JP4461701B2 - 燃料電池を搭載した移動体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、間欠運転が実行される燃料電池システムにおける燃料電池システムの保温技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、水素と酸素との化学反応により発電されるため、発電時には水が生成される。燃料電池システム中に残留している水分は、燃料電池システムの運転が停止され、燃料電池システムの温度が水の凍結温度を下回ると凍結し、この結果、水素供給路、空気供給路が閉塞され、さらには燃料電池の電解膜が凍結してしまうおそれがある。
【0003】
ここで、燃料電池システムを搭載する車両を始めとする移動体では、燃料電池システムは間欠的に運転されるため、燃料電池システムの運転停止時には、燃料電池システムの温度が水の凍結温度以下になるおそれがある。そこで、移動体では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池システムの温度を水の凍結温度より高い温度に維持するために保温運転が実行される(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−231108号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、たとえ保温運転中であっても燃料電池は発電しているため、移動体の駆動力を出力する電動機に対して電力を供給可能な状態にあり、移動体が動き出す可能性がある。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの保温運転時における移動体の移動を確実に防止することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、燃料電池を搭載した移動体を提供する。本発明の第1の態様に係る移動体は、前記燃料電池を含む燃料電池システムと、前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定する移動可否判定手段と、前記燃料電池システム停止時であって、前記移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、前記燃料電池システムを少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温運転制御手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
本実施例に係る第1の態様に係る移動体によれば、燃料電池システム停止時であって、移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、燃料電池システムを少なくとも所定温度以上に維持するために燃料電池を運転させるので、燃料電池システムの保温運転時における移動体の移動を確実に防止することができる。
【0009】
本発明の第1の態様に係る移動体はさらに、前記燃料電池システム停止時に、前記移動体が移動できる状態にあると判定された場合には報知する報知手段を備えても良い。かかる場合には、使用者に対して移動体を移動できない状態に置くよう注意を促すことができるので、移動体が移動できる状態にあることに起因する燃料電池システムの保温運転の機会の減少を防止することができる。
【0010】
本発明の第1の態様に係る移動体において、前記移動体は、駆動輪への動力の伝達を機械的に遮断する動力遮断装置、前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機、前記電動機への電力の供給を電気的に遮断する遮断回路、パーキングブレーキを有し、前記移動可否判定手段は、前記動力遮断装置によって前記動力の伝達が機械的に遮断されている場合、前記遮断回路によって前記電力の供給が電気的に遮断されている場合、および前記パーキングブレーキがオンされている場合のいずれか1つに該当する場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定しても良い。電動機から駆動輪への動力の伝達が機械的に遮断されている場合には、たとえ電動機が作動しても移動体の移動を防止することができる。また、電動機に対する電力の供給が電気的に遮断されている場合には駆動輪に対する動力を生み出す電動機は作動しないので、燃料電池によって電力が生成されても移動体の移動を防止することができる。
【0011】
本発明の第1の態様に係る移動体において、前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持しても良い。燃料電池システムにおいて、水分の凍結による影響を最も受けるのは燃料電池であるから、燃料電池の温度を所定温度範囲に維持することにより、より適切な保温運転を実行することができる。
【0012】
本発明の第2の態様は、燃料電池を含む燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法を提供する。本発明の第2の態様に係る保温制御方法は、前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定し、前記燃料電池システムが停止状態にあるか否かを判定し、前記燃料電池システムが停止状態にあると共に、前記移動体が移動できない状態にあると判定した場合には、前記燃料電池システムを少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させることを特徴として備える。
【0013】
本発明の第2の態様に係る保温制御方法によれば、本発明の第1の態様に係る移動体と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第2の態様に係る保温制御方法は、本発明の第1の態様に係る移動体と同様にして種々の態様にて実現され得る。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施例に基づいて、本発明に係る燃料電池を搭載した移動体および燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法について説明する。
