JPH09231991A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにおいて、システムの始動
時に電池が出力する電圧が低下したり電池反応が異常に
なることを防止し、システムの始動時にも負荷に対して
正常に電気を供給する。 【解決手段】 燃料電池システム１０では、システムの
始動時には２次電池１４がモータ１６を駆動する。この
とき燃料電池１２は、所定の低電流で足りる補機類１８
に対して電力を供給することによって暖機運転を行な
う。温度センサ２２は燃料電池１２の内部温度を測定し
て制御部２４に伝える。制御部２４は、この測定結果を
基に燃料電池１２の暖機状態を判断し、暖機が終了した
ときには切り替えスイッチ２０を駆動して、燃料電池１
２とモータ１６とを接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
および電気自動車に関し、詳しくは燃料電池と２次電池
とを備える燃料電池システムおよび電気自動車に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有するエネルギを直
接に電気エネルギに変換する装置として知られている。
燃料電池では、水素を含む燃料ガスをアノードに供給
し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で
起こる電気化学反応によって起電力を得る。以下に、燃
料電池で起こる電気化学反応を示す。（１）式はアノー
ドにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を示
し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。

【０００３】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【０００４】このような燃料電池を用いた発電は、高い
発電効率を得ることが可能であることに加え、窒素酸化
物などの排出や発電時の騒音が少ないなど環境性にも優
れているため、種々の用途に適用されている。大型の発
電プラントのような定置発電だけでなく、例えば、車両
に搭載して車両駆動用のモータの電源として用いるな
ど、移動用電源としての利用も図られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような利点を有する燃料電池も、その始動時において
は、大きな負荷に接続して発電を行なう場合には正常に
運転しないおそれがあるという問題があった。燃料電池
は一般に常温よりも高い温度で運転されるものであり、
効率よく電池反応が進行するためには所定の運転温度に
昇温されて定常状態に達する必要がある。図５に、燃料
電池の発電時における電流と電圧との関係を表わす出力
特性を模式的に示す。正常に運転可能な定常状態にある
燃料電池を用いて発電を行なうと、電流値を上げるに従
って電圧値は低下するものの、広い電流値にわたって高
い電圧で出力することができる。しかしながら、始動直
後で定常状態に達していない状態で、燃料電池から出力
する電流値を上げようとすると、急激に電圧が降下する
という現象が見られる。そのため、燃料電池の使用開始
直後に負荷を接続する場合には、電圧の降下が起こって
電源として機能しなくなるおそれがあった。

【０００６】燃料電池の使用開始直後に所定量以上の電
流を流そうとした場合には上記のように電圧降下が見ら
れるが、更に、このとき燃料電池スタックを構成する単
セルの中には転極などの異常反応を起こすものが生じ
る。転極とは正極と負極とが逆転する現象をいう。この
ような異常反応が起きたときには、電圧が不安定になる
ばかりでなく、発電に用いられなかったエネルギが熱に
換わることによって部分的に異常発熱が起こり、そのた
め燃料電池が損傷を受けて燃料電池の短寿命化が引き起
こされるおそれがあった。

【０００７】他方、燃料電池と２次電池とを併設し、燃
料電池は２次電池を充電するために用い、２次電池が車
両駆動用のモータに電力を供給することによって、燃料
電池の暖機中にも車両のモータを駆動可能にする構成が
提案されている（例えば、特開平６−１２４７２０号公
報等）。この場合には、燃料電池の出力電流を所定範囲
に制限することが可能となり、燃料電池の始動時に電圧
降下を起こすおそれがなくなるが、車両駆動用モータの
電源として２次電池だけを用いることになり、大容量の
２次電池を備えておく必要がある。急加速時や坂道登坂
時のように負荷が急に変動して、大きな電圧を要する場
合にも対応可能にするためには、その予想される負荷に
応じた容量の２次電池を搭載しておかねばならない。２
次電池の容量は、その重量および体積と相関関係がある
ため、搭載可能な重量や体積に限界のある車両において
は採用し難い場合がある。

【０００８】上述したように燃料電池と２次電池とを併
設して、燃料電池は２次電池の充電用に用いる場合に
は、２次電池をある程度小型化することが可能である
が、この場合には複数個の２次電池を設置しなくてはな
らない。モータを駆動する２次電池の他に、燃料電池に
よって充電する２次電池を要し、各２次電池について充
電と放電とを交互に切り替える必要があった。このよう
に複数個の２次電池を備えることは結果的に大きなスペ
ースを要することになり、燃料電池システムを車載する
上で不利であった。

【０００９】本発明の燃料電池システムは、こうした問
題を解決し、システムの始動時に電池が出力する電圧が
低下したり電池反応が異常になることを防止し、システ
ムの始動時にも負荷に対して正常に電気を供給すること
を可能にし、電源全体の大型化を防ぐことを目的として
なされ、次の構成を採った。

