JP2006302746A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 始動直後から比較的高い出力で発電可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池（１０、２６）、始動時に、複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池（２６）を選択して発電させる制御装置（３）を備える。始動時に、相対的に低い温度で効率的な温度対出力特性を備えた燃料電池（２６）が選択されるので、暖機前から出力の高い効率のよい運転が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、起動時等の低温時に好適な運転が可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池は、暖機前の低温時に運転特性が低いため、低温始動性能を向上させる工夫が望まれる。低温始動性能や再起動性能を向上させるためのシステムとして、例えば、特開２００４−３９５２４号公報には、大容量燃料電池と小容量燃料電池とを直列に配置するものが提案されていた。この装置では、起動時に小容量燃料電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極に導くように構成した燃料電池発電装置が提案されていた（特許文献１）。この従来の装置では、低温始動時に水素を燃焼させることで水分を含む燃焼ガスを小容量燃料電池に供給するため、小容量燃料電池の暖機運転が効率よく行われ、この結果システムの起動時間が短縮できるものとされていた。
特開２００４−３９５２４号公報（０００８、０００９） 特開２００３−２８８９１１号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池発電装置では、小容量燃料電池の温度対出力の特性について特に考慮されていなかった。この燃料電池発電装置では、大容量燃料電池と小容量燃料電池との間で温度対出力特性は同じとして取り扱っていると推察される。例えば、さらに燃焼器を設け、水素を燃焼させてその燃焼ガスを供給して小容量燃料電池を加熱するという加熱処理を必要としているからである。そして、この従来型の燃料電池発電装置では、小容量燃料電池が暖機される前の始動直後には小容量燃料電池が十分な効率で動作をしていないため、低い発電量しか得られていなかった。このため、従来の燃料電池発電装置の低温始動特性にはまだ改善の余地があったのである。

そこで、本発明は、低温時に比較的高い出力で発電可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、始動時に、複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備える。

本発明の構成によれば、複数の燃料電池には異なる温度−出力特性を有するように調整されている。そして、始動時、すなわち暖機前の状態においても、低い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備えた燃料電池が選択されて始動されるので、暖機前から選択された燃料電池における効率のよい運転が行われる。このため、暖機が全くされない状態でも相対的に高い出力が得られる。

また、本発明の燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、環境温度を検出する温度検出装置と、温度検出装置により検出された温度が所定の温度より低い場合に、複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備える。

本発明の構成によれば、複数の燃料電池には異なる温度−出力特性を有するように調整されている。そして、温度が所定の温度より低い場合、例えば、始動時や再起動時の暖機前の状態においても、低い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備えた燃料電池が選択されて始動されるので、暖機前から選択された燃料電池における効率のよい運転が行われる。このため、暖機が全くされない状態でも相対的に高い出力が得られる。

ここで、本発明では、複数の燃料電池の各々に、それぞれの燃料電池を冷却する冷却経路をそれぞれ備え、それぞれの冷却経路は一部共通の冷却経路を構成しており、共通の冷却経路に、冷媒を循環させる強制循環装置を備えることが好ましい。

上記構成によれば、共通の冷却経路に強制循環装置を備えるので、相対的に低温で起動される燃料電池の運転により上昇した冷媒が、相対的に高い温度で高い効率を示す燃料電池に供給される。このため、相対的に高い温度で運転される燃料電池の暖機時間を短縮させることができる。また、共通の強制循環装置を備えるので、部品点数を削減可能である。

ここで、共通の冷却経路に、冷媒を加熱する加熱装置をさらに備えることは好ましい。相対的に高い温度で効率のよい燃料電池の適正運転温度が一定以上高い場合に、加熱装置により十分冷媒の温度を上げておくことで、一定以上高い温度で適正に運転される燃料電池の暖機時間であっても短縮させることが可能である。

すなわち、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池が運転している場合に、加熱装置により冷媒を加熱させることが好ましい。このように構成すれば、相対的に低い温度で効率的な燃料電池のみが運転されている間に冷媒温度を十分上げることが可能だからである。

本発明では、冷媒の温度が所定の温度より高くなった場合に、複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を選択して発電させる。この構成によれば、冷媒の温度が十分上がってくれば、相対的に高い温度で効率的な燃料電池の適正運転温度範囲となるので、この相対的に高い温度で効率的な燃料電池に運転を切り替えることが適当だからである。

ここで、冷媒の温度が、所定の温度範囲にある場合に、複数の燃料電池を同時に発電させるようにしてもよい。例えば、相対的に低い温度で効率的に発電する燃料電池が運転可能であって、かつ、相対的に高い温度で効率的に発電する燃料電池も動作可能な温度範囲になっていれば、双方を運転させることで、総合出力を上げることができ、また、冷媒温度も、より早く上昇させることが可能だからである。

