JPWO2007129647A1 - 燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体（５０，５１）間の中間部に配設され、かつアノードガス供給マニホールド（１９２Ｉ、３９２Ｉ）及びカソードガス供給マニホールド（１９３Ｉ、３９３Ｉ）を分割する中間集電体（５２，５３）と、一対の端部集電体（５０，５１）及び中間集電体（５２，５３）のいずれかの間に積層された１以上の単電池（１１０，２１０，３１０）を有して構成される２以上のサブスタック（Ｐ，Ｑ，Ｒ）と、いずれかのサブスタック（Ｐ，Ｑ，Ｒ）のアノードガス供給マニホールド（１９２Ｉ、３９２Ｉ）に接続するアノードガス供給口（１７２Ｉ，２７２Ｉ）と、いずれかのサブスタック（Ｐ，Ｑ，Ｒ）のカソードガス供給マニホールド（１９３Ｉ、３９３Ｉ）に接続するカソードガス供給口（１７３Ｉ，２７３Ｉ）と、を有する。

Description

本発明は、燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池には、電解質の種類に応じて複数の種類が開発されているが、近年では、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）が多用される傾向にある。ＰＥＦＣは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有するアノードガス及び空気など酸素を含有するカソードガスに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる構造を有している。すなわち、次の電気化学反応が生じ、アノード側の水素が消費されて、カソード側に反応生成物として水が生成される。
アノード ； Ｈ２ → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ− （１）
カソード ； ２Ｈ+ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （２）
ところで、ＰＥＦＣは、電池反応毎の起電力が一般用途に比べ十分ではない。そこで、ＰＥＦＣは一般的には、上記の反応が行われる単電池（セル）が複数積層されて構成されている。このような積層構造の高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）がＰＥＦＣの本体を構成している。一般的には、スタックにはセルが１０〜２００個積層され、その両端が集電体及び絶縁板を介して端板で挟まれ、ボルトナット等の締結器具によって両端間が締結されて構成されている。
そして、スタックの側部には、アノードガス供給マニホールド、アノードガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、及びカソードガス排出マニホールドが、それぞれスタックの積層方向に延びて配設されている。これらマニホールドそれぞれには、各セル内に接続される分岐路が構成されている。アノードガス供給マニホールド及びアノードガス排出マニホールドを結ぶ分岐路は、セル内のアノードガス流路を構成している。カソードガス供給マニホールド及びカソードガス排出マニホールドを結ぶ分岐路は、セル内のカソードガス流路を構成している。
そして、スタックを用いた燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給系統及び排出系統を有し、アノードガス供給マニホールドのいずれかの端部にアノードガスの供給系統が接続され、アノードガス排出マニホールドのいずれかの端部にアノードガスの排出系統が接続されて構成されている。同様に、カソードガス供給マニホールドのいずれかの端部にはカソードガスの供給系統が接続され、カソードガス排出マニホールドのいずれかの端部にはカソードガスの排出系統が接続されている。
アノードガスの供給系統は、一般的には、水分を含む水素主体のアノードガスを供給する構造を有している。例えば、水素ガスボンベ、加湿装置、減圧弁及び流量調整弁とこれらを接続する管路とによって構成されている。あるいは、石油、天然ガス等の炭化水素を主体とする原料を水素主体のガスに改質する水素生成装置を有して構成されている。
アノードガス排出系統は、一般的には、水素主体のアノードガスは可燃性ガスであるので、燃焼装置を有して構成されている。
カソードガス供給系統は、一般的には、空気等の酸素主体のカソードガスを供給する構造を有している。例えば、ブロア及び加湿装置とこれらを接続する管路とによって構成されている。
このような燃料電池システムの構成によって、アノードガスはアノードガス供給マニホールドの一端からスタック内に供給され、アノードガス供給マニホールドから各セルに分岐して流通し、各セルにおける余剰のアノードガスはアノードガス排出マニホールドにおいて集合して、アノードガス排出マニホールドの端部からスタックの外部に排出される。同様に、カソードガスはカソードガス供給マニホールドの一端から供給され、カソードガス供給マニホールドから各セルに分岐して流通し、各セルにおける余剰のカソードガスはカソードガス排出マニホールドにおいて集合して、カソードガス排出マニホールドの端部からスタックの外部に排出される。
ところで、発電開始及び出力調整を含めた燃料電池システムの機動性の面においては、改善の余地があった。すなわち、発電開始時には、セル内のＭＥＡを触媒反応温度にまで昇温させる必要がある。しかし、スタック内の全てのセルの昇温には時間とエネルギーとを要する。
また、負荷要求に応じて発電出力や熱出力の低出力運転をする際、外部への供給エネルギー効率を維持するためには、アノードガス及びカソードガスの供給量を減少させる必要がある。しかし、アノードガス及びカソードガスの供給量を減少させると、燃料電池システムの発電出力が不安定になる現象、いわゆるフラッディング現象が生じるという問題があった。
一方、特許文献１では、大小異なる容量の複数の燃料電池を直列に搭載し、起動時には小容量燃料電池のみを発電させる燃料電池システムが提案され、余剰アノードガス及びカソードガスを燃焼させることで効率良く小容量燃料電池を昇温させ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができるとしている。
また、特許文献２では、複数の燃料電池を搭載し、低出力運転時には一部の燃料電池を停止する燃料電池システムが提案され、発電効率を著しく低下させず、かつ、燃料電池に腐食等を生じさせずに、燃料電池システムの発電出力を低下させることができるとしている。
さらに、特許文献３の燃料電池システムのスタックは、スタックの両端に配置された集電体およびスタックの積層方向中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割されている。また、特許文献３の燃料電池システムは、このスタックと、このスタックの両端に配置された集電体および中間位置の集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、スタック温度測定手段とを備えて構成されている。そして、特許文献３には、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックが発電し始める前に中央サブスタックが発電するように集電体スイッチ制御手段を用いて集電体スイッチを制御し、この温度測定手段を用いてスタックの温度を測定し、スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときにアノード側サブスタック、カソード側サブスタック、および中央サブスタックによって電気が発生されるように、集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御する燃料電池システムの発電方法が提案されている。この発電方法によって、氷点下の温度において迅速かつ効率的に発電することができるとしている。
特許文献４には、それぞれ独立にアノードへアノードガスを供給可能な複数のサブスタックを有する燃料電池システムが開示されている。
特開２００４−３９５２４号公報 特開平６−６０８９６号公報 特開２００６−２４５５９号公報 特開２００６−１４７３４０号公報
しかしながら、特許文献１及び２の燃料電池システムは、複数の燃料電池を必要とすることから、燃料電池システムの構成が複雑になり、かつ、燃料電池システムが大型化してしまう。燃料電池システムの緻密化及び小型化、すなわちコンパクト化の点で改善の余地があった。
また、特許文献３の燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給及び排出構造は開示も提案もされていないので、従来のスタックと同様の構造と解される。そうすると、中央サブスタックのみにて発電している状態においても、カソード側サブスタック及びアノード側サブスタックには、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドからアノードガス排出マニホールド及びカソードガス排出マニホールドへとアノードガス及びカソードガスが流通していることになる。カソード側サブスタック及びアノード側サブスタックにおいては、発電が開始されていないので、アノードガス及びカソードガスはカソード側サブスタック及びアノード側サブスタックを素通りしていることになる。つまり、アノードガス及びカソードガスの浪費、及びアノードガス及びカソードガスの必要以上の供給が行われており、発電開始時における燃料電池システムの経済性に改善の余地があった。また、アノードガス及びカソードガスが流通することによって、カソード側サブスタック及びアノード側サブスタック内のＭＥＡの電位があがるので、ＭＥＡの性能が劣化するおそれもあった。
特許文献４では、サブスタックの発電運転開始前のアノードガス及びカソードガス供給開始時を起動時として、かかる起動時の各セルの発生電圧を抑制するために、サブスタックを相互に直列閉回路接続させながら順次起動させる起動方法が開示されているに過ぎない。つまり、通常運転時には全てのサブスタックにアノードガス及びカソードガスを供給しており（同文献［００２２］）、アノードガス及びカソードガスの部分的流通状態での発電運転は開示も示唆もされていない。また、同文献では、隣接するサブスタック間にサブスタック間接接線（同文献の図番４７〜５１）が構成されており、実質的には複数のスタックを並べて構成される燃料電池システムが開示されているに過ぎない。
このように、ＰＥＦＣにおいて、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現するＰＥＦＣ構造の開発は従来あまり行われていなかった。また、発電運転において、サブスタック毎にアノードガス及びカソードガスの流通を調整して、発電出力を調整する技術は開示も示唆もされていなかった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現することによって、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる、燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する１以上の中間集電体と、
前記一対の端部集電体及び前記中間集電体のいずれかの間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２以上のサブスタックと、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、１以上のアノードガス供給口と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、１以上のカソードガス供給口と、を有する。
このように構成すると、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第２の本発明の燃料電池スタックは、前記サブスタックのそれぞれの前記単電池の数が相互に異なっているとよい。
このように構成すると、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。すなわち、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第３の本発明の燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有するとよい。
このように構成すると、伝熱媒体の流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、伝熱媒体を所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、燃料電池システムのエネルギー損失を低減させることができる。
第４の本発明の燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、アノードガス導入路と、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、カソードガス導入路と、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、を有し、
３つのアノードガス供給口が、それぞれ前記アノードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つのカソードガス供給口が、それぞれ前記カソードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つの伝熱媒体供給口が、それぞれ前記伝熱媒体導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドにそれぞれ接続しているとよい。
このように構成すると、各サブスタックにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能となるので、燃料電池スタックの発電出力をより機動的かつ経済的に調整することができる。
第５の本発明の燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記アノードガス供給口とを接続する、アノードガス導入路と、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記カソードガス供給口とを接続する、カソードガス導入路と、
前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記伝熱媒体供給口とを接続する、伝熱媒体導入路と、
前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、アノードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、カソードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、伝熱媒体供給開閉部と、を有するとよい。
このように構成すると、アノードガス供給口、カソードガス供給口及び伝熱媒体供給口をそれぞれ単数とすることができるので、本発明の燃料電池スタックを従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、カソードガス供給系統及び伝熱媒体供給系統に接続することができる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは従来の燃料電池スタックに置き換えて用いることができ、かつ、燃料電池スタックにおいてアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えることができるので、燃料電池スタックの設置要件を緩和させることができる。
第６の本発明の燃料電池システムは、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置が、いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記選定された前記サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して発電運転をさせる。
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第７の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えるとよい。
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第８の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記中央部サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
第９の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有し、
前記燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給口に接続されている伝熱媒体供給系統を有し、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統、前記伝熱媒体供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して、
前記中央部サブスタックにのみ前記伝熱媒体を供給して、中央部予熱を行い、
前記中央部予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第１判定温度と比較する第１判定を行い、
前記第１判定に基づいて、前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせ、
前記中央部発電において、前記燃料電池スタック全体に前記伝熱媒体を供給して、全体予熱を行い、
前記全体予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第２判定温度と比較する第２判定を行い、
前記第２判定に基づいて、前記中央部サブスタック及び一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して全体発電を行わせるとよい。
このように構成すると、中央部サブスタックのみを予熱するので、より早期に中央部サブスタックを発電開始させることができ、かつ、中央部サブスタックの発電を継続しながら端部サブスタックの予熱を行うことができるので、円滑に全体発電に移行することができる。
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記第１判定温度及び第２判定温度が共に、前記燃料電池スタックに供給される伝熱媒体の供給温度であるとよい。
このように構成すると、より的確な予熱を行うことができる。
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記選定された前記サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して、発電運転をさせる。
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第１２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記アノードガス及び前記カソードガスの供給を切り換えるとよい。
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
第１３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
以上のように、本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。 図２は、図１のスタックの一方の端部の構造を概略的に示す部分分解斜視図である。 図３は、図１の第１サブスタックに積層されている第１セルの構造を概略的に示す部分分解斜視図である。 図４は、図３のセルの構造を示す要部断面図である。 図５は、図３の第１サブスタックの第１セル間の積層部を示す分解斜視図である。 図６は、図１の第２サブスタックに積層されている第２セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。 図７は、図６の第２サブスタックの第２セル間の積層部を示す分解斜視図である。 図８は、図１の第３サブスタックに積層されている第３セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。 図９は、図８の第３サブスタックの第３セル間の積層部を示す分解斜視図である。 図１０は、図１の第１中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。 図１１は、図１の第２中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。 図１２は、図１のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。 図１３は、図１２の燃料電池システムの運転動作を例示して示すフロー図である。 図１４は、図１２の燃料電池システムの全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して示すフロー図である。 図１５は、本発明の第２実施形態における中央部発電開始前の予熱完了の判断例を示すフロー図である。 図１６は、本発明の第３実施形態における全体発電開始前の予熱完了の判断例を示すフロー図である。 図１７は、本発明の第４実施形態における燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。 図１８は、本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。 図１９は、図１８のアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面を概略的に示す平面図である。 図２０は、図１８のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。 図２１は、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンを概略的に示す出力図である。 図２２は、本発明の第６実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。 図２３は、本発明の第７実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
符号の説明
１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード側触媒層
２Ｃ カソード側触媒層
４Ａ アノード側ガス拡散層
４Ｃ カソード側ガス拡散層
５ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ アノードガス排出マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ カソードガス排出マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ 伝熱媒体排出マニホールド孔
１５ ボルト孔
１６ 第１ガスケット
１７ 第１ＭＥＡ部材
１９Ａ 第１アノードセパレータ
１９Ｃ 第１カソードセパレータ
２１ アノードガス流路溝
２１Ａ アノードガス到達部
２１Ｂ アノードガス入口部
３１ カソードガス流路溝
３１Ａ カソードガス到達部
３１Ｂ カソードガス入口部
２６、３６ 伝熱媒体流路溝
２７ 第２ＭＥＡ部材
２８ 第２ガスケット
２９Ａ 第２アノードセパレータ
２９Ｃ、第２カソードセパレータ
３７ 第３ＭＥＡ部材
３８ 第３ガスケット
３９Ａ 第３アノードセパレータ
３９Ｃ、第３カソードセパレータ
４２Ｅ アノードガス排出系統
４３Ｅ カソードガス排出系統
４４Ｅ 伝熱媒体排出系統
４２Ｉ アノードガス供給系統
４３Ｉ カソードガス供給系統
４４Ｉ 伝熱媒体供給系統
４２Ｖ、４３Ｖ、４４Ｖ 切換装置
１４４ 第１温度検出装置
２４４ 第２温度検出装置
３４４ 第３温度検出装置
４４４ 第４温度検出装置
５０、５１ 端部集電体
５２、５５２，６５２ 第１中間集電体
５３、５５３，６５３ 第２中間集電体
５２Ｅ、５３Ｅ、５４Ｅ、６２Ｅ、６３Ｅ、６４Ｅ、１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、１６２Ｉ、１６３Ｉ、１６４Ｉ、２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉ、２６２Ｉ、２６３Ｉ、２６４Ｉ、３５２Ｉ、３５３Ｉ、３５４Ｉ、３６２Ｉ、３６３Ｉ、３６４Ｉ、５２２Ｉ、５２３Ｉ、５２４Ｉ、５３２Ｉ、５３３Ｉ、５３４Ｉ 貫通孔
５６ 軸受部
５７ 弁体
５８ 弁棒
５９ 端子
６０、６１ 絶縁板
７０、７１ 端板
７２Ｅ アノードガス排出口
７３Ｅ カソードガス排出口
７４Ｅ 伝熱媒体排出口
１７２Ｉ 第１アノードガス供給口
１７３Ｉ 第１カソードガス供給口
１７４Ｉ 第１伝熱媒体供給口
２７２Ｉ 第２アノードガス供給口
２７３Ｉ 第２カソードガス供給口
２７４Ｉ 第２伝熱媒体供給口
３７２Ｉ 第３アノードガス供給口
３７３Ｉ 第３カソードガス供給口
３７４Ｉ 第３伝熱媒体供給口
８２ 締結具
８２Ｂ ボルト
８２Ｗ 座金
８２Ｎ ナット
８３ ノズル
９２Ｅ アノードガス排出マニホールド
９３Ｅ カソードガス排出マニホールド
９４Ｅ 伝熱媒体排出マニホールド
１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉ 第１アノードガス供給マニホールド孔
１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉ 第１カソードガス供給マニホールド孔
１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔
１８２Ｉ アノードガス供給開閉部
１９２Ｉ 第１アノードガス供給マニホールド
１８３Ｉ カソードガス供給開閉部
１９３Ｉ 第１カソードガス供給マニホールド
１８４Ｉ 伝熱媒体供給開閉部
１９４Ｉ 第１伝熱媒体供給マニホールド
２８２Ｉ アノードガス導入開閉部
２８３Ｉ カソードガス導入開閉部
２８４Ｉ 伝熱媒体導入開閉部
２９２Ｉ アノードガス導入路（第１アノードガス導入路）
２９３Ｉ カソードガス導入路（第１カソードガス導入路）
２９４Ｉ 伝熱媒体導入路（第１伝熱媒体導入路）
３１２Ｉ、３２２Ｉ、３３２Ｉ 第２アノードガス供給マニホールド孔
３１３Ｉ、３２３Ｉ、３３３Ｉ 第２カソードガス供給マニホールド孔
３１４Ｉ、３２４Ｉ、３３４Ｉ 第２伝熱媒体供給マニホールド孔
３９２Ｉ 第２アノードガス供給マニホールド
３９３Ｉ 第２カソードガス供給マニホールド
３９４Ｉ 第２伝熱媒体供給マニホールド
４９２Ｉ 第２アノードガス導入路
４９３Ｉ 第２カソードガス導入路
４９４Ｉ 第２伝熱媒体導入路
４１２Ｉ、４２２Ｉ、４３２Ｉ 第３アノードガス供給マニホールド孔
４１３Ｉ、４２３Ｉ、４３３Ｉ 第３カソードガス供給マニホールド孔
４１４Ｉ、４２４Ｉ、４３４Ｉ 第３伝熱媒体供給マニホールド孔
５９２Ｉ 第３アノードガス供給マニホールド
５９３Ｉ 第３カソードガス供給マニホールド
５９４Ｉ 第３伝熱媒体供給マニホールド
１００、５００，６００ スタック
１１０ 第１セル
２１０ 第２セル
３１０ 第３セル
２００ 制御装置
５０１Ｖ、５０２Ｖ，５０３Ｖ、５０４Ｖ，５０５Ｖ、５０６Ｖ、５０７Ｖ、５０８Ｖ、５０９Ｖ 弁
Ａ アノードガス
Ｃ カソードガス
Ｗ 伝熱媒体
Ｄ 発電出力
Ｐ 第１サブスタック
Ｑ 第２サブスタック
Ｒ 第３サブスタック
Ｓ１〜Ｓ７、Ｓ３１，Ｓ６１、Ｓ１０１，Ｓ１０２ ステップ
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
なお、燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）１００は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置に例示されるような燃料電池システムに用いられる。
図１に示すように、スタック１００は、サンドイッチ状の第１セル（単電池）１１０、第２セル２１０及び第３セル３１０が、一対の端板７０，７１、絶縁板６０．６１及び端部集電体５０，５１の間に積層された、直方体状を構成している。そして、スタック１００は締結具８２によって締結されている。ここで、第１セル１１０は、第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃが第１ＭＥＡ部材１７を挟んで構成されている。同様に、第２セル２１０は、第２アノードセパレータ２９Ａ及び第２カソードセパレータ２９Ｃが第２ＭＥＡ部材２７を挟んで構成されている。同様に、第３セル３１０は、第３アノードセパレータ３９Ａ及び第３カソードセパレータ３９Ｃが第３ＭＥＡ部材３７を挟んで構成されている。
スタック１００は、セル１１０，２１０，３１０の積層方向の中間部に配設され、かつアノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドを分割する第１中間集電体５２と第２中間集電体５３とを有している。そして、端部集電体５１と第１中間集電体５２との間に第１サブスタックＰ（端部サブスタック）、第１中間集電体５２と第２中間集電体５３との間に第２サブスタック（中央部サブスタック）Ｑ、第２中間集電体５３と端部集電体５０との間に第３サブスタック（端部サブスタック）Ｒが構成されている。第１サブスタックＰには第１セル１１０が積層され、第２サブスタックＱには第２セル２１０が積層され、第３サブスタックＲには第３セル３１０が積層されている。第１乃至第３サブスタックのそれぞれのセルの積層数は異なっていてもよい。すなわち、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の積層数はスタック１００の低出力運転の実情に適応するように加減して調整することができる。また、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにおけるセル１１０，３１０の合計積層数は、スタック１００の全体出力に適応するように加減して調整することができる。また、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにおけるセル１１０，３１０のそれぞれの積層数は、発電開始当初あるいは、発電運転中におけるスタック１００の積層方向の温度偏差の実情に応じて温度偏差が小さくなるように加減して調整することができる。例えば、第１サブスタックＰにおける第１セル１１０の積層数は２０体、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の積層数は１０体、第３サブスタックＲにおける第３セル３１０の積層数は２０体として構成することができる。
スタック１００は、いわゆる内部マニホールド型スタックであって、セルの周縁部を積層方向に貫通して、アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ、カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、３９３Ｉ、伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ、３９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅが形成されている。
アノードガス供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び後述するアノードガス導入路２９２Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉの第１中間集電体５２側端面及びアノードガス導入路２９２Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
カソードガス供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３のカソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及び後述するカソードガス導入路２９３Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉの第１中間集電体５２側端面及びカソードガス導入路２９３Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
伝熱媒体供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ及び後述する伝熱媒体導入路２９４Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉの第１中間集電体５２側端面及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
第１サブスタックＰには、アノードガス導入路２９２Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５２Ｉにアノードガス導入開閉部２８２Ｉが配設されていて、該開閉部２８２Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
第１サブスタックＰには、カソードガス導入路２９３Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５３Ｉにカソードガス導入開閉部２８３Ｉが配設されていて、該開閉部２８３Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
第１サブスタックＰには、伝熱媒体導入路２９４Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５４Ｉに伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが配設されていて、該開閉部２８４Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
スタック１００の一方の端板７１には６つの供給口が形成されている。すなわち、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉに接続する第１アノードガス供給口１７２Ｉ、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉの貫通部に構成された第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉに接続する第１カソードガス供給口１７３Ｉ、第１サブスタックＰのカソードガス導入路２９３Ｉの貫通部に構成された第２カソードガス供給口２７３Ｉ、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉに接続する第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ、及び第１サブスタックＰの伝熱媒体導入路２９４Ｉの貫通部に構成された第２伝熱媒体供給口２７４Ｉが形成されている。
第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及び第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉそれぞれには供給口１７２Ｉ、１７３Ｉ、１７３４が構成されている。このような構成によって、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉを経由して第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を供給する必要はない。したがって、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの流路断面積を第２サブスタックＱの発電に必要な流量を通すことができる大きさにまで縮小することができる。つまり、スタック１００の構造をよりコンパクトにすることができる。
スタック１００の他方の端板７０には３つの供給口が形成されている。すなわち、第３サブスタックＲのアノードガス排出マニホールド９２Ｅに接続するアノードガス排出口７２Ｅ、第３サブスタックＲのカソードガス排出マニホールド９３Ｅに接続するカソードガス排出口７３Ｅ、及び第３サブスタックＲの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続する伝熱媒体排出口７４Ｅが形成されている。このような構成によって、スタック１００内のアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を外部に排出することができる。
次に、スタック１００のスタック端部の構造を説明する。
図２は、図１のスタックの一方の端部の構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
締結具８２は、ボルト８２Ｂ、座金８２Ｗ及びナット５２Ｎによって構成されている。ボルト孔１５は、端部集電体５０、５１、中間集電体５２、５３、絶縁板６０、６１、端板７０、７１及び第１乃至第３セル１１０、２１０、３１０を積層方向に貫通して、それぞれの矩形平面の４隅に形成されている。ボルト８２Ｂは、ボルト孔１５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。ボルト８２Ｂの両端には座金８２Ｗ及びナット８２Ｎが装着されている。
なお、締結具８０は、座金と端板との間に弾性体を挟んで構成することもできる。また、端板７０、７１の縁部を延伸させてボルト８２Ｂがスタック１００を貫通せずにスタック１００の側方を平行するように構成することもできる。
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。端部集電体５０，５１は銅金属に例示されるような導電性材料からなり、それぞれ端子５９が形成されている。
アノードガス排出口７２Ｅ、カソードガス排出口７３Ｅ、及び伝熱媒体排出口７４Ｅは、外部の配管に接続可能な部材によって構成されている。ここでは、図示するように貫通孔と、それに装着されるノズルと、によって構成されている。ノズルの代わりに弁、袋ナットに例示される公知の手段によって構成することも可能である。他方の端板７１においても、第１及び第２アノードガス供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、第１及び第２カソードガス供給口１７３Ｉ，２７３Ｉ、ならびに第１及び第２伝熱媒体供給口１７４Ｉ、２７４Ｉ、も同様に構成されている（図１参照）。
一方の絶縁板６０には、各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅにそれぞれ接続する貫通孔６２Ｅ、６３Ｅ、６４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。他方の絶縁板６１にも、各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉにそれぞれ接続する貫通孔１６２Ｉ，１６３Ｉ，１６４Ｉ、２６２Ｉ，２６３Ｉ，２６４Ｉが形成されている（図１参照）。
