JP2022022560A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃費良く燃料系ガス流路等でのフラッディングの解消をすることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】第１燃料電池スタックと、第２燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、第１供給流路と、第１循環流路と、第２供給流路と、第２循環流路と、第１開閉弁を備える第１バイパス流路と、第２開閉弁を備える第２バイパス流路と、温度検出部と、電流検出部と、電圧検出部と、制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、排出ガス経路が連結された複数のスタックを備えたシステムで、第２燃料電池スタックの第２内部反応ガス流路からの排ガスの運動エネルギーを利用することによって、第１燃料電池スタックの第１内部反応ガス流路内の水を排出する、燃料電池システムが開示されている。
例えば特許文献１では、排出ガス経路が連結された複数のスタックを備えたシステムで、第２燃料電池スタックの第２内部反応ガス流路からの排ガスの運動エネルギーを利用することによって、第１燃料電池スタックの第１内部反応ガス流路内の水を排出する、燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献２では、アノードオフガスを非発電状態のセルスタックに供給することにより、非発電状態のセルスタックの酸化防止動作を行う燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献３では、アノードガス圧力を脈動させる脈動制御部を含む燃料電池システムが開示されている。
燃料電池の発電の際に生成される水が燃料系ガス流路等に蓄積し、燃料系ガス流路等がフラッディング状態になると燃料電池の発電の不具合が発生する可能性があるため、車両等の燃費を悪化させることなく効率的に燃料系ガス流路等から水を排出することが望まれる。
上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、運動エネルギーを発生させる駆動力として、複数のスタックのガス排出側に設けたそれぞれのタービンの駆動力（吸引力）を用いている。フラッディングが発生しやすいのは低電流域での燃料電池の使用時である。低電流域は、排出ガス圧の小さい発電領域であるため、燃料電池の入口と出口の圧力差を大きくできないことから、運動エネルギーを発生させようとすると無理やりタービンを回して吸引力を大きくする必要が生じる。そのため、余分な電力を消費し車両等の燃費の悪化を招く場合がある。
また、上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、一方のスタックのアノードオフガスを別のスタックに供給するだけでは定常状態であるため、燃料系ガス流路等の排水性を向上させる手段とはならない。
また、上記特許文献３に記載の燃料電池システムにおいては、脈動制御部は、エジェクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、アノードガス圧力の脈動巾を変更している。しかし、燃料電池の排出ガス圧が低下した状態で、アノードガスを燃料電池に供給することで脈動を発生させる場合があり、任意のタイミングで脈動を発生させることが難しい。
上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、運動エネルギーを発生させる駆動力として、複数のスタックのガス排出側に設けたそれぞれのタービンの駆動力（吸引力）を用いている。フラッディングが発生しやすいのは低電流域での燃料電池の使用時である。低電流域は、排出ガス圧の小さい発電領域であるため、燃料電池の入口と出口の圧力差を大きくできないことから、運動エネルギーを発生させようとすると無理やりタービンを回して吸引力を大きくする必要が生じる。そのため、余分な電力を消費し車両等の燃費の悪化を招く場合がある。
また、上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、一方のスタックのアノードオフガスを別のスタックに供給するだけでは定常状態であるため、燃料系ガス流路等の排水性を向上させる手段とはならない。
また、上記特許文献３に記載の燃料電池システムにおいては、脈動制御部は、エジェクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、アノードガス圧力の脈動巾を変更している。しかし、燃料電池の排出ガス圧が低下した状態で、アノードガスを燃料電池に供給することで脈動を発生させる場合があり、任意のタイミングで脈動を発生させることが難しい。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃費良く燃料系ガス流路等でのフラッディングの解消をすることができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示においては第１燃料電池スタックと、
第２燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタック、及び、前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第１燃料電池スタックとを接続する第１供給流路と、
前記第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして前記第１燃料電池スタックに戻す第１循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第２燃料電池スタックとを接続する第２供給流路と、
前記第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして前記第２燃料電池スタックに戻す第２循環流路と、
第１開閉弁を備え、且つ、前記第１循環流路と前記第２供給流路とを接続し、前記第１燃料電池スタックを迂回して前記第２燃料電池スタックに前記第１循環ガスを供給することを可能にする第１バイパス流路と、
第２開閉弁を備え、且つ、前記第２循環流路と前記第１供給流路とを接続し、前記第２燃料電池スタックを迂回して前記第１燃料電池スタックに前記第２循環ガスを供給することを可能にする第２バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを実施し、
前記制御部は、前記第１ステップ後、前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第１燃料電池スタックであるときは、前記第１開閉弁を開き、一方、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第２燃料電池スタックであるときは、前記第２開閉弁を開く第２ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
第２燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタック、及び、前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第１燃料電池スタックとを接続する第１供給流路と、
前記第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして前記第１燃料電池スタックに戻す第１循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第２燃料電池スタックとを接続する第２供給流路と、
