燃料電池システム
【課題】燃料電池システム全体の複雑化や、操作の煩雑化を抑制しつつ、電位の上昇に起因する電極劣化を抑える。
【解決手段】第１および第２の燃料電池スタックを備える燃料電池システムは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックから第２の燃料電池スタックへと酸化ガス接続路を介して酸化ガスを流入させると共に、第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス循環路へと流入させることによって、第１および第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させ、負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス排出路へと流入させるように、酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部を備える。
【解決手段】第１および第２の燃料電池スタックを備える燃料電池システムは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックから第２の燃料電池スタックへと酸化ガス接続路を介して酸化ガスを流入させると共に、第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス循環路へと流入させることによって、第１および第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させ、負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス排出路へと流入させるように、酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、その電極電位が高まったときには、触媒電極であるカソードが劣化することが知られている。このような高電位を抑制するための構成の一つとして、従来、燃料電池の運転を停止あるいは一時的に負荷を開放して待機する際に、カソードに供給する酸化ガスを不活性ガスに切り替えると共に、燃料電池の出力側を抵抗で短絡させてカソード電位を低下させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−１２８３６２
【特許文献２】特開２００６−０４９１３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように不活性ガスを用いて酸化ガスを切り替えパージする場合には、燃料電池システムにおいて、別途不活性ガスを用意する必要があり、燃料電池システムが複雑化してしまう。特に、燃料電池システムを車両の駆動用電源として用いる場合のように、燃料電池システムを搭載可能なスペースに制限がある場合には、不活性ガスを別途用意する構成は、採用し難い場合がある。また、不活性ガスを用いる場合には、不活性ガスを補充して常に用意しておく必要があり、操作が煩雑化するという問題も生じる。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システム全体の複雑化や、操作の煩雑化を抑制しつつ、電位の上昇に起因する電極劣化を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
負荷要求に対応する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、酸素を含有する酸化ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く酸化ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く酸化ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く酸化ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記酸化ガス接続路を介して前記酸化ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記酸化ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス排出路へと流入させるように、前記酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で酸化ガスを循環させることにより、速やかに酸化ガス中の酸素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【０００９】
［適用例２］
負荷要求に対する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で燃料ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で燃料ガスを循環させることにより、速やかに燃料ガス中の水素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、を備え、前記ガス流切り替え制御部は、さらに、前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替える燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で、酸化ガスの循環に加えて燃料ガスの循環も行なう。そのため、負荷要求が小さいときに、電極の劣化を抑制すると共に、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立する効果を、さらに高めることができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を検出する電圧検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときに、前記電圧検出部が検出した前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、第１の基準値以下となるように、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制御する制御部とを備える燃料電池システム。適用例４に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときに、第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を第１の基準値以下にするため、出力電圧が第１の基準値を超えることに起因する電極の劣化を抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例４に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときであって、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値以下となるときに、前記第１および第２の燃料電池スタックを循環する前記酸化ガスおよび／または燃料ガスに対して、酸素および／または水素を補充する循環ガス補充部を備える燃料電池システム。適用例５に記載の燃料電池システムによれば、第１および第２の燃料電池スタックを循環する酸化ガス中の酸素濃度および／または燃料ガス中の水素濃度が低下しすぎることに起因する不都合を抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例２または３に記載の燃料電池システムであって、前記第２の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックよりも、積層される前記発電体の数が少なく形成されると共に、電極の総面積が小さく形成され、前記ガス流切り替え制御部は、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときにも、前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して流入させる燃料電池システム。適用例６に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回るときには、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて第２の燃料電池スタックにおいて発電を行なうため、燃料電池システム全体の水素の利用率を向上させることができる。このとき、第２の燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックよりも、積層される発電体の数が少なく電極の総面積が小さいため、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて支障なく発電を行なうことが可能になる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、前記第１および第２の燃料電池スタックは、高分子電解質から成る電解質膜を備える固体高分子型燃料電池であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックが備える前記電解質膜における含水状態を反映する値を検出する含水状態検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さい状態から、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回る状態へと変化したときに、前記含水状態検出部の検出結果から、前記電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、前記含水状態を反映する値に基づいて、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制限する出力制限部とを備える燃料電池システム。適用例７に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回る状態に変化して、電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて出力を制限するため、各スタックが備える電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なうことによる不都合を抑制することができる。
【００１６】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを駆動用電源とする移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、メインスタック２０と、サブスタック２２と、燃料ガス供給部２４と、ブロワ２６と、制御部２８と、を備えている。なお、本実施例の燃料電池システム１０は、車両の駆動用電源として車載されて用いられている。
【００１８】
メインスタック２０およびサブスタック２２は、それぞれ、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極と、電極との間でガス流路を形成するガスセパレータと、を備える単セルを、複数積層することによって形成されている。電極とガスセパレータとの間に形成されるガス流路としては、水素を含有する燃料ガスの流路であってアノード上に形成されるセル内燃料ガス流路と、酸素を含有する酸化ガスの流路であってカソード上に形成されるセル内酸化ガス流路と、が形成される。本実施例のメインスタック２０およびサブスタック２２は、いずれも固体高分子型の燃料電池であって、単セルが備える電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜とすることができ、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。メインスタック２０およびサブスタック２２の各々においては、内部を積層方向に貫通する複数の図示しない流体流路が形成されている。具体的には、各単セル内に形成されるセル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内に形成されるセル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路から排出される酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が形成されている。
【００１９】
ここで、メインスタック２０は、燃料電池システム１０に要求される電力の大部分を発電している。また、メインスタック２０よりも発電量が小さいサブスタック２２は、メインスタック２０に比べて積層される単セルの数が少なく形成されると共に、サブスタック２２が備える単セルは、メインスタック２０が備える単セルに比べて電極面積が小さく形成されている。すなわち、サブスタック２２は、メインスタック２０に比べて電極の総面積が小さく形成されている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０から電力の供給を受ける負荷としては、主負荷と副負荷とがある。主負荷は、車両の駆動用モータを含む。副負荷は、主負荷に対して燃料電池システム１０から電力供給するのに伴って電力を消費する装置、例えば、ブロワ２６や制御部２８を含む。
【００２０】