すなわち、このような燃料電池システムでは、冷媒の温度が第１の温度より低い場合に、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、冷媒の温度が第１の温度より高い第２の温度以上である場合に、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、冷媒の温度が第１の温度以上であって第２の温度より低い場合に、複数の燃料電池を共に運転させることとなる。

また本発明の燃料電池システムは、所定の温度対出力特性を有する第１の燃料電池と、第１の燃料電池における所定の温度対出力特性に比べ、より低い温度側に出力の最大値がある第２の燃料電池と、第１の燃料電池または第２の燃料電池を冷却する冷媒の温度を測定する温度検出装置と、温度検出装置で検出された冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、第２の燃料電池により優先的に発電させ、所定の温度より高い場合に第１の燃料電池により優先的に発電させる制御装置と、第１の燃料電池に冷媒を供給させる第１の冷却経路と、該第１の冷却経路と共通の冷媒を第２の燃料電池に供給させる第２の冷却経路と、第１の冷却経路と第２の冷却経路とを切り替える切換手段と、を備え、切換手段は、第２の燃料電池が発電している場合には第１の燃料電池および第２の燃料電池の双方に冷媒を供給させ、第１の燃料電池が発電している場合には第１の燃料電池に冷媒を供給させる。

具体的な本発明の実施例である。比較的低温時には、相対的に低い温度で動作可能な第２の燃料電池により発電を開始し、冷媒を加温しながら運転し、この冷媒の温度上昇により、第１の燃料電池が出力可能な温度になったら、該第１の燃料電池による運転に切り替えられる。このため、システムを迅速に起動し、その後温度に応じて大きな出力を取り出すことが可能である。

さらに本発明の燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、環境温度を検出する温度検出装置と、温度検出装置により検出された温度において、最も効率的に発電可能な温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備えるように構成してもよい。この構成によれば、相対的に低い温度で効率のよい燃料電池が選ばれる代わりに、その時検出された環境温度で最も発電効率のよい燃料電池が選択される。このため、例えば始動時であっても極めて温度が高いような場合には、相対的に高い温度で効率のよい燃料電池が当初から選択される。また、例えば３つ以上の異なる温度−出力特性を有する燃料電池が設けられている場合に、環境温度によって、最も低い温度で効率がよい燃料電池が選ばれたり、中間的な温度で効率がよい燃料電池が選ばれたり、最も高い温度で効率がよい燃料電池が選ばれたりする。
なお、「環境温度」は、例えば燃料電池の冷却液の温度である。

本発明によれば、始動時等の低温時に、相対的に低い温度で効率的な温度対出力特性を備えた燃料電池が選択されるので、暖機前から出力の高い効率のよい運転が行われる。暖機が全くされない初期状態でも相対的に高い出力が得られる。

本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の燃料電池システムを、移動体である電気自動車に搭載した例に関する。これら実施形態は、本発明の例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。

（実施形態１）
本発明の実施形態１は、所定の温度を基準に、二つの燃料電池の運転を切り替える発明に関する。
図１に、電気自動車に搭載された本発明の燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図１に示すように、本燃料電池システムは、主たる動力源である燃料電池１０を冷却するための冷却経路１と、従たる動力源である燃料電池２６を冷却するための冷却経路２とが、一部共通経路となって構成されている。

すなわち、冷却経路１と冷却経路２とは、一部区間である共通経路において二つの冷却経路が合流している。共通経路上に、循環ポンプ１２、冷却装置１４、及び冷媒タンク１６が設けられている。冷却経路１と冷却経路２とは、循環ポンプ１２の上流で合流し、冷媒タンク１６の下流の分岐点で冷却経路１と冷却経路２とに分かれている。なお、冷媒とは、純水に防錆効果と凍結防止能力を向上させるための公知の添加物、例えばエチレングリコール等を加えたものをいい、その種類に限定はない。

冷却経路２の、冷却経路１との合流点前には、本発明の切換手段に係る遮断弁２８が設けられている。制御部３が遮断弁２８を制御することによって、冷却経路２及び冷却経路１の双方に冷媒を循環させるか冷却経路１のみに冷媒を循環させるかを制御可能になっている。具体的には、遮断弁２８が閉弁された場合、冷媒は冷却経路１のみの循環し、遮断弁２８が開弁された場合、冷媒は冷却経路１と冷却経路２の双方を流れるようになっている。

なお、冷却経路１と冷却経路２との分流点または／および合流点に三方弁やロータリーバルブを設けるように構成してもよい。このように構成すれば、冷却経路１と冷却経路２とのいずれか、または、双方に選択的に冷媒を流すように制御可能となる。また、冷却経路１と冷却経路２とに流す冷媒の量を調整可能となる。

