(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
電解質膜を触媒電極膜で挟持するように接合した膜電極接合体を積層した第一の燃料電池積層部、及び第二の燃料電池積層部と、
前記第一の燃料電池積層部及び前記第二の燃料電池積層部に、前記燃料ガスを該第一の燃料電池積層部、該第二の燃料電池積層部の順に流す燃料ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の燃料極側の触媒電極膜を通過する燃料ガス流路と、
前記第二の燃料電池積層部及び前記第一の燃料電池積層部に、前記酸化ガスを該第二の燃料電池積層部、該第一の燃料電池積層部の順に流す酸化ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の酸素極側の触媒電極膜を通過する酸化ガス流路と、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を流れ且つ前記酸化ガスが前記酸化ガス流路を流れる状態で、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が乾いていると判定されると、該燃料ガス流路を流れる燃料ガス及び該酸化ガス流路を流れる酸化ガスを、該第二の燃料電池積層部をバイパスさせることにより、該電解質膜内のプロトンの移動に付随してカソード側に移動していた随伴水をアノード側に戻して乾燥部位を湿潤状態へ回復させるバイパス手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス手段が前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせると、前記第一の燃料電池積層部及び該第二の燃料電池積層部の全膜電極接合体の面積に占める該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の面積の割合である所定割合の分だけ、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量及び前記酸化ガス流路を流れる前記酸化ガスの流量を減らす流量制御手段を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせた状態で該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が湿ると、該第二の燃料電池積層部の燃料ガス流路及び酸化ガス流路に燃料ガス及び酸化ガスを流す、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の導電率に基づいて該膜電極接合体の電解質膜の乾きを検知する、
請求項１から３の何れか一項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関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。
【０００３】
燃料電池セルには、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応に伴う水が生成される。例えば、特許文献１には、燃料電池の反応ガス及び冷却媒体の流れを調整して反応ガス中の相対湿度を制御し、発電性能を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２には、複数の燃料電池の一部に異常が発生した場合、当該燃料電池へのガスの供給をバイパスする技術が開示されている。その他、特許文献３〜５には、セル面内のガスの流れを制御する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１３５号公報
【特許文献２】特開平１０−２５５８２７号公報
【特許文献３】特開２０００−３０７３０号公報
【特許文献４】特開平５−９４８３１号公報
【特許文献５】特開平７−２４９４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、電解質膜を介してプロトンが燃料極側から酸素極側へ移動することにより行われる。よって、燃料極側にある水がプロトンの随伴水として酸素極側へ移動したり、燃料電池セルが高出力で低加湿の運転状態になったりすると、燃料極側の水が不足し、ガス流路の下流側等が乾燥しやすくなる。電解質膜が乾燥した部分では乾燥によってプロトンの移動が阻害されるため、発電が停止して電気化学反応に伴う水が生成されなくなる。水が生成されない部分が発生すると、他の部分へ流れる水が無くなるために乾燥部分が徐々に拡大し、やがて発電の完全な停止に至る虞がある。本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、燃料電池セルに生じた発電不良が拡大することによる燃料電池システム全体の発電電力の低下を抑制する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、電解質膜が乾いた燃料電池積層部への燃料ガス及び酸化ガス供給を止める。
