JP7127491B2

JP7127491B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7127491B2
Application number: JP2018207609A
Authority: JP
Inventors: 智彦金子; 雅之伊藤; 秀之久米井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2038-11-02
Also published as: DE102019125074A1; CN111211340B; US20200144640A1; CN111211340A; JP2020072066A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池内に残留した液水を排出するために、燃料電池を掃気する技術が知られている。例えば特許文献１では、複数の燃料電池を備えたシステムにおいて、一部の燃料電池を掃気する（例えば特許文献１参照）。

特開２００５－２７６５２９号

このような掃気に伴う電力消費量は少ない方が望ましいが、掃気により燃料電池から十分に排水する必要もある。

そこで、掃気による電力消費量の増大を抑制しつつ、複数の燃料電池のうち少なくとも一つから十分に排水できる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燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能な掃気装置と、前記掃気装置を制御する制御装置と、を備え、前記第２燃料電池の発電体積は、前記第１燃料電池の発電体積よりも小さく、前記第１燃料電池を掃気する前記掃気装置は、前記第１燃料電池内のカソードガス流路にカソードガスを供給する第１エアコンプレッサであり、前記第２燃料電池を掃気する前記掃気装置は、前記第２燃料電池内のカソードガス流路にカソードガスを供給する第２エアコンプレッサであり、前記制御装置は、前記第１燃料電池の掃気期間と前記第２燃料電池の掃気期間との少なくとも一部が重複するように前記第１及び第２燃料電池を掃気し、前記第２燃料電池の掃気が実行されている期間内に、前記第１燃料電池の掃気を開始し完了し、前記第１燃料電池の掃気時での前記第１エアコンプレッサの回転速度と前記第２燃料電池の掃気時での前記第２エアコンプレッサの回転速度とは同じである、燃料電池システムによって達成できる。

発電体積が小さいほど燃料電池内に残留する液水量は少ないため、十分に排水するために掃気に必要となる必要電力量は、発電体積が小さい第２燃料電池の方が、発電体積が大きい第１燃料電池よりも少なくて済む。従って、第２燃料電池について掃気することにより、少ない電力消費量で第２燃料電池から十分に排水できる。

前記制御装置は、前記第２燃料電池の掃気による電力消費量よりも少ない電力消費量で前記第１燃料電池を掃気してもよい。

前記第２燃料電池よりも発電体積が大きい第３燃料電池を備え、前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、前記制御装置は、前記第３燃料電池は掃気しなくてもよい。

前記第２燃料電池と発電体積が同じ第３燃料電池を備え、前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、前記制御装置は、前記第３燃料電池を掃気してもよい。

前記第２燃料電池よりも発電体積が小さい第３燃料電池を備え、前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、前記制御装置は、前記第３燃料電池を掃気しなくてもよい。

前記第１及び第２燃料電池のそれぞれは、複数の単セルを備え、前記単セルの発電体積は、前記単セルの発電面積と電極厚みとを乗算した値であり、前記第１燃料電池の発電体積は、当該第１燃料電池が備える複数の前記単セルの発電体積の合計値であり、前記第２燃料電池の発電体積は、当該第２燃料電池が備える複数の前記単セルの発電体積の合計値であってもよい。前記制御装置は、前記第１及び第２燃料電池の発電が停止した状態で、前記第２燃料電池を掃気してもよい。

掃気による電力消費量の増大を抑制しつつ、複数の燃料電池のうち少なくとも一つから十分に排水できる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２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池の発電体積の説明図である。図３は、掃気制御の一例を示したフローチャートである。図４は、掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図５は、掃気制御の変形例を示したフローチャートである。図６は、掃気制御の変形例を示したタイミングチャートである。図７Ａ～図７Ｃは、システムに採用される３つの燃料電池を示した図である。

［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（以下、単にシステムと称する）１の構成図である。システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２、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３０ｂ、モータ５０等を含む。尚、システム１は、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。

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。本実施例では、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも小型であり、定格出力も小さい。具体的には、ＦＣ４ａ及び４ｂは、共に同じ単セルが積層されており、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも単セルの積層枚数が少ない。詳しくは後述するがＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも発電体積が小さい。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ第１及び第２燃料電池の一例である。

