(57)【要約】【課題】燃料電池にかかる負荷が過剰となり、燃料電池において電圧降下や過度の発熱等の不都合が生じてしまうのを防止する。【解決手段】燃料電池２０と２次電池３０とを備える燃料電池装置１０は、残存容量モニタ４６によって２次電池３０の残存容量を検出する。２次電池３０の残存容量が所定の基準値よりも少ないときには、制御部５０はインバータ８０に対して駆動信号を出力し、モータ３２での消費電力を制限する。このとき、電流センサ９０が検出する２次電池３０の出力電流値から、２次電池３０の出力状態が放電であると判断されると、制御部５０はモータ３２の消費電力をさらに制限する。このような動作を繰り返すことによって２次電池３０を充電し、残存容量の回復を図る。【選択図】図１
2007335411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池と２次電池から負荷に対して電力の供給を行なう燃料電池システムであって、
前記２次電池の残存容量を検出する残存容量検出手段と、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量に応じて、前記負荷への電力の供給を制限する出力制御手段と、
前記出力制御手段によって前記負荷への電力供給が制限されるときに、前記負荷への電力供給が制限されていることを報知する報知部と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
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車両としての駆動力を得る電気自動車であって、
請求項１記載の燃料電池システムを搭載し、
前記モータは、前記負荷として前記燃料電池システムから電力の供給を受け、
前記報知部は、前記負荷への電力供給が制限されていることを、前記電気自動車の運転者に対して報知する
電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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次電池とを電源として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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池装置として、燃料電池と２次電池とを電源として備え、両者を併用して負荷に対して電力を供給する燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池装置では、燃料電池装置を構成する回路に設けられた所定の接点を開閉することによって、負荷が小さな時には燃料電池が単独で負荷に対して電力を供給し、負荷が大きくなると燃料電池と２次電池との両方が放電して負荷に対して電力を供給するように切り替える。また、２次電池の充電状態が低下したときには、燃料電池は負荷に電力を供給すると共に２次電池を充電するよう回路の接続を切り替える。燃料電池は出力電流が大きくなるに従って電圧が降下してしまうという性質があるが、燃料電池と２次電池とを併設する上記構成を採ることによって、負荷の消費電力が大きいときにも充分な出力を得ることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開昭４７−３２３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した燃料電池装置においては、２次電池の充電状態が低下したときの対応として、燃料電池装置を構成する回路に設けた所定の接点を開閉することによって、２次電池が放電している状態から充電される状態に切り替える構成となっている。そのため、負荷に供給する電力量が大きいと２次電池の残存容量の低下に伴って上記接点が切り替わるが、引き続き負荷が大きい状態が継続すると、２次電池からの電力の供給がないため燃料電池にかかる負荷が増大して出力電圧が降下し、充分な出力が得られなくなるという問題があった。
【０００５】
上記したように、２次電池の残存容量に応じて所定の接点を開閉して２次電池の充放電の状態を制御する代わりに、２次電池と燃料電池とを並列に接続する構成とし、負荷の大きさの変動に従って２次電池と燃料電池との出力電圧差が変動することによって２次電池の充放電状態を切り替える構成とすることもできる。このような場合にも、負荷が大きい状態が続けば２次電池の残存容量は低下し続けるため、燃料電池に過剰な負荷がかかってしまうことになる。
【０００６】
これらの構成において、２次電池の残存容量が低下して２次電池から供給される電力量が不足すると、燃料電池の負荷が増大することに起因して種々の問題が生じることがある。すなわち、燃料電池の負荷が増大して燃料電池からの出力電流が所定量を上回ると、燃料電池へ供給するガス量を増加させてもガス量の増加に見合った発電量の増加が得られなくなり、さらに、電圧が不安定となって電圧の急激な降下などの不都合が生じるおそれがある。
【０００７】
また、このように燃料電池の出力電流が所定量を上回って電圧が不安定になるときには、燃料電池を構成する単セルにおいては、電極の正負が逆転する転極と呼ばれる現象がみられることがある。転極が起きると、電圧が不安定になるばかりでなく、電気化学反応によって電気エネルギに変換されるべきエネルギが熱エネルギとして放出され、燃料電池が部分的に過度の発熱を起こしてしまい、そのため燃料電池の短寿命化が引き起こされる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムおよび電気自動車は、こうした問題を解決し、２次電池の残存容量が低下して２次電池から供給される電力が不十分となって燃料電池にかかる負荷が過剰となり、燃料電池において電圧降下や過度の発熱等の不都合が生じてしまうのを防止することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池と２次電池から負荷に対して電力の供給を行なう燃料電池システムであって、
前記２次電池の残存容量を検出する残存容量検出手段と、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量に応じて、前記負荷への電力の供給を制限する出力制御手段と、
前記出力制御手段によって前記負荷への電力供給が制限されるときに、前記負荷への電力供給が制限されていることを報知する報知部と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
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次電池とを備え、負荷に対して電力の供給を行なう燃料電池システムであって、
前記２次電池の残存容量を検出する残存容量検出手段と、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量に応じて、前記負荷への電力の供給を制限する出力制御手段と
を備えたことを要旨とする。
