JP5060024B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に関し、特に、走行距離の向上に有効な技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池システムおよび該燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の開発が進められている。また、この種燃料電池システムとして、負荷に対してそれぞれ並列に接続された燃料電池およびバッテリ等の蓄電手段を備え、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制するものが提案されている。
特開２００３−２２９１３８号公報

この特許文献１に記載の技術では、燃料電池の運転を発電効率の高い領域に常に制限しているので、例えば運転者がアクセルペダルを大きく踏みこんだ時等のように燃料電池に対する要求電力が急増した場合には、この要求電力を含むシステム要求電力に対する燃料電池の出力電力の不足分をバッテリにて補う必要がある。しかしながら、バッテリの残容量（ＳＯＣ）が低い場合には、バッテリから出力を補うことができず、運転者の要求を満たせない状況が生じる。その一方で、燃料残量が少ない場合に発電効率の低い領域で燃料電池に発電させたのでは、走行距離が伸びず、燃料補給ができずに車両が停止してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、燃料残量に余裕がある場合には運転者の出力要求を満たしつつも、燃料残量に余裕がない場合の走行距離を伸ばすことのできる燃料電池車両を提案することを目的とする。

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両であって、燃料残量に応じて、前記燃料電池の出力電圧および出力電流の制御範囲を変化させる制御装置を備え、前記制御装置は、前記燃料残量が所定量以下となった場合に、前記燃料電池の発電領域を所定の高効率領域に制限する。

このような構成によれば、燃料残量に余裕がない場合には、燃料電池を高効率発電領域で運転させることによって燃料消費の抑制が可能となる一方、燃料残量に余裕がある場合には、運転者の要求に見合う要求電力に応じた発電領域で燃料電池を運転させることが可能となる。

本発明においては、前記燃料電池の発電電力を蓄電する蓄電手段を備えると共に、これら蓄電手段と前記燃料電池とが負荷に対して並列に接続され、前記制御装置は、蓄電手段の残容量が所定量以上である場合は前記燃料電池の発電を停止する構成としてもよい。

このような構成によれば、蓄電手段の残容量に余裕がある場合には、燃料電池で発電すべき要求電力の全てを蓄電手段に負担させることができるので、燃料消費の更なる抑制が可能となる。

本発明においては、前記燃料電池への燃料供給系の系内圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御装置は、系内圧力が所定圧力以下であることを検知したときは、該系内圧力に基づき出力制限値を決定する構成としてもよい。

このような構成によれば、燃料電池を含む燃料電池システムの状態に応じて、臨機応変に高効率発電領域での運転を暫定的に外すことが可能となる。

本発明によれば、燃料残量が少なくなった場合には、燃料消費が抑制されて走行距離が伸びるので、燃料補給が行えずに車両停止に至るといった事態の発生を効果的に抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システム１０において、燃料電池２０は複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。

燃料電池２０の燃料ガス供給系（燃料供給系）には、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、及び燃料ガス循環路３２が配設されている。ここで、燃料ガス供給系とは、燃料ガス供給源３０から燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給する経路上に配設されたガス配管やバルブ等を総称するものであり、例えば、燃料ガス供給源３０と、燃料ガス供給源３０と燃料電池２０とを接続する燃料ガス供給路３１と、燃料ガス供給路３１に設けられた開閉弁やレギュレータ等を含む構成である。また、燃料電池２０から排出される燃料ガスを燃料ガス供給路３１に循環させるシステム構成を採用する場合には、燃料ガス供給系は、更に燃料ガス循環路３２を含む構成であってもよい。

燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源、或いは改質原料を水素リッチガスに改質する改質器等によって構成される。

燃料ガス供給路３１は燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣスタック入口バルブＨ２１が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。

燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣスタック出口バルブＨ２２、気液分離器（図示略）及びこれに付随するドレンバルブ（図示略）、水素ポンプ６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。

アノードオフガス流路３３は燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５１が配設されている。

上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、ＦＣスタック出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は各ガス流路３１〜３３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給し、或いは遮断するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。

