(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、
該セルを積層してなるセルスタックと、
該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、
燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、
酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、
前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、
該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、
前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
該燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給し、前記燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスの流れ方向を切り替える、燃料ガス入口選択装置と、を備え、
前記燃料ガス排出マニホールドは、前記燃料ガス流路により導かれた燃料ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記燃料ガスを供給されないように構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、
前記燃料ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給するよう構成されており、
前記燃料ガス排出マニホールドは、前記燃料ガス流路により導かれた燃料ガス又は置換ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記燃料ガス又は前記置換ガスを供給されないように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、
前記制御装置が、前記起動モードにおいて前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、
かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えて、前記燃料ガス供給マニホールドを流れるガスの流れ方向を切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス入口選択装置は、Ｔ形管継手と、該Ｔ形管継手の第一の端を前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記Ｔ形管継手の第二の端を前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記Ｔ形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、
該選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給し、前記燃料ガス供給マニホールドを流れるガスの流れ方向を切り替える、燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料ガス排出マニホールドは、前記燃料ガス流路により導かれた燃料ガス又は置換ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記燃料ガス又は前記置換ガスを供給されないように構成されており、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、
前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
該酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、
該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給し、前記酸化剤ガス供給マニホールドを流れる酸化剤ガスの流れ方向を切り替える、酸化剤ガス入口選択装置と、を備え、
前記酸化剤ガス排出マニホールドは、前記酸化剤ガス流路により導かれた酸化剤ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記酸化剤ガスを供給されないように構成されている、燃料電池システム。
【請求項１１】
前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えた、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、
前記酸化剤ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給するよう構成されており、
前記酸化剤ガス排出マニホールドは、前記酸化剤ガス流路により導かれた酸化剤ガス又は置換ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記酸化剤ガス又は前記置換ガスを供給されないように構成されている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、
前記制御装置が、前記起動モードにおいて前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、
かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えて、前記酸化剤ガス供給マニホールドを流れるガスの流れ方向を切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記酸化剤ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記酸化剤ガス入口選択装置は、Ｔ形管継手と、該Ｔ形管継手の第一の端を前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記Ｔ形管継手の第二の端を前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記Ｔ形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、
該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、
制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記酸化剤ガス排出マニホールドは、前記酸化剤ガス流路により導かれた酸化剤ガス又は置換ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記酸化剤ガス又は前記置換ガスを供給されないように構成されており、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、
前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えて、前記酸化剤ガス供給マニホールドを流れるガスの流れ方向を切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１９】
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、
前記制御装置が、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記燃料ガスの供給を停止するよう、前記燃料ガス供給装置を制御するよう構成されており、
かつ、前記制御装置は、前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記燃料ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記制御装置は、前記起動モード中において、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
該燃料ガス供給装置から供給された燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給して、前記燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスの流れ方向を切り替える燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料ガス排出マニホールドは、前記燃料ガス流路により導かれた燃料ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記燃料ガスを供給されないように構成されており、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記燃料ガスの供給を停止するよう、前記燃料ガス供給装置を制御するステップと、
前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２２】
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、
前記制御装置が、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記酸化剤ガスの供給を停止するよう、前記酸化剤ガス供給装置を制御するよう構成されており、
かつ、前記制御装置は、前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記酸化剤ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記制御装置は、前記起動モード中において、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
該酸化剤ガス供給装置から供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給して、前記酸化剤ガス供給マニホールドを流れる酸化剤ガスの流れ方向を切り替える酸化剤ガス入口選択装置と、
制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記酸化剤ガス排出マニホールドは、前記酸化剤ガス流路により導かれた酸化剤ガスをその端から排出するように構成され且つその端に前記酸化剤ガスを供給されないように構成されており、
前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記酸化剤ガスの供給を停止するよう、前記酸化剤ガス供給装置を制御するステップと、
前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電と停止とを繰り返す家庭用コージェネレーションシステムや自動車用電源に用いられる燃料電池システム、特に、高分子電解質形燃料電池を用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池として、高分子電解質形燃料電池がある。この高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードとが配設されている。アノード及びカソードにはそれぞれ、水素を含有する燃料ガスと、空気等の酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。そして、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。
【０００３】
具体的には、高分子電解質形燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を挟持する一対の電極とを備えている。電極と高分子電解質膜とをあらかじめ一体化して組み立てたものを電解質膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡに供給される反応ガスが外部にリークしないようにするため、また、それぞれの反応ガスが互いに混合しないようにするため、ＭＥＡにおける電極周囲には高分子電解質膜を挟むようガスシール材やガスケットが配置される。