【０００６】
詳細には、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、電解質膜を触媒電極膜で挟持するように接合した膜電極接合体を積層した第一の燃料電池積層部、及び第二の燃料電池積層部と、前記第一の燃料電池積層部及び前記第二の燃料電池積層部に、前記燃料ガスを該第一の燃料電池積層部、該第二の燃料電池積層部の順に流す燃料ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の燃料極側の触媒電極膜を通過する燃料ガス流路と、前記第二の燃料電池積層部及び前記第一の燃料電池積層部に、前記酸化ガスを該第二の燃料電池積層部、該第一の燃料電池積層部の順に流す酸化ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の酸素極側の触媒電極膜を通過する酸化ガス流路と、前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を流れ且つ前記酸化ガスが前記酸化ガス流路を流れる状態で、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が乾くと、該燃料
ガス流路を流れる燃料ガス及び該酸化ガス流路を流れる酸化ガスを、該第二の燃料電池積層部をバイパスさせるバイパス手段と、を備える。
【０００７】
電解質膜の水の量は、ガス流路の上流側と下流側とで大きく異なっており、流れ方向に沿って湿分が徐々に低下していく燃料極側では下流側が水の供給を受けにくく、電気化学反応による生成水が発生する酸素極側では上流側が水の供給を受けにくい。よって、カウンター流路方式の場合、燃料極の下流側の電解質膜が特に乾燥しやすく、一旦乾燥部位が生じて生成水の発生しない部位が発生するとプロトン随伴水の移動や電流による発熱が継続するため湿潤状態への回復が見込めず、更に、酸素極の下流側への生成水の供給が止まることによる乾燥部位の拡大が生じやすい。そこで、上記燃料電池システムは、膜電極接合体を積層した積層部が２つあり、燃料ガス流路および酸化ガス流路が各積層部を順に通過する場合であって、うち一の燃料電池積層部が他の燃料電池積層部に対し、燃料ガスの流れの方向との関係において下流側にあり、且つ酸化ガスの流れの方向との関係において上流側にある場合に、当該一の燃料電池積層部を電解質膜の乾きに応じてバイパスする。当該一の燃料電池積層部が、本発明でいう第二の燃料電池積層部であり、外観上、単一の積層体を構成するものであってもよいし二以上の積層体を構成するものであってもよい。すなわち、第二の燃料電池積層部とは、燃料電池積層部が２つある場合に燃料ガスの下流側にあり、且つ酸化ガスの上流側にある積層部をいう。また、上記他の燃料電池積層部が、本発明でいう第一の燃料電池積層部であり、外観上、単一の積層体を構成するものであってもよいし二以上の積層体を構成するものであってもよい。すなわち、第一の燃料電池積層部とは、燃料電池積層部が２つある場合に燃料ガスの上流側にあり、且つ酸化ガスの下流側にある積層部をいう。なお、第一の燃料電池積層部および第二の燃料電池積層部は、これらが結合することで外観上、単一の積層体を構成するものであってもよい。この場合は第一の燃料電池積層部と第二の燃料電池積層部との間を電気的に遮断可能なようにすると共に、ガスの流れも遮断可能なようにする部材を挟む必要がある。
【０００８】
上記燃料電池システムは、第二の燃料電池積層部の電解質膜が乾くと、当該積層部における発電を止める。当該積層部の発電の停止は、燃料ガス及び酸化ガスの流れをバイパスさせることで実現する。正常に発電している積層部の乾きの進行を抑えることが可能だからである。燃料ガス及び酸化ガスの流れがバイパスされると、電解質膜内のプロトンの移動に付随してカソード側に移動していた随伴水がアノード側に戻るため、乾燥部位の湿潤状態への回復が見込まれる。従って、電解質膜が乾燥した部分が拡大することによる燃料電池システム全体の発電電力の低下が抑制される。
【０００９】
また、上記燃料電池システムは、前記バイパス手段が前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせると、前記第一の燃料電池積層部及び該第二の燃料電池積層部の全膜電極接合体の面積に占める該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の面積の割合である所定割合の分だけ、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量及び前記酸化ガス流路を流れる前記酸化ガスの流量を減らす流量制御手段を更に備えるものであってもよい。
【００１０】
