JP3975052B2

JP3975052B2 - 電気自動車用燃料電池の起動制御装置

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Publication number: JP3975052B2
Application number: JP2000238659A
Authority: JP
Inventors: 健治松下; 正史藤塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP2002050378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素ガス、または、炭化水素系燃料の分解により得られる水素などを供給して発電する燃料電池と、この燃料電池により充電される二次電池とを備えた電気自動車における燃料電池の起動制御に関し、特に、二次電池の完全放電状態や燃料電池の冷却水の凍結など、寒冷時に発生しやすい異常事態に対応するためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素系の燃料を使用して排気ガスを出さない車両用の動力源として燃料電池が注目され、燃料電池を使用した電気自動車の検討が進められている。車両に燃料電池を搭載して使用する場合において、燃料電池を動作させるためには、改質器に燃料を供給する燃料ポンプや酸素供給用の給気装置、あるいは、冷却水の給水ポンプなど、各種の補機を駆動する電源が必要であり、また、発電用の冷却水には不凍液が使用できないため、寒冷時に冷却水が凍結しておればこれを解凍することが必要になる。これらの電源としては燃料電池により充電される二次電池を使用するのが一般的であるが、この二次電池が過放電状態にある場合には発電用の補機を運転することができず、また、冷却水を解凍することもできないため燃料電池を動作させることが不可能になる。
【０００３】
このような問題点に対応するための従来技術としては、例えば、特開平１０−４０９３１号公報が開示されている。この公報に開示された技術は、燃料電池と二次電池とを備えた電源システムにおいて、二次電池の残存容量を検出する残存容量モニタを設け、電源システムを停止するときには二次電池の残存容量が所定量に達するまで燃料電池により二次電池を充電するようにし、次回システムを起動するときには燃料電池の暖機運転が終了するまで二次電池から電力が得られるようにしたものである。しかし、この技術でも不測の事態により二次電池の充電が行えずにシステムが停止した場合にはシステムの再起動は不可能になる。
【０００４】
これに対して、例えば、特開平１０−１４４３２７号公報には、燃料電池により充電される二次電池が過放電状態のときには受電コネクタを介して外部電源から充電できるようにしたこと、冷却水の加熱・解凍には二次電池から電熱ヒータを駆動して加熱することが開示されている。また、燃料電池は暖機運転がなされないと充分な出力が得られないが、特開平６−１４００６５号公報には、燃料電池を始動可能な温度に加熱するために、改質器で液体燃料の加熱・分解に用いた燃焼排ガスを燃料電池側に導き、加熱することにより始動時間を短縮し、二次電池の負担を軽減する技術が開示されている。
【０００５】
さらに、冷却水の凍結防止に関しては、例えば、特開平６−２２３８５５号公報に、燃料電池の停止時に冷却水循環路から冷却水を抜き取り、別途設置した断熱冷却水貯留容器に収容して断熱保温する技術が開示されており、また、特開平７−９４２０２号公報には、冷却水を加熱して暖機時間を短縮するために貯水タンクにヒータを設け、燃料電池、または、二次電池からヒータに通電することにより冷却水を加熱する技術が開示されている。さらに、燃料電池の暖機の手法として、特開平１０−１４４３３３号公報には、燃料電池の発電開始直後に吸着器の吸着剤に水を吸着させ、この吸着熱を熱交換流体を介して燃料電池に放出して加熱する技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、燃料電池の起動時の制御に関しては各種の技術が開示されているが、まず、二次電池の過放電に対する外部電源からの充電に関しては、電気自動車の二次電池は大容量であるため、内燃機関を搭載した車両の二次電池のように短時間内に充電することは困難であり、燃料電池の起動には長時間を要することになる。さらに寒冷時など、冷却水の凍結状態においては電熱ヒータによる解凍にも長い時間を要することになり、内燃機関搭載車両のように短時間にて走行可能状態に移行することが困難であった。
【０００７】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その第一の目的は、二次電池が過放電であったり、寒冷時に二次電池の出力が充分に得られないときなど、外部電源を補機用の電源として燃料電池を立ち上げ、二次電池を燃料電池から充電すると共に燃料電池の出力で走行を可能とし、また、第二の目的は冷却水の凍結状態においては、燃料電池の発電用燃料、または、起動用燃料による解凍と暖機とを行うことにより、短時間内での解凍と暖機とを可能とし、第三の目的は起動や暖気に要する付帯設備を小型化し、その一部を常時活用して多機能化を図り、冷却水の解凍処理に特別の負担をかけない電気自動車用燃料電池の起動制御装置を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電気自動車用燃料電池の起動制御装置は、水素ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池、この燃料電池の出力により充電される二次電池、前記燃料電池に対して燃料や空気や冷却水などを供給する発電用補機、前記二次電池が過放電状態または過放電状態ではないが所定値未満の電圧で使用不可能であり、かつ、前記燃料電池の電圧が一定値未満であるとき前記燃料電池の起動電源として前記発電用補機を駆動する外部電源、前記二次電池から前記発電用補機に電力供給する回路に設けられ、前記二次電池の電圧が所定値以上の時に閉路する第一の補機駆動スイッチ、前記燃料電池から前記発電用補機に電力供給する回路に設けられ、前記燃料電池の電圧が一定値以上で、前記二次電池の電圧が所定値未満の時に閉路する第二の補機駆動スイッチを備え、前記二次電池と前記燃料電池の電圧に応動して前記発電用補機に電力供給する電源を、前記燃料電池と前記二次電池と前記外部電源のいずれかに選択的に切り換えるようにしたものである。
