WO2007129647A1

WO2007129647A1 - 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

Info

Publication number: WO2007129647A1
Application number: PCT/JP2007/059330
Authority: WO
Inventors: Shigeyuki Unoki; Hiroki Kusakabe
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2007-05-01
Publication date: 2007-11-15
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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

明細書

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力ソードガスに曝露して、アノードガスと力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、力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； H → 2H+ + 2e" (1)

2

力ソード； 2H+ + (1/2) 0 + 2e" → H O (2)

2 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〖こは、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、スタツクと略称する）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-ホールド、アノードガス排出マ- ホールド、力ソードガス供給マ-ホールド、及び力ソードガス排出マ-ホールド力それぞれスタックの積層方向に延びて配設されて、る。これらマ-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-ホールド及びアノードガス排出マ-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、る。力ソードガス供給マ-ホールド及び力ソードガス排出マ-ホールドを結ぶ分岐路は、セル内の力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、アノードガス及び力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-ホールドのいずれかの端部にァノードガスの供給系統が接続され、アノードガス排出マ-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、力ソードガス供給マ二ホールドのいずれかの端部には力ソードガスの供給系統が接続され、力ソードガス排出マ-ホールドのいずれかの端部には力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] 力ソードガス供給系統は、一般的には、空気等の酸素主体の力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つて構成されている。

[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- 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-ホールド力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-ホールドにおいて集合して、アノードガス排出マ-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、力ソードガスは力ソードガス供給マ-ホールドの一端力供給され、力ソードガス供給マ-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力ソードガスは力ソードガス排出マ-ホールドにお、て集合して、力ソードガス排出マ-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、アノードガス及び力ソードガスの供給量を減少させる必要がある。しかし、アノードガス及び力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、いわゆるフラッデイ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、余剰ァノードガス及び力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、ァノード側サブスタック、中央サブスタック、および力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ィッチと、集電体スィッチ制御手段と、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力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ィッチ制御手段を用いて集電体スイツチを制御し、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ィ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、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

発明が解決しょうとする課題

[0016] し力しながら、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ィ匕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、アノードガス及び力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、力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-ホールド及びカソードガス供給マ-ホールド力アノードガス排出マ-ホールド及び力ソードガス排出マ-ホールドへとアノードガス及び力ソードガスが流通して、ることになる。力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、ては、発電が開始されて!ヽな、ので、アノードガス及び力ソードガスは力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、アノードガス及び力ソードガスの浪費、及びァノードガス及び力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、アノードガス及び力ソードガスが流通することによって、力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 M EA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力ソードガス供給開始時を起動時として、力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力ソードガスを供給しており（同文献 [0022])、アノードガス及び力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、アノードガス及び力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力つた。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力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カゝつた。

[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、アノードガス及び力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、燃料電池スタツク、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-ホールド及び力ソードガス供給マ-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、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、かつ前記ァノードガス供給マ二ホールド及び前記力ソードガス供給マ二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、ずれかを前記積層方向に貫通して、 V、ずれかの前記サブスタックの前記アノードガス供給マ-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、ずれかを前記積層方向に貫通して、

V、ずれかの前記サブスタックの前記力ソードガス供給マ-ホールドに接続する、 1以上の力ソードガス供給口と、を有する。

[0022] このように構成すると、アノードガス及び力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、、わゆる内部マ-ホールド型の燃料電池スタックの構造を利用して、アノードガス及び力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ネ目互に異なって!/、るとよ!、。

[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、伝熱媒体供給マ二ホーノレドと、

V、ずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マ-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。

[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-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ツ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、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-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力ソードガス供給マ-ホールドに接続する、力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二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ロカ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-ホールドにそれぞれ接続し、

3つの力ソードガス供給ロカそれぞれ前記力ソードガス導入路、及び一対の前記端部サブスタックの前記力ソードガス供給マ-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-ホールドにそれぞれ接続して、るとよ!、。

[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、力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ツ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、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-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力ソードガス供給マ-ホールドと前記力ソードガス供給口とを接続する、力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二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-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-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力ソードガス供給マ-ホールドと前記端部サブスタックの前記力ソードガス供給マ-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、力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二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-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。

[0030] このように構成すると、アノードガス供給口、力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、力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力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ヽるアノードガス供給系統と、

前記力ソードガス供給口に接続されてヽ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、前記力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力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、前記ァノードガス供給系統、前記力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、ずれかを制御してアノードガス及び力ソードガスの供給を切り換えるとよ、。

[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ァノードガス及び前記力ソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記力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、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力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-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、ずれかを前記積層方向に貫通して、 V、ずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マ-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、前記力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、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力ソードガスを供給して中央部発電を行わせ、

前記中央部発電にぉヽて、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!ヽて、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、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ツクに前記アノードガス及び前記力ソードガスを供給して全体発電を行わせるとよヽ。

[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さる。

[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ょヽ。

[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ツクと、

前記力ソードガス供給口に接続されている力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、

いずれ力 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、前記力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〖こ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力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、前記ァノードガス供給系統、前記力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 V、ずれかによつて前記アノードガス及び前記力ソードガスの供給を切り換えるとよ、。

[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力ソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記力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つ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力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。

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。

図面の簡単な説明

[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、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力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

1 高分子電解質膜

2A アノード側触媒層

2C 力ソード側触媒層

4A アノード側ガス拡散層

4C 力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-ホールド孔

13E、 23E、 33E 力ソードガス排出マ-ホールド孔

14E、 24E、 34E 伝熱媒体排出マ-ホールド孔ボノレ卜孑し

第 1ガスケット第 1MEA部材

A 第 1アノードセパレータC 第 1力ソードセパレータアノードガス流路溝 A アノードガス到達部B アノードガス入口部力ソードガス流路溝A 力ソードガス到達部B 力ソードガス入口部、 36 伝熱媒体流路溝第 2MEA部材第 2ガスケット

A 第 2アノードセパレータC、第 2力ソードセパレータ第 3MEA部材第 3ガスケット

A 第 3アノードセパレータC、第 3力ソードセパレータE アノードガス排出系統E 力ソードガス排出系統E 伝熱媒体排出系統1 アノードガス供給系統1 力ソードガス供給系統1 伝熱媒体供給系統V、43V、44V 切換装置4 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、 1521、 1531、 1541、 1621、 1631、 1641、 221、 2131、 2141、 2221、 2231、 2241、 2321、 2331、 2341、 2521、 2531、 2541、 221、 2631、 2641、 3521、 3531、 3541、 3621、 3631、 3641、 5221、 5231、 5241、 521、 5331、 5341 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 力ソードガス排出口

