(57)【要約】【課題】スタックに蓄積された不純物を簡単に除去し、スタックが過熱されて損傷することを防止し、スタックの性能を向上させることのできる、燃料電池及びその運転方法を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池は、第１及び第２燃料入出口と第１及び第２空気入出口とを有するスタックと、第１燃料入出口に連通する第１燃料給出部と、第２燃料入出口に連通する第２燃料給出部と、第１空気入出口に連通する第１空気給出部と、第２空気入出口に連通する第２空気給出部と、第１燃料給出部と第２燃料給出部間に備えられ、燃料を第１燃料給出部の方向から第２燃料給出部の方向に切り替えるか、逆に第２燃料給出部の方向から第１燃料給出部の方向に切り替える燃料切替部と、第１空気給出部と第２空気給出部間に備えられ、空気を第１空気給出部の方向から第２空気給出部の方向に切り替えるか、逆に第２空気給出部の方向から第１空気給出部の方向に切り替える空気切替部とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜の一側に配置されて第１燃料入出口及び第２燃料入出口を有して前記第１燃料入出口と前記第２燃料入出口とが燃料流路を介して連通する燃料極、並びに前記電解質膜を介して前記燃料極の対向側に配置されて第１空気入出口及び第２空気入出口を有して前記第１空気入出口と前記第２空気入出口とが空気流路を介して連通する空気極からなるスタックと、
前記第１燃料入出口に連通する第１燃料給出部と、
前記第２燃料入出口に連通する第２燃料給出部と、
前記第１空気入出口に連通する第１空気給出部と、
前記第２空気入出口に連通する第２空気給出部と、
前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部間に備えられ、燃料を前記第１燃料給出部の方向から前記第２燃料給出部の方向に切り替えるか、逆に前記第２燃料給出部の方向から前記第１燃料給出部の方向に切り替える燃料切替部と、
前記第１空気給出部と前記第２空気給出部間に備えられ、空気を前記第１空気給出部の方向から前記第２空気給出部の方向に切り替えるか、逆に前記第２空気給出部の方向から前記第１空気給出部の方向に切り替える空気切替部と、を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部とは、少なくとも一部の流路を共有し、
前記燃料切替部は、前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部とが共有する前記流路上に配置される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記スタックの第１燃料入出口には第１燃料入出管の一端が連結され、前記スタックの第２燃料入出口には第２燃料入出管の一端が連結され、
前記第１燃料入出管の他端には第１燃料切替弁が設けられ、前記第１燃料切替弁には第１燃料供給管及び第２燃料排出管が連結され、
前記第２燃料入出管の他端には第２燃料切替弁が設けられ、前記第２燃料切替弁には第２燃料供給管及び第１燃料排出管が連結される、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１燃料供給管及び前記第２燃料供給管は燃料の供給方向を決定する燃料供給弁に連結され、
前記第１燃料排出管及び前記第２燃料排出管は燃料の排出方向を決定する燃料排出弁に連結され、
前記燃料供給弁と前記燃料排出弁とは連動して開閉制御される、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１空気給出部と前記第２空気給出部とは、少なくとも一部の流路を共有し、
前記空気切替部は、前記第１空気給出部と前記第２空気給出部とが共有する前記流路上に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記スタックの第１空気入出口には第１空気入出管の一端が連結され、前記スタックの第２空気入出口には第２空気入出管の一端が連結され、
前記第１空気入出管の他端には第１空気切替弁が設けられ、前記第１空気切替弁には第１空気供給管及び第２空気排出管が連結され、
前記第２空気入出管の他端には第２空気切替弁が設けられ、前記第２空気切替弁には第２空気供給管及び第１空気排出管が連結される、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１空気供給管及び前記第２空気供給管は空気の供給方向を決定する空気供給弁に連結され、
前記第１空気排出管及び前記第２空気排出管は空気の排出方向を決定する空気排出弁に連結され、
前記空気供給弁と前記空気排出弁とは連動して開閉制御される、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記スタックは、その外部に冷却部が備えられ、
前記冷却部は、前記燃料切替部又は前記空気切替部に連動して制御される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池において、
燃料及び空気をスタックの内部に備えられた燃料流路及び空気流路のそれぞれを通じて第１方向に供給する段階と、
前記第１方向に供給される燃料及び空気の少なくとも一方を前記第１方向の逆方向である第２方向に供給するよう切り替える段階と、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
前記燃料及び空気の供給方向を切り替える前に、前記スタックの内部で燃料及び空気の流動方向を切り替える必要があるか否かを判断する段階をさらに含む、請求項９に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記スタックに加わる負荷の変動又は前記スタックの温度を検出し、前記スタックに供給される燃料及び空気の供給方向を決定する、請求項１０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
