(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列に積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、
前記燃料電池スタックの総セル数を、前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なくし、
前記電極の面積を、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と前記最低使用セル電圧時の出力電流密度及び前記燃料電池スタックの総セル数で除した面積とし、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システム。
【請求項２】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータにインバータが連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システム。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータが一体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池自動車システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気化学反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されている。前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
燃料電池システムは、燃料となる水と炭化水素系燃料から水素を主成分とする改質ガスを製造する改質装置と、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装置および一酸化炭素を低減した改質ガスを燃料として発電する燃料電池スタックから構成されている。
【０００５】
前記燃料電池スタックは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層されている。前記固体高分子電解質型燃料電池システムは、前記電解質が固体高分子電解質である燃料電池スタックを使用したシステムである。前記燃料極側には前記改質ガスが、前記酸化剤極側には前記酸化剤ガスが送られ、電気化学反応により発電する。
【０００６】
電気自動車の電源用として搭載される燃料電池の出力は３０〜７０ｋＷ程度のものが考えられている。電気自動車のモータを駆動させるために必要とされる電圧は２４０〜４００Ｖ程度と考えられている。
【０００７】
従来技術として、特開平６−２６０１９９号公報には、外部負荷が必要とする電圧を出力する燃料電池スタックを備え、該燃料電池スタックがインバータを介して前記外部負荷と連結している燃料電池システムが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は通電した状態の燃料電池の単電池セルのセル電圧は高くても０．９Ｖであり、外部負荷に必要な電圧を得るため必要な数だけ単電池セルを直列に積層して燃料電池スタックを構成しているので、セル数は何百セルにものぼりセルに供給する燃料ガス、酸化剤ガスの配流ムラが生じ燃料電池スタックの性能低下が生ずる問題があった。
【０００９】
図３は、従来の燃料電池自動車システム図である。本燃料電池自動車システムは燃料電池スタック装置２０、インバータ３、モータ４から構成されている。前記燃料電池スタック装置２０は４個の燃料電池スタック２１〜２４で構成され、配線１２により電気的に直列に連結されている。該前記燃料電池スタック装置２０は前記配線１２を介してインバータ３と電気的に連結している。
【００１０】
該インバータ３は配線１３を介してモータ４と連結している。前記燃料電池スタック装置２０には供給管部１６および排出管部１７が連結している。該供給管部１６および排出管部１７は、前記燃料電池スタック２１〜２４に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給および排出する管路の集合体である。
【００１１】
例えば、外部負荷であるモータ４に必要な電圧が２４０Ｖ、最高出力が５０ｋＷの場合について考える。単電池セルの最低使用セル電圧を０．４８Ｖとして設計すると２４０÷０．４８＝５００個のセル数が必要である。５００セルで一つの燃料電池スタックを造ることは困難であるので、一般的には複数例えば４個の燃料電池スタックを造り、それを直列に連結して使用する。図３の従来例では４個の燃料電池スタックを使用している。
【００１２】
上記で外部負荷の必要電圧を単電池セルの最低使用セル電圧で除してセル数を決めるのは、該最低使用セル電圧時が通常最も高出力となるからである。図４は、単電池セルのセル電流とセル出力、セル電圧の関係をあらわす説明グラフ図である。横軸はセル電流、縦軸の下部はセル出力、縦軸の上部はセル電圧である。３００はセル電流出力特性線であり、４００はセル電流電圧特性線である。
【００１３】
前記セル電流出力特性線３００のように、単電池セルの出力特性はセル電流に対し山型となる。最高出力点Ｐの時の電流値ａを越えて電流を引っ張ると、セル出力は最高出力点Ｐの時のセル電圧Ｐａより低下する。例えば、電流値ｂの時のセル出力と電流値ｃの時のセル出力は同じセル出力値Ｐｂであるにもかかわらず、電流値ｂの時のセル電圧Ｖｂは電流値ｃの時のセル電圧Ｖｃより低くなり、効率は電流値ｃの時に比べて低くなる。
【００１４】
以上の理由から、通常使用される電流域は最高出力点Ｐの電流値ａまでの間となる。この電流域では最低使用セル電圧が最高出力点Ｐの時のセル電圧となるので、前述のように外部負荷に必要な電圧を最低使用セル電圧で除するのである。
【００１５】
最低使用セル電圧０．４８Ｖでのセル出力電流密度を０．７Ａ／ｃｍ２とすると単電池セルの電極面積は、
５０ｋＷ÷０．４８Ｖ÷０．７Ａ／ｃｍ２÷５００＝２９９ｃｍ２
となる。
【００１６】
燃料電池の運転において、すべての単電池セルに対して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を均等に配流することは非常に難しい。配流にムラがあり、ガスの濃淡や温度の不均一ができるとセル電圧にばらつきが発生する。これにより電流を引っ張ることができず、出力の低下をもたらす。また、ガス利用率も低くなり高効率な運転ができなくなる。
