JP3655507B2

JP3655507B2 - 燃料電池システムおよびこれを搭載した電気自動車

Info

Publication number: JP3655507B2
Application number: JP28010499A
Authority: JP
Inventors: 治通中西; 裕久田中
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001102074A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車用の電源として、あるいはそれ以外の種々の用途の電源として好適に用いることができる燃料電池システムおよびこれを搭載した電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料としての水素を、プラチナなどの触媒と接触させることによって電子とプロトンに解離させるとともに、このプロトンを酸化剤としての酸素に反応させるという化学反応に基づき電気エネルギを直接的に発生させている。このため、燃料電池は、他の発電方式に比べてエネルギ効率が高い。また、燃料電池の排気ガスは、主として水蒸気であり、環境の保護の点においても優れている。そこで、近年においては、たとえば特開平１１−２２０８１２号公報や特開平１１−２３４８０７号公報に記載されているように、電気自動車に搭載される電源として、燃料電池を用いることが試みられている。
【０００３】
電気自動車の電源として燃料電池を用いる場合には、その燃料電池は電気自動車を走行させるのに充分な電力を発生させ得るものでなければならない。その一方、燃料電池は、それ単体では出力電力が小さい。そこで、従来においては、たとえば図１１に示すような燃料電池システムがある。この燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック９を備えている。各燃料電池スタック９は、複数の燃料電池（図示略）を直列に接続するようにして１纏めに重ね合わせたものであり、燃料電池を単体で用いる場合よりも高圧かつ大電流の電力を出力可能である。各燃料電池スタック９には、水素ガスの供給配管９０と空気（酸素）の供給配管９１とが接続されており、各燃料電池スタック９への水素ガスの供給とその停止とは、供給配管９０に設けられた１つのバルブ９２の開閉動作により行えるようになっている。このため、複数の燃料電池スタック９は、それらの駆動と停止とが一斉に行われるようになっている。また、複数の燃料電池スタック９どうしは、たとえば電気的に直列に接続されており、これらは一対の出力端子９３に繋がっている。複数の燃料電池スタック９によって発生された電力は、一対の出力端子９３から所望の供給先に供給されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、次のような問題点があった。
【０００５】
第１に、電気自動車に必要とされる電力は、電気自動車の運転状況やその他の状況によって大きく相違する。たとえば、坂道を登るときと平坦な道路を走行するときとでは、駆動輪の回転に必要なトルクが大きく相違し、モータ駆動に必要とされる電力値も大きく相違する。ところが、従来においては、複数の燃料電池スタック９は、それら全てが一斉に駆動されるか、あるいはその駆動が一斉に停止されるかに過ぎない。したがって、従来においては、大きな電力を必要としない場合であっても、複数の燃料電池スタック９の全てが駆動されることとなり、無駄を生じていた。
【０００６】
第２に、従来においては、複数の燃料電池スタック９から一対の出力端子９３に電力が供給されるときには、それら複数の燃料電池スタック９の全てが駆動しているために、たとえば一対の出力端子９３に供給される電力の電圧値は、常に一定である（ただし、厳密には燃料電池の特性に起因する電圧値の多少の変動はある）。このため、一対の出力端子９３に供給された電力を電気自動車のモータ駆動に実際に利用する場合には、たとえば変圧機能を有する電気回路を用いることによって、モータに印加される電圧を殆ど常に調整する必要がある。また、この場合には、出力端子９３における一定の電圧を高い電圧や低い電圧に変圧しなければならないため、その電圧の調整幅も大きい。したがって、従来においては、燃料電池システムから得られる電力を利用するときの電圧の調整なども面倒なものとなっていた。
【０００７】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、燃料電池システムを構成する複数の燃料電池スタックを効率的に駆動させるようにし、必要な電力が容易に得られるようにすることをその課題としている。
【０００８】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００９】
