JP2011096600A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費する燃料を抑えて停止中の燃料電池スタックを直ちに再起動することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提案する
【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段と、非発電状態の燃料電池スタックの温度を上げるための加熱手段とを備える。加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックを熱源として、熱源からの熱を切替手段によって非発電状態にされた燃料電池スタックに供給する手段を具備する。この燃料電池システムは、非発電状態の燃料電池スタックを直ちに起動することができ、燃料電池システムの電圧変動を抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを複数備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池スタック」という。）は、「単位電池」とよばれる電池が積層した構造を有している。この単位電池は、触媒層を設けた正極（アノード）および負極（カソード）間に高分子電解質を挟み込んだ膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」という。）をセパレータで挟持して構成されている。そして、単位電池ごとに酸化剤としての空気と還元剤としての燃料とが供給されることで、発電する。

このような燃料電池スタックを用いた一例として、燃料として液体のメタノール水溶液を直接酸化して電気を取り出す方式、いわゆる直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、以下、直接形燃料電池という。）が挙げられる。直接形燃料電池は、改質器等が不要なため、システムが比較的簡単な構成にできる利点がある。そのため、直接形燃料電池は軽量小型化が可能であり、現在自動車、分散電源、情報電子機器などに利用され、今後携帯電話やノートパソコンといったモバイル機器などの利用にも期待される。

燃料電池スタックの利用形態の一案として、燃料電池スタックを並列に接続して発電させる燃料電池システムが提案されている。例えば、特許文献１では、燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、これら複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料および酸化剤を供給する手段と、を備え、燃料電池スタックをブロック単位で駆動およびその停止が行えるように構成することが記載されている。このように構成すると、複数の燃料電池スタックを効率的に駆動させることができ、燃料電池システム全体の電圧変動を抑えると共に、必要な電力を容易に供給することができる。

ここで、燃料電池スタックの発電をある一定時間以上停止すると、再起動時に直ちに起動しないという問題が生じる。この理由として、燃料電池スタックの温度が下がると、燃料電池スタック内の化学反応、つまり、水素イオンと酸素イオンとの酸化還元反応の活性が低下することが挙げられる。さらに、このような条件下で燃料電池スタックの発電を行うと、燃料電池スタック内の温度のバラツキによる各単位電池の転極も生じる。そこで、ある一定時間電力を供給しない燃料電池スタックから、直ちに電力を供給することができる燃料電池システムが提案されている。例えば、特許文献２には、外部負荷がないときに燃料濃度を薄くしたり燃料の供給を間欠させるアイドリング動作を備えることが記載されている。また、特許文献３には、燃料電池スタックによる発電を停止させた場合であっても、所定の条件に基づき、酸素供給部や水素供給部を稼働させる間欠運転モードを備えることが記載されている。

特開２００１−１０２０７４号公報 特開２００６−１４７４８６号公報 特開２００４−１７２０２８号公報

しかし、燃料電池スタックのアイドリング動作や間欠運転は、そもそも燃料電池スタックの発電を停止させているのではなく、一定の条件下において空気および燃料を燃料電池スタックに供給して発電をさせているため、負荷に電力を供給していないにも関わらず燃料を消費するといった問題があった。このため、長時間、燃料電池スタックから負荷に電力を供給しない場合、燃料の消費効率が非常に悪い。

また、燃料電池スタックへ供給する燃料の濃度を薄くすることで、燃料電池スタックの電圧を下げることができるが、その電圧が下がるまでにある一定の時間がかかる。そのため、燃料電池スタックへ供給する燃料の濃度を調整して、負荷変動による燃料電池システム全体の電圧変動を抑えることは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックが並列に接続された液体供給形燃料電池システムにおいて、負荷変動によるシステム全体の電圧変動を抑えると共に、消費する燃料を抑えて停止中の燃料電池スタックを直ちに再起動することができる液体供給形燃料電池システムを提案することを技術的課題とする。

第１の発明は、複数の燃料電池スタックを具備する燃料電池システムである。そして、第１の発明は、少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段と、非発電状態の燃料電池スタックの温度を上げるための加熱手段とを備える。加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックを熱源として、熱源からの熱を前記切替手段によって非発電状態にされた燃料電池スタックに供給する手段を具備することを特徴とする。

発電状態とは、燃料電池スタックに液体等の燃料および酸化剤を供給している状態をいう。一方、非発電状態とは、燃料電池スタックに燃料又は酸化剤の少なくともいずれか一つの供給を停止している状態をいう。発電状態の燃料電池スタックの温度は、６５［℃］から７０［℃］程度となる。ここで、本発明において、燃料電池スタックの温度は、燃料電池スタックの一番端の単セルに対してサーミスタによって測定したものをいう。切替手段は、各燃料電池スタックのそれぞれに対して、個別に燃料や酸化剤の供給および停止を実施する。

