CN102142573A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，即便发生负载变动，也可以使发电动作稳定实行。燃料电池系统(10)包括平面排列的燃料电池模块(20a)、(20b)。燃料电池模块(20a)、(20b)分别包含平面排列的多个膜电极接合体，贮藏在燃料元件(30)中的氢可以向燃料电池模块(20a)、(20b)的阳极提供。控制部(40)在与燃料电池系统(10)连接的外部负载为规定阈值以内并且燃料电池模块(20a)的温度、燃料电池模块(20b)的温度的至少一个在规定阈值温度以下的情况下，进行使燃料电池模块(20a)、燃料电池模块(20b)交替与外部负载连接的控制。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，更为具体而言本发明涉及平面阵列式燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是使氢和氧产生电能的装置，可以得到较高的发电效率。燃料电池的主要特征例如有：直接发电，不像以往的发电方式那样要经过热能或运动能的过程，即使规模小也可以期待较高的发电效率；环境性能佳，很少排出氮化物，噪音或振动很小。这样，由于燃料电池具有有效利用燃料的化学能、保护环境的特性，因此，它是备受期待的21世纪能源供给系统，是颇受瞩目的将来很有希望的新型发电系统，从宇宙到汽车、便携式机器，从大规模发电到小规模发电，用途多种多样，其面向实用化的技术开发已正式展开。

其中，固体高分子型燃料电池与其它种类的燃料电池相比，具有工作温度低、输出密度高的特征。尤其是近年，其作为电源在便携式机器(手机、笔记本型个人电脑、PDA、MP3播放器、数码相机或电子词典、电子书)等上的应用备受期待。作为用于便携式机器的固体高分子型燃料电池，已知有一种平面阵列式燃料电池，多个单体电池排列成平面状(参照专利文献1)。作为燃料，除了专利文献1所示的甲醇以外，正在研究的是利用储氢合金或高压储氢瓶中存放的氢。

专利文献1：JP特开2006-244715号公报

周围环境的变化或负载功率的变动会使燃料电池的热平衡发生变化，这就导致燃料电池的温度发生变化。可以认为，负载功率大时燃料电池的温度就高，会使燃料电池的电解质膜干燥从而性能低下。尤其是对于电池单元被配置在同一平面的平面阵列式燃料电池，由于对大气开放的面较大，所以电解质膜容易干燥。为防止干燥，已知使用多孔质体(空气/水蒸气的流通部)覆盖燃料电池的空气极(阴极)侧的结构。但是，多孔质体的开孔率是为防止蒸干(dry out)而设计，所以存在以下课题：负载功率低时，生成水与热的平衡关系会使发热不充分，出现生成水容易结露(溢流flooding)的问题。

此外，在各燃料电池模块之间性能上存在偏差的情况下，并联连接时性能最高的燃料电池模块中燃料电池的温度较高；性能最低的燃料电池模块中燃料电池的温度较低。所以，在发电时(尤其是最大输出时)，燃料电池的温度差会很大，温度高的燃料电池有时会发生蒸干现象。此外，有时还需要可实行单独冷却控制的冷却系统。

发明内容

本发明就是鉴于上述课题提出的，其目的在于提供一种燃料电池系统，即使负载功率变动，也可以稳定实行发电动作。

本发明的某种方式是燃料电池系统。该燃料电池系统的特征在于包括：n个[n为2以上的整数]燃料电池模块，与外部负载电并联连接；连接切换机构，能切换各燃料电池模块与负载之间的连接状态；和控制部，在至少一个燃料电池模块的温度在规定温度以下时，根据负载功率使用连接切换机构实行切换运转，切换与负载连接的燃料电池模块，使得同时与负载连接的燃料电池模块数量为m[m＝1、2、...、n-1]。这里，所谓负载是指外部负载(应用)与二次电池负载(内置于燃料电池系统中的二次电池)之和。

根据上述方式，根据负载功率，改变与负载连接的燃料电池模块的数量，或者改变与负载连接的燃料电池模块，即便负载变动，也可以使各燃料电池模块中流过的电流的值相同。其结果，燃料电池模块的温度在一定的范围内推移，从而使蒸干和生成水结露现象得到抑制，进而使燃料电池系统的发电动作更加稳定。

在上述方式的燃料电池系统中，n个燃料电池模块也可以排列成平面状。此外，n个燃料电池模块也可以并列设置，使得相邻的燃料电池模块的主表面彼此相对。

在上述方式的燃料电池系统中，控制部也可以每经过一定时间，就对与负载连接的燃料电池模块的组合进行切换。此外，控制部也可以在各燃料电池模块的温度均高于规定温度时，将n个燃料电池模块都与负载连接。此外，控制部也可以在进行切换运转时实行以下处理：将成为负载连接对象的燃料电池模块与负载连接，经过规定时间之后，将成为负载断开对象的燃料电池模块与负载断开。此外，控制部也可以在负载功率为最大负载的m/n以下时，使用连接切换机构实行切换运转，顺序切换与负载连接的燃料电池模块，使得同时与负载连接的燃料电池模块的数量为m。