【０００５】
ＭＥＡの外側には、該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配置される（このように組み立てられたものをセルと呼ぶ）。セパレータとＭＥＡとが接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを排出するためのガス流路が形成されている。
【０００６】
ガス流路に反応ガスを供給するために、セパレータ毎にガスを分配するマニホールドが配置される。マニホールドには、ガス供給配管より直接つなぎ込む外部マニホールドと、ガス流路を形成したセパレータに貫通孔を設け、この貫通孔とガス流路の入口部とを連結し、直接この貫通孔から反応ガスを分配する内部マニホールドとがある。
【０００７】
そして、ＭＥＡとセパレータとを交互に積み重ねて１０〜２００のセルの積層体とし、この積層体を集電板と絶縁板とを介して端板で挟み、締結ロッドで固定して、高分子電解質形燃料電池のスタックを作製する。
【０００８】
ここで、例えば、家庭用コージェネレーションシステムに適用される燃料電池システムの運転方法においては、発電と停止とが繰り返し行われる。具体的には、電力消費量の少ない時間帯は発電を停止し、電力消費量の多い時間帯は発電を行うことによって光熱費の抑制を行っている。
【０００９】
このような燃料電池システムにおいては、発電と停止との繰り返しによる燃料電池性能の低下を抑制するための技術が提案されている。
【００１０】
例えば、燃料電池の燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を加湿された不活性ガス等で置換、封入した状態で燃料電池を停止させる方法が提案されている（特許文献１参照）。これによれば、停止時においても燃料電池内部の高分子電解質が乾燥することなく燃料電池性能の劣化を抑制できるとの報告がある。
【特許文献１】特開平６−２５１７８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１の構成においては、セルスタック内でのセルごとの反応ガスや置換ガスの濃度が不均一となり、セルスタック全体の発電性能を低下させるという問題がある。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、セルスタック内での各セル間のガスの濃度を均一にし、セルスタック全体の発電性能の低下が抑制された燃料電池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】
本件発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。
【００１４】
そして、本件発明者らは、複数のセルを積層したセルスタックを用いた燃料電池システムにおいては、起動時及び停止時でのセルスタック内における各セルのガス置換状態が、発電性能に影響を与えることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明者らが燃料電池システムのガス置換のシミュレーション試験を行ったところ、以下のことが明らかとなった。
【００１６】
燃料電池システムのセルスタック内が、ある種のガスで充填された状態にあり、つづいて充填されていたガスとは異種のガスでセルスタック内を置換する場合、置換するガスの流量が少ないと、マニホールド内で旋回流及び渦流が発生する。これにより、セルスタック内における各セルのガス置換時間が、反応ガス入口に近いセルでは短く、反応ガス入口から遠いセルでは長くなる。この状態は、燃料電池システムの起動時及び停止時のそれぞれの工程で発生し、燃料電池の発電性能を低下させる要因となることが考えられる。
【００１７】
すなわち、燃料電池システムの起動時においては、置換ガスを排出するための反応ガスの流量が少ないと、反応ガスが十分に供給されない状態で発電を開始するセルが発生し、この繰り返しにより発電性能が低下すると考えられる。また、セルスタック内が十分に燃料ガスで置換されるまで置換時間を延長した場合には、開回路電圧に曝される時間が長くなり、触媒劣化による発電性能の低下が懸念される。
【００１８】
一方、停止時においては、置換ガスによる置換が十分でなかったセルは、セル内での残存ガスの停滞時間が長く、触媒劣化によって発電性能を低下させる。また、セルスタック内が十分に置換ガスで置換がされるまで置換時間を延長した場合には、セルによって残存ガスに曝される時間が異なり、スタック内のセルごとの発電性能が不均一になる。
【００１９】
また、従来の燃料電池システムは、ガス供給配管からマニホールドへのガス流入口が１箇所であるため、マニホールド内のガス流入方向がセルスタックの積層方向に対して常に一定である。そのため、上記ガス置換状態の良否による影響が、発電と停止とを繰り返すごとに累積され、セル間における発電性能の差が大きくなり、セルスタック全体としての発電性能を低下させる。
【００２０】
上記のような問題は、燃料電池システムを置換ガスにより置換しない場合にも生じる。すなわち、発電と停止とを繰り返すことにより、燃料ガス入口に近いセルと燃料ガス入口から遠いセルとで燃料ガスの濃度が不均一になる。また、発電と停止とを繰り返すことにより、酸化剤ガス入口に近いセルと酸化剤ガス入口から遠いセルとで酸化剤ガスの濃度が不均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能が低下する。
【００２１】
そこで、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、該燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備える。
【００２２】
このような構成とすると、燃料電池に燃料ガスを供給する場合において、燃料ガスの供給先を、第一の燃料ガス入口と第二の燃料ガス入口とで選択することができる。そうすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の燃料ガス入口に近いセルと一方の燃料ガス入口から遠いセルとで燃料ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。
【００２３】
前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えていてもよい。
【００２４】
このような構成とすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の燃料ガス入口に近いセルと一方の燃料ガス入口から遠いセルとで燃料ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。
【００２５】
前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、前記燃料ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給するよう構成されていてもよい。
【００２６】
このような構成とすると、燃料電池内のガスを置換するために燃料電池に燃料ガス及び置換ガスを供給する場合において、燃料ガス及び置換ガスの供給先を、第一の燃料ガス入口と第二の燃料ガス入口とで選択することができる。そうすると、燃料ガス入口から近いセルと遠いセルとでガスの濃度（置換状態）に差が生じにくく、セルスタックのセルごとの燃料ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。
【００２７】
前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モードにおいて前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていていてもよい。
【００２８】
このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる燃料ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。
【００２９】
前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００３０】
このような構成とすると、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、ガスを流入させる燃料ガス入口を切り替えることができるので、セルごとのガス置換の均一化を図ることができる。したがって、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。
【００３１】
前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００３２】
このような構成とすると、各起動モード又は各停止モードにおいて、ガスの流入する燃料ガス入口を複数回切り替えることができる。したがって、セルスタック内のガス置換時間がさらに短縮される。
【００３３】
前記燃料ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。
【００３４】
前記燃料ガス入口選択装置は、Ｔ形管継手と、該Ｔ形管継手の第一の端を前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記Ｔ形管継手の第二の端を前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記Ｔ形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。
【００３５】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。
【００３６】
このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる燃料ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。
【００３７】
また、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、該酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、を備える。
【００３８】
このような構成とすると、燃料電池に酸化剤ガスを供給する場合において、酸化剤ガスの供給先を、第一の酸化剤ガス入口と第二の酸化剤ガス入口とで選択することができる。そうすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の酸化剤ガス入口に近いセルと一方の酸化剤ガス入口から遠いセルとで酸化剤ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。
【００３９】
前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えていてもよい。
【００４０】
このような構成とすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の酸化剤ガス入口に近いセルと一方の酸化剤ガス入口から遠いセルとで酸化剤ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。
【００４１】
前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、前記酸化剤ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給するよう構成されていてもよい。
【００４２】
