WO2004095617A1

WO2004095617A1 - 燃料電池を搭載した移動体

Info

Publication number: WO2004095617A1
Application number: PCT/JP2004/004934
Authority: WO
Inventors: Shuji Hirakata; Kenji Umayahara
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2004-11-04
Also published as: CN1778008A; US20060042845A1; JP4461701B2; US7438146B2; DE112004000689B4; CN100544094C; DE112004000689T5; JP2004327101A

Abstract

　制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の運転停止要求が発生しすると、燃料電池システム２０の運転を停止し、電源リレー３１２をオフして燃料電池２１と駆動用モータ３０との電気的な接続を遮断する。制御ユニット５０は、シフトセレクタ３６からシフトポジションＳＰがＰまたはＮであることを示すシフトポジション信号を受け取り、また、パーキングブレーキ４２が引かれている場合には、冷却液温度センサ５１、５２によって検出された冷却液温度Ｔfcが２℃以下であるか否かを判定する。制御ユニット５０は、検出された冷却液温度Ｔfcが２℃以下であると判定した場合には保温運転処理を開始する。

Description

明細書

燃料電池を搭載した移動体

技術分野

本発明は、間欠運転が実行される燃料電池システムにおける燃料電池システムの保温技術に関する。背景技術

燃料電池システムでは、水素と酸素との化学反応により電力が発電されるため、発電時には水が生成される。燃料電池システム中に残留している水分は、燃料電池システムの運転が停止され、燃料電池システムの温度が水の凍結温度を下回ると凍結し、この結果、水素供給路、空気供給路が閉塞され、さらには燃料電池の電解膜が凍結してしまうおそれがある。

ここで、燃料電池システムを搭載する車両を始めとする移動体では、燃料電池システムは間欠的に運転されるため、燃料電池システムの運転停止時には、燃料電池システムの温度が水の凍結温度以下になるおそれがある。そこで、移動体では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池システムの温度を水の凍結温度より高い温度に維持するために保温運転が実行される。

しかしながら、たとえ保温運転中であっても燃料電池は発電しているため、移動体の駆動力を出力する電動機に対して電力を供給可能な状態にあり、移動体が動き出す可能性がある。発明の開示

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの保温運転時における移動体の移動を確実に防止することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第 1の態様は、燃料電池を搭載した移動体を提供する。本発明の第 1の態様に係る移動体は、前記燃料電池を含む燃料電池システムと、前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定する移動可否判定手段と、前記燃料電池システム停止時であって、前記移動可否判定手段によつて移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、前記燃料電池システムが所定温度以上に維持されるように前記燃料電池の作動状態を制御する保温運転制御手段とを備えることを特徴とする。

本実施例に係る第 1の態様に係る移動体によれば、燃料電池システム停止時であって、移動可否判定手段によって移動体が移動できない状態にあると判定された場合に、燃料電池システムを所定温度以上に維持するために燃料電池を運転させるので、燃料電池システムの保温運転時における移動体の移動をより適切に防止することができる。

本発明の第 1の態様に係る移動体はさらに、前記燃料電池システム停止時に、前記移動可否判定手段により移動体が移動できる状態にあると判定された場合には報知する報知手段を備えても良い。かかる場合には、使用者に対して移動体を移動できない状態に置くよう注意を促すことができるので、移動体が移動できる状態にあることに起因する燃料電池システムの保温運転の機会の減少を低減または防止することができる。

本発明の第 1の態様に係る移動体において、前記移動体は、駆動輪への動力の伝達を機械的に遮断する動力遮断装置、前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機、前記電動機への電力の供給を電気的に遮断する遮断回路、パーキングブレーキを有し、前記移動可否判定手段は、前記動力遮断装置によって前記動力の伝達が機械的に遮断されている場合、前記遮断回路によって前記電力の供給が電気的に遮断されている場合、および前記パーキングブレーキがオンされている場合のいずれか 1つに該当する場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定しても良い。電動機から駆動輪への動力の伝達が機械的に遮断されている場合には、たとえ電動機が作動しても移動体の移動を防止することができる。また、電動機に対する電力の供給が電気的に遮断されている場合には駆動輪に対する動力を生み出す電動機は作動しないので、燃料電池によつて電力が生成されても移動体の移動を防止することができる。

