JP2024052032A - 燃料電池移動体及び燃料電池車 - Google Patents
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Abstract
【課題】寒冷または低温環境にあっても車体の走行を開始する時点で燃料電池の適正な発電を可能にする燃料電池車を構成する。【解決手段】駆動源Ｍ又は蓄電池に電力を供給する燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣから排出される含水ガスから水を分離して貯水部に貯留する気液分離器と、貯水部の温度を検出する温度検出部６６と、車両が走行を開始する以前の走行前状態にあることを判定する状況判定部６２とを備えている。気液分離器が、貯水部に貯留した水を排出する開閉弁Ｖと、貯水部の温度上昇を図る加熱部５０とを備え、温度検出部６６で検出された貯水部の温度が、貯水部の水が凍結する温度であり、状況判定部６２が走行前状態にあることを判定した場合に電流供給により加熱部５０の温度上昇を図るプレヒート制御部６３を備えている。【選択図】図７
Description
本発明は、燃料電池移動体及び燃料電池車に関する。
特許文献１には、燃料電池を暖気する際にエアストイキ比を低く設定することにより燃料電池から取り出せるエネルギーのうち電力損失分によって燃料電池を暖気する技術が開示されている。システム運転を終了する際に、この燃料電池の発熱（掃気）を行うことにより、燃料電池の内部に存在する水分の除去を可能にしている。
特許文献２には、排気排水弁以外の凍結に起因して燃料電池スタック内に不純物の蓄積を抑制するため、システムの始動時に掃気処理を行った後に暖気運転を行う技術が開示されている。その際、スタックの温度が予め定められた値温度以下であり、かつ、燃料電池システムの前回の停止後、掃気処理を行ったと判断できる場合には、ポンプを停止して暖機運転を行うことが記載されている。
特許文献２に記載されるようにアノードオフガスに含まれる水を分離し、分離によって得られた水素を燃料電池にアノード側に戻す気液分離器を備えた燃料電池車では、例えば、冬季において屋外に駐車した場合には、気液分離器の内部に残留する水が凍結し、燃料電池で発電を開始しても水の排出開始までに時間を要する。
そこで、特許文献１に記載されるように燃料電池のエアストイキ比を設定して運転を行うことにより燃料電池の温度上昇を図り、気液分離器内の水の凍結を解消することも考えられる。しかしながら、このように温度上昇を図るものであっても、燃料電池での運転開始から燃料電池の温度上昇までにある程度の時間を要することになる。
つまり、燃料電池車に運転者が乗り込み、運転座席に着座し、例えば、始動スイッチをＯＮ操作した直後にアクセルペダルを踏み込み操作しても、凍結が完全に解消されていないため、燃料電池で必要とする発電を開始するまでに時間を要することも懸念された。
このような理由から、寒冷地または低温環境にあっても走行を開始する時点で燃料電池の適正な発電を可能にする燃料電池移動体、燃料電池車が求められる。
本発明に係る燃料電池移動体の特徴構成は、移動本体に対し電力を供給する燃料電池と、当該燃料電池の発電時に排出される含水ガスから水とガスを分離し、分離されたガスを前記燃料電池に供給し、分離された水に対し開閉弁を経て排出する気液分離器と、分離された水の昇温を図る加熱部を備え、前記気液分離器で分離された水の温度または前記燃料電池が使用される環境の温度を取得し、前記移動本体の移動前状態又は始動状態にあることを示す状態情報を取得し、取得されたいずれかの前記温度と、取得された前記状態情報に基づいて、前記加熱部を作動させるプレヒート制御部を備えている点にある。
この特徴構成によると、気液分離器の水の温度または環境温度が取得され、移動本体が移動前状態又は始動状態にあることを示す状態情報が取得され、取得された温度と状態情報とに基づいて、プレヒート制御部が加熱部を作動させることにより気液分離器の水の凍結の解消が可能となる。従って、寒冷地または低温環境にあっても走行を開始する時点で燃料電池の適正な発電を可能にする燃料電池移動体が構成された。
本発明に係る燃料電池車の特徴構成は、車体に備えた駆動源又は蓄電池に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池の発電時に排出される含水ガスから水を分離し、分離されたガスは前記燃料電池へ供給し、分離された水を貯水部に貯留し、前記貯水部に貯留した水を排出する排出流路と、当該排出流路における水の流れを制御する開閉弁と、前記貯水部から前記排出流路に亘る流路の温度上昇を図る加熱部とを有する気液分離器とを備え、前記貯水部の水の温度または前記燃料電池が使用される環境温度を温度検出部より検出し、車両が走行を開始する以前の走行前状態又は始動状態にあることを状況判定部により判定して、前記温度から前記温度検出部が前記貯水部の水が凍結する温度であり、前記状況判定部が前記走行前状態又は始動状態にあると判定した場合に、電流供給により前記加熱部を駆動させるプレヒート制御部を備えている点にある。
