(57)【要約】【課題】  酸化剤極電位変動に伴う酸化剤極触媒層劣化を抑制し、負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池システムを提供する。【解決手段】  第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とは、電流密度−電圧特性が同等であり、且つ、有効発電面積比がｍ：ｎ（ｍ＜ｎ）の燃料電池スタックである。燃料電池システムの負荷が全負荷のｍ／（ｍ＋ｎ）未満の場合、スイッチ１５，１６は開いており、第１燃料電池スタック２から負荷装置４へ電流が供給される。負荷が全負荷のｍ／（ｍ＋ｎ）以上となると、スイッチ１５，１６は閉じられ、第１燃料電池スタック２及び第２燃料電池スタック３から負荷装置４へ電流を供給する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料電池スタックと、
第１燃料電池スタックと電流密度−電圧特性が同等であり、かつ有効発電面積が異なる少なくとも一つの第２燃料電池スタックと、
負荷変動に応じて第２燃料電池スタックを第１燃料電池スタックに並列接続または開放するスイッチと、を備えた燃料電池システムであって、
各々の燃料電池スタックにおける単位セル電圧が所定の範囲内に収まるように前記スイッチを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
低負荷時において発電を行っていない燃料電池スタックには、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池システムの負荷が低負荷から高負荷へ移行することを予測する高負荷予測手段を備え、
該高負荷予測手段により高負荷へ移行すると予測された場合には、前もって所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを発電が行われていない燃料電池スタックに供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックとの有効発電面積比は、各々の燃料電池スタックから要求される負荷を取り出した時に所定の単位セル電圧を通過する頻度が最小となるような値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定の単位セル電圧は、約０．８５［Ｖ］であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
発電が行われていない燃料電池スタックには、高相対湿度のガスを供給または封入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に２以上の燃料電池スタックが並列接続可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、燃料電池は、負荷電流の変動に対する出力電圧の変化が比較的大きく、負荷装置に安定した電圧を供給するためには、燃料電池と負荷装置との間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置の負担が大きい。
【０００４】
このような電力変換装置の負担を軽減する従来技術として、複数の燃料電池スタックを備え、負荷の大きさに応じて並列接続する燃料電池スタック数を可変としたものがある（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−１７８７８６号公報（第４頁、図１（ａ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の運転時、とりわけ自動車用動力源としての運転時には、車両の加速・減速に伴い様々な大きさ・周期の負荷が印加される。ここで、燃料電池は、反応抵抗・電気的抵抗・燃料及び酸化剤の拡散抵抗等の影響により、負荷の増加に従って出力電圧が低下するという特性があるが、主に電気化学反応に伴う酸化剤極の電位変動が大きい。これにより燃料電池に負荷変動を印加した場合、特に酸化剤極電位の変動による酸化剤極触媒層の劣化が進行するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、本発明は、第１燃料電池スタックと、第１燃料電池スタックと電流密度−電圧特性が同等であり、かつ有効発電面積が異なる少なくとも一つの第２燃料電池スタックと、負荷変動に応じて第２燃料電池スタックを第１燃料電池スタックに並列接続または開放するスイッチと、を備えた燃料電池システムであって、各々の燃料電池スタックにおける単位セル電圧が所定の範囲内に収まるように前記スイッチを制御することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
著者らは、固体高分子型燃料電池の触媒層において、とりわけ触媒粒子径の拡大に伴う電気化学反応面積減少に起因する劣化に着目した実験の結果、上述の酸化剤極触媒層劣化を抑制できるような条件を見出した。
【０００８】
例えば、単位セル電圧約０．８５［Ｖ］以下となるような負荷変動において酸化剤極の劣化を大幅に抑制することが可能であった。
【０００９】
一方、無負荷時には電解質膜を比較的湿潤な状態で保持することにより、特に燃料極触媒層の劣化を抑制することが可能であった。
【００１０】
