(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から出力される電力によって駆動される電動機と、
該電動機の駆動を制御する電動機制御手段と、
をさらに備え、
前記電動機制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記電動機をｄ−ｑ軸モデルで表した場合における、ｑ軸巻線に流れる電流の値が０となり、前記ｄ軸巻線に流れる電流の値が０より大きな所定の値となるように、前記電動機の駆動を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記電動機制御手段は、検出された前記内部温度に従って、前記電動機において消費させるべき電力を決定し、その決定した電力に応じた電流値となるように、前記ｄ軸巻線に流れる電流を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電動機に電力を供給して前記電動機を駆動させることが可能な二次電池と、
前記二次電池からの前記電動機への電力の供給を制御する二次電池電力供給制御手段と、
をさらに備え、
前記二次電池電力供給制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記二次電池からの前記電動機への電力の供給を遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
原燃料の供給を受けて前記燃料ガスを生成し、生成した該燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス生成手段と、
該燃料ガス生成手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、
をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスの流量を所定の標準流量よりも多い量に増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記流量制御手段は、検出された前記内部温度が所定の温度に達したら、前記燃料ガスの流量を前記標準流量に戻すことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムを搭載した電気自動車であって、
前記電動機の駆動軸に発生するトルクを車軸に伝達することによって推進力を得ることを特徴とする電気自動車。
【請求項７】
燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池と、該燃料電池から出力される電力によって駆動される電動機と、を備えた燃料電池システムの起動を制御するための起動制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の起動を制御する工程と、
（ｂ）該燃料電池の起動時に、前記電動機をｄ−ｑ軸モデルで表した場合における、ｑ軸巻線に流れる電流の値が０となり、前記ｄ軸巻線に流れる電流の値が０より大きな所定の値となるように、前記電動機の駆動を制御する工程と、
を備えた燃料電池システムの起動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の起動時に、その燃料電池の内部温度を定常温度（即ち、予め設定された必要される出力を発生させることが可能な温度）まで上昇させるのに要する時間をできる限り短くするための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池は、エネルギ効率が高いので、電気自動車などの動力源として有望である。例えば、燃料電池を電気自動車の動力源として用いる場合は、燃料電池から発生された電力によって電動機を駆動し、その発生トルクを車軸に伝達して、電気自動車の推進力を得るようにする。しかしながら、このように、燃料電池を電気自動車などの動力源として用いた場合、次のような問題があった。
【０００３】
即ち、燃料電池は、その内部温度が低いと、電気自動車の要求出力を満たすのに十分な出力が得られないので、燃料電池を電気自動車の動力源として用いる場合は、燃料電池の内部温度を定常温度まで上昇させておく必要がある。しかし、電気自動車の始動時、即ち、燃料電池の起動時には、その内部温度が低いので、電気化学反応で生じるジュール熱によって定常温度に上昇するまで、長時間、待つ必要があった。
【０００４】
そこで、この問題を解決するために、従来では、例えば、特開昭５８−２３１６７号公報に記載されているように、燃料電池の起動時に、燃料電池に並列に接続された二次電池によって電動機を駆動すると共に、その電動機を空気冷却し、その冷却によって生じた温暖な空気を燃料電池に供給することによって、燃料電池の内部温度をより短時間で定常温度に上昇させるようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した既提案例においては、電動機におけるロータやステータ自体の熱容量が大きいので、電動機の温度も、電動機の起動後に直ちに高温になるわけではなく、そのため、電動機を冷却して燃料電池に供給される空気も、電動機の起動時には、それほど高い温度は得られない。従って、燃料電池の起動時に、この方法で、燃料電池の内部温度を定常温度まで上昇させるにも、ある程度の時間を要してしまうという問題があった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、燃料電池の起動時に、燃料電池の内部温度をできる限り短時間で定常温度に上昇させることが可能な燃料電池システム及びその起動制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から出力される電力によって駆動される電動機と、
