(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池システムに関し、酸素富化装置を作動させる上で効率の良い電力利用を可能にする。【解決手段】  燃料電池２へのカソードガスの供給系に、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置１４を配置する。酸素富化装置１４を作動させるための電力には、モータ８で消費されないシステム内の余剰電力を利用する。例えば、車両に搭載される燃料電池システムの場合には、車両の減速エネルギから電力として回生する際、その回生電力によって酸素富化装置１４を作動させるようにする。【選択図】      図１
2005150006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
電力により作動するモータと、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記モータで消費されないシステム内の余剰電力を前記酸素富化装置に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合に、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置を作動させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、所定の条件下では、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置の作動を停止させることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
電力により作動して車両を駆動する駆動モータと、
前記車両の減速エネルギを電力として回生する回生手段と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段と、
システム内でのカソードガスの供給ラインを切り換えるライン切換手段とを備え、
前記駆動モータによる力行時には、前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されるとともに、前記燃料電池へカソードガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられ、
前記回生手段による回生時には、前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスが前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスの少なくとも一部が前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
所定の条件下では、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに供給する電力を燃料電池で発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池へのカソードガスの供給系に、酸素濃度の高いカソードガスを生成するための酸素富化装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードに水素を含む燃料ガス（アノードガス）が供給され、カソードに酸素を含む酸化ガス（カソードガス）が供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。カソードへのカソードガスの供給は、一般に、圧縮ポンプによって空気を圧送することで行われるが、発電効率を高めるべく、より酸素濃度の高いカソードガスが得られるように、カソードへのカソードガスの供給系に酸素富化装置を配置した技術が提案されている。燃料電池システムに用いられる酸素富化装置としては、例えば、特許文献１に記載されるように、ケーシングとロータとの間に磁界を発生させ、酸素と窒素の磁化率の差を利用して窒素から酸素を分離する磁界式の装置や、特許文献２や特許文献３に記載されるように、空気の供給ラインに酸素富化膜を配置し、酸素と窒素の透過係数の差を利用して窒素から酸素を分離する膜分離式の装置が知られている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２４５号公報
【特許文献２】特開平６−２０８８５３号公報
【特許文献３】特開昭５８−５３１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、酸素富化装置によって酸素富化ガスを生成するためには、酸素富化装置を作動させるための電力が必要になる。例えば、磁界式の装置の場合には、ロータを回転させるための電力が必要になる。また、膜分離式の装置の場合には、酸素富化膜が抵抗になって圧力損失が生じるため、この圧力損失を補償するだけの電力を圧縮ポンプに供給する必要がある。
【０００４】
燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力を如何に効率よく利用するかは重要な課題である。したがって、酸素富化装置についても単に作動させるのではなく、システム内の電力を効率よく利用できるように作動させるべきである。しかしながら、酸素富化装置を備えた従来の燃料電池システムでは、酸素富化装置の作動状態を制御する上での制御内容については十分に検討されていない。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、酸素富化装置を作動させる上で効率の良い電力利用を可能にした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
電力により作動するモータと、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記モータで消費されないシステム内の余剰電力を前記酸素富化装置に供給することを特徴としている。
【０００７】
さらに、第２の発明は、第１の発明において、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
さらに、第３の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合に、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されることを特徴としている。
【０００９】
さらに、第４の発明は、第２の発明において、前記制御手段は、前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置を作動させることを特徴としている。
【００１０】
さらに、第５の発明は、第２乃至第４の何れか１つの発明において、前記制御手段は、所定の条件下では、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置の作動を停止させることを特徴としている。
【００１１】
また、第６の発明は、上記の目的を達成するため、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
電力により作動して車両を駆動する駆動モータと、
前記車両の減速エネルギを電力として回生する回生手段と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段と、
システム内でのカソードガスの供給ラインを切り換えるライン切換手段とを備え、
前記駆動モータによる力行時には、前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されるとともに、前記燃料電池へカソードガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられ、
前記回生手段による回生時には、前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスが前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。
【００１２】
さらに、第７の発明は、第６の発明において、前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。
【００１３】
さらに、第８の発明は、第６の発明において、前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスの少なくとも一部が前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。
【００１４】
さらに、第９の発明は、第６乃至第８の何れか１つの発明において、所定の条件下では、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、酸素富化装置をモータで消費されないシステム内の余剰電力によって作動させるので、電力の有効利用が可能になる。
【００１６】
第２の発明によれば、システム内の余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵され、いつでも必要なときに利用可能になる。
【００１７】
第３の発明によれば、燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、貯蔵手段から燃料電池に酸素富化ガスが供給されるので、燃料電池の発電電力を要求電力に見合うように高めることができる。
【００１８】
第４の発明によれば、貯蔵手段の貯蔵量の不足によって必要時に酸素富化ガスを供給できなくなることが回避される。
【００１９】
第５の発明によれば、酸素富化装置の無駄な作動による電力消費を防止できる。
【００２０】