前記第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして前記第２燃料電池スタックに戻す第２循環流路と、
第１開閉弁を備え、且つ、前記第１循環流路と前記第２供給流路とを接続し、前記第１燃料電池スタックを迂回して前記第２燃料電池スタックに前記第１循環ガスを供給することを可能にする第１バイパス流路と、
第２開閉弁を備え、且つ、前記第２循環流路と前記第１供給流路とを接続し、前記第２燃料電池スタックを迂回して前記第１燃料電池スタックに前記第２循環ガスを供給することを可能にする第２バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを実施し、
前記制御部は、前記第１ステップ後、前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第１燃料電池スタックであるときは、前記第１開閉弁を開き、一方、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第２燃料電池スタックであるときは、前記第２開閉弁を開く第２ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記第１ステップにおいてガス圧を高くする前記燃料電池スタックは、高いガス圧での運転履歴が短い方の当該燃料電池スタックとしてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２ステップ後、前記第１燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、前記第２燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、前記第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じる第３ステップを実施してもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、燃費良く燃料系ガス流路等でのフラッディングの解消をすることができる。
本開示においては、第１燃料電池スタックと、
第２燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタック、及び、前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第１燃料電池スタックとを接続する第１供給流路と、
前記第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして前記第１燃料電池スタックに戻す第１循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第２燃料電池スタックとを接続する第２供給流路と、
前記第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして前記第２燃料電池スタックに戻す第２循環流路と、
第１開閉弁を備え、且つ、前記第１循環流路と前記第２供給流路とを接続し、前記第１燃料電池スタックを迂回して前記第２燃料電池スタックに前記第１循環ガスを供給することを可能にする第１バイパス流路と、
第２開閉弁を備え、且つ、前記第２循環流路と前記第１供給流路とを接続し、前記第２燃料電池スタックを迂回して前記第１燃料電池スタックに前記第２循環ガスを供給することを可能にする第２バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを実施し、
前記制御部は、前記第１ステップ後、前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第１燃料電池スタックであるときは、前記第１開閉弁を開き、一方、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第２燃料電池スタックであるときは、前記第２開閉弁を開く第２ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
第２燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタック、及び、前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第１燃料電池スタックとを接続する第１供給流路と、
前記第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして前記第１燃料電池スタックに戻す第１循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第２燃料電池スタックとを接続する第２供給流路と、
前記第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして前記第２燃料電池スタックに戻す第２循環流路と、
第１開閉弁を備え、且つ、前記第１循環流路と前記第２供給流路とを接続し、前記第１燃料電池スタックを迂回して前記第２燃料電池スタックに前記第１循環ガスを供給することを可能にする第１バイパス流路と、
第２開閉弁を備え、且つ、前記第２循環流路と前記第１供給流路とを接続し、前記第２燃料電池スタックを迂回して前記第１燃料電池スタックに前記第２循環ガスを供給することを可能にする第２バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを実施し、
前記制御部は、前記第１ステップ後、前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第１燃料電池スタックであるときは、前記第１開閉弁を開き、一方、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第２燃料電池スタックであるときは、前記第２開閉弁を開く第２ステップを実施することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
燃料系ガス流路等で水の滞留によるフラッディングが発生すると燃料電池に供給される燃料系ガスが不足し、燃料電池の不可逆な劣化が生じる。
なお、燃料系ガスとは、燃料ガス、燃料オフガス、及び、燃料ガスと循環ガスを含む混合ガスを包含する概念である。また、燃料系ガス流路とは、燃料ガス供給流路、燃料オフガス排出流路、循環流路、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド等を含む概念である。
燃料電池の低電流域での発電では、燃料系ガスの流量が少なく燃料系ガスの流路等にフラッディングを生じやすい。フラッディングの原因となる燃料系ガス流路中の水を排出するために燃料系ガス流路下流（燃料オフガス排出流路等）と燃料系ガス流路上流（燃料ガス供給流路等）に圧力差を発生（＝脈動）させることは有効である。
しかしながら、上記の通り従来技術では、任意のタイミングでの脈動が難しい。
その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に高い状態で運転をして、一時的に燃料オフガスを排気すること等が挙げられる。しかし、燃料を無駄に排気することになり、車両等の燃費が悪化する。
また、その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に低い状態で運転をして、一時的に高圧の燃料ガスを供給すること等が挙げられる。しかし、圧力が低い状態での燃料電池の運転は、低電流域での運転であるため、燃料ガスの流量が少ないことによるスタックの各単セル間の燃料ガスの分配不良と低燃料ガス分圧によるスタック全体の燃料ガス不足が発生するという問題がある。
