JP5236933B2 - 固体高分子形燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関し、特に、水素ガスを燃料ガスとして用いる場合や、酸素ガスを酸化ガスとして用いる場合に適用すると、極めて有効である。

固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスの流路及び酸素ガスを含有する酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成されている。

このような固体高分子形燃料電池を備えた固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、固体高分子形燃料電池の上記エンドフランジに形成された燃料ガス受入口及び酸化ガス受入口から燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給すると、当該燃料ガス及び当該酸化ガスが各上記セパレータの各上記流路内をそれぞれ流通して、前記水素ガス及び前記酸素ガスが上記セルで電気化学的に反応し、上記集電板から電力を取り出すことができるようになっている。

そして、使用済みの上記燃料ガス及び上記酸化ガスは、上記電気化学反応に伴って生じた生成水と共に各上記流路を流通して、上記エンドフランジに形成された燃料ガス排出口及び酸化ガス排出口から外部へそれぞれ排出されるようになっている。

なお、このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、例えば、水素ガスそのものを燃料ガスとして使用する場合には、上記燃料ガス排出口にドレントラップを介してブロアやエジェクタ等のガス循環装置のガス受入口を接続すると共に、当該ガス循環装置のガス送出口を上記燃料ガス受入口に接続することにより、上記生成水と上記電気化学反応に供されなかった水素ガスとを燃料ガス排出口から排出させてドレントラップで分離させた後、当該水素ガスを燃料ガス受入口に戻して新たな水素ガスと共に再び供給するようにして、水素ガスを有効利用するようにしている。

特開２００３−０３１２４８号公報

しかしながら、前述したような従来の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、水素ガスそのものを燃料ガスとして使用する場合には、水素ガスを有効利用するために前述したようなガス循環装置を利用することから、当該ガス循環装置を駆動するための電力が必要となってしまい、発電システム全体の電力効率が悪くなってしまっていた。

このような問題は、酸素ガスそのものを酸化ガスとして使用する場合に、上記酸化ガス排出口にドレントラップを介してブロアやエジェクタ等のガス循環装置のガス受入口を接続すると共に、当該ガス循環装置のガス送出口を上記酸化ガス受入口に接続することにより、上記生成水と上記電気化学反応に供されなかった酸素ガスとを酸化ガス排出口から排出させてドレントラップで分離させた後、当該酸素ガスを酸化ガス受入口に戻して新たな酸素ガスと共に再び供給するようにして、酸素ガスを有効利用するときであっても、同様にして生じることであった。

このようなことから、本発明は、水素ガスや酸素ガス等の原料ガスを高効率で利用しながらもシステム全体の電力効率を向上させることができる固体高分子形燃料電池発電システム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固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを直接供給してから、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該燃料ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記燃料ガス供給手段から直接供給していた前記燃料ガスの送給を停止するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスを直接供給してから、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該酸化ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から直接供給していた前記酸化ガスの送給を停止するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段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固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスを直接供給してから、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該酸化ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から直接供給していた前記酸化ガスの送給を停止するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。

第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。

第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。

第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの燃料ガス受入口との間に配設され、前記燃料ガス用気液分離手段で分離された水を貯留すると共に、前記燃料ガスと当該水とを接触させる貯水槽を備えていることを特徴とする。

第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，五番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの酸化ガス受入口との間に配設され、前記酸化ガス用気液分離手段で分離された水を貯留すると共に、前記酸化ガスと当該水とを接触させる貯水槽を備えていることを特徴とする。

第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四，六番目の発明のいずれかにおいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの燃料ガス排出口から排出された前記燃料ガス中の水によって、当該サブスタックの燃料ガス供給口へ供給する前記燃料ガスを加湿する膜加湿器を備えていることを特徴とする。

第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，五，七番目の発明のいずれかにおいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの酸化ガス排出口から排出された前記酸化ガス中の水によって、当該サブスタックの酸化ガス供給口へ供給する前記酸化ガスを加湿する膜加湿器を備えていることを特徴とする。

第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四，六，八番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えていることを特徴とする。

第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，五，七，九番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えていることを特徴とする。

第十二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四，六，八，十番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。

第十三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，五，七，九，十一番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、原料ガスの流通方向最上流側及び最下流側に位置するサブスタックを運転経過時間等に対応して順次切り換えることができることから、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、サブスタックの流路内から生成水を排出することができると同時に、送給された原料ガスをほとんどすべて発電に使用することができるので、原料ガスを高効率で利用しながらも、システム全体の電力効率を向上させることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム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、図面に基づいて説明する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］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図２は、図１の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。

図１に示すように、固体高分子形燃料電池１１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して、積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成された複数（本実施形態では３つ）の第一〜三のサブスタック１１１〜１１３を、燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続した構造となっている。

各前記サブスタック１１１〜１１３のエンドフランジに形成された各燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１の供給手段である水素ガスボンベ１３０が電磁式の二方型のバルブ１０１〜１０３を介してそれぞれ接続している。

