WO2007094264A1

WO2007094264A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2007094264A1
Application number: PCT/JP2007/052400
Authority: WO
Inventors: Junji Morita; Yasushi Sugawara; Soichi Shibata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Filing date: 2007-02-09
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Abstract

　本発明の燃料電池システム(100)は、燃料ガス供給マニホールド(106)の一方の端に連通する第一の燃料ガス入口(121A)と、燃料ガス供給マニホールド(106)の他方の端に連通する第二の燃料ガス入口(121B)とが設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池(101)と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(120)と、該燃料ガス供給装置(120)から供給される燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口(121A)又は第二の燃料ガス入口(121B)に供給する燃料ガス入口選択装置(211)と、を備える。

Description

明細書

燃料電池システム技術分野

[0001] 本発明は、発電と停止とを繰り返す家庭用コージェネレーションシステムや自動車用電源に用いられる燃料電池システム、特に、高分子電解質形燃料電池を用いた燃料電池システムに関するものである。

背景技術

[0002] 典型的な燃料電池として、高分子電解質形燃料電池がある。この高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質膜を挟んでアノードと力ソードとが配設されている。ァノード及び力ソードにはそれぞれ、水素を含有する燃料ガスと、空気等の酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。そして、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。

具体的には、高分子電解質形燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を挟持する一対の電極とを備えている。電極と高分子電解質膜とをあらかじめ一体化して組み立てたものを電解質膜電極接合体 (M EA: Memorane Electrode Assembly)と呼ふ。

MEAに供給される反応ガスが外部にリークしないようにするため、また、それぞれの反応ガスが互いに混合しないようにするため、 MEAにおける電極周囲には高分子電解質膜を挟むようガスシール材ゃガスケットが配置される。

[0003] MEAの外側には、該 MEAを機械的に固定するとともに、隣接する MEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配置される（このように組み立てられたものをセルと呼ぶ）。セパレータと MEAとが接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを排出するためのガス流路が形成されている。

[0004] ガス流路に反応ガスを供給するために、セパレータ毎にガスを分配するマ二ホールドが配置される。マ二ホールドには、ガス供給配管より直接つなぎ込む外部マ二ホールドと、ガス流路を形成したセパレータに貫通孔を設け、この貫通孔とガス流路の入口部とを連結し、直接この貫通孔から反応ガスを分配する内部マ二ホールドとがある

[0005] そして、 MEAとセパレータとを交互に積み重ねて 10〜200のセルの積層体とし、この積層体を集電板と絶縁板とを介して端板で挟み、締結ロッドで固定して、高分子電解質形燃料電池のスタックを作製する。

[0006] ここで、例えば、家庭用コージェネレーションシステムに適用される燃料電池システムの運転方法においては、発電と停止とが繰り返し行われる。具体的には、電力消費量の少ない時間帯は発電を停止し、電力消費量の多い時間帯は発電を行うことによって光熱費の抑制を行っている。

このような燃料電池システムにおいては、発電と停止との繰り返しによる燃料電池性能の低下を抑制するための技術が提案されている。

[0007] 例えば、燃料電池の燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を加湿された不活性ガス等で置換、封入した状態で燃料電池を停止させる方法が提案されている（特許文献 1 参照）。これによれば、停止時においても燃料電池内部の高分子電解質が乾燥することなく燃料電池性能の劣化を抑制できるとの報告がある。

特許文献 1 :特開平 6— 251788

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力し、特許文献 1の構成においては、セルスタック内でのセルごとの反応ガスや置換ガスの濃度が不均一となり、セルスタック全体の発電性能を低下させるという問題力 Sある。

[0009] 本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、セルスタック内での各セル間のガスの濃度を均一にし、セルスタック全体の発電性能の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0010] 本件発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。

[0011] そして、本件発明者らは、複数のセルを積層したセルスタックを用いた燃料電池システムにおいては、起動時及び停止時でのセルスタック内における各セルのガス置換状態が、発電性能に影響を与えることを見出した。

[0012] すなわち、本発明者らが燃料電池システムのガス置換のシミュレーション試験を行つたところ、以下のことが明らかとなった。

[0013] 燃料電池システムのセルスタック内力ある種のガスで充填された状態にあり、つづいて充填されていたガスとは異種のガスでセルスタック内を置換する場合、置換するガスの流量が少ないと、マ二ホールド内で旋回流及び渦流が発生する。これにより、セルスタック内における各セルのガス置換時間力反応ガス入口に近いセルでは短ぐ反応ガス入口力ら遠いセルでは長くなる。この状態は、燃料電池システムの起動時及び停止時のそれぞれの工程で発生し、燃料電池の発電性能を低下させる要因となることが考えられる。

[0014] すなわち、燃料電池システムの起動時においては、置換ガスを排出するための反応ガスの流量が少ないと、反応ガスが十分に供給されなレ、状態で発電を開始するセルが発生し、この繰り返しにより発電性能が低下すると考えられる。また、セルスタック内が十分に燃料ガスで置換されるまで置換時間を延長した場合には、開回路電圧に曝される時間が長くなり、触媒劣化による発電性能の低下が懸念される。

一方、停止時においては、置換ガスによる置換が十分でなかったセルは、セル内での残存ガスの停滞時間が長ぐ触媒劣化によって発電性能を低下させる。また、セルスタック内が十分に置換ガスで置換がされるまで置換時間を延長した場合には、セルによって残存ガスに曝される時間が異なり、スタック内のセルごとの発電性能が不均一になる。

また、従来の燃料電池システムは、ガス供給配管からマ二ホールドへのガス流入口力箇所であるため、マ二ホールド内のガス流入方向がセルスタックの積層方向に対して常に一定である。そのため、上記ガス置換状態の良否による影響が、発電と停止とを繰り返すごとに累積され、セル間における発電性能の差が大きくなり、セルスタツク全体としての発電性能を低下させる。

[0015] 上記のような問題は、燃料電池システムを置換ガスにより置換しない場合にも生じる。すなわち、発電と停止とを繰り返すことにより、燃料ガス入口に近いセルと燃料ガス入口から遠いセルとで燃料ガスの濃度が不均一になる。また、発電と停止とを繰り返すことにより、酸化剤ガス入口に近いセルと酸化剤ガス入口から遠いセルとで酸化剤ガスの濃度が不均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能が低下する。

そこで、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導レ、てそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マニホ一ルドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、該燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備える。

このような構成とすると、燃料電池に燃料ガスを供給する場合において、燃料ガスの供給先を、第一の燃料ガス入口と第二の燃料ガス入口とで選択することができる。そうすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の燃料ガス入口に近いセルと一方の燃料ガス入口力遠いセルとで燃料ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。

[0016] 前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えていてもよい。

[0017] このような構成とすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の燃料ガス入口に近いセルと一方の燃料ガス入口力遠いセルとで燃料ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置力供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置力供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、前記燃料ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給するよう構成されてレ、てもよい。

このような構成とすると、燃料電池内のガスを置換するために燃料電池に燃料ガス及び置換ガスを供給する場合において、燃料ガス及び置換ガスの供給先を、第一の燃料ガス入口と第二の燃料ガス入口とで選択することができる。そうすると、燃料ガス入口から近いセルと遠いセルとでガスの濃度（置換状態）に差が生じにくぐセルスタックのセルごとの燃料ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタツク全体での発電性能の低下が抑制される。

前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モードにおレ、て前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおレ、て前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにぉレ、て前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されてレヽてレヽてもよレヽ。

このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる燃料ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。

前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されてレ、てもよレ、。

[0018] このような構成とすると、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、ガスを流入させる燃料ガス入口を切り替えることができるので、セルごとのガス置換の均一化を図ることができる。したがって、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。

[0019] 前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。

[0020] このような構成とすると、各起動モード又は各停止モードにぉレ、て、ガスの流入する燃料ガス入口を複数回切り替えることができる。したがって、セルスタック内のガス置換時間がさらに短縮される。