該電動機の駆動を制御する電動機制御手段と、
をさらに備え、
前記電動機制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記電動機の駆動軸にトルクを生じさせることなく、前記電動機において前記燃料電池から出力される電力を消費させるように、前記電動機の駆動を制御することを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の第１の起動制御方法は、燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池と、該燃料電池から出力される電力によって駆動される電動機と、を備えた燃料電池システムの起動を制御するための起動制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の起動を制御する工程と、
（ｂ）該燃料電池の起動時に、前記電動機の駆動軸にトルクを生じさせることなく、前記電動機において前記燃料電池から出力される電力を消費させるように、前記電動機の駆動を制御する工程と、
を備えたことを要旨とする。
【０００９】
このように、本発明の第１の燃料電池システム及び第１の起動制御方法においては、燃料電池の起動時に、電動機の駆動軸にトルクを生じさせることなく、電動機において燃料電池から出力される電力を消費させるように、電動機の駆動を制御するようにする。
【００１０】
従って、本発明の第１の燃料電池システム及び第１の起動制御方法によれば、燃料電池の起動時には、電動機により燃料電池からの電力を消費させることによって、燃料電池からは電力が強制的に引き出されるので、燃料電池内で生じる電気化学反応の反応量が増加して、発生するジュール熱も多くなるため、燃料電池の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。また、電動機において電力は消費させるが、電動機の駆動軸にはトルクを生じさせないので、燃料電池の出力が不十分の状態では、電動機を実質的に動作させることはない。従って、例えば、本燃料電池システムが電気自動車などに搭載されていたとしても、燃料電池の出力として電気自動車の要求出力を満たすのに十分な出力が得られない間は、電気自動車を駆動させることはない。
【００１１】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記電動機制御手段は、検出された前記内部温度に応じて、前記電動機において消費させる電力を変化させるように、前記電動機の駆動を制御することが好ましい。
【００１２】
このように、燃料電池の内部温度に従って、燃料電池から引き出される電力を変化させることによって、燃料電池における発生可能な電力を上回ることなく、効率的に、より短時間で燃料電池の内部温度を定常温度まで上昇させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記電動機に電力を供給して前記電動機を駆動させることが可能な二次電池と、
前記二次電池からの前記電動機への電力の供給を制御する二次電池電力供給制御手段と、
をさらに備え、
前記二次電池電力供給制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記二次電池からの前記電動機への電力の供給を遮断することが好ましい。
【００１４】
このように、二次電池が存在する場合には、二次電池からの電動機への電力の供給を遮断することによって、電動機における燃料電池からの電力の消費の割合が増えるので、燃料電池から引き出される電力を増やすことができ、より短時間で燃料電池の内部温度を定常温度まで上昇させることが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記電動機制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記電動機をｄ−ｑ軸モデルで表した場合における、ｑ軸巻線に流れる電流の値がほぼ０となり、前記ｄ軸巻線に流れる電流の値が０以上の所定の値となるように、前記電動機の駆動を制御することが好ましい。
【００１６】
このように制御することによって、電動機においては、駆動軸にトルクを生じさせることなく、ｄ軸巻線での銅損などによって電力を消費させることができる。
【００１７】
また、上記の如く電動機の駆動を制御する場合において、
前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記電動機制御手段は、検出された前記内部温度に応じて、前記ｄ軸巻線に流れる電流の値を変化させるように、前記電動機の駆動を制御するようにしても良い。
【００１８】
このように、燃料電池の内部温度に従って、ｄ軸巻線に流れる電流の値を変化させて、電動機における消費電力を変えることによって、効率的に、より短時間で燃料電池の内部温度を定常温度まで上昇させることが可能となる。
