JP4173744B2 - 燃料電池ユニットおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池を備え、複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、例えば、車両に搭載される燃料電池スタックでは、所望の出力電圧を得るために、数１００枚の単位セルを積層して電気的に直列に接続する必要がある。このため、１枚の単位セルに故障や不調が発生した場合、燃料電池スタック全体の発電不良が惹起してしまい、一旦、発電を停止した状態で、あるいは、負荷を低下させた状態で、燃料ガスを供給してパージ（掃気）を行うことが知られている。
【０００５】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタックを構成する１枚の単位セルに不具合が発生した際に、前記燃料電池スタック全体の発電を停止させるため、発電効率が著しく低下してしまう。特に、車載用として数１００枚の単位セルが積層されている場合、各単位セルの信頼性を大幅に向上させることが望まれている。しかも、パージに使用された燃料ガスを処理するために、希釈装置等を付設しなければならず、設備費が高騰して経済的ではないという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面型燃料電池が採用されている（特許文献１参照）。このため、１枚の平面型燃料電池から所望の電圧を得ることができ、複数の前記平面型燃料電池を積層することによって電流が積層され、該平面型燃料電池の積層数に応じた電流値を得ることが可能になる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、複数の平面型燃料電池が電気的に接続されているため、１枚の平面型燃料電池に不具合が発生すると、各平面型燃料電池間に大きな電圧差が惹起されるおそれがある。これにより、特に低電圧の平面型燃料電池に逆電圧がかかってしまい、前記平面型燃料電池が破損するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、いずれかの燃料電池に不具合が生じても、所望の発電を継続することができ、簡単な構成および工程で、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池ユニットおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池ユニットでは、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池と、複数の燃料電池を負荷に対して並列に接続する発電回路と、前記複数の発電部が直列に接続された前記燃料電池毎に、前記発電回路に対して電気的に個別に接続および切断可能な断続機構とを備えている。そして、複数の発電部は、第１金属拡散層に向かってアノード側電極が配置される複数の第１発電部と、前記第１金属拡散層に向かってカソード側電極が配置される複数の第２発電部とを有し、前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設されている。
【００１２】
このように、各燃料電池毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池に発電不良等が発生しても、残余の燃料電池により所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池が故障しても、この故障した燃料電池を発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池に逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１３】
また、各燃料電池には、個別に電圧調整を行うための可変抵抗器が前記燃料電池と直列に接続されるため、各燃料電池毎に個別に電圧調整が行われる。このため、各燃料電池に電圧差が発生することがなく、燃料電池ユニットとして良好な発電が確実に遂行される。
【００１４】
さらに、燃料電池は、一方の極に接続される第１出力端子と、他方の極に接続される第２出力端子とを備えている。そして、少なくも第２出力端子は、第１出力端子からそれぞれ異なる数の発電部を直列に接続する２以上の第２出力端子を設けるとともに、任意の第２出力端子と前記第１出力端子とを発電回路に接続可能な接続切り替え機構が設けられている。これにより、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池間の電圧差を調圧して効率的な発電が遂行される。
【００１５】
さらにまた、複数の燃料電池ユニットを負荷に対し並列に接続して発電が行われるとともに、各燃料電池ユニットの発電状態が検出される。その際、異常が発生した燃料電池ユニットは、負荷から個別に切断される一方、残余の燃料電池ユニットにより発電が継続して行われる。
【００１６】
このため、１以上の燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１７】
また、複数の燃料電池ユニットに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構と、前記複数の燃料電池ユニットに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構とを備え、前記燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、各燃料電池ユニット毎に前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止可能な開閉部を設けている。
【００１８】
従って、各燃料電池ユニット毎に発電状態を調整することができ、例えば、通常の負荷よりも低い負荷である際、少なくとも一の前記燃料電池ユニットの発電を停止させることが可能になる。
【００１９】
さらに、一定時間毎に異なる燃料電池ユニットの発電を、順次、停止させることができる。これにより、停止または発電している燃料電池ユニットの発電部が乾燥し過ぎたり、温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニットを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００２０】
さらにまた、発電を停止している燃料電池ユニットには、発電中の燃料電池ユニットに供給される冷却媒体よりも少量の冷却媒体が供給される。このため、停止している燃料電池ユニットを保温することができる。
【００２１】
また、燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、それぞれ設定負荷に応じた設定流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給するための第２ポンプとを並列に接続している。これにより、低負荷運転時に、最も効率のよい燃料電池ユニット数を選択するとともに、低負荷用の第２ポンプを使用することによって、高効率運転が確実に遂行される。
【００２２】
その際、冷却媒体供給機構は、設定負荷に応じた設定流量の冷却媒体を供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記冷却媒体を供給するための第２ポンプとを並列に接続している。従って、冷却媒体の流量を負荷状況に応じて良好に調整するとともに、冷却媒体用ポンプを効率的に活用することが可能になる。
【００２３】
さらに、金属拡散層自体が、発電部の電気的接続部材としての機能を有することができ、部品点数を大幅に削減することが可能になる。特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００の概略構成説明図である。
【００２５】
燃料電池ユニット１００は、複数の燃料電池１０ａ〜１０ｎを矢印Ａ方向に積層しており、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎをモータ等の負荷１０２に並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。
【００２６】
各燃料電池１０ａ〜１０ｎは同様に構成されており、以下、燃料電池１０ａについて詳細に説明し、燃料電池１０ｂ〜１０ｎの詳細な説明は省略する。図２および図３に示すように、燃料電池１０ａは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２拡散層１４、１６と、前記第１および第２拡散層１４、１６に積層される第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。
【００２７】
燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。
【００２８】
燃料電池１０ａの矢印Ｃ方向一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられるとともに、矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。
【００２９】
ＭＥＡユニット１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２８を備える。この固体高分子電解質膜２８を共通の電解質として、第１電解質膜・電極構造体（発電部）３０、第２電解質膜・電極構造体（発電部）３２、第３電解質膜・電極構造体（発電部）３４および第４電解質膜・電極構造体（発電部）３６が構成される。
【００３０】
第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の一端縁部に位置し、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、４つ設けられる。図４に示すように、各第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の一方の面２８ａに設けられる長方形状のカソード側電極３８と、前記固体高分子電解質膜２８の他方の面２８ｂに設けられる長方形状のアノード側電極４０とを備える。カソード側電極３８およびアノード側電極４０は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が固体高分子電解質膜２８の面２８ａ、２８ｂに塗布されて構成される。
【００３１】
固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の他端縁部に位置し、例えば、４つの第２電解質膜・電極構造体３２が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。各第２電解質膜・電極構造体３２は、面２８ａに設けられるアノード側電極４０と、面２８ｂに設けられるカソード側電極３８とを備えるとともに、第１電解質膜・電極構造体３０と点対称の位置に設けられる。
【００３２】
第１電解質膜・電極構造体３０の近傍には、例えば、７つの第３電解質膜・電極構造体３４が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４は、正方形状のアノード側電極４２とカソード側電極４４とを備え、前記アノード側電極４２および前記カソード側電極４４は、アノード側電極４０およびカソード側電極３８の長辺の略半分の長さに設定される。アノード側電極４２は、面２８ａに設けられる一方、カソード側電極４４は、面２８ｂに設けられる。
【００３３】
第３電解質膜・電極構造体３４は、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して３列に設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４間および該第３電解質膜・電極構造体３４と第２電解質膜・電極構造体３２間に第４電解質膜・電極構造体３６が形成される。
【００３４】
第４電解質膜・電極構造体３６は、上記の第３電解質膜・電極構造体３４と同様に構成されており、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して３列に設けられる。第４電解質膜・電極構造体３６は、面２８ａに設けられるカソード側電極４４と、面２８ｂに設けられるアノード側電極４２とを備えている。
【００３５】
図２に示すように、固体高分子電解質膜２８の両方の面２８ａ、２８ｂには、シリコンフィルム４６ａ、４６ｂが積層されており、前記シリコンフィルム４６ａ、４６ｂに第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応する切り抜き部４８ａ、４８ｂが形成されている。
