JP2002050378A - 電気自動車用燃料電池の起動制御装置 - Google Patents
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Abstract
時間に燃料電池の立ち上げが可能な電気自動車用燃料電
池の起動制御装置を得る。 【解決手段】 水素ガスと空気とが供給される燃料電池
15と、燃料電池15により充電される二次電池1と、
燃料電池15に燃料や空気などを供給する発電用補機1
6と、二次電池1が過放電状態のとき燃料電池15の起
動電源として発電用補機16を駆動する外部電源21
と、二次電池1から発電用補機16に電力供給する回路
に設けられた第一の補機駆動スイッチ19と、燃料電池
15から発電用補機16に電力供給する回路に設けられ
た第二の補機駆動スイッチ20とを備え、第一の補機駆
動スイッチ19と第二の補機駆動スイッチ20とが二次
電池1と燃料電池15の電圧に応動し、発電用補機16
の電源を燃料電池15と二次電池1と外部電源21とか
ら選択切換するようにしたものである。
Description
は、炭化水素系燃料の分解により得られる水素などを供
給して発電する燃料電池と、この燃料電池により充電さ
れる二次電池とを備えた電気自動車における燃料電池の
起動制御に関し、特に、二次電池の完全放電状態や燃料
電池の冷却水の凍結など、寒冷時に発生しやすい異常事
態に対応するためのものである。
出さない車両用の動力源として燃料電池が注目され、燃
料電池を使用した電気自動車の検討が進められている。
車両に燃料電池を搭載して使用する場合において、燃料
電池を動作させるためには、改質器に燃料を供給する燃
料ポンプや酸素供給用の給気装置、あるいは、冷却水の
給水ポンプなど、各種の補機を駆動する電源が必要があ
り、また、発電用の冷却水には不凍液が使用できないた
め、寒冷時に冷却水が凍結しておればこれを解凍するこ
とが必要になる。これらの電源としては燃料電池により
充電される二次電池を使用するのが一般的であるが、こ
の二次電池が過放電状態にある場合には発電用の補機を
運転することができず、また、冷却水を解凍することも
できないため燃料電池を動作させることが不可能にな
る。
術としては、例えば、特開平10−40931号公報が
開示されている。この公報に開示された技術は、燃料電
池と二次電池とを備えた電源システムにおいて、二次電
池の残存容量を検出する残存容量モニタを設け、電源シ
ステムを停止するときには二次電池の残存容量が所定量
に達するまで燃料電池により二次電池を充電するように
し、次回システムを起動するときには燃料電池の暖機運
転が終了するまで二次電池から電力が得られるようにし
たものである。しかし、この技術でも不測の事態により
二次電池の充電が行えずにシステムが停止した場合には
システムの再起動は不可能になる。
4327号公報には、燃料電池により充電される二次電
池が過放電状態のときには受電コネクタを介して外部電
源から充電できるようにしたこと、冷却水の加熱・解凍
には二次電池から電熱ヒータを駆動して加熱することが
開示されている。また、燃料電池は暖機運転がなされな
いと充分な出力が得られないが、特開平6−14006
5号公報には、燃料電池を始動可能な温度に加熱するた
めに、改質器で液体燃料の加熱・分解に用いた燃焼排ガ
スを燃料電池側に導き、加熱することにより始動時間を
短縮し、二次電池の負担を軽減する技術が開示されてい
る。
えば、特開平6−223855号公報に、燃料電池の停
止時に冷却水循環路から冷却水を抜き取り、別途設置し
た断熱冷却水貯留容器に収容して断熱保温する技術が開
示されており、また、特開平7−94202号公報に
は、冷却水を加熱して暖機時間を短縮するために貯水タ
ンクにヒータを設け、燃料電池、または、二次電池から
ヒータに通電することにより冷却水を加熱する技術が開
示されている。さらに、燃料電池の暖機の手法として、
特開平10−144333号公報には、燃料電池の発電
開始直後に吸着器の吸着剤に水を吸着させ、この吸着熱
を熱交換流体を介して燃料電池に放出して加熱する技術
が開示されている。
池の起動時の制御に関しては各種の技術が開示されてい
るが、まず、二次電池の過放電に対する外部電源からの
充電に関しては、電気自動車の二次電池は大容量である
ため、内燃機関を搭載した車両の二次電池のように短時
間内に充電することは困難であり、燃料電池の起動には
長時間を要することになる。さらに寒冷時など、冷却水
の凍結状態においては電熱ヒータによる解凍にも長い時
間を要することになり、内燃機関搭載車両のように短時
間にて走行可能状態に移行することが困難であった。
になされたもので、その第一の目的は、二次電池が過放
電であったり、寒冷時に二次電池の出力が充分に得られ
ないときなど、外部電源を補機用の電源として燃料電池
を立ち上げ、二次電池を燃料電池から充電すると共に燃
料電池の出力で走行を可能とし、また、第二の目的は冷
却水の凍結状態においては、燃料電池の発電用燃料、ま
たは、起動用燃料による解凍と暖機とを行うことによ
り、短時間内での解凍と暖機とを可能とし、第三の目的
は起動や暖気に要する付帯設備を小型化し、その一部を
常時活用して多機能化を図り、冷却水の解凍処理に特別
の負担をかけない電気自動車用燃料電池の起動制御装置
を得ることを目的とするものである。
動車用燃料電池の起動制御装置は、水素ガスと空気が供
給されて発電する燃料電池と、燃料電池の出力により充
電される二次電池と、燃料電池に対して燃料や空気や冷
却水などを供給する発電用補機と、二次電池が過放電状
態にあるとき燃料電池の起動電源として発電用補機を駆
動する外部電源と、二次電池から発電用補機に電力供給