【０００９】
また、第一の補機駆動スイッチと第二の補機駆動スイッチとによる電源の選択切換が、外部電源から発電用補機を駆動する第一のモードと、燃料電池が発電を開始した後に燃料電池から発電用補機を駆動する第二のモードと、二次電池が電力供給能力を有するときに二次電池から発電用補機を駆動する第三のモードとを有するようにしたものである。
【００１０】
さらに、水素ガスが供給されるアノード電極と空気が供給されるカソード電極とからなる前記燃料電池の発電電極と、この発電電極を冷却する冷却水と発電電極に供給される水素ガスと空気を加湿する加湿水とを供給する冷却水貯蔵部と、起動時に、発電電極に水素ガスと空気とが供給されることに先立ち、起動用燃料が供給されて触媒燃焼し、冷却水貯蔵部の冷却水を加熱または解凍する燃焼加熱部とを備えるようにしたものである。
【００１１】
さらにまた、発電電極に水素ガスと空気とが供給された後において、アノード電極から排出される排出ガスが再循環されてアノード電極に供給されると共に、この排出ガスの一部が前記燃焼加熱部に供給され、冷却水を加熱または解凍するようにしたものである。
また、水素ガスの供給源に水素吸蔵合金が使用され、発電電極を冷却後の温水または前記燃焼加熱部で加熱された温水が水素吸蔵合金の加熱用に使用されるようにしたものである。
【００１２】
さらに、炭化水素系の燃料を加熱気化して化学反応により水素ガスを生成すると共に、加熱気化するための燃焼部を有する改質器と、この改質器からの水素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノード電極と空気が供給されるカソード電極とを有する前記燃料電池の発電電極と、発電電極を冷却する冷却水と発電電極に供給される水素ガスと空気とを加湿する加湿水を供給する冷却水貯蔵部とを備え、起動時に、改質器の燃焼部に炭化水素系の燃料または水素ガスからなる起動用燃料が与えられて改質器が加熱されると共に、改質器の燃焼部から排出された燃焼ガスが冷却水貯蔵部の加熱部に与えられて冷却水が加熱されるように構成したものである。
【００１３】
さらにまた、改質器が水素ガスを含む燃料ガスの生成を開始した後、改質器が生成する燃料ガスが改質器の燃焼部と冷却水貯蔵部の加熱部とに与えられ、暖機運転が継続されるように構成したものである。
また、冷却水貯蔵部が冷却水タンクと補助タンクとを有し、燃料電池の運転停止時には冷却水タンクの冷却水の一部または全部が補助タンクに移され、起動時に冷却水を加熱または解凍する前記燃焼加熱部が補助タンクに設けられるようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１および図２は、この発明の実施の形態１による電気自動車用燃料電池の起動制御装置を説明するためのもので、図１は電気回路図、図２は動作説明用のフローチャートである。図において、１は例えば鉛電池などの二次電池、２は二次電池１の出力電流を平滑するコンデンサ、３は二次電池１と負荷との間に設けられた電源スイッチ、４はコンデンサ２により平滑された電流が供給され、直流から交流の順変換を行って三相交流電動機５を力行駆動すると共に、交流から直流の逆変換を行って三相交流電動機５の回生エネルギを二次電池１に回生充電する直交順逆変換器、６は三相交流電動機５から駆動される車速センサ、７は直交順逆変換器４の開閉素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する力行回生制御装置である。なお、直交順逆変換器４は逆並列ダイオードを有するトランジスタなどの開閉素子を６個使用して三相ブリッジに接続したものである。
【００１５】
８はマイクロプロセッサやメモリ、および、各種のインターフェイス回路などにより構成されたコントローラ、９はこのコントローラ８に所定の定電圧を供給する定電圧電源、１０は車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ、１１は車両のブレーキペダルの踏み込み量または踏み込み圧を検知するブレーキセンサ、１２は二次電池１の電圧と電流を検出する電圧・電流センサ、１３は直交順逆変換器４の入出力電流を検出する負荷電流センサ、１４は後述する燃料電池１５の発生電圧を測定する電圧センサであり、これらの各センサの出力はコントローラ８に入力され、力行回生制御装置７や後述する発電制御装置１８などの各種の制御に使用される。
【００１６】
１５は水素ガスまたは炭化水素系燃料の分解により得た水素を供給されて発電する燃料電池、１６は発電用補機であり、発電用補機１６には、燃料電池１５を動作させるための燃料ポンプ、酸素供給用のコンプレッサなど給気装置、冷却水や加湿水を供給する給水ポンプ、および、各種電磁弁など、燃料電池１５の運転に必要な補機類が含まれる。１７はこのような発電用補機１６を制御する補機制御装置、１８は燃料電池１５と二次電池１との間に接続され、半導体インバータ回路で構成されて燃料電池１５の定格電圧と二次電池１の定格電圧との相違を補正する昇圧機能を有する発電制御装置である。
【００１７】
１９は発電用補機１６を二次電池１に接続する第一の補機駆動スイッチ、２０は発電用補機１６を燃料電池１５に接続する第二の補機駆動スイッチ、２１は外部電源を示し、第一の補機駆動スイッチ１９と第二の補機駆動スイッチ２０とは同時に閉路しないように構成され、また、外部電源２１が接続されるときには第一の補機駆動スイッチ１９と第二の補機駆動スイッチ２０とは共に開路するように構成されている。なお、外部電源２１は、変圧器と整流器と過充電制限装置などから構成される可搬式の直流電源、すなわち、可搬式の充電装置である。
