JP2010055927A

JP2010055927A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2010055927A
Application number: JP2008219467A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Ikeda; 晃一郎池田; Masaki Ando; 雅樹安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】燃料電池システム全体の複雑化や、操作の煩雑化を抑制しつつ、電位の上昇に起因する電極劣化を抑える。
【解決手段】第１および第２の燃料電池スタックを備える燃料電池システムは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックから第２の燃料電池スタックへと酸化ガス接続路を介して酸化ガスを流入させると共に、第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス循環路へと流入させることによって、第１および第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させ、負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも第２の燃料電池スタック内を通過した酸化ガスを酸化ガス排出路へと流入させるように、酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部を備える。
【選択図】図１The present invention suppresses electrode deterioration caused by an increase in potential while suppressing complication of the whole fuel cell system and complication of operation.
A fuel cell system comprising first and second fuel cell stacks has an oxidizing gas connection from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack when the load requirement is smaller than a reference load requirement. The oxidant gas is caused to flow between the first and second fuel cell stacks by flowing the oxidant gas through the passage and flowing the oxidant gas that has passed through the second fuel cell stack into the oxidant gas circulation path. When the load demand exceeds the reference load demand, the gas flow switching is performed to switch the state in which the oxidizing gas flows so that at least the oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack flows into the oxidizing gas discharge passage. A control unit is provided.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池においては、その電極電位が高まったときには、触媒電極であるカソードが劣化することが知られている。このような高電位を抑制するための構成の一つとして、従来、燃料電池の運転を停止あるいは一時的に負荷を開放して待機する際に、カソードに供給する酸化ガスを不活性ガスに切り替えると共に、燃料電池の出力側を抵抗で短絡させてカソード電位を低下させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 In fuel cells, it is known that when the electrode potential increases, the cathode, which is a catalyst electrode, deteriorates. As one of the configurations for suppressing such a high potential, conventionally, when the operation of the fuel cell is stopped or the load is temporarily released to stand by, the oxidizing gas supplied to the cathode is switched to an inert gas. In addition, a configuration has been proposed in which the cathode potential is lowered by short-circuiting the output side of the fuel cell with a resistor (see, for example, Patent Document 1).

特開平０１−１２８３６２JP 01-128362 A 特開２００６−０４９１３４JP 2006-049134 A

しかしながら、上記のように不活性ガスを用いて酸化ガスを切り替えパージする場合には、燃料電池システムにおいて、別途不活性ガスを用意する必要があり、燃料電池システムが複雑化してしまう。特に、燃料電池システムを車両の駆動用電源として用いる場合のように、燃料電池システムを搭載可能なスペースに制限がある場合には、不活性ガスを別途用意する構成は、採用し難い場合がある。また、不活性ガスを用いる場合には、不活性ガスを補充して常に用意しておく必要があり、操作が煩雑化するという問題も生じる。 However, when the oxidizing gas is switched and purged using the inert gas as described above, it is necessary to separately prepare the inert gas in the fuel cell system, which complicates the fuel cell system. In particular, when the space in which the fuel cell system can be mounted is limited, such as when the fuel cell system is used as a power source for driving a vehicle, a configuration in which an inert gas is separately prepared may be difficult to employ. . In addition, when an inert gas is used, it is necessary to always replenish the inert gas and prepare it, resulting in a problem that the operation becomes complicated.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システム全体の複雑化や、操作の煩雑化を抑制しつつ、電位の上昇に起因する電極劣化を抑えることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and suppresses electrode deterioration due to potential increase while suppressing complication of the entire fuel cell system and complication of operation. Objective.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］
負荷要求に対応する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、酸素を含有する酸化ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く酸化ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く酸化ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く酸化ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記酸化ガス接続路を介して前記酸化ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記酸化ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記酸化ガスを前記酸化ガス排出路へと流入させるように、前記酸化ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。 [Application Example 1]
A fuel cell system for generating electric power corresponding to a load request,
First and second fuel cell stacks formed by laminating a power generation body having an electrolyte membrane and an electrode provided on the electrolyte membrane;
An oxidizing gas connection path that guides the oxidizing gas containing oxygen that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack;
An oxidizing gas circulation path for guiding the oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack;
An oxidizing gas discharge path for guiding the oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack to the outside of the fuel cell system;
When the load demand is smaller than a predetermined reference load demand, the oxidizing gas is allowed to flow from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack through the oxidizing gas connection path, and The oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack is caused to flow into the oxidizing gas circulation path to circulate the oxidizing gas between the first and second fuel cell stacks, and the load request Gas flow switching control for switching the state in which the oxidant gas flows so that at least the oxidant gas that has passed through the second fuel cell stack flows into the oxidant gas discharge passage when the reference load requirement exceeds And a fuel cell system.

適用例１に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で酸化ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で酸化ガスを循環させることにより、速やかに酸化ガス中の酸素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。 In the fuel cell system described in Application Example 1, when the load requirement is smaller than the reference load requirement, the oxidizing gas is circulated between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, so the load requirement is small. Nevertheless, the output voltage value in each fuel cell stack can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress electrode deterioration caused by a small load requirement and a high output voltage. Further, by circulating the oxidizing gas between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, the oxygen concentration in the oxidizing gas can be quickly reduced, so when the load demand is small, It is possible to achieve both low voltage operation and securing of the oxidizing gas flow rate.

［適用例２］
負荷要求に対する電力を発電する燃料電池システムであって、
電解質膜と該電解質膜上に設けられた電極とを有する発電体を積層して成る第１および第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、
前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、
前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替えるガス流切り替え制御部とを備える燃料電池システム。 [Application Example 2]
A fuel cell system for generating electric power in response to a load request,
First and second fuel cell stacks formed by laminating a power generation body having an electrolyte membrane and an electrode provided on the electrolyte membrane;
A fuel gas connection path for guiding the fuel gas containing hydrogen that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack;
A fuel gas circulation path for guiding the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack;
A fuel gas discharge path for guiding the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the outside of the fuel cell system;
When the load requirement is smaller than a predetermined reference load requirement, the fuel gas is allowed to flow from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack via the fuel gas connection path, and By causing the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to flow into the fuel gas circulation path, the fuel gas is circulated between the first and second fuel cell stacks, and the load request Gas flow switching control for switching the flow state of the fuel gas so that at least the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack flows into the fuel gas discharge path when the load exceeds the reference load requirement And a fuel cell system.

適用例２に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で燃料ガスを循環させるため、負荷要求が小さいにも関わらず、各燃料電池スタックにおける出力電圧値を抑えることができる。そのため、負荷要求が小さく出力電圧が高くなることに起因する電極の劣化を抑制することができる。また、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で燃料ガスを循環させることにより、速やかに燃料ガス中の水素濃度を低下させることができるため、負荷要求が小さいときに、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立することが可能になる。 In the fuel cell system according to the application example 2, when the load requirement is smaller than the reference load requirement, the fuel gas is circulated between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, and thus the load requirement is small. Nevertheless, the output voltage value in each fuel cell stack can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress electrode deterioration caused by a small load requirement and a high output voltage. Further, by circulating the fuel gas between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, the hydrogen concentration in the fuel gas can be quickly reduced, so when the load demand is small, It is possible to achieve both low voltage operation and securing of the oxidizing gas flow rate.

［適用例３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池スタック内を通過した、水素を含有する燃料ガスを、前記第２の燃料電池スタックへと導く燃料ガス接続路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックへと導く燃料ガス循環路と、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを、前記燃料電池システム外部へと導く燃料ガス排出路と、を備え、前記ガス流切り替え制御部は、さらに、前記負荷要求が、予め定めた基準の負荷要求よりも小さいときには、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して前記燃料ガスを流入させると共に、前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス循環路へと流入させることによって、前記第１および第２の燃料電池スタックの間で前記燃料ガスを循環させ、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときには、少なくとも前記第２の燃料電池スタック内を通過した前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路へと流入させるように、前記燃料ガスが流れる状態を切り替える燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときには、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの間で、酸化ガスの循環に加えて燃料ガスの循環も行なう。そのため、負荷要求が小さいときに、電極の劣化を抑制すると共に、低電圧運転と酸化ガス流量の確保とを両立する効果を、さらに高めることができる。 [Application Example 3]
The fuel cell system according to Application Example 1, further including a fuel gas connection path that guides hydrogen-containing fuel gas that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack; A fuel gas circulation path that guides the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack; and the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack, A fuel gas discharge path that leads to the outside of the battery system, and the gas flow switching control unit further includes a fuel gas discharge path from the first fuel cell stack when the load request is smaller than a predetermined reference load request. The fuel gas is allowed to flow into the second fuel cell stack via the fuel gas connection path, and the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack is circulated in the fuel gas circulation. The fuel gas is circulated between the first and second fuel cell stacks by flowing into the road, and when the load demand exceeds the reference load demand, at least in the second fuel cell stack A fuel cell system that switches a state in which the fuel gas flows so that the fuel gas that has passed through the fuel gas flows into the fuel gas discharge path. According to the fuel cell system described in Application Example 3, when the load requirement is smaller than the reference load requirement, the fuel in addition to the circulation of the oxidizing gas between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Gas circulation is also performed. For this reason, when the load requirement is small, it is possible to further enhance the effect of suppressing the deterioration of the electrode and achieving both low voltage operation and securing the oxidizing gas flow rate.

［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を検出する電圧検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときに、前記電圧検出部が検出した前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、第１の基準値以下となるように、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制御する制御部とを備える燃料電池システム。適用例４に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求よりも小さいときに、第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧を第１の基準値以下にするため、出力電圧が第１の基準値を超えることに起因する電極の劣化を抑制することができる。 [Application Example 4]
4. The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3, further comprising: a voltage detection unit that detects output voltages in the first and second fuel cell stacks; and the load request is greater than the reference load request. Outputs from the first and second fuel cell stacks so that the output voltage in the first and second fuel cell stacks detected by the voltage detection unit when it is small are equal to or lower than the first reference value. A fuel cell system comprising a control unit for controlling the fuel cell. According to the fuel cell system described in Application Example 4, when the load requirement is smaller than the reference load requirement, the output voltage in the first and second fuel cell stacks is set to be equal to or lower than the first reference value. Deterioration of the electrode due to the voltage exceeding the first reference value can be suppressed.