此外，在上述方式的燃料电池系统中，控制部也可以在特定的燃料电池模块的温度相对于各燃料电池模块的温度平均值大于规定值的情况下，根据该燃料电池模块的温度，限制该燃料电池模块的电流。此外，在上述方式的燃料电池系统中，在所有燃料电池模块的温度中最大温度与最小温度的差值大于规定值的情况下，控制部也可以针对所有燃料电池模块中温度顺序由高到低的1个或多个燃料电池模块，根据其温度限制该燃料电池模块的电流。

另外，上述各要素的适当组合也包含在本发明的范围当中，能够通过本案的专利申请，取得专利保护。

根据本发明的燃料电池系统，即使负载功率发生变动，也能够切换燃料电池模块的连接数量，进行与负载功率相应的发电，通过增加燃料电池模块的分配数或同时连接的燃料电池模块的连接数，能够使发电动作在更广的负载范围内稳定实行。

附图说明

图1是表示实施方式涉及的燃料电池系统的概略结构的分解立体图。

图2是沿图1的A-A线截断的主要部分剖面图。

图3是表示实施方式涉及的燃料电池系统的燃料供给路径的框图。

图4是表示实施方式涉及的燃料电池系统的电路结构的电路图。

图5是表示实施方式涉及的燃料电池系统动作的第1流程图。

图6是表示燃料电池模块的I-V特性、I-P特性、温度的电流依赖性和生成水的电流依赖性曲线。

图7是表示实施方式涉及的燃料电池系统的动作例1的时序图。图7(A)表示负载功率随时间的变化。图7(B)、(C)表示各燃料电池模块的连接状态(导通关断的状态变化)。图7(D)表示各燃料电池模块的功率变化。

图8是表示现有控制方法中燃料电池系统的温度变化曲线。

图9是表示动作例1的控制方法中燃料电池系统的温度变化曲线。

图10是表示蒸干温度和溢流温度的湿度依赖性的曲线。

图11是表示实施方式涉及的燃料电池系统的动作例2的时序图。图11(A)表示负载功率随时间的变化。图11(B)、(C)表示各燃料电池模块的连接状态(导通关断的状态变化)。图11(D)表示各燃料电池模块的功率变化。

图12是表示实施方式涉及的燃料电池系统动作的第2流程图。

图13是表示燃料电池系统的动作例3的时序图。图13(A)表示负载功率随时间的变化。图13(B)、(C)分别表示燃料电池模块20a、20b的连接状态(导通关断的状态变化)。图13(D)表示各燃料电池模块的功率变化。

图14是表示实施方式涉及的燃料电池系统动作的第3流程图。

图15是表示变形例1涉及的燃料电池系统的概略结构的分解立体图。

图16是表示变形例2涉及的燃料电池系统的概略结构的分解立体图。

图17是沿图16的A-A线截断的主要部分剖面图。

图中：

10…燃料电池系统

20a、20b、20c、20d…燃料电池模块

30…燃料元件

40…控制部

50…二次电池

60…调整器

70…燃料供给板

200…膜电极接合体

202…电解质膜

204…阴极触媒层

206…阳极触媒层

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。另外，所有附图中将对相同构成要素附加相同符号，适当省略说明。

(实施方式)

图1是表示实施方式涉及的燃料电池系统的概略结构的分解立体图。图2是表示实施方式涉及的燃料电池系统的概略结构的主要部分剖面图。燃料电池系统10包括：燃料电池模块20a、20b(以下有时将燃料电池模块20a、20b统称为燃料电池模块20)；储氢合金元件(以下简称为“燃料元件(fuel cartridge)”)30，用来储藏提供给燃料电池模块20a、20b的氢；控制部40；二次电池50；关联部件(调整器60、燃料供给板70等)，用来向燃料电池模块20提供燃料元件30内的氢；以及上侧壳体80a和下侧壳体80b，用来容纳以上部件。

如图2所示，各燃料电池模块20主要包括：膜电极接合体200、阴极外壳210和阳极外壳220。

膜电极接合体(单体电池)200包含：电解质膜202；多个阴极触媒层204，在电解质膜202的一个面间隔配置；和阳极触媒层206，与阴极触媒层204相对应地配置在电解质膜202的另一个面。在本实施方式中，多个阴极触媒层204被间隔配置在电解质膜202的一个面；多个阳极触媒层206被间隔配置在电解质膜202的另一个面，分别与阴极触媒层204对应。

