(57)【要約】【課題】外部から得られる電力を有効に利用する燃料電池システムを提供する。【解決手段】外部電力９２は、電力制御部によって、蓄電装置と水電気分解装置に分配される。電力制御部は、まず、外部電力９２の全てを充電電力９４として蓄電装置に供給する。充電の開始時刻Ｔ０から時刻Ｔｄまでの期間において、外部電力９２の全てが充電電力９４として蓄電装置に供給されて蓄電装置が急速に充電される。蓄電装置に対する充電が進み満充電の状態に近づくと充電電力９４が低下し始める。電力制御部は、時刻Ｔｄから水電気分解装置に対して電力の供給を開始する。電力制御部は、時刻Ｔｄから時刻Ｔｍまでの期間において、充電電力９４の減少分だけ水電気分解装置に対して電力を供給する。そのため、時刻Ｔｄから時刻Ｔｍまでの期間において外部電力９２の最大電力（３ｋＷ）が有効に利用される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を利用して発電することにより第１の電力源として機能する燃料電池と、
充電されることにより電気的に電力を蓄えて第２の電力源として機能する充電池と、
水を電気分解することにより前記燃料電池で利用される水素を発生する電気分解部と、
外部から得られる外部電力を前記充電池と前記電気分解部とに分配する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて前記電気分解部に対する電力供給量を制御する、
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、
前記制御部は、前記充電池に分配される充電電力の供給量の減少に応じて、前記電気分解部に対する電力供給量を増加させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記充電電力の供給量の減少分だけ前記電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記充電池の充電量から前記充電電力の供給量を確認する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、水の電気分解機能を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを利用して発電する燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、例えば、車両などに搭載されて車両走行用モータの電源として利用される。もちろん、燃料電池システムは車両以外にも利用可能である。
【０００３】
また、燃料電池システムにおいて、システムの外部から得られる電力を利用して水を電気分解し、これにより発生する水素を貯蔵しておき、燃料電池の燃料ガスとして利用する旨のシステムも提案されている（特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９８００９号公報
【特許文献２】特開２００１−１９７７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、電力を利用して発生する水素を貯蔵しておく旨の技術が存在する一方において、電力を電気的な状態のまま蓄えておく２次電池も従来から知られている。
【０００６】
このような状況において、本願の発明者は、外部から得られる電力を水素として貯蔵するとともに電気的な状態のまま蓄えておく燃料電池システムについて研究開発を重ねてきた。特に、燃料電池システムの外部から得られる電力の利用状況に注目した。
【０００７】
本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、外部から得られる電力を有効に利用する燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の燃料電池システムは、水素と酸素を利用して発電することにより第１の電力源として機能する燃料電池と、充電されることにより電気的に電力を蓄えて第２の電力源として機能する充電池と、水を電気分解することにより前記燃料電池で利用される水素を発生する電気分解部と、外部から得られる外部電力を前記充電池と前記電気分解部とに分配する制御部と、を有し、前記制御部は、前記充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて前記電気分解部に対する電力供給量を制御する、ことを特徴とする。
【０００９】
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電池に分配される充電電力の供給量の減少に応じて、前記電気分解部に対する電力供給量を増加させる、ことを特徴とする。
【００１０】
