JP2007294291A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な制御でシステム起動時におけるアノード側の水素置換を短時間で行い、燃料電池の触媒劣化を有効に抑制できるようにする。
【解決手段】複数のサブスタック１１〜１５から構成される燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を、複数のサブスタック１１〜１５に並行して水素ガスが供給される並列供給経路と、複数のサブスタックに順次水素ガスが供給される直列供給経路とで切り替えられるようにする。そして、燃料電池スタック１０の起動時には、当該燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を直列供給経路として、個々のサブスタック１１〜１５に供給される水素ガスの流速を高め、サブスタック１１〜１５毎のアノード側の水素置換時間を短縮させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のサブスタックから構成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池に水素ガスなどの燃料ガスと酸素を含む空気などの酸化剤ガスとを供給し、これら燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池の電解質を介して電気化学的に反応させて、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを取り出すものである。燃料電池には、使用する電解質の違いなどで様々な種類のものが提案されているが、中でも、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易であるという特徴を有しており、電動車両用の電源としての用途が見込まれている。

一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位である発電セルは、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が、一対のセパレータによって挟持された構造とされており、一方のセパレータの膜電極構造体と接する内面側には燃料ガスとしての水素ガスが流れる流路が形成され、他方のセパレータの膜電極構造体と接する内面側には酸化剤ガスとしての空気が流れる流路が形成されている。また、固体高分子電解質膜の両面に形成される電極触媒層は、通常、触媒に白金が用いられ、触媒担体として炭素が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。固体高分子型燃料電池の各発電セルでは、電極触媒層の一方がアノード（燃料極）、他方がカソード（酸化剤極）となり、アノードに燃料ガスとしての水素ガス、カソードに酸化剤ガスとしての空気が、それぞれセパレータに形成された流路から供給されることで、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード（燃料極） ：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード（酸化剤極）：２Ｈ＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
固体高分子型燃料電池は、通常、以上のような発電セルを多段に積層したスタック構造とされる。そして、特に、電動車両用の電源のように、高出力が要求される用途で使用する場合には、積層されるセル数が極めて多くなるため、所定数の発電セル毎にサブスタックと呼ばれる積層体を形成し、複数のサブスタックの組み合わせで燃料電池スタックが構成されるようにしている。

ところで、以上のような固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、システム起動時に、カソード側で電解質膜上の炭素と水が反応して炭素被毒が起こり、電解質膜及び電極触媒の劣化を招くことがあるという問題が指摘されている。すなわち、システム起動直後は、システム停止期間中に水素が空気等に置換されたアノード側へ水素ガスが供給されることで、アノード側のガス組成が水素と酸素とが混在した状態となる。このとき、アノード側からカソード側へとプロトン（Ｈ^＋）が移動し、移動したプロトンとカソード側の酸素が反応して水が生成される。この反応では電子（ｅ⁻）が必要とされるが、負荷が接続されていないため負荷電流は停止しており、アノード側からカソード側への電子の移動がない状態である。このため、カソード側に存在する水と電解質膜上の触媒担体である炭素とが反応して二酸化炭素とプロトンと電子が生成され、生成された電子がカソード側での水生成反応に使用されることになり、炭素被毒が発生して触媒劣化につながる。このような燃料電池の触媒劣化は、燃料電池出力のＩ−Ｖ特性に影響を及ぼして大きな発電電力を得ることが困難となるばかりか、燃料電池の寿命低下を招いて長期間の安定的な運転の妨げとなる。

以上のようなシステム起動時における燃料電池の触媒劣化への対策としては、例えば、システム起動直後に、燃料電池のアノード側に供給する水素ガスの圧力を通常運転時における供給圧よりも高く設定し、水素パージ弁を開放しながら、燃料電池のアノード側に高圧の水素ガスを供給することで、アノード側に残留している酸素を短時間で排出して均一な濃度の水素ガスに置換できるようにするという手法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−３７３６７４号公報 特開２００４−１３９９８４号公報

しかしながら、前記特許文献２にて開示されている手法では、燃料電池のアノード側に高圧の水素を供給することでアノード側に残留している酸素を短時間で排出させるようにしているため、電解質膜を挟んで対峙するアノード側とカソード側との間に差圧が生じやすく、このアノードとカソード間の差圧により電解質膜がダメージを受けることが懸念される。また、このようなアノードとカソード間の差圧を電解質膜の許容圧力以下に抑えて電解質膜がダメージを受けないようにするために、カソード側に供給する空気の圧力をアノード側の水素ガス圧力に合わせて調整することも考えられるが、このような圧力制御は制御自体が煩雑であり、また、エアコンプレッサ等の空気加圧装置の稼動が必要となるため、エネルギロスにつながるという問題もある。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、簡便な制御でシステム起動時におけるアノード側の水素置換を短時間で行えるようにして、燃料電池の触媒劣化を有効に抑制できるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池システムは、複数のサブスタックから構成される燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を、複数のサブスタックに並行して燃料ガスが供給される並列供給経路と、複数のサブスタックに順次燃料ガスが供給される直列供給経路とで切り替える切替手段を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に、当該燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を直列供給経路とすることで、燃料ガス供給経路上流側のサブスタックから下流側のサブスタックへと順番に燃料ガスが供給されることになる。したがって、燃料ガスの供給経路を並列供給経路とした場合と比べて、個々のサブスタックに供給される燃料ガスの流速を高めることができ、サブスタック毎のアノード側の水素置換時間を短縮することができる。

