JP2020087673A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の実現と燃料ガスの消費量の低減との両立を図る。【解決手段】燃料電池システム１００は、積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が第１の厚みである第１燃料電池スタックと、積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が第１の厚みよりも厚い第２の厚みである第２燃料電池スタックと、燃料電池スタック全体に対する要求電力に応じて第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの発電を制御する発電制御部と、を備える。発電制御部は、要求電力が所定の閾値未満では第１燃料電池スタックの発電を休止しつつ、第１燃料電池スタックに対する反応ガスの少なくとも一方の供給を停止するとともに、第２燃料電池スタックを発電させ、要求電力が所定の閾値以上では第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックのうちから少なくとも第１燃料電池スタックを発電させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムが知られている。例えば、発電効率の異なる複数の燃料電池スタックを備え、被電力供給部からの要求電力に対して発電効率が最大となるように、被電力供給部に電力を供給する燃料電池スタックを切り替えることが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−０９１６２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、高出力を得ることと、発電に用いられるガスの消費量を低減させることと、の両立を図ることに関して改善の余地が残されていた。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高出力の実現と燃料消費量の低減との両立を図ることを目的とする。

本発明は積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が第１の厚みであり、反応ガスの供給を受けて発電する第１燃料電池スタックと、積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みであり、反応ガスの供給を受けて発電する第２燃料電池スタックと、燃料電池スタック全体に対する要求電力に応じて前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの発電を制御する発電制御部と、を備え、前記発電制御部は、前記要求電力が所定の閾値未満では前記第１燃料電池スタックの発電を休止しつつ前記第１燃料電池スタックに対する前記反応ガスであるアノードガス及びカソードガスの少なくとも一方の供給を停止するとともに前記第２燃料電池スタックを発電させ、前記要求電力が前記所定の閾値以上では前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックのうちの少なくとも第１燃料電池スタックを発電させる、燃料電池システムである。

本発明によれば、高出力の実現と燃料消費量の低減との両立を図ることができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、セルの断面図である。 図３は、実施例１に係る燃料電池システムの電気的構成を示す概略図である。 図４は、実施例１における発電制御を示すフローチャートである。 図５は、実施例１における発電制御を説明するための図である。 図６は、実施例２における発電制御を示すフローチャートである。 図７は、実施例２における発電制御を説明するタイムチャートである。 図８は、実施例２における発電制御を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。燃料電池システムは、燃料電池車両又は定置用燃料電池装置などに用いられ、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。なお、以下の実施例では、燃料電池システムが車両に搭載されている場合を例に説明する。図１のように、燃料電池システム１００は、第１燃料電池スタック１（以下、第１ＦＣスタック１と称す）及び第２燃料電池スタック２（以下、第２ＦＣスタック２と称す）と、制御ユニット２０と、カソードガス配管系３０及び４０と、アノードガス配管系５０及び７０と、を備える。なお、燃料電池システム１００は、冷媒配管系も備えるが、ここでは図示及び説明を省略する。

第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２は、複数のセルが積層されたスタック構造をしている。図２は、セルの断面図である。図２のように、セル１０は、膜電極ガス拡散層接合体１５（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称す）と、ＭＥＧＡ１５を挟持するアノードセパレータ１６ａ及びカソードセパレータ１６ｃと、を含む。ＭＥＧＡ１５は、アノードガス拡散層１４ａ及びカソードガス拡散層１４ｃと、膜電極接合体１３（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称す）と、を含む。

ＭＥＡ１３は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に設けられたアノード触媒層１２ａと、他方の面に設けられたカソード触媒層１２ｃと、を含む。電解質膜１１は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成される固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１２ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持するカーボン担体（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

アノードガス拡散層１４ａ及びカソードガス拡散層１４ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えば炭素繊維又は黒鉛繊維などの多孔質の繊維部材によって形成される。アノードセパレータ１６ａ及びカソードセパレータ１６ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材、或いは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材によって形成される。アノードセパレータ１６ａとアノードガス拡散層１４ａとが接する面にはアノードガス流路１７ａが形成され、カソードセパレータ１６ｃとカソードガス拡散層１４ｃとが接する面にはカソードガス流路１７ｃが形成される。また、カソードセパレータ１６ｃのアノードセパレータ１６ａと接する側の面には冷媒流路１８が形成される。