一方の端部集電体５０には、絶縁板６０の貫通孔６２Ｅとアノードガス排出マニホールド９２Ｅとを接続する貫通孔５２Ｅ、貫通孔６３Ｅとカソードガス排出マニホールド９３Ｅとを接続する貫通孔５３Ｅ、及び貫通孔６４Ｅと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとを接続する貫通孔５４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。他方の端部集電体５１にも、各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉと各供給マニホールド１９２Ｉ，１９３Ｉ，１９４Ｉ及び各導入路２９２Ｉ，２９３Ｉ，２９４Ｉとをそれぞれ接続する貫通孔１５２Ｉ，１５３Ｉ，１５４Ｉ、２５２Ｉ，２５３Ｉ，２５４Ｉが形成されている（図１参照）。
したがって、第１サブスタックＰのアノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続する貫通孔が集電体５１には形成されていないので、集電体５１によってこれら排出マニホールドの閉止端が構成されている。同様にして、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉに接続する貫通孔が集電体５０には形成されていないので、集電体５０によってこれら供給マニホールドの閉止端が構成されている。
なお、図２では、第３サブスタックＲの最端部の第３セル３１０の第３カソードセパレータ３９Ｃの外面には伝熱媒体流路溝３６が形成されていない。また、図示しないが、第１サブスタックの最端部に位置する第１アノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝は形成されていない。
次に、第１サブスタックＰにおける第１セル１１０の構造を説明する。
図３は、図１の第１サブスタックに積層されている第１セルの構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
図３に示すように、第１セル１１０は、第１ＭＥＡ部材１７を一対の平板状の第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。
第１アノードセパレータ１９Ａの周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１２３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔２２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔２３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅ、及び貫通孔２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
第１カソードセパレータ１９Ｃの周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔３２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔３３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅ、及び貫通孔２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
第１ＭＥＡ部材１７の周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、及び貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
第１サブスタックＰにおいて、第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉは連なって第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉは連なって第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉは連なって第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１２Ｉ、２２２Ｉ、２３２Ｉは連なってアノードガス導入路２９２Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１３Ｉ、２２３Ｉ、２３３Ｉは連なってカソードガス導入路２９３Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１４Ｉ、２２４Ｉ、２３４Ｉは連なって伝熱媒体導入路２９４Ｉを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは連なってアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは連なってカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成する。
第１サブスタックＰにおいて、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは連なって伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを形成する。
ここで、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉとアノードガス導入路２９２Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通を容易にすることができる。
第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉとカソードガス導入路２９３Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通を容易にすることができる。
第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと伝熱媒体導入路２９４Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通を容易にすることができる。
そして、第１アノードセパレータ１９Ａの内面には、第１アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、第１セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。第１カソードセパレータ１９Ｃの内面には、第１カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、第１セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。このような構造によって、第１セル１１０組立状態において、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉのアノードガスが第１セル１１０内に供給され、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉのカソードガスが第１セル１１０内に供給される。
ここで、第１乃至第３セル内に共通する反応部の構造を説明する。図４は、図３のセルの構造を示す要部断面図である。図４では第１セル１１０を例示するが第２セル２１０及び第３セル３１０も同様の構造である。
第１ＭＥＡ部材１７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜が一対の第１ガスケット（枠体）１６で挟まれて構成されている。したがって、第１ガスケット１６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、第１ガスケット１６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、例示としては、フッ素系ゴムが好適である。
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。アノード側の電極層は、高分子電解質膜１の一方の面に配設されたアノード側触媒層２Ａと、アノード側触媒層２Ａの外面に配設されたアノード側ガス拡散層４Ａとを備えて構成されている。カソード側の電極層は、高分子電解質膜１の他方の面に配設されたカソード側触媒層２Ｃと、カソード側触媒層２Ｃの外面に配設されたカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、触媒層２Ａ、２Ｃは白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。
第１アノードセパレータ１９Ａおよび第１カソードセパレータ１９Ｃ（以下、両者をセパレータと総称する）は、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。したがって、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーは、ガス拡散層４Ａ、４Ｃ及びセパレータ１９Ａ、１９Ｃを導通するので外部へ取り出すことができる。
第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃの内面にはＭＥＡ部材１７がそれぞれ当接するので、ＭＥＡ部材１７がアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の溝蓋となる。さらに、第１アノードセパレータ１９Ａの内面の中央部には、ＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａが当接している。すなわち、第１アノードセパレータ１９Ａのアノードガス流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、アノードガス流路溝２１内を流通するアノードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、第１カソードセパレータ１９Ｃのカソードガス流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、カソードガス流路溝３１内を流通するカソードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。
次に、第１サブスタックＰ内の第１セル１１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
図５は、図３の第１サブスタックの第１セル間の積層部を示す分解斜視図である。
図５に示すように、第１アノードセパレータ１９Ａの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。同様にして、第１カソードセパレータ１９Ｃの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。また、第１セル１１０積層状態においては、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合して、伝熱媒体流露溝２６と伝熱媒体流露溝３６とからなる伝熱媒体流路が形成される。そして、第１アノードセパレータ１９Ａの外面及び第１カソードセパレータ１９Ｃの外面は、耐熱性のあるシール構造（図示せず）によって伝熱媒体流路溝２６，３６の周囲をシールするように形成されている。このような構造により、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第１セル１１０との熱交換をより良く行うことができる。
次に、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の構造を説明する。
第２サブスタックＱは、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及びアノードガス導入路２９２Ｉの延長線上に位置にするよう第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉが形成され、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及びカソードガス導入路２９３Ｉの延長線上に位置するように第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉが形成され、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの延長線上に位置するように第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉが形成されている。第２セル２１０は第１セル１１０を基礎として一部が変更されて構成されている。以下、第２セル２１０と第１セル１１０との相違点を説明する。
図６は、図１の第２サブスタックに積層されている第２セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
図６に示すように、第２セル２１０は、第２ＭＥＡ部材２７を一対の平板状の第２アノードセパレータ２９Ａ及び第２カソードセパレータ２９Ｃで挟んで構成されている。
第２セパレータ２９Ａの周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３２３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔２２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔２３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
第２カソードセパレータ２９Ｃの周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３３３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔３２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔３３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
第２ＭＥＡ部材２７の周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３１２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３１３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３１４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
第２サブスタックＱにおいて、第２アノードガス供給マニホールド孔３１２Ｉ、３２２Ｉ、３３２Ｉは連なって第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉを形成する。
第２サブスタックＱにおいて、第２カソードガス供給マニホールド孔３１３Ｉ、３２３Ｉ、３３３Ｉは連なって第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉを形成する。
第２サブスタックＱにおいて、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３１４Ｉ、３２４Ｉ、３３４Ｉは連なって第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉを形成する。
そして、第２アノードセパレータ２９Ａの内面には、第２アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。同様にして、第２カソードセパレータ２９Ｃの内面には、第２カソードガス供給マニホールド孔３３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。このような構造によって、第２セル２１０組立状態において、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉのアノードガスが第２セル２１０内に供給され、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉのカソードガスが第２セル２１０内に供給される。
次に、第２サブスタックＱ内の第２セル２１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
図７は、図６の第２サブスタックの第２セル間の積層部を示す分解斜視図である。
図７に示すように、第２アノードセパレータ２９Ａの外面には、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。また、第２カソードセパレータ２９Ｃの外面には、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。このような構造によって、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第２セル２１０との熱交換をより良く行うことができる。
次に、第３サブスタックＲにおける第３セル３１０の構造を説明する。
図８は、図１の第３サブスタックに積層されている第３セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。図９は、図８の第３サブスタックの第３セル間の積層部を示す分解斜視図である。
図８及び図９に示すように、第３サブスタックＲの第３セル３１０は、貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、３３４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ２３４Ｉが形成されていない点を除いて、第１サブスタックＰの第１セル１１０と同様である。
したがって、第３サブスタックＲには、第１サブスタックＰと同様に、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、及び第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉが形成されている。しかし、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ、及び伝熱媒体導入路２９４Ｉは形成されていない。
第３セル３１０は、第３ＭＥＡ部材３７を一対の平板状の第３アノードセパレータ３９Ａ及び第３カソードセパレータ３９Ｃで挟んで構成されている。
第３セル３１０組立状態において、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉのアノードガスが第３セル３１０内に供給され、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉのカソードガスが第３セル３１０内に供給される。
次に、第３サブスタックＲ内の第３セル３１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
図９に示すように、第３アノードセパレータ３９Ａの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。また、第３カソードセパレータ３９Ｃの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。このような構造によって、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第３セル３１０との熱交換をより良く行うことができる。
以上のような第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒの構成によって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉおよび第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉは、それぞれ第１セル１１０および第３セル３１０内のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１および伝熱媒体流路溝２６，３６によって、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続されている。また、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉ及び第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、それぞれ第２セル２１０内のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１および伝熱媒体流路溝２６，３６によって、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続されている。
次に、第１サブスタックＰ及び第２サブスタックＱの間に配設された第１中間集電体５２を説明する。
図１０は、図１の第１中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
図１０に示すように、第１中間集電体５２は、端部集電体５０，５１と同様に、矩形の平板形状を有し、銅金属に例示されるような導電性材料からなり、側面には端子５９が形成されている。
また、第１中間集電体５２の周縁部には、貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉがそれぞれ積層方向に貫通して形成されている。
貫通孔１５２Ｉは、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとを連通するように形成されている。
貫通孔２５２Ｉは、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉと第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、アノードガス導入路２９２Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉに接続する。
貫通孔５２Ｅは、第１サブスタックＰのアノードガス排出マニホールド９２Ｅと第２サブスタックＱのアノードガス排出マニホールド９２Ｅとを連通するように形成されている。
貫通孔１５３Ｉは、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとを連通するように形成されている。
貫通孔２５３Ｉは、第１サブスタックＰのカソードガス導入路２９３Ｉと第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、カソードガス導入路２９３Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉに接続する。
貫通孔５３Ｅは、第１サブスタックＰのカソードガス排出マニホールド９３Ｅと第２サブスタックＱのカソードガス排出マニホールド９３Ｅとを連通するように形成されている。
貫通孔１５４Ｉは、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとを連通するように形成されている。
貫通孔２５４Ｉは、第１サブスタックＰの伝熱媒体導入路２９４Ｉと第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、伝熱媒体導入路２９４Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉに接続する。
貫通孔５４Ｅは、第１サブスタックＰの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅと第２サブスタックＱの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとを連通するように形成されている。
また、貫通孔１５２Ｉにはアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、貫通孔１５３Ｉにはカソードガス供給開閉部１８３Ｉ、貫通孔１５４Ｉには伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉ、貫通孔２５２Ｉにはアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、貫通孔２５３Ｉにはカソードガス導入開閉部２８３Ｉ、貫通孔２５４Ｉには伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが、それぞれ構成されている。
これら開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、同じ構造を有している。
すなわち、開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、弁体５７と、弁棒５８と、軸受部５６と、図示しない回転装置とによって構成されている。
弁体５７は、その主面は、それぞれの貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉの延伸方向断面とほぼ同じ形状を有する。したがって、弁体５７によって、各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを閉塞することができる。
弁棒５８は、弁体５７が各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉ内にて弁棒５８を回転軸として回転できるように、弁体５７に装着されている。つまり、弁棒５８は、弁体５７の対称軸上を延伸するようにして弁体５７に接続されている。
また、弁棒５８は、第１中間集電体５２の側面から各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを気密的に貫通して弁体５７に装着されている。
軸受部５６は、弁棒５８と第１中間集電体５２との間に構成されている。軸受部５６の内部には、ゴム等弾性物質を封止部材とするような公知の封止部が構成されている（図示せず）。
さらに、弁体５７、弁棒５８は、第１中間集電体５２と電気的に絶縁されている。すなわち、弁体５７および弁棒５８は、耐熱性樹脂でコーティングされた金属材、あるいは、テフロン（登録商標）に例示される電気絶縁性材によって構成されている。これによって、第１中間集電体５２から開閉部への漏電を防止することができる。
回転装置は、軸体を所定の角度回転させることができる公知の回転装置である。ここでは、弁棒５８に接続されたステップモータを有して構成されている。あるいは、弁棒５８の軸端に装着された腕部材と、腕部材に装着されたアクチュエータとを有して構成することもできる。
アノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉは、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
アノードガス導入開閉部２８２Ｉの開閉によって、アノードガス導入路２９２Ｉは、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
カソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉは、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
カソードガス導入開閉部２８３Ｉの開閉によって、カソードガス導入路２９３Ｉは、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉは、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉの開閉によって、伝熱媒体導入路２９４Ｉは、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
次に、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲの間に配設された第２中間集電体５３を説明する。
図１１は、図１の第２中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
図１１に示すように、第２中間集電体５３は、第１中間集電体５２と同様の形状および構造を有している。ただし、一部の貫通孔２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉが形成されていない点において、第１中間集電体５２と相違する。
すなわち、第２中間集電体５３に構成されるアノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。また、 第２中間集電体５３に構成されるカソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。さらに、第２中間集電体５３に構成される伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
次に、スタック１００を用いた燃料電池システムを例示して説明する。
図１２は、図１のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
図１２に示すように、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第２アノードガス供給口２７２Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されているアノードガス供給系統４２Ｉが接続されている。ここでは、アノードガス供給系統４２Ｉは、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第２アノードガス供給口２７２Ｉへの岐路に切換装置４２Ｖが配設されて構成されている。切換装置４２Ｖの切換動作によって、アノードガスの供給先を切り換えることができる。
第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されているアノードガス供給系統４３Ｉが接続されている。ここでは、カソードガス供給系統４３Ｉは、第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉへの岐路に切換装置４３Ｖが配設されて構成されている。切換装置４３Ｖの切換動作によって、カソードガスの供給先を切り換えることができる。
第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されている伝熱媒体供給系統４４Ｉが接続されている。ここでは、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉへの岐路に切換装置４４Ｖが配設されて構成されている。切換装置４４Ｖの切換動作によって、伝熱媒体の供給先を切り換えることができる。
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、伝熱媒体の供給温度を調整できるように構成されている。例えば、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、貯湯タンクを有する冷却水系統とすると好適である。
切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖには、三方弁が用いられている。あるいは、それぞれの供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、１７３Ｉ、２７３Ｉ、１７４Ｉ、２７４Ｉに開閉弁が配設されて構成することもできる。
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第１温度検出装置１４４、および第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第２温度検出装置２４４が配設されている。
アノードガス排出部７２Ｅにはアノードガス排出系統４２Ｅが接続されている。カソードガス排出部７３Ｅにはカソードガス排出系統４３Ｅが接続されている。伝熱媒体排出口７４Ｅには、伝熱媒体排出系統４４Ｅが接続されている。また、伝熱媒体排出系統４４Ｅには、伝熱媒体排出口７４Ｅから排出される伝熱媒体の排出温度を検出する第３温度検出装置３４４が構成されている。
なお、第１乃至第３温度検出装置１４４，２４４，３４４は、熱電対のような公知の温度検出装置によって構成されている。
ここで、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉは、それぞれ配管及びポンプに例示されるような供給装置（図示せず）を有して構成されている。好適なアノードガスＡとしては水素ガス、あるいは炭化水素を原料とする水蒸気改質反応によって生成された改質ガスが例示される。好適なカソードガスＣとしては、酸素ガス、あるいは空気が例示される。好適な伝熱媒体Ｗとしては水、シリコンオイルが例示される。
制御装置２００は、各供給系統４２Ｉ，４３Ｉ，４４Ｉ、及び各開閉部１８２Ｉ、２８２Ｉ、１８３Ｉ、２８３Ｉ、１８４Ｉ、２８４Ｉを制御すると共に、第１乃至第３温度検出装置１４４，２４４，３４４の検出信号を取得して、切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖを制御するように構成されている。制御装置２００はマイコン等の演算装置で構成されている。
次に、以上のように構成された本発明の第１実施形態の燃料電池システムの運転動作を例示して説明する。以下の運転動作は、制御装置２００によって制御されている。
図１３は、図１２の燃料電池システムの運転動作を例示して示すフロー図である。
まず、制御装置２００は、発電開始指令信号を受け、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を第２サブスタックＱのみに供給するよう制御する。
すなわち、ステップＳ１において、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを閉止し、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを開放する。また、切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖをそれぞれ、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩＩ側に切り換える）。
次に、ステップ（中央部予熱ステップ）Ｓ２において、制御装置２００は、伝熱媒体供給系統４４Ｉの伝熱媒体を第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。この際、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、発電運転時のスタック１００の温度程度の伝熱媒体を供給する。これによって、伝熱媒体が第２サブスタック（中央部サブスタック）Ｑを流通し、第２サブスタックＱが予熱される。
ステップ（第１判定ステップ）Ｓ３において、制御装置２００は、第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３を取得する。そして、制御装置２００に予め記憶されている第１判定温度Ｄ１と排出温度Ｔ３とを比較する。そして、排出温度Ｔ３が第１判定温度Ｄ１以上であれば、ステップＳ４に進む。これによって、第２サブスタックＱの予熱の完了を判断することができる。
ステップ（中央部発電ステップ）Ｓ４において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉのアノードガス及びカソードガスをそれぞれ第２アノードガス供給口２７２Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉに供給する。これによって、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３間で発電出力をうることができる。このような運転方法によって、第２サブスタックＱのみが熱されるので、より早期に第２サブスタックＱを発電開始させることができる。
ステップ（全体予熱ステップ）Ｓ５において、伝熱媒体がスタック１００全体を流通するように切り換える。すなわち、制御装置２００は、伝熱媒体供給系統４４Ｉの切換装置４４Ｖを、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩ側に切り換える）。また、第１および第２中間集電体５２、５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを開放する。これによって、伝熱媒体は第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒを流通し、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒが予熱される。このような運転方法によって、第２サブスタックＱの発電を継続しながら第１及び第３サブスタックＰ，Ｒの予熱を行うことができるので、円滑に全体発電に移行することができる。
なお、ステップＳ５において、第１中間集電体５２の伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを閉止する。これによって、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉから伝熱媒体導入路２９４Ｉを隔離することができる。
ステップ（第２判定ステップ）Ｓ６において、制御装置２００は、第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３を取得する。そして、制御装置２００に予め記憶されている第２判定温度Ｄ２と排出温度Ｔ３とを比較する。そして、排出温度Ｔ３が第２判定温度Ｄ２以上であれば、ステップＳ７に進む。これによって、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒが十分に予熱されたか否かを判断することができる。
ステップ（全体発電ステップ）Ｓ７において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの切換装置４２Ｖ，４３Ｖを、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第１カソードガス供給口１７３Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩ側に切り換える）。また、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉを開放する。これによって、スタック１００内のアノードガス及びカソードガスは第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ、Ｒを流通するようになる。さらに、制御装置２００は、燃料電池システムの発電端を、第１及び第２中間集電体５２，５３間から端部集電体５０，５１間に切り換える。これによって、スタック１００の第１乃至第３サブスタックＰ、Ｑ、Ｒにおける発電（全体発電）が開始される。