前記第一のサブスタック１１１のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式の二方型のバルブ１０４が介在している。前記第二のサブスタック１１２のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第三のサブスタック１１３の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式の二方型のバルブ１０５が介在している。前記第三のサブスタック１１３のエンドフランジに形成された燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２３及び電磁式の二方型のバルブ１０６が介在している。

前記ドレントラップ１２１〜１２３の下部には、気液分離した生成水２を外部へ排出する電磁式の二方型のバルブ１０７〜１０９が設けられている。

前記バルブ１０１〜１０９は、制御手段である制御装置１４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置１４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該バルブ１０１〜１０９の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態では、前記バルブ１０１〜１０３等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１０４〜１０６等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成している。

なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図１において、固体高分子形燃料電池発電システム１００の酸化ガス供給手段等の酸化ガス系統や温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、燃料ガス系統等の主要部のみを記載しているが、これら酸化ガス系統や温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。

このような構造をなす本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。

前記制御装置１４０を作動させると、当該制御装置１４０は、前記バルブ１０７〜１０９を閉鎖すると共に、前記バルブ１０２，１０３，１０６を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０４，１０５を開放するように、これらバルブ１０１〜１０９を制御する（図２Ａ参照）。

これにより、水素ガスボンベ１３０内の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、図示しない酸化ガス系統から供給された酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０５を経由して第三のサブスタック１１３の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック１１３において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第三のサブスタック１１３においては、送給された水素ガス１（残りの約１／３）のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０３，１０６を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０５を閉鎖（前記バルブ１０２は閉鎖状態を維持、前記バルブ１０４は開放状態を維持）するように、当該バルブ１０１，１０３，１０５，１０６を制御する（図２Ｂ参照）。

つまり、前記制御装置１４０は、水素ガス１の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１の送給先を、第一のサブスタック１１１から第三のサブスタック１１３に切り換えると共に、第二のサブスタック１１２を水素ガス１の流通方向最下流側に位置させるように第三のサブスタック１１３から切り換えるのである。

これにより、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０３を経由して第三のサブスタック１１３の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック１１３において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２３で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０６を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第三のサブスタック１１３においては、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が供給されるようになるので、前記流路内に滞留している生成水２が押し出されて、電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第二のサブスタック１１２において、送給された水素ガス１のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間がさらに経過すると、前記バルブ１０２，１０５を開放すると共に、前記バルブ１０３，１０４を閉鎖（前記バルブ１０１は閉鎖状態を維持、前記バルブ１０６は開放状態を維持）するように、当該バルブ１０２〜１０５を制御する（図２Ｃ参照）。

つまり、前記制御装置１４０は、水素ガス１の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１の送給先を、第三のサブスタック１１３から第二のサブスタック１１２に切り換えると共に、第一のサブスタック１１１を水素ガス１の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック１１２から切り換えるのである。

これにより、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０２を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０５を経由して第三のサブスタック１１３の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック１１３において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２３で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０６を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が供給されるようになるので、前記流路内に滞留している生成水２が押し出されて、電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第一のサブスタック１１１において、送給された水素ガス１のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間がさらに経過すると、前記バルブ１０１，１０４を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０６を閉鎖（前記バルブ１０３は閉鎖状態を維持、前記バルブ１０５は開放状態を維持）するように、当該バルブ１０１，１０２，１０４，１０６を制御する（図２Ａ参照）。

つまり、前記制御装置１４０は、水素ガス１の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１の送給先を、第二のサブスタック１１２から第一のサブスタック１１１に切り換えると共に、第三のサブスタック１１３を水素ガス１の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック１１２から切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。

これにより、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの水素ガス１（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ１０５を経由して第三のサブスタック１１３の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック１１３において、前記酸化ガス中の酸素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

以下、制御装置１４０は、上述した前記バルブ１０１〜１０６の制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池１１０は、水素ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０６が切り換え制御される。

なお、前記ドレントラップ１２１〜１２３内に回収された生成水２は、前記制御装置１４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０７〜１０９の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。

このため、固体高分子形燃料電池１１０は、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガスボンベ１３０から送給された水素ガス１をほとんどすべて発電に使用することができるようになる。

したがって、本実施形態によれば、水素ガス１を高効率で利用しながらも、システム１００全体の電力効率を向上させることができる。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図３，４に基づいて説明する。図３は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図４は、図３の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。ただし、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な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３に示すように、固体高分子形燃料電池２１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して、積層方向両端側を一対の集電板及びエンドフランジで挟み込んで構成された複数（本実施形態では３つ）の第一〜三のサブスタック２１１〜２１３を、酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続した構造となっている。

各前記サブスタック２１１〜２１３のエンドフランジに形成された各酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス３の供給手段である酸素ガスボンベ２３０が電磁式の三方型のバルブ２０１〜２０３を介してそれぞれ接続している。

前記第一のサブスタック２１１のエンドフランジに形成された酸化ガス排出口と前記第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス受入口との間は、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ２２１及び前記バルブ２０２の残りの口を介して接続している。前記第二のサブスタック２１２のエンドフランジに形成された酸化ガス排出口と前記第三のサブスタック２１３の前記酸化ガス受入口との間は、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ２２２及び前記バルブ２０３の残りの口を介して接続している。前記第三のサブスタック２１３のエンドフランジに形成された酸化ガス排出口と前記第一のサブスタック２１１の前記酸化ガス受入口との間は、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ２２３及び前記バルブ２０１の残りの口を介して接続している。