【００１８】
また、電源スイッチ３と第一の補機駆動スイッチ１９とは図示しない車両のキースイッチと連動し、第一の補機駆動スイッチ１９には二次電池１の電圧が所定値以上であるときに動作する電磁リレーなどが使用され、第二の補機駆動スイッチ２０は燃料電池１５の電圧が一定値以上であり、二次電池１の電圧が所定値未満であるときに動作する電磁リレーなどが使用される。二次電池１と燃料電池１５と外部電源２１とは逆流によるトラブルを避けるため図１に示すように逆流阻止ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を介して接続され、また図示しないがこれらの各電源から定電圧電源９に電力が供給される。すなわち、第一の補機駆動スイッチ１９と第二の補機駆動スイッチ２０とにより、発電用補機１６に接続される電源が、二次電池１と燃料電池１５と外部電源２１とを選択的に切り換えるように構成され、その選択は二次電池１と燃料電池１５とのそれぞれの電圧値により決定されるように構成されている。
【００１９】
各電源の二次電池１と燃料電池１５と外部電源２１との電圧は、燃料電池１５の定格電圧をＶ１、二次電池１の定格電圧をＶ２、外部電源２１の定格電圧をＶ３とするとき、Ｖ１＜Ｖ２の関係にするのが一般的である。発電用補機１６を外部電源２１にて作動させ、燃料電池１５の発電開始に伴って外部電源２１からの電力供給を遮断させるためには、燃料電池１５が発電用補機１６に電力供給しながら二次電池１を充電することになるので、外部電源２１の定格電圧Ｖ３の値はＶ１〜Ｖ２の間において任意に選べばよいことになる。そして、補機制御装置１７はこれらの電圧変化を補正して発電用補機１６に必要電圧と必要電流とを供給するように構成される。
【００２０】
このように構成されたこの発明の実施の形態１による電気自動車用燃料電池の起動制御装置において、その動作を図２のフローチャートにより説明すると次の通りである。まず、ステップ２００は車両のキースイッチがオンされて動作が開始されるステップである。動作が開始されるとステップ２０１にて第一の補機駆動スイッチ１９が動作したかどうかで二次電池１が使用可能であるかどうかを判定する。上記したように、第一の補機駆動スイッチ１９は二次電池１の電圧が所定値以上であるときに動作する電磁リレーなどが使用されており、二次電池１が使用可能であると判定されるとステップ２０２にて二次電池１が発電用補機１６に接続され、ステップ２０３にて発電用補機１６が二次電池１からの電力により燃料電池１５の起動動作に入る。
【００２１】
ステップ２０１にて二次電池１が過放電状態、または過放電状態ではないが所定値未満の電圧で使用不可能であると判定されると、ステップ２０４にて第二の補機駆動スイッチ２０の動作から燃料電池１５が発電状態にあるかどうかが判定され、発電状態になければステップ２０５にて外部電源２１の接続を促す。外部電源２１が接続されればステップ２１３にて外部電源２１からの電力により発電用補機１６が動作して燃料電池１５の起動動作に入る。ステップ２０４にて燃料電池１５が発電状態にあると判断されると、ステップ２０６にて第二の補機駆動スイッチ２０が閉路して燃料電池１５からの電力が発電用補機１６に供給され、ステップ２２３にて発電用補機１６が動作して燃料電池１５の運転を継続する。以上のように、これらの動作は第一の補機駆動スイッチ１９や第二の補機駆動スイッチ２０など電磁リレーなどのハードウエアにより実行されるものである。
【００２２】
各ステップが終了するとステップ２００に戻るが第二回目のルーチン以降は条件が変化するため判定ステップの判定が変わり、最終的には二次電池１が充電されて二次電池１から発電用補機１６などに電力が供給され、外部電源２１は燃料電池１５が発電を開始すると人手により接続が解除される。二次電池１が充分に充電されているか、または、燃料電池１５が発電を開始すると車両は走行が可能となり、コントローラ８はアクセルセンサ１０からの信号や、ブレーキセンサ１１からの信号に基づき、直交順逆変換器４と力行回生制御装置７とを介して力行駆動、または、回生制動などの制御を行う。このとき、発電制御装置１８は二次電池１の充電と、燃料電池１５と二次電池１との負荷電流の分担を制御し、コントローラ８はクローズドループ制御などにより燃料電池１５の発電量に応じた燃料と空気の制御や冷却水の温度制御を行う。
【００２３】
以上のように構成された、この発明の実施の形態１による電気自動車用燃料電池の起動制御装置では、発電用補機１６の電源が二次電池１と燃料電池１５と外部電源２１とから選択的に切り換えられ、二次電池１の過放電状態時には外部電源２１は発電用補機１６の運転のみに用いられ、燃料電池１５が発電を開始すればその出力により二次電池１が充電され、燃料電池１５の出力により走行が可能となるので短時間で二次電池１の充電と車両の走行とが可能となり、外部電源２１は発電用補機１６の駆動に必要な出力があればよく、小型の直流電源を使用することが可能である。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図であり、この実施の形態は、実施の形態１に示した燃料電池１５自体の起動と、起動時における発電用補機１６の動作に関するものである。図において、２５は水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ガスタンク、２６はコンプレッサなどの給気装置２７から送られる空気を加湿したり、水素ガスタンク２５から電磁弁２８を介して送られる水素ガスを加湿する加湿器であり、加湿器２６に用いられる温水は燃料電池の発電電極２９を冷却した温水が用いられ、この加湿は発電電極２９のカソード電極２９ａとアノード電極２９ｂとの電極間に設けられた図示しない電解質膜の乾燥を防止するためのものである。
【００２５】
