JP4737951B2 - 燃料電池及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及びその運転方法に関する。

固体高分子電解質型の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極膜で挟んで構成されるセルを複数積層してスタックを構成し、セルの一方側の電極膜に水素等の燃料ガスを供給すると共に、セルの他方側の電極膜に酸素等の酸化剤ガスを供給することにより、これらの供給ガスを当該セルで電気化学的に反応させて電力を得ることができるようになっている。

このような固体高分子電解質型の燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤させるように前記ガスを加湿して供給すると共に、前記ガスの電気化学反応に伴って水が生成するため、前記ガスの流路に凝縮水や生成水が溜まるようになってしまう。このような水が前記ガスの流路に溜まってしまうと、当該ガスが流通しにくくなり、発電効率が低下して、異常に低電圧のセルが発生してしまう。

このため、例えば、下記特許文献１等においては、セルのガス利用効率に応じて、前記供給ガスの供給方向上流側に位置するものほど、内装するセルの積層枚数が多くなるようにスタックを複数に分割すると共に、各スタックの前記供給方向下流側を気液分離器に連絡させることにより、分割された各スタックでの前記供給ガスの消費による当該供給ガスの減少に伴う当該供給ガスの流速変化を利用して、各スタックから前記水を当該供給ガスと共に排出できるようにして、当該水を気液分離器で分離回収することが記載されている。

特開平６−２０３８６２号公報

しかしながら、前記特許文献１等に記載された燃料電池においては、最下流側に位置する分割された前記スタックへの前記供給ガスの供給量が最小必要量だけになってしまうため、当該スタックから排出されるガス流速が著しく小さくなってしまい、最下流側に位置する当該スタックの前記供給ガスの流路に水が溜まって、異常に低電圧のセルが発生するという問題があった。

このようなことから、本発明は、スタック中に水を溜まらせることなく高効率で発電することができる燃料電池及びその運転方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料電池は、電解質を一対の電極で挟んだセルを複数積層してスタックを構成し、当該スタック内に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより、これらの供給ガスを前記セルで電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池であって、前記スタックが、前記供給ガスの供給方向上流側に位置するものほど、内装する前記セルの積層枚数が多くなるように複数に分割された分割スタックからなると共に、各前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向下流側が気液分離手段にそれぞれ連絡し、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離手段で分離された前記供給ガスを、少なくとも前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック内に再び流通させるように循環送給する循環送給手段を備えたことを特徴とする。

第二番目の発明に係る燃料電池は、第一番目の発明において、前記循環送給手段が、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離手段へ連絡する最下流側取出用配管と、前記最下流側取出用配管が受入口に連絡する第１のブロアと、前記第１のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最下流側に位置する前記分割スタックへ連絡する最下流側送出用配管とを備えていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る燃料電池は、第二番目の発明において、前記循環送給手段が、前記第１のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタックへ連絡する最上流側送出用配管と、前記最下流側送出用配管に設けられた最下流側用の流量調整弁と、前記最上流側送出用配管に設けられた最上流側用の流量調整弁とを備えていることを特徴とする。

第四番目の発明に係る燃料電池は、第二番目の発明において、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された最下流側用のバルブと、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された最上流側用のバルブと、前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された中流側用のバルブとを備え、前記循環送給手段が、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記気液分離手段へ連絡する最上流側取出用配管と、前記最上流側取出用配管が受入口に連絡する第２のブロアと、前記第２のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側に位置する前記分割スタックと前記最上流側用のバルブとの間へ連絡する最上流側送出用配管と、前記最上流側取出用配管又は前記最上流側送出用配管に設けられた最上流側用の流量調整弁と、前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記気液分離手段へ連絡する中流側取出用配管と、前記中流側取出用配管が受入口に連絡する第３のブロアと、前記第３のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタックと前記中流側用のバルブとの間へ連絡する中流側送出用配管と、前記中流側取出用配管又は前記中流側送出用配管に設けられた中流側用の流量調整弁と、前記最下流側取出用配管又は前記最下流側送出用配管に設けられた最下流側用の流量調整弁とを備えると共に、当該循環送給手段の前記最下流側送出用配管が、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタックと前記最下流側のバルブとの間へ連絡していることを特徴とする。

また、第五番目の発明に係る燃料電池の運転方法は、第三番目の発明の燃料電池の運転方法であって、前記第１のブロアを作動して、運転開始時には、前記最下流側用の流量調整弁を閉止する一方、前記最上流側用の流量調整弁を開放し、定常運転時には、前記最上流側用の流量調整弁を閉止する一方、前記最下流側用の流量調整弁を開放することを特徴とする。

第六番目の発明に係る燃料電池の運転方法は、第四番目の発明の燃料電池の運転方法であって、運転開始時には、前記最下流側用のバルブ、前記中流側用のバルブ、前記最上流側用のバルブを開放し、前記第１のブロア、前記第２のブロア、前記第３のブロアを作動させると共に、前記最下流側用の流量調整弁、前記中流側用の流量調整弁、前記最上流側用の流量調整弁を開放し、定常運転時には、前記最下流側用のバルブ、前記中流側用のバルブ、前記最上流側用のバルブを開放し、前記第１のブロアを作動させる一方、前記第２のブロア、前記第３のブロアの作動を停止すると共に、前記最下流側用の流量調整弁を開放する一方、前記中流側用の流量調整弁、前記最上流側用の流量調整弁を閉止することを特徴とする。