本発明の第１の側面によって提供される燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、これら複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料および酸化剤を供給する手段とを有している燃料電池システムであって、上記複数の燃料電池スタックは、複数のブロックに分けられているとともに、これらのブロック単位ごとに駆動およびその停止が行えるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、次のような効果が得られる。
【００１１】
第１に、必要電力量が多い場合には、多数の燃料電池スタックを駆動させることによってそれに見合った多くの電力を発生させることができる。また反対に、必要電力量が少ない場合には、少数の燃料電池スタックを駆動させることによってそれに見合った少ない電力を発生させることができる。したがって、複数の燃料電池スタックの一部分が無駄に駆動されないようにして、必要な電力を効率良く発生させることができる。
【００１２】
第２に、多数の燃料電池スタックを駆動させる場合には、少数の燃料電池スタックを駆動させる場合よりも大きな電力を発生させることが可能であり、複数の燃料電池スタック全体から得られる電力量は、実際に駆動される燃料電池スタックの数を変更することによって増減調整することが可能となる。したがって、本発明に係る燃料電池システムにおいては、外部機器において実際に必要とされる電力量またはそれに近い電力量の電力を外部機器に供給することが可能となり、便利となる。本発明においては、従来とは異なり、たとえば変圧手段を備えた電気回路などを用いなくても、外部機器に出力される電力の電圧値を増減調整することが可能となる。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記各燃料電池スタックは、個々に駆動およびその停止が行えるように構成されている。
【００１４】
このような構成によれば、上記複数の燃料電池スタックが２つずつブロック分けされたり、あるいは３つずつブロック分けされている場合と比較すると、上記複数の燃料電池スタックを駆動させる場合のバリエーションを多くし、その選択の幅を広げることができる。したがって、上記複数の燃料電池スタックの一部が不必要に駆動されるといったことを、よりきめ細かに防止することが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料を供給するための配管を有しており、かつこの配管には、上記ブロック単位ごとに上記複数の燃料電池スタックへの燃料供給とその停止とが切り替え自在な複数のバルブが設けられている。
【００１６】
このような構成によれば、上記複数のバルブを開閉させて、上記複数の燃料電池スタックへの燃料の供給とその停止とを行わせることにより、上記複数の燃料電池スタックを上記ブロック単位ごとに駆動させ、または停止させることが簡単に行えることとなる。また、たとえば複数の燃料電池スタックのうちの一部が破損したような場合には、破損した燃料電池スタックに対する燃料供給を停止することも可能となり、その部分からの燃料漏れなどの事態も適切に防止できることとなる。
【００１７】
本発明の他の好ましい実施の形態においては、必要電力量に対応して上記複数のバルブの開閉動作を制御する制御手段をさらに有している。
【００１８】
このような構成によれば、上記制御手段が上記複数のバルブの開閉動作を制御することによって、上記複数の燃料電池スタックからは必要電力量に対応した電力が得られることとなり、より便利となる。
【００１９】
本発明の他の好ましい実施の形態においては、上記複数の燃料電池スタックから電力を受け取るとともに、その電力を外部機器に出力するための１対または複数対の出力端子を有している出力制御部をさらに備えており、かつこの出力制御部は、上記複数の燃料電池スタックどうしの接続構成および上記出力端子に対する上記複数の燃料電池スタックの接続構成を変更可能とされている。
【００２０】
このような構成によれば、上記出力制御部において上記複数の燃料電池スタックどうしの接続構成を変化させ、あるいは上記出力端子に対する上記複数の燃料電池スタックの接続構成を変化させることにより、上記出力端子から出力される電力量を変化させることができる。たとえば、上記複数の燃料電池スタックどうしを並列に接続したり、直列にしたり、あるいは直列に接続されて駆動される燃料電池スタックの個数を変更させれば、出力制御部の出力端子から出力される電圧あるいは電力量を変更することが可能となる。したがって、上記複数の燃料電池スタックで発生された電力を利用するのに、一層便利となる。