第二の燃料電池積層部のバイパスにより、第一の燃料電池積層部と第二の燃料電池積層部の全体で消費される燃料ガス及び酸化ガスの量が減る。消費される燃料ガス及び酸化ガスの量は、反応ガスが流れる膜電極接合体の反応面の大きさに応じて比例するため、第二の燃料電池積層部のバイパスによって減った分だけ燃料ガス流路及び酸化ガス流路を流れるガスの量を減らせばよい。この減った分を、本発明において所定割合といい、第二の燃料電池積層部のバイパスによって不要となるガスの流量の割合である。バイパス手段によるガス流路の制御に応じてガスの流量も調整することにより、無用な燃料ガス及び酸化ガスの供給を抑制してシステム全体の動作効率を改善すると共に、正常に発電している積層部の乾きの抑制も図ることが可能である。
【００１１】
また、前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせた状態で該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が湿ると、該第二の燃料電池積層部の燃料ガス流路及び酸化ガス流路に燃料ガス及び酸化ガスを流すようにしてもよい。第二の燃料電池積層部の電解質膜が湿ったら当該積層部への燃料ガス及び酸化ガスの供給を開始することにより、燃料電池システムの発電能力を十分に発揮させることが可能である。なお、電解質膜が湿るとは、乾いていた電解質膜が濡れることで、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けた際に発電可能な状態になることをいう。
【００１２】
また、前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の導電率に基づいて該膜電極接合体の電解質膜の乾きを検知するようにしてもよい。水は電気を通しやすいため、電解質膜の湿り度合いが変わると電解質膜を挟持する膜電極接合体の両極間の導電率が変化する。よって、これを計ることで、電解質膜の乾きを把握することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
燃料電池セルに生じた発電不良の部分が拡大することによる発電電力の低下を抑制する技術を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１５】
＜実施形態の構成＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２Ａ（本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当する）、燃料電池スタック２Ｂ（本発明でいう、第一の燃料電池積層部に相当する）、燃料電池スタック２Ａ，Ｂのアノード側に燃料ガスである水素を供給する水素貯蔵タンク３、及び燃料電池スタック２Ａ，Ｂのカソード側に酸化ガスである酸素を含む空気を供給するコンプレッサ４（本発明でいう、流量制御手段の一部に相当する）を備えている。また、燃料電池システム１は、各機器を制御する電子制御装置５（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を備えている。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、電気モータ（負荷）で走行する燃料電池自動車に搭載され、電気モータ等の電気的な負荷へ電力を供給することを前提としている。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明に係る燃料電池システムは、地上に設置したり、或いは自動車以外の移動媒体等に搭載したりしてもよい。
【００１６】
燃料電池スタック２Ａ，Ｂは、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）であり、水素と酸素の供給を受けて発電する。燃料電池スタック２Ａ，Ｂは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を多数備えており、これら膜電極接合体を有する燃料電池セルが積層されることにより、所望の電圧を出力するように構成されている。なお、本実施形態において、燃料電池スタック２Ａ，Ｂは、カソード側（酸素極側）のガスとアノード側（燃料極側）のガスとが互いに反対方向に流れるカウンター流路方式であることを前提としている。
【００１７】
燃料電池スタック２Ａ，Ｂは、略同一の性能であり、燃料ガス流路６及び酸化ガス流路７の流路上に直列に並んでいる。すなわち、コンプレッサ４で昇圧された酸化ガス流路７を流れる空気が燃料電池スタック２Ａを通過したのちに燃料電池スタック２Ｂを通過するようになっており、水素貯蔵タンク３から出た燃料ガス流路６を流れる水素が燃料電池スタック２Ｂを通過したのちに燃料電池スタック２Ａを通過するようになっている。
【００１８】
