JP4438231B2

JP4438231B2 - 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法

Info

Publication number: JP4438231B2
Application number: JP2001018284A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002231286A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。
【０００３】
そして、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、前記燃料電池を車両用の動力源として使用する場合には、バッテリ（蓄電池又は二次電池）を併用したハイブリッドとすることが一般的である。
【０００４】
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
【０００５】
図において、１０１は燃料電池であり、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００６】
また、１０２は充電によって放電を繰り返すことができるバッテリであり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。
【０００７】
さらに、１０３はインバータ（ＩＮＶ）であり、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。なお、前記駆動源が直流モータである場合は、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流は、前記インバータ１０３を介さずに駆動源に直接供給される。
【０００８】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されて、前記インバータ１０３に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池１０１が停止した場合、また、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給される。
【０００９】
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がバッテリ１０２に供給され、該バッテリ１０２が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池１０１が発生する電流が自動的に前記バッテリ１０２に供給される。
【００１０】
このように、前記燃料電池装置においては、前記バッテリ１０２が常時充電され、前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量が決まってしまう。
【００１２】
このため、前記バッテリ１０２から常時電流が流れるので、前記バッテリ１０２の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ１０２の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
【００１３】
また、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下した時であっても、前記燃料電池１０１からの電流が前記バッテリ１０２に流れにくく、該バッテリ１０２の充電に時間がかかってしまう。逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、大電流が前記燃料電池１０１からバッテリ１０２に流れるので、該バッテリ１０２が過充電されることによって破壊されてしまう。
【００１４】
さらに、通常、バッテリの電圧−電流特性は残存容量によって変動するので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の出力配分を所定の状態に維持し、本来の電流−電圧特性又は電力特性を発揮させることが困難である。そのため、坂道等の高負荷運転時のように前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合であっても、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給されずに車両の走行が制限されてしまったり、また、前記バッテリ１０２の残存容量が少なくなっても、前記燃料電池１０１から電流が供給されずに前記バッテリ１０２が上がったりしてしまう。
【００１５】
これら従来の燃料電池装置の問題点を解決するために、本願発明の発明者は、既に、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される燃料電池装置、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる燃料電池装置、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する燃料電池装置の制御方法等を提案している（特願２０００−３６２５９７号）。
【００１６】
そして、本願発明の発明者が提案したこれらの燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法によって、従来の燃料電池装置の問題点が解決されて、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができる。
【００１７】
しかしながら、本願発明の発明者が提案した前記燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法は、水素ガス等の燃料が燃料電池に安定した量で供給され、燃料電池からの電流が安定して出力されることを前提条件とするものである。仮に、供給される燃料の量が、燃料電池が要求される電流を出力するために必要な燃料の量よりも少なくなると、燃料電池を構成する部材中のカーボン等が反応を起こしてしまい、最悪の場合、燃料電池自体が焼損してしまう。一方、供給される燃料の圧力が高すぎると、燃料電池を構成する部材が破損する恐れがある。
【００１８】
本発明は、前記の問題点を解決して、本願発明の発明者が既に提案した燃料電池装置において、燃料電池に供給される燃料の量が適切になるように制御して、燃料電池自体が損傷することなく、かつ、燃料電池からの電流が安定して出力される燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路を、前記負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続し、前記蓄電手段回路は、前記蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路を含み、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には前記昇圧回路によって出力電圧が前記燃料電池よりも高くなるように昇圧されて前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電され、前記燃料電池は、燃料貯蔵手段からの燃料が管路を通って一定の圧力で供給される。
【００２０】
本発明の他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料電池の出力端子に直接接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記燃料供給装置は、燃料貯蔵手段と、前記燃料電池に接続された管路と、該管路に配設された弁手段とを備え、前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、前記蓄電手段回路は、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給する。
【００２１】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、負荷に直接接続された燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含み、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記燃料供給装置は、燃料貯蔵手段と、前記燃料電池に接続された管路と、該管路に配設された弁手段とを備え、前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧用スイッチング素子と前記充電用スイッチング素子とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給する。