【００１０】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池システムは、燃料電池と２次電池とを備
え、少なくともいずれかの電池により負荷に対して電力
の供給を行なう燃料電池システムにおいて、前記負荷と
前記燃料電池との電気的な接続を入り切りするスイッチ
と、前記燃料電池の暖機運転を行なう際、該燃料電池の
暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、該暖機状態検
出手段における検出結果を基に、前記スイッチを駆動し
て、前記負荷と前記燃料電池とを接続する接続制御手段
とを備え、少なくとも前記燃料電池が暖機運転を行なう
間は、前記２次電池が前記負荷に対して電力の供給を行
なうことを要旨とする。

【００１１】ここで、燃料電池の始動時に燃料電池が負
荷に対して出力する際に、所定以上の電流を出力しよう
とすると電圧降下が起こる理由について説明する。この
ような電圧降下は、以下のように燃料電池内の温度が低
いことに起因して起こると考えられる。すなわち、燃料
電池の始動時には電池内の温度が低く、燃料電池内にお
いて燃料ガスとともに導入した水蒸気が容易に凝縮して
しまい、凝縮した水が燃料電池内のガス流路を塞いでし
まうことがある。このようにガス流路が塞がれてしまう
と、供給された燃料ガスや酸化ガスの拡散が妨げられ、
電池反応の効率が低下して電圧降下を引き起こす。

【００１２】また、燃料電池が固体高分子電解質型であ
る場合には、燃料電池の温度が低い間は電解質膜が充分
な湿潤状態となることができないため、電池反応が充分
に進行しない。電解質膜は、始動時に水蒸気を与えて湿
潤化するが、その時の温度の飽和蒸気圧以上の水蒸気を
与えることはできない。従って、燃料電池の温度が所定
の温度以上に上昇し、飽和蒸気圧が充分高まらないと電
解質膜を充分に湿潤化することができない。そのため、
燃料電池の温度が低い間は電解質膜の湿潤化が不十分で
あって、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、高い電圧が
得られなくなる。

【００１３】燃料電池のかかる特性に対して本発明の燃
料電池システムは、システムの始動時には、燃料電池の
暖機運転を行ない、２次電池が負荷に対して電力を供給
する。２次電池が負荷に電力を供給している間、暖機状
態検出手段が暖機中の燃料電池の暖機状態を検出する。
この検出結果から燃料電池が充分に暖機されたと判断さ
れると、燃料電池と負荷とが接続され、燃料電池から負
荷に対して電力の供給が行なわれるようになる。

【００１４】このような燃料電池システムによれば、シ
ステムの始動時においては２次電池が負荷に対して電力
を供給するので、システムの始動時であっても負荷は、
電圧降下や電池反応の異常などの問題を生じることなく
必要な電力の供給を受けることができる。また、燃料電
池が充分に暖機されたことを暖機状態検出手段によって
検出してから燃料電池と負荷との接続を行なうため、燃
料電池の温度が低いことに起因して電圧が降下するとい
った不都合が生じることがない。さらにここでは、２次
電池は燃料電池が充分に暖機されるまでの間だけ単独で
負荷に対して電力を供給可能であればよいので、大型の
２次電池を備える必要がなく、２次電池の容量を抑える
ことができる。

【００１５】ここで、本発明の燃料電池システムは、車
両に搭載されており、前記負荷は前記車両を駆動するた
めのモータであることとしてもよい。このような場合に
は、システムの始動時には２次電池がモータを駆動する
ため、システムの始動時であってもモータは、電圧降下
や電池反応の異常などの問題を生じることなく必要な電
力の供給を受け、ただちに車両を発進させることができ
る。また、２次電池が単独でモータに電力を供給するの
は燃料電池の暖機時においてだけなので、大容量の２次
電池は必要なく電池の大型化を抑えることができ、車両
搭載時に不利になることがない。ここで、燃料電池の暖
機が終了した後は燃料電池と２次電池との両方によって
モータを駆動することとすれば、車両のモータのように
変動が大きな負荷の場合にも、安定した電圧で電力を供
給することができる。さらに、車両の加速時や坂道走行
時のように負荷が大きくなるときでも、高い電圧を維持
することができる。

【００１６】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記燃料電池は、前記暖機運転時には、所定の低電
流で足りる副負荷に対して電力を供給する構成としても
良い。このような場合には、燃料電池は暖機中には所定
の低電流で足りる副負荷に対して電力の供給を行なうた
め、大電流で発電しようとして電圧が降下してしまうと
いう不都合が生じない。また、低い出力で発電を行なう
ことによって燃料電池の暖機を行なうため、燃料電池を
昇温するために外部から特別にエネルギを供給する必要
がなく、システム全体のエネルギ効率が低下することが
ない。ここで、所定の低電流とは、充分に暖機されてい
ない燃料電池が出力しても電圧降下を起こさない程度の
低電流であれば良い。

【００１７】本発明の電気自動車は、燃料電池と２次電
池とを備え、少なくともいずれかの電池により車両駆動
用のモータに対して電力の供給を行なう電気自動車にお
いて、前記モータと前記燃料電池との電気的な接続を入
り切りするスイッチと、前記燃料電池が暖機運転を行な
う際、該燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手
段と、該暖機状態検出手段における検出結果を基に、前
記スイッチを駆動して、前記モータと前記燃料電池とを
接続する接続制御手段とを備え、少なくとも前記燃料電
池が暖機運転を行なう間は、前記２次電池が前記モータ
に対して電力の供給を行なうことを要旨とする。

