(57)【要約】【課題】  複数の燃料電池のそれぞれを独立に制御することにより、効率的に発電を行わせる。【解決手段】  外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２と、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを負荷に対して直列に接続し、負荷１３に対する内部加湿型燃料電池２の接続状態と負荷１３に対する外部加湿型燃料電池１の接続状態とをそれぞれ切り替えるリレー回路１０，１１とを備えた電気回路とを備え、コントローラ１４によって、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池１の発電状態、及び電気回路を制御する。コントローラ１４は、燃料電池システムの起動時、低負荷時、高負荷時等の状況において、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池１の双方から負荷１３に電力を供給する接続状態と、内部加湿型燃料電池２又は外部加湿型燃料電池１の一方から負荷１３に電力を供給する接続状態とを切り替えるようにリレー回路１０，１１を制御する。【選択図】      図１
2006049134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、
加湿された反応ガスに含まれる水分によって電解質膜が加湿されると共に、前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池と、
前記内部加湿型燃料電池と前記外部加湿型燃料電池とを負荷に対して直列に接続し、前記負荷に対する前記内部加湿型燃料電池の接続状態と前記負荷に対する前記外部加湿型燃料電池の接続状態とをそれぞれ切り替えるリレー回路とを備えた電気回路と、
前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の発電状態及び前記電気回路を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の双方から前記負荷に電力を供給する接続状態と、前記内部加湿型燃料電池又は前記外部加湿型燃料電池の一方から前記負荷に電力を供給する接続状態とを切り替えるように前記リレー回路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】
前記制御手段は、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の双方から前記負荷に電力を供給する接続状態とした場合に、前記内部加湿型燃料電池から前記負荷に供給する電流値と、前記外部加湿型燃料電池から前記負荷に供給する電流値とを合わせるように前記内部加湿型燃料電池から取り出す電力値及び前記外部加湿型燃料電池から取り出す電力値を制御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。
【請求項３】
前記制御手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記内部加湿型燃料電池と前記外部加湿型燃料電池とのうち一方の燃料電池の発電を停止させ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。
【請求項４】
前記制御手段は、前記負荷に要求される電力が小さい燃料電池システムの運転状態である場合には、前記内部加湿型燃料電池と前記外部加湿型燃料電池とのうち、発電させるために必要な消費電力が大きい一方の燃料電池の発電を停止させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記内部加湿型燃料電池と前記外部加湿型燃料電池とで通過させる冷却水量を調整する弁を有する冷却水循環手段を備え、当該冷却水循環手段は、前記制御手段により発電が停止された燃料電池に通過させる冷却水量を少なくすることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池を氷点下環境で起動させる場合には、前記外部加湿型燃料電池又は前記内部加湿型燃料電池のどちらか一方を先に起動させ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。
【請求項７】
前記制御手段は、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池に供給する反応ガスの圧力及び流量をそれぞれ調整するように前記反応ガス供給手段を制御して、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の発電状態を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか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、構造が異なる複数の燃料電池を備え、各燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の燃料電池を備え、それぞれの燃料電池の発電を制御する技術が、下記の特許文献１などで知られている。
【０００３】
この特許文献１に記載された技術は、全燃料電池での負荷を低下させる場合、すなわち低負荷運転を行う場合に、一部の燃料電池の発電を停止させる一方で、他の燃料電池の負荷を上昇させる。これにより、従来では、発電している燃料電池の負荷を過度に下降させずに動作させることができ、低負荷運転時での出力電圧の上昇を抑制して、燃料電池の腐食等を防止できるとしている。
