特許 7525821 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-23

(45)【発行日】2024-07-31

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20240724BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20240724BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240724BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240724BHJP

   H01M 8/24 20160101ALI20240724BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240724BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M4/86 B

H01M8/04537

H01M8/0432

H01M8/24

H01M8/10 101

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020092562

(22)【出願日】2020-05-27

(65)【公開番号】P2021190234

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-04-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】水下 佳紀

(72)【発明者】

【氏名】竹井 力

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 哲也

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０９６６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５６７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６１９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０１２３２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１触媒層を含む第１セル及び第２触媒層を含む第２セルを有する燃料電池と、
前記燃料電池を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
要求出力を演算する要求出力演算部と、
前記第１セル及び前記第２セルを制御する制御部と、を有し、
前記第１触媒層は、前記第２触媒層と比較して高電位下における耐劣化性が高い担体を含み、
前記第２触媒層は、前記第１触媒層を含む前記第１セルと比較して前記第２セルの出力性を高めることが可能な担体を含み、
前記制御部は、前記要求出力演算部によって演算される前記要求出力が所定出力値以上の際、前記第１セル及び前記第２セルを稼働させ、所定出力値未満の際、前記第２セルと比較して前記第１セルを多く稼働させる燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１触媒層に含まれる担体は、酸化物担体であり、
前記第２触媒層に含まれる担体は、カーボン担体である、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記要求出力が前記所定出力値未満であっても、前記燃料電池の温度が規定値以下の際、前記第２セルを稼働させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記第１セル及び前記第２セルは、交互に配設されてなる、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御部は、前記燃料電池の温度が規定値以上の際、前記第１セルを稼働させる、請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記要求出力が所定出力値以上の際、前記第１セルを最大稼働させる、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃料電池によって発電される電力を蓄電するバッテリを備え、
前記燃料電池システムは、前記バッテリを介して電力を出力する、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃料電池システムに係り、特に発電性と耐久性の最適化を図る技術に関する。

【背景技術】

【0002】

所謂燃料電池自動車（以下、ＦＣＶ（Fuel Cell Vehicle）という）は、水素タンクに貯留した水素とＦＣＶの外部から取り込んだ空気中に含まれる酸素とを用いて、燃料電池内の電極触媒の発電反応により走行する。この燃料電池は、貴金属である白金を担持する担体を有している。この担体には、一例として、酸化物担体（特許文献１）とカーボン担体（特許文献２）の２種類が挙げられる。

【0003】

酸化物担体は、耐久性に優れ、活性が高いため、低出力領域における発電効率が高いという利点を有している。一方、カーボン担体は、高出力領域における発電効率が高いという利点を有している。

【0004】

しかしながら、酸化物担体は、カーボン担体と比較して高出力領域における発電効率が低く、カーボン担体は、酸化物担体と比較して耐久性が低いという欠点がある。

【0005】

そこで、ＦＣＶ用の燃料電池には、耐久性が低いことによる劣化を考慮して必要以上の白金を担持したカーボン担体が用いられている。一方、酸化物担体をＦＣＶ用の燃料電池に使用することを想定すると、高出力における発電効率が低いことによる出力の低下を補うために必要以上の白金を担持させる必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－１９２５０１号公報

【文献】特開２０１８－１５６７９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このように、貴金属として用いられる白金を必要以上に担持させることは、燃料電池のコストを上昇させることとなり、好ましいことではない。特に、白金は、希少な金属であるため、ＦＣＶの普及を鑑みると、燃料電池ひとつあたりに使用する白金の量を少なくすることは重要な課題であった。

【0008】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物担体（第１担体）及びカーボン担体（第２担体）の双方の利点及び欠点を補いつつ、担体に使用する白金（貴金属）の使用量の低減を実現できる燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、第１触媒層を含む第１セル及び第２触媒層を含む第２セルを有する燃料電池と、前記燃料電池を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、要求出力を演算する要求出力演算部と、前記第１セル及び前記第２セルを制御する制御部と、を有し、前記第１触媒層は、前記第２触媒層と比較して高電位下における耐劣化性が高い担体を含み、前記第２触媒層は、前記第１触媒層を含む前記第１セルと比較して前記第２セルの出力性を高めることが可能な担体を含み、前記制御部は、前記要求出力演算部によって演算される前記要求出力が所定出力値以上の際、前記第１セル及び前記第２セルを稼働させ、所定出力値未満の際、前記第２セルと比較して前記第１セルを多く稼働させることを特徴とする。

【0010】

これにより、第２担体と比較して高電位下における耐劣化性が高い担体である第１担体を含む第１セル及び第１担体と比較して出力性が高い担体である第２担体を含む第２セルを有する燃料電池を、要求出力演算部によって演算される要求出力が所定出力値以上の際は第１セル及び第２セルを稼働させ、所定出力値未満の際は第２セルと比較して第１セルを多く稼働させることで、第１セルの稼働頻度を第２セルの稼働頻度より低くして、燃料電池全体としての劣化度合いの均一化を図るとともに、所定出力値以上の出力が要求された際は第１セルを稼働させて出力を補うことが可能とされる。