【0015】
図1を参照して実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体(車両)の概略構成について説明する。図1は実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体の概略構成を示す説明図である。
【0016】
燃料電池搭載車両10は、電源システムとしての燃料電池システム20、燃料電池システムから得た電力を駆動力に変換して出力する駆動用モータ(電動機)30、駆動用モータ30によって駆動される車輪40、車両10の動作を制御する制御ユニット50を備えている。
【0017】
燃料電池システム20は、水素ガス(水素含有ガス)を燃料として消費し、電力を発生する燃料電池21、運転時に燃料電池21を冷却する熱交換器22、燃料電池21に供給する水素を蓄える高圧水素ボンベ23、燃料電池21に対して空気を供給する空気ポンプ24を備えている。なお、図示しないが蓄放電可能な二次電池が備えられていても良い。
【0018】
燃料電池21と高圧水素ボンベ23とは水素供給管231によって接続されており、水素供給管231には水素圧力を燃料電池21への供給圧力へと減圧する減圧弁232が配置されている。燃料電池21と空気ポンプ24とは空気供給管241を介して接続されている。また、燃料電池21に供給された空気は排気管242を介して大気中へと排出される。
【0019】
熱交換器22は、燃料電池21を冷却するために燃料電池21に備えられており、内部を冷却液が循環する。熱交換器22の冷却液入り口と冷却液出口のいずれか一方または双方における冷却液外部循環管221には冷却液温度を検出する冷却液温度センサ51、52が備えられている。
【0020】
駆動用モータ30は、例えば、三相の同期モータであり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、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とを備える。駆動用モータ30の動作は、制御ユニット50からの制御信号を受けたインバータ31によって制御される。インバータ31と燃料電池21とは電力供給線311によって接続されており、電力供給線311の途中には、燃料電池21と駆動用モータ30とを電気的に遮断(切断)するための電源リレー312が配置されている。
【0021】
駆動用モータ30のロータは、クラッチ機構351を備えるギヤ機構35を介して車輪40と接続されている。ギヤ機構35は、ギヤ位置(シフトポジションSP)を選択するためのシフトセレクタ36と電気的または機械的に接続されている。クラッチ機構351は、シフトセレクタ36のシフトポジションSPとしてP(パーキング)またはN(ニュートラル)が選択された場合に、駆動用モータ30と車輪40との機械的な接続を遮断(切断)する。
【0022】
駆動用モータ30は、ロータに備えられた永久磁石による磁界とステータ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って回転して必要な駆動力を車輪40に出力する。車速の減速要求(制動要求)が発生した場合には、ロータを外力によって駆動させることにより、駆動用モータ30は、これら磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生成させる発電ブレーキとして機能させられる。
【0023】
車両10には、この他に、車両駐車時に、ブレーキ41を制動状態として車両10の移動を防止するパーキングブレーキ42、車両10を始動・停止させるためのスイッチ(イグニションスイッチ)43、速度計・警告灯441等を備える計器パネル44を備える。
【0024】
制御ユニット50は、図示しない中央処理装置(CPU)、記憶装置(RAM、ROM)等を備え、車両10の運転状態に応じて車両10の動作を制御する。制御ユニット50には、シフトセレクタ36において選択されたシフトポジションSPを示すシフトポジション信号、パーキングブレーキ42の状態を示すパーキングブレーキのオン・オフ信号、スイッチ43におけるイグニッションポジションを示すイグニションポジション信号、冷却液温度センサ51、52からの検出温度信号が信号線を介して入力される。
【0025】
制御ユニット50は、インバータ31に対して駆動用モータを制御するための制御信号を送出すると共に、電源リレー312、警告灯441に対して遮断・接続信号、報知信号をそれぞれ送出する。
【0026】
図2および図3を参照して本実施例に係る車両10において実行される燃料電池システムの保温運転制御について説明する。図2は本実施例に係る車両10において実行される燃料電池システムの保温運転制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図3は保温運転と燃料電池(FC)21の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である。
【0027】
本処理ルーチンは所定時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット50は、燃料電池システム20の停止要求が発生したか否かを判定する(ステップS100)。具体的には、使用者(運転者)がスイッチ43をオフしたか否かによって判定される。燃料電池システム20の保温運転制御は、燃料電池システム20の運転停止時に燃料電池システム20、特に燃料電池21の温度を水分の凍結温度以上に保つことが目的であるから、燃料電池システム20の停止要求を処理開始のトリガとする。
【0028】
制御ユニット50は、スイッチ43がオフされたと判定した場合、すなわち燃料電池システム20の運転停止要求が発生したと判定した場合には(ステップS100:Yes)、燃料電池システム20の運転を停止すると共に、電源リレー312をオフして(ステップS110)、燃料電池21と駆動用モータ30との電気的な接続を遮断する。保温運転制御時に発生する電力が駆動用モータ30に対して供給され、駆動用モータ30が作動する事態を回避するためである。なお、スイッチ43がオフされた後も、制御ユニット50は作動状態にあり、適宜、燃料電池システム20を起動、停止することができる。
【0029】