例えば、第２ＦＣスタック２を構成する複数のセル１０それぞれの電解質膜１１の膜厚は、第１ＦＣスタック１を構成する複数のセル１０それぞれの電解質膜１１の膜厚よりも厚くなっている。一例として、第１ＦＣスタック１は厚みが１０μｍの電解質膜１１を有する複数のセル１０が積層され、第２ＦＣスタック２は厚みが２０μｍの電解質膜１１を有する複数のセル１０が積層されている。なお、第２ＦＣスタック２を構成する複数のセル１０の全ての電解質膜１１が、第１ＦＣスタック１を構成する複数のセル１０の全ての電解質膜１１よりも厚い場合に限られる訳ではない。第２ＦＣスタック２を構成する複数のセル１０の電解質膜１１の平均膜厚が、第１ＦＣスタック１を構成する複数のセル１０の電解質膜１１の平均膜厚よりも厚い場合であればよい。なお、複数のセル１０の電解質膜１１の平均膜厚は、複数のセル１０それぞれの電解質膜１１の膜厚の合計を複数のセル１０の積層数で割って求めることができる。

第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２に比べて、電解質膜１１の厚みが薄いため、プロトンの移動抵抗が小さく、発電性能が向上している。すなわち、第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２に比べて、発電時の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が良好であり、発電時の発熱量が少なく、発電効率が良好である。一方、第２ＦＣスタック２は、第１ＦＣスタック１に比べて、電解質膜１１が厚いため、反応ガスの電解質膜１１を介したクロスリーク量が少なくなり、燃料消費量が少なく抑えられている。

なお、第１ＦＣスタック１のセル１０と第２ＦＣスタック２のセル１０では、電解質膜１１の厚み以外のスペック（例えば触媒の塗布量及びセパレータの形状など）は、同じでもよいし、異なっていてもよいが、実施例１では同じ場合を例に説明する。電解質膜１１の厚み以外のスペックが同じである場合は、第１ＦＣスタック１のセル１０と第２ＦＣスタック２のセル１０とを同じ製造工程で製造できると共に、部品の種類を少なくできるため、コストを低減できる。また、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２のセル１０の積層枚数は、同じでもよいし、異なっていてもよいが、実施例１では同じである場合を例に説明する。例えば、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２のセル１０の積層枚数は共に２００枚となっている。また、実施例１では、第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２に比べて、最大出力電力が大きくなっている。

図１のように、制御ユニット２０は、発電制御部２１として機能する。制御ユニット２０には、アクセルペダル６６の開度（すなわち、運転者によるアクセルペダル６６の踏み込み量）を検出するアクセルペダルセンサ６７からアクセル開度信号が送信される。発電制御部２１は、アクセル開度信号に基づいて要求電力を算出し、算出した要求電力に応じて以下に説明する燃料電池システム１００の各構成を制御して第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を制御する。ここで、アクセル開度に基づいて、まずＦＣスタックを含む燃料電池システム１００全体への要求電力が算出される。燃料電池システム１００が二次電池を備える場合には、二次電池の充電状態を検出し、二次電池が充放電する電力を考慮して、ＦＣスタック全体への要求電力を算出してもよい。

カソードガス配管系３０は、第１ＦＣスタック１にカソードガスを供給し、第１ＦＣスタック１で消費されなかったカソード排ガスを排出する。カソードガス配管系３０は、カソードガス配管３１、エアコンプレッサ３２、開閉弁３３、カソード排ガス配管３４、及び調圧弁３５を備える。カソードガス配管３１は、第１ＦＣスタック１のカソード入口に接続される配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して第１ＦＣスタック１のカソードと接続されていて、外気を取り込んで圧縮した空気をカソードガスとして第１ＦＣスタック１に供給する。制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２の駆動を制御することにより、第１ＦＣスタック１に供給する空気の流量を制御する。開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と第１ＦＣスタック１の間に設けられていて、カソードガス配管３１における空気の流れに応じて開閉する。例えば、開閉弁３３は、通常閉じた状態にあり、エアコンプレッサ３２から所定圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。カソード排ガス配管３４は、第１ＦＣスタック１のカソード出口に接続される配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁３５は、カソード排ガス配管３４におけるカソード排ガスの圧力を調整する。

カソードガス配管系４０は、第２ＦＣスタック２にカソードガスを供給し、第２ＦＣスタック２で消費されなかったカソード排ガスを排出する。カソードガス配管系４０は、カソードガス配管４１、エアコンプレッサ４２、開閉弁４３、カソード排ガス配管４４、及び調圧弁４５を備える。カソードガス配管４１、エアコンプレッサ４２、開閉弁４３、カソード排ガス配管４４、及び調圧弁４５は、カソードガス配管系３０のカソードガス配管３１、エアコンプレッサ３２、開閉弁３３、カソード排ガス配管３４、及び調圧弁３５と同様の機能を有する。したがって、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２の駆動を制御することにより、第２ＦＣスタック２に供給する空気の流量を制御する。