[0021] 前記燃料ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。

[0022] 前記燃料ガス入口選択装置は、 T形管継手と、該 T形管継手の第一の端を前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記 T形管継手の第二の端を前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記 T 形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導レ、てそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、前記燃料ガス供給マニホ一ルドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置力供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置力供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。

また、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マニホ一ルドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス供給マニホ一ルドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、該酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置力供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、を備える。

このような構成とすると、燃料電池に酸化剤ガスを供給する場合において、酸化剤ガスの供給先を、第一の酸化剤ガス入口と第二の酸化剤ガス入口とで選択することができる。そうすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の酸化剤ガス入口に近いセルと一方の酸化剤ガス入口力遠いセルとで酸化剤ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。

[0024] 前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えてレ、てもよレ、。

[0025] このような構成とすると、発電と停止とを繰り返す場合において、一方の酸化剤ガス入口に近レ、セルと一方の酸化剤ガス入口力ら遠レ、セルとで酸化剤ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体としての発電性能の低下が抑制される。前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、前記酸化剤ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給するよう構成されていてもよい。

このような構成とすると、燃料電池内のガスを置換するために燃料電池に酸化剤ガス及び置換ガスを供給する場合において、酸化剤ガス及び置換ガスの供給先を、第一の酸化剤ガス入口と第二の酸化剤ガス入口とで選択することができる。そうすると、酸化剤ガス入口から近レ、セルと遠レ、セルとでガスの濃度（置換状態）に差が生じにくく、セルスタックのセルごとの酸化剤ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。これにより、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。

前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記制御装置が、前記起動モードにおレ、て前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されていてもよい。

[0026] このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。

[0027] 前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されてレ、てもよレ、。

[0028] このような構成とすると、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルごとのガス置換の均一化を図ることができる。したがって、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下が抑制される。

[0029] 前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されてレ、てもよレヽ。

[0030] このような構成とすると、各起動モード又は各停止モードにぉレ、て、ガスの流入する酸化剤ガス入口を複数回切り替えることができる。したがって、セルスタック内のガス置換時間がさらに短縮される。

[0031] 前記酸化剤ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されていてもよい。

前記酸化剤ガス入口選択装置は、 T形管継手と、該 T形管継手の第一の端を前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記 T形管継手の第二の端を前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記 T形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されてレ、てもよレ、。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導いてそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導レ、てそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにおいて前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにぉレ、て前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにぉレ、て前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む。

このような構成とすると、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、ガスを流入させる酸化剤ガス入口を切り替えることができるので、セルスタックの積層方向に対するガスの流れ方向を切り替えることができる。したがって、セルスタック内でのガス置換時間が短縮される。また、セルごとのガス置換の均一化を図ることができるので、セルスタック内での各セルの発電性能も均一化され、セルスタック全体での発電性能の低下を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードのうちの一方の電極及び他方の電極からそれぞれ成る第一電極及び第二電極とを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された第一反応ガス供給マ二ホールド、第一反応ガス排出マ二ホールド、第二反応ガス供給マ二ホールド及び第二反応ガス排出マ二ホールドと、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及び力ソードのうちの前記一方の電極に供給されるべき反応ガスである第一反応ガスを第一反応ガス供給マ二ホールドから第一電極に導いてそこから第一反応ガス排出マ二ホールドへと導く第一反応ガス流路と、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及び力ソードのうちの前記他方の電極に供給されるべき反応ガスである第二反応ガスを第二反応ガス供給マ二ホールドから第二電極に導いてそこから第二反応ガス排出マ二ホールドへと導く第二反応ガス流路と、前記第一反応ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する一方の第一反応ガス入口と、前記第一反応ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する他方の第一反応ガス入口と、を備える

[0034] このような構成とすると、反応ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口と他方の第一反応ガス入口とで選択することができる。すなわち、燃料ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口（第一の燃料ガス入口）と他方の第一反応ガス入口（第二の燃料ガス入口）とで選択することができる。また、酸化剤ガスの供給先を、一方の第一反応ガス入口（第一の酸化剤ガス入口）と他方の第一反応ガス入口（第二の酸化剤ガス入口）とで選択することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

発明の効果

[0035] 本発明は上記のように構成され、燃料電池システムにおいて、セルスタック内での各セル間のガスの濃度を均一にすることによって、起動と停止とを繰り返してもセルスタック全体での発電性能の低下が抑制できるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]図 1は、本発明の第 1実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、第 1実施形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 3]図 3は、図 2の燃料電池システムの燃料ガス供給マ二ホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。

[図 4]図 4は、第 1実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 5]図 5は、図 4の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マ二ホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[図 6]図 6は、第 2実施形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

園 7]図 7は、図 6の燃料電池システムの構成要素である燃料ガス供給マ二ホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。

[図 8]図 8は、第 2実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 9]図 9は、図 8の燃料電池システムの構成要素である酸化剤ガス供給マ二ホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[図 10]図 10は、比較形態の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

園 11]図 11は、図 10の燃料電池システムの構成要素である燃料ガス供給マ二ホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。

[図 12]図 12は、比較形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 13]図 13は、図 12の燃料電池システムの構成要素である酸化剤ガス供給マニホ一ルド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[図 14]図 14は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 15]図 15は、図 14の燃料電池システムの燃料ガス供給マ二ホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。

[図 16]図 16は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。

[図 17]図 17は、図 16の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マ二ホールド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[図 18]図 18は、実施例 1、実施例 2、及び比較例の各燃料電池システムの動作モードを示す図である。

[図 19]図 19は、実施例 1、実施例 2、及び比較例の各燃料電池システムのセルスタツクにおけるセルごとのセル電圧を示すグラフである。

符号の説明 100， 200, 300, 400 燃料電池システム

101 燃料電池

102 セノレスタック

103 MEA

104 セパレータ

106 燃料ガス供給マ二ホールド

107 燃料ガスお出マ二ホールド

108 酸化剤ガス供給マニホ一ルド

109 酸化剤ガス排出マニホ一ルド

110 燃料ガス出口

111 燃料ガス排出流路

112 燃料ガス排出弁

115 酸化剤ガス出口

116 酸化剤ガス排出流路

117 酸化剤ガス排出弁

120 燃料ガス供給装置

121 燃料ガス入口

121 A A側燃料ガス入口

121B B側燃料ガス入口

122 燃料ガス供給流路

123A, 223A A側燃料ガス供給配管

123B, 223B B側燃料ガス供給配管

125, 145 ガス流路切替弁

125a, 145a 第一のポート

125b, 145b 第二のポー卜

125c, 145c 第三のポート

126， 128 燃料ガス供給配管

127, 147, 224, 244 T形管継手 129 燃料ガス供給弁

130 置換ガス供給装置

131 置換ガス供給配管

132 置換ガス供給弁

140 酸化剤ガス供給装置

141 酸化剤ガス入口

141 A A側酸化剤ガス入口

141B B側酸化剤ガス入口

142 酸化剤ガス供給流路

143A, 243A A側酸化剤ガス供給配管

143B, 243B B側酸化剤ガス供給配管

146, 148 酸化剤ガス供給配管

149 酸化剤ガス供給弁

150 置換ガス供給装置

151 置換ガス供給配管

152 置換ガス供給弁

160 制御装置

201 燃料ガス流路

202 酸化剤ガス流路

211 燃料ガス入口選択装置

212， 222 選択的ガス供給装置

221 酸化剤ガス入口選択装置

225A A側燃料ガス供給弁

225B B側燃料ガス供給弁

245A A側酸化剤ガス供給弁

245B B側酸化剤ガス供給弁

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。 [0039] (第 1実施形態）

図 1は、本発明の第 1実施形態に係る燃料電池システムの構成の概容を示すブロック図である。

図 1に示すように、本発明の第 1実施形態の燃料電池システム 100は、高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という。） 101を備えている。燃料電池 101は、燃料ガス入口 121を備えている。燃料ガス入口 121には、燃料ガス供給流路 122を介して燃料ガス供給装置 120が接続されている。また、燃料電池 101は、酸化剤ガス入口 141を備えている。酸化剤ガス入口 141には、酸化剤ガス供給流路 142を介して酸化剤ガス供給装置 140が接続されてレ、る。

