JP4131309B2 - 燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムとしては、共通の燃料により動作する燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム（例えば、特開昭５０−３１５１６号公報など）や、改質された燃料により発電する燃料電池と改質される前の原料や改質された燃料により動作する内燃機関とを備えるハイブリッドシステム（例えば、実開平６−４８１７０号公報など）が提案されている。前者のハイブリッドシステムは、水素と酸素を燃料とする燃料電池とこの燃料電池により発電された電力を用いて動力を出力するモータと水素を燃料として動作する水素エンジンとを備え、水素エンジンから出力される動力では動力が不足するときにモータから動力を出力することによりＮＯＸの低減などを図ることができるとされている。後者のハイブリッドシステムは、完全に改質できなかった燃料や燃料電池通過後の未使用燃料を燃料として動作可能な内燃機関を備え、これらを内燃機関に導入して動力を得て発電機を動作させることにより発電効率を向上させることができるとされている。また、後者のハイブリッドシステムでは、内燃機関の排気を改質器に導入して改質器に必要な熱源を排気からまかなうとされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのハイブリッドシステムでは、燃料電池の運転が水素エンジンの補助的なものであったり、逆に内燃機関が燃料電池の補助的なものであったりするから、システムとしての最適な効率を得ることができないといった問題があった。実開平６−４８１７０号公報記載のハイブリッドシステムでは内燃機関の排気を改質器の熱源として用いるとされているものの、内燃機関の出力は燃料電池の出力に従属的であり、ハイブリッドシステムとしての最適効率を得られないという問題があった。
【０００４】
本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムは、システムとしての効率を向上させることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムは、熱的収支に関する効率を向上させることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムは、
燃料および酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムであって、
前記燃料電池と前記内燃機関とが関連して該燃料電池と該内燃機関の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段と、前記内燃機関から出力される動力により駆動されて発電する発電手段とを備え、前記温度調節手段は、熱交換媒体を前記燃料電池と前記内燃機関とに流す循環管路と、循環管路に取り込み可能に設けられ、循環管路に取り込まれた場合に、熱交換媒体と外気とを熱交換させる熱交換器と、循環管路に前記熱交換媒体を流し、前記熱交換媒体の流れ方向を正逆に変換可能とするポンプと、を有する熱交換手段と、
前記燃料電池及び前記内燃機関の運転状態に応じて、前記循環管路に前記熱交換器を取り込むかまたは取り込まないでバイパスするか、および、前記循環管路内の熱交換媒体の流れ方向を正逆に変換させるように前記ポンプの駆動を制御する制御手段と、
前記燃料電池を始動するとき、前記発電手段により発電された電力を用いて、該燃料電池を加温する加温手段と、を備え、
前記加温手段は、ハイブリッドシステムが前記燃料を原料から改質することなく前記燃料電池に直接供給する場合に、前記燃料電池に供給される燃料を発熱により加温することにより、または、ハイブリッドシステムが原料を改質して前記燃料を生成する改質手段を有する場合に、前記改質手段に供給される前記原料を発熱により加温することにより、該燃料電池を加温する手段であることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムでは、温度調節手段が、燃料電池と内燃機関とが関連して燃料電池と内燃機関の少なくとも一方の温度を調節するから、一方の負荷状態に制約されることなく、燃料電池と内燃機関との双方を適温状態に効率よく維持できる。その結果、要求負荷変動に応じて任意に最適な燃料電池と内燃機関との出力比を選択できる。また、燃料電池または改質手段を迅速に定常運転状態にすることができる。なお、「燃料」には、燃料電池のアノードに供給される炭化水素系の燃料や水素系の燃料などが含まれる。なお、酸化ガスは、例えば空気である。ここで、「原料」は、燃料電池のアノードに供給される炭化水素系の燃料や水素系の燃料の原料となるものの意である。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムにおいて、前記温度調節手段は、前記燃料電池と熱交換すると共に前記内燃機関と熱交換する熱交換手段と、前記改質手段を始動するとき、前記発電手段により発電された電力を用いて該改質手段を加温する加温手段とを備え、前記熱交換手段は前記改質手段とも熱交換する手段であるものとすることもできる。こうすれば、それぞれ昇温特性と負荷−効率特性の異なる燃料電池と内燃機関と改質手段とを組み合わせてシステム全体の効率を向上させることもできる。また、前記温度調節手段は、前記改質手段を始動するとき、前記発電手段により発電された電力を用いて該改質手段を加温する加温手段を備えるものとするため、前記改質手段を迅速に定常運転状態にすることもできる。この態様の本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムにおいて、前記加温手段は、前記改質手段に供給される原料を加温することにより該改質手段を加温する手段であるものとすることもできる。
【００２１】
本発明の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関から排出される排ガスを動力源として駆動し、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関から排出される排ガスのエネルギを有効に用いることになるから、システムとしての効率を向上させることができる。なお、酸化ガスは、例えば空気である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０は、メタノールタンク２２から供給されるメタノールを燃料として駆動軸２１に動力を出力可能なエンジン３０と、メタノールタンク２２から供給されるメタノールを改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質器４０と、改質器４０により改質された燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス（実施例の場合は空気）の供給を受けて発電する燃料電池５０と、燃料電池５０から供給される電力またはバッテリ７４から供給される電力により駆動軸２１に動力を出力可能なモータ７０と、エンジン３０と改質器４０と燃料電池５０の温度系統を調節する温度調節装置８０と、燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０全体をコントロールする電子制御ユニット９０とを備える。
【００３９】
エンジン３０は、メタノールタンク２２から第１燃料ポンプ２３により供給されるメタノールを燃料として駆動するメタノールエンジンであり、燃料としてメタノールを用いるだけで通常のガソリンエンジンと同様の構成をしている。エンジン３０の排気管は熱交換器４４に接続されており、改質器４０に供給するメタノール水溶液をエンジン３０から排出される排ガスの熱により加温できるようになっている。また、エンジン３０の排気管には排ガスの圧力により回転するタービン３４が取り付けられており、このタービン３４にはその回転駆動により空気を加圧する第１エアコンプレッサ６０が取り付けられている。なお、加圧された空気は、調圧弁６４によりその圧力の調整がされた後、酸化ガスとして燃料電池５０に供給される。
【００４０】
改質器４０は、メタノールタンク２２から第２燃料ポンプ２４により供給されるメタノールと水ポンプ２７により供給される水とを所定の割合で混合する混合槽２６からメタノール水溶液の供給を受けてメタノールを燃料ガスに改質するものであり、図示しないが、メタノール水溶液を加熱して気化させる気化部と、メタノールを水素と一酸化炭素とに改質する改質反応部と、一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素にシフトするシフト反応部と、ガス中に残留する一酸化炭素を水素に対して優先的に酸化して燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低くする選択酸化部とから構成されている。気化部や改質反応部は、改質反応が吸熱反応であることから８００℃程度に制御されており、シフト反応部や選択酸化部は、シフト反応が発熱反応であることから３００℃程度に制御されている。
