JP7330222B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、第１及び第２燃料電池スタックが並列に接続され、これらに対し、マニホールド配管で燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体ガスを供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－５１９６号公報

通常、燃料電池システムが有する複数の燃料電池スタックには、互いの発電性能や劣化度合いのばらつきがある。その原因は、製造時に許容される誤差であったり、製造後の使用頻度や使用環境の違いであったりする。このため、同じ仕様の燃料電池スタックを並列に配置し、これらに接続する配管径や長さを調整したうえで、燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に供給したとしても、各燃料電池スタックにおける発電効率を同一にすることは困難である。このような燃料電池システムにおいて、発電効率（ガス供給量に対する発電出力）が低い燃料電池スタックに対して、過度の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しても無駄であり、燃料電池システム全体としての発電効率が低下する問題が生じる。

本発明は、無駄なガス供給を避けて発電効率を高めることができる燃料電池システムの提供を目的の一つとする。

本発明に係る燃料電池システムは以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システムは、アノードとカソードを有し、前記アノードに燃料ガスが供給され、前記カソードに酸化剤ガスが供給されることで発電を行う燃料電池スタックを複数備え（例えば、実施形態での第１燃料電池スタック１１及び第２燃料電池スタック１２の２つを備え）、さらに、前記複数の燃料電池スタックが有する各アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施形態での燃料タンク１３）と、前記複数の燃料電池スタックが有する各カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施形態でのエアポンプ１４）と、前記複数の燃料電池スタックを冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段（例えば、実施形態でのウォーターポンプ２２）と、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒のうち、少なくとも何れか一つについて、各燃料電池スタックへの供給流量を調整する流量調整手段（例えば、実施形態での第１バルブ機構１６、第２バルブ機構１７、第３バルブ機構１８、第４バルブ機構１９）と、前記複数の燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得手段（例えば、実施形態での電圧計２５）と、前記発電状態取得手段が取得した前記発電状態に基づき、前記各燃料電池スタックへの前記供給流量を設定し、前記流量調整手段を制御する制御手段（例えば、実施形態でのＦＣ制御装置２０）と、を備える。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の燃料電池スタックの各々の発電効率を前記発電状態として取得し、各燃料電池スタックにおける前記発電効率を相互に比較し、前記発電効率が相対的に高い第１燃料電池スタックに対する前記供給流量が、前記発電効率が相対的に低い第２燃料電池スタックに対する前記供給流量よりも、多くなるように前記流量調整手段を制御するものであってもよい。

（３）上記（１）又は上記（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、次の第１段階、第２段階の順で前記流量調整手段を制御するものであってもよい。
前記第１段階において、前記制御手段は、外部（例えば、実施形態での制御装置１００）から第１発電指示値を取得し、前記第１発電指示値が予め任意に設定された所定値よりも低い場合、前記複数の燃料電池スタックのうち、一部の燃料電池スタック（例えば、実施形態での第１燃料電池スタック１１）に対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を行い、かつ、他部の燃料電池スタック（例えば、実施形態での第２燃料電池スタック１２）に対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を停止するように、前記流量調整手段を制御し、その後、前記第２段階において、前記制御手段は、前記他部の燃料電池スタックを昇温するために、前記他部の燃料電池スタックに対する、前記冷媒の供給を行うように前記流量調整手段を制御するものであってもよい。

（４）上記（３）に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記外部から、前記所定値よりも高い発電量を要求する第２発電指示値を取得したことに基づいて、前記第１段階から前記第２段階へ移行するものであってもよい。

（５）上記（３）に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記外部から、前記第１発電指示値よりも高い発電量を要求する第３発電指示値を取得し、（前記第３発電指示値／前記第１発電指示値×１００％）で算出される上昇率が、予め任意に設定された所定値よりも高いことに基づいて、前記第１段階から前記第２段階へ移行するものであってもよい。

上記（１）によれば、各燃料電池スタックの発電性能や発電効率に応じて、各燃料電池スタックが発電可能な範囲で燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することにより、無駄なガス供給を低減し、燃料電池システムの全体としての発電効率を高めることができる。

上記（２）によれば、各燃料電池スタックの発電性能や発電効率の相違に応じて、各燃料電池スタックへ燃料ガス等を分配して供給することにより、無駄なガス供給を低減し、燃料電池システムの全体としての発電効率を高めることができる。