【特許文献１】特開平６−６０８９６号公報
【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、上述した従来の技術では、低負荷運転時には、一部の燃料電池の発電を停止させていたので、例えば、低負荷運転から急激に高負荷運転に切り替える場合など、停止させた燃料電池を再起動する必要がある。したがって、従来の技術では、再起動に要する時間によって、低負荷運転時から高負荷運転への切り替え時間を必要とし、再起動性に欠けているという問題があった。特に、燃料電池周囲の環境が氷点下にある場合には、更に再起動に要する時間が長くなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、複数の燃料電池のそれぞれを独立に制御することにより、効率的に発電を行わせることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、加湿された反応ガスに含まれる水分によって電解質膜が加湿されると共に、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池と、内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池とを負荷に対して直列に接続し、負荷に対する内部加湿型燃料電池の接続状態と負荷に対する外部加湿型燃料電池の接続状態とをそれぞれ切り替えるリレー回路とを備えた電気回路とを備え、制御手段によって、内部加湿型燃料電池及び外部加湿型燃料電池の発電状態、及び電気回路を制御する。
【０００７】
このような燃料電池システムは、制御手段により、燃料電池システムの運転状態に基づいて、内部加湿型燃料電池及び外部加湿型燃料電池の双方から負荷に電力を供給する接続状態と、内部加湿型燃料電池又は外部加湿型燃料電池の一方から負荷に電力を供給する接続状態とを切り替えるようにリレー回路を制御することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池との双方から負荷に電力供給する状態と、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池の一方から負荷に電力供給する状態とを切り替えることができるので、例えば起動時、低負荷時、高負荷時等の状況に応じて外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池との利点を生かして外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池のそれぞれを独立に制御することにより、効率的に発電を行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
本発明は、例えば図１及び図２に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１１】
この燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を備えている。この外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給されると共に、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給される。
【００１２】
本実施形態では、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。
【００１３】
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
［外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の構成］
図３（ａ）は、内部加湿型燃料電池２の一例を示す模式断面図、図３（ｂ）は外部加湿型燃料電池１の一例を示す模式断面図である。
【００１４】
図３（ａ）に示すように、内部加湿型燃料電池２の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜３２の両面にアノード電極触媒層３３及びカソード電極触媒層３４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置されたアノードガス拡散層３５，カソードガス拡散層３６と、水透過板３７，３８と、セパレータ３９，４０を備えている。
【００１５】
水透過板３７，３８は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材４１に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材４２を埋め込んで形成されている。セパレータ３９と水透過板３７，セパレータ４０と水透過板３８との間には、それぞれ純水流路５３，５４が設けられ、加湿用流体である純水が供給される。純水は、水透過板３７，３８の純水流路５３，５４に接する一方の面から多孔質材４２を介して他方の面に浸透する。水透過板３７，３８の他方の面にはそれぞれ水素流路５１，空気流路５２が設けられ、純水流路５３，５４から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。
【００１６】