加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックの熱を、非発電状態の燃料電池スタックに供給することができるものであれば良く、様々なものを適用できる。また、発電状態の燃料電池スタックの熱だけでなく、その他の熱源やヒーター等も用いることができる。

第１の発明では、発電状態の燃料電池スタックの熱源の熱を、非発電状態の燃料電池スタックに供給することで、非発電状態の燃料電池スタック内の温度を従来の発電停止時よりも高い温度にすることができる。そのため、その非発電状態の燃料電池スタックに燃料や酸化剤を供給するだけで直ちに起動できるという効果を得る。

第２の発明は、第１の発明の燃料電池スタックを、液体燃料と酸化剤とを反応させて発電させる液体供給形の燃料電池スタックとする燃料電池システムである。そして、加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料を、非発電状態の燃料電池スタックに供給することを特徴とする。

第２の発明では、発電状態の燃料電池スタックから排出され、発電時と同じ程度の温度を持つ液体燃料を非発電状態の燃料電池スタックに供給することで、非発電状態の燃料電池スタック内の温度を従来の発電停止時よりも高い温度にすることができる。また、常時、液体燃料を非発電状態の燃料電池スタックへ供給すると、その燃料電池スタックを発電する際にその燃料電池スタック内の燃料の供給不足を解消することができる。そのため、その非発電状態の燃料電池スタックに酸化剤を供給するだけで直ちに起動できるという効果を得る。

第３の発明は、第２の発明に、さらに、液体燃料を貯蔵する燃料タンクを備える液体供給形燃料電池システムである。そして、加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料を、燃料タンクに一旦貯蔵したあとで、非発電状態の燃料電池スタックに供給することを特徴とする。

第３の発明では、燃料タンクで発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料の温度を調整することができる。そのため、第２の発明の効果と、さらに、非発電状態の燃料電池スタック内の温度を所定値に調整できるという効果を得る。

第４の発明は、第３の発明の燃料電池システムにおいて、加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックにも、発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料を燃料タンクに一旦貯蔵したあとで供給することを特徴とする。

第４の発明では、燃料タンクで発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料の温度や濃度を調整することができる。そのため、第２および３の発明の効果と、さらに、その液体燃料を再循環させることによって、液体燃料の利用効率を上げることができるという効果を得る。また、発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとの液体燃料の供給経路をまとめることもできるため、発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとに効率良く液体燃料を供給できるという効果も得る。

第５の発明は、第１から４までのいずれか一つの発明の燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段は、酸化剤の供給停止を行う酸化剤供給弁および酸化剤供給弁の開閉を制御する制御手段を含むことを特徴とする。

第５の発明では、酸化剤供給弁の開閉による酸化剤の供給およびその停止のみによって、簡単に燃料電池スタックの発電および非発電状態を切り換えることができる。そのため、第１から４の発明の効果と、さらに、簡単に非発電状態の燃料電池スタックを直ちに起動させるという効果を得る。

第６の発明は、複数の燃料電池スタックと、少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段とを具備する燃料電池システムの運転方法である。切替手段により、前記少なくとも一つの燃料電池スタックを、発電状態から非発電状態に切り替え後に、非発電状態の燃料電池スタックに、その他の発電状態の燃料電池を熱源とする熱を供給し、その後、切替手段により前記非発電状態の燃料電池スタックを、非発電状態から発電状態に切り替えることを特徴とする。

発電状態の燃料電池の熱源の熱を、非発電状態の燃料電池スタックに供給するタイミングやその供給の時間は、適宜変更しても良い。

第６の発明では、発電状態／非発電状態が切り替え可能な燃料電池スタックを発電状態から非発電状態に切り替え後に、その他の発電状態の燃料電池スタックを熱源とする熱を、その燃料電池スタックに供給することで、燃料電池スタックが非発電状態になってもその燃料電池スタック内の温度を従来の発電停止時よりも高い温度に保つことができる。そのため、その非発電状態の燃料電池スタックに燃料や酸化剤を供給するだけで直ちに起動できるという効果を得る。

本発明によれば、燃料の消費を抑え、非発電状態の燃料電池スタック内の温度を、従来の発電を停止させた燃料電池スタックの温度よりも高い温度にすることができる。また、発電状態の燃料電池スタックを経由する燃料を非発電状態の燃料電池スタックに供給すると、発電する際に燃料電池スタック内の燃料の不足する領域を無くすことができる。そのため、非発電状態の燃料電池スタックを直ちに起動することができ、液体供給形燃料電池システムの電圧変動を抑えることができる。

