(57)【要約】  【課題】  燃料電池を動力源とする自動車などの移動体用の燃料電池システムのほか、設置タイプの燃料電池システムの効率を大幅に改善することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。  【解決手段】  燃料電池またはさらに燃料改質器を有する燃料電池システムにおいて、これらの燃料電池および燃料改質器の少なくとも一方をそれぞれ複数のユニットに分割する。燃料電池の分割数は２〜４、燃料改質器の分割数は２〜５とする。燃料電池を複数のユニットに分割する場合には、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するようにする。【選択図】        図１
2006073353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を複数のユニットに分割してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記燃料電池の分割数が２〜４であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料改質器を有する燃料電池システムにおいて、
上記燃料改質器を複数のユニットに分割してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
上記燃料改質器の分割数が２〜５であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池および燃料改質器を有する燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池および上記燃料改質器をそれぞれ複数のユニットに分割してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
上記燃料電池の分割数が２〜４、上記燃料改質器の分割数が２〜５であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池を複数のユニットに分割し、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するように構成されてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
上記燃料電池の分割数が２〜４であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１３または１４記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１３または１４記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池を複数のユニットに分割し、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１８】
上記燃料電池の分割数が２〜４であることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１９】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１７または１８記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２０】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項１７または１８記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２１】
可逆燃料電池または水電解装置による水電解により回生エネルギの回収を行う燃料電池システムにおいて、
上記可逆燃料電池または水電解装置を複数のユニットに分割してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
上記可逆燃料電池または水電解装置の分割数が２〜５であることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
上記燃料電池システムは移動体用燃料電池システムまたは定置用燃料電池システムであることを特徴とする請求項２１または２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
上記燃料電池システムは自動車用燃料電池システムであることを特徴とする請求項２１または２２記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