タンクバルブＨ２０１〜高圧レギュレータＨ９の区間（高圧部）、高圧レギュレータＨ９〜低圧レギュレータＨ１０の区間（中圧部）、低圧レギュレータＨ１０〜ＦＣスタック入口バルブＨ２１の区間（低圧部）、スタック入口バルブＨ２１〜ＦＣスタック出口バルブＨ２２の区間（ＦＣ部）、及びＦＣスタック出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２の区間（循環部）の各部には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサＰ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ６１，Ｐ５，Ｐ１０，Ｐ１１が配設されている。さらに、本実施の形態では、燃料ガス供給源３０内に図示せぬタンク用圧力センサが配設されている。

より詳細には、圧力センサＰ６は高圧部の圧力、言い換えれば、燃料ガス供給源３０の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ７は中圧部の圧力、言い換えれば、高圧レギュレータＨ９の二次圧を検出する。圧力センサＰ９は低圧部のうち、低圧レギュレータＨ１０の二次圧を検出する。圧力センサＰ６１は低圧部のうち、水素供給バルブＨ２００の下流側の圧力を検出する。圧力センサＰ５はスタック入口の圧力を検出する。圧力センサＰ１０は水素循環ポンプ６３の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサＰ１１は水素循環ポンプ６３の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。

燃料電池２０の酸化ガス供給系には、エアコンプレッサ４０、酸化ガス供給路４１、及びカソードオフガス流路４２が配設されている。エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。

酸素オフガスは燃料電池２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２０に供給される酸化ガスの背圧はカソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。カソードオフガス流路４２の下流はアノードオフガス流路３３の下流と連通しており、水素オフガスは酸素オフガスによって混合希釈された上でシステム外に排気される。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０を冷却するための冷却系（図示略）を更に備えている。この冷却系は、冷却水路、冷却ポンプ、ラジエータ、ファン、燃料電池出口側温度センサ、及び燃料電池入口側温度センサを備え、冷却水が燃料電池２０の内部に循環供給されるようになっている。

燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、二次電池（蓄電手段）５４に充電される。二次電池５４は車両走行時における余剰エネルギー及び車両制動時における回生エネルギーの貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。

トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０と二次電池５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（負荷）Ｍ３と補機モータ（負荷）Ｍ４のそれぞれに交流電力を供給する。つまり、二次電池５４と燃料電池２０は、電気負荷たるトラクションモータＭ３と補機モータＭ４に対してそれぞれ並列接続されている。補機モータＭ４は水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称している。

制御部（制御装置）５０はアクセルセンサ５５が検出したアクセル開度、車速センサ５６が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように燃料電池システム１０を制御する。具体的には、制御部５０はエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１の回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。

また、制御部５０はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。更に、制御部５０は、少なくとも燃料残量に応じて、より好ましくは燃料残量と二次電池５４の残容量ＳＯＣ（State Of Charge）に応じて、燃料電池２０の発電領域を所定の高効率領域に制限する。

この「所定の高効率領域」について、図３を参照しながら説明すると、図中の「ＦＣ単体効率」は、アクセル開度（ＦＣ出力電流）に対する燃料電池２０単体の効率を示す特性曲線であり、「ＦＣシステム(net)効率」は、「ＦＣ単体効率」に補機動力を加味して得られる燃料電池システム全体の効率を示す特性曲線である。そして、「所定の高効率領域」とは、この「ＦＣシステム(net）効率」に係る特性曲線の一部をなす連続領域であって、該連続領域の途中に最大効率を含むと共に、アクセル開度「小」側の効率Ａとアクセル開度「大」側の効率Ｂとの間となるような領域をいう。例えば、最大効率が６０％である場合、効率Ａは５５％であり、また、効率Ｂは５０％である。

上記に加え、制御部５０は、二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定量以上ある場合には、燃料電池２０での燃料消費を更に抑制するべく、燃料電池２０の発電を停止（禁止）する一方、かかる発電停止後であっても、システム要求電力を二次電池５４への要求電力と燃料電池２０への要求電力とに電力分配した結果、燃料電池２０への要求電力が所定電力量を超える場合には、燃料電池２０の発電を許可（発電禁止を解除）する。さらに、システム全体として出力制限を実施しているにもかかわらず、燃料ガス供給系に圧力低下が発生していることを検知した場合は、該圧力に基づき燃料電池２０の出力制限値を決定し、燃料電池２０の運転ポイントを暫定的に高効率発電領域から外すこともある。

