JPH10199548A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の発電効率を低下させることなく、
燃料電池の電解液の消失を防止する燃料電池システムを
提供する。 【解決手段】 燃料電池システムを複数の燃料電池層を
積層した燃料電池本体と、燃料電池本体より容量の少な
い補助燃料電池から構成し、上記補助燃料電池に供給さ
れた酸化剤ガスが、電解液蒸気を飽和状態またはこれに
近い程度に含む状態で上記燃料電池本体に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
およびその運転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水の電気分解と逆の原理に
より、水素と空気中の酸素の反応を用いて発電を行うも
のであるが、燃料電池で最も問題となるのは、運転中の
燃料ガスの不足による燃料電池の燃料電極の腐食であ
る。即ち、燃料電極は炭素を主成分とするため、燃料ガ
スの供給が不足し水素の供給量が減少すると、上記電極
を構成する炭素が水と反応し炭酸ガスと水素に分解し不
足した水素を補うため、燃料電池の燃料電極が腐食され
る。従って、従来は上述の電極の腐食を防止するため
に、燃料ガスのシリアルフロー方式を採用した燃料電池
システムが用いられていた。図１６および図１７に、か
かるシリアルフロー方式の燃料電池システムの正面図お
よび側面図を示す（特開平５−１９０１９５号公報）。
かかる燃料電池システムでは、燃料電池を構成する積層
された単セル６３が上流積層体６１と下流積層体６２に
分割されており、水素を含む燃料ガスは、燃料ガス入口
側マニホールド６５から上流積層体６１に供給され、該
上流積層体６１を通った後に燃料ガス中間マニホールド
６６に排出され、更に、該燃料ガス中間マニホールド６
６を通って下流積層体６２に供給され、該下流積層体６
２を通った後に燃料ガス出口側マニホールドから排出さ
れる。

【０００３】一方、空気などの酸素を含む酸化剤ガス
は、燃料ガスとは直交する向きに、上流積層体６１、下
流積層体６２に共通した酸化剤ガスマニホールド（７
０、７１）を用いて、上流積層体６１および下流積層体
６２双方に並列に供給される。燃料電池で発生した電力
は、負極側集電板６８と正極側集電板６９を用いて取り
出される。このようにシリアルフロー方式では、燃料ガ
スが上流積層体６１を通って下流積層体６２に直列に供
給されるため、上流積層体６１には上流積層体６１で必
要な燃料ガスに加えて下流積層体６２で必要な燃料ガス
も同時に供給され、上流積層体６１での実質的な燃料
（水素）ガス利用率（供給燃料ガス中の消費燃料ガスの
割合）が小さくなり、一方燃料ガス下流積層体６２に
は、本来下流積層体６２に供給される燃料ガスに加え
て、上流積層体６１で必要とされる燃料ガスの内、使い
残された燃料ガスも供給されるので、やはり実質的な燃
料（水素）ガス利用率が小さくなる。従って、上記シリ
アルフロー方式を用いることにより、燃料電池システム
全体の実質的な燃料利用率を低下させることが可能とな
り、燃料電池の燃料電極の腐食の危険性を下げ、２０ｋ
Ｗ級のリン酸型燃料電池発電プラントで、２００００時
間程度の運転実績が達成できるようになった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、運転時
間が２００００時間を越える頃から燃料電池中の電解質
として用いられるリン酸の消失が激しくなり、電解質の
不足による故障が発生しやすくなり、燃料電池の普及の
目安とされる４００００時間の連続運転を確保するため
には、更に上記電解質中のリン酸の消失対策を講じる必
要がある。発明者らは、詳細な検討の結果、上記電解質
の消失は主に燃料ガスの数倍の流量である酸化剤ガスに
よってリン酸が持ち去られることが主な原因であり、そ
のリン酸の持ち去り量は酸化剤ガス排出口近傍の温度に
おける酸化剤ガス中のリン酸の蒸気圧に大きく依存して
いることがわかった。

【０００５】上記リン酸の消失対策としては、複数の燃
料電池を積層して形成した２個以上の燃料電池スタック
について、燃料ガスと酸化剤ガスを同じ方向に直列に流
し、上流側の燃料電池スタックの運転温度を下流側より
も高くして、リン酸が下流側の燃料電池スタックで凝縮
して回収されるようにして、上流側の燃料電池スタック
と下流側の燃料電池スタックの燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの向きを定期的に交換して、全体としてのリン酸消失
速度をおさえる方法が提案されている（特開平６−１９
６１８５号公報）。しかし、上記方法では、下流側の燃
料電池スタックは、酸素分圧、水素分圧ともに低くなる
のに加えて運転温度も低いために十分な発電特性が得ら
れず、全体としての発電効率が低下するという問題があ
った。また、定期的に燃料ガスおよび酸化剤ガスの向き
を変えるためには、燃料電池を停止する必要があるなど
実用上の問題もあった。

【０００６】そこで、本発明は、燃料電池の発電効率を
低下させることなく、燃料電池の電解液の消失を防止す
る燃料電池システムを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、発明者らは鋭意
研究の結果、燃料電池システムを複数の燃料電池層を積
層した燃料電池本体と、上記燃料電池本体より少ない容
量の補助燃料電池とから構成し、上記補助燃料電池にお
いて酸化剤ガスに電解液蒸気を飽和状態またはこれに近
い程度に含む状態に供給した後、該酸化剤ガスを燃料電
池に供給することにより、燃料電池本体における電解液
の消失が防止でき、上記目的を達成できることを見出し
本発明を完成した。

【０００８】即ち、本発明は、電解液を担持するマトリ
クスを燃料電極と酸化剤電極で挟持した単セルとその両
側に設けられる電解液保持機能を有する酸化剤ガスおよ
び燃料ガス流路とからなる燃料電池層を積層してなる燃
料電池であって、上記燃料電池本体がそれより容量の少
ない補助燃料電池を別個に備え、上記補助燃料電池を上
記燃料電池本体に対し酸化剤ガス流路の上流側に配置
し、酸化剤ガスを上記補助燃料電池を介して上記燃料電
池本体に供給することを特徴とする燃料電池システムで
ある。このように、酸化剤ガスにリン酸等の電解液を供
給することを目的として設けた補助燃料電池で、酸化剤
ガスに電解液が飽和状態またはこれに近い程度に含む状
態に供給された後、かかる酸化剤ガスが燃料電池に供給
されるため、燃料電池本体では酸化剤ガス中への電解液
の蒸発がなくなるか、または抑制される。従って、４０
０００時間の連続運転においても、燃料電池における電
解液の不足が発生せず、安定した連続運転を確保するこ
とができる。尚、補助燃料電池は燃料電池に比べて単体
燃料電池の数が少ないため、補助燃料電池で電解液が不
足した場合は、補助燃料電池の各単体燃料電池に電解液
を補給すれば良い。

