(57)【要約】【課題】負荷変動を伴う燃料電池のメンテナンス性を向上させる。【解決手段】燃料電池車２０に搭載された燃料電池システム３０は、個別的に制御可能な第１の燃料電池システム４０と第２の燃料電池システム５０とを備えている。そして、制御ユニット７０は、燃料電池車２０への出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上である場合には、第１の燃料電池システム４０が備える燃料電池スタック４１の出力Ｐ４１が所定出力Ｐｒとなる制御を行い、燃料電池システム３０全体での出力が出力要求Ｐｄ以上となるように、第２の燃料電池システム５０の燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１を制御する。また、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１より小さい場合には、燃料電池スタック４１の運転を停止させ、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が出力要求Ｐｄ以上となるように、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合に、前記第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、該運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行う第１の制御部と、
前記出力要求が前記所定値よりも小さい場合に、前記第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる第２の制御部と、
前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求と、前記第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行う第３の制御部と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の制御部が行う制御は、前記運転する全部または一部の燃料電池スタックを定格運転させる制御である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定値は、前記第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックの定格出力に基づいて決定される請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
更に、前記第２の燃料電池スタックの出力特性を把握する把握手段と、
前記把握手段が把握した前記出力特性が所定の状態まで低下した場合に、該出力特性の低下を報知する報知手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
更に、所定のタイミングで、前記第１の燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池スタックを、前記第２の燃料電池スタックとして扱って制御すると共に、前記第２の燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池スタックを、前記第１の燃料電池スタックとして扱って制御する制御切替手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
更に、前記第２の燃料電池スタックの出力特性を把握する把握手段を備え、
前記所定のタイミングは、前記把握手段が把握した前記出力特性が所定の状態まで低下した場合である
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システムを搭載する車両であって、
前記第２の燃料電池スタックは、前記車両の外郭の一部を形成する開放部に設置され、または、前記車両の外部に対して開放可能となる少なくとも１つの面を有する収納部に、該開放された開放面に面して設置された
車両。
【請求項８】
複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合には、前記第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、該運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行うと共に、前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求と、前記第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行い、
前記出力要求が前記所定値よりも小さい場合には、前記第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる制御を行うと共に、前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求以上となる制御を行う
燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項９】
複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムの維持管理方法であって、
