JP2004153947A - 動力出力装置および電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と内燃機関とを備える動力出力装置の周囲の環境が低温となる場合であっても、燃料電池から排出される水蒸気の凍結を防止するための技術を提供する。
【解決手段】燃料電池を備える動力出力装置を搭載するハイブリッド車両において、まず、外気温情報を取得し（ステップＳ１００）、外気温が所定の基準温度以下か否かを判断する（ステップＳ１１０）。基準温度以下のときには、燃料電池による発電を禁止して、エンジンを用いて所望の動力を得る（ステップＳ１３０）。基準温度を超えるときには、負荷要求や運転効率を考慮して、燃料電池を用いるＥＶ走行とエンジンを用いるエンジン走行とを使い分ける通常制御を行なう（ステップＳ１２０）。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を備える動力出力装置および電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備える動力出力装置が知られている。すなわち、燃料電池を電源とする電動機と、内燃機関とを動力源として備える装置である。このような動力出力装置では、例えば、燃料電池と内燃機関のうちの運転効率の高い方を選択して、動力源を使い分けることにより、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８１３３１号公報
【特許文献２】
特開平９−２３１９９１号公報
【特許文献３】
特開平８−２７３６８９号公報
【特許文献４】
特開２００１−３４５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように燃料電池を含む複数のエネルギ出力源を備える動力出力装置では、動力出力装置を使用する周囲の環境によって、燃料電池の運転状態が影響を受けるという問題があった。燃料電池から排出されるガスは所定量の水蒸気を含み、特にカソード排ガスは電気化学反応に伴って生じる生成水を含有している。そのため、低温環境下においては、このようなガス中の水蒸気が凍結して、氷を生成することにより種々の不都合を生じる可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と内燃機関とを備える動力出力装置を使用する際の周囲の環境が低温となる場合であっても、燃料電池から排出される水蒸気の凍結を防止するための技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の動力出力装置は、燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備えて、外部に動力を出力する動力出力装置であって、
少なくとも前記燃料電池を電源として動力を出力する電動機と、
前記動力出力装置を使用する環境温度に関する情報に基づいて、前記動力出力装置を使用する環境が、所定の低温状態であるか否かを判断する環境温度判断部と、
前記環境温度判断部が、所定の低温状態であると判断したときに、前記燃料電池による発電を禁止すると共に、前記燃料電池以外のエネルギ出力源を用いて所望の動力を得るように制御する第１の制御モードを有する出力制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
このような動力出力装置によれば、動力出力装置を使用する環境温度が所定の低温状態であるときには、燃料電池による発電を禁止するため、燃料電池から排出される水蒸気が凍結することがなく、凍結によって生じる不都合を防止することができる。また、このとき、燃料電池以外のエネルギ出力源を用いることで、所望の動力を得ることができる。なお、燃料電池による発電の禁止は、例えば、燃料電池に供給する燃料ガスあるいは酸化ガスの少なくとも一方の供給を停止することにより行なうことができる。あるいは、燃料電池と負荷（電動機）とを接続する回路を開状態として燃料電池の端子をオープンにすることによって行なうことも可能である。ここで、上記第１の運転モードでは、所望の動力の少なくとも一部を前記内燃機関によって出力することができる。
【０００８】
本発明の第１の動力出力装置において、
外気温を検出する第１の温度センサをさらに備え、
前記環境温度判断部は、前記第１の温度センサが検出した外気温が所定の温度以下の時に、前記所定の低温状態であると判断することとしても良い。このように外気温を検出することで、環境温度の状態を直接判断することができる。
【０００９】
あるいは、前記燃料電池から排出される酸化ガスの排ガスの温度を反映する温度を検出する第２の温度センサをさらに備え、
前記環境温度判断部は、前記第２の温度センサが検出した前記温度が所定の温度以下の時に、前記所定の低温状態であると判断することとしてもよい。
【００１０】
このように、酸化ガスの排ガスの温度を反映する温度に基づいて判断することで、酸化ガスに含まれる水蒸気が凍結するのを確実に防止することが可能となる。なお、上記第２の温度センサは、酸化排ガスのガス温そのものを検出する他に、酸化排ガスの流路を形成する配管の壁面温度を検出することとしても良い。
【００１１】
このような本発明の第１の動力出力装置において、