前記ドレントラップ２２１〜２２３の下部には、気液分離した生成水２を外部へ排出する電磁式の二方型のバルブ２０７〜２０９が設けられている。

前記バルブ２０１〜２０３，２０７〜２０９は、制御手段である制御装置２４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置２４０は、酸化ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該バルブ２０１〜２０３，２０７〜２０９の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、水素ガスボンベ１３０と各前記サブスタック１１１〜１１３との間を二方型のバルブ１０１〜１０３によって接続すると共に、各前記サブスタック１１１〜１１３間を二方型のバルブ１０４〜１０６によって接続するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、酸素ガスボンベ２３０と各前記サブスタック２１１〜２１３との間及び各前記サブスタック２１１〜２１３間を三方型のバルブ２０１〜２０３によってまとめて接続するようにしたのである。

このような本実施形態では、前記バルブ２０１〜２０３等により酸化ガス用最上流位置切換手段と酸化ガス用最下流位置切換手段とを兼ねるように構成している。

なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図３において、固体高分子形燃料電池発電システム２００の燃料ガス供給手段等の燃料ガス系統や温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、酸化ガス系統等の主要部のみを記載しているが、これら燃料ガス系統や温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。

このような構造をなす本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００の作動を次に説明する。

前記制御装置２４０を作動させると、当該制御装置２４０は、前記バルブ２０７〜２０９を閉鎖すると共に、酸化ガスボンベ２３０と第一のサブスタック２１１の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０１を切り換え、第一のサブスタック２１１の前記酸化ガス排出口と第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０２を切り換え、第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス排出口と第三のサブスタック２１３の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０３を切り換えるように、これらバルブ２０１〜２０３，２０７〜２０９を制御する（図４Ａ参照）。

これにより、酸素ガスボンベ２３０内の酸素ガス３が、前記バルブ２０１を経由して第一のサブスタック２１１の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック２１１において、図示しない燃料ガス系統から供給された燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０２を経由して第二のサブスタック２１２の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック２１２において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０３を経由して第三のサブスタック２１３の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック２１３において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第三のサブスタック２１３においては、送給された酸素ガス３（残りの約１／３）のほとんどが消費されて、酸化ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置２４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、酸素ガスボンベ２３０と第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０２を切り換えると共に、第三のサブスタック２１３の前記酸化ガス排出口と第一のサブスタック２１１の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０１を切り換えるように（前記バルブ２０３はそのままの状態を維持）、当該バルブ２０１，２０２を制御する（図４Ｂ参照）。

つまり、前記制御装置２４０は、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３の送給先を、第一のサブスタック２１１から第二のサブスタック２１２に切り換えると共に、第一のサブスタック２１１を酸素ガス３の流通方向最下流側に位置させるように第三のサブスタック２１３から切り換えるのである。

これにより、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３が、前記バルブ２０２を経由して第二のサブスタック２１２の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック２１２において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０３を経由して第三のサブスタック２１３の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック２１３において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２３で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０１を経由して第一のサブスタック２１１の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック２１１において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第三のサブスタック２１３においては、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３のうち、前記第二のサブスタック２１２で消費された残りの酸素ガス３（２／３）が供給されるようになるので、前記流路内に滞留している生成水２が押し出されて、電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第一のサブスタック２１１において、送給された酸素ガス３のほとんどが消費されて、酸化ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるようので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置２４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間がさらに経過すると、酸素ガスボンベ２３０と第三のサブスタック２１３の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０３を切り換えると共に、第一のサブスタック２１１の前記酸化ガス排出口と第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０２を切り換えるように（前記バルブ２０１はそのままの状態を維持）、当該バルブ２０２，２０３を制御する（図４Ｃ参照）。

つまり、前記制御装置２４０は、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３の送給先を、第二のサブスタック２１２から第三のサブスタック２１３に切り換えると共に、第二のサブスタック２１２を酸素ガス３の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック２１１から切り換えるのである。

これにより、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３が、前記バルブ２０３を経由して第三のサブスタック２１３の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック２１３において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２３で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０１を経由して第一のサブスタック２１１の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック２１１において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０２を経由して第二のサブスタック２１２の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック２１２において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

このとき、前記第一のサブスタック２１１においては、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３のうち、前記第三のサブスタック２１３で消費された残りの酸素ガス３（２／３）が供給されるようになるので、前記流路内に滞留している生成水２が押し出されて、電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第二のサブスタック２１２において、送給された酸素ガス３のほとんどが消費されて、酸化ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置２４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間がさらに経過すると、酸素ガスボンベ２３０と第一のサブスタック２１１の前記酸素ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０１を切り換えると共に、第二のサブスタック２１２の前記酸化ガス排出口と第三のサブスタック２１３の前記酸化ガス受入口との間のみを接続するように前記バルブ２０３を切り換えるように（前記バルブ２０２はそのままの状態を維持）、当該バルブ２０１，２０３を制御する（図４Ａ参照）。