【００１８】以上のように構成された本発明の電気自動
車は、システムの始動時には、燃料電池の暖機運転が行
なわれ、２次電池はモータに対して電力を供給する。２
次電池がモータに電力を供給している間、暖機状態検出
手段が暖機中の燃料電池の暖機状態を検出する。この検
出結果から燃料電池が充分に暖機されたと判断される
と、燃料電池とモータとが接続され、燃料電池からモー
タに対して電力の供給が行なわれるようになる。

【００１９】このような燃料電池システムによれば、シ
ステムの始動時においては２次電池がモータに対して電
力を供給するので、システムの始動時であってもモータ
は、電圧降下や電池反応の異常などの問題を生じること
なく必要な電力の供給を受け、ただちに車両を発進させ
ることができる。また、燃料電池が充分に暖機されたこ
とを暖機状態検出手段によって検出してから燃料電池と
モータとの接続を行なうため、燃料電池の温度が低いこ
とに起因して電圧が降下するといった不都合が生じるこ
とがない。さらにここでは、２次電池は燃料電池が充分
に暖機されるまでの間だけ単独でモータに対して電力を
供給可能であればよいので、大型の２次電池を備える必
要がなく、２次電池の容量を抑えることができる。ここ
で、燃料電池の暖機が終了した後は燃料電池と２次電池
との両方によってモータを駆動することとすれば、車両
の走行時にモータの負荷が大きく変動した場合にも、安
定した電圧で電力を供給することができる。さらに、車
両の加速時や坂道走行時のようにモータの負荷が大きく
なるときでも、高い電圧を維持することができる。

【００２０】また、本発明の電気自動車において、前記
燃料電池は、前記暖機運転時には、所定の定電流で足り
る補機類に対して電力を供給する構成も好ましい。この
ような場合には、燃料電池は暖機中には所定の低電流で
足りる補機類に対して電力の供給を行なうため、大電流
で発電しようとして電圧が降下してしまうという不都合
が生じない。また、低い出力で発電を行なうことによっ
て燃料電池の暖機を行なうため、燃料電池を昇温するた
めに外部から特別にエネルギを供給する必要がなく、シ
ステム全体のエネルギ効率が低下することがない。ここ
で、所定の低電流とは、充分に暖機されていない燃料電
池が出力しても電圧降下を起こさない程度の低電流であ
れば良い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実
施例である燃料電池システム１０の構成を表わすブロッ
ク図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両
に搭載されてこの車両を駆動するために働く。燃料電池
システム１０は、燃料電池１２、２次電池１４、車両駆
動用のモータ１６、冷却水を循環させるポンプなどで構
成された補機類１８、切り替えスイッチ２０、燃料電池
１２の温度を測定する温度センサ２２、各電池とモータ
１６との接続等を制御する制御部２４を主な構成要素と
する。以下、燃料電池システム１０の各構成要素につい
て説明する。

【００２２】燃料電池１２は、固体高分子電解質型の燃
料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したス
タック構造を有している。図２は、燃料電池１２を構成
する単セル４０の構成を例示する断面図である。単セル
４０は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード
４３と、セパレータ４４、４５とから構成されている。

【００２３】アノード４２およびカソード４３は、電解
質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ４４および４５は、このサ
ンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４
２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガ
スの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４と
の間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソー
ド４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐ
が形成されている。セパレータ４４、４５は、図２では
それぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはそ
の両面にリブが形成されており、片面はアノード４２と
の間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単
セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐ
を形成する。このように、セパレータ４４、４５は、ガ
ス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接
する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役
割を果たしている。

【００２４】ここで、電解質膜４１は、固体高分子材
料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導
性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性
を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）
を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が塗布されてい
る。この触媒塗布の方法としては、本実施例では白金ま
たは白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉
を作製し、この触媒担持カーボンを含むペーストを電解
質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった
が、他の方法であっても構わない。また、白金などの触
媒は、電解質膜４１ではなく、電解質膜４１と接するア
ノード４２およびカソード４３側に塗布することとして
もよい。

【００２５】アノード４２およびカソード４３は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されている。なお、本実施例では、アノード４２およ
びカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭
素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルト
により形成する構成も好適である。

【００２６】セパレータ４４、４５は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４
４、４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを
形成しており、既述したように、アノード４２の表面と
で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソ
ード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。こ
こで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面と
もに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所
定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は
平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃
料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。

【００２７】以上、燃料電池１２の基本構造である単セ
ル４０の構成について説明した。実際に燃料電池１２と
して組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４
２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順
序で構成される単セル４０を複数組積層し（本実施例で
は１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などに
より形成される集電板４６、４７を配置することによっ
て、スタック構造を構成する。

【００２８】図１に示したブロック図では図示しなかっ
たが、実際に燃料電池を用いて発電を行なうには、上記
スタック構造を有する燃料電池本体の他に所定の周辺装
置を必要とする。図３は、燃料電池１２とその周辺装置
とからなる燃料電池部５０の構成を例示するブロック図
である。燃料電池部５０は、燃料の供給を受けて発電す
る上記燃料電池１２と、メタノールタンク５１および水
タンク５２と、改質器５４と、エアコンプレッサ５６と
を主な構成要素とする。