前記複数のエネルギ出力源、あるいは前記複数のエネルギ出力源のいずれかからエネルギの供給を受けて動力を出力する動力出力源のうちの少なくとも一つにおいて生じる熱を、前記燃料電池から排出されるガスが通過する配管に伝える伝熱部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記伝熱部による前記配管への伝熱状態を表わす所定のパラメータが、伝熱状態の不良を示す所定の値を示しており、且つ、前記環境温度判断部が所定の低温状態であると判断したときに、前記燃料電池による発電を禁止すると共に、前記燃料電池以外のエネルギ出力源を用いて所望の動力を得るように制御する第２の制御モードを有することとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、伝達部による配管への伝熱状態が良好であるときにはこのことによって、また、伝熱部による配管への伝熱状態が不良であるときには燃料電池による発電を禁止することによって、燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が凍結することによって生じる不都合を防止することができる。ここで、伝熱部による配管への伝熱状態が良好であるか否かは、例えば、所定の流体を用いて熱を配管に伝える場合には、この流体の温度をパラメータとして、流体温度が所定の温度以上であるか否かによって判断することができる。あるいは、同じく流体を用いて熱を伝える場合に、熱源である動力出力源側から配管側に流体を移動させるのに用いるポンプが稼働しているか否かをパラメータとして、伝熱状態を判断することとしても良い。ここで、上記第２の運転モードでは、所望の動力の少なくとも一部を前記内燃機関によって出力することができる。
【００１３】
本発明の第２の動力出力装置は、燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備えて、外部に動力を出力する動力出力装置であって、
少なくとも前記燃料電池を電源として動力を出力する電動機と、
前記複数のエネルギ出力源、あるいは前記複数のエネルギ出力源のいずれかからエネルギの供給を受けて動力を出力する動力出力源のうちの少なくとも一つにおいて生じる熱を、前記燃料電池から排出されるガスが通過する配管に伝える伝熱部と
を備えることを要旨とする。
【００１４】
このような動力出力装置によれば、エネルギ出力源あるいは動力出力源のうちの少なくとも一つで生じる熱が上記配管に伝えられるため、燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が凍結することがなく、凍結によって生じる不都合を防止することができる。
【００１５】
本発明の第２の動力出力装置において、前記伝熱部は、前記配管が外部に開口する開口部を含む部位に、前記熱を伝えることとしても良い。燃料電池は発電時には所定の高温となっているため、燃料電池排出されるガスは、通常は開口部に近づくほど温度が低下する。そのため、上記構成とすることで、排出されるガス中の水蒸気が凍結することに起因して生じる不都合を確実に防止することができる。
【００１６】
本発明の第２の動力出力装置において、前記配管は、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスが通過する配管であることとしても良い。カソード排ガスは、電気化学反応に伴って生じる生成水を含むため、凍結を防止することによる効果を顕著に得ることができる。
【００１７】
このような本発明の第２の動力出力装置において、前記伝熱部は、前記燃料電池で生じた熱を前記配管に伝えることとしても良い。あるいは、前記伝熱部は、前記内燃機関で生じた熱を前記配管に伝えることとしても良い。燃料電池や内燃機関は定常状態では充分に高い温度で稼働するため、このような熱を伝えることで、配管内の凍結を充分に防止することが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、動力出力装置を搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．車両の走行制御：
Ｃ．凍結防止の動作：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としてのハイブリッド車両を表わす概略構成図である。本実施例のハイブリッド車両は、エンジン１０とモータ２０とを動力源として備えている。図示する通り、本実施例のハイブリッド車両の動力系統は、上流側からエンジン１０、入力クラッチ１８、モータ２０、トルクコンバータ３０、および変速機１００を直列に結合した構成を有している。即ち、エンジン１０のクランクシャフト１２は、入力クラッチ１８を介してモータ２０に結合している。入力クラッチ１８をオン・オフすることによって、エンジン１０からモータ２０へ動力が伝達される状態と、エンジン１０からモータ２０への動力の伝達が遮断された状態とを切り替えることができる。モータ２０の出力軸１３は、トルクコンバータ３０に結合している。トルクコンバータの出力軸１４は、変速機１００に結合している。変速機１００の出力軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車軸１７に結合している。
【００２１】
エンジン１０は種々の熱機関を適用できるが、本実施例では通常のガソリンエンジンとした。このエンジン１０は、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングを、ピストンの上下運動に対して相対的に調整可能な機構（ＶＶＴ機構）を有している。これによって、エンジン１０は、その回転数に応じて最も燃焼効率の良いタイミングで各バルブが開閉するように制御される。
【００２２】
モータ２０は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できるが、本実施例では三相の同期モータを用いた。このモータ２０は、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ２２と、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されたステータ２４とを備える。モータ２０は、ロータ２２に備えられた永久磁石による磁界とステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動し、電動機として働く。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力が生じ、発電機として働く。