また、本発明に係る他の燃料電池システムは、複数のサブスタックから構成される燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を、複数のサブスタックに並行して燃料ガスが供給される並列供給経路と、複数のサブスタック毎に個別に燃料ガスが供給される個別供給経路とで切り替える切替手段を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に、当該燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を個別供給経路とすることで、各サブスタックに対して他のサブスタックから独立して燃料ガスが供給されることになる。したがって、燃料ガスの供給経路を並列供給経路とした場合と比べて、個々のサブスタックに供給される燃料ガスの流速を高めることができ、サブスタック毎のアノード側の水素置換時間を短縮することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの起動時に、サブスタック毎に短時間でアノード側の水素置換が行われるので、アノード側のガス組成が不均一になることに起因する起動時の燃料電池スタックの触媒劣化を有効に抑制できる。また、起動時に供給する燃料ガスの圧力を高めることなく、燃料ガスの供給経路の切り替えによりサブスタック毎の燃料ガスの流速を高めることでアノード側の水素置換時間を短縮できるので、燃料電池スタック起動時における触媒劣化の抑制を簡便な制御で実現できる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、燃料電池システムの概略構成について簡単に説明する。燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素供給系と、燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系とを主要な構成要素として備える。

燃料電池スタックとしては、例えば、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する性質を持つ。固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してなる発電セルを１単位とし、この発電セルが多段に積層されたスタック構造を有する。そして、各発電セルのアノード側に水素供給系からの水素ガス、カソード側に空気供給系からの空気がそれぞれ供給されることで、各発電セルのアノードとカソード間での電極反応により電力が発電される。なお、各発電セルの電極触媒層には、例えば、白金微粒子などの触媒をカーボンブラックなどの触媒担体で担持したものが用いられる。

本実施形態の燃料電池システムは、電動車両用の電源としての用途で使用することを想定したものである。したがって、燃料電池スタックに対しては極めて高い出力が要求され、燃料電池スタックとして積層される発電セルのセル数が多数となる。このため、本実施形態の燃料電池システムでは、所定数の発電セル毎にサブスタックと呼ばれる積層体を形成して、このサブスタックを複数個組み合わせた構成の燃料電池スタックを用いている。

水素供給系は、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクを備え、この高圧水素タンクから取り出した水素ガスを減圧弁や水素調圧弁で所望の圧力に調整した上で、燃料電池スタックのアノード側に供給する構成となっている。ここで、特に本発明を適用した燃料電池システムでは、この水素供給系の燃料電池スタックに対する水素ガスの供給経路を、燃料電池スタックの起動時と通常発電時とで切り替えられるようにしているが、この水素ガスの供給経路の切り替えについては、詳細を後述する。なお、水素供給系の基本的な構成は以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。

また、空気供給系は、例えば、外気を吸入し、圧縮して吐出するエアコンプレッサを備え、このエアコンプレッサで圧縮した空気を、加湿装置などにより十分に加湿した上で、燃料電池スタックのカソード側に供給する構成となっている。なお、この空気供給系の構成についても以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。また、電動車両用の電源として使用される燃料電池システムには、以上の水素供給系や空気供給系のほか、燃料電池スタックを適正な動作温度に保つための冷却系なども適宜設けられるが、これら冷却系などの構成も、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。

以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、システム内の各部の動作はコントロールユニットによって統括的に制御される。すなわち、コントロールユニットは、システム内に設けられた各種センサ（圧力センサや流量センサ、温度センサ、電圧センサなど）の検出値をモニタリングしてシステムの動作状況を把握するとともに、車両の運転状況などに応じて燃料電池システムに要求される発電量を把握し、燃料電池スタックから要求発電量に見合う出力が得られるように、水素供給系の動作や空気供給系の動作などを統括的に制御する。また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、上述したように水素供給系における燃料電池スタックへの水素ガスの供給経路を燃料電池スタックの起動時と通常発電時とで切り替えられるようにしているが、この水素ガスの供給経路の切り替えも、コントロールユニットにより制御される。

燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に水素供給系から燃料電池スタックへの水素ガスの供給が開始されるが、起動開始直後は、燃料電池スタックのアノード内は空気が残存した状態であり、ここに水素ガスが供給されることで、アノード側のガス組成が水素と酸素とが混在した状態となる。このような燃料電池スタックのアノード側におけるガス組成の不均一状態は、カソード側での触媒劣化につながるため、起動開始直後に燃料電池スタックのアノード側の空気を素早く水素ガスで置換して、アノード側を均一な水素ガスで満たした状態とすることが重要となる。