【００３６】
図５に示すように、第１拡散層１４は、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタンまたはニッケル等の金属材料性の発泡体で形成される金属拡散層５０と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂で形成される樹脂層５２とを備える。
【００３７】
金属拡散層５０は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応して形成されている。この金属拡散層５０内には、第１および第３電解質膜・電極構造体３０、３４の間、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の間、並びに第４および第２電解質膜・電極構造体３６、３２間に配置され、矢印Ｂ方向に断続的に延在する樹脂製絶縁部５４が設けられる。
【００３８】
樹脂製絶縁部５４は、矢印Ｃ方向に配列された各発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を、それぞれ１つおきに電気的に絶縁するように設けられる。具体的には、矢印Ｃ方向に隣り合う第１電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極３８と第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００３９】
矢印Ｃ方向に互いに隣り合う第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とは、矢印Ｂ方向に対して電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。同様に、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と第２電解質膜・電極構造体３２のアノード側電極４０とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００４０】
第１電解質膜・電極構造体３０から第２電解質膜・電極構造体３２に向かって矢印Ｃ方向に延在する樹脂製絶縁部５６が設けられる。この樹脂製絶縁部５６は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６を矢印Ｂ方向に１つずつ電気的に絶縁するように設けられる。
【００４１】
図６に示すように、第２拡散層１６は、第１拡散層１４と同様に、金属拡散層５８と樹脂層６０とを備える。金属拡散層５８内には、矢印Ｂ方向に断続的に設けられ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して配列される複数本の樹脂製絶縁部６２と、矢印Ｃ方向に延在し、かつ矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して配列される樹脂製絶縁部６４とが設けられる。
【００４２】
第１および第２拡散層１４、１６が積層された状態では、樹脂製絶縁部６２と樹脂製絶縁部５４とが交互に配置される。金属拡散層５８には、対角位置に対応して接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂが、樹脂層６０を含浸して設けられる。接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂは、金属部分が表面に露出するように形成される。
【００４３】
図３に示すように、ＭＥＡユニット１２が第１および第２拡散層１４、１６で挟持されると、矢印Ｃ方向に沿って第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とが、金属拡散層５０を介して１つおきに電気的に接続される。一方、第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とが、金属拡散層５８を介して１つおきに電気的に接続される。
【００４４】
金属拡散層５０、５８では、樹脂製絶縁部５４、６２が交互に設けられることにより、矢印Ｃ方向に配列される第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６は、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２間で電気的に直列に接続される。図４に示すように、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２は、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の矢印Ｂ方向の長さの２倍の長さに設定されている。ＭＥＡユニット１２では、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続される。
【００４５】
図３および図７に示すように、第１セパレータ１８のＭＥＡユニット１２に対向する面１８ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路７０と燃料ガス流路７２とが矢印Ｃ方向に交互に形成される。酸化剤ガス流路７０は、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に矢印Ｃ方向に延在する連結流路７４ａ、７４ｂが連通する。連結流路７４ａは酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路７４ｂは酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４６】
燃料ガス流路７２は、同様に第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に形成されたそれぞれ複数個の貫通孔７６ａ、７６ｂに連通する。図２に示すように、第１セパレータ１８の他方の面１８ｂには、複数の貫通孔７６ａに一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路７８ａが設けられ、この連結流路７８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面１８ｂには、複数の貫通孔７６ｂに一体的に連通して矢印Ｃ方向に長尺な連結流路７８ｂが形成され、この連結流路７８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００４７】
図２、図３および図８に示すように、第２セパレータ２０のＭＥＡユニット１２に対向する面２０ａには、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応して矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路８０と、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応して矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８２とが形成される。
【００４８】
酸化剤ガス流路８０は、複数本の流路溝を有しており、矢印Ｂ方向両端には、矢印Ｃ方向に延在する連結流路８４ａ、８４ｂが連通する。連結流路８４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路８４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４９】
燃料ガス流路８２は、複数本の流路溝を備えており、矢印Ｂ方向両端にはそれぞれ複数の貫通孔８６ａ、８６ｂが連通する。図９に示すように、第２セパレータ２０の他方の面２０ｂには、複数の貫通孔８６ａを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ａが形成され、この連結流路８８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面２０ｂには、複数の貫通孔８６ｂを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ｂが形成され、この連結流路８８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００５０】
面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔２６ａと、冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路９０が形成される。この冷却媒体流路９０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝を備えており、前記冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向一端は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ａを介して冷却媒体入口連通孔２６ａに連通する。一方、冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向他端部は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通する。
【００５１】
図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａには、第２拡散層１６の接続端子部６６ａ、６６ｂに接続される端子部（第１出力端子）９４ａ、９４ｂと、接続端子部６８ａ、６８ｂに接続される端子部（第２出力端子）９６ａ、９６ｂとが組み込まれる。
【００５２】
図１に示すように、発電回路１０４は、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９４ａと負荷１０２に接続される導線１０８ａと、前記負荷１０２と断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎに接続される導線１０８ｂとを備える。断続器１１０ａ〜１１０ｎは、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９６ａに接続自在である。燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、例えば、それぞれの出力電圧（発電状態）を検出しており、設定電圧と比較して異常発生の有無を検出している。
【００５３】
このように構成される燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、ＭＥＡユニット１２内で、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続されている。従って、最先端の第１電解質膜・電極構造体３０ａと最後端の第２電解質膜・電極構造体３２ａとの間には、所定の電圧が確保されている。
【００５４】
その際、金属拡散層５０、５８自体が電極用接続部材としての機能を有している。このため、部品点数を大幅に削減することが可能になり、特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０ａ〜１０ｎ全体の構成が簡素化され、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎの小型化が容易に図られる。
【００５５】
次に、燃料電池ユニット１００の動作について、以下に説明する。
【００５６】
まず、燃料電池１０ａにおいて、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。
【００５７】
このため、酸化剤ガスは、図７に示すように、第１セパレータ１８の面１８ａに形成される連結流路７４ａから酸化剤ガス流路７０に供給され、矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５８】
また、酸化剤ガスは、図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａに形成される連結流路８４ａから酸化剤ガス流路８０に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路８４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、第１セパレータ１８の面１８ｂに形成される連結流路７８ａに導入され、この連結流路７８ａに連通する複数の貫通孔７６ａを通って面１８ａに形成される燃料ガス流路７２に導入される（図７参照）。この燃料ガス流路７２では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔７６ｂを通って面１８ｂ側の連結流路７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６０】
