固体高分子形燃料電池発電システム
【課題】ガス流通方向に対するサブスタックの位置を切り換える切換手段に異常を生じても、発電運転を問題なく継続できる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】水素ガス１の流通経路を直列ループ状とするように第一，二のサブスタック１１１，１１２を接続し、水素ガス供給源１３０と各サブスタック１１１，１１２との間を断接するメインバルブ１０１，１０２と、サブスタック１１１，１１２の間を断接するメインバルブ１０３，１０４と、前記バルブ１０１〜１０４に対して直列的に設けられたサブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂ及び並列的に設けられたバイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａと、サブスタック１１１，１１２のガス流通方向での位置を切り換えるように前記バルブ１０１〜１０４を制御すると共に、電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて前記バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する制御装置１４０とを備える。
【解決手段】水素ガス１の流通経路を直列ループ状とするように第一，二のサブスタック１１１，１１２を接続し、水素ガス供給源１３０と各サブスタック１１１，１１２との間を断接するメインバルブ１０１，１０２と、サブスタック１１１，１１２の間を断接するメインバルブ１０３，１０４と、前記バルブ１０１〜１０４に対して直列的に設けられたサブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂ及び並列的に設けられたバイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａと、サブスタック１１１，１１２のガス流通方向での位置を切り換えるように前記バルブ１０１〜１０４を制御すると共に、電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて前記バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する制御装置１４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電システムは、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスの流路及び酸素ガスを含有する酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して構成される固体高分子形燃料電池を備えており、当該燃料電池の上記セルの前記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、上記セルの前記酸化極側に酸化ガスを供給すると、前記水素ガス及び前記酸素ガスが上記セルで電気化学的に反応して、電力を発生することができるようになっている。そして、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化ガスは、上記電気化学反応に伴って生じた生成水と共に上記燃料電池の外部へ排出される。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガスとして水素ガスそのものを利用し、前記酸化ガスとして酸素ガスそのものを利用する場合には、例えば、下記特許文献１，２等に開示されているように、セルとセパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記ガスの流通経路をそれぞれ直列ループ状にするように複数（例えば２つ）接続して固体高分子形燃料電池を構成し、前記ガスの流通方向上流側に位置するサブスタックと前記ガスの流通方向下流側に位置するサブスタックとを所定期間毎に切り換えるようにバルブ開閉を行うことにより、上記サブスタックに供給した前記ガスを上記発電運転でほとんどすべて消費させながらも、前記生成水を当該サブスタック内に滞留させることなく外部へ排出できるようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４７１７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１７９号公報
【特許文献３】特開２００９−０２６６３２号公報
【特許文献４】特開２００９−１５８２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１，２等に開示されている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、例えば、ガス流通方向に対するサブスタックの位置を所定期間毎に切り換えるバルブに何らかの異常を生じて、上記サブスタックの切り換えに不具合を生じてしまうと、発電運転を行なうことが短時間でできなくなってしまうおそれがあった。
【０００６】
このようなことから、本発明は、ガス流通方向に対するサブスタックの位置を切り換える切換手段に異常を生じたとしても、発電運転を問題なく継続することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記燃料ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記燃料ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の前記燃料ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記燃料ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【０００８】
また、第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【０００９】
また、第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御し、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【００１０】
また、第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスに圧力損失を付与する燃料ガス用圧損付与手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスの流量を検知する燃料ガス用圧損付与量検知手段を備え、前記燃料ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、前記制御手段が、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものであることを特徴とする。
【００１２】
また、第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の前記燃料ガスの流通量を計測するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスに圧力損失を付与する酸化ガス用圧損付与手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第七番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスの流量を検知する酸化ガス用圧損付与量検知手段を備え、前記酸化ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、前記制御手段が、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものであることを特徴とする。
【００１５】
また、第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第八番目の発明において、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の前記酸化ガスの流通量を計測するものであることを特徴とする。
【００１６】
また、第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１７】
また、第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１８】
また、第十二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１９】
また、第十三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００２０】
また、第十四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四〜六，十，十二番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００２１】
また、第十五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，七〜九，十一，十三番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、前記最上流位置切換手段や前記最下流位置切換手段に不具合を生じたとしても、前期切換不具合検出手段からの情報に基づいて、制御手段が、前記切換サブ手段や前記切換バイパス手段を制御することにより、発電運転を問題なく継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の定常運転時の作動説明図である。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の異常発生時の作動説明図である。
【図４】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の他の異常発生時の作動説明図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図６】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図７】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態におけるサブスタックの電流値と開度調整バルブのガス流量、開度、圧力損失との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２５】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すように、固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して構成された複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２を、燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続すると共に、酸化ガスの流通経路も直列ループ状にするように接続した構造となっている。
【００２７】
各前記サブスタック１１１，１１２の各燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１を供給する燃料ガス供給手段である水素ガス供給源１３０が接続している。また、各前記サブスタック１１１，１１２の各酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガスを供給する酸化ガス供給手段である酸素ガス供給源が接続している（図示省略）。
【００２８】
前記水素ガス供給源１３０と各前記サブスタック１１１，１１２の各前記燃料ガス受入口との間には、電磁式のメインバルブ１０１，１０２がそれぞれ配設されると共に、当該メインバルブ１０１，１０２を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂが当該メインバルブ１０１，１０２に対して並列的にそれぞれ設けられている。これらバイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０１ａ，１０２ａがそれぞれ設けられている。
【００２９】
また、前記水素ガス供給源１３０と各前記サブスタック１１１，１１２の各前記燃料ガス受入口との間、より具体的には、前記サブスタック１１１，１１２と前記メインバルブ１０１，１０２との間には、電磁式のサブバルブ１０１ｂ，１０２ｂが当該メインバルブ１０１，１０２に対して直列的にそれぞれ設けられている。
【００３０】
前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式のメインバルブ１０３が介在している。
【００３１】
そして、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記ドレントラップ１２１と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、前記メインバルブ１０３を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０３Ｂが当該メインバルブ１０３に対して並列的に設けられている。このバイパスライン１０３Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０３ａが設けられている。
【００３２】
また、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記メインバルブ１０３と前記第二のサブスタック１１２との間には、電磁式のサブバルブ１０３ｂが当該メインバルブ１０３に対して直列的に設けられている。
【００３３】
前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式のメインバルブ１０４が介在している。
【００３４】
そして、前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記ドレントラップ１２２と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、前記メインバルブ１０４を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０４Ｂが当該メインバルブ１０４に対して並列的に設けられている。このバイパスライン１０４Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０４ａが設けられている。