第七番目の発明に係る燃料電池の運転方法は、第四番目の発明の燃料電池の運転方法であって、異常発生時には、異常発生した前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、異常発生した当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放すると共に、異常発生した当該分割スタック用の前記ブロアを作動させることを特徴とする。

第八番目の発明に係る燃料電池の運転方法は、第四番目の発明の燃料電池の運転方法であって、メンテナンス時には、目的とする前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、目的とする当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放し、目的とする当該分割スタック用の前記ブロアを作動させると共に、目的とする当該分割スタックに水を供給することを特徴とする。

第九番目の発明に係る燃料電池の運転方法は、第八番目の発明において、目的とする前記分割スタックに、前記気液分離手段で回収した水を供給することを特徴とする。

第一番目の発明に係る燃料電池によれば、最下流側の分割スタック内を流通する供給ガスにも十分な流速変化を与えるようにして当該分割スタックからも供給ガスと共に水を排出させることができるので、最下流側を含めたすべての分割スタックのガス流路に溜まる水を常に確実に排出することができ、異常に低電圧のセルの発生を防止して、高効率で発電することができる。

第二番目の発明に係る燃料電池によれば、最下流側の分割スタックのみに供給ガスを循環流通させて当該分割スタック内の水を排出させることができるので、ブロアによる吐出圧力を必要最小限に抑えることができ、当該ブロアの作動に要する動力エネルギを非常に小さく済ませることができる。

第三番目の発明に係る燃料電池によれば、運転開始時（立ち上げ時）に、最下流側用の流量調整弁を閉止する一方、最上流側用の流量調整弁を開放することにより、最下流側の分割スタックから排出された供給ガスをブロアにより最上流側の分割スタックに再び供給するように循環流通させることができるので、各分割スタック内を流通する供給ガスに十分な流速を与えて各分割スタックから水を供給ガスと共に排出させることができ、運転開始時の立ち上がり性能の向上を図ることができる。

第四番目の発明に係る燃料電池によれば、運転開始時（立ち上げ時）には、最下流側用のバルブ、中流側用のバルブ、最上流側用のバルブを開放し、第１のブロア、第２のブロア、第３のブロアを作動させると共に、最下流側用の流量調整弁、中流側用の流量調整弁、最上流側用の流量調整弁を開放することにより、各分割スタックから排出された供給ガスの一部を各ブロアの吸引量及び各流量調整弁の開度の調整で各分割スタックに再び供給するようにそれぞれ循環流通させて、各分割スタック内を流通する供給ガスにそれぞれ十分な流速を与えて各分割スタックから水を供給ガスと共に排出させることができ、定常運転の際には、最下流側用のバルブ、中流側用のバルブ、最上流側用のバルブを開放し、第１のブロアを作動させる一方、第２のブロア、第３のブロアの作動を停止すると共に、最下流側用の流量調整弁を開放する一方、中流側用の流量調整弁、最上流側用の流量調整弁を閉止することにより、最上流側の分割スタック及び中流側の分割スタックにおいては、供給ガスの消費による当該ガスの減少に伴う当該ガスの流速変化を利用して、当該分割スタックから水を当該ガスと共に排出する一方、最下流側の分割スタックにおいては、最下流側の分割スタックから排出された供給ガスを第１のブロアにより最下流側の分割スタックのみに再び供給するように循環流通させて、最下流側の分割スタック内を流通する供給ガスにも十分な流速変化を与えるようにして当該分割スタックからも供給ガスと共に水を排出させることができ、異常発生時には、異常発生した分割スタックの供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、異常発生した当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放すると共に、異常発生した当該分割スタック用の前記ブロアを作動させることにより、当該分割スタックのみに供給ガスを循環させて、当該分割スタック内に十分な流速を付与して、当該分割スタック内に異常に溜まった水を当該分割スタックから排出させることができ、メンテナンス時には、目的とする前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、目的とする当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放し、目的とする当該分割スタック用の前記ブロアを作動させて、気液分離手段で回収した水３を、目的とする当該分割スタックに供給することにより、各分割スタック内に混入した不純物質を各分割スタックから排出させることができる。

また、第五番目の発明に係る燃料電池の運転方法によれば、運転開始時（立ち上げ時）には、最下流側の分割スタックから排出された供給ガスをブロアにより最上流側の分割スタックに再び供給するように循環流通させることができるので、各分割スタック内を流通する供給ガスに十分な流速を与えて各分割スタックから水を供給ガスと共に排出させることができ、運転開始時の立ち上がり性能の向上を図ることができると共に、定常運転時には、最下流側の分割スタックのみに供給ガスを循環流通させて当該分割スタック内の水を排出させることができるので、ブロアによる吐出圧力を必要最小限に抑えることができ、当該ブロアの作動に要する動力エネルギを非常に小さく済ませることができる。