する回路に設けられた第一の補機駆動スイッチと、燃料
電池から発電用補機に電力供給する回路に設けられた第
二の補機駆動スイッチとを備え、第一の補機駆動スイッ
チと第二の補機駆動スイッチとが二次電池と燃料電池と
の電圧に応動し、発電用補機に電力供給する電源を燃料
電池と二次電池と外部電源のいずれかに選択的に切り換
えるようにしたものである。
機駆動スイッチとによる電源の選択切換が、外部電源か
ら発電用補機を駆動する第一のモードと、燃料電池が発
電を開始した後に燃料電池から発電用補機を駆動する第
二のモードと、二次電池が電力供給能力を有するときに
二次電池から発電用補機を駆動する第三のモードとを有
するようにしたものである。
極と空気が供給されるカソード電極とからなる燃料電池
の発電電極と、この発電電極を冷却する冷却水と発電電
極に供給される水素ガスと空気を加湿する加湿水とを供
給する冷却水貯蔵部と、起動時に、発電電極に水素ガス
と空気とが供給されることに先立ち、起動用燃料が供給
されて触媒燃焼し、冷却水貯蔵部の冷却水を加熱・解凍
する燃焼加熱部とを備えるようにしたものである。
が供給された後において、アノード電極から排出される
排出ガスが再循環されてアノード電極に供給されると共
に、この排出ガスの一部が燃焼加熱部に供給され、冷却
水を加熱・解凍するようにしたものである。また、水素
ガスの供給源に水素吸蔵合金が使用され、発電電極を冷
却後の温水または燃焼加熱部で加熱された温水が水素吸
蔵合金の加熱用に使用されるようにしたものである。
化学反応により水素ガスを生成すると共に、加熱気化す
るための燃焼部を有する改質器と、この改質器からの水
素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノード電極と空気
が供給されるカソード電極とを有する燃料電池の発電電
極と、発電電極を冷却する冷却水と発電電極に供給され
る水素ガスと空気とを加湿する加湿水を供給する冷却水
貯蔵部とを備え、起動時に、改質器の燃焼部に炭化水素
系の燃料または水素ガスからなる起動用燃料が与えられ
て改質器が加熱されると共に、改質器の燃焼部から排出
された燃焼ガスが冷却水貯蔵部に与えられて冷却水が加
熱されるように構成したものである。
ガスの生成を開始した後、改質器が生成する燃料ガスが
改質器の燃焼部と冷却水貯蔵部とに与えられ、暖機運転
が継続されるように構成したものである。また、冷却水
貯蔵部が冷却水タンクと補助タンクとを有し、燃料電池
の運転停止時には冷却水タンクの冷却水の一部または全
部が補助タンクに移され、起動時に冷却水を加熱・解凍
する燃焼加熱部が補助タンクに設けられるようにしたも
のである。
は、この発明の実施の形態1による電気自動車用燃料電
池の起動制御装置を説明するためのもので、図1は電気
回路図、図2は動作説明用のフローチャートである。図
において、1は例えば鉛電池などの二次電池、2は二次
電池1の出力電流を平滑するコンデンサ、3は二次電池
1と負荷との間に設けられた電源スイッチ、4はコンデ
ンサ2により平滑された電流が供給され、直流から交流
の順変換を行って三相交流電動機5を力行駆動すると共
に、交流から直流の逆変換を行って三相交流電動機5の
回生エネルギを二次電池1に回生充電する直交順逆変換
器、6は三相交流電動機5から駆動される車速センサ、
7は直交順逆変換器4の開閉素子をON/OFF制御す
る力行回生制御装置である。なお、直交順逆変換器4は
逆並列ダイオードを有するトランジスタなどの開閉素子
を6個使用して三相ブリッジに接続したものである。
び、各種のインターフェイス回路などにより構成された
コントローラ、9はこのコントローラ8に所定の定電圧
を供給する定電圧電源、10は車両のアクセルペダルの
踏み込み量を検出するアクセルセンサ、11は車両のブ
レーキペダルの踏み込み量または踏み込み圧を検知する
ブレーキセンサ、12は二次電池1の電圧と電流を検出
する電圧・電流センサ、13は直交順逆変換器4の入出
力電流を検出する負荷電流センサ、14は後述する燃料
電池15の発生電圧を測定する電圧センサであり、これ
らの各センサの出力はコントローラ8に入力され、力行
回生制御装置7や後述する発電制御装置18などの各種
の制御に使用される。
解により得た水素を供給されて発電する燃料電池、16
は発電用補機であり、発電用補機16には、燃料電池1
5を動作させるための燃料ポンプ、酸素供給用のコンプ
レッサなど給気装置、冷却水や加湿水を供給する給水ポ
ンプ、および、各種電磁弁など、燃料電池15の運転に
必要な補機類が含まれる。17はこのような発電用補機
16を制御する補機制御装置、18は燃料電池15と二
次電池1との間に接続され、半導体インバータ回路で構
成されて燃料電池15の定格電圧と二次電池1の定格電
圧との相違を補正する昇圧機能を有する発電制御装置で
ある。
する第一の補機駆動スイッチ、20は発電用補機16を
燃料電池15に接続する第二の補機駆動スイッチ、21
は外部電源を示し、第一の補機駆動スイッチ19と第二
の補機駆動スイッチ20とは同時に閉路しないように構
成され、また、外部電源21が接続されるときには第一
の補機駆動スイッチ19と第二の補機駆動スイッチ20
とは共に開路するように構成されている。なお、外部電
源21は、変圧器と整流器と過充電制限装置などから構
成される可搬式の直流電源、すなわち、可搬式の充電装
置である。
イッチ19とは図示しない車両のキースイッチと連動
し、第一の補機駆動スイッチ19には二次電池1の電圧
が所定値以上であるときに動作する電磁リレーなどが使
用され、第二の補機駆動スイッチ20は燃料電池15の
電圧が所定値以上であり、二次電池1の電圧が所定値以
下であるときに動作する電磁リレーなどが使用される。