図３（ｂ）に示すように、外部加湿型燃料電池１の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜３２の両面にアノード電極触媒層３３及びカソード電極触媒層３４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置されたアノードガス拡散層３５，カソードガス拡散層３６と、セパレータ３９，４０を備えている。
【００１７】
セパレータ３９とアノードガス拡散層３５との間には、水素流路５１が設けられ、水素が供給される。同様に、セパレータ４０とカソードガス拡散層３６との間には、空気流路５２が設けられ、空気が供給される。
【００１８】
［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、上述したように構成された外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に水素ガスを供給する水素供給系、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に空気を供給する空気供給系、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を所定温度範囲にそれぞれ保持する冷却水循環系、空気供給系又は水素供給系と接続された加湿器（図示せず）及び内部加湿型燃料電池２に純水を循環させる純水循環系（図示せず）を備える。これらの空気供給系、水素供給系、冷却水循環系及び純水循環系は、後述するコントローラ１４によって動作が制御されることにより、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２へのガス供給状態、内部加湿型燃料電池２への純水供給状態を調整する。
【００１９】
水素供給系は、図示しない水素貯蔵タンクから水素ガスが供給される配管Ｌ１に設けられた第１水素調圧弁３と、当該配管Ｌ１から分岐して外部加湿型燃料電池１に接続された配管Ｌ２に設けられた第２水素調圧弁４と、配管Ｌ１から分岐して内部加湿型燃料電池２に接続された配管Ｌ３に設けられた第３水素調圧弁５とを備える。なお、図示しないが、外部加湿型燃料電池１と第２水素調圧弁４との間の配管Ｌ２に、当該配管Ｌ２を流れる水素ガスを加湿する加湿器を設けても良い。
【００２０】
このような水素供給系は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を発電させるに際して、コントローラ１４によって第１水素調圧弁３、第２水素調圧弁４及び第３水素調圧弁５の開度が調整される。これにより、外部加湿型燃料電池１のアノード１ａと内部加湿型燃料電池２のアノード２ａとで、それぞれ独立して水素圧力及び水素流量が調整される。また、外部加湿型燃料電池１のアノード１ａ及び内部加湿型燃料電池２のアノード２ａから電気化学反応によって使用されずに排出された水素ガスは、図示しない循環経路によって再度外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に循環されたり、必要に応じて外部に排出される。
【００２１】
空気供給系は、外気を取り込んで配管Ｌ４に吐出するコンプレッサ６と、配管Ｌ４から分岐して外部加湿型燃料電池１に接続された配管Ｌ５と内部加湿型燃料電池２に接続した配管Ｌ６との分岐点に設けられた空気分配量制御装置７と、外部加湿型燃料電池１の空気出口側の配管Ｌ７に設けられた第１空気調圧弁８と、内部加湿型燃料電池２の空気出口側の配管Ｌ８に設けられた第２空気調圧弁９とを備える。なお、図示しないが、外部加湿型燃料電池１と空気分配量制御装置７との間の配管Ｌ５に、当該配管Ｌ５を流れる空気を加湿する加湿器を設けても良い。
【００２２】
このような空気供給系は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を発電させるに際して、コントローラ１４によって、コンプレッサ６の駆動量及び空気分配量制御装置７が制御されて、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との空気供給量が制御される。また、コントローラ１４は、第１空気調圧弁８及び第２空気調圧弁９の開度を調整して、外部加湿型燃料電池１のカソード１ｂ及び内部加湿型燃料電池２のカソード２ｂでの圧力が調整される。これにより、外部加湿型燃料電池１のカソード１ｂと内部加湿型燃料電池２のカソード２ｂとで、それぞれ独立して空気圧力及び空気流量が調整される。また、外部加湿型燃料電池１のカソード１ｂ及び内部加湿型燃料電池２のカソード２ｂから電気化学反応によって使用されずに排出された空気は、システム外に排出されることになる。
【００２３】
冷却水循環系は、図２に示すように、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで統合した配管径路で構成され、冷却された冷却水量を外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで分割する。具体的には、冷却水循環系は、外部加湿型燃料電池１の冷却水出口側に設けられた冷却水ポンプ２１と、当該冷却水ポンプ２１の冷却水吐出側に設けられた第１三方弁２２と、ラジエタ２３及びファン２４と、内部加湿型燃料電池２の冷却水入口側に設けられた第２三方弁２５と、当該第２三方弁２５から分岐した配管であって冷却水ポンプ２１の冷却水吸入側に設けられた第３三方弁２６と、内部加湿型燃料電池２の冷却水出口側であって外部加湿型燃料電池１の冷却水入口側に設けられた第４三方弁２７とを備える。
【００２４】
