(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転出力を供給する動力装置であって、
発電器としても機能することができる電動機と、
前記電動機に電力を供給し前記電動機から供給される電力を伝える配線に対して、並列に接続された燃料電池および蓄電器と、
前記燃料電池と前記配線との間の接続を入り切りするスイッチと、
前記電動機、前記燃料電池および前記スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記スイッチが閉状態であって前記電動機が発電を行うときに、前記スイッチを開状態とする指示を出力するモードを有する、動力装置。
【請求項２】
請求項１記載の動力装置であって、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転状態として、定常状態と、前記燃料電池の補機の単位時間当たりの消費電力が前記定常状態における最低の単位時間当たりの消費電力以下となるような待機状態と、を有し、
前記スイッチが閉状態であって前記電動機が発電を行うときに前記スイッチを開状態とする前記指示を出力する前記モードにおいて、前記スイッチが前記閉状態であって前記電動機が発電を行うときに、さらに、前記燃料電池を前記待機状態とする指示を出力する、動力装置。
【請求項３】
請求項１記載の動力装置であって、さらに、
前記蓄電器の電圧を検出する電圧計を備え、
前記制御部は、さらに、
前記電動機が電力を消費しているときに、前記蓄電器の電圧に応じて前記スイッチを閉状態または開状態とする指示を出力するモードを有する、動力装置。
【請求項４】
請求項１記載の動力装置であって、さらに、
前記蓄電器の電圧を検出する電圧計を備え、
前記制御部は、さらに、
前記スイッチが開状態のときに、前記電動機が電力を消費しており、かつ、前記蓄電器の電圧が第１の基準電圧より低いときに、前記スイッチを閉状態とする指示を出力し、前記燃料電池を定常運転する指示を出力するモードと、
前記スイッチが閉状態であって、前記電動機が電力を消費しており、かつ、前記蓄電器の電圧が、前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧より高いときに、前記スイッチを開状態とする指示を出力し、前記燃料電池を待機状態とする指示を出力するモードとを有する、動力装置。
【請求項５】
回転出力を供給する動力装置の運転方法であって、
（ａ）発電器としても機能することができる電動機と、前記電動機に電力を供給し前記電動機から供給される電力を伝える配線に対して、並列に接続された燃料電池および蓄電器と、を備える動力装置を準備する工程と、
（ｂ）前記燃料電池が前記配線に接続されている状態であって、前記電動機が発電を行うときに、前記燃料電池の前記配線への接続を開放する工程と、を備える動力装置の運転方法。
【請求項６】
請求項５記載の動力装置の運転方法であって、
前記燃料電池は、運転状態として、定常状態と、前記燃料電池の補機の単位時間当たりの消費電力が前記定常状態における最低の単位時間当たりの消費電力以下となるような待機状態と、を有し、
前記工程（ｂ）は、前記燃料電池を前記待機状態とする工程を含む、動力装置。
【請求項７】
請求項５記載の動力装置の運転方法であって、さらに、
（ｃ）前記電動機が電力を消費しているときに、前記蓄電器の電圧に応じて前記燃料電池を前記配線に接続しまたは接続を開放する工程を備える、動力装置の運転方法。
【請求項８】
請求項５記載の動力装置の運転方法であって、さらに、
（ｃ）前記燃料電池の前記配線への接続が開放されている状態であって、前記電動機が電力を消費しており、かつ、前記蓄電器の電圧が第１の基準電圧より低いときに、前記燃料電池を前記配線へ再接続し、前記燃料電池を定常運転する工程と、
（ｄ）前記燃料電池が前記配線に接続されている状態であって、前記電動機が電力を消費しており、かつ、前記蓄電器の電圧が、前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧より高いときに、前記燃料電池の前記配線への接続を開放し、前記燃料電池を待機状態とする工程と、を備える、動力装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池とキャパシタとを備える電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を備える電源装置の利用方法としては、例えば、電気自動車の駆動用電源として用いる方法が提案されている。燃料電池が発電する電力を、電気自動車の駆動モータに供給することで、車両の駆動力を得ることができる。特開平８−１９１１５号公報では、このような電源装置として、燃料電池に加えてキャパシタを備えるものが開示されている。この電源装置は、電気自動車の制動時には電動機で回生を行って、その電力をキャパシタに蓄える。キャパシタは、その後、燃料電池に代わって、または燃料電池と共に、電動機に電力を供給する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車の加速時など、キャパシタから電動機に電力を供給する必要があるときには、できるだけキャパシタの残存電荷が多く、必要なだけの電力を供給できることが望ましい。一方、電動機の回生によって得られる電力がキャパシタに供給される際の電圧には、事実上、上限があるため、キャパシタに蓄えることができるエネルギーにも事実上の上限がある。よって、制動時には、キャパシタに十分な空き容量があることが好ましい。そこで、燃料電池とキャパシタを備える電源装置においては、このような相反する要請を満たし、キャパシタに効率的に電力を蓄えられる構成が望まれていた。
【０００４】
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、燃料電池と蓄電器を備える電源装置において、蓄電器に効率的に電力を蓄えられる技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、回転出力を供給する動力装置において、所定の処理を行う。この動力装置は、発電器としても機能することができる電動機と、電動機に電力を供給し電動機から供給される電力を伝える配線に対して、並列に接続された燃料電池および蓄電器と、燃料電池と配線との間の接続を入り切りするスイッチと、電動機、燃料電池およびスイッチを制御する制御部と、を備える。