アノードガス配管系５０は、第１ＦＣスタック１にアノードガスを供給し、第１ＦＣスタック１で消費されなかったアノード排ガスを排出する。アノードガス配管系５０は、アノードガス配管５１、開閉弁５２、レギュレータ５３、インジェクタ５４、アノード排ガス配管５５、気液分離器５６、アノードガス循環配管５７、循環ポンプ５８、アノード排水配管５９、及び排水弁６０を備える。アノードガス配管５１は、水素タンク６５と第１ＦＣスタック１のアノード入口とを接続する配管である。水素タンク６５は、アノードガス配管５１を介して第１ＦＣスタック１のアノードと接続していて、タンク内に充填された水素を第１ＦＣスタック１に供給する。開閉弁５２、レギュレータ５３、及びインジェクタ５４は、アノードガス配管５１にこの順序で上流側から設けられている。開閉弁５２は、制御ユニット２０からの指令により開閉し、水素タンク６５からインジェクタ５４の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５３は、インジェクタ５４の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。インジェクタ５４は、制御ユニット２０によって設定される駆動周期及び開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御ユニット２０は、インジェクタ５４の駆動周期及び／又は開弁時間を制御することにより、第１ＦＣスタック１に供給される水素の流量を制御する。

アノード排ガス配管５５は、第１ＦＣスタック１のアノード出口と気液分離器５６とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素及び窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離器５６へと誘導する。気液分離器５６は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分についてはアノードガス循環配管５７へと誘導し、水分についてはアノード排水配管５９へと誘導する。アノードガス循環配管５７は、アノードガス配管５１にインジェクタ５４よりも下流で接続されている。アノードガス循環配管５７には循環ポンプ５８が設けられている。気液分離器５６によって分離された気体成分に含まれる水素は、循環ポンプ５８によってアノードガス配管５１へと送り出される。循環ポンプ５８は、制御ユニット２０からの指令に応じて駆動する。アノード排水配管５９は、気液分離器５６によって分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６０は、アノード排水配管５９に設けられていて、制御ユニット２０からの指令に応じて開閉する。

アノードガス配管系７０は、第２ＦＣスタック２にアノードガスを供給し、第２ＦＣスタック２で消費されなかったアノード排ガスを排出する。アノードガス配管系７０は、アノードガス配管７１、開閉弁７２、レギュレータ７３、インジェクタ７４、アノード排ガス配管７５、気液分離器７６、アノードガス循環配管７７、循環ポンプ７８、アノード排水配管７９、及び排水弁８０を備える。アノードガス配管７１、開閉弁７２、レギュレータ７３、インジェクタ７４、アノード排ガス配管７５、気液分離器７６、アノードガス循環配管７７、循環ポンプ７８、アノード排水配管７９、及び排水弁８０は、アノードガス配管系５０のアノードガス配管５１、開閉弁５２、レギュレータ５３、インジェクタ５４、アノード排ガス配管５５、気液分離器５６、アノードガス循環配管５７、循環ポンプ５８、アノード排水配管５９、及び排水弁６０と同様の機能を有する。したがって、制御ユニット２０は、インジェクタ７４の駆動周期及び／又は開弁時間を制御することにより、第２ＦＣスタック２に供給される水素の流量を制御する。

図３は、実施例１に係る燃料電池システムの電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、上述した制御ユニット２０などに加え、ＦＤＣ８１ａ及び８１ｂ、インバータ８２、モータジェネレータ８３、ＢＤＣ８４、バッテリ８５、並びにスイッチ８６ａ及び８６ｂを備える。

ＦＤＣ８１ａ及び８１ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＦＤＣ８１ａは、第１ＦＣスタック１の出力電圧を変圧してインバータ８２及びＢＤＣ８４に供給する。ＦＤＣ８１ｂは、第２ＦＣスタック２の出力電圧を変圧してインバータ８２及びＢＤＣ８４に供給する。ＢＤＣ８４は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。バッテリ８５は、充放電可能な二次電池である。ＢＤＣ８４は、バッテリ８５からの直流電圧を調整してインバータ８２に出力でき、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２からの直流電圧及びインバータ８２により直流に変換されたモータジェネレータ８３からの電圧を調整してバッテリ８５に出力可能である。インバータ８２は、ＤＣ／ＡＣインバータであり、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とバッテリ８５とから出力される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ８３に供給する。モータジェネレータ８３は車輪６８を駆動する。スイッチ８６ａ及び８６ｂは、制御ユニット２０からの指令に応じて開閉し、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３及びバッテリ８５などとの電気的接続及び非接続を切り換える。