二次電池1と燃料電池15と外部電源21とは逆流によ
るトラブルを避けるため図1に示すように逆流阻止ダイ
オードD1、D2、D3を介して接続され、また図示し
ないがこれらの各電源から定電圧電源9に電力が供給さ
れる。すなわち、第一の補機駆動スイッチ19と第二の
補機駆動スイッチ20とにより、発電用補機16に接続
される電源が、二次電池1と燃料電池15と外部電源2
1とを選択的に切り換えるように構成され、その選択は
二次電池1と燃料電池15とのそれぞれの電圧値により
決定されるように構成されている。
電源21との電圧は、燃料電池15の定格電圧をV1、
二次電池1の定格電圧をV2、外部電源21の定格電圧
をV3とするとき、V1<V2の関係にするのが一般的
である。発電用補機16を外部電源21にて作動させ、
燃料電池15の発電開始に伴って外部電源21からの電
力供給を遮断させるためには、燃料電池15が発電用補
機16に電力供給しながら二次電池1を充電することに
なるので、外部電源21の定格電圧V3の値はV1〜V
2の間において任意に選べばよいことになる。そして、
補機制御装置17はこれらの電圧変化を補正して発電用
補機16に必要電圧と必要電流とを供給するように構成
される。
態1による電気自動車用燃料電池の起動制御装置におい
て、その動作を図2のフローチャートにより説明すると
次の通りである。まず、ステップ200は車両のキース
イッチがオンされて動作が開始されるステップである。
動作が開始されるとステップ201にて第一の補機駆動
スイッチ19が動作したかどうかで二次電池1が使用可
能であるかどうかを判定する。上記したように、第一の
補機駆動スイッチ19は二次電池1の電圧が所定値以上
であるときに動作する電磁リレーなどが使用されてお
り、二次電池1が使用可能であると判定されるとステッ
プ202にて二次電池1が発電用補機16に接続され、
ステップ203にて発電用補機16が二次電池1からの
電力により燃料電池15の起動動作に入る。
態で使用不可能であると判定されると、ステップ204
にて第二の補機駆動スイッチ20の動作から燃料電池1
5が発電状態にあるかどうかが判定され、発電状態にな
ければステップ205にて外部電源21の接続を促す。
外部電源21が接続されればステップ213にて外部電
源21からの電力により発電用補機16が動作して燃料
電池15の起動動作に入る。ステップ204にて燃料電
池15が発電状態にあると判断されると、ステップ20
6にて第二の補機駆動スイッチ20が閉路して燃料電池
15からの電力が発電用補機16に供給され、ステップ
223にて発電用補機16が動作して燃料電池15の運
転を継続する。以上のように、これらの動作は第一の補
機駆動スイッチ19や第二の補機駆動スイッチ20など
電磁リレーなどのハードウエアにより実行されるもので
ある。
戻るが第二回目のルーチン以降は条件が変化するため判
定ステップの判定が変わり、最終的には二次電池1が充
電されて二次電池1から発電用補機16などに電力が供
給され、外部電源21は燃料電池15が発電を開始する
と人手により接続が解除される。二次電池1が充分に充
電されているか、または、燃料電池15が発電を開始す
ると車両は走行が可能となり、コントローラ8はアクセ
ルセンサ10からの信号や、ブレーキセンサ11からの
信号に基づき、直交順逆変換器4と力行回生制御装置7
とを介して力行駆動、または、回生制動などの制御を行
う。このとき、発電制御装置18は二次電池1の充電
と、燃料電池15と二次電池1との負荷電流の分担を制
御し、コントローラ8はクローズドループ制御などによ
り燃料電池15の発電量に応じた燃料と空気の制御や冷
却水の温度制御を行う。
の形態1による電気自動車用燃料電池の起動制御装置で
は、発電用補機16の電源が二次電池1と燃料電池15
と外部電源21とから選択的に切り換えられ、二次電池
1の過放電状態時には外部電源21は発電用補機16の
運転のみに用いられ、燃料電池15が発電を開始すれば
その出力により二次電池1が充電され、燃料電池15の
出力により走行が可能となるので短時間で二次電池1の
充電と車両の走行とが可能となり、外部電源21は発電
用補機16の駆動に必要な出力があればよく、小型の直
流電源を使用することが可能である。
形態2による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明す
る説明図であり、この実施の形態は、実施の形態1に示
した燃料電池15自体の起動と、起動時における発電用
補機16の動作に関するものである。図において、25
は水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ガスタンク、26は
コンプレッサなどの給気装置27から送られる空気を加
湿したり、水素ガスタンク25から電磁弁28を介して
送られる水素ガスを加湿する加湿器であり、加湿器26
に用いられる温水は燃料電池の発電電極29を冷却した
温水が用いられ、この加湿は発電電極29のカソード電
極29aとアノード電極29bとの電極間に設けられた
図示しない電解質膜の乾燥を防止するためのものであ
る。
由して空気(酸素)が供給されるカソード電極29a
と、加湿器26を経由して水素ガスが供給されるアノー
ド電極29bと、これらの電極を冷却する冷却器29c
とから構成されている。30は発電電極29のカソード
電極29aから排出される空気の排気通路に設けられ、
排出空気に含まれる水分を冷却ファン30aにより冷却
凝縮して冷却水タンク31に還流する凝縮器、32は発
電電極29のアノード電極29bから排出される排出ガ
スの通路に設けられ、排出ガスに含まれる水分を凝縮・
