JP7115279B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池への要求出力がゼロの場合、又は燃料電池を含む燃料電池システムへの要求出力が低い場合には燃料電池の発電が休止され、要求出力が増大すると燃料電池の発電が再開される。このような要求出力に対する燃料電池の発電の再開時での出力の応答性を確保するために、発電休止状態でも燃料電池への反応ガスの供給量を調整して燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持することが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６－０９６０８６号

上記のように発電休止状態で開放電圧を目標範囲内に維持することが長期間にわたって行われると、燃料電池に反応ガスを供給する供給装置による電力消費量が増大する。

そこで、要求出力に対する応答性を確保しつつ電力消費量の増大を抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、第１及び第２燃料電池を含む複数の燃料電池からなる燃料電池ユニットと、前記第１及び第２燃料電池のそれぞれに反応ガスを供給する第１及び第２供給装置と、前記第１及び第２燃料電池の運転と前記第１及び第２供給装置の動作とを制御する制御装置と、を備え、前記燃料電池ユニットへの要求出力をＰとした場合に、前記制御装置は、Ｐ＝０が成立する場合には、前記第１燃料電池の発電を休止して前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止し、前記第１燃料電池に含まれる複数の電解質膜の厚みの平均値は、前記第２燃料電池に含まれる複数の電解質膜の厚みの平均値よりも大きい、燃料電池システムによって達成できる。

Ｐ＝０が成立する場合に、第１燃料電池は発電が休止されて開放電圧が目標範囲内に維持されるため、発電再開時での第１燃料電池の出力の応答性を確保することができる。また、第２燃料電池は発電が休止されて第２供給装置の駆動が停止されるため、第２燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持するために消費される第２駆動装置の電力消費量を削減できる。

閾値をＨとした場合に、０＜Ｈであり、前記制御装置は、０＜Ｐ≦Ｈが成立する場合には、前記第１燃料電池を発電し前記第２燃料電池の発電を休止し、Ｈ＜Ｐが成立する場合には、前記第１及び第２燃料電池を発電させてもよい。

前記制御装置は、０＜Ｐが成立する場合には、前記第１及び第２燃料電池を発電させてもよい。

閾値をＬとした場合に０≦Ｌ＜Ｈであり、前記制御装置は、Ｌ＜Ｐ≦Ｈが成立する場合には、前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持してもよい。

閾値をＬとした場合に０＜Ｌ≦Ｈであり、前記制御装置は、０＜Ｐ≦Ｌが成立する場合には、前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止してもよい。

二次電池を備え、前記燃料電池システム全体への合計要求出力をＴＰとし、閾値をＴＬ、及びＴＨとした場合に、ＴＬ＜ＴＨであり、前記制御装置は、ＴＰ≦ＴＨが成立する場合には、Ｐ＝０とみなし、ＴＰ≦ＴＬが成立する場合には、前記第１燃料電池の発電を休止して前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止し、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合には、前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持してもよい。

ＴＰ≦ＴＬが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲の下限値は、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲の下限値よりも大きくてもよい。

ＴＰ≦ＴＬが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲は、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲よりも大きくてもよい。

前記第１燃料電池の定格出力は、前記第２燃料電池の定格出力よりも大きくてもよい。

前記制御装置は、前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止した状態で前記第２燃料電池内の残水が凍結し得る場合には、前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気してもよい。

前記燃料電池ユニット、前記第１及び第２供給装置、及び前記制御装置は、車両に搭載されていてもよい。

要求出力に対する応答性を確保しつつ電力消費量の増大を抑制した燃料電池システムを提供できる。

図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２は、第１実施例での制御の一例を示したフローチャートである。 図３は、第１実施例での制御の一例を示したタイミングチャートである。 図４は、第２実施例の制御を示したフローチャートである。 図５は、第２実施例の制御を示したタイミングチャートである。 図６は、第３実施例の制御を示したフローチャートである。 図７は、第３実施例の制御を示したタイミングチャートである。 図８は、第４実施例の制御を示したフローチャートである。 図９は、第４実施例の制御を示したタイミングチャートである。 図１０は、第５実施例の制御を示したフローチャートである。 図１１は、第５実施例の制御を示したタイミングチャートである。 図１２Ａ及び図１２Ｂは、第６実施例での燃料電池の開放電圧の上限値と下限値との説明図であり、図１２Ｃ及び図１２Ｄは、第７実施例での燃料電池の開放電圧の上限値と下限値との説明図である。 図１３Ａ及び図１３Ｂは、それぞれ第１変形例での燃料電池の説明図である。 図１４は、燃料電池の開放電圧を同一条件下で同一の目標範囲内に維持するように制御した場合での、各開放電圧の推移を例示している。 図１５Ａは、第２変形例での燃料電池の説明図であり、図１５Ｂは、第３変形例での燃料電池の説明図である。

［第１実施例］
［燃料電池システムの構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、２つの制御システム（以下、単にシステムと称する）２ａ及び２ｂ、及びＥＣＵ（Electronic Control Unit）３を含む。システム２ａ及び２ｂは、それぞれ、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４ａ及び４ｂ、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８ａ及び８ｂ、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂ、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂ、電力制御系３０ａ及び３０を含む。尚、システム２ａ及び２ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂに冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。また、車両には、走行用のモータ５０や、車輪５、アクセル開度センサ６を備えている。

ＦＣ４ａ及び４ｂは、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池である。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。第１実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂは、同一の燃料電池であり、定格出力も同じであるがこれに限定されない。ＦＣ４ａ及び４ｂは、燃料電池ユニットの一例であり、それぞれ第１及び第２燃料電池の一例でもある。

カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ４ａ及び４ｂに供給する第１及び第２供給装置の一例である。具体的には、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、供給管１１ａ及び１１ｂ、排出管１２ａ及び１２ｂ、バイパス管１３ａ及び１３ｂ、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、インタークーラ１６ａ及び１６ｂ、及び背圧弁１７ａ及び１７ｂを含む。

供給管１１ａ及び１１ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２ａ及び１２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３ａは供給管１１ａ及び排出管１２ａを連通しており、同様にバイパス管１３ｂも供給管１１ｂ及び排出管１２ｂを連通している。バイパス弁１５ａは、供給管１１ａとバイパス管１３ａとの接続部分に設けられており、同様にバイパス弁１５ｂは、供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分に設けられている。バイパス弁１５ａは供給管１１ａとバイパス管１３ａとの連通状態を切り替え、同様にバイパス弁１５ｂは供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４ａ、バイパス弁１５ａ、及びインタークーラ１６ａは、供給管１１ａ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ａは、排出管１２ａ上であって、排出管１２ａとバイパス管１３ａとの接続部分よりも上流側に配置されている。同様に、エアコンプレッサ１４ｂ、バイパス弁１５ｂ、及びインタークーラ１６ｂは、供給管１１ｂ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ｂは、排出管１２ｂ上であって、排出管１２ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分よりも上流側に配置されている。

エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管１１ａ及び１１ｂを介してＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されたカソードガスは、それぞれ、排出管１２ａ及び１２ｂを介して排出される。インタークーラ１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁１７ａ及び１７ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード側の背圧を調整する。

アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、アノードガスとして水素ガスをＦＣ４ａ及び４ｂに供給する第１及び第２供給装置の一例である。具体的には、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂ、供給管２１ａ及び２１ｂ、排出管２２ａ及び２２ｂ、循環管２３ａ及び２３ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６ａ及び２６ｂ、気液分離器２７ａ及び２７ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、及び水素循環ポンプ（以下、ＨＰと称する）２９ａ及び２９ｂを含む。

タンク２０ＴａとＦＣ４ａのアノード入口マニホールドは、供給管２１ａにより接続されている。同様に、タンク２０ＴｂとＦＣ４ｂのアノード入口マニホールドは、供給管２１ｂにより接続されている。タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２ａ及び２２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのアノード出口マニホールドに接続されている。循環管２３ａ及び２３ｂは、それぞれ、気液分離器２７ａ及び２７ｂと供給管２１ａ及び２１ｂとを連通している。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａは、供給管２１ａの上流側から順に配置されている。タンク弁２４ａが開いた状態で、調圧弁２５ａの開度が調整され、ＩＮＪ２６ａがアノードガスを噴射する。これにより、ＦＣ４ａにアノードガスが供給される。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。タンク弁２４ｂ、調圧弁２５ｂ、及びＩＮＪ２６ｂについても同様である。

排出管２２ａには、気液分離器２７ａ及び排水弁２８ａが、上流側から順に配置されている。気液分離器２７ａは、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７ａに貯留された水は、排水弁２８ａが開くことにより、排出管２２ａを介して燃料電池システム１の外部へと排出される。排水弁２８ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。気液分離器２７ｂ及び排水弁２８ｂについても同様である。

循環管２３ａは、アノードガスをＦＣ４ａへ還流させるため配管であり、上流側の端部が気液分離器２７ａに接続され、ＨＰ２９ａが配置されている。ＦＣ４ａから排出されたアノードガスは、ＨＰ２９ａによって適度に加圧され、供給管２１ａへ導かれる。ＨＰ２９ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。循環管２３ｂ及びＨＰ２９ｂについても同様である。

電力制御系３０ａ及び３０ｂは、それぞれ、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２ａ及び３２ｂ、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４ａ及び３４ｂ、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９ａ及び３９ｂを含む。また、電力制御系３０ａ及び３０ｂは、モータ５０に接続されたモータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８を共用している。ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂは、それぞれ、ＢＡＴ８ａ及び８ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＦＣ４ａ及び４ｂの発電電力は、それぞれＢＡＴ８ａ及び８ｂに蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。

ＦＣ４ａ及びＢＡＴ８ａの電力は、ＡＩＮＶ３９ａを介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。同様に、ＦＣ４ｂ及びＢＡＴ８ｂの電力は、ＡＩＮＶ３９ｂを介して負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、モータ５０に加えて、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＨＰ２９ａ及び２９ｂを含む。車両用の補機は、例えば空調装置や、照明装置、ハザードランプ等を含む。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂ、及び、ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂが電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６の検出値や上述した車両用の補機及びＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの蓄電電力等に基づいて、ＦＣ４ａ及び４ｂ全体への要求出力Ｐを算出する。また、ＥＣＵ３は、要求出力Ｐに応じて、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機等を制御して、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の発電電力を制御する。尚、要求出力Ｐは、複数の燃料電池からなる燃料電池ユニットに要求される出力であり、ＢＡＴ８ａ及び８ｂ等の燃料電池以外に要求される出力は含まない。

ＥＣＵ３は、要求出力Ｐの大きさに応じて、システム２ａ及び２ｂをそれぞれ制御する制御モードを切り替える。具体的には、システム２ａは発電モード又は維持モードで制御され、システム２ｂについては、発電モード、維持モード、及び節電モードの何れかで制御される。要求出力Ｐの大きさは、予め定められた閾値Ｌ及びＨとの比較により判定される。これらの閾値は、Ｌ＜Ｈの関係が成立している。尚、システム２ｂについては、ＦＣ４ｂの掃気条件が成立すると掃気モードで制御される。これらの制御モードに従って、ＦＣ４ａ及び４ｂの運転と、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂとアノードガス供給系２０ａ及び２０ｂの動作とが制御される。

［発電モード］
システム２ａの制御モードが発電モードに切り替えられると、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａを発電させ、カソードガス供給系１０ａ及びアノードガス供給系２０ａとを制御してＦＣ４ａに供給されるアノードガス及びカソードガスの流量を調整する。ＦＣ４ａの発電は、ＦＣ４ａにカソードガス及びアノードガスが供給されてＦＤＣ３２ａ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ａと負荷装置とが電気的に接続されることにより実現される。同様に、システム２ｂの制御モードが発電モードに切り替えられると、ＦＣ４ｂを発電させ、カソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂとを制御してＦＣ４ｂに供給されるアノードガス及びカソードガスの流量が調整される。ＦＣ４ｂの発電は、ＦＣ４ｂにカソードガス及びアノードガスが供給されてＦＤＣ３２ｂ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ｂと負荷装置とが電気的に接続されることにより実現される。

尚、詳しくは後述するがシステム２ａ及び２ｂの双方が発電モードで制御されている場合には、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の出力が要求出力ＰとなるようにＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ供給されるカソードガス及びアノードガスの流量が調整され、システム２ａのみが発電モードで制御されている場合にはＦＣ４ａの出力が要求出力ＰとなるようにＦＣ４ａに供給されるカソードガス及びアノードガスの流量が調整される。

［維持モード］
システム２ａの制御モードが維持モードに切り替えられると、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａの発電が休止され、且つＦＣ４ａの開放電圧を目標範囲内に維持する。ＦＣ４ａの発電の休止は、ＦＤＣ３２ａ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ａと負荷装置との電気的な接続が遮断されることにより実現される。また、ＦＣ４ａの開放電圧は、ＦＣ４ａに供給されるカソードガス及びアノードガスの供給量が調整されることにより、目標範囲内に維持される。従って、システム２ａが維持モードで制御されている状態では、ＦＣ４ａの発電は休止状態にあるがカソードガス供給系１０ａ及びアノードガス供給系２０ａの駆動が制御されて、カソードガス及びアノードガスのＦＣ４ａへの供給が連続的又は断続的に行われる。例えばシステム２ａを維持モードから発電モードに切り替えられると、維持モードで制御されている状態においてＦＣ４ａには既にカソードガス及びアノードガスが供給されているため、ＦＣ４ａの出力の応答性良く発電を再開できる。尚、開放電圧が高すぎるとカソード触媒が溶出する可能性があり、開放電圧が低すぎると、発電再開時での出力の応答性が低下する可能性があるため、このような点を考慮して目標範囲の上限値及び下限値が定められている。