【００２１】
本発明の第２の側面によって提供される電気自動車は、本発明の第１の側面によって提供される燃料電池システムが搭載されていることを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る電気自動車においては、本発明の第１の側面によって得られるのと同様な効果が期待できる。
【００２３】
本発明のその他の特徴および利点については、以下に行う発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一例を示している。本実施形態の燃料電池システムＡは、たとえば計１６個の燃料電池スタック６、水素ガス供給源２１、水素ガス供給配管２、水素ガス回収配管２０、空気供給配管３、空気回収配管３０、複数のバルブ４、駆動制御部１０、および出力制御部１１を具備して大略構成されている。
【００２６】
図２は、各燃料電池スタック６の斜視図である。図３は、その一部分の断面図である。図２によく表れているように、この燃料電池スタック６は、複数の燃料電池６０が直列的に積層されて構成されている。これら複数の燃料電池６０は、複数のボルト６８ａおよびナット６８ｂを用いて連結された一対のエンドプレート６９ａ，６９ｂの間に挟持されている。
【００２７】
図３によく表れているように、各燃料電池６０は、一対のプレート６４，６４の間に、正極部６１、負極部６２および電解部６３が挟まれた構成を有している。互いに隣り合う燃料電池６０どうしは、１枚のプレート６４を共用するとともに、このプレート６４により実質的に仕切られている。
【００２８】
正極部６１および負極部６２は、集電体６１ａ，６２ａと触媒層６１ｂ，６２ｂとからなる。各集電体６１ａ，６２ａは、たとえば導体粒を固めた多孔質体として形成されており、触媒層６１ｂ，６２ｂは、たとえば炭素粒からなる多孔質マトリクスに、プラチナなどの適宜の触媒粉末を担持させたものとして形成されている。正極部６１および負極部６２のそれぞれの周縁部は、枠状のガスケット６５によって囲まれている。電解部６３は、プロトン導電性を有しており、プロトンとしての水素イオンを選択的に透過させるイオン交換膜により構成されている。
【００２９】
各プレート６４は、たとえばステンレス鋼やチタン合金製の導体である。各プレート６４の片面には、水素ガス流通用の複数条の溝部６４Ａが互いに繋げられて設けられている。各プレート６４の反対の片面には、空気（酸素ガス）流通用の複数条の溝部６４Ｂが互いに繋げられて設けられている。各プレート６４、各ガスケット６５および各電解部６３には、水素ガス供給用の孔６６ａと空気供給用の孔６６ｂとがそれぞれ一連に設けられている。水素ガス供給用の孔６６ａ内に供給された水素ガスは、各溝部６４Ａ内に進入するようになっている。空気供給用の孔６６ｂ内に供給された空気は、各溝部６４Ｂ内に進入するようになっている。図面上は省略しているが、各プレート６４、各ガスケット６５および各電解部６３には、各溝部６４Ａを通過した未消費の水素ガスと各溝部６４Ｂを通過した酸素とを燃料電池スタック６の外部に排気するための水素ガス回収用の孔および空気回収用の孔も設けられている。
【００３０】
図２によく表れているように、エンドプレート６９ａ，６９ｂには、２つずつの貫通孔６７ａ，６７ｂが設けられている。２つの貫通孔６７ａは、水素ガス供給用の孔６６ａと上記水素ガス回収用の孔とにそれぞれ連通しており、水素ガスの供給口または水素ガスの排出口として利用される。２つの貫通孔６７ｂは、空気供給用の孔６６ｂと上記空気回収用の孔とにそれぞれ連通しており、空気の供給口または空気の排出口として利用される。したがって、各貫通孔６７ａには、水素ガス供給配管２または水素ガス回収配管２０が接続される。各貫通孔６７ｂには、空気供給配管３または空気回収配管３０が接続される。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池スタック６においては、水素ガスが孔６６ａに供給され、各溝部６４Ａに達すると、この水素ガスは、負極部６２の集電体６２ａを通過して触媒層６２ｂに達する。すると、この水素ガスは、水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは電解部６３を透過して正極部６１の触媒層６１ｂに達する。電子は、集電体６２ａを再び通過してプレート６４に達し、隣り合う燃料電池６０の正極部６１の触媒層６１ｂに達する。一方、溝部６４Ｂに達した空気は、正極部６１の集電体６１ａを通過して触媒層６１ｂに達する。すると、この空気中の酸素ガスは、電解部６３を透過した水素イオンと、隣の燃料電池６０からの電子と反応して水を生成する。上記した水素ガスの電子の移動は、複数の負極部６２と複数の正極部６１との各間において行われる。その結果、複数の燃料電池６０のうち、この燃料電池スタック６の両端に位置する正極部６１と負極部６２とから、またはそれらの隣りに位置する一対のプレート６４からは、電流が直流である所定電圧を有する電力を取り出すことができる。複数の燃料電池６０は直列に繋がっているために、上記電力の電圧は、複数の燃料電池６０の各電圧をトータルしたものとなる。図２および図３においては省略しているものの、燃料電池スタック６には、そのような電力を配線コードを用いて外部に取り出すことを容易とする正極および負極としての一対の電極が設けられている。