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。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（以下、ＡＣＰと称する）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。ＡＣＰ１４ａ、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、ＡＣＰ１４ｂ、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。

ＡＣＰ１４ａ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。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、ＥＣＵ２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を介してシステム１の外部へと排出される。排水弁２８ａの駆動は、ＥＣＵ２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、ＥＣＵ２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、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ＡＣＰ１４ａ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、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ２は、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、ＡＣＰ１４ａ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。ＥＣＵ２は、アクセル開度センサ６の検出値に基づいて、ＦＣ４ａ及び４ｂ全体への要求出力を算出する。また、ＥＣＵ２は、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の発電電力が要求出力に収束するように、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機等を制御して、ＦＣ４ａ及び４ｂのそれぞれに供給されるアノードガス量及びカソードガス量を制御する。

［掃気制御］
ＥＣＵ２は、ＦＣ４ｂの発電が停止した状態で、ＦＣ４ｂ内に残留していた液水を排出するために、ＡＣＰ１４ｂを駆動してＦＣ４ｂ内のカソードガス流路にカソードガスを供給して掃気する掃気制御を実行する。ＦＣ４ｂ内のカソードガス流路に液水が残留したままシステム１が停止すると、外気温などによっては残留した液水が凍結し、その後のシステム１の起動時にカソードガスの圧損が増大してＦＣ４ｂの出力性能が低下する可能性があるからである。尚、本実施例では、ＡＣＰ１４ａを駆動することによりＦＣ４ａ内にカソードガスを供給して掃気することが可能である。従って、ＡＣＰ１４ａ及び１４ｂは、ＦＣ４ａ及び４ｂをそれぞれ独立に掃気可能な掃気装置の一例である。ＥＣＵ２は、掃気装置の一例であるＡＣＰ１４ａ及び１４ｂを制御する制御装置の一例である。しかしながら、本実施例ではＥＣＵ２は、以下の発電体積の相違を理由としてＦＣ４ｂのみを掃気する。

［発電体積］
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂの発電体積の説明図である。ＦＣ４ａ及び４ｂは、同一の単セル４１が複数積層されている。ＦＣ４ａの発電体積は、ＦＣ４ａが備える各単セル４１の発電体積の合計値であり、同様に、ＦＣ４ｂの発電体積は、ＦＣ４ｂが備える各単セル４１の発電体積の合計値である。単セル４１の発電体積とは、単セル４１の一枚当たりの電極面積と電極厚みとを乗算して得られる値である。電極面積とは、電解質膜と、その電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、が重なった領域の面積である。電極厚みとは、電解質膜とアノード触媒層とカソード触媒層とが重なった領域の平均厚みである。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、単セル４１の発電体積は、電極面積Ｓと電極厚みＴとを乗算した値により得られる。ここで、ＦＣ４ａでは単セル４１の積層枚数は枚数Ｎａであり、ＦＣ４ｂでは単セル４１の積層枚数は枚数Ｎｂであり枚数Ｎａよりも少ない。従って、ＦＣ４ａの発電体積は、電極面積Ｓと電極厚みＴと枚数Ｎａとを乗算して得られる値である。ＦＣ４ｂの発電体積は、電極面積Ｓと電極厚みＴと枚数Ｎｂとを乗算して得られる値である。

上記の発電体積が大きいほど、定格出力も増大し、発電時に燃料電池内で発生する液水量も多くなり、システム停止時に燃料電池内に残留した液水量も多くなる。また、発電体積が大きいほど、燃料電池内の反応ガス流路も増大する。従って、発電体積が大きいほど、掃気により十分に排水するために必要となるエネルギー量も増大し、必要電力量も増大する。本実施例では、上述したようにＥＣＵ２は発電体積が大きいＦＣ４ａについては掃気せずに、発電体積が小さいＦＣ４ｂについて掃気することにより、少ない電力消費量でＦＣ４ｂから十分に排水できる。掃気制御については、以下に詳しく説明する。