ＦＣ４ａの開放電圧は、以下のようにして目標範囲内に維持される。システム２ａの制御モードが維持モードに切り変えられると、ＦＣ４ａの発電が休止されて、一旦アノードガスがＦＣ４ａに十分に供給されてからアノードガスの供給が停止され、ＦＣ４ａのカソード極での酸素濃度が発電モードでの場合よりも低くなるようにＦＣ４ａへ供給されるカソードガスの流量が調整される。この状態では、所謂クロスリークによりＦＣ４ａのカソード極の酸素濃度が時間経過と共に徐々に低下して、ＦＣ４ａの開放電圧も徐々に低下し再び下限値を下回る。クロスリークとは、水素がアノード極側から電解質膜を介してカソード極側に透過する現象である。これにより、カソード極側で水素と酸素とが反応して水が生成され、カソード極側での酸素濃度が低下する。ＦＣ４ａのカソード極での酸素濃度が低下してＦＣ４ａの開放電圧が目標範囲の下限値を下回ると、カソードガス供給系１０ａによりＦＣ４ａへ供給されるカソードガスの流量が増大される。これによりＦＣ４ａのカソード極での酸素濃度が上昇して、ＦＣ４ａの開放電圧が上昇する。ＦＣ４ａの開放電圧が目標範囲の上限値を上回ると、カソードガス供給系１０ａによりＦＣ４ａへ供給されるカソードガスの流量が減少される。これによりＦＣ４ａのカソード極での酸素濃度の上昇が抑制されて、ＦＣ４ａの開放電圧の上昇が抑制される。以上のように、カソードガス供給系１０ａによるＦＣ４ａへのカソードガスの流量が切り替えられることにより、ＦＣ４ａの開放電圧が目標範囲内に維持される。尚、カソードガス供給系１０ａのカソードガスの流量の切り替えは、バイパス弁１５ａの開度を調整することにより制御されるが、これに限定されず、エアコンプレッサ１４ａの回転速度、バイパス弁１５ａの開度、及び背圧弁１７ａの開度の少なくとも一つを調整することにより、カソードガスの流量を制御してもよい。

また、アノードガスについては、カソードガスほど頻繁に流量の切り替えは行われないが、例えば循環管２３ａ等のアノードガスが循環する経路内に設けられた水素濃度センサの検出値が所定値を下回った場合や、アノードガスが循環する経路内に設けられた圧力センサの検出値が所定値を下回った場合に、インジェクタ２６ａからアノードガスが所定量噴射される。これによりアノード極での水素濃度は高い状態に維持される。また、維持モードでのカソードガス供給系１０ａ及びアノードガス供給系２０ａを駆動するための電力はＢＡＴ８ａ及び８ｂの少なくとも一方から供給される。システム２ｂを維持モードで制御する場合も、上記と同様の手法により、ＦＣ４ｂの開放電圧が目標範囲内で維持される。尚、ＡＩＮＶ３９ｂを介してＦＣ４ｂとカソードガス供給系１０ａ及びアノードガス供給系２０ａとが電気的に接続されている構成の場合、システム２ｂが発電モードでありシステム２ａが維持モードである場合に、カソードガス供給系１０ａ及びアノードガス供給系２０ａを駆動するための電力はＦＣ４ｂから供給されてもよい。同様に、ＡＩＮＶ３９ａを介してＦＣ４ａとカソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂとが電気的に接続されている構成の場合、システム２ａが発電モードでありシステム２ｂが維持モードである場合に、カソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂを駆動するための電力はＦＣ４ａから供給されてもよい。

［節電モード］
システム２ａの制御モードが節電モードに切り替えられることはないが、システム２ｂの制御モードについては節電モードに切り替えられる。システム２ｂの制御モードが節電モードに切り替えられると、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ｂの発電を休止し、且つカソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂの駆動を停止する。即ち、ＦＣ４ｂへのカソードガス及びアノードガスの供給が停止される。これにより、システム２ｂが上述した維持モードで制御されている場合と比較して、節電モードでは、維持モードで消費されていたカソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂの駆動による電力消費量分を削減することができる。また、維持モードにおいては、前述のようにクロスリークによる水素の消費を補填するように継続してアノードガスがＦＣ４ｂに供給されるが、節電モードではこのような水素の消費が抑制され、即ち燃料消費量も削減することができる。

［掃気モード］
ＥＣＵ３は、詳しくは後述するがＦＣ４ｂの掃気条件が成立すると、システム２ｂの制御モードを掃気モードに切り替える。具体的には、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ｂの発電が休止された状態で、ＦＣ４ｂ内のカソードガス流路及びアノードガス流路の少なくとも一方から残水を排出するように、カソードガス供給系１０ｂ及びアノードガス供給系２０ｂの少なくとも一方を駆動する。例えばＦＣ４ｂ内のアノードガス流路を掃気する場合には、ＨＰ２９ｂを所定期間駆動して、循環管２３ｂ等に残留しているガスをＦＣ４ｂ内のアノードガス流路に循環させることより、このアノードガス流路から残水を排出する。また、ＨＰ２９ｂの代わりにＩＮＪ２６ｂを所定期間駆動することにより、ＦＣ４ｂ内のアノードガス流路から残水を排出してもよい。ＦＣ４ｂ内のカソードガス流路を掃気する場合には、例えば排出管１２ｂとバイパス管１３ｂとの連通が遮断された状態でエアコンプレッサ１４ｂを所定期間駆動して、カソードガスをＦＣ４ｂ内のカソードガス流路に供給してこのカソードガス流路から残水を排出する。

［システム２ａ及び２ｂの制御］
次に、ＥＣＵ３が実行するシステム２ａ及び２ｂの制御について説明する。図２は、第１実施例での制御の一例を示したフローチャートである。図２に示した制御は繰り返し実行される。図３は、第１実施例での制御の一例を示したタイミングチャートである。図３には、要求出力Ｐの推移と、システム２ａ及び２ｂの制御モードの推移とを示している。

ＥＣＵ３は、Ｈ＜Ｐが成立するか否かを判定する（ステップＳ１）。第１実施例では、閾値Ｈは、例えば車両が比較的高速での走行、登坂路を走行、荷物の積載量が多い状態での走行などの運転状態での要求出力に設定されている。

［システム２ａ：発電モード］
［システム２ｂ：発電モード］
Ｈ＜Ｐが成立する場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ３はシステム２ａ及び２ｂを発電モードで制御する（ステップＳ２）。即ち、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方を発電させ、高い要求出力Ｐを充足させることができる。

