(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から電力の供給を受けて駆動され、少なくとも所定の主負荷に対して第１の出力軸から動力を出力する第１のモータと、
前記燃料電池を稼働させるために用いられる燃料電池補機と、
前記燃料電池から電力の供給を受けて、前記燃料電池補機を駆動するための動力を出力する第２のモータと、
前記燃料電池補機を駆動するために要する動力として、前記第２のモータから出力される動力と共に、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから出力される動力を前記燃料電池補機に伝達するエネルギ分配機構と、
前記第１のモータに対して電力を供給可能な２次電池と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から電力の供給を受けて駆動され、少なくとも所定の主負荷に対して第１の出力軸から動力を出力する第１のモータと、
前記燃料電池を稼働させるために用いられる燃料電池補機と、
前記燃料電池から電力の供給を受けて、前記燃料電池補機を駆動するための動力を出力する第２のモータと、
前記燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部を、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達するエネルギ分配機構と、
前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を制御する制御部と、
前記第１のモータに対して電力を供給可能な２次電池と、
を備え、
前記所定の主負荷の大きさに応じて、前記制御部が前記第１のモータおよび前記第２のモータの稼働状態を制御することで、前記第１のモータから前記所定の主負荷に出力される動力、および、前記エネルギ分配機構によって前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達されるエネルギ量が変更される
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を制御する制御部を備え、
前記２次電池は、前記燃料電池によって充電可能であって、前記燃料電池と共に所定の副負荷に対して電力を供給可能であり、
前記エネルギ分配機構は、前記第１の出力軸と、前記第２のモータが動力を出力する第２の出力軸と、前記燃料電池補機を駆動するための動力が前記燃料電池補機に伝えられる駆動軸と、の回転状態の間に所定の関係を成立させつつ、前記第１の出力軸と前記第２の出力軸と前記駆動軸とを接続し、
前記制御部は、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を停止させると共に、前記２次電池によって前記副負荷に対して電力を供給する第１の停止モードを有する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記２次電池の残存容量が所定の値以下である場合には、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとを稼働させて、前記燃料電池を用いて前記２次電池の充電を行なう第２の停止モードを有する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記エネルギ分配機構は、サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤとを備えるプラネタリギヤであり、
前記第１のモータが有する前記第１の出力軸と、前記第２のモータが動力を出力する第２の出力軸と、前記燃料電池補機を駆動するための動力が前記燃料電池補機に伝えられる駆動軸とが、前記サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤの回転軸のうちのいずれか一つとそれぞれ接続されている
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】
この発明は、燃料電池と、この燃料電池から電力の供給を受けるモータとを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の駆動エネルギを供給するために、燃料電池と２次電池とを搭載する車両が知られている（例えば、特開平１１−１６４４０２号公報）。燃料電池を稼働させるためには、燃料電池にガスを供給するためのポンプなどの燃料電池補機およびこの燃料電池補機を駆動するためのモータを、燃料電池と同時に稼働させる必要がある。また、車両停止時において、車両補機を稼働させるための電力を必要とするときには、燃料電池の稼働が必要な場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池補機を駆動するために専用のモータを用いる場合には、燃料電池補機に対して充分な動力を供給するためにはモータが大型化し、コストも増大するという問題があった。特に燃料電池を車載する場合には、スペース上の大きな制約があり、燃料電池補機用のモータの小型化、燃料電池用補機の駆動系の簡略化が望まれていた。また、燃料電池を用いる際に、車両停止時における効率の低下を防止することも望まれている。
