JP5386338B2 - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両面に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから電力が供給されるとともに、負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池システムの制御方法に関する。

一般的に、燃料電池は、例えば、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。

ところで、燃料電池では、この燃料電池のコンディショニングが不十分な状態のときや、前記燃料電池の性能低下が進行している状態のときに、該燃料電池の出力電力が急激に低下してしまう。

そこで、燃料電池を過負荷の状態にすることがなく、適切な電力の取り出しを可能にするため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、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と、前記燃料電池の運転温度が所定の温度域にある場合に、該燃料電池からの出力を制限する燃料電池出力制限手段とを備えている。

そして、燃料電池出力制限手段は、燃料電池の運転温度と、前記燃料電池から過去に取り出した電力量の積算値である積算電力とに基づいて、該燃料電池から取り出す出力の上限値である出力制限値を決定するようにしている。

これにより、燃料電池のコンディショニングや性能低下の状態も考慮した最適な出力制限制御を行って、前記燃料電池を過負荷の状態にすることがなく、適切な電力の取り出しを行うことができる、としている。

特開２００５−２０９４６７号公報

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この間引き冷却構造は、例えば、各電解質の両側に電極が配設される２つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される３枚のセパレータとを有する、すなわち、２組の発電セルを有する発電ユニットを備えている。

そして、発電ユニット内には、各電解質・電極構造体を挟んで第１酸化剤ガス流路及び第１燃料ガス流路と、第２酸化剤ガス流路及び第２燃料ガス流路とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。

上記のように、間引き冷却構造では、発電ユニット内で隣接する各発電セルが、互いに異なる流体流路構造を有している。このため、隣接する発電セル間に温度環境や残留水の状況等に差異が発生し易い。例えば、一方の発電セルに設けられた第１燃料ガス流路は、冷却媒体流路に隣接するものの、他方の発電セルに設けられた第２燃料ガス流路は、前記冷却媒体流路から大きく離間している。

従って、第１燃料ガス流路は、第２燃料ガス流路に比べて低温になり、凝縮水が発生し易くなる。これにより、一方の発電セルと他方の発電セルとでは、発電性能に差が発生してしまい、性能の低い発電セルに負荷がかかって、さらに性能が低下するという問題がある。

しかしながら、上記の特許文献１では、複数の発電セルが積層された燃料電池全体のコンディションニング状態及び性能低下の状態を考慮して、出力制限制御を行うだけである。このため、それぞれ発電性能が異なる発電セルを有する燃料電池には、適応することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、互いに発電性能の異なる発電セルを良好に発電させることができ、前記発電セルの性能及び耐久性の悪化を可及的に阻止することが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両面に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備えるとともに、複数の前記発電セルが積層される発電ユニットを備え、複数の前記発電ユニットが積層され且つ前記発電ユニット間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されることにより、互いに隣接する前記発電セルの冷却環境が異なる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから電力が供給されるとともに、負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、冷却環境が異なる発電セル間で、各発電性能が同等になる負荷領域を設定する工程と、要求負荷が前記負荷領域の下限値未満である際、蓄電装置のみから前記負荷に電力を供給する工程と、要求負荷が前記負荷領域内である際、前記蓄電装置からの電力供給を停止する一方、燃料電池スタックから前記負荷に電力を供給する工程と、要求負荷が前記負荷領域の上限値を超える際、前記燃料電池スタックから前記負荷に電力を供給し且つ不足電力を前記蓄電装置から前記負荷に供給する工程とを有している。

また、燃料電池スタックは、各電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガスが形成される発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第３セパレータ及び前記第１セパレータ間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックは、各電解質の両側に電極が配設される第１、第２及び第３電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体、第３セパレータ、第３電解質・電極構造体及び第４セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガス流路が形成され、前記第３セパレータと前記第３電解質・電極構造体との間に第３燃料ガス流路が形成され、前記第３電解質・電極構造体と第４セパレータとの間に第３酸化剤ガス流路が形成される発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第４セパレータ及び前記第１セパレータ間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、異なる発電セルにおいて、各発電性能が同等になる負荷領域が設定され、燃料電池スタックは、要求負荷が前記負荷領域内である際に運転される。そして、要求負荷が負荷領域の下限値未満である際、燃料電池スタックの運転が停止される一方、蓄電装置のみから負荷に電力が供給される。さらに、要求負荷が負荷領域を超える際、燃料電池スタックから負荷に電力が供給されるとともに、不足電力が蓄電装置から前記負荷に供給される。

