JP7415981B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、１つの単セル又は複数の単セル（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、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガス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、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
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。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、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（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）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。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。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、このセパレータは電子伝導性を持ち、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燃料ガスとしての水素（Ｈ２）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化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）は、カソードの触媒層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、燃料電池車におけるＣＯ被毒に関する情報を水素ステーション又は燃料電池車に通報・告知することが可能なＣＯ被毒判定用プログラム、及びＣＯ被毒自己診断用プログラムが開示されている。
特許文献２では、起動時間の短縮を図る燃料電池システムが開示されている。
特許文献３では、不純物による燃料ガスの純度低下によって燃料ガスが欠乏し、発電が困難となるといった事態を抑制する燃料電池システムが開示されている。
特開２０１９－１０２２８８号公報 特開２００７－１６５１０３号公報 特開２００９－１１０８５０号公報
燃料電池においては、水素を含む燃料ガスに不純物が含まれていると効率的な発電ができないだけでなく触媒の劣化による不可逆な性能低下も引き起こす。そのため、燃料電池においては、燃料ガスの純度の管理が重要である。
上記特許文献１では、燃料電池車１台当たり１つの燃料電池スタックの搭載を前提としていて、その燃料電池スタックに被毒ガスを含むガスが供給された後に電圧低下を見てＣＯ被毒診断をするものである。ここで燃料電池車１台当たり複数の燃料電池スタックを搭載する場合に、すべての燃料電池スタックに被毒ガスを含むガスを供給して同様のＣＯ被毒診断をすると、燃料電池スタック１つを搭載する場合よりも車両の整備・点検にかかる時間が増加し、場合によっては全ての燃料電池スタックの交換が必要となる。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、複数の燃料電池スタックを車両に搭載し、且つ、燃料ガス中に不純物が含まれる場合に、不純物を含む燃料ガスが供給される燃料電池スタックの数が最小限に抑えられる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、独立して運転可能な２以上の燃料電池スタックを含むスタック群と、水素を含む燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填後、前記燃料電池システムの最初の起動時に、前記燃料タンクに貯蔵された燃料ガスを前記スタック群に供給する際、前記スタック群の内の第１スタックのみに前記燃料ガスを供給し、前記第１スタックを発電させ、
前記制御部は、前記第１スタックの発電後、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれているか否かを判定し、
前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれていると判定した場合、当該不純物が被毒物質であるか否か判定し、
前記制御部は、前記不純物が前記被毒物質であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止する。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていないと判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックにも前記燃料ガスを供給してもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記スタック群は、独立して運転可能な３以上の前記燃料電池スタックを含み、
前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタックの発電量が所定の閾値以上であるか否か判定し、
前記制御部は、前記第１スタックの発電量が所定の閾値未満であると判定した場合、前記スタック群に含まれる第２スタックにも前記燃料ガスを供給し、前記第１スタック及び前記第２スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、
前記制御部は、前記第１スタックの発電量が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止してもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記スタック群の中から最も劣化している前記燃料電池スタックを前記第１スタックとして選択してもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記不純物が含まれていると判定し、且つ、前記不純物が窒素であると判定した場合、前記制御部は、前記燃料ガス中の水素の濃度が所定の閾値以上であるか否か判定し、
前記制御部は、前記燃料ガス中の前記水素の濃度が所定の閾値未満であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、
前記制御部は、前記燃料ガス中の前記水素の濃度が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックにも前記燃料ガスを供給してもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池システムは、車両用であって、
前記燃料電池システムは、さらに、バッテリを備え、
前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、前記バッテリの電力のみで前記車両を走行させてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、前記バッテリの電力及び前記第１スタックの電力のみで前記車両を走行させてもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、複数の燃料電池スタックを車両に搭載し、且つ、燃料ガス中に不純物が含まれる場合に、不純物を含む燃料ガスが供給される燃料電池スタックの数が最小限に抑えられる。
