【手続補正書】
【提出日】平成15年11月5日(2003.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と電気二重層キャパシタとを電気負荷に対して並列に接続した燃料電池電源装置であって、
所定の出力状態において、該出力状態における燃料電池の電流電圧特性上の平衡点を起点とした燃料電池と電気二重層キャパシタとの合成出力特性と予め規定した負荷変動幅とに基づいて負荷変動後の燃料電池の電圧値を求め、該電圧値に対応する電流値を前記燃料電池の電流電圧特性に基づいて導出し、導出された前記電流値に対応する平衡反応ガス供給量を求め、求められた平衡反応ガス供給量に基づいた反応ガスを前記出力状態における反応ガス供給量として前記燃料電池へ供給する燃料電池電源装置。
【請求項２】
前記出力状態における反応ガス供給量を、前記燃料電池の電流電圧特性と、前記電気二重層キャパシタの電流電圧特性と、前記燃料電池の電流電圧特性に対応する平衡反応ガス供給量特性とに基づいて設定する請求項１に記載の燃料電池電源装置。
【請求項３】
前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の内部抵抗値又は所定の出力電流区分範囲に対する平均抵抗値に依存する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池電源装置。
【請求項４】
前記電気二重層キャパシタの電流電圧特性が、前記電気二重層キャパシタの内部抵抗に依存する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池電源装置。
【請求項５】
前記燃料電池の反応ガス供給系から前記燃料電池に供給されている反応ガス供給量が、前記出力状態における反応ガス供給量から前記負荷変動後における平衡反応ガス供給量に達するまでの応答時間を、前記負荷変動に対する前記電気二重層キャパシタの出力補助作動時間よりも短くする請求項１〜請求項４のいずれかの項に記載の燃料電池電源装置。
【請求項６】
前記反応ガス供給系の前記応答時間を前記電気二重層キャパシタの前記出力補助作動時間よりも短くするように前記反応ガス供給系の応答特性を設定する請求項５に記載の燃料電池電源装置。
【請求項７】
前記反応ガス供給系の前記応答時間を前記電気二重層キャパシタの前記出力補助作動時間よりも短くするように前記電気二重層キャパシタの静電容量を設定する請求項５に記載の燃料電池電源装置。
【請求項８】
車両の走行状態を示す入力信号に基づいて所定間隔毎に走行用モータの目標出力指令値及び前記燃料電池の目標発電指令値が演算され、前記目標発電指令値に基づいて前記燃料電池へ供給される反応ガス量が設定される燃料電池電源装置であって、
連続して求められた２つの目標発電指令値の変化量に基づく負荷変動幅が前記予め規定した負荷変動幅以内となるように制御される請求項１〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池電源装置。
【請求項９】
燃料電池と電気二重層キャパシタとを備え、前記燃料電池と前記電気二重層キャパシタとの間に出力制限手段を設けた燃料電池電源装置であって、
前記出力制限手段は、
前記装置の起動時においては、前記燃料電池の出力電流を制限しながら前記電気二重層キャパシタを充電し、
前記燃料電池と前記電気二重層キャパシタとの電位差が、予め設定された電位差以下となった場合には、前記燃料電池と前記電気二重層キャパシタとを直結状態とする ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかの項に記載の燃料電池電源装置。
【請求項１０】
燃料電池と電気二重層キャパシタとを電気負荷に対して並列に接続した燃料電池電源装置であって、
前記電気負荷の変動時に生じる前記電気二重層キャパシタの内部抵抗に応じた電気負荷への電圧降下分に対応して、反応ガス量を過剰に供給することを特徴とする燃料電池電源装置。
【請求項１１】
前記電気二重層キャパシタの内部抵抗、静電容量、負荷変動幅に応じて反応ガス供給量を設定することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池電源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、燃料電池は過渡変動時において応答遅れが生じるため、負荷変動直後において負荷変動に対応する量の出力を得ようとすると、出力に対して燃料の供給量が不足するいわゆるガス欠状態に陥ってしまうという問題があった。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
その対策として、燃料電池とキャパシタとの間に燃料電池の出力を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ等からなる出力制限装置を設け、この出力制限装置によって燃料電池の出力を燃料電池に供給される反応ガス量（空気量、及び燃料ガス量）に見合った量に制御する手法もあるが、この出力制限装置は、内部に設けられたスイッチング素子をスイッチング動作（高速でオン／オフ動作）させることにより出力を制御するため、スイッチング動作に伴う電力損失が大きいという問題があった。