燃料電池スタックのアノード側の水素置換を素早く行うためには、燃料電池スタックの起動時にアノード側に供給する水素ガスの流速を高めることが有効であることが、実験により確認されている。ただし、本実施形態の燃料電池システムのように、電動車両用の電源として車両に搭載されるシステムにおいては、一度に流せる水素ガスの流量は限られるため、流量の増加により水素ガスの流速を高めるには限界がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に、通常の発電時とは異なる供給経路で燃料電池スタックに対する水素ガスの供給を行うことにより、燃料電池スタックを構成する個々のサブスタックに供給される水素ガスの流速を高めて、サブスタック毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにし、アノード側のガス組成が不均一になることに起因する燃料電池スタックの触媒劣化を抑制できるようにしている。

以下、本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的な水素ガス供給経路の切り替えについて、３つの具体例（第１実施例〜第３実施例）を例示して説明する。

［第１実施例］
図１は、第１実施例の燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。この第１実施例では、燃料電池スタック１０が、第１乃至第５の５つのサブスタック１１〜１５の組み合わせで構成されている。これら燃料電池スタック１０を構成する各サブスタック１１〜１５への水素ガスの供給は、水素供給配管を通じて行われる。すなわち、水素供給源となる高圧水素タンク（図示せず）と燃料電池スタック１０を構成する各サブスタック１１〜１５は水素供給配管により接続されており、この水素供給配管が燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を形成する。

第１実施例の水素供給配管は、図１に示すように、各サブスタック１１〜１５が並ぶ方向に沿って延びる一対の合流配管（第１合流配管１６及び第２合流配管１７）を有し、これら第１合流配管１６と第２合流配管１７とから、各サブスタック１１〜１５毎に分岐配管１６ａ〜１６ｅ，１７ａ〜１７ｅがそれぞれ分岐して、分岐配管１６ａ，１７ａが第１サブスタック１１に接続され、分岐配管１６ｂ，１７ｂが第２サブスタック１２に接続され、分岐配管１６ｃ，１７ｃが第３サブスタック１３に接続され、分岐配管１６ｄ，１７ｄが第４サブスタック１４に接続され、分岐配管１６ｅ，１７ｅが第５サブスタック１５に接続された配管構造となっている。

また、第１実施例では、第１合流配管１６における分岐配管１６ａの分岐位置と分岐配管１６ｂの分岐位置との間に第１開閉弁１８が設けられ、第２合流配管１７における分岐配管１７ｂの分岐位置と分岐配管１７ｃの分岐位置との間に第２開閉弁１９が設けられ、第１合流配管１６における分岐配管１６ｃの分岐位置と分岐配管１６ｄの分岐位置との間に第３開閉弁２０が設けられ、第２合流配管１７における分岐配管１７ｄの分岐位置と分岐配管１７ｅの分岐位置との間に第４開閉弁２１が設けられている。すなわち、第１実施例では、第１乃至第４の４つの開閉弁１８〜２１が、第１合流配管１６と第２合流配管１７とに千鳥状に配置されている。

また、第１実施例では、燃料電池スタック１０を構成する第１乃至第５のサブスタック１１〜１５のうち、水素供給配管の水素ガス出口側に最も近い位置の第５サブスタック１５に、当該サブスタックの電圧を検出する電圧センサ２２が設けられている。

以上の構造を前提として、第１実施例では、燃料電池スタック１０の通常発電時においては、システム全体を統括的に制御するコントロールユニット（図示せず）が、第１乃至第４の開閉弁１８〜２１を全て開いた状態で、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路は、図２（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１乃至第５のサブスタック１１〜１５のそれぞれに並行して水素ガスが供給される並列供給経路とされる。すなわち、燃料電池スタック１０の通常発電時には、水素供給系の高圧水素タンクから取り出された水素ガスが、減圧弁や水素調圧弁により所望の圧力に調整された上で、第１合流配管１６から分岐配管１６ａ〜１６ｅを介して第１乃至第５のサブスタック１１〜１５にほぼ同時に供給される。そして、第１乃至第５のサブスタック１１〜１５から排出される排ガスが、分岐配管１７ａ〜１７ｅを介して第２合流配管１７で合流し、例えば後段の排ガス処理装置などに導かれる。

第１実施例では、燃料電池スタック１０の通常発電時に、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を図２（ａ）のような並列供給経路とし、第１乃至第５のサブスタック１１〜１５に水素ガスをほぼ同時に供給することで、例えば車両の急加速時など、燃料電池スタック１０に要求される発電量が急激に増加した場合でも、燃料電池スタック１０に局所的或いは全体的な水素ガスの供給不足を生じさせることなく、燃料電池スタック１０からの電力の取り出しを適切に行えるようにしている。

