JP3608017B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源システムに関し、詳しくは燃料電池と２次電池とを備えた電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電源システムとして、燃料電池と２次電池とを電源として備え、燃料電池によって２次電池を充電し、充電された２次電池が負荷に対して電力を供給する電源システムが提案されている（例えば特開平６−１２４７２０号公報など）。この電源システムは複数の２次電池を備えており、この複数の２次電池において負荷に接続するものと燃料電池に接続するものとを切り替え、残存容量が少なくなった２次電池は他の２次電池が負荷に電力を供給している間に燃料電池によって充電される構成となっている。したがって、負荷に接続する２次電池は常に充分な充電状態とすることができ、電気自動車の駆動用モータといった負荷に電力を安定に供給することが可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した電源システムにおいては２次電池を複数備える必要があるため、電源システムを設置するために広いスペースを必要とするという問題があった。特に、この電源システムを車両駆動用のモータの電源として車載する場合には車両としてのスペースに限りがあるため、電源システムに多くのスペースをさいてしまっては車両の設計の自由度が制限されてしまう。さらに、負荷に接続する２次電池は常に一つであるため、例えば上記車載時における車両の発進時や坂道登板時など負荷が急激に増大する場合に対応するためには、個々の２次電池が充分な出力と容量とを備えていることが必要である。このように２次電池の容量を増大させることは重量の増加に直結するため、充分な容量の２次電池を複数車載するという構成は採用し難い場合がある。
【０００４】
このような電源システムの大型化を抑えるためには、複数の２次電池を切り替えて交代で負荷に電力を供給する代わりに、２次電池と燃料電池とを並列に接続し、少なくともどちらか一方によって負荷に電力を供給する構成とすることが考えられる。このような構成とするならば、負荷が所定量よりも小さく燃料電池の出力に余裕があるときには、燃料電池によって負荷を駆動すると共に２次電池の充電を行なうことができる。また、負荷が増大したときには燃料電池と２次電池との両方によって負荷を駆動することができるため、各々の電池の容量を抑えることができ、ひいては電源装置の大型化を抑えることができる。
【０００５】
上記の構成を採用することによって電源装置の大型化を抑えることは可能となるが、このような構成の電源システムでは、燃料電池の性質と２次電池の充電状態に起因してシステムの始動時に問題を生じることがある。燃料電池は電気化学反応によって起電力を得ており、始動時の室温付近では所定の出力、安定性を得にくく望ましくは、固体高分子型燃料電池の場合、８０〜１００℃に昇温した方が高出力で安定的な発電をし易い。したがって、燃料電池の始動時には暖機運転を行なって、燃料電池内部を昇温する。
【０００６】
上記した燃料電池と２次電池とを備える電源システムでは、システムの始動時に２次電池の残存容量が少ないと、２次電池から充分な出力を得ることができないために燃料電池に大きな負荷がかかることになる。図１０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、上記したように電源システムの始動時に２次電池の残存容量が少なく、燃料電池に過度の負荷がかかる場合には、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。
【０００７】
さらに、暖機が不十分な状態で燃料電池に大電流が流れると、上記のように電圧の降下といった現象の他に、燃料電池のスタック構造を形成する各単セル間で発電状態にバラツキが起こって、一部の単セルにおいて転極などの異常反応を起こすという現象も知られている。転極とは、電池反応における陽極と陰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、電気エネルギに変換されなかったエネルギが熱エネルギとして放出され、燃料電池において部分的な発熱を起こす。このような部分的な発熱が起きると、燃料電池を構成する部材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。
【０００８】
本発明の電源システムは、こうした問題を解決し、電源システムを大型化することなく充分な出力を確保し、システム始動時にも安定した出力を得ることを目的としてなされ、次の構成を採った。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電源システムは、
燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給する電源システムであって、
前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池電流値と前記燃料電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、前記２次電池の残存容量を求める残存容量検出手段と、
前記電源システムを停止する際に、前記残存容量検出手段が検出した前記２次電池の残存容量をもとに、前記燃料電池によって前記２次電池の充電を行なうシステム停止時充電手段と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
以上のように構成された本発明の電源システムは、燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給する。このような構成の電源システムでは、電流値検出手段が、前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池電流値と前記燃料電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出し、前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、残存容量検出手段が前記２次電池の残存容量を求める。該電源システムを停止する際には、残存容量検出手段が求めた前記２次電池の残存容量をもとに、該２次電池の容量が所定量となるまで前記燃料電池によって該２次電池の充電を行なう。
【００１１】
このような電源システムによれば、電源システムを停止する際に２次電池の残存容量が所定量になるまで充電しておくので、次回にこの電源システムを始動するときには、該２次電池は主要な電源として負荷を駆動するのに充分な容量を備えている。従って、電源システムの始動時に、２次電池の出力不足に起因して燃料電池に過剰な負荷がかかり、燃料電池において電圧の降下や転極、あるいは異常発熱による燃料電池の劣化などの不都合が生じてしまうことがない。さらに、本発明の電源システムでは、システムを停止する際の電流値を検出するという簡便な方法によって前記２次電池の残存容量を知ることができる。回路を流れる電流値を測定するという方法によるため、電圧モニタを用いる場合のように、２次電池とこれを充電する燃料電池との接続を一旦切断する制御を行なう必要がない。また、電解質の比重を測定する場合のように、特別な測定装置を２次電池に取り付ける必要もない。特に、電流値検出手段による検出時の電流値だけを基に残存容量を判断するため、ＳＯＣメータを用いる場合のように２次電池の過去の使用状態を記憶しておく必要がなく、記憶した過去の使用状態を積算することによって誤差が生じるおそれもない。このような電源システムにおいて、前記燃料電池と前記２次電池とは、前記負荷に対して並列に接続されていることとしても良い。
【００１６】
さらに、本発明の電源システムにおいて、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下であった場合に、前記２次電池を所定の充電状態にするための前記燃料電池の出力条件を、前記残存容量検出手段の検出結果に基づいて決定する出力条件決定手段と、
該決定された出力条件に基づいて、前記２次電池に接続する前記燃料電池の発電を行なう発電制御手段と
を備える構成も好適である。
【００１７】
このような構成の電源システムでは、前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下であった場合に、前記２次電池を所定の充電状態にするための前記燃料電池の出力条件が決定され、該決定された出力条件に基づいて、前記２次電池に接続する前記燃料電池の発電が行なわれる。
【００１８】
このような電源システムによれば、２次電池の残存容量に基づいて決定された出力条件に従って燃料電池の発電を行なうため、短時間の内に効率よく２次電池の充電を行なうことができる。また、燃料電池の発電を制御することによって、決定した出力条件に比べて燃料電池に供給されるガス量が不足したり、逆に過剰なガスが燃料電池に供給されて無駄になってしまうことがない。
【００１９】
また、本発明の電気自動車は、
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３のいずれか記載の電源システムを搭載し、
前記モータは、前記電源システムから電力の供給を受けて回転することを要旨とする。
【００２０】
以上のように構成された本発明の電気自動車は、燃料電池と２次電池とを電源として備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷であるモータに対して電力を供給してこのモータを回転させ、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。この電気自動車が搭載する電源システムを停止する際には、残存容量検出手段が前記２次電池の残存容量を検出し、該残存容量検出手段が検出した前記２次電池の残存容量をもとに、該２次電池の容量が所定量となるまで前記燃料電池によって該２次電池の充電を行なう。
【００２１】
このような電気自動車によれば、この電気自動車が搭載する電源システムを停止する際に、２次電池の残存容量が所定量になるまで充電してからシステムを停止するので、次回にこの電気自動車を使用しようと電源システムを始動するときには、該２次電池は主要な電源としてモータなどの負荷を駆動するのに充分な容量を備えている。従って、電源システムの始動時に、２次電池の出力不足に起因して燃料電池に過剰な負荷がかかり、燃料電池において電圧の降下や転極、あるいは異常発熱による燃料電池の劣化などの不都合が生じてしまうことがなく、正常に電気自動車を発進させることができる。
【００２２】
【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に関連する構成として、電源システム１０について説明する。図１は、電源システム１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。電源システム１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。電源システム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、スイッチ３８，４０、リレー４２、始動装置４４、残存容量モニタ４６、制御部５０を主な構成要素とする。以下、電源システム１０の各構成要素について説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（３）
【００２５】
（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２８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。
【００２６】
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２３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。
【００２７】
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。一例として、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 Ｃｈｅｍｉｃａｌ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。
【００２８】
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、燃料電池２０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。
【００２９】
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２４，２５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。
【００３０】