本発明の第 1の態様に係る移動体において、前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持しても良い。燃料電池システムにおいて、水分の凍結による影響を最も受けるのは燃料電池であるから、燃料電池の温度を所定温度範囲に維持することにより、より適切な保温運転を実行することができる。

本発明の第 2の態様は、燃料電池を含む燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法を提供する。本発明の第 2の態様に係る保温制御方法は、前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定し、前記燃料電池システムが停止状態にあるか否かを判定し、前記燃料電池システムが停止状態にあると共に、前記移動体が移動できない状態にあると判定した場合には、前記燃料電池システムを所定温度以上に維持するために前記燃料電池の作動状態を制御することを特徴として備える。

本発明の第 2の態様に係る保温制御方法によれば、本発明の第 1の態様に係る移動体と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第 2の態様に係る保温制御方法は、本発明の第 1の態様に係る移動体と同様にして種々の態様にて実現され得る。図面の簡単な説明

図 1は、本実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体の概略構成を示す説明図である。

図 2は、本実施例に係る車両において実行される燃料電池システムの保温運転制御処理の処理ルーチンを示すフローチヤ一トである。

図 3は、保温運転と燃料電池の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照しつつ実施例に基づいて、本発明に係る燃料電池を搭載した移動体および燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法について説明する。

図 1を参照して実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体（車両）の概略構成について説明する。図 1は実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体の概略構成を示す説明図である。

燃料電池搭載車両 1 0は、電源システムとしての燃料電池システム 2 0、燃料電池システムから得た電力を駆動力に変換して出力する駆動用モータ（電動機） 3 0、駆動用モータ 3 0によって駆動される車輪 4 0、車両 1 0の動作を制御する制御ユニット 5 0を備えている。 '

燃料電池システム 2 0は、水素ガス（水素含有ガス）を燃料として消費し、電力を発生する燃料電池 2 1、運転時に燃料電池 2 1を冷却する熱交換器 2 2、燃料電'池 2 1に供給する水素を蓄える高圧水素ボンべ 2 3、燃料電池 2 1に対して空気を供給する空気ポンプ 2 4を備えている。なお、図示しないが蓄放電可能な二次電池が備えられていても良い。

燃料電池 2 1と高圧水素ボンべ 2 3とは水素供給管 2 3 1によって接続されており、水素供給管 2 3 1には水素圧力を燃料電池 2 1への供給圧力へと減圧する減圧弁 2 3 2が配置されている。燃料電池 2 1と空気ポンプ 2 4とは空気供給管 2 4 1を介して接続されている。また、燃料電池 2 1に供給された空気は排気管 2 4 2を介して大気中へと排出される。

熱交換器 2 2は、燃料電池 2 1を冷却するために燃料電池 2 1に備えられており、内部を冷却液が循環する。熱交換器 2 2の冷却液入り口と冷却液出口のいずれか一方または双方における冷却液外部循環管 2 2 1には冷却液温度を検出する冷却液温度センサ 5 1、 5 2が備えられている。

駆動用モータ 3 0は、例えば、三相の同期モータであり、外周面に複数個の永久磁石を有する口一夕と、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されたステ一夕とを備える。駆動用モータ 3 0の動作は、制御ユニット 5 0からの制御信号を受けたインバー夕 3 1によって制御される。インバ一夕 3 1と燃料電池 2 1 とは電力供給線 3 1 1によって接続されており、電力供給線 3 1 1の途中には、燃料電池 2 1と駆動用モータ 3 0とを電気的に遮断（切断）するための電源リレ —3 1 2が配置されている。

駆動用モー夕 3 0のロータは、クラッチ機構 3 5 1を備えるギヤ機構 3 5を介して車輪 4 0と接続されている。ギヤ機構 3 5は、ギヤ位置（シフトポジション S P ) を選択するためのシフトセレクタ 3 6と電気的または機械的に接続されている。クラッチ機構 3 5 1は、シフトセレクタ 3 6のシフトポジション S Pとして P (パーキング）または N (ニュートラル）が選択された場合に、駆動用モー夕 3 0と車輪 4 0との機械的な接続を遮断（切断）する。

駆動用モータ 3 0は、ロー夕に備えられた永久磁石による磁界とステ一夕の三相コイルによって形成される磁界との相互作用によって回転して必要な駆動力を車輪 4 0に出力する。車速の減速要求（制動要求）が発生した塲合には、ロータを外力によって駆動させることにより、駆動用モータ 3 0は、これら磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生成させる発電ブレーキとして機能させられる。

