JP2003187816A

JP2003187816A - 電源装置

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Publication number: JP2003187816A
Application number: JP2001385690A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugiura; 浩杉浦; Tetsuhiro Ishikawa; 哲浩石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-04
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP3719205B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池とキャパシタとを備える電源装置に
おいて、燃料電池システムのエネルギ効率が低下するの
に起因して電源装置全体のエネルギ効率が低下するのを
防止する。【解決手段】電源装置１５は、配線５０に対して並列
に接続される燃料電池システム２２とキャパシタ２４と
２次電池２６とを備える。負荷に電力を供給する配線５
０と燃料電池との間の接続を入り切りするスイッチ２０
が開状態のときに、キャパシタ２４の電圧が第１の基準
電圧よりも小さいときには、スイッチ２０を閉状態とす
る。スイッチ２０が閉状態のときに、キャパシタ２４の
電圧が、第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上
のときには、スイッチ２０を開状態とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池とキャ
パシタとを備える電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池を備える電源装置の利用方法と
しては、例えば、電気自動車の駆動用電源として用いる
方法が提案されている。燃料電池が発電する電力を、電
気自動車の駆動モータに供給することで、車両の駆動力
を得ることができる。特開平９−２９８８０６号公報で
は、このような電源装置として、燃料電池に加えてキャ
パシタを備えるものが開示されている。キャパシタは、
通常の２次電池に比べてパワー密度の高い蓄電手段であ
り、充放電効率も高い蓄電手段である。したがって、キ
ャパシタを備える電源装置を用いると、上記電気自動車
の制動時にモータを回生させることで得られるエネルギ
を効率よく回収することによって、システム全体のエネ
ルギ効率を向上させることが可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池を
備える燃料電池システムは、燃料電池の出力特性によっ
て、低出力時には燃料電池システム全体のエネルギ効率
が大きく低下するという性質を有している。すなわち、
燃料電池システムは、燃料電池に対する燃料供給に関わ
る各種ポンプなどの補機類を備えるが、燃料電池が発電
を行なう際には、その発電量が小さいときほど、発電量
に対する上記補機類の電力消費量の割合が大きくなる。
そのため、低出力時には燃料電池システムのエネルギ効
率が低下する。そこで、上記のようにキャパシタを備え
る電源装置においては、燃料電池システムの効率が低下
する低出力時においても、システム全体のエネルギ効率
を充分に確保する構成が望まれていたが、そのような動
作については、充分な検討がなされていなかった。

【０００４】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、燃料電池とキャパシタとを
備える電源装置において、燃料電池システムのエネルギ
効率が低下するのに起因して電源装置全体のエネルギ効
率が低下するのを防止する技術を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明は、所定の負荷に電力
を供給する電源装置であって、前記負荷に電力を供給す
る配線に対して並列に接続された燃料電池およびキャパ
シタと、前記燃料電池と前記配線との間の接続を入り切
りするスイッチと、前記キャパシタの電圧を検出する電
圧計と、前記スイッチが開状態のときに、前記キャパシ
タの電圧が第１の基準電圧よりも小さいときには、前記
スイッチを閉状態とする指示を出力し、前記スイッチが
閉状態のときに、前記キャパシタの電圧が、前記第１の
基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上のときには、前
記スイッチを開状態とする指示を出力する制御部とを備
えることを要旨とする。

【０００６】本発明の電源装置によれば、キャパシタに
並列に接続された燃料電池が発電を行なう際には、負荷
要求が小さくなるほど、上記キャパシタ電圧が上昇す
る。キャパシタ電圧が上昇して第２の基準電圧よりも高
くなると、所定の負荷に電力を供給する配線と燃料電池
との間の接続を入り切りするスイッチが開状態となる。
これによって、燃料電池は発電を停止し、キャパシタが
負荷に電力を供給するようになる。キャパシタは、放電
によって電圧が低下する。キャパシタが負荷に電力供給
して、その電圧が、第２の基準電圧よりも低い第１の基
準電圧よりも低くなると、上記スイッチが閉状態とな
る。これによって、燃料電池は再び負荷に対して電力供
給を行なうようになる。

【０００７】燃料電池システムは、負荷要求が小さいと
きにはそのシステム効率が低下するという性質を有す
る。そのため、上記基準電圧を、燃料電池システムのシ
ステム効率に応じて設定することによって、効率が低下
する状態では燃料電池の発電を停止することができ、装
置全体のエネルギ効率を向上させることができる。この
ような制御をキャパシタ電圧に基づいて行なう際に、上
記第２の基準電圧を第１の基準電圧よりも高く設定する
ことで、スイッチの入り切りの動作においてハンチング
を防止することができる。