【０００９】上記補助燃料電池の燃料電池層あたりの酸
化剤ガス流路断面積は、上記燃料電池の燃料電池層あた
りの酸化剤ガス流路断面積より大きいことが好ましい。
本発明では、補助燃料電池の単体燃料電池の数が燃料電
池の単体燃料電池の数より少ないため、補助燃料電池を
通して燃料電池に酸化剤ガスを供給するためにはブロア
等により酸化剤ガスを送り込む必要がある。しかしブロ
アを用いるにはブロアの運転電力の供給が必要となり好
ましくない。従って、補助燃料電池の酸化剤ガス流路の
断面積を燃料電池の酸化剤ガス流路の断面積より大きく
することにより、ブロア等を用いることなく酸化剤ガス
を補助燃料電池を通って燃料電池に供給することが可能
となる。

【００１０】上記補助燃料電池の酸化剤ガス流路は、リ
ブの間に酸化剤ガス流路を構成する多孔質材料からなる
リブ付きリザーブプレートにより形成されることが好ま
しい。

【００１１】また、上記リザーブプレートを２以上積層
することにより、複層の酸化剤ガス流路を形成し、酸化
剤電極側の酸化剤ガス流路が反応流路を形成し、他の酸
化剤ガス流路が補給流路を形成することが好ましい。こ
のように、リザーブプレートを２以上積層することによ
っても、酸化剤ガスの流路の断面積を大きくでき、ブロ
ア等を用いることなく酸化剤ガスを補助燃料電池を通っ
て燃料電池に供給することが可能となるからである。

【００１２】上記補助燃料電池の各単セルは、電解液の
補給機構を有することが好ましい。即ち、本発明では、
補助燃料電池において電解液が酸化剤ガス中に供給され
るため、補助燃料電池において電解液が不足する。通
常、燃料電池に電解液を供給するためには、各単体燃料
電池に夫々電解液を供給しなければならず、例えば燃料
電池のように多くの単体燃料電池から構成される積層体
に電解液を供給することは非常に困難である。しかし、
本発明では、補助燃料電池は燃料電池に比べて単体燃料
電池の数が少ないため、補助燃料電池の各単体燃料電池
に電解液を補給することは容易であり、更に、補助燃料
電池から燃料電池に電解液が運ばれる場合には、補助燃
料電池に電解液を補給することにより、燃料電池にも間
接的に電解液が供給することができる。

【００１３】上記補助燃料電池と上記燃料電池とは、直
列に電気接続されていることが好ましい。燃料電池の単
体燃料電池での発生電圧は０．７Ｖ程度であるため、補
助燃料電池と燃料電池とを直列に接続することにより、
補助燃料電池の発生電圧分だけ、燃料電池全体の発生電
圧を高くすることができるからである。

【００１４】上記燃料電池または上記補助燃料電池のい
ずれか一方を構成する各燃料電池層が、該燃料電池層の
燃料電極側が酸化剤電極側より上になるように積層さ
れ、他方を構成する各燃料電池層が、該燃料電池層の酸
化剤電極側が燃料電極側より上になるように積層されて
いることが好ましい。かかる構造を用いることにより、
補助燃料電池の底部に位置する電極と、燃料電池の底部
に位置する電極とが逆の極性を有し、かかる底部の電極
同士を接続することにより容易に補助燃料電池と燃料電
池とを直列接続することができるからである。

【００１５】上記燃料電池に供給された燃料ガスの少な
くとも一部が、上記燃料電池から排出された後、更に上
記補助燃料電池に供給される燃料ガス供給手段を有する
ものであっても良い。燃料ガスの供給にこのようなシリ
アルフロー方式を用いることにより、燃料電池全体の実
質的な燃料利用率を低下させることが可能となり、燃料
電池の燃料電極の腐食の危険性を下げることができるか
らである。特に、本発明では、燃料電池から排出された
燃料ガスが、積層された燃料電池の少ない補助燃料電池
に供給される構造をとるため、燃料ガスの不足は燃料ガ
ス流の下流にあたる補助燃料電池で最初に発生し補助燃
料電池の燃料電極が優先的に腐食されるため、補助燃料
電池の燃料電極のみを腐食させ、燃料電池を保護するこ
とが可能となる。また、補助燃料電池が含む単セル数は
比較的少ないため、補助燃料電池の燃料電極が腐食され
た場合、燃料電極を容易に交換することができる。

【００１６】上記燃料ガス供給手段は、更に上記燃料電
池を構成する複数の燃料電池層を２以上のブロックに分
けて、各ブロックを構成する燃料電池層に順次直列的に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を有することが好
ましい。燃料電池を２以上のブロックに分けて、順次燃
料ガスが通過するようなシリアルフロー方式を採用する
ことにより、更に燃料電池内での燃料ガスの燃料利用率
を下げることが可能となり、燃料電池において燃料ガス
が不足することによる燃料電極の腐食の危険性を低減す
ることが可能となる。

【００１７】上記燃料ガス供給手段は、更に上記燃料電
池を構成する各燃料電池層の燃料ガス流路を２以上の流
路ブロックに分けて、各ブロックを構成する各燃料ガス
流路に順次直列的に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手
段を有することが好ましい。即ち、上述のような複数の
単体燃料電極を順次燃料ガスが通過して流れるシリアル
フロー方式の代わりに、燃料電極のリザーブプレートの
燃料ガス流路を２以上のブロックに分けて、順次燃料ガ
スを流すシリアルフロー方式を用いることによっても同
様に燃料電池での燃料利用率を下げて、燃料ガスの不足
による燃料電極の腐食の危険性を低減することが可能と
なる。

【００１８】上記補助燃料電池を構成する各燃料電池層
の燃料ガス流路が、第１および第２の流路ブロックに分
けられ、上記第１の流路ブロックを構成する流路ブロッ
クに供給された燃料ガスが十分に電解液を含んで上記燃
料電池および上記第２の流路ブロックを構成する流路ブ
ロックに、順次直列的に供給される燃料ガス供給手段を
有するものであっても良い。かかる燃料ガスの流路をと
ることにより、補助燃料電池で燃料ガス中に電解液が飽
和またはこれに近い状態で保持された後に、燃料電池に
供給されるため、燃料ガスにより燃料電池から持ち去ら
れる電解液の量を低減することができる。また、同時
に、燃料ガスが不足し、燃料電極が優先的に腐食される
場所が補助燃料電池に限られるため、腐食された燃料電
極の交換を容易において行うことが可能となる。

【００１９】上記燃料電池および上記補助燃料電池は、
面圧保持機構、集電機構、ガスマニホールドを夫々独立
して有することが好ましい。本発明では、燃料ガスの腐
食を補助燃料電池で優先的に発生させて燃料電池の故障
を防止するため、補助燃料電池内で燃料電極の腐食が発
生し電極交換が必要となった場合には、補助燃料電池と
燃料電池がこのように独立に構成されることにより、補
助燃料電池のみを切り放すことができ、電極の交換作業
を容易に行うことが可能となる。

【００２０】上記補助燃料電池の酸化剤ガス排出側の面
と上記燃料電池の酸化剤ガス供給側の面とが対向するよ
うに配置され、上記補助燃料電池と上記燃料電池を接続
する配管が、上記補助燃料電池と上記燃料電池の中央近
傍で分離可能であることが好ましい。このような構造に
することにより、補助燃料電池となる燃料電池の分離作
業が容易に行えるからである。