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２は、本開示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である。 図３は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、独立して運転可能な２以上の燃料電池スタックを含むスタック群と、水素を含む燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填後、前記燃料電池システムの最初の起動時に、前記燃料タンクに貯蔵された燃料ガスを前記スタック群に供給する際、前記スタック群の内の第１スタックのみに前記燃料ガスを供給し、前記第１スタックを発電させ、
前記制御部は、前記第１スタックの発電後、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれているか否かを判定し、
前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれていると判定した場合、当該不純物が被毒物質であるか否か判定し、
前記制御部は、前記不純物が前記被毒物質であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止する。
本開示によれば、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料タンクに燃料ガスを充填した後の最初のシステム起動時に、燃料ガス中に不純物が含まれる場合に、燃料タンクから燃料ガスを供給する燃料電池スタックを１つのみとし、それ以外の燃料電池スタックに不純物が供給されることを防止できる。そのため、全ての燃料電池スタックが性能劣化することを回避することができ、結果として、車両を含む燃料電池システムの点検時間や燃料電池スタックの交換費用といったユーザーの負担を軽減することができる。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示において、不純物とは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示において、被毒物質とは、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
本開示の燃料電池システムは、スタック群を備える。
スタック群は、独立して運転可能な２以上の燃料電池スタックを含む。
スタック群に含まれる独立して運転可能な燃料電池スタックの数は、２以上であれば特に限定されず、１０以下であってもよく、５以下であってもよく、３以下であってもよい。
２以上の燃料電池スタックを独立して運転可能な状態は、それぞれの燃料電池スタックを別々に発電可能な状態であることを意味する。
燃料電池スタックは、単セルを複数個積層した積層体である。
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。
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、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
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。
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。
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層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。２枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒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。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。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒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、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
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の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
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、冷媒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、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料タンクを備える。燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給流路と、燃料オフガス排出流路と、エジェクタと、循環流路と、を備えていてもよい。燃料ガス系は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。燃料タンク及び燃料ガス供給流路以外の燃料ガス系は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
燃料タンクは、水素を含む燃料ガスを貯蔵する。
燃料タンクは、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料タンクは、主止弁を備えていてもよい。
主止弁は、制御部と電気的に接続される。主止弁は、制御部からの制御信号に従って、その開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料タンクとスタック群の各燃料電池スタックの燃料ガス入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよく、１つの燃料ガス供給流路が分岐して各燃料電池スタックと接続されていてもよい、燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料ガス供給流路には、各燃料電池スタックに燃料ガスを供給することを可能にする燃料ガス供給弁が配置されていてもよい。燃料ガス供給弁は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
燃料ガス供給弁は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給弁は、制御部からの制御信号に従って、その開閉が制御されることにより燃料ガスの各燃料電池スタックへの供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。燃料ガス供給弁の開閉により、各燃料電池スタックは独立して運転することができる。
燃料ガス供給流路には、燃料ガス供給弁よりも下流に燃料ガス調圧弁が配置されてもよい。燃料ガス調圧弁は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
燃料ガス調圧弁は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス調圧弁は、制御部からの制御信号に従って、その開度が制御されることにより燃料タンクから供給される燃料ガスの圧力が制御されてもよい。