上記（３）によれば、第１段階で発電停止して冷えた燃料電池スタックで発電を再開する前に、冷えた燃料電池スタックへ冷媒を供給することにより加温することができ、予め昇温された燃料電池スタックで発電を再開でき、発電を再開した初期の発電効率を高められるので、燃料電池システムの全体としての発電効率を高めることができる。

上記（４）によれば、第２発電指示値の取得と第２段階への移行を関連付けて制御することができ、上記（３）と同様に燃料電池システムの全体としての発電効率を高めることができる。

上記（５）によれば、第３発電指示値の取得と第２段階への移行を関連付けて制御することができ、上記（３）と同様に燃料電池システムの全体としての発電効率を高めることができる。

本発明の実施形態の一例での燃料電池システムの構成を示す図。 第１燃料電池スタック１１と第２燃料電池スタック１２への供給を、ＦＣ制御装置２０が制御する様子を説明するため図。 第２燃料電池スタック１２への供給を停止するように、ＦＣ制御装置２０が制御する様子を説明するための図。 冷えた第２燃料電池スタック１２へ冷媒を供給して加温するようにＦＣ制御装置２０が制御する様子を説明するための図。 複数の燃料電池スタックにおける性能ばらつきに基づいて、燃料ガス等の分流比を制御する一連の処理の流れを示すフローチャートである。 停止した燃料電池スタックにおける発電を再開する前に、冷媒の分流を制御する一連の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態での燃料電池システム１０である。燃料電池システム１０は、例えば車両に搭載することができる。車両は、燃料電池システム１０の他に、例えば、蓄電装置、モーター、ラジエータ、冷媒タンク等の装置を備えてもよい。車両は、燃料電池システム１０と、その他の装置を制御する制御装置１００を備えてもよい。車両の制御装置１００は、燃料電池システム１０の制御装置（ＦＣ制御装置）２０と相互に信号を送受信するものでもよい。

燃料電池システム１０は、第１燃料電池（ＦＣ）スタック１１と、第２燃料電池（ＦＣ）スタック１２と、燃料ガス供給手段の一例である燃料タンク１３と、酸化剤ガス供給手段の一例であるエアポンプ１４と、冷媒供給手段の一例であるＦＣ冷却システム１５と、流量調整手段の一例であるバルブ機構（すなわち第１バルブ機構１６と、第２バルブ機構１７と、第３バルブ機構１８と、第４バルブ機構１９）と、各燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得手段の一例である電圧計２５と、制御手段の一例であるＦＣ制御装置２０とを備える。ＦＣ制御装置２０は、燃料電池システム１０の各構成部品に信号線で接続される。

第１及び第２燃料電池スタック１１，１２は、例えば、固体高分子形燃料電池である。固体高分子形燃料電池は、例えば、積層された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの積層体を挟み込む一対のエンドプレートとを備える。燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータと備える。電解質電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極及び酸素極とを備える。固体高分子電解質膜は、陽イオン交換膜等を備える。燃料極（アノード）は、アノード触媒及びガス拡散層等を備える。酸素極（カソード）は、カソード触媒及びガス拡散層等を備える。第１及び第２燃料電池スタック１１，１２は、燃料タンク１３からアノードに供給される燃料ガスと、エアポンプ１４からカソードに供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの触媒反応によって発電する。燃料電池スタックに供給されて使用されなかった余剰のガス成分等は、所定の流路を通して排気される。

燃料タンク１３は、第１バルブ機構１６を介して第１及び第２燃料電池スタック１１，１２に接続されている。燃料タンク１３の下流には必要に応じてインジェクター（ＩＮＪ）が設けられる。燃料は、例えば水素である。

第１バルブ機構１６は、例えば、燃料タンク１３と第１燃料電池スタック１１との間でＦＣ制御装置２０の制御によって燃料の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第１燃料電池スタック１１側から燃料タンク１３への燃料の流通を禁止する逆止弁となどを備える。また、第１バルブ機構１６は、例えば、燃料タンク１３と第２燃料電池スタック１２との間でＦＣ制御装置２０の制御によって燃料の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第２燃料電池スタック１２側から燃料タンク１３への燃料の流通を禁止する逆止弁となどを備える。
図示例の第１バルブ機構１６は、分流可能なバルブ（例えば三方調節弁）を１つ以上備えており、ＦＣ制御装置２０の制御によって、燃料タンク１３から第１燃料電池スタック１１へ分流する燃料の流量Ｑ１及び圧力Ｐ１と、燃料タンク１３から第２燃料電池スタック１２へ分流する燃料の流量Ｑ２及び圧力Ｐ２と、を個別に又は連動して任意に調整することができる。