【0011】

その他の態様として、前記第１触媒層に含まれる担体は、酸化物担体であり、前記第２触媒層に含まれる担体は、カーボン担体であるのが好ましい。

【0012】

これにより、第１触媒層が酸化物担体を含み、第２触媒層がカーボン担体を含むように構成することで、第１セルの耐劣化性を高め、第２セルの出力性を高めることが可能とされる。

【0013】

その他の態様として、前記制御部は、前記要求出力が前記所定出力値未満であっても、前記燃料電池の温度が規定値以下の際、前記第２セルを稼働させるのが好ましい。

【0014】

これにより、要求出力が所定出力値未満であっても、燃料電池の温度が規定値以下の際に第２セルを稼働することで、第２セルを積極的に稼働させて、燃料電池の稼働に最適な温度、すなわち規定値まで燃料電池を温めることが可能とされる。

【0015】

その他の態様として、前記第１セル及び前記第２セルは、交互に配設されてなるのが好ましい。

【0016】

これにより、第１セル及び第２セルを交互に配設することで、一方が稼働する際に生じる熱を利用して他方を温めることが可能とされる。

【0017】

その他の態様として、前記制御部は、前記燃料電池の温度が規定値以上の際、前記第１セルを稼働させるのが好ましい。

【0018】

これにより、第１セル及び第２セルが交互に配設される、換言すると、第２セルを挟むように配設された第１セルを、燃料電池の温度が規定値以上の際に稼働することで、第１セルの稼働により発電しつつ、第１セルの稼働により生じる熱を利用して第２セルを温めることが可能とされる。

【0019】

その他の態様として、前記制御部は、前記要求出力が所定出力値以上の際、前記第１セルを最大稼働させるのが好ましい。

【0020】

これにより、要求出力が所定出力値以上の際、第１セルを最大稼働することで、例えば第１セルの最大出力が所定出力値であるとすれば、要求出力のうち所定出力値を超えた分を第２セルによって補うようにして第１セルの稼働頻度をより低く可能とされる。

【0021】

その他の態様として、前記燃料電池によって発電される電力を蓄電するバッテリを備え、前記燃料電池システムは、前記バッテリを介して電力を出力するのが好ましい。

【0022】

これにより、燃料電池システムに備えられるバッテリを介して電力を出力することで、例えばすべてのセルを第２セルとした燃料電池と比較して最大出力が低い本発明にかかる燃料電池であっても、バッテリに蓄電された電力を併せて出力できるので、一時的な出力不足が生じることを防止可能とされる。

【発明の効果】

【0023】

本発明の燃料電池システムによれば、第２担体と比較して高電位下における耐劣化性が高い担体である第１担体を含む第１セル及び第１担体と比較して出力性が高い担体である第２担体を含む第２セルを有する燃料電池を、要求出力演算部によって演算される要求出力が所定出力値以上の際は第１セル及び第２セルを稼働させ、所定出力値未満の際は第２セルと比較して第１セルを多く稼働させたので、第１セルの稼働頻度を第２セルの稼働頻度より低くして、燃料電池全体としての劣化度合いの均一化を図るとともに、所定出力値以上の出力が要求された際は第１セルを稼働させて出力を補うことができる。

【0024】

これにより、第１担体及び第２担体の双方の利点及び欠点を補いつつ、担体に含まれる貴金属の量を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】車両の概略構成図である。

【図2】燃料電池の構成図である。

【図3】本発明に係る燃料電池システムの制御に係るＥＣＵの接続構成が示されたブロック図である。

【図4】ＥＣＵが実行する、本発明に係る燃料電池システムの制御手順のルーチンを示すフローチャートである。

【図5】要求出力演算部が実行する、要求出力演算制御の制御手順のルーチンを示すフローチャートである。

【図6】稼働セル設定部が実行する、稼働セル設定制御に用いられる表である。

【図7】要求出力（横軸）と燃料電池２１の出力（縦軸）との相関を示すグラフである。

【図8】別実施例における、稼働セル設定部が実行する、稼働セル設定制御に用いられる表である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。

【0027】

図１を参照すると、車両１の概略構成図が示されている。車両１には、駆動輪３、従動輪５、モータ７、減速機９、駆動軸１１及び燃料電池システム１３が搭載されている。この車両１は、燃料電池システム１３から電力の供給を受けたモータ７が減速機９を介して駆動軸１１を回転させることで、駆動輪３を駆動して走行可能である。

【0028】

すなわち、車両１は、水素燃料及び車両１外部の空気中に含まれる酸素から電気エネルギを生成する所謂ＦＣＶである。また、車両１は、バッテリ３１に蓄電した電力でモータ７を駆動して走行可能な所謂ハイブリット車でもある。