【００４１】
改質器４０にメタノール水溶液を供給する供給管には、燃料加温装置４２と熱交換器４４とが取り付けられており、改質器４０に供給されるメタノール水溶液が加温されるようになっている。燃料加温装置４２はバッテリ７４から供給される電力により発熱してメタノール水溶液を加温し、熱交換器４４はエンジン３０の排ガスの熱によりメタノール水溶液を加温することについては前述した。
【００４２】
燃料電池５０は、単電池５１を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。図２に燃料電池５０を構成する単電池５１の概略構成を示す。図示するように、単電池５１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜５２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜５２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード５３およびカソード５４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード５３およびカソード５４とで燃料ガスや酸化ガスの流路５６，５７を形成すると共に隣接する単電池５１との間の隔壁をなす２つのセパレータ５５とにより構成されている。
【００４３】
燃料電池５０は、電解質膜５２の熱に対する強度などを考慮して９０℃程度で運転されるよう制御される。エンジン３０の酸化ガスの供給管には、前述したタービン３４により駆動する第１エアコンプレッサ６０と調圧弁６４とが取り付けられている他、エンジン３０が駆動していないときに空気を加圧して燃料電池５０に供給するための第２エアコンプレッサ６２と、第１エアコンプレッサ６０と第２エアコンプレッサ６２とを切り換えるエア三方弁６３と、燃料電池５０に供給する空気の圧力を検出するエア圧センサ６６とが取り付けられている。
【００４４】
モータ７０は、燃料電池５０により発電された電力やバッテリ７４から供給される電力をインバータ７２を介して供給されて駆動し、駆動軸２１に動力を出力する。実施例ではモータ７０として同期電動機を用いたが、誘導電動機など他の種類の電動機でもよい。
【００４５】
エンジン３０やモータ７０から動力の出力を受ける駆動軸２１には、その回転により発電可能なオルタネータ３６が取り付けられており、発電された電力はバッテリ７４に蓄えられるようになっている。
【００４６】
温度調節装置８０は、エンジン３０と改質器４０と燃料電池５０とを循環する循環管路８１と、熱交換媒体としての水を循環管路８１に循環させてエンジン３０等と熱交換させる熱交換ポンプ８２と、熱交換媒体を外気により冷却する熱交換器８３と、循環管路８１に熱交換器８３を取り込んだりバイパスしたりするための第１熱交換三方弁８４ａ，８４ｂと、改質器４０と燃料電池５０との間の管路に設けられた熱交換器８５と、循環管路８１に熱交換器８５を取り込んだりバイパスしたりするための第２熱交換三方弁８６ａ，８６ｂと、熱交換媒体としての水を循環管路８１に補給する水タンク８７とを備える。
【００４７】
熱交換ポンプ８２は、正回転と逆回転が可能なポンプであり、熱交換媒体としての水をエンジン３０に向けて循環管路８１に循環させたり、これとは逆向きに循環させることができるようになっている。
【００４８】
電子制御ユニット９０は、図３のブロック図に示すように、ＣＰＵ９１を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ９２と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ９３と、各種センサからの信号を入力する入力処理回路９４と、各種駆動機器に駆動信号などを出力する出力処理回路９５とを備える。この電子制御ユニット９０の入力処理回路９４には、エンジン３０に取り付けられたエンジン温度センサ３２からのエンジン３０の温度や改質器４０の各部に取り付けられた改質器温度センサ４６からの改質器４０の各部の温度，燃料電池５０に取り付けられた燃料電池温度センサ５８からの燃料電池５０の温度，酸化ガスの供給管に取り付けられたエア圧センサ６６から供給される空気の圧力の他、エンジン３０や改質器４０，燃料電池５０，モータ７０，バッテリ７４等の運転に必要なデータを検出する各種センサ９６からの各種データやシステムを始動させるキースイッチ９７からのスタータスイッチなどが入力されている。また、出力処理回路９５からは、第１燃料ポンプ２３や第２燃料ポンプ２４，水ポンプ２７への駆動信号，第１熱交換三方弁８４ａ，８４ｂや第２熱交換三方弁８６ａ，８６ｂへの駆動信号，熱交換ポンプ８２への駆動信号，エア三方弁６３への駆動信号，第２エアコンプレッサ６２や調圧弁６４への駆動信号，オルタネータ３６への駆動信号の他、エンジン３０や改質器４０，インバータ７２を駆動制御するための各種制御信号などが出力されている。
【００４９】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の動作、特に燃料電池５０の始動時の動作について説明する。図４は、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の電子制御ユニット９０により実行される燃料電池始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、キースイッチ９７によりスタータスイッチがオンとされて後述する図５の駆動制御ルーチンによりエンジン３０から駆動軸への出力制御とされてエンジン３０が始動された後に実行される。
【００５０】
燃料電池始動時制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ９１は、まず、循環管路８１により加温循環流路の形成処理を実行する（ステップＳ１００）。具体的には、第１熱交換三方弁８４ａ，８４ｂと第２熱交換三方弁８６ａ，８６ｂとに駆動信号を出力して循環管路８１が熱交換器８３や熱交換器８５をバイパスするよう管路を形成するのである。続いて、熱交換媒体としての水が熱交換ポンプ８２からエンジン３０，改質器４０，燃料電池５０の順に流れて循環するよう熱交換ポンプ８２を駆動する（ステップＳ１０２）。このように循環管路８１を構成し熱交換ポンプ８２を駆動することにより、エンジン３０が発生する熱を用いて改質器４０や燃料電池５０を加温することができる。なお、熱交換媒体としての水をエンジン３０から改質器４０，燃料電池５０の順に流すのは、改質器４０の方が定常運転時の動作温度が高いからである。
【００５１】
次に、オルタネータ３６を駆動して駆動軸２１に出力されたエンジン３０からの動力により発電すると共に（ステップＳ１０４）、燃料加温装置４２を駆動して改質器４０に供給されるメタノール水溶液を加温する（ステップＳ１０６）。この加温処理により改質器４０や燃料電池５０が早期に定常運転温度に至ることができる。そして、調圧弁６４により燃料電池５０に供給される空気の圧力を調節する（ステップＳ１０８）。
【００５２】
次に、燃料電池温度センサ５８により検出される燃料電池５０の温度と改質器温度センサ４６により検出される改質器４０の各部の温度とを入力し（ステップＳ１１０）、入力した各温度がそれぞれに設定された所定の温度以上になっているか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ここで、所定の温度は、燃料電池５０や改質器４０の各部が定常運転状態に至ったか否かを判定するために設定されるものであり、定常運転温度より若干低めの温度に設定される。燃料電池５０の温度や改質器４０の各部の温度がそれぞれに設定された所定の温度以上となったら、燃料加温装置４２によるメタノール水溶液の加温を停止すると共に（ステップＳ１１４）、オルタネータ３６を停止する（ステップＳ１１６）。なお、燃料電池５０の温度は所定の温度になったが、改質器４０の各部の温度はまだ所定の温度に至っていないときには、第２熱交換三方弁８６ａ，８６ｂにより循環管路８１に熱交換器８５を取り込んで燃料電池５０が過熱するのを防止する。
【００５３】