燃料電池システム１は、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２Ｂのアノード側へ水素を供給する燃料ガス流路６の途中に、水素入口弁８（本発明でいう、流量制御手段の一部に相当する）を備えている。水素入口弁８は、電子制御装置５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２Ａ，Ｂへ流れる水素を制御する。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、燃料ガス流路６を流れる水素を、燃料電池スタック２Ａをバイパスさせるための燃料ガスバイパス流路９を備えている。燃料ガスバイパス流路９は、上流側がバイパス弁１０Ａ−Ｈを介して燃料電池スタック２Ｂと燃料電池スタック２Ａとを繋ぐ燃料ガス流路６に接続されており、下流側がバイパス弁１０Ｂ−Ｈを介して燃料電池スタック２Ａの下流側の燃料ガス流路６に接続されている。バイパス弁１０Ａ−Ｈ，１０Ｂ−Ｈは、電磁式の三方弁であり、電子制御装置５の指令に応じて燃料ガス流路６を流れる水素を燃料電池スタック２Ａ側に流したり燃料ガスバイパス流路９側に流したりする。
【００２０】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２Ｂのアノード側から大気へ水素オフガスを放出する燃料ガス流路６の途中に水素出口弁１１を備えている。水素出口弁１１は、電子制御装置５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出するオフガスを制御する。
【００２１】
また、燃料電池システム１は、コンプレッサ４から燃料電池スタック２Ａへ空気を供給する酸化ガス流路７の途中に、加湿器１２を備えている。加湿器１２は、電子制御装置５の指令に応じてコンプレッサ４から燃料電池スタック２へ流れる空気の湿度を制御する。
【００２２】
また、燃料電池システム１は、酸化ガス流路７を流れる空気を、燃料電池スタック２Ａをバイパスさせるための酸化ガスバイパス流路１３を備えている。酸化ガスバイパス流路１３は、上流側がバイパス弁１０Ｂ−Ｏを介して加湿器１２と燃料電池スタック２Ａとを繋ぐ酸化ガス流路７に接続されており、下流側がバイパス弁１０Ａ−Ｏを介して燃料電池スタック２Ａと燃料電池スタック２Ｂとを繋ぐ酸化ガス流路７に接続されている。バイパス弁１０Ａ−Ｏ、バイパス弁１０Ｂ−Ｏは、電磁式の三方弁であり、電子制御装置５の指令に応じて酸化ガス流路７を流れる空気を燃料電池スタック２Ａ側に流したり酸化ガスバイパス流路１３側に流したりする（上述したバイパス流路やバイパス弁で構成されるバイパス経路が、本発明でいうバイパス手段に相当する）。
【００２３】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のカソード側から大気へ空気オフガスを放出する酸化ガス流路７の途中に空気出口弁１４を備えている。空気出口弁１４は、電子制御装置５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出する空気オフガスを制御する。
【００２４】
電子制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び入出力インターフェース等で構成されており、コンプレッサ４、加湿器１２、空気出口弁１４、水素入口弁８、水素出口弁１１、及びバイパス弁１０Ａ−Ｈ，１０Ｂ−Ｈ，１０Ａ−Ｏ，１０Ｂ−Ｏを制御する。また、電子制御装置５は、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を検出する図示しないセンサと電気的に接続されており、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電圧や出力電流を計測する。また、電子制御装置５は、水素入口弁８と燃料電池スタック２Ａとの間の通路に設けられた水素流量センサ１５で水素の流量を検知する。また、電子制御装置５は、加湿器１２と燃料電池スタック２Ａとの間の通路に設けられた空気流量センサ１６および湿度センサ１７で空気の流量および湿度を検知する。
【００２５】
燃料電池システム１の電気的な構成について説明する。図２は、燃料電池システム１の電気回路図である。図２に示すように、燃料電池システム１は、電動モータを駆動源とする車両に搭載されることを前提としているため、車両を駆動するモータ１８に電力を供給する。車両は、駆動輪がモータ１８によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ１８は、いわゆる三相交流モータであり、インバータ１９から交流電力の供給を受けて動作する。このインバータ１９は、燃料電池システム１のメイン電力源である燃料電池スタック２Ａ，Ｂと二次電池であるバッテリ２０とから供給される直流電力を交流電力へ変換し、モータ１８へ供給する。燃料電池スタック２Ａ，Ｂとインバータ１９との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂが電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック２Ａ，Ｂから出力された電力の電圧は、ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂによって任意の電圧に昇降圧され、インバータ１９に印加される。ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂは、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力が所定のＩ−Ｖ特性に則って動作するように、燃料電池スタック２Ａの出力電圧を制御する。よって、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電圧が既定のＩ−Ｖ特性よりも高ければ出力電圧が下がるよう、一次側（燃料電池スタック側）に対する二次側（インバータ側）の昇圧比を小さくする。一方、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電圧が既定のＩ−Ｖ特性よりも低ければ出力電圧が上がるよう、一次側に対する二次側の昇圧比を大きくする。
【００２６】
ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂについて詳述する。二つのＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂは、同じ性能のＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＦＣコンバータ２１Ａが燃料電池スタック２Ａの電力を昇圧し、ＦＣコンバータ２１Ｂが燃料電池スタック２Ｂの電力を昇圧するように構成されている。ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂの出力端子は電気的に並列になるように接続されており、それぞれのコンバータで昇圧された電力は合流した後、インバータ１９やバッテリ昇圧コンバータ２２へ供給される。
【００２７】
バッテリ２０は、充放電が可能な定電圧の蓄電装置であって、バッテリ２０とインバータ１９との間にインバータ１９に対して上記ＦＣコンバータ２１と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ２２が電気的に接続されている。これにより、バッテリ２０から出力された電力の電圧は、バッテリ昇圧コンバータ２２によって任意の電圧に昇圧され、インバータ１９に印加される。インバータ１９に印加される電圧（すなわち、ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂとインバータ１９とを繋ぐ回路の電圧）を、以下、システム電圧という。バッテリ昇圧コンバータ２２は、モータ１８に入力される電力の電圧を図示しない電圧センサで検出し、モータ１８に入力される電力の電圧が、モータ１８が必要とする電圧になるように電圧の昇圧比を制御する。バッテリ２０が定電圧の電源であるため、バッテリ昇圧コンバータ２２の昇圧比を調整することによりシステム電圧を所定の制御目標値にすることが可能である。
【００２８】
なお、車両に要求される駆動力の増加等、モータ１８の電気的な負荷が増大してシステム電圧を押下げる力が働くと、システム電圧が所定の制御目標値になるように制御しているバッテリ昇圧コンバータ２２の働きによってバッテリ２０からの供給電力が増大すると共に、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電圧が既定のＩ−Ｖ特性に則るように制御しているＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂの働きによって燃料電池スタック２Ａ，Ｂからの供給電力が増大する。また、車両に要求される駆動力の減少等、モータ１８の電気的な負荷が減少してシステム電圧を押上げる力が働くと、システム電圧が所定の制御目標値になるように制御しているバッテリ昇圧コンバータ２２の働きによってバッテリ２０からの供給電力が減少すると共に、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電圧が既定のＩ−Ｖ特性に則るように制御しているＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂの働きによって燃料電池スタック２Ａ，Ｂからの供給電力が減少する。モータ１８の消費電力が燃料電池スタック２Ａ，Ｂからの供給電力を下回る場合は、システム電圧を押上げる力が更に高まるため、バッテリ昇圧コンバータ２