【００１１】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池システムは、並列に接続された燃料電池と２次電池とを備えて負荷に対して電力の供給を行ない、２次電池の残存容量を検出し、この残存容量に応じて前記電源から前記負荷への電力の供給を制限する。
【００１２】
このような燃料電池システムによれば、２次電池の残存容量に応じて負荷への電力の供給を制限するため、２次電池の充電状態が低下したときに、２次電池の残存容量の状態のさらなる悪化を抑えることができ、また、燃料電池に過剰の負荷がかかってしまうことがない。従って、燃料電池から取り出そうとする電流値が過剰であることに起因して、燃料電池が電圧降下を起こしたり部分的に過度の発熱が起こる等の不都合が生じてしまうことがない。
【００１３】
ここで、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記出力制御手段は、前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下の場合に、前記負荷への電力の供給を制限または遮断する構成としてもよい。
【００１４】
このような構成の燃料電池システムでは、２次電池の残存容量が所定量以下の場合には、前記負荷への電力の供給を制限または遮断する。したがって、２次電池の残存容量が所定量以下になってしまった場合に、燃料電池に過剰の負荷がかかって燃料電池の電圧降下や過度の発熱などの不都合が生じてしまうことがない。負荷への電力の供給を遮断する場合には、燃料電池による２次電池の充電を速やかに行なうことができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記出力制御手段は、前記負荷への出力を所定の制限値以下に抑えて、前記燃料電池によって前記２次電池を充電可能にすることにより、前記負荷への電力の供給を制限することとしてもよい。
【００１６】
このような構成の燃料電池システムは、２次電池の残存容量に応じて前記負荷への電力の供給を制限する際に、前記負荷への出力を所定の制限値以下に抑えることで前記燃料電池によって前記２次電池を充電可能にする。したがって、２次電池の充電状態が低下した場合には燃料電池による充電が行なわれ、２次電池の充電状態を回復することができる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記残存容量検出手段は、
前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池電流値と前記２次電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、前記２次電池の残存容量を判定する残存容量判定手段と
からなることとしてもよい。
【００１８】
このような構成の燃料電池システムでは、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池電流値と前記２次電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出し、この検出結果に基づく各電流値間の関係から、前記２次電池の残存容量を判定する。したがって、２次電池の残存容量を検出するために特別な残存容量モニタを備える必要がなく、構成を簡素化することができる。残存容量モニタを備える代わりに、電流値を検出して所定の演算処理を行なうという簡便な方法によって、前記２次電池の残存容量を判定することができる。
【００１９】
あるいは、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記残存容量検出手段は、
前記２次電池が出力する電流値を検出する２次電池電流値検出手段と、
前記燃料電池システムにおける電圧値を検出する電圧値検出手段と、
前記２次電池電流値検出手段が検出した前記２次電池電流値と、前記電圧値検出手段が検出した前記電圧値とを基に、前記２次電池の残存容量を判定する残存容量判定手段と
からなることとしてもよい。
【００２０】
このような構成の燃料電池システムでは、前記２次電池が出力する電流値と、前記燃料電池システムにおける電圧値とを測定し、これらの検出結果を基に前記２次電池の残存容量を判定する。したがって、２次電池の残存容量を検出するために特別に残存容量モニタを備える必要がなく、構成を簡素化することができる。残存容量モニタを備える代わりに、電流値および電圧値を検出して所定の演算処理を行なうという簡便な方法によって、前記２次電池の残存容量を判定することができる。
【００２１】
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車両としての駆動力を得る電気自動車であって、
本発明の燃料電池システムを搭載し、
前記モータは、該燃料電池システムから電力の供給を受けることを要旨とする。
【００２２】
以上のように構成された電気自動車によれば、電気自動車を駆動するための電気エネルギを供給する２次電池の残存容量に応じて、電気自動車を駆動するモータへの電力の供給を制限する。従って、２次電池の充電状態が低下しすぎてしまうことがなく、そのため、燃料電池にかかる負荷が過剰となり、燃料電池において電圧降下や過度の発熱等の不都合が生じてしまうことがない。ここで、モータへの電力の供給を制限する際に、モータへの出力を所定の制限値以下にすることによって燃料電池による２次電池の充電を可能にする構成とすれば、電気自動車を走行させながら２次電池の充電状態を回復させることが可能となる。
【００２３】
さらに、本発明の電気自動車において、
前記出力制御手段は、前記モータの回転数の制限および／またはトルクの制限を行なう制御によって前記負荷への電力の供給を制限する構成とすることも好ましい。
【００２４】
このような構成とすれば、電気自動車が備える所定の制御回路を介することによって、モータの回転数の制限および／またはトルクの制限を行ないモータでの消費電力を減らすことができる。したがって、モータへの電力の供給を制限するために、所定の抵抗を備えた回路などの特別な構成を備える必要がない。
【００２５】
本発明の燃料電池システムを搭載した電気自動車は、以下のような他の態様をとることも可能である。すなわち、
請求項６または７記載の電気自動車において、
前記出力制御手段によって前記負荷への電力の供給が制限されるときに、電力の供給が制限されていることを運転者に知らせる警告手段を備えることとしてもよい。ここで警告手段としては、所定の警告灯を点灯する、あるいは出力制限中であることを知らせる音声や所定の警告音を発する等の方法を挙げることができる。
【００２６】