【００３２】
図１において、水素ガス供給源２１としては、たとえば水素ガスが高圧で充填されたボンベ、液化水素が充填されたボンベ、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵合金、または水素含有化合物から水素ガスを分離させて取り出す装置を適用することができる。
【００３３】
水素ガス供給配管２は、水素ガス供給源２１から供給される水素ガスを、計１６個の燃料電池スタック６のそれぞれに供給するためのものであり、各燃料電池スタック６に繋がった複数の分岐配管２２を有している。水素ガス供給源２１から各分岐配管２２に至るまでの主配管経路途中には、バルブ５０が設けられている。このバルブ５０は、たとえば遠隔操作が可能な電磁バルブであり、駆動制御部１０の制御により、各燃料電池スタック６に向けての水素ガスの供給を停止させるとともに、水素ガス供給配管２内に存在する水素ガスを大気中に排出する動作が可能である。このバルブ５０は、各燃料電池スタック６の駆動を何らかの事情により緊急に停止させるのに有効である。水素ガス回収配管２０は、各燃料電池スタック６内に供給された水素ガスのうち、各燃料電池スタック６から未消費で排出された水素ガスを回収するものである。この水素ガス回収配管２０は、回収した水素ガスを水素ガス供給源２１に戻して再利用できるように設けられている。
【００３４】
複数のバルブ４は、水素ガス供給配管２の各分岐配管２２に１つずつ設けられている。これら複数のバルブ４は、バルブ５０と同様に、遠隔操作が可能なたとえば電磁バルブであり、後述するように、駆動制御部１０の制御により燃料電池スタック６への水素ガスの供給とその停止とを個別に切り替えことができるように開閉動作が自在である。複数の燃料電池スタック６は、対応するバルブ４が開とされ、水素ガスが供給されているときにのみ駆動可能である。また、図面上は省略しているが、好ましくは、各分岐配管２２には、各燃料電池スタック６に供給される水素ガス量を調整可能な流量調整バルブも別途設けられている。
【００３５】
空気供給配管３は、たとえばブロア（図示略）によって送られてくる空気を各燃料電池スタック６に供給するためのものであり、水素ガス供給配管２と同様な分岐配管を有している。この空気供給配管３にも、バルブ５０と同様な１つのバルブ５１が設けられており、駆動制御部１０の制御により、空気供給配管３内の空気を外部に緊急に排出させることが可能ななっている。また、好ましくは、空気供給配管３の分岐配管にも、水素ガス供給配管２と同様に、各燃料電池スタック６に供給される空気量を調整可能な流量調整バルブが設けられている。空気回収配管３０は、各燃料電池スタック６を通過した空気を回収するためのものである。この空気回収配管３０によって回収された空気は、たとえば大気中に放出されるように構成されている。
【００３６】
駆動制御部１０は、複数のバルブ４の開閉動作を制御することにより、結果的に複数の燃料電池スタック６のそれぞれの駆動を制御するものである。この駆動制御部１０は、所定の外部機器から送信されてくる制御コマンドにそのまま対応して複数のバルブ４の開閉動作を単に行わせるだけのものでもよいし、あるいは外部機器から送信されてくる各種の信号に基づいて、複数のバルブ４のいずれを開閉させるかを一定のプログラムにしたがって演算し、その演算結果に基づいて各バルブ４の開閉動作を行わせるものとして構成されていてもよい。この後者の場合には、たとえばＣＰＵやそれに付属するメモリを備えた演算処理手段がこの駆動制御部１０に具備されることとなる。本発明においては、この駆動制御部１０に、各燃料電池スタック６の電極間の電圧をモニタする機能を具備させておくこともできる。このようにすれば、燃料電池スタック６の駆動が適正か否かを判断することができ、その異常を検出することができる。より具体的には、種々の事情により一部の燃料電池スタック６が損傷した場合には、水素ガスが供給されているにもかかわらず、その燃料電池スタック６が駆動されなくなる場合がある。このような場合には、駆動制御部１０がこれを検出し、バルブ４を動作させることによって、その燃料電池スタック６への水素ガスの供給を停止させることができる。その結果、たとえば損傷している燃料電池スタック６から水素ガスが漏出するといった事態を適切に回避することができるのである。
