(57)【要約】【課題】  負荷に必要な電力が変動する場合であっても、簡便な構成且つ低コストな構成で、安定して負荷に電力供給する。【解決手段】  燃料電池電源装置１０は、反応ガスが供給されて発電する燃料電池１１に対して、燃料電池１１から出力される電圧を調整する電圧調整装置１３と、複数のキャパシタセルを有するキャパシタモジュール１４とを並列に接続した構成となっており、負荷２０に電力を供給するに際して、燃料電池制御部３１は、負荷２０に要求される出力の変化に応じて、キャパシタセルの接続形態を直列と並列との間で切り換えるようにキャパシタモジュール１４を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に反応ガスを供給して発電した電力を、負荷に供給する制御を行う電力供給装置において、
前記燃料電池から出力される電圧を調整する電圧調整手段と、
複数のキャパシタセルを有し、前記電圧調整手段を介して前記燃料電池と並列に接続されると共に、前記複数のキャパシタセルの接続形態が直列又は並列に切り換えられるキャパシタモジュールと、
前記負荷に要求される出力の変化に応じて、前記キャパシタセルの接続形態を直列と並列との間で切り換える制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記負荷に高出力が要求されている場合には、前記キャパシタセルの接続形態を直列とし、前記負荷に高出力が要求されていない場合には、前記キャパシタセルの接続形態を並列とすることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記キャパシタセルの接続形態を直列に切り換えた後、前記燃料電池の出力を所定電圧とするように前記電圧調整手段を制御し、前記負荷への電力供給元を前記キャパシタモジュールから前記燃料電池に移行させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記負荷に高出力が要求されていない場合には、前記燃料電池の出力を前記キャパシタモジュールにおける電圧よりも低い電圧とするように前記電圧調整手段を制御した後に、前記キャパシタセルの接続形態を並列に切り換えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電電力を電気モータに供給して、走行トルクを発生させる車両に搭載された電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば燃料電池システムを搭載した燃料電池車両において、当該燃料電池の発電電力を駆動モータに供給して走行トルクを発生させる技術が知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力を上昇させる場合に、空気極へと空気を供給するための空気コンプレッサの回転数を上昇させる指令を出力し、空気コンプレッサの回転数が上昇して、実際に空気極に送り込まれる空気量を増加させると共に、燃料極への水素の供給量を上昇させる指令を出力し、実際に燃料極に送り込まれる水素量を増加させることになる。したがって、燃料電池システムにおいては、空気極に供給される空気量と燃料極に供給される水素量とが実際に増加してはじめて、燃料電池の出力を上昇させることができるので、指令に対する応答に遅れが生じる。
【０００４】
特に、急激に高くなる負荷変動が発生した場合には、応答遅れに起因して、反応ガスが不足する状態、いわゆるガス欠状態に陥ることとなり、燃料電池における固体高分子電解質膜の劣化が生じて当該燃料電池の性能低下、短寿命化も招いてしまう。
【０００５】
そこで、負荷変動時に燃料電池の応答遅れによって生じる発電不足分を補う技術として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。
【０００６】
具体的には、この特許文献１に記載された燃料電池電力供給装置は、燃料電池と電気二重層キャパシタとが並列に接続され、目標供給電流に基づいて燃料電池に対する反応ガスの供給量が制御されると共に、負荷変動時における燃料電池の応答遅れに起因する電力不足分を電気二重層キャパシタに充電しておいた電力で補っている。これにより、例えば、車両の減速時には走行用駆動モータによって回生発電が行われた場合には、キャパシタを充電しておき、負荷にとって必要な電力を安定して供給することができ、燃料電池に供給する燃料消費率の低減を図ることができるとしている。
【０００７】
