JP2018085802A

JP2018085802A - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP2018085802A
Application number: JP2016226185A
Authority: JP
Inventors: 敬祐藤田; Keisuke Fujita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-05-31
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: US20180143095A1; US10107705B2; JP6447838B2

Abstract

【課題】騒音を発生せずに、圧力センサの校正処理を行うことのできる燃料電池車両を提案する。
【解決手段】圧力センサの校正開始条件が燃料電池車両の走行中に成立すると（ステップ２０２；ＹＥＳ）、燃料電池車両は、二次電池から供給される電力により走行を開始する（ステップ２０３）。燃料電池車両は、水素タンクの遮断弁を閉弁し（ステップ２０４）、減圧弁の上流の水素圧力と減圧弁の下流の水素圧力とが略同一になるまで水素ガス流路を排気した後に（ステップ２０５）、減圧弁の下流の水素ガス流路の水素圧力に基づいて圧力センサを校正する（ステップ２０７）。圧力センサが校正されている最中に、燃料電池車両は、二次電池から供給される電力により走行するため、騒音を発生せずに、圧力センサの校正処理を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池車両に関わる。

燃料電池は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応を通じて化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置である。燃料電池を車載電源として搭載する燃料電池車両は、水素ガスを貯蔵する水素タンクから供給される高圧の水素ガスを減圧弁により減圧し、減圧された水素ガスを燃料電池に供給している。この種の燃料電池車両の中には、水素タンクから減圧弁に至る水素ガス流路に高圧用の圧力センサを設置し、減圧弁から燃料電池に至る水素ガス流路に低圧用の圧力センサを設置したものがある。高圧用の圧力センサは、測定レンジは広いものの、圧力の検出精度が低い。一方、低圧用の圧力センサは、測定レンジは狭いものの、圧力の検出精度が高い。高圧環境下に置かれている高圧用の圧力センサにおいては、測定誤差が継時的に増大する可能性がある。このような事情に鑑み、特開２０１３−１７７９１０号公報には、水素タンクの元栓バルブを閉弁した状態で、水素ガス流路内の水素ガスを排気し、低圧用の圧力センサが検出する水素圧力に基づいて高圧用の圧力センサを校正する方法が提案されている。

特開２０１３−１７７９１０号公報

しかし、燃料電池車両が停止しているとき（例えば、燃料電池の発電を停止又は起動するとき）に圧力センサの校正処理を行うと、校正処理の際に発生する音が目立ち、騒音として感じられる可能性がある。

そこで、本発明は、音を目立たたせることなく、圧力センサの校正処理を行うことのできる燃料電池車両を提案する。

本発明に係る燃料電池車両は、（i）水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、（ii）水素ガス流路を通じて燃料電池に前記水素ガスを供給する水素タンクと、（iii）水素タンクから水素ガス流路を通じて燃料電池への水素ガスの供給及び遮断を行う遮断弁と、（iv）水素ガス流路の水素圧力を減圧する減圧弁と、（v）遮断弁と減圧弁との間の水素ガス流路の水素圧力を検出する圧力センサと、（vi）燃料電池が発電した電力を蓄電する二次電池と、（vii）圧力センサの校正開始条件が燃料電池車両の走行中に成立すると、遮断弁を閉弁し、減圧弁の上流の水素圧力と減圧弁の下流の水素圧力とが略同一になるまで水素ガス流路を排気した後に、減圧弁の下流の水素ガス流路の水素圧力に基づいて圧力センサを校正する制御装置とを備える。圧力センサが校正されている最中に、燃料電池車両は、二次電池から供給される電力により走行する。

本発明によれば、圧力センサが校正されている最中に、燃料電池車両は、二次電池から供給される電力により走行するため、校正処理の際に発生する音が騒音として感じられることを抑制できる。

本実施形態に係わる燃料電池車両の構成を示すブロック図である。本実施形態に係わる圧力センサの第１の校正処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態に係わる圧力センサの第２の校正処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態に係わる圧力センサの第３の校正処理の流れを示すフローチャートである。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池車両１０の構成を示すブロック図である。
燃料電池車両１０は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に供給する酸化ガス供給系３０と、水素ガスを燃料電池２０のアノード極に供給する水素ガス供給系４０と、電力の充放電を制御する電力系５０と、燃料電池２０の運転を制御する制御装置６０とを備えている。燃料電池２０は、例えば複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックであり、車載電源装置として機能する。燃料電池２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）

酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス流路３４と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス流路３６とを有している。酸化ガス流路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス流路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７が設けられている。加湿器３３は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換することにより、酸化ガスを加湿する。

