JP2002289209A

JP2002289209A - 移動体用燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002289209A
Application number: JP2001088600A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kato; 晴彦加藤; Tomonori Imamura; 朋範今村; Toshiyuki Kawai; 利幸河合; Kunio Okamoto; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池装置の暖機運転をしながら、モータ
に十分な量の電力を供給する。【解決手段】車両停止時においては、バッテリ４の目
標充電量を車両走行時におけるバッテリ４の目標充電量
に比べて大きな値に設定する。これにより、車両が停止
したときには、バッテリ４に走行時より多くの電力が蓄
えられるので、次回、燃料電池装置ｆｃを起動（コール
ドスタート）させたときに、燃料電池装置ｆｃの暖機運
転をしながら、モータ５に十分な量の電力を供給するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により発電する燃料電池を有する移動体用燃料電
池システムに関するもので、電気自動車に適用して有効
である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】炭化水
素系の燃料を改質して水素を生成する改質器では、改質
器の温度を所定温度まで上昇（活性化）させる必要があ
るので、燃料電池装置の起動直後（コールドスタート直
後）から十分な水素（水素リッチガス）を供給すること
が難しい。

【０００３】そこで、特開平９−２３１９９１号公報に
記載の発明では、改質器が活性化するまで（暖機運転が
終了するまで）は、バッテリ（二次電池）で走行用モー
タ（以下、モータと略す。）を駆動し、改質器が活性化
した（暖機運転が終了）後は、主に燃料電池からモータ
に電力を供給している。

【０００４】ところで、電気自動車においては、加速時
には燃料電池（負荷が大きいときには、燃料電池及びバ
ッテリ）から電力をモータに供給し、減速時には回生制
動を行って回生により得られた電力をバッテリに充電し
て加速時に投入したエネルギを回収している。

【０００５】そこで、通常、バッテリの充電量（ＳＯ
Ｃ）が満充電量の約５０％となるようにバッテリの充電
量を制御することにより、暖機運転時及び加速時に必要
な電力量を確保しつつ、減速時に回生（回収）したエネ
ルギをバッテリに蓄える（充電する）ことができるよう
にしている。

【０００６】しかし、前述のごとく、燃料電池装置の起
動直後（コールドスタート直後）においては、燃料電池
装置を暖機運転する必要があるので、バッテリの充電量
（ＳＯＣ）が満充電量の約５０％程度では、燃料電池装
置の暖機運転をしながら、モータに十分な量の電力を供
給することができないおそれがある。

【０００７】本発明は、上記点に鑑み、燃料電池装置の
暖機運転をしながら、モータに十分な量の電力を供給す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、炭化水素系
の燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リッチガス
を製造する水素製造器（２）、及び水素と酸素との化学
反応により発電する燃料電池（１）を有して構成された
燃料電池装置（ｆｃ）と、充放電可能な二次電池（４）
と、燃料電池装置（ｆｃ）及び二次電池（４）のうち少
なくとも一方から電力の供給を受けて稼動する電動モー
タ（５）と、二次電池（４）の充電量を制御する充電量
制御手段（７）とを備える移動体用燃料電池システムで
あって、充電量制御手段（７）は、停止時における二次
電池（４）の目標充電量を、走行時における二次電池
（４）の目標充電量に比べて大きな値に設定することを
特徴とする。

【０００９】これにより、移動体が停止したときには、
二次電池（４）に走行時より多くの電力が蓄えられるの
で、次回、燃料電池装置（ｆｃ）を起動（コールドスタ
ート）させたときに、燃料電池装置（ｆｃ）の暖機運転
をしながら、電動モータ（５）に十分な量の電力を供給
することができる。

【００１０】請求項２に記載の発明では、炭化水素系の
燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リッチガスを
製造する水素製造器（２）、及び水素と酸素との化学反
応により発電する燃料電池（１）を有して構成された燃
料電池装置（ｆｃ）と、充放電可能な二次電池（４）
と、燃料電池装置（ｆｃ）及び二次電池（４）のうち少
なくとも一方から電力の供給を受けて稼動する電動モー
タ（５）と、二次電池（４）の充電量を制御する充電量
制御手段（７）とを備える移動体用燃料電池システムで
あって、充電量制御手段（７）は、停止時における二次
電池（４）の目標充電量を、走行時における二次電池
（４）の目標充電量に比べて大きな値に設定し、二次電
池（４）の充電量が目標充電量となるように燃焼電池装
置（ｆｃ）を稼動させることを特徴とする。

