JP2007323997A

JP2007323997A - 燃料電池システム及びその運転方法

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Publication number: JP2007323997A
Application number: JP2006153787A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kato; 憲二加藤; Hitoshi Kamiya; 斉神谷
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】蓄電手段としてキャパシタを使用するとともに、キャパシタの出力電流を制御するための出力電流制御ユニットを使用することによって、駆動モータの負荷が大きいときに劣化を伴うことなく駆動モータに高電圧で大電流を供給することができるようにする。
【解決手段】車両を駆動するための駆動モータと、該駆動モータに電流を出力する燃料電池スタックと、前記車両の駆動により電流が供給されて充電され、前記駆動モータに電流を出力する蓄電装置と、前記駆動モータとの接続を前記燃料電池スタック又は蓄電装置に切り換える制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記蓄電装置は、キャパシタと、該キャパシタから出力される電流を制御する出力電流制御ユニットと、前記キャパシタに供給される電流を制御する充電制御ユニットと、前記キャパシタの出力電圧を昇圧する昇圧手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であって動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、前記燃料電池を車両用の動力源として使用する場合には、バッテリを併用したハイブリッドとした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この燃料電池システムでは、いわゆるハーフブリッジ型の回路構造を採用しているので、フルブリッジ型の回路構造を採用しているハイブリッドの燃料電池システムと比較して、システム構造を簡素化することができる。
特開２００２−６３９２３号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、蓄電手段としてバッテリを使用しているので、急速に大電流を供給するとバッテリが劣化してしまうため、車両を加速させるときのように駆動モータに大電流を供給する必要があるときであっても、バッテリから十分な電流を供給することができなかった。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、蓄電手段としてキャパシタを使用するとともに、キャパシタの出力電流を制御するための出力電流制御ユニットを使用することによって、駆動モータの負荷が大きいときに劣化を伴うことなく駆動モータに高電圧で大電流を供給することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、車両を駆動するための駆動モータと、該駆動モータに電流を出力する燃料電池スタックと、前記車両の駆動により電流が供給されて充電され、前記駆動モータに電流を出力する蓄電装置と、前記駆動モータとの接続を前記燃料電池スタック又は蓄電装置に切り換える制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記蓄電装置は、キャパシタと、該キャパシタから出力される電流を制御する出力電流制御ユニットと、前記キャパシタに供給される電流を制御する充電制御ユニットと、前記キャパシタの出力電圧を昇圧する昇圧手段とを備える。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記昇圧手段は、リアクトルと、パルス幅変調制御可能なスイッチング素子を含む昇圧制御ユニットとから成り、前記充電制御ユニットと昇圧制御ユニットとは直列に接続され、前記キャパシタは、前記出力電流制御ユニットとリアクトルとを介して、前記昇圧制御ユニットに並列に接続される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記燃料電池スタックの開放電圧を超えるまで前記キャパシタの出力電圧を昇圧して電流を出力し、前記キャパシタの蓄電量が正常値より少なくなると、前記キャパシタから駆動モータに出力する電流を、正常な蓄電量のときに出力される電流より少なくする。

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、車両の駆動モータに対して電流を出力する燃料電池スタックとキャパシタとが並列に接続された燃料電池システムの運転方法であって、前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記燃料電池スタックの開放電圧を超えるまで前記キャパシタの出力電圧を昇圧して電流を出力し、前記キャパシタの蓄電量が正常値より少なくなると、正常な蓄電量のときに出力される電流より少ない電流を出力する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、車両を駆動するための駆動モータと、該駆動モータに電流を出力する燃料電池スタックと、前記車両の駆動により電流が供給されて充電され、前記駆動モータに電流を出力する蓄電装置と、前記駆動モータとの接続を前記燃料電池スタック又は蓄電装置に切り換える制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記蓄電装置は、キャパシタと、該キャパシタから出力される電流を制御する出力電流制御ユニットと、前記キャパシタに供給される電流を制御する充電制御ユニットと、前記キャパシタの出力電圧を昇圧する昇圧手段とを備える。

また、燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに並列に接続された蓄電手段回路が備えるキャパシタとからの電流を、車両を駆動するための駆動モータに供給する燃料電池システムの運転方法であって、前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記キャパシタの出力電圧を燃料電池スタックの出力端子の開放電圧を超えるまで昇圧し、前記キャパシタからの電流を駆動モータに供給する。