除去する凝縮溜、33は発電電極29のアノード電極2
9bから排出され、凝縮溜32により水分が除去された
水素ガスを含む排出ガスを加湿器26を経由してアノー
ド電極29bに還流する水素循環ポンプである。
極29の冷却器29cに供給する給水ポンプ、35は発
電電極29のカソード電極29aから排出される排気熱
を冷却水に与え、冷却水を加熱するる熱交換機、36は
冷却水タンク31から補助タンク37に冷却水を移し替
える電磁弁、38は冷却水を補助タンク37から冷却水
タンク31に還流させる揚水ポンプ、39は補助タンク
37内の冷却水を加熱する燃焼加熱部であり、燃料電池
の運転停止時には停止に先立って冷却水タンク31から
補助タンク37に冷却水の一部、または、全部が移さ
れ、燃料電池の再起動時には補助タンク37内の冷却水
が凍結しておれば燃焼加熱部39により解凍し、また、
暖機のために加熱して揚水ポンプ38により冷却水タン
ク31に戻すように構成されている。なお、凝縮器30
にて脱湿された空気は燃焼加熱部39を経由して排出さ
れる。
39に起動用・暖機用の燃料として水素ガスを供給する
電磁弁、41は発電電極29から排出されるアノード排
ガスの一部を燃焼加熱部39に供給する電磁弁であり、
電磁弁41は水素循環ポンプ33により加湿器26に還
流されるアノード排ガスに不純物が蓄積するのを防止す
るためのものである。なお、発電電極29に供給される
冷却水は、通常発電電極29の下部から給水ポンプ34
により圧送されるので、燃料電池の発電停止時に冷却水
を冷却水タンク31に戻すための図示しない電磁弁が設
けられるか、発電電極29や加湿器26から排水するた
めの排出機構が設けられる。また、電磁弁36は冷却水
タンク31と補助タンク37の水位レベルによっては電
動ポンプに置き換えられるものである。
の排気管を取り巻く環状容器で構成されるので、容積を
削減するためには冷却水タンク31の一部の冷却水を収
納するようにし、解凍加熱された温水を冷却水タンク3
1に還流して冷却水タンク31内を加熱解凍し、これに
より冷却された冷水を再び補助タンク37に戻して加熱
し、冷却水タンク31内の冷却水を適正温度まで昇温さ
せるように構成することができる。また、燃焼加熱部3
9はパラジウム・白金・ロジウム・ルテニウムなどをチ
タンセラミックなどで担持した触媒方式にて構成され
る。
態2による電気自動車用燃料電池の起動制御装置におい
て、燃料電池の起動、特に寒冷時における起動動作は次
の通りである。燃料電池の起動に当たっては、まず、電
磁弁40が開かれ水素ガスタンク25の水素ガスが燃焼
加熱部39に供給され、水素ガスはここで触媒燃焼して
補助タンク37を加熱し、もし、冷却水が凍結状態であ
ればこれを解凍する。補助タンク37内の加熱された冷
却水は冷却水タンク31に送られ、冷却水タンク31内
の冷却水を解凍し、解凍が完了すると給水ポンプ34が
稼働して冷却水が冷却器29cと加湿器26に送られ、
続いて、電磁弁28が開き、給気装置27が稼働して空
気と水素ガスとが加湿されて発電電極29のカソード電
極29aとアノード電極29bに供給され、発電が開始
されて図1に示した二次電池1を充電する。
出された空気は熱交換機35で冷却水との間の熱交換を
行い、凝縮器30で水分が除去された後、燃焼加熱部3
9を経由して大気に放出されるが、燃焼加熱部39を経
由させることにより燃焼加熱部39の異常温度上昇を抑
制する。このカソード電極29aからの排気を凝縮器3
0から大気に放出すれば排気の背圧を低減することがで
きるが、燃焼加熱部39には給気装置27からの空気の
供給が必要となり、通常はカソード電極29aの排気が
供給される。発電電極29のアノード電極29bから排
出された排出ガスは水素循環ポンプ33により加湿器2
6に戻され、発電電極29のアノード電極29bに供給
されて再利用されるが、凝縮溜32で除去された水分は
不純物が含まれるので再循環させることなく放出され
る。また、再利用されるアノード電極29bからの排出
ガスも不純物が含まれるので常に新しい水素ガスが追加
されると共に、一部を電磁弁41から燃焼加熱部39に
送り燃焼させることにより不純物の蓄積を防止する。
避けるために冷却水は残さず、燃焼加熱部39はアノー
ド電極29bからの排気ガスの処理装置として使用され
る。燃料電池の運転停止時には電磁弁28を閉じ、給気
装置27と水素循環ポンプ33とを停止し、電磁弁41
を閉じてから給水ポンプ34を停止させ、寒冷時には電
磁弁36により冷却水を補助タンク37に移す。以上の
制御は各種センサとこのセンサ類の出力によるプログラ
マブルコントローラの制御により行われ、必要とされる
発電量に応じて燃料と空気とが制御され、適正温度を維
持するための冷却水の循環量が制御される。
自動車用燃料電池の起動制御装置では、水素ガスタンク
25の水素ガスは発電用の燃料として、また、起動時に
おける起動・暖機用の燃料として使用され、補助タンク
37の燃焼加熱部39は起動時における暖機用と、運転
時におけるアノード排ガスの処理用として使用され、ア
ノード排ガスは再循環させると共に新しいガスを補充
し、排ガスの一部を燃焼加熱部39で燃焼させることに
より燃料電池の燃費効率を向上させると共に不純物濃度
を抑制することができ、起動時における冷却水の解凍ま
たは適正温度までの加熱を燃焼加熱部39における燃料
の燃焼により行うので、二次電池などの電源に負担をか
けることなく短時間で起動させることができるものであ
る。
形態3による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明す
る説明図であり、この実施の形態は、実施の形態2に対
して発電電極29に対する水素ガスの供給源と燃焼加熱