燃料タンク１３と第１燃料電池スタック１１を接続する流路、及び燃料タンク１３と第２燃料電池スタック１２を接続する流路には、流量センサ、温度センサ、圧力センサが任意の箇所に設置される。各流路における燃料の流量Ｑ、圧力Ｐ、温度Ｔは、前記センサを介して、ＦＣ制御装置２０へ通信される。これらのセンサは、各燃料電池スタックに設置されてもよいし、第１バルブ機構１６に設置されてもよい。

エアポンプ１４は、第２バルブ機構１７を介して第１及び第２燃料電池スタック１１，１２に接続されている。エアポンプ１４によって、各燃料電池スタックに酸化剤ガスの一例である空気が供給される。

第２バルブ機構１７は、例えば、エアポンプ１４と第１燃料電池スタック１１との間でＦＣ制御装置２０の制御によって空気の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第１燃料電池スタック１１側からエアポンプ１４への空気の流通を禁止する逆止弁となどを備える。また、第２バルブ機構１７は、例えば、エアポンプ１４と第２燃料電池スタック１２との間でＦＣ制御装置２０の制御によって空気の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第２燃料電池スタック１２側からエアポンプ１４への空気の流通を禁止する逆止弁となどを備える。
図示例の第２バルブ機構１７は、分流可能なバルブ（例えば三方調節弁）を１つ以上備えており、ＦＣ制御装置２０の制御によって、エアポンプ１４から第１燃料電池スタック１１へ分流する空気の流量Ｑ３及び圧力Ｐ３と、エアポンプ１４から第２燃料電池スタック１２へ分流する空気の流量Ｑ４及び圧力Ｐ４と、を個別に又は連動して任意に調整することができる。

エアポンプ１４と第１燃料電池スタック１１を接続する流路、及びエアポンプ１４と第２燃料電池スタック１２を接続する流路には、流量センサ、圧力センサ、温度センサが任意の箇所に設置される。各流路における燃料の流量Ｑ、圧力Ｐ、温度Ｔは、前記センサを介して、ＦＣ制御装置２０へ通信される。これらのセンサは、各燃料電池スタックに設置されてもよいし、第２バルブ機構１７に設置されてもよい。

ＦＣ冷却システム１５は、例えば、冷媒（熱媒体）の一例である水と、冷媒を加熱又は冷却する熱交換器の一例であるラジエータ２１と、ラジエータ２１と第１及び第２燃料電池スタック１１，１２との間で冷媒を循環させる循環流路と、循環流路において冷媒を循環させる動力の一例であるウォーターポンプ２２となどを備える。第１及び第２燃料電池スタック１１，１２の温度よりも冷媒の温度が高い場合には、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２が加熱され、逆に冷媒の温度の方が低い場合には、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２が冷却される。

ラジエータ２１は、燃料電池システム１０が有するラジエータでもよいし、燃料電池システム１０を有する車両等が有するラジエータであってもよい。ラジエータ２１の温度及びラジエータ２１における冷媒の熱交換は、ＦＣ制御装置２０によって制御されてもよいし、前記車両等が有する制御装置１００によって制御されてもよい。ラジエータ２１の温度は、例えば、図示しない熱源を利用して加温することができ、図示しないファンからの送風により降温することができる。

第３バルブ機構１８は、例えば、ラジエータ２１と第１燃料電池スタック１１との間でＦＣ制御装置２０の制御によって冷媒の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第１燃料電池スタック１１側からウォーターポンプ２２への冷媒の流通を禁止する逆止弁となどを備える。また、第３バルブ機構１８は、例えば、ウォーターポンプ２２と第２燃料電池スタック１２との間でＦＣ制御装置２０の制御によって冷媒の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第２燃料電池スタック１２側からウォーターポンプ２２への冷媒の流通を禁止する逆止弁となどを備える。
図示例の第３バルブ機構１８は、分流可能なバルブ（例えば三方調節弁）を１つ以上備えており、ＦＣ制御装置２０の制御によって、ウォーターポンプ２２から第１燃料電池スタック１１へ分流する冷媒の流量Ｑ５及び圧力Ｐ５と、ウォーターポンプ２２から第２燃料電池スタック１２へ分流する冷媒の流量Ｑ６及び圧力Ｐ６と、を個別に又は連動して任意に調整することができる。

