JPH10271706A - 電源装置および電気自動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２次電池の残存容量の悪化を防止すると共
に、大きさが変動する負荷に対して常に充分な電力を供
給可能とする。 【解決手段】 燃料電池２０と２次電池３０とを備える
燃料電池システム１０は、アクセルペダル３３ａにおけ
るアクセル開度が０の時には、切り替えスイッチ４０，
４２における接点の接続状態を制御して、燃料電池２０
から２次電池３０に対して充電を行う。このとき、燃料
電池２０からの出力電圧は、燃料電池２０からの出力が
最大となる状態でＤＣ／ＤＣコンバータ３６によって昇
圧されて、２次電池３０に供給される。また、モータ３
２での負荷量力が所定量以上の時には２次電池３０と燃
料電池２０との両方からモータ３２に電力が供給され、
負荷量が所定量より小さいときにには燃料電池２０だけ
が電力を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電源装置および電
気自動車に関し、詳しくは燃料電池と２次電池とを電源
として備えた電源装置と、この電源装置を搭載した電気
自動車に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の電源装置として、燃料電
池と２次電池とを電源として備え、両者を併用して負荷
に対して電力を供給する電源装置が提案されている（例
えば特開昭４７−３２３２１号公報など）。この電源装
置では、電源装置を構成する回路に設けられた所定の接
点を開閉することによって、電源装置に接続された負荷
に対する電力の供給を制御する。負荷が小さな時には燃
料電池が単独で負荷に対して電力を供給し、負荷が大き
くなると燃料電池と２次電池との両方が負荷に対して電
力を供給するように切り替える。また、２次電池の残存
容量が低下したときには、燃料電池は負荷に電力を供給
すると共に２次電池を充電するよう回路の接続を切り替
える。燃料電池は出力電流が大きくなるに従って電圧が
降下してしまうという性質があるが、燃料電池と２次電
池とを併設する上記構成を採ることによって、負荷の消
費電力が大きいときにも充分な出力を得ることができ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た電源装置においては、２次電池の残存容量が低下した
ときの対応としては、電源装置を構成する回路に設けた
所定の接点を開閉することによって、２次電池を放電状
態から充電可能な状態に切り替えるだけであった。この
ような構成では、負荷に供給する電力量が大きいと２次
電池の残存容量の低下に伴って上記接点が切り替わる
が、負荷がある程度大きい状態が引き続き継続すると、
燃料電池から２次電池への充電が行なわれず、２次電池
は残存容量を回復することができない。２次電池の残存
容量が回復しないまま負荷が大きい状態が継続すると、
２次電池は負荷に対して電力を供給することができない
ため、電源装置から負荷に供給される電力量が不足する
状態となる。このような状態では、燃料電池に対して大
きな負荷がかかってしまうため、燃料電池の出力電圧が
降下するなどの問題を生じ、燃料電池からも充分な出力
が得られなくなるという問題があった。

【０００４】ここで、燃料電池と２次電池とを併用して
用いる上記したような電源装置では、両電池の出力に関
する性能のバランスによって、電源装置全体の性能が大
きく制約を受けることになる。各電池の性能は、その大
きさに大きく依存している。燃料電池では、燃料電池を
構成する積層セル数が出力電圧に、各セルが備える電極
の面積が出力電流に比例する。また２次電池では、２次
電池の個数が出力電圧に比例し、２次電池の容積および
重量がＶ−Ｉ特性の傾きに比例する。

【０００５】したがって、上記したように負荷が大きい
状態が継続する場合にも２次電池からの電力の供給を確
保するためには、２次電池の容量を増大させることによ
って、電源装置全体を長時間継続する大きな負荷に耐え
ることができる構成にするといった対応が考えられる。
しかしながら、２次電池の容量を増大させる場合には、
電源装置を設置するためにより大きなスペースが必要と
なり、採用しがたい場合がある。特に、上記電源装置を
電気自動車の駆動用電源として用いる場合には、積載可
能なスペースに厳しい制限があるため採用し難い。

【０００６】２次電池と燃料電池とが並列に接続されて
負荷に対して電力を供給している場合に、２次電池が放
電状態と充電状態とのうちいずれの状態になるかは、負
荷の大きさと、２次電池と燃料電池との出力容量のバラ
ンスとによって決まる。そこで、２次電池の残存容量が
著しく低下してしまうのを避け得る構成として、２次電
池からの出力電圧を、燃料電池からの出力電圧に比べて
相対的により小さくすることが考えられる。このような
構成とすることによって、燃料電池が２次電池を充電す
る充電領域がより広くなり、２次電池は残存容量を回復
しやすくなる。しかしながら、２次電池において燃料電
池に対する相対的な出力電圧を小さくする場合には、２
次電池の出力・容量ともに減少し、電源装置全体として
電力を供給可能な負荷の大きさが小さくなってしまい、
採用し難い。

【０００７】また、燃料電池の積層セル数や電極面積を
増大させて燃料電池からの出力を大きくすることによっ
て、２次電池を充電可能となる領域を拡大するととも
に、負荷が大きい状態における燃料電池からの出力の割
合を増大して２次電池の残存容量の悪化による出力減少
の影響を小さくするという方策も考えられる。しかしな
がら、燃料電池の出力を大きくすると、それに伴って、
燃料電池の運転時に駆動される補機類（酸化ガスを燃料
電池に供給するためのコンプレッサなど）で消費される
電力も増大してしまうため、燃料電池の出力を大きくし
ても実際には上記したような効果は得難い。すなわち、
補機類で消費される電力が増大すると、燃料電池の出力
を大きくしても２次電池の充電領域を広げる効果は充分
に得られず、また、負荷が大きい状態における燃料電池
からの出力の割合を充分に増大させることができない。

【０００８】このように、燃料電池と２次電池とを備え
る電源装置において、大きさが変動する負荷に対して常
に充分な電力を供給することと、２次電池の残存容量の
悪化を防止することを共に達成する構成は従来知られて
おらず、その実現が望まれていた。

【０００９】本発明の電源装置および電気自動車は、こ
うした問題を解決し、２次電池の残存容量の悪化を防止
すると共に、大きさが変動する負荷に対して常に充分な
電力を供給可能とする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
発明の電源装置は、燃料電池と２次電池とを備え、前記
燃料電池と前記２次電池との少なくとも一方から負荷に
対して電力の供給を行なう電源装置であって、前記燃料
電池から前記２次電池に対して充電を行なうべき状態で
あることを判断する充電時判断手段と、前記充電時判断
手段が前記燃料電池から前記２次電池に対して充電を行
なうべき状態であると判断したときに、前記燃料電池か
ら前記負荷に対して電力を供給する場合の出力電圧より
も高い所定の電圧で、前記燃料電池を供給側として前記
２次電池の充電を行なう充電手段とを備えることを要旨
とする。

【００１１】以上のように構成された本発明の電源装置
は、燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池と前記
２次電池との少なくとも一方から負荷に対して電力の供
給を行なう。前記燃料電池から前記２次電池に対して充
電を行なうべき状態であることが判断されると、前記燃
料電池から前記負荷に対して電力を供給する場合の出力
電圧よりも高い電圧で、前記燃料電池を供給側として前
記２次電池の充電を行なう。

【００１２】このような電源装置によれば、前記燃料電
池から前記負荷に対して電力を供給する場合の出力電圧
よりも高い電圧で、前記燃料電池を供給側として前記２
次電池の充電を行なうため、燃料電池の出力電圧と２次
電池の充電電圧との差だけに基づいて充電を行なう場合
に比べて、高い効率でより迅速に２次電池の充電を行な
うことができる。

【００１３】ここで、前記負荷は、大きさが零となり得
る主負荷を含み、前記充電時判断手段は、前記主負荷が
略零となる状態を検出したときに、前記燃料電池から前
記２次電池に対して充電を行なうべき状態であると判断
する構成とすることもできる。

【００１４】このような場合には、大きさが変動する主
負荷の大きさが略零となったときに、前記燃料電池から
前記２次電池に対して充電を行なうべき状態であると判
断されるため、燃料電池の出力状態に余裕のあるときに
２次電池の充電を行なうことができる。したがって、２
次電池を充電することによって主負荷に対する電力供給
が影響を受けることがなく、また、大きく安定した電力
によって２次電池を充電することができる。

【００１５】本発明の電源装置において、前記充電手段
は、前記燃料電池の出力に接続され、前記燃料電池から
の出力電圧を昇圧して前記２次電池に供給する昇圧手段
と、複数の接点を備え、該接点の接続の組み合わせによ
り、前記負荷に電力を供給する接続状態から、前記燃料
電池から前記昇圧手段を介して前記２次電池を充電する
接続状態に切り替え可能な接続手段と、前記充電時判断
手段が前記燃料電池から前記２次電池に対して充電を行
なうべき状態であると判断したときに、前記接続手段の
接点の接続の組み合わせを操作して、前記回路の接続状
態が前記燃料電池から前記２次電池に対して充電可能と
なる接続状態に変更すると共に、前記２次電池を充電す
る電圧が前記所定の電圧となるよう前記昇圧手段を制御
する制御手段とを備えることとしてもよい。

【００１６】このような電源装置では、前記燃料電池か
ら前記２次電池に対して充電を行なうべき状態であると
判断されると、制御手段が前記接続手段の接点の接続の
組み合わせを操作して、前記回路の接続状態が前記燃料
電池から前記２次電池に対して充電可能となる接続状態
に変更される。また、このとき、制御手段は昇圧手段を
制御して、前記２次電池を充電する電圧を前記所定の電
圧にする。したがって、前記燃料電池から前記２次電池
に対して充電を行なう必要がある場合には、高い電圧で
２次電池を充電することが可能となる。

【００１７】また、本発明の電源装置において、前記負
荷の状態を検出して前記負荷が高負荷状態であるか低負
荷状態であるかを判断する負荷状態判定手段と、前記負
荷状態判定手段が高負荷状態であると判断したときに
は、前記燃料電池と前記２次電池との両方から前記負荷
に対して電力を供給し、前記負荷状態判定手段が低負荷
状態であると判断したときには、前記燃料電池だけから
前記負荷に対して電力を供給する電源切り替え手段とを
備えることとしてもよい。

【００１８】このような電源装置では、前記負荷の状態
を検出して前記負荷が高負荷状態であるか低負荷状態で
あるかを判断し、高負荷状態であると判断したときには
前記燃料電池と前記２次電池との両方から前記負荷に対
して電力を供給し、低負荷状態であると判断したときに
は前記燃料電池だけから前記負荷に対して電力を供給す
る。したがって、高負荷状態においては燃料電池と２次
電池との両方から電力が供給されるため、大きな負荷に
充分に対応することが可能となり、低負荷状態において
は２次電池から出力されてしまうことがなく、低負荷状
態のときに２次電池の残存容量が低下してしまうことが
ない。