次に、燃料電池を自動車用動力源として用いる場合、一般的な市街地・郊外における走行においては、設定最高出力にもよるが比較的低出力での使用頻度が大部分を占めるという結果があり、特に低出力領域における劣化の抑制が必要であると考えられる。
【００１１】
本発明によれば、酸化剤極電位変動に伴う酸化剤極触媒層劣化を抑制することができるため、負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明をする。 尚、以下に説明する各実施例は、燃料電池車両など、アイドリング時（例えば、燃料電池補機の消費電力相当分を発電する待機状態）から全負荷時までの負荷変動が大きい燃料電池システムに好適な実施例である。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１の構成を説明する概略構成図である。同図において、燃料電池システム１は、第１燃料電池スタック２と、第１燃料電池スタック２と電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なる第２燃料電池スタック３と、第２燃料電池スタック３を第１燃料電池スタック２に並列接続することが可能なスイッチ１５，１６を備えている。
【００１４】
第１燃料電池スタック２の燃料極５ａ、酸化剤極６ａは、それぞれ接続線１１、１２を介して常に負荷装置４へ接続されている。
【００１５】
第２燃料電池スタック３の燃料極５ｂは、スイッチ１５及び接続線１３を介して、第１燃料電池スタック２の燃料極５ａ及び負荷装置４へ接続されている。第２燃料電池スタック３の酸化剤極６ｂは、スイッチ１６及び接続線１４を介して、第１燃料電池スタック２の酸化剤極６ａ及び負荷装置４へ接続されている。
【００１６】
スイッチ１５，１６は、例えば、電力用のＦＥＴやＩＧＢＴ等の制御信号によりオン／オフ可能な半導体スイッチである。
【００１７】
第２燃料電池スタック３を第２燃料電池スタック２及び負荷装置４に接続するスイッチ１５，１６は、燃料電池負荷が所定値未満の場合に開放されており、燃料電池負荷が所定値以上となったときに、スイッチ１５，１６が閉じられて、第２燃料電池スタック３が負荷装置４に接続される。
【００１８】
第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とは、共に固体高分子電解質型燃料電池であり、有効発電面積が異なる燃料電池スタックである。特に、第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とは、同じタイプの膜電極接合体（ＭＥＡ）を有し、スタック積層セル数が等しいことが好ましい。ここで、両者の有効発電面積には、
第１燃料電池スタック２の有効発電面積＜第２燃料電池スタック３の有効発電面積
という関係が成立しているものとする。
【００１９】
また、第１燃料電池スタック２には、燃料ガス供給管７ａを介して図示しない燃料ガス供給系から燃料ガスが供給され、第１燃料電池スタック２から燃料ガス排出管８ａを介して未反応の燃料ガスが排出される。同様に、第１燃料電池スタック２には、酸化剤ガス供給管９ａを介して図示しない酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスが供給され、第１燃料電池スタック２から酸化剤ガス排出管１０ａを介して反応済の酸化剤ガスが排出される。
【００２０】
同様に、第２燃料電池スタック３には、燃料ガス供給管７ｂを介して図示しない燃料ガス供給系から燃料ガスが供給され、第２燃料電池スタック３から燃料ガス排出管８ｂを介して未反応の燃料ガスが排出される。同様に、第２燃料電池スタック３には、酸化剤ガス供給管９ｂを介して図示しない酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスが供給され、第２燃料電池スタック３から酸化剤ガス排出管１０ｂを介して反応済の酸化剤ガスが排出される。
【００２１】
ガス供給系は、従来周知の構成のものを利用し、燃料ガス、酸化剤ガスについてそれぞれ１系統であっても燃料電池スタック毎に独立系統であっても構わない。
【００２２】
本実施例では、第１燃料電池スタック２と、一つの第２燃料電池スタック３の合計２つのスタックが並列に接続可能となっているが、それぞれのスタックの電流密度−電圧特性が同等であれば、要求される最高出力に応じて第２燃料電池スタックの数を任意に増やしてもよい。ただし各第２燃料電池スタックにはそれぞれ開閉可能なスイッチが接続される必要がある。
【００２３】
最小負荷時、例えば燃料電池車両のアイドリング時においては、第１燃料電池スタック２のみが運転され、このときの第１燃料電池スタック２における単位セル電圧が好ましくは約０．８５［Ｖ］以下に保持されるように第１燃料電池スタック２の発電面積は決定される。
【００２４】
負荷が増加し、第１燃料電池スタック２の設定最高出力（電力または電流）へ到達すると、スイッチ１５，１６が閉じられ、第２燃料電池スタック３の発電が開始される。このとき、第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３における電流密度は等しくなり、単位セル電圧が上記約０．８５［Ｖ］以下となるように第２燃料電池スタック３の発電面積は決定される。更に負荷が増加すると第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３の発電量が設定された最高出力までそれぞれ増加する。