【００３５】
また、前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記メインバルブ１０４と前記第一のサブスタック１１１との間には、電磁式のサブバルブ１０４ｂが当該メインバルブ１０４に対して直列的に設けられている。
【００３６】
このような本実施形態においては、前記メインバルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂ、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０２ａ等により燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段を構成し、前記サブバルブ１０１ｂ、１０２ｂ等により燃料ガス用最上流位置切換サブ手段を構成し、前記メインバルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バイパスライン１０３Ｂ，１０４Ｂ、前記バイパスバルブ１０３ａ，１０４ａ等により燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段を構成し、前記サブバルブ１０３ｂ，１０４ｂ等により燃料ガス用最下流位置切換サブ手段を構成している。
【００３７】
なお、図面の煩雑化を避けるため、前記酸化ガス供給手段を始めとして、酸化ガス用気液分離手段、酸化ガス用最上流位置切換手段、酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、酸化ガス用最下流位置切換手段、酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用気液分離手段、燃料ガス用最上流位置切換手段、燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段、燃料ガス用最上流位置切換サブ手段、燃料ガス用最下流位置切換手段、燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段、燃料ガス用最下流位置切換サブ手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。また、温調水流通手段等の温調水系統等も、図面の煩雑化を避けるため、その記載を省略しているものの、従来の固体高分子形燃料電池発電システムの場合と同様にして備えられている。
【００３８】
そして、前記サブスタック１１１，１１２には、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧を計測する燃料ガス用切換不具合検出手段（酸化ガス用切換不具合検出手段も兼ねる）である電圧計１４１，１４２がそれぞれ電気的に接続している。これら電圧計１４１，１４２は、制御手段である制御装置１４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３９】
前記制御装置１４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂにそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置１４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等も制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００４０】
このようにして構成された本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。なお、燃料ガス系統と酸化ガス系統とは、実質的に同様に作動することから、説明の煩雑化を避けるため、燃料ガス系統側の説明をもって酸化ガス系統側の説明に代えて、酸化ガス系統の詳細な説明を省略することとする。
【００４１】
まず、前記制御装置１４０を作動させると、当該制御装置１４０は、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａを閉鎖すると共に、前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂを開放する一方、前記メインバルブ１０２，１０４を閉鎖すると共に、前記メインバルブ１０１，１０３を開放するように、これらバルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図２Ａ参照）。
【００４２】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記メインバルブ１０１及び前記サブバルブ１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離された後、前記メインバルブ１０３及び前記サブバルブ１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００４３】
このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、送給された水素ガス１（残りの約半分）のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００４４】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記メインバルブ１０２，１０４を開放すると共に、前記メインバルブ１０１，１０３を閉鎖するように、当該メインバルブ１０１〜１０４を制御する（図２Ｂ参照）。
【００４５】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記メインバルブ１０２及び前記サブバルブ１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、当該流路内に滞留している水３を押し出しながら、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２３で当該生成水２を分離された後、前記メインバルブ１０４及び前記サブバルブ１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００４６】
このとき、前記第一のサブスタック１１１においては、送給された水素ガス１（残りの約半分）のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００４７】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記メインバルブ１０１，１０３を開放すると共に、前記メインバルブ１０２，１０４を閉鎖するように、当該メインバルブ１０１〜１０４を制御する（図２Ａ参照）。
【００４８】
以下、前記制御装置１４０が上述した前記メインバルブ１０１〜１０４の制御を繰り返すことにより、前記固体高分子形燃料電池は、水素ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック（例えば、第二のサブスタック１１２）を当該流通方向最上流側に位置させると共に、当該流通方向最上流側に位置する前記サブスタック（例えば、第一のサブスタック１１１）を当該流通方向最下流側に位置させるように前記メインバルブ１０１〜１０４が切り換え制御されるので、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０から送給された水素ガス１をほとんどすべて発電に使用することができるようになる。
【００４９】
また、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、酸素ガス供給源から送給された酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができるようになる（より詳しくは前記特許文献１，２等参照）。
【００５０】
このようにして発電運転を行なっている際に、何らかの原因で、例えば、すべての前記メインバルブ１０１〜１０４が開放できずに閉鎖した状態のままになってしまうと、前記サブスタック１１１，１１２に前記水素ガス１が供給されなくなり、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧が低下するため、前記制御装置１４０は、前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧値が規定値以下になると、前記メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断し、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａを開放すると共に、前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ，１０３ａ，１０２ｂ，１０４ｂを制御する（前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａは閉鎖状態、前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂは開放状態のまま）（図３Ａ参照）。
【００５１】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記バイパスバルブ１０１ａ及び前記サブバルブ１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バイパスバルブ１０３ａ及び前記サブバルブ１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５２】
そして、前記制御装置１４０は、先の説明と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図３Ｂ参照）。
【００５３】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バイパスバルブ１０２ａ及び前記サブバルブ１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バイパスバルブ１０４ａ及び前記サブバルブ１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５４】
引き続き、前記制御装置１４０は、先の説明と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図３Ａ参照）。
【００５５】
以下、前記制御装置１４０が上述した前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの制御を繰り返すことにより、前記メインバルブ１０１〜１０４の開放不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００５６】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの開放不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００５７】
また、何らかの原因で、例えば、すべての前記メインバルブ１０１〜１０４が閉鎖できずに開放した状態のままになってしまうと、前記第一のサブスタック１１１と前記第二のサブスタック１１２との両方に水素ガス１が全供給量の半分ずつ同時に供給されるようになってしまい、これらサブスタック１１１，１１２の両方共に内部から生成水２を排出できずに当該サブスタック１１１，１１２内に生成水２が滞留して、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧が低下するため、前記制御装置１４０は、前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧値が規定値以下になると、先に説明した場合と同様に、前記メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断し、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａを開放すると共に、前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ，１０３ａ，１０２ｂ，１０４ｂを制御する（前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａは閉鎖状態、前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂは開放状態のまま）（図４Ａ参照）。
【００５８】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記バルブ１０１，１０１ａ，１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バルブ１０３，１０３ａ，１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５９】
そして、前記制御装置１４０は、先に説明した場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図４Ｂ参照）。
【００６０】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０２，１０２ａ，１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バルブ１０４，１０４ａ，１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００６１】
引き続き、前記制御装置１４０は、先に説明した場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図４Ａ参照）。
【００６２】