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２２、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（例えば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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２ …（４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（５）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ２ …（６）
【００３４】
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２２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。
【００３５】
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２５Ｐ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に設けた図示しないマスフロコントローラの電磁バルブ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。
【００３６】
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６４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。
【００３７】
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に設けたマスフロコントローラに対して制御部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いる。
【００３８】
以上説明した燃料電池２０は、２次電池３０、モータ３２および補機類３４と接続可能となっている。このような回路の接続状態によって燃料電池２０は、２次電池３０を充電したりモータ３２および補機類３４を駆動したりする。これら回路の接続状態の制御については後に詳しく説明する。
【００３９】
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。２次電池２０として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は、後述するように電源システム１０の始動時にはモータ３２を回転させて車両を駆動する主要な電源として働く必要があるため、２次電池３０の容量は、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たせたものとなっている。
【００４０】
モータ３２は、燃料電池２０や２次電池３０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、電源システム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３３の制御を受ける。制御装置３３は、アクセルペダル３３ａ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、制御部５０とも接続しており、この制御部５０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。
【００４１】
補機類３４は、電源システム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。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池２０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３６によって電圧を降下させている。
【００４３】
切り替えスイッチ３８は、燃料電池２０および２次電池３０に対してモータ３２と補機類３４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３８を切り替えることによって、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３２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３８における接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００４４】
切り替えスイッチ４０は、燃料電池２０と２次電池３０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４０を切り替えることによって、燃料電池２０と２次電池３０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４０における接続状態は、制御部５０によって制御されている。切り替えスイッチ３８，４０共に、モータ３２が駆動されるときには回路を閉じた状態となっている。
【００４５】
始動装置４４は、電源システム１０を搭載する車両の使用者が電源システム１０を始動あるいは停止するときに操作する装置である。具体的には車両の運転席の近傍に設けられた所定のスタートスイッチなどとして構成される。
【００４６】
リレー４２は、電源システム１０を構成する回路の所定の位置に設けられ、この回路の開閉を行なう接点であり、上記始動装置４４および制御部５０と接続している。リレー４２は、始動装置４４を介して電源システム１０の始動が指示されると、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３２および補機類３４とをつなぐ回路を接続する。また、始動装置４４を介して電源システム１０の停止が指示されると、制御部５０の制御を受けて上記回路を切り離す。
【００４７】
残存容量モニタ４６は、２次電池３０の残存容量を検出するものであり、ここでは電圧センサによって構成されている。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の残存容量を検出している。この電圧センサは制御部５０に接続しているが、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。ここで残存容量モニタ４６は、電圧センサの代わりにＳＯＣメータによって構成することとしてもよい。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。あるいは、残存容量モニタ４６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。
【００４８】
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、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８からなる。ＣＰＵ５２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、残存容量モニタ４６など各種センサからの検出信号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３８，４０など各種アクチュエータに駆動信号を出力して電源システム１０の各部の駆動状態を制御する。
【００４９】
図１では、制御部５０に関しては、残存容量モニタ４６からの検出信号および始動装置４４からの信号の入力と、切り替えスイッチ３８，４０への駆動信号の出力と、制御装置３３との間の信号のやり取りのみを示したが、制御部５０はこの他にも電源システム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。
【００５０】
以上電源システム１０の構成について説明したが、次に、この電源システム１０の動作について説明する。まず最初に、電源システム１０における燃料電池２０および２次電池３０からの出力の様子について説明する。燃料電池２０と２次電池３０とは並列に接続されているため、負荷の大きさや２次電池３０の充電状態などに応じて、両者が共に電力を供給する側となることもあれば、燃料電池２０による２次電池３０の充電が行なわれることもある。
【００５１】
図４は、燃料電池２０および２次電池３０の出力特性を表わす説明図である。燃料電池２０は、負荷が小さいとき、すなわち出力する電流値が小さいときには大きな電圧値を得ることができ、電流値が大きくなるに従って電圧値は低下する。また、２次電池３０は、広い電流値にわたって所定範囲の電圧値を維持することができるが、その充電状態によって電圧値は昇降する。図４に示した２次電池３０の出力特性は、２次電池３０が充分に充電されているときのものである。
【００５２】
例えば、電源システム１０を搭載する車両が加速中でモータ３２が要する電力が大きいときに、モータ３２および補機類３４を駆動するのに要する全電流をＩｔ１とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。しかし、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２は並列に接続されているからそれらの両端電圧は等しくなる。この電圧をＶｔ１とすると、図４から燃料電池２０の出力電流ＩＦ１、２次電池３０の出力電流ＩＢ１は、Ｉｔ１＝ＩＦ１＋ＩＢ１が成り立つ値となる。このときＩＦ１＜ＩＢ１となっている。
【００５３】
前記負荷を駆動するのに要する全電流値がＩｔ２に低下したときには、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶｔ２とすると、図４から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ２、２次電池３０の出力電流ＩＢ２は、Ｉｔ２＝ＩＦ２＋ＩＢ２が成り立つ値となる。このときＩＦ２＞ＩＢ２となっている。このように、負荷の大きさによって燃料電池２０と２次電池３０とのそれぞれが出力する割合は変化する。
【００５４】
図５は、燃料電池２０と、充電状態の低下した２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。モータ３２が所定の大きさの電力を要するときに前記負荷を駆動するための全電流値をＩｔ３とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなるため、この時の電圧をＶｔ３とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ３、２次電池３０の出力電流ＩＢ３は、Ｉｔ３＝ＩＦ３＋ＩＢ３が成り立つ値となる。このときＩＦ３＞ＩＢ３となっている。このように、２次電池３０の充電状態が低下したときには、負荷に対する出力の大部分を燃料電池２０に頼ることになる。
【００５５】
ここで、モータ３２が要する電力の大きさが所定量よりも小さくなり、前記負荷を駆動するのに要する全電流がＩｔ４に低下すると、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶｔ４とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ４、２次電池３０の充電電流ＩＢ４は、Ｉｔ４＝ＩＦ４＋ＩＢ４が成り立つ値となる。ただし、このときＩＢ４＜０であり、２次電池３０は燃料電池２０によって充電される状態となる。このように、２次電池３０の充電状態が充分でないときには、負荷の大きさが所定量以下となると、燃料電池２０は負荷を駆動すると共に２次電池３０の充電を行なうようになる。
【００５６】
次に、この電源システム１０を停止する際における回路の接続の制御について、図６に例示する停止時処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、電源システム１０を搭載する車両において、前記始動装置４４における所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２によって実行される。
【００５７】
本ルーチンが実行されると、まず、切り替えスイッチ３８がオフとなってモータ３２と燃料電池２０および２次電池３０との接続が切り離される（ステップＳ１００）。これによって車両駆動用のモータ３２は停止し、以後は補機類３４だけが負荷として電力の供給を受けることになる。補機類３４に含まれるウオータポンプやマスフロコントローラなどは燃料電池２０を運転する上で必要な機器類であり、燃料電池２０の発電を停止するときまで駆動する必要がある。また、主要な負荷であるモータ３２が切り離されたことによって、燃料電池２０および２次電池３０に接続される負荷の大きさは所定範囲の小さなものとなり、２次電池３０の残存容量が所定量よりも少ない場合には、燃料電池２０による２次電池３０の充電が行なわれるようになる。
【００５８】