前記スタックにおける燃料及び空気の所定の供給方向の供給時間を累積し、周期的に燃料及び空気の供給方向を決定する、請求項１０に記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にスタックに供給される燃料及び空気の供給方向を切り替えることのできる燃料電池及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、従来の化石燃料を環境にやさしいエネルギーに代えるために開発が行われている。燃料電池は、家庭に電気を供給する家庭用燃料電池、電気自動車に用いられる燃料電池、携帯用端末機やノートブックコンピュータなどに用いられる燃料電池、家庭に移動可能に設けられて電気を供給する燃料電池など、様々な適用分野において研究開発が行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の種類によって、りん酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC）、アルカリ形燃料電池（Alkaline Fuel Cell: AFC）、プロトン交換膜形燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC）、溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC）、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell: SOFC）、直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell: DMFC）、直接ボロハイドライド形燃料電池（Direct Borohydride Fuel Cell: DBFC）などに分けられる。
【０００４】
これらの燃料電池の作動温度は、りん酸形燃料電池が２００℃付近、アルカリ形燃料電池が６０〜１１０℃、プロトン交換膜形燃料電池が常温〜８０℃、溶融炭酸塩形燃料電池が５００〜７００℃、固体酸化物形燃料電池が１０００℃以上の高温、直接メタノール形燃料電池が２５〜１３０℃であることが知られている。
【０００５】
このような燃料電池は、通常の電池（二次電池）とは異なり、スタックを構成する燃料極（アノード）には燃料（水素ガスや炭化水素など）を、空気極（カソード）には酸素をそれぞれ供給し、燃料の燃焼（酸化）反応を経るのではなく、水素と酸素の電気化学的反応を経ることにより、反応前後のエネルギー差を電気エネルギーに直接変換する。
【０００６】
一方、スタックは、複数の単位セル（シングルセル）が積層されて構成されたものであり、各単位セルは、電解質膜を介して両側に燃料極と空気極がそれぞれ積層されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の燃料電池においては、燃料極に供給される燃料が燃料極の面積全体に均一に分散するように、燃料極の流路が狭くかつ複雑に形成されるので、燃料電池を長期間運転すると燃料極の流路に不純物が蓄積されて詰まってしまうという問題があった。
【０００８】
特に、燃料極において、入口側では不純物の蓄積が多くないが、出口側に行くほど不純物の蓄積が多くなり、それにより、燃料極の出口側では燃料と空気の反応面積が小さくなってエネルギー効率が低下するという問題があった。
【０００９】
これに鑑み、従来の燃料電池においては、周期的にシステムを停止させた状態でパージガスを供給して不純物を除去するか、又は運転を開始する際に窒素を所定時間供給して燃料極を洗浄し、その後本運転を行う運転方法が採用されていた。しかし、この場合、システムを所定時間停止させなければならないので、それだけ運転時間が短くなってエネルギー効率が低下するという欠点があった。
【００１０】
また、燃料電池は、前述したように燃料である水素と酸素の反応により熱を発生するが、その反応により発生した熱と流体の持続的な流れにより、流路（空気極）の出口側の温度が最も高い。よって、空気極の出口側の温度が局部的に上昇して一部の単位セルの電解質膜が破損することがあり、単位セルの電解質膜が破損した場合、当該単位セルを交換しなければならないか、さらにはスタック全体の使用が制限されてエネルギー効率が低下するという問題があった。通常、燃料電池には空冷式又は水冷式の冷却装置が備えられるが、これらの従来の冷却装置は、スタック全体を冷却するものであって、局部的に加熱された部分を冷却するには適していないだけでなく、加熱されていない他の部分に対しても冷却が行われるので、かえってスタックが適正温度を維持できなくなり、効率が低下するという問題もあった。
【００１１】
本発明の目的は、運転を停止させることなくスタックに蓄積された不純物を除去できる燃料電池を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、不純物を除去するプロセスでも電気を生産できる燃料電池を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、不純物が蓄積されたかをリアルタイムでチェックして不純物を除去することにより効率を向上させた燃料電池を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、運転を停止させることなくスタックを適正温度に冷却できる燃料電池を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、スタックを局部的に冷却できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、炭化水素系原料を供給する燃料電池において、原料の供給方向を入口から出口に又は出口から入口に切り替えてスタックに不純物が蓄積されることを防止する燃料電池を提供する。
