(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力行運転と回生運転とを行うことができる電動機と、前記電動機に電気的に接続された燃料電池ユニットと、を備える動力システムであって、
前記燃料電池ユニットは、
燃料ガスの反応によって発電を行う発電セルと、
電気によって駆動され、前記燃料ガスを前記発電セルに供給する燃料ガス供給部と、を備え、
前記動力システムは、さらに、
前記電動機に電気的に接続されており、前記電動機が回生運転を行っているときに前記電動機から電力の供給を受けることができ、前記電動機が力行運転を行っているときに前記電動機に電力を供給することができる２次電池を備え、
運転モードとして、
前記電動機の回生運転によって生じる電力の少なくとも一部を前記燃料ガス供給部に供給して、前記少なくとも一部の電力を前記燃料ガス供給部で消費する第１の運転モードと、
前記燃料ガス供給部が前記第１の運転モードにくらべて少ない電力を消費する第２の運転モードと、を有し、さらに、
前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとを、前記２次電池の充電状態に基づいて選択する制御部を備える、動力システム。
【請求項２】
請求項１記載の動力システムであって、
前記燃料電池ユニットは、さらに、前記発電セルで使用された燃料ガスを再び前記発電セルに環流する環流配管を備えており、
前記燃料ガス供給部は、前記環流配管に設けられたポンプである、動力システム。
【請求項３】
請求項２記載の動力システムであって、
前記燃料ガス供給部は、
前記第１の運転モードにおいて、比較的高い供給速度で前記発電セルに前記燃料ガスを供給し、
前記第２の運転モードにおいて、比較的低い供給速度で前記発電セルに前記燃料ガスを供給する、動力システム。
【請求項４】
請求項１記載の動力システムであって、
前記発電セルは、燃料ガスと空気との反応によって発電を行い、
前記燃料電池ユニットは、さらに、電気によって駆動され、外部から空気を取り入れて前記発電セルに供給し、前記発電セルから排出された空気を外部へ放出する空気供給部を備え、
前記空気供給部は、前記第１および第２の運転モードにおいて、実質的に同じ供給速度で前記発電セルに前記空気を供給する、動力システム。
【請求項５】
請求項１記載の動力システムであって、
前記燃料電池ユニットは、さらに、電気によって駆動され、前記発電セルの温度を制御するための冷却水を循環させる、冷却水循環部を備え、
前記冷却水循環部は、前記第１および第２の運転モードにおいて、実質的に同じ速度で前記冷却水を循環させる、動力システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池ユニットを備えた動力システムに関し、さらに詳しくは、回転出力を減速する際に回生を行う動力システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
駆動モータと燃料電池ユニットとを備える電気自動車においては、車両の減速時には駆動モータによって回生が行われる。そして、回生によって、車両の運動エネルギーが電気エネルギーに変換されて、２次電池に蓄えられる。そのような電気自動車において、２次電池に十分な量だけの充電を行うことができない場合に制動力を確保するための技術として、特許文献１に開示されている技術がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０４５０５号公報
【０００４】
特許文献１においては、２次電池にそれ以上充電ができない場合には、燃料電池の補機を余分に運転することで発電機としての駆動モータの仕事量を確保し、ひいては車両の制動力を確保する。ここでいう補機には、外部から燃料電池の発電セルに空気を供給するためのコンプレッサ、その空気を加湿するための水を供給するポンプ、燃料電池に冷却水を供給するポンプなどが含まれる。なお、他の関連文献として、特許文献２および３がある。
【０００５】
【特許文献２】
特開２００２−２６０６９６号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開２００３−１８７０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、目標どおりの制動力を確保するために、コンプレッサを余分に運転して燃料電池ユニットの発電セルに過剰に空気を供給すると、発電セルの電解質膜は過剰に供給された空気に水分を奪われて、過剰に乾燥してしまうおそれがある。また、電解質膜が乾燥しないように、過剰に供給する空気を加湿する場合には、そのために十分な性能を有する加湿器および十分な量の純水を用意する必要がある。その結果、燃料電池システムの大型化および重量増をまねく。一方、目標どおりの制動力を確保するために、冷却水のポンプを余分に運転して燃料電池の冷却水を過剰に循環させると、燃料電池の発電セルの温度が低下してしまい、発電に好適な温度帯から外れてしまう。その結果、回生終了後に再び発電を開始したときの発電効率が低下してしまう。
【０００８】
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、燃料電池を備え減速時に回生を行う動力システムにおいて、燃料電池の状態を好ましい状態に保ちつつ、減速のための制動力を確保する技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、以下のような構成を備える。すなわち、本発明の一形態である動力システムは、力行運転と回生運転とを行うことができる電動機と、電動機に電気的に接続された燃料電池ユニットと、を備える。そして、燃料電池ユニットは、燃料ガスの反応によって発電を行う発電セルと、電気によって駆動され、燃料ガスを発電セルに供給する燃料ガス供給部と、を備える。
【００１０】
