(57)【要約】【課題】反応ガスの供給量にかかわらず、燃料電池の出力性能を向上する。【解決手段】燃料電池システムであって、第１の触媒層を有する第１の燃料電池スタック１０Ａと、保水性が前記第１の触媒層よりも高い第２の触媒層を有する第２の燃料電池スタック１０Ｂと、両燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに反応ガスとしての酸化剤ガスを供給する通路であって、該通路に対して両燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂが並列に接続される酸化剤ガス供給通路３２Ａ，３２Ｂと、酸化剤ガス供給通路３２Ａ，３２Ｂにおける各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの酸化剤ガスの分配量を制御することにより、第２の燃料電池スタック１０Ｂに供給する酸化剤ガスの流量を、第１の燃料電池スタック１０Ａに供給する酸化剤ガスの流量よりも多くする流量制御部とを備える。【選択図】図１
2012099332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
第１の触媒層を有する第１の燃料電池スタックと、
保水性が前記第１の触媒層よりも高い第２の触媒層を有する第２の燃料電池スタックと、
前記第１および第２の燃料電池スタックに反応ガスを供給する通路であって、該通路に対して前記第１および第２の燃料電池スタックが並列に接続される反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路における各前記燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を制御することにより、前記第２の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量を、前記第１の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量よりも多くする流量制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記第２の燃料電池スタックは、
前記第２の触媒層の酸基密度を前記第１の触媒層の酸基密度よりも高くすることにより、保水性を高くした構成である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が第１の値となるように、前記第１の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第１調整部と、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が前記第１の値より高い第２の値となるように、前記第２の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第２調整部と
を備える、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部により流量の調整を行う前記反応ガスは、酸化剤ガスである、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、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体を有する。従来、触媒層の水蒸気吸着量を適正な値の範囲とすることで、良好な湿潤状態の時は勿論のこと、低加湿状態、高加湿状態の双方において高い出力性能を発揮する燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６６０２号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、反応ガスの供給量によっては、ドライアップあるいはフラッディングとなることを免れなかった。ドライアップとなればプロトン伝導性が低下し、フラッディングとなれば反応ガスのガス拡散が阻害されることから、燃料電池の出力性能が低下するという問題が発生した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、反応ガスの供給量にかかわらず、燃料電池の出力性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］  燃料電池システムであって、
第１の触媒層を有する第１の燃料電池スタックと、
保水性が前記第１の触媒層よりも高い第２の触媒層を有する第２の燃料電池スタックと、
前記第１および第２の燃料電池スタックに反応ガスを供給する通路であって、該通路に対して前記第１および第２の燃料電池スタックが並列に接続される反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路における各前記燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を制御することにより、前記第２の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量を、前記第１の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量よりも多くする流量制御部と
を備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、触媒層の保水性が高い側の第２の燃料電池スタックに供給される反応ガスの流量が、触媒層の保水性が低い側の第１の燃料電池スタックに供給される反応ガスの流量よりも多くなる。このために、反応ガス供給通路に送り出す反応ガスの流量（以下、「反応ガス全流量」と呼ぶ）が多くても、触媒層の保水性が低い第１の燃料電池スタックでは、ガス供給量が第２の燃料電池スタックに比べて少なく、ドライアップとなり難い。一方、反応ガス全流量が少なくても、触媒層の保水性が高い第２の燃料電池スタックでは、ガス供給量が第１の燃料電池スタックに比べて多く、フラッディングとなり難い。したがって、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができる。この結果、反応ガス供給通路に１つの燃料電池スタックを接続する従来の燃料電池システムと比べたとき、反応ガス全流量が同じとすると、燃料電池システム全体としての出力性能を向上することができる。