【００２１】上記補助燃料電池が、移動可能であること
が好ましい。補助燃料電池は、積層される単体燃料電池
数が少ないとは言っても相当の重量を有するため、例え
ば移動可能な台上に配置することにより燃料電極交換時
の補助燃料電池の移動を容易に行えるからである。

【００２２】上記補助燃料電池は、上記燃料電池上に設
置されていることが好ましい。かかる配置にすることに
より、燃料電池システムの占有面積を小さくすることが
可能になるからである。

【００２３】また、本発明は、電解液を担持するマトリ
クスを燃料電極と酸化剤電極で挟持した単セルとその両
側に設けられる電解液保持機能を有する酸化剤ガスおよ
び燃料ガス流路とからなる燃料電池層を積層してなる燃
料電池と、上記燃料電池とは別個に、上記燃料電池より
容量の少ない補助燃料電池を備える燃料電池システムの
運転方法であって、該運転方法が、上記補助燃料電池に
酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガスに電解液を十分に含ま
せる工程と、上記補助燃料電池から排出された酸化剤ガ
スを上記燃料電池に供給する工程とを含むことを特徴と
する燃料電池システムの運転方法でもある。

【００２４】上記補助燃料電池の運転温度は、上記燃料
電池の運転温度以上であることが好ましい。通常は、補
助燃料電池と燃料電池の運転温度がほぼ同じ状態で運転
されるが、補助燃料電池の運転温度を燃料電池の運転温
度より高くすることにより、補助燃料電池で酸化剤ガス
に含まれた電解液を、燃料電池中で凝縮させることがで
き、補助燃料電池から燃料電池へ電解液の供給が可能と
なる。これにより、燃料電池での電解液の不足を防止で
き４００００時間以上の安定した連続運転が可能とな
る。

【００２５】特に、上記補助燃料電池の運転温度が上記
補助燃料電池の酸化剤ガス排出口近傍の温度であり、上
記燃料電池の運転温度が上記燃料電池の酸化剤ガス排出
口近傍の温度であることが好ましい。発明者らが検討し
た結果、補助燃料電池および燃料電池から酸化剤ガスに
含まれて持ち出される電解液の量は、主に補助燃料電池
および燃料電池の酸化剤ガス排出口近傍の温度に依存す
るため、補助燃料電池の酸化剤ガス排出口近傍の温度を
燃料電池の酸化剤ガス排出口近傍の温度と同等かあるい
は高くすることにより、燃料電池においては、補助燃料
電池から持ち込まれる電解液の量が、燃料電池から持ち
出される電解液の量と同等かあるいは多くなり、補助燃
料電池における電解液の減少を防止することができる。

【００２６】上記燃料電池は、上記燃料電池層間の適宜
箇所に冷却水路板を備え、上記燃料電池の酸化剤ガス供
給口側温度が酸化剤ガス排出口側温度より高くなる温度
勾配を形成するように、酸化剤ガス排出口側から酸化剤
ガス供給口側に冷却水を流すことが好ましい。かかる温
度勾配を設けることにより、燃料電池本体からの電解液
の排出を抑制できるからである。

【００２７】また、上記補助燃料電池は、上記燃料電池
層間の適宜箇所に冷却水路板を備え、上記補助燃料電池
の酸化剤ガス排出口側温度が酸化剤ガス供給口側温度よ
り高くなる温度勾配を形成するように、酸化剤ガス供給
口側から酸化剤ガス排出口側に冷却水を流すことが好ま
しい。補助燃料電池から燃料電池本体への電解液の供給
を容易にするためである。

【００２８】上記燃料電池および上記補助燃料電池が、
上記燃料電池層間の適宜箇所に冷却水路板を備え、上記
燃料電池の冷却水路板の温度が上記補助燃料電池の冷却
水路板の温度より低くなるように、上記燃料電池の冷却
水路板から排出された冷却水が上記補助燃料電池の冷却
水路板に供給される冷却水路を有することが好ましい。
このように冷却水を流すことにより、補助燃料電池の運
転温度を燃料電池の運転温度以上に保持することが容易
になるからである。

【００２９】更に、上記燃料電池システムの運転方法
は、上記燃料電池に、上記補助燃料電池で必要とされる
燃料ガスを含む燃料ガスを供給する工程と、上記燃料電
池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を補助燃料
電池に供給する工程とを含むことが好ましい。

【００３０】また、本発明は、上記補助燃料電池の少な
くとも１つの単セルの燃料電極と酸化剤電極との間のセ
ル電圧を測定し、該セル電圧が所定の値より低下した場
合に、上記燃料電池に供給する燃料ガス量を増加させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法でもあ
る。燃料ガスの不足は補助燃料電池で優先的に発生する
ために、かかる補助燃料電池の単セルの電極間の電圧を
測定することにより、燃料ガスの不足を検知し、燃料電
極の腐食の未然防止が可能となる。

【００３１】また、本発明は、上記補助燃料電池の少な
くとも１つの単セルの燃料電極と酸化剤電極との間のセ
ル電圧を測定し、該セル電圧が所定の値より低下した場
合に、上記燃料電池の負荷電流値を下げることを特徴と
する燃料電池システムの運転方法でもある。このよう
に、補助燃料電池の単セルのセル電圧が低下した場合
に、上述のように燃料ガス量を増加するかわりに、燃料
電池の負荷電流値を下げて燃料ガスの消費量自体を減少
させることによっても燃料電極の腐食の未然防止が可能
となる。

【００３２】また、本発明は、上記補助燃料電池の燃料
ガス供給口近傍の温度と燃料ガス排出口近傍の温度との
温度差を測定し、上記温度差が所定の値より大きくなっ
た場合に、上記燃料電池に供給する燃料ガス量を増加さ
せることを特徴とする燃料電池システムの運転方法でも
ある。補助燃料電池の燃料ガス供給量が不足すると、補
助燃料電池での発電効率が低下するため、補助燃料電池
の温度が低下する。従って、補助燃料電池の温度変化を
検知することによっても燃料ガス供給量の不足を検知す
ることが可能が、補助燃料電池の温度は常に変動してい
るため、特に、補助燃料電池の燃料ガス供給口近傍の温
度と燃料ガス排出口近傍の温度との温度差を測定するこ
とにより、燃料ガス不足による温度変化であることを特
定することができ、燃料ガスの不足による燃料電極の腐
食の未然防止を図ることが可能となる。

【００３３】また、本発明は、上記補助燃料電池の燃料
ガス供給口近傍の温度と燃料ガス排出口近傍の温度との
温度差を測定し、上記温度差が所定の値より大きくなっ
た場合に、上記燃料電池の負荷電流値を下げることを特
徴とする燃料電池システムの運転方法でもある。かかる
方法によっても同様に燃料ガスの不足による燃料電極の
腐食の未然防止を図ることが可能となるからである。