【０００６】
このような構成の動力装置において、スイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とするモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、電動機によって発電された電力を効率的に蓄電器に蓄積することができる。
【０００７】
また、スイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とする指示を出力するとともに、燃料電池を待機状態とする指示を出力するモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、電動機が発電を行うときに、燃料電池の発電に利用されずに排出されてしまう燃料ガスを低減することができる。
【０００８】
なお、電動機が電力を消費しているときに、蓄電器の電圧に応じてスイッチを閉状態または開状態とするモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、蓄電器に蓄えられている残存電荷に応じて動力装置の運転状態を変えることができる。なお、このような動力装置は、蓄電器の電圧を検出する電圧計を備えることが好ましい。
【０００９】
また、スイッチが開状態のときに、電動機が電力を消費しており、かつ、蓄電器の電圧が第１の基準電圧より低いときに、スイッチを閉状態とし、燃料電池を定常運転するモードを有することが好ましい。そして、スイッチが閉状態であって、電動機が電力を消費しており、かつ、蓄電器の電圧が、第１の基準電圧より高い第２の基準電圧より高いときに、スイッチを開状態とし、燃料電池を待機状態とするモードとを有することが好ましい。このような態様とすれば、蓄電器に蓄えられている残存電荷が少なくなったときには、燃料電池を使用し、燃料電池の運転効率の低い領域では、蓄電器を使用して、動力を供給することができる。
【００１０】
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、電源装置の運転方法や、電源装置を備える電気自動車などの形態で実現することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．燃料電池、二次電池、キャパシタの動作：
Ｂ１．燃料電池の運転：
Ｂ２．二次電池の充放電：
Ｂ３．キャパシタの充放電：
Ｃ．定常運転モードと間欠運転モード：
Ｃ１．定常運転モードと間欠運転モードの切り換え：
Ｃ２．比較例における定常運転モードと間欠運転モードに切り換え：
Ｄ．変形例：
【００１２】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車１０は、電源装置１５を備えており、電源装置１５から電力を供給される負荷として、高圧補機４０と、駆動インバータ３０を介して電源装置１５に接続される駆動モータ３２とを備えている。これら電源装置１５と負荷との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源装置１５と負荷との間で電力がやり取りされる。
【００１３】
燃料電池システム２２、キャパシタ２４、２次電池２６からモータ３２に供給される電流を測定するために、配線５０には、駆動インバータ３０と、キャパシタ２４や高圧補機４０などの他の構成要素との間に電流計５４が設けられている。なお、電流計５４は、モータ３２を動かすための電流量を測定できる箇所であれば、配線５０の他の箇所に配されていてもよい。
【００１４】
電源装置１５は、燃料電池システム２２と、キャパシタ２４と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２２は、後述するように発電の本体である燃料電池を備えている。この燃料電池システム２２が備える燃料電池とキャパシタ２４とは、上記配線５０に対して並列に接続されている。この配線５０には、燃料電池へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード４２がさらに設けられている。さらに、配線５０には、この配線５０に対する燃料電池の接続状態を入り切りするスイッチ２０が設けられている。また、配線５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続しており、このＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０に接続している。また、このような電源装置１５における電圧を測定するために、配線５０には、電圧計５２がさらに設けられている。
【００１５】
電気自動車１０の動きを制御するための制御部４８への入力装置としては、アクセル、ブレーキなどがある。図１では、ブレーキ５６を示している。また、電気自動車１０には、制御部４８にデータを入力するものとしては、速度センサ、加速度センサなども備えられている。これらの電気自動車１０の走行状態を把握するための各種センサについては、図１では図示を省略する。
【００１６】
図２は、燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２２は、燃料電池（ＦＣ）６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４と、水素循環ポンプ６７と、を備えている。本実施例では、燃料電池６０として、固体高分子型燃料電池を用いた。燃料ガス供給部６１は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池６０に供給する装置である。燃料ガス供給部６１は、例えば、バルブ６１ｂを備える水素ボンベとすることができる。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し、上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵することとしてもよい。このような燃料ガス供給部６１が貯蔵する水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、電気化学反応に供される。電気化学反応で利用されなかった残りの水素ガスは、水素ガス排出路６３に排出される。水素ガス排出路６３は、水素ガス供給路６２に接続している。水素ガス排出路６３には水素循環ポンプ６７が設けられている。残余の水素ガスは水素循環ポンプ６７によって水素ガス供給路６２に送られ、再び電気化学反応に供される。また、ブロワ６４が取り込んだ圧縮空気は、酸化ガス供給路６５によって、酸化ガスとして燃料電池６０のカソードに供給される。燃料電池６０から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、燃料電池システム２２において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器を、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５にさらに設けることとしても良い。
【００１７】
図１の２次電池２６としては、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。この２次電池２６は、燃料電池システム２２の始動時に、燃料電池システム２２の各部を駆動するための電力を供給したり、燃料電池システム２２の暖機運転が完了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。また、燃料電池６０が定常状態で発電を行なうときにも、負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、２次電池２６によって電力を補う。
【００１８】
また、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって２次電池２６の残存容量を検出することができる。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、目標電圧値を設定することによって、燃料電池６０からの出力電圧を調節し、燃料電池６０の発電量を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を開放する。
【００２０】
電源装置１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して配線５０に接続し、電源装置１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記モータの各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００２１】
本実施例の動力装置１７は、高圧補機４０を含む電源装置１５、モータ３２、駆動インバータ３０、および回転出力を供給するための出力軸３６を含む。図１において、出力軸３６よりも左側に描かれている各構成要素が、動力装置１７の構成要素である。
【００２２】
また、他の負荷である高圧補機４０は、燃料電池６０による発電を行なうために用いる補機類である。これらの高圧補機４０は、電源装置１５から供給される電力を、３００Ｖ以上の電圧のまま利用する装置である。高圧補機４０としては、例えば、燃料電池６０に空気を供給するためのブロワ６４や、水素ガス排出路６３と水素ガス供給路６２との間で水素ガスを循環させるための水素循環ポンプ６７が挙げられる（図２参照）。さらに、燃料電池６０を冷却するために、燃料電池６０内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ（図示せず）も、高圧補機４０に含まれる。これらの装置は、燃料電池システム２２に含まれる装置であるが、図１においては、電源装置１５の外側に、高圧補機４０として示した。
【００２３】
また、電気自動車１０は、制御部４８をさらに備えている。制御部４８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、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、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４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、残存容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、車両の運転に関して入力される指示信号を取得する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池システム２２、駆動インバータ３０、高圧補機４０などに駆動信号を出力する。
【００２４】
Ｂ．燃料電池、二次電池、キャパシタの動作：
Ｂ１．燃料電池の運転：
電気自動車１０の運転時には、制御部４８が、車両における車速やアクセル開度に基づいて、所望の走行状態を実現するために必要な電力を算出する。電気自動車１０が、燃料電池によって必要なエネルギーを得る「定常運転モード」にあるときには、制御部４８は、上記必要な電力に加えて、高圧補機４０が要求する電力や、２次電池２６の残存容量にさらに基づいて、燃料電池６０が出力すべき電力を算出する。以下で、燃料電池、二次電池、キャパシタの動作について説明する。
【００２５】
図３は、燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示すグラフである。図３に示すように、燃料電池６０から出力すべき電力ＰFCが定まれば、燃料電池６０の出力電力の特性を表す曲線より、そのときの燃料電池６０の出力電流の大きさＩFCが定まる。出力電流ＩFCが定まれば、燃料電池６０の電流−電圧の特性を表す曲線（以下、この曲線を燃料電池の「特性曲線」と呼ぶことがある。）より、そのときの燃料電池６０の出力電圧ＶFCが定まる。このようにして求めた出力電圧ＶFCを、制御部４８が目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ２８に対して指令することによって、燃料電池６０の発電量が所望量となるように制御される。
【００２６】