【0029】

燃料電池システム１３は、燃料電池２１、水素タンク２３、コンプレッサ２５、バッテリ３１及びインバータ３３を備えている。燃料電池２１は、水素（燃料）と酸素とを結合させて水を生成する際に電気エネルギを生成（発電）可能な水素燃料電池である。なお、燃料電池２１の詳細な構成については後述する。

【0030】

水素タンク２３は、水素を高圧下で貯蓄するタンクである。この水素タンク２３に貯蓄されている水素は、水素供給経路２３ａを介して燃料電池２１に供給される。また、燃料電池２１で消費されなかった水素は、水素排出経路２３ｂを介して再び水素タンク２３に貯蓄される。コンプレッサ２５は、車両１の外部から空気を吸引する吸引装置である。このコンプレッサ２５によって吸引された空気は、空気供給経路２５ａを介して燃料電池２１に供給される。

【0031】

これにより、燃料電池２１は、水素タンク２３に貯蓄されている水素と車両１の外部からコンプレッサ２５によって吸引する空気内に含まれている酸素とを結合させることで発電できる。このように発電した燃料電池２１は、発電する際に生成された水である水蒸気や空気中に含まれる酸素以外の物質を空気排出経路２５ｂを介して車両１の外部に排出する。

【0032】

バッテリ３１は、繰り返し充放電可能な、例えばリチウムイオン二次電池である。インバータ３３は、電圧を昇圧または降圧することや、交流電流から直流電流または直流電流から交流電流に変換可能な変換装置である。このインバータ３３は、モータ７、燃料電池２１及びバッテリ３１と通電可能に接続している。

【0033】

これにより、インバータ３３は、燃料電池２１によって発電された直流電流の電力を昇圧または降圧してバッテリ３１に蓄電することや、バッテリ３１に蓄電された電力を三相交流電流に変換してモータ７に供給可能である。ゆえに、車両１は、燃料電池２１によって発電した電力をバッテリ３１に蓄電し、バッテリ３１に蓄電された電力を用いてモータ７を駆動して走行できる。

【0034】

また、インバータ３３は、バッテリ３１を介さずに、燃料電池２１によって発電された直流電流の電力をモータ７に供給することも可能である。すなわち、インバータ３３は、バッテリ３１に蓄電された電力とともに、燃料電池２１によって発電された電力を併せてモータ７に供給できる。

【0035】

図２を参照すると、燃料電池２１の構成図が示されている。燃料電池２１には、第１セルＣ１、第２セルＣ２、第３セル（第１セル）Ｃ３及び第４セル（第２セルＣ２）Ｃ４が一列に並べて配設されている。また、各セルは、アノード集電板４４、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄによって仕切られている。

【0036】

第１セルＣ１は、アノードセパレータ４１とカソードセパレータ４２との間に膜電極接合体４３を挟むようにして構成されている。アノードセパレータ４１は、水素供給経路２３ａから供給される水素を膜電極接合体４３の接触する面に均一に拡散させる多孔質材料である。カソードセパレータ４２は、空気供給経路２５ａから供給される空気を膜電極接合体４３の接触する面に均一に拡散させる多孔質材料である。

【0037】

膜電極接合体４３は、高分子電解質膜４３ａ、第１触媒層４３ｂ及びガス拡散層４３ｃを含んでいる。高分子電解質膜４３ａは、例えばプロトン交換膜やアニオン交換膜等の固体高分子膜である。第１触媒層４３ｂは、多孔質の電気伝導性を有するセラミックスナノ粒子（SnO2、TiO2等）を含む担体（酸化物担体）に白金やパラジウムなどの貴金属の触媒を担持させて形成されている。この第１触媒層４３ｂは、高分子電解質膜４３ａの両面に配設されている。ガス拡散層４３ｃは、例えば導電性多孔質体やカーボン繊維で形成されており、水素や空気を拡散させることが可能である。このガス拡散層４３ｃは、第１触媒層４３ｂをさらに挟むように配設されている。

【0038】

これにより、第１セルＣ１は、アノードセパレータ４１に供給された水素をガス拡散層４３ｃにて拡散させて均一に第１触媒層４３ｂ及び高分子電解質膜４３ａに供給し、カソードセパレータ４２に供給された空気をガス拡散層４３ｃにて拡散させて均一に第１触媒層４３ｂ及び高分子電解質膜４３ａに供給し、高分子電解質膜４３ａ及び第１触媒層４３ｂにて水素イオンと酸素イオンとを結合させて水を生成し、水蒸気として空気排出経路２５ｂから排出する。