この動力システムは、電動機の回生運転によって生じる電力の少なくとも一部を燃料ガス供給部に供給して、少なくとも一部の電力を燃料ガス供給部で消費する第１の運転モードを有する。このような態様とすれば、第１の運転モードにおいて、回生電力を燃料ガス供給部で消費することによって、燃料電池の状態を好ましい状態に保ちつつ、減速のための制動力を確保することができる。
【００１１】
なお、動力システムは、さらに、電動機に電気的に接続されており、電動機が回生運転を行っているときに電動機から電力の供給を受けることができ、電動機が力行運転を行っているときに電動機に電力を供給することができる２次電池を備えることが好ましい。このような態様とすれば、回生運転時に発電されたエネルギーを２次電池に蓄えて力行運転時に使用することができる。その結果、この動力システムは、高い運転効率を達成することができる。
【００１２】
また、この動力システムは、さらに、燃料ガス供給部が第１の運転モードにくらべて少ない電力を消費する第２の運転モードを有することが好ましい。そして、この動力システムは、第１の運転モードと第２の運転モードとを、２次電池の充電状態に基づいて選択する制御部を備えることが好ましい。このような態様とすれば、運転モードを選択することによって、２次電池の充電状態に応じて２次電池への充電量を変えることができる。
【００１３】
なお、燃料電池ユニットは、発電セルで使用された燃料ガスを再び発電セルに環流する環流配管を備えていることが好ましく、燃料ガス供給部は、環流配管に設けられたポンプであることが好ましい。このような態様においては、燃料ガス供給部が供給する燃料ガスは循環しているため、燃料ガス供給部の消費電力を変化させても、すなわち運転状態を変えても、発電セルを乾燥させてしまうことがない。
【００１４】
また、燃料ガス供給部は、第１の運転モードにおいて、比較的高い供給速度で発電セルに燃料ガスを供給し、第２の運転モードにおいて、比較的低い供給速度で発電セルに燃料ガスを供給することが好ましい。このような態様とすれば、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替えることによって、増速された燃料ガスによって発電セルに存在する液体の水を除去することができる。その結果、フラッディングによる発電セルの起電力の低下を解消することができる。
【００１５】
なお、発電セルが、燃料ガスと空気との反応によって発電を行い、燃料電池ユニットが、さらに、電気によって駆動され、外部から空気を取り入れて発電セルに供給し、発電セルから排出された空気を外部へ放出する空気供給部を備える場合には、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、空気供給部は、第１および第２の運転モードにおいて、実質的に同じ供給速度で発電セルに空気を供給することが好ましい。このような態様においては、発電セルを乾燥させてしまうことなく制動力を確保することができる。
【００１６】
また、燃料電池ユニットが、電気によって駆動され、発電セルの温度を制御するための冷却水を循環させる、冷却水循環部を備える場合には、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、冷却水循環部は、第１および第２の運転モードにおいて、実質的に同じ速度で冷却水を循環させることが好ましい。このような態様においては、発電セルの温度を低下させ、発電に適した温度帯から外れさせてしまうことなく、制動力を確保することができる。
【００１７】
さらに、燃料電池システムは、環流配管に、流路の断面積を変化させることができる絞り弁を有していることが好ましい。このような態様とすれば、流路の断面積を変化させることによって、燃料ガス供給部が行う仕事の量を制御することができる。その結果、燃料ガス供給部が消費する電力を調整することができる。よって、発電機としての電動機の仕事率を制御して、要求された制動力を得ることができる。
【００１８】
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、動力装置の運転方法や、動力装置を備える車両などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【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．燃料電池システムの概略構成：
Ｃ．回生時の制御：
Ｄ．変形例：
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の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、動力装置１７と、減速ギア３４と、車両駆動軸３８と、を備えている。動力装置１７の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続されている。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力軸３６を通じて出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００２１】
動力装置１７は、電源装置１５と、駆動インバータ３０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。電源装置１５と駆動モータ３２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。すなわち、駆動モータ３２は、力行運転時には、電源装置１５から電力を供給される負荷であり、一方、回生運転時には、電源装置１５に電力を供給する電源である。
【００２２】
電源装置１５は、燃料電池システム２２と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２２は、発電の本体である燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０に燃料ガスや空気を供給するためのポンプ等の機器を備えている。図１においては、それらの機器をまとめて高圧補機４０として示す。
