JP2004192820A - 燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒を暖機するための電気触媒加熱ヒータの絶縁性を高めることなく安定した電源供給を行うことのできる改良技術を提案する。
【解決手段】電圧変換部（４１）は、燃料電池（２３）から供給される高電圧を第１のＤＣ／ＤＣコンバータ（４１ｂ）を介して低電圧に変換し、これを電気触媒加熱ヒータ（２５）に供給する一方で、燃料電池（２３）から供給される高電圧を第２のＤＣ／ＤＣコンバータ（４１ａ）を介して低電圧に変換し、これを補機類（２６）に供給する。電気触媒加熱ヒータ（２５）への供給電圧を低電圧とすることで、リーク電流の漏洩防止のため絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる上に、電気触媒加熱ヒータ（２５）での消費電力が増大しても、補機類（２６）への電圧変動を抑制でき、補機類（２６）の安定した回路動作を実現できる。
【選択図】 図４

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は車両に搭載される補機類への電力供給技術に関し、特に、燃料電池自動車に搭載される改質触媒を暖機するための電気触媒加熱ヒータへの電力供給技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池自動車においては、液体燃料であるメタノール又は炭化水素系の原燃料（改質原料）をタンクに貯蔵し、これを車上で水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。液体燃料であれば、車上の搭載性及び可搬性に優れている上に、エネルギー密度の点においても、水素ガスを貯蔵する方式よりも優れている。液体の原燃料から燃料ガスを生成するには、所定の熱量を投入してこれを気化し、改質触媒の触媒作用を受けて改質する必要がある。改質反応を良好に進行させるには、改質触媒を活性触媒温度まで暖機する必要があるため、特開平１１−１３０４０５号公報（特許文献１）では、電気触媒加熱ヒータで改質触媒を暖機する構成が提案されている。また、特開平５−１８７２２５号公報（特許文献２）及び特開平７−７１２３６号公報（特許文献３）では、エンジン始動用の電源や走行用バッテリとは別に電気触媒加熱ヒータ用の電源を用意する技術が提案されている。
【特許文献１】
特開平１１−１３０４０５号公報
【特許文献２】
特開平５−１８７２２５号公報
【特許文献３】
特開平７−７１２３６号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電気触媒加熱ヒータの暖機性の向上を考えると、燃料電池などの高電圧電源から供給される高電圧で電気触媒加熱ヒータを加熱するのが望ましいが、高電圧端子間のリーク電流の漏洩を防止するために絶縁性を確保しなければならず、コストが高くなる。また、電気触媒加熱ヒータと他の補機類を並列接続して補機用電源から電源供給を行うと、電気触媒加熱ヒータでの消費電力が大きいため、これと並列接続される補機類への電源供給が不安定となり、誤動作の原因となる。
そこで、本発明は、原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質触媒を暖機するための電気触媒加熱ヒータの絶縁性を高めることなく安定した電源供給を行うことのできる改良技術を提案することを課題とする。また、本発明は、車両に搭載される補機類の動作を安定させつつ、補機類と電気触媒加熱ヒータに電源供給を行う改良技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池自動車は、車両駆動用の高電圧電源と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器での改質反応を促進する改質触媒を暖機するための電気触媒加熱ヒータと、前記電気触媒加熱ヒータの電源供給源となる低電圧電源を備える。
電気触媒加熱ヒータへの供給電圧を低電圧とすることで、リーク電流の漏洩防止のため絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる。また、改質器本体を車体アースしても安全であるため、接地インピーダンスの低抵抗化を実現できる。
好ましくは、前記低電圧電源は、高電圧電源の出力電圧を前記電気触媒加熱ヒータの動作電圧に降圧する電圧変換器である。かかる構成により、車両に高電圧電源と低電圧電源の二種類の電圧源を用意する必要がない。
好ましくは、車両搭載用の低電圧で動作する補機類と、前記高電圧電源から供給される高電圧を前記補機類の動作電圧に降圧する電圧変換器と、をさらに備え、前記補機類に電源供給を行う電圧変換器と、前記電気触媒加熱ヒータに電源供給を行う電圧変換器は、別異の電圧変換器である。高電圧源から電気触媒加熱ヒータへの電力供給系統と、高電圧電源から補機類への電力供給系統とを別系統とすることで、電気触媒加熱ヒータでの消費電力が増大しても、補機類への電圧変動を抑制でき、補機類の安定した回路動作を実現できる。
好ましくは、前記高電圧電源は、燃料電池又は二次電池である。車両走行電源として機能する燃料電池又は二次電池を高電圧電源とし、その出力電圧を降圧することで、補機用電源を得ることができる。
本発明の燃料電池自動車は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器での原燃料ガスの改質反応を促進する改質触媒を暖機する電気触媒加熱ヒータと、低電圧で動作する車両搭載用の補機類と、前記燃料電池から供給される高電圧を低電圧に降圧して前記電気触媒加熱ヒータに供給する第１の電圧変換器と、前記燃料電池から供給される高電圧を低電圧に降圧して前記補機類に供給する第２の電圧変換器を備える。