【０００９】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池システムであって、
前記第２の燃料電池スタックは、
前記第２の触媒層の酸基密度を前記第１の触媒層の酸基密度よりも高くすることにより、保水性を高くした構成である、燃料電池システム。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池によれば、簡単な酸処理を追加するだけで酸基密度の高い触媒層を作製することができることから、作製が容易である。
【００１１】
［適用例３］  適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が第１の値となるように、前記第１の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第１調整部と、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が前記第１の値より高い第２の値となるように、前記第２の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第２調整部と
を備える、燃料電池システム。
【００１２】
適用例３に記載の燃料電池によれば、流量制御部を簡単な構成で実現することができることから、作製が容易である。
【００１３】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部により流量の調整を行う前記反応ガスは、酸化剤ガスである、燃料電池システム。
【００１４】
生成水はカソード電極側で発生することから、湿潤環境の変化しやすいカソード電極側において、本発明の課題はより重要となる。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、カソード電極への反応ガスである酸化剤ガスの供給量が適正に制御されることになることから、より確実に出力性能を向上することができる。
【００１５】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし４以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを搭載する車両などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】燃料電池の一単位である単セル８０の構成を概略的に示す説明図である。
【図３】酸基密度の高低による触媒層の違いを示す説明図である。
【図４】触媒インクの作製方法を示す工程図である。
【図５】電子制御ユニット６０により実行される空気流量制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】低酸基密度の触媒層の燃料電池スタックと高酸基密度の触媒層の燃料電池スタックとの双方における空気比と出力電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１８】
Ａ．全体の構成：
図１は、本発明の一実施例における燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載されており、２つの燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂと、反応ガス供給部２０と、反応ガス排出部４０と、電子制御ユニット６０とを備えている。
【００１９】
各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂは、燃料電池の単セルが積層されたスタック構造である。燃料電池は、反応ガスとしての水素ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの供給を受けて電力を発生するもので、ここでは、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの構造については、後ほど詳しく説明する。
【００２０】
反応ガス供給部２０は、水素ガスを生成するための燃料改質装置２１と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置３１とを備える。
【００２１】
燃料改質装置２１は、燃料電池システムの外部から供給される炭化水素等の燃料を水蒸気改質法等で高水素濃度の水素ガスに改質する。燃料改質装置２１は、複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ全体の電気化学反応に必要な水素ガスを基本的に過不足なく生成する。燃料改質装置２１から出力された水素ガスは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ接続された水素ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに分配される。すなわち、燃料改質装置２１に対して水素ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂは並列に接続されている。
【００２２】
各水素ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂには、水素ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂがそれぞれ設けられており、水素ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂで必要な水素ガス量に分配調整される。
【００２３】