燃料電池のカソードに純酸素を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関し、例えば、自動車などの移動体用の燃料電池システムや、負荷変動を伴う設置タイプの燃料電池システムに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車の高効率運転を支える技術の１つに、大容量キャパシタを用いた回生エネルギの再利用システムが知られている（非特許文献１〜４）。市街地の自動車の走行では、発進・停止や加速・減速を伴う運転が頻繁に生じており、停止時や減速時の回生エネルギを回収して再利用することは、移動体のエネルギ効率を向上する技術として重要である。燃料電池自動車の回生エネルギの回収及び再利用を実施する手段として、現在では、バッテリや大容量キャパシタを組み合わせたハイブリッド方式が多く検討されており（非特許文献５）、特に大容量キャパシタの開発は目覚しく、エネルギ密度、出力密度及び充放電効率が非常に高い製品も発表されている（非特許文献６）。
【非特許文献１】A. M. Walker, M. U. Lamper and S. Wilkins, SAE Trans., 111(2002), 2139-2145
【非特許文献２】佐々木正和，日本機械学会年次大会講演論文集，8(2002), 129-130
【非特許文献３】西川省吾，岡崎昭仁，荒木修一，佐々木正和，自動車技術，59-9(2002), 81-86
【非特許文献４】荒木修一，自動車技術，55-5(2001), 96-97
【非特許文献５】成澤和幸，林田守正，倉蔦大輔，室岡絢司，紙屋雄史，交通安全環境研究所報告第2 号，独立行政法人交通安全環境研究所，(2002), 1-3
【非特許文献６】［平成１６年２月１０日検索］、インターネット〈HONDA, Fact book, ＵＲＬ：http://www.honda.co.jp/factbook/auto/fcx/200212/05.html 〉
【０００３】
燃料電池自動車の回生エネルギの回収及び再利用を実施する手段としては、上記のほかに、燃料電池自動車に水電解を行う手段として電気分解装置を設けて回生エネルギを回収し、水素ガスを生成し、これを一旦高圧タンクに貯蔵し、燃料電池に供給する技術が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−９９７０７号公報
【０００４】
なお、非特許文献７には、燃料電池セルの出力特性の測定結果例が報告されている。
【非特許文献７】M. Badami and C. Caldera, SAE Tech. Paper 2002-01-0100, (2002), 1-10  また、非特許文献８には、燃料電池自動車の走行モデルとして、ＬＡ４走行モードと呼ばれるものが報告されている。
【非特許文献８】T. C. Austin, ARB Contract No. A932-185, (1993), 121-122, Sierra Research, Inc．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池自動車のエネルギ効率を向上するためには、上で述べた回生エネルギの再利用技術だけでは不十分であり、低負荷時の部分負荷運転での効率改善を要する。
また、実際の燃料電池及び水電解装置での出力と効率との関係は非線形であることがほとんどであり、燃料電池及び水電解装置を運転する際の動作点を考慮していない従来の技術では、燃料電池自動車の運転効率を大幅に改善することは困難である。
【０００６】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、燃料電池を動力源とする自動車などの移動体用の燃料電池システムのほか、設置タイプ、即ち定置用の燃料電池システムの効率を大幅に改善することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、従来の自動車用燃料電池システムなどの燃料電池システムにおいて単一のものとして構成されている燃料電池や燃料改質器を複数のユニットに分割して各ユニットの最大出力を小さくすること、その場合に効率の低い部分負荷の運転状態にある燃料電池ユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、その際の余剰電力を水電解装置などに供給して水素及び酸素を生成することが有効であることを見出した。さらに、自動車などの回生エネルギの回収を、可逆燃料電池または水電解装置を適度な個数のユニットに分割したものでの水電解により行うことで、部分負荷での効率低下を改善することができることを見出した。これに加え、従来の燃料電池では、カソードには空気が供給され、その空気中に含まれる酸素が酸化剤として用いられているが、カソードに空気ではなく、ボンベなどからの純酸素を供給することにより良好な出力特性を得ることができ、ひいては効率を向上することができることを見出した。
この発明は、上記の研究結果に基づいてさらに検討を行った結果、案出されたものである。