Ｈ＜Ｐが不成立の場合（ステップＳ１でＮｏ）、ＥＣＵ３は、Ｌ＜Ｐ≦Ｈが成立するか否かを判定する（ステップＳ３）。閾値Ｌは、例えば車両が比較的低速で走行している運転状態での要求出力、又は、車両が停止した状態であっても車両用の補機による消費電力が比較的大きい状態での要求出力に設定されている。車両用の補機による消費電力が比較的大きい状態とは、例えば車両が自家用車又はバスであって外気温と空調装置の設定温度との差が大きい場合や、車両が冷蔵車又は冷凍車であってコンテナ内用の冷蔵設備が稼働している場合である。

［システム２ａ：発電モード］
［システム２ｂ：維持モード］
Ｌ＜Ｐ≦Ｈが成立する場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、システム２ａを発電モードで制御し、システム２ｂについては維持モードで制御する（ステップＳ４、時刻ｔ１）。ＦＣ４ａについては発電が継続されるため、上述したように車両の走行用のモータ５０や車両用の補機に消費される電力量を確保することができる。また、ＦＣ４ｂの発電は休止されるが開放電圧は維持されるため、例えば車両が低速走行状態から高速走行状態に移行して要求出力Ｐが閾値Ｈよりも大きくなっても、ＦＣ４ｂの出力の応答性が良い状態で発電を再開でき、車両の加速性を確保できる。

［システム２ａ：発電モード］
［システム２ｂ：節電モード］
Ｌ＜Ｐ≦Ｈが不成立の場合（ステップＳ３でＮｏ）、ＥＣＵ３は、０＜Ｐ≦Ｌが成立するか否かを判定する（ステップＳ５）。０＜Ｐ≦Ｌが成立する場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、システム２ａについては発電モードでの制御を継続し、システム２ｂについては節電モードで制御する（ステップＳ６、時刻ｔ２）。システム２ａについては発電モードが継続されるため、車両の走行用のモータ５０や車両用の補機に消費される電力量を確保できる。また、システム２ｂについては節電モードが実施されるため、システム２ｂを維持モードで制御するために消費される電力消費量が削減される。更に、上述したようにシステム２ｂが発電モードで制御されるのはＨ＜Ｐが成立した場合であるため、０＜Ｐ≦Ｌが成立した状態から要求出力Ｐが急激に増大して閾値Ｈよりも大きくなり、システム２ｂの制御モードが節電モードから維持モードを介さずに発電モードに切り替えられることは考えにくい。このため、０＜Ｐ≦Ｌが成立した状態では、システム２ｂについては維持モードではなく節電モードで制御しても問題の発生を抑制できる。

［システム２ａ：維持モード］
［システム２ｂ：節電モード］
０＜Ｐ≦Ｌが不成立の場合（ステップＳ５でＮｏ）、即ちＰ＝０が成立する場合、ＥＣＵ３は、システム２ａを維持モードで制御し、システム２ｂについては節電モードを継続する（ステップＳ７、時刻ｔ３）。Ｐ＝０が成立する場合とは、例えば、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力の残量が十分にあり、車両用の補機に消費される電力消費量が少なく、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力により車両用の補機に消費される電力量を十分に確保することができる状態である。例えば、車両が停止状態や減速走行時、降坂路の走行時等であって、車両の空調装置や冷蔵設備が停止しており、照明装置のみが点灯している状態である。システム２ａが維持モードで制御されるため、要求出力Ｐが増大した場合にも、出力の応答性良くＦＣ４ａの発電を再開できる。また、Ｐ＝０が成立する状態では、要求出力Ｐが急激に増大して閾値Ｈよりも大きくなることは考えにくいため、このような状態でもシステム２ｂの制御が節電モードで継続されることにより、システム２ｂを維持モードで制御するために消費される電力消費量が削減され、燃料消費量も削減される。

以上のように、Ｐ≦Ｌが成立する場合、ステップＳ６又はＳ７が実行されて、システム２ｂは節電モードで制御される。このため、Ｐ≦Ｌが成立する状態が長期間継続された場合には、システム２ｂを維持モードで制御するのに伴う電力消費量を削減する効果が大きくなる。

また、０＜Ｐ≦Ｈが成立する場合、ステップＳ４又はＳ６が実行されて、システム２ａは発電モードで制御されるがシステム２ｂは維持モード又は節電モードで制御される。このため、累積発電期間はＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも短くなり、ＦＣ４ｂの経年劣化の進行が抑制される。これにより、ＦＣ４ｂの出力性能の低下を抑制できる。例えば燃料電池システム１の修理作業時には、作業者はＦＣ４ｂよりもＦＣ４ａの方が、出力性能が低下している可能性が高いものとして作業を効率的に進めることができる。

［システム２ｂ：掃気モード］
ステップＳ６又はＳ７の後には、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ｂの掃気条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ８）。ＦＣ４ｂの掃気条件が成立する場合とは、システム２ｂでの節電モードでの制御が開始されてからＦＣ４ｂ内の残水が凍結し得る場合である。具体的には、システム２ｂでの節電モードでの制御が開始されてから外気温度が例えば所定温度以下である状態が所定時間継続した場合である。外気温度は、例えばＦＣ４ａ及び４ｂを冷却する冷却水の温度に基づいてＥＣＵ３が推定してもよいし、外気温度を検出する温度センサの検出値を外気温度として用いてもよい。所定温度とは、ＦＣ４ｂ内の残水が凍結する可能性が高い０℃であってもよいし、外気温度の変化を考慮して所定のマージンだけ高い温度、例えば１～５℃の間の温度であってもよい。所定時間とは、例えば１０分や１時間、３時間等であり、想定される車両の使用環境に応じて適宜設定される。このような環境下でシステム２ｂが節電モードで制御されていると、ＦＣ４ｂにはカソードガス及びアノードガスが供給されていないため、ＦＣ４ｂ内のカソードガス流路及びアノードガス流路の少なくとも一方で残水が凍結して、ＦＣ４ｂの発電再開時に出力性能に影響を与える可能性がある。

従って、ＦＣ４ｂの掃気条件が成立した場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、ＥＣＵ３はシステム２ｂを掃気モードで制御する（ステップＳ９、時刻ｔ４）。これにより、ＦＣ４ｂ内で残水が凍結することを抑制できる。掃気モードの実施に伴う電力は、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの少なくとも一方から供給される。掃気モードは所定時間継続して実行され、所定時間経過すると掃気モードは停止される（時刻ｔ５）。ＦＣ４ｂの掃気条件が不成立の場合、ＥＣＵ３は、本制御を終了して再度ステップＳ１以降の処理を実行する。尚、０＜Ｐ≦Ｌが成立する場合にシステム２ｂが掃気モードに制御される場合には、掃気モードの実施に伴う電力は、発電モードで制御されているシステム２ａのＦＣ４ａから供給されてもよい。