なお、ステップＳ７において、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉを閉止する。これによって、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの流路からアノードガス導入路２９２Ｉ及びカソードガス導入路２９３Ｉを隔離することができる。
次に、以上のように構成された燃料電池システムの発電出力の全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して説明する。以下の運転切り換え動作は、制御装置２００によって制御されている。
図１４は、図１２の燃料電池システムの全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して示すフロー図である。
まず、制御装置２００は、全体発電運転状態（図１３のステップＳ７）において、運転切換指令信号を受け、ステップ１０１に進む。
ステップＳ１０１において、制御装置２００は、燃料電池システムの発電端を、端部集電体５０，５１間から第１及び第２中間集電体５２，５３間に切り換える。これによって、スタック１００の第２サブスタックＱにおける発電（中央部発電）が開始される。しかし、このままでは、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒにはアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体が不必要に供給され続けており、運転効率に改善の余地がある。加えて、第１セル１１０及び第３セル３１０の電位があがり続けており、第１及び第３ＭＥＡ部材１７，３７のＭＥＡ５の性能が劣化するおそれがある。
そこで、ステップ（中央部発電ステップ）Ｓ１０２において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉの切換装置４２Ｖ，４３Ｖ、４４Ｖを、それぞれ第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩＩ側に切り換える）。また、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉをそれぞれ開放し、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉをそれぞれ閉止する。これによって、スタック１００内のアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体は、それぞれ第２サブスタックＱ内のみを流通するようになる。
このような運転方法によって、第２サブスタックＱの発電出力をほとんど低下させることがないので、発電出力の低下による発電出力の不安定化がほとんど発生せず、安定して発電を継続することができる。
なお、制御装置２００がタイマーを有して、第１及び第２判定ステップＳ３、Ｓ６における伝熱媒体を流通させた予熱時間を取得するように構成することもできる。この場合、第１及び第２判定ステップＳ３、Ｓ６は、予熱時間と、制御装置２００が予め記憶する判定時間とを比較するように構成する。
ここで第１及び第２判定温度Ｄ１，Ｄ２あるいは判定時間は、スタック１００を用いた事前の運転経験により適切な判定温度あるいは判定時間を得ることができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、第1判定ステップのみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、第１判定ステップのみを説明し、スタック、それを用いた燃料電池システム、及び第１判定ステップ以外の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１５は、本発明の第２実施形態における第１判定ステップを示すフロー図である。
図１５に示すように、第２実施形態においては、第１判定温度Ｄ１は、制御装置２００に予め記憶されている数値ではなく、第２温度検出装置２４４が検出した供給温度Ｔ２である。
すなわち、ステップＳ２後、ステップ（第１判定ステップ）Ｓ３１において、制御装置２００は、第２温度検出装置２４４が検出した供給温度Ｔ２と第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３とを取得する。そして、両者を比較して、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ２と同温となれば、ステップＳ４に進む。ここで、第２サブスタックＱには熱源がないので、精確には、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ２とほぼ同等、例えば１℃未満の温度差内、の温度に到達したか否かで判断することができる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、第２判定ステップのみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、第２判定ステップのみを説明し、スタック、それを用いた燃料電池システム、及び第２判定ステップ以外の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１６は、本発明の第３実施形態における第２判定ステップを示すフロー図である。
図１６に示すように、第３実施形態においては、第２判定温度Ｄ２は、制御装置２００に予め記憶されている数値ではなく、第１温度検出装置１４４が検出した供給温度Ｔ１である。
すなわち、ステップＳ５後、ステップ（第２判定ステップ）Ｓ６１において、制御装置２００は、第１温度検出装置１４４が検出した供給温度Ｔ１と第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３とを取得する。そして、両者を比較して、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ１以上となれば、ステップＳ７に進む。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、スタックの構造のみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、スタックの構造の相違部分、それを用いた燃料電池システムの相違部分、及び燃料電池システムの運転方法の相違部分を説明し、スタックの構造、それを用いた燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法におけるその他の部分は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１７は、本発明の第４実施形態における燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
図１７に示すように、第４実施形態においては、第１サブスタックＰに第１アノードガス供給口１７２Ｉ、第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第１伝熱媒体供給口１７４Ｉが形成されていない。また、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが省略されている。これによって、スタック１００の構成を簡素化することができる。
また、図１２に示す燃料電池システムは以下のように変形される。
アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉは、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに接続して構成される。そして、切換装置４２Ｖ、４３Ｖ、４４Ｖは省略される。
このように本実施形態のスタック１００は、アノードガス供給口２７２Ｉ、カソードガス供給口２７３Ｉ及び伝熱媒体供給口２７４Ｉをそれぞれ単数とすることができるので、スタック１００を従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、カソードガス供給系統及び伝熱媒体供給系統に接続することができる。すなわち、スタック１００は従来のスタックに置き換えて用いることができるので、燃料電池システムの改造を不要とすることができ、スタックの設置要件を緩和させることができる。
さらに、図１３に示す、本発明の燃料電池システムの運転動作は以下のように変形される。
全体予熱ステップＳ５においては、中央部発電ステップＳ４に継続して、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。そして、第１および第２中間集電体５２、５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを開放する。これによって、伝熱媒体は、伝熱媒体導入路２９４Ｉ及び第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉにも供給される。
全体発電ステップＳ７においては、第２判定ステップＳ６に継続して、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。そして、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉを開放する。これによって、アノードガスは、アノードガス導入路２９２Ｉ及び第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉにも供給される。カソードガスは、カソードガス導入路２９３Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉにも供給される。
したがって、第４実施形態によって、本発明の燃料電池システムの運転方法をより簡素化することができる。
（第５実施形態）
図１８は、本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図１９は、図１８のアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面を概略的に示す平面図である。図２０は、図１８のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図２１は、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンの一例を概略的に示す出力図である。
図１８乃至図２１において図１乃至図１２と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。また、図１８においては、図１と同一の符合の一部を省略している。
本発明の第５実施形態のスタック５００は、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ、伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉ、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ、及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを省略して、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉにおいて、第１サブスタックＰ、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲへの供給の切り替えを選択的に行う実施形態である。
したがって、スタックの構造の相違部分、それを用いた燃料電池システムの相違部分を説明し、スタックの構造、それを用いた燃料電池システムの運転方法は、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１８に示すように、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３は第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、３９２Ｉ、５９２Ｉ、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、３９３Ｉ、５９３Ｉ及び第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ、３９４Ｉ、５９４Ｉを分割する。すなわち、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３には、アノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉは省略されている。また、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉの部分は、それぞれ貫通孔２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉが形成されている構成となっている。
また、第３サブスタックＲには第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉ及び第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉが構成されている。
第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５２Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２アノードガス導入路４９２Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５２Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６２Ｉを経由して第３アノードガス供給口３７２Ｉに接続されている。
同様にして、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５３Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２カソードガス導入路４９３Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５３Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６３Ｉを経由して第３カソードガス供給口３７３Ｉに接続されている。
同様にして、第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５４Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２伝熱媒体導入路４９４Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５４Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６４Ｉを経由して第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに接続されている。
次に、図１９を参照しながら、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａ、ならびに第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの内面の構造を説明する。なお、図示しないが、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａ、ならびに第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの外面の伝熱媒体流路構造２６，３６の構造は、それぞれの内面の流路構造と同様に、第１伝熱媒体マニホールド孔１２４Ｉ、１３４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔３２４Ｉ、３３４Ｉ、及び第３伝熱媒体マニホールド孔４２４Ｉ、４３４Ｉ、それぞれからの流路が形成されている。
図１９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃには、第２アノードガス導入路４９２Ｉを形成する貫通孔５２２Ｉ、５３２Ｉがそれぞれ貫通孔２２２Ｉ、２３２Ｉに並んで形成されている。また、第２カソードガス導入路４９３Ｉを形成する貫通孔５２３Ｉ、５３３Ｉがそれぞれ貫通孔２２３Ｉ、２３３Ｉに並んで形成されている。さらに、第２伝熱媒体導入路４９４Ｉを形成する貫通孔５２４Ｉ、５３４Ｉがそれぞれ貫通孔２２４Ｉ、２３４Ｉに並んで形成されている。
図１９の（ｃ）に示すように、第２アノードセパレータ２９Ａには、第１アノードセパレータ１９Ａと同様に、貫通孔５２２Ｉ、５２３Ｉ、５２４Ｉがそれぞれ形成されている。
図１９の（ｄ）に示すように、第２カソードセパレータ２９Ｃには、第１カソードセパレータ１９Ｃと同様に、貫通孔５３２Ｉ、５３３Ｉ、５３４Ｉがそれぞれ形成されている。
図１９の（ｅ）に示すように、第３アノードセパレータ３９Ａには、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉを形成する第３アノードガス供給マニホールド孔４２２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉを形成する第３カソードガス供給マニホールド孔４２３Ｉ、ならびに第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉを形成する第３伝熱媒体供給マニホールド孔４２４Ｉが形成されている。アノードガス流路溝２１は、第３アノードガス供給マニホールド孔４２２Ｉから伸びて構成されている。
図１９の（ｆ）に示すように、第３カソードセパレータ３９Ｃには、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉを形成する第３アノードガス供給マニホールド孔４３２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉを形成する第３カソードガス供給マニホールド孔４３３Ｉ、ならびに第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉを形成する第３伝熱媒体供給マニホールド孔４３４Ｉが形成されている。カソードガス流路溝３１は、第３カソードガス供給マニホールド孔４３３Ｉから伸びて構成されている。
このような構成により、スタック５００は、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の供給開閉部１８２Ｉ，１８３Ｉ、１８４Ｉならびに導入開閉部２８２Ｉ，２８３Ｉ、２８４Ｉを省略して、第１実施形態のスタック１００と同様の効果を有することができる。
また、スタック５００は、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能な構造となる。
また、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒの第１乃至第３セル１１０，２１０，３１０の数が相互に異なっているように構成することで、スタック５００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。本実施形態では、第１サブスタックＰの第１セル１１０の積層数は４０体、第２サブスタックＱの第２セル２１０の積層数は２０体、第３サブスタックＲの第３セル３１０の積層数は３０体となっている。
次に、図２０を参照しながら、スタック５００を用いた燃料電池システムを説明する。
第３アノードガス供給口３７２Ｉには、アノードガス供給系統４２Ｉが接続されている。また、アノードガス供給系統４２Ｉには、第１乃至第３アノードガス供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、３７３Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０１Ｖ，５０２Ｖ，５０３Ｖが配設されている。これらの弁５０１Ｖ，５０２Ｖ，５０３Ｖの開閉制御によってアノードガスの供給先を選択的に切り換えることができる。
同様にして、第３カソードガス供給口３７３Ｉには、カソードガス供給系統４３Ｉが接続されている。また、カソードガス供給系統４３Ｉには、第１乃至第３カソードガス供給口１７３Ｉ、２７３Ｉ、３７３Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０４Ｖ，５０５Ｖ，５０６Ｖが配設されている。これらの弁５０４Ｖ，５０５Ｖ，５０６Ｖの開閉制御によってカソードガスの供給先を選択的に切り換えることができる。
第３伝熱媒体供給口３７４Ｉには、伝熱媒体供給系統４４Ｉが接続されている。また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、第１乃至第３伝熱媒体供給口１７４Ｉ、２７４Ｉ、３７４Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０７Ｖ，５０８Ｖ，５０９Ｖが配設されている。これらの弁５０７Ｖ，５０８Ｖ，５０９Ｖの開閉制御によって伝熱媒体の供給先を選択的に切り換えることができる。
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、図１２の燃料電池システムに比べて、第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第４温度検出装置４４４が増設されている。
次ぎに、図２１を参照しながら、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンを概略的に説明する。
制御装置２００がアノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの弁５０１Ｖ乃至５０６Ｖを制御して、発電開始指令後の中央部発電ステップＳ４（図１３参照）では、４ＫＷの発電出力Ｄを得ることができる。そして、全体発電ステップＳ７（図１３参照）では、１８ＫＷの発電出力Ｄを得ることができる。
そして、制御装置２００は、燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、電力負荷に最も発電出力Ｄが近くなるようにいずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選定し、かつ、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換える。
これによって、燃料電池システムの発電出力Ｄを外部の電力負荷に好適な発電出力Ｄに調整することができるので、スタック５００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力Ｄを調整することができる。具体的には、制御装置２００がアノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの弁５０１Ｖ乃至５０６Ｖを制御してスタック５００の発電出力Ｄを段階的に調節することができる。すなわち、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲによる発電状態時には１４ＫＷ、第１サブスタックＰ及び第２サブスタックＱによる発電状態時には１２ＫＷ、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲによる発電状態時には１０ＫＷ、第１サブスタックＰのみによる発電状態時には８ＫＷ、第３サブスタックＲのみによる発電状態時には６ＫＷ、及び第２サブスタックＱによる発電状態時には４ＫＷ、と７段階に発電出力Ｄを調整することができる。
なお、スタックに第１実施形態あるいは第４実施形態のスタック１００を用いる場合にはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉ、ならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御することによって、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒへのアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えることができる。ただし、いずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒの選定範囲はスタック５００に比べ限られる。
また、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒへのアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えによって、スタック１００，５００の発電出力Ｄが応答するので、スタック１００，５００の発電出力Ｄの応答性には改善の余地がある。そこで、外部の電力負荷とスタック１００，５００との間に二次電池等を介在させて燃料電池システムを構成することによって、スタック１００，５００の発電出力Ｄの電力負荷への追従性を補償することができる。
さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
アノードガスは、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉそれぞれから第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれのアノードガス流路溝２１へと通流する。これらのアノードガス流路溝２１において、最初にＭＥＡ５のアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａに到達する部分をアノードガス到達部２１Ａという。
また、アノードガス流路溝２１において、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ，３２２Ｉ，４２２Ｉからそれぞれ第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのアノードガス到達部２１Ａに至るまでの部分を、アノードガス入口部２１Ｂという。また、ガスケット(例えば、図３、図６及び図８の第１ガスケット１６、第２ガスケット２８及び第３ガスケット３８のいずれか）とアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａとの間に形成される略環状の隙間(スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉとアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａとの間に形成される略環状の隙間)をアノード隙間という。
スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれのアノードガス到達部２１Ａは略同一の位置である。したがって、アノードガス入口部２１Ｂの長さは、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａによって異なる。
ここで、アノードガス入口部２１Ｂの一部とアノード隙間とが近接して配置されている領域が多い場合、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間へと漏出するアノードガスの量が増大する傾向となる。アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間へ流れ込んだアノードガスは、アノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａの中を流れずに、このアノード隙間の中を優先的に流れてアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅに到達する傾向がある。このため、発電に寄与しないまま排出されるアノードガスが増え、アノードガスの利用率が低下し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間への漏れ込みを少なくするために、アノードガス入口部２１Ｂの一部とアノード隙間とが、近接して配置される領域をできる限り少なくすることが好ましい。即ち、アノードガス入口部２１Ｂの長さを短くすることが好ましい。そこで、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、第１カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ及び貫通孔２３２Ｉ，５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ及び貫通孔５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、第２カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ及び貫通孔５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
この構成により、アノードガス入口部２１Ｂの長さを十分に短くすることができるので、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間への漏出を十分に少なくすることができる。また、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのアノードガス入口部２１Ｂの長さの差が小さくなるので、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのアノードガス流路溝２１の圧力損失の差を小さくすることができる。これにより、セパレータの設計が容易になる。
さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
カソードガスは、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉそれぞれから第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれのカソードガス流路溝３１へと通流する。これらのカソードガス流路溝３１において、最初にＭＥＡ５のカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃに到達する部分をカソードガス到達部３１Ａという。
また、カソードガス流路溝３１において、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉ，３３３Ｉ，４３３Ｉからそれぞれ第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのカソードガス到達部３１Ａに至るまでの部分を、カソードガス入口部３１Ｂという。また、ガスケット(例えば、図３、図６及び図８の第１ガスケット１６、第２ガスケット２８及び第３ガスケット３８のいずれか）とカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとの間に形成される略環状の隙間(スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉとカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとの間に形成される略環状の隙間)をカソード隙間という。
スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれのカソードガス到達部３１Ａは略同一の位置である。したがって、カソードガス入口部３１Ｂの長さは、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃによって異なる。
ここで、カソードガス入口部３１Ｂの一部とカソード隙間とが近接して配置されている領域が多い場合、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間へと漏出するカソードガスの量が増大する傾向となる。カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間へ流れ込んだカソードガスは、カソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃの中を流れずに、このカソード隙間の中を優先的に流れてカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅに到達する傾向がある。このため、発電に寄与しないまま排出されるカソードガスが増え、カソードガスの利用率が低下し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間への漏れ込みを少なくするために、カソードガス入口部３１Ｂの一部とカソード隙間とが、近接して配置される領域をできる限り少なくすることが好ましい。即ち、カソードガス入口部３１Ｂの長さを短くすることが好ましい。そこで、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、第１カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ及び貫通孔２３２Ｉ，５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ及び貫通孔５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、第２カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ及び貫通孔５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
この構成により、カソードガス入口部３１Ｂの長さを十分に短くすることができるので、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間への漏出を十分に少なくすることができる。また、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのカソードガス入口部３１Ｂの長さの差が小さくなるので、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのカソードガス流路溝３１の圧力損失の差を小さくすることができる。これにより、セパレータの設計が容易になる。


さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
スタック５００の積層方向から見て、第１アノードセパレータ１９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第１カソードセパレータ１９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面、第２アノードセパレータ２９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第２カソードセパレータ２９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面、並びに、第３アノードセパレータ３９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第３カソードセパレータ３９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面の形状及び大きさはそれぞれ略一致している。第１アノードセパレータ１９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第１カソードセパレータ１９Ｃの伝熱媒体流路溝３６、第２アノードセパレータ２９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第２カソードセパレータ２９Ｃの伝熱媒体流路溝３６、並びに、第３アノードセパレータ３９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第３カソードセパレータ３９Ｃの伝熱媒体流路溝３６は、それぞれ接合して伝熱媒体流路溝２６及び伝熱媒体流路溝３６からなる伝熱媒体流路を区画するように形成されている。
伝熱媒体は、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉそれぞれから第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれの伝熱媒体流路溝２６を通流して、最初にアノードセパレータ(第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのいずれか）を介してＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａと対向する部分に到達する部分を伝熱媒体到達部２６Ａ(図示せず)という。
また、伝熱媒体は、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉそれぞれから第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれの伝熱媒体流路溝３６を通流して、最初にカソードセパレータ(第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのいずれか）を介してＭＥＡ５のカソード側ガス拡散層４Ｃと対向する部分に到達する部分を伝熱媒体到達部３６Ａ(図示せず)という。
また、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ，３２４Ｉ，４２４Ｉからそれぞれ第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａに至るまでの伝熱媒体流路溝２６の部分を、伝熱媒体入口部２６Ｂ(図示せず)という。第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ，３３４Ｉ，４３４Ｉからそれぞれ第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体到達部３６Ａに至るまでの伝熱媒体流路溝３６の部分を、伝熱媒体入口部３６Ｂ(図示せず)という。
ここで、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａ、及び、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体到達部３６Ａは、略同一の位置である。