つまり、前記制御装置２４０は、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス１の送給先を、第三のサブスタック２１３から第一のサブスタック２１１に切り換えると共に、第三のサブスタック２１３を酸素ガス３の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック２１２から切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。

これにより、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３が、前記バルブ２０１を経由して第一のサブスタック２１１の酸化ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック２１１において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３を使用された残りの約２／３）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２１で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０２を経由して第二のサブスタック２１２の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック２１２において、当該流路内に滞留している生成水２を押し出しながら、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されると共に、使用済みの酸素ガス３（約１／３をさらに使用された残りの約１／３）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ２２２で当該生成水２を分離された後、前記バルブ２０３を経由して第三のサブスタック２１３の酸化ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第三のサブスタック２１３において、前記燃料ガス中の水素と前記セルで電気化学的に反応し、前記集電板から電力が取り出されるようになる。

以下、制御装置２４０は、上述した前記バルブ２０１〜２０３の制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池２１０は、酸素ガス３の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック２１１〜２１３が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する前記サブスタック２１１〜２１３を当該流通方向最下流側に位置させるように前記バルブ２０１〜２０３が切り換え制御される。

なお、前記ドレントラップ２２１〜２２３内に回収された生成水２は、前記制御装置２４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ２０７〜２０９の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。

つまり、前述した第一番目の実施形態では、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック１１１〜１１３に対して、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転した、すなわち、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０６を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を上記流路内から排出させるように運転したが、本実施形態においては、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック２１１〜２１３に対して、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３のうち、一部（約１／３）を消費された残り（約２／３）を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転した、すなわち、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する前記サブスタック２１１〜２１３を当該流通方向最下流側に位置させるように前記バルブ２０１〜２０３を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転したのである。

このため、本実施形態では、固体高分子形燃料電池２１０において、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、酸素ガスボンベ２３０から送給された酸素ガス３をほとんどすべて発電に使用することができるようになるだけでなく、前記サブスタック２１１〜２１３の内部圧力の増加変量をなだらかにすることができる。

したがって、本実施形態によれば、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、前記バルブ２０１〜２０３の切り換えに伴う前記サブスタック２１１〜２１３内の圧力変動による前記セルへの衝撃を前述した第一番目の実施形態の場合よりも抑制することができるので、前述した第一番目の実施形態の場合よりも前記セルの機械的劣化を抑制することができる。

［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図５〜８に基づいて説明する。図５は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図、図６は、図５の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図、図７は、図６に続く作動説明図、図８は、図７に続く作動説明図である。ただし、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一，二番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一，二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００は、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の制御装置１４０を、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、バルブ１０１〜１０９の開閉を後述するように制御する制御手段である制御装置３４０としたものである。

この本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００において、上記制御装置３４０を作動させると、当該制御装置３４０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０７〜１０９を閉鎖すると共に、前記バルブ１０２，１０３，１０６を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０４，１０５を開放するように、これらバルブ１０１〜１０９を制御する（図６Ａ参照）。

そして、予め設定された運転時間が経過すると、上記制御装置３４０は、前記タイマからの情報に基づいて、まず、前記バルブ１０３，１０６を開放するように当該バルブ１０３，１０６を制御する（図６Ａ’参照）。

上記バルブ１０３，１０６が完全に開放されると、上記制御装置３４０は、次に、前記バルブ１０１，１０５を閉鎖するように、当該バルブ１０１，１０５を制御する（図７Ｂ参照）。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記バルブ１０３，１０６の開放と前記バルブ１０１，１０５の閉鎖とを略同時に行うように上記バルブ１０１，１０３，１０５，１０６を前記制御装置１４０で制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前記バルブ１０３，１０６を完全に開放した後に、前記バルブ１０１，１０５を閉鎖するように上記バルブ１０１，１０３，１０５，１０６を前記制御装置３４０で制御するようにしたのである。

これにより、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、上記バルブ１０１，１０３，１０５，１０６の開閉切換時でも水素ガス１が各サブスタック１１１〜１１３内に常に送給されるようになるので、当該バルブ１０２〜１０５の開閉切換のタイムラグによって生じる可能性のある水素ガス１の無給状態における各サブスタック１１１〜１１３の水素ガス１の消費に伴う内圧の急激な低下が確実に抑制され、当該バルブ１０１，１０３，１０５，１０６の開閉切換時でも各サブスタック１１１〜１１３内が水素ガス１の供給時の圧力近傍で維持される。

引き続き、予め設定された運転時間が経過すると、上記制御装置３４０は、前記タイマからの情報に基づいて、前記バルブ１０２，１０５を開放するように当該バルブ１０２，１０５を制御する（図７Ｂ’参照）。