【0039】

このとき、水素を水素イオンに分解する際に発生する電子は、アノード集電板４４及びアノード側に延びるアノード電線４１Ｌを介してアノード側に移動し、カソードセパレータ４２内の酸素を酸素イオンに分解するために必要な電子は、第１カソード集電板４５ａ及びカソード側に延びるカソード電線４２Ｌを介してカソード側から供給される。これにより、膜電極接合体４３のアノード側から水素イオンが供給され、カソード側から酸素イオンが供給されて水素と酸素とを結合させることができる。また、このように第１セルＣ１内で水素と酸素とを結合させて水を生成することで、電子の移動が発生して発電できる。なお、第３セルＣ３も同様の構成であるため、説明を省略する。

【0040】

ここで、第２セルＣ２及び第４セルＣ４の膜電極接合体４３には、第１触媒層４３ｂに代えて、第２触媒層４３ｄが設けられている。第２触媒層４３ｄは、主に、第１触媒層４３ｂがセラミックスナノ粒子を含む担体を用いているのに対し、カーボンナノ粒子を含む担体が用いられている点で相違する。これにより、第２セルＣ２及び第４セルＣ４は、第１セルＣ１及び第３セルＣ３と比較して出力性を高めることが可能に構成され、第１セルＣ１及び第３セルＣ３は、第２セルＣ２及び第４セルＣ４と比較して第１触媒層４３ｂの耐劣化性を高めることが可能に構成されている。

【0041】

第１セルＣ１のアノードセパレータ４１には、水素供給経路２３ａから供給される水素の量を調整及び閉弁可能な第１水素供給弁５１ａが設けられている。また、アノードセパレータ４１には、水素排出経路２３ｂに排出される水素の量を調整及び閉弁可能な第１水素排出弁５１ｂが設けられている。同様に、第１セルＣ１のカソードセパレータ４２には、空気供給経路２５ａから供給される空気の量を調整及び閉弁可能な第１空気供給弁５１ｃが設けられている。

【0042】

また、カソードセパレータ４２には、空気排出経路２５ｂに排出される空気の量を調整及び閉弁可能な第１空気排出弁５１ｄが設けられている。また、これら第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄは、図示はしないが、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、それぞれの開閉を制御できる。

【0043】

この第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄをそれぞれ制御することで、アノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２の水素及び空気の流量を調整できる。このようにアノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２の水素及び空気の流量を調整することで、水素及び空気の流量を増加させて第１セルＣ１における発電を促進することや、アノードセパレータ４１に水素を供給することを停止してアノードセパレータ４１内の水素を消費できる。

【0044】

なお、第２セルＣ２、第３セルＣ３及び第４セルＣ４にも同様に第２水素供給弁５２ａ、第２水素排出弁５２ｂ、第２空気供給弁５２ｃ及び第２空気排出弁５２ｄ、第３水素供給弁５３ａ、第３水素排出弁５３ｂ、第３空気供給弁５３ｃ及び第３空気排出弁５３ｄ並びに第４水素供給弁５４ａ、第４水素排出弁５４ｂ、第４空気供給弁５４ｃ及び第４空気排出弁５４ｄが設けられており、同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。また、説明の便宜上、上記供給弁５１ａ、５１ｃ、５２ａ、５２ｃ、５３ａ、５３ｃ、５４ａ、５４ｃ、及び上記排出弁５１ｂ、５１ｄ、５２ｂ、５２ｄ、５３ｂ、５３ｄ、５４ｂ、５４ｄを総じて制御弁５０ともいう。

【0045】

第１セルＣ１と第２セルＣ２とを仕切る第１カソード集電板４５ａは、第１カソードスイッチ６１を介してカソード電線４２Ｌに接続している。第１カソードスイッチ６１は、通電（ＯＮ）または絶縁（ＯＦＦ）に切り替えることが可能なスイッチである。換言すると、第１カソードスイッチ６１は、ＯＮにすることで第１セルＣ１の電位を下げるとともにカソード電線４２Ｌに放電でき、ＯＦＦにすることで、第１セルＣ１の電位が下がることを抑制できる。

【0046】

この第１カソードスイッチ６１は、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、制御できる。なお、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄからカソード電線４２Ｌに接続する第２カソードスイッチ６２、第３カソードスイッチ６３及び第４カソードスイッチ６４についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１カソードスイッチ６１、第２カソードスイッチ６２、第３カソードスイッチ６３及び第４カソードスイッチ６４を総じてカソード出力スイッチ６０ともいう。

【0047】

アノード集電板４４は、第１カソードスイッチ６１と同様の第１アノードスイッチ６６を介してアノード電線４１Ｌに接続している。第１アノードスイッチ６６は、通電（ＯＮ）または絶縁（ＯＦＦ）に切り替えることが可能なスイッチである。換言すると、第１アノードスイッチ６６は、ＯＮにすることで第１セルＣ１の電位を下げるとともにアノード電線４１Ｌに放電でき、ＯＦＦにすることで、第１セルＣ１の電位が下がることを抑制できる。