前記燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合には、前記第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、該運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行うと共に、前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求と、前記第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行い、
前記出力要求が前記所定値よりも小さい場合には、前記第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる制御を行うと共に、前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求以上となる制御を行い、
前記第２の燃料電池スタックの交換頻度を、前記第１の燃料電池スタックの交換頻度よりも多くする
燃料電池システムの維持管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、負荷変動が大きい運転を行うと、燃料電池スタックの劣化が進み、性能が低下することが知られている。その理由の１つは、以下の通りである。燃料電池の運転負荷が変動すると、電気化学反応により発生する熱量が変動し、その結果、温度変化を生じることになる。この温度変化に伴い、燃料電池スタックを構成する部材が膨張・収縮を繰り返すことで、部材間の接触抵抗が増加し、徐々に出力性能が低下する。
【０００３】
特に、含水率によって大きく伸縮する固体高分子の電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池では、負荷変動に伴って、生成水の生成量が変動し、その結果、電解質膜の含水率が変動し、電解質膜が大きく伸縮を繰り返すので、その劣化への影響は、大きなものとなる。
【０００４】
このようなことから、例えば、燃料電池を車両の動力源とする場合など、負荷変動が比較的大きい用途に燃料電池を用いる場合には、負荷変動により燃料電池スタックの劣化が進み、その寿命が短くなるという問題があった。また、燃料電池スタックが劣化すれば、スタック全体を取り替えなければならず、不経済であった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、負荷変動を伴う燃料電池のメンテナンス性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合に、前記第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、該運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行う第１の制御部と、
前記出力要求が前記所定値よりも小さい場合に、前記第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる第２の制御部と、
前記第２の燃料電池スタックの出力が、前記出力要求と、前記第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行う第３の制御部と
を備えた燃料電池システム。
【０００９】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合には、第１の制御部が、第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックの運転出力が所定の範囲内での変動となる制御を行い、燃料電池システムに対する出力要求が所定値より小さい場合には、第２の制御部が、第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる。そして、第３の制御部が、燃料電池システム全体での出力が出力要求以上となるように、第２の燃料電池スタックを制御する。したがって、第１の燃料電池スタックについては、停止しているか、所定の範囲内での負荷変動となるような制御が行われるので、燃料電池スタックの性能の劣化を抑制することができる。また、第２の燃料電池スタックについては、性能の劣化が抑制されないが、所定の状態以下に劣化が進行した場合には、第２の燃料電池スタックのみを取り替えればよいので、効率的かつ経済的なメンテナンスを行うことができる。
【００１０】
［適用例２］第１の制御部が行う制御は、運転する全部または一部の燃料電池スタックを定格運転させる制御である適用例１記載の燃料電池システム。
かかる構成の燃料電池システムは、第１の燃料電池スタックについては、停止しているか、定格運転となるような制御を行うので、負荷変動を伴う運転が行われない。したがって、第１の燃料電池スタックの性能の劣化を抑制する効果を向上させることができる。また、定格運転するので、効率がよい。
【００１１】
［適用例３］所定値は、第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックの定格出力に基づいて決定される適用例２記載の燃料電池システム。
かかる構成の燃料電池システムは、第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックの定格出力に基づいて決定される所定値に基づいて、第１の燃料電池スタックの全部または一部の燃料電池スタックを定格運転する制御を行うので、効率的な運転制御が可能である。
【００１２】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、更に、第２の燃料電池スタックの出力特性を把握する把握手段と、把握手段が把握した出力特性が所定の状態まで低下した場合に、出力特性の低下を報知する報知手段とを備えた燃料電池システム。