掃気モードの実施に伴って電力消費量は一時的に増大する。上述したように電力消費量の増大を抑制するためにシステム２ｂに対して節電モードを実施する点を考慮すれば、このような掃気モードは実施しない方が望ましい。しかしながら、掃気モードは、システム２ｂについて節電モードが継続中であって且つ外気温が所定温度以下である状況が所定時間継続した場合にのみ実施され、掃気モードが実施される場合は限定的である。このため、掃気モードを実施しても、節電モードの実施に起因する電力消費量の増大の抑制の方が、掃気モードの実施に伴う電力消費量の増大よりも、効果が大きい。

尚、システム２ｂが維持モードで制御されている場合には、掃気モードは実行しなくてもよい。システム２ｂが維持モードで制御されている場合には、システム２ｂの制御モードが発電モードに切り替えられる可能性が高い場合であるため、ＦＣ４ｂ内で残水が凍結する可能性は低いからである。システム２ａが維持モードで制御されている場合に掃気モードが実行されない理由も、同様である。

ステップＳ５でＹｅｓ及びＮｏの何れの場合にも、ＦＣ４ｂの掃気要求があるか否かが判定されて掃気モードが実施され得るが（ステップＳ８及びＳ９）、ステップＳ５でＮｏの場合にのみ、即ち、システム２ａが維持モードで制御されシステム２ｂが節電モードで制御されている（ステップＳ７）場合にのみに、ステップＳ８及びＳ９を実行してもよい。即ち、システム２ａが発電モードであればシステム２ｂが節電モードであってもＦＣ４ｂの掃気は実施しなくてもよい。例えばＦＣ４ａの発電に伴う熱がＦＣ４ｂに伝達されるほどＦＣ４ａ及び４ｂが近接配置されている構成の場合や、ＦＣ４ａの発電に伴う熱を受けた冷却水がラジエータを通過する前にＦＣ４ｂ内を流れる構成の場合には、ＦＣ４ａが発電している限りＦＣ４ｂ内での残水の凍結が抑制される場合もあり得るからである。

節電モード実施中での掃気モードの実施は、必ずしも必要ではない。例えば、Ｐ＝０が成立する場合とは、イグニッションがオンからオフに切り換えられる直前である場合も多いと考えられるが、この場合には、イグニッションオフを検知してからシステム２ｂについて掃気モードで制御してもよい。

［第２実施例］
図４は、第２実施例の制御を示したフローチャートである。図５は、第２実施例の制御を示したタイミングチャートである。尚、第１実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５に示した要求出力Ｐの推移は、理解を容易にするために図３と同じ場合を例示している。図５では、図３とは異なり、掃気モードが実施されない場合を示している。

第２実施例では、上述した閾値Ｌは用いられず、ステップＳ３、Ｓ５、及びＳ６は実行されない。即ち、ステップＳ６が実行されないため、システム２ａが発電モードで制御されシステム２ｂが節電モードで制御されることはない。尚、第２実施例の制御は、第１実施例で用いられた閾値Ｌを０に設定した場合の制御と同じである。

第２実施例では、Ｈ＜Ｐが不成立の場合（ステップＳ１でＮｏ）、ＥＣＵ３は、０＜Ｐ≦Ｈが成立するか否かを判定する（ステップＳ３ａ）。０＜Ｐ≦Ｈが成立する場合（ステップＳ３ａでＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、システム２ａを発電モードで制御しシステム２ｂを維持モードで制御し（ステップＳ４、時刻ｔ１）、０＜Ｐ≦Ｈが不成立の場合（ステップＳ３ａでＮｏ）、即ちＰ＝０が成立する場合、ＥＣＵ３は、システム２ａを維持モードで制御し、システム２ｂを節電モードで制御する（ステップＳ７、時刻ｔ３）。

以上のように第２実施例では、第１実施例と比較して、システム２ｂが節電モードで制御される要求出力Ｐの範囲が縮小しているが、システム２ｂが維持モードで制御される要求出力Ｐの範囲が拡大している。このため、例えば要求出力Ｐが０に近い状態から急激に増大して閾値Ｈよりも大きく増大した場合においても、出力の応答性良くＦＣ４ｂの発電を再開できる。

［第３実施例］
図６は、第３実施例の制御を示したフローチャートである。図７は、第３実施例の制御を示したタイミングチャートである。尚、第１実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図７に示した要求出力Ｐの推移は、理解を容易にするために図３と同じ場合を例示している。図７では、図３とは異なり、掃気モードが実施されない場合を示している。

第３実施例では、上述した閾値Ｌは用いられず、ステップＳ３、Ｓ４、及びＳ５は実行されず、第２実施例のステップＳ３ａが実行される。ステップＳ４が実行されないため、システム２ａが発電モードで制御されシステム２ｂが維持モードで制御されることはない。第３実施例の制御は、第１実施例に用いられた閾値Ｌが閾値Ｈと同じ値に設定した場合の制御と同じである。

０＜Ｐ≦Ｈが成立する場合（ステップＳ３ａでＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、システム２ａを発電モードで制御しシステム２ｂを節電モードで制御する（ステップＳ６、時刻ｔ１）。以上のように第３実施例では、システム２ｂが維持モードで制御されることはなく、発電モード以外は節電モードで制御される。システム２ｂが維持モードで制御されることはないため、維持モードで消費される電力消費量分及び燃料消費分が削減されている。また、システム２ｂが節電モードから発電モードに切り替えられた際には、ＦＣ４ｂの出力の応答性が確保できない可能性があるが、この際にはシステム２ａは既に発電モードで制御されているため、ＦＣ４ａにより要求出力Ｐに対する出力の応答性が低下することを抑制できる。

［第４実施例］
図８は、第４実施例の制御を示したフローチャートである。図９は、第４実施例の制御を示したタイミングチャートである。尚、第１実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図９に示した要求出力Ｐの推移は、理解を容易にするために図３と同じ場合を例示している。図９では、図３とは異なり、掃気モードが実施されない場合を示している。

第４実施例では、上述した閾値Ｌ及びＨは用いられず、ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ３ａ、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６は実行されない。ステップＳ４及びＳ６が実行されないため、システム２ａが発電モードで制御され、システム２ｂが維持モード又は節電モードで制御されることはない。

