JP2002075413A - 燃料電池車両 - Google Patents

燃料電池車両

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 走行時のＣＯ等の有害物質の吸引による燃料
電池の劣化を防止する。 【解決手段】 燃料電池２００と二次電池２０７とをモ
ータ２０８の動力源として備えたハイブリッド形式の燃
料電池車両において、燃料電池または改質装置２０１に
供給される空気中の一酸化炭素を検出するＣＯセンサ２
５０を設け、二次電池残量が大きいときほど比較的低い
ＣＯ濃度にて燃料電池の運転を停止する特性で燃料電池
の運転・停止を制御する。これにより、二次電池による
所要電力を確保しうる限度内で燃料電池を停止させて、
ＣＯによる燃料電池の劣化を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は動力源として燃料電
池を搭載した車両の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池には、使用する電解質の材料の
違いにより、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、リン酸型、
固体高分子型、アルカリ型等のいくつかのタイプがあ
る。ふっ素系のイオン交換膜を電解質として使用する固
体高分子型燃料電池は、高性能なイオン交換膜の実現に
伴い従来の何倍もの高い電流密度を取りだせるようにな
り、これにより自動車の限られた搭載スペースの中に、
充分な出力の燃料電池を搭載することが可能になりつつ
ある。一方、米カリフォルニア州におけるＺＥＶ（Zero
Emission Vehicle）規制により、固体高分子型燃料電
池の電気自動車への応用が本格的に検討されるようにな
ったが、現在までのところ市場に投入された燃料電池自
動車はまだ存在せず、実験車が公開されている段階にす
ぎない。
【０００３】燃料電池を搭載した電気自動車は、主とし
て水素からなる燃料と空気を用いて発電を行う燃料電池
と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、燃料電
池に水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給装置と、電
力を駆動力に変換するモータ等から構成され、燃料電池
と二次電池とのハイブリッド構成とすることが一般的で
ある。燃料供給系としては、大きく分類すると、水素そ
のものを貯蔵し供給するシステムか、またはメタノール
やガソリンといった燃料を改質装置を用いて水素を含む
改質ガスに変換し供給するシステムが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
に固体高分子型燃料電池を移動体の動力源として使用す
る燃料電池自動車がトンネル内を走行する場合、従来の
内燃機関を動力源とする車両（エンジン車）から排出さ
れるＮＯｘやオイル成分といった排出物を、空気供給装
置である圧縮器が吸い込み、燃料電池に供給してしまう
という問題がある。
【０００５】例えば、図１に示したように、トンネル１
０６内はエンジン車１０５の走行により排気ガスが充満
しやすい環境となっている。このようなトンネル内を燃
料電池自動車１０３が走行すると、コンプレッサ１０１
は排気ガスをフィルタ１０２を介して吸入し、燃料電池
１００に供給する。１０４は燃料電池システムの筐体で
ある。エンジン排出物のうち、Ｎｏｘは水分で膨潤して
いる燃料電池スタックの高分子膜中に、硝酸や亜硝酸と
して水系に取り込まれ、その酸化性により各種材料なら
びにスタックの高分子膜を劣化させ、したがってスタッ
ク性能を劣化させる。また水系の脱イオンフィルタの交
換時期を早めるために、メンテナンスコストが上昇する
という問題が生じる。また、排気排出物のうち、オイル
分は燃料電池の電極触媒に吸着し、電極触媒性能を劣化
させ、スタック性能を劣化させる。この対策として、エ
アフィルタを高性能化すると製造コストやメンテナンス
コストが上がるだけでなく、エアフィルタの圧損が大き
くなるために圧縮器の運転電力が増加し、燃料電池自動
車の燃費性能が低下してしまう。
【０００６】このような、空気中に含まれる燃料電池に
とって有害な物質による種々の問題に対し、特開平９−
６３６２０号では、吸気中の一酸化炭素（ＣＯ）を酸化
する手段を設ける構成を提案している。この場合、空気
を一度加熱バーナーで加熱するために余分な燃料が必要
であり、また一度加熱した空気を冷やすためにラジエー
タ放熱量が増加するという問題が生じる。燃料電池は低
温で動作するために常温から起動できる優れた特徴を持
つ反面、低温で大気中に放熱しにくい多量の排熱を出す