74E 伝熱媒体排出口

1721 第 1アノードガス供給口

1731 第 1力ソードガス供給口

1741 第 1伝熱媒体供給口

2721 第 2アノードガス供給口

2731 第 2力ソードガス供給口

2741 第 2伝熱媒体供給口

3721 第 3アノードガス供給口

3731 第 3力ソードガス供給口

3741 第 3伝熱媒体供給口 82 締結具

82B ボノレト

82W 座金

82N ナット

83 ノズル

92E アノードガス排出マ-ホールド

93E 力ソードガス排出マ-ホールド

94E 伝熱媒体排出マ二ホールド

1121、 1221、 1321 第 1アノードガス供給マ-ホールド孔

1131、 1231、 1331 第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔

1141、 1241、 1341、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔

1821 アノードガス供給開閉部

1921 第 1アノードガス供給マ-ホールド

1831 力ソードガス供給開閉部

1931 第 1力ソードガス供給マ-ホールド

1841 伝熱媒体供給開閉部

1941 第 1伝熱媒体供給マ-ホールド

2821 アノードガス導入開閉部

2831 力ソードガス導入開閉部

2841 伝熱媒体導入開閉部

2921 アノードガス導入路 (第 1アノードガス導入路）

2931 力ソードガス導入路 (第 1力ソードガス導入路）

2941 伝熱媒体導入路 (第 1伝熱媒体導入路）

3121、 3221、 3321 第 2アノードガス供給マ-ホールド孔

3131、 3231、 3331 第 2力ソードガス供給マ-ホールド孔

3141、 3241、 3341 第 2伝熱媒体供給マ-ホールド孔

3921 第 2アノードガス供給マ-ホールド

3931 第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3941 第 2伝熱媒体供給マ二ホールド

4921 第 2アノードガス導入路

4931 第 2力ソードガス導入路

4941 第 2伝熱媒体導入路

4121、 4221、 4321 第 3アノードガス供給マユホーノレド孑し

4131、 4231、 4331 第 3力ソードガス供給マ-ホールド孔

4141、 4241、 4341 第 3伝熱媒体供給マ-ホールド孔

5921 第 3アノードガス供給マ-ホールド

5931 第 3力ソードガス供給マ二ホールド

5941 第 3伝熱媒体供給マ二ホールド

100、 500, 600 スタック

110 第 1セル

210 第 2セノレ

310 第 3セノレ

200 制御装置

501V、 502V, 503V、 504V, 505V, 506V, 507V, 508V, 509V 弁

A アノードガス

C 力ソードガス

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

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、家庭用コージエネレーシヨンシステム、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、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 5 0, 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 8 2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力ソードセパレータ 19Cが第 1MEA部材 17を挟んで構成されている。同様に、第 2セノレ 210は、第 2アノードセパレータ 29A及び第 2力ソードセパレータ 29Cが第 2 MEA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力ソードセパレータ 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、かつァノードガス供給マ-ホールド及び力ソードガス供給マ-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 5 2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が構成されてヽる。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〖こおける第 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 1 10, 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 2 0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サブスタック尺における第 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-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二ホールド 1921, 3921、力ソードガス供給マ二ホールド 1931、 3931、伝熱媒体供給マ-ホールド 1941、 3941、アノードガス排出マ-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E、及び伝熱媒体排出マ-ホールド 94Eが形成されて!、る。

[0057] アノードガス供給マ二ホールドは、第 1中間集電体 52及び第 2中間集電体 53によつて、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-ホールド 1 921と、第 2サブスタック Qの第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921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 1821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-ホールド 3921は、第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921及び後述するアノードガス導入路 2921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-ホールド 3921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-ホールド 1921の第 1中間集電体 52側端面及びアノードガス導入路 2921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-ホールド 3921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- ホールド 1921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] 力ソードガス供給マ二ホールドは、第 1中間集電体 52及び第 2中間集電体 53によつて、第 1サブスタック P及び第 3サブスタック Rの第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1 931と、第 2サブスタック Qの第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931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の力ソードガス供給開閉部 1831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力ソードガス供給マ-ホールド 3931は、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931及び後述する力ソードガス導入路 2931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力ソードガス供給マ-ホールド 3931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力ソードガス供給マ-ホールド 1931の第 1中間集電体 52側端面及び力ソードガス導入路 2931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力ソードガス供給マ-ホールド 3931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力ソードガス供給マ二ホールド 1931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] 伝熱媒体供給マ二ホールドは、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-ホールド 1941と、第 2サブスタック Qの第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941とに分割されて、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 1841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ヽる。第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 39 41は、第 1伝熱媒体供給マ二ホールド 1941及び後述する伝熱媒体導入路 2941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-ホールド 39 41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伝熱媒体供給マ二ホールド 1941の第 1中間集電体 52側端面及び伝熱媒体導入路 2941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-ホールド 3941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伝熱媒体供給マ二ホールド 1941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 2921力第 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-ホールド 3921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 2521にアノードガス導入開閉部 2821が配設されていて、該開閉部 2821の開閉によって、両者が連通及び遮断されるよう〖こ構成されている。

[0061] 第 1サブスタック Pには、力ソードガス導入路 2931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力ソードガス供給マ-ホールド 3931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 2531に力ソードガス導入開閉部 2831が配設されていて、該開閉部 2831の開閉によって、両者が連通及び遮断されるよう〖こ構成されている。

[0062] 第 1サブスタック Pには、伝熱媒体導入路 2941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-ホールド 3941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 2541に伝熱媒体導入開閉部 2841が配設されていて、該開閉部 2841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-ホールド 1921に接続する第 1アノードガス供給口 1721、第 1サブスタック Pのアノードガス導入路 2921の貫通部に構成された第 2アノードガス供給口 2721、第 1サブスタック Pの第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1 931に接続する第 1力ソードガス供給口 1731、第 1サブスタック Pの力ソードガス導入路 2931の貫通部に構成された第 2力ソードガス供給口 2731、第 1サブスタック Pの第 1伝熱媒体供給マ二ホールド 1941に接続する第 1伝熱媒体供給口 1741、及び第 1 サブスタック Pの伝熱媒体導入路 2941の貫通部に構成された第 2伝熱媒体供給口 2 741が形成されている。