燃料電池の発電電極２９は加湿器２６を経由して空気（酸素）が供給されるカソード電極２９ａと、加湿器２６を経由して水素ガスが供給されるアノード電極２９ｂと、これらの電極を冷却する冷却器２９ｃとから構成されている。３０は発電電極２９のカソード電極２９ａから排出される空気の排気通路に設けられ、排出空気に含まれる水分を冷却ファン３０ａにより冷却凝縮して冷却水タンク３１に還流する凝縮器、３２は発電電極２９のアノード電極２９ｂから排出される排出ガスの通路に設けられ、排出ガスに含まれる水分を凝縮・除去する凝縮溜、３３は発電電極２９のアノード電極２９ｂから排出され、凝縮溜３２により水分が除去された水素ガスを含む排出ガスを加湿器２６を経由してアノード電極２９ｂに還流する水素循環ポンプである。
【００２６】
３４は冷却水タンク３１の冷却水を発電電極２９の冷却器２９ｃに供給する給水ポンプ、３５は発電電極２９のカソード電極２９ａから排出される排気熱を冷却水に与え、冷却水を加熱するる熱交換機、３６は冷却水タンク３１から補助タンク３７に冷却水を移し替える電磁弁、３８は冷却水を補助タンク３７から冷却水タンク３１に還流させる揚水ポンプ、３９は補助タンク３７内の冷却水を加熱する燃焼加熱部であり、燃料電池の運転停止時には停止に先立って冷却水タンク３１から補助タンク３７に冷却水の一部、または、全部が移され、燃料電池の再起動時には補助タンク３７内の冷却水が凍結しておれば燃焼加熱部３９により解凍し、また、暖機のために加熱して揚水ポンプ３８により冷却水タンク３１に戻すように構成されている。なお、凝縮器３０にて脱湿された空気は燃焼加熱部３９を経由して排出される。
【００２７】
４０は水素ガスタンク２５から燃焼加熱部３９に起動用・暖機用の燃料として水素ガスを供給する電磁弁、４１は発電電極２９から排出されるアノード排ガスの一部を燃焼加熱部３９に供給する電磁弁であり、電磁弁４１は水素循環ポンプ３３により加湿器２６に還流されるアノード排ガスに不純物が蓄積するのを防止するためのものである。なお、発電電極２９に供給される冷却水は、通常発電電極２９の下部から給水ポンプ３４により圧送されるので、燃料電池の発電停止時に冷却水を冷却水タンク３１に戻すための図示しない電磁弁が設けられるか、発電電極２９や加湿器２６から排水するための排出機構が設けられる。また、電磁弁３６は冷却水タンク３１と補助タンク３７の水位レベルによっては電動ポンプに置き換えられるものである。
【００２８】
さらに、補助タンク３７は燃焼加熱部３９の排気管を取り巻く環状容器で構成されるので、容積を削減するためには冷却水タンク３１の一部の冷却水を収納するようにし、解凍加熱された温水を冷却水タンク３１に還流して冷却水タンク３１内を加熱解凍し、これにより冷却された冷水を再び補助タンク３７に戻して加熱し、冷却水タンク３１内の冷却水を適正温度まで昇温させるように構成することができる。また、燃焼加熱部３９はパラジウム・白金・ロジウム・ルテニウムなどをチタンセラミックなどで担持した触媒方式にて構成される。
【００２９】
このように構成されたこの発明の実施の形態２による電気自動車用燃料電池の起動制御装置において、燃料電池の起動、特に寒冷時における起動動作は次の通りである。燃料電池の起動に当たっては、まず、電磁弁４０が開かれ水素ガスタンク２５の水素ガスが燃焼加熱部３９に供給され、水素ガスはここで触媒燃焼して補助タンク３７を加熱し、もし、冷却水が凍結状態であればこれを解凍する。補助タンク３７内の加熱された冷却水は冷却水タンク３１に送られ、冷却水タンク３１内の冷却水を解凍し、解凍が完了すると給水ポンプ３４が稼働して冷却水が冷却器２９ｃと加湿器２６に送られ、続いて、電磁弁２８が開き、給気装置２７が稼働して空気と水素ガスとが加湿されて発電電極２９のカソード電極２９ａとアノード電極２９ｂに供給され、発電が開始されて図１に示した二次電池１を充電する。
【００３０】
発電電極２９のカソード電極２９ａから排出された空気は熱交換機３５で冷却水との間の熱交換を行い、凝縮器３０で水分が除去された後、燃焼加熱部３９を経由して大気に放出されるが、燃焼加熱部３９を経由させることにより燃焼加熱部３９の異常温度上昇を抑制する。このカソード電極２９ａからの排気を凝縮器３０から大気に放出すれば排気の背圧を低減することができるが、燃焼加熱部３９には給気装置２７からの空気の供給が必要となり、通常はカソード電極２９ａの排気が供給される。発電電極２９のアノード電極２９ｂから排出された排出ガスは水素循環ポンプ３３により加湿器２６に戻され、発電電極２９のアノード電極２９ｂに供給されて再利用されるが、凝縮溜３２で除去された水分は不純物が含まれるので再循環させることなく放出される。また、再利用されるアノード電極２９ｂからの排出ガスも不純物が含まれるので常に新しい水素ガスが追加されると共に、一部を電磁弁４１から燃焼加熱部３９に送り燃焼させることにより不純物の蓄積を防止する。
【００３１】
通常の運転中は補助タンク３７には蒸発を避けるために冷却水は残さず、燃焼加熱部３９はアノード電極２９ｂからの排気ガスの処理装置として使用される。燃料電池の運転停止時には電磁弁２８を閉じ、給気装置２７と水素循環ポンプ３３とを停止し、電磁弁４１を閉じてから給水ポンプ３４を停止させ、寒冷時には電磁弁３６により冷却水を補助タンク３７に移す。以上の制御は各種センサとこのセンサ類の出力によるプログラマブルコントローラの制御により行われ、必要とされる発電量に応じて燃料と空気とが制御され、適正温度を維持するための冷却水の循環量が制御される。
【００３２】
以上のように、この実施の形態による電気自動車用燃料電池の起動制御装置では、水素ガスタンク２５の水素ガスは発電用の燃料として、また、起動時における起動・暖機用の燃料として使用され、補助タンク３７の燃焼加熱部３９は起動時における暖機用と、運転時におけるアノード排ガスの処理用として使用され、アノード排ガスは再循環させると共に新しいガスを補充し、排ガスの一部を燃焼加熱部３９で燃焼させることにより燃料電池の燃費効率を向上させると共に不純物濃度を抑制することができ、起動時における冷却水の解凍または適正温度までの加熱を燃焼加熱部３９における燃料の燃焼により行うので、二次電池などの電源に負担をかけることなく短時間で起動させることができるものである。