燃料電池システムの基本構成の一例を示す概略図である。 直接メタノール形燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 同一のケース内に発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとの収納を示す概略構成図である。 発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとをエンドプレートによって固定する一例を示す概略構成図である。 ラジエータの温風を燃料電池スタックに供給する燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 図４の燃料電池スタックの一部の一例を示す概略構成図である。 燃料の配管が巻き付けられた燃料電池スタックの一例の画像を示す図である。 エンドプレートに貫通孔を設けた一例を示す概略構成図である。 直ちに燃料電池スタックを起動させる燃料電池システムの運転方法の手順の一例を示す図である。 実験例の結果を示すグラフである。 比較例の結果を示すグラフである。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ただし、第２の実施形態から第７の実施形態までは、液体供給形である直接メタノール形燃料電池システムを例に挙げて説明する。しかし、燃料が液体であるかどうかに関わらず効果を得ることができるため、液体の燃料に特化していない第３の実施形態から第７の実施形態までの燃料電池システムでは、液体供給形以外の燃料電池にも適用できる。

（第１の実施形態）
図１は、燃料電池システムの基本構成の一例を示す概略図である。なお、図１中の実線の矢印は、燃料の流れを、破線の矢印は酸化剤の流れを、実線は電線を、破線は信号線をそれぞれ示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１および２と、燃料ポンプ４と、酸化剤ポンプ５と、酸化剤供給弁６および７と、加熱手段９と、制御手段１１と、燃料供給弁１６および１７とを備える。そして、燃料電池スタック１および２は、図１の実線で示すように、外部負荷（図示無し）に電気を供給する電圧変換器８に対して並列に接続されている。図１では、燃料電池スタック１および２の燃料および酸化剤の排出経路は省略している。

制御手段１１は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、プログラム等を記憶する記憶装置と、燃料ポンプ４や燃料供給弁１６および１７等の各機器を制御するプログラムとを備える。そして、制御手段１１は、図１の破線で示すように、各機器と信号線で接続され、燃料ポンプ４および酸化剤ポンプ５の運転と、酸化剤供給弁６および７と燃料供給弁１６および１７の開閉を制御することにより、燃料電池スタック１および２の発電とその停止を実施する。燃料電池システムを図１のように構成すると、各供給弁の開閉だけで、燃料電池スタック１および２の発電状態と非発電状態の切り替えができ、たとえ燃料電池スタック１が非発電状態であっても、もう一方の燃料電池スタック２が発電状態であれば、電圧変換器８を介して外部負荷に電気を供給することができる。

加熱手段９は、燃料電池スタック１又は２のどちらか一方が発電状態であるとき、その発電状態の燃料電池スタックの熱を、もう一方の燃料電池スタックに供給する。この熱の供給するタイミングやその供給の時間は、任意に設定でき、非発電状態の燃料電池スタックの運転開始数分前に熱の供給を開始したり、常時熱の供給をしても良い。また、加熱手段９は、発電状態の燃料電池スタックの熱を供給できるものであれば良く、形態や方法等を問わない。

加熱手段９は、後述の第２の実施形態から第７の実施形態で詳細に説明するが、以下の（Ａ）から（Ｆ）まで一例として挙げられる。
（Ａ）発電状態の燃料電池スタックから排出された高温の液体燃料を、昇温対象である非発電状態の燃料電池スタックに供給する構成。
（Ｂ）発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとの両者の燃料電池スタックを収納するケース。
（Ｃ）発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとの両者に接触する熱伝導性のエンドプレート。
（Ｄ）発電状態の燃料電池スタックから排出された空気をラジエータに接続し、ラジエータにより熱せられた温風を昇温対象の非発電状態の燃料電池スタックに吹き付ける構成。特に、非発電状態の燃料電池スタックのセパレータに外気を通す貫通孔を設け、その貫通孔に、ラジエータにより熱せられた温風を通すようにすることが好ましい。
（Ｅ）発電状態の燃料電池スタックを経由した後の燃料の配管を、昇温対象の燃料電池スタックに巻きつける構成。
（Ｆ）発電状態の燃料電池スタックから排出された高温の液体燃料を、昇温対象の燃料電池スタックの熱伝導性のエンドプレートに接触させる構成。

以上の（Ａ）から（Ｆ）までのいずれにおいても、一方の発電状態の燃料電池スタックの熱を、他方の燃料電池スタックに供給して、その他方の燃料電池スタックを温めることができる。

第１の実施形態では、発電状態の燃料電池スタックの熱を、非発電状態の燃料電池スタックに供給することにより、その非発電状態の燃料電池スタックの温度の低下を抑えて一定の温度に維持し、その非発電状態の燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

なお、第１の実施形態では、燃料電池スタックを２台で説明しているが、３台以上でも同様である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ａ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第２の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第２の実施形態について詳細に説明する。