【０００８】
すなわち、第１の発明は、
燃料電池を複数のユニットに分割してなることを特徴とする燃料電池システムである。
第２の発明は、
燃料改質器を有する燃料電池システムにおいて、
燃料改質器を複数のユニットに分割してなることを特徴とするものである。
【０００９】
第３の発明は、
燃料電池および燃料改質器を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池および燃料改質器をそれぞれ複数のユニットに分割してなることを特徴とするものである。
第４の発明は、
燃料電池を複数のユニットに分割し、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するように構成されてなることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
第５の発明は、
燃料電池を複数のユニットに分割し、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
第６の発明は、
水電解装置または可逆燃料電池による水電解により回生エネルギの回収を行う燃料電池システムにおいて、
水電解装置または可逆燃料電池を複数のユニットに分割してなることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、好適には、燃料電池の分割数は２〜４、燃料改質器の分割数は２〜５、水電解装置または可逆燃料電池の分割数は２〜５である。また、燃料電池システムは、各種車両に代表される移動体用の燃料電池システム、取り分け自動車用燃料電池システムや、各種の定置用燃料電池システムである。
第７の発明は、
燃料電池のカソードに純酸素を供給することを特徴とする燃料電池システムである。
ここで、純酸素は専用のボンベあるいは供給配管を介して供給される。燃料電池は、必要に応じて上記と同様に分割してもよい。そのほか、第１〜第６の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００１２】
第１〜第３の発明によれば、燃料電池あるいは燃料改質器あるいはこれらの双方を複数のユニットに分割することにより、これらのユニットの最大出力を小さく設定することができることから、運転動作点を高い効率の領域にシフトすることができ、効率の低い部分負荷となる運転領域を減らすことができる。従って、燃料消費量を低減することができ、燃料電池システムの効率を改善することができる。
また、第４または第５の発明によれば、燃料電池を複数のユニットに分割し、これらのユニットのうちの部分負荷の運転状態にあるユニットの発電量をその運転動作点が高効率側にシフトするように増し、この際の余剰電力を水電解装置または可逆燃料電池に供給して水素及び酸素を生成するように構成しているため、全体として燃料消費量を低減することができ、燃料電池システムの効率を改善することができる。
また、第６の発明によれば、水電解装置または可逆燃料電池を適度な個数の複数のユニットに分割し、これらのユニットでの水電解により自動車などの回生エネルギの回収を行うことにより、部分負荷による効率低下を大幅に低減することができ、全体として燃料消費量を低減することができ、燃料電池システムの効率を改善することができる。
また、第７の発明によれば、燃料電池のカソードに空気ではなく純酸素を供給することにより、空気を供給する場合に比べて出力特性が良好になり、ひいては燃料消費量を低減することができ、燃料電池システムの効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
この一実施形態では、自動車用燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転動作点を、効率の低い部分負荷にならないような高効率領域にシフトして運転する。ここでは、燃料電池及び燃料改質器の容量を分割して、個々のユニットの最大出力を小さくするものとする。燃料電池を分割したユニットを、以下では燃料電池ユニットと称することとし、次に述べる方法で燃料電池自動車の部分負荷時の効率改善と回生エネルギの再利用とを行う。すなわち、（１）燃料電池及び燃料改質器を複数のユニットに分割して、各ユニットの最大出力を小さく設定することで効率の低い部分負荷の運転領域を減らす、（２）部分負荷の運転状態となる燃料電池ユニットについては、その運転動作点を強制的に高効率側にシフトすることとし、これにより生じる余剰電力を用いて、別の燃料電池ユニットによる水電解を実施して水素及び酸素を生成する。ここで生成した水素及び酸素を各ボンベに圧縮貯蔵して、任意の燃料電池ユニットに供給して発電を行う。また、（３）減速時や停止動作の際には、駆動用モータで発電した電力で燃料電池ユニットによる水電解を行い、生成した水素及び酸素をやはり圧縮して各ボンベに貯蔵する。以上のように、ここでは、効率の低い部分負荷時の効率改善と回生エネルギの再利用による高効率化とを燃料電池ユニットによる水電解で実施するもので、バッテリ容量の削減と、電力を持続して保有することに課題のあるキャパシタを要さない、高効率な自動車用燃料電池システムについて説明する。