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電電力の供給量の減少分だけ前記電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させる、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電池の充電量から前記充電電力の供給量を確認する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて電気分解部に対する電力供給量が制御されるため、外部から得られる電力が有効に利用される。例えば、本発明の好適な態様によれば、充電池に分配される充電電力の供給量の減少分だけ電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させて、より急速に多くのエネルギーを蓄えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１には、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。
【００１４】
図１に示す燃料電池システムは、第１の電力源として機能する燃料電池スタック１０と、第２の電力源として機能する蓄電装置２０を備えており、モータ４０に対して電力を供給する。モータ４０は、例えば、車両走行用モータであり、その場合には、本燃料電池システムが車両に搭載されて車両走行用モータの電源として利用される。なお、本燃料電池システムは車両以外の装置やシステムに利用されてもよい。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ酸化ガスとを反応させて発電する。つまり、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０内の図示しない複数の電池セルにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギーが得られる。電池セルは、例えば、略長方形状の板状のセルであり、それら複数の板状の電池セルが積層されて燃料電池スタック１０が形成される。なお、各電池セルは、例えば円筒状のものであってもよい。
【００１６】
蓄電装置２０は、自身に供給される電力を電気的に蓄える充電池（２次電池）として機能する。蓄電装置２０に蓄えられた電力は、電力合成部３０を介してモータ４０に供給される。電力合成部３０は、蓄電装置２０から得られる電力と燃料電池スタック１０から得られる電力を合成して、あるいは、いずれか一方から得られる電力を選択して、モータ４０へ供給する。
【００１７】
水電気分解装置７０は、水を電気分解することにより水素を発生する。水電気分解装置７０において利用される水は、燃料電池スタック１０のガス排出口（ＯＵＴ）から排出される生成水である。水電気分解装置７０は、燃料電池スタック１０と水電気分解装置７０とを接続する配管内に蓄えられた生成水を利用する。なお、生成水などの水を蓄えるタンクを水電気分解装置７０に設けてもよい。
【００１８】
水電気分解装置７０において発生した水素は水素タンク６０に蓄えられる。水素タンク６０に蓄えられた水素は、バルブ６２，６４を備えた配管を介して、燃料電池スタック１０のガス供給口（ＩＮ）に供給され、燃料電池スタック１０における発電に利用される。なお、水素タンク６０を省略し、バルブ６２，６４を備えた配管を太くするなどして配管内に水素を蓄えることにより、その配管を水素タンク６０として機能させてもよい。また、水素タンク６０内の水素の圧力が所定値以上となった場合に、水電気分解装置７０における電気分解処理を停止させるように制御されてもよい。
【００１９】
高圧タンク５０は、本燃料電池システムの外部から供給される水素を蓄えるタンクであり、水素（水素ガス）が高い圧力で内部に詰め込まれる。なお、水素タンク６０に蓄えられた水素がポンプ８０を介して高圧タンク５０に蓄えられてもよい。高圧タンク５０に蓄えられた水素は、バルブ５２を備えた配管と、バルブ６２，６４を備えた配管を介して、燃料電池スタック１０のガス供給口（ＩＮ）に供給され、燃料電池スタック１０における発電に利用される。
【００２０】
本実施形態においては、燃料電池システムの外部から外部電力が供給される。そして、その外部電力を利用して、水電気分解装置７０が水を電気分解して水素としてエネルギーを蓄え、また、蓄電装置２０が電力を電気的に蓄積して電気としてエネルギーを蓄える。例えば、夜間などに外部から外部電力が供給され、本燃料電池システムに水素または電気としてエネルギーが蓄積される。外部電力は、電力制御部９０によって、蓄電装置２０と水電気分解装置７０に分配される。
【００２１】
蓄電装置２０は、比較的大きな電力の供給を受けて充電を行うことが可能である。しかし、蓄電装置２０の充電量（ＳＯＣ）が増加すると、例えば、満充電の状態に近づくと、蓄電装置２０の電圧が上昇して大電流が流れにくくなる。
【００２２】
一方、水電気分解装置７０は、水を電気分解する際に化学変化を伴うことなどから、蓄電装置２０に比べて、大きな電力を供給することができず、急速な蓄積（水素の発生）を行うことができない。
【００２３】
蓄電装置２０と水電気分解装置７０の上記のような性質を考慮して、電力制御部９０は、蓄電装置２０と水電気分解装置７０に対して、外部電力を効率よく分配する。
【００２４】
図２は、電力制御部９０による制御を説明するための図である。以下、図２を利用して電力制御部９０による制御について説明する。なお、図１に既に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００２５】