【００２２】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
【００２３】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料の圧力は、前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように供給される。
【００２４】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路は燃料供給管路と燃料排出管路とを備え、前記燃料供給管路には燃料供給電磁弁が配設され、前記燃料排出管路には燃料排出電磁弁が配設され、前記燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する。
【００２５】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路には燃料圧力調整弁が配設され、該燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する。
【００２６】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路には圧力センサが配設され、該圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する。
【００２７】
本発明の燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に直接接続された燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、昇圧回路、充電回路、及び、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路であって、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御し、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池に一定の圧力で供給されるように燃料の流れを制御する。
【００２８】
本発明の他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料の圧力が前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように制御する。
【００２９】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池に接続された管路に配設された燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する。
【００３０】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記管路に配設された燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する。
【００３１】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記管路に配設された圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の概念図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池に燃料及び酸化剤を供給する装置を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態においてバッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する１例を示す図である。
【００３４】
図１において、１０は燃料電池（ＦＣ）回路であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池１１と蓄電手段としてのバッテリ１２とを併用して使用する。
【００３５】
そして、燃料電池１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３６】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）型燃料電池、又はＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する高分子膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ｆｕｅｌｃｅｌｌ）を複数直列に結合したスタック（ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３６号公報参照）。
【００３７】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、４００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は３００〔ｃｍ²〕であり、開放端子電圧は約３５０〔Ｖ〕、出力は約５０〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００３８】
なお、燃料である水素ガスは、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した水素ガスを燃料電池１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の貯蔵手段３１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３９】
この場合、前記燃料電池１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００４０】
図３には、本実施の形態において燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。水素ガスは、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段３１から、燃料供給管路３３を通って、燃料電池１１に供給される。そして、前記燃料供給管路３３には、燃料圧力調整弁２６及び燃料供給電磁弁２７が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段３１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給できる能力を有するものである。
【００４１】
ここで、前記燃料圧力調整弁２６は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁２６の出口から排出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等のアクチュエータによってなされることが望ましい。また、前記燃料供給電磁弁２７はいわゆるオン−オフ式のものであって、電気モータ、パルスモータ、電磁石等からなるアクチュエータによって、作動させられる。
【００４２】
そして、燃料電池１１から排出される水素ガスは、燃料排出管路３４を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスを大気中へ排出せずに回収して、前記燃料貯蔵手段３１に戻すようにしてもよい。また、前記燃料排出管路３４には、燃料排出電磁弁２８が配設される。該燃料排出電磁弁２８は基本的に前記燃料供給電磁弁２７と同様の構成を有する。
【００４３】
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源３２から、酸化剤供給管路３５を通って、燃料電池１１に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、燃料電池１１から排出される空気は、酸化剤排出管路３６を通って大気中へ排出される。なお、前記酸化剤供給管路３５にも酸化剤排出管路３６にも弁手段は配設されないが、前記酸化剤供給管路３５に前記燃料電池１１の固体電解質膜に水分を供給するための水噴射ノズルが配設されてもよく、また、前記酸化剤排出管路３６に燃料電池１１から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するための凝縮器が配設されてもよい（特開平１１−３１７２３６号公報参照）。