２の働きによって余剰電力がバッテリ２０側へ流れ、バッテリ２０がチャージされる。電子制御装置５は、このような電圧制御を行っているＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂやバッテリ昇圧コンバータ２２を通過するそれぞれの電力量を監視し、燃料電池スタック２Ａ，Ｂ、及びバッテリ２０の間で電力供給量がアンバランスにならないようにＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂの昇降圧比やバッテリ昇圧コンバータ２２の昇圧比を適宜調整する。例えば、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの電気出力に余裕があるにも関わらずバッテリ２０が多大な電力を出力している場合は、ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂの、一次側に対する二次側の昇圧比を上げる。これにより、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの出力電力が増え、バッテリ２０の出力電力が減る。また、燃料電池スタック２Ａの電気出力に余裕があるにも関わらず燃料電池スタック２Ｂが多大な電力を出力している場合は、ＦＣコンバータ２１Ａの一次側に対する二次側の昇圧比を上げ、ＦＣコンバータ２１Ｂの一次側に対する二次側の昇圧比を下げる。このように、各ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂ、バッテリ昇圧コンバータ２２の昇圧比、昇降圧比を適宜調整することにより、各電源の負荷の配分が調整される。
【００２９】
なお、上記ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂやバッテリ昇圧コンバータ２２は、コンプレッサや加湿器、弁類と同様、電子制御装置５によって制御される。電子制御装置５は、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルのセンサやモータ１８の回転数等に基づいて、燃料電池スタック２Ａ，Ｂの発電量やバッテリ２０からの充放電量を適宜制御する。
【００３０】
ここで、燃料電池スタック２Ａ，Ｂ内の水の動きについて詳述する。図３は、燃料ガスと酸化ガスとが反応している時の各燃料電池スタックの膜電極接合体の中の水分子の移動状態を示すモデル図である。図３に示すように、湿度が調整された燃料ガス中に含まれる水分子は、電解質膜を移動するプロトンに随伴してカソード極側に移動する。よって、燃料ガスの湿度は、燃料ガスの流れ方向に従って徐々に低下する。このため、燃料電池スタック２Ｂよりも燃料電池スタック２Ａの方が、湿度が低下しやすい。また、水素と酸素の電気化学反応に伴う水が生成されるカソード極側では、酸化ガスの湿度がその流れ方向に従って徐々に高くなる。このため、燃料電池スタック２Ａよりも燃料電池スタック２Ｂの方が、湿度が高くなりやすい。
【００３１】
＜実施形態の処理フロー＞
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転制御について説明する。図４は、燃料電池システム１の制御フロー図である。以下、図４に示す制御フロー図を参照しながら、燃料電池システム１の運転制御について説明する。
【００３２】
（ステップＳ１０１：発電開始処理）燃料電池自動車のキースイッチがオンにされると、電子制御装置５は、バイパス弁１０Ａ−Ｈ，１０Ｂ−Ｈ，１０Ａ−Ｏ，１０Ｂ−Ｏを制御して燃料電池スタック２Ａのガス流路を開き、燃料ガスバイパス流路９および酸化ガスバイパス流路１３を閉じた状態にする。そして、電子制御装置５は、水素入口弁８および水素出口弁１１を開いて燃料電池スタック２Ａ，Ｂに水素を供給すると共に、空気出口弁１４を開いてコンプレッサ４を起動することで燃料電池スタック２Ａ，Ｂに酸素を含む空気を供給する。電子制御装置５が燃料電池スタック２Ａ，Ｂへの水素と酸素の供給を開始することで、膜電極接合体で水素と酸素とが電気化学反応し、車両の駆動モータや補機類への電力の供給が開始される。
【００３３】
（ステップＳ１０２：パラメータ取得）電子制御装置５は、ステップＳ１０１の処理を実行して発電を開始したのち、燃料電池スタック２Ａの膜電極接合体の電解質膜の湿潤状態を取得する。電解質膜が乾燥している場合、湿っている場合に比べて膜電極接合体のカソード極とアノード極との間の電気抵抗が高くなる。そこで、電子制御装置５は、図示しない電気抵抗測定器で燃料電池スタック２Ａの電気抵抗を測定する。電気抵抗測定器は、高周波の交流計測電流を燃料電池スタック２Ａに印加することでその電気抵抗を測定する
。
【００３４】
（ステップＳ１０３：判定処理１）電子制御装置５は、ステップＳ１０２の処理を実行して燃料電池スタック２Ａの電気抵抗を測定したら、測定結果を基に燃料電池スタック２Ａの電解質膜が乾いているか否かを判定する。電解質膜の乾き具合の判定は、燃料電池スタック２Ａの電気抵抗が所定の閾値を満たしているか否かで行う。すなわち、電子制御装置５は、ステップＳ１０２の処理を実行して取得した燃料電池スタック２Ａの電気抵抗が、自身のメモリに予め格納されている既定の閾値よりも低ければ発電の停止まで通常運転を継続する（Ｓ１０５）。他方、既定の閾値以上であれば後述する回復運転（Ｓ１０４）を実行する。
【００３５】