次に、切り替えスイッチ４０がオフとなって、２次電池３０が回路から切り離される（ステップＳ１１０）。このように２次電池３０が切り離されると２次電池３０の充電は停止し、燃料電池２０は低いレベルで発電を続けながら定常状態を維持して補機類３４に電力を供給し続ける。
【００５９】
ここで、残存容量モニタ４６によって２次電池３０の電圧Ｖが測定され（ステップＳ１２０）、予め制御部５０内に記憶された基準電圧Ｖ０ との比較が行なわれる（ステップＳ１３０）。この基準電圧Ｖ０ は、充分に充電された状態における２次電池３０の端子間電圧値として予め定められた値である。電圧Ｖが基準値Ｖ０ よりも大きいときには、２次電池３０は充分に充電された状態にあるものと判断され、リレー４２において回路を開の状態として（ステップＳ１４０）本ルーチンを終了する。このように燃料電池２０と補機類３４との接続が切り離されると、燃料電池２０は出力の対象となる負荷を失うため発電を停止し、補機類３４は電力の供給を絶たれて停止し、電源システム１０は完全に停止する。
【００６０】
ステップＳ１３０において測定した電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ よりも小さいときには、２次電池３０の充電状態が充分ではないと判断されて、切り替えスイッチ４０をオン状態に切り替える（ステップＳ１５０）。切り替えスイッチ４０がオンとなって、充電状態が不十分な２次電池３０と燃料電池２０とが接続されると、燃料電池２０による２次電池３０の充電が再開される。
【００６１】
その後再びステップＳ１１０に戻って切り替えスイッチ４０をオフにして２次電池３０の電圧Ｖを測定し（ステップＳ１２０）、基準電圧Ｖ０ との比較を行なう（ステップＳ１３０）。電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ を下回る場合には、再びステップＳ１５０に移行して切り替えスイッチ４０をオンにする。２次電池３０の充電状態が充分となるまで上記した２次電池３０の充電とその残存容量の評価を繰り返し、ステップＳ１３０において電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ を上回って２次電池３０が充分に充電されたと判断されると、リレー４２をオフにして本ルーチンを終了する。
【００６２】
次回にこの電源システム１０が始動されるとき、すなわち、電源システム１０を搭載する電気自動車において、前記始動装置４４における所定のスタートスイッチがオンにされたときには、切り替えスイッチ３８，４０およびリレー４２の接続が行なわれる。そして、充分な充電状態の２次電池３０によってモータ３２および補機類３４が駆動され、燃料電池２０はその暖機状態に応じた電流を出力しながらやがて定常状態に達する。暖機中の燃料電池２０の運転状態を制御するには、燃料電池２０にその内部温度を検知する温度センサを設けておき、この温度センサの検出結果を制御部５０に入力する構成とすればよい。制御部５０によって、燃料電池２０の暖機状態に応じて燃料電池２０に供給するガス量が徐々に増加され、燃料電池２０はその暖機状態に応じて徐々に出力を増加させることができる。燃料電池２０の暖機運転が進行し、燃料電池２０が所定量の出力が可能となった後は、負荷の大きさと２次電池３０の充電状態とに応じた所定の割合で、燃料電池２０と２次電池３０とが出力を分担し、必要に応じて燃料電池２０から２次電池３０への充電が行なわれるようになる。
【００６３】
以上のように構成された電源システム１０によれば、このシステムを停止する際には２次電池３０を充分に充電した後にシステムを停止するので、次回システムを始動するときには充分に充電された２次電池３０を電源として用いることができる。従って、充分に暖機されていない燃料電池２０に過剰な負荷がかかることによって、大電流が流れて電圧降下を起こしたり、転極や異常発熱などが起きて電池反応に不都合を生じてしまうことがない。燃料電池２０は、暖機運転が終了して定常状態となるまでは充分な出力を得ることができないが、２次電池３０の充電状態が充分であるため、モータ３２や補機類３４を駆動するために要する電力のほとんどを２次電池によって賄うことができる。そのため、燃料電池２０はその暖機状態に応じて徐々に出力の量を増やしていけばよい。
【００６４】
また、電源システム１０は、システムを停止する際に２次電池３０の充電状態を確認して次回始動時における２次電池３０の充電状態を確保しているため、２次電池３０の容量を小型化することができるという効果を奏する。すなわち、電源システム１０では、システム始動時における２次電池３０の充電状態を充分に確保する構成としたため、２次電池３０は、システム始動時における燃料電池２０の暖機運転期間中に主要な電源として働くことができる容量を備えていればよい。これに対して、システム始動時における２次電池の充電状態が確保されていない場合には、システム始動時に燃料電池２０に過剰な負荷がかかってしまうのを防ぐために、常に２次電池３０の充電状態を余裕のある状態としておく必要があり、そのため従来は大型の２次電池３０を搭載していた。
【００６５】
上記電源システム１０では、電圧センサなどで構成される残存容量モニタ４６を備えてこれによって２次電池３０の残存容量を検出する構成としたが、回路を流れる電流値から２次電池３０の残存容量を検出する構成とすることもできる。以下にこのような構成を本発明の第１実施例として説明する。図７は、第１実施例の電源システム１０Ａの構成を表わすブロック図である。第１実施例の電源システム１０Ａにおいて電源システム１０と共通するものについては同一の番号にＡを付すこととし、詳しい説明は省略する。
【００６６】
電源システム１０Ａは、電源システム１０における残存容量モニタ４６に代えて電流センサ４７，４８を備えている。電流センサ４７は、燃料電池２０Ａが出力する電流値Ｉ1 を検出し、電流センサ４８は、２次電池３０Ａが出力する電流値Ｉ2 を検出する。これら電流センサ４７，４８は制御部５０Ａに接続しており、制御部５０Ａに検出された電流値が入力される。制御部５０Ａは、これらの電流値を基に２次電池３０Ａの残存容量が充分であるかどうかを判断する。
【００６７】
電源システム１０Ａを構成する回路を流れる総電流値Ｉ０ は、Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ０ として求められる。ここで、２次電池３０Ａが充分な充電状態となっているときには、２次電池３０Ａからも出力される状態となるため、Ｉ２＞０ となる。従ってＩ１／Ｉ０＜１ が成り立つ。一方、２次電池３０Ａの残存容量が所定量以下であって、接続される負荷（モータ３２Ａの所要電力）が所定量よりも小さいときには、燃料電池２０Ａによって２次電池３０Ａが充電される状態となるため、Ｉ２＜０ となる。従ってＩ１／Ｉ０＞１が成り立つ。ここで、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が進むと、上記Ｉ１／Ｉ０の値は次第に小さくなって１に近づいていく。このＩ１／Ｉ０の値は、２次電池３０Ａの充電状態と接続された負荷の大きさとによって決定される値である。負荷が一定のとき、このＩ１／Ｉ０の値から２次電池３０Ａの充電状態を知ることができる。
【００６８】
本実施例の電源システム１０Ａでは、Ｉ1／Ｉ0の値から２次電池３０Ａの充電状態を判断するために、２次電池３０Ａが９５％充電された状態で補機類３４Ａを駆動するときのＩ1／Ｉ0の値が、予め制御部５０Ａに記憶されている。第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際には、後述するように、電源システム１０と同様にまずモータ３２Ａの接続を切り離す。このようにモータ３２Ａの接続を切り離した後に電力の供給を受ける負荷は、燃料電池２０Ａの運転などに関わる一部の補機類に限られる。この時の補機類３４Ａの駆動状態を検知すれば負荷の総量を知ることがでる。制御部５０Ａには予想される負荷の総量に応じて、２次電池３０Ａが９５％充電されているときのＩ1／Ｉ0の値が記憶されている。
【００６９】
この値は、２次電池３０Ａの温度によっても変わってくるため、２次電池３０Ａの予想される運転温度の範囲にわたって求められたＩ１／Ｉ０の値がマップとして制御部５０Ａに記憶されている。制御部５０ＡがＩ１／Ｉ０の値から２次電池３０Ａの充電状態を判断するときには、同時に図示しない温度センサによって２次電池３０Ａの温度を検出し、その温度に応じたデータとＩ１／Ｉ０の実測値とを比較する。実測値が対応するデータの値以下になったとき、２次電池３０Ａは９５％充電されたと判断することができる。
【００７０】
以上説明した構成に基づいて、第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際には回路の接続の制御が行なわれる。以下、電源システム１０Ａを停止する際に行なわれる回路の接続の制御について、図８に例示する停止時処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２Ａによって実行される。
【００７１】
本ルーチンが実行されると、まず、切り替えスイッチ３８Ａがオフとなってモータ３２Ａと燃料電池２０Ａおよび２次電池３０Ａとの接続が切り離される（ステップＳ２００）。これによって車両駆動用のモータ３２Ａは停止し、以後は補機類３４Ａだけが電力の供給を受けることになる。補機類３４Ａに含まれるウオータポンプやマスフロコントローラは燃料電池２０Ａを運転する上で必要な機器類であり、燃料電池２０Ａの発電を停止するときまで駆動する必要がある。また、主要な負荷であるモータ３２Ａが切り離されたことによって、２次電池３０Ａの残存容量が所定量よりも少ない場合には、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が積極的に行なわれるようになる。
【００７２】
次に、電流センサ４７，４８によって、燃料電池２０Ａおよび２次電池３０Ａから出力される電流値Ｉ１およびＩ２が測定される（ステップＳ２１０）。ここでまず、Ｉ２ の値が負の値であるかどうかが判断される（ステップＳ２２０）。正の値である場合には２次電池３０Ａからも出力されていることになり、２次電池３０Ａの充電状態は充分であると判断されてステップＳ２６０に移行してリレー４２Ａをオフにし、本ルーチンを終了する。このように燃料電池２０Ａと補機類３４Ａとの接続が切り離されると、燃料電池２０Ａは出力の対象となる負荷を失うため発電を停止し、補機類３４Ａは電力の供給を絶たれて停止し、電源システム１０Ａは完全に停止する。
【００７３】
ステップＳ２２０においてＩ２ の値が負であった場合には、２次電池３０Ａは充電中ということになるため、引き続き２次電池３０Ａの充電状態の評価を行なう。先に検出した電流値であるＩ１およびＩ２の値を基にＩ０ が算出されて前記Ｉ１／Ｉ０の値が求められる（ステップＳ２３０）。また、この時に駆動されている補機類３４Ａの負荷の大きさと、図示しないセンサが検出する２次電池３０Ａの温度とを検出して、制御部５０Ａに記憶したデータを基に、９５％充電された２次電池３０Ａがこのような条件で出力するときのＩ１／Ｉ０の値ｘを決定する（ステップＳ２４０）。このｘの値を基準値として、測定した電流値から求めたＩ１／Ｉ０の値を基準値ｘと比較する（ステップＳ２５０）。Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さいときには、２次電池３０Ａは充分に充電された状態にあるものと判断され、リレー４２Ａをオフにして（ステップＳ２６０）本ルーチンを終了する。
【００７４】
ステップＳ２５０において算出したＩ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも大きいときには、２次電池３０Ａの充電状態が充分ではないと判断されてステップＳ２１０に戻り、Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さくなるまでステップＳ２１０以降の処理を繰り返す。２次電池３０Ａの充電状態が不十分でステップＳ２１０以降の処理が繰り返されている間は、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が続行される。２次電池３０Ａが充分に充電されたとステップＳ２５０で判断されると、リレー４２をオフにして（ステップＳ２６０）本ルーチンを終了する。
【００７５】
次回にこの電源システム１０Ａが始動されるとき、すなわち、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオンにされたときには、電源システム１０の場合と同様に、切り替えスイッチ３８Ａおよびリレー４２Ａの接続が行なわれる。そして、２次電池３０Ａによってモータ３２Ａおよび補機類３４Ａが駆動され、燃料電池２０Ａはその暖機状態に応じた電流を出力しながらやがて定常状態に達し、モータ３２Ａを駆動すると共に２次電池３０Ａの充電を行なう。
【００７６】