なお、燃料系ガスとは、燃料ガス、燃料オフガス、及び、燃料ガスと循環ガスを含む混合ガスを包含する概念である。また、燃料系ガス流路とは、燃料ガス供給流路、燃料オフガス排出流路、循環流路、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド等を含む概念である。
燃料電池の低電流域での発電では、燃料系ガスの流量が少なく燃料系ガスの流路等にフラッディングを生じやすい。フラッディングの原因となる燃料系ガス流路中の水を排出するために燃料系ガス流路下流（燃料オフガス排出流路等）と燃料系ガス流路上流（燃料ガス供給流路等）に圧力差を発生（＝脈動）させることは有効である。
しかしながら、上記の通り従来技術では、任意のタイミングでの脈動が難しい。
その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に高い状態で運転をして、一時的に燃料オフガスを排気すること等が挙げられる。しかし、燃料を無駄に排気することになり、車両等の燃費が悪化する。
また、その他脈動させる手段としては、燃料系ガス流路の圧力が燃料電池の通常運転時よりも相対的に低い状態で運転をして、一時的に高圧の燃料ガスを供給すること等が挙げられる。しかし、圧力が低い状態での燃料電池の運転は、低電流域での運転であるため、燃料ガスの流量が少ないことによるスタックの各単セル間の燃料ガスの分配不良と低燃料ガス分圧によるスタック全体の燃料ガス不足が発生するという問題がある。
本開示によれば、２つのスタックの燃料ガス供給流路及び循環流路を開閉可能なバイパス流路で接続し、一方のスタックがフラッディング状態に陥る虞のあるときに、電力を用いずに各スタック間に燃料系ガス圧力差が発生するように各スタックを運転させておく。そして、一方のスタックがフラッディング状態に陥ったときに、各スタック間をバイパス流路で連通し、各スタック間の燃料系ガス圧力差により燃料系ガス流速を増加させて流路に溜まった水を排水する。
本開示によれば、排水のための余分な電力の消費量を抑制しつつ、燃料電池の入口と出口の圧力差を発生させる際にも燃料系ガスの流量を調整することのみであり余分な燃料ガスを使用することなく、２つのスタックのフラッディングによる燃料不足の発生の抑制が可能となる。
また、本開示によれば、２つのスタックの内、圧力を下げるスタックでは循環ガス流量を増加させてもよい。これにより、スタック内での各単セルの各燃料極の分圧の低下に伴う各燃料極の燃料ガス分配不良による燃料ガス不足の発生を抑制することができる。また、気体の状態方程式により、圧力を下げたとしても反応するガスのモル数は変わらないため、燃料電池の発電効率が低下するおそれもほとんどない。
また、本開示でのフラッディング解消までの時間については例えば２０～３０秒程度であり、上記特許文献１のタービンＯＮによるフラッディング解消までの時間よりは時間がかかる場合がある。しかし、本開示でのフラッディングが発生するまでの時間規模は約数分であるため、時間のかかるステップ１で燃料電池の入口と出口の圧力差を設けあらかじめフラッディングに備えておけば、ステップ２で圧力開放を行うことで直ちにフラッディングの解消が可能となる。
本開示によれば、排水のための余分な電力の消費量を抑制しつつ、燃料電池の入口と出口の圧力差を発生させる際にも燃料系ガスの流量を調整することのみであり余分な燃料ガスを使用することなく、２つのスタックのフラッディングによる燃料不足の発生の抑制が可能となる。
また、本開示によれば、２つのスタックの内、圧力を下げるスタックでは循環ガス流量を増加させてもよい。これにより、スタック内での各単セルの各燃料極の分圧の低下に伴う各燃料極の燃料ガス分配不良による燃料ガス不足の発生を抑制することができる。また、気体の状態方程式により、圧力を下げたとしても反応するガスのモル数は変わらないため、燃料電池の発電効率が低下するおそれもほとんどない。
また、本開示でのフラッディング解消までの時間については例えば２０～３０秒程度であり、上記特許文献１のタービンＯＮによるフラッディング解消までの時間よりは時間がかかる場合がある。しかし、本開示でのフラッディングが発生するまでの時間規模は約数分であるため、時間のかかるステップ１で燃料電池の入口と出口の圧力差を設けあらかじめフラッディングに備えておけば、ステップ２で圧力開放を行うことで直ちにフラッディングの解消が可能となる。
図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、第１燃料電池スタック１１と、第１供給流路１２と、第１循環流路１３と、第２燃料電池スタック２１と、第２供給流路２２と、第２循環流路２３と、燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１を備える第１バイパス流路４２と、第２開閉弁４３を備える第２バイパス流路４４と、制御部５０と、温度検出部５１と、電流検出部５２と、電圧検出部５３と、を備える。
燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１と、第２開閉弁４３と、温度検出部５１と、電流検出部５２と、電圧検出部５３は、それぞれ制御部５０と電気的に接続され、制御部５０は燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１と、第２開閉弁４３を制御する。
図１に示す燃料電池システム１００は、第１燃料電池スタック１１と、第１供給流路１２と、第１循環流路１３と、第２燃料電池スタック２１と、第２供給流路２２と、第２循環流路２３と、燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１を備える第１バイパス流路４２と、第２開閉弁４３を備える第２バイパス流路４４と、制御部５０と、温度検出部５１と、電流検出部５２と、電圧検出部５３と、を備える。
燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１と、第２開閉弁４３と、温度検出部５１と、電流検出部５２と、電圧検出部５３は、それぞれ制御部５０と電気的に接続され、制御部５０は燃料ガス供給部３０と、第１開閉弁４１と、第２開閉弁４３を制御する。
本開示の燃料電池システムは、少なくとも第１燃料電池スタックと、第２燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、第１供給流路と、第１循環流路と、第２供給流路と、第２循環流路と、第１開閉弁を備える第１バイパス流路と、第２開閉弁を備える第２バイパス流路と、温度検出部と、電流検出部と、電圧検出部と、制御部と、を備え、通常さらに、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、冷却水供給部と、冷却水循環流路等を備える。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックとして、第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックを備える。
第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの各燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数個積層して構成される。
燃料電池スタックにおける単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックにおける単セルの積層数は同じであってもよく、異なっていてもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。
