(57)【要約】【課題】燃料の消費量を少なくすることができるようにする。【解決手段】複数の燃料電池区分から成る燃料電池と、選択された燃料電池区分に燃料を供給し、選択された燃料電池区分を稼働する燃料電池稼働制御処理手段と、前記選択された燃料電池区分の稼働を停止させる停止制御処理手段とを有する。選択された燃料電池区分だけに燃料が供給されるので、すべての単位セルを使用する必要がなくなる。したがって、停止制御処理において選択された燃料電池区分内の燃料だけが排出されるので、電力の発生に寄与しない燃料が排出されることはない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池区分から成る燃料電池と、選択された燃料電池区分に燃料を供給し、選択された燃料電池区分を稼働する燃料電池稼働制御処理手段と、前記選択された燃料電池区分の稼働を停止させる停止制御処理手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記各燃料電池区分に燃料を供給するための燃料弁を有するとともに、前記燃料電池稼働制御処理手段は、前記選択された燃料電池区分の燃料弁を介して燃料を供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記各燃料電池区分の燃料を排出するための排出弁、及び選択された燃料電池区分の燃料を不活性ガスと置換するための不活性ガス置換弁を有するとともに、前記停止制御処理手段は、前記排出弁において燃料が排出された後に前記不活性ガス置換弁を開放して不活性ガスを導入する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料の消費量が最小となるように算出された燃料電池に加わる負荷に応じて燃料電池区分を選択する燃料電池区分選択処理手段を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
車両の走行パターンを予測する走行パターン予測処理手段を有するとともに、前記燃料電池は車両を走行させるための負荷装置と接続され、前記負荷は、前記走行パターン予測処理手段によって予測された走行パターンに基づいて算出される請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記走行パターン予測処理手段は、前記車両の走行に伴って取得された走行データに基づいて走行パターンを予測する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
目的地を設定することによって経路を探索する経路探索処理手段を有するとともに、前記走行パターン予測処理手段は、探索経路に基づいて走行パターンを予測する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池は、車両に搭載され、車両駆動源への電力の供給に使用される請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
複数の燃料電池区分から成る燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法において、車両の走行パターンを予測し、走行パターンに基づいて、燃料の消費量が最小となるように燃料電池に加わる負荷を算出し、算出された負荷に応じて燃料電池区分を選択し、選択された燃料電池区分を稼働することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電力を電流として駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。
【０００３】
そのために、前記燃料電池搭載車両に燃料電池システムが配設され、該燃料電池システムは、燃料タンクから燃料としての水素ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記燃料電池を構成し、複数の単位セルの集合体から成るスタック、該スタックから排出された空気、蒸気及び水から成る混合流中の蒸気を凝縮させる凝縮器等を備える。前記スタックは、上端部に空気が供給される供給マニホルドを、下端部に混合流を排出する排出マニホルドを備える。
【０００４】
そして、前記スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールにおいて、前記水素ガスの水素と空気中の酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数の単位セルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成り、前記各単位セルは、電解質膜を挟んで空気極及び燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２２９１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいて、例えば、車両を走行させたときに燃料電池に加わる負荷が小さくなり、発生させる必要がある電力が小さくなっても、すべての単位セルを使用して燃料電池を稼働するようになっている。