冷媒の循環流路には、温度センサと、必要に応じて流量センサ、圧力センサとが任意の箇所に設置される。循環流路における冷媒の温度Ｔ、流量Ｑ、圧力Ｐは、前記センサを介して、ＦＣ制御装置２０へ通信される。これらのセンサは、各燃料電池スタックに設置されてもよいし、第３バルブ機構１８に設置されてもよい。

第４バルブ機構１９は、エアポンプ１４と第１及び第２燃料電池スタック１１，１２とを接続する流路において、第２バルブ機構１７の上流側（すなわちエアポンプ１４と第２バルブ機構１７の間）に設置される。同時に、第４バルブ機構１９は、エアポンプ１４と排気手段の一例である排気管２３とを接続する流路に設置される。

第４バルブ機構１９は、例えば、エアポンプ１４と第２バルブ機構１７との間でＦＣ制御装置２０の制御によって空気の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、第２バルブ機構１７側からエアポンプ１４への空気の流通を禁止する逆止弁となどを備える。また、第４バルブ機構１９は、例えば、エアポンプ１４と排気管２３との間でＦＣ制御装置２０の制御によって空気の流量Ｑ、圧力Ｐ等を切り替える制御弁と、排気管２３側からエアポンプ１４への空気の流通を禁止する逆止弁となどを備える。
図示例の第４バルブ機構１９は、分流可能なバルブ（例えば三方調節弁）を１つ以上備えており、ＦＣ制御装置２０の制御によって、エアポンプ１４から第２バルブ機構１７へ分流する空気の流量Ｑ７及び圧力Ｐ７と、エアポンプ１４から排気管２３へ分流する空気の流量Ｑ８及び圧力Ｐ８と、を個別に又は連動して任意に調整することができる。

ＦＣ制御装置２０は、燃料電池システム１０の動作を統合的に制御することができる。
ＦＣ制御装置２０は、第１バルブ機構１６と、第２バルブ機構１７と、第３バルブ機構１８と、第４バルブ機構１９とを独立に制御することができる。
ＦＣ制御装置２０は、各燃料電池スタックに設置された電圧計２５等を介して、第１燃料電池スタック１１の発電状態又は発電効率と、第２燃料電池スタック１２の発電状態又は発電効率とを独立に取得することができる。
ＦＣ制御装置２０は、各燃料電池スタックの発電状態等に基づき、各燃料電池スタックに対する燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒の供給流量をそれぞれ独立に設定し、前記バルブ機構を介してそれぞれ独立に制御することができる。

ＦＣ制御装置２０は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。ＦＣ制御装置２０の少なくとも一部は、ＬＳＩなどの集積回路であってもよい。

電圧計２５は、各燃料電池スタックの発電状態を取得する手段の一例であり、例えば電流計に代えてもよい。電圧計２５等の発電状態取得手段の設置箇所は特に制限されず、図示例では各燃料電池スタックに設置されている。

ＦＣ制御装置２０は、電圧計２５を介して取得した第１及び第２燃料電池スタック１１，１２の発電状態に基づき、各燃料電池スタックに対する、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒の供給流量のうち、少なくとも何れか一つの供給流量を設定し、前記流量調整手段を制御する。

ＦＣ制御装置２０は、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２の各々の発電効率を取得し、各燃料電池スタックにおける発電効率を相互に比較し、発電効率が相対的に高い第１燃料電池スタック１１に対する供給流量が、発電効率が相対的に低い第２燃料電池スタック１２に対する供給流量よりも、多くなるように前記バルブ機構を制御することができる。
この制御により、各燃料電池スタック１１，１２の発電効率に応じて適切な流量で供給することができ、燃料電池システム１０の全体としての発電効率を高められる。

図２に例示するように、第１燃料電池スタック１１の発電効率が６０％であり、第２燃料電池スタック１２の発電効率が４０％である場合、ＦＣ制御装置２０は、第１バルブ機構１６を制御し、燃料タンク１３から供給される燃料ガスが、第２燃料電池スタック１２よりも第１燃料電池スタック１１の方へ多く流れるように分流する。具体的には、例えば、燃料タンク１３から供給される流量１００のうち、第１燃料電池スタック１１に対して６０、第２燃料電池スタックに対して４０、の比率で分流（分配）することができる。
同様に、ＦＣ制御装置２０は、第２バルブ機構１７を制御し、エアポンプ１４から供給される酸化剤ガスが、第２燃料電池スタック１２よりも第１燃料電池スタック１１の方へ多く流れるように分流する。
同様に、ＦＣ制御装置２０は、第３バルブ機構１８を制御し、ウォーターポンプ２２から供給される冷媒が、第２燃料電池スタック１２よりも第１燃料電池スタック１１の方へ多く流れるように分流する。