この特徴構成によると、貯水部の水の温度または燃料電池が使用される環境の温度から温度検出部で検出した貯水部の水の温度が凍結する値であり、車両が走行前状態又は始動状態にあることを状況判定部が判定した場合には、プレヒート制御部が気液分離器の加熱部を駆動する。その結果、例えば、運転者が車体を走行させるために始動スイッチ（例えば、イグニッションボタン）等をＯＮ操作する以前に、気液分離器の貯水部に貯留された水の凍結の解消を開始できる。これにより、アクセルぺダルを踏み込んだ運転者は、違和感なく燃料電池車の走行を開始できる。尚、温度検出部は、貯水部の水の温度と、燃料電池が使用される環境温度との何れかの温度に基づいて貯水部の水の温度が凍結する値にあることの判定を行う。また、状況判定部は、運転者が車体の走行を開始する以前に車体に乗り込む際に行う操作や、車体に乗り込んだ後に走行の開始以前に行う操作を走行前状態又は始動状態と想定している。従って、寒冷地または低温環境にあっても走行を開始する時点で燃料電池の適正な発電を可能にする燃料電池車が構成された。
他の構成として、前記車体に対する運転者の接近、あるいは、前記運転者の手の接触を検知する人検知センサを備え、前記状況判定部は、前記人検知センサによって前記車両と認証通信を行う無線キーを所持する前記運転者を検知した場合に、前記走行前状態又は始動状態にあると判定しても良い。
運転者が燃料電池車を走行させる場合には、運転者が車体に接近し、ドアを開放して車体に乗り込むことが必ず行われ、車両と認証通信を行う無線キーを所持する運転者が車体に接近した場合や、例えば、車体のドアハンドルに接触した時点で走行前状態又は始動状態にあると判定することは認証を行うため誤検出がなく合理的である。これにより、人検知センサの検知に基づいて状況判定部が走行前状態にあることを判定できる。
他の構成として、前記車体の運転座席に対する運転者の着座を検知する着座センサを備え、前記状況判定部は、前記着座センサによって前記運転者の着座を検知した場合に前記走行前状態にあると判定しても良い。
運転者が燃料電池車を走行させる場合には、運転座席に必ず着座することになる。このような理由から着座センサで検知した場合に、状況判定部が走行前状態にあることを適正に判定できる。
他の構成として、前記温度検出部は、前記燃料電池に供給される冷却水の温度に基づいて、前記貯水部の温度を演算により検出しても良い。
燃料電池と気液分離器とは、近接する位置関係で配置されるものであり、燃料電池に供給される冷却水の温度は、気液分離器（貯水部）の温度に近似する。従って、燃料電池車が屋外に長時間駐車された場合には、例えば、温度センサで検知される冷却水の温度に基づく演算により気液分離器の温度を検出することにより、気液分離器に専用の温度センサを備える必要もない。
他の構成として、前記加熱部が、前記貯水部の底部に配置されても良い。
これによると、プレヒート制御部が加熱部に電流を供給することにより貯水部に貯留されている水が凍結状態にあっても、効果的な解凍が可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態：基本構成〕
図１、図２に示すように、前後の車輪１を備えた車体２の前部位置に電動型の走行モータＭ（駆動源の一例）を備え、車体２の中央のフロアー下方に燃料電池ＦＣを備え、車体２の後部位置に燃料としての水素ガスを貯留する燃料タンクＴを備えて燃料電池車Ａ（ＦＣＶ）が構成されている。また、以下の記載において、燃料電池車Ａを車両と称することもある。
〔第１実施形態：基本構成〕
図１、図２に示すように、前後の車輪１を備えた車体２の前部位置に電動型の走行モータＭ（駆動源の一例）を備え、車体２の中央のフロアー下方に燃料電池ＦＣを備え、車体２の後部位置に燃料としての水素ガスを貯留する燃料タンクＴを備えて燃料電池車Ａ（ＦＣＶ）が構成されている。また、以下の記載において、燃料電池車Ａを車両と称することもある。
この燃料電池車Ａは、車内の前部位置に運転座席３と、助手席４とが配置され、これらの後方の後部座席５が配置されている。運転座席３の前側にステアリングホイール６が配置され、運転の前側下方にアクセルペダル７と、ブレーキペダル８とが配置されている。また、運転座席３の前方にメータ類と、イグニッションボタン９が配置されている。尚、イグニッションボタン９は、ＯＮ操作により図３に示すように燃料電池ＦＣを有する発電システムＧでの発電を可能にする起動ボタンとして機能し、ＯＮ操作後にアクセルペダル７の踏み込み量に応じた電力を走行モータＭに供給して走行速度の制御を可能にする。
尚、燃料電池車Ａは、燃料電池ＦＣで発電した電力を蓄電池に供給して充電し、充電した電力を走行モータＭに供給する構成も考えられる。
車体２は、開閉自在な複数のドア１１を備え、夫々のドア１１にドアハンドル１２を備えている。この燃料電池車Ａは、運転者Ｈが所持する無線キー７０のＩＤ情報を無線によって取得し、ＩＤ情報の照合の結果、適正と判定した場合（認証できた場合）に、運転者Ｈがドアハンドル１２に接近する、あるいは、ドアハンドル１２に手を接触させることにより、ドアロックを解除するキーレスエントリーシステムを備えている。これに関連した説明は後述する。