なお、図３に示したような、燃料電池６０の出力電流に対する出力電圧の値、あるいは出力電力の値は、燃料電池６０の内部温度によって変化する。したがって、上記のように燃料電池６０の出力電圧（目標電圧）ＶFCを定めるときには、燃料電池６０の内部温度をさらに考慮することが望ましい。
【００２７】
Ｂ２．二次電池の充放電：
本実施例の電気自動車１０では、負荷の大きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量が充分に大きい場合には、２次電池２６からも負荷に対して電力が供給される。このような場合には、制御部４８は、２次電池２６からも電力が供給されることを考慮して、燃料電池６０が出力すべき電力を決定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧を設定する。図３に示すように、燃料電池６０の出力電圧は、負荷が大きく出力電流が大きいほど低くなる。また、２次電池２６は、残存容量が大きいほど、その出力電圧が高くなるという性質を有している。そのため、負荷の大きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量が充分に大きい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧、すなわち、燃料電池６０の出力電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも低い値となる。これによって、燃料電池６０からだけでなく、２次電池２６からも高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給されるようになる。
【００２８】
これに対して、２次電池２６の残存容量が所定の値以下になると、２次電池２６を充電する必要が生じる。このとき、負荷の大きさがある程度小さく、燃料電池６０の出力に余裕がある場合には、燃料電池６０によって２次電池２６の充電が行なわれる。２次電池２６の充電を行なう場合には、負荷に対して供給すべき電力に加えて、この２次電池２６を充電するための電力が得られるように、燃料電池６０が出力すべき電力、すなわち燃料電池６０の運転状態が決定される（図３参照）。２次電池２６は、残存容量が少ないほど、その出力電圧が低くなるという性質を有している。そのため、２次電池２６の残存容量が所定の値以下の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８において設定される目標電圧、すなわち燃料電池６０の出力電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも高い値となる。これによって、燃料電池６０は、高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給するだけでなく、２次電池２６の充電を行なうようになる。
【００２９】
Ｂ３．キャパシタの充放電：
また、本実施例の電気自動車１０では、キャパシタ２４も充放電を繰り返す。キャパシタ２４は、これに残存する電荷量と出力電圧とが１対１に対応しており、残存する電荷量が多いときほど出力電圧が高く、少ないときほど出力電圧が低くなる。キャパシタ２４は、図１に示すように、配線５０に対して燃料電池６０と並列に接続されている。そのため、燃料電池６０の発電時に負荷の大きさが変動して配線５０における電圧（電圧計５２によって測定可能である）が変動すると、キャパシタ２４の電荷量は、配線５０の電圧に応じて変化する。配線５０の電圧が上昇するときには、キャパシタ２４は、燃料電池６０から電力の供給を受け、キャパシタ電圧が配線５０の電圧に等しくなるまで残存電荷量を増す。また、配線５０の電圧が低下するときには、キャパシタ２４は、燃料電池６０と共に負荷に対して電力を供給し、キャパシタ電圧が配線５０の電圧に等しくなるまで残存電荷量を減らす。すなわち、キャパシタ２４は、配線５０の電圧に応じて充放電を行なう。
【００３０】
電気自動車１０では、制動時（車両の走行時に運転者がブレーキ５６を踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３２を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これを回収する。本実施例では、このような回生において電力として回収されるエネルギは、キャパシタ２４によって吸収される。キャパシタ２４は、上記２次電池２６に比べてパワー密度の高い蓄電手段であり、充放電効率も高い蓄電手段である。すなわち、短時間のうちに充放電可能な電力量が多い。したがって、キャパシタ２４を用いることで、車両の運転者がブレーキ５６を踏み込むような短い制動時間に回生運転モードを実行する際に、回生によって生じた電力を効率よく回収することができる。
【００３１】
電気自動車１０において、駆動モータ３２が発電し回生が行われると、駆動モータ３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対して電力が供給される。本実施例では、このような回生時に駆動モータ３２から配線５０に対して電力が供給されるときの電圧（以下、説明を簡単にするために「駆動モータ３２からの出力電圧Ｖg」という）は、駆動モータの回転数や加速度の大きさによって変動するが、定常運転モード時に燃料電池６０から電力が供給される際の配線５０の電圧の上限よりも高くなりうるように設定されている。このため、キャパシタ２４の端子間電圧が燃料電池の開放電圧ＯＣＶを上回ることもある。回路５０には、ダイオード４２が設けられているので、キャパシタ２４の端子間電圧が燃料電池の開放電圧ＯＣＶを上回っても、キャパシタ２４から燃料電池システム２２に向けて電流が流れることはない。
【００３２】
Ｃ．定常運転モードと間欠運転モード：
Ｃ１．定常運転モードと間欠運転モードの切り換え：
図４は、燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図４（Ａ）は、燃料電池６０の効率および燃料電池の補機類が要する動力と、燃料電池６０の出力との関係を示す。図４（Ａ）に示すように、燃料電池６０の出力が大きくなるほど、燃料電池６０単体での発電効率は次第に低下する。一方で、燃料電池６０の出力が小さくなっても、燃料電池の補機類を駆動するために消費する動力は、それに比例して小さくなるわけではない。したがって、燃料電池６０の出力が小さくなると、燃料電池６０の出力に対する燃料電池の補機類が消費する動力は相対的に大きくなる。