【００３４】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１、図２は、本発明の実施の形態１に
かかる燃料電池システムの側面図および平面図である。
図中、１は補助燃料電池、２は燃料電池、３は補助燃料
電池の酸化剤ガス入口マニホールド、４は補助燃料電池
の酸化剤出口ガスマニホールド、５は燃料電池の酸化剤
入口ガスマニホールド、６は燃料電池の酸化剤出口ガス
マニホールド、７は補助燃料電池の単セル、８は燃料電
池の単セル、９は補助燃料電池の冷却水路板、１０は燃
料電池の冷却水路板、１１は補助燃料電池と燃料電池の
酸化剤ガス接続配管、１２は補助燃料電池と燃料電池の
酸化剤ガス接続配管接合部、１３は燃料電池の燃料入口
ガスマニホールド、１４は燃料電池の燃料出口ガスマニ
ホールド、１５は補助燃料電池の燃料入口ガスマニホー
ルド、１６は補助燃料電池の燃料出口ガスマニホール
ド、１７は補助燃料電池と燃料電池の燃料ガス接続配
管、１８は補助燃料電池と燃料電池の燃料ガス接続配管
接合部、１９は燃料電池の冷却水入口集合配管、２０は
燃料電池の冷却水出口集合配管、２１は補助燃料電池の
冷却水入口集合配管、２２は補助燃料電池の冷却水出口
集合配管、２３は冷却水路板に配設された冷却配管、２
４は補助燃料電池の陰極集電板、２５は補助燃料電池の
陽極集電板、２６は燃料電池の陰極集電板、２７は燃料
電池の陽極集電板、２８は補助燃料電池の陽極集電板と
燃料電池の陰極集電板を接続する配線である。

【００３５】図１、図２の実施の形態はリン酸型燃料電
池発電システムの場合であり、酸化剤ガスとして空気が
用いられる。溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの場合
には、酸化剤ガスとして空気と炭酸ガスの混合ガスが用
いられるが、基本的に図１、２のように構成することに
より、リン酸燃料電池の場合と同様の効果が得られる。

【００３６】上記単セル７は電解質マトリックスと、該
電解質マトリックスを挟むように配置された燃料電極お
よび酸化剤電極とから構成され、電解質マトリックス内
には例えばリン酸等の電解液が保持されている。また、
上記単セル７の両側には電解質保持機能を有するととも
に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路を形成するリザー
ブプレートが配置され、更に該リザーブプレートの両側
にガス分離板が設けられ、これにより１つの単体燃料電
池を構成する。酸化剤ガスとして用いられる空気は、補
助燃料電池の酸化剤ガス入口マニホールド３から補助燃
料電池１の各々の単セル７の酸化剤電極（空気極）に供
給され、酸素の一部が発電に消費されると共に、単セル
７から蒸発したリン酸が飽和蒸気圧に近い状態で酸化剤
ガス中に混入する。更に、リン酸蒸気を含んだ酸化剤ガ
スは、補助燃料電池の酸化剤出口ガスマニホールド４か
ら、補助燃料電池と燃料電池の酸化剤ガス接続配管１
１、燃料電池の酸化剤入口ガスマニホールド５を通って
燃料電池に供給される。燃料電池の単セル８の空気極で
酸素が消費され後、酸化剤ガスは燃料電池の酸化剤出口
ガスマニホールド６を通って排出される。本実施の形態
では補助燃料電池１の運転温度が燃料電池２の運転温度
よりも高くなっているため、リン酸は、補助燃料電池１
で蒸発した後、燃料電池２で凝縮して単セル８に取り込
まれるとともに、リン酸の一部は燃料電池の酸化剤出口
ガスマニホールド６を通って酸化剤ガスと共に排出され
る。

【００３７】補助燃料電池１の運転温度を燃料電池２の
運転温度よりも高くするために、冷却水は、燃料電池２
の冷却水入口集合配管１９からまず７セル置きに挿入さ
れている燃料電池２の冷却水路板１０にそれぞれ分配さ
れて供給された後、燃料電池の冷却水出口集合配管２０
に集められ、更に、補助燃料電池の冷却水入口集合配管
２１から今度は３セル置きに挿入されている補助燃料電
池１の冷却水路板９にそれぞれ分配されて供給され、補
助燃料電池１の冷却水出口集合配管２２に集められた
後、熱交換器を介して循環される。これにより、燃料電
池２の酸化剤出口側の温度が最も低くなり、酸化剤ガス
中に含まれるリン酸の大部分はここで凝集され、単セル
８に取り込まれる。一方、補助燃料電池１の酸化剤入口
側は温度が最も高くなり、酸化剤ガスに十分な飽和量の
リン酸がここで付加される。従って、リン酸は補助燃料
電池１では、酸化剤ガスによって持ち去られ、燃料電池
２では、逆に酸化剤ガスによって持ち込まれて凝集する
ので蓄積することになる。

【００３８】本実施の形態では、燃料ガスとして水蒸気
改質により都市ガスを水素を主成分とするガス（水素８
０％、二酸化炭素２０％）に改質して用いているが、メ
タノールの改質ガス（水素７５％、二酸化炭素２５
％）、天然ガス、ブタン、プロパンなどの改質ガスなど
を用いることもできる。

【００３９】一方、燃料ガスは、燃料電池２の燃料入口
ガスマニホールド１３から燃料電池の各単セル８に供給
され、水素が燃料電池反応で消費された後、燃料電池２
の燃料出口ガスマニホールド１４に集められ、補助燃料
電池１と燃料電池２の燃料ガス接続配管１７を通って補
助燃料電池の燃料入口ガスマニホールド１５から今度
は、補助燃料電池１の単セル７に供給されて水素が消費
された後、補助燃料電池の燃料出口ガスマニホールド１
６に集められて、更に水素が燃料電池反応によって消費
された燃料ガスは改質器の燃焼部に供給されて、残りの
水素が燃焼されて、水蒸気改質反応に必要な反応熱が賄
われる。燃料ガスは、燃料電池で消費された後に補助燃
料電池に供給されるので、システム上のトラブルで実質
的な燃料利用率が高くなった場合には、まず補助燃料電
池の単セル７が優先して腐食することになる。従って、
燃料電池側の燃料電極の腐食の危険性を著しく低下させ
ることができる。

【００４０】なお、必ずしも燃料電池の燃料排ガスのす
べてを補助燃料電池に供給する必要はなく、燃料電池の
燃料排ガスの一部をバイパスして改質器の燃焼部に直接
供給してもよく、同様の効果が得られる。

【００４１】実施の形態２．図３および図４に、本発明
の他の実施の形態にかかる補助燃料電池および燃料電池
の単セルの側面図である。２９は補助燃料電池の単セル
のセパレータ、３０は補助燃料電池の単セルの燃料極側
電解質リザーブプレート、３１は補助燃料電池の単セル
の酸化剤極側電解質リザーブプレート、３２は燃料電池
の単セルのセパレータ、３３は燃料電池の単セルの燃料
極側電解質リザーブプレート、３４は燃料電池の単セル
の酸化剤極側電解質リザーブプレートである。なお、燃
料極側の流路と酸化剤極側の流路は本来は直交している
が、図３、図４では流路の断面の比較のために、同じ向
きで図示した。