【0048】

この第１アノードスイッチ６６は、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、制御できる。なお、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ及び第３カソード集電板４５ｃからアノード電線４１Ｌに接続する第２アノードスイッチ６７、第３アノードスイッチ６８及び第４アノードスイッチ６９についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１アノードスイッチ６６、第２アノードスイッチ６７、第３アノードスイッチ６８及び第４アノードスイッチ６９を総じてアノード出力スイッチ６５ともいう。

【0049】

このように、燃料電池２１は、アノード集電板４４、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄにカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５が配設されることにより、例えば第１カソードスイッチ６１及び第１アノードスイッチ６６をＯＮにし、その他のカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５をＯＦＦにするようにして、セルを選択的に稼働させることができる。

【0050】

第１カソード集電板４５ａと第１カソードスイッチ６１との間には、第１電圧センサ７１が配設されている。第１電圧センサ７１は、第１カソード集電板４５ａからカソード電線４２Ｌに通電する電流の電圧値を検出するセンサである。なお、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄからカソード電線４２Ｌに接続する第２電圧センサ７２、第３電圧センサ７３及び第４電圧センサ７４についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１電圧センサ７１、第２電圧センサ７２、第３電圧センサ７３及び第４電圧センサ７４を総じて電圧センサ（電圧検出部）７０ともいう。

【0051】

図１に戻り、バッテリ３１には、ＳＯＣセンサ７５が配設されている。このＳＯＣセンサ７５は、バッテリ３１の充電率であるＳＯＣ(State of Charge)を検出可能なセンサである。また、燃料電池２１には、温度センサ７６が配設されている。温度センサ７６は、例えば燃料電池２１内を流通する冷却水の温度に基づいて燃料電池２１内の温度を検出するセンサである。

【0052】

さらに、図示しない運転席における運転手の足元には、アクセルペダル７７が配設されている。このアクセルペダル７７は、運転手が踏圧量を調整することにより車両１の加速度を調整可能である。また、アクセルペダル７７には、アクセルペダル７７の踏圧量を検出可能な踏圧センサ７７ａが設けられている。

【0053】

図３を参照すると、本発明に係る燃料電池システム１３の制御に係るＥＣＵ８０の接続構成がブロック図で示されている。以下、説明の便宜上、第１セルＣ１及び第３セルＣ３を低出力セル（第１セル）ＣＬと、第２セルＣ２及び第４セルＣ４を高出力セル（第２セル）ＣＨともいう。また、低出力セルＣＬを稼働または停止させる際に開閉する制御弁５０並びにＯＮまたはＯＦＦにするカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５を低出力制御弁５０Ｌ及び低出力スイッチ６０Ｌともいう。またさらに、高出力セルＣＨを稼働または停止させる際に開閉する制御弁５０並びにＯＮまたはＯＦＦにするカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５を高出力制御弁５０Ｈ及び高出力スイッチ６０Ｈともいう。

【0054】

ＥＣＵ（制御装置）８０は、燃料電池システム１３の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。このＥＣＵ８０の入力側には、ＳＯＣセンサ７５、温度センサ７６及び踏圧センサ７７ａが電気的に接続している。これにより、ＳＯＣセンサ７５からはバッテリ３１のＳＯＣに関する情報が入力され、温度センサ７６からは燃料電池２１内の温度に関する情報が入力され、踏圧センサ７７ａからは運転手によるアクセルペダル７７の踏圧量に関する情報が入力される。

【0055】

一方、ＥＣＵ８０の出力側には、低出力セルＣＬの低出力制御弁５０Ｌ及び低出力スイッチ６０Ｌ並びに高出力セルＣＨの高出力制御弁５０Ｈ及び高出力スイッチ６０Ｈが電気的に接続している。これにより、低出力制御弁５０Ｌ及び低出力スイッチ６０Ｌを制御することで、低出力セルＣＬの出力を制御でき、高出力制御弁５０Ｈ及び高出力スイッチ６０Ｈを制御することで、高出力セルＣＨの出力を制御できる。

【0056】

また、ＥＣＵ８０には、要求出力演算部８１、稼働セル設定部８２及び稼働制御部（制御部）８５が設けられている。要求出力演算部８１は、ＳＯＣセンサ７５から入力されるバッテリ３１のＳＯＣに関する情報、温度センサ７６から入力される燃料電池２１内の温度に関する情報及び踏圧センサ７７ａから入力されるアクセルペダル７７の踏圧量に関する情報に基づいて、後述する要求出力演算制御を実行し、要求出力の範囲（後述する第１範囲～第４範囲）を演算する演算部である。

【0057】

稼働セル設定部８２は、要求出力演算部８１の演算結果に基づいて、後述する稼働セル設定制御を実行し、稼働するセルを設定する設定部である。

【0058】

稼働制御部８５は、稼働セル設定部８２によって設定された稼働するセルの低出力セルＣＬの低出力制御弁５０Ｌ及び低出力スイッチ６０Ｌ並びに高出力セルＣＨの高出力制御弁５０Ｈ及び高出力スイッチ６０Ｈを制御する制御部である。