制御ユニット２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶部などを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。記憶部は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。制御ユニット２０は、燃料電池システム１００の各構成を統合的に制御して、燃料電池システム１００の運転を制御する。

制御ユニット２０は、アクセルペダル６６の開度を検出するアクセルペダルセンサ６７からアクセル開度信号を取得し、取得したアクセル開度信号から第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２を含むＦＣスタック全体への要求電力を算出する。そして、制御ユニット２０は、算出した要求電力に応じて第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２へのガス供給流量並びにＦＤＣ８１ａ及び８１ｂのデューティ比などを制御して、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を制御する。このように、制御ユニット２０は、アクセル開度信号からＦＣスタック全体への要求電力を算出し、算出した要求電力に応じて第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を制御する発電制御部２１として機能する。

発電制御部２１は、例えばエアコンプレッサ３２及び４２などを制御することで第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２に供給されるカソードガスの供給流量を制御し、インジェクタ５４及び７４並びに循環ポンプ５８及び７８などを制御することで第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２に供給されるアノードガスの供給流量を制御する。また、発電制御部２１は、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２を発電させるときにはスイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＮ（接続状態）にし、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を休止させるときにはスイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＦＦ（非接続状態）にする。なお、実施例１においては、ＦＤＣ８１ａ及び８１ｂとは別に独立してスイッチ８６ａ及び８６ｂを備える構成を例示したが、これに限定されない。例えば、ＦＤＣ８１ａ及び８１ｂがスイッチング素子を備え、制御ユニット２０がＦＤＣ８１ａ及び８１ｂのスイッチング素子を制御することにより、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３及びバッテリ８５などとの電気的接続及び非接続を切り換えてもよい。

図４は、実施例１における発電制御を示すフローチャートである。図４のように、制御ユニット２０は、アクセルペダルセンサ６７から送出される、開度がゼロでないアクセル開度信号を取得するまで待機する（ステップＳ１０）。制御ユニット２０は、開度がゼロでないアクセル開度信号を取得した後（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、アクセル開度信号に基づいて要求電力を算出する（ステップＳ１２）。例えば、制御ユニット２０は、記憶部に記憶されたアクセル開度信号と要求電力との相関を示すマップなどを参照し、取得したアクセル開度信号からＦＣスタック全体に対する要求電力を算出する。

次いで、制御ユニット２０は、算出した要求電力が所定の閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。閾値は、一例としてアイドル運転時か否かを判定する値であり、例えば制御ユニット２０の記憶部に記憶されている。制御ユニット２０は、ステップＳ１４で要求電力が所定の閾値未満であると判断した場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００の各構成を制御して、第１ＦＣスタック１の発電を休止させ、第２ＦＣスタック２で要求電力が充足するように第２ＦＣスタック２を発電させる（ステップＳ１６）。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ｂをＯＮにして第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させるとともに、スイッチ８６ａはＯＦＦにして第１ＦＣスタック１とモータジェネレータ８３との電気的接続を遮断する。制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して、要求電力を充足させるための発電に必要な量の空気及び水素が第２ＦＣスタック２に供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などの駆動を停止して第１ＦＣスタック１に空気及び水素の両方が供給されないようにしてもよいし、第１ＦＣスタック１へのエアコンプレッサ３２などによる空気の供給及びインジェクタ５４などによる水素の供給のいずれか一方を停止するようにしてもよい。第１ＦＣスタック１に空気又は水素のいずれか一方が供給されて第１ＦＣスタック１内に空気及び水素がある場合でも、第１ＦＣスタック１とモータジェネレータ８３とを電気的に接続するスイッチ８６ａがＯＦＦになっているため、第１ＦＣスタック１は発電しない。

制御ユニット２０は、ステップＳ１４で要求電力が所定の閾値以上であると判断した場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、燃料電池システム１００の各構成を制御して、要求電力を充足するように第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の両方を発電させる（ステップＳ１８）。すなわち、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などを駆動して、第１ＦＣスタック１に空気及び水素が供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して、第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されるようにする。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＮにして第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させる。