燃料ガス供給流路には、燃料ガス調圧弁よりも下流にインジェクタが配置されてもよい。インジェクタは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
インジェクタは、燃料ガスをエジェクタに供給する。インジェクタとしては、従来公知のインジェクタを採用することができる。
燃料ガス供給流路には、インジェクタよりも下流にエジェクタが配置されてもよい。エジェクタは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路上の循環流路との合流部に配置されていてもよい。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のアノードに供給する。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。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。燃料オフガス排出流路は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、アノード気液分離器が配置されてもよい。アノード気液分離器は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
アノード気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
アノード気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置される。
アノード気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料ガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、アノード気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、循環ポンプ等の当該水分による凍結の発生を抑制することができる。
燃料オフガス排出流路には、排気排水弁（燃料オフガス排出弁）が配置されていてもよい。排気排水弁は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。排気排水弁は、燃料オフガス排出流路の気液分離器よりも下流に配置される。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
循環流路は、アノード気液分離器とエジェクタとを接続する。循環流路は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする。
循環流路は、燃料オフガス排出流路からアノード気液分離器を介して分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
循環流路には、循環ポンプが配置されてもよい。循環ポンプは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
循環ポンプは、燃料オフガスを循環ガスとして循環させる。循環ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
燃料電池システムは、圧力センサを備えていてもよい。圧力センサは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
圧力センサは、燃料電池の圧力を検出する。圧力センサは、制御部と電気的に接続される。圧力センサは、燃料電池の圧力を検出することができる限り、その配置位置は特に限定されない。
圧力センサは、従来公知の圧力計等を採用することができる。
制御部は、圧力センサで検出した圧力から不純物の有無、不純物の濃度、水素濃度、燃料電池の発電量等を推定してもよい。
制御部は、圧力と燃料ガス中の不純物の種類及び濃度との関係を示すデータ群を予め記憶し、圧力センサで検出した圧力をデータ群と照らし合わせて不純物の種類及び濃度を推定してもよい。
燃料電池システムは、ガスセンサを備えていてもよい。ガスセンサは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
ガスセンサは、燃料ガス供給流路の任意の位置に配置される。ガスセンサは、燃料ガス供給流路の燃料ガス供給弁よりも上流に配置されていてもよい。
ガスセンサは、燃料ガス中の不純物を検出する。ガスセンサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、ガスセンサで検出した不純物の種類及び濃度等を検知してもよい。
ガスセンサは、従来公知のガス検出計等を採用することができる。
燃料電池システムは、水素濃度センサを備えていてもよい。水素濃度センサは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
水素濃度センサは、燃料ガス供給流路の任意の位置に配置される。水素濃度センサは、燃料ガス供給流路の燃料ガス供給弁よりも上流に配置されていてもよい。
水素濃度センサは、燃料ガスの水素濃度を検出する。水素濃度センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、水素濃度センサで検出した水素濃度が所定の閾値以上であるか否か判定してもよい。
水素濃度センサは、従来公知の濃度計等を採用することができる。
燃料電池システムは、電流センサを備えていてもよい。電流センサは、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
電流センサは、燃料電池の電流値を検出する。電流センサは、制御部と電気的に接続される。電流センサは、燃料電池の電流値を検出することができる限り、その配置位置は特に限定されない。
電流センサは、従来公知の電流計等を採用することができる。
制御部は、電流センサで検出した電流値から燃料電池の発電量を算出してもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよい。酸化剤ガス系は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソード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、エアコンプレッサ等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。冷却系は、燃料電池スタック毎に独立して備えられていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
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、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、燃料タンクへの燃料ガスの充填後、燃料電池システムの最初の起動時に、燃料タンクに貯蔵された燃料ガスをスタック群に供給する際、スタック群の内の第１スタックのみに燃料ガスを供給し、第１スタックのみに発電を許可し、第１スタックを発電させる。
制御部は、第１スタックの発電後、燃料タンクに充填された燃料ガス中に不純物が含まれているか否かを判定する。
制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に不純物が含まれていると判定した場合、当該不純物が被毒物質であるか否か判定する。
制御部は、不純物が被毒物質であると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止する。
