JP2020087583A

JP2020087583A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2020087583A
Application number: JP2018217061A
Authority: JP
Inventors: 晃一郎池田; Koichiro Ikeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: JP7047723B2

Abstract

【課題】複数の圧縮器を備える燃料電池システムのメンテナンスを効率的に行うことができるようにすることを課題とする。【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、前記複数のカソードガス供給流路を前記圧縮器の下流側で接続する連通流路と、前記連通流路に設けられ、当該連通流路の状態を、前記複数のカソードガス供給流路を連通させる状態と、前記複数のカソードガス供給流路の連通を遮断する状態との間で切り替える切替弁と、複数の前記圧縮器のうち一部の圧縮器を運転することによって前記複数の燃料電池スタックで発電を行う際に、前記切替弁を開弁して前記カソードガス供給流路を連通させるとともに、前記圧縮器毎の使用履歴に基づいて停止させる圧縮器を選定し、当該選定された圧縮器を停止させる制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、酸化剤ガス（カソードガス）を燃料電池に供給する第１ポンプ（第１圧縮器）と第２ポンプ（第２圧縮器）を備えた燃料電池ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２３４９７３号公報

ところで、燃料電池システムに含まれる各種の部品や装置は定期的にメンテナンスを受けることが推奨されている。これらの部品や装置のメンテナンスはできるだけ効率的に行われることが望ましい。

そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、複数の圧縮器を備える燃料電池システムのメンテナンスを効率的に行うことができるようにすることを課題とする。

本明細書に開示された燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、前記複数のカソードガス供給流路を前記圧縮器の下流側で接続する連通流路と、前記連通流路に設けられ、当該連通流路の状態を、前記複数のカソードガス供給流路を連通させる状態と、前記複数のカソードガス供給流路の連通を遮断する状態との間で切り替える切替弁と、複数の前記圧縮器のうち一部の圧縮器を運転することによって前記複数の燃料電池スタックで発電を行う際に、前記切替弁を開弁して前記カソードガス供給流路を連通させるとともに、前記圧縮器毎の使用履歴に基づいて停止させる圧縮器を選定し、当該選定された圧縮器を停止させる制御部と、を備える。

本明細書開示の燃料電池システムによれば、複数の圧縮器を備える燃料電池システムのメンテナンスを効率的に行うことができるようになる。

図１は第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。図２（Ａ）は一般的な圧縮器が吐出するカソードガス流量とカソードガス流路圧力との関係を示すグラフであり、図２（Ｂ）はスタック温度とカソードガス流路における要求圧力との関係を示すグラフである。図３はシステム全体のカソードガス流量とカソードガス流路圧力の上限圧力との関係を示すグラフである。図４（Ａ）はシステム全体のカソードガス流量とカソードガス流路圧力の上限圧力との関係を示すグラフであり、図４（Ｂ）はスタック温度とカソードガス流路における要求圧力との関係を示すグラフである。図５は第１実施形態の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートの一部である。図６は第１実施形態の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートの一部である。図７（Ａ）は上限圧力推定マップの一例であり、図７（Ｂ）は要求圧力推定マップの一例である。図８は最小流量算出マップの一例である。図９はバイパス弁開度算出マップの一例である。図１０は第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

Ａ．燃料電池システムの全体構成
図１を参照すると、燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００、第２燃料電池系統２００及び制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２を備える。

第１燃料電池系統１００は、第１燃料電池スタック１０１を備える。第１燃料電池スタック１０１は、燃料電池セルを積層して形成されている。各燃料電池セルは、膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備えた膜電極接合体を有する。アノード極及びカソード極は一方ではＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを介して、例えば、車両駆動用の電気モータに電気的に接続され、他方ではＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電器に電気的に接続される。なお、図１において、膜電極接合体、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ及び蓄電池等の図示は省略されている。

第１燃料電池スタック１０１内には、アノード極にアノードガスを供給する第１アノードガス流路１１０と、カソード極にカソードガスを供給する第１カソードガス流路１２０と、第１燃料電池スタック１０１内に冷却水を供給するための第１冷却水流路１３０が形成されている。

第１アノードガス流路１１０の入口には、第１アノードガス供給流路１１１の一端が接続されている。第１アノードガス供給流路１１１の他端には、アノードガスである水素が貯留された第１水素タンク１１２が接続されている。第１アノードガス供給流路１１１には、第１アノードガス流路１１０へ供給するアノードガス流量を調整する第１レギュレータ１１３が配置されている。第１アノードガス流路１１０の出口には、第１アノードガス流路１１０から排出されるアノードオフガスが流れる第１アノードオフガス流路１１４が接続されている。