第六番目の発明に係る燃料電池の運転方法によれば、運転開始時（立ち上げ時）には、最下流側用のバルブ、中流側用のバルブ、最上流側用のバルブを開放し、第１のブロア、第２のブロア、第３のブロアを作動させると共に、最下流側用の流量調整弁、中流側用の流量調整弁、最上流側用の流量調整弁を開放することにより、各分割スタックから排出された供給ガスの一部を各ブロアの吸引量及び各流量調整弁の開度の調整で各分割スタックに再び供給するようにそれぞれ循環流通させて、各分割スタック内を流通する供給ガスにそれぞれ十分な流速を与えて各分割スタックから水を供給ガスと共に排出させることができ、定常運転の際には、最下流側用のバルブ、中流側用のバルブ、最上流側用のバルブを開放し、第１のブロアを作動させる一方、第２のブロア、第３のブロアの作動を停止すると共に、最下流側用の流量調整弁を開放する一方、中流側用の流量調整弁、最上流側用の流量調整弁を閉止することにより、最上流側の分割スタック及び中流側の分割スタックにおいては、供給ガスの消費による当該ガスの減少に伴う当該ガスの流速変化を利用して、当該分割スタックから水を当該ガスと共に排出する一方、最下流側の分割スタックにおいては、最下流側の分割スタックから排出された供給ガスを第１のブロアにより最下流側の分割スタックのみに再び供給するように循環流通させて、最下流側の分割スタック内を流通する供給ガスにも十分な流速変化を与えるようにして当該分割スタックからも供給ガスと共に水を排出させることができる。

第七番目の発明に係る燃料電池の運転方法によれば、異常発生時には、異常発生した分割スタックの供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、異常発生した当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放すると共に、異常発生した当該分割スタック用の前記ブロアを作動させることにより、当該分割スタックのみに供給ガスを循環させて、当該分割スタック内に十分な流速を付与して、当該分割スタック内に異常に溜まった水を当該分割スタックから排出させることができる。

第八番目の発明に係る燃料電池の運転方法によれば、メンテナンス時には、目的とする前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、目的とする当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放し、目的とする当該分割スタック用の前記ブロアを作動させて、気液分離手段で回収した水３を、目的とする当該分割スタックに供給することにより、各分割スタック内に混入した不純物質を各分割スタックから排出させることができる。

第九番目の発明に係る燃料電池の運転方法によれば、洗浄に使用する水を容易に供給することができるので、低コスト化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池及びその運転方法の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池及びその運転方法の第一番目の実施形態を図１〜３に基づいて説明する。図１は、燃料電池の概略構成図、図２は、運転開始時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフ、図３は、定常運転時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。

図１に示すように、供給ガスである水素等の燃料ガス１を供給する燃料ガスボンベ１１は、配管１２ａを介して加湿器１２に連絡している。加湿器１２は、配管１２ｂを介して第１の分割スタック１３の燃料ガス供給マニホールド１３ａに連絡している。

前記第１の分割スタック１３のガス供給マニホールド１３ａは、当該分割スタック１３内の各セルにそれぞれ形成された燃料ガス流路１３ｂに分岐して連絡している。これら燃料ガス流路１３ｂは、燃料ガス排出マニホールド１３ｃに集合して連絡している。当該燃料ガス排出マニホールド１３ｃは、配管１４ａを介して気液分離器１４に連結している。

前記気液分離器１４は、配管１４ｂを介して第２の分割スタック１５の燃料ガス供給マニホールド１５ａに連絡している。第２の分割スタック１５のガス供給マニホールド１５ａは、当該分割スタック１５内の各セルにそれぞれ形成された燃料ガス流路１５ｂに分岐して連絡している。これら燃料ガス流路１５ｂは、燃料ガス排出マニホールド１５ｃに集合して連絡している。当該燃料ガス排出マニホールド１５ｃは、配管１６ａを介して気液分離器１６に連結している。

前記気液分離器１６は、配管１６ｂを介して第３の分割スタック１７の燃料ガス供給マニホールド１７ａに連絡している。第３の分割スタック１７のガス供給マニホールド１７ａは、当該分割スタック１７内の各セルにそれぞれ形成された燃料ガス流路１７ｂに分岐して連絡している。これら燃料ガス流路１７ｂは、燃料ガス排出マニホールド１７ｃに集合して連絡している。当該燃料ガス排出マニホールド１７ｃは、配管１８ａを介して気液分離器１８に連結している。

前記分割スタック１３，１５，１７は、前記供給ガス１の供給方向上流側に位置するものほど、内装するセルの積層枚数が多くなっている。具体的には、例えば、これら分割スタック１３，１５，１７のセルの合計数を１００枚とする場合には、第１の分割スタック１３は６５枚、第２の分割スタック１５は２３枚、第３の分割スタック１７は１２枚となっている。これら分割スタック１３，１５，１７の数やその内部のセルの積層枚数割合は、上記セルの発電性能（ガス利用率）等の各種条件により適宜設定される。

前記気液分離器１８は、配管１８ｂを介して系外へ連絡している。この配管１８ｂには、バルブ１９が設けられている。この配管１８ｂの上記バルブ１９の上流側は、配管２１ａを介してブロア２１の受入口に連絡している。ブロア２１の送出口は、配管２１ｂ，２３ｂ，２５ｂに並列に連絡している。

前記配管２１ｂは、前記第３の分割スタック１７のガス供給マニホールド１７ａに連絡するように前記配管１６ｂに連絡している。前記配管２３ｂは、前記第２の分割スタック１５のガス供給マニホールド１５ａに連絡するように前記配管１４ｂに連絡している。前記配管２５ｂは、前記第１の分割スタック１３のガス供給マニホールド１３ａに連絡するように前記配管１２ｂに連絡している。これら配管２１ｂ，２３ｂ，２５ｂには、流量調整弁２２，２４，２６がそれぞれ設けられている。