このような構成とすると、燃料電池内のガスを置換するために燃料電池に酸化剤ガス及び置換ガスを供給する場合において、酸化剤ガス及び置換ガスの供給先を、第一の酸化剤ガス入口と第二の酸化剤ガス入口とで選択することができる。そうすると、酸化剤ガス入口から近いセルと遠いセルとでガスの濃度（置換状態）に差が生じにくく、セルスタックのセルごとの酸化剤ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。
【００４３】
前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モードにおいて前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００４４】
このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。
【００４５】
前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００４６】
このような構成とすると、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルごとのガス置換の均一化を図ることができる。したがって、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。
【００４７】
前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００４８】
このような構成とすると、各起動モード又は各停止モードにおいて、ガスの流入する酸化剤ガス入口を複数回切り替えることができる。したがって、セルスタック内のガス置換時間がさらに短縮される。
【００４９】
前記酸化剤ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。
【００５０】
前記酸化剤ガス入口選択装置は、Ｔ形管継手と、該Ｔ形管継手の第一の端を前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記Ｔ形管継手の第二の端を前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記Ｔ形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。
【００５１】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。
【００５２】
このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。
【００５３】
また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードのうちの一方の電極及び他方の電極からそれぞれ成る第一電極及び第二電極とを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された第一反応ガス供給マニホールド、第一反応ガス排出マニホールド、第二反応ガス供給マニホールド及び第二反応ガス排出マニホールドと、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及びカソードのうちの前記一方の電極に供給されるべき反応ガスである第一反応ガスを第一反応ガス供給マニホールドから第一電極に導いてそこから第一反応ガス排出マニホールドへと導く第一反応ガス流路と、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及びカソードのうちの前記他方の電極に供給されるべき反応ガスである第二反応ガスを第二反応ガス供給マニホールドから第二電極に導いてそこから第二反応ガス排出マニホールドへと導く第二反応ガス流路と、前記第一反応ガス供給マニホールドの一方の端に連通する一方の第一反応ガス入口と、該一方の第一反応ガス入口を有する前記第一反応ガス供給マニホールドの他方の端に連通する他方の第一反応ガス入口と、を備える。
【００５４】
このような構成とすると、反応ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口と他方の第一反応ガス入口とで選択することができる。すなわち、燃料ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口（第一の燃料ガス入口）と他方の第一反応ガス入口（第二の燃料ガス入口）とで選択することができる。また、酸化剤ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口（第一の酸化剤ガス入口）と他方の第一反応ガス入口（第二の酸化剤ガス入口）とで選択することができる。
【００５５】
また、本発明の燃料電池システムは、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記燃料ガスの供給を停止するよう、前記燃料ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記燃料ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００５６】
前記制御装置は、前記起動モード中において、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００５７】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、該第一の燃料ガス入口を有する前記燃料ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、該燃料ガス供給装置から供給された燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記燃料ガスの供給を停止するよう、前記燃料ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。
【００５８】
また、本発明の燃料電池システムは、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記酸化剤ガスの供給を停止するよう、前記酸化剤ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記酸化剤ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００５９】
前記制御装置は、前記起動モード中において、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。
【００６０】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及びカソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マニホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マニホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールドからカソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マニホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、該第一の酸化剤ガス入口を有する前記酸化剤ガス供給マニホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、該酸化剤ガス供給装置から供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モード及び前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記酸化剤ガスの供給を停止するよう、前記酸化剤ガス供給装置を制御するステップと、
前記起動モードと前記発電モードとの２つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。
【００６１】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明は上記のように構成され、燃料電池システムにおいて、セルスタック内での各セル間のガスの濃度を均一にすることによって、起動と停止とを繰り返してもセルスタック全体での発電性能の低下が抑制できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００６４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の概容を示すブロック図である。
【００６５】
図１に示すように、本発明の第１実施形態の燃料電池システム１００は、高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）１０１を備えている。燃料電池１０１は、燃料ガス入口１２１を備えている。燃料ガス入口１２１には、燃料ガス供給流路１２２を介して燃料ガス供給装置１２０が接続されている。また、燃料電池１０１は、酸化剤ガス入口１４１を備えている。酸化剤ガス入口１４１には、酸化剤ガス供給流路１４２を介して酸化剤ガス供給装置１４０が接続されている。
【００６６】
また、燃料電池システム１００は、制御装置１６０を備えている。制御装置１６０は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム１００の所要の構成要素を制御して、該燃料電池システム１００の動作を制御する。ここで、本明細書においては、制御装置１６０とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。よって、制御装置１６０は、必ずしも単独の制御装置で構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するよう構成されていてもよい。
【００６７】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の構成要素につき、詳しく説明する。図２は、第１実施形態の燃料電池システム１００における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図３は、図２の燃料電池システムの燃料ガス供給マニホールド１０６内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図４は、第１実施形態の燃料電池システム１００における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図５は、図４の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マニホールド１０８内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【００６８】
燃料電池１０１は、図２及び図４に示すように、セルスタック１０２を備えている。セルスタック１０２は、複数のセルが積層されて構成されている。セルは、電極（アノードとカソード、図示せず）と高分子電解質膜（図示せず）とからなるＭＥＡ１０３と、該ＭＥＡ１０３の両主面に接触するように配設されたセパレータ１０４とを含んで構成される。
【００６９】
そして、セルスタック１０２の内部にセルの積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド１０６、燃料ガス排出マニホールド１０７、酸化剤ガス供給マニホールド１０８、及び酸化剤ガス排出マニホールド１０９が形成されている。そして、各セルにおいて、燃料ガス供給マニホールド１０６と燃料ガス排出マニホールド１０７とを連通するように燃料ガス流路２０１が一対のセパレータ１０４のうちの一方の内面（ＭＥＡ１０３と当接している面）に形成されている。また、各セルにおいて、酸化剤ガス供給マニホールド１０８と酸化剤ガス排出マニホールド１０９とを連通するように酸化剤ガス流路２０２が一対のセパレータ１０４のうちの他方の内面（ＭＥＡ１０３と当接している面）に形成されている。燃料ガス流路２０１及び酸化剤ガス流路２０２は、周知の態様に形成されているので、ここではその説明を省略する。