【００１９】さらに、本発明の電源装置において、前記
負荷の状態を検出して前記負荷が高負荷状態であるか低
負荷状態であるかを判断する負荷状態検出手段と、複数
の接点を備え、該接点の接続の組み合わせにより、前記
燃料電池により前記２次電池を充電する接続状態と、前
記燃料電池と前記２次電池との両方から前記負荷に対し
て電力を供給する接続状態と、前記燃料電池だけから前
記負荷に対して電力を供給する接続状態とを切り替え可
能な回路接続手段と、前記充電時判断手段に加えて前記
負荷状態判定手段から情報を入力して、該入力された情
報に基づいて前記回路接続手段における接点の接続の組
み合わせを操作して、前記燃料電池と前記２次電池との
両方から前記負荷に対して電力を供給可能な高負荷モー
ドと、前記燃料電池だけから前記負荷に対して電力を供
給可能な低負荷モードと、前記燃料電池から前記２次電
池に対して充電可能な充電モードとを切り替える回路制
御手段とを備えることとしてもよい。

【００２０】このような電源装置では、前記充電時判断
手段に加えて、前記負荷の状態を検出して前記負荷が高
負荷状態であるか低負荷状態であるかを判断する負荷状
態判定手段から情報を入力して、この入力された情報に
基づいて前記回路接続手段における接点の接続の組み合
わせを操作する。これによって、前記燃料電池と前記２
次電池との両方から前記負荷に対して電力を供給可能な
高負荷モードと、前記燃料電池だけから前記負荷に対し
て電力を供給可能な低負荷モードと、前記燃料電池から
前記２次電池に対して充電可能な充電モードとを切り替
える。したがって、負荷が大きいときには充分な電力を
確保し、負荷が小さいときには２次電池の残存容量が低
下してしまうのを防ぎ、２次電池を充電すべき時には高
い効率で迅速に２次電池を充電することができる。

【００２１】また、本発明の電源装置において、前記充
電手段は、前記燃料電池からの出力エネルギが最大とな
る状態で前記２次電池への充電を行なう構成も好適であ
る。このような構成とすれば、燃料電池によって２次電
池を充電する際の効率をさらに向上させることができ、
より迅速に２次電池を充電することができる。

【００２２】ここで、前記負荷状態判定手段は、前記負
荷の大きさを判断する負荷量判定手段である構成とする
ことができる。このような構成とすれば、負荷の大きさ
に関する情報をフィードバックして前記接続手段が備え
る接点の接続状態を変更することができ、負荷の大きさ
に応じて燃料電池と２次電池とを使い分けることが可能
となる。

【００２３】さらに、前記負荷状態判定手段は、前記負
荷の変化量を判断する負荷変化量判定手段であることと
してもよい。このような構成とすれば、負荷の変化量に
従って、実際に負荷が増大してしまうのに先だって前記
接続手段が備える接点の接続状態を変更することができ
るため、負荷が所定量以上になったときには、燃料電池
と２次電池との両方から電力を供給可能な状態に準備す
ることができる。

【００２４】本発明の第１の電気自動車は、電気エネル
ギによってモータを回転させ、該モータの回転力を車軸
に伝えることによって駆動力を得る電気自動車であっ
て、請求項１ないし８いずれか記載の電源装置を搭載
し、前記モータは、前記電源装置から電力の供給を受け
る負荷の一つであることを要旨とする。

【００２５】以上のように構成された本発明の第１の電
気自動車は、前記燃料電池から前記負荷に対して電力を
供給する場合の出力電圧よりも高い電圧で、前記燃料電
池を供給側として前記２次電池の充電を行なうため、燃
料電池の出力電圧と２次電池の充電電圧との差だけに基
づいて充電を行なう場合に比べて、高い効率でより迅速
に２次電池の充電を行なうことができる。したがって、
２次電池の残存容量を迅速に回復することができ、２次
電池からの出力が要求されるときには充分な電力を供給
することができる。さらに、走行時の負荷状態によって
燃料電池および２次電池とモータとの接続状態を切り替
える場合には、負荷状態が小さいときには２次電池から
負荷への電力供給を行なわないため、負荷状態が小さい
ときに２次電池の残存容量が低下してしまうことがな
い。したがって、燃料電池からの出力だけでは不充分と
なる高負荷状態で走行したいときに、２次電池から充分
な出力を得ることができる。

【００２６】また、本発明の第２の電気自動車は、電気
エネルギによってモータを回転させ、該モータの回転力
を車軸に伝えることによって駆動力を得る電気自動車で
あって、請求項７記載の電源装置を搭載し、前記モータ
は、前記電源装置から電力の供給を受ける負荷の一つで
あり、前記負荷量判定手段は、前記電気自動車における
アクセル開度と車速とに基づいて前記負荷量を判断する
手段であることを要旨とする。

【００２７】以上のように構成された本発明の第２の電
気自動車は、前記電気自動車におけるアクセル開度と車
速とに基づいて前記負荷量を判断する。アクセル開度
は、電気自動車が備えるモータにおける出力トルクに関
する要求の度合いと対応関係を有する値であり、車速
は、電気自動車が備えるモータにおける回転数に対応す
る値である。したがって、アクセル開度と車速とに基づ
くことによって、負荷量、すなわち、モータにおける消
費電力を精度よく推定することができる。これによっ
て、負荷の大きさに関する情報をフィードバックして前
記接続手段が備える接点の接続状態を変更することがで
き、モータでの消費電力量に応じて燃料電池と２次電池
とを使い分けることが可能となる。

【００２８】また、本発明の第３の電気自動車は、電気
エネルギによってモータを回転させ、該モータの回転力
を車軸に伝えることによって駆動力を得る電気自動車で
あって、請求項８記載の電源装置を搭載し、前記モータ
は、前記電源装置から電力の供給を受ける負荷の一つで
あり、前記負荷変化量判定手段は、前記電気自動車にお
けるアクセル開速度に基づいて前記負荷の変化量を判断
する手段であることを要旨とする。

【００２９】以上のように構成された本発明の第３の電
気自動車は、前記電気自動車におけるアクセル開速度に
基づいて前記負荷量を判断する。アクセル開速度は、電
気自動車において運転者が要求する加速の度合いに対応
している。したがって、アクセル開速度が所定値よりも
大きくなったときには、そのときの負荷量に関わらず高
負荷状態と判断することによって、実際に負荷が増大す
るときには、燃料電池と２次電池との両方から電力を供
給可能な状態に準備することができる。

【００３０】

【発明の他の態様】本発明の電源装置は、以下のような
他の態様をとることも可能である。すなわち、本発明の
電源装置において、前記電源装置の起動時に、前記燃料
電池の暖気状態を検出する暖気状態検出手段と、前記暖
気状態検出手段によって、前記燃料電池が所定の暖気状
態であると判断されたときには、前記燃料電池からの出
力を制限する出力制限手段とを備え、前記制御手段は、
前記暖気状態検出手段によって、前記燃料電池が所定の
暖気状態であると判断されたときには、前記回路の状態
が前記２次電池から前記負荷に対して電力を供給可能と
なるように、前記接続手段に対して指示信号を出力する
こととしてもよい。

【００３１】このような構成とすれは、電源装置の起動
時において、前記燃料電池の暖気状態が不十分である間
に前記燃料電池に大きな負荷が接続されて、燃料電池に
おいて電圧降下などの不都合を生じてしまうことがな
い。また、燃料電池が暖気運転中であるときには２次電
池と負荷とが接続されるため、燃料電池の暖機運転に関
わらず負荷を駆動することが可能となる。ここで、前記
燃料電池の暖気状態は、燃料電池の運転温度を測定する
などの方法によって検出可能である。

【００３２】さらに、本発明の電源装置は、前記２次電
池の残存容量を検出する残存容量検出手段と、前記残存
容量検出手段が検出した前記残存容量の状態を、認識可
能に表示する残存容量表示手段と、前記燃料電池の暖気
運転中に前記２次電池の充電を開始するための指示を入
力可能な充電指示入力手段とを備え、前記制御手段は、
前記充電指示入力手段から前記２次電池の充電を開始す
るための指示が入力され、前記暖気状態検出手段が検出
した前記燃料電池の暖気状態が所定の状態になったとき
には、前記回路の状態が前記燃料電池から前記２次電池
に対して充電可能となるように、前記接続手段に対して
指示信号を出力すると共に、前記燃料電池からの出力電
圧が前記燃料電池の暖気状態に応じた前記所定の電圧と
なるよう前記昇圧手段に指示信号を出力する手段である
こととしてもよい。

【００３３】このような構成とすれば、電源装置の起動
時に２次電池の残存容量が低下しているときには、積極
的に２次電池の残存容量の回復を図ることが可能とな
る。特に、燃料電池の暖気運転が終了する以前に２次電
池の充電を開始することができるため、より早く２次電
池の残存容量を回復させることができる。このとき、燃
料電池の暖気状態に応じて燃料電池からの出力電圧を昇
圧する構成であるため、燃料電池に過剰な負荷をかける
ことなく高い効率で２次電池の充電を行なうことができ
る。

【００３４】さらに、本発明の電源装置において、前記
制御部は、前記電源装置の停止が指示されたときには、
前記回路の接続状態が前記燃料電池から前記２次電池に
対して充電可能となるように、前記接続手段に対して指
示信号を出力すると共に、前記燃料電池からの出力電圧
が前記所定の電圧となるよう前記昇圧手段に指示信号を
出力する手段であり、前記残存容量検出手段が検出する
前記２次電池の残存容量が所定量に達したときには、前
記燃料電池における発電を停止する燃料電池停止手段を
備えることとしてもよい。

【００３５】このような構成とすれば、２次電池の残存
容量を充分な状態としてから電源装置がを停止されるた
め、次回に電源装置を起動するときには、２次電池は充
分な残存容量を有していることになり、直ちに２次電池
から負荷に対して電力を供給することが可能となる。こ
こで、電源装置の停止時に、前記燃料電池からの出力エ
ネルギが最大となる状態で２次電池を充電する場合に
は、２次電池を充電する効率を向上させることができ、
電源装置の停止時に燃料電池が発電し続ける時間を短縮
することが可能となる。

【００３６】

【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を搭載した電気自動車
の構成の概略を表すブロック図である。本実施例の燃料
電池システム１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電
源装置として働く。燃料電池システム１０は、燃料電池
２０、２次電池３０、車両駆動用のモータ３２、補機類
３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６，３８、切り替えスイ
ッチ４０，４２、残存容量モニタ４３、インバータ４
４、ダイオード４６，４８、車速センサ４９、制御部５
０を主な構成要素とする。燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコ
ンバータ３８は並列に、２次電池３０とＤＣ／ＤＣコン
バータ３６は並列に接続され、さらに、燃料電池２０，
ＤＣ／ＤＣコンバータ３８，２次電池３０，ＤＣ／ＤＣ
コンバータ３６とインバータ４４は、切り替えスイッチ
４０，４２の接点の状態により接続関係は切り替えられ
るが、基本的には並列に接続されている。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。