これにより、燃料電池スタックは、異なる発電セルの各発電性能が異なる領域では、運転が行われないため、性能の低い発電セルに負荷が集中することを阻止することができる。従って、発電セルの性能の悪化や耐久性の悪化を抑制することが可能になるとともに、各発電セルは、最も性能のよい領域で発電されるため、発電効率の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記制御方法の説明図である。 前記制御方法において、電圧ばらつきを判定するフローチャートである。 前記制御方法を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 燃料電池スタックの断面説明図である。 前記制御方法の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８と、前記燃料電池スタック１２に電圧コントロールユニット２０を介して接続される蓄電装置、例えば、バッテリ２２と、前記電圧コントロールユニット２０及びインバータ２４を介して電流（電力）が供給される車両走行用の駆動モータ（負荷）２６とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電ユニット２８を矢印Ａ方向に沿って互いに積層して構成される。図２及び図３に示すように、発電ユニット２８は、実質的に異なる２つの発電セル３０ａ、３０ｂを積層しており、第１セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３６ａ、第２セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ及び第３セパレータ４０が順次積層される。

第１セパレータ３４、第２セパレータ３８及び第３セパレータ４０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ３４、第２セパレータ３８及び第３セパレータ４０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ３４、第２セパレータ３８及び第３セパレータ４０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体３６ａは、第２電解質膜・電極構造体３６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体３６ａ、３６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。アノード側電極４４は、カソード側電極４６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

発電ユニット２８の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔５２ａが設けられる。

発電ユニット２８の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔５２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔５０ｂが設けられる。

発電ユニット２８の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔５４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット２８の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。

第１セパレータ３４の第１電解質膜・電極構造体３６ａに向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する第１燃料ガス流路５６が設けられる。第１燃料ガス流路５６は、複数の入口貫通孔５８ａを介して燃料ガス入口連通孔５２ａと連通するとともに、複数の出口貫通孔５８ｂを介して燃料ガス出口連通孔５２ｂと連通する。第１セパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体入口連通孔５４ａと冷却媒体出口連通孔５４ｂとを連通する冷却媒体流路６０の一部が形成される。

第２セパレータ３８の第１電解質膜・電極構造体３６ａに向かう面３８ａには、酸化剤ガス入口連通孔５０ａと酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを連通して、例えば、矢印Ｃ方向に延在する第１酸化剤ガス流路６２が形成される。

第２セパレータ３８の第２電解質膜・電極構造体３６ｂに向かう面３８ｂには、第２燃料ガス流路６４が設けられる。第２燃料ガス流路６４は、複数の入口貫通孔６６ａを介して燃料ガス入口連通孔５２ａと連通するとともに、複数の出口貫通孔６６ｂを介して燃料ガス出口連通孔５２ｂと連通する。

第３セパレータ４０の第２電解質膜・電極構造体３６ｂに向かう面４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔５０ａと酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６８が形成される。第３セパレータ４０の面４０ｂには、冷却媒体流路６０の一部が形成される。

第１セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材７０が一体成形される。第２セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、この第２セパレータ３８の外周端縁部を周回して第２シール部材７２が一体成形されるとともに、第３セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂには、この第３セパレータ４０の外周端縁部を周回して第３シール部材７４が一体成形される。

発電ユニット２８同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット２８を構成する第１セパレータ３４と、他方の発電ユニット２８を構成する第３セパレータ４０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路６０が形成される。

発電セル３０ａは、第１セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２セパレータ３８により構成される一方、発電セル３０ｂは、前記第２セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ及び第３セパレータ４０により構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、第１の実施形態に係る制御方法との関連で、以下に説明する。

先ず、構成の異なる発電セル３０ａ、３０ｂの発電性能が同等になる負荷領域が設定される。図４に示すように、低負荷（低電流）では、発電セル３０ｂの性能が発電セル３０ａの性能よりも良好である一方、高負荷（高電流）では、前記発電セル３０ａの性能が、前記発電セル３０ｂの性能よりも良好である。そして、下限値Ａ１〜上限値Ａ２の間は、発電セル３０ａ、３０ｂの各発電性能が同等になる負荷領域である。

