(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続された燃料電池と２次電池と、
負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
接続される負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記停止手段は、前記発電運転に関与する燃料電池補機の運転を停止する手段を有する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
前記２次電池の残存容量を検出する手段を備え、
前記検出残存容量で前記低負荷領域の場合の前記検出負荷を賄えるときには、前記停止手段の動作を実行する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記低負荷領域は、前記燃料電池の電力供給能力の約１０％以下の領域とされている、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記接続される負荷は、燃料電池システム外への電力供給先である第１の負荷と、燃料電池システム内への電力供給先である第２の負荷とからなる、燃料電池システム。
【請求項６】
並列に接続された燃料電池と２次電池と、
負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
燃料電池システムのシステム効率が所定値以下である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段を備えた燃料電池システム。
【請求項７】
電気エネルギによってモータを回転させ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動力を得る電気自動車であって、
並列に接続された燃料電池と２次電池と、負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムを搭載し、
前記燃料電池システムの前記電力供給手段は、
接続される負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段とを備え、
前記モータは、前記燃料電池システムから電力の供給を受ける、電気自動車。
【請求項８】
請求項７記載の電気自動車であって、
前記接続される負荷は、燃料電池システム外への電力供給先である第１の負荷と、燃料電池システム内への電力供給先である第２の負荷とからなる、電気自動車。
【請求項９】
電気エネルギによってモータを回転させ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動力を得る電気自動車であって、
並列に接続された燃料電池と２次電池と、負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムを搭載し、
前記燃料電池システムの前記電力供給手段は、
燃料電池システムのシステム効率が所定値以下である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段を備え、
前記モータは、前記燃料電池システムから電力の供給を受ける、電気自動車。
【請求項１０】
負荷に対して並列に接続された燃料電池と２次電池と、
前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
接続される前記負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記燃料電池へのガス供給を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムであって、
前記停止手段は、前記燃料電池のカソードへのガス供給を停止する、燃料電池システム。
【請求項１２】
電力の供給を受けて回転しその回転力を車軸に伝えるモータに対して並列に接続された燃料電池と２次電池と、
前記両電池から前記モータへの電力供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
前記モータに求められる負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記２次電池のみから前記モータに電力を供給する手段と
を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび電気自動車に関し、詳しくは燃料電池と２次電池とを備えた燃料電池システムと、この燃料電池システムを搭載した電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとして、燃料電池と２次電池とを電源として備え、この両電池からモータ等の負荷に電力を供給するものが提案されている（例えば特開平７−２４０２１２号公報など）。この燃料電池システムは、負荷の増減に応じて単純に燃料電池の出力を制御するのではなく、燃料電池を、その用いる燃料の変換効率が高い範囲で運転するようにして、システムの変換効率を高い範囲で維持するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の燃料電池システムでは、負荷に供給が必要とされる電力の大小に拘わらず、燃料電池では高い変換効率のまま運転されることになる。したがって、負荷が小さい場合でも燃料電池は高変換効率範囲での運転を継続することになるため、燃料電池の発電が無駄になることもあった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、燃料電池での発電の無駄を削減し、燃料電池と２次電池を有するシステム全体としての効率向上を図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】
かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池システムは、
並列に接続された燃料電池と２次電池と、
負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムであって、
前記電力供給手段は、
接続される負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段と
を備えることをその要旨とする。
【０００６】
上記構成を有する本発明の燃料電池システムでは、負荷の大きさが所定の低負荷領域である場合には、燃料電池の発電運転を停止してその燃料電池からの電力供給を停止する。そして、この場合には、電力制御手段により、２次電池から負荷に電力の供給を行なう。このため、低負荷領域では、燃料電池の発電運転を要しないので、燃料電池の発電が無駄になるようなことがなくシステム全体としての効率を向上できる。
この低負荷領域としては、燃料電池の電力供給能力の約１０％以下の領域とすることができる。
【０００７】
また、上記の負荷には、燃料電池で得られた発電電力を燃料電池システム外に供給する場合の第１の負荷のみならず、燃料電池システムの維持に関与する第２の負荷（即ち、燃料電池システム内での負荷）が含まれる。そして、第２の負荷の大きさが上記低負荷領域であるとすると、２次電池からの電力供給によりシステム維持を図る。
【０００８】
この場合、接続される負荷の大きさによる場合と同様に、燃料電池システムのシステム効率が所定値以下であると、燃料電池の発電運転を停止して燃料電池からの電力供給を停止するようにすることもできる。こうしても、システム効率が低いときには、２次電池から電力供給を行なって、燃料電池の発電を無駄にしないようにできる。
【０００９】
上記の構成を有する本発明の燃料電池システムは、以下の態様を採ることもできる。即ち、前記停止手段を、前記発電運転に関与する燃料電池補機の運転を停止する手段を有するものとすることができる。
こうすれば、これら燃料電池補機の運転に要するエネルギも使わないようにできるので、よりシステム効率を向上できる。
【００１０】
また、前記電力供給手段を、
前記２次電池の残存容量を検出する手段を備え、
前記検出残存容量で前記低負荷領域の場合の前記検出負荷を賄えるときには、前記停止手段の動作を実行するものとすることができる。
【００１２】
また、本発明の電気自動車は、
電気エネルギによってモータを回転させ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動力を得る電気自動車であって、
並列に接続された燃料電池と２次電池と、負荷に対して前記両電池から前記負荷への電力の供給を行なう電力供給手段とを有する燃料電池システムを搭載し、
前記燃料電池システムの前記電力供給手段は、
接続される負荷の大きさを検出する検出手段と、
前記燃料電池の発電運転中に検出負荷が所定の低負荷領域である場合には、前記燃料電池の発電運転を停止して前記燃料電池からの電力供給を停止する停止手段とを備え、
前記モータは、前記燃料電池システムから電力の供給を受ける
ことをその要旨とする。
【００１３】
上記構成を有する本発明の電気自動車では、車両駆動に求められるモータの回転力が小さい所定の領域（低負荷領域）である場合には、燃料電池を発電運転することなく、２次電池からモータに電力の供給を行なう。このため、低負荷領域では、燃料電池の発電運転を要しないので、燃料電池の発電が無駄になるようなことがなく電気自動車としてシステム効率を向上できる。
【００１４】
そして、この電気自動車において、燃料電池の発電運転に則して燃料電池補機の運転を停止するようにすれば、これら燃料電池補機の運転に要するエネルギも使わないようにできるので、よりシステム効率を向上できる。
【００１５】
また、低負荷領域であってそのときの検出負荷（求められるモータ回転力）を２次電池の残存容量で賄えないときには、燃料電池の発電運転を行うようにすることもできる。こうすれば、燃料電池の発電運転により得られた電力をモータに供給してこれを回転させるので、モータ停止といった事態を招かずモータ停止による車両挙動を起こさない。よって、モータを回転させて車両を駆動させるための操作を行う運転者に、モータ停止による車両挙動に伴なう違和感を与えないようにできる。
【００１６】
更に、接続される負荷が低負荷領域の場合と同様に、燃料電池システムのシステム効率が所定値以下であると、燃料電池の発電運転を停止して燃料電池からの電力供給を停止するようにすることもできる。こうしても、システム効率が低いときの車両走行に際しては、２次電池から電力供給を行なって走行し、燃料電池の発電を無駄にしないようにできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。燃料電池システム１０は、燃料電池２０、２次電池３０、車両駆動用のモータ３２、補機類３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６、残存容量モニタ４６、制御部５０、インバータ８０、電流センサ９０を主な構成要素とする。以下、燃料電池システム１０の各構成要素について説明する。