燃料ガス供給部２４は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して燃料ガスを供給する装置である。燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いる場合には、燃料ガス供給部２４は、例えば、高圧の水素ガスを充填した水素ボンベ、あるいは水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすればよい。また、燃料ガス供給部２４が、炭化水素やアルコールなどの改質燃料を貯蔵する燃料タンクと、この改質燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器とを備えることとして、燃料ガスとして改質ガスを用いることとしても良い。例えば、燃料ガス供給部２４が水素ボンベを備える場合には、水素ボンベから水素が流入する流路における圧力に基づいて、水素ボンベ出口に設けた弁の開度を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が水素吸蔵合金を有する水素タンクを備える場合には、さらに、水素タンクに対する加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が改質器を備える場合には、改質器に供給する改質燃料量および改質器の加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。
【００２１】
本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス供給部２４から供給される燃料ガスは、まず、メインスタック２０に供給された後に、サブスタック２２へと供給される。以下に、燃料ガスの流路の接続状態を説明する。図１に示すように、燃料ガス供給部２４とメインスタック２０との間は、燃料ガス供給路３０によって接続されている。具体的には、燃料ガス供給路３０は、メインスタック２０内の既述した燃料ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給可能になっている。そして、メインスタック２０とサブスタック２２との間は、燃料ガス接続路３２によって接続されている。ここでは、燃料ガス接続路３２によって、メインスタック２０内の燃料ガス排出マニホールドと、サブスタック２２内の燃料ガス供給マニホールドとが接続されており、メインスタック２０内で電気化学反応に供された残りの燃料ガスが、サブスタック２２へと供給可能になっている。サブスタック２２の燃料ガス排出マニホールドには、燃料ガス排出路３４が接続されている。
【００２２】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス排出路３４と燃料ガス供給路３０とを接続する燃料ガス循環路３６が設けられている。この燃料ガス循環路３６は、後述する待機運転時に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスを循環させる際に用いられる。燃料ガス排出路３４と燃料ガス循環路３６との接続部には、第１切替弁３８が設けられており、この第１切替弁３８によって、サブスタック２２から排出された燃料ガスが燃料電池システム１０の外部に排出される状態と、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスが循環する状態とを切り替えることができる。さらに、燃料ガス循環路３６には、内部を流れるガスに循環駆動力を与える第３ポンプ５４が設けられている。
【００２３】
ブロワ２６は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置である。本実施例の燃料電池システム１０では、メインスタック２０とサブスタック２２の双方に対してブロワ２６から酸化ガスを供給可能であると共に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスを循環させることも可能となっている。以下に、酸化ガスの流路の接続状態を説明する。
【００２４】
図１に示すように、ブロワ２６とメインスタック２０との間は、第１酸化ガス供給路４０によって接続されている。具体的には、第１酸化ガス供給路４０は、メインスタック２０内の既述した酸化ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給可能になっている。また、第１酸化ガス供給路４０から分岐して、第１酸化ガス供給路４０と、サブスタック２２内の酸化ガス供給マニホールドと、を接続する第２酸化ガス供給路４１が設けられている。さらに、燃料電池システム１０では、メインスタック２０内の酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスが排出される第１酸化ガス排出路４２が設けられている。この第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、第２酸化ガス供給路４１へと接続している。また、上記第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、さらに、燃料電池システム１０の外部へと酸化ガスを導く第２酸化ガス排出路４４にも接続されている。したがって、第２切替弁４３を切り替えることにより、メインスタック２０から第１酸化ガス排出路４２へと排出された酸化ガスが、第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２へと供給される状態とを、切り替えることができる。また、第２切替弁４３を切り替えることによって、ブロワ２６から供給される酸化ガスが、第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０のみに供給される状態と、さらに第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２にも供給される状態とを切り替えることができる。さらに、燃料電池システム１０では、第１酸化ガス供給路４０において第１ポンプ５０が設けられると共に、第２酸化ガス供給路４１において第２ポンプ５２が設けられている。ブロワ２６からメインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスが供給される際には、各々のスタックに供給される酸化ガス量は、ブロワ２６の駆動量と、第１ポンプ５０および第２ポンプ５２の駆動量によって調節される。
【００２５】
さらに、燃料電池システム１０では、サブスタック２２内の酸化ガス排出マニホールドに接続して酸化ガスを燃料電池システム１０の外部へと導く第３酸化ガス排出路４５が設けられており、第３酸化ガス排出路４５には、第３切替弁４６が設けられている。さらに、この第３切替弁４６を介して、第３酸化ガス排出路４５と第１酸化ガス供給路４０とを接続する循環流路４７が設けられている。したがって、第３切替弁４６を切り替えることにより、サブスタック２２から第３酸化ガス排出路４５へと排出された酸化ガスが、燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、循環流路４７および第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０へと供給される状態とを、切り替えることができる。
【００２６】
制御部２８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部２８は、負荷要求に係る情報（例えば図示しない車速センサやアクセル開度センサから検出信号）や、燃料電池システム１０の状態を検出するための種々のセンサ（例えば各スタックの内部温度を検出する温度センサ）からの検出信号を取得して、燃料電池システム１０の各部に駆動信号を出力する。具体的には、例えば、燃料ガス供給部２４やブロワ２６、あるいはポンプ５０，５２，５４に駆動信号を出力して所望の電力を得るために必要なガスを燃料電池に対して供給可能にすると共に、第１切替弁３８、第２切替弁４３、第３切替弁４６に対して駆動信号を出力して、ガスが流れる状態を所定の状態に変更する。
【００２７】
さらに、図１では記載を省略しているが、燃料電池システム１０は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部温度を調節するための冷却装置を備えている。冷却装置は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部に形成される冷媒の流路と、冷媒を冷却するためのラジエータと、各スタック内の冷媒流路とラジエータとの間で冷媒を循環させる流路と、を備えている。燃料電池では発電に伴って熱が生じるため、各スタックの内部に形成した冷媒流路に冷媒を流すことにより、各スタックの内部温度を所定の範囲に維持している。
【００２８】
なお、本実施例では、メインスタック２０とサブスタック２２とに酸化ガスを供給する流れを並列にする場合であっても、単一のブロワ２６を用いているが、各々のスタックに対して異なるブロワを用意しても良い。また、本実施例の燃料電池システム１０において、さらにバッテリを設け、メインスタック２０および／またはサブスタック２２によってバッテリを充電可能としたり、主負荷および／または副負荷に対して、バッテリからも電力を供給可能としても良い。
【００２９】
Ｂ．駆動走行時の動作：
車両が駆動力を発生しつつ走行を行なっている時、すなわち、主負荷である車両の駆動用モータにおいて負荷要求があるときには、主負荷および副負荷における負荷要求に応じて、メインスタック２０およびサブスタック２２において発電が行なわれる。このような駆動走行時には、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次流れると共に、制御部２８が第１切替弁３８を切り替えることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出される。また、駆動走行時には、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、酸化ガスは、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給される。すなわち、メインスタック２０は、第１酸化ガス供給路４０から酸化ガスを供給され、メインスタック２０から排出された酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。そして、サブスタック２２は、第２酸化ガス供給路４１から酸化ガスを供給され、サブスタック２２から排出された酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。このとき、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６および第１ポンプ５０、第２ポンプ５２が駆動されて、負荷要求の合計量に応じた発電が可能となるように、燃料ガス及び酸化ガスの供給が行なわれる。
【００３０】
本実施例では、車両走行時において、上記のようにメインスタック２０で発電に供した残りの燃料ガスをサブスタック２２へと供給しているため、燃料ガス中の水素の利用率を向上させることができる。ここで、燃料電池において発電を行なう際には、通常は、負荷要求に応じた発電を行なうために理論的に必要とされるガス量よりも多くのガスを、燃料電池に対して供給することによって、燃料電池が備える各単セルに対するガスの分配状態を良好に維持している。そのため、このように理論的に必要とされるガス量に対する実際に供給したガス量の比（以下、ストイキ比と呼ぶ）を大きくしてメインスタック２０に対して燃料ガスを供給すると、メインスタック２０から排出される燃料ガス中には、発電に用いられなかった多くの水素が残留することになる。本実施例では、このようにメインスタック２０から排出された燃料ガス中に残留する水素を、さらにサブスタック２２において発電に用いるため、メインスタック２０における燃料ガス流量を確保して水素欠乏を抑制しつつ、外部に廃棄される水素量を削減することで、システム全体としての水素利用率を向上させている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０が備えるサブスタック２２は、既述したように、メインスタック２０に比べて、積層される単セルの数が少ない。そのため、メインスタック２０内を経由して発電に用いられることでガス量が減少した燃料ガスが供給されても、サブスタック２２において各単セルへのガスの分配不良を抑制することができる。また、サブスタック２２は、既述したようにメインスタック２０に比べて電極の総面積が小さいため、メインスタック２０を経由して水素量が減少した燃料ガスを用いても、支障なく発電を行なうことが可能になる。さらに、メインスタック２０から排出された燃料ガスをサブスタック２２で用いることにより、たとえサブスタック２２において燃料ガス量が不足して分配不良が生じる場合があったとしても、大部分の電力を発電しているメインスタック２０がサブスタック２２から独立しているため、ガス不足に起因する影響をシステム全体として充分に抑えることが可能になる。
【００３１】
Ｃ．待機運転時の動作：
図２は、燃料電池システム１０の稼働中に、制御部２８において所定の時間間隔で繰り返し実行される待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０が待機運転中であるか否か、すなわち、主負荷である駆動用モータにおける負荷要求がゼロである（アクセル開度がゼロである）か否かを判断する（ステップＳ１００）。待機運転中ではないとき、すなわち、車両が駆動走行中である場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３２】