【００３７】
出力制御部１１は、複数対の出力端子１９ａ，１９ｂを有しており、複数の燃料電池スタック６で発生された電力を受け取ってからこの電力を出力端子１９ａ，１９ｂから所望の電力供給先（外部機器）に出力させるためのものである。したがって、複数対の出力端子１９ａ，１９ｂは、各燃料電池スタック６の電極と電気的に接続されている。ただし、この出力制御部１１は、後述するように、複数対の出力端子１９ａ，１９ｂに対する複数の燃料電池スタック６の電気的な接続形態を種々に変更可能な電気回路を有している。なお、本発明においては、出力制御部１１に出力端子１９ａ，１９ｂが一対のみ具備された構成とすることも可能である。
【００３８】
図４は、出力制御部１１の電気回路の一部分の構成を示している。同図においては、理解を容易にするために、４つの燃料電池スタック６（６ａ〜６ｄ）に対応する電気回路の構成を代表的に示している。図示された電気回路１２は、４つの燃料電池スタック６（６ａ〜６ｄ）の各正極６９ｃと各負極６９ｄとが、出力端子１９ａ，１９ｂにそれぞれ並列に接続されている。ただし、互いに隣り合う燃料電池スタック６のそれぞれの負極６９ｄどうしの間には、スイッチＳ１〜Ｓ３が設けられている。３つの燃料電池スタック６（６ｂ〜６ｄ）のそれぞれの正極６９ｃと出力端子１９ａとの各間にもスイッチＳ５，Ｓ７，Ｓ９が設けられている。さらに、３つの燃料電池スタック６（６ｂ〜６ｄ）のそれぞれの正極６９ｃは、スイッチＳ５，Ｓ７，Ｓ９に並列なスイッチＳ４，Ｓ６，Ｓ８を有する配線を介して負極の出力端子１９ｂに対しても並列に接続可能とされている。
【００３９】
上記構成の電気回路１２においては、まず図４に示したように、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９をオンにするとともに、スイッチＳ４，Ｓ６，Ｓ８をオフにすると、４つの燃料電池スタック６（６ａ〜６ｄ）は、互いに並列に接続されて一対の出力端子１９ａ，１９ｂに繋がった状態となる。次いで、図５に示すように、上記とは反対に、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９をオフにするとともに、スイッチＳ４，Ｓ６，Ｓ８をオンにすると、４つの燃料電池スタック６（６ａ〜６ｄ）は、互いに直列に接続されて一対の出力端子１９ａ，１９ｂに繋がった状態となる。さらに、図６に示すように、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３をオンにするとともに、他のスイッチＳ４〜Ｓ９をオフにすると、１つの燃料電池スタック６（６ａ）のみが一対の出力端子１９ａ，１９ｂに接続された状態となる。図７に示すように、スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ４をオンにするとともに、他のスイッチＳ１，Ｓ５〜Ｓ９をオフにすると、２つの燃料電池スタック６（６ａ，６ｂ）のみが直列に接続されて一対の出力端子１９ａ，１９ｂに繋がった状態となる。これら以外の燃料電池スタック６の接続配列態様の図示説明は省略するが、この電気回路１２においては、上記と同様にしてスイッチＳ１〜Ｓ９のオン・オフを切り替えることにより、３つの燃料電池スタック６のみが直列に接続されて一対の出力端子１９ａ，１９ｂに繋がった構成にすることもできる。上記したスイッチの切り替え動作は、たとえば駆動制御部１０または駆動制御部１０とは別個に設けられた他の制御機器の制御によりなされるように構成されている。
【００４０】
出力制御部１１は、上記したような構成の電気回路１２が計１６個の燃料電池スタック６に対応して設けられた構成を有している。この結果、この出力制御部１１においては、計１６個の燃料電池スタック６のうちの適宜の個数を並列に接続してそれらで発生される電力を出力端子１９ａ，１９ｂから出力させたり、あるいは適宜の個数の燃料電池スタック６を直列に接続してそれらで発生される電力を出力端子１９ａ，１９ｂから出力させることができるようになっている。
【００４１】
次に、上記構成の燃料電池システムＡの作用について説明する。
【００４２】