【００１４】
また、詳細は後述するが、ＬＡ４走行モードのパターン（非特許文献８）を導入して、発電運転または水電解運転に切り替えて使用できる燃料電池ユニットと、メタノール水蒸気改質器を搭載した燃料電池自動車の燃料消費に関する解析を行う。さらに、上で述べた（１）〜（３）の各効果を見積もり、システム全体でのエネルギ効率の改善効果について説明する。
【００１５】
まず、水電解が可能な車載用燃料電池システムについて説明する。
この一実施形態による燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の動力システムの概要を図１に示す。図１に示すように、燃料タンク１に燃料としてメタノール水溶液を充填し、燃料改質器２では、この燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する。この改質反応後の改質ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）などの電池電極を被毒する物質が含まれるが、燃料改質器２中には、これらを無毒化するような処理手段（ＣＯの酸化反応器など）（図示せず）も含まれている。この場合、この燃料改質器２は同じ容量で複数、具体的には２〜５個に分割されているが、以下ではこれを燃料改質器ユニット２ａと称することとする。燃料改質器ユニット２ａで生成した水素リッチな改質ガスを、複数、具体的には２〜４個の燃料電池ユニット３ａを集合した燃料電池３のアノードに供給し、カソードにはブロワ４で空気を供給して発電を行う。燃料電池３で発電した電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５とインバータ６とを介して、自動車の駆動用交流モータ７に供給するが、一部の電力はコールドスタート時の燃料改質器２の暖機運転と制御器や補機の電源として用いるバッテリ８に供給する。燃料電池ユニット３ａの発電運転で生成した水は、水タンク９に貯蔵する。ここでは、すべての燃料電池ユニット３ａで水電解が可能であり、水電解を行う燃料電池ユニット３ａの水はこの水タンク９から供給する。また、水電解に要する電力は他の発電運転する燃料電池ユニットから供給し、これにより生成する水素及び酸素は、それぞれ圧縮機１０、１１を介して水素・改質ガスタンク１２及び酸素タンク１３に圧縮貯蔵する。燃料電池ユニットでの発電は、上で述べた水素リッチな改質ガスと空気とを供給して行うほかに、貯蔵した水素・酸素を供給して行うこともできる。符号１４〜１６は制御弁を示す。
【００１６】
図２は、この燃料電池システムの電力及び物質の系統図を示す。図２に示すように、すべての燃料電池ユニット３ａの改質ガス系統、空気系統、水素系統、酸素系統の各配管を結んでネットワークが構築されている。さらに、発電運転を行う各燃料電池ユニット３ａから排出される水を回収するための、配管系統と水タンクとが設けられている。パワーコントローラ１７は、すべての燃料電池ユニット３ａの運転を管理する制御器で、発電運転する燃料電池ユニットと水電解運転する燃料電池ユニットとの割り当て、及びすべての制御弁の開閉の指令を行う。パワーコントローラ１７により発電運転に指定された燃料電池ユニット３ａでは、アノードに対して改質ガスまたはボンベ中の水素を供給し、カソードに対しては空気またはボンベ中の酸素を供給する。
【００１７】
図３に、非特許文献７において報告された燃料電池セルの出力特性の測定結果の例を示す。カソードに空気を供給する場合と酸素を供給する場合とでは、酸素分圧の関係から、図３に示すように出力特性が異なる。同様に、アノードに改質ガスを供給する場合と、水素を供給する場合とによっても出力特性は異なるものの、実際の実験では、カソードに空気もしくは酸素を供給したときの差に比べると、その差は僅かである。ただし、この場合の改質ガス中には、燃料電池の電極を被毒するガス成分が完全に除去されているものとする。ここでは簡単のため、改質ガスと水素の違いによる燃料電池ユニットでの出力特性の差については扱わないこととし、また、カソードでの出力特性の違いについては、酸素濃度が上がるようにブロワ４での空気流量を増やすことで、酸素を供給したときの出力と同じものとして扱う。燃料電池での発電や燃料改質器を構成する各触媒層の熱バランスについては、十分に安定した制御が施されるものとする。
【００１８】