【００２３】
図１に示した構成では、モータ２０の電源としては、燃料電池６０とバッテリ５０とが利用可能となっている。本実施例では、通常は主として燃料電池６０を、モータ２０の電源として用いることとした。バッテリ５０の電力は、主として、ハイブリッド車両の制御を行う制御ユニット７０や照明装置など、電力機器である補機類に供給される。モータ２０を駆動する際には、トランジスタインバータとして構成される駆動回路５１で生成される三相交流が用いられる。なお、ハイブリッド車両の制動時には、モータ２０が既述したように発電機として働き、これによって生じた電力はバッテリ５０に充電される。
【００２４】
図２は、燃料電池６０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池６０は、発電の本体である燃料電池スタック６０Ａと、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４とを備えている。本実施例では、燃料電池スタック６０Ａは、固体高分子型燃料電池によって構成している。燃料ガス供給部６１は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック６０Ａに供給する装置である。燃料ガス供給部６１は、例えば、水素ボンベを備えることとすればよい。あるいは、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとし、上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵することとしても良い。このような燃料ガス供給部６１が貯蔵する水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池スタック６０Ａのアノードに供給され、電気化学反応に供される。電気化学反応で利用されなかった残りの水素ガスは、水素ガス排出路６３に排出される。水素ガス排出路６３は、水素ガス供給路６２に接続しており、残余の水素ガスは再び電気化学反応に供される。また、ブロワ６４が取り込んだ圧縮空気は、酸化ガス供給路６５によって、酸化ガスとして燃料電池スタック６０Ａのカソードに供給される。燃料電池スタック６０Ａから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、燃料電池６０において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器を、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５にさらに設けることとしても良い。
【００２５】
あるいは、燃料電池スタック６０Ａに供給する燃料ガスとして、改質ガスを用いる構成も可能である。このような場合には、図２に示した燃料電池６０において、燃料ガス供給部６１として、水素を貯蔵する装置に代えて、改質ガスを生成する装置を備えることとすればよい。具体的には、改質反応に供する改質燃料および水を貯蔵するタンクや、改質触媒を備える改質器、さらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための反応を促進する触媒を備える反応部などを備えることとすればよい。改質燃料としてガソリンを用いるならば、改質燃料タンクと、エンジンの燃料を貯蔵するタンクとを共通化することができる。改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素燃料の他、天然ガスなどの気体炭化水素燃料やメタノールなどのアルコール、あるいはアルデヒドのように、種々の炭化水素系燃料を用いることが可能である。
【００２６】
バッテリ５０としては、鉛蓄電池や、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次電池など種々の２次電池を用いることができる。
【００２７】
トルクコンバータ３０は、流体を利用した周知の動力伝達機構である。ここでは、トルクコンバータ３０の入力軸、即ちモータ２０の出力軸１３と、トルクコンバータ３０の出力軸１４との間で、一方の回転軸から他方の回転軸へと動力が伝達される。
【００２８】
変速機１００は、内部に複数のギヤ、クラッチ、ワンウェイクラッチ、ブレーキ等を備え、変速比を切り替えることによってトルクコンバータ３０の出力軸１４のトルクおよび回転数を変換して出力軸１５に伝達可能な機構である。本実施例では前進５段、後進１段の変速段を実現可能な変速機を適用した。変速機１００の変速段は、制御ユニット７０が車速等に応じて設定する。運転者は、車内に備えられたシフトレバーを手動で操作することによって、変速段の切り替え範囲を調整することができる。シフトレバーは、パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブポジション（Ｄ）、および４ポジション〜Ｌポジションの各ポジションを選択可能である。変速段の切り替えは、各ポジションに応じて予め設定された範囲で行なわれる。
【００２９】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０などの動力源から出力される動力は、一部の補機類の駆動にも用いられる。図１に示す通り、エンジン１０には補機駆動装置８２が結合されている。ここでいう補機類には、エアコンのコンプレッサやパワーステアリング用のポンプ、燃料電池６０における冷却用のポンプ等が含まれる。ここでは、エンジン１０の動力を利用して駆動される補機類をまとめて補機駆動装置８２として示した。補機駆動装置８２は、具体的にはエンジン１０のクランクシャフトにプーリやベルトを介して結合されており、クランクシャフトの回転動力によって駆動される。