そして、熱交換ポンプ８２の駆動を停止すると共に（ステップＳ１１８）、燃料電池５０や改質器４０を加温するための循環管路８１による加温循環流路を解除して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。なお、定常状態に至ると、温度調節装置８０は、第１熱交換三方弁８４ａ，８４ｂにより循環管路８１に熱交換器８３を取り付けて、熱交換媒体としての水を熱交換ポンプ８２から燃料電池５０，改質器４０，エンジン３０の順に流れるよう熱交換ポンプ８２を駆動し、燃料電池５０，改質器４０，エンジン３０を冷却する。水を燃料電池５０，改質器４０，エンジン３０の順に流すのは、燃料電池５０の動作温度が改質器４０より低いためである。なお、このように水を流すことにより、エンジン３０の運転を停止し、その後エンジン３０を始動するときには、エンジン３０は加温されているから、エンジン３０は、暖機の必要がなく、直ちに十分な性能を発揮することができる。
【００５４】
次に、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０から駆動軸２１に動力を出力する制御について説明する。図５は、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の電子制御ユニット９０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。前述したように、このルーチンは、キースイッチ９７によりスタータスイッチがオンとされた後に所定時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００５５】
駆動制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ９１は、まず燃料電池５０の状態を読み込む処理を実行する（ステップＳ１３０）。ここで、燃料電池５０の状態とは、燃料電池温度センサ５８により検出される燃料電池５０の温度や、燃料電池５０の出力端子に取り付けられた図示しない電圧計や電流計により検出される出力電圧や出力電流などにより求められる状態である。次に、読み込んだ燃料電池５０の状態が定常運転状態であるか否かを判定し（ステップＳ１３２）、燃料電池５０が定常運転状態のときには、モータ７０とエンジン３０から駆動軸２１へ動力を出力する制御を行ない（ステップＳ１３４）、燃料電池５０が定常運転状態でないときには、エンジン３０から駆動軸２１へ動力を出力する制御を行なう（ステップＳ１３６）。モータ７０とエンジン３０から駆動軸２１へ動力を出力する制御には、モータ７０を停止してエンジン３０から出力される動力のみを駆動軸２１に出力する動作やエンジン３０の運転を停止してモータ７０から出力される動力のみを駆動軸２１に出力する動作，エンジン３０から出力される動力とモータ７０から出力される動力との配分を設定してエンジン３０とモータ７０とを運転し両者から出力される動力を駆動軸２１に出力する動作が含まれる。これらの動作のうちのいずれの動作とするかは、燃料電池５０の発電効率や燃料電池５０から出力される電力，エンジン３０の運転効率，駆動軸２１に要求される動力などにより定められる。また、エンジン３０から駆動軸２１へ動力を出力する制御は、エンジン３０から出力される動力のみを駆動軸２１に出力する動作である。
【００５６】
以上説明した実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０によれば、エンジン３０と改質器４０と燃料電池５０とを関連してこれらの温度を調節することができる。この結果、温度調節系を複数備えることがなく燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０をコンパクトなものにすることができると共に、システム全体の熱効率を向上させることができる。
【００５７】
また、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０によれば、燃料電池５０を始動するときにエンジン３０が発生する熱を用いて改質器４０や燃料電池５０を加温することができ、改質器４０や燃料電池５０を早期に定常運転温度にすることができる。しかも、エンジン３０から出力された動力を用いて発電した電力やエンジン３０の排ガスの熱を用いて改質器４０に供給されるメタノール水溶液を加温するから、改質器４０をより早期に定常運転温度にすることができる。この結果、システム全体の熱効率を向上させることができる。
【００５８】
さらに、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０によれば、燃料電池５０や改質器４０が定常運転状態に至った後は、燃料電池５０や改質器４０の加温に用いた温度調節装置８０を燃料電池５０や改質器４０，エンジン３０の冷却に用いてこれらを冷却することができる。加温と冷却とを同一の温度調節装置８０で行なうから、加温と冷却とをそれぞれ備えるシステムに比してシステムをコンパクトにすることができる。しかも、加温時には、熱交換媒体としての水をエンジン３０から改質器４０，燃料電池５０の順に流して加温効果を高め、冷却時には、逆に水を燃料電池５０から改質器４０，エンジン３０の順に流して冷却効果を高めることができる。この冷却時の順を採ることにより、エンジン３０を一旦停止し、その後始動するときでも、エンジン３０は、加温されているから、暖機の必要がなく直ちにその性能を発揮することができる。
【００５９】
また、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０によれば、エンジン３０の排ガスの圧力を用いて燃料電池５０に供給する酸化ガスとしての空気を加圧することにより、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００６０】
実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０によれば、燃料電池５０の状態に基づいて、エンジン３０とモータ７０とから駆動軸２１に動力を出力するか、エンジン３０から駆動軸２１に動力を出力するかを制御することができる。この結果、燃料電池５０が定常運転状態に至ってからモータ７０から駆動軸２１に動力を出力させることができ、燃料電池５０の性能を十分に発揮させることができる。
【００６１】
以上説明した実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０では、温度調節装置８０の熱交換媒体として水を用いたが、改質器４０に供給するメタノール水溶液を用いるものとしてもよい。この変形例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０Ｂの概略構成を図６に示す。図示するように、混合槽２６は温度調節装置８０の循環管路８１に直接接続されており、改質器４０は、循環管路８１から分岐した分岐管から燃料加温装置４２および熱交換器４４を経てメタノール水溶液の供給を受けるようになっている。また、混合槽２６から循環管路８１にメタノール水溶液を供給する関係から、温度調節装置８０は、水タンク８７を備えない。また、この変形例では、熱交換媒体としてメタノール水溶液を用いることから、燃料電池５０内の熱交換媒体が流れる流路には絶縁処理がなされており、熱交換媒体が流れる流路により電気的な短絡が生じないようになっている。
【００６２】
この変形例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０Ｂでも図４の燃料電池始動時制御ルーチンや図５の駆動制御ルーチンを行なうことができるから、実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０と同様の効果を奏することができる他、水タンク８７が不要なのでシステム全体をコンパクトにすることができる。さらに、メタノール水溶液を熱交換媒体とするから、メタノール水溶液を加温することができ、システム全体の熱効率を更に向上させることができる。
【００６３】
次に本発明の第２の実施例としての燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０について説明する。図７は第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０の構成の概略を示す構成図であり、図８は第２実施例の電子制御ユニット１９０を中心とした制御信号の様子を例示するブロック図である。図示するように、第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０は、改質器４０を構成として備えない点と、メタノールタンク２２に代えて水素タンク１２２を構成として備える点と、メタノールを燃料として駆動するエンジン３０に代えて水素を燃料として駆動するエンジン１３０を構成として備える点、およびこれらに付随する点を除いて第１実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０と同様である。したがって、第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０の構成のうち第１実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の構成と同一の構成についてはその説明を省略する。なお、第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０の構成には、第１実施例の構成に付した符号に１００を加えた符号を付した。