【００４４】
また、図１において、１２は充電によって放電を繰り返すことができる蓄電手段としての２次電池、すなわち、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が望ましい。
【００４５】
本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。この場合、開放端子電圧は約２１０〔Ｖ〕であり、約１０〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００４６】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００４７】
例えば、特許第２７５３９０７号公報に記載されているように、バッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせて、前記蓄電手段として使用することもできる。この場合、図４に示されるように、蓄電手段１２’においては、バッテリＢｔはコンデンサＣ２と直列に接続されている。そして、前記バッテリＢｔの正の端子は前記コンデンサＣ２の負の端子に接続されるとともに、トランジスタＴｒ１のコレクタ電極とトランジスタＴｒ２のエミッタ電極に接続される。
【００４８】
また、前記トランジスタＴｒ１のエミッタ電極とトランジスタＴｒ２のコレクタ電極は前記コンデンサＣ２の正の端子及びトランジスタＴｒ３のコレクタ電極に接続される。なお、該トランジスタＴｒ３のエミッタ−コレクタ電極間には、ダイオードＤ１が接続される。
【００４９】
さらに、前記トランジスタＴｒ３のエミッタ電極にはコンデンサＣ１の正の端子が接続される。このように、該コンデンサＣ１は、前記トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３及びダイオードＤ１を介して、前記バッテリＢｔに並列に接続される。
【００５０】
ここで、前記バッテリＢｔは前記バッテリ１２と同様のものであり、前記コンデンサＣ１及びＣ２は電気二重層コンデンサのように単位体積当たりの容量が大きく、低抵抗で出力密度が高い大容量のものであることが望ましい。なお、前記コンデンサＣ１及びＣ２の容量は占有する体積とのバランスを考慮して適宜決定することができるが、例えば、９〔Ｆ〕以上であることが望ましい。
【００５１】
また、前記コンデンサＣ１及びＣ２は、それぞれ、複数のコンデンサを直列に接続したものであってもよい。この場合、それぞれのコンデンサの耐圧を低く設定することができる。
【００５２】
そして、前記蓄電手段１２’の正の端子には前記コンデンサＣ２の正の端子と前記トランジスタＴｒ３のコレクタ電極とが接続されており、前記蓄電手段１２’の負の端子には前記バッテリＢｔの負の電極と前記コンデンサＣ１の負の電極とが接続されている。
【００５３】
このような構成の蓄電手段１２’においては、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３をスイッチングすることによって、バッテリＢｔ並びにコンデンサＣ１及びＣ２からの出力電流を制御するとともに、バッテリＢｔ並びにコンデンサＣ１及びＣ２への充電電流も制御するようになっている。
【００５４】
次に、図１において、１３は負荷としての駆動制御装置であるインバータであり、前記燃料電池１１又はバッテリ１２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータとしてのモータ１４に供給する。ここで、該モータ１４は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記モータ１４は車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、後述されるように、前記回生電流がバッテリ１２に供給されて該バッテリ１２が充電される。
【００５５】
また、１５はバッテリ充電制御回路であり、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）１５ａとサイリスタ１５ｂとの並列回路である。ここで、前記ＩＧＢＴ１５ａは２００〔Ａ〕程度の電流を許容するものである。
【００５６】
一方、１６は昇圧制御回路としてのバッテリ放電制御回路であり、前記バッテリ充電制御回路と同様に、昇圧用スイッチング素子としてのＩＧＢＴ１６ａとサイリスタ１６ｂの並列回路である。ここで、前記ＩＧＢＴ１６ａは２００〔Ａ〕程度の電流を許容するものである。
【００５７】
そして、１７は２００〔Ａ〕程度の電流を許容するリアクトルであり、前記バッテリ放電制御回路１６と共に昇圧回路を構成し、前記バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
【００５８】
ここで、前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａは所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオン−オフされる。前記ＩＧＢＴ１６ａをオンにした時には、前記バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにした時には、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ１２の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧された前記バッテリ１２の出力電圧は前記スイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ前記燃料電池１１の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
【００５９】
また、前記バッテリ放電制御回路１６におけるサイリスタ１６ｂは、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにした時に該ＩＧＢＴ１６ａのエミッタとコレクタとの間に発生する逆起電力によって、該エミッタとコレクタとの間の絶縁が破壊されることを防止する。
【００６０】
そして、１８は回路を流れる電流値を測定する電流センサであり、１９は、負荷又は２次電池からの電流が燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子としてのサイリスタである。
【００６１】
また、２０はハイブリッド回路電子制御ユニットであり、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路１０における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記バッテリ充電制御回路１５及びバッテリ放電制御回路１６の動作を制御する。さらに、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット２１、燃料電池電子制御ユニット２２、イグニッション制御装置２４等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路１０の動作を統括的に制御する。
【００６２】
なお、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
【００６３】
ここで、例えば、本実施の形態においては、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、２つの電流センサ１８との入出力インターフェイス、電圧計測用の２つの入出力インターフェイス、バッテリ充電制御回路１５用の入出力インターフェイス、バッテリ放電制御回路１６用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット２１用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット２２用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置２４用の入出力インターフェイスを備える。また、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、電源としての電源バッテリ２３に接続される電源インターフェイスも備える。