図３に示すように、発電セル３０ａでは、第１燃料ガス流路５６が、冷却媒体流路６０に隣接して冷却される。一方、発電セル３０ｂでは、第２燃料ガス流路６４が、第１電解質膜・電極構造体３６ａを挟んで冷却媒体流路６０から離間しており、第１燃料ガス流路５６に比べて高温になり易い。

従って、第１燃料ガス流路５６では、生成水が凝縮して滞留水が発生し易く、低電流域（低負荷域）では、前記第１燃料ガス流路５６に燃料ガスが良好に流通することができない。これにより、ストイキ不足が発生し、発電セル３０ａの性能は、発電セル３０ｂの性能よりも低下する。

一方、高電流域（高負荷域）では、発電セル３０ａの第１燃料ガス流路５６を流通する燃料ガスは、相当に高温になるものの、冷却媒体流路６０を流通する冷却媒体により冷却される。これに対して、発電セル３０ｂの第２燃料ガス流路６４を流通する燃料ガスは、冷却媒体による冷却効果が低く、第２電解質膜・電極構造体３６ｂの固体高分子電解質膜４２から水分を奪う。このため、固体高分子電解質膜４２が乾燥し易くなり、発電セル３０ｂの発電性能が、発電セル３０ａの発電性能よりも低下する。

そこで、各発電ユニット２８を構成する発電セル３０ａ、３０ｂの電圧のばらつきを判定する処理が、例えば、図５に示すフローチャートに沿って行われる。

先ず、第１番目の発電ユニット２８が設定されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、この第１番目の発電ユニット２８を構成する発電セル３０ａのセル電圧Ｖａ（１）と、発電セル３０ｂのセル電圧Ｖｂ（１）との差が、閾値Ｖｔｈ未満であるか否かが判断される。そして、発電セル３０ａ、３０ｂの電圧差が、閾値Ｖｔｈ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、良好であるという検出フラグが挙げられる。

さらに、ステップＳ４に進んで、第２番目の発電ユニット２８が設定される。この第２番目の発電ユニット２８は、積層数Ｎ（例えば、２５０）未満であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に戻って、第２番目の発電ユニット２８を構成する発電セル３０ａ、３０ｂの電圧差が検出される。

ステップＳ２において、発電セル３０ａ、３０ｂの電圧差が、閾値Ｖｔｈ以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、ＮＧであるという検出フラグが挙げられて、判定処理が終了する。

上記のように、供給負荷に対して、その出力を満たす電流値が、発電セル３０ａ、３０ｂの電圧差が閾値Ｖｔｈ内である電流値（下限値Ａ１〜上限値Ａ２）間にあるか否かが判定される。ここで、閾値Ｖｔｈは、実験的、経験的に決められた値であり、車両の運転状況や構造の異なる発電セル３０ａ、３０ｂの枚数等によって変更することができる。例えば、複数の発電ユニット２８において、セル平均値−セル最小値、最大値−最小値、又は、平常偏差を、閾値Ｖｔｈとして設定してもよい。

次いで、燃料電池システム１０は、図４に示されている負荷領域（下限値Ａ１〜上限値Ａ２間の領域）に基づいて、燃料電池スタック１２のＯＮ／ＯＦＦ制御及びバッテリ２２からの電力供給制御が行われる。

具体的には、図６に示すように、燃料電池システム１０が起動されると（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進んで、駆動モータ２６（その他の電気機器も含む）の要求負荷が、負荷領域の下限値Ａ１未満であるか否かが判断される。要求負荷が、下限値Ａ１未満であると判断された際（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、燃料電池スタック１２が運転されず（ＯＦＦ）、バッテリ２２のみから駆動モータ２６に電力が供給される。

ステップＳ１２で、要求負荷が下限値Ａ１以上であると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、前記要求負荷が負荷領域の上限値Ａ２以下であるか否かが判断される。要求負荷が、上限値Ａ２以下であると判断されると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、すなわち、駆動モータ２６の要求負荷が負荷領域内である際、ステップＳ１６に進む。

ここで、バッテリ２２からの電力供給が停止される一方、燃料電池スタック１２の運転が開始されて、前記燃料電池スタック１２から駆動モータ２６に電力が供給される。なお、燃料電池スタック１２では、余剰の電力をバッテリ２２の充電に使用することができる。