なお、他の供給ガスである酸素等の酸化剤ガス流通経路も上述した燃料ガス流通経路と同様な構成となっている。

つまり、本実施形態に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極膜で挟んだセルを複数積層してスタックを構成し、当該スタック内に燃料ガス１及び酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより、これらの供給ガスを前記セルで電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池であって、前記スタックが、前記供給ガスの供給方向上流側に位置するものほど、内装する前記セルの積層枚数が多くなるように複数に分割された分割スタック１３，１５，１７からなると共に、各前記分割スタック１３，１５，１７の前記供給ガスの供給方向下流側の気液分離手段である気液分離器１４，１６，１８にそれぞれ連絡し、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離器１８で分離された前記供給ガスを、少なくとも前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック１７内に再び流通させるように循環送給する循環送給手段を備え、この循環送給手段が、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離器１８へ連絡する最下流側取出用配管２１ａと、この最下流側取出用配管２１ａが受入口に連絡する第１のブロア２１と、この第１のブロア２１の送出口に連絡すると共に、前記供給方向最下流側に位置する前記分割スタック１７へ連絡する最下流側送出用配管２１ｂとを備えると共に、前記第１のブロア２１の送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタック１３へ連絡する最上流側送出用配管２５ｂと、前記最下流側送出用配管２１ｂに設けられた最下流側用の流量調整弁２２と、前記最上流側送出用配管２５ｂに設けられた最上流側用の流量調整弁２６とを備え、さらに、前記第１のブロア２１の送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最下流側と最上流側との間に位置する前記分割スタック１５へ連絡する中流側送出用配管２３ｂと、この中流側送出用配管２３ｂに設けられた中流側用の流量調整弁２４とを備えているのである。

このような本実施形態に係る燃料電池の運転方法を次に説明する。なお、以下の説明は、燃料ガス１の流通の場合についてであるが、酸化剤ガスの流通の場合も、燃料ガス１の流通の場合と同様であるため、その説明を省略する。

〈運転開始時〉
まず、前記バルブ１９及び前記流量調整弁２２，２４を閉止すると共に、前記流量調整弁２６を開放した後、ブロア２１を作動させると共に、燃料ガスボンベ１１から燃料ガス１を送出すると、燃料ガス１は、配管１２ａを介して加湿器１２に流入して加湿された後、配管１２ｂを介して最上流側の第１の分割スタック１３の燃料ガス供給マニホールド１３ａ内に流入し、各セルの燃料ガス流路１３ｂを流通することにより、燃料ガス流通経路と同様にして構成された酸化剤ガス流通経路により当該第１の分割スタック１３の各セルの酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させた後、燃料ガス排出マニホールド１３ｃに流入し、配管１４ａを介して気液分離器１４内に送給されて余剰な水３を分離された後、配管１４ｂを介して中流側の第２の分割スタック１５に供給される。

以下、第１の分割スタック１３の場合と同様に、第２の分割スタック１５内で酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させた後、配管１６ａを介して気液分離器１６内に送給されて余剰な水３を再び分離されてから、配管１６ｂを介して最下流側の第３の分割スタック１５に供給され、酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させた後、配管１８ａを介して気液分離器１８内に送給されて余剰な水３を再び分離され、配管１８ｂ，２１ｂを介してブロア２１に吸引され、配管２５ｂを介して前記配管１２ｂ内に流入し、燃料ガスボンベ１１からの新たな燃料ガス１と共に第１の分割スタック１３内に再び供給される。

この運転開始時（立ち上げ時）は、作動条件が不十分であり、燃料ガス１と酸化剤ガスとの反応が十分に行われず、これらガスの消費量が少ないため、当該ガスの減少に伴う当該ガスの流速変化を利用して、各分割スタック１３，１５，１７から水３を当該ガスと共に排出させることが難しい。

そこで、本実施形態では、前記第１のブロア２１を作動して、運転開始時（立ち上げ時）には、上述したように、前記最下流側用の流量調整弁２２を閉止すると共に、中流側用の流量調整弁２４を閉止する一方、前記最上流側用の流量調整弁２６を開放することにより、最下流側の第３の分割スタック１７から排出された燃料ガス１をブロア２１により最上流側の第１の分割スタック１３のみに再び供給するように循環流通させて、図２に示すように、各分割スタック１３，１５，１７内を流通する燃料ガス１に十分な流速を与えて各分割スタック１３，１５，１７から水３を燃料ガス１と共に排出させるようにしたのである。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

〈定常運転時〉
上述したように運転を開始し、作動条件が十分に整い、燃料ガス１と酸化剤ガスとが十分に反応するようになったら、ブロア２１の送給量を減少させ、前記流量調整弁２２を開放すると共に、前記流量調整弁２６を閉止すると、最下流側の第３の分割スタック１７から配管１８ａを介して気液分離器１８内に送給されて余剰な水３を分離された燃料ガス１は、配管１８ｂ，２１ａを介してブロア２１に吸引され、配管２１ｂを介して前記配管１６ｂ内に流入し、中流側の第２の分割スタック１５から排出された燃料ガス１と共に第３の分割スタック１７内に再び供給される。