【００７０】
燃料ガス供給マニホールド１０６の一端（以下、Ａ端という）は、セルスタック１０２の一端に配設されたＡ側燃料ガス入口１２１Ａに連通している。また、燃料ガス供給マニホールド１０６の他端（以下、Ｂ端という）は、セルスタック１０２の他端に配設されたＢ側燃料ガス入口１２１Ｂに連通している。また、燃料ガス排出マニホールド１０７の一端は閉鎖され、他端は燃料ガス出口１１０に連通している。燃料ガス出口１１０は、セルスタック１０２の他端（Ｂ側燃料ガス入口１２１Ｂが配設された側の端）に配設されている。
【００７１】
Ａ側燃料ガス入口１２１Ａには、燃料ガス供給流路１２２としてのＡ側燃料ガス供給配管１２３Ａの一端が接続されている。Ｂ側燃料ガス入口１２１Ｂには、燃料ガス供給流路１２２としてのＢ側燃料ガス供給配管１２３Ｂの一端が接続されている。また、燃料ガス出口１１０には、燃料ガス排出流路１１１が接続されている。燃料ガス排出流路１１１の途中には、燃料ガス排出弁１１２が配設されている。
【００７２】
Ａ側燃料ガス供給配管１２３Ａの他端は、ガス流路切替弁１２５の第一のポート１２５ａに接続されている。Ｂ側燃料ガス供給配管１２３Ｂの他端は、ガス流路切替弁１２５の第二のポート１２５ｂに接続されている。ガス流路切替弁１２５の第三のポート１２５ｃには、燃料ガス供給流路１２２としての燃料ガス供給配管１２６を介してＴ形管継手１２７の出口１２７ｃが接続されている。ガス流路切替弁１２５は、本実施形態では、三方弁で構成される。ガス流路切替弁（三方弁）１２５、Ａ側燃料ガス供給配管１２３Ａ、及びＢ側燃料ガス供給配管１２３Ｂが、燃料ガス入口選択装置２１１を構成する。
【００７３】
Ｔ形管継手１２７の一方の入口１２７ａには、燃料ガス供給流路１２２としての燃料ガス供給配管１２８を介して燃料ガス供給装置１２０が接続されている。燃料ガス供給配管１２８の途中には、燃料ガス供給弁１２９が配設されている。燃料ガス供給弁１２９を開放／閉止することにより、燃料ガス供給装置１２０からの燃料ガスが供給／停止される。燃料ガスには、水素ガス、炭化水素系のガスを改質した改質ガス等が用いられる。燃料ガス供給装置１２０は、本実施形態では、原料ガスから燃料ガスとして改質ガスを生成する水素生成装置で構成される。原料ガスとしては、本実施形態では、天然ガスが用いられる。
【００７４】
一方、Ｔ形管継手１２７のもう一方の入口１２７ｂには、置換ガス供給配管１３１を介して置換ガス供給装置１３０が接続されている。置換ガス供給配管１３１の途中には、置換ガス供給弁１３２が配設されている。置換ガス供給弁１３２を開放／閉止することにより、置換ガス供給装置１３０からの置換ガスが供給／停止される。Ｔ形管継手１２７、燃料ガス供給配管１２８、燃料ガス供給弁１２９、置換ガス供給配管１３１、及び置換ガス供給弁１３２が、選択的ガス供給装置２１２を構成する。置換ガスには、不活性ガスが用いられる。不活性ガスとは、化学的に不活性なガスを意味し、例えば、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの希ガスに加えて、窒素が含まれる。また、本明細書における不活性ガスには、燃料電池１０１の作動環境で不活性であり、燃料電池１０１を劣化させないガス（天然ガスや、該天然ガスを主成分として含む都市ガス等から硫黄成分を除去したガス等）も含まれる。不活性ガスとしては、本実施形態では、窒素を用いる。
【００７５】
一方、酸化剤ガス供給マニホールド１０８の一端（以下、Ａ端という）は、セルスタック１０２の一端に配設されたＡ側酸化剤ガス入口１４１Ａに連通している。また、酸化剤ガス供給マニホールド１０８の他端（以下、Ｂ端という）は、セルスタック１０２の他端に配設されたＢ側酸化剤ガス入口１４１Ｂに連通している。また、酸化剤ガス排出マニホールド１０９の一端は閉鎖され、他端は酸化剤ガス出口１１５に連通している。酸化剤ガス出口１１５は、セルスタック１０２の他端（Ｂ側酸化剤ガス入口１４１Ｂが配設された側の端）に配設されている。
【００７６】
Ａ側酸化剤ガス入口１４１Ａには、酸化剤ガス供給流路１４２としてのＡ側酸化剤ガス供給配管１４３Ａの一端が接続されている。Ｂ側酸化剤ガス入口１４１Ｂには、酸化剤ガス供給流路１４２としてのＢ側酸化剤ガス供給配管１４３Ｂの一端が接続されている。また、酸化剤ガス出口１１５には、酸化剤ガス排出流路１１６が接続されている。酸化剤ガス排出流路１１６の途中には、酸化剤ガス排出弁１１７が配設されている。
【００７７】
Ａ側酸化剤ガス供給配管１４３Ａの他端は、ガス流路切替弁１４５の第一のポート１４５ａに接続されている。Ｂ側酸化剤ガス供給配管１４３Ｂの他端は、ガス流路切替弁１４５の第二のポート１４５ｂに接続されている。ガス流路切替弁１４５の第三のポート１４５ｃには、酸化剤ガス供給流路１４２としての酸化剤ガス供給配管１４６を介してＴ形管継手１４７の出口１４７ｃが接続されている。ガス流路切替弁１４５は、本実施形態では、三方弁で構成される。ガス流路切替弁（三方弁）１４５、Ａ側酸化剤ガス供給配管１４３Ａ、及びＢ側酸化剤ガス供給配管１４３Ｂが、酸化剤ガス入口選択装置２２１を構成する。
【００７８】
Ｔ形管継手１４７の一方の入口１４７ａには、酸化剤ガス供給流路１４２としての酸化剤ガス供給配管１４８を介して酸化剤ガス供給装置１４０が接続されている。酸化剤ガス供給流路１４８の途中には、酸化剤ガス供給弁１４９が配設されている。酸化剤ガス供給弁１４９を開放／閉止することにより、酸化剤ガス供給装置１４０からの酸化剤ガスが供給／停止される。酸化剤ガス供給装置１４０は、本実施形態では、空気ブロアで構成される。酸化剤ガスとしては、本実施形態では、空気が用いられる。
【００７９】
一方、Ｔ形管継手１４７のもう一方の入口１４７ｂには、置換ガス供給配管１５１を介して置換ガス供給装置１５０が接続されている。置換ガス供給配管１５１の途中には、置換ガス供給弁１５２が配設されている。置換ガス供給弁１５２を開放／閉止することにより、置換ガス供給装置１５０からの置換ガスが供給／停止される。Ｔ形管継手１４７、酸化剤ガス供給配管１４８、酸化剤ガス供給弁１４９、置換ガス供給配管１５１、及び置換ガス供給弁１５２が、選択的ガス供給装置２２２を構成する。置換ガスには、不活性ガスが用いられる。不活性ガスとは、化学的に不活性なガスを意味し、例えば、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの希ガスに加えて、窒素が含まれる。また、本明細書における不活性ガスには、燃料電池１０１の作動環境で不活性であり、燃料電池１０１を劣化させないガス（天然ガスや、該天然ガスを主成分として含む都市ガス等から硫黄成分を除去したガス等）も含まれる。不活性ガスとしては、本実施形態では、窒素を用いる。
【００８０】
燃料電池１０１のアノード及びカソードに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスはそこで化学反応し、この化学反応により電力及び熱（以下、排熱という。）が発生する。この化学反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスは、アノードから燃料ガス排出流路１１１に排出されて、適宜処理される。例えば、燃料ガス排出流路１１１に排出された余剰の燃料ガスは、燃料ガス供給装置１２０を構成する水素生成装置の改質部加熱用の燃料として用いられたり、専用のバーナで燃料処理されたり、あるいは適宜希釈して大気中に放出されたりする。
【００８１】
また、上述の化学反応に寄与しなかった余剰の酸化剤ガスは、カソードから酸化剤ガス排出流路１１６を通じて大気中に放出される。
【００８２】
次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、図１乃至図５を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。
【００８３】
まず、燃料電池システム１００の動作モードを説明する。燃料電池システム１００は、発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から発電モードに移行する起動モードと、発電モードから停止状態に移行する停止モードと、待機モードとを有している。待機モードとは、制御装置１６０の制御によって、燃料電池システム１００が発電及びそれに関連する動作を停止しているモードをいう。燃料電池システム１００の停止状態とは、この待機モードと、制御装置１６０を含めて燃料電池システム１００の全体が停止している状態との双方をいう。
【００８４】
ある使用時において燃料電池システム１００を起動する際には（起動モード）、制御装置１６０が、図２の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開き、置換ガス供給弁１３２を閉じる。また、ガス流路切替弁１２５を、第一のポート１２５ａが第三のポート１２５ｃに連通するよう切り替える。これにより、図３に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。また、制御装置１６０が、図４の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁１１７及び酸化剤ガス供給弁１４９を開き、置換ガス供給弁１５２を閉じる。また、ガス流路切替弁１４５を、第一のポート１４５ａが第三のポート１４５ｃに連通するよう切り替える。これにより、図５に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム１００を起動し、発電モードへ移行させる。
【００８５】
そして、この発電モードから燃料電池システム１００を停止させる際には（停止モード）、制御装置１６０が、図２の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、ガス流路切替弁１２５を、第二のポート１２５ｂが第三のポート１２５ｃに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁１３２を開く。これにより、図３に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に置換ガスを封止する。また、制御装置１６０が、図４の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、ガス流路切替弁１４５を、第二のポート１４５ｂが第三のポート１４５ｃに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁１５２を開く。これにより、図５に示すように、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム１００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【００８６】
次に、この待機モードから燃料電池システム１００を起動する際には、制御装置１６０が、図２の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開く。これにより、図３に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。また、制御装置１６０が、図４の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁１１７及び燃料ガス供給弁１４９を開く。これにより、図５に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム１００を起動し、発電モードへ移行させる。
【００８７】