【００２３】
燃料電池システム２２が接続されている配線５０には、燃料電池スタック１１０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に対する燃料電池スタック１１０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。このスイッチ２０は回生時にはＯＦＦとされ、回生時には、燃料電池スタック１１０内において反応は起こらない。
【００２４】
また、配線５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続されており、このＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０に接続されている。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。
【００２５】
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、駆動モータ３２が力行運転を行っており要求負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、駆動モータ３２に電力を供給して、燃料電池システム２２を補う。また、駆動モータ３２が回生運転を行っている場合には、駆動モータ３２から回生電力を供給され、これを蓄える。
【００２６】
また、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量、すなわち充電状態（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。
【００２７】
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、燃料電池システム２２からの出力電圧を調節し、燃料電池システム２２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。
【００２８】
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に接続されており、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する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。
【００２９】
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などに駆動信号を出力する。
【００３０】
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、ブレーキの踏み込み量を検出するブレーキセンサ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、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサ５７、電気自動車１０の車速を検出する車速センサ５８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。
【００３１】
Ｂ．燃料電池システムの概略構成：
図２は、燃料電池システム２２の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する発電セル２００の積層体である。各発電セル２００は、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型の発電セルを用いるものとした。
【００３２】
燃料電池スタック１１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、外部（大気中）から取り入れられエアコンプレッサ１４１で圧縮された後、加湿器１４２で加湿され、配管１３５から燃料電池スタック１１０に供給される。カソードからの排気は、配管１３６、圧力調整弁１２７、加湿器１４２、希釈器１４４を通じて外部に排出される。なお、加湿器１４２は、燃料電池スタック１１０内における反応によって生じた水分を多く含んだ配管１３６内の排気と、外部から取り入れられ燃料電池スタック１１０内に供給される配管１３５内の空気とを、高分子膜を挟んで間接的に接触させる。その結果、配管１３６内の排気から新たに導入する配管１３５内の空気へと水分が移動し、空気の加湿が行われる。
【００３３】
燃料電池スタック１１０のアノードには、水素供給配管１３２を介して水素タンク１２０から水素ガスが供給される。水素タンク１２０に高圧で貯蔵された水素ガスは、レギュレータ１２３によって圧力が減圧されて、シャットバルブ１２４を通りアノードに供給される。水素供給配管１３２の経路中、レギュレータ１２３と燃料電池スタック１１０との間には、燃料電池スタック１１０に供給される水素ガスの圧力を検出するための圧力センサ１１２が設けられている。アノードからの排気（以下、「アノードオフガス」と称する）は、シャットバルブ１２５を通り還流配管１３３に流出する。
【００３４】
還流配管１３３の経路中には、気液分離器１４６が設けられている。環流配管１３３中には、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が液化して生じた液体の水が存在する。また、カソード側の反応によって生じた水の一部が、発電セル２００中の電解質膜を通ってアノード側に浸みだし、アノードオフガスによって発電セル２００から環流配管１３３に運ばれる。それら液体の水は、気液分離器１４６によって水素ガスおよび水蒸気から分離され、環流配管１３３から外部に排出される。
【００３５】