車両 1 0には、この他に、車両駐車時に、ブレーキ 4 1を制動状態として車両 1 0の移動を防止するパーキングブレーキ 4 2、車両 1 0を始動 ·停止させるためのスィッチ（イダニシヨンスィッチ） 4 3、速度計 ·警告灯 4 4 1等を備える計器パネル 4 4を備える。

制御ユニット 5 0は、図示しない中央処理装置（C P U) 、記憶装置（R AM 、 R O M) 等を備え、車両 1 0の運転状態に応じて車両 1 0の動作を制御する。制御ユニット 5 0は、移動可否判定手段、保温運転制御手段を実現する。制御ュニット 5 0には、シフトセレクタ 3 6において選択されたシフトポジション S P を示すシフトポジション信号、パーキングブレーキ 4 2の状態を示すパーキングブレーキのオン ·オフ信号、スィツチ 4 3におけるイダニッシヨンポジションを示すイダニシヨンポジション信号、冷却液温度センサ 5 1、 5 2からの検出温度信号が信号線を介して入力される。

制御ュニット 5 0は、ィンバ一タ 3 1に対して駆動用モータを制御するための制御信号を送出すると共に、電源リレー 3 1 2、警告灯 4 4 1に対して遮断 ·接続信号、報知信号をそれぞれ送出する。

図 2および図 3を参照して本実施例に係る車両 1 0において実行される燃料電池システムの保温運転制御について説明する。図 2は本実施例に係る車両 1 0において実行される燃料電池システムの保温運転制御処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図 3は保温運転と燃料電池（F C ) 2 1の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である。

本処理ルーチンは所定時間間隔にて繰り返し実行される。制御ュニット 5 0は、燃料電池システム 2 0の停止要求が発生したか否かを判定する（ステップ S 1 0 0 ) 。具体的には、使用者（運転者）がスィッチ 4 3をオフしたか否かによつて判定される。燃料電池システム 2 0の保温運転制御は、燃料電池システム 2 0 の運転停止時に燃料電池システム 2 0、特に燃料電池 2 1の温度を水分の凍結温度以上に保つことが目的であるから、燃料電池システム 2 0の停止要求を処理開始のトリガとする。

制御ユニット 5 0は、スィッチ 4 3がオフされたと判定した場合、すなわち燃料電池システム 2 0の運転停止要求が発生したと判定した場合には（ステップ S 1 0 0 ： Y e s ) 、燃料電池システム 2 0の運転を停止すると共に、電源リレー 3 1 2をオフして（ステップ S 1 1 0 ) 、燃料電池 2 1と駆動用モータ 3 0との電気的な接続を遮断する。保温運転制御時に発生する電力が駆動用モータ 3 0に対して供給され、駆動用モータ 3 0が作動する事態を回避するためである。なお、スィッチ 4 3がオフされた後も、制御ユニット 5 0は作動状態にあり、適宜、燃料電池システム 2 0を起動、停止することができる。

制御ユニット 5 0は、スィッチ 4 3がオフされていないと判定した場合、すなわち燃料電池システム 2 0の運転停止要求が発生していないと判定した場合には (ステップ S 1 0 0 ： N o ) 、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム 2 0の保温運転制御を実行しない。

制御ュニット 5 0は、シフトセレクタ 3 6からシフトポジション S Pが Pまたは Nであることを示すシフトポジション信号を受け取つたか否かを判定する（ステツプ S 1 2 0 ) 。すなわち、駆動用モータ 3 0と車輪 4 0との接続が機械的に遮断（切断）されているか否かを判定する。

制御ュニット 5 0はシフトポジション S P = P又は Nであると判定した場合には（ステップ S 1 2 0 ： Y e s ) 、パ一キングブレーキが引かれているか否か、パーキングブレーキ信号 P Bがオンされているか否かを判定する（ステップ S 1 3 0 ) 。すなわち、パーキングブレーキ 4 2によってブレーキ 4 1が制動状態に置かれ、車両 1 0 (車輪 4 0 ) の移動が止められている状態であるか否かを判定する。