[0064] 第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931及び第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941それぞれには供給口 1721、 1731、 1734力構成されている。このような構成によって、アノードガス導入路 2921、力ソードガス導入路 2931及び伝熱媒体導入路 2941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、力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 2921、力ソードガス導入路 2931及び伝熱媒体導入路 2941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-ホールド 92Eに接続するアノードガス排出口 7 2E、第 3サブスタック Rの力ソードガス排出マ-ホールド 93Eに接続する力ソードガス排出口 73E、及び第 3サブスタック Rの伝熱媒体排出マ-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内のァノードガス、力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に揷通されて、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は電気絶縁性材料カゝらなる。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、力ソードガス排出口 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 1721、 2721、第 1及び第 2力ソードガス供給口 1731, 2731、ならびに第 1及び第 2伝熱媒体供給口 1741、 2741、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 62 E、 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 1721, 1731, 1741、 2721, 2731, 2741にそれぞれ接続する貫通孔 1621, 16 31, 1641、 2621, 2631, 2641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-ホールド 92Eとを接続する貫通孔 52E、貫通孔 63Eと力ソードガス排出マ-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-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、る。他方の端部集電体 51にも、各供給口 1721, 1731, 1741、 2721, 2731, 2741と各供給マ-ホールド 1921, 1 931, 1941及び各導入路 2921, 2931, 2941とをそれぞれ接続する貫通孔 1521, 15 31, 1541、 2521, 2531, 2541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-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E及び伝熱媒体排出マ-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!、な!/、ので、集電体 51によってこれら排出マ-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-ホ一ルド 1921、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941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によつてこれら供給マ二ホールドの閉止端が構成されて、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力ソードセパレータ 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ァノードセパレータ 19A及び第 1力ソードセパレータ 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-ホールド孔 1 221、第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔 1231、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1 241、アノードガス排出マ-ホールド孔 22E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 23E、伝熱媒体排出マ-ホールド孔 24E、及び貫通孔 2221、 2231、 2241が積層方向に貫通して形成されている。

[0080] 第 1力ソードセパレータ 19Cの周縁部には、第 1アノードガス供給マ-ホールド孔 1 321、第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔 1331、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1 341、アノードガス排出マ-ホールド孔 32E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 33E、伝熱媒体排出マ-ホールド孔 34E、及び貫通孔 2321、 2331、 2341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-ホールド孔 1121、第 1 力ソードガス供給マ-ホールド孔 1131、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1141、ァノードガス排出マ-ホールド孔 12E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 13E、伝熱媒体排出マ-ホールド孔 14E、及び貫通孔 2121、 2131、 2141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-ホールド孔 1121、 1221、 13

21は連なって第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921を形成する。

[0083] 第 1サブスタック Pにおいて、第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔 1131、 1231、 13

31は連なって第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931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-ホールド孔 1141、 1241、 1341 は連なって第 1伝熱媒体供給マ二ホールド 1941を形成する。

[0085] 第 1サブスタック Pにおいて、貫通孔 2121、 2221、 2321は連なってアノードガス導入路 2921を形成する。

[0086] 第 1サブスタック Pにおいて、貫通孔 2131、 2231、 2331は連なって力ソードガス導入路 2931を形成する。

[0087] 第 1サブスタック Pにおいて、貫通孔 2141、 2241、 2341は連なって伝熱媒体導入路 2941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-ホールド孔 12E、 22E、 32Eは連なってアノードガス排出マ-ホールド 92Eを形成する。 [0089] 第 1サブスタック Pにおいて、力ソードガス排出マ-ホールド孔 13E、 23E、 33Eは連なって力ソードガス排出マ-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-ホールド孔 14E、 24E、 34Eは連なつて伝熱媒体排出マ-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-ホールド 1921とアノードガス導入路 2921とは平行かつ近接して形成されている。これによつて、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-ホールド 3921との連通を容易にすることができる。

[0092] 第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931と力ソードガス導入路 2931とは平行かつ近接して形成されている。これによつて、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-ホールド 3931との連通を容易にすることができる。

[0093] 第 1伝熱媒体供給マ二ホールド 1941と伝熱媒体導入路 2941とは平行かつ近接して形成されている。これによつて、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-ホールド 3941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-ホールド孔 1221とアノードガス排出マ-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組立状態にぉ、て MEA5が当接する領域にぉ、て、サーペンタイン状に形成されている。第 1力ソードセパレータ 19Cの内面には、第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔 1331と力ソードガス排出マ-ホールド孔 33Eとの間を結ぶようにして力ソードガス流路溝 (力ソードガス流路） 31が形成されている。力ソードガス流路溝 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ァノードガス供給マ-ホールド 1921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-ホールド 1931の力ソードガスが第 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 21 0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、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、ァノード側触媒層 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。力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力ソード側触媒層 2Cと、力ソード側触媒層 2Cの外面に配設された力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力一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!/、る。

[0098] 高分子電解質膜 1には、パーフルォロスルホン酸力も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 M EA5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力ソードセパレータ 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、フエノール榭脂を含浸させた黒鉛板、金属板力もなる。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力ソードセパレータ 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及び力ソードガス流路溝 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ぐ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力ソードセパレータ 19Cの力ソードガス流路溝 31が力ソード側ガス拡散層 4Cに当接している。これによつて、力ソードガス流路溝 31内を流通する力ソードガスは、外部に漏出することなぐ多孔質の力ソード側ガス拡散層 4C内部に拡散しながら侵入して、力ソード側触媒層 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- ホールド孔 1241と伝熱媒体排出マ-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つ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力ソードセパレータ 19Cの外面には、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1341と伝熱媒体排出マ二ホールド孔 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つ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 19 Aの外面及び第 1力ソードセパレータ 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-ホールド 1921 及びアノードガス導入路 2921の延長線上に位置にするよう第 2アノードガス供給マ- ホールド 3921が形成され、第 1サブスタック Pの第 1力ソードガス供給マ-ホールド 19 31及び力ソードガス導入路 2931の延長線上に位置するように第 2力ソードガス供給マ二ホールド 3931が形成され、第 1サブスタック Pの第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 19 41及び伝熱媒体導入路 2941の延長線上に位置するように第 2伝熱媒体供給マニホ一ルド 3941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ァノードセパレータ 29A及び第 2力ソードセパレータ 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-ホールド孔 3221、第 2 力ソードガス供給マ-ホールド孔 3231、第 2伝熱媒体供給マ-ホールド孔 3241、ァノードガス排出マ-ホールド孔 22E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 23E、及び伝熱媒体排出マ-ホールド孔 24Eが積層方向に貫通して形成されて、る。