［適用例５］
適用例４に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さいときであって、前記第１および第２の燃料電池スタックにおける出力電圧が、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値以下となるときに、前記第１および第２の燃料電池スタックを循環する前記酸化ガスおよび／または燃料ガスに対して、酸素および／または水素を補充する循環ガス補充部を備える燃料電池システム。適用例５に記載の燃料電池システムによれば、第１および第２の燃料電池スタックを循環する酸化ガス中の酸素濃度および／または燃料ガス中の水素濃度が低下しすぎることに起因する不都合を抑制することができる。 [Application Example 5]
In the fuel cell system according to application example 4, when the load requirement is smaller than the reference load requirement, output voltages in the first and second fuel cell stacks are the first and second fuel cell stacks. Oxygen and / or hydrogen is supplemented to the oxidizing gas and / or fuel gas circulating through the first and second fuel cell stacks when the second reference value is smaller than the second reference value. A fuel cell system including a circulating gas replenishment unit. According to the fuel cell system described in Application Example 5, inconvenience due to excessive reduction in the oxygen concentration in the oxidizing gas and / or the hydrogen concentration in the fuel gas circulating through the first and second fuel cell stacks. Can be suppressed.

［適用例６］
適用例２または３に記載の燃料電池システムであって、前記第２の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックよりも、積層される前記発電体の数が少なく形成されると共に、電極の総面積が小さく形成され、前記ガス流切り替え制御部は、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回るときにも、前記燃料ガスを、前記第１の燃料電池スタックから前記第２の燃料電池スタックへと前記燃料ガス接続路を介して流入させる燃料電池システム。適用例６に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回るときには、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて第２の燃料電池スタックにおいて発電を行なうため、燃料電池システム全体の水素の利用率を向上させることができる。このとき、第２の燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックよりも、積層される発電体の数が少なく電極の総面積が小さいため、第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを用いて支障なく発電を行なうことが可能になる。 [Application Example 6]
4. The fuel cell system according to Application Example 2 or 3, wherein the second fuel cell stack is formed with a smaller number of the power generators stacked than the first fuel cell stack, and an electrode. The gas flow switching control unit is configured to reduce the fuel gas from the first fuel cell stack to the second fuel cell even when the load demand exceeds the reference load demand. A fuel cell system which flows into the stack through the fuel gas connection path. According to the fuel cell system described in Application Example 6, when the load demand exceeds the reference load demand, the fuel gas discharged from the first fuel cell stack is used to generate power in the second fuel cell stack. In addition, the utilization rate of hydrogen in the entire fuel cell system can be improved. At this time, since the second fuel cell stack has a smaller number of power generators to be stacked and a smaller total area of the electrodes than the first fuel cell stack, the fuel gas discharged from the first fuel cell stack is reduced. It becomes possible to generate electricity without any trouble.

［適用例７］
適用例１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、前記第１および第２の燃料電池スタックは、高分子電解質から成る電解質膜を備える固体高分子型燃料電池であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記第１および第２の燃料電池スタックが備える前記電解質膜における含水状態を反映する値を検出する含水状態検出部と、前記負荷要求が前記基準の負荷要求よりも小さい状態から、前記負荷要求が前記基準の負荷要求を上回る状態へと変化したときに、前記含水状態検出部の検出結果から、前記電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、前記含水状態を反映する値に基づいて、前記第１および第２の燃料電池スタックからの出力を制限する出力制限部とを備える燃料電池システム。適用例７に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が基準の負荷要求を上回る状態に変化して、電解質膜の含水状態が不十分であると判断されるときには、電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて出力を制限するため、各スタックが備える電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なうことによる不都合を抑制することができる。 [Application Example 7]
7. The fuel cell system according to any one of application examples 1 to 6, wherein each of the first and second fuel cell stacks is a polymer electrolyte fuel cell including an electrolyte membrane made of a polymer electrolyte, and the fuel cell system Further includes a moisture content detection unit that detects a value reflecting the moisture content in the electrolyte membranes included in the first and second fuel cell stacks, and a state in which the load requirement is smaller than the reference load requirement, When the load requirement changes to a state exceeding the reference load requirement, when it is determined from the detection result of the moisture content state detection unit that the moisture content of the electrolyte membrane is insufficient, the moisture content state is changed. A fuel cell system comprising: an output limiting unit that limits output from the first and second fuel cell stacks based on a value to be reflected. According to the fuel cell system described in Application Example 7, when the load requirement changes to a state exceeding the reference load requirement and it is determined that the moisture content of the electrolyte membrane is insufficient, the moisture content in the electrolyte membrane is changed. Since the output is limited based on the reflected value, inconvenience due to excessive power generation when the water content of the electrolyte membrane included in each stack is insufficient can be suppressed.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを駆動用電源とする移動体などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a moving body using the fuel cell system of the present invention as a driving power source.

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、メインスタック２０と、サブスタック２２と、燃料ガス供給部２４と、ブロワ２６と、制御部２８と、を備えている。なお、本実施例の燃料電池システム１０は、車両の駆動用電源として車載されて用いられている。 A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a main stack 20, a sub stack 22, a fuel gas supply unit 24, a blower 26, and a control unit 28. Note that the fuel cell system 10 of this embodiment is mounted on a vehicle and used as a power source for driving a vehicle.

メインスタック２０およびサブスタック２２は、それぞれ、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極と、電極との間でガス流路を形成するガスセパレータと、を備える単セルを、複数積層することによって形成されている。電極とガスセパレータとの間に形成されるガス流路としては、水素を含有する燃料ガスの流路であってアノード上に形成されるセル内燃料ガス流路と、酸素を含有する酸化ガスの流路であってカソード上に形成されるセル内酸化ガス流路と、が形成される。本実施例のメインスタック２０およびサブスタック２２は、いずれも固体高分子型の燃料電池であって、単セルが備える電解質膜は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜とすることができ、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。メインスタック２０およびサブスタック２２の各々においては、内部を積層方向に貫通する複数の図示しない流体流路が形成されている。具体的には、各単セル内に形成されるセル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内に形成されるセル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路から排出される酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が形成されている。 Each of the main stack 20 and the sub stack 22 is formed by stacking a plurality of unit cells each including an electrolyte membrane, an electrode formed on the electrolyte membrane, and a gas separator that forms a gas flow path between the electrodes. Is formed by. The gas flow path formed between the electrode and the gas separator is a flow path of a fuel gas containing hydrogen, an in-cell fuel gas flow path formed on the anode, and an oxidizing gas containing oxygen. And an in-cell oxidizing gas channel formed on the cathode. The main stack 20 and the sub-stack 22 of this embodiment are both solid polymer fuel cells, and the electrolyte membrane provided in the single cell is made of a solid polymer material, for example, a fluororesin containing perfluorocarbon sulfonic acid. The formed proton-conducting ion exchange membrane can be formed and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In each of the main stack 20 and the sub stack 22, a plurality of fluid flow paths (not shown) that penetrate the inside in the stacking direction are formed. Specifically, a fuel gas supply manifold that distributes the fuel gas to the in-cell fuel gas flow path formed in each single cell, and a fuel in which the fuel gas discharged from each in-cell fuel gas flow path collects A gas discharge manifold, an oxidizing gas supply manifold that distributes the oxidizing gas to the in-cell oxidizing gas flow path formed in each single cell, and an oxidizing gas that collects the oxidizing gas discharged from each in-cell oxidizing gas flow path And a gas exhaust manifold.

ここで、メインスタック２０は、燃料電池システム１０に要求される電力の大部分を発電している。また、メインスタック２０よりも発電量が小さいサブスタック２２は、メインスタック２０に比べて積層される単セルの数が少なく形成されると共に、サブスタック２２が備える単セルは、メインスタック２０が備える単セルに比べて電極面積が小さく形成されている。すなわち、サブスタック２２は、メインスタック２０に比べて電極の総面積が小さく形成されている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０から電力の供給を受ける負荷としては、主負荷と副負荷とがある。主負荷は、車両の駆動用モータを含む。副負荷は、主負荷に対して燃料電池システム１０から電力供給するのに伴って電力を消費する装置、例えば、ブロワ２６や制御部２８を含む。 Here, the main stack 20 generates most of the power required for the fuel cell system 10. In addition, the sub stack 22 having a smaller power generation amount than the main stack 20 is formed with a smaller number of single cells stacked than the main stack 20, and the single cell included in the sub stack 22 includes the main stack 20. The electrode area is smaller than that of a single cell. That is, the sub-stack 22 is formed so that the total area of the electrodes is smaller than that of the main stack 20. Here, there are a main load and a sub load as loads that receive power supply from the fuel cell system 10 of the present embodiment. The main load includes a vehicle driving motor. The auxiliary load includes a device that consumes electric power when the electric power is supplied from the fuel cell system 10 to the main load, such as a blower 26 and a control unit 28.

燃料ガス供給部２４は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して燃料ガスを供給する装置である。燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いる場合には、燃料ガス供給部２４は、例えば、高圧の水素ガスを充填した水素ボンベ、あるいは水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすればよい。また、燃料ガス供給部２４が、炭化水素やアルコールなどの改質燃料を貯蔵する燃料タンクと、この改質燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器とを備えることとして、燃料ガスとして改質ガスを用いることとしても良い。例えば、燃料ガス供給部２４が水素ボンベを備える場合には、水素ボンベから水素が流入する流路における圧力に基づいて、水素ボンベ出口に設けた弁の開度を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が水素吸蔵合金を有する水素タンクを備える場合には、さらに、水素タンクに対する加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。また、燃料ガス供給部２４が改質器を備える場合には、改質器に供給する改質燃料量および改質器の加熱量を調節することにより、供給燃料ガス量を制御することができる。 The fuel gas supply unit 24 is a device that supplies fuel gas to the main stack 20 and the sub stack 22. When high-purity hydrogen gas is used as the fuel gas, the fuel gas supply unit 24 may include, for example, a hydrogen cylinder filled with high-pressure hydrogen gas or a hydrogen tank having a hydrogen storage alloy therein. . The fuel gas supply unit 24 includes a fuel tank that stores reformed fuel such as hydrocarbons and alcohol, and a reformer that reforms the reformed fuel to generate a hydrogen-containing gas. A reformed gas may be used as the gas. For example, when the fuel gas supply unit 24 includes a hydrogen cylinder, the supply fuel gas is adjusted by adjusting the opening of a valve provided at the outlet of the hydrogen cylinder based on the pressure in the flow path through which hydrogen flows from the hydrogen cylinder. The amount can be controlled. Further, when the fuel gas supply unit 24 includes a hydrogen tank having a hydrogen storage alloy, the amount of supplied fuel gas can be controlled by adjusting the heating amount for the hydrogen tank. When the fuel gas supply unit 24 includes a reformer, the amount of fuel gas supplied can be controlled by adjusting the amount of reformed fuel supplied to the reformer and the heating amount of the reformer. .

