JP2001325977A - ハイブリッド電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池の暖機を早める。 【解決手段】ステップＳ５で、燃料電池の運転を開始で
きる温度Ｔ１に未達ならば、燃料電池の運転開始前に、
ステップＳ７、Ｓ９で、コンデンサ３の電力で冷却水を
加熱して燃料電池２の温度を運転開始可能な温度Ｔ２ま
で昇温させた後、燃料電池２の運転を開始させ、ステッ
プＳ１１で燃料電池の運転開始後は、ステップＳ１３で
燃料電池に高負荷をかけて運転して冷却水を加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、燃料電池
とコンデンサとが並列に接続されたハイブリッド電源装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、家庭用電源や電気自動車用動力源
として注目されている燃料電池は、小電力を短期間にて
充放電可能な電気二重層コンデンサ等が並列に接続され
てハイブリッド電源装置を構成しており、これら燃料電
池とコンデンサの間に電流制限回路を設けて、電流を制
御している（特開平５−１５３２２７号公報や特開平８
−２１４４５２号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池は
常温より高い温度（例えば、５０〜８０℃）で運転する
ことが望ましく、運転温度が低いと出力が低下するた
め、暖機する必要がある。

【０００４】そして、燃料電池は効率が良いために損失
が小さく、燃料電池の運転開始時（暖機時）の無負荷運
転では温度上昇が遅いという問題がある。

【０００５】本発明は、上述の事情に鑑みてなされ、そ
の目的は、発電手段の運転開始時において、早急に運転
温度を上昇できるハイブリッド電源装置を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、目的
を達成するために、本発明のハイブリッド電源装置は、
常温より高い所定温度以上の運転温度で、略要求通りの
電力を負荷に供給する発電手段と、該発電手段に対して
並列に接続されたコンデンサとを備えるハイブリッド電
源装置において、前記発電手段の運転温度が前記所定温
度以上であるか判定する判定手段と、前記判定手段によ
り前記発電手段の運転温度が前記所定温度を下回ると判
定されたときに、該発電手段に負荷をかけて高出力で運
転させると共に、該発電手段により出力される電力を前
記コンデンサに供給するよう制御する制御手段とを具備
する。

【０００７】また、好ましくは、前記制御手段は、前記
発電手段の運転開始時で、該発電手段の運転温度が所定
温度以下のときに、該発電手段に負荷をかけて高出力で
運転させると共に、該発電手段により出力される電力を
前記コンデンサに供給するよう制御する。

【０００８】また、好ましくは、前記制御手段は、前記
発電手段により出力される電力を前記コンデンサに供給
する前に、該コンデンサの蓄電量が所定値以下となるよ
う制御する。

【０００９】また、好ましくは、前記制御手段は、前記
発電手段により出力される電力を前記コンデンサに供給
するときに、該コンデンサの蓄電量を負荷に供給するよ
う制御する。

【００１０】また、好ましくは、前記発電手段は、燃料
電池である。

【００１１】本発明のハイブリッド電源装置は、常温よ
り高い所定温度以上の運転温度で、略要求通りの電力を
負荷に供給する発電手段と、該発電手段に対して並列に
接続されたコンデンサと、該発電手段を外部から昇温す
る昇温手段とを備えるハイブリッド電源装置において、
前記発電手段の運転温度が前記所定温度以上であるか判
定する判定手段と、前記判定手段により前記発電手段の
運転温度が前記所定温度を下回ると判定されたときに、
該発電手段に負荷をかけて高出力で運転させると共に、
該発電手段により出力される電力を前記昇温手段に供給
して該発電手段を昇温させるよう制御する制御手段とを
具備する。

【００１２】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、発電手段の運転温度が所定温度を下回ると判定され
たときに、発電手段に負荷をかけて高出力で運転させる
と共に、発電手段により出力される電力をコンデンサに
供給するよう制御することにより、発電手段を早期に昇
温できる。