部39に対する燃料の供給源とを変えたものである。す
なわち、発電電極29に対する水素ガスの供給は水素吸
蔵合金を用いた水素吸蔵部42より行われ、水素吸蔵部
42は例えばパラジウム合金などを用いたものである
が、水素ガスの放出促進用に加熱部43が設けられ、こ
の加熱部43には発電電極29の冷却器29cから加湿
器26を経由した温水が供給されると共に、起動時にお
いては補助タンク37から直接温水が供給されるように
構成され、この温水は加熱部43から冷却水タンク31
に循環するように構成されている。なお、水素吸蔵部4
2に水素ガスを吸蔵させるときには逆に発熱するのでこ
の温水は冷却に使用されるが、冷却水の過熱を避けるた
めに加熱部43から冷却水タンク31の循環路には図示
しない冷却装置が設けられる。
吸蔵部42が稼働するまでの起動時には起動用燃料タン
ク44が設けられており、電磁弁45を経由してメタノ
ールまたは水素ガスの起動用燃料が供給される。起動用
燃料は燃焼加熱部39で触媒燃焼され、補助タンク37
内の冷却水を加熱解凍して温水が揚水ポンプ38により
電磁弁46を経由して加熱部43に供給され、加熱部4
3の加熱により水素吸蔵部42が速やかに稼働する。水
素吸蔵部42が稼働して水素ガスが抽出されると電磁弁
40を経由して燃焼加熱部39にこの水素ガスが供給さ
れ、この供給と共に電磁弁45は閉じて起動用燃料の供
給は停止される。また、給水ポンプ34が駆動され、発
電電極29の冷却器29cからの温水が加湿器26を経
由して加熱部43に供給されるようになれば電磁弁46
は閉じられる。なお、揚水ポンプ38からの送水全てを
加熱部43を経由して冷却水タンク31に循環させるこ
ともでき、この場合には電磁弁46と、揚水ポンプ38
から冷却水タンク31への配管とは不要になる。また、
運転中はアノード電極29bからの排気ガスが燃焼加熱
部39に供給されるのは実施の形態2と同様である。
部42の水素ガスを発電用の燃料と暖機用の燃料とに使
用し、起動時の初期のみ起動用燃料タンク44を用いて
いるが、この起動用燃料タンク44は例えばカセット式
の水素ガスボンベなどを用いることができ、この起動用
燃料の使用とこれによる加熱部43の加熱により起動時
間を大幅に短縮することができ、電源に対する負担を軽
減できるものである。なお、水素吸蔵部42は寒冷時に
おいても微量の水素ガスを放出するが、この水素ガスの
みでは起動に長時間を要するものである。
形態4による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明す
る説明図であり、この実施の形態は炭化水素系燃料を使
用して改質器により加熱分解して水素ガスを生成する形
式のものである。図5において47は燃焼部47aと気
化部47bと反応部47cとCO酸化部47dとからな
る改質器、48は改質器47の燃焼部47aやCO酸化
部47dに酸素を供給する給気装置、49はメタノール
と水とを混合した発電用燃料を燃料タンク50から改質
器47の気化部47bに供給する燃料ポンプ、51は水
素ガスまたはメタノールなど起動用燃料を起動用燃料タ
ンク44から改質器47の燃焼部47aに供給する起動
用燃料ポンプであり、改質器47の燃焼部47aでは触
媒により起動用燃料を触媒燃焼させ、数百度の高温環境
を作って発電用燃料を気化させる。
電用燃料は反応部47cで触媒反応して改質水素ガスを
生成するが、この改質水素ガスは一酸化炭素を含んでお
り、これをCO酸化部47dにて酸素と結合させて二酸
化炭素とすることにより、液体燃料から水素ガスを主成
分とする燃料ガスを得る。この燃料ガスは加湿器26を
経由して発電電極29のアノード電極29bに供給され
る一方、暖機運転中においては切換電磁弁52を経由し
て改質器47の燃焼部47aにも燃料ガスが供給され
る。
に、発電電極29のカソード電極29aに給気装置27
から供給する空気(酸素)と、CO酸化部47dからア
ノード電極29bに供給する燃料ガスとを加湿し、加湿
用の水は発電電極29の冷却器29cを経由した温水が
使用され、加湿後の温水は冷却水タンク31に還流され
る。この加湿は発電電極29のカソード電極29aとア
ノード電極29bとの間にある図示しない電解質膜の乾
燥を防止するものであり、カソード電極29aから排出
される空気の水分は凝縮器30とこれを冷却するファン
30aとにより凝縮されて冷却水タンク31に戻され、
除湿後の空気は補助タンク37の燃焼加熱部39に送ら
れる。また、アノード電極29bからの排ガスは電磁弁
54と凝縮器55とを経由して改質器47の燃焼部47
aと補助タンク37の燃焼加熱部39とに送られ燃焼さ
れる。
水タンク31の冷却水を発電電極29に供給する給水ポ
ンプ、35は発電電極29のカソード電極29aから排
出される排気熱を冷却水に与え、冷却水を加熱するる熱
交換機、36は冷却水タンク31から補助タンク37に
冷却水を移し替える電磁弁、38は冷却水を補助タンク
37から冷却水タンク31に還流させる揚水ポンプ、3
9は補助タンク37内の冷却水を加熱する燃焼加熱部で
あり、燃料電池の運転停止時には停止に先立って冷却水
タンク31から補助タンク37に冷却水の一部が、また
は、全部が移され、燃料電池の起動時には補助タンク3
7内の冷却水が凍結しておればこれを解凍し、また暖機
用に加熱して揚水ポンプ38により冷却水タンク31に
還流させるように構成されている。
に、発電電極29に供給される冷却水は、通常発電電極
29の下部から給水ポンプ34により圧送されるので、
停止時に冷却水を冷却水タンク31に戻すための図示し
ない電磁弁が設けられるか、発電電極29や加湿器26
から排水するための排出機構が設けられる。また、電磁
弁36は冷却水タンク31と補助タンク37の水位レベ
