JP2010113981A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】異常が発生した燃料電池スタックの運転を再開させるまでの時間を短縮する。
【解決手段】燃料電池発電システムであって、複数の燃料電池スタック１０Ａ〜１０Ｃが並列に接続される反応ガス供給通路と、並列に接続される第１および第２ラジエータ４１、４２と複数の燃料電池スタックとの間で冷媒を循環させる第１循環通路４３Ｘを備え該通路に対して前記各燃料電池スタックが並列に接続される冷却装置４０と、燃料電池スタック毎に設けられたセルモニタ６１〜６３とを備える。セルモニタで燃料電池スタックの異常が検出されるときに、冷却装置４０の通路パターンを、異常が検出された燃料電池スタック以外の燃料電池スタックおよび第１ラジエータ４１を含む第１循環通路４３Ｘと、異常が検出された燃料電池スタックおよび第２ラジエータ４２を含む第２循環通路４３Ｚとが個別に備えられる形態に定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池発電システムに関する。

従来、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池発電システムがある。複数の燃料電池スタックのそれぞれには、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるが、これらガスの供給通路は、各燃料電池スタックが並列に接続されるように構成される。こうした構成において、複数の燃料電池のうちの一部に異常が発生した場合に、前記異常が発生した燃料電池スタックへのガス供給を停止する構成が提案されている（特許文献１）。この構成により、異常が発生した燃料電池スタックの運転は停止されるが、燃料電池発電システム全体としては安定運転を継続することができる。

特開平１０−２５５８２７号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池発電システムでは、異常が発生した燃料電池スタックの運転を再開させるまでの時間が長くなるという問題が発生した。その理由は次の通りである。異常が発生した燃料電池スタックの運転を停止すると、他の燃料電池スタックへの負荷が大きくなり、前記他の燃料電池スタックは高温となる。これに対して、各燃料電池スタックへの冷却通路は並列に接続されていることから、高温となった前記他の燃料電池スタックから排出された冷媒が循環し異常が発生した燃料電池スタックへ送られることになり、異常が発生した燃料電池スタックを速やかにクールダウンすることができないためである。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、異常が発生した燃料電池スタックの運転を再開させるまでの時間を短縮することを課題とする。

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。

［適用例１］ 複数の燃料電池スタックを備える燃料電池発電システムであって、前記複数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各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、ラジエータと前記複数の燃料電池スタックとの間で冷媒を循環させる通路を備え、該通路に対して前記各燃料電池スタックが並列に接続される冷却装置と、前記各燃料電池スタックの異常を検出する異常検出部と、前記異常検出部で少なくとも１の燃料電池スタックの異常が検出されたときに、前記異常が検出された燃料電池スタックに対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を制限するとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記異常が検出された燃料電池スタック以外の燃料電池スタックが設けられる第１循環通路と、前記異常が検出された燃料電池スタックが設けられる第２循環通路とが個別に備えられる形態に定める回復運転制御部とを備える燃料電池発電システム。

適用例１に記載の燃料電池発電システムによれば、通常運転時には、冷却装置により、ラジエータと複数の燃料電池スタックとの間で冷媒を循環させながら、その冷媒は各燃料電池スタックに対して並列に送られるようにして各燃料電池スタックへの冷却がなされる。一方、異常検出部で少なくとも１の燃料電池スタックの異常が検出されたときには、異常が検出された燃料電池スタック（以下、「異常スタック」とも呼ぶ）に対する反応ガスの供給が制限されるとともに、冷却装置の通路パターンが、第１循環通路と第２循環通路とが個別に備えられる形態に定められる。第１循環通路は、前記異常が検出された燃料電池スタック以外の燃料電池スタック（以下、「正常スタック」と呼ぶ）が設けられるものである。第２循環通路は、異常スタックが設けられるものである。

異常スタックへの反応ガスの供給を制限すると、正常スタックへの負荷が増大し正常スタックは高温となる。これに対して、異常スタックと正常スタックとは個別に備えられる第１循環通路と第２循環通路とに別々に設けられることから、高温となった正常スタックから排出された冷媒が異常スタックに送り込まれることがない。したがって、異常スタックを温度の低い冷媒により速やかにクールダウンして、異常スタックの発電復帰までの時間を短縮することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池発電システムであって、前記異常検出部で前記複数の燃料電池スタックのいずれにおいても異常が検出されなかったときに、前記複数の燃料電池に対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を前記制限なしに行うとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記複数の燃料電池スタックが設けられる単一循環通路の形態に定める通常運転制御部を備える燃料電池発電システム。

