JP4858813B2 - 燃料電池搭載型移動体及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池搭載型移動体（特に燃料電池を搭載した車両）及び燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を搭載した燃料電池車両等の移動体が提案され、実用化されている。かかる燃料電池搭載型移動体においては、燃料電池へのガス供給の遅れが生じる場合があり、負荷要求に対する出力（発電）の応答性が課題となっている。

このため、駆動モータ等の負荷装置の状態に基づいて燃料電池に対する負荷要求の変動を予測し、予測結果に基づいて燃料電池への燃料供給量を決定することにより、出力応答性を向上させる制御技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる制御技術においては、負荷要求変動の予測結果に基づいて、負荷要求に対応する燃料量（基準燃料量）と、実際に燃料電池に供給する燃料量（供給燃料量）と、の比（以下、「余剰燃料供給比」という）を変更することにより、出力応答性を向上させている。
特開２００５−９３１２０号公報

ところで、車両には加速要求値を出力するためのアクセルが設けられ、運転者がこのアクセルを操作して負荷要求を変動させることにより、走行速度の調整を行うのが一般的であるが、近年においては、長時間走行の際や道路渋滞時等における運転者の負担を軽減する目的で、自動運転技術の開発が進められている。自動運転技術としては、アクセルを操作することなく自動的に一定速度での走行を実現させる技術や、アクセルを操作することなく先行車との車間距離を自動的に一定に維持する技術が挙げられる。このような自動運転技術を採用した運転モード（自動運転モード）においては、負荷要求の急激な変動が少ないため、高い出力応答性は必要とされない。

しかし、前記した特許文献１に記載の制御技術を採用すると、自動運転モードにあるか否かに関係なく、出力応答性を向上させるような余剰燃料供給比を設定することとなるため、自動運転モードで走行する場合における燃料消費量の節減が困難であった。出力応答性を向上させるために余剰燃料供給比を大きく設定すると、燃料供給用の各種機器（ポンプ等）を作動させる際に余分な電力を消費することとなり、燃料消費量が増大するおそれがあるからである。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、自動運転モードでの移動が可能な燃料電池搭載型移動体において、燃料消費量を節減して航続性能を向上させることを目的とする。また、本発明は、自動運転モードで負荷装置を作動させることが可能な燃料電池システムにおいて、燃料消費量を節減することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池搭載型移動体は、燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池から電力を受けて移動推進力を発生させる推進装置と、この推進装置からの負荷要求に基づいて燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、操作者の操作による負荷要求に基づいて推進装置の作動を制御する非自動運転モードと操作者の操作と無関係に予め設定した負荷要求に基づいて推進装置の作動を制御する自動運転モードとを切り替えて推進装置の作動を制御する制御装置と、を備える燃料電池搭載型移動体であって、燃料供給量制御手段は、自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定するものである。

かかる構成によれば、自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定することができる。従って、自動運転モードで移動する場合における燃料消費量の節減を実現させて、航続性能を向上させることが可能となる。また、非自動運転モードにおける余剰燃料供給比を自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも大きく設定することができるため、非自動運転モードにおける応答性が低下することがない。この結果、航続性能と応答性との両立が可能となる。ここで、「余剰燃料供給比」とは、供給燃料量（実際に燃料電池に供給する燃料量）を基準燃料量（負荷要求に対応する燃料量）で除した値を意味する。

前記燃料電池搭載型移動体として、燃料電池から電力を受けて作動する電動機と、この電動機によって回転駆動される車軸及び車輪と、を有する推進装置を備えた燃料電池車両を採用することができる。かかる燃料電池車両において、自動運転モードとして、移動速度（走行速度）を略一定に維持する速度自動調整運転モードを採用することができる。また、自動運転モードとして、前方を移動（走行）する他の移動体（先行車両）との距離（車間距離）を略一定に維持する距離自動調整運転モードを採用することもできる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池から電力を受けて作動する負荷装置と、この負荷装置からの負荷要求に基づいて燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、操作者の操作による負荷要求に基づいて負荷装置の作動を制御する非自動運転モードと操作者の操作と無関係に予め設定した負荷要求に基づいて負荷装置の作動を制御する自動運転モードとを切り替えて負荷装置の作動を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、燃料供給量制御手段は、自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定するものである。

かかる構成によれば、自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定することができる。従って、自動運転モードで移動する場合における燃料消費量の節減を実現させることが可能となる。

本発明によれば、自動運転モードでの移動が可能な燃料電池搭載型移動体において、燃料消費量を節減して航続性能を向上させることが可能となる。また、本発明によれば、自動運転モードで負荷装置を作動させることが可能な燃料電池システムにおいて、燃料消費量を節減することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池搭載型移動体について説明する。本実施形態においては、燃料電池から供給される電力で作動するモータを備える燃料電池車両に本発明を適用した例について説明する。