【００１８】
燃料電池２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル２８を複数積層したスタック構造を有している。燃料電池２０は、陰極側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて以下に示す電気化学反応によって起電力を得る。
【００１９】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                          …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ        …（２）
Ｈ2  ＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ               …（３）
【００２０】
（１）式は陰極側における反応、（２）式は陽極側における反応を示し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。図２は、この燃料電池２０を構成する単セル２８の構成を例示する断面図である。単セル２８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。
【００２１】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４，２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐが形成されている。セパレータ２４，２５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４，２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００２２】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜２１上にプレスする構成も好適である。また、白金などの触媒は、電解質膜２１ではなく、電解質膜２１を接するアノード２２およびカソード２３側に塗布することとしてもよい。
【００２３】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００２４】
セパレータ２４，２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４，２５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００２５】
以上、燃料電池２０の基本構造である単セル２８の構成について説明した。実際に燃料電池２０として組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５の順序で構成される単セル２８を複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板２６，２７を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００２６】
図１のブロック図では図示しなかったが、実際に燃料電池を用いて発電を行なうには、上記スタック構造を有する燃料電池本体の他に所定の周辺装置（燃料電池補機）を必要とする。図３は、燃料電池２０とその周辺装置とからなる燃料電池部６０の構成を例示するブロック図である。燃料電池部６０は、上記燃料電池２０と、メタノールタンク６１および水タンク６２と、改質器６４と、エアコンプレッサ６６とを主な構成要素とするほか、メタノールと水をタンクから流出供給させるためのポンプ６１ａ、６２ａを有する。
【００２７】
改質器６４は、メタノールタンク６１および水タンク６２から、メタノールおよび水の供給を受ける。改質器６４では、供給されたメタノールを原燃料として水蒸気改質法による改質を行ない、水素リッチな燃料ガスを生成する。以下に、改質器６４で行なわれる改質反応を示す。
【００２８】
ＣＨ3ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ2                …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2              …（５）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋３Ｈ2       …（６）
【００２９】