水素ガス供給系４０は、水素タンク４１と、水素タンク４１から燃料電池２０のアノード極に供給される水素ガスが流れる水素ガス流路４５と、燃料電池２０から排出される水素オフガスを、循環ポンプ４７を通じて水素ガス流路４５に帰還させるための循環流路４６と、循環流路４６に分岐接続される排気排水流路４８とを有している。水素タンク４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２は、水素タンク４１から水素ガス流路４５を通じて燃料電池２０への水素ガスの供給及び遮断を行う。遮断弁４２は、水素タンク４１の元栓バルブとして機能する。

水素ガスは、減圧弁４３及びインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。減圧弁４３は、その上流側の一次圧を、予め設定した二次圧に調圧するレギュレータであり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。圧力センサＰ１は、遮断弁４２と減圧弁４３との間の水素ガス流路４５の水素圧力（減圧弁４３の上流側の一次圧）を検出する。圧力センサＰ２は、減圧弁４３の下流の水素ガス流路４５の水素圧力（減圧弁４３の下流側の二次圧）を検出する。圧力センサＰ１は、高圧用の圧力センサであり、測定レンジは広いが検出精度は圧力センサＰ２に比べて低い。一方、圧力センサＰ２は、低圧用の圧力センサであり、測定レンジは狭いが検出精度は圧力センサＰ１に比べて高い。

インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、水素ガスなどの気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、ノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。排気排水流路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、開弁することにより、循環流路４６内の不純物を含む水素オフガスと水分とを外部に排出する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、二次電池５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、二次電池５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧して二次電池５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能を通じて二次電池５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

二次電池５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、制御装置６０からの制御指令に従って、燃料電池２０又は二次電池５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両１０の動力源として機能する。

補機類５５は、燃料電池車両１０の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

制御装置６０は、プロセッサ６１、記憶資源６２、及び入出力インタフェース６３を備える電子制御ユニットである。プロセッサ６１は、記憶資源６２に格納されている制御プログラム６４を解釈及び実行し、入出力インタフェース６３を通じて燃料電池車両１０の各部（酸化ガス供給系３０、水素ガス供給系４０、及び電力系５０）を制御するための信号を入出力する。例えば、制御装置６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号を受信すると、燃料電池２０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号や、車速センサから出力される車速信号などを基に要求電力を求める。要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。制御装置６０は、燃料電池２０及び二次電池５２のそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び水素ガス供給系４０を制御する。更に、制御装置６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。制御装置６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

次に、図２から図４を参照しながら、圧力センサＰ１の校正処理について説明する。図２に示すステップ２０１〜２０９、図３に示すステップ３０１〜３１１及び図４に示すステップ４０１〜４１１は、制御プログラム６４の中でサブルーチンとして呼び出されて実行されるものである。制御プログラム６４は、図２から図４に示す各ステップを実行するためのソフトウェアモジュールを備える。このようなソフトウェアモジュールの機能は、プロセッサ６１と制御プログラム６４との協働により実現されるものであるが、専用のハードウェア資源（例えば、特定用途向け集積回路）やファームウェアなどを用いて同様の機能を実現してもよい。

まず、図２を参照しながら、圧力センサＰ１の第１の校正処理について説明する。
制御装置６０は、例えば車速センサから出力される車速信号を読み取るといった方法で、燃料電池車両１０が走行中であるか否かを判定する（ステップ２０１）。燃料電池車両１０が走行中である場合には（ステップ２０１；ＹＥＳ）、制御装置６０は、圧力センサＰ１の校正開始条件が成立したか否かを判定する（ステップ２０２）。制御装置６０は、圧力センサＰ１が検出する水素圧力、水素タンク４１の温度、外気温度などの履歴情報を基に、記憶資源６２に予め格納されているマップデータ又は予測式に従って、圧力センサＰ１の測定誤差を予測し、予測される測定誤差が閾値を超えている場合には、圧力センサＰ１の校正開始条件が成立しているものと判定する。

圧力センサＰ１の校正開始条件が成立すると（ステップ２０２；ＹＥＳ）、制御装置６０は、トラクションモータ５４の電力供給源を燃料電池２０から二次電池５２に切り替えて、バッテリ走行を開始する（ステップ２０３）。次に、制御装置６０は、水素タンク４１の遮断弁４２を閉弁（全閉）し（ステップ２０４）、水素ガス流路４５への水素供給を遮断する。

次に、制御装置６０は、インジェクタ４４から排気排水流路４８を通じて、水素ガス流路４５内の水素ガスを排気し（ステップ２０５）、圧力センサＰ２が検出する水素圧力（減圧弁４３の下流の二次圧）が閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する（ステップ２０６）。ここで、閾値Ｔｈ１は、減圧弁４３の上流の水素圧力と減圧弁４３の下流の水素圧力とが略同一になるときの減圧弁４３の下流の水素圧力である。水素ガス流路４５内の殆どの水素ガスを排気する場合、閾値Ｔｈ１として、例えば、大気圧を用いることができる。