図１に示すように、燃料電池スタック１２では、酸化剤ガス供給装置１４から酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給装置１６から水素含有ガス（例えば、水素ガス）等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給装置１８から純水やエチレングリコール、又はオイル等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａから第２セパレータ３８の第１酸化剤ガス流路６２及び第３セパレータ４０の第２酸化剤ガス流路６８に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路６２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体３６ａのカソード側電極４６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのカソード側電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５２ａから第１セパレータ３４の貫通孔５８ａを通って面３４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、貫通孔５８ａに連通する第１燃料ガス流路５６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体３６ａのアノード側電極４４に供給される。

また、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５２ａから第２セパレータ３８の貫通孔６６ａを通って面３８ｂ側に移動する。従って、燃料ガスは、貫通孔６６ａに連通する第２燃料ガス流路６４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのアノード側電極４４に供給される。

これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体３６ａ、３６ｂでは、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体３６ａ、３６ｂの各カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体３６ａのアノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、貫通孔５８ｂを通って第１セパレータ３４の面３４ｂ側に導出される。面３４ｂ側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのアノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、貫通孔６６ｂを通って第２セパレータ３８の面３８ａ側に導出される。面３８ａ側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔５４ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット２８を構成する第１セパレータ３４と、他方の発電ユニット２８を構成する第３セパレータ４０との間に形成された冷却媒体流路６０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体３６ａ、３６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔５４ｂに排出される。

次いで、図６に示すように、ステップＳ１５において、要求負荷が上限値Ａ２を超えていると、すなわち、負荷領域を超えていると判断されると（ステップＳ１５中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進む。ここで、燃料電池スタック１２は、上限値Ａ２の出力で発電が行われるとともに、不足電力がバッテリ２２から駆動モータ２６に供給される。すなわち、燃料電池スタック１２は、負荷領域である下限値Ａ１〜上限値Ａ２の間で電流が引かれる一方、さらに必要な電流値（不足電流）は、バッテリ２２により補っている。

この場合、第１の実施形態では、構成の異なる発電セル３０ａ、３０ｂにおいて、各発電性能が同等になる負荷領域が設定され、燃料電池スタック１２は、駆動モータ２６による要求負荷が前記負荷領域内である際に、運転されている。

そして、駆動モータ２６の要求負荷が、負荷領域の下限値Ａ１未満である際には、燃料電池スタック１２の運転が停止される一方、バッテリ２２からのみ前記駆動モータ２６に電力が供給されている。さらに、駆動モータ２６の要求負荷が、負荷領域（上限値Ａ２）を超える際には、燃料電池スタック１２から前記駆動モータ２６に電力が供給されるとともに、不足電力がバッテリ２２から前記駆動モータ２６に供給されている。

これにより、燃料電池スタック１２は、構成の異なる発電セル３０ａ、３０ｂの各発電性能が異なる領域では、運転を行わないため、例えば、低負荷時には、性能の低い発電セル３０ａに負荷が集中することを阻止する一方、高負荷時には、性能の低い発電セル３０ｂに負荷が集中することを阻止することができる。

従って、発電セル３０ａ、３０ｂの性能の悪化や耐久性の悪化を、確実に抑制することが可能になるとともに、各発電セル３０ａ、３０ｂは、最も性能の良い領域で発電されている。このため、燃料電池スタック１２全体の発電効率の向上が、容易に図られるという効果が得られる。

なお、低負荷時には、燃料電池スタック１２の発電が行われないため、長時間オフ状態を維持しておくと、ガスの置換や水の凝縮等が起こり、発電が迅速に進行されないおそれがある。そこで、燃料電池スタック１２から常に要求電流値が引けるように、必要に応じて掃気処理やガス循環処理を行うことが好ましい。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する発電ユニット８０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する発電ユニット２８と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電ユニット８０は、発電セル３０ａ、３０ｂ及び３０ｃにより構成される。図７及び図８に示すように、発電ユニット８０は、第１セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体３６ａ、第２セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ、第３セパレータ８２、第３電解質膜・電極構造体３６ｃ及び第４セパレータ８４を設ける。

第３セパレータ８２の第２電解質膜・電極構造体３６ｂに向かう面８２ａには、第２酸化剤ガス流路６８が形成されるとともに、前記第３セパレータ８２の面８２ｂには、第３燃料ガス流路８６が矢印Ｃ方向に延在して設けられる。第３燃料ガス流路８６は、複数の入口貫通孔８８ａを介して燃料ガス入口連通孔５２ａに連通する一方、複数の出口貫通孔８８ｂを介して燃料ガス出口連通孔５２ｂに連通する。