電気触媒加熱ヒータへの供給電圧を低電圧とすることで、リーク電流の漏洩防止のため絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる上に、高電圧源から電気触媒加熱ヒータへの電力供給系統と、前記高電圧電源から補機類への電力供給系統とを別系統とすることで、電気触媒加熱ヒータでの消費電力が増大しても、補機類への電圧変動を抑制でき、補機類の安定した回路動作を実現できる。
好ましくは、前記電気触媒加熱ヒータに供給される電圧は、１２Ｖ〜４２Ｖの範囲である。電気触媒加熱ヒータに供給される電圧を１２Ｖから４２Ｖの範囲に設定することで、リーク電流の漏洩防止のため絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）１０の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車１０は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム２０と、補助電力源として機能する二次電池３０と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット４０と、パワーコントロールユニット４０を介して燃料電池システム２０又は二次電池３０から供給される電力で駆動輪４５，４６を駆動するモータ４４とを備えて構成されている。燃料電池自動車１０は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪４７，４８が配置されている。
燃料電池システム２０は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク２１と、タンク２１から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置２２と、燃料改質装置２２から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池２３と、燃料電池システム２０全体を制御する制御部２４とを備えて構成されている。燃料改質装置２２には、原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質反応を促進する改質触媒を電気ヒータで加熱可能に構成した電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）２５が配設されている。電気触媒加熱ヒータ２５の詳細については後述する。
制御部２４は後述するシステムコントローラ４３と通信を行うことで、燃料電池システムの制御を行い、燃料電池２３に供給される燃料ガス及び酸化ガスの供給量を調整し、燃料電池２３での発電量がシステムコントローラ４３の要求する電力を満たすように調整する。燃料電池システム２０のエア流路には、エアクリーナ２８、及びエアポンプ２７が配設されており、エアクリーナ２８で濾過された発電用エア（酸化ガス）はエアポンプ２７で加圧され、燃料電池２３の酸素極に供給される。
燃料電池２３は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット４０は、燃料電池２３又は二次電池３０から供給される直流電圧を電気触媒加熱ヒータ２５及び補機類２６の動作電圧に降圧するための電圧変換部４１と、直流電流を交流電流に変換してモータ４４に供給するインバータ４２と、アクセル開度、車速、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ４４への供給電力量を演算するシステムコントローラ４３を備えて構成されている。補機類２６には、エアポンプなどの低電圧で作動する電子機器類が含まれる。インバータ４２は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成されており、直流電流を三相交流に変換する。三相交流の振幅及び周波数はシステムコントローラ４３によって制御される。システムコントローラ４３はアクセルペダルポジションセンサ４９に接続しており、同センサ４９からの出力信号によりアクセル開度を検出する。システムコントローラ４３は、さらに、図示しない車速センサなどに接続し、車両の走行状況を検出することができる。
二次電池３０は燃料電池システム２０の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池３０の容量は、燃料電池自動車１０の走行条件、走行性能（最高速度、走行距離など）、車重などに応じて適宜設定できる。モータ４４としては、三相同期モータが好適である。
図２は、燃料改質装置２２を構成する主要ブロックの説明図である。同図に示すように、燃料改質装置２２は、原燃料を気化させて原燃料ガスを生成するための蒸発器２２ａと、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器２２ｂと、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ低減器２２ｃとを備えて構成されている。蒸発器２２ａは加熱媒体としての燃焼ガスと被加熱媒体としての原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。蒸発器２２ａには、メタノールなどの燃焼燃料と、エアポンプ５２の圧送力で加圧された燃焼エアが供給され、加熱触媒の作用で燃焼ガスとなる。原燃料との間で熱交換を終えた燃焼排ガスは外部に放出される。