优选电解质膜202在湿润状态下呈现良好的离子传导性，具有使质子在阴极触媒层204与阳极触媒层206之间移动的离子交换膜的功能。电解质膜202由含氟聚合物或非氟聚合物等固体高分子材料形成，例如可以使用磺酸型全氟化碳聚合物、聚砜树脂、含有磷酸基或羧酸基的全氟化碳聚合物等。作为磺酸型全氟化碳聚合物的实例，例如有Nafion(杜邦公司制：注册商标)112等；作为非氟聚合物的实例，例如有磺酸化的芳香族聚醚醚酮、聚砜等。电解质膜202的厚度例如是10～200μm。

阴极触媒层204形成在电解质膜202的一个面上。经由设在上侧壳体80a上的空气导入口82和设在阴极外壳210上的开口212从外部对阴极触媒层204供给空气。阳极触媒层206形成在电解质膜202的另一个面上。燃料元件30放出的氢供给阳极触媒层206。一对的阴极触媒层204和阳极触媒层206之间夹持电解质膜202，构成一个单体电池，单体电池通过氢与空气中的氧的电化反应来发电。

阴极触媒层204和阳极触媒层206分别具有离子交换树脂和触媒粒子，有时也具有碳粒子和碳纤维。

阴极触媒层204和阳极触媒层206所具有的离子交换树脂连接触媒粒子与电解质膜202，具有在两者之间传递质子的功能。该离子交换树脂也可以由与电解质膜202相同的高分子材料形成。作为触媒金属，例如有：Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、从镧系元素(lanthanoid)或锕系元素(actinoid)中选出的合金或单体。此外，在承载触媒的情况下，碳粒子也可以使用炉法炭黑(furnace black)、乙炔炭黑(acetylene black)、荷兰科琴导电碳黑(Ketjen black)、碳纳米管(carbon nanotube)等。另外，阴极触媒层204和阳极触媒层206的厚度分别是例如10～40μm。

在电解质膜202的阴极侧以覆盖阴极触媒层204的方式形成有多孔质体90。多孔质体90的材料例如是氟树脂。通过在阴极触媒层204上形成多孔质体90，可以确保从外部进入至阴极触媒层204的空气以及水蒸气的流通，同时抑制各单体电池发生蒸干现象。对于多孔质体90的空孔率，在抑制各单体电池干燥的范围内进行设计。

使用内部连线(interconnector)等电连接部件(未图示)，将相邻的单体电池中的一个单体电池的阳极触媒层206与另一个单体电池的阴极触媒层204电连接，多个单体电池就会被串联连接。

沿电解质膜202的外缘部，使阴极外壳210的侧壁边缘与阳极外壳220的侧壁边缘相对，形成燃料电池模块20的壳体。

对于阴极外壳210，在与燃料电池模块20的阴极触媒层204相对的面上设有开口212。经由设在上侧壳体80a上的空气导入口82、设在阴极外壳210上的开口212、多孔质体90，对燃料电池模块20的阴极触媒层204供给空气。另外，多孔质体90的周缘部分被开口212周缘的阴极外壳210保持，提高了阴极触媒层204与多孔质体90之间的附着性。

与电解质膜202相对的阳极外壳220的面与阳极触媒层206间隔开来设置，在阳极触媒层206与阳极外壳202之间形成有燃料气室230。对于阳极外壳220，在与燃料电池模块20的阳极触媒层206相对的面上设有燃料导入口214。从燃料元件30提供的氢经由燃料导入口214，导入燃料气室230，用于各单体电池的发电。另外，阳极外壳220的侧壁边缘与电解质膜202的外缘部之间设有衬垫213，提高了燃料气室230的气密性。

优选在相邻的燃料电池模块20之间也就是燃料电池模块20的分界部分配置隔热材料。这样，热量就很难从正在发电的燃料电池模块20扩散到发电已经停止的燃料电池模块20，可以进一步发挥后述的效果。

图3是实施方式涉及的燃料电池系统的燃料供给路径的框图。

贮藏补给用氢的外部高压储气瓶(未图示)与燃料填充口62连接，可以向燃料元件30内的储氢合金补充氢。另外，燃料填充口62与燃料元件30之间的配管上设有逆止阀63，抑制了贮藏在燃料元件30中的氢漏到外部。

贮藏在燃料元件30中的氢经由调整器60，提供给燃料供给板70。在从外部高压储气瓶向储氢合金补充氢时或从储氢合金放出氢时，由调整器60减小提供给燃料供给板70的氢的压力，保护各燃料电池模块20的阳极。

在燃料供给板70设有燃料流路72，该燃料流路72用于将经由调整器60的氢分配给各燃料电池模块20(参照图2)。燃料流路72的出口与设置在燃料电池模块20的燃料导入口214相对应设置，通过燃料流路72的氢从燃料流路72的出口经由燃料导入口214，被导入至燃料电池模块20的燃料气室230。另外，为了在燃料流路72的出口与燃料导入口214之间形成密闭空间，在燃料电池模块20与燃料供给板70之间设有衬垫74。