【００１３】
かかる構成の燃料電池システムは、第１の燃料電池スタックに比べて負荷変動が大きく、交換頻度が高くなる第２の燃料電池スタックの出力特性が所定の状態まで低下した場合に、その旨を報知する。したがって、交換頻度の高い第２の燃料電池スタックの交換時期を容易に知ることができ、維持管理の負担が軽減する。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、更に、所定のタイミングで、第１の燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池スタックを、第２の燃料電池スタックとして扱って制御すると共に、第２の燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックとして扱って制御する制御切替手段とを備えた燃料電池システム。
【００１５】
かかる構成の燃料電池システムは、所定のタイミングで、負荷変動の大きい第２の燃料電池スタックの制御と、負荷変動の小さい第１の燃料電池スタックの制御とを切り替えるので、一部の燃料電池スタックの劣化が他と比べて進行することを抑制し、当該燃料電池スタックの寿命を長くすることができる。また、第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックを構成する燃料電池スタックの寿命を平準化することができる。これにより、燃料電池スタックの取り替え作業の負担が軽減される。
【００１６】
［適用例６］適用例５記載の燃料電池システムであって、更に、第２の燃料電池スタックの出力特性を把握する把握手段を備え、所定のタイミングは、把握手段が把握した出力特性が所定の状態まで低下した場合である燃料電池システム。
【００１７】
かかる構成の燃料電池システムは、第２の燃料電池スタックの出力特性に基づいて、適用例４の制御を行うので、一部の燃料電池スタックだけが過剰に劣化することを確実に防止することができる。
【００１８】
［適用例７］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システムを搭載する車両であって、第２の燃料電池スタックは、車両の外郭の一部を形成する開放部に設置され、または、車両の外部に対して開放可能となる少なくとも１つの面を有する収納部に、開放された開放面に面して設置された車両。
【００１９】
かかる構成の車両は、負荷変動運転により第１の燃料電池スタックよりも早く劣化が進行するために、取り替え頻度が高くなる第２の燃料電池スタックを開放部に、または、開放面に面して収納部に設置されるので、取り替え作業が行いやすく、その負担が軽減される。
【００２０】
また、本発明は、適用例８に示す燃料電池システムの運転制御方法、適用例９に示す燃料電池システムの維持管理方法としても構成することができる。
［適用例８］複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合には、第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行うと共に、第２の燃料電池スタックの出力が、出力要求と、第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行い、出力要求が所定値よりも小さい場合には、第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる制御を行うと共に、第２の燃料電池スタックの出力が、出力要求以上となる制御を行う燃料電池システムの運転制御方法。
【００２１】
［適用例９］複数の燃料電池スタックを、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとして運転制御する燃料電池システムの維持管理方法であって、燃料電池システムに対する出力要求が所定値以上である場合には、第１の燃料電池スタックを構成する全部または一部の燃料電池スタックを運転して、運転の出力が所定の範囲内での変動となる制御を行うと共に、第２の燃料電池スタックの出力が、出力要求と、第１の燃料電池スタックの出力との差分以上となる制御を行い、出力要求が所定値よりも小さい場合には、第１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池スタックの運転を停止させる制御を行うと共に、第２の燃料電池スタックの出力が、出力要求以上となる制御を行い、第２の燃料電池スタックの交換頻度を、第１の燃料電池スタックの交換頻度よりも多くする燃料電池システムの維持管理方法。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
Ａ．第１実施例：
本発明の第１実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池車の概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池車２０の概略構成を示す説明図である。燃料電池車２０は、燃料電池システム３０、電力変換機構６１、車両補機６２、駆動モータ６３、減速ギア６４、駆動輪６６、制御ユニット７０等を備えている。
【００２３】
燃料電池車２０は、減速ギア６４を介して駆動輪６６に連結された駆動モータ６３を駆動力源として走行する。駆動モータ６３の電源は、燃料電池システム３０により発電された電力である。
【００２４】