【００２９】改質器５４は、メタノールタンク５１およ
び水タンク５２から、メタノールおよび水の供給を受け
る。改質器５４では、供給されたメタノールを原燃料と
して水蒸気改質法による改質を行ない、水素リッチな燃
料ガスを生成する。以下に改質器で行なわれる改質反応
を示す。

【００３０】 ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂ …（４） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（５） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂ …（６）

【００３１】改質器で行なわれるメタノールの改質反応
は、（４）式で表わされるメタノールの分解反応と、
（５）式で表わされる一酸化炭素の変成反応とが同時に
進行し、全体として（６）式の反応が起きる。このよう
な改質反応は全体として吸熱反応である。生成された水
素リッチな燃料ガスは給燃路５８を介して燃料電池１２
に供給され、燃料電池１２内では各単セル４０におい
て、前記燃料ガス流路４４Ｐに導かれてアノード４２に
おける電池反応に供される。アノード４２で行なわれる
反応は、既述した（１）式で表わされるが、この反応で
必要な水を補って電解質膜４１の乾燥を防ぐために、給
燃路５８に加湿器を設け、燃料ガスを加湿した後に燃料
電池１２に供給することとしてもよい。

【００３２】また、エアコンプレッサ５６は、外部から
取り込んだ空気を燃料電池１２に加圧供給する。エアコ
ンプレッサ５６に取り込まれて加圧された空気は、空気
供給路５９を介して燃料電池１２に供給され、燃料電池
１２内では各単セル４０において、前記酸化ガス流路４
５Ｐに導かれてカソード４３における電池反応に供され
る。一般に燃料電池では、両極に供給されるガスの圧力
が増大するほど反応速度が上昇するため電池性能が向上
する。そこで、カソード４３に供給する空気は、このよ
うにエアコンプレッサ５６によって加圧を行なってい
る。なお、アノード４２に供給する燃料ガスの圧力は、
既述した給燃路５８に設けた図示しないバルブの開放状
態を制御することによって容易に調節可能である。

【００３３】燃料電池１２内のアノード４２で電池反応
に使用された後の燃料排ガスと、エアコンプレッサ５６
によって圧縮された空気の一部とは改質器５４に供給さ
れる。既述したように、改質器５４における改質反応は
吸熱反応であって外部から熱の供給が必要であるため、
改質器５４内部には図示しないバーナが加熱用に備えら
れている。上記燃料ガスと圧縮空気とは、このバーナの
燃焼のために用いられる。使用済みの燃料排ガスは排燃
路６１によって改質器５４に導かれ、圧縮空気は空気供
給路５９から分岐する分岐空気路６０によって改質器５
４に導かれる。燃料排ガスに残存する水素と圧縮空気中
の酸素とはバーナの燃焼に用いられ、改質反応に必要な
熱量を供給する。なお、この排燃路６１には既述した温
度センサ２２が設けられている。

【００３４】以上説明した燃料電池１２は、後述する補
機類１８に接続されており、これらに対して電力を供給
可能となっている。さらに燃料電池１２は、切り替えス
イッチ２０の接続状態によってモータ１６にも電力を供
給可能となる。これら回路の接続状態の制御は、本発明
の要部に対応するものであり、後に詳しく説明する。

【００３５】２次電池１４は、モータ１６に接続されて
おり、このモータ１６に電力を供給する電源装置であ
る。本実施例では鉛蓄電池を用いたが、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
池などを用いることもできる。この２次電池１４は、所
定の期間、詳しくは燃料電池システム１０の始動時に燃
料電池１２が充分に暖機されるまでの間、単独でモータ
１６を回転させて車両を駆動可能な容量を備えている。
また、２次電池１４は、モータ１６以外にも車両に備え
られた各種の機器に接続されており、これらに必要な電
力を供給する。通常、車両を駆動するためには１０ｋＷ
程度の電力が必要であるため、２次電池１４としては、
１５ｋＷ程度の出力があればモータ１６および上記各種
の機器に必要な電力を賄うことができる。実際には、予
想される車両の運転条件などに基づいて、所定の余裕を
持った容量の２次電池１４を搭載することになる。

【００３６】モータ１６は、燃料電池１２あるいは２次
電池１４から電力の供給を受けて回転駆動力を発生す
る。この回転駆動力は、燃料電池システム１０を搭載す
る車両における車軸を介して、車両の前輪および／また
は後輪に伝えられ、車両を走行させる動力となる。

【００３７】補機類１８は、燃料電池システム１０の起
動中に所定範囲内の電力を恒常的に消費する負荷であ
る。例えば、冷却水を循環させるウォータポンプ等がこ
れに相当する。冷却水は、燃料電池１２の運転時に燃料
電池１２を構成するスタック構造内を循環し、燃料電池
１２内で熱交換を行なうことで燃料電池１２を所定の温
度以下に制御しようとするものである。従って、図１の
ブロック図では燃料電池１２と補機類１８とは独立して
表わされているが、ウオータポンプに関しては燃料電池
１２の周辺機器と言うこともできる。このような補機類
１８の電力消費量は、約３から５ｋｗという所定範囲で
あり、モータ１６の消費電力に比べて消費電力も少な
く、運転中の電力消費量の変動も小さい。