本実施例では、基準値ｘを２次電池３０Ａが９５％充電されたときの値として用意したが、２次電池３０Ａの充電状態が９５％以外の状態で基準値を設定してもよい。電源システム１０Ａを始動するときに、定常状態に達していない暖機運転中の燃料電池２０Ａと並列な状態で、モータ３２Ａおよび補機類３４Ａと接続した場合に、少なくとも所定の期間は燃料電池２０Ａに過剰の負荷をかけることなくモータ３２Ａおよび補機類３４Ａに対して充分な電力を供給可能な充電状態であればよい。ただし、１００％充電された状態、あるいはこれに近い状態では、部分的に過充電となって電池寿命を短縮させてしまうおそれがあり、また、充電状態を低く設定すると２次電池の容量が無駄になってしまうため、本実施例は２次電池３０Ａの充電状態を９５％と設定した。
【００７７】
このような第１実施例の電源システム１０Ａによれば、電源システム１０と同様の効果の他に、さらに以下のような効果を奏する。すなわち、電源システム１０Ａを停止する際に、燃料電池２０Ａの電流値Ｉ1 と総電流値Ｉ0 との比によって２次電池３０Ａの充電状態を判断するため、電圧センサなどの残存容量モニタ４６を備える必要がない。電流モニタは回路中現在流れている電流値を測定するだけであるから構成が簡単であり、電圧センサのように測定のために回路を入り切りしたりする必要がない。従って、切り替えスイッチ４０による切り替えも不要となって、回路の構成およびシステムを停止する際の動作を簡素化することができる。また、残存容量モニタ４６としてＳＯＣメータを用いる場合のように、過去の出力状態を記憶して、記憶した出力状態量を積算して現在の残存容量を算出する操作を行なう必要もなく、制御の動作を簡素化することができる。さらに、残存容量モニタ４６として２次電池３０Ａの電解液の比重を測定する場合のように、２次電池３０Ａに特殊な計測器を備える必要がなく、構成を簡素化することができる。
【００７８】
さらに、電流センサ４７，４８を用いて測定した電流値から２次電池３０Ａの残存容量を検出する方法は、電圧センサなどからなる残存容量モニタ４６を用いる方法に比べて、残存容量の検出精度が高いという利点がある。特に２次電池として鉛蓄電池を用いる場合には、残存容量が所定量以下となるまではあまり電圧が低下せず、残存容量が減少したある時点から急激に電圧が低下するという電池特性から、電圧を測定することによって残存容量を精度よく知ることが困難である。第１実施例の電源システム１０Ａによれば、電圧値ではなく電流値を用いるため、２次電池３０Ａとして鉛蓄電池を用いる場合にも精度よく残存容量を知ることができる。また、残存容量モニタ４６としてＳＯＣメータを用いる場合には、２次電池３０の充放電を繰り返す内に、積算した出力量から算出する残存容量の値と真の残存容量の値との間の誤差が拡大してしまうが、上記した電流センサ４７，４８を用いる構成によれば、現在の測定値に基づいて判断するためこのように誤差が拡大してしまうことがない。
【００７９】
ここで、第１実施例では、燃料電池２０Ａの電流値Ｉ1 と総電流値Ｉ0 との比を求め、この比の値と基準値ｘとを比較することで２次電池３０Ａの充電状態を評価していたが、測定した電流値を基にした他の値から２次電池３０Ａの充電状態を評価する構成としてもよい。例えば、充電中の２次電池３０Ａの電流値Ｉ2 （Ｉ2 ＜０）と総電流値Ｉ0 との比の値を、所定の基準値ｙと比較する構成としてもよい。この場合には、第１実施例の基準値ｘと同様に、２次電池３０Ａが充分な充電状態となるときの値として基準値ｙを予め定めておき（ｙ＜０）、Ｉ2／Ｉ0の値が基準値ｙよりも大きくなることによって２次電池３０Ａが充分に充電されたと判断すればよい。
【００８０】
上記説明した電源システム１０Ａでは、電流センサ４７，４８によって燃料電池２０Ａの出力電流Ｉ１および２次電池３０Ａの出力電流Ｉ２を検出し、総電流値Ｉ０ を求める構成としたが、所定の電流センサを用いて総電流値Ｉ０ を直接測定し、上記Ｉ１またはＩ２と比較する構成としてもよい。燃料電池２０Ａの出力電流値Ｉ１、２次電池３０Ａの出力電流値Ｉ２、総電流値Ｉ０ のうち少なくとも２種類の電流値を測定すれば、電流値間の関係を基準値と比較する上述した方法によって２次電池３０Ａの残存容量を求めることができる。
【００８１】
以上説明した第１実施例の電源システム１０Ａでは、図８に示す停止時処理ルーチンのステップＳ２５０において２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されるまで、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電を続行する構成としたが、この時の燃料電池２０Ａの運転条件を適正に制御することによって、短時間で効率よく２次電池３０Ａの充電を行なうことができる。以下に、このように燃料電池２０Ａの運転状態の制御を行なう構成を第２実施例として説明する。第２実施例では、第１実施例と同様の電源システム１０Ａを用いることとし、システム構成の説明は省略する。
【００８２】
図９は、第２実施例の電源システムを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、第１実施例と同じく、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２Ａによって実行される。
【００８３】
本ルーチンにおけるステップＳ３００からステップＳ３６０までは、図８に示した停止時処理ルーチンのステップＳ２００からステップＳ２６０までと共通の工程であるため、詳しい説明は省略する。ステップＳ３２０においてＩ２ が正の値である場合、およびステップＳ３５０においてＩ １ ／Ｉ ０の値が基準値ｘよりも小さい場合には、２次電池３０Ａの充電状態は充分であると判断されてステップＳ３６０に移行し、リレー４２Ａをオフにして本ルーチンを終了する。
【００８４】
ステップＳ３５０において、Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも大きい場合には、２次電池３０Ａの充電状態が不十分であると判断されてステップＳ３７０に移行する。ステップＳ３７０では、Ｉ１／Ｉ０の値から判断される２次電池３０Ａの充電状態を基に、この２次電池３０Ａを９５％の充電状態にまで充電するための望ましい電流値と電圧値とが算出される。
【００８５】
適切な電流値及び電圧値が算出されると、この条件で２次電池３０Ａを充電するように燃料電池２０Ａのガス流量が制御される（ステップＳ３８０）。燃料電池２０Ａでは出力の大きさが決まれば、それに応じて供給すべきガス流量も決まる。従って、制御部５０ではまず、ステップＳ３７０で決定した出力を得るためのガス流量が求められ、この結果に従って燃料電池部６０Ａを構成する所定の機器が制御されて必要なガス量の供給が行なわれ、燃料電池２０ＡはステップＳ３７０で決定した出力条件で２次電池３０Ａを充電する。
【００８６】
ステップＳ３８０でのガス流量の制御が行なわれた後は、再びステップＳ３１０に戻って電流値Ｉ１，Ｉ２を測定し、上述した操作を繰り返す。ステップＳ３２０でＩ２ が正の値になること、あるいはステップＳ３５０でＩ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さくなることによって、２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されるまで、上記した２次電池３０Ａの充電条件を求めて燃料電池２０Ａのガス流量を制御する操作を続ける。このように決定した条件に従って燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電を続け、ステップＳ３２０あるいはステップＳ３５０において２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されると、ステップＳ３６０でリレー４２Ａをオフにして本ルーチンを終了する。
【００８７】
以上のように構成された第２実施例の電源システムによれば、電源システム１０Ａを停止する際に、２次電池３０Ａの充電状態が充分でないと判断されたときには、２次電池３０Ａを充電するために好ましい充電条件が決定され、この決定された充電条件に基づいて燃料電池２０Ａが運転されるため、システムを停止する際に短時間で２次電池３０の充電を終了することができる。また、充電条件に見合った量のガスが燃料電池２０Ａに供給されるため、燃料電池２０Ａに供給されるガス量あるいは燃料電池２０Ａにガスを供給するために働く補機類に供給するエネルギを無駄にしてしまうことがない。
【００８８】
また、第２実施例の電源システムにおいて、電源システム１０Ａを停止する際に燃料電池２０Ａによって２次電池３０Ａの充電を行なうときには、燃料電池２０Ａは所定範囲の温度に昇温した定常状態で運転している。このように安定した状態の燃料電池２０Ａによって充電を行なうため、２次電池３０Ａを充電するための好ましい充電条件が決定されたときには、燃料電池２０Ａに供給すべきガス量の決定及び供給ガス量の制御を容易に行なうことができる。
【００８９】
第２実施例の電源システムは、第１実施例と同様の電源システム１０Ａを備えることとしたが、電源システム１０を備えることとして、電圧センサやＳＯＣメータなどの残存容量モニタ４６によって２次電池３０の充電状態を検知することとしてもよい。この場合にも、残存容量モニタ４６の検出結果を基に２次電池３０の充電条件を決定し、決定した充電条件となるように燃料電池２０のガス量を制御することによって、上記第２実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
以上説明した実施例では、本発明の電源システムを車両駆動用の電源として用い車載する構成としたが、本発明の電源システムが電力を供給する負荷として車両駆動用のモータ以外のものを接続してもよい。この場合にも、システムを停止する際に２次電池の充電状態を充分に確保しておくことによって、次回システム始動時には上記した実施例と同様の効果を得ることができる。すなわち、充分に暖機されていない燃料電池に過剰な負荷が接続されることによって、燃料電池が電圧降下を起こしたり異常発熱などの不都合を生じてしまうことがない。
【００９１】
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】電源システム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２０と、充分に充電された２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。
【図５】燃料電池２０と、充電状態が不十分な２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。
【図６】電源システム１０を停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】第１実施例の電源システム１０Ａの構成を表わすブロック図である。
【図８】第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図９】第２実施例の電源システムを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１０】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】
１０，１０Ａ…電源システム
２０，２０Ａ…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
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸化ガス流路
２６，２７…集電板
２８…単セル
３０，３０Ａ…２次電池
３２，３２Ａ…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
３４，３４Ａ…補機類
３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３８，３８Ａ，４０…切り替えスイッチ
４２，４２Ａ…リレー
４４，４４Ａ…始動装置
４６…残存容量モニタ
４７，４８…電流センサ
５０，５０Ａ…制御部
５２，５２Ａ…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０，６０Ａ…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
６８…燃料供給路
６９…空気供給路
７０…分岐空気路
７１…燃料排出路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源システムに関し、詳しくは燃料電池と２次電池とを備えた電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電源システムとして、燃料電池と２次電池とを電源として備え、燃料電池によって２次電池を充電し、充電された２次電池が負荷に対して電力を供給する電源システムが提案されている（例えば特開平６−１２４７２０号公報など）。この電源システムは複数の２次電池を備えており、この複数の２次電池において負荷に接続するものと燃料電池に接続するものとを切り替え、残存容量が少なくなった２次電池は他の２次電池が負荷に電力を供給している間に燃料電池によって充電される構成となっている。したがって、負荷に接続する２次電池は常に充分な充電状態とすることができ、電気自動車の駆動用モータといった負荷に電力を安定に供給することが可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した電源システムにおいては２次電池を複数備える必要があるため、電源システムを設置するために広いスペースを必要とするという問題があった。特に、この電源システムを車両駆動用のモータの電源として車載する場合には車両としてのスペースに限りがあるため、電源システムに多くのスペースをさいてしまっては車両の設計の自由度が制限されてしまう。さらに、負荷に接続する２次電池は常に一つであるため、例えば上記車載時における車両の発進時や坂道登板時など負荷が急激に増大する場合に対応するためには、個々の２次電池が充分な出力と容量とを備えていることが必要である。このように２次電池の容量を増大させることは重量の増加に直結するため、充分な容量の２次電池を複数車載するという構成は採用し難い場合がある。