【0059】

図４を参照すると、ＥＣＵ８０が実行する、本発明に係る燃料電池システム１３の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されており、以下、同フローチャートに沿い説明する。まず、全体的な流れとして、ステップＳ１０では、要求出力演算部８１により、要求出力演算制御を実行することで、上記した要求出力の範囲を演算する。その後、ステップＳ２０では、稼働セル設定部８２により、稼働セル設定制御を実行することで、上記した稼働するセルを設定する。そして、ステップＳ３０では、稼働セル設定制御によって設定された稼働するセルを稼働させる稼働制御を実行し、本ルーチンを繰り返し実行する。

【0060】

図５を参照すると、要求出力演算部８１が実行する、要求出力演算制御の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されている。ステップＳ１１では、アクセルペダル７７の踏圧量が所定値（例えば最大踏圧量の６０％）以上か否かを判別する。ステップＳ１１の判別結果が真（Ｙｅｓ）でアクセルペダル７７の踏圧量が所定値以上であると判別した場合には、ステップＳ１５に移行し、要求出力を第１範囲（所定出力値）として設定したあと、要求出力演算制御を終了する。一方、ステップＳ１１の判別結果が偽（Ｎｏ）でアクセルペダル７７の踏圧量が所定値未満であると判別した場合には、ステップＳ１２に移行する。

【0061】

ステップＳ１２では、バッテリ３１のＳＯＣが一定値（例えば５０％）以下か否かを判別する。ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でバッテリ３１のＳＯＣが一定値以下であると判別するとステップＳ１６に移行し、要求出力を第２範囲として設定したあと、要求出力演算制御を終了する。一方、ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でバッテリ３１のＳＯＣが一定値未満であると判別した場合には、ステップＳ１３に移行する。

【0062】

ステップＳ１３では、燃料電池２１内の温度が規定値（例えば１００℃）以上か否かを判別する。ステップＳ１３の判別結果が真（Ｙｅｓ）で燃料電池２１内の温度が規定値以下であると判別した場合には、ステップＳ１７に移行し、要求出力を第３範囲として設定したあと、要求出力演算制御を終了する。一方、ステップＳ１３の判別結果が偽（Ｎｏ）で燃料電池２１内の温度が規定値より高いと判別した場合には、ステップＳ１８に移行し、要求出力を第４範囲として設定したあと、要求出力演算制御を終了する。

【0063】

このように、ステップＳ１１～ステップＳ１８では、アクセルペダル７７の踏圧量（ステップＳ１１）、バッテリ３１のＳＯＣ（ステップＳ１２）及び燃料電池２１内の温度（ステップＳ１３）に基づいて、要求出力を第１範囲から第４範囲までの範囲に判別して設定（ステップＳ１５～Ｓ１８）できる。

【0064】

図４に戻り、ステップＳ１０の要求出力演算制御で要求出力を設定すると、ステップＳ２０に移行し、稼働セル設定制御を実行する。

【0065】

図６を参照すると、稼働セル設定部８２が実行する、稼働セル設定制御に用いられる表（表１）が示されている。要求出力が第１範囲のとき、第１セルＣ１及び第３セルＣ３を最大出力で稼働（最大稼働）させ、第２セルＣ２及び第４セルＣ４を踏圧量に応じて調整して稼働させる（調整稼働）よう各セルの稼働態様を設定する。すなわち、ステップＳ２０では（図４）、稼働制御部８５は、低出力セルＣＬを最大稼働し、要求出力を満たすように高出力セルＣＨを調整稼働する。

【0066】

また、要求出力が第２範囲のとき、第１セルＣ１及び第３セルＣ３を最大稼働させ、第２セルＣ２及び第４セルＣ４を停止させるよう各セルの稼働態様を設定する。すなわち、ステップＳ２０では、稼働制御部８５は、低出力セルＣＬを最大稼働させ、高出力セルＣＨを停止させる。

【0067】

またさらに、要求出力が第３範囲のとき、第１セルＣ１及び第３セルＣ３を調整稼働させ、第２セルＣ２及び第４セルＣ４の稼働を停止させるよう各セルの稼働態様を設定する。すなわち、ステップＳ２０では、低出力セルＣＬを調整稼働させ、高出力セルＣＨを停止させる。