【００６４】
第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０が備えるエンジン１３０は、水素を燃料とする水素エンジンであり、燃料が異なる点を除いて通常のガソリンエンジンと同様の構成をしている。水素タンク１２２からは第１燃料バルブ１２３を介して水素がエンジン１３０に供給されるようになっている。燃料電池１５０には、水素タンク１２２から第２燃料バルブ１２４を介して燃料加温装置１４２と熱交換器１４４とを経由して水素が供給される。なお、電子制御ユニット１９０の入力処理回路１９４には、図８に示すように、水素タンク１２２に取り付けられた水素圧センサ１２２ａにより検出される水素タンク１２２内の圧力や、第１燃料バルブ１２３や第２燃料バルブ１２４に併設された図示しない流量計により検出されるエンジン１３０や燃料電池１５０に供給される水素の流量などが入力され、電子制御ユニット１９０の出力処理回路１９５からは、第１燃料バルブ１２３や第２燃料バルブ１２４への駆動信号などが出力されている。
【００６５】
こうして構成された第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０では、キースイッチ１９７によりスタータスイッチがオンとされると図５の駆動制御ルーチンによりエンジン１３０から駆動軸への出力制御とされてエンジン１３０が始動され、図９に例示する燃料電池始動時制御ルーチンにより燃料電池１５０が始動される。以下、この図９の燃料電池始動時制御ルーチンについて簡単に説明する。
【００６６】
燃料電池始動時制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ１９１は、まず、循環管路１８１により加温循環流路の形成処理を実行し（ステップＳ２００）、熱交換媒体としての水が熱交換ポンプ１８２からエンジン１３０，燃料電池１５０の順に流れて循環するよう熱交換ポンプ１８２を駆動する（ステップＳ２０２）。このように循環管路１８１を構成することにより、エンジン１３０が発生する熱を用いて燃料電池１５０を加温することができる。次に、オルタネータ１３６を駆動して発電すると共に（ステップＳ２０４）、燃料加温装置１４２を駆動して燃料電池１５０に供給される水素を加温する（ステップＳ２０６）。この加温処理により燃料電池１５０を早期に定常運転温度にすることができる。そして、調圧弁１６４により燃料電池１５０に供給される空気の圧力を調節し（ステップＳ２０８）、燃料電池１５０の温度が所定の温度以上になるのを待って（ステップＳ２１０，２１２）、燃料加温装置１４２による水素の加温を停止すると共に（ステップＳ２１４）、オルタネータ１３６を停止し（ステップＳ２１６）、熱交換ポンプ１８２の駆動を停止すると共に（ステップＳ２１８）、燃料電池１５０を加温するための循環管路１８１による加温循環流路を解除して（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。
【００６７】
第２実施例でも、燃料電池１５０が定常運転状態に至ると、温度調節装置１８０は、第１熱交換三方弁１８４ａ，１８４ｂにより循環管路１８１に熱交換器１８３を取り付けて、熱交換媒体としての水を熱交換ポンプ１８２から燃料電池１５０，エンジン１３０の順に流れるよう熱交換ポンプ１８２を駆動し、燃料電池１５０，エンジン１３０を冷却する。なお、このように水を流すことによりエンジン１３０の運転の再開時に暖機の必要がない点については第１実施例と同様である。
【００６８】
以上説明した第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０によれば、エンジン１３０と燃料電池１５０とを関連してこれらの温度を調節することができる。また、第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０によれば、燃料電池１５０を始動するときにエンジン１３０が発生する熱を用いて燃料電池１５０を加温することができ、燃料電池１５０を早期に定常運転温度にすることができる。しかも、エンジン１３０から出力された動力を用いて発電した電力やエンジン１３０の排ガスの熱を用いて燃料電池１５０に供給される水素を加温するから、燃料電池１５０をより早期に定常運転温度にすることができる。さらに、第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０によれば、燃料電池１５０が定常運転状態に至った後は、燃料電池１５０の加温に用いた温度調節装置１８０を燃料電池１５０とエンジン１３０との冷却に用いてこれらを冷却することができる。これらの効果に付随して奏するシステム全体の熱効率を向上させることができる効果やシステムをコンパクトにすることができる効果，燃料電池１５０の状態に基づいて駆動軸１２１への動力の出力の制御による効果などは第１実施例と同様である。もとより、エンジン１３０の排ガスの圧力を用いて燃料電池１５０に供給する酸化ガスとしての空気を加圧することにより、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、エンジン１３０の出力で発電した電力により、燃料電池１５０の冷却水系を加熱し、燃料電池１５０の始動性を高めることもできる。
【００６９】
第１実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０や第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０では、モータ７０，１７０から出力される動力をエンジン３０，１３０から出力される動力と同じ駆動軸２１、１２１に出力するものとしたが、モータ７０，１７０から駆動軸２１，１２１とは異なる軸に動力を出力するものとしてもよい。
【００７０】
第１実施例や第２実施例では、本発明の一実施例として燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムについて説明したが、冷却系統や加温系統の少なくとも一方が相互に関連をもっているものであればよいから、燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムに限られず、二次電池などの一般的な意味における電池全般と内燃機関のハイブリッドシステムに適用する構成や、燃料電池と燃料の燃焼により熱を発生する燃焼器全般のハイブリッドシステムに適用する構成，一般的な意味における電池と燃料器とのハイブリッドシステムに適用する構成なども好適である。
【００７１】
次に、本発明の第１参考例としての燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムを搭載する自動車２００について説明する。図１０は、第１参考例の自動車２００が備える動力装置２１０の構成の概略を示す構成図である。第１参考例の動力装置２１０は、図示するように、ガソリンを燃料とする内燃機関としてのエンジン２２０と、発電機としても動作可能なモータ２３０と、エンジン２２０やモータ２３０からの出力軸に機械的に接続されるトルクコンバータ２３２と、トルクコンバータ２３２の後段に接続され変速する歯車変速機部２４０と、第１実施例や第２実施例で説明した燃料電池５０，１５０と同一構造の燃料電池２６０と、モータ２３０に電力を供給可能な二次電池２７０と、エンジン２２０と燃料電池２６０とを冷却する冷却装置２８０と、全体をコントロールする電子制御ユニット（ＥＣＵ）２９０とを備える。
【００７２】
エンジン２２０のクランクシャフトには、駆動装置２２２を介して始動用モータ２２４が取り付けられており、始動用モータ２２４を駆動することによりエンジン２２０を始動できるようになっている。始動用モータ２２４へは燃料電池２６０や二次電池２７０から電力の供給が可能になっており、その切り換えを行なう電源切換えスイッチ２７４がその電力ラインに設けられている。図１１は、エンジン２２０のクランクシャフト２２１から歯車変速機部２４０までの機構の概略を示す説明図である。図示するように、エンジン２２０のクランクシャフト２２１は、入力クラッチ２２６を介してモータ２３０の回転軸に機械的に接続されるようになっている。
【００７３】