また、第６の発明によれば、駆動モータによって電力が消費される力行時には酸素富化装置を作動させず、システム内の電力が余剰になる回生時に酸素富化装置を作動させるので、駆動モータの利用可能電力を減少させることがない上に、余剰電力を有効に利用することもできる。しかも、酸素富化装置の作動により生成された酸素富化ガスは貯蔵手段に貯蔵されるので、余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵されることになり、いつでも必要なときに利用可能になる。つまり、本発明によれば、システム全体での電力の有効利用が可能になる。
【００２１】
第７の発明によれば、燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、貯蔵手段から燃料電池に酸素富化ガスが供給されるよう供給ラインが切り換えられるので、燃料電池の発電電力を要求電力に見合うように高めることができる。
【００２２】
第８の発明によれば、貯蔵手段の貯蔵量が減少した場合には、酸素富化装置で生成された酸素富化ガスの少なくとも一部が貯蔵手段に貯蔵されるよう供給ラインが切り換えられるので、貯蔵手段の貯蔵量の不足によって必要時に酸素富化ガスを供給できなくなることが回避される。
【００２３】
第９の発明によれば、酸素富化装置の無駄な作動による電力消費を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施の形態１．
以下、図１乃至図８を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、車両に搭載される車両用燃料電池システムであり、水素を含む燃料ガス（アノードガス）と酸素を含む酸化ガス（カソードガス）の供給を受けて発電する燃料電池２と、電力により作動して車両を駆動する駆動モータ８を備えている。図１において、点線で示すラインはシステム内での電力の供給ラインを示している。先ず、本燃料電池システムにおける電力系の構成について説明する。
【００２５】
本燃料電池システムでは、駆動モータ８を作動させるための電力として、燃料電池２の発電電力が用いられる。燃料電池２の発電電力は直流電力であるのに対し、駆動モータ８の作動電力は交流電力であるので、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ６が設けられている。また、電力の需給のアンバランスを吸収するための二次電池４も設けられている。急加速時には、燃料電池２への燃料（アノードガス及びカソードガス）の供給の遅れによって発電が間に合わず、駆動モータ８の要求電力に対して燃料電池２の発電電力が不足する可能性があるが、このような場合には、二次電池４から駆動モータ８に不足分の電力を供給される。逆に減速時には、燃料電池２の発電電力が駆動モータ８の要求電力を上回る可能性があるが、このような場合には、余剰電力が二次電池４に充電される。
【００２６】
また、本燃料電池システムにかかる駆動モータ８は、駆動力を供給されることで発電するジェネレータとしての機能も有している。車両の減速時には、駆動モータ８をジェネレータとして機能させることで、減速エネルギを電力として回生することができる。本燃料電池システムにかかるインバータ６は、コンバータとしても機能するようになっており、駆動モータ８がジェネレータとして機能する場合、回生によって得られた電力（以下、回生電力という）はインバータ６によって交流電力から直流電力に変換され、二次電池４に充電される。
【００２７】
本燃料電池システムでは、電力系の負荷として、駆動モータ８の他に電動の圧縮ポンプ（加圧機）１０を有している。圧縮ポンプ１０は、燃料電池２のカソード２ａへのカソードガスの供給ライン（以下、カソードガスラインという）に配置されている。以下では、本燃料電池システムにおけるカソードガスの供給系の構成について説明する。
【００２８】
図１において、燃料電池２のカソード２ａに接続された実太線で示すラインがカソードガスラインを示す。図中では、アノードや電解質膜等、燃料電池２を構成するカソード２ａ以外の要素については図示を省略している。カソードガスラインには、上述のように空気を吸い込んで下流に圧送するための圧縮ポンプ１０が配置されている。この圧縮ポンプ１０の上流側には三つのポートを有する三方切換弁１８が配置されている。三方切換弁１８は、電気信号の供給を受けて各ポート間の連通を切り換える電磁弁であり、その一つのポートに圧縮ポンプ１０が接続されている。他の二つのポートには酸素富化装置１４と濾過器１６が接続されている。酸素富化装置１４は内部に酸素富化膜を有し、空気を酸素富化膜に通すことで酸素濃度の高い酸素富化ガスが得られるようになっている。濾過器１６は空気中の塵芥を除去するためのフィルタであり、酸素富化装置１４のような酸素富化効果はないものの装置前後での圧力損失は低い。三方切換弁１８が必要に応じて切り換えられることにより、酸素富化装置１４と濾過器１６の何れか一方が圧縮ポンプ１０に選択的に接続される。
【００２９】