【００１１】これにより、移動体が停止したときには、
二次電池（４）に走行時より多くの電力が蓄えられるの
で、次回、燃料電池装置（ｆｃ）を起動（コールドスタ
ート）させたときに、燃料電池装置（ｆｃ）の暖機運転
をしながら、電動モータ（５）に十分な量の電力を供給
することができる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、充電量制御手
段（７）は、燃料電池装置（ｆｃ）の起動時における外
気温度が低くなるほど、停止時における二次電池（４）
の目標充電量を大きな値に設定することを特徴とする。

【００１３】これにより、暖機運転に必要な時間が長く
なる可能性が高いときであっても、燃料電池装置の暖機
運転をしながら、電動モータ（５）に十分な量の電力を
供給することができる。

【００１４】請求項４に記載の発明では、充電量制御手
段（７）は、燃料電池装置（ｆｃ）の起動時における燃
料電池装置（ｆｃ）の温度が低くなるほど、停止時にお
ける二次電池（４）の目標充電量を大きな値に設定する
ことを特徴とする。

【００１５】これにより、暖機運転に必要な時間が長く
なる可能性が高いときであっても、燃料電池装置の暖機
運転をしながら、電動モータ（５）に十分な量の電力を
供給することができる。

【００１６】なお、請求項５に記載の発明のごとく、燃
料電池装置（ｆｃ）は熱を発生させる発熱器（２ａ）を
有しているときには、発熱器（２ａ）の発熱能力に応じ
て二次電池（４）の目標充電量を設定することが望まし
い。

【００１７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係る移動
体用燃料電池システムを電気自動車に適用したものであ
って、図１は本実施形態に係る移動体用燃料電池システ
ム（電気自動車の走行用動力システム）の模式図であ
る。

【００１９】図１中、１は水素と酸素との化学反応を利
用して電力を発生し、走行用電動モータやバッテリ等の
電気機器に電力を供給する燃料電池（ＦＣスタック）で
あり、この燃料電池１は、図２に示すように、表面に白
金触媒が担持された電解質膜１ａ、供給される空気（酸
素）と水素とを電解質膜１ａ全体に拡がるように拡散さ
せるカーボンクロス（拡散層）１ｂ、各電解質膜１ａを
分離するとともに電極を構成する炭素製のセパレータ１
ｃ、冷却水が流通する冷却水通路１ｄ、空気（酸素）が
流通する空気（酸素）通路１ｅ、及び水素が流通する水
素通路１ｆからなる公知の固体高分子型のもである。

【００２０】図１中、２は水とメタノールとの混合溶液
（以下、この混合溶液をメタノール混合溶液と呼ぶ。）
から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造（生
成）して燃料電池１に水素リッチガスを供給する水素製
造器（水素供給手段）であり、この水素製造器２は、メ
タノール混合溶液を加熱してメタノール混合溶液を蒸発
させる水素製造用燃料蒸発器（燃焼器、発熱器）２ａ、
及び水素製造用燃料蒸発器にて蒸発（気化）したメタノ
ール蒸気と水蒸気とを化学反応させて、水素と二酸化炭
素と少量の一酸化炭素とに改質する水素製造用燃料改質
器（図示せず。）等を有して構成されている。そして、
この水素製造器２及び燃料電池１により燃料電池装置Ｆ
ｃが構成されている。

【００２１】３は燃料電池１に酸素（空気）を供給する
エアポンプ（酸素供給手段）であり、このエアポンプ３
は大気中から空気を吸入して空気（酸素）を燃料電池３
に供給する。

【００２２】４は充放電可能なバッテリ（二次電池）で
あり、このバッテリ３は燃料電池１から供給される電力
及び回生制動時に発生する電力により充電され、後述す
る走行用電動モータ（メインモータ）やその他の電動補
機類（エアポンプ３や後述する制御機器等）に電力を供
給する。