【００４２】図４のセル構成は、実施の形態１で一般に
使用されるセル構成であるが、図３に示すように補助燃
料電池の単セルの酸化剤極側電解質リザーブプレート３
１の反応ガス流路の断面積を図４に示すリザーブプレー
トの断面積の２倍に広げた構成や、上記酸化剤極側電解
質リザーブプレート３１の反応ガス流路の断面積を２倍
に広げるとともに補助燃料電池の酸化剤極側電解質リザ
ーブプレート３１の外側にさらに２枚の酸化剤極側電解
質リザーブプレート３１を配置した構成をとりことも可
能である。この場合、重ねた酸化剤極側電解質リザーブ
プレート３１と酸化剤極側電解質リザーブプレート３１
との間には何も介在させない。

【００４３】補助燃料電池の単セルに図３に示す構成を
採用し、スタックに組んで、酸化剤極の入口と出口の圧
力損失を測定した所、同じ条件において、圧力損失が従
来の場合のおよそ６分の１に減少しており、酸化剤供給
のために必要な空気ブロワーの消費電力が大幅に低減さ
れて、発電システム全体の効率が高くなることが分っ
た。

【００４４】ただし、酸化剤極側電解質リザーブプレー
ト３１の枚数が多くなる分コストが高くなり、補助燃料
電池の高さも高くなるので、どちらを採用するかは、用
途によって選択されるべきである。また、必ずしも酸化
剤極側電解質リザーブプレート３１の枚数を増やさなく
ても、反応ガス流路の断面積を燃料電池に比べて大きく
することだけでも圧力損失をかなり低減することがで
き、空気ブロワーの消費電力の低減につながる。

【００４５】図５は、図３に示した補助燃料電池の単セ
ルに、電解質補給機構を装着した場合を示す斜視図であ
る。３５は電解質溜め、３６は電解質供給チューブであ
る。リン酸は電解質溜めから電解質供給チューブを介し
て酸化剤反応ガス流路を通ってリザーブプレートに達
し、多孔質なリザーブプレートに貯蔵されて、必要に応
じて電解質マトリクスや電極やリン酸の不足したリザー
ブプレートにリン酸が供給される。電解質溜め３５の代
わりに注射器を用いてもよく、運転している間でも容易
にリン酸を補給することができた。このように、実施の
形態１に示す方法では、補助燃料電池のリン酸が燃料電
池に運び去られるため、長時間の連続運転を行うために
は、適時補助燃料電池にリン酸を補給することが必要と
なるが、補助燃料電池は単セル数が少ないので、各単セ
ルに対して上記電解質補給機構を設けることが可能とな
る。

【００４６】尚、本実施の形態では、電解液がリン酸型
燃料電池であるためにフッ素系の樹脂を用いて容器３５
やチューブ３６を構成したが、他の燃料電池、例えば溶
融炭酸塩型ではセラミクスを用いて同様の電解液補給機
構を構成すること設ける可能である。

【００４７】実施の形態３．図６および図７は、改質器
や制御器を含む都市ガスを燃料とする２００ｋＷ級発電
システムのパッケージに、実施の形態１の燃料電池シス
テムを組み込んだところの平面図および正面図である。
補助燃料電池と燃料電池は、それぞれ面圧保持機構（押
え板、押え棒や板バネなど）、集電機構（集電板や電流
ケーブル）、ガスマニホールド（燃料入口側と出口側、
酸化剤入口側と出口側）や冷却水集合配管が独立して設
けられている。また、補助燃料電池と燃料電池は、酸化
剤ガスの配管１１、燃料ガスの配管１７が繋がっている
が、その接続部１２、１８は補助燃料電池と燃料電池の
間に設けられており、補助燃料電池と燃料電池の間での
作業で、補助燃料電池と燃料電池のガス配管を容易に分
離することができる。

【００４８】図８は、分離された補助燃料電池を２００
ｋＷ級発電システムのパッケージの手前側に引き出した
所であり、補助燃料電池は稼働式パレット５０の上の乗
っているので容易に引き出すことができる。稼働式パレ
ット５０は、前後に稼働できるように鉄製の小さな車が
４隅に設けてあり、パッケージの方には稼働式パレット
５０の４隅に設けられた鉄製の小さな車が転がるための
鉄製の板（レール）が敷かれているだけのもので、ごく
簡単な構造である。

【００４９】実施の形態４．図９は、積層体２の上に積
層体１を載せた構成の本発明の実施の形態による燃料電
池で、実施の形態３と同様に、都市ガスを燃料とする２
００ｋＷ級発電システムのパッケージに組み込んだもの
であるが、高さが高くなっており、積層体１の部分だけ
パッケージから上に飛び出している。補助燃料電池と燃
料電池は、それぞれ面圧保持機構（押え板、押え棒や板
バネなど）、集電機構（集電板や電流ケーブル）、ガス
マニホールド（燃料入口側と出口側、酸化剤入口側と出
口側）や冷却水集合配管が独立して設けられている。

【００５０】従って、燃料電池との接続部分を切り放せ
ば、補助燃料電池をつり上げることで、簡単に交換する
ことができる。高さの制限が少ない屋外では、クレーン
車を用いて簡単に補助燃料電池を交換できる。尚、本実
施の形態４の配置は、占有面積が小さくできる点で有効
であるが、屋内や地下では、高さの制限がありクレーン
車等の利用が困難なため、補助燃料電池を稼働式パレッ
ト５０ごと運搬しエレベータで地上に運ぶことのできる
実施の形態３にかかる形態の方が望ましい。

【００５１】実施の形態５．図１０は、本発明の燃料電
池の他の実施の形態を示す正面図であり、実施の形態１
に記載した燃料ガスの他の供給方法を提供するものであ
る。５１は燃料電池の燃料上流セル部、５２は燃料電池
の燃料下流セル部、５３は燃料電池の燃料ガス中間マニ
ホールドである。

【００５２】本実施の形態では、燃料電池が、燃料上流
セル部５１と燃料下流セル部５２に分割されており、燃
料上流セル部５１に供給された燃料ガスは更に燃料下流
セル部５２および補助燃料電池に順次供給される。従っ
て、燃料上流セル部５１では、燃料下流セル部５２およ
び補助燃料電池に供給される燃料ガスが余分に供給され
るので、燃料の実質利用率が低下し、燃料欠乏によって
燃料電極が腐食を受ける危険性が著しく低下する。ま
た、燃料下流セル部５２では、燃料上流セル部５１で使
い残した燃料ガスと補助燃料電池に供給される燃料ガス
が余分に供給されるので、燃料の実質利用率が低下し、
燃料欠乏によって燃料電極が腐食を受ける危険性が低下
する。従って、本実施の形態を用いることにより、燃料
電池の燃料電極の腐食の危険性を著しく低下させること
が可能となる。

【００５３】実施の形態６．図１１は、本発明の他の実
施の形態を示す燃料電池の平面図である。７２は燃料ガ
スマニホールドに設けられた仕切り板であり、このよう
に燃料ガスマニホールドに仕切り板を設けることで、燃
料ガスは複数回、燃料電池を横切って供給されることに
なり、上記実施の形態５と同様に燃料として使われる確
率が増え、燃料の実質利用率の低下を図ることができ、
燃料欠乏によって燃料電極の腐食の危険性を低減するこ
とができる。従って、本実施の形態にかかる燃料電池を
用いることにより、燃料電池の燃料電極の腐食の危険性
を著しく低下させることができる。