改質器６４で行なわれるメタノールの改質反応は、（４）式で表わされるメタノールの分解反応と（５）式で表わされる一酸化炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（６）式の反応が起きる。このような改質反応は全体として吸熱反応である。改質器６４で生成された水素リッチな燃料ガスは燃料供給路６８を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記燃料ガス流路２４Ｐに導かれてアノード２２における電池反応に供される。アノード２２で行なわれる反応は記述した（１）式で表わされるが、この反応で必要な水を補って電解質膜２１の乾燥を防ぐために、燃料供給路６８に加湿器を設け、燃料ガスを加湿した後に燃料電池２０に供給することとしてもよい。なお、このように加湿器を設けた場合は、この加湿器も上記した周辺機器に含まれる。
【００３０】
また、エアコンプレッサ６６は、外部から取り込んだ空気を燃料電池２０に加圧供給する。エアコンプレッサ６６に取り込まれて加圧された空気は、空気供給路６９を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単セル２８において、前記酸化ガス流路２５Ｐに導かれてカソード２３における電池反応に供される。一般に燃料電池では、両極に供給されるガスの圧力が増大するほど反応速度が上昇するため電池性能が向上する。そこで、カソード２３に供給する空気は、このようにエアコンプレッサ６６によって加圧を行なっている。なお、アノード２２に供給する燃料ガスの圧力は、記述した燃料供給路６８に設けたマスフロコントローラの電磁バルブ６７の開閉状態を制御することによって容易に調節可能である。
【００３１】
燃料電池２０内のアノード２２で電池反応に使用された後の燃料排ガスと、エアコンプレッサ６６によって圧縮された空気の一部とは改質器６４に供給される。既述したように、改質器６４における改質反応は吸熱反応であって外部から熱の供給が必要であるため、改質器６４内部には図示しないバーナが加熱用に備えられている。上記燃料ガスと圧縮空気とは、このバーナの燃焼のために用いられる。燃料電池２０の陽極側から排出された燃料排ガスは燃料排出路７１によって改質器６４に導かれ、圧縮空気は空気供給路６９から分岐する分岐空気路７０によって改質器６４に導かれる。燃料排ガスに残存する水素と圧縮空気中の酸素とはバーナの燃焼に用いられ、改質反応に必要な熱量を供給する。
【００３２】
このような燃料電池２０は、接続される負荷の大きさに応じて燃料ガス量および酸化ガス量を調節することによって出力を制御することができる。この出力の制御は制御部５０によって行なわれる。すなわち、既述したエアコンプレッサ６６や燃料供給路６８に設けた電磁バルブ６７に対して制御部５０からの駆動信号を出力し、その駆動量や開閉状態を調節することで供給ガス量を制御して燃料電池２０の出力を調節している。
【００３３】
以上説明した燃料電池２０は、図１に示すように、２次電池３０、モータ３２および補機類３４と接続している。この燃料電池２０は、モータ３２および補機類３４に対して電力の供給を行なうと共に、これら負荷の状態に応じて２次電池３０の充電を行なう。この場合、燃料電池２０は、モータ３２および補機類３４とスイッチ２０ａを介して接続されており、制御部５０によるこのスイッチ２０ａや２次電池側のスイッチ３０ａの開閉制御を経て、モータ３２や補機類３４への電力供給、２次電池３０の充電が実行される。
【００３４】
図１に戻って各部の構成について更に説明する。
２次電池３０は、上記燃料電池２０とともにモータ３２および補機類３４に電力を供給する電源装置である。本実施例では鉛蓄電池を用いたが、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次電池など他種の２次電池を用いることもできる。この２次電池３０の容量は、燃料電池システム１０を搭載する車両の大きさやこの車両の想定される走行条件、あるいは要求される車両の性能（最高速度や走行距離など）などによって決定される。
【００３５】
モータ３２は、三相同期モータである。燃料電池２０や２次電池３０が出力する直流電流は、後述するインバータ８０によって三相交流に変換されてモータ３２に供給される。このような電力の供給を受けてモータ３２は回転駆動力を発生し、この回転駆動力は、燃料電池システム１０を搭載する車両における車軸を介して、車両の前輪および／または後輪に伝えられ、車両を走行させる動力となる。このモータ３２は、制御装置３３の制御を受ける。制御装置３３は、アクセルペダル３３ａの操作量を検出するアクセルペダルポジションセンサ３３ｂなどとも接続されている。また、制御装置３３は、制御部５０とも接続されており、この制御部５０との間でモータ３２の駆動などに関する種々の情報をやり取りしている。
【００３６】
補機類３４は、燃料電池システム１０における燃料電池２０の稼働中に所定範囲内の電力を消費する負荷である。例えば、周辺装置として既述したエアコンプレッサ６６や、メタノール・水の各ポンプ６１ａ、６２ａのほか、マスフロコントローラや図示しないウオータポンプなどがこの補機類に相当する。エアコンプレッサ６６は、既述したように、燃料電池２０に供給する酸化ガス圧を調節するものである。また、ウオータポンプは、冷却水を加圧して燃料電池２０内を循環させるものであり、このように冷却水を循環させて燃料電池２０内で熱交換を行なわせることによって、燃料電池２０の内部温度を所定の温度以下に制御する。マスフロコントローラは、既述したように燃料電池２０に供給する燃料ガスの圧力と流量を調節する。従って、図１のブロック図では燃料電池２０と補機類３４とは独立して表わされているが、これら燃料電池２０の運転状態の制御に関わる機器については燃料電池２０の周辺機器ということもできる。このような補機類３４の電力消費量は、モータ３２の消費電力に比べて少ないものの、燃料電池２０の発電量が多くなるほど多くなる。また、この補機類は、燃料電池２０が発電運転している状況下では、発電量の大小に拘わらず運転される。この点について説明する。