【００１７】
ここで、前記スタックの入口及び出口には、原料を供給又は排出するための管が閉ループ状に連結され、前記管の管路の中間には、原料の供給方向及び排出方向を制御する切替弁が設けられるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記燃料電池は、前記スタックに空気を供給する空気供給部を備え、前記空気供給部の空気の供給方向を切り替える制御部をさらに備えるようにしてもよい。
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜、前記電解質膜の一側に配置されて第１燃料入出口及び第２燃料入出口を有して前記第１燃料入出口と前記第２燃料入出口とが燃料流路を介して連通する燃料極、並びに前記電解質膜を介して前記燃料極の対向側に配置されて第１空気入出口及び第２空気入出口を有して前記第１空気入出口と前記第２空気入出口とが空気流路を介して連通する空気極からなるスタックと、前記第１燃料入出口に連通する第１燃料給出部と、前記第２燃料入出口に連通する第２燃料給出部と、前記第１空気入出口に連通する第１空気給出部と、前記第２空気入出口に連通する第２空気給出部と、前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部間に備えられ、燃料を前記第１燃料給出部の方向から前記第２燃料給出部の方向に切り替えるか、逆に前記第２燃料給出部の方向から前記第１燃料給出部の方向に切り替える燃料切替部と、前記第１空気給出部と前記第２空気給出部間に備えられ、空気を前記第１空気給出部の方向から前記第２空気給出部の方向に切り替えるか、逆に前記第２空気給出部の方向から前記第１空気給出部の方向に切り替える空気切替部とを含む燃料電池を提供する。
【００２０】
ここで、前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部とは、少なくとも一部の流路を共有し、前記燃料切替部は、前記第１燃料給出部と前記第２燃料給出部とが共有する経路上に配置されるようにしてもよい。
【００２１】
また、前記スタックの第１燃料入出口には第１燃料入出管の一端が連結され、前記スタックの第２燃料入出口には第２燃料入出管の一端が連結され、前記第１燃料入出管の他端には第１燃料切替弁が設けられ、前記第１燃料切替弁には第１燃料供給管及び第２燃料排出管が連結され、前記第２燃料入出管の他端には第２燃料切替弁が設けられ、前記第２燃料切替弁には第２燃料供給管及び第１燃料排出管が連結されるようにしてもよい。
【００２２】
さらに、前記第１燃料供給管及び前記第２燃料供給管は燃料の供給方向を決定する燃料供給弁に連結され、前記第１燃料排出管及び前記第２燃料排出管は燃料の排出方向を決定する燃料排出弁に連結され、前記燃料供給弁と前記燃料排出弁とは連動して開閉制御されるようにしてもよい。
【００２３】
さらに、前記第１空気給出部と前記第２空気給出部とは、少なくとも一部の流路を共有し、前記空気切替部は、前記第１空気給出部と前記第２空気給出部とが共有する経路上に配置されるようにしてもよい。
【００２４】
さらに、前記スタックの第１空気入出口には第１空気入出管の一端が連結され、前記スタックの第２空気入出口には第２空気入出管の一端が連結され、前記第１空気入出管の他端には第１空気切替弁が設けられ、前記第１空気切替弁には第１空気供給管及び第２空気排出管が連結され、前記第２空気入出管の他端には第２空気切替弁が設けられ、前記第２空気切替弁には第２空気供給管及び第１空気排出管が連結されるようにしてもよい。
【００２５】
さらに、前記第１空気供給管及び前記第２空気供給管は空気の供給方向を決定する空気供給弁に連結され、前記第１空気排出管及び前記第２空気排出管は空気の排出方向を決定する空気排出弁に連結され、前記空気供給弁と前記空気排出弁とは連動して開閉制御されるようにしてもよい。
【００２６】
さらに、前記スタックは、その外部に冷却部が備えられ、前記冷却部は、前記燃料切替部又は前記空気切替部に連動して制御されるようにしてもよい。
【００２７】
そして、上記目的を達成するために、本発明は、第１燃料入出口及び第２燃料入出口を有する燃料極、並びに第１空気入出口及び第２空気入出口を有する空気極を含むスタックと、前記第１燃料入出口及び前記第１空気入出口に連結される第１燃料／空気給出部と、前記第２燃料入出口及び前記第２空気入出口に連結される第２燃料／空気給出部と、前記第１燃料／空気給出部及び前記第２燃料／空気給出部に電気的に接続され、燃料及び空気の供給方向を前記第１燃料／空気給出部又は前記第２燃料／空気給出部の方向に切り替える制御部とを含む燃料電池を提供する。
【００２８】
ここで、前記燃料電池は、前記スタックに加わる負荷の変動を検出する負荷変動検出部をさらに含み、前記負荷変動検出部は、前記制御部に電気的に接続され、前記燃料切替部又は前記空気切替部に連動するようにしてもよい。
【００２９】
また、前記燃料電池は、前記スタックから発生する熱を検出する温度検出部をさらに含み、前記温度検出部は、前記制御部に電気的に接続され、前記燃料切替部又は前記空気切替部に連動するようにしてもよい。
【００３０】
さらに、前記燃料電池は、前記燃料切替部又は前記空気切替部から燃料又は空気が所定の方向に供給される時間を積算するタイマーをさらに含み、前記タイマーは、前記制御部に電気的に接続され、前記燃料切替部又は前記空気切替部に連動するようにしてもよい。
【００３１】
そして、上記目的を達成するために、本発明は、燃料及び空気をスタックの内部に備えられた燃料流路及び空気流路で第１方向に供給する段階と、前記第１方向に供給される燃料及び空気の少なくとも一方は前記第１方向の逆方向である第２方向に供給する段階とを含む燃料電池の運転方法を提供する。