ステップＳ１００において待機運転中であると判断されたときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転の状態として定められた所定の状態となるように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ１１０）。待機運転の状態として定められた所定の状態とは、燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態をいう。すなわち、燃料ガスの流路においては、メインスタック２０およびサブスタック２２内を通過してサブスタック２２から燃料ガス排出路３４へと排出された燃料ガスは、第１切替弁３８および燃料ガス循環路３６を介して燃料ガス供給路３０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。また、酸化ガスの流路においては、メインスタック２０内を通過した酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス供給路４１を介して、サブスタック２２に供給される。そして、サブスタック２２内を通過した酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５、第３切替弁４６および循環流路４７を介して、第１酸化ガス供給路４０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。ステップＳ１１０においては、車両が駆動走行中である状態から待機運転へと変化して最初に待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、上記のようにガスが循環する状態となるように制御部２８から各切替弁に対して駆動信号が出力され、その後に再び待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、切替弁４６の切り替えが既に行なわれているため、引き続き次のステップに進む。なお、上記のように燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態になったときには、第２ポンプ５２と第３ポンプ５４の各々によって、酸化ガスあるいは燃料ガスに対して循環駆動力が与えられる。なお、このように燃料ガスおよび酸化ガスが２つのスタック間を循環するように切りかえたときには、本実施例では、燃料ガス供給部２４およびブロワ２６の駆動は停止している。後述するように、ガスを循環させる動作は、流路中の水素濃度あるいは酸素濃度を低下させるためのものであるため、循環運転中には、水素濃度あるいは酸素濃度が充分な速さで低下可能となるように、少なくとも、ガス流路に対する新たな燃料ガスあるいは酸化ガスの供給を充分に抑制する必要がある。
【００３３】
上記のようにガス流れを循環状態にすると共に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧が第１の基準値以下となるように出力制御を行なう（ステップＳ１２０）。第１の基準値とは、メインスタック２０およびサブスタック２２のカソードが劣化しない電圧の上限として、予め定めた値である。図３は、燃料電池における一般的な電流−電圧特性を表わす説明図である。図３において、グラフＡは、定常状態における電流−電圧特性を示している。図３に示すように、一般に燃料電池は、負荷要求がゼロのときに最も端子間電圧が大きくなり（図中、ＯＣＶと示す）、出力電流が大きくなるほど出力電圧は低下する。ここで、燃料電池の出力電圧が高いときには、カソードが劣化することが知られている。具体的には、カソードが、白金などの触媒金属を担持するカーボン粒子を備える場合には、電圧が高くなると担体であるカーボン粒子の酸化が起こる。また、触媒金属の凝縮が起こる場合もある。上記した第１の基準値は、このような劣化が充分に抑えられるときの電圧として定められている。
【００３４】
図３では、このような第１の基準値を、Ｖ1と表わしており、このときの出力電流値を、Ｉ1と表わしている。待機運転となったときに最初にステップＳ１２０を実行する際には、出力電流値をＩ1とすることにより、出力電圧をＶ1にする。本実施例では、制御部２８、ブロワ２６、第２ポンプ５２および第３ポンプ５４のように、燃料電池システム１０における発電に伴って電力を消費する装置（副負荷）に対して電力供給することにより、出力電流値をＩ1としている。なお、上記のような副負荷に対して電力供給するだけでは出力電圧をＶ1以下にできない場合には、例えばさらにバッテリを充電することによって、出力電圧をＶ1以下にすればよい。また、副負荷が要する電力を供給しようとすると出力電流値Ｉ1に対応する電力では不足する場合には、不足分はバッテリによって補えばよい。
【００３５】
メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスおよび酸化ガスを循環させながら発電を行なうと、循環するガス中の水素濃度あるいは酸素濃度が次第に低下する。また、発電に伴ってカソードで生じた生成水がガス中に気化することにより、循環するガス中の水蒸気濃度が上昇する。また、燃料電池の出力電圧は、ガス中の電極活物質（燃料ガス中の水素あるいは酸化ガス中の酸素）の濃度が低くなるほど低下する。図３中のグラフＢは、グラフＡよりもガス中の電極活物質濃度が低いときの電流−電圧特性の一例を表わし、図３中のグラフＣは、グラフＢよりもさらにガス中の電極活物質濃度が低下したときの電流−電圧特性の一例を表わす。出力電圧がＶ1となるように出力電流値をＩ1にして発電を行なうと、ガスを循環させることによって、燃料電池における出力電圧は次第に低下する。
【００３６】
次に、制御部２８は、燃料電池システム１０に備えられた、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧を検出するための図示しない電圧計から検出信号を取得する（ステップＳ１３０）。そして、検出した電圧値が、第２の基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、第２の基準値とは、第１の基準値よりも低い値であって、出力電流値をＩ1としたときに、ガス中の電極活物質の濃度が許容できる下限の状態となったときの電圧値として予め定めて制御部２８に記憶しておいた値である。ガス中の電極活物質濃度が低くなりすぎると、燃料電池から安定した出力を得ることが困難となる場合があるため、このような不都合が生じない基準値として、第２の基準値が定められている。ステップＳ１４０において、出力電圧値が第２の基準値を上回るときには、ステップＳ１３０に戻って、電圧値の検出の動作と、第２の基準値との比較の動作とを繰り返す。
【００３７】
ステップＳ１４０において、出力電圧が第２の基準値以下であると判断されたときには、制御部２８は、燃料ガスおよび／または酸化ガスの循環する流路に対して、新たなガスを追加する処理を行なって（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。具体的には、酸化ガスを追加する場合には、ブロワ２６を駆動すれば良く、燃料ガスを追加する場合には、燃料ガス供給部２４を駆動すれば良い。なお、ステップＳ１５０におけるガスの追加の動作は、循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させるためのものであるため、ガスが循環する流路に対する単なるガスの追加ではなく、循環するガスの一部を排出して、循環するガスの一部の入れ替えとしても良い。このように循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させることにより、燃料電池からの出力電圧が上昇する。なお、ステップＳ１５０における新たなガスを追加する動作は、ガスの追加により燃料電池からの出力電圧が上昇したときに、出力電圧が第１の基準値を超えないように行なえばよい。
【００３８】
なお、上述した待機運転時の動作に係る説明では、メインスタック２０とサブスタック２２とを区別することなく出力電圧に基づく制御を説明したが、実際には、各々のスタックに関して、上記した制御を行なえばよい。例えば、ステップＳ１２０では、双方のスタックにおける出力電圧が第１の基準値以下となるように、出力制御を行なえばよい。また、ステップＳ１４０では、少なくとも一方のスタックにおいて出力電圧が第２の基準値以下となったときには、ステップＳ１５０のガスの追加を行なえばよい。このような制御を行なう際の第１の基準値および第２の基準値は、メインスタック２０とサブスタック２２とでは、同じ値としても良く、異なる値としても良い。
【００３９】
Ｄ．再駆動走行時の動作：
図４は、燃料電池システム１０が待機運転中に、所定の時間間隔で繰り返し実行される再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０に対して、駆動要求があったか否かを判断する（ステップＳ２００）。具体的には、制御部２８は、アクセル開度センサの検出信号を取得して、アクセルの踏み込みが成されたか否かを判断する。駆動要求が無く、待機運転が継続されているときには、そのまま本ルーチンを終了する。
【００４０】
ステップＳ２００において駆動要求があったと判断したときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転時に対応する循環状態から解除されて駆動走行時の状態に戻るように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ２１０）。これにより、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次供給されると共に、第１切替弁３８が切り替えられることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出されるようになる。また、酸化ガスは、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給されるようになる。
【００４１】
次に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２の各々の内部温度を検出する図示しない温度センサから検出信号を取得すると共に、メインスタック２０およびサブスタック２２における抵抗値を検出する（ステップＳ２２０）。この段階では、燃料電池システム１０からは待機運転時と同等の出力がなされている。なお、本実施例では、ステップ２２０における抵抗値の検出は、交流インピーダンス法により行なっている。
【００４２】
そして、制御部２８のＣＰＵは、検出した抵抗値が、基準の抵抗値以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。この基準の抵抗値とは、電解質膜の含水量が充分であると判断するための基準値として予め定めて、制御部２８に記憶しておいたものである。すなわち、燃料電池においては、電解質膜の含水量が少ないほど抵抗値が大きくなるため、ここでは、各スタックにおける抵抗値を指標として、電解質膜の含水状態を判断している。
【００４３】
少なくともいずれかのスタックにおいて、検出した抵抗値が基準の抵抗値を超える場合には、電解質膜の含水量が不十分であると判断され、制御部２８のＣＰＵは、検出した温度に応じた量のガスが各スタックに供給されるように、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６およびポンプ５０，５２を駆動制御する。また、検出した抵抗値に応じた電流値となるように出力制御を行なう（ステップＳ２５０）。
【００４４】
ここで、燃料電池にガスを供給する際に、燃料電池の内部温度が高い場合には、供給するガスの流量が多いほど、電解質膜からガスへと水分が奪われやすく、電解質膜が乾きやすくなる。そのため、本実施例では、内部温度が高いほど供給ガス流量が少なくなるように、各スタックの内部温度に応じて供給ガス量の上限を定めている。具体的には、制御部２８は、スタック温度に応じて供給することができる燃料ガスおよび酸化ガスの最大流量をマップとして予め記憶しており、ステップＳ２５０においてＣＰＵは、このマップを参照して、駆動要求に関わらず供給ガス流量が上記最大流量以下となるように、供給ガス量を設定する。
【００４５】
また、燃料電池において発電を行なわせる際に、電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なわせると、予期しない電圧低下等の不具合を生じる可能性がある。そのため、本実施例では、電流量に対する抵抗値の上限値を予め定めてマップとして記憶しておき、検出した抵抗値が、駆動要求を賄うための電流値に対応する抵抗値の上限値を超えるときには、抵抗値が上限値を超えないように出力電流を駆動要求に対応する電流値よりも低く抑える制御を行なっている。
【００４６】
なお、本実施例では、ステップＳ２３０において抵抗値を基準値と比較することにより、電解質膜の乾燥状態を判断しているが、異なる構成としても良い。例えば、検出した燃料電池温度が予め定めた基準温度よりも低いときには電解質膜の含水量が充分であると判断し、基準温度以上であるときには電解質膜の含水量が不十分であると判断することも可能である。第１および第２の燃料電池スタックが備える電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて電解質膜の含水量を判断できれば良く、また、電解質膜の含水量を反映する値に基づいて、供給ガス量を制限し、あるいは各スタックからの出力を制限すればよい。
【００４７】
その後、制御部２８のＣＰＵは、ステップＳ２２０に戻り、各スタックの温度および抵抗値の取得と、検出した抵抗値と基準値との比較を行ない、抵抗値が大きければ、スタック温度に応じたガス流量の上限値と、抵抗値に応じた出力電流の上限値の範囲内で、発電制御が行なわれる。このような制御を行なうことにより、燃料電池システム１０において負荷要求に応じた電力を発電することができない場合には、負荷要求に対して不足する電力は、例えばバッテリから補っても良く、また、負荷に対する電力供給を負荷要求よりも小さく抑えても良い。
