JP4591062B2 - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給により発電を行う燃料電池を備えた車両用燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池起動時に駆動トルクを制限し、不用意な車両の動作を解消するための技術に関する。

近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池の燃料極及び酸化剤極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。

ところで、燃料電池に限らず、電池を動力源とする車両（自動車等）では、ガソリンエンジンの車両と異なり、電池が起動可能状態となるまでシフト操作を制限する必要がある。電池が起動可能状態となるまでの間は、例えばオイル供給遅れ等が発生するおそれがあり、円滑な始動が難しい。

そこで、例えばエンジンと電動モータとを備えたハイブリッド車両においては、特許文献１に記載されるように、スタートスイッチを押せるのはシフト位置が駐車位置（Ｐレンジ）である場合であり、シフト位置をＰレンジから変更するには、ブレーキをオンすることを条件としている。ガソリン車両やハイブリッド車両の場合、エンジンの始動時間が短いので、シフト位置をＰレンジにしてスタートスイッチをオンすれば直ちに発進準備が整い、ブレーキをオンしてシフトすることで、円滑な発進が可能である。
特開２００４−６９０７０号公報

しかしながら、燃料電池システムを動力源とする燃料電池車両では、ガソリン車両やハイブリッド車両等と比べ、スタートスイッチを入れてから走行可能状態（燃料電池システム起動完了）になるまでに時間がかかるため、前記始動方法では種々のトラブルが発生するおそれがある。例えば、シフト位置をＰレンジに入れてからスタートスイッチを押し、ブレーキをオンにすれば、燃料電池システム起動処理中に駆動レンジ［例えばドライブレンジ（Ｄレンジ）、あるいはバックギアレンジ（Ｒレンジ）］へ入れることが可能であり、その場合、燃料電池システム起動完了と同時にシフト信号に応じた駆動トルク指令値が出力され、運転者の操作とは異なるタイミングでクリープトルクが発生する可能性がある。特に、従来のＡＴ車同様のクリープ制御を搭載している場合、運転者がシフト位置をＤレンジに入れたまま起動を待っていると、起動完了と同時にクリープトルクが発生する場合がある。

このような問題を解消するためには、燃料電池システム起動処理中のＤレンジ、あるいはＲレンジへのシフト操作を制限するようにすればよいが、従来のＡＴシフトを流用する場合、シフトをロックするための機構を備える必要があり、コスト増等につながるおそれがある。

本発明は、前述した従来の実情に鑑みて提案されたものであり、仮に燃料電池システムの起動処理中に駆動レンジへのシフト操作を行った場合にも、起動処理完了後に運転者の意図しない発進を抑制することが可能な車両用燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、従来のＡＴシフトを流用した場合にも格別な機構を設ける必要がなく、装置構成が複雑化したりコスト増を招くことのない車両用燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の車両用燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池又はバッテリからの電力によって駆動する駆動モータと、燃料電池の起動が完了した状態であるか、あるいはバッテリからの電力供給準備が終了した状態であるかによって車両が走行可能か否かを判定する車両走行可否判定手段と、車両が走行可能と判定されるまでの間にシフト位置を駆動レンジに入れた場合に、車両が走行可能と判定された後の駆動モータの駆動トルクを制限する駆動トルク制限手段と、前記駆動トルク制限手段の解除の可否を判定する駆動トルク制限解除判定手段と、前記駆動トルク制限解除判定手段における判定結果に基づいて車両が走行可能と判定された後の駆動モータの駆動トルク制限を解除する駆動トルク制限解除手段とを備える、ことを特徴とする。

燃料電池車両の場合、ハイブリッド車両等とは異なり、スタートスイッチを入れてから車両走行可能状態（燃料電池システム起動完了状態）になるまでに時間がかかり、シフト位置をＰレンジに入れてからスタートスイッチを押し、ブレーキをオンにすれば、燃料電池システム起動処理中にＤレンジやＲレンジ）へ入れることが可能である。この状態で駆動トルクが伝達されると、クリープトルクが発生したり、意図しない発進の原因となる。