【０００４】
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、燃料電池用補機の駆動系を小型化する技術を提供すると共に、車両停止時の燃費を向上す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】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から電力の供給を受けて駆動され、少なくとも所定の主負荷に対して第１の出力軸から動力を出力する第１のモータと、
前記燃料電池を稼働させるために用いられる燃料電池補機と、
前記燃料電池から電力の供給を受けて、前記燃料電池補機を駆動するための動力を出力する第２のモータと、
前記燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部を、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達するエネルギ分配機構と、
前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を停止させる第１の停止モードを有することを要旨とする。
【０００６】
このような構成によれば、燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部が、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達されるので、燃料電池補機を駆動するために第２のモータが出力する動力をより小さくすることができる。したがって、第２のモータをより小型化し、燃料電池用補機の駆動系をより小型化することができる。
【０００７】
さらに、本発明では、主負荷への動力供給が要求されていないときには、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働を停止させるという特徴を有している。燃料電池を運転するときには、燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部が、前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達されるため、主負荷が動力を要求しないときに、第１のモータを停止させない場合には、第１のモータがエネルギを消費することになる。本発明は、上記各部の稼働を停止させることで、主負荷が動力を要求しないときに第１のモータがエネルギを消費することがなくなり、システム全体のエネルギ効率が低下するのを抑えることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の稼働状態の停止は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の供給を止めることによって行なうこととしても良い。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記エネルギ分配機構は、サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤとを備えるプラネタリギヤであり、
前記第１のモータが有する前記第１の出力軸と、前記第２のモータが動力を出力する第２の出力軸と、前記燃料電池補機を駆動するための動力が前記燃料電池補機に伝えられる駆動軸とが、前記サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤの回転軸のうちのいずれか一つとそれぞれ接続されていることとしても良い。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池補機は、前記燃料電池に対して前記電気化学反応に供するガスを供給するポンプであることとしても良い。
【００１１】
ガスを供給するポンプを駆動するための第２のモータは、一般的に、主負荷に対して動力を出力するための第１のモータに比べて小さい。したがって、ポンプを駆動するために要するエネルギの一部を第１のモータから得て、第２のモータを小さくすることによる効果を、より顕著に得ることができる。また、電気化学反応に供するガスを供給するポンプの動作は、燃料電池における発電とほぼ同期させることができるため、上記制御を容易に行なうことができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池によって充電可能であって、前記燃料電池と共に所定の副負荷に対して電力を供給可能である２次電池をさらに備え、
前記燃料電池の稼働状態を停止させたときには、前記２次電池によって前記副負荷に対して電力を供給することとしても良い。
【００１３】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、さらに、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記２次電池の残存容量が所定の値以下である場合には、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとを稼働させて、前記燃料電池を用いて前記２次電池の充電を行なう第２の停止モードを有することとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、２次電池の残存容量を適正な範囲に維持することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、電気自動車に搭載されており、