まず、図１〜図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池車両の構成について説明する。燃料電池車両は、図１に示すように、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池１０を含む発電システム１、燃料電池１０で発生した電力で作動するモータ２、モータ２の駆動力により回転する車軸３及び車輪４、モータ２の駆動力や回転数を変換するトルクコンバータ５及び変速機６、車両に搭載された各種電子機器を統合制御する制御装置７、搭乗者が操作可能な（図示されていない）アクセル等を備えて構成されている。

発電システム１は、図２に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２０、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３０、燃料電池１０を冷却する冷却配管系４０等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０で発生した電力は、図１に示した駆動回路１１を介してモータ２に供給される。なお、駆動回路１１の構成については、後述する。

酸化ガス配管系２０は、図２に示すように、加湿器２１により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２２と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２１に導く空気排出流路２３と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２４と、を備えている。空気供給流路２２には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２１に圧送するコンプレッサ２５が設けられている。コンプレッサ２５の動作は、制御装置７により制御される。

水素ガス配管系３０は、図２に示すように、高圧の水素ガスを貯留した水素タンク３１と、水素タンク３１の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３２と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３２に戻すための循環流路３３と、を備えている。

水素供給流路３２には、水素タンク３１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３４と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３５と、が設けられている。循環流路３３には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置７からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３３内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出するものである。また、循環流路３３には、その内部の水素オフガスを加圧して水素供給流路３２側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。遮断弁３４、レギュレータ３５及び水素ポンプ３９の動作は、制御装置７により制御される。

冷却配管系４０は、図２に示すように、燃料電池１０の冷却水供給口に接続された冷却水供給用配管４１と、燃料電池１０の冷却水排出口に接続された冷却水排出用配管４２と、を備えており、冷却水供給用配管４１を介して燃料電池１０に冷却水が供給される一方、冷却水排出用配管４２を介して燃料電池１０から冷却水が外部に排出される。冷却水供給用配管４１と冷却水排出用配管４２とは、冷却ファン４３を有するラジエータ４４を介して接続されている。冷却水供給用配管４１には、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ４５が設けられている。冷却ファン４３や冷却水ポンプ４５の動作は、制御装置７により制御される。

モータ２は、車軸３及び車輪４を回転させて燃料電池車両の移動推進力を発生させる電動機として機能するとともに、発電システム１の各種補機（コンプレッサ２５や水素ポンプ３９）を駆動するための電力を発生させる発電機として機能する。本実施形態においては、図１に示すように、ステータ及びロータを有する三相交流式のモータ２を採用している。駆動回路１１は、モータ２の三相各々に対応するトランジスタを有するトランジスタインバータで構成されており、制御装置７と電気的に接続されている。制御装置７が駆動回路１１の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御すると、燃料電池１０を電源とする擬似三相交流がモータ２のステータの三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２は、このような回転磁界の作用によって、電動機又は発電機として機能することとなる。

モータ２の回転軸１２は、図１に示すように、トルクコンバータ５に結合されており、トルクコンバータ５の出力軸１３は変速機６に結合されている。そして、変速機６の出力軸１４は、ディファレンシャルギア１５を介して車軸３に連結されている。トルクコンバータ５は、流体を利用した動力伝達機構である。変速機６は、その内部に複数のギアやクラッチ等を有し、変速比を切り替えることによってトルクコンバータ５の出力軸１３のトルク及び回転数を変換して出力軸１４に伝達する機構である。トルクコンバータ５及び変速機６の動作は、制御装置７により制御される。

制御装置７は、アクセル信号等の制御情報を受けて、各種電子機器の動作を制御するものであり、図示されていないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置７は、推進装置からの負荷要求に基づいて、燃料電池１０に対する反応ガス（水素ガス及び空気）の供給量を制御する。すなわち、制御装置７は、本発明における燃料供給量制御手段の一実施形態として機能する。なお、「推進装置からの負荷要求」とは、モータ２が燃料電池１０に対して要求する出力であり、搭乗者（操作者）のアクセル操作等に基づいて算出される。

また、制御装置７は、搭乗者（操作者）のアクセル操作による負荷要求に基づいてモータ２の作動を制御する「非自動運転モード」と、搭乗者（操作者）のアクセル操作と無関係に予め設定した負荷要求に基づいてモータ２の作動を制御する「自動運転モード」と、を切り替えてモータ２の作動を制御する。そして、制御装置７は、「自動運転モード」における余剰燃料供給比を、「非自動運転モード」における余剰燃料供給比よりも小さく設定する。ここで、余剰燃料供給比とは、実際に燃料電池１０に供給する水素ガスの流量（供給燃料量）を、負荷要求に対応して算出された水素ガスの流量（基準燃料量）で除した値を意味する。