環流配管１３３は、気液分離器１４６の下流で二つに分岐している。分岐の一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管１３４に接続され、他方は逆止弁１２８を介して水素供給配管１３２に接続されている。燃料電池スタック１１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は、水素供給配管１３２中の水素ガスに比べて低くなる。このため、環流配管１３３には、アノードオフガスを水素供給配管１３２に環流することができるようにアノードオフガスを昇圧する水素ポンプ１４５が設けられている。
【００３６】
水素ポンプ１４５は、水素供給配管１３２側の圧力を比較的低い圧力に保ち、水素の循環速度を低い速度に保つ低出力モードと、水素供給配管１３２側の圧力を比較的高い圧力に保ち、水素の循環速度を高い速度に保つ高出力モードと、の二つの運転モードを有している。高出力モードで運転する場合には、水素ポンプ１４５の仕事量は低出力モードで運転した場合の仕事量よりも大きくなり、水素ポンプ１４５の消費電力は、低出力モードで運転した場合の消費電力よりもＰｈだけ高くなる。定常状態において、水素ポンプ１４５は、低出力モードで運転される。そして、水素ポンプ１４５は、駆動モータ３２が回生運転を行うときに、所定の条件下で高出力モードで運転される。
【００３７】
排出管１３４に設けられた排出バルブ１２６が閉じられている間は、アノードオフガスは水素供給配管１３２を介して再び燃料電池スタック１１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
【００３８】
一方、排出バルブ１２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管１３４を通り、希釈器１４４で空気によって希釈された後、外部に排出される。アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してアノード側に流入した窒素などは消費されずに残留する。このため、アノードオフガス中の不純物の濃度は徐々に増大する。
よって、アノードオフガス中の不純物の濃度が所定の値以上となった場合に、排出バルブ１２６を開いて一部のアノードガスを系外に排出することで、不純物の循環量が低減される。
【００３９】
燃料電池スタック１１０には、燃料電池スタック１１０に冷却水を供給する配管１３７、および燃料電池スタック１１０に冷却水を排出する配管１３８が接続されている。冷却水を排出する配管１３８はラジエータ１４８と接続されており、さらに、ラジエータ１４８は、燃料電池スタック１１０に冷却水を供給する配管１３７に接続されている。冷却水は配管１３７の途中に設けられたポンプ１４７によって、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４８の間を循環される。冷却水が、燃料電池スタック１１０内で各発電セルから受け取った熱を、ラジエータ１４８を通じて外部に放出することで、各発電セルの温度は一定範囲内に保たれる。なお、図２に示された、冷却水を循環させるポンプ１４７、発電セル２００に空気を供給するエアコンプレッサ１４１、発電セル２００に水素ガスを供給する水素ポンプ１４５が、図１に示す高圧補機４０に相当する。
【００４０】
図３は発電セル２００の構造を示す斜視図である。発電セル２００は固体高分子型燃料電池として構成されている。発電セル２００は、電解質膜２３２を水素極２３４、酸素極２３６で挟み込み、さらにその両側をセパレータ２１０、２２０で挟んだ構造を有している。図示の都合上、酸素極２３６は、電解質膜２３２に隠れた位置に存在する。水素極２３４、酸素極２３６は、ガス拡散電極である。
【００４１】
セパレータ２１０の水素極２３４と対向する面には、複数の溝部２１１が形成されている。また、セパレータ２２０の酸素極２３６と対向する面には、複数の溝部２２１が形成されている。セパレータ２１０、２２０が、水素極２３４、酸素極２３６をさらに両側から挟み込むことによって、水素極２３４とセパレータ２１０との間には、溝部２１１による水平方向の燃料ガス流路２１２が形成される。そして、酸素極２３６とセパレータ２２０との間には、溝部２２１による鉛直方向の酸化ガス流路２２２が形成される。
【００４２】
略板状のセパレータ２１０は、図３に示した水素極２３４と向かい合う側の面に燃料ガス流路２１２を形成するための水平方向の溝部２１１を有している一方で、逆側の面には酸化ガス流路２２２を形成するための鉛直方向の溝部２１３を有している。すなわち、セパレータ２１０は、図３に示した発電セル２００の一部を構成すると同時に、図の左側に隣接する発電セル（図示せず）の一部を構成しており、セパレータ２１０上の溝部２１３は、その隣接する発電セルの酸素極のための酸化ガス流路２２２を形成する。すなわち、積層される各発電セル２００は、互いの間に設けられるセパレータを共有する。
【００４３】
略長方形の板状であるセパレータ２１０の各辺の付近には、それぞれの辺に沿った細長い形状の燃料ガス孔２５３、２５４および酸化ガス孔２５５、２５６が形成されている。燃料ガス孔２５３、２５４は、発電セル２００を積層することによって燃料電池スタック１１０を形成した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス流路２１２を形成する。また、酸化ガス孔２５５、２５６は、発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス流路２２２を形成する。
【００４４】
まず、燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２について説明する。発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した状態で、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス孔２５３は、水素供給配管１３２（図２参照）に接続されている。そして、同様に燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス孔２５４は、環流配管１３３（図２参照）に接続されている。また、燃料ガス孔２５３、２５４は、各発電セルにおいて水平方向に伸びる溝部２１１と連通している。