という特性があり、これに対応するための大容量のラジ
エータの搭載は自動車としての成立性にかかわる重要な
問題である。また、大気中のオイル分を酸化除去するこ
とは困難であり、またＮＯｘは酸化除去することは原理
的に不可能であり、窒素と酸素に分解除去することが必
要となるが、この場合、酸素を多量に含む大気中という
酸化雰囲気下で還元反応である分解反応を進行させるこ
とは非常に困難である。
【０００７】一方、オンサイトの燃料電池発電プラント
においても、有害物質を吸い込んでしまうことによる種
々の問題が同様にあり、このため例えば特開平９−１８
０７４４号では、有害物質を検出する手段を設け、有害
物質の吸入を検出したら発電を停止させる構成を提案し
ている。しかしながら、このような構成では、移動体で
ある燃料電池自動車に適用した場合、状況によっては走
行性能を完全には満足しない状態に陥ってしまうという
商品性上の問題が生じる。
【０００８】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたもので、二次電池による駆動力を確保しうる
範囲で燃料電池を停止させることにより燃料電池システ
ムとしての効率および耐久性を高めるようにした燃料電
池車両を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、主として
水素からなる燃料と空気を用いて発電を行う燃料電池
と、該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、前記
燃料電池に前記水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給
装置と、前記燃料電池により発電された電力を駆動力に
変換するモータと、前記燃料電池により発電された電力
あるいは前記モータによる回生電力を蓄電し、該電力を
前記モータに供給する二次電池とを備えた燃料電池車両
において、前記供給空気中の有害物質を検出する有害物
質検出手段と、前記二次電池の残量を検出する二次電池
残量検出手段と、前記有害物質検出手段と前記二次電池
残量検出手段の信号に基づいて前記燃料電池の運転およ
び停止を制御する制御手段とを備える。
【００１０】第２の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、二次電池残量が大きいときほど比較的低い有害物質
濃度にて燃料電池の運転を停止する特性を有するものと
する。
【００１１】第３の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、有害物質の検出結果にかかわらず、二次電池残量が
第１の基準値以下のときには前記燃料電池を運転し、二
次電池残量が前記第１の基準値よりも大きく設定された
第２の基準値を超えるときには燃料電池を停止するよう
に構成されたものとする。
【００１２】第４の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、有害物質濃度の時間平均値と二次電池残量とに基づ
いて燃料電池の運転または停止を制御するように構成さ
れたものとする。
【００１３】第５の発明は、前記第１の発明の有害物質
検出手段を、有害物質として少なくとも一酸化炭素を検
出するものとする。
【００１４】第６の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、有害物質濃度と二次電池残量とをパラメータとして
燃料電池の運転領域または停止領域を設定したマップを
参照して燃料電池の運転または停止を制御するように構
成されたものとする。
【００１５】第７の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、水素を発生する改質装置の作動を制御することによ
り燃料電池の運転または停止を制御するように構成され
たものとする。
【００１６】第８の発明は、前記第１の発明の制御手段
を、燃料電池に対する貯蔵水素の供給を制御することに
より燃料電池の運転または停止を制御するように構成さ
れたものとする。
【００１７】
【作用・効果】第１の発明以下の各発明において、車両
は燃料電池または二次電池の何れか一方または双方の電
力に基づいて作動するモータにより走行駆動される。こ
の場合、二次電池の蓄電量が充分であってその電力のみ
によって走行可能であるときには燃料電池の作動を停止
させることができる。すなわち、大気有害物質により燃
料電池が劣化するおそれのある走行環境下では、二次電
池の残量がある程度確保できることを条件として燃料電
池を停止させることにより、車両の走行性能を確保しつ
つ燃料電池の劣化を防止することが可能である。なお、