[0109] 第 2力ソードセパレータ 29Cの周縁部には、第 2アノードガス供給マ-ホールド孔 3 321、第 2力ソードガス供給マ-ホールド孔 3331、第 2伝熱媒体供給マ-ホールド孔 3 341、アノードガス排出マ-ホールド孔 32E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 33E、及び伝熱媒体排出マ-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-ホールド孔 3121、第 2 力ソードガス供給マ-ホールド孔 3131、第 2伝熱媒体供給マ-ホールド孔 3141、ァノードガス排出マ-ホールド孔 12E、力ソードガス排出マ-ホールド孔 13E、及び伝熱媒体排出マ-ホールド孔 14Eが積層方向に貫通して形成されて、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-ホールド孔 3121、 3221、 33 21は連なって第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921を形成する。

[0112] 第 2サブスタック Qにおいて、第 2力ソードガス供給マ-ホールド孔 3131、 3231、 33 31は連なって第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931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-ホールド孔 3141、 3241、 3341 は連なって第 2伝熱媒体供給マ二ホールド 3941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-ホールド孔 3221とアノードガス排出マ-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力ソードセパレータ 29Cの内面には、第 2力ソードガス供給マ-ホールド孔 3331と力ソードガス排出マ二ホールド孔 33Eとの間を結ぶようにして力ソードガス流路溝 (力ソードガス流路） 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ァノードガス供給マ-ホールド 3921のアノードガスが第 2セル 210内に供給され、第 2 力ソードガス供給マ-ホールド 3931の力ソードガスが第 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- ホールド孔 3241と伝熱媒体排出マ-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力ソードセパレータ 29C の外面には、第 2伝熱媒体供給マ-ホールド孔 3341と伝熱媒体排出マ-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 2121、 213 I、 2141、 2221、 2231、 3341、 2321、 233I234I力 ^形成されて!ヽな! を除!ヽて、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-ホールド 1921、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931、及び第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941が形成されている。し力し、アノードガス導入路 2921、力ソードガス導入路 2931、及び伝熱媒体導入路 2941は形成されてヽなヽ。

[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力ソードセパレータ 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-ホールド 1921のァノードガスが第 3セル 310内に供給され、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931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- ホールド孔 1241と伝熱媒体排出マ-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力ソードセパレータ 39C の外面には、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1341と伝熱媒体排出マ-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-ホールド 1921、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931および第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941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、力ソードガス流路溝 31および伝熱媒体流路溝 26, 36によって、ァノードガス排出マ-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E及び伝熱媒体排出マ-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-ホールド 3921、第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931及び第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941は、それぞれ第 2セル 210内のアノードガス流路溝 21、力ソードガス流路溝 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-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E及び伝熱媒体排出マ-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 5 2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力なり、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 1521、 1531、 1541、 2521、 2531、

2541がそれぞれ積層方向に貫通して形成されてヽる。

[0131] 貫通孔 1521は、第 1サブスタック Pの第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921と第 2 サブスタック Qの第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921とを連通するように形成されている。

[0132] 貫通孔 2521は、第 1サブスタック Pのアノードガス導入路 2921と第 2サブスタック Q の第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921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 2921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二ホールド 3921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-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-ホールド 92Eとを連通するように形成されて!、る。

[0134] 貫通孔 1531は、第 1サブスタック Pの第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931と第 2 サブスタック Qの第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931とを連通するように形成されている。

[0135] 貫通孔 2531は、第 1サブスタック Pの力ソードガス導入路 2931と第 2サブスタック Q の第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931とを連通するように形成されて!、る。換言すれば、力ソードガス導入路 2931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力ソードガス供給マ二ホールド 3931に接続する。

[0136] 貫通孔 53Eは、第 1サブスタック Pの力ソードガス排出マ-ホールド 93Eと第 2サブスタック Qの力ソードガス排出マ-ホールド 93Eとを連通するように形成されて!、る。

[0137] 貫通孔 1541は、第 1サブスタック Pの第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941と第 2サブスタック Qの第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941とを連通するように形成されてヽる。

[0138] 貫通孔 2541は、第 1サブスタック Pの伝熱媒体導入路 2941と第 2サブスタック Qの第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941とを連通するように形成されて!、る。換言すれば、伝熱媒体導入路 2941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伝熱媒体供給マ二ホールド 3941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-ホールド 94Eと第 2サブスタック Qの伝熱媒体排出マ-ホールド 94Eとを連通するように形成されて!、る。

[0140] また、貫通孔 1521にはアノードガス供給開閉部 1821、貫通孔 1531には力ソードガス供給開閉部 1831、貫通孔 1541には伝熱媒体供給開閉部 1841、貫通孔 2521にはアノードガス導入開閉部 2821、貫通孔 2531には力ソードガス導入開閉部 2831、貫通孔 2541には伝熱媒体導入開閉部 2841が、それぞれ構成されている。

[0141] これら開閉部 1821、 1831、 1841、 2821、 2831、 2841は、同じ構造を有している。

[0142] すなわち、開閉咅 182I、 1831、 1841、 2821、 2831、 2841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 1521、 1531、 1541、 2521、 2531、 25

41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、各貫通孑し 1521、 1531、 1541、 2521、 2531、 2541を閉塞すること力 Sできる。

[0144] 弁棒 58は、弁体 57が各貫通孔 1521、 1531、 1541、 2521、 2531、 2541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、る。

[0145] また、弁棒 58は、第 1中間集電体 52の側面力も各貫通孔 1521、 1531、 1541、 25

21、 2531、 2541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、耐熱性榭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。これによつて、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ァクチユエ一タとを有して構成することちできる。

[0149] アノードガス供給開閉部 1821の開閉によって、第 1アノードガス供給マ-ホールド 1 921は、第 2サブスタック Qの第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921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 2821の開閉によって、アノードガス導入路 2921は、第 2サブスタック Qの第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921との連通及び遮断が可能となる。

[0151] 力ソードガス供給開閉部 1831の開閉によって、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1 931は、第 2サブスタック Qの第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931との連通及び遮断が可能となる。

[0152] 力ソードガス導入開閉部 2831の開閉によって、力ソードガス導入路 2931は、第 2サブスタック Qの第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931との連通及び遮断が可能となる。

[0153] 伝熱媒体供給開閉部 1841の開閉によって、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941 は、第 2サブスタック Qの第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941との連通及び遮断が可能となる。