【００４５】
燃料ガスは、水素供給配管１３２から燃料電池スタック１１０の燃料ガス孔２５３に供給され、各発電セル２００の溝部２１１を通って燃料ガス孔２５４に到達する。各発電セル２００の溝部２１１を通る際に、燃料ガスは各発電セル２００の水素極２３４と接触して所定の反応に供される。その後、燃料ガスは、燃料ガス孔２５４から環流配管１３３に排出される。すなわち、燃料ガス孔２５３、溝部２１１および燃料ガス孔２５４が、燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２を構成する。
【００４６】
次に、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２について説明する。発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した状態で、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス孔２５５は、配管１３５（図２参照）に接続されている。そして、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス孔２５６は、配管１３６（図２参照）に接続されている。また、酸化ガス孔２５５、２５６は、各発電セルにおいて鉛直方向に伸びる溝部２２１、２１３と連通している。
【００４７】
酸化ガスは、配管１３５から燃料電池スタック１１０の酸化ガス孔２５５に供給され、各発電セル２００の溝部２２１，２１３を通って酸化ガス孔２５６に到達する。各発電セル２００の溝部２２１，２１３を通る際に、酸化ガスは各発電セル２００の酸素極２３６と接触し、所定の反応に供される。なお、その反応によって水が生成される。その後、酸化ガスは、酸化ガス孔２５６から配管１３６に排出される。すなわち、酸化ガス孔２５５、溝部２２１，２１３および酸化ガス孔２５６が、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２を構成する。
【００４８】
燃料電池スタック１１０においては、５つの発電セル２００ごとに１枚の割合で、発電セル２００と発電セル２００の間に冷却セパレータ２４０が設けられている。冷却セパレータ２４０は、発電セル２００を冷却する冷却水路を形成するためのセパレータである。冷却セパレータ２４０には、冷却水孔を連絡するジグザグ状の冷却水溝２４２が形成されている。この冷却セパレータ２４０の両側に位置する発電セルは、それぞれ独立のセパレータを有しており、図３のセパレータ２２０のような一つのセパレータを共有してはいない。すなわち、冷却セパレータ２４０は、それぞれ発電セルを構成するセパレータ２２０とセパレータ（図示せず）の間に設けられている。
【００４９】
前述のように、隣接する二つの発電セル２００が共有しているセパレータ２１０には、その両面にそれぞれ溝部２１１，２１３が設けられている。しかし、冷却セパレータ２４０と隣接するセパレータには、冷却セパレータ２４０と向かい合う面にリブが設けられておらず、その面は平面である。図３に示すセパレータ２２０は、そのようなタイプのセパレータである。冷却セパレータ２４０の冷却水溝２４２と、冷却セパレータ２４０を両側から挟む各セパレータの平面と、によって、冷却水路が形成される。
【００５０】
セパレータ２１０、２２０には、その周辺部の２カ所に、円形断面の冷却水孔２５１、２５２が形成されている。この冷却水孔２５１、２５２は、発電セル２００を積層した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する冷却水路を形成する。冷却水孔２５１は冷却水を燃料電池スタック１１０に供給する配管１３７（図２参照）に接続されており、冷却水孔２５２は冷却水を燃料電池スタック１１０から排出する配管１３８に接続されている。
【００５１】
燃料電池の運転時には、酸素極２３６において水が生成される。また、配管１３５を通じて供給される空気はあらかじめ加湿器１４２で加湿され水蒸気を含んでいる。この水蒸気の一部が、液体の状態で酸素極２３６に付着することもある。これらの水は、電解質膜２３２を通じて水素極２３４側にも浸透する。これらの水が液体の状態で過剰に電解質膜２３２に付着していると、燃料ガスおよび酸化ガスの拡散が妨げられて、その発電セル２００の起電力が低下する。これを「フラッディング」という。
【００５２】
なお、水滴は、酸素極２３６の表面以外に、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２である酸化ガス孔２５５、溝部２２１，２１３および酸化ガス孔２５６の内壁に付着していることもある。また、電解質膜２３２を通じて水素極２３４側に浸透した水分による水滴が、水素極２３４、ならびに燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２である燃料ガス孔２５３、溝部２１１および燃料ガス孔２５４の内壁に付着していることもある。各発電セルのフラッディング防止のため、これらの過剰な液体の水は、除去されることが望ましい。
【００５３】
Ｃ．回生時の制御：
図４は、電気自動車１０の回生時の制御を示すフローチャートである。ドライバーがブレーキを踏んだ場合には、制御部４８は、まず、ステップＳ２において、電気自動車の車速、ブレーキの踏み込み量、アクセル開度から、ドライバーが望んでいると推定される要求制動トルクＴｒを決定する。なお、電気自動車の車速は車速センサ５８によって検出することができ、ブレーキの踏み込み量は、ブレーキセンサ５６によって検出することができる（図２参照）。そして、アクセル開度は、アクセル開度センサ５７によって検出することができる。なお、このように要求制動トルクＴｒを決定する機能は、制御部４８の要求トルク演算部６４によって実現される。