有害物質としては例えば第５の発明として示したよう
に、少なくとも一酸化炭素を検出することが望ましい。
【００１８】バッテリの過放電防止または残量確保の観
点からは燃料電池の停止は必要最小限に抑えることが好
ましく、また燃料電池の劣化防止のためにはできるだけ
燃料電池を停止する機会を増やした方がよい。このよう
な要求に対応するには、第２の発明として示したよう
に、制御装置を、二次電池残量が大であるときほど比較
的低い有害物質濃度にて燃料電池の運転を停止するよう
な特性に設定する。このような制御は、第６の発明とし
て示したように、有害物質濃度と二次電池残量とをパラ
メータとして燃料電池の運転領域または停止領域を設定
したマップを設け、このマップを参照して燃料電池の運
転または停止を判定することで比較的容易に行うことが
できる。
【００１９】また、二次電池の過放電を確実に防止する
ためには、第３の発明として示したように、二次電池残
量がある第１の基準値以下のときには、有害物質の検出
結果にかかわらず、燃料電池を運転するように図る。ま
た、二次電池残量が前記第１の基準値よりも大きく設定
された第２の基準値を超えるときには燃料電池を停止さ
せることにより、二次電池の有効利用と保護を図ること
ができる。
【００２０】一方、第４の発明として示したように、有
害物質濃度の時間平均値と二次電池残量とに基づいて燃
料電池の運転または停止を制御することにより、有害物
質を比較的大量に排出する車両とのすれ違い時などの有
害物質濃度の瞬間的な増減によって燃料電池の運転と停
止が過敏に切り替わることによるエネルギ効率の低下を
防止することができる。
【００２１】燃料電池を運転または停止させるには、第
７の発明または第８の発明として示したように、水素を
発生する改質装置を有する燃料電池装置の場合には、改
質装置の作動を制御することにより、または燃料電池に
供給する水素を貯蔵する手段を有する装置の場合には、
貯蔵水素の供給を制御することにより行うことができ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図２以下の各図に沿って説明する。図中の２００は水素
を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池、２
０１は燃料（例えば液体燃料であるメタノールあるいは
ガソリン）を改質し水素を含む改質ガスに変換し、燃料
電池２００に供給する改質装置、２０２は燃料電池２０
０に空気を供給する空気供給装置としての圧縮器、２０
５は燃料と必要に応じて燃料改質に必要な水とを供給す
る燃料供給装置、２０８は車両の走行モータ、２０７は
燃料電池２００により発電された電力あるいは走行モー
タ２０８が減速時等に逆駆動されたときに発生する回生
電力を蓄電し、または走行モータ２０８に走行用の電力
を供給するバッテリ（二次電池）、２０９は燃料電池２
００による発電電力とバッテリ２０７の電力と走行モー
タの走行用電力や回生電力等の各種電力のやりとり、な
らびに燃料電池２００からの電力取りだし量を制御する
電力制御装置である。前記電力制御装置２０９は、バッ
テリ２０７の残量を含むバッテリ状態ＳＯＣ（State Of
Charge）を算出する二次電池残量検出手段としての機
能を備えている。
【００２３】２５０は、圧縮器２０２の吸気部２５１に
吸気される空気中のＣＯ濃度を検出する有害物質検出手
段としてのＣＯセンサであり、該ＣＯセンサのＣＯ濃度
信号と電力制御装置２０９で算出したバッテリ２０７の
残量信号とに基づいて、制御手段であるコントローラ２
５４が改質装置２０１、圧縮器２０２、燃料供給装置２
０５および燃料電池２００の運転または停止を制御す
る。
【００２４】次にコントローラ２５４の動作内容につい
て図３に示した流れ図に従って説明する。なお流れ図お
よび以下の説明中で文字「Ｓ」は制御動作のステップを
表す。 Ｓ１：ＣＯセンサ２５０のＣＯ濃度信号２５２を読み込
む。 Ｓ２：格納されていた前回までのＣＯ濃度信号２５２の
値と、前記Ｓ１で読み込んだ値とを用いてＣＯ濃度の時
間平均値を算出する。 Ｓ３：電力制御装置２０９で算出したバッテリ２０７の
ＳＯＣ信号を読み込む。 Ｓ４：マップＡ（図４参照）を用いて、改質装置２０１
の運転ならびに停止を判断する。 Ｓ５〜Ｓ６：前記Ｓ４の判断が「運転する」の場合、改
質装置２０１が運転中であればその状態を継続し、改質
装置２０１が停止中であればその運転を再開する。 Ｓ７〜Ｓ８：前記Ｓ４の判断が「運転しない」の場合、
改質装置２０１が停止中であればその状態を継続し、改
質装置２０１が運転中であればその停止処理を行う。
【００２５】前記マップは、図４に示されるように、Ｓ
ＯＣ信号が第１の基準値ＳＯＣ＿Ｌ以下であれば、過放
電防止のために、圧縮器２０２で吸気する空気中のＣＯ