また、燃料ガスは、図９に示すように、第２セパレータ２０の面２０ｂに設けられる連結流路８８ａに導入され、この連結流路８８ａに連通する複数の貫通孔８６ａを通って面２０ａ側に導入される。図８に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路８２を矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔８６ｂから面２０ｂに設けられる連結流路８８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６１】
従って、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６では、カソード側電極３８、４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０、４２に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子部９４ａ、９６ａ間には、全ての発電部である第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。なお、燃料電池１０ｂ〜１０ｎでは、上記の燃料電池１０ａと同様に発電が行われており、燃料電池１０ａ〜１０ｎが並列されることによって、それぞれの出力電流値が積層（加算）される。
【００６２】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０ａ〜１０ｎが発電回路１０４に並列に接続されるとともに、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎは、断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎを介して前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能に構成されている。このため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に所望の電圧が得られ、例えば、燃料電池１０ａに発電不良等の異常が発生しても、残余の燃料電池１０ｂ〜１０ｎにより所望の電圧を維持することができる。
【００６３】
その際、異常が発生した燃料電池１０ａを断続器１１０ａの作用下に発電回路１０４から切り離すことにより、前記燃料電池１０ａに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池１０ｂ〜１０ｎを備えた燃料電池ユニット１００として、発電を継続して行うことができる。これにより、発電を停止した燃料電池１０ａに損傷等が発生することがなく、しかも効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００６４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニット１２０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３および第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
燃料電池ユニット１２０では、各燃料電池１０ａ〜１０ｎを個別に電圧調整するための可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎが、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎに対して断続器１１０ａ〜１１０ｎと直列に配置されている。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎを調整することにより各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に個別に電圧調整が行われるため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ間に電圧差が発生することがない。これにより、燃料電池ユニット１２０として良好な発電が確実に遂行されるという効果が得られる。なお、例えば、燃料電池１０ａに可変抵抗器１２２ａの可変範囲を超える電圧差が発生した際には、異常が発生した燃料電池１０ａのみを発電回路１０４から切り離せばよい。
【００６７】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１３０の概略構成説明図である。
【００６８】
この燃料電池ユニット１３０では、燃料電池１０ａ〜１０ｎにそれぞれ端子部９６ａ、９６ｂ、９６ｃおよび９６ｄが設けられる。端子部９６ａ〜９６ｄは、端子部９４ａからそれぞれ異なる数の発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を直列に接続しており、前記端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に接続する接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎが設けられる。この接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎは、それぞれ端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に個別に接続および切断可能な断続器１３４ａ〜１３４ｄを備える。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎ毎に断続器１３４ａ〜１３４ｄを選択的に接続することにより、端子部９６ａ〜９６ｄの任意の１つを発電回路１０４に接続することができる。このため、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池１０ａ〜１０ｎ間の電圧差を有効に調圧して、効率的な発電が遂行されるという効果が得られる。
【００７０】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃおよび１４０ｄを組み込む燃料電池システム１４２の反応ガス回路の概略説明図であり、図１３は、前記燃料電池システム１４２の冷却媒体回路の概略説明図である。
【００７１】
燃料電池システム１４２は、図１２に示すように、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを負荷１０２に対して並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄは、それぞれ第１の実施形態に係る燃料電池１０ａ〜１０ｎを積層して構成されるとともに、断続機構１０６は、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して設けられる断続器１１０ａ〜１１０ｄを備える。
【００７２】
燃料電池システム１４２は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構１４４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構１４６と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに冷却媒体を並列に供給する冷却媒体供給機構１４８とを備える（図１２および図１３参照）。
【００７３】
燃料ガス供給機構１４４は、図１２に示すように、燃料タンク１５０に第１燃料ポンプ１５２を介して接続される供給管路１５４を備え、この供給管路１５４には、第１燃料ポンプ１５２に並列して、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６が切り替え弁１５８を介して連通可能である。
【００７４】
供給管路１５４は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して４本に分岐し、それぞれ開閉弁（開閉部）１６０ａ〜１６０ｄを介して前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス供給側に開閉自在である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス排出側は、排出管路１６２に連通しており、この排出管路１６２が供給管路１５４に連通して循環経路を構成している。
【００７５】
酸化剤ガス供給機構１４６は、第１空気ポンプ１６４を配設した供給管路１６６を備える。この供給管路１６６は、４本に分岐してそれぞれ開閉弁（開閉部）１６８ａ〜１６８ｄを介し燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス供給側に個別に開閉可能に接続される。供給管路１６６には、第１空気ポンプ１６４に並列して、低負荷専用の第２空気ポンプ１７０が切り替え弁１７２を介して連通可能である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス排出側は、排出管路１７４を介して外部に開放される。
【００７６】
図１３に示すように、冷却媒体供給機構１４８は、熱交換器１７６が配設される循環管路１７８を備える。この循環管路１７８には、第１冷媒ポンプ１８０と低負荷専用の第２冷媒ポンプ１８２とが、切り替え弁１８４を介して選択的に連通する。
【００７７】
循環管路１７８は、４本に分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体供給側にそれぞれ流量制御弁１８６ａ〜１８６ｄを介して連通する一方、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体排出側は、切り替え弁１８８を介してバイパス管路１９０が連通自在である。このバイパス管路１９０は、熱交換器１７６をバイパスして第１および第２冷媒ポンプ１８０、１８２に連通する。
【００７８】
このように構成される燃料電池システム１４２では、設定負荷（負荷１０２）に応じて第１燃料ポンプ１５２、第１空気ポンプ１６４および第１冷媒ポンプ１８０が駆動される。このため、燃料ガス供給機構１４４では、燃料タンク１５０に充填されている燃料が供給管路１５４に供給され、この供給管路１５４内で分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給される。そして、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄで使用された燃料ガスは、排出管路１６２を介して供給管路１５４側に戻される。
【００７９】
酸化剤ガス供給機構１４６では、第１空気ポンプ１６４の作用下に、酸化剤ガスが供給管路１６６を介して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に導入された後、使用後の酸化剤ガスは、排出管路１７４を介して外部に排気される。これにより、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄでは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて第１の実施形態と同様に発電が行われ、負荷１０２に電力が供給される。
【００８０】
一方、冷却媒体供給機構１４８では、第１冷媒ポンプ１８０を介して循環管路１７８を冷却媒体が循環する。この冷却媒体は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給されて前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを冷却した後、バイパス管路１９０に供給される。また、冷却媒体は、必要に応じて熱交換器１７６を通ることにより温度を下げられた後、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却に使用される。
【００８１】
この場合、第４の実施形態では、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのそれぞれの発電状態が、例えば、出力電圧から検出され、この出力電圧が高すぎたり低すぎたりした際、すなわち、異常が発生した際に断続機構１０６が駆動される。このため、例えば、燃料電池ユニット１４０ｂに異常が発生した際には、断続器１１０ｂの作用下にこの燃料電池ユニット１４０ｂが発電回路１０４から切り離される。