【００１７】
図５は、燃料電池スタック出力に対する配流の影響を示す説明グラフ図である。横軸はスタック電流、縦軸はスタック電圧である。１００は燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の配流にムラがないときのスタック電流電圧特性線である。２００は配流にムラがあるときのスタック電流電圧特性線である。配流にムラがあると、高電流域で電圧が落ち込んでいる。燃料電池スタックの高出力化のためには、高電流域での電圧の落ち込みを解消しなければならない。
【００１８】
上記の問題を解決するために燃料電池スタックのマニホールドの形状、セパレータのガス流路形状、ガスの通流方法、燃料電池スタックの配置の仕方などの提案がされている。しかし、きわだった効果は得られておらず、単電池セル間の電圧のばらつきが原因とされる出力低下が発生している。
【００１９】
本発明は上記課題を解決したもので、単電池セル間の電圧のばらつきを抑えた高出力の燃料電池自動車システムを提供する。また、燃料電池スタックを小型化し、配管部の簡素化、部品点数の削減をして省スペースで低コストの燃料電池自動車システムを提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列に積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、前記燃料電池スタックの総セル数を、前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なくし、前記電極の面積を、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と前記最低使用セル電圧時の出力電流密度及び前記燃料電池スタックの総セル数で除した面積とし、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システムである。
【００２１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２２】
即ち、燃料電池スタックの総セル数を少なくすることができるので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のセル間の配流ムラを抑えることができるので、単電池セル間の電圧のばらつきを抑え燃料電池システムを高出力化することができる。また、燃料電池スタックの出力電圧の減少を出力電流の増加で補完しているので、燃料電池スタックの総セル数を少なくしてもモータが必要とする電力を得ることができる。また、燃料電池スタックの総セル数を少なくすることは燃料電池スタックを小型化しかつ１スタックにすることができるので、配管部の簡素化、部品点数の削減ができ省スペースで低コストの燃料電池自動車システムを実現できる。
【００２６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにインバータが連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システムである。
【００２７】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２８】
即ち、インバータにより直流電流を交流電流に変換することができるので、交流で運転するモータを動かすことができる。
【００２９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータが一体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システムである。
【００３０】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３１】
即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスをなくし、インバータのトランスで直接昇圧することができるので、部品を少なくすることができ省スペースで低コストの燃料電池自動車システムができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１は、本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図である。本燃料電池自動車システムは、燃料電池スタック１、 ＤＣ−ＤＣコンバータ２、インバータ３、モータ４から構成されている。該モータ４は自動車の車輪を駆動する駆動源である外部負荷である。該モータ４は三相モータであり、必要な電圧は２４０Ｖ、必要な最高出力は５０ｋＷである。
【００３４】
前記燃料電池スタック１はセル数が１５０セルの１個のスタックである。単電池セルの最低使用セル電圧を０．４８Ｖとして従来のように設計すると２４０÷０．４８＝５００個のセル数が必要である。本第１実施例では外部負荷であるモータ４の必要電圧を単電池セルの最低使用セル電圧で除した数より少ない１５０セルで構成されている。
【００３５】
前記燃料電池スタック１の電極面積は、前記最高出力を単電池セルの最低使用セル電圧、該最低使用セル電圧時の出力電流密度および総セル数で除した面積である。具体的には、最高出力５０ｋＷを単電池セルの最低使用セル電圧０．４８Ｖ、最低使用セル電圧時の出力電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で除した面積は
５０ｋＷ÷０．４８Ｖ÷０．７Ａ／ｃｍ２÷１５０＝９９２ｃｍ２
である。同じ必要電圧で、同じ性能の単電池セルを使用すると電極面積×総セル数すなわち総電極面積は一定である。
【００３６】
前記燃料電池スタック１は配線６を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２と連結している。該ＤＣ−ＤＣコンバータ２は直流電流の電圧を昇圧する装置で、配線７を介して前記インバータ３と連結している。該インバータ３は直流電流を交流電流に変換する装置で、配線８を介して前記モータ４と連結している。前記燃料電池スタック１には供給管部１４および排出管部１５が連結している。該供給管部１４および排出管部１５は、前記燃料電池スタック１に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給および排出する管路の集合体である。