このような構成とすれば、負荷への電力の供給が制限されたときに、運転者が電気自動車のアクセルペダルを踏み込んでも車両の速度が上がらなくなる、あるいは低下してしまう、さらには車両が停止してしまうという状態となっても、車両故障と誤認してしまうことがない。また、負荷への電力の供給を制限することは運転者による車両の操作性を低下させるが、電力の供給が制限されていることを運転者に知らせることによって、出力制限条件下での安全な走行を促すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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、切り替えスイッチ３８、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。
【００２８】
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。
【００２９】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                     …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ             …（３）
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ＣＨ3ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ2            …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2           …（５）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋３Ｈ2    …（６）
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
以上説明した燃料電池２０は、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。このような２次電池３０の充放電状態に関わる制御については後に詳しく説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
補機類３４は、燃料電池システム１０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、エアコンプレッサ６６やウオータポンプやマスフロコントローラなどがこれに相当する。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の電力消費量は最大５ｋｗであり、モータ３２の消費電力に比べて少なく、電力消費量の変動も小さい。
【００４７】
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。
【００４８】
切り替えスイッチ３８は、燃料電池２０および２次電池３０に対してモータ３２と補機類３４とを並列に接続する回路中に設けられており、この切り替えスイッチ３８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。切り替えスイッチ３８における接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００４９】
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。
【００５０】
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、切り替えスイッチ３８やインバータ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。
【００５１】
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および切り替えスイッチ３８へ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
以上燃料電池システム１０の構成について説明したが、次に、この燃料電池システム１０の動作について説明する。まず最初に、燃料電池システム１０における燃料電池２０および２次電池３０からの出力の様子について説明する。燃料電池２０と２次電池３０とは並列に接続されているため、負荷の大きさや２次電池３０の充電状態などに応じて、両者が共に電力を供給する側となることもあれば、燃料電池２０による２次電池３０の充電が行なわれることもある。
【００５５】
図４は、燃料電池２０および２次電池３０の出力特性を表わす説明図である。燃料電池２０は、負荷が小さいとき、すなわち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。また、２次電池３０は、広い電流値にわたって所定範囲の電圧値を維持することができるが、その充電状態によって電圧値は昇降する。図４に示した２次電池３０の出力特性は、２次電池３０が充分に充電されているときのものである。
【００５６】
例えば、燃料電池システムを搭載する車両が加速中でモータ３２が要する電力が大きいときに、モータ３２および補機類３４を駆動するのに要する全電流をＩt1とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。しかし、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２は並列に接続されているからそれらの両端電圧は等しくなる。この電圧をＶt1とすると、図４から燃料電池２０の出力電流ＩF1、２次電池３０の出力電流ＩB1は、Ｉt1＝ＩF1＋ＩB1が成り立つ値となる。このときＩF1＜ＩB1となっている。
【００５７】
前記負荷を駆動するのに要する全電流値がＩt2に低下したときには、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶt2とすると、図４から、燃料電池２０の出力電流ＩF2、２次電池３０の出力電流ＩB2は、Ｉt2＝ＩF2＋ＩB2が成り立つ値となる。このときＩF2＞ＩB2となっている。このように、負荷の大きさによって燃料電池２０と２次電池３０とのそれぞれが出力する割合は変化する。
【００５８】
図５は、燃料電池２０の出力特性と、充電状態の低下した２次電池３０の出力特性とを表わす説明図である。モータ３２が所定の大きさの電力を要するときに前記負荷を駆動するための全電流値をＩt3とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなるため、この時の電圧をＶt3とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩF3、２次電池３０の出力電流ＩB3は、Ｉt3＝ＩF3＋ＩB3が成り立つ値となる。このときＩF3＞ＩB3となっている。このように、２次電池３０の充電状態が低下したときには、負荷に対する出力の大部分を燃料電池２０に頼ることになる。
【００５９】