【００６４】
次に、車両用電子制御ユニット２１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。なお、前記アクセル開度は、一般的な車両においてはアクセルペダル（スロットルペダル）の踏み込み度合いによって検出されるが、車両の出力や速度を制御する手段として、アクセルペダルに代えて回転式のアクセルグリップ、ジョイスティック、バーハンドル、回転ダイアル等のアクセルコントローラが使用されている場合には、これらアクセルコントローラの移動の度合いによって検出される。
【００６５】
また、燃料電池電子制御ユニット２２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池１１に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源３２、燃料圧力調整弁２６、燃料供給電磁弁２７及び燃料排出電磁弁２８の動作を制御する。さらに、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、図３に示される燃料電池１１に燃料及び酸化剤を供給する装置の動作を統括的に制御する。
【００６６】
そして、前記電源バッテリ２３は、充電によって放電を繰り返すことができる鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のバッテリから成り、１２〔Ｖ〕の直流電流を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に供給する。なお、前記電源バッテリ２３は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
【００６７】
また、前記イグニッション制御装置２４は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０やその他の装置に伝達する。
【００６８】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【００６９】
図５は本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図５において、横軸に電流Ｉを、縦軸に電圧Ｖ及び電力ｋＷを採ってある。
【００７０】
図５において、４１は燃料電池１１（図１）の電圧−電流特性を示す曲線である。前記燃料電池１１の電圧−電流特性を示す曲線４１は、通常のＰＥＭ型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。そして、電流値Ａまでは傾斜が緩やかであるが、前記電流値Ａに対応する点Ｂを変曲点として傾斜が急になる。なお、これに対応する前記燃料電池１１の電力特性は曲線４５で示される。
【００７１】
このことから、前記燃料電池１１は、電流値Ａの近傍までの範囲で使用するのが効率的であることが分かる。なお、前述されたように、前記燃料電池１１は出力インピーダンスがほぼ０の電源である。
【００７２】
一方、バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３は、通常のバッテリの場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がりの直線状であり、電流値Ａを超えても何ら変化しない。しかも、その傾斜角度は電流値Ａまでの前記曲線４１の傾斜角度とほぼ等しい。
【００７３】
したがって、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電流、すなわち、要求電流の値が電流値Ａまでの範囲においては、前記燃料電池１１だけから電流を供給し、要求電流の値が電流値Ａの近傍以上の範囲においては、前記燃料電池１１からの電流に加えて、前記バッテリ１２からも電流を供給するようにすればよいことが分かる。そして、前記バッテリ１２の開放端子電圧は、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける前記燃料電池１１の端子電圧とほぼ等しいことから、要求電流の値が電流値Ａの近傍までの範囲においては、前記バッテリ１２から電流が供給されることはない。
【００７４】
ただし、前記バッテリ１２の出力電圧を昇圧回路によって前記燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧すると、前記バッテリ１２からも積極的に電流が供給される。
【００７５】
そして、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける前記燃料電池１１の端子電圧が、前記バッテリ１２の開放電圧とほぼ等しいことから、電流値Ａをわずかに超えた範囲ではバッテリ１２からも電流が供給される。しかし、前記バッテリ１２からも電流が供給されると、該バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３から分かるように、前記バッテリ１２の端子電圧が低下していくことから、その電流値がさほど上昇することはない。
【００７６】
しかし、昇圧回路によって前記バッテリ１２の出力電圧を前記燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧させて、前記燃料電池１１及びバッテリ１２からの電流を併せた場合には、電圧−電流特性を示す曲線４２なり、全体として電流が増大すると共に電圧が低下していく右下がりの直線状となる。そして、これに対応する電力特性は曲線４４で示される。
【００７７】
ここで、例えば、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電力、すなわち、要求電力がＣであるとすると、電力特性を示す曲線４４上の点Ｄに対応する。そして、該点Ｄに対応する電圧−電流特性を示す曲線４２上の点はＥであり、これに対応する電流値はＦであることが分かる。したがって、この場合には、前記燃料電池１１は電流値Ａの電流を供給し、前記バッテリ１２は電流値（Ｆ−Ａ）の電流を供給すればよいことが分かる。
【００７８】
本実施の形態においては、ハイブリッド回路電子制御ユニット２０の記憶手段には、図５に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット２１から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ１４に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力に対応する要求電流の値が、図５に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて見い出される。
【００７９】
一方、車両の走行モードが判定され、該走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、前記燃料電池１１及びバッテリ１２からの出力電流を制御するような場合にも、図５に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて出力電流を制御する。
【００８０】
そこで、ここでは、図５に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいた燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
【００８１】
まず、要求電流の値が図５における電流値Ａ以下の場合であり、前記燃料電池１１だけから電流を供給する場合には、前記バッテリ充電制御回路１５及びバッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１５ａ、１６ａをオフの状態とする。
【００８２】
この場合、前記燃料電池１１には燃料である水素ガス及び酸化剤である空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、前記燃料電池１１からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、前記燃料電池１１の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、前記燃料電池１１から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、電流値Ａ以下であるか否かを前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって、常時検出される。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時検出される。