圧力センサＰ２が検出する水素圧力が閾値Ｔｈ１未満に低下すると（ステップ２０６；ＹＥＳ）、制御装置６０は、減圧弁４３の下流の水素ガス流路４５の水素圧力に基づいて圧力センサＰ１を校正する（ステップ２０７）。圧力センサＰ１を校正するときに用いられる、減圧弁４３の下流の水素ガス流路４５の水素圧力は、圧力センサＰ２が検出する水素圧力であるが、水素ガス流路４５内の殆どの水素ガスを排気する場合には、必ずしも、圧力センサＰ２が検出する水素圧力を用いる必要はなく、例えば、大気圧を基に圧力センサＰ１を校正してもよい。この場合、燃料電池車両１０から圧力センサＰ２を省略することも可能である。このように、ステップ２０７では、圧力センサＰ１が検出する水素圧力が、圧力センサＰ２が検出する水素圧力又は大気圧に一致するように圧力センサＰ１の校正処理が行われる。

圧力センサＰ１の校正処理が終了すると、制御装置６０は、水素タンク４１の遮断弁４２を開弁（全開）し（ステップ２０８）、水素ガス流路４５への水素供給を再開するとともに、トラクションモータ５４の電力供給源を二次電池５２から燃料電池２０に切り替えて、バッテリ走行を休止する（ステップ２０９）。

このように、圧力センサＰ１が校正されている最中に、燃料電池車両１０は、二次電池５２から供給される電力により走行するため、圧力センサＰ１の校正処理の際に発生する音が騒音として感じられることを抑制できる。

次に、図３を参照しながら、圧力センサＰ１の第２の校正処理について説明する。
ステップ３０１，３０２，３０５〜３１１は、それぞれ、ステップ２０１〜２０９と同じであるため、ステップ３０１，３０２，３０５〜３１１の詳細な説明を省略する。

圧力センサＰ１の校正開始条件が成立すると（ステップ３０２；ＹＥＳ）、制御装置６０は、二次電池５２の充電状態（State of Charge）が閾値Ｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップ３０３）。ここで、閾値Ｔｈは、二次電池５２から供給される電力により燃料電池車両１０が走行するために要する二次電池５２の充電量である。二次電池５２の充電状態が閾値Ｔｈを下回っていると（ステップ３０３；ＮＯ）、制御装置６０は、二次電池５２の充電状態が閾値Ｔｈに達するまで、燃料電池２０が発電した電力が二次電池５２に充電されるように制御する（ステップ３０４）。

このように、圧力センサＰ１の校正開始条件が成立した時点での二次電池５２の充電状態が閾値Ｔｈを下回っている場合には、二次電池５２の充電状態が閾値Ｔｈに達するまで、燃料電池２０が発電した電力が二次電池５２に充電されるように制御してから、バッテリ走行を開始することにより、十分な走行性能を確保できる。

次に、図４を参照しながら、圧力センサＰ１の第３の校正処理について説明する。
制御装置６０は、例えば車速センサから出力される車速信号を読み取るといった方法で、燃料電池車両１０が走行中であるか否かを判定する（ステップ４０１）。燃料電池車両１０が走行中である場合には（ステップ４０１；ＹＥＳ）、制御装置６０は、圧力センサＰ１の校正開始条件が成立したか否かを判定する（ステップ４０２）。

圧力センサＰ１の校正開始条件が成立すると（ステップ４０２；ＹＥＳ）、制御装置６０は、水素タンク４１の遮断弁４２を閉弁（全閉）し（ステップ４０３）、水素ガス流路４５内に残留する水素ガスの燃料電池２０による消費を通じて水素ガス流路４５の水素圧力を減圧する（ステップ４０４）。

制御装置６０は、圧力センサＰ２が検出する水素圧力（減圧弁４３の下流の二次圧）が閾値Ｔｈ２未満であるか否かを判定する（ステップ４０５）。ここで、閾値Ｔｈ２は、水素ガス流路４５に残留する水素ガスの消費を通じて燃料電池２０が発電する電力により燃料電池車両１０が走行するために要する閾値圧力である。水素タンク４１の遮断弁４２が閉弁されてから、圧力センサＰ２が検出する水素圧力が閾値Ｔｈ２未満に低下する迄の間、制御装置６０は、燃料電池２０が発電する電力により燃料電池車両１０が走行するように燃料電池車両１０を制御する。