【００３０】
補機駆動装置８２には、また、補機駆動用モータ８０も結合されている。補機駆動用モータ８０は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できる。本実施例では、三相同期モータとした。補機駆動用モータ８０は、トランジスタインバータとして構成された駆動回路５２で、バッテリ５０および燃料電池６０を電源として生成された三相交流により回転駆動される。エンジン１０が運転を停止しているときは、補機駆動用モータ８０により、補機駆動装置８２を駆動することができる。このときは、負荷軽減のため、クラッチ１９が開放される。また、補機駆動用モータ８０は、エンジン１０の動力によって発電する発電機としても機能することとしても良い。こうして発電された電力は、バッテリ５０に充電することができる。
【００３１】
駆動回路５１、５２と各電源との間には、接続状態を３カ所に切り替え可能な切り替えスイッチ５３、５４が設けられている。切り替えスイッチ５４の動作により、燃料電池６０は、駆動回路５２に接続された状態（図中の回路ａ）、駆動回路５１に接続された状態（図中の回路ｂ）、バッテリ５０に接続された状態（図中の回路ｃ）の３通りの接続状態を実現することができる。同様に、切り替えスイッチ５３の動作により、バッテリ５０は、接続先を駆動回路５１、駆動回路５２、燃料電池６０の３通りに切り替えることができる。
【００３２】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０、モータ２０、トルクコンバータ３０、変速機１００、補機駆動用モータ８０等の動作は、制御ユニット７０が制御している。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記録されたプログラムに従い、ＣＰＵが後述する種々の制御処理を行う。制御ユニット７０には、制御の実行上必要な種々の信号が入力される。入力される信号としては、例えば、アクセルペダル、ブレーキペダル、シフトレバー、パーキングブレーキなどの各操作部の状態を示す信号や、エンジン１０用のガソリン残量を検出する信号や、車速センサからの信号などが挙げられる。さらに、本実施例のハイブリッド車両は、外気温を検出する外気温センサ４０を備えており、この外気温センサ４０における検出信号も入力される。その他種々のセンサからの信号が制御ユニット７０に入力されるが、ここでは図示を省略した。
【００３３】
また、本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０の運転状態を制御するために、燃料噴射制御電子制御装置（以下ＥＦＩＥＣＵ、図示せず）が設けられている。ＥＦＩＥＣＵは、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムに従い、エンジン１０の燃料噴射その他の制御を実行する。これらの制御を可能とするために、ＥＦＩＥＣＵにはエンジン１０の運転状態を示す種々のセンサが接続されると共に、ＥＦＩＥＣＵは、制御ユニット７０と接続して互いに情報のやり取りが可能となっている。
【００３４】
Ｂ．車両の走行制御：
次に、本実施例のハイブリッド車両の、走行に関わる一般的な動作について説明する。本実施例のハイブリッド車両では、制御ユニット７０は、車両の走行状態、即ち車速およびトルクに応じて、動力源であるエンジン１０とモータ２０とを使い分ける制御を行なう。両者の使い分けは予めマップとして設定され、制御ユニット７０内のＲＯＭに記憶されている。
【００３５】
図３は車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。図３では、運転者がシフトポジションとしてＤポジションを選択しているときに行なわれる制御を表わす。図中の領域ＭＧは、モータ２０を動力源として走行する領域である。領域ＭＧ外側の領域ＥＧは、エンジン１０を動力源として走行する領域である。以下、前者をＥＶ走行と呼び、後者をエンジン走行と呼ぶものとする。通常のガソリンエンジンであるエンジン１０は、高速走行時に比べて低速走行時にはエネルギ効率が低下するという性質を有している。本実施例のハイブリッド車両では、このような低速走行時にはエンジン１０に代えてモータ２０から駆動力を得ることによって、車両全体としてのエネルギ効率の低下を抑え、燃費の向上を図っている。なお、図１の構成によれば、エンジン１０とモータ２０の双方を動力源として走行することも可能ではあるが、本実施例では、このような走行領域は設けていない。
【００３６】
図示する通り、本実施例のハイブリッド車両はＥＶ走行で発進する。このような領域では、入力クラッチ１８をオフにして走行する。ＥＶ走行により発進した車両が図３のマップにおける領域ＭＧと領域ＥＧの境界近傍の走行状態に達した時点で、制御ユニット７０は、入力クラッチ１８をオンにするとともに、エンジン１０を始動する。入力クラッチ１８をオンにすると、エンジン１０はモータ２０により回転させられる。制御ユニット７０は、エンジン１０の回転数が所定値まで増加したタイミングで燃料を噴射し点火する。こうしてエンジン１０が始動して以後、領域ＥＧ内ではエンジン１０のみを動力源として走行する。領域ＥＧでの走行が開始されると、制御ユニット７０は駆動回路５１，５２のトランジスタを全てシャットダウンする。この結果、モータ２０は単に空回りした状態となる。
【００３７】