[0040] また、燃料電池システム 100は、制御装置 160を備えている。制御装置 160は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム 100の所要の構成要素を制御して、該燃料電池システム 100の動作を制御する。ここで、本明細書においては、制御装置 160とは、単独の制御装置だけでなぐ複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。よって、制御装置 160は、必ずしも単独の制御装置で構成される必要はなぐ複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム 100の動作を制御するよう構成されていてもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム 100の構成要素にっき、詳しく説明する。図 2は、第 1実施形態の燃料電池システム 100における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 3は、図 2の燃料電池システムの燃料ガス供給マ二ホールド 106内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図 4は、第 1実施形態の燃料電池システム 100における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 5は、図 4の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[0041] 燃料電池 101は、図 2及び図 4に示すように、セルスタック 102を備えている。セルスタック 102は、複数のセルが積層されて構成されている。セルは、電極（アノードと力ソード、図示せず）と高分子電解質膜（図示せず）とからなる MEA103と、該 MEA 103の両主面に接触するように配設されたセパレータ 104とを含んで構成される。そして、セルスタック 102の内部にセルの積層方向に延びるように、燃料ガス供給マ二ホールド 106、燃料ガス排出マ二ホールド 107、酸化剤ガス供給マ二ホールド 1 08、及び酸化剤ガス排出マ二ホールド 109が形成されている。そして、各セルにおいて、燃料ガス供給マ二ホールド 106と燃料ガス排出マ二ホールド 107とを連通するように燃料ガス流路 201がー対のセパレータ 104のうちの一方の内面（MEA103と当接している面）に形成されている。また、各セルにおいて、酸化剤ガス供給マニホ一ルド 108と酸化剤ガス排出マ二ホールド 109とを連通するように酸化剤ガス流路 20 2がー対のセパレータ 104のうちの他方の内面（MEA103と当接している面）に形成されている。燃料ガス流路 201及び酸化剤ガス流路 202は、周知の態様に形成されているので、ここではその説明を省略する。

[0042] 燃料ガス供給マ二ホールド 106の一端（以下、 A端という）は、セルスタック 102の一端に配設された A側燃料ガス入口 121Aに連通している。また、燃料ガス供給マニホ一ルド 106の他端（以下、 B端という）は、セルスタック 102の他端に配設された B側燃料ガス入口 121Bに連通している。また、燃料ガス排出マ二ホールド 107の一端は閉鎖され、他端は燃料ガス出口 110に連通している。燃料ガス出口 110は、セルスタツク 102の他端 (B側燃料ガス入口 121Bが配設された側の端）に配設されている。

A側燃料ガス入口 121 Aには、燃料ガス供給流路 122としての A側燃料ガス供給配管 123Aの一端が接続されている。 B側燃料ガス入口 121Bには、燃料ガス供給流路 122としての B側燃料ガス供給配管 123Bの一端が接続されている。また、燃料ガス出口 110には、燃料ガス排出流路 111が接続されている。燃料ガス排出流路 111 の途中には、燃料ガス排出弁 112が配設されている。

A側燃料ガス供給配管 123Aの他端は、ガス流路切替弁 125の第一のポート 125a に接続されている。 B側燃料ガス供給配管 123Bの他端は、ガス流路切替弁 125の第二のポート 125bに接続されている。ガス流路切替弁 125の第三のポート 125cには、燃料ガス供給流路 122としての燃料ガス供給配管 126を介して T形管継手 127 の出口 127cが接続されている。ガス流路切替弁 125は、本実施形態では、三方弁で構成される。ガス流路切替弁（三方弁） 125、 A側燃料ガス供給配管 123A、及び B側燃料ガス供給配管 123Bが、燃料ガス入口選択装置 211を構成する。

[0043] T形管継手 127の一方の入口 127aには、燃料ガス供給流路 122としての燃料ガス供給配管 128を介して燃料ガス供給装置 120が接続されている。燃料ガス供給配管 128の途中には、燃料ガス供給弁 129が配設されている。燃料ガス供給弁 129を開放 Z閉止することにより、燃料ガス供給装置 120からの燃料ガスが供給 Z停止される。燃料ガスには、水素ガス、炭化水素系のガスを改質した改質ガス等が用いられる。燃料ガス供給装置 120は、本実施形態では、原料ガスから燃料ガスとして改質ガスを生成する水素生成装置で構成される。原料ガスとしては、本実施形態では、天然ガスが用いられる。

一方、 T形管継手 127のもう一方の入口 127bには、置換ガス供給配管 131を介して置換ガス供給装置 130が接続されている。置換ガス供給配管 131の途中には、置換ガス供給弁 132が配設されている。置換ガス供給弁 132を開放/閉止することにより、置換ガス供給装置 130からの置換ガスが供給/停止される。 T形管継手 127、燃料ガス供給配管 128、燃料ガス供給弁 129、置換ガス供給配管 131、及び置換ガス供給弁 132が、選択的ガス供給装置 212を構成する。置換ガスには、不活性ガスが用いられる。不活性ガスとは、化学的に不活性なガスを意味し、例えば、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの希ガスに加えて、窒素が含まれる。また、本明細書における不活性ガスには、燃料電池 101の作動環境で不活性であり、燃料電池 101を劣化させなレ、ガス（天然ガスや、該天然ガスを主成分として含む都市ガス等から硫黄成分を除去したガス等)も含まれる。不活性ガスとしては、本実施形態では、窒素を用いる。一方、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の一端 (以下、 A端という）は、セルスタック 102の一端に配設された A側酸化剤ガス入口 141Aに連通している。また、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の他端（以下、 B端という）は、セルスタック 102の他端に配設された B側酸化剤ガス入口 141Bに連通している。また、酸化剤ガス排出マニホ一ルド 109の一端は閉鎖され、他端は酸化剤ガス出口 115に連通している。酸化剤ガス出口 115は、セルスタック 102の他端（B側酸化剤ガス入口 141Bが配設された側の端）に配設されている。

A側酸化剤ガス入口 141Aには、酸化剤ガス供給流路 142としての A側酸化剤ガス供給配管 143Aの一端が接続されている。 B側酸化剤ガス入口 141Bには、酸化剤ガス供給流路 142としての B側酸化剤ガス供給配管 143Bの一端が接続されている。また、酸化剤ガス出口 115には、酸化剤ガス排出流路 116が接続されている。酸化剤ガス排出流路 116の途中には、酸化剤ガス排出弁 117が配設されている。

A側酸化剤ガス供給配管 143Aの他端は、ガス流路切替弁 145の第一のポート 14 5aに接続されている。 B側酸化剤ガス供給配管 143Bの他端は、ガス流路切替弁 14 5の第二のポート 145bに接続されている。ガス流路切替弁 145の第三のポート 145c には、酸化剤ガス供給流路 142としての酸化剤ガス供給配管 146を介して T形管継手 147の出口 147cが接続されている。ガス流路切替弁 145は、本実施形態では、三方弁で構成される。ガス流路切替弁（三方弁） 145、 A側酸化剤ガス供給配管 143 A、及び B側酸化剤ガス供給配管 143Bが、酸化剤ガス入口選択装置 221を構成する。

T形管継手 147の一方の入口 147aには、酸化剤ガス供給流路 142としての酸化剤ガス供給配管 148を介して酸化剤ガス供給装置 140が接続されている。酸化剤ガス供給流路 148の途中には、酸化剤ガス供給弁 149が配設されている。酸化剤ガス供給弁 149を開放/閉止することにより、酸化剤ガス供給装置 140からの酸化剤ガスが供給/停止される。酸化剤ガス供給装置 140は、本実施形態では、空気ブロアで構成される。酸化剤ガスとしては、本実施形態では、空気が用いられる。