この場合、駆動モータの負荷が大きいときに急速に大電流を駆動モータに供給することができる。また、高電圧で電流を駆動モータに供給することができるので、駆動モータを高い効率で作動させることができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記昇圧手段は、リアクトルと、パルス幅変調制御可能なスイッチング素子を含む昇圧制御ユニットとから成り、前記充電制御ユニットと昇圧制御ユニットとは直列に接続され、前記キャパシタは、前記出力電流制御ユニットとリアクトルとを介して、前記昇圧制御ユニットに並列に接続される。

この場合、簡単な構成でありながら、キャパシタからの電流を適切に駆動モータに供給することができるとともに、キャパシタを適切に充電することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記燃料電池スタックの開放電圧を超えるまで前記キャパシタの出力電圧を昇圧して電流を出力し、前記キャパシタの蓄電量が正常値より少なくなると、前記キャパシタから駆動モータに出力する電流を、正常な蓄電量のときに出力される電流より少なくする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの回路構成を示す図である。

図において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と蓄電手段としてのキャパシタ１２とを併用して使用する。

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合して燃料電池スタック１１を構成する。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、該燃料極表面に接する燃料ガス流路を介し前記燃料極に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

なお、燃料である水素は、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した水素を燃料電池に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等に貯蔵した水素を供給することが望ましい。これにより、水素がほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

また、キャパシタ１２は、例えば、電気二重層キャパシタ等から成るものであるが、単一のキャパシタから成るものであってもよいし、複数の電気二重層キャパシタを接続したＥＣＳ（ＥｎｅｒｇｙＣａｐａｃｉｔｏｒＳｙｓｔｅｍ）であってもよい。

さらに、１３は車両の駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタ１２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータとしてのモータ１４に供給する。ここで、該モータ１４は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記モータ１４は車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、後述されるように、前記回生電流がキャパシタ１２に供給されて該キャパシタ１２が充電される。

また、１５は、キャパシタ１２を充電する電流を制御するための充電制御ユニットであり、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）とダイオードとの並列回路である。

さらに、１６は、昇圧制御ユニットであり、前記充電制御ユニット１５と同様に、昇圧用スイッチング素子としてのＩＧＢＴとダイオードとの並列回路である。また、１７は大電流を許容するリアクトルであり、前記昇圧制御ユニット１６とともに昇圧回路を構成し、前記キャパシタ１２の出力電圧を昇圧する。

ここで、前記昇圧制御ユニット１６がＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御されると、前記昇圧制御ユニット１６のＩＧＢＴは所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオンオフされる。前記ＩＧＢＴをオンにしたときには、前記キャパシタ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記ＩＧＢＴをオフにしたときには、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記キャパシタ１２の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧された前記キャパシタ１２の出力電圧は前記スイッチング信号によって適宜調節することができ、前記燃料電池スタック１１の出力電圧と同一又はより高くなるように調節される。

そして、１８は、キャパシタ１２の出力電流を制御するための出力電流制御ユニットであり、前記充電制御ユニット１５及び昇圧制御ユニット１６と同様に、出力用スイッチング素子としてのＩＧＢＴとダイオードとの並列回路である。また、１９は、インバータ装置１３からの回生電流又はキャパシタ１２からの電流が燃料電池スタック１１に供給されないように配設されたダイオードである。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは、制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する。該ＦＣコントロールＥＣＵは、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサからの信号に基づき、燃料電池スタック１１に供給される水素、酸素、空気等の流量等を制御して、燃料電池スタック１１の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、充電制御ユニット１５、昇圧制御ユニット１６及び出力電流制御ユニット１８の動作を含む、燃料電池システム全体の動作を制御する。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第１の図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第２の図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第３の図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第４の図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第５の図、図７は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第６の図、図８は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第７の図、図９は本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御ポイントを示す図である。

ここでは、本実施の形態における燃料電池システムの動作を従来の燃料電池システムの動作と比較しながら説明する。図２〜８において、（ａ）は本実施の形態における燃料電池システムを示し、（ｂ）は従来の燃料電池システムを示している。なお、太線矢印は電流の流れを示している。