【００８２】
これにより、異常が発生した燃料電池ユニット１４０ｂに逆電圧が作用することを阻止するとともに、残余の燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｃおよび１４０ｄを介して発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。その際、燃料ガス供給機構１４４および酸化剤ガス供給機構１４６では、開閉弁１６０ｂ、１６８ｂを閉じることにより、燃料電池ユニット１４０ｂへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止され、前記燃料電池ユニット１４０ｂの発電のみを停止させることができる。
【００８３】
さらにまた、負荷１０２が低負荷になった際には、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのいずれか１つ〜３つを選択的に停止させることができる。すなわち、図１４と図１５とは、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの全てを発電した場合（４ＵＮＩＴ ＯＮ）、燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂのみを発電した場合（２ＵＮＩＴ ＯＮ）、および燃料電池ユニット１４０ｂのみを発電した場合（１ＵＮＩＴ ＯＮ）において、それぞれの補機電力と効率線図との説明図である。
【００８４】
その際、２ＵＮＩＴ ＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、流量制御弁１８６ｃ、１８６ｄを絞って前記燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに供給される冷却媒体の流量を減少させる。また、１ＵＮＩＴ ＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄにおいて、上記と同様に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、冷却媒体の流量を絞っている。
【００８５】
図１５に示すように、電流（負荷）がα以下では、２ＵＮＩＴ ＯＮでの発電を行う一方、電流がαよりも低いβ以下では、１ＵＮＩＴ ＯＮでの発電を行う。さらに、電流がαよりも低いγ以下では、１ＵＮＩＴ ＯＮである燃料電池ユニット１４０ａのみの発電を行うとともに、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６および第２空気ポンプ１７５を、切り替え弁１５８、１７２を介して供給管路１５４、１６６に連通し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの低流量供給が行われる。
【００８６】
その結果、図１４および図１５に示すように、低負荷発電では、電流がβよりもさらに低いγにおいて発電効率が向上している。従って、低負荷発電時には、電流（負荷）の値に応じて最も効率のよいユニット数を選択して運転することにより、効率運転が確実に遂行されるという効果が得られる。
【００８７】
また、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの少なくとも１つの発電を停止させる際には、例えば、燃料電池ユニット１４０ａを一定時間停止させた後、燃料電池ユニット１４０ｂの発電を停止させ、さらに一定時間経過後に燃料電池ユニット１４０ｃの発電を停止させる。
【００８８】
これにより、停止または発電している燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの発電部が乾燥し過ぎたり温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００８９】
さらに、休止中の燃料電池ユニット１４０ａには、流量制御弁１８６ａを絞ることにより他の発電している燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄに供給される冷却媒体流量よりも少ない流量の冷却媒体が供給される。このため、停止している燃料電池ユニット１４０ａが必要以上に低温となることがなく、有効に保温することができるとともに、第１または第２冷却ポンプ１８０、１８２の仕事量を少なくして、効率の向上が図られる。
【００９０】
さらに、低負荷運転時には、第２燃料ポンプ１５６、第２空気ポンプ１７０および第２冷媒ポンプ１８２を使用することによって、さらに効率を向上し得る運転条件が設定されるという利点がある。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池ユニットおよびその運転方法では、燃料電池毎または燃料電池ユニット毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池または燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。
【００９２】
従って、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池または燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池または燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池ユニットを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１拡散層の正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２拡散層の正面図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図９】前記第２セパレータの他方の面の正面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニットを組み込む燃料電池システムの反応ガス回路の概略説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの冷却媒体回路の概略説明図である。
【図１４】発電されるユニット数と補機電力の説明図である。
【図１５】前記ユニット数による効率線図の説明図である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｎ…燃料電池 １２…ＭＥＡユニット
１４、１６…拡散層 １８、２０…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜
３０、３０ａ、３２、３２ａ、３４、３６…電解質膜・電極構造体
３８、４４…カソード側電極 ４０、４２…アノード側電極
５０、５８…金属拡散層 ５２、６０…樹脂層
５４、５６、６２、６４…樹脂製絶縁部 ７０、８０…酸化剤ガス流路
７２、８２…燃料ガス流路
７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ、９２ａ、９２ｂ…連結流路
７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ…貫通孔
９０…冷却媒体流路
９４ａ、９４ｂ、９６ａ〜９６ｄ…端子部
１００、１２０、１３０、１４０ａ〜１４０ｄ…燃料電池ユニット
１０２…負荷 １０４…発電回路
１０６…断続機構
１１０ａ〜１１０ｎ、１３４ａ〜１３４ｄ…断続器
１２２ａ〜１２２ｎ…可変抵抗器
１３２ａ〜１３２ｎ…接続切り替え機構 １４２…燃料電池システム
１４４…燃料ガス供給機構 １４６…酸化剤ガス供給機構
１４８…冷却媒体供給機構 １５２、１５６…燃料ポンプ
１５４、１６６…供給管路
１５８、１７２、１８４…切り替え弁
１６０ａ〜１６０ｄ、１６８ａ〜１６８ｄ…開閉弁
１６４、１７０…空気ポンプ １７６…熱交換器
１７８…循環管路 １８０、１８２…冷媒ポンプ
１８６ａ〜１８６ｄ…流量制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池を備え、複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、例えば、車両に搭載される燃料電池スタックでは、所望の出力電圧を得るために、数１００枚の単位セルを積層して電気的に直列に接続する必要がある。このため、１枚の単位セルに故障や不調が発生した場合、燃料電池スタック全体の発電不良が惹起してしまい、一旦、発電を停止した状態で、あるいは、負荷を低下させた状態で、燃料ガスを供給してパージ（掃気）を行うことが知られている。
【０００５】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタックを構成する１枚の単位セルに不具合が発生した際に、前記燃料電池スタック全体の発電を停止させるため、発電効率が著しく低下してしまう。特に、車載用として数１００枚の単位セルが積層されている場合、各単位セルの信頼性を大幅に向上させることが望まれている。しかも、パージに使用された燃料ガスを処理するために、希釈装置等を付設しなければならず、設備費が高騰して経済的ではないという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面型燃料電池が採用されている（特許文献１参照）。このため、１枚の平面型燃料電池から所望の電圧を得ることができ、複数の前記平面型燃料電池を積層することによって電流が積層され、該平面型燃料電池の積層数に応じた電流値を得ることが可能になる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、複数の平面型燃料電池が電気的に接続されているため、１枚の平面型燃料電池に不具合が発生すると、各平面型燃料電池間に大きな電圧差が惹起されるおそれがある。これにより、特に低電圧の平面型燃料電池に逆電圧がかかってしまい、前記平面型燃料電池が破損するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、いずれかの燃料電池に不具合が生じても、所望の発電を継続することができ、簡単な構成および工程で、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池ユニットおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池ユニットでは、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池と、複数の燃料電池を負荷に対して並列に接続する発電回路と、前記複数の発電部が直列に接続された前記燃料電池毎に、前記発電回路に対して電気的に個別に接続および切断可能な断続機構とを備えている。そして、複数の発電部は、第１金属拡散層に向かってアノード側電極が配置される複数の第１発電部と、前記第１金属拡散層に向かってカソード側電極が配置される複数の第２発電部とを有し、前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設されている。
【００１２】
このように、各燃料電池毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池に発電不良等が発生しても、残余の燃料電池により所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池が故障しても、この故障した燃料電池を発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池に逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１３】
また、各燃料電池には、個別に電圧調整を行うための可変抵抗器が前記燃料電池と直列に接続されるため、各燃料電池毎に個別に電圧調整が行われる。このため、各燃料電池に電圧差が発生することがなく、燃料電池ユニットとして良好な発電が確実に遂行される。
【００１４】
さらに、燃料電池は、一方の極に接続される第１出力端子と、他方の極に接続される第２出力端子とを備えている。そして、少なくも第２出力端子は、第１出力端子からそれぞれ異なる数の発電部を直列に接続する２以上の第２出力端子を設けるとともに、任意の第２出力端子と前記第１出力端子とを発電回路に接続可能な接続切り替え機構が設けられている。これにより、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池間の電圧差を調圧して効率的な発電が遂行される。
【００１５】