モータ２３０は、電力を動力に変換するモータ機能と、動力を電力に変換する発電機能を併せ持つ同期電動発電機であり、１°単位で角度調整して設置されたステータと、磁石を有し出力軸に一体的に固定されたロータとから構成されている。モータ２３０は、燃料電池２６０や二次電池２７０からの直流電圧を図示しないインバータ回路によって変換された三相交流電圧が印加されることにより駆動する。モータ２３０への電力ラインには燃料電池２６０や二次電池２７０との接続を司る電源切換えスイッチ２７２が設けられている。
【００７４】
トルクコンバータ２３２は、循環するオイルの作用によりトルクを増幅して後方に伝達する周知の流体式のトルクコンバータであり、クランクシャフト２２１に接続されたポンプインペラ２３３、歯車変速機部２４０に接続されるタービンライナ２３４および固定部にワンウェイクラッチ２３５を介して連結されるステータ２３６を備える。トルクコンバータ２３２は、また、タービンライナ２３４をクランクシャフト２２１に接続するロックアップクラッチＬＣも備える。
【００７５】
歯車変速機部２４０は、副変速機ＯＤと、単純連結３遊星ギヤ列からなる前進４速後進１速の主変速機Ｍとを組み合わせた５速構成として構成されており、その出力軸である駆動軸２４８は図示しないデファレンシャルギヤを介して駆動輪に接続されている。副変速機ＯＤは、サンギヤＳ０、キャリアＣ０、リングギヤＲ０に関連して第１のワンウェイクラッチＦ−０とこれに並列する多板クラッチＣ−０およびこれと直列する多板ブレーキＢ−０とを備える。一方、主変速機Ｍは、サンギヤＳ１〜Ｓ３、キャリアＣ１〜Ｃ３、リングギヤＲ１〜Ｒ３からなる各変速要素を適宜直結した単純連結の３組のギヤユニットＰ１，Ｐ２，Ｐ３を備え、各ギヤユニットの変速要素に関連して多板クラッチＣ−１，Ｃ−２、バンドブレーキＢ−１、多板ブレーキＢ−２〜Ｂ−４、ワンウェイクラッチＦ−１および第２のワンウェイクラッチＦ−２が設けられている。なお、図示しないが、各クラッチおよびブレーキは、サーボ油圧の制御でそれらの摩擦材を係合解放操作するピストンを持ったサーボ手段を備えている。
【００７６】
また、歯車変速機部２４０の副変速機ＯＤのサンギヤＳ０上には、入力回転速度を検出するための入力回転センサ２４２が設けられている。入力回転センサ２４２は、歯車状の円板と、この円板の周縁に設置され、歯車の歯の有無によってオン信号、オフ信号を出力するピックアップとを含む。後述するように、第１速から第４速においては、サンギヤＳ０は、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４と一体となって回転するので、歯車変速機部２４０の入力回転速度の検出を行うことができる。また、歯車変速機部２４０の出力軸である駆動軸２４８には、出力回転速度を検出するための出力回転センサ２４４が設けられている。この出力回転センサ２４４の構造は入力回転センサ２４２と同一である。
【００７７】
次表１に、歯車変速機部２４０における変速段を選択する際の各係合要素の作動状態を示す。表１中、「○」は、係合要素の係合状態を示し、ワンウェイクラッチについてはロック状態を示す。「◎」は、エンジンブレーキの際の係合要素の係合状態を示す。また、「△」は、係合要素の係合が行われるが、動力伝達とは関係のないものであることを示している。なお、シフトレバーの位置に対応して、選択される変速段の範囲は限定される。
【００７８】
【表１】

【００７９】
歯車変速機部２４０では、操作者がシフトレバーを図１２に例示するシフトレバーポジションにおいてＰポジションやＮポジションを選択したときには、クラッチＣ−０が係合され、ワンウェイクラッチＦ−０はロック状態とされる。表１に示すように、これらのシフトレバーポジションでは、クラッチＣ−１，Ｃ−２のいずれも係合状態とはなっていない。このため、主変速機Ｍには動力が伝達されず、歯車変速機部２４０からの出力もない。
【００８０】
シフトレバーがＤポジションなどの前進系のポジションが選択されると、そのポジションに応じた範囲で、変速段の選択が行われる。例えば、Ｄポジションが選択されると走行状態および運転者の要求に応じて第１速から第５速のいずれかの変速段が選択される。また、例えば３ポジションが選択されると第１速から第３速の範囲で変速段が選択される。さらに、本参考例の動力装置２１０の場合、一つの変速段に固定し、他の変速段へ移行しない手動ポジションも備えている。この手動ポジションは、手動変速機と似た運転感覚を得られるようにと設けられたものであり、よってエンジンブレーキも効くように、駆動軸２４８からの入力がエンジン２２０へ、または少なくともトルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４まで達するように各係合要素が制御される。
【００８１】
第１速が選択される場合には、クラッチＣ−０が係合される。クラッチＣ−０が係合されると、副変速機０ＤのサンギヤＳ０とキャリアＣ０が一体として回転し、よってリングギヤＲ０も一体となって回転する。したがって、クラッチＣ−０が係合されると副変速機０Ｄは直結状態となり、入出力の回転速度が一致する。主変速機Ｍにおいては、クラッチＣ−１が係合状態とされる。これによって、ギヤユニットＰ３のサンギヤＳ３が回転する。サンギヤＳ３は、キャリアＣ３上の遊星ギヤを介してリングギヤＲ３を回転させようとするが、このリングギヤＲ３の回転方向は、ワンウェイクラッチＦ−２に阻止される方向である。結果としてリングギヤＲ３は固定され、キャリアＣ３から駆動軸２４８に動力が伝達される。また、エンジンブレーキを効かせる必要がある場合には、さらにブレーキＢ−４を係合状態とする。エンジンブレーキがかかるとき、すなわち逆駆動状態となるとき、キャリアＣ３がリングギヤＲ３を回転させようとする方向は、ワンウェイクラッチＦ−２がフリーとなる方向である。このままだと、サンギヤＳ３が駆動されずエンジンブレーキが効かない。そこで、ブレーキＢ−４を係合し、リングギヤＲ３を固定する。これによって、サンギヤＳ３に駆動力が伝達され、クラッチＣ−１，Ｃ−０が係合されているので、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４が駆動され、エンジンブレーキが作用する。
【００８２】
第２速が選択される場合には、副変速機ＯＤは、第１速の場合と同様に直結状態とされる。主変速機Ｍにおいては、クラッチＣ−１、ブレーキＢ−３が係合状態とされる。クラッチＣ−１を介して入力する動力はギヤユニットＰ２のリングギヤＲ２を駆動する。一方、ギヤユニットＰ１において、キャリアＣ１はブレーキＢ−３により固定されているので、リングギヤＲ１とサンギヤＳ１の動きは、回転方向が逆向きで、各々のプラネタリギヤとの接点における周速度の絶対値が等しくなる動きに限定される。図示するように、ギヤユニットＰ２のサンギヤＳ２は、サンギヤＳ１と一体のため、同じ速度で回転する。また、リングギヤＲ１とキャリアＣ２も同じ速度で回転する。以上から、ギヤユニットＰ２のキャリアＣ２とサンギヤＳ２の回転速度にはギヤ比に基づく所定の関係が存在する。また、キャリアＣ２のプラネタリギヤ支持点における周速度はリングギヤＲ２とサンギヤＳ２の、各々のプラネタリギヤとの接点の周速度の平均値であるという関係がある。ここで、リングギヤＲ２の回転速度はクラッチＣ−１からの入力として定まるので、変数はキャリアＣ２とサンギヤＳ２の回転速度である。また、回転速度と周速度の関係は、各ギヤのピッチ円半径によって定まる固定の値である。変数であるキャリアＣ２とサンギヤＳ２の間には二つの関数関係が存在するから、二変数が一意に決定する。この回転が駆動軸２４８に出力される。駆動軸２４８側から駆動される逆駆動時においては、前述の経路を逆向きに駆動力が伝達され、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４が駆動され、エンジンブレーキが作用する。
【００８３】
第３速が選択される場合には、副変速機ＯＤは、第１速の場合と同様に直結状態とされる。主変速機Ｍにおいては、クラッチＣ−１およびブレーキＢ−２が係合状態とされる。クラッチＣ−１からの入力は、リングギヤＲ２を駆動する。リングギヤＲ２がサンギヤＳ２を回転させようとする方向は、ワンウェイクラッチＦ−１がロックされる方向であり、サンギヤＳ２が固定される。よって、キャリアＣ２が回転し、駆動軸２４８を回転させる。駆動軸２４８側から駆動される逆駆動時においては、ワンウェイクラッチＦ−１がフリーとなるため、サンギヤＳ２を固定するためにブレーキＢ−１を係合状態とする。これによって、前述の経路と逆向きに駆動力が伝達され、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４が駆動され、エンジンブレーキが作用する。
【００８４】
第４速が選択される場合には、副変速機ＯＤは、第１速の場合と同様に直結状態とされる。主変速機Ｍにおいては、クラッチＣ−１，Ｃ−２が係合状態とされる。これによってギヤユニットＰ２のサンギヤＳ２とリングギヤＲ２が同一の回転速度となり、キャリアＣ２もこれと同一の速度で回転する。この回転が駆動軸２４８に伝達される。駆動軸２４８から駆動される場合には、前述の逆の向きに駆動力が伝達され、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４が駆動され、エンジンブレーキが作用する。