【0068】

そして、要求出力が第４範囲のとき、すべてのセルの稼働を停止させるよう各セルの稼働態様を設定する。すなわち、ステップＳ２０では、すべてのセルを停止させる。

【0069】

図４に戻り、稼働制御Ｓ３０では、稼働セル設定制御に基づき、各セルを最大稼働、調整稼働または停止させて本ルーチンを終了し、再び同ルーチンを繰り返し実行する。

【0070】

図７を参照すると、要求出力（横軸）と燃料電池２１の出力（縦軸）との相関がグラフで示されている。以下、図４～図７に基づき、本発明の作用及び効果を説明する。

【0071】

上記したように、インバータ３３は、バッテリ３１に蓄電された電力とともに、燃料電池２１によって発電された電力を併せてモータ７に供給可能である。したがって、運転手がアクセルペダル７７を踏圧して車両１を加速させるとき、モータ７は、バッテリ３１に蓄電された電力と併せてバッテリ３１を介さずに燃料電池２１から供給される電力により駆動することで、バッテリ３１に蓄電された電力の供給のみによる駆動よりも高い駆動力で駆動できる。

【0072】

ここで、図７によると、第２セルＣ２及び第４セルＣ４が本実施形態のように高出力セルＣＨである場合（場合１）は、第２セルＣ２及び第４セルＣ４が仮に低出力セルＣＬである場合（場合２）と比較して第１範囲における燃料電池出力が高い。したがって、第２セルＣ２及び第４セルＣ４を高出力セルＣＨとしたことで、要求出力が大きいときにおける燃料電池２１の出力を好適に高めることができる。

【0073】

ゆえに、アクセルペダル７７の踏圧量が所定値以上のときは（ステップＳ１１でＹｅｓ）、低出力セルＣＬを最大稼働し、要求出力を満たすように高出力セルＣＨを調整稼働することで（ステップＳ１５、ステップＳ２０、表１の「第１範囲」列）、バッテリ３１に蓄電された電力やモータ７に供給される第１セルＣ１及び第３セルＣ３を稼働して発電される電力だけでは足りない出力を第２セルＣ２及び第４セルＣ４の調整稼働により好適に補うことができる。

【0074】

特に、低出力セルＣＬを最大稼働させる一方で高出力セルＣＨを調整稼働することで、高出力セルＣＨの稼働量を少なくして、高出力セルＣＨの劣化を軽減できる。

【0075】

また、アクセルペダル７７の踏圧量が所定値未満のときであって（ステップＳ１１でＮｏ）、バッテリ３１のＳＯＣが一定値以下のときは（ステップＳ１２でＹｅｓ）、低出力セルＣＬを最大稼働し、要求出力を満たすように高出力セルＣＨを調整稼働することで（ステップＳ１６、ステップＳ２０、表１の「第２範囲」列）、バッテリ３１に蓄電された電力やモータ７に供給される第１セルＣ１及び第３セルＣ３を稼働して発電される電力のみによりバッテリ３１を充電できる。したがって、全体的な高出力セルＣＨの稼働時間を少なくして、高出力セルＣＨの劣化を軽減できる。

【0076】

またさらに、アクセルペダル７７の踏圧量が所定値未満のときであって（ステップＳ１１でＮｏ）、バッテリ３１のＳＯＣが一定値より高く（ステップＳ１２でＮｏ）、燃料電池２１の温度が規定値以下である場合には（ステップＳ１２でＹｅｓ）、低出力セルＣＬを停止させ、高出力セルＣＨを調整稼働させる（ステップＳ１７、Ｓ２０、表１の「第３範囲」列）。これにより、高出力セルＣＨが稼働することによって生じる熱を利用して燃料電池２１を温めることができる。

【0077】

そして、アクセルペダル７７の踏圧量が所定値未満のときであって（ステップＳ１１でＮｏ）、バッテリ３１のＳＯＣが一定値より高く（ステップＳ１２でＮｏ）、燃料電池２１の温度が規定値より高いである場合には（ステップＳ１２でＮｏ）、すべてのセルを停止させる（ステップＳ１８、Ｓ２０、表１の「第４範囲」列）。したがって、バッテリ３１に蓄電されている電力を活用して、すべてのセルの使用頻度を低下させることができる。

【0078】

ゆえに、本発明に係る燃料電池システム１３は、第１範囲のような要求出力が比較的大きいときには高出力を発揮可能な高出力セルＣＨを稼働して出力を向上させることができる一方、第２～３範囲のような要求出力が比較的小さいときには耐劣化性の高い低出力セルＣＬによって発電された電力により車両１を走行させることやバッテリ３１を充電できる。

【0079】

図８を参照すると、別実施例における稼働セル設定制御に用いられる表（表２）が示されている。別実施例における表２は、表１に対し、「第３範囲」列における各セルの稼働態様が異なる。

【0080】

具体的には、要求出力が第３範囲のとき、低出力セルＣＬを停止させ、高出力セルＣＨを調整稼働させる。

【0081】

これにより、要求出力が第３範囲のときには、例外的に、高出力セルＣＨを稼働させることで、高出力セルＣＨが稼働することによって生じる熱を利用して高出力セルＣＨに挟まれるように位置する低出力セルＣＬを温めることができる。