本発明の車両用燃料電池システムは、前記駆動トルク制限手段を備えており、この駆動トルク制限手段は、車両走行可能状態となるまでのシフト位置に基づき駆動トルクを制限する。具体的には、車両走行可能状態となるまでの間（例えば燃料電池の起動が完了するまでの間）にＤレンジやＲレンジ等の駆動レンジに入れる操作がなされた場合に、駆動トルクを制限する。これにより、車両走行可能状態になるまでの移行期間に運転者の意図しない発進が行われることはなく、クリープトルクが発生することもない。

本発明の車両用燃料電池システムによれば、仮に燃料電池システムの起動処理中に駆動レンジへのシフト操作を行った場合にも、起動処理完了後に運転者の操作とは異なるタイミングでのクリープトルクを抑制することが可能である。また、本発明の車両用燃料電池システムを用いることにより、従来のＡＴシフトを流用した場合に格別な機構を設ける必要がなく、装置構成が複雑化したりコスト増を招くこともない。

以下、本発明を適用した車両用燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に、燃料ガスである水素ガスを供給する水素貯蔵タンク１及びこの水素貯蔵タンク１から供給される水素ガスの圧力を調整するアノード極圧力制御弁２、空気を供給するためのコンプレッサ３、発電を行う燃料電池４等を主要な構成要素として備えている。

燃料電池４は、燃料ガス（水素ガス）が供給されるアノード４ａと、酸化剤ガス（空気）が供給されるカソード４ｂとが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、通常は、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード４ａでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード４ｂにそれぞれ移動する。カソード４ｂでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。

燃料電池４の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

前記燃料電池４においては、水素ガスや空気を前記アノード４ａやカソード４ｂに供給する必要があり、そのための機構が水素ガス供給手段及び空気供給手段である。

ここで、水素ガス供給手段について説明すると、水素ガス供給手段は、例えば、前述の水素貯蔵タンク１や、供給される水素ガスの流量、圧力等を調整するアノード極圧力制御弁２を備え、アノードガス配管５によって燃料電池４のアノード４ａに水素ガスを供給する構成とされている。すなわち、水素貯蔵タンク１から供給される水素ガスは、アノード極圧力制御弁２によって圧力や流量が調整された後、アノードガス配管５を通って燃料電池４のアノード４ａに送り込まれる。

また、燃料電池４のアノード４ａには、アノードガス排気管６が設けられており、反応に寄与しない余剰な水素ガスは、例えばエゼクタ等により、アノード上流側において水素貯蔵タンク１から供給される水素ガスと合流され、再度アノード極４ａへと供給されるか、アノードガス排気管６より外部に排気される。

一方、空気供給手段は、外気を吸入し燃料電池４のカソード４ｂに空気を圧送するためのコンプレッサ３と、圧送される空気を燃料電池４のカソード４ｂへと導くカソードガス配管７、さらには燃料電池４のカソード４ｂから反応に用いられなかった空気を排出するためのカソードガス排気管８とから構成されている。前記コンプレッサ３により外部からの空気（外気）がカソードガス配管７に送り込まれ、必要に応じて加湿装置等で加湿された後、燃料電池４のカソード４ｂに供給される。燃料電池４のカソード４ｂで消費されなかった空気は、カソードガス排気管８から排出される。

燃料電池４には、駆動モータ１０が燃料電池出力制御器１１を介して接続されており、さらにはこれら駆動モータ１０や燃料電池出力制御器１１を制御するコントローラ９が設けられている。発電により燃料電池４のセルから取り出された電力は、コントローラ９の指令に基づいて燃料電池出力制御器１１で出力制御され、負荷である駆動モータ１０を駆動する。

また、前記コントローラ９には、シフトセンサ１２やアクセルセンサ１３からの情報が入力されると共に、燃料電池４の運転状態を検出する電圧計１４、電流計１５、内部温度を検出する温度センサ等からの情報が入力され、目標電力に応じて所定の水素ガス圧力、流量、空気圧力、流量を実現するように、燃料電池出力制御器１３やコンプレッサ７、アノード極圧力制御弁２等がコントローラ９によって制御される。

以上が車両用燃料電池システムの基本構成であるが、次に、本実施形態の車両用燃料電池システムにおける重要な機能である駆動モータへのトルク制御について説明する。

図２は、駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。コントローラ９には、駆動モータのトルク制御を行うために、車両走行可能状態判定部２０と駆動トルク制限判定部２１、駆動トルク制限解除判定部２２、駆動要求検知部２３、及び駆動トルク指令演算部２４が設けられている。