本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス供給部２４から供給される燃料ガスは、まず、メインスタック２０に供給された後に、サブスタック２２へと供給される。以下に、燃料ガスの流路の接続状態を説明する。図１に示すように、燃料ガス供給部２４とメインスタック２０との間は、燃料ガス供給路３０によって接続されている。具体的には、燃料ガス供給路３０は、メインスタック２０内の既述した燃料ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給可能になっている。そして、メインスタック２０とサブスタック２２との間は、燃料ガス接続路３２によって接続されている。ここでは、燃料ガス接続路３２によって、メインスタック２０内の燃料ガス排出マニホールドと、サブスタック２２内の燃料ガス供給マニホールドとが接続されており、メインスタック２０内で電気化学反応に供された残りの燃料ガスが、サブスタック２２へと供給可能になっている。サブスタック２２の燃料ガス排出マニホールドには、燃料ガス排出路３４が接続されている。 In the fuel cell system 10 of the present embodiment, the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 24 is first supplied to the main stack 20 and then supplied to the sub stack 22. Below, the connection state of the flow path of fuel gas is demonstrated. As shown in FIG. 1, the fuel gas supply unit 24 and the main stack 20 are connected by a fuel gas supply path 30. Specifically, the fuel gas supply path 30 is connected to the fuel gas supply manifold described above in the main stack 20 so that the fuel gas can be supplied to the in-cell fuel gas flow paths. The main stack 20 and the sub stack 22 are connected by a fuel gas connection path 32. Here, the fuel gas discharge manifold in the main stack 20 and the fuel gas supply manifold in the sub stack 22 are connected by the fuel gas connection path 32, and the remaining used for the electrochemical reaction in the main stack 20. This fuel gas can be supplied to the sub-stack 22. A fuel gas discharge passage 34 is connected to the fuel gas discharge manifold of the sub stack 22.

さらに、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガス排出路３４と燃料ガス供給路３０とを接続する燃料ガス循環路３６が設けられている。この燃料ガス循環路３６は、後述する待機運転時に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスを循環させる際に用いられる。燃料ガス排出路３４と燃料ガス循環路３６との接続部には、第１切替弁３８が設けられており、この第１切替弁３８によって、サブスタック２２から排出された燃料ガスが燃料電池システム１０の外部に排出される状態と、メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスが循環する状態とを切り替えることができる。さらに、燃料ガス循環路３６には、内部を流れるガスに循環駆動力を与える第３ポンプ５４が設けられている。 Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, a fuel gas circulation path 36 that connects the fuel gas discharge path 34 and the fuel gas supply path 30 is provided. The fuel gas circulation path 36 is used when the fuel gas is circulated between the main stack 20 and the sub stack 22 during a standby operation described later. A connection portion between the fuel gas discharge path 34 and the fuel gas circulation path 36 is provided with a first switching valve 38, and the fuel gas discharged from the sub-stack 22 by the first switching valve 38 is supplied to the fuel cell system. 10 can be switched between a state in which the fuel gas is discharged to the outside and a state in which the fuel gas is circulated between the main stack 20 and the sub stack 22. Further, the fuel gas circulation path 36 is provided with a third pump 54 that gives a circulation driving force to the gas flowing inside.

ブロワ２６は、メインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置である。本実施例の燃料電池システム１０では、メインスタック２０とサブスタック２２の双方に対してブロワ２６から酸化ガスを供給可能であると共に、メインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスを循環させることも可能となっている。以下に、酸化ガスの流路の接続状態を説明する。 The blower 26 is an oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to the main stack 20 and the sub stack 22. In the fuel cell system 10 of this embodiment, the oxidizing gas can be supplied from the blower 26 to both the main stack 20 and the sub stack 22 and the oxidizing gas is circulated between the main stack 20 and the sub stack 22. It is also possible. Below, the connection state of the flow path of oxidizing gas is demonstrated.

図１に示すように、ブロワ２６とメインスタック２０との間は、第１酸化ガス供給路４０によって接続されている。具体的には、第１酸化ガス供給路４０は、メインスタック２０内の既述した酸化ガス供給マニホールドに接続されており、各セル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給可能になっている。また、第１酸化ガス供給路４０から分岐して、第１酸化ガス供給路４０と、サブスタック２２内の酸化ガス供給マニホールドと、を接続する第２酸化ガス供給路４１が設けられている。さらに、燃料電池システム１０では、メインスタック２０内の酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスが排出される第１酸化ガス排出路４２が設けられている。この第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、第２酸化ガス供給路４１へと接続している。また、上記第１酸化ガス排出路４２は、第２切替弁４３を介して、さらに、燃料電池システム１０の外部へと酸化ガスを導く第２酸化ガス排出路４４にも接続されている。したがって、第２切替弁４３を切り替えることにより、メインスタック２０から第１酸化ガス排出路４２へと排出された酸化ガスが、第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２へと供給される状態とを、切り替えることができる。また、第２切替弁４３を切り替えることによって、ブロワ２６から供給される酸化ガスが、第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０のみに供給される状態と、さらに第２酸化ガス供給路４１を介してサブスタック２２にも供給される状態とを切り替えることができる。さらに、燃料電池システム１０では、第１酸化ガス供給路４０において第１ポンプ５０が設けられると共に、第２酸化ガス供給路４１において第２ポンプ５２が設けられている。ブロワ２６からメインスタック２０およびサブスタック２２に対して酸化ガスが供給される際には、各々のスタックに供給される酸化ガス量は、ブロワ２６の駆動量と、第１ポンプ５０および第２ポンプ５２の駆動量によって調節される。 As shown in FIG. 1, the blower 26 and the main stack 20 are connected by a first oxidizing gas supply path 40. Specifically, the first oxidizing gas supply path 40 is connected to the above-described oxidizing gas supply manifold in the main stack 20 and can supply oxidizing gas to each in-cell oxidizing gas flow path. Yes. Further, a second oxidizing gas supply path 41 is provided which branches from the first oxidizing gas supply path 40 and connects the first oxidizing gas supply path 40 and the oxidizing gas supply manifold in the sub stack 22. Further, the fuel cell system 10 is provided with a first oxidizing gas discharge path 42 through which oxidizing gas is discharged from the oxidizing gas discharge manifold in the main stack 20. The first oxidizing gas discharge path 42 is connected to the second oxidizing gas supply path 41 via the second switching valve 43. The first oxidizing gas discharge path 42 is also connected to a second oxidizing gas discharge path 44 that guides the oxidizing gas to the outside of the fuel cell system 10 via the second switching valve 43. Therefore, by switching the second switching valve 43, the oxidizing gas discharged from the main stack 20 to the first oxidizing gas discharge path 42 is discharged to the outside of the fuel cell system 10 via the second oxidizing gas discharge path 44. The state to be supplied and the state to be supplied to the sub stack 22 via the second oxidizing gas supply path 41 can be switched. Further, by switching the second switching valve 43, the state in which the oxidizing gas supplied from the blower 26 is supplied only to the main stack 20 via the first oxidizing gas supply path 40, and the second oxidizing gas supply path The state supplied to the sub-stack 22 via 41 can be switched. Further, in the fuel cell system 10, the first pump 50 is provided in the first oxidizing gas supply path 40, and the second pump 52 is provided in the second oxidizing gas supply path 41. When oxidizing gas is supplied from the blower 26 to the main stack 20 and the sub-stack 22, the amount of oxidizing gas supplied to each stack depends on the driving amount of the blower 26, the first pump 50, and the second pump. 52 is adjusted by the driving amount.

さらに、燃料電池システム１０では、サブスタック２２内の酸化ガス排出マニホールドに接続して酸化ガスを燃料電池システム１０の外部へと導く第３酸化ガス排出路４５が設けられており、第３酸化ガス排出路４５には、第３切替弁４６が設けられている。さらに、この第３切替弁４６を介して、第３酸化ガス排出路４５と第１酸化ガス供給路４０とを接続する循環流路４７が設けられている。したがって、第３切替弁４６を切り替えることにより、サブスタック２２から第３酸化ガス排出路４５へと排出された酸化ガスが、燃料電池システム１０外部へと排出される状態と、循環流路４７および第１酸化ガス供給路４０を介してメインスタック２０へと供給される状態とを、切り替えることができる。 Further, the fuel cell system 10 is provided with a third oxidant gas discharge passage 45 that is connected to the oxidant gas discharge manifold in the sub-stack 22 and guides the oxidant gas to the outside of the fuel cell system 10. A third switching valve 46 is provided in the discharge path 45. Further, a circulation flow path 47 that connects the third oxidizing gas discharge path 45 and the first oxidizing gas supply path 40 is provided via the third switching valve 46. Therefore, by switching the third switching valve 46, the oxidizing gas discharged from the sub stack 22 to the third oxidizing gas discharge path 45 is discharged to the outside of the fuel cell system 10, and the circulation flow path 47 and The state of being supplied to the main stack 20 via the first oxidizing gas supply path 40 can be switched.

制御部２８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部２８は、負荷要求に係る情報（例えば図示しない車速センサやアクセル開度センサから検出信号）や、燃料電池システム１０の状態を検出するための種々のセンサ（例えば各スタックの内部温度を検出する温度センサ）からの検出信号を取得して、燃料電池システム１０の各部に駆動信号を出力する。具体的には、例えば、燃料ガス供給部２４やブロワ２６、あるいはポンプ５０，５２，５４に駆動信号を出力して所望の電力を得るために必要なガスを燃料電池に対して供給可能にすると共に、第１切替弁３８、第２切替弁４３、第３切替弁４６に対して駆動信号を出力して、ガスが流れる状態を所定の状態に変更する。 The control unit 28 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port for inputting and outputting various signals, and the like. The control unit 28 includes information related to the load request (for example, a detection signal from a vehicle speed sensor and an accelerator opening sensor (not shown)) and various sensors for detecting the state of the fuel cell system 10 (for example, the internal temperature of each stack). A detection signal from a temperature sensor to be detected is acquired, and a drive signal is output to each part of the fuel cell system 10. Specifically, for example, the fuel gas supply unit 24, the blower 26, or the pumps 50, 52, and 54 can output a driving signal to supply the fuel cell with a gas necessary for obtaining desired power. At the same time, a drive signal is output to the first switching valve 38, the second switching valve 43, and the third switching valve 46 to change the gas flow state to a predetermined state.