【００３８】切り替えスイッチ２０は、モータ１６に対
して燃料電池１２と２次電池１４とを並列に接続する回
路中に設けられており、この切り替えスイッチ２０を切
り替えることによって、モータ１６と燃料電池１２とを
接続したり切り離したりすることができる。切り替えス
イッチ２０における接続状態は、制御部２４によって制
御されている。

【００３９】温度センサ２２は、既述したように燃料電
池部５０における排燃路６１に設けられており、燃料電
池１２のカソード４３から排出される燃料排ガスの温度
を検出する。この燃料排ガスは燃料電池内部と略同一温
度であり、この燃料排ガスの温度を検出することによっ
て、燃料電池１２内部の温度を感度良く検知することが
できる。温度センサ２２は導電ラインにより制御部２４
に接続されており、燃料電池１２内部の温度に関する情
報は、制御部２４に伝えられて上記切り替えスイッチ２
０の切り替え状態の制御のための判断に供される。

【００４０】制御部２４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、ＣＰＵ２６、ＲＯＭ
２８、ＲＡＭ３０および入出力ポート３２からなる。Ｃ
ＰＵ２６は、予め設定された制御プログラムに従って所
定の演算等を実行する。ＲＯＭ２８には、ＣＰＵ２６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ており、ＲＡＭ３０には、同
じくＣＰＵ２６で各種演算処理を実行するのに必要な各
種データが一時的に読み書きされる。入出力ポート３２
は、温度センサ２２からの検出信号等を入力すると共に
ＣＰＵ２６での演算結果に応じて切り替えスイッチ２０
などに駆動信号を出力する。

【００４１】図１では、制御部２４に関しては、温度セ
ンサ２２からの検出信号の入力と切り替えスイッチ２０
への駆動信号の出力とのみを示したが、制御部２４はこ
の他にも燃料電池システム１０における種々の制御を行
なっている。例えば、モータ１６の駆動状態を入力し
て、その結果を基に燃料電池１２に供給する燃料ガスの
量を調節して発電量を制御したり、温度センサ２２が検
出した燃料電池１２の温度を基に燃料電池１２の冷却装
置を調整して燃料電池の運転温度を適正範囲内に維持し
たり、あるいは、車両内で電力を消費する種々の負荷の
大きさの変動を検知して、各電池の出力容量に応じて各
負荷と各電池との接続を制御したりしている。

【００４２】以上燃料電池システム１０の構成について
説明したが、次に、この燃料電池システム１０の始動時
における回路の接続の制御について、図４に例示する始
動時処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、
燃料電池システム１０を搭載する車両において、この車
両が走行可能な始動状態にするための所定のスタートス
イッチをオンにしたときに、ＣＰＵ２６によって実行さ
れる。

【００４３】本ルーチンが実行されると、まず、切り替
えスイッチ２０において燃料電池１２とモータ１６との
接続が切り離される（ステップＳ１００）。この燃料電
池１２とモータ１６との接続は、前記スタートスイッチ
をオフにしたときには切り離されることとしておけば、
通常の始動時にはステップＳ１００で改めて接続を切り
離す必要はない。

【００４４】次に、燃料電池１２の発電が開始される
（ステップＳ１１０）。燃料電池１２の発電が開始され
ると、改質器５４がメタノールと水の供給を受けて改質
反応を開始し、生成された燃料ガスがアノード４２に供
給される。また、エアコンプレッサ５６が空気を取り込
んでカソード４３に加圧供給する。燃料電池１２の始動
時には電解質膜４１が充分に湿潤化されていないため、
少なくとも電解質膜４１が充分に湿潤化されて燃料電池
１２の運転状態が安定化するまでの間は、燃料ガスまた
は燃料ガスと酸化ガスの両方を加湿して、燃料電池１２
がより早く定常状態に達するようにしても良い。このよ
うなガスの加湿には、２次電池１４から供給される電力
を用いることができる。

【００４５】ステップＳ１００において燃料電池１２と
モータ１６との接続が切り離されているため、燃料電池
１２が発電を始めてもこの電力がモータ１６の駆動に使
われることはないが、車両をすぐに発進させる場合に
は、モータ１６を駆動するための電力は２次電池１４か
ら供給される。また、モータ１６との接続は切り離され
ていても、燃料電池１２は補機類１８とは接続している
ため、この補機類１８に電力を供給しながら燃料電池１
２は暖機を行なう。補機類１８は、既述したように、燃
料電池１２を冷却するための冷却水を循環させるウオー
タポンプなどで構成されており、前記スタートスイッチ
がオンになって車両が走行可能に準備された状態では所
定範囲の電力を消費し続ける。