また、図２〜８の（ｂ）に示される従来の燃料電池システムは、２１は燃料電池スタック、２２はバッテリ、２３はインバータ装置、２４はモータ、２５はバッテリ充電制御ユニット、２６は昇圧制御ユニット、２７はリアクトル、２９はダイオードである。そして、前記燃料電池スタック２１、インバータ装置２３、モータ２４、バッテリ充電制御ユニット２５、昇圧制御ユニット２６、リアクトル２７及びダイオード２９は、それぞれ、本実施の形態における燃料電池システムの燃料電池スタック１１、インバータ装置１３、モータ１４、充電制御ユニット１５、昇圧制御ユニット１６、リアクトル１７及びダイオード１９と同様のものである。すなわち、従来の燃料電池システムは、キャパシタ１２に代えてバッテリ２２を有し、出力電流制御ユニット１８を有していない点で本実施の形態における燃料電池システムと相違している。

まず、燃料電池スタック１１は作動しているが車両が停止している状態、すなわち、アイドリング状態の動作について、図２を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオンとなり、昇圧制御ユニット１６がオフとなり、出力電流制御ユニット１８がオフとなる。そのため、図２（ａ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック１１から出力された電流は、充電制御ユニット１５のＩＧＢＴ、リアクトル１７及び出力電流制御ユニット１８のダイオードを通って、キャパシタ１２に供給される。これにより、燃料電池スタック１１から出力された電流によってキャパシタ１２が充電される。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、バッテリ充電制御ユニット２５がＰＷＭ制御され、昇圧制御ユニット２６がオフとなる。そのため、図２（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流は、バッテリ充電制御ユニット２５とリアクトル２７とによって電圧が降圧されて、バッテリ２２に供給される。これにより、燃料電池スタック２１から出力された電流によってバッテリ２２が充電される。

次に、車両が停止から発進して加速している状態の動作について、図３を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオフとなり、昇圧制御ユニット１６がＰＷＭ制御され、出力電流制御ユニット１８がオンとなる。なお、前記昇圧制御ユニット１６のＰＷＭ制御は、昇圧されたキャパシタ１２の出力電圧が燃料電池スタック１１より高くなるように行われる。そのため、図３（ａ）において太線矢印で示されるように、キャパシタ１２から出力された電流は、出力電流制御ユニット１８のＩＧＢＴ、リアクトル１７及び充電制御ユニット１５のダイオードを通って、インバータ装置１３を介してモータ１４に供給される。これにより、キャパシタ１２から出力された電流によってモータ１４が駆動される。

この場合、該モータ１４の負荷のピークに合わせて昇圧制御ユニット１６のＰＷＭ制御が行われ、キャパシタ１２の出力電圧を昇圧し、キャパシタ１２から大電流を供給する。そのため、モータ１４の負荷のピーク時に、モータ１４に高電圧で大電流を供給することができる。なお、キャパシタ１２の出力電圧が昇圧されて燃料電池スタック１１より高くなっているので、燃料電池スタック１１からは電流が供給されない。そして、キャパシタ１２の蓄電量が正常値より少なくなると、出力電流制御ユニット１８のオンの時間を短くするようにデューティー比を制御して、キャパシタ１２から供給される電流量を少なくする。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、バッテリ充電制御ユニット２５がオフとなり、昇圧制御ユニット２６がオフとなる。そのため、図３（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流がインバータ装置２３を介してモータ２４に供給される。なお、バッテリ２２からは電流が出力されない。これにより、燃料電池スタック２１のみから出力された電流によってモータ２４が駆動される。

次に、車両が発進直後の加速から緩やかな加速に移行した状態の動作について、図４を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオフとなり、昇圧制御ユニット１６がＰＷＭ制御され、出力電流制御ユニット１８がオンとなる。そのため、図４（ａ）において太線矢印で示されるように、キャパシタ１２から出力された電流は、出力電流制御ユニット１８のＩＧＢＴ、リアクトル１７及び充電制御ユニット１５のダイオードを通って、インバータ装置１３を介してモータ１４に供給される。

この場合、モータ１４の負荷のピークを過ぎると、昇圧されたキャパシタ１２の出力電圧を低下させるように、昇圧制御ユニット１６のＰＷＭ制御が行われる。そして、燃料電池スタック１１の出力電圧と同一になると、昇圧制御ユニット１６のＰＷＭ制御が停止される。そのため、キャパシタ１２と燃料電池スタック１１とが並列に接続された状態となり、図４（ａ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック１１から出力された電流も、インバータ装置１３を介してモータ１４に供給される。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、モータ２４の負荷要求が燃料電池スタック２１の最高出力を超えると、昇圧制御ユニット２６がＰＷＭ制御され、バッテリ２２の出力電圧が昇圧される。これにより、図４（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流に加えて、バッテリ２２からの電流がインバータ装置２３を介してモータ２４に供給される。