【００３７】燃料電池２０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２８を複数積層し
たスタック構造を有している。燃料電池２０は、陰極側
に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側には酸
素を含有する酸化ガスの供給を受けて以下に示す電気化
学反応によって起電力を得る。

【００３８】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００３９】（１）式は陰極側における反応、（２）式
は陽極側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。図２は、この燃料電池２０を構成す
る単セル２８の構成を例示する断面図である。単セル２
８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２
３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。

【００４０】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１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２４，２５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２２お
よびカソード２３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２２とセパレータ２４との間
には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２
３とセパレータ２５との間には酸化ガス流路２５Ｐが形
成されている。セパレータ２４，２５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２２との間
で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セル
が備えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐを形
成する。このように、セパレータ２４，２５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。もとより、単セル２８を積層してスタッ
ク構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２
枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリ
ブを形成することとしてもよい。

【００４１】ここで、電解質膜２１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２１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。触媒を塗布する方法としては、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
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添
加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷
するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持し
たカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを
作製し、このシートを電解質膜２１上にプレスする構成
も好適である。また、白金などの触媒は、電解質膜２１
ではなく、電解質膜２１を接するアノード２２およびカ
ソード２３側に塗布することとしてもよい。

【００４２】アノード２２およびカソード２３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２２およ
びカソード２３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。

【００４３】セパレータ２４，２５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２
４，２５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２２の表面と
で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソ
ード２３の表面とで酸化ガス流路２５Ｐ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。

【００４４】以上、燃料電池２０の基本構造である単セ
ル２８の構成について説明した。実際に燃料電池２０と
して組み立てるときには、セパレータ２４、アノード２
２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５の順
序で構成される単セル２８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２６，２７を配置することによっ
て、スタック構造を構成する。

【００４５】図１の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２０とその周辺装置とから
なる燃料電池部６０の構成を例示するブロック図であ
る。燃料電池部６０は、上記燃料電池２０と、メタノー
ルタンク６１および水タンク６２と、改質器６４と、エ
アコンプレッサ６６とを主な構成要素とする。

【００４６】改質器６４は、メタノールタンク６１およ
び水タンク６２から、メタノールおよび水の供給を受け
る。改質器６４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６４で行なわれる改
質反応を示す。

【００４７】 ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂ …（４） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（５） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂ …（６）

【００４８】改質器６４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。改質器６４で
生成された水素リッチな燃料ガスは燃料供給路６８を介
して燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内では各単
セル２８において、前記燃料ガス流路２４Ｐに導かれて
アノード２２における電池反応に供される。アノード２
２で行なわれる反応は記述した（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２１の乾燥を
防ぐために、燃料供給路６８に加湿器を設け、燃料ガス
を加湿した後に燃料電池２０に供給することとしてもよ
い。

【００４９】また、エアコンプレッサ６６は、外部から
取り込んだ空気を燃料電池２０に加圧供給する。エアコ
ンプレッサ６６に取り込まれて加圧された空気は、空気
供給路６９を介して燃料電池２０に供給され、燃料電池
２０内では各単セル２８において、前記酸化ガス流路２
５Ｐに導かれてカソード２３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２３に供給する空気は、このよ
うにエアコンプレッサ６６によって加圧を行なってい
る。なお、アノード２２に供給する燃料ガスの圧力は、
記述した燃料供給路６８に設けたマスフロコントローラ
の電磁バルブ６７の開閉状態を制御することによって容
易に調節可能である。

【００５０】燃料電池２０内のアノード２２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６６
によって圧縮された空気の一部とは改質器６４に供給さ
れる。既述したように、改質器６４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６４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。燃料電池２０の陽極側から排
出された燃料排ガスは燃料排出路７１によって改質器６
４に導かれ、圧縮空気は空気供給路６９から分岐する分
岐空気路７０によって改質器６４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。

【００５１】このような燃料電池２０は、接続される負
荷の大きさに応じて燃料ガス量および酸化ガス量を調節
することによって出力を制御することができる。この出
力の制御は制御部５０によって行なわれる。すなわち、
既述したエアコンプレッサ６６や燃料供給路６８に設け
た電磁バルブ６７に対して制御部５０からの駆動信号を
出力し、その駆動量や開閉状態を調節することで供給ガ
ス量を制御して燃料電池２０の出力を調節している。

【００５２】以上説明した燃料電池２０は、２次電池３
０、モータ３２および補機類３４と接続可能となってい
る。この燃料電池２０は、燃料電池システム１０のモー
ドが後述するように切り替わると、モータ３２および補
機類３４に対して電力の供給を行なう状態と、２次電池
３０の充電を行なう状態とが切り替わる。このような燃
料電池２０と２次電池３０との充放電状態に関わる制御
については後に詳しく説明する。また、燃料電池２０に
は、温度センサ４５が設けられている。この温度センサ
４５は、燃料電池２０内部の温度を測定するものであ
り、温度センサ４５によって検出された燃料電池２０の
内部温度に関する情報は、後述する制御部５０に入力さ
れる（図１参照）。

【００５３】２次電池３０は、上記燃料電池２０ととも
にモータ３２および補機類３４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次電池など他種の２次電池を用いることもできる。こ
の２次電池３０の容量は、燃料電池システム１０を搭載
する車両の大きさやこの車両の想定される走行条件、あ
るいは要求される車両の性能（最高速度や走行距離な
ど）などによって決定される。

【００５４】モータ３２は、三相同期モータである。燃
料電池２０や２次電池３０が出力する直流電流は、後述
するインバータ４４によって三相交流に変換されてモー
タ３２に供給される。このような電力の供給を受けてモ
ータ３２は回転駆動力を発生し、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。このモータ３２は、制御装置３
３の制御を受ける。制御装置３３は、アクセルペダル３
３ａの操作量を検出するアクセルペダルポジションセン
サ３３ｂなどとも接続されている。また、制御装置３３
は、燃料電池システム１０の動作に関する基本的な制御
を行なう制御部５０とも接続されており、この制御部５
０との間でモータ３２の駆動などに関する種々の情報を
やり取りしている。

【００５５】補機類３４は、燃料電池システム１０の稼
働中に所定範囲内の電力を消費する負荷である。例え
ば、エアコンプレッサ６６やウオータポンプやマスフロ
コントローラなどがこれに相当する。エアコンプレッサ
６６は、既述したように、燃料電池２０に供給する酸化
ガス圧を調節するものである。また、ウオータポンプ
は、冷却水を加圧して燃料電池２０内を循環させるもの
であり、このように冷却水を循環させて燃料電池２０内
で熱交換を行なわせることによって、燃料電池２０の内
部温度を所定の温度以下に制御する。マスフロコントロ
ーラは、既述したように燃料電池２０に供給する燃料ガ
スの圧力と流量を調節する。従って、図１のブロック図
では燃料電池２０と補機類３４とは独立して表わされて
いるが、これら燃料電池２０の運転状態の制御に関わる
機器については燃料電池２０の周辺機器ということもで
きる。このような補機類３４の電力消費量は本実施例で
は最大５ｋｗであり、モータ３２の消費電力に比べて少
なく、電力消費量の変動も小さい。

【００５６】ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、燃料電池２
０および２次電池３０が出力する電気エネルギの電圧を
変換して補機類３４に供給する。モータ３２を駆動する
のに必要な電圧は、通常２００Ｖ〜３００Ｖ程度であ
り、燃料電池２０および２次電池３０からはこれに見合
った電圧が出力されている。しかしながら、既述したウ
オータポンプなどの補機類３４を駆動するときの電圧は
１２Ｖ程度であり、燃料電池２０および２次電池３０か
ら出力される電圧をそのままの状態で供給することはで
きない。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８によっ
て電圧を降下させている。

【００５７】ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池２
０が出力する電気エネルギの電圧を変換して２次電池３
０に供給する。後述するように、モータ３２において電
力の消費が行なわれないときには、本実施例の燃料電池
システム１０では、接点の切り替えが行なわれて燃料電
池２０と２次電池３０とがこのＤＣ／ＤＣコンバータ３
６を介して接続される。燃料電池システム１０の回路が
このような接続状態になると、燃料電池２０からの出力
電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ３６によって昇圧され、２
次電池３０へ供給される。

【００５８】切り替えスイッチ４０，４２は、燃料電池
２０，２次電池３０およびモータ３２のそれぞれの間の
接続状態を切り替えるスイッチである。切り替えスイッ
チ４０は、そのコモン側接点が切り替え側接点ｃ，ｄ，
ｅのいずれかと接続した状態となる。切り替え側接点ｃ
と接続したときには、燃料電池２０は２次電池３０とは
接続しない状態となる。切り替え側接点ｄと接続したと
きには、燃料電池２０と２次電池３０は並列に接続した
状態となる。切り替え側接点ｅと接続したときには、燃
料電池２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を介して２次
電池３０を充電可能な状態となるように接続される。

【００５９】一方、切り替えスイッチ４２は、そのコモ
ン側接点が切り替え側接点ａ，ｂのいずれかと接続した
状態となる。切り替え側接点ａと接続したときには、モ
ータ３２は２次電池３０とは接続しない状態となる。ま
た、切り替え側接点ｂと接続したときには、モータ３２
は２次電池３０と接続可能になる。この切り替えスイッ
チ４０，４２は制御部５０に接続されており、制御部５
０から出力される信号に従って回路の切り替えが制御さ
れる。このように切り替えスイッチ４０，４２によって
回路が切り替えられることで、燃料電池システム１０の
モードが後述するように制御される。

【００６０】残存容量モニタ４３は、２次電池３０の残
存容量を検出するものであり、ここではＳＯＣメータに
よって構成されている。ＳＯＣメータは２次電池３０に
おける充電・放電の電流値と時間とを積算するものであ
り、この値を基に制御部５０は２次電池３０の残存容量
を演算する。ここで残存容量モニタ４３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３０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ため、この性質を利用して電圧を
測定することによって２次電池３０の残存容量を検出す
ることができる。このような電圧センサは制御部５０に
接続される。制御部５０に予め電圧センサにおける電圧
値と残存容量との関係を記憶しておくことによって、電
圧センサから入力される測定値を基に制御部５０は２次
電池３０の残存容量を求めることができる。あるいは、
残存容量モニタ４３は、２次電池３０の電解液の比重を
測定して残存容量を検出する構成としてもよい。

【００６１】インバータ４４は、燃料電池２０や２次電
池３０から供給される直流電流を、３相交流電流に変換
してモータ３２に供給する。ここでは、制御部５０から
の指示に基づいて、モータ３２に供給する３相交流の振
幅（実際にはパルス幅）および周波数を調節することに
よって、モータ３２で発生する駆動力を制御可能となっ
ている。このインバータ４４は、６個のスイッチング素
子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））
を主回路素子として構成されており、これらのスイッチ
ング素子のスイッチング動作により燃料電池２０および
２次電池３０から供給される直流電流を任意の振幅およ
び周波数の三相交流に変換する。インバータ８０が備え
る各スイッチング素子はそれぞれ制御部５０に接続され
ており、制御部５０からの駆動信号によりそのスイッチ
ングのタイミングの制御を受ける。