【００８３】
次に、要求電流の値、又は前記電流センサ１８によって測定された電流の値が前記電流値Ａ以上となった場合、例えば、図５における電流値Ｆとなった場合に、前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａをオフの状態のままとすると、前述されたように、前記バッテリ１２からの電流値はあまり上昇することはない。
【００８４】
ここで、前記バッテリ１２からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａを所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオン−オフする。前記ＩＧＢＴ１６ａをオンにした時には、前記バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにした時には、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ１２の出力電圧に加算され、その合計が前記燃料電池１１の出力電圧とほぼ等しくなる。これは、図５における曲線４３上の点Ｇが、上方にシフトされて曲線４２上の点Ｅに移動したことに対応する。
【００８５】
そして、該点Ｅに対応する電圧値であり、電流値（Ｆ−Ａ）である電流が前記バッテリ１２からインバータ１３を介してモータ１４に供給される。なお、前記バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によってチェックされる。
【００８６】
次に、前記バッテリ１２のＳＯＣ（ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ：残存容量）が低下したことから、前記バッテリ１２を充電する場合の燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
【００８７】
まず、車両の減速運転時に前記モータ１４が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ１３によって直流の回生電流に変換される。この時、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記バッテリ充電制御回路１５におけるＩＧＢＴ１５ａをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記ＩＧＢＴ１５ａを通って前記バッテリ１２に供給されるので、該バッテリ１２は充電される。
【００８８】
なお、前記回生電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記ＩＧＢＴ１５ａはオフにされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記ＩＧＢＴ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、前記ＩＧＢＴ１５ａを流れる電流の値を制御する。
【００８９】
したがって、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
【００９０】
また、前記バッテリ１２のＳＯＣが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、前記燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。この場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記バッテリ充電制御回路１５におけるＩＧＢＴ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記ＩＧＢＴ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
【００９１】
なお、前記燃料電池１１からの電流の値及び前記バッテリ１２に供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記燃料電池１１から供給される電流の値が前記電流値Ａとなった場合、及び前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記ＩＧＢＴ１５ａはオフにされる。また、前記バッテリ１２に供給される電流の値が過大である場合は、前記ＩＧＢＴ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、前記ＩＧＢＴ１５ａを流れる電流の値を制御する。
【００９２】
したがって、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、前記燃料電池１１に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
【００９３】
次に、図３に示される燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置の動作について説明する。
【００９４】
まず、燃料電池１１の出力が最大となる場合に、どの程度の圧力で水素ガスを燃料電池１１に供給すればよいのかを決定する。この場合、供給される水素ガスの量が、燃料電池１１の出力が最大となるために必要な水素ガスの量よりも少なくなると、燃料電池１１を構成する部材中のカーボン等が反応を起こしてしまい燃料電池１１自体が焼損してしてしまう。そのため、前記部材中のカーボン等が反応を起こすことがない程度に十分な量の水素ガスを燃料電池１１に供給する必要がある。そして、各種実験の結果、本実施の形態におけるような燃料電池１１の場合、該燃料電池１１の図示されない燃料極（水素極）の複数の溝内に供給される水素ガスの圧力を０．５［ｋｇｆ／ｃｍ²］以上となるように保持していれば、部材中のカーボン等が反応を起こすことがない程度に十分な量の水素ガスがに供給されていることが明らかとなっている。
【００９５】
そこで、本実施の形態においては、燃料電池１１の出力が最大となる場合に、前記燃料極の複数の溝内に供給される水素ガスの圧力が０．５［ｋｇｆ／ｃｍ²］以上となるような量の水素ガスを燃料電池１１に供給した時に燃料供給管路３３内を流通する水素ガスの圧力を、あらかじめ実験、シュミレーション等に基づいて設定しておく。そして、燃料貯蔵手段３１から燃料供給管路３３内を通って流れる水素ガスの燃料圧力調整弁２６の出口における圧力が、前記設定された圧力となるように、前記燃料圧力調整弁２６は設定される。なお、前記燃料極の複数の溝内に供給される水素ガスの圧力が高過ぎる場合には、電解質膜等に損傷を与える恐れがあるので、前記設定された圧力は高くなり過ぎないように設定されることが望ましい。
【００９６】
本実施の形態においては、燃料圧力調整弁２６の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料圧力調整弁２６は車両の運転中は調整されることがなく、そのままの状態が保持される。
【００９７】
また、酸化剤供給源３２は常に一定の量の空気を燃料電池１１の空気極に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００９８】
次に、燃料電池１１を起動させる場合、まず、燃料排出電磁弁２８をオンして流路を開き、燃料電池１１内に残留する水素ガス又は進入した空気等が燃料排出管路３４を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁２７をオンして燃料貯蔵手段３１からの水素ガスが燃料供給管路３３を通って燃料電池１１に供給されるようにする。この時、燃料排出電磁弁２８がオンとなって流路が開いているので、前記燃料極の複数の溝内の圧力が衝撃的に上昇することがなく、電解質膜等に損傷を与える恐れがない。また、燃料電池１１内に残留する水素ガス又は進入した空気等が供給された水素ガスによってパージされる（特開平１１−３１７２３６号公報参照）。
【００９９】