前記主負荷は、前記電気自動車の駆動軸の負荷であって、
前記副負荷は、前記電気自動車が搭載する電気機器による負荷であることとしても良い。
【００１６】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記主負荷への動力供給が要求されていないときとは、前記電気自動車において、シフトポジションが、非走行レンジとなっているときであることとしても良い。
【００１７】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記シフトポジションがＮポジションのときには、前記２次電池の残存容量に関わらず、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を停止させ、
前記シフトポジションがＰポジションであって、前記２次電池の残存容量が所定の値以下であるときには、前記燃料電池を用いて前記２次電池の充電を行なうこととしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、第１のモータと電気自動車の駆動軸とが接続されていないときには、上記各部の稼働状態は停止される。また、第１のモータと電気自動車の駆動軸とが接続されているときには、２次電池の残存容量が不足する場合には２次電池の充電が行なわれて、２次電池の残存容量を適正な範囲に回復可能となる。
【００１９】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおける運転制御方法や、燃料電池システムを搭載する電気自動車等、種々の形態で実現することが可能である。
【００２０】
【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．プラネタリギヤの働き：
Ｃ．走行レンジにおける制御：
Ｄ．非走行レンジにおける制御：
Ｅ．変形例：
【００２１】
Ａ．装置の構成：
図１は、本実施例の電気自動車１０の構成を表わす説明図である。電気自動車１０は、電源として燃料電池部１５と２次電池４０とを備えている。
【００２２】
図２は、燃料電池部１５の構成を示す説明図である。燃料電池部１５は、改質燃料を貯蔵する燃料タンク６２と、水を貯蔵する水タンク６３と、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・混合部６４と、改質反応を促進する改質触媒を備える改質器６５と、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減部６６と、燃料電池２０と、エアコンプレッサ４２とを備えている。
【００２３】
燃料タンク６２が貯蔵する改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。蒸発・混合部６４は、燃料タンク６２から供給される改質燃料および水タンク６３から供給される水を気化・昇温させると共に両者を混合するためのものである。
【００２４】
蒸発・混合部６４から排出された改質燃料と水との混合ガスは、改質器６５において改質反応に供されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここで、改質器６５には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、改質器６５の内部温度が制御される。また、改質器６５で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器６５内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。
【００２５】
改質器６５で生成された改質ガスは、ＣＯ低減部６６において一酸化炭素濃度が低減されて、燃料電池２０のアノード側に対して燃料ガスとして供給される。ＣＯ低減部６６は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。また、これらの両方を備えることとしても良い。
【００２６】
燃料電池２０のカソード側に対しては、エアコンプレッサ４２から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。これら燃料ガスおよび酸化ガスを利用して、燃料電池２０では電気化学反応によって起電力が生じる。
【００２７】
燃料電池２０は、本実施例では、固体高分子型燃料電池を用いており、単セルを複数積層したスタック構造を有している。なお、図１には、図示の便宜上、エアコンプレッサ４２が燃料電池部１５の外に描かれている。燃料電池部１５の各部の駆動状態は、制御ユニット２５（図１）によって制御される。
【００２８】