【００１９】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
原燃料の供給を受けて前記燃料ガスを生成し、生成した該燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス生成手段と、
該燃料ガス生成手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、
をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスの流量を所定の標準流量よりも多い量に増加させるようにしても良い。
【００２０】
一般に、燃料ガス生成手段から送り出される燃料ガスは比較的高い温度であるので、このように、燃料電池の起動時に、燃料ガス生成手段から燃料電池に供給される燃料ガスの流量を増加させることよって、燃料電池の内部温度をさらに短時間で定常温度まで上昇させることが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
原燃料の供給を受けて前記燃料ガスを生成し、生成した該燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス生成手段と、
該燃料ガス生成手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、
をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスの流量を所定の標準流量よりも多い量に増加させることを要旨とする。
【００２２】
また、本発明の第２の起動制御方法は、原燃料の供給を受けて前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段と、生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる燃料電池と、前記燃料ガス生成手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、を備えた燃料電池システムの起動を制御するための起動制御方法であって、
（ａ）前記燃料ガス生成手段及び燃料電池の起動を制御する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスの流量を所定の標準流量よりも多い量に増加させる工程と、
を備えたことを要旨とする。
【００２３】
このように、本発明の第２の燃料電池システム及び第２の起動制御方法においては、燃料電池の起動時に、燃料ガス生成手段から燃料電池に供給される燃料ガスの流量を所定の標準流量よりも多い量に増加させるようにする。
【００２４】
従って、本発明の第２の燃料電池システム及び第２の起動制御方法によれば、燃料ガス生成手段から送り出される燃料ガスは比較的高い温度であるので、燃料電池の起動時に、燃料ガス生成手段から燃料電池に供給される燃料ガスの流量を増加させることよって、燃料電池の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。
【００２５】
また、上記の如く燃料ガスの流量を制御する場合において、
前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記流量制御手段は、検出された前記内部温度が所定の温度に達したら、前記燃料ガスの流量を前記標準流量に戻すことが好ましい。
【００２６】
このように、燃料電池の内部温度が例えば定常温度に達したら、燃料ガスの流量を標準流量に戻すことにより、無駄な燃料ガスを燃料電池に供給することがない。
【００２７】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスについての排ガスを前記燃料ガス生成手段に供給する排ガス流路をさらに設け、
前記燃料ガス生成手段は、供給された前記排ガスを燃焼させることによって、前記燃料ガスを生成する際に必要な熱エネルギの一部を得ることが好ましい。
【００２８】
上記したように、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される燃料ガスの流量を増加させることよって、燃料電池において電力の発生に寄与しなかった燃料ガスの量が例え増えたとしても、上記のような構成を採ることにより、寄与しなかった燃料ガスは排ガスとして燃料ガス生成手段において有効に利用されることになるので、燃料ガスが無駄にならない。
【００２９】
本発明の電気自動車は、上記した第１の燃料電池システムを搭載した電気自動車であって、
前記電動機の駆動軸に発生するトルクを車軸に伝達することによって推進力を得ることを要旨とする。
【００３０】
また、本発明の第２の電気自動車は、上記した第２の燃料電池システムを搭載した電気自動車であって、
前記燃料電池から出力される電力によって駆動される電動機をさらに備え、
該電動機の駆動軸に発生するトルクを車軸に伝達することによって推進力を得ることを要旨とする。
【００３１】
このように、電気自動車に上記した燃料電池システムを搭載することによって、電気自動車の始動時に、燃料電池の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができるので、より速く、定常状態での燃料電池による電気自動車の駆動を開始できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。なお、本実施例の燃料電池システムは電気自動車に搭載されているものとする。