一方、 T形管継手 147のもう一方の入口 147bには、置換ガス供給配管 151を介して置換ガス供給装置 150が接続されている。置換ガス供給配管 151の途中には、置換ガス供給弁 152が配設されている。置換ガス供給弁 152を開放/閉止することにより、置換ガス供給装置 150からの置換ガスが供給/停止される。 T形管継手 147、酸化剤ガス供給配管 148、酸化剤ガス供給弁 149、置換ガス供給配管 151、及び置換ガス供給弁 152が、選択的ガス供給装置 222を構成する。置換ガスには、不活性ガスが用いられる。不活性ガスとは、化学的に不活性なガスを意味し、例えば、へリウム、アルゴン、ネオンなどの希ガスに加えて、窒素が含まれる。また、本明細書における不活性ガスには、燃料電池 101の作動環境で不活性であり、燃料電池 101を劣化させないガス（天然ガスや、該天然ガスを主成分として含む都市ガス等から硫黄成分を除去したガス等)も含まれる。不活性ガスとしては、本実施形態では、窒素を用いる燃料電池 101のアノード及び力ソードに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスはそこで化学反応し、この化学反応により電力及び熱（以下、排熱という。）が発生する。この化学反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスは、アノードから燃料ガス排出流路 11 1に排出されて、適宜処理される。例えば、燃料ガス排出流路 111に排出された余剰の燃料ガスは、燃料ガス供給装置 120を構成する水素生成装置の改質部加熱用の燃料として用いられたり、専用のパーナで燃料処理されたり、あるいは適宜希釈して大気中に放出されたりする。

また、上述の化学反応に寄与しなかった余剰の酸化剤ガスは、力ソードから酸化剤ガス排出流路 116を通じて大気中に放出される。

次に、以上のように構成された燃料電池システム 100の動作について、図 1乃至図 5を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。

まず、燃料電池システム 100の動作モードを説明する。燃料電池システム 100は、発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から発電モードに移行する起動モードと、発電モードから停止状態に移行する停止モードと、待機モードとを有している。待機モードとは、制御装置 160の制御によって、燃料電池システム 1 00が発電及びそれに関連する動作を停止しているモードをいう。燃料電池システム 100の停止状態とは、この待機モードと、制御装置 160を含めて燃料電池システム 1 00の全体が停止してレ、る状態との双方をレ、う。

ある使用時において燃料電池システム 100を起動する際には（起動モード）、制御装置 160が、図 2の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁 112及び燃料ガス供給弁 129を開き、置換ガス供給弁 132を閉じる。また、ガス流路切替弁 125を、第一のポート 125aが第三のポート 125cに連通するよう切り替える。これにより、図 3に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。また、制御装置 160が、図 4の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁 117及び酸化剤ガス供給弁 149を開き、置換ガス供給弁 1 52を閉じる。また、ガス流路切替弁 145を、第一のポート 145aが第三のポート 145c に連通するよう切り替える。これにより、図 5に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 100を起動し、発電モードへ移行させる。

そして、この発電モードから燃料電池システム 100を停止させる際には (停止モード )、制御装置 160が、図 2の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、ガス流路切替弁 125を、第二のポート 125bが第三のポート 125cに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁 132を開く。これにより、図 3に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力 A端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 132を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に置換ガスを封止する。また、制御装置 160が、図 4の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、ガス流路切替弁 145を、第二のポート 145bが第三のポート 14 5cに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁 152を開く。これにより、図 5に示すように、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 152を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。このようにして、セルスタック 10 2の酸化剤ガス流路 202内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置 160 が燃料電池システム 100を停止させ、この状態を維持する（待機モード)。

次に、この待機モードから燃料電池システム 100を起動する際には、制御装置 160 が、図 2の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁 112及び燃料ガス供給弁 129を開く。これにより、図 3に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。また、制御装置 160が、図 4の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁 117及び燃料ガス供給弁 1 49を開く。これにより、図 5に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 100を起動し、発電モードへ移行させる。

[0045] 次に、この発電モードから燃料電池システム 100を停止させる際には、制御装置 16 0が、図 2の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、ガス流路切替弁 125を、第一のポート 125aが第三のポート 125cに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁 132を開く。これにより、図 3に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マニホ一ルド 106の A端から B端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160 力置換ガス供給弁 132を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁 112 を閉じる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に置換ガスを封止する。また、制御装置 160が、図 4の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、ガス流路切替弁 145を、第一のポート 145aが第三のポート 145cに連通するよう切り替え、置換ガス供給弁 152を開く。これにより、図 5に示すように、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 152を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 100を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。

次に、この待機モードから燃料電池システム 100を起動する力この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。

[0046] 次に、本実施形態の効果を比較形態と比較して説明する。

[0047] 図 10は、比較形態の燃料電池システム 300における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 11は、図 10の燃料電池システム 300の構成要素である燃料ガス供給マ二ホールド 106内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図 12は、比較形態の燃料電池システム 300における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 13は、図 12の燃料電池システム 300の構成要素である酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。図 10及び図 12において、図 2及び図 4と同一又は相当する部分は、同じ符号を付してその説明を省略する。

本比較形態の燃料電池システム 300では、図 10に示すように、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端に連通する燃料ガス入口 121が設けられているだけで、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端に連通する燃料ガス入口は設けられていなレ、。また、図 12に示すように、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端に連通する酸化剤ガス入口 141が設けられているだけで、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端に連通する酸化剤ガス入口は設けられていない。したがって、反応ガス及び置換ガスの反応ガス供給マ二ホールド 106, 108内における流れ方向は一定である。それ以外の構成については、第 1実施形態の燃料電池システム 100と同様である。

具体的には、図 10に示すように、燃料ガス入口 121には、燃料ガス供給流路 122としての燃料ガス供給配管 323の一端が接続されている。燃料ガス供給配管 323の他端は、 T形管継手 127の出口 127cに接続されている。

[0048] また、図 12に示すように、酸化剤ガス入口 141には、酸化剤ガス供給流路 142としての酸化剤ガス供給配管 343の一端が接続されている。酸化剤ガス供給配管 343 の他端は、 T形管継手 147の出口 147cに接続されている。

[0049] 次に、以上のように構成された燃料電池システム 300の動作の概容について、図 1 0乃至図 13を参照しながら説明する。

[0050] ある使用時において燃料電池システム 300を起動する際には（起動モード）、制御装置 160が、図 10の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁 112 及び燃料ガス供給弁 129を開き、置換ガス供給弁 132を閉じる。これにより、図 11に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。また、制御装置 160が、図 12の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁 117及び酸化剤ガス供給弁 149を開き、置換ガス供給弁 152を閉じる。これにより、図 13に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 300を起動し、発電モードへ移行させる。

そして、この発電モードから燃料電池システム 100を停止させる際には（停止モード )、制御装置 160が、図 10の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129を閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、置換ガス供給弁 132を開く。これにより、図 11に示すように、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 1 02の燃料ガス流路 201内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 132を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に置換ガスを封止する。また、制御装置 160が、図 12の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、置換ガス供給弁 152を開く。これにより、図 13に示すように、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 152を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に置換ガスを封止する。以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 300を停止させ、この状態を維持する（待機モード）。これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。

本比較形態の燃料電池システム 300では、燃料ガス供給マ二ホールド 106に連通する燃料ガス入口 121が 1箇所である。また、本比較形態の燃料電池システム 300では、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108に連通する酸化剤ガス入口 141が 1箇所である。したがって、図 11及び図 13に示すような燃料電池システム 300の発電モード及び停止モードの繰り返しを行った場合において、反応ガス供給マ二ホールド 106, 1 08内の反応ガス及び置換ガスの流れは A端から B端への一定方向である。よって、反応ガス入口 121 , 141から近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じ、セルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度が不均一になると考えられる。

これに対し、本発明の第 1実施形態の燃料電池システム 100は、停止モード、起動モード及び発電モードの 1サイクル毎に、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端と B 端との間の燃料ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。また、停止モード、起動モード及び発電モードの 1サイクル毎に、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端と B端との間の酸化剤ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。

[0052] したがって、本実施形態の燃料電池システム 100では、反応ガス入口 121A, 121 B, 141A, 141Bから近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じにくぐセルスタック 102のセルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度が均一になる。よって、燃料電池システム 100の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック 102全体での発電性能の低下が抑制される。