以下、前記制御装置１４０が先に説明した場合と同様に上述した前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの制御を繰り返すことにより、前記メインバルブ１０１〜１０４の閉鎖不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００６３】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの閉鎖不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００６４】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、ガス流通方向に対するサブスタック１１１，１１２の位置を切り換えるメインバルブ１０１〜１０４等に異常を生じたとしても、発電運転を問題なく継続することができる。
【００６５】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図５に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６６】
図５に示すように、前記サブスタック１１１，１１２の前記燃料ガス受入口の近傍には、当該サブスタック１１１，１１２の当該燃料ガス受入口部分の圧力を計測する入側圧力計２４３，２４４がそれぞれ設けられている。前記サブスタック１１１，１１２の前記燃料ガス排出口の近傍には、当該サブスタック１１１，１１２の当該燃料ガス排出口部分の圧力を計測する出側圧力計２４４，２４６がそれぞれ設けられている。
【００６７】
このような本実施形態においては、前記圧力計２４３〜２４６等により燃料ガス用切換不具合検出手段を構成している。
【００６８】
なお、本実施形態においても、図面の煩雑化を避けるため、酸化ガス用切換不具合検出手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用切換不具合検出手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。
【００６９】
前記圧力計２４３〜２４６は、制御手段である制御装置２４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。この制御装置２４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂにそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置２４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記圧力計２４３〜２４６からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等も前述した実施形態の場合と同様に制御することができるようになっている（前述した実施形態と異なるところは後述する）。
【００７０】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様に作動させることにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記サブスタック１１１，１１２内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０からの水素ガス１及び酸素ガス供給源からの酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができる。
【００７１】
そして、発電運転を行なっている際に、何らかの原因で、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉に不具合を生じてしまうと、前記制御装置２４０は、前記圧力計２４３〜２４６からの情報に基づき、下記の表１に示すような条件に対応して、当該メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断して、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの開閉作動をさらに制御する。
【００７２】
【表１】
【００７３】
このような前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの作動により、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００７４】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの開閉不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００７５】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記電圧計１４１，１４２からの情報により、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉不具合の有無を検出して、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂをすべて同時に作動制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前記圧力計２４３〜２４６からの情報により、不具合を生じた前記メインバルブ１０１〜１０４を特定すると共にその不具合状態を特定して、当該不具合を解消するために必要な前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂのみを作動制御するようにしたのである。
【００７６】
このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００では、作動させる必要のない前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂを作動させずに済ますことができるので、上記不具合を解消させるのに要する上記バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの作動電力の無駄を削減することができる。
【００７７】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００によれば、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した実施形態の場合よりも省電力で不具合の解消を図ることができる。
【００７８】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図６，７に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７９】
図６に示すように、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口との間となる前記サブバルブ１０３ａの前記水素ガス１の流通方向下流側近傍位置には、電磁式の開度調整バルブ３５１が設けられている。前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口との間となる前記サブバルブ１０４ａの前記水素ガス１の流通方向下流側近傍位置には、電磁式の開度調整バルブ３５２が設けられている。
【００８０】
このような本実施形態においては、前記開度調整バルブ３５１，３５２等により燃料ガス用圧損付与手段を構成している。
【００８１】
なお、本実施形態においても、図面の煩雑化を避けるため、酸化ガス用圧損付与手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用圧損付与手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。
【００８２】
前記サブスタック１１１，１１２には、当該サブスタック１１１，１１２に流れた電流量を計測する燃料ガス用圧損付与量検知手段（酸化ガス用圧損付与量検知手段も兼ねる）である電流計３４７，３４８がそれぞれ電気的に接続している。これら電流計３４７，３４８及び前記圧力計２４３〜２４６は、制御手段である制御装置３４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。
【００８３】
前記制御装置３４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂ，３５１，３５２にそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置２４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記圧力計２４３〜２４６並びに上記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂ，３５１，３５２の開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段、酸化ガス用圧損付与手段等も前述した実施形態の場合と同様に制御することができるようになっている（前述した実施形態と異なるところは後述する）。
【００８４】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前述した第一，二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００，２００の場合と同様に作動させることにより、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記サブスタック１１１，１１２内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０からの水素ガス１及び酸素ガス供給源からの酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができる。
【００８５】
さらに、前記制御装置３４０は、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通する水素ガス１に一定の圧力損失Ｐ１を付与するように、前記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、当該開度調整バルブ３５１，３５２の開度を調整制御する。
【００８６】
すなわち、前記サブスタック１１１，１１２は、電流負荷が増加するほど、供給されるガス量も増加するため、図７に示すように、前記電流計３４７，３４８の電流値が大きくなるほど、ガス流通方向上流側に位置する前記サブスタック（例えば、第一のサブスタック１１１）のガス排出口側に位置する上記開度調整バルブ（例えば、開度調整バルブ３５１）を流通するガス流通量も次第に増加することから（ガス流通方向下流側に位置する前記サブスタック（例えば、第二のサブスタック１１２）のガス排出口側に位置する上記開度調整バルブ（例えば、開度調整バルブ３５２）にはガスが流通しない）、上記開度調整バルブ３５１，３５２の開度を調整することにより、当該ガスに常に一定の圧力損失値Ｐ１を付与することができるのである。
【００８７】
このため、例えば、前記サブスタック１１１，１１２内の流通によって付与される水素ガス１に対する圧力損失が小さい場合であっても、当該水素ガス供給源１３０から水素ガス１を供給される場合と、当該水素ガス１の流通方向上流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２の前記水素ガス排出口から排出された上記水素ガス１を供給される場合とにおいて、前記入側圧力計２４３，２４４で計測される当該水素ガス１の圧力値に明確な違いを生じさせることができる。
【００８８】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００によれば、前述した第二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、不具合を生じている前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合状態（特に、前記メインバルブ１０３，１０４が開放できずに閉鎖した状態のままのとき）をさらに確実に検知することができる。
【００８９】
［他の実施形態］
なお、前述した第三番目の実施形態においては、前記サブスタック１１１，１１２に流れた電流量を計測する前記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通するガスの流量を検知するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記サブスタック１１１，１１２の前記ガス排出口部分のガス流通量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該ガス流量計からの情報に基づいて、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通するガスの流量を検知するようにすることも可能である。
【００９０】
また、前述した第三番目の実施形態においては、前記ガスに常に一定の圧力損失Ｐ１を付与できる前記開度調整バルブ３５１，３５２を圧損付与手段として適用するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ガスを常に一定量以下で流通させるレデューサ等のような圧損付与手段を適用することも可能である。しかしながら、前述した第三番目の実施形態のように、開度調整バルブ３５１，３５２を圧損付与手段として適用すると、前記ガスに圧力損失を無駄に付与しなくて済ますことができ、無駄なエネルギ消費を抑えることができるようになるので好ましい。
【００９１】
また、前述した第三番目の実施形態においては、前記開度調整バルブ３５１，３５２等によって前記ガスに圧力損失を付与することにより、前記ガス供給源から前記ガスを供給される場合と、当該ガスの流通方向上流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口から排出された上記ガスを供給される場合との相違を明確に検知できるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口部分のガス流量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該スタック１１１，１１２に供給される前記ガスの流通量を計測することや（前記ガス供給源からの前記ガスは多い一方、前記スタック１１１，１１２の前記ガス排出口からの前記ガスは少ない。）、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口近傍に湿度計又は露点計を設け、当該スタック１１１，１１２に供給される前記ガスの湿度又は露点を計測すること（前記ガス供給源からの前記ガスは乾燥している一方、前記スタック１１１，１１２の前記ガス排出口からの前記ガスは加湿されている。）等によって、前記ガス供給源から前記ガスを供給される場合と、当該ガスの流通方向上流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口から排出された上記ガスを供給される場合との相違を明確に検知できるようにすることも可能である。