ここで、モータ３２が要する電力の大きさが所定量よりも小さくなり、前記負荷を駆動するのに要する全電流がＩt4に低下すると、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶt4とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩF4、２次電池３０の充電電流ＩB4は、Ｉt4＝ＩF4＋ＩB4が成り立つ値となる。ただし、このときＩB4＜０であり、２次電池３０は燃料電池２０によって充電される状態となる。このように、２次電池３０の充電状態が充分でないときには、負荷の大きさが所定量以下となると、燃料電池２０は負荷を駆動すると共に２次電池３０の充電を行なうようになる。
【００６０】
次に、本実施例の燃料電池システム１０において、２次電池３０の残存容量に応じて行なわれる制御について説明する。本実施例では、２次電池３０の残存容量が所定の値以下の場合には、燃料電池システム１０における出力、すなわち燃料電池システム１０を搭載する電気自動車で消費される電力量を規制し、残存容量が所定量以上に回復するまでは出力を所定値に抑えるという制御を行なう。燃料電池システム１０を搭載する電気自動車で消費される電力とは、モータ３２で消費される電力の他に補機類３４で消費される電力も含まれるが、補機類３４で消費される電力の多くは、既述したように、燃料電池システム１０を稼働状態に維持するために必要なものであり、規制する電力としてはモータ３２で消費する電力が対象となる。
【００６１】
本実施例の燃料電池システム１０において上記制御を行なう際の動作について、図６に例示する残存容量低下時検出処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、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１０ｓｅｃごとに実行される。
【００６２】
本ルーチンが実行されると、まず、残存容量モニタ４６が２次電池３０の残存容量Ｑを検出して検出値をＣＰＵ５２に入力する（ステップＳ１００）。次に、この検出した残存容量の値Ｑを、予め設定した基準値Ｑ0 と比較する（ステップＳ１１０）。検出値Ｑが基準値Ｑ0 よりも大きいときは、２次電池３０の残存容量が充分であると判断して本ルーチンを終了する。
【００６３】
ステップＳ１１０において、検出した残存容量の値Ｑが基準値Ｑ0 よりも小さいときには、２次電池３０の残存容量が不十分であると判断し、インバータ８０を制御することによってモータ３２の消費電力を所定の制限値以下に制限する（ステップＳ１２０）。具体的には、インバータ８０において既述したスイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御し、直流電流を変換してモータ３２に供給する三相交流の振幅または周波数を所定の値以下に抑えることによってモータ３２における消費電力を上記所定の制限値以下に抑える。モータ３２の消費電力を所定の制限値以下に制限すると、それまでのモータ３２における消費電力がこの制限値よりも大きかった場合には、電気自動車全体で消費する電力量の減少によって燃料電池２０および２次電池３０の出力電圧が上昇し、その出力状態が変化する。ここで、電流センサ９０によって２次電池３０からの出力電流Ｉを検出し（ステップＳ１３０）、この出力電流Ｉの正負を判断する（ステップＳ１４０）。
【００６４】
ステップＳ１４０において２次電池３０の出力電流Ｉが正であると判断されると、２次電池３０からは引き続き電力が出力されていることになるため、ステップＳ１２０に戻ってモータ３２における消費電力の制限値を設定し直して消費電力の低減を図る。その後再びステップＳ１３０に移行して２次電池３０からの出力電流Ｉを検出し、ステップＳ１４０でその正負を判断する。ステップＳ１４０において２次電池３０の出力電流Ｉが負であると判断されると、モータ３２で消費する電力を低減することによって２次電池３０の出力状態が放電から充電に転じたと判断される。ここでは、２次電池３０からの出力電流Ｉの正負の判断と、モータ３２での消費電力の制限値の再設定による消費電力の低減とを必要に応じて繰り返すことによって、２次電池３０の出力状態を充電に転じさせる。
【００６５】
ステップＳ１４０で２次電池３０の出力電流Ｉが負であると判断されると、次に、再び残存容量モニタ４６が２次電池３０の残存容量を検出してその検出値ＱをＣＰＵ５２に入力する（ステップＳ１５０）。次に、この残存容量の値Ｑと予め設定しておいた基準値Ｑ1 との比較を行ない（ステップＳ１６０）、２次電池３０の残存容量が充分に回復したかどうかを判断する。ステップＳ１６０において、２次電池３０の残存容量Ｑが基準値Ｑ1 を上回った時には、２次電池３０の残存容量は充分に回復したと判断される。この場合には、ステップＳ１２０で行ったモータ３２の出力制限を解除して（ステップＳ１７０）本ルーチンを終了する。なお、このときに基準値Ｑ1 は、ステップＳ１１０における基準値Ｑ0 と同じ値を設定することとしても良いが、制御の安定性を考えて基準値Ｑ0 よりも大きな値を設定することが望ましい。
【００６６】
ステップＳ１６０において、２次電池３０の残存容量の値Ｑが基準値Ｑ1 に達していないときには、２次電池３０の残存容量の回復状態が不十分であると判断される。この場合には、まず、ステップＳ１３０に戻って２次電池３０からの出力電流Ｉを測定し、ステップＳ１４０において２次電池３０の出力状態が充電であることを確認する。２次電池３０の出力状態が充電であることが確認されると、前回行ったステップＳ１４０における処理と同じく、再び残存容量モニタ４６によって２次電池３０の残存容量Ｑを検出し（ステップＳ１５０）、検出した残存容量の値Ｑを既述した基準値Ｑ1 と比較する（ステップＳ１６０）。必要に応じてこれらの処理を繰り返し、ステップＳ１６０で２次電池３０の残存容量Ｑが基準値Ｑ1 を上回ると、ステップＳ１７０に移行してモータ３２への出力制限を解除して本ルーチンを終了する。
【００６７】
ステップＳ１６０からステップＳ１３０に戻って２次電池３０からの出力電流を検出し、ステップＳ１４０でその正負を調べたときに、後述するように、２次電池３０の出力状態が放電となっていることがある。このような場合には、ステップＳ１４０からさらにステップＳ１２０に戻り、モータ３２の消費電力がさらに減少するように消費電力の制限値を再設定して消費電力の低減を図り、２次電池３０の出力状態を充電に変える。このような場合にも、２次電池３０の出力状態が充電に変われば、やがて２次電池３０の残存容量Ｑが上記基準値Ｑ1 を上回るようになる（ステップＳ１６０）。２次電池３０の残存容量Ｑが上記基準値Ｑ1 を上回ると、ステップＳ１７０においてモータ３２への出力制限を解除して本ルーチンを終了する。
【００６８】
ここで、モータ３２における消費電力とその制限についてさらに説明する。モータ３２の駆動状態は、アクセルペダルポジションセンサ３３ｂから出力される信号などに基づいて制御部５０からインバータ８０に出力される駆動信号によって制御される。アクセルペダル３３ａが踏み込まれて車両の速度を増すように指示が入力されると、インバータ８０では直流電流から変換される三相交流の振幅および周波数を増大させる制御が行なわれ、これによってモータ３２のトルクおよび回転数が上昇して車両の速度が増すと共にモータ３２での消費電力も増大する。モータ３２における消費電力の制限は、インバータ８０からモータ３２に供給される三相交流の振幅および周波数に制限を設けることによって実行される。三相交流の振幅および周波数に制限が設けられると、アクセルペダル３３ａを踏み込んでも、モータ３２において上記制限された振幅に対応したトルク以上が得られない、あるいは回転数以上には回転しなくなるため、モータ３２での消費電力を制限することができる。