その後、燃料電池１１が定常運転になると、燃料排出電磁弁２８は間欠的にオン−オフを繰り返す。例えば、２秒間オンした後５８秒間オフするというサイクルを繰り返す。一方、燃料供給電磁弁２７はオンの状態を維持する。
【０１００】
このように、本実施の形態においては、燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力が、燃料電池１１の出力が最大となるために必要な水素ガスの量に対応する圧力に設定される。したがって、燃料電池１１に供給される水素ガスの量が適切になるように制御することができ、燃料電池１１自体が損傷することなく、かつ、燃料電池１１からの電流が安定して出力される。
【０１０１】
また、水素ガスの量を燃料供給電磁弁２７及び燃料排出電磁弁２８をオン−オフするだけで制御するので、燃料電池装置の構成が簡素化でき、コストを低くすることができる。
【０１０２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、前記第１の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【０１０３】
図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池に水素ガスを供給する装置の動作を示すフローチャートである。
【０１０４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と相違する点は、燃料電池１１に水素ガスを供給する装置の動作だけである。まず、車両用電子制御ユニット２１は、運転者が踏み込んだ車両のアクセルの開度、すなわち、アクセル開度、及び、車両速度を検出して、ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に送信する。すると、該ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記アクセル開度及び車両速度に基づいて、モータ１４の発生すべき出力、すなわち、車両要求出力を算出（ステップＳ１）する。
【０１０５】
次に、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記車両要求出力に対応する電力、すなわち、要求電力を算出し、該要求電力を出力する場合に最適な燃料電池１１の出力、すなわち燃料電池要求出力、及びバッテリ１２の出力を算出（ステップＳ２）して、前記燃料電池要求出力を燃料電池電子制御ユニット２２に送信する。
【０１０６】
次に、該燃料電池電子制御ユニット２２は、燃料電池要求出力−水素ガス消費量マップに基づいて、前記燃料電池要求出力に対応する、燃料電池１１が消費する水素ガスの量、すなわち、水素ガス消費量を算出（ステップＳ３）する。なお、前記燃料電池要求出力−水素ガス消費量マップは、燃料電池１１を使用した実験、シュミレーション等によってあらかじめ作成され、前記燃料電池電子制御ユニット２２の記憶手段に格納されている。
【０１０７】
次に、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、前記水素ガス消費量に基づいて、燃料供給管路３３を通って燃料電池１１に供給される水素ガスの量、すなわち、水素流量を算出する。続いて、水素流量−水素圧力マップに基づいて、前記水素流量に対応する水素ガスの圧力、すなわち、水素圧力を算出（ステップＳ４）する。なお、前記水素流量−水素圧力マップは、図３に示される燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置に基づいて、実験、シュミレーション等によってあらかじめ作成され、前記燃料電池電子制御ユニット２２の記憶手段に格納（ステップＳ８）されている。
【０１０８】
次に、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、水素圧力−燃料圧力調整弁指令値マップに基づいて、前記水素圧力に対応する燃料圧力調整弁指令値を算出（ステップＳ５）する。なお、前記水素圧力−燃料圧力調整弁指令値マップは、図３に示される燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置に基づいて、実験、シュミレーション等によってあらかじめ作成され、前記燃料電池電子制御ユニット２２の記憶手段に格納（ステップＳ９）されている。
【０１０９】
次に、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、前記燃料圧力調整弁指令値を燃料圧力調整弁２６に送信（ステップＳ６）して、該燃料圧力調整弁２６の出口から流出する水素ガスの圧力が前記水素圧力となるようにアクチュエータを作動させる。最後に、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に出力許可信号を送信（ステップＳ７）する。
【０１１０】
なお、本実施の形態において、燃料貯蔵手段３１は、前記第１の実施の形態と同様に、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものであるので、実質的に、出力許可信号が送信されないことがない。また、燃料供給電磁弁２７及び燃料排出電磁弁２８は水素ガスの圧力の調整のために使用されることがなく、前記燃料供給電磁弁２７は燃料電池１１の運転中はオンの状態を維持する。
【０１１１】
このように、本実施の形態においては、車両の運転者が踏み込んだ車両のアクセルの開度及び車両速度に対応した圧力の水素ガスを燃料電池１１に供給するようになっている。
【０１１２】
したがって、燃料電池１１には、常に必要かつ十分な量の水素ガスが供給されるので、燃料電池１１自体が損傷することなく、かつ、燃料電池１１からの電流が安定して出力されるだけでなく、燃料電池１１の燃費を向上させることができるので、燃料電池装置全体の経済性が向上する。
【０１１３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、前記第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【０１１４】
図７は本発明の第３の実施の形態における燃料電池に燃料及び酸化剤を供給する装置を示す図、図８は本発明の第３の実施の形態における燃料電池に水素ガスを供給する装置の動作を示すフローチャートである。
【０１１５】
本実施の形態が前記第１及び第２の実施の形態と相違する点は、燃料電池１１に水素ガスを供給する装置における燃料供給管路３３に圧力センサ２９が配設される点及び前記燃料電池１１に水素ガスを供給する装置の動作だけである。そして、前記圧力センサ２９は、燃料電池電子制御ユニット２２に通信可能に接続され、前記燃料供給管路３３内を流れる水素ガスの圧力検出信号を前記燃料電池電子制御ユニット２２に送信する。なお、前記圧力センサ２９は、燃料電池１１の内部、燃料排出管路３４等に配設されるようにしてもよい。
【０１１６】
ここで、本実施の形態における燃料電池１１に水素ガスを供給する装置の動作を説明するが、水素流量−水素圧力マップに基づいて、水素流量に対応する水素圧力を算出（ステップＳ４）するまでの動作、すなわち、ステップＳ１〜Ｓ４及びＳ８の動作は、前記第２の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。
【０１１７】
次に、燃料電池電子制御ユニット２２は、圧力センサ２９から送信された圧力検出信号に基づいて、燃料供給管路３３内を流れる水素ガスの圧力（動圧）、すなわち、検出圧力を算出（ステップＳ１１）する。続いて、ステップＳ４で算出した水素圧力とステップＳ１１で算出した検出圧力とを比較して、前記水素圧力と検出圧力の差分に基づいた燃料圧力調整弁指令値を燃料圧力調整弁２６に送信（ステップＳ１２）して、該燃料圧力調整弁２６の出口から流出する水素ガスの圧力が前記水素圧力となるようにアクチュエータを作動させる。
【０１１８】
最後に、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、前記第２の実施の形態と同様に、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に出力許可信号を送信（ステップＳ７）する。
【０１１９】
このように、本実施の形態においては、圧力センサ２９を使用して燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力を検出し、該圧力が車両の運転者が踏み込んだ車両のアクセルの開度及び車両速度に対応した圧力となるように燃料圧力調整弁２６を調整するようになっている。