【００３３】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図であり、この実施の形態は、実施の形態２に対して発電電極２９に対する水素ガスの供給源と燃焼加熱部３９に対する燃料の供給源とを変えたものである。すなわち、発電電極２９に対する水素ガスの供給は水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵部４２より行われ、水素吸蔵部４２は例えばパラジウム合金などを用いたものであるが、水素ガスの放出促進用に加熱部４３が設けられ、この加熱部４３には発電電極２９の冷却器２９ｃから加湿器２６を経由した温水が供給されると共に、起動時においては補助タンク３７から直接温水が供給されるように構成され、この温水は加熱部４３から冷却水タンク３１に循環するように構成されている。なお、水素吸蔵部４２に水素ガスを吸蔵させるときには逆に発熱するのでこの温水は冷却に使用されるが、冷却水の過熱を避けるために加熱部４３から冷却水タンク３１の循環路には図示しない冷却装置が設けられる。
【００３４】
燃焼加熱部３９に対する燃料供給は、水素吸蔵部４２が稼働するまでの起動時には起動用燃料タンク４４が設けられており、電磁弁４５を経由してメタノールまたは水素ガスの起動用燃料が供給される。起動用燃料は燃焼加熱部３９で触媒燃焼され、補助タンク３７内の冷却水を加熱解凍して温水が揚水ポンプ３８により電磁弁４６を経由して加熱部４３に供給され、加熱部４３の加熱により水素吸蔵部４２が速やかに稼働する。水素吸蔵部４２が稼働して水素ガスが抽出されると電磁弁４０を経由して燃焼加熱部３９にこの水素ガスが供給され、この供給と共に電磁弁４５は閉じて起動用燃料の供給は停止される。また、給水ポンプ３４が駆動され、発電電極２９の冷却器２９ｃからの温水が加湿器２６を経由して加熱部４３に供給されるようになれば電磁弁４６は閉じられる。なお、揚水ポンプ３８からの送水全てを加熱部４３を経由して冷却水タンク３１に循環させることもでき、この場合には電磁弁４６と、揚水ポンプ３８から冷却水タンク３１への配管とは不要になる。また、運転中はアノード電極２９ｂからの排気ガスが燃焼加熱部３９に供給されるのは実施の形態２と同様である。
【００３５】
このように、この実施の形態では水素吸蔵部４２の水素ガスを発電用の燃料と暖機用の燃料とに使用し、起動時の初期のみ起動用燃料タンク４４を用いているが、この起動用燃料タンク４４は例えばカセット式の水素ガスボンベなどを用いることができ、この起動用燃料の使用とこれによる加熱部４３の加熱により起動時間を大幅に短縮することができ、電源に対する負担を軽減できるものである。なお、水素吸蔵部４２は寒冷時においても微量の水素ガスを放出するが、この水素ガスのみでは起動に長時間を要するものである。
【００３６】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図であり、この実施の形態は炭化水素系燃料を使用して改質器により加熱分解して水素ガスを生成する形式のものである。図５において４７は燃焼部４７ａと気化部４７ｂと反応部４７ｃとＣＯ酸化部４７ｄとからなる改質器、４８は改質器４７の燃焼部４７ａやＣＯ酸化部４７ｄに酸素を供給する給気装置、４９はメタノールと水とを混合した発電用燃料を燃料タンク５０から改質器４７の気化部４７ｂに供給する燃料ポンプ、５１は水素ガスまたはメタノールなど起動用燃料を起動用燃料タンク４４から改質器４７の燃焼部４７ａに供給する起動用燃料ポンプであり、改質器４７の燃焼部４７ａでは触媒により起動用燃料を触媒燃焼させ、数百度の高温環境を作って発電用燃料を気化させる。
【００３７】
改質器４７の気化部４７ｂで気化された発電用燃料は反応部４７ｃで触媒反応して改質水素ガスを生成するが、この改質水素ガスは一酸化炭素を含んでおり、これをＣＯ酸化部４７ｄにて酸素と結合させて二酸化炭素とすることにより、液体燃料から水素ガスを主成分とする燃料ガスを得る。この燃料ガスは加湿器２６を経由して発電電極２９のアノード電極２９ｂに供給される一方、暖機運転中においては切換電磁弁５２を経由して改質器４７の燃焼部４７ａにも燃料ガスが供給される。
【００３８】
加湿器２６は実施の形態２の場合と同様に、発電電極２９のカソード電極２９ａに給気装置２７から供給する空気（酸素）と、ＣＯ酸化部４７ｄからアノード電極２９ｂに供給する燃料ガスとを加湿し、加湿用の水は発電電極２９の冷却器２９ｃを経由した温水が使用され、加湿後の温水は冷却水タンク３１に還流される。この加湿は発電電極２９のカソード電極２９ａとアノード電極２９ｂとの間にある図示しない電解質膜の乾燥を防止するものであり、カソード電極２９ａから排出される空気の水分は凝縮器３０とこれを冷却するファン３０ａとにより凝縮されて冷却水タンク３１に戻され、除湿後の空気は補助タンク３７の燃焼加熱部３９に送られる。また、アノード電極２９ｂからの排ガスは電磁弁５４と凝縮器５５とを経由して改質器４７の燃焼部４７ａと補助タンク３７の燃焼加熱部３９とに送られ燃焼される。
【００３９】
また、実施の形態２と同様に、３４は冷却水タンク３１の冷却水を発電電極２９に供給する給水ポンプ、３５は発電電極２９のカソード電極２９ａから排出される排気熱を冷却水に与え、冷却水を加熱するる熱交換機、３６は冷却水タンク３１から補助タンク３７に冷却水を移し替える電磁弁、３８は冷却水を補助タンク３７から冷却水タンク３１に還流させる揚水ポンプ、３９は補助タンク３７内の冷却水を加熱する燃焼加熱部であり、燃料電池の運転停止時には停止に先立って冷却水タンク３１から補助タンク３７に冷却水の一部が、または、全部が移され、燃料電池の起動時には補助タンク３７内の冷却水が凍結しておればこれを解凍し、また暖機用に加熱して揚水ポンプ３８により冷却水タンク３１に還流させるように構成されている。
