JP4438232B2

JP4438232B2 - 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法

Info

Publication number: JP4438232B2
Application number: JP2001018363A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002231287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。
【０００３】
そして、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、前記燃料電池を車両用の動力源として使用する場合には、バッテリ（蓄電池又は二次電池）を併用したハイブリッドとすることが一般的である。
【０００４】
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
【０００５】
図において、１０１は燃料電池であり、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００６】
また、１０２は充電によって放電を繰り返すことができるバッテリであり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。
【０００７】
さらに、１０３はインバータ（ＩＮＶ）であり、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。なお、前記駆動源が直流モータである場合は、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流は、前記インバータ１０３を介さずに駆動源に直接供給される。
【０００８】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されて、前記インバータ１０３に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池１０１が停止した場合、また、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給される。
【０００９】
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がバッテリ１０２に供給され、該バッテリ１０２が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池１０１が発生する電流が自動的に前記バッテリ１０２に供給される。
【００１０】
このように、前記燃料電池装置においては、前記バッテリ１０２が常時充電され、前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量が決まってしまう。
【００１２】
このため、前記バッテリ１０２から常時電流が流れるので、前記バッテリ１０２の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ１０２の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
【００１３】
また、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下した時であっても、前記燃料電池１０１からの電流が前記バッテリ１０２に流れにくく、該バッテリ１０２の充電に時間がかかってしまう。逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、大電流が前記燃料電池１０１からバッテリ１０２に流れるので、該バッテリ１０２が過充電されることによって破壊されてしまう。
【００１４】
さらに、通常、バッテリの電圧−電流特性は残存容量によって変動するので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の出力配分を所定の状態に維持し、本来の電流−電圧特性又は電力特性を発揮させることが困難である。そのため、坂道等の高負荷運転時のように前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合であっても、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給されずに車両の走行が制限されてしまったり、また、前記バッテリ１０２の残存容量が少なくなっても、前記燃料電池１０１から電流が供給されずに前記バッテリ１０２が上がったりしてしまう。
【００１５】
これら従来の燃料電池装置の問題点を解決するために、本願発明の発明者は、既に、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される燃料電池装置、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる燃料電池装置、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する燃料電池装置の制御方法等を提案している（特願２０００−３６２５９７号）。
【００１６】
そして、本願発明の発明者が提案したこれらの燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法によって、従来の燃料電池装置の問題点が解決されて、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができる。
【００１７】
しかしながら、本願発明の発明者が提案した前記燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法は、燃料電池の性能及び動作が常に安定しており、燃料電池からの電流が安定した量で出力されることを前提条件とするものである。仮に、燃料電池に過大な負荷をかけてしまうと、燃料電池の電解質膜や電極の温度が上昇して、最悪の場合には該電解質膜や電極が焼損してしまい、また、前記電解質膜や電極の焼損にまで到らなくても、燃料電池の性能が大きく低下したり、動作が不安定になってしまう。
【００１８】
本発明は、前記の問題点を解決して、本願発明の発明者が既に提案した燃料電池装置において、燃料電池にかかる負荷が一定の範囲内になるように制御して、燃料電池自体が損傷することなく、その結果、燃料電池の性能が低下せず、かつ、動作が常に安定する燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に直接接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧回路を作動させる燃料電池装置であって、前記燃料電池は、出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、出力電流が最大発電可能電流以上とならず、出力電力が最大出力以上とならないように出力する。
【００２１】