【００９２】
また、前述した第一番目の実施形態においては、前記スタック１１１，１１２に設けた前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断し、前述した第二，三番目の実施形態においては、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口及び前記ガス排出口の近傍に設けた前記圧力計２４３〜２４６等からの情報に基づいて、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口部分及び前記ガス排出口部分の前記ガスの流通量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該流量計からの情報に基づいて、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断するようにすることも可能である。
【００９３】
また、前述した第一~三番目の実施形態では、燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、運転時間を計測する前記タイマを設け、前記制御装置１４０，２４０，３４０が、当該タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間の経過により、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御するようにしたが、他の実施形態として、例えば、以下のようにすること等によっても、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００９４】
（１）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの送給量や酸化ガス供給手段からの酸化ガスの送給量を計測するガス流量計測手段（例えば、マスフローメータやオリフィス式ガス流量計等）を設け、制御手段が、当該ガス流量計測手段からの情報に基づいて、燃料ガスや酸化ガスの送給量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９５】
（２）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックに流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、前記サブスタックに流れた電流量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９６】
（３）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記セルの電圧を計測するセル電圧計測手段を設け、制御手段が、当該セル電圧計測手段からの情報に基づいて、予め設定されたセル電圧基準値よりも小さくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする（例えば、特開２００２−１５１１２５号公報等に記載されている技術の応用）。
【００９７】
（４）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス流通方向下流側の水分量を計測するセル水分計測手段を設け、制御手段が、当該セル水分計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの、前記ガス流通方向下流側の水分量が、予め設定された水分量基準値よりも大きくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９８】
（５）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタック内の圧損値を計測する圧損計測手段を設け、制御手段が、当該圧損計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタック内の圧損が、予め設定された圧損基準値よりも大きくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力損失が大きくなる）、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９９】
（６）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力を計測する排出口圧力計測手段を設け、制御手段が、当該排出口圧力計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力が、予め設定された圧力基準値よりも小さくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力が小さくなる）、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【０１００】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した固体高分子形燃料電池の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した各実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【０１０１】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガス系統及び酸化ガス系統の両者共に、前記最上流位置切換手段、前記最上流位置切換バイパス手段、前記最上流位置切換サブ手段、前記切換時期確認手段、前記切換不具合検出手段等を備えている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガス系統及び酸化ガス系統のいずれか一方のみに、前記最上流位置切換手段、前記最上流位置切換バイパス手段、前記最上流位置切換サブ手段、前記切換時期確認手段、前記切換不具合検出手段等を備えるようにすることも可能である。
【０１０２】
また、前述した各実施形態において、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０１ｂが非作動時に閉鎖状態となるタイプであり、前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂが非作動時に開放状態となるタイプであると、電力消費量を抑制することができ、システムの全体効率の低下を抑制することができるので好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、前記最上流位置切換手段や前記最下流位置切換手段に不具合を生じたとしても、前期切換不具合検出手段からの情報に基づいて、制御手段が、前記切換サブ手段や前記切換バイパス手段を制御することにより、発電運転を問題なく継続することができることから、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 水素ガス
２ 生成水
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０４ メインバルブ
１０１Ｂ〜１０４Ｂ バイパスライン
１０１ａ〜１０４ａ バイパスバルブ
１０１ｂ〜１０４ｂ サブバルブ
１１１ 第一のサブスタック
１１２ 第二のサブスタック
１２１，１２２ ドレントラップ
１３０ 水素ガス供給源
１４０ 制御装置
１４１，１４２ 電圧計
２００ 固体高分子形燃料電池発電システム
２４０ 制御装置
２４３ 入側圧力計
２４４ 出側圧力計
２４５ 入側圧力計
２４６ 出側圧力計
３００ 固体高分子形燃料電池発電システム
３４０ 制御装置
３４７，３４８ 電流計
３５１，３５２ 開度調整バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電システムは、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスの流路及び酸素ガスを含有する酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して構成される固体高分子形燃料電池を備えており、当該燃料電池の上記セルの前記燃料極側に燃料ガスを供給すると共に、上記セルの前記酸化極側に酸化ガスを供給すると、前記水素ガス及び前記酸素ガスが上記セルで電気化学的に反応して、電力を発生することができるようになっている。そして、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化ガスは、上記電気化学反応に伴って生じた生成水と共に上記燃料電池の外部へ排出される。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガスとして水素ガスそのものを利用し、前記酸化ガスとして酸素ガスそのものを利用する場合には、例えば、下記特許文献１，２等に開示されているように、セルとセパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記ガスの流通経路をそれぞれ直列ループ状にするように複数（例えば２つ）接続して固体高分子形燃料電池を構成し、前記ガスの流通方向上流側に位置するサブスタックと前記ガスの流通方向下流側に位置するサブスタックとを所定期間毎に切り換えるようにバルブ開閉を行うことにより、上記サブスタックに供給した前記ガスを上記発電運転でほとんどすべて消費させながらも、前記生成水を当該サブスタック内に滞留させることなく外部へ排出できるようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４７１７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１７９号公報
【特許文献３】特開２００９−０２６６３２号公報
【特許文献４】特開２００９−１５８２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１，２等に開示されている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、例えば、ガス流通方向に対するサブスタックの位置を所定期間毎に切り換えるバルブに何らかの異常を生じて、上記サブスタックの切り換えに不具合を生じてしまうと、発電運転を行なうことが短時間でできなくなってしまうおそれがあった。
【０００６】
このようなことから、本発明は、ガス流通方向に対するサブスタックの位置を切り換える切換手段に異常を生じたとしても、発電運転を問題なく継続することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記燃料ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記燃料ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の前記燃料ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記燃料ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【０００８】
また、第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【０００９】
また、第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段とを備え、前記制御手段が、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御し、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。
【００１０】
また、第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスに圧力損失を付与する燃料ガス用圧損付与手段を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスの流量を検知する燃料ガス用圧損付与量検知手段を備え、前記燃料ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、前記制御手段が、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものであることを特徴とする。
【００１２】
また、第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の前記燃料ガスの流通量を計測するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスに圧力損失を付与する酸化ガス用圧損付与手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第七番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスの流量を検知する酸化ガス用圧損付与量検知手段を備え、前記酸化ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、前記制御手段が、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものであることを特徴とする。
【００１５】
また、第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第八番目の発明において、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の前記酸化ガスの流通量を計測するものであることを特徴とする。