図２には、横軸を時間軸として縦軸に電力の大きさを示したグラフが示されている。そのグラフ内には、図１の燃料電池システムに外部から供給される外部電力９２の時間変化の様子が実線で示されており、その外部電力９２のうち、蓄電装置２０に供給（分配）される充電電力９４の時間変化の様子が破線で示されている。
【００２６】
外部から供給される外部電力９２は、外部電力９２を発生する充電設備の仕様などに応じた最大電力に制限される。図２においては、一例として、外部電力９２の最大電力を３ｋＷとした。急速に多くの電力を燃料電池システム内に取り込むためには、外部電力９２の最大電力の利用期間をできる限り長くすることが望ましい。
【００２７】
そこで、本実施形態において、電力制御部９０は、まず、比較的大きな電力の供給を受けて充電を行うことが可能な蓄電装置２０に対してより多くの電力を供給する。例えば、外部電力９２の全てを充電電力９４として蓄電装置２０に供給する。図２では、充電の開始時刻Ｔ０から時刻Ｔｄまでの期間において、外部電力９２の全てが充電電力９４として蓄電装置２０に供給され、蓄電装置２０が急速に充電される。
【００２８】
蓄電装置２０に対する充電が進み、蓄電装置２０の充電量（ＳＯＣ）が増加すると、例えば満充電の状態に近づくと、蓄電装置２０の電圧が上昇して大電流が流れにくくなる。つまり、充電電力９４が低下し始める。例えば、図２の時刻Ｔｄから時刻Ｔｆまでの期間において、破線で示すように充電電力９４が低下する。
【００２９】
本実施形態においては、充電電力９４の減少分だけ水電気分解装置７０に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力９２を最大に利用する期間を延長させる。つまり、図２において、電力制御部９０は、時刻Ｔｄから水電気分解装置７０に対して電力の供給（分配）を開始する。電力制御部９０は、時刻Ｔｄから時刻Ｔｍまでの期間において、充電電力９４の減少分だけ水電気分解装置７０に対して電力を供給する。そのため、時刻Ｔｄから時刻Ｔｍまでの期間において外部電力９２の最大電力（３ｋＷ）が利用される。
【００３０】
電力制御部９０は、蓄電装置２０の充電量から充電電力９４の供給量を確認する。例えば、蓄電装置２０の充電量（ＳＯＣ）と充電電力９４の大きさとを予め定めたテーブルを参照して、充電量の検出値から充電電力９４の大きさ（供給量）を確認する。そして、充電電力９４が３ｋＷから減少し始めると、その減少分だけ水電気分解装置７０に対して電力を供給する。
【００３１】
なお、電力制御部９０は、例えば、蓄電装置２０の出力電圧を利用して充電電力９４の大きさを確認してもよいし、充電量（ＳＯＣ）の時間変化（微分値）から充電電力９４の大きさを算出してもよい。また、電流計などにより直接的に充電電力９４の大きさを確認してもよい。
【００３２】
水電気分解装置７０は、蓄電装置２０に比べて、大きな電力を供給することができない。図２においては、一例として、水電気分解装置７０に供給できる最大電力を１ｋＷとした。そのため、時刻Ｔｍ以降において、充電電力９４がさらに低下すると、蓄電装置２０と水電気分解装置７０に供給される電力が外部電力９４の最大電力（３ｋＷ）よりも小さくなる。そのため、図２では、時刻Ｔｍから時刻Ｔｆまでの期間において、外部電力９２が低下している。
【００３３】
そして、時刻Ｔｆにおいて、蓄電装置２０の充電が完了すると、充電電力９４が供給されなくなり、外部電力９２は、水電気分解装置７０に対する１ｋＷの電力のみとなる。さらに、水電気分解装置７０において水素の発生が継続されて、例えば貯蔵される水素の圧力が増加すると、水電気分解装置７０に供給される電力が最大電力の１ｋＷから徐々に低下し始める。図２では、時刻Ｔｆ以降の期間において、水電気分解装置７０に供給される電力が徐々に低下し、外部電力９２も１ｋＷから徐々に低下している。
【００３４】
このように、本実施形態においては、蓄電装置２０に供給される充電電力９４の供給量の減少分だけ、水電気分解装置７０に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力９２を最大に利用する期間を延長させている。例えば、図２において、蓄電装置２０のみに電力を供給する場合には、外部電力９２を最大に利用する期間が、時刻Ｔ０から時刻Ｔｄまでであるのに対し、本実施形態では、時刻Ｔ０から時刻Ｔｍまでに延長される。そのため、本実施形態では、外部電力９２が有効に利用されて、より急速に多くのエネルギーを蓄えることが可能になる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示す機能ブロック図である。
【図２】電力制御部による制御を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  燃料電池スタック、２０  蓄電装置、３０  電力合成部、５０  高圧タンク、６０  水素タンク、７０  水電気分解装置、９０  電力制御部。
【図１】
2009224293.tif 000003
【図２】
2009224293.tif 000004