【００５４】
ステップＳ４では、制御部４８は、要求制動トルクＴｒによる制動を行った場合の、回生による発電電力Ｐｒｇ０を計算する。このように回生電力Ｐｒｇ０を計算する機能は、制御部４８の回生電力演算部６６によって実現される。
【００５５】
ステップＳ６では、制御部４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８、駆動モータ３２、駆動インバータ３０の温度や電圧などの測定値に基づいて、回生電力をＰｒｇ０を、燃料電池システム２２が各機器の故障を起こすことなく実現可能な回生電力Ｐｒｇ１に修正する。各機器が十分な余力を有している場合には、Ｐｒｇ１として、Ｐｒｇ０の値がそのまま使用される。しかし、温度や圧力などに基づいて、いずれかの機器が回生電力Ｐｒｇ０の回生に耐えられないと判断された場合には、Ｐｒｇ０よりも低い値が回生電力Ｐｒｇ１として採用される。その結果、その機器が保護される。このように回生電力Ｐｒｇ１を計算する機能も、制御部４８の回生電力演算部６６によって実現される。
【００５６】
ステップＳ８では、制御部４８は、２次電池２６に充電可能な電力である充電可能電力Ｐｂｐを計算する。２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐは、そのときの２次電池２６の実際の充電状態（ＳＯＣ）と、その状態における目標充電状態と、実際の充電状態から目標充電状態に至るまでの目標時間と、を考慮して決定される。このように充電可能電力Ｐｂｐを計算する機能は、制御部４８の充電電力演算部６５によって実現される。なお、２次電池２６の実際の充電状態は、残存容量モニタ２７を通じて計測できる。
【００５７】
ステップＳ１０では、回生電力Ｐｒｇ１と、２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐと、に基づいて、実際の２次電池の目標充電電力Ｐｂ、目標回生電力Ｐｒｇ、そして水素ポンプ１４５の運転モードが決定される。その後、制御部４８は、回生時の処理を終了する。
【００５８】
なお、図４の処理が行われる回生時には、駆動モータ３２で電力が消費されない。このため、燃料電池システム２２は発電を行う必要がない。よって、燃料電池システム２２のエアコンプレッサ１４１は、発電セル２００の電解質膜が乾燥しない程度の、一定の出力で運転される。また、同様の理由から、冷却水ポンプ１４７も、発電セルの温度が所定の温度帯域から外れない程度の、一定の出力で運転される。
【００５９】
図５は、図４のステップＳ１０の内容を示すフローチャートである。図４のステップＳ１０の処理を行う際には、制御部４８は、まず、ステップＳ１０２で、ステップＳ６で計算した回生電力Ｐｒｇ１が、ステップＳ８で計算した２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐよりも小さいか否かを判定する。
【００６０】
ステップＳ６で計算した回生電力Ｐｒｇ１が２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐよりも小さく、ステップＳ１０２の判定結果がＹｅｓである場合は、ステップＳ１０４において、駆動モータ３２の目標回生電力ＰｒｇはＰｒｇ１とされる。ステップＳ１０４においては、目標回生電力Ｐｒｇは、要求制動トルクＴｒに基づいて決定されるか、または、いずれかの機器を保護するためにＰｒｇ１がＰｒｇ０よりも小さい値とされた場合には、その機器の状態に基づいて決定されることになる。このように回生電力Ｐｒｇを計算する機能は、回生電力演算部６６によって実現される。
【００６１】
また、ステップＳ１０４では、２次電池の目標充電電力Ｐｂは、目標回生電力Ｐｒｇ、すなわちＰｒｇ１とされる。そして、水素ポンプ１４５については、増速を行わず、低出力モードで運転する旨の決定がなされる。充電電力Ｐｂを決定する機能は、充電電力演算部６５によって実現される。水素ポンプ１４５を低出力モードで運転する旨の決定は、回生電力演算部６６によってなされ、制御部４８の水素ポンプ制御部６１が決定されたモードで水素ポンプ１４５を運転する。
【００６２】
なお、ステップＳ１０４によって電気自動車１０の各運転パラメータが決定された場合には、駆動モータ３２が発電した回生電力は、水素ポンプ１４５には供給されない。このステップＳ１０４によって各運転パラメータが決定される運転モードが、特許請求の範囲にいう第２の運転モードに相当する。
【００６３】
一方、ステップｓ１０２において、ステップＳ６で計算した回生電力Ｐｒｇ１が２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐ以上であり、ステップＳ１０２の判定結果がＮｏである場合は、処理は、ステップＳ１０６に進む。
【００６４】
ステップＳ１０６では、制御部４８は、ステップＳ６で計算した回生電力Ｐｒｇ１が、２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐと、水素ポンプ１４５を高出力モードで運転した場合の余分の消費電力Ｐｈの和よりも小さいか否かを判定する。
【００６５】
ステップＳ１０６における判定結果がＹｅｓである場合は、処理は、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、水素ポンプ１４５の運転速度を上げて高出力モードで水素ポンプ１４５を運転することを決定する。また、駆動モータ３２の目標回生電力Ｐｒｇは、ステップＳ１０４と同様にＰｒｇ１とされる。そして、２次電池の目標充電電力Ｐｂは、目標回生電力Ｐｒｇ１から、水素ポンプ１４５の増速によって余分に消費される電力Ｐｈを引いた電力とされる。
【００６６】
なお、回生電力Ｐｒｇを計算する機能は、回生電力演算部６６によって実現され、充電電力Ｐｂを決定する機能は、充電電力演算部６５によって実現される。そして、水素ポンプ１４５を高出力モードで運転する旨の決定は、回生電力演算部６６によってなされ、制御部４８の水素ポンプ制御部６１が決定されたモードで水素ポンプ１４５を運転する。