[0053] また、本実施形態の燃料電池システム 100は、燃料ガス入口選択装置 211が、ガス流路切替弁 (三方弁） 125、 A側燃料ガス供給配管 123A、及び B側燃料ガス供給配管 123Bで構成されている。また、本実施形態の燃料電池システム 100は、酸化剤ガス入口選択装置 221が、ガス流路切替弁（三方弁） 145、 A側酸化剤ガス供給配管 1 43A、及び B側酸化剤ガス供給配管 143Bで構成されてレ、る。

[0054] したがって、燃料電池システムの構成を複雑にすることなぐ燃料ガスの供給先を A 側燃料ガス入口 121Aと B側燃料ガス入口 121Bとの間で切り替えることができる。また、燃料電池システムの構成を複雑にすることなぐ酸化剤ガスの供給先を A側酸化剤ガス入口 141Aと B側酸化剤ガス入口 141Bとの間で切り替えることができる。

(第 2実施形態）

図 6は、本実施形態の燃料電池システム 200における燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 7は、図 6の燃料電池システム 200の構成要素である燃料ガス供給マ二ホールド 106内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図 8は、本実施形態の燃料電池システム 200における酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 9は、図 8の燃料電池システム 200の構成要素である酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。図 6及び図 8において、図 2及び図 4と同一又は相当する部分は、同じ符号を付してその説明を省略する。

[0055] 本実施形態の燃料電池システム 200では、図 2のガス流路切替弁 125に代えて、 T 形管継手 224と A側燃料ガス供給弁 225Aと B側燃料ガス供給弁 225Bとが用いられている。また、本実施形態の燃料電池システム 200では、図 4のガス流路切替弁 145 に代えて、 T形管継手 244と A側酸化剤ガス供給弁 245Aと B側酸化剤ガス供給弁 2 45Bと力 S用レ、られてレ、る。さらに、停止モード及び起動モードにおけるセルスタック 10 2内のガスのパージが、反応ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替えて行われる。これ以外は第 1実施形態の燃料電池システム 100と同様である。

[0056] 具体的には、図 6に示すように、燃料電池 101の A側燃料ガス入口 121Aには、燃料ガス供給流路 122としての A側燃料ガス供給配管 223Aの一端が接続されている。 A側燃料ガス供給配管 223Aの途中には、 A側燃料ガス供給弁 225Aが配設されている。一方、燃料電池 101の B側燃料ガス入口 121Bには、燃料ガス供給流路 12 2としての B側燃料ガス供給配管 223Bの一端が接続されてレ、る。 B側燃料ガス供給配管 223Bの途中には、 B側燃料ガス供給弁 225Bが配設されている。

[0057] A側燃料ガス供給配管 223Aの他端は、 T形管継手 224の一方の出口 224aに接続されている。 B側燃料ガス供給配管 223Bの他端は、 T形管継手 224のもう一方の出口 224bに接続されている。 T形管継手 224の入口 244cには、燃料ガス供給流路 122としての燃料ガス供給配管 126を介して T形管継手 127の出口 127cが接続されている。 T形管継手 224、 A側燃料ガス供給配管 223A、 A側燃料ガス供給弁 225A 、 B側燃料ガス供給配管 223B、及び B側燃料ガス供給弁 225Bが、燃料ガス入口選択装置 211を構成する。

[0058] また、図 8に示すように、燃料電池 101の A側酸化剤ガス入口 141Aには、酸化剤ガス供給流路 142としての A側酸化剤ガス供給配管 243Aの一端が接続されている。 A側酸化剤ガス供給配管 243Aの途中には、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aが配設されている。一方、燃料電池 101の B側酸化剤ガス入口 141Bには、酸化剤ガス供給流路 142としての B側酸化剤ガス供給配管 243Bの一端が接続されてレ、る。 B側酸化剤ガス供給配管 243Bの途中には、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bが配設されている。

[0059] A側酸化剤ガス供給配管 243Aの他端は、 T形管継手 244の一方の出口 244aに接続されている。 B側酸化剤ガス供給配管 243Bの他端は、 T形管継手 244のもう一方の出口 244bに接続されている。 T形管継手 244の入口 244cには、酸化剤ガス供給流路 142としての酸化剤ガス供給配管 146を介して T形管継手 147の出口 147c が接続されている。 T形管継手 244、 A側燃料ガス供給配管 243A、 A側燃料ガス供給弁 245A、 B側燃料ガス供給配管 243B、及び B側燃料ガス供給弁 245Bが、酸化剤ガス入口選択装置 221を構成する。

[0060] 次に、以上のように構成された燃料電池システム 200の動作について、図 6乃至図

9を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。

[0061] ある使用時において燃料電池システム 200を起動する際には（起動モード）、制御装置 160が、図 6の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス排出弁 112、 A側燃料ガス供給弁 225A及び燃料ガス供給弁 129を開き、置換ガス供給弁 132を閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向力つて流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106 の B端から A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225 Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かつて流れる。すなわち、図 7に示すように、一回の起動モード中において、燃料ガス供給マ二ホールド 106内における燃料ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。

[0062] 一方、制御装置 160が、図 8の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス排出弁 117、 A側酸化剤ガス供給弁 245A及び酸化剤ガス供給弁 149を開き、置換ガス供給弁 152を閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、酸化剤ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。すなわち、図 9に示すように、一回の起動モード中において、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内における酸化剤ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。

[0063] 以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 200を起動し、発電モードへ移行させる。

[0064] そして、この発電モードから燃料電池システム 200を停止させる際には（停止モード )、制御装置 160が、図 6の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129及び A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225B及び置換ガス供給弁 132 を開く。これにより、置換ガス力燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力 A端に向力つて流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、置換ガス力燃料ガス供給マ二ホールド 106 の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225 Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、置換ガス力燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力 A端に向かつて流れる。すなわち、図 7に示すように、一回の停止モード中において、燃料ガス供給マ二ホールド 106内における置換ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 132を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に置換ガスを封止する。

[0065] 一方、制御装置 160が、図 8の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149及び A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245B及び置換ガス供給弁 152を開く。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108 の B端から A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 2 45Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245 Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。すなわち、図 9に示すように、一回の停止モード中において、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内における置換ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 16 0が、置換ガス供給弁 152を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁 1 17を閉じる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に置換ガスを封止する。

[0066] 以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 200を停止させ、この状態を維持する (待機モード)。

[0067] 次に、この待機モードから燃料電池システム 200を起動する際には、制御装置 160 力燃料ガス排出弁 112及び燃料ガス供給弁 129を開く。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 1 60が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端から A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端から A端に向かって流れる。すなわち、図 7に示すように、一回の起動モード中において、燃料ガス供給マ二ホールド 106内における燃料ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。

[0068] 一方、制御装置 160が、酸化剤ガス排出弁 117及び酸化剤ガス供給弁 149を開く。これにより、酸化剤ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かつて流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、酸化剤ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力 A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端から A端に向かって流れる。すなわち、図 9に示すように、一回の起動モード中において、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内における酸化剤ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。

[0069] 以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 200を起動し、発電モードへ移行させる。

[0070] そして、この発電モードから燃料電池システム 200を停止させる際には、制御装置 1 60が、燃料ガス供給弁 129及び B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、燃料ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225A及び置換ガス供給弁 132を開く。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 1 06の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 2 25Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 A 側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、置換ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側燃料ガス供給弁 225Bを開き、 A側燃料ガス供給弁 225Aを閉じる。これにより、置換ガス力燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端から A端に向かつて流れる。次に、制御装置 160が、 A側燃料ガス供給弁 225Aを開き、 B側燃料ガス供給弁 225Bを閉じる。これにより、置換ガス力燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。すなわち、図 7に示すように、一回の停止モード中において、燃料ガス供給マ二ホールド 106内における置換ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内の燃料ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 132を閉じて置換ガスの供給を停止させ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。このようにして、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に置換ガスを封止する。