【００２３】５は走行用電動モータ（以下、モータと略
す。）であり、６はモータ５を制御するモータ制御機器
（パワーコントローラ）であり、このモータ制御機器６
は、移動体用燃料電池システム（走行用動力システム）
全体を制御するシステム制御機器（システムコントロー
ラ）７からの制御信号を受けてモータ５に供給する電力
を制御する。

【００２４】また、システム制御機器７には、燃料電池
１（車両）の始動スイッチ７ａから稼動信号、並びに水
素製造器２（水素製造用燃料蒸発器２ａ）周りの空気温
度（外気温度）を検出する外気温センサ７ｂの検出信号
が入力されており、システム制御機器７は、両信号に基
づいてバッテリ４の充電状態を制御する。

【００２５】次に、本実施形態の特徴的作動及びその効
果を述べる。

【００２６】図３（ａ）は車両の走行状態を示すチャー
トであり、図３（ｂ）の実線は、図３（ａ）に示すよう
に車両が走行したときのバッテリ４の充電量（ＳＯＣ）
を示すチャートであり、図３（ｂ）の一転鎖線は目標と
するバッテリ４の充電量（目標ＳＯＣ）であり、図３
（ｃ）はバッテリ４の作動状態を示すものである。

【００２７】なお、図３（ｂ）は充電量はバッテリ４が
満充電状態にあるときを１として受電量を示しており、
図３（ｃ）において正の状態はバッテリ４が放電してい
る状態を示し、負の状態は充電状態にあることを示して
いる。

【００２８】そして、本実施形態では、始動スイッチ７
ａから稼動信号に基づいて車両が停止しているか走行し
ているかを判定し、車両停止時においては、図３（ｂ）
に示すように、バッテリ４の目標充電量を車両走行時に
おけるバッテリ４の目標充電量に比べて大きな値に設定
する。

【００２９】したがって、車両が停止したときには、バ
ッテリ４に走行時より多くの電力が蓄えられるので、次
回、燃料電池装置ｆｃを起動（コールドスタート）させ
たときに、燃料電池装置ｆｃの暖機運転をしながら、モ
ータ５に十分な量の電力を供給することができる。

【００３０】因みに、図４は目標充電量を固定値（一定
値）としたときにおける、図３（ａ）に示すように車両
が走行したときのバッテリ４の充電量（ＳＯＣ）を示す
チャートであり、この図から明らかなように、目標充電
量を固定値（一定値）とすると、車両が停止したときの
充電量が、本実施形態に比べて少ないため、燃料電池装
置の暖機運転をしながら、モータ５に十分な量の電力を
供給することができないおそれがある。

【００３１】なお、本実施形態では、信号待ち等の停車
時は勿論、乗員が降車して完全に車両が停止（駐車）し
た場合もバッテリ４の目標充電量を車両走行時における
バッテリ４の目標充電量に比べて大きな値に設定して充
電を行うので、乗員が降車して完全に車両が停止（駐
車）した場合には、システム制御機器７からの制御信号
を受けて、自動的に燃料電池装置ｆｃが稼動して充電が
行われる。

【００３２】ところで、水素製造器２（水素製造用燃料
蒸発器２ａ）周りの空気温度（外気温度）が低いほど、
水素製造器２（改質器）の温度を所定温度まで上昇（活
性化）させるに必要な時間（暖機運転に必要な時間）が
長くなるので、本実施形態では、外気温度が低くなるほ
ど、停止（駐車）におけるバッテリ４の目標充電量を大
きな値に設定している。

【００３３】したがって、暖機運転に必要な時間が長く
なる可能性が高いときであっても、燃料電池装置の暖機
運転をしながら、モータ５に十分な量の電力を供給する
ことができる。

【００３４】なお、水素製造器２（水素製造用燃料蒸発
器２ａ）周りの空気温度（外気温度）に代えて、水素製
造器２（水素製造用燃料蒸発器２ａ）そのものの温度が
低くなるほど、停止（駐車）におけるバッテリ４の目標
充電量を大きな値に設定しても本実施形態を実施するこ
とができる。