共通経路上に設けられる循環ポンプ１２は、本発明の強制循環装置に係り、制御部３の制御に基づき、共通経路中の冷媒（冷却液）を強制的に循環させることが可能になっている。なお、循環ポンプに代えてエジェクタのような強制的に流れを生じさせる装置を適用することも可能である。

冷却装置１４は、共通経路を流れる冷媒の熱を奪うことが可能な構成を備えるものである。当該冷却装置１４はオプショナルな構成要素である。冷却装置１４の構造に限定はないが、典型的な構成としては、例えば、ラジエータとファンとの組合せからなる強制空冷装置が考えられる。ラジエータは、冷媒が多数の配管に分流されて流れるようになっており、配管には空気との接触面積を多くするためのフィンが多数設けられている。フィンの間を空気が流通する際に、熱交換により、冷媒が冷却されるような構造を備えている。ファンは、制御部３によって強制的に空気流を生じさせるもので、停車時等、自然な空気流が得られない環境であっても所望する冷却を可能とするものである。なお、冷却装置としては、コンデンサ等の構成を備えることにより、空冷を上回る冷却性能を持たせてもよい。

冷媒タンク１６は、余剰な冷媒を貯留しておく貯留槽である。特に、本冷媒タンク１６内には、ヒータ２０が冷媒と熱交換可能に収容されている。ヒータ２０は、制御部３の制御により電気的に切断・接続されるスイッチ２４を介して、バッテリ２２に電気的に接続されている。スイッチ２４が投入されることにより、ヒータ２０は発熱し、冷媒を加熱することができるようになっている。当該ヒータ２０もオプショナルな構成要素であり、燃料電池２６による発熱量が多い場合や温暖な地方での利用に限定される場合等には、無くてもよい構成である。

燃料電池１０の入口には冷媒入口温度を計測可能な温度センサＴinが設けられ、出口には冷媒出口温度を計測可能な温度センサＴoutが設けられている。これら温度センサはいずれか一つのみでもよい。また冷却経路２に設けられていてもよい。当該実施形態では、冷媒が共通経路によって共有化されているので、いずれの配管位置の温度であっても、冷媒温度を適切に測定可能である。特に、燃料電池２６が動作中である場合、温度センサＴinによって、燃料電池２６の内部温度を計測可能であり、温度センサＴoutによって、燃料電池１０の内部温度を計測可能である。

燃料電池１０及び燃料電池２６は、それぞれ単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備えている。基本的に、単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）といわれる発電体を、燃料ガスである水素ガス、酸化ガスである空気、本発明に係る冷媒の流路がそれぞれ設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池１０は、通常運転用の燃料電池であって、高出力が可能なように多数の単セルがスタックされている。燃料電池２６は、低温起動用の燃料電池であって、始動時のシステム駆動に足りるだけの比較的小さな出力で発電可能な構造となっている。

燃料電池１０には、遮断弁３０及び遮断弁３２が開弁されることによって水素ガスが供給され、遮断弁３４及び遮断弁３６が開弁されることによって空気が供給される。また燃料電池２６には、遮断弁４０及び遮断弁４２が開弁されることによって水素ガスが供給され、遮断弁４４及び遮断弁４６が開弁されることによって空気が供給される。これら遮断弁はいずれも制御部３によってその開弁や閉弁が制御可能になっている。

燃料電池１０及び燃料電池２６に水素ガスを供給する水素ガス供給系は、水素ガスを充填貯蔵する水素タンク、水素タンクからの水素ガス供給を制御する各種遮断弁、水素ガスの圧力を調整する調圧弁、水素オフガスの水分を除去する気液分離器、不純物を取り除くパージ弁、水素ガスを流動させるポンプ等の構成を備える。このような水素ガス供給系としては、共用の構成を備えていても独立した系であってもよい。共用の構成を備えることとし、上記遮断弁の制御により、両燃料電池に対する水素ガスの供給を制御する構成とする方が経済的である。

また燃料電池１０及び燃料電池２６に空気を供給する空気供給系は、ラジエータ等から空気を取り込むエアクリーナ、空気を圧縮供給するコンプレッサ、空気オフガスとの間で湿度の交換を行う加湿器、空気オフガスからの過剰な水分を取り除く気液分離器、水素オフガスを空気オフガスで希釈するための希釈器、配管中のノイズを消音する消音器等を備える。このような空気供給系は、水素ガスと同様に、共用の構成を備えていても独立した系であってもよい。共用の構成を備えることとし、上記遮断弁の制御により、両燃料電池に対する空気の供給を制御する構成とする方が経済的である。