上記バルブ１０２，１０５が完全に開放されると、上記制御装置３４０は、次に、前記バルブ１０３，１０４を閉鎖するように、当該バルブ１０３，１０４を制御する（図８Ｃ参照）。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記バルブ１０２，１０５の開放と前記バルブ１０３，１０４の閉鎖とを略同時に行うように上記バルブ１０２〜１０５を前記制御装置１４０で制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前記バルブ１０２，１０５を完全に開放した後に、前記バルブ１０３，１０４を閉鎖するように上記バルブ１０２〜１０５を前記制御装置３４０で制御するようにしたのである。

これにより、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、上記バルブ１０２〜１０５の開閉切換時でも水素ガス１が各サブスタック１１１〜１１３内に常に送給されるようになるので、当該バルブ１０２〜１０５の開閉切換のタイムラグによって生じる可能性のある水素ガス１の無給状態における各サブスタック１１１〜１１３の水素ガス１の消費に伴う内圧の急激な低下が確実に抑制され、当該バルブ１０２〜１０５の開閉切換時でも各サブスタック１１１〜１１３内を水素ガス１の供給時の圧力近傍で維持することができる。

さらに、予め設定された運転時間が経過すると、上記制御装置３４０は、前記タイマからの情報に基づいて、前記バルブ１０１，１０４を開放するように当該バルブ１０１，１０４を制御する（図８Ｃ’参照）。

上記バルブ１０１，１０４が完全に開放されると、上記制御装置３４０は、次に、前記バルブ１０２，１０６を閉鎖するように、当該バルブ１０２，１０６を制御する（図６Ａ参照）。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記バルブ１０１，１０４の開放と前記バルブ１０２，１０６の閉鎖とを略同時に行うように上記バルブ１０１，１０２，１０４，１０６を前記制御装置１４０で制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前記バルブ１０１，１０４を完全に開放した後に、前記バルブ１０２，１０６を閉鎖するように上記バルブ１０１，１０２，１０４，１０６を前記制御装置３４０で制御するようにしたのである。

これにより、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、上記バルブ１０１，１０２，１０４，１０６の開閉切換時でも水素ガス１が各サブスタック１１１〜１１３内に常に送給されるようになるので、当該バルブ１０１，１０２，１０４，１０６の開閉切換のタイムラグによって生じる可能性のある水素ガス１の無給状態における各サブスタック１１１〜１１３の水素ガス１の消費に伴う内圧の急激な低下が確実に抑制され、当該バルブ１０１，１０２，１０４，１０６の開閉切換時でも各サブスタック１１１〜１１３内を水素ガス１の供給時の圧力近傍で維持することができる。

端的に言えば、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、前記バルブ１０１〜１０６の開閉作動を略同時に行うように当該バルブ１０１〜１０６を前記制御装置１４０で制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００では、前記バルブ１０１〜１０６の開放作動を行った後に、当該バルブ１０１〜１０６の閉鎖作動を行うように当該バルブ１０１〜１０６を前記制御装置３４０で制御する、すなわち、前記サブスタック１１１〜１１３の水素ガス１の流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、水素ガス１の流通方向最上流側に新たに位置させる前記サブスタック１１１〜１１３に前記水素ガスボンベ１３０から水素ガス１を直接供給してから、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３を新たに設定すると共に、当該流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタック１１１〜１１３に前記水素ガスボンベ１３０から直接供給していた水素ガス１の送給を停止するように、前記バルブ１０１〜１０６の開閉を前記制御装置３４０で制御するようにしたのである。

このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００では、上記バルブ１０１〜１０６の開閉切換時でも水素ガス１が各サブスタック１１１〜１１３内に常に送給されるようになるので、当該バルブ１０１〜１０６の開閉切換のタイムラグによって生じる可能性のある水素ガス１の無給状態における各サブスタック１１１〜１１３の水素ガス１の消費に伴う内圧の急激な低下が確実に抑制され、当該バルブ１０１〜１０６の開閉切換時でも各サブスタック１１１〜１１３内を水素ガス１の供給時の圧力近傍で常に維持することができる。

したがって、本実施形態によれば、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、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０１〜１０６の切り換えに伴う前記サブスタック１１１〜１１３内の圧力変動による前記セルへの衝撃を抑制することができるので、前記セルの機械的劣化を抑制することができる。

［第四番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第四番目の実施形態を図９に基づいて説明する。図９は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図である。ただし、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜三番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一〜三番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図９に示すように、前記ドレントラップ１２１〜１２３の前記バルブ１０７〜１０９は、生成水２中の金属イオン等の不純物を除去して当該生成水２を精製するイオン交換樹脂を内装した精製器４５１の上方へ接続している。精製器４５１の下方は、精製された生成水２を貯留する貯水槽４５２の上方へ接続している。貯水槽４５２の下方には、バルブ４０１が連結されている。

前記貯水槽４５２は、前記水素ガスボンベ１３０と前記バルブ１０１〜１０３との間に介在するように連結されおり、下方側に上記水素ガスボンベ１３０側が接続され、上方側に上記バルブ１０１〜１０３側が接続されている。

前記バルブ４０１は、制御手段である制御装置４４０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置４４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、前記バルブ１０１〜１０９と共に当該バルブ４０１の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４００においては、前記制御装置４４０を作動させると、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、当該制御装置４４０が前記バルブ１０１〜１０６を制御することにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、水素ガス１を高効率で利用しながら全体の電力効率を向上させつつ発電運転を行うことができる。