制御ユニット50は、スイッチ43がオフされていないと判定した場合、すなわち燃料電池システム20の運転停止要求が発生していないと判定した場合には(ステップS100:No)、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム20の保温運転制御を実行しない。
【0030】
制御ユニット50は、シフトセレクタ36からシフトポジションSPがPまたはNであることを示すシフトポジション信号を受け取ったか否かを判定する(ステップS120)。すなわち、駆動用モータ30と車輪40との接続が機械的に遮断(切断)されているか否かを判定する。
【0031】
制御ユニット50はシフトポジションSP=P又はNであると判定した場合には(ステップS120:Yes)、パーキングブレーキが引かれているか否か、パーキングブレーキ信号PBがオンされているか否かを判定する(ステップS130)。すなわち、パーキングブレーキ42によってブレーキ41が制動状態に置かれ、車両10(車輪40)の移動が止められている状態であるか否かを判定する。
【0032】
制御ユニット50はパーキングブレーキ42が引かれている、すなわちPB=オンであると判定した場合には(ステップS130:Yes)、冷却液温度センサ51または52によって検出された冷却液温度Tfcが2℃以下であるか否かを判定する(ステップS140)。すなわち、燃料電池システム20が凍結のおそれのある温度条件下にあるか否かを判定する。ここで、判定温度として2℃を用いているのは、冷却液温度センサ51、52によって燃料電池システム20、特に、燃料電池21の温度を判定しているため、局所的な温度のばらつきを考慮したためである。また、判定温度としては、例えば、燃料電池21に対して燃料電池21の内部温度を直接検出する温度センサを配置した場合には、0℃であっても良く、0〜5℃程度の任意の温度を用いて構わない。いずれの場合にも、燃料電池21のいずれかの場所の温度が0度未満にならなければ良い。
【0033】
制御ユニット50は、検出された冷却液温度Tfcが2℃以下であると判定した場合には(ステップS140:Yes)、保温運転処理を開始し(S150)、本処理ルーチンを終了する。
【0034】
燃料電池システム20の保温運転処理について図3を参照して簡単に説明する。保温運転処理では、燃料電池システム20、より具体的には燃料電池21の温度を所定の温度範囲に維持するように保温運転処理が実行される。図3に示すように、燃料電池21の温度であるFC温度が0℃近傍温度になると、制御ユニット50は燃料電池システム20を起動し、燃料電池21による発電を開始する。燃料電池21が発電を開始すると、燃料電池21は発熱し、燃料電池システム20の温度は上昇し、燃料電池システム20(燃料電池21)における水分の凍結を防止することができる。
【0035】
燃料電池システム20の凍結防止の観点からは、燃料電池システム20の温度は0℃以上であればよいが、保温運転処理における燃料消費を抑制するために、燃料電池システム20の温度が、例えば、10℃といった上限温度に到達すると燃料電池システム20の運転が停止される。この後、燃料電池システム20の温度をパラメータとして、燃料電池システム20の起動・停止が繰り返し実行される。
【0036】
保温運転時に発電された電力は、空気ポンプ24を始めとする補機を駆動するための電力として消費され、あるいは、燃料電池システム20を加熱するための電気ヒータが備えられている場合には、電気ヒータによって燃料電池システム20を加熱(保温)するために用いられても良い。
【0037】
一方、制御ユニット50は、シフトポジションSP=P又はNでないと判定した場合(ステップS120:No)、およびパーキングブレーキ42が引かれていない、すなわちPB=オンでないと判定した場合には(ステップS130:No)、警告を報知する(ステップS160)。具体的には、制御ユニット50は、計器パネル44上の警告灯441を点灯、点滅させることによって、あるいは、音声によって、シフトポジションSP=PまたはNとすること、パーキングブレーキ42を引くことを促す。
【0038】
制御ユニット50は、報知開始から所定時間が経過したか否かを判定し(ステップS170)、所定時間が経過していないと判定した場合には(ステップS170:No)、ステップS120へと処理を移行する。一方、制御ユニット50は、所定時間が経過したと判定した場合には(ステップS170:Yes)、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム20の保温運転処理は実行されない。
【0039】
以上説明したように、本実施例に係る車両10および車両10に搭載された燃料電池システム20の保温運転制御方法によれば、駆動用モータ30と車輪40との接続が機械的に遮断され、また、燃料電池21と駆動用モータ30との接続が電気的に遮断された場合にのみ燃料電池システム20の保温運転処理を開始する。したがって、保温運転処理時に燃料電池21によって発電されても、車両10は電気的および機械的に移動(走行)できない状態にあり、保温運転処理時における車両10の移動を確実に防止することができる。
【0040】
また、車両10が移動可能な状態にある場合には、使用者(運転者)に対してシフトポジションSPのPまたはNポジションへの変更、パーキングブレーキ42の作動を促すので、車両10は、より多くの割合にて移動可能な状態から移動不可能な状態に変更され、燃料電池システム20の保温運転処理実行の機会を増大させることができる。この結果、燃料電池システム20の凍結をより適切に防止することができる。
【0041】
・その他の実施例:
上記実施例では、選択されたシフトポジションSP、パーキングブレーキ42の作動状況の双方に基づいて車両10が移動可能な状態にあるか否かを判定しているが、いずれか一方のみを判定しても良い。また、電源リレー312がオフされているか否かを確認するステップを備えても良い。
【0042】
上記実施例では、冷却液温度センサ51、52によって燃料電池21の温度を検出しているが、燃料電池21に対して直接温度センサを配置しても良い。また、燃料電池21の温度を検出する複数の温度センサを備え、いずれか1つの温度センサの検出値が判定温度以下となった場合に、保温運転処理を開始してもよい。かかる場合には、より適切に燃料電池システム20の凍結を防止することができる。さらに、燃料電池21の温度は、燃料電池21の温度と予め対応付けておくことにより外気温、表面温度等を用いても良い