【００８５】
第５速が選択される場合には、副変速機ＯＤにおいては、クラッチＣ−０が解放状態とされ、代わりにブレーキＢ−０が係合状態となる。これによってサンギヤＳ０は固定され、キャリアＣ０の回転が増速してリングギヤＲ０に伝達される。主変速機Ｍは、第４速の場合と同様である。駆動軸２４８から駆動される場合は、前述の逆向きに駆動力が伝達され、トルクコンバータ２３２のタービンライナ２３４が駆動され、エンジンブレーキが作用する。
【００８６】
なお、エンジンブレーキは、トルクコンバータ２３２のロックアップクラッチＬＣを係合することによってより強力なものとすることができる。
【００８７】
後進ギヤが選択される場合には、選択されて実際には走行していない場合と実際に走行を行っている場合と別個の制御が行われる。シフトレバーにより後進が選択されたが、停止中である場合には、副変速機ＯＤのクラッチＣ−０が係合される。また、主変速機Ｍにおいては、クラッチＣ−２およびブレーキＢ−４が係合状態とされる。後進走行中には、第５速選択時と同様に、副変速機のクラッチＣ−０は解放され、代わりにブレーキＢ−０が係合される。主変速機ＭにおいてはクラッチＣ−２、ブレーキＢ−４の係合が維持される。クラッチＣ−２を介して伝達された回転は、ギヤユニットＰ２のサンギヤＳ２に入力される。ギヤユニットＰ２，Ｐ３の各要素の関係は、リングギヤＲ２とサンギヤＳ３が一体であるため同一の回転速度であり、キャリアＣ２，Ｃ３が一体であるため同一の回転速度である。さらに、キャリアＣ３のプラネタリギヤ支持点における周速度は、サンギヤＳ３とリングギヤＲ３の、各々のプラネタリギヤとの接点における周速度の平均値である。また、キャリアＣ２のプラネタリギヤ支持点における周速度は、サンギヤＳ３とリングギヤＲ３の、各々のプラネタリギヤとの接点における周速度の平均値である。サンギヤＳ２の回転速度は、入力により決定され、リングギヤＲ３はブレーキＢ−４により固定される。また、各要素の周速度と回転速度の関係は、ピッチ円半径などから幾何学的に決定される固定値である。以上より、二つのギヤユニットＰ２，Ｐ３における変数は、キャリアＣ２，Ｃ３、リングギヤＲ２、サンギヤＳ３の回転速度の四つであるが、このうち、キャリアＣ２，Ｃ３の回転速度の関係、リングギヤＲ２とサンギヤＳ４との回転速度の関係は、幾何学的に決定されているので、一つの変数とみなすことができる。したがって、変数は二つであり、ギヤユニットＰ２，Ｐ３における各要素の周速度が二つの式で表されるので、変数は一意に決定される。前述したようにこれらの関係は４つあるので、各値が一意に決定する。また、リングギヤＲ２とサンギヤＳ３が同一回転速度であることにより、キャリアＣ２，Ｃ３は逆転し、これにより後退が可能になる。
【００８８】
入力クラッチ２２６や歯車変速機部２４０の各係合要素は、電動オイルポンプ２５０を駆動源として作動する油圧制御部２５２により制御されている。図１３に油圧制御部２５２における油圧回路の一部を示す。図示するように、電動オイルポンプ２５０の吐出側には、調圧弁であるプライマリレギュレータバルブ２５３を介してマニュアルバルブ２５４と入力クラッチコントロールバルブ２５５とが並列に接続されている。マニュアルバルブ２５４の吐出側には、歯車変速機部２４０に設けられた前進用のクラッチＣ−１と後退用のクラッチＣ−２とが接続されている。また、マニュアルバルブ２５４は、車室内に設けられたシフトレバー２５７に機械的に連結されており、シフトレバー２５７の操作によりマニュアルバルブ２５４の吐出口が前進用のクラッチＣ−１に接続されたり後進用のクラッチＣ−２に接続されたりするようになっている。入力クラッチコントロールバルブ２５５の吐出側には入力クラッチ２２６が接続されている。また、入力クラッチコントロールバルブ２５５のスプール弁子は入力クラッチコントロールソレノイド２５６に接続されており、入力クラッチコントロールソレノイド２５６の作動により入力クラッチコントロールバルブ２５５が開口または閉口するようになっている。なお、他のクラッチやブレーキなどの係合要素を制御するための油圧回路についての説明については省略する。
【００８９】
冷却装置２８０は、図１０に示すように、冷却水を循環する循環流路２８２と、この循環流路２８２に冷却水を循環させる循環ポンプ２８４と、循環流路２８２に設けられ冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエター２８６とを備える。図示しないが、循環流路２８２は、エンジン２２０や燃料電池２６０の内部に設けられた熱交換流路に接続されており、冷却水はエンジン２２０や燃料電池２６０と熱交換流路で熱交換するようになっている。
【００９０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２９０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭと、一時的にデータを記憶するＲＡＭと、入出力ポートとを備える。図１４は、電子制御ユニット２９０の入出力信号の一例を示すブロック図である。図中、電子制御ユニット２９０の左側の信号は主な入力信号を表わし、電子制御ユニット２９０の右側の信号は主な出力信号を表わしている。
【００９１】
電子制御ユニット２９０には、入力信号として、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）からの制御信号や燃料電池２６０に取り付けられた温度センサからの燃料電池温度，燃料タンクに設けられた水位計からの燃料電池燃料残量，二次電池２７０に設けられた蓄電残量計からの二次電池ＳＯＣ，二次電池２７０に設けられた温度センサからの二次電池温度，冷却装置２８０に設けられた温度センサからの冷却水温度，クランク角度エンコーダからのエンジン回転数ＮＥ，イグニッションスイッチからの制御信号，デフォッガやエアコンからの信号，出力回転センサ２４４からの検出信号から演算された車速，油圧制御部２５２における油圧回路に設けられた温度センサからの作動油温度（ＡＴ温度），シフトレバー２５７のポジションを検出するシフトレバーポジションセンサからのシフトポジション，サイドブレーキやフットブレーキに設けられたスイッチからのオンオフ信号，排気系の浄化装置に設けられた温度センサからの触媒温度，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサからのアクセル開度，エンジン２２０のカムの角度を検出するカム角センサからの信号，変速段の変更操作のモード変更を行なうスポーツモードスイッチからのスポーツシフト信号，エンジン２２０を強制的に作動するスイッチからのエンジン作動強制信号，駆動力源ブレーキ力スイッチからのオンオフ信号，入力回転センサ２４２からのタービン回転数ＮＴ，モータ２３０の回転軸に設けられたレゾルバからのレゾルバ信号などが入力されている。
【００９２】
また、電子制御ユニット２９０からは、出力信号として、点火プラグに火花を発生させるタイミングを指示する点火信号や燃料の噴射時期および噴射量を指示する噴射信号，モータ２３０や始動用モータ２２４を制御するＭＧ１コントローラやＭＧ２コントローラへの制御信号，減速装置への制御信号，入力クラッチコントロールソレノイド２５６への制御信号，油圧制御部２５２の油圧回路に設けられたＡＴライン圧コントロールソレノイドへの制御信号，ＡＢＳアクチュエータへの駆動信号，スポーツモードインジケータへの点灯信号，油圧制御部２５２の油圧回路に設けられた各ＡＴソレノイドへの制御信号，同じく油圧制御部２５２の油圧回路に設けられたＡＴロックアップコントロールソレノイドへの制御信号，電動オイルポンプ２５０への駆動信号，電源切換えスイッチ２７２，２７４への駆動信号，燃料電池燃料切れインジケータへの点灯信号，燃料電池制御コンピュータへの制御信号などが出力されている。
【００９３】
次に、こうして構成された第１参考例の動力装置２１０の動作、特に暖機動作について説明する。図１５は、第１参考例の電子制御ユニット２９０により実行される暖機制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。この暖機制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット２９０は、まず、各入力信号の処理を実行する（ステップＳ３２０）。即ち、図１４のブロック図に示す入力信号の全部または一部を読み込む処理を実行するのである。次に、エンジン２２０や燃料電池２６０の暖機が完了しているか否かの判定を行なう（ステップＳ３３０，Ｓ３４０）。エンジン２２０の暖機の完了判定は、エンジン２２０の冷却水の温度が定常運転温度に比して低いか否かの比較により行なうことができる。また、燃料電池２６０の暖機の完了判定は、燃料電池２６０の温度が定常運転温度より低いか否かの比較により行なうことができる。