このような発電運転を行っているとき、前記制御装置４４０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０７〜１０９の開閉を行って、前記ドレントラップ１２１〜１２３内から生成水２を適宜排出する。上記ドレントラップ１２１〜１２３内から排出された生成水２は、精製器４５１内を流通して、わずかにでも存在する金属イオン等の不純物が除去された後、貯水槽４５２内に貯留される。

このため、前記水素ガスボンベ１３０から送出された水素ガス１は、貯留槽４５２内の上記生成水２中でバブリングされることにより、加湿されてから前記バルブ１０１〜１０３を介して前記サブスタック１１１〜１１３へ送給されるようになる。

なお、前記貯留槽４５２内に貯留する上記生成水２は、運転していくにしたがって、次第に増えていくため、前記制御装置４４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ４０１の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記サブスタック１１１〜１１３から送出されて前記ドレントラップ１２１〜１２３で回収した生成水２を前記バルブ１０７〜１０９から系外へ排出するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４００においては、前記サブスタック１１１〜１１３から送出されて前記ドレントラップ１２１〜１２３で回収した生成水２を前記バルブ１０７〜１０９から系外へ排出することなく前記貯水槽４５２に一旦貯留して、前記水素ガスボンベ１３０から前記サブスタック１１１〜１１３へ供給する水素ガス１の加湿に利用するようにしたのである。

このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４００では、水素ガスボンベ１３０からの水素ガス１を前記サブスタック１１１〜１１３に供給する前に前記生成水２を利用して予め加湿することができるので、水素ガスボンベ１３０からの水素ガス１を前記サブスタック１１１〜１１３に供給する前に加湿する専用の加湿水や加湿器を別途用意しなくても済むようになる。

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４００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、水素ガスボンベ１３０からサブスタック１１１〜１１３に供給する水素ガス１の加湿に前記生成水２を有効に利用することができるので、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、システム全体の効率の向上及びコンパクト化をさらに図ることができる。

また、前記サブスタック１１１〜１１３の温度調整を行う温調水を利用して前記貯水槽４５２も温調して、当該貯水槽４５２中の前記生成水２を温調するようにすれば、システム全体の効率を向上させながら前記水素ガス１の加湿効率をさらに向上させることができる。

［第五番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第五番目の実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、固体高分子形燃料電池発電システムの主要部の概略構成図である。ただし、前述した第一〜四番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜四番目の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一〜四番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図１０に示すように、前記ドレントラップ１２１〜１２３の上側には、ガスリーク手段であるバルブ５０１〜５０３の一端側がそれぞれ連結されている。これらバルブ５０１〜５０３の他端側は、系外へ連絡している。

前記バルブ５０１〜５０３は、制御手段である制御装置５４０の出力部にそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置５４０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、前記バルブ１０１〜１０９と共に当該バルブ５０１〜５０３の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム５００においては、前記制御装置５４０を作動させると、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、当該制御装置５４０が前記バルブ１０１〜１０９を制御することにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、水素ガス１を高効率で利用しながら全体の電力効率を向上させつつ発電運転を行うことができる。

このようにして発電運転を行っているとき、前記制御装置５４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に、前記水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３（例えば、第三のサブスタック１１３）に接続するドレントラップ１２１〜１２３（例えば、ドレントラップ１２３）、言い換えれば、前記サブスタック１１１〜１１３の間に位置して閉鎖している前記バルブ１０４〜１０６（例えば、バルブ１０６）が接続しているドレントラップ１２１〜１２３（例えば、ドレントラップ１２３）に連結する前記バルブ５０１〜５０３（例えば、バルブ５０３）のみを所定時間開放し、当該ドレントラップ１２１〜１２３（例えば、ドレントラップ１２３）内の水素ガス１を所定量だけ系外へリークさせる。

つまり、水素ガスボンベ１３０中の水素ガス１は、前記サブスタック１１１〜１１３内で循環使用されると、僅かに含んでいる不純ガスが当該サブスタック１１１〜１１３内で発電反応に関与することなくそのまま残留して次第に高濃度になり、当該サブスタック１１１〜１１３の発電効率を低下させてしまうことから、予め設定された運転時間経過毎に、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する当該サブスタック１１１〜１１３（例えば、第三のサブスタック１１３）に接続するドレントラップ１２１〜１２３（例えば、ドレントラップ１２３）に連結する前記バルブ５０１〜５０３（例えば、バルブ５０３）のみを所定時間開放して、当該ドレントラップ１２１〜１２３（例えば、ドレントラップ１２３）内の水素ガス１と共に上記不純ガスを系外へリークすることにより、当該サブスタック１１１〜１１３内に残留する上記不純ガスの高濃度化を抑制するようにしたのである。