さらに、図１では記載を省略しているが、燃料電池システム１０は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部温度を調節するための冷却装置を備えている。冷却装置は、メインスタック２０およびサブスタック２２の内部に形成される冷媒の流路と、冷媒を冷却するためのラジエータと、各スタック内の冷媒流路とラジエータとの間で冷媒を循環させる流路と、を備えている。燃料電池では発電に伴って熱が生じるため、各スタックの内部に形成した冷媒流路に冷媒を流すことにより、各スタックの内部温度を所定の範囲に維持している。 Further, although not shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a cooling device for adjusting the internal temperature of the main stack 20 and the sub stack 22. The cooling device includes a refrigerant flow path formed inside the main stack 20 and the sub stack 22, a radiator for cooling the refrigerant, and a flow for circulating the refrigerant between the refrigerant flow path and the radiator in each stack. Road. In a fuel cell, heat is generated with power generation. Therefore, the internal temperature of each stack is maintained within a predetermined range by flowing the refrigerant through a refrigerant flow path formed in each stack.

なお、本実施例では、メインスタック２０とサブスタック２２とに酸化ガスを供給する流れを並列にする場合であっても、単一のブロワ２６を用いているが、各々のスタックに対して異なるブロワを用意しても良い。また、本実施例の燃料電池システム１０において、さらにバッテリを設け、メインスタック２０および／またはサブスタック２２によってバッテリを充電可能としたり、主負荷および／または副負荷に対して、バッテリからも電力を供給可能としても良い。 In the present embodiment, a single blower 26 is used even when the flows for supplying the oxidizing gas to the main stack 20 and the sub stack 22 are arranged in parallel, but this is different for each stack. A blower may be prepared. Further, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, a battery is further provided so that the battery can be charged by the main stack 20 and / or the sub stack 22, and power is also supplied from the battery to the main load and / or the sub load. It may be possible to supply.

Ｂ．駆動走行時の動作：
車両が駆動力を発生しつつ走行を行なっている時、すなわち、主負荷である車両の駆動用モータにおいて負荷要求があるときには、主負荷および副負荷における負荷要求に応じて、メインスタック２０およびサブスタック２２において発電が行なわれる。このような駆動走行時には、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次流れると共に、制御部２８が第１切替弁３８を切り替えることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出される。また、駆動走行時には、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、酸化ガスは、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給される。すなわち、メインスタック２０は、第１酸化ガス供給路４０から酸化ガスを供給され、メインスタック２０から排出された酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス排出路４４を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。そして、サブスタック２２は、第２酸化ガス供給路４１から酸化ガスを供給され、サブスタック２２から排出された酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５を介して燃料電池システム１０の外部へと排出される。このとき、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６および第１ポンプ５０、第２ポンプ５２が駆動されて、負荷要求の合計量に応じた発電が可能となるように、燃料ガス及び酸化ガスの供給が行なわれる。 B. Operation during driving:
When the vehicle is traveling while generating a driving force, that is, when there is a load request in the driving motor of the vehicle that is the main load, the main stack 20 and the sub stack are set according to the load request in the main load and the sub load. Electric power is generated in the stack 22. During such driving, the fuel gas sequentially flows from the main stack 20 to the sub stack 22, and the control unit 28 switches the first switching valve 38, so that the fuel gas discharged from the sub stack 22 The battery system 10 is discharged to the outside. Further, during driving travel, the second switching valve 43 and the third switching valve 46 are switched so that the oxidizing gas is separately supplied to the main stack 20 and the sub stack 22. That is, the main stack 20 is supplied with the oxidizing gas from the first oxidizing gas supply path 40, and the oxidizing gas discharged from the main stack 20 is the first oxidizing gas discharge path 42, the second switching valve 43, and the second oxidizing gas. It is discharged to the outside of the fuel cell system 10 via the discharge path 44. Then, the sub stack 22 is supplied with the oxidizing gas from the second oxidizing gas supply path 41, and the oxidizing gas discharged from the sub stack 22 goes to the outside of the fuel cell system 10 via the third oxidizing gas discharge path 45. Discharged. At this time, the fuel gas supply unit 24, the blower 26, the first pump 50, and the second pump 52 are driven, and the fuel gas and the oxidizing gas are supplied so that the power generation according to the total amount of the load request is possible. Done.

本実施例では、車両走行時において、上記のようにメインスタック２０で発電に供した残りの燃料ガスをサブスタック２２へと供給しているため、燃料ガス中の水素の利用率を向上させることができる。ここで、燃料電池において発電を行なう際には、通常は、負荷要求に応じた発電を行なうために理論的に必要とされるガス量よりも多くのガスを、燃料電池に対して供給することによって、燃料電池が備える各単セルに対するガスの分配状態を良好に維持している。そのため、このように理論的に必要とされるガス量に対する実際に供給したガス量の比（以下、ストイキ比と呼ぶ）を大きくしてメインスタック２０に対して燃料ガスを供給すると、メインスタック２０から排出される燃料ガス中には、発電に用いられなかった多くの水素が残留することになる。本実施例では、このようにメインスタック２０から排出された燃料ガス中に残留する水素を、さらにサブスタック２２において発電に用いるため、メインスタック２０における燃料ガス流量を確保して水素欠乏を抑制しつつ、外部に廃棄される水素量を削減することで、システム全体としての水素利用率を向上させている。ここで、本実施例の燃料電池システム１０が備えるサブスタック２２は、既述したように、メインスタック２０に比べて、積層される単セルの数が少ない。そのため、メインスタック２０内を経由して発電に用いられることでガス量が減少した燃料ガスが供給されても、サブスタック２２において各単セルへのガスの分配不良を抑制することができる。また、サブスタック２２は、既述したようにメインスタック２０に比べて電極の総面積が小さいため、メインスタック２０を経由して水素量が減少した燃料ガスを用いても、支障なく発電を行なうことが可能になる。さらに、メインスタック２０から排出された燃料ガスをサブスタック２２で用いることにより、たとえサブスタック２２において燃料ガス量が不足して分配不良が生じる場合があったとしても、大部分の電力を発電しているメインスタック２０がサブスタック２２から独立しているため、ガス不足に起因する影響をシステム全体として充分に抑えることが可能になる。 In the present embodiment, when the vehicle travels, the remaining fuel gas supplied to the power generation by the main stack 20 is supplied to the sub stack 22 as described above, so that the utilization rate of hydrogen in the fuel gas is improved. Can do. Here, when power generation is performed in a fuel cell, usually more gas than the amount of gas theoretically required to generate power according to load demand is supplied to the fuel cell. Thus, the gas distribution state with respect to each single cell included in the fuel cell is favorably maintained. Therefore, when the ratio of the actually supplied gas amount to the theoretically required gas amount (hereinafter referred to as the stoichiometric ratio) is increased and fuel gas is supplied to the main stack 20, the main stack 20 A large amount of hydrogen that has not been used for power generation remains in the fuel gas discharged from the fuel. In this embodiment, since the hydrogen remaining in the fuel gas discharged from the main stack 20 is used for power generation in the sub-stack 22 in this way, the fuel gas flow rate in the main stack 20 is secured to suppress hydrogen deficiency. However, by reducing the amount of hydrogen discarded outside, the hydrogen utilization rate of the entire system is improved. Here, as described above, the sub-stack 22 included in the fuel cell system 10 according to the present embodiment has a smaller number of stacked single cells than the main stack 20. Therefore, even if the fuel gas whose gas amount is reduced by being used for power generation via the main stack 20 is supplied, the distribution failure of the gas to each single cell in the sub stack 22 can be suppressed. Further, since the sub-stack 22 has a smaller total electrode area than the main stack 20 as described above, the sub-stack 22 generates power without any trouble even if fuel gas having a reduced hydrogen amount is used via the main stack 20. It becomes possible. Further, by using the fuel gas discharged from the main stack 20 in the sub stack 22, even if the fuel gas amount is insufficient in the sub stack 22 and a distribution failure may occur, most of the electric power is generated. Since the main stack 20 is independent of the sub-stack 22, it is possible to sufficiently suppress the influence caused by the shortage of gas as a whole system.

Ｃ．待機運転時の動作：
図２は、燃料電池システム１０の稼働中に、制御部２８において所定の時間間隔で繰り返し実行される待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０が待機運転中であるか否か、すなわち、主負荷である駆動用モータにおける負荷要求がゼロである（アクセル開度がゼロである）か否かを判断する（ステップＳ１００）。待機運転中ではないとき、すなわち、車両が駆動走行中である場合には、そのまま本ルーチンを終了する。 C. Operation during standby operation:
FIG. 2 is a flowchart showing a standby operation processing routine that is repeatedly executed at predetermined time intervals in the control unit 28 during operation of the fuel cell system 10. When this routine is started, the control unit 28 first determines whether or not the fuel cell system 10 is in a standby operation, that is, the load request in the drive motor that is the main load is zero (the accelerator opening is It is determined whether it is zero (step S100). When the vehicle is not in standby operation, that is, when the vehicle is driving, this routine is terminated.