一方、制御装置 160が、酸化剤ガス供給弁 149及び B側酸化剤ガス供給弁 245B を閉じる。これにより、酸化剤ガスの供給が停止される。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245A及び置換ガス供給弁 152を開く。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力も A端に向かつて流れる。次に、制御装置 160が、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、置換ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 10 8の A端から B端に向かって流れる。次に、制御装置 160が、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを開き、 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを閉じる。これにより、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力も A端に向かって流れる。次に、制御装置 160 力 A側酸化剤ガス供給弁 245Aを開き、 B側酸化剤ガス供給弁 245Bを閉じる。これにより、置換ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。すなわち、図 9に示すように、一回の停止モード中において、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108内における置換ガスの流れ方向が計 4回、切り替えられる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内の酸化剤ガスが置換ガスで置き換えられる。その後、制御装置 160が、置換ガス供給弁 152を閉じて置換ガスの供給を停止させ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。このようにして、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に置換ガスを封止する。

[0072] 以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 200を停止させ、この状態を維持する (待機モード)。

[0073] 次に、この待機モードから燃料電池システム 200を起動する力この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。

[0074] 本発明の第 2実施形態の燃料電池システム 200は、停止モード、起動モード、及び発電モードの 1サイクル毎だけでなぐさらに各起動モード及び各停止モード中に、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端と B端との間の燃料ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。また、同様に、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端と B端との間の酸化剤ガス及び置換ガスの流れ方向を切り替える。

[0075] したがって、本実施形態の燃料電池システム 200では、反応ガス入口 121A, 121 B, 141A, 141Bから近いセルと遠いセルとでガスの置換状態に差が生じにくぐセルスタック 102のセルごとの反応ガス及び置換ガスの濃度がより均一になる。よって、燃料電池システム 200の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック 102全体での発電性能の低下がさらに抑制される。

[0076] また、本実施形態の燃料電池システム 200では、燃料ガス入口選択装置 211が、 T 形管継手 244、 A側燃料ガス供給配管 243A、 A側燃料ガス供給弁 245A、 B側燃料ガス供給配管 243B、及び B側燃料ガス供給弁 245Bで構成されている。さらに、本実施形態の燃料電池システム 200では、酸化剤ガス入口選択装置 221が、 T形管継手 244、 A側燃料ガス供給配管 243A、 A側燃料ガス供給弁 245A、 B側燃料ガス供給配管 243B、及び B側燃料ガス供給弁 245Bで構成されている。

[0077] したがって、反応ガス及び置換ガスの流れ方向を瞬時に切り替えることが容易になる。

[0078] [変形例] (第 1実施形態の変形例）

図 14は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける燃料ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 15は、図 14の燃料電池システムの燃料ガス供給マ二ホールド内での燃料ガスの流れ方向を示す図である。図 16は、本発明の変形例の燃料電池システムにおける酸化剤ガスを供給するための構成要素を示す部分ブロック図である。図 17は、図 16の燃料電池システムの酸化剤ガス供給マニホ一ルド内での酸化剤ガスの流れ方向を示す図である。

[0079] 本変形例の燃料電池システム 400は、第 1実施形態における、燃料ガスを供給するための構成要素と、酸化剤ガスを供給するための構成要素とを変更している。

[0080] すなわち、図 14に示すように、燃料ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない。具体的には、燃料ガス供給装置 120が燃料ガス供給配管 128を介してガス流路切替弁 125の第三のポート 125cに、直接、接続されている。それ以外については、第 1実施形態の燃料ガスを供給するための構成要素（図 2)と同じである。

また、図 16に示すように、酸化剤ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない。具体的には、酸化剤ガス供給装置 140が酸化剤ガス供給配管 148を介してガス流路切替弁 145の第三のポート 145cに、直接、接続されている。それ以外については、第 1実施形態の酸化剤ガスを供給するための構成要素（図 4)と同じである。

次に、以上のように構成された燃料電池システム 400の動作について、図 14乃至図 17を参照しながら詳しく説明する。なお、ここでは、一般的動作を省略し、特徴的動作を説明する。

ある使用時において燃料電池システム 400を起動する際には（起動モード）、制御装置 160が、図 14の燃料ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁 125 を、第一のポート 125aが第三のポート 125cに連通するよう切り替え、燃料ガス排出弁 112及び燃料ガス供給弁 129を開く。これにより、図 15に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の A端から B端に向かって流れる。また、制御装置 160が、図 16の酸化剤ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁 145を、第一のポート 145aが第三のポート 145cに連通するよう切り替え、酸化剤ガス排出弁 117及び酸化剤ガス供給弁 149を開く。これにより、図 17に示すように、酸化剤ガス力酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の A端から B端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 400を起動し、発電モードへ移行させる

[0081] そして、この発電モードから燃料電池システム 400を停止させる際には（停止モード )、制御装置 160が、図 14の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129を閉じ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。これにより、図 15に示すように、燃料ガスの供給が停止され、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に燃料ガスが封止される。また、制御装置 160が、図 16の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149を閉じ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。これにより、図 17に示すように、酸化剤ガスの供給が停止され、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に酸化剤ガスが封止される。以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 400 を停止させ、この状態を維持する (待機モード)。

[0082] 次に、この待機モードから燃料電池システム 400を起動する際には、制御装置 160 力図 14の燃料ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁 125を、第二のポート 125bが第三のポート 125cに連通するよう切り替え、燃料ガス排出弁 112及び燃料ガス供給弁 129を開く。これにより、図 15に示すように、燃料ガスが、燃料ガス供給マ二ホールド 106の B端力も A端に向かって流れる。また、制御装置 160が、図 16 の酸化剤ガスを供給する構成要素において、ガス流路切替弁 145を、第二のポート 145bが第三のポート 145cに連通するよう切り替え、酸化剤ガス排出弁 117及び酸化剤ガス供給弁 149を開く。これにより、図 17に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マ二ホールド 108の B端力も A端に向かって流れる。以上のようにして、制御装置 160が、燃料電池システム 400を起動し、発電モードへ移行させる。 [0083] 次に、この発電モードから燃料電池システム 400を停止させる際には、制御装置 16 0が、図 14の燃料ガスを供給する構成要素において、燃料ガス供給弁 129を閉じ、燃料ガス排出弁 112を閉じる。これにより、図 15に示すように、燃料ガスの供給が停止され、セルスタック 102の燃料ガス流路 201内に燃料ガスが封止される。また、制御装置 160が、図 16の酸化剤ガスを供給する構成要素において、酸化剤ガス供給弁 149を閉じ、酸化剤ガス排出弁 117を閉じる。これにより、図 17に示すように、酸化剤ガスの供給が停止され、セルスタック 102の酸化剤ガス流路 202内に酸化剤ガスが封止される。以上のようにして、制御装置 160が燃料電池システム 400を停止させ、この状態を維持する (待機モード)。

[0084] 次に、この待機モードから燃料電池システム 400を起動する力 S、この起動モードは、前述の、ある使用時における起動モードとまったく同様に遂行される。すなわち、これ以降は、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。

本変形例の燃料電池システム 400は、上記のような構成としたため、燃料ガス入口 121A, 121Bから近いセルと遠いセルとで燃料ガスの濃度分布が生じにくぐセルスタック 102のセルごとの燃料ガスの濃度が均一になる。また、酸化剤ガス入口 141A, 141Bから近いセルと遠いセルとで酸化剤ガスの濃度分布が生じにくぐセルスタック 102のセルごとの酸化剤ガスの濃度が均一になる。よって、燃料電池システム 400の起動と停止とを繰り返しても、セルスタック 102全体での発電性能の低下が抑制される。

[0085] なお、同様にして、第 2実施形態の燃料電池システムを変形例とすることもできる。

すなわち、図 6の燃料ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない構成とすることができる。また、図 8の酸化剤ガスを供給するための構成要素において、置換ガス側の構成要素が設けられていない構成とすることがでさる。

実施例

[0086] 以下、本発明の燃料電池システムの実施例を説明する。

(実施例 1)

本発明の実施例として、以下に示す燃料電池 101を備え、第 1実施形態に示した構成 (反応ガスの流れ方向の切り替えも含む）の燃料電池システム 100を作製した。ここでは、燃料電池 101についてのみ、具体的構成を示す。燃料電池 101としては、高分子電解質形燃料電池が用いられる。燃料電池システム 100のその他の構成要素は周知のように構成されている。