通过燃料截断开关64，可以截断从调整器60向燃料供给板70的氢供给。在不使用燃料电池系统的情况下，通过由燃料截断开关60截断氢的供给，从燃料电池模块20散出微量的氢，可以抑制燃料消耗。此外，例如在燃料电池系统10发生异常的情况下，由燃料截断开关64迅速切断氢的供给，可以确保安全。

图4是表示实施方式涉及的燃料电池系统的电路结构的电路图。燃料电池模块20a与燃料电池模块20b并联连接，在连接节点300与燃料电池模块20a的正极之间设有开关310a。开关310a的开闭由控制部40控制，通过使开关310a导通关断，可以实现以下两种状态的切换：燃料电池模块20a与外部负载320连接的状态、燃料电池模块20a与外部负载320断开的状态。此外，在连接节点300与燃料电池模块20b的正极之间设有开关310b。开关310b的开闭由控制部40控制，通过使开关310b导通关断，可以实现以下两种状态的切换：燃料电池模块20b与外部负载320连接的状态、燃料电池模块20b与外部负载断开的状态。另外，外部负载320例如是便携式机器等电源负载。

燃料电池模块20a、20b的温度分别由温度传感器22a、22b测量。由温度传感器22a、22b测量的温度被分别送往控制部40。另外，由温度传感器22a测量的温度是燃料电池模块20a的电解质膜202附近的温度、或者与燃料电池模块20a的电解质膜202附近的温度成比例的温度。同样，由温度传感器22b测量的温度是燃料电池模块20b的电解质膜202附近的温度、或者与燃料电池模块20b的电解质膜202附近的温度成比例的温度。此外，温度传感器22z测量外部环境温度。

燃料电池模块20中发生的直流电力在由DC/DC转换器(转换电路)330转换为规定电压(例如24V)的直流电力之后，提供给并联连接的二次电池50和外部负载320。另外，通过DC/DC转换器330进行升压的规定电压由控制部40设定。

二次电池50例如是锂离子二次电池。二次电池50的放电或充电由二次电池控制电路52控制。

在DC/DC转换器330的输出电压恒定的情况下，要测量外部负载320的负载功率，可以通过测量电流值来算出负载功率。电流值例如可以通过测量分流电阻等电阻器两端的电压来算出。具体而言，将设于连接节点300与DC/DC转换器330之间的电流检测器340测量到的电流值送往控制部40，控制部40中根据送来的电流值算出外部负载功率的值。在输出电压变化的情况下，可以通过测量电流值和电压值两方并对它们进行运算，来算出外部负载功率。此外，二次电池控制电路52也可以设置同样的电流检测器，测量二次电池负载功率。外部负载功率与二次电池负载功率相加，可以算出负载功率。

控制部40构成为具备CPU、RAM、ROM等的微型计算机，按照存储在ROM中的程序，控制燃料电池系统10的运转。具体而言，控制部40根据输入的各燃料电池模块20的温度信息、以及利用电流检测器340测量出的电流值算出的外部负载和二次电池控制电路部55测量出的二次电池充电时的负载的总和，控制开关310a、310b的导通关断。对于控制部40对开关310a、310b的导通关断控制将在后面叙述。

(燃料电池系统的动作流程)

图5是表示实施方式涉及的燃料电池系统10动作的第1流程图。首先，判定与燃料电池系统10电连接的外部负载和二次电池充电时的负载的总和是否在规定的阈值Wth以下(S10)。

这里，阈值Wth是外部负载最大时的最大负载的1/2。如果负载在规定阈值Wth以下(S10为是)，判定是否燃料电池模块20a的温度T1在规定阈值Tth以下、或者燃料电池模块20b的温度T2在规定阈值Tth以下(S20)。另外，阈值Tth是各燃料电池模块20有可能发生溢流的温度，例如当外部环境温度为25℃时，其为35℃。该阈值Tth随外部环境温度的变化而变化。

如果燃料电池模块20a、燃料电池模块20b至少一方的温度在规定阈值Tth以下(S20为是)，则燃料电池模块20a和燃料电池模块20b会交替地切换与外部负载连接，燃料电池系统10在此状态下运转(下称为切换运转)(S30)。在切换运转时，切换燃料电池模块20a、20b的定时例如是5～300秒，这是将一个燃料电池模块20连接于外部负载时的经过时间达到一定时间的定时。

另一方面，如果外部负载超过规定的阈值Wth(S10为否)，或者燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的温度都超过规定的阈值Tth(S20为否)，则燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的双方都与外部负载连接(S40)。