【０００６】
ところで、例えば、燃料電池搭載車両を走行させた後の停車時間が長い場合等において、燃料流路に水素ガスが残留したままになると、スタックを劣化させてしまうので、停車時間が長い場合等においては、燃料流路内の水素ガスを排出し、空気と置換するようにしている。
【０００７】
したがって、前述されたように、すべての単位セルを使用して燃料電池を稼働した後、水素ガスを排出すると、電力の発生に寄与しなかった水素ガスも排出されることになる。その結果、水素ガスの消費量がその分多くなり、燃料の消費量が多くなり、燃費が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料の消費量を少なくすることができる燃料電池システム及びその制御方法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】
【０００９】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、複数の燃料電池区分から成る燃料電池と、選択された燃料電池区分に燃料を供給し、選択された燃料電池区分を稼働する燃料電池稼働制御処理手段と、前記選択された燃料電池区分の稼働を停止させる停止制御処理手段とを有する。
【００１０】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記各燃料電池区分に燃料を供給するための燃料弁を有する。そして、前記燃料電池稼働制御処理手段は、前記選択された燃料電池区分の燃料弁を介して燃料を供給する。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記各燃料電池区分の燃料を排出するための排出弁、及び選択された燃料電池区分の燃料を不活性ガスと置換するための不活性ガス置換弁を有する。そして、前記停止制御処理手段は、前記排出弁において燃料が排出された後に前記不活性ガス置換弁を開放して不活性ガスを導入する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、燃料の消費量が最小となるように算出された燃料電池に加わる負荷に応じて燃料電池区分を選択する燃料電池区分選択処理手段を有する。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、車両の走行パターンを予測する走行パターン予測処理手段を有する。そして、前記燃料電池は車両を走行させるための負荷装置と接続される。また、前記負荷は、前記走行パターン予測処理手段によって予測された走行パターンに基づいて算出される。
【００１４】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記走行パターン予測処理手段は、前記車両の走行に伴って取得された走行データに基づいて走行パターンを予測する。
【００１５】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、目的地を設定することによって経路を探索する経路探索処理手段を有する。そして、前記走行パターン予測処理手段は、探索経路に基づいて走行パターンを予測する。
【００１６】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池は、車両に搭載され、車両駆動源への電力の供給に使用される。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの制御方法においては、複数の燃料電池区分から成る燃料電池を備えた燃料電池システムに適用される。
【００１８】
そして、車両の走行パターンを予測し、走行パターンに基づいて、燃料の消費量が最小となるように燃料電池に加わる負荷を算出し、算出された負荷に応じて燃料電池区分を選択し、選択された燃料電池区分を稼働する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、複数の燃料電池区分から成る燃料電池と、選択された燃料電池区分に燃料を供給し、選択された燃料電池区分を稼働する燃料電池稼働制御処理手段と、前記選択された燃料電池区分の稼働を停止させる停止制御処理手段とを有する。
【００２０】
この場合、選択された燃料電池区分だけに燃料が供給されるので、すべての単位セルを使用する必要がなくなる。したがって、停止制御処理において前記選択された前記燃料電池区分内の燃料だけが排出されるので、電力の発生に寄与しない燃料が排出されることはない。
【００２１】
また、停車時において長時間にわたり、補機類（機器）を使用したり、消費電力の大きな補機類に電力を供給したりする場合に、バッテリ電圧が所定の値以下になるのを防止するために、バッテリ電圧、消費電力に対応させて燃料電池区分を独立して稼働することができる。そして、選択された燃料電池区分だけに空気を供給するだけでよいので、補機類による消費電力を小さくすることができる。
【００２２】
その結果、燃料の消費量を少なくすることができ、燃料電池システムのコストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２５】