また、第１実施例では、燃料電池スタック１０の起動時においては、コントロールユニットが、第１乃至第４の開閉弁１８〜２１を全て閉じた状態で、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路は、図２（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１乃至第５のサブスタック１１〜１５に順次水素ガスが供給される直列供給経路とされる。すなわち、燃料電池スタック１０の起動時には、水素供給系の高圧水素タンクから取り出された水素ガスが、減圧弁や水素調圧弁により所望の圧力に調整された上で、第１合流配管１６から分岐配管１６ａを介して第１サブスタック１１に供給される。そして、第１サブスタック１１を通過した水素ガスが、分岐配管１７ａから第２合流配管１７に導かれた後、分岐配管１７ｂを介して第２サブスタック１２に供給される。さらに、第２サブスタック１２を通過した水素ガスが、分岐配管１６ｂから第１合流配管１６に導かれた後、分岐配管１６ｃを介して第３サブスタック１３に供給され、第３サブスタック１３を通過した水素ガスが、分岐配管１７ｃから第２合流配管１７に導かれた後、分岐配管１７ｄを介して第４サブスタック１４に供給される。そして、第４サブスタック１４を通過した水素ガスが、分岐配管１６ｄから第１合流配管１６に導かれた後、分岐配管１６ｅを介して第５サブスタック１５に供給されて、最後に、第５サブスタック１５を通過した水素ガスが、分岐配管１７ｅから第２合流配管１７に導かれた後、例えば後段の排ガス処理装置などに導かれる。

第１実施例では、燃料電池スタック１０の起動時には、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を図２（ｂ）のような直列供給経路とし、第１乃至第５のサブスタック１１〜１５に水素ガスを順次供給することで、第１乃至第５のサブスタック１１〜１５に供給される水素ガスの流速を高めて、各サブスタック１１〜１５毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにしている。すなわち、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を図２（ｂ）のような直列供給経路とした場合、個々のサブスタックに供給される水素ガスの流速は、図２（ａ）のような並列供給経路と比べて高められることになる。また、第２乃至第５のサブスタック１２〜１５は、前段のサブスタック１１〜１４におけるアノード側の水素置換が終了してから、流速が高められた水素ガスが供給されることになるので、個々のサブスタック毎に見ると、アノード側の水素置換が極めて短時間で行われることになる。このように、第１実施例では、燃料電池スタック１０の起動時に、コントロールユニットの制御により燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を図２（ｂ）に示すような直列供給経路とすることで、燃料電池スタック１０を構成する第１乃至第５のサブスタック１１〜１５毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにして、アノード側のガス組成が不均一になることに起因する燃料電池スタック１０の触媒劣化を抑制できるようにしている。

また、第１実施例では、コントロールユニットが、第５サブスタック１５に設けられた電圧センサ２２の検出値をモニタリングして、図３に示すように、当該電圧センサ２２の検出値が予め定めた所定の閾値電圧Ｖｄ以上となったときに、燃料電池スタック１０の起動が終了したと判定する。そして、コントロールユニットは、燃料電池スタック１０の起動終了を判定すると、起動時に閉じておいた第１乃至第４の開閉弁１８〜２１を全て開放して、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を、図２（ｂ）に示した直列供給経路から図２（ａ）に示した並列供給経路へと切り替える。なお、燃料電池スタック１０の起動時において、第５サブスタック１５への水素ガスの供給が開始されてから電圧センサ２２の検出値が閾値電圧Ｖｄ以上となるまでの時間ｔ１は、概ね１秒未満となる。

図４は、コントロールユニットによる水素ガス供給経路の切り替え制御の概要を示すフローチャートである。

燃料電池システムの電源が投入され、燃料電池スタック１０の起動が開始されると、コントロールユニットは、まず、ステップＳ１において、第１乃至第４の開閉弁１８〜２１を全て閉じた状態で、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給を開始させる。これにより、水素ガスの供給経路は直列供給経路となり、燃料電池スタック１０を構成する第１乃至第５のサブスタック１１〜１５に水素ガスが順次供給される。コントロールユニットは、直列供給経路による水素ガスの供給を行っている間、第５サブスタック１５に設けられた電圧センサ２２の検出値を随時読み込み（ステップＳ２）、電圧センサ２２の検出値が所定の閾値電圧以上となったときに（ステップＳ３）、燃料電池スタック１０の起動が終了したと判定する。そして、コントロールユニットは、ステップＳ４において、第１乃至第４の開閉弁１８〜２１を全て開放し、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給経路を直列供給経路から並列供給経路へと切り替える。そして、ステップＳ５において、燃料電池システムの通常運転を開始して、燃料電池スタック１０に所望の電力を発電させる。

［第２実施例］
図５は、第２実施例の燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。この第２実施例は第１実施例の変形例であり、燃料電池スタックが偶数個のサブスタックの組み合わせで構成される場合の例である。すなわち、第１実施例では図１に示したように燃料電池スタック１０が５つ（奇数個）のサブスタック１１〜１５の組み合わせで構成されていたが、第２実施例では、図５に示すように、燃料電池スタック３０が、第１乃至第４の４つ（偶数個）のサブスタック３１〜３４の組み合わせで構成されている。

