JP4332568B2 - 移動装置 - Google Patents
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Description
また、燃料電池で発電した電力は、バッテリやコンデンサなどの蓄電装置に蓄電され、燃料電池の故障により燃料電池の発電が停止した場合(以降、燃料電池フェイルと呼ぶ)には、蓄電装置の電力でモータを駆動することにより、自動車を走行させること(以降、EV走行と呼ぶ)が行われる(特許文献1参照)。
また、反応ガス流路に少量の乾燥空気を長時間送り込むことで、反応ガス流路を乾燥させて、燃料電池の性能を向上させる方法(以降、乾燥掃気と呼ぶ)がある(特許文献3参照)。
そこで、この発明によれば、温度検出手段で検出した蓄電手段の温度に基づいて、閾値を変化させたので、例えば、蓄電手段の温度が低い場合には、閾値を低く設定することで、蓄電した電力を有効に利用できる。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る移動装置としての燃料電池車1のブロック図である。
燃料電池車1は、駆動手段としての駆動モータ2の駆動により移動可能な移動体(図示省略)と、この移動体に搭載された燃料電池システム3と、を備える。
燃料電池システム3は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池10と、この燃料電池10に水素ガスやエア(空気)を供給する供給装置20と、電力を蓄電可能な蓄電手段としてのバッテリ11と、これら燃料電池10、供給装置20、およびバッテリ11を制御する制御手段としての制御装置30(図2参照)と、を有する。
エアコンプレッサ21は、エア供給路41にエアを供給する。すると、この供給されたエアは、冷却器22で冷却された後、加湿器23で加湿されて、燃料電池10に供給される。
エア供給路41の加湿器23の上流側と下流側とは、加湿器バイパス47で接続されている。この加湿器バイパス47には、加湿器バイパス弁471が設けられている。
エア供給路41と水素供給路43とは、バイパス48で接続されている。具体的には、バイパス48は、エア供給路41の冷却器22と加湿器23との間から延びて、水素供給路43のエゼクタ25よりもアノード電極側に至る。
バイパス48には、エア導入弁481が設けられている。
燃料電池10で発電された電力は、バッテリ11および駆動モータ2に供給される。電流制限器12は、燃料電池10からの出力を必要に応じて制限して駆動モータ2およびバッテリ11に供給する。
バッテリ11は、燃料電池10の出力電圧よりもバッテリ11の電圧が低い場合には、燃料電池10で発電した電力を蓄電する。一方、必要に応じて駆動モータ2に電力を供給し、駆動モータ2の駆動を補助する。
バッテリ11には、このバッテリ11の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ111と、バッテリ11の蓄電量を検出する蓄電量検出手段としての電圧センサ112と、が設けられている。
上述の駆動モータ2、バッテリ11、電流制限器12、エアコンプレッサ21、冷却器22、加湿器23、背圧制御弁421、遮断弁431、パージ弁441、ドレイン弁451、冷却器バイパス弁461、加湿器バイパス弁471、およびエア導入弁481は、制御装置30により制御される。また、温度センサ111および圧力センサ121は、制御装置30に接続される。
すなわち、パージ弁441、ドレイン弁451、冷却器バイパス弁461、加湿器バイパス弁471、およびエア導入弁481、を閉じるとともに、遮断弁431を開いておく。そして、水素タンク24から、水素供給路43を介して、燃料電池10のアノード側に水素ガス供給する。また、エアコンプレッサ21を駆動することにより、エア供給路41を介して、燃料電池10のカソード側にエアを供給する。
燃料電池10に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池10からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路44およびエア排出路42に流入する。パージ弁441およびドレイン弁451は閉じているので、水素排出路44に流れた水素ガスは、水素還流路45を通ってエゼクタ25に還流されて、再利用される。
その後、パージ弁441、ドレイン弁451、および背圧制御弁421を適当な開度で開くことにより、水素ガス、エア、および残留水が、水素排出路44およびエア排出路42から排出される。
蓄電電力駆動部32は、燃料電池10で発電した電力の少なくとも一部をバッテリ11に蓄電しておき、この蓄電した電力で駆動モータ2を駆動する。
乾燥掃気部35は、エアや水素ガスの流路である、エア供給路41、エア排出路42、水素供給路43、水素排出路44、および水素還流路45に掃気ガスを流通させて、これらの流路内を乾燥させる掃気処理を行う。具体的には、液滴除去掃気部34に比べて、小流量の掃気ガスを長時間流通させることで、流路内を乾燥させる。この乾燥掃気部35の消費エネルギは、液滴除去掃気部34の消費エネルギよりも大きい。