［掃気制御の詳細］
図３は、掃気制御の一例を示したフローチャートである。図４は、掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図４には、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの切り替え、ＡＣＰ１４ａ及び１４ｂの各回転速度、及びＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態を示している。本制御は、所定の期間毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ２は、イグニッションスイッチ７からの出力信号に基づいてイグニッションＯＦＦを検知したか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１でＮｏの場合、本制御は終了する。イグニッションＯＦＦが検知されると（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ２はＦＣ４ａ及び４ｂの発電を停止する（ステップＳ３、時刻ｔ１）。具体的には、ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂ内部のスイッチによりＦＣ４ａ及び４ｂと負荷装置とを電気的に遮断する。尚、あわせて、ＥＣＵ２は、タンク弁２４ａ及び２４ｂ及び調圧弁２５ａ及び２５ｂを閉じてＩＮＪ２６ａ及び２６ｂやＡＣＰ１４ａの駆動を停止することにより、ＦＣ４ａへのアノードガス及びカソードガスの供給とＦＣ４ｂへのアノードガスの供給とを停止する。

更に、ＥＣＵ２は、ＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいてＡＣＰ１４ｂの駆動を継続してＦＣ４ｂの掃気を開始する（ステップＳ５、時刻ｔ１）。ＦＣ４ｂの掃気条件としては、ＡＣＰ１４ｂの回転速度がＦＣ４ｂの掃気に適した速度αに設定され、掃気期間は期間βに設定されている。速度αは、要求出力に応じてＦＣ４ｂの発電電力が制御されている場合でのＡＣＰ１４ｂの回転速度よりも比較的速い速度である。速度αは、例えば２０００ｒｐｍである。期間βは、例えば２０秒である。これにより、ＦＣ４ｂ内のカソード流路から液水を排出できる。ＥＣＵ２は、ＦＣ４ｂの掃気の開始から期間βが経過した時刻ｔ２で掃気が完了する。このようにイグニッションＯＦＦ時に掃気制御を実行することにより、上述したようにシステム１の起動時からＦＣ４ｂの出力性能を確保することができる。尚、ＡＣＰ１４ｂによるＦＣ４ｂの掃気の際には、バイパス弁１５ｂにより供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの連通状態が遮断され、背圧弁１７ｂが開弁した状態で行われる。

以上のように、ＥＣＵ２は、ＦＣ４ｂについては掃気するが、ＦＣ４ｂよりも発電体積の大きいＦＣ４ａについては掃気しない。従って、発電体積の大きいＦＣ４ａを十分に掃気し発電体積の小さいＦＣ４ｂを掃気しない場合と比較して、本実施例の方が掃気による電力消費量が抑制される。このため、本実施例ではＢＡＴ８ａ及び８ｂの合計の充電電力を確保することができる。従って、システム１の起動直後での要求出力が大きい場合には、ＦＣ４ａ及び４ｂの発電電力よりも優先してＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力に基づいてモータ５０を駆動することも可能となり、システム１の起動直後での車両の発進時の加速応答性を確保できる。

また、上述したようにＦＣ４ｂについては掃気が実行されているため、システム１の起動の際には、ＦＣ４ｂ内に液水が残留していることを考慮することなく、発電を早期に開始することができる。また、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、ＦＣ４ｂの体積はＦＣ４ａよりも小さく、ＦＣ４ｂの発電に必要となるカソードガス及びアノードガスの必要供給量もＦＣ４ａよりも少ない。このため、システム１の起動時には、短期間でＦＣ４ｂに発電に適したカソードガス及びアノードガスを供給でき、ＦＣ４ｂの発電を早期に開始することができる。これにより、システム１の起動時にＦＣ４ｂによる出力の応答性を確保できる。

また、発電体積が大きいほど、十分に排水するために掃気に必要となる掃気ガス量も増大するため、この必要となる掃気ガス量はＦＣ４ａの方がＦＣ４ｂよりも多い。従って、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ供給される掃気ガスの流量が同じ条件下では、ＦＣ４ａを掃気しＦＣ４ｂを掃気しない場合と比較して、本実施例のようにＦＣ４ｂを掃気しＦＣ４ａを掃気しない方が、掃気が完了するまでの期間は短縮される。これにより、本実施例では、イグニッションＯＦＦ後に短期間でＦＣ４ｂの掃気が完了してＡＣＰ１４ｂの駆動が停止される。このため、イグニッションＯＦＦ後にＡＣＰ１４ｂの駆動が継続される期間が長期化することが抑制され、ドライバーに与える違和感を低減できる。