图6是表示燃料电池模块的I-V特性、I-P特性、温度的电流依赖性和生成水的电流依赖性曲线。在所有燃料电池模块常时与外部负载连接的情况下，根据外部负载燃料电池模块的电流会有较大变化。当负载是最大负载的1/2时，燃料电池模块的电流I2就是最大负载时的电流I1的1/2。这样可知，当燃料电池模块的电流依赖于外部负载变化时，燃料电池模块的温度和生成水的量也会依赖于电流有较大变化。对此，如果实行上述的切换运转，则在负载为最大负载的1/2时，使各个燃料电池模块的电流I2’等于最大负载时的电流I1，所以，在最大负载时和低负载时，能够使燃料电池模块的温度和生成水的量维持同等水平。

(动作例1的说明)

图7是表示燃料电池系统的动作例1的时序图。图7(A)表示外部负载随时间的变化。图7(B)、(C)分别表示燃料电池模块20a、20b的连接状态(导通关断的状态变化)。图7(D)表示各燃料电池模块的功率变化。另外，本例中表示的是系统中没有二次电池50和二次电池控制电路52的情况。

在初始状态(时刻t0)，外部负载尚未发生，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的温度(周围的温度)分别在阈值Tth以下。在该状态下，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b都不进行发电，与外部负载也处于断开。

在时刻t1，外部负载起动。此时的外部负载为低负载，在规定阈值Wth以下。以时刻t1为基点，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b开始发电。在这种状态下，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的温度都保持在阈值Tth以下的状态。因此，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b交替与外部负载连接。也就是说，通过燃料电池模块20a、燃料电池模块20b中的某一个发电，提供符合外部负载的功率。

在时刻t2，燃料电池模块20a的温度高于阈值Tth，而燃料电池模块20b的温度在阈值Tth以下，所以，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b继续交替与外部负载连接。

在时刻t3，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的温度均高于阈值Tth。所以，以时刻t3为基点，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b都与外部负载连接。也就是说，在这种状态下，符合外部负载的功率由燃料电池模块20a进行的发电、和燃料电池模块20b进行的发电分担，对于各燃料电池模块20的负担被减轻。

在时刻t4，外部负载停止，此时，燃料电池模块20a和燃料电池模块20b与外部负载断开。

接下来，在时刻t5，外部负载以高于规定阈值Wth的高负载状态(最大负载)起动，在这种情况下，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b都与外部负载连接，符合外部负载的功率由燃料电池模块20a进行的发电、和燃料电池模块20b进行的发电分担。此时，燃料电池模块20中流过的电流与低负载、切换运转时燃料电池模块20中流过的电流相同。

(实施例)

图8和图9是表示本实施例效果的曲线。图8和图9分别表示燃料电池系统按以下条件工作时的数据，即：燃料电池系统由2个燃料电池模块构成；环境条件是温度为20℃、湿度为50％RH；输出功率是额定输出功率的一半。图8是现有的控制方法，表示将2个燃料电池模块与负载连接的情况。图9是动作例1的连接方法，表示以1分钟为单位交替将2个燃料电池模块连接于负载的情况。

比较图8和图9，对于系统运转开始后30分钟燃料电池模块的平均表面温度，在现有例的控制方法中为23度，在动作例1的控制方法中为26度，产生3℃的温度差。此外，在现有例中，燃料电池模块中在表面出现生成水结露；在动作例1中，没有出现生成水结露。动作例1仅在温度为20℃、湿度为50％RH的环境条件下进行了实验，如果进一步在低温、高湿度的环境条件下实验，对于现有例，有可能因溢流现象使燃料电池的运转变得不稳定。而对于动作例1，即使环境条件变化通过增加燃料电池的分配数量，可扩大稳定进行动作的环境条件的范围。为说明上述情况，对外部环境的温度和湿度发生变化时燃料电池系统中的蒸干和溢流现象进行说明。图10是表示蒸干温度T4和溢流温度T3的湿度依赖性曲线。蒸干温度T4和溢流温度T3随湿度的上升而上升。这样，燃料电池蒸干和溢流的开始温度依赖于湿度而变化，例如在高湿度条件下，由于溢流温度T3会升高，因此容易发生溢流。所以，需要与外部环境的湿度变化相应的温度变化。图10的曲线是一个实例，根据燃料电池系统的输出而变化。

在图10中，温度T4’是蒸干温度T4的下限值(是低湿度条件下、例如湿度为20％时的蒸干温度)；温度T3’是溢流温度T3的上限值(是高湿度条件下、例如湿度为80％时的溢流温度)。如图10所示，在温度T3’到温度T4’的温度范围中，即便湿度变化，也不发生蒸干和溢流现象。所以，温度T3’到温度T4’的温度范围是燃料电池不依赖于湿度、可稳定发电的温度范围。通过实行动作例1的控制，会扩大不依赖于湿度、可稳定发电的温度范围。