【００３２】
ここで、前記燃料電池の運転方法は、前記燃料及び空気の供給方向を切り替える前に、前記スタックの内部で燃料及び空気の流動方向を切り替える必要があるか否かを判断する段階をさらに含むようにしてもよい。
【００３３】
また、前記燃料電池の運転方法においては、前記スタックに加わる負荷の変動又は前記スタックの温度を検出し、前記スタックに供給される燃料及び空気の供給方向を決定するようにしてもよい。
【００３４】
さらに、前記燃料電池の運転方法においては、前記スタックにおける燃料及び空気の所定の供給方向の供給時間を累積し、周期的に燃料及び空気の供給方向を決定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
このような本発明による燃料電池及びその運転方法は、燃料及び空気の流動方向を切り替え可能に構成することにより、運転を停止させることなくスタックに蓄積された不純物を除去することができ、不純物を除去するプロセスでも電気を生産することができ、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
【００３６】
また、温度センサ、タイマー又は電力計を設けて不純物が蓄積されたかをリアルタイムでチェックして不純物を除去することにより、燃料電池の効率を一層向上させることができる。
【００３７】
さらに、空気の供給方向を必要に応じて切り替えることにより、運転を停止させることなくスタックを適正温度に冷却するか、又はスタックを局部的に冷却することができ、スタックの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す系統図である。
【図２】本発明の一実施形態による単位セルを含む燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックにおける燃料の供給方向を切り替えるための燃料給出部を示す系統図である。
【図４Ａ】図３のスタックの燃料給出部における燃料の供給方向の一例を示す系統図である。
【図４Ｂ】図３のスタックの燃料給出部における燃料の供給方向の他の例を示す系統図である。
【図５】図１の燃料電池スタックにおける空気の供給方向を切り替えるための空気給出部を示す系統図である。
【図６Ａ】図５のスタックの空気給出部における空気の供給方向の一例を示す系統図である。
【図６Ｂ】図５のスタックの空気給出部における空気の供給方向の他の例を示す系統図である。
【図７】図１の燃料電池スタックにおける燃料の供給方向を切り替えるための燃料給出部及び空気の供給方向を切り替えるための空気給出部をそれぞれ示す系統図である。
【図８】図１の燃料電池スタックにおける燃料及び空気の供給方向を切り替える過程を示すフローチャートである。
【図９】図１の燃料電池スタックにおける空気の供給方向を切り替える過程を示すフローチャートである。
【図１０】図１の燃料電池スタックにおける燃料及び空気の供給方向を切り替える過程を示すフローチャートである。
【図１１】図１の燃料電池スタックにおける燃料及び空気の供給方向を切り替える過程を示すフローチャートである。
【図１２】図１の燃料電池スタックにおける燃料及び空気の供給方向を切り替える過程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明による燃料電池及びその運転方法を、添付図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実現することができる。
【００４０】
図１は本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す系統図である。
【００４１】
同図に示すように、本実施形態による燃料電池１は、メタノールと酸素の直接反応により電気エネルギーを発生する直接メタノール形燃料電池で構成されてもよく、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどのように水素を含有する液体又は気体燃料を酸素と反応させる直接酸化形燃料電池で構成されてもよい。また、本実施形態による燃料電池１は、燃料を水素が豊富な改質ガスに改質して用いるプロトン交換膜形燃料電池で構成されてもよく、その他に、りん酸形燃料電池、アルカリ形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などで構成されてもよい。
【００４２】
本実施形態による燃料電池１に用いられる燃料は、液状又は気体状態の炭化水素系燃料であり、例えばメタノール、エタノール、天然ガス、ＬＰＧなどである。
【００４３】
本実施形態による燃料電池１は、燃料及び空気を用いて電力を発生する燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に燃料を供給する燃料供給部２００と、燃料電池スタック１００に空気を供給する空気供給部３００とを含むようにしてもよい。
【００４４】
燃料電池スタック１００は、１つの単位セルのみで構成されてもよいが、通常は複数の単位セルが一列に積層されて構成される。
【００４５】
単位セルは、電解質膜（Membrane Electrode assembly: MEA）１０１と、電解質膜１０１の一側に配置されて燃料極を構成する第１セパレータ（以下、便宜上、燃料極という。）１０２と、電解質膜１０１を介して燃料極１０２の反対側に配置されて空気極を構成する第２セパレータ（以下、便宜上、空気極という。）１０３とを含むようにしてもよい。すなわち、１つのセパレータには、その一側面に後述する燃料流路が形成され、その他側面に後述する空気流路が形成され、燃料入出口と空気入出口とは連通しない位置に独立して形成される。従って、燃料入出口は、空気流路には連通せず、燃料流路に連通するのに対し、空気入出口は、燃料流路には連通せず、空気流路に連通する。以下、便宜上、セパレータにおいて、燃料流路側を燃料極、空気流路側を空気極と規定して説明する。