【００３３】
それでは、図１に示す燃料電池システムの構成及び概略的な動作について説明する。図１に示す燃料電池システム１０は、メタノールタンク２２と、水タンク２６と、改質器３０と、燃料電池４０と、二次電池６０と、インバータ７０と、モータ８０と、制御装置１００と、を主として備えている。
【００３４】
メタノールタンク２２はメタノールを、水タンク２６は水を、それぞれ貯蔵している。ポンプ２３及び２７は共に制御装置１００からの制御信号によって制御されることより、ポンプ２３はメタノールタンク２２に貯蔵されたメタノールを、ポンプ２７は水タンク２６に貯蔵された水を、それぞれ所定の供給路を介して改質器３０に供給する。流量センサ２５はメタノール供給路を流れるメタノールの流量を検出し、流量センサ２８は水供給路を流れる水の流量を検出し、それぞれ、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００３５】
改質器３０は、供給された水及び原燃料であるメタノールから、式（１）に示すメタノールの水蒸気改質反応によって、水素を含有する水素リッチガス（改質ガス）を生成する。
【００３６】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2          …（１）
【００３７】
具体的には、改質器３０は、図示せざる蒸発部と改質部とを備えており、このうち、蒸発部では、供給された水とメタノールを気化して、メタノール及び水から成る混合気体を生成し、その混合気体を原燃料ガスとして改質部に供給する。
【００３８】
一方、改質部の内部には、銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）触媒などのメタノール改質用触媒が充填されており、改質部では、蒸発部から原燃料ガスが供給されると、その原燃料ガスがメタノール改質触媒と接触し、その触媒表面ではメタノールの水蒸気改質反応が進行する。この反応の進行に伴って水素と二酸化炭素が発生し、水素リッチガスが生成される。
【００３９】
なお、改質部で行なわれるメタノールの水蒸気改質反応は、全体として吸熱反応であることから、反応に必要な熱を得るために、改質器３０には、バーナ３２が取り付けられている。このバーナ３２は、通常、メタノールタンク２２からポンプ２４を介してメタノールの供給を受け、このメタノールを燃料として燃焼させることにより、改質部で必要な熱エネルギを与えている。また、前述した蒸発部において、メタノール及び水を気化させるための熱エネルギも、このバーナ３２から得ている。
【００４０】
ポンプ３４は、制御装置１００からの制御信号によって制御され、改質器３０で生成された水素リッチガスを水素リッチガス供給路を介して燃料電池４０に供給する。流量センサ３６は、水素リッチガス供給路を流れる水素リッチガスの流量を検出して、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００４１】
燃料電池４０は、改質器３０から供給された水素リッチガスを燃料ガスとして導入すると共に、酸素を含有する酸化ガス（図示せず）を導入して、式（２）〜（４）に示すような電気化学反応を行ない、電力を発生する。
【００４２】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                     …（２）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ    …（３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ             …（４）
【００４３】
本実施例においては、燃料電池４０は固体高分子型燃料電池で構成されており、電解質膜，アノード，カソード，セパレータなどから成る単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を成している。導入された水素リッチガスは燃料ガス流路（図示せず）を介して各単セルのカソードに供給され、式（２）に示す反応に供され、酸化ガスは酸化ガス流路（図示せず）を介して各単セルのカソードに供給され、式（３）に示す反応に供される。なお、式（４）は燃料電池全体で起きる反応である。
【００４４】
燃料電池４０は、このような電気化学反応によって発生された電力を、インバータ７０を介してモータ８０に供給する。
【００４５】
温度センサ４２は、燃料電池４０の内部温度を検出して、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００４６】
また、燃料排ガス流路１２０は、燃料電池４０内のカソードにおいて電気化学反応で使用された後の燃料排ガス（水素リッチガスについての排ガス）を、ポンプ１２２を介して、改質器３０内のバーナ３２に供給するためのものである。
【００４７】
ダイオード５２，５４は、燃料電池４０と二次電池６０との間に配置されており、燃料電池４０からインバータ７０や二次電池６０に対し一方向にのみ電流が流れるようにしている。
【００４８】
