(57)【要約】【課題】  燃料電池の保護やシステムの信頼性を保障できる燃料電池移動体を提供する。【解決手段】  燃料電池の発電継続が不能となった場合には、燃料電池への水素ガスの供給と空気の供給をそれぞれ停止して発電を停止して、蓄電装置からの電力で移動体をＥＶ走行させる。このＥＶ走行中に、アノード極の掃気が必要であるか否かを判断して、掃気が必要な場合には、次回起動に必要な電力と掃気に必要な電力とを加算した電力を残した状態、掃気が不要な場合には、次回起動に必要な電力のみを残した状態で走行させる。電力容量が設定した電力に至ったときに、ＥＶ走行を終了させる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池で発電した電力の少なくとも一部を蓄電可能で、前記燃料電池を搭載した移動体の駆動源に蓄電した前記電力を供給可能な蓄電手段と、
前記燃料電池の発電継続の可否を判断する継続発電判断手段と、
前記反応ガスの流路を掃気ガスにより掃気を行う掃気手段と、
前記反応ガスの流路の掃気の可否を判断する掃気可否判断手段と、
前記燃料電池の発電継続が不可と判断されたときに前記蓄電手段から電力を得て前記移動体を運行する移動体運行手段と、を備え、
前記移動体が前記蓄電手段から電力を得て運行する際、前記掃気が必要と判断されたときに前記蓄電手段の残量を少なくとも前記掃気手段に必要な電力を確保した状態で運行させることを特徴とする燃料電池移動体。
【請求項２】
前記掃気可否判断手段は、前記燃料電池の発電停止中に前記燃料電池の内部に残留した水が凍結する可能性があるときに掃気が必要と判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と蓄電手段のそれぞれの電力で移動体を運行させることができる燃料電池移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した自動車では、燃料電池の発電機能が損なわれたときでも自動車の走行を継続させることを可能にする技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載の自動車では、燃料電池を２台搭載して、一方の燃料電池の発電機能が損なわれたときでも、もう一方の燃料電池から電力を得てバッテリを充電して走行させることができる。また、特許文献２に記載の自動車では、燃料電池とキャパシタとからなる電源部を備え、キャパシタに蓄電された電力によりモータを駆動させることができる。
【特許文献１】特開２００３−３３３７０７号公報（図１）
【特許文献２】特開平７−２６４７１５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の自動車では、燃料電池を複数台搭載する必要があるため、重量やコストの増大、制御系が複雑になるという問題がある。そこで、特許文献２に記載のように、複数の燃料電池を搭載することなく、燃料電池が発電できなくなったときにはキャパシタの残留電力を用いることで走行を継続させることができる。
【０００４】
しかし、キャパシタの残留電力を使い果たしてしまうと、その後の燃料電池の発電停止時に燃料電池システムが氷点下の環境下に曝されるなどした場合に燃料電池の反応ガスの流路の掃気に必要な処理を行うことができなくなり、燃料電池を保護することができなくなる。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池が発電できなくなった場合であっても運行の継続と燃料電池の保護を図ることができる燃料電池移動体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電した電力の少なくとも一部を蓄電可能で、前記燃料電池を搭載した移動体の駆動源に蓄電した前記電力を供給可能な蓄電手段と、前記燃料電池の発電継続の可否を判断する継続発電判断手段と、前記反応ガスの流路を掃気ガスにより掃気を行う掃気手段と、前記反応ガスの流路の掃気の可否を判断する掃気可否判断手段と、前記燃料電池の発電継続が不可と判断されたときに前記蓄電手段から電力を得て前記移動体を運行する移動体運行手段と、を備え、前記移動体が前記蓄電手段から電力を得て運行する際、前記掃気が必要と判断されたときに前記蓄電手段の残量を少なくとも前記掃気手段に必要な電力を確保した状態で運行させることを特徴とする。
【０００７】
前記本発明によれば、燃料電池が発電できなくなったときでも、蓄電手段から電力を得て運行を継続することができ、しかも低温環境下などで運行する場合であっても燃料電池を保護することができる。
【０００８】
また、前記掃気可否判断手段は、前記燃料電池の発電停止中に前記燃料電池の内部に残留した水が凍結する可能性があるときに掃気が必要と判断することができる。
【０００９】
