JP6329202B2 - 燃料電池車両及びその起動方法 - Google Patents

燃料電池車両及びその起動方法

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Description

本発明は、燃料電池とバッテリとを備えた燃料電池車両及びその起動方法に関する。
例えば、特許文献１には、燃料電池車両に搭載された燃料電池の起動時に、バッテリから車両駆動用のモータに電力を供給する技術的思想が開示されている。
特開平９−２３１９９１号公報
ところで、低温環境（例えば、氷点下の環境）で燃料電池車両の燃料電池を起動させる場合、常温時に比べて燃料電池の起動に要する電力量が増加するとともにバッテリの出力が低下する。そのため、上述した特許文献１のように、燃料電池の起動時にバッテリから車両駆動用のモータに電力を供給すると、低温環境において、バッテリから燃料電池の起動に必要な電装品（エアポンプ等）に対して充分な電力を供給することができないおそれがある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、低温環境であっても燃料電池を確実且つ迅速に起動させることができる燃料電池車両及びその起動方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池の起動に用いられる第１電装品と、前記燃料電池の起動に用いられない第２電装品と、前記第１電装品及び前記第２電装品に電力を供給可能なバッテリと、前記バッテリ及び前記第１電装品を電気的に接続可能な第１電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第１スイッチ部と、前記バッテリ及び前記第２電装品を電気的に接続可能な第２電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第２スイッチ部と、前記第１スイッチ部及び前記第２スイッチ部を制御するスイッチ制御部と、前記バッテリの温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部で取得された取得温度が閾値温度よりも高いか否かを判定する温度判定部と、を備え、前記スイッチ制御部は、前記燃料電池の起動指令を取得した際、前記第１電力経路が前記接続状態になるように前記第１スイッチ部を制御するとともに前記第２電力経路が前記遮断状態になるように前記第２スイッチ部を制御した後で、前記取得温度が前記閾値温度よりも高いと前記温度判定部で判定された場合、前記第２電力経路が前記接続状態になるように前記第２スイッチ部を制御する、ことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池車両によれば、燃料電池の起動指令を取得した際、燃料電池の起動に用いられない第２電装品へのバッテリの電力供給が阻止された状態でバッテリから第１電装品に電力供給がされる。これにより、低温環境において、バッテリから第１電装品への電力供給不足が抑えられるため、燃料電池を確実且つ迅速に起動させることができる。また、バッテリの温度が比較的高くてバッテリから第１電装品への電力供給不足が生じ難い場合、比較的早い段階でバッテリから第２電装品への電力供給が可能となる。これにより、燃料電池車両の商品性を向上させることができる。
上記の燃料電池車両において、前記スイッチ制御部は、前記取得温度が前記閾値温度以下であると前記温度判定部で判定された場合、前記燃料電池の発電開始時に前記第２電力経路が前記接続状態になるように前記第２スイッチ部を制御してもよい。
このような構成によれば、バッテリの温度が比較的低くてバッテリから第１電装品への電力供給不足が生じ易い場合、燃料電池の発電開始時から第２電装品へのバッテリからの電力供給が可能となる。これにより、燃料電池を確実且つ迅速に起動させつつ燃料電池車両の商品性を向上させることができる。
上記の燃料電池車両において、大気圧を取得する大気圧取得部と、前記大気圧取得部で取得された大気圧が低いほど前記閾値温度を高く設定する閾値温度設定部と、を備えていてもよい。
このような構成によれば、大気圧が比較的低く（標高が比較的高く）、第１電装品の消費電力が高くなるような場合であっても、閾値温度を高く設定するため、バッテリから第１電装品への電力供給不足を効果的に抑えることができる。