【００２５】
図２は、第１、第２燃料電池スタック２，３におけるスタック電流（電流密度表示）に対するスタック電圧の関係を示す図である。いずれの燃料電池スタックも図２中に破線で示すように、単位セル電圧に換算したときに０．８５［Ｖ］の所定電圧以下となる使用領域で運転される。
【００２６】
図３は、スタック面積比を
第１燃料電池スタック：第２燃料電池スタック＝ｍ：ｎ
としたときの、要求負荷電流に対する燃料電池スタック毎の負荷電流とスイッチ１５，１６の操作とを説明する図である。
【００２７】
図３中、アイドリングからスイッチングまでの負荷範囲では、第１燃料電池スタック２のみが発電し、スイッチング以上、要求負荷が１００％までは、第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とが並列に負荷装置４へ電流を供給する。
【００２８】
スイッチング直前の発電状態は、第１燃料電池スタック２がスタック能力の１００％であり、第２燃料電池スタック３は、０％である。スイッチング直後では、第１燃料電池スタック２及び第２燃料電池スタック３の発電状態は、それぞれのスタック能力の１００×ｍ／（ｍ＋ｎ）［％］である。例えば、ｍ＝１，ｎ＝３とすれば、１００×ｍ／（ｍ＋ｎ）［％］＝２５［％］である。
【００２９】
この２つの燃料電池スタックの有効発電面積比の求め方は、以下の通りである。例えば負荷の時間変動パターンデータを収集し、この収集したデータに基づいて負荷のモデル変動パターンを作成する。そして、この負荷のモデル変動パターンにおいて、第２燃料電池スタックのセル電圧が所定の単位セル電圧を通過する頻度が最小となるような値に有効発電面積比を決定することにより、酸化剤触媒層の劣化を更に抑制し、燃料電池スタックの耐久性を更に高めることが可能となる。
【００３０】
尚、電動車両の電源として用いる燃料電池システムの場合、上記の負荷の時間変動パターンデータは、車両の走行パターンデータから求めることができるのは明らかである。
【００３１】
これにより比較的低負荷での変動頻度の高い自動車用動力源としての用途において、酸化剤極触媒層劣化に強く耐久性の高い燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００３２】
次に、図４、図５を参照して本実施例と従来技術による比較例との相違を説明する。
【００３３】
図４は、実質的に１つの燃料電池スタックを備えた従来の燃料電池システムにおける負荷変動と単位セル電圧の時間変化例を示すタイムチャートであり、図５は、実施例１における負荷変動と単位セル電圧の時間変化例を示すタイムチャートである。
【００３４】
図４の比較例では、負荷変動に従って、燃料電池スタック電圧が変動し、燃料電池スタック電圧を生じる個々の単位セル電圧も変動し、例えば、破線で示す所定値（例えば、０．８５［Ｖ］）のラインを繰り返し上下に横切ることになり、燃料電池スタックの劣化が進行する。
【００３５】
これに対して、図５の実施例１では、負荷がしきい値Ｌth未満の場合には、第１燃料電池スタックのみが発電し、負荷がしきい値Ｌth以上になると第１燃料電池スタックに加えて、第２燃料電池スタックも発電するように制御している。このため、第１燃料電池スタックの単位セル電圧は、常に破線で示す所定値（例えば、０．８５［Ｖ］）以下となり、第２燃料電池スタックの単位セル電圧は、負荷がしきい値Ｌthを横切る毎に、所定値の破線ラインを横切ることになる。
【００３６】
従って、本実施例によれば、第１、第２燃料電池スタックの単位セル電圧が所定値を通過する頻度を著しく低下させ、酸化剤極電位変動に伴う酸化剤極触媒層劣化を抑制することができるため、負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２は、第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とがそれぞれ独立に制御可能な燃料ガス供給系及び酸化剤ガス供給系を備えている点に特徴がある。第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３との接続関係は、図１に示した実施例１と同様である。
【００３８】
また、第１燃料電池スタック２と、第１燃料電池スタック２とは、電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なるものである。
【００３９】
図６は、実施例２における燃料電池システム制御を説明するタイムチャートである。本実施例においては、燃料電池に対する負荷がしきい値Ｌth未満の場合、第１燃料電池スタック２のみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、第２燃料電池スタック３には、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しない。そして、燃料電池に対する負荷がしきい値Ｌth以上となった場合に、第１燃料電池スタック２及び第２燃料電池スタック３に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するように制御する。
【００４０】