上記燃料電池１０及び燃料電池２６において、単セルは直列接続され、両端に高い電圧を生じるようになっている。燃料電池２６のアノードーカソード間の出力電圧は、制御部３で制御可能なスイッチ５０を介してコンバータ５２の一次側に入力され、燃料電池１０の出力電圧に適合するように電圧変換されて二次側に出力されるようになっている。コンバータ５２の二次側は、燃料電池１０のアノードーカソード間に接続されている。燃料電池１０の出力電圧は、さらにコンバータ５４の一次側に入力され、図示しないバッテリの電圧に適合するように電圧変換されて二次側に出力されるようになっている。コンバータ５４の二次側は、図示しないバッテリ、さらに電力消費源である図示しないトラクションモータ等に接続されている。ヒータ２０に電力を供給するバッテリ２２は、このいずれかのコンバータ出力によって充電されるようになっている。

制御部３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を有する汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部３は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、本発明の燃料電池制御方法を実行させることが可能になっている。

ここで、本実施形態において、燃料電池１０及び燃料電池２６は、互いに異なる温度対出力特性を有する点に特徴がある。具体的には、燃料電池１０は、相対的に高い温度において出力が高くなる温度−出力特性を示す一方、燃料電池２６は、相対的に低い温度において出力が高くなる温度−出力特性を示す。言い換えれば、燃料電池１０は、比較的高い温度帯に出力の最大値があり、燃料電池２６は、比較的低い温度帯に出力の最大値がある。

図４に、燃料電池１０及び燃料電池２６のそれぞれの温度−出力特性を示す。
図４に示すように、燃料電池１０は、比較的高い出力で発電するもので、環境温度（冷媒温度）６０〜７０℃付近において最大出力が出るようになっている。すなわち、通常運転用の燃料電池１０は、例えば環境温度１０℃から発電することは可能になっているが、その温度では効率が悪く、環境温度５０℃を超えてから最大出力に近い出力で発電することが可能になっている。これに対し、低温起動用の燃料電池２６は、環境温度−２０℃付近から発電可能になっており、環境温度２０〜３０℃付近において最大出力が出るようになっている。その代わり、この燃料電池２６は、始動時等、初期動作に足りるだけの比較的低い発電出力を有している。このように、燃料電池２６は、燃料電池１０に比べ、相対的に低い温度で最大出力を出せるため、始動時や低温時であっても暖機をすることなく短時間で発電が可能である。図４の特性から、本実施形態における低温起動用の燃料電池２６の動作可能領域は−２０〜４０℃、通常運転用の燃料電池１０の動作可能領域は、１０〜９０℃で、４０〜８０℃がより好ましいものといえる。

このような燃料電池ごとの温度−出力特性は、いろいろな要素により相違させることが可能である。例えば、各単セルの流路構造、ＭＥＡの仕様や材料の相違による。一般にＭＥＡの保水性が低いように燃料電池を構成すると、運転温度が５０℃を超える場合に出力が低下する傾向にある。

本発明では、冷媒の温度が所定のしきい値温度ＴＬより低い場合に、燃料電池２６により優先的に発電させ、この温度ＴＬより高い場合に、燃料電池１０により優先的に発電させるように制御するものである。温度―出力特性の相違は必ずしも燃料電池の出力量とは相関しない。

図２のフローチャートを参照して、本実施形態の動作を説明する。
図２に示す処理は、起動時または再起動時に適用することが通常である。但し、通常運転中に定期的に実施すれば、極端に環境温度が下がっている場合に燃料電池を切り替えることができる。
まず循環ポンプ１２が駆動される（Ｓ１）。既に駆動されている場合にはその動作が継続される。循環ポンプ１２の駆動により冷媒の循環が始まることにより、温度が均一化され、適正な温度計測が行える。

次いで、温度センサＴinからの検出信号が取り込まれ、冷媒の温度ｔが測定される（Ｓ２）。冷媒の温度ｔが、しきい値温度ＴＬより低かった場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、低温起動用の燃料電池２６を運転開始させる温度と判断される。このため、冷媒の循環を冷却経路２にも及ぼさせるために、遮断弁２８が開弁される（Ｓ４）。すなわち、冷却経路２及び冷却経路１にともに冷媒を循環させるため、循環ポンプ１２が所定の回転数で駆動される。

また、オプションにより、スイッチ２４が投入されて、冷媒温度を上昇させるためのヒータ２０にバッテリ２２から電流を供給される（Ｓ５）。これにより、冷媒タンク１６中の冷媒がヒータ２０に供給される電力に応じたエネルギーで加熱される。ヒータによる強制加熱は、例えば冷媒温度が所定温度より低く、燃料電池２６の運転による発熱だけでは、燃料電池１０が効率的に運転可能な温度にまで冷媒温度が上昇するのに時間がかかる場合や、燃料電池２６が効率的に行える温度よりも冷媒温度が低い場合等が考えられる。例えば冷媒温度が極低温（―２０℃）〜氷点以下（≦０℃）の場合にはヒータ２０を使う、というように設定できる。