【００５４】実施の形態７．図１２および図１３に、本
発明の燃料電池の他の実施の形態を示す正面図および平
面図を示す。図中、５４は、燃料が供給される補助燃料
電池の燃料入口セル部、５５は燃料電池の燃料排出ガス
が供給される補助燃料電池の燃料出口セル部であり、図
１３に示すように、燃料入口セル部５４と燃料出口セル
部５５は、仕切り板で分離されており、燃料入口セル部
５４に供給された燃料ガスは、続いて燃料電池に供給さ
れた後、最後に燃料出口セル部５５に供給されることと
なる。

【００５５】ここで、補助燃料電池の燃料入口セル部５
４は、補助燃料電池、燃料電池の中で最も燃料入口に近
い位置にあり、水素濃度が最も高いので、反応により最
も温度が高くなり、燃料ガスにリン酸蒸気が十分に付加
される。従って、補助燃料電池の燃料入口セル部５４で
は、リン酸の消失量が最も多くなり、かかる燃料入口セ
ル部５４でリン酸を飽和した燃料ガスが燃料電池に供給
されることにより、燃料電池でのリン酸の蒸発をおさえ
ることができる。また、補助燃料電池の燃料出口セル部
は、補助燃料電池、燃料電池の中で最も燃料出口に近い
位置にあり、水素濃度が最も希薄になるので、最も燃料
電極が腐食を受けやすい部分になる。このように、本実
施の形態７の燃料電池では、補助燃料電池の燃料入口付
近が最もリン酸飛散が激しく、また補助燃料電池の燃料
出口付近が最も燃料電極の腐食を受けやすい部分とな
る。従って、これとは対照的に燃料電池でのリン酸飛散
や燃料電極の腐食の危険性が少なくなり、燃料電池の故
障は、補助燃料電池にほぼ限られるようになり、燃料電
池を保護することが可能となる。

【００５６】なお、必ずしも燃料電池の燃料排ガスのす
べてを補助燃料電池に供給する必要はなく、燃料電池の
燃料排ガスの一部をバイパスして改質器の燃焼部に直接
供給してもよく、かかる形態においても同様の効果が得
られる。

【００５７】実施の形態８．図１４は、実施の形態１の
燃料電池発電システムの運転時の補助燃料電池と燃料電
池の単セル電圧の経時変化を示したものである。本実施
の形態は、補助燃料電池の単セル電圧に低下を検知する
ことにより、燃料ガスの供給不足を検知し、燃料ガス流
量を増加させ、燃料電極の腐食を防止するものであり、
以下にその内容を示す。図中、３７は補助燃料電池の単
セル電圧の経時変化、３８は燃料電池の単セル電圧の経
時変化である。まず、システム上で改質率が低下して、
燃料ガスに含まれる燃料（水素）が不足し、実質的な燃
料利用率が上昇した場合を模擬して、経過時間０分の時
点で、燃料ガス流量を減少させ、燃料利用率を上昇させ
ている。燃料ガス流量減少から１分経過時点３９で、補
助燃料電池の単セル電圧の低下が始まっており、更に１
分３０秒が経過した時点４０で補助燃料電池の単セル電
圧の低下が充分認識できる値（単セル電圧の減少が３０
ｍＶ）として検知された。この時点で、燃料が不足して
いると判断し、供給燃料ガスの流量を増加させた。かか
る燃料ガス流量を増加した時点から約１分後に燃料ガス
流量が回復し、補助燃料電池の単セル電圧が回復してい
る（時点４１）ことがわかる。従って、このように燃料
ガス供給量を増加させることにより、燃料の供給不足に
よる燃料電極の腐食を防止することが可能となる。

【００５８】これに対して、燃料電池の単セル電圧３８
は、燃料ガス流量を減少させた後、２分３０秒の時点４
０で初めて低下が始まっており、また、低下の量も少な
いため、燃料電池の単セル電圧のみをモニタするだけで
は燃料ガスが不足した場合の検知が困難であることが分
かる。なお、本実施の形態では、補助燃料電池の単セル
電圧が３０ｍＶ減少した場合に、燃料ガス流量が低下し
たものと検知するように設定していたが、かかる設定値
は任意に設定することができ、燃料ガス流量低下の検知
を、例えば単セル電圧が２０ｍＶ低下した場合に検知す
るように設定した場合には、燃料電池の単セル電圧が、
４０の時点から４１の時点まで大きく落ち込むことな
く、セル電圧を復帰させることができた。

【００５９】実際のプラントでは、セル電圧の摂動が見
られる場合もあるので、数ｍＶ以内の変化で、燃料ガス
流量の低下（実際には、流量はほとんど同じで、水素濃
度の低下が起こる）を検知することは難しいが、１０ｍ
Ｖ以上であれば、判定が可能である。なお、燃料ガス流
量を増やすには、燃料ガス流量を調節している弁の開閉
度を変化させる必要があるため、図１４の４０の時点か
ら４１の時点までの時間のように、単セル電圧の回復に
は比較的長い時間が必要となる。

【００６０】一方、燃料ガスの減少により燃料電圧の腐
食を防止する手段として、本実施の形態のように燃料ガ
ス流量を増加させる方法の他に、燃料電池の発電量を減
少させる方法、即ち燃料電池の負荷電流値を下げる方法
を採ることも可能である。この場合は、本実施の形態の
ような燃料ガス流量を増やす方法に比べて、単セル電圧
の回復に必要な時間は、短時間となる。

【００６１】なお、本実施の形態では単セル電圧をモニ
ターしたが、補助燃料電池全体の電圧も同様に変化して
いるので、補助燃料電池全体の電圧あるいは数セルの電
圧をモニターすることによっても、燃料ガス流量の減少
を検知することが可能となる。

【００６２】実施の形態９．上記実施の形態８では、補
助燃料電池の単セル電圧を測定して燃料ガスの不足を検
知していたのに対し、本方法は、補助燃料電池の燃料入
口側および出口側のセル温度を測定し、両者の温度差の
変化から燃料ガスの不足を検知し、燃料電極の腐食を防
止するものである。図１５は、第１の実施の形態にかか
る燃料電池システム（図１）の補助燃料電池の単セルの
燃料入口セル温度と燃料出口セル温度の経時変化を示す
ものであり、図中、４２は補助燃料電池の燃料入口側の
セル温度の経時変化、４３は補助燃料電池の燃料出口側
のセル温度の経時変化である。実施の形態８と同様に、
燃料電池システムの供給ガスの改質率が低下して燃料ガ
スに含まれる燃料（水素）が不足し、燃料電池の実質的
な燃料利用率が上昇した場合を模擬して、経過時間０分
の時点で燃料ガス流量を減少させ、燃料電池での燃料利
用率を上昇させている。経過時間１分の時点４４で、燃
料入口側セル温度の上昇と、燃料出口側セル温度の低下
が始まっており、さらに１分が経過した時点４５で、燃
料入口側と燃料出口側の温度差が充分認識できる値（温
度差が８度）として検知されている。この時点で、燃料
ガスが不足したものと判断し、燃料ガス流量を増加させ
た結果、それから約１分弱後には、燃料ガス流量が回復
して温度の差が減少し始めており、これにより燃料不足
による燃料電極の腐食を防止することができる。