【００４０】
さらに、実施の形態２でも説明したように、発電電極２９に供給される冷却水は、通常発電電極２９の下部から給水ポンプ３４により圧送されるので、停止時に冷却水を冷却水タンク３１に戻すための図示しない電磁弁が設けられるか、発電電極２９や加湿器２６から排水するための排出機構が設けられる。また、電磁弁３６は冷却水タンク３１と補助タンク３７の水位レベルによっては電動ポンプに置き換えられる。また、補助タンク３７は燃焼加熱部３９の排気管を取り巻く環状容器で構成されるので、容積を削減するために冷却水タンク３１の一部の冷却水を収納するようにし、解凍加熱された温水を冷却水タンク３１に還流して加熱解凍し、冷却された冷水を再び補助タンク３７に戻して冷却水タンク３１内の冷却水を適正温度まで昇温させるように構成することもできる。
【００４１】
暖機運転中には電磁弁２８と電磁弁５４とは閉じられ、切換電磁弁５２を開いて燃料ガスを改質器４７の燃焼部４７ａに供給するが、燃料ガスの量が改質器４７の燃焼部４７ａで処理しきれないときにのみ電磁弁４１が開かれ、補助タンク３７の燃焼加熱部３９に送られるように構成することもできる。また、実施の形態２にて説明したように、燃焼加熱部３９はパラジウム・白金・ロジウム・ルテニウムなどをチタンセラミックなどで担持した触媒方式にて構成されるが、電磁弁４１による燃料ガスの供給が行われないときには改質器４７の燃焼部４７ａからの高温排気を供給して補助タンク３７の加熱が行われる。
【００４２】
このように構成されたこの発明の実施の形態４による電気自動車用燃料電池の起動制御装置において、燃料電池の起動時には起動用燃料ポンプ５１を駆動して起動用燃料タンク４４から水素ガスまたはメタノールなど起動用燃料を改質器４７の燃焼部４７ａに供給し、給気装置４８からの空気と共に触媒燃焼させ、改質器４７を加熱する。この改質器４７の燃焼部４７ａからの燃焼排ガスは補助タンク３７の燃焼加熱部３９に送られ、補助タンク３７内の冷却水を加熱解凍する。次に電磁弁２８と電磁弁５４とが閉じた状態で切換電磁弁５２と電磁弁４１とが開かれ、燃料ポンプ４９により燃料タンク５０からメタノールと水とが混合された発電用燃料が改質器４７の気化部４７ｂに供給され、高温環境で気化し、触媒を用いた反応部４７ｃで水素ガスを含む改質ガスが生成されてＣＯ酸化部４７ｄにて一酸化炭素が除去され、水素がリッチな状態となって改質器４７の燃焼部４７ａに還流される。
【００４３】
改質器４７で水素がリッチな状態の改質ガスが生成され出すと、起動用燃料ポンプ５１を停止しても燃料タンク５０から燃料ポンプ４９により供給される発電用燃料により改質器４７と補助タンク３７の燃焼加熱部３９とは自立的に暖機運転することができるようになり、補助タンク３７内で解凍・加熱された温水は電磁弁３６と揚水ポンプ３８とで構成された給排水機構により冷却水タンク３１を還流しながら冷却水タンク３１内の冷却水を解凍・加熱し、適正温度まで昇温すれば補助タンク３７内の冷却水は全て冷却水タンク３１に戻され、補助タンク３７内での蒸発が防止される。
【００４４】
さらに、改質器４７の自立的暖機運転が可能になったことにより、電磁弁２８と電磁弁５４とが開路され、給水ポンプ３４と給気装置２７とが駆動されて発電電極２９に加湿器２６を介して燃料ガスと空気とが供給され、発電電極２９が電力を発生して二次電池１の充電や車両駆動用の三相交流電動機５の駆動が可能となり、発電電極２９のアノード電極２９ｂからの排ガスが電磁弁５４と凝縮器５５とを介して改質器４７の燃焼部４７ａに供給され、改質器４７の燃焼部４７ａからの燃焼排ガスが補助タンク３７の燃焼加熱部３９に供給されるので切換電磁弁５２と電磁弁４１とを閉じることができるようになる。このように、改質器４７は吸熱反応であるため燃焼部４７ａによる加熱が必要であり、逆に発電電極２９は発熱反応であるため冷却水タンク３１からの冷却水の循環が必要となる。
【００４５】
発電電極２９のカソード電極２９ａから排出された空気は熱交換機３５で冷却水との間の熱交換を行い、凝縮器３０で水分が除去された後、補助タンク３７の燃焼加熱部３９を経由して大気に放出されるが、燃焼加熱部３９を経由させることにより通常運転時における改質器４７の燃焼部４７ａから排出される燃焼排ガスの温度を低下させることができる。また、カソード電極２９ａの排気を凝縮器３０から大気に放出すれば排気の背圧を低減することができ、給気装置２７の消費電力を軽減することができる。発電電極２９のアノード電極２９ｂからの排ガスは上記したように凝縮器５５を経由して改質器４７の燃焼部４７ａに供給されるが、凝縮器５５で除去された水分は不純物を含むため冷却水タンク３１には還流されない。
【００４６】
以上の制御は各種センサとプログラマブルコントローラにより自動制御され、必要とされる発電量に応じた燃料制御と空気制御とが行われ、適正温度を維持するための冷却水の循環量制御が行われる。また、燃料電池の運転停止時には燃料ポンプ４９と給気装置４８および２７とが停止され、続いて給水ポンプ３４が停止されてから補助タンク３７に冷却水を移すことになるが、凍結のおそれのないときには冷却水タンク３１から補助タンク３７に冷却水を移すことは省略することができる。このように、この実施の形態では起動時に使用する起動用燃料タンク４４を設けることにより短時間でのシステムの立ち上げを可能にするもので、起動用燃料タンク４４にはカセット式の水素ガスボンベが使用でき、この場合には起動用燃料ポンプ５１は電磁弁に置き換えられる。
【００４７】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図であり、この実施の形態は実施の形態４の電気自動車用燃料電池の起動制御に対して、発電用燃料と起動用燃料とを共通のメタノールタンク５０ａから燃料ポンプ４９と起動用燃料ポンプ５１とにより改質器４７に供給するようにし、発電用燃料のメタノールに対する水分の付加は冷却水タンク３１と凝縮器５５の排水とからポンプ５６により供給し、実施の形態４に設けていた補助タンク３７を廃して冷却水タンク３１に改質器４７の燃焼部４７ａからの燃焼排ガスにより加熱される加熱部５７を設け、さらに、改質器４７の燃焼部４７ａから冷却水タンク３１の加熱部５７に与えられる燃焼排ガスの通路にフラップ５８を設けるようにしたものである。