【００６２】ダイオード４６，４８は、燃料電池システ
ム１０を構成する回路中の所定の位置に設けられてお
り、回路内を電流が非所望の方向に逆流してしまうのを
防止する。ダイオード４６は、切り替えスイッチ４０の
切り替え側接点ｃと、切り替えスイッチ４２の切り替え
側接点ａとの間に接続され、燃料電池２０側からインバ
ータ４４側に電流を流すことができる向きに配置されて
いる。ダイオード４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６
と、２次電池３０との間に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ３６側から２次電池３０側に電流を流すことができ
る向きに配置されている。

【００６３】車速センサ４９は、燃料電池システム１０
を搭載する車両の速度を検出するセンサである。車速セ
ンサ４９は、例えば、上記車両が備える車軸における回
転数を検出することによって構成可能である。あるい
は、上記車両が備える各車輪の回転数に関する情報を基
に車速を推定する構成としてもよい。

【００６４】制御部５０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、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ
５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８からなる。Ｃ
ＰＵ５２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。ＲＯＭ５４には、ＣＰＵ５２
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
制御データなどが予め格納されており、ＲＡＭ５６に
は、同じくＣＰＵ５２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５８は、制御装置３３から入力されるモータ３２の駆
動状態に関する情報などを入力すると共に、ＣＰＵ５２
での演算結果に応じて、切り替えスイッチ４０，４２や
インバータ４４などに駆動信号を出力して燃料電池シス
テムの各部の駆動状態を制御する。

【００６５】図１では、制御部５０に関しては、インバ
ータ４４および切り替えスイッチ４０，４２への駆動信
号の出力と、残存容量モニタ４３，温度センサ４５およ
び車速センサ４９からの検出信号の入力と、制御装置３
３との間の信号のやり取りのみを示したが、制御部５０
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。制御部５０による図示しない制御の中
で主要なものとしては、燃料電池２０の運転状態の制御
を挙げることができる。既述したように、エアコンプレ
ッサ６６やマスフロコントローラに駆動信号を出力して
酸化ガス量や燃料ガス量を制御したり、改質器６４に供
給するメタノールおよび水の量を制御したり、燃料電池
２０の温度管理や改質器６４の温度管理も制御部５０が
行なっている。

【００６６】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の動作に
ついて説明する。まず最初に、燃料電池システム１０に
おいて行なわれる燃料電池２０および２次電池３０から
の出力制御の概要について説明する。図４は、燃料電池
システム１０が種々の状態（システム起動時、低負荷状
態、高負荷状態、アクセルオフ状態等）となったときの
切り替えスイッチ４０，４２における接点の接続状態
と、そのときの各電池の充放電状態とをまとめた説明図
である。図５は、図４におけるのシステム起動時，
の低負荷状態およびの高負荷状態における燃料電池２
０と２次電池３０との放電ＶＩ特性図である。図６は、
図４におけるの状態、すなわちアクセルがオフとなっ
たときやシステム停止時などにおいて燃料電池２０から
２次電池３０への充電が行なわれるときの充電ＶＩ特性
図である。以下に、図４，５，６に基づいて、上記，
，，の状態と、それぞれの状態での燃料電池シス
テム１０における充放電状態について順次説明する。

【００６７】の状態は、既述したようにシステムの起
動時であり、燃料電池システム１０の起動が使用者によ
って指示されて燃料電池システム１０における起動時の
動作が開始されてから、燃料電池２０の運転温度が所定
の温度に昇温するまでの期間に対応する。このの状態
では、切り替えスイッチ４２は、コモン側接点と切り替
え側接点ｂとを接続した状態となり、切り替えスイッチ
４０は、コモン側接点と切り替え側接点ｃとを接続した
状態となるように制御される（図４参照）。各切り替え
スイッチが上記した状態になっているときには、２次電
池３０だけがモータ３２に対して電力を供給可能に接続
されており、燃料電池２０は補機類３４に対してだけ電
力を供給する。

【００６８】このように、モータ３２は２次電池３０と
だけ接続された状態となるため、燃料電池システム１０
を搭載する電気自動車においては、燃料電池システム１
０を起動した直後には、電気自動車は２次電池３０によ
ってのみ駆動されることになる。また、燃料電池２０
は、その起動時においては暖機運転を要し、燃料電池２
０の運転温度が充分に上昇するまでは充分な発電量を得
ることができないが、本実施例では、燃料電池２０は補
機類３４に対してだけ電力を供給しながら暖機運転を行
なう構成となっている。補機類３４は、既述したように
その負荷の大きさが所定範囲内である安定した負荷であ
る。暖気運転中の燃料電池に対してこのように小さな安
定した負荷に接続することによって、燃料電池２０は支
障なく暖機運転を完了して運転温度を充分に昇温させる
ことができる。なお、図１に示した燃料電池システム１
０では、このシステム起動時には補機類３４に対する電
力の供給は暖気中の燃料電池２０によってのみ行なわれ
る構成としたが、２次電池３０からも電力を補う構成と
してもよい。また、２次電池３０が出力する電気エネル
ギを用いて積極的に燃料電池２０を加熱し、燃料電池２
０の暖機運転に要する時間を短縮する構成としてもよ
い。

【００６９】上記したようにの状態ではモータ３２は
２次電池３０によってのみ駆動されるため、そのときの
放電Ｖ−Ｉ特性図は、２次電池３０そのものの放電Ｖ−
Ｉ特性図に一致する（図５参照）。なお、図５には燃料
電池２０の放電Ｖ−Ｉ特性図も記載しているが、これは
燃料電池２０が定常状態に達したときのものである。
の状態では燃料電池２０は暖気運転中であるためこの放
電Ｖ−Ｉ特性図とは異なる特性を示す。暖気運転中の燃
料電池２０における出力特性の変化については、後に説
明する。

【００７０】の状態は、既述したように燃料電池シス
テム１０における負荷が小さい状態、すなわち、モータ
３２で消費する電力が少ない状態である。このの状態
では、切り替えスイッチ４２は、コモン側接点と切り替
え側接点ａとを接続した状態となり、切り替えスイッチ
４０は、コモン側接点と切り替え側接点ｃとを接続した
状態となるように制御される（図４参照）。各切り替え
スイッチが上記した状態になると、燃料電池２０は補機
類３４の他にモータ３２に対しても電力を供給可能とな
り、２次電池３０はモータ３２とも燃料電池２０とも接
続されない状態となる。このように、モータ３２は２次
電池３０とは接続せず燃料電池２０とだけ接続した状態
となるため、燃料電池システム１０を搭載する電気自動
車は、燃料電池２０が発電した電力だけによって駆動さ
れる。このとき２次電池３０は、充放電ともに行なわれ
ない。

【００７１】上記したようにの状態ではモータ３２は
燃料電池２０によってのみ駆動されるため、そのときの
放電Ｖ−Ｉ特性図は、燃料電池２０そのものの放電Ｖ−
Ｉ特性図に一致する。これは、図５において低負荷時と
示した範囲内の太線で示した曲線に相当する。

【００７２】の状態は、既述したように燃料電池シス
テム１０における負荷が大きい状態、すなわち、車両が
加速中あるいは登坂中などの理由でモータ３２で消費す
る電力が多い状態である。このの状態では、切り替え
スイッチ４２は、コモン側接点と切り替え側接点ｂとを
接続した状態となり、切り替えスイッチ４０は、コモン
側接点と切り替え側接点ｄとを接続した状態となるよう
に制御される（図４参照）。各切り替えスイッチが上記
した状態になると、燃料電池２０と２次電池３０とは、
並列に接続されて両者ともにモータ３２に対して電力を
供給可能になる。このように、燃料電池２０と２次電池
３０とを並列に接続して両者を同時に利用することによ
って、高負荷状態となったモータ３２が要求する電力量
を充分に賄うことが可能となる。なお、の起動時以外
にモータ３２が駆動している時に、その状態がの低負
荷状態に属するのかの高負荷状態に属するのかの判断
方法については、後に詳しく説明する。

【００７３】上記したようにの状態では、モータ３２
は燃料電池２０と２次電池３０との両方から電力を供給
される状態となる。このときの放電Ｖ−Ｉ特性図は、図
５において高負荷時と示した範囲内の太線で示した曲線
に相当する。

【００７４】ここで、図５では、負荷の大きさが図中の
電流値ＩA に対応する大きさとなったときに、上記した
の状態との状態とが切り替わるように表わした。図
５中の電流値ＩB は、燃料電池２０と２次電池３０とを
並列に接続して負荷に対して電力を供給した場合に、燃
料電池２０と２次電池３０との両方から負荷に対して電
力が供給されるようになるときの負荷量に相当する。す
なわち、燃料電池２０の出力電圧が、２次電池３０の無
負荷時電圧と等しくなるときの燃料電池２０の出力電流
値がＩB となる。ここでは、上記ＩA の値を上記ＩB の
値よりも所定量だけ高い値として設定した。このよう
に、燃料電池２０と２次電池３０との両方から出力され
るようになる電流値ＩA を、両電池を並列に接続したと
きに両電池から出力されるようになる電流値ＩB よりも
高い値に設定すると、負荷の大きさがより広い範囲で、
燃料電池２０だけから出力されるようになる。このよう
な燃料電池２０単独で出力する負荷の範囲の上限として
のＩA の値は、燃料電池２０の出力容量と、モータ３２
や車両の性能などに基づいて定めることができる。な
お、負荷の状態がの低負荷状態に属するのかの高負
荷状態に属するのかを判断するために、実際の燃料電池
システム１０において行なわれる動作については後に説
明する。

【００７５】の状態は、２次電池３０が燃料電池２０
によって充電される状態に対応する。具体的な車両の状
態としては、アクセルペダル３３ａがオフ状態（踏まれ
ていない状態）となっている場合や、燃料電池システム
１０を停止する際などを挙げることができる。すなわ
ち、アクセルペダル３３ａがオフ状態となると、モータ
３２への電力の供給が停止され、この間は燃料電池２０
による２次電池３０の充電が行なわれる。また、燃料電
池システム１０の運転を停止する際にも２次電池３０の
充電が行なわれる。既述したように、燃料電池システム
１０の起動時に燃料電池２０の暖機運転を行なっている
間は、２次電池３０だけがモータ３２に対して電力を供
給する構成となっているため、燃料電池システム１０の
起動時には２次電池２０の残存容量が充分である必要が
ある。そのため本実施例では、燃料電池システム１０を
停止する際に、２次電池３０を充分に充電してから燃料
電池２０の運転を停止し、燃料電池システム１０を完全
に停止させる構成としている。