カソードガスラインは、圧縮ポンプ１０の下流側において２つのラインに分岐している。その一方の分岐ラインはカソード２ａに接続され、他方の分岐ラインは貯蔵装置１２に接続されている。貯蔵装置１２は圧縮空気を貯蔵可能な圧力タンクである。貯蔵装置１２は、貯蔵装置１２からカソード２ａへのガス流路ができる限り短くなるように、カソード２ａの近傍に設置されている。カソード２ａに接続される分岐ラインには切換弁２２が配置され、貯蔵装置１２に接続される分岐ラインにも別の切換弁２０が配置されている。切換弁２０，２２は、電気信号の供給を受けて開閉状態を切り換える電磁弁であり、切換弁２０が開くことで圧縮ポンプ１０と貯蔵装置１２とが連通し、切換弁２２が開くことで圧縮ポンプ１０とカソード２ａが連通する。
【００３０】
本燃料電池システムでは、三方切換弁１８、及び２つの切換弁２０，２２の切換制御は、圧縮ポンプ１０の流量制御とともに制御装置３０によって行われる。制御装置３０は、電流値、車輪速度、アクセル開度等の情報に基づき三方切換弁１８や切換弁２０，２２の切換制御を行ったり、圧縮ポンプ１０の流量制御を行ったりしている。なお、図１において、実細線で示すラインはシステム内での信号の流れを示している。電流値は、インバータ６に取り付けられた直流電流センサ３２によって検出され、車輪速度は、駆動モータ８に取り付けられたエンコーダ３４によって検出される。また、アクセル開度は、図示しないアクセル開度センサによって検出される。以下では、制御装置３０による三方切換弁１８及び切換弁２０，２２の切換制御と圧縮ポンプ１０の流量制御について、図２乃至図５を参照しながら、車両の運転状況毎に場合分けして具体的に説明する。なお、図２乃至図５中のカソードガスラインにおいて、実太線で示す部分はガスが流れるラインであり、矢印は流れの方向を示している。図中の二点鎖線で示す部分はガスが流れないラインを示している
【００３１】
図２は、車両の力行時、すなわち駆動モータ８による走行時におけるカソードガスの流れを示す図である。力行時には、濾過器１６を圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０は閉じられて切換弁２２は開かれる。これにより、濾過器１６を通った空気が圧縮ポンプ１０で圧縮され、カソードガスとして燃料電池２のカソード２ａに供給される。酸素富化膜を有する酸素富化装置１４に比較して濾過器１６は抵抗が小さいので、酸素富化装置１４を通さずに濾過器１６を通すことで、圧縮ポンプ１０に吸入される空気の圧力損失を抑えることができ、その分、圧縮ポンプ１０の消費電力を低減することができる。
【００３２】
図３は、回生時、すなわち駆動モータ８をジュネレータ（回生手段）として機能させたときのカソードガスの流れを示す図である。回生時には、酸素富化装置１４を圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０は開かれて切換弁２２は閉じられる。車両が力行状態にあるか回生状態にあるかは、直流電流センサ３２からの信号の向きによって判別することができる。このように回生時と力行時とでカソードガスの供給ラインを切り換えることで、次のような効果が得られる。
【００３３】
酸素富化装置１４では、圧縮ポンプ１０からの吸引力の作用により酸素富化膜の前後で圧力差が生じ、この圧力差によって空気中の窒素から酸素が分離される。これにより、酸素富化膜の下流には酸素濃度の高い酸素富化ガスが生成され、この酸素富化ガスが圧縮ポンプ１０で圧縮されて貯蔵装置１２に貯蔵される。酸素富化膜は抵抗が大きいため、濾過器１６を通った空気を圧縮する場合に比較して圧縮ポンプ１０の消費電力は高くなるが、このとき圧縮ポンプ１０に供給される電力は、駆動モータ８によって減速エネルギから回生された回生電力である。従来のシステムでは、回生電力はその一部が二次電池４への充電に用いられるのみであり、残りは余剰電力となって例えばブレーキ制動に伴う熱に変換されて廃棄されていた。これに対し、本燃料電池システムによれば、この余剰電力を酸素富化ガスの生成に利用することができ、しかも、貯蔵装置１２に貯蔵しておくことができる。つまり、余剰電力を廃棄することなく酸素富化ガスに変換して貯蔵しておくことができるのである。
【００３４】
なお、駆動モータ８がジュネレータとして機能する場合、得られる回生電力は一方で車両に制動力として作用する。このため、圧縮ポンプ１０での回生電力の消費量が変動すると、車両の制動力が変動することになり、乗員には減速度の変動となって作用することになる。減速度の変動は、乗員に不快感を与えるとともに運転性能を悪化させてしまう。特に車両の速度が極めて低速になったときの減速度の変動は、停止時の運転性能を大きく悪化させてしまう。したがって、制御装置３０は、駆動モータ８で得られる回生電力量に応じて回生時の圧縮ポンプ１０への供給電力量を制御している。すなわち、回生電力量が大きいほど供給電力量も大きくなるように制御している。また、駆動モータ８の回転数から検出される車輪速度が所定速度以下になったときには、各弁１８，２０，２２を力行時の状態に切り換えるようにしている。酸素富化装置１４を作動させないことで、すなわち、酸素富化膜を通して空気を吸入しないことで、圧縮ポンプ１０による回生電力の消費量の変動を抑制することができる。なお、燃料電池２へのカソードガスの供給を必要としない場合には、車輪速度が所定速度以下になったら圧縮ポンプ１０を停止させるようにしてもよい。