２次電池４０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。なお、２次電池４０には、２次電池４０の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ４１が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ４１は、２次電池４０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。残存容量モニタ４１は、制御ユニット２５に接続されており、制御ユニット２５は、上記ＳＯＣメータから得られた値に基づいて、２次電池４０の残存容量を算出する。ここで残存容量モニタ４１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４０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４０の残存容量を検出することができる。このような場合には、電圧値と残存容量との関係を予め制御ユニット２５に記憶しておくこととすれば、電圧センサから入力される測定値を基に制御ユニット２５は２次電池４０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４１は、２次電池４０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。
【００２９】
燃料電池２０および２次電池４０の負荷としては、車両の駆動力を発生する駆動モータ３２と、燃料電池２０に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ４２を駆動するための補機モータ３８と、車両に搭載されて車両の駆動状態とは独立して動作する電気機器である車両補機７０（エアコンやカーオーディオ等）とが存在する。
【００３０】
駆動モータ３２と補機モータ３８と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それぞれ備えている。これら駆動モータ３２および補機モータ３８は、それぞれ、駆動モータインバータ３０あるいは補機モータインバータ３６を介して燃料電池２０および／または２次電池４０から電力の供給を受ける。駆動モータインバータ３０および補機モータインバータ３６は、上記モータの各相に対応して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って、制御ユニット２５に接続されている。
【００３１】
駆動モータ３２の出力軸は、減速ギヤ４６を介して車両駆動軸４７に接続している。減速ギヤ４６は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸４７に伝える。車両駆動軸４７は、左右の車輪の回転数の差を吸収するための差動ギヤ４８を介して、各車輪に接続されている。
【００３２】
電気自動車１０には、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４が設けられている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、燃料電池２０からの出力電圧を調節するためのものである。制御ユニット２５は、車両における車速やアクセル開度に基づいて、所望の走行状態を実現するために必要な電力を算出する。制御ユニット２５は、また、車両補機７０が要求する電力や、２次電池４０の残存容量にさらに基づいて、燃料電池２０が出力すべき電力を算出する。図３に、燃料電池２０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す。図３に示すように、燃料電池２０から出力すべき電力Ｐ1 が定まれば、そのときの燃料電池２０の出力電流の大きさＣ1 が定まる。燃料電池２０の出力特性より、出力電流Ｃ1 が定まれば、そのときの燃料電池２０の出力電圧Ｖ1 が定まる。後述する制御ユニット２５からＤＣ／ＤＣコンバータ３４に対して、このようにして求めた出力電圧Ｖ1 を目標電圧として指令することによって、燃料電池２０の発電量を所望量とすることができる。
【００３３】
制御ユニット２５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、各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて信号を出力する入出力ポート等を備える。
【００３４】
なお、駆動モータ３２と、補機モータ３８と、エアコンプレッサ４２とは、プラネタリギヤ５０を介して機械的に結合されている。プラネタリギヤ５０は、遊星歯車とも呼ばれ、以下に示すそれぞれのギヤに結合された３つの回転軸を有している。プラネタリギヤ５０を構成するギヤは、中心で回転するサンギヤ５２、サンギヤ５２の外周で自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ５４、さらにその外周で回転するリングギヤ５６である。プラネタリピニオンギヤ５４は、プラネタリキャリア５５に軸支されている。図１の電気自動車１０では、車両の駆動力を出力する駆動モータ３２の出力軸は、プラネタリキャリア５５の回転軸と結合して、プラネタリキャリア軸５８を形成している。また、補機モータ３８の出力軸は、サンギヤ５２の回転軸に結合してサンギヤ軸５７を形成し、エアコンプレッサ４２の駆動軸は、リングギヤ５６の回転軸に結合してリングギヤ軸５９を形成する。
【００３５】
Ｂ．プラネタリギヤの働き：