第１カソードガス流路１２０の入口には、第１カソードガス供給流路１２１の一端が接続されている。第１カソードガス供給流路１２１の他端は、大気開放されており、第１カソードガス流路１２０に大気を取り込む。第１カソードガス供給流路１２１には、第１圧縮器１２２ａが配置されている。第１圧縮器１２２ａは、第１モータ１２２ｂによって駆動され、カソードガスを第１カソードガス流路１２０へ圧送する。第１圧縮器１２２ａには、その回転数を計測する第１回転数計１２３が設けられている。第１カソードガス流路１２０の出口には、第１カソードガス流路１２０から排出されるカソードオフガスが流れる第１カソードオフガス流路１２４が接続されている。第１カソードオフガス流路１２４には、第１調圧弁１２５が設けられている。第１調圧弁１２５は、その開度を調節することで第１カソードガス流路１２０及びこれと接続されている第１カソードガス供給流路１２１内の圧力を調節する。第１調圧弁１２５は、第１カソードガス流路１２０へ供給されるカソードガス流量を調節するときに、第１圧縮器の１２２ａの稼働状態とともに、その開度が調節される。具体的に、第１調圧弁１２５は、第１カソードガス流路１２０内の圧力が第１圧縮器１２２ａの運転可能領域となるように開度調整される。また、第１調圧弁１２５は、第１燃料電池スタック１０１内の湿度状態を調節するときにも開度調整される。具体的に、第１調圧弁１２５は、第１燃料電池スタック１０１内の湿度を高めたい場合に、第１カソードガス流路１２０内の圧力を高め、水蒸気分圧を高めるように開度調整される。

第１カソードガス供給流路１２１は第１バイパス流路１２６を介して第１カソードオフガス流路１２４と接続されている。第１バイパス流路１２６は、第１カソードガス供給流路１２１の第１圧縮器１２２ａの下流側と第１カソードオフガス流路１２４の第１調圧弁１２５の上流側とを接続している。第１バイパス流路１２６には、第１バイパス弁１２７が設けられている。

第１カソードガス供給流路１２１の第１圧縮器１２２ａと第１バイパス流路１２６との分岐点との間には、第１圧力計１２８が設けられている。第１圧力計１２８の測定値は、第１調圧弁１２５の開度調整の際に参照され、第１カソードガス流路１２０、第１カソードガス供給流路１２１内の圧力が所望の圧力となるように第１調圧弁１２５の開度調整が行われる。

第１冷却水流路１３０の入口には、第１冷却水供給流路１３１の一端が接続されている。第１冷却水供給流路１３１の他端は、第１冷却水チラー１３２に接続されている。第１冷却水流路１３０の出口には、第１冷却水排水流路１３３の一端が接続されている。第１冷却水排水流路１３３の他端は、第１冷却水チラー１３２に接続されている。冷却水は、第１冷却水流路１３０と第１冷却水チラー１３２との間を循環し、第１燃料電池スタック１０１を冷却する。第１冷却水排水流路１３３には、第１燃料電池スタック１０１の温度として冷却水の温度を測定する第１温度計１３４が設けられている。

第２燃料電池系統２００は、第１燃料電池系統１００と同様の構成を有する。すなわち、第２燃料電池系統２００は、第２燃料電池スタック２０１、第２アノードガス流路２１０、第２アノードガス供給流路２１１、第２水素タンク２１２、第２レギュレータ２１３、第２アノードオフガス流路２１４を備える。また、第２燃料電池系統２００は、第２カソードガス流路２２０、第２カソードガス供給流路２２１、第２圧縮器２２２ａ、第２モータ２２２ｂ、第２回転数計２２３、第２カソードオフガス流路２２４、第２調圧弁２２５を備える。また、第２燃料電池系統２００は、第２バイパス流路２２６、第２バイパス弁２２７及び第２圧力計２２８を備える。さらに、第２燃料電池系統２００は、第２冷却水流路２３０、第２冷却水供給流路２３１、第２冷却水チラー２３２、第２冷却水排水流路２３３を備える。これらの構成要素は、第１燃料電池系統１００において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。

このように、燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００と第２燃料電池系統２００を備えることで、複数の燃料電池スタック１０１，２０１、複数のカソードガス供給流路１２１，２２１を備える。燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００に属する第１カソードガス供給流路１２１と第２燃料電池系統２００に属する第２カソードガス供給流路２２１とを接続する連通流路１０を備えている。連通流路１０は、第１カソードガス供給流路１２１の第１圧縮器１２２ａの下流側と第２圧縮器２２２ａの下流側とを接続している。連通流路１０には、切替弁１１が設けられている。切替弁１１は、連通流路１０の状態を、第１カソードガス供給流路１２１と第２カソードガス供給流路２２１とを連通させる状態と、第１カソードガス供給流路１２１と第２カソードガス供給流路２２１との連通を遮断する状態との間で切り替える。切替弁１１が開弁されると、カソードガス供給流路１２１,２２１間でカソードガスの流通が可能となり、切替弁１１が閉弁されると、カソードガス供給流路１２１，２２１間でカソードガスの流通が遮断される。

ＥＣＵ２は、ハードウェア構成として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。ＥＣＵ４は、機能的に、出力制御部３、圧縮器停止判定部（以下、単に「停止判定部」という）４、圧縮器選定部５、カソードガス流路制御部６、第１圧縮器制御部７及び第２圧縮器制御部８を有している。