制御ュニット 5 0はパーキングブレーキ 4 2が引かれている、すなわち P B = オンであると判定した場合には（ステップ S 1 3 0 ： Y e s ) 、冷却液温度センサ 5 1または 5 2によって検出された冷却液温度 T fcが 2 °C以下であるか否かを判定する（ステップ S 1 4 0 ) 。すなわち、燃料電池システム 2 0が凍結のおそれのある温度条件下にあるか否かを判定する。ここで、判定温度として 2 °Cを用いているのは、冷却液温度センサ 5 1、 5 2によって燃料電池システム 2 0、特に、燃料電池 2 1の温度を判定しているため、局所的な温度のばらつきを考慮したためである。また、判定温度としては、例えば、燃料電池 2 1に対して燃料電池 2 1の内部温度を直接検出する温度センサを配置した場合には、 0 °Cであつても良く、 0〜 5 °C程度の任意の温度を用いて構わない。いずれの場合にも、燃料電池 2 1のいずれかの場所の温度が 0度未満にならなければ良い。

制御ュニット 5 0は、検出された冷却液温度 T fcが 2 °C以下であると判定した場合には（ステップ S 1 4 0 ： Y e s ) 、保温運転処理を開始じ ( S 1 5 0 ) 、本処理ル一チンを終了する。

燃料電池システム 2 0の保温運転処理について図 3を参照して簡単に説明する。保温運転処理では、燃料電池システム 2 0、より具体的には燃料電池 2 1の温度を所定の温度範囲に維持するように保温運転処理が実行される。図 3に示すように、燃料電池 2 1の温度である F C温度が 0 °C近傍温度になると、制御ュニット 5 0は保温運転を開始（O N) 、すなわち燃料電池システム 2 0を起動し、燃料電池 2 1による発電を開始する。燃料電池 2 1が発電を開始すると、燃料電池 2 1は発電に伴う起電反応により発熱する。この結果、燃料電池システム 2 0の温度は上昇し、燃料電池システム 2 0 (燃料電池 2 1 ) における水分の凍結を防止することができる。

燃料電池システム 2 0の凍結防止の観点からは、燃料電池システム 2 0の温度は o °c以上であればよいが、保温運転処理における燃料消費を抑制するために、燃料電池システム 2 0の温度が、例えば、 1 0 °Cといった上限温度に到達すると燃料電池システム 2 0の運転が停止される。この後、燃料電池システム 2 0の温度をパラメ一夕として、燃料電池システム 2 0の起動 ·停止が繰り返し実行される。

保温運転時に発電された電力は、空気ポンプ 2 4を始めとする補機を駆動するための電力として消費され、あるいは、燃料電池システム 2 0を加熱するための電気ヒータが備えられている場合には、電気ヒー夕によって燃料電池システム 2 0を加熱（保温）するために用いられても良い。

一方、制御ユニット 5 0は、シフトポジション S P - P又は Nでないと判定した場合（ステップ S 1 2 0 ： N o ) 、およびパーキングブレーキ 4 2が引かれていない、すなわち P B =オンでないと判定した場合には（ステップ S 1 3 0 ： N o ) 、警告を報知する（ステップ S 1 6 0 ) 。具体的には、制御ュニット 5 0は、計器パネル 4 4上の警告灯 4 4 1を点灯、点滅させることによって、あるいは、音声によって、シフトポジション S P = Pまたは Nとすること、パーキングブレーキ 4 2を引くことを促す。

制御ュニッ卜 5 0は、報知開始から所定時間が経過したか否かを判定し（ステップ S 1 7 0 ) 、所定時間が経過していないと判定した場合には（ステップ S 1 7 0 ： N o ) 、ステップ S 1 2 0へと処理を移行する。一方、制御ュニッ卜 5 0 は、所定時間が経過したと判定した場合には（ステップ S 1 7 0 ： Y e s ) 、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム 2 0の保温運転処理は実行されない。

以上説明したように、本実施例に係る車両 1 0および車両 1 0に搭載された燃料電池システム 2 0の保温蓮転制御方法によれば、駆動用モータ 3 0と車輪 4 0 との接続が機械的に遮断され、また、燃料電池 2 1と駆動用モータ 3 0との接続が電気的に遮断された場合にのみ燃料電池システム 2 0の保温運転処理を開始する。したがって、保温運転処理時に燃料電池 2 1によって発電されても、車両 1 0は電気的および機械的に移動（走行）できない状態にあり、保温運転処理時における車両 1 0の移動を確実に防止することができる。