プラネタリギヤ５０は、３つの回転軸のうち、２つの回転軸の回転数および一つの回転軸のトルク（以下、所定の回転軸における回転数とトルクとを合わせて回転状態と呼ぶ）が決定されると、すべての回転軸の回転状態が決まるという性質を有している。
【００３６】
本実施例では、燃料電池２０に対する要求発電量に従ってリングギヤ軸５９の目標トルクＴr＊ が定まることにより、プラネタリキャリア軸５８の目標トルクＴc＊ およびサンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊が求められる。プラネタリギヤ５０は、サンギヤ軸５７に作用するトルクをＴs 、プラネタリキャリア軸５８に作用するトルクをＴc 、リングギヤ軸５９に作用するトルクをＴr とすると、以下の式（１）、（２）に示す関係が成り立つという性質を有している。
【００３７】
Ｔs ＝−ρ／（１＋ρ）×Ｔc                     …（１）
Ｔr ＝−１／（１＋ρ）×Ｔc                     …（２）
なお、ここで、ρ＝（サンギヤ５２の歯数）／（リングギヤ５６の歯数）を表わす。
【００３８】
電気自動車１０において、燃料電池２０に対する要求発電量が定まると、発電に必要な量の空気を供給するために、エアコンプレッサ４２、すなわちリングギヤ軸５９の目標回転状態（目標トルクＴr＊ および目標回転数Ｎr＊ ）が定まる。リングギヤ軸５９の目標回転状態が定まると、上記リングギヤ軸５９の目標トルクＴr＊ を（２）式に代入することで、以下の（３）式のように、プラネタリキャリア軸５８の目標トルクＴc＊ が求められる。
Ｔc＊ ＝−（１＋ρ）×Ｔr＊                     …（３）
【００３９】
さらに、この結果を（１）式に代入することで、以下の（４）式のように、サンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊が求められる。なお、サンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊によって、補機モータ３８の目標トルクが定まる。
Ｔs＊ ＝ρＴr＊                                 …（４）
【００４０】
リングギヤ軸５９の目標回転数Ｎr＊ は、上記のように燃料電池２０に対する要求発電量に基づいて定まる。また、プラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc は、電気自動車の車速に基づいて定まる。すなわち、電気自動車の車速に対応した車両駆動軸４７の回転数に応じて、駆動モータ３２の回転数が定まるため、駆動モータ３２と接続するプラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc は、車速に応じて定まる。これらリングギヤ軸５９の目標回転数Ｎr＊ と、プラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc とに基づいて、補機モータ３８に接続するサンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊ を求める式を、以下に（５）式として示す。
【００４１】
Ｎs＊ ＝（１＋ρ）／ρ×Ｎc −１／ρ×Ｎr       …（５）
【００４２】
Ｃ．走行レンジにおける制御：
本実施例の電気自動車においては、図１に示すように、シフトレバー７２で選択可能なシフトポジションとして、パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブポジション（Ｄ）、４ポジション（４）、３ポジション（３）、２ポジション（２）およびローポジション（Ｌ）が設けられている。ＰポジションとＮポジションは、非走行レンジであって、それ以外は走行レンジである。
【００４３】
シフトポジションとして走行レンジが選択されているときには、制御ユニット２５は、図示しない車速センサが検出する車速と、アクセルポジションセンサ７４が検出するアクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）とに基づいて、車両の要求動力を算出する。さらに、そのときの車両補機７０の消費電力量や、２次電池４０のＳＯＣに基づいて、燃料電池２０に対する要求電力が定められる。燃料電池２０に対する要求電力が定まると、これに応じてエアコンプレッサ４２の運転状態、すなわちリングギヤ軸５９の目標回転状態が定まる。また、車速に基づいて、プラネタリキャリア軸５８の回転数が定まる。したがって、上述したように、プラネタリギヤ５０に接続する各ギヤ軸の目標回転状態が定まる。
【００４４】
補機モータ３８の目標回転状態は、既述したようにして求めたサンギヤ軸５７の目標回転状態に基づいて定まる。駆動モータ３２の回転数は、車軸４７の回転数に基づいて定まる。また、駆動モータ３２は、プラネタリキャリア軸５８に出力すべき動力（プラネタリキャリア軸５８の目標回転状態に基づいて定まる）と、車両駆動軸４７に出力すべき車両の要求動力との両方を合わせた合計動力を出力できるように駆動される。したがって、駆動モータ３２の目標回転状態は、上記合計動力と車速とに基づいて定められる。
【００４５】