尚、上述したように、ＦＣ４ｂの体積はＦＣ４ａよりも小さいため、ＦＣ４ｂの熱容量はＦＣ４ａよりも小さい。ここで、例えば、システム１の起動時に低温環境下にある場合に、燃料電池を早期に発電に適した温度にまで昇温させるために、通常運転時よりもカソードガスのストイキ比を低下させて熱損失を増大させて燃料電池を昇温させながら発電させる暖機運転を実行する場合がある。ここで、反応ガスのストイキ比等を同じ条件下で同じ電力をＦＣ４ａ及び４ｂに発電させた場合には、燃料電池の特性上、発電体積の小さいＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも熱損失が大きくなり、即ち発熱量が大きくなりやすい。更に、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも熱容量も小さい。このため、同じ電力で発電させても、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも早期に発電に適した温度にまで上昇しやすい。このため、システム１の低温起動時では、暖機運転によりＦＣ４ｂを早期に昇温させることもでき、ＦＣ４ｂの出力の応答性を確保することができる。

尚、上述したようにシステム１の起動時にはＦＣ４ｂを早期に発電させて昇温できるため、ＦＣ４ｂの熱を利用してＦＣ４ａの昇温を促進してもよい。例えば、ＦＣ４ｂから熱を受けた冷却水がラジエータを流れる前にＦＣ４ａに流れるように冷却水経路を構成してもよい。また、ＦＣ４ｂの発熱がＦＣ４ａに伝達されるようにＦＣ４ｂを直接、又は銅などの熱伝導率の高い部材を介して間接的にＦＣ４ａに接触させてもよい。例えばＦＣ４ａ内で液水が凍結しやすい部位の近傍に、ＦＣ４ｂを接触させてもよい。また、併せて先に発電しているＦＣ４ｂ用の補機、例えばＡＣＰ１４ｂ等をＦＣ４ａに直接又は間接的に接触させることにより、この補機の熱がＦＣ４ａに伝達されるようにしてもよい。

また、システム１の起動時に、ＦＣ４ｂの発電を開始してＦＣ４ｂの熱がある程度ＦＣ４ａに伝達されてから、ＦＣ４ａの発電を開始してもよい。これにより、システム１の起動時にＦＣ４ａ内に氷が残留していた場合に、ＦＣ４ｂの熱を利用してＦＣ４ａ内の氷を溶解させてからＦＣ４ａ内の発電を開始することにより、ＦＣ４ａでの水素欠等の問題の発生を抑制できる。

［掃気制御の変形例］
次に、掃気制御の変形例について説明する。図５は、掃気制御の変形例を示したフローチャートである。図６は、掃気制御の変形例を示したタイミングチャートである。上述した実施例と同一の処理については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

ＥＣＵ２は、ステップＳ１でＹｅｓでありステップＳ３の処理の実行後、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方について掃気する（ステップＳ５ａ）。具体的には、ＦＣ４ａ及び４ｂはそれぞれＢＡＴ８ａ及び８ｂの充電電力に基づいて掃気が実行される。ＦＣ４ｂの掃気条件としては、上述した場合と同じである。ＦＣ４ａの掃気条件としては、ＡＣＰ１４ａの回転速度は速度αであり、掃気期間は期間βよりも短い期間γに設定されている。期間γは例えば１０秒である。従って、時刻ｔ２ａでＦＣ４ａの掃気が完了し、その後の時刻ｔ２でＦＣ４ｂの掃気が完了する。

これにより、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方が掃気されるが、ＦＣ４ａの掃気によるＡＣＰ１４ａの電力消費量は、ＦＣ４ｂの掃気によるＡＣＰ１４ｂの電力消費量よりも小さい。このため、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方の掃気による電力消費量の増大を抑制しつつ、ＦＣ４ｂから十分に排水できる。また、ＦＣ４ａについても僅かに掃気されるため、電力消費量が大きくなり過ぎない範囲でＦＣ４ａから排水でき、システム１の起動時のＦＣ４ａの出力の応答性を向上できる。

また、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気の開始時期は略同じであるため、イグニッションＯＦＦとなってからＦＣ４ａ及び４ｂの双方の掃気が完了してＡＣＰ１４ａ及び１４ｂの双方とも停止するまでの期間が長期化するのが抑制され、イグニッションＯＦＦ後でもＡＣＰ１４ａ及び１４ｂの駆動が継続することによるドライバーの違和感が低減される。