制御ユニット７０は、このように車両の走行状態に応じて動力源を切り替える制御を行うとともに、変速機１００の変速段を切り替える処理も行う。既述したように、図３は、シフトポジションがＤポジションのときのマップであるが、制御ユニット７０は、その他のすべてのシフトポジションに関しても同様に、変速段の切り替えおよび動力源の切り替えを行なうためのマップを備えている。図３に示すように、制御ユニット７０は、車速が増すにつれて変速比が小さくなるように変速段の切り替えを実行する。
【００３８】
なお、図３では、車両の走行状態に応じてＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける場合のマップを示したが、本実施例の制御ユニット７０は、全ての領域をエンジン走行で行う場合のマップも備えている。このようなマップは、ＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける場合のマップにおいて、ＥＶ走行の領域（領域ＭＧ）を除いたものとなっている。制御ユニット７０は、通常はＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける制御を行ない、後述するように燃料電池６０を稼働させない制御を行なうときのように、ＥＶ走行に必要な電力を確保できない場合には、エンジン走行のみを行なうよう制御する。
【００３９】
また、ＥＶ走行とエンジン走行との使い分けは、さらに細かい走行条件を考慮したマップを予め備えてこれを参照することとしても良い。図４は、ＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける際に用いることができる他のマップを例示する説明図である。図４において、曲線ＣＥ１〜ＣＥ３はエンジン走行を行なうときの運転効率を示すマップである。エンジン走行を行なうときの運転効率は、負荷（出力）に応じて変化すると共に、同じ負荷であっても、エンジン水温や過給器の作動有無や空燃比などの運転状態によっても変化する。これらの運転状態に応じて、図中の曲線ＣＥ１〜ＣＥ３に示すように、エンジン走行の運転効率を与えるマップは複数用意される。同様に、図４において、曲線Ｃ１〜Ｃ３は燃料電池を用いたＥＶ走行を行なう際の運転効率を示すマップである。ＥＶ走行を行なうときの運転効率は、負荷に応じて変化すると共に、燃料電池の温度やモータ２０の温度などの運転状態によっても変化する。これらの運転状態に応じて、図中の曲線Ｃ１〜Ｃ３に示すように、ＥＶ走行の運転効率を与えるマップは複数用意される。このようなマップは、予め実験的または解析的に設定される。これらのマップに基づき、そのときの走行条件に応じたエンジン走行のマップとＥＶ走行のマップを比較して、運転効率のより優れた方の走行を選択すればよい。
【００４０】
あるいは、そのときの走行状態に基づいて、エンジン１０の熱機関としての運転効率や、燃料電池の発電効率、さらにエンジン１０の出力動力やモータ２０の出力動力を車軸に伝える際の動力伝達効率などを用いて、それぞれの走行を選択したときの運転効率を算出し、どちらの走行が有利であるかを判断することとしても良い。
【００４１】
Ｃ．凍結防止の動作：
次に、本発明のハイブリッド車両において、凍結防止のために燃料電池６０の停止をすべきであるか否かを判断する動作について説明する。図５は、燃料電池６０の停止の要否を判断する処理に関係する回路構成を示すブロック図である。制御ユニット７０には、上記処理を行なうために、環境温度判断部７２と出力制御部７４とが設けられている。なお、本実施例では、図５に示した機能ブロックは、ソフトウエア的に構成することとしたが、ハードウエア的に構成することとしても構わない。
【００４２】
また、図６は、本実施例のハイブリッド車両において、制御ユニット７０によって所定の間隔で繰り返し実行される凍結防止処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが開始されると、制御ユニット７０のＣＰＵが備える環境温度判断部７２は、外気温センサ４０における検出信号を取得する（ステップＳ１００）。外気温センサ４０は、既述したように外気温を検出するセンサであり、環境温度判断部は、これによって外気温に関する情報を取得する。
【００４３】
ステップＳ１００で外気温情報を取得すると、次に、環境温度判断部７２は、外気温が所定の基準温度以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、ステップＳ１１０で判断に用いる基準温度は、燃料電池６０から排出されるガスに含有される水（水蒸気）が凍結する可能性がある温度として予め設定した温度である。基準温度は、約０℃、例えば−５℃〜５℃の範囲に設定することができる。
【００４４】
環境温度判断部７２が、ステップＳ１１０において外気温が基準温度を超えると判断したときには、この判断は出力制御部７４に伝えられ、出力制御部７４は、効率に基づいた通常の制御を開始して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。すなわち、既述したように予め設定したマップを参照する等により、ＥＶ走行とエンジン走行のうちの運転効率の高い方の走行を選択して、選択した走行により所望の動力が得られるように各部を制御する。ここで、ステップＳ１１０において外気温が基準温度を超えると判断しているため、エンジン走行が選択される場合であっても、補機に電力を供給する電源として燃料電池６０を用いるために燃料電池６０を駆動することができる。さらに、ＥＶ走行とエンジン走行との使い分けを行なう際には、所望の動力を出力するときの運転効率に基づくだけでなく、補機類での要求電力を加えた負荷全体を出力する際の効率を考慮して、上記走行の使い分けを行なうこととしても良い。通常は、燃料電池の燃料の残量（水素残量あるいは改質燃料の残量）や、バッテリ５０における残存容量（ＳＯＣ）をさらに考慮して、ＥＶ走行とエンジン走行との使い分けを行なう。
【００４５】