【０００８】このような本発明の電源装置において、前
記配線に対して、前記燃料電池および前記キャパシタと
並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を制御するコ
ンバータと前記コンバータを介して前記配線に接続され
た２次電池と、をさらに備えることとしても良い。

【０００９】本発明は、上記以外の種々の形態で実現可
能であり、例えば、電源装置の運転方法や、電源装置を
備える電気自動車などの形態で実現することが可能であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。Ａ．装置の全体構成：Ｂ．定常運転モードにおける動作：Ｃ．回生運転モードにおける動作：Ｄ．間欠運転モードにおける動作：Ｅ．第２実施例の電気自動車１１０：Ｆ．変形例：

【００１１】Ａ．装置の全体構成：図１は、本発明の第
１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブ
ロック図である。電気自動車１０は、電源装置１５を備
えており、電源装置１５から電力を供給される負荷とし
て、高圧補機４０と、駆動インバータ３０を介して電源
装置１５に接続される駆動モータ３２とを備えている。
これら電源装置１５と負荷との間には、配線５０が設け
られており、この配線５０を介して、電源装置１５と負
荷との間で電力がやり取りされる。

【００１２】電源装置１５は、燃料電池システム２２
と、キャパシタ２４と、２次電池２６とを備えている。
燃料電池システム２２は、後述するように発電の本体で
ある燃料電池を備えている。この燃料電池システム２２
が備える燃料電池とキャパシタ２４とは、上記配線５０
に対して並列に接続されている。この配線５０には、燃
料電池へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード
４２がさらに設けられている。さらに、配線５０には、
この配線５０に対する燃料電池の接続状態を入り切りす
るスイッチ２０が設けられている。また、配線５０は、
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続しており、このＤＣ／
ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０
に接続している。また、このような電源装置１５におけ
る電圧を測定するために、配線５０には、電圧計５２が
さらに設けられている。

【００１３】図２は、燃料電池システム２２の構成の概
略を表わす説明図である。燃料電池システム２２は、燃
料電池６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４とを
備えている。本実施例では、燃料電池６０として、固体
高分子型燃料電池を用いた。燃料ガス供給部６１は、内
部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池
６０に供給する装置である。燃料ガス供給部６１は、例
えば、水素ボンベを備えることとすればよい。あるい
は、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えるこ
ととし、上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによ
って水素を貯蔵することとしても良い。このような燃料
ガス供給部６１が貯蔵する水素ガスは、水素ガス供給路
６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、電気
化学反応に供される。電気化学反応で利用されなかった
残りの水素ガスは、水素ガス排出路６３に排出される。
水素ガス排出路６３は、水素ガス供給路６２に接続して
おり、残余の水素ガスは再び電気化学反応に供される。
また、ブロワ６４が取り込んだ圧縮空気は、酸化ガス供
給路６５によって、酸化ガスとして燃料電池６０のカソ
ードに供給される。燃料電池６０から排出されるカソー
ド排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排
出される。なお、燃料電池システム２２において、水素
ガスあるいは空気を加湿する加湿器を、水素ガス供給路
６２や酸化ガス供給路６５にさらに設けることとしても
良い。

【００１４】２次電池２６としては、鉛蓄電池や、ニッ
ケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチ
ウム２次電池など種々の２次電池を用いることができ
る。この２次電池２６は、燃料電池システム２２の始動
時に、燃料電池システム２２の各部を駆動するための電
力を供給したり、燃料電池システム２２の暖機運転が完
了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。ま
た、燃料電池６０が定常状態で発電を行なうときにも、
負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、２次電池２
６によって電力を補う。

【００１５】また、２次電池２６には、２次電池２６の
残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２
７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２
７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間
とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。ある
いは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに
電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電
池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が
低下するという性質を有しているため、電圧を測定する
ことによって２次電池２６の残存容量を検出することが
できる。

【００１６】ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、目標電圧値
を設定することによって、燃料電池６０からの出力電圧
を調節し、燃料電池６０の発電量を制御する。また、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０と
の接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たして
おり、２次電池２６において充放電を行なう必要のない
ときには、２次電池２６と配線５０との接続を切断す
る。

【００１７】電源装置１５から電力の供給を受ける負荷
の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、
回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。こ
の駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して配線
５０に接続し、電源装置１５から電力の供給を受ける。
駆動インバータ３０は、上記モータの各相に対応してス
イッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジ
スタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６
は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続してい
る。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力
を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝え
る。