尚、本変形例では、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気は、略同時に開始されるが、これに限定されない。また、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気を短期間で完了する観点からは、ＦＣ４ｂの掃気の実行中にＦＣ４ａの掃気が開始され完了していることが望ましい。

上記変形例では、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気条件として、ＡＣＰ１４ａ及び１４ｂの回転速度は同じであり掃気期間がＦＣ４ａの方がＦＣ４ｂよりも短いことにより、ＦＣ４ａの掃気による消費電力量をＦＣ４ｂの掃気による消費電力量よりも少なくしたがこれに限定されない。例えば、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気期間は共に同じであるが、ＡＣＰ１４ａの回転速度がＡＣＰ１４ｂよりも遅くすることにより、ＦＣ４ａの掃気による消費電力量をＦＣ４ｂの掃気による消費電力量よりも少なくしてもよい。何れの場合も、ＦＣ４ｂから十分に排水しつつＦＣ４ａ及び４ｂの掃気に伴う消費電力量の増大を抑制することができるからである。

上記実施例及び変形例では、第１燃料電池よりも発電体積が小さい第２燃料電池として、ＦＣ４ａよりも積層された単セルの枚数が少ないＦＣ４ｂを例に示したがこれに限定されない。例えば、第１及び第２燃料電池の単セルの各積層枚数は同じであり、第２燃料電池の各単セルの電極面積が第１燃料電池の各単セルの電極面積よりも小さいことにより、第２燃料電池が第１燃料電池よりも発電体積が小さくてもよい。また、単セルの積層枚数は同じであり、各単セルの電極面積も同じであるが、第２燃料電池の各単セルの電極厚みが第１燃料電池の各単セルの電極厚みよりも薄いことにより、第２燃料電池が第１燃料電池よりも発電体積が小さくてもよい。

［システムの変形例］
次に、３つの燃料電池を備えたシステムでの掃気制御について説明する。図７Ａ～図７Ｃは、システムに採用される３つの燃料電池を示した図である。図７Ａ～図７Ｃでは、その他の構成については省略してある。

図７Ａに示したシステム１ａは、ＦＣ４ａ及び４ｂに加えて、発電体積がＦＣ４ｂよりも大きくＦＣ４ａと同じＦＣ４ｃを備えている。システム１ａでは、ＦＣ４ｂの掃気を実行し、ＦＣ４ａ及び４ｃについては掃気されない。ＦＣ４ｂよりも発電体積が大きいＦＣ４ａ及び４ｃについて掃気しないことにより、電力消費量を抑制できる。尚、ＦＣ４ｃの発電体積がＦＣ４ｂよりも大きくＦＣ４ａよりも小さい場合も同様である。

図７Ｂに示すシステム１ｂは、ＦＣ４ａ及び４ｂに加えて、ＦＣ４ｂと発電体積が同じであるＦＣ４ｄを備えている。この場合、ＦＣ４ｂ及び４ｄが掃気される。ＦＣ４ｂ及び４ｄのそれぞれよりも発電体積が大きいＦＣ４ａについては掃気しないことにより、電力消費量を抑制できる。

図７Ｃに示すシステム１ｃは、ＦＣ４ａ及び４ｂに加えて、ＦＣ４ｂよりも発電体積が小さいＦＣ４ｅを備えている。この場合、ＦＣ４ｂが掃気される。ＦＣ４ａ及び４ｅについては掃気しないことにより、電力消費量が抑制される。

尚、図７Ａ～図７Ｃに示した変形例においても、ＦＣ４ａやＦＣ４ｃの各掃気による電力消費量が、ＦＣ４ｂの電力消費量よりも小さくなるように、ＦＣ４ａ及びＦＣ４ｃを掃気してもよい。この場合も、ＦＣ４ｂの掃気期間と、ＦＣ４ａ及び４ｃの各掃気期間との少なくとも一部が重複することが望ましい。