酸化剤ガス供給装置３１は、燃料電池システムの外部から供給される空気等の酸化剤ガスを所定の圧力・温度に調整する。酸化剤ガス供給装置３１から出力された酸化剤ガスは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ接続された酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに分配される。すなわち、酸化剤ガス供給装置３１に対して酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂは並列に接続されている。
【００２４】
各酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂには、酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂがそれぞれ設けられており、酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂで必要な酸化剤ガス量に分配調整される。
【００２５】
反応ガス排出部４０は、水素ガス排出通路４２Ａ、４２Ｂと酸化剤ガス排出通路４４Ａ、４４Ｂとを備える。水素ガス排出通路４２Ａ、４２Ｂは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの排出水素ガスを排出する。酸化剤ガス排出通路４４Ａ、４４Ｂは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの排出酸化剤ガスを排出する。
【００２６】
電子制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、アクセル開度センサ６２からの出力信号を入力し、反応ガス供給部２０に設けられた水素ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂや酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂに駆動信号を出力し、燃料電池システムの運転を制御する。なお、燃料電池システムには、水素ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂや酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂ以外にも図示しない各種のアクチュエータが設けられており、電子制御ユニット６０はこれらアクチュエータを制御することで、燃料電池システムの運転全体を制御する。
【００２７】
Ｂ．単セルの構成：
図２は、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに備えられる燃料電池の一単位である単セル８０の構成を概略的に示す説明図である。図示するように、単セル８０は、電解質膜８１と、電解質膜８１を挟持してサンドイッチ構造をなす一対の触媒層８２，８３と、このサンドイッチ構造をさらに挟持する一対のガス拡散層８４，８５と、これらの構造をガス拡散層８４，８５の外側からさらに挟持するセパレータ８６ａ，８６ｂとから構成されている。
【００２８】
ここで、セパレータ８６ａ，８６ｂは、ガス拡散層８４，８５との間に、水素ガス及び酸化剤ガスの単セル内流路８７Ｐ、８８Ｐを形成する。水素ガスの単セル内流路８７Ｐに、図示しない水素ガスマニホールドを介して、前述した反応ガス供給部２０の水素ガス供給通路２２Ａが接続されている。酸化剤ガスの単セル内流路８８Ｐに、図示しない酸化剤ガスマニホールドを介して、前述した反応ガス供給部２０の酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂが接続されている。
【００２９】
電解質膜８１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、厚さ５０μｍのナフィオン膜（デュポン社製、ナフィオン１１２）を使用した。
【００３０】
触媒層８２，８３は、表面に触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなる層であり、後述するように、上記触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなる触媒インクを、ガス拡散層上に塗布することによって形成される。触媒層８２，８３は、既述した電気化学反応が進行する領域であり、本発明の要部に対応するが、その詳しい構造および作製方法は後述する。
【００３１】
ガス拡散層８４，８５は、それぞれ、表面をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標））によってコーティングすることで撥水化したカーボンペーパによって形成されている。単セル８０を形成するには、まず、電解質膜８１をガス拡散層８４，８５で挟持した構造（電極アセンブリ）を形成するが、その際には、ＰＴＦＥでコートした上記カーボンペーパ上に、触媒インク（触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなるインク）を塗布したものを一対用意し、このカーボンペーパ上に塗布した触媒インクを１００℃にて真空乾燥させた後、これら一対のカーボンペーパで電解質膜８１を挟持する。このとき、触媒インクの塗布面が電解質膜側に接する様に配置し、面圧５０ｋｇ／ｃｍ2 、温度１３０℃にて熱圧プレスを行なって、上記電極アセンブリを得る。
【００３２】
セパレータ８６ａ，８６ｂは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、金属製部材などにより形成される。セパレータ８６ａ，８６ｂはその表面に、所定の形状のリブ部を形成しており、既述したように、隣接するガス拡散層との間で水素ガスの単セル内流路８７Ｐあるいは酸化剤ガスの単セル内流路８８Ｐを形成する。図２では、各セパレータ８６ａ，８６ｂの片面においてだけガス流路を成すリブが形成されているように表わされているが、実際は、両方の面に形成されている。セパレータ８６ａ，８６ｂのそれぞれの片面に形成されたリブは隣接するガス拡散層８４との間で水素ガスの単セル内流路８７Ｐを形成し、セパレータ８６ａ，８６ｂの他面に形成されたリブは隣接する単セルが備えるガス拡散層８５との間で酸化剤ガスの単セル内流路８８Ｐを形成する。したがって、セパレータ８６ａ，８６ｂは、ガス拡散層との間でガスの流路を形成すると共に、隣接する単セル間で水素ガスと酸化剤ガスとの流れを分離する役割を果たしている。