本発明の他の燃料電池装置においては、負荷に直接接続された燃料電池と、該燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧用スイッチング素子と前記充電用スイッチング素子とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧用スイッチング素子を作動させる。
【００２２】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動させる駆動モータの駆動制御装置である。
【００２４】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力する。
【００２５】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力する。
【００２６】
また、本発明の燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に直接接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路、及び、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路であって、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御し、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるようにする。
【００２７】
本発明の他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上とならず、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上とならないように制御する。
【００２８】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力するように制御する。
【００２９】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力するように制御する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の概念図、図３は本発明の第１の実施の形態においてバッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する１例を示す図である。
【００３２】
図１において、１０は燃料電池（ＦＣ）回路であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池１１と蓄電手段としてのバッテリ１２とを併用して使用する。
【００３３】
そして、燃料電池１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３４】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）型燃料電池、又はＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する高分子膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ｆｕｅｌｃｅｌｌ）を複数直列に結合したスタック（ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３６号公報参照）。
【００３５】
本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、４００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は３００〔ｃｍ²〕であり、開放端子電圧は約３６０〔Ｖ〕、出力は約４２〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００３６】
なお、燃料である水素ガスは、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した水素ガスを燃料電池１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３７】
この場合、前記燃料電池１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００３８】
また、図１において、１２は充電によって放電を繰り返すことができる蓄電手段としての２次電池、すなわち、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が望ましい。
【００３９】
例えば、本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。この場合、開放端子電圧は約２１０〔Ｖ〕であり、約１０〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００４０】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００４１】
例えば、特許第２７５３９０７号公報に記載されているように、バッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせて、前記蓄電手段として使用することもできる。この場合、図３に示されるように、蓄電手段１２’においては、バッテリＢｔはコンデンサＣ２と直列に接続されている。そして、前記バッテリＢｔの正の端子は前記コンデンサＣ２の負の端子に接続されるとともに、トランジスタＴｒ１のコレクタ電極とトランジスタＴｒ２のエミッタ電極に接続される。
【００４２】
また、前記トランジスタＴｒ１のエミッタ電極とトランジスタＴｒ２のコレクタ電極は前記コンデンサＣ２の正の端子及びトランジスタＴｒ３のコレクタ電極に接続される。なお、該トランジスタＴｒ３のエミッタ−コレクタ電極間には、ダイオードＤ１が接続される。
【００４３】
さらに、前記トランジスタＴｒ３のエミッタ電極にはコンデンサＣ１の正の端子が接続される。このように、該コンデンサＣ１は、前記トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３及びダイオードＤ１を介して、前記バッテリＢｔに並列に接続される。
【００４４】
ここで、前記バッテリＢｔは前記バッテリ１２と同様のものであり、前記コンデンサＣ１及びＣ２は電気二重層コンデンサのように単位体積当たりの容量が大きく、低抵抗で出力密度が高い大容量のものであることが望ましい。なお、前記コンデンサＣ１及びＣ２の容量は占有する体積とのバランスを考慮して適宜決定することができるが、例えば、９〔Ｆ〕以上であることが望ましい。
【００４５】
また、前記コンデンサＣ１及びＣ２は、それぞれ、複数のコンデンサを直列に接続したものであってもよい。この場合、それぞれのコンデンサの耐圧を低く設定することができる。
【００４６】
そして、前記蓄電手段１２’の正の端子には前記コンデンサＣ２の正の端子と前記トランジスタＴｒ３のコレクタ電極とが接続されており、前記蓄電手段１２’の負の端子には前記バッテリＢｔの負の電極と前記コンデンサＣ１の負の電極とが接続されている。