次いで、制御ユニット２０は、アクセルペダルセンサ６７から開度がゼロではないアクセル開度信号を取得し続けているか判断する（ステップＳ２０）。制御ユニット２０は、開度がゼロではないアクセル開度信号を取得している場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に戻る。一方、制御ユニット２０は、開度がゼロでないアクセル開度信号を取得しなくなった場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、すなわち開度がゼロのアクセル開度信号を取得した場合、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を休止させ（ステップＳ２２）、発電制御を終了する。

実施例１によれば、複数のセル１０に含まれる電解質膜１１の平均膜厚が第１の厚み（例えば１０μｍ）である第１ＦＣスタック１と、複数のセル１０に含まれる電解質膜１１の平均膜厚が第１の厚みよりも厚い第２の厚み（例えば２０μｍ）である第２ＦＣスタック２と、を備える。制御ユニット２０は、図４のように、ＦＣスタック全体に対する要求電力が所定の閾値未満では、第１ＦＣスタック１の発電を休止しつつ第１ＦＣスタック１に対する水素及び空気の少なくとも一方の供給を停止するとともに第２ＦＣスタック２を発電させる。制御ユニット２０は、要求電力が所定の閾値以上では、少なくとも第１ＦＣスタック１を発電させる。これによる効果を図５を用いて説明する。

図５は、実施例１における発電制御を説明するための図である。図５のように、ＦＣスタック全体に対する要求電力が所定の閾値未満の場合には、第２ＦＣスタック２を発電させ、第１ＦＣスタック１の発電を休止させる。要求電力が所定の閾値以上の場合には、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の両方を発電させる。

このように、要求電力が所定の閾値未満と小さい場合には、第１ＦＣスタック１の発電を休止させ、第２ＦＣスタック２を発電させている。第１ＦＣスタック１は、電解質膜１１の膜厚が比較的薄いため、プロトンの移動抵抗が小さくて発電性能が高いが、その一方で反応ガスのクロスリーク量が多くなってしまう。一方、第２ＦＣスタック２は、電解質膜１１の膜厚が比較的厚いため、プロトンの移動抵抗が大きくなり発電性能は低くなってしまうが、反応ガスのクロスリーク量は少なくなる。要求電力が所定の閾値未満の場合は高出力が求められていないため、第１ＦＣスタック１の発電は休止させて、反応ガスのクロスリーク量の少ない第２ＦＣスタック２を発電させる。反応ガスがクロスリークすると、水素と空気中の酸素とが反応して、発電中であっても発電休止中であっても、燃料ガスが消費される。実施例１では、第１ＦＣスタック１の発電を休止し且つ第１ＦＣスタック１への水素と空気の少なくとも一方のガス供給を停止しているため、第１ＦＣスタック１ではガス供給が停止された反応ガスと他方の反応ガスとの反応が終了した後には燃料ガスが消費されない。したがって、クロスリーク量が多い第１ＦＣスタック１の発電を休止して第１ＦＣスタック１での燃料消費が抑制されるとともに、クロスリーク量の少ない第２ＦＣスタック２で発電を行うため、燃料電池システム１００全体での燃料ガスの消費量を少なく抑えることができる。また、要求電力が所定の閾値以上に大きくなった場合には、少なくとも第１ＦＣスタック１を発電させる。第１ＦＣスタック１はプロトンの移動抵抗が小さく発電性能が高いため、高い出力が得られるためである。したがって、実施例１によれば、高出力の実現と燃料消費量の低減との両立を図ることができる。

なお、第１ＦＣスタック１の発電を休止させている間は、第１ＦＣスタック１への反応ガスの供給量などを調整して、第１ＦＣスタック１内のガス圧が発電時よりも小さくなるような制御をしてもよい。これにより、クロスリークによる燃料消費量の増大を効果的に抑制できる。

第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２に比べて、電解質膜１１の膜厚が薄くて発電効率が良いため、最大出力電力を大きくできる。しかしながら、電解質膜１１以外のスペック（例えば、触媒の塗布量、セパレータの形状、及びセルの積層枚数など）が同じである場合は、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の出力特性の差はあまり大きくない。このような場合、要求電力が所定の閾値以上のときには第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の両方を発電させる場合が好ましい。例えば、要求電力が所定の閾値以上の場合に第１ＦＣスタック１のみを発電させる場合、第１ＦＣスタック１を高負荷で発電させる状況になる場合がある。これに対し、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の両方を発電させることで、第１ＦＣスタック１のみを発電させる場合に比べて、それぞれを低負荷で発電させることができる。よって、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２を良好な発電効率によって発電させることができる。