【００７６】このようなの状態では、切り替えスイッ
チ４２は、コモン側接点と切り替え側接点ｂとを接続し
た状態となり、切り替えスイッチ４０は、コモン側接点
と切り替え側接点ｅとを接続した状態となるように制御
される（図４参照）。各切り替えスイッチが上記した状
態になると、燃料電池２０の出力電圧はＤＣ／ＤＣコン
バータ３６で昇圧され、２次電池３０に印加される。２
次電池３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により昇圧さ
れた高電圧により充電される。

【００７７】上記の状態における燃料電池２０から２
次電池３０への充電Ｖ−Ｉ特性図は図６に示した通りで
あって、本実施例では、燃料電池２０によって２次電池
３０を充電する際に、この燃料電池２０からの出力電圧
を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６によって所定のレベルに
まで昇圧する。ここで、燃料電池２０からの出力電圧を
昇圧する所定のレベルは、本実施例では、燃料電池２０
からの出力エネルギが最大となる状態を基にして定める
こととした。すなわち、本実施例では、燃料電池２０の
出力エネルギ量の最大値で充電を行なうものとして、充
電電流が最大値となるように、昇圧する電圧値を定め
た。図６では、２次電池３０の充電Ｖ−Ｉ特性と共に、
この充電Ｖ−Ｉ特性を放電側に対称に移動したグラフが
示されており、燃料電池２０からの出力電圧を昇圧する
レベルは、このグラフで規定される２次電池３０の充電
エネルギが、燃料電池２０からの出力エネルギの最大値
と一致するときの電圧値として表わされている。ここ
で、２次電池３０の充電Ｖ−Ｉ特性は２次電池３０の残
存容量によって変化するものであり、２次電池３０の残
存容量から求められる２次電池３０の出力特性に基づい
て、２次電池３０を充電するために燃料電池２０からの
出力電圧を昇圧するレベルを決定することとしている。
したがって、燃料電池２０の出力が最大となるときの電
流値をＩC 、電圧値をＶC とし、上記のように定めた充
電時の電流値をＩD 、電圧値をＶD とすると、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ３６の変換効率を無視すれば、ＩC ×ＶC
＝ＩD ×ＶD が成り立つ。

【００７８】なお、上記したの状態、すなわち、アク
セルペダル３３ａが踏み込まれていない状態であって、
車速ｖが０ではないときには、回生によってモータ３２
側から２次電池３０に対して充電を行なうことが可能な
場合がある。このような場合としては、坂道を下ってい
るときに運転者がアクセルペダル３３ａから足を離して
いる状態や、所定以上の速度で走行中に運転者がアクセ
ルペダル３３ａから足を離して慣性で走行している状態
を挙げることができる。の状態では切り替えスイッチ
４２はポジションｂと接続しているため、上記した回生
が行なわれるときには、モータ３２における回転軸が回
転してモータ３２で生じるエネルギは、インバータ４４
および切り替えスイッチ４２を介して２次電池３０に供
給される。なお、の充電状態において、モータ３２側
から２次電池３０への回生が行なわれないとき（車速が
０あるいは小さいときなど）には、制御部５０はインバ
ータ４４のスイッチング素子を制御して、モータ３２側
への通電を阻止している。上記した回生による２次電池
３０の充電を行なうことによって、燃料電池システム１
０全体のエネルギ効率を向上させることが可能となる。

【００７９】の状態において、上記した回生が可能な
状態、すなわち、２次電池３０を充電可能なエネルギが
モータ３２で発生するときには、２次電池３０は、モー
タ３２と燃料電池２０との両方から電力の供給を受ける
ことが可能となる。このような場合には、ＤＣ／ＤＣコ
ンバータ３６で燃料電池２０からの出力電圧を昇圧する
レベルを、モータ３２側からの回生電圧に釣り合うよう
に制御すれば、モータ３２で発生するエネルギと燃料電
池３０からの出力との両方によって、２次電池３０を充
電することができる。もとより、モータ３２側からの回
生電圧が、燃料電池２０からの出力を最大としたときの
昇圧電圧（図６参照）よりも低い場合には、モータ３２
側からの回生は行なわない構成としてもよい。このよう
な場合には、燃料電池２０の最大出力を利用して２次電
池３０の充電を行なうことによって、より速く２次電池
３０の残存容量を回復することができる。

【００８０】次に、上記したの低負荷状態のモードと
の高負荷状態のモードとを切り替える判断時の動作に
ついて説明する。図５に基づくと、上記モードの切り替
えを行なうべき負荷の大きさは、対応する出力電流値が
ＩA となったときとなる。したがって、車両における負
荷の大きさを検出し、この負荷の大きさが出力電流値Ｉ
A に等しくなったときに、既述した各接点の接続状態を
切り替える構成とすればよいことになる。

【００８１】ここで、上記した各切り替えスイッチの接
点の切り替えのタイミングを決定するための負荷の大き
さの判定は、負荷の大きさ、すなわちモータ３２におけ
る消費電力量に直接基づいて行なう必要はなく、消費電
力量を反映する他の変数を基にして行なってもよい。こ
こで、上記モータ３２における消費電力、すなわち負荷
の大きさに対応する消費エネルギ量は、モータ３２にお
ける回転数と出力トルクとの積の値となる。したがっ
て、上記各切り替えスイッチの接点の切り替えのタイミ
ングを決定するための負荷の大きさの判定は、モータ３
２における回転数や出力トルクと対応関係を有する値に
基づいて行なうことができる。本実施例では、モータ３
２の回転数に対応する値として車速を、出力トルクと対
応関係を有する値としてアクセル開度を利用し、このア
クセル開度と車速との関係に基づいて負荷の大きさを判
定する構成とした。アクセル開度とは、アクセルペダル
ポジションセンサ３３ｂが検出したアクセルペダル３３
ａの踏み込み量のことであり、このアクセル開度は運転
者による要求トルクの大きさに対応していると考えるこ
とができる。以下に、アクセル開度と車速との関係に基
づいて負荷の大きさを判定する動作について説明する。

【００８２】図７は、アクセル開度と車速とに基づい
て、負荷がの低負荷状態であるのかの高負荷状態で
あるのかを判定する際に用いるマップを表わす。本実施
例では、負荷の大きさの判定を行なう際には、まずアク
セル開度と車速とを読み込み、予め制御部５０内に記憶
しておいた図７に示すマップを参照して、読み込んだア
クセル開度と車速とに対応する状態がの低負荷状態で
あるかの高負荷状態であるかを判断する。図７のマッ
プにおいて、アクセル開度および車速のとり得る値は複
数の範囲に分割されており（本実施例では、アクセル開
度は５段階、車速は６段階）、高負荷状態と低負荷状態
との境界線は、アクセル開度と車速とに応じて段階的に
変化することとした。ここで、車速が遅い場合には、ア
クセル開度がある程度大きくならないと高負荷であると
判断されないが、車速が速くなるとアクセル開度がより
小さい状態で高負荷であると判断されるようになる。こ
の図７における高負荷領域と低負荷領域との境界は、ア
クセル開度と車速との積の値が所定の範囲内、すなわ
ち、図５における出力電流値ＩA に対応する所定の領域
内となるように設定されている。したがって、図７のマ
ップに基づいて負荷の大きさの判定を行なうことによっ
て、上記したようにモータ３２における回転数と出力ト
ルクとの積の値であるモータ３２での消費電力が、出力
電流値ＩA に対応する所定の範囲内となるときに、各切
り替えスイッチの接点を切り替えることが可能となる。

【００８３】なお、図７は、実線で表わしたアクセル踏
み込み時のマップと、点線で表わしたアクセル戻し時の
マップとからなる。アクセル踏み込み時マップとは、ア
クセルが踏み込まれての低負荷状態からの高負荷状
態へモードが切り替わる際に参照されるマップであり、
アクセル戻し時マップとは、踏み込んでいたアクセルが
戻されての高負荷状態からの低負荷状態へモードが
切り替わる際に参照されるマップである。これらアクセ
ル踏み込み時のマップとアクセル戻し時のマップとは、
図７に示すように、高負荷領域と低負荷領域との境界線
においてヒステリシスが設けられている。このようなヒ
ステリシスを設けることによって、上記境界領域に近い
状態で車両を走行させる際に、各切り替えスイッチ４
０，４２において接点の切り替え動作が頻繁になってし
まうという不都合が生じるのを防止することができる。
なお、こうしたヒステリシスの幅は、燃料電池システム
１０を搭載する車両等の使用特性などによって定められ
るものである。

【００８４】以上、図７に基づいて、の低負荷状態と
の高負荷状態との切り替え時について説明したが、既
述したように、上記接点の切り替えが行なわれる境界は
段階的に値が変化する構成となっており、境界における
消費電力の値は図５における電流値ＩA に対応する一定
値とはならない。しかしながら、この境界における消費
電力の値は、上記した電流値ＩA に対応する所定の範囲
内の値となるため、本実施例の燃料電池システム１０で
は、図５におけるＩB に対応する出力電流値よりも負荷
が大きい状態まで、燃料電池２０が単独でモータ３２に
対して負荷を供給するように制御される。上記した負荷
の大きさの判定を行なう際には、実際に負荷が増大して
燃料電池２０からの出力だけでは不足してしまう状態と
なる前に、からの状態に各切り替えスイッチの接点
の切り替えが完了可能であればよい。

【００８５】以上、の低負荷状態との高負荷状態と
の間でモードの切り替えを行なう際に、アクセル開度と
車速とに基づいて判断を行なう動作について説明した
が、本実施例の燃料電池システム１０では、車両のアク
セル開速度に基づくモードの切り替えも行なわれる。ア
クセル開速度とは、単位時間におけるアクセル開度の変
化量のことであり、運転者がアクセルを踏み込んだ強さ
に対応する。このアクセル開速度は、運転者が要求する
加速の度合いに対応している。したがって、アクセル開
速度が大きいほど急激な加速が運転者により要求されて
いることを示し、アクセル開速度が大きくなるとその直
後に急激に負荷が増大することになる。アクセル開速度
が大きい場合には、たとえそれまでの車速が遅い場合で
あっても負荷は急激に増大する。したがって、本実施例
では、既述したアクセル開度と車速との関係とは別に、
アクセル開度に基づいて負荷の大きさを判定している。

【００８６】本実施例の燃料電池システム１０におい
て、上記した負荷の大きさの判定結果を基にして既述し
た各モードの切り替え（切り替えスイッチの接点の切り
替え）を行なう際の動作について、図８に例示する充放
電状態制御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、
この燃料電池システムを始動させる所定のスタートスイ
ッチがオン状態になったときから、ＣＰＵ５２によって
所定時間ごとに実行される。