この燃料電池車Ａは、寒冷地に駐車した場合のように、発電システムＧの気液分離器Ｓの内部に残留する水が凍結した状況にあっても、運転者Ｈが車体２に乗り込み、アクセルペダル７を踏み込んで走行を開始する以前に、凍結の解消を可能にする凍結解消制御が制御ユニット６０（図４、図７を参照）によって行われる。この凍結解消制御の詳細は後述する。
〔発電システム〕
図３に示すように、発電システムＧは、燃料電池ＦＣと、燃料タンクＴと、酸化剤としての酸素を含む空気を供給するコンプレッサー２１とを備えている。この燃料電池ＦＣは、複数の燃料電池セルを積層した構造を有し、燃料タンクＴに貯留した水素ガスと、コンプレッサー２１からの空気とが供給されることによって複数の燃料電池セルにおいて水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により発電が行われる。
図３に示すように、発電システムＧは、燃料電池ＦＣと、燃料タンクＴと、酸化剤としての酸素を含む空気を供給するコンプレッサー２１とを備えている。この燃料電池ＦＣは、複数の燃料電池セルを積層した構造を有し、燃料タンクＴに貯留した水素ガスと、コンプレッサー２１からの空気とが供給されることによって複数の燃料電池セルにおいて水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により発電が行われる。
具体的な構成として、発電システムＧは、コンプレッサー２１からの加圧空気を、加湿器２２を介して燃料電池ＦＣのカソード側に供給するカソード側供給流路Ｌｃ１と、燃料電池ＦＣのカソード側からの反応後のガス（カソードオフガス）を排出するカソード側排出流路Ｌｃ２と、カソード側排出流路Ｌｃ２に流れるガスに含まれる水分を、カソード側供給流路Ｌｃ１に流れる空気に与える加湿器２２とを備えている。更に、カソード側供給流路Ｌｃ１は、空気の流量を制御するカソード側流量制御弁２３を備えている。
発電システムＧは、燃料タンクＴからの水素ガスを燃料電池ＦＣのアノード側に供給するアノード側供給流路Ｌａ１と、燃料電池ＦＣのアノード側から反応後のガスを排出するアノード側排出流路Ｌａ２と、アノード側排出流路Ｌａ２に流れるガス（含水ガスの一例、アノードオフガス）に含まれる水を分離する気液分離器Ｓと、この気液分離器Ｓによって水が分離されたアノードオフガスをアノード側供給流路Ｌａ１に戻す還元流路Ｌａ３とを備えている。還元流路Ｌａ３は電動型の還元ポンプＰを備えている。
この発電システムＧは、アノード側供給流路Ｌａ１に供給する水素ガスの流量を制御するアノード側流量制御弁２５を備え、気液分離器Ｓは、アノードオフガスから分離した水を排出する電磁式の開閉弁Ｖを備えている。
図３に示すように、発電時の燃料電池ＦＣの温度上昇を抑制するため、内部に冷却水路２６が形成され、冷却水路２６に冷却水を循環させる冷却水ポンプ２７と、水の放熱を図る放熱器２８とを燃料電池ＦＣの外部に備えている。冷却水路２６は、この冷却水路２６に流れる冷却水の水温を検知する温度センサ７４を備えている。
〔気液分離器〕
図４～図６に示すように、気液分離器Ｓは、上部ハウジング３１と、下部ハウジング３２とを連結することで内部に上下方向に連なる内部空間が形成されている。上部ハウジング３１は、筒状の導入部３３と、筒状の導出部３４とを有し、内部に気液分離部３５を備えている。気液分離部３５は、導入部３３から導出部３４に流れるアノードオフガスを複数の衝突壁３５ａに衝突させて水を分離する。
図４～図６に示すように、気液分離器Ｓは、上部ハウジング３１と、下部ハウジング３２とを連結することで内部に上下方向に連なる内部空間が形成されている。上部ハウジング３１は、筒状の導入部３３と、筒状の導出部３４とを有し、内部に気液分離部３５を備えている。気液分離部３５は、導入部３３から導出部３４に流れるアノードオフガスを複数の衝突壁３５ａに衝突させて水を分離する。
下部ハウジング３２は、内部にフィルタユニット３７が備えられ、内部の下部位置に貯水部３８が形成され、下端に筒状の排出部３９を有している。この下部ハウジング３２の下端の外面に開閉弁Ｖを備え、この開閉弁Ｖは、開放により貯水部３８に貯留された水を、排出部３９から外部に排出する。フィルタユニット３７は、環状のフレーム３７ａの内周に濾過材３７ｂを備えている。
このような構成から、気液分離器Ｓは、燃料電池ＦＣから排出されたアノードオフガスを導入部３３から受け入れ、気液分離部３５において複数の衝突壁３５ａに衝突させることで水を分離し、分離した水をフィルタユニット３７で濾過した後に貯水部３８に貯留し、水が分離された乾燥状態のアノードオフガスを導出部３４から排出する。
燃料電池ＦＣで発電を継続することにより、貯水部３８に貯留される水量が増大する。このため、図４、図７に示す制御ユニット６０が、発電量に基づいて貯水部３８の貯水量を推定し、この推定により貯水量が設定値に達したことを判定する毎に、開閉弁Ｖを開放して貯水部３８の水を排出する。尚、例えば、貯水部３８の水面の高さを検知する水面センサ等を備えることで、貯水部３８に貯留される水量を検知し、この検知に基づいて開閉弁Ｖを開放する構成を用いても良い。