【００３７】
図４は燃料電池２０としての効率を説明するための説明図であり、図４（ａ）は電流密度と単セル単体の効率、電池（ＦＣ）出力との関係を表す説明図、図４（ｂ）は補機動力とＦＣ出力との関係を表す説明図、図４（ｃ）はＦＣ出力とＦＣシステム効率との関係を表す説明図である。単セルでは、発電のための燃料ガス（酸素、改質ガス）は、電流密度を高めて発電量を増やそうとする際、それに応じて増量供給される。このようにガス供給が増えると、既述した陰陽での電極反応に供することなく単セルを通過するガス量も増え、発電に未関与のガス量が増えることになる。よって、単セル効率を供給ガス量当たりの発電量（電流密度）と規定すると、図４（ａ）に示すように、電流密度が増えると単セル効率は低下する。なお、単セルの集合である燃料電池２０としては、その出力(ＦＣ出力)は、図中点線で示すように、電流密度が大きくなるほど大きくなる。
【００３８】
一方、上記したエアコンプレッサ６６等の周辺装置は、供給ガス量の増加(即ち、ＦＣ出力)に応じてほぼ増加する動力を必要とし、ＦＣ出力が低い場合であっても所定の動力を必要とする(図４(ｂ)参照)。これらの結果、燃料電池２０としてのシステム効率(例えば、発電量から補機駆動に要する電力を差し引いた電力をガス供給量で除算した値)は、図４(ｃ)に示すように、ＦＣ出力が小さいほど低下する。
【００３９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池２０および２次電池３０が出力する電気エネルギの電圧を変換して補機類３４に供給する。モータ３２を駆動するのに必要な電圧は、通常２００Ｖ〜３００Ｖ程度であり、燃料電池２０および２次電池３０からはこれに見合った電圧が出力されている。しかしながら、既述したウオータポンプなどの補機類３４を駆動するときの電圧は１２Ｖ程度であり、燃料電池２０および２次電池３０から出力される電圧をそのままの状態で供給することはできない。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６によって電圧を降下させている。
【００４０】
上記した燃料電池側のスイッチ２０ａや２次電池側のスイッチ３０ａを切り替えることによって、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３２とを接続したり切り離したりすることができる。上記各スイッチの接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００４１】
残存容量モニタ４６は、２次電池３０の残存容量を検出するものであり、ここではＳＯＣメータによって構成されている。ＳＯＣメータは２次電池３０における充電・放電の電流値と時間とを積算するものであり、この値を基に制御部５０は２次電池３０の残存容量を演算する。ここで残存容量モニタ４６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３０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ため、この性質を利用して電圧を測定することによって２次電池３０の残存容量を検出することができる。このような電圧センサは制御部５０に接続させるものであり、制御部５０に予め電圧センサにおける電圧値と残存容量との関係を記憶しておくことによって、電圧センサから入力される測定値を基に制御部５０は２次電池３０の残存容量を求めることができる。あるいは、残存容量モニタ４６は、２次電池３０の電解液の比重を測定して残存容量を検出する構成としてもよい。
【００４２】
制御部５０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、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８からなる。ＣＰＵ５２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。ＲＯＭ５４には、ＣＰＵ５２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などが予め格納されており、ＲＡＭ５６には、同じくＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされる。入出力ポート５８は、残存容量モニタ４６など各種センサからの検出信号などを入力すると共に、ＣＰＵ５２での演算結果に応じて、インバータ８０などに駆動信号を出力して燃料電池システムの各部の駆動状態を制御する。
【００４３】
図１では、制御部５０に関しては、残存容量モニタ４６からの検出信号および電流センサ９０からの信号の入力と、インバータ８０の駆動信号の出力と、制御装置３３との間の信号のやり取りのみを示したが、制御部５０はこの他にも燃料電池システムにおける種々の制御を行なっている。制御部５０による図示しない制御の中で主要なものとしては、燃料電池２０の運転状態の制御を挙げることができる。既述したように、エアコンプレッサ６６やマスフロコントローラに駆動信号を出力して酸化ガス量や燃料ガス量を制御したり、改質器６４に供給するメタノールおよび水の量を制御したり、燃料電池２０の温度管理や改質器６４の温度管理も制御部５０が行なっている。