【０１２０】
したがって、燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力制御の精度が向上し、燃料電池１１には、常に適切な圧力の水素ガスが供給される。
【０１２１】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、前記第１〜３の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【０１２２】
図９は本発明の第４の実施の形態における燃料圧力調整弁の制御を示すフローチャートである。
【０１２３】
本実施の形態が前記第３の実施の形態と相違する点は、燃料圧力調整弁２６の制御だけである。
【０１２４】
ここで、本実施の形態における燃料圧力調整弁２６の制御動作を説明するが、圧力センサ２９から送信された圧力検出信号に基づいて、燃料供給管路３３内を流れる水素ガスの圧力、すなわち、検出圧力を算出（ステップＳ１１）するまでの動作は、前記第３の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。
【０１２５】
次に、燃料電池電子制御ユニット２２は、前記第３の実施の形態におけるステップＳ４で算出した水素圧力とステップＳ１１で算出した検出圧力とを比較して、前記水素圧力が検出圧力よりも大であるか否かを検討（ステップＳ１５）する。そして、大である場合は、続いて、検出圧力が水素圧力よりも大であるか否かを検討（ステップＳ１６）する。
【０１２６】
ここで、ステップＳ１５において、水素圧力が検出圧力よりも大でない場合は、燃料圧力調整弁２６をオフにして水素ガスの流路を閉鎖する指令を燃料圧力調整弁２６に送信（ステップＳ１７）して、制御を終了する。また、ステップＳ１６において、検出圧力が水素圧力よりも大でない場合は、燃料圧力調整弁２６をオンにして水素ガスの流路を開放する指令を燃料圧力調整弁２６に送信（ステップＳ１８）して、制御を終了する。さらに、ステップＳ１６において、検出圧力が水素圧力よりも大である場合は、そのまま制御を終了する。
【０１２７】
このように、本実施の形態においては、燃料圧力調整弁２６をオン−オフすることによって燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力を調整するようになっている。
【０１２８】
したがって、燃料圧力調整弁２６のアクチュエータの動作制御が簡素化されるので、水素ガスの圧力制御が容易になり、また、燃料圧力調整弁２６の構造をシンプルにすることができる。
【０１２９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１３０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電され、前記燃料電池は、燃料貯蔵手段からの燃料が管路を通って一定の圧力で供給される。
【０１３１】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給される。また、回生電流等によって蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がることもない。
【０１３２】
さらに、燃料電池に供給される燃料の圧力が適切になり、燃料電池自体が損傷することなく、かつ、燃料電池からの電流が安定して出力される。
【０１３３】
他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記燃料供給装置は、燃料貯蔵手段と、前記燃料電池に接続された管路と、該管路に配設された弁手段とを備え、前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
【０１３４】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がない。また、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。さらに、燃料電池に供給される燃料の圧力が適切になり、燃料電池自体が損傷することなく、かつ、燃料電池からの電流が安定して出力される。
【０１３５】
更に他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記燃料供給装置は、燃料貯蔵手段と、前記燃料電池に接続された管路と、該管路に配設された弁手段とを備え、前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
【０１３６】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の出力電圧を適切に昇圧できるので、要求電流に対応する電流が蓄電手段から適切に供給される。また、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。さらに、燃料電池に供給される燃料の圧力が適切になり、燃料電池自体が損傷することなく、かつ、燃料電池からの電流が安定して出力される。
【０１３７】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
【０１３８】
この場合、簡単な回路構成でありながら、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
【０１３９】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料の圧力は、前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように供給される。
【０１４０】
この場合、燃料電池の燃料極が損傷することがない。
【０１４１】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路は燃料供給管路と燃料排出管路とを備え、前記燃料供給管路には燃料供給電磁弁が配設され、前記燃料排出管路には燃料排出電磁弁が配設され、前記燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する。
【０１４２】
この場合、装置の構成が簡素化でき、コストを低くすることができる。
【０１４３】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路には燃料圧力調整弁が配設され、該燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する。
【０１４４】
この場合、燃料電池に供給される燃料の圧力制御の精度が向上し、燃料電池の燃費を向上させることができるので、燃料電池装置全体の経済性が向上する。
【０１４５】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記管路には圧力センサが配設され、該圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する。
【０１４６】
この場合、燃料電池に供給される燃料の圧力制御の精度が向上し、燃料電池には、常に適切な圧力の燃料が供給される。
【０１４７】
本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御するとともに前記燃料電池に一定の圧力で供給されるように燃料の流れを制御する。
【０１４８】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。また、蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうこともない。さらに、燃料電池に供給される燃料の圧力が適切になり、燃料電池自体が損傷することなく、かつ、燃料電池からの電流が安定して出力される。
【０１４９】
他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料の圧力が前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように制御する。
【０１５０】
この場合、燃料電池の燃料極が損傷することがない。
【０１５１】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池に接続された管路に配設された燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する。