また、燃料電池システムを起動させるにあたっては、空気コンプレッサを回転させると共に水素を供給し、さらに冷却水循環を開始させるといった手順が必要となり、所定の時間を要する。そのため、燃料電池システムの起動のための所謂起動電力と称される電力を要し、このエネルギを賄うために、上述したキャパシタ等の電力容量の大きな蓄電装置が用いられている。
【０００８】
したがって、燃料電池システムの起動時にキャパシタの電力を使用すると、燃料電池の発電開始時に燃料電池とキャパシタとの間に電位差が生じている場合があり、燃料電池とキャパシタとが並列接続させていることにより、燃料電池からキャパシタに過大電流が流れる場合がある。そのため、例えば非特許文献１に記載されているように、デューティ制御されるスイッチング素子を燃料電池とキャパシタとの間に組み込み、燃料電池とキャパシタとの間の電圧を調整している。
【０００９】
更に、二次電池の電力を用いてモータを駆動させる車両においては、モータの高出力化及び高効率化を目的として、例えば下記の非特許文献２、並びに特許文献２及び特許文献３等に記載されているように、電源からインバータへの印加電圧を適切に制御する手法が提案されている。これは、電流の上限値を一定とし、電源電圧に略比例してモータの出力を増加させる技術である。
【特許文献１】特開２００２−３０５０１１号公報
【非特許文献１】自動車技術会学術講演会２００３  秋季大会前刷集Ｎｏ．８０−０３、講演番号９２
【非特許文献２】ＪＡＲＩ  次世代自動車フォーラム（２００４年１月１４日〜２００４年１月１５日開催）資料  １６８ページ〜１７９ページ
【特許文献２】特開２００３−１３４６０６号公報
【特許文献３】特開２００３−１８９５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述した特許文献１や非特許文献１に記載されているように、燃料電池とキャパシタとを並列に接続した電力供給装置に対して、上述した非特許文献２、並びに特許文献２及び特許文献３に記載された技術を組み合わせ、電源電圧を昇圧してインバータに対して印加することが考えられる。
【００１１】
しかしながら、かかる組み合わせの技術においては、燃料電池とキャパシタとを並列に接続するために、燃料電池とキャパシタとの間にも電圧調整装置を設ける必要があり、この場合、インバータへの印加電圧を昇圧する昇圧装置と共に、２つの電圧調整装置を備える構成となってしまい、装置の大規模化を招来し、車両搭載上望ましくないという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、負荷に必要な電力が変動する場合であっても、簡便な構成且つ低コストな構成で、安定して負荷に電力供給することができる電力供給装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る電力供給装置は、反応ガスが供給されて発電する燃料電池に対して、燃料電池から出力される電圧を調整する電圧調整手段と、複数のキャパシタセルを有するキャパシタモジュールとを並列に接続した構成となっており、負荷に電力を供給するに際して、制御手段は、負荷に要求される出力の変化に応じて、キャパシタセルの接続形態を直列と並列との間で切り換えるようにキャパシタモジュールを制御することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る電力供給装置によれば、キャパシタセルを直列に接続することにより高電圧を負荷に印加することができると共に、キャパシタセルを並列に接続することにより負荷からの電力を吸収することができ、負荷に必要な電力が変動する場合であっても、簡便な構成且つ低コストな構成で、安定して負荷に電力供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池電源装置１０に適用される。この燃料電池電源装置１０は、例えば燃料電池車両の駆動用電源として用いられ、燃料電池１１で発電した電力を負荷２０に供給することにより、負荷２０を構成する走行用駆動モータ２２に走行トルクを発生させるものである。
【００１７】
［燃料電池電源装置１０の構成］
この燃料電池電源装置１０は、図１に示すように、負荷２０、燃料電池制御部３１、反応ガス供給部３２、エネルギ制御部３３及びモータ駆動部３４と接続されて構成されている。
【００１８】