(动作例2的说明)

图11是表示燃料电池系统的动作例2的时序图。图11(A)表示外部负载随时间的变化。图11(B)、(C)分别表示燃料电池模块20a、20b的连接状态(导通关断的状态变化)。图11(D)表示各燃料电池模块的功率变化。

动作例1与动作例2的不同点在于：在时刻t1到时刻t3的燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的切换运转的区间，在燃料电池模块20a与燃料电池模块20b切换时，存在燃料电池模块20a、燃料电池模块20b两方都与外部负载连接的区间S。由此，因为抑制各燃料电池模块20中的急剧的负载变动，因此可以防止各单体电池或燃料电池模块20的劣化。此外，还可以使各燃料电池模块20的输出稳定，还能够更加平滑地进行燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的切换动作。

根据以上说明的燃料电池系统，根据外部负载改变与外部负载连接的燃料电池模块的数量，由此即便外部负载变动，也可以使各燃料电池模块20中流过的电流值相同。其结果，燃料电池模块20的温度会在一定的范围内推移，使蒸干和生成水结露现象得到抑制，进而使燃料电池系统10的发电动作更加稳定。

此外，当外部负载较小时，顺序切换燃料电池模块20与外部负载的连接，可给予各燃料电池模块20中出现的生成水蒸发掉的时间。此外，通过进行切换运转，可以使各单体电池的面内温度分布均匀。

本实施方式的燃料电池系统对以下情况有效，即：以不使用循环泵或加湿器等辅助设备的无源方式向阴极提供空气(氧)，以补充因反应而消耗掉的燃料(氢)的燃料补给的死端方式(dead end)向阳极提供燃料。

另外，在有源方式(使用外部动力供给氢气或燃料的方式)的燃料电池系统中，根据电流负载的开启停止，导通或关断对每一个燃料电池模块的燃料和空气的供给，可以得到与无源方式下的燃料电池系统同样的效果。

(燃料电池系统的第2动作流程)

图12是表示实施方式涉及的燃料电池系统10动作的第2流程图。本动作中S10、S20、S30和S40的各处理与燃料电池系统10的第1动作相同。在本动作中，S40中将燃料电池模块20a、20b两方都与负载连接之后，会判定各燃料电池模块的温度T1、T2分别减去平均值得到的差值S1、S2是否大于阈值Sth(S50)。所谓平均值是指燃料电池模块20a的温度T1和燃料电池模块20b的温度T2的平均值。如果上述差值在阈值Sth以下(S50为否)，就返回S10的处理。另一方面，如果上述差值大于阈值Sth(S50为是)，则决定相应的燃料电池模块的限制电流值I(S60)。作为限制电流值I的决定方法，例如有：根据成为电流控制对象的燃料电池模块的温度与平均值的差值，预先将限制电流值I设定在存储器等中。然后，连续导通或关断与成为电流控制对象的燃料电池模块对应设置的开关，控制该燃料电池模块中流过的电流，使其成为限制电流值I(S70)。对于进行了电流控制的燃料电池模块，其发热量会随发电量的减少而减少，进而，温度的上升速度减缓或温度下降。另一方面，对于没有进行电流控制的燃料电池模块，由于要供应进行了电流控制的燃料电池的输出，所以发电量增加。由此，没有进行电流控制的燃料电池模块的发热量会增加，温度也会上升。其结果，各燃料电池模块的温度差降低。在电流控制实施规定时间(例如1秒)之后，判定各燃料电池模块的温度减去平均值得到的差值是否在阈值Sth以下(S80)。如果差值在阈值Sth以下(S80为是)，就返回S10的判定；如果差值大于阈值Sth(S80为否)，就返回S70，继续进行电流控制。

另外，在本流程图中，燃料电池模块的数量为2，但燃料电池模块的数量为3以上的情况也适用本动作。在这种情况下，S50的判断中的平均值是3个以上燃料电池模块的温度平均值，对各燃料电池模块实施S50～S80的步骤。

(动作例3的说明)

图13是表示燃料电池系统的动作例3的时序图。图13(A)表示外部负载随时间的变化。图13(B)、(C)分别表示燃料电池模块20a、20b的连接状态(导通关断的状态变化)。图13(D)表示各燃料电池模块的功率变化。

图13表示负载＞阈值Wth(S10为否)时的动作。在初始状态(时刻t0)，未发生外部负载，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b的温度(周围的温度)分别在阈值Tth以下。在这种状态下，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b都不发电，与外部负载处于断开。

在时刻t1，外部负载起动。此时的外部负载为高负载，比规定阈值Wth高。以时刻t1为基点，燃料电池模块20a、燃料电池模块20b开始发电。通过燃料电池模块20a、燃料电池模块20b两方的发电，提供符合外部负载的功率。