【００４７】
このような構成の蓄電手段１２’においては、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３をスイッチングすることによって、バッテリＢｔ並びにコンデンサＣ１及びＣ２からの出力電流を制御するとともに、バッテリＢｔ並びにコンデンサＣ１及びＣ２への充電電流も制御するようになっている。
【００４８】
次に、図１において、１３は負荷としての駆動制御装置であるインバータであり、前記燃料電池１１又はバッテリ１２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータとしてのモータ１４に供給する。ここで、該モータ１４は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記モータ１４は車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、後述されるように、前記回生電流がバッテリ１２に供給されて該バッテリ１２が充電される。
【００４９】
また、１５はバッテリ充電制御回路であり、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）１５ａとサイリスタ１５ｂとの並列回路である。ここで、前記ＩＧＢＴ１５ａは２００〔Ａ〕程度の電流を許容するものである。
【００５０】
一方、１６は昇圧制御回路としてのバッテリ放電制御回路であり、前記バッテリ充電制御回路と同様に、昇圧用スイッチング素子としてのＩＧＢＴ１６ａとサイリスタ１６ｂの並列回路である。ここで、前記ＩＧＢＴ１６ａは２００〔Ａ〕程度の電流を許容するものである。
【００５１】
そして、１７は２００〔Ａ〕程度の電流を許容するリアクトルであり、前記バッテリ放電制御回路１６と共に昇圧回路を構成し、前記バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
【００５２】
ここで、前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａは所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオン−オフされる。前記ＩＧＢＴ１６ａをオンにした時には、前記バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにした時には、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ１２の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧された前記バッテリ１２の出力電圧は前記スイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ前記燃料電池１１の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
【００５３】
また、前記バッテリ放電制御回路１６におけるサイリスタ１６ｂは、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにした時に該ＩＧＢＴ１６ａのエミッタとコレクタとの間に発生する逆起電力によって、該エミッタとコレクタとの間の絶縁が破壊されることを防止する。
【００５４】
そして、１８は回路を流れる電流値を測定する電流センサであり、１９は、負荷又は２次電池からの電流が燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子としての、サイリスタである。
【００５５】
また、２０はハイブリッド回路電子制御ユニットであり、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路１０における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記バッテリ充電制御回路１５及びバッテリ放電制御回路１６の動作を制御する。さらに、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット２１、燃料電池電子制御ユニット２２、イグニッション制御装置２４等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路１０の動作を統括的に制御する。
【００５６】
なお、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
【００５７】
ここで、例えば、本実施の形態においては、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、２つの電流センサ１８との入出力インターフェイス、電圧計測用の２つの入出力インターフェイス、バッテリ充電制御回路１５用の入出力インターフェイス、バッテリ放電制御回路１６用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット２１用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット２２用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置２４用の入出力インターフェイスを備える。また、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、電源としての電源バッテリ２３に接続される電源インターフェイスも備える。
【００５８】
次に、車両用電子制御ユニット２１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。なお、前記アクセル開度は、一般的な車両においてはアクセルペダル（スロットルペダル）の踏み込み度合いによって検出されるが、車両の出力や速度を制御する手段として、アクセルペダルに代えて回転式のアクセルグリップ、ジョイスティック、バーハンドル、回転ダイアル等のアクセルコントローラが使用されている場合には、これらアクセルコントローラの移動の度合いによって検出される。
【００５９】
また、燃料電池電子制御ユニット２２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池１１に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、燃料電池１１に燃料及び酸化剤を供給する装置の動作を制御する。さらに、前記燃料電池電子制御ユニット２２は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池１１に燃料及び酸化剤を供給する装置の動作を統括的に制御する。
【００６０】
そして、前記電源バッテリ２３は、充電によって放電を繰り返すことができる鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のバッテリから成り、１２〔Ｖ〕の直流電流を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に供給する。なお、前記電源バッテリ２３は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