これにより、低負荷時のガス供給量を最小限とすることが可能となり、負荷変動に対して応答時間の短い、酸化剤極触媒層劣化に強い高耐久の燃料電池を提供することが可能となる。
【００４１】
尚、第２燃料電池スタック３が発電を行っていないときには、高相対湿度の燃料ガス及び高相対湿度の酸化剤ガスを供給、あるいはこれらのガスを燃料極５ｂ及び酸化剤極６ｂに封入するようにしてもよい。これにより、無負荷時の触媒層劣化を抑制することができるという効果がある。
【実施例３】
【００４２】
図７は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例３の構成を説明する概略構成図である。同図において、燃料電池システム１は、第１燃料電池スタック２と、第１燃料電池スタック２と電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なる第２燃料電池スタック３と、第２燃料電池スタック３を第１燃料電池スタック２に並列接続することが可能なスイッチ１５，１６を備えている。
【００４３】
第１燃料電池スタック２の燃料極５ａ、酸化剤極６ａは、それぞれ接続線１１、１２を介して常に負荷装置４へ接続されている。
【００４４】
第２燃料電池スタック３の燃料極５ｂは、スイッチ１５及び接続線１３を介して、第１燃料電池スタック２の燃料極５ａ及び負荷装置４へ接続されている。第２燃料電池スタック３の酸化剤極６ｂは、スイッチ１６及び接続線１４を介して、第１燃料電池スタック２の酸化剤極６ａ及び負荷装置４へ接続されている。
【００４５】
第２燃料電池スタック３を第２燃料電池スタック２及び負荷装置４に接続するスイッチ１５，１６は、燃料電池負荷が所定値未満の場合に開放されており、燃料電池負荷が所定値以上となったときに、スイッチ１５，１６が閉じられて、第２燃料電池スタック３が負荷装置４に接続される。
【００４６】
第１燃料電池スタック２と第２燃料電池スタック３とは、互いに同じタイプの膜電極接合体（ＭＥＡ）を有し、スタック積層セル数が等しいが、有効発電面積が異なる燃料電池である。
【００４７】
また、図７において、燃料電池システム１に対する負荷が低負荷から高負荷へ移行することを予測する高負荷予測手段１７を備えている。ここで高負荷とは、第２燃料電池スタック３も発電させる負荷であり、実施例１のスタック面積比ｍ：ｎを用いると、燃料電池システムの全負荷の１００×ｍ／（ｍ＋ｎ）［％］以上の負荷である。
【００４８】
この高負荷予測手段１７を持つことにより、低負荷から高負荷への移行を予測したときには、前もって第２燃料電池スタック３へ所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する。なお、高負荷予測手段１７は、例えば負荷装置４へ流れる電流の大きさと時間変化とを、あらかじめ実験等により得られた電流の大きさ及び時間変化のデータと比較することにより、低負荷から高負荷への移行を予測するものとする。
【００４９】
本実施例によれば、低負荷から高負荷への移行を予測する高負荷予測手段を備え、この高負荷予測手段により高負荷へ移行すると予測された場合には、前もって所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを発電が行われていないスタックに供給することで、負荷変動時の燃料もしくは酸化剤不足に伴う触媒層の劣化を抑制し、かつ負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池を提供することが可能となる。
【００５０】
以上好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、第２燃料電池スタックは、一つに限らず２つ以上備えてもよいし、それぞれの第２燃料電池スタックの有効発電面積と第１燃料電池スタックの有効発電面積との比を変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。
【図２】スタック電流密度に対するスタック電圧の関係を示す図である。
【図３】実施例１における要求負荷とスタック毎の負荷、及び第２燃料電池スタックの接続スイッチングを説明する図である。
【図４】従来の構成における負荷変動と単位セル電圧の関係を示すタイムチャートである。
【図５】実施例１における負荷変動と単位セル電圧の関係を示すタイムチャートである。
【図６】実施例２における負荷変動と酸化剤ガス流量の関係を示すタイムチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する概略構成図である。
【図８】実施例３における負荷変動と供給ガスの関係並びに負荷変動予測を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池システム
２：第１燃料電池スタック
３：第２燃料電池スタック
４：負荷装置
５ａ，５ｂ：燃料極
６ａ，６ｂ：酸化剤極
７ａ，７ｂ：燃料ガス供給管
８ａ，８ｂ：燃料ガス排出管
９ａ，９ｂ：酸化剤ガス供給管
１０ａ，１０ｂ：酸化剤ガス排出管
１１，１２，１３，１４：接続線
１５，１６：スイッチ
１７：高負荷予測手段
【図１】
2006179242.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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