第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの各燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数個積層して構成される。
燃料電池スタックにおける単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックにおける単セルの積層数は同じであってもよく、異なっていてもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池スタックの温度を一定に保つための冷却水流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷却水を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却水供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却水排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却水入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却水出口マニホールド等が挙げられる。
セパレータは、反応ガス及び冷却水を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却水供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却水排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却水入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却水出口マニホールド等が挙げられる。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
燃料ガス供給部は、第１燃料電池スタック、及び、第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、及び、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は制御部と電気的に接続され、制御部からの信号により燃料ガス供給部が燃料ガスを供給する燃料電池スタックの燃料ガス流量を制御することが可能となっていてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、及び、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は制御部と電気的に接続され、制御部からの信号により燃料ガス供給部が燃料ガスを供給する燃料電池スタックの燃料ガス流量を制御することが可能となっていてもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料ガス供給流路として、第１供給流路と第２供給流路を備える。
第１供給流路は、燃料ガス供給部と第１燃料電池スタックとを接続する。
第１供給流路は、燃料ガス供給部と第１燃料電池スタックの燃料系ガス入口（アノード入口マニホールド等）とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第１燃料電池スタックへの供給を可能にする。
第２供給流路は、燃料ガス供給部と第２燃料電池スタックとを接続する。
第２供給流路は、燃料ガス供給部と第２燃料電池スタックの燃料系ガス入口（アノード入口マニホールド等）とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第２燃料電池スタックへの供給を可能にする。
第１供給流路は、燃料ガス供給部と第１燃料電池スタックとを接続する。
第１供給流路は、燃料ガス供給部と第１燃料電池スタックの燃料系ガス入口（アノード入口マニホールド等）とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第１燃料電池スタックへの供給を可能にする。
第２供給流路は、燃料ガス供給部と第２燃料電池スタックとを接続する。
第２供給流路は、燃料ガス供給部と第２燃料電池スタックの燃料系ガス入口（アノード入口マニホールド等）とを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの第２燃料電池スタックへの供給を可能にする。
本開示の燃料電池システムは、循環流路として、第１循環流路と第２循環流路を備える。
第１循環流路は、第１燃料電池スタックの燃料オフガス排出口（アノード出口マニホールド等）と第１供給流路を接続し、第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして第１燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第２循環流路は、第２燃料電池スタックの燃料オフガス排出口（アノード出口マニホールド等）と第２供給流路を接続し、第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして第２燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第１燃料オフガス及び第２燃料オフガスの各燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。
第１循環流路は、第１燃料電池スタックの燃料オフガス排出口（アノード出口マニホールド等）と第１供給流路を接続し、第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして第１燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第２循環流路は、第２燃料電池スタックの燃料オフガス排出口（アノード出口マニホールド等）と第２供給流路を接続し、第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして第２燃料電池スタックに戻すことを可能にする。
第１燃料オフガス及び第２燃料オフガスの各燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。
第１循環流路及び第２循環流路の各循環流路には、循環流路内で燃料オフガス中の水蒸気が冷えて発生した結露水を除去するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、除去された結露水は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
また、循環流路には、循環ガスを燃料電池スタックに効率的に供給するための水素ポンプ等の循環用ポンプ及びエジェクタ等が設けられていてもよい。
エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
また、各燃料ガス供給流路上のエジェクタと燃料ガス供給部との間にはインジェクタが設けられていてもよい。
インジェクタはエジェクタに供給される燃料ガスのガス圧を調整する。
気液分離器において、除去された結露水は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
また、循環流路には、循環ガスを燃料電池スタックに効率的に供給するための水素ポンプ等の循環用ポンプ及びエジェクタ等が設けられていてもよい。
エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
また、各燃料ガス供給流路上のエジェクタと燃料ガス供給部との間にはインジェクタが設けられていてもよい。
インジェクタはエジェクタに供給される燃料ガスのガス圧を調整する。
本開示の燃料電池システムは、バイパス流路として、第１バイパス流路と第２バイパス流路を備える。
第１バイパス流路は、第１開閉弁を備え、且つ、第１循環流路と第２供給流路とを接続し、第１燃料電池スタックを迂回して第２燃料電池スタックに第１循環ガスを供給することを可能にする。
第２バイパス流路は、第２開閉弁を備え、且つ、第２循環流路と第１供給流路とを接続し、第２燃料電池スタックを迂回して第１燃料電池スタックに第２循環ガスを供給することを可能にする。
第１バイパス流路は、第１開閉弁を備え、且つ、第１循環流路と第２供給流路とを接続し、第１燃料電池スタックを迂回して第２燃料電池スタックに第１循環ガスを供給することを可能にする。
第２バイパス流路は、第２開閉弁を備え、且つ、第２循環流路と第１供給流路とを接続し、第２燃料電池スタックを迂回して第１燃料電池スタックに第２循環ガスを供給することを可能にする。
燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、各循環流路から分岐されていてもよい。
燃料オフガス排出部は、例えば、燃料オフガス中の水素等の燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である場合に当該燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、燃料ガスの所定の濃度は特に限定されず、例えば、燃料電池システムの燃費等を考慮して適宜設定してもよい。
燃料オフガス中の燃料ガスの濃度の検出方法は特に限定されず、例えば、従来公知の濃度センサ等を用いることができる。
燃料オフガス排出部は、燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、各循環流路から分岐されていてもよい。
燃料オフガス排出部は、例えば、燃料オフガス中の水素等の燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である場合に当該燃料オフガスを外部に排出してもよい。なお、燃料ガスの所定の濃度は特に限定されず、例えば、燃料電池システムの燃費等を考慮して適宜設定してもよい。
燃料オフガス中の燃料ガスの濃度の検出方法は特に限定されず、例えば、従来公知の濃度センサ等を用いることができる。
温度検出部は、システム温度を検出する。システム温度は、燃料電池システム内の任意の位置の温度であってもよく、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの各燃料電池スタックの内外を循環する冷却水の温度の平均値であってもよい。また、燃料電池スタックの温度は、燃料電池スタックの冷却水入口付近を流れる冷却水の温度であってもよいし、燃料電池スタックの冷却水出口付近を流れる冷却水の温度であってもよい。
温度検出部としては、特に限定されず、温度センサ等が挙げられる。
温度検出部としては、特に限定されず、温度センサ等が挙げられる。
電流検出部は、システム電流を検出する。システム電流は、燃料電池システム内の任意の位置の電流であってもよく、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの各燃料電池スタックに流れる電流の平均値であってもよい。
電流検出部としては、特に限定されず、電流センサ等が挙げられる。
電流検出部としては、特に限定されず、電流センサ等が挙げられる。
電圧検出部はスタック電圧を検出する。電圧検出部は、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの各燃料電池スタックの電圧を検出する。
電圧検出部としては、特に限定されず、電圧センサ等が挙げられる。
電圧検出部としては、特に限定されず、電圧センサ等が挙げられる。
燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池スタックの各酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池スタックの各酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池スタックの各酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池スタックの各酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
燃料電池システムは、冷却水供給部、及び、冷却水循環流路を備えていてもよい。
冷却水循環流路は、燃料電池スタックに設けられる冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドに連通し、冷却水供給部から供給される冷却水を燃料電池スタック内外で循環させ、燃料電池スタックの冷却を可能にする。
冷却水供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
冷却水循環流路は、燃料電池スタックに設けられる冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドに連通し、冷却水供給部から供給される冷却水を燃料電池スタック内外で循環させ、燃料電池スタックの冷却を可能にする。
冷却水供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
制御部は、燃料電池システムの制御を行う。
制御部は、温度検出部、電流検出部、電圧検出部、燃料ガス供給部、燃料オフガス排出部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
制御部は、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード、第１ステップ、第２ステップ、及び、第３ステップ等を実施する。
制御部は、温度検出部、電流検出部、電圧検出部、燃料ガス供給部、燃料オフガス排出部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
制御部は、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード、第１ステップ、第２ステップ、及び、第３ステップ等を実施する。
図２は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
図２に示す制御方法では、まず制御部は、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて通常運転モードを実施する。
そして、制御部は、システム温度が所定の温度（温度の閾値）未満、且つ、システム電流が所定の閾値（電流の閾値）未満である場合に第１燃料電池スタックを第２燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを行う。なお、第２燃料電池スタックの方が第１燃料電池スタックよりも高圧での運転履歴が短い場合は第２燃料電池スタックを第１燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転してもよい。一方、制御部は、システム温度が所定の温度（温度の閾値）以上、及び／又は、システム電流が所定の閾値（電流の閾値）以上である場合は、通常運転モードを継続する。