【００６９】
なお、ステップＳ１２０においてモータ３２の消費電力を所定の設定値以下に制限したときに、モータ３２の駆動状況によっては、実際にモータ３２が消費している電力はこの設定値以下であることも考えられる。ここで、モータ３２における実際の消費電力が上記設定値以下であっても２次電池３０の出力状態が放電である場合には、ステップＳ１４０からステップＳ１２０に戻ってモータ３２の消費電力の制限値を設定し直す処理が行なわれるため、最終的には２次電池３０の出力状態が充電となるように制御される。
【００７０】
また、モータ３２における実際の消費電力が上記設定値以下であって、２次電池３０の出力状態が充電である場合には、上述したようにそのままステップＳ１５０に移行し、２次電池３０の残存容量の値Ｑが所定の基準値Ｑ1 を上回るまで監視する。ここで、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ1 に達する前にモータ３２における消費電力が変動し、ステップＳ１２０で設定した制限値まで上昇したときに、２次電池３０の出力状態が放電になってしまった場合には、２次電池の残存容量Ｑは基準値Ｑ1 に達しないためステップＳ１６０からステップＳ１３０に戻ることになる。ステップＳ１４０において２次電池３０の出力状態が放電と判断されると、ステップＳ１２０に戻って消費電力がさらに減少するよう消費電力の制限値を再設定する。この場合にも、最終的に２次電池３０の出力状態が充電となるまで、モータ３２での消費電力を減らすように消費電力の制限値の再設定を繰り返す制御が行なわれて、２次電池３０の残存容量の回復が図られる。もとより、モータ３２における消費電力が変動して上記制限値まで上昇したときに、２次電池３０の出力状態が充電のままであれば、２次電池３０の残存容量は回復を続け、やがて上記基準値Ｑ1 に達する。
【００７１】
以上説明した燃料電池システム１０によれば、２次電池３０の残存容量が低下したときにはモータ３２での消費電力を制限するため、２次電池３０の残存容量の状態が悪化してしまうのを抑えることができる。また、燃料電池２０に過大な負荷がかかってしまうのを防止することもできる。さらに、モータ３２での消費電力を制限する際、２次電池３０の出力状態が充電になるまでこの制限値を再設定するので、２次電池３０の残存容量が低下したときには速やかにその回復を図ることができる。従って、２次電池３０の残存容量が低下した状態で負荷量が増大することによって燃料電池２０で生じる問題を回避することができる。すなわち、燃料電池２０からの出力が過剰となって、燃料電池２０の出力電圧が低下してしまったり、燃料電池２０内部が部分的に過熱して損傷を受けてしまうことがない。
【００７２】
上記第１実施例では、２次電池３０の残存容量が不十分であると判断されたときに、モータ３２の消費電力を２次電池３０の出力状態が充電となるまで抑えることとしたが、２次電池３０の消費電力を所定の制限値以下に抑える制御を行なうだけでも、２次電池３０の残存容量の状態が悪化するのを抑えたり、燃料電池２０に過剰の負荷がかかったりするのを防ぐことができる。ここで、２次電池３０の残存容量が不十分であると判断されたときに、モータ３２からの出力に対して設ける制限値は、２次電池３０の残存容量にかかわらず一定値を設定することとしても良いし、２次電池３０の残存容量が少ないほど低く設定することとしても良い。図７は制限値として一定値を設定する場合を示す説明図である。この場合には、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 以下の間は、２次電池３０からの出力は所定の制限値以下に制限される。実際の制御は、モータ３２におけるトルクあるいは回転数がこの制限値に見合った値以下となるように、インバータ８０からモータ３２に供給される三相交流の振幅および周波数が制限されることによって行なわれる。２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を上回るときは、このような制限は解除され、アクセルペダル３３ａを操作することによって、モータ３２の回転数を任意に制御することが可能となる。
【００７３】
このような構成とすれば、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を下回ったときにはモータ３２での消費電力が制限されるため、２次電池３０の残存容量が減少したことに起因して燃料電池２０に負荷がかかりすぎるのを防ぐことができる。このモータ３２での消費電力の制限値として、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 となったときに２次電池３０の出力状態が充電に転じる値を設定しておけば、モータ３２での消費電力を制限することによって２次電池３０の充電を開始し、その残存容量の回復を図ることができる。また、モータ３２での消費電力を制限値に抑えても２次電池３０の出力状態が放電となる値を制限値として設定する場合には、２次電池３０の残存容量がさらに低下して所定量以下となったときに、２次電池３０の出力状態が充電に転じることになる。すなわち、モータ３２での消費電力を上記制限値以下に制限した場合に、２次電池３０の残存容量が上記所定量以下にまで減少した時には２次電池３０の充電が行なわれ、同じく残存容量が上記所定値以上基準値Ｑ0 以下にまで回復した時には、２次電池３０は出力可能であるが放電量が抑えられた状態となる。
【００７４】
図８は、モータ３２の消費電力を抑えるために設ける制限値を、２次電池３０の残存容量に応じて設定する場合を示す説明図である。この場合にも２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 以下となるとモータ３２の消費電力に制限値を設けるが、その際、２次電池３０の残存容量が少ないほどモータ３２の消費電力の制限値が小さくなるようにこの制限値を設定する。もとより２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を上回るときは、このような制限は解除される。
【００７５】
このような構成とすれば、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を下回ったときには消費電力が制限されるため、燃料電池２０に負荷がかかりすぎるのを抑えることができる。また、２次電池３０の残存容量がある程度減少すると、２次電池３０の出力状態が放電から充電に転じるため、２次電池３０の残存容量が低下しすぎてしまう前に残存容量を回復させることができる。さらに、既述した図７に示した制御のように、残存容量がある程度低下するとモータへの出力が所定値にまで急激に低下して、車両の速度が突然落ちてしまうことがなく、徐々に速度がでない状態に移行していくため、車両の運転者にとってより違和感の少ない制御とすることができる。