【００３３】
図４（Ｂ）は、燃料電池６０の出力と、燃料電池システム２２全体の効率との関係を示す。図４（Ａ）に示した燃料電池６０単体の効率と燃料電池の補機類の消費する動力に基づいて、燃料電池システム２２全体の効率を求めると、図４（Ｂ）に示すようになる。すなわち、システム効率は、燃料電池６０の出力が所定の値のときに最も高くなり、燃料電池６０の出力が小さいときには、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が低くなる。例えば出力がＰ0以下の領域では、図４に示すように、システム効率は最大効率の６割以下の値となり、極端に低くなる。
【００３４】
本実施例の電気自動車１０では、燃料電池システム２２全体の効率が悪くなる低負荷時には、燃料電池システム２２を回路５０から切り離し、燃料電池６０によるモータ３２への電力の供給を停止する。これにより、システム全体のエネルギ効率が低下するのを防止する。燃料電池システム２２が回路に接続され、燃料電池６０が負荷の大きさに応じた電力をモータ３２に供給するような運転状態を、「定常運転モード」と呼ぶ。これに対して、モータ３２が必要とする電力はキャパシタ２４によって供給され、燃料電池６０は負荷の大きさに応じた電力をモータ３２に供給しない運転状態を「間欠運転モード」と呼ぶ。
【００３５】
図５および図６は、電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャートである。本ルーチンは、定常運転モードにおいて開始される。定常運転モードにおいては、燃料電池６０の高圧補機４０は、負荷に応じて燃料電池６０がモータ３２に電力を供給できるように、運転される。このような運転を、高圧補機４０の「定常運転」と呼ぶ。本ルーチンが実行されると、制御部４８は、まず、電圧計５２が検出する配線５０の電圧値ＶC を読み込む（ステップＳ１１０）。そして、この電圧値ＶC と、あらかじめ定めた所定の基準電圧値Ｖ2 とを比較する（ステップＳ１２０）。
【００３６】
基準電圧値Ｖ2 とは、定常運転モードから間欠運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶されているものである。配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 よりも小さい場合に、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が許容できる程度となるように、基準電圧値Ｖ2 は定められる。基準電圧値Ｖ2 は燃料電池６０の開放電圧ＯＣＶよりもある程度低い値に設定される。図３に示すように、燃料電池６０の電圧は、開放電圧ＯＣＶより低い値しかとりえず、また、図３および図４（Ａ），図４（Ｂ）に示すように、燃料電池６０の電圧が高く出力電力が低い状態では、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が低くなるためである。基準電圧値Ｖ2 は、たとえば、燃料電池の開放電圧の８０〜９０％の値とすることができる。
【００３７】
ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 以上であると判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＹｅｓとされると、処理は、ステップＳ１３０に移行する。
【００３８】
一方、ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 よりも小さいと判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１２２に移行する。ステップＳ１２２では、制御部４８は、電流計５４が検出する配線５０の電流値Ｉm を読み込む。そして、ステップＳ１２４で、電流値Ｉm が負であるか否かを判断する。なお、電流値Ｉm の正負については、水平な地面の上において、電気自動車１０がモータ３２の力で加速しており、かつ、ブレーキ５６が踏まれていないときの配線５０中の電流の向きを「正」とする。すなわち、電流値Ｉm が「正」であるときには、モータ３２が電力を消費しており、電流値Ｉm が「負」であるときには、モータ３２は発電機として機能し、発電を行っている。
【００３９】
モータ３２が仕事をしており、電力を消費しているときには、ステップＳ１２４において、電流値Ｉm が０以上であると判断され、ステップＳ１２４の判断結果がＮｏとなる。その場合には、処理は、ステップＳ１１０に戻る。すなわち、定常運転モードが維持される。一方、モータが発電を行っているときには、ステップＳ１２４において、電流値Ｉm が負であると判断され、ステップＳ１２４の判断結果がＹｅｓとなる。その場合には、処理は、ステップＳ１３０に移行する。
【００４０】
すなわち、定常運転モードにおいて、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 以上となるか（ステップＳ１２０）、または、電流値Ｉm が負となる（ステップＳ１２４）まで、ステップＳ１１０からステップＳ１２４の動作が繰り返される。その間、電気自動車１０は、定常運転モードを維持する。
【００４１】
ステップＳ１３０において、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを開状態とする。このようにスイッチ２０を開状態とすると、燃料電池６０の回路５０に対する接続が開放されるため（図１参照）、燃料電池６０からモータ３２への電力の供給は停止される。モータ３２へは、キャパシタ２４から電力が供給されるようになり、電気自動車１０は、間欠運転モードに移行する。キャパシタ２４は、既述したようにパワー密度が高く、充放電効率も高い。このため、キャパシタ２４は、スイッチ２０が開状態とされたときに、速やかに負荷が要求する電力を出力することができる。
【００４２】