電力変換機構６１は、インバータ、バッテリなどを備えており、燃料電池システム３０から出力される直流を三相交流に変換して駆動モータ６３に供給したり、余剰電力をバッテリに蓄電したりする。車両補機６２は、燃料電池車２０の運転時などに使用される種々の電力機器であり、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。上述のバッテリは、こうした車両補機６２への電力供給に用いられる。
【００２５】
燃料電池システム３０は、電気化学反応により、燃料電池車２０の動力源としての電気エネルギーを発生させるシステムである。この燃料電池システム３０は、それぞれ個別に制御可能である第１の燃料電池システム４０と、第２の燃料電池システム５０の２系統のシステムで構成される。第１の燃料電池システム４０は、燃料電池スタック４１、水素供給・排出機構４２、空気供給・排出機構４３を備えている。以下、第１の燃料電池システム４０について詳しく説明するが、第２の燃料電池システム５０については、第１の燃料電池システム４０と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、本実施例においては、第１の燃料電池システム４０と第２の燃料電池システム５０とは、同一の発電能力を有しているが、発電能力が異なるものであっても構わない。燃料電池スタック４１、燃料電池スタック５１は、それぞれ、請求項の第１の燃料電池スタック、第２の燃料電池スタックに該当する。
【００２６】
燃料電池スタック４１は、アノード、カソード、電解質、セパレータ等からなる積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池である。本実施例においては、固形高分子形燃料電池を用いているが、種々の燃料電池を用いることが可能である。燃料電池スタック４１には、センサ４５が取り付けられている。センサ４５は、燃料電池スタック４１の電圧を検出する電圧計と、電流を検出する電流計とを備えている。
【００２７】
水素供給・排出機構４２は、図示しない水素タンク、シャットバルブ、レギュレータ、循環ポンプ、配管などによって構成され、水素タンクに貯蔵された高圧水素を、圧力及び供給量を調整して、燃料電池スタック４１のアノードに供給すると共に、アノードからの排ガス（アノードオフガス）を系外に排出させる。なお、アノードオフガスの系外への排出機構は、燃料電池スタック４１が、供給される水素をアノードで使い切り、アノードオフガスを排出しないアノードデッドエンドタイプの燃料電池である場合には、不要である。
【００２８】
空気供給・排出機構４３は、エアクリーナ、エアコンプレッサ、希釈器、配管などによって構成され、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック４１のカソードに供給すると共に、カソードからの排ガス（カソードオフガス）を系外に排出させる。
【００２９】
上述した燃料電池車２０の各構成機器は、制御ユニット７０により制御される。制御ユニット７０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に記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、第１制御部７２、第２制御部７３、第３制御部７４、出力特性検出部７５、制御切替部７６として機能するほか、アクセル８２や各種センサ８４からの入力信号を受けて、各種アクチュエータ８６への指示信号を送る。
【００３０】
なお、本実施例では、制御ユニット７０が、燃料電池システム３０を含む燃料電池車２０全体の制御を行う構成としたが、このような構成に限られるものではない。例えば、燃料電池車２０は、燃料電池車２０の駆動や車両補機６２の運転を制御する制御ユニットと燃料電池システム３０の運転を制御する制御ユニットとを個別に備えていてもよい。
【００３１】
Ａ−２．出力制御処理：
燃料電池システム３０における出力制御処理について、図２及び図３を用いて説明する。出力制御処理とは、燃料電池車２０の運転者がアクセル８２を踏み込むことでなされる出力要求に応じて、燃料電池システム３０を構成する第１の燃料電池システム４０及び第２の燃料電池システム５０の制御内容を変化させる処理である。以下、出力制御処理について、詳しく説明する。
【００３２】
出力制御処理は、燃料電池車２０が起動されることで開始される。燃料電池車２０が起動されると、制御ユニット７０は、アクセル８２を介して行われる出力要求Ｐｄが０であるか否かを判断している（ステップＳ１１０）。そして、出力要求Ｐｄが０であると判断すれば（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池車２０を停止する指示を受けたか否かを判断する（ステップＳ１２０）。その結果、停止指示を受けていれば（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、燃料電池システム３０の制御は必要ないので、処理を終了する。停止指示を受けていなければ（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理を上記Ｓ１１０に戻す。
【００３３】
一方、上記ステップＳ１１０において、出力要求Ｐｄが０ではないと判断すれば（ステップＳ１１０：ＮＯ）、燃料電池システム３０の制御が必要であるので、さらに、制御ユニット７０は、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。
【００３４】