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム５００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、前記サブスタック１１１〜１１３内に残留する前記不純ガスの高濃度化を抑制することができるので、発電効率の低下をさらに抑制することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第四番目の実施形態では、前記サブスタック１１１〜１１３から送出されて前記ドレントラップ１２１〜１２３で回収した生成水２を前記貯水槽４５２に一旦貯留して、前記水素ガスボンベ１３０から前記サブスタック１１１〜１１３へ供給する水素ガス１の加湿に利用するようにした固体高分子形燃料電池発電システム４００の場合について説明したが、他の実施形態（第六番目の実施形態）として、例えば、図１１に示すように、固体高分子形燃料電池１１０の第一〜三のサブスタック１１１〜１１３の燃料ガス排出口から各々排出された水素ガス１と当該サブスタック１１１〜１１３の燃料ガス供給口へ供給する水素ガス１とを、ガスを透過させることなく水分のみを透過させる膜を介して接触させることで、上記サブスタック１１１〜１１３の燃料ガス排出口から各々排出された上記水素ガス１中の生成水２によって、当該サブスタック１１１〜１１３の燃料ガス供給口へ供給する上記水素ガス１を各々加湿するようにした膜加湿器６３５を備えた固体高分子形燃料電池発電システム６００とすることも可能である。

また、前述した第一，三〜六番目の実施形態では、二方型のバルブ１０１〜１０６を利用した固体高分子形燃料電池発電システム１００，３００，４００，５００において、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック１１１〜１１３に対して、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転した、すなわち、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０６を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を上記流路内から排出させるように運転したが、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック１１１〜１１３に対して、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１のうち、一部（約１／３）を消費された残り（約２／３）を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転する、すなわち、水素ガス１の流通方向最上流側に位置する前記サブスタック１１１〜１１３を当該流通方向最下流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０６を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転することも可能である。

他方、前述した第二番目の実施形態では、三方型のバルブ２０１〜２０３を利用した固体高分子形燃料電池発電システム２００において、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック２１１〜２１３に対して、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス３のうち、一部（約１／３）を消費された残り（約２／３）を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転した、すなわち、酸素ガス３の流通方向最上流側に位置する前記サブスタック２１１〜２１３を当該流通方向最下流側に位置させるように前記バルブ２０１〜２０３を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転したが、前述した第一，三〜六番目の実施形態の場合と同様に、前記流路内に生成水２が滞留したサブスタック２１１〜２１３に対して、酸素ガスボンベ２３０からの全流量の酸素ガス１を供給することにより、滞留した生成水２を当該流路内から排出させるように運転する、すなわち、酸素ガス３の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック２１１〜２１３を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ２０１〜２０３を切り換え制御することにより、滞留した生成水２を上記流路内から排出させるように運転することも可能である。

また、前述した第一，三〜六番目の実施形態では、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用し、酸素を含有するガス（例えば空気等）を酸化ガスとして使用する場合について説明したが、酸素ガスそのものを酸化ガスとして使用する場合には、酸化ガス系統も前述した第一，三〜六番目の実施形態に係る上述した燃料ガス系統と同様に構成することにより、酸化ガス系統においても前述した第一，三〜六番目の実施形態での説明と同様な作用効果を得ることができる。

他方、前述した第二番目の実施形態では、酸素ガス３そのものを酸化ガスとして使用し、水素を含有するガス（例えば炭化水素の改質ガス等）を燃料ガスとして使用する場合について説明したが、水素ガスそのものを燃料ガスとして使用する場合には、燃料ガス系統も前述した第二番目の実施形態に係る上述した酸化ガス系統と同様に構成することにより、燃料ガス系統においても前述した第二番目の実施形態での説明と同様な作用効果を得ることができる。

また、前述した各実施形態では、燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、運転時間を計測する前記タイマを設け、前記制御装置１４０，２４０，３４０，４４０，５４０が、当該タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間の経過により、前記バルブ１０１〜１０６，２０１〜２０３，５０１〜５０３を制御するようにしたが、他の実施形態として、例えば、以下のようにすること等によっても、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。

（１）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの送給量や酸化ガス供給手段からの酸化ガスの送給量を計測するガス流量計測手段（例えば、マスフローメータやオリフィス式ガス流量計等）を設け、制御手段が、当該ガス流量計測手段からの情報に基づいて、燃料ガスや酸化ガスの送給量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする。

（２）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックに流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、前記サブスタックに流れた電流量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする。

（３）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記セルの電圧を計測するセル電圧計測手段を設け、制御手段が、当該セル電圧計測手段からの情報に基づいて、予め設定されたセル電圧基準値よりも小さくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする（例えば、特開２００２−１５１１２５号公報等に記載されている技術の応用）。

（４）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス流通方向下流側の水分量を計測するセル水分計測手段を設け、制御手段が、当該セル水分計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの、前記ガス流通方向下流側の水分量が、予め設定された水分量基準値よりも大きくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする。

（５）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタック内の圧損値を計測する圧損計測手段を設け、制御手段が、当該圧損計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタック内の圧損が、予め設定された圧損基準値よりも大きくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力損失が大きくなる）、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする。