この定常運転時、第１，第２の分割スタック１３，１５においては、燃料ガス１の消費による当該ガス１の減少に伴う当該ガス１の流速変化を利用して、当該分割スタック１３，１５から前記水３を当該ガス１と共に排出することができる。

しかしながら、最下流側の第３の分割スタック１７においては、供給される燃料ガス１が必要量しか残っておらず、当該分割スタック１７から排出されるガス流速が著しく小さくなってしまう。

そこで、定常運転時には、上述したように、前記最上流側用の流量調整弁２６を閉止すると共に、中流側用の流量調整弁２４を閉止する一方、前記最下流側用の流量調整弁２２を開放することにより、最下流側の第３の分割スタック１７から排出された燃料ガス１をブロア２１により最下流側の第３の分割スタック１７のみに再び供給するように循環流通させて、図３に示すように、最下流側の第３の分割スタック１７内を流通する燃料ガス１にも十分な流速変化を与えるようにして当該分割スタック１７からも燃料ガス１と共に水３を排出させるようにしたのである。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

〈メンテナンス時〉
また、長期にわたって運転していくと、配管系統や供給ガス等から不純物が前記分割スタック１７内に混入して濃化し、電気化学反応に悪影響を及ぼすおそれがあるため、規定運転時間にまで達したとき、又は、最下流側の第３の分割スタック１７の発電電圧が他の第１，第２の分割スタック１３，１５の発電電圧よりも著しく低下したときには、燃料ガス１の供給を継続した状態で発電を停止し、バルブ２２，２４，２６を閉止すると共に、バルブ１９を開放することにより、上記不純物を系外に排出する。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、最下流側を含めたすべての分割スタック１３，１５，１７のガス流路に溜まる水３を常に確実に排出することができるので、異常に低電圧のセルの発生を防止することができ、高効率で発電することができる。

また、定常運転時には、最下流側の第３の分割スタック１７のみに燃料ガス１を循環流通させて当該第３の分割スタック１７内の水３を排出させるようにしたので、ブロア２１による吐出圧力を必要最小限に抑えることができ、当該ブロア２１の作動に要する動力エネルギを非常に小さく済ませることができる。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池の第二番目の実施形態を図４〜６に基づいて説明する。図４は、燃料電池の概略構成図、図５は、運転開始時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフ、図６は、定常運転時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。ただし、前述した第一番目の実施形態で説明した部材と同様な部材については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図４に示すように、第１の分割スタック１３に連絡する配管１２ｂには、バルブ２７が設けられている。第２の分割スタック１５に連絡する配管１４ｂには、バルブ２８が設けられている。第３の分割スタック１７に連絡する配管１６ｂには、バルブ２９が設けられている。

ブロア２１に連絡する配管２１ａには、流量調整弁２２が設けられている。ブロア２１の送出口に連絡する配管２１ｂは、前記バルブ２９との間の前記配管１６ｂの前記バルブ２９の下流側部分に連絡している。この配管１６ｂのバルブ２９の上流側部分は、流量調整弁２４を有する配管２３ａを介してブロア２３の受入口に連絡している。ブロア２３の送出口は、前記配管１４ｂの前記バルブ２８の下流側部分に配管２３ｂを介して連絡している。配管１４ｂのバルブ２８の上流側部分は、流量調整弁２６を有する配管２５ａを介してブロア２５の受入口に連絡している。ブロア２５の送出口は、前記配管１２ｂの前記バルブ２７の下流側部分に配管２５ｂを介して連絡している。

なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、酸素等の酸化剤ガス流通経路も上述した燃料ガス流通経路と同様な構成となっている。

つまり、本実施形態に係る燃料電池は、前述した第一番目の実施形態において、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック１７の当該供給ガスの供給口に配設された最下流側用のバルブ２９と、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタック１３の当該供給ガスの供給口に配設された最上流側用のバルブ２７と、前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタック１５の当該供給ガスの供給口に配設された中流側用のバルブ２８とを備えると共に、前記循環送給手段が、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記気液分離器１４へ連絡する最上流側取出用配管２５ａと、前記最上流側取出用配管２５ａが受入口に連絡する第２のブロア２５と、前記第２のブロア２５の送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側に位置する前記分割スタック１３と前記最上流側用のバルブ２７との間へ連絡する最上流側送出用配管２５ｂと、前記最上流側取出用配管２５ａに設けられた最上流側用の流量調整弁２６と、前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記気液分離器１６へ連絡する中流側取出用配管２３ａと、前記中流側取出用配管２３ａが受入口に連絡する第３のブロア２３と、前記第３のブロア２３の送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタック１５と前記中流側用のバルブ２８との間へ連絡する中流側送出用配管２３ｂと、前記中流側取出用配管２３ａに設けられた中流側用の流量調整弁２４と、前記最下流側取出用配管２３ａに設けられた最下流側用の流量調整弁２２とを備えると共に、当該循環送給手段の前記最下流側送出用配管２１ｂが、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック１７と前記最下流側のバルブ２２との間へ連絡しているのである。

このような本実施形態に係る燃料電池の運転方法を次に説明する。なお、以下の説明は、燃料ガス１の流通の場合についてであるが、酸化剤ガスの流通の場合も、燃料ガス１の流通の場合と同様であるため、その説明を省略する。