そして、制御部は、第１ステップ後、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回った場合に第１開閉弁を開く第２ステップを実施する。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）以上である場合は通常運転モードに戻る。
そして、制御部は、第２ステップ後、第１燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第２燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じる第３ステップを実施する。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）以上である場合は第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻る。また、第１燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第２燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第２燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第１燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
図２に示す制御方法では、まず制御部は、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて通常運転モードを実施する。
そして、制御部は、システム温度が所定の温度（温度の閾値）未満、且つ、システム電流が所定の閾値（電流の閾値）未満である場合に第１燃料電池スタックを第２燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを行う。なお、第２燃料電池スタックの方が第１燃料電池スタックよりも高圧での運転履歴が短い場合は第２燃料電池スタックを第１燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転してもよい。一方、制御部は、システム温度が所定の温度（温度の閾値）以上、及び／又は、システム電流が所定の閾値（電流の閾値）以上である場合は、通常運転モードを継続する。
そして、制御部は、第１ステップ後、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回った場合に第１開閉弁を開く第２ステップを実施する。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）以上である場合は通常運転モードに戻る。
そして、制御部は、第２ステップ後、第１燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第２燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じる第３ステップを実施する。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値（電圧の閾値）以上である場合は第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻る。また、第１燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第２燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第２燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値（電圧の閾値）を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第１燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた第１開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
（１）第１ステップ
制御部が実施する第１ステップは、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード中において、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転するステップである。第１ステップにより２つの燃料電池スタック間に一時的な圧力差を発生させることにより、流路に存在する液滴が流出されやすくなる。また、圧力の変動は閉じた燃料ガス循環系で行われるので燃料ガスを無駄に消費することがない。
なお、システム温度が所定の温度以上、及び／又は、システム電流が所定の閾値以上である場合は、通常運転モードを継続してもよい。
制御部が実施する第１ステップは、第１開閉弁および第２開閉弁を閉じて各燃料電池スタックを運転する通常運転モード中において、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転するステップである。第１ステップにより２つの燃料電池スタック間に一時的な圧力差を発生させることにより、流路に存在する液滴が流出されやすくなる。また、圧力の変動は閉じた燃料ガス循環系で行われるので燃料ガスを無駄に消費することがない。
なお、システム温度が所定の温度以上、及び／又は、システム電流が所定の閾値以上である場合は、通常運転モードを継続してもよい。
第１ステップにおいて制御部が選択するガス圧を高くする燃料電池スタックは、特に限定されないが、高いガス圧での運転履歴が短い方の燃料電池スタックとしてもよい。これにより、各燃料電池スタックの寿命を平均化することができる。
システム温度は、システム内の各スタックの温度が適正か否かの指標となる。
システム温度の所定の温度は、特に限定されず、予めフラッディングが発生するシステム温度を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したフラッディングが発生しやすくなるシステム温度に適宜設定すればよい。例えばシステム温度が７０℃未満に低下すると、燃料系ガス流路内で水蒸気が結露してフラッディングが発生しやすくなる。
システム温度を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの温度を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム温度の所定の温度は、特に限定されず、予めフラッディングが発生するシステム温度を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したフラッディングが発生しやすくなるシステム温度に適宜設定すればよい。例えばシステム温度が７０℃未満に低下すると、燃料系ガス流路内で水蒸気が結露してフラッディングが発生しやすくなる。
システム温度を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの温度を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム電流は、システム内のガス流量に比例するため、システム内のガス流量が適正か否かの指標となる。システム電流が低下するとシステム内のガス流量が低下し、流路内の結露を押し流す推進力が小さくなる。
システム電流の所定の閾値は、特に限定されず、予めシステム電流とガス流量との関係を示すデータ群を用意しておき、そのデータ群から、燃料電池システムの性能を考慮して適宜設定すればよい。