【００４８】
このように構成されたこの発明の実施の形態５による電気自動車用燃料電池の起動制御装置において、改質器４７の燃焼部４７ａにはメタノールタンク５０ａから起動用燃料が与えられて実施の形態４の場合と同様に起動し、この改質器４７の燃焼排ガスにより冷却水タンク３１が加熱されて解凍するが、運転中は発電電極２９のアノード電極２９ｂからの排ガスが電磁弁５４と凝縮器５５とを介して改質器４７の燃焼部４７ａに供給され、この燃焼排ガスが常に加熱部５７に供給されると冷却水タンク３１の冷却水が過熱状態となって蒸発し、実施の形態４ではこの蒸発防止に補助タンク３７を空にしていたがこの実施の形態では補助タンクを設けないので、フラップ５８を設け、燃焼排ガスをバイパスするようにしている。
【００４９】
また、発電電極２９のカソード電極２９ａから排出される空気は熱交換機３５で冷却水との間の熱交換を行い、凝縮器３０で水分が除去された後、フラップ５８の下流側に放出され、改質器４７の燃焼部４７ａからの排気の温度を低下させるように構成されている。このように、フラップ５８などの追加はあるが、補助タンクや電磁弁などの省略が可能となってシステムを単純化することができ、発電用燃料に予め水を混合する必要もなくなるものである。
【００５０】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図であり、この実施の形態は実施の形態４の電気自動車用燃料電池の起動制御に対して、改質器４７とは別に起動用燃焼器５９を設け、起動用燃料タンク４４から起動用燃料ポンプ５１によりメタノールなどの起動用燃料を起動用燃焼器５９に供給して燃焼させ、この燃焼排ガスを改質器４７に供給して改質器４７を加熱すると共に、改質器４７から補助タンク３７の加熱部５７ａを介して放出することにより補助タンク３７内の冷却水を解凍・加熱するようにしたものである。
【００５１】
このように構成されたこの発明の実施の形態６による電気自動車用燃料電池の起動制御装置においては、起動の初期には起動用燃料タンク４４のメタノールなどの起動用燃料が起動用燃焼器５９にて燃焼され、その燃焼排ガスが改質器４７と補助タンク３７とを加熱・暖機し、改質器４７が燃料ガスを生成するようになれば切換電磁弁５２を介して燃料ガスが改質器４７の燃焼部４７ａに供給されて自立運転できるようになり、自立運転の状態になれば起動用燃料ポンプ５１は停止して補助タンク３７の加熱部５７ａには改質器４７の燃焼部４７ａからの燃焼排ガスが供給される。さらに、冷却水の解凍が完了すると切換電磁弁５２が閉じられ、電磁弁２８と電磁弁５４とが開かれて発電電極２９が発電を開始し、アノード排ガスが改質器４７に供給されて運転が継続される。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１と請求項２に記載の発明によれば、燃料電池と、この燃料電池により充電される二次電池と、燃料電池に対して燃料や空気や冷却水などを供給する発電用補機と、二次電池が過放電状態のときに起動電源として使用される車両には搭載されない外部電源とを備え、二次電池から発電用補機に電力供給する回路と燃料電池から発電用補機に電力供給する回路に第一の補機駆動スイッチと第二の補機駆動スイッチとを設け、第一と第二の補機駆動スイッチが、発電用補機に電力供給する電源を、燃料電池と二次電池と外部電源のいずれかに切り換えるようにし、二次電池の残存容量が少ないときには外部電源により発電用補機を駆動し、燃料電池の発電が開始されると共に燃料電池により二次電池の充電と発電用補機の駆動とを行うようにしたので、二次電池の充電所要時間と車両の走行待機時間とが短縮され、外部電源も小型の可搬式直流電源を使用することが可能になるものである。
【００５３】
また、請求項３〜請求項５に記載の発明によれば、水素ガスと空気とを供給される発電電極と、この発電電極を冷却する冷却水と発電電極に供給する水素ガスと空気を加湿する加湿水とを供給する冷却水タンクと、この冷却水を加熱・解凍する加熱部とを備え、起動時に発電電極に水素ガスなどが供給されることに先立ち燃焼加熱部に起動用の燃料を与えて触媒燃焼させ、冷却水を加熱・解凍するようにしたので燃料電池が発電をしていなくても冷却水の解凍が行え、電源容量を増加することなく起動時間を短縮することができるものである。また、余分な付帯設備を要することなく燃料電池の起動が可能になるものである。さらに、発電電極のアノード排ガスを発電燃料として再循環すると共に冷却水の加熱・解凍用として使用し、加熱された冷却水を水素吸蔵合金の加熱用として使用するようにしたので、燃料電池を効率的に運転することができるものである。
【００５４】
さらに、請求項６と請求項７に記載の発明によれば、炭化水素系の燃料を改質して水素ガスを生成する改質器を加熱する燃焼部に起動用燃料が与えられて改質器が加熱されると共に、この燃焼部から排出される燃焼ガスを冷却水タンクに与えて冷却水を加熱するように構成し、起動時の暖機運転としたので、燃料電池が発電を開始していなくても冷却水の解凍を行うことができ、起動時間を短縮できると共に、電源容量を増加することなく、また、余分な付帯設備を要することなく燃料電池の起動が可能になり、改質器が水素ガスを含む燃料ガスの生成を開始した後は、改質器が生成する燃料ガスが改質器の燃焼部と冷却水タンクとに与えられるようにしたので、暖機用の燃料を節約しながら改質器の暖機運転や冷却水の解凍が継続できるものである。
【００５５】