本発明に係る燃料電池車両の起動方法は、燃料電池と、前記燃料電池の起動に用いられる第１電装品と、前記燃料電池の起動に用いられない第２電装品と、前記第１電装品及び前記第２電装品に電力を供給可能なバッテリと、前記バッテリ及び前記第１電装品を電気的に接続可能な第１電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第１スイッチ部と、前記バッテリ及び前記第２電装品を電気的に接続可能な第２電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第２スイッチ部と、を備えた燃料電池車両の起動方法であって、前記燃料電池の起動指令を取得した際、前記第１スイッチ部によって前記第１電力経路を前記接続状態にするとともに前記第２スイッチ部によって前記第２電力経路を前記遮断状態にした後で、温度取得部によって取得された前記バッテリの取得温度が閾値温度よりも高い場合、前記第２スイッチ部により前記第２電力経路を前記接続状態にする、ことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池車両の起動方法によれば、上述した燃料電池車両と同様の作用効果を奏することができる。
上記の燃料電池車両の起動方法において、前記取得温度が前記閾値温度以下である場合、前記燃料電池の発電開始時に前記第２スイッチ部により前記第２電力経路を前記接続状態にしてもよい。
上記の燃料電池車両の起動方法において、大気圧取得部で取得された大気圧が低いほど前記閾値温度を高く設定してもよい。
本発明によれば、燃料電池の起動指令を取得した際、バッテリから第２電装品への電力供給が禁止された状態でバッテリから第１電装品に電力供給がされるため、低温環境において、燃料電池を確実且つ迅速に起動させることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池車両のブロック図である。 閾値温度の大気圧に対する変化を示すグラフである。 図１の燃料電池車両の起動方法を説明するフローチャートである。 図４Ａは第１スイッチ部及び第２スイッチ部の第１のタイムチャートであり、図４Ｂは第１スイッチ部及び第２スイッチ部の第２のタイムチャートである。 低温環境において燃料電池スタックを起動させる際の高電圧バッテリの出力電力と消費電力との関係を示したグラフである。
以下、本発明に係る燃料電池車両及びその起動方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池車両１０は、図示しない車輪を駆動させるための走行用モータ１２と、走行用モータ１２に電力を供給するための燃料電池スタック（燃料電池）１４と、燃料電池スタック１４の起動に用いられる第１電装品１６と、燃料電池スタック１４の起動に用いられない第２電装品１８と、第１電装品１６及び第２電装品１８に電力を供給可能な高電圧バッテリ（二次電池、蓄電池）２０とを備えている。
走行用モータ１２は、燃料電池スタック１４で発電された電力により駆動するものであるが、高電圧バッテリ２０から供給される電力によっても駆動可能である。燃料電池スタック１４は、燃料電池スタック１４のアノード側に供給される水素ガス（燃料ガス）と燃料電池スタック１４のカソード側に供給される空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることにより発電するものである。
第１電装品１６は、燃料電池スタック１４を起動するために必要な電気機器である。第１電装品１６としては、例えば、燃料電池スタック１４のカソード側に空気を供給するためのエアポンプ（酸化剤ガス供給ポンプ）、燃料電池スタック１４の暖機時に消費電力の大きい負荷として用いることができるエアコンヒータ等が挙げられる。
第２電装品１８は、燃料電池スタック１４を起動するために必要ではない電気機器である。第２電装品１８としては、例えば、オーディオ装置、ナビゲーション装置、ブロアモータ、ＡＣ電源、シートヒータ装置、ステアリングヒータ装置、携帯電話用の非接触充電装置、ヘッドアップディスプレイ装置（フロントガラスにナビゲーションガイド等を表示する装置）、ミラーヒータ装置（ミラー熱線）、リアガラスヒータ装置（リアガラス熱線）等が挙げられる。
高電圧バッテリ２０としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池等が用いられる。高電圧バッテリ２０及び第１電装品１６を電気的に接続可能な第１電力経路（第１配線）２２には、第１スイッチ部２４及び第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２６が設けられている。
第１スイッチ部２４は、第１電力経路２２を接続状態と遮断状態とに切り替え可能に構成されている。すなわち、第１電力経路２２の接続状態では、高電圧バッテリ２０と第１電装品１６とが第１電力経路２２を介して互いに電気的に接続される。第１電力経路２２の遮断状態では、高電圧バッテリ２０と第１電装品１６とが第１電力経路２２を介して互いに電気的に接続されない。