【００３３】
なお、各セパレータの表面に形成されたリブの形状は、ガス流路を形成してガス拡散層に対して燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給可能であれば、いずれの形状とすることもできる。本実施例では、各セパレータの表面に形成されたリブは平行に形成された複数の溝状の構造とした。
【００３４】
以上、燃料電池の基本構造である単セル８０の構成について説明した。実際に燃料電池スタックとして組み立てるときには、単セル８０を複数組積層し（例えば１００組）、その両端にさらに集電板、絶縁板、エンドプレート（図示せず）を配置して、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂを完成する。
【００３５】
Ｃ．触媒層の構成：
一方の燃料電池スタック（以下、「第１の燃料電池スタック」と呼ぶ）１０Ａと他方の燃料電池スタック（以下、「第２の燃料電池スタック」と呼ぶ）１０Ｂとは、次の点で相違する。すなわち、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける酸化剤ガス側の電極として機能する触媒層８３の酸基密度が、第１の燃料電池スタック１０Ａにおける酸化剤ガス側の電極として機能する触媒層８３の酸基密度と比べて、高くなっている。本実施例では、第１の燃料電池スタック１０Ａにおける触媒層８３の酸基密度は０．３ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃであり、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３の酸基密度は０．８５ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃである。なお、ここでいう酸とは、カルボン酸（ＣＯＯＨ）である。
【００３６】
図３は、酸基密度の高低による触媒層の違いを示す説明図である。図３（ａ）は酸基密度の低い触媒層の様子を模式的に示した図であり、図３（ｂ）は酸基密度の高い触媒層の様子を模式的に示した図である。
【００３７】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、触媒層は、触媒粒子１０１と触媒粒子１０１の回りを覆うプロトン伝導性ポリマとから形成されている。触媒粒子１０１は、担持体１０３に貴金属１０５が担持されたものである。本実施例においては、担持体１０３として、例えば、疎水性のカーボンブラック（粒径約０．１〜２０μｍ）が用いられている。また担持される貴金属１０５として、例えば、白金あるいは白金合金が用いられている。
【００３８】
導電性ポリマにおいては、担持体１０３の表面に向かって触媒酸基１０７を露出し、さらにアイオノマースルホン酸基１０９を備える。
【００３９】
触媒層の構成は上述した通りであるが、酸基密度の低い触媒層と酸基密度の高い触媒層とを比較してみると、触媒酸基１０７の数が相違する。酸基密度の低い図３（ａ）の例では、触媒酸基１０７の数は７個である。これに対して酸基密度の高い図３（ｂ）の例では、触媒酸基１０７の数は１２個である。このように、酸基密度の高い触媒層は、酸基密度の低い触媒層に比べて、触媒酸基１０７の数が多い。触媒酸基１０７は水分子を強く引きつけることから、触媒酸基１０７の数が多い高酸基密度の触媒層は、低酸基密度の触媒層に比べて、保水性が高い。
【００４０】
以上のことから、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３（以下、この触媒層８３を「触媒層８３Ｂ」と呼ぶ）は、第１の燃料電池スタック１０Ａにおける触媒層８３と比べて、保水性が高いものとなっている。
【００４１】
Ｄ．触媒インクの作製方法：
触媒層８３Ａ、８３Ｂの酸基密度の低い高いは、触媒インクの成分によって変わってくる。そこで、触媒インクの作製方法を次に説明する。
【００４２】
図４は、触媒インクの作製方法を示す工程図である。この工程図は、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３Ｂに用いる触媒インクについてのものである。図示するように、まず、担持体として、Ketjen EC（ケッチエンプラックインターナショナル社)やVulcan（Cabot社）などのカーボンブラックを用意する（第１工程Ｓ１）。なお、カーボンブラックに換えて、カーボンナノチューブやアセチレンブラックなどを用いてもよい。
【００４３】
次いで、第１工程Ｓ１で用意したカーボンブラックを、蒸留水に懸濁撹拌し、Ｐｔ化合物(塩化白金酸など)を滴下し、エタノールなどの還元剤を滴下することにより、Ｐｔをカーボンブラック上に析出させる（第２工程Ｓ２）。
【００４４】
その後、第２工程Ｓ２で得られた混合物をろ過し、固形物を乾操させることによりＰｔ担持触媒を得る（第３工程Ｓ３）。
【００４５】
さらに、第３工程Ｓ３で得られたＰｔ担持触媒に対して、０．５Ｎ硝酸を用いて９０℃で２４時間掛けて酸処理を施す（第４工程Ｓ４）。第４工程Ｓ４の処理は、第３工程Ｓ３で得られたＰｔ担持触媒の酸基密度を高めるためのものである。第１工程Ｓ１ないし第３工程Ｓ３は、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３Ｂを作製する場合にも同様に実行され、第１工程Ｓ１ないし第３工程Ｓ３により、酸基密度が０．３ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃである触媒粒子を得ることができる。これに対して、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３Ｂの触媒インクを作製する場合には、第４工程Ｓ４をさらに実行することで、触媒層８３の酸基密度を０．８５ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃとする。