【００６３】上記実施の形態では異常検知の基準とし
て、燃料入口側と燃料出口側の温度差を８度に設定した
が、設定可能な温度差の下限値はセル温度の安定性によ
り、即ちセル温度は常に変動していることから、セル温
度の変動による上記温度差の変化を越える範囲で、更に
小さい値に決定することも可能である。なお、本実施の
形態で、燃料入口側と燃料出口側のセル温度の温度差を
測定することとし、燃料入口温度または燃料出口温度の
一方だけを測定するものとしていないのは、セル温度は
セルの負荷によっても変化するため、燃料入口温度また
は燃料出口温度の一方だけを測定し、かかる値の変化を
もって燃料ガス組成や流量の異常と判断することはでき
ないためである。

【００６４】上記実施の形態では、燃料不足を検知した
後、燃料ガス流量を増加させて燃料不足による燃料電極
の腐食を防止しているが、実施の形態８と同様に、燃料
電池の負荷電流値を低下させ、燃料電池の発電量を減少
させる方法を採ることも可能である。この場合は、燃料
ガス流量を増やす方法に比べて、単セル電圧の回復に必
要な時間は、短時間となる。

【００６５】尚、上記実施の形態１〜９はリン酸型燃料
電池について説明したが、本発明は溶融炭酸塩型燃料電
池やアルカリ型燃料電池、硫酸型燃料電池など、他の燃
料電池についても適用可能であり、かかる場合にも同様
の効果を得ることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、複数の積層された単体燃料電池からなる燃料
電池と、積層された単体燃料電池の数が該燃料電池より
少ない補助燃料電池より燃料電池システムを構成し、補
助燃料電池から排出された酸化剤ガスを更に燃料電池に
供給するようにしたため、燃料電池には電解質蒸気を飽
和状態またはこれに近い状態に含んだ酸化剤ガスが供給
され、燃料電池における電解質の消失をなくし、または
抑制することが可能となる。これにより、燃料電池の普
及に不可欠な４００００時間の連続運転が可能となる。

【００６７】更に燃料電池の燃料排出ガスを補助燃料電
池に供給する燃料ガスのシリアルフロー方式を採ること
により、燃料ガスの燃料利用率を下げることができ、燃
料不足による燃料電極の腐食の危険性を低くすることが
可能となる。また、たとえ燃料ガスが不足した場合であ
っても、単体燃料電池数の少ない補助燃料電池の燃料電
極が優先的に腐食されるため、燃料電池を腐食から保護
できる一方、補助燃料電池の燃料電極の交換は比較的容
易であり、燃料電池を速やかに復旧することが可能とな
る。

【００６８】更に、本発明によれば、特に燃料ガスの不
足が優先的に発生する補助燃料電池の単セルのセル電圧
をモニターし、その燃料ガス不足に起因するセル電圧の
低下した場合には燃料ガス流量を増加し、または燃料電
池の負荷電流値を下げるようにするため、燃料電池中で
最も優先的に腐食が発生する補助燃料電池の単セルの腐
食を未然防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１の実施の形態にかかる燃料電池シ
ステムの側面図である。

【図２】 本発明の１の実施の形態にかかる燃料電池シ
ステムの平面図である。

【図３】 本発明の他の実施の形態にかかる補助燃料電
池の単体燃料電池の側面図である。

【図４】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池の
単体燃料電池の側面図である。

【図５】 本発明の他の実施の形態にかかる電解質補給
機構を装着した単体燃料電池の斜視図である。

【図６】 本発明の他の実施の形態にかかる発電システ
ムのパッケージに組み込んだ燃料電池システムの平面図
である。

【図７】 本発明の他の実施の形態にかかる発電システ
ムのパッケージに組み込んだ燃料電池システムの正面図
である。

【図８】 本発明の他の実施の形態にかかる台車上に配
置した補助燃料電池をパッケージの手前側に引き出た場
合の概略図である。

【図９】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池上
に補助燃料電池を配置した燃料電池システムの正面図で
ある。

【図１０】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの正面図である。

【図１１】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの平面図である。

【図１２】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの正面図である。

【図１３】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの平面図である。

【図１４】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの運転方法を使用した場合の単セル電圧の経時
変化を示す図である。

【図１５】 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池
システムの運転方法を使用した場合の単セルのセル温度
の経時変化を示す図である。