第１スイッチ部２４は、例えば、スイッチング素子によって構成されている。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、高電圧バッテリ２０の電圧を第１電装品１６に対応した電圧に変換（降圧）するものである。
高電圧バッテリ２０及び第２電装品１８を電気的に接続可能な第２電力経路（第２配線）２８には、第２スイッチ部３０及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２が設けられている。
第２スイッチ部３０は、第２電力経路２８を接続状態と遮断状態とに切り替え可能に構成されている。すなわち、第２電力経路２８の接続状態では、高電圧バッテリ２０と第２電装品１８とが第２電力経路２８を介して互いに電気的に接続される。第２電力経路２８の遮断状態では、高電圧バッテリ２０と第２電装品１８とが第２電力経路２８を介して互いに電気的に接続されない。
第２スイッチ部３０は、第１スイッチ部２４と同様に構成されている。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は、高電圧バッテリ２０の電圧を第２電装品１８に対応した電圧に変換（降圧）するものである。本実施形態において、第２電装品１８に対応した電圧は１２Ｖである。
燃料電池車両１０は、燃料電池車両１０を起動させるためのイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ３３）と、大気圧を取得する大気圧センサ（大気圧取得部）３４と、高電圧バッテリ２０の温度を取得する温度センサ（温度取得部）３６と、制御部３８とをさらに備えている。大気圧センサ３４の取得値（取得大気圧）と温度センサ３６の取得値（取得温度Ｔ）とは制御部３８に送信される。
制御部３８は、図示しない入出力インターフェース、プロセッサ等によって構成される周知のコンピュータである。この制御部３８は、メモリ４２に記憶されている図示しないプログラムをプロセッサが実行処理することで各種機能実現部として機能する。
制御部３８は、スイッチ制御部４０、メモリ４２、閾値温度設定部４４、及び温度判定部４６を有している。スイッチ制御部４０は、第１スイッチ部２４を制御して第１電力経路２２の接続状態と遮断状態とを切り替える。スイッチ制御部４０は、第２スイッチ部３０を制御して第２電力経路２８を接続状態と遮断状態とに切り替える。
メモリ４２には、図２に示すようなグラフが記憶されている。このグラフは、大気圧と閾値温度Ｔａとの関係を示すものである。このグラフによれば、閾値温度Ｔａは大気圧が低くなる（標高が高くなる）ほど高くなっている。
閾値温度設定部４４は、取得大気圧と前記グラフとに基づいて閾値温度Ｔａを設定する。本実施形態では、取得大気圧が１気圧の場合、閾値温度Ｔａは氷点下（０℃以下）になるようなグラフが用いられている。図１において、温度判定部４６は、取得温度Ｔが閾値温度Ｔａよりも高いか否かを判定する。
本実施形態に係る燃料電池車両１０は、基本的には上述したように構成されるものであり、次に、燃料電池車両１０の起動方法について図３〜図４Ｂを参照しながら説明する。なお、イグニッションスイッチがオフの状態において、第１スイッチ部２４及び第２スイッチ部３０のそれぞれはオフの状態になっている。換言すれば、第１電力経路２２及び第２電力経路２８のそれぞれは遮断状態になっている。
本実施形態では、例えば、図３及び図４Ａに示すように、ＩＧＳＷ３３がオンにされて燃料電池スタック１４の起動指令がなされると（図３のステップＳ１）、ステップＳ２において、スイッチ制御部４０は、第１電力経路２２が接続状態になるように第１スイッチ部２４をオンにする。なお、このとき、第２スイッチ部３０はオフにされているため、第２電力経路２８は遮断状態になっている（図４Ａの時点ｔ１参照）。
これにより、高電圧バッテリ２０から第２電力経路２８を介した第２電装品１８への電力供給が阻止された状態で高電圧バッテリ２０から第１電力経路２２を介して第１電装品１６に電力供給される。そのため、低温環境の場合や高電圧バッテリ２０の充電量が比較的少ない場合であっても、第１電装品１６に対する高電圧バッテリ２０からの電力供給不足が抑えられる。
高電圧バッテリ２０から第１電装品１６に電力供給がされると、例えば、第１電装品１６のエアポンプが駆動するとともに水素タンクの止め弁が開弁される。これにより、燃料電池スタック１４のカソード側への空気の供給が開始されるとともに燃料電池スタック１４のアノード側への水素ガスの供給が開始される。
続いて、ステップＳ３において、閾値温度設定部４４は、取得大気圧に基づいてメモリ４２に記憶されている図２に示すグラフを参照して閾値温度Ｔａを設定する。そして、ステップＳ４において、温度判定部４６は、高電圧バッテリ２０の温度（取得温度Ｔ）が閾値温度Ｔａよりも高いか否かを判定する。
