JP4626212B2 - 車輌用燃料電池装置の状態出力装置 - Google Patents
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Description
そこで従来では、燃料電池を含む電源装置の状態を検出し、検出結果に基づいて燃料電池から車輌の駆動装置へ供給可能な電力を推定して出力する技術が特許文献1に開示されている。
また、特許文献2には、電気自動車の電源装置(バッテリ)の状態から、電気自動車が走行できる最高速度及び最大トルクを演算し、出力する技術が開示されている。
また、電源装置の出力特性が低下しているときには、その低出力状態がどの程度続くのか(いつになったら通常の走行ができるのか)、または当該低出力の原因は何なのか、など運転者が不安を抱くことも考えられる。
燃料電池を含む電源装置から車輌の駆動装置へ供給可能な電力を特定する電源電力特定装置と、
該電源電力特定装置で特定された電力と車輌の走行モードに要求される電力とを比較し、該走行モードが実行可能であるか否かを判定する判定装置と、
該判定装置の判定結果を出力する出力装置と、
を備えてなる車輌用燃料電池装置の状態出力装置。
複数の走行モード(例えば、市街地走行、高速走行、登坂走行等)を準備してこれから走行モードを選択可能とすることにより、運転者は自らの望む走行モードを選択することができ、その走行モードの実行可能性が出力される。これにより、運転者は自らの望む走行モードに関してより有効な情報を容易かつ直感的に把握可能となる。
該推定装置による推定結果の時間を出力する時間出力装置と、が更に備えられる。
このように構成された状態出力装置によれば、電源装置が出力低下状態にあっても、走行モードが実行可能になるまでの時間が直接出力される。即ち、電源装置の出力特性が回復して走行モードが実行されるまでの時間が具体的に特定されるので、運転者は安心感を覚える。
該原因推定装置による推定結果を出力する原因出力装置と、が更に備えられる。
このように構成された状態出力装置によれば、電源装置の出力低下の原因が具体的把握できるので、その対策の予想も可能になる。即ち、原因不明の状態に比べ運転者には安心感の得られるものとなる。
(電源装置)
電源装置は少なくとも燃料電池を有し、そこに補助電源(バッテリ)を含ませることができる。
車輌用燃料電池は、所望の電力を得るために燃料電池単位セルを複数積層したものである。燃料電池の単位セルは空気極と燃料極で電解質膜を挟持した構成である。電解質膜にはナフィオン(商標名)等の高分子系の材料を用いることができるが、これに限定されるものではない。単位セルには空気流路及び水素ガス流路が設けられている。空気流路を流れる空気中の酸素と水素ガス流路を流れる水素とが固体高分子電解質膜を介して結合し、もって燃料電池反応が生じることとなる。
かかる燃料電池が高分子系の電解質膜を用いたものであれば、60℃〜100℃の範囲とすることによりその発電効率が高くなる。他方、当該温度範囲より低い温度では触媒活性が低下するためその出力が低下する。また、当該温度範囲より高い温度では過熱を防止するために出力に制限が掛けられる。燃料電池が長期の非稼働状態にあるとその電解質膜が乾燥して十分なプロトン伝導性を確保できない。
このように、燃料電池へ定格出力を求めるには、その動作環境を所定の範囲に維持しておく必要がある。
補機部は水供給手段としての水供給系、反応ガス供給手段としての水素ガス供給系、空気供給系を備えている。水供給系は燃料電池スタックへ水分を供給し、電解質膜の湿潤状態を維持し、及び/又は水分の気化熱により燃料電池スタックを冷却するものである。かかる水供給系は水タンク、ポンプ、配管部、及び燃料電池スタック内への注水部を備えている。実施例の装置では注水部として水を電極近傍に直接噴射するノズルを採用しているが、燃料電池スタックに供給するガス中に水を水蒸気の状態で供給するものであってもよい。また、燃料電池スタックに対する空気供給系及び/又は水素ガス供給系へ注水することができる。
水素ガス供給系は燃料電池本体へ反応ガスとして水素ガスを供給する装置であり、水素ガス供給源、ガス配管及び排気処理部等を備えている。この水素ガス供給系おいても水素ガスが燃料電池本体を通過した際に水を持ち去るため、循環部には水分が存在する。
空気供給系は燃料電池本体へ空気を供給する装置であり、空気供給ファン、空気配管、排気装置等を備えてなる。実施例の装置ではこの空気供給系へ水が直噴されるので、空気供給系から水分を除去する必要が生じる。
補機部内の残留水が凍結してしまったときの対策として、当該補機部を加熱する加熱装置の付設が必要となる。
本体加熱装置は燃料電池本体を加熱するものである。加熱の方法は特に限定されない。実施例では、供給する空気を加熱するとともに電熱ヒータを燃料電池へ接触させてその伝導熱により燃料電池を加熱している。その他、電熱ヒータからの放射熱で燃料電池へ加熱すること、非凍結タイプの熱媒体を燃料電池へ循環させ当該熱媒体を加熱すること、燃料電池自体若しくはそこに埋設された被誘導加熱体を誘導加熱すること、など一般的な加熱方法を採用することができる。