【００４６】
図２は本発明の一実施形態による単位セルを含む燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【００４７】
図１及び図２に示すように、燃料極１０２には、燃料の供給方向によって燃料入口又は燃料出口となる第１燃料入出口１２１ａ及び第２燃料入出口１２１ｂがそれぞれ形成されてもよい。第１燃料入出口１２１ａ及び第２燃料入出口１２１ｂは、燃料流路１２２の両端にそれぞれ連通するようにしてもよい。燃料流路１２２は、燃料が電解質膜１０１に広く拡散するように、ジグザグ状に形成されてもよく、複数の並列流路形状に形成されてもよい。燃料流路１２２は、ジグザグ状に形成された場合も、並列流路形状に形成された場合も、断面積が小さく形成される。
【００４８】
ここで、燃料の供給方向を制御するために、第１燃料入出口１２１ａには第１燃料給出部１０５が連結され、第２燃料入出口１２１ｂには第２燃料給出部１０６が連結されるようにしてもよい。
【００４９】
第１燃料給出部１０５と第２燃料給出部１０６とは、燃料の供給方向が逆方向となるように構成される。例えば、第１燃料給出部１０５が燃料を第１燃料入出口１２１ａから第２燃料入出口１２１ｂの方向に供給するものであれば、第２燃料給出部１０６は燃料を第２燃料入出口１２１ｂから第１燃料入出口１２１ａの方向に供給するものである。
【００５０】
このために、第１燃料入出口１２１ａと第２燃料入出口１２１ｂが２つずつの場合は、第１燃料給出部１０５と第２燃料給出部１０６が完全に独立した流路を形成するように構成してもよいが、図３に示すように、第１燃料入出口１２１ａと第２燃料入出口１２１ｂが１つずつの場合は、第１燃料給出部１０５と第２燃料給出部１０６が一部の区間を共有するように構成することが部品点数を削減できるので好ましい。
【００５１】
図３は図１の燃料電池スタックにおける燃料の供給方向を切り替えるための燃料給出部を示す系統図である。
【００５２】
同図に示すように、本実施形態による燃料電池は、第１燃料入出口１２１ａと第２燃料入出口１２１ｂが１つずつの場合、第１燃料入出口１２１ａには第１燃料入出管１２３ａの一端が連結され、第２燃料入出口１２１ｂには第２燃料入出管１２３ｂの一端が連結されるようにしてもよい。
【００５３】
また、第１燃料入出管１２３ａの他端には第１燃料切替弁１２４が設けられ、第１燃料切替弁１２４には第１燃料供給管１２６ａ及び第２燃料排出管１２７ｂが連結されるようにしてもよい。
【００５４】
第１燃料切替弁１２４は、三方弁からなり、第１切替孔１２４ａには第１燃料入出管１２３ａが、第２切替孔１２４ｂには第１燃料供給管１２６ａが、第３切替孔１２４ｃには第２燃料排出管１２７ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００５５】
さらに、第２燃料入出管１２３ｂの他端には第２燃料切替弁１２５が設けられ、第２燃料切替弁１２５には第２燃料供給管１２６ｂ及び第１燃料排出管１２７ａが連結されるようにしてもよい。
【００５６】
第２燃料切替弁１２５は、三方弁からなり、第１切替孔１２５ａには第２燃料入出管１２３ｂが、第２切替孔１２５ｂには第２燃料供給管１２６ｂが、第３切替孔１２５ｃには第１燃料排出管１２７ａがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００５７】
一方、第１燃料供給管１２６ａと第２燃料供給管１２６ｂ間には燃料供給弁１２８が設けられ、第１燃料排出管１２７ａと第２燃料排出管１２７ｂ間には燃料排出弁１２９が設けられるようにしてもよい。
【００５８】
燃料供給弁１２８は、三方弁からなり、燃料供給弁１２８の第１供給孔１２８ａは燃料供給ライン２１０に連結され、燃料供給弁１２８の第２供給孔１２８ｂには第１燃料供給管１２６ａが、燃料供給弁１２８の第３供給孔１２８ｃには第２燃料供給管１２６ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００５９】
燃料排出弁１２９は、三方弁からなり、燃料排出弁１２９の第１排出孔１２９ａは燃料排出ライン２２０に連結され、燃料排出弁１２９の第２排出孔１２９ｂには第１燃料排出管１２７ａが、燃料排出弁１２９の第３排出孔１２９ｃには第２燃料排出管１２７ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００６０】
一方、本実施形態による燃料供給弁１２８、燃料排出弁１２９、第１燃料切替弁１２４及び第２燃料切替弁１２５は、全て制御部１０に電気的に接続され、制御部１０により開閉方向が制御されるようにしてもよい。
【００６１】
すなわち、燃料（水素）が第１燃料給出部１０５の方向に供給される場合は、制御部１０により、燃料供給弁１２８における第１供給孔１２８ａと第２供給孔１２８ｂとが、第１燃料切替弁１２４における第２切替孔１２４ｂと第１切替孔１２４ａとが、第２燃料切替弁１２５における第１切替孔１２５ａと第３切替孔１２５ｃとが、燃料排出弁１２９における第２排出孔１２９ｂと第１排出孔１２９ａとが、それぞれ連通するように開閉される。
【００６２】
すると、燃料は、燃料供給部２００から第１燃料供給管１２６ａと第１燃料入出管１２３ａを介して第１燃料入出口１２１ａに流入し、燃料電池スタック１００の燃料流路１２２に沿って第２燃料入出口１２１ｂの方向に移動し、その後第２燃料入出管１２３ｂと第１燃料排出管１２７ａを介して燃料排出ライン２２０に排出される一連の過程を繰り返す（図４Ａの矢印を参照）。
【００６３】
しかし、燃料電池スタック１００に備えられた温度センサにより燃料電池スタック１００の温度を検出し、その検出値が設定値以上に上昇すると制御部１０により燃料の供給方向を切り替えるようにしてもよい。