二次電池６０は、上記した燃料電池４０に並列に接続されており、燃料電池４０と共に、インバータ７０を介してモータ８０に電力を供給する。本実施例では、二次電池６０として鉛蓄電池を用いているが、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いることもできる。この二次電池６０の電源容量は、電気自動車の予想される走行状態、即ち、予想される負荷の大きさや、併設される燃料電池４０の電源容量などによって決定される。
【００４９】
残存容量センサ６２は、二次電池６０の残存容量を検出して、その検出結果を制御装置１００に送る。具体的には、残存容量センサ６２は、二次電池６０における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータで構成されており、制御装置１００は、この積算値を基にして二次電池６０の残存容量を演算により求めている。また、このようなＳＯＣメータの代わりに、二次電池６０の出力電圧を測定する電圧センサや、二次電池６０の電解液の比重を測定する比重センサによって、残存容量センサ６２を構成するようにしても良い。この場合、制御装置１００は、それら測定値から二次電池６０の残存容量を求めるようにする。
【００５０】
二次電池接続スイッチ６４は、制御装置１００からの制御信号に従って、二次電池６０をインバータ７０に接続したり、インバータ７０から切断したりする。
【００５１】
インバータ７０は、燃料電池４０や二次電池６０から印加された直流電圧を、３相交流電圧に変換してモータ８０に供給する。このとき、インバータ７０は、制御装置１００からの制御信号に従って、モータ８０に供給する３相交流電圧の振幅（実際にはパルス幅）及び周波数を調節することによって、モータ８０で発生するトルクを制御している。
【００５２】
具体的には、インバータ７０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、これらスイッチング素子のスイッチング動作を制御装置１００からの制御信号によって制御されることにより、燃料電池４０や二次電池６０から印加された直流電圧を所望の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換して、モータ８０に供給している。
【００５３】
電流センサ７２は、燃料電池４０や二次電池６０からインバータ７０に流れる電流値を検出し、また、電流センサ７４，７６，７８は、それぞれ、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に流れる電流値を検出し、それぞれ、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００５４】
モータ８０は、例えば、三相同期モータで構成されており、燃料電池４０や二次電池６０からインバータ７０を介して供給された電力によって駆動されて、駆動軸８２にトルクを発生させる。発生されたトルクはギヤ９２を介して車軸９０に伝達され、車輪９４に回転駆動力を与える。これにより、電気自動車に推進力が与えられて、電気自動車を走行させる。
【００５５】
回転角センサ８４は、モータ８０の駆動軸８２の回転角度を検出し、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００５６】
また、アクセルペダルポジションセンサ１１２は、アクセルペダル１１０の踏込量を検出して、その検出結果を制御装置１００に送る。
【００５７】
一方、制御装置１００は、図１に示すように、制御部１０１と、入出力ポート１０８と、を備えており、さらに、制御部１０１は、ＣＰＵ１０２と、ＲＯＭ１０４と、ＲＡＭ１０６と、を備えている。このうち、ＣＰＵ１０２は、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行なう。また、ＲＯＭ１０４は、上記した制御プログラムや、上記演算を実行する際に用いる制御データなどを予め格納しているメモリであり、ＲＡＭ１０６は、上記演算を実行したことによって得られる各種データを一時的に格納するメモリである。また、入出力ポート１０８は、各種センサから送られてきた検出結果を入力して制御部１０１に伝える共に、制御部１０１からの指示に従って、各構成要素に制御信号を出力する。
【００５８】
それでは、次に、電気自動車の始動時、即ち、図１に示す燃料電池システム１０の起動時の処理動作について、図２を用いて詳しく説明する。
【００５９】
電気自動車が始動されると、図２に示す起動処理が開始され、まず、制御装置１００は、改質器３０を起動する（ステップＳ２０）。具体的には、制御装置１００がポンプ２３，２７を駆動して、改質器３０に対してメタノール及び水の供給を開始すると共に、ポンプ２４を駆動して、バーナ３２による燃焼を開始する。これによって、改質器３０の内部では、前述したメタノールの水蒸気改質反応が起きて、水素リッチガスの生成が開始される。
【００６０】
続いて、制御装置１００は燃料電池４０を起動する（ステップＳ２２）。具体的には、制御装置１００がポンプ３４を駆動して、改質器３０で生成された水素リッチガスの燃料電池４０への供給を開始すると共に、図示せざる酸化ガスの燃料電池４０の供給を開始する。これによって、燃料電池４０の内部では、前述した電気化学反応が起きて、電力の発生が開始される。
【００６１】