まず、図１において、計１６個のバルブ４の全てを開にして、各燃料電池スタック６に水素ガスを供給させるとともに、空気供給配管３からは各燃料電池スタック６に空気を供給させると、計１６個の燃料電池スタック６の全てを駆動させることができる。したがって、この場合には、それら計１６個の燃料電池スタック６のそれぞれから出力制御部１１に電力を供給し、この電力を出力制御部１１の複数対の出力端子１９ａ，１９ｂから外部機器に対して供給することができる。この場合、出力制御部１１の電気回路においては、図４に示したように、複数の燃料電池スタック６を並列に接続させた状態と、図５に示したように複数の燃料電池スタック６を直列に接続させた状態とのいずれをも選択することができる。前者の場合よりも後者の場合の方が出力端子１９ａ，１９ｂに加わる電圧は高い。したがって、この燃料電池システムＡにおいては、全ての燃料電池スタック６を駆動させている状態であっても、それらを並列に接続するか直列に接続させるかによって、出力端子１９ａ，１９ｂから出力される電力の電圧値を適宜変更することができる。
【００４３】
一方、出力端子１９ａ，１９ｂに接続されている外部機器が多くの電力を必要としなくなる場合がある。このような場合には、計１６個の燃料電池スタック６のうち、たとえば図６に示した燃料電池スタック６（６ａ）に対応するバルブ４を開にするとともに、他の複数の燃料電池スタック６（６ｂ〜６ｄ）に対応する複数のバルブ４を閉にする。すると、燃料電池スタック６（６ａ）のみが駆動される。他の複数の燃料電池スタック６（６ｂ〜６ｄ）については、水素ガスの供給が停止されることにより、もはや電力を発生させるための化学反応は中断されることとなり、その駆動は停止する。各燃料電池スタック６に対する空気供給はそのまま続行しておけばよい。また、上記のように燃料電池スタック６（６ａ）のみを駆動させた場合には、出力制御部１１の電気回路を、図６に示した構成に切り替える。
【００４４】
このようにすると、燃料電池スタック６（６ａ）のみが一対の出力端子１９ａ，１９ｂに有効に接続されることとなり、１つの燃料電池スタック６（６ａ）によって発生された電力を外部機器に対して適切に供給することができる。駆動が停止された複数の燃料電池スタック６（６ｂ〜６ｄ）の各電極６９ｃ，６９ｄ間は、電気を通さない絶縁状態となる。しかし、図６に示した構成にすれば、それらの絶縁状態とは関係なく、駆動状態にある燃料電池スタック６（６ａ）において発生された電力を一対の出力端子１９ａ，１９ｂから適切に出力させることができる。
【００４５】
また、この燃料電池システムＡにおいては、次のような使用態様にすることもできる。すなわち、たとえば図７に示す２つの燃料電池スタック６（６ａ，６ｂ）に対応するバルブ４を開にするとともに、他の２つの燃料電池スタック６（６ｃ，６ｄ）に対応するバルブ４を閉にする。これにより、２つの燃料電池スタック６（６ａ，６ｂ）を駆動させることができるとともに、他の２つの燃料電池スタック６（６ｃ，６ｄ）を駆動停止状態にすることができる。また、この場合、出力制御部１１の電気回路を、同図に示した構成に切り替える。このようにすれば、２つの燃料電池スタック６（６ａ，６ｂ）で発生された電力を一対の出力端子１９ａ，１９ｂから外部機器に対して適切に出力させることができる。この場合、２つの燃料電池スタック６（６ａ，６ｂ）は直列に接続されているために、一対の出力端子１９ａ，１９ｂから出力される電力の電圧値は、図６に示した場合の２倍となる。
【００４６】
さらに、上記とは異なる態様として、３つの燃料電池システム（６ａ〜６ｃ）を駆動状態とし、かつこれらを直列に接続して一対の出力端子１９ａ，１９ｂに繋がげることもできる。この場合には、一対の出力端子１９ａ，１９ｂから出力される電力の電圧値は、図６に示した場合の３倍となる。
【００４７】
以上の説明から理解されるように、この燃料電池システムＡにおいては、複数のバルブ４のいずれを開または閉とするかによって、計１６個の燃料電池スタック６の全てを選択的に駆動させることができる。したがって、大きな電力を必要とする場合にも好適に対処できることは勿論のこと、大きな電力を必要としない場合には、それに見合う個数の燃料電池スタック６のみを駆動させることにより、他の燃料電池スタック６が無駄に駆動されないようにすることができる。したがって、必要電力量に見合った効率の良い電力供給が行えることとなる。また、この燃料電池システムＡにおいては、駆動される燃料電池スタック６の個数の変更により、および出力制御部１１の電気回路の切り替えにより、一対の出力端子１９ａ，１９ｂから出力される電力の電圧値を適宜変更することもできる。したがって、外部機器に必要とされる電圧値またはそれに近い電圧値の電力を容易に得ることができ、便利となる。
【００４８】
図８は、上記した燃料電池システムＡを搭載した電気自動車の概略構成の一例を示すブロック図である。
【００４９】
図８に示す電気自動車Ｂは、燃料電池システムＡに加え、駆動輪Ｗを駆動させるためのモータＭ、モータ駆動制御部８０、主制御部８１、アクセルペダル操作量検出器８２、ブレーキペダル操作量検出器８３、および電気機器類８５を具備して大略構成されている。
【００５０】