【００８７】本ルーチンが実行されると、まず、ＣＰＵ
５２は、燃料電池２０が暖気運転中であるかどうかを判
断する（ステップＳ１００）。この判断は、記述した温
度センサ４５から燃料電池２０の内部温度に関する情報
を入力し、燃料電池２０の運転温度が所定の温度以上に
昇温しているかどうかを判断することによって実行可能
である。この所定の運転温度とは、燃料電池２０が単独
でモータ３２を駆動したときに、所定量の負荷（の状
態との状態とが切り替わるときの負荷、すなわち、図
５における電流値ＩA に対応する負荷）に対して支障な
く出力可能となる運転温度として予め設定され、制御部
５０に記憶されている。

【００８８】ステップＳ１００において、燃料電池２０
の運転温度が所定温度を下回るなどにより暖気中である
と判断された場合には、ＣＰＵ５２は、燃料電池システ
ム１０が既述したの起動時であると判定する（ステッ
プＳ１１０）。次にステップＳ２２０に移行して、切り
替えスイッチ４０，４２に対して指示信号を出力し、各
切り替えスイッチの接点の状態を、上記の起動時に対
応する既述した状態にして（図４参照）、本ルーチンを
終了する。

【００８９】ステップＳ１００において暖気運転中では
ないと判断された場合には、次に、アクセル開度θn と
θn+1 とを読み込む（ステップＳ１２０）。本実施例の
燃料電池システム１０では、ごく短時間であるΔｔ（例
えば５０ｍｓｅｃ）毎に、アクセルペダルポジションセ
ンサ３３ｂが検出するアクセル開度を、制御装置３３を
介して制御部５０に入力して所定のメモリ内に展開する
処理ルーチンが、充放電状態制御処理ルーチンとは別に
実行されている。上記ステップＳ１２０において読み込
まれるアクセル開度とは、Δｔ毎に検出されているアク
セル開度の最新の値θn+1 と、その一つ前の値θn であ
る。

【００９０】次に、車速センサ４９から車両の車速ｖを
読み込む（ステップＳ１３０）。アクセル開度および車
速を読み込むと、次に、読み込んだ値を基にアクセル開
速度Θを求めてその大きさを判定する（ステップＳ１４
０）。アクセル開速度Θは、（θn+1 −θn ）／Δｔに
よって求めることができる。このアクセル開速度Θが０
である場合には、次にアクセル開度θn+1 が０であるか
どうかを判断する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１
５０においてアクセル開度θn+1 が０であった場合に
は、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０が既述した
の状態であると判定する（ステップＳ１６０）。このよ
うな、アクセル開速度もアクセル開度も共に０である状
態とは、アクセルペダル３３ａが全く踏まれていない状
態に対応する。すなわち、車両が停車しているか、車両
が慣性で走行している状態である。次にステップＳ２２
０に移行して、切り替えスイッチ４０，４２に対して指
示信号を出力し、各切り替えスイッチの接点の状態を、
上記に対応する既述した状態にして（図４参照）、本
ルーチンを終了する。

【００９１】上記ステップＳ１５０においてアクセル開
度θn+1 が０でない場合には、前回に実行したルーチン
において負荷状態を判定した結果を読み込む（ステップ
Ｓ１７０）。ここで、アクセル開速度Θが０であってア
クセル開度θn+1 が０でない状態とは、アクセルペダル
３３ａを所定量踏み続けている状態に対応する。このよ
うな場合には、負荷の判定状態、すなわち各切り替えス
イッチの接点の接続状態を変更することなく維持する。
なお、ステップＳ１７０において読み込む前回のルーチ
ンにおける判定結果は、図８に示した充放電状態制御処
理ルーチンを一回実行するごとに、制御部５０内の所定
のアドレスに記憶している。ステップＳ１７０で前回の
ルーチンにおける負荷状態の判定結果を読み込むと、次
にステップＳ２２０に移行して、各切り替えスイッチに
対して接点の接続状態を維持する指示を出力し、本ルー
チンを終了する。

【００９２】ステップＳ１４０において求めたアクセル
開速度Θが、０よりも大きい場合には、次に、このΘが
所定の値ａ以上であるかどうかを判断する（ステップＳ
１８０）。この所定の値ａは、アクセルペダル３３ａが
非常に強い勢いで踏み込まれており、モータ３２での負
荷が急激に大きくなることが指示されていることを判断
する基準となる値であり、予め設定されて制御部５０内
に記憶されている。ステップＳ１８０においてアクセル
開速度Θが上記所定の値ａ以上であると判断された場合
には、そのときの車速に関わらず燃料電池システム１０
が既述したの高負荷の状態であると判定する（ステッ
プＳ２００）。次にステップＳ２２０に移行して、切り
替えスイッチ４０，４２に対して指示信号を出力し、各
切り替えスイッチの接点の状態を、上記に対応する既
述した状態にして（図４参照）、本ルーチンを終了す
る。

【００９３】ステップＳ１８０において、アクセル開速
度Θが上記所定の値ａよりも小さいと判断された場合に
は、次に、車速ｖおよびアクセル開度θn+1 とに基づい
て、図７において実線で示したアクセル踏み込み時マッ
プを参照することによって負荷の大きさを判定する（ス
テップＳ１９０）。このようなステップＳ１９０の判断
を行なう場合とは、アクセル開速度は正の値、すなわち
アクセルペダル３３ａを踏み込みつつある状態であっ
て、アクセルペダル３３ａを踏み込む速度は所定の範囲
内である状態に対応する。したがって、図７のアクセル
踏み込み時マップを参照することによって、負荷状態が
の低負荷状態であるかの高負荷状態であるかを判定
することができる。ステップＳ１９０において負荷状態
を判定すると、ステップＳ２２０に移行して切り替えス
イッチ４０，４２に対して指示信号を出力し、各切り替
えスイッチの接点の状態を負荷状態に対応した状態にし
て（図４参照）、本ルーチンを終了する。

【００９４】ステップＳ１４０において、アクセル開速
度Θが負の値であると判断された場合には、次にステッ
プＳ２１０に移行して、アクセル開度θn+1 および車速
ｖに基づいて、図７において点線で示したアクセル戻し
時マップを参照することによって負荷の大きさを判断す
る。ステップＳ２１０において負荷状態を判定すると、
ステップＳ２２０に移行して切り替えスイッチ４０，４
２に対して指示信号を出力し、各切り替えスイッチの接
点の状態を負荷状態に対応した状態にして（図４参
照）、本ルーチンを終了する。

【００９５】以上のように構成された本実施例の燃料電
池システム１０によれば、燃料電池２０によって２次電
池３０の充電を行なう際には、燃料電池２０からの出力
電圧を昇圧して２次電池３０に供給する構成となってい
るため、燃料電池２０から２次電池３０への充電電圧を
高くすることができ、２次電池３０の残存容量が悪化し
てしまう前に２次電池３０を充電する動作を開始するこ
とができる。比較例として、図９に、燃料電池と２次電
池とを並列に接続したときに燃料電池によって２次電池
を充電する際のＶ−Ｉ特性図を示す。２次電池の充電
は、２次電池に対して、２次電池の充電Ｖ−Ｉ特性に示
された電圧よりも高い電圧を印加するときに可能とな
る。したがって、燃料電池と２次電池とを並列に接続し
て回路の切り替えを行なわない場合には、全体の出力電
流値が図９中のＩE よりも小さくなったときにのみ、燃
料電池からの出力電圧が２次電池の充電電圧を上回って
充電が行なわれるようになる（図９中、斜線で示した領
域は、燃料電池からの出力電圧が２次電池の充電電圧を
上回る領域である）。これに対して本実施例の燃料電池
システム１０では、２次電池３０の残存容量がさほど低
下していなくても、運転者がアクセルペダル３３ａを踏
み込んでいない間は２次電池３０を充電する動作が行な
われ、２次電池３０の残存容量を常に充分な状態に保つ
ための制御が行なわれる。そのため、負荷が増大して２
次電池３０からの出力が要求される状態になれば、２次
電池３０から充分な電力を供給することができる。ま
た、本実施例では、上記したように燃料電池２０からの
出力電圧を昇圧する構成とすることで充電可能領域を広
げているため、２次電池３０の出力や容量を非所望の大
きさにまで小さくしたり、燃料電池２０を不必要に大型
化する必要がない。

【００９６】さらに、本実施例の燃料電池システム１０
では、燃料電池２０から２次電池３０への充電を行なう
際に、燃料電池２０からの出力エネルギが最大となる状
態で燃料電池２０からの出力電圧を昇圧して２次電池３
０に電力を供給することが可能である。したがって、燃
料電池２０によって２次電池３０を充電する際の効率を
さらに高くすることができ、充電に要する時間を短縮す
ることができる。そのため、燃料電池システム１０の動
作中であって、アクセルペダル３３ａが踏まれていない
時間を有効に利用して２次電池３０の残存容量を回復す
ることが可能となり、２次電池３０の残存容量が非所望
のレベルにまで低下してしまうのを抑えることができ
る。また、車両をアイドリング状態にして２次電池３０
の充電を行なう場合にも、燃料電池と２次電池とを並列
に接続したときの電圧差に従って充電する場合に比べ
て、はるかに早く充電を完了することが可能となる。

【００９７】また、本実施例の燃料電池システム１０で
は、負荷が所定量よりも大きいとき以外は燃料電池２０
だけから出力する構成としており、負荷が増大して燃料
電池２０の他に２次電池３０からも出力する必要がある
と判断した場合にだけ、２次電池３０からも出力する構
成としている。したがって、負荷がそれほど大きくない
状態で２次電池３０から出力されてしまうことがない。
すなわち、充分な残存容量を有する２次電池と燃料電池
とを並列に接続した場合には、負荷が比較的小さな段階
で２次電池から電力が供給されてしまい、２次電池の残
存容量が次第に低下してしまう。しかしながら本実施例
では、負荷の大きさがある程度大きくなるまでは２次電
池と負荷との接続が遮断されているため、燃料電池２０
からの出力だけで充分な負荷量のときに、２次電池３０
の充電量が低下してしまうことがない。そのため、負荷
が増大して燃料電池２０からの出力だけでは不足する場
合に、２次電池３０から充分に電力を補うことができ
る。

【００９８】既述したように、本実施例では、アクセル
開度と車速とに基づいて判定される負荷の大きさに加え
て、アクセル開速度に基づいて判定される負荷変動の要
求量によっても、燃料電池２０および２次電池３０と負
荷との接続状態が制御される。このように、負荷変動の
要求量に基づいた制御を行なうことによって、実際に負
荷が増大する前に回路の接続状態を望ましい状態に切り
替えておくことが可能となり、実際の負荷の増大に遅れ
ることなく対応することができる。