【００３７】
前記供給管部１４を介して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が前記燃料電池スタック１に供給される。該燃料電池スタック１は前記燃料ガス、酸化剤ガスを用いて電気化学反応で発電する。該燃料電池スタック１の発電電圧は、モータ４を駆動するために必要な電圧よりかなり低い。
【００３８】
前記燃料電池スタック１で発電して電気は配線６を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２に送られる。該ＤＣ―ＤＣコンバータ２により電圧が前記モータ４を駆動するために必要な電圧に昇圧される。この昇圧された電気は配線７を介して前記インバータ３に送られる。該インバータ３は直流電流を三相電流に変換する。変換された三相電流は配線８を介して前記モータ４に送られる。該モータ４は前記三相電流で回転され、燃料電池自動車を走行させる。
【００３９】
本第１実施例では燃料電池スタックの総セル数を減らしているので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のセル間の配流ムラが少なくすることができる。これにより、単電池セル間の発電電圧のばらつきを抑制できるので、高電流密度での運転が可能になり高出力の燃料電池システムにすることができる。
【００４０】
また、燃料電池スタックを１スタックにすることができるので、小型化、配管の簡素化、部品点数の削減ができ、省スペースで低コストの燃料電池システムができる。スペースが限られ、低コスト化が大きな課題になっている電気自動車としては大きな効果である。
【００４１】
図２は、本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図である。本第２実施例は、第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータおよびインバータを一つの装置に一体化したもので、燃料電池スタック、モータは同じである。同じ部分には同じ記号を使用し、説明は省略する。
【００４２】
本燃料電池自動車システムは燃料電池スタック１、 ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０、モータ４から構成されている。前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０は、前記燃料電池スタック１で発電された電流の電圧を昇圧しかつ直流電流を交流電流に変換する装置である。前記燃料電池スタック１は配線９を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０と電気的に連結している。該ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０は配線１１を介して前記モータ４と電気的に連結している。
【００４３】
前記燃料電池スタック１で発電して電気は配線９を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０に送られる。該ＤＣ―ＤＣコンバータ２により電圧が前記モータ４を駆動するために必要な電圧に昇圧され、三相電流に変換される。変換された三相電流は配線１１を介して前記モータ４に送られる。該モータ４は前記三相電流で回転され、燃料電池自動車を走行させる。
【００４４】
第１実施例の場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２でトランスにより昇圧され、その後インバータ３により三相電流に変換される。しかし、本第２実施例では前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０により昇圧と同時に三相電流に変換しているので、 ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスをなくしインバータのトランスで直接昇圧および三相電流に変換することができる。これにより、部品点数をさらに減らすことができ、省スペース化、低コスト化することができる。
【００４５】
なお、上記の実施例では、外部負荷として自動車の車輪を駆動する三相モータを用いているが、特にこれに限定されない。自動車以外の用途にも使用することができ、モータ以外の用途にも使用することができる。また、外部負荷は二相の交流機器でもよいし、直流でもかまわない。外部負荷が直流の場合は、インバータは不要になる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、前記燃料電池スタックの総セル数が前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なく、前記電極の面積が、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と該最低使用セル電圧時の出力電流密度及び該燃料電池スタックの総セル数で除した面積であり、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システムであるので、燃料電池スタックの総セル数を少なくしてもモータが必要とする電力を得ることができ、単電池セル間の電圧のばらつきを抑え高出力化することができ、燃料電池スタックの小型化、配管部の簡素化、部品点数の削減により省スペースで低コストの燃料電池自動車システムができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図
【図２】本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図
【図３】従来の燃料電池自動車システム図
【図４】単電池セルのセル電流とセル出力、セル電圧の関係をあらわす説明グラフ図
【図５】燃料電池スタック出力に対する配流の影響を示す説明グラフ図
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
３…インバータ
４…モータ（外部負荷）
１０… ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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