次に、車両が減速に移行した状態の動作について、図５を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオンとなり、昇圧制御ユニット１６がオフとなり、出力電流制御ユニット１８がオフとなる。そのため、図５（ａ）において太線矢印で示されるように、モータ１４が発電機として機能して発生した回生電流は、インバータ装置１３を介し、充電制御ユニット１５のＩＧＢＴ、リアクトル１７及び出力電流制御ユニット１８のダイオードを通って、キャパシタ１２に供給される。これにより、モータ１４からの回生電流によってキャパシタ１２が充電される。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、バッテリ充電制御ユニット２５がＰＷＭ制御され、昇圧制御ユニット２６がオフとなる。そのため、図５（ｂ）において太線矢印で示されるように、モータ２４で発生して回生電流は、インバータ装置２３を介し、バッテリ充電制御ユニット２５とリアクトル２７とによって電圧が降圧されて、バッテリ２２に供給される。これにより、モータ２４からの回生電流によってバッテリ２２が充電される。

次に、車両が高い速度で定速走行をしている状態の動作について、図６を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、モータ１４の負荷要求が燃料電池スタック１１の最高出力を超えると、出力電流制御ユニット１８がオンとなり、昇圧制御ユニット１６がＰＷＭ制御され、キャパシタ１２の出力電圧が昇圧される。これにより、図６（ａ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック１１から出力された電流に加えて、キャパシタ１２からの電流がインバータ装置１３を介してモータ１４に供給される。そして、キャパシタ１２の蓄電量が正常値より少なくなると、出力電流制御ユニット１８のオンの時間を短くするようにデューティー比を制御して、キャパシタ１２から供給される電流量を少なくする。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、モータ２４の負荷要求が燃料電池スタック２１の最高出力を超えると、昇圧制御ユニット２６がＰＷＭ制御され、バッテリ２２の出力電圧が昇圧される。これにより、図６（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流に加えて、バッテリ２２からの電流がインバータ装置２３を介してモータ２４に供給される。

次に、車両が低い速度で定速走行をしている状態の動作について、図７を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオフとなり、昇圧制御ユニット１６がオフとなり、出力電流制御ユニット１８がオフとなる。そのため、図７（ａ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック１１から出力された電流がインバータ装置１３を介してモータ１４に供給される。なお、出力電流制御ユニット１８がオフとなっているので、キャパシタ１２からは電流が出力されない。これにより、燃料電池スタック１１のみから出力された電流によってモータ１４が駆動される。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、バッテリ充電制御ユニット２５がオフとなり、昇圧制御ユニット２６がオフとなる。そのため、図７（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流がインバータ装置２３を介してモータ２４に供給される。なお、バッテリ２２からは電流が出力されない。これにより、燃料電池スタック２１のみから出力された電流によってモータ２４が駆動される。

次に、車両が低い速度で定速走行をしている状態においてキャパシタ１２又はバッテリ２２の蓄電量が少ないときの動作について、図８を参照しながら説明する。

本実施の形態における燃料電池システムにおいては、充電制御ユニット１５がオンとなり、昇圧制御ユニット１６がオフとなり、出力電流制御ユニット１８がオフとなる。そのため、図８（ａ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック１１から出力された電流は、インバータ装置１３を介してモータ１４に供給されるとともに、充電制御ユニット１５のＩＧＢＴ、リアクトル１７及び出力電流制御ユニット１８のダイオードを通って、キャパシタ１２に供給される。これにより、燃料電池スタック１１から出力された電流によって、モータ１４が駆動されるとともにキャパシタ１２が充電される。

一方、従来の燃料電池システムにおいては、バッテリ充電制御ユニット２５がＰＷＭ制御され、昇圧制御ユニット２６がオフとなる。そのため、図８（ｂ）において太線矢印で示されるように、燃料電池スタック２１から出力された電流は、インバータ装置２３を介してモータ２４に供給されるとともに、バッテリ充電制御ユニット２５とリアクトル２７とによって電圧が降圧されて、バッテリ２２に供給される。これにより、燃料電池スタック２１から出力された電流によって、モータ２４が駆動されるとともにバッテリ２２が充電される。