【００６１】
また、前記イグニッション制御装置２４は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０やその他の装置に伝達する。
【００６２】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【００６３】
図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の特性を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。なお、図４において、横軸に電流Ａを、縦軸に電圧Ｖ及び電力ｋＷを採ってある。
【００６４】
ここで、燃料電池１１には必要な量の燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気が十分に供給され、燃料電池１１の水素極及び空気極のイオン交換膜には十分な水分が含まれており、燃料電池１１の温度は十分に高く作動温度範囲内にあり、燃料電池１１を構成する部材の経時劣化はほとんどないものとする。すなわち、燃料電池１１が所定の最大発電可能電流及び最大出力を出力することができる良好なコンディションが、常に維持されているものとする。
【００６５】
図４において、４１は燃料電池１１の電圧−電流特性を示す曲線である。前記燃料電池１１の電圧−電流特性を示す曲線４１は、通常のＰＥＭ型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。そして、傾斜は緩やかであるが、電流２２５［Ａ］付近の点を変曲点として傾斜が急になる。
【００６６】
これにより、前記燃料電池１１は、電流２２５［Ａ］以下の範囲であると安定的に動作することが分かる。また、曲線４１において電流２２５［Ａ］に対応する電圧は約１８０［Ｖ］であるから、前記燃料電池１１は電圧１８０［Ｖ］以上の範囲であると安定的に動作することが分かる。
【００６７】
一方、４２は燃料電池１１の電力−電流特性を示す曲線である。前記燃料電池１１の電力−電流特性を示す曲線４２は、全体として電流の増大と共に増大していく右上がり曲線である。そして、電力４２［ｋＷ］付近を頂点として傾斜が急な右下がりの曲線になる。
【００６８】
これにより、前記燃料電池１１は、電力４２［ｋＷ］以下の範囲であると安定的に動作することが分かる。なお、前述されたように、前記燃料電池１１は出力インピーダンスがほぼ０の電源である。
【００６９】
これらのことから、燃料電池１１を安定して運転させる範囲は、電圧１８０［Ｖ］以上、電流２２５［Ａ］以下、及び、電力４２［ｋＷ］以下の範囲であることが分かる。そこで、本実施の形態においては、前記電圧１８０［Ｖ］、電流２２５［Ａ］及び電力４２［ｋＷ］を燃料電池１１の最低発電可能電圧、最大発電可能電流、及び、最大出力と称する。
【００７０】
なお、前記燃料電池１１は、通常のＰＥＭ型燃料電池の場合と同様に、出力電力を増大させる場合には、出力電流を増大させていき、出力電圧は曲線４１に従って変化するようになっている。例えば、前記燃料電池１１に２０［ｋＷ］出力させる場合には、出力電流を増加させていく。そして、該出力電流が約７０［Ａ］となると、曲線４１に従って、出力電圧が約２９０［Ｖ］となるので、所望の電力２０［ｋＷ］を出力させることになる。
【００７１】
したがって、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電流、すなわち、要求電流の値が燃料電池１１の最大発電可能電流までの範囲においては、前記燃料電池１１だけから電流を供給し、要求電流の値が最大発電可能電流以上の範囲においては、前記燃料電池１１からの電流に加えて、バッテリ１２からも電流を供給するようにすればよいことが分かる。そして、前記バッテリ１２の開放端子電圧は、２１０［Ｖ］であるから、要求電流の値が、曲線４１において２１０［Ｖ］に対応する２００［Ａ］までの範囲においては、前記バッテリ１２から電流が供給されることはない。なお、前記要求電流は、実際の車両においては、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電流に加えて、ワイパーやステレオのように車両に搭載される電気駆動部品である車両用補機、及び、空気供給ファンやバルブのように燃料電池駆動用の電気駆動部品である燃料電池用補機に供給すべき電流も含むものである。
【００７２】
ただし、前記バッテリ１２の出力電圧を昇圧回路によって前記燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧すると、前記バッテリ１２からも積極的に電流が供給されるようにすることができる。
【００７３】
そして、要求電流の値が２００［Ａ］に対応する前記曲線４１上の点における前記燃料電池１１の端子電圧が、前記バッテリ１２の開放電圧２１０［Ｖ］とほぼ等しいことから、電流が２００［Ａ］を超えた範囲ではバッテリ１２からも電流が供給される。
【００７４】
さらに、要求電流の値が最大発電可能電流２２５［Ａ］を超えた範囲では、燃料電池１１からは最大発電可能電流を供給し、要求電流と最大発電可能電流の差分をバッテリ１２から供給するようにすればよいことが分かる。
【００７５】
また、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電力、すなわち、要求電力が燃料電池１１の最大出力までの範囲においては、前記燃料電池１１だけから電力を供給し、要求電力の値が最大出力以上の範囲においては、前記燃料電池１１からの電力に加えて、要求電力と最大出力の差分の電力をバッテリ１２から供給すればよいことが分かる。なお、前記要求電力は、実際の車両においては、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電力に加えて、前記車両用補機及び燃料電池用補機に供給すべき電力も含むものである。
【００７６】
本実施の形態においては、ハイブリッド回路電子制御ユニット２０の記憶手段には、図４に示されるような燃料電池１１の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット２１から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ１４に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力に対応する要求電流の値が、図４に示されるような燃料電池１１の特性に基づいて見い出される。
【００７７】
一方、車両の走行モードが判定され、該走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、前記燃料電池１１及びバッテリ１２からの出力電流を制御するような場合にも、図４に示されるような燃料電池１１の特性に基づいて出力電流を制御する。
【００７８】
そこで、ここでは、図４に示されるような燃料電池１１の特性に基づいた燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