【００１３】請求項２の発明によれば、制御手段は、発
電手段の運転開始時で、発電手段の運転温度が所定温度
以下のときに、発電手段に負荷をかけて高出力で運転さ
せると共に、発電手段により出力される電力をコンデン
サに供給するよう制御することにより、発電手段による
冷却水の加熱とコンデンサへの蓄電が同時に行われるの
で、発電手段はコンデンサの電力を利用して急加速時等
の高負荷運転ができると共に、負荷への電力供給に使わ
れたコンデンサの電力を補給することができる。

【００１４】請求項３の発明によれば、制御手段は、発
電手段により出力される電力をコンデンサに供給する前
に、コンデンサの蓄電量が所定値以下となるよう制御す
ることにより、発電手段の運転前に、発電手段の温度を
ある程度高めておき、その後の昇温効率を向上させるこ
とができる。

【００１５】請求項４の発明によれば、制御手段は、発
電手段により出力される電力をコンデンサに供給すると
きに、コンデンサの蓄電量を負荷に供給するよう制御す
ることにより、発電手段とコンデンサの電力を負荷にか
けて昇温を早期に行うと共に、発電手段はコンデンサの
電力を利用して急加速時等の高負荷運転ができる。

【００１６】請求項５の発明によれば、発電手段は、燃
料電池であることにより、燃料電池を早期に昇温でき
る。

【００１７】請求項６の発明によれば、発電手段の運転
温度が所定温度を下回ると判定されたときに、発電手段
に負荷をかけて高出力で運転させると共に、発電手段に
より出力される電力を昇温手段に供給して発電手段を昇
温させるよう制御することにより、発電手段を早期に昇
温できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。 ［電源装置の全体構成］図１は、本実施形態のハイブリ
ッド電源装置を示すブロック図である。図２は、スイッ
チ回路の詳細図である。図３は、図１の燃料電池のシス
テム構成図である。

【００１９】図１乃至図３に示すように、本実施形態の
ハイブリッド電源装置は、例えば、電気自動車やハイブ
リッド自動車の動力源として搭載され、左右車輪７、８
を駆動するモータ１と、燃料電池２と、この燃料電池２
に並列に接続されたコンデンサ３と、このコンデンサ３
に直列に接続された電圧変換回路４と、燃料電池２から
出力される電力をコンデンサ３、インバータ５、あるい
はヒータ１９に供給するよう切り替えるスイッチ回路６
とを備え、これら並列に接続された燃料電池２とコンデ
ンサ３とがインバータ５を介してモータ１に接続されて
いる。

【００２０】燃料電池２は常にインバータ５に接続さ
れ、燃料電池２の運転開始によりインバータ５に電力を
供給Ｓ、インバータ５からモータ１に電力を供給する。

【００２１】コンデンサ３は、例えば、複数のキャパシ
タセルからなる電気二重層コンデンサで構成されてい
る。

【００２２】電圧変換回路４は、コントローラ１０によ
り制御され、コンデンサ３の放電により出力される電圧
を適正値に変換する。

【００２３】インバータ５はコントローラ１０により制
御され、燃料電池２及び／又はコンデンサ３からモータ
１に供給する電流値や周波数を調整したり、モータ１に
より回生された電力をコンデンサ３に蓄電するよう調整
する。

【００２４】スイッチ回路６は、燃料電池２及びコンデ
ンサ３とインバータ５との間に接続され、このスイッチ
回路６のスイッチングはコントローラ１０により制御さ
れる。

【００２５】図２に示すように、スイッチ回路６は、ス
イッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３とを備え、スイッチＳＷ
１がオンされると、コンデンサ３とヒータ１９とが直列
に接続され、スイッチＳＷ２がオンされると、燃料電池
２とヒータ１９とが直列に接続され、スイッチＳＷ３が
オンされると、燃料電池２とコンデンサ３とが直列に接
続される。

【００２６】燃料電池２は、例えば、固体高分子燃料電
池であり、常温に近い運転温度（約５０〜８０℃が望ま
しい）で運転が可能であり、高いエネルギ変換効率及び
高い出力効率を達成できる。