【００７６】
図９は、モータ３２の消費電力を抑えるために設ける制限値を、２次電池３０の残存容量に応じて複数の段階に分けて設定する場合を示す説明図である。この場合にも２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 以下となるとモータ３２の消費電力に制限値を設けるが、その際、２次電池３０の残存容量を基準値Ｑ0 以下において複数の段階に分け（図９では４段階）、それぞれの段階で異なった制限値を設定する。このような構成とすれば、２次電池３０の残存容量の低下状態に応じて、モータ３２での消費電力の制限値を調節することができる。
【００７７】
図７ないし図９に基づいて説明した上記制御では、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を下回ってモータ３２における消費電力を制限する場合に、２次電池３０の出力に関して設定した制限値と２次電池３０の残存容量との関係によって、２次電池の出力状態が放電可能状態であるか充電状態となるかが決まる。ここで、上記第１実施例で示した構成と同様に、モータ３２における消費電力の制限値の設定後、２次電池３０の放電状態が充電となるように制限値を再設定することとしても良い。すなわち、モータ３２における消費電力の制限値の設定後、２次電池３０の出力電流を電流センサ９０によって検出し、この電流値が負の値となるまで上記制限値を低くする再設定を繰り返す。このような構成とすれば、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 以下となったときには、速やかに２次電池３０の残存容量の回復を図ることができる。
【００７８】
もとより、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 を下回ったときには図７ないし図９に示した出力制限を行ってモータ３２における消費電力を制限し、２次電池３０の残存容量がさらに第２の所定の基準値を下回った時には、第１実施例と同様に２次電池３０の出力状態が充電に転じるまで上記制限値の再設定を行なうこととしても良い。上記いずれの構成を採用しても、ある程度残存容量が低下した場合には２次電池３０の出力状態を充電とすることによって、２次電池３０の残存容量の回復を図ることができる。
【００７９】
上記の説明では、２次電池３０における消費電力を制限する方法として、その消費電力に制限値を設けることとしたが、その他に、モータ３２を停止させてしまうことによって消費電力を制限する方法もある。モータ３２を停止させるには、図１に示した切り替えスイッチ３８に制御部５０から駆動信号を入力してこの切り替えスイッチ３８において回路を切断することによってモータ３２への電力の供給を絶てばよい。このような切り替えスイッチ３８は、インバータ８０内を構成する回路内に設けることとしても良い。
【００８０】
このように、モータ３２への電力の供給を絶ってモータ３２を停止させる制御を含め、モータ３２における消費電力の制御を行なうことができる。単にモータ３２での消費電力量に制限値を設ける制御、２次電池３０の出力状態が充電となるようにモータ３２からの出力の制限値を設定する制御、あるいはモータ３２を完全に停止させてしまう制御などの中から、２次電池３０の残存容量の低下状態や車両の走行条件などに応じて、適宜適当な制御を選択する構成としてもよい。
【００８１】
上記第１実施例の燃料電池システム１０では、残存容量モニタ４６と電流センサ９０との両方を設け、残存容量モニタ４６によって２次電池３０の残存容量を監視すると共に、電流センサ９０によって２次電池３０からの出力電流の正負を判断する構成とした。ここで、ＳＯＣモニタなどで構成される残存容量モニタ４６を特に設けることなく、電流センサのみによって残存容量の検出を行なう構成とすることができる。このような構成を第２実施例として以下に説明する。図１０は、第２実施例の燃料電池システム１０Ａの構成を例示するブロック図である。燃料電池システム１０Ａは、残存容量モニタ４６を備える代わりに電流センサ９２を備えること以外は第１実施例の燃料電池システム１０と共通であるため、構成に関する詳しい説明は省略する。
【００８２】
燃料電池システム１０Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０と同様の電流センサ９０の他に、電流センサ９２を備える。電流センサ９０は、２次電池３０からの出力電流Ｉ1 を測定するものであるが、電流センサ９２は、２次電池３０からの出力電流と燃料電池２０からの出力電流とを合わせた総電流値Ｉ0 を測定するものである。これら電流センサ９０，９２は制御部５０に接続しており、制御部５０に測定された電流値が入力される。制御部５０は、これらの電流値を基に２次電池３０の残存容量を検出する。
【００８３】
ここで、電流値から２次電池３０の残存容量を検出する原理について説明する。燃料電池システムＡを構成する回路を流れる総電流値Ｉ0 は、燃料電池２０からの出力電流をＩ2 とすると、Ｉ1 ＋Ｉ2 ＝Ｉ0 が成り立つ。ここで、２次電池３０の充電状態が充分であって、その出力が制限されていないときには、２次電池３０からも出力される状態となるため、Ｉ1 ＞０となる。従ってＩ2 ／Ｉ0 ＜１が成り立つ。このとき、接続された負荷の大きさが大きいほどＩ2 ／Ｉ0 の値は小さくなる（図４参照）。
【００８４】
一方、２次電池３０の残存容量が所定量以下であって、接続される負荷（モータ３２の所要電力）が所定量よりも小さいときには、燃料電池２０によって２次電池３０が充電される状態となるため、Ｉ1 ＜０となる。従ってＩ2 ／Ｉ0 ＞１が成り立つ。ここで、燃料電池２０による２次電池３０の充電が進むと、上記Ｉ2 ／Ｉ0 の値は次第に小さくなって１に近づいていく。
【００８５】
このＩ2 ／Ｉ0 の値は、２次電池３０の残存容量と接続された負荷の大きさとによって決定される値である。従って、負荷の大きさが決まれば、２次電池３０の残存容量が既述した基準値Ｑ0 であるときのＩ2 ／Ｉ0 の値を求めることができる。本実施例の燃料電池システム１０Ａでは、２次電池３０および燃料電池２０の出力電流の状態から２次電池３０の充電状態を判断するために、予想される負荷の大きさ（モータ３２と補機類３４との所要電力の合計）の範囲にわたって、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 であるときのＩ2 ／Ｉ0 の値が、予め制御部５０に記憶されている。
【００８６】