システム電流を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの電流を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム温度とシステム電流を検出するタイミングは、同じであっても異なっていてもよいが、便宜的には同じであってもよい。
システム電流の所定の閾値は、特に限定されず、予めシステム電流とガス流量との関係を示すデータ群を用意しておき、そのデータ群から、燃料電池システムの性能を考慮して適宜設定すればよい。
システム電流を検出するタイミングは特に限定されず、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、通常運転モードでの各燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、通常運転モード中は常時各燃料電池スタックの電流を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
システム温度とシステム電流を検出するタイミングは、同じであっても異なっていてもよいが、便宜的には同じであってもよい。
燃料電池スタックを高いガス圧で運転する方法は特に限定されず、燃料ガス供給部からの燃料ガスの供給量を多くすること、燃料オフガスの外部への排出頻度を低下させること、及び、燃料オフガスの外部への排出時期を遅らせること等が挙げられる。
燃料電池スタックを高いガス圧で運転する所定の時間は、２つの燃料電池スタック間に圧力差を発生させることができる時間であれば特に限定されず、燃料電池スタックの性能に応じて適宜設定すればよい。
高いガス圧で運転する燃料電池スタックのガス圧は、もう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧であれば特に限定されないが、所定のガス圧を設定してもよい。すなわち、通常運転モード時のガス圧よりも高い所定のガス圧で燃料電池スタックを運転してもよい。
所定のガス圧は燃料電池システムの性能などを考慮して適宜設定してもよい。
燃料電池スタックを高いガス圧で運転する所定の時間は、２つの燃料電池スタック間に圧力差を発生させることができる時間であれば特に限定されず、燃料電池スタックの性能に応じて適宜設定すればよい。
高いガス圧で運転する燃料電池スタックのガス圧は、もう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧であれば特に限定されないが、所定のガス圧を設定してもよい。すなわち、通常運転モード時のガス圧よりも高い所定のガス圧で燃料電池スタックを運転してもよい。
所定のガス圧は燃料電池システムの性能などを考慮して適宜設定してもよい。
第１ステップにおいて、高いガス圧で運転しない燃料電池スタックは、高いガス圧で運転する燃料電池スタックよりも循環ガスの流量を大きくしてもよい。これにより、スタック内での各単セルの各燃料極の分圧の低下に伴う各燃料極の燃料ガス分配不良による燃料ガス不足の発生を抑制することができる。
燃料電池スタックを通常のガス圧から高いガス圧にするのにはある程度時間がかかる。そのため、フラッディングが発生した場合になるべく速やかにフラッディングを解消するために、システム温度とシステム電流でまもなくフラッディングが発生しそうか否かを判断する。そして、フラッディングが発生しそうであると判断した場合は、２つの燃料電池スタック間に圧力差を発生させるために片方の燃料電池スタックを高い圧力で運転する。これにより、その後各スタックの電圧を測定し、実際にフラッディングが発生していると判断された場合に、速やかにフラッディングを解消できるように、燃料系ガス流路に溜まった結露水を押し流す推進力を高めておくことができる。
（２）第２ステップ
制御部が実施する第２ステップは、第１ステップ後、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第１燃料電池スタックであるときは、第１開閉弁を開き、一方、第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第２燃料電池スタックであるときは、第２開閉弁を開くステップである。
なお、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第１ステップを継続してもよいし通常運転モードに戻ってもよい。
制御部が実施する第２ステップは、第１ステップ後、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第１燃料電池スタックであるときは、第１開閉弁を開き、一方、第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックが第２燃料電池スタックであるときは、第２開閉弁を開くステップである。
なお、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第１ステップを継続してもよいし通常運転モードに戻ってもよい。
燃料系ガス流路内にフラッディングが発生すると、燃料系ガスの流速が低下してスタック電圧が低下するため、スタック電圧はフラッディングが発生しているか否かの指標となる。
スタック電圧の所定の電圧値は、特に限定されず、フラッディングが発生したときのスタック電圧を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したスタック電圧値に適宜設定すればよい。
スタック電圧を検出するタイミングは特に限定されず、第１ステップ中は、第１ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第１ステップ開始時にも行ってもよく、第１ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよい。さらに、スタック電圧を検出するタイミングは、第２ステップ中は、第２ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第２ステップ開始時にも行ってもよく、第２ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
第１ステップで各燃料電池スタックを、圧力差を設けて運転した後に、第２ステップで高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックの開閉弁を開くことにより、フラッディングを速やかに解消することができる。
スタック電圧の所定の電圧値は、特に限定されず、フラッディングが発生したときのスタック電圧を測定しておき、燃料電池システムの性能を考慮したスタック電圧値に適宜設定すればよい。
スタック電圧を検出するタイミングは特に限定されず、第１ステップ中は、第１ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第１ステップ開始時にも行ってもよく、第１ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよい。さらに、スタック電圧を検出するタイミングは、第２ステップ中は、第２ステップ開始から所定の時間経過毎に行ってもよいし、第２ステップ開始時にも行ってもよく、第２ステップ中は常時各燃料電池スタックの電圧を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
第１ステップで各燃料電池スタックを、圧力差を設けて運転した後に、第２ステップで高いガス圧で運転をしている燃料電池スタックの開閉弁を開くことにより、フラッディングを速やかに解消することができる。
（３）第３ステップ