圧力センサＰ２が検出する水素圧力が閾値Ｔｈ２未満に低下すると（ステップ４０５；ＹＥＳ）、制御装置６０は、トラクションモータ５４の電力供給源を燃料電池２０から二次電池５２に切り替えて、バッテリ走行を開始する（ステップ４０６）。次に、制御装置６０は、インジェクタ４４から排気排水流路４８を通じて、水素ガス流路４５内の水素ガスを排気し（ステップ４０７）、圧力センサＰ２が検出する水素圧力（減圧弁４３の下流の二次圧）が閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判定する（ステップ４０７）。

圧力センサＰ２が検出する水素圧力が閾値Ｔｈ１未満に低下すると（ステップ４０８；ＹＥＳ）、制御装置６０は、減圧弁４３の下流の水素ガス流路４５の水素圧力に基づいて圧力センサＰ１を校正する（ステップ４０９）。

圧力センサＰ１の校正処理が終了すると、制御装置６０は、水素タンク４１の遮断弁４２を開弁（全開）し（ステップ４１０）、水素ガス流路４５への水素供給を再開するとともに、トラクションモータ５４の電力供給源を二次電池５２から燃料電池２０に切り替えて、バッテリ走行を休止する（ステップ４１１）。

このように、水素タンク４１の遮断弁４２の閉弁により水素ガス流路４５に残留する水素ガスを走行エネルギーに利用できるため、水素ガスの燃費悪化を抑制できる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。上記実施形態では、第１の校正処理または第２の校正処理のみを行う場合は、燃料電池車両１０から圧力センサＰ２を省略してもよい。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…燃料電池車両２０…燃料電池３０…酸化ガス供給系４０…水素ガス供給系４１…水素タンク４２…遮断弁４３…減圧弁４５…水素ガス流路５０…電力系５２…二次電池６０…制御装置Ｐ１，Ｐ２…圧力センサ

Claims

燃料電池車両であって、
水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
水素ガス流路を通じて前記燃料電池に前記水素ガスを供給する水素タンクと、
前記水素タンクから前記水素ガス流路を通じて前記燃料電池への前記水素ガスの供給及び遮断を行う遮断弁と、
前記水素ガス流路の水素圧力を減圧する減圧弁と、
前記遮断弁と前記減圧弁との間の前記水素ガス流路の水素圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記燃料電池が発電した電力を蓄電する二次電池と、
前記第１の圧力センサの校正開始条件が前記燃料電池車両の走行中に成立すると、前記遮断弁を閉弁し、前記減圧弁の上流の水素圧力と前記減圧弁の下流の水素圧力とが略同一になるまで前記水素ガス流路を排気した後に、前記減圧弁の下流の前記水素ガス流路の水素圧力に基づいて前記第１の圧力センサを校正する制御装置と、を備え、
前記第１の圧力センサが校正されている最中に、前記燃料電池車両は、前記二次電池から供給される電力により走行する、燃料電池車両。
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記第１の圧力センサの校正開始条件が前記燃料電池車両の走行中に成立したときの前記二次電池の充電状態が、前記二次電池から供給される電力により前記燃料電池車両が走行するために要する閾値を下回っているときに、前記制御装置は、前記二次電池の充電状態が前記閾値に達するまで、前記燃料電池が発電した電力が前記二次電池に充電されるように制御し、
前記二次電池の充電状態が前記閾値に達した後に、前記制御装置は、前記遮断弁を閉弁し、前記減圧弁の上流の水素圧力と前記減圧弁の下流の水素圧力とが略同一になるまで前記水素ガス流路を排気した後に、前記減圧弁の下流の前記水素ガス流路の水素圧力に基づいて前記第１の圧力センサを校正する、燃料電池車両。
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記減圧弁の下流の前記水素ガス流路の水素圧力を検出する第２の圧力センサを更に備え、
前記第１の圧力センサの校正開始条件が前記燃料電池車両の走行中に成立すると、前記制御装置は、前記遮断弁を閉弁してから前記第２の圧力センサが検出する水素圧力が、前記水素ガス流路に残留する前記水素ガスの消費を通じて前記燃料電池が発電する電力により前記燃料電池車両が走行するために要する閾値圧力を下回る迄の間に、前記燃料電池が発電する電力により前記燃料電池車両が走行するように前記燃料電池車両を制御し、
前記第２の圧力センサが検出する水素圧力が前記閾値圧力を下回ると、前記制御装置は、（i）前記減圧弁の上流の水素圧力と前記減圧弁の下流の水素圧力とが略同一になるまで前記水素ガス流路を排気した後に、前記第２の圧力センサが検出する水素圧力に基づいて前記第１の圧力センサを校正し、且つ、（ii）前記二次電池から供給される電力により前記燃料電池車両が走行するように前記燃料電池車両を制御する、燃料電池車両。