【００２７】この固体高分子燃料電池は、水素イオン伝
導性の固体高分子電解質膜を白金触媒を担持したカーボ
ン電極で挟み込んで構成される発電素子、即ち、固体高
分子電解質膜−電極接合体及び各電極面にそれぞれの反
応ガスを供給するためのガス通路を画成すると共に、発
電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した構
造を有する。そして、一方の電極に水素ガス、即ち燃料
ガスを供給し、他方の電極に酸素あるいは空気、即ち酸
化剤ガスを供給して、反応ガスの酸化還元反応にかかる
化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出できるよう
になっている。

【００２８】つまり、アノード側で水素ガスがイオン化
して固体高分子電解質膜中を移動し、電子は外部負荷を
通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成す
る一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すこ
とができる。固体高分子電解質膜中を水素イオンは水分
子を伴い移動するため固体高分子電解質膜が乾燥してし
まうと、イオン伝導率が低下し、エネルギ変換効率が低
下してしまう。このため、良好なイオン伝導を保つため
に固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。

【００２９】図３は、本実施形態の燃料電池のシステム
構成図である。

【００３０】図３に示すように、固体高分子燃料電池２
は、燃料ガスとしての水素が供給管３３を介して供給さ
れる。また、酸化剤ガスとしての空気が供給管３４を介
して燃料電池２のそれぞれのカソード側に供給される。
これらの水素及び空気の圧力を制御するためのレギュレ
ータ３５、３６がそれぞれ設けられると共に、供給圧力
を計測する圧力計３７、３８が設けられる。

【００３１】また、それぞれの供給管３３、３４には、
供給ガスを加湿するために水素加湿器３９及び空気加湿
器４０が設けられ、所定量の水分を同伴した状態で燃料
電池２に供給されるよう構成されている。

【００３２】また、燃料電池２からの空気及び水素排出
管３１、３２には、それぞれ流量調整バルブ４３、４４
が設けられている。

【００３３】更に、燃料電池２には、燃料電池の温度を
外部から制御して、適正な運転温度に保持するための温
度制御機構が設けられている。

【００３４】温度制御機構は、冷却水を燃料電池２に循
環させる冷却水通路１５と、燃料電池２の熱を吸収した
冷却水を冷却する熱交換器１６と、冷却水を貯蔵する冷
却水タンク１７と、冷却水を冷却水通路１５内に循環さ
せる冷却水循環ポンプ１８と、冷却水通路１５内の冷却
水を加熱して燃料電池２に循環させる熱電対からなるヒ
ータ１９と、冷却水温度を検出する水温センサ２１とか
ら構成される。

【００３５】ヒータ１９の一端は、制御回路２０を介し
てコンデンサ３に接続され、他端は制御回路２０を介し
てスイッチ回路６に接続されており、スイッチ回路６の
スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン／オフにより燃料電池２
及び／又はコンデンサ３から電力が供給されて冷却水を
加熱する。

【００３６】制御回路２０は、コントローラ１０によっ
て制御され、ヒータ１９へ供給される電圧値を調整す
る。

【００３７】コントローラ１０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡ
Ｍ、インターフェース回路等からなり、電気自動車が定
常走行している低負荷時には燃料電池２からモータ１に
電力を供給し、加速している高負荷時には燃料電池２及
びコンデンサ３からモータ１に電力を供給し、減速時に
はモータ１を回生させて、回生電流をコンデンサ３に充
電するように電圧変換回路４、インバータ５及びスイッ
チ回路６を制御しながら、モータ１の出力トルクや回転
数等を制御する。

【００３８】また、コントローラ１０は、図示しない主
電源がオンされて燃料電池２が運転を開始する前に、水
温センサ２１の検出信号から燃料電池２の運転温度を推
定し、燃料電池２の温度が所望の運転温度（約５０〜８
０℃）以下ならば、燃料電池２を早急に運転温度まで昇
温すべく、燃料電池２に負荷をかけて高出力で運転する
と共に、この燃料電池２により出力される電力をコンデ
ンサ３に供給するようスイッチ回路６を制御する。