出力制御部３は、アクセル開度センサ９、レギュレータ１１３，２１３と電気的に接続されている。出力制御部３は、第１圧縮器制御部７を介して第１圧縮器１２２ａと電気的に接続され、また、第２圧縮器制御部８を介して第２圧縮器２２２ａと電気的に接続されている。出力制御部３は、アクセル開度センサ９の信号に基づいて、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に対する要求出力を算出する。ここで、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に対する要求出力は、それぞれ燃料電池システム１全体の要求出力の１／２ずつである。出力制御部３は、算出した要求出力に基づいて第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に必要なアノードガス供給量が得られるようにレギュレータ１１３，２１３に制御信号を出力する。

出力制御部３は、また、第１圧縮器制御部７と第２圧縮器制御部８に対し、要求出力に基づき第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に必要なカソードガス供給量が得られるように制御信号を出力する。ここで、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に必要なカソードガス流量は、燃料電池システム１の要求出力に基づくシステム全体のカソードガス流量Ｆａｌｌの１／２ずつの流量である。これは、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に対する要求出力が、それぞれ燃料電池システム１全体の要求出力の１／２ずつだからである。第１圧縮器制御部７は、第１燃料電池スタック１０１に必要なカソードガス流量が得られるように第１モータ１２２ｂの回転数を制御する。同様に、第２圧縮器制御部８は、第２燃料電池スタック２０１に必要なカソードガス流量が得られるように第２モータ２２２ｂの回転数を制御する。

停止判定部４は、燃料電池システム１の状態が、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのいずれかを停止し、一方の圧縮器のみを運転させる状態であるか否かを判定する。ここで、図２から図４を参照して、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのいずれかを停止させる場合について説明する。

まず、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、一般的な圧縮器の特性と一般的な燃料電池スタックにおける要求圧力について説明する。図２（Ａ）は一般的な圧縮器が吐出するカソードガス流量とカソードガス流路圧力との関係を示すグラフであり、図２（Ｂ）はカソードガス流路におけるスタック温度と要求圧力との関係を示すグラフである。

本実施形態に用いられている第１圧縮器１２２ａや第２圧縮器２２２ａも含めて一般的な圧縮器には、その仕様に基づいて運転可能領域と運転不可領域の境界となる上限圧力が決まっている。この上限圧力はサージラインと称されることもある。例えば、圧縮器が吐出したいカソードガス流量がＦ１ａだとすると、圧縮器がカソードガスを吐出するカソードガス供給流路と繋がっているカソードガス流路の圧力は、Ｐ（Ｆ１ａ）以下の値でなければならない。仮に、カソードガス流路圧力がＰ（Ｆ１ａ）よりも高い値であると、圧縮器は運転できない。同様に、圧縮器が吐出したいカソードガス流量がＦ１ｂである場合に、カソードガス流路圧力がＰ（Ｆ１ｂ）よりも高い値であると、圧縮器は運転できない。

一方、燃料電池スタックは、そのスタック温度に応じて、カソードガス流路の圧力を高めたい場合がある。例えば、スタック温度が高い場合に、カソードガス流路内の圧力を高め、ひいては水蒸気分圧を高めることで、燃料電池スタック内の乾燥を抑制したいような場合である。図２（Ｂ）を参照すると、例えば、スタック温度がＴ１であるとき、要求圧力、すなわち、燃料電池スタック内の乾燥を抑制すべくカソードガス流路圧力に求められる圧力は、Ｐ（Ｔ１）である。同様に、スタック温度がＴ２であるとき、要求圧力は、Ｐ（Ｔ２）である。

ここで、例えば、燃料電池システムを搭載した車両が登坂した後、アクセルが閉じられ、燃料電池システムの要求出力が小さくなり、これに伴ってカソードガス流量も少なくなる場合を想定する。車両が登坂する場合、燃料電池スタックの負荷も高くなることからスタック温度が高くなる。このときのスタック温度が例えばＴ２であると、要求圧力はＰ（Ｔ２）となる。一方、登坂直後、アクセルが閉じられることで要求されるカソードガス流量がＦ１ａになったとする。このカソードガス流量Ｆ１ａに対応する上限圧力はＰ（Ｆ１ａ）である。ここで、圧力Ｐ（Ｆ１ａ）は、圧力Ｐ（Ｔ２）より低い。

このため、圧縮器をカソードガス流路圧力がＰ（Ｆ１ａ）よりも低い環境下で運転しようとすると、燃料電池スタック側の要請である圧力Ｐ（Ｔ２）による運転が行われないことになる。このような場合には、圧縮器をより高い圧力である圧力Ｐ（Ｔ２）で運転し、カソードガス流量Ｆ１ａよりも増えてしまったカソードガスについては、バイパスする等して燃料電池スタックのカソードガス流路に供給されないようにすることが考えられる。