ＦＣ制御装置２０は、第１段階、第２段階の順で前記バルブ機構を制御することができる。まず、第１段階において、ＦＣ制御装置２０は、制御装置１００から第１発電指示値を取得する。この第１発電指示値が予め任意に設定された所定値よりも低い場合、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２のうち、第１燃料電池スタック１１に対する、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒の供給を行い、かつ、第２燃料電池スタック１２に対する、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒の供給を停止するように、前記バルブ機構を制御する。
その後、第２段階において、ＦＣ制御装置２０は、第２燃料電池スタック１２を昇温する（暖機する）ために、第２燃料電池スタック１２に対する、前記冷媒の供給を行うように前記バルブ機構を制御する。
この制御により、発電停止時に冷えた第２燃料電池スタック１２の発電を再開する前に、第２燃料電池スタック１２を加温することができ、第２燃料電池スタック１２及び燃料電池システム１０の全体としての発電効率を高められる。
なお、第１発電指示値が所定値以上である場合、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２の両方に対する前記供給を行い、両方で発電するように、前記バルブ機構を制御する。

図３に、前記第１段階の制御を例示する。ＦＣ制御装置２０は、第１及び第２燃料電池スタック１１，１２の各々の発電効率を取得し、各燃料電池スタックにおける発電効率を相互に比較する。制御装置１００から取得した第１発電指示値を所定値と比較し、第１発電指示値が所定値よりも低いので、第１燃料電池スタック１１の発電のみで要求を満たせると判定する。この判定に基づき、ＦＣ制御装置２０は、第１燃料電池スタック１１のみで発電し、第２燃料電池スタック１２を停止するように前記バルブ機構を制御する。具体的には、ＦＣ制御装置２０は、第１バルブ機構１６を制御し、燃料タンク１３から供給される燃料ガスが第１燃料電池スタック１１のみに流れるようにする。同様に、ＦＣ制御装置２０は、第２バルブ機構１７を制御し、エアポンプ１４から供給される酸化剤ガスが第１燃料電池スタック１１のみに流れるようにする。同様に、ＦＣ制御装置２０は、第３バルブ機構１８を制御し、ウォーターポンプ２２から供給される冷媒が第１燃料電池スタック１１のみに流れるようにする。この制御により、第２燃料電池スタック１２における発電は停止し、外気によって徐々に冷却され、第２燃料電池スタック１２の温度が冷える。

図４に、前記第２段階の制御を例示する。ＦＣ制御装置２０は、制御装置１００から第２発電指示値または第３発電指示値を取得し、第２燃料電池スタック１２における発電を再開する前に、第３バルブ機構１８を制御し、ウォーターポンプ２２から供給される冷媒が第１燃料電池スタック１１と第２燃料電池スタック１２の両方に流れるように分流する。この際、ＦＣ制御装置２０は、ウォーターポンプ２２の出力を高めるように制御してもよい。分流された冷媒により、第２燃料電池スタック１２は加温される。

前記第２発電指示値は、前記所定値よりも高い発電量を要求するものであり得る。この場合、第２燃料電池スタック１２における発電を再開することにより、その要求された高い発電量を供給することができる。

前記第３発電指示値は、さらなる高い発電量の要求があることを予測させるものであり得る。例えば、ＦＣ制御装置２０は、（前記第３発電指示値／前記第１発電指示値×１００％）で算出される上昇率が、予め任意に設定された所定値よりも高いことに基づいて、さらなる高い発電量の要求が所定時間内にあると予測することができる。

以下、燃料電池システム１０のＦＣ制御装置２０又は制御装置１００或いはコンピュータにより実行される処理の流れの一例についてフローチャートを用いて説明する。ここでは、燃料電池システム１０及び制御装置１００を備えた車両を例とする。

［制御フロー：例１］
図５は、燃料電池システム１０及び制御装置１００を備えた車両により実行される一連の処理の流れを示すフローチャートである。制御装置１００は、ＦＣ制御装置２０に対し、任意の発電量を要求する。この要求に対して、まず、ＦＣ制御装置２０は、各燃料電池スタックに対して所定の供給量で燃料ガス、酸化剤ガス及び必要に応じて冷媒を供給するように発電を指示する（ステップＳ１００）。ここで発電指示は、各燃料電池スタックに対して均等に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を供給する指示を例とするが、均等でなくてもよい。