適用例２の構成によれば、回復運転制御部を動作させて異常となった燃料電池スタックが回復して異常が検出されなくなったときに、通常運転制御部により、その回復した燃料電池スタックへ反応ガスの供給は再開され、冷却装置により各燃料電池スタックは冷却される。この結果、通常運転制御への切り換えが迅速に行なわれる。

［適用例３］ 適用例１に記載の燃料電池発電システムであって、前記冷却装置は、前記ラジエータとして２つのラジエータを備え、前記２つのラジエータのうちの第１ラジエータは前記第１循環通路に設けられ、第２ラジエータは前記第２循環通路に設けられた構成である、燃料電池発電システム。

適用例３に記載の燃料電池発電システムによれば、ラジエータが第１循環通路と第２循環通路とに個別に設けられることから、第１循環通路と第２循環通路とを個別に備えられる構成とすることが容易に実現することができる。

［適用例４］ 適用例３に記載の燃料電池発電システムであって、前記異常検出部で前記複数の燃料電池スタックのいずれにおいても異常が検出されなかったときに、前記複数の燃料電池に対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を前記制限なしに行うとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記複数の燃料電池スタックと前記第１ラジエータと前記第２ラジエータとが設けられる単一循環通路の形態に定める通常運転制御部を備える燃料電池発電システム。

適用例４に記載の燃料電池発電システムによれば、回復運転制御部を動作させて異常となった燃料電池スタックが回復して異常が検出されなくなったときに、通常運転制御部により、その回復した燃料電池スタックへ反応ガスの供給は再開され、冷却装置により各燃料電池スタックは冷却される。この結果、通常運転制御への切り換えが迅速に行なわれる。しかも、通常運転時における冷却装置の通路パターンは、前記複数の燃料電池スタックと前記第１ラジエータと前記第２ラジエータとが設けられる単一循環通路の形態に定められることから、通常運転時において、各燃料電池スタックを第１ラジエータと第２ラジエータとの双方で冷却することができることから、冷却効率の点で優れている。

［適用例５］ 適用例３または４に記載の燃料電池発電システムであって、前記第２ラジエータの入口側に設けられるラジエータ入口側流路切換弁と、前記第２ラジエータの出口側に設けられるラジエータ出口側流路切換弁と、前記冷却通路における各燃料電池スタックの入口側に設けられる複数のスタック入口側流路切換弁と、前記冷却通路における各燃料電池スタックの出口付近に設けられる複数のスタック出口側流路切換弁とを備え、前記回復運転制御部は、前記異常検出部で少なくとも１の燃料電池スタックの異常が検出されたときに、前記ラジエータ入口側流路切換弁およびラジエータ出口側流路切換弁と、前記異常が検出された燃料電池スタックに対応した前記スタック入口側流路切換弁およびスタック出口側流路切換弁とを制御することにより、前記冷却装置の通路パターンの設定を行う弁制御部を備える、燃料電池発電システム。

適用例５の構成によれば、ラジエータ入口側流路切換弁、ラジエータ出口側流路切換弁、各スタック入口側流路切換弁、および各スタック出口側流路切換弁を弁制御部により制御することにより、冷却装置の通路パターンを容易に変更することができる。

［適用例６］ 適用例３ないし５のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、前記第１ラジエータの冷却能力は、前記第２ラジエータの冷却能力より大きい、燃料電池発電システム。

適用例６の構成によれば、燃料電池スタックの異常を検出したときに、異常スタックと正常スタックと別々の循環通路により個別に冷却するに際し、正常スタックに対する冷却能力を十分に確保することができる。

本発明は、上記適用例以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池発電システムを備えた車両等の移動体とした形態等で実現することが可能である。また、例えば、上記各適用例において、前記燃料電池スタックを構成する単セルは、固体高分子型の燃料電池とすることができる。この構成によれば、燃料電池の取り扱いの利便がよい。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．全体の構成：
Ｂ．反応ガス給排装置の構成：
Ｃ．冷却装置の構成：
Ｄ．制御系の構成：
Ｅ．作用、効果：
Ｆ．他の実施形態：

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発電システムの概略構成を示す説明図である。図示するように、本実施例の燃料電池発電システムは、複数（ここでは、３つ）の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃと、反応ガス給排装置２０と、冷却装置４０と、電子制御ユニット６０とを備える。