制御ユニット６０は、還元ポンプＰを駆動することにより、導出部３４から還元流路Ｌａ３に排出された乾燥状態のアノードオフガスをアノード側供給流路Ｌａ１に合流させ、このアノードオフガスに含まれる水素ガスの利用を可能にしている。
特に、気液分離器Ｓは、貯水部３８の貯水空間を加熱する加熱部材５０（加熱部の一例）を、貯水部３８の底部に備え、この加熱部材５０に熱を伝える発熱体Ｆを下部ハウジング３２の外部に備えている。尚、加熱部材５０は、内部に発熱体Ｆを備えた構成であっても良い。
〔気液分離器：具体構造〕
図５、図６に示すように、下部ハウジング３２の下部には、下窄まりの漏斗状内面３２ａが形成され、これに連なる位置に平面視で円形の円筒状内面３２ｂが形成されている。更に、漏斗状内面３２ａの内部から円筒状内面３２ｂで取り囲まれる空間に貯水部３８の貯水空間が形成されている。貯水部３８は平坦な底壁３８ａが形成されている。
図５、図６に示すように、下部ハウジング３２の下部には、下窄まりの漏斗状内面３２ａが形成され、これに連なる位置に平面視で円形の円筒状内面３２ｂが形成されている。更に、漏斗状内面３２ａの内部から円筒状内面３２ｂで取り囲まれる空間に貯水部３８の貯水空間が形成されている。貯水部３８は平坦な底壁３８ａが形成されている。
貯水部３８の貯水空間に連通する位置に水平姿勢で、平面視で貯水部３８の径方向の外方に窪む凹状部３８ｂが形成されている。この凹状部３８ｂの外端位置に、貯水部３８に貯留された水を横方向に送る排出孔路４１（排出流路の一例）が小径のオリフィスとして形成されている。
排出孔路４１は、下部ハウジング３２の底部の排出空間３２ｓを介して排出部３９と連通しており、排出孔路４１を開閉するように開閉弁Ｖが構成されている。
開閉弁Ｖは、鉄材等の磁性体で成るプランジャ４５と、このプランジャ４５を取り囲む領域に配置された電磁ソレノイド４６と、プランジャ４５を突出方向に付勢するスプリング４７と、排出孔路４１の下流側の端部を閉塞する位置に配置され、閉塞位置と開放位置との間で柔軟に変形し得るゴム等の膜状素材から成る弁体４８とを備えている。
開閉弁Ｖは、電磁ソレノイド４６が非通電状態にある場合には、図５に示すようにスプリング４７の付勢力によりプランジャ４５が突出し、弁体４８が、排出孔路４１の外端位置を閉塞する位置に保持される。これに対し、電磁ソレノイド４６が通電状態にある場合には、図６に示すようにスプリング４７の付勢力に抗してプランジャ４５が排出孔路４１の外端部から離間する方向にシフトし、弁体４８が開放し、貯水部３８の水が排出孔路４１、排出空間３２ｓ、排出部３９に順次流れ、排出部３９から外部に排出される。
図５、図６に示すように、加熱部材５０は、下部ハウジング３２に形成された貫通孔部３２ｃに対し、外側（下部ハウジング３２の外側）から貯水部３８の底部に挿入する形態で配置されている。
この加熱部材５０は、基端側に一体形成されたプレート状部５１の外面に発熱体Ｆを配置し、これらを覆う位置にホルダ４２を配置し、複数のボルト（図示せず）により下部ハウジング３２の外面に固定される。
発熱体Ｆは、プレート状部５１の外面側（図５、図６で左側）に接触状態で配置され、この発熱体Ｆの発熱時の熱がプレート状部５１を介して加熱本体部５２に伝えられる。発熱体Ｆは、温度上昇に伴い電気抵抗が上昇する特性のＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータが用いられている。
加熱部材５０は、プレート状部５１と加熱本体部５２とがアルミニウム材によって一体形成されている。プレート状部５１は平坦なプレート状に形成され、このプレート状部５１のプレート面に直交する方向に加熱本体部５２が突設されている。この加熱本体部５２は、縦方向の寸法を拡大しており、貯水部３８の底部に貯留される水への伝熱面積を増大させている。
加熱部材５０は、加熱本体部５２の先端部分から、この加熱本体部５２の突設方向（プレート状部５１の反対方向）に円筒状部５２ｃが延設されている。この円筒状部５２ｃには、加熱本体部５２の突設方向に沿って所定距離の主排出孔５４が形成され、主排出孔５４に連通する導入孔５５が加熱本体部５２の下面に形成されている。この主排出孔５４の内径は、排出孔路４１の内径より大きく形成されている。
加熱部材５０は、下部ハウジング３２に装着された状態で、加熱本体部５２の円筒状部５２ｃが、凹状部３８ｂの内部に嵌まり込み、主排出孔５４と排出孔路４１とが同軸芯に配置される。
加熱部材５０を下部ハウジング３２に装着した状態で、加熱本体部５２の下面と、貯水部３８の底壁３８ａとの間に間隙が形成されている。これにより水が凍結した状態では、凍結部の厚みを間隙と等しくすることにより、加熱部材５０から作用する熱による迅速な解凍を可能にし、解凍の後には間隙の部位での水の流れを可能にする。
ホルダ４２と、コネクタ部４３とが絶縁性の樹脂材料により一体形成されている。ホルダ４２は、ボルト等を用いて下部ハウジング３２に連結する構造を有し、コネクタ部４３は、筒状のコネクタ空間の内部に一対の電極４３ａを備えている。