〈運転開始時〉
まず、バルブ１９を閉止すると共に、前記バルブ２７〜２９及び前記流量調整弁２２，２４，２６を開放した後、前記ブロア２１，２３，２５を作動させると共に、燃料ガスボンベ１１から燃料ガス１を送出すると、燃料ガス１は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、加湿器１２で加湿されてから第１の分割スタック１３内に流入して、各セルで酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させ、配管１４ａを介して気液分離器１４内に送給されて余剰な水３を分離された後、配管１４ｂ内を流通し、その一部が配管２５ａ及び流量調整弁２６を介してブロア２５で吸引されて、配管２５ｂを介して前記配管１２ｂ内に送給され、燃料ガスボンベ１１からの新たな燃料ガス１と共に第１の分割スタック１３内に再び供給される。

前記ブロア２５に吸引されずに前記配管１４ｂ内を流通した燃料ガス１は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、第２の分割スタック１５内に流入して、各セルで酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させ、配管１６ａを介して気液分離器１６内に送給されて余剰な水３を分離された後、配管１６ｂ内を流通し、その一部が配管２３ａ及び流量調整弁２４を介してブロア２３で吸引されて、配管２３ｂを介して前記配管１４ｂ内に送給され、前記ブロア２５に吸引されずに前記配管１４ｂ内を流通した燃料ガス１と共に第２の分割スタック１５内に再び供給される。

前記ブロア２３に吸引されずに前記配管１６ｂ内を流通した燃料ガス１は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、第３の分割スタック１７内に流入して、各セルで酸化剤ガスと電気化学的に反応して電力を発生させ、配管１８ａを介して気液分離器１８内に送給されて余剰な水３を分離された後、配管１８ｂ、２１ａ及び流量調整弁２２を介してブロア２１で吸引されて、配管２３ｂを介して前記配管１６ｂ内に送給され、前記ブロア２３に吸引されずに前記配管１６ｂ内を流通した燃料ガス１と共に第３の分割スタック１７内に再び供給される。

この運転開始時（立ち上げ時）は、前述した第一番目の実施形態でも説明したように、作動条件が不十分であり、燃料ガス１と酸化剤ガスとの反応が十分に行われず、これらガスの消費量が少ないため、当該ガスの減少に伴う当該ガスの流速変化を利用して、各分割スタック１３，１５，１７から水３を当該ガスと共に排出させることが難しい。

そこで、本実施形態では、運転開始時（立ち上げ時）には、上述したように、前記最上流側用のバルブ２７、前記中流側用のバルブ２８、前記最下流側用のバルブ２９を開放し、前記第１のブロア２１、前記第２のブロア２３、前記第３のブロア２５を作動させると共に、前記最下流側用の流量調整弁２２、前記中流側用の流量調整弁２４、前記最上流側用の流量調整弁２６を開放することにより、各分割スタック１３，１５，１７から排出された燃料ガス１の一部を各ブロア２１，２３，２５の吸引量及び各流量調整弁２２，２４，２６の開度の調整で各分割スタック１３，１５，１７に再び供給するようにそれぞれ循環流通させて、図５に示すように、各分割スタック１３，１５，１７内を流通する燃料ガス１にそれぞれ十分な流速を与えて各分割スタック１３，１５，１７から水３を燃料ガス１と共に排出させるようにしたのである。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

〈定常運転時〉
上述したように運転を開始し、作動条件が十分に整い、燃料ガス１と酸化剤ガスとが十分に反応するようになったら、前記流量調整弁２４，２６を閉止すると共に、ブロア２３，２５の作動を停止すると、燃料ガス１は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして各分割スタック１３，１５，１７内を流通するようになる。

すなわち、定常運転の際には、前記最上流側用のバルブ２７、前記中流側用のバルブ２８、前記最下流側用のバルブ２９を開放し、前記第１のブロア２１を作動させる一方、前記第２のブロア２３、前記第３のブロア２５の作動を停止すると共に、前記最下流側用の流量調整弁２２を開放する一方、前記中流側用の流量調整弁２４、前記最上流側用の流量調整弁２６を閉止することにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、第１、第２の分割スタック１３，１５においては、燃料ガス１の消費による当該ガス１の減少に伴う当該ガス１の流速変化を利用して、当該分割スタック１３，１５から前記水３を当該ガス１と共に排出する一方、最下流側の第３の分割スタック１７においては、最下流側の第３の分割スタック１７から排出された燃料ガス１をブロア２１により第３の分割スタック１７のみに再び供給するように循環流通させて、図６に示すように、第３の分割スタック１７内を流通する燃料ガス１にも十分な流速変化を与えるようにして当該分割スタック１７からも燃料ガス１と共に水３を排出させるようにしたのである。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

〈異常発生時〉
上述したようにして定常運転を行っている際に、何らかの原因により、例えば、第２の分割スタック１５において温度低下を生じて凝縮した水３が多量に生じてしまった場合には、燃料ガスボンベ１１からの燃料ガス１の送給を一時中断して発電運転を一旦停止して、前記バルブ２８，２９を閉止すると共に、前記流量調整弁２４を開放し、前記ブロア２３を作動させる、すなわち、異常発生した前記分割スタック１５の前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブ２８，２９を閉鎖し、異常発生した当該分割スタック１５用の前記流量調整弁２４を開放すると共に、異常発生した当該分割スタック１５用の前記ブロア２３を作動させることにより、当該分割スタック１５のみに燃料ガス１を循環させて、当該分割スタック１５内に十分な流速を付与するのである。これにより、第２の分割スタック１５内に異常に溜まった水３を当該分割スタック１５から排出させて気液分離器１６に回収することができる。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