在时刻t2，当燃料电池模块20a的温度T1减去平均值之后的差值S1高于阈值Sth时，瞬间地(几百Hz～几MHz)导通关断燃料电池模块20a的负载，就会使燃料电池模块20a的电流成为限制电流值I。另外，在对燃料电池模块20a的电流进行控制的情况下，只要将燃料电池模块20a的导通关断的占空比设为规定值即可。为了在燃料电池模块20a的电流控制期间，补充燃料电池模块20a的输出，会增加燃料电池模块20b的电流值。在控制燃料电池模块20a的电流的期间，燃料电池模块20b的输出比燃料电池模块20a的输出大。在t2以后，进行电流控制的燃料电池模块20a的温度上升会减缓，未进行电流控制的燃料电池模块20b的温度上升会增大，二者的温度差减小。

在时刻t3，当燃料电池模块20a的温度T1减去平均值之后的差值S1在阈值Sth以下时，燃料电池模块20a的电流控制被解除。在后来的时刻t4，一个燃料电池模块的电流控制会开始，在时刻t5，电流控制会解除。

(燃料电池系统的第3动作流程)

图14是表示实施方式涉及的燃料电池系统10动作的第3流程图。本动作中S10、S20、S30和S40的各处理与燃料电池系统10的第1动作相同。在本动作中，S40中将燃料电池模块20a、20b双方都与负载连接之后，会判定最大温度Tmax-最小温度Tmin是否大于阈值Uth(S50)。另外，所谓最大温度Tmax是多个燃料电池模块中温度最高的燃料电池模块的温度；所谓最小温度Tmin是多个燃料电池模块中温度最低的燃料电池模块的温度。在本流程中，燃料电池模块20a的温度是最大温度Tmax；燃料电池模块20b的温度是最小温度Tmin。如果最大温度Tmax-最小温度Tmin在阈值Uth以下(S50为否)，就返回S10的处理。另一方面，如果最大温度Tmax-最小温度Tmin大于阈值Uth(S50为是)，就决定出温度为规定顺序内的燃料电池模块的限制电流值I(S60)。例如像本流程那样，在燃料电池模块的数量为2时，决定温度高的燃料电池模块的限制电流值I。此外，如果燃料电池模块的数量为n(n为3以上)，那么决定温度较高的顺序范围内(从1到n-1)的燃料电池模块的限制电流值I。接下来，连续导通关断与成为电流控制对象的燃料电池模块对应设置的开关，控制相应燃料电池模块中流过的电流，使其成为限制电流值I(S70)。对于进行了电流控制的燃料电池模块，其发热量会随发电量的减少而减少，进而温度的上升速度减缓或温度下降。而对于没有进行电流控制的燃料电池模块，由于要供应进行了电流控制的燃料电池的输出，所以发电量增加。由此，没有进行电流控制的燃料电池模块的发热量会增加，温度也会上升。其结果，各燃料电池模块的温度差降低。在电流控制实施规定时间(例如1秒)之后，判定最大温度Tmax-最小温度Tmin是否在阈值Uth以下(S80)。如果差值在阈值Uth以下(S80为是)，就返回S10的判定；如果差值大于阈值Uth(S80为否)，就返回S70，继续进行电流控制。

按照以上说明的第2和第3流程图来进行动作，在燃料电池模块的温度中出现偏差的情况下，可以缩小温度差，使燃料电池模块的温度均匀化。由此，因为不需要对燃料电池模块单独进行冷却的冷却机构、控制，因此可以简化燃料电池系统的结构。

(变形例1)

与外部负载并联连接的燃料电池模块的数量不限于2个，也可以是3个以上。例如图15所示，变形例1涉及的燃料电池系统10具有4个燃料电池模块20a～d。在4个燃料电池模块20a～d与外部负载并联连接的情况下，如果进行燃料电池模块20的切换运转，那么同时连接外部负载的燃料电池模块20的数量可以设定为1、2、3中的任意一个。适合于同时与外部负载连接的燃料电池模块20的数量为1、2、3的情况的外部负载，分别是最大负载的25％、50％、75％。

【表1】

	连接状态1	连接状态2	连接状态3	连接状态4
					燃料电池模块20a	连接	断开	断开	连接
燃料电池模块20b	连接	连接	断开	断开
					燃料电池模块20c	断开	连接	连接	断开
燃料电池模块20d	断开	断开	连接	连接