この構成から、貫通孔部３２ｃから貯水部３８の内部空間に加熱部材５０を挿入し、加熱部材５０のプレート状部５１の外面に発熱体Ｆを配置し、プレート状部５１と発熱体Ｆとに重ねるようにホルダ４２を配置し、ボルト等によって下部ハウジング３２に固定することにより、加熱部材５０が下部ハウジング３２に固定される。
また、加熱部材５０の装着時には、下部ハウジング３２の外面と、プレート状部５１との間、及び、プレート状部５１とホルダ４２との間にゴムや樹脂のリングで成るシール体４４が配置される。
更に、このように加熱部材５０を装着した状態で、プレート状部５１の外面に発熱体Ｆが密着し、コネクタ部４３の電極４３ａから発熱体Ｆに電流を供給する導通部が形成される。
〔制御ユニット〕
燃料電池車Ａは、氷点下の寒冷地において、燃料電池ＦＣの発電を停止した状態で駐車した場合に、貯水部３８から排出孔路４１に亘る領域に残留する水が凍結し、燃料電池ＦＣにおけるガスの流れが抑制され、適正な発電が行われないことも考えられた。このような理由から、貯水部３８の水が凍結する状況では、燃料電池車Ａに運転者Ｈが車体２に乗り込んだ時点で、制御ユニット６０が、車両が走行前状態又は始動状態にあると判定しており、凍結を解消するプレヒート制御を行う。
燃料電池車Ａは、氷点下の寒冷地において、燃料電池ＦＣの発電を停止した状態で駐車した場合に、貯水部３８から排出孔路４１に亘る領域に残留する水が凍結し、燃料電池ＦＣにおけるガスの流れが抑制され、適正な発電が行われないことも考えられた。このような理由から、貯水部３８の水が凍結する状況では、燃料電池車Ａに運転者Ｈが車体２に乗り込んだ時点で、制御ユニット６０が、車両が走行前状態又は始動状態にあると判定しており、凍結を解消するプレヒート制御を行う。
走行前状態とは、例えば、図１、図７に示すハンドルセンサ７２に対する運転者Ｈの接近や、接触を検出した場合のように、制御ユニット６０による自動的な検出に基づくものを想定しており、始動状態とは、例えば、運転者Ｈがイグニッションボタン９をＯＮ操作した場合のように運転者Ｈの人為操作に基づくものを想定している。尚、始動状態を判定することにより、例えば、走行前状態を適正に判定できなかった場合でも、始動状態を判定することでプレヒート制御を確実に実行できる。
図４、図７に示す制御ユニット６０は、マイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェース、不揮発性メモリ等を備え、キーレスエントリーに必要な制御、走行の制御、発電の制御、凍結を解消する制御を実現するＥＣＵとして構成されている。
図７に示すように、制御ユニット６０は、ＩＤ照合部６１と、状況判定部６２と、プレヒート制御部６３と、掃気制御部６４と、電力制御部６５と、温度検出部６６とを備えている。これらはソフトウエアとして不揮発性メモリに記憶されるものであるが、一部を半導体素子で成るロジック回路で構成しても良い。
制御ユニット６０は、受信ユニット７１と、ハンドルセンサ７２（人検知センサの一例）と、着座センサ７３（人検知センサの一例）と、温度センサ７４と、イグニッションボタン９と、アクセルペダルセンサ７Ｓとからの情報が入力する。特に、温度センサ７４は、前述したように冷却水路２６の水温を検知するものであり、この温度センサ７４で検知した水温から、貯水部３８の水温が演算により検出される。つまり、温度検出部６６は、温度センサ７４で検知した水温が、貯水部３８の水温に比例、若しくは貯水部３８の水温と同等であると仮定して、貯水部３８の水温を演算により検出する。
温度検出部６６は、前述したように冷却水路２６に備えた温度センサ７４で検出された温度（燃料電池ＦＣが使用される環境温度）に基づいて演算により貯水部３８の水の温度を検出する検出形態に限らず、貯水部３８の水の温度を温度センサ７４で直接的に検出する形態にも対応できる。
貯水部３８の水の凍結の有無を判定するため、温度センサ７４を貯水部３８の内部に配置することが理想である。しかしながら、このような位置に温度センサ７４を配置することが困難ある場合もあり、燃料電池ＦＣが使用される環境温度を検出するように燃料電池ＦＣの近傍や、車体２のボンネットの内部空間や、外気温（環境温度）を検出する位置に配置することが考えられる。また、温度センサ７４を、車体２の外部において外気温（環境温度）を検出する位置に温度センサ７４を配置し、この温度センサ７４で検出された温度を外部のＥＣＵから無線信号等を介して温度検出部６６が取得するように構成することも考えられる。何れの位置に配置されたものであっても温度センサ７４の検出値から温度検出部６６が貯水部３８の水温が演算により検出される。
制御ユニット６０は、ドアロックユニット７５と、発熱体Ｆと、開閉弁Ｖと、発電システムＧと、インバータ７６とに制御信号を出力する。尚、発電システムＧは、燃料電池ＦＣ、還元ポンプＰ等で構成され、この発電システムＧからの電力は、インバータ７６を介して走行モータＭに供給される。
ＩＤ照合部６１は、運転者Ｈが所持する無線キー７０のＩＤ情報を照合することにより、運転者Ｈの認証を行い、キーレスエントリーの可否を判定する。状況判定部６２は、車両が走行を開始する以前の走行前状態にあるか否かを判定し、車両が始動状態にあることを判定する。走行前状態とは、前述した状態の他に、運転者Ｈが車体２に乗り込む際の状況や、車体２の運転座席３に着座する状態を含む。