ルによっては電動ポンプに置き換えられる。また、補助
タンク37は燃焼加熱部39の排気管を取り巻く環状容
器で構成されるので、容積を削減するために冷却水タン
ク31の一部の冷却水を収納するようにし、解凍加熱さ
れた温水を冷却水タンク31に還流して加熱解凍し、冷
却された冷水を再び補助タンク37に戻して冷却水タン
ク31内の冷却水を適正温度まで昇温させるように構成
することもできる。
は閉じられ、切換電磁弁52を開いて燃料ガスを改質器
47の燃焼部47aに供給するが、燃料ガスの量が改質
器47の燃焼部47aで処理しきれないときにのみ電磁
弁41が開かれ、補助タンク37の燃焼加熱部39に送
られるように構成することもできる。また、実施の形態
2にて説明したように、燃焼加熱部39はパラジウム・
白金・ロジウム・ルテニウムなどをチタンセラミックな
どで担持した触媒方式にて構成されるが、電磁弁41に
よる燃料ガスの供給が行われないときには改質器47の
燃焼部47aからの高温排気を供給して補助タンク37
の加熱が行われる。
態4による電気自動車用燃料電池の起動制御装置におい
て、燃料電池の起動時には起動用燃料ポンプ51を駆動
して起動用燃料タンク44から水素ガスまたはメタノー
ルなど起動用燃料を改質器47の燃焼部47aに供給
し、給気装置48からの空気と共に触媒燃焼させ、改質
器47を加熱する。この改質器47の燃焼部47aから
の燃焼排ガスは補助タンク37の燃焼加熱部39に送ら
れ、補助タンク37内の冷却水を加熱解凍する。次に電
磁弁28と電磁弁54とが閉じた状態で切換電磁弁52
と電磁弁41とが開かれ、燃料ポンプ49により燃料タ
ンク50からメタノールと水とが混合された発電用燃料
が改質器47の気化部47bに供給され、高温環境で気
化し、触媒を用いた反応部47cで水素ガスを含む改質
ガスが生成されてCO酸化部47dにて一酸化炭素が除
去され、水素がリッチな状態となって改質器47の燃焼
部47aに還流される。
スが生成され出すと、起動用燃料ポンプ51を停止して
も燃料タンク50から燃料ポンプ49により供給される
発電用燃料により改質器47と補助タンク37の燃焼加
熱部39とは自立的に暖機運転することができるように
なり、補助タンク37内で解凍・加熱された温水は電磁
弁36と揚水ポンプ38とで構成された給排水機構によ
り冷却水タンク31を還流しながら冷却水タンク31内
の冷却水を解凍・加熱し、適正温度まで昇温すれば補助
タンク37内の冷却水は全て冷却水タンク31に戻さ
れ、補助タンク37内での蒸発が防止される。
能になったことにより、電磁弁28と電磁弁54とが開
路され、給水ポンプ34と給気装置27とが駆動されて
発電電極29に加湿器26を介して燃料ガスと空気とが
供給され、発電電極29が電力を発生して二次電池1の
充電や車両駆動用の三相交流電動機5の駆動が可能とな
り、発電電極29のアノード電極29bからの排ガスが
電磁弁54と凝縮器55とを介して改質器47の燃焼部
47aに供給され、改質器47の燃焼部47aからの燃
焼排ガスが補助タンク37の燃焼加熱部39に供給され
るので切換電磁弁52と電磁弁41とを閉じることがで
きるようになる。このように、改質器47は吸熱反応で
あるため燃焼部47aによる加熱が必要であり、逆に発
電電極29は発熱反応であるため冷却水タンク31から
の冷却水の循環が必要となる。
出された空気は熱交換機35で冷却水との間の熱交換を
行い、凝縮器30で水分が除去された後、補助タンク3
7の燃焼加熱部39を経由して大気に放出されるが、燃
焼加熱部39を経由させることにより通常運転時におけ
る改質器47の燃焼部47aから排出される燃焼排ガス
の温度を低下させることができる。また、カソード電極
29aの排気を凝縮器30から大気に放出すれば排気の
背圧を低減することができ、給気装置27の消費電力を
軽減することができる。発電電極29のアノード電極2
9bからの排ガスは上記したように凝縮器55を経由し
て改質器47の燃焼部47aに供給されるが、凝縮器5
5で除去された水分は不純物を含むため冷却水タンク3
1には還流されない。
コントローラにより自動制御され、必要とされる発電量
に応じた燃料制御と空気制御とが行われ、適正温度を維
持するための冷却水の循環量制御が行われる。また、燃
料電池の運転停止時には燃料ポンプ49と給気装置48
および27とが停止され、続いて給水ポンプ34が停止
されてから補助タンク37に冷却水を移すことになる
が、凍結のおそれのないときには冷却水タンク31から
補助タンク37に冷却水を移すことは省略することがで
きる。このように、この実施の形態では起動時に使用す
る起動用燃料タンク44を設けることにより短時間での
システムの立ち上げを可能にするもので、起動用燃料タ
ンク44にはカセット式の水素ガスボンベが使用でき、
この場合には起動用燃料ポンプ51は電磁弁に置き換え
られる。
形態5による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明す
る説明図であり、この実施の形態は実施の形態4の電気
自動車用燃料電池の起動制御に対して、発電用燃料と起
動用燃料とを共通のメタノールタンク50aから燃料ポ
ンプ49と起動用燃料ポンプ51とにより改質器47に
供給するようにし、発電用燃料のメタノールに対する水
分の付加は冷却水タンク31と凝縮器55の排水とから
ポンプ56により供給し、実施の形態4に設けていた補
助タンク37を廃して冷却水タンク31に改質器47の
燃焼部47aからの燃焼排ガスにより加熱される加熱部
57を設け、さらに、改質器47の燃焼部47aから冷
却水タンク31の加熱部57に与えられる燃焼排ガスの
通路にフラップ58を設けるようにしたものである。