この燃料電池システムの部分負荷時の効率改善と回生エネルギの回収及び再利用とに関するモデルを図４（ａ）〜（ｆ）に示す。図４（ａ）は簡単な負荷パターンモデルの一例を示し、図中に示すようにＰ１及びＰ２の２つの負荷ピ−クを設定している。また、図４（ａ）中の破線より下の部分では、燃料電池ユニットの運転は効率の低い部分負荷となる領域であるものとする。図４（ｂ）は、図４（ａ）の負荷パターンモデルについて、燃料電池自動車が走行する際の、従来の方法による水素消費量のモデルである。負荷パターンモデルでのピークＰ１に至るまでのＲ１の部分は、低負荷により効率の低い部分負荷運転の領域である。Ｒ１領域から抜けてＰ１に至る領域Ｒ２では、効率の低い部分負荷を脱して高い効率での運転が行われる。図４（ｃ）は、この負荷モデルでの部分負荷運転に関する領域と、回生エネルギの回収を行うことができる領域とを示した図で、図中のＰＬ１及びＰＬ２の両領域は効率の低い部分負荷運転となる部分で、ＲＥ１及びＲＥ２の両領域は自動車の減速・停止動作により、回生エネルギを回収することができる部分である。図４（ｄ）は、効率の低い部分負荷運転の際の、燃料電池ユニットでの水素消費量を模擬したモデルである。燃料電池ユニットの運転領域が部分負荷により低効率となる際には、その動作点を高効率となるようにシフトすることとし、ＰＬ１領域での燃料電池ユニットの水素消費量は、図中のハッチング領域Ａの面積の量だけ増加する。また、ＰＬ２領域での部分負荷運転に関する水素消費量の増加は、図中のハッチング領域Ｂの面積に相当する。燃料電池ユニットの運転動作点をシフトすることで、領域Ａ及び領域Ｂの面積に相当する水素量が生成され、これをタンクに貯蔵する。また、図４（ｅ）は回生エネルギの回収を水電解で行うときの、水素生成量に関するモデルである。図中の直線Ｃ及び直線Ｄは、図４（ｃ）中に示したＲＥ１領域及びＲＥ２領域での回生エネルギの回収に伴う水素生成を示す。一方、図４（ｆ）は燃料改質器で生成する水素量のモデルであるが、上で述べたように、水素の生成に関しては、効率の低い部分負荷での運転動作点のシフト（図４（ｄ））によるものと、回生エネルギの回収（図４（ｅ））によるものとがあり、これらを考慮すると、改質器は以下のような運転パターンとなる。
【００１９】
図４（ｆ）中のＲ３領域は、効率の低い部分負荷運転の領域Ｒ１及び高効率な運転領域Ｒ２での、燃料電池ユニットで消費する水素量に相当する。領域Ｒ１では、高効率運転となるように運転動作点のシフトを行うことから、上で述べたように、その時点では余剰な水素が生じる。この余剰水素を時間シフトして燃料電池ユニットでの発電運転に導入することから、図４（ｆ）中の面積ＬＡ（図４（ｄ）中の面積Ａに相当）だけ燃料改質器の運転は短縮する。従って、燃料改質器はサンプリング時刻Ｔ１からＴ２’の間での運転となる。同様に、領域Ｒ４での燃料改質器の運転時間も短縮し、効率の低い部分負荷運転領域ＰＬ２（図４（ｃ））についての、運転動作点のシフトで生成する余剰水素量をＬＢ（図４（ｄ）中の面積Ｂに相当）で表すと、燃料改質器の運転時間はＴ３からＴ４’となる。さらに、図４（ｅ）で示した直線Ｃでの回生エネルギの回収で得た余剰水素量をＬＣとすると、この領域での燃料改質器の運転時間はさらに短縮して、Ｔ３からＴ４”までの運転となる。
【００２０】
図５はエネルギ出力の経路を示すモデルで、（ａ）は「燃料改質器→燃料電池ユニット→ＤＣ−ＤＣインバータ」という従来方法での経路である。一方、この一実施形態では、効率の低い部分負荷運転時（時刻はｔ）には、（ｂ）に示すように、一部の燃料電池ユニットで水電解運転を行い、水素・酸素を生成して貯蔵しておく。そして、任意の時刻ｔ’に任意の燃料電池ユニットに貯蔵した水素・酸素を供給して発電を行う。従って、従来方法（ａ）での効率（ηRM,u,t×ηGR,n,t）よりも（ｂ）のシステムの効率が有利となるのは、効率の積（ηRM,u,t×ηEL,m,t×ηGR,n',t'）に電力消費ΔＥC,H2,t及びΔＥC,O2,tを考慮した、全体効率が高くなるような運転動作点が存在する場合である。
【００２１】
次に、この燃料電池システムの電力・物質収支と燃料電池自動車の運動式とについて説明する。
まず、この燃料電池システムの電力収支と物質収支について説明する。
発電運転する燃料電池ユニットがＮ台で、水電解運転する燃料電池ユニットがＭ台であるときの、サンプリング時刻ｔでのエネルギ収支と物質収支とについて以下に述べる。各式中の記号については、図２中のものと対応している。
【００２２】
（１）電力に関する収支式
式（１）の左辺は燃料電池ユニットで発電する電力出力を表し、右辺は駆動用モーターの軸出力（ＰF,t ）と、水電解運転する燃料電池ユニットで消費する電力（ＥEL,m,t）、及びシステムで電力を消費する各要素（Δを含む項）での電力消費を表す。水電解運転により水素及び酸素を生成した際には、各ガスを圧縮機でボンベに圧縮貯蔵する。この圧縮仕事については、ΔＥC,H2,tとΔＥC,O2,tとの電力消費を伴う。また、カソードに空気を供給する際には、後述するように、ブロワに要する空気流量に比例した電力消費（ΔＥBW,t）を伴う。