【０００４】
このような電源システムの大型化を抑えるためには、複数の２次電池を切り替えて交代で負荷に電力を供給する代わりに、２次電池と燃料電池とを並列に接続し、少なくともどちらか一方によって負荷に電力を供給する構成とすることが考えられる。このような構成とするならば、負荷が所定量よりも小さく燃料電池の出力に余裕があるときには、燃料電池によって負荷を駆動すると共に２次電池の充電を行なうことができる。また、負荷が増大したときには燃料電池と２次電池との両方によって負荷を駆動することができるため、各々の電池の容量を抑えることができ、ひいては電源装置の大型化を抑えることができる。
【０００５】
上記の構成を採用することによって電源装置の大型化を抑えることは可能となるが、このような構成の電源システムでは、燃料電池の性質と２次電池の充電状態に起因してシステムの始動時に問題を生じることがある。燃料電池は電気化学反応によって起電力を得ており、始動時の室温付近では所定の出力、安定性を得にくく望ましくは、固体高分子型燃料電池の場合、８０〜１００℃に昇温した方が高出力で安定的な発電をし易い。したがって、燃料電池の始動時には暖機運転を行なって、燃料電池内部を昇温する。
【０００６】
上記した燃料電池と２次電池とを備える電源システムでは、システムの始動時に２次電池の残存容量が少ないと、２次電池から充分な出力を得ることができないために燃料電池に大きな負荷がかかることになる。図１０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、上記したように電源システムの始動時に２次電池の残存容量が少なく、燃料電池に過度の負荷がかかる場合には、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。
【０００７】
さらに、暖機が不十分な状態で燃料電池に大電流が流れると、上記のように電圧の降下といった現象の他に、燃料電池のスタック構造を形成する各単セル間で発電状態にバラツキが起こって、一部の単セルにおいて転極などの異常反応を起こすという現象も知られている。転極とは、電池反応における陽極と陰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、電気エネルギに変換されなかったエネルギが熱エネルギとして放出され、燃料電池において部分的な発熱を起こす。このような部分的な発熱が起きると、燃料電池を構成する部材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。
【０００８】
本発明の電源システムは、こうした問題を解決し、電源システムを大型化することなく充分な出力を確保し、システム始動時にも安定した出力を得ることを目的としてなされ、次の構成を採った。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電源システムは、
燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給する電源システムであって、
前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池電流値と前記燃料電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、前記２次電池の残存容量を求める残存容量検出手段と、
前記電源システムを停止する際に、前記残存容量検出手段が検出した前記２次電池の残存容量をもとに、前記燃料電池によって前記２次電池の充電を行なうシステム停止時充電手段と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
以上のように構成された本発明の電源システムは、燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給する。このような構成の電源システムでは、電流値検出手段が、前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池電流値と前記燃料電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出し、前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、残存容量検出手段が前記２次電池の残存容量を求める。該電源システムを停止する際には、残存容量検出手段が求めた前記２次電池の残存容量をもとに、該２次電池の容量が所定量となるまで前記燃料電池によって該２次電池の充電を行なう。
【００１１】
このような電源システムによれば、電源システムを停止する際に２次電池の残存容量が所定量になるまで充電しておくので、次回にこの電源システムを始動するときには、該２次電池は主要な電源として負荷を駆動するのに充分な容量を備えている。従って、電源システムの始動時に、２次電池の出力不足に起因して燃料電池に過剰な負荷がかかり、燃料電池において電圧の降下や転極、あるいは異常発熱による燃料電池の劣化などの不都合が生じてしまうことがない。さらに、本発明の電源システムでは、システムを停止する際の電流値を検出するという簡便な方法によって前記２次電池の残存容量を知ることができる。回路を流れる電流値を測定するという方法によるため、電圧モニタを用いる場合のように、２次電池とこれを充電する燃料電池との接続を一旦切断する制御を行なう必要がない。また、電解質の比重を測定する場合のように、特別な測定装置を２次電池に取り付ける必要もない。特に、電流値検出手段による検出時の電流値だけを基に残存容量を判断するため、ＳＯＣメータを用いる場合のように２次電池の過去の使用状態を記憶しておく必要がなく、記憶した過去の使用状態を積算することによって誤差が生じるおそれもない。このような電源システムにおいて、前記燃料電池と前記２次電池とは、前記負荷に対して並列に接続されていることとしても良い。
【００１６】
さらに、本発明の電源システムにおいて、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下であった場合に、前記２次電池を所定の充電状態にするための前記燃料電池の出力条件を、前記残存容量検出手段の検出結果に基づいて決定する出力条件決定手段と、
該決定された出力条件に基づいて、前記２次電池に接続する前記燃料電池の発電を行なう発電制御手段と
を備える構成も好適である。
【００１７】
このような構成の電源システムでは、前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下であった場合に、前記２次電池を所定の充電状態にするための前記燃料電池の出力条件が決定され、該決定された出力条件に基づいて、前記２次電池に接続する前記燃料電池の発電が行なわれる。
【００１８】
このような電源システムによれば、２次電池の残存容量に基づいて決定された出力条件に従って燃料電池の発電を行なうため、短時間の内に効率よく２次電池の充電を行なうことができる。また、燃料電池の発電を制御することによって、決定した出力条件に比べて燃料電池に供給されるガス量が不足したり、逆に過剰なガスが燃料電池に供給されて無駄になってしまうことがない。
【００１９】
また、本発明の電気自動車は、
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３のいずれか記載の電源システムを搭載し、
前記モータは、前記電源システムから電力の供給を受けて回転することを要旨とする。
【００２０】
以上のように構成された本発明の電気自動車は、燃料電池と２次電池とを電源として備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷であるモータに対して電力を供給してこのモータを回転させ、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。この電気自動車が搭載する電源システムを停止する際には、残存容量検出手段が前記２次電池の残存容量を検出し、該残存容量検出手段が検出した前記２次電池の残存容量をもとに、該２次電池の容量が所定量となるまで前記燃料電池によって該２次電池の充電を行なう。
【００２１】
このような電気自動車によれば、この電気自動車が搭載する電源システムを停止する際に、２次電池の残存容量が所定量になるまで充電してからシステムを停止するので、次回にこの電気自動車を使用しようと電源システムを始動するときには、該２次電池は主要な電源としてモータなどの負荷を駆動するのに充分な容量を備えている。従って、電源システムの始動時に、２次電池の出力不足に起因して燃料電池に過剰な負荷がかかり、燃料電池において電圧の降下や転極、あるいは異常発熱による燃料電池の劣化などの不都合が生じてしまうことがなく、正常に電気自動車を発進させることができる。
【００２２】
【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に関連する構成として、電源システム１０について説明する。図１は、電源システム１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表わすブロック図である。電源システム１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。電源システム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、スイッチ３８，４０、リレー４２、始動装置４４、残存容量モニタ４６、制御部５０を主な構成要素とする。以下、電源システム１０の各構成要素について説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（３）
【００２５】
（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２８は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４，２５とから構成されている。
【００２６】
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２３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。
【００２７】
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。一例として、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 Ｃｈｅｍｉｃａｌ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。
【００２８】
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、燃料電池２０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。
【００２９】
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２４，２５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。
【００３０】
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２２、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（例えば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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２ …（４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（５）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ２ …（６）
【００３４】
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２２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。