燃料電池６０の高圧補機４０は、ステップＳ１３０以降では、一定の低出力で運転される。この間欠運転モードにおける一定の低出力での高圧補機４０の運転を「待機運転」と呼ぶ。「待機運転」とは、その補機の単位時間当たりの消費電力が「定常運転」における最低の単位時間当たりの消費電力以下となるような、運転状態である。そして、間欠運転モードにおいては、キャパシタ電圧ＶC が基準電圧値Ｖ012 を上回っている間は、高圧補機４０の運転は停止される。高圧補機４０の運転の「停止」とは、各補機が供給または循環させるべきガスや液体を、供給および循環させていない状態をいう。電気自動車１０の定常運転モードにおいて燃料電池の発電のために運転される燃料電池の補機類のうち、少なくとも一部の補機の運転状態が待機運転とされ、または、少なくとも一部の補機の運転が停止されている状態を、「燃料電池の待機状態」という。すべての補機の運転状態が待機運転とされ、または、すべての補機の運転が停止されている状態も、「燃料電池の待機状態」に含まれる。
【００４３】
間欠運転モードに移行すると、制御部４８は、再び電圧計５２が検出する配線５０の電圧値ＶC の読み込みを行なう（図６のステップＳ１４０）。次に、読み込んだ電圧値ＶC と、基準電圧値Ｖ1 とを比較する（ステップＳ１５０）。ここで、基準電圧値Ｖ1 とは、間欠運転モードから通常運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶されているものである。基準電圧値Ｖ1 は、既述した基準電圧値Ｖ2 の近傍の値であるが基準電圧値Ｖ2 よりも低い値として設定されている。基準電圧値Ｖ1 は、基準電圧値Ｖ2 の近傍の値であるため、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1以下である場合には、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率は許容できる程度となる。なお、基準電圧値Ｖ2 は、基準電圧値Ｖ2の８０％以上１００％未満の値とすることができる。この基準電圧値Ｖ1は、基準電圧値Ｖ2の９０％以上であることが好ましく、さらに、基準電圧値Ｖ2の９５％以上であることが好ましい。
【００４４】
ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1 より大きいと判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１４０に戻る。すなわち、間欠運転モードが維持される。一方、ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1 以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＹｅｓとなるときには、処理は、ステップＳ１５２に移行する。
【００４５】
ステップＳ１５２では、制御部４８は、ステップＳ１２２と同様、電流計５４が検出する配線５０の電流値Ｉm を読み込む。そして、ステップＳ１５４で、電流値Ｉm が０以上であるか否かを判断する。
【００４６】
モータ３２が発電を行っているときには、ステップＳ１５４において、電流値Ｉm が負であると判断され、ステップＳ１５４の判断結果がＮｏとなる。この場合には、処理は、ステップＳ１４０に戻る。すなわち、間欠運転モードが維持される。一方、モータ３２が電力を消費している場合には、ステップＳ１５４において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1 以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＹｅｓとなる。その場合には、処理はステップＳ１７０に移行する。
【００４７】
すなわち、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1 以下となり（ステップＳ１５０）、かつ、電流値Ｉm が０以上となる（ステップＳ１５４）まで、ステップＳ１４０からステップＳ１５４の動作が繰り返される。その間、電気自動車１０は、間欠運転モードを維持する。その間、制御部４８は、燃料電池６０の高圧補機４０について待機運転を行うか、または高圧補機４０の運転を停止する。
【００４８】
ステップＳ１７０において、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを閉状態とし、燃料電池システム２２を、負荷に応じてモータ３２に電力を供給するように運転する。すなわち、燃料電池６０の高圧補機４０の運転を定常運転に切り換える。ステップＳ１７０の処理によって、燃料電池６０によるモータ３２への電力の供給が再開される。そして、電気自動車１０は定常運転モードに移行する。その後、制御部４８は、処理を終了する。
【００４９】
図７は、定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。図５のステップＳ１３０においてスイッチ２０を開状態とし、定常運転モードから間欠運転モードに切り替わったときを、図７に「ＯＦＦ」と記載して示す。そして、図６のステップＳ１７０においてスイッチ２０を閉状態とし、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わったときを、図７に「ＯＮ」と記載して示す。
【００５０】
たとえば、グラフ中の状態ｐ１において、一旦、キャパシタ電圧ＶC が基準電圧値Ｖ1 に達しているので（図６のステップＳ１５０参照）、電気自動車１０は間欠運転モードから定常運転モードに移行している。定常運転モードにおいては、燃料電池システム２２とキャパシタ２４は並列に接続されるので、図７においても、キャパシタ電圧と燃料電池の電圧とは一致している。その後、状態ｐ２を経て、状態ｐ３において、ブレーキ５６が踏まれ、その結果、電流値Ｉm が負になったと判断されて（図５ステップＳ１２４参照）、電気自動車１０は定常運転モードから間欠運転モードに移行している。
【００５１】
間欠運転モードにおいては、燃料電池システム２２が回路５０から切り離される。そして、制御部４８は、燃料電池６０を待機状態する。このため、間欠運転モードにおいては、キャパシタ電圧が電気自動車の運転状態に応じて変化するのに対して、燃料電池６０の電圧は、高圧補機４０が待機運転されることによって一定値となる。待機運転は低出力の運転であるため、間欠運転モードにおいては、燃料電池６０の端子間電圧はＯＣＶ近辺の値となる。図７において、燃料電池６０の端子間電圧を一点鎖線で示す。キャパシタ電圧ＶC が基準電圧値Ｖ012 を上回った場合には、高圧補機４０は停止される