ステップＳ１００において待機運転中であると判断されたときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転の状態として定められた所定の状態となるように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ１１０）。待機運転の状態として定められた所定の状態とは、燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態をいう。すなわち、燃料ガスの流路においては、メインスタック２０およびサブスタック２２内を通過してサブスタック２２から燃料ガス排出路３４へと排出された燃料ガスは、第１切替弁３８および燃料ガス循環路３６を介して燃料ガス供給路３０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。また、酸化ガスの流路においては、メインスタック２０内を通過した酸化ガスは、第１酸化ガス排出路４２、第２切替弁４３および第２酸化ガス供給路４１を介して、サブスタック２２に供給される。そして、サブスタック２２内を通過した酸化ガスは、第３酸化ガス排出路４５、第３切替弁４６および循環流路４７を介して、第１酸化ガス供給路４０へと導かれ、再びメインスタック２０へと供給される。ステップＳ１１０においては、車両が駆動走行中である状態から待機運転へと変化して最初に待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、上記のようにガスが循環する状態となるように制御部２８から各切替弁に対して駆動信号が出力され、その後に再び待機運転時処理ルーチンが実行されるときには、切替弁４６の切り替えが既に行なわれているため、引き続き次のステップに進む。なお、上記のように燃料ガスおよび酸化ガスの各々が、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環する状態になったときには、第２ポンプ５２と第３ポンプ５４の各々によって、酸化ガスあるいは燃料ガスに対して循環駆動力が与えられる。なお、このように燃料ガスおよび酸化ガスが２つのスタック間を循環するように切りかえたときには、本実施例では、燃料ガス供給部２４およびブロワ２６の駆動は停止している。後述するように、ガスを循環させる動作は、流路中の水素濃度あるいは酸素濃度を低下させるためのものであるため、循環運転中には、水素濃度あるいは酸素濃度が充分な速さで低下可能となるように、少なくとも、ガス流路に対する新たな燃料ガスあるいは酸化ガスの供給を充分に抑制する必要がある。 When it is determined that the standby operation is being performed in step S100, the CPU of the control unit 28 causes the connection state of the flow paths of the fuel gas and the oxidizing gas to be in a predetermined state determined as the standby operation state. A drive signal is output to the switching valves 38, 43, and 46 (step S110). The predetermined state defined as the standby operation state refers to a state in which each of the fuel gas and the oxidizing gas circulates between the main stack 20 and the sub stack 22. That is, in the flow path of the fuel gas, the fuel gas passing through the main stack 20 and the sub stack 22 and discharged from the sub stack 22 to the fuel gas discharge path 34 is the first switching valve 38 and the fuel gas circulation path. The fuel gas is supplied to the fuel gas supply path 30 via 36 and supplied again to the main stack 20. In the oxidizing gas flow path, the oxidizing gas that has passed through the main stack 20 passes through the first oxidizing gas discharge path 42, the second switching valve 43, and the second oxidizing gas supply path 41 to the sub stack 22. Supplied. The oxidizing gas that has passed through the sub-stack 22 is guided to the first oxidizing gas supply path 40 via the third oxidizing gas discharge path 45, the third switching valve 46, and the circulation flow path 47, and again to the main stack. 20 is supplied. In step S110, when the standby operation process routine is executed for the first time after the vehicle is changed from the driving state to the standby operation, the control unit 28 is set so that the gas is circulated as described above. When the drive signal is output to each switching valve and the standby operation time processing routine is executed again thereafter, the switching valve 46 has already been switched, and therefore the process proceeds to the next step. When each of the fuel gas and the oxidizing gas is circulated between the main stack 20 and the sub-stack 22 as described above, the second pump 52 and the third pump 54 respectively cause the oxidizing gas or A circulation driving force is applied to the fuel gas. When the fuel gas and the oxidizing gas are switched so as to circulate between the two stacks in this way, in this embodiment, the driving of the fuel gas supply unit 24 and the blower 26 is stopped. As will be described later, since the operation of circulating the gas is for lowering the hydrogen concentration or oxygen concentration in the flow path, the hydrogen concentration or oxygen concentration can be lowered at a sufficient speed during the circulation operation. Therefore, at least, it is necessary to sufficiently suppress the supply of new fuel gas or oxidizing gas to the gas flow path.

上記のようにガス流れを循環状態にすると共に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧が第１の基準値以下となるように出力制御を行なう（ステップＳ１２０）。第１の基準値とは、メインスタック２０およびサブスタック２２のカソードが劣化しない電圧の上限として、予め定めた値である。図３は、燃料電池における一般的な電流−電圧特性を表わす説明図である。図３において、グラフＡは、定常状態における電流−電圧特性を示している。図３に示すように、一般に燃料電池は、負荷要求がゼロのときに最も端子間電圧が大きくなり（図中、ＯＣＶと示す）、出力電流が大きくなるほど出力電圧は低下する。ここで、燃料電池の出力電圧が高いときには、カソードが劣化することが知られている。具体的には、カソードが、白金などの触媒金属を担持するカーボン粒子を備える場合には、電圧が高くなると担体であるカーボン粒子の酸化が起こる。また、触媒金属の凝縮が起こる場合もある。上記した第１の基準値は、このような劣化が充分に抑えられるときの電圧として定められている。 While the gas flow is circulated as described above, the CPU of the control unit 28 performs output control so that the output voltages at the main stack 20 and the sub stack 22 are equal to or lower than the first reference value (step S120). The first reference value is a predetermined value as the upper limit of the voltage at which the cathodes of the main stack 20 and the sub stack 22 do not deteriorate. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a general current-voltage characteristic in a fuel cell. In FIG. 3, graph A shows current-voltage characteristics in a steady state. As shown in FIG. 3, the fuel cell generally has the largest voltage between terminals when the load demand is zero (shown as OCV in the figure), and the output voltage decreases as the output current increases. Here, it is known that the cathode deteriorates when the output voltage of the fuel cell is high. Specifically, in the case where the cathode includes carbon particles that support a catalytic metal such as platinum, the carbon particles that are carriers are oxidized when the voltage is increased. In addition, condensation of the catalytic metal may occur. The first reference value described above is defined as a voltage when such deterioration is sufficiently suppressed.

図３では、このような第１の基準値を、Ｖ₁と表わしており、このときの出力電流値を、Ｉ₁と表わしている。待機運転となったときに最初にステップＳ１２０を実行する際には、出力電流値をＩ₁とすることにより、出力電圧をＶ₁にする。本実施例では、制御部２８、ブロワ２６、第２ポンプ５２および第３ポンプ５４のように、燃料電池システム１０における発電に伴って電力を消費する装置（副負荷）に対して電力供給することにより、出力電流値をＩ₁としている。なお、上記のような副負荷に対して電力供給するだけでは出力電圧をＶ₁以下にできない場合には、例えばさらにバッテリを充電することによって、出力電圧をＶ₁以下にすればよい。また、副負荷が要する電力を供給しようとすると出力電流値Ｉ₁に対応する電力では不足する場合には、不足分はバッテリによって補えばよい。 In FIG. 3, such a first reference value is represented as V _1, and the output current value at this time is represented as I ₁ . When step S120 is executed for the first time in the standby operation, the output voltage is set to V ₁ by setting the output current value to I ₁ . In the present embodiment, power is supplied to a device (sub load) that consumes power accompanying power generation in the fuel cell system 10, such as the control unit 28, the blower 26, the second pump 52, and the third pump 54. Thus, the output current value is set to I ₁ . If the output voltage cannot be reduced to V ₁ or less simply by supplying power to the subload as described above, the output voltage may be reduced to V ₁ or less by, for example, further charging the battery. Further, if the power corresponding to the output current value I ₁ is insufficient to supply the power required by the subload, the shortage may be compensated by a battery.

メインスタック２０とサブスタック２２との間で燃料ガスおよび酸化ガスを循環させながら発電を行なうと、循環するガス中の水素濃度あるいは酸素濃度が次第に低下する。また、発電に伴ってカソードで生じた生成水がガス中に気化することにより、循環するガス中の水蒸気濃度が上昇する。また、燃料電池の出力電圧は、ガス中の電極活物質（燃料ガス中の水素あるいは酸化ガス中の酸素）の濃度が低くなるほど低下する。図３中のグラフＢは、グラフＡよりもガス中の電極活物質濃度が低いときの電流−電圧特性の一例を表わし、図３中のグラフＣは、グラフＢよりもさらにガス中の電極活物質濃度が低下したときの電流−電圧特性の一例を表わす。出力電圧がＶ₁となるように出力電流値をＩ₁にして発電を行なうと、ガスを循環させることによって、燃料電池における出力電圧は次第に低下する。 When power generation is performed while circulating the fuel gas and the oxidizing gas between the main stack 20 and the sub stack 22, the hydrogen concentration or oxygen concentration in the circulating gas gradually decreases. Further, the generated water generated at the cathode accompanying the power generation is vaporized into the gas, so that the water vapor concentration in the circulating gas increases. Further, the output voltage of the fuel cell decreases as the concentration of the electrode active material (hydrogen in the fuel gas or oxygen in the oxidizing gas) decreases. A graph B in FIG. 3 represents an example of current-voltage characteristics when the electrode active material concentration in the gas is lower than that in the graph A, and a graph C in FIG. An example of a current-voltage characteristic when a substance concentration falls is represented. When power generation is performed with the output current value set to I ₁ so that the output voltage becomes V ₁ , the output voltage in the fuel cell gradually decreases by circulating the gas.

次に、制御部２８は、燃料電池システム１０に備えられた、メインスタック２０およびサブスタック２２における出力電圧を検出するための図示しない電圧計から検出信号を取得する（ステップＳ１３０）。そして、検出した電圧値が、第２の基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、第２の基準値とは、第１の基準値よりも低い値であって、出力電流値をＩ₁としたときに、ガス中の電極活物質の濃度が許容できる下限の状態となったときの電圧値として予め定めて制御部２８に記憶しておいた値である。ガス中の電極活物質濃度が低くなりすぎると、燃料電池から安定した出力を得ることが困難となる場合があるため、このような不都合が生じない基準値として、第２の基準値が定められている。ステップＳ１４０において、出力電圧値が第２の基準値を上回るときには、ステップＳ１３０に戻って、電圧値の検出の動作と、第２の基準値との比較の動作とを繰り返す。 Next, the control unit 28 acquires a detection signal from a voltmeter (not shown) provided in the fuel cell system 10 for detecting output voltages in the main stack 20 and the sub stack 22 (step S130). And it is judged whether the detected voltage value is below the 2nd standard value (Step S140). Here, the second reference value is a value lower than the first reference value, and when the output current value is I ₁ , the lower limit state in which the concentration of the electrode active material in the gas is allowable This is a value that is previously determined as a voltage value at that time and stored in the control unit 28. If the electrode active material concentration in the gas becomes too low, it may be difficult to obtain a stable output from the fuel cell. Therefore, the second reference value is determined as a reference value that does not cause such inconvenience. ing. When the output voltage value exceeds the second reference value in step S140, the process returns to step S130, and the voltage value detection operation and the comparison operation with the second reference value are repeated.

ステップＳ１４０において、出力電圧が第２の基準値以下であると判断されたときには、制御部２８は、燃料ガスおよび／または酸化ガスの循環する流路に対して、新たなガスを追加する処理を行なって（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。具体的には、酸化ガスを追加する場合には、ブロワ２６を駆動すれば良く、燃料ガスを追加する場合には、燃料ガス供給部２４を駆動すれば良い。なお、ステップＳ１５０におけるガスの追加の動作は、循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させるためのものであるため、ガスが循環する流路に対する単なるガスの追加ではなく、循環するガスの一部を排出して、循環するガスの一部の入れ替えとしても良い。このように循環するガス中の電極活物質濃度を上昇させることにより、燃料電池からの出力電圧が上昇する。なお、ステップＳ１５０における新たなガスを追加する動作は、ガスの追加により燃料電池からの出力電圧が上昇したときに、出力電圧が第１の基準値を超えないように行なえばよい。 When it is determined in step S140 that the output voltage is equal to or lower than the second reference value, the control unit 28 performs a process of adding a new gas to the flow path through which the fuel gas and / or the oxidizing gas circulates. (Step S150), this routine is finished. Specifically, the blower 26 may be driven when adding the oxidizing gas, and the fuel gas supply unit 24 may be driven when adding the fuel gas. Note that the gas addition operation in step S150 is to increase the concentration of the electrode active material in the circulating gas. Therefore, it is not a simple addition of the gas to the flow path through which the gas circulates. It is good also as exchanging a part of circulating gas by discharging a part. By increasing the concentration of the electrode active material in the circulating gas in this way, the output voltage from the fuel cell increases. The operation of adding a new gas in step S150 may be performed so that the output voltage does not exceed the first reference value when the output voltage from the fuel cell increases due to the addition of gas.