このように燃料電池の内部の水が凍結するおそれがあると判断されるときに掃気を行うことで、例えば、燃料電池内の膜の劣化を防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池移動体によれば、発電ができなくなった場合であっても、運行を継続することができ、しかも低温環境下で燃料電池を保護することができる。その結果、システムの信頼性や商品性を向上することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本実施形態の燃料電池移動体を示す構成図、図２は燃料電池移動体に搭載される燃料電池システムを示す構成図、図３は制御部での処理を示すフローチャート、図４はＥＶ走行時の処理を示すフローチャートである。以下の説明では、移動体Ｖの例として自動車を挙げて説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池移動体１は、移動体Ｖに、燃料電池ＦＣ、燃料電池システムＦ１と、蓄電装置（蓄電手段）１０と、モータ（駆動源）Ｍと、切替器３０と、を備えて構成されている。
【００１２】
図２に示すように、前記燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、空気供給手段２、水素供給手段３、冷却手段４、制御部５などを備えている。
【００１３】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜の一面側に触媒を含むアノード極（水素極）、他面側に触媒を含むカソード極（酸素極）が設けられた膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面に導電性のセパレータを備えた単セルが厚み方向に複数枚積層された構造を有している。
【００１４】
前記空気供給手段２は、前記燃料電池ＦＣのカソード極に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給するものであり、コンプレッサ２０、このコンプレッサ２０と燃料電池ＦＣの上流側（入口側）のカソード極とを接続するカソードガス流路２１ａ、燃料電池ＦＣの下流側（出口側）のカソード極に接続される背圧弁２２を備えたカソードオフガス流路２１ｂなどを備えている。コンプレッサ２０は、機械式の過給器であり、大気圧の空気を吸引して加圧するものである。
【００１５】
前記水素供給手段３は、燃料電池ＦＣのアノード極に水素ガスを供給するものであり、遮断弁２４を備えた高圧水素タンク２３、この高圧水素タンク２３と燃料電池ＦＣの上流側（入口側）のアノード極とを接続するアノードガス流路２５ａ、燃料電池ＦＣの下流側(出口側)のアノード極に接続される排出弁２６を備えたアノードオフガス流路２５ｂなどを備えている。
【００１６】
前記冷却手段４は、所定の冷却媒体を燃料電池ＦＣ内に通流させる冷却媒体流路４１、ラジエタ４２、冷却媒体を冷却媒体流路４１内に循環させるポンプ４３などを備えている。この冷却手段４により燃料電池ＦＣの温度が発電に適した温度に保たれるようになっている。
【００１７】
また、前記燃料電池システムＦ１には、前記カソードガス流路２１ａとアノードガス流路２５ａとを互いに接続する、エア導入弁２８を備えたガス流路２７が接続されている。また、カソードガス流路２１ａには流路内の圧力を検出するための圧力センサＰ１が、アノードガス流路２５ａには、同様な圧力センサＰ２が、冷却媒体流路４１には、冷却媒体の温度を検出するための温度センサＴ１が設けられている。また、燃料電池ＦＣには、発電時の出力電流を検出するための電流センサＩが設けられている。なお、電流センサＩに限定されず、電圧を検出するようにしてもよい。
【００１８】
前記制御部５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、コンプレッサ２０、背圧弁２２、遮断弁２４、排出弁２６、エア導入弁２８、ポンプ４３などと接続され、コンプレッサ２０に設けられたコンプレッサの回転出力、背圧弁２２、遮断弁２４、排出弁２６およびエア導入弁２８の開閉動作を制御できるようになっている。また、制御部５には、イグニッションスイッチＳ、タイマーＴＭ、温度センサＴ２が接続され、制御部５に、イグニッションスイッチＳのオンとオフの切替に基づく信号、タイマーＴＭによる所定時間の経過に基づく信号、温度センサＴ２による外気温度に基づく信号が、それぞれ伝達されるようになっている。また、制御部５は、制御線を図示省略しているが、前記圧力センサＰ１，Ｐ２、温度センサＴ１および電流センサＩと接続されている。
【００１９】
なお、図示していないが、カソードガス流路２１ａやアノードガス流路２５ａには、空気や水素ガスを加湿するための加湿器、またアノード極側には、燃料電池ＦＣから排出された未反応の水素ガスを再利用するためのエゼクタなどが設けられている。
【００２０】
前記蓄電装置１０は、燃料電池ＦＣで発電された電力を貯めておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタで構成されている。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などを用い、キャパシタとしては、いわゆる電気二重層キャパシタなどを用いる。
【００２１】