態5による電気自動車用燃料電池の起動制御装置におい
て、改質器47の燃焼部47aにはメタノールタンク5
0aから起動用燃料が与えられて実施の形態4の場合と
同様に起動し、この改質器47の燃焼排ガスにより冷却
水タンク31が加熱されて解凍するが、運転中は発電電
極29のアノード電極29bからの排ガスが電磁弁54
と凝縮器55とを介して改質器47の燃焼部47aに供
給され、この燃焼排ガスが常に加熱部57に供給される
と冷却水タンク31の冷却水が過熱状態となって蒸発
し、実施の形態4ではこの蒸発防止に補助タンク37を
空にしていたがこの実施の形態では補助タンクを設けな
いので、フラップ58を設け、燃焼排ガスをバイパスす
るようにしている。
から排出される空気は熱交換機35で冷却水との間の熱
交換を行い、凝縮器30で水分が除去された後、フラッ
プ58の下流側に放出され、改質器47の燃焼部47a
からの排気の温度を低下させるように構成されている。
このように、フラップ58などの追加はあるが、補助タ
ンクや電磁弁などの省略が可能となってシステムを単純
化することができ、発電用燃料に予め水を混合する必要
もなくなるものである。
形態6による電気自動車用燃料電池の起動制御を説明す
る説明図であり、この実施の形態は実施の形態4の電気
自動車用燃料電池の起動制御に対して、改質器47とは
別に起動用燃焼器59を設け、起動用燃料タンク44か
ら起動用燃料ポンプ51によりメタノールなどの起動用
燃料を起動用燃焼器59に供給して燃焼させ、この燃焼
排ガスを改質器47に供給して改質器47を加熱すると
共に、改質器47から補助タンク37の加熱部57aを
介して放出することにより補助タンク37内の冷却水を
解凍・加熱するようにしたものである。
態6による電気自動車用燃料電池の起動制御装置におい
ては、起動の初期には起動用燃料タンク44のメタノー
ルなどの起動用燃料が起動用燃焼器59にて燃焼され、
その燃焼排ガスが改質器47と補助タンク37とを加熱
・暖機し、改質器47が燃料ガスを生成するようになれ
ば切換電磁弁52を介して燃料ガスが改質器47の燃焼
部47aに供給されて自立運転できるようになり、自立
運転の状態になれば起動用燃料ポンプ51は停止して補
助タンク37の加熱部57aには改質器47の燃焼部4
7aからの燃焼排ガスが供給される。さらに、冷却水の
解凍が完了すると切換電磁弁52が閉じられ、電磁弁2
8と電磁弁54とが開かれて発電電極29が発電を開始
し、アノード排ガスが改質器47に供給されて運転が継
続される。
項2に記載の発明によれば、燃料電池と、この燃料電池
により充電される二次電池と、燃料電池に対して燃料や
空気や冷却水などを供給する発電用補機と、二次電池が
過放電状態のときに起動電源として使用される車両には
搭載されない外部電源とを備え、二次電池から発電用補
機に電力供給する回路と燃料電池から発電用補機に電力
供給する回路に第一の補機駆動スイッチと第二の補機駆
動スイッチとを設け、第一と第二の補機駆動スイッチ
が、発電用補機に電力供給する電源を、燃料電池と二次
電池と外部電源のいずれかに切り換えるようにし、二次
電池の残存容量が少ないときには外部電源により発電用
補機を駆動し、燃料電池の発電が開始されると共に燃料
電池により二次電池の充電と発電用補機の駆動とを行う
ようにしたので、二次電池の充電所要時間と車両の走行
待機時間とが短縮され、外部電源も小型の可搬式直流電
源を使用することが可能になるものである。
よれば、水素ガスと空気とを供給される発電電極と、こ
の発電電極を冷却する冷却水と発電電極に供給する水素
ガスと空気を加湿する加湿水とを供給する冷却水タンク
と、この冷却水を加熱・解凍する加熱部とを備え、起動
時に発電電極に水素ガスなどが供給されることに先立ち
燃焼加熱部に起動用の燃料を与えて触媒燃焼させ、冷却
水を加熱・解凍するようにしたので燃料電池が発電をし
ていなくても冷却水の解凍が行え、電源容量を増加する
ことなく起動時間を短縮することができるものである。
また、余分な付帯設備を要することなく燃料電池の起動
が可能になるものである。さらに、発電電極のアノード
排ガスを発電燃料として再循環すると共に冷却水の加熱
・解凍用として使用し、加熱された冷却水を水素吸蔵合
金の加熱用として使用するようにしたので、燃料電池を
効率的に運転することができるものである。
によれば、炭化水素系の燃料を改質して水素ガスを生成
する改質器を加熱する燃焼部に起動用燃料が与えられて
改質器が加熱されると共に、この燃焼部から排出される
燃焼ガスを冷却水タンクに与えて冷却水を加熱するよう
に構成し、起動時の暖機運転としたので、燃料電池が発
電を開始していなくても冷却水の解凍を行うことがで
き、起動時間を短縮できると共に、電源容量を増加する
ことなく、また、余分な付帯設備を要することなく燃料
電池の起動が可能になり、改質器が水素ガスを含む燃料
ガスの生成を開始した後は、改質器が生成する燃料ガス
が改質器の燃焼部と冷却水タンクとに与えられるように
したので、暖機用の燃料を節約しながら改質器の暖機運
転や冷却水の解凍が継続できるものである。
ば、冷却水タンクの冷却水の一部または全部を収納する
補助タンクを備え、冷却水を加熱・解凍する燃焼加熱部
を補助タンクに設けるようにしたので、加熱後の冷却水
を冷却水タンクに移して蒸発を防止したり、発電電極か
ら排出される排ガスや改質器から排出される不完全燃焼
ガスを完全燃焼して浄化することができるものである。
燃料電池の起動制御装置の電気回路図である。
燃料電池の起動制御装置の動作説明用のフローチャート
である。
燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