次に、制御装置１００は、温度センサ４２からの検出結果を取り込んで、燃料電池４０の内部温度を検出し（ステップＳ２４）、その内部温度が定常温度、即ち、予め設定された必要される出力を燃料電池が発生させることが可能な温度になっているか否かを判定する（ステップＳ２６）。燃料電池４０の起動時は、通常、その内部温度は低くく、上記した定常温度に達していないので、制御装置１００は、ステップＳ２８の処理に進むことになる。
【００６２】
そこで、制御装置１００は、二次電池接続スイッチ６４を駆動して、二次電池６０をインバータ７０から切断する（ステップＳ２８）。これによって、二次電池６０からモータ８０への電力の供給は遮断されるので、インバータ７０を介してモータ８０に供給される電力は、燃料電池４０によって発生される電力のみとなる。
【００６３】
その上で、制御装置１００は、インバータ７０を介してモータ８０に対し、以下に述べるようなモータ起動時制御を行なう（ステップＳ３０）。
【００６４】
即ち、制御装置１００は、インバータ７０によって、モータ８０の駆動軸８２にトルクを発生させないようにしながら、モータ８０において燃料電池４０から供給された電力を消費させるように、モータ８０の駆動を制御する。
【００６５】
図３は図１のモータをｄ−ｑ軸モデルで表した説明図である。前述したように、モータ８０は三相同期モータによって構成されているが、一般に、モータは図３に示すようなｄ−ｑ軸モデルによって等価的に表すことができる。ここで、モータの中心を通り、回転子２０２の作る磁界に沿う方向を一般にｄ軸と呼び、回転子２０２の回転面内においてｄ軸と直交する方向を一般にｑ軸と呼ぶ。従って、図３において、固定子巻線のうち、ｄ軸に沿った巻線はｄ軸巻線２０４であり、ｑ軸に沿った巻線はｑ軸巻線２０６である。
【００６６】
図３から明らかなように、モータのトルクＴはｑ軸巻線２０６を流れるｑ軸電流ｉqのみによって支配されている。
【００６７】
即ち、モータの界磁磁束の大きさをΦ0、トルク定数をＫTとすると、モータのトルクＴは、ｑ軸電流ｉqによって、式（５）に示す如く表される。
【００６８】
【数１】
0004244399.tif 000002
【００６９】
従って、モータにおいてトルクを発生させないようにするためには、ｑ軸電流ｉqを０になるようにすれば良いことがわかる。
【００７０】
一方、ｄ軸巻線２０４は、回転子からの磁束が０の場所に配置されているため、ｄ軸電流ｉdはモータのトルク発生に何ら寄与しておらず、ｑ軸巻線２０６での銅損を発生させるだけである。
【００７１】
従って、モータにおいてトルクを発生させることなく、電力を消費しようとするには、ｄ軸電流ｉdを０より大きな値になるようにすれば良いことがわかる。
【００７２】
そこで、本実施例においては、モータ起動時制御として、前述したとおり、まず、モータ８０の駆動軸８２にトルクを発生させないようにするために、制御装置１００はインバータ７０によって、モータ８０におけるｑ軸電流ｉqが０になるように制御する。そして、同時に、モータ８０において、ｑ軸巻線２０６での銅損によって電力を強制的に消費させるために、ｄ軸電流ｉdを０より大きな値になるように制御する。
【００７３】
このような制御を行なって、燃料電池４０からの電力をモータ８０において消費させることによって、燃料電池４０からは電力が強制的に引き出されることになる。このように、電力が引き出されると、燃料電池４０においては、それを補うために、内部で生じる電気化学反応の反応量が増加する。その結果、燃料電池４０の内部で発生するジュール熱も多くなるので、その分、燃料電池４０の内部温度が急速に上昇する。従って、燃料電池４０の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。
【００７４】
また、モータ８０の駆動軸８２にはトルクを生じさせていないので、燃料電池４０の出力として電気自動車の要求出力を満たすのに十分な出力が得られない間は、モータ８０によって車軸９０を動かして電気自動車を走行させることはない。
【００７５】
また、上記したように、二次電池６０からモータ８０への電力の供給を遮断しているので、モータ８０において消費される電力は燃料電池４０によって発生された電力のみとなり、燃料電池４０から電力を効率的に引き出させることができる。
【００７６】
また、本実施例では、制御装置１００は、ｄ軸電流ｉdを０より大きな値になるように制御する際、温度センサ４２から得られた燃料電池４０の内部温度に従って、モータ８０において消費させるべき電力を決定し、それに応じた電流値になるように、ｄ軸電流ｉdを制御する。
【００７７】
図４は図１の燃料電池４０における内部温度をパラメータとした電圧−電流特性を示すグラフである。図４では、内部温度が低い順にｔａ，ｔｂ，ｔｃ（ｔａ＜ｔｂ＜ｔｃ）としている。
【００７８】
図４に示すように、燃料電池４０によって発生可能な電力（即ち、電圧×電流）は、燃料電池４０の内部温度に応じて変化する。即ち、内部温度が低い場合（ｔａの場合）には、燃料電池４０によって発生可能な電力は少ないが、内部温度が上昇（ｔａ→ｔｂ→ｔｃ）すると、それに従って、発生可能な電力は多くなってくる。
【００７９】
従って、例えば、燃料電池４０の内部温度が低い場合（例えば、ｔａの場合）に、燃料電池４０から引き出される電力（言い換えれば、モータ８０で消費される電力）を余り多くしすぎると、燃料電池４０において発生可能な電力を上回ってしまい、その結果、燃料電池４０の出力電圧が急速に落ちてしまう恐れがある。
【００８０】