さらにまた、複数の燃料電池ユニットを負荷に対し並列に接続して発電が行われるとともに、各燃料電池ユニットの発電状態が検出される。その際、異常が発生した燃料電池ユニットは、負荷から個別に切断される一方、残余の燃料電池ユニットにより発電が継続して行われる。
【００１６】
このため、１以上の燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。従って、１以上の燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１７】
また、複数の燃料電池ユニットに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構と、前記複数の燃料電池ユニットに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構とを備え、前記燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、各燃料電池ユニット毎に前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止可能な開閉部を設けている。
【００１８】
従って、各燃料電池ユニット毎に発電状態を調整することができ、例えば、通常の負荷よりも低い負荷である際、少なくとも一の前記燃料電池ユニットの発電を停止させることが可能になる。
【００１９】
さらに、一定時間毎に異なる燃料電池ユニットの発電を、順次、停止させることができる。これにより、停止または発電している燃料電池ユニットの発電部が乾燥し過ぎたり、温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニットを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００２０】
さらにまた、発電を停止している燃料電池ユニットには、発電中の燃料電池ユニットに供給される冷却媒体よりも少量の冷却媒体が供給される。このため、停止している燃料電池ユニットを保温することができる。
【００２１】
また、燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、それぞれ設定負荷に応じた設定流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給するための第２ポンプとを並列に接続している。これにより、低負荷運転時に、最も効率のよい燃料電池ユニット数を選択するとともに、低負荷用の第２ポンプを使用することによって、高効率運転が確実に遂行される。
【００２２】
その際、冷却媒体供給機構は、設定負荷に応じた設定流量の冷却媒体を供給するための第１ポンプと、低負荷に応じた低流量の前記冷却媒体を供給するための第２ポンプとを並列に接続している。従って、冷却媒体の流量を負荷状況に応じて良好に調整するとともに、冷却媒体用ポンプを効率的に活用することが可能になる。
【００２３】
さらに、金属拡散層自体が、発電部の電気的接続部材としての機能を有することができ、部品点数を大幅に削減することが可能になる。特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００の概略構成説明図である。
【００２５】
燃料電池ユニット１００は、複数の燃料電池１０ａ〜１０ｎを矢印Ａ方向に積層しており、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎをモータ等の負荷１０２に並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。
【００２６】
各燃料電池１０ａ〜１０ｎは同様に構成されており、以下、燃料電池１０ａについて詳細に説明し、燃料電池１０ｂ〜１０ｎの詳細な説明は省略する。図２および図３に示すように、燃料電池１０ａは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２拡散層１４、１６と、前記第１および第２拡散層１４、１６に積層される第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。
【００２７】
燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池１０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが設けられる。
【００２８】
燃料電池１０ａの矢印Ｃ方向一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａが設けられるとともに、矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂが設けられる。
【００２９】
ＭＥＡユニット１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２８を備える。この固体高分子電解質膜２８を共通の電解質として、第１電解質膜・電極構造体（発電部）３０、第２電解質膜・電極構造体（発電部）３２、第３電解質膜・電極構造体（発電部）３４および第４電解質膜・電極構造体（発電部）３６が構成される。
【００３０】
第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の一端縁部に位置し、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、４つ設けられる。図４に示すように、各第１電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜２８の一方の面２８ａに設けられる長方形状のカソード側電極３８と、前記固体高分子電解質膜２８の他方の面２８ｂに設けられる長方形状のアノード側電極４０とを備える。カソード側電極３８およびアノード側電極４０は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が固体高分子電解質膜２８の面２８ａ、２８ｂに塗布されて構成される。
【００３１】
固体高分子電解質膜２８の矢印Ｃ方向の他端縁部に位置し、例えば、４つの第２電解質膜・電極構造体３２が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。各第２電解質膜・電極構造体３２は、面２８ａに設けられるアノード側電極４０と、面２８ｂに設けられるカソード側電極３８とを備えるとともに、第１電解質膜・電極構造体３０と点対称の位置に設けられる。
【００３２】
第１電解質膜・電極構造体３０の近傍には、例えば、７つの第３電解質膜・電極構造体３４が矢印Ｂ方向に配列して設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４は、正方形状のアノード側電極４２とカソード側電極４４とを備え、前記アノード側電極４２および前記カソード側電極４４は、アノード側電極４０およびカソード側電極３８の長辺の略半分の長さに設定される。アノード側電極４２は、面２８ａに設けられる一方、カソード側電極４４は、面２８ｂに設けられる。
【００３３】
第３電解質膜・電極構造体３４は、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定の間隔ずつ離間して３列に設けられる。第３電解質膜・電極構造体３４間および該第３電解質膜・電極構造体３４と第２電解質膜・電極構造体３２間に第４電解質膜・電極構造体３６が形成される。
【００３４】
第４電解質膜・電極構造体３６は、上記の第３電解質膜・電極構造体３４と同様に構成されており、矢印Ｂ方向に７個ずつ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して３列に設けられる。第４電解質膜・電極構造体３６は、面２８ａに設けられるカソード側電極４４と、面２８ｂに設けられるアノード側電極４２とを備えている。
【００３５】
図２に示すように、固体高分子電解質膜２８の両方の面２８ａ、２８ｂには、シリコンフィルム４６ａ、４６ｂが積層されており、前記シリコンフィルム４６ａ、４６ｂに第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応する切り抜き部４８ａ、４８ｂが形成されている。
【００３６】
図５に示すように、第１拡散層１４は、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタンまたはニッケル等の金属材料性の発泡体で形成される金属拡散層５０と、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂で形成される樹脂層５２とを備える。
【００３７】
金属拡散層５０は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６の形状に対応して形成されている。この金属拡散層５０内には、第１および第３電解質膜・電極構造体３０、３４の間、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の間、並びに第４および第２電解質膜・電極構造体３６、３２間に配置され、矢印Ｂ方向に断続的に延在する樹脂製絶縁部５４が設けられる。
【００３８】
樹脂製絶縁部５４は、矢印Ｃ方向に配列された各発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を、それぞれ１つおきに電気的に絶縁するように設けられる。具体的には、矢印Ｃ方向に隣り合う第１電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極３８と第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００３９】
矢印Ｃ方向に互いに隣り合う第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とは、矢印Ｂ方向に対して電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。同様に、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４と第２電解質膜・電極構造体３２のアノード側電極４０とは、矢印Ｂ方向に沿って電気的接続と電気的絶縁とを交互に繰り返す。
【００４０】
第１電解質膜・電極構造体３０から第２電解質膜・電極構造体３２に向かって矢印Ｃ方向に延在する樹脂製絶縁部５６が設けられる。この樹脂製絶縁部５６は、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６を矢印Ｂ方向に１つずつ電気的に絶縁するように設けられる。
【００４１】
図６に示すように、第２拡散層１６は、第１拡散層１４と同様に、金属拡散層５８と樹脂層６０とを備える。金属拡散層５８内には、矢印Ｂ方向に断続的に設けられ、かつ矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間して配列される複数本の樹脂製絶縁部６２と、矢印Ｃ方向に延在し、かつ矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して配列される樹脂製絶縁部６４とが設けられる。
【００４２】
第１および第２拡散層１４、１６が積層された状態では、樹脂製絶縁部６２と樹脂製絶縁部５４とが交互に配置される。金属拡散層５８には、対角位置に対応して接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂが、樹脂層６０を含浸して設けられる。接続端子部６６ａ、６６ｂおよび６８ａ、６８ｂは、金属部分が表面に露出するように形成される。
【００４３】
図３に示すように、ＭＥＡユニット１２が第１および第２拡散層１４、１６で挟持されると、矢印Ｃ方向に沿って第３電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４２と、第４電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極４４とが、金属拡散層５０を介して１つおきに電気的に接続される。一方、第３電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極４４と、第４電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極４２とが、金属拡散層５８を介して１つおきに電気的に接続される。
【００４４】