燃料電池２０が要求電力を発電するよう燃料電池部１５の各部を稼働させると共に、各モータの回転状態が上記目標回転状態となるように駆動モータインバータ３０および補機モータインバータ３６に対して駆動信号を出力する。これによって、燃料電池２０から上記要求電力を得ることができると共に、所望の走行状態を実現できる。
【００４６】
Ｄ．非走行レンジにおける制御：
図４は、本実施例の電気自動車１０の制御ユニット２５で実行されるシフトポジション判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、通常のガソリン自動車のイグニションスイッチに対応する所定のスタートスイッチがオンとなったときに、所定の時間ごとに実行される。
【００４７】
非走行レンジ処理ルーチンが開始されると、制御ユニット２５はまず、シフトポジションセンサより信号を読み込んで（ステップＳ１００）、シフトポジションを判断する（ステップＳ１１０）。シフトポジションがＮポジションのときには、燃料電池２０の運転を停止させると共に、駆動モータインバータ３０をシャットダウンして（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。
【００４８】
ここで、燃料電池２０の運転の停止とは、燃料電池２０へのガスの供給を停止することによって行なわれる。具体的には、ステップＳ１５０において、補機モータインバータ３６をシャットダウンしてエアコンプレッサ４２を停止させることによって、酸化ガスの供給を停止して、燃料電池２０の運転を停止させる。なお、このように燃料電池２０の運転を停止させたときには、車両補機７０に対しては、２次電池４０から電力が供給される。
【００４９】
ステップＳ１１０においてシフトポジションがＰポジションであると判断されたときには、制御ユニット２５は、残存容量モニタ４１から２次電池４０の残存容量（ＳＯＣ）を入力する（ステップＳ１２０）。入力した２次電池４０のＳＯＣを、予め設定した所定の値Ｓ0 と比較して（ステップＳ１３０）、所定の値Ｓ0 よりも小さいと判断されるときには、２次電池４０を充電するために、燃料電池２０の発電を続けて駆動モータインバータ３０を作動させる（ステップＳ１４０）。
【００５０】
その後再びステップＳ１２０に戻り、２次電池４０のＳＯＣが上記所定の値Ｓ0 以上となるまで上記動作を繰り返して、２次電池４０を充電する。
【００５１】
ステップＳ１３０において、２次電池４０のＳＯＣが上記所定の値Ｓ0 以上であると判断されると、ステップＳ１５０に移行して本ルーチンを終了する。ステップＳ１５０では、既述したように、燃料電池２０の運転を停止すると共に、駆動モータインバータ３０をシャットダウンする。
【００５２】
ステップＳ１１０において、シフトポジションが走行レンジにあると判断されたときには、通常走行処理ルーチンに移行して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。通常走行処理ルーチンでは、燃料電池２０が稼働されると共に、プラネタリギヤ５０の性質に従って、既述した各部の稼働状態が制御されて、所望の走行状態が実現される。
【００５３】
以上のように構成した本実施例の電気自動車１０によれば、エアコンプレッサ４２を駆動するために要する動力を、すべて補機モータ３８によって出力するのではなく、その一部を、駆動モータ３２によって出力している。したがって、補機であるエアコンプレッサ４２を駆動するために設ける補機モータ３８を、エアコンプレッサ４２が要求する動力を単独で供給する場合に比べて、より小型化することが可能となる。
【００５４】
ただし、車両駆動用の駆動モータ３２は、補機モータ３８を補うためのトルクを出力させるために、やや大型化する必要がある。しかしながら、駆動モータ３２は、本来、車両を駆動するために充分な大きさのトルクを出力可能な大きさを有している。このように元々大きなモータにおいて、さらに補機動力を補うトルクを出させるとしても、その大型化の程度は充分に許容できる程度である。これに対して、駆動軸よりもはるかに要求動力が小さい補機を駆動するための補機モータ３８では、動力が補われることによって小型化できる効果は非常に大きいものとなる。補機モータ３８を小型化できることは、燃料電池システムを車載する場合のように、搭載可能なスペースに制約がある場合には特に有利である。小型化によって、軽量化も同時に図ることができ、また、製造コストの引き下げも可能となる。
【００５５】
また、本実施例の電気自動車１０は、車両のシフトポジションが非走行レンジにあるときには、燃料電池２０の運転を停止するとともに、駆動モータインバータ３０をシャットダウンする。したがって、車両が走行しないときに、駆動モータ３２がトルクを出力する必要が無く、エネルギ効率の低下を抑えることができる。車両が停止しており車両補機７０が動力を要求しているときに、燃料電池２０から車両補機７０に電力を供給する場合には、駆動モータ３２に接続するプラネタリキャリア軸５８は、回転はしないが、所定の大きさのトルクを出力する必要がある（（３）式参照）。したがって、このような場合には、駆動モータインバータ３０において電力を消費してしまう。これに対して、本実施例のように、停車時には燃料電池２０の運転を停止して駆動モータインバータ３０をシャットダウンすれば、停車時に、駆動モータインバータ３０を介して駆動モータ３２で電力を消費してしまうことがなく、システム全体のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００５６】