各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ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、水素ガス（以下、燃料ガスと呼ぶ）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。なお、図示では燃料電池スタックの数は６つあるように記載されているが、これは図示の都合によるもので、実際は３つである。図示の同一符号の燃料電池スタック、すなわち、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ａ、燃料電池スタック１０Ｂ，１０Ｂ、および燃料電池スタック１０Ｃ，１０Ｃは、それぞれ１つの燃料電池スタックである。

Ｂ．反応ガス給排装置の構成：
図示するように、反応ガス給排装置２０は、燃料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。

燃料改質装置２１は、燃料電池発電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燃料ガスに改質する。燃料改質装置２１は、複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ全体の電気化学反応に必要な燃料ガスを基本的に過不足なく生成する。燃料改質装置２１から出力された燃料ガスは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにそれぞれ接続された燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに分配される。すなわち、燃料改質装置２１に対して燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは並列に接続されている。

各燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃには、第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃがそれぞれ設けられており、第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃで必要な燃料ガス量に分配調整される。各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの排出燃料ガスは燃料ガス排出通路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃから排出される。

なお、各燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃには、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃをバイパスする燃料ガスバイパス通路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられている。燃料ガスバイパス通路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの下流側は燃料ガス排出通路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに接続されている。各燃料ガスバイパス通路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃには、第２の燃料ガス流量調節弁２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃがそれぞれ設けられている。燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに設けられた第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃを閉状態とし、上記第２の燃料ガス流量調節弁２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを開状態とすることで、燃料ガスを各燃料ガスバイパス通路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに迂回することができ、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃへの燃料ガスの供給を停止することができる。

酸化剤ガス供給装置３１は、燃料電池発電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、１０Ｃにそれぞれ接続された酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ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、３２Ｃは並列に接続されている。

各酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃには、第１の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃがそれぞれ設けられており、第１の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃにより各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃで必要な酸化剤ガス量に分配調整される。各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの排出酸化剤ガスは酸化剤ガス排出通路３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃから排出される。

なお、各酸化剤ガス排出通路３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃには、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃをバイパスする酸化剤ガスバイパス通路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃが設けられている。酸化剤ガスバイパス通路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの下流側は酸化剤ガス排出通路３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃに接続されている。各酸化剤ガスバイパス通路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃには、第２の酸化剤ガス流量調節弁３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃがそれぞれ設けられている。酸化剤ガス供給通路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃに設けられた第１の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂ、３３ｃを閉状態とし、上記第２の酸化剤ガス流量調節弁３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃを開状態とすることで、酸化剤ガスを各酸化剤ガスバイパス通路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃに迂回することができ、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃへの酸化剤ガスの供給を停止することができる。

Ｃ．冷却装置の構成：
図示するように、冷却装置４０は、第１および第２ラジエータ４１、４２と、第１および第２ラジエータと燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとの間で冷媒である冷却液を循環させる冷却通路４３と、冷却通路４３の途中に設けられる第１および第２冷却液循環ポンプ４４、４５とを備える。

第１および第２ラジエータ４１、４２は、冷却水を冷却する冷却器であり、第１ラジエータ４１は第２ラジエータ４２より冷却能力が大きいものとなっている。なお、この構成に換えて、同じ大きさの冷却能力、あるいは、第１ラジエータ４１よりも第２ラジエータの冷却能力を大きくした構成としてもよい。

冷却通路４３は、第１ラジエータ４１を含む第１循環通路４３Ｘを主要な通路とし、この第１循環通路４３Ｘに対して、第２ラジエータを含む副通路４３Ｙが並列に接続されている。第１循環通路４３Ｘは、副通路４３Ｙとの下流側の連結点Ｐより下流側で３本の分岐通路４３Ａ、４３Ｂ，４３Ｃに分岐されており、各分岐通路４３Ａ、４３Ｂ，４３Ｃには、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが設けられている。分岐通路４３Ａ、４３Ｂ，４３Ｃは、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃより下流側で１本の流路に合流する。すなわち、第１循環通路４３Ｘに対して各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが並列に接続されている。

なお、３つの燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのうちの図中上側の燃料電池スタックを「第１燃料電池スタック」と呼び、図中中央の燃料電池スタックを「第２燃料電池スタック」と呼び、図中下側の燃料電池スタックを「第３燃料電池スタック」と呼ぶ。