金属拡散層５０、５８では、樹脂製絶縁部５４、６２が交互に設けられることにより、矢印Ｃ方向に配列される第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６は、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２間で電気的に直列に接続される。図４に示すように、第１および第２電解質膜・電極構造体３０、３２は、第３および第４電解質膜・電極構造体３４、３６の矢印Ｂ方向の長さの２倍の長さに設定されている。ＭＥＡユニット１２では、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続される。
【００４５】
図３および図７に示すように、第１セパレータ１８のＭＥＡユニット１２に対向する面１８ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路７０と燃料ガス流路７２とが矢印Ｃ方向に交互に形成される。酸化剤ガス流路７０は、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に矢印Ｃ方向に延在する連結流路７４ａ、７４ｂが連通する。連結流路７４ａは酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路７４ｂは酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４６】
燃料ガス流路７２は、同様に第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応する複数本の流路溝を設けており、矢印Ｂ方向両端に形成されたそれぞれ複数個の貫通孔７６ａ、７６ｂに連通する。図２に示すように、第１セパレータ１８の他方の面１８ｂには、複数の貫通孔７６ａに一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路７８ａが設けられ、この連結流路７８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面１８ｂには、複数の貫通孔７６ｂに一体的に連通して矢印Ｃ方向に長尺な連結流路７８ｂが形成され、この連結流路７８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００４７】
図２、図３および図８に示すように、第２セパレータ２０のＭＥＡユニット１２に対向する面２０ａには、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４に対応して矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路８０と、第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６に対応して矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路８２とが形成される。
【００４８】
酸化剤ガス流路８０は、複数本の流路溝を有しており、矢印Ｂ方向両端には、矢印Ｃ方向に延在する連結流路８４ａ、８４ｂが連通する。連結流路８４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する一方、連結流路８４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。
【００４９】
燃料ガス流路８２は、複数本の流路溝を備えており、矢印Ｂ方向両端にはそれぞれ複数の貫通孔８６ａ、８６ｂが連通する。図９に示すように、第２セパレータ２０の他方の面２０ｂには、複数の貫通孔８６ａを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ａが形成され、この連結流路８８ａが燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。同様に、面２０ｂには、複数の貫通孔８６ｂを一体的に連通して矢印Ｃ方向に延在する連結流路８８ｂが形成され、この連結流路８８ｂが燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
【００５０】
面２０ｂには、冷却媒体入口連通孔２６ａと、冷却媒体出口連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路９０が形成される。この冷却媒体流路９０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路溝を備えており、前記冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向一端は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ａを介して冷却媒体入口連通孔２６ａに連通する。一方、冷却媒体流路９０の矢印Ｂ方向他端部は、矢印Ｃ方向に延在する連結流路９２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２６ｂに連通する。
【００５１】
図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａには、第２拡散層１６の接続端子部６６ａ、６６ｂに接続される端子部（第１出力端子）９４ａ、９４ｂと、接続端子部６８ａ、６８ｂに接続される端子部（第２出力端子）９６ａ、９６ｂとが組み込まれる。
【００５２】
図１に示すように、発電回路１０４は、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９４ａと負荷１０２に接続される導線１０８ａと、前記負荷１０２と断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎに接続される導線１０８ｂとを備える。断続器１１０ａ〜１１０ｎは、燃料電池１０ａ〜１０ｎの各端子部９６ａに接続自在である。燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、例えば、それぞれの出力電圧（発電状態）を検出しており、設定電圧と比較して異常発生の有無を検出している。
【００５３】
このように構成される燃料電池１０ａ〜１０ｎでは、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が、ＭＥＡユニット１２内で、図４中、矢印方向に示すように、電気的に直列に接続されている。従って、最先端の第１電解質膜・電極構造体３０ａと最後端の第２電解質膜・電極構造体３２ａとの間には、所定の電圧が確保されている。
【００５４】
その際、金属拡散層５０、５８自体が電極用接続部材としての機能を有している。このため、部品点数を大幅に削減することが可能になり、特に、多数の発電部を配置する際に経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０ａ〜１０ｎ全体の構成が簡素化され、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎの小型化が容易に図られる。
【００５５】
次に、燃料電池ユニット１００の動作について、以下に説明する。
【００５６】
まず、燃料電池１０ａにおいて、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。
【００５７】
このため、酸化剤ガスは、図７に示すように、第１セパレータ１８の面１８ａに形成される連結流路７４ａから酸化剤ガス流路７０に供給され、矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５８】
また、酸化剤ガスは、図８に示すように、第２セパレータ２０の面２０ａに形成される連結流路８４ａから酸化剤ガス流路８０に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のカソード側電極３８、４４に沿って移動する。この酸化剤ガスは、連結流路８４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、第１セパレータ１８の面１８ｂに形成される連結流路７８ａに導入され、この連結流路７８ａに連通する複数の貫通孔７６ａを通って面１８ａに形成される燃料ガス流路７２に導入される（図７参照）。この燃料ガス流路７２では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に移動しながら、第２および第３電解質膜・電極構造体３２、３４のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔７６ｂを通って面１８ｂ側の連結流路７８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６０】
また、燃料ガスは、図９に示すように、第２セパレータ２０の面２０ｂに設けられる連結流路８８ａに導入され、この連結流路８８ａに連通する複数の貫通孔８６ａを通って面２０ａ側に導入される。図８に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路８２を矢印Ｂ方向に移動しながら第１および第４電解質膜・電極構造体３０、３６のアノード側電極４０、４２に沿って移動する。この燃料ガスは、複数の貫通孔８６ｂから面２０ｂに設けられる連結流路８８ｂに導入され、燃料ガス出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６１】
従って、第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６では、カソード側電極３８、４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０、４２に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子部９４ａ、９６ａ間には、全ての発電部である第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。なお、燃料電池１０ｂ〜１０ｎでは、上記の燃料電池１０ａと同様に発電が行われており、燃料電池１０ａ〜１０ｎが並列されることによって、それぞれの出力電流値が積層（加算）される。
【００６２】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０ａ〜１０ｎが発電回路１０４に並列に接続されるとともに、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎは、断続機構１０６を構成する断続器１１０ａ〜１１０ｎを介して前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能に構成されている。このため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に所望の電圧が得られ、例えば、燃料電池１０ａに発電不良等の異常が発生しても、残余の燃料電池１０ｂ〜１０ｎにより所望の電圧を維持することができる。
【００６３】
その際、異常が発生した燃料電池１０ａを断続器１１０ａの作用下に発電回路１０４から切り離すことにより、前記燃料電池１０ａに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池１０ｂ〜１０ｎを備えた燃料電池ユニット１００として、発電を継続して行うことができる。これにより、発電を停止した燃料電池１０ａに損傷等が発生することがなく、しかも効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００６４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニット１２０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池ユニット１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３および第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
燃料電池ユニット１２０では、各燃料電池１０ａ〜１０ｎを個別に電圧調整するための可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎが、前記燃料電池１０ａ〜１０ｎに対して断続器１１０ａ〜１１０ｎと直列に配置されている。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、可変抵抗器１２２ａ〜１２２ｎを調整することにより各燃料電池１０ａ〜１０ｎ毎に個別に電圧調整が行われるため、各燃料電池１０ａ〜１０ｎ間に電圧差が発生することがない。これにより、燃料電池ユニット１２０として良好な発電が確実に遂行されるという効果が得られる。なお、例えば、燃料電池１０ａに可変抵抗器１２２ａの可変範囲を超える電圧差が発生した際には、異常が発生した燃料電池１０ａのみを発電回路１０４から切り離せばよい。