また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの断面と、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体入口部３６Ｂの断面とは、形状及び大きさがそれぞれ略一致している。以下では、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂについて説明する。第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体入口部３６Ｂについては、上記の第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂと同様なので、説明を省略する。
伝熱媒体入口部２６Ｂの長さは、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａによって異なる。伝熱媒体は、伝熱媒体入口部２６Ｂを進行するうちに、周囲との熱の受け渡しによって温度変化する。そのため、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差が大きいほど、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａに到達する伝熱媒体の温度の差が大きくなる傾向がある。即ち、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていない場合、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の長さの差が大きくなる。これによって、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの面内では、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の温度差が大きくなる傾向にある。そのため、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒに供給する伝熱媒体の温度管理が複雑になる可能性がある。
第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの面内における、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の温度差を小さくすることで、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒに供給する伝熱媒体の温度管理を容易にすることができる。そのため、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差を小さくすることが好ましい。即ち、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ及び貫通孔２２４Ｉ，５２４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ及び貫通孔２３４Ｉ，５３４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉ及び貫通孔５２４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉ及び貫通孔５３４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
この構成により、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差を十分に小さくすることができる。すなわち、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａ同士における伝熱媒体の温度差を十分に小さくすることができ、伝熱媒体の温度管理が容易になる。

ここで、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉ、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉが、アノードセパレータ１９Ａの周縁部のうちの１辺に沿うように、隣り合って並んで配置されていればよい。また、例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉが、アノードセパレータ１９Ａの周縁部のうちの隣接する２辺に沿うように、かつ、隣接する２辺が互いに接する角側に片寄って配置されていてもよい。例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉのうちの少なくともいずれかが、隣接する２辺のうちの一方の辺に沿うように、かつ、他方の辺側に片寄って配置されており、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉのうちの他のいずれかが、隣接する２辺のうちの他方の辺に沿うように、かつ、一方の辺側に片寄って配置されていてもよい。
また、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、上述の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉ、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
また、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、上述の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉ、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態のスタックは、第５実施形態のスタックの構造を変形した実施形態である。したがって、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、上記の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図２２は、本発明の第６実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図２２においては、図１と同一の符合の一部を省略している。
図２２に示すように、図１８のサブスタック５００に比べ、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉ、及び第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉが他端の端板７０に構成された第３アノードガス供給口３７２Ｉ、第３カソードガス供給口３７３Ｉ、及び第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに、絶縁板６０及び端部集電体５０に形成された貫通孔３５２Ｉ，３５３Ｉ，３５４Ｉ、３６２Ｉ，３６３Ｉ，３６４Ｉを経由して接続されている。このような構造によって、スタック６００は、第２アノードガス導入路４９２Ｉ、第２カソードガス導入路４９３Ｉ、及び第３伝熱媒体導入路４９４Ｉを不要として省略することができる。また、図示しないが、第１及び第２中間集電体６５２，６５３の貫通孔３５２Ｉ，３５３Ｉも省略することができる。さらに、第３サブスタックＲの第３セル３１０の各種供給マニホールド孔とアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６を第１サブスタックＲの第１セル１１０と同様に構成することができる。つまり、第３セル３１０の第３アノードガス供給マニホールド孔４１２Ｉ、４２２Ｉ、４３２Ｉは、第１セル１１０の第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉと同じ位置に構成することができる。第３セル３１０の第３カソードガス供給マニホールド孔４１３Ｉ、４２３Ｉ、４３３Ｉは、第１セル１１０の第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉと同じ位置に構成することができる。第３セル３１０の第３伝熱媒体供給マニホールド孔４１４Ｉ、４２４Ｉ、４３４Ｉは、第１セル１１０の第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉと同じ位置に構成することができる。
このようにして、スタック６００によって、スタック５００の構造をより簡素化し、かつ部品構造を共通化することができる。
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉは、第１及び２第アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉは、第１及び２第カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉは、第１及び２第伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態のスタックは、第６実施形態のスタックの構造を変形した実施形態である。したがって、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、上記の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図２３は、本発明の第７実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図２３においては、図２２と同一の符合の一部を省略している。
図２３に示すように、図２２のサブスタック６００に比べ、第２サブスタックＱが省略され、本実施形態のスタック７００は、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの２つのサブスタックによって構成されている。つまり、本実施形態は、第１中間集電体５５２を省略して、第２中間集電体５５３のみによって、スタック７００を２つのサブスタックＰ，Ｒに分割している実施形態である。
また、第１サブスタックＰの第１セル１１０と第３サブスタックＲの第３セル３１０の構造は全く同じとなり、第１セル１１０の数と第３セル３１０の数は異なっている。図２２のスタック６００と比べて、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ、及び伝熱媒体導入路２９４Ｉ、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ、及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉは省略されている。
このような構造によって、スタック７００は、第１サブスタックＰのみの発電出力、第３サブスタックＲのみの発電出力、及びスタック全体の発電出力の３段階の発電出力レベルを構成することができる。
以上のように、スタック１００、５００，６００、７００は、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体５２，５３によって遮断することができる。すなわち、いわゆる内部マニホールド型のスタックの構造を利用してアノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。よって、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
また、本発明の燃料電池スタック５００，６００、７００は、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒ同士のセル１１０，２１０，３１０の数が相互に異なっているので、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選択して、あるいはそれらを選択的に組み合わせて、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。すなわち、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
また、本発明のスタック１００、５００，６００、７００は、中間集電体５２，５３によって伝熱媒体の流通を遮断することができ、一部のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒにのみ伝熱媒体を流通させることができる。いわゆる内部マニホールド型のスタックの構造を利用して、必要なサブスタックにのみ伝熱媒体を流通させることができる。すなわち、燃料電池システムのエネルギー損失を低減させることができる。
また、スタック５００，６００は、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能となるので、燃料電池スタックの発電出力をより機動的かつ経済的に調整することができる
さらに、第１、第５、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムは、外部の電力負荷の大きさに基づいて、いずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選定し、かつ、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉ、あるいはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御して選定されたサブスタックＰ，Ｑ，Ｒにのみアノードガス及びカソードガスを供給して、発電運転をさせることができる。このように構成すると、スタック１００，５００，６００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に燃料電池システムの発電出力を調整することができる。
さらに、第１、第５、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムは、発電開始指令後、端部サブスタックＰ，Ｒにアノードガス及びカソードガスを供給する前に、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉ、あるいはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御して中央部サブスタックＱにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせることができる。このような構成によって、スタック１００，５００，６００の中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックＰ，Ｒの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
特に、上記実施形態では中間集電体は１体又は２体であるが、中間集電体を３体以上として、スタックを４つ以上のサブスタックに分割しても本発明を実施することができる。
また、例えば、各開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、それぞれ貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを開閉可能に構成されていればよい。したがって、気密型のゲート弁を第１及び第２中間集電体５２，５３に組み込んで構成することもできる。
さらに、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを逆止弁によって構成することもできる。すなわち、スタック１００内への流通方向にのみ導入路２９２Ｉ、２９３Ｉ、２９４Ｉとマニホールド３９２Ｉ、３９３Ｉ、３９４Ｉとの連通が開放するように構成することによって、全体予熱ステップＳ５及び全体発電ステップＳ７における流体の不必要な逆流を防止することができる。
各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉ及び各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅは、いずれかの端板７０，７１に構成することができる。例えば、スタック１００に装着されるアノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉの配設位置に応じて、好適な方の端板７０，７１に供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉ及び各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅを構成することができる。
また、第３セル３１０には、貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉが形成されていてもよい。第２中間集電体５３と端部集電体７０によって、両端が閉塞されるので、本発明の作用効果には影響がない。また、第１セル１１０と第３セル３１０との構造が同じになるので、第１セル１１０と第３セル３１０との製造工程を共通化させることができ、スタック１００の製作工程を簡素化することができる。
セル間の積層部の構造は、セパレータに伝熱媒体流路溝２６，３６が構成されておらず、伝熱媒体流路が内部に構成された伝熱部材をセル間の積層部に配設する構造でもよい。
本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現することができる。したがって、本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる、燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法として有用である。
【０００５】
給開始時を起動時として、かかる起動時の各セルの発生電圧を抑制するために、サブスタックを相互に直列閉回路接続させながら順次起動させる起動方法が開示されているに過ぎない。つまり、通常運転時には全てのサブスタックにアノードガス及びカソードガスを供給しており（同文献［００２２］）、アノードガス及びカソードガスの部分的流通状態での発電運転は開示も示唆もされていない。また、同文献では、隣接するサブスタック間にサブスタック間接接線（同文献の図番４７〜５１）が構成されており、実質的には複数のスタックを並べて構成される燃料電池システムが開示されているに過ぎない。
［００１９］
このように、ＰＥＦＣにおいて、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現するＰＥＦＣ構造の開発は従来あまり行われていなかった。また、発電運転において、サブスタック毎にアノードガス及びカソードガスの流通を調整して、発電出力を調整する技術は開示も示唆もされていなかった。
［００２０］
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現することによって、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる、燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［００２１］
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する１以上の中間集電体と、
前記一対の端部集電体及び前記中間集電体のいずれかの間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２以上のサブスタックと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、アノードガス導入路と、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、カソードガス導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、
【０００６】
前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上のアノードガス供給口と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上のカソードガス供給口と、を有する。
［００２２］
このように構成すると、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［００２３］
第２の本発明の燃料電池スタックは、前記サブスタックのそれぞれの前記単電池の数が相互に異なっているとよい。
［００２４］
このように構成すると、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。すなわち、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［００２５］
第３の本発明の燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記伝熱媒体供給マニホールド及び前記伝熱媒体導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有するとよい。
［００２６］
このように構成すると、伝熱媒体の流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、伝熱媒体を所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。
すなわち、燃料電池システムのエネルギー損失を低減させることができる。
［００２７］
第４の本発明の燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
【０００７】
前記アノードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続し、
前記カソードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続し、
前記伝熱媒体導入路が前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続し、
３つの前記アノードガス供給口が、それぞれ前記アノードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つの前記カソードガス供給口が、それぞれ前記カソードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つの前記伝熱媒体供給口が、それぞれ前記伝熱媒体導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドにそれぞれ接続しているとよい。
［００２８］
このように構成すると、各サブスタックにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能となるので、燃料電池スタックの発電出力をより機動的かつ経済的に調整することができる。
［００２９］
第５の本発明の燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
【０００８】
前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、アノードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、カソードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、伝熱媒体供給開閉部と、を有し、
前記アノードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記アノードガス供給口とを接続し、
前記カソードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記カソードガス供給口とを接続し、
前記伝熱媒体導入路が前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記伝熱媒体供給口とを接続するとよい。
［００３０］
このように構成すると、アノードガス供給口、カソードガス供給口及び伝熱媒体供給口をそれぞれ単数とすることができるので、本発明の燃料電池スタックを従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、カソードガス供給系統及び伝熱媒体供給系統に接続することができる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは従来の燃料電池スタックに置き換えて用いることができ、かつ、燃料電池スタックにおいてアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えることができるので、燃料電池スタックの設置要件を緩和させることができる。
［００３１］
第６の本発明の燃料電池システムは、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置が、いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記選定された前記サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して発電運転をさせる。
［００３２］
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【０００９】
［００３３］
第７の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えるとよい。
［００３４］
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［００３５］
第８の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記中央部サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
［００３６］
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
［００３７］
第９の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記伝熱媒体供給マニホールド及び前記伝熱媒体導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有し、
前記燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給口に接続されている伝熱媒体供給
【００１０】
系統を有し、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統、前記伝熱媒体供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して、
前記中央部サブスタックにのみ前記伝熱媒体を供給して、中央部予熱を行い、
前記中央部予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第１判定温度と比較する第１判定を行い、
前記第１判定に基づいて、前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせ、
前記中央部発電において、前記燃料電池スタック全体に前記伝熱媒体を供給して、全体予熱を行い、
前記全体予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第２判定温度と比較する第２判定を行い、
前記第２判定に基づいて、前記中央部サブスタック及び一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して全体発電を行わせるとよい。
［００３８］
このように構成すると、中央部サブスタックのみを予熱するので、より早期に中央部サブスタックを発電開始させることができ、かつ、中央部サブスタックの発電を継続しながら端部サブスタックの予熱を行うことができるので、円滑に全体発電に移行することができる。
［００３９］
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記第１判定温度及び前記第２判定温度が共に、前記燃料電池スタックに供給される伝熱媒体の供給温度であるとよい。
［００４０］
このように構成すると、より的確な予熱を行うことができる。
［００４１］
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前
【００１１】
記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記選定された前記サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して、発電運転をさせる。
［００４２］
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［００４３］
第１２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記アノードガス及び前記カソードガスの供給を切り換えるとよい。
［００４４］
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［００４５］
第１３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
［００４６］
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
第１４の本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する中間集電体と、
前記一対の端部集電体及び前記中間集電体の間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２つのサブスタックと、
前記燃料電池スタックの両端部をそれぞれ前記積層方向に貫通して、それぞれ前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、２つのアノートガス供給口と、
前記燃料電池スタックの両端部をそれぞれ前記積層方向に貫通して、それぞれ前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、２つのカソードガス供給口と、を有する。
このように構成すると、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
［発明の効果］
［００４７］
以上のように、本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システ
【書類名】明細書
【発明の名称】燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、電解質の種類に応じて複数の種類が開発されているが、近年では、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）が多用される傾向にある。ＰＥＦＣは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有するアノードガス及び空気など酸素を含有するカソードガスに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる構造を有している。すなわち、次の電気化学反応が生じ、アノード側の水素が消費されて、カソード側に反応生成物として水が生成される。
【０００３】
アノード ； Ｈ２ → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ− （１）
カソード ； ２Ｈ+ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （２）
ところで、ＰＥＦＣは、電池反応毎の起電力が一般用途に比べ十分ではない。そこで、ＰＥＦＣは一般的には、上記の反応が行われる単電池（セル）が複数積層されて構成されている。このような積層構造の高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）がＰＥＦＣの本体を構成している。一般的には、スタックにはセルが１０〜２００個積層され、その両端が集電体及び絶縁板を介して端板で挟まれ、ボルトナット等の締結器具によって両端間が締結されて構成されている。
【０００４】
そして、スタックの側部には、アノードガス供給マニホールド、アノードガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、及びカソードガス排出マニホールドが、それぞれスタックの積層方向に延びて配設されている。これらマニホールドそれぞれには、各セル内に接続される分岐路が構成されている。アノードガス供給マニホールド及びアノードガス排出マニホールドを結ぶ分岐路は、セル内のアノードガス流路を構成している。カソードガス供給マニホールド及びカソードガス排出マニホールドを結ぶ分岐路は、セル内のカソードガス流路を構成している。
【０００５】
そして、スタックを用いた燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給系統及び排出系統を有し、アノードガス供給マニホールドのいずれかの端部にアノードガスの供給系統が接続され、アノードガス排出マニホールドのいずれかの端部にアノードガスの排出系統が接続されて構成されている。同様に、カソードガス供給マニホールドのいずれかの端部にはカソードガスの供給系統が接続され、カソードガス排出マニホールドのいずれかの端部にはカソードガスの排出系統が接続されている。
【０００６】
アノードガスの供給系統は、一般的には、水分を含む水素主体のアノードガスを供給する構造を有している。例えば、水素ガスボンベ、加湿装置、減圧弁及び流量調整弁とこれらを接続する管路とによって構成されている。あるいは、石油、天然ガス等の炭化水素を主体とする原料を水素主体のガスに改質する水素生成装置を有して構成されている。
【０００７】
アノードガス排出系統は、一般的には、水素主体のアノードガスは可燃性ガスであるので、燃焼装置を有して構成されている。
【０００８】
カソードガス供給系統は、一般的には、空気等の酸素主体のカソードガスを供給する構造を有している。例えば、ブロア及び加湿装置とこれらを接続する管路とによって構成されている。
【０００９】
このような燃料電池システムの構成によって、アノードガスはアノードガス供給マニホールドの一端からスタック内に供給され、アノードガス供給マニホールドから各セルに分岐して流通し、各セルにおける余剰のアノードガスはアノードガス排出マニホールドにおいて集合して、アノードガス排出マニホールドの端部からスタックの外部に排出される。同様に、カソードガスはカソードガス供給マニホールドの一端から供給され、カソードガス供給マニホールドから各セルに分岐して流通し、各セルにおける余剰のカソードガスはカソードガス排出マニホールドにおいて集合して、カソードガス排出マニホールドの端部からスタックの外部に排出される。
【００１０】
ところで、発電開始及び出力調整を含めた燃料電池システムの機動性の面においては、改善の余地があった。すなわち、発電開始時には、セル内のＭＥＡを触媒反応温度にまで昇温させる必要がある。しかし、スタック内の全てのセルの昇温には時間とエネルギーとを要する。
【００１１】
また、負荷要求に応じて発電出力や熱出力の低出力運転をする際、外部への供給エネルギー効率を維持するためには、アノードガス及びカソードガスの供給量を減少させる必要がある。しかし、アノードガス及びカソードガスの供給量を減少させると、燃料電池システムの発電出力が不安定になる現象、いわゆるフラッディング現象が生じるという問題があった。
【００１２】
一方、特許文献１では、大小異なる容量の複数の燃料電池を直列に搭載し、起動時には小容量燃料電池のみを発電させる燃料電池システムが提案され、余剰アノードガス及びカソードガスを燃焼させることで効率良く小容量燃料電池を昇温させ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができるとしている。
【００１３】
また、特許文献２では、複数の燃料電池を搭載し、低出力運転時には一部の燃料電池を停止する燃料電池システムが提案され、発電効率を著しく低下させず、かつ、燃料電池に腐食等を生じさせずに、燃料電池システムの発電出力を低下させることができるとしている。
【００１４】
さらに、特許文献３の燃料電池システムのスタックは、スタックの両端に配置された集電体およびスタックの積層方向中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割されている。また、特許文献３の燃料電池システムは、このスタックと、このスタックの両端に配置された集電体および中間位置の集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、スタック温度測定手段とを備えて構成されている。そして、特許文献３には、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックが発電し始める前に中央サブスタックが発電するように集電体スイッチ制御手段を用いて集電体スイッチを制御し、この温度測定手段を用いてスタックの温度を測定し、スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときにアノード側サブスタック、カソード側サブスタック、および中央サブスタックによって電気が発生されるように、集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御する燃料電池システムの発電方法が提案されている。この発電方法によって、氷点下の温度において迅速かつ効率的に発電することができるとしている。
【００１５】
特許文献４には、それぞれ独立にアノードへアノードガスを供給可能な複数のサブスタックを有する燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３９５２４号公報
【特許文献２】特開平６−６０８９６号公報
【特許文献３】特開２００６−２４５５９号公報
【特許文献４】特開２００６−１４７３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１及び２の燃料電池システムは、複数の燃料電池を必要とすることから、燃料電池システムの構成が複雑になり、かつ、燃料電池システムが大型化してしまう。燃料電池システムの緻密化及び小型化、すなわちコンパクト化の点で改善の余地があった。
【００１７】