【００４８】
上記のような制御を繰り返して発電を行なうと、生成水量が次第に増大し、電解質膜の含水量が増えるため、抵抗値は徐々に低下する。したがって、ステップＳ２５０における抵抗値に応じた電流値がより大きくなり、駆動要求に近い、より多くの電力を出力可能になる。そして、さらに抵抗値が低下して、やがてステップＳ２３０において、抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されるようになる。ステップＳ２３０において、検出した抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されたときには、電解質膜の含水量が充分になったと判断されるため、制御部２８のＣＰＵは、負荷要求に応じた電力を燃料電池システム１０から得るための通常の処理を開始して（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。
【００４９】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、車両の待機運転時には、副負荷に対して電力供給するための微小な量の発電を継続するため、端子間電圧を、ＯＣＶよりも低く、具体的には基準値Ｖ1以下とすることができる。そのため、待機運転中のカソードの劣化を抑制することができる。また、このような待機運転時には、酸化ガスおよび燃料ガスを、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環させることにより、速やかにガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることができるため、低負荷運転時に、低電圧運転とガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【００５０】
本実施例のサブスタック２２は、既述したように、駆動走行時には、メインスタック２０からされた排出された燃料ガスを有効利用して水素の利用率を向上させるために用いられている。このようなサブスタック２２を備えるシステムにおいて、待機運転時にはメインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させて、両方のスタックで酸素や水素を消費することにより、単一のスタックのみを有する場合に比べて、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させるスピードを速めることができる。したがって、待機運転時においてガス流量をより多くしても、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を充分に低くすることができる。このようにガス流量を確保することにより、スタック内におけるガスの分配不良に起因する不具合の発生を抑制することができる。また、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることにより、出力電流値に対して電圧値を低下させることができるため、待機運転時における発電量が過大となることを抑制できる。なお、本実施例によれば、このようなガス中の酸素濃度あるいは水素濃度の低下を、流路の切り替えという簡便な構成により実現しているため、ガス中の電極活物質濃度を抑えるために別途不活性ガスなどを用意する必要が無く、システム構造の複雑化や操作の煩雑化を抑えることができる。このように、本実施例によれば、メインスタック２０に加えてサブスタック２２を設けて、駆動走行時にはメインスタック２０からサブスタック２２へと燃料ガスを順次流して燃料ガス中の水素の利用率を向上させるシステムにおいて、待機運転時には酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることで、サブスタック２２を有効に利用して、待機運転時における電極劣化を効果的に抑制できる。
【００５１】
また、待機運転時にメインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることにより、循環するガス中の水蒸気量を、２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、効率よく増加させることができる。したがって、燃料電池をより高温で運転する場合であっても、待機運転中における電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。車両が駆動走行しており、燃料電池システム１０が主負荷である駆動用モータに対しても電力供給しているときには、発電により生じる生成水の量も多くなるため、燃料電池の運転温度が高くても、生成水によって電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。しかしながら、待機運転時のように発電量が少ないときには、生じる生成水量も少ないため、生成水によって電解質膜の含水量を維持することが困難になる。本実施例では、待機運転時には、メインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させてガス中の水蒸気量を高めているため、充分な生成水が発生する駆動運転時だけでなく、生成水量が少なくなる待機運転時にも電解質膜の含水量を確保可能となり、全体として燃料電池の運転温度をより高く設定することが可能になる。燃料電池の運転温度をより高くしても支障なく運転可能となることにより、各スタックを冷却して運転温度を制御するための冷却装置（例えば、ラジエータと、スタックおよびラジエータの間で冷媒を循環させる冷媒流路など）を、小型化し、あるいは不要とすることが可能になる。
【００５２】
また、上記のように、待機運転時には２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、循環するガス中の水蒸気量を効率よく増加させることができるため、燃料電池スタックに供給される酸化ガスおよび／または燃料ガスに対する加湿量を抑えることができる。すなわち、生成水量が多い駆動走行時だけでなく、生成水量が少ない待機運転時にも、電解質膜の含水量を維持可能となるため、燃料電池スタックに供給するガスに対する加湿量を削減し、あるいは無加湿としても、電解質膜の含水量低下を抑えて支障なく発電を継続することが可能になる。そのため、燃料電池スタックに供給するガスを加湿する加湿装置を小型化し、あるいは不要とすることが可能になり、システム構成を簡素化することができる。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池システム１０では、待機運転時に酸化ガスおよび燃料ガスを循環させるために用いるサブスタック２２は、駆動走行時にも発電しているため、駆動走行から待機運転へと移行する際に、サブスタック２２は直ちに定常状態で発電を行なうことができる、すなわち、待機運転時に移行したときに、ガスを循環させるためのサブスタック２２を特別に起動する必要がないため、ガス中の酸素あるいは水素の消費、および、生成水を生じることによる酸化ガスおよび燃料ガスの加湿を、直ちに良好に行なうことができる。
【００５４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０によれば、待機運転から再び駆動走行へと移行するときには、抵抗値などにより電解質膜の含水量をモニタしながら、定められた上限の範囲内で発電を行なっている。そのため、電解質膜が水分不足の状態で過剰な発電を行なわせることによる不都合を抑制することができる。
【００５５】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｅ１．変形例１：
実施例では、待機運転時には、酸化ガスと燃料ガスの双方を循環させるように流路の接続状態を変更したが、異なる構成としても良い。待機運転時のような低負荷運転時に、少なくとも一方のガスを２つの燃料電池スタックの間で循環させるならば、循環するガスの流量を確保しつつガス中の電極活物質濃度を速やかに低下させることができるため、電圧を抑制しつつ発電量を抑えることにより、触媒劣化を抑えることができる。また、循環するガス中の水蒸気量を確保することにより、電解質膜の含水量を確保することが可能になる。
【００５７】
Ｅ２．変形例２：
実施例では、燃料電池システム１０を車載して車両の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両の駆動用モータのように変動する負荷の他、一定の大きさの負荷を主負荷として、主負荷がゼロになる待機運転時において、酸化ガスおよび／または燃料ガスを循環させる場合にも、実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
また、酸化ガスおよび／または燃料ガスが循環するような流路の切り替えは、主負荷がゼロになる待機運転以外の場合に適用しても良い。燃料電池システム１０から電力供給を受ける負荷全体の大きさが所定値以下になることにより、燃料電池における電圧値が、電極劣化を生じ得る程度に高くなる可能性がある場合であれば、本発明を適用することにより同様の効果が得られる。
【００５９】
Ｅ３．変形例３：
実施例では、メインスタック２０およびサブスタック２２は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる構成としても良い。固体高分子型燃料電池であれば、本発明を適用することにより、既述したように高温運転を可能にすると共に加湿器を削減できる効果を奏するが、他種の燃料電池に本願を適用しても良い。この場合にも、待機運転時などの低負荷運転時に、電圧が高すぎることに起因する触媒劣化を抑制する同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】燃料電池における電流−電圧特性を表わす説明図である。
【図４】再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池システム
２０…メインスタック
２２…サブスタック
２４…燃料ガス供給部
２６…ブロワ
２８…制御部
３０…燃料ガス供給路
３２…燃料ガス接続路
３４…燃料ガス排出路
３６…燃料ガス循環路
３８…第１切替弁
４０…第１酸化ガス供給路
４１…第２酸化ガス供給路
４２…第１酸化ガス排出路
４３…第２切替弁
４４…第２酸化ガス排出路
４５…第３酸化ガス排出路
４６…第３切替弁
４７…循環流路
５０…第１ポンプ
５２…第２ポンプ
５４…第３ポンプ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、その電極電位が高まったときには、触媒電極であるカソードが劣化することが知られている。このような高電位を抑制するための構成の一つとして、従来、燃料電池の運転を停止あるいは一時的に負荷を開放して待機する際に、カソードに供給する酸化ガスを不活性ガスに切り替えると共に、燃料電池の出力側を抵抗で短絡させてカソード電位を低下させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−１２８３６２
【特許文献２】特開２００６−０４９１３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように不活性ガスを用いて酸化ガスを切り替えパージする場合には、燃料電池システムにおいて、別途不活性ガスを用意する必要があり、燃料電池システムが複雑化してしまう。特に、燃料電池システムを車両の駆動用電源として用いる場合のように、燃料電池システムを搭載可能なスペースに制限がある場合には、不活性ガスを別途用意する構成は、採用し難い場合がある。また、不活性ガスを用いる場合には、不活性ガスを補充して常に用意しておく必要があり、操作が煩雑化するという問題も生じる。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システム全体の複雑化や、操作の煩雑化を抑制しつつ、電位の上昇に起因する電極劣化を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
負荷要求に対応する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、酸素を含有する酸化ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く酸化ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く酸化ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く酸化ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記酸化ガス接続路を介して前記酸化ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記酸化ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス排出路へと流入させるように、前記酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で酸化ガスを循環させることにより、速やかに酸化ガス中の酸素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【０００９】
［適用例２］