本実施例の電気自動車１０では、上記のように停車時（主要な負荷である駆動軸が動力を要求しないとき）に燃料電池２０の運転を停止するときには、車両補機７０に対しては、２次電池４０から電力を供給する。このような制御を行なう際には、２次電池４０の残存容量を検出し、残存容量が、予め定めた所定の値を下回るときには、燃料電池２０による発電を行なわせて２次電池４０を充電する。すなわち、駆動モータ３２，補機モータ３８，エアコンプレッサ４２を駆動して、２次電池４０を充電する。したがって、停車時に燃料電池２０の運転を停止する上記制御を行なう際にも、２次電池４０の残存容量を適正な値に維持することができる。
【００５７】
図５は、燃料電池２０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図５（Ａ）は、燃料電池２０の出力と、燃料電池２０の効率および燃料電池補機の動力の関係を示す。図５（Ｂ）は、燃料電池２０の出力と、燃料電池システム全体の効率との関係を示す。図５（Ａ）に示すように、燃料電池２０の出力が大きくなるほど、燃料電池２０の効率は次第に低下する。また、燃料電池２０の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち補機を駆動するために消費するエネルギが大きくなる。図５（Ａ）に示した燃料電池２０の効率と補機動力に基づいて、燃料電池システム全体の効率を求めると、図５（Ｂ）に示すように、システム効率は、燃料電池２０の出力が所定の値のときにピークとなる。
【００５８】
車両補機７０の消費電力の大きさは駆動軸４７に比べてはるかに小さい。したがって、車両が停止しているときに、燃料電池２０によって車両補機７０に電力を供給する場合には、燃料電池２０は、図５（Ｂ）に点αとして示すように、システム効率の低い運転ポイントで発電を行なうことになる。これに対して、燃料電池２０によって、車両補機７０に電力を供給すると共に、２次電池４０の充電も行なう場合には、燃料電池２０は、図５（Ｂ）に示す点βのように、システム効率がより高くなる運転ポイントで発電を行なうことができる。したがって、２次電池４０の残存容量が充分であるときには２次電池から車両補機７０に電力を供給し、２次電池４０の残存容量が少なくなると燃料電池２０によって充電することで、燃料電池２０を用いる際のシステム全体の効率を高く維持することができる。
【００５９】
なお、シフトポジションがＮポジションのときには、駆動軸４７と駆動モータ３２の出力軸とは接続されない状態となり、本実施例では、駆動モータ３２からプラネタリギヤ５０を介してトルクが伝達されることがない。したがって、本実施例では、シフトポジションがＮポジションのときには、２次電池４０の残存容量に関わらず、燃料電池２０の運転を停止している。
【００６０】
Ｅ．変形例：
なお、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。
【００６１】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、駆動モータ３２はプラネタリキャリア軸５８と、補機モータ３８はサンギヤ軸５７と、エアコンプレッサ４２はリングギヤ軸５９と接続することとしたが、異なる構成としても良い。プラネタリキャリア軸とサンギヤ軸とリングギヤ軸とを、駆動モータ３２と補機モータ３８とエアコンプレッサ４２とのうちのいずれかとそれぞれ接続させることで、同様の効果を奏することができる。図６から図８は、上記実施例の変形例としての電気自動車１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃをそれぞれ表わす。これらの図では、図１に示した電気自動車と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００６２】
図６に示す電気自動車１０Ａでは、駆動モータ３２の出力軸はプラネタリキャリア軸５８と、補機モータ３８の出力軸はリングギヤ軸５９と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はサンギヤ軸５７と、それぞれ接続している。図７に示す電気自動車１０Ｂでは、駆動モータ３２の出力軸はサンギヤ軸５７と、補機モータ３８の出力軸はリングギヤ軸５９と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はプラネタリキャリア軸５８と、それぞれ接続している。図８に示す電気自動車１０Ｃでは、駆動モータ３２の出力軸はリングギヤ軸５９と、補機モータ３８の出力軸はサンギヤ軸５７と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はプラネタリキャリア軸５８と、それぞれ接続している。駆動モータ３２、補機モータ３８、およびエアコンプレッサ４２と、対応する各ギヤとの間は、直接接続する他、回転数を調節するための変速ギヤを介在させることとしても良い。
【００６３】
駆動モータ３２、補機モータ３８、およびエアコンプレッサ４２と、プラネタリギヤを構成する各ギヤとの間の接続関係は、各部の具体的な条件を考慮して適宜設定すればよい。例えば、エアコンプレッサ４２が流すべき空気流量に基づくエアコンプレッサ４２の回転数の範囲や、車両の運転状態から考えられるギヤの回転数の範囲や、ギヤの回転数の機械的な限界、種々の運転状態での各モータの回転数などを考慮すればよい。その上で、補機モータ３８を最も小さくできるように接続状態を設定すれば、既述した小型化の効果をより充分に得ることができる。