第１ＦＣスタック１を構成する複数のセル１０それぞれの電解質膜１１の厚みは略同じである場合が好ましい。同様に、第２ＦＣスタック２を構成する複数のセル１０それぞれの電解質膜１１の厚みは略同じである場合が好ましい。これにより、スタック内での発電性能のばらつきを抑えることができる。なお、略同じとは、製造誤差程度の違いは同じであるとするものである。また、第２ＦＣスタック２を構成する複数のセル１０の電解質膜１１の膜厚（例えば平均膜厚）は、第１ＦＣスタック１を構成する複数のセル１０の電解質膜１１の膜厚（例えば平均膜厚）に比べて、１．５倍以上である場合が好ましく、２倍以上である場合がより好ましく、２．５倍以上である場合が更に好ましい。これにより、第１ＦＣスタック１では大きな出力電力を効果的に得つつ、第２ＦＣスタック２ではクロスリーク量を効果的に低減させることができる。

実施例１では、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２のセル１０の積層枚数が同じである場合を例に示したが、実施例２では、第１ＦＣスタック１のセル１０の積層枚数が第２ＦＣスタック２のセル１０の積層枚数よりも多い場合について説明する。例えば、第１ＦＣスタック１のセル１０の積層枚数は３００枚、第２ＦＣスタック２のセル１０の積層枚数は５０枚となっている。これにより、第１ＦＣスタック１の最大出力電力を第２ＦＣスタック２の最大出力電力よりも十分に大きくすることができる。なお、第１ＦＣスタック１の出力電力を大きくするために、第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２と比べて、触媒の塗布量を多くしてもよいし、セパレータのガス流路の形状を圧力損失が小さくなるような形状としてもよい。

実施例２に係る燃料電池システムの構成は実施例１の図１と同じであり、電気的構成は実施例１の図３と同じであるため説明を省略する。図６は、実施例２における発電制御を示すフローチャートである。図７は、実施例２における発電制御を説明するタイムチャートである。図６のように、制御ユニット２０は、アクセルペダルセンサ６７から送出される、開度がゼロではないアクセル開度信号を取得するまで待機する（ステップＳ３０）。制御ユニット２０は、開度がゼロでないアクセル開度信号を取得した後（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、アクセル開度信号に基づいてＦＣスタック全体に対する要求電力を算出する（ステップＳ３２）。

次いで、制御ユニット２０は、算出した要求電力が第１閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。第１閾値として、例えば第２ＦＣスタック２の最大出力電力の５０％以上且つ１００％以下の値を用いることができる。第１閾値は、例えば制御ユニット２０の記憶部に記憶されている。なお、第１閾値は、第２ＦＣスタック２の初期状態における最大出力電力から決定してもよいし、第２ＦＣスタック２の運転後に所定のタイミングで取得した最大出力電力から決定してもよい。

制御ユニット２０は、ステップＳ３４で要求電力が第１閾値未満であると判断した場合（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００の各構成を制御して、第１ＦＣスタック１の発電を休止させ、第２ＦＣスタック２で要求電力が充足するように第２ＦＣスタック２を発電させる（ステップＳ３６）。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ｂをＯＮにして第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させるとともに、スイッチ８６ａはＯＦＦにして第１ＦＣスタック１とモータジェネレータ８３との電気的接続を遮断する。制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して、要求電力を充足させるための発電に必要な量の空気及び水素が第２ＦＣスタック２に供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などの駆動を停止して第１ＦＣスタック１に空気及び水素の両方が供給されないようにしてもよいし、第１ＦＣスタック１へのエアコンプレッサ３２などによる空気の供給及びインジェクタ５４などによる水素の供給のいずれか一方を停止するようにしてもよい。第１ＦＣスタック１に空気又は水素のいずれか一方が供給されて第１ＦＣスタック１内に空気及び水素がある場合でも、第１ＦＣスタック１とモータジェネレータ８３とを電気的に接続するスイッチ８６ａがＯＦＦになっているため、第１ＦＣスタック１は発電しない。

ステップＳ３４及びＳ３６の制御を行うことで、図７のように、ＦＣスタック全体への要求電力が第１閾値未満までの間の時間では、第２ＦＣスタック２の発電によって要求電力が充足される。

制御ユニット２０は、ステップＳ３４で要求電力が第１閾値未満ではないと判断した場合（ステップＳ３４：Ｎｏ）、要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ３８）。第２閾値は、例えば制御ユニット２０の記憶部に記憶されている。