図２は、直接メタノール形燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。なお、図２中の実線の矢印は、アルコール水溶液の流れを、破線の矢印は空気の流れを、実線は電線を、破線は信号線をそれぞれ示す。このシステム２０における燃料電池スタック１および２は、酸化剤としての空気と、還元剤としてのアルコール水溶液などの液体燃料とを直接接触させて発電する直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、DMFC）で構成されている。アルコール水溶液を貯留する燃料タンク３は、アルコール水溶液を吸排出する燃料ポンプ４の流入口と配管などの流通経路で接続されている。そして、燃料ポンプ４の流出口は、その流出口に接続された配管を分岐させて、燃料電池スタック１の燃料の流入口と、燃料電池スタック２の燃料の流入口とに接続されている。そして、燃料電池スタック１の燃料の流出口と、燃料電池スタック２の燃料の流出口とは、燃料タンク３に流通経路で接続されている。したがって、アルコール水溶液は、燃料ポンプ４によって、燃料タンク３から燃料ポンプ４を経由した後分岐して燃料電池スタック１と、燃料電池スタック２とに供給される。そして、アルコール水溶液は、燃料電池スタック内の燃料の流通経路を通って流出口から燃料タンク３へ回収される。そして、その回収されたアルコール水溶液は、再び燃料電池スタック１と、燃料電池スタック２とに供給される。このようにして、アルコール水溶液は、燃料電池スタック１および２と燃料タンク３とを循環している。

燃料電池スタックが発電すると熱を発生するため、その燃料電池スタックを経由するアルコール水溶液は温められる。よって、この温められたアルコール水溶液を燃料電池スタック１および２に循環させることで、燃料電池スタック１又は２のどちらか一方が発電していない場合であっても、その発電していない燃料電池スタックの温度は一定の温度に維持される。また、常時アルコール水溶液を燃料電池スタック１および２に供給することで、燃料電池スタック１および２内の燃料の供給不足は解消される。

図２ではこの燃料ポンプ４は、１台であるが、燃料の供給効率を考慮して複数設けても良く、例えば、各燃料電池スタック毎に設けても良い。また、燃料タンク３では、アルコール水溶液の温度を測定し、加熱ヒーターや冷却器（図示無し）などにより温度を調整しても良い。また、燃料電池スタック１や２の発電により、アルコール水溶液の循環中にその濃度が薄くなる。よって、燃料タンク３では、アルコール水溶液の濃度を測定し、水と濃度の高いアルコール水溶液とを混ぜ合わせることによって、アルコール水溶液の濃度を調整しても良い。

空気ポンプ５ａは、酸化剤供給弁６を介して燃料電池スタック１に、酸化剤供給弁７を介して燃料電池スタック２に、それぞれ接続されている。空気ポンプ５ａも燃料ポンプ４と同様に複数設けても良い。酸化剤供給弁６および７は、開閉することにより燃料電池スタック１および２への空気の供給およびその停止を行う。

燃料電池スタック１および２の出力端子は、電気的に並列接続されている。また、燃料電池スタック１および２の出力端子は、電圧変換器８を介して外部負荷（図示無し）、燃料ポンプ４および空気ポンプ５ａなどの補機類や蓄電池（図示無し）などに接続されている。

制御手段１１は、燃料電池スタック１および２を経由してアルコール水溶液を循環させた状態で、空気ポンプ５ａの運転と酸化剤供給弁６および７の開閉を行う。これにより、燃料電池スタック１および２は、発電とその停止とをそれぞれ切り替えられる。

第２の実施形態では、発電している燃料電池スタックから放出される液体燃料であるアルコール水溶液を循環させて、発電していない燃料電池スタックにそのアルコール水溶液を供給することにより、その発電していない燃料電池スタックの温度の低下を抑えて一定の温度に維持し、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ｂ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第３の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第３の実施形態について詳細に説明する。

図３は、直接メタノール形燃料電池システムの他の一例を示す概略構成図であり、特に、同一のケース内に発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとの収納を示す概略構成図である。なお、図３中の実線の矢印は、アルコール水溶液と水の流れを、破線の矢印は空気の流れをそれぞれ示す。

第３の実施形態は、第１の実施形態に、さらに、燃料電池スタック１と燃料電池スタック２とを収納するケース１２と、燃料を貯留する燃料タンク３と、水を貯留する水タンク１３と、水タンク１３から燃料タンク３に水を供給するための水ポンプ１４と、燃料電池スタックからの排気を冷却するためのラジエータ１８、１９と、それらを繋げる配管等の経路とを備える。第３の実施形態は、従来の直接メタノール形燃料電池システムにケース１２を設けた構成となっている。

燃料タンク３に貯留されたアルコール水溶液は、水タンク１３に貯留する水で濃度や温度を調整される。そして、そのアルコール水溶液は、燃料供給弁１６、１７を開けた状態で、燃料ポンプ４により燃料電池スタック１、２に供給され、その燃料電池スタック内を流通させて、燃料タンク３に戻される。