【００１６】
また、第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１７】
また、第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１８】
また、第十二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１９】
また、第十三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものであることを特徴とする。
【００２０】
また、第十四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一，三，四〜六，十，十二番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００２１】
また、第十五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二，三，七〜九，十一，十三番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、前記最上流位置切換手段や前記最下流位置切換手段に不具合を生じたとしても、前期切換不具合検出手段からの情報に基づいて、制御手段が、前記切換サブ手段や前記切換バイパス手段を制御することにより、発電運転を問題なく継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の定常運転時の作動説明図である。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の異常発生時の作動説明図である。
【図４】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の他の異常発生時の作動説明図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図６】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の燃料ガス系統側の主要部の概略構成図である。
【図７】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態におけるサブスタックの電流値と開度調整バルブのガス流量、開度、圧力損失との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２５】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すように、固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、燃料ガスの流路及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されると共に導電性を有するセパレータとを交互に複数積層して構成された複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２を、燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続すると共に、酸化ガスの流通経路も直列ループ状にするように接続した構造となっている。
【００２７】
各前記サブスタック１１１，１１２の各燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１を供給する燃料ガス供給手段である水素ガス供給源１３０が接続している。また、各前記サブスタック１１１，１１２の各酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガスを供給する酸化ガス供給手段である酸素ガス供給源が接続している（図示省略）。
【００２８】
前記水素ガス供給源１３０と各前記サブスタック１１１，１１２の各前記燃料ガス受入口との間には、電磁式のメインバルブ１０１，１０２がそれぞれ配設されると共に、当該メインバルブ１０１，１０２を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂが当該メインバルブ１０１，１０２に対して並列的にそれぞれ設けられている。これらバイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０１ａ，１０２ａがそれぞれ設けられている。
【００２９】
また、前記水素ガス供給源１３０と各前記サブスタック１１１，１１２の各前記燃料ガス受入口との間、より具体的には、前記サブスタック１１１，１１２と前記メインバルブ１０１，１０２との間には、電磁式のサブバルブ１０１ｂ，１０２ｂが当該メインバルブ１０１，１０２に対して直列的にそれぞれ設けられている。
【００３０】
前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式のメインバルブ１０３が介在している。
【００３１】
そして、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記ドレントラップ１２１と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、前記メインバルブ１０３を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０３Ｂが当該メインバルブ１０３に対して並列的に設けられている。このバイパスライン１０３Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０３ａが設けられている。
【００３２】
また、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記メインバルブ１０３と前記第二のサブスタック１１２との間には、電磁式のサブバルブ１０３ｂが当該メインバルブ１０３に対して直列的に設けられている。
【００３３】
前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式のメインバルブ１０４が介在している。
【００３４】
そして、前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記ドレントラップ１２２と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、前記メインバルブ１０４を経由させることなく上記水素ガス１を流通させるバイパスライン１０４Ｂが当該メインバルブ１０４に対して並列的に設けられている。このバイパスライン１０４Ｂには、電磁式のバイパスバルブ１０４ａが設けられている。
【００３５】
また、前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間の水素ガス１の流通経路、より具体的には、前記メインバルブ１０４と前記第一のサブスタック１１１との間には、電磁式のサブバルブ１０４ｂが当該メインバルブ１０４に対して直列的に設けられている。
【００３６】
このような本実施形態においては、前記メインバルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バイパスライン１０１Ｂ，１０２Ｂ、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０２ａ等により燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段を構成し、前記サブバルブ１０１ｂ、１０２ｂ等により燃料ガス用最上流位置切換サブ手段を構成し、前記メインバルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バイパスライン１０３Ｂ，１０４Ｂ、前記バイパスバルブ１０３ａ，１０４ａ等により燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段を構成し、前記サブバルブ１０３ｂ，１０４ｂ等により燃料ガス用最下流位置切換サブ手段を構成している。
【００３７】
なお、図面の煩雑化を避けるため、前記酸化ガス供給手段を始めとして、酸化ガス用気液分離手段、酸化ガス用最上流位置切換手段、酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、酸化ガス用最下流位置切換手段、酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用気液分離手段、燃料ガス用最上流位置切換手段、燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段、燃料ガス用最上流位置切換サブ手段、燃料ガス用最下流位置切換手段、燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段、燃料ガス用最下流位置切換サブ手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。また、温調水流通手段等の温調水系統等も、図面の煩雑化を避けるため、その記載を省略しているものの、従来の固体高分子形燃料電池発電システムの場合と同様にして備えられている。
【００３８】
そして、前記サブスタック１１１，１１２には、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧を計測する燃料ガス用切換不具合検出手段（酸化ガス用切換不具合検出手段も兼ねる）である電圧計１４１，１４２がそれぞれ電気的に接続している。これら電圧計１４１，１４２は、制御手段である制御装置１４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３９】
前記制御装置１４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂにそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置１４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等も制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００４０】
このようにして構成された本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。なお、燃料ガス系統と酸化ガス系統とは、実質的に同様に作動することから、説明の煩雑化を避けるため、燃料ガス系統側の説明をもって酸化ガス系統側の説明に代えて、酸化ガス系統の詳細な説明を省略することとする。
【００４１】
まず、前記制御装置１４０を作動させると、当該制御装置１４０は、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａを閉鎖すると共に、前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂを開放する一方、前記メインバルブ１０２，１０４を閉鎖すると共に、前記メインバルブ１０１，１０３を開放するように、これらバルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図２Ａ参照）。
【００４２】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記メインバルブ１０１及び前記サブバルブ１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って生じた生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該生成水２を分離された後、前記メインバルブ１０３及び前記サブバルブ１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００４３】
このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、送給された水素ガス１（残りの約半分）のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００４４】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記メインバルブ１０２，１０４を開放すると共に、前記メインバルブ１０１，１０３を閉鎖するように、当該メインバルブ１０１〜１０４を制御する（図２Ｂ参照）。
【００４５】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記メインバルブ１０２及び前記サブバルブ１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第二のサブスタック１１２において、当該流路内に滞留している水３を押し出しながら、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って新たに生じた生成水２及び滞留していた上記生成水２と共に各上記流路を流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２３で当該生成水２を分離された後、前記メインバルブ１０４及び前記サブバルブ１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、各前記セパレータの各前記流路内を流通し、当該第一のサブスタック１１１において、酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００４６】
このとき、前記第一のサブスタック１１１においては、送給された水素ガス１（残りの約半分）のほとんどが消費されて、燃料ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って生じた生成水２が、前記流路内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。
【００４７】
ここで、前記制御装置１４０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記メインバルブ１０１，１０３を開放すると共に、前記メインバルブ１０２，１０４を閉鎖するように、当該メインバルブ１０１〜１０４を制御する（図２Ａ参照）。
【００４８】