すなわち、エア導入弁481を閉じ、背圧制御弁421、冷却器バイパス弁461、および加湿器バイパス弁471を開いて、エアコンプレッサ21を駆動する。すると、エアコンプレッサ21から送られた掃気ガスとしての空気は、エア供給路41、冷却器バイパス46、加湿器バイパス47、燃料電池10のカソード側、およびエア排出路42を介して、外部に排出される(カソード掃気)。
具体的には、掃気制御部36は、イグニッションがオフされると、燃料電池10の温度を監視し、燃料電池システム3の温度が0度付近まで低下すると、掃気を行う。
この場合、バッテリ11の電力の残量が液滴除去掃気部34の消費電力に等しくなるまで減少するか、あるいは、イグニッションがオフされると、直ちに、バッテリ11の電力で液滴除去掃気を行う。これは、走行直後の比較的バッテリ温度が高い状態で掃気を行うことで、温度低下に伴い発生する取り出し可能な電力の減少を抑えるためである。
図3は、掃気の実施状況と掃気の完了までに必要な電力量との関係を示す図である。
図3に示すように、掃気の実施状況が100%に接近するに従って、掃気の完了までに必要な電力量も少なくなる。また、バッテリ温度が低い場合には、バッテリ温度が高い場合に比べて、高い電力量が必要となる。
図4は、燃料電池車1の状態とバッテリ11の閾値との関係を示す図である。
燃料電池フェイルが発生しておらず、発電継続判定部33により燃料電池10の発電を継続できると判定した場合には、少なくとも液滴除去掃気部34が消費する電力を確保する。ここでは、液滴除去掃気部34が消費する電力と乾燥掃気部35が消費する電力とを確保するように、閾値を所定値Aに設定する。
発電継続判定部33により燃料電池10の発電を継続できないと判定し、かつ、液滴除去掃気部34が消費する電力を確保できない場合には、掃気のための電力を確保せず、閾値を所定値C、ここでは0に設定する。
バッテリ温度が低下するに従って、バッテリ11から取り出し可能な電力値も低下する。そこで、移動電力設定部38は、温度センサ111で検出したバッテリ11の温度に基づいて、バッテリ11の閾値を変化させる。
まず、燃料電池駆動部31により、燃料電池10で発電した電力で駆動モータ2を駆動する(S11)。この状態では、バッテリ11の閾値は所定値Aである。
次に、燃料電池10の発電継続の可否を判定する(S12)。この判定がYESの場合には、燃料電池による発電を継続する(S13)。その後、イグニッションがオフされたか否かを判定する(S14)。この判定がNOの場合には、S12に戻り、YESの場合には、液滴除去掃気部34による掃気および乾燥掃気部35による掃気を行うための電力と、次回に燃料電池10を起動するための電力と、を充電して(S15)、燃料電池10を停止させる(S16)。
イグニッションがオフされると、走行を停止して、燃料電池を停止する。そのため、カソード側のガスの流量およびアノード側のガスの流量は低下する。
その後、燃料電池システムの温度を監視し、システム温度が0度付近まで低下すると、まず、大流量のエアを短時間カソード側に供給することで、カソード側の液滴除去掃気を行った後、大流量のエアを短時間アノード側に供給することで、アノード側の液滴除去掃気を行う。その後、小流量のエアを長時間アノード側あるいはカソード側に供給することで、アノード側あるいはカソード側の乾燥掃気を行う。
燃料電池フェイルが発生すると、EV走行に切り替わるため、カソード側のガスの流量およびアノード側のガスの流量は低下する。
その後、イグニッションがオフされるか、または、バッテリ出力が低下すると、EV走行を停止する。そして、大流量のエアを短時間カソード側に供給することで、カソード側の液滴除去掃気を行った後、大流量のエアを短時間アノード側に供給することで、アノード側の液滴除去掃気を行う。その後、乾燥掃気は行わない。
(1)燃料電池10の発電継続が可能と判定した場合には、液滴除去掃気部34および乾燥掃気部35により掃気を行う。一方、燃料電池フェイルが発生して、燃料電池10の発電継続が不可と判定した場合には、液滴除去掃気部34により掃気を行う。よって、燃料電池フェイルが発生した場合、乾燥掃気部35のための電力を燃料電池車1の走行に利用するので、バッテリ11を用いたEV走行による走行距離を長くできる。
本実施形態では、燃料電池車1の動作について、バッテリ温度に基づいて閾値を変化させる点が、第1実施形態と異なる。
すなわち、図9のフローチャートは、S13とS14との間にS13Aが設けられている点、S18とS19との間にS18Aが設けられている点、および、S22とS23との間にS22Aが設けられている点が、図6のフローチャートと異なる。
S13A、S18A、およびS22Aでは、移動電力設定部38は、温度センサ111で検出したバッテリ11の温度に基づいて、バッテリ11の閾値を変化させる。
本実施形態では、燃料電池車1の動作について、燃料電池10の発電を継続できない場合、直ちに液滴除去掃気を開始する点が、第1実施形態と異なる。
すなわち、図10のフローチャートでは、S11〜S16は、第1実施形態のS11〜S16と同様のステップであるが、S31〜S36が第1実施形態と異なる。