ＥＣＵ３は、０＜Ｐが成立するか否かを判定し（ステップＳ１ｂ）、０＜Ｐが成立する場合にはシステム２ａ及び２ｂを発電モードで制御し（ステップＳ２）、０＜Ｐが不成立の場合には、即ち、Ｐ＝０の場合には、ＥＣＵ３は、システム２ａを維持モードで制御しシステム２ｂを節電モードで制御する（ステップＳ７、時刻ｔ３）。即ち、第４実施例でも第３実施例と同様に、システム２ｂは維持モードで制御されることはないため、維持モードで消費される電力消費量分が削減されている。また、要求出力Ｐが０から増大した場合には、システム２ｂについては、節電モードから発電モードに切り替えられるが、システム２ａについては維持モードから発電モードに切り替えられるため、ＦＣ４ａは応答性良く発電を再開でき、要求出力Ｐに対する出力の応答性の遅れは抑制される。

［第５実施例］
図１０は、第５実施例の制御を示したフローチャートである。図１１は、第５実施例の制御を示したタイミングチャートである。尚、第１実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図１１に示した要求出力Ｐの推移は、理解を容易にするために図３と同じ場合を例示している。図１１では、図３とは異なり、掃気モードが実施されない場合を示している。

第５実施例では、上述した閾値Ｈ及びＬは用いられず、要求出力Ｐと、合計要求出力ＴＰと、閾値ＴＬ及びＴＨが用いられる。合計要求出力ＴＰとは、ＦＣ４ａ及び４ｂとＢＡＴ８ａ及び８ｂとの全体に要求される出力である。ここで、上述したように、要求出力Ｐは複数の燃料電池からなる燃料電池ユニットに要求される出力であり、ＢＡＴ８ａ及び８ｂ等の燃料電池以外に要求される出力を含まないのに対し、燃料電池システム全体への合計要求出力ＴＰはＢＡＴ８ａ等の燃料電池以外に要求される出力を含む点で異なる。閾値ＴＬ及びＴＨは、合計要求出力ＴＰの大きさに応じて制御モードを切り替えるために用いられ、ＴＬ＜ＴＨが成立する。ＥＣＵ３は、ＴＰ≦ＴＨが成立する場合にはＰ＝０とみなし、ＴＨ＜ＴＰの場合にはＰ≠０としてみなして上述したようにアクセル開度センサ６の検出値やＢＡＴ８ａ及び８ｂの蓄電電力等に基づいて要求出力Ｐを算出する。第５実施例では、上述したステップＳ１、Ｓ３、Ｓ３ａ、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６は実行されない。

ＥＣＵ３は、０＜Ｐが成立するか否かを判定し（ステップＳ１ｂ）、０＜Ｐが成立する場合にはシステム２ａ及び２ｂを発電モードで制御し（ステップＳ２）、０＜Ｐが不成立の場合には、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立するか否かを判定する（ステップＳ３ｂ）。閾値ＴＨは、上述したＰ＝０が成立する場合のように、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力の残量が十分にあり、車両用の補機に消費される電力消費量が少なく、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力により車両の走行用のモータ５０や車両用の補機に消費される電力量を十分に確保できる合計要求出力ＴＰに設定されている。例えば、車両が停止状態、減速走行中、又は降坂路を走行中であって車両の冷蔵設備等が停止しており、車両の空調装置のみが高すぎない負荷で駆動している状態である。閾値ＴＬは、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力の残量が十分にあり、車両用の補機に消費される電力消費量が少なく、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力により車両の走行用のモータ５０や車両用の補機に消費される電力量を十分に確保できる合計要求出力ＴＰに設定されている。例えば、車両が停止状態、減速走行中、又は降坂路を走行中であって、車両用の補機の多くが停止し、車両の照明装置のみが点灯している状態である。

ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合（ステップＳ３ｂでＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、システム２ａ及び２ｂの双方を維持モードで制御する（ステップＳ４ｂ、時刻ｔ３）。これにより、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立してＰ＝０が成立した状態から、合計要求出力ＴＰが急激に増大してＴＨ＜ＴＰとなって０＜Ｐが成立しても、出力の応答性良くＦＣ４ａ及び４ｂの双方の発電を再開できる。尚、ＴＰ≦ＴＬが成立する場合（ステップＳ３ｂでＮｏ）、第１実施例等と同様にシステム２ａのみが維持モードで制御されシステム２ｂは節電モードで制御される（ステップＳ７、時刻ｔ４ｂ）。尚、第５実施例では、システム２ａ及び２ｂの双方が維持モードで制御される場合のＦＣ４ａの開放電圧の上限値及び下限値は、システム２ａのみが維持モードで制御される場合でのＦＣ４ａの開放電圧の上限値及び下限値とそれぞれ同じである。

［第６実施例］
第６実施例では、ＥＣＵ３が実行する制御自体は、図１０及び図１１に示したように第５実施例の制御と同じであるが、システム２ａのみが維持モードで制御されている場合でのＦＣ４ａの開放電圧の下限値が異なっている。図１２Ａ及び図１２Ｂは、第６実施例でのＦＣ４ａ及び４ｂの開放電圧の上限値と下限値との説明図である。図１２Ａには、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合、即ちシステム２ａ及び２ｂの双方が維持モードで制御される場合でのＦＣ４ａの開放電圧の上限値ＶＨａ及び下限値ＶＬａと、ＦＣ４ｂの開放電圧の上限値ＶＨｂ及び下限値ＶＬｂとを示している。上限値ＶＨａ及びＶＨｂは共に同じ値であり、下限値ＶＬａ及びＶＬｂも共に同じ値である。図１２Ｂは、ＴＰ≦ＴＬが成立する場合、即ちシステム２ａのみが維持モードで制御される場合でのＦＣ４ａの開放電圧の上限値ＶＨａ及び下限値ＶＬａ１を示している。

システム２ａ及び２ｂの双方が維持モードで制御される場合、及びシステム２ａのみが維持モードで制御される場合の何れも、上限値ＶＨａは同じであるが、下限値ＶＬａ１は下限値ＶＬａよりも高い値に設定されている。従って、システム２ａのみが維持モードで制御されている状態でのＦＣ４ａの開放電圧の方が、システム２ａ及び２ｂの双方が維持モードで制御されている状態でのＦＣ４ａの開放電圧よりも高い電圧値で維持される。これにより、例えばＴＰ≦ＴＬが成立している状態、即ちシステム２ａのみが維持モードで制御されている状態から合計要求出力ＴＰが急激に増大してＴＨ＜ＴＰとなって０＜Ｐが成立してシステム２ａが発電モードに切り替えられることも想定され、このような場合においても、応答性良くＦＣ４ａの発電を再開できる。

尚、上限値ＶＨａ及びＶＨｂは、共に同じ値であるがこれに限定されない。第６実施例において、０＜Ｐが成立した場合にはシステム２ａ及び２ｂの双方が発電モードで制御されるが、０＜Ｐが成立した場合にはシステム２ａを発電モードで制御し、第１実施例で示したようにＨ＜Ｐが成立した場合にシステム２ｂを発電モードで制御してもよいし、例えば上述した閾値Ｌを用いてＬ＜Ｐが成立した場合にシステム２ｂを発電モードで制御してもよい。