第１冷却液循環ポンプ４４は、第１ラジエータ４１と上記連結点Ｐとの間に設けられ、第１ラジエータ４１から連結点Ｐに向かう方向に冷却液を流す。第２冷却液循環ポンプ４５は、第２ラジエータ４２と上記連結点Ｐとの間に設けられ、第２ラジエータ４２から連結点Ｐに向かう方向に冷却液を流す。

上記構成の冷却通路４３には、８つのソレノイドバルブ５１〜５８が設けられている。第１ソレノイドバルブ５１は副通路４３Ｙにおける第２ラジエータ４２の上流側に設けられ、第２ソレノイドバルブ５２は副通路４３Ｙにおける第２ラジエータ４２の下流側に設けられている。

第３ソレノイドバルブ５３は、第１燃料電池スタック１０Ａが設けられた分岐通路（以下、「第１分岐通路」と呼ぶ）４３Ａにおける第１燃料電池スタック１０Ａよりも上流側に設けられ、第４ソレノイドバルブ５４は、第１分岐通路４３Ａにおける第１燃料電池スタック１０Ａよりも下流側に設けられている。第５ソレノイドバルブ５５は、第２燃料電池スタック１０Ｂが設けられた分岐通路（以下、「第２分岐通路」と呼ぶ）４３Ｂにおける第２燃料電池スタック１０Ｂよりも上流側に設けられ、第６ソレノイドバルブ５６は、第２分岐通路４３Ｂにおける第２燃料電池スタック１０Ｂよりも下流側に設けられている。第７ソレノイドバルブ５７は、第３燃料電池スタック１０Ｃが設けられた分岐通路（以下、「第３分岐通路」と呼ぶ）４３Ｃにおける第３燃料電池スタック１０Ｃよりも上流側に設けられ、第８ソレノイドバルブ５８は、第３分岐通路４３Ｃにおける第３燃料電池スタック１０Ｃよりも下流側に設けられている。

上記第１ないし第８ソレノイドバルブ５１〜５８は、３ポート２位置のソレノイドバルブであり、第１位置が、上述した設置位置の通路、すなわち、副通路４３Ｙ、第１分岐通路４３Ａ、第２分岐通路４３Ｂ、もしくは第３分岐通路４３Ｃを開通する構成となっている。

冷却通路４３は、前記第２ラジエータ４２を選択的に含み得る第２循環通路４３Ｚを備える。第２循環通路４３Ｚは、詳細には、副通路４３Ｙにおける第１ソレノイドバルブ５１と第２ソレノイドバルブ５２との間の部分、第１分岐通路４３Ａにおける第３ソレノイドバルブ５３と第４ソレノイドバルブ５４との間の部分、第２分岐通路４３Ｂにおける第５ソレノイドバルブ５５と第６ソレノイドバルブ５６との間の部分、および第３分岐通路４３Ｃにおける第７ソレノイドバルブ５７と第８ソレノイドバルブ５８との間の部分を選択的に含むものである。なお、上記第１分岐通路４３Ａにおける第３ソレノイドバルブ５３と第４ソレノイドバルブ５４との間の部分、第２分岐通路４３Ｂにおける第５ソレノイドバルブ５５と第６ソレノイドバルブ５６との間の部分、および第３分岐通路４３Ｃにおける第７ソレノイドバルブ５７と第８ソレノイドバルブ５８との間の部分は、第２循環通路４３Ｚに対しても並列に接続されている。

第１ないし第８ソレノイドバルブ５１〜５８の弁位置を制御することにより、冷却装置４０を２つの運転モードに切り換えることができる。以下、２つの運転モードを「通常運転モード」と「回復運転モード」と呼ぶ。

図２は、通常運転モードと回復運転モードとにおいて通路パターンがどのように変わるかを示す説明図である。図２（ａ）が通常運転モードを示すものであり、図２（ｂ）が回復運転モードを示すものである。

図２（ａ）に示すように、第１ないし第８のソレノイドバルブ５１〜５８の全てが第１位置５１ａ〜５８ａの状態にあるときに、通常運転モードとなる。この通常運転モード時には、第１ラジエータ４１を含む第１循環通路４３Ｘは、第２ラジエータ４２を含む副通路４３Ｙが接続された上で、第１ないし第３分岐通路４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃのそれぞれと接続される。第２循環通路４３Ｚは、第２ラジエータ４２および第１ないし第３燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃと切り離された状態となる。これにより、冷却装置４０は、第１ラジエータ４１と第２ラジエータ４２の両方を備える単一の第１循環通路４３Ｘにより、第１ないし第３燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのそれぞれを冷却することができる。