加えて、出力制限装置は、燃料電池から出力される電流に対応できるために比較的電流容量の大きいものが必要とされ、これに伴い装置が大型化するという問題があった。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池電源装置は、燃料電池（例えば、燃料電池１）と電気二重層キャパシタ（キャパシタ２）とを電気負荷（走行用モータ３）に対して並列に接続した燃料電池電源装置（燃料電池電源装置１０）であって、前記電気負荷の変動時に生じる前記電気二重層キャパシタの内部抵抗（Ｒcap）に応じた電気負荷への電圧降下分（図７（ａ）におけるΔＶ）に対応して、反応ガス量を過剰に供給する。この反応ガス供給量は、例えば、前記電気二重層キャパシタの内部抵抗、静電容量、負荷変動幅（図７（ｂ）におけるＩ2−Ｉ1）に応じて設定（増加補正）する。
また、所定の出力状態（図１０（ａ）の出力電流Ifc＝I1の状態）において、該出力状態における燃料電池の電流電圧特性上（図１０（ａ）において実線で示した特性曲線）の平衡点（図１０(ａ)における平衡点Ｕ）を起点とした燃料電池と電気二重層キャパシタとの合成出力特性（図１０（ａ）において点線で示した特性曲線）と予め規定した負荷変動幅（図１０（ａ）に示したΔＩ）とに基づいて負荷変動後の燃料電池の電圧値（図１０（ａ）におけるV2）を求め、該電圧値に対応する電流値（図１０（ａ）におけるIfc2’）を前記燃料電池の電流電圧特性に基づいて導出し、導出された前記電流値に対応する平衡反応ガス供給量（図１０（ｂ）におけるQa1）を求め、求められた平衡反応ガス供給量以上の反応ガスを前記出力状態（図１０（ａ）の出力電流Ifc＝I1の状態）における反応ガス供給量として前記燃料電池へ供給するようにしてもよい。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
更に、上記記載の燃料電池電源装置において、車両の走行状態を示す入力信号（例えば、図４に示したアクセルペダル開度、車速、電装補機消費電力等の種々のパラメータ）に基づいて所定間隔毎に走行用モータの目標出力指令値及び前記燃料電池の目標発電指令値が演算され（実際は、所定のクロックに基づき、一定間隔でこれらの指令値が演算されている）、前記目標発電指令値に基づいて前記燃料電池へ供給される反応ガス量が設定される燃料電池電源装置であって、連続して求められた２つの目標発電指令値（例えば、最新の目標発電指令値とその直前に求められた目標発電指令値）の変化量（前記２つの指令値の差分）に対応する負荷変動幅が前記予め規定した負荷変動幅（例えば、図１４における負荷変動幅ΔＩ）以内となるように制御されることを特徴とする。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
高圧水素タンク１８から供給される水素は高圧であるため、電動遮断弁１９によりその圧力が一時低下された後にレギュレータ１７により圧力調整され、エゼクタ２０を介して加湿器１５へと供給される。加湿器１５により加湿された水素は燃料電池１の燃料極側へ供給され、電気化学変化後、排出ガスとなってデミスタ２１に出力される。デミスタ２１では、供給された排出ガスが気液分離され、気体である水素はエゼクタ２０を経て水素の供給部に循環、再利用される。
また、水素ガスの排出側には、燃料電池及びデミスタ内部に滞留した水を排出するためのパージバルブ２２が設けられている。
なお、上述した電動遮断弁１９は、高圧水素タンク１８からの水素ガスの供給を遮断する働きも備えている。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
同図に示すように、まず負荷変動前（時刻ｔ0前）では、負荷電流Ｉ1に応じた電圧、即ちＶout＝Ｖfc−（Ｒfc×Ｉ1）で平衡状態となっている。
時刻ｔ0において負荷変動が生じると、変動直後においては、キャパシタ２は負荷変動に応じた電力を供給しようとするために電流Ｉcapが急激に増加するため、この電流によって電圧降下（ΔＶ＝Ｒfc×Ｉfc2＝Ｒcap×Ｉcap2）が生じる。その後、出力電圧Ｖoutはキャパシタ２の放電によって徐々に減少し、Ｖout＝Ｖfc−（Ｒfc×Ｉ2）となった時点で平衡状態となる。従って、Ｖout＝Ｖfc−（Ｒfc×Ｉ2）への収束状態は、キャパシタ２の静電容量が大きいほど傾きが小さくなり平衡状態となるまでに、より長い時間を要することとなる。また、負荷変動直後における電圧降下分は、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapが小さいほど小さい値となる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