負荷要求に対する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で燃料ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で燃料ガスを循環させることにより、速やかに燃料ガス中の水素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、を備え、前記ガス流切り替え制御部は、さらに、前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替える燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で、酸化ガスの循環に加えて燃料ガスの循環も行なう。そのため、負荷要求が小さいときに、電極の劣化を抑制すると共に、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立する効果を、さらに高めることができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を検出する電圧検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときに、前記電圧検出部が検出した前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、第１の基準値以下となるように、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制御する制御部とを備える燃料電池システム。適用例４に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときに、第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を第１の基準値以下にするため、出力電圧が第１の基準値を超えることに起因する電極の劣化を抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例４に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときであって、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値以下となるときに、前記第１および第２の燃料電池スタックを循環する前記酸化ガスおよび／または燃料ガスに対して、酸素および／または水素を補充する循環ガス補充部を備える燃料電池システム。適用例５に記載の燃料電池システムによれば、第１および第２の燃料電池スタックを循環する酸化ガス中の酸素濃度および／または燃料ガス中の水素濃度が低下しすぎることに起因する不都合を抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例２または３に記載の燃料電池システムであって、前記第２の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックよりも、積層される前記発電体の数が少なく形成されると共に、電極の総面積が小さく形成され、前記ガス流切り替え制御部は、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときにも、前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して流入させる燃料電池システム。適用例６に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回るときには、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて第２の燃料電池スタックにおいて発電を行なうため、燃料電池システム全体の水素の利用率を向上させることができる。このとき、第２の燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックよりも、積層される発電体の数が少なく電極の総面積が小さいため、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて支障なく発電を行なうことが可能になる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、前記第１および第２の燃料電池スタックは、高分子電解質から成る電解質膜を備える固体高分子型燃料電池であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックが備える前記電解質膜における含水状態を反映する値を検出する含水状態検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さい状態から、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回る状態へと変化したときに、前記含水状態検出部の検出結果から、前記電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、前記含水状態を反映する値に基づいて、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制限する出力制限部とを備える燃料電池システム。適用例７に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回る状態に変化して、電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて出力を制限するため、各スタックが備える電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なうことによる不都合を抑制することができる。
【００１６】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを駆動用電源とする移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、メインスタック２０と、サブスタック２２と、燃料ガス供給部２４と、ブロワ２６と、制御部２８と、を備えている。なお、本実施例の燃料電池システム１０は、車両の駆動用電源として車載されて用いられている。
【００１８】
メインスタック２０およびサブスタック２２は、それぞれ、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極と、電極との間でガス流路を形成するガスセパレータと、を備える単セルを、複数積層することによって形成されている。電極とガスセパレータとの間に形成されるガス流路としては、水素を含有する燃料ガスの流路であってアノード上に形成されるセル内燃料ガス流路と、酸素を含有する酸化ガスの流路であってカソード上に形成されるセル内酸化ガス流路と、が形成される。本実施例のメインスタック２０およびサブスタック２２は、いずれも固体高分子型の燃料電池であって、単セルが備える電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜とすることができ、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。メインスタック２０およびサブスタック２２の各々においては、内部を積層方向に貫通する複数の図示しない流体流路が形成されている。具体的には、各単セル内に形成されるセル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内に形成されるセル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路から排出される酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が形成されている。
【００１９】
ここで、メインスタック２０は、燃料電池システム１０に要求される電力の大部分を発電している。また、メインスタック２０よりも発電量が小さいサブスタック２２は、メインスタック２０に比べて積層される単セルの数が少なく形成されると共に、サブスタック２２が備える単セルは、メインスタック２０が備える単セルに比べて電極面積が小さく形成されている。すなわち、サブスタック２２は、メインスタック２０に比べて電極の総面積が小さく形成されている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０から電力の供給を受ける負荷としては、主負荷と副負荷とがある。主負荷は、車両の駆動用モータを含む。副負荷は、主負荷に対して燃料電池システム１０から電力供給するのに伴って電力を消費する装置、例えば、ブロワ２６や制御部２８を含む。
【００２０】
燃料ガス供給部２４は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して燃料ガスを供給する装置である。燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いる場合には、燃料ガス供給部２４は、例えば、高圧の水素ガスを充填した水素ボンベ、あるいは水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすればよい。また、燃料ガス供給部２４が、炭化水素やアルコールなどの改質燃料を貯蔵する燃料タンクと、この改質燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器とを備えることとして、燃料ガスとして改質ガスを用いることとしても良い。例えば、燃料ガス供給部２４が水素ボンベを備える場合には、水素ボンベから水素が流入する流路における圧力に基づいて、水素ボンベ出口に設けた弁の開度を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が水素吸蔵合金を有する水素タンクを備える場合には、さらに、水素タンクに対する加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が改質器を備える場合には、改質器に供給する改質燃料量および改質器の加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。
【００２１】
本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス供給部２４から供給される燃料ガスは、まず、メインスタック２０に供給された後に、サブスタック２２へと供給される。以下に、燃料ガスの流路の接続状態を説明する。図１に示すように、燃料ガス供給部２４とメインスタック２０との間は、燃料ガス供給路３０によって接続されている。具体的には、燃料ガス供給路３０は、メインスタック２０内の既述した燃料ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給可能になっている。そして、メインスタック２０とサブスタック２２との間は、燃料ガス接続路３２によって接続されている。ここでは、燃料ガス接続路３２によって、メインスタック２０内の燃料ガス排出マニホールドと、サブスタック２２内の燃料ガス供給マニホールドとが接続されており、メインスタック２０内で電気化学反応に供された残りの燃料ガスが、サブスタック２２へと供給可能になっている。サブスタック２２の燃料ガス排出マニホールドには、燃料ガス排出路３４が接続されている。
【００２２】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス排出路３４と燃料ガス供給路３０とを接続する燃料ガス循環路３６が設けられている。この燃料ガス循環路３６は、後述する待機運転時に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスを循環させる際に用いられる。燃料ガス排出路３４と燃料ガス循環路３６との接続部には、第１切替弁３８が設けられており、この第１切替弁３８によって、サブスタック２２から排出された燃料ガスが燃料電池システム１０の外部に排出される状態と、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスが循環する状態とを切り替えることができる。さらに、燃料ガス循環路３６には、内部を流れるガスに循環駆動力を与える第３ポンプ５４が設けられている。
【００２３】
ブロワ２６は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置である。本実施例の燃料電池システム１０では、メインスタック２０とサブスタック２２の双方に対してブロワ２６から酸化ガスを供給可能であると共に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスを循環させることも可能となっている。以下に、酸化ガスの流路の接続状態を説明する。
【００２４】
図１に示すように、ブロワ２６とメインスタック２０との間は、第１酸化ガス供給路４０によって接続されている。具体的には、第１酸化ガス供給路４０は、メインスタック２０内の既述した酸化ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給可能になっている。また、第１酸化ガス供給路４０から分岐して、第１酸化ガス供給路４０と、サブスタック２２内の酸化ガス供給マニホールドと、を接続する第２酸化ガス供給路４１が設けられている。さらに、燃料電池システム１０では、メインスタック２０内の酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスが排出される第１酸化ガス排出路４２が設けられている。この第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、第２酸化ガス供給路４１へと接続している。また、上記第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、さらに、燃料電池システム１０の外部へと酸化ガスを導く第２酸化ガス排出路４４にも接続されている。したがって、第２切替弁４３を切り替えることにより、メインスタック２０から第１酸化ガス排出路４２へと排出された酸化ガスが、第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２へと供給される状態とを、切り替えることができる。また、第２切替弁４３を切り替えることによって、ブロワ２６から供給される酸化ガスが、第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０のみに供給される状態と、さらに第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２にも供給される状態とを切り替えることができる。さらに、燃料電池システム１０では、第１酸化ガス供給路４０において第１ポンプ５０が設けられると共に、第２酸化ガス供給路４１において第２ポンプ５２が設けられている。ブロワ２６からメインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスが供給される際には、各々のスタックに供給される酸化ガス量は、ブロワ２６の駆動量と、第１ポンプ５０および第２ポンプ５２の駆動量によって調節される。