このような冷却水循環系は、コントローラ１４により冷却水ポンプ２１の駆動量が調整されることで冷却水流量が調整され、ファン２４の駆動量が調整されることにより、ラジエタ２３を通過する冷却水の温度が調整される。この冷却水循環系により外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に供給する冷却水温度を低下させる場合、第１三方弁２２のラジエタ２３側開口が開状態とされると共に、第１三方弁２２の第２三方弁２５側開口が閉状態とされることにより、冷却水ポンプ２１から吐出された冷却水をラジエタ２３に導入する。これにより、ファン２４からの送風により冷却水が放熱して、第２三方弁２５側に送られる。また、暖機時等において冷却水温度を低下させない場合、第１三方弁２２のラジエタ２３側開口を閉状態とすると共に第１三方弁２２の第２三方弁２５側開口を開状態とする。これにより、冷却水ポンプ２１から吐出された冷却水は、ラジエタ２３をバイパスする配管を流れて、第２三方弁２５に送られることになる。
【００２５】
また、この冷却水循環系は、三方弁２５，２６，２７のそれぞれの開閉がコントローラ１４によって調整されることで、冷却水流路が形成される。外部加湿型燃料電池１のみに冷却水を循環させる場合には、第２三方弁２５に送られた冷却水を、第２三方弁２５、第３三方弁２６、第４三方弁２７から外部加湿型燃料電池１に送られるようにする。また、内部加湿型燃料電池２のみに冷却水を循環させる場合には、第２三方弁２５に送られた冷却水を、内部加湿型燃料電池２、第４三方弁２７、第３三方弁２６、冷却水ポンプ２１に送られるようにする。
【００２６】
更に、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とに循環させる冷却水量を分割する場合には、冷却水ポンプ２１から第２三方弁２５に導入された冷却水を、内部加湿型燃料電池２に導入する冷却水と、第３三方弁２６及び第４三方弁２７を介して外部加湿型燃料電池１に導入する冷却水とに分割する。このとき、第２三方弁２５の内部加湿型燃料電池２側の開口面積と、第２三方弁２５の第３三方弁２６側の開口面積との比を調整する。
【００２７】
また、この燃料電池システムは、図１に示すように、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２と電力制御装置１２とを接続する電気回路と、当該電気回路を介して発電電力を取り出す電力制御装置１２と、当該電力制御装置１２により取り出された電力を消費する負荷１３とを備える。
【００２８】
電気回路は、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを直列接続する電力線に設けられた第１リレー回路１０と、外部加湿型燃料電池１と電力制御装置１２とを接続する電力線に設けられた第２リレー回路１１とを備える。第１リレー回路１０及び第２リレー回路１１は、電磁コイル及びスイッチからなり、コントローラ１４によって電磁コイルが制御され、スイッチの開閉が制御されてオンオフ状態が制御される。
【００２９】
このような電気回路は、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との双方から電力制御装置１２で電力が取り出される場合には、コントローラ１４により、第１リレー回路１０がオン状態とされ、第２リレー回路１１がオフ状態とされる。これにより、電力制御装置１２は、外部加湿型燃料電池１の発電電力と内部加湿型燃料電池２の発電電力とを加算した電力が取り出し可能となる。また、内部加湿型燃料電池２の発電電力のみを電力制御装置１２で取り出す場合には、コントローラ１４により第１リレー回路１０及び第２リレー回路１１が共にオフ状態とされる。更に、外部加湿型燃料電池１の発電電力のみを電力制御装置１２で取り出す場合には、コントローラ１４により第１リレー回路１０がオフ状態とされ、第２リレー回路１１がオン状態とされる。
【００３０】
電力制御装置１２は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２との導通、非道通を制御するスイッチ回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータ等からなり、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２から電力を取り出して、負荷１３に供給する。この負荷１３は、例えば燃料電池システムが車両に搭載された場合における駆動モータや補機等である。
【００３１】
コントローラ１４は、上述の空気供給系、水素供給系及び冷却水循環系を制御することによる外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の発電状態の制御を行う。また、コントローラ１４は、第１リレー回路１０及び第２リレー回路１１のオンオフ状態を制御することにより、電力制御装置１２と、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２との接続関係を制御する。
【００３２】
このようなコントローラ１４は、例えば、プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等からなる。このコントローラ１４は、プログラムを実行することにより、図４に示すような各機能部を備える。図４によれば、コントローラ１４は、外部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６１と、内部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６２と、目標電流算出部６３と、目標電力選択部６４，６５，６６と、目標値算出部６７と、電力−圧力変換部６８と、電流−空気流量変換部６９とを備える。