次いで、水素ガス供給系及び空気供給系の各補機が起動される。また、遮断弁４０、４２、４４、４６が開弁されて、低温起動用の燃料電池２６に水素ガス及び空気が供給されるようになる（Ｓ６）。このとき、遮断弁３０、３２、３４、３６は未だ閉弁されているので、通常運転用の燃料電池１０は発電を停止したままである。以上の処理により、燃料電池２６のみに電気化学反応を生じ、アノード−カソード間に電圧が生じるようになる。そして燃料電池２６が運転されるにつれ電気化学反応に対応して発生する熱で、場合によってはヒータ２０によって生ずる熱で、冷媒温度が上昇する。この冷媒は冷却経路２と冷却経路１とを共に循環しているので、冷却経路１から燃料電池１０内部のセパレータに供給されて、燃料電池１０を徐々に暖めていく。

図３Ａに、上記切換により冷媒が循環する経路を実線で示す。図３Ａに示すように、共通経路を循環ポンプ１２の駆動で流れる冷媒は、ヒータ２０の電源投入による熱で加熱され、燃料電池２６の発電による熱で加熱され、動作していない燃料電池１０を内部から暖めて再び共通経路に戻される。

一方、冷媒の温度ｔが、しきい値温度ＴＬ以上であった場合（Ｓ３：ＮＯ）、既に冷媒の温度が通常運転用の燃料電池１０に適する程度になっているので、通常運転用の燃料電池１０の運転を開始させる。まず、冷媒を冷却経路１のみに循環させるため、遮断弁２８が閉弁される（Ｓ１０）。また、冷却経路１に冷媒を循環させるために適する回転数で、循環ポンプ１２が駆動される。

ヒータ２０が投入されていた場合には、既に冷媒温度が十分に上昇したものとして、スイッチ２４が切断され、ヒータ２０による加熱が停止させられる（Ｓ１１）。

そして、水素ガス及び空気が、燃料電池１０にのみ供給されるように、低温起動用の燃料電池２６の遮断弁４０、４２、４４、４６が閉弁される一方、通常運転用の燃料電池１０の遮断弁３０、３２、３４、３６が開弁される（Ｓ１２）。これらの処理により、冷媒は冷却経路１のみに循環し、燃料電池１０のみが発電するようになる。

図３Ｂに、上記切換により冷媒が循環する経路を実線で示す。図３Ｂに示すように、冷媒は、燃料電池２６には流れることなく、冷却経路１のみを流れる。ヒータ２０は電源が切断されているので、結局燃料電池１０の動作による熱で暖められることになる。冷媒の温度が高くなりすぎるようであれば、オプションにより、冷却装置１４が駆動されて、冷媒温度が調整される。

なお、上記しきい値ＴＬは、低温起動用の燃料電池２６が最大値を示す温度よりは高く、通常運転用の燃料電池１０が最大値を示す温度よりは低い中間の温度に設定することが好ましい。本実施形態では、図４に示すように、低温起動用の燃料電池２６の出力ピークは、２０〜３０℃付近にあり、通常運転用の燃料電池１０は６０〜７０℃に出力ピークがあるので、例えば、しきい値ＴＬを４０℃付近に設定すればよい。

なお、上記実施形態では、冷媒の温度がしきい値より低いか否かで燃料電池を選択していたが、システムの始動時または所定時間を経過した後の再起動時には、燃料電池全体の温度が下がっているという仮定のもの、始動時（再起動時）か否かで燃料電池を切り替えるように構成してもよい。すなわち、システムが起動時であったり、所定時間経過しての再起動時であった場合には、燃料電池２６のみを選択して起動させたり、燃料電池２６と燃料電池１０とを共に起動させたりすることができる。そして、一定時間経過後、または、上記実施形態と同様に冷媒温度が一定以上であった場合に、燃料電池１０のみによる運転をさせるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、各燃料電池の出力はコンバータを介した並列接続になっていたが、直列接続としてもよい。また、それぞれ独立させて電力系統を構成してもよい。

以上説明したように、本実施形態１の構成によれば、２つの燃料電池１０及び２６は異なる温度−出力特性を有するように調整されている。そして、しきい値ＴＬより低い温度では、低い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備えた燃料電池２６が選択されて始動されるので、暖機前から選択された燃料電池における効率のよい運転が行われる。このため、暖機が全くされない状態でも相対的に高い出力が得られる。