【００１８】また、他の負荷である高圧補機４０は、電
源装置１５から供給される電力を、３００Ｖ以上の電圧
のまま利用する装置である。高圧補機４０としては、例
えば、燃料電池６０に空気を供給するためのブロワ６４
（図２参照）や、水素ガス排出路６３と水素ガス供給路
６２との間で水素ガスを循環させるための水素ポンプ
（図示せず）が挙げられる。さらに、燃料電池６０を冷
却するために、燃料電池６０内部に冷却水を循環させる
ための冷却ポンプ（図示せず）も、高圧補機４０に含ま
れる。これらの装置は、燃料電池システム２２に含まれ
る装置であるが、図１においては、電源装置１５の外側
に、高圧補機４０として示した。さらに、高圧補機４０
としては、燃料電池システム２２に含まれるものの他
に、例えば電気自動車１０が備える空調装置（エアコ
ン）が含まれる。

【００１９】また、電気自動車１０は、制御部４８をさ
らに備えている。制御部４８は、マイクロコンピュータ
を中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め
設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実
行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに
必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納された
ＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要
な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種
の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御
部４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、残存
容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、車両の運転
に関して入力される指示信号を取得する。また、ＤＣ／
ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池システム
２２、駆動インバータ３０、高圧補機４０などに駆動信
号を出力する。

【００２０】Ｂ．定常運転モードにおける動作：本実施
例の電気自動車１０では、車両の駆動に要するエネルギ
は主として燃料電池システム２２によって供給される。
ここでは、燃料電池システム２２の暖機運転が完了した
後に、燃料電池６０が、負荷の大きさに応じた電力を発
電するような運転状態を、定常運転モードと呼ぶことと
する。電気自動車１０の運転時には、制御部４８が、車
両における車速やアクセル開度に基づいて、所望の走行
状態を実現するために必要な電力を算出する。電気自動
車１０が定常運転モードとなっているときには、制御部
４８は、上記必要な電力に加えて、高圧補機４０が要求
する電力や、２次電池２６の残存容量にさらに基づい
て、燃料電池６０が出力すべき電力を算出する。図３
に、燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるい
は出力電力との関係を示す。図３に示すように、燃料電
池６０から出力すべき電力Ｐ_FCが定まれば、そのときの
燃料電池６０の出力電流の大きさＩ_FCが定まる。燃料電
池６０の出力特性より、出力電流Ｉ_FCが定まれば、その
ときの燃料電池６０の出力電圧Ｖ_FCが定まる。制御部４
８が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に対して、このように
して求めた出力電圧Ｖ_FCを目標電圧として指令すること
によって、燃料電池６０の発電量が所望量となるように
制御する。なお、図３に示したような、燃料電池６０の
出力電流に対する出力電圧の値、あるいは出力電力の値
は、燃料電池６０の内部温度によって変化する。したが
って、上記のように燃料電池６０の出力電圧（目標電
圧）Ｖ_FCを定めるときには、燃料電池６０の内部温度を
さらに考慮することが望ましい。

【００２１】本実施例の電気自動車１０では、負荷の大
きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量
が充分に大きい場合には、２次電池２６からも負荷に対
して電力が供給される。このような場合には、制御部４
８は、２次電池２６からも電力が供給されることを考慮
して、燃料電池６０が出力すべき電力を決定し、ＤＣ／
ＤＣコンバータ２８における目標電圧を設定する。図３
に示すように、燃料電池６０の出力電圧は、負荷が大き
く出力電流が大きいほど低くなる。また、２次電池２６
は、残存容量が大きいほど、その出力電圧が高くなると
いう性質を有している。そのため、このような場合に
は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧は、２
次電池２６の出力電圧よりも低い値となる。これによっ
て、２次電池２６からも、高圧補機４０あるいは駆動モ
ータ３２に対して電力が供給されるようになる。

【００２２】これに対して、２次電池２６の残存容量が
所定の値以下になると、２次電池２６を充電する必要が
生じる。このとき、負荷の大きさがある程度小さく、燃
料電池６０の出力に余裕がある場合には、燃料電池６０
によって２次電池２６の充電が行なわれる。２次電池２
６の充電を行なう場合には、負荷に対して供給すべき電
力に加えて、この２次電池２６を充電するための電力が
得られるように、燃料電池６０が出力すべき電力が決定
される。すなわち、このような場合には、電源装置１５
を構成する２次電池２６もまた、負荷として働く。２次
電池２６は、残存容量が少ないほど、その出力電圧が低
くなるという性質を有している。そのため、このような
場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８において設定され
る目標電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも高い値と
なる。これによって、燃料電池６０は、高圧補機４０あ
るいは駆動モータ３２に対して電力が供給するほかに、
２次電池２６の充電を行なうようになる。