また、空気は、酸化剤供給弁６、７を開けた状態で、空気ポンプ５ａにより燃料電池スタック１、２に供給され、その燃料電池スタック内を流通させて、ラジエータ１８、１９に送られる。そして、その空気は、ラジエータ１８、１９で冷却された後、水タンク１３に送られ、直接形燃料電池システムの外部に排出される。

燃料電池スタックが発電すると、熱を発生するため、その熱によって、同一ケースに収納された燃料電池スタックは温められる。よって、燃料電池スタック１又は２のどちらか一方が発電していない場合であっても、その発電していない燃料電池スタックの温度は一定の温度に維持される。

ケース１２は、アルコール水溶液や空気を通過させる経路以外の孔を設けず、密閉とすることが好ましい。また、ケース１２は、外気の温度と遮断するために、ケース全体を断熱材で覆う構成としても良い。

第３の実施形態では、発電している燃料電池スタックの熱によって、ケースの内部を温めるため、そのケースに一緒に収納されて発電していない燃料電池スタックも温められ、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第４の実施形態）

第４の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ｃ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第４の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第４の実施形態について詳細に説明する。

図４は、発電状態の燃料電池スタックと非発電状態の燃料電池スタックとをエンドプレートによって固定する一例を示す概略構成図である。燃料電池スタック１および２は、２枚の熱伝導性のエンドプレート２１により、その両端で固定されている。第４の実施形態では、第１の実施形態において、図４で示すエンドプレート２１を用いる。

燃料電池スタックが発電すると熱を発生するため、その燃料電池スタックのエンドプレートは温められる。よって、この温められたエンドプレートに発電していない燃料電池スタックのエンドプレートを接触させることで、燃料電池スタック１又は２のどちらか一方が発電していない場合であっても、その発電していない燃料電池スタックの温度は一定の温度に維持される。

第４の実施形態では、発電している燃料電池スタックの熱によって、エンドプレートを温めることにより、そのエンドプレートに一緒に固定されて発電していない燃料電池スタックも温められ、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第５の実施形態）

第５の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ｄ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第５の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第５の実施形態について詳細に説明する。

図５は、直接メタノール形燃料電池システムの他の一例を示す概略構成図であり、ラジエータの温風を燃料電池スタックに供給する燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。なお、図５中の破線の矢印は空気の流れを示す。

第５の実施形態は、第１の実施形態に、さらに、燃料電池スタックからの排気を冷却するためのラジエータ２２、２３と、それらを繋げる配管等の経路とを備える。ラジエータ２２は、燃料電池スタック１に対して温風Ｆ１を、ラジエータ２３は、燃料電池スタック２に対して温風Ｆ２をそれぞれ吹き付けられるように配置されている。燃料電池スタック１の空気の排出口はラジエータ２３と、燃料電池スタック２の空気の排出口はラジエータ２２とそれぞれ配管で接続されている。

空気は、酸化剤供給弁６、７を開けた状態で、空気ポンプ５ａにより燃料電池スタック１、２に供給され、燃料電池スタック１を通過する空気はラジエータ２３に、燃料電池スタック２を通過する空気はラジエータ２２にそれぞれ送られる。そして、その空気は、ラジエータ２２、２３で冷却された後、水タンク１３に送られ、直接形燃料電池システムの外部に排出される。このとき、ラジエータ２２、２３は、燃料電池スタック１、２から排出される空気の熱を奪い取り、温風を発生させる。

燃料電池スタックが発電すると熱を発生するため、その燃料電池スタックを経由する空気は温められる。そして、この温められた空気をラジエータに供給することで、ラジエータから温風が発生する。よって、この温風を非発電状態の燃料電池スタックに吹き付けることで、燃料電池スタック１又は２のどちらか一方が発電していない場合であっても、その発電していない燃料電池スタックの温度は一定の温度に維持される。

図６は、図５の燃料電池スタックの一部の一例を示す概略構成図である。ＭＥＡ２５をセパレータ２４で挟持して単セルとし、その単セルを積層することにより、燃料電池スタック１および２は構成されている。図６では、単セル３つを積層した部分を示している。セパレータ２４は、貫通孔２４ａを中心付近に複数設けている。このようにすると、温風を、燃料電池スタックの各単セル内に送り込むことができ、その温風の熱を燃料電池スタック内に効率良く伝えて、その燃料電池スタックを温めることができる。

第５の実施形態では、発電している燃料電池スタックの熱によって、その燃料電池スタックを経由する空気は温められ、その空気を用いてラジエータで温風を発生させ、それを発電していない燃料電池スタックに吹き付けることにより、その発電していない燃料電池スタックも温められ、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ｅ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第６の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第６の実施形態について詳細に説明する。