【００４６】
その後、第４工程Ｓ４で得られたＰｔ担持触媒に蒸留水を加えた後に、エタノールや１-プ口パノールなどの溶媒を加え、プロトン伝導体としてナフィオン溶液（デュポン社製、ＥＷ１０００）をさらに加える（第５工程Ｓ５）。このときの添加量は、スルホン酸密度が０．８になるよう調製した。その後、この混合物を十分に揖梓し、粒子の微粒化や均一分散のため、超音波照射やビーズミルなどによる分散処理を行った（第６工程Ｓ６）。以上で、第２の燃料電池スタック１０Ｂにおける触媒層８３Ｂに用いる触媒インクを作製することができる。
【００４７】
なお、第１の燃料電池スタック１０Ａにおける触媒層８３Ａを作製する場合は、第４工程Ｓ４の酸処理を除いた工程、すなわち、第１工程Ｓ１、第２工程Ｓ２、第３工程Ｓ３、第５工程Ｓ５、および第６工程Ｓ６と実行すれば、前記触媒層８３Ａに用いる触媒インクを作製することができる。
【００４８】
Ｅ．制御処理：
図５は、電子制御ユニット６０により実行される空気流量制御ルーチンを示すフローチャートである。この空気流量制御ルーチンは、電子制御ユニット６０における燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの運転制御の一部として、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００４９】
図３に示すように、処理が開始されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵは、負荷要求電流に基づいて理論空気量を算出する（ステップＳ１１０）。負荷要求電流とは、負荷が要求する発電電流である。負荷は、本来、燃料電池の電力を利用するもの全てを意味するが、ここでは、負荷は主にモータであるとして、アクセルの開度により負荷要求が判るものとしている。すなわち、アクセル開度センサ６２からの出力信号に基づいて、負荷要求を達成するために理論的に必要な空気量、すなわち理論空気量を算出する。これは、周知の演算式に基づくものである。
【００５０】
次いで、電子制御ユニット６０のＣＰＵは、理論空気量に対する実際に供給されている空気量（以下、「実空気量」と呼ぶ）の比（以下、「空気比」と呼ぶ）が１．２となるように、第１の燃料電池スタック１０Ａ側の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａを調整する（ステップＳ１２０）。空気比は次式（１）で示されることから、次式（１）を変形した次式（２）より実空気量を求め、この実空気量を実現するように、酸化剤ガス流量調節弁３３Ａを調整する。
【００５１】
空気比＝実空気量／理論空気量  …（１）
実空気量＝空気比・理論空気量  …（２）
【００５２】
すなわち、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で算出した理論空気量を１．２倍することで実空気量を求め、その実空気量を実現するように、第１の燃料電池スタック１０Ａ側の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａを調整する。
【００５３】
続いて、電子制御ユニット６０のＣＰＵは、空気比が１．４となるように、第２の燃料電池スタック１０Ｂ側の酸化剤ガス流量調節弁３３Ｂを調整する（ステップＳ１３０）。すなわち、ステップＳ１１０で算出した理論空気量を１．４倍することで実空気量を求め、この実空気量を実現するように、第２の燃料電池スタック１０Ｂ側の酸化剤ガス流量調節弁３３Ｂを調整する。
【００５４】
ステップＳ１２０とステップＳ１３０とは、この順を入れ替えて実行することもでき、実質的に同時に実行される。ステップＳ１３０の実行後、「リターン」に抜けて、この空気流量制御ルーチンを一旦終了する。
【００５５】
以上のように構成された空気流量制御ルーチンによれば、第１の燃料電池スタック１０Ａに対しては、空気比が１．２といった比較的少ない流量の酸化剤ガスとしての空気が供給され、第２の燃料電池スタック１０Ｂに対しては、空気比が１．４といった比較的多い流量の空気が供給されることになる。すなわち、触媒層８３Ａの保水性が比較的低い第１の燃料電池スタック１０Ａに対し少ない流量の空気が供給され、触媒層８３Ｂの保水性が比較的高い第２の燃料電池スタック１０Ｂに対し多い流量の空気が供給されることになる。
【００５６】
なお、本実施例においては、酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂに設けられた酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂと、電子制御ユニット６０と、電子制御ユニット６０で実行される空気流量制御ルーチンとが、適用例１における「流量制御部」を構成する。
【００５７】
Ｆ．実施例効果：
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタックでは、保水性が比較的低い第１の燃料電池スタック１０Ａでは、供給空気の空気比が１．２となっており、保水性が比較的高い第２の燃料電池スタック１０Ｂでは、供給空気の空気比が１．４となっている。このため、燃料電池システム全体で見れば、空気比は１．３となるが、両燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂのそれぞれの空気比を１．３とした場合と比べて、本実施例の方がより高い出力性能を得ることができる。高い出力性能を得ることができるのは次の理由による。
【００５８】
酸化剤ガス供給装置３１の吐出量が多くても、触媒層８３Ａの保水性が低い第１の燃料電池スタック１０Ａでは、ガス供給量が第２の燃料電池スタック１０Ｂに比べて少なく、ドライアップとなり難い。一方、酸化剤ガス供給装置３１の吐出量が少なくても、触媒層８３Ｂの保水性が高い第２の燃料電池スタック１０Ｂでは、ガス供給量が第１の燃料電池スタック１０Ａに比べて多く、フラッディングとなり難い。したがって、第１の燃料電池スタック１０Ａおよび第２の燃料電池スタック１０Ｂのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができ、燃料電池システム全体としての出力性能を向上することができるためである。