次に、ＦＣ制御装置２０は、各燃料電池スタックの電圧計２５を介して、各燃料電池スタックにおける発電状態を取得する（ステップＳ１０１）。ここで、第１燃料電池スタック１１の発電効率は６０％であり、第２燃料電池スタック１２の発電効率は４０％である場合を例とする。なお、発電効率１００％は、予め任意に設定された閾値である。閾値は、例えば、出荷時の燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを大過剰に供給した場合における最大発電量（つまり、発電使用により劣化する前の最大効率）とすることができる。

続いて、ＦＣ制御装置２０は、取得した各燃料電池スタックの発電効率を相互に比較し、その結果に基づき、各燃料電池スタックにおける発電性能のばらつきを推定する（ステップＳ１０２）。例えば、各燃料電池スタックに均等に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を供給している場合、各燃料電池スタックの発電効率が同等であれば、各燃料電池スタックの発電性能にばらつきは無いと判定する。各燃料電池スタックの発電効率に差があれば、各燃料電池スタックの発電性能にばらつきが有ると判定する。さらに、例えば、発電効率の差が発電性能の差であると判定する。

その後、ＦＣ制御装置２０は、各燃料電池スタックの発電状態又は発電性能のばらつきに基づき、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒のうち少なくとも何れか一つについて、各燃料電池スタックへの供給流量を設定する（ステップＳ１０３）。例えば、発電効率が相対的に高い第１燃料電池スタックに対する前記供給流量が、発電効率が相対的に低い第２燃料電池スタックに対する前記供給流量よりも多くなるように設定する。換言すれば、発電性能が相対的に高い第１燃料電池スタックに対する前記供給流量が、発電性能が相対的に低い第２燃料電池スタックに対する前記供給流量よりも多くなるように設定する。また、設定した供給流量になるように、第１燃料電池スタック１１と第２燃料電池スタック１２に分流する比率（分流比）を設定する。上記のステップＳ１０１で取得した発電効率６０％：４０％の例については、例えば、第１燃料電池スタック１１に対する供給流量を６０％に設定し、第２燃料電池スタック１２に対する供給流量を４０％に設定してもよい。ここで、供給流量１００％は、燃料タンク１３が供給する燃料ガスの合計量、エアポンプ１４が供給する酸化剤ガスの合計量、又はウォーターポンプ２２が供給する冷媒の合計量である。

最後に、ＦＣ制御装置２０は、上記のステップＳ１０３の設定に基づき、流量調整手段である、第１バルブ機構１６、第２バルブ機構１７、第３バルブ機構１８、及び第４バルブ機構１９のうち少なくとも１つに分流比を指示し、分流を制御する（ステップＳ１０４）。この際、ＦＣ制御装置２０は、各流路に設置されている流量センサ、圧力センサ、温度センサから流量、圧力、温度を取得し、分流前後の変化を取得する。

［制御フロー：例２］
図６は、燃料電池システム１０及び制御装置１００を備えた車両により実行される一連の処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御装置１００は、ＦＣ制御装置２０に対して、任意の発電量を指示値として示し、発電を指示する（ステップＳ２００）。任意の発電量は、例えば、車両のモーターが要求する発電量とすることができる。

ＦＣ制御装置２０は、指示値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。所定値は、例えば、第１燃料電池スタック１１に過剰の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給したときの発電量とすることができる。
ＦＣ制御装置２０は、指示値が所定値未満であると判定した場合、第１燃料電池スタック１１だけで発電し、第２燃料電池スタック１２を停止するように、前記流量調整手段を制御し、第１燃料電池スタック１１に対しては、燃料ガス、酸化剤ガス、及び必要に応じて冷媒を供給し、第２燃料電池スタック１２に対してはこれらの供給を停止する。例えば、第１燃料電池スタック１１に対する供給流量を１００％に設定し、第２燃料電池スタック１２に対する供給流量を０％に設定して、前記流量調整手段を制御する（ステップＳ２０２）。ここで、供給流量１００％は、燃料タンク１３が供給する燃料ガスの合計量、エアポンプ１４が供給する酸化剤ガスの合計量、又はウォーターポンプ２２が供給する冷媒の合計量である。