【0043】
上記実施例では燃料電池21の燃料として高圧水素タンク23に充填されている水素を用いたが、改質器によって得られる水素含有ガス(改質ガス)を用いても良い。
【0044】
また、上記実施例に係る装置、方法は、コンピュータプログラムまたはコンピュータプログラムを記録した記録媒体(電気的、磁気的、光学的記録媒体)としても実現され得る。
【0045】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る移動体、燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温運転制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体の概略構成を示す説明図である。
【図2】本実施例に係る車両10において実行される燃料電池システムの保温運転制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図3】保温運転と燃料電池(FC)21の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である。
【符号の説明】
10…車両
20…燃料電池システム
21…燃料電池
22…熱交換器
221…冷却液外部循環管
23…高圧水素タンク
231…水素供給管
232…減圧弁
24…空気ポンプ
241…空気供給管
242…排気管
30…駆動用モータ
31…インバータ
311…電力供給線
312…電源リレー
35…ギヤ機構
351…クラッチ機構
40…車輪
41…ブレーキ
42…パーキングブレーキ
43…スイッチ(イグニションスイッチ)
44…計器パネル
441…警告灯
50…制御ユニット
51、52…冷却液温度センサ
Claims (8)
- 前記燃料電池を含む燃料電池システムと、
前記移動体を始動または停止させるためのスイッチと、
前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機と、
前記電動機への電力の供給を電気的に遮断する遮断回路と、
駆動輪への動力の伝達を機械的に遮断する動力遮断装置と、
前記遮断回路がオフされ前記燃料電池と前記電動機との電気的な接続が遮断されているか否か、並びに前記動力遮断装置によって駆動輪への動力の伝達が機械的に遮断されているか否かに基づいて前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定する移動可否判定手段と、
前記スイッチを介して前記燃料電池システムの停止の要求を検出すると共に、前記移動可否判定手段により前記遮断回路がオフされていると共に前記動力遮断装置が駆動輪への動力の伝達を遮断しており前記移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、前記燃料電池システムが所定温度以上に維持されるように前記燃料電池の作動状態を制御する保温運転制御手段と、
を備える移動体。 - 請求項1に記載の移動体はさらに、
前記燃料電池システムの停止要求検出時に、前記移動可否判定手段により前記移動体が移動できる状態にあると判定された場合には報知する報知手段を備える移動体。 - 請求項1または請求項2に記載の移動体において、
前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持する移動体。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の移動体はさらに、
パーキングブレーキを有し、
前記移動可否判定手段は、さらに、前記パーキングブレーキがオンされている場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定する移動体。 - 燃料電池を含む燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法であって、
前記移動体を始動または停止させるためのスイッチを介して、前記燃料電池システムの停止要求が入力されたか否かを判定し、
前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機への電力の供給を電気的に遮断する遮断回路がオフされ前記燃料電池と前記電動機との電気的な接続が遮断されているか否か、並びに動力遮断装置によって駆動輪への動力の伝達が機械的に遮断されているか否かに基づいて前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定し、
前記燃料電池システムの停止要求が入力されると共に、前記遮断回路がオフされていると共に前記動力遮断装置が駆動輪への動力の伝達を遮断しており前記移動体が移動できない状態にあると判定した場合には、前記燃料電池システムを所定温度以上に維持するために前記燃料電池の作動状態を制御することを備える保温制御方法。 - 請求項5に記載の燃料電池システムの保温制御方法はさらに、
前記燃料電池システムの停止要求入力時に、前記移動体が移動できる状態にあると判定した場合には報知することを備える燃料電池システムの保温制御方法。 - 請求項5または請求項6に記載の燃料電池システムの保温制御方法において、
前記燃料電池システムを少なくとも所定温度以上に維持するための前記燃料電池の運転は、
前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出し、
前記検出した計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持することによって実行される燃料電池システムの保温制御方法。 - 請求項5から請求項7のいずれかに記載の燃料電池システムの保温制御方法において、
前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定はさらに、前記パーキングブレーキがオンされている場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定する燃料電池システムの保温制御方法。
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