次に、この発電モードから燃料電池システム１００を停止させる際には、制御装置１６０が、図２の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、ガス流路切替弁１２５を、第一のポート１２５ａが第三のポート１２５ｃに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁１３２を開く。これにより、図３に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に置換ガスを封止する。また、制御装置１６０が、図４の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、ガス流路切替弁１４５を、第一のポート１４５ａが第三のポート１４５ｃに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁１５２を開く。これにより、図５に示すように、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム１００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【００８８】
次に、この待機モードから燃料電池システム１００を起動するが、この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。
【００８９】
次に、本実施形態の効果を比較形態と比較して説明する。
【００９０】
図１０は、比較形態の燃料電池システム３００における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図１１は、図１０の燃料電池システム３００の構成要素である燃料ガス供給マニホールド１０６内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図１２は、比較形態の燃料電池システム３００における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図１３は、図１２の燃料電池システム３００の構成要素である酸化剤ガス供給マニホールド１０８内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。図１０及び図１２において、図２及び図４と同一又は相当する部分は、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００９１】
本比較形態の燃料電池システム３００では、図１０に示すように、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端に連通する燃料ガス入口１２１が設けられているだけで、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端に連通する燃料ガス入口は設けられていない。また、図１２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端に連通する酸化剤ガス入口１４１が設けられているだけで、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端に連通する酸化剤ガス入口は設けられていない。したがって、反応ガス及び置換ガスの反応ガス供給マニホールド１０６，１０８内における流れ方向は一定である。それ以外の構成については、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様である。
【００９２】
具体的には、図１０に示すように、燃料ガス入口１２１には、燃料ガス供給流路１２２としての燃料ガス供給配管３２３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３２３の他端は、Ｔ形管継手１２７の出口１２７ｃに接続されている。
【００９３】
また、図１２に示すように、酸化剤ガス入口１４１には、酸化剤ガス供給流路１４２としての酸化剤ガス供給配管３４３の一端が接続されている。酸化剤ガス供給配管３４３の他端は、Ｔ形管継手１４７の出口１４７ｃに接続されている。
【００９４】
次に、以上のように構成された燃料電池システム３００の動作の概容について、図１０乃至図１３を参照しながら説明する。
【００９５】
ある使用時において燃料電池システム３００を起動する際には（起動モード）、制御装置１６０が、図１０の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開き、置換ガス供給弁１３２を閉じる。これにより、図１１に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。また、制御装置１６０が、図１２の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁１１７及び酸化剤ガス供給弁１４９を開き、置換ガス供給弁１５２を閉じる。これにより、図１３に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム３００を起動し、発電モードへ移行させる。
【００９６】
そして、この発電モードから燃料電池システム１００を停止させる際には（停止モード）、制御装置１６０が、図１０の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を開く。これにより、図１１に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に置換ガスを封止する。また、制御装置１６０が、図１２の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を開く。これにより、図１３に示すように、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム３００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。
【００９７】
本比較形態の燃料電池システム３００では、燃料ガス供給マニホールド１０６に連通する燃料ガス入口１２１が１箇所である。また、本比較形態の燃料電池システム３００では、酸化剤ガス供給マニホールド１０８に連通する酸化剤ガス入口１４１が１箇所である。したがって、図１１及び図１３に示すような燃料電池システム３００の発電モード及び停止モードの繰り返しを行った場合において、反応ガス供給マニホールド１０６，１０８内の反応ガス及び置換ガスの流れはＡ端からＢ端への一定方向である。よって、反応ガス入口１２１，１４１から近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じ、セルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度が不均一になると考えられる。
【００９８】
これに対し、本発明の第１実施形態の燃料電池システム１００は、停止モード、起動モード及び発電モードの１サイクル毎に、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端とＢ端との間の燃料ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。また、停止モード、起動モード及び発電モードの１サイクル毎に、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端とＢ端との間の酸化剤ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。
【００９９】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１００では、反応ガス入口１２１Ａ，１２１Ｂ，１４１Ａ，１４１Ｂから近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じにくく、セルスタック１０２のセルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。よって、燃料電池システム１００の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック１０２全体での発電性能の低下が抑制される。
【０１００】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料ガス入口選択装置２１１が、ガス流路切替弁（三方弁）１２５、Ａ側燃料ガス供給配管１２３Ａ、及びＢ側燃料ガス供給配管１２３Ｂで構成されている。また、本実施形態の燃料電池システム１００は、酸化剤ガス入口選択装置２２１が、ガス流路切替弁（三方弁）１４５、Ａ側酸化剤ガス供給配管１４３Ａ、及びＢ側酸化剤ガス供給配管１４３Ｂで構成されている。
【０１０１】
したがって、燃料電池システムの構成を複雑にすることなく、燃料ガスの供給先をＡ側燃料ガス入口１２１ＡとＢ側燃料ガス入口１２１Ｂとの間で切り替えることができる。また、燃料電池システムの構成を複雑にすることなく、酸化剤ガスの供給先をＡ側酸化剤ガス入口１４１ＡとＢ側酸化剤ガス入口１４１Ｂとの間で切り替えることができる。
【０１０２】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態の燃料電池システム２００における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図７は、図６の燃料電池システム２００の構成要素である燃料ガス供給マニホールド１０６内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図８は、本実施形態の燃料電池システム２００における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図９は、図８の燃料電池システム２００の構成要素である酸化剤ガス供給マニホールド１０８内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。図６及び図８において、図２及び図４と同一又は相当する部分は、同じ符号を付してその説明を省略する。
【０１０３】
本実施形態の燃料電池システム２００では、図２のガス流路切替弁１２５に代えて、Ｔ形管継手２２４とＡ側燃料ガス供給弁２２５ＡとＢ側燃料ガス供給弁２２５Ｂとが用いられている。また、本実施形態の燃料電池システム２００では、図４のガス流路切替弁１４５に代えて、Ｔ形管継手２４４とＡ側酸化剤ガス供給弁２４５ＡとＢ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂとが用いられている。さらに、停止モード及び起動モードにおけるセルスタック１０２内のガスのパージが、反応ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替えて行われる。これ以外は第１実施形態の燃料電池システム１００と同様である。
【０１０４】
具体的には、図６に示すように、燃料電池１０１のＡ側燃料ガス入口１２１Ａには、燃料ガス供給流路１２２としてのＡ側燃料ガス供給配管２２３Ａの一端が接続されている。Ａ側燃料ガス供給配管２２３Ａの途中には、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａが配設されている。一方、燃料電池１０１のＢ側燃料ガス入口１２１Ｂには、燃料ガス供給流路１２２としてのＢ側燃料ガス供給配管２２３Ｂの一端が接続されている。Ｂ側燃料ガス供給配管２２３Ｂの途中には、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂが配設されている。
【０１０５】
Ａ側燃料ガス供給配管２２３Ａの他端は、Ｔ形管継手２２４の一方の出口２２４ａに接続されている。Ｂ側燃料ガス供給配管２２３Ｂの他端は、Ｔ形管継手２２４のもう一方の出口２２４ｂに接続されている。Ｔ形管継手２２４の入口２４４ｃには、燃料ガス供給流路１２２としての燃料ガス供給配管１２６を介してＴ形管継手１２７の出口１２７ｃが接続されている。Ｔ形管継手２２４、Ａ側燃料ガス供給配管２２３Ａ、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａ、Ｂ側燃料ガス供給配管２２３Ｂ、及びＢ側燃料ガス供給弁２２５Ｂが、燃料ガス入口選択装置２１１を構成する。
【０１０６】