【００４６】スタートスイッチがオンになると、燃料電
池１２は発電を開始して、冷却水を燃料電池内に循環さ
せるウオータポンプに対して駆動用の電力の供給を始め
る。発電を開始した当初は燃料電池１２の内部の温度も
低く発電量も少ないが、温度が低い間は燃料電池１２を
冷却する必要がないため、冷却水を循環させるために充
分量の電力をポンプに供給することができなくても問題
はない。また、冷却水の循環する水路には、冷却水を冷
却するためのラジエータへの分岐路の位置にサーモスタ
ットが設けられており、冷却水の温度が低い間は冷却水
がラジエータに流れることがなく、不必要に冷却水が冷
却されることがない。燃料電池１２の温度が上がるに従
って発電量も増え、ポンプによって冷却水は燃料電池１
２内を循環し、燃料電池１２の内部は均一に昇温してい
く。

【００４７】冷却水が昇温して所定の温度以上になる
と、水路に設けられたサーモスタットの働きで分岐路に
通じるバルブが開き、冷却水はラジエータ内に流入して
冷却されるようになる。このように燃料電池１２は、ウ
オータポンプを駆動しながら徐々に暖機を行ない、やが
て充分に暖機が行なわれると、所定の温度を維持して定
常状態で運転可能になる。

【００４８】ウオータポンプなどから構成される補機類
１８は、負荷としてはモータ１６と比べてはるかに小さ
く、電流値も小さくて済むため、まだ温度が低く定常状
態に達する前の燃料電池１２によって電力の供給を行な
っても電圧の降下が起こることがない。そのため燃料電
池１２は、負荷としては小さな補機類１８に電力を供給
することによって内部温度を充分に高め、それと共に電
解質膜４１も充分に湿潤化して、モータ１６の大きな負
荷にも対応可能な定常状態となる。

【００４９】ステップＳ１２０においては、燃料電池１
２内部の温度であるＴFCと予め設定しておいた温度であ
るＴ0 とを比較する。実際にはＴFCは、温度センサ２２
が検知して制御部２４に伝えた温度であり、燃料電池１
２から排出される燃料排ガスの温度であるが、この温度
は燃料電池１２の内部の温度を精度良く表わしている。
Ｔ0 は、燃料電池が充分に暖機されて正常に動作可能で
ある温度として予め設定された温度である。本実施例で
は６０℃に設定されている。

【００５０】ステップＳ１２０においてＴFCがＴ0 より
も大きいと判断されると、切り替えスイッチ２０が切り
替えられて燃料電池１２とモータ１６とが接続され（ス
テップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。ＴFCがＴ0
よりも大きい時には、燃料電池１２は充分に暖機されて
いることになり、負荷の大きなモータ１６に接続しても
電圧降下を起こすことなく充分対応可能であると判断さ
れる。以後燃料電池１２は、補機類１８とモータ１６と
の双方に電力を供給することとなる。また、モータ１６
は、燃料電池１２と２次電池１４との両方から所定の割
合で電力の供給を受けることになる。ここで、燃料電池
１２と２次電池１４とは並列にモータ１６と接続してい
ることから、各電池がモータに供給する電力の所定の割
合は、各電池の出力容量によって決まる。

【００５１】ステップＳ１２０においてＴFCがＴ0 より
も小さいと判断されると、再びステップＳ１２０に戻っ
てＴFCがＴ0 よりも大きいと判断されるまでこのステッ
プを繰り返す。ＴFCがＴ0 よりも小さい間は燃料電池１
２の暖機が充分ではなく、大きな負荷に接続すると電圧
降下などを起こしてしまうおそれがある。従って、負荷
の小さな補機類１８に電力を供給しながら暖機を続け、
燃料電池１２の内部の温度が充分に上昇するのを待つ。
このようにして暖機が充分に行なわれると、ステップＳ
１２０でＴFCがＴ0 よりも大きいと判断されるようにな
り、ステップＳ１３０に移行して、燃料電池１２はモー
タ１６への電力の供給を始める。

【００５２】以上のように構成された燃料電池システム
１０によれば、このシステムの始動時には２次電池１４
がモータ１６を駆動するための電力を供給するため、燃
料電池１２が暖機されるのを待つこと無く車両を発進さ
せることができる。また、燃料電池１２は、その暖機時
には補機類１８に対してだけ電力を供給し、モータ１６
とは接続していないため、大きな負荷に対して大電流を
流すことで電圧降下を起こすといったことがない。従っ
て、充分に暖機されていない燃料電池１２から大きな電
流を取り出そうとすることで、燃料電池１２内部で転極
が起こったり部分的に異常発熱するという問題が生じる
ことがない。さらに、燃料電池１２の暖機は、補機類１
８という小さな負荷に対して電力を供給することによっ
て自立的に行なわれるため、２次電池からのエネルギ等
を用いて燃料電池を加熱する必要がなく、燃料電池１２
の暖機のためにエネルギ効率が低下することがない。

【００５３】ここで、燃料電池１２は常に補機類１８に
接続されているので、車両が停止してモータ１６を駆動
する電力を要しない間も燃料電池１２は運転を続け、補
機類１８に電力を供給し続ける。従って、車両が停止し
ても燃料電池１２は定常状態を維持することができ、再
発進時にはすぐに燃料電池１２からモータ１６へ電力を
供給可能になる。車両が停止している間には燃料電池１
２の発電能力に余裕が生じるため、この間は燃料電池１
２によって２次電池１４を充電する構成としても良い。