制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に被毒物質が含まれていないと判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックにも燃料ガスを供給し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電も許可してもよい。
水素ガスに不純物が含まれているか否かの判定は、例えば特開２０１９－１０２２８８に記載のように、燃料電池スタックの発電特性に応じて判断しても良いし、不純物用のガスセンサを備え、ガスセンサの検出値に応じて判断しても良い。
また、燃料ガスに不純物として被毒物質を含むか否かの判定は、所定の被毒物質濃度基準値を超える場合に、燃料ガスに不純物として被毒物質を含むと判定してもよく、所定量（微量）の被毒物質の含有は許容してもよい。被毒物質濃度基準値は、燃料電池の許容される性能に応じて適宜設定してもよい。
スタック群が、独立して運転可能な３以上の燃料電池スタックを含む場合、制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に被毒物質が含まれていると判定した場合、第１スタックの発電量が所定の閾値以上であるか否か判定してもよい。
制御部は、第１スタックの発電量が所定の閾値未満であると判定した場合、スタック群に含まれる第２スタックにも燃料ガスを供給し、第２スタックの発電も許可し、第１スタック及び第２スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック及び第２スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止してもよい。
制御部は、第１スタックの発電量が所定の閾値以上であると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止してもよい。
燃料電池システムが、３つ以上の燃料電池スタックを備えている場合、燃料ガス充填直後のシステム起動時は、１つまたはすべてではない複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給して、当該燃料電池スタックを発電させてもよい。
燃料ガスを供給するスタックの数が少ない方が、被毒物質により損傷を受ける燃料電池スタックの数を少なくすることができる。一方、第１スタックの発電量が所定の閾値未満であり、１つの燃料電池スタックのみでは、例えばディーラーまで自走するための電力が不足する場合等には、すべてではない複数のスタックを発電させてもよい。
制御部は、スタック群の中から最も劣化している燃料電池スタックを第１スタックとして選択してもよい。例えば、所定の頻度で、複数の燃料電池スタックのそれぞれを同じ条件（電流量、ガス供給量、温度）で発電させたときの、電圧値を取得しておき、電圧値が最も低い燃料電池スタックを、最も劣化している燃料電池スタックと判断してもよい。
また、条件に応じて発電させる燃料電池スタックを切り替えるシステムであれば、運転時間の最も長い燃料電池スタックを、最も劣化しているスタックと判断してもよい。
制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に不純物が含まれていると判定し、且つ、不純物が窒素であると判定した場合、制御部は、燃料ガス中の水素の濃度が所定の閾値以上であるか否か判定してもよい。
制御部は、燃料ガス中の水素の濃度が所定の閾値未満であると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止してもよい。
制御部は、燃料ガス中の水素の濃度が所定の閾値以上であると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックにも燃料ガスを供給し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電も許可してもよい。
一部のスタックを発電し不純物判定を行う際、燃料タンクに充填された燃料ガスに含まれる不純物が被毒物質（ＣＯ、Ｈ２Ｓ等）ではなく窒素（Ｎ２）であった場合は、水素濃度やアノード圧力を上げる制御を行った後、例えば、スタックが劣化しない部分水素欠が発生しない水素濃度の閾値以上になればすべてのスタックに発電許可を与えてもよい。なお、燃料ガスに不純物として窒素の他に被毒物質も含まれている場合は、一部のスタックのみに発電許可を行い、その他のスタックには発電許可を与えない。
一方、スタックが劣化しない水素濃度の閾値未満である場合は、一部のスタックのみに発電許可を行い、その他のスタックには発電許可を与えない。
燃料ガスに不純物として窒素を含むか否かの判定は、例えば燃料電池スタックの発電特性に応じて判断しても良いし、不純物用のガスセンサを備え、ガスセンサの検出値に応じて判断しても良い。
また、燃料ガスに不純物として窒素を含むか否かの判定は、所定の窒素濃度基準値を超える場合に、燃料ガスに不純物として窒素を含むと判定してもよく、所定量の窒素の含有は許容してもよい。窒素濃度基準値は、燃料電池の許容される性能に応じて適宜設定してもよい。
また、水素濃度は、圧力センサにより燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を測定し、その圧力値から推定してもよい。例えば、予め水素濃度と燃料ガスの圧力値との関係を示すデータ群を準備し、測定した圧力値をデータ群と照らし合わせることにより水素濃度を推定してもよい。
また、水素濃度は、水素濃度センサを配置して、水素濃度センサにより測定してもよい。
（限定走行１）
燃料電池システムが、車両用であって、燃料電池システムが、さらに、バッテリを備える場合、燃料タンクに充填された燃料ガス中に被毒物質が含まれていると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止し、且つ、バッテリの電力のみで車両を走行させてもよい。
これにより第１スタックの性能低下を最小限に抑えることができる。また、第１スタック以外の燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。
（限定走行２）
燃料電池システムが、車両用であって、燃料電池システムが、さらに、バッテリを備える場合、制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に被毒物質が含まれていると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止し、且つ、バッテリの電力及び第１スタックの電力のみで車両を走行させてもよい。また、必要に応じて燃料電池スタックの出力制限を行ったり、運転者に対し水素ステーションまたはディーラーへの点検入庫を促したりしてもよい。
これにより、限定走行１の場合よりも長距離の移動が可能となる。また、第１スタック以外のスタックの性能低下を防止することができる。
（限定走行３）
燃料電池システムが、車両用であって、燃料電池システムが、さらに、バッテリを備える場合、制御部は、燃料タンクに充填された燃料ガス中に被毒物質が含まれていると判定した場合、第１スタック以外の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を禁止し、第１スタック以外の燃料電池スタックの発電は禁止し、且つ、バッテリの電力及び第１スタックの電力のみで車両を走行させる。その後、第１スタックの電力が不足した場合に、第２スタックに燃料ガスを供給し、第２スタックの発電を許可し、第２スタックを発電させてもよい。
これにより、限定走行２の場合よりも長距離の移動が可能となる。また、第２スタックの性能低下を抑制し、第１スタック及び第２スタック以外のスタックの性能低下を防止することができる。