また、図８に示すように、燃料電池１０１のＡ側酸化剤ガス入口１４１Ａには、酸化剤ガス供給流路１４２としてのＡ側酸化剤ガス供給配管２４３Ａの一端が接続されている。Ａ側酸化剤ガス供給配管２４３Ａの途中には、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａが配設されている。一方、燃料電池１０１のＢ側酸化剤ガス入口１４１Ｂには、酸化剤ガス供給流路１４２としてのＢ側酸化剤ガス供給配管２４３Ｂの一端が接続されている。Ｂ側酸化剤ガス供給配管２４３Ｂの途中には、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂが配設されている。
【０１０７】
Ａ側酸化剤ガス供給配管２４３Ａの他端は、Ｔ形管継手２４４の一方の出口２４４ａに接続されている。Ｂ側酸化剤ガス供給配管２４３Ｂの他端は、Ｔ形管継手２４４のもう一方の出口２４４ｂに接続されている。Ｔ形管継手２４４の入口２４４ｃには、酸化剤ガス供給流路１４２としての酸化剤ガス供給配管１４６を介してＴ形管継手１４７の出口１４７ｃが接続されている。Ｔ形管継手２４４、Ａ側燃料ガス供給配管２４３Ａ、Ａ側燃料ガス供給弁２４５Ａ、Ｂ側燃料ガス供給配管２４３Ｂ、及びＢ側燃料ガス供給弁２４５Ｂが、酸化剤ガス入口選択装置２２１を構成する。
【０１０８】
次に、以上のように構成された燃料電池システム２００の動作について、図６乃至図９を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。
【０１０９】
ある使用時において燃料電池システム２００を起動する際には（起動モード）、制御装置１６０が、図６の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁１１２、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａ及び燃料ガス供給弁１２９を開き、置換ガス供給弁１３２を閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。すなわち、図７に示すように、一回の起動モード中において、燃料ガス供給マニホールド１０６内における燃料ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。
【０１１０】
一方、制御装置１６０が、図８の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁１１７、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａ及び酸化剤ガス供給弁１４９を開き、置換ガス供給弁１５２を閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。すなわち、図９に示すように、一回の起動モード中において、酸化剤ガス供給マニホールド１０８内における酸化剤ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。
【０１１１】
以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム２００を起動し、発電モードへ移行させる。
【０１１２】
そして、この発電モードから燃料電池システム２００を停止させる際には（停止モード）、制御装置１６０が、図６の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９及びＡ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂ及び置換ガス供給弁１３２を開く。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。すなわち、図７に示すように、一回の停止モード中において、燃料ガス供給マニホールド１０６内における置換ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に置換ガスを封止する。
【０１１３】
一方、制御装置１６０が、図８の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９及びＡ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂ及び置換ガス供給弁１５２を開く。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。すなわち、図９に示すように、一回の停止モード中において、酸化剤ガス供給マニホールド１０８内における置換ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に置換ガスを封止する。
【０１１４】
以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム２００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【０１１５】
次に、この待機モードから燃料電池システム２００を起動する際には、制御装置１６０が、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開く。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。すなわち、図７に示すように、一回の起動モード中において、燃料ガス供給マニホールド１０６内における燃料ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。
【０１１６】
一方、制御装置１６０が、酸化剤ガス排出弁１１７及び酸化剤ガス供給弁１４９を開く。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。すなわち、図９に示すように、一回の起動モード中において、酸化剤ガス供給マニホールド１０８内における酸化剤ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。
【０１１７】
以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム２００を起動し、発電モードへ移行させる。
【０１１８】
そして、この発電モードから燃料電池システム２００を停止させる際には、制御装置１６０が、燃料ガス供給弁１２９及びＢ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａ及び置換ガス供給弁１３２を開く。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを開き、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側燃料ガス供給弁２２５Ａを開き、Ｂ側燃料ガス供給弁２２５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。すなわち、図７に示すように、一回の停止モード中において、燃料ガス供給マニホールド１０６内における置換ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１３２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に置換ガスを封止する。
【０１１９】
一方、制御装置１６０が、酸化剤ガス供給弁１４９及びＢ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａ及び置換ガス供給弁１５２を開く。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを開き、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。次に、制御装置１６０が、Ａ側酸化剤ガス供給弁２４５Ａを開き、Ｂ側酸化剤ガス供給弁２４５Ｂを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。すなわち、図９に示すように、一回の停止モード中において、酸化剤ガス供給マニホールド１０８内における置換ガスの流れ方向が計４回、切り替えられる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置１６０が、置換ガス供給弁１５２を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。このようにして、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に置換ガスを封止する。
【０１２０】
以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム２００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【０１２１】
次に、この待機モードから燃料電池システム２００を起動するが、この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。
【０１２２】
本発明の第２実施形態の燃料電池システム２００は、停止モード、起動モード、及び発電モードの１サイクル毎だけでなく、さらに各起動モード及び各停止モード中に、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端とＢ端との間の燃料ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。また、同様に、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端とＢ端との間の酸化剤ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。
【０１２３】
したがって、本実施形態の燃料電池システム２００では、反応ガス入口１２１Ａ，１２１Ｂ，１４１Ａ，１４１Ｂから近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じにくく、セルスタック１０２のセルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度がより均一になる。よって、燃料電池システム２００の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック１０２全体での発電性能の低下がさらに抑制される。
【０１２４】
また、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃料ガス入口選択装置２１１が、Ｔ形管継手２４４、Ａ側燃料ガス供給配管２４３Ａ、Ａ側燃料ガス供給弁２４５Ａ、Ｂ側燃料ガス供給配管２４３Ｂ、及びＢ側燃料ガス供給弁２４５Ｂで構成されている。さらに、本実施形態の燃料電池システム２００では、酸化剤ガス入口選択装置２２１が、Ｔ形管継手２４４、Ａ側燃料ガス供給配管２４３Ａ、Ａ側燃料ガス供給弁２４５Ａ、Ｂ側燃料ガス供給配管２４３Ｂ、及びＢ側燃料ガス供給弁２４５Ｂで構成されている。
【０１２５】
したがって、反応ガス及び置換ガスの流れ方向を瞬時に切り替えることが容易になる。
【０１２６】
［変形例］（第１実施形態の変形例）
図１４は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図１５は、図１４の燃料電池システムの燃料ガス供給マニホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図１６は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図１７は、図１６の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マニホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【０１２７】
本変形例の燃料電池システム４００は、第１実施形態における、燃料ガスを供給するための構成要素と、酸化剤ガスを供給するための構成要素とを変更している。