本例における負荷２０は、燃料電池車両の走行トルクを発生させる三相交流モータからなる走行用駆動モータ２２と、燃料電池電源装置１０からの電力を変換して、走行用駆動モータ２２に三相交流電流を供給するインバータ２１により構成される。この負荷２０における走行用駆動モータ２２の駆動力は、図示しないトランスミッションを介して図示しない駆動輪に伝達され、車両を走行させることになる。
【００１９】
燃料電池電源装置１０は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とを用いて発電する燃料電池１１、燃料電池１１の出力端に接続された回路開閉スイッチ１２、燃料電池１１と回路開閉スイッチ１２を介して接続された電圧調整装置１３、燃料電池１１と並列に接続されたキャパシタモジュール１４、電圧調整装置１３の出力端に設けられた逆接防止ダイオード１５と、キャパシタモジュール１４とダイオード１５との間に設けられた回路開閉スイッチ１６とを有する。すなわち、この燃料電池電源装置１０は、燃料電池１１とキャパシタモジュール１４とが電圧調整装置１３を介して並列に接続されたハイブリッド型の電源装置として構成される。
【００２０】
燃料電池１１は、燃料電池車両の主電源であって、燃料電池制御部３１によって制御された反応ガス供給部３２から発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとしての空気が供給されることによって発電するものである。具体的には、この燃料電池１１は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスを供給する図示しない空気極と燃料ガスを供給する図示しない水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。この燃料電池１１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００２１】
回路開閉スイッチ１２は、エネルギ制御部３３の制御に従って開閉動作する。この回路開閉スイッチ１２は、燃料電池１１の出力電力を負荷２０に供給する場合には、閉動作されて、燃料電池１１の出力電力を電圧調整装置１３に供給する。
【００２２】
電圧調整装置１３は、燃料電池１１からの出力電力の電圧値を調整する。この電圧調整装置１３は、エネルギ制御部３３から目標電圧指令を入力すると、当該目標電圧となるように出力電圧Ｖｄｃを調整する。そして、この出力電圧Ｖｄｃとなされた電力は、逆接防止ダイオード１５を介して、後述のキャパシタモジュール１４又は負荷２０に供給される。
【００２３】
回路開閉スイッチ１６は、エネルギ制御部３３の制御に従って開閉動作する。この回路開閉スイッチ１６は、電圧調整装置１３からの電力をキャパシタモジュール１４に充電及び放電を行う場合には閉動作され、電圧調整装置１３からの電力を負荷２０に供給する場合には開動作される。
【００２４】
キャパシタモジュール１４は、複数のキャパシタセルを有し、燃料電池１１と電圧調整装置１３を介して並列に接続され、複数のキャパシタセルの接続形態を直列又は並列に組み合わせることが可能に構成されている。
【００２５】
このキャパシタモジュール１４は、例えば図２(ａ)及び図２(ｂ)に示すように、複数のキャパシタセル１４ａ，１４ｂを有し、スイッチ１４ｃ，１４ｄが開閉動作される。これにより、キャパシタモジュール１４は、キャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を回路開閉スイッチ１６に対して直列又は並列に切り換え可能に構成される。具体的には、キャパシタモジュール１４は、キャパシタセル１４ａ，１４ｂを並列に接続する場合には、図２(ａ)に示すように、スイッチ１４ｃ，１４ｄが動作される一方で、キャパシタセル１４ａ，１４ｂを直列に接続する場合には、図２(ｂ)に示すように、スイッチ１４ｃ，１４ｄが動作される。
【００２６】
エネルギ制御部３３は、図示しないアクセル開度センサ、車両速度センサと接続され、アクセルペダル踏込み量及び車両速度を読み込み、当該アクセルペダル踏み込み量及び車両速度に基づいて、走行用駆動モータ２２に要求するトルク指令値、走行用駆動モータ２２への目標供給電力、及び電圧調整装置１３の目標電圧を演算する。また、このエネルギ制御部３３は、回路開閉スイッチ１２及び回路開閉スイッチ１６の開閉状態を制御することにより、燃料電池１１と電圧調整装置１３との導通状態、電圧調整装置１３及び負荷２０とキャパシタモジュール１４との導通状態を制御する。更に、燃料電池制御部３１は、キャパシタモジュール１４を構成するスイッチ１４ｃ，１４ｄの開閉状態を制御してキャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を制御する。