【数１】
2006073353.tif 000003
【００２３】
（２）改質ガス及び水素に関する収支式
式（２）の左辺は、燃料電池ユニットで水電解運転して生成する水素流量（ＱEL,m,H2 ,t）と、水素ボンベから供給する水素流量（ＱCY,H2 ,t）、及び燃料改質器をＵ個のユニットに分割したときの、番号ｕの燃料改質器ユニットで出力する改質ガス中の水素流量（ＱRM,u,t）を表す。また、右辺については、発電運転する燃料電池ユニットでの水素消費量を示す。
【数２】
2006073353.tif 000004
【００２４】
（３）空気及び酸素に関する収支式
式（３）の左辺は、Ｍ台の燃料電池ユニットで水電解運転して生成する酸素流量（ＱEL,m,O2,t ）と酸素ボンベ及びブロワから供給する酸素流量（ＱCY,O2,t ，ＱBW,t）とを示し、右辺は発電運転する燃料電池ユニットでの酸素消費量を表す。
【数３】
2006073353.tif 000005
【００２５】
（４）水に関する収支式
式（４）は水に関する収支式で、左辺は、燃料電池ユニットで発電運転する際に生成する水の流量（ＱGR,n,H2O,t）と水タンクから供給する水の流量（ＱWT,t）で、右辺は燃料電池ユニットでの水電解運転で消費する水の流量（ＱEL,m,H2O,t）を表す。
【数４】
2006073353.tif 000006
【００２６】
次に、燃料電池自動車の運動特性式について説明する。
ここで想定する燃料電池自動車の力学モデルを図６に示す（非特許文献７）。さらに、サンプリング時刻ｔからｔ＋１までの間の、燃料電池自動車の加速及び定常走行時の動特性を式（５）で表す。式（５）の右辺の括弧内の値は、燃料電池で発電した電力で得る、自動車の進行方向の駆動力（ＸF,t ）と、空気抵抗（ＤAer,t ）及び車輪のころがり抵抗（ＤRot,t ）との差で、この値を自動車の質量ＭW で除して自動車の加速度（ｄＶa,t ／ｄｔ）を計算する。ＤAer,t ，ＤRot,t の各値については、式（８）及び式（９）から計算する。また、自動車の制御時（減速及び停止動作）の動特性については、式（６）で表す。式（１０）は、駆動輪のころがり抵抗係数の計算式で、定数ＦR と速度の２乗に関する定数ＫR とを与えて計算する。また、式（１１）は駆動輪が地面から受ける鉛直方向の力（ＺF,t ）の計算式で、モーメントのつりあいから導かれる。
【数５】
2006073353.tif 000007
【００２７】
次に、この発明の実施例について説明する。
（１）燃料電池の発電及び水電解の特性
燃料電池での発電及び水電解運転の効率はその動作点で異なる。図７（ａ）及び（ｂ）は、燃料電池ユニットの発電運転及び水電解運転の測定結果の一例である。水素供給量に対する発電量の関係及び電力供給量に対する水素生成量の関係は、本解析に適用する燃料電池ユニットの容量範囲では、図７（ａ）及び（ｂ）のものと同じであるものとする。また、燃料電池ユニットの発電運転時に、カソードに空気を供給するブロワについては、風量０．０１ｍ3 ／ｓあたり１５０Ｗの電力消費量とする。
【００２８】
（２）改質器の特性
図８に、市販のメタノール水蒸気改質器の、負荷割合とメタノールの水素への転化率との関係を示す。図８に示すように、最大負荷のおよそ２５％以下の部分負荷では効率が低いが、２５％を超えると高い効率での出力となる。この一実施例では、導入する燃料改質器ユニットの容量によらず、図８の負荷と転化率の特性が維持されるものとして解析を行う。
【００２９】
（３）解析方法
燃料電池自動車の走行モデルとして、図９に示したＬＡ４走行モード（非特許文献８）を導入する。また、表１にはＬＡ４走行モードの代表的な値を示し、解析で想定する燃料電池自動車の仕様と条件を表２に示す。さらに、表３には燃料電池システム及び補機の概要を示す。
【表１】
2006073353.tif 000008
【表２】
2006073353.tif 000009
【表３】
2006073353.tif 000010
【００３０】
以下、解析方法の概要について述べる。図９に示したＬＡ４走行モードのパターンと、上記の式（５）〜式（１１）とを用いて、自動車の駆動輪のトルクＴt を計算する。この値から、駆動用モータの軸出力ＰF,t を求め、この結果と、表３中の各値から求めた補機の電力消費量とを式（１）に導入することで、燃料電池で発電する電力量が決まる。この電力量を燃料電池ユニットの最大出力で除することで、最大出力で発電する燃料電池ユニットの台数が決まる。剰余となる電力については、他の１台の燃料電池ユニットで対応するが、この電力量を発電する燃料電池ユニットでは、効率の低い部分負荷となることがある。この際には、高効率となるように負荷を増して高負荷側へ運転動作点をシフトすることとすると、燃料電池ユニットでは余剰となる電力が生じることから、この電力を用いて他の燃料電池ユニットで水電解を行う。このようにして、各燃料電池ユニットでの発電量と水電解に用いる電力量とが決まる。さらに、燃料電池ユニットでの発電及び水電解運転に要する水素・酸素の量と、水の生成・供給量とを物質収支式（２）〜式（４）に導入して、サンプリング時刻毎での改質ガスの流量や水素・酸素ボンベの容量、及び水タンクの容量を見積もることができる。上で述べた改質ガスの流量からは、メタノールの供給量を計算することができる。