【０１２８】
すなわち、図１４に示すように、燃料ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない。具体的には、燃料ガス供給装置１２０が燃料ガス供給配管１２８を介してガス流路切替弁１２５の第三のポート１２５ｃに、直接、接続されている。それ以外については、第１実施形態の燃料ガスを供給するための構成要素（図２）と同じである。
【０１２９】
また、図１６に示すように、酸化剤ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない。具体的には、酸化剤ガス供給装置１４０が酸化剤ガス供給配管１４８を介してガス流路切替弁１４５の第三のポート１４５ｃに、直接、接続されている。それ以外については、第１実施形態の酸化剤ガスを供給するための構成要素（図４）と同じである。
【０１３０】
次に、以上のように構成された燃料電池システム４００の動作について、図１４乃至図１７を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。
【０１３１】
ある使用時において燃料電池システム４００を起動する際には（起動モード）、制御装置１６０が、図１４の燃料ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁１２５を、第一のポート１２５ａが第三のポート１２５ｃに連通するよう切り替え、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開く。これにより、図１５に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＡ端からＢ端に向かって流れる。また、制御装置１６０が、図１６の酸化剤ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁１４５を、第一のポート１４５ａが第三のポート１４５ｃに連通するよう切り替え、酸化剤ガス排出弁１１７及び酸化剤ガス供給弁１４９を開く。これにより、図１７に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＡ端からＢ端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム４００を起動し、発電モードへ移行させる。
【０１３２】
そして、この発電モードから燃料電池システム４００を停止させる際には（停止モード）、制御装置１６０が、図１４の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９を閉じ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。これにより、図１５に示すように、燃料ガスの供給が停止され、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に燃料ガスが封止される。また、制御装置１６０が、図１６の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９を閉じ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。これにより、図１７に示すように、酸化剤ガスの供給が停止され、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に酸化剤ガスが封止される。以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム４００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【０１３３】
次に、この待機モードから燃料電池システム４００を起動する際には、制御装置１６０が、図１４の燃料ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁１２５を、第二のポート１２５ｂが第三のポート１２５ｃに連通するよう切り替え、燃料ガス排出弁１１２及び燃料ガス供給弁１２９を開く。これにより、図１５に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０６のＢ端からＡ端に向かって流れる。また、制御装置１６０が、図１６の酸化剤ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁１４５を、第二のポート１４５ｂが第三のポート１４５ｃに連通するよう切り替え、酸化剤ガス排出弁１１７及び酸化剤ガス供給弁１４９を開く。これにより、図１７に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１０８のＢ端からＡ端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置１６０が、燃料電池システム４００を起動し、発電モードへ移行させる。
【０１３４】
次に、この発電モードから燃料電池システム４００を停止させる際には、制御装置１６０が、図１４の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁１２９を閉じ、燃料ガス排出弁１１２を閉じる。これにより、図１５に示すように、燃料ガスの供給が停止され、セルスタック１０２の燃料ガス流路２０１内に燃料ガスが封止される。また、制御装置１６０が、図１６の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁１４９を閉じ、酸化剤ガス排出弁１１７を閉じる。これにより、図１７に示すように、酸化剤ガスの供給が停止され、セルスタック１０２の酸化剤ガス流路２０２内に酸化剤ガスが封止される。以上のようにして、制御装置１６０が燃料電池システム４００を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。
【０１３５】
次に、この待機モードから燃料電池システム４００を起動するが、この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。
【０１３６】
本変形例の燃料電池システム４００は、上記のような構成としたため、燃料ガス入口１２１Ａ，１２１Ｂから近いセルと遠いセルとで燃料ガスの濃度分布が生じにくく、セルスタック１０２のセルごとの燃料ガスの濃度が均一になる。また、酸化剤ガス入口１４１Ａ，１４１Ｂから近いセルと遠いセルとで酸化剤ガスの濃度分布が生じにくく、セルスタック１０２のセルごとの酸化剤ガスの濃度が均一になる。よって、燃料電池システム４００の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック１０２全体での発電性能の低下が抑制される。
【０１３７】
なお、同様にして、第２実施形態の燃料電池システムを変形例とすることもできる。すなわち、図６の燃料ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない構成とすることができる。また、図８の酸化剤ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない構成とすることができる。
【実施例】
【０１３８】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例を説明する。
【０１３９】
（実施例１）
本発明の実施例として、以下に示す燃料電池１０１を備え、第１実施形態に示した構成（反応ガスの流れ方向の切り替えも含む）の燃料電池システム１００を作製した。
【０１４０】
ここでは、燃料電池１０１についてのみ、具体的構成を示す。燃料電池１０１としては、高分子電解質形燃料電池が用いられる。燃料電池システム１００のその他の構成要素は周知のように構成されている。
【０１４１】
まず、アノード及びカソードの作成方法を説明する。
【０１４２】
粒径３５ｎｍのアセチレンブラック粉末（電気化学工業社製;デンカブラック（登録商標））と、ＰＴＦＥの水性ディスパージョン（ダイキン社製；Ｄ−１）とを混合し、ＰＴＦＥを乾燥重量で２０重量％含む溶液を調製した。そして、この溶液をカーボンペーパー（東レ社製；ＴＧＰＨ０６０Ｈ）に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用い３００℃で熱処理を行って、厚さ約２００μｍのガス拡散層を形成した。
【０１４３】
次に、カソード側触媒として、粒径３０ｎｍのケッチェンブラック粉末（ケッチェンブラックインターナショナル社製；Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ）に、白金触媒を担持させて得られたもの（白金を５０重量％含む）を用いた。一方、アノード側触媒として、粒径３０ｎｍのケッチェンブラック粉末（ケッチェンブラックインターナショナル社製；Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ）に、白金触媒及びルテニウム触媒を担持させて得られたもの（白金を３０重量％含む）を用いた。
【０１４４】
そして、上記カソード側触媒を、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）が５重量％含まれる分散液であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）に混合させ、この混合物を前記ガス拡散層上に塗布し、乾燥させることによって、厚みが１０〜２０μｍのカソード側触媒層を形成した。ここで、ガス拡散層とカソード側触媒層とがカソードを構成する。一方、上記アノード側触媒を上記パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマーに混合させ、この混合物を前記ガス拡散層上に塗布し、乾燥させることによって、厚みが１０〜２０μｍのアノード側触媒層を形成した。ここでガス拡散層とアノード側触媒層とがアノードを構成する。そして、上記各触媒層が形成された各電極中に含まれる白金触媒量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー量は１．２ｍｇ／ｃｍ2であった。
【０１４５】
次に、高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社製；Ｎａｆｉｏｎ１１２（登録商標））の片面にカソードを、もう一方の面にアノードを、各電極のそれぞれの触媒層が高分子電解質膜に接するように配置した。また、高分子電解質膜の外縁部に接するよう、フッ素系ゴムからなる厚さ約２００μｍのガスケットを配置した。そして、これらをホットプレスにより接合してＭＥＡを作製した。
【０１４６】
次に、外寸２２０ｍｍ×２２０ｍｍ、厚み３ｍｍの黒鉛板を機械加工することにより、反応ガス流路及びマニホールド孔が形成された導電性セパレータを作製した。反応ガス流路は、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍであって、サーペンタイン状に形成されている。また、上記と同様の黒鉛板を機械加工することにより、冷却水流路が形成された導電性セパレータを作製した。そして、これらの各導電性セパレータとＭＥＡとを組み合わせて単セルとした。ここで、導電性セパレータとＭＥＡとが接触する領域は、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍの範囲となるようにした。そして、上記単セルを６０個積層してセルスタック１０２とし、燃料電池１０１を作製した。
【０１４７】
実施例１では、上記に示した燃料電池１０１を用い、第１実施形態に示した構成の燃料電池システム１００を作製した。
【０１４８】
カソード側反応ガス（酸化剤ガス）には空気を用い、アノード側反応ガス（燃料ガス）には水素を用い、置換ガスは両極共に窒素ガスを用いた。異種ガス間で置換を行う際、流入するガス流量は、空気、水素、窒素いずれも１Ｌ／ｍｉｎ、置換時間は２ｍｉｎとした。
【０１４９】