第４セパレータ８４の第３電解質膜・電極構造体３６ｃに向かう面８４ａには、矢印Ｃ方向に延在する第３酸化剤ガス流路９０が設けられる。第４セパレータ８４の面８４ｂには、冷却媒体流路６０の一部が形成される。

発電セル３０ａは、第１セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２セパレータ３８により構成され、発電セル３０ｂは、前記第２セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ及び第３セパレータ８２により構成され、発電セル３０ｃは、前記第３セパレータ８２、第３電解質膜・電極構造体３６ｃ及び第４セパレータ８４により構成される。

発電セル３０ａ、３０ｂ及び３０ｃは、それぞれの負荷電流に対する性能が、図９に示すように異なっている。発電セル３０ａ、３０ｃの関係は、第１の実施形態の発電セル３０ａ、３０ｂの関係と同様である。

発電セル３０ｂは、発電セル３０ａ、３０ｃ間に配置されており、冷却媒体流路６０から最も離間する。このため、低負荷側では、発電セル３０ｂは、他の発電セル３０ａ、３０ｃよりも保温され、第２燃料ガス流路６４に滞留水が存在し難くなる。従って、低負荷側における性能は、発電セル３０ｂが最も高くなる。

一方、高負荷側では、反応により生成水が発生するが、発電セル３０ｂは、他の発電セル３０ｂ、３０ｃよりも冷却され難く、高温のガスによって固体高分子電解質膜４２が乾燥し易い。これにより、高温負荷側では、発電セル３０ｂは、他の発電セル３０ａ、３０ｃよりも性能が低下する。

この第２の実施形態では、発電セル３０ａ〜３０ｃにおいて、各発電性能が同等になる負荷領域が設定され、発電ユニット８０は、要求負荷が前記負荷領域内である際に運転されている。そして、要求負荷が負荷領域の下限値Ａ１未満である際、発電ユニット８０の運転が停止される一方、バッテリ２２（図１参照）のみから負荷に電力は供給されている。さらに、要求負荷が負荷領域の上限値Ａ２を越える際には、発電ユニット８０から電力が供給され且つ不足電力がバッテリ２２から供給されている。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２２…バッテリ
２６…駆動モータ ２８、８０…発電ユニット
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…発電セル
３４、３８、４０、８２、８４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ…電解質膜・電極構造体
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ５６、６４、８６…燃料ガス流路
６０…冷却媒体流路 ６２、６８、９０…酸化剤ガス流路

Claims (4)

1. 電解質の両面に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備えるとともに、複数の前記発電セルが積層される発電ユニットを備え、複数の前記発電ユニットが積層され且つ前記発電ユニット間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されることにより、互いに隣接する前記発電セルの冷却環境が異なる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから電力が供給されるとともに、負荷に電力を供給する蓄電装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記冷却環境が異なる前記発電セル間で、各発電性能が同等になる負荷領域を設定する工程と、
   要求負荷が前記負荷領域の下限値未満である際、前記蓄電装置のみから前記負荷に電力を供給する工程と、
   要求負荷が前記負荷領域内である際、前記蓄電装置からの電力供給を停止する一方、前記燃料電池スタックから前記負荷に電力を供給する工程と、
   要求負荷が前記負荷領域の上限値を超える際、前記燃料電池スタックから前記負荷に電力を供給し且つ不足電力を前記蓄電装置から前記負荷に供給する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１記載の制御方法において、前記燃料電池スタックは、各電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガスが形成される前記発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第３セパレータ及び前記第１セパレータ間に前記冷却媒体を流す前記冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項１記載の制御方法において、前記燃料電池スタックは、各電解質の両側に電極が配設される第１、第２及び第３電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体、第３セパレータ、第３電解質・電極構造体及び第４セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガス流路が形成され、前記第３セパレータと前記第３電解質・電極構造体との間に第３燃料ガス流路が形成され、前記第３電解質・電極構造体と第４セパレータとの間に第３酸化剤ガス流路が形成される前記発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第４セパレータ及び前記第１セパレータ間に前記冷却媒体を流す前記冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法において、各発電性能が同等になる前記負荷領域は、前記発電セル間の電圧が一定値となる電流の下限値から上限値の間に設定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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