【００５４】さらに、本実施例の燃料電池システム１０
では、２次電池１４は、燃料電池１２の暖機中は単独で
モータ１６を駆動する必要があるが、燃料電池１２の暖
機終了後は燃料電池１２とともにモータ１６を駆動すれ
ばよく、また、必要に応じて燃料電池１２によって充電
可能であるので、２次電池１４が大型化することがな
い。大容量の２次電池を搭載する必要がないことは、燃
料電池システム１０を車載する場合に有利である。ま
た、燃料電池１２の暖機が終了した後は、燃料電池１２
と２次電池１４との両方を用いてモータ１６を駆動する
ため、車両の走行中に急加速や坂道登坂を行なって特に
大きな負荷がかかった場合にも、両方の電池で出力を補
い合って充分に対応することができる。また、車両のス
ピードが落ちてモータ１６での所要電圧が突然下がった
場合にも、燃料電池１２が発電した過剰な電力は、並列
に接続された２次電池が蓄電するという形で吸収される
ため、モータ１６の負荷変動に広く対応することができ
る。

【００５５】また、上記した実施例では、補機類１８と
して、燃料電池１２を冷却する冷却水を循環させるため
のウオータポンプを例に挙げて説明したが、ウオータポ
ンプの他にも、制御部２４のように車両の各部の働きを
制御する装置に組み込まれたコンピュータやエアコンプ
レッサ５６等も、補記類１８として暖機中の燃料電池１
２の出力の対象となる。これらはいずれも低く一定した
レベルの電力を消費するため、燃料電池１２を暖機する
ための負荷として適している。燃料電池１２の暖機が進
んで、これらの補機類１８に電力を供給してもまだ余力
が生じる場合には、所定の制御手段によって燃料電池１
２との接続を制御することで、上記冷却水を冷却するた
めのラジエータのファンや車両内のスイッチ部の照明用
ランプ等にも電力を供給することとしてもよい。

【００５６】上記した実施例では改質器５４での改質反
応のための加熱にはバーナの燃焼熱を用いたが、改質器
５４には加熱用のヒータを設けることとし、このヒータ
への電力の供給を２次電池１４と燃料電池１２とで切り
替えることとしてもよい。燃料電池１２の暖機を始めた
当初は２次電池１４によってヒータを加熱し、燃料電池
１２の暖機が進んで発電能力が向上してきたときには燃
料電池１２とヒータとを接続して、ヒータを補機類１８
に加えることもできる。このような制御は、温度センサ
２２から入力される情報を基に、燃料電池１２と上記ヒ
ータとを接続する所定のスイッチを制御部２４によって
駆動させることによって実現可能である。従って、ウオ
ータポンプなど所要電力の小さな一部の機器は常に燃料
電池１２から電力を供給されて補機類１８として働か
せ、これらの他にも、必要に応じて燃料電池１２と接続
することで他の機器類を補機類１８に加えることとして
もよい。

【００５７】本実施例の燃料電池システム１０では、排
燃路６１に温度センサ２２を設け、燃料電池１２から排
出される燃料排ガスの温度を検出することによって燃料
電池１０の暖機状態を検出する構成としたが、このよう
な暖機状態の検出手段としては、燃料電池１２内部の運
転状態を直接知る手段、あるいは燃料電池１２の運転状
況を類推する手段等から任意に採用することができる。
燃料電池１２内部の運転状態を直接知る手段としては、
まず、燃料電池内部の温度を測定する方法を挙げること
ができる。燃料電池内部の温度を測定する方法として
は、上記した燃料排ガスの温度を測定する他に、燃料電
池１２内部に温度センサを設置して直接燃料電池１２内
部の温度を検出したり、あるいは、燃料電池１２の内部
を循環した冷却水の水路に温度センサを設置して冷却水
の温度を測定するなどの方法があり、燃料電池１２内部
の温度を反映した部位の温度を測定する方法であればよ
い。

【００５８】ここで、燃料電池１２内部の温度を反映す
る各部の温度を測定する方法としては、上記したように
センサを設けることによって実際の温度を測定して、こ
の数値を基に制御部２４が判断を行なう構成の他に、セ
ンサとは異なる検出手段を所定の位置に設けて、燃料電
池の暖機が終了したときには、この検出手段が制御部２
４に対してスイッチの切り替えを指示する二値的な信号
を出力する構成とすることもできる。例えば、排燃路６
１など燃料電池１２の温度を反映する場所にバイメタル
やサーモスタットを備えた検出器を設け、この取り付け
位置に伝えられる燃料電池１２の温度が所定の温度を越
えたときに、これらバイメタルなどの形状が物理的に変
化するのに伴って、検出器が所定の信号を制御部２４に
出力することとする。このような構成とすれば、制御部
２４は具体的なデータを比較して判断を下す処理を行な
う必要がなく、検出器から所定の信号を入力されたとき
に切り替えスイッチ２０を駆動する信号を出力すればよ
い。また、温度を測定する以外に燃料電池１２内部の運
転状態を直接知る方法としては、電解質膜４１の抵抗値
を測定する等の方法を挙げることができる。