プレヒート制御部６３は、凍結の解消が必要であると判定した場合に発熱体Ｆに電力を供給して凍結解消制御（図８に示す制御）を可能にする。掃気制御部６４は、燃料電池ＦＣを発熱させる運転状態において、還元ポンプＰを駆動し、開閉弁Ｖを開放する状態でアノード側のガスを循環させる掃気処理を可能にする。この掃気処理は、プレヒート処理と並行して行われる。
電力制御部６５は、アクセルペダル７の踏み込み操作に対応してアクセルペダルセンサ７Ｓからの信号に基づき燃料電池ＦＣの発電量を制御し、インバータ７６を制御することにより走行モータＭに対し必要とする電力を供給する。
〔キーレスエントリー〕
前述したように燃料電池車Ａ（ＦＣＶ）は、キーレスエントリーシステムを備えている。このシステムは、受信ユニット７１で受信した無線キー７０の情報が適正であり、ＩＤ照合部６１で運転者Ｈを認証した後に、例えば、ハンドルセンサ７２で運転者Ｈの手がドアハンドル１２に接近、又は接触したことを検知した場合に、ドアロックユニット７５が制御されることでドアロックが解除される。これにより、運転者Ｈは、キー操作等を行うことなく、ドアハンドル１２の操作によって車体２への乗り込みが可能となる。
前述したように燃料電池車Ａ（ＦＣＶ）は、キーレスエントリーシステムを備えている。このシステムは、受信ユニット７１で受信した無線キー７０の情報が適正であり、ＩＤ照合部６１で運転者Ｈを認証した後に、例えば、ハンドルセンサ７２で運転者Ｈの手がドアハンドル１２に接近、又は接触したことを検知した場合に、ドアロックユニット７５が制御されることでドアロックが解除される。これにより、運転者Ｈは、キー操作等を行うことなく、ドアハンドル１２の操作によって車体２への乗り込みが可能となる。
また、燃料電池車Ａは、キーレスエントリーにより運転者Ｈが運転座席３に着座した状態でイグニッションボタン９をＯＮ操作することにより、走行に必要なシステムをスタンバイさせ、発電システムＧでの発電を可能にする。この後、アクセルペダル７が踏み込み操作された場合には、前述したように、踏み込み量に応じて走行モータＭに供給する電力を制御することにより走行モータＭの駆動速度の制御を実現する。
〔凍結解消制御〕
凍結解消制御の概要を図８のフローチャートに示している。つまり、この制御では、車両が走行前状態にあるか否かを状況判定部６２が判定する（＃０１ステップ）。
凍結解消制御の概要を図８のフローチャートに示している。つまり、この制御では、車両が走行前状態にあるか否かを状況判定部６２が判定する（＃０１ステップ）。
＃０１ステップでは、キーレスエントリーと同様に、運転者Ｈが所持する無線キー７０のＩＤ情報がＩＤ照合部６１で適正と判定された場合、無線キー７０を所持した運転者Ｈが、ドア１１のドアハンドル１２（図１を参照）に手を近接、又は接触させたことの有無を、ハンドルセンサ７２からの信号に基づいて状況判定部６２が判定する。
この判定により、車両が、走行前状態にあることを確認した場合（＃０２ステップのＹｅｓ）には、温度センサ７４の信号を取得し（＃０３ステップ）、走行前状態にない判定の場合（＃０２ステップのＮｏ）、＃０１ステップからの処理を再度行う。
また、＃０３ステップにおいて取得した温度センサ７４の信号から気液分離器Ｓの貯水部３８の水温を温度検出部６６が演算によって検出し、検出の結果、凍結する値（例えば、０℃以下）であるか否かの判定が行われる。この判定により、検出された水温が凍結する値である場合には（＃０４ステップのＹｅｓ）、プレヒート処理を実行する（＃０５ステップ）。
これに対し、検出した水温が凍結する値でないことを判定した場合（＃０４ステップのＮｏ）には、＃０５ステップの処理は行わずにリターンする。尚、＃０１～＃０２の制御と＃０３～＃０４の制御とを入れ替えても良い。
図８のフローチャートでは、状況判定部６２が走行前状態を判定した場合の制御を想定したものであるが、前述したように状況判定部６２は、車両が始動状態にあることを判定することも可能であり、このように始動状態にあることを判定した場合でも、図８のフローチャートの＃０３～＃０５ステップと同様の制御が行われる。
プレヒート処理は、プレヒート制御部６３が発熱体Ｆに電流を供給することにより、加熱部材５０の温度を上昇させ、気液分離器Ｓの貯水部３８において、貯水部３８の貯水空間から排出孔路４１に亘る領域の凍結が解消される。
特に、プレヒート処理を実行する際には、プレヒート処理の開始より少し遅れたタイミングで掃気制御部６４による掃気処理が開始され、結果として、プレヒート処理と掃気処理とが並行して行われる。尚、プレヒート処理と掃気処理とを同時に開始するように処理形態を設定しても良い。
掃気処理は、開閉弁Ｖを開放し、所定のエアストイキ比の設定により燃料電池ＦＣの運転（発電）を行いつつ、還元ポンプＰを駆動する。これにより、燃料電池ＦＣの内部で温度が上昇したガスを、アノード側排出流路Ｌａ２から気液分離器Ｓの導入部３３に供給し、更に、気液分離器Ｓの内部のガスを導出部３４から還元流路Ｌａ３に送り、アノード側供給流路Ｌａ１から燃料電池ＦＣのアノード側にガスを供給する形態でガスが循環する。