また、このＩ2 ／Ｉ0 の値は、２次電池３０の温度によっても変わってくるため、２次電池３０の予想される運転温度の範囲にわたって、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 であるときのＩ2 ／Ｉ0 の値が、マップとして制御部５０に記憶されている。図１１は、２次電池３０の残存容量を検出するときにＣＰＵ５２によって実行される残存容量判定処理ルーチンを例示するフローチャートである。この残存容量判定処理ルーチンは、第１実施例の燃料電池システム１０で実行される残存容量低下時検出処理ルーチンにおけるステップＳ１００およびステップＳ１１０に代わる処理として実行される。
【００８７】
本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５２は、まず、電流センサ９０，９２が検出する電流値Ｉ1 ，Ｉ0 を読み込む処理を行なう（ステップＳ２００）。次に、総負荷量の読み込みを行なう（ステップＳ２１０）。この総負荷量の読み込みは、モータ３２および補機類３４の駆動状態を読み込むことによって実行する。さらに、図示しない温度センサによって２次電池３０の温度を検出する（ステップＳ２２０）。
【００８８】
ここで、検出した総負荷量と２次電池３０の温度とを基に、このような条件下において２次電池３０の残存容量が基準値ＱO であるときのＩ2 ／Ｉ0 の値ｘを求める。また、ステップＳ２００で読み込んだ電流値Ｉ1 ，ＩO の値を基にＩ2 ／Ｉ0 の実測値を求め、このＩ2 ／Ｉ0 の値と基準値Ｑ0 に基づくｘとの比較を行なう（ステップＳ２４０）。実測値に基づくＩ2 ／Ｉ0 の値が上記ｘよりも大きいときには、２次電池３０の残存容量は基準値ＱO よりも少ないと判断して（ステップＳ２５０）本ルーチンを終了し、引き続き残存容量低下時検出処理ルーチンのステップＳ１２０に移行してモータ３２における消費電力の低減を行なう。実測値に基づくＩ2 ／Ｉ0 の値が上記ｘよりも小さいときには、２次電池３０の残存容量は基準値ＱO よりも多いと判断し（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了すると共に残存容量低下時検出処理ルーチンを終了する。
【００８９】
測定した電流値から２次電池３０の残存容量を判定する構成である第２実施例の燃料電池システム１０Ａでは、図６に示す第１実施例の残存容量低下時検出処理ルーチンにおけるステップＳ１５０およびステップＳ１６０も、同様の処理に置き換えられる。ここでは、制御部５０において、検出した総負荷量および２次電池３０の温度を基に、基準値Ｑ0 の代わりにＱ1 に対応するＩ2 ／Ｉ0 の値を所定のマップを参照して求め、実測した電流値に基づくＩ2 ／Ｉ0 の値と比較する。
【００９０】
上述した第２実施例では、電流センサ４６，９０によって、２次電池３０の出力電流Ｉ1 と総電流値Ｉ0 とを検出する構成としたが、Ｉ1 ，Ｉ0 ，Ｉ2 のそれぞれは他の２つの値が分かれば求めることができるため、上記Ｉ1 あるいはＩ0 の代わりに燃料電池２０の出力電流Ｉ2 を求めることとしても良く、Ｉ1 ，Ｉ0 ，Ｉ2 のうち少なくとも２つの値を検出することとすればよい。
【００９１】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０Ａによれば、２次電池３０の残存容量を検出するために残存容量モニタを２次電池３０に取り付ける必要がないため、装置の構成を簡素化することができる。すなわち、簡単な構成の電流センサを設けるだけで、２次電池３０の残存容量を検出すると共に２次電池３０の充放電状態を監視することができる。
【００９２】
第２実施例の燃料電池システム１０Ａでは、２次電池３０からの出力電流値Ｉ1 と、燃料電池２０からの出力電流値Ｉ2 と、これらを合わせた総電流値Ｉ0 との内、少なくとも２種類の電流値を測定してこれらの値を基に２次電池３０の残存容量を判定する構成としたが、２次電池３０からの出力電流値Ｉ1 と燃料電池システム１０Ａを構成する回路における電圧値とから２次電池３０の残存容量を判定することもできる。このような構成を以下に第３実施例として説明する。
【００９３】
図１２は、第３実施例の燃料電池システム１０Ｂの構成を例示するブロック図である。燃料電池システム１０Ｂは、残存容量モニタ４６および電流センサ９２を備える代わりに電圧センサ９４を備えること以外は第１実施例の燃料電池システム１０および第２次実施例の燃料電池システム１０Ａと共通であるため、構成に関する詳しい説明は省略する。
【００９４】
燃料電池システム１０Ｂは、既述した実施例のの燃料電池システム１０，１０Ａと同様の電流センサ９０の他に、電圧センサ９４を備える。燃料電池２０および２次電池３０は並列に接続されているため、この電圧センサ９４が検出する電圧は、燃料電池２０の出力電圧および２次電池３０の出力電圧に等しい。電圧センサ９４は制御部５０に接続しており、制御部５０に測定された電圧値が入力される。制御部５０は、電圧センサ９４から入力された電圧値および電流センサ９０から入力された電流値を基に２次電池３０の残存容量を検出する。
【００９５】
以下に、上記電圧値および電流値から２次電池３０の残存容量を判定する原理について説明する。図１３は、燃料電池２０と、充電状態が充分（例えば９０％）である２次電池３０と、充電状態が不十分（例えば２０％）である２次電池３０と、残存容量の値がＱ0 である２次電池３０の出力特性を模式的に表す説明図である。電圧センサ９４によって電圧値を測定すると、２次電池３０はその残存容量に応じて出力電流値が一義的に定まる。すなわち、測定された電圧値がＶt5であるとき、２次電池３０の残存容量が９０％であれば２次電池３０の出力電流値はＩ F5、同じく残存容量が２０％であれば出力電流値はＩＢ6 、同じく残存容量がＱ0 であれば出力電流値はＩB7となる。    
【００９６】
本実施例の燃料電池システム１０Ｂの制御部５０には、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 である時の２次電池３０における出力特性が記憶されている。２次電池３０の出力電流値Ｉ1 および電圧値Ｖが入力されると、２次電池３０の残存容量がＱ0 であって電圧値がＶであるときの２次電池３０の出力電流値の値ＩBQと、入力した電流値Ｉ1 とを比較する。Ｉ1 ＞ＩBQであれば２次電池３０の残存容量はＱ0 よりも大であると判断し、Ｉ1 ＜ＩBQであれば２次電池３０の残存容量はＱ0 よりも小であると判断する。  
【００９７】
また、２次電池３０の残存容量がＱ0 であるときの２次電池３０における出力特性は、２次電池３０の温度によっても変わってくるため、２次電池３０の予想される運転温度の範囲にわたって、２次電池３０の残存容量が基準値Ｑ0 であるときの出力特性が制御部５０に記憶されている。図１４は、燃料電池システム１０Ｂにおいて２次電池３０の残存容量を判定するときにＣＰＵ５２によって実行される残存容量判定処理ルーチンを例示するフローチャートである。この残存容量判定処理ルーチンは、第１実施例の燃料電池システム１０で実行される残存容量低下時検出処理ルーチンにおけるステップＳ１００およびステップＳ１１０に代わる処理として実行される。
【００９８】