つぎに、図３及び図４を参照して本実施形態のように、二つの圧縮器が装備された燃料電池システムにおけるカソードガス流路圧力の上限圧力について説明する。ここで、二つの圧縮器は同一物であり、同一の特性を有している。まず、図３を参照すると、燃料電池システムに要求されるシステム全体のカソードガス流量Ｆａｌｌを二つの圧縮器によって賄う場合、第１圧縮器と第２圧縮器は、それぞれ、１／２Ｆａｌｌずつのカソードガス流量を分担する。この場合、第１圧縮器の上限圧力と第２圧縮器の上限圧力は、いずれもカソードガス流量１／２Ｆａｌｌに対応する値となる。これに対し、システム全体のカソードガス流量Ｆａｌｌを第１圧縮器と第２圧縮器のどちらか一方の圧縮器によって賄う場合、二つの圧縮器を用いる場合と比較して上限圧力は、高くなる。このため、例えば、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すようにスタック温度がＴ３であり、燃料電池スタック側の要求圧力がＰ（Ｔ３）である場合、一つの圧縮器でカソードガス流量Ｆａｌｌを賄えば要求圧力に関する条件が満たされる。

停止判定部４は、上限圧力と要求圧力との関係に基づき第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの双方を運転するのか、または、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのいずれかを停止し、一方の圧縮器のみを運転するのか判定する。停止判定部４には、第１温度計１３４と第２温度計２３４が電気的に接続されている。

圧縮器選定部５は、第１回転数計１２３と第２回転数計２２３と電気的に接続されている。圧縮器選定部５は、停止判定部４がいずれか一方の圧縮器を停止させると判定した場合に、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのうち、停止させる圧縮器を選定する。

カソードガス流路制御部６は、第１調圧弁１２５、第１バイパス弁１２７、第１圧力計１２８、第２調圧弁２２５、第２バイパス弁２２７、第２圧力計２２８及び切替弁１１と電気的に接続されている。カソードガス流路制御部６は、第１圧縮器１２２ａや第２圧縮器２２２ａによって吐出されたカソードガスをどの流路に流すかを制御する。カソードガス流路制御部６は、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの一方が運転される場合に切替弁１１を開弁し、第１燃料電池スタック１０１と第２燃料電池スタック２０１の双方にカソードガスを供給できるようにする。

また、カソードガス流路制御部６は、第１バイパス弁１２７や第２バイパス弁２２７を制御して、カソードガスをバイパスさせる。例えば、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのいずれか一方のみの運転としても依然として要求圧力に関する条件が満たされない場合がある。このような場合に、選定された圧縮器の吐出量を増すことで上限圧力を高め、これにより要求圧力を満たす制御が行われることがある。このような制御に伴って増量されたカソードガス流量は第１燃料電池スタック１０１や第２燃料電池スタック２０１をバイパスさせる。このとき、第１バイパス弁１２７や第２バイパス弁２２７が開弁される。

Ｂ．圧縮器停止制御
つぎに、図５から図９を参照して、燃料電池システム１において行われる圧縮器停止制御の一例について説明する。図５及び図６は、説明の都合上、一つのフローチャートを二つに分けて表したものとなっている。図５における符号Ａ１、Ｂ１及びＣ１は、それぞれ図６における符号Ａ２、Ｂ２及びＣ２に繋がっている。また、図６におけるＤ１は図５における符号Ｄ２に繋がっている。

まず、ステップＳ１において、出力制御部３は、アクセル開度センサ９の信号に基づいて、燃料電池システム１全体に対する要求電力Ｉｄｅｍａｎｄａｌｌを算出する。そして、出力制御部３は、ステップＳ２において、第１燃料電池スタック１０１に対する要求電力Ｉｄｅｍａｎｄ１及び第２燃料電池スタック２０１に対する要求出力Ｉｄｅｍａｎｄ２を算出する。本実施形態における要求電力Ｉｄｅｍａｎｄ１と要求電力Ｉｄｅｍａｎｄ２は、同値であり、要求電力Ｉｄｅｍａｎｄａｌｌの１／２とされている。

ステップＳ２に引き続いて行われるステップＳ３では、出力制御部３は、第１燃料電池スタック１０１の要求出力Ｉｄｅｍａｎｄ１に対応するカソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１を推定する。カソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１は、例えば、下記の式１によって算出される。
式１
Ｆｄｅｍａｎｄ１
＝（ｎ×Ｉｄｅｍａｎｄ１×２２．４×６０）／（４×９６５００×０．２１）
ここで、定数「ｎ」は、第１燃料電池スタック１０１が有する燃料電池セルの枚数、定数「２２．４」は、エア量（モル）を体積（リットル）に換算するための係数、定数「６０」は、分を秒に換算するための係数、定数「９６５００」はファラデー定数、定数「０．２１」は空気中の酸素含有率である。なお、カソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１は、要求出力Ｉｄｅｍａｎｄ１との相関性に基づいて予め準備されたマップを用いて推定するようにしてもよい。

ステップＳ３に引き続いて行われるステップＳ４では、停止判定部４は、カソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１に対応する上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ１を推定する。上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ１は、図７（Ａ）に示す予め準備された上限圧力推定マップに基づいて推定される。なお、図７（Ａ）に示す上限圧力推定マップは、後に推定される第２圧縮器２２２ａに対する上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ２を推定する際にも用いられる。また、図７（Ａ）に示す上限圧力推定マップは、カソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量に対応する上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌを推定する際にも用いられる。