【００２３】また、本実施例の電気自動車１０では、定
常運転モードとなっているときには、キャパシタ２４も
充放電を繰り返す。既述したように、キャパシタ２４
は、これに残存する電荷量と出力電圧とが１対１に対応
しており、残存する電荷量が多いときほど出力電圧が高
く、少ないときほど出力電圧が低くなる。このようなキ
ャパシタ２４は、図１に示すように、配線５０に対して
燃料電池６０と並列に接続されている。そのため、燃料
電池６０の発電時に負荷の大きさが変動して配線５０に
おける電圧が変動すると、キャパシタ電圧は、配線５０
の電圧と等しくなろうとして充放電を行なう。すなわ
ち、配線５０の電圧が上昇するときには、キャパシタ２
４が燃料電池６０から電力の供給を受けることによっ
て、キャパシタ電圧は配線５０の電圧に等しくなる。ま
た、配線５０の電圧が低下するときには、キャパシタ２
４が燃料電池６０と共に負荷に対して電力を供給するこ
とによって、キャパシタ電圧は配線５０の電圧に等しく
なる。

【００２４】Ｃ．回生運転モードにおける動作：電気自
動車１０では、制動時（車両の走行時に運転者がブレー
キを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３
２を発電機として用いることによって、車軸の有する運
動エネルギを電気エネルギに変換し、これを回収する。
このように、制動時にエネルギを回収する運転状態を、
回生運転モードと呼ぶ。本実施例では、このような回生
運転モードにおいて電力として回収されるエネルギは、
キャパシタ２４によって吸収する。キャパシタ２４は、
上記２次電池２６に比べてパワー密度の高い蓄電手段で
あり、充放電効率も高い蓄電手段である。すなわち、短
時間のうちに充放電可能な電力量が多い。したがって、
車両の運転者がブレーキを踏み込むような短い制動時間
に回生運転モードを実行する際に、キャパシタ２４を用
いることで、回生によって生じた電力を効率よく回収す
ることができる。

【００２５】電気自動車１０において、回生運転モード
となって駆動モータ３２が発電する際には、駆動モータ
３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対し
て電力が供給される。本実施例では、このような回生運
転モード時に駆動モータ３２から配線５０に対して電力
が供給されるときの電圧は、定常運転モード時に燃料電
池６０から電力が供給される際の配線５０の電圧の上限
よりも高くなるように設定されている。そのため、回生
運転モード時には、駆動モータ３２側から配線５０に電
力が供給される際の電圧は、キャパシタ２４の電圧より
も高くなるため、上記電力が供給されることで、キャパ
シタ２４に電荷が蓄積される。このように電荷が蓄積さ
れることによって、キャパシタ２４の電圧は上昇する。

【００２６】上記回生運転モードが終了して、電気自動
車１０において、加速の指示が入力されると、再び燃料
電池６０から駆動モータ３２への電力の供給が開始され
る。このように回生運転モードが終了したときには、回
生時に電荷が蓄積されて定常運転モード時における配線
５０の電圧以上に昇圧しているキャパシタ２４から、駆
動モータ３２に対して直ちに電力が供給される。パワー
密度が高いキャパシタ２４を用いることによって、加速
時における要求の負荷の増加率が高いときにも、駆動モ
ータ３２への供給電力量の増加の反応性を充分に高く確
保することができる。このように、キャパシタ２４が放
電することでその残存電荷量が低下し、キャパシタ２４
の電圧が低下して、キャパシタ２４は、次の回生運転モ
ード時には再び電荷を蓄積可能な状態に戻る。

【００２７】Ｄ．間欠運転モードにおける動作：本実施
例の電気自動車１０では、定常運転モードによる電力供
給を行なうと、燃料電池システム２２のエネルギ効率が
望ましくない程度に低下してしまう場合には、燃料電池
６０による発電を停止する制御を行なう。このような、
負荷に電力を供給する際に燃料電池６０の発電を停止す
る運転状態を、以下、間欠運転モードと呼ぶ。