【００６４】
すなわち、温度センサ２０により検出された燃料電池スタック１００の温度が設定温度以上に上昇すると、制御部１０は、燃料流路１２２に不純物が蓄積されて燃料流路１２２が狭くなったと判断し、各弁の開閉方向を切り替えることにより、燃料の供給方向を図４Ｂのように第２燃料給出部１０６の方向に切り替える。
【００６５】
すると、燃料は、図４Ａとは逆方向に供給されて移動する（図４Ｂの矢印を参照）。こうすることにより、燃料流路１２２の第２燃料入出口１２１ｂ付近に蓄積されていた不純物が当該第２燃料入出口１２１ｂに流入する燃料により押し出されて第１燃料入出口１２１ａの方向に移動し、燃料流路１２２から除去されるか、少なくとも燃料流路１２２を閉塞しなくなる。よって、燃料電池スタック１００の第２燃料入出口１２１ｂの周辺の温度が局部的に上昇することが緩和され、燃料電池スタック１００の寿命が短縮されたり、燃料電池スタック１００の性能が低下することを防止することができる。
【００６６】
ここで、制御部１０は、前述したように、温度センサ２０により検出された燃料電池スタック１００の温度に基づいて各弁の開放方向を制御することにより燃料の供給方向を変えるように制御してもよいが、場合によっては、制御部１０に備えられたタイマー３０を用いて周期的に燃料の供給方向を変えるように制御してもよい。
【００６７】
また、本実施形態による燃料電池は、その運転方式に応じて冷却装置をさらに備えるようにしてもよい。
【００６８】
例えば、高出力運転より定格出力運転の方が多い場合は、空気の流動方向を切り替えるのではなく、冷却装置を用いて燃料電池スタック１００の温度が一定に維持されるようにしてもよい。図１を参照すると、冷却装置４０は、燃料電池スタック１００を収容するハウジングに冷却水を供給し続けることで燃料電池スタック１００の温度が一定に維持されるようにしてもよい。
【００６９】
ここで、高出力運転のものに適用される燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の燃料流路１２２にパージガスを供給して不純物を除去するパージ装置５０が備えられるようにしてもよい。この場合、燃料流路１２２が常に比較的清潔な状態を維持するので、不純物による局部的な過熱を防止することができる。しかし、高出力運転の場合、定格出力運転に比べて単位セル間の温度差が大きいので、後述する空気供給ユニットを用いて空気の供給方向を交互にして供給することが好ましい。なお、図１において、符号５１はパージ切替弁である。
【００７０】
以下、本発明の他の実施形態による燃料電池について説明する。
【００７１】
前述した実施形態においては、燃料の供給方向を切り替えて燃料電池スタックが局部的に過熱されることを防止するのに対し、本実施形態においては、燃料の供給方向は一方向に維持し、空気の供給方向を切り替えて燃料電池スタックが適正温度を維持するように冷却する。図５に示すように、本実施形態による燃料電池の空気極１０３に空気を供給するための空気供給ユニットは、燃料極１０２に燃料を供給するための燃料供給ユニットと同様に構成されてもよい。
【００７２】
図５は図１の燃料電池スタックにおける空気の供給方向を切り替えるための空気給出部を示す系統図である。
【００７３】
同図に示すように、空気の供給方向を制御するために、第１空気入出口１３１ａには第１空気給出部１０７が連結され、第２空気入出口１３１ｂには第２空気給出部１０８が連結されるようにしてもよい。
【００７４】
第１空気給出部１０７と第２空気給出部１０８とは、空気の供給方向が逆方向となるように構成される。例えば、第１空気給出部１０７が空気を第１空気入出口１３１ａから第２空気入出口１３１ｂの方向に供給するものであれば、第２空気給出部１０８は空気を第２空気入出口１３１ｂから第１空気入出口１３１ａの方向に供給するものである。
【００７５】
このために、第１空気入出口１３１ａと第２空気入出口１３１ｂが２つずつの場合は、第１空気給出部１０７と第２空気給出部１０８が完全に独立した流路を形成するように構成してもよいが、図５に示すように、第１空気入出口１３１ａと第２空気入出口１３１ｂが１つずつの場合は、第１空気給出部１０７と第２空気給出部１０８が一部の区間を共有するように構成することが部品点数を削減できるので好ましい。
【００７６】
また、第１空気入出口１３１ａと第２空気入出口１３１ｂが１つずつの場合、第１空気入出口１３１ａには第１空気入出管１３３ａの一端が連結され、第２空気入出口１３１ｂには第２空気入出管１３３ｂの一端が連結されるようにしてもよい。
【００７７】
さらに、第１空気入出管１３３ａの他端には第１空気切替弁１３４が設けられ、第１空気切替弁１３４には第１空気供給管１３６ａ及び第２空気排出管１３７ｂが連結されるようにしてもよい。
【００７８】
第１空気切替弁１３４は、三方弁からなり、第１切替孔１３４ａには第１空気入出管１３３ａが、第２切替孔１３４ｂには第１空気供給管１３６ａが、第３切替孔１３４ｃには第２空気排出管１３７ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００７９】
さらに、第２空気入出管１３３ｂの他端には第２空気切替弁１３５が設けられ、第２空気切替弁１３５には第２空気供給管１３６ｂ及び第１空気排出管１３７ａが連結されるようにしてもよい。
【００８０】
第２空気切替弁１３５は、三方弁からなり、第１切替孔１３５ａには第２空気入出管１３３ｂが、第２切替孔１３５ｂには第２空気供給管１３６ｂが、第３切替孔１３５ｃには第１空気排出管１３７ａがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００８１】