【００３５】
ところで、貯蔵装置１２の貯蔵量には限度がある。このため、回生時の余剰電力を利用して酸素富化ガスを生成することができても、貯蔵装置１２の貯蔵量が限界になっているときには、酸素富化ガスに変換した余剰電力を蓄えておくことができない。逆に、圧縮ポンプ１０を作動させる分、無駄に電力を消費してしまうことになる。そこで、本燃料電池システムでは、貯蔵装置１２の貯蔵量が所定の上限値を超えた場合には、各弁１８，２０，２２を力行時の状態に切り換え、圧縮ポンプ１０の消費電力を抑制するようにしている。この場合、燃料電池２へのカソードガスの供給を必要としない場合には、圧縮ポンプ１０を停止させるようにしてもよい。
【００３６】
一方、回生時の余剰電力を利用して酸素富化ガスを生成するだけでは、貯蔵装置１２の貯蔵量が不足してしまう状況も考えられる。貯蔵装置１２に蓄えた酸素富化ガスの利用については後述するが、貯蔵装置１２の貯蔵量が不足していると、必要なときに必要な量の酸素富化ガスを利用できなくなってしまう。そこで、本燃料電池システムでは、貯蔵装置１２の貯蔵量が所定の下限値を下回る場合には、図４に示すように、車両の力行時にも貯蔵装置１２への酸素富化ガスの貯蔵を行うようにしている。
【００３７】
図４は、車両の力行時において貯蔵装置１２の貯蔵量が下限値を下回った場合におけるカソードガスの流れを示す図である。この場合は、酸素富化装置１４を圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０と切換弁２２の双方が開かれる。これにより、酸素富化装置１４で生成された酸素富化ガスが圧縮ポンプ１０で圧縮され、その一部が燃料電池２のカソード２ａに供給されるとともに、残りは貯蔵装置１２に貯蔵される。ここでは、必要な発電電力が得られるだけの流量の酸素富化ガスを燃料電池２に供給し、残りを貯蔵装置１２に供給して貯蔵する。これにより、貯蔵装置１２の貯蔵量が確保され、必要なときに必要な量の酸素富化ガスを利用することが可能になる。なお、圧縮ポンプ１０から燃料電池２へ供給する酸素富化ガスと貯蔵装置１２へ供給する酸素富化ガスの配分比は、電磁弁である両切換弁２０，２２のデューティ比をそれぞれ制御することで調整することができる。
【００３８】
また、本燃料電池システムには二次電池４が設けられているが、二次電池４は、急加速時のように燃料電池２での発電では間に合わない場合に、燃料電池２に代わって駆動モータ８への電力供給源となる。このため、二次電池４には常に十分な量の電力が充電されている必要がある。そこで、本燃料電池システムでは、二次電池４の充電量（ＳＯＣ）が所定値を下回った場合には、回生時であっても燃料電池２を作動させて発電を行うようにしている。すなわち、各弁１８，２０，２２を力行時の状態に切り換えてカソードガスを燃料電池２に供給する。これにより、二次電池４の充電量が確保され、必要なときに二次電池４からの電力の供給が可能になる。
【００３９】
次に、回生時に貯蔵装置１２に蓄えた酸素富化ガスの利用について説明する。
【００４０】
駆動モータ８に大きな駆動力が要求される場合、駆動モータ８が燃料電池２に要求する電力も増大する。ここで、図６は、カソードガスの流量とそれを実現するのに要する圧縮ポンプ１０の消費電力との関係を示す図である。燃料電池２の発電電力は、カソードガスの流量を増大させることで増大させることができるが、図６に示すようにカソードガスの流量を増大させると、その分、圧縮ポンプ１０の消費電力も増大してしまう。本燃料電池システムでは、圧縮ポンプ１０消費電力を増大させることなく燃料電池２の発電電力を増大させるための手段として、貯蔵装置１２に蓄えた酸素富化ガスを利用する。
【００４１】
図５は、車両の力行時において特に駆動モータ８に大きな駆動力が必要とされる場合、例えば加速時のカソードガスの流れを示す図である。加速時には、濾過器１６を圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０と切換弁２２の双方が開かれる。これにより、濾過器１６を通り圧縮ポンプ１０で圧縮された空気とともに、貯蔵装置１２に貯蔵されていた酸素富化ガスもカソード２ａに供給される。貯蔵装置１２からカソード２ａへの酸素富化ガスの供給量は、燃料電池２に要求される要求電力の大きさに応じて制御される。つまり、要求電力が大きいほど、酸素富化ガスの供給量も大きく設定される。要求電力の大きさはアクセル開度や車輪速度等の情報に基づいて演算される。供給量の制御は、電磁弁である切換弁２０のデューティ制御によって行うことができる。
【００４２】
図７は、カソードガスの酸素濃度が燃料電池２における電流密度と電圧の関係に及ぼす影響をグラフで示している。この図に示すように、同一電流密度では、酸素濃度が高くなるほど高い電圧を得ることができ、特に、加速時のように電流密度が高くなる状況ほど、酸素濃度の上昇が電圧の上昇に与える効果は高くなる。したがって、図５に示すように、貯蔵装置１２から酸素濃度の高い酸素富化ガスがカソード２ａに供給されることで、圧縮ポンプ１０の消費電力を増大させることなく、燃料電池２の発電電力を増大させることが可能になる。つまり、本燃料電池システムによれば、回生時の余剰電力を酸素富化ガスの形で貯蔵しておき再びそれを電力に変換して利用することができる。