なお、上述した待機運転時の動作に係る説明では、メインスタック２０とサブスタック２２とを区別することなく出力電圧に基づく制御を説明したが、実際には、各々のスタックに関して、上記した制御を行なえばよい。例えば、ステップＳ１２０では、双方のスタックにおける出力電圧が第１の基準値以下となるように、出力制御を行なえばよい。また、ステップＳ１４０では、少なくとも一方のスタックにおいて出力電圧が第２の基準値以下となったときには、ステップＳ１５０のガスの追加を行なえばよい。このような制御を行なう際の第１の基準値および第２の基準値は、メインスタック２０とサブスタック２２とでは、同じ値としても良く、異なる値としても良い。 In the description related to the operation during the standby operation described above, the control based on the output voltage has been described without distinguishing between the main stack 20 and the sub stack 22, but actually, the control described above is performed for each stack. Just do it. For example, in step S120, output control may be performed so that the output voltage in both stacks is equal to or lower than the first reference value. In step S140, when the output voltage is equal to or lower than the second reference value in at least one of the stacks, the gas may be added in step S150. The first reference value and the second reference value when performing such control may be the same value or different values in the main stack 20 and the sub stack 22.

Ｄ．再駆動走行時の動作：
図４は、燃料電池システム１０が待機運転中に、所定の時間間隔で繰り返し実行される再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部２８は、まず、燃料電池システム１０に対して、駆動要求があったか否かを判断する（ステップＳ２００）。具体的には、制御部２８は、アクセル開度センサの検出信号を取得して、アクセルの踏み込みが成されたか否かを判断する。駆動要求が無く、待機運転が継続されているときには、そのまま本ルーチンを終了する。 D. Operation during re-driving:
FIG. 4 is a flowchart showing a re-driving running time processing routine that is repeatedly executed at predetermined time intervals while the fuel cell system 10 is in standby operation. When this routine is started, the control unit 28 first determines whether or not there has been a drive request to the fuel cell system 10 (step S200). Specifically, the control unit 28 acquires the detection signal of the accelerator opening sensor, and determines whether or not the accelerator is depressed. When there is no drive request and the standby operation is continued, this routine is finished as it is.

ステップＳ２００において駆動要求があったと判断したときには、制御部２８のＣＰＵは、燃料ガスおよび酸化ガスの流路の接続状態が、待機運転時に対応する循環状態から解除されて駆動走行時の状態に戻るように、切替弁３８，４３，４６に対して駆動信号を出力する（ステップＳ２１０）。これにより、燃料ガスは、メインスタック２０からサブスタック２２へと順次供給されると共に、第１切替弁３８が切り替えられることによって、サブスタック２２から排出された燃料ガスは、燃料電池システム１０の外部へと排出されるようになる。また、酸化ガスは、第２切替弁４３および第３切替弁４６が切り替えられることによって、メインスタック２０とサブスタック２２とに対して別々に供給されるようになる。 When it is determined in step S200 that a drive request has been made, the CPU of the control unit 28 returns the connected state of the fuel gas and oxidant gas flow paths from the corresponding circulation state during standby operation to the state during drive travel. As described above, a drive signal is output to the switching valves 38, 43, and 46 (step S210). As a result, the fuel gas is sequentially supplied from the main stack 20 to the sub stack 22, and the first switching valve 38 is switched, so that the fuel gas discharged from the sub stack 22 is external to the fuel cell system 10. Will be discharged. Further, the oxidizing gas is separately supplied to the main stack 20 and the sub-stack 22 by switching the second switching valve 43 and the third switching valve 46.

次に、制御部２８のＣＰＵは、メインスタック２０およびサブスタック２２の各々の内部温度を検出する図示しない温度センサから検出信号を取得すると共に、メインスタック２０およびサブスタック２２における抵抗値を検出する（ステップＳ２２０）。この段階では、燃料電池システム１０からは待機運転時と同等の出力がなされている。なお、本実施例では、ステップ２２０における抵抗値の検出は、交流インピーダンス法により行なっている。 Next, the CPU of the control unit 28 acquires a detection signal from a temperature sensor (not shown) that detects the internal temperature of each of the main stack 20 and the sub stack 22, and also detects resistance values in the main stack 20 and the sub stack 22. (Step S220). At this stage, the fuel cell system 10 outputs the same output as in standby operation. In this embodiment, the detection of the resistance value in step 220 is performed by the AC impedance method.

そして、制御部２８のＣＰＵは、検出した抵抗値が、基準の抵抗値以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。この基準の抵抗値とは、電解質膜の含水量が充分であると判断するための基準値として予め定めて、制御部２８に記憶しておいたものである。すなわち、燃料電池においては、電解質膜の含水量が少ないほど抵抗値が大きくなるため、ここでは、各スタックにおける抵抗値を指標として、電解質膜の含水状態を判断している。 Then, the CPU of the control unit 28 determines whether or not the detected resistance value is equal to or less than a reference resistance value (step S230). The reference resistance value is determined in advance as a reference value for determining that the water content of the electrolyte membrane is sufficient, and is stored in the control unit 28. That is, in the fuel cell, the resistance value increases as the water content of the electrolyte membrane decreases. Therefore, here, the water content state of the electrolyte membrane is determined using the resistance value in each stack as an index.

少なくともいずれかのスタックにおいて、検出した抵抗値が基準の抵抗値を超える場合には、電解質膜の含水量が不十分であると判断され、制御部２８のＣＰＵは、検出した温度に応じた量のガスが各スタックに供給されるように、燃料ガス供給部２４、ブロワ２６およびポンプ５０，５２を駆動制御する。また、検出した抵抗値に応じた電流値となるように出力制御を行なう（ステップＳ２５０）。 In at least one of the stacks, when the detected resistance value exceeds the reference resistance value, it is determined that the moisture content of the electrolyte membrane is insufficient, and the CPU of the control unit 28 determines the amount according to the detected temperature. The fuel gas supply unit 24, the blower 26, and the pumps 50 and 52 are driven and controlled so that the gas is supplied to each stack. Further, output control is performed so as to obtain a current value corresponding to the detected resistance value (step S250).

ここで、燃料電池にガスを供給する際に、燃料電池の内部温度が高い場合には、供給するガスの流量が多いほど、電解質膜からガスへと水分が奪われやすく、電解質膜が乾きやすくなる。そのため、本実施例では、内部温度が高いほど供給ガス流量が少なくなるように、各スタックの内部温度に応じて供給ガス量の上限を定めている。具体的には、制御部２８は、スタック温度に応じて供給することができる燃料ガスおよび酸化ガスの最大流量をマップとして予め記憶しており、ステップＳ２５０においてＣＰＵは、このマップを参照して、駆動要求に関わらず供給ガス流量が上記最大流量以下となるように、供給ガス量を設定する。 Here, when the gas is supplied to the fuel cell, when the internal temperature of the fuel cell is high, the larger the flow rate of the supplied gas, the easier the moisture is taken from the electrolyte membrane to the gas, and the electrolyte membrane is likely to dry. Become. Therefore, in this embodiment, the upper limit of the supply gas amount is determined according to the internal temperature of each stack so that the supply gas flow rate decreases as the internal temperature increases. Specifically, the control unit 28 stores in advance, as a map, the maximum flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas that can be supplied according to the stack temperature. In step S250, the CPU refers to this map, The supply gas amount is set so that the supply gas flow rate is equal to or less than the maximum flow rate regardless of the drive request.

また、燃料電池において発電を行なわせる際に、電解質膜の含水量が不十分であるときに過大な発電を行なわせると、予期しない電圧低下等の不具合を生じる可能性がある。そのため、本実施例では、電流量に対する抵抗値の上限値を予め定めてマップとして記憶しておき、検出した抵抗値が、駆動要求を賄うための電流値に対応する抵抗値の上限値を超えるときには、抵抗値が上限値を超えないように出力電流を駆動要求に対応する電流値よりも低く抑える制御を行なっている。 In addition, when power generation is performed in a fuel cell, if excessive power generation is performed when the water content of the electrolyte membrane is insufficient, problems such as an unexpected voltage drop may occur. Therefore, in this embodiment, the upper limit value of the resistance value with respect to the current amount is determined in advance and stored as a map, and the detected resistance value exceeds the upper limit value of the resistance value corresponding to the current value for meeting the drive request. In some cases, control is performed to keep the output current lower than the current value corresponding to the drive request so that the resistance value does not exceed the upper limit value.

なお、本実施例では、ステップＳ２３０において抵抗値を基準値と比較することにより、電解質膜の乾燥状態を判断しているが、異なる構成としても良い。例えば、検出した燃料電池温度が予め定めた基準温度よりも低いときには電解質膜の含水量が充分であると判断し、基準温度以上であるときには電解質膜の含水量が不十分であると判断することも可能である。第１および第２の燃料電池スタックが備える電解質膜における含水状態を反映する値に基づいて電解質膜の含水量を判断できれば良く、また、電解質膜の含水量を反映する値に基づいて、供給ガス量を制限し、あるいは各スタックからの出力を制限すればよい。 In this embodiment, the dry state of the electrolyte membrane is determined by comparing the resistance value with the reference value in step S230. However, a different configuration may be used. For example, when the detected fuel cell temperature is lower than a predetermined reference temperature, it is determined that the water content of the electrolyte membrane is sufficient, and when it is higher than the reference temperature, it is determined that the water content of the electrolyte membrane is insufficient. Is also possible. It is sufficient that the moisture content of the electrolyte membrane can be determined based on the value reflecting the moisture content in the electrolyte membranes included in the first and second fuel cell stacks, and the supply gas is determined based on the value reflecting the moisture content of the electrolyte membrane. You can limit the amount or limit the output from each stack.