図２は、制御部５０が実行する燃料電池２０の発電領域制御を記述したフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンが呼び出されると、制御部５０は、燃料ガス供給源３０内に配設されたタンク用圧力センサからのタンク内圧力（ステップＳ１）と、高圧部に配設された圧力センサＰ６からのタンク出口圧力（ステップＳ３）と、中圧部に配設された圧力センサＰ７からの中圧圧力（ステップＳ５）を読み込み、これらをメモリ等の記憶手段に保存する。

次いで、これらタンク内圧力及びタンク出口圧力と、燃料ガス供給源３０のタンク容積及びタンクバルブＨ２０１〜高圧レギュレータＨ９間の配管容積と、圧縮係数とから水素量（燃料残量）Ｑを演算する（ステップＳ７）。そして、「Ｑ≦所定量Ｑｊ」の条件を満たす場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）はステップ１１に進み、かかる条件を満たさない場合（ステップＳ９：ＮＯ）はステップ１１〜ステップＳ１９をスキップし、ステップＳ２１に進む。「所定量Ｑｊ」は、例えば現在の車両の航続可能距離が車両の最大航続可能距離の２０％以下、かつ、ナビ情報より認識する水素ステーションまでの走行が不可能になる値である。

ステップＳ１１は、ステップＳ９にて燃料残量が少ないと判断された場合に実行される処理であるから、燃料消費を抑制して走行距離の向上を図るべく、第１のＦＣ出力許可パワー制限処理を行う。具体的には、燃料電池２０の出力許可電力の上限を所定値Ｐｑ maxに設定することによって、発電領域が上記所定の高効率領域（以下、高効率発電領域）から外れないように燃料電池２０の運転を制御する。これにより、燃料残量に余裕がない場合には、燃料消費を抑制して走行距離を伸ばすことが可能になる。

次いで、第１のバッテリ容量チェック（ステップＳ１３）を行い、「バッテリ容量（二次電池５４の残容量ＳＯＣ）≧所定量Ｐsoc max1」の条件を満たす場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）はステップ１５に進み、第２のＦＣ出力許可パワー制限処理を行う。具体的には、燃料電池２０の出力許可電力の下限を所定値Ｐｑ minに設定することによって、発電領域が高効率発電領域から外れないように燃料電池２０の運転を制御する。これにより、燃料残量に余裕がない場合には、燃料消費を抑制して走行距離を伸ばすことが可能になることは上述のとおりである。

一方、「バッテリ容量≧所定量Ｐsoc max1」の条件を満たさない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）は、ステップ１５の第２のＦＣ出力許可パワー制限処理をスキップする。

続くステップＳ１７では、第２のバッテリ容量チェックを行い、「バッテリ容量（二次電池５４の残容量ＳＯＣ）≧所定量Ｐsoc max2」の条件を満たす場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）はステップ１９に進み、燃料電池２０の発電を停止（禁止）する。かかる場合には、燃料電池２０で発電すべき電力の全てを残容量ＳＯＣに余裕のある二次電池５４が負担することになり、燃料消費の更なる抑制、ひいては走行距離の更なる向上が可能となる。

一方、「バッテリ容量≧所定量Ｐsoc max2」の条件を満たさない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）は、ステップ１９のＦＣ発電停止処理をスキップする。なお、所定量Ｐsoc max1と所定量Ｐsoc max2との関係は、「所定量Ｐsoc max1＜所定量Ｐsoc max2」であり、所定量Ｐsoc max1は例えば燃料電池２０の出力を制限しても走行できる値（例えば４０％）、所定量Ｐsoc max2は例えばバッテリのみで走行可能な値（例えば６５％）である。

続くステップ２１では、アクセルセンサ５５からのアクセル開度に基づいて、燃料電池システム１０に対する要求電力を演算する要求パワー演算を行う。この処理は、既述の「Ｑ≦所定量Ｑｊ」の条件を満たさない場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、燃料電池２０の発電を高効率領域で実施あるいは停止するための処理（ステップＳ１１〜ステップＳ１９）を経ることなく実行される。

続くステップ２３では、燃料電池システム１０内での電力分配を決定する。具体的には、ステップ２１で求めたシステム要求電力を二次電池５４と燃料電池２０とに如何なる割合で負担させるか、つまり、二次電池５４からの持出電力と燃料電池２０の発電電力との比率を決定する。