その結果、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、図３の時間Ｔ０−Ｔ１間、時間Ｔ２−Ｔ３間に示すように、第１制御部７２の処理として、燃料電池スタック４１の出力Ｐ４１が所定出力Ｐｒとなるように定常運転制御を行うと共に、第３制御部７４の処理として、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が（出力要求Ｐｄ−所定出力Ｐｒ）となるように、すなわち、燃料電池システム３０全体の出力が出力要求Ｐｄとなるように運転制御する（ステップＳ１４０）。本実施例においては、所定値Ｔｈ１は、燃料電池スタック４１の定格出力とした。また、所定出力Ｐｒについても、燃料電池スタック４１の定格出力とした。
【００３５】
一方、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１より小さければ（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、図３の時間Ｔ１−Ｔ２間に示すように、第２制御部７３の処理として、燃料電池スタック４１を停止させると共に、第３制御部７４の処理として、燃料電池スタック５１の出力が出力要求Ｐｄとなるように運転制御する（ステップＳ１５０）。
【００３６】
こうして、上記ステップＳ１４０またはＳ１５０の処理を行うと、制御ユニット７０は、処理をＳ１１０に戻し、新たな要求出力に応じて、同様の処理を繰り返す。なお、上記ステップＳ１４０またはＳ１５０における燃料電池スタック４１や燃料電池スタック５１の出力制御は、第１の燃料電池システム４０や第２の燃料電池システム５０によって、水素や空気の供給量、濃度、燃料電池スタックの温度などを制御することによって行われる。
【００３７】
なお、本実施例においては、燃料電池システム３０全体の出力が出力要求Ｐｄと等しくなるように制御しているが、燃料電池システム３０全体の出力がＰｄ以上であってもよい。こうすれば、より安定的に、出力要求Ｐｄを満たすことができる。なお、余剰電力は、電力変換機構６１のバッテリに蓄電すればよい。
【００３８】
かかる出力制御処理を行う燃料電池システム３０は、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上である場合には、燃料電池スタック４１の出力Ｐ４１が所定出力Ｐｒとなる制御を行い、燃料電池システム３０全体での出力が出力要求Ｐｄ以上となるように、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１を制御する。また、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１より小さい場合には、燃料電池スタック４１の運転を停止させ、出力Ｐ５１が出力要求Ｐｄ以上となるように、出力Ｐ５１を制御する。したがって、燃料電池スタック４１については、停止しているか、所定出力Ｐｒでの定常運転となるよう制御される、すなわち、負荷変動が生じないように制御されるので、燃料電池スタック４１の性能の劣化を抑制することができる。また、燃料電池スタック４１の定格出力を所定出力Ｐｒとしているので、効率がよい。さらに、燃料電池スタック５１については、負荷変動が生じる運転に供されるので、性能の劣化が抑制されないが、所定の状態以下に劣化が進行した場合には、燃料電池スタック５１のみを取り替えればよいので、効率的かつ経済的なメンテナンスを行うことができる。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池スタック５１は、負荷変動に供されるので、定常運転に供される燃料電池スタック４１と比べて、寿命が短く、取り替え頻度が高くなる。したがって、燃料電池スタック５１は、燃料電池車２０の取り替え作業が容易な場所に配置すれば、取り替え作業の負担を軽減することができる。取り替え作業が容易な場所とは、具体的には、例えば、車両の底部など、車両の外郭を形成する開放部である。あるいは、ボンネットの開閉により開放可能な機械室など、車両の外部に対して開放可能となる少なくとも１つの面を有する収納部である。かかる収納部に配置する場合には、開放面に面するように燃料電池スタック５１を配置すると、取り替え作業がさらに容易となる。
【００４０】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。
Ｂ−１．燃料電池車の概略構成：
第２実施例における燃料電池車２０の概略構成は、図１に示した第１実施例の構成と基本的に同じである。ただし、第１実施例においては、第１の燃料電池システム４０は、１つの燃料電池スタック４１を備える構成であったが、第２実施例では、個別に制御可能な２つの燃料電池スタック４１ａ，４１ｂを備えている。ここでは、水素供給・排出機構４２、空気供給・排出機構４３の供給ライン、排出ラインの一部を分岐させて、燃料電池スタック４１ａ，４１ｂに接続し、分岐したラインに設けられた弁の開閉等を行うことにより、燃料電池スタック４１ａ，４１ｂを個別的に制御可能としている。
【００４１】
Ｂ−２．出力制御処理：
第２実施例の燃料電池システム３０における出力制御処理について、図４を用いて説明する。この処理は、図２に示した第１実施例の出力制御処理と一部の工程が共通しており、当該共通工程には、図２と同様の符号を付して、説明を省略する。制御ユニット７０は、第１実施例と同様に、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。
【００４２】