取得温度Ｔが閾値温度Ｔａよりも高いと温度判定部４６により判定された場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５において、スイッチ制御部４０は、第２電力経路２８が接続状態になるように第２スイッチ部３０をオンにする。
そうすると、高電圧バッテリ２０から第２電力経路２８を介して第２電装品１８に電力供給される。これにより、オーディオ装置やナビゲーション装置等を起動させることができる。
その後、ステップＳ６において、燃料電池スタック１４のカソード側に供給された空気と燃料電池スタック１４のアノード側に供給された水素ガスとの電気化学反応により発電が開始される（図４Ａの時点ｔ２参照）。この段階で、今回のフローチャートは終了する。
一方、取得温度Ｔが閾値温度Ｔａ以下であると温度判定部４６により判定された場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ７において、制御部３８は、燃料電池スタック１４の発電が開始されたか否かを判定する。燃料電池スタック１４の発電が開始されていないと制御部３８によって判定された場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ３以降の工程が行われる。
燃料電池スタック１４の発電が開始されていると制御部３８によって判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、スイッチ制御部４０は、第２電力経路２８が接続状態になるように第２スイッチ部３０をオンにする（図４Ｂの時点ｔ２参照）。このように、高電圧バッテリ２０の電力と燃料電池スタック１４によって発電された電力との両方を使用することができる状態の際に第２電装品１８が利用可能となる。この段階で、今回のフローチャートは終了する。
次に、図５を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池車両１０についてさらに説明する。図５のグラフは、低温環境（例えば、氷点下の環境）において燃料電池スタック１４を起動させる際の高電圧バッテリ２０の出力電力と消費電力との関係を示したものである。
図５において、第１電装品１６の消費電力に第２電装品１８の消費電力を加えた総消費電力は、時点ｔ２から時点ｔ３の期間で最も高くなっている。これは、第１電装品１６のエアポンプの軸の回転速度を一定にするまでに必要な消費電力が大きいからである。
また、低温環境（例えば、氷点下の環境）において、燃料電池車両１０を起動させようとする場合には、常温時に比べて第１電装品１６の消費電力が増加するとともに高電圧バッテリ２０の出力電力が低下する。そのため、図５のように、低温環境において、高電圧バッテリ２０の出力電力は、時点ｔ２から時点ｔ４までの範囲において第１電装品１６及び第２電装品１８の総消費電力を下回ることがある。
しかしながら、本実施形態によれば、燃料電池スタック１４の起動指令を取得した際、燃料電池スタック１４の起動に用いられない第２電装品１８への高電圧バッテリ２０の電力供給が阻止された状態で高電圧バッテリ２０から第１電装品１６に電力供給がされる。
つまり、本実施形態では、燃料電池スタック１４の起動時の消費電力が第１電装品１６の消費電力に抑えられる。つまり、低温環境において、高電圧バッテリ２０の出力電力は、時点ｔ１から時点ｔ４までの全範囲で第１電装品１６の消費電力を上回ることになる。すなわち、低温環境において、高電圧バッテリ２０から第１電装品１６への電力供給不足が抑えられるため、燃料電池スタック１４を確実且つ迅速に起動させることができる。
また、高電圧バッテリ２０の温度（取得温度Ｔ）が閾値温度Ｔａよりも高い場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、第２スイッチ部３０をオンにして第２電力経路２８を接続状態にしている（ステップＳ５参照）。すなわち、高電圧バッテリ２０の温度が比較的高くて高電圧バッテリ２０から第１電装品１６への電力供給不足が生じ難い場合、比較的早い段階で高電圧バッテリ２０から第２電装品１８への電力供給が可能となる。これにより、燃料電池車両１０の商品性を向上させることができる。
さらに、取得温度Ｔが閾値温度Ｔａ以下である場合（ステップＳ４：ＮＯ）、燃料電池スタック１４の発電開始時に第２スイッチ部３０をオンにして第２電力経路２８を接続状態にしている（ステップＳ７及びステップＳ８参照）。すなわち、高電圧バッテリ２０の温度が比較的低くて（例えば、氷点下であって）高電圧バッテリ２０から第１電装品１６への電力供給不足が生じ易い場合、燃料電池スタック１４の発電開始時から第２電装品１８への高電圧バッテリ２０からの電力供給が可能となる。これにより、燃料電池スタック１４を確実且つ迅速に起動させつつ燃料電池車両１０の商品性を向上させることができる。