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は、２つの燃料電池スタック１０１、１０２と、主止弁２２を備える燃料タンク２１と、燃料ガス供給流路３１と、それぞれの燃料電池スタックに独立に燃料を供給・循環・排出する燃料ガス系２０１、２０２を備える。燃料ガス系２０１、２０２は、それぞれ共通の部品を備え、それぞれがＥＣＵ５０により独立に制御される。燃料ガス系２０１、２０２は、それぞれ燃料ガス供給弁２３１、２３２を備え、燃料タンク２１に蓄えられた燃料ガスを、燃料電池スタック１０１、１０２のそれぞれに供給するか遮断するかを切り替えることができる。なお、燃料タンク２１への燃料ガス充填後の最初のシステム起動時に発電させるスタックが一方の燃料電池スタック（例えば燃料電池スタック１０１に）予め決まっている場合には、燃料ガス供給弁２３１は無くてもよい。燃料ガス系２０１、２０２は、それぞれ燃料ガス調圧弁２４１、２４２、インジェクタ２５１、２５２、エジェクタ２６１、２６２、アノード気液分離器２７１、２７２、排気排水弁２８１、２８２、圧力センサ２９１、２９２、燃料オフガス排出流路３２１、３２２、循環流路３３１、３３２を備える。燃料電池システムは、必要に応じて、ガスセンサ、水素濃度センサ、電流センサ等を備えていてもよい。なお、図１では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。
図２は、本開示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である。
燃料タンクへの燃料ガスの充填後、最初のシステム起動時は、制御部は、第１スタックのみに発電をさせる。
その後、制御部は、不純物判定として、燃料ガスに不純物として被毒物質が含まれているか判定する。
制御部は、燃料ガスに不純物として被毒物質が含まれていないと判定した場合は、その他のスタックにも発電許可を出す通常走行を行い、制御を終了する。
一方、制御部は、燃料ガスに不純物として被毒物質が含まれていると判定した場合は、その他のスタックの発電を禁止する限定走行を行い、制御を終了する。
図３は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。図３は、不純物判定において、燃料ガスに不純物として窒素のみが含まれている場合の制御の一例である。なお、不純物判定において、燃料ガスに不純物として窒素の他に被毒物質も含まれている場合は、図２のフローチャートに沿って制御を行ってもよい。
燃料タンクへの燃料ガスの充填後、最初のシステム起動時は、制御部は、第１スタックのみに発電をさせる。
その後、制御部は、不純物判定として、燃料ガスに不純物として窒素のみが含まれている判定した場合に、水素濃度が閾値以上であるか否か判定する。
制御部は、水素濃度が閾値以上であると判定した場合は、その他のスタックにも発電許可を出す通常走行を行い、制御を終了する。
一方、制御部は、水素濃度が閾値未満であると判定した場合は、その他のスタックの発電を禁止する限定走行を行い、制御を終了する。
１０１、１０２ 燃料電池（スタック）
２０１、２０２ 燃料ガス系
２１ 燃料タンク
２２ 主止弁
２３１、２３２ 燃料ガス供給弁
２４１、２４２ 燃料ガス調圧弁
２５１、２５２ インジェクタ
２６１、２６２ エジェクタ
２７１、２７２ アノード気液分離器
２８１、２８２ 排気排水弁
２９１、２９２ 圧力センサ
３１ 燃料ガス供給流路
３２１、３２２ 燃料オフガス排出流路
３３１、３３２ 循環流路
５０ ＥＣＵ（制御部）

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムは、独立して運転可能な２以上の燃料電池スタックを含むスタック群と、水素を含む燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填後、前記燃料電池システムの最初の起動時に、前記燃料タンクに貯蔵された燃料ガスを前記スタック群に供給する際、前記スタック群の内の第１スタックのみに前記燃料ガスを供給し、前記第１スタックを発電させ、
    前記制御部は、前記第１スタックの発電後、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれているか否かを判定し、
    前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に不純物が含まれていると判定した場合、当該不純物が被毒物質であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記不純物が前記被毒物質であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていないと判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックにも前記燃料ガスを供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記スタック群は、独立して運転可能な３以上の前記燃料電池スタックを含み、
    前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタックの発電量が所定の閾値以上であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記第１スタックの発電量が所定の閾値未満であると判定した場合、前記スタック群に含まれる第２スタックにも前記燃料ガスを供給し、前記第１スタック及び前記第２スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、
    前記制御部は、前記第１スタックの発電量が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記スタック群の中から最も劣化している前記燃料電池スタックを前記第１スタックとして選択する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記不純物が含まれていると判定し、且つ、前記不純物が窒素であると判定した場合、前記制御部は、前記燃料ガス中の水素の濃度が所定の閾値以上であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記燃料ガス中の前記水素の濃度が所定の閾値未満であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、
    前記制御部は、前記燃料ガス中の前記水素の濃度が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックにも前記燃料ガスを供給する、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池システムは、車両用であって、
    前記燃料電池システムは、さらに、バッテリを備え、
    前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、前記バッテリの電力のみで前記車両を走行させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御部は、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガス中に前記被毒物質が含まれていると判定した場合、前記第１スタック以外の前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給を禁止し、前記バッテリの電力及び前記第１スタックの電力のみで前記車両を走行させる、請求項６に記載の燃料電池システム。
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