また、第２実施例の水素供給配管は、図５に示すように、各サブスタック３１〜３４が並ぶ方向に沿って延びる第１合流配管３５及び第２合流配管３６から、各サブスタック３１〜３４毎の分岐配管３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄがそれぞれ分岐し、さらに、第４サブスタック３４の下流側において、第１合流配管３５と第２合流配管３６とが連通配管３７を介して連通された配管構造となっている。

また、第２実施例では、第１合流配管３５における分岐配管３５ａの分岐位置と分岐配管３５ｂの分岐位置との間に第１開閉弁３８が設けられ、第２合流配管３６における分岐配管３６ｂの分岐位置と分岐配管３６ｃの分岐位置との間に第２開閉弁３９が設けられ、第１合流配管３５における分岐配管３５ｃの分岐位置と分岐配管３５ｄの分岐位置との間に第３開閉弁４０が設けられ、第２合流配管３６における分岐配管３６ｄの分岐位置と連通配管３７との接続位置との間に第４開閉弁４１が設けられ、さらに、連通配管３７に第５開閉弁４２が設けられている。

また、第２実施例では、燃料電池スタック３０を構成する第１乃至第４のサブスタック３１〜３４のうち、水素供給配管の水素ガス出口側に最も近い位置の第４サブスタック１３４に、当該サブスタックの電圧を検出する電圧センサ４３が設けられている。

以上の構造を前提として、第２実施例では、燃料電池スタック１０の通常発電時においては、コントロールユニットが、第１乃至第４の開閉弁３８〜４１を開放するとともに第５開閉弁４２を閉じた状態として、燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給経路は、図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック３０を構成する第１乃至第４のサブスタック３１〜３４のそれぞれに並行して水素ガスが供給される並列供給経路とされ、第１乃至第４のサブスタック３１〜３４にほぼ同時に水素ガスが供給されることになる。

また、燃料電池スタック３０の起動時においては、コントロールユニットが、第１乃至第４の開閉弁３８〜４１を閉じた状態とするとともに第５開閉弁４２を開放して、燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給経路は、図６（ｂ）に示すように、燃料電池スタック３０を構成する第１乃至第４のサブスタック３１〜３４に順次水素ガスが供給される直列供給経路とされる。そして、コントロールユニットは、直列供給経路による水素ガスの供給を行っている間、第４サブスタック１５に設けられた電圧センサ４３の検出値をモニタリングして、当該電圧センサ４３の検出値が予め定めた所定の閾値電圧以上となったときに、燃料電池スタック３０の起動が終了したと判定し、起動時に閉じておいた第１乃至第４の開閉弁３８〜４１を開放するとともに、起動時に開放していた第５開閉弁４２を閉じて、燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給経路を、図６（ｂ）に示した直列供給経路から図６（ａ）に示した並列供給経路へと切り替える。

以上のように、第２実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池スタック３０の通常発電時には燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給経路を並列供給経路として、燃料電池スタック３０に要求される発電量が急激に増加した場合でも、燃料電池スタック３０に局所的或いは全体的な水素ガスの供給不足を生じさせることなく、燃料電池スタック３０からの電力の取り出しを適切に行えるようにするとともに、燃料電池スタック３０の起動時には燃料電池スタック３０に対する水素ガスの供給経路を直列供給経路として、第１乃至第４のサブスタック３１〜３４に供給される水素ガスの流速を高めて、各サブスタック３１〜３４毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにし、燃料電池スタック３０の触媒劣化を有効に抑制できるようにしている。

［第３実施例］
図７は、第３実施例の燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。この第３実施例では、図７に示すように、燃料電池スタック５０が、第１乃至第３の３つのサブスタック５１〜５３の組み合わせで構成されている。また、第３実施例の水素供給配管は、図７に示すように、各サブスタック５１〜５３が並ぶ方向に沿って延びる第１合流配管５４及び第２合流配管５５から、各サブスタック５１〜５３毎の分岐配管５４ａ〜５４ｃ，５５ａ〜５５ｃがそれぞれ分岐して、分岐配管５４ａ，５５ａが第１サブスタック５１に接続され、分岐配管５４ｂ，５５ｂが第２サブスタック５２に接続され、分岐配管５４ｃ，５５ｃが第３サブスタック５３に接続された配管構造となっている。

また、第３実施例では、第１サブスタック５１に接続される分岐配管５４ａ，５５ａに第１開閉弁５６と第２開閉弁５７とが各々設けられ、第２サブスタック５２に接続される分岐配管５４ｂ，５５ｂに第３開閉弁５８と第４開閉弁５９とが各々設けられ、第３サブスタック５３に接続される分岐配管５４ｃ，５５ｃに第５開閉弁６０と第６開閉弁６１とが各々設けられている。

また、第３実施例では、燃料電池スタック５０を構成する第１乃至第３のサブスタック５１〜５３のそれぞれに、各サブスタック５１〜５３の電圧を検出する電圧センサ６２〜６４がそれぞれ設けられている。