【００２５】
さらに、燃料電池システム１０では、サブスタック２２内の酸化ガス排出マニホールドに接続して酸化ガスを燃料電池システム１０の外部へと導く第３酸化ガス排出路４５が設けられており、第３酸化ガス排出路４５には、第３切替弁４６が設けられている。さらに、この第３切替弁４６を介して、第３酸化ガス排出路４５と第１酸化ガス供給路４０とを接続する循環流路４７が設けられている。したがって、第３切替弁４６を切り替えることにより、サブスタック２２から第３酸化ガス排出路４５へと排出された酸化ガスが、燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、循環流路４７および第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０へと供給される状態とを、切り替えることができる。
【００２６】
制御部２８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部２８は、負荷要求に係る情報（例えば図示しない車速センサやアクセル開度センサから検出信号）や、燃料電池システム１０の状態を検出するための種々のセンサ（例えば各スタックの内部温度を検出する温度センサ）からの検出信号を取得して、燃料電池システム１０の各部に駆動信号を出力する。具体的には、例えば、燃料ガス供給部２４やブロワ２６、あるいはポンプ５０，５２，５４に駆動信号を出力して所望の電力を得るために必要なガスを燃料電池に対して供給可能にすると共に、第１切替弁３８、第２切替弁４３、第３切替弁４６に対して駆動信号を出力して、ガスが流れる状態を所定の状態に変更する。
【００２７】
さらに、図１では記載を省略しているが、燃料電池システム１０は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部温度を調節するための冷却装置を備えている。冷却装置は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部に形成される冷媒の流路と、冷媒を冷却するためのラジエータと、各スタック内の冷媒流路とラジエータとの間で冷媒を循環させる流路と、を備えている。燃料電池では発電に伴って熱が生じるため、各スタックの内部に形成した冷媒流路に冷媒を流すことにより、各スタックの内部温度を所定の範囲に維持している。
【００２８】
なお、本実施例では、メインスタック２０とサブスタック２２とに酸化ガスを供給する流れを並列にする場合であっても、単一のブロワ２６を用いているが、各々のスタックに対して異なるブロワを用意しても良い。また、本実施例の燃料電池システム１０において、さらにバッテリを設け、メインスタック２０および／またはサブスタック２２によってバッテリを充電可能としたり、主負荷および／または副負荷に対して、バッテリからも電力を供給可能としても良い。
【００２９】
Ｂ．駆動走行時の動作：
車両が駆動力を発生しつつ走行を行なっている時、すなわち、主負荷である車両の駆動用モータにおいて負荷要求があるときには、主負荷および副負荷における負荷要求に応じて、メインスタック２０およびサブスタック２２において発電が行なわれる。このような駆動走行時には、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次流れると共に、制御部２８が第１切替弁３８を切り替えることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出される。また、駆動走行時には、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、酸化ガスは、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給される。すなわち、メインスタック２０は、第１酸化ガス供給路４０から酸化ガスを供給され、メインスタック２０から排出された酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。そして、サブスタック２２は、第２酸化ガス供給路４１から酸化ガスを供給され、サブスタック２２から排出された酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。このとき、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６および第１ポンプ５０、第２ポンプ５２が駆動されて、負荷要求の合計量に応じた発電が可能となるように、燃料ガス及び酸化ガスの供給が行なわれる。
【００３０】
本実施例では、車両走行時において、上記のようにメインスタック２０で発電に供した残りの燃料ガスをサブスタック２２へと供給しているため、燃料ガス中の水素の利用率を向上させることができる。ここで、燃料電池において発電を行なう際には、通常は、負荷要求に応じた発電を行なうために理論的に必要とされるガス量よりも多くのガスを、燃料電池に対して供給することによって、燃料電池が備える各単セルに対するガスの分配状態を良好に維持している。そのため、このように理論的に必要とされるガス量に対する実際に供給したガス量の比（以下、ストイキ比と呼ぶ）を大きくしてメインスタック２０に対して燃料ガスを供給すると、メインスタック２０から排出される燃料ガス中には、発電に用いられなかった多くの水素が残留することになる。本実施例では、このようにメインスタック２０から排出された燃料ガス中に残留する水素を、さらにサブスタック２２において発電に用いるため、メインスタック２０における燃料ガス流量を確保して水素欠乏を抑制しつつ、外部に廃棄される水素量を削減することで、システム全体としての水素利用率を向上させている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０が備えるサブスタック２２は、既述したように、メインスタック２０に比べて、積層される単セルの数が少ない。そのため、メインスタック２０内を経由して発電に用いられることでガス量が減少した燃料ガスが供給されても、サブスタック２２において各単セルへのガスの分配不良を抑制することができる。また、サブスタック２２は、既述したようにメインスタック２０に比べて電極の総面積が小さいため、メインスタック２０を経由して水素量が減少した燃料ガスを用いても、支障なく発電を行なうことが可能になる。さらに、メインスタック２０から排出された燃料ガスをサブスタック２２で用いることにより、たとえサブスタック２２において燃料ガス量が不足して分配不良が生じる場合があったとしても、大部分の電力を発電しているメインスタック２０がサブスタック２２から独立しているため、ガス不足に起因する影響をシステム全体として充分に抑えることが可能になる。
【００３１】
Ｃ．待機運転時の動作：
図２は、燃料電池システム１０の稼働中に、制御部２８において所定の時間間隔で繰り返し実行される待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０が待機運転中であるか否か、すなわち、主負荷である駆動用モータにおける負荷要求がゼロである（アクセル開度がゼロである）か否かを判断する（ステップＳ１００）。待機運転中ではないとき、すなわち、車両が駆動走行中である場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３２】
ステップＳ１００において待機運転中であると判断されたときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転の状態として定められた所定の状態となるように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ１１０）。待機運転の状態として定められた所定の状態とは、燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態をいう。すなわち、燃料ガスの流路においては、メインスタック２０およびサブスタック２２内を通過してサブスタック２２から燃料ガス排出路３４へと排出された燃料ガスは、第１切替弁３８および燃料ガス循環路３６を介して燃料ガス供給路３０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。また、酸化ガスの流路においては、メインスタック２０内を通過した酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス供給路４１を介して、サブスタック２２に供給される。そして、サブスタック２２内を通過した酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５、第３切替弁４６および循環流路４７を介して、第１酸化ガス供給路４０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。ステップＳ１１０においては、車両が駆動走行中である状態から待機運転へと変化して最初に待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、上記のようにガスが循環する状態となるように制御部２８から各切替弁に対して駆動信号が出力され、その後に再び待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、切替弁４６の切り替えが既に行なわれているため、引き続き次のステップに進む。なお、上記のように燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態になったときには、第２ポンプ５２と第３ポンプ５４の各々によって、酸化ガスあるいは燃料ガスに対して循環駆動力が与えられる。なお、このように燃料ガスおよび酸化ガスが２つのスタック間を循環するように切りかえたときには、本実施例では、燃料ガス供給部２４およびブロワ２６の駆動は停止している。後述するように、ガスを循環させる動作は、流路中の水素濃度あるいは酸素濃度を低下させるためのものであるため、循環運転中には、水素濃度あるいは酸素濃度が充分な速さで低下可能となるように、少なくとも、ガス流路に対する新たな燃料ガスあるいは酸化ガスの供給を充分に抑制する必要がある。
【００３３】
上記のようにガス流れを循環状態にすると共に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧が第１の基準値以下となるように出力制御を行なう（ステップＳ１２０）。第１の基準値とは、メインスタック２０およびサブスタック２２のカソードが劣化しない電圧の上限として、予め定めた値である。図３は、燃料電池における一般的な電流−電圧特性を表わす説明図である。図３において、グラフＡは、定常状態における電流−電圧特性を示している。図３に示すように、一般に燃料電池は、負荷要求がゼロのときに最も端子間電圧が大きくなり（図中、ＯＣＶと示す）、出力電流が大きくなるほど出力電圧は低下する。ここで、燃料電池の出力電圧が高いときには、カソードが劣化することが知られている。具体的には、カソードが、白金などの触媒金属を担持するカーボン粒子を備える場合には、電圧が高くなると担体であるカーボン粒子の酸化が起こる。また、触媒金属の凝縮が起こる場合もある。上記した第１の基準値は、このような劣化が充分に抑えられるときの電圧として定められている。
【００３４】
図３では、このような第１の基準値を、Ｖ1と表わしており、このときの出力電流値を、Ｉ1と表わしている。待機運転となったときに最初にステップＳ１２０を実行する際には、出力電流値をＩ1とすることにより、出力電圧をＶ1にする。本実施例では、制御部２８、ブロワ２６、第２ポンプ５２および第３ポンプ５４のように、燃料電池システム１０における発電に伴って電力を消費する装置（副負荷）に対して電力供給することにより、出力電流値をＩ1としている。なお、上記のような副負荷に対して電力供給するだけでは出力電圧をＶ1以下にできない場合には、例えばさらにバッテリを充電することによって、出力電圧をＶ1以下にすればよい。また、副負荷が要する電力を供給しようとすると出力電流値Ｉ1に対応する電力では不足する場合には、不足分はバッテリによって補えばよい。
【００３５】
メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスおよび酸化ガスを循環させながら発電を行なうと、循環するガス中の水素濃度あるいは酸素濃度が次第に低下する。また、発電に伴ってカソードで生じた生成水がガス中に気化することにより、循環するガス中の水蒸気濃度が上昇する。また、燃料電池の出力電圧は、ガス中の電極活物質（燃料ガス中の水素あるいは酸化ガス中の酸素）の濃度が低くなるほど低下する。図３中のグラフＢは、グラフＡよりもガス中の電極活物質濃度が低いときの電流−電圧特性の一例を表わし、図３中のグラフＣは、グラフＢよりもさらにガス中の電極活物質濃度が低下したときの電流−電圧特性の一例を表わす。出力電圧がＶ1となるように出力電流値をＩ1にして発電を行なうと、ガスを循環させることによって、燃料電池における出力電圧は次第に低下する。