【００３９】更に、コントローラ１０は、燃料電池２に
より出力される電力をコンデンサ３に供給する前に、コ
ンデンサ３に蓄積された電力をヒータ１９に供給して放
電させ、コンデンサ３の電力が所定値以下となるようス
イッチ回路６を制御する。 ［ハイブリッド電源装置の温度制御］図４は、本実施形
態のハイブリッド電源装置の温度制御を示すフローチャ
ートである。

【００４０】図４に示すように、ステップＳ１で主電源
がオンされると、コントローラ１０が処理を開始すると
共に、冷却水ポンプ１８が駆動される。

【００４１】ステップＳ３では水温センサ２１の検出信
号を読み込み、ステップＳ５では、冷却水温度Ｔが所定
水温Ｔ１以上か判定する。所定水温Ｔ１は、燃料電池２
を運転させても昇温に時間がかかる温度に設定される。

【００４２】ステップＳ５で所定水温Ｔ１以上ならば
（ステップＳ５でＹＥＳ）、ステップＳ９に進み、ステ
ップＳ５で所定水温Ｔ１未満ならば（ステップＳ５でＮ
Ｏ）、燃料電池２は未だ運転できる温度に達していない
と判定してステップＳ７に進んで、スイッチ回路６のス
イッチＳＷ１をオンする（スイッチＳＷ２、ＳＷ３はオ
フ）。スイッチＳＷ１がオンされると、コンデンサ３に
蓄積された電力がヒータ１９に供給されて冷却水を加熱
する。このとき、コンデンサ３は、その蓄電量が所定値
以下、あるいはゼロになるまで放電させる。

【００４３】ステップＳ９では、冷却水温度Ｔが所定水
温Ｔ２以上か判定する。所定水温Ｔ２は、燃料電池２の
運転を開始することにより昇温に効果がある温度に設定
される。

【００４４】ステップＳ９で所定水温Ｔ２以上ならば
（ステップＳ９でＹＥＳ）、燃料電池２を運転できる温
度に達したので、起動ステップＳ１１に進んで、燃料電
池２の運転を開始させる。また、ステップＳ９で所定水
温Ｔ２未満ならば（ステップＳ９でＮＯ）、燃料電池２
は未だ運転を開始できる温度に達していないと判定し
て、ステップＳ７にリターンして運転を開始できる温度
に達するまで、冷却水の加熱を続ける。

【００４５】ステップＳ１３では、スイッチ回路６のス
イッチＳＷ２をオンする（スイッチＳＷ１はオン、ＳＷ
３はオフ）。スイッチＳＷ２がオンされると、燃料電池
２により出力される電力がヒータ１９に供給されて冷却
水を加熱すると共に、コンデンサ３に電荷が蓄積され
る。ステップＳ１３では、燃料電池２にはヒータ１９が
負荷としてかけられているので、無負荷状態よりも高出
力で運転されて、昇温効果が高められ、燃料電池２の暖
機の短縮化が図られている。尚、所定温度Ｔ１で燃料電
池の運転を開始させてもよい。

【００４６】ステップＳ１５では、冷却水温度Ｔが所定
水温Ｔ３以上か判定する。所定水温Ｔ３は、燃料電池２
を通常運転してもよい温度に設定される。

【００４７】ステップＳ１５で所定水温Ｔ３以上ならば
（ステップＳ１５でＹＥＳ）、ステップＳ１７に進ん
で、スイッチ回路６のスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフす
ると共に、スイッチＳＷ３をオンする。スイッチＳＷ２
がオフされると燃料電池２からヒータ１９への電力供給
が停止され、代わりにスイッチＳＷ３がオンされると燃
料電池２から出力される電力によりコンデンサ３に電荷
が蓄積される。