[0087] まず、アノード及び力ソードの作成方法を説明する。

[0088] 粒径 35nmのアセチレンブラック粉末 (電気化学工業社製;デンカブラック (登録商標））と、 PTFEの水性ディスパージヨン (ダイキン社製； D—1)とを混合し、 PTFEを乾燥重量で 20重量％含む溶液を調製した。そして、この溶液をカーボンペーパー（東レ社製; TGPH060H)に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用い 300°Cで熱処理を行って、厚さ約 200 μ mのガス拡散層を形成した。

[0089] 次に、力ソード側触媒として、粒径 30nmのケッチェンブラック粉末 (ケッチェンブラックインターナショナル社製； Ketjen Black EC)に、白金触媒を担持させて得られたもの（白金を 50重量％含む）を用いた。一方、アノード側触媒として、粒径 30nmのケッチェンブラック粉末（ケッチェンブラックインターナショナル社製； Ketjen Black EC)に、白金触媒及びノレテニゥム触媒を担持させて得られたもの（白金を 30重量％含む）を用いた。

そして、上記力ソード側触媒を、 Nafion (登録商標）が 5重量％含まれる分散液であるパーフルォロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国 Aldrich社製）に混合させ、この混合物を前記ガス拡散層上に塗布し、乾燥させることによって、厚みが 10〜20 x mの力ソード側触媒層を形成した。ここで、ガス拡散層と力ソード側触媒層とがカソードを構成する。一方、上記アノード側触媒を上記パーフルォロカーボンスルホン酸アイオノマーに混合させ、この混合物を前記ガス拡散層上に塗布し、乾燥させることによって、厚みが 10〜20 z mのアノード側触媒層を形成した。ここでガス拡散層とァノード側触媒層とがアノードを構成する。そして、上記各触媒層が形成された各電極中に含まれる白金触媒量は 0. 5mg/cm²、パーフルォロカーボンスルホン酸アイォノマー量は 1. 2mg/cnTであった。

[0090] 次に、高分子電解質膜 (米国 DuPont社製; Nafionl l2 (登録商標））の片面に力ソードを、もう一方の面にアノードを、各電極のそれぞれの触媒層が高分子電解質膜に接するように配置した。また、高分子電解質膜の外縁部に接するよう、フッ素系ゴムからなる厚さ約 200 x mのガスケットを配置した。そして、これらをホットプレスにより接合して ΜΕΑを作製した。

次に、外寸 220mm X 220mm、厚み 3mmの黒鉛板を機械加工することにより、反応ガス流路及びマ二ホールド孔が形成された導電性セパレータを作製した。反応ガス流路は、幅 2mm、深さ 2mmであって、サーペンタイン状に形成されている。また、上記と同様の黒鉛板を機械加工することにより、冷却水流路が形成された導電性セパレータを作製した。そして、これらの各導電性セパレータと MEAとを組み合わせて単セノレとした。ここで、導電性セパレータと MEAとが接触する領域は、縦 150mm X 横 150mmの範囲となるようにした。そして、上記単セルを 60個積層してセルスタック 102とし、燃料電池 101を作製した。

実施例 1では、上記に示した燃料電池 101を用い、第 1実施形態に示した構成の燃料電池システム 100を作製した。

力ソード側反応ガス（酸化剤ガス）には空気を用い、アノード側反応ガス (燃料ガス）には水素を用レ、、置換ガスは両極共に窒素ガスを用いた。異種ガス間で置換を行う際、流入するガス流量は、空気、水素、窒素いずれも lL/min、置換時間は 2minとした。

そして、図 18に示す動作モードの運転サイクルで燃料電池システム 100の運転を行った。すなわち、図 18に示すように、燃料電池システム 100が停止している状態（待機モード）ではアノード及び力ソードは置換ガスである窒素によって充填された状態で維持される。第一起動時 (起動モード）ではアノードに燃料ガスである水素が流され、力ソードは窒素で充填されたままである。第二起動時（起動モード）においては力ソードに空気が流される。そして、アノードに水素が流され、力ソードに空気が流された状態で発電が行われる（発電モード)。第一停止状態 (停止モード）におレ、ては力ソードが空気から窒素に置換される力アノードには水素が流されている。第二停止状態 (停止モード）においては、アノードの水素も窒素に置換される。その後、燃料電池システムは停止された状態（待機モード）に戻る。このようなサイクルを 1サイクルとする。発電は、電流密度 0. 18 A/cm²,酸化剤ガス利用率 55%、燃料ガス利用率 75% 、反応ガス露点 60°C、冷却水入口温度 60°Cの条件で行った。

[0092] そして、発電と停止とを 1サイクルとし、発電時間を 1時間、停止時間を 1時間として 1000サイクルを繰り返した。その後のセルごとの電圧を測定し、これを発電性能の評価とした。セルごとの電圧の測定値を図 19に示す。また、全てのセルの平均セル電圧と、その標準偏差とを表 1に示す。

(実施例 2)

上記実施例 1に示したセルスタックと同様のセルスタックを用い、第 2実施形態に示した構成 (反応ガスの流れ方向の切り替えも含む）の燃料電池システム 200を作製した。その他の操作条件は、上記実施例 1と同様である。

そして、発電と停止とを 1サイクルとし、発電時間を 1時間、停止時間を 1時間として 1000サイクルを繰り返した。その後のセルごとの電圧を測定し、これを発電性能の評価とした。セルごとの電圧の測定値を図 19に示す。また、全てのセルの平均セル電圧と、その標準偏差とを表 1に示す。

(比較例）

比較形態に示した構成の燃料電池システム 300を作製した。その他の操作条件は、上記実施例 1と同様である。

[0093] [表 1] 平均セル電圧標準偏差

(mV) (mV)

実施例 1 735 4

実施例 2 747 2

比較例 635 35 (検討）

図 19は、各燃料電池システムのセルスタック 102におけるセルごとのセル電圧を示すグラフである。図 19中のセル番号は、セルスタック 102の A側力 B側に向力順番のセルの番号を示している。表 1は、実施例 1、実施例 2及び比較例の燃料電池システムの全てのセルの平均セル電圧及びその標準偏差を示す表である。図 19及び表 1を参照しながら、実施例 1、実施例 2及び比較例の燃料電池システムの発電性能を比較検討する。

[0094] 図 19に示すように、比較例の燃料電池システム 300においては、ガス流入方向に対し、反応ガス入口 121 , 141に近レ、セル（図 10及び図 12中の A側）と遠レ、セル（図 10及び図 12中の B側）とで、セル電圧に大きな差を生じた。これは、ガスの流入方向が反応ガス供給マ二ホールドの A端力ら B端への一方向であるため、セルスタック 10 2内でのガス置換が不均一になったからと考えられる。

[0095] 一方、実施例 1の燃料電池システム 100及び実施例 2の燃料電池システム 200においては、反応ガス入口 121A, 141Aに近いセル（図 2及び図 4中の A側、図 6及び図 8中の A側）と遠いセル（図 2及び図 4中の B側、図 6及び図 8中の B側）とで、セル電圧に大きな差は生じなかった。これは、反応ガス及び置換ガスのガス流入方向を切り替えるので、セルスタック 102内のセル間でのガス置換を均一にすることができるためと考えられる。また、表 1に示すように、平均セル電圧を高く維持することができ、かつ、セル電圧の標準偏差も小さくなつてばらつきも抑制される。したがって、セルスタック 102の発電性能の低下が抑制される。