【００３３】
外部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６１は、外部加湿型燃料電池１に関する現在の実発電電圧、水素圧力、空気圧力、空気流量、スタック温度等を検出して、当該各パラメータを用いて外部加湿型燃料電池１の取出可能電流を算出する。また、内部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６２は、内部加湿型燃料電池２に関する現在の実発電電圧、水素圧力、空気圧力、空気流量、スタック温度等を検出して、当該各パラメータを用いて内部加湿型燃料電池２の取出可能電流を算出する。
【００３４】
ここで、外部加湿型燃料電池１の電流−電圧特性を図５に示し、内部加湿型燃料電池２の電流−電圧特性を図６に示すように、外部加湿型燃料電池１では、スタック出力Ｖｍａｘ付近とするための電流値がＩｓよりも大きくなると急激に電圧値が低くなって電圧低下閾値Ｖｍｉｎ程度となるのに対し、内部加湿型燃料電池２では、電流値がＩｓと略同値のＩｐよりも小さくなっても略一定の電圧値となっている。外部加湿型燃料電池１が電流値Ｉｓよりも大きくなると電圧値が低下する要因としては、外部加湿型燃料電池１の取出電力であるスタック出力が高くなると、水素流路５１及び空気流路５２に導入される外部からの加湿水の増加し、更には、カソードの生成水が多くなることによって、水素流路５１又は空気流路５２に水詰まり（フラッディング）が発生することによる。
【００３５】
また、目標電流算出部６３は、現在負荷１３に要求されている消費電力である目標取出電力を外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の目標電力Ｗとする。そして目標電流算出部６３は、図７に示すように、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の発電電流を同じ電流値Ｉであって、目標電力Ｗを発電するため外部加湿型燃料電池１の目標電力Ｗｓ及び内部加湿型燃料電池２の目標電力Ｗｐを求める。そして、電流値Ｉを外部加湿型燃料電池１の目標電流及び内部加湿型燃料電池２の目標電流とし、それぞれ目標電力選択部６４及び目標電力選択部６５に送る。
【００３６】
目標電力選択部６４は、外部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６１で算出された取出可能電流と目標電流算出部６３で算出された外部加湿型燃料電池１の目標電流とを比較して、低い方の電流値を選択する。また、目標電力選択部６５は、内部加湿型燃料電池取出可能電流算出部６２で算出された取出可能電流と目標電流算出部６３で算出された内部加湿型燃料電池２の目標電流とを比較して、低い方の電流値を選択する。目標電力選択部６６は、目標電力選択部６４で選択された電流値と目標電力選択部６５で選択された電流値とを比較し、低い方の電流値を選択する。
【００３７】
このように、目標電力選択部６４，目標電力選択部６５，目標電力選択部６６により最終的に選択された電流値は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のそれぞれの取出可能電流と、目標取出電力を電力制御装置１２に供給するための外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のそれぞれの電流値とのうち、最も低い電流値となっている。
【００３８】
目標値算出部６７は、図７に示した各燃料電池１，２ごとの電流−電圧特性のマップデータを用いて、目標電力選択部６６で選択された目標電流に対応した燃料電池１，２それぞれの目標電力を求めて電力−圧力変換部６８に送り、目標電力選択部６６からの目標電流を外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の目標電流として電流−空気流量変換部６９に送る。
【００３９】
電力−圧力変換部６８は、目標値算出部６７で算出された燃料電池１，２それぞれの目標電力を、燃料電池１，２で発電させるのに必要な目標の水素圧力及び空気圧力に変換する。これにより、コントローラ１４は、外部加湿型燃料電池１の目標の水素圧力及び空気圧力となるように第２水素調圧弁４及び第１空気調圧弁８の開度を制御すると共に、内部加湿型燃料電池２の目標の水素圧力及び空気圧力となるように第３水素調圧弁５及び第２空気調圧弁９の開度を制御する。
【００４０】
電流−空気流量変換部６９は、目標値算出部６７で算出された同一の目標電流となるように燃料電池１，２それぞれの空気流量を演算し、当該空気流量となるようにコンプレッサ６及び空気分配量制御装置７を制御する。
【００４１】
これにより、燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とでそれぞれ独立して空気及び水素のガス制御を行う。したがって、燃料電池システムでは、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のそれぞれで所定電力を発電させる時であっても、高ガス圧力及び高ストイキ比でガス供給する必要がある外部加湿型燃料電池１と、低ガス圧力及び低ストイキ比でガス供給する必要がある内部加湿型燃料電池２とでそれぞれ異なるガス制御を行うことができる。
【００４２】