大気圧が比較的低い（標高が比較的高い）場合、燃料電池スタック１４を起動させるために必要なエアポンプの消費電力が高くなる。しかしながら、本実施形態の場合、大気圧が低いほど閾値温度Ｔａを高く設定しているため、高電圧バッテリ２０から第１電装品１６への電力供給不足を効果的に抑えることができる。
本発明に係る燃料電池車両及びその起動方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０…燃料電池車両 １４…燃料電池スタック（燃料電池）
１６…第１電装品 １８…第２電装品
２０…高電圧バッテリ ２２…第１電力経路
２４…第１スイッチ部 ２８…第２電力経路
３０…第２スイッチ部 ３４…大気圧センサ（大気圧取得部）
３６…温度センサ（温度取得部） ４０…スイッチ制御部
４４…閾値温度設定部 ４６…温度判定部

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池の起動に用いられる第１電装品と、
    前記燃料電池の起動に用いられない第２電装品と、
    前記第１電装品及び前記第２電装品に電力を供給可能なバッテリと、
    前記バッテリ及び前記第１電装品を電気的に接続可能な第１電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第１スイッチ部と、
    前記バッテリ及び前記第２電装品を電気的に接続可能な第２電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第２スイッチ部と、
    前記第１スイッチ部及び前記第２スイッチ部を制御するスイッチ制御部と、
    前記バッテリの温度を取得する温度取得部と、
    前記温度取得部で取得された取得温度が閾値温度よりも高いか否かを判定する温度判定部と、を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記燃料電池の起動指令を取得した際、前記第１電力経路が前記接続状態になるように前記第１スイッチ部を制御するとともに前記第２電力経路が前記遮断状態になるように前記第２スイッチ部を制御した後で、前記取得温度が前記閾値温度よりも高いと前記温度判定部で判定された場合、前記第２電力経路が前記接続状態になるように前記第２スイッチ部を制御する、
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
    前記スイッチ制御部は、前記取得温度が前記閾値温度以下であると前記温度判定部で判定された場合、前記燃料電池の発電開始時に前記第２電力経路が前記接続状態になるように前記第２スイッチ部を制御する、
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池車両において、
    大気圧を取得する大気圧取得部と、
    前記大気圧取得部で取得された大気圧が低いほど前記閾値温度を高く設定する閾値温度設定部と、を備える、
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  4. 燃料電池と、
    前記燃料電池の起動に用いられる第１電装品と、
    前記燃料電池の起動に用いられない第２電装品と、
    前記第１電装品及び前記第２電装品に電力を供給可能なバッテリと、
    前記バッテリ及び前記第１電装品を電気的に接続可能な第１電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第１スイッチ部と、
    前記バッテリ及び前記第２電装品を電気的に接続可能な第２電力経路を接続状態と遮断状態とに切り替え可能な第２スイッチ部と、を備えた燃料電池車両の起動方法であって、
    前記燃料電池の起動指令を取得した際、前記第１スイッチ部によって前記第１電力経路を前記接続状態にするとともに前記第２スイッチ部によって前記第２電力経路を前記遮断状態にした後で、温度取得部によって取得された前記バッテリの取得温度が閾値温度よりも高い場合、前記第２スイッチ部により前記第２電力経路を前記接続状態にする、
    ことを特徴とする燃料電池車両の起動方法。
  5. 請求項４記載の燃料電池車両の起動方法において、
    前記取得温度が前記閾値温度以下である場合、前記燃料電池の発電開始時に前記第２スイッチ部により前記第２電力経路を前記接続状態にする、
    ことを特徴とする燃料電池車両の起動方法。
  6. 請求項４又は５に記載の燃料電池車両の起動方法において、
    大気圧取得部で取得された大気圧が低いほど前記閾値温度を高く設定する、
    ことを特徴とする燃料電池車両の起動方法。
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