【００３５】
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２５Ｐ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に設けた図示しないマスフロコントローラの電磁バルブ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。
【００３６】
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６４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。
【００３７】
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に設けたマスフロコントローラに対して制御部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いる。
【００３８】
以上説明した燃料電池２０は、２次電池３０、モータ３２および補機類３４と接続可能となっている。このような回路の接続状態によって燃料電池２０は、２次電池３０を充電したりモータ３２および補機類３４を駆動したりする。これら回路の接続状態の制御については後に詳しく説明する。
【００３９】
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。２次電池２０として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は、後述するように電源システム１０の始動時にはモータ３２を回転させて車両を駆動する主要な電源として働く必要があるため、２次電池３０の容量は、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たせたものとなっている。
【００４０】
モータ３２は、燃料電池２０や２次電池３０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、電源システム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３３の制御を受ける。制御装置３３は、アクセルペダル３３ａ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、制御部５０とも接続しており、この制御部５０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。
【００４１】
補機類３４は、電源システム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。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池２０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３６によって電圧を降下させている。
【００４３】
切り替えスイッチ３８は、燃料電池２０および２次電池３０に対してモータ３２と補機類３４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３８を切り替えることによって、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３２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３８における接続状態は、制御部５０によって制御されている。
【００４４】
切り替えスイッチ４０は、燃料電池２０と２次電池３０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４０を切り替えることによって、燃料電池２０と２次電池３０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４０における接続状態は、制御部５０によって制御されている。切り替えスイッチ３８，４０共に、モータ３２が駆動されるときには回路を閉じた状態となっている。
【００４５】
始動装置４４は、電源システム１０を搭載する車両の使用者が電源システム１０を始動あるいは停止するときに操作する装置である。具体的には車両の運転席の近傍に設けられた所定のスタートスイッチなどとして構成される。
【００４６】
リレー４２は、電源システム１０を構成する回路の所定の位置に設けられ、この回路の開閉を行なう接点であり、上記始動装置４４および制御部５０と接続している。リレー４２は、始動装置４４を介して電源システム１０の始動が指示されると、燃料電池２０および２次電池３０とモータ３２および補機類３４とをつなぐ回路を接続する。また、始動装置４４を介して電源システム１０の停止が指示されると、制御部５０の制御を受けて上記回路を切り離す。
【００４７】
残存容量モニタ４６は、２次電池３０の残存容量を検出するものであり、ここでは電圧センサによって構成されている。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の残存容量を検出している。この電圧センサは制御部５０に接続しているが、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。ここで残存容量モニタ４６は、電圧センサの代わりにＳＯＣメータによって構成することとしてもよい。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。あるいは、残存容量モニタ４６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。
【００４８】
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、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６および入出力ポート５８からなる。ＣＰＵ５２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、残存容量モニタ４６など各種センサからの検出信号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３８，４０など各種アクチュエータに駆動信号を出力して電源システム１０の各部の駆動状態を制御する。
【００４９】
図１では、制御部５０に関しては、残存容量モニタ４６からの検出信号および始動装置４４からの信号の入力と、切り替えスイッチ３８，４０への駆動信号の出力と、制御装置３３との間の信号のやり取りのみを示したが、制御部５０はこの他にも電源システム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。
【００５０】
以上電源システム１０の構成について説明したが、次に、この電源システム１０の動作について説明する。まず最初に、電源システム１０における燃料電池２０および２次電池３０からの出力の様子について説明する。燃料電池２０と２次電池３０とは並列に接続されているため、負荷の大きさや２次電池３０の充電状態などに応じて、両者が共に電力を供給する側となることもあれば、燃料電池２０による２次電池３０の充電が行なわれることもある。
【００５１】
図４は、燃料電池２０および２次電池３０の出力特性を表わす説明図である。燃料電池２０は、負荷が小さいとき、すなわち出力する電流値が小さいときには大きな電圧値を得ることができ、電流値が大きくなるに従って電圧値は低下する。また、２次電池３０は、広い電流値にわたって所定範囲の電圧値を維持することができるが、その充電状態によって電圧値は昇降する。図４に示した２次電池３０の出力特性は、２次電池３０が充分に充電されているときのものである。
【００５２】
例えば、電源システム１０を搭載する車両が加速中でモータ３２が要する電力が大きいときに、モータ３２および補機類３４を駆動するのに要する全電流をＩｔ１とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。しかし、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２は並列に接続されているからそれらの両端電圧は等しくなる。この電圧をＶｔ１とすると、図４から燃料電池２０の出力電流ＩＦ１、２次電池３０の出力電流ＩＢ１は、Ｉｔ１＝ＩＦ１＋ＩＢ１が成り立つ値となる。このときＩＦ１＜ＩＢ１となっている。
【００５３】
前記負荷を駆動するのに要する全電流値がＩｔ２に低下したときには、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶｔ２とすると、図４から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ２、２次電池３０の出力電流ＩＢ２は、Ｉｔ２＝ＩＦ２＋ＩＢ２が成り立つ値となる。このときＩＦ２＞ＩＢ２となっている。このように、負荷の大きさによって燃料電池２０と２次電池３０とのそれぞれが出力する割合は変化する。
【００５４】
図５は、燃料電池２０と、充電状態の低下した２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。モータ３２が所定の大きさの電力を要するときに前記負荷を駆動するための全電流値をＩｔ３とする。この時、燃料電池２０および２次電池３０から電流が取り出されると、この電流値に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧は低下する。上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなるため、この時の電圧をＶｔ３とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ３、２次電池３０の出力電流ＩＢ３は、Ｉｔ３＝ＩＦ３＋ＩＢ３が成り立つ値となる。このときＩＦ３＞ＩＢ３となっている。このように、２次電池３０の充電状態が低下したときには、負荷に対する出力の大部分を燃料電池２０に頼ることになる。
【００５５】
ここで、モータ３２が要する電力の大きさが所定量よりも小さくなり、前記負荷を駆動するのに要する全電流がＩｔ４に低下すると、この電流値の減少分に応じて燃料電池２０および２次電池３０の出力端子間電圧電圧は上昇する。この場合にも上述したように、燃料電池２０、２次電池３０およびモータ３２の両端電圧は等しくなる。このときの電圧をＶｔ４とすると、図５から、燃料電池２０の出力電流ＩＦ４、２次電池３０の充電電流ＩＢ４は、Ｉｔ４＝ＩＦ４＋ＩＢ４が成り立つ値となる。ただし、このときＩＢ４＜０であり、２次電池３０は燃料電池２０によって充電される状態となる。このように、２次電池３０の充電状態が充分でないときには、負荷の大きさが所定量以下となると、燃料電池２０は負荷を駆動すると共に２次電池３０の充電を行なうようになる。
【００５６】
次に、この電源システム１０を停止する際における回路の接続の制御について、図６に例示する停止時処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、電源システム１０を搭載する車両において、前記始動装置４４における所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２によって実行される。
【００５７】
本ルーチンが実行されると、まず、切り替えスイッチ３８がオフとなってモータ３２と燃料電池２０および２次電池３０との接続が切り離される（ステップＳ１００）。これによって車両駆動用のモータ３２は停止し、以後は補機類３４だけが負荷として電力の供給を受けることになる。補機類３４に含まれるウオータポンプやマスフロコントローラなどは燃料電池２０を運転する上で必要な機器類であり、燃料電池２０の発電を停止するときまで駆動する必要がある。また、主要な負荷であるモータ３２が切り離されたことによって、燃料電池２０および２次電池３０に接続される負荷の大きさは所定範囲の小さなものとなり、２次電池３０の残存容量が所定量よりも少ない場合には、燃料電池２０による２次電池３０の充電が行なわれるようになる。
【００５８】
次に、切り替えスイッチ４０がオフとなって、２次電池３０が回路から切り離される（ステップＳ１１０）。このように２次電池３０が切り離されると２次電池３０の充電は停止し、燃料電池２０は低いレベルで発電を続けながら定常状態を維持して補機類３４に電力を供給し続ける。
【００５９】
ここで、残存容量モニタ４６によって２次電池３０の電圧Ｖが測定され（ステップＳ１２０）、予め制御部５０内に記憶された基準電圧Ｖ０ との比較が行なわれる（ステップＳ１３０）。この基準電圧Ｖ０ は、充分に充電された状態における２次電池３０の端子間電圧値として予め定められた値である。電圧Ｖが基準値Ｖ０ よりも大きいときには、２次電池３０は充分に充電された状態にあるものと判断され、リレー４２において回路を開の状態として（ステップＳ１４０）本ルーチンを終了する。このように燃料電池２０と補機類３４との接続が切り離されると、燃料電池２０は出力の対象となる負荷を失うため発電を停止し、補機類３４は電力の供給を絶たれて停止し、電源システム１０は完全に停止する。