また、本実施形態１の構成によれば、冷却経路１及び冷却経路２には、一部共通の冷却経路が構成されている。そして、共通の冷却経路に冷媒を循環させる循環ポンプ１２を備えるので、先に駆動される燃料電池２６の反応熱により、より高い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備える燃料電池１０を効果的に暖めることができる。このため、相対的に高い温度で運転される燃料電池１０の暖機時間を短縮させることができる。また、補機を共通の冷却経路上で兼用させることができるので、独立した冷却経路を設ける場合に比べ、部品点数を削減可能である。

また、本実施形態１の構成によれば、冷媒を加熱するヒータ２０を備えるので、冷媒の温度が極端に低い場合や、相対的に高い温度で効率のよい燃料電池の適正運転温度がかなり高い場合であっても、燃料電池の暖機時間を短縮させることが可能である。

また、本実施形態１の構成によれば、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池２６が運転している場合に、ヒータ２０で加熱させるので、起動時間の短い燃料電池２６のみが運転されている間に冷媒温度を十分上げ、高出力の燃料電池１０を起動させるための暖機をさせることが可能である。

また、本実施形態１の構成によれば、冷媒の温度がしきい値ＴＬ以上になった場合に、複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池１０が選択されるので、冷媒温度に応じてその温度で発電効率のよい燃料電池を選択可能である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、所定の温度範囲で、二つの燃料電池を共に運転させる発明に関する。
図５に、本実施形態２における燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図５に示すように、本燃料電池システムは、基本的に上記実施形態１と同様のシステム構成を備える。但し、本実施形態２における燃料電池システムに、冷却経路１にも制御部３により開弁／閉弁の制御が可能な遮断弁２９を備える点で異なる。この冷却経路１に設けられた遮断弁２９と、冷却経路２に設けられた前述の遮断弁２８とは、制御部３により独立して開弁／閉弁が制御可能になっている。すなわち、遮断弁２８を閉弁させ、遮断弁２９を開弁させることで、冷媒を冷却経路１のみに循環させることができる。また、遮断弁２８を開弁させ、遮断弁２９を閉弁させることで、冷媒を冷却経路２のみに循環させることができる。さらに遮断弁２８と２９とを共に開弁させることで、冷媒を冷却経路１及び冷却経路２の双方に循環させることもできる。

次に図６のフローチャートを参照して、本実施形態２の動作を説明する。
図６に示す処理は、起動時または再起動時に適用することが通常である。但し、通常運転中に定期的に実施すれば、極端に環境温度が下がっている場合に燃料電池を切り替えることができる。
まず循環ポンプ１２が駆動される（Ｓ２０）。既に駆動されている場合にはその動作が継続される。循環ポンプ１２の駆動により冷媒の循環が始まることにより、温度が均一化され、適正な温度計測が行える。

次いで、温度センサＴinからの検出信号が取り込まれ、冷媒の温度ｔが測定される（Ｓ２１）。冷媒の温度ｔが、第１しきい値温度Ｔ１より低かった場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、少なくとも低温起動用の燃料電池２６を運転すべき温度と判断される。図４に示すように、この第１しきい値温度Ｔ１は、低温起動用の燃料電池２６が発電可能であり出力が低下しない程度の上限の温度とすることが好ましい。この温度では、また冷媒の温度は相対的に低めであると判断されるので、オプションにより、スイッチ２４が投入されて、冷媒温度を上昇させるためのヒータ２０にバッテリ２２から電流を供給される（Ｓ２３）。これにより、冷媒タンク１６中の冷媒がヒータ２０に供給される電力に応じたエネルギーで加熱される。

さらに、冷媒の温度ｔが今度は、第１しきい値温度Ｔ１よりも低い第２しきい値温度Ｔ２より低いか否かが判断される（Ｓ２４）。図４に示すように、この第２しきい値温度Ｔ２は、通常運転用の燃料電池１０が効率は悪いながらも発電可能な程度の下限の温度とすることが好ましい。冷媒の温度ｔがこの第２しきい値温度Ｔ２よりも低かった場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、通常運転用の燃料電池１０の運転には適さない程冷媒の温度が低いことを意味している。このため、低温起動用の燃料電池２６のみを運転させる必要がある。冷媒の循環を冷却経路２にのみ及ぼさせるために、遮断弁２８が開弁され、遮断弁２９が閉弁される（Ｓ２５）。この制御により、冷媒は冷却経路２のみに循環可能とされ、循環ポンプ１２の回転数で循環する。

次いで、水素ガス供給系及び空気供給系の各補機が起動される。また、遮断弁４０、４２、４４、４６が開弁されて、低温起動用の燃料電池２６に水素ガス及び空気が供給されるようになる（Ｓ２６）。このとき、遮断弁３０、３２、３４、３６は未だ閉弁されているので、通常運転用の燃料電池１０は発電を停止したままである。以上の処理により、燃料電池２６のみに電気化学反応を生じ、アノード−カソード間に電圧が生じるようになる。そして燃料電池２６が運転されるにつれ電気化学反応に対応して発生する熱で、場合によってはヒータ２０によって生ずる熱で、冷媒温度が上昇する。この冷媒は冷却経路２と冷却経路１とを共に循環しているので、冷却経路１から燃料電池１０内部のセパレータに供給されて、燃料電池１０を徐々に暖めていく。