ステップＳ１１０において、外気温が基準温度以下であると判断されると、この判断は出力制御部７４に伝えられ、出力制御部７４は、燃料電池６０を用いない第１の制御モードによる制御を行なって（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１３０における第１の制御モードによる制御では、燃料電池６０による発電は禁止して、所望の走行状態を実現するために要する動力はエンジン１０が出力し、補機類が要する電力はバッテリ５０が供給するように、各部を制御する。ここで、燃料電池６０による発電の禁止は、例えば、燃料電池スタック６０Ａに供給する燃料ガスあるいは酸化ガスの少なくとも一方の供給を停止することにより行なうことができる。すなわち、燃料ガス供給部６１による水素ガスの供給を停止したり、ブロワ６４の駆動を停止したりすることにより行なうことができる。あるいは、燃料電池スタック６０Ａと負荷（電動機）とを接続する回路を開状態として燃料電池スタック６０Ａの端子をオープンにすることによって行なうことも可能である。
【００４６】
以上のように構成された第１実施例のハイブリッド車両によれば、外気温が所定の基準値以下になるときには、燃料電池６０による発電を禁止するため、燃料電池スタック６０Ａから排出されるガスに含まれる水蒸気が凍結することで生じる不都合を防止することができる。このとき、燃料電池６０の運転を禁止する場合にも、所望の走行状態を実現するのに要する動力はエンジン１０から出力させるため、所望の動力を出力させて車両の走行を続行することができる。
【００４７】
Ｄ．第２実施例：
図７は、第２実施例のハイブリッド車両を表わす概略構成図である。第２実施例のハイブリッド車両において、図１に示した第１実施例のハイブリッド車両と共通する部分については説明を省略する。図７に示すように、第２実施例のハイブリッド車両は、冷却水路９０、ポンプ９２およびラジエータ９４を備える冷却装置を有している。この冷却装置は、燃料電池スタック６０Ａおよびモータ２０の温度を所望の範囲に制御するために働く。冷却水路９０は、モータ２０および燃料電池スタック６０Ａの内部と、ラジエータ９４を通過するように形成されている。そして冷却水は、ポンプ９２によって冷却水路９０内を通過し、ラジエータで放熱することによって、モータ２０および燃料電池スタック６０Ａの冷却を行なう。ポンプ９２は、既述した補機駆動装置８２によって駆動される。
【００４８】
また、冷却水路９０は、その一部分が、燃料電池６０が備えるカソード排ガス路６６の一部分と隣接するように配設されている。そのため、冷却水路９０におけるこのような部分内を、モータ２０および燃料電池スタック６０Ａと熱交換して昇温した冷却水が通過することによって、カソード排ガス路６６を加熱可能となっている。図８に、冷却水路９０の一部分とカソード排ガス路６６の一部分とが隣接するように配設されている様子を模式的に示す。また、カソード排ガス路６６には、カソード排ガス路６６の温度を検出する温度センサ９６が設けられている。温度センサ９６の検出信号は、制御ユニット７０に伝えられる。
【００４９】
以上のように構成された第２実施例のハイブリッド車両によれば、モータ２０および燃料電池スタック６０Ａで生じた熱によってカソード排ガス路６６が加熱されるため、カソード排ガスに含まれる水蒸気が凍結することで生じる不都合を防止することができる。すなわち、負荷要求や運転効率を考慮してＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける通常の制御を低温環境下において行なっても、上記加熱を行なうことによって、水蒸気の凍結による不都合を防ぐことができる。また、第２実施例のハイブリッド車両によれば、カソード排ガス路６６を加熱することによって、カソード排ガス路６６の排出口（外部にカソード排ガスを放出する開口部）付近に氷が堆積してしまうのを抑えることもできる。
【００５０】
なお、このとき、カソード排ガス路６６において、冷却水路９０が伝える熱によって加熱される部分は、カソード排ガス路６６の排出口の近傍とすることが好ましい。燃料電池スタック６０Ａは、発電時には所定の高温となっているため、燃料電池スタック６０Ａから排出されるカソード排ガスは、通常は排出口に近づくほど温度が低下する。そのため、カソード排ガス路６６の排出口近傍を加熱することで、カソード排ガス中の水蒸気が凍結することに起因して生じる不都合を確実に防止することができる。
【００５１】
冷却水路９０の一部分とカソード排ガス路６６の一部分とを隣接させるための形状は、種々の形状が可能である。図８に示したように両者を接触させつつ互いに平行に配設する他、例えば、カソード排ガス路６６に冷却水路９０を巻き付けるように配設することとしても良い。冷却水路９０内を流れる冷却水の有する熱を、カソード排ガス路６６に伝えることができればよい。
【００５２】
また、図７に示したハイブリッド車両では、カソード排ガス路６６を加熱する冷却水路９０は、燃料電池スタック６０Ａとモータ２０の両方を経由することとしたが、いずれか一方のみを経由する冷却水路を用いて加熱を行なっても良い。あるいは、冷却水路９０をエンジン１０を経由するように構成して、エンジン１０で生じる熱を用いてカソード排ガス路６６を加熱することとしても良い。また、エンジン１０から排出される排ガスを用いてカソード排ガス路６６を加熱することとしても良い。燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備えるエネルギ出力装置において、複数のエネルギ出力源、あるいは複数のエネルギ出力源のいずれかからエネルギの供給を受けて動力を出力する動力出力源のうちの少なくとも一つにおいて生じる熱を、カソード排ガス路６６に伝えることとすれば、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、燃料電池スタック６０Ａ、モータ２０、エンジン１０等の高温部から排出される流体流路を分岐させ、昇温した流体の一部を用いてカソード排ガス路６６を加熱することも可能である。あるいは、上記昇温した流体の流路において、カソード排ガス路６６と熱交換を行なう部分をバイパスする流路を設けることとしてもよい。このような場合には、外気温センサ４０が検出した外気温あるいは温度センサ９６が検出したカソード排ガス路６６の温度が所定の温度よりも低く、凍結のおそれがある場合にだけ、上記昇温した流体を用いてカソード排ガス路６６を加熱することとすれば良い。なお、温度センサ９６は、カソード排ガス路６６の壁面温度を検出するほか、カソード排ガスのガス温そのものを検出することとしても良く、カソード排ガスの温度を反映する温度を検出できればよい。