駆動トルク制限判定部２１には、前記車両走行可能状態判定部２０からの信号と、シフトセンサ１２からの信号が入力され、車両走行可能状態における駆動トルク制限を行うか否かの判定を行う。

駆動トルク制限解除判定部２２には、前記車両走行可能状態判定部２０からの信号と、駆動要求検知部２３からの信号が入力され、車両走行可能状態における駆動トルク制限解除を行うか否かの判定を行う。

駆動要求検知部２３には、前記車両走行可能状態判定部２０からの信号と、シフトセンサ１２からの信号が入力され、運転者の駆動要求を検知する。

駆動トルク演算部２４には、シフトセンサ１２からの信号と、アクセルセンサ１３からの信号と、前記駆動トルク制限判定部２１からの信号と、前記駆動トルク制限解除判定部２２からの信号が入力され、駆動モータへのトルク指令値を演算する。駆動トルク制限されていると判定された場合には、駆動モータへのトルク指令値は、アクセル開度やシフト位置に関わらず、ゼロ、あるいは車両が動き出さない程度にまで制限する。

次に、本実施形態の車両用燃料電池システムにおける燃料電池起動時の駆動トルク制限制御フローを図３に示す。図３に示すように、燃料電池起動時には、先ず、ステップＳ１において、車両が走行可能状態であるか否かの判定を行う。走行可能状態とは、例えば燃料電池の起動処理が終了し、燃料電池から電力を取り出して駆動モータに供給し、車両が走行できるような状態である。また、燃料電池以外の動力源、例えばバッテリを備えたシステムでは、バッテリからの電力供給準備が終了した状態を走行可能状態とする。

前記ステップＳ１で、車両走行可能状態で無いと判定された場合には、ステップＳ２に進み、シフト位置が駆動レンジにあるか否かの判定を行う。ここで、駆動レンジとは、少なくともシフト位置がＤレンジ、あるいはＲレンジであることを指す。

ステップＳ２で、シフト位置が駆動レンジにあると判定された場合には、ステップＳ３に進み、駆動トルク制限フラグをセットする。ステップＳ２で、シフト位置が駆動レンジにないと判定された場合には、ステップＳ４に進み、駆動トルク制限フラグをクリアする。以上の処理の後、駆動トルク制限制御ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１で、車両走行可能状態であると判定された場合には、ステップＳ５に進み、駆動トルク制限フラグがセットされているか否かの判定を行う。ステップＳ５で、駆動トルク制限フラグがセットされていると判定された場合には、ステップＳ６に進み、駆動要求検知処理を行い、さらにステップＳ７に進む。ステップＳ５で、駆動トルク制限フラグがセットされていないと判定された場合には、駆動トルク制限制御ルーチンを終了する。

ステップＳ７に進んだ場合、ここで駆動要求フラグがセットされているか否かの判定を行う。そして、ステップＳ７において、駆動要求フラグがセットされていると判定された場合には、ステップＳ８に進み、駆動トルク制限フラグをクリアし、駆動トルク制限制御ルーチンを終了する。ステップＳ７において、駆動要求フラグがセットされていないと判定された場合には、そのまま駆動トルク制限制御ルーチンを終了する。

以上の駆動トルク制限制御フローにおいては、駆動要求検知処理（ステップＳ６）が必要である。このステップ６の駆動要求検知処理について、図４に基づいて説明する。

図４に示すように、駆動要求検知処理ルーチンが開始されると、先ず、ステップＳ１１において、シフト位置が駆動レンジにあるか否かの判定を行う。そして、このステップＳ１１において、シフト位置が駆動レンジにないと判定された場合には、ステップＳ１２に進み、非駆動レンジ履歴フラグをセットし、さらにステップＳ１３に進み、駆動要求フラグをクリアする。

一方、ステップＳ１１において、シフト位置が駆動レンジにあると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、非駆動レンジ履歴フラグがセットされているか否かの判定を行う。そして、このステップＳ１４で非駆動レンジ履歴フラグがセットされていると判定された場合には、ステップＳ１５に進み、駆動要求フラグをセットする。ステップＳ１４で非駆動レンジ履歴フラグがセットされていないと判定された場合には、ステップＳ１６に進み、駆動要求フラグをクリアする。以上の処理の後、駆動要求検知処理ルーチンを終了する。