【００４３】
なお、図５では、貯蔵装置１２からカソード２ａへ酸素富化ガスを供給するとともに、圧縮ポンプ１０を作動させて圧縮ポンプ１０で圧縮された空気もカソード２ａに供給しているが、十分なカソード流量を確保できるならば、圧縮ポンプ１０を停止させて貯蔵装置１２の酸素富化ガスのみをカソード２ａに供給してもよい。図８は一定の発電電力を得るのに要するカソードガスの流量と酸素濃度との関係を示す図であるが、酸素濃度がある値を超えるまでは、酸素濃度が高いほど必要なカソード流量は少なくなる。したがって、貯蔵装置１２から高酸素濃度の酸素富化ガスを供給する場合には、圧縮ポンプ１０から単に圧縮空気を供給する場合に比較して、その流量は少なくてすむ。
【００４４】
貯蔵装置１２に蓄えた酸素富化ガスの利用としては、上記のように駆動モータ８に大駆動力が要求される場合での利用の他、燃料電池２の電池セルの電圧が低下した場合での利用も考えられる。電池セルの電圧低下は、多くの場合、その電池セルへの燃料供給不足に起因するが、電圧が低下した状態を放置しておくと、その電池セル自らの発熱熱量によって焼損してしまうおそれがある。このような場合の電圧回復手段としては、カソード２ａへのカソードガスの供給量を増大させることが有効であるが、圧縮ポンプ１０の回転数を増大させてカソード流量を増大させる場合には、消費電力が増大してしまうだけでなく流量が増大するまでに時間遅れが生じる。そこで、本燃料電池システムでは、燃料電池２のセル電圧が所定値を下回ったときには、貯蔵装置１２から酸素富化ガスを供給する。これによれば、より速やかに、且つ圧縮ポンプ１０の消費電力を増大させることなく電圧を回復することが可能になる。なお、このときの貯蔵装置１２からカソード２ａへの酸素富化ガスの供給量は、セル電圧と所定値との差に応じて、つまり、セル電圧と所定値との差が大きいほど大きくなるように設定する。
【００４５】
以上説明したように、本燃料電池システムによれば、駆動モータ８によって電力が消費される力行時には酸素富化装置１４を介して空気を吸入せず、システム内の電力が余剰になる回生時に酸素富化装置１４を介して空気を吸入し酸素富化ガスを生成するので、駆動モータ８の利用可能電力を減少させることがない上に、余剰電力を有効に利用することもできる。しかも、生成された酸素富化ガスは貯蔵装置１２に貯蔵されるので、余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵されることになり、いつでも必要なときに利用可能になる。つまり、本燃料電池システムによれば、システム全体での電力の有効利用が可能になる。
【００４６】
なお、上述の実施の形態１では、酸素富化装置（酸素富化膜）１４、圧縮ポンプ１０、及び三方切換弁１８によって、第１の発明及び第６の発明の「酸素富化装置」が実現されている。第１の発明及び第６の発明において「酸素富化装置を作動させる」とは、上述の実施の形態１では、圧縮ポンプ１０を作動させた状態で、三方切換弁１８による圧縮ポンプ１０との接続を酸素富化装置１４側に切り換えることを意味し、「酸素富化装置の作動を停止させる」とは、圧縮ポンプ１０の作動を停止させるか、若しくは、圧縮ポンプ１０を作動させた状態で、三方切換弁１８による圧縮ポンプ１０との接続を濾過器１６側に切り換えることを意味する。
【００４７】
実施の形態２．
以下、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本燃料電池システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池システムの構成において、カソードガスラインの最上流部の構成を図９、図１０に示す構成に置き換えたものである。図中では、実施の形態１と同一の要素については同一の符号を付している。図９は、車両の力行時における各弁１８，２０，２２の切換状態を示す図であり、図１０は、回生時における各弁１８，２０，２２の切換状態を示す図である。
【００４８】
本実施形態の燃料電池システムは、分離係数の異なる二種類の酸素透過膜を用いることを特徴としている。図９，図１０に示すように、三方切換弁１８の圧縮ポンプ１０に接続されるポート以外の二つのポートには、酸素富化装置１４Ａと別の酸素富化装置１４Ｂが接続されている。一方の酸素富化装置１４Ａは酸素の窒素に対する分離係数の高い酸素富化膜を有し、他方の酸素富化装置１４Ｂは分離係数の低い酸素富化膜を有している。
【００４９】
図１１は、酸素富化膜の分離係数と抵抗（通過抵抗）との関係を示す図であるが、分離係数が大きいほどその抵抗は大きく、分離係数が小さい酸素富化膜は抵抗も小さい。したがって、三方切換弁１８を分離係数の高い酸素富化膜を有する酸素富化装置１４Ａ側に切り換えた場合には、圧縮ポンプ１０の消費電力は大きくなるが、高濃度の酸素富化ガスを得ることができる。逆に、三方切換弁１８を分離係数の低い酸素富化膜を有する酸素富化装置１４Ｂ側に切り換えた場合には、高濃度の酸素富化ガスを得ることはできないが、圧縮ポンプ１０の消費電力は小さくすることができる。