制御ユニット２０は、ステップＳ３８で要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満であると判断した場合（ステップＳ３８：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００の各構成を制御して、要求電力を充足するように第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の両方を発電させる（ステップＳ４０）。すなわち、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などを駆動して、第１ＦＣスタック１に空気及び水素が供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して、第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されるようにする。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＮにして第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させる。これにより、図７のように、要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満の間の時間では、第１ＦＣスタック１の発電及び第２ＦＣスタック２の発電の両方によって要求電力が充足される。

制御ユニット２０は、ステップＳ３８で要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満ではないと判断した場合（ステップＳ３８：Ｎｏ）、要求電力が第２閾値以上且つ第２閾値よりも大きい第３閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ４２）。第３閾値として、例えば第１ＦＣスタック１の最大出力電力の７０％以上且つ１００％以下の値を用いることができる。第３閾値は、例えば制御ユニット２０の記憶部に記憶されている。なお、第３閾値は、第１ＦＣスタック１の初期状態における最大出力電力から決定してもよいし、第１ＦＣスタック１の運転後に所定のタイミングで取得した最大出力電力から決定してもよい。

第１ＦＣスタック１は、第２ＦＣスタック２に比べて、セル１０の積層枚数が多いことから最大出力電力が十分に大きい。したがって、第１閾値を第２ＦＣスタック２の最大出力電力で規定し、第３閾値を第１ＦＣスタック１の最大出力電力で規定することで、第３閾値を第１閾値よりも大きくすることができる。

制御ユニット２０は、ステップＳ４２で要求電力が第２閾値以上且つ第３閾値未満であると判断した場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００の各構成を制御して、第２ＦＣスタック２の発電を休止させ、第１ＦＣスタック１で要求電力が充足するように第１ＦＣスタック１を発電させる（ステップＳ４４）。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ａをＯＮにして第１ＦＣスタック１とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させるとともに、スイッチ８６ｂはＯＦＦにして第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３との電気的接続を遮断する。制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などを駆動して、要求電力を充足させるための発電に必要な量の空気及び水素が第１ＦＣスタック１に供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などの駆動を停止して、第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されないようにしてもよいし、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されるようにしてもよい。第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されても、第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続するスイッチ８６ｂがＯＦＦになっているため、第２ＦＣスタック２は発電しない。これにより、図７のように、要求電力が第２閾値以上且つ第３閾値未満の間の時間では、第１ＦＣスタック１の発電によって要求電力が充足される。ここで、第２ＦＣスタック２の発電を休止するときは、必ずしもエアコンプレッサ４２などによる空気の供給とインジェクタ７４などによる水素の供給のどちらか一方を停止しなくてもよい。第２ＦＣスタック２は、電解質膜１１の膜厚が厚くクロスリーク量が少ないため、水素と空気の両方のガスが供給され続けていても、燃料ガスの消費量の増加は抑制される。

なお、要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満の場合に第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の両方を発電させているのは、第２ＦＣスタック２のみで要求電力を充足させる第１閾値未満のときと、第１ＦＣスタック１のみで要求電力を充足させる第２閾値以上のときと、の切り替えのためである。したがって、要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満の場合では、要求電力の増加に対して、第１ＦＣスタック１は出力電力が徐々に増加し、第２ＦＣスタック２は出力電力が徐々に減少するようにすることが好ましい。なお、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２に十分な量の反応ガスを供給しつつスイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＦＦすることで第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を休止させる場合には、スイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＮすることで第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の出力電力を急激に増加させることができる。この場合、第２閾値は設定しなくてもよい。

制御ユニット２０は、ステップＳ４２で要求電力が第３閾値以上であると判断した場合（ステップＳ４２：Ｎｏ）、要求電力を充足するように第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の両方を発電させる（ステップＳ４６）。すなわち、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ３２及びインジェクタ５４などを駆動して、第１ＦＣスタック１に空気及び水素が供給されるようにする。また、制御ユニット２０は、エアコンプレッサ４２及びインジェクタ７４などを駆動して、第２ＦＣスタック２に空気及び水素が供給されるようにする。このとき、制御ユニット２０は、スイッチ８６ａ及び８６ｂをＯＮにして第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２とモータジェネレータ８３とを電気的に接続させる。これにより、図７のように、要求電力が第３閾値以上の時間では、第１ＦＣスタック１の発電及び第２ＦＣスタック２の発電の両方によって要求電力が充足される。