その後、制御部２８のＣＰＵは、ステップＳ２２０に戻り、各スタックの温度および抵抗値の取得と、検出した抵抗値と基準値との比較を行ない、抵抗値が大きければ、スタック温度に応じたガス流量の上限値と、抵抗値に応じた出力電流の上限値の範囲内で、発電制御が行なわれる。このような制御を行なうことにより、燃料電池システム１０において負荷要求に応じた電力を発電することができない場合には、負荷要求に対して不足する電力は、例えばバッテリから補っても良く、また、負荷に対する電力供給を負荷要求よりも小さく抑えても良い。 Thereafter, the CPU of the control unit 28 returns to step S220, obtains the temperature and resistance value of each stack, compares the detected resistance value with the reference value, and if the resistance value is large, the gas corresponding to the stack temperature. Power generation control is performed within the range of the upper limit value of the flow rate and the upper limit value of the output current according to the resistance value. By performing such control, when the fuel cell system 10 cannot generate power according to the load request, the power shortage with respect to the load request may be supplemented from, for example, a battery. The power supply to the load may be kept smaller than the load request.

上記のような制御を繰り返して発電を行なうと、生成水量が次第に増大し、電解質膜の含水量が増えるため、抵抗値は徐々に低下する。したがって、ステップＳ２５０における抵抗値に応じた電流値がより大きくなり、駆動要求に近い、より多くの電力を出力可能になる。そして、さらに抵抗値が低下して、やがてステップＳ２３０において、抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されるようになる。ステップＳ２３０において、検出した抵抗値が基準の抵抗値以下であると判断されたときには、電解質膜の含水量が充分になったと判断されるため、制御部２８のＣＰＵは、負荷要求に応じた電力を燃料電池システム１０から得るための通常の処理を開始して（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。 When power generation is performed by repeating the above control, the amount of generated water gradually increases and the water content of the electrolyte membrane increases, so that the resistance value gradually decreases. Therefore, the current value corresponding to the resistance value in step S250 becomes larger, and more electric power close to the drive request can be output. Then, the resistance value further decreases, and it is determined in step S230 that the resistance value is equal to or less than the reference resistance value. In step S230, when it is determined that the detected resistance value is equal to or less than the reference resistance value, it is determined that the moisture content of the electrolyte membrane has become sufficient. Therefore, the CPU of the control unit 28 determines the power according to the load request. Is started from the fuel cell system 10 (step S240), and this routine is terminated.

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、車両の待機運転時には、副負荷に対して電力供給するための微小な量の発電を継続するため、端子間電圧を、ＯＣＶよりも低く、具体的には基準値Ｖ₁以下とすることができる。そのため、待機運転中のカソードの劣化を抑制することができる。また、このような待機運転時には、酸化ガスおよび燃料ガスを、メインスタック２０とサブスタック２２との間で循環させることにより、速やかにガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることができるため、低負荷運転時に、低電圧運転とガス流量の確保とを両立することが可能になる。 According to the fuel cell system 10 of the present embodiment configured as described above, during the standby operation of the vehicle, in order to continue a small amount of power generation for supplying power to the subload, the voltage between the terminals is It can be lower than the OCV, specifically, the reference value V ₁ or less. Therefore, deterioration of the cathode during standby operation can be suppressed. Further, during such a standby operation, the oxidizing gas and the fuel gas can be circulated between the main stack 20 and the sub stack 22 to quickly reduce the oxygen concentration or the hydrogen concentration in the gas. At the time of low load operation, it is possible to achieve both low voltage operation and securing of gas flow rate.

本実施例のサブスタック２２は、既述したように、駆動走行時には、メインスタック２０からされた排出された燃料ガスを有効利用して水素の利用率を向上させるために用いられている。このようなサブスタック２２を備えるシステムにおいて、待機運転時にはメインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させて、両方のスタックで酸素や水素を消費することにより、単一のスタックのみを有する場合に比べて、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させるスピードを速めることができる。したがって、待機運転時においてガス流量をより多くしても、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を充分に低くすることができる。このようにガス流量を確保することにより、スタック内におけるガスの分配不良に起因する不具合の発生を抑制することができる。また、ガス中の酸素濃度あるいは水素濃度を低下させることにより、出力電流値に対して電圧値を低下させることができるため、待機運転時における発電量が過大となることを抑制できる。なお、本実施例によれば、このようなガス中の酸素濃度あるいは水素濃度の低下を、流路の切り替えという簡便な構成により実現しているため、ガス中の電極活物質濃度を抑えるために別途不活性ガスなどを用意する必要が無く、システム構造の複雑化や操作の煩雑化を抑えることができる。このように、本実施例によれば、メインスタック２０に加えてサブスタック２２を設けて、駆動走行時にはメインスタック２０からサブスタック２２へと燃料ガスを順次流して燃料ガス中の水素の利用率を向上させるシステムにおいて、待機運転時には酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることで、サブスタック２２を有効に利用して、待機運転時における電極劣化を効果的に抑制できる。 As described above, the sub-stack 22 of this embodiment is used to improve the hydrogen utilization rate by effectively using the discharged fuel gas discharged from the main stack 20 during driving. In such a system including the sub-stack 22, during standby operation, gas is circulated between the main stack 20 and the sub-stack 22, and oxygen and hydrogen are consumed in both stacks. Compared with the case of having it, the speed at which the oxygen concentration or hydrogen concentration in the gas is lowered can be increased. Therefore, even if the gas flow rate is increased during standby operation, the oxygen concentration or hydrogen concentration in the gas can be sufficiently reduced. By ensuring the gas flow rate in this way, it is possible to suppress the occurrence of problems due to gas distribution failure in the stack. Moreover, since the voltage value can be reduced with respect to the output current value by reducing the oxygen concentration or the hydrogen concentration in the gas, it is possible to suppress an excessive amount of power generation during the standby operation. In addition, according to the present embodiment, such a decrease in the oxygen concentration or hydrogen concentration in the gas is realized by a simple configuration of switching the flow path, so that the electrode active material concentration in the gas is suppressed. There is no need to prepare an inert gas separately, and the complexity of the system structure and the complexity of the operation can be suppressed. As described above, according to the present embodiment, the sub stack 22 is provided in addition to the main stack 20, and the fuel gas is sequentially flowed from the main stack 20 to the sub stack 22 during driving traveling, thereby using the hydrogen in the fuel gas. In the system for improving the efficiency, the oxidizing gas and the fuel gas are circulated during the standby operation, so that the substack 22 can be effectively used to effectively suppress the electrode deterioration during the standby operation.

また、待機運転時にメインスタック２０とサブスタック２２との間で酸化ガスおよび燃料ガスを循環させることにより、循環するガス中の水蒸気量を、２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、効率よく増加させることができる。したがって、燃料電池をより高温で運転する場合であっても、待機運転中における電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。車両が駆動走行しており、燃料電池システム１０が主負荷である駆動用モータに対しても電力供給しているときには、発電により生じる生成水の量も多くなるため、燃料電池の運転温度が高くても、生成水によって電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。しかしながら、待機運転時のように発電量が少ないときには、生じる生成水量も少ないため、生成水によって電解質膜の含水量を維持することが困難になる。本実施例では、待機運転時には、メインスタック２０とサブスタック２２との間でガスを循環させてガス中の水蒸気量を高めているため、充分な生成水が発生する駆動運転時だけでなく、生成水量が少なくなる待機運転時にも電解質膜の含水量を確保可能となり、全体として燃料電池の運転温度をより高く設定することが可能になる。燃料電池の運転温度をより高くしても支障なく運転可能となることにより、各スタックを冷却して運転温度を制御するための冷却装置（例えば、ラジエータと、スタックおよびラジエータの間で冷媒を循環させる冷媒流路など）を、小型化し、あるいは不要とすることが可能になる。 Further, by circulating the oxidizing gas and the fuel gas between the main stack 20 and the sub stack 22 during the standby operation, the amount of water vapor in the circulating gas is generated using the generated water generated by the power generation of the two stacks. Can be increased efficiently. Therefore, even when the fuel cell is operated at a higher temperature, it is possible to suppress a decrease in the water content of the electrolyte membrane during the standby operation. When the vehicle is driving and the fuel cell system 10 is also supplying power to the drive motor, which is the main load, the amount of generated water generated by power generation increases, so the operating temperature of the fuel cell is high. Even so, a decrease in the water content of the electrolyte membrane can be suppressed by the generated water. However, when the amount of power generation is small, such as during standby operation, the amount of generated water is small, and it is difficult to maintain the water content of the electrolyte membrane with the generated water. In this embodiment, during the standby operation, the gas is circulated between the main stack 20 and the sub stack 22 to increase the amount of water vapor in the gas. Therefore, not only during the driving operation in which sufficient generated water is generated, The water content of the electrolyte membrane can be ensured even during standby operation in which the amount of generated water is reduced, and the operating temperature of the fuel cell can be set higher as a whole. A cooling device for controlling the operating temperature by cooling each stack and controlling the operating temperature by allowing the fuel cell to operate without any problem even when the operating temperature of the fuel cell is increased (for example, circulating a refrigerant between the radiator and the stack and the radiator) It is possible to reduce the size of the refrigerant flow path or the like to be unnecessary.

また、上記のように、待機運転時には２つのスタックが発電することにより生じる生成水を用いて、循環するガス中の水蒸気量を効率よく増加させることができるため、燃料電池スタックに供給される酸化ガスおよび／または燃料ガスに対する加湿量を抑えることができる。すなわち、生成水量が多い駆動走行時だけでなく、生成水量が少ない待機運転時にも、電解質膜の含水量を維持可能となるため、燃料電池スタックに供給するガスに対する加湿量を削減し、あるいは無加湿としても、電解質膜の含水量低下を抑えて支障なく発電を継続することが可能になる。そのため、燃料電池スタックに供給するガスを加湿する加湿装置を小型化し、あるいは不要とすることが可能になり、システム構成を簡素化することができる。 Further, as described above, the amount of water vapor in the circulating gas can be efficiently increased by using the generated water generated by the power generation of the two stacks during standby operation, so that the oxidation supplied to the fuel cell stack The humidification amount with respect to gas and / or fuel gas can be suppressed. That is, the moisture content of the electrolyte membrane can be maintained not only during driving driving with a large amount of generated water but also during standby operation with a small amount of generated water, thereby reducing the amount of humidification with respect to the gas supplied to the fuel cell stack. Even with humidification, it is possible to suppress the decrease in the water content of the electrolyte membrane and continue power generation without any problem. Therefore, it is possible to downsize or eliminate the humidifier that humidifies the gas supplied to the fuel cell stack, and to simplify the system configuration.