【００５９】他方、燃料電池１２の運転状況を類推する
手段としては、例えば、システム始動時からの経過時間
や、同じくシステム始動時からのモータ１６の累積回転
数、あるいはメタノールタンク５１や水タンク５２から
供給されるメタノールや水の累積供給量などを測定して
制御部２４に伝える方法を挙げることができる。車両用
システム始動時のようにある程度一定した条件の下で燃
料電池１２を運転すれば、経過時間や供給した燃料の量
などを基に、所定の確からしさで現在の運転状況を類推
することが可能であり、燃料電池１２の暖機状態を知る
ことができる。

【００６０】また、以上説明した本実施例の燃料電池シ
ステム１０では、燃料電池１２とモータ１６との接続を
制御するときに、上述した各種センサが燃料電池１２の
暖機状態を検出し、この検出結果を基に制御部２４が暖
機の完了を判断して切り替えスイッチ２０を駆動する構
成としたが、センサなどの検出部および暖機状態を判断
する制御部を電気的に接続する必要のない構成とするこ
ともできる。例えば、切り替えスイッチ２０においてそ
の駆動部にバイメタルやサーモスタット等を備えさせ、
切り替えスイッチ２０を排燃路６１の近傍など燃料電池
１２の温度の影響を直接受ける部位に設置する。このよ
うな構成とすれば、燃料電池１２が所定の温度に達した
ときに、これらバイメタル等の形状が物理的に変化する
ことによって直接燃料電池１２とモータ１６との接続を
切り替えることができる。このような場合には、所定の
条件を測定するセンサを別途備える必要がなく、燃料電
池システム１０における電気的な接続を簡略化すること
ができる。

【００６１】本実施例の燃料電池システム１０では、燃
料電池１２として固体高分子電解質膜型の燃料電池を用
いたが、リン酸型燃料電池など車両に搭載可能であって
始動と停止を繰り返す使用に耐えるものであればよい。
また、本実施例の燃料電池システム１０は、車両に搭載
する場合だけでなく、種々の用途において、その始動時
に上記実施例と同様な効果を奏することができる。

【００６２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる
様態で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池システ
ム１０の構成を例示するブロック図である。

【図２】燃料電池１２を構成する単セル４０の構造を示
す断面図である。

【図３】燃料電池１２を備えた燃料電池部５０の構成を
示すブロック図である。

【図４】制御部２４のＣＰＵ２６によって実行される始
動時処理ルーチンを例示するフローチャートである。

【図５】燃料電池における、暖機終了前および暖機終了
後の出力特性を表わす説明図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池 １４…２次電池 １６…モータ １８…補機類 ２０…切り替えスイッチ ２２…温度センサ ２４…制御部 ２６…ＣＰＵ ２８…ＲＯＭ ３０…ＲＡＭ ３２…入出力ポート ４０…単セル ４１…電解質膜 ４２…アノード ４３…カソード ４４、４５…セパレータ ４４Ｐ…燃料ガス流路 ４５Ｐ…酸化ガス流路 ４６…集電板 ５０…燃料電池部 ５１…メタノールタンク ５２…水タンク ５４…改質器 ５６…エアコンプレッサ ５８…給燃路 ５９…空気供給路 ６０…分岐空気路 ６１…排燃路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池と２次電池とを備え、少なくと
   もいずれかの電池により負荷に対して電力の供給を行な
   う燃料電池システムにおいて、 前記負荷と前記燃料電池との電気的な接続を入り切りす
   るスイッチと、 前記燃料電池の暖機運転を行なう際、該燃料電池の暖機
   状態を検出する暖機状態検出手段と、 該暖機状態検出手段における検出結果を基に、前記スイ
   ッチを駆動して、前記負荷と前記燃料電池とを接続する
   接続制御手段とを備え、 少なくとも前記燃料電池が暖機運転を行なう間は、前記
   ２次電池が前記負荷に対して電力の供給を行なう燃料電
   池システム。
2. 【請求項２】 車両に搭載されており、前記負荷が前記
   車両を駆動するためのモータである請求項１記載の燃料
   電池システム。
3. 【請求項３】 前記燃料電池は、前記暖機運転時には、
   所定の低電流で足りる副負荷に対して電力を供給するよ
   う接続された請求項１または２記載の燃料電池システ
   ム。
4. 【請求項４】 燃料電池と２次電池とを備え、少なくと
   もいずれかの電池により車両駆動用のモータに対して電
   力の供給を行なう電気自動車において、 前記モータと前記燃料電池との電気的な接続を入り切り
   するスイッチと、 前記燃料電池が暖機運転を行なう際、該燃料電池の暖機
   状態を検出する暖機状態検出手段と、 該暖機状態検出手段における検出結果を基に、前記スイ
   ッチを駆動して、前記モータと前記燃料電池とを接続す
   る接続制御手段とを備え、 少なくとも前記燃料電池が暖機運転を行なう間は、前記
   ２次電池が前記モータに対して電力の供給を行なう電気
   自動車。
5. 【請求項５】 前記燃料電池は、前記暖機運転時には、
   所定の低電流で足りる補機類に対して電力を供給するよ
   う接続された請求項４記載の電気自動車。