一方、第１空気供給管１３６ａと第２空気供給管１３６ｂ間には空気供給弁１３８が設けられ、第１空気排出管１３７ａと第２空気排出管１３７ｂ間には空気排出弁１３９が設けられるようにしてもよい。
【００８２】
空気供給弁１３８は、三方弁からなり、空気供給弁１３８の第１供給孔１３８ａは空気供給ライン３１０に連結され、空気供給弁１３８の第２供給孔１３８ｂには第１空気供給管１３６ａが、空気供給弁１３８の第３供給孔１３８ｃには第２空気供給管１３６ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００８３】
空気排出弁１３９は、三方弁からなり、空気排出弁１３９の第１排出孔１３９ａは空気排出ライン３２０に連結され、空気排出弁１３９の第２排出孔１３９ｂには第１空気排出管１３７ａが、空気排出弁１３９の第３排出孔１３９ｃには第２空気排出管１３７ｂがそれぞれ連結されるようにしてもよい。
【００８４】
一方、本実施形態による空気供給弁１３８、空気排出弁１３９、第１空気切替弁１３４及び第２空気切替弁１３５は、全て制御部１０に電気的に接続され、制御部１０により開閉方向が制御されるようにしてもよい。
【００８５】
すなわち、空気が第１空気給出部１０７の方向に供給される場合は、制御部１０により、空気供給弁１３８における第１供給孔１３８ａと第２供給孔１３８ｂとが、第１空気切替弁１３４における第２切替孔１３４ｂと第１切替孔１３４ａとが、第２空気切替弁１３５における第１切替孔１３５ａと第３切替孔１３５ｃとが、空気排出弁１３９における第２排出孔１３９ｂと第１排出孔１３９ａとが、それぞれ連通するように開閉される。
【００８６】
すると、空気は、空気供給部３００から第１空気供給管１３６ａと第１空気入出管１３３ａを介して第１空気入出口１３１ａに流入し、燃料電池スタック１００の空気流路１３２に沿って第２空気入出口１３１ｂの方向に移動し、その後第２空気入出管１３３ｂと第１空気排出管１３７ａを介して空気排出ライン３２０に排出される一連の過程を繰り返す（図６Ａの矢印を参照）。
【００８７】
しかし、本実施形態の燃料電池スタック１００に備えられた温度センサにより燃料電池スタック１００の温度を検出し、その検出値が設定値以上に上昇すると制御部１０により空気の供給方向を切り替えるようにしてもよい。
【００８８】
すなわち、温度センサ２０により検出された燃料電池スタック１００の温度が設定温度以上に上昇すると、制御部１０は、各弁の開閉方向を切り替えることにより、空気の供給方向を図６Ｂのように第２空気給出部の方向に切り替える。
【００８９】
すると、空気は、図６Ａとは逆方向に供給されて移動する（図６Ｂの矢印を参照）。こうすることにより、燃料電池スタック１００の温度が局部的に上昇することが緩和され、燃料電池スタック１００の寿命が短縮されたり、燃料電池スタック１００の性能が低下することを防止することができる。
【００９０】
ここで、制御部１０は、前述したように、温度センサ２０により検出された燃料電池スタック１００の温度に基づいて各弁の開放方向を制御することにより空気の供給方向を変えるように制御してもよいが、場合によっては、制御部１０に備えられたタイマー３０を用いて周期的に空気の供給方向を変えるように制御してもよい。
【００９１】
以下、本発明のさらに他の実施形態による燃料電池について説明する。
【００９２】
前述した実施形態においては、燃料又は空気の供給方向を切り替えて燃料電池スタックが局部的に過熱されることを防止するのに対し、本実施形態においては、燃料及び空気の供給方向を同時に切り替えて燃料電池スタックに蓄積された不純物を除去すると共に燃料電池スタックを適正温度に冷却する。
【００９３】
ここで、燃料極１０２に連結される燃料給出部１０５、１０６、空気極１０３に連結される空気給出部１０７、１０８、燃料給出部１０５、１０６における燃料の流動方向を制御する燃料切替部（１２３ａ、１２３ｂ、１２４、１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２５、１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２６ａ、１２６ｂ、１２７ａ、１２７ｂ、１２８、１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２９、１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ）、及び空気給出部１０７、１０８における空気の流動方向を制御する空気切替部（１３３ａ、１３３ｂ、１３４、１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３５、１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３７ｂ、１３８、１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃ、１３９、１３９ａ、１３９ｂ、１３９ｃ）は、前述した２つの実施形態を組み合わせて構成してもよい。
【００９４】
これらの基本的な構成及び動作は前述した２つの実施形態と同様であるので、その具体的な説明は省略する。ただし、本実施形態は、燃料及び空気の流動方向を必要に応じて順方向又は逆方向に調整することができるので、その分燃料電池スタックにおける局部的な過熱現象に効果的に対応することができる。
【００９５】
例えば、高出力運転より定格出力運転の方が多い場合は、空気極１０３に供給される空気の流動方向を一方向に維持するのに対し、燃料極１０２の第２燃料入出口１２１ｂの周辺が蓄積された不純物により閉塞されて局部的に過熱された場合は、過熱される毎に温度センサ２０を用いて燃料の供給方向を切り替えるか、又はタイマー３０を用いて周期的に燃料の供給方向を切り替えて第２燃料入出口１２１ｂの周辺に蓄積された不純物を除去することにより、燃料電池スタックの性能を向上させる。
【００９６】