[0154] 伝熱媒体導入開閉部 2841の開閉によって、伝熱媒体導入路 2941は、第 2サブスタック Qの第 2伝熱媒体供給マ-ホールド 3941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 5 3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 2521、 2531、 2541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 1821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-ホールド 3921は、第 3サブスタック Rの第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921との連通及び遮断が可能となる。また、第 2中間集電体 53に構成される力ソードガス供給開閉部 1831の開閉によって、第 2サブスタック Qの第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931は、第 3サブスタック尺の第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931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 1841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-ホールド 3941は、第 3サブスタック Rの第 1力ソードガス供給マ二ホールド 1941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 1721及び第 2アノードガス供給口 2721 には、それらへの供給が切換可能に構成されて、るアノードガス供給系統 421が接続されている。ここでは、アノードガス供給系統 421は、第 1アノードガス供給口 1721 及び第 2アノードガス供給口 2721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力ソードガス供給口 1731及び第 2力ソードガス供給口 2731には、それらへの供給が切換可能に構成されてヽるアノードガス供給系統 431が接続されて、る。ここでは、力ソードガス供給系統 431は、第 1力ソードガス供給口 1731及び第 2力ソードガス供給口 2731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、力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 1741及び第 2伝熱媒体供給口 2741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 441が接続されている。ここでは、伝熱媒体供給系統 441は、第 1伝熱媒体供給口 1741及び第 2伝熱媒体供給口 2741への岐路に切換装置 44Vが配設されて構成されて、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 441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 441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!/、る。あるいは、それぞれの供給口 1721、 2721、 1731、 2731、 1741、 2741に開閉弁が配設されて構成することちでさる。

[0166] また、伝熱媒体供給系統 441には、第 1伝熱媒体供給口 1741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 2741 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。力ソードガス排出部 73Eには力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 421、力ソードガス供給系統 431及び伝熱媒体供給系統 441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。好適な力ソードガス 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 421, 431, 441、及び各開閉部 1821、 2821、 1831、 2831、 1841、 2841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、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、力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 1821、力ソードガス供給開閉部 1831及び伝熱媒体供給開閉部 1841を閉止し、第 1中間集電体 52のアノードガス導入開閉部 2821、力ソードガス導入開閉部 2831及び伝熱媒体導入開閉部 2841を開放する。また、切換装置 42V, 43V, 44 Vをそれぞれ、第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731及び第 2 伝熱媒体供給口 2741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 441の伝熱媒体を第 2伝熱媒体供給口 2741に供給する。この際、伝熱媒体供給系統 441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。これによつて、第 2サブスタック Qの予熱の完了を半 U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 421及び力ソードガス供給系統 431のアノードガス及び力ソードガスをそれぞれ第 2 アノードガス供給口 2721及び第 2力ソードガス供給口 2731に供給する。これによつて、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、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 441の切換装置 4 4Vを、第 1伝熱媒体供給口 1741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 1841 を開放する。これによつて、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 2841を閉止する。これによつて、第 2伝熱媒体供給マ二ホールド 3941から伝熱媒体導入路 29 41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。これによつて、第 1及び第 3サブスタック P, Rが十分に予熱されたカゝ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、て、制御装置 200は、アノードガス供給系統 421及び力ソードガス供給系統 431の切換装置 42V, 43Vを、第 1アノードガス供給口 1721及び第 1力ソードガス供給口 1731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 1821及び力ソードガス供給開閉部 1831を開放する。これによつて、スタック 100 内のアノードガス及び力ソードガスは第 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。これによつて、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 2821及び力ソードガス導入開閉部 2831を閉止する。これによつて、第 2アノードガス供給マ二ホールド 3921及び第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931の流路からアノードガス導入路 2921及び力ソードガス導入路 2931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。これによつて、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、力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。力！]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 421、力ソードガス供給系統 431及び伝熱媒体供給系統 441の切換装置 42V, 43V、 44Vを、それぞれ第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731及び第 2伝熱媒体供給口 2741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 2821、カソードガス導入開閉部 2831及び伝熱媒体導入開閉部 2841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 1821、力ソードガス供給開閉部 1831及び伝熱媒体供給開閉部 1841をそれぞれ閉止する。これによつて、スタック 100内のアノードガス、力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ィ匕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 Dl, 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ぐ第 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 20 0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 T 2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°C未満の温度差内、の温度に到達したカゝ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ぐ第 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 20 0は、第 1温度検出装置 144が検出した供給温度 Tl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 T 1以上となれば、ステップ S 7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 1721、第 1力ソードガス供給口 1731及び第 1伝熱媒体供給口 1741が形成されていない。また、アノードガス導入開閉部 2821、力ソードガス導入開閉部 2831及び伝熱媒体導入開閉部 2841が省略されている。これによつて、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 421、力ソードガス供給系統 431及び伝熱媒体供給系統 441 は、第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731及び第 2伝熱媒体供給口 2741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 2721、力ソードガス供給口 2731及び伝熱媒体供給口 2741をそれぞれ単数とすることができるので、スタツク 100を従来の燃料電池システムのアノードガス供給系統、力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は従来のスタツ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、力ソードガス及び伝熱媒体を、第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731及び第 2伝熱媒体供給口 2741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 1841を開放する。これによつて、伝熱媒体は、伝熱媒体導入路 2941及び第 2伝熱媒体供給マ二ホールド 3941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-ホールド 1941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、力ソードガス及び伝熱媒体を、第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731及び第 2伝熱媒体供給口 2741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 1821及び力ソードガス供給開閉部 1831を開放する。これによつて、アノードガスは、アノードガス導入路 2921及び第 2アノードガス供給マ-ホールド 3921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ァノードガス供給マ-ホールド 1921にも供給される。力ソードガスは、力ソードガス導入路 2 931及び第 2力ソードガス供給マ-ホールド 3931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力ソードガス供給マ-ホールド 1931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。

(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力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。

[0209] 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、る。

[0210] 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 1821、力ソードガス供給開閉部 1831、伝熱媒体供給開閉部 1841、アノードガス導入開閉部 2821、力ソードガス導入開閉部 2831、及び伝熱媒体導入開閉部 2841を省略して、アノードガス供給系統 421、力ソードガス供給系統 431及び伝熱媒体供給系統 441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。

[0211] 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。

[0212] 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ァノードガス供給マ-ホールド 1921、 3921、 5921、第 1乃至第 3力ソードガス供給マ- ホールド 1931、 3931、 5931及び第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941、 39 41、 5941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 1821、力ソードガス供給開閉部 1831及び伝熱媒体供給開閉部 1841は省略されている。また、アノードガス導入開閉部 2821、力ソードガス導入開閉部 2831及び伝熱媒体導入開閉部 2841の部分は、それぞれ貫通孔 2521、 253 I、 2541が形成されている構成となっている。