【００７９】
まず、要求電流の値が前述の約２００［Ａ］以下の場合であり、前記燃料電池１１だけから電流を供給する場合には、前記バッテリ充電制御回路１５及びバッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１５ａ、１６ａをオフの状態とする。
【００８０】
この場合、前記燃料電池１１には燃料である水素ガス及び酸化剤である空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、前記燃料電池１１からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、前記燃料電池１１の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、前記燃料電池１１から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、２００［Ａ］以下であるか否かを前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって、常時検出される。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時検出される。
【００８１】
次に、要求電流の値、又は前記電流センサ１８によって測定された電流の値が前記２００［Ａ］以上となった場合に、前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａをオフの状態のままとすると、前記バッテリ１２からの電流値はあまり上昇することはない。
【００８２】
ここで、前記バッテリ１２からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は前記バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａを所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオン−オフする。前記ＩＧＢＴ１６ａをオンにしたときには、前記バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記ＩＧＢＴ１６ａをオフにしたときには、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ１２の出力電圧に加算され、その合計が前記燃料電池１１の出力電圧とほぼ等しくなる。
【００８３】
そして、要求電流と燃料電池１１から供給される電流の差分が前記バッテリ１２からインバータ１３を介してモータ１４に供給される。なお、前記バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によってチェックされる。
【００８４】
次に、前記バッテリ１２のＳＯＣ（ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ：残存容量）が低下したことから、前記バッテリ１２を充電する場合の燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
【００８５】
まず、車両の減速運転時に前記モータ１４が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ１３によって直流の回生電流に変換される。この時、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記バッテリ充電制御回路１５におけるＩＧＢＴ１５ａをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記ＩＧＢＴ１５ａを通って前記バッテリ１２に供給されるので、該バッテリ１２は充電される。
【００８６】
なお、前記回生電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記ＩＧＢＴ１５ａはオフにされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記ＩＧＢＴ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、前記ＩＧＢＴ１５ａを流れる電流の値を制御する。
【００８７】
したがって、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
【００８８】
また、前記バッテリ１２のＳＯＣが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、前記燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。この場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記バッテリ充電制御回路１５におけるＩＧＢＴ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記ＩＧＢＴ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
【００８９】
なお、前記燃料電池１１からの電流の値及び前記バッテリ１２に供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット２０によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記燃料電池１１から供給される電流の値が前記２００［Ａ］となった場合、及び、前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記ＩＧＢＴ１５ａはオフにされる。また、前記バッテリ１２に供給される電流の値が過大である場合は、前記ＩＧＢＴ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、前記ＩＧＢＴ１５ａを流れる電流の値を制御する。
【００９０】
したがって、前記バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、前記燃料電池１１に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
【００９１】
次に、本実施の形態の燃料電池装置において、燃料電池１１にかかる負荷が一定の範囲内となるような制御方法について具体的に説明する。本実施の形態においては、料電池１１にかかる負荷が一定の範囲内となるようにするためにの基準として燃料電池１１の最大出力を採用する。
【００９２】
まず、車両用電子制御ユニット２１は、運転者が踏み込んだ車両のアクセルの開度、すなわち、アクセル開度、及び、車両速度を検出して、ハイブリッド回路電子制御ユニット２０に送信する。すると、該ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記アクセル開度及び車両速度に基づいて、モータ１４の発生すべき出力、すなわち、車両要求出力を算出（ステップＳ１）する。
【００９３】