【００９４】
エンジン２２０か燃料電池２６０のいずれかの暖機が完了しているときには、マップに基づく駆動力源を選択する処理を実行して（ステップＳ４３０）、本ルーチンを終了する。ここで、駆動力源の選択処理は、例えば、シフトレバー２５７がＤポジションのときには図１６に例示する駆動力源領域マップの一例を用いてアクセル開度と車速に基づいて行なわれる。即ち、アクセル開度と車速からどの領域に属するかによりエンジン２２０を駆動力源にするかモータ２３０を駆動力源にするかを選択するのである。図１６の駆動力源領域マップには、歯車変速機部２４０における変速段の領域も示されている。この場合、エンジン２２０か燃料電池２６０の一方がまだ暖機が完了してない場合もあるが、一方の暖機が完了しているから、暖機が完了している側の熱により燃料電池２６０とエンジン２２０と冷却装置２８０とを含むシステム全体の暖機を行なう。
【００９５】
エンジン２２０と燃料電池２６０とがいずれも暖機が完了されていないと判定されると、シフトレバー２５７のポジションがＰポジションかＮポジションのいずれかであるかを判定する（ステップＳ３５０）。シフトレバー２５７のポジションは、ソフトレバーポジションセンサからの信号により検出できる。シフトレバー２５７のポジションがＰポジションかＮポジションのいずれかであるときには、発進の可能性はないと判断し、燃料電池２６０を駆動して（ステップＳ３６０）、本ルーチンを終了する。即ち、燃料電池２６０とエンジン２２０と冷却装置２８０とを含むシステム全体を燃料電池２６０から生じる熱によって暖機するのである。
【００９６】
一方、シフトレバー２５７のポジションがＰポジションでもＮポジションでもないときには、車速Ｖが値０であるか否か、即ち自動車２００が停車しているか否かを判定する（ステップＳ３７０）。車速Ｖは、図示しない車速センサによって検出してもよいし、車輪速センサにより検出された各車輪の車輪速から演算で求めてもよい。車速Ｖが値０で停車しているときには、エンジン２２０からの動力の必要はないから、燃料電池２６０を駆動して（ステップＳ４２０）、燃料電池２６０から生じる熱によってシステムを暖機する。
【００９７】
車速Ｖが値０でないとき、即ち自動車２００が走行状態にあるときには、二次電池２７０の蓄電残量としての二次電池ＳＯＣを検出すると共に（ステップＳ３８０）、燃料電池２６０の発電可能量を算出する処理を行なう（ステップＳ３９０）。実施例では、二次電池ＳＯＣを蓄電残量計により検出するものとしたが、二次電池２７０の充放電電流を積算して求めたものを用いるものとしてもよい。燃料電池２６０の発電可能量は、燃料残量により推定できる。純水素系の場合には水素の残量により、改質系の場合には燃料残量に改質効率を考慮して推定することができる。
【００９８】
そして、駆動力源領域マップからモータ２３０による走行領域でありかつ可能領域であるかを判定する（ステップＳ４００）。アクセル開度と車速とに基づいて動力源領域マップから領域の選択を行なう処理については前述した。可能領域は、ステップＳ３８０で検出した二次電池ＳＯＣやステップＳ３９０で算出した燃料電池２６０の発電可能量に基づいて駆動力源領域マップを減縮補正したものによって判定される。この補正としては、例えば図１７に例示する駆動力源領域マップのように、ＭＧ領域を二次電池ＳＯＣや燃料電池２６０の発電可能量に応じて減縮することにより行なうことができる。なお、この減縮補正された駆動力源領域マップにおけるＭＧ領域は、二次電池２７０の電力をモータ２３０以外で用いる場合にも適用される。
【００９９】
モータ２３０による走行領域でありかつ可能領域であると判定されると、エンジン２２０からの動力はまだ必要ないと判断し、燃料電池２６０を駆動して（ステップＳ４２０）、燃料電池２６０から生じる熱によってシステムを暖機する。一方、モータ２３０による走行領域でないと判定されたり可能領域でないと判定されたときには、エンジン２２０を始動して（ステップＳ４１０）、エンジン２２０から生じる熱によってシステムを暖機する。
【０１００】
以上説明した第１参考例の自動車２００が備える動力装置２１０によれば、エンジン２２０と燃料電池２６０と自動車２００の状態とに基づいて効率的に暖機を行なうことができる。この結果、暖機に伴う騒音を防止することができると共にエネルギ効率を向上させることができる。
【０１０１】
第１参考例の自動車２００が備える動力装置２１０では、図１５のルーチンにおけるステップＳ３５０でシフトレバー２５７のポジションにより自動車２００の発進の可能性を判定したが、サイドブレーキのオンオフ信号により自動車２００の発進の可能性を判定するものとしてもよい。
【０１０２】
また、参考例の自動車２００が備える動力装置２１０では、図１５のルーチンにおいてステップＳ３５０でシフトレバー２５７のポジションがＰポジションかＮポジションのいずれかであると判定されたときには、燃料電池２６０を駆動して燃料電池２６０とエンジン２２０と冷却装置２８０とを含むシステム全体を燃料電池２６０から生じる熱によって暖機するものとしたが、この場合、例えばもう一度イグニッションキーをオン操作したり別に設けたマニュアルスイッチがオン操作されたときにはエンジン２２０を始動するものとしてもよい。この処理についてはステップＳ４２０においても同様である。
【０１０３】
次に、本発明の第２参考例である自動車２００Ｂについて説明する。第２参考例の自動車２００Ｂは、第１参考例の自動車２００と同一のハード構成をしている。したがって、第２参考例の自動車２００Ｂのハード構成についての説明は省略する。なお、説明の都合上、第４実施例の自動車２００Ｂでは、第１参考例の自動車２００の構成で用いた符号をそのまま用いる。
【０１０４】
図１８は、第２参考例の自動車２００Ｂが備える動力装置２１０の電子制御ユニット２９０で実行されるアイドル回転数制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。この暖機制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット２９０は、まず、各入力信号の処理を実行する（ステップＳ５２０）。即ち、図１４のブロック図に示す入力信号の全部または処理に必要な信号のみを読み込む処理を実行するのである。次に、エンジン２２０の暖機が完了しているか否かの判定を行なう（ステップＳ５３０）。エンジン２２０の暖機の完了判定は、第１参考例と同様に、エンジン２２０の冷却水の温度が定常運転温度に比して低いか否かの比較により行なうことができる。エンジン２２０の暖機が完了していると判定されたときには、本ルーチンによる処理は必要ないと判定して本ルーチンを終了する。
【０１０５】
エンジン２２０の暖機が完了していないと判定されたときには、車速Ｖが値０であるか否かとアクセル開度θが値０であるか否かを判定する（ステップＳ５４０）。車速Ｖは前述したように車速センサによって検出することができ、アクセル開度θはアクセルポジションセンサにより検出することができる。車速Ｖが値０でないとき、即ち自動車２００Ｂが走行状態にあるときやアクセル開度θが値０でないとき、即ち運転者が自動車２００Ｂによる走行を意図しているときには、本ルーチンによる処理は必要ないと判定して本ルーチンを終了する。
【０１０６】
一方、車速Ｖが値０のとき、即ち自動車２００Ｂが停車しているときで、かつ、アクセル開度θが値０のとき、即ち運転者が自動車２００Ｂによる走行を意図していないときには燃料電池２６０による発熱が可能であるか否かを判定する（ステップＳ５５０）。即ち、燃料電池２６０が動作可能か否かによって判定することができる。なお、この判定には、燃料電池２６０に供給される燃料の残量が含まれるほか、燃料電池２６０が低温で出力が制限されているときも含まれる。燃料電池２６０による発熱が可能でないときには、コンベのアイドル回転数をコンベファーストアイドルロジック制御により設定して（ステップＳ５６０）、本ルーチンを終了する。この場合、アイドル回転数は、エンジン２２０の水温に依存して低温ほど高回転数となるように制御するのである。次表２に燃料電池２６０の発熱量とエンジン２２０の水温とアイドル回転数との関係の一例を示す。ステップＳ５６０の制御では、燃料電池２６０は発熱不可であるから、ＦＣ発熱の「無し」の行が相当する。
【０１０７】
【表２】

【０１０８】