ステップＳ５では、停止判定部４は、第１温度計１３４の測定値であるスタック温度Ｔｓｔａｃｋ１を取得する。そして、ステップＳ６では、スタック温度Ｔｓｔａｃｋに対応する要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１を推定する。要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１は、図７（Ｂ）に示す予め準備された要求圧力推定マップに基づいて推定される。なお、図７（Ｂ）に示す要求圧力推定マップは、後に推定される第２燃料電池スタック２０２における要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２を推定する際にも用いられる。

なお、ステップＳ３とステップＳ４による上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ１の推定と、ステップＳ５とステップＳ６による要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１の推定とは、その順序を問わないため、先に要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１を推定してもよいし、両者を同時に推定するようにしてもよい。

ステップＳ３からステップＳ６に引き続いて行われるステップＳ７では、停止判定部４は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が第１圧縮器１２２ａの上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ１よりも大きいか否かを判定する。停止判定部４は、ステップＳ７でＮＯと判定したときは、ステップＳ８へ進み、ステップＳ７でＹＥＳと判定したときは、ステップＳ１６へ進む。

ステップＳ８からステップＳ１１では、第２燃料電池スタック２０１について、第１燃料電池スタック１０１についてのステップＳ３からステップＳ６と同様の処理が行われる。ステップＳ８からステップＳ１１は、対象としている燃料電池スタックが異なっているだけで、その内容は、ステップＳ３からステップＳ６と共通しているので、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ８からステップＳ１１に引き続いて行われるステップＳ１２では、停止判定部４は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が第２圧縮器２２２ａの上限圧力Ｐｌｅｖｅｌ２よりも大きいか否かを判定する。停止判定部４は、ステップＳ１２でＮＯと判定したときは、ステップＳ１３へ進み、ステップＳ１２でＹＥＳと判定したときは、ステップＳ１６へ進む。

停止判定部４がステップＳ７でＮＯと判定し、さらに、ステップＳ１２でＮＯと判定したときは、第１燃料電池系統１００と第２燃料電池系統２００のいずれにおいても要求圧力が上限圧力を超えていない場合である。すなわち、この状態は、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａをそれぞれ運転することができ、各系統において要求圧力も満たされている状態である。そこで、ステップＳ１３においてカソードガス流路制御部６は、切替弁１１を閉弁し、第１カソードガス供給流路１２１と第２カソードガス供給流路２２２の連通を遮断した状態とする。

ステップＳ１３に引き続いて行われるステップＳ１４では、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａが作動し、双方が運転状態とされる。そして、ステップＳ１５において、それまでの第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１，ＮＡＣＰ２に今回の運転における回転数が加算され、加算された値が新たな総回転数ＮＡＣＰ１，ＮＡＣＰ２として記録が更新される。ここで総回転数とは、第１圧縮器１２２ａや第２圧縮器２２２ａが新品の状態やオーバーホールされた状態からの積算された回転数である。積算された回転数は、回転数計１２３，２２３によって計測されている。ステップＳ１４の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

つぎに、ステップＳ１６について説明する。ステップＳ１６は、ステップＳ７でＹＥＳ判定がされた場合やステップＳ１２でＹＥＳ判定された場合に実行される。すなわち、ステップＳ１６は、第１燃料電池系統１００と第２燃料電池系統２００のいずれかにおいて要求圧力が上限圧力を超えている場合に行われる。第１燃料電池系統１００と第２燃料電池系統２００のいずれかにおいて要求圧力が上限圧力を超えている場合には、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの一方を停止させる。そして、他方のみの運転によって第１燃料電池スタック１０１と第２燃料電池スタック２０１に発電させる。このため、ステップＳ１６では、カソードガス流路制御部６は、切替弁１１を開弁し、第１カソードガス供給流路１２１と第２カソードガス供給流路２２１とを連通させる。

ステップＳ１７では、停止判定部４は、図７（Ａ）に示す上限圧力推定マップを用い、カソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量に対応する上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌを推定する。

そして、ステップＳ１８において、停止判定部４は、第１燃料電池スタック１０１の要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも小さいか否かを判定する。停止判定部４は、ステップＳ１８でＹＥＳと判定したときは、ステップＳ１９へ進み、ステップＳ１８でＮＯと判定したときはステップＳ２７へ進む。

ステップＳ１９では、停止判定部４は、第２燃料電池スタック２０１の要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも小さいか否かを判定する。停止判定部４は、ステップＳ１９でＹＥＳと判定したときは、ステップＳ２０へ進み、ステップＳ１９でＮＯと判定したときはステップＳ３８へ進む。

ステップＳ１８とステップＳ１９でともにＹＥＳと判定され、ステップＳ２０へ進む場合は、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのいずれかによってカソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量を賄う。これにより、燃料電池システム１は、第１燃料電池スタック１０１における要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１と第２燃料電池スタック２０１における要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が満たされた状態で運転することができる。ステップＳ２０では、圧縮器選定部５は、圧縮器毎の使用履歴に基づいて停止させる圧縮器を選定する。

