JP2002289238A

JP2002289238A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002289238A
Application number: JP2001088601A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kato; 晴彦加藤; Tomohiro Saito; 齋藤　　友宏; Tomonori Imamura; 朋範今村; 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】未反応水素の発生を抑制する。【解決手段】車両が加速状態にあるときは、モータ５
に供給する総電力量のうちバッテリ４からモータ５に供
給する電力量の割合を大きくし、加速状態から減速状態
に移行したとき、又は一定速度走行から減速状態に移行
したときには、モータ５に供給する総電力量のうち燃料
電池１からモータ５に供給する電力量の割合を大きくす
る。これにより、加速時にはモータ５で急増した電力の
多くがバッテリ４から供給されるので、燃料電池１に供
給する水素量を急増させることなく、加速不良が発生す
ることを防止することができる。また、加速状態から減
速状態に移行したとき、又は一定速度走行から減速状態
に移行したときに発生した未反応水素（本来必要とする
水素量以上の水素）を消費して（反応させて）発電する
ことができる。未反応水素が発生することを抑制するこ
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、水素及び酸素から
電力を発生させる燃料電池と電力を蓄えたバッテリとに
よって電動モータを稼動させる燃料電池システムに関す
るものであり、電気自動車の走行用動力システムに適用
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】電気自
動車や電車等の電動モータにて走行する車両において
は、加速時や登坂時等の電動モータに大きな負荷が作用
するときには、大きな電力量を電動モータ（以下、モー
タと略す。）に供給する必要があるが、モータの電源と
して燃料電池を用いるシステムでは、改質器等の燃料電
池に水素を供給する水素供給手段の応答遅れにより、モ
ータにて必要とする電力量が急激に増大しても、これに
呼応して供給する水素量を急激に増大させることが難し
いので、加速初期時に加速不良等の動力不足が発生し易
い。

【０００３】そこで、従来は、燃料電池とバッテリとか
らモータに電力供給することにより、水素供給手段の応
答遅れに起因する加速初期時における動力不足の発生を
防止しているが、この手段では、加速初期時における動
力不足の発生を防止することができるものの、水素供給
手段の応答遅れは解決していないので、例えば加速状態
から減速状態に移行したとき、又は一定速度走行から減
速状態に移行したときには、本来必要とする水素量以上
の水素が燃料電池に供給されてしまい、多量の未反応水
素が発生してしまう。

【０００４】本発明は、上記点に鑑み、未反応水素の発
生を抑制することを目的とする。

【０００５】

【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、水素と酸素
との化学反応により電力を発生させる燃料電池（１）
と、燃料電池（１）に水素を供給する水素供給手段
（２）と、燃料電池（１）に酸素を供給する酸素供給手
段（３）と、電力を蓄えたバッテリ（４）と、燃料電池
（１）及びバッテリ（４）のうち少なくとも一方から電
力の供給を受け、動力を発生させる電動モータ（５）
と、電動モータ（５）の負荷に応じて、燃料電池（１）
から電動モータ（５）に供給する電力量とバッテリ
（４）から電動モータ（５）に供給する電力量とを制御
する電力制御手段（６〜８）とを備えることを特徴とす
る。

【０００６】これにより、電動モータ（５）で必要とす
る電力が急増したときであっても、必要とする電力の多
くをバッテリ（４）から供給することが可能であるの
で、燃料電池（１）に供給する水素量を急増させること
なく、動力不足が発生することを防止することができ
る。

【０００７】したがって、例えば電気自動車に本発明を
適用すれば、加速状態から減速状態又は一定速度走行状
態に移行したときに、本来必要とする水素量以上の水素
が燃料電池に供給されてしまうことを抑制できるので、
多量の未反応水素が発生してしまうことを未然に防止で
きる。

【０００８】ところで、水素供給手段（２）の応答遅れ
を完全に０とすることは困難であるので、例えば電気自
動車に本発明を適用した場合において、加速状態から減
速状態に移行したとき、又は一定速度走行から減速状態
に移行したときに、僅かながらも本来必要とする水素量
以上の水素が燃料電池（１）に供給されてしまう。