モータＭは、たとえば直流モータである。モータ駆動制御部８０は、主制御部８１からの指令に基づいてモータＭに印加される電圧をたとえばチョッパ制御するための回路を備えている。このモータ駆動制御部８０には、燃料電池システムＡの出力制御部１１から出力される電力がチッパ制御されるモータ駆動用の電力として供給される。電気機器類８５には、モータＭ以外の電気機器類が含まれ、たとえば各種の照明装置、ワイパ駆動用のモータ、エアコン用のコンプレッサおよびその他の装置がある。この電気機器類８５にも燃料電池システムＡの出力制御部１１から電力が供給されるようになっており、この電気機器類８５において必要とされる電力量は主制御部８１によってモニタされるようになっている。
【００５１】
主制御部８１は、燃料電池システムＡの駆動制御部１０やモータ駆動制御部８０を制御するものである。この主制御部８１は、アクセルペダル操作量検出器８２やブレーキペダル操作量検出器８３から送信されてくる信号の内容に応じて、モータＭの駆動に必要な電圧を算出するとともに、その電圧を得るのに必要とされる電力が燃料電池システムＡからモータ駆動制御部８０に供給されるように、駆動制御部１０および出力制御部１１に制御コマンドを送出するように構成されている。また、主制御部８１は、電気機器類８５において必要とされる電力が燃料電池システムＡから電気機器類８５に適切に供給されるように、駆動制御部１０および出力制御部１１を制御する制御コマンドをも送出するように構成されている。駆動制御部１０は、これらの制御コマンドに応じて、複数のバルブ４の開閉動作を行い、必要個数の燃料電池スタック６を駆動させるようになっている。また同様に、出力制御部１１は、上記制御コマンドに応じて、計１６個の燃料電池スタック６の電気的な接続の構成を変更するようになっている。
【００５２】
計１６個の燃料電池スタック６は、たとえばそれらのうちの一部の燃料電池スタック６がモータＭの駆動用電源として、またそれ以外の残余の燃料電池スタック６が電気機器類８５用の電源として利用されるようにされている。電気機器類８５に供給される電力については、その電圧を変化させる必要がなく、またはその必要性が少ないため、電気機器類８５用の電源として利用される複数の燃料電池スタック６については、出力制御部１１の出力端子１９ａ，１９ｂに並列接続されたままにしていてもかまわない。
【００５３】
上記構成の電気自動車Ｂにおいては、たとえばアクセルペダル（図示略）の操作量が多い場合には、主制御部８１および駆動制御部１０の制御により、燃料電池システムＡのモータ駆動用の複数の燃料電池スタック６の全部またはそれらの大部分が駆動され、出力制御部１１からモータ駆動制御部８０には高い電圧の電力が供給される。したがって、モータ駆動制御部８０によってモータＭに印加される電圧を高くすることが容易となり、モータＭの回転トルクを大きくすることが適切に行えることとなる。これに対し、アクセルペダルの操作量が少ない場合やプレーキペダルの操作量が多い場合には、モータ駆動用の複数の燃料電池スタック６のうちの少数部分が駆動されるに過ぎず、出力制御部１１からモータ駆動制御部８０には低い電圧の電力が供給される。したがって、この場合には、モータ駆動制御部８０によってモータＭに印加される電圧を低くすることが容易となり、モータＭの回転トルクを小さくすることも適切に行えることとなる。
【００５４】
一方、電気機器類８５において、多くの電力が必要とされる場合には、主制御部８１や駆動制御部１０の制御により、電気機器類用の複数の燃料電池スタック６の全部またはそれらの大部分が駆動される。反対に、必要電力量が少ない場合には、燃料電池スタック６の駆動個数は少なくされる。
【００５５】
このように、この電気自動車Ｂにおいては、駆動走行用のモータＭや電気機器類８５のいずれに対しても、必要電圧または必要電力量に見合った電力を燃料電池システムＡから供給することができる。そして、複数の燃料電池スタック６が不必要に駆動されないようにし、効率の良い電力供給が行えることとなる。
【００５６】
図９および図１０は、本発明の他の例を示している。ただし、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一符号を付している。
【００５７】
図９に示す構成においては、複数並べられた燃料電池スタック６のうち、互いに隣り合う２つの燃料電池スタック６に対して１つのバルブ４が共用して設けられている。すなわち、同図に示す構成においては、複数の燃料電池スタック６が、２個１組を１ブロックとして、複数のブロックに分けられており、１つのバルブ４を開閉させることによって、２つの燃料電池スタック６への水素ガスの供給またはその停止が同時に行えるようになっている。このように、本発明においては、燃料電池スタック６を２個一組にして、それらに対する水素ガスの供給やその停止が同時に行えるように構成されていてもかまわない。むろん、本発明においては、燃料電池スタック６の３個分を１ブロックとしたり、あるいはそれ以上の個数分を１ブロックとしてもかまわない。ただし、不必要に駆動される燃料電池スタック６の個数を少なくしたり、あるいは複数の燃料電池スタック６によって発生される電力の種類数を多くする観点からすれば、図１に示した実施形態のように、燃料電池スタック６の１個分を１ブロックとすることが好ましい。