一方、冷媒の温度ｔがこの第２しきい値温度Ｔ２以上であった場合（Ｓ２４：ＮＯ）、冷媒の温度ｔは、第１のしきい値温度Ｔ１と第２のしきい値温度Ｔ２との間の温度範囲にある。この温度範囲では、通常運転用の燃料電池１０も低温起動用の燃料電池２６とも発電可能な温度であることを意味している。このため、双方の燃料電池１０及び燃料電池２６を運転させるため、遮断弁２８及び遮断弁２９がともに開弁される（Ｓ２８）。この制御により、冷媒は冷却経路１及び冷却経路２の双方に循環可能とされる。

そして、水素ガス及び空気が、燃料電池１０及び燃料電池２６の双方に供給されるように、総ての遮断弁３０、３２、３４、３６、４０、４２、４４、４６が開弁される（Ｓ２９）。これらの処理により、冷媒は冷却経路１及び冷却経路２をともに循環し、燃料電池１０及び燃料電池２６の双方が発電するようになる。

また、上記ステップＳ２２で、冷媒温度ｔが第１しきい値温度Ｔ１以上であった場合（Ｓ２２：ＮＯ）、少なくとも低温起動用の燃料電池２６は運転に適さない程度に冷媒温度が高くなっていることを意味する。そこで、ヒータ２０が投入されていた場合には、既に冷媒温度が十分に上昇したものとして、スイッチ２４が切断され、ヒータ２０による加熱が停止させられる（Ｓ３０）。

そして、冷媒が冷却経路１のみを循環するように、遮断弁２８が閉弁され、遮断弁２９が開弁される（Ｓ３１）。そして、水素ガス及び空気が、燃料電池１０にのみ供給されるように、低温起動用の燃料電池２６の遮断弁４０、４２、４４、４６が閉弁される一方、通常運転用の燃料電池１０の遮断弁３０、３２、３４、３６が開弁される（Ｓ３２）。これらの処理により、冷媒は冷却経路１のみに循環し、燃料電池１０のみが発電するようになる。

以上、本実施形態２の構成によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
特に実施形態２によれば、冷媒の温度が、第１しきい値温度Ｔ１と第２しきい値温度Ｔ２との間の温度範囲にある場合に、２つの燃料電池１０及び２６が同時に発電するので、そのような温度範囲にある場合に、総合出力を上げることができ、また、冷媒温度も、より早く上昇させることが可能となる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、複数の燃料電池スタックを、同一の筐体内に収納した例に関する。
図７に、本実施形態３の燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図７に示すように、本燃料電池システムは、一つの燃料電池１０が、同一に締結荷重管理された二つのスタックブロック１０１と１０２とに分割されている点に特徴がある。スタックブロック１０１に相当する部分が、上記実施形態の通常運転用の燃料電池に相当し、スタックブロック１０２に相当する部分が、上記実施形態の低温起動用の燃料電池に相当するように、温度―出力特性が調整されて構成されている。それぞれの燃料電池に対する周辺構造については、実施形態１または２と同様に考えることができる。

本実施形態３による動作は、上記実施形態と全く同様に考えることができる。すなわち、遮断弁２８により、冷却経路２を有効にしたり無効にしたりする場合には、実施形態１と同様に遮断弁２８を開弁させたり閉弁させたりすることで制御することができる。また、遮断弁２９をさらに冷却経路１に設ける場合には、実施形態２と同様に動作させることができる。

本実施形態３によれば、燃料電池の構造を一つの筐体に同一に締結荷重管理して複数の燃料電池を設けたことと等価に構成したので、スペースの無駄無く本発明の作用効果を得ることができる。また、燃料電池の筐体を一つとしたので、経済的でもある。

また、冷却経路を通常の燃料電池システムと同様に、複数のスタックブロックに共通して流れる共通の冷却経路とすることもできる。このように構成すれば、低温起動用のスタックブロックにおける発熱が直接通常運転用のスタックブロックに及ぼされるので、暖機時間を短縮化することが可能である。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、図８に示すように、複数の燃料電池１０及び２６における電力系を直列接続として出力を取り出すように構成してもよい。このように構成すれば、コンバータの数を少なくすることが可能であり経済的である。このとき、発電していない燃料電池の方を電気的にバイパスするような構成を備えることが好ましい。