【００５４】
上記第２実施例では、カソード排ガス路６６を加熱して、カソード排ガスに含まれる水蒸気が凍結するのを防止している。カソード排ガスは、電気化学反応に伴って生じる生成水を含有しているため、その凍結を防止する効果が大きいが、燃料電池６０から排出されるガスであって水蒸気を含有する他のガスの流路を、加熱する場合にも同様の効果を得ることができる。第２実施例のハイブリッド車両では、燃料電池スタック６０Ａに供給する燃料ガスとして水素ガスを用いているため、図２に示すようにアノード排ガスは再び燃料ガスとして燃料電池スタック６０Ａに供給している。ここで、水素を含有するアノード排ガスの少なくとも一部を燃焼させて何らかの熱源として用い、その燃焼ガスを外部に排出する構成も可能である。このような場合に、上記燃焼ガスの流路を第２実施例と同様に加熱すれば、燃焼ガスに含まれる水蒸気が凍結することによる不都合を防止することができる。
【００５５】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｅ１．変形例１：
図７に示したハイブリッド車両において第１実施例と第２実施例とを組み合わせ、カソード排ガス路６６を加熱する動作と、外気温が低いときには燃料電池６０を停止する動作とを組み合わせることとしても良い。図９は、このようなハイブリッド車両において制御ユニット７０で繰り返し実行される凍結防止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００５７】
本ルーチンが開始されると、制御ユニット７０は、冷却水路９０内を流れる冷却水によるカソード排ガス路６６の加熱が行なわれているかどうかを判断する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の判断は、例えば、ポンプ９２が作動しているか否かによって判断することができる。このような場合には、ポンプ９２は、燃料電池スタック６０Ａあるいはモータ２０の温度が所定の温度以上となったときに駆動されることとすればよい。あるいは、冷却水路９０内の冷却水温度を検出して、この温度が所定の基準温度以上であるときに、冷却水によるカソード排ガス路６６の加熱が行なわれていると判断することとしても良い。
【００５８】
ステップＳ２００において、カソード排ガス路６６の加熱が行なわれていないと判断されると、その後は、図６に示したステップＳ１００以下と同様の工程であるステップＳ３００以下の工程を実行し、本ルーチンを終了する。これにより、外気温が所定の基準温度以下である場合には、出力制御部７４は、燃料電池の稼働を禁止する第２の制御モードによる制御を行なって（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。この第２の制御モードでは、既述した第１の制御モードと同様に、燃料電池６０による発電を禁止しつつ、所望の走行状態を実現するために要する動力はエンジン１０が出力し、補機類が要する電力はバッテリ５０が供給するように、各部を制御する。また、外気温が基準温度を超える場合には、負荷と運転効率に基づいた通常の制御を行なって（ステップＳ３２０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ２００において、カソード排ガス路６６の加熱が行なわれていると判断されるときにも、ステップＳ３２０に移行して通常の制御を行ない、本ルーチンを終了する。
【００５９】
このような構成とすれば、カソード排ガス路６６の加熱が行なわれているときにはこれにより、行なわれておらず外気温が低いときには燃料電池６０の稼働を禁止することにより、カソード排ガスに含まれる水蒸気が凍結するのを防止することができる。例えば、ハイブリッド車両の始動時においては、燃料電池スタック６０Ａなどカソード排ガス路６６を加熱するための熱源の暖機が終了するまでは、燃料電池の稼働を禁止することによって凍結を防止し、上記熱源の暖機が終了した後は、カソード排ガス路６６を加熱することで凍結を防止することができる。これによって、ハイブリッド車両の稼働中は、車両の始動時から継続して凍結防止を図ることができる。
【００６０】
Ｅ２．変形例２：
既述した実施例では、燃料電池６０とバッテリ５０とは、共に、モータ２０に対しても補機駆動用モータ８０に対しても電力を供給可能としたが、異なる構成としても良い。例えば、モータ２０は設けず、車両の駆動力はエンジン１０によって発生することとし、燃料電池６０およびバッテリ５０は、補機駆動用モータ８０に対してのみ電力を供給することとしても良い。このような構成とすれば、所望の動力は常にエンジン１０によって出力される。そして、外気温が所定の基準温度以下であると判断されたときには、燃料電池６０の稼働を禁止して、バッテリ５０が補機に対して電力を供給することとすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例であるハイブリッド車両の構成の概略を表わす説明図である。
【図２】燃料電池６０の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。