図１０に、車輪のトルク及び電力の時間変化を示す。
以下の解析では、表４に示すケースＡ〜ケースＰの燃料改質器ユニット及び燃料電池ユニットの容量と台数（分割数）とを想定して数値実験を行う。
【表４】
2006073353.tif 000011
【００３１】
（４）ＬＡ４走行モードでの燃料消費の結果
図１１は、ここで想定する燃料電池自動車にＬＡ４走行モードを導入して解析したときの、サンプリング時刻毎でのメタノール消費量の結果である。図１１の解析では、ケースＢ、ケースＤ、ケースＮ及びケースＰのそれぞれについて、（ｉ）燃料改質器及び燃料電池を表４の各ケースに示すように複数のユニットに分割して、各ユニットの最大出力を小さく設定することで部分負荷となる運転領域を減らす方法、（ii）部分負荷の運転状態となる燃料電池ユニットについては、負荷を加えてその運転動作点を高効率側にシフトして、この際の余剰電力を用いて別の燃料電池ユニットで水電解を行って水素及び酸素を生成する方法、（iii)減速及び停止動作の際に、駆動用モータで発電して燃料電池ユニットによる水電解を行って、生成した水素及び酸素を圧縮して各ボンベに貯蔵し、時間シフトして任意の燃料電池ユニットでの発電に用いる方法、の３つについて調査した。また、図１１中のケースＢ、ケースＤ、ケースＮ及びケースＰ中の各線分は、上で述べた（ｉ）＋（ii）＋（iii)の方法でのメタノール消費量の結果を結んだもので、従来方法（図１１中の記号−）に対する減少幅がわかる。図１１中では、何れかの方法によるメタノール消費量が、従来方法よりも多くなる場合（例えば、ケースＢでのサンプリング時刻２００秒や１１７５秒などのピーク）が出現する。この理由は、従来方法（燃料改質器ユニットは１００ｋＷで１台）による燃料改質器の運転効率に対して、容量の小さい燃料改質器ユニットで対応する際には、効率の高い高出力で運転する燃料改質器ユニット（負荷を燃料改質器ユニットの容量で除した商）のほかに、効率の低い部分負荷運転となるユニット（負荷を燃料改質器ユニットの容量で除した剰余）があり、トータルでは従来方法の方が有利となることによる。
【００３２】
（５）効率の改善効果
図１２は、ケースＡ〜ケースＰのそれぞれについての、ＬＡ４走行モードの１サイクルで消費する積算消費燃料量の解析結果である。従来方法と（ｉ）の方法との解析結果を比べると、例えば、ケースＢ及びケースＤ（燃料改質器ユニット１０ｋＷ、１０台）のほうがケースＮ及びケースＰ（燃料改質器ユニット１００ｋＷ、１台）よりも積算消費燃料量は少ない。この違いは、燃料改質器ユニットの容量が大きく異なるのに対してわずかである。（ｉ）の方法によると、従来方法に比べて１２〜１７％の燃料消費量の削減効果がある。また、ケースＢ及びケースＮ（燃料電池ユニット５０ｋＷ、２台）での（ｉ）＋（ii）の方法による積算消費燃料量の解析結果のほうが、ケースＤ及びケースＰ（燃料電池ユニット１０ｋＷ、１０台）のものよりも小さいことから、燃料電池ユニットの容量を大きく設定する（即ち燃料電池の分割数を小さくする）ほうが有利である。この理由は、燃料電池ユニットの容量を大きく設定することで、効率の低い部分負荷運転領域が広く設定されることとなり、水電解による運転動作点の高効率側へのシフトの機会が増えるものと推察される。この際に生成した水素・酸素を時間シフトして発電に利用するほうが、燃料電池ユニットの容量を小さく設定して運転する場合よりも、有利となることが多いためであると考えられる。（ｉ）に（ii）を付加したときの方法によるケースＢ及びケースＮでの（ｉ）のみに対する積算消費燃料量の減少割合は、１３〜１４％である。一方、ケースＤ及びケースＰについては１％未満であり、燃料電池ユニットの小容量化を行うと、水電解運転の機会が減少して、部分負荷運転時の効率改善が見込めなくなる。さらに、（ｉ）＋（ii）の方法に（iii)の方法を加えると、（ｉ）＋（ii）と比較して、ケースＢで２０％、ケースＤで１６％、ケースＮ及びケースＰで７％の積算消費燃料量の削減となる。
【００３３】