【００６７】
ステップＳ１０８によって電気自動車１０の各運転パラメータが決定された場合には、駆動モータ３２が発電した電力Ｐｒｇ１の一部Ｐｈが水素ポンプ１４５に供給され、水素ポンプ１４５で消費される。ステップＳ１０８で各運転パラメータが決定される場合とは、駆動モータの回生電力をすべて２次電池に蓄えることができない場合であって、高出力モードで水素ポンプ１４５を運転すれば、２次電池２６への充電可能電力と水素ポンプ１４５による余分の消費電力との和が、駆動モータの回生電力を上回る場合である。このステップＳ１０８によって各運転パラメータが決定される運転モードは、特許請求の範囲にいう第１の運転モードに相当する。
【００６８】
ステップＳ１０８のような処理を行うことで、２次電池が十分な充電容量を有していない場合にも、回生電力の一部を水素ポンプ１４５で消費することによって、回生時の制動力が低下してしまうのを防止することができる。一方ステップＳ１０４のような処理を行うことで、ステップＳ１０８に比べて多くの回生電力を２次電池に蓄えることができる。
【００６９】
また、ステップＳ１０８において、水素ポンプ１４５の増速を行って水素ガスの循環速度を上げることで、発電セル２００の電解質膜２３２および水素極２３４、燃料ガス流路２１２（図３参照）ならびに環流配管１３３内の液体の水を吹き飛ばして、気液分離器１４６に送ることができる。その結果、発電セル２００の一部においてフラッディングが生じている場合には、フラッディングを解消してその発電セル２００の起電力を回復することができる。また、燃料ガス流路２１２および環流配管１３３内において、アノードオフガスの流通を妨げていた液体の水を除くことで、効率的に燃料ガスを循環させることができる。
【００７０】
さらに、燃料ガスは、環流配管１３３によって循環されており、水素ポンプ１４５を増速しても、アノードオフガスが余分に大気中に排出されるわけではない。すなわち、液体の水だけが気液分離器１４６によって除かれ、水蒸気を含んだアノードオフガスは再び燃料電池スタック１１０に環流される。よって、水素ポンプ１４５を増速して運転も、大気中から空気を取り込んでいるエアコンプレッサ１４１を増速した場合のように、電解質膜２３２を乾燥させてしまうことがない。
【００７１】
一方、ステップＳ１０６における判定結果がＮｏである場合は、処理は、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、水素ポンプ１４５の運転速度を上げて高出力モードで水素ポンプ１４５を運転することを決定する。また、駆動モータ３２の目標回生電力Ｐｒｇは、２次電池の充電可能電力Ｐｂｐと、水素ポンプ１４５の増速によって余分に消費される分の電力Ｐｈと、の和に等しい値とされる。そして、２次電池の目標充電電力Ｐｂは、ステップＳ８で決定した充電可能電力Ｐｂｐとされる。各値の計算を行う制御部の機能部は、ステップＳ１０８と同じである。
【００７２】
なお、ステップＳ１１０によって電気自動車１０の各運転パラメータが決定された場合にも、駆動モータ３２が発電した電力の一部Ｐｈが水素ポンプ１４５に供給され水素ポンプ１４５で消費される。すなわち、ステップＳ１１０によって各運転パラメータが決定される運転モードも、特許請求の範囲にいう第１の運転モードに相当する。なお、ステップＳ１１０において燃料電池システム２２の運転条件の設定が行われた場合には、回生時の制動力は低下する。
【００７３】
ステップＳ１１０のような処理を行うことで、２次電池がほとんど充電容量を有していない場合にも、回生による制動力が０近くまで低下することがない。すなわち、回生電力を水素ポンプ１４５で消費することで、少なくとも回生による発電電力が水素ポンプ１４５の消費電力Ｐｈと等しくなる程度の制動力を回生によって発揮することができる。
【００７４】
また、ステップＳ１１０において各運転パラメータの決定を行う場合にも、水素ポンプ１４５の増速を行うことで、フラッディングを解消し、効率的に燃料ガスを循環させることができる。そして、電解質膜２３２が過剰に乾燥することもない。
【００７５】
動力装置１７を第１の運転モードで運転するか、第２の運転モードで運転するかは、制御部４８が、回生電力Ｐｒｇ１と、充電可能電力Ｐｂｐと、に基づいて決定する（図５のステップＳ１０２参照）。燃料ガス供給部としての水素ポンプ１４５は、第１の運転モードにおいて、比較的高い電力、すなわち第２の運転モードにくらべてＰｈだけ高い電力を消費する。一方、水素ポンプ１４５は、第２の運転モードにおいて、比較的低い電力、すなわち第１の運転モードにくらべてＰｈだけ低い電力を消費する。
【００７６】
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。
【００７７】
（１）たとえば、動力システム１７は、環流配管１３３の水素ポンプ１４５よりも上流の位置に、圧力調整弁を有する態様とすることができる。この圧力調整弁は、水素ポンプ１４５によって上昇された水素ガスの圧力を、所定の圧力にまで低減するものとすることができる。すなわち、圧力調整弁よりも下流の環流配管１３３においては、水素ポンプ１４５が低出力モードで運転されているときにも、高出力モードで運転されているときにも、水素ガスの圧力は、ほぼ一定に保たれている。その結果、水素ポンプ１４５を高速で運転すれば、その分だけ水素ポンプ１４５で消費する電力が大きくなる。このため、低出力モードにおける消費電力と高出力モードにおける水素ポンプ１４５の消費電力の差を大きくすることができる。
【００７８】