図において、１０は燃料電池搭載車両の全体の制御を行う車両制御装置、１２は車両駆動源としての、かつ、電動機械としての駆動モータ、１３は該駆動モータ１２の制御を行う駆動モータ制御装置、１４は情報端末、例えば、燃料電池搭載車両に搭載された車載装置としてのナビゲーション装置である。前記車両制御装置１０、電源装置２１、駆動モータ１２、駆動モータ制御装置１３及びナビゲーション装置１４によって燃料電池システムが構成される。なお、前記ナビゲーション装置１４が図示されないネットワークを介して情報センタ等と接続される場合には、前記車両制御装置１０、駆動モータ１２、駆動モータ制御装置１３及びナビゲーション装置１４、ネットワーク、情報センタ等によって燃料電池システムが構成される。本実施の形態においては、前記燃料電池搭載車両として、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両が使用される。
【００２６】
前記車両制御装置１０は、制御装置としての、かつ、演算装置としてのＣＰＵ５４、該ＣＰＵ５４が各種の演算処理を行うに当たってワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ５５、制御用のプログラムのほか、目的地までの経路の探索、経路案内等を行うための各種のプログラムが記録されたＲＯＭ５６、各種のデータ、プログラム等を記録するために使用される図示されないフラッシュメモリを備える。なお、前記駆動モータ制御装置１３も、同様に、図示されないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等を備える。
【００２７】
また、２１は駆動モータ１２を駆動するための電力を供給する駆動エネルギー源となる前記電源装置、２２はインバータ、４１は燃料電池搭載車両の車速を検出する車速検出部としての車速センサである。この場合、前記燃料電池搭載車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、停車させている間においても電力を消費する補機類を複数備えていて、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。そこで、前記電源装置２１は、燃料電池を構成する燃料電池電源部２４のほかに、該燃料電池電源部２４に対して並列に接続された補助電源部としてのバッテリ２５を備える。また、燃料電池電源部２４に、該燃料電池電源部２４の制御を行う燃料電池制御装置９１が配設され、該燃料電池制御装置９１も、同様に、図示されないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等を備える。なお、前記バッテリ２５に代えてキャパシタ（コンデンサ）等を配設することができる。
【００２８】
前記インバータ２２は、６個のスイッチング素子としての図示されないトランジスタを備え、前記駆動モータ制御装置１３から駆動信号を受け、各トランジスタを選択的にオン・オフさせる。したがって、前記電源装置２１から供給された直流の電流を変換し、交流の各相の電流を発生させ、駆動モータ１２に送る。
【００２９】
そして、前記駆動モータ制御装置１３は、図示されないレゾルバ等によって検出された磁極位置に基づいて駆動モータ１２の回転速度、すなわち、駆動モータ回転速度を算出する。また、前記駆動モータ制御装置１２は、車速センサ４１によって検出された前記駆動モータ回転速度に対応する車速を読み込み、車両制御装置１０に送る。
【００３０】
該車両制御装置１０において、ＣＰＵ５４の図示されないトルク目標値発生処理手段は、トルク目標値発生処理を行い、前記車速、及び図示されないアクセルセンサによって検出されたアクセルペダルの踏込量を表すアクセル開度に基づいて、燃料電池搭載車両に要求される車両要求トルクを算出し、該車両要求トルクに対応させて駆動モータ１２のトルク、すなわち、駆動モータトルクの目標値を発生させ、駆動モータ制御装置１３に送る。なお、前記アクセル開度は、燃料電池電源部２４に加わる負荷を表す負荷指標となる。
【００３１】
そして、該駆動モータ制御装置１３は、前記駆動モータトルクの目標値を読み込むと、該目標値に対応する電流指令値を発生させ、該電流指令値に基づいて電圧指令値を発生させ、該電圧指令値に基づいてパルス幅変調信号を発生させる。その結果、パルス幅変調信号が駆動信号としてインバータ２２に送られる。
【００３２】
このようにして、前記駆動モータ制御装置１３は、駆動モータ１２を駆動し、燃料電池搭載車両を走行させることができる。
【００３３】
次に、ナビゲーション装置１４について説明する。
【００３４】
そのために、前記ナビゲーション装置１４は、現在地を検出する現在地検出部としてのＧＰＳセンサ１５、地図データのほかに各種の情報が記録された情報記録部としてのデータ記録部１６、入力された情報に基づいて、ナビゲーション処理等の各種の演算処理を行うナビゲーション処理部１７、自車方位を検出する方位検出部としての方位センサ１８、操作者である運転者が操作することによって所定の入力を行うための第１の入力部としての操作部３４、図示されない画面に表示された画像によって各種の表示を行い、運転者に通知するための第１の出力部としての表示部３５、音声によって所定の入力を行うための第２の入力部としての音声入力部３６、音声によって各種の表示を行い、運転者に通知するための第２の出力部としての音声出力部３７、及び通信端末として機能する送受信部としての通信部３８を備え、前記ナビゲーション処理部１７に、ＧＰＳセンサ１５、データ記録部１６、方位センサ１８、操作部３４、表示部３５、音声入力部３６、音声出力部３７及び通信部３８が接続される。また、前記ナビゲーション処理部１７には、前記車速センサ４１が接続される。