【０１５２】
この場合、装置の構成が簡素化でき、コストを低くすることができる。
【０１５３】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記管路に配設された燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する。
【０１５４】
この場合、燃料電池に供給される燃料の圧力制御の精度が向上し、燃料電池の燃費を向上させることができるので、燃料電池装置全体の経済性が向上する。
【０１５５】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記管路に配設された圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する。
【０１５６】
この場合、燃料電池に供給される燃料の圧力制御の精度が向上し、燃料電池には、常に適切な圧力の燃料が供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図２】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料電池に燃料及び酸化剤を供給する装置を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態においてバッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する１例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における燃料電池に水素ガスを供給する装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施の形態における燃料電池に燃料及び酸化剤を供給する装置を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における燃料電池に水素ガスを供給する装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第４の実施の形態における燃料圧力調整弁の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１燃料電池
１２’ 蓄電手段
１７リアクトル
３１燃料貯蔵手段
３３燃料供給管路
３４燃料排出管路
２６燃料圧力調整弁
２７燃料供給電磁弁
２８燃料排出電磁弁
２９圧力センサ

Claims

負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、
前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路を、前記負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続し、
前記蓄電手段回路は、前記蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路を含み、
前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には前記昇圧回路によって出力電圧が前記燃料電池よりも高くなるように昇圧されて前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電され、
前記燃料電池は、燃料貯蔵手段からの燃料が管路を通って一定の圧力で供給されることを特徴とする燃料電池装置。
燃料電池と、
該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池の出力端子に直接接続された負荷と、
該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、
前記燃料供給装置は、
燃料貯蔵手段と、
前記燃料電池に接続された管路と、
該管路に配設された弁手段とを備え、
前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、
前記蓄電手段回路は、
前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、
該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、
前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させ、
前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給することを特徴とする燃料電池装置。
負荷に直接接続された燃料電池と、
該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含み、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、
該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、
前記燃料供給装置は、
燃料貯蔵手段と、
前記燃料電池に接続された管路と、
該管路に配設された弁手段とを備え、
前記燃料電池に供給される燃料の圧力が一定となるように前記弁手段を作動させ、
前記蓄電手段回路は、
互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、
該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧用スイッチング素子と前記充電用スイッチング素子とを選択的に作動させ、
前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給することを特徴とする燃料電池装置。
前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記燃料の圧力は、前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように供給される請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記管路は燃料供給管路と燃料排出管路とを備え、前記燃料供給管路には燃料供給電磁弁が配設され、前記燃料排出管路には燃料排出電磁弁が配設され、前記燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記管路には燃料圧力調整弁が配設され、該燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記管路には圧力センサが配設され、該圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
両端子が負荷に直接接続された燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、昇圧回路、充電回路、及び、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路であって、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御し、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池に一定の圧力で供給されるように燃料の流れを制御することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
前記燃料の圧力が前記燃料電池の燃料極の溝内において一定となるように制御する請求項９に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記燃料電池に接続された管路に配設された燃料供給電磁弁及び燃料排出電磁弁をオン−オフさせることによって、燃料の圧力を調整する請求項９又は１０に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記管路に配設された燃料圧力調整弁を作動させることによって、燃料の圧力を調整する請求項９又は１０に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記管路に配設された圧力センサからの信号に基づいて、燃料の圧力を調整する請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。