そして、図１８に示す動作モードの運転サイクルで燃料電池システム１００の運転を行った。すなわち、図１８に示すように、燃料電池システム１００が停止している状態（待機モード）ではアノード及びカソードは置換ガスである窒素によって充填された状態で維持される。第一起動時（起動モード）ではアノードに燃料ガスである水素が流され、カソードは窒素で充填されたままである。第二起動時（起動モード）においてはカソードに空気が流される。そして、アノードに水素が流され、カソードに空気が流された状態で発電が行われる（発電モード）。第一停止状態（停止モード）においてはカソードが空気から窒素に置換されるが、アノードには水素が流されている。第二停止状態（停止モード）においては、アノードの水素も窒素に置換される。その後、燃料電池システムは停止された状態（待機モード）に戻る。このようなサイクルを１サイクルとする。
【０１５０】
発電は、電流密度０．１８Ａ／ｃｍ2、酸化剤ガス利用率５５％、燃料ガス利用率７５％、反応ガス露点６０℃、冷却水入口温度６０℃の条件で行った。
【０１５１】
そして、発電と停止とを１サイクルとし、発電時間を１時間、停止時間を１時間として１０００サイクルを繰り返した。その後のセルごとの電圧を測定し、これを発電性能の評価とした。セルごとの電圧の測定値を図１９に示す。また、全てのセルの平均セル電圧と、その標準偏差とを表１に示す。
【０１５２】
（実施例２）
上記実施例１に示したセルスタックと同様のセルスタックを用い、第２実施形態に示した構成（反応ガスの流れ方向の切り替えも含む）の燃料電池システム２００を作製した。その他の操作条件は、上記実施例１と同様である。
【０１５３】
そして、発電と停止とを１サイクルとし、発電時間を１時間、停止時間を１時間として１０００サイクルを繰り返した。その後のセルごとの電圧を測定し、これを発電性能の評価とした。セルごとの電圧の測定値を図１９に示す。また、全てのセルの平均セル電圧と、その標準偏差とを表１に示す。
【０１５４】
（比較例）
比較形態に示した構成の燃料電池システム３００を作製した。その他の操作条件は、上記実施例１と同様である。
【０１５５】
そして、発電と停止とを１サイクルとし、発電時間を１時間、停止時間を１時間として１０００サイクルを繰り返した。その後のセルごとの電圧を測定し、これを発電性能の評価とした。セルごとの電圧の測定値を図１９に示す。また、全てのセルの平均セル電圧と、その標準偏差とを表１に示す。
【０１５６】
【表１】
0005269582.tif 000002
【０１５７】
（検討）
図１９は、各燃料電池システムのセルスタック１０２におけるセルごとのセル電圧を示すグラフである。図１９中のセル番号は、セルスタック１０２のＡ側からＢ側に向かう順番のセルの番号を示している。表１は、実施例１、実施例２及び比較例の燃料電池システムの全てのセルの平均セル電圧及びその標準偏差を示す表である。図１９及び表１を参照しながら、実施例１、実施例２及び比較例の燃料電池システムの発電性能を比較検討する。
【０１５８】
図１９に示すように、比較例の燃料電池システム３００においては、ガス流入方向に対し、反応ガス入口１２１，１４１に近いセル（図１０及び図１２中のＡ側）と遠いセル（図１０及び図１２中のＢ側）とで、セル電圧に大きな差を生じた。これは、ガスの流入方向が反応ガス供給マニホールドのＡ端からＢ端への一方向であるため、セルスタック１０２内でのガス置換が不均一になったからと考えられる。
【０１５９】
一方、実施例１の燃料電池システム１００及び実施例２の燃料電池システム２００においては、反応ガス入口１２１Ａ，１４１Ａに近いセル（図２及び図４中のＡ側、図６及び図８中のＡ側）と遠いセル（図２及び図４中のＢ側、図６及び図８中のＢ側）とで、セル電圧に大きな差は生じなかった。これは、反応ガス及び置換ガスのガス流入方向を切り替えるので、セルスタック１０２内のセル間でのガス置換を均一にすることができるためと考えられる。また、表１に示すように、平均セル電圧を高く維持することができ、かつ、セル電圧の標準偏差も小さくなってばらつきも抑制される。したがって、セルスタック１０２の発電性能の低下が抑制される。
【０１６０】
また、実施例２の燃料電池システム２００は、反応ガス入口１２１Ａ，１４１Ａに近いセル（図６及び図８中のＡ側）と遠いセル（図６及び図８中のＢ側）とで、セル電圧に大きな差は生じなかった。これは、実施例２の燃料電池システム２００においては、反応ガス及び置換ガスのガス流入方向を複数回切り替えるので、セルスタック１０２内のガスの置換時間を短縮することができると共に、残存ガスによる影響を低減することができるためと考えられる。また、表１に示すように、平均セル電圧をより高く維持することができ、かつ、セル電圧の標準偏差も小さくなってばらつきがさらに抑制される。したがって、セルスタック１０２の発電性能の低下がさらに抑制される。
【０１６１】
なお、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガスを供給するための構成要素と酸化剤ガスを供給するための構成要素との双方に反応ガス入口選択装置が設けられていたが、燃料ガスを供給するための構成要素と酸化剤ガスを供給するための構成要素とのいずれかに反応ガス入口選択装置が設けられてもよい。
【０１６２】
また、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス供給マニホールド１０６及び酸化剤ガス供給マニホールド１０８に２箇所の反応ガス入口をセルスタック１０２の両端に設けたが、燃料ガス供給マニホールド１０６及び酸化剤ガス供給マニホールド１０８をＵ字型にすることで、反応ガス入口をセルスタック１０２の片端に設けても同様の効果を奏する。
【０１６３】
さらに、第１実施形態の燃料電池システム１００及び第２実施形態の燃料電池システム２００は、図２及び図４、並びに図６及び図８に示したように、燃料ガス供給装置１２０側に配置される置換ガス供給装置１３０と、酸化剤ガス供給装置１４０側に配置される置換ガス供給装置１５０とを別個に具備する構成を採用した。しかし、本発明の燃料電池システムは、この構成に限定されるものではない。例えば、本発明の燃料電池システムは、１つの置換ガス供給装置を、燃料ガス供給装置１２０と酸化剤ガス供給装置１４０とで共有する構成としてもよい。
【０１６４】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本発明の燃料電池システムは、セルスタック内での各セル間のガスの置換状態を均一にすることによって、起動と停止とを繰り返してもセルスタック全体での発電性能の低下が抑制された燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図３】図３は、図２の燃料電池システムの燃料ガス供給マニホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図５】図５は、図４の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マニホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図７】図７は、図６の燃料電池システムの構成要素である燃料ガス供給マニホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。
【図８】図８は、第２実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図９】図９は、図８の燃料電池システムの構成要素である酸化剤ガス供給マニホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【図１０】図１０は、比較形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０の燃料電池システムの構成要素である燃料ガス供給マニホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。
【図１２】図１２は、比較形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図１３】図１３は、図１２の燃料電池システムの構成要素である酸化剤ガス供給マニホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図１５】図１５は、図１４の燃料電池システムの燃料ガス供給マニホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。
【図１７】図１７は、図１６の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マニホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。
【図１８】図１８は、実施例１、実施例２、及び比較例の各燃料電池システムの動作モードを示す図である。
【図１９】図１９は、実施例１、実施例２、及び比較例の各燃料電池システムのセルスタックにおけるセルごとのセル電圧を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６７】
１００，２００，３００，４００  燃料電池システム
１０１  燃料電池
１０２  セルスタック
１０３  ＭＥＡ
１０４  セパレータ
１０６  燃料ガス供給マニホールド
１０７  燃料ガス排出マニホールド
１０８  酸化剤ガス供給マニホールド
１０９  酸化剤ガス排出マニホールド
１１０  燃料ガス出口
１１１  燃料ガス排出流路
１１２  燃料ガス排出弁
１１５  酸化剤ガス出口
１１６  酸化剤ガス排出流路
１１７  酸化剤ガス排出弁
１２０  燃料ガス供給装置
１２１  燃料ガス入口
１２１Ａ  Ａ側燃料ガス入口
１２１Ｂ  Ｂ側燃料ガス入口
１２２  燃料ガス供給流路
１２３Ａ，２２３Ａ  Ａ側燃料ガス供給配管
１２３Ｂ，２２３Ｂ  Ｂ側燃料ガス供給配管
１２５，１４５  ガス流路切替弁
１２５ａ，１４５ａ  第一のポート
１２５ｂ，１４５ｂ  第二のポート
１２５ｃ，１４５ｃ  第三のポート
１２６，１２８  燃料ガス供給配管
１２７，１４７，２２４，２４４  Ｔ形管継手
１２９  燃料ガス供給弁
１３０  置換ガス供給装置
１３１  置換ガス供給配管
１３２  置換ガス供給弁
１４０  酸化剤ガス供給装置
１４１  酸化剤ガス入口
１４１Ａ  Ａ側酸化剤ガス入口
１４１Ｂ  Ｂ側酸化剤ガス入口
１４２  酸化剤ガス供給流路
１４３Ａ，２４３Ａ  Ａ側酸化剤ガス供給配管
１４３Ｂ，２４３Ｂ  Ｂ側酸化剤ガス供給配管
１４６，１４８  酸化剤ガス供給配管
１４９  酸化剤ガス供給弁
１５０  置換ガス供給装置
１５１  置換ガス供給配管
１５２  置換ガス供給弁
１６０  制御装置
２０１  燃料ガス流路
２０２  酸化剤ガス流路
２１１  燃料ガス入口選択装置
２１２，２２２  選択的ガス供給装置
２２１  酸化剤ガス入口選択装置
２２５Ａ  Ａ側燃料ガス供給弁
２２５Ｂ  Ｂ側燃料ガス供給弁
２４５Ａ  Ａ側酸化剤ガス供給弁
２４５Ｂ  Ｂ側酸化剤ガス供給弁
【図１】
0005269582.tif 000003
【図２】
0005269582.tif 000004
【図３】
0005269582.tif 000005
【図４】
0005269582.tif 000006
【図５】
0005269582.tif 000007
【図６】
0005269582.tif 000008
【図７】
0005269582.tif 000009
【図８】
0005269582.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005269582.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
0005269582.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005269582.tif 000019
【図１８】
0005269582.tif 000020
【図１９】
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