図１３は、ケースＢ、ケースＤ、ケースＮ及びケースＰについて、図１２の解析結果に基づいて計算した、ＬＡ４走行モードでの燃料電池自動車のエネルギ効率の結果である。ここでの燃料電池自動車のエネルギ効率とは、図１２に示した各ケースでの燃料消費量について、燃料の発熱量を用いて熱量を計算し、この値をＬＡ４走行モードの全区間を走行する際に要するエネルギ量（図１０の下の図の正の値を積算した量）で除した値で定義する。従来方法によるエネルギ効率は０．１０５であるが、図中に示すように、すべてのケースでエネルギ効率の改善が見られる。本解析ではケースＢの結果が最も良く、従来方法と比較して１．７２倍のエネルギ効率の向上となる。また、最も効率が小さいケースＰでも１．２３倍の効率向上が見込まれる。以上の結果から、（ｉ）から（iii)の方法によりエネルギ効率を改善する場合には、燃料改質器ユニットの容量を小さくする一方で、燃料電池ユニットの容量を大きく設定することが有利であると考えられる。
【００３４】
以上のように、燃料電池自動車の効率改善を、（ｉ）燃料改質器及び燃料電池を複数のユニットに分割して、各ユニットの最大出力を小さく設定することで部分負荷となる運転領域を減らす方法、（ii）部分負荷の運転状態となる燃料電池ユニットについては、負荷を加えてその運転動作点を高効率側にシフトして、この際の余剰電力を用いて、別の燃料電池ユニットで水電解を行い水素及び酸素を生成する方法、（iii)回生エネルギの回収を燃料電池ユニットによる水電解で行い、生成した水素及び酸素を圧縮貯蔵して、時間シフトして発電に利用する方法、で実施することにより次のような効果が得られる。
【００３５】
即ち、従来の方法と比較して、上記の（ｉ）から（iii)の方法を導入すると、最大で２０％、最小で７％の燃料消費量の削減となる。また、ここで想定した燃料電池自動車のエネルギ効率は、従来方法と比較して、１．２３〜１．７２倍の改善効果があるものと見積もられる。また、上で述べた（ｉ）から（iii)の方法を導入してエネルギ効率を改善するときに、燃料改質器ユニットの容量を小さく設定し、燃料電池ユニットの容量を大きく設定することで、その効果は大きなものとなる。
【００３６】
図１４は、水電解装置について、表５に示すケースＱ〜ケースＵのそれぞれのエネルギ効率の計算結果を示す。図１４より、水電解装置の分割数を増すことにより効率が向上しているが、分割数が５を超えるとそれ以上効率は向上していないことがわかる。
【表５】
2006073353.tif 000012
【００３７】
以上、この発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施形態による燃料電池自動車の動力システムを示すブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態による燃料電池自動車の改質ガス、水素、酸素、空気及び電力のフロー図である。
【図３】燃料電池セルの出力特性の測定結果の例を示す略線図である。
【図４】負荷パターンモデルとこの発明の一実施形態による燃料電池自動車への水素及び改質ガスの供給方法とを説明するための略線図である。
【図５】従来方法による発電運転の流れ及びこの発明の一実施形態による発電運転の流れを示す略線図である。
【図６】この発明の一実施形態による燃料電池自動車のモデルを示す略線図である。
【図７】燃料電池セルの特性の測定結果を示す略線図である。
【図８】メタノール改質器の特性の測定結果を示す略線図である。
【図９】ＬＡ４走行モードを示す略線図である。
【図１０】車輪トルク及び電力の測定結果を示す略線図である。
【図１１】メタノール消費量の測定結果を示す略線図である。
【図１２】種々のケースに対する燃料消費量を示す略線図である。
【図１３】種々のケースに対するエネルギー効率を示す略線図である。
【図１４】種々のケースに対するエネルギー効率を示す略線図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料タンク、２…燃料改質器、２ａ…燃料改質器ユニット、３…燃料電池、３ａ…燃料電池ユニット、４…ブロワ、５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６…インバータ、７…交流モータ、８…バッテリ、９…水タンク、１０、１１…圧縮機、１２…水素・改質ガス圧縮機、１３…酸素タンク、１４〜１６…制御弁、１７…パワーコントローラ
【図１】
2006073353.tif 000013
【図２】
2006073353.tif 000014
【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】
2006073353.tif 000019
【図８】
2006073353.tif 000020
【図９】
2006073353.tif 000021
【図１０】
2006073353.tif 000022
【図１１】
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【図１２】
2006073353.tif 000024
【図１３】
2006073353.tif 000025
【図１４】
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