【００６７】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニット１３０の概略構成説明図である。
【００６８】
この燃料電池ユニット１３０では、燃料電池１０ａ〜１０ｎにそれぞれ端子部９６ａ、９６ｂ、９６ｃおよび９６ｄが設けられる。端子部９６ａ〜９６ｄは、端子部９４ａからそれぞれ異なる数の発電部（第１〜第４電解質膜・電極構造体３０〜３６）を直列に接続しており、前記端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に接続する接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎが設けられる。この接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎは、それぞれ端子部９６ａ〜９６ｄを発電回路１０４に個別に接続および切断可能な断続器１３４ａ〜１３４ｄを備える。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、接続切り替え機構１３２ａ〜１３２ｎ毎に断続器１３４ａ〜１３４ｄを選択的に接続することにより、端子部９６ａ〜９６ｄの任意の１つを発電回路１０４に接続することができる。このため、発電状況等に応じて出力電圧を変更させることができ、燃料電池１０ａ〜１０ｎ間の電圧差を有効に調圧して、効率的な発電が遂行されるという効果が得られる。
【００７０】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃおよび１４０ｄを組み込む燃料電池システム１４２の反応ガス回路の概略説明図であり、図１３は、前記燃料電池システム１４２の冷却媒体回路の概略説明図である。
【００７１】
燃料電池システム１４２は、図１２に示すように、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを負荷１０２に対して並列に接続する発電回路１０４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを前記発電回路１０４に対して個別に接続および切断可能な断続機構１０６とを備える。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄは、それぞれ第１の実施形態に係る燃料電池１０ａ〜１０ｎを積層して構成されるとともに、断続機構１０６は、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して設けられる断続器１１０ａ〜１１０ｄを備える。
【００７２】
燃料電池システム１４２は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構１４４と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構１４６と、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに冷却媒体を並列に供給する冷却媒体供給機構１４８とを備える（図１２および図１３参照）。
【００７３】
燃料ガス供給機構１４４は、図１２に示すように、燃料タンク１５０に第１燃料ポンプ１５２を介して接続される供給管路１５４を備え、この供給管路１５４には、第１燃料ポンプ１５２に並列して、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６が切り替え弁１５８を介して連通可能である。
【００７４】
供給管路１５４は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに対応して４本に分岐し、それぞれ開閉弁（開閉部）１６０ａ〜１６０ｄを介して前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス供給側に開閉自在である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの燃料ガス排出側は、排出管路１６２に連通しており、この排出管路１６２が供給管路１５４に連通して循環経路を構成している。
【００７５】
酸化剤ガス供給機構１４６は、第１空気ポンプ１６４を配設した供給管路１６６を備える。この供給管路１６６は、４本に分岐してそれぞれ開閉弁（開閉部）１６８ａ〜１６８ｄを介し燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス供給側に個別に開閉可能に接続される。供給管路１６６には、第１空気ポンプ１６４に並列して、低負荷専用の第２空気ポンプ１７０が切り替え弁１７２を介して連通可能である。燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの酸化剤ガス排出側は、排出管路１７４を介して外部に開放される。
【００７６】
図１３に示すように、冷却媒体供給機構１４８は、熱交換器１７６が配設される循環管路１７８を備える。この循環管路１７８には、第１冷媒ポンプ１８０と低負荷専用の第２冷媒ポンプ１８２とが、切り替え弁１８４を介して選択的に連通する。
【００７７】
循環管路１７８は、４本に分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体供給側にそれぞれ流量制御弁１８６ａ〜１８６ｄを介して連通する一方、前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却媒体排出側は、切り替え弁１８８を介してバイパス管路１９０が連通自在である。このバイパス管路１９０は、熱交換器１７６をバイパスして第１および第２冷媒ポンプ１８０、１８２に連通する。
【００７８】
このように構成される燃料電池システム１４２では、設定負荷（負荷１０２）に応じて第１燃料ポンプ１５２、第１空気ポンプ１６４および第１冷媒ポンプ１８０が駆動される。このため、燃料ガス供給機構１４４では、燃料タンク１５０に充填されている燃料が供給管路１５４に供給され、この供給管路１５４内で分岐して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給される。そして、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄで使用された燃料ガスは、排出管路１６２を介して供給管路１５４側に戻される。
【００７９】
酸化剤ガス供給機構１４６では、第１空気ポンプ１６４の作用下に、酸化剤ガスが供給管路１６６を介して燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に導入された後、使用後の酸化剤ガスは、排出管路１７４を介して外部に排気される。これにより、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄでは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて第１の実施形態と同様に発電が行われ、負荷１０２に電力が供給される。
【００８０】
一方、冷却媒体供給機構１４８では、第１冷媒ポンプ１８０を介して循環管路１７８を冷却媒体が循環する。この冷却媒体は、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄに並列的に供給されて前記燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを冷却した後、バイパス管路１９０に供給される。また、冷却媒体は、必要に応じて熱交換器１７６を通ることにより温度を下げられた後、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの冷却に使用される。
【００８１】
この場合、第４の実施形態では、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのそれぞれの発電状態が、例えば、出力電圧から検出され、この出力電圧が高すぎたり低すぎたりした際、すなわち、異常が発生した際に断続機構１０６が駆動される。このため、例えば、燃料電池ユニット１４０ｂに異常が発生した際には、断続器１１０ｂの作用下にこの燃料電池ユニット１４０ｂが発電回路１０４から切り離される。
【００８２】
これにより、異常が発生した燃料電池ユニット１４０ｂに逆電圧が作用することを阻止するとともに、残余の燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｃおよび１４０ｄを介して発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。その際、燃料ガス供給機構１４４および酸化剤ガス供給機構１４６では、開閉弁１６０ｂ、１６８ｂを閉じることにより、燃料電池ユニット１４０ｂへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止され、前記燃料電池ユニット１４０ｂの発電のみを停止させることができる。
【００８３】
さらにまた、負荷１０２が低負荷になった際には、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄのいずれか１つ〜３つを選択的に停止させることができる。すなわち、図１４と図１５とは、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの全てを発電した場合（４ＵＮＩＴ ＯＮ）、燃料電池ユニット１４０ａ、１４０ｂのみを発電した場合（２ＵＮＩＴ ＯＮ）、および燃料電池ユニット１４０ｂのみを発電した場合（１ＵＮＩＴ ＯＮ）において、それぞれの補機電力と効率線図との説明図である。
【００８４】
その際、２ＵＮＩＴ ＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、流量制御弁１８６ｃ、１８６ｄを絞って前記燃料電池ユニット１４０ｃ、１４０ｄに供給される冷却媒体の流量を減少させる。また、１ＵＮＩＴ ＯＮでは、燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄにおいて、上記と同様に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、冷却媒体の流量を絞っている。
【００８５】
図１５に示すように、電流（負荷）がα以下では、２ＵＮＩＴ ＯＮでの発電を行う一方、電流がαよりも低いβ以下では、１ＵＮＩＴ ＯＮでの発電を行う。さらに、電流がαよりも低いγ以下では、１ＵＮＩＴ ＯＮである燃料電池ユニット１４０ａのみの発電を行うとともに、低負荷専用の第２燃料ポンプ１５６および第２空気ポンプ１７５を、切り替え弁１５８、１７２を介して供給管路１５４、１６６に連通し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの低流量供給が行われる。
【００８６】
その結果、図１４および図１５に示すように、低負荷発電では、電流がβよりもさらに低いγにおいて発電効率が向上している。従って、低負荷発電時には、電流（負荷）の値に応じて最も効率のよいユニット数を選択して運転することにより、効率運転が確実に遂行されるという効果が得られる。
【００８７】
また、燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの少なくとも１つの発電を停止させる際には、例えば、燃料電池ユニット１４０ａを一定時間停止させた後、燃料電池ユニット１４０ｂの発電を停止させ、さらに一定時間経過後に燃料電池ユニット１４０ｃの発電を停止させる。
【００８８】
これにより、停止または発電している燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄの発電部が乾燥し過ぎたり温度低下し過ぎたりすることを有効に阻止することが可能になる。しかも、定期的に任意の燃料電池ユニット１４０ａ〜１４０ｄを休止させることにより、パージ（掃気）効果を持たせることができる。
【００８９】
さらに、休止中の燃料電池ユニット１４０ａには、流量制御弁１８６ａを絞ることにより他の発電している燃料電池ユニット１４０ｂ〜１４０ｄに供給される冷却媒体流量よりも少ない流量の冷却媒体が供給される。このため、停止している燃料電池ユニット１４０ａが必要以上に低温となることがなく、有効に保温することができるとともに、第１または第２冷却ポンプ１８０、１８２の仕事量を少なくして、効率の向上が図られる。
【００９０】