図７は、燃料の配管が巻き付けられた燃料電池スタックの一例の画像を示す図である。燃料電池スタック３１は、燃料の配管３２を、セルの積層方向の周りに巻き付けて構成されている。この配管の巻き付けの形態や方法は、この実施形態の一例に限らず適宜変更できる。第６の実施形態では、第１の実施形態において、図７で示す燃料電池スタックを用いる。具体的には、燃料電池スタック１の燃料の排出口に接続された燃料の配管を、燃料電池スタック２に、燃料電池スタック２の燃料の排出口に接続された燃料の配管を、燃料電池スタック１に、それぞれ巻き付ける。

燃料電池スタックが発電すると熱を発生するため、その燃料電池スタックを経由するアルコール水溶液は温められる。よって、この温められたアルコール水溶液が流通する配管を、発電していない燃料電池スタックに巻きつけて、その配管に燃料を流通させることで、その発電していない燃料電池スタックの温度は、一定の温度に維持される。

第６の実施形態では、発電している燃料電池スタックを経由するアルコール水溶液を、発電していない燃料電池スタックに巻き付けられた配管に流通させて温めることで、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、第１の実施形態において、加熱手段９を、上記（Ｆ）とする液体燃料供給形である直接メタノール形燃料電池システムである。第７の実施形態の主な構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第７の実施形態について詳細に説明する。

図８は、燃料電池スタックのエンドプレートに貫通孔を設けた一例を示す概略構成図である。燃料電池スタック４１は、複数の単セル４２と、２枚のエンドプレート４３（１枚図示無し）とを備える。エンドプレート４３は、発電している燃料電池スタックから排出されるアルコール水溶液を流通させる貫通孔４３ａを設けている。この貫通孔４３ａは、この実施形態の一例に限らず適宜変更できる。第７の実施形態では、第１の実施形態において、図８で示す燃料電池スタックを用いる。具体的には、燃料電池スタック１の燃料の排出口に接続された燃料の配管を、燃料電池スタック２のエンドプレート４３の貫通孔４３ａに、燃料電池スタック２の燃料の排出口に接続された燃料の配管を、燃料電池スタック２のエンドプレート４３の貫通孔４３ａにそれぞれ接続する。

燃料電池スタックが発電すると熱を発生するため、その燃料電池スタックを経由するアルコール水溶液は温められる。よって、この温められたアルコール水溶液を発電していない燃料電池スタックのエンドプレートに接触させることで、その発電していない燃料電池スタックの温度は一定の温度に維持される。

第７の実施形態では、発電している燃料電池スタックを経由するアルコール水溶液を、発電していない燃料電池スタックのエンドプレートに設けた貫通孔に流通させて温めることで、その発電していない燃料電池スタックを直ちに起動することができる。

（第８の実施形態）
図９は、直ちに燃料電池スタックを起動させる燃料電池システムの運転方法の手順の一例を示す図である。複数の燃料電池スタックの発電中に、まず、対象の燃料電池スタックを、その燃料電池スタックに対応する燃料の供給弁や酸化剤の供給弁を閉じて発電状態から非発電状態にする（ステップＳ１）。次に、その非発電状態の燃料電池スタックに、発電状態の燃料電池スタックの熱を供給する（ステップＳ２）。例えば、発電状態の燃料電池スタックを経由する燃料を非発電状態の燃料電池スタックに供給する。この熱の供給のタイミングや供給の時間は、任意に設定しても良い。そして、その非発電状態の燃料電池スタックの運転再開時に、その非発電状態の燃料電池スタックに対応する燃料の供給弁と酸化剤の供給弁とを開けて非発電状態から発電状態にする（ステップＳ３）。以上の（ステップＳ１）から（ステップＳ３）までの手順により、非発電状態の燃料電池スタックは発電する前に温められて一定の温度に維持されているため、その燃料電池スタックは直ちに発電状態にして電気を供給することができる。

第８の実施形態では、発電状態と非発電状態との切り替え可能な燃料電池スタックを含め複数の燃料電池スタックが発電状態であって、その発電状態の一つの燃料電池スタックを長時間非発電状態にした後に再起動する場合、非発電状態の燃料電池スタックは直ちに起動することができる。

−実験例−
本実施形態の評価を行うために、下記の＜実験例１＞および＜比較例＞と＜実験例２＞を実施した。ここで、燃料電池スタックの温度は、燃料電池スタックの一番端の単セルに対してサーミスタによって測定したものを用いている。