【００６４】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、プラネタリギヤ５０を介して駆動モータ３２から駆動エネルギの一部を補われる燃料電池補機として、エアコンプレッサ４２を用いたが、異なる燃料電池補機を用いることとしても良い。エアコンプレッサ４２は、燃料電池補機の中でも特に大きく、小型化による効果を顕著に得ることができるが、例えば、水素ポンプや冷却水ポンプを用いることとしても良い。
【００６５】
水素ポンプとは、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合に、アノードオフガスとして排出される水素ガスを再び燃料ガスとして用いるために、燃料電池の出口部から入り口部へと水素ガスを循環させるためのポンプである。既述した実施例では、燃料電池２０は、図２に示したように燃料ガスとして改質ガスを用いたが、水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベに貯蔵した水素を、燃料ガスとして用いる場合には、このような水素ポンプを設けて水素の利用率の向上を図る場合がある。
【００６６】
冷却水ポンプとは、燃料電池２０の内部に冷却水を循環させるためのポンプである。燃料電池２０では、発電に伴って熱が生じるため、燃料電池の内部温度を所定の範囲に保つために、このように内部に冷却水を循環させる。
【００６７】
このような水素ポンプあるいは冷却水ポンプを、エアコンプレッサ４２に代えてプラネタリギヤ５０に接続することで、水素ポンプあるいは冷却水ポンプを小型化してエネルギ効率の低下を抑える同様の効果を得ることができる。なお、プラネタリギヤに接続する燃料電池補機として、エアコンプレッサや水素ポンプのように、燃料電池へのガス供給に関わる補機を用いれば、その動作が燃料電池とほぼ同期するため、特に好ましい。また、プラネタリギヤと接続する燃料電池補機は、一つである必要はなく、さらにギヤを介するなどして複数の燃料電池補機を接続し、動作を連動させることとしても良い。
【００６８】
Ｅ３．変形例３：
主要な負荷である駆動軸４７が動力を要求しないときに燃料電池２０の運転を停止する際には、上記実施例では、エアコンプレッサ４２を停止して酸化ガスの供給を停止することとしたが、燃料ガスの供給を停止することとしても良い。燃料ガスとして水素ガスを用いる場合には、水素ガスの供給を止めることによっても燃料電池２０の運転を停止することができ、少なくともいずれか一方のガスの供給を停止すればよい。
【００６９】
Ｅ４．変形例４：
また、既述した実施例では、車両補機７０は、燃料電池２０と２次電池４０との両方から電力を供給可能としたが、燃料電池２０からは電力の供給を受けず、２次電池４０からのみ電力の供給を受けることとしても良い。このような場合にも、燃料電池２０によって２次電池４０を充電することで、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
Ｅ５．変形例５：
また、既述した実施例では、エアコンプレッサ４２で要するエネルギを駆動モータ３２によって補うためにプラネタリギヤ５０を用いたが、異なるエネルギ分配機構を用いることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池部１５の構成を表わす説明図である。
【図３】燃料電池２０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【図４】シフトポジション判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】燃料電池２０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。
【図６】電気自動車１０Ａの構成を表わす説明図である。
【図７】電子自動車１０Ｂの構成を表わす説明図である。
【図８】電気自動車１０Ｃの構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…燃料電池システム
１５…燃料電池部
２０…燃料電池
２５…制御ユニット
３０…駆動モータインバータ
３２…駆動モータ
３４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３６…補機モータインバータ
３８…補機モータ
４１…残存容量モニタ
４２…エアコンプレッサ
４６…減速ギヤ
４７…駆動軸
４８…差動ギヤ
５０…プラネタリギヤ
５２…サンギヤ
５４…プラネタリピニオンギヤ
５５…プラネタリキャリア
５６…リングギヤ
５７…サンギヤ軸
５８…プラネタリキャリア軸
５９…リングギヤ軸
６２…燃料タンク
６３…水タンク
６４…混合部
６５…改質器
６６…ＣＯ低減部
７０…車両補機
７４…アクセルポジションセンサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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