【００５９】
図６は、低酸基密度の触媒層の燃料電池スタックと、高酸基密度の触媒層の燃料電池スタックとの双方における空気比と出力電圧との関係を示すグラフである。図示のグラフからも、低酸基密度の触媒層の燃料電池スタックの場合、空気比が１．２程度の低いときに出力電圧が大きくなり、高酸基密度の触媒層の燃料電池スタックの場合、空気比が１．４程度の高いときに出力電圧が大きくなる。この実験結果からも、第１の燃料電池スタック１０Ａおよび第２の燃料電池スタック１０Ｂのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができることが判る。
【００６０】
Ｇ．変形例：
この発明は前記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
・変形例１：
前記実施例および各変形例では、第１の燃料電池スタック１０Ａ側の触媒層８３の酸基密度を０．３ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃとし、第２の燃料電池スタック１０Ｂ側の触媒層８３の酸基密度を０．８５ｍｍｏｌ／ｇ-Ｃとしたが、これら数値は、第２の燃料電池スタック１０Ｂ側の触媒層８３の酸基密度が第１の燃料電池スタック１０Ａ側の触媒層８３の酸基密度よりも高ければ、いずれの値に変えることもできる。また、前記実施例および各変形例では、前記酸基密度を変えることで、第１および第２の燃料電池スタック１０Ａ．１０Ｂの保水性が変わる構成としたが、これに換えて、触媒担持体に対するプロトン伝導性ポリマの量を変えること、アイオノマー（プロトン伝導性ポリマ）のＥＷ（スルホン酸の当量モル重量：イオン交換基１ｍｏｌ当たりのイオン交換樹脂乾燥重量）を変えること等により、保水性が変わる構成としてもよい。触媒担持体に対するプロトン伝導性ポリマの量を多くすると保水性が向上する。アイオノマーのＥＷを低くすると、イオン交換基の含有ｍｏｌ数が大きくなるので保水性が向上する。
【００６２】
・変形例２：
前記実施例および各変形例では、低酸基密度の触媒層８３を有する第１の燃料電池スタック１０Ａに対して、空気比が１．２となるように酸化剤ガスの供給を行い、高酸基密度の触媒層８３を有する第２の燃料電池スタック１０Ｂに対して、空気比が１．４となるように酸化剤ガスの供給を行っていたが、これら数値は、第２の燃料電池スタック１０Ｂ側の空気比が第１の燃料電池スタック１０Ａ側の空気比よりも高く、かつ１．０以上であれば、いずれの値に変えることもできる。
【００６３】
・変形例３：
前記実施例および各変形例では、第１および第２の燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂへの反応ガスの分配は、各酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂに設けられた各酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂで行うように構成したが、これに換えて、各酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂの連結部に３方弁を設ける構成としてもよい。
【００６４】
・変形例４：
前記実施例および各変形例では、空気流量制御ルーチンにより反応ガスとして酸化剤ガス（空気）を調整する構成としたが、これに換えて、水素ガスを調整する構成としてもよい。燃料電池では生成水はカソード電極側で発生するが、電解質膜を介してアノード電極側に生成水は移動することから、空気に換えて水素ガスを調整することでも、前記実施例と同様な構成を奏することができる。
【００６５】
・変形例５：
前記実施例および変形例では、２つの燃料電池スタックを設ける構成としたが、これに換えて、３以上の数の燃料電池スタックを設ける構成としてもよい。この場合にも、３以上の数の燃料電池スタックから選択した２つの燃料電池スタックについて本発明の構成が適用されていればよく、残りの燃料電池スタックについてはどのような構成でも構わない。
【００６６】
・変形例６：
前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００６７】
・変形例７：
前記実施例や各変形例の燃料電池システムは、車両（自動車）に搭載する構成に替えて、船舶、航空機などの他の移動体や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。
【００６８】
なお、上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成（空気流量制御ルーチン）の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。さらに、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１０Ａ…第１の燃料電池スタック
１０Ｂ…第２の燃料電池スタック
２０…反応ガス供給部
２１…燃料改質装置
２２Ａ…水素ガス供給通路
２２Ｂ…水素ガス供給通路
２３Ａ…水素ガス流量調節弁
２３Ｂ…水素ガス流量調節弁
３１…酸化剤ガス供給装置
３２Ａ…酸化剤ガス供給通路
３２Ｂ…酸化剤ガス供給通路
３３Ａ…酸化剤ガス流量調節弁
３３Ｂ…酸化剤ガス流量調節弁
４０…反応ガス排出部
４２Ａ…水素ガス排出通路
４２Ｂ…水素ガス排出通路
４４Ａ…酸化剤ガス排出通路
４４Ｂ…酸化剤ガス排出通路
６０…電子制御ユニット
６２…アクセル開度センサ
８０…単セル
８１…電解質膜
８２…触媒層
８３…触媒層
８３Ａ…触媒層
８３Ｂ…触媒層
８４…ガス拡散層
８５…ガス拡散層
８６ａ…セパレータ
８７Ｐ…単セル内流路
８８Ｐ…単セル内流路
１０１…触媒粒子
１０３…担持体
１０５…貴金属
１０７…触媒酸基
１０９…アイオノマースルホン酸基
【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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