（６）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力を計測する排出口圧力計測手段を設け、制御手段が、当該排出口圧力計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力が、予め設定された圧力基準値よりも小さくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力が小さくなる）、前記バルブ等の位置切換手段やガスリーク手段を制御するようにする。

また、前述した各実施形態においては、前記制御装置１４０，２４０，３４０，４４０５４０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０７〜１０９，２０７〜２０９，４０１の開閉を行うことにより、前記生成水２の送出を行うようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ドレントラップ１２１〜１２３，２２１〜２２３や前記貯水槽４５２内の水位を計測する水位計測手段を設け、当該ドレントラップ１２１〜１２３，２２１〜２２３や当該貯水槽４５２内の水位が規定値を超えると、制御手段が、当該水位計測手段からの情報に基づいて、前記バルブ１０７〜１０９，２０７〜２０９，４０１の開閉を行うことにより、前記生成水２の送出を行うようにすることや、前記サブスタック１１１〜１１３，２１１〜２１３に流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１〜１１３，２１１〜２１３に流れた電流量の積算値により、前記バルブ１０７〜１０９，２０７〜２０９，４０１の開閉を行うことにより、前記生成水２の送出を行うようにすることも可能である。

また、前述した各実施形態において、例えば、前記ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックのみの電力取り出し量を少なくする（供給する水素ガスや酸素ガス等の原料ガスの供給量も併せて少なくする）ように運転すれば、当該最下流側に位置する上記サブスタックの前記流路内に滞留する生成水の単位時間当たりの発生量を少なくすることができるので、前記サブスタックの上述した切り換え間隔を長く設定することが可能となる。

また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つの前記サブスタック１１１〜１１３，２１１〜２１３を接続した固体高分子形燃料電池１１０，２１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合や、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように４つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した各実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、原料ガスを高効率で利用しながらも、システム全体の電力効率を向上させることができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の主要部の概略構成図である。 図１の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の主要部の概略構成図である。 図３の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の主要部の概略構成図である。 図５の固体高分子形燃料電池発電システムの作動説明図である。 図６に続く作動説明図である。 図７に続く作動説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第四番目の実施形態の主要部の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第五番目の実施形態の主要部の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第六番目の実施形態の主要部の概略構成図である。

符号の説明

１ 水素ガス
２ 生成水
３ 酸素ガス
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０９ バルブ
１１０ 固体高分子形燃料電池
１１１〜１１３ サブスタック
１２１〜１２３ ドレントラップ
１３０ 水素ガスボンベ
１４０ 制御装置
２００ 固体高分子形燃料電池発電システム
２０１〜２０３，２０７〜２０９ バルブ
２１０ 固体高分子形燃料電池
２１１〜２１３ サブスタック
２２１〜２２３ ドレントラップ
２３０ 酸素ガスボンベ
２４０ 制御装置
３００ 固体高分子形燃料電池発電システム
３４０ 制御装置
４００ 固体高分子形燃料電池発電システム
４０１ バルブ
４４０ 制御装置
４５１ 精製器
４５２ 貯水槽
５００ 固体高分子形燃料電池発電システム
５０１〜５０３ バルブ
５４０ 制御装置
６００ 固体高分子形燃料電池発電システム
６５３ 膜加湿器

Claims (13)

1. 固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
   前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
   前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、
   前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、
   運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、
   前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを直接供給してから、当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該燃料ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記燃料ガス供給手段から直接供給していた前記燃料ガスの送給を停止するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
2. 固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
   前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
   前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
   前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
   運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
   前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスを直接供給してから、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該酸化ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から直接供給していた前記酸化ガスの送給を停止するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
3. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、
   前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
   前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
   運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と
   を備え、
   前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状に一旦繋げると共に、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスを直接供給してから、当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置する当該サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する一方、当該酸化ガスの流通方向最上流側に先に位置していた前記サブスタックに前記酸化ガス供給手段から直接供給していた前記酸化ガスの送給を停止するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
4. 請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
5. 請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
6. 請求項１，３，４のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの燃料ガス受入口との間に配設され、前記燃料ガス用気液分離手段で分離された水を貯留すると共に、前記燃料ガスと当該水とを接触させる貯水槽を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
7. 請求項２，３，５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの酸化ガス受入口との間に配設され、前記酸化ガス用気液分離手段で分離された水を貯留すると共に、前記酸化ガスと当該水とを接触させる貯水槽を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
8. 請求項１，３，４，６のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの燃料ガス排出口から排出された前記燃料ガス中の水によって、当該サブスタックの燃料ガス供給口へ供給する前記燃料ガスを加湿する膜加湿器を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
9. 請求項２，３，５，７のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの酸化ガス排出口から排出された前記酸化ガス中の水によって、当該サブスタックの酸化ガス供給口へ供給する前記酸化ガスを加湿する膜加湿器を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
10. 請求項１，３，４，６，８のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記燃料ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えている
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
11. 請求項２，３，５，７，９のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記酸化ガス用気液分離手段の内部のガスを系外へリークさせるガスリーク手段を備えている
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
12. 請求項１，３，４，６，８，１０のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
13. 請求項２，３，５，７，９，１１のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。

Images