この掃気処理を行うことにより、加熱部材５０の熱だけでなく、燃料電池ＦＣの運転で温度が上昇したガスの熱を、貯水部３８に作用させ、凍結の解消時間を短縮する。そして、凍結が解消された水は排出部３９から排出される。
その結果、凍結を解消する時間を短縮し、運転者Ｈがイグニッションボタン９をＯＮ操作した時点で、凍結が解消しており、運転者Ｈのアクセルペダル７の踏み込み操作により、車両走行を可能にする。
〔第２実施形態〕
図１、図２に示す車体２を移動本体とし、燃料電池移動体Ｂとして説明することが可能である。この燃料電池移動体Ｂは、第１実施形態において図３に示す構成と同様の構成の発電システムＧを備えている。この発電システムＧは、燃料電池ＦＣの発電時に排出される含水ガスから水とガスを分離し、分離されたガスを燃料電池ＦＣに供給し、分離された水に対し開閉弁Ｖを経て排出する気液分離器Ｓとを備えている。
図１、図２に示す車体２を移動本体とし、燃料電池移動体Ｂとして説明することが可能である。この燃料電池移動体Ｂは、第１実施形態において図３に示す構成と同様の構成の発電システムＧを備えている。この発電システムＧは、燃料電池ＦＣの発電時に排出される含水ガスから水とガスを分離し、分離されたガスを燃料電池ＦＣに供給し、分離された水に対し開閉弁Ｖを経て排出する気液分離器Ｓとを備えている。
この燃料電池移動体Ｂは、図４～図６に示すように、気液分離器Ｓは、貯水部３８の貯水空間を加熱する加熱部材５０（加熱部の一例）を備えている。また、この燃料電池移動体Ｂは図７に示す制御構成を有し、この制御構成の制御ユニット６０は、気液分離器Ｓで分離された水の温度を温度検出部６６で検出し、このように検出した水の温度の情報と、移動本体の移動前状態又は始動状態にあることを示す状態情報とに基づいて、加熱部材５０（加熱部）を作動させるプレヒート制御部６３を備えている。また、温度検出部６６は、前述したように冷却水路２６に備えた温度センサ７４で検出された温度（燃料電池ＦＣが使用される環境温度）に基づいて演算により貯水部３８の水の温度を検出する検出形態に限らず、貯水部３８の水の温度を温度センサ７４で直接的に検出する形態にも対応できる。温度検出部６６により検出される温度情報は、外部の制御装置等から温度に相当する情報をもらうことも可能である。
第２実施形態の具体的な制御構成として、制御ユニット６０は、状況判定部６２を有し、この状況判定部６２は、気液分離器Ｓで分離された水の温度と、移動本体の走行前状態又は始動状態にあることを示す状態情報を取得し、取得された水の温度と、取得された状態情報に基づいてプレヒート制御部６３が加熱部材５０を作動させる制御を行う。
〔実施形態の作用効果〕
このように、燃料電池車Ａが、寒冷地に駐車され、燃料電池ＦＣの気液分離器Ｓの内部に残留する水が凍結しても、運転者Ｈが特別の操作を行わなくとも、運転者Ｈが車体２に乗り込む際に必ず行う操作等を走行前状態又は始動状態と判定することにより、プレヒート処理を行い貯水部３８の加熱部材５０の温度上昇により凍結を解消する。
このように、燃料電池車Ａが、寒冷地に駐車され、燃料電池ＦＣの気液分離器Ｓの内部に残留する水が凍結しても、運転者Ｈが特別の操作を行わなくとも、運転者Ｈが車体２に乗り込む際に必ず行う操作等を走行前状態又は始動状態と判定することにより、プレヒート処理を行い貯水部３８の加熱部材５０の温度上昇により凍結を解消する。
このプレヒート処理は、運転者Ｈが、イグニッションボタン９のＯＮ操作以前に開始されるため、運転者Ｈが、イグニッションボタン９のＯＮ操作し、アクセルペダル７を踏み込み操作する時点では、燃料電池ＦＣは適正に発電を行える状態に移行させ、必要とする電力を走行モータＭに供給して走行を行える。
また、この燃料電池車Ａでは、凍結を解消する際に、加熱部材５０の温度上昇だけでなく、掃気処理が並行して行われるため、短時間での凍結の解消を可能にしている。また、掃気処理では、燃料電池ＦＣの内部の温度を上昇させたガスを循環させるため、燃料電池ＦＣの内部の水滴の除去も可能にする。
運転者Ｈが走行前状態にあることを判定するために、車体２に備えられているキーレスエントリーシステムの一部を利用することにより、運転者Ｈの認証を行いつつ、運転者Ｈが車体２の外部に存在する状態でも走行前状態にあることの判定を適正に行える。
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
（ａ）走行前状態の判定のために運転座席３に備えた着座センサ７３を用い、この着座センサ７３が着座を検知したタイミングを走行前状態にあると判定するよう状況判定部６２を構成しても良い。これと同様に、ドアロックが解除されたタイミング、あるいは、運転座席３のシートベルトを適正に装着したタイミングにおいて走行前状態にあると判定するよう状況判定部６２を構成しても良い。
（ｂ）実施形態に記載したキーレスエントリーの処理の一部を用い、運転者Ｈが車体２に対して所定距離まで接近した場合に、走行前状態と判定するように状況判定部６２を構成する。この処理では、運転者Ｈの認証が行われるため、例えば、人が車体２に近接する毎にプレヒート処理が実行される不都合を防止し、運転者Ｈを正確に認識して無駄のないプレヒート処理を実行できる。