一方、通常運転モードから、図２（ｂ）に示すように、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２と、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４、第５および第６ソレノイドバルブ５５、５６、第７および第８ソレノイドバルブ５７、５８のうちの少なくとも１組（図示の例では、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４）とが第２位置（５３ｂ、５４ｂ）に切り換えられたときに、回復運転モードになる。すなわち、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２が第２位置５１ｂ、５２ｂの状態にあり、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４、第５および第６ソレノイドバルブ５５、５６、第７および第８ソレノイドバルブ５７、５８のうちの少なくとも１組（図示の例では、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４）が第２位置（５３ｂ、５４ｂ）の状態にあり、残りの２組（図示の例では、第５および第６ソレノイドバルブ５５、５６と第７および第８ソレノイドバルブ５７、５８）が第１位置（５５ａ〜５８ａ）の状態にあるときに、回復運転モードになる。

図２（ｂ）に例示の回復運転モード時には、第１ラジエータ４１を含む第１循環通路４３Ｘは第２および第３分岐通路４３Ｂ、４３Ｃに接続され、第２循環通路４３Ｚは第２ラジエータ４２を含むとともに第１分岐通路４３Ａに接続される。このとき、第１循環通路４３Ｘと第２循環通路４３Ｚは、分離しており、個別に備えられる状態となる。すなわち、第１循環通路４３Ｘには第１ラジエータ４１で冷却された冷却液が循環し、第２循環通路４３Ｘには第２ラジエータ４２で冷却された冷却液が循環し、第１循環通路４３Ｘと第２循環通路４３Ｚとの間で冷却液の混合はない。

図２（ｂ）に例示した回復運転モードは、第１分岐通路４３Ａに備えられる第１燃料電池スタック１０Ａを回復の対象としたものである。第２燃料電池スタック１０Ｂを回復の対象とする場合には、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２と、第５および第６ソレノイドバルブ５５、５６とを第２位置に切り換えるようにすればよい。第３燃料電池スタック１０Ｃを回復の対象とする場合には、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２と、第７および第８ソレノイドバルブ５７、５８とを第２位置に切り換えるようにすればよい。さらに、回復の対象は１つの燃料電池スタックに限る必要はなく、燃料電池スタック全体の数から値１を引いた数以下の数、すなわち本実施例では２つの燃料電池スタックとしてもよい。例えば、第１燃料電池スタック１０Ａと第２燃料電池スタック１０Ｂを回復の対象とする場合には、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２と、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４と、第５および第６ソレノイドバルブ５５、５６とを第２位置に切り換えるようにすればよい。燃料電池スタック全体の数が４つである場合には、回復の対象は、１つの場合、２つの場合、３つの場合となる。

Ｄ．制御系の構成：
第１ないし第８ソレノイドバルブ５１〜５８に対して弁位置を切り換える制御信号を出力するのが、図１に示す電子制御ユニット６０である。電子制御ユニット６０を含む制御系について次に説明する。

図１に示すように、第１ないし第３燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃのそれぞれには、セル電圧を測定して発電状況を測定するためのセルモニタ６１、６２、６３が設けられている。各セルモニタ６１、６２、６３の測定信号は、電子制御ユニット６０に送られる。

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、セルモニタ６１、６２、６３等の各種センサからの信号を受けて、反応ガス給排装置２０に設けられた燃料ガス流量調節弁２３Ａ〜２３Ｃ、２６Ａ〜２６Ｃや酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ〜３３Ｃ、３６Ａ〜３６Ｃ、および冷却装置４０に設けられたソレノイドバルブ５１〜５８等の各種アクチュエータに駆動信号を出力し、燃料電池発電システムの運転全体を制御する。

図３は、電子制御ユニット６０により実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、電子制御ユニット６０における燃料電池スタック１０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。

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、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃに設けられたセルモニタ６１、６２、６３の測定信号を取り込み（ステップＳ１１０）、各測定信号から燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃの少なくとも１つが異常となったか否か、すなわち異常となった燃料電池スタック（以下、「異常スタック」とも呼ぶ）があるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０の処理は、詳細には、各測定信号から導かれるセル電圧から各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃが乾燥状態となっているか否かを判定することにより、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃが異常であるか否かの判定を行う。本発明に備えられる「異常検出部」は、セルモニタ６１、６２、６３とステップＳ１２０の処理により実現される。