また、実施例 2の燃料電池システム 200は、反応ガス入口 121 A， 141 Aに近いセノレ（図 6及び図 8中の A側）と遠いセル（図 6及び図 8中の B側）とで、セル電圧に大きな差は生じな力つた。これは、実施例 2の燃料電池システム 200においては、反応ガス及び置換ガスのガス流入方向を複数回切り替えるので、セルスタック 102内のガスの置換時間を短縮することができると共に、残存ガスによる影響を低減することができるためと考えられる。また、表 1に示すように、平均セル電圧をより高く維持することができ、かつ、セル電圧の標準偏差も小さくなつてばらつきがさらに抑制される。したがつて、セルスタック 102の発電性能の低下がさらに抑制される。 [0096] なお、第 1実施形態及び第 2実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガスを供給するための構成要素と酸化剤ガスを供給するための構成要素との双方に反応ガス入口選択装置が設けられていたが、燃料ガスを供給するための構成要素と酸化剤ガスを供給するための構成要素とのいずれかに反応ガス入口選択装置が設けられてもよレ、。

また、第 1実施形態及び第 2実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス供給マ二ホールド 106及び酸化剤ガス供給マ二ホールド 108に 2箇所の反応ガス入口をセルスタック 102の両端に設けた力燃料ガス供給マ二ホールド 106及び酸化剤ガス供給マ二ホールド 108を U字型にすることで、反応ガス入口をセルスタック 102の片端に設けても同様の効果を奏する。

[0097] さらに、第 1実施形態の燃料電池システム 100及び第 2実施形態の燃料電池システム 200は、図 2及び図 4、並びに図 6及び図 8に示したように、燃料ガス供給装置 120 側に配置される置換ガス供給装置 130と、酸化剤ガス供給装置 140側に配置される置換ガス供給装置 150とを別個に具備する構成を採用した。しかし、本発明の燃料電池システムは、この構成に限定されるものではなレ、。例えば、本発明の燃料電池システムは、 1つの置換ガス供給装置を、燃料ガス供給装置 120と酸化剤ガス供給装置 140とで共有する構成としてもょレ、。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなぐその構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

[0098] 本発明の燃料電池システムは、セルスタック内での各セル間のガスの置換状態を均一にすることによって、起動と停止とを繰り返してもセルスタック全体での発電性能の低下が抑制された燃料電池システムとして有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導レ、てそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、

前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、

該燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備えた、燃料電池システム。

[2] 前記燃料ガス供給装置力供給される燃料ガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えた、請求項 1に記載の燃料電池システム。

[3] 前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、

前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、

前記燃料ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給するよう構成されてレ、る、請求項 1に記載の燃料電池システム。

[4] 前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、

前記制御装置が、前記起動モードにぉレ、て前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項 3に記載の燃料電池システム。

[5] 前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項 4に記載の燃料電池システム。

[6] 前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で複数回切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するよう構成されてレ、る、請求項 4に記載の燃料電池システム。

[7] 前記燃料ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項 2に記載の燃料電池システム。

[8] 前記燃料ガス入口選択装置は、 T形管継手と、該 T形管継手の第一の端を前記第一の燃料ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記 T形管継手の第二の端を前記第二の燃料ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記 T 形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されてレ、る、請求項 2に記載の燃料電池システム。

高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導レ、てそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の燃料ガス入口と、前記燃料ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の燃料ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、

前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、

前記燃料ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置力供給される燃料ガス又は前記置換ガス供給装置力供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、

該選択的ガス供給装置から供給された燃料ガス又は置換ガスを選択的に第一の燃料ガス入口又は第二の燃料ガス入口に供給する燃料ガス入口選択装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、

前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにぉレ、て前記燃料ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記燃料ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の燃料ガス入口と前記第二の燃料ガス入口との間で切り替えるよう前記燃料ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。

[10] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導レ、てそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、

前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、

該酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、

該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、を備えた、燃料電池システム。

[11] 前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備えた、請求項 10に記載の燃料電池システム。

[12] 前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、を備え、前記酸化剤ガス入口選択装置は、前記選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給するよう構成されている、請求項 10に記載の燃料電池システム。

[13] 前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御する制御装置をさらに備え、

前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、

前記制御装置が、前記起動モードにぉレ、て前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタック内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう前記選択的ガス供給装置を制御するよう構成されており、かつ、前記制御装置は、前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するよう構成されている、請求項 12に記載の燃料電池システム。

[14] 前記制御装置は、前記発電モードと前記停止モードとの間の切り替わりの際に、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう構成されている、請求項 13に記載の燃料電池システム。

[15] 前記制御装置は、前記起動モード又は前記停止モード中において、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で複数回切り替えるよう構成されている、請求項 13に記載の燃料電池システム。

[16] 前記酸化剤ガス入口選択装置は、第一乃至第三のポートを有し前記第三のポートを前記第一のポート又は前記第二のポートに選択的に接続可能な三方弁と、前記第一のポートを前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、前記第二のポートを前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管とを備え、前記第三のポートが前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されている、請求項 11に記載の燃料電池システム。

[17] 前記酸化剤ガス入口選択装置は、 T形管継手と、該 T形管継手の第一の端を前記第一の酸化剤ガス入口に接続する第一のガス配管と、該第一のガス配管の途中に配設された開閉弁と、前記 T形管継手の第二の端を前記第二の酸化剤ガス入口に接続する第二のガス配管と、該第二のガス配管の途中に配設された開閉弁とを備え、前記 T形管継手の第三の端が前記選択的ガス供給装置からのガスを供給するためのガス配管に接続されてレ、る、請求項 11に記載の燃料電池システム。

[18] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードとを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された燃料ガス供給マ二ホールド、燃料ガス排出マ二ホールド、酸化剤ガス供給マ二ホールド及び酸化剤ガス排出マ二ホールドと、燃料ガスを燃料ガス供給マ二ホールドからアノードに導レ、てそこから燃料ガス排出マ二ホールドへと導く燃料ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マ二ホールドから力ソードに導いてそこから酸化剤ガス排出マ二ホールドへと導く酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する第一の酸化剤ガス入口と、前記酸化剤ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する第二の酸化剤ガス入口と、を有し、前記セルにおいて前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電が行われるよう構成された燃料電池と、

前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、

前記酸化剤ガスを置き換えるための置換ガスを供給する置換ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス又は前記置換ガス供給装置から供給される置換ガスを選択的に供給する選択的ガス供給装置と、

該選択的ガス供給装置から供給された酸化剤ガス又は置換ガスを選択的に第一の酸化剤ガス入口又は第二の酸化剤ガス入口に供給する酸化剤ガス入口選択装置と、

制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、

前記発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードと、前記発電モードから前記停止状態に移行する停止モードとを有し、前記起動モードにぉレ、て前記酸化剤ガスを供給して前記セルスタツク内のガスをパージし、前記発電モードにおいて前記酸化剤ガスを供給し、かつ前記停止モードにおいて前記置換ガスを供給して前記セルスタック内のガスを該置換ガスで置換するよう、前記選択的ガス供給装置を制御するステップと、

前記起動モード、前記発電モード、及び前記停止モードのいずれか 2つのモード間の切り替わりの際又はいずれかのモードにおいて、前記選択的ガス供給装置から供給されるガスの供給先を前記第一の酸化剤ガス入口と前記第二の酸化剤ガス入口との間で切り替えるよう前記酸化剤ガス入口選択装置を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの運転方法。

高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むように形成されたアノード及び力ソードのうちの一方の電極及び他方の電極からそれぞれ成る第一電極及び第二電極とを有する複数のセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、該セルスタックに、該セルスタックの積層方向に延びるようにそれぞれ形成された第一反応ガス供給マニホ一ルド、第一反応ガス排出マ二ホールド、第二反応ガス供給マ二ホールド及び第二反応ガス排出マ二ホールドと、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及び力ソードのうちの前記一方の電極に供給されるべき反応ガスである第一反応ガスを第一反応ガス供給マ二ホールドから第一電極に導いてそこから第一反応ガス排出マ二ホールドへと導く第一反応ガス流路と、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち、アノード及びカソードのうちの前記他方の電極に供給されるべき反応ガスである第二反応ガスを第二反応ガス供給マ二ホールドから第二電極に導いてそこから第二反応ガス排出マ二ホールドへと導く第二反応ガス流路と、前記第一反応ガス供給マ二ホールドの一方の端に連通する一方の第一反応ガス入口と、前記第一反応ガス供給マ二ホールドの他方の端に連通する他方の第一反応ガス入口と、を備える、燃料電池。