【００５８】
図１０に示す構成においては、複数並べられた燃料電池スタック６を２つのブロックＮ１，Ｎ２に分けている。このような構成であっても、複数の燃料電池スタック６の全部を駆動させる場合と、２つのブロックＮ１，Ｎ２のいずれか一方の燃料電池スタック６のみを駆動させる場合とに切り替えることによって、必要電力量に対応した電力供給が可能である。このように、本発明においては、複数の燃料電池スタック６が少なくとも２以上のブロックに分けられていればよく、そのブロック数の具体的な数値はとくに限定されるものではない。また、燃料電池スタック６の個数も、要は複数であればよく、その具体的な個数も限定されない。
【００５９】
本発明に係る燃料電池システムおよび電気自動車の各部の具体的な構成は、上述の実施形態に限定されず、種々に設計変更自在である。
【００６０】
たとえば、本発明においては、燃料電池に空気を供給するための配管に対しても複数のバルブを設けて、燃料電池スタックへの水素ガスの供給が停止されるときには、それに連動してその燃料電池スタックへの空気の供給も同時に停止されるように構成してもかまわない。また、燃料電池スタックの駆動およびその停止を行わせるための手段としては、たとえば燃料電池スタックには水素ガスを供給し続ける一方、燃料電池スタックへの空気供給を制御する手段を用いることも可能である。ただし、この場合には、燃料電池スタックに常時供給される水素ガスのイオンが燃料電池スタック内の各部と化学反応を起こし、燃料電池にダメージを与える虞れがあるため、実用には適さない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一例を示す概略説明図である。
【図２】燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池スタックの一部分の断面図である。
【図４】出力制御部の電気回路の一部分の構成を示す説明図である。
【図５】図４に示す電気回路の動作説明図である。
【図６】図４に示す電気回路の動作説明図である。
【図７】図４に示す電気回路の動作説明図である。
【図８】本発明に係る電気自動車の概略構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の他の例を示す要部説明図である。
【図１０】本発明の他の例を示す要部説明図である。
【図１１】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ燃料電池システム
Ｂ電気自動車
２水素ガス供給配管
３空気供給配管
４バルブ
６燃料電池スタック
１０駆動制御部
１１出力制御部

Claims

複数の燃料電池スタックと、これら複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料および酸化剤を供給する手段と、を有している、燃料電池システムであって、
上記複数の燃料電池スタックは、複数のブロックに分けられているとともに、これらのブロック単位ごとに駆動およびその停止が行えるように構成されており、
上記複数の燃料電池スタックから電力を受け取るとともに、その電力を外部機器に出力するための１対または複数対の出力端子を有している出力制御部をさらに備えており、
この出力制御部は、上記複数の燃料電池スタックの一部又は全てを選択して、相互に直列に接続される状態と相互に並列に接続される状態とを切り換えて上記出力端子に対して接続できるように構成されていることを特徴とする、燃料電池システム。
上記各燃料電池スタックは、個々に駆動およびその停止が行えるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
上記複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料を供給するための配管を有しており、かつこの配管には、上記ブロック単位ごとに上記複数の燃料電池スタックへの燃料供給とその停止とが切り替え自在な複数のバルブが設けられている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
必要電力量に対応して上記複数のバルブの開閉動作を制御する制御手段をさらに有している、請求項３に記載の燃料電池システム。
請求項１ない４のいずれかに記載の燃料電池システムが搭載されていることを特徴とする、電気自動車。