本実施形態の車両用燃料電池システムは、車両走行可能か否かを判定する車両走行状態判定手段（車両走行可能状態判定部２０）と、車両走行可能状態となるまでのシフト位置に基づき、車両走行可能状態になっても駆動トルク指令を出さない駆動トルク制限手段（駆動トルク制限判定部２１）と、駆動トルク制限を解除するか否かを判定する駆動トルク制限解除判定手段（駆動トルク制限解除判定部２２）と、駆動トルク制限解除と判定された場合に駆動トルク制限を解除する駆動トルク制限解除手段（駆動トルク演算部２４）とを有しているので、車両走行可能状態移行時には、運転者の意図しない発進を抑制することができ、車両走行可能状態となった後、駆動トルク制限を解除することで、再起動することなく車両走行が可能となる。

また、本実施形態の車両用燃料電池システムは、運転者の車両駆動要求を検知する駆動要求検知部２３を備えており、駆動トルク制限解除判定部２２は、駆動要求検知部２３からの信号に基づいて解除の可否を判断している。そして、運転者の駆動要求をトルク制限解除条件としているので、不安感を与えることなく駆動トルク制限を解除することができる。

本実施形態の車両用燃料電池システムの構成を図５に示す。なお、燃料電池システムの基本的な構成は、先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、その説明は省略する。図５に示す通り、本実施形態の車両用燃料電池システムの概略構成は第１の実施形態のものと同じであるが、本実施形態では、ブレーキセンサ１６を新たに備える。

図６は、本実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。この回路構成についても、概略は第１の実施形態のものと同じであるが、本実施形態ではブレーキセンサ１６とブレーキ入力検知部２５を新たに備える。すなわち、駆動要求検知部２３には、車両走行可能状態判定部２０からの信号と、ブレーキ入力検知部２５からの信号と、アクセルセンサ１３からの信号が入力され、運転者の駆動要求を検知する。

本実施形態の車両用燃料電池システムにおいて、コントローラ９にて実施される駆動トルク制限制御フローの基本構成は先の第１の実施形態と同じであり、ステップＳ６での駆動要求検知処理のみ異なる。そこで、以下においては、本実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動要求検知処理について説明する。

図７は、本実施形態における駆動要求検知処理フローを示すものである。本実施形態の駆動要求検知処理では、先ず、ステップＳ２１で、ブレーキ入力があるか否か（ブレーキが踏まれているか否か）の判定を行う。ここで、ブレーキからの入力とは、例えばブレーキが踏まれたことを検出するブレーキスイッチや、ブレーキマスターシリンダ圧などが考えられ、ブレーキスイッチが入っていることや、ブレーキマスターシリンダ圧が所定値以上であることを検知することで、ブレーキ入力検知を行う。

ステップＳ２１で、ブレーキ入力があると判定された場合には、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、ブレーキ入力履歴フラグをセットして、ステップＳ２３に進み、駆動要求フラグをクリアする。

一方、ステップＳ２１で、ブレーキ入力がないと判定された場合には、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、ブレーキ入力履歴フラグがセットされているか否かの判定を行う。ブレーキ入力履歴フラグがセットされていないと判定された場合には、ステップＳ２５に進み、駆動要求フラグをクリアする。ブレーキ入力履歴フラグがセットされていると判定された場合には、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、アクセル入力があるか否かの判定を行う。アクセル入力があると判定された場合には、ステップＳ２７に進み、駆動要求フラグをセットする。以上の処理の後、駆動要求検知処理ルーチンを終了する。

本実施形態において、駆動要求検知部２３は、車両走行可能状態において、非駆動レンジと駆動レンジとのシフト操作切替を検知することにより、あるいはブレーキ踏み込み操作やアクセル踏み込み操作を検知することにより駆動要求の有無を検知するようにしている。このような運転者の駆動要求の検知に基づきトルク制限を解除することで、不安感を与えることなく駆動トルク制限を解除することができる。

本実施形態の燃料電池システムの構成を図８に示す。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付し、ここではその説明は省略する。本実施形態の車両用燃料電池システムの概略構成も先の第１の実施形態、あるいは第２の実施形態のものと同じであるが、本実施形態では、警告装置１７を新たに備える。

なお、前記警告装置１７としては、例えばモニタ（動力装置の状態、車両の走行状態等を図形あるいは文字により表示）等の表示装置や、ブザー等の警報装置、メータ等が考えられる。