ＦＣ制御装置２０は、第２燃料電池スタック１２が停止している間、所定時間に又は所定時間毎に、温度センサ２６を介して第２燃料電池スタック１２の温度ｔを取得し、温度ｔが所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。所定値は、例えば、第２燃料電池スタック１２の発電効率が良好となる温度範囲の下限値とすることができる。
ＦＣ制御装置２０は、温度ｔが所定値未満でない（第２燃料電池スタックが冷えてない）と判定した場合、所定時間経過後に再び、第２燃料電池スタック１２の温度ｔを取得し、温度ｔが所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。
一方、ＦＣ制御装置２０は、温度ｔが所定値未満であると判定した場合、制御装置１００から所定時間毎に取得される発電量の指示値の上昇率が、所定値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。指示値の上昇率は、例えば、ステップＳ２０１における指示値に対するステップＳ２０４における指示値の百分率として算出される。所定値は予め任意に設定した値とすることができる。
ＦＣ制御装置２０は、上昇率が所定値を超えないと判定した場合、所定時間経過後に再び、制御装置１００から取得される発電量の指示値の上昇率が、所定値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。
一方、ＦＣ制御装置２０は、上昇率が所定値を超えると判定した場合、第２燃料電池スタック１２に冷媒が供給されるように、第３バルブ機構１８を制御する。例えば、第２燃料電池スタック１２に対する冷媒の供給流量が４０％となるように分流させる（ステップＳ２０５）。

ステップＳ２０５の処理により、第２燃料電池スタック１２は予め供給された冷媒によって暖機され、その後に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されたときの発電効率を高めることができる。第２燃料電池スタック１２に対する冷媒の供給流量は、外気温が所定温度よりも低い場合にはより多くすることが好ましい。また、第２燃料電池スタック１２に冷媒を分流する際には、ウォーターポンプ２２の出力を高めて、第１燃料電池スタック１１に対する冷媒の供給圧力が低下しないように制御することが好ましい。

以上のステップＳ２００～Ｓ２０５の処理により、制御装置１００からの発電指示値が小さい間は、第１燃料電池スタック１１のみで発電し、第２燃料電池スタック１２の発電を停止し、第２燃料電池スタック１２の劣化や燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の無駄な供給を抑制することができる。また、制御装置１００からの発電指示値が所定の上昇率を超えた段階で、発電停止中に冷えてしまった第２燃料電池スタック１２を暖機することにより、第１燃料電池スタック１１のみの発電では足りず、第２燃料電池スタック１２の発電を開始したときの発電効率を高めることができる。

また、ステップＳ２０１の処理において、ＦＣ制御装置２０は、指示値が所定値以上であると判定した場合、第１燃料電池スタック１１だけでなく、第２燃料電池スタック１２でも発電するように、前記流量調整手段を制御し、両方の燃料電池スタックへ燃料ガス、酸化剤ガス、及び必要に応じて冷媒を供給することにより、両方の燃料電池スタックで発電する（ステップＳ２０６）。
以上により、本フローチャートの処理が終了する。この処理によれば、適量の燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を適時に、第１燃料電池スタック１１及び第２燃料電池スタック１２に供給するので、第２燃料電池スタック１２の発電が不要なときには発電を停止でき、再稼働が必要になる直前に暖機して発電効率を高めることができる。

なお、ＦＣ制御装置２０及び制御装置１００のそれぞれは、例えば、ＣＰＵ等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩやＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＧＰＵ等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＦＣ制御装置２０又は制御装置１００のＨＤＤやフラッシュメモリ等の記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体（非一過性の記憶媒体）がドライブ装置に装着されることでＦＣ制御装置２０又は制御装置１００のＨＤＤやフラッシュメモリにインストールされてもよい。

上記実施形態は、以下のように表現することができる。
アノードとカソードによって発電する複数の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒のうち少なくとも１つについて前記燃料電池スタックの各々に対する供給の流量を制御する流量調整手段と、プログラムを記憶した記憶装置と、ハードウェアプロセッサと、を備え、
前記ハードウェアプロセッサが前記記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、前記流量調整手段を制御し、所定の発電量を得るために稼働する所定数の燃料電池スタックに対して、各燃料電池スタックの発電効率の高低に応じて、前記供給の流量の分配を行うように構成されている制御システム。
また、前記ハードウェアプロセッサが前記記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、前記流量調整手段を制御し、所定の発電量を得るために稼働する所定数の燃料電池スタックに対する前記供給を行い、それ以外の余剰の燃料電池に対する前記供給を停止した後、所定の発電量が増える傾向を検知した場合、発電停止していた燃料電池スタックに対して冷媒を供給し、予め暖機するように構成されている制御システム。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池スタック、１２…第２燃料電池スタック、１３…燃料タンク、１４…エアポンプ、１５…ＦＣ冷却システム、１６…第１バルブ機構、１７…第２バルブ機構、１８…第３バルブ機構、１９…第４バルブ機構、２０…ＦＣ制御装置、２１…ラジエータ、２２…ウォーターポンプ、２３…排気管、２５…電圧計、２６…温度センサ