［第７実施例］
第７実施例では、ＥＣＵ３が実行する制御自体は、図１０及び図１１に示したように第５実施例の制御と同じであるが、システム２ａのみが維持モードで制御されている場合でのＦＣ４ａの開放電圧の下限値が異なっている。図１２Ｃ及び図１２Ｄは、第７実施例でのＦＣ４ａ及び４ｂの開放電圧の上限値と下限値との説明図である。

図１２Ｃに示すように、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合には、第５実施例と同様に、ＦＣ４ａの開放電圧は上限値ＶＨａ及び下限値ＶＬａの間で維持され、ＦＣ４ｂの開放電圧は上限値ＶＨｂ及び下限値ＶＬｂの間で維持される。一方、図１２Ｄに示すように、ＴＰ≦ＴＬが成立している状態、即ち、システム２ａのみが維持モードで制御される場合には、ＦＣ４ａの開放電圧の下限値ＶＬａ２は、下限値ＶＬａよりも小さい。これにより、システム２ａのみが維持モードで制御されている場合でのＦＣ４ａの開放電圧の目標範囲は、システム２ａ及び２ｂの双方が維持モードで制御されている場合でのＦＣ４ａの開放電圧の目標範囲よりも大きい。従って、システム２ａのみが維持モードで制御されている場合でのカソードガスの流量の切り替えの頻度、即ちカソードガス供給系１０ａの駆動の頻度を低減でき、これによりシステム２ａを維持モードで制御することに伴う消費電力を低減できる。尚、上限値ＶＨａ及びＶＨｂは、共に同じ値であるがこれに限定されない。

［第１変形例］
次に、システム２ａ及び２ｂにそれぞれ採用されているＦＣの変形例について説明する。第１変形例では、システム２ａ及び２ｂはそれぞれＦＣ４ａ及び４ｂの代わりにＦＣ４ａ１及び４ｂ１を採用している。図１３Ａ及び図１３Ｂは、それぞれ第１変形例でのＦＣ４ａ１及び４ｂ１の説明図である。ＦＣ４ａ１は、複数の単セル４１ａが積層されて構成されており、同様にＦＣ４ｂ１は、複数の単セル４１ｂが積層されて構成されている。また、ＦＣ４ａ１の単セル４１ａが備える電解質膜４３ａの厚みＴａは、ＦＣ４ｂ１の単セル４１ｂが備える電解質膜４３ｂの厚みＴｂよりも厚い。その他、電解質膜４３ａ及び４３ｂの表面積Ｓは共に同じであり、単セル４１ａ及び４１ｂの積層枚数Ｎも共に同じである。厚みＴａは、例えば２０～５０μｍ程度であり、厚みＴｂは例えば５～１５μｍ程度であるがこれに限定されない。

ここで、電解質膜は厚い方が、単位時間当たりに水素がアノード極側から電解質膜を介してカソード極側にまで透過する量が少ないため、クロスリークによる酸素濃度及び水素濃度の低下速度が遅い。これによる効果について説明する。図１４は、ＦＣ４ａ１及び４ｂ１の開放電圧を同一条件下で同一の目標範囲内に維持するように制御した場合での、各開放電圧の推移を例示している。ＦＣ４ａ１の方がＦＣ４ｂ１よりもクロスリークによる酸素濃度及び水素濃度の低下速度が遅いため、開放電圧の低下速度もＦＣ４ａ１の方がＦＣ４ｂ１よりも遅い。従って、ＦＣ４ａ１及び４ｂ１の一方のみの開放電圧を目標範囲内に維持することが要求される状態では、ＦＣ４ｂ１ではなくＦＣ４ａ１を備えたシステムを維持モードで制御することが望ましい。これにより、ＦＣ４ａ１の開放電圧の維持に必要となるカソードガスの流量の切り替えの頻度を低減でき、ＦＣ４ａ１を備えたシステムを維持モードで制御することに伴う消費電力を低減でき、燃料消費量も低減できる。特に、システム２ａのみが維持モードに制御されている状態が長期間継続される場合には、消費電力及び燃料消費量の低減の効果が大きい。

第１変形例では、ＦＣ４ａ１が備える複数の電解質膜４３ａの厚みは全てが同じである必要はなく、同様にＦＣ４ａ２が備える複数の電解質膜４３ｂの厚みが全て同じである必要はない。即ち、ＦＣ４ａ１が備える複数の電解質膜の厚みの平均値が、ＦＣ４ａ２が備える複数の電解質膜の厚みの平均値よりも大きければよい。尚、電解質膜の厚みの平均値は、ＦＣ４ａ１が備える電解質膜４３ａの厚みの合計値を単セル４１ａの積層数で除算して算出できる。ＦＣ４ｂ１に関しても同様である。

［第２変形例］
第２変形例では、システム２ｂは上述したＦＣ４ｂを採用し、システム２ａはＦＣ４ａの代わりにＦＣ４ａ２を採用している。図１５Ａは、第２変形例でのＦＣ４ａ２及び４ｂの説明図である。ＦＣ４ａ２及び４ｂは複数の同じ単セル４１によって構成されるが、ＦＣ４ａ２の単セル４１の積層枚数Ｎａは、ＦＣ４ｂの単セル４１の積層枚数Ｎよりも多い。従ってＦＣ４ａ２は、ＦＣ４ｂよりも定格出力が大きい。

このため、システム２ａが維持モードから発電モードに切り替えられた場合に定格出力が大きいＦＣ４ａ２の出力の応答性を確保でき、より出力の応答性良くＦＣ４ａ２の発電を再開できる。また、ＦＣ４ａ２の定格出力が大きいため、ＦＣ４ａ２のみの出力で対応できる要求出力Ｐの範囲を確保することができ、システム２ａが発電モードに制御されシステム２ｂが発電モード以外に制御される要求出力Ｐの範囲を拡大することができる。これによりＦＣ４ｂの発電累積期間をより低減でき、ＦＣ４ｂの経年劣化の進行を抑制できる。尚、定格出力とは、燃料電池が所定時間連続して出力可能な電力であり、例えば１０秒等の短時間だけ連続して出力可能な最大電力であってもよいし、１時間以上等の長時間連続して出力可能な最大電力であってもよい。

［第３変形例］
第３変形例では、システム２ａは上述したＦＣ４ａを採用し、システム２ｂはＦＣ４ｂの代わりにＦＣ４ｂ２を採用している。図１５Ｂは、第３変形例でのＦＣ４ａ及び４ｂ２の説明図である。ＦＣ４ａ及び４ｂ２は、複数の同じ単セル４１によって構成されるが、ＦＣ４ｂ２の単セル４１の積層枚数Ｎｂは、ＦＣ４ａの単セル４１の積層枚数Ｎよりも多い。これによりＦＣ４ｂ２は、ＦＣ４ａよりも定格出力が大きい。