１．実験
第２の実施形態の直接メタノール形燃料電池システムの出力特性を評価するために、下記の＜実験例１＞および＜比較例＞を実施した。そして、時間と比較対象の燃料電池スタックの電圧又は温度との関係をそれぞれ確認した。なお、以下の＜実験例１＞および＜比較例＞共に、室温約２６［℃］で実施した。
＜実験例１＞
図２の第２の実施形態と同様の構成で以下の（１）から（３）までの手順を実施する。
（１）負荷に接続された燃料電池スタック１および２に燃料であるアルコール水溶液および酸化剤である空気を供給し、燃料電池スタック１および２を１分間発電する。
（２）負荷を軽くして、燃料電池スタック２のアルコール水溶液および空気の供給を継続した状態で、燃料電池スタック１への空気の供給を停止する。つまり、燃料電池スタック１は発電を停止させ、燃料電池スタック２は発電を継続させる。
（３）燃料電池スタック１の発電を停止してから１時間後、負荷を重くして、燃料電池スタック１への空気の供給を再開する。

＜比較例＞
燃料電池スタック１および２の出力端子を並列に接続し、燃料電池スタック１および２の各々に燃料および空気を供給し、その燃料を循環させない構成で以下を実施する。具体的には、図１の第１の実施形態において、加熱手段９を除いた、従来の直接メタノール形燃料電池システムと同様の構成で、以下の（１）から（３）までの手順を実施する。
（１）負荷に接続された燃料電池スタック１および２に燃料であるアルコール水溶液および酸化剤である空気を供給し、燃料電池スタック１および２を１分間発電する。
（２）負荷を軽くして、燃料電池スタック２の燃料および空気の供給を継続した状態で燃料電池スタック１への燃料の供給を停止する。つまり、燃料電池スタック１は発電を停止させ、燃料電池スタック２は発電を継続させる。
（３）燃料電池スタック１の発電を停止してから１時間後、負荷を重くして、燃料電池スタック１への燃料の供給を再開する。

さらに、第２の実施形態から第７の実施形態までの液体供給形燃料電池システムの起動の確認として、以下の＜実験例２＞を、室温約１０［℃］、各実施形態と同様の構成で実施した。なお、比較のために従来例として、図３の第３の実施形態において、ラジエータによって冷却された空気を、非発電状態の燃料電池スタックに供給する凍結防止手段を備え、加熱手段であるケース１２を除いた直接メタノール形燃料電池システムに対しても同様の起動の確認を実施した。
＜実験例２＞
（１）まず、燃料電池スタック１のみを、８時間発電する。そして、負荷には、燃料電池スタック１のみから１０［Ａ］の電流を供給する。
（２）その後、燃料電池スタック１の発電を停止し、燃料電池スタック２のみを、８時間発電する。そして、負荷には、燃料電池スタック２のみから１０［Ａ］の電流を供給する。このとき、従来例以外は、加熱手段によって、燃料電池スタック２の熱を燃料電池スタック１に供給している状態となる。
（３）その後、燃料電池スタック２の発電を停止し、燃料電池スタック１のみの発電を実施する。このとき、燃料電池スタック１のみから負荷に１０［Ａ］の電流を直ちに供給できるかどうかを確認する。これにより、起動の確認を判定する。

２．実験結果
図１０は、＜実験例１＞の結果を示すグラフである。図１０は、縦軸に燃料電池スタック１の電圧［Ｖ］および燃料電池スタックの温度［℃］を、横軸に時間［分］をそれぞれ表している。図１０から、燃料電池スタック１の温度Ｔ１は、発電中約７０℃であり、燃料電池スタック１への空気の供給を停止した後減少しているが、６０℃半ばの温度を維持していることがわかる。また、燃料電池スタック１の電圧Ｖ１は、発電中約２１Ｖであり、燃料電池スタック１への空気の供給を停止すると０Ｖ以下になっていることがわかる。また、その空気の供給を停止してから１時間後にその供給を再開すると、燃料電池スタック１の電圧Ｖ１は、直ちに約１５Ｖになっていることがわかる。

図１１は、＜比較例＞の結果を示すグラフである。図１１は、縦軸に燃料電池スタック１の電圧［Ｖ］および燃料電池スタックの温度［℃］を、横軸に時間［分］をそれぞれ表している。図１１から、燃料電池スタック１の温度Ｔ２は、発電中約６８℃であり、燃料電池スタック１への燃料の供給を停止した後、室温約２６℃程度まで徐々に減少していることがわかる。また、燃料電池スタック１の電圧Ｖ２は、燃料の供給を停止しても暫く約２１Ｖであり、徐々に減少していることがわかる。なお、燃料の供給を停止してから１時間後の燃料電池スタック１の電圧Ｖ２は、約１１Ｖであることがわかる。また、その燃料の供給を停止してから１時間後にその供給を再開すると、燃料電池スタック１の電圧Ｖ２は、直ちに約０Ｖに減少していることがわかる。燃料電池スタック１への燃料の供給を再開したとき、燃料電池スタック１を構成する単位電池の数セルは、転極を生じていた。