【００３６】
次に、制御部２８は、燃料電池システム１０に備えられた、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧を検出するための図示しない電圧計から検出信号を取得する（ステップＳ１３０）。そして、検出した電圧値が、第２の基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、第２の基準値とは、第１の基準値よりも低い値であって、出力電流値をＩ1としたときに、ガス中の電極活物質の濃度が許容できる下限の状態となったときの電圧値として予め定めて制御部２８に記憶しておいた値である。ガス中の電極活物質濃度が低くなりすぎると、燃料電池から安定した出力を得ることが困難となる場合があるため、このような不都合が生じない基準値として、第２の基準値が定められている。ステップＳ１４０において、出力電圧値が第２の基準値を上回るときには、ステップＳ１３０に戻って、電圧値の検出の動作と、第２の基準値との比較の動作とを繰り返す。
【００３７】
ステップＳ１４０において、出力電圧が第２の基準値以下であると判断されたときには、制御部２８は、燃料ガスおよび／または酸化ガスの循環する流路に対して、新たなガスを追加する処理を行なって（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。具体的には、酸化ガスを追加する場合には、ブロワ２６を駆動すれば良く、燃料ガスを追加する場合には、燃料ガス供給部２４を駆動すれば良い。なお、ステップＳ１５０におけるガスの追加の動作は、循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させるためのものであるため、ガスが循環する流路に対する単なるガスの追加ではなく、循環するガスの一部を排出して、循環するガスの一部の入れ替えとしても良い。このように循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させることにより、燃料電池からの出力電圧が上昇する。なお、ステップＳ１５０における新たなガスを追加する動作は、ガスの追加により燃料電池からの出力電圧が上昇したときに、出力電圧が第１の基準値を超えないように行なえばよい。
【００３８】
なお、上述した待機運転時の動作に係る説明では、メインスタック２０とサブスタック２２とを区別することなく出力電圧に基づく制御を説明したが、実際には、各々のスタックに関して、上記した制御を行なえばよい。例えば、ステップＳ１２０では、双方のスタックにおける出力電圧が第１の基準値以下となるように、出力制御を行なえばよい。また、ステップＳ１４０では、少なくとも一方のスタックにおいて出力電圧が第２の基準値以下となったときには、ステップＳ１５０のガスの追加を行なえばよい。このような制御を行なう際の第１の基準値および第２の基準値は、メインスタック２０とサブスタック２２とでは、同じ値としても良く、異なる値としても良い。
【００３９】
Ｄ．再駆動走行時の動作：
図４は、燃料電池システム１０が待機運転中に、所定の時間間隔で繰り返し実行される再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０に対して、駆動要求があったか否かを判断する（ステップＳ２００）。具体的には、制御部２８は、アクセル開度センサの検出信号を取得して、アクセルの踏み込みが成されたか否かを判断する。駆動要求が無く、待機運転が継続されているときには、そのまま本ルーチンを終了する。
【００４０】
ステップＳ２００において駆動要求があったと判断したときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転時に対応する循環状態から解除されて駆動走行時の状態に戻るように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ２１０）。これにより、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次供給されると共に、第１切替弁３８が切り替えられることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出されるようになる。また、酸化ガスは、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給されるようになる。
【００４１】
次に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２の各々の内部温度を検出する図示しない温度センサから検出信号を取得すると共に、メインスタック２０およびサブスタック２２における抵抗値を検出する（ステップＳ２２０）。この段階では、燃料電池システム１０からは待機運転時と同等の出力がなされている。なお、本実施例では、ステップ２２０における抵抗値の検出は、交流インピーダンス法により行なっている。
【００４２】
そして、制御部２８のＣＰＵは、検出した抵抗値が、基準の抵抗値以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。この基準の抵抗値とは、電解質膜の含水量が充分であると判断するための基準値として予め定めて、制御部２８に記憶しておいたものである。すなわち、燃料電池においては、電解質膜の含水量が少ないほど抵抗値が大きくなるため、ここでは、各スタックにおける抵抗値を指標として、電解質膜の含水状態を判断している。
【００４３】
少なくともいずれかのスタックにおいて、検出した抵抗値が基準の抵抗値を超える場合には、電解質膜の含水量が不十分であると判断され、制御部２８のＣＰＵは、検出した温度に応じた量のガスが各スタックに供給されるように、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６およびポンプ５０，５２を駆動制御する。また、検出した抵抗値に応じた電流値となるように出力制御を行なう（ステップＳ２５０）。
【００４４】
ここで、燃料電池にガスを供給する際に、燃料電池の内部温度が高い場合には、供給するガスの流量が多いほど、電解質膜からガスへと水分が奪われやすく、電解質膜が乾きやすくなる。そのため、本実施例では、内部温度が高いほど供給ガス流量が少なくなるように、各スタックの内部温度に応じて供給ガス量の上限を定めている。具体的には、制御部２８は、スタック温度に応じて供給することができる燃料ガスおよび酸化ガスの最大流量をマップとして予め記憶しており、ステップＳ２５０においてＣＰＵは、このマップを参照して、駆動要求に関わらず供給ガス流量が上記最大流量以下となるように、供給ガス量を設定する。
【００４５】
また、燃料電池において発電を行なわせる際に、電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なわせると、予期しない電圧低下等の不具合を生じる可能性がある。そのため、本実施例では、電流量に対する抵抗値の上限値を予め定めてマップとして記憶しておき、検出した抵抗値が、駆動要求を賄うための電流値に対応する抵抗値の上限値を超えるときには、抵抗値が上限値を超えないように出力電流を駆動要求に対応する電流値よりも低く抑える制御を行なっている。
【００４６】
なお、本実施例では、ステップＳ２３０において抵抗値を基準値と比較することにより、電解質膜の乾燥状態を判断しているが、異なる構成としても良い。例えば、検出した燃料電池温度が予め定めた基準温度よりも低いときには電解質膜の含水量が充分であると判断し、基準温度以上であるときには電解質膜の含水量が不十分であると判断することも可能である。第１および第２の燃料電池スタックが備える電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて電解質膜の含水量を判断できれば良く、また、電解質膜の含水量を反映する値に基づいて、供給ガス量を制限し、あるいは各スタックからの出力を制限すればよい。
【００４７】
その後、制御部２８のＣＰＵは、ステップＳ２２０に戻り、各スタックの温度および抵抗値の取得と、検出した抵抗値と基準値との比較を行ない、抵抗値が大きければ、スタック温度に応じたガス流量の上限値と、抵抗値に応じた出力電流の上限値の範囲内で、発電制御が行なわれる。このような制御を行なうことにより、燃料電池システム１０において負荷要求に応じた電力を発電することができない場合には、負荷要求に対して不足する電力は、例えばバッテリから補っても良く、また、負荷に対する電力供給を負荷要求よりも小さく抑えても良い。
【００４８】
上記のような制御を繰り返して発電を行なうと、生成水量が次第に増大し、電解質膜の含水量が増えるため、抵抗値は徐々に低下する。したがって、ステップＳ２５０における抵抗値に応じた電流値がより大きくなり、駆動要求に近い、より多くの電力を出力可能になる。そして、さらに抵抗値が低下して、やがてステップＳ２３０において、抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されるようになる。ステップＳ２３０において、検出した抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されたときには、電解質膜の含水量が充分になったと判断されるため、制御部２８のＣＰＵは、負荷要求に応じた電力を燃料電池システム１０から得るための通常の処理を開始して（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。
【００４９】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、車両の待機運転時には、副負荷に対して電力供給するための微小な量の発電を継続するため、端子間電圧を、ＯＣＶよりも低く、具体的には基準値Ｖ1以下とすることができる。そのため、待機運転中のカソードの劣化を抑制することができる。また、このような待機運転時には、酸化ガスおよび燃料ガスを、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環させることにより、速やかにガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることができるため、低負荷運転時に、低電圧運転とガス流量の確保とを両立することが可能になる。
【００５０】
本実施例のサブスタック２２は、既述したように、駆動走行時には、メインスタック２０からされた排出された燃料ガスを有効利用して水素の利用率を向上させるために用いられている。このようなサブスタック２２を備えるシステムにおいて、待機運転時にはメインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させて、両方のスタックで酸素や水素を消費することにより、単一のスタックのみを有する場合に比べて、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させるスピードを速めることができる。したがって、待機運転時においてガス流量をより多くしても、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を充分に低くすることができる。このようにガス流量を確保することにより、スタック内におけるガスの分配不良に起因する不具合の発生を抑制することができる。また、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることにより、出力電流値に対して電圧値を低下させることができるため、待機運転時における発電量が過大となることを抑制できる。なお、本実施例によれば、このようなガス中の酸素濃度あるいは水素濃度の低下を、流路の切り替えという簡便な構成により実現しているため、ガス中の電極活物質濃度を抑えるために別途不活性ガスなどを用意する必要が無く、システム構造の複雑化や操作の煩雑化を抑えることができる。このように、本実施例によれば、メインスタック２０に加えてサブスタック２２を設けて、駆動走行時にはメインスタック２０からサブスタック２２へと燃料ガスを順次流して燃料ガス中の水素の利用率を向上させるシステムにおいて、待機運転時には酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることで、サブスタック２２を有効に利用して、待機運転時における電極劣化を効果的に抑制できる。
【００５１】
また、待機運転時にメインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることにより、循環するガス中の水蒸気量を、２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、効率よく増加させることができる。したがって、燃料電池をより高温で運転する場合であっても、待機運転中における電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。車両が駆動走行しており、燃料電池システム１０が主負荷である駆動用モータに対しても電力供給しているときには、発電により生じる生成水の量も多くなるため、燃料電池の運転温度が高くても、生成水によって電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。しかしながら、待機運転時のように発電量が少ないときには、生じる生成水量も少ないため、生成水によって電解質膜の含水量を維持することが困難になる。本実施例では、待機運転時には、メインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させてガス中の水蒸気量を高めているため、充分な生成水が発生する駆動運転時だけでなく、生成水量が少なくなる待機運転時にも電解質膜の含水量を確保可能となり、全体として燃料電池の運転温度をより高く設定することが可能になる。燃料電池の運転温度をより高くしても支障なく運転可能となることにより、各スタックを冷却して運転温度を制御するための冷却装置（例えば、ラジエータと、スタックおよびラジエータの間で冷媒を循環させる冷媒流路など）を、小型化し、あるいは不要とすることが可能になる。