図９は、第３の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。この回路構成の概略も、第１の実施形態、第２の実施形態のものと同じであるが、本実施形態では、前記警告装置１７と警告判定処理部２６を新たに備える。

前記構成のコントローラ９では、警告判定処理部２６には、駆動トルク制限判定部２１からの信号と、駆動トルク制限解除判定部２２からの信号が入力される。警告判定処理部２６で、駆動トルクを制限していることを検知した場合には、駆動トルクを制限していることを告知するよう警報装置１７に出力する。あるいは、シフト位置を非駆動レンジに操作することを促す告知を行うよう警告装置１７に出力する。

また、警告判定処理部２６で、駆動トルク制限を解除したことを検知した場合には、駆動トルク制限が解除され、車両が駆動可能状態にあることを告知するよう警告装置１７に出力する。

本実施形態の車両用燃料電池システムは、運転者に駆動トルク制限状態を告知する手段を有しているので、例えば運転者に駆動トルク制限を行っていることを認識させることができ、駆動トルク制限解除操作を促すことができる。また、駆動トルク制限解除時にこれを運転者に告知することで、運転者に不安感を与えることなく、安全に駆動トルクを出力することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

第１の実施形態の車両用燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第１の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の車両用燃料電池システムにおける燃料電池起動時の駆動トルク制限制御フローを示すフローチャートである。 第１の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動要求検知処理フローを示すフローチャートである。 第２の実施形態の車両用燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第２の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動要求検知処理フローを示すフローチャートである。 第３の実施形態の車両用燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第３の実施形態の車両用燃料電池システムにおける駆動モータトルク制御に関連する回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：水素貯蔵タンク
２：アノード極圧力制御弁
３：コンプレッサ
４：燃料電池
４a：アノード極
４b：カソード極
５：アノードガス配管
６：アノードガス排気管
７：カソードガス配管
８：カソードガス排気管
９：コントローラ
１０：駆動モータ
１１：燃料電池出力制御器
１２：シフトセンサ
１３：アクセルセンサ
１４：電圧計
１５：電流計
１６：ブレーキセンサ
１７：警報装置
２０：車両走行可能状態判定部
２１：駆動トルク制限判定部
２２：駆動トルク制限解除判定部
２３：駆動要求検知部
２４：駆動トルク演算部
２５：ブレーキ入力検知部
２６：警告判定処理部

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池又はバッテリからの電力によって駆動する駆動モータと、
   燃料電池の起動が完了した状態であるか、あるいはバッテリからの電力供給準備が終了した状態であるかによって車両が走行可能か否かを判定する車両走行可否判定手段と、
   車両が走行可能と判定されるまでの間にシフト位置を駆動レンジに入れた場合に、車両が走行可能と判定された後の駆動モータの駆動トルクを制限する駆動トルク制限手段と、
   前記駆動トルク制限手段の解除の可否を判定する駆動トルク制限解除判定手段と、
   前記駆動トルク制限解除判定手段における判定結果に基づいて車両が走行可能と判定された後の駆動モータの駆動トルク制限を解除する駆動トルク制限解除手段とを備える、
   ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
2. 前記車両走行可能状態は、燃料電池の起動が完了した状態であることを特徴とする請求項１記載の車両用燃料電池システム。
3. 運転者の車両駆動要求を検知する駆動要求検知手段を備え、
   前記駆動トルク制限解除手段は、運転者の車両駆動要求に基づいて駆動トルク制限を解除することを特徴とする請求項１記載の車両用燃料電池システム。
4. 前記駆動要求検知手段は、車両走行可能状態において、非駆動レンジから駆動レンジへのシフト切り替え操作を検知することで車両駆動要求を検知することを特徴とする請求項３記載の車両用燃料電池システム。
5. 前記駆動要求検知手段は、車両走行可能状態において、ブレーキ踏み込み操作、及びアクセル踏み込み操作の少なくとも一方を検知することで車両駆動要求を検知することを特徴とする請求項３記載の車両用燃料電池システム。
6. 駆動トルク制限時に、運転者に駆動トルクが制限されていることを告知する手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の車両用燃料電池システム。
7. 駆動トルク制限解除時に、運転者に駆動トルク制限が解除されたことを告知する手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の車両用燃料電池システム。

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