【００３５】また、停止（駐車）におけるバッテリ４の
目標充電量は、水素製造器２（改質器）の温度を所定温
度まで上昇（活性化）させるに必要な時間が長くなるほ
ど大きくする必要があるので、水素製造用燃料蒸発器
（燃焼器、発熱器）２ａの発熱能力が小さいものほど、
停止（駐車）におけるバッテリ４の目標充電量を大きく
することが望ましい。

【００３６】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、燃料電池１に水素を供給する水素供給手段として炭
化水素系の燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リ
ッチガスを製造する水素製造器２を用いたが、本発明は
これに限定されるものでなく、水素供給手段として水素
吸蔵合金を用いた水素タンク等を使用してもよい。

【００３７】また、上述の実施形態では、走行中の目標
充電量は一定値であったが、本発明はこれに限定される
ものではなく、走行中の目標充電量を走行状態に応じて
変化させてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの模
式図である。

【図２】燃料電池の構造図である。

【図３】（ａ）は車両の走行状態を示すグラフであり、
（ｂ）バッテリの充電量（ＳＯＣ）を示すグラフであ
り、（ｃ）はバッテリの作動状態を示すグラフである。

【図４】従来の技術におけるバッテリの充電量（ＳＯ
Ｃ）を示すグラフである。

【符号の説明】

１…燃料電池、２…水素製造器（水素供給手段）、３…
エアポンプ（酸素供給手段）、４…バッテリ、５…モー
タ、６、７…制御機器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河合利幸愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者岡本邦夫愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 DD03 KK41 KK51 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の燃料を改質して水素が多量
に含まれた水素リッチガスを製造する水素製造器
（２）、及び水素と酸素との化学反応により発電する燃
料電池（１）を有して構成された燃料電池装置（ｆｃ）
と、充放電可能な二次電池（４）と、前記燃料電池装置（ｆｃ）及び前記二次電池（４）のう
ち少なくとも一方から電力の供給を受けて稼動する電動
モータ（５）と、前記二次電池（４）の充電量を制御する充電量制御手段
（７）とを備える移動体用燃料電池システムであって、前記充電量制御手段（７）は、停止時における前記二次
電池（４）の目標充電量を、走行時における前記二次電
池（４）の目標充電量に比べて大きな値に設定すること
を特徴とする移動体用燃料電池システム。
【請求項２】炭化水素系の燃料を改質して水素が多量
に含まれた水素リッチガスを製造する水素製造器
（２）、及び水素と酸素との化学反応により発電する燃
料電池（１）を有して構成された燃料電池装置（ｆｃ）
と、充放電可能な二次電池（４）と、前記燃料電池装置（ｆｃ）及び前記二次電池（４）のう
ち少なくとも一方から電力の供給を受けて稼動する電動
モータ（５）と、前記二次電池（４）の充電量を制御する充電量制御手段
（７）とを備える移動体用燃料電池システムであって、前記充電量制御手段（７）は、停止時における前記二次
電池（４）の目標充電量を、走行時における前記二次電
池（４）の目標充電量に比べて大きな値に設定し、前記
二次電池（４）の充電量が前記目標充電量となるように
前記燃焼電池装置（ｆｃ）を稼動させることを特徴とす
る移動体用燃料電池システム。
【請求項３】前記充電量制御手段（７）は、前記燃料
電池装置（ｆｃ）の起動時における外気温度が低くなる
ほど、停止時における前記二次電池（４）の目標充電量
を大きな値に設定することを特徴とする請求項１又は２
に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項４】前記充電量制御手段（７）は、前記燃料
電池装置（ｆｃ）の起動時における前記燃料電池装置
（ｆｃ）の温度が低くなるほど、停止時における前記二
次電池（４）の目標充電量を大きな値に設定することを
特徴とする請求項１又は２に記載の移動体用燃料電池シ
ステム。
【請求項５】前記燃料電池装置（ｆｃ）は熱を発生さ
せる発熱器（２ａ）を有しており、前記充電量制御手段（７）は、前記発熱器（２ａ）の発
熱能力に応じて前記二次電池（４）の目標充電量を設定
することを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体用
燃料電池システム。