また、車両 1 0が移動可能な状態にある場合には、使用者（運転者）に対してシフトポジション S Pの Pまたは Nポジションへの変更、パーキングブレーキ 4 2の作動を促すので、車両 1 0は、より多くの割合にて移動可能な状態から移動不可能な状態に変更され、燃料電池システム 2 0の保温運転処理実行の機会を増犬させることができる。この結果、燃料電池システム 2 0の凍結をより適切に防止することができる。

·その他の実施例：

上記実施例では、選択されたシフトポジション S P、パーキングブレーキ 4 2 の作動状況の双方に基づいて車両 1 oが移動可能な状態にあるか否かを判定しているが、いずれか一方のみを判定しても良い。また、電源リレー 3 1 2がオフされているか否かを確認するステップを備えても良い。

上記実施例では、冷却液温度センサ 5 1 、 5 2によって燃料電池 2 1の温度を検出しているが、燃料電池 2 1に対して直接温度センサを配置しても良い。また、燃料電池 2 1の温度を検出する複数の温度センサを備え、いずれか 1つの温度センサの検出値が判定温度以下となった場合に、保温運転処理を開始してもよい。かかる場合には、より適切に燃料電池システム 2 0の凍結を防止することができる。さらに、燃料電池 2 1の温度は、燃料電池 2 1の温度と予め対応付けておくことにより外気温、表面温度等を用いても良い

上記実施例では燃料電池 2 1の燃料として高圧水素タンク 2 3に充填されている水素を用いたが、改質器によって得られる水素含有ガス（改質ガス）を用いても良い。

また、上記実施例に係る装置、方法は、コンピュータプログラムまたはコンビユー夕プログラムを記録した記録媒体（電気的、磁気的、光学的記録媒体）としても実現され得る。

以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る移動体、燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温運転制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池を搭載した移動体であって、

前記燃料電池を含む燃料電池システムと、

前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定する移動可否判定手段と、前記燃料電池システム停止時であって、前記移動可否判定手段'により移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、前記燃料電池システムが所定温度以上に維持されるように前記燃料電池の作動状態を制御する保温運転制御手段とを備える移動体。

2 . 請求の範囲 1に記載の移動体はさらに、

前記燃料電池システム停止時に、前記移動可否判定手段により移動体が移動できる状態にあると判定された場合には報知する報知手段を備える移動体。

3 . 請求の範囲 1または 2に記載の移動体において、

前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持する移動体。

4 . 請求の範囲 1または 2に記載の移動体において、

前記移動体は、駆動輪への動力の伝達を機械的に遮断する動力遮断装置、前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機、前記電動機への電力の供給を電気的に遮断する遮断回路、パーキングブレーキを有し、前記移動可否判定手段は、前記動力遮断装置によって前記動力の伝達が機械的に遮新されている場合、前記遮断回路によって前記電力の供給が電気的に遮断されている場合、および前記パ一キングブレーキがオンされている場合のいずれか 1つに該当する場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定する移動体。

5 . 燃料電池を含む燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法であって、前記移動体が移動できない状態にあるか否かを判定し、

前記燃料電池システムが停止状態にあるか否かを判定し、

前記燃料電池システムが停止状態にあると共に、前記移動体が移動できない状態にあると判定した場合には、前記燃料電池システムを所定温度以上に維持するために前記燃料電池の作動状態を制御することを備える保温制御方法。

6 . 請求の範囲 5に記載の燃料電池システムの保温制御方法はさらに、前記燃料電池システム停止時に、前記移動体が移動できる状態にあると判定した場合には報知することを備える燃料電池システムの保温制御方法。

7 . 請求の範囲 5または 6に記載の燃料電池システムの保温制御方法において、

前記燃料電池システムを少なくとも所定温度以上に維持するための前記燃料電池の運転は、

前記燃料電池の内部温度に対応付けられた計測値を検出し、

前記検出した計測値を用いて前記燃料電池の内部温度を所定温度範囲に維持することによって実行される燃料電池システムの保温制御方法。

8 . 請求の範囲 5または 6に記載の燃料電池システムの保温制御方法において駆動輪への動力の伝達を機械的に遮断する動力遮断装置によって前記動力の伝達が機械的に遮断されている場合、前記燃料電池により生成された電力を前記駆動輪への動力に変換する電動機に対する電力の供給を電気的に遮断する遮断回路によって前記電力の供給が電気的に遮断されている場合、パーキングブレーキがオンされている場合のいずれか 1つに該当する場合に前記移動体は移動できない状態にあると判定する燃料電池システムの保温制御方法。