次に、該ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、前記車両要求出力が燃料電池１１の最大出力よりも小であるか否かを検討（ステップＳ２）する。そして、小である場合は、そのまま制御を終了する。
【００９４】
また、小でない場合、ハイブリッド回路電子制御ユニット２０は、バッテリ１２の出力値として、前記車両要求出力と燃料電池１１の最大出力の差分を算出（ステップＳ３）する。続いて、バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、前記出力値を出力（ステップＳ４）させて、制御を終了する。
【００９５】
このように、本実施の形態においては、車両要求出力が燃料電池１１の最大出力を超えた場合に、前記車両要求出力と燃料電池１１の最大出力の差分を算出し、該差分だけバッテリ１２から出力させるように制御する。
【００９６】
したがって、バッテリ１２の出力をフィードフォワード制御するだけなので、応答が速く、燃料電池１１が安定して動作する範囲内となるように迅速に制御することができる。
【００９７】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、前記第１の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【００９８】
図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【００９９】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と相違する点は、燃料電池１１にかかる負荷が一定の範囲内となるようにするための基準として、燃料電池１１の最大出力に代えて、燃料電池１１の最低発電可能電圧を基準とした点だけである。
【０１００】
まず、車両用電子制御ユニット２１は、燃料電池１１の端子電圧、すなわち、出力電圧を測定（ステップＳ６）し、該測定された出力電圧が燃料電池１１の最低発電可能電圧よりも大であるか否かを検討（ステップＳ７）する。そして、大である場合は、続いて、前記出力電圧が最低発電可能電圧にプラスαした値よりも小であるか否か検討（ステップＳ８）する。そして、小である場合は、そのまま制御を終了する。
【０１０１】
ここで、ステップＳ７において、前記出力電圧が最低発電可能電圧よりも大でない場合、前記車両用電子制御ユニット２１は、バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオン−オフして、バッテリ１２からの出力を増大（ステップＳ９）させ、続いて、ステップＳ７に戻って、再び、前記出力電圧が最低発電可能電圧よりも大であるか否かを検討する。
【０１０２】
また、ステップＳ８において、前記出力電圧が最低発電可能電圧にプラスαした値よりも小でない場合、前記車両用電子制御ユニット２１は、バッテリ放電制御回路１６におけるＩＧＢＴ１６ａをオフして、バッテリ１２からの出力を停止（ステップＳ１０）させ、制御を終了する。
【０１０３】
なお、本実施の形態においては、燃料電池１１の出力電圧を測定し、測定した出力電圧が最低発電可能電圧以下とならないようにバッテリ１２からの出力を制御するが、燃料電池１１の出力電流を測定し、測定した出力電流が最大発電可能電流以上とならないようにバッテリ１２からの出力を制御することもでき、また、燃料電池１１の出力電力を測定し、測定した出力電力が最大出力以上とならないようにバッテリ１２からの出力を制御することもできる。
【０１０４】
このように、本実施の形態においては、燃料電池１１の出力電圧、出力電流、又は、出力電力を測定し、測定した値が、燃料電池１１が安定して動作する範囲内となるように、バッテリ１２からの出力を制御する。
【０１０５】
したがって、燃料電池１１の出力をフィードバックして制御するので、要求出力に確実に応答することができる。
【０１０６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電され、前記燃料電池は、あらかじめ定められた範囲内で出力する。
【０１０８】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大発電可能電流を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給される。また、回生電流等によって蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がることもない。
【０１０９】
さらに、燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲を超えることがないので、燃料電池自体が損傷することなく、燃料電池の性能が低下せず、かつ、動作が常に安定する。
【０１１０】
他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させるとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧回路を作動させる。
【０１１１】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく、可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がない。また、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。さらに、燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるので、燃料電池自体が損傷することなく、燃料電池の性能が低下せず、かつ、動作が常に安定する。
【０１１２】
更に他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、該燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させるとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧回路を作動させる。
【０１１３】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく、可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の出力電圧を適切に昇圧できるので、要求電流に対応する電流が蓄電手段から適切に供給される。また、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。さらに、燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるので、燃料電池自体が損傷することなく、燃料電池の性能が低下せず、かつ、動作が常に安定する。
【０１１４】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動させる駆動モータの駆動制御装置である。
【０１１５】