【００２８】図４は、燃料電池６０の出力の大きさと、
エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図４
（Ａ）は、燃料電池６０の効率および燃料電池補機が要
する動力と、燃料電池６０の出力との関係を示す。燃料
電池補機とは、燃料電池６０による発電を行なうために
用いる補機類のことである。例えば、既述したブロワ６
４や水素ポンプあるいは冷却水ポンプなどがこれに相当
する。図４（Ｂ）は、燃料電池６０の出力と、燃料電池
システム２２全体の効率との関係を示す。図４（Ａ）に
示すように、燃料電池６０の出力が大きくなるほど、燃
料電池６０の効率は次第に低下する。また、燃料電池６
０の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち補機を
駆動するために消費するエネルギが大きくなる。図４
（Ａ）に示した燃料電池６０の効率と補機動力に基づい
て、燃料電池システム２２全体の効率を求めると、図４
（Ｂ）に示すように、システム効率は、燃料電池６０の
出力が所定の値のときに最も高くなる。

【００２９】燃料電池補機の消費電力の大きさは、駆動
モータ３２の消費電力の大きさに比べてはるかに小さ
い。しかしながら、燃料電池６０の出力が小さいときに
は、発電によって得られる電力量に比べて、発電のため
に燃料電池補機が消費する電力量の割合が大きくなる。
そのため、図４（Ｂ）に示すように、燃料電池６０の出
力が小さいときには、燃料電池システム２２全体のエネ
ルギ効率が低くなる。本実施例の電気自動車１０では、
燃料電池システム２２全体の効率が悪くなる低負荷時に
は燃料電池６０を停止するという間欠運転モードを採用
することによって、エネルギ効率が低下するのを防止し
ている。

【００３０】図５は、電気自動車１０が起動されたとき
に制御部４８で実行される間欠運転判断処理ルーチンを
表わすフローチャートである。本ルーチンが実行される
と、制御部４８は、まず、電気自動車１０の運転モード
を判断する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１１
０において定常運転モードと判断すると、次に、電圧計
５２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cを読み込む（ステ
ップＳ１１０）。そして、この電圧値Ｖ_Cと、予め定め
た所定の基準電圧値Ｖ₂とを比較する（ステップＳ１２
０）。なお、基準電圧値Ｖ₂とは、上記間欠運転モード
に切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、
予め制御部４８内に記憶したものである。

【００３１】ステップＳ１２０において、配線５０の電
圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂よりも小さいと判断されると
きには、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が許
容できる程度であると判断され、ステップＳ１１０に戻
る。その後、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以
上となるまで、ステップＳ１１０およびステップＳ１２
０の動作を繰り返す。このとき、電気自動車１０は、定
常運転モードを維持する。

【００３２】ステップＳ１２０において、配線５０の電
圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以上であると判断されると、
制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれ
を開状態とする（ステップＳ１３０）。このようにスイ
ッチ２０を開状態とすると、燃料電池６０の負荷に対す
る接続が切断されるため、燃料電池６０は、発電を停止
する。また、このとき、負荷に対しては、キャパシタ２
４から電力が供給されるようになり、間欠運転モードが
開始される。キャパシタ２４は、既述したようにパワー
密度が高く、充放電効率も高いため、スイッチ２０が切
断されたときには、速やかに負荷が要求する電力を出力
することができる。

【００３３】間欠運転モードになると、再び、電圧計５
２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cの読み込みを行なう
（ステップＳ１４０）。次に、ステップＳ１４０で読み
込んだ電圧値Ｖ_Cと、基準電圧値Ｖ₁とを比較する（ス
テップＳ１５０）。ここで、基準電圧値Ｖ₁とは、間欠
運転モードから通常運転モードに切り替えるか否かの判
断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶
したものであり、既述した基準電圧値Ｖ₂よりも低い値
として設定されている。ステップＳ１５０において、配
線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁よりも大きいとき
には、ステップＳ１４０に戻る。そして、配線５０の電
圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下になるまで、ステップＳ
１４０およびステップＳ１５０の動作を繰り返す。

【００３４】ステップＳ１５０において、配線５０の電
圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下であると判断されると、
制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれ
を閉状態とし（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了
する。このようにスイッチ２０を閉状態とすると、燃料
電池６０は負荷に対して再び接続され、燃料電池６０
は、発電を再開する。これによって、電気自動車１０
は、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わる。
なお、このような切り替えが行なわれるときには、ＤＣ
／ＤＣコンバータ２８において、目標電圧が上記基準電
圧値Ｖ₁に設定される。そのため、上記切り替え時に
は、燃料電池６０の出力電圧値はＶ₁となり、その後、
負荷要求に応じた電力を出力するように、通常の電圧制
御が行なわれる。