燃料電池の起動制御を説明する説明図である。
機、5 三相交流電動機、6 車速センサ、7 力行回
生制御装置、8 コントローラ、15 燃料電池、16
発電用補機、17 補機制御装置、18 発電制御装
置、19 第一の補機駆動スイッチ、20 第二の補機
駆動スイッチ、21 外部電源、25 水素ガスタン
ク、26 加湿器、28、36、40、41、45、4
6、54 電磁弁、29 発電電極、30、55 凝縮
器、31 冷却水タンク、33 水素循環ポンプ、34
給水ポンプ、35 熱交換器、37 補助タンク、3
8 揚水ポンプ、39 燃焼加熱部、42 水素吸蔵
部、44 起動用燃料タンク、47 改質器、48 給
気装置、49 燃料ポンプ、50 燃料タンク、51
起動用燃料ポンプ、52 切換電磁弁、57 加熱部、
58 フラップ、59 起動用燃焼器。
Claims (8)
- 【請求項1】 水素ガスと空気とが供給されて発電する
燃料電池、この燃料電池の出力により充電される二次電
池、前記燃料電池に対して燃料や空気や冷却水などを供
給する発電用補機、前記二次電池が過放電状態にあると
き燃料電池の起動電源として前記発電用補機を駆動する
外部電源、前記二次電池から前記発電用補機に電力供給
する回路に設けられた第一の補機駆動スイッチ、前記燃
料電池から前記発電用補機に電力供給する回路に設けら
れた第二の補機駆動スイッチを備え、前記第一の補機駆
動スイッチと前記第二の補機駆動スイッチとが前記二次
電池と前記燃料電池の電圧に応動し、前記発電用補機に
電力供給する電源を、前記燃料電池と前記二次電池と前
記外部電源のいずれかに選択的に切り換えることを特徴
とする電気自動車用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項2】 第一の補機駆動スイッチと第二の補機駆
動スイッチとによる電源の選択切換が、外部電源から発
電用補機を駆動する第一のモードと、燃料電池が発電を
開始した後に燃料電池から発電用補機を駆動する第二の
モードと、二次電池が電力供給能力を有するときに二次
電池から発電用補機を駆動する第三のモードとを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の電気自動車用燃料電
池の起動制御装置。 - 【請求項3】 水素ガスが供給されるアノード電極と空
気が供給されるカソード電極とからなる燃料電池の発電
電極、この発電電極を冷却する冷却水と、前記発電電極
に供給される前記水素ガスと前記空気とを加湿する加湿
水を供給する冷却水貯蔵部、起動時に、前記発電電極に
前記水素ガスと前記空気とが供給されることに先立ち、
起動用燃料が供給されて触媒燃焼し、前記冷却水貯蔵部
の冷却水を加熱・解凍する燃焼加熱部を備えたことを特
徴とする電気自動車用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項4】 発電電極に水素ガスと空気とが供給され
た後において、アノード電極から排出される排出ガスが
再循環されてアノード電極に供給されると共に、この排
出ガスの一部が燃焼加熱部に供給され、冷却水を加熱・
解凍することを特徴とする請求項3に記載の電気自動車
用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項5】 水素ガスの供給源に水素吸蔵合金が使用
され、発電電極を冷却後の温水または燃焼加熱部で加熱
された温水が水素吸蔵合金の加熱用に使用されることを
特徴とする請求項3または請求項4に記載の電気自動車
用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項6】 炭化水素系の燃料を加熱気化して化学反
応により水素ガスを生成すると共に、加熱気化するため
の燃焼部を有する改質器、この改質器から水素ガスを含
む燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給さ
れるカソード電極とを有する燃料電池の発電電極、この
発電電極を冷却する冷却水と、前記発電電極に供給され
る水素ガスと空気とを加湿する加湿水を供給する冷却水
貯蔵部を備え、起動時に、前記改質器の燃焼部に炭化水
素系の燃料または水素ガスからなる起動用燃料が与えら
れて前記改質器が加熱されると共に、前記改質器の燃焼
部から排出された燃焼ガスが前記冷却水貯蔵部に与えら
れて冷却水が加熱されるように構成したことを特徴とす
る電気自動車用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項7】 改質器が水素ガスを含む燃料ガスの生成
を開始した後、改質器が生成する燃料ガスが改質器の燃
焼部と冷却水貯蔵部とに与えられ、暖機運転が継続され
るように構成したことを特徴とする請求項6に記載の電
気自動車用燃料電池の起動制御装置。 - 【請求項8】 冷却水貯蔵部が冷却水タンクと補助タン
クとを有し、燃料電池の運転停止時には冷却水タンクの
冷却水の一部または全部が補助タンクに移され、起動時
に冷却水を加熱・解凍する燃焼加熱部が補助タンクに設
けられたことを特徴とする請求項3〜請求項7のいずれ
か一項に記載の電気自動車用燃料電池の起動制御装置。
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JP2000238659A JP3975052B2 (ja) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | 電気自動車用燃料電池の起動制御装置 |
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