【００６０】
ステップＳ１３０において測定した電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ よりも小さいときには、２次電池３０の充電状態が充分ではないと判断されて、切り替えスイッチ４０をオン状態に切り替える（ステップＳ１５０）。切り替えスイッチ４０がオンとなって、充電状態が不十分な２次電池３０と燃料電池２０とが接続されると、燃料電池２０による２次電池３０の充電が再開される。
【００６１】
その後再びステップＳ１１０に戻って切り替えスイッチ４０をオフにして２次電池３０の電圧Ｖを測定し（ステップＳ１２０）、基準電圧Ｖ０ との比較を行なう（ステップＳ１３０）。電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ を下回る場合には、再びステップＳ１５０に移行して切り替えスイッチ４０をオンにする。２次電池３０の充電状態が充分となるまで上記した２次電池３０の充電とその残存容量の評価を繰り返し、ステップＳ１３０において電圧Ｖが基準電圧Ｖ０ を上回って２次電池３０が充分に充電されたと判断されると、リレー４２をオフにして本ルーチンを終了する。
【００６２】
次回にこの電源システム１０が始動されるとき、すなわち、電源システム１０を搭載する電気自動車において、前記始動装置４４における所定のスタートスイッチがオンにされたときには、切り替えスイッチ３８，４０およびリレー４２の接続が行なわれる。そして、充分な充電状態の２次電池３０によってモータ３２および補機類３４が駆動され、燃料電池２０はその暖機状態に応じた電流を出力しながらやがて定常状態に達する。暖機中の燃料電池２０の運転状態を制御するには、燃料電池２０にその内部温度を検知する温度センサを設けておき、この温度センサの検出結果を制御部５０に入力する構成とすればよい。制御部５０によって、燃料電池２０の暖機状態に応じて燃料電池２０に供給するガス量が徐々に増加され、燃料電池２０はその暖機状態に応じて徐々に出力を増加させることができる。燃料電池２０の暖機運転が進行し、燃料電池２０が所定量の出力が可能となった後は、負荷の大きさと２次電池３０の充電状態とに応じた所定の割合で、燃料電池２０と２次電池３０とが出力を分担し、必要に応じて燃料電池２０から２次電池３０への充電が行なわれるようになる。
【００６３】
以上のように構成された電源システム１０によれば、このシステムを停止する際には２次電池３０を充分に充電した後にシステムを停止するので、次回システムを始動するときには充分に充電された２次電池３０を電源として用いることができる。従って、充分に暖機されていない燃料電池２０に過剰な負荷がかかることによって、大電流が流れて電圧降下を起こしたり、転極や異常発熱などが起きて電池反応に不都合を生じてしまうことがない。燃料電池２０は、暖機運転が終了して定常状態となるまでは充分な出力を得ることができないが、２次電池３０の充電状態が充分であるため、モータ３２や補機類３４を駆動するために要する電力のほとんどを２次電池によって賄うことができる。そのため、燃料電池２０はその暖機状態に応じて徐々に出力の量を増やしていけばよい。
【００６４】
また、電源システム１０は、システムを停止する際に２次電池３０の充電状態を確認して次回始動時における２次電池３０の充電状態を確保しているため、２次電池３０の容量を小型化することができるという効果を奏する。すなわち、電源システム１０では、システム始動時における２次電池３０の充電状態を充分に確保する構成としたため、２次電池３０は、システム始動時における燃料電池２０の暖機運転期間中に主要な電源として働くことができる容量を備えていればよい。これに対して、システム始動時における２次電池の充電状態が確保されていない場合には、システム始動時に燃料電池２０に過剰な負荷がかかってしまうのを防ぐために、常に２次電池３０の充電状態を余裕のある状態としておく必要があり、そのため従来は大型の２次電池３０を搭載していた。
【００６５】
上記電源システム１０では、電圧センサなどで構成される残存容量モニタ４６を備えてこれによって２次電池３０の残存容量を検出する構成としたが、回路を流れる電流値から２次電池３０の残存容量を検出する構成とすることもできる。以下にこのような構成を本発明の第１実施例として説明する。図７は、第１実施例の電源システム１０Ａの構成を表わすブロック図である。第１実施例の電源システム１０Ａにおいて電源システム１０と共通するものについては同一の番号にＡを付すこととし、詳しい説明は省略する。
【００６６】
電源システム１０Ａは、電源システム１０における残存容量モニタ４６に代えて電流センサ４７，４８を備えている。電流センサ４７は、燃料電池２０Ａが出力する電流値Ｉ1 を検出し、電流センサ４８は、２次電池３０Ａが出力する電流値Ｉ2 を検出する。これら電流センサ４７，４８は制御部５０Ａに接続しており、制御部５０Ａに検出された電流値が入力される。制御部５０Ａは、これらの電流値を基に２次電池３０Ａの残存容量が充分であるかどうかを判断する。
【００６７】
電源システム１０Ａを構成する回路を流れる総電流値Ｉ０ は、Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ０ として求められる。ここで、２次電池３０Ａが充分な充電状態となっているときには、２次電池３０Ａからも出力される状態となるため、Ｉ２＞０ となる。従ってＩ１／Ｉ０＜１ が成り立つ。一方、２次電池３０Ａの残存容量が所定量以下であって、接続される負荷（モータ３２Ａの所要電力）が所定量よりも小さいときには、燃料電池２０Ａによって２次電池３０Ａが充電される状態となるため、Ｉ２＜０ となる。従ってＩ１／Ｉ０＞１が成り立つ。ここで、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が進むと、上記Ｉ１／Ｉ０の値は次第に小さくなって１に近づいていく。このＩ１／Ｉ０の値は、２次電池３０Ａの充電状態と接続された負荷の大きさとによって決定される値である。負荷が一定のとき、このＩ１／Ｉ０の値から２次電池３０Ａの充電状態を知ることができる。
【００６８】
本実施例の電源システム１０Ａでは、Ｉ1／Ｉ0の値から２次電池３０Ａの充電状態を判断するために、２次電池３０Ａが９５％充電された状態で補機類３４Ａを駆動するときのＩ1／Ｉ0の値が、予め制御部５０Ａに記憶されている。第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際には、後述するように、電源システム１０と同様にまずモータ３２Ａの接続を切り離す。このようにモータ３２Ａの接続を切り離した後に電力の供給を受ける負荷は、燃料電池２０Ａの運転などに関わる一部の補機類に限られる。この時の補機類３４Ａの駆動状態を検知すれば負荷の総量を知ることがでる。制御部５０Ａには予想される負荷の総量に応じて、２次電池３０Ａが９５％充電されているときのＩ1／Ｉ0の値が記憶されている。
【００６９】
この値は、２次電池３０Ａの温度によっても変わってくるため、２次電池３０Ａの予想される運転温度の範囲にわたって求められたＩ１／Ｉ０の値がマップとして制御部５０Ａに記憶されている。制御部５０ＡがＩ１／Ｉ０の値から２次電池３０Ａの充電状態を判断するときには、同時に図示しない温度センサによって２次電池３０Ａの温度を検出し、その温度に応じたデータとＩ１／Ｉ０の実測値とを比較する。実測値が対応するデータの値以下になったとき、２次電池３０Ａは９５％充電されたと判断することができる。
【００７０】
以上説明した構成に基づいて、第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際には回路の接続の制御が行なわれる。以下、電源システム１０Ａを停止する際に行なわれる回路の接続の制御について、図８に例示する停止時処理ルーチンに基づいて説明する。本ルーチンは、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２Ａによって実行される。
【００７１】
本ルーチンが実行されると、まず、切り替えスイッチ３８Ａがオフとなってモータ３２Ａと燃料電池２０Ａおよび２次電池３０Ａとの接続が切り離される（ステップＳ２００）。これによって車両駆動用のモータ３２Ａは停止し、以後は補機類３４Ａだけが電力の供給を受けることになる。補機類３４Ａに含まれるウオータポンプやマスフロコントローラは燃料電池２０Ａを運転する上で必要な機器類であり、燃料電池２０Ａの発電を停止するときまで駆動する必要がある。また、主要な負荷であるモータ３２Ａが切り離されたことによって、２次電池３０Ａの残存容量が所定量よりも少ない場合には、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が積極的に行なわれるようになる。
【００７２】
次に、電流センサ４７，４８によって、燃料電池２０Ａおよび２次電池３０Ａから出力される電流値Ｉ１およびＩ２が測定される（ステップＳ２１０）。ここでまず、Ｉ２ の値が負の値であるかどうかが判断される（ステップＳ２２０）。正の値である場合には２次電池３０Ａからも出力されていることになり、２次電池３０Ａの充電状態は充分であると判断されてステップＳ２６０に移行してリレー４２Ａをオフにし、本ルーチンを終了する。このように燃料電池２０Ａと補機類３４Ａとの接続が切り離されると、燃料電池２０Ａは出力の対象となる負荷を失うため発電を停止し、補機類３４Ａは電力の供給を絶たれて停止し、電源システム１０Ａは完全に停止する。
【００７３】
ステップＳ２２０においてＩ２ の値が負であった場合には、２次電池３０Ａは充電中ということになるため、引き続き２次電池３０Ａの充電状態の評価を行なう。先に検出した電流値であるＩ１およびＩ２の値を基にＩ０ が算出されて前記Ｉ１／Ｉ０の値が求められる（ステップＳ２３０）。また、この時に駆動されている補機類３４Ａの負荷の大きさと、図示しないセンサが検出する２次電池３０Ａの温度とを検出して、制御部５０Ａに記憶したデータを基に、９５％充電された２次電池３０Ａがこのような条件で出力するときのＩ１／Ｉ０の値ｘを決定する（ステップＳ２４０）。このｘの値を基準値として、測定した電流値から求めたＩ１／Ｉ０の値を基準値ｘと比較する（ステップＳ２５０）。Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さいときには、２次電池３０Ａは充分に充電された状態にあるものと判断され、リレー４２Ａをオフにして（ステップＳ２６０）本ルーチンを終了する。
【００７４】
ステップＳ２５０において算出したＩ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも大きいときには、２次電池３０Ａの充電状態が充分ではないと判断されてステップＳ２１０に戻り、Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さくなるまでステップＳ２１０以降の処理を繰り返す。２次電池３０Ａの充電状態が不十分でステップＳ２１０以降の処理が繰り返されている間は、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電が続行される。２次電池３０Ａが充分に充電されたとステップＳ２５０で判断されると、リレー４２をオフにして（ステップＳ２６０）本ルーチンを終了する。
【００７５】
次回にこの電源システム１０Ａが始動されるとき、すなわち、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオンにされたときには、電源システム１０の場合と同様に、切り替えスイッチ３８Ａおよびリレー４２Ａの接続が行なわれる。そして、２次電池３０Ａによってモータ３２Ａおよび補機類３４Ａが駆動され、燃料電池２０Ａはその暖機状態に応じた電流を出力しながらやがて定常状態に達し、モータ３２Ａを駆動すると共に２次電池３０Ａの充電を行なう。
【００７６】
本実施例では、基準値ｘを２次電池３０Ａが９５％充電されたときの値として用意したが、２次電池３０Ａの充電状態が９５％以外の状態で基準値を設定してもよい。電源システム１０Ａを始動するときに、定常状態に達していない暖機運転中の燃料電池２０Ａと並列な状態で、モータ３２Ａおよび補機類３４Ａと接続した場合に、少なくとも所定の期間は燃料電池２０Ａに過剰の負荷をかけることなくモータ３２Ａおよび補機類３４Ａに対して充分な電力を供給可能な充電状態であればよい。ただし、１００％充電された状態、あるいはこれに近い状態では、部分的に過充電となって電池寿命を短縮させてしまうおそれがあり、また、充電状態を低く設定すると２次電池の容量が無駄になってしまうため、本実施例は２次電池３０Ａの充電状態を９５％と設定した。
【００７７】