【図４】ＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける際に用いることができる他のマップを例示する説明図である。
【図５】燃料電池６０の停止の要否を判断する処理に関係する回路構成を示すブロック図である。
【図６】凍結防止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】第２実施例のハイブリッド車両を表わす概略構成図である。
【図８】冷却水路９０の一部とカソード排ガス路６６の一部とが隣接するように配設されている様子を模式的に示す説明図である。
【図９】凍結防止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…クランクシャフト
１３，１４，１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…入力クラッチ
１９…クラッチ
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
４０…外気温センサ
５０…バッテリ
５１，５２…駆動回路
５３，５４…スイッチ
６０…燃料電池
６０Ａ…燃料電池スタック
６１…燃料ガス供給部
６２…水素ガス供給路
６３…水素ガス排出路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路
７０…制御ユニット
７２…環境温度判断部
７４…出力制御部
８０…補機駆動用モータ
８２…補機駆動装置
９０…冷却水路
９２…ポンプ
９４…ラジエータ
９６…温度センサ

Claims (12)

1. 燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備えて、外部に動力を出力する動力出力装置であって、
   少なくとも前記燃料電池を電源として動力を出力する電動機と、
   前記動力出力装置を使用する環境温度に関する情報に基づいて、前記動力出力装置を使用する環境が、所定の低温状態であるか否かを判断する環境温度判断部と、
   前記環境温度判断部が、所定の低温状態であると判断したときに、前記燃料電池による発電を禁止すると共に、前記燃料電池以外のエネルギ出力源を用いて所望の動力を得るように制御する第１の制御モードを有する出力制御部と
   を備える動力出力装置。
2. 請求項１記載の動力出力装置であって、
   外気温を検出する第１の温度センサをさらに備え、
   前記環境温度判断部は、前記第１の温度センサが検出した外気温が所定の温度以下の時に、前記所定の低温状態であると判断する
   動力出力装置。
3. 請求項１記載の動力出力装置であって、
   前記燃料電池から排出される酸化ガスの排ガスの温度を反映する温度を検出する第２の温度センサをさらに備え、
   前記環境温度判断部は、前記第２の温度センサが検出した前記温度が所定の温度以下の時に、前記所定の低温状態であると判断する
   動力出力装置。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置であって、
   前記第１の運転モードは、所望の動力の少なくとも一部を前記内燃機関が出力するように制御する運転モードである
   動力出力装置。
5. 請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置であって、
   前記複数のエネルギ出力源、あるいは前記複数のエネルギ出力源のいずれかからエネルギの供給を受けて動力を出力する動力出力源のうちの少なくとも一つにおいて生じる熱を、前記燃料電池から排出されるガスが通過する配管に伝える伝熱部をさらに備え、
   前記出力制御部は、前記伝熱部による前記配管への伝熱状態を表わす所定のパラメータが、伝熱状態の不良を示す所定の値を示しており、且つ、前記環境温度判断部が所定の低温状態であると判断したときに、前記燃料電池による発電を禁止すると共に、前記燃料電池以外のエネルギ出力源を用いて所望の動力を得るように制御する第２の制御モードを有する
   動力出力装置。
6. 請求項５記載の動力出力装置であって、
   前記第２の運転モードは、所望の動力の少なくとも一部を前記内燃機関が出力するように制御する運転モードである
   動力出力装置。
7. 燃料電池と内燃機関とを含む複数のエネルギ出力源を備えて、外部に動力を出力する動力出力装置であって、
   少なくとも前記燃料電池を電源として動力を出力する電動機と、
   前記複数のエネルギ出力源、あるいは前記複数のエネルギ出力源のいずれかからエネルギの供給を受けて動力を出力する動力出力源のうちの少なくとも一つにおいて生じる熱を、前記燃料電池から排出されるガスが通過する配管に伝える伝熱部と
   を備える動力出力装置。
8. 請求項５または７記載の動力出力装置であって、
   前記伝熱部は、前記配管が外部に開口する開口部を含む部位に、前記熱を伝える
   動力出力装置。
9. 請求項５ないし８いずれか記載の動力出力装置であって、
   前記配管は、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスが通過する配管である
   動力出力装置。
10. 請求項５ないし９いずれか記載の動力出力装置であって、
    前記伝熱部は、前記燃料電池で生じた熱を前記配管に伝える
    動力出力装置。
11. 請求項５ないし９いずれか記載の動力出力装置であって、
    前記伝熱部は、前記内燃機関で生じた熱を前記配管に伝える
    動力出力装置。
12. 移動体であって、
    請求項１ないし１１いずれか記載の動力出力装置を備え、
    駆動のための動力として前記動力出力装置が出力する動力を用いる
    移動体。

Images