このために、図８に示すように、定格出力であるかを確認し（Ｓ１１）、温度センサを用いて燃料電池スタックの温度を検出するか、又はタイマーを用いて切替時点であるかを判断し（Ｓ１２）、切替時点であれば、空気の流動方向は維持し、燃料の供給方向は切り替える（Ｓ１３）。
【００９７】
こうすることにより、定格出力運転が多くなって燃料電池スタックが過度に過熱されなくなるので、燃料電池スタック１００を囲むように備えられた冷却装置を用いて燃料電池スタック１００を一定の温度に維持することができる。
【００９８】
また、純度の高い水素燃料の使用やパージ制御などにより燃料極１０２に不純物が蓄積されない場合は、燃料を交互に供給する必要はないが、定格出力運転より高出力運転の方が多いので、その分燃料電池スタック１００を構成する単位セル間の温度差が大きくなることがある。よって、この場合は、周期的に空気の供給方向を切り替えるか、又は燃料電池のオン／オフ毎に空気の供給方向を切り替えて単位セル間の温度差を低減することにより、燃料電池スタック１００の性能を向上させる。
【００９９】
このために、図９に示すように、パージ制御を行い（Ｓ２１）、タイマーを用いて切替時点であるかを判断し（Ｓ２２）、切替時点であれば、空気の供給方向を周期的に切り替えるか又は燃料電池のオン／オフ毎に切り替えるように制御する（Ｓ２３）。
【０１００】
さらに、単位セル間の温度差が大きく、燃料に不純物が多い場合は、燃料の供給方向と空気の供給方向の両方を、周期的に切り替えるか又は燃料電池のオン／オフ毎に切り替えて燃料電池スタック１００の性能を一層向上させる。
【０１０１】
このために、図１０に示すように、温度センサ２０を用いて単位セル間の温度差を検出し（Ｓ３１）、温度差が設定値より大きければ、燃料給出部及び空気給出部を制御して燃料及び空気の供給方向を切り替える（Ｓ３２）。
【０１０２】
一方、本発明による燃料電池は、燃料電池スタックに加わる負荷の変動によって燃料及び空気の供給方向を切り替えるようにしてもよい。
【０１０３】
例えば、本発明による燃料電池が負荷の変動が大きい車両に適用された場合は、燃料電池の系統に備えられた電力計などの負荷変動検出部（図示せず）を用いて燃料電池に要求される負荷量を検出し、それにより燃料及び空気の流動方向を切り替える必要があるか否かを判断し、切り替える必要があれば、燃料及び空気の供給方向を切り替えるようにしてもよい。
【０１０４】
すなわち、図１１に示すように、検出された負荷量を確認し（Ｓ４１）、その検出された負荷量と設定値とを比較して燃料、空気、又は燃料及び空気の供給方向を逆方向に切り替えるか否かを判断し（Ｓ４２）、その判断によって各種バルブを調整して燃料及び／又は空気の供給方向を切り替える（Ｓ４３）ことにより、燃料電池スタック１００の性能をより一層向上させる。
【０１０５】
なお、車両は走行中に燃料及び空気の流動方向が切り替えられると流体の衝突によりスタック性能が低下することがある。よって、図１２に示すように、燃料及び空気の流動方向を切り替える前に、燃料及び空気の供給方向を切り替える必要があるか否かを判断し（Ｓ５１）、切り替える必要があれば、車両に備えられた各種センサを用いて車両が運転状態であるか、停止状態であるかを判断し（Ｓ５２）、車両が停止状態であれば、燃料及び空気の流動方向を切り替える（Ｓ５３）。こうすることにより、車両の走行中に燃料又は空気の供給方向が切り替えられて流体の衝突が発生することを防止し、燃料電池の性能を向上させることができる。
【０１０６】
それに対し、本発明による燃料電池が発電機などの定置型に適用された場合は、通常長時間運転されることになる。よって、可能な限り、発電機の運転中には燃料及び空気の流動方向を切り替えず、発電機の運転が停止した状態で燃料及び空気の流動方向を切り替えることが、流体の衝突による性能低下を未然に防止できるので好ましい。
【符号の説明】
【０１０７】
１００    燃料電池スタック
１０１    電解質膜
１０２    燃料極
１０３    空気極
１０５    第１燃料給出部
１０６    第２燃料給出部
１０７    第１空気給出部
１０８    第２空気給出部
１２１ａ    第１燃料入出口
１２１ｂ    第２燃料入出口
１２２    燃料流路
１２３ａ    第１燃料入出管
１２３ｂ    第２燃料入出管
１２４    第１燃料切替弁
１２５    第２燃料切替弁
１２６ａ    第１燃料供給管
１２６ｂ    第２燃料供給管
１２７ａ    第１燃料排出管
１２７ｂ    第２燃料排出管
１２８    燃料供給弁
１２９    燃料排出弁
１３１ａ    第１空気入出口
１３１ｂ    第２空気入出口
１３２    空気流路
１３３ａ    第１空気入出管
１３３ｂ    第２空気入出管
１３４    第１空気切替弁
１３５    第２空気切替弁
１３６ａ    第１空気供給管
１３６ｂ    第２空気供給管
１３７ａ    第１空気排出管
１３７ｂ    第２空気排出管
１３８    空気供給弁
１３９    空気排出弁
【図１】
2017216237.tif 000003
【図２】
2017216237.tif 000004
【図３】
2017216237.tif 000005
【図４Ａ】
2017216237.tif 000006
【図４Ｂ】
2017216237.tif 000007
【図５】
2017216237.tif 000008
【図６Ａ】
2017216237.tif 000009
【図６Ｂ】
2017216237.tif 000010
【図７】
2017216237.tif 000011
【図８】
2017216237.tif 000012
【図９】
2017216237.tif 000013
【図１０】
2017216237.tif 000014
【図１１】
2017216237.tif 000015
【図１２】
2017216237.tif 000016