次に、車両が加速している状態における出力条件について、図９を参照しながら説明する。なお、図において、（ａ）は車両の速度の変化を示すグラフであり、（ｂ）は従来の燃料電池システムにおける出力の変化を示すグラフであり、（ｃ）は本実施の形態における燃料電池システムにおける出力の変化を示すグラフである。

従来の燃料電池システムにおいては、モータ２４の負荷要求が燃料電池スタック２１の最高出力以下である場合には、燃料電池スタック２１から出力された電流がモータ２４に供給され、バッテリ２２からは電流が出力されないようになっている。また、モータ２４の負荷要求が燃料電池スタック２１の最高出力を超えた場合には、バッテリ２２の出力電圧が昇圧され、燃料電池スタック２１から出力された電流に加えて、バッテリ２２から出力された電流がモータ２４に供給されるようになっている。そのため、図９（ｂ）において、バッテリ２２の出力電圧が昇圧されるポイントはＡの領域である。また、バッテリ２２から出力された電流がモータ２４に供給されるのはＢの領域である。さらに、燃料電池スタック２１から出力された電流がモータ２４に供給されるのはＣの領域である。

これに対し、本実施の形態における燃料電池システムにおいては、車両が加速しているときは、最初からモータ１４の負荷要求に合わせ、キャパシタ１２の出力電圧が昇圧されてキャパシタ１２からの電流がモータ１４に供給されるようになっている。そのため、図９（ｃ）において、キャパシタ１２の出力電圧が昇圧されるポイントはＤの領域である。また、キャパシタ１２から出力された電流がモータ１４に供給されるのはＥの領域である。さらに、燃料電池スタック１１から出力された電流がモータ１４に供給されるのはＦの領域である。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、蓄電手段としてキャパシタ１２を使用するとともに、出力電流制御ユニット１８によってキャパシタ１２から出力される電流を制御するようになっている。そのため、モータ１４の負荷が大きいときに急速に大電流をモータ１４に供給することができる。また、昇圧制御ユニット１６をＰＷＭ制御することによって、高電圧で電流をモータ１４に供給することができるので、該モータ１４を高い効率で作動させることができる。さらに、燃料電池スタック１１の開放電圧に対する耐圧を低く設定することができ、キャパシタ１２の体積を小さくすることができるので、システム全体を小型化することができる。さらに、キャパシタ１２を充電するために供給される電流を適切に制御することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの回路構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第１の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第２の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第３の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第４の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第５の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第６の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示す第７の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御ポイントを示す図である。

符号の説明

１１燃料電池スタック
１２キャパシタ
１４モータ
１５充電制御ユニット
１６昇圧制御ユニット
１７リアクトル
１８出力電流制御ユニット

Claims

車両を駆動するための駆動モータと、
該駆動モータに電流を出力する燃料電池スタックと、
前記車両の駆動により電流が供給されて充電され、前記駆動モータに電流を出力する蓄電装置と、
前記駆動モータとの接続を前記燃料電池スタック又は蓄電装置に切り換える制御装置とを有する燃料電池システムであって、
前記蓄電装置は、キャパシタと、該キャパシタから出力される電流を制御する出力電流制御ユニットと、前記キャパシタに供給される電流を制御する充電制御ユニットと、前記キャパシタの出力電圧を昇圧する昇圧手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記昇圧手段は、リアクトルと、パルス幅変調制御可能なスイッチング素子を含む昇圧制御ユニットとから成り、
前記充電制御ユニットと昇圧制御ユニットとは直列に接続され、
前記キャパシタは、前記出力電流制御ユニットとリアクトルとを介して、前記昇圧制御ユニットに並列に接続される請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記燃料電池スタックの開放電圧を超えるまで前記キャパシタの出力電圧を昇圧して電流を出力し、前記キャパシタの蓄電量が正常値より少なくなると、前記キャパシタから駆動モータに出力する電流を、正常な蓄電量のときに出力される電流より少なくする請求項１に記載の燃料電池システム。
車両の駆動モータに対して電流を出力する燃料電池スタックとキャパシタとが並列に接続された燃料電池システムの運転方法であって、
前記駆動モータの負荷が大きいときには、前記燃料電池スタックの開放電圧を超えるまで前記キャパシタの出力電圧を昇圧して電流を出力し、前記キャパシタの蓄電量が正常値より少なくなると、正常な蓄電量のときに出力される電流より少ない電流を出力することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。