（ｃ）走行前状態の判定のため、車体２の内部と外部とを撮影するカメラを備えている車両では、撮像画像に含まれる運転者Ｈがドア１１を開放して車内に乗り込む状態や、運転座席３に着座する状態から運転者Ｈが走行前状態にあると判定するように状況判定部６２を構成しても良い。
（ｄ）ハンドルセンサ７２の検知に基づいて運転者Ｈが走行前状態にあると判定することで、発熱体Ｆに電力を供給するプレヒート処理を開始し、この後に、着座センサ７３で運転者Ｈの着座を検知した後に、掃気処理を開始するように制御の順序を設定しても良い。
（ｅ）車両と認証通信を行う無線キー７０を用いて走行前状態にあることを判定するように制御形態を設定する。このように無線キー７０を用いる場合には、無線キー７０のスイッチの人為操作によりドアロックが解除された場合に、走行前状態にあると判定できる。
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
本発明は、燃料電池車に利用することができる。特に、本発明は、船舶、鉄道車両、ドローン、発電機、フォークリフト、倉庫等の施設内で可動する物流システム（ＡＧＶ）等に利用可能である。
２ 車体（移動本体）
３ 運転座席
１１ ドア
１２ ドアハンドル
３８ 貯水部
４１ 排出孔路（排出流路）
５０ 加熱部材（加熱部）
６２ 状況判定部
６３ プレヒート制御部
６６ 温度検出部
７０ 無線キー
７２ ハンドルセンサ（人検知センサ）
７３ 着座センサ（人検知センサ）
７４ 温度センサ
Ａ 燃料電池車
Ｂ 燃料電池移動体（移動体）
Ｈ 運転者
Ｍ 走行モータ（駆動源）
Ｓ 気液分離器
Ｖ 開閉弁
ＦＣ 燃料電池
３ 運転座席
１１ ドア
１２ ドアハンドル
３８ 貯水部
４１ 排出孔路（排出流路）
５０ 加熱部材（加熱部）
６２ 状況判定部
６３ プレヒート制御部
６６ 温度検出部
７０ 無線キー
７２ ハンドルセンサ（人検知センサ）
７３ 着座センサ（人検知センサ）
７４ 温度センサ
Ａ 燃料電池車
Ｂ 燃料電池移動体（移動体）
Ｈ 運転者
Ｍ 走行モータ（駆動源）
Ｓ 気液分離器
Ｖ 開閉弁
ＦＣ 燃料電池
Claims (6)
- 移動本体に対し電力を供給する燃料電池と、
当該燃料電池の発電時に排出される含水ガスから水とガスを分離し、分離されたガスを前記燃料電池に供給し、分離された水に対し開閉弁を経て排出する気液分離器と、
分離された水の昇温を図る加熱部を備え、
前記気液分離器で分離された水の温度または前記燃料電池が使用される環境の温度を取得し、前記移動本体の移動前状態又は始動状態にあることを示す状態情報を取得し、
取得されたいずれかの前記温度と、取得された前記状態情報に基づいて、前記加熱部を作動させるプレヒート制御部を備えている燃料電池移動体。 - 車体に備えた駆動源又は蓄電池に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の発電時に排出される含水ガスから水を分離し、分離されたガスは前記燃料電池へ供給し、分離された水を貯水部に貯留し、前記貯水部に貯留した水を排出する排出流路と、当該排出流路における水の流れを制御する開閉弁と、前記貯水部から前記排出流路に亘る流路の温度上昇を図る加熱部とを有する気液分離器とを備え、
前記貯水部の水の温度または前記燃料電池が使用される環境温度を温度検出部より検出し、
車両が走行を開始する以前の走行前状態又は始動状態にあることを状況判定部により判定して、
前記温度から前記温度検出部が前記貯水部の水が凍結する温度であり、前記状況判定部が前記走行前状態又は始動状態にあると判定した場合に、電流供給により前記加熱部を駆動させるプレヒート制御部を備えている燃料電池車。 - 前記車体に対する運転者の接近、あるいは、前記運転者の手の接触を検知する人検知センサを備え、
前記状況判定部は、前記人検知センサによって前記車両と認証通信を行う無線キーを所持する前記運転者を検知した場合に、前記走行前状態又は始動状態にあると判定する請求項２に記載の燃料電池車。 - 前記車体の運転座席に対する運転者の着座を検知する着座センサを備え、
前記状況判定部は、前記着座センサによって前記運転者の着座を検知した場合に前記走行前状態にあると判定する請求項２に記載の燃料電池車。 - 前記温度検出部は、前記燃料電池に供給される冷却水の温度に基づいて、前記貯水部の温度を演算により検出する請求項２～４の何れか一項に記載の燃料電池車。
- 前記加熱部が、前記貯水部の底部に配置されている請求項２～４の何れか一項に記載の燃料電池車。
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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Also Published As
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| WO2024070272A1 (ja) | 2024-04-04 |
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