【００３５】なお、図５の間欠運転判断処理ルーチンで
は、定常運転モードと間欠運転モードとの間の切り替え
動作について示したが、このような制御を行なっている
ときに制動要求があると（車両ブレーキが踏まれる
と）、回生運転モードになる。このように回生運転モー
ドとなるときには、通常は駆動モータの出力要求はない
ため、負荷要求は極めて小さい状態となっている。した
がって、回生運転モードは、通常は間欠運転モード（ス
イッチ２０が開状態となっているとき）において出現す
る運転状態である。

【００３６】図６は、定常運転モードと間欠運転モード
とが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧
およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。ステ
ップＳ１３０においてスイッチ２０を切断し、定常運転
モードから間欠運転モードに切り替わるときを、図６に
「ＯＦＦ」と記載して示す。また、ステップＳ１６０に
おいてスイッチ２０を接続し、間欠運転モードから定常
運転モードに切り替わるときを、図６に「ＯＮ」と記載
して示した。

【００３７】燃料電池６０とキャパシタ２４とは、配線
５０に対して並列に接続されているため、定常運転モー
ドにおいては、両者の電圧は一致する。したがって、定
常運転モードでは、電圧計５２が検出する電圧は、これ
ら燃料電池６０およびキャパシタ２４の出力電圧であ
る。これに対して、燃料電池６０の発電が停止する間欠
運転モードにおいては、電圧計５２が検出する電圧は、
キャパシタ２４の出力電圧となる。図６に示すように、
間欠運転モード時には燃料電池６０の出力電圧は、定常
運転モード時に比べて高い一定値となるが、この値は、
燃料電池６０の開放電圧である。

【００３８】定常運転モードでは、燃料電池６０および
キャパシタ２４の出力電圧は、負荷要求に従って変動す
る。すなわち、負荷要求が大きくなると、燃料電池６０
からの出力がより大きくなるため、出力電圧は低下す
る。また、負荷要求が小さくなると、燃料電池６０から
の出力がより小さくなるため、出力電圧は上昇する。負
荷要求が小さくなって、出力電圧がＶ₁になると、スイ
ッチ２０が開状態となって、定常運転モードから間欠運
転モードに切り替わる。間欠運転モードに切り替わる
と、上記したように、燃料電池６０とキャパシタ２４と
で異なる電圧値を示すようになる。

【００３９】図６において、定常運転モードから間欠運
転モードに切り替わった後に、キャパシタ電圧が上昇し
ている状態は、回生運転モードであることを示す。すな
わち、このときには、回生された電力によってキャパシ
タ２４が充電されている。図６に示すように、回生運転
時には、定常運転モードに比べてキャパシタ電圧がより
高い値にまで上昇する。

【００４０】制動要求のない通常の間欠運転モードで
は、キャパシタ２４から負荷に対して電力供給が行なわ
れ、このような放電と共に、キャパシタ電圧は低下す
る。キャパシタ電圧が低下してキャパシタ電圧がＶ₂に
なると、スイッチ２０が閉状態となって、間欠運転モー
ドから定常運転モードに切り替わる。定常運転モードに
切り替わると、燃料電池６０の出力電圧とキャパシタ２
４の電圧とは、再び一致するようになる。そして、負荷
要求に応じて、出力電圧は変動する。

【００４１】なお、間欠運転モード時には、上記のよう
にキャパシタ２４から負荷に対して電力を供給するだけ
でなく、さらに２次電池２６からも負荷に対して電力を
供給することとしても良い。間欠運転モードとすべき低
負荷状態が長く続くときや、２次電池２６の残存容量が
充分に多いときには、キャパシタ２４に加えて、さらに
２次電池２６を用いることとしてもよい。

【００４２】以上のように構成された実施例によれば、
燃料電池とキャパシタとを配線に対して並列に接続した
電源装置１５において、配線５０の電圧（キャパシタ電
圧）に基づいてスイッチ２０の入り切りを行なう際に、
切断時の基準とする電圧を接続時の基準とする電圧より
も高く設定している。したがって、通常運転モードと間
欠運転モードとを切り替えてエネルギ効率を向上させる
動作を、効果的に実行することができる。