具体的に、ステップＳ２０において、圧縮器選定部５は、それまでの第１圧縮器１２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１が第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２よりも多いか否かを判定する。ここで、総回転数ＮＡＣＰ１と第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２は、圧縮器毎の使用履歴に含まれる値である。停止させる圧縮器を選定する際、使用頻度が高い圧縮器を選定し、使用頻度が高い圧縮器を優先的に停止させることで第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの使用頻度を近づけることができる。第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの使用頻度を近づけ、平準化することで、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのメンテナンス時期や交換時期を一致させることができる。この結果、複数の圧縮器を備える燃料電池システム１のメンテナンスを効率的に行うことができるようになり、燃料電池システム１に対するメンテナンス回数を低減することができる。

ステップＳ２０でＹＥＳと判定されたとき、すなわち、第１圧縮器１２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１の方が第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２よりも多い場合は、ステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１では、第１圧縮器制御部７が第１圧縮器１２２ａを停止させるともに、カソードガス流路制御部６が第１調圧弁１２５を閉弁する。そして、ステップＳ２２において、第２圧縮器制御部８が第２圧縮器２２２ａを作動させて運転状態とする。ステップＳ２２に引き続いて行われるステップＳ２３では、第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２に今回の運転における回転数が加算され、加算された値が新たな総回転数ＮＡＣＰ２として記録が更新される。ステップＳ２３の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２０でＮＯと判定されたとき、すなわち、第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２の方が第１圧縮器１２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１よりも多い場合は、ステップＳ２４へ進む。ステップＳ２４では、第２圧縮器制御部８が第２圧縮器２２２ａを停止させるともに、カソードガス流路制御部６が第２調圧弁２２５を閉弁する。そして、ステップＳ２５において、第１圧縮器制御部７が第１圧縮器１２２ａを作動させて運転状態とする。ステップＳ２５に引き続いて行われるステップＳ２６では、第１圧縮器１２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１に今回の運転における回転数が加算され、加算された値が新たな総回転数ＮＡＣＰ１として記録が更新される。ステップＳ２６の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

つぎに、ステップＳ１８においてＮＯと判定された場合について説明する。ステップＳ１８でＮＯと判定された場合は、要求された流量を一つの圧縮器で賄い、上限圧力を引き上げているにも拘わらず要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも高い場合である。このような場合は、停止判定部４は、ステップＳ２７へ進む。

ステップＳ２７では、停止判定部４は、第１燃料電池スタック１０１における要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が第２燃料電池スタック２０１における要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２よりも小さいか否かを判定する。ステップＳ２７は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１と要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２のいずれが支配的であるかを判定するものである。ステップＳ２７でＮＯと判定した場合は、ステップＳ２８へ進み、ステップＳ２７でＹＥＳと判定した場合は、ステップＳ３８へ進む。

ステップＳ２７でＮＯと判定された場合は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が支配的となる場合である。そこで、ステップＳ２８では第１圧縮器１２２ａまたは第２圧縮器２２２ａが要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１を満たすために必要となる最小流量Ｆｍｉｎ１を算出する。最小流量Ｆｍｉｎ１は、図８に示す予め準備された最小流量算出マップに基づいて算出される。なお、図８に示す最小流量算出マップは、後に説明する最小流量Ｆｍｉｎ２を算出する際にも用いられる。

ステップＳ２８に引き続いて行われるステップＳ２９では、バイパス流量Ｆｐａｔｈ１を算出する。ステップＳ２８では、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１を満たすために必要となる最小流量Ｆｍｉｎ１を算出しているが、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１は上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも高い。従って、最小流量Ｆｍｉｎ１は、第１圧縮器１２２ａまたは第２圧縮器２２２ａが賄うべきカソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量よりも多い。そこで、ステップＳ２９では、最小流量Ｆｍｉｎ１がカソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量を超える量をバイパス流量Ｆｐａｔｈ１として算出する。バイパス流量Ｆｐａｔｈ１は、以下の式２によって算出される。
式２
Ｆｐａｔｈ１
＝Ｆｍｉｎ１−（Ｆｄｅｍａｎｄ１＋Ｆｄｅｍａｎｄ２）

ステップＳ２９に引き続いて行われるステップＳ３０では、バイパス流量Ｆｐａｔｈ１に対応する第１バイパス弁１２７または第２バイパス弁２２７の開度Ｖｏ１が算出される。開度Ｖｏ１は、図９に示す予め準備されたバイパス弁開度算出マップに基づいて推定される。なお、図９に示すバイパス弁開度算出マップは、後に説明する開度Ｖｏ２を算出する際にも用いられる。