【００２７】
燃料電池制御部３１は、エネルギ制御部３３から目標供給電力指令が供給されると、当該目標供給電力に応じた水素ガス流量及び圧力、空気流量及び圧力を演算し、ガス供給指令値として反応ガス供給部３２に供給する。このとき、燃料電池制御部３１は、例えば、予め目標供給電力と水素ガス流量及び圧力、空気流量及び圧力との関係を記述したマップデータを記憶しておき、当該マップデータを参照して、ガス供給指令値を作成する。
【００２８】
反応ガス供給部３２は、例えば水素タンク及び水素調圧弁等の水素供給機構、空気コンプレッサ及び空気調圧弁等の空気供給機構からなり、燃料電池１１に水素ガス及び空気を供給する。反応ガス供給部３２は、燃料電池制御部３１からのガス供給指令値に従って水素調圧弁及び空気調圧弁の開度、空気コンプレッサの駆動量を制御して、所望の水素ガス流量及び圧力、空気流量及び圧力に従った水素及び空気を供給する。
【００２９】
モータ駆動部３４は、エネルギ制御部３３からのトルク指令値を入力すると共に、走行用駆動モータ２２のロータ回転角を検出し、当該ロータ電気角に応じた３相の交流電圧を図示しないモータ電機子に出力するようにインバータ２１を制御する。このとき、モータ制御部３４は、エネルギ制御部３３から供給されるトルク指令値に応じてインバータ２１を構成するスイッチング素子を制御して、走行用駆動モータ２２の電機子に流れる電流を制御する。
【００３０】
［燃料電池電源装置１０の電力制御動作］
つぎに、上述した燃料電池電源装置１０の電力制御動作について図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
この電力制御動作は、例えば燃料電池１１が起動している場合に所定期間毎に実行され、先ずステップＳ１において、エネルギ制御部３３は、ステップＳ１において、アクセルペダル踏み込み量及び車両速度を読み込み、例えば燃料電池車両の加速時のように、走行用駆動モータ２２に要求されるトルク（出力）に高出力が要求されている状態か否かを判定する。ここで、エネルギ制御部３３は、走行用駆動モータ２２に高出力が要求されていないと判定した場合には処理を終了する一方で、走行用駆動モータ２２に高出力が要求されていると判定した場合には、ステップＳ２へと処理を移行する。
【００３２】
同時に、エネルギ制御部３３は、走行用駆動モータ２２に要求されるトルクに応じて燃料電池１１の発電電力を高くするように反応ガス供給部３２及び燃料電池制御部３１を制御して、燃料電池１１への水素供給状態及び空気供給状態を制御開始する。
【００３３】
次にエネルギ制御部３３は、ステップＳ２において、回路開閉スイッチ１６を閉状態に動作させると共に、キャパシタセル１４ａとキャパシタセル１４ｂとを直列接続に切り換え、ステップＳ３において、キャパシタセル１４ａとキャパシタセル１４ｂとを直列に切り換えた後のキャパシタモジュール１４間における電圧Ｖｃ（キャパシタ電圧Ｖｃ）を計測する。
【００３４】
すなわち、エネルギ制御部３３は、図４中時刻ｔ＝ｔ１にて、走行用駆動モータ２２に高出力が要求されていると判定すると、直ちにキャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を直列に切り換え、キャパシタ電圧ＶｃをＶ１からＶ２へと上昇させ、インバータ２１に印加する電圧を高める。
【００３５】
続いて、エネルギ制御部３３は、図３中ステップＳ４において、電圧調整装置１３の出力目標電圧Ｖｄｃ＊を、ステップＳ３で計測したキャパシタ電圧Ｖｃに設定し、インバータ２１に印加する電圧を昇圧させる昇圧動作を開始するように電圧調整装置１３を制御する。
【００３６】
ここで、図４中時刻ｔ＝ｔ１から時刻ｔ＝ｔ２に至る過程では、キャパシタセル１４ａとキャパシタセル１４ｂとが直列に切り換えられたキャパシタモジュール１４からのみインバータ２１に電力が供給されるので、キャパシタ電圧Ｖｃは電圧Ｖ２から次第に低下することになる。エネルギ制御部３３は、このキャパシタ電圧Ｖｃを逐次モニタしながら電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃがキャパシタ電圧Ｖｃに一致するように、燃料電池１１の応答特性範囲内で昇圧動作を行わせる。このとき、エネルギ制御部３３は、出力電圧Ｖｄｃを上昇させるように電圧調整装置１３を制御すると共に、燃料電池１１から電圧調整装置１３に供給する電力を上昇させるように燃料電池制御部３１及び反応ガス供給部３２の制御を継続している。