まず、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapが燃料電池１の内部抵抗Ｒfcより大きい場合における過剰供給量の設定について図１を参照して説明する。
同図において、線Ａは燃料電池１の電流電圧特性を示しており、出力する電流値が小さいときには大きな電圧値を得ることができ、電流値が大きくなるに従って電圧値は低下する。そして、電流及び電圧で決まる座標が線Ａよりも下側の領域にある場合には、燃料電池１はガス欠状態であると見なすことができる。
また、同図線Ｂ1は負荷変動前における燃料電池１への反応ガス供給量を最大に設定した場合の燃料電池電源装置１０の電流電圧特性を示すものである。
上述したような電流電圧特性を持つ燃料電池１を備えた燃料電池電源装置１０において、負荷電流を電流Ｉ1から電流Ｉ2までステップ応答的に変動させた場合について考える。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
次に、図２を参照して、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapが燃料電池１の内部抵抗Ｒfcと等しい場合について説明する。
図２に示す線Ａは図１と同様の燃料電池１の電流電圧特性を示している。
また、同図線Ｂ2は負荷変動前における燃料電池１への反応ガス供給量を最大に設定した場合の燃料電池電源装置１０の電流電圧特性を示すものである。ここでは、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapは燃料電池１の内部抵抗Ｒfcに等しいため燃料電池電源装置１０の電流電圧特性Ｂ2は、図１に示した電流電圧特性Ｂ1に比べ、傾きが緩やかな直線となる。
このような燃料電池電源装置１０において、負荷電流を電流Ｉ1から電流Ｉ2までステップ応答的に変動させた場合について考える。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
次に、図３を参照して、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapが燃料電池１の内部抵抗Ｒfcよりも小さい場合について説明する。
図２に示す線Ａは図１と同様の燃料電池１の電流電圧特性を示している。
また、同図線Ｂ3は負荷変動前における燃料電池１への反応ガス供給量を最大に設定した場合の燃料電池電源装置１０の電流電圧特性を示すものである。ここでは、キャパシタ２の内部抵抗Ｒcapは燃料電池１の内部抵抗Ｒcapよりも小さいため、燃料電池電源装置１０の電流電圧特性Ｂ3は、図２に示した電流電圧特性Ｂ2よりも更に傾きが緩やかな直線となる。
このような燃料電池電源装置１０において、負荷電流を電流Ｉ1から電流Ｉ2までステップ応答的に変動させた場合について考える。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
ここで、線Ｃ3で示されるキャパシタ２の電流電圧特性は、Ｖout＝Ｖcap−（Ｉcap×Ｒcap）で表される直線となり（但し、Ｖcapは一定とする）、また、Ｒcap＜Ｒfcなので、線Ｄ3の傾きは図１及び図２に示したいずれのキャパシタ２の電流電圧特性よりも傾きが小さくなる。
そして、電流Ｉ2における燃料電池電源装置１０の出力電圧は、線Ｄ３からＶd3と求めることができる。そして、負荷電流がI1からＩ2にステップ応答的に変動した場合におけるキャパシタ２の内部抵抗Ｒcapによる電圧降下量ΔＶは、図１で説明したように、図３に示す値となる。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
次に、上述したキャパシタの静電容量と反応ガス供給系の応答特性について、図９を参照して更に詳しく説明する。
図９は燃料電池電源装置１０の負荷変動時の応答特性を示した図である。同図において、アクセルペダルが運転者等によって踏み込まれることにより、アクセルペダルの変化量に応じた要求トルクＡｐは時刻Ｔ０から時刻Ｔ２にかけてＩ1からＩ2へ変化する。この要求トルクＡｐの変化に伴い、モータ要求値Ｉmotも少しの遅れ時間を持ちながら同様に電流Ｉ1からＩ2へと変化する。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
燃料電池１の出力電流Ｉfcは、負荷変動開始後から反応ガス量の変化に伴って電流値が上昇し、時刻Ｔ４において、負荷変動後の平衡電流である電流値Ｉ2に達し、その後、一時電流値Ｉ2を上回る出力を続けた後、電流値Ｉ2に収束する。
一方、キャパシタ２は、燃料電池１の出力が不足する期間において放電を行い、出力を補う。このためキャパシタ２の電流特性は、時刻Ｔ１において放電を開始し、以後、燃料電池１の出力電流Ｉfcが平衡状態となるまで燃料電池１の出力電流Ｉfcに伴って変化する。
この結果、燃料電池１の出力電流Ｉfcとキャパシタ２の出力電流Ｉcapとの合成出力電流Ｉallは、要求トルクＡｐを満足するように変化する。


【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