ステップＳ１２０で、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃの全てで異常でないと判定された場合には、ＣＰＵは、まず、燃料電池発電システムに備えられる各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃに対する反応ガスの供給を許可する処理を行う（ステップＳ１３０）。すなわち、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに接続された燃料ガス供給通路２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに設けられた第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃを開状態とし、各燃料ガスバイパス通路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに設けられた第２の燃料ガス流量調節弁２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを閉状態とすることで、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃへの燃料ガスの供給を可能とする。酸化剤ガスについても同様にして、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃへの酸化剤ガスの供給を可能とする。これにより、別ルーチンで負荷等の運転状態に基づく第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃおよび第１の酸化剤ガス流量調節弁３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃの調整が行なわれ、通常運転時の燃料ガス供給量および酸化剤ガス供給量の制御がなされる。

ステップＳ１３０の実行後、ＣＰＵは、冷却装置４０を前述した通常運転モードに定める処理を行う（ステップＳ１４０）。すなわち、第１ないし第８のソレノイドバルブ５１〜５８の全てを第１位置５１ａ〜５８ａの状態に制御することにより冷却装置４０を通常運転モードに定める。この結果、第１ラジエータ４１と第２ラジエータ４２の両方を用いて、第１ないし第３燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのそれぞれを冷却することができる。ステップＳ１４０の実行後、「リターン」に抜けてこの運転制御処理を一旦終了する。

一方、ステップＳ１２０で、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃのうちの少なくとも一つが異常であると判定された場合には、ＣＰＵは、ステップＳ１５０に処理を移す。ステップＳ１５０では、ＣＰＵは、ステップＳ１２０の処理により異常であると判定された燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止する。ステップＳ１２０の処理により異常であると判定された燃料電池スタックが、例えば第１燃料電池スタック１０Ａである場合には、第１燃料電池スタック１０Ａに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止する。なお、停止の手法は先に説明したように、異常となった第１燃料電池スタック１０Ａに備えられる燃料ガス供給通路２２Ａに設けられた第１の燃料ガス流量調節弁２３Ａを閉状態とし、異常となった第１燃料電池スタック１０Ａに備えられる燃料ガスバイパス通路２５Ａに設けられた第２の燃料ガス流量調節弁２６Ａを開状態とすることにより、燃料ガスを燃料ガスバイパス通路２５Ａに迂回させるものである。酸化剤ガス側も同様である。

ステップＳ１５０の実行後、ＣＰＵは、ステップＳ１２０で異常と判定された燃料電池スタックを回復対象とした回復運転モードに冷却装置４０を切り換える処理を行う（ステップＳ１６０）。詳細には、異常と判定された燃料電池スタックが第１燃料電池スタック１０Ａである場合には、第１燃料電池スタック１０Ａを回復対象として、前述したように、第１および第２ソレノイドバルブ５１、５２と、第３および第４ソレノイドバルブ５３、５４とを第２位置に切り換える。また、異常と判定された燃料電池スタックが第２燃料電池スタック１０Ｂまたは第３燃料電池スタック１０Ｃである場合には、前述したようにして回復対象を、第２燃料電池スタック１０Ｂまたは第３燃料電池スタック１０Ｃとすればよい。同様に、複数の燃料電池スタックで異常が判定された場合には、その複数の燃料電池スタックを回復対象とすればよい。

上記ステップＳ１５０およびＳ１６０の処理により、本発明に備えられる「回復運転制御部」が実現される。ステップＳ１６０の処理の実行後、「リターン」に抜けてこの運転制御処理を一旦終了する。

Ｅ．作用、効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池発電システムによれば、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃのいずれにおいても異常が検出されない通常運転時には、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃへの反応ガスの供給が行われるとともに、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに並列に接続される第１循環通路４３Ｘにより、第１および第２ラジエータ４１、４２の冷却能力が分担されて各燃料電池スタックが冷却される（図２（ａ）参照）。一方、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの異常が検出されたときには、回復運転モードとすることで、異常が検出された燃料電池スタック（異常スタック）に対する反応ガスの供給が停止されるとともに、冷却装置４０の通路パターンが、第１循環通路４３Ｘと第２循環通路４３Ｚとが個別に備えられる形態に定められる（図２（ｂ）参照）。第１循環通路４３Ｘは第１ラジエータ４１により異常スタック以外の燃料電池スタック（正常スタック）を冷却するものであり、第２循環通路４３Ｚは第２ラジエータ４２により異常スタックを冷却するものである。したがって、異常スタックと正常スタックとを、別々の循環通路により個別に冷却することができる。