【００９９】上記した実施例において、高負荷状態と低
負荷状態との判定を行なう際に用いた図７のマップは、
とり得る車速ｖの値が６段階に、とり得るアクセル開度
θn+1 の値が５段階に分割されており、判定時の車速お
よびアクセル開度がこれらのどの領域に属するかを判断
している。ここで、高負荷状態と低負荷状態との判定を
行なう際に用いるマップは、とり得るアクセル開度θn+
1 の値と、とり得る車速ｖの値とを異なる段階数に分割
して構成することとしても良い。また、このようなマッ
プにおいて、とり得る車速ｖとアクセル開度θn+1 とを
無段階的に設定することとしてもよい。このように無段
階なマップとした場合の例を図１０に示す。ここでは、
図７に示したマップと同様に、アクセル踏み込み時マッ
プとアクセル戻し時マップとの間にヒステリシスが設け
られており、それぞれの動作状態に応じたマップを参照
して負荷の大小が判定される。また、図１０に示したマ
ップでは、高負荷状態と低負荷状態との境界が直線上に
なるように設定したが、この境界における負荷の値が図
５に示した電流値ＩA により近い値となるように、高負
荷状態と低負荷状態との境界が２次曲線となるようにマ
ップを設定してもよい。

【０１００】また、上記実施例では、燃料電池２０によ
って２次電池３０を充電する際に、燃料電池２０の出力
電圧を昇圧させるためにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる
こととしたが、このような昇圧手段はＤＣ／ＤＣコンバ
ータに限るものではない。ＤＣ／ＤＣコンバータのよう
な昇圧のための装置を設けることなく、燃料電池２０か
らの出力電圧を昇圧する構成としてもよい。例えば、燃
料電池２０を複数のスタックからなる構成とし、これら
各スタックの接続状態を変えることによって燃料電池か
らの出力電圧を昇圧させることも可能である。例えば、
燃料電池２０を４個の燃料電池スタックによって構成
し、通常は２個の燃料電池スタックを直列に接続した上
でこれらを並列に接続して用いることとし、２次電池３
０の充電を行なう際にはこれらのスタックの接続状態を
変更して、４個の燃料電池スタックをすべて並列に接続
するならば、充電時における燃料電池２０の出力電圧を
２倍にすることができる。

【０１０１】上記実施例では、負荷の大きさ、すなわち
モータ３２における消費電力の大きさを判定するため
に、アクセル開度と車速とに基づくこととしたが、異な
る変数に基づいて負荷の大きさを判定することとしても
よい。たとえば、インバータ４４における出力電流を測
定することによっても、モータ３２における消費電力の
大きさを判定することができる。ここで、インバータ４
４における負荷の大きさに基づく制御は、現在の負荷量
に基づく制御となるため、負荷が急激に増大する際に、
既述した接点の切り替えを負荷の増大に間に合って行な
うためには、上記実施例のようにアクセル開速度などを
組み合わせて制御することが好ましい。

【０１０２】また、上記実施例では、アクセル開度θn+
1 が０であることに基づいて、燃料電池システム１０が
の充電状態であると判断する構成を示したが、アクセ
ル開度以外の要因に基づいての充電状態になることを
判断することとしてもよい。例えば、インバータ４４に
おける出力電流が０またはマイナス（すなわち回生時）
になったときにの充電状態であると判断することがで
きる。また、燃料電池システム１０を備える車両におい
て、の充電状態となることを指示可能なスイッチを、
アクセルペダル３３ａと独立して設けることとしてもよ
い。このようなスイッチを設けることによって、例え
ば、燃料電池２０が定常状態に達していない暖気運転中
であっても、燃料電池２０の運転温度に応じて出力電圧
を昇圧して２次電池３０に供給することが可能となり、
燃料電池２０の暖気運転中に２次電池３０の充電を開始
するという動作ができる。このような動作を実際に行な
う場合には、さらに、残存容量モニタ４３が検出した２
次電池３０の残存容量を運転者が認識可能となるように
表示する構成を設ければよい。これによって、燃料電池
システム１０の起動時に２次電池３０の残存容量が低下
している時には運転者がこれを認識可能となり、必要に
応じて上記スイッチから指示を入力することが可能とな
る。以下に、このような構成について説明する。

【０１０３】既述したように、本実施例の燃料電池シス
テム１０では、システムの停止時に２次電池３０の充電
を行ない、２次電池３０の残存容量を充分な状態として
から燃料電池システム１０を停止する構成となってい
る。しかしながら、車両を長期間放置した場合などには
２次電池３０は自然放電してしまい、その残存容量は低
下してしまう。既述したように、本実施例の燃料電池シ
ステム１０では、その起動時においては、２次電池３０
だけを用いてモータ３２を駆動する構成となっており、
起動時において２次電池３０の残存容量を充分に用意す
ることによって、燃料電池２０の暖機運転中にモータ３
２を駆動するのに充分な電力をモータ３２に供給するこ
とが可能となる。ここで、上記したように、残存容量モ
ニタ４３が検出した２次電池３０の残存容量を表示する
構成とすれば、燃料電池システム１０の起動時に２次電
池３０の残存容量が低下している場合には、運転者は２
次電池３０の残存容量が低下していることを認識するこ
とが可能となる。運転者は、２次電池３０の残存容量が
低下していることを認識した場合には、車両を発進させ
る前に上記したスイッチを介して２次電池３０の充電を
指示することによって、燃料電池２０の暖機運転が完了
する以前に、燃料電池２０の出力にある程度の余力が生
じた時点でＤＣ／ＤＣコンバータ３６を介して高電圧を
印加し、２次電池３０を効率よく充電して、２次電池３
０の残存容量を速やかに回復させることができる。

【０１０４】図１１に示すように、暖気運転中の燃料電
池２０は、その運転温度によって出力特性が異なる。図
１１のグラフに示した各燃料電池の運転温度は、ｔC ＜
ｔB＜ｔA である。燃料電池の運転温度が上がるに従っ
て出力電圧は上昇し、より大きな負荷（電流値）に対応
可能となる。図８に示した充放電状態制御処理ルーチン
のステップＳ１００において、燃料電池２０が暖気運転
中かどうかを判断する際に基準とする燃料電池２０の運
転温度は、燃料電池２０が単独で所定量のエネルギ（図
５に示したＩA に対応する）を出力可能となる温度とし
て設定されている。しかしながら、これよりも低い運転
温度であっても補機類３４で要する以上の電力は出力可
能であり、このエネルギの余力（出力可能な電力から補
機類３４での消費電力を除いたエネルギ量）を用いて２
次電池３０を充電することができる。

【０１０５】ここで、暖気運転中の燃料電池２０におけ
る出力特性は、燃料電池２０の運転温度から推定するこ
とが可能であり、暖気運転中の各運転温度における燃料
電池２０の最大出力（あるいは、各運転温度において充
分に出力可能な値）の大きさを予め設定しておくことが
できる（図１１参照）。また、２次電池３０の充電特性
は、そのときの２次電池３０の残存容量によって決ま
る。したがって、燃料電池２０の運転温度によって定ま
る燃料電池２０の最大出力と、２次電池３０の残存容量
によって定まる２次電池３０の充電特性とに基づいて、
記述したの状態の場合と同様に、燃料電池２０の出力
電圧をどの値にまで昇圧すべきであるかを決定すること
ができる。燃料電池２０からの出力電圧を、この決定し
た値にまで出力して２次電池に供給し、２次電池３０を
充電する構成とすることによって、燃料電池２０の暖機
運転中に２次電池３０の充電を開始することが可能とな
る。

【０１０６】図１２は、上記した動作が行なわれるとき
に、ＣＰＵ５２によって実行される暖機時充電制御処理
ルーチンを表すフローチャートである。本ルーチンは、
燃料電池システム１０が始動された後に、上記スイッチ
を運転者が操作して、２次電池３０を充電すべき指示が
入力されると実行される。

【０１０７】本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５２
は、まず、２次電池３０の残存容量の読み込みを行なう
（ステップＳ３００）。次に、ステップＳ３００で読み
込んだ値を基に、２次電池３０の残存容量が充分である
かどうかを判断する（ステップＳ３１０）。２次電池３
０の残存容量が充分である場合、すなわち、上記スイッ
チからの指示入力が誤ってなされた場合や、本ルーチン
を実行し続けることによって２次電池３０の残存容量が
充分に回復した場合には、本ルーチンから抜けて、図８
に示した通常の充放電制御処理ルーチンによる制御に移
行する。

【０１０８】ステップＳ３１０において、２次電池３０
の残存容量が不十分であると判断された場合には、燃料
電池２０の運転温度を読み込む（ステップＳ３２０）。
次に、この燃料電池２０の運転温度に基づいて、燃料電
池２０による２次電池３０の充電が可能かどうかを判断
する（ステップＳ３３０）。この判断は、燃料電池２０
の出力がある程度以上になる時の燃料電池２０の運転温
度として予め定めておいた値と、ステップＳ３２０で読
み込んだ実際の運転温度とを比較することによって行な
う。ステップＳ３３０において、充電できない、すなわ
ち、燃料電池２０の運転温度が所定の温度よりも低いと
判断されたときには、再びステップＳ３２０に戻り、燃
料電池２０の運転温度が充分に上昇するまで燃料電池２
０の運転温度の読み込みを繰り返すこととする。

【０１０９】ステップＳ３３０において、燃料電池２０
の昇温状態が充分であると判断されたときには、記述し
たように２次電池３０の残存容量と燃料電池２０の運転
温度とに基づいて、燃料電池２０からの出力電圧をどの
値にまで昇圧するかを決定する（ステップＳ３４０）。
つぎに、切り替えスイッチ４０，４２に指示信号を出力
して、回路の接続状態をの状態からの状態に切り替
える（ステップＳ３５０）。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ３６に信号を出力することによって、燃料電池２０
からの出力電圧をステップＳ３４０で決定した値に昇圧
し（ステップＳ３６０）、本ルーチンを終了する。な
お、上記した動作に従って２次電池３０の充電を行って
いるときに、アクセルペダル３３ａが踏み込まれたとき
には、上記ルーチンの実行を停止して、記述した充放電
状態制御処理ルーチンに移行し、モータ３２を駆動可能
にしている。

【０１１０】このような構成とすれば、燃料電池システ
ム１０の起動時に２次電池３０の残存容量が低下してし
まっている場合にも、燃料電池２０の暖機運転完了前
に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を介して供給される高電
圧により２次電池３０の充電を開始することが可能とな
り、より速く２次電池３０の残存容量を回復して、支障
なく車両を発進させることが可能となる。もとより、上
記したような燃料電池２０の暖気運転中に２次電池３０
の充電を開始する制御を行なわない場合には、燃料電池
２０の暖機運転終了後には車両を発進させるまでの充
電状態となり、定常状態の燃料電池２０の最大出力を利
用して２次電池３０の充電が行なわれる。また、上記し
た説明では、燃料電池２０の暖気時に２次電池３０の充
電を開始するためには、上記所定のスイッチからの指示
入力を要する構成としたが、スイッチからの指示入力を
不要とする構成とすることもできる。すなわち、燃料電
池システム１０の始動時にはＣＰＵ５２が２次電池３０
の残存容量を確認し、この残存容量が所定量以下の場合
には燃料電池２０の暖気運転中に２次電池３０の充電を
開始して、アクセルペダル３３ａが踏まれるまでは２次
電池３０を充電する構成としてもよい。