【００４４】
インバータ８０は、燃料電池２０や２次電池３０から供給される直流電流を、３相交流電流に変換してモータ３２に供給する。ここでは、制御部５０からの指示に基づいて、モータ３２に供給する３相交流の振幅（実際にはパルス幅）および周波数を調節することによって、モータ３２で発生する駆動力を制御可能となっている。このインバータ８０は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作により燃料電池２０および２次電池３０から供給される直流電流を任意の振幅および周波数の三相交流に変換する。インバータ８０が備える各スイッチング素子は、導電ラインにより制御部５０に接続されており、制御部５０からの駆動信号によりそのスイッチングのタイミングの制御を受ける。
【００４５】
このインバータ８０と燃料電池２０或いは２次電池３０との接続状態は上記のスイッチ２０ａ、３０ａの制御により決定される。つまり、インバータ８０と燃料電池２０との接続のほか、インバータ８０と２次電池３０の接続や、インバータ８０への燃料電池２０と２次電池３０の同時接続が可能である。そして、これらの接続状態を採る間において、燃料電池２０の出力制御（発電運転制御）を任意に実行でき、また、２次電池３０の出力制御（出力ＯＮ・出力ＯＦＦの制御）も任意に実行できる。これに対し、既述した特開平７−２４０２１２号ではその構成から燃料電池や２次電池を任意に出力調整できないので、本実施例では、この特開平７−２４０２１２号のシステムに対して有利である。
【００４６】
電流センサ９０は、２次電池３０からの出力電流を検出する。２次電池３０の出力状態は放電の場合も充電の場合もあるが、以後、充放電両方の場合について出力電流という。この電流センサ９０は制御部５０と接続しており、電流センサ９０によって検出された電流値は制御部５０に入力される。入力された電流値は、２次電池３０における充放電状態を判断する際に用いられる。
【００４７】
次に、上記した構成を有する燃料電池システム１０が実行する燃料電池制御について説明する。図５はこの燃料電池制御の処理の内容を表すフローチャートである。この燃料電池制御は、燃料電池システム１０を搭載する車両において、この燃料電池システムを始動させる所定のスタートスイッチがオン状態になったときから、ＣＰＵ５２によって所定時間ごと、例えば１０μｓｅｃごとに実行される。
【００４８】
本ルーチンが実行されると、まず、本システムを搭載した電気自動車の運転者がアクセル操作を介して要求する駆動要求パワーの読み込みと、２次電池３０の残存容量Ｑの読み込みを実行する（ステップＳ１００）。この駆動要求パワーは、車両を運転者の要求に応じてモータ３２を回転させるためのパワー(電力)であり、燃料電池２０の発電電力と２次電池３０の放電電力で賄われる。この場合、駆動要求パワーは、アクセルペダル３３ａの操作量（アクセルペダルポジションセンサ３３ｂの出力）を制御装置３３を経て入力することで読み込み演算される。また、２次電池３０の残存容量Ｑは残存容量モニタ４６の出力値から読み込み演算される。これら読み込み演算に続いては、燃料電池２０を間欠的に運転する間欠運転モードである旨を示す間欠フラグｆｋのセット状態を判定する(ステップＳ１１０)。この間欠フラグｆｋは、後述の処理にてセット・リセットされ、セット状態であれば燃料電池２０を間欠運転させることを、リセット状態であれば燃料電池２０を連続運転させることを表す。
【００４９】
ここで、間欠フラグｆｋ＝０(リセット状態；連続運転)であると判定した場合は、駆動要求パワーが所定の閾値パワーＸｐｗより小さいか否かの判定を行う(ステップＳ１２０)。閾値パワーＸｐｗは、図４(ｃ)に示すように、燃料電池２０の出力が低いためにシステム効率が低くなっている領域の値（燃料電池出力）であり、本実施例では、燃料電池２０の発電能力（電力供給能力）の約１０％に設定されている。なお、この閾値パワーＸｐｗは、２次電池３０の充放電能力やステップＳ１００で読み込んだ残存容量Ｑ等に応じて種々設定することが可能であり、上記したものに限られるわけではない。
【００５０】
このステップＳ１２０で肯定判定した場合は、ステップＳ１１０での判定（ｆｋ＝０）を受けて燃料電池２０を連続運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗより小さいことになる。よって、この場合は、燃料電池２０の運転モードを連続運転モードから間欠運転モードに移行する旨を示すよう、間欠フラグｆｋに値１を入れてこれをセットする（ステップＳ１３０）。次に、ステップＳ１００で読み取った残存容量Ｑと駆動要求パワーとを対比し、２次電池３０の残存容量Ｑだけの電力でモータ３２を駆動要求パワー通りに回転させることができるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。つまり、残存容量Ｑで駆動要求パワーを充足できるかを判定する。
【００５１】