なお、本実施例の燃料電池システム１０では、待機運転時に酸化ガスおよび燃料ガスを循環させるために用いるサブスタック２２は、駆動走行時にも発電しているため、駆動走行から待機運転へと移行する際に、サブスタック２２は直ちに定常状態で発電を行なうことができる、すなわち、待機運転時に移行したときに、ガスを循環させるためのサブスタック２２を特別に起動する必要がないため、ガス中の酸素あるいは水素の消費、および、生成水を生じることによる酸化ガスおよび燃料ガスの加湿を、直ちに良好に行なうことができる。 In the fuel cell system 10 of the present embodiment, the sub-stack 22 used for circulating the oxidant gas and the fuel gas during the standby operation generates power even during the driving operation, and therefore shifts from the driving operation to the standby operation. In this case, the sub-stack 22 can immediately generate power in a steady state, that is, it is not necessary to start the sub-stack 22 for circulating the gas specially when shifting to standby operation. The consumption of oxygen or hydrogen and the humidification of the oxidizing gas and the fuel gas by generating the produced water can be immediately and satisfactorily performed.

さらに、本実施例の燃料電池システム１０によれば、待機運転から再び駆動走行へと移行するときには、抵抗値などにより電解質膜の含水量をモニタしながら、定められた上限の範囲内で発電を行なっている。そのため、電解質膜が水分不足の状態で過剰な発電を行なわせることによる不都合を抑制することができる。 Further, according to the fuel cell system 10 of the present embodiment, when shifting from the standby operation to the driving operation again, power generation is performed within a predetermined upper limit range while monitoring the water content of the electrolyte membrane by a resistance value or the like. Is doing. Therefore, it is possible to suppress inconvenience due to excessive power generation in a state where the electrolyte membrane is deficient in moisture.

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｅ１．変形例１：
実施例では、待機運転時には、酸化ガスと燃料ガスの双方を循環させるように流路の接続状態を変更したが、異なる構成としても良い。待機運転時のような低負荷運転時に、少なくとも一方のガスを２つの燃料電池スタックの間で循環させるならば、循環するガスの流量を確保しつつガス中の電極活物質濃度を速やかに低下させることができるため、電圧を抑制しつつ発電量を抑えることにより、触媒劣化を抑えることができる。また、循環するガス中の水蒸気量を確保することにより、電解質膜の含水量を確保することが可能になる。 E1. Modification 1:
In the embodiment, the connection state of the flow path is changed so that both the oxidizing gas and the fuel gas are circulated during the standby operation, but different configurations may be adopted. If at least one gas is circulated between two fuel cell stacks during low load operation such as standby operation, the concentration of the electrode active material in the gas is quickly reduced while ensuring the flow rate of the circulated gas. Therefore, catalyst deterioration can be suppressed by suppressing the amount of power generation while suppressing the voltage. Moreover, it becomes possible to ensure the water content of the electrolyte membrane by securing the amount of water vapor in the circulating gas.

Ｅ２．変形例２：
実施例では、燃料電池システム１０を車載して車両の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両の駆動用モータのように変動する負荷の他、一定の大きさの負荷を主負荷として、主負荷がゼロになる待機運転時において、酸化ガスおよび／または燃料ガスを循環させる場合にも、実施例と同様の効果が得られる。 E2. Modification 2:
In the embodiment, the fuel cell system 10 is mounted on the vehicle and used as a power source for driving the vehicle. However, a different configuration may be used. In the case of circulating the oxidizing gas and / or the fuel gas at the time of standby operation in which the main load becomes zero in addition to the load that fluctuates like a vehicle drive motor as a main load, The same effect as the embodiment can be obtained.

また、酸化ガスおよび／または燃料ガスが循環するような流路の切り替えは、主負荷がゼロになる待機運転以外の場合に適用しても良い。燃料電池システム１０から電力供給を受ける負荷全体の大きさが所定値以下になることにより、燃料電池における電圧値が、電極劣化を生じ得る程度に高くなる可能性がある場合であれば、本発明を適用することにより同様の効果が得られる。 Further, the switching of the flow path through which the oxidizing gas and / or the fuel gas circulate may be applied to cases other than the standby operation in which the main load becomes zero. If the voltage value in the fuel cell is likely to be high enough to cause electrode deterioration when the size of the entire load supplied with power from the fuel cell system 10 falls below a predetermined value, the present invention The same effect can be obtained by applying.

Ｅ３．変形例３：
実施例では、メインスタック２０およびサブスタック２２は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる構成としても良い。固体高分子型燃料電池であれば、本発明を適用することにより、既述したように高温運転を可能にすると共に加湿器を削減できる効果を奏するが、他種の燃料電池に本願を適用しても良い。この場合にも、待機運転時などの低負荷運転時に、電圧が高すぎることに起因する触媒劣化を抑制する同様の効果が得られる。 E3. Modification 3:
In the embodiment, the main stack 20 and the sub stack 22 are solid polymer fuel cells, but may have different configurations. If the present invention is applied to a solid polymer fuel cell, it is possible to operate at a high temperature and reduce the humidifier as described above, but the present application is applied to other types of fuel cells. May be. Also in this case, the same effect can be obtained that suppresses catalyst deterioration caused by the voltage being too high during low load operation such as standby operation.

燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10. FIG. 待機運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a processing routine during standby operation. 燃料電池における電流−電圧特性を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the current-voltage characteristic in a fuel cell. 再駆動走行時処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a processing routine at the time of re-driving travel.

Explanation of symbols

１０…燃料電池システム
２０…メインスタック
２２…サブスタック
２４…燃料ガス供給部
２６…ブロワ
２８…制御部
３０…燃料ガス供給路
３２…燃料ガス接続路
３４…燃料ガス排出路
３６…燃料ガス循環路
３８…第１切替弁
４０…第１酸化ガス供給路
４１…第２酸化ガス供給路
４２…第１酸化ガス排出路
４３…第２切替弁
４４…第２酸化ガス排出路
４５…第３酸化ガス排出路
４６…第３切替弁
４７…循環流路
５０…第１ポンプ
５２…第２ポンプ
５４…第３ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Main stack 22 ... Sub stack 24 ... Fuel gas supply part 26 ... Blower 28 ... Control part 30 ... Fuel gas supply path 32 ... Fuel gas connection path 34 ... Fuel gas discharge path 36 ... Fuel gas circulation path 38 ... 1st switching valve 40 ... 1st oxidizing gas supply path 41 ... 2nd oxidizing gas supply path 42 ... 1st oxidizing gas discharge path 43 ... 2nd switching valve 44 ... 2nd oxidizing gas discharge path 45 ... 3rd oxidizing gas Discharge path 46 ... third switching valve 47 ... circulation path 50 ... first pump 52 ... second pump 54 ... third pump

Claims

A fuel cell system for generating electric power corresponding to a load request,
First and second fuel cell stacks formed by laminating a power generation body having an electrolyte membrane and an electrode provided on the electrolyte membrane;
An oxidizing gas connection path that guides the oxidizing gas containing oxygen that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack;
An oxidizing gas circulation path for guiding the oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack;
An oxidizing gas discharge path for guiding the oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack to the outside of the fuel cell system;
When the load demand is smaller than a predetermined reference load demand, the oxidizing gas is allowed to flow from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack through the oxidizing gas connection path, and The oxidizing gas that has passed through the second fuel cell stack is caused to flow into the oxidizing gas circulation path to circulate the oxidizing gas between the first and second fuel cell stacks, and the load request Gas flow switching control for switching the state in which the oxidant gas flows so that at least the oxidant gas that has passed through the second fuel cell stack flows into the oxidant gas discharge passage when the reference load requirement exceeds And a fuel cell system.

A fuel cell system for generating electric power in response to a load request,
First and second fuel cell stacks formed by laminating a power generation body having an electrolyte membrane and an electrode provided on the electrolyte membrane;
A fuel gas connection path for guiding the fuel gas containing hydrogen that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack;
A fuel gas circulation path for guiding the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack;
A fuel gas discharge path for guiding the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the outside of the fuel cell system;
When the load requirement is smaller than a predetermined reference load requirement, the fuel gas is allowed to flow from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack via the fuel gas connection path, and By causing the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to flow into the fuel gas circulation path, the fuel gas is circulated between the first and second fuel cell stacks, and the load request Gas flow switching control for switching the flow state of the fuel gas so that at least the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack flows into the fuel gas discharge path when the load exceeds the reference load requirement And a fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A fuel gas connection path for guiding the fuel gas containing hydrogen that has passed through the first fuel cell stack to the second fuel cell stack;
A fuel gas circulation path for guiding the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the first fuel cell stack;
A fuel gas discharge path that guides the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack to the outside of the fuel cell system,
The gas flow switching control unit further causes the fuel gas connection path from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack when the load requirement is smaller than a predetermined reference load requirement. Between the first and second fuel cell stacks by flowing the fuel gas through the second fuel cell stack and flowing the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack into the fuel gas circulation path. When the fuel gas is circulated and the load demand exceeds the reference load demand, at least the fuel gas that has passed through the second fuel cell stack is allowed to flow into the fuel gas discharge path. A fuel cell system that switches the flow of gas.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
A voltage detector for detecting an output voltage in the first and second fuel cell stacks;
When the load request is smaller than the reference load request, the output voltage in the first and second fuel cell stacks detected by the voltage detection unit is equal to or lower than a first reference value. And a control unit that controls output from the first and second fuel cell stacks.

The fuel cell system according to claim 4, further comprising:
When the load requirement is smaller than the reference load requirement, and the output voltage in the first and second fuel cell stacks is equal to or lower than a second reference value smaller than the first reference value. And a circulating gas replenishing unit for replenishing oxygen and / or hydrogen to the oxidizing gas and / or fuel gas circulating through the first and second fuel cell stacks.

The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein
The second fuel cell stack is formed such that the number of the power generation bodies to be stacked is smaller than that of the first fuel cell stack, and the total area of the electrodes is smaller.
The gas flow switching control unit allows the fuel gas connection path from the first fuel cell stack to the second fuel cell stack even when the load demand exceeds the reference load demand. A fuel cell system that flows in through.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The first and second fuel cell stacks are solid polymer fuel cells including an electrolyte membrane made of a polymer electrolyte,
The fuel cell system further includes:
A water content state detection unit for detecting a value reflecting a water content state in the electrolyte membrane included in the first and second fuel cell stacks;
When the load demand changes from a state smaller than the reference load demand to a state where the load demand exceeds the reference load demand, the water content state of the electrolyte membrane is detected from the detection result of the water content state detection unit. A fuel cell system comprising: an output limiting unit that limits output from the first and second fuel cell stacks based on a value that reflects the water content state.