【００３７】
そして、エネルギ制御部３３は、図３中ステップＳ５において、電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃがキャパシタ電圧Ｖｃと一致したか否かを判定する。すなわち、ステップＳ１で高出力が必要であると判定した直後から開始された燃料電池１１への水素供給状態及び空気供給状態の変更が完了することによって、燃料電池１１から所望する出力電力が負荷２０に供給可能となったか否かを判定する。
【００３８】
ここで、エネルギ制御部３３は、電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃがキャパシタ電圧Ｖｃと一致していないと判定した場合には、ステップＳ３からの処理を繰り返す一方で、電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃがキャパシタ電圧Ｖｃと一致したと判定した場合には、ステップＳ６において、電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃを維持させ、キャパシタモジュール１４からの定常的な放電を停止させるために回路開閉スイッチ１６を開状態に制御する。すなわち、図４中時刻ｔ２以降においては、電圧調整装置１３が出力電圧Ｖｄｃを維持し、キャパシタモジュール１４からの電力供給を停止させて、電圧調整装置１３からインバータ２１に電力供給を行う。
【００３９】
このように、燃料電池電源装置１０は、キャパシタセル１４ａと１４ｂとの接続形態を直列に切り換えた後、燃料電池１１の出力を適切な所定電圧とするように電圧調整装置１３を制御することにより、キャパシタモジュール１４から負荷２０に電力供給する状態から、燃料電池１１の発電電力を電圧調整装置１３から負荷２０に電力供給する状態に移行させる。
【００４０】
続いて、エネルギ制御部３３は、図３中ステップＳ７において、走行用駆動モータ２２に高出力が要求されている状態がさらに継続するか否かを判定する。具体的には、エネルギ制御部３３は、図５中時刻ｔ＝ｔ３において、図示しないアクセルペダルに対する運転者の踏み込み量及び車両速度等に基づいて、走行用駆動モータ２２に高出力が要求されている状態がさらに継続するか否かを判定する。
【００４１】
ここで、エネルギ制御部３３は、走行用駆動モータ２２に高出力が要求される状態がさらに継続すると判定した場合には、図３中ステップＳ６の処理を繰り返し、走行用駆動モータ２２の高出力状態を継続する一方で、走行用駆動モータ２２に高出力が要求される状態がさらに継続していないと判定した場合には、ステップＳ８へと処理を移行する。
【００４２】
エネルギ制御部３３は、ステップＳ８においてキャパシタ電圧Ｖｃを計測し、ステップＳ９において、電圧調整装置１３の出力目標電圧Ｖｄｃ＊を、ステップＳ８で計測したキャパシタ電圧Ｖｃに対してＶｃ／２と設定する制御を行う。また、エネルギ制御部３３は、電圧調整装置１３からインバータ２１への電力供給を停止するように電圧調整装置１３を制御すると共に、回路開閉スイッチ１６を閉状態にすることにより、キャパシタモジュール１４からのみインバータ２１に電力供給を行う状態とする。更に、エネルギ制御部３３は、燃料電池１１の発電電力を低下させるように燃料電池制御部３１及び反応ガス供給部３２を制御する。
【００４３】
このとき、図５に示す時刻ｔ＝ｔ３から時刻ｔ＝ｔ４に至る過程では、キャパシタモジュール１４からのみインバータ２１に電力が供給されるので、キャパシタ電圧Ｖｃは電圧Ｖ３から低下することになる。そして、エネルギ制御部３３は、このキャパシタ電圧Ｖｃを逐次モニタしながら電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃが、ステップＳ８の計測時でのキャパシタ電圧Ｖｃに対して半分の値（Ｖｃ／２）に一致するように制御を行う。
【００４４】
そして、エネルギ制御部３３は、図３中ステップＳ１０において、電圧調整装置１３の出力電圧ＶｄｃがＶｃ／２と一致したか否かを判定する。ここで、エネルギ制御部３３は、電圧調整装置１３の出力電圧ＶｄｃがＶｃ／２と一致していないと判定した場合には、ステップＳ８からの処理を繰り返す一方で、電圧調整装置１３の出力電圧ＶｄｃがＶｃ／２と一致したと判定した場合には、ステップＳ１１において、キャパシタモジュール１４のスイッチ１４ｃ，１４ｄを動作させ、キャパシタセル１４ａとキャパシタセル１４ｂとの接続形態を並列に切り換えて、処理を終了する。すなわち、図５中時刻ｔ４において、電圧調整装置１３の出力電圧ＶｄｃがＶｄｃ＝Ｖ４＝Ｖｃ／２となると、キャパシタモジュール１４におけるスイッチ１４ｃ，１４ｄを操作し、キャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を並列に切り換える。