原燃料ガスは改質器２２ｂに供給され、水蒸気改質と部分酸化改質を併用したオートサーマル方式によって水素リッチな燃料ガスに改質される。改質器２２ｂの内部には、銅−亜鉛系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系触媒）、銅−亜鉛−クロム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒）、亜鉛−クロム系触媒（Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）などの改質触媒が充填されており、併用改質に適した温度範囲（２００〜６００℃）に保たれている。部分酸化改質に必要な酸素（改質用エア）は改質エア用遮断弁５３の開弁作動により改質器２２ｂ内に導入できる。
改質器２２ｂにおいて生成された水素リッチな燃料ガスはＣＯ低減器２２ｃに供給される。ＣＯ低減器２２ｃには、ＣＯの選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。ＣＯの選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアは精製用エア遮断弁５４の開弁作動によりＣＯ低減器２２ｃ内に導入できる。燃料電池２３における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中のＣＯ濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
図３は、改質器２２ｂの内部構成図である。改質器２２ｂは、装置本体を構成する触媒ケース５０と、触媒ケース５０内に配された触媒層５１及び電気触媒加熱ヒータ２５から構成されている。触媒ケース５０は原燃料ガスの改質反応室を構成するものであり、水蒸気改質反応又は部分酸化改質反応に適した適度な耐熱性、耐久性、耐食性のある金属材質で構成されている。触媒層５１及び電気触媒加熱ヒータ２５は触媒ケース５０内に密閉された状態で所定位置に配されている。触媒層５１には、上述したＣｕ−Ｚｎ系触媒などの改質触媒がビーズ、ペレット、粒子状、ハニカム状、板状などの形状で充填されている。
改質反応を円滑に進行させるには、触媒層５１を触媒活性温度まで均一に昇温させる必要がある。特に、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃焼反応のように反応速度はそれほど速くなく、比較的大きな触媒体積を要するため、触媒層５１を効率的に暖機する必要がある。触媒ケース５０内における電気触媒加熱ヒータ２５の配設位置は、同図に示すように、触媒ケース５０内に適度に分散させて配置してもよく、さらには、触媒ケース５０の内壁に筒状に配してもよい。また、原燃料ガスの上流付近に配置してもよく、原燃料ガスの下流付近に配置してもよい。また、触媒ケース５０内に配される電気触媒加熱ヒータ２５の個数は一つに限らず、複数であってもよい。
電気触媒加熱ヒータ２５の両端には一対の電極２５ａ，２５ｂが形成されており、同電極間に所定電圧を通電することで、発熱可能に構成されている。電気触媒加熱ヒータ２５の材質としては、通電により発熱抵抗特性を示す発熱体であれば特に限定されるものではなく、例えば、正的抵抗特性を示すチタン酸バリウム、ＳｉＣ、ＭｏＳｉ_２などの炭化物、ＹやＢｉ系の超伝導酸化物、負的抵抗特性を示すペロブスカイト結晶やＺｒＯ_２などの酸素イオン伝導体、イオン導電性ガラス、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌなどのフェライト組成やＮｉ−Ｃｒ，Ｆｅ−Ａｌなどの合金組成を有する金属質体などが好適である。また、電気触媒加熱ヒータ２５の構造としては、板状体、多孔質体、布状体、フィルタ状体、ハニカム構造体などが好適である。電気触媒加熱ヒータ２５は、発熱体のみから構成されるものでもよいが、水蒸気改質反応又は部分酸化改質反応を促進する触媒を発熱体表面に被覆担持させ、改質器２２ｂの暖機性向上を図るように構成してもよい。また、触媒層５１を効率よく暖機する必要上、電気触媒加熱ヒータ２５はできるだけ高容量のものが望ましい。
図４は燃料電池自動車１０における給電系統の説明図である。同図において、燃料電池２３は車両走行用の直流電源として機能するものであり、４００以上の単セルを積層したセルスタック構造を具備することにより、高電圧（例えば、２８８Ｖ）の直流電圧を出力する。このため、燃料電池２３のマイナス端子を車体アースと接続せずに、フローティング状態としている。一方、電気触媒加熱ヒータ２５及び補機類２６は低電圧（例えば、１２Ｖ〜４２Ｖ）で作動する直流負荷である。燃料電池２３の出力電圧はそのままでは補機類２６及び電気触媒加熱ヒータ２５には供給できないため、電圧変換部４１にて低電圧に降圧している。
電圧変換部４１は電力供給先となる電源負荷毎にＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換器）を備え、個々の電源負荷の作動電圧に適した電圧に変換している。本実施形態では、消費電力の変動が大きい電気触媒加熱ヒータ２５と、消費電力の変動が小さい補機類２６への電力供給系統を分割し、それぞれ異なるＤＣ／ＤＣコンバータから電源供給を行っている。具体的には、同図に示すように、補機類２６への電力供給は燃料電池２３からＤＣ／ＤＣコンバータ４１ａを介して行われるのに対し、電気触媒加熱ヒータ４１ｂへの電力供給は燃料電池２３からＤＣ／ＤＣコンバータ４１ｂを介して行われる。