また、仮に、燃料電池４０から引き出される電力を、燃料電池４０の内部温度が低い場合に合わせたまま（例えば、内部温度が低い場合の発生可能な電力よりも少ない電力に合わせる）、内部温度に関わらず一定にすると、燃料電池４０の内部温度が上昇して、発生可能な電力が増加しても、それよりも少ない電力しか燃料電池４０から引き出されることがないので、内部温度の上昇効率が悪くなってしまう。
【００８１】
そこで、本実施例では、燃料電池４０から引き出される電力が、燃料電池４０の内部温度毎の発生可能な電力を上回らず、かつ、できる限りその発生可能な電力に近くなるように、燃料電池４０の内部温度に応じて、モータ８０で消費される電力を制御している。即ち、燃料電池４０の内部温度が低い場合には、モータ８０で消費される電力が発生可能な電力よりわずかに下回るように、ｄ軸電流ｉdの値を制御し、内部温度が上昇すると、それに伴って、モータ８０で消費される電力が徐々に増加するように、ｄ軸電流ｉdの値を大きくする。
【００８２】
なお、制御装置１００は、このようなモータ起動時制御を行なう際、前述したように、温度センサ４２からの検出結果を参照する他、電流センサ７２，電流センサ７４〜７８，回転角センサ８４からの検出結果等も参照して、モータの駆動制御を行なう。
【００８３】
次に、制御装置１００は、ポンプ３４，１２２等に対し、以下に述べるようなガス流量起動時制御を行なう（ステップＳ３２）。
【００８４】
即ち、制御装置１００は、まず、ポンプ３４の駆動を制御して、改質器３０から燃料電池４０に供給される水素リッチガスの流量を、後述する標準流量よりも増加させる。
【００８５】
一般に、燃料電池において電気化学反応に供すべき必要な水素リッチガスの量は、燃料電池の出力に応じた値として、理論的に求めることができる。しかしながら、実際に、燃料電池にその出力を発生させるには、その理論的に求められた量よりも、ある程度多い量の水素リッチガスを供給する必要がある。
【００８６】
そこで、本発明では、このように、燃料電池に所望量の出力を発生させる際に、燃料電池に実際に供給すべき水素リッチガスの流量を、その出力での標準流量としている。この標準流量は、燃料電池個々の構造や性能などに応じて、燃料電池の出力毎に設定される量である。
【００８７】
また、水素リッチガスの流量を増加させるには、改質器３０で生成される水素リッチガスの量を増加させる必要があるので、制御装置１００は、ポンプ２３及び２７の駆動を制御して、メタノールタンク２２から改質器３０に供給されるメタノールの流量及び水タンク２６から改質器３０に供給される水の流量も、水素リッチガスの流量の増加に合わせて、増加させる。
【００８８】
さて、前述したように、改質器３０においては、バーナ３２によって熱エネルギを与えているので、改質器３０から送り出される水素リッチガスは比較的温度が高い。従って、上述したように、改質器３０から燃料電池４０に供給される水素リッチガスの流量を増加させることよって、比較的温度の高い水素リッチガスが大量に燃料電池４０に流れ込むことになるため、これによっても、燃料電池の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。
【００８９】
また、このように、改質器３０から燃料電池４０に供給される水素リッチガスの流量を増加させると、燃料電池４０において燃料電池４０から排出される水素リッチガスについての排ガス、即ち、燃料排ガスの量も増加する。しかも、燃料電池４０に供給される水素リッチガスの流量を標準流量よりも増やすと、燃料電池４０では、水素の量が過剰になるため、電気化学反応に使用されない水素の量が増えて、その結果、燃料電池４０から排出される燃料排ガス中に残存する水素の量が増える。従って、この燃料排ガスをそのまま捨ててしまっては、資源が無駄になってしまう。
【００９０】
そこで、本実施例においては、制御装置１００が、上記した制御に加えて、ポンプ１２２の駆動を制御して、燃料電池４０から排出された燃料排ガスを、燃料排ガス流路１２０を介して改質器３０内のバーナ３２に供給するようにしている。
【００９１】
これによって、燃料排ガス中に残存する水素は、バーナ３２において、燃料として燃焼されるので、有効に利用されることになり、資源が無駄に浪費されることはない。
【００９２】
続いて、制御装置１００は、再び、ステップＳ２４の処理に戻って、温度センサ４２からの検出結果に基づき、燃料電池４０の内部温度を検出する。そうして、その内部温度が定常温度になるまで、上記したのと同様の処理を繰り返す。
【００９３】
そして、その後、ついに、燃料電池４０の内部温度が定常温度に達したら、制御装置１００は、上記した処理ループから抜け出して、ステップＳ３４の処理に進む。
【００９４】
ステップＳ３４では、制御装置１００は、二次電池接続スイッチ６４を駆動して、二次電池６０をインバータ７０に接続する。これによって、燃料電池４０によって発生される電力の他、二次電池６０からの電力も、インバータ７０を介してモータ８０に供給されるようになる。
【００９５】
続いて、制御装置１００は、インバータ７０を介してモータ８０に対し、先のモータ起動時制御に代えて、モータ通常制御を行なう（ステップＳ３６）。即ち、制御装置１００は、例えば、アクセルペダルポジションセンサ１１２からの検出結果から要求出力を算出し、その要求出力を満たすように、燃料電池４０からの電力や二次電池６０からの電力をインバータ７０を介してモータ８０に供給して、駆動軸８２に必要なトルクを発生させる。発生されたトルクは車軸９０に伝達されて、電気自動車を走行させる。