この場合、簡単な回路構成でありながら、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
【０１１６】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池は、出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、出力電流が最大発電可能電流以上とならず、出力電力が最大出力以上とならないように出力する。
【０１１７】
この場合、燃料電池の電解質膜や電極が損傷することがない。
【０１１８】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力する。
【０１１９】
この場合、蓄電手段の出力をフィードフォワード制御するだけなので、応答が速く、迅速に制御することができる。
【０１２０】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力する。
【０１２１】
この場合、燃料電池の出力をフィードバックして制御するので、負荷の要求に確実に応答することができる。
【０１２２】
また、本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御して、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるようにする。
【０１２３】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。また、蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうこともない。さらに、燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるので、燃料電池自体が損傷することなく、燃料電池の性能が低下せず、かつ、動作が常に安定する。
【０１２４】
他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上とならず、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上とならないように制御する。
【０１２５】
この場合、燃料電池の電解質膜や電極が損傷することがない。
【０１２６】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力するように制御する。
【０１２７】
この場合、蓄電手段の出力をフィードフォワード制御するだけなので、応答が速く、迅速に制御することができる。
【０１２８】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力するように制御する。
【０１２９】
この場合、燃料電池の出力をフィードバックして制御するので、負荷の要求に確実に応答することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図２】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態においてバッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する１例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の特性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１燃料電池
１２’ 蓄電手段
１７リアクトル

Claims

燃料電池と、
該燃料電池の出力端子に直接接続された負荷と、
該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、
該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、
前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して該蓄電手段を充電する充電回路と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧回路を作動させる燃料電池装置であって、
前記燃料電池は、出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、出力電流が最大発電可能電流以上とならず、出力電力が最大出力以上とならないように出力することを特徴とする燃料電池装置。
負荷に直接接続された燃料電池と、
該燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、
該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、
該昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧用スイッチング素子と前記充電用スイッチング素子とを選択的に作動させ、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるように前記昇圧用スイッチング素子を作動させることを特徴とする燃料電池装置。
前記負荷は、車両を駆動させる駆動モータの駆動制御装置である請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
両端子が負荷に直接接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路、及び、前記燃料電池よりも出力電圧が低い蓄電手段を含む蓄電手段回路であって、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御し、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合には、前記昇圧回路が前記蓄電手段の出力電圧を前記燃料電池よりも高くなるように昇圧し、前記蓄電手段から前記負荷に電流を供給するとともに、前記燃料電池の出力があらかじめ定められた範囲内となるようにすることを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下とならず、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上とならず、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上とならないように制御する請求項６に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記蓄電手段は、前記負荷の要求する出力が前記燃料電池の最大出力以上となるときに出力するように制御する請求項６又は７に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記蓄電手段は、前記燃料電池の出力電圧が最低発電可能電圧以下となったときに、または、前記燃料電池の出力電流が最大発電可能電流以上となったときに、または、前記燃料電池の出力電力が最大出力以上となったときに出力するように制御する請求項６又は７に記載の燃料電池装置の制御方法。