異常スタックへの反応ガスの供給を停止すると、正常スタックへの負荷が増大し正常スタックは高温となる。それにも拘わらず、異常スタックと正常スタックとを別々の循環通路により冷却することができることから、高温となった正常スタックから排出された冷媒が異常スタックに送り込まれることがない。したがって、運転を停止した異常スタックを温度の低い冷却液により速やかにクールダウンして、異常スタックの発電復帰までの時間を短縮することができる。

また、本実施例の燃料電池発電システムでは、次の副次的効果も備える。従来の燃料電池発電システムでは、異常が発生した燃料電池スタックの運転を停止すると、他の燃料電池スタックへの負荷が大きくなり、これに伴い前記他の燃料電池スタックへのガス供給量が増加し乾きやすくなり、前記他の燃料電池スタックも作動不能に陥り易くなるという問題が発生した。これに対して、本実施例の燃料電池発電システムでは、前述したように、異常が発生した燃料電池スタックの発電復帰までの時間を短縮することができることから、回復運転モードの時間を短くすることができることから、前記他の燃料電池スタックを作動不能に陥り難くすることができる。

さらに、本実施例の燃料電池発電システムでは、冷却装置４０は、回復運転モード時に第１循環通路４３Ｘと第２循環通路４３Ｚとに個別に含まれる第１ラジエータ４１と第２ラジエータ４２との双方を用いて、通常運転モード時に各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを冷却することができるように構成されていることから、冷却効率の点で優れている。また、本実施例では、第１ラジエータ４１の冷却能力が第２ラジエータ４２の冷却能力より大きく構成されていることから、回復運転モード時に、正常スタックに対する冷却能力を十分に確保することができる。

Ｆ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や変形例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で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。

（１）上記実施例では、異常スタックが検出されたときに、その異常スタックに対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止していた（図３のステップＳ１５０）が、これに換えて、燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方の供給を停止する構成としてもよい。また、前記ガス供給の停止は、必ずしも完全に供給量を零とするものでなくてもよく、供給量を低減する構成としてもよい。すなわち、ガス供給量を零とすること、もしくはガス供給量を低減すること、すなわちガス供給量を制限する構成とすることができる。なお、異常スタックが検出されなかったときの処理として、図３のステップＳ１３０で、各燃料電池スタックへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を許可していたが、これは上記ステップＳ１５０におけるガス供給の制限を行うことなしに反応ガスの供給を行うことを許可するものである。

（２）前記実施例では、セルモニタ６１〜６３の測定信号に基づいて燃料電池スタックの乾燥状態を求めることで、燃料電池スタックの異常を検出していたが、これに換えて、例えばアノード出口等の所定の位置に湿度センサを設けることで、燃料電池スタックの乾燥状態を求めて、燃料電池スタックの異常を検出してもよい。要は、異常検出部は、燃料電池スタックの乾燥状態を検出可能であればいずれの構成としてもよい。また、必ずしも乾燥状態を検出する構成に限る必要もなく、乾燥状態に応じて変化する他のパラメータ、例えば抵抗値等から燃料電池スタックを検出する構成としてもよい。

（３）前記実施例では、冷却装置４０は、回復運転モード時に第１循環通路４３Ｘと第２循環通路４３Ｚとに個別に含まれる第１ラジエータ４１と第２ラジエータ４２との双方を用いて、通常運転モード時に各燃料電池スタックを冷却するように構成されていたが、これに換えて、第１ラジエータだけで通常運転モード時に各燃料電池スタックを冷却し、回復運転モード時には、異常スタックへの接続を第１ラジエータから第２ラジエータに換える構成としてもよい。すなわち、第２ラジエータは異常スタック専用とする構成である。また、この構成に限る必要もなく、回復運転制御部が必要とする冷却装置の通路パターンを実現することができれば、どのような通路の形態とすることもできる。

（４）前記実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。

（５）前記実施例や変形例の燃料電池システムは車両に搭載する構成とすることができる。また、これに替えて、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。