また、例えば、図９に示すように、通常運転用の主燃料電池（上記実施形態の燃料電池１０に相当）による主たる発電と、低温起動用の副燃料電池（上記実施形態の燃料電池２６に相当）による従たる発電との間の切換にヒステリシス特定を持たせてもよい。すなわち、低温側から高温側に温度が上昇する場合には、所定の温度ＴＨになるまで従たる副燃料電池により発電され、温度ＴＨを超えて初めて主燃料電池に切り替えられる。また高温側から低温側に温度が下降する場合には、温度ＴＬ（＜ＴＨ）より下がって初めて主燃料電池から副燃料電池に切り替えられる。このようにヒステリシスを持たせることで、温度を基準として燃料電池を切り替える構成とした場合に発生しうる、燃料電池切換時に両方の燃料電池間で切替動作が安定せずに繰り返される振動のような現象を防止させることが可能である。

さらに、上記実施形態では、二つの燃料電池間の切替のみを説明したが、それ以上の燃料電池間の切替をさえてもよい。すなわち、このような燃料電池システムでは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池、冷媒温度を検出する温度センサ、温度センサにより検出された温度において、最も効率的に発電可能な温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置を備える。この構成によれば、その時々の冷媒温度で最も発電効率のよい燃料電池が選択される。

なお、本発明は、燃料電池システムを搭載する車両、船舶、航空機などの移動体のみならず、ビル、家屋などの閉空間に定置された燃料電池システムにも適用することができる。

実施形態１の燃料電池システムのブロック構成図 実施形態１の動作を説明するフローチャート 低温時における冷媒の循環の様子 高温時における冷媒の循環の様子 複数の燃料電池間における温度−出力特性図 実施形態２の燃料電池システムのブロック構成図 実施形態２の動作を説明するフローチャート 実施形態３の燃料電池システムのブロック構成図 変形例の燃料電池システムのブロック構成図 変形例のヒステリシス特性を持たせる燃料電池間の切替説明図

符号の説明

１、２…冷却経路、３…制御部、１０…燃料電池、１２…循環ポンプ、１４…冷却装置、１６ …冷媒タンク、２０…ヒータ、２２…バッテリ、２４…スイッチ、２６…燃料電池、２８ 、２９、３０、３２、３４、３６、４０、４２、４４、４６…遮断弁、５０…スイッチ、 ５２、５４…コンバータ、１０１、１０２…スタックブロック、Ｔin、Ｔout…温度セン サ

Claims (10)

1. 互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、
   始動時に、該複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、
   環境温度を検出する温度検出装置と、
   該温度検出装置により検出された温度が所定の温度より低い場合に、該複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 複数の前記燃料電池の各々に、それぞれの燃料電池を冷却する冷却経路をそれぞれ備え、
   それぞれの前記冷却経路は一部共通の冷却経路を構成しており、
   前記共通の冷却経路に、冷媒を循環させる強制循環装置を備える、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記共通の冷却経路に、冷媒を加熱する加熱装置をさらに備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. より低い温度側で効率的に発電する前記燃料電池が運転している場合に、前記加熱装置により冷媒を加熱させる、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷媒の温度が所定の温度より高くなった場合に、前記複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を選択して発電させる、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷媒の温度が、所定の温度範囲にある場合に、複数の前記燃料電池を同時に発電させる、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
8. 前記冷媒の温度が第１の温度より低い場合に、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、
   前記冷媒の温度が該第１の温度より高い第２の温度以上である場合に、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、
   前記冷媒の温度が該第１の温度以上であって該第２の温度より低い場合に、前記複数の燃料電池を共に運転させる、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
9. 所定の温度対出力特性を有する第１の燃料電池と、
   該第１の燃料電池における該所定の温度対出力特性に比べ、より低い温度側に出力の最大値がある第２の燃料電池と、
   該第１の燃料電池または該第２の燃料電池を冷却する冷媒の温度を測定する温度検出装置と、
   該温度検出装置で検出された冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、該第２の燃料電池により優先的に発電させ、該所定の温度より高い場合に該第１の燃料電池により優先的に発電させる制御装置と、
   該第１の燃料電池に冷媒を供給させる第１の冷却経路と、
   該第１の冷却経路と共通の冷媒を該第２の燃料電池に供給させる第２の冷却経路と、
   該第１の冷却経路と該第２の冷却経路とを切り替える切換手段と、を備え、
   該切換手段は、該第２の燃料電池が発電している場合には該第１の燃料電池および該第２の燃料電池の双方に冷媒を供給させ、該第１の燃料電池が発電している場合には該第１の燃料電池に冷媒を供給させることを特徴とする燃料電池システム。
10. 互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、
    環境温度を検出する温度検出装置と、
    該温度検出装置により検出された温度において、最も効率的に発電可能な温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
    
    

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