以上の構造を前提として、第３実施例では、燃料電池スタック５０の通常発電時においては、コントロールユニットが、第１乃至第６の開閉弁５６〜６１を全て開いた状態で、燃料電池スタック１０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路は、図８（ａ）に示すように、燃料電池スタック５０を構成する第１乃至第３のサブスタック５１〜５３のそれぞれに並行して水素ガスが供給される並列供給経路とされ、第１乃至第３のサブスタック５１〜５３にほぼ同時に水素ガスが供給されることになる。

このように第３実施例においても、第１実施例及び第２実施例と同様に、燃料電池スタック５０の通常発電時には、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を並列供給経路とし、第１乃至第３のサブスタック５１〜５３に水素ガスをほぼ同時に供給することで、例えば車両の急加速時など、燃料電池スタック５０に要求される発電量が急激に増加した場合でも、燃料電池スタック５０に局所的或いは全体的な水素ガスの供給不足を生じさせることなく、燃料電池スタック５０からの電力の取り出しを適切に行えるようにしている。

また、燃料電池スタック５０の起動時においては、コントロールユニットが、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７、第３開閉弁５８及び第４開閉弁５９、第５開閉弁６０及び代６開閉弁６１の開閉状態を順次切り替えながら、燃料電池スタック５０を構成する各サブスタック５１〜５３毎に個別に水素ガスが供給される個別供給経路にて、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給を行う。すなわち、燃料電池スタック５０の起動開始直後は、コントロールユニットは、まず、第３乃至第６の開閉弁５８〜６１は閉じた状態としながら、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７を開放して、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、図８（ｂ）に示すように、第１サブスタック５１にのみ水素ガスが供給されることになり、第１サブスタック５１のみの独立した起動が行われる。そして、第１サブスタック５１の起動が終了すると、コントロールユニットは、次に、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７を開から閉に切り替えるとともに、第３開閉弁５８及び第４開閉弁５９を閉から開に切り替え、第５開閉弁６０及び第６開閉弁６１は閉じた状態のままで、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、図８（ｃ）に示すように、第２サブスタック５２にのみ水素ガスが供給されることになり、第２サブスタック５２のみの独立した起動が行われる。そして、第２サブスタック５２の起動が終了すると、コントロールユニットは、次に、第３開閉弁５８及び第４開閉弁５９を開から閉に切り替えるとともに、第５開閉弁６０及び第６開閉弁６１を閉から開に切り替え、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７は閉じた状態のままで、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給を行う。これにより、図８（ｄ）に示すように、第３サブスタック５３にのみ水素ガスが供給されることになり、第３サブスタック５３のみの独立した起動が行われる。そして、第３サブスタック５３の起動終了、すなわち、燃料電池スタック５０を構成する全てのサブスタック５１〜５３の起動が終了すると、コントロールユニットは、第１乃至第６の開閉弁５６〜６１を全て開いた状態とし、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を、個別供給経路から並列供給経路へと切り替える。

なお、燃料電池スタック５０を構成する各サブスタック５１〜５３毎の起動終了は、各サブスタック５１〜５３に設けられた電圧センサ６２〜６４の検出値に基づいて行われる。すなわち、コントロールユニットは、図８（ｂ）に示す個別供給経路により第１サブスタック５１に対する水素ガスの供給を行っている間、第１サブスタック５１に設けられた電圧センサ６２の検出値をモニタリングして、当該電圧センサ６２の検出値が予め定めた所定の閾値電圧以上となったときに、第１サブスタック５１の起動が終了したと判定する。また、コントロールユニットは、図８（ｃ）に示す個別供給経路により第２サブスタック５２に対する水素ガスの供給を行っている間、第２サブスタック５２に設けられた電圧センサ６３の検出値をモニタリングして、当該電圧センサ６３の検出値が予め定めた所定の閾値電圧以上となったときに、第２サブスタック５２の起動が終了したと判定する。また、コントロールユニットは、図８（ｄ）に示す個別供給経路により第３サブスタック５３に対する水素ガスの供給を行っている間、第３サブスタック５３に設けられた電圧センサ６４の検出値をモニタリングして、当該電圧センサ６４の検出値が予め定めた所定の閾値電圧以上となったときに、第３サブスタック５３の起動終了、すなわち、燃料電池スタック５０を構成する全てのサブスタック５１〜５３の起動が終了したと判定する。