その結果、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１以上であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、図５の時間Ｔ５−Ｔ６間、時間Ｔ９−Ｔ１０間に示すように、第１制御部７２の処理として、第１の燃料電池システム４０の構成機器を制御して、燃料電池スタック４１ａ及び４１ｂの出力Ｐ４１ａ及びＰ４１ｂが所定出力Ｐｒ１，Ｐｒ２となるように定常運転制御を行うと共に、第３制御部７４の処理として、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が（出力要求Ｐｄ−所定出力Ｐｒ１−所定出力Ｐｒ２）となるように、すなわち、燃料電池システム３０全体の出力が出力要求Ｐｄとなるように運転制御する（ステップＳ２４０）。なお、本実施例においては、所定値Ｔｈ１は、燃料電池スタック４１ａ及び４１ｂの定格出力の合計とした。また、所定出力Ｐｒ１，Ｐｒ２は、それぞれ、燃料電池スタック４１ａ，４１ｂの定格出力とした。
【００４３】
一方、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ１より小さければ（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、出力要求Ｐｄは所定値Ｔｈ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ２５０）。
【００４４】
その結果、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ２以上であれば（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、図５の時間Ｔ６−Ｔ７間、Ｔ８−Ｔ９間に示すように、第１制御部７２の処理として、燃料電池スタック４１ａの出力Ｐ４１ａが所定出力Ｐｒ１となるように運転制御すると共に、燃料電池スタック４１ｂを停止し、さらに、第３制御部７４の処理として、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が（出力要求Ｐｄ−所定出力Ｐｒ１）となるように、すなわち、燃料電池システム３０全体の出力が出力要求Ｐｄとなるように運転制御する（ステップＳ２６０）。なお、本実施例においては、所定値Ｔｈ２は、燃料電池スタック４１ａの定格出力とした。
【００４５】
一方、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ２よりも小さければ（ステップＳ２５０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、図５の時間Ｔ７−Ｔ８間に示すように、第２制御部７３の処理として、燃料電池スタック４１ａ及び４１ｂを停止させると共に、第３制御部７４の処理として、燃料電池スタック５１の出力が出力要求Ｐｄとなるように運転制御する（ステップＳ２７０）。
【００４６】
こうして、上記ステップＳ２４０，Ｓ２６０，Ｓ２７０のうち、いずれかの処理を行うと、制御ユニット７０は、処理をＳ１１０に戻し、新たな要求出力に応じて、同様の処理を繰り返す。
【００４７】
このように、第１の燃料電池システム４０が２つの燃料電池スタック４１ａ及び４１ｂを備えている場合であっても、出力要求に応じて、２つの燃料電池スタックの両方、または一方を定格運転するか、停止する制御を行えば、燃料電池スタック４１ａ及び４１ｂの劣化を抑制することができる。勿論、第１の燃料電池システム４０が備える燃料電池スタックは、２つに限らず、３つ以上であっても、同様に、それらの全部または一部を定格運転する制御を行えば、同様の効果が得られる。また、第２の燃料電池システム５０が複数の燃料電池スタックを備えていてもよい。
【００４８】
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｃ：変形例：
Ｃ−１．変形例１：
実施例においては、第１の燃料電池システム４０と第２の燃料電池システム５０とを個別的に制御するために、それぞれが水素供給・排出、空気供給・排出について、独立系統の機構を有する構成としたが、これらは、第１の燃料電池システム４０と第２の燃料電池システム５０とで兼用するものであっても構わない。例えば、１系列の水素や空気の供給ラインから配管を分岐させて、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１とに水素や空気を供給する構成とし、弁の開閉等により、各スタックへの水素や空気の供給量を個別的に制御してもよい。こうすれば、燃料電池システム３０を構成する機器数を低減できる。
【００４９】
Ｃ−２．変形例２：
実施例においては、第１の燃料電池システム４０が備える燃料電池スタックは、出力要求Ｐｄに応じて、運転を停止するか、所定出力Ｐｒで定常運転を行う制御を行うものとしたが、制御内容は、このような構成に限られるものではない。所定出力Ｐｒでの定常運転に代えて、出力が所定の範囲内、例えば、燃料電池スタックの定格出力の８０％〜１１０％での変動となる制御を行ってもよい。こうしても、負荷変動を小さく抑えることができるので、第１の燃料電池システム４０が備える燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。
【００５０】
Ｃ−３．変形例３：
実施例においては、出力要求Ｐｄに応じて、燃料電池スタック４１を定格運転させるか、運転を停止する制御を行ったが、燃料電池スタック４１の運転状態を複数段階設定してもよい。例えば、出力要求Ｐｄが所定値Ｔｈ４未満の場合には、燃料電池スタック４１については、定格運転させるか、運転を停止する制御を行い、出力要求Ｐｄが所定値以上の場合には、燃料電池スタック４１については、定格能能力の１１０％で定常運転させてもよい。このようにすれば、燃料電池スタック４１の負荷変動を抑制しつつ、燃料電池スタック５１についても、負荷変動幅を小さくすることができる。