（ステップＳ１０４：回復運転）電子制御装置５は、ステップＳ１０３の処理によって回復運転を実行することを決定すると、バイパス弁１０Ａ−Ｈ，１０Ｂ−Ｈ，１０Ａ−Ｏ，１０Ｂ−Ｏを制御して燃料電池スタック２Ａのガスの流路を遮断する。また、電子制御装置５は、水素入口弁８の開度、及びコンプレッサ４の回転数を調整して燃料ガス流路６を流れる水素の流量、及び酸化ガス流路７を流れる空気の流量を約半分（本発明でいう、所定割合に相当する）にする。これは、体格が同じである二つの燃料電池スタック２Ａ，Ｂ、換言すると、反応面の総面積が略同一な二つの燃料電池スタック２Ａ，Ｂへ供給する必要のある反応ガスの量が、バイパス弁の切替による燃料電池スタック２Ａの隔離により、半分になるからである。よって、反応ガスの流量の調整は前燃料電池スタック全体に占める、隔離される燃料電池スタックの反応面の大きさに比例して決定されるものであり、例えば、３つのスタックのうち１つを隔離するような場合は流量を３分の２にする。なお、水素および空気の流量の調整は、水素入口弁８の開度及びコンプレッサ４の回転数の調整のみならず、水素出口弁１１や空気出口弁１４の開度の調整によるものであってもよい。
【００３６】
図５は、本ステップで電子制御装置５がバイパス弁１０Ａ−Ｈ，１０Ｂ−Ｈ，１０Ａ−Ｏ，１０Ｂ−Ｏを切り替えて燃料電池スタック２Ａのガスの流路を遮断する前の水素の流れを示す状態図であり、図６は同じく空気の流れを示す状態図である。図５に示すように、バイパス弁を切り替える前、水素貯蔵タンク３から供給される水素は、燃料電池スタック２Ｂ内の各膜電極接合体のアノード極側を通過した後に、燃料電池スタック２Ａ内の各膜電極接合体のアノード極側を通過する。また、図６に示すように、バイパス弁を切り替える前、コンプレッサ４から供給される空気は、燃料電池スタック２Ａ内の各膜電極接合体のカソード極側を通過した後に、燃料電池スタック２Ｂ内の各膜電極接合体のカソード極側を通過する。
【００３７】
図７は、本ステップで電子制御装置５がバイパス弁を切り替えて燃料電池スタック２Ａのガスの流路を遮断した後の水素の流れを示す状態図であり、図８は同じく空気の流れを示す状態図である。図７に示すように、バイパス弁を切り替えた後、水素貯蔵タンク３から供給される水素は、燃料電池スタック２Ｂ内の各膜電極接合体のアノード極側を通過した後に燃料ガスバイパス流路９を通り、燃料電池スタック２Ａをバイパスする。また、図８に示すように、バイパス弁を切り替えた後、コンプレッサ４から供給される空気は、燃料電池スタック２Ａ内の各膜電極接合体のカソード極側を通過した後に酸化ガスバイパス流路１３を通り、燃料電池スタック２Ｂをバイパスする。
【００３８】
図９は、膜電極接合体のアノード側を流れる水素、及びカソード側を流れる空気の流れの状態について、バイパス弁の切替前後を比較した図である。バイパス弁の切替によって燃料電池スタック２Ａの膜電極接合体のアノード側の表面を流れていた水素の流れが無くなると共に、カソード側の表面を流れていた空気の流れが無くなる。これによって、次のような現象が生ずる。図１０は、バイパス弁を切り替えて燃料電池スタック２Ａを隔離し
た後の各燃料電池スタックの膜電極接合体の中の水分子の移動状態を示すモデル図である。電解質膜内を移動するプロトンに随伴してカソード極側に移動し集まっていた水分子は、燃料電池スタック２Ａの発電の停止によるプロトンの移動の停止に伴い、乾燥しているアノード側に移動し始める。これにより、水分子がカソード側に偏在することにより乾燥していた燃料電池スタック２Ａの電解質膜のアノード側が湿り、発電可能な程度に湿潤状態になる。
【００３９】
なお、電子制御装置５は、バイパス弁の制御による燃料電池スタック２Ａの隔離と同時に、ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂを次のように制御する。すなわち、電子制御装置５は、バイパス弁の制御による燃料電池スタック２Ａの隔離と同時にＦＣコンバータ２１Ａを停止し、燃料電池スタック２Ａと負荷（モータ１８等）との電気的な接続を遮断する。燃料電池スタック２Ａの電解質膜内のプロトンの移動を速やかに停止させ、カソード側に偏在する水分子をアノード側に速やかに移動させるためである。また、電子制御装置５は、ＦＣコンバータ２１Ａの停止によってバッテリ２０の負荷が過多にならないようにするため、バイパス弁の切替と同時にＦＣコンバータ２１Ｂの昇降圧比を変更し、燃料電池スタック２Ｂとバッテリ２０との負荷の配分を調整する。例えば、燃料電池スタック２Ａと燃料電池スタック２Ｂとバッテリ２０との負荷配分が４対４対３であったような場合に燃料電池スタック２Ａを停止すると、負荷配分が０対５．７対４．３になってしまうため、ＦＣコンバータ２１Ｂの一次側に対する二次側の昇圧比を上げて、バッテリ２０に対する燃料電池スタック２Ｂの負荷の割合を高める。
【００４０】
電子制御装置５は、バイパス弁を切り替えたら再びステップＳ１０２以降の処理を実行する。燃料電池スタック２Ａの電解質膜が、発電を再開することが可能な程度にまで湿潤状態になると、燃料電池スタック２Ａの電気抵抗が所定の閾値以上になるため、ステップＳ１０３の判定処理においてステップＳ１０５の処理の実行が選択される。
【００４１】