このような第１実施例の電源システム１０Ａによれば、電源システム１０と同様の効果の他に、さらに以下のような効果を奏する。すなわち、電源システム１０Ａを停止する際に、燃料電池２０Ａの電流値Ｉ1 と総電流値Ｉ0 との比によって２次電池３０Ａの充電状態を判断するため、電圧センサなどの残存容量モニタ４６を備える必要がない。電流モニタは回路中現在流れている電流値を測定するだけであるから構成が簡単であり、電圧センサのように測定のために回路を入り切りしたりする必要がない。従って、切り替えスイッチ４０による切り替えも不要となって、回路の構成およびシステムを停止する際の動作を簡素化することができる。また、残存容量モニタ４６としてＳＯＣメータを用いる場合のように、過去の出力状態を記憶して、記憶した出力状態量を積算して現在の残存容量を算出する操作を行なう必要もなく、制御の動作を簡素化することができる。さらに、残存容量モニタ４６として２次電池３０Ａの電解液の比重を測定する場合のように、２次電池３０Ａに特殊な計測器を備える必要がなく、構成を簡素化することができる。
【００７８】
さらに、電流センサ４７，４８を用いて測定した電流値から２次電池３０Ａの残存容量を検出する方法は、電圧センサなどからなる残存容量モニタ４６を用いる方法に比べて、残存容量の検出精度が高いという利点がある。特に２次電池として鉛蓄電池を用いる場合には、残存容量が所定量以下となるまではあまり電圧が低下せず、残存容量が減少したある時点から急激に電圧が低下するという電池特性から、電圧を測定することによって残存容量を精度よく知ることが困難である。第１実施例の電源システム１０Ａによれば、電圧値ではなく電流値を用いるため、２次電池３０Ａとして鉛蓄電池を用いる場合にも精度よく残存容量を知ることができる。また、残存容量モニタ４６としてＳＯＣメータを用いる場合には、２次電池３０の充放電を繰り返す内に、積算した出力量から算出する残存容量の値と真の残存容量の値との間の誤差が拡大してしまうが、上記した電流センサ４７，４８を用いる構成によれば、現在の測定値に基づいて判断するためこのように誤差が拡大してしまうことがない。
【００７９】
ここで、第１実施例では、燃料電池２０Ａの電流値Ｉ1 と総電流値Ｉ0 との比を求め、この比の値と基準値ｘとを比較することで２次電池３０Ａの充電状態を評価していたが、測定した電流値を基にした他の値から２次電池３０Ａの充電状態を評価する構成としてもよい。例えば、充電中の２次電池３０Ａの電流値Ｉ2 （Ｉ2 ＜０）と総電流値Ｉ0 との比の値を、所定の基準値ｙと比較する構成としてもよい。この場合には、第１実施例の基準値ｘと同様に、２次電池３０Ａが充分な充電状態となるときの値として基準値ｙを予め定めておき（ｙ＜０）、Ｉ2／Ｉ0の値が基準値ｙよりも大きくなることによって２次電池３０Ａが充分に充電されたと判断すればよい。
【００８０】
上記説明した電源システム１０Ａでは、電流センサ４７，４８によって燃料電池２０Ａの出力電流Ｉ１および２次電池３０Ａの出力電流Ｉ２を検出し、総電流値Ｉ０ を求める構成としたが、所定の電流センサを用いて総電流値Ｉ０ を直接測定し、上記Ｉ１またはＩ２と比較する構成としてもよい。燃料電池２０Ａの出力電流値Ｉ１、２次電池３０Ａの出力電流値Ｉ２、総電流値Ｉ０ のうち少なくとも２種類の電流値を測定すれば、電流値間の関係を基準値と比較する上述した方法によって２次電池３０Ａの残存容量を求めることができる。
【００８１】
以上説明した第１実施例の電源システム１０Ａでは、図８に示す停止時処理ルーチンのステップＳ２５０において２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されるまで、燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電を続行する構成としたが、この時の燃料電池２０Ａの運転条件を適正に制御することによって、短時間で効率よく２次電池３０Ａの充電を行なうことができる。以下に、このように燃料電池２０Ａの運転状態の制御を行なう構成を第２実施例として説明する。第２実施例では、第１実施例と同様の電源システム１０Ａを用いることとし、システム構成の説明は省略する。
【００８２】
図９は、第２実施例の電源システムを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、第１実施例と同じく、電源システム１０Ａを搭載する車両において、始動装置４４Ａにおける所定のスタートスイッチがオフにされたときに、ＣＰＵ５２Ａによって実行される。
【００８３】
本ルーチンにおけるステップＳ３００からステップＳ３６０までは、図８に示した停止時処理ルーチンのステップＳ２００からステップＳ２６０までと共通の工程であるため、詳しい説明は省略する。ステップＳ３２０においてＩ２ が正の値である場合、およびステップＳ３５０においてＩ １ ／Ｉ ０の値が基準値ｘよりも小さい場合には、２次電池３０Ａの充電状態は充分であると判断されてステップＳ３６０に移行し、リレー４２Ａをオフにして本ルーチンを終了する。
【００８４】
ステップＳ３５０において、Ｉ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも大きい場合には、２次電池３０Ａの充電状態が不十分であると判断されてステップＳ３７０に移行する。ステップＳ３７０では、Ｉ１／Ｉ０の値から判断される２次電池３０Ａの充電状態を基に、この２次電池３０Ａを９５％の充電状態にまで充電するための望ましい電流値と電圧値とが算出される。
【００８５】
適切な電流値及び電圧値が算出されると、この条件で２次電池３０Ａを充電するように燃料電池２０Ａのガス流量が制御される（ステップＳ３８０）。燃料電池２０Ａでは出力の大きさが決まれば、それに応じて供給すべきガス流量も決まる。従って、制御部５０ではまず、ステップＳ３７０で決定した出力を得るためのガス流量が求められ、この結果に従って燃料電池部６０Ａを構成する所定の機器が制御されて必要なガス量の供給が行なわれ、燃料電池２０ＡはステップＳ３７０で決定した出力条件で２次電池３０Ａを充電する。
【００８６】
ステップＳ３８０でのガス流量の制御が行なわれた後は、再びステップＳ３１０に戻って電流値Ｉ１，Ｉ２を測定し、上述した操作を繰り返す。ステップＳ３２０でＩ２ が正の値になること、あるいはステップＳ３５０でＩ１／Ｉ０の値が基準値ｘよりも小さくなることによって、２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されるまで、上記した２次電池３０Ａの充電条件を求めて燃料電池２０Ａのガス流量を制御する操作を続ける。このように決定した条件に従って燃料電池２０Ａによる２次電池３０Ａの充電を続け、ステップＳ３２０あるいはステップＳ３５０において２次電池３０Ａの充電状態が充分であると判断されると、ステップＳ３６０でリレー４２Ａをオフにして本ルーチンを終了する。
【００８７】
以上のように構成された第２実施例の電源システムによれば、電源システム１０Ａを停止する際に、２次電池３０Ａの充電状態が充分でないと判断されたときには、２次電池３０Ａを充電するために好ましい充電条件が決定され、この決定された充電条件に基づいて燃料電池２０Ａが運転されるため、システムを停止する際に短時間で２次電池３０の充電を終了することができる。また、充電条件に見合った量のガスが燃料電池２０Ａに供給されるため、燃料電池２０Ａに供給されるガス量あるいは燃料電池２０Ａにガスを供給するために働く補機類に供給するエネルギを無駄にしてしまうことがない。
【００８８】
また、第２実施例の電源システムにおいて、電源システム１０Ａを停止する際に燃料電池２０Ａによって２次電池３０Ａの充電を行なうときには、燃料電池２０Ａは所定範囲の温度に昇温した定常状態で運転している。このように安定した状態の燃料電池２０Ａによって充電を行なうため、２次電池３０Ａを充電するための好ましい充電条件が決定されたときには、燃料電池２０Ａに供給すべきガス量の決定及び供給ガス量の制御を容易に行なうことができる。
【００８９】
第２実施例の電源システムは、第１実施例と同様の電源システム１０Ａを備えることとしたが、電源システム１０を備えることとして、電圧センサやＳＯＣメータなどの残存容量モニタ４６によって２次電池３０の充電状態を検知することとしてもよい。この場合にも、残存容量モニタ４６の検出結果を基に２次電池３０の充電条件を決定し、決定した充電条件となるように燃料電池２０のガス量を制御することによって、上記第２実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
以上説明した実施例では、本発明の電源システムを車両駆動用の電源として用い車載する構成としたが、本発明の電源システムが電力を供給する負荷として車両駆動用のモータ以外のものを接続してもよい。この場合にも、システムを停止する際に２次電池の充電状態を充分に確保しておくことによって、次回システム始動時には上記した実施例と同様の効果を得ることができる。すなわち、充分に暖機されていない燃料電池に過剰な負荷が接続されることによって、燃料電池が電圧降下を起こしたり異常発熱などの不都合を生じてしまうことがない。
【００９１】
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】電源システム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２０と、充分に充電された２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。
【図５】燃料電池２０と、充電状態が不十分な２次電池３０との出力特性を表わす説明図である。
【図６】電源システム１０を停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】第１実施例の電源システム１０Ａの構成を表わすブロック図である。
【図８】第１実施例の電源システム１０Ａを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図９】第２実施例の電源システムを停止する際に実行される停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１０】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】
１０，１０Ａ…電源システム
２０，２０Ａ…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
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸化ガス流路
２６，２７…集電板
２８…単セル
３０，３０Ａ…２次電池
３２，３２Ａ…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
３４，３４Ａ…補機類
３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３８，３８Ａ，４０…切り替えスイッチ
４２，４２Ａ…リレー
４４，４４Ａ…始動装置
４６…残存容量モニタ
４７，４８…電流センサ
５０，５０Ａ…制御部
５２，５２Ａ…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０，６０Ａ…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
６８…燃料供給路
６９…空気供給路
７０…分岐空気路
７１…燃料排出路
Claims (4)
- 燃料電池と２次電池とを備え、前記燃料電池あるいは前記２次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給する電源システムであって、
前記２次電池が出力する２次電池電流値と、前記燃料電池が出力する燃料電池電流値と、前記２次電池電流値と前記燃料電池電流値との和である総電流値との内、少なくとも２種類の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記電流値検出手段による検出結果に基づく各電流値間の関係から、前記２次電池の残存容量を求める残存容量検出手段と、
前記電源システムを停止する際に、前記残存容量検出手段が検出した前記２次電池の残存容量をもとに、前記燃料電池によって前記２次電池の充電を行なうシステム停止時充電手段と
を備える電源システム。 - 請求項１記載の電源システムであって、
前記燃料電池と前記２次電池とは、前記負荷に対して並列に接続されている
電源システム。 - 請求項１または２記載の電源システムであって、
前記残存容量検出手段によって検出された前記２次電池の残存容量が所定量以下であった場合に、前記２次電池を所定の充電状態にするための前記燃料電池の出力条件を、前記残存容量検出手段の検出結果に基づいて決定する出力条件決定手段と、
該決定された出力条件に基づいて、前記２次電池に接続する前記燃料電池の発電を行なう発電制御手段と
を備えた電源システム。 - 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３いずれか記載の電源システムを搭載し、
前記モータは、前記電源システムから電力の供給を受けて回転する
電気自動車。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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