このステップＳ１４０で、残存容量Ｑで駆動要求パワーを充足できると判定した場合は、低い発電領域での燃料電池２０と上記したエアコンプレッサ６６等の燃料電池周辺装置を含む燃料電池機器群の運転を実際に停止する（ステップＳ１５０）。続いて、２次電池３０から残存容量Ｑの電力をモータ３２に供給して（ステップＳ１６０）、一旦本ルーチンを終了する。これにより、モータ３２は２次電池３０のみからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００５２】
一方、ステップＳ１４０で、残存容量Ｑだけでは駆動要求パワーを充足できないと判定した場合は、２次電池３０と燃料電池２０を併用すべく、上記の燃料電池機器群を発電運転させると共に、燃料電池２０の連続運転モードに移行する旨を示すよう、間欠フラグｆｋに値０「ゼロ」を入れてこれをリセットする（ステップＳ１７０）。これにより、２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで、モータ３２の回転並びに駆動要求パワーでの車両駆動が可能となる。
【００５３】
このステップＳ１７０に続いては、駆動要求パワーが２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで賄えるよう、２次電池３０と燃料電池２０とからモータ３２に電力を供給して（ステップＳ１８０）、一旦本ルーチンを終了する。より詳しく説明すると、駆動要求パワーと残存容量ＱはステップＳ１００での読み込みにより既知であることから、この両者から、燃料電池２０で発電すべき電力は定まる。よって、この定まった電力を発電するための既述した燃料ガス供給量を演算し、その結果に応じて上記の周辺装置を運転し、上記定まった電力を燃料電池２０で発電する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００５４】
また、ステップＳ１２０で駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ以上であると判定した場合は、駆動要求パワーを得るには燃料電池２０をシステム効率が高い状況で発電運転をすればよいと言える。よって、駆動要求パワーを２次電池３０の電力と燃料電池２０の発電電力で賄うべくステップＳ１７０に移行する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００５５】
一方、既述したステップＳ１１０で、間欠フラグｆｋ＝１(セット状態；間欠運転)であると判定した場合は、駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいか否かの判定を行う(ステップＳ１９０)。ここで、肯定判定した場合は、ステップＳ１１０での判定（ｆｋ＝１）を受けて燃料電池２０を間欠運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいことになる。よって、この大きな駆動要求パワーを２次電池３０の電力と燃料電池２０の発電電力で賄うべく、ステップＳ１７０に移行する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００５６】
また、ステップＳ１９０で否定判定した場合は、駆動要求パワーはまだ小さいままである。よって、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群を停止したままこの駆動要求パワーを２次電池３０の残存容量Ｑで賄うべく、ステップＳ１４０に移行して、既述したそれ以降の処理を実行する。これにより、燃料電池システム１０は、燃料電池機器群の停止状況下で（ステップＳ１５０）、２次電池３０の残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて（ステップＳ１６０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。また、残存容量Ｑでは不足の場合は（ステップＳ１４０；否定判定）、２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給によりモータ３２を回転させて（ステップＳ１７０、１８０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。
【００５７】
以上説明したように本実施例の燃料電池システム１０は、アクセルペダル３３ａの踏込操作を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーの大きさにより、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群の運転・停止を定める。即ち、この駆動要求パワーが燃料電池２０にとって高負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップＳ１２０；否定判定）、燃料電池機器群を運転して燃料電池２０で発電を起こし（ステップＳ１７０）、この電力と２次電池３０の電力でモータ３２を回転させて車両を駆動する（ステップＳ１８０）。よって、この場合は、燃料電池２０を高負荷領域で効率よく発電運転でき、燃料電池システム１０、延いてはこれを搭載した電気自動車としてシステム効率を向上することができる。
【００５８】