【００５２】
間欠運転モードにおいては、キャパシタ２４がモータ３２に電力を供給するので、時間の経過とともにキャパシタ電圧は低下するはずである。しかし、図７中、間欠運転モードにおいてもキャパシタ電圧が上昇している場合がある。これは、そのときに回生が行われているためである。回生が行われる結果、状態ｐ５において、キャパシタ電圧は、燃料電池の開放電圧ＯＣＶを超える値となっている。
【００５３】
一方、定常運転モードにおいては、燃料電池６０が電力を供給しているため、燃料電池６０の出力電圧の指令値が燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧となる。よって、図３に示した燃料電池の特性より、燃料電池６０が比較的多くの電力を供給する場合は、燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧は低くなり、燃料電池６０が比較的少ない電力を供給する場合は、燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧は高くなる。
【００５４】
なお、間欠運転モード時には、上記のようにキャパシタ２４から負荷に対して電力を供給するだけでなく、さらに２次電池からも負荷に対して電力を供給することとしても良い。間欠運転モードとすべき低負荷状態が長く続くときや、２次電池２６の残存容量が充分に多いときには、キャパシタ２４に加えて、さらに２次電池２６を用いることとしてもよい。
【００５５】
キャパシタ２４の電圧ＶCが、駆動インバータ３０が供給しうる上限の電圧Ｖｍａｘに等しくなったとき、キャパシタ２４には、それ以上電荷を蓄えることができなくなる。その後、さらにブレーキ５６が踏まれた場合には、減殺すべき電気自動車１０の運動エネルギーは、例えば、電気自動車１０のブレーキディスクとブレーキパッド（図示せず）との摩擦によって熱に変換され、大気中に放出される。また、高圧補機４０等を運転して、モータ３２が発電した電力を消費する場合もある。
【００５６】
上記実施例では、モータ３２が発電を行っているときには、燃料電池６０の回路５０への接続を切っている（図５のステップＳ１２４、および図６のステップＳ１５４参照）。このため、キャパシタ２４を事実上の上限、すなわち、キャパシタ電圧がＶC がＶｍａｘになるまで充電した場合、キャパシタが蓄えているエネルギーのうちの燃料電池６０の発電によるエネルギーを少なくすることができる。そして、キャパシタが蓄えているエネルギーのうちのモータ３２の発電によるエネルギーを多くすることができる。つまり、モータ３２の発電によるエネルギーをより多く回収することができる。よって、第１実施例のような動力供給装置は、電気自動車１０の全体としての効率を高めることができる。
【００５７】
Ｃ２．比較例における定常運転モードと間欠運転モードに切り換え：
図８は、比較例における電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャートである。図８の比較例においては、図５のステップＳ１２２およびＳ１２４の処理を行わない。そして、ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 よりも小さいと判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１１０に戻る。また、図８の比較例においては、図６のステップＳ１５２およびＳ１５４の処理を行わない。そして、ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ1 以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１７０に移行する。他の処理は、図５および図６のフローチャートと同様である。
【００５８】
図９は、比較例における、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。比較例においては、定常運転モード中の状態ｐ３において、ブレーキが踏まれモータ３２が発電を行って電流値Ｉm が負となっても、間欠運転モードには移行しない。そして、状態ｐ６において、配線５０の電圧値ＶC が基準電圧値Ｖ2 に達すると、間欠運転モードに移行する（図５のステップＳ１２０参照）。
【００５９】
比較例においては、図９の状態ｐ３から状態ｐ６に至るまでの区間Ｐｒｃだけ、第１実施例に比べて間欠運転モードに移行するのが遅い。対応する区間Ｐｒｃを図７においても示す。その結果、比較例においては、区間Ｐｒｃにおいて、すなわち、キャパシタ電圧が状態ｐ３のときの値Ｖp3 からＶ2 になるまでの間、燃料電池６０からキャパシタ２４に電荷が供給され続ける。キャパシタ２４の電圧ＶCが、駆動インバータ３０が供給しうる上限の電圧Ｖｍａｘに等しくなったとき、実施例の場合に比べて、区間Ｐｒｃにおいて燃料電池から供給された電荷の分だけ、モータが作り出したエネルギーの蓄積量が少なくなる。
【００６０】
Ｄ．変形例：
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。
【００６１】
上記実施例では、電流計５４の測定値に基づいてモータ３２が発電を行っているか電力を消費しているかを判断し、スイッチ２０の開閉を制御した。しかし、モータ３２が発電を行っているか電力を消費しているかの判断は、他の要素に基づいて行ってもよい。たとえば、制御部４８によるモータ３２の出力指令値が負であるか否かに基づいて行ってもよい。モータ３２の出力指令値は、モータ３２が、単位時間当たりに行うべき仕事の量を表す数値である。制御部４８によるモータ３２の出力指令値が負である場合には、モータ３２が発電を行っていると判断できる。モータ３２の出力指令値は、電気自動車１０のアクセル（図示せず）、ブレーキ５６等からの入力をもとに制御部４８が決定する。
【００６２】