ステップＳ３０に引き続いて行われるステップＳ３１からステップＳ３７の制御内容は、基本的には、ステップＳ２０からステップＳ２６までの制御内容と共通している。すなわち、ステップＳ３１からステップＳ３７は、圧縮器毎の使用履歴に含まれる第１圧縮器１２２ａの総回転数ＮＡＣＰ１と第２圧縮器２２２ａの総回転数ＮＡＣＰ２に基づいて停止させる圧縮器を選定し、選定した圧縮器を停止させる。そして、運転させた圧縮器の総回転数ＮＡＣＰ１又は総回転数ＮＡＣＰ２に今回の回転数が加算され、加算された値が新たな総回転数ＮＡＣＰ１又は総回転数ＮＡＣＰ２として記録が更新される。

ただし、ステップＳ３３では、ステップＳ２２の制御に加えて、第２燃料電池系統２００に含まれる第２バイパス弁２２７の開度がＶｏ１とされる。また、ステップＳ３６では、ステップＳ２５の制御に加えて、第１燃料電池系統１００に含まれる第１バイパス弁１２７の開度がＶｏ１とされる。その他のステップＳ３１からステップＳ３７の制御内容は、ステップＳ２０からステップＳ２６までの制御内容と共通しているので、その詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態では、バイパス流量Ｆｐａｔｈ１をバイパスさせる場合であっても、その前提として、一つの圧縮器のみを運転して上限圧力を高め、要求圧力と上限圧力との差を小さくしている。このため、本実施形態は、二つの圧縮器を用いる場合と比較して、バイパス流量を少なくすることができる。

つぎに、ステップＳ１９においてＮＯと判定されたときについて説明する。ステップＳ１９でＮＯと判定された場合は、要求された流量を一つの圧縮器で賄い、上限圧力を引き上げているにも拘わらず要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも高い場合である。このような場合は、停止判定部４は、ステップＳ３８へ進む。

なお、ステップＳ２７でＹＥＳと判定された場合もステップＳ３８以降の処理が実行される。ステップＳ１９でＮＯと判定された場合は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１が上限圧力Ｐｌｅｖｅｌａｌｌよりも小さいことが前提となっている。従って、ステップＳ１９でＮＯと判定された場合は、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ１よりも大きく、要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２が支配的である。このような状態は、ステップＳ２７でＹＥＳと判定された場合も同様である。このため、ステップＳ２７でＹＥＳと判定された場合もステップＳ１９でＮＯと判定された場合と同様にステップＳ３８以降の処理の対象となる。

ステップＳ３８では第１圧縮器１２２ａまたは第２圧縮器２２２ａが要求圧力Ｐｄｅｍａｎｄ２を満たすために必要となる最小流量Ｆｍｉｎ２を算出する。最小流量Ｆｍｉｎ２は、図８に示す予め準備された最小流量算出マップに基づいて算出される。

ステップＳ３８に引き続いて行われるステップＳ３９では、バイパス流量Ｆｐａｔｈ２が算出される。バイパス流量Ｆｐａｔｈ２はバイパス流量Ｆｐａｔｈ１と同様に、最小流量Ｆｍｉｎ２がカソードガス流量Ｆｄｅｍａｎｄ１とＦｄｅｍａｎｄ２を合算した流量を超える量として算出される。バイパス流量Ｆｐａｔｈ２は、以下の式３によって算出される。
式３
Ｆｐａｔｈ２
＝Ｆｍｉｎ２−（Ｆｄｅｍａｎｄ１＋Ｆｄｅｍａｎｄ２）

ステップＳ３９に引き続いて行われるステップＳ４０では、バイパス流量Ｆｐａｔｈ２に対応する第１バイパス弁１２７または第２バイパス弁２２７の開度Ｖｏ２が算出される。開度Ｖｏ２は、図９に示す予め準備されたバイパス弁開度算出マップに基づいて推定される。

ステップＳ４０に引き続いて行われるステップＳ４１からステップＳ４７の制御内容は、基本的には、ステップＳ３１からステップＳ３７までの制御内容と共通している。ただし、ステップＳ３３では第２燃料電池系統２００に含まれる第２バイパス弁２２７の開度がＶｏ１とされていたのに対し、ステップＳ４３では、第２バイパス弁２２７の開度がＶｏ２とされる。また、ステップＳ３６では第１燃料電池系統１００に含まれる第１バイパス弁１２７の開度がＶｏ１とされていたのに対し、ステップＳ４６では、第１バイパス弁１２７の開度がＶｏ２とされている。その他のステップＳ４１からステップＳ４７までの制御内容は、ステップＳ３１からステップＳ３７までの制御内容と共通しているので、その詳細な説明は省略する。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、停止させる圧縮器を選定する際、使用頻度が高い圧縮器を選定し、使用頻度が高い圧縮器を優先的に停止させることで第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの使用頻度を近づけることができる。第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａの使用頻度を近づけ、平準化することで、第１圧縮器１２２ａと第２圧縮器２２２ａのメンテナンス時期や交換時期を一致させることができる。この結果、複数の圧縮器を備える燃料電池システム１のメンテナンスを効率的に行うことができるようになり、燃料電池システム１に対するメンテナンス回数を低減することができる。