【０００９】これに対して、加速状態から減速状態に移
行したとき、又は一定速度走行から減速状態に移行した
ときに、電動モータ（５）に供給される総電力量のうち
燃料電池（１）から電動モータ（５）に供給する電力量
の割合がバッテリ（４）から電動モータ（５）に供給す
る電力量の割合より大きくなるようにするれば、加速状
態から減速状態に移行したとき、又は一定速度走行から
減速状態に移行したときに発生した未反応水素（本来必
要とする水素量以上の水素）を消費して（反応させて）
発電することができる。

【００１０】したがって、加速状態から減速状態に移行
したとき、又は一定速度走行から減速状態に移行したと
きであっても、未反応水素が発生することを抑制するこ
とができる。

【００１１】なお、請求項２に記載の発明のごとく、電
力制御手段（６〜８）は、電動モータ（５）の負荷変動
率が所定値より大きいときには、電動モータ（５）の負
荷変動率が所定値以下のときに比べて、電動モータ
（５）に供給される総電力量のうちバッテリ（４）から
電動モータ（５）に供給する電力量の割合が燃料電池
（１）から電動モータ（５）に供給する電力量の割合よ
り大きくすることが望ましい。

【００１２】また、請求項３に記載の発明のごとく、電
力制御手段（６〜８）は、電動モータ（５）の負荷変動
率が所定値以下のときには、電動モータ（５）の負荷変
動率が所定値より大きいときに比べて、電動モータ
（５）に供給される総電力量のうち燃料電池（１）から
電動モータ（５）に供給する電力量の割合がバッテリ
（４）から電動モータ（５）に供給する電力量の割合よ
り大きくなるようにすることが望ましい。

【００１３】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。

【００１４】

【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係る燃料
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。

【００１５】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。

【００１６】また、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蒸発させる水素製造用燃料蒸
発器（図示せず。）、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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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、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。

【００２０】８は車両運転者が操作するアクセルペダル
の操作量を検出するアクセル操作量検出器（本実施形態
では、アクセルペダルの回転量を検出するエンコーダ）
であり、このアクセル操作量検出器８の検出値は、シス
テム制御機器７に入力される。

【００２１】なお、アクセルペダルとは、車両の走行状
態の操作するために乗員が直接操作する機器であり、通
常、アクセルペダルの操作量の変化量（変化率）が大き
いときは、乗員が車両を加速（登坂時も含む。）させよ
うとしているとき（モータ５の駆動負荷が大きくなって
いるとき）である。

【００２２】次に、本実施形態に係る燃料電池システム
の概略作動及びその特徴を述べる。

【００２３】図３は本実施形態に係る燃料電池システム
の概略作動を示すフローチャートであり、燃料電池１の
始動とともにアクセル操作量検出器８の検出値を読み込
んでアクセル操作量の変化率φを演算（検出）する（Ｓ
１００）。

【００２４】そして、アクセル操作量の変化率φが正の
場合は、車両が加速状態となりモータ５の負荷変動率が
所定値より大きくなったものと見なして、モータ５に供
給する総電力量のうちバッテリ４からモータ５に供給す
る電力量と燃料電池１からモータ５に供給する電力量と
の割合（以下、この割合を電力配分比と呼ぶ。）を配分
比Ａ（詳細は、後述する。）とし、アクセル操作量の変
化率φが０の場合は、車両が一定速度走行状態となりモ
ータ５の負荷変動率が所定値になったものと見なして、
電力配分比を配分比Ｂ（詳細は、後述する。）とし、ア
クセル操作量の変化率φが負の場合は、車両が減速状態
となりモータ５の負荷変動率が所定値未満になったもの
と見なして、電力配分比を配分比Ｃ（詳細は、後述す
る。）とする（Ｓ１１０〜Ｓ１４０）。

【００２５】ここで、配分比Ａ、Ｂ、Ｃとは、図４
（ｂ）に示すように、配分比Ｃから順に配分比Ａに向か
うほど、モータ５に供給する総電力量のうちバッテリ４
からモータ５に供給する電力量の割合が大きくなるよう
に設定された電力配分比であり、本実施形態では、配分
比Ｂ、Ｃでは、燃料電池１からモータ５に供給する電力
量がバッテリ４からモータ５に供給する電力量より大き
くなるように設定されている。

【００２６】このため、本実施形態では、図４（ａ）〜
（ｃ）に示すように、車両が加速状態にあるときは、モ
ータ５に供給する総電力量のうちバッテリ４からモータ
５に供給する電力量の割合が燃料電池１からモータ５に
供給する電力量の割合より大きくなるとともに、モータ
５に供給する総電力量のうちバッテリ４からモータ５に
供給する電力量の割合がその他の状態に比べて最も大き
くなる。