（ステップＳ１０５：判定処理２）電子制御装置５は、発電を継続するか否かを判定する。すなわち、電子制御装置５は、燃料電池自動車のキースイッチがオンのままであれば、上述したステップＳ１０２以降の処理を再び実行する。他方、電子制御装置５は、燃料電池自動車のキースイッチがオフになれば、次のステップＳ１０６の処理を実行することにより燃料電池システム１の発電を停止する。
【００４２】
（ステップＳ１０６：発電停止処理）上述したステップＳ１０５の処理によって燃料電池システム１の発電の停止が決定されると、電子制御装置５は、ＦＣコンバータ２１Ａ，Ｂを停止して燃料電池スタック２Ａ，Ｂに接続される電気的負荷を切り離す。そして、電子制御装置５は、水素入口弁８および水素出口弁１１を閉じて燃料電池スタック２への水素の供給を停止すると共に、コンプレッサ４を停止して空気出口弁１４を閉じることで燃料電池スタック２への酸素の供給を停止する。これにより、電気化学反応が止まり、燃料電池システム１の停止処理が完了する。
【００４３】
＜実施形態の効果＞
以上、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、一部の燃料電池スタックの電解質膜が乾燥して発電不良が生じた場合に、当該燃料電池スタックへのガスの供給が遮断されることで水の持ち去りが抑制されるため、他の燃料電池スタックの電解質膜の乾燥が抑制される。また、発電不良が生じた燃料電池スタックをガスが通過しなくなるため、他の燃料電池スタックの温度が適正に保たれて良好な発電状態を維持することが可能である。このように、発電不良が生じた燃料電池スタックのガスの流れが遮断されることにより、他の燃料電池スタックの発電状態が正常に保たれ、燃料電池システム全体の発電電力の低下が抑制される。
【００４４】
＜変形例＞
なお、上記実施形態に係る燃料電池システムは、以下のように変形してもよい。図１１は、第一変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図１１に示すように、バイパス経路を持たない燃料電池スタックが複数存在していてもよい。この場合、バイパス経路を持たないこれら複数の燃料電池スタック全てが、本発明でいう、第一の燃料電池積層部に相当することになる。
【００４５】
また、図１２は、第二変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図１２に示すように、バイパス経路を持つ燃料電池スタックが複数存在していてもよい。この場合、バイパス経路を持つこれら複数の燃料電池スタック全てが、本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当することになる。
【００４６】
また、図１３は、第三変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図１３に示すように、互いに独立したバイパス経路を持つ燃料電池スタックが複数存在していてもよい。そして、互いに独立したバイパス経路を持つ複数の燃料電池スタックのうち何れかの燃料電池スタックの電解質膜が乾いたら、当該燃料電池スタックをバイパスするようにしてもよい。この場合、互いに独立したバイパス経路を持つこれら複数の燃料電池スタックそれぞれが、本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当することになる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】燃料電池システムの電気回路図。
【図３】水分子の移動状態を示すモデル図。
【図４】燃料電池システムの制御フロー図。
【図５】遮断前の水素の流れを示す状態図。
【図６】遮断前の空気の流れを示す状態図。
【図７】遮断後の水素の流れを示す状態図。
【図８】遮断後の空気の流れを示す状態図。
【図９】膜電極接合体のガスの流れを比較した図。
【図１０】隔離後の水分子の移動状態を示すモデル図。
【図１１】燃料電池システムの第一変形例の構成図。
【図１２】燃料電池システムの第二変形例の構成図。
【図１３】燃料電池システムの第三変形例の構成図。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・燃料電池システム
２Ａ，Ｂ・・・燃料電池スタック
３・・・水素貯蔵タンク
４・・・コンプレッサ
５・・・電子制御装置
【図１】
0005270230.tif 000002
【図２】
0005270230.tif 000003
【図３】
0005270230.tif 000004
【図４】
0005270230.tif 000005
【図５】
0005270230.tif 000006
【図６】
0005270230.tif 000007
【図７】
0005270230.tif 000008
【図８】
0005270230.tif 000009
【図９】
0005270230.tif 000010
【図１０】
0005270230.tif 000011
【図１１】
0005270230.tif 000012
【図１２】
0005270230.tif 000013
【図１３】
0005270230.tif 000014