（第２実施形態）
つぎに、図１０を参照して、第２実施形態の燃料電池システム５１について説明する。第２実施形態の燃料電池システム５１は、第１実施形態の燃料電池システム１の構成に加えて、第３燃料電池系統３００を備えている。第３燃料電池系統３００は、第１燃料電池系統１００や第２燃料電池系統２００と同様の構成を有する。すなわち、第３燃料電池系統３００は、第３燃料電池スタック３０１、第３アノードガス流路３１０、第３アノードガス供給流路３１１、第３水素タンク３１２、第３レギュレータ３１３、第３アノードオフガス流路３１４を備える。また、第３燃料電池系統３００は、第３カソードガス流路３２０、第３カソードガス供給流路３２１、第３圧縮器３２２ａ、第３モータ３２２ｂ、第３回転数計３２３、第３カソードオフガス流路３２４、第３調圧弁３２５を備える。また、第３燃料電池系統３００は、第３バイパス流路３２６、第３バイパス弁３２７及び第３圧力計３２８を備える。さらに、第３燃料電池系統３００は、第３冷却水流路３３０、第３冷却水供給流路３３１、第３冷却水チラー３３２、第３冷却水排水流路３３３を備える。また、これに伴って、ＥＣＵ２内に第３圧縮器制御部５２が設けられている。これらの構成要素は、第１燃料電池系統１００、第２燃料電池系統２００において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム５１は、燃料電池システム１と同様に連通流路１０を備える。但し、燃料電池システム５１の連通流路１０は、第１燃料電池系統１００の第１カソードガス供給流路１２１、第２燃料電池系統２００の第２カソードガス供給流路２２１、第３燃料電池系統３００の第３カソードガス供給流路３２１を接続している。連通流路１０には、第１カソードガス供給流路１２１と第２カソードガス供給流路２２１との間に切替弁１１が設けられ、第２カソードガス供給流路２２１と第３カソードガス供給流路３２１との間に切替弁５３が設けられている。切替弁５３は、切替弁１１と同様にカソードガス流路制御部６に電気的に接続されている。

このように、三つの燃料電池系統を備えた場合であっても、実施形態１と同様の制御を行うことができる。すなわち、各燃料電池系統において、燃料電池スタックに要求される要求圧力が、各圧縮器に要求されるカソードガス流量に応じた上限圧力よりも高いか否かを判定する。そして、いずれかの燃料電池系統において要求圧力が上限圧力よりも高い状態であるとき、複数の圧縮器のいずれかを停止させる。また、これとともに、切替弁１１，５３を開弁して第１カソードガス供給流路１２１、第２カソードガス供給流路２２１及び第３カソードガス供給流路３２１を連通させる。

停止させる圧縮器を選定するときは、圧縮器毎の使用履歴に基づき、総回転数が多い圧縮器を優先的に停止させる。これにより、第１圧縮器１２２ａ、第２圧縮器２２２ａ及び第３圧縮器３２２ａの使用頻度を近づけることができる。第１圧縮器１２２ａ、第２圧縮器２２２ａ及び第３圧縮器３２２ａの使用頻度を近づけ、平準化することで、第１圧縮器１２２ａ、第２圧縮器２２２ａ及び第３圧縮器３２２ａのメンテナンス時期や交換時期を一致させることができる。この結果、燃料電池システム５１に対するメンテナンス回数を低減することができる。

このように、第２実施形態であっても、第１実施形態と同様に、圧縮器のメンテナンス時期を合わせ、メンテナンス回数を低減することができる。

第２実施形態では、三つの燃料電池系統を備えた例について説明したが、燃料電池系統の数は、これらに限定されず、四つ以上であってもよい。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１、５１燃料電池システム
２ＥＣＵ
３出力制御部
４圧縮器停止判定部
５圧縮器選定部
６カソードガス流路制御部
１０連通流路
１１切替弁
１００第１燃料電池系統
１０１第1燃料電池スタック
１２０第１カソードガス流路
１２１第１カソードガス供給流路
１２２ａ第１圧縮器
１２３第１回転数計
１２５第１調圧弁
１３４第１温度計
２００第２燃料電池系統
２０１第２燃料電池スタック
２２０第２カソードガス流路
２２１第２カソードガス供給流路
２２２ａ第２圧縮器
２２３第２回転数計
２２５第２調圧弁
２３４第２温度計

Claims

複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、
前記複数のカソードガス供給流路を前記圧縮器の下流側で接続する連通流路と、
前記連通流路に設けられ、当該連通流路の状態を、前記複数のカソードガス供給流路を連通させる状態と、前記複数のカソードガス供給流路の連通を遮断する状態との間で切り替える切替弁と、
複数の前記圧縮器のうち一部の圧縮器を運転することによって前記複数の燃料電池スタックで発電を行う際に、前記切替弁を開弁して前記カソードガス供給流路を連通させるとともに、前記圧縮器毎の使用履歴に基づいて停止させる圧縮器を選定し、当該選定された圧縮器を停止させる制御部と、
を備えた燃料電池システム。