補機部加熱装置は補機部を加熱するものである。加熱の方法は特に限定されない。実施例では電熱ヒータを水タンクへ挿入してその伝導熱により水タンク内の氷を加熱している。その他、電熱ヒータから放射熱により水タンクを加熱すること、非凍結タイプの熱媒体を水タンクへ循環させ当該熱媒体を加熱すること、水タンク自体若しくはそこに埋設された被誘導加熱体を誘導加熱すること、など一般的な加熱方法を採用することができる。
配管部にも電熱線等の加熱装置を付設してこれを加熱することが好ましい。
電源電力特定装置は電源装置から車輌の駆動装置へ供給可能な電力を特定する。ここに供給可能な電力は
(式1)
供給可能な電力 =
(1)燃料電池出力可能電力+(2)補助電源出力可能電力−(3)駆動装置以外の消費電力
として求められる。
(1)燃料電池出力可能電力は燃料電池の運転モードに応じた出力制限値と、電流・電圧から推定される出力可能電力のいずれか小さい値である。前者の電力値はコントローラのメモリに保存され、後者の電力値は燃料電池の出力側に取り付けられた電流、電圧計の出力から推定される。
(2)補助電源出力可能電力は補助電源の充電状態(SOC)と補助電源温度から、予め求めておいた補助電源特性に照らし合わせて推定することができる。
(3)駆動装置以外の消費電力は電装品等の駆動装置で消費される総電力を指す。この消費電力は、電装品側へ供給される電力を測定することにより得られる。
かかる演算は、コントローラのCPUが予めROMに保存されているプログラムに基づいて実行する。
各走行モードは運転者が任意に選択可能とする。
判定装置は電源電力特定装置で特定された供給可能電力と走行モードでの要求電力とを比較する。前者(供給可能電力)≧後者(要求電力)のときは、走行モードが実行可能であり、前者(供給可能電力)<後者(要求電力)のときは、走行モードが実行不能であると判定される。
したがって、車輌において(式1)の各項の数値を取得してこれらを所定の閾値と比較し、その比較の結果から走行モード実行不能の原因を推定することができる。
出力装置には実施例に示す表示装置(文字、記号、グラフなどを出力するディスプレイ)の他、スピーカ等の音声案内装置、マークを点灯表示するランプ或いは針で指示するメータなどを単独で又は併用して用いることができる。
図1は実施例の状態出力装置1の構成を示す。図2はその動作を示すフローチャートである。
この状態出力装置1は、入力部10、表示制御部40及び表示装置80から大略構成される。
入力部10は、FC(燃料電池の略である、以下同じ)の運転モード入力部11、FCの運転状態入力部12、補助電源の状態入力部13、電装品消費電力入力部14、走行モード選択スイッチ16を備えている。
FCの運転モード入力部11は、FCの運転モードに基づく燃料電池の出力制限値(A)を出力する。例えば、FCの運転モードとして次に挙げるものがある。
(1) 外部加熱モード:燃料電池は停止状態で、外部電力受入部から受け入れた外部電力により加熱装置を作動する。この場合の出力制限値は燃料電池の最大出力の0%である。
(2) 自己発熱モード:燃料電池が作動して発電するとともに該燃料電池の電力により該燃料電池を昇温する。この場合の出力制限値は例えば燃料電池の最大出力の50〜90%である。
(3) 温度制御モード:燃料電池が作動するとともに該燃料電池が発電した電力を車輌電源系へ供給し、かつ水供給補機部を停止状態に保って燃料電池本体へ供給する空気量に基づき燃料電池本体の温度を制御する。この場合の出力制限値は例えば燃料電池の最大出力の50%である。
(4) 長期停止モード:燃料電池が長期間稼働していないときはその電解質膜が乾燥しているので、燃料ガスを供給する前に当該電解質を湿潤させるべく水を供給する。電解質膜が湿潤するまで燃料電池の出力が制限される。
(5) 通常運転モード:燃料電池を通常に運転するモードであり、出力制限はない。即ち、その出力制限値は燃料電池の最大出力の100%である。
電装品消費電力入力部14は、例えば図3の電圧・電流センサ34−36の出力を消費電力推定部43へ入力する。電圧・電流センサ34−35は車輌において駆動装置以外の電装品(エアコン25、照明などの車輌補機26、バルブなどのFC補機27)の消費電力を検出する。
この供給可能電力は表示コントローラ65を介して表示装置80に表示される(ステップ9)。
例えばFCの暖機運転が不十分でFCの温度が低いことに起因して供給可能電力が不十分なとき、FCを暖機することにより供給可能電力も増大して要求電力を満たすこととなる。この場合、FCの暖機特性を測定して、各温度における所定電力への到達時間に関する検量線を予め求めておく(図7参照)。FCの温度を検出してこの検量線へ対照することにより、要求電力を満足する供給可能電力までの到達時間が推定される。なお、図7の関係はメモリ53に保存されている。
