JP2001102074A - 燃料電池システムおよびこれを搭載した電気自動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】複数の燃料電池スタック６と、これら複数
の燃料電池スタック６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６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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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９
２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２
０、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６
１、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６
１ａ，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，６
７ｂ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６
３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６
１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２
１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１９
ａ，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１
９ａ，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，１９
ｂ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（６
ａ〜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，Ｓ
５，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，Ｓ
２，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〜Ｓ
９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１
９ａ，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１
０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，１９
ｂ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１９
ａ，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（６
ａ）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（６
ａ，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（６
ａ，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，６
ｂ）は直列に接続されているために、一対の出力端子１
９ａ，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，１９
ｂ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

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA13 BA14 MM09 MM26 5H115 PC06 PG04 PI18 PI29 PI30 PU02 PV03 QA01 QA05 QA10 TO21 TO23

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   徴とする、燃料電池システム。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 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、請求
   項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項１ない５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。