【００４５】
このように、燃料電池電源装置１０は、負荷２０に高出力が要求されていないと判定した場合には、燃料電池１１の出力をキャパシタモジュール１４におけるキャパシタ電圧Ｖｃよりも低い電圧Ｖｃ／２とするように電圧調整装置１３を制御した後、キャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を並列に切り換える。
【００４６】
このような一連の処理を経ることにより、負荷２０に要求されるトルク変動に応じて、キャパシタモジュール１４におけるキャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を直列又は並列に切り換えることができる。
【００４７】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池電源装置１０によれば、負荷２０に高出力が要求されている場合には、電圧調整装置１３を介して燃料電池１１と並列に接続されたキャパシタモジュール１４を構成する複数のキャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を直列に切り換え、負荷２０に印加する電圧を高めるように制御することにより、燃料電池１１に対して過渡的な負荷をかけることなく、簡便な構成で、負荷２０に高い電圧を印加することができ、走行用駆動モータ２２のサイズ、質量、コスト等の増加を抑えて高出力化と高効率化とを図ることができる。
【００４８】
すなわち、負荷２０に要求される出力が高く変動した時に、燃料電池１１のガス供給状態の応答遅れに起因する燃料電池１１の応答遅れによって生じる発電不足分を、キャパシタモジュール１４に蓄えられているエネルギによって補うことができる。したがって、燃料電池１１とキャパシタモジュール１４との間に電圧調整装置１３を設けるのみで、インバータ２１に印加する電圧を昇圧するための昇圧装置や、インバータ２１の前段に更に電圧調整装置を備える構成とする必要がなく、車両に搭載するに適した小型化を図ることができる。
【００４９】
また、この燃料電池電源装置１０によれば、車両減速時に走行用駆動モータ２２によって回生発電を行う場合には、キャパシタセル１４ａ，キャパシタセル１４ｂの接続形態を並列とすることにより、電圧調整装置１３を介さずにキャパシタモジュール１４に回生電力を充電することが可能であり、回生効率の向上を図ることができる。また、車両減速時に、走行用駆動モータ２２による回生発電電力をインバータ２１からキャパシタモジュール１４へと直接充電することができ、回生効率を向上させることができる。また、回生方向にも動作する電圧調整装置が不要となるので、例えば図６に示すような一般的な昇圧チョッパ回路のように、片方向昇圧動作のみで済む電圧調整装置と比べ、構成を簡便化することができる。
【００５０】
さらに、主に電圧調整装置１３におけるスイッチング素子のスイッチング損失が発生することに起因して、通常、電圧調整装置１３によって燃料電池１１の出力電圧を昇圧させるためには、多少なりとも損失が生じるので、不必要に昇圧動作を行う事態は回避するのが望ましい。これに対して、高速走行時の追い越し加速といったように、燃料電池１１の出力電圧のままでは得られないような高出力を発生させたい場合のみ昇圧動作を行わせると、運転者のアクセル操作等に応じて、直ちに昇圧させることができる過渡応答性に優れた電圧調整装置を備える必要がある。これに対し、上述した実施形態では、負荷２０に高出力が要求される場合に、キャパシタモジュール１４から負荷２０に電力供給している間に電圧調整装置１３の昇圧動作を行えばよく、過渡応答性を良好なものとすることができ、短時間のみで高出力が要求されるような場面では、キャパシタモジュール１４のみによって負荷２０に高電圧を印加し、電圧調整装置１３による昇圧を不要とすることができる。
【００５１】