［燃料電池システムの動作］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転状態によって外部加湿型燃料電池１又は内部加湿型燃料電池２の何れかを停止させる動作について説明する。ここで、本例では、燃料電池システムの運転状態として低負荷運転時の動作と氷点下起動時の動作とについて図８，図９のフローチャートを参照して説明する。
【００４３】
燃料電池システムは、コントローラ１４により、例えば所定期間毎に図８のステップＳ１以降の処理を行う。先ずステップＳ１において、コントローラ１４は、図示しない外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２で発電した電力を蓄積するバッテリのＳＯＣ（State Of Charge）を検出して、当該バッテリの現在のＳＯＣ（Ｓ）が、バッテリの充電下限付近であると判断される所定のＳＯＣ（Ｓ０）を超えているか否かを判定する。そして、バッテリの現在のＳＯＣが所定のＳＯＣを超えていないと判定した場合には以降の処理を中止し、超えていると判定した場合には、ステップＳ２に処理を進める。
【００４４】
ステップＳ２において、コントローラ１４は、外部から入力した目標取出電力、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の各種状態から、上述した図４の各部６１〜６９によって求めた外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との総発電量Ｐａが、所定の発電量Ｐ０よりも低いか否かを判定する。この所定の発電量Ｐ０は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のセル数及び最大発電量にもよるが、低負荷運転と判断されるような低い発電量が設定されている。そして、総発電量Ｐａが所定の発電量Ｐ０よりも低くないと判定した場合には処理を終了し、低いと判定した場合にはステップＳ３に処理を進める。
【００４５】
ステップＳ３において、コントローラ１４は、ステップＳ２で判断した総発電量Ｐａが所定の発電量Ｐ０よりも低い状態が、所定時間Ｔｉを経過したか否かを判定して、経過したと判定した場合にはステップＳ４に処理を進めて外部加湿型燃料電池１の発電を停止させ、所定時間Ｔｉを経過せずに総発電量Ｐａが所定の発電量Ｐ０を上回った場合には処理を終了する。ここで、所定時間Ｔｉの経過を判断するのは、一時的に総発電量Ｐａが所定の発電量Ｐ０を下回った場合に外部加湿型燃料電池１を停止して、短時間で外部加湿型燃料電池１を再起動させることを回避するためである。
【００４６】
このようにステップＳ４において、外部加湿型燃料電池１を停止させるのは、外部加湿型燃料電池１を発電させるのに必要な電力が、内部加湿型燃料電池２を発電させるのに必要な電力よりも高いためである。すなわち、外部加湿型燃料電池１を発電させるためには、内部加湿型燃料電池２を同電力で発電させる場合よりも高いガス圧力且つ高ストイキ比で空気及び水素を供給する必要があり、コンプレッサ６の駆動電力が高くと共に、必要な水素量が多くなるためである。したがって、内部加湿型燃料電池２と比較して、補機を含む消費電力が高い外部加湿型燃料電池１であって、燃料電池システム全体での電力消費効率（ネット効率）が低い方の燃料電池である外部加湿型燃料電池１を停止させる。
【００４７】
そして、外部加湿型燃料電池１を停止させた後、コントローラ１４は、目標電流算出部６３で入力した目標取出電力を内部加湿型燃料電池２のみで発電させる空気圧力及び流量、水素圧力及び流量とするようにコンプレッサ６及び第２空気調圧弁９、第１水素調圧弁３及び第３水素調圧弁５を制御する。また、コントローラ１４は、空気分配量制御装置７によってコンプレッサ６から吐出した全量の空気を内部加湿型燃料電池２に導入させると共に、第２水素調圧弁４を閉状態にすることで、外部加湿型燃料電池１の発電を停止させ、更には、第１リレー回路１０及び第２リレー回路１１をオフ状態とする。
【００４８】
更に、コントローラ１４は、外部加湿型燃料電池１の発電を停止させている期間における外部加湿型燃料電池１の温度低下を防止するために、内部加湿型燃料電池２を通過した冷却水を直接外部加湿型燃料電池１に導入するように第４三方弁２７を制御したり、外部加湿型燃料電池１に導入する冷却水量を少なくしたりする。これにより、外部加湿型燃料電池１の停止期間中に外部加湿型燃料電池１の温度が低下することによって、外部加湿型燃料電池１の再起動時の出力制限が発生することを防止する。
【００４９】
これによって、燃料電池システムは、負荷１３から要求される電力が低い低負荷運転時には、第１リレー回路１０及び第２リレー回路１１をオフ状態とし、内部加湿型燃料電池２の発電電力のみを電力制御装置１２で取り出して、負荷１３に供給する。
【００５０】
次に、図９に示す氷点下起動時の動作について説明する。
【００５１】
この燃料電池システムは、コントローラ１４により、例えば所定期間毎に図９のステップＳ１１以降の処理を行う。
【００５２】
先ずステップＳ１１において、コントローラ１４は、図示しない外部加湿型燃料電池１の温度センサ又は外部加湿型燃料電池１の冷却水出口付近に設けられた冷却水温度センサから外部加湿型燃料電池１の温度Ｔｓを読み込んで、当該温度Ｔｓが、外部加湿型燃料電池１の温度が氷点下レベルであると判断される所定温度Ｔ０よりも低いか否かを判定する。また、コントローラ１４は、図示しない内部加湿型燃料電池２の温度センサ又は内部加湿型燃料電池２の冷却水出口付近に設けられた冷却水温度センサから内部加湿型燃料電池２の温度Ｔｐを読み込んで、当該温度Ｔｐが内部加湿型燃料電池２の温度が氷点下レベルであると判断される所定温度Ｔ１よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１２，ステップＳ１５）。