以上のように、第３実施例では、燃料電池スタック５０の起動時には、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を図８（ｂ）乃至図８（ｄ）のような個別供給経路とし、第１乃至第３のサブスタック５１〜５３毎に個別に水素ガスを供給することで、第１乃至第３のサブスタック５１〜５３に供給される水素ガスの流速を高めて、各サブスタック５１〜５３毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにしている。すなわち、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を図８（ｂ）のような個別供給経路とした場合、第１サブスタック５１に供給される水素ガスの流速は、図８（ａ）のような並列供給経路と比べて高められることになる。同様に、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を図８（ｃ）のような個別供給経路とした場合、第２サブスタック５２に供給される水素ガスの流速は、図８（ａ）のような並列供給経路と比べて高められることになる。同様に、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を図８（ｄ）のような個別供給経路とした場合、第３サブスタック５３に供給される水素ガスの流速は、図８（ａ）のような並列供給経路と比べて高められることになる。また、各サブスタック５１〜５３におけるアノード側の水素置換は他のサブスタックから独立して個別に行われるので、個々のサブスタック毎に見ると、アノード側の水素置換が極めて短時間で行われることになる。このように、第３実施例では、燃料電池スタック５０の起動時に、コントロールユニットの制御により燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を図８（ｂ）乃至図８（ｄ）に示すような個別供給経路とすることで、燃料電池スタック５０を構成する第１乃至第３のサブスタック５１〜５３毎のアノード側の水素置換を短時間で行えるようにして、アノード側のガス組成が不均一になることに起因する燃料電池スタック５０の触媒劣化を抑制できるようにしている。

図９は、本実施例のコントロールユニットによる水素ガス供給経路の切り替え制御の概要を示すフローチャートである。

燃料電池システムの電源が投入され、燃料電池スタック５０の起動が開始されると、コントロールユニットは、まず、ステップＳ１１において、第３乃至第６の開閉弁５８〜６１は閉じた状態とするとともに、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７を開放して、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給を開始させる。これにより、水素ガスの供給経路は図８（ｂ）のような個別供給経路となり、第１サブスタック５１に対してのみ水素ガスが供給されることになる。

コントロールユニットは、個別供給経路での第１サブスタック５１に対する水素ガスの供給を行っている間、第１サブスタック５１に設けられた電圧センサ６２の検出値Ｖ１を随時読み込み（ステップＳ１２）、電圧センサ６２の検出値Ｖ１が所定の閾値電圧以上となったときに（ステップＳ１３）、第１サブスタック５１の起動が終了したと判定する。そして、コントロールユニットは、ステップＳ１４において、第１開閉弁５６及び第２開閉弁５７を開から閉に切り替えるとともに、第３開閉弁５８及び第４開閉弁５９を閉から開に切り替えて、水素ガスの供給経路を図８（ｂ）のような個別供給経路から図８（ｃ）のような個別供給経路に切り替える。これにより、第２サブスタック５２に対してのみ水素ガスが供給されることになる。

コントロールユニットは、個別供給経路での第２サブスタック５２に対する水素ガスの供給を行っている間、第２サブスタック５２に設けられた電圧センサ６３の検出値Ｖ２を随時読み込み（ステップＳ１５）、電圧センサ６３の検出値Ｖ２が所定の閾値電圧以上となったときに（ステップＳ１６）、第２サブスタック５２の起動が終了したと判定する。そして、コントロールユニットは、ステップＳ１７において、第３開閉弁５８及び第４開閉弁５９を開から閉に切り替えるとともに、第５開閉弁６０及び第６開閉弁６１を閉から開に切り替えて、水素ガスの供給経路を図８（ｃ）のような個別供給経路から図８（ｄ）のような個別供給経路に切り替える。これにより、第３サブスタック５３に対してのみ水素ガスが供給されることになる。

コントロールユニットは、個別供給経路での第３サブスタック５３に対する水素ガスの供給を行っている間、第３サブスタック５３に設けられた電圧センサ６４の検出値Ｖ３を随時読み込み（ステップＳ１８）、電圧センサ６４の検出値Ｖ３が所定の閾値電圧以上となったときに（ステップＳ１９）、第３サブスタック５３の起動が終了したと判定する。そして、コントロールユニットは、ステップＳ２０において、第１乃至第４の開閉弁５６〜５９を閉から開に切り替えて、第１乃至第６の開閉弁５６〜６１を全て開放し、燃料電池スタック５０に対する水素ガスの供給経路を個別供給経路から並列供給経路へと切り替える。そして、ステップＳ２１において、燃料電池システムの通常運転を開始して、燃料電池スタック５０に所望の電力を発電させる。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１０，３０，５０の起動時に、サブスタック１１〜１５，３１〜３４，５１〜５３毎に短時間でアノード側の水素置換が行われるので、アノード側のガス組成が不均一になることに起因する起動時の燃料電池スタック１０，３０，５０の触媒劣化を有効に抑制できる。また、起動時に供給する水素ガスの圧力を高めることなく、水素ガスの供給経路の切り替えによりサブスタック毎の水素ガスの流速を高めることでアノード側の水素置換時間を短縮できるので、起動時における触媒劣化の抑制を簡便な制御で実現できる。