【００２７】したがって、モータ５で急増した電力の多
くがバッテリ４から供給されるので、燃料電池１に供給
する水素量を急増させることなく、加速不良（動力不
足）が発生することを防止することができる。

【００２８】延いては、加速状態から減速状態又は一定
速度走行状態に移行したときに、本来必要とする水素量
以上の水素が燃料電池に供給されてしまうことを抑制で
きるので、多量の未反応水素が発生してしまうことを未
然に防止できる。

【００２９】ところで、加速状態において電力配分比を
配分比Ａとしても、水素製造器２の応答遅れを完全に０
とすることは困難であるので、加速状態から減速状態に
移行したとき、又は一定速度走行から減速状態に移行し
たとき、図４（ａ）に示すように、僅かながらも本来必
要とする水素量以上の水素（ａ、ｂで示される面積に相
当する水素量）が燃料電池１に供給されてしまう。

【００３０】これに対して、本実施形態では、加速状態
から減速状態に移行したとき、又は一定速度走行から減
速状態に移行したときには、モータ５に供給する総電力
量のうち燃料電池１からモータ５に供給する電力量の割
合がバッテリ４からモータ５に供給する電力量の割合よ
り大きくなるとともに、モータ５に供給する総電力量の
うち燃料電池１からモータ５に供給する電力量の割合が
加速状態に比べて大きくするので、加速状態から減速状
態に移行したとき、又は一定速度走行から減速状態に移
行したときに発生した未反応水素（本来必要とする水素
量以上の水素）を消費して（反応させて）発電すること
ができる。

【００３１】したがって、加速状態から減速状態に移行
したとき、又は一定速度走行から減速状態に移行したと
きであっても、未反応水素が発生することを抑制するこ
とができる。

【００３２】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、アクセルペダルの操作量（操作量の変化率φ）基づ
いてモータ５の駆動負荷を検出して電力配分比を決定し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、モータ
５にて必要とする電力等のモータ５の駆動負荷を検出し
て電力配分比を決定してもよい。

【００３３】また、上述の実施形態では、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。

【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】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作
動を示すフローチャートである。

【図４】（ａ）はモータで必要とする電力と時間との関
係を示すグラフであり、（ｂ）は電力配分比と時間との
関係を示すグラフであり、（ｃ）はアクセルペダル野操
作量と時間との関係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)発明者今村朋範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） 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 DD00 DD03 KK51 KK52 MM26 5H115 PA08 PG04 PI16 PI18 PU02 QE10 TO14 TO22 TR19 TU01 TU04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素との化学反応により電力を発
生させる燃料電池（１）と、前記燃料電池（１）に水素を供給する水素供給手段
（２）と、前記燃料電池（１）に酸素を供給する酸素供給手段
（３）と、電力を蓄えたバッテリ（４）と、前記燃料電池（１）及び前記バッテリ（４）のうち少な
くとも一方から電力の供給を受け、動力を発生させる電
動モータ（５）と、前記電動モータ（５）の負荷に応じて、前記燃料電池
（１）から前記電動モータ（５）に供給する電力量と前
記バッテリ（４）から前記電動モータ（５）に供給する
電力量とを制御する電力制御手段（６〜８）とを備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記電力制御手段（６〜８）は、前記電
動モータ（５）の負荷変動率が所定値より大きいときに
は、前記電動モータ（５）の負荷変動率が前記所定値以
下のときに比べて、前記電動モータ（５）に供給される
総電力量のうち前記バッテリ（４）から前記電動モータ
（５）に供給する電力量の割合が前記燃料電池（１）か
ら前記電動モータ（５）に供給する電力量の割合より大
きくなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池システム。
【請求項３】前記電力制御手段（６〜８）は、前記電
動モータ（５）の負荷変動率が所定値以下のときには、
前記電動モータ（５）の負荷変動率が前記所定値より大
きいときに比べて、前記電動モータ（５）に供給される
総電力量のうち前記燃料電池（１）から前記電動モータ
（５）に供給する電力量の割合が前記バッテリ（４）か
ら前記電動モータ（５）に供給する電力量の割合より大
きくなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池システム。