一方、燃料電池１とキャパシタ２の合成電圧出力であるＶoutは、時刻Ｔ１から徐々に減少し、時刻Ｔ５において負荷電流変化後の平衡電圧値となる。
そして図９に示したように、予め規定した負荷変動が与えられた場合に、燃料電池１の反応ガス供給系から燃料電池１に供給される反応ガス量が、時刻Ｔ０の前記負荷変動直前の供給量、即ちエアコンプレッサ１１の回転数Ｎｍ1に平衡する供給量から、燃料電池１が負荷変動後の出力電流値（例えばＩ2）を少なくとも出力するのに必要な供給量（図９では、回転数Ｎｍ2に平衡する供給量）に達するまでに要する反応ガス供給系の応答時間、即ち時刻Ｔ０から時刻Ｔ３までの応答時間が、負荷変動時点Ｔ０から燃料電池１とキャパシタ２との合成出力電圧Ｖoutが、負荷変動後の燃料電池１の平衡電流Ｉ2に対応する電圧値Ｖ2に達するまでのキャパシタ２による出力補助作動時間、即ち時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までの期間、よりも短くなるように燃料電池１に供給する出力平衡時の反応ガス量に対する過剰供給量及びキャパシタ２の特性値を設定する。


【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
これにより、燃料電池１は、燃料電池１の出力に対して反応ガスの供給が追いつかない状態、いわゆるガス欠状態に陥ってしまう。従って、キャパシタ１と燃料電池２との電位差が大きい期間においては、燃料電池１がガス欠状態とならないようにその出力電流を制限する必要がある。このため、本発明では、キャパシタ２と燃料電池１との電位差が大きくなる起動時においては、電流制限装置（図示略）によって燃料電池１からの出力電流を制御しながらキャパシタ２を充電し、また、燃料電池１とキャパシタ２との電位差が、予め設定された電位差以下となった場合には、電流制限装置による燃料電池１の出力電流の制御を停止して、キャパシタ２と燃料電池１とを直結状態として使用する。


【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
結局、起動時においては、従来と同様に燃料電池１のガス欠を防止するために燃料電池１とキャパシタ２との間には、チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ等からなる電流制限装置が設けられており、電流制限装置内のスイッチング素子がオン／オフすることにより、燃料電池１の出力電流を制限する。しかしながら、車両の起動後において燃料電池１とキャパシタ２の電位差が小さくなり、燃料電池１の出力電流を制限しなくてもよい状態になると、電流制限装置はスイッチング動作を停止し、スイッチング素子がオン状態に固定され、キャパシタ２と燃料電池１とが直結状態となる。
このように、実際の装置構成としては、燃料電池１とキャパシタ２との間に電流制御装置が介在するのであるが、本実施形態で説明してきたような実使用時においては、電流制限装置はスイッチング動作を行わなくなるので、あたかも燃料電池１とキャパシタ２との間に電流制限装置が介在しないような状態となる。


【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池電源装置によれば、電気負荷の変動時に生じる電気二重層キャパシタの内部抵抗に応じた電気負荷への電圧降下分に対応して、反応ガス量を過剰に供給するので、また、所定の出力状態において、該出力状態における燃料電池の電流電圧特性上の平衡点を起点とした燃料電池と電気二重層キャパシタとの合成出力特性と予め規定した負荷変動幅とに基づいて負荷変動後の燃料電池の電圧値を求め、該電圧値に対応する電流値を燃料電池の電流電圧特性に基づいて導出し、導出された電流値に対応する平衡反応ガス供給量を求め、求められた平衡反応ガス供給量以上の反応ガスを出力状態における反応ガス供給量として燃料電池へ供給するので、負荷変動直後に生じる電圧降下により、燃料電池がガス欠状態に陥るのを防止しつつ、燃料電池とキャパシタとを並列で使用することにより、電力効率の高い燃料電池電源装置を実現させることができるという効果が得られる。
また、上述した設定方法によって得られる過剰供給量によれば、前記電圧降下に対応するのに必要最小限の過剰供給量を求めることができるため、より反応ガスの無駄を排除し、効率よく燃料供給を行うことができる。


【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
また、本発明の燃料電池電源装置によれば、電気二重層キャパシタの内部抵抗、静電容量、負荷変動幅に応じて反応ガス供給量を設定するので、また、前記所定の出力状態における反応ガス供給量を、燃料電池の電流電圧特性と、電気二重層キャパシタの電流電圧特性と、燃料電池の電流電圧特性に対応する平衡反応ガス供給量特性とに基づいて設定するので、負荷変動直後に生じる電圧降下分を正確に導出することができ、上述の各設定値をより適切な値とすることが可能となる。これにより、燃料電池電源装置の性能向上を図ることが可能となる。