続くステップ２５では、ステップ２３の分配結果に基づき設定された燃料電池２０への要求電力（ＦＣ要求パワー）と所定電力（所定パワーＰfc）とを比較し、「ＦＣ要求パワー＞所定パワーＰfc」の条件を満たす場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）には、ステップＳ２７に進み、ステップＳ１９で停止した燃料電池２０の発電を許可（発電禁止を解除）する。一方、「ＦＣ要求パワー＞所定パワーＰfc」の条件を満たさない場合（ステップＳ２５：ＮＯ）には、ステップＳ２７をスキップし、燃料電池２０の発電停止状態をそのまま維持する。

続くステップＳ２９では、中圧部に配設された圧力センサＰ７で検出した圧力（系内圧力）に基づき、最終的な燃料電池２０の出力制限値を決定する。これにより、燃料電池２０を高効率発電領域で運転することによってシステム全体として出力制限を課している状況下で、燃料ガス供給系に圧力低下が発生した場合には、高効率発電領域での運転を暫定的に外すことが可能となる。

しかる後、ステップＳ２３で分配決定された燃料電池２０への要求電力に基づき、各種補機類に対してその動作量を指示し（ステップＳ３１）、本ルーチンの呼び出し元に復帰する。

以上説明したとおり、本実施の形態による燃料電池システム１０を備えた燃料電池車両によれば、燃料残量が所定量以下となった場合には燃料電池２０の発電領域が所定の高効率領域に制限されるので、燃料残量に余裕がない場合は燃料消費を抑制して走行距離を伸ばすことが可能になり、燃料補給が行えずに車両停止に至るといった事態の発生を効果的に抑制することができる。加えて、燃料残量に余裕がある場合は、運転者の要求に見合う要求電力を燃料電池２０で発電することが可能となり、良好なドライバビリティとの両立を図ることができる。

また、二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定量以上である場合、つまり、二次電池５４の残容量ＳＯＣに余裕がある場合には、燃料電池２０の発電を停止し、燃料電池２０で発電すべき電力の全てを二次電池５４に負担させているので、燃料消費の更なる抑制、ひいては走行距離の更なる向上が可能となる。

さらに、燃料ガス供給系の中圧部に圧力低下が発生したときは、その低下した圧力に基づき燃料電池２０に出力制限を課しているので、燃料電池システムの状態に応じて臨機応変に高効率発電領域での運転を暫定的に外すことが可能となり、システム状態に応じた運転の最適化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、図２のフローチャートでは、ステップＳ１で燃料ガス供給源３０内に配設されたタンク用圧力センサからのタンク内圧力を読み込んでいるが、このタンク内圧力はタンクバルブＨ２０１が開弁状態であるときは圧力センサＰ６の検出圧力（ステップＳ２）と等しいはずであるから、ステップＳ１の処理を省略することも可能である。また、ステップＳ１３とステップＳ１７の判定結果がいずれも「ＮＯ」である場合に、ステップＳ１１で設定した燃料電池２０の出力許可電力の上限（所定値Ｐｑ max）を更に下げる処理を追加してもよい。

本発明の燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図。 図１に示す制御部が実行する燃料電池の発電領域制御を記述したフローチャート。 燃料電池の高効率発電領域を説明する図。

符号の説明

２０…燃料電池 ３１…燃料ガス供給路（燃料供給系） ５０…制御部（制御装置） ５４…二次電池（蓄電手段） Ｍ３…トラクションモータ（負荷） Ｍ４…補機モータ（負荷） Ｐ７…圧力センサ（圧力検出手段）

Claims (2)

1. 燃料電池を搭載し、前記燃料電池が発電した電力によってモータを駆動し走行する燃料電池車両であって、
   燃料残量に応じて、前記燃料電池の出力電圧および出力電流の制御範囲を変化させる制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記燃料残量が所定量以下となった場合に、
   前記燃料電池の出力電流の制御範囲を、
   前記燃料電池の運転効率に補機動力の運転効率を加味して得られるシステム効率が最大となるような出力電流値を含み、且つ前記システム効率が所定以上となるような範囲に制限する、燃料電池車両。
2. 前記燃料電池の発電電力を蓄電する蓄電手段を備えると共に、これら蓄電手段と前記燃料電池とが負荷に対して並列に接続され、
   前記制御装置は、蓄電手段の残容量が所定量以上である場合は前記燃料電池の発電を停止する、請求項１に記載の燃料電池車両。

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