[0213] また、第 3サブスタック Rには第 3アノードガス供給マ-ホールド 5921、第 3力ソードガス供給マ-ホールド 5931及び第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 5941が構成されている。

[0214] 第 3アノードガス供給マ-ホールド 5921は、第 1及び第 2中間集電体 552、 553それぞれの貫通孔 3521、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 4921、端部集電体 51の貫通孔 3521,ならびに絶縁板 6 1の貫通孔 3621を経由して第 3アノードガス供給口 3721に接続されている。

[0215] 同様にして、第 3力ソードガス供給マ-ホールド 5931は、第 1及び第 2中間集電体 5 52、 553それぞれの貫通孔 3531、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力ソードガス導入路 4931、端部集電体 51の貫通孔 3531,ならびに絶縁板 61の貫通孔 3631を経由して第 3力ソードガス供給口 3731に接続されている。 [0216] 同様にして、第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 5941は、第 1及び第 2中間集電体 552 、 553それぞれの貫通孔 3541、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 4941、端部集電体 51の貫通孔 3541,ならびに絶縁板 61の貫通孔 3641を経由して第 3伝熱媒体供給口 3741に接続されている。

[0217] 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力ソードセパレータ 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力ソードセパレータ 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伝熱媒体マ二ホールド孔 1241 、 1341、第 2伝熱媒体マ-ホールド孔 3241、 3341、及び第 3伝熱媒体マ-ホールド孔 4241、 4341、それぞれからの流路が形成されている。

[0218] 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力ソードセパレータ 19Cには、第 2アノードガス導入路 4921を形成する貫通孔 5221、 5321がそれぞれ貫通孔 2221、 2321に並んで形成されている。また、第 2力ソードガス導入路 4 931を形成する貫通孔 5231、 5331がそれぞれ貫通孔 2231、 2331に並んで形成されている。さらに、第 2伝熱媒体導入路 4941を形成する貫通孔 5241、 5341がそれぞれ貫通孔 2241、 2341に並んで形成されている。

[0219] 図 19の（c)〖こ示すように、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 5221、 5231、 5241がそれぞれ形成されている。

[0220] 図 19の（d)〖こ示すように、第 2力ソードセパレータ 29Cには、第 1力ソードセパレータ 19Cと同様に、貫通孔 5321、 5331、 5341がそれぞれ形成されている。

[0221] 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-ホールド 5921を形成する第 3アノードガス供給マ-ホールド孔 4221、第 3カソードガス供給マ-ホールド 5931を形成する第 3力ソードガス供給マ-ホールド孔 4231、ならびに第 3伝熱媒体供給マ二ホールド 5941を形成する第 3伝熱媒体供給マ二ホールド孔 4241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- ホールド孔 4221から伸びて構成されて!、る。

[0222] 図 19の（f)に示すように、第 3力ソードセパレータ 39Cには、第 3アノードガス供給マ二ホールド 5921を形成する第 3アノードガス供給マ-ホールド孔 4321、第 3力ソードガス供給マ-ホールド 5931を形成する第 3力ソードガス供給マ-ホールド孔 4331、ならびに第 3伝熱媒体供給マ二ホールド 5941を形成する第 3伝熱媒体供給マ二ホールド孔 4341が形成されている。力ソードガス流路溝 31は、第 3力ソードガス供給マ-ホ一ルド孔 4331から伸びて構成されて!、る。

[0223] このような構成により、スタック 500は、アノードガス、力ソードガス及び伝熱媒体の供給開閉部 1821, 1831、 1841ならびに導入開閉部 2821, 2831、 2841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。

[0224] 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ァノードガス、力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。

[0225] 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の数力相互に異なって、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。

[0226] 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。

[0227] 第 3アノードガス供給口 3721には、アノードガス供給系統 421が接続されている。また、アノードガス供給系統 421には、第 1乃至第 3アノードガス供給口 1721、 2721、 3 731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。

[0228] 同様にして、第 3力ソードガス供給口 3731には、力ソードガス供給系統 431が接続されている。また、力ソードガス供給系統 431には、第 1乃至第 3力ソードガス供給口 17 31、 2731、 3731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力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。

[0229] 第 3伝熱媒体供給口 3741には、伝熱媒体供給系統 441が接続されて、る。また、伝熱媒体供給系統 441には、第 1乃至第 3伝熱媒体供給口 1741、 2741、 3741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。

[0230] また、伝熱媒体供給系統 441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 3741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 4 44が増設されている。

[0231] 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。

[0232] 制御装置 200がアノードガス供給系統 421及び力ソードガス供給系統 431の弁 501 V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。

[0233] 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!、て、外部の電力負荷の大きさに基づ、て、電力負荷に最も発電出力 Dが近くなるように、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 421及び力ソードガス供給系統 431を制御してアノードガス及び力ソードガスの供給を切り換える。

[0234] これによつて、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 421及び力ソードガス供給系統 431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。

[0235] 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 1821及び力ソードガス供給開閉部 1831、ならびにアノードガス導入開閉部 2821及び力ソードガス導入開閉部 2831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、いずれ力 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。

[0236] また、サブスタック P, Q, Rへのアノードガス及び力ソードガスの供給を切り換えによつて、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。

[0237] 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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921は、スタック 500の積層方向力も見て、互ヽに隣接して配置されて、ることが好まし、。

[0238] 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。

[0239] アノードガスは、第 1乃至第 3アノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921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 21 Aという。

[0240] また、アノードガス流路溝 21にお、て、第 1乃至第 3アノードガス供給マ-ホールド孔 1221, 3221, 4221からそれぞれ第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29A, 39 A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のヽずれか）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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921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。

[0241] スタック 500の積層方向力も見て、第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29A, 39 A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、ァノードガス入口部 21Bの長さは、第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29A, 39Aによつて異なる。

[0242] 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力も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力も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-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力も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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921は、スタック 500の積層方向力も見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。

[0243] 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、ァノードガス供給マ-ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5221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力ソードセパレータ 19Cに形成されている、アノードガス供給マ-ホールド孔 1321及び貫通孔 2321, 5321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-ホールド孔 3221及び貫通孔 5221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力ソードセパレータ 29Cに形成されている、ァノードガス供給マ-ホールド孔 3321及び貫通孔 5321は、互いに隣接して形成されていることが好ましい。

[0244] 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力も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。