【００５３】
ここで、氷点下レベルとは、例えば内部加湿型燃料電池２内の純水が凍結するような温度のように、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２内部の温度低下によって、発電効率が著しく低下するような温度レベルであって、予め実験等によって求められている。
【００５４】
そして、外部加湿型燃料電池１の温度Ｔｓが所定温度Ｔ０よりも低く（ステップＳ１１）、且つ、内部加湿型燃料電池２の温度Ｔｐが所定温度Ｔ１よりも低いと判定した場合（ステップＳ１２）には、ステップＳ１３において、外部加湿型燃料電池１の起動を開始する。このように外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２が共に凍結している可能性がある場合には、内部加湿型燃料電池２のように純水流路５３，５４が設けられておらず熱容量が少ない外部加湿型燃料電池１を先に起動させる。すなわち、内部加湿型燃料電池２の純水流路５３，５４内の純水が凍結している可能性があるので、当該内部加湿型燃料電池２よりも短時間で起動が完了する外部加湿型燃料電池１を先に起動させる。
【００５５】
そして、外部加湿型燃料電池１を先に起動させた状態において、コントローラ１４は、外部加湿型燃料電池１を通過した冷却水をラジエタ２３に通過させずにそのまま内部加湿型燃料電池２に導入させるように第１三方弁２２及び第２三方弁２５を制御することにより、内部加湿型燃料電池２の昇温を促す。
【００５６】
また、外部加湿型燃料電池１の温度Ｔｓが所定温度Ｔ０よりも低いが、内部加湿型燃料電池２の温度Ｔｐが所定温度Ｔ１よりも高い場合には、外部加湿型燃料電池１を停止させた状態とし、内部加湿型燃料電池２を起動させる。ここで、外部加湿型燃料電池１の温度が氷点下レベルであるが、内部加湿型燃料電池２が氷点下レベルではない場面としては、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を停止させた時点では、内部加湿型燃料電池２内に残存している純水が発電時の熱を受けており、温度低下速度が遅い内部加湿型燃料電池２の温度が氷点下レベルに達していない時である。
【００５７】
そして、内部加湿型燃料電池２を先に起動させた状態において、コントローラ１４は、内部加湿型燃料電池２を通過した冷却水を直接外部加湿型燃料電池１に導入させるように第４三方弁２７を制御することにより、外部加湿型燃料電池１の昇温を促す。
【００５８】
更に、外部加湿型燃料電池１の温度Ｔｓが所定温度Ｔ０よりも低くないが（ステップＳ１１）、内部加湿型燃料電池２の温度が所定温度Ｔ１よりも低いと判定した場合（ステップＳ１５）、ステップＳ１６において、外部加湿型燃料電池１の起動を開始し、内部加湿型燃料電池２を停止した状態とする。そして、外部加湿型燃料電池１を起動させた状態において、コントローラ１４は、外部加湿型燃料電池１を通過した冷却水をラジエタ２３に通過させずにそのまま内部加湿型燃料電池２に導入させるように第１三方弁２２及び第２三方弁２５を制御することにより、内部加湿型燃料電池２の昇温を促す。
【００５９】
更にまた、外部加湿型燃料電池１の温度Ｔｓが所定温度Ｔ０よりも低くなく（ステップＳ１１）、内部加湿型燃料電池２の温度が所定温度Ｔ１よりも低くないと判定した場合（ステップＳ１５）、ステップＳ１７において、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２が通常状態であるので、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の双方を起動する。
【００６０】
このように、燃料電池システムでは、起動性能が良好な方の燃料電池１，２のうち、何れかの燃料電池を起動して、当該起動した燃料電池の熱により停止中の燃料電池を暖機し、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２が共に通常の運転状態となる期間を短縮する。
【００６１】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転状態に基づいて、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を直列に接続して双方から負荷１３に電力を供給する接続状態と、内部加湿型燃料電池２又は外部加湿型燃料電池１の一方から負荷１３に電力を供給する接続状態とを切り替えるようにリレー回路１０，１１を制御するので、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とでそれぞれの出力特性の利点を生かして、負荷１３に電力供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、例えば図５に示すように、外部加湿型燃料電池１から電流Ｉｓで負荷１３に電力供給する場合に電圧値が電圧低下閾値付近まで低下する場合であっても、内部加湿型燃料電池２からも負荷１３に電力供給させることができるので、外部加湿型燃料電池１の電圧低下を抑制することができ、運転効率を向上させることができる。
【００６２】