以下、前記制御装置１４０が上述した前記メインバルブ１０１〜１０４の制御を繰り返すことにより、前記固体高分子形燃料電池は、水素ガス１の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、水素ガス１の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック（例えば、第二のサブスタック１１２）を当該流通方向最上流側に位置させると共に、当該流通方向最上流側に位置する前記サブスタック（例えば、第一のサブスタック１１１）を当該流通方向最下流側に位置させるように前記メインバルブ１０１〜１０４が切り換え制御されるので、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０から送給された水素ガス１をほとんどすべて発電に使用することができるようになる。
【００４９】
また、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記流路内から生成水２を排出することができると同時に、酸素ガス供給源から送給された酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができるようになる（より詳しくは前記特許文献１，２等参照）。
【００５０】
このようにして発電運転を行なっている際に、何らかの原因で、例えば、すべての前記メインバルブ１０１〜１０４が開放できずに閉鎖した状態のままになってしまうと、前記サブスタック１１１，１１２に前記水素ガス１が供給されなくなり、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧が低下するため、前記制御装置１４０は、前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧値が規定値以下になると、前記メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断し、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａを開放すると共に、前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ，１０３ａ，１０２ｂ，１０４ｂを制御する（前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａは閉鎖状態、前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂは開放状態のまま）（図３Ａ参照）。
【００５１】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記バイパスバルブ１０１ａ及び前記サブバルブ１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バイパスバルブ１０３ａ及び前記サブバルブ１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５２】
そして、前記制御装置１４０は、先の説明と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図３Ｂ参照）。
【００５３】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バイパスバルブ１０２ａ及び前記サブバルブ１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バイパスバルブ１０４ａ及び前記サブバルブ１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５４】
引き続き、前記制御装置１４０は、先の説明と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図３Ａ参照）。
【００５５】
以下、前記制御装置１４０が上述した前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの制御を繰り返すことにより、前記メインバルブ１０１〜１０４の開放不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００５６】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの開放不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００５７】
また、何らかの原因で、例えば、すべての前記メインバルブ１０１〜１０４が閉鎖できずに開放した状態のままになってしまうと、前記第一のサブスタック１１１と前記第二のサブスタック１１２との両方に水素ガス１が全供給量の半分ずつ同時に供給されるようになってしまい、これらサブスタック１１１，１１２の両方共に内部から生成水２を排出できずに当該サブスタック１１１，１１２内に生成水２が滞留して、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧が低下するため、前記制御装置１４０は、前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、当該サブスタック１１１，１１２の前記セルの電圧値が規定値以下になると、先に説明した場合と同様に、前記メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断し、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａを開放すると共に、前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ，１０３ａ，１０２ｂ，１０４ｂを制御する（前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａは閉鎖状態、前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂは開放状態のまま）（図４Ａ参照）。
【００５８】
これにより、水素ガス供給源１３０内の水素ガス１が、前記バルブ１０１，１０１ａ，１０１ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バルブ１０３，１０３ａ，１０３ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００５９】
そして、前記制御装置１４０は、先に説明した場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図４Ｂ参照）。
【００６０】
これにより、水素ガス供給源１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０２，１０２ａ，１０２ｂを経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ送給されて、当該第二のサブスタック１１２において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応して（供給量の約半分）、電力が発生すると共に、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、先の説明と同様にして燃料ガス排出口から排出され、前記バルブ１０４，１０４ａ，１０４ｂを経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ送給され、当該第一のサブスタック１１１において、先の説明と同様にして酸化ガス系統の酸素ガスと前記セルで電気化学的に反応し、電力が発生する。
【００６１】
引き続き、前記制御装置１４０は、先に説明した場合と同様に、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バイパスバルブ１０１ａ，１０３ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ，１０３ｂを開放すると共に、前記バイパスバルブ１０２ａ，１０４ａ及び前記サブバルブ１０２ｂ，１０４ｂを閉鎖するように、当該バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御する（図４Ａ参照）。
【００６２】
以下、前記制御装置１４０が先に説明した場合と同様に上述した前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの制御を繰り返すことにより、前記メインバルブ１０１〜１０４の閉鎖不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００６３】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの閉鎖不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００６４】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、ガス流通方向に対するサブスタック１１１，１１２の位置を切り換えるメインバルブ１０１〜１０４等に異常を生じたとしても、発電運転を問題なく継続することができる。
【００６５】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図５に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６６】
図５に示すように、前記サブスタック１１１，１１２の前記燃料ガス受入口の近傍には、当該サブスタック１１１，１１２の当該燃料ガス受入口部分の圧力を計測する入側圧力計２４３，２４４がそれぞれ設けられている。前記サブスタック１１１，１１２の前記燃料ガス排出口の近傍には、当該サブスタック１１１，１１２の当該燃料ガス排出口部分の圧力を計測する出側圧力計２４４，２４６がそれぞれ設けられている。
【００６７】
このような本実施形態においては、前記圧力計２４３〜２４６等により燃料ガス用切換不具合検出手段を構成している。
【００６８】
なお、本実施形態においても、図面の煩雑化を避けるため、酸化ガス用切換不具合検出手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用切換不具合検出手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。
【００６９】
前記圧力計２４３〜２４６は、制御手段である制御装置２４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。この制御装置２４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂにそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置２４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記圧力計２４３〜２４６からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段等も前述した実施形態の場合と同様に制御することができるようになっている（前述した実施形態と異なるところは後述する）。
【００７０】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様に作動させることにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記サブスタック１１１，１１２内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０からの水素ガス１及び酸素ガス供給源からの酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができる。
【００７１】
そして、発電運転を行なっている際に、何らかの原因で、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉に不具合を生じてしまうと、前記制御装置２４０は、前記圧力計２４３〜２４６からの情報に基づき、下記の表１に示すような条件に対応して、当該メインバルブ１０１〜１０４に不具合を生じたと判断して、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの開閉作動をさらに制御する。
【００７２】
【表１】
【００７３】
このような前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂの作動により、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００７４】
そして、酸化ガス系統においても、上述した燃料ガス系統と同様にして構成されて作動するため、上述した燃料ガス系統の場合と同様に、メインバルブの開閉不具合に左右されることなく先の説明と同様に前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して順次切り換えることが何ら問題なくできる。
【００７５】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記電圧計１４１，１４２からの情報により、前記メインバルブ１０１〜１０４の開閉不具合の有無を検出して、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂをすべて同時に作動制御するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前記圧力計２４３〜２４６からの情報により、不具合を生じた前記メインバルブ１０１〜１０４を特定すると共にその不具合状態を特定して、当該不具合を解消するために必要な前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂのみを作動制御するようにしたのである。
【００７６】
このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００では、作動させる必要のない前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０４ａ及び前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂを作動させずに済ますことができるので、上記不具合を解消させるのに要する上記バルブ１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂの作動電力の無駄を削減することができる。
【００７７】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００によれば、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した実施形態の場合よりも省電力で不具合の解消を図ることができる。
【００７８】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図６，７に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７９】
図６に示すように、前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口との間となる前記サブバルブ１０３ａの前記水素ガス１の流通方向下流側近傍位置には、電磁式の開度調整バルブ３５１が設けられている。前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口との間となる前記サブバルブ１０４ａの前記水素ガス１の流通方向下流側近傍位置には、電磁式の開度調整バルブ３５２が設けられている。
【００８０】
このような本実施形態においては、前記開度調整バルブ３５１，３５２等により燃料ガス用圧損付与手段を構成している。
【００８１】
なお、本実施形態においても、図面の煩雑化を避けるため、酸化ガス用圧損付与手段等の酸化ガス系統は、その記載を省略しているものの、上述した燃料ガス用圧損付与手段等の燃料ガス系統と同様にして構成されている。
【００８２】
前記サブスタック１１１，１１２には、当該サブスタック１１１，１１２に流れた電流量を計測する燃料ガス用圧損付与量検知手段（酸化ガス用圧損付与量検知手段も兼ねる）である電流計３４７，３４８がそれぞれ電気的に接続している。これら電流計３４７，３４８及び前記圧力計２４３〜２４６は、制御手段である制御装置３４０の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。
【００８３】
前記制御装置３４０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂ，３５１，３５２にそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置２４０は、燃料ガス用切換時期確認手段（酸化ガス用切換時期確認手段も兼ねる）である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）及び上記圧力計２４３〜２４６並びに上記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂ，３５１，３５２の開閉を制御すると共に、前記酸化ガス用最上流位置切換手段、前記酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段、前記酸化ガス用最下流位置切換手段、前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段、前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段、酸化ガス用圧損付与手段等も前述した実施形態の場合と同様に制御することができるようになっている（前述した実施形態と異なるところは後述する）。
【００８４】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前述した第一，二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００，２００の場合と同様に作動させることにより、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、ブロアやエジェクタ等のガス循環装置がなくても、前記サブスタック１１１，１１２内から生成水２を排出することができると同時に、水素ガス供給源１３０からの水素ガス１及び酸素ガス供給源からの酸素ガスをほとんどすべて発電に使用することができる。
【００８５】
さらに、前記制御装置３４０は、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通する水素ガス１に一定の圧力損失Ｐ１を付与するように、前記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、当該開度調整バルブ３５１，３５２の開度を調整制御する。
【００８６】
すなわち、前記サブスタック１１１，１１２は、電流負荷が増加するほど、供給されるガス量も増加するため、図７に示すように、前記電流計３４７，３４８の電流値が大きくなるほど、ガス流通方向上流側に位置する前記サブスタック（例えば、第一のサブスタック１１１）のガス排出口側に位置する上記開度調整バルブ（例えば、開度調整バルブ３５１）を流通するガス流通量も次第に増加することから（ガス流通方向下流側に位置する前記サブスタック（例えば、第二のサブスタック１１２）のガス排出口側に位置する上記開度調整バルブ（例えば、開度調整バルブ３５２）にはガスが流通しない）、上記開度調整バルブ３５１，３５２の開度を調整することにより、当該ガスに常に一定の圧力損失値Ｐ１を付与することができるのである。
【００８７】
このため、例えば、前記サブスタック１１１，１１２内の流通によって付与される水素ガス１に対する圧力損失が小さい場合であっても、当該水素ガス供給源１３０から水素ガス１を供給される場合と、当該水素ガス１の流通方向上流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２の前記水素ガス排出口から排出された上記水素ガス１を供給される場合とにおいて、前記入側圧力計２４３，２４４で計測される当該水素ガス１の圧力値に明確な違いを生じさせることができる。
【００８８】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００によれば、前述した第二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、不具合を生じている前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合状態（特に、前記メインバルブ１０３，１０４が開放できずに閉鎖した状態のままのとき）をさらに確実に検知することができる。
【００８９】
［他の実施形態］
なお、前述した第三番目の実施形態においては、前記サブスタック１１１，１１２に流れた電流量を計測する前記電流計３４７，３４８からの情報に基づいて、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通するガスの流量を検知するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記サブスタック１１１，１１２の前記ガス排出口部分のガス流通量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該ガス流量計からの情報に基づいて、前記開度調整バルブ３５１，３５２を流通するガスの流量を検知するようにすることも可能である。
【００９０】
また、前述した第三番目の実施形態においては、前記ガスに常に一定の圧力損失Ｐ１を付与できる前記開度調整バルブ３５１，３５２を圧損付与手段として適用するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ガスを常に一定量以下で流通させるレデューサ等のような圧損付与手段を適用することも可能である。しかしながら、前述した第三番目の実施形態のように、開度調整バルブ３５１，３５２を圧損付与手段として適用すると、前記ガスに圧力損失を無駄に付与しなくて済ますことができ、無駄なエネルギ消費を抑えることができるようになるので好ましい。
【００９１】
また、前述した第三番目の実施形態においては、前記開度調整バルブ３５１，３５２等によって前記ガスに圧力損失を付与することにより、前記ガス供給源から前記ガスを供給される場合と、当該ガスの流通方向上流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口から排出された上記ガスを供給される場合との相違を明確に検知できるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口部分のガス流量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該スタック１１１，１１２に供給される前記ガスの流通量を計測することや（前記ガス供給源からの前記ガスは多い一方、前記スタック１１１，１１２の前記ガス排出口からの前記ガスは少ない。）、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口近傍に湿度計又は露点計を設け、当該スタック１１１，１１２に供給される前記ガスの湿度又は露点を計測すること（前記ガス供給源からの前記ガスは乾燥している一方、前記スタック１１１，１１２の前記ガス排出口からの前記ガスは加湿されている。）等によって、前記ガス供給源から前記ガスを供給される場合と、当該ガスの流通方向上流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口から排出された上記ガスを供給される場合との相違を明確に検知できるようにすることも可能である。
【００９２】
また、前述した第一番目の実施形態においては、前記スタック１１１，１１２に設けた前記電圧計１４１，１４２からの情報に基づいて、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断し、前述した第二，三番目の実施形態においては、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口及び前記ガス排出口の近傍に設けた前記圧力計２４３〜２４６等からの情報に基づいて、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１，１１２の前記ガス受入口部分及び前記ガス排出口部分の前記ガスの流通量を計測するガス流量計をそれぞれ設け、当該流量計からの情報に基づいて、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、前記メインバルブ１０１〜１０４の不具合を判断するようにすることも可能である。
【００９３】
また、前述した第一~三番目の実施形態では、燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、運転時間を計測する前記タイマを設け、前記制御装置１４０，２４０，３４０が、当該タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間の経過により、前記バルブ１０１〜１０４，１０１ａ〜１０４ａ，１０１ｂ〜１０４ｂを制御するようにしたが、他の実施形態として、例えば、以下のようにすること等によっても、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００９４】
（１）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの送給量や酸化ガス供給手段からの酸化ガスの送給量を計測するガス流量計測手段（例えば、マスフローメータやオリフィス式ガス流量計等）を設け、制御手段が、当該ガス流量計測手段からの情報に基づいて、燃料ガスや酸化ガスの送給量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９５】
（２）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックに流れる電流量を計測する電流量計測手段を設け、制御手段が、当該電流量計測手段からの情報に基づいて、前記サブスタックに流れた電流量の積算値により、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９６】
（３）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記セルの電圧を計測するセル電圧計測手段を設け、制御手段が、当該セル電圧計測手段からの情報に基づいて、予め設定されたセル電圧基準値よりも小さくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする（例えば、特開２００２−１５１１２５号公報等に記載されている技術の応用）。
【００９７】
（４）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス流通方向下流側の水分量を計測するセル水分計測手段を設け、制御手段が、当該セル水分計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの、前記ガス流通方向下流側の水分量が、予め設定された水分量基準値よりも大きくなったときに、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９８】
（５）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタック内の圧損値を計測する圧損計測手段を設け、制御手段が、当該圧損計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタック内の圧損が、予め設定された圧損基準値よりも大きくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力損失が大きくなる）、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【００９９】
（６）燃料ガス用切換時期確認手段や酸化ガス用切換時期確認手段として、前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力を計測する排出口圧力計測手段を設け、制御手段が、当該排出口圧力計測手段からの情報に基づいて、前記ガス流通方向最下流側に位置する前記サブスタックの前記ガス排出口部分の圧力が、予め設定された圧力基準値よりも小さくなったときに（前記流路内の滞留水が多くなると圧力が小さくなる）、前記バルブ等の位置切換手段を制御するようにする。