さらに、低負荷運転時には、第２燃料ポンプ１５６、第２空気ポンプ１７０および第２冷媒ポンプ１８２を使用することによって、さらに効率を向上し得る運転条件が設定されるという利点がある。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池ユニットおよびその運転方法では、燃料電池毎または燃料電池ユニット毎に所望の電圧が得られるため、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットに発電不良等が発生しても、残余の燃料電池または燃料電池ユニットにより所望の電圧を維持することができる。
【００９２】
従って、１以上の燃料電池または燃料電池ユニットが故障しても、この故障した燃料電池または燃料電池ユニットを発電回路から切断することにより、該故障した燃料電池または燃料電池ユニットに逆電圧が作用することを阻止するとともに、燃料電池ユニットとして発電を継続して行うことができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池ユニットを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１拡散層の正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２拡散層の正面図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図９】前記第２セパレータの他方の面の正面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池ユニットを組み込む燃料電池システムの反応ガス回路の概略説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの冷却媒体回路の概略説明図である。
【図１４】発電されるユニット数と補機電力の説明図である。
【図１５】前記ユニット数による効率線図の説明図である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｎ…燃料電池 １２…ＭＥＡユニット
１４、１６…拡散層 １８、２０…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜
３０、３０ａ、３２、３２ａ、３４、３６…電解質膜・電極構造体
３８、４４…カソード側電極 ４０、４２…アノード側電極
５０、５８…金属拡散層 ５２、６０…樹脂層
５４、５６、６２、６４…樹脂製絶縁部 ７０、８０…酸化剤ガス流路
７２、８２…燃料ガス流路
７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ、９２ａ、９２ｂ…連結流路
７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ…貫通孔
９０…冷却媒体流路
９４ａ、９４ｂ、９６ａ〜９６ｄ…端子部
１００、１２０、１３０、１４０ａ〜１４０ｄ…燃料電池ユニット
１０２…負荷 １０４…発電回路
１０６…断続機構
１１０ａ〜１１０ｎ、１３４ａ〜１３４ｄ…断続器
１２２ａ〜１２２ｎ…可変抵抗器
１３２ａ〜１３２ｎ…接続切り替え機構 １４２…燃料電池システム
１４４…燃料ガス供給機構 １４６…酸化剤ガス供給機構
１４８…冷却媒体供給機構 １５２、１５６…燃料ポンプ
１５４、１６６…供給管路
１５８、１７２、１８４…切り替え弁
１６０ａ〜１６０ｄ、１６８ａ〜１６８ｄ…開閉弁
１６４、１７０…空気ポンプ １７６…熱交換器
１７８…循環管路 １８０、１８２…冷媒ポンプ
１８６ａ〜１８６ｄ…流量制御弁
Claims (15)
- 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池と、
複数の燃料電池を負荷に対して並列に接続する発電回路と、
前記複数の発電部が直列に接続された前記燃料電池毎に、前記発電回路に対して電気的に個別に接続および切断可能な断続機構と、
を備え、
前記複数の発電部は、前記第１金属拡散層に向かって前記アノード側電極が配置される複数の第１発電部と、
前記第１金属拡散層に向かって前記カソード側電極が配置される複数の第２発電部と、
を有し、
前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設されることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第１セパレータは、前記第１発電部の前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、および前記第２発電部の前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を設けるとともに、
前記第２セパレータは、前記第２発電部の前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、および前記第１発電部の前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を設けることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部は、前記アノード側電極と前記カソード側電極とが反転されて配置される複数の第１発電部と複数の第２発電部とを有し、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とが電気的に直列に接続される燃料電池と、
複数の前記燃料電池を負荷に対して並列に接続する発電回路と、
前記複数の発電部が直列に接続された前記燃料電池毎に、前記発電回路に対して電気的に個別に接続および切断可能な断続機構と、
を備え、
各燃料電池には、個別に電圧調整を行うための可変抵抗器が前記燃料電池と直列に接続されることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池は、一方の極に接続される第１出力端子と、
他方の極に接続される第２出力端子と、
を備え、
少なくも前記第２出力端子は、前記第１出力端子からそれぞれ異なる数の発電部を直列に接続する２以上の第２出力端子を設けるとともに、
任意の第２出力端子と前記第１出力端子とを前記発電回路に接続可能な接続切り替え機構が設けられることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池を備え、前記複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットと、
複数の燃料電池ユニットを負荷に対して並列に接続する発電回路と、
前記複数の燃料電池が直列に接続された前記燃料電池スタック毎に、前記発電回路に対して電気的に個別に接続および切断可能な断続機構と、
を備え、
複数の前記発電部は、前記第１金属拡散層に向かって前記アノード側電極が配置される複数の第１発電部と、
前記第１金属拡散層に向かって前記カソード側電極が配置される複数の第２発電部と、
を有し、
前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設されることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項５記載の燃料電池ユニットにおいて、前記複数の燃料電池ユニットに燃料ガスを並列に供給する燃料ガス供給機構と、
前記複数の燃料電池ユニットに酸化剤ガスを並列に供給する酸化剤ガス供給機構と、
を備え、
前記燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、各燃料電池ユニット毎に前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を停止可能な開閉部を設けることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項６記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料ガス供給機構および前記酸化剤ガス供給機構は、それぞれ設定負荷に応じた設定流量の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給するための第１ポンプと、
低負荷に応じた低流量の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給するための第２ポンプと、
を並列に接続することを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項５記載の燃料電池ユニットにおいて、前記複数の燃料電池ユニットに冷却媒体を並列に供給する冷却媒体供給機構を備え、
前記冷却媒体供給機構は、各燃料電池ユニット毎に前記冷却媒体の流量を調整する流量調整機構を設けることを特徴とする燃料電池ユニット。 - 請求項８記載の燃料電池ユニットにおいて、前記冷却媒体供給機構は、設定負荷に応じた設定流量の前記冷却媒体を供給するための第１ポンプと、
低負荷に応じた低流量の前記冷却媒体を供給するための第２ポンプと、
を並列に接続することを特徴とする燃料電池ユニット。 - 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池を備え、前記複数の発電部は、前記第１金属拡散層に向かって前記アノード側電極が配置される複数の第１発電部と、前記第１金属拡散層に向かって前記カソード側電極が配置される複数の第２発電部とを有し、前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設され、複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットの運転方法であって、
前記複数の燃料電池を負荷に対し並列に接続して発電を行う工程と、
各燃料電池の発電状態を検出し、異常が発生した燃料電池を前記負荷から個別に切断する一方、残余の燃料電池により発電を継続する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。 - 請求項１０記載の運転方法において、前記複数の発電部が直列に接続された前記燃料電池毎に、個別に電圧調整が行われることを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。
- 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設され、前記複数の発電部の両面を挟持する第１および第２金属拡散層を設けるとともに、前記第１および第２金属拡散層を第１および第２セパレータで挟持する燃料電池を備え、前記複数の発電部は、前記第１金属拡散層に向かって前記アノード側電極が配置される複数の第１発電部と、前記第１金属拡散層に向かって前記カソード側電極が配置される複数の第２発電部とを有し、前記第１および第２金属拡散層は、互いに隣接する前記第１発電部と前記第２発電部とを電気的に直列に接続する一方、前記第１および第２金属拡散層内には、前記第１発電部同士および前記第２発電部同士を電気的に絶縁し且つ前記第１発電部と前記第２発電部とを交互に接続するための樹脂製絶縁部が配設され、複数の燃料電池が積層される燃料電池ユニットの運転方法であって、
前記複数の燃料電池ユニットを負荷に対し並列に接続して発電を行う工程と、
各燃料電池ユニットの発電状態を検出し、異常が発生した燃料電池ユニットを前記負荷から個別に切断する一方、残余の燃料電池ユニットにより発電を継続する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。 - 請求項１２記載の運転方法において、通常の負荷よりも低い負荷である際、少なくとも一の前記燃料電池ユニットの発電を停止させるとともに、一定時間毎に異なる燃料電池ユニットの発電を、順次、停止させることを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。
- 請求項１３記載の運転方法において、発電を停止している燃料電池ユニットには、発電中の前記燃料電池ユニットに供給される冷却媒体よりも少量の冷却媒体が供給されることを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。
- 請求項１３または１４記載の運転方法において、第１ポンプの作用下に、前記燃料電池ユニットに設定負荷に応じた設定流量の前記燃料ガス、前記酸化剤ガスおよび前記冷却媒体を供給する工程と、
前記第１ポンプよりも低負荷な第２ポンプの作用下に、前記燃料電池ユニットに低負荷に応じた低流量の前記燃料ガス、前記酸化剤ガスおよび前記冷却媒体を供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池ユニットの運転方法。
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