【００５０】
本燃料電池システムでは、回生時には、図１０に示すように、分離係数の高い酸素富化膜を有する酸素富化装置１４Ａを圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０は開かれて切換弁２２は閉じられる。これにより、実施の形態１と同様、高濃度の酸素富化ガスが圧縮ポンプ１０で圧縮されて貯蔵装置１２に貯蔵される。一方、力行時には、図９に示すように、分離係数の低い酸素富化膜を有する酸素富化装置１４Ｂを圧縮ポンプ１０に接続するよう三方切換弁１８が切り換えられるとともに、切換弁２０は閉じられ切換弁２２は開かれる。これにより、圧縮ポンプ１０の消費電力の増大を抑えながら、実施の形態１の場合よりも酸素濃度の高いカソードガスを燃料電池２に供給することが可能になる。
【００５１】
このように、本燃料電池システムによれば、分離係数の異なる二種類の酸素透過膜を備え、状況に応じて圧縮ポンプ１０との接続を切り換えることで、実施の形態１と同様、システム全体での電力の有効利用を可能にしながら、燃料電池２の発電効率をより向上させることができる。なお、ここでは、力行時と回生時の各弁１８，２０，２２の切換について説明したが、他の状況における各弁１８，２０，２２の切り換えについては、実施の形態１と同様に行えばよい。
【００５２】
なお、上述の実施の形態２では、酸素富化装置（酸素富化膜）１４Ａ、圧縮ポンプ１０、及び三方切換弁１８によって、第１の発明及び第６の発明の「酸素富化装置」が実現されている。第１の発明及び第６の発明において「酸素富化装置を作動させる」とは、上述の実施の形態２では、圧縮ポンプ１０を作動させた状態で、三方切換弁１８による圧縮ポンプ１０との接続を酸素富化装置１４Ａ側に切り換えることを意味し、「酸素富化装置の作動を停止させる」とは、圧縮ポンプ１０の作動を停止させるか、若しくは、圧縮ポンプ１０を作動させた状態で、三方切換弁１８による圧縮ポンプ１０との接続を酸素富化装置１４Ｂ側に切り換えることを意味する。
【００５３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００５４】
上述の実施の形態では、酸素富化装置として膜分離式の装置を用いているが、本発明にかかる酸素富化装置は膜分離式に限定されない。すなわち、電力の供給によって作動する酸素富化装置であればよく、例えば、特許文献１に記載されるような磁界式の装置や公知の圧力スイング式の分離装置でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１のシステムにおける、力行時のカソードガスの流れを示す図である。
【図３】図１のシステムにおける、回生時のカソードガスの流れを示す図である。
【図４】図１のシステムにおける、力行時に貯蔵装置の貯蔵量が下限値を下回った場合のカソードガスの流れを示す図である。
【図５】図１のシステムにおける、加速時のカソードガスの流れを示す図である。
【図６】カソードガスの流量とそれを実現するのに要する圧縮ポンプの消費電力との関係を示す図である。
【図７】カソードガスの酸素濃度が燃料電池における電流密度と電圧の関係に及ぼす影響について示す図である。
【図８】一定の発電電力を得るのに要するカソードガスの流量と酸素濃度との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムにおける、力行時のカソードガスの流れを示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムにおける、回生時のカソードガスの流れを示す図である。
【図１１】酸素富化膜の分離係数と通過抵抗との関係を示す図である
【符号の説明】
【００５６】
２  燃料電池
２ａ  カソード
４  二次電池
６  インバータ
８  駆動モータ
１０  圧縮ポンプ
１２  貯蔵装置
１４  酸素富化装置（酸素富化膜）
１４Ａ  酸素富化装置（高分離係数の酸素富化膜）
１４Ｂ  酸素富化装置（低分離係数の酸素富化膜）
１６  濾過器
１８  三方切換弁
２０，２２  切換弁
３０  制御装置
【図１】
2005150006.tif 000003
【図２】
2005150006.tif 000004
【図３】
2005150006.tif 000005
【図４】
2005150006.tif 000006
【図５】
2005150006.tif 000007
【図６】
2005150006.tif 000008
【図７】
2005150006.tif 000009
【図８】
2005150006.tif 000010
【図９】
2005150006.tif 000011
【図１０】
2005150006.tif 000012
【図１１】
2005150006.tif 000013