燃料電池２６０による発熱が可能のときには、燃料電池２６０による発熱可能量を算出し（ステップＳ５７０）、算出した発熱可能量に基づいてアイドル回転数を設定して（ステップＳ５８０）、本ルーチンを終了する。参考例では、燃料電池２６０による発熱可能量は、燃料残量により推定することができ、「小」，「中」，「大」の３段階とした。発熱可能量とアイドル回転数との関係はエンジン２２０の水温を含めて表２に示した。即ち表２中、ＦＣ発熱の「小」，「中」，「大」の行が相当する。表２からも解るように、燃料電池２６０による発熱可能量が大きいときには、燃料電池２６０による発熱で暖機が迅速に行なわれるから、エンジン２２０のファーストアイドル回転数を低くするのである。
【０１０９】
以上説明した第２参考例の自動車２００Ｂが備える動力装置２１０によれば、アイドル回転数をエンジン２２０の状態や燃料電池２６０の状態，自動車２００Ｂの状態に応じて適切に制御することができる。この結果、アイドル回転数を高くすることによる騒音の発生を防止することができると共にエネルギ効率を向上させることができる。
【０１１０】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 燃料電池５０を構成する単電池５１の概略構成を示す構成図である。
【図３】 電子制御ユニット９０を中心とした制御信号の様子を例示するブロック図である。
【図４】 実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の電子制御ユニット９０により実行される燃料電池始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】 実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０の電子制御ユニット９０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】 変形例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図７】 第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図８】 第２実施例の電子制御ユニット１９０を中心とした制御信号の様子を例示するブロック図である。
【図９】 第２実施例の燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム１２０の電子制御ユニット１９０により実行される燃料電池始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図１０】 第１参考例の自動車２００が備える動力装置２１０の構成の概略を示す構成図である。
【図１１】 エンジン２２０のクランクシャフト２２１から歯車変速機部２４０までの機構の概略を示す説明図である。
【図１２】 シフトレバーポジションの一例を示す説明図である。
【図１３】 油圧制御部２５２における油圧回路の一部を例示する説明図である。
【図１４】 電子制御ユニット（ＥＣＵ）２９０の入出力信号の一例を示すブロック図である。
【図１５】 第１参考例の電子制御ユニット２９０により実行される暖機制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図１６】 第１参考例で用いられる駆動力源領域マップの一例を示す説明図である。
【図１７】 駆動力源領域マップの減縮補正の様子を例示する説明図である。
【図１８】 第２参考例の自動車２００Ｂが備える動力装置２１０の電子制御ユニット２９０で実行されるアイドル回転数制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０，１２０ 燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステム、２１，１２１ 駆動軸、２２ メタノールタンク、２３ 第１燃料ポンプ、２４ 第２燃料ポンプ、２６ 混合槽、２７ 水ポンプ、３０，１３０ エンジン、３２，１３２ エンジン温度センサ、３４，１３４ タービン、３６，１３６ オルタネータ、４０ 改質器、４２，１４２ 燃料加温装置、４４，１４４ 熱交換器、４６ 改質器温度センサ、５０，１５０ 燃料電池、５１ 単電池、５２ 電解質膜、５３ アノード、５４ カソード、５５ セパレータ、５６，５７ 流路、５８，１５８ 燃料電池温度センサ、６０，１６０ 第１エアコンプレッサ、６２，１６２ 第２エアコンプレッサ、６３，１６３ エア三方弁、６４，１６４ 調圧弁、６６，１６６ エア圧センサ、７０，１７０ モータ、７２，１７２ インバータ、７４，１７４ バッテリ、８０，１８０ 温度調節装置、８１，１８１ 循環管路、８２，１８２ 熱交換ポンプ、８３，１８３ 熱交換器、８４ａ，８４ｂ，１８４ａ，１８４ｂ 第１熱交換三方弁、８５，１８５ 熱交換器、８６ａ，８６ｂ，１８６ａ，１８６ｂ 第２熱交換三方弁、８７ 水タンク、９０，１９０ 電子制御ユニット、９１，１９１ ＣＰＵ、９２，１９２ ＲＯＭ、９３，１９３ ＲＡＭ、９４，１９４ 入力処理回路、９５，１９５ 出力処理回路、９６、１９６ 各種センサ、９７，１９７ キースイッチ、１２２ 水素タンク、１２２ａ 水素圧センサ、１２３ 第１燃料バルブ、１２４ 第２燃料バルブ、２００，２００Ｂ 自動車、２１０ 動力装置、２２０ エンジン、２２１ クランクシャフト、２２２ 駆動装置、２２４ 始動用モータ、２２６ 入力クラッチ、２３０ モータ、２３２ トルクコンバータ、２３３ ポンプインペラ、２３４ タービンライナ、２３５ ワンウェイクラッチ、２３６ ステータ、２４０ 歯車変速機部、２４２ 入力回転センサ、２４４ 出力回転センサ、２４８ 駆動軸、２５０ 電動オイルポンプ、２５２ 油圧制御部、２５３ プライマリレギュレータバルブ、２５４ マニュアルバルブ、２５５ 入力クラッチコントロールバルブ、２５６ 入力クラッチコントロールソレノイド、２５７ シフトレバー、２６０ 燃料電池、２７０ 二次電池、２７２，２７４ 電源切換えスイッチ、２８０ 冷却装置、２８２ 循環流路、２８４ 循環ポンプ、２８６ ラジエター、２９０ 電子制御ユニット、ＬＣ ロックアップクラッチ、ＯＤ 副変速機、Ｍ 主変速機、Ｓ０〜Ｓ３ サンギヤ、Ｃ０〜Ｃ３ キャリア、Ｒ０〜Ｒ３ リングギヤ、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ ギヤユニット、Ｃ−０，Ｃ−１，Ｃ−２ 多板クラッチ、Ｂ−０，Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３，Ｂ−４ 多板ブレーキ、Ｆ−０，Ｆ−１，Ｆ−２ ワンウェイクラッチ。

Claims (3)

1. 燃料および酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と内燃機関のハイブリッドシステムであって、
   前記燃料電池と前記内燃機関とが関連して該燃料電池と該内燃機関の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段と、前記内燃機関から出力される動力により駆動されて発電する発電手段とを備え、
   前記温度調節手段は、
   熱交換媒体を前記燃料電池と前記内燃機関とに流す循環管路と、循環管路に取り込み可能に設けられ、循環管路に取り込まれた場合に、熱交換媒体と外気とを熱交換させる熱交換器と、循環管路に前記熱交換媒体を流し、前記熱交換媒体の流れ方向を正逆に変換可能とするポンプと、を有する熱交換手段と、
   前記燃料電池及び前記内燃機関の運転状態に応じて、前記循環管路に前記熱交換器を取り込むかまたは取り込まないでバイパスするか、および、前記循環管路内の熱交換媒体の流れ方向を正逆に変換させるように前記ポンプの駆動を制御する制御手段と、
   前記燃料電池を始動するとき、前記発電手段により発電された電力を用いて、該燃料電池を加温する加温手段と、を備え、
   前記加温手段は、ハイブリッドシステムが前記燃料を原料から改質することなく前記燃料電池に直接供給する場合に、前記燃料電池に供給される燃料を発熱により加温することにより、または、ハイブリッドシステムが原料を改質して前記燃料を生成する改質手段を有する場合に、前記改質手段に供給される前記原料を発熱により加温することにより、該燃料電池を加温する手段であるハイブリッドシステム。
2. 前記加温手段は、原料を改質して前記燃料を生成する改質手段に供給される前記原料を加温することにより、該燃料電池を加温する手段であり、
   さらに、前記熱交換器は、前記燃料電池および前記内燃機関を流れる熱交換媒体と外気とを熱交換させるものであり、
   前記熱交換器を流れる熱交換媒体は、前記改質手段も流れて、前記改質手段と熱交換する請求項１記載のハイブリッドシステム。
3. 前記内燃機関から排出される排ガスを動力源として駆動し、前記燃料電池に前記酸化ガスを加圧供給する酸化ガス供給手段を備える請求項１または請求項２記載のハイブリッドシステム。

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