また、この燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の双方から負荷１３に電力を供給する接続状態とした場合に、内部加湿型燃料電池２から負荷１３に供給する電流値と、外部加湿型燃料電池１から負荷１３に供給する電流値とを略同値に合わせるので、外部加湿型燃料電池１又は内部加湿型燃料電池２から過電流を取り出すことなく、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００６３】
更に、この燃料電池システムによれば、運転状態に基づいて、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とのうち一方の燃料電池の発電を停止させるので、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との利点を生かして、起動性能を良好とすることができると共に、運転効率を向上させることができる。
【００６４】
更にまた、この燃料電池システムによれば、負荷１３に要求される電力が小さい低負荷運転時には、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とのうち、発電させるために必要な消費電力が小さい一方の燃料電池の発電を停止させるので、システム全体での電力使用効率及び水素の燃費を向上させることができる。
【００６５】
更にまた、この燃料電池システムによれば、発電が停止された燃料電池に通過させる冷却水量を少なくし、更には発電中の燃料電池を通過した冷却水を停止中の燃料電池に供給することができるので、発電停止期間における温度低下を抑制して、再起動に要する時間を短縮することができる。
【００６６】
更にまた、この燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を氷点下環境で起動させる場合には、外部加湿型燃料電池１を先に起動させるので、内部に純水が残存しており熱容量が大きい内部加湿型燃料電池２を外部加湿型燃料電池１の排熱によって暖機することができ、起動時間を短縮することができる。
【００６７】
更にまた、この燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に供給する水素及び空気の圧力、流量を外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とでそれぞれ独立に制御することができるので、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のそれぞれで所定電力を発電させる時であっても、高ガス圧力及び高ストイキ比でガス供給する必要がある外部加湿型燃料電池１と、低ガス圧力及び低ストイキ比でガス供給する必要がある内部加湿型燃料電池２とでそれぞれ異なるガス制御を行うことができる。
【００６８】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムの冷却水循環系を含む構成を示すブロック図である。
【図３】（ａ）内部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図、（ｂ）外部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムのコントローラにおける機能的な構成を示すブロック図である。
【図５】外部加湿型燃料電池の電圧、電流、スタック出力の関係を示す図である。
【図６】内部加湿型燃料電池の電圧、電流、スタック出力の関係を示す図である。
【図７】外部加湿型燃料電池及び内部加湿型燃料電池の電流とスタック出力との関係を示す図である。
【図８】本発明を適用した燃料電池システムの低負荷運転時の動作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明を適用した燃料電池システムの氷点下起動時の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１  外部加湿型燃料電池
２  内部加湿型燃料電池
３  第１水素調圧弁
４  第２水素調圧弁
５  第３水素調圧弁
６  コンプレッサ
７  空気分配量制御装置
８  第１空気調圧弁
９  第２空気調圧弁
１０  第１リレー回路
１１  第２リレー回路
１２  電力制御装置
１３  負荷
１４  コントローラ
２１  冷却水ポンプ
２２  第１三方弁
２３  ラジエタ
２４  ファン
２５  第２三方弁
２６  第３三方弁
２７  第４三方弁
３１  ＭＥＡ
３２  電解質膜
３３  アノード電極触媒層
３４  カソード電極触媒層
３５  アノードガス拡散層
３６  カソードガス拡散層
３７，３８  水透過板
３９，４０  セパレータ
４１  フレーム材
４２  多孔質材
５１  水素流路
５２  空気流路
５３，５４  純水流路
６１  外部加湿型燃料電池取出可能電流算出部
６２  内部加湿型燃料電池取出可能電流算出部
６３  目標電流算出部
６４，６５，６６  目標電力選択部
６７  目標値算出部
６８  電力−圧力変換部
６９  電流−空気流量変換部６９
【図１】
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【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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【図９】
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