【0082】

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システム１３では、第１触媒層４３ｂを含む低出力セルＣＬ及び第２触媒層４３ｄを含む高出力セルＣＨを有する燃料電池２１と、燃料電池２１を制御するＥＣＵ８０と、を備え、ＥＣＵ８０は、要求出力を演算する要求出力演算部８１と、低出力セルＣＬ及び高出力セルＣＨを制御する稼働制御部８５と、を有し、第１触媒層４３ｂは、第２触媒層４３ｄと比較して耐劣化性が高い担体を含み、第２触媒層４３ｄは、第１触媒層４３ｂを含む低出力セルＣＬと比較して高出力セルＣＨの出力性を高めることが可能な担体を含み、稼働制御部８５は、要求出力演算部８１によって演算される要求出力が第１範囲以上の際、低出力セルＣＬ及び高出力セルＣＨを稼働させ、第１範囲未満の際、高出力セルＣＨと比較して低出力セルＣＬを多く稼働させる。

【0083】

従って、第２触媒層４３ｄと比較して耐劣化性が高い担体を含む第１触媒層４３ｂを含む低出力セルＣＬ及び第１触媒層４３ｂと比較して高出力セルＣＨの出力性を高めることが可能な第２触媒層４３ｄを含む高出力セルＣＨを有する燃料電池２１を、要求出力演算部８１によって演算される要求出力が第１範囲以上の際は低出力セルＣＬ及び高出力セルＣＨを稼働させ、第１範囲未満の際は高出力セルＣＨと比較して低出力セルＣＬを多く稼働させるように制御したので、低出力セルＣＬの稼働頻度を高出力セルＣＨの稼働頻度より低くして、燃料電池２１全体としての劣化度合いの均一化を図るとともに、第１範囲以上の出力が要求された際は低出力セルＣＬを稼働させて出力を補うことができる。

【0084】

そして、第１触媒層４３ｂは、酸化物担体触媒を含み、第２触媒層４３ｄは、カーボン担体触媒を含むように構成したので、低出力セルＣＬの耐劣化性を高め、高出力セルＣＨの出力性を高めることができる。

【0085】

そして、稼働制御部８５は、要求出力が第１範囲未満であっても、燃料電池２１の温度が規定値以下の際、高出力セルＣＨを稼働させるようにしたので、高出力セルＣＨを積極的に稼働させて、燃料電池２１の稼働に最適な温度、すなわち規定値まで燃料電池２１を温めることができる。

【0086】

そして、低出力セルＣＬ及び高出力セルＣＨは、交互に配設されてなるので、一方のセルが稼働する際に生じる熱を利用して他方のセルを温めることができる。

【0087】

そして、稼働制御部８５は、燃料電池２１の温度が規定値以上の際、低出力セルＣＬを稼働させる、換言すると、高出力セルＣＨを挟むように配設された低出力セルＣＬを、燃料電池２１の温度が規定値以上の際に稼働するようにしたので、低出力セルＣＬの稼働により発電しつつ、低出力セルＣＬの稼働により生じる熱を利用して高出力セルＣＨを温めることができる。

【0088】

そして、稼働制御部８５は、要求出力が第１範囲以上の際、低出力セルＣＬを最大稼働させるようにしたので、例えば低出力セルＣＬの最大出力が第１範囲であるとすれば、要求出力のうち第１範囲を超えた分を高出力セルＣＨによって補うようにして低出力セルＣＬの稼働頻度をより低くできる。

【0089】

そして、燃料電池２１によって発電される電力を蓄電するバッテリ３１を備え、燃料電池システム１３は、バッテリ３１を介して電力を出力するようにしたので、本発明にかかる燃料電池２１のように、例えばすべてのセルを高出力セルＣＨとした燃料電池２１と比較して最大出力が低い燃料電池であっても、バッテリ３１に蓄電された電力を併せて出力できるので、一時的な出力不足が生じることを防止できる。

【0090】

以上で本発明に係る燃料電池システムの説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

【0091】

例えば、本実施形態では、本発明に係る燃料電池システム１３をＦＣＶである車両１に搭載するようにしたが、鉄道車両や船舶、飛行体に使用するようにしてもよい。

【0092】

また、本実施形態では、第１範囲に低出力セルＣＬを最大稼働し高出力セルＣＨを調整稼働するようにしたが、高出力セルＣＨを最大稼働し低出力セルＣＬを調整稼働するようにしてもよい。

【0093】

また、本実施形態では、各フローを用いて制御態様を説明したが、これらフローの順番は一例であり、本発明を実施可能な程度に順番を入れ替えるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0094】

１３ 燃料電池システム
２１ 燃料電池
４３ｂ 第１触媒層
４３ｄ 第２触媒層
３１ バッテリ
８０ ＥＣＵ（制御装置）
８１ 要求出力演算部
８５ 稼働制御部（制御部）
ＣＬ 低出力セル（第１セル）
ＣＨ 高出力セル（第２セル）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】