Claims (4)

1. アノードとカソードを有し、前記アノードに燃料ガスが供給され、前記カソードに酸化剤ガスが供給されることで発電を行う燃料電池スタックを複数備え、さらに、
   前記複数の燃料電池スタックが有する各アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックが有する各カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックを冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段と、
   前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒のうち、少なくとも何れか一つについて、各燃料電池スタックへの供給流量を調整する流量調整手段と、
   前記複数の燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得手段と、
   前記発電状態取得手段が取得した前記発電状態に基づき、前記各燃料電池スタックへの前記供給流量を設定し、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備える、燃料電池システムであり、
   前記制御手段は、前記複数の燃料電池スタックの各々の発電効率を前記発電状態として取得し、各燃料電池スタックにおける前記発電効率を相互に比較し、前記発電効率が相対的に高い第１燃料電池スタックに対する前記供給流量が、前記発電効率が相対的に低い第２燃料電池スタックに対する前記供給流量よりも、多くなるように前記流量調整手段を制御し、
   前記制御手段は、第１段階、第２段階の順で前記流量調整手段を制御するものであり、
   前記第１段階において、
   前記制御手段は、外部から第１発電指示値を取得し、
   前記第１発電指示値が予め任意に設定された所定値よりも低い場合、
   前記複数の燃料電池スタックのうち、一部の燃料電池スタックに対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を行い、かつ、他部の燃料電池スタックに対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を停止するように、前記流量調整手段を制御し、その後、
   前記第２段階において、
   前記制御手段は、前記他部の燃料電池スタックを昇温するために、前記他部の燃料電池スタックに対する、前記冷媒の供給を行うように前記流量調整手段を制御する、燃料電池システム。
2. アノードとカソードを有し、前記アノードに燃料ガスが供給され、前記カソードに酸化剤ガスが供給されることで発電を行う燃料電池スタックを複数備え、さらに、
   前記複数の燃料電池スタックが有する各アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックが有する各カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記複数の燃料電池スタックを冷却するための冷媒を供給する冷媒供給手段と、
   前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒のうち、少なくとも何れか一つについて、各燃料電池スタックへの供給流量を調整する流量調整手段と、
   前記複数の燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得手段と、
   前記発電状態取得手段が取得した前記発電状態に基づき、前記各燃料電池スタックへの前記供給流量を設定し、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備える、燃料電池システムであり、
   前記制御手段は、第１段階、第２段階の順で前記流量調整手段を制御するものであり、
   前記第１段階において、
   前記制御手段は、外部から第１発電指示値を取得し、
   前記第１発電指示値が予め任意に設定された所定値よりも低い場合、
   前記複数の燃料電池スタックのうち、一部の燃料電池スタックに対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を行い、かつ、他部の燃料電池スタックに対する、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷媒の供給を停止するように、前記流量調整手段を制御し、その後、
   前記第２段階において、
   前記制御手段は、前記他部の燃料電池スタックを昇温するために、前記他部の燃料電池スタックに対する、前記冷媒の供給を行うように前記流量調整手段を制御し、
   前記制御手段は、前記外部から、前記所定値よりも高い発電量を要求する第２発電指示値を取得したことに基づいて、前記第１段階から前記第２段階へ移行するものである、燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記複数の燃料電池スタックの各々の発電効率を前記発電状態として取得し、各燃料電池スタックにおける前記発電効率を相互に比較し、前記発電効率が相対的に高い第１燃料電池スタックに対する前記供給流量が、前記発電効率が相対的に低い第２燃料電池スタックに対する前記供給流量よりも、多くなるように前記流量調整手段を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記外部から、前記第１発電指示値よりも高い発電量を要求する第３発電指示値を取得し、（前記第３発電指示値／前記第１発電指示値×１００％）で算出される上昇率が、予め任意に設定された所定値よりも高いことに基づいて、前記第１段階から前記第２段階へ移行するものである、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

Images