本発明の実施形態について、図1~図6を参� ��して説明する。

 [第1の実施形態]図1~図5を参照して、本発� ��の第1の実施形態について説明する。図1は� �1の実施形態における燃料電池電源装置の全� ��構成図、図2は図1に示した燃料電池電源装� �による電力供給の態様を示した説明図、図3~ 図4は燃料電池自動車の走行状態に応じた電� �供給の態様の説明図、図5は燃料電池自動車� ��走行状態に応じた回生電力の回収態様の説� ��図である。

 図1を参照して、第1の実施の形態の燃料� �池電源装置A1は、燃料電池車両(本発明の車� �に相当する)に搭載されるものである。そし� ��、燃料電池電源装置A1は、燃料電池1、燃料� ��池1と並列に接続された電気二重層キャパシ タ2(本発明の蓄電手段に相当する。以下、単� ��キャパシタ2という)、入力部が燃料電池1及� ��キャパシタ2に接続されると共に、出力部が PDU(Power Drive Unit)4を介して電動機5(本発明の� ��1の負荷に相当する)に接続された昇圧手段3( Voltage Boost Unit)、及び入力部が昇圧手段3に� �続されると共に出力部が二次電池21(本第1の� ��施形態では、リチウムイオンバッテリを使� ��)に接続された電圧変換手段20を備えている� ��

 また、燃料電池電源装置A1は、燃料電池1� ��作動を制御する燃料電池制御手段10と、昇� �手段3及び電圧変換手段20の作動を制御して� �燃料電池1とキャパシタ2と二次電池21から電� ��機5への電力供給と、キャパシタ2及び二次� �池21の充電とを行う電力供給制御手段30とを� ��えている。

 なお、燃料電池制御手段10と電力供給制� �手段30は、マイクロコンピュータ(図示しな� �)に燃料電池電源装置の制御プログラムを実� ��させることにより構成される。また、燃料� ��池制御手段10は、燃料電池1に備えられた各� ��センサ、及びキャパシタ2に備えられた各種 センサと接続され、これらのセンサから出力 される検出信号を入力して、燃料電池1及び� �ャパシタ2の作動状態を検知する。

 燃料電池制御手段10に備えられた電力検� �手段11は、燃料電池1に備えられた電圧セン� �及び電流センサ(図示しない)の検出信号と、 キャパシタ2に備えられた電圧センサ及び電� �センサ(図示しない)の検出信号とにより、燃 料電池1から出力される電力とキャパシタ2か� ��出力される電力を検知する。また、電圧検� ��手段12は、燃料電池1に備えられた電圧セン� ��の検出信号により、燃料電池1の出力電圧を 検知する。

 また、二次電池21には、燃料電池1に反応� ��スである空気を供給するためのポンプ等の� ��機22(本発明の第2の負荷に相当する)が接続� �れている。さらに、燃料電池1と昇圧手段3及 びキャパシタ2との間には、燃料電池1への電� ��の流入を禁止するためのダイオード6(本発� �の一方向通電手段に相当する)が接続されて� ��る。なお、ダイオードではなく、トランジ� ��タ等の他の整流素子を用いることにより、� ��たは、キャパシタ2を降圧手段(ダウンコン� �ータ)を介して燃料電池1に接続することによ り、燃料電池1への電流の流入を禁止しても� �い。

 次に、図2(a)を参照して、燃料電池1は、� �えば燃料電池スタックを250個直列に接続し� �構成され、出力電圧が約225V(出力電流0A)~180V( 出力電流210A)の範囲で変動するものである。� ��た、キャパシタ2は電気二重層キャパシタで あり、出力電圧が200Vを中心とした範囲(約下� ��154V~上限243Vの範囲)で変動するものである。 また、二次電池21の出力電圧は約290V~350Vの範� ��で変動する。

 昇圧手段3は、定格100kwで昇圧比1.5~2.4のDC/ DCコンバータである。このDC/DCコンバータは� �少なくとも昇圧機能を有し、降圧機能は必� �に応じて付加される。また、電圧変換手段20 は、定格10kwで昇圧比1.36~1.70の双方向DC/DCコン バータである。そして、電力供給制御手段30( 図1参照)は、燃料電池1及びキャパシタ2から� �出力電力を昇圧手段3で昇圧した電力P1のみ� �は、電動機5に対する電力供給が不足すると� ��に、二次電池21からの出力電力を電圧変換� �段20で昇圧した電力P2を供給して、電動機5へ の電力供給をアシストする。