なお、以上の実施形態は本発明の一適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。

本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図であり、第１実施例における燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。 燃料電池スタックに対する水素ガスの供給経路を説明する図であり、（ａ）は並列供給経路を示す模式図、（ｂ）は直列供給経路を示す模式図である。 燃料電池スタックの起動終了を判定する手法を説明する図であり、起動時における電圧センサ検出値の変化の様子を示す特性図である。 第１実施例のコントロールユニットによる水素ガス供給経路の切り替え制御の概要を示すフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図であり、第２実施例における燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。 燃料電池スタックに対する水素ガスの供給経路を説明する図であり、（ａ）は並列供給経路を示す模式図、（ｂ）は直列供給経路を示す模式図である。 本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図であり、第３実施例における燃料電池スタック周辺の構造を示す模式図である。 燃料電池スタックに対する水素ガスの供給経路を説明する図であり、（ａ）は並列供給経路を示す模式図、（ｂ）は第１サブスタックにのみ水素ガスが供給される個別供給経路を示す模式図、（ｃ）は第２サブスタックにのみ水素ガスが供給される個別供給経路を示す模式図、（ｄ）は第３サブスタックにのみ水素ガスが供給される個別供給経路を示す模式図である。 第３実施例のコントロールユニットによる水素ガス供給経路の切り替え制御の概要を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１〜１５ サブスタック
１６，１７ 合流配管
１６ａ〜１６ｅ，１７ａ〜１７ｅ 分岐配管
１８〜２１ 開閉弁
２２ 電圧センサ
３０ 燃料電池スタック
３１〜３４ サブスタック
３５，３６ 合流配管
３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄ 分岐配管
３７ 連通配管
３８〜４３ 開閉弁
４３ 電圧センサ
５０ 燃料電池スタック
５１〜５３ サブスタック
５４，５５ 合流配管
５４ａ〜５４ｃ，５５ａ〜５５ｃ 分岐配管
５６〜６１ 開閉弁
６２〜６４ 電圧センサ

Claims (12)

1. 複数のサブスタックから構成され、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を、前記複数のサブスタックに並行して燃料ガスが供給される並列供給経路と、前記複数のサブスタックに順次燃料ガスが供給される直列供給経路とで切り替える切替手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記切替手段は、前記燃料電池スタックの起動時には前記直列供給経路となり、前記燃料電池スタックの通常発電時には前記並列供給経路となるように、前記燃料ガスの供給経路を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの起動終了を判定する判定手段を備え、
   前記切替手段は、前記判定手段により前記燃料電池スタックの起動が終了したと判定されたときに、前記燃料ガスの供給経路を前記直列供給経路から前記並列供給経路へと切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガスの供給経路を前記直列供給経路としたときに最下流に位置するサブスタックの電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記電圧検出手段の検出値が所定の閾値以上となったときに、前記燃料電池スタックの起動が終了したと判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記切替手段は、前記燃料ガスの供給経路となる配管に設けられた複数の開閉弁の開閉状態を制御することにより、前記燃料ガスの供給経路の切り替えを行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料ガスの供給経路となる配管は、前記複数のサブスタックの各々に接続される各サブスタック毎の２つの分岐配管と、各サブスタック毎の２つの分岐配管のうちの一方がそれぞれ接続される第１合流配管と、各サブスタック毎の２つの分岐配管のうちの他方がそれぞれ接続される第２合流配管とを有し、
   前記複数の開閉弁は、前記第１合流配管と前記第２合流配管とに千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 複数のサブスタックから構成され、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給経路を、前記複数のサブスタックに並行して燃料ガスが供給される並列供給経路と、前記複数のサブスタック毎に個別に燃料ガスが供給される個別供給経路とで切り替える切替手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記切替手段は、前記燃料電池スタックの起動時には前記個別供給経路となり、前記燃料電池スタックの通常発電時には前記並列供給経路となるように、前記燃料ガスの供給経路を切り替えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記複数のサブスタック毎の起動終了を判定する判定手段を備え、
   前記切替手段は、前記燃料電池スタックの起動時に、前記個別供給経路により燃料ガスが供給されているサブスタックの起動終了が前記判定手段により判定される毎に、前記個別供給経路により燃料ガスが供給されるサブスタックを切り替えるとともに、前記複数のサブスタック全ての起動終了が前記判定手段により判定されたときに、前記燃料ガスの供給経路を前記個別供給経路から前記並列供給経路へと切り替えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記複数のサブスタックの電圧を各々検出する複数の電圧検出手段を備え、
    前記判定手段は、前記各電圧検出手段の検出値が所定の閾値以上となったときに、当該電圧検出手段に対応するサブスタックの起動が終了したと判定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記切替手段は、前記燃料ガスの供給経路となる配管に設けられた複数の開閉弁の開閉状態を制御することにより、前記燃料ガスの供給経路の切り替えを行うことを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料ガスの供給経路となる配管は、前記複数のサブスタックの各々に接続される各サブスタック毎の２つの分岐配管と、各サブスタック毎の２つの分岐配管のうちの一方がそれぞれ接続される第１合流配管と、各サブスタック毎の２つの分岐配管のうちの他方がそれぞれ接続される第２合流配管とを有し、
    前記複数の開閉弁は、前記各サブスタック毎の２つの分岐配管のそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。

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