を接続することにより、本来、定格出力として発電する電力に加えて、追加された負荷に見合った電力をも出力する。このとき、上記の特定の第１の燃料電池セル１８で生成される凝縮水よりも上記特定の第１の燃料電池セル１８以外の第１の燃料電池セル１８で生成される凝縮水の量が増加するので、上記と同様の動作により、結果的に、発電電圧が低下した特定の第１の燃料電池セル１８内に滞留する凝縮水を吹き飛ばすことができる。このように第２の燃料電池スタック２０が無い構成であっても、第１の燃料電池スタック１５の耐久性という点を除けば、上記と同様の効果を得ることもできる。
【００８５】
すなわち、第２の燃料電池スタック２０を設けた場合は、例えば、第１の燃料電池スタック１５を定格出力で運転しておき、凝縮水生成の対策のための負荷変動を第２の燃料電池スタック２０のみに担わせることができるので、第２の燃料電池スタック２０は、この負荷変動のために必要なだけの容量があればよい。また、第２の燃料電池スタック２０は負荷変動分を担うので、各第２の燃料電池セル２３の耐久性という点では、第１の燃料電池セル１８に劣るが、交換が必要な場合は、第２の燃料電池セル２３のみを交換すればよい。しかし、第２の燃料電池スタック２０が無く、第１の燃料電池スタック１５のみの構成の場合は、各第１の燃料電池セル１８も上記の負荷変動を担うこになる。そして、第１の燃料電池セル１８の交換のときには、定格よりも大きな容量の第１の燃料電池セル１８を交換しなければならない。
【００８６】
また、以上までの説明では、発電電圧が低下した第１の燃料電池セル１８に接続されている第２の燃料電池セル２３以外の第２の燃料電池セル２３の負荷、または発電電圧が低下した第１の燃料電池セル１８以外の第１の燃料電池セル１８の負荷を増加させ、増加させた負荷により生成された凝縮水の増加により、発電電圧が低下した特定の第１の燃料電池セル１８内に滞留する凝縮水を吹き飛ばす、動作を説明したが、上記特定の第１の燃料電池セル１８以外のセルにおいて、ある程度、凝縮水が生成された状態で、燃料ガスおよび／または空気の供給圧力を上昇させてもよい。その場合、単に燃料ガスおよび／または空気の圧力を増加させる従来技術に比較して、燃料ガスの無駄が減少するので、上記と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
また、以上までの説明では、本発明の酸化剤ガスは、空気であると説明したが、純酸素、または高濃度酸素であってもよい。
【００８８】
尚、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池システムの全部又は一部の手段（又は、装置、素子等）の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。
【００８９】
又、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池システムの全部又は一部の手段（又は、装置、素子等）の全部又は一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する記録媒体である。
【００９０】
尚、本発明の上記「一部の手段（又は、装置、素子等）」とは、それらの複数の手段の内の、一つ又は幾つかの手段を意味する。
【００９１】
又、本発明の上記「手段（又は、装置、素子等）の機能」とは、前記手段の全部又は一部の機能を意味する。  
【００９２】
又、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００９３】
又、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【００９４】
又、本発明のデータ構造としては、データベース、データフォーマット、データテーブル、データリスト、データの種類などを含む。
【００９５】
又、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。
【００９６】
又、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
【００９７】
尚、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法によれば、エネルギー効率の低下を小さくし、各燃料電池セルに供給するガスのばらつきを改善することができ、家庭用燃料電池システムや車載用燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の燃料電池スタックの構成概略図
【図２】本発明の燃料電池スタックの第２の燃料電池セルの断面概略図
【図３】本発明の燃料電池スタックの第２燃料電池セルのセパレータの溝がサーペンタイン構造であるセパレータの流路の断面概略図
【図４】本発明の燃料電池スタックの第２の燃料電池セルのセパレータの溝がストレート構造であるセパレータ内流路の断面概略図
【図５】本発明の燃料電池スタックの第１の燃料電池セルが、正方形および長方形でない場合のセパレータ内流路の断面概略図
【図６】本発明の図４で示したセパレータ流路を用いたセパレータの全体を表した断面概略図
【図７】本発明の図５で示したセパレータ流路を用いたセパレータの全体を表した断面概略図
【図８】本発明の第１の実施例と第１の比較例１の燃料電池スタックの耐久試験の結果を表す図
【図９】本発明の第１の実施例と第２の比較例１の燃料電池スタックの耐久試験の結果を表す図
【図１０】従来の燃料電池を構成する基本単位である単セル断面概略図
【符号の説明】
【０１００】
１  単セル
２  水素イオン伝導性高分子電解質膜
３  燃料極
４  空気極
５  燃料極側セパレータ
６  空気極側セパレータ
７  ガスケット
８  燃料極側触媒層
９  空気極側触媒層
１０  燃料極側ガス拡散層
１１  空気極側ガス拡散層
１２  膜電極接合体
１３  燃料ガス流路  
１１４  空気流路
１５  燃料電池スタック
１６  第１のＭＥＡ
１８  第１の燃料電池セル
１９  第２のＭＥＡ
２１  絶縁体
２３  第２の燃料電池セル
２４  端子
２５  外部の負荷・制御回路
２６  第１の燃料電池セルの流路部
２７  第２の燃料電池セルのセパレータの流路部
２８  サーペンタイン構造
２９  ストレート構造
２８  空気ガス導入用マニホールド
２９  燃料ガス導入用マニホールド
３０  空気ガス排出用マニホールド
３１  燃料ガス排出用マニホールド
３２  端子
３３  電圧監視装置
３４  第１の実施例の燃料電池スタック
３５  第１の比較例の燃料電池スタック
３６  第２の比較例の燃料電池スタック
【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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