このように、電気触媒加熱ヒータ専用のＤＣ／ＤＣコンバータ４１ｂを設置し、これを電気触媒加熱ヒータ２５の補機用電源とすることで、電気触媒加熱ヒータ２５での消費電力が急激に増加しても、補機類２６へ供給される電源電圧が変動することはなく、個々の電源負荷に対して安定した電力供給を行うことができる。特に、電気触媒加熱ヒータ２５は、システム起動時に触媒層５１を暖機する必要上、消費電流が１００Ａ以上となる。仮に、補機類２６を電気触媒加熱ヒータ２５と並列に接続して同一のＤＣ／ＤＣコンバータ４１ｂから電源供給を受けると、電気触媒加熱ヒータ２５への電源供給開始とともに、補機類２６へ供給される電圧が３Ｖ〜５Ｖ低下し、動作不良の原因となる。これに対し、本実施形態の構成によれば、個々の電源負荷に対応付けられてＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用電源）が独立して設置されているため、一方の電源負荷での消費電量の変動が他方の電源負荷への電力供給の変動を与えることがなく、システムの安定した動作を確保できる。
また、電気触媒加熱ヒータ２５の一方の電極２５ａはＤＣ／ＤＣコンバータ４１ｂのプラス端子に接続し、他方の電極２５ｂは同コンバータ４１ｂのマイナス端子に接続している。電気触媒加熱ヒータ２５を収容する触媒ケース５０は、車体アースに接続している。このように、触媒ケース５０を車体アースに接続しても、電気触媒加熱ヒータ２５に供給される電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ４１ｂを介して高電圧から低電圧に降圧されているため、電極２５ａ，２５ｂ間のリーク電流の漏洩を防止してシステムの安全性を確保する観点から電気触媒加熱ヒータ２５の絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる。
もとより、補機類２６のマイナス端子は触媒ケース５０と同様に車体アースに接続することで、接地インピーダンスの低下を図ることも可能であるが、車体アースにはノイズ成分としての電気信号が重畳されやすいため、補機類２６用に別途用意したアースに接地してもよい。また、上記の説明では、高電圧電源として燃料電池２３を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、二次電池３０を高電圧電源として上述の構成を採用してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、電気触媒加熱ヒータへの供給電圧を低電圧とすることで、リーク電流の漏洩防止のため絶縁性を高める必要がなく、コスト低下を図ることができる。また、高電圧源から電気触媒加熱ヒータへの電力供給系統と、高電圧電源から補機類への電力供給系統とを別系統とすることで、電気触媒加熱ヒータでの消費電力が増大しても、補機類への電圧変動を抑制でき、補機類の安定した回路動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池自動車の主要ブロック図である。
【図２】本実施形態の燃料改質装置を構成する主要ブロック図である。
【図３】本実施形態の改質器の構成図である。
【図４】本実施形態の燃料電池自動車における給電系統の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池自動車
２０…燃料電池システム
２２…燃料改質装置
２２ｂ…改質器
２３…燃料電池
２５…電気触媒加熱ヒータ
２５ａ，２５ｂ…電極
２６…補機類
３０…二次電池
４１…電圧変換部
４１ａ，４１ｂ…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０…触媒ケース

Claims (6)

1. 車両駆動用の高電圧電源と、
   原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器での改質反応を促進する改質触媒を暖機するための電気触媒加熱ヒータと、
   前記電気触媒加熱ヒータの電源供給源となる低電圧電源を備える、燃料電池自動車。
2. 前記低電圧電源は、前記高電圧電源の出力電圧を前記電気触媒加熱ヒータの動作電圧に降圧する電圧変換器である、請求項１に記載の燃料電池自動車。
3. 低電圧で動作する車両搭載用の補機類と、
   前記高電圧電源から供給される高電圧を前記補機類の動作電圧に降圧する電圧変換器と、をさらに備え、
   前記補機類に電源供給を行う電圧変換器と、前記電気触媒加熱ヒータに電源供給を行う電圧変換器は、別異の電圧変換器である、請求項２に記載の燃料電池自動車。
4. 前記高電圧電源は、燃料電池又は二次電池である、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池自動車。
5. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、
   前記改質器での原燃料ガスの改質反応を促進する改質触媒を暖機する電気触媒加熱ヒータと、
   低電圧で動作する車両搭載用の補機類と、
   前記燃料電池から供給される高電圧を低電圧に降圧して前記電気触媒加熱ヒータに供給する第１の電圧変換器と、
   前記燃料電池から供給される高電圧を低電圧に降圧して前記補機類に供給する第２の電圧変換器を備える、燃料電池自動車。
6. 前記電気触媒加熱ヒータに供給される電圧は、１２Ｖ〜４２Ｖの範囲である、請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池自動車。

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