【００４３】定常運転モードから間欠運転モードに切り
替えたときに、キャパシタ２４が放電を始めると、キャ
パシタ電圧は放電によって直ちに低下する。そのため、
スイッチ２０の切断の基準にする電圧と接続の基準にす
る電圧とを等しく設定したときには、いわゆるハンチン
グが起こり、定常運転モードと間欠運転モードとを切り
替える動作が不安定となるおそれがある。すなわち、キ
ャパシタ電圧が基準電圧を超えて、定常運転モードから
間欠運転モードに切り替えても、その後直ちにキャパシ
タが放電すると、運転モードの切り替え直後にキャパシ
タ電圧が基準電圧よりも低下して、再び運転モードの切
り替えを行なう必要が生じてしまう。

【００４４】これに対して、本実施例では、スイッチ２
０の切断時の基準とする電圧を、接続時の基準とする電
圧よりも高く設定しているため、上記ハンチングが生じ
るのを防止することができる。図７は、キャパシタ電圧
と運転モードとの関係を示す説明図である。このよう
に、スイッチ２０の入り切りの基準においてヒステリシ
スを設けることで、ハンチングを起こすことなく、運転
モードの切り替えの動作を安定して行なうことができ
る。

【００４５】なお、基準電圧Ｖ₁およびＶ₂は、間欠運
転モードへの切り替えを行ないたいときの燃料電池６０
の出力電圧や、間欠運転モードにおいて確保したいキャ
パシタ２４からの出力などに応じて適宜設定すればよ
い。以下に一例を示す。

【００４６】例えば、燃料電池システム２２のエネルギ
効率がＥ₀よりも低下するときには間欠運転モードを採
用したいとすると、図４（Ｂ）より、このときの燃料電
池６０の出力Ｐ₀が求められる。また、図３に基づい
て、このときの燃料電池６０の出力電流Ｉ₀および出力
電圧Ｖ₀が求められる。（１）式に示すように、この電
圧Ｖ₀を、基準電圧Ｖ₁とする。Ｖ₁＝Ｖ₀ …（１）

【００４７】キャパシタ電圧がＶ₁であるときに、キャ
パシタ単独でＰ₀の出力をＴ秒間維持したときのキャパ
シタ電圧Ｖ_Cは、以下に示す（２）式より求めることが
できる。（１／２）ＣＶ₁ ²−（１／２）ＣＶ_C ²＝Ｐ₀×Ｔ …（２）ただし、Ｃは、キャパシタ容量。

【００４８】（３）式に示すように、このようなキャパ
シタ電圧Ｖ_Cを、基準電圧Ｖ₂とする。Ｖ₂＝Ｖ_C …（３）

【００４９】これによって、定常運転モードから間欠運
転モードに切り替えた後、約Ｔ秒間は、キャパシタ２４
によって間欠運転時に要する出力を確保することができ
る。

【００５０】Ｅ．第２実施例の電気自動車１１０：上記
第１実施例の電気自動車１０は、２次電池２６を備える
こととしたが、燃料電池とキャパシタを備えるが２次電
池を備えない電源装置においても、本発明を適用するこ
とができる。図８は、第２実施例の電気自動車１１０の
構成を表わす説明図である。図８において、図１の電気
自動車１０と共通する部分には同じ参照番号を付して説
明を省略する。

【００５１】電気自動車１１０は、電源装置１１５を備
えている。電源装置１１５は、燃料電池システム２２
と、キャパシタ２４とを備え、２次電池は備えない。ま
た、電気自動車１１０は、電源装置１１５から電力供給
を受ける負荷として、駆動モータ３２と、高圧補機４０
と、低圧補機４６を備える。低圧補機４６とは、例え
ば、燃料電池６０に燃料ガスや酸化ガスや冷却水を給排
する流路に設けた流量調節バルブ等であって、降圧ＤＣ
／ＤＣコンバータ４４を介して、配線５０に接続してい
る。このような低圧補機４６は、駆動モータ３２や高圧
補機とは異なり駆動電圧が低いため、電源装置１１５か
ら電力を供給する際には、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４
４が、電圧を１２Ｖ程度に下げる。負荷が変動して配線
５０の電圧が変動するときには、電圧計５２の検出信号
に基づいて制御部４８が降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４
を駆動して、低圧補機４６に電力供給する際の電圧は略
一定に保たれる。なお、低圧補機４６および降圧ＤＣ／
ＤＣコンバータ４４は、既述した第１実施例の電気自動
車１０では、記載を省略した。

【００５２】また、電源装置１１５においては、キャパ
シタ２４と配線５０との間の接続を入り切りするスイッ
チ２３が設けられている。このスイッチ２３は、電源装
置１１５の停止時に切断され、電源装置１１５の起動時
に接続される。これによって、電源装置１１５が停止し
ている間は、キャパシタ２４に所定の電荷が蓄積された
状態が保たれる。そして、電源装置１１５の起動時に
は、スイッチ２３が接続され、燃料電池６０から所望量
の電力が得られるようになるまで、キャパシタ２４から
各負荷に対して電力が供給される。スイッチ２３は、電
源装置１１５の稼働中は、通常は閉状態となっている。