 図2(b)は、燃料電池1が停止した状態から� �両が走行を開始するときの、電動機5への総� ��給電力(図中a)、二次電池21の出力電力(図中b )、燃料電池1の出力電力(図中c)、キャパシタ2 の出力電力(図中d)の変化を示したものであり 、縦軸が電力(Pw)に設定され、横軸が時間(t)� �設定されている。

 図中t ₀ で車両が走行を開始するときは、先ず、キャ パシタ2の出力電力dと二次電池21の出力電力b� ��より電動機5が駆動される。また、二次電池 21の出力電力により補機22(図1参照)が作動し� �燃料電池1が起動すると、燃料電池1の出力電 力cが次第に上昇する。一方、キャパシタ2の� ��力電力は次第に減少し、t ₁ でほぼゼロとなる。また、二次電池21の出力� ��力も次第に減少し、t ₂ でほぼゼロとなる。そして、以後は、主とし て燃料電池1の出力電力により電動機5が駆動� ��れる。

 次に、図3(a)、図3(b)、図4(a)、図4(b)を参照 して、車両の状態に応じた燃料電池1、キャ� �シタ2、及び二次電池21の電力出力の制御の� �様について説明する。

 図3(a)は燃料電池1の起動時における電力� �力の態様を示している。燃料電池1の起動時� ��電力供給制御手段30は、昇圧手段3を介して� ��ャパシタ2からPDU4に電力P3を供給すると共に 、電圧変換手段20を介して二次電池21からPDU4� ��電力P4を供給する。

 この場合、キャパシタ2からの供給電力P3� ��二次電池21からの供給電力P4とにより、電動 機5が駆動される。そのため、二次電池21によ りアシストされる電力P4に相当する容量分に� ��いて、キャパシタ2の容量を減少させて、キ ャパシタ2の体積を減少させることができる� �

 また、二次電池21から補機22(図1参照)に電 力が供給されて補機22が作動を開始し、燃料� ��池1への反応ガスの供給が開始されて燃料電 池1が起動する。

 次に、図3(b)は車両が平坦路を走行してい る場合のように、低負荷の状態で電動機5が� �動しているときの電力出力の態様を示して� �る。低負荷の状態では、燃料電池1から供給� ��れる電力P5のみによって、電動機5の要求電� ��を満たすことができる。そのため、電力供� ��制御手段30は、電圧変換手段20の作動を停止 し、昇圧手段3を負荷の大きさに応じて作動� �は停止させる。このように、燃料電池1から� ��供給電力P3のみによって電動機5を作動させ� ��ことにより、高燃費を維持して車両を走行� ��せることができる。

 次に、図4(a)は車両が登坂路を走行してい る場合のように、高負荷の状態で電動機5が� �動しているときの電力出力の態様を示して� �る。高負荷の状態では、燃料電池1及びキャ� ��シタ2から供給される電力P6のみによっては� ��動機5の要求電力を満たすことができなくな る。

 そこで、電力供給制御手段30は、電力検� �手段11により検知される燃料電池1及びキャ� �シタ2から供給される電力P6(本発明の第1の電 力に相当する)が、予め設定された所定電力� �上となったときに、電圧変換手段20を作動さ せる。そして、二次電池21からの出力電力を� ��圧変換手段20で昇圧した電力P7(本発明の第2� ��電力に相当する)を供給して、電動機5への� �力供給をアシストする。

 これにより、PDU4から電動機5に供給され� �電力が増加して、電動機5に供給される電力� ��不足が生じることを防止することができる� ��そして、この場合、二次電池21によりアシ� �トされる電力P7に相当する容量分について、 燃料電池1及びキャパシタ2の容量を減少させ� ��、燃料電池1及びキャパシタの体積を減少さ せることができる。

 なお、電力検知手段11により検知される� �料電池1及びキャパシタ2から供給される電力 P6の増加率が所定レベル以上となったときに� ��電圧変換手段20を作動させるようにしても� �い。これにより、電力P6の急増に対して燃料 電池1の出力電力の増加が遅れるときに、二� �電池21の出力電力P7によりアシストして、電� ��機5に対する電力供給が不足することを防止 することができる。