例えば、制御装置７は、図３に示すような基準燃料量算出マップを用いて、負荷要求（アクセル開度Ａ）に対応する基準燃料量Ｑ_Sを算出する。そして、制御装置７は、燃料電池車両の運転モードが「自動運転モード」にあるか「非自動運転モード」にあるかを判定し、「非自動運転モード」にある場合に、図４に示すような非自動運転用の供給燃料量算出マップを用いて供給燃料量Ｑ_R1を算出する。一方、制御装置７は、燃料電池車両の運転モードが「自動運転モード」にある場合に、自動運転用の供給燃料量算出マップを用いて供給燃料量Ｑ_R2を算出する。同一の基準燃料量Ｑ_Sで比較すると、図４に示すように、「自動運転モード」における余剰燃料供給比Ｐ₂（＝Ｑ_R2／Ｑ_S）は「非自動運転モード」における余剰燃料供給比Ｐ₁（＝Ｑ_R1／Ｑ_S）よりも小さくなっている（Ｐ₂＜Ｐ₁）。

本実施形態においては、「自動運転モード」として、走行速度を略一定に維持する速度自動調整運転モードや、前方を走行する他の車両（先行車両）との車間距離を略一定に維持する車間距離自動調整運転モードを採用している。「非自動運転モード」と「自動運転モード」との間の切替は、自動運転用スイッチ等の操作により実現させることができる。

なお、モータ２は本発明における負荷装置の一実施形態であり、モータ２、トルクコンバータ５、変速機６、車軸３、車輪４等から本発明における推進装置の一実施形態が構成される。また、燃料電池１０、モータ２（負荷装置）、制御装置７（燃料供給量制御手段）等によって本発明における燃料電池システムの一実施形態が構成される。

続いて、図５のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池車両の制御方法について説明する。

燃料電池車両の制御装置７は、まず、運転モードが「自動運転モード」にあるか「非自動運転モード」にあるかを判定する（運転モード判定工程：Ｓ１）。そして、制御装置７は、運転モード判定工程Ｓ１において燃料電池車両の運転モードが「自動運転モード」にあると判定した場合には、その負荷要求を検出する（自動運転負荷要求検出工程：Ｓ２）。例えば、燃料電池車両の運転モードが、一定速度Ｖで走行するように設定された「速度自動調整運転モード」にある場合には、その一定速度Ｖを実現させるような負荷要求が検出される。

次いで、制御装置７は、自動運転負荷要求検出工程Ｓ２で検出した負荷要求に対応する基準燃料量（Ｑ_S）を算出する（自動運転基準量算出工程：Ｓ３）。そして、制御装置７は、図４に示したようなマップを用いて、自動運転基準量算出工程Ｓ３で算出した基準燃料量（Ｑ_S）に対応する供給燃料量（Ｑ_R1）を算出する（自動運転供給量算出工程：Ｓ４）。その後、制御装置７は、発電システム１の遮断弁３４及びレギュレータ３５を制御することにより、自動運転供給量算出工程Ｓ４で算出した供給燃料量（Ｑ_R1）を燃料電池１０に供給し（燃料供給工程：Ｓ５）、自動運転を実現させる（自動運転工程：Ｓ６）。

一方、制御装置７は、運転モード判定工程Ｓ１において燃料電池車両の運転モードが「非自動運転モード」にあると判定した場合には、搭乗者（操作者）の操作したアクセルの開度により負荷要求を検出する（非自動運転負荷要求検出工程：Ｓ７）。次いで、制御装置７は、図３に示したようなマップを用いて、非自動運転負荷要求検出工程Ｓ７で検出した負荷要求に対応する基準燃料量（Ｑ_S）を算出する（非自動運転基準量算出工程：Ｓ８）。そして、制御装置７は、図４に示したようなマップを用いて、非自動運転基準量算出工程Ｓ８で算出した基準燃料量（Ｑ_S）に対応する供給燃料量（Ｑ_R2）を算出する（非自動運転供給量算出工程：Ｓ９）。そして、制御装置７は、発電システム１の遮断弁３４及びレギュレータ３５を制御することにより、非自動運転供給量算出工程Ｓ９で算出した供給燃料量（Ｑ_R2）を燃料電池１０に供給し（燃料供給工程：Ｓ１０）、非自動運転を実現させる（非自動運転工程：Ｓ１１）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池車両においては、「自動運転モード」における余剰燃料供給比（Ｐ₂＝Ｑ_R2／Ｑ_S）を、「非自動運転モード」における余剰燃料供給比（Ｐ₁＝Ｑ_R1／Ｑ_S）よりも小さく設定することができる。従って、「自動運転モード」で走行する場合における燃料消費量の節減を実現させて、航続性能を向上させることが可能となる。また、「非自動運転モード」における余剰燃料供給比（Ｐ₁）を「自動運転モード」における余剰燃料供給比（Ｐ₂）よりも大きく設定することができるため、「非自動運転モード」における応答性が低下することがない。この結果、航続性能と応答性との両立が可能となる。