さらにまた、請求項８に記載の発明によれば、冷却水タンクの冷却水の一部または全部を収納する補助タンクを備え、冷却水を加熱・解凍する燃焼加熱部を補助タンクに設けるようにしたので、加熱後の冷却水を冷却水タンクに移して蒸発を防止したり、発電電極から排出される排ガスや改質器から排出される不完全燃焼ガスを完全燃焼して浄化することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電気自動車用燃料電池の起動制御装置の電気回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電気自動車用燃料電池の起動制御装置の動作説明用のフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態５による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
【図７】この発明の実施の形態６による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
【符号の説明】
１二次電池、３電源スイッチ、４直交順逆変換機、
５三相交流電動機、６車速センサ、７力行回生制御装置、
８コントローラ、１５燃料電池、１６発電用補機、
１７補機制御装置、１８発電制御装置、
１９第一の補機駆動スイッチ、２０第二の補機駆動スイッチ、
２１外部電源、２５水素ガスタンク、２６加湿器、
２８、３６、４０、４１、４５、４６、５４電磁弁、
２９発電電極、３０、５５凝縮器、３１冷却水タンク、
３３水素循環ポンプ、３４給水ポンプ、３５熱交換器、
３７補助タンク、３８揚水ポンプ、３９燃焼加熱部、
４２水素吸蔵部、４４起動用燃料タンク、４７改質器、
４８給気装置、４９燃料ポンプ、５０燃料タンク、
５１起動用燃料ポンプ、５２切換電磁弁、５７加熱部、
５８フラップ、５９起動用燃焼器。

Claims

水素ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池、この燃料電池の出
力により充電される二次電池、前記燃料電池に対して燃料や空気や冷却水などを供給する発電用補機、前記二次電池が過放電状態または過放電状態ではないが所定値未満の電圧で使用不可能であり、かつ、前記燃料電池の電圧が一定値未満であるとき前記燃料電池の起動電源として前記発電用補機を駆動する外部電源、前記二次電池から前記発電用補機に電力供給する回路に設けられ、前記二次電池の電圧が所定値以上の時に閉路する第一の補機駆動スイッチ、前記燃料電池から前記発電用補機に電力供給する回路に設けられ、前記燃料電池の電圧が一定値以上で、前記二次電池の電圧が所定値未満の時に閉路する第二の補機駆動スイッチを備え、前記二次電池と前記燃料電池の電圧に応動して前記発電用補機に電力供給する電源を、前記燃料電池と前記二次電池と前記外部電源のいずれかに選択的に切り換えることを特徴とする電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
第一の補機駆動スイッチと第二の補機駆動スイッチとによる電源の選択切換が、外部電源から発電用補機を駆動する第一のモードと、燃料電池が発電を開始した後に燃料電池から発電用補機を駆動する第二のモードと、二次電池が電力供給能力を有するときに二次電池から発電用補機を駆動する第三のモードとを有することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
水素ガスが供給されるアノード電極と空気が供給されるカソード電極とからなる前記燃料電池の発電電極、この発電電極を冷却する冷却水と、前記発電電極に供給される前記水素ガスと前記空気とを加湿する加湿水を供給する冷却水貯蔵部、起動時に、前記発電電極に前記水素ガスと前記空気とが供給されることに先立ち、起動用燃料が供給されて触媒燃焼し、前記冷却水貯蔵部の冷却水を加熱または解凍する燃焼加熱部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
発電電極に水素ガスと空気とが供給された後において、アノード電極から排出される排出ガスが再循環されてアノード電極に供給されると共に、この排出ガスの一部が前記燃焼加熱部に供給され、冷却水を加熱または解凍することを特徴とする請求項３に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
水素ガスの供給源に水素吸蔵合金が使用され、発電電極を冷却後の温水または前記燃焼加熱部で加熱された温水が水素吸蔵合金の加熱用に使用されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
炭化水素系の燃料を加熱気化して化学反応により水素ガスを生成すると共に、加熱気化するための燃焼部を有する改質器、この改質器から水素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極とを有する前記燃料電池の発電電極、この発電電極を冷却する冷却水と、前記発電電極に供給される水素ガスと空気とを加湿する加湿水を供給する冷却水貯蔵部を備え、起動時に、前記改質器の燃焼部に炭化水素系の燃料または水素ガスからなる起動用燃料が与えられて前記改質器が加熱されると共に、前記改質器の燃焼部から排出された燃焼ガスが前記冷却水貯蔵部の加熱部に与えられて冷却水が加熱されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
改質器が水素ガスを含む燃料ガスの生成を開始した後、改質器が生成する燃料ガスが改質器の燃焼部と冷却水貯蔵部の加熱部とに与えられ、暖機運転が継続されるように構成したことを特徴とする請求項６に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
冷却水貯蔵部が冷却水タンクと補助タンクとを有し、燃料電池の運転停止時には冷却水タンクの冷却水の一部または全部が補助タンクに移され、起動時に冷却水を加熱または解凍する前記燃焼加熱部が補助タンクに設けられたことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。