電装品の大きな消費電力が起因して供給可能電力<要求電力の状態となったときも、FC出力を増大する必要があるので、図7の検量線を用いて走行モードが実行可能となるまでに要する時間を推定することができる。
これらの対策を実行したときのFCの冷却特性を測定し、FCを通常運転できるまでの要する時間と温度との関係を予め求め、メモリ53に保存しておく。この関係を用いることにより、FCが高温(過熱)である場合にも走行モードが実行可能となるまでに要する時間を推定することができる。
これらの対策を実行したときのFCの湿潤特性を測定する。本発明者らの検討によれば、FCの乾燥状態を解消するのに要する時間は1分程度乃至それ以下であった。そこでこの実施例では、FCの乾燥に起因して供給電力不足となったときの、走行モードが実行可能となるまでに要する時間は当該一定時間とした。
このようにして推定された原因は、表示コントローラ65を介して表示装置80に表示される(ステップ25)。
表示装置80はタッチパネルディスプレイからなり、その上縁側から、原因表示部81、出力状態表示部83、走行モード選択部85、走行モード到達時間表示部87を備えている。
原因表示部81は表示制御部40の原因推定部63が推定した電源電力不足の原因を表示する。図6の例では「LowTemp」のランプが点灯し、FCの低温が原因として表示されている。電源からの供給電力が走行モードを実行するために要求される電力を満たしているときは、原因表示部81のランプはいずれも点灯しない。なお、「HighTemp」のランプはFCが高温であること、「DRY」のランプはFCが乾燥していること、「電装」のランプは電装品による消費電力が閾値を超えていることを、それぞれ原因推定部63からの出力に基づき、表示するものである。
走行モード選択部85には「市街走行」、「高速走行」及び「登坂走行」の選択ボタンがあり、運転者がかかるボタンへタッチすることにより任意の走行モードを選択可能としている。走行モード選択部85により選択された走行モードについて既述の判定がなされ、当該走行モードを実行するのに要する時間や原因が表示される。
同様に、高速走行モードを実行するには60%の電力が必要である。他方、FCの温度はX℃であり、かかる状態のFCが60%の出力を発生するには、図7の関係から、5分を要することが推定されると、走行モード到達時間表示部87には「あと5分」と表示される。図6の状態は開始から2分が経過しており、当該表示部の表示が「あと3分」となり、その下のバーグラフは時間の経過を視覚的に表している。
また、登坂走行モードを実行するには80%の電力が必要である。他方、FCの温度はX℃であり、かかる状態のFCが80%の出力を発生するには、図7の関係から、7分を要することが推定されると、走行モード到達時間表示部87には「あと7分」と表示される。図6の状態は開始から2分が経過しており、当該表示部の表示は「あと5分」となり、その下のバーグラフは時間の経過を視覚的に表している。
このような表示装置80によれば、燃料電池に最大出力が得られない状態において、運転者がその状態を容易に把握可能となる。
10 入力部
21 燃料電池
22 補助電力
40 表示制御部
44 電源電力特定部
46 判定部
61 走行モード到達時間推定部
63 原因推定部
80 表示装置
Claims (3)
- 燃料電池を含む電源装置から車輌の駆動装置へ供給可能な電力を特定する電源電力特定装置と、
その要求電力が、前記燃料電池の最大出力に対する出力割合として規定され、該要求電力が異なる複数の走行モードが保存されるメモリと、
前記複数の走行モードから所望の走行モードを選択する走行モード選択装置と、
該電源電力特定装置で特定された電力と前記選択された走行モードの要求電力とを比較し、該走行モードが実行可能であるか否かを判定する判定装置と、
該判定装置の判定結果を出力する出力装置と、
を備えてなる車輌用燃料電池装置の状態出力装置。 - 前記判定装置により前記走行モードの実行が不能であると判定されたとき、該走行モードが実行可能となるまでに要する時間を推定する時間推定装置と、
該時間推定装置による推定結果の時間を出力する時間出力装置と、が更に備えられる、ことを特徴とする請求項1に記載の車輌用燃料電池装置の状態出力装置。 - 前記判定装置により前記走行モードの実行が不能であると判定されたとき、該実行不能の原因を推定する原因推定装置と、
該原因推定装置による推定結果を出力する原因出力装置と、が更に備えられる、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の車輌用燃料電池装置の状態出力装置。
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