ここで、ＦＣ４ｂ２の方がＦＣ４ａよりも定格出力が大きいため、同じセル電圧で発電させる場合に必要となる反応ガス量は、ＦＣ４ｂ２の方がＦＣ４ａよりも多い。従って、同じセル電圧で発電させる場合に、ＦＣ４ｂ２に反応ガスを供給するために消費される電力消費量は、ＦＣ４ａに反応ガスを供給するために消費される電力消費量よりも多い。ここで、システム２ａは節電モードで制御されることはなくシステム２ｂが節電モードで制御され得るため、第３変形例でＦＣ４ｂ２を備えたシステム２ｂを節電モードで制御することにより、上述した電力消費量の低減の効果が確保されている。

また、開放電圧を同じ目標範囲内に同じ期間だけ維持するために必要となる反応ガス量も、ＦＣ４ｂ２の方がＦＣ４ａよりも多く、そのために消費される電力消費量も、ＦＣ４ｂ２の方がＦＣ４ａよりも多い。従って、システム２ｂが節電モードで制御される場合には、維持モードで消費される電力消費量分の削減の効果が大きい。

上述した実施例及び変形例では、ＦＣ４ａが優先して発電モードまたは維持モードで制御される場合を記載したが、これに限定されない。例えば所定の総運転時間ごとに、ＦＣ４ａとＦＣ４ｂとの制御モードを入れ替えてもよい。これにより、ＦＣ４ａとＦＣ４ｂ、及びＦＣ４ａ用の補機とＦＣ４ｂ用の補機の劣化度合いをそれぞれ同等にして、部品交換が必要となるまでの期間を長くすることができる。

上述した実施例及び変形例では、２つのＦＣ４ａ及び４ｂが設けられているが、３つ以上の燃料電池とそれぞれの燃料電池に反応ガスを供給する供給装置とを備えた燃料電池システムであってもよい。上述した実施例及び変形例では、２つのＢＡＴ８ａ及び８ｂが設けられているが、これに限定されず、ＦＣ４ａ及び４ｂに共通に接続された単一の二次電池を備えていてもよいし、３つ以上の二次電池を備えていてもよい。上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応したタンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂを備えているが、これに限定されず、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂの代わりにＦＣ４ａ及び４ｂに共用されるタンクを備えていてもよいし、３つ以上のタンクを備えていてもよい。

上述した実施例及び変形例では、ＨＰ２９ａ及び２９ｂによりアノードガスを循環させる構成であるが、これに限定されず、例えばＨＰ２９ａ及び２９ｂの少なくとも一方の代わりにエジェクタによりアノードガスを循環させる構成であってもよい。ＨＰ２９ｂの代わりにエジェクタを採用した場合、掃気モードにおいては、ＩＮＪ２６ｂからアノードガスを噴射することによりＦＣ４ｂ内のアノード流路を掃気できる。

上述した燃料電池システムは、自家用車、バス、冷蔵車、冷凍車等の車両に搭載されているが、これに限定されない。例えば、据置型の燃料電池システムであってもよい。また、車両は、自動車のみならず、二輪車、鉄道車両や、船舶、航空機等であってもよい。また、車両は、駆動にモータと内燃機関とを併用可能なハイブリット車両であってもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 燃料電池システム
２ａ、２ｂ 制御システム
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ａ、４ｂ 燃料電池
８ａ、８ｂ 二次電池
１０ａ、１０ｂ カソードガス供給系
２０ａ、２０ｂ アノードガス供給系
３０ａ、３０ｂ 電力制御系
５０ モータ

Claims (11)

1. 第１及び第２燃料電池を含む複数の燃料電池からなる燃料電池ユニットと、
   前記第１及び第２燃料電池のそれぞれに反応ガスを供給する第１及び第２供給装置と、
   前記第１及び第２燃料電池の運転と前記第１及び第２供給装置の動作とを制御する制御装置と、を備え、
   前記燃料電池ユニットへの要求出力をＰとした場合に、
   前記制御装置は、Ｐ＝０が成立する場合には、前記第１燃料電池の発電を休止して前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止し、
   前記第１燃料電池に含まれる複数の電解質膜の厚みの平均値は、前記第２燃料電池に含まれる複数の電解質膜の厚みの平均値よりも大きい、燃料電池システム。
2. 閾値をＨとした場合に、０＜Ｈであり、
   前記制御装置は、０＜Ｐ≦Ｈが成立する場合には、前記第１燃料電池を発電し前記第２燃料電池の発電を休止し、Ｈ＜Ｐが成立する場合には、前記第１及び第２燃料電池を発電させる、請求項１の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、０＜Ｐが成立する場合には、前記第１及び第２燃料電池を発電させる、請求項１の燃料電池システム。
4. 閾値をＬとした場合に０≦Ｌ＜Ｈであり、
   前記制御装置は、Ｌ＜Ｐ≦Ｈが成立する場合には、前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持する、請求項２の燃料電池システム。
5. 閾値をＬとした場合に０＜Ｌ≦Ｈであり、
   前記制御装置は、０＜Ｐ≦Ｌが成立する場合には、前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止する、請求項２の燃料電池システム。
6. 二次電池を備え、
   前記燃料電池システム全体への合計要求出力をＴＰとし、閾値をＴＬ、及びＴＨとした場合に、ＴＬ＜ＴＨであり、
   前記制御装置は、ＴＰ≦ＴＨが成立する場合には、Ｐ＝０とみなし、ＴＰ≦ＴＬが成立する場合には、前記第１燃料電池の発電を休止して前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止し、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合には、前記第１供給装置を駆動して前記第１燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持し、且つ前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池の開放電圧を目標範囲内に維持する、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
7. ＴＰ≦ＴＬが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲の下限値は、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲の下限値よりも大きい、請求項６の燃料電池システム。
8. ＴＰ≦ＴＬが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲は、ＴＬ＜ＴＰ≦ＴＨが成立する場合での前記第１燃料電池の開放電圧の目標範囲よりも大きい、請求項６の燃料電池システム。
9. 前記第１燃料電池の定格出力は、前記第２燃料電池の定格出力よりも大きい、請求項１乃至８の何れかの燃料電池システム。
10. 前記制御装置は、前記第２燃料電池の発電を休止して前記第２供給装置の駆動を停止した状態で前記第２燃料電池内の残水が凍結し得る場合には、前記第２供給装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気する、請求項１乃至９の何れかの燃料電池システム。
11. 前記燃料電池ユニット、前記第１及び第２供給装置、及び前記制御装置は、車両に搭載されている、請求項１乃至１０の何れかの燃料電池システム。
    

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