以下の表１は、＜実験例２＞の結果を示す。ただし、燃料電池スタック１の起動の可否の欄で、○は、燃料電池スタック１が直ちに起動したことを、×は、燃料電池スタック１が直ちに起動しなかったことをそれぞれ示す。

表１から、第２の実施形態から第７の実施形態までの直接メタノール形形燃料電池システムでは、発電していない燃料電池スタック１を、８時間発電停止させた後も直ちに起動できることがわかる。さらに、＜実験例２＞（２）の手順における発電していない燃料電池スタック１の温度は、第２の実施形態、第４の実施形態および第７の実施形態では、６０［℃］から６３［℃］の高い温度に維持されていることがわかる。一方、従来例の直接メタノール形燃料電池システムでは、直ちに起動できないことと、＜実験例２＞（２）の手順における発電していない燃料電池スタック１の温度が２５［℃］であって、各実施形態よりも大幅に低下していることがわかる。

（まとめ）
燃料電池スタック内に燃料を流通させ、且つ、燃料電池スタックの温度を発電時の温度に近づけた状態で、その燃料電池スタックに空気を供給すると、その燃料電池スタックは、転極を生じることもなく、直ちに発電することが確認された。また、実験例２において、燃料電池スタックの温度を４６［℃］以上に維持することによっても直ちに起動できることも確認された。したがって、発電状態の燃料電池スタックによって発生する熱を、非発電状態の燃料電池スタックに供給することで、その非発電状態の燃料電池スタックを発電させることなくアイドリング状態におくことができる。そのため、長時間非発電状態にある場合でも、非発電状態の燃料電池スタックを直ちに発電させることができる。好ましくは、非発電状態の燃料電池スタックの温度を高く維持できる第２の実施形態、第４の実施形態および第７の実施形態である。

本発明によって、複数の燃料電池スタックを効率良く起動および停止することができる。そのため、複数の燃料電池スタックを備えた液体供給形燃料電池システムの稼働効率は向上し、その燃料電池システムの利用分野も多岐に広がることが期待される。したがって、需要の拡大も期待され、産業上の利用可能性は極めて大きい。

１、２、３１、４１ 燃料電池スタック
３ 燃料タンク
４ 燃料ポンプ
５ 酸化剤ポンプ
５ａ 空気ポンプ
６、７ 酸化剤供給弁
８ 電圧変換器
９ 加熱手段
１０ 燃料電池システム
１１ 制御手段
１２ ケース
１３ 水タンク
１４ 水ポンプ
１６、１７ 燃料供給弁
１８、１９、２２、２３ ラジエータ
２０ 液体供給形燃料電池システム
２１、４３ エンドプレート
２４ セパレータ
２４ａ 貫通孔
２５ ＭＥＡ
３２ 燃料の配管
４３ａ 貫通孔
Ｆ１、Ｆ２ 温風
Ｔ１、Ｔ２ 燃料電池スタックの温度
Ｖ１、Ｖ２ 燃料電池スタックの電圧

Claims (6)

1. 複数の燃料電池スタックを具備する燃料電池システムにおいて、
   少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段と、
   非発電状態の燃料電池スタックの温度を上げるための加熱手段とを備え、
   前記加熱手段は、
   発電状態の燃料電池スタックを熱源として、
   前記熱源からの熱を前記切替手段によって非発電状態にされた燃料電池スタックに
   供給する手段を具備する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、液体燃料と酸化剤とを反応させて発電させる液体供給形の燃料電池スタックであり、
   前記加熱手段は、
   発電状態の燃料電池スタックから排出された液体燃料を、
   非発電状態の燃料電池スタックに供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 液体燃料を貯蔵する燃料タンクをさらに備え、
   前記加熱手段は、発電状態の燃料電池スタックから排出された燃料を、
   前記燃料タンクに一旦貯蔵したあとで、非発電状態の燃料電池スタックに供給する
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 請求項３記載の加熱手段は、
   発電状態の燃料電池スタックにも、発電状態の燃料電池スタックから排出された燃料を前記燃料タンクに一旦貯蔵したあとで供給する
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記切替手段は、
   酸化剤の供給停止を行う酸化剤供給弁および前記酸化剤供給弁の開閉を制御する制御手段を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 複数の燃料電池スタックと、
   少なくとも一つの燃料電池スタックを、その他の燃料電池スタックと独立して、発電状態／非発電状態を切り替え可能にする切替手段と
   を具備する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記切替手段により、前記少なくとも一つの燃料電池スタックを、
   発電状態から非発電状態に切り替え後に、
   前記非発電状態の燃料電池スタックに、
   その他の発電状態の燃料電池を熱源とする熱を供給し、
   その後、切替手段により前記非発電状態の燃料電池スタックを、
   非発電状態から発電状態に切り替える
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

Images