［その他の変形例］
上記実施例及び変形例では、カソード側のみを掃気したが、アノード側のみを掃気してもよいし、カソード側とアノード側の双方を掃気してもよい。アノード側を掃気する場合には、例えば、イグニッションＯＦＦを検知してＦＣ４ｂの発電が停止してから、ＨＰ２９ｂを駆動して循環管２３ｂ内に残留しているアノードガスを掃気ガスとして用いてＦＣ４ｂに循環させることにより、ＦＣ４ｂを掃気してもよい。この場合、ＦＣ４ｂの発電停止後のＨＰ２９ｂの駆動による電力消費量が、ＦＣ４ｂの掃気による電力消費量に相当する。また、ＨＰ２９ａ及び２９ｂが、ＦＣ４ａ及び４ｂをそれぞれ掃気可能な掃気装置の一例に相当する。

上記実施例及び変形例では、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂはそれぞれＨＰ２９ａ及び２９ｂを備えるがこれに限定されず、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂがそれぞれＨＰ２９ａ及び２９ｂの代わりにエジェクタを備えていてもよい。この構成においてアノード側を掃気する場合には、例えばイグニッションＯＦＦを検知してＦＣ４ｂの発電が停止してから、ＩＮＪ２６ｂが噴射したアノードガスを掃気ガスとして用いてＦＣ４ｂを掃気してもよい。この場合、ＦＣ４ｂの発電停止後にＩＮＪ２６ｂの駆動による電力消費量が、ＦＣ４ｂの掃気による電力消費量に相当する。また、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂが、ＦＣ４ａ及び４ｂをそれぞれ掃気可能な掃気装置の一例に相当する。

上記実施例及び変形例では、イグニッションＯＦＦ時に掃気したが、イグニッションＯＮを検知してＦＣ４ａ及び４ｂの発電を開始する前に掃気を行ってもよい。

上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応した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。

燃料電池システムが搭載されている車両としては、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し、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
２ＥＣＵ（制御装置）
４ａ、４ｂ燃料電池（第１及び第２燃料電池）
１４ａ、１４ｂエアコンプレッサ（掃気装置）

Claims

第１及び第２燃料電池と、
前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能な掃気装置と、
前記掃気装置を制御する制御装置と、を備え、
前記第２燃料電池の発電体積は、前記第１燃料電池の発電体積よりも小さく、
前記第１燃料電池を掃気する前記掃気装置は、前記第１燃料電池内のカソードガス流路にカソードガスを供給する第１エアコンプレッサであり、
前記第２燃料電池を掃気する前記掃気装置は、前記第２燃料電池内のカソードガス流路にカソードガスを供給する第２エアコンプレッサであり、
前記制御装置は、前記第１燃料電池の掃気期間と前記第２燃料電池の掃気期間との少なくとも一部が重複するように前記第１及び第２燃料電池を掃気し、前記第２燃料電池の掃気が実行されている期間内に、前記第１燃料電池の掃気を開始し完了し、
前記第１燃料電池の掃気時での前記第１エアコンプレッサの回転速度と前記第２燃料電池の掃気時での前記第２エアコンプレッサの回転速度とは同じである、燃料電池システム。
前記制御装置は、前記第２燃料電池の掃気による電力消費量よりも少ない電力消費量で前記第１燃料電池を掃気する、請求項１の燃料電池システム。
前記第２燃料電池よりも発電体積が大きい第３燃料電池を備え、
前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、
前記制御装置は、前記第３燃料電池は掃気しない、請求項１又は２の燃料電池システム。
前記第２燃料電池と発電体積が同じ第３燃料電池を備え、
前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、
前記制御装置は、前記第３燃料電池を掃気する、請求項１又は２の燃料電池システム。
前記第２燃料電池よりも発電体積が小さい第３燃料電池を備え、
前記掃気装置は、前記第１、第２、及び第３燃料電池をそれぞれ独立に掃気可能であり、
前記制御装置は、前記第３燃料電池を掃気しない、請求項１又は２の燃料電池システム。
前記第１及び第２燃料電池のそれぞれは、複数の単セルを備え、
前記単セルの発電体積は、前記単セルの発電面積と電極厚みとを乗算した値であり、
前記第１燃料電池の発電体積は、当該第１燃料電池が備える複数の前記単セルの発電体積の合計値であり、
前記第２燃料電池の発電体積は、当該第２燃料電池が備える複数の前記単セルの発電体積の合計値である、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
前記制御装置は、前記第１及び第２燃料電池の発電が停止した状態で、前記第２燃料電池を掃気する、請求項１乃至６の何れかの燃料電池システム。