表1表示与外部负载并联连接的燃料电池模块20的数量为4、对应50％的负载进行切换运转时的各燃料电池模块20的连接状态。在表1中，“连接”表示与外部负载连接；“断开”表示与外部负载断开。切换运转的连接状态按照连接状态1→连接状态2→连接状态3→连接状态4→连接状态1的顺序反复推移。在各连接状态中，4个燃料电池模块20中的2个燃料电池模块20与外部负载连接。所以，对各个燃料电池模块20的负载为25％的负载，当最大负载时对各个燃料电池模块20的负载相同。也就是说，即便负载变动，各个燃料电池模块20的电流密度也会维持在恒定值。其结果，燃料电池模块20的温度会在一定的范围内推移，使蒸干和生成水结露现象得到抑制，进而使燃料电池系统10的发电动作更加稳定。

将与负载电并联连接的燃料电池模块的数量推广为n，这时，如果至少一个燃料电池模块的温度为规定温度以下，那么可以根据负载，将同时连接负载的燃料电池模块的数量设定为m/n[m＝1、2、...、n-1]，实行切换运转。更为具体而言，以最大负载为基准，当负载为最大负载的m/n以下时，使用连接切换机构顺序切换与负载连接的燃料电池模块，使得同时连接负载的燃料电池模块的数量为m。

(变形例2)

在上述的实施方式和变形例中，将多个燃料电池模块排列为平面状，但燃料电池模块的排列方式不限于此，图16是表示变形例2涉及的燃料电池系统的概略结构的分解立体图。图17是表示变形例2涉及的燃料电池系统的概略结构的主要部分剖面图。

在本变形例中，多个燃料电池模块被并列设置，相邻的燃料电池模块20的主表面彼此相对。对于本变形例的燃料电池系统10，虽然燃料电池模块20的排列方法不同，但动作与上述实施方式的燃料电池系统10是相同的。

燃料供给板71与2组燃料电池模块20对应设置，从燃料供给板70向上方突出。在各燃料供给板71的内部设有与燃料流路72连通的燃料流路73。在燃料供给板71的两个主表面上，分别设有成为燃料流路73出口的开口部75。

在燃料供给板71的两个主表面上，以阳极侧相对的方式分别设有燃料电池模块20。构成燃料电池模块20的电解质膜202的周围与燃料供给板71之间设有衬垫213，燃料供给板71与燃料电池模块20阳极侧之间形成了封闭氢的阳极空间310。

氢从燃料流路72分配到各燃料流路73，提供给配置在燃料供给板71两个主表面上的2组燃料电池模块20的阳极触媒层206。

上侧壳体80a的上面和侧面设有空气导入口82。从空气导入口82流入的空气通过多孔质体90，提供给各燃料电池模块20的阴极触媒层204。

通过将上述的实施方式的燃料电池系统的动作应用于本变形例的燃料电池系统，即便在多个燃料电池模块20的主表面彼此相对地排列的结构中，也可以得到与上述实施方式的燃料电池系统同样的效果。

本发明并不限于上述各实施方式，本领域技术人员可以根据自身的知识，对设计加以改变，进行各种各样的变更等，这样变形的实施方式也包含在本发明的范围中。

例如，在本实施方式中，以多个电池来构成各燃料电池模块，但也可以用一个单体电池来构成各燃料电池模块。在这种情况下，可以通过设置电压调整电路，在切换运转时根据外部负载的电压提高各燃料电池模块的输出电压，由此来驱动外部负载。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

n个燃料电池模块，与外部负载电并联连接，其中n为2以上的整数；

连接切换机构，能切换各燃料电池模块与所述外部负载之间的连接状态；和

控制部，在至少一个燃料电池模块的温度在规定温度以下时，根据外部负载，利用所述连接切换机构实行切换运转，切换与所述外部负载连接的燃料电池模块，使得同时与所述外部负载连接的燃料电池模块数量为m，其中m＝1、2、...、n-1。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述n个燃料电池模块被排列成平面状。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述n个燃料电池模块并列设置，使得相邻的燃料电池模块的主表面彼此相对。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部每经过一定时间，就对与所述外部负载连接的燃料电池模块的组合进行切换。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在各燃料电池模块的温度均高于规定温度时，将n个燃料电池模块连接于所述外部负载。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在所述切换运转时实行以下处理：将成为所述外部负载连接对象的燃料电池模块与所述外部负载连接，经过规定时间之后，将成为所述外部负载断开对象的燃料电池模块与所述外部负载断开。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在以最大负载为基准所述外部负载在m/n以下时，利用所述连接切换机构实行切换运转，顺序切换与所述外部负载连接的燃料电池模块，使得同时与所述外部负载连接的所述燃料电池模块的数量为m。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

在特定的燃料电池模块的温度相对于各燃料电池模块的温度平均值大于规定值的情况下，所述控制部根据该燃料电池模块的温度，限制该燃料电池模块的电流。

9.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所有燃料电池模块的温度中，最大温度与最小温度的差值大于规定值的情况下，所述控制部在所有燃料电池模块中按温度由高到低的顺序针对1个或多个燃料电池模块，根据其温度限制该燃料电池模块的电流。

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