【００９６】
このとき、制御装置１００は、アクセルペダルポジションセンサ１１２からの検出結果を参照する他、電流センサ７２，電流センサ７４〜７８，回転角センサ８４，残存容量センサ６２からの検出結果等も参照して、モータ８０の駆動を制御する。
【００９７】
このように、燃料電池４０の内部温度が定常温度に達したら、燃料電池４０は、電気自動車の要求出力を満たすのに十分な出力を得ることが可能となるので、モータ８０の駆動制御を定常時の制御に切り換えても、何ら支障はない。また、二次電池６０の接続を元に戻して、二次電池６０からの電力をモータ８０に供給するようにしても、何ら問題を生じることはない。
【００９８】
次に、制御装置１００は、ポンプ３４等に対し、ガス流量起動時制御を行なう（ステップＳ３８）。即ち、制御装置１００は、ポンプ３４の駆動を制御して、改質器３０から燃料電池４０に供給される水素リッチガスの流量を、上記した標準流量に戻すと共に、ポンプ２３及び２７の駆動を制御して、改質器３０に供給されるメタノール及び水の流量を、水素リッチガスの流量に応じた量にする。
【００９９】
こうして、モータ８０の駆動制御及び水素リッチガスの流量制御を定常時の制御に戻したら、一連の起動処理を終了する。
【０１００】
以上説明したように、本実施例によれば、燃料電池４０の起動時に、燃料電池４０から電力を強制的に引き出すことによって、内部で発生するジュール熱を増やすことができるので、燃料電池４０の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。また、このとき、モータ８０の駆動軸８２にはトルクを生じさせていないので、燃料電池４０の出力として電気自動車の要求出力を満たすのに十分な出力が得られない間は、電気自動車を走行させることはない。
【０１０１】
また、燃料電池４０の起動時に、改質器３０から燃料電池４０へ供給される水素リッチガスの流量を増加させることによって、比較的温度の高い水素リッチガスが大量に燃料電池４０に流れ込むことになるため、これによっても、燃料電池の内部温度を短時間で定常温度まで上昇させることができる。
【０１０２】
なお、本発明は上記した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て実施することが可能である。
【０１０３】
上記した実施例においては、燃料電池４０の起動時に、モータ起動時制御（ステップＳ３０）とガス流量起動時制御（ステップＳ３２）の両方を行なっていたが、必要に応じて、何れか一方のみを行なうようにしても良い。
【０１０４】
また、上記した実施例においては、燃料電池４０の起動時に、二次電池６０をインバータ７０から切断にしたが、二次電池６０からの電力も消費させる必要があるなどの場合には、必ずしも、切断する必要はない。
【０１０５】
また、上記した実施例においては、燃料電池４０の起動時に、燃料電池４０からの電力を消費させるモータは、電気自動車の車軸９０に接続されるモータ８０であったが、本発明は、このようなモータに限るものではなく、電気自動車で他の目的のために用いられているモータであっても良い。
【０１０６】
また、改質器３０は、水素リッチガスを生成するための原燃料としてメタノールを用いたが、メタノール以外の炭化水素、例えばメタンやガソリンなどを原燃料として用い、これらを改質して水素リッチガスを生成することとしても良い。また、改質器３０で進行する改質反応は、水蒸気改質反応に代えて、あるいは水蒸気改質反応に加えて部分酸化改質反応を行なうこととしても良い。さらに、上記したように原燃料を改質して燃料ガスを生成する方法に代えて、水素貯蔵装置を設けて水素ガスを燃料ガスとして用いることとしても良い。
【０１０７】
また、燃料電池４０は固体高分子型燃料電池に限るものではなく、りん酸型燃料電池や固体電解質型燃料電池など他種の燃料電池を用いることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】図１における燃料電池システム１０の起動時の処理動作を示すフローチャートである。
【図３】図１のモータをｄ−ｑ軸モデルで表した説明図である。
【図４】図１の燃料電池４０における内部温度をパラメータとした電圧−電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２２…メタノールタンク
２３…ポンプ
２４…ポンプ
２５…流量センサ
２６…水タンク
２７…ポンプ
２８…流量センサ
３０…改質器
３２…バーナ
３４…ポンプ
３６…流量センサ
４０…燃料電池
４２…温度センサ
５２，５４…ダイオード
６０…二次電池
６２…残存容量センサ
６４…二次電池接続スイッチ
７０…インバータ
７２…電流センサ
７４，７６，７８…電流センサ
８０…モータ
８２…駆動軸
８４…回転角センサ
９０…車軸
９２…ギヤ
９４…車輪
１００…制御装置
１０１…制御部
１０２…ＣＰＵ
１０４…ＲＯＭ
１０６…ＲＡＭ
１０８…入出力ポート
１１０…アクセルペダル
１１２…アクセルペダルポジションセンサ
１２０…燃料排ガス流路
１２２…ポンプ
２０２…回転子
２０４…ｄ軸巻線
２０６…ｑ軸巻線
【図１】
0004244399.tif 000003
【図２】
0004244399.tif 000004
【図３】
0004244399.tif 000005
【図４】
0004244399.tif 000006