本発明の一実施例における燃料電池発電システムの概略構成を示す説明図である。 通常運転モードと回復運転モードとにおいて冷却装置の通路パターンがどのように変わるかを示す説明図である。 電子制御ユニットにより実行される運転制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０Ａ…第１燃料電池スタック
１０Ｂ…第２燃料電池スタック
１０Ｃ…第３燃料電池スタック
２０…反応ガス給排装置
２１…燃料改質装置
２２Ａ〜２２Ｃ…燃料ガス供給通路
２３Ａ〜２３Ｃ…第１の燃料ガス流量調節弁
２４Ａ〜２４Ｃ…燃料ガス排出通路
２５Ａ〜２５Ｃ…燃料ガスバイパス通路
２６Ａ〜２６Ｃ…第２の燃料ガス流量調節弁
３１…酸化剤ガス供給装置
３２Ａ〜３２Ｃ…酸化剤ガス供給通路
３３Ａ〜３３Ｃ…第１の酸化剤ガス流量調節弁
３４Ａ〜３４Ｃ…酸化剤ガス排出通路
３５Ａ〜３５Ｃ…酸化剤ガスバイパス通路
３６Ａ〜３６Ｃ…第２の酸化剤ガス流量調節弁
４０…冷却装置
４１…第１ラジエータ
４２…第２ラジエータ
４３…冷却通路
４３Ａ…第１分岐通路
４３Ｂ…第２分岐通路
４３Ｃ…第３分岐通路
４３Ｘ…第１循環通路
４３Ｙ…副通路
４３Ｚ…第２循環通路
４４…第１冷却液循環ポンプ
４５…第２冷却液循環ポンプ
５１〜５８…第１ないし第８ソレノイドバルブ
６０…電子制御ユニット
６１…セルモニタ

Claims (6)

1. 複数の燃料電池スタックを備える燃料電池発電システムであって、
   前記複数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各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、
   ラジエータと前記複数の燃料電池スタックとの間で冷媒を循環させる通路を備え、該通路に対して前記各燃料電池スタックが並列に接続される冷却装置と、
   前記各燃料電池スタックの異常を検出する異常検出部と、
   前記異常検出部で少なくとも１の燃料電池スタックの異常が検出されたときに、前記異常が検出された燃料電池スタックに対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を制限するとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記異常が検出された燃料電池スタック以外の燃料電池スタックが設けられる第１循環通路と、前記異常が検出された燃料電池スタックが設けられる第２循環通路とが個別に備えられる形態に定める回復運転制御部と
   を備える燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムであって、
   前記異常検出部で前記複数の燃料電池スタックのいずれにおいても異常が検出されなかったときに、前記複数の燃料電池に対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を前記制限なしに行うとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記複数の燃料電池スタックが設けられる単一循環通路の形態に定める通常運転制御部
   を備える燃料電池発電システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池発電システムであって、
   前記冷却装置は、
   前記ラジエータとして２つのラジエータを備え、前記２つのラジエータのうちの第１ラジエータは前記第１循環通路に設けられ、第２ラジエータは前記第２循環通路に設けられた構成である、燃料電池発電システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池発電システムであって、
   前記異常検出部で前記複数の燃料電池スタックのいずれにおいても異常が検出されなかったときに、前記複数の燃料電池に対する前記反応ガス供給通路からの反応ガスの供給を前記制限なしに行うとともに、前記冷却装置の通路パターンを、前記複数の燃料電池スタックと前記第１ラジエータと前記第２ラジエータとが設けられる単一循環通路の形態に定める通常運転制御部
   を備える燃料電池発電システム。
5. 請求項３または４に記載の燃料電池発電システムであって、
   前記第２ラジエータの入口側に設けられるラジエータ入口側流路切換弁と、
   前記第２ラジエータの出口側に設けられるラジエータ出口側流路切換弁と、
   前記冷却通路における各燃料電池スタックの入口側に設けられる複数のスタック入口側流路切換弁と、
   前記冷却通路における各燃料電池スタックの出口付近に設けられる複数のスタック出口側流路切換弁と
   を備え、
   前記回復運転制御部は、
   前記異常検出部で少なくとも１の燃料電池スタックの異常が検出されたときに、前記ラジエータ入口側流路切換弁およびラジエータ出口側流路切換弁と、前記異常が検出された燃料電池スタックに対応した前記スタック入口側流路切換弁およびスタック出口側流路切換弁とを制御することにより、前記冷却装置の通路パターンの設定を行う弁制御部を備える、燃料電池発電システム。
6. 請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
   前記第１ラジエータの冷却能力は、前記第２ラジエータの冷却能力より大きい、燃料電池発電システム。

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