 次に、図4(b)は走行していた車両が停止し たときの電力出力の態様を示している。車両 が停止しているときは、電動機1が停止して� �料電池1の出力電力が減少し、これに応じて� ��料電池1の出力電圧が上昇する。

 そこで、電力供給制御手段30は、電圧検� �手段12により検知される燃料電池1の出力電� �が予め設定された所定電圧以上となり、燃� �電池1の出力に余裕がある状態となっている� ��きに、電圧変換回路20を作動させ、昇圧手� �3及び電圧変換手段20を介して、二次電池21を 充電する。

 これにより、二次電池21の残容量を十分� �ものとして、その後の車両の走行に備える� �とができる。

 また、電動機5は、車両が減速する際には 発電機として機能し、電力供給制御手段30は� ��車両の減速時に電動機5で生じる回生電力を 回収して、該回生電力によりキャパシタ2を� �電する第1の充電及び二次電池2を充電する第 2の充電を実行する。なお、電力供給制御手� �30は、PDU4に備えられた電圧センサ及び電流� �ンサ(図示しない)により、電動機5の回生電� �を検知する。このように、電動機5の回生電� ��を検知する構成が、本発明の回生電力検知� ��段に相当する。

 図5(a)は、車両が緩やかに減速していると きのように、電動機5の回生電力が小さいと� �の該回生電力による充電態様を示している� �回生電力が小さいときは、電力供給制御手� �30は、電圧変換手段20を介した二次電池21へ� �電力供給を停止し、昇圧手段3を直結(スルー )の状態とする。これにより、電動機5の回生� ��力G1を、入力インピーダンスが低いキャパ� �タ2に効率良く充電することができる。

 次に、図5(b)は車両が高速走行状態から減 速した場合のように、電動機5の回生電力が� �きいときの該回生電力による充電状態を示� �ている。この場合、電力供給制御手段30は、 電動機5の回生電力をG2とG3に分配する。そし� ��、電力供給制御手段30は、回生電力G2を昇圧 手段3を介してキャパシタ2に供給してキャパ� ��タ2を充電し、回生電力G3を電圧変換手段20� �介して二次電池21に供給して二次電池21を充� ��する。

 電力供給制御手段30は、回生電力G2とG3の� ��配割合を、二次電池21の残充電容量、キャ� �シタ2の残充電容量、電動機5の回生電力の大 きさ等に基づいて決定する。そして、電圧変 換手段20により二次電池21に供給する電力を� �限することにより、回生電力G2とG3の分配割� ��を制御する。

 なお、第1の実施の形態では、本発明のキ ャパシタとして電気二重層キャパシタを示し たが、本発明のキャパシタの仕様はこれらに 限定されず、他の仕様のキャパシタを用いて もよい。

 [第2の実施形態]次に、図6(a)を参照して、 本発明の第2の実施形態について説明する。� �2の実施形態の燃料電池電源装置A2は、上述� �た第1の実施形態の燃料電池電源装置A1のキ� �パシタ2を、二次電池50(本発明の蓄電手段に� ��当する。本第2の実施形態では、リチイムイ オンバッテリを使用している。)に置き換え� �ものである。なお、第1の実施形態の燃料電� ��電源装置A1と同様の構成については、同一� �符号を付して説明を省略する。

 第2の実施形態の燃料電池電源装置A2にお� ��ても、上述した第1の実施形態の燃料電池電 源装置A1と同様の作用効果を得ることができ� ��。二次電池50は、例えば、燃料電池1の動作� ��圧範囲が約180V~225Vであるときには、65セル� �リチウムイオンバッテリを直列に接続して� �成される。ここで、二次電池50においては、 下限電圧を下回る放電を行なうと、活物質や 集電箔の劣化が生じるおそれがある。

 そのため、二次電池50の出力電圧の監視� �行ない、燃料電池1と接続された昇圧手段3に より、燃料電池1及び二次電池50の電流出力を 制限する制御を行って、二次電池50の出力電� ��が下限電圧よりも低くなることを防止する� ��とが望ましい。

 さらに、第2の実施形態の燃料電池電源装 置A2によれば、高圧補機(高電圧の供給により 動作する補機であり、燃料電池1の補機を含� �。本発明の第2の負荷に相当する)51を二次電� ��50と並列に接続することにより、DC/DCコンバ ータ等の電圧変換回路を介することなく、二 次電池50から高圧補機51に電力を供給するこ� �ができる。そのため、効率良く高圧補機51を 動作させることができ、燃費向上を図ること ができる。