さらにまた、燃料電池１１とキャパシタモジュール１４との間にのみ電圧調整装置１３を設け、この電圧調整装置１３によって負荷２０に印加する電圧を適宜上昇させる構成も考えられる。しかしながら、この手法では、負荷２０に印加する電圧を上昇する必要が生じた場合に、キャパシタ電圧も同時に上昇させることになり、却って燃料電池１１及び電圧調整装置１３に過大な出力を要求してしまうことになる。これに対し、燃料電池電源装置１０では、図４に示したように、キャパシタ電圧Ｖｃと電圧調整装置１３の出力電圧Ｖｄｃとを略逆比例の関係で電圧調整装置１３を昇圧させるので、急激に燃料電池１１及び電圧調整装置１３に過大な出力が要求されることを回避することができる。
【００５２】
また、この燃料電池電源装置１０によれば、キャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を直列に切り換えた後、燃料電池１１の出力を所定電圧、具体的にはキャパシタ電圧Ｖｃとするように電圧調整装置１３を制御し、負荷２０の消費電力の供給元をキャパシタモジュール１４から燃料電池１１に移行させるので、燃料電池１１に出力不足が生じないような応答特性範囲内で次第に昇圧すると共に、キャパシタモジュール１４からの定常的な放電を回避することができる。これにより、車両に搭載するキャパシタの個数を削減することができる。また、直列に切り換えたキャパシタセル１４ａ，１４ｂの放電による過度の電圧低下を抑制することができ、当該キャパシタセル１４ａ，１４の接続形態を再度並列に切り換えることが容易となる。
【００５３】
さらに、走行用駆動モータ２２が高出力を必要としていない場合には、燃料電池１１の出力をキャパシタモジュール１４におけるキャパシタ電圧Ｖｃよりも低い所定電圧、具体的にはＶｃ／２とするように電圧調整装置１３を制御し、キャパシタセル１４ａ，１４ｂの接続形態を並列に切り換えることにより、車両が減速に転じた場合における走行用駆動モータ２２による回生発電電力を、モータ誘起電圧が低い領域まで効率よく回収することが可能となる。したがって、負荷２０に高出力が要求される場合に、キャパシタセル１４ｂの接続形態を直列に切り換えて、高電圧を負荷２０に供給することができる。
【００５４】
以下、特許請求の範囲の記載と、上述した実施形態との対応関係について述べる。特許請求の範囲における「電圧調整手段」は電圧調整装置１３に相当し、特許請求の範囲における「制御手段」は、エネルギ制御部３３に相当する。
【００５５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した燃料電池電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】(ａ)は、同燃料電池システムが備えるキャパシタモジュールの構成を示す図であり、キャパシタセルを並列に接続した様子を示す図であり、(ｂ)は、同燃料電池システムが備えるキャパシタモジュールの構成を示す図であり、キャパシタセルを直列に接続した様子を示す図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池電源装置において、キャパシタモジュールにおけるキャパシタセルの接続形態を直列又は並列に切り換える際の一連の工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した燃料電池電源装置において、キャパシタモジュールにおけるキャパシタセルの接続形態を直列に切り換えた場合における電圧の時間変化を示す図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池電源装置において、キャパシタモジュールにおけるキャパシタセルの接続形態を並列に切り換えた場合における電圧の時間変化を示す図である。
【図６】一般的な昇圧チョッパ回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  燃料電池電源装置
１１  燃料電池
１２  回路開閉スイッチ
１３  電圧調整装置
１４  キャパシタモジュール
１５  逆接防止ダイオード
１６  回路開閉スイッチ
２０  負荷
２１  インバータ
２２  走行用駆動モータ
３１  燃料電池制御部
３２  反応ガス供給部
３３  エネルギ制御部
３４  モータ駆動部
【図１】
2006025569.tif 000003
【図２】
2006025569.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006025569.tif 000006
【図５】
2006025569.tif 000007
【図６】
2006025569.tif 000008