また、上記実施例においては、ステップＳ１０８，Ｓ１１０で動力装置の運転パラメータの決定を行う第１の運転モードと、ステップＳ１０４で運転パラメータの決定を行う第２の運転モードとでは、水素ガスの循環速度が異なっていた。しかし、上述のような水素ポンプ１４５の上流側と下流側圧力差を変えることができる態様においては、かならずしも水素ガスの循環速度が異なっている必要はない。すなわち、動力システム１７は、いずれも電動機が回生を行うモードであって、燃料ガスを発電セルに供給する燃料ガス供給部の消費電力が、比較的高いモードと、比較的低いモードと、を有するものでればよい。ただし、水素ガスの循環速度が異なるモードを有する態様においては、水素ガスの循環速度が比較的低いモードから循環速度が比較的高いモードに運転を切り替えることによって、発電セル内の水分を効率的に除去することができる点でより好ましい。
【００７９】
（２）上記実施例においては、回生時には、エアコンプレッサ１４１と冷却水ポンプ１４７とは、一定の出力で運転された。しかし、エアコンプレッサ１４１と冷却水ポンプ１４７の運転状態は、それぞれ回生時にも所定の範囲内で変動してよい。ただし、エアコンプレッサ１４１は、発電セル２００の電解質膜が乾燥せず、かつフラッディングが生じない程度の出力で運転されることが好ましい。そして、冷却水ポンプ１４７は、発電セルの温度が発電に適した所定の温度帯域から外れない程度の出力で運転されることが好ましい。そのような態様とすれば、その後、駆動モータが力行運転を開始したときに、燃料電池システムは、少ない時間遅れで発電を開始することができる。
【００８０】
そして、燃料ガス供給部がより高い電力を消費する第１の運転モードにおける発電セルへの空気の供給速度は、燃料ガス供給部がより低い電力を消費する第２の運転モードにおける発電セルへの空気の供給速度と、実質的に同じであることが好ましい。ここで、「第１および第２の運転モードにおける空気の供給速度が実質的に同じである」とは、第１の運転モードにおける空気の単位時間当たりの供給量が、第２の運転モードにおける空気の単位時間当たりの供給量の８０％〜１２０％であることを意味する。ただし、第１の運転モードにおける空気の単位時間当たりの供給量が、第２の運転モードにおける空気の単位時間当たりの供給量の９０％〜１１０％であることがより好ましい。
【００８１】
また、燃料ガス供給部がより高い電力を消費する第１の運転モードにおける冷却水の循環速度は、燃料ガス供給部がより低い電力を消費する第２の運転モードにおける冷却水の循環速度と、実質的に同じであることが好ましい。ここで、「第１および第２の運転モードにおける冷却水の循環速度が実質的に同じである」とは、第１の運転モードにおける冷却水の単位時間当たりの循環量が、第２の運転モードにおける冷却水の単位時間当たりの循環量の８０％〜１２０％であることを意味する。ただし、第１の運転モードにおける冷却水の単位時間当たりの循環量が、第２の運転モードにおける冷却水の単位時間当たりの循環量の９０％〜１１０％であることがより好ましい。
【００８２】
（３）上記実施例においては、電気自動車１０が回生をおこなうときに、動力装置１７を第１の運転モードで運転するか、第２の運転モードで運転するかは、要求された制動力と各機器の状態とに基づいて決定される回生電力Ｐｒｇ１と（図４のステップＳ２〜Ｓ６参照）、２次電池２６の充電可能電力Ｐｂｐと（図４のステップＳ８参照）、に基づいて決定されていた（図５のステップＳ１０２参照）。
【００８３】
しかし、動力装置１７を第１の運転モードで運転するか、第２の運転モードで運転するかは、２次電池２６の充電状態のみに基づいて決定してもよい。また、第１の運転モードと第２の運転モードとは、２次電池２６の充電状態と、要求された制動力Ｔｒと、に基づいて決定してもよい。すなわち、第１の運転モードと第２の運転モードとは、２次電池の充電状態に基づいて選択することができる。
【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の概略構成を示す説明図。
【図３】  発電セル２００の構造を示す斜視図。
【図４】  電気自動車１０の回生時の制御を示すフローチャート。
【図５】  図４のステップＳ１０の内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…電気自動車
１５…電源装置
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…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４２…ダイオード
４８…制御部
５０…配線
５２…電圧計
５６…ブレーキセンサ
５７…アクセル開度センサ
５８…車速センサ
６１…水素ポンプ制御部
６４…要求トルク演算部
６４…要求トルク演算部
６５…充電電力演算部
６６…回生電力演算部
１１０…燃料電池スタック
１１２…圧力センサ
１２０…水素タンク
１２３…レギュレータ
１２４…シャットバルブ
１２５…シャットバルブ
１２６…排出バルブ
１２７…圧力調整弁
１２８…逆止弁
１２９…圧力調整弁
１３２…水素供給配管
１３３…還流配管
１３４…排出管
１３５〜１３８…配管
１４１…エアコンプレッサ
１４２…加湿器
１４４…希釈器
１４５…水素ポンプ
１４６…気液分離器
１４７…冷却水ポンプ
１４８…ラジエータ
２００…発電セル
２１０…セパレータ
２１１，２１３…溝部
２１２…燃料ガス流路
２２０…セパレータ
２２１…溝部
２２２…酸化ガス流路
２３２…電解質膜
２３４…水素極
２３６…酸素極
２４０…冷却セパレータ
２５１，２５２…冷却水孔
２５３，２５４…燃料ガス孔
２５５，２５６…酸化ガス孔
Ｐｂ…目標充電電力
Ｐｂｐ…充電可能電力
Ｐｈ…水素ポンプを高出力モードで運転した場合に低出力モードよりも余分に消費する電力
Ｐｒｇ…目標回生電力
Ｐｒｇ０…要求制動トルクＴｒによる制動を行った場合の回生による発電電力
Ｐｒｇ１…機器保護のための補正を行った後の回生電力
Ｔｒ…要求制動トルク
【図１】
0004617638.tif 000002
【図２】
0004617638.tif 000003
【図３】
0004617638.tif 000004
【図４】
0004617638.tif 000005
【図５】
0004617638.tif 000006