さらに、ブレーキ５６のＯＮ／ＯＦＦに基づいて、モータ３２が発電を行っているか否かを判断することとしてもよい。ブレーキ５６がＯＮである場合には、モータ３２が発電を行っていると判断される。すなわち、モータ３２の駆動インバータ３０の運転状態を表す測定値、または駆動インバータ３０の運転状態を決定する入力値のうちのいずれかに基づいて、モータ３２が発電を行っているか、電力を消費しているかを判断することができる。
【００６３】
上記の第１実施例では、電気自動車１０の動力装置は２次電池２６を備えていた。しかし、電気自動車の動力装置は、２次電池２６を備えない態様とすることもできる。
【００６４】
さらに、上記実施例では、燃料電池と並列に回路に接続される蓄電器はキャパシタであった。しかし、他の種類の蓄電器が燃料電池と平行に回路に接続されている態様とすることもできる。蓄電器としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。
【００６５】
上記実施例においては、キャパシタ２４の電圧ＶCの値と、回路５０の電流Ｉmの値に基づいて、スイッチ２０の開閉を決定していた。しかし、他の要素をも考慮してスイッチ２０の開閉を決定する態様とすることもできる。そのような場合には、例えば、定常運転モードにおいて、キャパシタ２４の電圧ＶCの値が基準電圧値Ｖ2 以上であり、または電流Ｉmの値が負であっても、スイッチ２０が開状態とされないこともある。
【００６６】
すなわち、キャパシタと燃料電池を含む動力装置は、燃料電池と回路とをつなぐスイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とするモードを有するものであればよい。そして、電動機が電力を消費しているときに、蓄電器の電圧に応じてスイッチを閉状態または開状態とするモードを有するものであればよい。
【００６７】
また、第１実施例では、配線５０に対する燃料電池６０の接続を入り切りするスイッチ２０は、燃料電池６０の２つの端子のそれぞれに対して設けたが、どちらか一方だけにスイッチを設けることとしても良い。間欠運転モードにおいて、燃料電池６０からの出力を、停止させることができればよい。
【００６８】
さらに、上記実施例では、間欠運転モードにおいて、キャパシタ電圧が所定値以上である場合には、高圧補機４０の運転を停止していた。すなわち、高圧補機４０の運転の停止と再開を同じ基準電圧で行っていた。しかし、高圧補機を停止するか否かの判断基準となる基準電圧と、高圧補機の運転を再開するか否かの判断基準となる基準電圧とを異なる値とすることもできる。たとえば、高圧補機を停止するための基準電圧を、高圧補機の運転を再開ための基準電圧よりも高くすることが好ましい。そのような態様とすれば、高圧補機４０の運転の停止および再開を安定して行うことができる。
【００６９】
既述した実施例では、燃料電池システム２２は、燃料ガスとして水素ガスを用いることとした。これに対して、燃料ガスとして、改質ガスを用いる構成も可能である。このような場合には、図２に示した燃料電池システム２２において、燃料ガス供給部６１として、水素を貯蔵する装置に代えて、改質ガスを生成する装置を備えることとすればよい。具体的には、改質反応に供する改質燃料および水を貯蔵するタンクや、改質触媒を備える改質器、さらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための反応を促進する触媒を備える反応部などを備えることとすればよい。
【００７０】
そして、燃料ガスとして改質ガスを用いる構成においては、スイッチ２０が閉状態であってモータ３２が発電を行うときに、スイッチ２０を開状態とするとともに、燃料電池を待機状態とすることが特に好ましい（図５のステップＳ１３０参照）。このような構成とすることで、モータ３２が発電を行うときに、燃料電池の発電に利用されずに排出されてしまう燃料ガスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図。
【図２】燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図。
【図３】燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図。
【図４】燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図。
【図５】運転モードの切り換えルーチンを表わすフローチャート。
【図６】運転モードの切り換えルーチンを表わすフローチャート。
【図７】定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図。
【図８】比較例における電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャート。
【図９】比較例における、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図。
【符号の説明】
１０…電気自動車
１５…電源装置
１７…動力装置
２０…スイッチ
２２…燃料電池システム
２４…キャパシタ
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…モータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…高圧補機
４２…ダイオード
４８…制御部
５０…配線（回路）
５２…電圧計
５４…電流計
５６…ブレーキ
６０…燃料電池
６１…燃料ガス供給部
６１ｂ…バルブ
６２…水素ガス供給路
６３…水素ガス排出路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路
６７…水素循環ポンプ
ＩFC…出力電流
Ｉm…駆動インバータ３０に流れる電流
ＯＣＶ…燃料電池の開放電圧
ＰFC…燃料電池が供給する電力
Ｐｒｃ…比較例において燃料電池が配線に接続されている区間
ＶC…キャパシタ電圧
ＶFC…出力電圧
Ｖg…出力電圧
Ｖｍａｘ…駆動インバータ３０が供給しうる最高の電圧値
ｐ１〜ｐ３，ｐ５，ｐ６…燃料電池の運転状態
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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