具体的には、S12での判定がNOの場合には、掃気制御部36により、液滴除去掃気部34による掃気を直ちに開始し(S31)、掃気電力算出部37により、掃気の完了までに必要な電力量(掃気必要電力量)を算出する(S32)。次に、バッテリ11の電力の残量が掃気必要電力量以下になったか否か、あるいは、イグニッションがオフされたか否かを判定する(S33)。
例えば、上述の各実施形態では、カソード側の液滴除去掃気を行った後、アノード側の液滴除去掃気を行ったが、これに限らず、どちら側の掃気を先に行ってもよい。
また、上述の各実施形態では、蓄電手段としてバッテリ11を用いたが、これに限らず、キャパシタを用いてもよい。
2 駆動モータ(駆動手段)
10 燃料電池
11 バッテリ(蓄電手段)
30 制御装置(制御手段)
31 燃料電池駆動部(燃料電池駆動手段)
32 蓄電電力駆動部(蓄電電力駆動手段)
33 発電継続判定部(発電継続判定手段)
34 液滴除去掃気部(液滴除去掃気手段)
35 乾燥掃気部(乾燥掃気手段)
37 掃気電力算出部(掃気電力算出手段)
111 温度センサ(温度検出手段)
112 電圧センサ(蓄電量検出手段)
Claims (7)
- 駆動手段の駆動により移動可能な移動体と、
反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
電力を蓄電可能な蓄電手段と、
前記移動体、前記燃料電池、および前記蓄電手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池で発電した電力および前記蓄電手段に蓄電した電力により前記駆動手段を駆動する燃料電池駆動手段と、
前記燃料電池で発電した電力の少なくとも一部を前記蓄電手段に蓄電しておき、当該蓄電した電力で前記駆動手段を駆動する蓄電電力駆動手段と、を有する移動装置であって、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電継続の可否を判定する発電継続判定手段と、
前記蓄電手段に蓄電した電力により、前記反応ガスの流路に掃気ガスを流通させて、当該流路内の液滴を除去し、前記反応ガスの流路における氷の発生により前記反応ガスの流通が遮られることを防止する液滴除去掃気手段と、
前記蓄電手段に蓄電した電力により、前記反応ガスの流路に前記液滴除去掃気手段に比べて小流量の掃気ガスを長時間流通させることで、当該流路内を乾燥させ、前記燃料電池の性能を向上させる乾燥掃気手段と、をさらに備え、
前記燃料電池駆動手段により前記移動体を移動させる期間中に、前記発電継続判定手段により前記燃料電池の発電継続の可否を判定し、
前記燃料電池の発電継続が可能と判定した場合には、少なくとも液滴除去掃気手段による掃気により消費する電力を確保するように前記燃料電池の発電を継続し、前記移動体の移動終了後に、前記液滴除去掃気手段および前記乾燥掃気手段による掃気を行うための電力を確保するように前記蓄電手段を充電して前記燃料電池の発電を停止し、当該停止後に前記液滴除去掃気手段および前記乾燥掃気手段により掃気を行い、
前記燃料電池の発電継続が不可と判定した場合には、前記燃料電池の発電を停止して、前記液滴除去掃気手段による掃気を行う電力を確保するように前記蓄電電力駆動手段により前記移動体を移動させて、前記液滴除去掃気手段により掃気を行うことを特徴とする移動装置。 - 請求項1に記載の移動装置において、
前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記液滴除去掃気手段の実行に必要な電力を算出する掃気電力算出手段と、をさらに備え、
前記移動体の移動のために前記蓄電手段から取り出し可能な電力の下限値を閾値とし、
前記蓄電量検出手段で検出した蓄電量および前記掃気電力に基づいて、前記移動体が移動する期間、少なくとも前記液滴除去掃気手段の実行に必要な電力を確保するように前記閾値を設定することを特徴とする移動装置。 - 請求項2に記載の移動装置において、
前記蓄電手段の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記閾値を変化させることを特徴とする移動装置。 - 請求項2または3に記載の移動装置において、
前記制御手段は、前記蓄電量検出手段で検出した蓄電量が前記閾値に到達するまで、前記蓄電電力駆動手段による前記移動体の移動を許可することを特徴とする移動装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の移動装置において、
前記乾燥掃気手段の消費電力は、前記液滴除去掃気手段の消費電力よりも大きいことを特徴とする移動装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の移動装置において、
前記液滴除去掃気手段は、前記燃料電池のアノード電極およびカソード電極の両極に対して行うことを特徴とする移動装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の移動装置において、
前記乾燥掃気手段は、前記液滴除去掃気手段の後に実施されることを特徴とする移動装置。
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