次いで、制御ユニット２０は、アクセルペダルセンサ６７から開度がゼロではないアクセル開度信号を取得し続けているか判断する（ステップＳ４８）。制御ユニット２０は、開度がゼロではないアクセル開度信号を取得している場合（ステップＳ４８：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に戻る。一方、制御ユニット２０は、開度がゼロでないアクセル開度信号を取得しなくなった場合（ステップＳ４８：Ｎｏ）、すなわち開度がゼロのアクセル開度信号を取得した場合、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の発電を休止させ（ステップＳ５０）、発電制御を終了する。

図８は、実施例２における発電制御を説明するための図である。図８のように、ＦＣスタック全体に対する要求電力が第１閾値未満の場合には、第２ＦＣスタック２を発電させ、第１ＦＣスタック１の発電を休止させる。要求電力が第２閾値以上且つ第３閾値未満の場合には、第１ＦＣスタック１を発電させ、第２ＦＣスタック２の発電を休止させる。要求電力が第１閾値以上且つ第２閾値未満及び第３閾値以上の場合には、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の両方を発電させる。

実施例２によれば、制御ユニット２０は、ＦＣスタック全体に対する要求電力が第１閾値（所定の閾値）未満では第１ＦＣスタック１の発電を休止し且つ第２ＦＣスタック２を発電させ、要求電力が第１閾値以上では少なくとも第１ＦＣスタック１を発電させる。これにより、実施例１と同じ理由から、高出力の実現と燃料消費量の低減との両立を図ることができる。

また、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２のいずれか一方の発電を休止させている間は、休止しているＦＣスタック内のガス圧が発電時よりも小さくなるような制御をしてもよい。これにより、クロスリークによる燃料消費量の増大を効果的に抑制できる。

また、実施例２によれば、第１ＦＣスタック１の最大出力電力は、第２ＦＣスタック２の最大出力電力よりも十分に大きく、例えば１．５倍以上となっている。例えば、第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の最大出力電力が同じである場合、要求電力が第１ＦＣスタック１の最大出力電力と第２ＦＣスタック２の最大出力電力の合計である合計最大電力の５０％よりも大きい場合では第１ＦＣスタック１と第２ＦＣスタック２の両方を発電させることになる。すなわち、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２各々単独での発電によって要求電力を充足できるのは、要求電力が合計最大電力の５０％以下の場合である。これに対し、第１ＦＣスタック１が第２ＦＣスタック２よりも最大出力電力が十分に大きい場合には、要求電力が合計最大電力の５０％を超えた場合でも第１ＦＣスタック１単独での発電によって要求電力を充足できる。よって、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の少なくとも一方が単独で発電する時間を長くすることができ、換言すれば、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の少なくとも一方が発電を休止する時間を長くすることができる。よって、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の少なくとも一方の発電時の電位変動による劣化を抑制することができ、第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２の少なくとも一方の耐久性を向上させることができる。

実施例１及び実施例２では、燃料電池システムに２つの燃料電池スタックが備わる場合を例に説明したが、３つ以上の燃料電池スタックが備わる場合でもよい。この場合、３つ以上の燃料電池スタックのうちの２つの燃料電池スタックが実施例１及び実施例２で説明した第１ＦＣスタック１及び第２ＦＣスタック２に相当する場合であればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 第１燃料電池スタック
２ 第２燃料電池スタック
１０ セル
１１ 電解質膜
１３ 膜電極接合体
１５ 膜電極ガス拡散層接合体
２０ 制御ユニット
２１ 発電制御部
３０、４０ カソードガス配管系
５０、７０ アノードガス配管系
６７ アクセルペダルセンサ
８１ａ、８１ｂ ＦＤＣ
８３ モータジェネレータ
８６ａ、８６ｂ スイッチ
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が第１の厚みであり、反応ガスの供給を受けて発電する第１燃料電池スタックと、
   積層された複数のセルに含まれる電解質膜の平均膜厚が前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みであり、反応ガスの供給を受けて発電する第２燃料電池スタックと、
   燃料電池スタック全体に対する要求電力に応じて前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの発電を制御する発電制御部と、を備え、
   前記発電制御部は、前記要求電力が所定の閾値未満では前記第１燃料電池スタックの発電を休止しつつ前記第１燃料電池スタックに対する前記反応ガスであるアノードガス及びカソードガスの少なくとも一方の供給を停止するとともに前記第２燃料電池スタックを発電させ、前記要求電力が前記所定の閾値以上では前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックのうちの少なくとも第１燃料電池スタックを発電させる、燃料電池システム。

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