【００５１】
Ｃ−４．変形例４：
第１実施例においては、ステップＳ１３０の判断に用いる所定値Ｔｈ１を、燃料電池スタック４１の定格出力とした。こうすることにより、燃料電池スタック４１を運転した場合に得られる出力と、燃料電池スタック４１を運転するか否かの判断基準とが一致するので、効率的な運転制御を行うことができる。なお、所定値Ｔｈ１は、このような値に限られるものではなく、定格出力よりも大きい値としてもよいし、小さい値としてもよいが、定格出力に基づいて決定すれば効率的である。第２実施例の所定値Ｔｈ１及び所定値Ｔｈ２についても同様である。
【００５２】
Ｃ−５．変形例５：
実施例においては、出力要求Ｐｄが同一の所定値を用いて、所定値以上であるか、それとも所定値未満であるかを基準として、燃料電池スタック４１（４１ａ，４１ｂ）及び燃料電池スタック５１の運転方法を変化させたが、ヒステリシス制御を行ってもよい。こうすれば、例えば、出力要求Ｐｄが所定値付近で、所定値以上と所定値未満との間を頻繁に変化する場合であっても、燃料電池スタック４１（４１ａ，４１ｂ）について頻繁に起動・停止を繰り返す必要がなく、安定した運転を行うことができる。
【００５３】
Ｃ−６．変形例６：
図２に示した出力制御処理の変形例を図６に示す。図２との違いは、ステップＳ１４０及びＳ１５０の後段に、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１との制御を切り替える工程を付加した点であり、図２と同様の工程については、同様の符号を付して、説明を省略する。
【００５４】
ステップＳ１４０において、燃料電池スタック４１の出力Ｐ４１が所定出力Ｐｒ、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が（出力要求Ｐｄ−所定出力Ｐｒ）となるように制御すると、制御ユニット７０は、出力特性検出部７５の処理として、燃料電池スタック５１の出力特性が所定の状態まで低下しているか否かを判断する（ステップＳ３６０）。具体的には、まず、制御ユニット７０は、センサ５５を用いて、燃料電池スタック５１の電流値と電圧値とを検出する。そして、検出した電流値及び電圧値と、制御ユニット７０が備えるＥＥＰＲＯＭに記憶されたＩ−Ｖ特性とを比較する。このＩ−Ｖ特性は、燃料電池スタックの性能が所定レベルまで低下した状態を示すものとして設定されており、当該Ｉ−Ｖ特性よりも出力性能が低下しているか否かを判断するのである。
【００５５】
この点については、図７を用いて、さらに具体的に説明する。図中のＩＶカーブＩＶ１は、燃料電池スタック５１の劣化が生じていない状態の出力特性を示している。また、ＩＶカーブＩＶ２は、燃料電池スタック５１が所定の状態まで劣化した状態の出力特性を示している。上述のＥＥＰＲＯＭには、このＩＶカーブＩＶ２が示すＩ−Ｖ特性が記憶されており、検出した電流値と電圧値とがＩＶカーブＩＶ２よりも上方の点Ｐ１に位置するものであれば、燃料電池スタックの性能が所定レベルまでは低下していないと判断する。逆に、検出した電流値と電圧値とがＩＶカーブＩＶ２よりも下方の点Ｐ２に位置するものであれば、燃料電池スタックの性能が所定レベルまで低下していると判断するのである。
【００５６】
ここで、説明を図６に戻す。判断の結果、所定の状態以下まで低下していれば（ステップＳ３６０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、制御切替部７６の処理として、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１との制御を切り替える（ステップＳ３７０）。すなわち、燃料電池スタック４１を燃料電池スタック５１として扱って制御（出力Ｐ４１が（出力要求Ｐｄ−所定出力Ｐｒ）となるように制御し）し、燃料電池スタック５１を燃料電池スタック４１として扱って制御（出力Ｐ５１が所定出力Ｐｒとなるように制御）する。
【００５７】
燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１との制御の切り替えを行うと、あるいは、上記ステップＳ３６０において、所定の状態まで低下していないと判断すれば（ステップＳ３６０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、処理をステップＳ１１０に戻す。
【００５８】
また、ステップＳ１５０において、燃料電池スタック４１を停止し、燃料電池スタック５１の出力Ｐ５１が出力要求Ｐｄとなるように制御すると、制御ユニット７０は、出力特性検出部７５の処理として、燃料電池スタック５１の出力特性が所定の状態まで低下しているか否かを判断する（ステップＳ３８０）。この処理は、上記ステップＳ３６０と同様の処理である。
【００５９】
その結果、所定の状態以下まで低下していれば（ステップＳ３８０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、制御切替部７６の処理として、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１との制御を切り替える（ステップＳ３９０）。すなわち、燃料電池スタック４１を燃料電池スタック５１として扱って制御（出力Ｐ４１が出力要求Ｐｄとなるように制御し）し、燃料電池スタック５１を燃料電池スタック４１として扱って制御（出力Ｐ５１を停止）する。
【００６０】
燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１との制御の切り替えを行うと、あるいは、上記ステップＳ３８０において、所定の状態まで低下していないと判断すれば（ステップＳ３８０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、処理をステップＳ１１０に戻す。
【００６１】
かかる出力制御処理を行う燃料電池システム３０は、燃料電池スタック５１の出力特性が所定の状態まで低下した場合に、それまで負荷変動が大きい制御を行っていた燃料電池スタック５１を定常運転制御に切り替えて、それまで定常運転制御を行っていた燃料電池スタック４１を負荷変動が大きい制御に切り替える。したがって、燃料電池スタック５１の劣化が、燃料電池スタック４１の劣化に比べて、大きく進行することを抑制し、燃料電池スタック５１の寿命を長くすることができる。また、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１の寿命を平準化することができる。これにより、燃料電池スタック４１や燃料電池スタック５１の取り替え回数が減少し、取り替え作業の負担が軽減される。また、燃料電池スタック５１の出力特性に基づいて、切り替え制御を行うので、燃料電池スタック５１だけが、過剰に劣化することを確実に防止することができる。
【００６２】
なお、本変形例では、ステップＳ３６０及びＳ３８０において、制御ユニット７０が、センサ５５で検出した瞬間的な電流値と電圧値とにより、燃料電池スタック５１の出力特性を把握する構成としたが、このような構成に限られるものではない。例えば、制御ユニット７０は、センサ５５で電流値及び電圧値を所定時間の間、連続的に検出し、あるいは、所定時間おきに検出し、これらの検出値に基づき、例えば、平均値や最大値などから、燃料電池スタック５１の出力特性を把握してもよい。こうすれば、把握精度を向上させることができる。もとより、燃料電池スタック５１の電流値及び電圧値から出力特性を把握する構成に限らず、インピーダンスの検出など、公知の種々の手法により、出力特性を把握すればよい。
【００６３】
また、上記ステップＳ３７０及びＳ３９０における制御の切り替えは、図６に示したように、燃料電池スタック５１の出力特性が所定の状態まで低下した場合に行う構成に限られない。例えば、燃料電池スタック５１の延べ運転時間が所定時間に達したとき、燃料電池スタック５１の起動回数が所定回数に達したときなど、種々のタイミングで切り替えてもよい。このようにしても、燃料電池スタック５１の寿命を長くすることができ、また、燃料電池スタック４１と燃料電池スタック５１の寿命を平準化することができる。
【００６４】
なお、変形例６として示した切り替え処理は、第２実施例や他の変形例に対しても適用可能である。
【００６５】
Ｃ−７．変形例７：
燃料電池車２０は、図１に示した構成に加え、燃料電池スタック５１の交換時期を報知する報知手段を備えてもよい。例えば、制御ユニット７０は、定期的に、変形例５と同様に、出力特性検出部７５の処理として、燃料電池スタック５１の出力特性が所定の状態まで低下しているか否かを判断する。そして、所定の状態まで低下していると判断すると、制御ユニット７０は、その旨を運転者に報知する。報知の具体的手段としては、例えば、燃料電池車２０が備える音声ガイダンスシステムを用いたり、燃料電池車２０が備えるインストゥルメンタルパネルに文字を表示させたり、表示ランプを点灯させたりすることで行うことができる。こうすれば、負荷変動運転に供され、燃料電池スタック４１よりも交換頻度が高くなる燃料電池スタック５１の交換時期を容易に知ることができるので、維持管理の負担を軽減することができる。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、燃料電池システムに限らず、燃料電池システムの運転制御方法や、維持管理方法としても実現可能である。また、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池車２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例としての出力制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】第１実施例としての出力制御処理を概念的に示す説明図である。
【図４】第２実施例としての出力制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】第２実施例としての出力制御処理を概念的に示す説明図である。
【図６】変形例としての出力制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】変形例としての出力制御処理に用いるＩ−Ｖ特性についての説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
２０…燃料電池車
３０…燃料電池システム
４０…第１の燃料電池システム
４１…燃料電池スタック
４２…水素供給・排出機構
４３…空気供給・排出機構
４５…センサ
５０…第２の燃料電池システム
５１…燃料電池スタック
５２…水素供給・排出機構
５３…空気供給・排出機構
５５…センサ
６１…電力変換機構
６２…車両補機
６３…駆動モータ
６４…減速ギア
６６…駆動輪
７０…制御ユニット
７２…第１制御部
７３…第２制御部
７４…第３制御部
７５…出力特性検出部
７６…制御切替部
８２…アクセル
８４…各種センサ
８６…各種アクチュエータ
【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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