一方、駆動要求パワーが燃料電池２０にとって低負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップＳ１２０；肯定判定）、２次電池３０の残存容量Ｑでモータ回転を賄うことができれば（ステップＳ１４０；肯定判定）、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群を停止させ（ステップＳ１５０）、２次電池３０単独でその残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて（ステップＳ１６０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。よって、燃料電池２０を低負荷領域で発電運転しないようにできるので、燃料電池２０の無駄な発電を起こすことが無くなり燃料電池システム１０、延いてはこれを搭載した電気自動車としてシステム効率を向上することができる。しかも、燃料電池２０の運転停止と併せてエアコンプレッサ６６等の周辺装置の運転も停止するので、これら装置の運転に要するエネルギも使わないようにしてシステム効率をより向上することができる。
【００５９】
また、駆動要求パワーが低負荷領域のものであっても、２次電池３０の残存容量Ｑがモータ回転に不足する場合は（ステップＳ１４０；否定判定）、燃料電池機器群を運転させて、２次電池３０と燃料電池２０との電力でモータ３２を回転させて（ステップＳ１７０、１８０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。このため、運転者が意図する駆動状態で車両を駆動できるので、運転者に違和感を与えない。
【００６０】
また、本実施例では、駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ以下であるために燃料電池２０を停止させた状況から、駆動要求パワーが増加したために燃料電池２０の運転を行う際には、この駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きくなるまで燃料電池２０を停止させたままとした（ステップＳ１９０）。よって、駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗの周辺で増減しても、燃料電池２０の運転・停止を繰り返すようなハンチングを回避できる。このため、ハンチングによる不具合、例えば、燃料電池２０の周辺装置であるポンプ等の異音発生等を回避できる。
【００６１】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００６２】
例えば、燃料電池２０の出力制御（発電運転制御）と２次電池３０の出力制御を任意に実行できるようにするに当たり、次のようにすることもできる。図６は変形例の要部の構成を説明するためのブロック図である。この図６に示す変形例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介在させて、２次電池３０を燃料電池２０に並列に接続した。こうすれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂにより２次電池３０の出力調整をした上で、当該出力（電力）をモータ３２に供給できる。
【００６３】
また、上記実施例では、燃料電池２０と補機類３４を含む燃料電池スタックが一つである場合について説明したが、複数の燃料電池スタックを有するシステムについても適用できる。この場合は、各燃料電池スタックごとに、負荷の大きさに基づいて、燃料電池発電停止や補記類までを含めた運転停止を実行するようにすることができ、こうすれば、各燃料電池スタックでの発電を無駄にすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０を搭載した電気自動車の概略構成を表すブロック図である。
【図２】燃料電池２０を構成する単セル２８の構成を表す断面模式図である。
【図３】燃料電池２０とその周辺装置とからなる燃料電池部６０の構成を表すブロック図である。
【図４】燃料電池２０としての効率を説明するための説明図である。
【図５】燃料電池２０を運転制御する燃料電池制御の処理の内容を表すフローチャートである。
【図６】変形例の要部の構成を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸化ガス流路
２６，２７…集電板
２８…単セル
３０…２次電池
３２…モータ
３３…制御装置
３３ａ…アクセルペダル
３３ｂ…アクセルペダルポジションセンサ
３４…補機類
３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６…残存容量モニタ
５０…制御部
６０…燃料電池部
６１ａ,６２ａ…ポンプ
６１…メタノールタンク
６２…水タンク
６４…改質器
６６…エアコンプレッサ
６７…電磁バルブ
６８…燃料供給路
６９…空気供給路
７０…分岐空気路
７１…燃料排出路
８０…インバータ
９０…電流センサ
【図１】
0004654484.tif 000002
【図２】
0004654484.tif 000003
【図３】
0004654484.tif 000004
【図４】
0004654484.tif 000005
【図５】
0004654484.tif 000006
【図６】
0004654484.tif 000007