制御部が実施する第３ステップは、第２ステップ後、第１燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第２燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じるステップである。第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じることにより、通常運転モードに戻る。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。また、第１燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第２燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第２燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第１燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
第３ステップは、開閉弁を開いて、燃料電池スタック間の差圧を利用して燃料系ガス流路の結露水の除去を試みたが、それでもスタック電圧が所定の電圧値以上に戻らずフラッディングが解消できていないと判断される場合は、従来公知の方法で燃料ガス流量を大きくしてフラッディングを解消するステップである。
開閉弁を閉じるタイミングは、例えば、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値以上になった時点としてもよい。
制御部が実施する第３ステップは、第２ステップ後、第１燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、第２燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じるステップである。第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じることにより、通常運転モードに戻る。一方、第１燃料電池スタック及び第２燃料電池スタックの両方の電圧が、所定の電圧値以上である場合は第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。また、第１燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第１燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第２燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。さらに、第２燃料電池スタックの電圧のみが、所定の電圧値を下回っている場合は、第２燃料電池スタックのガス流量のみ増大させ、第１燃料電池スタックのガス流量は増大させず、その後、第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じて通常運転モードに戻り、制御を終了する。
第３ステップは、開閉弁を開いて、燃料電池スタック間の差圧を利用して燃料系ガス流路の結露水の除去を試みたが、それでもスタック電圧が所定の電圧値以上に戻らずフラッディングが解消できていないと判断される場合は、従来公知の方法で燃料ガス流量を大きくしてフラッディングを解消するステップである。
開閉弁を閉じるタイミングは、例えば、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧値以上になった時点としてもよい。
１１ 第１燃料電池スタック
１２ 第１供給流路
１３ 第１循環流路
２１ 第２燃料電池スタック
２２ 第２供給流路
２３ 第２循環流路
３０ 燃料ガス供給部
４１ 第１開閉弁
４２ 第１バイパス流路
４３ 第２開閉弁
４４ 第２バイパス流路
５０ 制御部
５１ 温度検出部
５２ 電流検出部
５３ 電圧検出部
１００ 燃料電池システム
１２ 第１供給流路
１３ 第１循環流路
２１ 第２燃料電池スタック
２２ 第２供給流路
２３ 第２循環流路
３０ 燃料ガス供給部
４１ 第１開閉弁
４２ 第１バイパス流路
４３ 第２開閉弁
４４ 第２バイパス流路
５０ 制御部
５１ 温度検出部
５２ 電流検出部
５３ 電圧検出部
１００ 燃料電池システム
Claims (3)
- 第１燃料電池スタックと、
第２燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタック、及び、前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記第１燃料電池スタックとを接続する第１供給流路と、
前記第１燃料電池スタックの各燃料極から排出された第１燃料オフガスを回収し、第１循環ガスとして前記第１燃料電池スタックに戻す第１循環流路と、
前記燃料ガス供給部と前記第２燃料電池スタックとを接続する第２供給流路と、
前記第２燃料電池スタックの各燃料極から排出された第２燃料オフガスを回収し、第２循環ガスとして前記第２燃料電池スタックに戻す第２循環流路と、
第１開閉弁を備え、且つ、前記第１循環流路と前記第２供給流路とを接続し、前記第１燃料電池スタックを迂回して前記第２燃料電池スタックに前記第１循環ガスを供給することを可能にする第１バイパス流路と、
第２開閉弁を備え、且つ、前記第２循環流路と前記第１供給流路とを接続し、前記第２燃料電池スタックを迂回して前記第１燃料電池スタックに前記第２循環ガスを供給することを可能にする第２バイパス流路と、
システム温度を検出する温度検出部と、
システム電流を検出する電流検出部と、
スタック電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、通常運転モード時は、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉じ、
前記制御部は、システム温度が所定の温度未満、且つ、システム電流が所定の閾値未満である場合に、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックをもう一方の燃料電池スタックよりも高いガス圧で所定の時間運転する第１ステップを実施し、
前記制御部は、前記第１ステップ後、前記第１燃料電池スタック及び前記第２燃料電池スタックの少なくともいずれか一方のスタック電圧が、所定の電圧値を下回った場合に、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第１燃料電池スタックであるときは、前記第１開閉弁を開き、一方、前記第１ステップにおいて高いガス圧で運転をしている前記燃料電池スタックが前記第２燃料電池スタックであるときは、前記第２開閉弁を開く第２ステップを実施することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第１ステップにおいてガス圧を高くする前記燃料電池スタックは、高いガス圧での運転履歴が短い方の当該燃料電池スタックとする、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記第２ステップ後、前記第１燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第１燃料電池スタックのガス流量を増大させ、且つ、前記第２燃料電池スタックの電圧が、所定の前記電圧値を下回っている場合は、前記第２燃料電池スタックのガス流量を増大させ、その後、前記第２ステップにおいて開いた開閉弁を閉じる第３ステップを実施する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
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