【００５３】このような電気自動車１１０においても、
間欠運転モード時に、キャパシタ２４の電圧が第１の基
準電圧よりも小さいときには定常運転モードに切り替
え、定常運転モード時に、キャパシタ２４の電圧が第１
の基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上のときには、
間欠運転モードに切り替えることで、同様の効果を得る
ことができる。

【００５４】Ｅ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００５５】Ｅ１．変形例１：第１および第２実施例で
は、配線５０に対する燃料電池６０の接続を入り切りす
るスイッチ２０は、燃料電池６０の２つの端子のそれぞ
れに対して設けたが、どちらか一方だけにスイッチを設
けることとしても良い。間欠運転モードにおいて、燃料
電池６０からの出力を、停止させることができればよ
い。

【００５６】Ｅ２．変形例２：既述した実施例では、燃
料電池システム２２は、燃料ガスとして水素ガスを用い
ることとした。これに対して、燃料ガスとして、改質ガ
スを用いる構成も可能である。このような場合には、図
２に示した燃料電池システム２２において、燃料ガス供
給部６１として、水素を貯蔵する装置に代えて、改質ガ
スを生成する装置を備えることとすればよい。具体的に
は、改質反応に供する改質燃料および水を貯蔵するタン
クや、改質触媒を備える改質器、さらに、改質ガス中の
一酸化炭素濃度を低減するための反応を促進する触媒を
備える反応部などを備えることとすればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である電気自動車１０の構
成の概略を表わすブロック図である。

【図２】燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説
明図である。

【図３】燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あ
るいは出力電力との関係を示す説明図である。

【図４】燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率
との関係を表わす説明図である。

【図５】間欠運転判断処理ルーチンを表わすフローチャ
ートである。

【図６】定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切
り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパ
シタ２４の電圧を示す説明図である。

【図７】キャパシタ電圧と運転モードとの関係を示す説
明図である。

【図８】第２実施例の電気自動車１１０の構成を表わす
説明図である。

【符号の説明】

１０，１１０…電気自動車１５，１１５…電源装置２０，２３…スイッチ２２…燃料電池システム２４…キャパシタ２７…残存容量モニタ２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ３０…駆動インバータ３２…駆動モータ３４…減速ギヤ３６…出力軸３８…車両駆動軸４０…高圧補機４２…ダイオード４４…降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４６…低圧補機４８…制御部５０…配線５２…電圧計６０…燃料電池６１…燃料ガス供給部６２…水素ガス供給路６３…水素ガス排出路６４…ブロワ６５…酸化ガス供給路６６…カソード排ガス路

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の負荷に電力を供給する電源装置で
あって、前記負荷に電力を供給する配線に対して並列に接続され
た燃料電池およびキャパシタと、前記燃料電池と前記配線との間の接続を入り切りするス
イッチと、前記キャパシタの電圧を検出する電圧計と、前記スイッチが開状態のときに、前記キャパシタの電圧
が第１の基準電圧よりも小さいときには、前記スイッチ
を閉状態とする指示を出力し、前記スイッチが閉状態の
ときに、前記キャパシタの電圧が、前記第１の基準電圧
よりも高い第２の基準電圧以上のときには、前記スイッ
チを開状態とする指示を出力する制御部とを備える電源
装置。
【請求項２】請求項１記載の電源装置であって、前記配線に対して、前記燃料電池および前記キャパシタ
と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を制御する
コンバータと前記コンバータを介して前記配線に接続さ
れた２次電池と、をさらに備える電源装置。
【請求項３】所定の負荷に電力を供給する配線に対し
て並列に接続された燃料電池およびキャパシタを備える
電源装置の運転方法であって、（ａ）前記キャパシタの電圧を検出する工程と、（ｂ）前記負荷に対して前記燃料電池および前記キャパ
シタが接続されているときに、前記（ａ）工程で検出し
た電圧値が、第１の基準電圧以上となるときには、前記
配線に対する前記燃料電池の接続を切断する工程と、（ｃ）前記負荷に対する前記燃料電池の接続が切断され
ているときに、前記電圧値が、前記第１の基準電圧より
も低い第２の基準電圧以下となるときには、前記配線に
対して前記燃料電池を接続する工程とを備える電源装置
の運転方法。