前記切替器３０は、図１に示すように、燃料電池ＦＣ、蓄電装置１０、コンプレッサ２０、モータＭと電線を介して接続されている。本実施形態の燃料電池移動体１では、移動体Ｖの通常の走行時には、実線矢印で示すように、燃料電池ＦＣからモータＭおよびコンプレッサ２０に電力が供給され、仮に燃料電池ＦＣから電力が得られなくなくなったときには、長破線矢印で示すように、蓄電装置１０からモータＭに電力が供給され、燃料電池ＦＣの発電停止する際の掃気時には、短破線矢印で示すように、蓄電装置１０からコンプレッサ２０に電力が供給されるようになっている。また、例えば、移動体Ｖの走行時に急加速など要求電力が急激に増加した場合には、燃料電池ＦＣと蓄電装置１０の双方から電力を得てモータＭが駆動される。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池移動体の動作について図３および図４を参照（適宜、図１および図２参照）して説明する。なお、以下では、アノード極側を掃気ガスとして空気（エア）で掃気処理する場合について説明する。この場合、コンプレッサ２０とエア導入弁２８を備えたガス流路２７とで本発明の掃気手段が構成され、アノードガス流路２５ａとアノードオフガス流路２５ｂとで本発明の流路が構成される。
【００２３】
図３に示すように、ステップ１００（以下、Ｓ１００と略記する）において、移動体ＶのイグニッションスイッチＳがオンに切り替えられると、遮断弁２４（図２参照）が開き、コンプレッサ２０（図２参照）が駆動される（Ｓ１０１）。これにより、燃料電池ＦＣのアノード極に水素ガス（反応ガス）が、カソード極に空気がそれぞれ供給され、アノード極では触媒の作用により水素イオンが生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動する。また、アノード極では、水素イオンが生成される際に電子が生じて、この電子がモータＭやコンプレッサ２０などの外部負荷を介してカソード極に移動する。カソード極に移動した水素イオンと電子は、カソード極の触媒の作用により空気中の酸素と反応して、水が生成される。また、アノード極にも、アノード極側に供給される空気の圧力によって固体高分子電解質膜を介してカソード極から水が透過する。また、必要に応じて、ポンプ４３が駆動されて、燃料電池ＦＣの温度が発電に適した温度になるように制御される。
【００２４】
そして、Ｓ１０２において、燃料電池ＦＣでの発電継続が可能であるか否かが判断される。発電継続が可能であるか否かの判断としては、例えば、燃料電池ＦＣの冷却媒体の温度、カソード極やアノード極の圧力、燃料電池ＦＣの出力電流が、許容範囲から外れた場合などである。これらは、制御部５に入力される、温度センサＴ１、圧力センサＰ１，Ｐ２からの電流センサＩからの検出出力によって判断される。なお、このＳ１０２での処理ステップが、本実施形態での継続発電判断手段に相当する。
【００２５】
Ｓ１０２において、燃料電池ＦＣの発電継続が不能であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、コンプレッサ２０の駆動を停止して燃料電池ＦＣへの空気の供給、遮断弁２４を閉じて燃料電池ＦＣへの水素ガスの供給をそれぞれ停止して、発電を停止する（Ｓ１０３）。そして、図１において、長破線矢印で示すように、蓄電装置１０に蓄えられた電力のみを利用したＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ；電気自動車）走行に切り替える（Ｓ１０４）。なお、このＳ１０４での処理が、本実施形態での移動体運行手段に相当する。
【００２６】
このＥＶ走行では、図４に示すように、ＥＶ走行中にアノード極を空気（エア）で掃気する必要があるか否かを判断する（Ｓ１１０）。このＳ１１０での判断は、燃料電池ＦＣの発電停止から次回起動までの間に、燃料電池システムＦ１の温度が発電時に生成された水を凍結させる温度まで下がると予想されるかどうかで判断する。水が凍結されると判断した場合には掃気が必要になり、水が凍結されないと判断した場合には掃気は不要となる。なお、燃料電池システムＦ１内に残留している水が凍結されると予想されるかどうかは、移動体Ｖに搭載された温度センサＴ２（図２参照）などを用いて判断される。例えば、過去の気象データ（温度推移）などに基づいて、外気温度が所定値以下に至ると予想されるとか、燃料電池システムＦ１の温度が所定値以下まで冷却されると予想されるかどうかで判断する。Ｓ１１０で、掃気する必要があると判断された場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ１１１において蓄電装置１０に必要な電力容量の終了閾値を、掃気を考慮した値に設定する。例えば、この場合の終了閾値としては、掃気に必要な電力と次回起動に必要な電力とを加算した電力を設定する。
【００２７】