また、特許文献３の燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給及び排出構造は開示も提案もされていないので、従来のスタックと同様の構造と解される。そうすると、中央サブスタックのみにて発電している状態においても、カソード側サブスタック及びアノード側サブスタックには、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドからアノードガス排出マニホールド及びカソードガス排出マニホールドへとアノードガス及びカソードガスが流通していることになる。カソード側サブスタック及びアノード側サブスタックにおいては、発電が開始されていないので、アノードガス及びカソードガスはカソード側サブスタック及びアノード側サブスタックを素通りしていることになる。つまり、アノードガス及びカソードガスの浪費、及びアノードガス及びカソードガスの必要以上の供給が行われており、発電開始時における燃料電池システムの経済性に改善の余地があった。また、アノードガス及びカソードガスが流通することによって、カソード側サブスタック及びアノード側サブスタック内のＭＥＡの電位があがるので、ＭＥＡの性能が劣化するおそれもあった。
【００１８】
特許文献４では、サブスタックの発電運転開始前のアノードガス及びカソードガス供給開始時を起動時として、かかる起動時の各セルの発生電圧を抑制するために、サブスタックを相互に直列閉回路接続させながら順次起動させる起動方法が開示されているに過ぎない。つまり、通常運転時には全てのサブスタックにアノードガス及びカソードガスを供給しており（同文献【００２２】）、アノードガス及びカソードガスの部分的流通状態での発電運転は開示も示唆もされていない。また、同文献では、隣接するサブスタック間にサブスタック間接接線（同文献の図番４７〜５１）が構成されており、実質的には複数のスタックを並べて構成される燃料電池システムが開示されているに過ぎない。
【００１９】
このように、ＰＥＦＣにおいて、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現するＰＥＦＣ構造の開発は従来あまり行われていなかった。また、発電運転において、サブスタック毎にアノードガス及びカソードガスの流通を調整して、発電出力を調整する技術は開示も示唆もされていなかった。
【００２０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現することによって、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる、燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する１以上の中間集電体と、
前記一対の端部集電体及び前記中間集電体のいずれかの間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２以上のサブスタックと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、アノードガス導入路と、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、カソードガス導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上のアノードガス供給口と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上のカソードガス供給口と、を有する。
【００２２】
このように構成すると、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００２３】
第２の本発明の燃料電池スタックは、前記サブスタックのそれぞれの前記単電池の数が相互に異なっているとよい。
【００２４】
このように構成すると、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。すなわち、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００２５】
第３の本発明の燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記伝熱媒体供給マニホールド及び前記伝熱媒体導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有するとよい。
【００２６】
このように構成すると、伝熱媒体の流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、伝熱媒体を所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、燃料電池システムのエネルギー損失を低減させることができる。
【００２７】
第４の本発明の燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記アノードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続し、
前記カソードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続し、
前記伝熱媒体導入路が前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続し、
３つの前記アノードガス供給口が、それぞれ前記アノードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つの前記カソードガス供給口が、それぞれ前記カソードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
３つの前記伝熱媒体供給口が、それぞれ前記伝熱媒体導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドにそれぞれ接続しているとよい。
【００２８】
このように構成すると、各サブスタックにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能となるので、燃料電池スタックの発電出力をより機動的かつ経済的に調整することができる。
【００２９】
第５の本発明の燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、アノードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、カソードガス供給開閉部と、
前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、伝熱媒体供給開閉部と、を有し、
前記アノードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記アノードガス供給口とを接続し、
前記カソードガス導入路が前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記カソードガス供給口とを接続し、
前記伝熱媒体導入路が前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記伝熱媒体供給口とを接続するとよい。
【００３０】
このように構成すると、アノードガス供給口、カソードガス供給口及び伝熱媒体供給口をそれぞれ単数とすることができるので、本発明の燃料電池スタックを従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、カソードガス供給系統及び伝熱媒体供給系統に接続することができる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは従来の燃料電池スタックに置き換えて用いることができ、かつ、燃料電池スタックにおいてアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えることができるので、燃料電池スタックの設置要件を緩和させることができる。
【００３１】
第６の本発明の燃料電池システムは、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置が、いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記選定された前記サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して発電運転をさせる。
【００３２】
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００３３】
第７の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えるとよい。
【００３４】
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００３５】
第８の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記中央部サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
【００３６】
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３７】
第９の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
いずれか一方の前記端部集電体と前記中間集電体との間の端部サブスタックの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記端部サブスタック以外の前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、
前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、前記伝熱媒体供給マニホールド及び前記伝熱媒体導入路の少なくともいずれかに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有し、
前記燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給口に接続されている伝熱媒体供給系統を有し、
前記制御装置が、発電開始指令後、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統、前記伝熱媒体供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して、
前記中央部サブスタックにのみ前記伝熱媒体を供給して、中央部予熱を行い、
前記中央部予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第１判定温度と比較する第１判定を行い、
前記第１判定に基づいて、前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせ、
前記中央部発電において、前記燃料電池スタック全体に前記伝熱媒体を供給して、全体予熱を行い、
前記全体予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第２判定温度と比較する第２判定を行い、
前記第２判定に基づいて、前記中央部サブスタック及び一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して全体発電を行わせるとよい。
【００３８】
このように構成すると、中央部サブスタックのみを予熱するので、より早期に中央部サブスタックを発電開始させることができ、かつ、中央部サブスタックの発電を継続しながら端部サブスタックの予熱を行うことができるので、円滑に全体発電に移行することができる。
【００３９】
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記第１判定温度及び前記第２判定温度が共に、前記燃料電池スタックに供給される伝熱媒体の供給温度であるとよい。
【００４０】
このように構成すると、より的確な予熱を行うことができる。
【００４１】
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、第１の本発明の燃料電池スタックと、
前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記選定された前記サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して、発電運転をさせる。
【００４２】
このように構成すると、第１の本発明の燃料電池スタックを用いて、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００４３】
第１２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記アノードガス及び前記カソードガスの供給を切り換えるとよい。
【００４４】
このように構成すると、燃料電池システムの発電出力を外部の電力負荷に好適な発電出力に調整することができるので、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【００４５】
第１３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックは、３以上の前記単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせるとよい。
【００４６】
このように構成すると、燃料電池スタックの中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
【００４７】
第１４の本発明の燃料電池スタックは、一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する中間集電体と、
前記一対の端部集電体及び前記中間集電体の間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２つのサブスタックと、
前記燃料電池スタックの両端部をそれぞれ前記積層方向に貫通して、それぞれ前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、２つのアノードガス供給口と、
前記燃料電池スタックの両端部をそれぞれ前記積層方向に貫通して、それぞれ前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、２つのカソードガス供給口と、を有する。
【００４８】
このように構成すると、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体によって遮断することができるので、いわゆる内部マニホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。すなわち、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【発明の効果】
【００４９】
以上のように、本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
【００５１】
（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００５２】
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【００５３】
なお、燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）１００は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置に例示されるような燃料電池システムに用いられる。
【００５４】
図１に示すように、スタック１００は、サンドイッチ状の第１セル（単電池）１１０、第２セル２１０及び第３セル３１０が、一対の端板７０，７１、絶縁板６０．６１及び端部集電体５０，５１の間に積層された、直方体状を構成している。そして、スタック１００は締結具８２によって締結されている。ここで、第１セル１１０は、第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃが第１ＭＥＡ部材１７を挟んで構成されている。同様に、第２セル２１０は、第２アノードセパレータ２９Ａ及び第２カソードセパレータ２９Ｃが第２ＭＥＡ部材２７を挟んで構成されている。同様に、第３セル３１０は、第３アノードセパレータ３９Ａ及び第３カソードセパレータ３９Ｃが第３ＭＥＡ部材３７を挟んで構成されている。
【００５５】
スタック１００は、セル１１０，２１０，３１０の積層方向の中間部に配設され、かつアノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドを分割する第１中間集電体５２と第２中間集電体５３とを有している。そして、端部集電体５１と第１中間集電体５２との間に第１サブスタックＰ（端部サブスタック）、第１中間集電体５２と第２中間集電体５３との間に第２サブスタック（中央部サブスタック）Ｑ、第２中間集電体５３と端部集電体５０との間に第３サブスタック（端部サブスタック）Ｒが構成されている。第１サブスタックＰには第１セル１１０が積層され、第２サブスタックＱには第２セル２１０が積層され、第３サブスタックＲには第３セル３１０が積層されている。第１乃至第３サブスタックのそれぞれのセルの積層数は異なっていてもよい。すなわち、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の積層数はスタック１００の低出力運転の実情に適応するように加減して調整することができる。また、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにおけるセル１１０，３１０の合計積層数は、スタック１００の全体出力に適応するように加減して調整することができる。また、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにおけるセル１１０，３１０のそれぞれの積層数は、発電開始当初あるいは、発電運転中におけるスタック１００の積層方向の温度偏差の実情に応じて温度偏差が小さくなるように加減して調整することができる。例えば、第１サブスタックＰにおける第１セル１１０の積層数は２０体、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の積層数は１０体、第３サブスタックＲにおける第３セル３１０の積層数は２０体として構成することができる。
【００５６】
スタック１００は、いわゆる内部マニホールド型スタックであって、セルの周縁部を積層方向に貫通して、アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ、カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、３９３Ｉ、伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ、３９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅが形成されている。
【００５７】
アノードガス供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び後述するアノードガス導入路２９２Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉの第１中間集電体５２側端面及びアノードガス導入路２９２Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
【００５８】
カソードガス供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３のカソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及び後述するカソードガス導入路２９３Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉの第１中間集電体５２側端面及びカソードガス導入路２９３Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
【００５９】
伝熱媒体供給マニホールドは、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３によって、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとに分割されている。そして、第１及び第２中間集電体５２，５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、これらが連通及び遮断されるように構成されている。第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ及び後述する伝熱媒体導入路２９４Ｉの双方と連通可能なように形成されている。ここでは、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉの第１中間集電体５２側端面が、第１中間集電体５２を間にして、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉの第１中間集電体５２側端面及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの第１中間集電体５２側端面に対向して形成されている。また、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉの第２中間集電体５３側端面が、第２中間集電体５３を間にして、第３サブスタックＲの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉの第２中間集電体５３側端面に対向して形成されている。
【００６０】
第１サブスタックＰには、アノードガス導入路２９２Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５２Ｉにアノードガス導入開閉部２８２Ｉが配設されていて、該開閉部２８２Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
【００６１】
第１サブスタックＰには、カソードガス導入路２９３Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５３Ｉにカソードガス導入開閉部２８３Ｉが配設されていて、該開閉部２８３Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
【００６２】
第１サブスタックＰには、伝熱媒体導入路２９４Ｉが、第１サブスタックＰの周縁部を積層方向に貫通して、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉに接続して形成されている。ここでは、第１中間集電体５２の貫通孔２５４Ｉに伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが配設されていて、該開閉部２８４Ｉの開閉によって、両者が連通及び遮断されるように構成されている。
【００６３】
スタック１００の一方の端板７１には６つの供給口が形成されている。すなわち、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉに接続する第１アノードガス供給口１７２Ｉ、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉの貫通部に構成された第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉに接続する第１カソードガス供給口１７３Ｉ、第１サブスタックＰのカソードガス導入路２９３Ｉの貫通部に構成された第２カソードガス供給口２７３Ｉ、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉに接続する第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ、及び第１サブスタックＰの伝熱媒体導入路２９４Ｉの貫通部に構成された第２伝熱媒体供給口２７４Ｉが形成されている。
【００６４】
第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及び第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉそれぞれには供給口１７２Ｉ、１７３Ｉ、１７３４が構成されている。このような構成によって、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉを経由して第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲにアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を供給する必要はない。したがって、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの流路断面積を第２サブスタックＱの発電に必要な流量を通すことができる大きさにまで縮小することができる。つまり、スタック１００の構造をよりコンパクトにすることができる。
【００６５】
スタック１００の他方の端板７０には３つの供給口が形成されている。すなわち、第３サブスタックＲのアノードガス排出マニホールド９２Ｅに接続するアノードガス排出口７２Ｅ、第３サブスタックＲのカソードガス排出マニホールド９３Ｅに接続するカソードガス排出口７３Ｅ、及び第３サブスタックＲの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続する伝熱媒体排出口７４Ｅが形成されている。このような構成によって、スタック１００内のアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を外部に排出することができる。
【００６６】
次に、スタック１００のスタック端部の構造を説明する。
【００６７】
図２は、図１のスタックの一方の端部の構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
【００６８】
締結具８２は、ボルト８２Ｂ、座金８２Ｗ及びナット５２Ｎによって構成されている。ボルト孔１５は、端部集電体５０、５１、中間集電体５２、５３、絶縁板６０、６１、端板７０、７１及び第１乃至第３セル１１０、２１０、３１０を積層方向に貫通して、それぞれの矩形平面の４隅に形成されている。ボルト８２Ｂは、ボルト孔１５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。ボルト８２Ｂの両端には座金８２Ｗ及びナット８２Ｎが装着されている。
【００６９】
なお、締結具８０は、座金と端板との間に弾性体を挟んで構成することもできる。また、端板７０、７１の縁部を延伸させてボルト８２Ｂがスタック１００を貫通せずにスタック１００の側方を平行するように構成することもできる。
【００７０】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。端部集電体５０，５１は銅金属に例示されるような導電性材料からなり、それぞれ端子５９が形成されている。
【００７１】
アノードガス排出口７２Ｅ、カソードガス排出口７３Ｅ、及び伝熱媒体排出口７４Ｅは、外部の配管に接続可能な部材によって構成されている。ここでは、図示するように貫通孔と、それに装着されるノズルと、によって構成されている。ノズルの代わりに弁、袋ナットに例示される公知の手段によって構成することも可能である。他方の端板７１においても、第１及び第２アノードガス供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、第１及び第２カソードガス供給口１７３Ｉ，２７３Ｉ、ならびに第１及び第２伝熱媒体供給口１７４Ｉ、２７４Ｉ、も同様に構成されている（図１参照）。
【００７２】
一方の絶縁板６０には、各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅにそれぞれ接続する貫通孔６２Ｅ、６３Ｅ、６４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。他方の絶縁板６１にも、各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉにそれぞれ接続する貫通孔１６２Ｉ，１６３Ｉ，１６４Ｉ、２６２Ｉ，２６３Ｉ，２６４Ｉが形成されている（図１参照）。
【００７３】
一方の端部集電体５０には、絶縁板６０の貫通孔６２Ｅとアノードガス排出マニホールド９２Ｅとを接続する貫通孔５２Ｅ、貫通孔６３Ｅとカソードガス排出マニホールド９３Ｅとを接続する貫通孔５３Ｅ、及び貫通孔６４Ｅと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとを接続する貫通孔５４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。他方の端部集電体５１にも、各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉと各供給マニホールド１９２Ｉ，１９３Ｉ，１９４Ｉ及び各導入路２９２Ｉ，２９３Ｉ，２９４Ｉとをそれぞれ接続する貫通孔１５２Ｉ，１５３Ｉ，１５４Ｉ、２５２Ｉ，２５３Ｉ，２５４Ｉが形成されている（図１参照）。
【００７４】
したがって、第１サブスタックＰのアノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続する貫通孔が集電体５１には形成されていないので、集電体５１によってこれら排出マニホールドの閉止端が構成されている。同様にして、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉに接続する貫通孔が集電体５０には形成されていないので、集電体５０によってこれら供給マニホールドの閉止端が構成されている。
【００７５】
なお、図２では、第３サブスタックＲの最端部の第３セル３１０の第３カソードセパレータ３９Ｃの外面には伝熱媒体流路溝３６が形成されていない。また、図示しないが、第１サブスタックの最端部に位置する第１アノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝は形成されていない。
【００７６】
次に、第１サブスタックＰにおける第１セル１１０の構造を説明する。
【００７７】
図３は、図１の第１サブスタックに積層されている第１セルの構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
【００７８】
図３に示すように、第１セル１１０は、第１ＭＥＡ部材１７を一対の平板状の第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。
【００７９】
第１アノードセパレータ１９Ａの周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１２３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔２２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔２３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅ、及び貫通孔２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
【００８０】
第１カソードセパレータ１９Ｃの周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔３２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔３３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅ、及び貫通孔２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
【００８１】
第１ＭＥＡ部材１７の周縁部には、第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、及び貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉが積層方向に貫通して形成されている。
【００８２】
第１サブスタックＰにおいて、第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉは連なって第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉを形成する。
【００８３】
第１サブスタックＰにおいて、第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉは連なって第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉを形成する。
【００８４】
第１サブスタックＰにおいて、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉは連なって第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉを形成する。
【００８５】
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１２Ｉ、２２２Ｉ、２３２Ｉは連なってアノードガス導入路２９２Ｉを形成する。
【００８６】
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１３Ｉ、２２３Ｉ、２３３Ｉは連なってカソードガス導入路２９３Ｉを形成する。
【００８７】
第１サブスタックＰにおいて、貫通孔２１４Ｉ、２２４Ｉ、２３４Ｉは連なって伝熱媒体導入路２９４Ｉを形成する。
【００８８】
第１サブスタックＰにおいて、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは連なってアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成する。
【００８９】
第１サブスタックＰにおいて、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは連なってカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成する。
【００９０】
第１サブスタックＰにおいて、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは連なって伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを形成する。
【００９１】
ここで、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉとアノードガス導入路２９２Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通を容易にすることができる。
【００９２】
第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉとカソードガス導入路２９３Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通を容易にすることができる。
【００９３】
第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと伝熱媒体導入路２９４Ｉとは平行かつ近接して形成されている。これによって、これらと、後述する第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通を容易にすることができる。
【００９４】
そして、第１アノードセパレータ１９Ａの内面には、第１アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、第１セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。第１カソードセパレータ１９Ｃの内面には、第１カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、第１セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。このような構造によって、第１セル１１０組立状態において、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉのアノードガスが第１セル１１０内に供給され、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉのカソードガスが第１セル１１０内に供給される。
【００９５】
ここで、第１乃至第３セル内に共通する反応部の構造を説明する。図４は、図３のセルの構造を示す要部断面図である。図４では第１セル１１０を例示するが第２セル２１０及び第３セル３１０も同様の構造である。
【００９６】
第１ＭＥＡ部材１７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜が一対の第１ガスケット（枠体）１６で挟まれて構成されている。したがって、第１ガスケット１６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、第１ガスケット１６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、例示としては、フッ素系ゴムが好適である。
【００９７】
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。アノード側の電極層は、高分子電解質膜１の一方の面に配設されたアノード側触媒層２Ａと、アノード側触媒層２Ａの外面に配設されたアノード側ガス拡散層４Ａとを備えて構成されている。カソード側の電極層は、高分子電解質膜１の他方の面に配設されたカソード側触媒層２Ｃと、カソード側触媒層２Ｃの外面に配設されたカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、触媒層２Ａ、２Ｃは白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。
【００９８】
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。
【００９９】
第１アノードセパレータ１９Ａおよび第１カソードセパレータ１９Ｃ（以下、両者をセパレータと総称する）は、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。したがって、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーは、ガス拡散層４Ａ、４Ｃ及びセパレータ１９Ａ、１９Ｃを導通するので外部へ取り出すことができる。
【０１００】