 [第3の実施形態]次に、図6(b)を参照して、 本発明の第3の実施形態について説明する。� �3の実施形態の燃料電池電源装置A3は、上述� �た第1の実施形態の燃料電池電源装置A1にお� �るキャパシタ50に変えて、二次電池60(本発明 の蓄電手段に相当する。本第3の実施形態で� �、リチウムイオンバッテリを使用している)� ��昇圧手段3の出力部に並列に接続したもので ある。なお、第1の実施形態の燃料電池電源� �置A1と同様の構成については、同一の符号を 付して説明を省略する。

 また、昇圧手段3及びPDU4と二次電池60との 間にコンタクタ61が設けられ、二次電池60に� �高圧補機62(高電圧の供給により動作する補� �であり、燃料電池1の補機を含む。本発明の� ��2の負荷に相当する)が接続されている。こ� �で、二次電池21と二次電池60とは動作電圧範� ��の設定が相違し、二次電池60の動作電圧範� �が、二次電池21の動作電圧範囲よりも高くな っている。

 例えば、燃料電池1の動作電圧範囲が約180 V~225Vのときには、二次電池21は72セルのリチ� �ムイオンバッテリを直列に接続して構成さ� �、二次電池60は116セルのリチウムイオンバッ テリを直列に接続して構成される。

 第3の実施形態の燃料電池電源装置A3によ� ��ば、燃料電池1の出力電力のアシストを二次 電池21のみで行なうときは、昇圧手段3からPDU 4への出力電圧を400V以上に制御すると共に、� ��圧変換手段20からPDU4への出力電圧も400V以上 に制御すればよい。

 また、二次電池21と二次電池60の双方によ り、燃料電池1の出力電力のアシストを行な� �ときには、昇圧手段3からPDU4への出力電圧を 400V未満に制御すると共に、電圧変換手段20か らPDU4への出力電圧も400V未満に制御すること� ��、二次電池60の出力電力を任意に制御する� �とができる。

 一方、電動機5の回生電力により、二次電 池21のみを充電するときは、コンタクタ61を� �状態(PDU4と二次電池60間が遮断された状態)と し、PDU4を介して電動機5から二次電池21に電� �供給すればよい。

 また、電動機5の回生電力により、二次電 池21と二次電池60の双方を充電するときには� �コンタクタ61を閉状態(PDU4と二次電池60間が� �通した状態)とし、PDU4から二次電池60への出� ��電圧を400V以上にすればよい。

 第3の実施形態の燃料電池電源装置A3によ� ��ば、DC/DCコンバータ等の電圧変換回路を介� �ることなく、二次電池60からPDU4に効率良く� �力を供給することができる。そのため、燃� �電池1の発電を停止して車両を走行させる時� ��、燃費の向上を図ることができる。

 また、高圧補機62が、DC/DCコンバータ等の 電圧変換回路を介さずに二次電池60に接続さ� ��ているため、二次電池60から出力される電� �により高圧補機62を効率良く動作させること ができる。

 なお、上述した第1~第3の実施形態では、� ��発明の燃料電池電源装置を車両の駆動源と� ��て備えた例を示したが、電気負荷に対して� ��料電池の出力電力を供給する構成の燃料電� ��電源装置であれば、本発明の適用が可能で� ��る。

 また、上述した第1~第3の実施形態では、� ��発明の第1の負荷として電動機5を示し、本� �明の第2の負荷として燃料電池1の補機22を示� ��たが、本発明の第1の負荷及び第2の負荷は� �車両に備えられた空調機器やオーディオ等� �電装品や、バッテリ等であってもよい。ま� �、燃料電池1の補機としては、燃料電池1に反 応ガスである空気を供給するポンプや、燃料 電池1の電解質膜を保湿するための加湿器、� �料電池1のラジエータの水冷循環ポンプ等が� ��まれる。

 また、本発明の蓄電手段として、上記第1 の実施形態ではキャパシタ2(電気二重層キャ� ��シタ)と用い、上記第2の実施形態及び第3の� ��施形態では二次電池50,60(リチウムイオンバ� ��テリ)を用いたが、他の種類の蓄電手段を用 いてもよい。