濃度によらずに改質装置２０１を運転し、燃料電池２０
０による発電を行わせる。一方、ＳＯＣ信号が前記第１
の基準値よりも高く設定された第２の基準値ＳＯＣ＿Ｈ
以上であれば、バッテリ２０７のみで当面は充分な駆動
力が確保できるので、圧縮器２０２で吸気する空気中の
ＣＯ濃度によらずに改質装置２０１を停止させる。
【００２６】ディーゼル車とのすれ違い時など空気中の
ＣＯ濃度が瞬間的に高くなった際に改質装置２０１の停
止ならびに再運転処理が頻繁に行われるとエネルギー効
率が低下するおそれがあるが、この実施形態のようにＣ
Ｏ濃度の時間平均値を用いた制御を行うことにより、こ
のような敏感な動作を抑えて高効率を確保することが可
能になる。
【００２７】実施形態の大気有害物質検出手段としては
ＣＯセンサ例示したが、他の有害物質を検出する手段に
よっても同様の制御が可能である。また、本発明は、実
施形態に示した改質型燃料電池車両に限らず、水素その
ものの貯蔵システムを有する直接水素燃料電池自動車に
も適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池自動車が従来エンジン車と共に走行す
るときの環境状態の説明図。
【図２】本発明による燃料電池車両の一実施形態の構成
概念を示すブロック図。
【図３】前記実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図４】前記実施形態の制御に用いるマップの構成例を
示す説明図。
【符号の説明】
２００ 燃料電池 ２０１ 改質装置 ２０２ 圧縮器（空気供給装置） ２０５ 燃料供給装置 ２０７ バッテリ（二次電池） ２０８ 走行モータ ２０９ 電力制御装置 ２５０ ＣＯセンサ ２５４ コントローラ（制御手段）

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】主として水素からなる燃料と空気を用いて
    発電を行う燃料電池と、該燃料電池に空気を供給する空
    気供給装置と、前記燃料電池に前記水素を含む燃料ガス
    を供給する燃料供給装置と、前記燃料電池により発電さ
    れた電力を駆動力に変換するモータと、前記燃料電池に
    より発電された電力あるいは前記モータによる回生電力
    を蓄電し、該電力を前記モータに供給する二次電池とを
    備えた燃料電池車両において、 前記供給空気中の燃料電池に対して有害な物質を検出す
    る有害物質検出手段と、前記二次電池の残量を検出する
    二次電池残量検出手段と、前記有害物質検出手段と前記
    二次電池残量検出手段の信号に基づいて前記燃料電池の
    運転および停止を制御する制御手段とを備えた燃料電池
    車両。
  2. 【請求項２】前記制御手段は、二次電池残量が大きいと
    きほど比較的低い有害物質濃度にて燃料電池の運転を停
    止する特性を有する請求項１に記載の燃料電池車両。
  3. 【請求項３】前記制御手段は、有害物質の検出結果にか
    かわらず、二次電池残量が第１の基準値以下のときには
    前記燃料電池を運転し、二次電池残量が前記第１の基準
    値よりも高く設定された第２の基準値を超えるときには
    燃料電池を停止するように構成されている請求項１に記
    載の燃料電池車両。
  4. 【請求項４】前記制御手段は、有害物質濃度の時間平均
    値と二次電池残量とに基づいて燃料電池の運転または停
    止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃
    料電池車両。
  5. 【請求項５】前記有害物質検出手段は、有害物質として
    少なくとも一酸化炭素を検出する請求項１に記載の燃料
    電池車両。
  6. 【請求項６】前記制御手段は、有害物質濃度と二次電池
    残量とをパラメータとして燃料電池の運転領域または停
    止領域を設定したマップを参照して燃料電池の運転また
    は停止を制御するように構成されている請求項１に記載
    の燃料電池車両。
  7. 【請求項７】前記制御手段は、水素を発生する改質装置
    の作動を制御することにより燃料電池の運転または停止
    を制御するように構成されている請求項１に記載の燃料
    電池車両。
  8. 【請求項８】前記制御手段は、燃料電池に対する貯蔵水
    素の供給を制御することにより燃料電池の運転または停
    止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃
    料電池車両。
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