[0245] 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-ホールド 1931, 3931, 5931は、スタック 500の積層方向力も見て、互ヽに隣接して配置されて、ることが好まし、。

[0246] 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。

[0247] 力ソードガスは、第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931それぞれから第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29C, 39Cのそれぞれの力ソードガス流路溝 31へと通流する。これらの力ソードガス流路溝 31において、最初に MEA 5の力ソード側触媒層 2C及び力ソード側ガス拡散層 4Cに到達する部分を力ソードガス到達部 31 Aという。

[0248] また、力ソードガス流路溝 31にお、て、第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド孔 1331, 3331, 4331からそれぞれ第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29C, 39 Cの力ソードガス到達部 31 Aに至るまでの部分を、力ソードガス入口部 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のヽずれか）と力ソード側触媒層 2C及び力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-ホールド 1931, 3931, 5931と力ソード側触媒層 2C及び力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)を力ソード隙間という。

[0249] スタック 500の積層方向力も見て、第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29C, 39 Cのそれぞれの力ソードガス到達部 31 A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力ソードセパレータ 19C, 29C, 39Cによつて異なる。

[0250] ここで、力ソードガス入口部 31Bの一部と力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、力ソードガス入口部 31B力も力ソード隙間へと漏出する力ソードガスの量が増大する傾向となる。力ソードガス入口部 31B力も力ソード隙間へ流れ込んだ力ソードガスは、力ソード側触媒層 2C及び力ソード側ガス拡散層 4Cの中を流れずに、この力ソード隙間の中を優先的に流れて力ソードガス排出マ-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力ソードガスが増え、力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、力ソードガス入口部 31B力も力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の一部と力ソード隙間とが、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、力ソードガス入口部 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 力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931は、スタック 500の積層方向力も見て、互いに隣接して配置されていることが好ましい。

[0251] 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、ァノードガス供給マ-ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5221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力ソードセパレータ 19Cに形成されている、アノードガス供給マ-ホールド孔 1321及び貫通孔 2321, 5321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-ホールド孔 3221及び貫通孔 5221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力ソードセパレータ 29Cに形成されている、ァノードガス供給マ-ホールド孔 3321及び貫通孔 5321は、互いに隣接して形成されていることが好ましい。

[0252] この構成により、力ソードガス入口部 31Bの長さを十分に短くすることができるので、力ソードガス入口部 31B力も力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の力ソードガス入口部 31Bの長さの差が小さくなるので、各サブスタック P, Q, Rの力ソードガス流路溝 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。

[0253] 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-ホールド 1941, 3941, 5941は、スタック 500の積層方向力も見て、互 Vヽに隣接して配置されて、ることが好まし、。

[0254] 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。 [0255] スタック 500の積層方向力も見て、第 1アノードセパレータ 19Aの伝熱媒体流路溝 2 6及び第 1力ソードセパレータ 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力ソードセパレータ 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力ソードセパレータ 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 2 6及び第 2力ソードセパレータ 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力ソードセパレータ 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!ヽる。

[0256] 伝熱媒体は、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941それぞれ力も第 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, 2 9A, 39Aのいずれ力）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。

[0257] また、伝熱媒体は、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941それぞれから第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29C, 39Cのそれぞれの伝熱媒体流路溝 36を通流して、最初に力ソードセパレータ (第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19 C, 29C, 39Cのいずれ力）を介して MEA5の力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。

[0258] また、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1241, 3241, 4241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-ホールド孔 1341, 3341, 4341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)とヽぅ。

[0259] ここで、スタック 500の積層方向力も見て、第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29 A, 39 Aの伝熱媒体到達部 26 A、及び、第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29C , 39Cの伝熱媒体到達部 36Aは、略同一の位置である。

[0260] また、スタック 500の積層方向力も見て、第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29 A, 39Aの伝熱媒体入口部 26Bの断面と、第 1乃至第 3力ソードセパレータ 19C, 29 C, 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力ソードセパレータ 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, 3 9Aの伝熱媒体入口部 26Bと同様なので、説明を省略する。

[0261] 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, 2 9A, 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-ホールド 1941, 3941 , 5941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。これによつて、第 1乃至第 3アノードセパレータ 19A, 29A, 3 9A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,尺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。

[0262] 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ァノードセパレータ 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-ホールド 1941, 3941, 5941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。

[0263] 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-ホールド孔 1241及び貫通孔 2241, 5241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、力ソードセパレータ 19C に形成されている、伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1341及び貫通孔 2341, 5341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-ホールド孔 3241 及び貫通孔 5241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、力ソードセパレータ 29Cに形成されている、伝熱媒体供給マ二ホールド孔 3341及び貫通孔 5341は、互いに隣接して形成されていることが好ましい。

[0264] 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。

[0265] ここで、第 1乃至第 3アノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921は、スタック 5 00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-ホールド 1921, 3921, 5921が、スタック 500の積層方向力も見て、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、スタツク 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-ホールド 1921, 3921 , 5921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-ホールド（第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941、アノードガス排出マ-ホールド 92E、カソードガス排出マ-ホールド 93E、伝熱媒体排出マ-ホールド 94E)は配置されていない

[0266] 例えば、アノードガス供給マ二ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5221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二ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5 221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、ァノードガス供給マ-ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5221のうちの少なくともいずれか 1S 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二ホールド孔 1221及び貫通孔 2221, 5221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、てもよ、。

[0267] また、第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931が、スタック 50 0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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921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力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931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力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931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-ホールド（第 1乃至第 3アノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5 921、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941、アノードガス排出マ-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E、伝熱媒体排出マ-ホールド 94E)は配置されていない。

[0268] また、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921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-ホールド 1941, 3941, 5941力スタック 50 0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の積層方向力も見て、第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941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-ホールド（第 1乃至第 3アノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921、第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931、アノードガス排出マ-ホールド 92E、力ソードガス排出マ-ホールド 93E、伝熱媒体排出マ-ホールド 94E)は配置されて!、な!/、。