〈メンテナンス時〉
また、長期にわたって運転していくと、配管系統等から不純物質が前記分割スタック１３，１５，１７内に混入して、電気化学反応に悪影響を及ぼすおそれがあるため、規定運転時間にまで達したら、発電運転を停止し、前記バルブ２７〜２９を閉止すると共に、前記気液分離器１４，１６，１８中の水３を前記配管１４ｂ，１６ｂ，１８ｂ内に流入できるように当該配管１４ｂ，１６ｂ，１８ｂを調整し、前記流量調整弁２２，２４，２６を開放して、前記ブロア２１，２３，２５を作動させて、当該気液分離器１４，１６，１８内の水３を各分割スタック１３，１５，１７内にそれぞれ循環流通させる、すなわち、目的とする前記分割スタック１３，１５，１７の前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブ２７〜２９を閉鎖し、目的とする当該分割スタック１３，１５，１７用の前記流量調整弁２２，２４，２６を開放し、目的とする当該分割スタック１３，１５，１７用の前記ブロア２１，２３，２５を作動させて、前記気液分離器１４，１６，１８で回収した水３を、目的とする当該分割スタック１３，１５，１７に供給するのである。これにより、各分割スタック１３，１５，１７内に混入した不純物質を各分割スタック１３，１５，１７から排出させて各気液分離器１４，１６，１８に回収することができる。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

また、メンテナンス時の他の例として、規定運転時間にまで達したとき、又は、最下流側の第３の分割スタック１７の発電電圧が他の第１，第２の分割スタック１３，１５の発電電圧よりも著しく低下したときには、燃料ガス１の供給を継続した状態で発電を停止し、バルブ２２，２４，２６を閉止すると共に、バルブ１９を開放することにより、上記不純物を系外に排出する。なお、酸化剤ガス側でも燃料ガス１側の場合と同様である。

したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、何らかの原因により、前記分割スタック１３，１５，１７内に水３が多量に溜まってしまった場合でも、当該分割スタック１３，１５，１７内から当該水３を簡単に排出することができるので、復旧作業の迅速化及び簡易化を図ることができ、また、上記分割スタック１３，１５，１７内に混入した不純物を簡単に水洗して取り除くことができるので、メンテナンスの迅速化及び簡易化を図ることができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第一番目の実施形態では、前記循環送給手段が、前記第１のブロア２１の送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最下流側と最上流側との間に位置する前記分割スタック１５へ連絡する中流側送出用配管２３ｂと、この中流側送出用配管２３ｂに設けられた中流側用の流量調整弁２４とを備えるようにしたが、これら配管２３ｂ及び流量調整弁２４を省略することも可能である。

また、前述した第一番目の実施形態では、前記循環送給手段が、前記第１のブロア２１の送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタック１３へ連絡する最上流側送出用配管２５ｂと、前記最上流側送出用配管２５ｂに設けられた最上流側用の流量調整弁２６とを備えることにより、運転開始時（立ち上げ時）に、最下流側の第３の分割スタック１７から排出された燃料ガス１をブロア２１により最上流側の第１の分割スタック１３のみに再び供給するように循環流通させるようにしたが、運転開始時（立ち上げ時）の作動条件が十分であり、燃料ガス１と酸化剤ガスとの反応が十分に行われる場合には、これら配管２５ｂ及び流量調整弁２６を省略することも可能である。

つまり、前記循環送給手段は、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離器１８で分離された前記供給ガスを、少なくとも前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック１７内に再び流通させるように循環送給可能であればよいのである。

また、前述した第二番目の実施形態では、前記流量調整弁２２，２４，２６を前記送出用配管２１ｂ，２３ｂ，２５ｂに設けたが、前記取出用配管２１ａ，２３ａ，２５ａに設けることも可能である。

また、前述した第一、二番目の実施形態では、第１〜３の分割スタック１３，１５，１７の３つにスタックを分割した場合について説明したが、最上流側及び最下流側の２つ分割スタックのみにスタックを分割した場合や、中流側の分割スタックが２つ以上の複数からなる場合であっても、本実施形態の場合と同様にして適用することが可能である。

本発明に係る燃料電池及びその運転方法は、各種産業に極めて有効に利用することができる。

本発明に係る燃料電池の第一番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る燃料電池の第一番目の実施形態の運転開始時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。 本発明に係る燃料電池の第一番目の実施形態の定常運転時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。 本発明に係る燃料電池の第二番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る燃料電池の第二番目の実施形態の運転開始時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。 本発明に係る燃料電池の第二番目の実施形態の定常運転時の各分割スタックでの供給ガスの流速及び圧力の大きさを表わすグラフである。