第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃの内面にはＭＥＡ部材１７がそれぞれ当接するので、ＭＥＡ部材１７がアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の溝蓋となる。さらに、第１アノードセパレータ１９Ａの内面の中央部には、ＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａが当接している。すなわち、第１アノードセパレータ１９Ａのアノードガス流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、アノードガス流路溝２１内を流通するアノードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、第１カソードセパレータ１９Ｃのカソードガス流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、カソードガス流路溝３１内を流通するカソードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。
【０１０１】
次に、第１サブスタックＰ内の第１セル１１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
【０１０２】
図５は、図３の第１サブスタックの第１セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【０１０３】
図５に示すように、第１アノードセパレータ１９Ａの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。同様にして、第１カソードセパレータ１９Ｃの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。また、第１セル１１０積層状態においては、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合して、伝熱媒体流露溝２６と伝熱媒体流露溝３６とからなる伝熱媒体流路が形成される。そして、第１アノードセパレータ１９Ａの外面及び第１カソードセパレータ１９Ｃの外面は、耐熱性のあるシール構造（図示せず）によって伝熱媒体流路溝２６，３６の周囲をシールするように形成されている。このような構造により、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第１セル１１０との熱交換をより良く行うことができる。
【０１０４】
次に、第２サブスタックＱにおける第２セル２１０の構造を説明する。
【０１０５】
第２サブスタックＱは、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及びアノードガス導入路２９２Ｉの延長線上に位置にするよう第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉが形成され、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ及びカソードガス導入路２９３Ｉの延長線上に位置するように第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉが形成され、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ及び伝熱媒体導入路２９４Ｉの延長線上に位置するように第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉが形成されている。第２セル２１０は第１セル１１０を基礎として一部が変更されて構成されている。以下、第２セル２１０と第１セル１１０との相違点を説明する。
【０１０６】
図６は、図１の第２サブスタックに積層されている第２セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【０１０７】
図６に示すように、第２セル２１０は、第２ＭＥＡ部材２７を一対の平板状の第２アノードセパレータ２９Ａ及び第２カソードセパレータ２９Ｃで挟んで構成されている。
【０１０８】
第２セパレータ２９Ａの周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３２３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔２２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔２３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
【０１０９】
第２カソードセパレータ２９Ｃの周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３３３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔３２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔３３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
【０１１０】
第２ＭＥＡ部材２７の周縁部には、第２アノードガス供給マニホールド孔３１２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔３１３Ｉ、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３１４Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、及び伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅが積層方向に貫通して形成されている。
【０１１１】
第２サブスタックＱにおいて、第２アノードガス供給マニホールド孔３１２Ｉ、３２２Ｉ、３３２Ｉは連なって第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉを形成する。
【０１１２】
第２サブスタックＱにおいて、第２カソードガス供給マニホールド孔３１３Ｉ、３２３Ｉ、３３３Ｉは連なって第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉを形成する。
【０１１３】
第２サブスタックＱにおいて、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３１４Ｉ、３２４Ｉ、３３４Ｉは連なって第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉを形成する。
【０１１４】
そして、第２アノードセパレータ２９Ａの内面には、第２アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。同様にして、第２カソードセパレータ２９Ｃの内面には、第２カソードガス供給マニホールド孔３３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。このような構造によって、第２セル２１０組立状態において、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉのアノードガスが第２セル２１０内に供給され、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉのカソードガスが第２セル２１０内に供給される。
【０１１５】
次に、第２サブスタックＱ内の第２セル２１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
【０１１６】
図７は、図６の第２サブスタックの第２セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【０１１７】
図７に示すように、第２アノードセパレータ２９Ａの外面には、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。また、第２カソードセパレータ２９Ｃの外面には、第２伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。このような構造によって、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第２セル２１０との熱交換をより良く行うことができる。
【０１１８】
次に、第３サブスタックＲにおける第３セル３１０の構造を説明する。
【０１１９】
図８は、図１の第３サブスタックに積層されている第３セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。図９は、図８の第３サブスタックの第３セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【０１２０】
図８及び図９に示すように、第３サブスタックＲの第３セル３１０は、貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、３３４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ２３４Ｉが形成されていない点を除いて、第１サブスタックＰの第１セル１１０と同様である。
【０１２１】
したがって、第３サブスタックＲには、第１サブスタックＰと同様に、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、及び第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉが形成されている。しかし、アノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ、及び伝熱媒体導入路２９４Ｉは形成されていない。
【０１２２】
第３セル３１０は、第３ＭＥＡ部材３７を一対の平板状の第３アノードセパレータ３９Ａ及び第３カソードセパレータ３９Ｃで挟んで構成されている。
【０１２３】
第３セル３１０組立状態において、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉのアノードガスが第３セル３１０内に供給され、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉのカソードガスが第３セル３１０内に供給される。
【０１２４】
次に、第３サブスタックＲ内の第３セル３１０間の積層部（伝熱部）を説明する。
【０１２５】
図９に示すように、第３アノードセパレータ３９Ａの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。また、第３カソードセパレータ３９Ｃの外面には、第１伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。このような構造によって、伝熱媒体は、外部に漏出することなく積層部を流通し、第３セル３１０との熱交換をより良く行うことができる。
【０１２６】
以上のような第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒの構成によって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉおよび第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉは、それぞれ第１セル１１０および第３セル３１０内のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１および伝熱媒体流路溝２６，３６によって、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続されている。また、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉ及び第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、それぞれ第２セル２１０内のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１および伝熱媒体流路溝２６，３６によって、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに接続されている。
【０１２７】
次に、第１サブスタックＰ及び第２サブスタックＱの間に配設された第１中間集電体５２を説明する。
【０１２８】
図１０は、図１の第１中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
【０１２９】
図１０に示すように、第１中間集電体５２は、端部集電体５０，５１と同様に、矩形の平板形状を有し、銅金属に例示されるような導電性材料からなり、側面には端子５９が形成されている。
【０１３０】
また、第１中間集電体５２の周縁部には、貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉがそれぞれ積層方向に貫通して形成されている。
【０１３１】
貫通孔１５２Ｉは、第１サブスタックＰの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとを連通するように形成されている。
【０１３２】
貫通孔２５２Ｉは、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉと第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、アノードガス導入路２９２Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉに接続する。
【０１３３】
貫通孔５２Ｅは、第１サブスタックＰのアノードガス排出マニホールド９２Ｅと第２サブスタックＱのアノードガス排出マニホールド９２Ｅとを連通するように形成されている。
【０１３４】
貫通孔１５３Ｉは、第１サブスタックＰの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとを連通するように形成されている。
【０１３５】
貫通孔２５３Ｉは、第１サブスタックＰのカソードガス導入路２９３Ｉと第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、カソードガス導入路２９３Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉに接続する。
【０１３６】
貫通孔５３Ｅは、第１サブスタックＰのカソードガス排出マニホールド９３Ｅと第２サブスタックＱのカソードガス排出マニホールド９３Ｅとを連通するように形成されている。
【０１３７】
貫通孔１５４Ｉは、第１サブスタックＰの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとを連通するように形成されている。
【０１３８】
貫通孔２５４Ｉは、第１サブスタックＰの伝熱媒体導入路２９４Ｉと第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとを連通するように形成されている。換言すれば、伝熱媒体導入路２９４Ｉは、一対の端部サブスタックＰ，Ｒのいずれかの周縁部をセル１１０，３１０の積層方向に貫通して、中央部サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉに接続する。
【０１３９】
貫通孔５４Ｅは、第１サブスタックＰの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅと第２サブスタックＱの伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとを連通するように形成されている。
【０１４０】
また、貫通孔１５２Ｉにはアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、貫通孔１５３Ｉにはカソードガス供給開閉部１８３Ｉ、貫通孔１５４Ｉには伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉ、貫通孔２５２Ｉにはアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、貫通孔２５３Ｉにはカソードガス導入開閉部２８３Ｉ、貫通孔２５４Ｉには伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが、それぞれ構成されている。
【０１４１】
これら開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、同じ構造を有している。
【０１４２】
すなわち、開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、弁体５７と、弁棒５８と、軸受部５６と、図示しない回転装置とによって構成されている。
【０１４３】
弁体５７は、その主面は、それぞれの貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉの延伸方向断面とほぼ同じ形状を有する。したがって、弁体５７によって、各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを閉塞することができる。
【０１４４】
弁棒５８は、弁体５７が各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉ内にて弁棒５８を回転軸として回転できるように、弁体５７に装着されている。つまり、弁棒５８は、弁体５７の対称軸上を延伸するようにして弁体５７に接続されている。
【０１４５】
また、弁棒５８は、第１中間集電体５２の側面から各貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを気密的に貫通して弁体５７に装着されている。
【０１４６】
軸受部５６は、弁棒５８と第１中間集電体５２との間に構成されている。軸受部５６の内部には、ゴム等弾性物質を封止部材とするような公知の封止部が構成されている（図示せず）。
【０１４７】
さらに、弁体５７、弁棒５８は、第１中間集電体５２と電気的に絶縁されている。すなわち、弁体５７および弁棒５８は、耐熱性樹脂でコーティングされた金属材、あるいは、テフロン（登録商標）に例示される電気絶縁性材によって構成されている。これによって、第１中間集電体５２から開閉部への漏電を防止することができる。
【０１４８】
回転装置は、軸体を所定の角度回転させることができる公知の回転装置である。ここでは、弁棒５８に接続されたステップモータを有して構成されている。あるいは、弁棒５８の軸端に装着された腕部材と、腕部材に装着されたアクチュエータとを有して構成することもできる。
【０１４９】
アノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉは、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５０】
アノードガス導入開閉部２８２Ｉの開閉によって、アノードガス導入路２９２Ｉは、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５１】
カソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉは、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５２】
カソードガス導入開閉部２８３Ｉの開閉によって、カソードガス導入路２９３Ｉは、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５３】
伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉは、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５４】
伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉの開閉によって、伝熱媒体導入路２９４Ｉは、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５５】
次に、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲの間に配設された第２中間集電体５３を説明する。
【０１５６】
図１１は、図１の第２中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
【０１５７】
図１１に示すように、第２中間集電体５３は、第１中間集電体５２と同様の形状および構造を有している。ただし、一部の貫通孔２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉが形成されていない点において、第１中間集電体５２と相違する。
【０１５８】
すなわち、第２中間集電体５３に構成されるアノードガス供給開閉部１８２Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第３サブスタックＲの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉとの連通及び遮断が可能となる。また、 第２中間集電体５３に構成されるカソードガス供給開閉部１８３Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉとの連通及び遮断が可能となる。さらに、第２中間集電体５３に構成される伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉの開閉によって、第２サブスタックＱの第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第３サブスタックＲの第１カソードガス供給マニホールド１９４Ｉとの連通及び遮断が可能となる。
【０１５９】
次に、スタック１００を用いた燃料電池システムを例示して説明する。
【０１６０】
図１２は、図１のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【０１６１】
図１２に示すように、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第２アノードガス供給口２７２Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されているアノードガス供給系統４２Ｉが接続されている。ここでは、アノードガス供給系統４２Ｉは、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第２アノードガス供給口２７２Ｉへの岐路に切換装置４２Ｖが配設されて構成されている。切換装置４２Ｖの切換動作によって、アノードガスの供給先を切り換えることができる。
【０１６２】
第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されているアノードガス供給系統４３Ｉが接続されている。ここでは、カソードガス供給系統４３Ｉは、第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉへの岐路に切換装置４３Ｖが配設されて構成されている。切換装置４３Ｖの切換動作によって、カソードガスの供給先を切り換えることができる。
【０１６３】
第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉには、それらへの供給が切換可能に構成されている伝熱媒体供給系統４４Ｉが接続されている。ここでは、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉへの岐路に切換装置４４Ｖが配設されて構成されている。切換装置４４Ｖの切換動作によって、伝熱媒体の供給先を切り換えることができる。
【０１６４】
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、伝熱媒体の供給温度を調整できるように構成されている。例えば、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、貯湯タンクを有する冷却水系統とすると好適である。
【０１６５】
切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖには、三方弁が用いられている。あるいは、それぞれの供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、１７３Ｉ、２７３Ｉ、１７４Ｉ、２７４Ｉに開閉弁が配設されて構成することもできる。
【０１６６】
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第１温度検出装置１４４、および第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第２温度検出装置２４４が配設されている。
【０１６７】
アノードガス排出部７２Ｅにはアノードガス排出系統４２Ｅが接続されている。カソードガス排出部７３Ｅにはカソードガス排出系統４３Ｅが接続されている。伝熱媒体排出口７４Ｅには、伝熱媒体排出系統４４Ｅが接続されている。また、伝熱媒体排出系統４４Ｅには、伝熱媒体排出口７４Ｅから排出される伝熱媒体の排出温度を検出する第３温度検出装置３４４が構成されている。
【０１６８】
なお、第１乃至第３温度検出装置１４４，２４４，３４４は、熱電対のような公知の温度検出装置によって構成されている。
【０１６９】
ここで、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉは、それぞれ配管及びポンプに例示されるような供給装置（図示せず）を有して構成されている。好適なアノードガスＡとしては水素ガス、あるいは炭化水素を原料とする水蒸気改質反応によって生成された改質ガスが例示される。好適なカソードガスＣとしては、酸素ガス、あるいは空気が例示される。好適な伝熱媒体Ｗとしては水、シリコンオイルが例示される。
【０１７０】
制御装置２００は、各供給系統４２Ｉ，４３Ｉ，４４Ｉ、及び各開閉部１８２Ｉ、２８２Ｉ、１８３Ｉ、２８３Ｉ、１８４Ｉ、２８４Ｉを制御すると共に、第１乃至第３温度検出装置１４４，２４４，３４４の検出信号を取得して、切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖを制御するように構成されている。制御装置２００はマイコン等の演算装置で構成されている。
【０１７１】
次に、以上のように構成された本発明の第１実施形態の燃料電池システムの運転動作を例示して説明する。以下の運転動作は、制御装置２００によって制御されている。
【０１７２】
図１３は、図１２の燃料電池システムの運転動作を例示して示すフロー図である。
【０１７３】
まず、制御装置２００は、発電開始指令信号を受け、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を第２サブスタックＱのみに供給するよう制御する。
【０１７４】
すなわち、ステップＳ１において、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを閉止し、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを開放する。また、切換装置４２Ｖ，４３Ｖ，４４Ｖをそれぞれ、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩＩ側に切り換える）。
【０１７５】
次に、ステップ（中央部予熱ステップ）Ｓ２において、制御装置２００は、伝熱媒体供給系統４４Ｉの伝熱媒体を第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。この際、伝熱媒体供給系統４４Ｉは、発電運転時のスタック１００の温度程度の伝熱媒体を供給する。これによって、伝熱媒体が第２サブスタック（中央部サブスタック）Ｑを流通し、第２サブスタックＱが予熱される。
【０１７６】
ステップ（第１判定ステップ）Ｓ３において、制御装置２００は、第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３を取得する。そして、制御装置２００に予め記憶されている第１判定温度Ｄ１と排出温度Ｔ３とを比較する。そして、排出温度Ｔ３が第１判定温度Ｄ１以上であれば、ステップＳ４に進む。これによって、第２サブスタックＱの予熱の完了を判断することができる。
【０１７７】
ステップ（中央部発電ステップ）Ｓ４において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉのアノードガス及びカソードガスをそれぞれ第２アノードガス供給口２７２Ｉ及び第２カソードガス供給口２７３Ｉに供給する。これによって、第１中間集電体５２及び第２中間集電体５３間で発電出力をうることができる。このような運転方法によって、第２サブスタックＱのみが熱されるので、より早期に第２サブスタックＱを発電開始させることができる。
【０１７８】
ステップ（全体予熱ステップ）Ｓ５において、伝熱媒体がスタック１００全体を流通するように切り換える。すなわち、制御装置２００は、伝熱媒体供給系統４４Ｉの切換装置４４Ｖを、第１伝熱媒体供給口１７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩ側に切り換える）。また、第１および第２中間集電体５２、５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを開放する。これによって、伝熱媒体は第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒを流通し、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒが予熱される。このような運転方法によって、第２サブスタックＱの発電を継続しながら第１及び第３サブスタックＰ，Ｒの予熱を行うことができるので、円滑に全体発電に移行することができる。
【０１７９】
なお、ステップＳ５において、第１中間集電体５２の伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを閉止する。これによって、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉから伝熱媒体導入路２９４Ｉを隔離することができる。
【０１８０】
ステップ（第２判定ステップ）Ｓ６において、制御装置２００は、第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３を取得する。そして、制御装置２００に予め記憶されている第２判定温度Ｄ２と排出温度Ｔ３とを比較する。そして、排出温度Ｔ３が第２判定温度Ｄ２以上であれば、ステップＳ７に進む。これによって、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒが十分に予熱されたか否かを判断することができる。
【０１８１】
ステップ（全体発電ステップ）Ｓ７において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの切換装置４２Ｖ，４３Ｖを、第１アノードガス供給口１７２Ｉ及び第１カソードガス供給口１７３Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩ側に切り換える）。また、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉを開放する。これによって、スタック１００内のアノードガス及びカソードガスは第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ、Ｒを流通するようになる。さらに、制御装置２００は、燃料電池システムの発電端を、第１及び第２中間集電体５２，５３間から端部集電体５０，５１間に切り換える。これによって、スタック１００の第１乃至第３サブスタックＰ、Ｑ、Ｒにおける発電（全体発電）が開始される。
【０１８２】
なお、ステップＳ７において、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉを閉止する。これによって、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉの流路からアノードガス導入路２９２Ｉ及びカソードガス導入路２９３Ｉを隔離することができる。
【０１８３】
次に、以上のように構成された燃料電池システムの発電出力の全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して説明する。以下の運転切り換え動作は、制御装置２００によって制御されている。
【０１８４】
図１４は、図１２の燃料電池システムの全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して示すフロー図である。
【０１８５】
まず、制御装置２００は、全体発電運転状態（図１３のステップＳ７）において、運転切換指令信号を受け、ステップ１０１に進む。
【０１８６】
ステップＳ１０１において、制御装置２００は、燃料電池システムの発電端を、端部集電体５０，５１間から第１及び第２中間集電体５２，５３間に切り換える。これによって、スタック１００の第２サブスタックＱにおける発電（中央部発電）が開始される。しかし、このままでは、第１及び第３サブスタックＰ，Ｒにはアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体が不必要に供給され続けており、運転効率に改善の余地がある。加えて、第１セル１１０及び第３セル３１０の電位があがり続けており、第１及び第３ＭＥＡ部材１７，３７のＭＥＡ５の性能が劣化するおそれがある。
【０１８７】
そこで、ステップ（中央部発電ステップ）Ｓ１０２において、制御装置２００は、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉの切換装置４２Ｖ，４３Ｖ、４４Ｖを、それぞれ第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給するように切り換える（図１２においてＩＩ側に切り換える）。また、第１中間集電体５２のアノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉをそれぞれ開放し、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉをそれぞれ閉止する。これによって、スタック１００内のアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体は、それぞれ第２サブスタックＱ内のみを流通するようになる。
【０１８８】
このような運転方法によって、第２サブスタックＱの発電出力をほとんど低下させることがないので、発電出力の低下による発電出力の不安定化がほとんど発生せず、安定して発電を継続することができる。
【０１８９】
なお、制御装置２００がタイマーを有して、第１及び第２判定ステップＳ３、Ｓ６における伝熱媒体を流通させた予熱時間を取得するように構成することもできる。この場合、第１及び第２判定ステップＳ３、Ｓ６は、予熱時間と、制御装置２００が予め記憶する判定時間とを比較するように構成する。
【０１９０】
ここで第１及び第２判定温度Ｄ１，Ｄ２あるいは判定時間は、スタック１００を用いた事前の運転経験により適切な判定温度あるいは判定時間を得ることができる。
【０１９１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、第1判定ステップのみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、第１判定ステップのみを説明し、スタック、それを用いた燃料電池システム、及び第１判定ステップ以外の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１９２】
図１５は、本発明の第２実施形態における第１判定ステップを示すフロー図である。
【０１９３】
図１５に示すように、第２実施形態においては、第１判定温度Ｄ１は、制御装置２００に予め記憶されている数値ではなく、第２温度検出装置２４４が検出した供給温度Ｔ２である。
【０１９４】
すなわち、ステップＳ２後、ステップ（第１判定ステップ）Ｓ３１において、制御装置２００は、第２温度検出装置２４４が検出した供給温度Ｔ２と第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３とを取得する。そして、両者を比較して、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ２と同温となれば、ステップＳ４に進む。ここで、第２サブスタックＱには熱源がないので、精確には、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ２とほぼ同等、例えば１℃未満の温度差内、の温度に到達したか否かで判断することができる。
【０１９５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、第２判定ステップのみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、第２判定ステップのみを説明し、スタック、それを用いた燃料電池システム、及び第２判定ステップ以外の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１９６】
図１６は、本発明の第３実施形態における第２判定ステップを示すフロー図である。
【０１９７】
図１６に示すように、第３実施形態においては、第２判定温度Ｄ２は、制御装置２００に予め記憶されている数値ではなく、第１温度検出装置１４４が検出した供給温度Ｔ１である。
【０１９８】
すなわち、ステップＳ５後、ステップ（第２判定ステップ）Ｓ６１において、制御装置２００は、第１温度検出装置１４４が検出した供給温度Ｔ１と第３温度検出装置３４４が検出した排出温度Ｔ３とを取得する。そして、両者を比較して、排出温度Ｔ３が供給温度Ｔ１以上となれば、ステップＳ７に進む。
【０１９９】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、スタックの構造のみが第１実施形態と相違する実施形態である。したがって、スタックの構造の相違部分、それを用いた燃料電池システムの相違部分、及び燃料電池システムの運転方法の相違部分を説明し、スタックの構造、それを用いた燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法におけるその他の部分は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２００】
図１７は、本発明の第４実施形態における燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【０２０１】
図１７に示すように、第４実施形態においては、第１サブスタックＰに第１アノードガス供給口１７２Ｉ、第１カソードガス供給口１７３Ｉ及び第１伝熱媒体供給口１７４Ｉが形成されていない。また、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉが省略されている。これによって、スタック１００の構成を簡素化することができる。
【０２０２】
また、図１２に示す燃料電池システムは以下のように変形される。
【０２０３】
アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉは、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに接続して構成される。そして、切換装置４２Ｖ、４３Ｖ、４４Ｖは省略される。
【０２０４】
このように本実施形態のスタック１００は、アノードガス供給口２７２Ｉ、カソードガス供給口２７３Ｉ及び伝熱媒体供給口２７４Ｉをそれぞれ単数とすることができるので、スタック１００を従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、カソードガス供給系統及び伝熱媒体供給系統に接続することができる。すなわち、スタック１００は従来のスタックに置き換えて用いることができるので、燃料電池システムの改造を不要とすることができ、スタックの設置要件を緩和させることができる。
【０２０５】
さらに、図１３に示す、本発明の燃料電池システムの運転動作は以下のように変形される。
【０２０６】
全体予熱ステップＳ５においては、中央部発電ステップＳ４に継続して、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。そして、第１および第２中間集電体５２、５３の伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉを開放する。これによって、伝熱媒体は、伝熱媒体導入路２９４Ｉ及び第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉにも供給される。
【０２０７】
全体発電ステップＳ７においては、第２判定ステップＳ６に継続して、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉに供給する。そして、第１および第２中間集電体５２、５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉを開放する。これによって、アノードガスは、アノードガス導入路２９２Ｉ及び第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉにも供給される。カソードガスは、カソードガス導入路２９３Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉを経由して、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉにも供給される。
【０２０８】
したがって、第４実施形態によって、本発明の燃料電池システムの運転方法をより簡素化することができる。
【０２０９】
（第５実施形態）
図１８は、本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図１９は、図１８のアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面を概略的に示す平面図である。図２０は、図１８のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図２１は、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンの一例を概略的に示す出力図である。
【０２１０】
図１８乃至図２１において図１乃至図１２と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。また、図１８においては、図１と同一の符合の一部を省略している。
【０２１１】
本発明の第５実施形態のスタック５００は、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ、伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉ、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ、及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを省略して、アノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉにおいて、第１サブスタックＰ、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲへの供給の切り替えを選択的に行う実施形態である。
【０２１２】
したがって、スタックの構造の相違部分、それを用いた燃料電池システムの相違部分を説明し、スタックの構造、それを用いた燃料電池システムの運転方法は、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２１３】
図１８に示すように、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３は第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、３９２Ｉ、５９２Ｉ、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、３９３Ｉ、５９３Ｉ及び第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ、３９４Ｉ、５９４Ｉを分割する。すなわち、第１中間集電体５５２及び第２中間集電体５５３には、アノードガス供給開閉部１８２Ｉ、カソードガス供給開閉部１８３Ｉ及び伝熱媒体供給開閉部１８４Ｉは省略されている。また、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉの部分は、それぞれ貫通孔２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉが形成されている構成となっている。
【０２１４】
また、第３サブスタックＲには第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉ及び第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉが構成されている。
【０２１５】
第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５２Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２アノードガス導入路４９２Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５２Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６２Ｉを経由して第３アノードガス供給口３７２Ｉに接続されている。
【０２１６】
同様にして、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５３Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２カソードガス導入路４９３Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５３Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６３Ｉを経由して第３カソードガス供給口３７３Ｉに接続されている。
【０２１７】
同様にして、第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉは、第１及び第２中間集電体５５２、５５３それぞれの貫通孔３５４Ｉ、第１及び第２サブスタックＰ，Ｑ周縁部を積層方向に貫通している第２伝熱媒体導入路４９４Ｉ、端部集電体５１の貫通孔３５４Ｉ，ならびに絶縁板６１の貫通孔３６４Ｉを経由して第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに接続されている。
【０２１８】
次に、図１９を参照しながら、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａ、ならびに第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの内面の構造を説明する。なお、図示しないが、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａ、ならびに第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの外面の伝熱媒体流路構造２６，３６の構造は、それぞれの内面の流路構造と同様に、第１伝熱媒体マニホールド孔１２４Ｉ、１３４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔３２４Ｉ、３３４Ｉ、及び第３伝熱媒体マニホールド孔４２４Ｉ、４３４Ｉ、それぞれからの流路が形成されている。
【０２１９】
図１９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９Ｃには、第２アノードガス導入路４９２Ｉを形成する貫通孔５２２Ｉ、５３２Ｉがそれぞれ貫通孔２２２Ｉ、２３２Ｉに並んで形成されている。また、第２カソードガス導入路４９３Ｉを形成する貫通孔５２３Ｉ、５３３Ｉがそれぞれ貫通孔２２３Ｉ、２３３Ｉに並んで形成されている。さらに、第２伝熱媒体導入路４９４Ｉを形成する貫通孔５２４Ｉ、５３４Ｉがそれぞれ貫通孔２２４Ｉ、２３４Ｉに並んで形成されている。
【０２２０】
図１９の（ｃ）に示すように、第２アノードセパレータ２９Ａには、第１アノードセパレータ１９Ａと同様に、貫通孔５２２Ｉ、５２３Ｉ、５２４Ｉがそれぞれ形成されている。
【０２２１】
図１９の（ｄ）に示すように、第２カソードセパレータ２９Ｃには、第１カソードセパレータ１９Ｃと同様に、貫通孔５３２Ｉ、５３３Ｉ、５３４Ｉがそれぞれ形成されている。
【０２２２】
図１９の（ｅ）に示すように、第３アノードセパレータ３９Ａには、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉを形成する第３アノードガス供給マニホールド孔４２２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉを形成する第３カソードガス供給マニホールド孔４２３Ｉ、ならびに第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉを形成する第３伝熱媒体供給マニホールド孔４２４Ｉが形成されている。アノードガス流路溝２１は、第３アノードガス供給マニホールド孔４２２Ｉから伸びて構成されている。
【０２２３】
図１９の（ｆ）に示すように、第３カソードセパレータ３９Ｃには、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉを形成する第３アノードガス供給マニホールド孔４３２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉを形成する第３カソードガス供給マニホールド孔４３３Ｉ、ならびに第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉを形成する第３伝熱媒体供給マニホールド孔４３４Ｉが形成されている。カソードガス流路溝３１は、第３カソードガス供給マニホールド孔４３３Ｉから伸びて構成されている。
【０２２４】
このような構成により、スタック５００は、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の供給開閉部１８２Ｉ，１８３Ｉ、１８４Ｉならびに導入開閉部２８２Ｉ，２８３Ｉ、２８４Ｉを省略して、第１実施形態のスタック１００と同様の効果を有することができる。
【０２２５】
また、スタック５００は、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能な構造となる。
【０２２６】
また、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒの第１乃至第３セル１１０，２１０，３１０の数が相互に異なっているように構成することで、スタック５００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。本実施形態では、第１サブスタックＰの第１セル１１０の積層数は４０体、第２サブスタックＱの第２セル２１０の積層数は２０体、第３サブスタックＲの第３セル３１０の積層数は３０体となっている。
【０２２７】
次に、図２０を参照しながら、スタック５００を用いた燃料電池システムを説明する。
【０２２８】
第３アノードガス供給口３７２Ｉには、アノードガス供給系統４２Ｉが接続されている。また、アノードガス供給系統４２Ｉには、第１乃至第３アノードガス供給口１７２Ｉ、２７２Ｉ、３７３Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０１Ｖ，５０２Ｖ，５０３Ｖが配設されている。これらの弁５０１Ｖ，５０２Ｖ，５０３Ｖの開閉制御によってアノードガスの供給先を選択的に切り換えることができる。
【０２２９】
同様にして、第３カソードガス供給口３７３Ｉには、カソードガス供給系統４３Ｉが接続されている。また、カソードガス供給系統４３Ｉには、第１乃至第３カソードガス供給口１７３Ｉ、２７３Ｉ、３７３Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０４Ｖ，５０５Ｖ，５０６Ｖが配設されている。これらの弁５０４Ｖ，５０５Ｖ，５０６Ｖの開閉制御によってカソードガスの供給先を選択的に切り換えることができる。
【０２３０】
第３伝熱媒体供給口３７４Ｉには、伝熱媒体供給系統４４Ｉが接続されている。また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、第１乃至第３伝熱媒体供給口１７４Ｉ、２７４Ｉ、３７４Ｉに選択的に供給可能とするように弁５０７Ｖ，５０８Ｖ，５０９Ｖが配設されている。これらの弁５０７Ｖ，５０８Ｖ，５０９Ｖの開閉制御によって伝熱媒体の供給先を選択的に切り換えることができる。
【０２３１】
また、伝熱媒体供給系統４４Ｉには、図１２の燃料電池システムに比べて、第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに供給される伝熱媒体の供給温度を検出する第４温度検出装置４４４が増設されている。
【０２３２】
次ぎに、図２１を参照しながら、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンを概略的に説明する。
【０２３３】
制御装置２００がアノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの弁５０１Ｖ乃至５０６Ｖを制御して、発電開始指令後の中央部発電ステップＳ４（図１３参照）では、４ＫＷの発電出力Ｄを得ることができる。そして、全体発電ステップＳ７（図１３参照）では、１８ＫＷの発電出力Ｄを得ることができる。
【０２３４】
そして、制御装置２００は、燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、電力負荷に最も発電出力Ｄが近くなるようにいずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選定し、かつ、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換える。
【０２３５】
これによって、燃料電池システムの発電出力Ｄを外部の電力負荷に好適な発電出力Ｄに調整することができるので、スタック５００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力Ｄを調整することができる。具体的には、制御装置２００がアノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉの弁５０１Ｖ乃至５０６Ｖを制御してスタック５００の発電出力Ｄを段階的に調節することができる。すなわち、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＲによる発電状態時には１４ＫＷ、第１サブスタックＰ及び第２サブスタックＱによる発電状態時には１２ＫＷ、第２サブスタックＱ及び第３サブスタックＲによる発電状態時には１０ＫＷ、第１サブスタックＰのみによる発電状態時には８ＫＷ、第３サブスタックＲのみによる発電状態時には６ＫＷ、及び第２サブスタックＱによる発電状態時には４ＫＷ、と７段階に発電出力Ｄを調整することができる。
【０２３６】
なお、スタックに第１実施形態あるいは第４実施形態のスタック１００を用いる場合にはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉ、ならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御することによって、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒへのアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えることができる。ただし、いずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒの選定範囲はスタック５００に比べ限られる。
【０２３７】
また、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒへのアノードガス及びカソードガスの供給を切り換えによって、スタック１００，５００の発電出力Ｄが応答するので、スタック１００，５００の発電出力Ｄの応答性には改善の余地がある。そこで、外部の電力負荷とスタック１００，５００との間に二次電池等を介在させて燃料電池システムを構成することによって、スタック１００，５００の発電出力Ｄの電力負荷への追従性を補償することができる。
【０２３８】
さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２３９】
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
【０２４０】
アノードガスは、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉそれぞれから第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれのアノードガス流路溝２１へと通流する。これらのアノードガス流路溝２１において、最初にＭＥＡ５のアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａに到達する部分をアノードガス到達部２１Ａという。
【０２４１】
また、アノードガス流路溝２１において、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ，３２２Ｉ，４２２Ｉからそれぞれ第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのアノードガス到達部２１Ａに至るまでの部分を、アノードガス入口部２１Ｂという。また、ガスケット(例えば、図３、図６及び図８の第１ガスケット１６、第２ガスケット２８及び第３ガスケット３８のいずれか）とアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａとの間に形成される略環状の隙間(スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉとアノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａとの間に形成される略環状の隙間)をアノード隙間という。
【０２４２】
スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれのアノードガス到達部２１Ａは略同一の位置である。したがって、アノードガス入口部２１Ｂの長さは、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａによって異なる。
【０２４３】
ここで、アノードガス入口部２１Ｂの一部とアノード隙間とが近接して配置されている領域が多い場合、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間へと漏出するアノードガスの量が増大する傾向となる。アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間へ流れ込んだアノードガスは、アノード側触媒層２Ａ及びアノード側ガス拡散層４Ａの中を流れずに、このアノード隙間の中を優先的に流れてアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅに到達する傾向がある。このため、発電に寄与しないまま排出されるアノードガスが増え、アノードガスの利用率が低下し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間への漏れ込みを少なくするために、アノードガス入口部２１Ｂの一部とアノード隙間とが、近接して配置される領域をできる限り少なくすることが好ましい。即ち、アノードガス入口部２１Ｂの長さを短くすることが好ましい。そこで、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２４４】
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、第１カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ及び貫通孔２３２Ｉ，５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ及び貫通孔５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、第２カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ及び貫通孔５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
【０２４５】
この構成により、アノードガス入口部２１Ｂの長さを十分に短くすることができるので、アノードガス入口部２１Ｂからアノード隙間への漏出を十分に少なくすることができる。また、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのアノードガス入口部２１Ｂの長さの差が小さくなるので、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのアノードガス流路溝２１の圧力損失の差を小さくすることができる。これにより、セパレータの設計が容易になる。
【０２４６】
さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２４７】
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
【０２４８】
カソードガスは、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉそれぞれから第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれのカソードガス流路溝３１へと通流する。これらのカソードガス流路溝３１において、最初にＭＥＡ５のカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃに到達する部分をカソードガス到達部３１Ａという。
【０２４９】
また、カソードガス流路溝３１において、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉ，３３３Ｉ，４３３Ｉからそれぞれ第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのカソードガス到達部３１Ａに至るまでの部分を、カソードガス入口部３１Ｂという。また、ガスケット(例えば、図３、図６及び図８の第１ガスケット１６、第２ガスケット２８及び第３ガスケット３８のいずれか）とカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとの間に形成される略環状の隙間(スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉとカソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとの間に形成される略環状の隙間)をカソード隙間という。
【０２５０】
スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれのカソードガス到達部３１Ａは略同一の位置である。したがって、カソードガス入口部３１Ｂの長さは、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃによって異なる。
【０２５１】
ここで、カソードガス入口部３１Ｂの一部とカソード隙間とが近接して配置されている領域が多い場合、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間へと漏出するカソードガスの量が増大する傾向となる。カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間へ流れ込んだカソードガスは、カソード側触媒層２Ｃ及びカソード側ガス拡散層４Ｃの中を流れずに、このカソード隙間の中を優先的に流れてカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅに到達する傾向がある。このため、発電に寄与しないまま排出されるカソードガスが増え、カソードガスの利用率が低下し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間への漏れ込みを少なくするために、カソードガス入口部３１Ｂの一部とカソード隙間とが、近接して配置される領域をできる限り少なくすることが好ましい。即ち、カソードガス入口部３１Ｂの長さを短くすることが好ましい。そこで、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２５２】
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、第１カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔１３２Ｉ及び貫通孔２３２Ｉ，５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３２２Ｉ及び貫通孔５２２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、第２カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、アノードガス供給マニホールド孔３３２Ｉ及び貫通孔５３２Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
【０２５３】
この構成により、カソードガス入口部３１Ｂの長さを十分に短くすることができるので、カソードガス入口部３１Ｂからカソード隙間への漏出を十分に少なくすることができる。また、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのカソードガス入口部３１Ｂの長さの差が小さくなるので、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒのカソードガス流路溝３１の圧力損失の差を小さくすることができる。これにより、セパレータの設計が容易になる。
【０２５４】
さらに、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２５５】
以下、この「互いに隣接して配置されていることが好ましいこと」について説明する。
【０２５６】
スタック５００の積層方向から見て、第１アノードセパレータ１９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第１カソードセパレータ１９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面、第２アノードセパレータ２９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第２カソードセパレータ２９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面、並びに、第３アノードセパレータ３９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第３カソードセパレータ３９Ｃの伝熱媒体流路溝３６の断面の形状及び大きさはそれぞれ略一致している。第１アノードセパレータ１９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第１カソードセパレータ１９Ｃの伝熱媒体流路溝３６、第２アノードセパレータ２９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第２カソードセパレータ２９Ｃの伝熱媒体流路溝３６、並びに、第３アノードセパレータ３９Ａの伝熱媒体流路溝２６及び第３カソードセパレータ３９Ｃの伝熱媒体流路溝３６は、それぞれ接合して伝熱媒体流路溝２６及び伝熱媒体流路溝３６からなる伝熱媒体流路を区画するように形成されている。
【０２５７】
伝熱媒体は、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉそれぞれから第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのそれぞれの伝熱媒体流路溝２６を通流して、最初にアノードセパレータ(第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａのいずれか）を介してＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａと対向する部分に到達する部分を伝熱媒体到達部２６Ａ(図示せず)という。
【０２５８】
また、伝熱媒体は、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉそれぞれから第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのそれぞれの伝熱媒体流路溝３６を通流して、最初にカソードセパレータ(第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃのいずれか）を介してＭＥＡ５のカソード側ガス拡散層４Ｃと対向する部分に到達する部分を伝熱媒体到達部３６Ａ(図示せず)という。
【０２５９】
また、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ，３２４Ｉ，４２４Ｉからそれぞれ第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａに至るまでの伝熱媒体流路溝２６の部分を、伝熱媒体入口部２６Ｂ(図示せず)という。第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ，３３４Ｉ，４３４Ｉからそれぞれ第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体到達部３６Ａに至るまでの伝熱媒体流路溝３６の部分を、伝熱媒体入口部３６Ｂ(図示せず)という。
【０２６０】
ここで、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａ、及び、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体到達部３６Ａは、略同一の位置である。
【０２６１】
また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの断面と、第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体入口部３６Ｂの断面とは、形状及び大きさがそれぞれ略一致している。以下では、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂについて説明する。第１乃至第３カソードセパレータ１９Ｃ，２９Ｃ，３９Ｃの伝熱媒体入口部３６Ｂについては、上記の第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂと同様なので、説明を省略する。
【０２６２】
伝熱媒体入口部２６Ｂの長さは、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａによって異なる。伝熱媒体は、伝熱媒体入口部２６Ｂを進行するうちに、周囲との熱の受け渡しによって温度変化する。そのため、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差が大きいほど、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａに到達する伝熱媒体の温度の差が大きくなる傾向がある。即ち、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていない場合、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の長さの差が大きくなる。これによって、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの面内では、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の温度差が大きくなる傾向にある。そのため、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒに供給する伝熱媒体の温度管理が複雑になる可能性がある。
【０２６３】
第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの面内における、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂ同士の温度差を小さくすることで、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒに供給する伝熱媒体の温度管理を容易にすることができる。そのため、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差を小さくすることが好ましい。即ち、第５実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。
【０２６４】
図１９(ａ)を用いて換言すれば、第１アノードセパレータ１９Ａに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔１２４Ｉ及び貫通孔２２４Ｉ，５２４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｂ)を用いて換言すれば、カソードセパレータ１９Ｃに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔１３４Ｉ及び貫通孔２３４Ｉ，５３４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｃ)を用いて換言すれば、第２アノードセパレータ２９Ａに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔３２４Ｉ及び貫通孔５２４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。また、図１９(ｄ)を用いて換言すれば、カソードセパレータ２９Ｃに形成されている、伝熱媒体供給マニホールド孔３３４Ｉ及び貫通孔５３４Ｉは、互いに隣接して形成されていることが好ましい。
【０２６５】
この構成により、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体入口部２６Ｂの長さの差を十分に小さくすることができる。すなわち、第１乃至第３アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ，３９Ａの伝熱媒体到達部２６Ａ同士における伝熱媒体の温度差を十分に小さくすることができ、伝熱媒体の温度管理が容易になる。
【０２６６】
ここで、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉ、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
【０２６７】
例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉが、アノードセパレータ１９Ａの周縁部のうちの１辺に沿うように、隣り合って並んで配置されていればよい。また、例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉが、アノードセパレータ１９Ａの周縁部のうちの隣接する２辺に沿うように、かつ、隣接する２辺が互いに接する角側に片寄って配置されていてもよい。例えば、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉのうちの少なくともいずれかが、隣接する２辺のうちの一方の辺に沿うように、かつ、他方の辺側に片寄って配置されており、アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉ及び貫通孔２２２Ｉ，５２２Ｉのうちの他のいずれかが、隣接する２辺のうちの他方の辺に沿うように、かつ、一方の辺側に片寄って配置されていてもよい。
【０２６８】
また、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、上述の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉ、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
【０２６９】
また、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されているとは、上述の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが、スタック５００の積層方向から見て、セパレータの周縁部に沿うように隣り合って並んで配置されていることをいう。また、スタック５００の積層方向から見て、第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは連続して並んで配置されており、互いの間には、他の種類のマニホールド（第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉ、第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ）は配置されていない。