[0269] (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。

[0270] 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。

[0271] 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-ホールド 5921、第 3力ソードガス供給マ-ホールド 5931、及び第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 5941が他端の端板 70に構成された第 3アノードガス供給口 3721、第 3力ソードガス供給口 3731、及び第 3伝熱媒体供給口 3741に、絶縁板 60及び端部集電体 50 に形成された貫通孔 3521, 3531, 3541、 3621, 3631, 3641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 4921、第 2カソードガス導入路 4931、及び第 3伝熱媒体導入路 4941を不要として省略することができる。また、図示しなヽ力第 1及び第 2中集電体 652, 653の貫通孑し 3521, 3531 も省略することができる。さら〖こ、第 3サブスタック Rの第 3セル 310の各種供給マ-ホ一ルド孔とアノードガス流路溝 21、力ソードガス流路溝 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-ホールド孔 4121、 4221、 4321は、第 1セル 110の第 1アノードガス供給マ-ホールド孔 1121、 1221、 1321と同じ位置に構成することができる。第 3セル 310の第 3力ソードガス供給マ-ホールド孔 4131、 4231、 4331は、第 1セル 110の第 1力ソードガス供給マ-ホールド孔 1131、 1231、 1331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-ホールド孔 4141、 4241 、 4341は、第 1セル 110の第 1伝熱媒体供給マ-ホールド孔 1141、 1241、 1341と同じ位置に構成することができる。

[0272] 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。

[0273] 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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921, 5921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-ホールド 1921, 3921, 5921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-ホールド 5921は、第 1及び 2第アノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921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、てもよ、。

[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カソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931は、上述の第 5実施形態の第 1乃至第 3 力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931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力ソードガス供給マ-ホールド 5931は、第 1及び 2第力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931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、てもよ、。

[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伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941は、上述の第 5実施形態の第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941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伝熱媒体供給マ二ホールド 5941は、第 1及び 2第伝熱媒体供給マ二ホールド 1941, 3941のうちのいずれかと、スタック 500の積層方向力見て、少なくとも一部が重複するように形成されて、てもよ、。

[0276] (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。

[0277] 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。

[0278] 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,尺に分割して!/、る実施形態である。

[0279] 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 2921、力ソードガス導入路 2931、及び伝熱媒体導入路 2941、第 2アノードガス供給口 2721、第 2力ソードガス供給口 2731、及び第 2伝熱媒体供給口 2741は省略されて、る。

[0280] 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段階の発電出カレべルを構成することができる。

[0281] 以上のように、スタック 100、 500, 600、 700は、アノードガス及び力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- 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力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、 ME A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

[0282] 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。

[0283] また、本発明のスタック 100、 500, 600、 700ίま、中集電体 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 Ρ, 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-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。

[0284] また、スタック 500, 600は、各サブスタック Ρ, Q, Rにそれぞれ独立してアノードガス、力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、いずれ力 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 421及び力ソードガス供給系統 431、あるいはスタック 10 0のアノードガス供給開閉部 1821及び力ソードガス供給開閉部 1831ならびにァノードガス導入開閉部 2821及び力ソードガス導入開閉部 2831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力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。

[0285] 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力ソードガスを供給する前に、アノードガス供給系統 421及び力ソードガス供給系統 431、あるいはスタック 100のアノードガス供給開閉部 1821及び力ソードガス供給開閉部 1831ならびにアノードガス導入開閉部 2821及び力ソードガス導入開閉部 2831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力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。

[0286] 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ァノードガス供給マ-ホールド 1921, 3921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-ホールド 1921, 3921, 5921と同様に、スタック 500の積層方向力も見て、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- ホールド 3921は、第 1アノードガス供給マ-ホールド 1921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、てもよ、。

[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カソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931は、上述の第 5実施形態の第 1乃至第 3力ソードガス供給マ-ホールド 1931, 3931, 5931と同様に、スタック 500の積層方向力も見て、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力ソードガス供給マ- ホールド 3931は、第 1力ソードガス供給マ-ホールド 1931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、てもよ、。

[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伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941は、上述の第 5実施形態の第 1乃至第 3伝熱媒体供給マ-ホールド 1941, 3941, 5941と同様に、スタック 500の積層方向力見て、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-ホールド 39 41は、第 1伝熱媒体供給マ-ホールド 1941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、てもよ、。

[0289] 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。

[0290] 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。

[0291] また、例えば、各開閉部 1821、 1831、 1841、 2821、 2831、 2841は、それぞれ貫通孔 1521、 1531、 1541、 2521、 2531、 2541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ちでさる。

[0292] さらに、アノードガス導入開閉部 2821、力ソードガス導入開閉部 2831及び伝熱媒体導入開閉部 2841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 2921、 2931、 2941とマ-ホールド 3921、 3931、 3941 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 S 5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。

[0293] 各供給口 1721, 1731, 1741、 2721, 2731, 2741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 421、力ソードガス供給系統 431及び伝熱媒体供給系統 4 41の配設位置に応じて、好適な方の端板 70, 71に供給口 1721, 1731, 1741、 272 I, 2731, 2741及び各排出口 72E、 73E、 74Eを構成することができる。

[0294] また、第 3セノレ 310に ίま、貫通孑し 2121、 2131、 2141、 2221、 2231、 2241、 2321、 2 331、 2341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。

[0295] 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

[0296] 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、アノードガス及び力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、 ΜΕΑ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。

Claims

請求の範囲

[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-ホールド及び力ソードガス供給マ-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、る燃料電池スタックであって、

V、ずれかの前記サブスタックの前記アノードガス供給マ-ホールドに接続する、 1以上のアノードガス供給口と、

V、ずれかの前記サブスタックの前記力ソードガス供給マ-ホールドに接続する、 1以上の力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、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！、る、伝熱媒体供給マ二ホールドと、

V、ずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マ-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-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力ソードガス供給マ-ホールドに接続する、力ソードガス導入路と、

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-ホールドにそれぞれ接続して、る、請求項 3に記載の燃料電池スタック。

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、

前記中央部サブスタックの前記アノードガス供給マ-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-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力ソードガス供給マ-ホールドと前記端部サブスタックの前記力ソードガス供給マ-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、力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二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-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、

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、前記力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力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ぉ、て、外部の電力負荷の大きさに基づ、て、前記電力負荷に最も発電出力が近くなるように、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、前記力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ヽずれかを制御してアノードガス及び力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、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ァノードガス及び前記力ソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記力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、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力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、伝熱媒体供給マ二ホールドと、

V、ずれかの前記サブスタックの前記伝熱媒体供給マ-ホールドに接続する、 1以上の伝熱媒体供給口と、を有し、

前記第 2判定に基づ、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ツクに前記アノードガス及び前記力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、

前記力ソードガス供給口に接続されている力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、いずれ力 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、前記力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〖こ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力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ツクを選定し、かつ、前記アノードガス供給系統、前記力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、ずれか〖こよって前記アノードガス及び前記力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、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力ソードガスを供給する前に、前記アノードガス供給系統、前記力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つ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力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。