【図１６】 従来の燃料電池システムの正面図である。

【図１７】 従来の燃料電池システムの側面図である。

【符号の説明】

１ 補助燃料電池、２ 燃料電池、３ 補助燃料電池の
酸化剤入口ガスマニホールド、４ 補助燃料電池の酸化
剤出口ガスマニホールド、５ 燃料電池の酸化剤入口ガ
スマニホールド、６ 燃料電池の酸化剤出口ガスマニホ
ールド、７ 補助燃料電池の単セル、８ 燃料電池の単
セル、９ 補助燃料電池の冷却水路板、１０ 燃料電池
の冷却水路板、１１ 補助燃料電池と燃料電池の酸化剤
ガス接続配管、１２ 補助燃料電池と燃料電池の酸化剤
ガス接続配管接合部、１３ 燃料電池の燃料入口ガスマ
ニホールド、１４ 燃料電池の燃料出口ガスマニホール
ド、１５ 補助燃料電池の燃料入口ガスマニホールド、
１６ 補助燃料電池の燃料出口ガスマニホールド、１７
補助燃料電池と燃料電池の燃料ガス接続配管、１８
補助燃料電池と燃料電池の燃料ガス接続配管接合部、１
９ 燃料電池の冷却水入口集合配管、２０ 燃料電池の
冷却水出口集合配管、２１ 補助燃料電池の冷却水入口
集合配管、２２ 補助燃料電池の冷却水出口集合配管、
２３ 冷却水路板に配設された冷却配管、２４ 補助燃
料電池の陰極集電板、２５ 補助燃料電池の陽極集電
板、２６ 燃料電池の陰極集電板、２７ 燃料電池の陽
極集電板、２８ 補助燃料電池の陽極集電板と燃料電池
の陰極集電板を接続する配線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｐ 8/24 8/24 Ｒ (72)発明者 谷口 哲也 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 堀内 弘志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解液を担持するマトリクスを燃料電極
   と酸化剤電極で挟持した単セルとその両側に設けられる
   電解液保持機能を有する酸化剤ガスおよび燃料ガス流路
   とからなる燃料電池層を積層してなる燃料電池であっ
   て、 上記燃料電池本体がそれより容量の少ない補助燃料電池
   を別個に備え、 上記補助燃料電池を上記燃料電池本体に対し酸化剤ガス
   流路の上流側に配置し、酸化剤ガスを上記補助燃料電池
   を介して上記燃料電池本体に供給することを特徴とする
   燃料電池システム。
2. 【請求項２】 上記補助燃料電池の燃料電池層あたりの
   酸化剤ガス流路断面積が、上記燃料電池の燃料電池層あ
   たりの酸化剤ガス流路断面積より大きいことを特徴とす
   る請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 上記補助燃料電池の酸化剤ガス流路が、
   リブの間に酸化剤ガス流路を構成する多孔質材料からな
   るリブ付きリザーブプレートにより形成されることを特
   徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 上記リザーブプレートを２以上積層する
   ことにより、複層の酸化剤ガス流路を形成し、酸化剤電
   極側の酸化剤ガス流路が反応流路を形成し、他の酸化剤
   ガス流路が補給流路を形成することを特徴とする請求項
   ３に記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 上記補助燃料電池の各単セルが、電解液
   の補給機構を有することを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池システム。
6. 【請求項６】 上記補助燃料電池と上記燃料電池とが直
   列に電気接続されていることを特徴とする請求項１に記
   載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 上記燃料電池または上記補助燃料電池の
   いずれか一方を構成する各燃料電池層が、該燃料電池層
   の燃料電極側が酸化剤電極側より上になるように積層さ
   れ、他方を構成する各燃料電池層が、該燃料電池層の酸
   化剤電極側が燃料電極側より上になるように積層されて
   いることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システ
   ム。
8. 【請求項８】 上記燃料電池に供給された燃料ガスの少
   なくとも一部が、上記燃料電池から排出された後、更に
   上記補助燃料電池に供給される燃料ガス供給手段を有す
   ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システ
   ム。
9. 【請求項９】 上記燃料ガス供給手段が、更に上記燃料
   電池を構成する複数の燃料電池層を２以上のブロックに
   分けて、各ブロックを構成する燃料電池層に順次直列的
   に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を有することを
   特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 上記燃料ガス供給手段が、更に上記燃
    料電池を構成する各燃料電池層の燃料ガス流路を２以上
    の流路ブロックに分けて、各ブロックを構成する各燃料
    ガス流路に順次直列的に燃料ガスを供給する燃料ガス供
    給手段を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料
    電池システム。
11. 【請求項１１】 上記補助燃料電池を構成する各燃料電
    池層の燃料ガス流路が、第１および第２の流路ブロック
    に分けられ、上記第１の流路ブロックを構成する流路ブ
    ロックに供給された燃料ガスが十分に電解液を含んで上
    記燃料電池および上記第２の流路ブロックを構成する流
    路ブロックに、順次直列的に供給される燃料ガス供給手
    段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
    システム。
12. 【請求項１２】 上記燃料電池および上記補助燃料電池
    が、面圧保持機構、集電機構、ガスマニホールドを夫々
    独立して有することを特徴とする請求項１から１１のい
    ずれかに記載の燃料電池システム。
13. 【請求項１３】 上記補助燃料電池の酸化剤ガス排出側
    の面と上記燃料電池の酸化剤ガス供給側の面とが対向す
    るように配置され、上記補助燃料電池と上記燃料電池を
    接続する配管が、上記補助燃料電池と上記燃料電池の中
    央近傍で分離可能であることを特徴とする請求項１から
    １１のいずれかに記載の燃料電池システム。
14. 【請求項１４】 上記補助燃料電池が、移動可能である
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の
    燃料電池システム。
15. 【請求項１５】 上記補助燃料電池が、上記燃料電池上
    に設置されていることを特徴とする請求項１から１１の
    いずれかに記載の燃料電池システム。
16. 【請求項１６】 電解液を担持するマトリクスを燃料電
    極と酸化剤電極で挟持した単セルとその両側に設けられ
    る電解液保持機能を有する酸化剤ガスおよび燃料ガス流
    路とからなる燃料電池層を積層してなる燃料電池と、 上記燃料電池とは別個に、上記燃料電池より容量の少な
    い補助燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法で
    あって、該運転方法が、 上記補助燃料電池に酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガスに
    電解液を十分に含ませる工程と、 上記補助燃料電池から排出された酸化剤ガスを上記燃料
    電池に供給する工程とを含むことを特徴とする燃料電池
    システムの運転方法。
17. 【請求項１７】 上記補助燃料電池の運転温度が、上記
    燃料電池の運転温度以上であることを特徴とする請求項
    １６に記載の燃料電池システムの運転方法。
18. 【請求項１８】 上記補助燃料電池の運転温度が上記補
    助燃料電池の酸化剤ガス排出口近傍の温度であり、上記
    燃料電池の運転温度が上記燃料電池の酸化剤ガス排出口
    近傍の温度であることを特徴とする請求項１７に記載の
    燃料電池システムの運転方法。
19. 【請求項１９】 上記燃料電池が、上記燃料電池層間の
    適宜箇所に冷却水路板を備え、 上記燃料電池の酸化剤ガス供給口側温度が酸化剤ガス排
    出口側温度より高くなる温度勾配を形成するように、酸
    化剤ガス排出口側から酸化剤ガス供給口側に冷却水を流
    すことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システ
    ムの運転方法。
20. 【請求項２０】 上記補助燃料電池が、上記燃料電池層
    間の適宜箇所に冷却水路板を備え、 上記補助燃料電池の酸化剤ガス排出口側温度が酸化剤ガ
    ス供給口側温度より高くなる温度勾配を形成するよう
    に、酸化剤ガス供給口側から酸化剤ガス排出口側に冷却
    水を流すことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池
    システムの運転方法。
21. 【請求項２１】 上記燃料電池および上記補助燃料電池
    が、上記燃料電池層間の適宜箇所に冷却水路板を備え、 上記燃料電池の冷却水路板の温度が上記補助燃料電池の
    冷却水路板の温度より低くなるように、上記燃料電池の
    冷却水路板から排出された冷却水が上記補助燃料電池の
    冷却水路板に供給される冷却水路を有することを特徴と
    する請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法。
22. 【請求項２２】 更に、上記燃料電池に、上記補助燃料
    電池で必要とされる燃料ガスを含む燃料ガスを供給する
    工程と、 上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部
    を補助燃料電池に供給する工程とを含むことを特徴とす
    る請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法。
23. 【請求項２３】 上記補助燃料電池の少なくとも１つの
    単セルの燃料電極と酸化剤電極との間のセル電圧を測定
    し、該セル電圧が所定の値より低下した場合に、上記燃
    料電池に供給する燃料ガス量を増加させることを特徴と
    する請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法。
24. 【請求項２４】 上記補助燃料電池の少なくとも１つの
    単セルの燃料電極と酸化剤電極との間のセル電圧を測定
    し、該セル電圧が所定の値より低下した場合に、上記燃
    料電池の負荷電流値を下げることを特徴とする請求項１
    ６に記載の燃料電池システムの運転方法。
25. 【請求項２５】 上記補助燃料電池の燃料ガス供給口近
    傍の温度と燃料ガス排出口近傍の温度との温度差を測定
    し、上記温度差が所定の値より大きくなった場合に、上
    記燃料電池に供給する燃料ガス量を増加させることを特
    徴とする請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方
    法。
26. 【請求項２６】 上記補助燃料電池の燃料ガス供給口近
    傍の温度と燃料ガス排出口近傍の温度との温度差を測定
    し、上記温度差が所定の値より大きくなった場合に、上
    記燃料電池の負荷電流値を下げることを特徴とする請求
    項１６に記載の燃料電池システムの運転方法。