【００４８】ステップＳ１９では、燃料電池２は通常運
転できる温度に達したので、通常運転を行う。尚、上記
フローにおいて、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３である。

【００４９】上記フローにおいては、燃料電池２の運転
を開始できる温度に未達ならば（ステップＳ５でＮ
Ｏ）、燃料電池２の運転開始前に、コンデンサ３の電力
で冷却水を加熱して燃料電池２の温度を運転開始可能な
温度Ｔ２まで昇温させた後（ステップＳ７、Ｓ９）、燃
料電池２の運転を開始させるので、冷却水を加熱させや
すくして昇温効果を高めることができる。

【００５０】また、燃料電池２の運転開始後は、冷却水
の加熱とコンデンサ３への蓄電が同時に行われるので
（ステップＳ１３）、燃料電池２はコンデンサ３の電力
を利用して急加速時等の高負荷運転ができると共に、ヒ
ータ１９への電力供給に使われたコンデンサ３の電力を
補給することができる。

【００５１】尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲
で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能であ
る。

【００５２】例えば、本実施形態では所定水温Ｔ１、Ｔ
２とを分けて、ステップＳ５、Ｓ９で判定するようにし
たが、ステップＳ９を削除してステップＳ５の判定後、
ステップＳ７とＳ１１とを実行するようにしてもよい。

【００５３】また、モータとエンジンとを併用して走行
するハイブリッド自動車におけるモータ制御にも適用可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のハイブリッド電源装置を示すブロ
ック図である。

【図２】スイッチ回路の詳細図である。

【図３】図１の燃料電池のシステム構成図である。

【図４】本実施形態のハイブリッド電源装置の温度制御
を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ モータ ２ 燃料電池 ３ コンデンサ ４ 電圧変換回路 ５ インバータ ６ スイッチ回路 １０ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水島 善夫 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 定平 誠二 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 竹本 明 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 CC06 DD03 KK41 MM26

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 常温より高い所定温度以上の運転温度
   で、略要求通りの電力を負荷に供給する発電手段と、該
   発電手段に対して並列に接続されたコンデンサとを備え
   るハイブリッド電源装置において、 前記発電手段の運転温度が前記所定温度以上であるか判
   定する判定手段と、 前記判定手段により前記発電手段の運転温度が前記所定
   温度を下回ると判定されたときに、該発電手段に負荷を
   かけて高出力で運転させると共に、該発電手段により出
   力される電力を前記コンデンサに供給するよう制御する
   制御手段とを具備することを特徴とするハイブリッド電
   源装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記発電手段の運転開
   始時で、該発電手段の運転温度が所定温度以下のとき
   に、該発電手段に負荷をかけて高出力で運転させると共
   に、該発電手段により出力される電力を前記コンデンサ
   に供給するよう制御することを特徴とする請求項１に記
   載のハイブリッド電源装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記発電手段により出
   力される電力を前記コンデンサに供給する前に、該コン
   デンサの蓄電量が所定値以下となるよう制御することを
   特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド電源装
   置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、前記発電手段により出
   力される電力を前記コンデンサに供給するときに、該コ
   ンデンサの蓄電量を負荷に供給するよう制御することを
   特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド電源装
   置。
5. 【請求項５】 前記発電手段は、燃料電池であることを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のハイ
   ブリッド電源装置。
6. 【請求項６】 常温より高い所定温度以上の運転温度
   で、略要求通りの電力を負荷に供給する発電手段と、該
   発電手段に対して並列に接続されたコンデンサと、該発
   電手段を外部から昇温する昇温手段とを備えるハイブリ
   ッド電源装置において、 前記発電手段の運転温度が前記所定温度以上であるか判
   定する判定手段と、 前記判定手段により前記発電手段の運転温度が前記所定
   温度を下回ると判定されたときに、該発電手段に負荷を
   かけて高出力で運転させると共に、該発電手段により出
   力される電力を前記昇温手段に供給して該発電手段を昇
   温させるよう制御する制御手段とを具備することを特徴
   とするハイブリッド電源装置。