本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５２は、まず、電流センサ９０が検出する電流値Ｉ1 を読み込むと共に（ステップＳ３００）、電圧センサ９４が検出する電圧値Ｖを読み込む処理を行なう（ステップＳ３１０）。次に、図示しない温度センサによって２次電池３０の温度を検出する（ステップＳ３２０）。ここで、検出した２次電池３０の温度において、２次電池３０の残存容量が基準値ＱO であって電圧値がＶである時の２次電池３０の出力電流値ＩBQを求める（ステップＳ３３０）。  このＩBQの値と、ステップＳ３００で読み込んだ電流値Ｉ1 の値とを比較し（ステップＳ３４０）、２次電池３０の残存容量がＱ0 である時の電流値ＩBQが実測値Ｉ1 よりも大きいときには、２次電池３０の残存容量は基準値ＱO よりも少ないと判断して（ステップＳ３５０）本ルーチンを終了し、引き続き残存容量低下時検出処理ルーチンのステップＳ１２０に移行してモータ３２における消費電力の低減を行なう。２次電池３０の残存容量がＱ0 である時の電流値ＩBQが実測値Ｉ1 よりも小さいときには、２次電池３０の残存容量は基準値ＱO よりも多いと判断し（ステップＳ３６０）、本ルーチンを終了すると共に残存容量低下時検出処理ルーチンを終了する。
【００９９】
測定した電流値および電圧値から２次電池３０の残存容量を判定する構成である第３実施例の燃料電池システム１０Ｂでは、図６に示す第１実施例の残存容量低下時検出処理ルーチンにおけるステップＳ１５０およびステップＳ１６０も、同様の処理に置き換えられる。ここでは、制御部５０において、検出した電圧値および２次電池３０の温度を基に、基準値Ｑ0 の代わりにＱ1 に対応する２次電池３０の電流値値を求め、実測した電流値であるＩ1 と比較する。
【０１００】
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０Ｂによれば、第２実施例と同様に２次電池３０の残存容量を検出するために残存容量モニタを２次電池３０に取り付ける必要がないため、装置の構成を簡素化することができる。すなわち、簡単な構成の電流センサおよび電圧センサを設けるだけで、２次電池３０の残存容量を判定すると共に２次電池３０の充放電状態を監視することができる。
【０１０１】
既述した第１ないし第３実施例では、２次電池３０からの出力を制限する際に、制御部５０からインバータ８０に対して駆動信号を出力し、インバータ８０からモータ３２に供給する三相交流の振幅および周波数を制御することによってモータ３２での消費電力を削減していた。そのため、特別に回路を設けることなく電気的な信号のやり取りを行なうだけで、モータ３２での消費電力を容易に削減することができる。もとより、モータ３２に至る回路の所定の位置に、接点の切り替えにより接続可能な状態で所定の大きさの抵抗を設けることとしてもよい。このような構成とすれば、モータ３２での消費電力を制限するときには、接点を切り替えることによって回路全体の抵抗値を上昇させて消費電力を低減することができる。
【０１０２】
第１実施例ないし第３実施例に基づいて２次電池３０の残存容量が低下したときに行なわれるモータ３２への出力の制御について説明したが、このような制御が行なわれるときには、実際の電気自動車では、アクセルペダル３３ａを踏み込んでも速度が上がらなくなる、あるいは速度が低下してしまう、さらには車両が停止してしまうという状態となってしまう。従って、２次電池３０の残存容量が低下してモータ３２への出力を制限するときには、車両の運転席の近傍に設けた所定の警告灯を点灯させたり音声や警告音を発するなどして出力制限中であることを運転者に知らせ、車両故障との誤認を防ぎ、出力制限条件下での安全な走行を促す構成とすることが望ましい。
【０１０３】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【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の構成を例示するブロック図である。
【図２】単セル２８の構成を表す断面模式図である。
【図３】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、充分に充電された２次電池３０との出力特性を表す説明図である。
【図５】燃料電池２０と、充電状態が不十分な２次電池３０との出力特性を表す説明図である。
【図６】第１実施例の燃料電池システム１０の稼働時に実行される残存容量低下時検出処理ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】２次電池３０の残存容量の低下時に出力規制を行なう様子を表す説明図である。
【図８】２次電池３０の残存容量に応じて出力規制を行なう様子を表す説明図である。
【図９】２次電池３０の残存容量に応じて出力規制を段階的に行なう様子を表す説明図である。
【図１０】第２実施例の燃料電池システム１０Ａの構成を例示するブロック図である。
【図１１】第２実施例の燃料電池システム１０Ａにおいて２次電池３０の残存容量を検出する際に実行される残存容量判定処理ルーチンを表すフローチャートである。
【図１２】第３実施例の燃料電池システム１０Ｂの構成を例示するブロック図である。
【図１３】燃料電池２０と、種々の充電状態にある２次電池３０との出力特性を表す説明図である。
【図１４】第３実施例の燃料電池システム１０Ｂにおいて２次電池３０の残存容量を検出する際に実行される残存容量判定処理ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…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
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
３８…切り替えスイッチ
４６，９０、９２…電流センサ
４６…残存容量モニタ
５０…制御部
５２…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０…燃料電池部
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
９４…電圧センサ
【図１】
2007335411.tif 000003
【図２】
2007335411.tif 000004
【図３】
2007335411.tif 000005
【図４】
2007335411.tif 000006
【図５】
2007335411.tif 000007
【図６】
2007335411.tif 000008
【図７】
2007335411.tif 000009
【図８】
2007335411.tif 000010
【図９】
2007335411.tif 000011
【図１０】
2007335411.tif 000012
【図１１】
2007335411.tif 000013
【図１２】
2007335411.tif 000014
【図１３】
2007335411.tif 000015
【図１４】
2007335411.tif 000016