なお、以上の実施形態においては、発電システム１の水素供給流路３２に設けた遮断弁３４及びレギュレータ３５を制御することにより、燃料電池１０への燃料供給量を調整した例を示したが、遮断弁としての機能と可変調圧弁としての機能との双方を有するインジェクタを設け、このインジェクタを制御することにより燃料電池１０への燃料供給量を調整することもできる。インジェクタを採用すると遮断弁３４やレギュレータ３５を省くことができるため、発電システム及び燃料電池車両の小型化及び低廉化が可能となる。

また、以上の実施形態においては、循環流路３３に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３３に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置７で排気弁を制御することもできる。

また、以上の実施形態においては、発電システム１に設けた水素タンク３１から放出される水素ガスを燃料ガスとして燃料電池１０に供給する構成を採用したが、改質反応により燃料ガスを生成する改質器を発電システム１に設け、この改質器から供給される水素リッチな燃料ガスを燃料電池１０に供給する構成を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、基準燃料量と、各運転モード（自動運転モード及び非自動運転モード）の供給燃料量と、の関係を表す特定のマップを用いて、各運転モードの供給燃料量を算出した例を示したが、供給燃料量の算出方法はこれに限られるものではない。例えば、各運転モードに対応する余剰燃料供給比を予め用意し、運転モードに応じて何れかの余剰燃料供給比を選択し、この選択した余剰燃料供給比を基準燃料量に乗じることにより、各運転モードの供給燃料量を算出することもできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両を駆動するためのモータとして三相交流式のモータを採用し、このモータの駆動力をトルクコンバータ及び変速機を介して車軸（車輪）に伝達した例を示したが、モータや動力伝達機構の構成はこれに限られるものではない。

また、以上の実施形態においては、モータに電力を供給する電源として燃料電池のみを採用した例を示したが、二次バッテリ等の蓄電装置を補助的な電源として設け、燃料電池から供給される電力と蓄電装置から供給される電力との双方でモータを駆動することもできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明を燃料電池車両に適用した例を示したが、他の燃料電池搭載型移動体（ロボット、船舶、航空機等）であって「非自動運転モード」と「自動運転モード」の切替を可能とするものに本発明を適用することもできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池搭載型移動体（燃料電池車両）の構成図である。 図１に示した燃料電池車両に含まれる発電システムの構成図である。 図１に示した燃料電池車両の負荷要求と基準燃料量との関係を表すマップである。 図１に示した燃料電池車両の基準燃料量と供給燃料量との関係を表すマップである。 図１に示した燃料電池車両の制御方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

２…モータ（電動機、負荷装置、推進装置の一部）、３…車軸（推進装置の一部）、４…車輪（推進装置の一部）、７…制御装置（燃料供給量制御手段）、１０…燃料電池

Claims (5)

1. 燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池から電力を受けて移動推進力を発生させる推進装置と、この推進装置からの負荷要求に基づいて前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、操作者の操作による負荷要求に基づいて前記推進装置の作動を制御する非自動運転モードと操作者の操作と無関係に予め設定した負荷要求に基づいて前記推進装置の作動を制御する自動運転モードとを切り替えて前記推進装置の作動を制御する制御装置と、を備える燃料電池搭載型移動体であって、
   前記燃料供給量制御手段は、実際に前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を負荷要求に対応する燃料ガスの流量で除した値である余剰燃料供給比を設定するものであって、前記自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、前記非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定するものである、
   燃料電池搭載型移動体。
2. 前記推進装置は、前記燃料電池から電力を受けて作動する電動機と、この電動機によって回転駆動される車軸及び車輪と、を有する、
   請求項１に記載の燃料電池搭載型移動体。
3. 前記自動運転モードは、移動速度を略一定に維持する速度自動調整運転モードである、
   請求項２に記載の燃料電池搭載型移動体。
4. 前記自動運転モードは、前方を移動する他の移動体との距離を略一定に維持する距離自動調整運転モードである、
   請求項２に記載の燃料電池搭載型移動体。
5. 燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池から電力を受けて作動する負荷装置と、この負荷装置からの負荷要求に基づいて前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、操作者の操作による負荷要求に基づいて前記負荷装置の作動を制御する非自動運転モードと操作者の操作と無関係に予め設定した負荷要求に基づいて前記負荷装置の作動を制御する自動運転モードとを切り替えて前記負荷装置の作動を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料供給量制御手段は、実際に前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を負荷要求に対応する燃料ガスの流量で除した値である余剰燃料供給比を設定するものであって、前記自動運転モードにおける余剰燃料供給比を、前記非自動運転モードにおける余剰燃料供給比よりも小さく設定するものである、
   燃料電池システム。

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