【０２７０】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態のスタックは、第５実施形態のスタックの構造を変形した実施形態である。したがって、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、上記の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２７１】
図２２は、本発明の第６実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図２２においては、図１と同一の符合の一部を省略している。
【０２７２】
図２２に示すように、図１８のサブスタック５００に比べ、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉ、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉ、及び第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉが他端の端板７０に構成された第３アノードガス供給口３７２Ｉ、第３カソードガス供給口３７３Ｉ、及び第３伝熱媒体供給口３７４Ｉに、絶縁板６０及び端部集電体５０に形成された貫通孔３５２Ｉ，３５３Ｉ，３５４Ｉ、３６２Ｉ，３６３Ｉ，３６４Ｉを経由して接続されている。このような構造によって、スタック６００は、第２アノードガス導入路４９２Ｉ、第２カソードガス導入路４９３Ｉ、及び第３伝熱媒体導入路４９４Ｉを不要として省略することができる。また、図示しないが、第１及び第２中間集電体６５２，６５３の貫通孔３５２Ｉ，３５３Ｉも省略することができる。さらに、第３サブスタックＲの第３セル３１０の各種供給マニホールド孔とアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６を第１サブスタックＲの第１セル１１０と同様に構成することができる。つまり、第３セル３１０の第３アノードガス供給マニホールド孔４１２Ｉ、４２２Ｉ、４３２Ｉは、第１セル１１０の第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉと同じ位置に構成することができる。第３セル３１０の第３カソードガス供給マニホールド孔４１３Ｉ、４２３Ｉ、４３３Ｉは、第１セル１１０の第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉと同じ位置に構成することができる。第３セル３１０の第３伝熱媒体供給マニホールド孔４１４Ｉ、４２４Ｉ、４３４Ｉは、第１セル１１０の第１伝熱媒体供給マニホールド孔１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉと同じ位置に構成することができる。
【０２７３】
このようにして、スタック６００によって、スタック５００の構造をより簡素化し、かつ部品構造を共通化することができる。
【０２７４】
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３アノードガス供給マニホールド５９２Ｉは、第１及び２第アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２７５】
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３カソードガス供給マニホールド５９３Ｉは、第１及び２第カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２７６】
また、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉが互いに隣接して配置されている場合と同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第３伝熱媒体供給マニホールド５９４Ｉは、第１及び２第伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉのうちのいずれかと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２７７】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態のスタックは、第６実施形態のスタックの構造を変形した実施形態である。したがって、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法は、上記の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２７８】
図２３は、本発明の第７実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。図２３においては、図２２と同一の符合の一部を省略している。
【０２７９】
図２３に示すように、図２２のサブスタック６００に比べ、第２サブスタックＱが省略され、本実施形態のスタック７００は、第１サブスタックＰ及び第３サブスタックＱの２つのサブスタックによって構成されている。つまり、本実施形態は、第１中間集電体５５２を省略して、第２中間集電体５５３のみによって、スタック７００を２つのサブスタックＰ，Ｒに分割している実施形態である。
【０２８０】
また、第１サブスタックＰの第１セル１１０と第３サブスタックＲの第３セル３１０の構造は全く同じとなり、第１セル１１０の数と第３セル３１０の数は異なっている。図２２のスタック６００と比べて、第１サブスタックＰのアノードガス導入路２９２Ｉ、カソードガス導入路２９３Ｉ、及び伝熱媒体導入路２９４Ｉ、第２アノードガス供給口２７２Ｉ、第２カソードガス供給口２７３Ｉ、及び第２伝熱媒体供給口２７４Ｉは省略されている。
【０２８１】
このような構造によって、スタック７００は、第１サブスタックＰのみの発電出力、第３サブスタックＲのみの発電出力、及びスタック全体の発電出力の３段階の発電出力レベルを構成することができる。
【０２８２】
以上のように、スタック１００、５００，６００、７００は、アノードガス及びカソードガスの流通を中間集電体５２，５３によって遮断することができる。すなわち、いわゆる内部マニホールド型のスタックの構造を利用してアノードガス及びカソードガスを所望のサブスタックにのみ流通させることが可能となる。よって、本発明の燃料電池スタックは、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【０２８３】
また、本発明の燃料電池スタック５００，６００、７００は、第１乃至第３サブスタックＰ，Ｑ，Ｒ同士のセル１１０，２１０，３１０の数が相互に異なっているので、サブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選択して、あるいはそれらを選択的に組み合わせて、より少ないサブスタック数でより多くの発電出力レベルを構成することができる。すなわち、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる。
【０２８４】
また、本発明のスタック１００、５００，６００、７００は、中間集電体５２，５３によって伝熱媒体の流通を遮断することができ、一部のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒにのみ伝熱媒体を流通させることができる。いわゆる内部マニホールド型のスタックの構造を利用して、必要なサブスタックにのみ伝熱媒体を流通させることができる。すなわち、燃料電池システムのエネルギー損失を低減させることができる。
【０２８５】
また、スタック５００，６００は、各サブスタックＰ，Ｑ，Ｒにそれぞれ独立してアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体を流通させることが可能となるので、燃料電池スタックの発電出力をより機動的かつ経済的に調整することができる
さらに、第１、第５、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムは、外部の電力負荷の大きさに基づいて、いずれか１以上のサブスタックＰ，Ｑ，Ｒを選定し、かつ、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉ、あるいはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御して選定されたサブスタックＰ，Ｑ，Ｒにのみアノードガス及びカソードガスを供給して、発電運転をさせることができる。このように構成すると、スタック１００，５００，６００のＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に燃料電池システムの発電出力を調整することができる。
【０２８６】
さらに、第１、第５、第６実施形態に例示される本発明の燃料電池システムは、発電開始指令後、端部サブスタックＰ，Ｒにアノードガス及びカソードガスを供給する前に、アノードガス供給系統４２Ｉ及びカソードガス供給系統４３Ｉ、あるいはスタック１００のアノードガス供給開閉部１８２Ｉ及びカソードガス供給開閉部１８３Ｉならびにアノードガス導入開閉部２８２Ｉ及びカソードガス導入開閉部２８３Ｉの少なくともいずれかを制御して中央部サブスタックＱにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせることができる。このような構成によって、スタック１００，５００，６００の中央部における発電運転を端部に優先して開始させるので、中央部の発熱を両側の端部サブスタックＰ，Ｒの予熱に利用できる。すなわち、燃料電池システムの全体発電に至るまでのエネルギー効率を向上させることができる。
【０２８７】
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ，３９２Ｉ，５９２Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２アノードガス供給マニホールド３９２Ｉは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２８８】
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ，３９３Ｉ，５９３Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２カソードガス供給マニホールド３９３Ｉは、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２８９】
また、第７実施形態に例示される本発明の燃料電池システムの第１乃至第２伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉは、上述の第５実施形態の第１乃至第３伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉ，３９４Ｉ，５９４Ｉと同様に、スタック５００の積層方向から見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。なお、第２伝熱媒体供給マニホールド３９４Ｉは、第１伝熱媒体供給マニホールド１９４Ｉと、スタック５００の積層方向から見て、少なくとも一部が重複するように形成されていてもよい。
【０２９０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０２９１】
特に、上記実施形態では中間集電体は１体又は２体であるが、中間集電体を３体以上として、スタックを４つ以上のサブスタックに分割しても本発明を実施することができる。
【０２９２】
また、例えば、各開閉部１８２Ｉ、１８３Ｉ、１８４Ｉ、２８２Ｉ、２８３Ｉ、２８４Ｉは、それぞれ貫通孔１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉを開閉可能に構成されていればよい。したがって、気密型のゲート弁を第１及び第２中間集電体５２，５３に組み込んで構成することもできる。
【０２９３】
さらに、アノードガス導入開閉部２８２Ｉ、カソードガス導入開閉部２８３Ｉ及び伝熱媒体導入開閉部２８４Ｉを逆止弁によって構成することもできる。すなわち、スタック１００内への流通方向にのみ導入路２９２Ｉ、２９３Ｉ、２９４Ｉとマニホールド３９２Ｉ、３９３Ｉ、３９４Ｉとの連通が開放するように構成することによって、全体予熱ステップＳ５及び全体発電ステップＳ７における流体の不必要な逆流を防止することができる。
【０２９４】
各供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉ及び各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅは、いずれかの端板７０，７１に構成することができる。例えば、スタック１００に装着されるアノードガス供給系統４２Ｉ、カソードガス供給系統４３Ｉ及び伝熱媒体供給系統４４Ｉの配設位置に応じて、好適な方の端板７０，７１に供給口１７２Ｉ，１７３Ｉ，１７４Ｉ、２７２Ｉ，２７３Ｉ，２７４Ｉ及び各排出口７２Ｅ、７３Ｅ、７４Ｅを構成することができる。
【０２９５】
また、第３セル３１０には、貫通孔２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉが形成されていてもよい。第２中間集電体５３と端部集電体７０によって、両端が閉塞されるので、本発明の作用効果には影響がない。また、第１セル１１０と第３セル３１０との構造が同じになるので、第１セル１１０と第３セル３１０との製造工程を共通化させることができ、スタック１００の製作工程を簡素化することができる。
【０２９６】
セル間の積層部の構造は、セパレータに伝熱媒体流路溝２６，３６が構成されておらず、伝熱媒体流路が内部に構成された伝熱部材をセル間の積層部に配設する構造でもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２９７】
本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、アノードガス及びカソードガスの部分的流通を簡便な構造で実現することができる。したがって、本発明の燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡの劣化を抑制しながら、より機動的かつ経済的に発電出力を調整することができる、燃料電池スタック、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０２９８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【図２】図２は、図１のスタックの一方の端部の構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
【図３】図３は、図１の第１サブスタックに積層されている第１セルの構造を概略的に示す部分分解斜視図である。
【図４】図４は、図３のセルの構造を示す要部断面図である。
【図５】図５は、図３の第１サブスタックの第１セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【図６】図６は、図１の第２サブスタックに積層されている第２セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図７】図７は、図６の第２サブスタックの第２セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【図８】図８は、図１の第３サブスタックに積層されている第３セルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図９】図９は、図８の第３サブスタックの第３セル間の積層部を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、図１の第１中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１の第２中間集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
【図１２】図１２は、図１のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図１３】図１３は、図１２の燃料電池システムの運転動作を例示して示すフロー図である。
【図１４】図１４は、図１２の燃料電池システムの全発電運転から中央部発電運転への運転切り換え動作を例示して示すフロー図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２実施形態における中央部発電開始前の予熱完了の判断例を示すフロー図である。
【図１６】図１６は、本発明の第３実施形態における全体発電開始前の予熱完了の判断例を示すフロー図である。
【図１７】図１７は、本発明の第４実施形態における燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【図１９】図１９は、図１８のアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面を概略的に示す平面図である。
【図２０】図２０は、図１８のスタックを用いた燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図２１】図２１は、図２０の燃料電池システムの出力変動パターンを概略的に示す出力図である。
【図２２】図２２は、本発明の第６実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【図２３】図２３は、本発明の第７実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【符号の説明】
【０２９９】
１ 高分子電解質膜
２Ａ アノード側触媒層
２Ｃ カソード側触媒層
４Ａ アノード側ガス拡散層
４Ｃ カソード側ガス拡散層
５ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ アノードガス排出マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ カソードガス排出マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ 伝熱媒体排出マニホールド孔
１５ ボルト孔
１６ 第１ガスケット
１７ 第１ＭＥＡ部材
１９Ａ 第１アノードセパレータ
１９Ｃ 第１カソードセパレータ
２１ アノードガス流路溝
２１Ａ アノードガス到達部
２１Ｂ アノードガス入口部
３１ カソードガス流路溝
３１Ａ カソードガス到達部
３１Ｂ カソードガス入口部
２６、３６ 伝熱媒体流路溝
２７ 第２ＭＥＡ部材
２８ 第２ガスケット
２９Ａ 第２アノードセパレータ
２９Ｃ、第２カソードセパレータ
３７ 第３ＭＥＡ部材
３８ 第３ガスケット
３９Ａ 第３アノードセパレータ
３９Ｃ、第３カソードセパレータ
４２Ｅ アノードガス排出系統
４３Ｅ カソードガス排出系統
４４Ｅ 伝熱媒体排出系統
４２Ｉ アノードガス供給系統
４３Ｉ カソードガス供給系統
４４Ｉ 伝熱媒体供給系統
４２Ｖ、４３Ｖ、４４Ｖ 切換装置
１４４ 第１温度検出装置
２４４ 第２温度検出装置
３４４ 第３温度検出装置
４４４ 第４温度検出装置
５０、５１ 端部集電体
５２、５５２，６５２ 第１中間集電体
５３、５５３，６５３ 第２中間集電体
５２Ｅ、５３Ｅ、５４Ｅ、６２Ｅ、６３Ｅ、６４Ｅ、１５２Ｉ、１５３Ｉ、１５４Ｉ、１６２Ｉ、１６３Ｉ、１６４Ｉ、２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉ、２２２Ｉ、２２３Ｉ、２２４Ｉ、２３２Ｉ、２３３Ｉ、２３４Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２５４Ｉ、２６２Ｉ、２６３Ｉ、２６４Ｉ、３５２Ｉ、３５３Ｉ、３５４Ｉ、３６２Ｉ、３６３Ｉ、３６４Ｉ、５２２Ｉ、５２３Ｉ、５２４Ｉ、５３２Ｉ、５３３Ｉ、５３４Ｉ 貫通孔
５６ 軸受部
５７ 弁体
５８ 弁棒
５９ 端子
６０、６１ 絶縁板
７０、７１ 端板
７２Ｅ アノードガス排出口
７３Ｅ カソードガス排出口
７４Ｅ 伝熱媒体排出口
１７２Ｉ 第１アノードガス供給口
１７３Ｉ 第１カソードガス供給口
１７４Ｉ 第１伝熱媒体供給口
２７２Ｉ 第２アノードガス供給口
２７３Ｉ 第２カソードガス供給口
２７４Ｉ 第２伝熱媒体供給口
３７２Ｉ 第３アノードガス供給口
３７３Ｉ 第３カソードガス供給口
３７４Ｉ 第３伝熱媒体供給口
８２ 締結具
８２Ｂ ボルト
８２Ｗ 座金
８２Ｎ ナット
８３ ノズル
９２Ｅ アノードガス排出マニホールド
９３Ｅ カソードガス排出マニホールド
９４Ｅ 伝熱媒体排出マニホールド
１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉ 第１アノードガス供給マニホールド孔
１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉ 第１カソードガス供給マニホールド孔
１１４Ｉ、１２４Ｉ、１３４Ｉ、第１伝熱媒体供給マニホールド孔
１８２Ｉ アノードガス供給開閉部
１９２Ｉ 第１アノードガス供給マニホールド
１８３Ｉ カソードガス供給開閉部
１９３Ｉ 第１カソードガス供給マニホールド
１８４Ｉ 伝熱媒体供給開閉部
１９４Ｉ 第１伝熱媒体供給マニホールド
２８２Ｉ アノードガス導入開閉部
２８３Ｉ カソードガス導入開閉部
２８４Ｉ 伝熱媒体導入開閉部
２９２Ｉ アノードガス導入路（第１アノードガス導入路）
２９３Ｉ カソードガス導入路（第１カソードガス導入路）
２９４Ｉ 伝熱媒体導入路（第１伝熱媒体導入路）
３１２Ｉ、３２２Ｉ、３３２Ｉ 第２アノードガス供給マニホールド孔
３１３Ｉ、３２３Ｉ、３３３Ｉ 第２カソードガス供給マニホールド孔
３１４Ｉ、３２４Ｉ、３３４Ｉ 第２伝熱媒体供給マニホールド孔
３９２Ｉ 第２アノードガス供給マニホールド
３９３Ｉ 第２カソードガス供給マニホールド
３９４Ｉ 第２伝熱媒体供給マニホールド
４９２Ｉ 第２アノードガス導入路
４９３Ｉ 第２カソードガス導入路
４９４Ｉ 第２伝熱媒体導入路
４１２Ｉ、４２２Ｉ、４３２Ｉ 第３アノードガス供給マニホールド孔
４１３Ｉ、４２３Ｉ、４３３Ｉ 第３カソードガス供給マニホールド孔
４１４Ｉ、４２４Ｉ、４３４Ｉ 第３伝熱媒体供給マニホールド孔
５９２Ｉ 第３アノードガス供給マニホールド
５９３Ｉ 第３カソードガス供給マニホールド
５９４Ｉ 第３伝熱媒体供給マニホールド
１００、５００，６００ スタック
１１０ 第１セル
２１０ 第２セル
３１０ 第３セル
２００ 制御装置
５０１Ｖ、５０２Ｖ，５０３Ｖ、５０４Ｖ，５０５Ｖ、５０６Ｖ、５０７Ｖ、５０８Ｖ、５０９Ｖ 弁
Ａ アノードガス
Ｃ カソードガス
Ｗ 伝熱媒体
Ｄ 発電出力
Ｐ 第１サブスタック
Ｑ 第２サブスタック
Ｒ 第３サブスタック
Ｓ１〜Ｓ７、Ｓ３１，Ｓ６１、Ｓ１０１，Ｓ１０２ ステップ

Claims (13)

  1. 一対の端部集電体間に２以上の単電池が積層され、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドが全ての前記単電池の周縁部を積層方向に貫通して構成されている燃料電池スタックであって、
    前記一対の端部集電体間の前記積層方向の中間部に配設され、かつ前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドを分割する１以上の中間集電体と、
    前記一対の端部集電体及び前記中間集電体のいずれかの間に積層された１以上の前記単電池を有して構成される２以上のサブスタックと、
    前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、１以上のアノードガス供給口と、
    前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、１以上のカソードガス供給口と、を有する、燃料電池スタック。
  2. 前記サブスタックのそれぞれの前記単電池の数が相互に異なっている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
    前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  4. ３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドに接続する、アノードガス導入路と、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドに接続する、カソードガス導入路と、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、伝熱媒体導入路と、を有し、
    ３つのアノードガス供給口が、それぞれ前記アノードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
    ３つのカソードガス供給口が、それぞれ前記カソードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドにそれぞれ接続し、
    ３つの伝熱媒体供給口が、それぞれ前記伝熱媒体導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドにそれぞれ接続している、請求項３に記載の燃料電池スタック。
  5. ３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記アノードガス供給口とを接続する、アノードガス導入路と、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記カソードガス供給口とを接続する、カソードガス導入路と、
    前記一対の端部サブスタックのいずれかの周縁部を前記積層方向に貫通して、前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記伝熱媒体供給口とを接続する、伝熱媒体導入路と、
    前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記アノードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、アノードガス供給開閉部と、
    前記中央部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記カソードガス供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、カソードガス供給開閉部と、
    前記中央部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドと前記端部サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドとを連通及び遮断する、前記中間集電体に配設された、伝熱媒体供給開閉部と、を有する、請求項３に記載の燃料電池スタック。
  6. 請求項１に記載の燃料電池スタックと、
    前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
    前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、
    制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
    前記制御装置が、いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記選定された前記サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して発電運転をさせる、燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御してアノードガス及びカソードガスの供給を切り換える、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
    前記制御装置が、発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して前記中央部サブスタックにのみアノードガス及びカソードガスを供給して中央部発電を行わせる、請求項６に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池スタックは、全ての前記単電池の周縁部を前記積層方向に貫通して構成され、かつ前記中間集電体によって分割されている、伝熱媒体供給マニホールドと、
    前記燃料電池スタックの両端部の少なくともいずれかを前記積層方向に貫通して、いずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マニホールドに接続する、１以上の伝熱媒体供給口と、を有し、
    前記燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給口に接続されている伝熱媒体供給系統を有し、
    前記制御装置が、発電開始指令後、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統、前記伝熱媒体供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかを制御して、
    前記中央部サブスタックにのみ前記伝熱媒体を供給して、中央部予熱を行い、
    前記中央部予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第１判定温度と比較する第１判定を行い、
    前記第１判定に基づいて、前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせ、
    前記中央部発電において、前記燃料電池スタック全体に前記伝熱媒体を供給して、全体予熱を行い、
    前記全体予熱時において、前記燃料電池スタックから排出される伝熱媒体の排出温度を取得して第２判定温度と比較する第２判定を行い、
    前記第２判定に基づいて、前記中央部サブスタック及び一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して全体発電を行わせる、請求項８記載の燃料電池システム。
  10. 前記第１判定温度及び第２判定温度が共に、前記燃料電池スタックに供給される伝熱媒体の供給温度である、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 請求項１に記載の燃料電池スタックと、
    前記アノードガス供給口に接続されているアノードガス供給系統と、
    前記カソードガス供給口に接続されているカソードガス供給系統と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
    いずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記選定された前記サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して、発電運転をさせる、燃料電池システムの運転方法。
  12. 前記燃料電池システムの発電運転中において、外部の電力負荷の大きさに基づいて、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるようにいずれか１以上の前記サブスタックを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記アノードガス及び前記カソードガスの供給を切り換える、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記燃料電池スタックは、３以上の単電池及び一対の前記中間集電体を有し、中央部サブスタックが前記中間集電体間に構成され、一対の端部サブスタックが前記端部集電体と前記中間集電体との間に構成されていて、
    発電開始指令後、前記一対の前記端部サブスタックに前記アノードガス及び前記カソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記カソードガス供給系統及び前記燃料電池スタックの少なくともいずれかによって前記中央部サブスタックにのみ前記アノードガス及び前記カソードガスを供給して中央部発電を行わせる、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2009119310A1 (ja) * 2008-03-25 2011-07-21 日本碍子株式会社 電気化学装置
TWI395367B (zh) * 2010-03-18 2013-05-01 Univ Nat Central Fuel cell flow adjustment mechanism
US8795872B2 (en) 2010-07-26 2014-08-05 Enerdel, Inc. Battery cell system with interconnected frames
US20130303072A1 (en) * 2012-05-10 2013-11-14 Wen-Hsien Lai Computer case with ventilation and heat dissipation effects
US8663824B1 (en) * 2013-01-26 2014-03-04 Tesla Motors, Inc. Battery pack exhaust nozzle utilizing an SMA seal retainer
US9293792B2 (en) 2013-05-10 2016-03-22 Tesla Motors, Inc. Self-activated draining system
JP6236103B2 (ja) * 2016-03-01 2017-11-22 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP6642315B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-05 株式会社Ｓｏｋｅｎ 燃料電池システム
EP3340355B1 (en) * 2016-12-20 2020-02-05 The Boeing Company Hybrid power system and control method thereof
FR3104325B1 (fr) * 2019-12-09 2022-06-10 Faurecia Systemes Dechappement Plaque intercalaire pour pile à combustible
FR3113339B1 (fr) * 2020-08-07 2022-08-12 Safran Power Units Pile a combustible, systeme comprenant une pile a combustible et procede de contrôle du systeme
FR3114920B1 (fr) * 2020-10-07 2023-04-21 Safran Power Units Pile à combustible et procédé de contrôle de pile à combustible
FR3118321B1 (fr) * 2020-12-22 2022-12-09 Commissariat Energie Atomique Pile à combustible a injections multiples de fabrication simplifiée

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0660896A (ja) 1992-08-04 1994-03-04 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池式発電装置およびその運転方法
US6083636A (en) * 1994-08-08 2000-07-04 Ztek Corporation Fuel cell stacks for ultra-high efficiency power systems
JP3632468B2 (ja) * 1998-04-22 2005-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータおよび該燃料電池用ガスセパレータを用いた燃料電池
JP2001250569A (ja) * 2000-03-06 2001-09-14 Toyota Motor Corp 燃料電池及びその集電板
CA2401915C (en) * 2001-09-11 2007-01-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer elecrolyte fuel cell
JP2004039524A (ja) 2002-07-05 2004-02-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池発電装置
JP2005141994A (ja) * 2003-11-05 2005-06-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
US7534521B2 (en) * 2004-01-31 2009-05-19 Shen-Li High Tech Co., Ltd (Shanghai) Integral multi-stack system of fuel cell
JP3766911B2 (ja) * 2004-06-14 2006-04-19 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池スタックの保存方法及び高分子電解質型燃料電池スタックの保存処理体
US8003239B2 (en) * 2004-06-14 2011-08-23 Panasonic Corporation Method of preserving polymer electrolyte fuel cell stack and preservation assembly of polymer electrolyte fuel cell stack
US7078119B2 (en) * 2004-06-29 2006-07-18 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method for generating electricity from a fuel cell system comprising a fuel cell stack divided into sub-tracks
JP2006147340A (ja) 2004-11-19 2006-06-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

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