【０１００】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した固体高分子形燃料電池の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した各実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【０１０１】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガス系統及び酸化ガス系統の両者共に、前記最上流位置切換手段、前記最上流位置切換バイパス手段、前記最上流位置切換サブ手段、前記切換時期確認手段、前記切換不具合検出手段等を備えている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガス系統及び酸化ガス系統のいずれか一方のみに、前記最上流位置切換手段、前記最上流位置切換バイパス手段、前記最上流位置切換サブ手段、前記切換時期確認手段、前記切換不具合検出手段等を備えるようにすることも可能である。
【０１０２】
また、前述した各実施形態において、前記バイパスバルブ１０１ａ〜１０１ｂが非作動時に閉鎖状態となるタイプであり、前記サブバルブ１０１ｂ〜１０４ｂが非作動時に開放状態となるタイプであると、電力消費量を抑制することができ、システムの全体効率の低下を抑制することができるので好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、前記最上流位置切換手段や前記最下流位置切換手段に不具合を生じたとしても、前期切換不具合検出手段からの情報に基づいて、制御手段が、前記切換サブ手段や前記切換バイパス手段を制御することにより、発電運転を問題なく継続することができることから、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 水素ガス
２ 生成水
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０４ メインバルブ
１０１Ｂ〜１０４Ｂ バイパスライン
１０１ａ〜１０４ａ バイパスバルブ
１０１ｂ〜１０４ｂ サブバルブ
１１１ 第一のサブスタック
１１２ 第二のサブスタック
１２１，１２２ ドレントラップ
１３０ 水素ガス供給源
１４０ 制御装置
１４１，１４２ 電圧計
２００ 固体高分子形燃料電池発電システム
２４０ 制御装置
２４３ 入側圧力計
２４４ 出側圧力計
２４５ 入側圧力計
２４６ 出側圧力計
３００ 固体高分子形燃料電池発電システム
３４０ 制御装置
３４７，３４８ 電流計
３５１，３５２ 開度調整バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備え、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、
前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記燃料ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記燃料ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の前記燃料ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、さらに、前記燃料ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備え、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御し、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスに圧力損失を付与する燃料ガス用圧損付与手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスの流量を検知する燃料ガス用圧損付与量検知手段を備え、
前記燃料ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、
前記制御手段が、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の前記燃料ガスの流通量を計測するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスに圧力損失を付与する酸化ガス用圧損付与手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスの流量を検知する酸化ガス用圧損付与量検知手段を備え、
前記酸化ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、
前記制御手段が、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項８に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の前記酸化ガスの流通量を計測するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１４】
請求項１，３，４〜６，１０，１２のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１５】
請求項２，３，７〜９，１１，１３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備え、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換時期確認手段と、
前記燃料ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記燃料ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記燃料ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該燃料ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの受入口部分及び排出口部分の前記燃料ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する燃料ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、さらに、前記燃料ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記燃料ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備え、
前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御する制御手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池が、さらに、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、
前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と、
運転時間、前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスの送給量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の水分量、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタック内の圧損値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の圧力値、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換時期確認手段と、
前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最上流位置切換手段を経由することなく、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最上流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最上流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換手段に対して直列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換サブ手段と、
前記酸化ガス用最下流位置切換手段を経由することなく、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように当該酸化ガス用最下流位置切換手段に対して並列的に設けられた酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段と、
前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記セルの電圧値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の圧力値、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの受入口部分及び排出口部分の前記酸化ガスの流通量、のうちの少なくとも一つを計測する酸化ガス用切換不具合検出手段と
を備え、
前記制御手段が、前記酸化ガス用切換時期確認手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段を制御すると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを切り換えるように前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御し、さらに、前記酸化ガス用切換不具合検出手段からの情報に基づいて、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最上流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御すると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続するように前記酸化ガス用最下流位置切換サブ手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換バイパス手段をそれぞれ制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスに圧力損失を付与する燃料ガス用圧損付与手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路を流通する当該燃料ガスの流量を検知する燃料ガス用圧損付与量検知手段を備え、
前記燃料ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、
前記制御手段が、前記燃料ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記燃料ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記燃料ガスの排出口部分の前記燃料ガスの流通量を計測するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスに圧力損失を付与する酸化ガス用圧損付与手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路を流通する当該酸化ガスの流量を検知する酸化ガス用圧損付与量検知手段を備え、
前記酸化ガス用圧損付与手段が、開度調整バルブであり、
前記制御手段が、前記酸化ガス用圧損付与量検知手段からの情報に基づいて、前記酸化ガスに一定の圧力損失を付与するように前記開度調整バルブを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項８に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス用圧損付与量検知手段が、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックに流れた電流量、又は、前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックの前記酸化ガスの排出口部分の前記酸化ガスの流通量を計測するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記燃料ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記燃料ガス用最上流位置切換手段及び前記燃料ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記制御手段が、前記酸化ガスの流通方向最上流側に位置する前記固体高分子形燃料電池の前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最下流側に位置させるように前記酸化ガス用最上流位置切換手段及び前記酸化ガス用最下流位置切換手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１４】
請求項１，３，４〜６，１０，１２のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項１５】
請求項２，３，７〜９，１１，１３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１２９３９６（Ｐ２０１１−１２９３９６Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７３７９（Ｐ２００９−２８７３７９）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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