符号の説明

１ 燃料ガス（供給ガス）
３ 水
１１ 燃料ガスボンベ
１２ 加湿器
１２ａ，１２ｂ 配管
１３ 第１の分割スタック（最上流側）
１３ａ 燃料ガス供給マニホールド
１３ｂ 燃料ガス流路
１３ｃ 燃料ガス排出マニホールド
１４ 気液分離器
１４ａ，１４ｂ 配管
１５ 第２の分割スタック（中流側）
１５ａ 燃料ガス供給マニホールド
１５ｂ 燃料ガス流路
１５ｃ 燃料ガス排出マニホールド
１６ 気液分離器
１６ａ，１６ｂ 配管
１７ 第３の分割スタック（最下流側）
１７ａ 燃料ガス供給マニホールド
１７ｂ 燃料ガス流路
１７ｃ 燃料ガス排出マニホールド
１８ 気液分離器
１８ａ，１８ｂ 配管
１９ バルブ
２１ ブロア（第１）
２１ａ，２１ｂ 配管
２２ 流量調整弁（最下流側用）
２３ ブロア（第２）
２３ａ，２３ｂ 配管
２４ 流量調整弁（中流側用）
２５ ブロア（第３）
２５ａ，２５ｂ 配管
２６ 流量調整弁（最上流側用）
２７ バルブ（最上流側用）
２８ バルブ（中流側用）
２９ バルブ（最下流側用）

Claims (9)

1. 電解質を一対の電極で挟んだセルを複数積層してスタックを構成し、当該スタック内に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより、これらの供給ガスを前記セルで電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池であって、
   前記スタックが、前記供給ガスの供給方向上流側に位置するものほど、内装する前記セルの積層枚数が多くなるように複数に分割された分割スタックからなると共に、
   各前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向下流側が気液分離手段にそれぞれ連絡し、
   前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離手段で分離された前記供給ガスを、少なくとも前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタック内に再び流通させるように循環送給する循環送給手段を備えた
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、
   前記循環送給手段が、
   前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記気液分離手段へ連絡する最下流側取出用配管と、
   前記最下流側取出用配管が受入口に連絡する第１のブロアと、
   前記第１のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最下流側に位置する前記分割スタックへ連絡する最下流側送出用配管と
   を備えていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２において、
   前記循環送給手段が、
   前記第１のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタックへ連絡する最上流側送出用配管と、
   前記最下流側送出用配管に設けられた最下流側用の流量調整弁と、
   前記最上流側送出用配管に設けられた最上流側用の流量調整弁と
   を備えていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２において、
   前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された最下流側用のバルブと、
   前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された最上流側用のバルブと、
   前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタックの当該供給ガスの供給口に配設された中流側用のバルブと
   を備え、
   前記循環送給手段が、
   前記供給ガスの供給方向最上流側に位置する前記気液分離手段へ連絡する最上流側取出用配管と、
   前記最上流側取出用配管が受入口に連絡する第２のブロアと、
   前記第２のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側に位置する前記分割スタックと前記最上流側用のバルブとの間へ連絡する最上流側送出用配管と、
   前記最上流側取出用配管又は前記最上流側送出用配管に設けられた最上流側用の流量調整弁と、
   前記供給ガスの供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記気液分離手段へ連絡する中流側取出用配管と、
   前記中流側取出用配管が受入口に連絡する第３のブロアと、
   前記第３のブロアの送出口に連絡すると共に、前記供給方向最上流側と最下流側との間に位置する前記分割スタックと前記中流側用のバルブとの間へ連絡する中流側送出用配管と、
   前記中流側取出用配管又は前記中流側送出用配管に設けられた中流側用の流量調整弁と、
   前記最下流側取出用配管又は前記最下流側送出用配管に設けられた最下流側用の流量調整弁と
   を備えると共に、
   当該循環送給手段の前記最下流側送出用配管が、前記供給ガスの供給方向最下流側に位置する前記分割スタックと前記最下流側のバルブとの間へ連絡している
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項３の燃料電池の運転方法であって、
   前記第１のブロアを作動して、
   運転開始時には、前記最下流側用の流量調整弁を閉止する一方、前記最上流側用の流量調整弁を開放し、
   定常運転時には、前記最上流側用の流量調整弁を閉止する一方、前記最下流側用の流量調整弁を開放する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
6. 請求項４の燃料電池の運転方法であって、
   運転開始時には、前記最下流側用のバルブ、前記中流側用のバルブ、前記最上流側用のバルブを開放し、前記第１のブロア、前記第２のブロア、前記第３のブロアを作動させると共に、前記最下流側用の流量調整弁、前記中流側用の流量調整弁、前記最上流側用の流量調整弁を開放し、
   定常運転時には、前記最下流側用のバルブ、前記中流側用のバルブ、前記最上流側用のバルブを開放し、前記第１のブロアを作動させる一方、前記第２のブロア、前記第３のブロアの作動を停止すると共に、前記最下流側用の流量調整弁を開放する一方、前記中流側用の流量調整弁、前記最上流側用の流量調整弁を閉止する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
7. 請求項４の燃料電池の運転方法であって、
   異常発生時には、異常発生した前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、異常発生した当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放すると共に、異常発生した当該分割スタック用の前記ブロアを作動させる
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
8. 請求項４の燃料電池の運転方法であって、
   メンテナンス時には、目的とする前記分割スタックの前記供給ガスの供給方向最も近傍の上流側及び下流側の前記バルブを閉鎖し、目的とする当該分割スタック用の前記流量調整弁を開放し、目的とする当該分割スタック用の前記ブロアを作動させると共に、目的とする当該分割スタックに水を供給する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
9. 請求項８において、
   目的とする前記分割スタックに、前記気液分離手段で回収した水を供給する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。

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