【００５２】
また、上記のように、待機運転時には２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、循環するガス中の水蒸気量を効率よく増加させることができるため、燃料電池スタックに供給される酸化ガスおよび／または燃料ガスに対する加湿量を抑えることができる。すなわち、生成水量が多い駆動走行時だけでなく、生成水量が少ない待機運転時にも、電解質膜の含水量を維持可能となるため、燃料電池スタックに供給するガスに対する加湿量を削減し、あるいは無加湿としても、電解質膜の含水量低下を抑えて支障なく発電を継続することが可能になる。そのため、燃料電池スタックに供給するガスを加湿する加湿装置を小型化し、あるいは不要とすることが可能になり、システム構成を簡素化することができる。
【００５３】
なお、本実施例の燃料電池システム１０では、待機運転時に酸化ガスおよび燃料ガスを循環させるために用いるサブスタック２２は、駆動走行時にも発電しているため、駆動走行から待機運転へと移行する際に、サブスタック２２は直ちに定常状態で発電を行なうことができる、すなわち、待機運転時に移行したときに、ガスを循環させるためのサブスタック２２を特別に起動する必要がないため、ガス中の酸素あるいは水素の消費、および、生成水を生じることによる酸化ガスおよび燃料ガスの加湿を、直ちに良好に行なうことができる。
【００５４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０によれば、待機運転から再び駆動走行へと移行するときには、抵抗値などにより電解質膜の含水量をモニタしながら、定められた上限の範囲内で発電を行なっている。そのため、電解質膜が水分不足の状態で過剰な発電を行なわせることによる不都合を抑制することができる。
【００５５】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｅ１．変形例１：
実施例では、待機運転時には、酸化ガスと燃料ガスの双方を循環させるように流路の接続状態を変更したが、異なる構成としても良い。待機運転時のような低負荷運転時に、少なくとも一方のガスを２つの燃料電池スタックの間で循環させるならば、循環するガスの流量を確保しつつガス中の電極活物質濃度を速やかに低下させることができるため、電圧を抑制しつつ発電量を抑えることにより、触媒劣化を抑えることができる。また、循環するガス中の水蒸気量を確保することにより、電解質膜の含水量を確保することが可能になる。
【００５７】
Ｅ２．変形例２：
実施例では、燃料電池システム１０を車載して車両の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両の駆動用モータのように変動する負荷の他、一定の大きさの負荷を主負荷として、主負荷がゼロになる待機運転時において、酸化ガスおよび／または燃料ガスを循環させる場合にも、実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
また、酸化ガスおよび／または燃料ガスが循環するような流路の切り替えは、主負荷がゼロになる待機運転以外の場合に適用しても良い。燃料電池システム１０から電力供給を受ける負荷全体の大きさが所定値以下になることにより、燃料電池における電圧値が、電極劣化を生じ得る程度に高くなる可能性がある場合であれば、本発明を適用することにより同様の効果が得られる。
【００５９】
Ｅ３．変形例３：
実施例では、メインスタック２０およびサブスタック２２は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる構成としても良い。固体高分子型燃料電池であれば、本発明を適用することにより、既述したように高温運転を可能にすると共に加湿器を削減できる効果を奏するが、他種の燃料電池に本願を適用しても良い。この場合にも、待機運転時などの低負荷運転時に、電圧が高すぎることに起因する触媒劣化を抑制する同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】燃料電池における電流−電圧特性を表わす説明図である。
【図４】再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池システム
２０…メインスタック
２２…サブスタック
２４…燃料ガス供給部
２６…ブロワ
２８…制御部
３０…燃料ガス供給路
３２…燃料ガス接続路
３４…燃料ガス排出路
３６…燃料ガス循環路
３８…第１切替弁
４０…第１酸化ガス供給路
４１…第２酸化ガス供給路
４２…第１酸化ガス排出路
４３…第２切替弁
４４…第２酸化ガス排出路
４５…第３酸化ガス排出路
４６…第３切替弁
４７…循環流路
５０…第１ポンプ
５２…第２ポンプ
５４…第３ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷要求に対応する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、酸素を含有する酸化ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く酸化ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く酸化ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く酸化ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記酸化ガス接続路を介して前記酸化ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記酸化ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス排出路へと流入させるように、前記酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
負荷要求に対する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、を備え、
前記ガス流切り替え制御部は、さらに、前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときに、前記電圧検出部が検出した前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、第１の基準値以下となるように、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制御する制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときであって、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値以下となるときに、前記第１および第２の燃料電池スタックを循環する前記酸化ガスおよび／または燃料ガスに対して、酸素および／または水素を補充する循環ガス補充部を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記第２の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックよりも、積層される前記発電体の数が少なく形成されると共に、電極の総面積が小さく形成され、
前記ガス流切り替え制御部は、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときにも、前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して流入させる
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２の燃料電池スタックは、高分子電解質から成る電解質膜を備える固体高分子型燃料電池であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記第１および第２の燃料電池スタックが備える前記電解質膜における含水状態を反映する値を検出する含水状態検出部と、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さい状態から、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回る状態へと変化したときに、前記含水状態検出部の検出結果から、前記電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、前記含水状態を反映する値に基づいて、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制限する出力制限部と
を備える燃料電池システム。
【請求項１】
負荷要求に対応する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、酸素を含有する酸化ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く酸化ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く酸化ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く酸化ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記酸化ガス接続路を介して前記酸化ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記酸化ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス排出路へと流入させるように、前記酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
負荷要求に対する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、を備え、
前記ガス流切り替え制御部は、さらに、前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときに、前記電圧検出部が検出した前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、第１の基準値以下となるように、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制御する制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときであって、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値以下となるときに、前記第１および第２の燃料電池スタックを循環する前記酸化ガスおよび／または燃料ガスに対して、酸素および／または水素を補充する循環ガス補充部を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記第２の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックよりも、積層される前記発電体の数が少なく形成されると共に、電極の総面積が小さく形成され、
前記ガス流切り替え制御部は、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときにも、前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して流入させる
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２の燃料電池スタックは、高分子電解質から成る電解質膜を備える固体高分子型燃料電池であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記第１および第２の燃料電池スタックが備える前記電解質膜における含水状態を反映する値を検出する含水状態検出部と、
前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さい状態から、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回る状態へと変化したときに、前記含水状態検出部の検出結果から、前記電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、前記含水状態を反映する値に基づいて、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制限する出力制限部と
を備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−５５９２７（Ｐ２０１０−５５９２７Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１９４６７（Ｐ２００８−２１９４６７）
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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