【０１１１】なお、記述した実施例のように、負荷量が
所定量以上になるまでは２次電池３０からの出力を行な
わない制御を行なう場合にも、所定量よりも大きい負荷
が長時間持続する場合には、２次電池３０の残存容量の
悪化によって、車両の走行中に充分な出力が得られなく
なる場合が想定される。このように、車両の走行中に、
残存容量モニタ４３によって２次電池３０の残存容量の
低下が検出された場合には、残存容量が低下してしまっ
たことを運転者に知らせて、残存容量を積極的に回復す
るための措置をとるよう運転者に促す構成とすることが
望ましい。例えば、運転席周辺に設けた所定の表示を点
灯させたり、音声を発したりして残存容量の低下を知ら
せることができる。

【０１１２】上記したような方法によって、２次電池３
０の残存容量が所定量以下になったこと、あるいは２次
電池３０の残存容量の低下状況が所定の状態となったこ
とを運転者に認識させれば、運転者は、残存容量を回復
するための措置をとることができる。たとえば、可能な
限り車両のスピードを落として負荷を減少させることに
よって２次電池における電力消費を抑えたり、また、可
能であれば一旦停車して燃料電池システム１０を既述し
た状態として、２次電池３０の残存容量の回復を待つ
こともできる。このような対策をとることによって、２
次電池３０からの電力供給がなくなってアクセルペダル
３３ａを踏み込んでも充分な出力が得られなくなる状態
となるのを防止することができ、走行の安全性を高める
ことができる。さらに、本実施例の燃料電池システム１
０では、燃料電池３０の出力が最大となる状態で２次電
池３０の充電を行なうため、上記したように一旦停車し
て２次電池３０の残存容量の回復を待つ場合にも、迅速
に２次電池３０の残存容量を回復させることができる。

【０１１３】また、上記実施例の燃料電池システム１０
の構成においては、種々の変更を行なうことができる。
燃料電池システム１０が備える燃料電池２０は、燃料ガ
スを生成するための原燃料としてメタノールを用いた
が、メタノール以外の炭化水素、例えばメタンやガソリ
ンなどを原燃料として用い、これらを改質して水素リッ
チな燃料ガスを生成することとしてもよい。また、改質
器６４で進行する改質反応は、水蒸気改質反応に代え
て、あるいは水蒸気改質反応に加えて部分酸化改質反応
を行なうこととしてもよい。さらに、上記したように原
燃料を改質して燃料ガスを生成する方法に代えて、水素
貯蔵装置を設けて水素ガスを燃料ガスとして用いること
としてもよい。また、燃料電池２０は固体高分子型燃料
電池に限るものではなく、りん酸型燃料電池や固体電解
質型燃料電池など他種の燃料電池を用いることとしても
よい。

【０１１４】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。本発明の電源装置
を、電気自動車以外の負荷、例えば、家庭内の電力負荷
に電力を供給する電源装置として用いることとしてもよ
い。また、本発明の電源装置が備える２次電池は、所定
量の電力を蓄えて必要に応じて供給可能に準備すること
ができればよく、充分量の電気エネルギを蓄えることが
できるならば、本発明の電源装置が備える２次電池をコ
ンデンサと読み替える構成とすることもできる。

【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の構成を表わすブロック図である。

【図２】単セル２８の構成を表わす断面模式図である。

【図３】燃料電池部６０の構成を表わすブロック図であ
る。

【図４】燃料電池システム１０の運転状態と、各切り替
えスイッチの接続状態との対応を表わす説明図である。

【図５】燃料電池２０と２次電池３０との放電Ｖ−Ｉ特
性図である。

【図６】燃料電池２０によって２次電池３０を充電する
際の充電Ｖ−Ｉ特性図である。

【図７】アクセル開度と車速との関係に基づいた負荷状
態の判定の様子を表わす説明図である。

【図８】回路の接点を切り替える際に実行される充放電
状態制御処理ルーチンを例示するフローチャートであ
る。

【図９】燃料電池と２次電池とを並列に接続したとき
に、燃料電池によって２次電池を充電する際のＶ−Ｉ特
性図である。

【図１０】アクセル開度と車速との関係に基づいた負荷
状態の判定の様子を表わす説明図である。

【図１１】定常状態となる以前の運転温度における燃料
電池２０の出力特性を表わす説明図である。

【図１２】燃料電池２０の暖機運転時に２次電池３０の
充電を行なう際に実行される暖機時充電制御処理ルーチ
ンを例示するフローチャートである。

【符号の説明】

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ２１…電解質膜 ２２…アノード ２３…カソード ２４，２５…セパレータ ２４…セパレータ ２４Ｐ…燃料ガス流路 ２５…セパレータ ２５Ｐ…酸化ガス流路 ２６，２７…集電板 ２８…単セル ３０…燃料電池 ３２…モータ ３３…制御装置 ３３ａ…アクセルペダル ３３ｂ…アクセルペダルポジションセンサ ３４…補機類 ３６，３８…ＤＣ／ＤＣコンバータ ４０，４２…切り替えスイッチ ４３…残存容量モニタ ４４…インバータ ４５…温度センサ ４６，４８…ダイオード ４９…車速センサ ５０…制御部 ５２…ＣＰＵ ５４…ＲＯＭ ５６…ＲＡＭ ５８…入出力ポート ６０…燃料電池部 ６１…メタノールタンク ６２…水タンク ６４…改質器 ６６…エアコンプレッサ ６７…電磁バルブ ６８…燃料供給路 ６９…空気供給路 ７０…分岐空気路 ７１…燃料排出路 ８０…インバータ ９０…電流センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｐ ３０３ ３０３Ｅ

Claims (11)

【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、前記燃料
   電池と前記２次電池との少なくとも一方から負荷に対し
   て電力の供給を行なう電源装置であって、 前記燃料電池から前記２次電池に対して充電を行なうべ
   き状態であることを判断する充電時判断手段と、 前記充電時判断手段が前記燃料電池から前記２次電池に
   対して充電を行なうべき状態であると判断したときに、
   前記燃料電池から前記負荷に対して電力を供給する場合
   の出力電圧よりも高い所定の電圧で、前記燃料電池を供
   給側として前記２次電池の充電を行なう充電手段とを備
   える電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電源装置であって、 前記負荷は、大きさが零となり得る主負荷を含み、 前記充電時判断手段は、前記主負荷が略零となる状態を
   検出したときに、前記燃料電池から前記２次電池に対し
   て充電を行なうべき状態であると判断する電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の電源装置であっ
   て、 前記充電手段は、 前記燃料電池の出力に接続され、前記燃料電池からの出
   力電圧を昇圧して前記２次電池に供給する昇圧手段と、 複数の接点を備え、該接点の接続の組み合わせにより、
   前記負荷に電力を供給する接続状態から、前記燃料電池
   から前記昇圧手段を介して前記２次電池を充電する接続
   状態に切り替え可能な接続手段と、 前記充電時判断手段が前記燃料電池から前記２次電池に
   対して充電を行なうべき状態であると判断したときに、
   前記接続手段の接点の接続の組み合わせを操作して、前
   記回路の接続状態が前記燃料電池から前記２次電池に対
   して充電可能となる接続状態に変更すると共に、前記２
   次電池を充電する電圧が前記所定の電圧となるよう前記
   昇圧手段を制御する制御手段とを備える電源装置
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の電源装
   置であって、 前記負荷の状態を検出して前記負荷が高負荷状態である
   か低負荷状態であるかを判断する負荷状態判定手段と、 前記負荷状態判定手段が高負荷状態であると判断したと
   きには、前記燃料電池と前記２次電池との両方から前記
   負荷に対して電力を供給し、前記負荷状態判定手段が低
   負荷状態であると判断したときには、前記燃料電池だけ
   から前記負荷に対して電力を供給する電源切り替え手段
   とを備える電源装置。
5. 【請求項５】 請求項１または２記載の電源装置であっ
   て、 前記負荷の状態を検出して前記負荷が高負荷状態である
   か低負荷状態であるかを判断する負荷状態判定手段と、 複数の接点を備え、該接点接続の組み合わせにより、前
   記燃料電池により前記２次電池を充電する接続状態と、
   前記燃料電池と前記２次電池との両方から前記負荷に対
   して電力を供給する接続状態と、前記燃料電池だけから
   前記負荷に対して電力を供給する接続状態とを切り替え
   可能な回路接続手段と、 前記充電時判断手段に加えて前記負荷状態判定手段から
   情報を入力して、該入力された情報に基づいて前記回路
   接続手段における接点の接続の組み合わせを操作して、
   前記燃料電池と前記２次電池との両方から前記負荷に対
   して電力を供給可能な高負荷モードと、前記燃料電池だ
   けから前記負荷に対して電力を供給可能な低負荷モード
   と、前記燃料電池から前記２次電池に対して充電可能な
   充電モードとを切り替える回路制御手段とを備える電源
   装置。
6. 【請求項６】 前記充電手段は、前記燃料電池からの出
   力エネルギが最大となる状態で前記２次電池への充電を
   行なう請求項１ないし５いずれか記載の電源装置。
7. 【請求項７】 前記負荷状態判定手段は、前記負荷の大
   きさを判断する負荷量判定手段である請求項４または５
   記載の電源装置。
8. 【請求項８】 前記負荷状態判定手段は、前記負荷の変
   化量を判断する負荷変化量判定手段である請求項４また
   は５記載の電源装置。
9. 【請求項９】 電気エネルギによってモータを回転さ
   せ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動
   力を得る電気自動車であって、 請求項１ないし８いずれか記載の電源装置を搭載し、 前記モータは、前記電源装置から電力の供給を受ける負
   荷の一つである電気自動車。
10. 【請求項１０】 電気エネルギによってモータを回転さ
    せ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動
    力を得る電気自動車であって、 請求項７記載の電源装置を搭載し、 前記モータは、前記電源装置から電力の供給を受ける負
    荷の一つであり、 前記負荷量判定手段は、前記電気自動車におけるアクセ
    ル開度と車速とに基づいて前記負荷量を判断する手段で
    ある電気自動車。
11. 【請求項１１】 電気エネルギによってモータを回転さ
    せ、該モータの回転力を車軸に伝えることによって駆動
    力を得る電気自動車であって、 請求項８記載の電源装置を搭載し、 前記モータは、前記電源装置から電力の供給を受ける負
    荷の一つであり、 前記負荷変化量判定手段は、前記電気自動車におけるア
    クセル開速度に基づいて前記負荷の変化量を判断する手
    段である電気自動車。