そして、Ｓ１１２において、蓄電装置１０に残っている電力容量がＳ１１１で設定した終了閾値に至ったと判断されたときには、切替器３０を制御して蓄電装置１０からモータＭへの電力の供給を停止して、ＥＶ走行を終了する（Ｓ１１３）。また、Ｓ１１０で、掃気する必要がない場合には（Ｎｏ）、Ｓ１１４において蓄電装置１０に必要な電力容量の終了閾値を、掃気を考慮しない値に設定する。例えば、この場合の終了閾値としては、次回起動に必要な電力を設定する。その後は、前記と同様にしてＳ１１２以下の処理を実行する。なお、Ｓ１１１およびＳ１１４において、燃料電池ＦＣを次回起動させる必要がないと判断される場合には、Ｓ１１１では、掃気に必要な電力のみを設定し、Ｓ１１４では、必要な電力をゼロとしてもよい。また、図４でのＳ１１０が、本実施形態での掃気可否判断手段の動作に相当する。
【００２８】
ＥＶ走行が終了すると、図３に示すように、Ｓ１０５において、掃気が必要であるか否かが判断される。図４に示すＳ１１１の処理が実行された場合には、掃気が必要であるので（Ｓ１０５のＹｅｓ）、Ｓ１０６に移行して、図１において短破線矢印で示すように、蓄電装置１０に残っている電力で掃気を行う。この場合、エア導入弁２８と排出弁２６とがそれぞれ開弁されて、蓄電装置１０に残っている電力でコンプレッサ２０が駆動される。これにより、空気（エア）が、カソードガス流路２１ａ、ガス流路２７およびアノードガス流路２５ａを通って燃料電池ＦＣのアノード極に供給される。この場合の掃気の実行時間は、タイマーＴＭ（図２参照）に予め設定された時間に基づいて実行される。なお、掃気の実行時間は、タイマーＴＭに限定されるものではなく、アノード極側の圧力に基づいて処理するようにしてもよい。また、図示していないが、排出弁２６から排出された水は、所定の希釈装置で水素ガスの水素濃度が所定値に希釈された後に移動体Ｖの外部に排出される。また、図４に示すＳ１１４の処理が実行された場合には（Ｓ１０５のＮｏ）、掃気が不要であるので掃気をせずに処理を完了する。
【００２９】
また、Ｓ１０２において、燃料電池ＦＣでの発電が可能であると判断された場合には（Ｎｏ）、通常の発電をそのまま継続して（Ｓ１０７）、制御部５においてイグニッションスイッチＳ（図２参照）がオフに切り替えられたか否かを監視する（Ｓ１０８）。Ｓ１０８において、イグニッションスイッチＳがオフに切り替えられていないと判断された場合には（Ｎｏ）、Ｓ１０２に戻り、それ以降の処理を再度実行する。イグニッションスイッチＳがオフに切り替えられた場合には（Ｙｅｓ）、コンプレッサ２０の駆動を停止して燃料電池ＦＣへの空気の供給を停止し、遮断弁２４を閉じて燃料電池ＦＣへの水素ガスの供給を停止して発電を停止する（Ｓ１０９）。そして、Ｓ１０５に移行して、掃気が不要であると判断された場合には（Ｎｏ）、そのまま処理を終了し、掃気が必要であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ１０６で掃気を実行した後に終了する。なお、ここでの掃気が必要であるか否かの判断は、Ｓ１１０で説明したように、外気温度に基づいて判断するようにしてもよく、あるいは常に掃気するようにしてもよい。
【００３０】
本発明の燃料電池移動体は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。例えば、掃気ガスとして空気（エア）を利用した場合について説明したが、窒素などの不活性ガスを充填したタンクを設けて、このタンク内の不活性ガスを掃気時の掃気ガスとして利用するようにしてもよい。また、本発明は、アノード極側の掃気に限定されるものではなく、背圧弁２２（図２参照）を開弁して、コンプレッサ２０から取り込んだ空気で燃料電池ＦＣのカソード極側を掃気するようにしてもよい。この場合、コンプレッサ２０により本発明の掃気手段が構成され、カソードガス流路２１ａとカソードオフガス流路２１ｂとで本発明の流路が構成される。あるいは、背圧弁２２と排出弁２６とエア導入弁２８とをすべて開弁して、燃料電池ＦＣのアノード極とカソード極の双方を掃気するようにしてもよい。
【００３１】
よって、本実施形態の燃料電池移動体１を寒冷地や冬季などで使用した場合に、燃料電池ＦＣが発電できなくなったときに、蓄電装置に少なくとも掃気に必要な電力を残した状態で走行させることで、特に燃料電池ＦＣの高分子電解質膜の凍結を防止できるので、燃料電池ＦＣを確実に保護することができる。したがって、燃料電池移動体１の商品性および信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態の燃料電池移動体を示す構成図である。
【図２】燃料電池移動体に搭載される燃料電池システムを示す構成図である。
【図３】制御部での処理を示すフローチャートである。
【図４】ＥＶ走行時の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１      燃料電池移動体
１０    蓄電装置（蓄電手段）
２０    コンプレッサ
２１ａ  カソードガス流路
２１ｂ  カソードオフガス流路
２５ａ  アノードガス流路
２５ｂ  アノードオフガス流路
２７    ガス流路
２８    エア導入弁
３０    切替器
ＦＣ    燃料電池
Ｍ      モータ（駆動源）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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