【００３５】
前記ＧＰＳセンサ１５は、人工衛星によって発生させられた電波を受信することによって地球上における現在地を検出し、併せて時刻を検出する。本実施の形態においては、現在地検出部としてＧＰＳセンサ１５が使用されるようになっているが、該ＧＰＳセンサ１５に代えて図示されない距離センサ、ステアリングセンサ、高度計等を単独で、又は組み合わせて使用することもできる。また、前記方位センサ１８としてジャイロセンサ、地磁気センサ等を使用することができる。
【００３６】
前記データ記録部１６は、地図データファイルから成る地図データベースを備え、該地図データベースに地図データが記録される。該地図データには、交差点に関する交差点データ、ノードに関するノードデータ、道路リンクに関する道路データ、探索用に加工された探索データ、施設に関する施設データ等が含まれる。前記ノードデータには、各ノードの座標、リンク角度等のノードデータのほかに、各ノードにおける勾（こう）配を表す勾配データ、各ノードにおける標高を表す高度データ等が含まれる。前記勾配のデータは、５０〔ｍ〕メッシュのメッシュ標高データ等に基づいて算出されることによって推測される。
【００３７】
さらに、前記データ記録部１６には、統計データファイルから成る統計データベース、走行履歴データファイルから成る走行履歴データベース等が形成され、前記統計データファイルに統計データが、前記走行履歴データファイルに走行履歴データが、いずれも実績データとして記録される。
【００３８】
前記統計データは、過去に提供された交通情報の実績、すなわち、履歴を表す履歴情報であり、情報提供者としてのＶＩＣＳ（登録商標：Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）センタ等の図示されない道路交通情報センタ等によって過去に提供された交通情報、国土交通省によって提供された道路交通センサスによる交通量を表すデータ（以下「道路交通センサス情報」という。）、国土交通省によって提供された道路時刻表情報等を単独で、又は組み合わせて使用し、必要に応じて、加工し、統計処理を施すことによって作成される。また、走行履歴データは、複数の車両（自車又は他車）から収集した走行経路における車両の走行の実績、すなわち、走行実績を表す実績情報であり、走行データに基づいてプローブデータとして算出され、蓄積される。
【００３９】
さらに、前記データ記録部１６には、所定の情報を音声出力部３７によって出力するためのデータも記録される。
【００４０】
前記データ記録部１６は、前記各種のデータを記録するために、ハードディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、光ディスク等の図示されないディスクを備えるほかに、各種のデータを読み出したり、書き込んだりするための読出・書込ヘッド等の図示されないヘッドを備える。前記データ記録部１６にメモリカード等を使用することができる。
【００４１】
本実施の形態においては、前記データ記録部１６に、前記地図データベース、統計データベース、走行履歴データベース等が配設されるようになっているが、情報センタにおいて、前記地図データベース、統計データベース、走行履歴データベース等を配設することもできる。
【００４２】
また、前記ナビゲーション処理部１７は、ナビゲーション装置１４の全体の制御を行う制御装置としての、かつ、演算装置としてのＣＰＵ３１、該ＣＰＵ３１が各種の演算処理を行うに当たってワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ３２、制御用のプログラムのほか、目的地までの経路の探索、経路案内等を行うための各種のプログラムが記録されたＲＯＭ３３、各種のデータ、プログラム等を記録するために使用される図示されないフラッシュメモリを備える。
【００４３】
本実施の形態においては、前記ＲＯＭ３３に各種のプログラムを記録し、前記データ記録部１６に各種のデータを記録することができるが、プログラム、データ等をディスク等に記録することもできる。この場合、ディスク等から前記プログラム、データ等を読み出してフラッシュメモリに書き込むことができる。したがって、ディスク等を交換することによって前記プログラム、データ等を更新することができる。
【００４４】
前記操作部３４は、運転者が操作することによって、走行開始時の現在地を修正したり、出発地及び目的地を入力したり、通過点を入力したり、通信部３８を作動させたりするためのものであり、前記操作部３４として、表示部３５とは独立に配設されたキーボード、マウス等を使用することができる。また、前記操作部３４として、前記表示部３５に形成された画面に画像で表示された各種のキー、スイッチ、ボタン等の画像操作部をタッチ又はクリックすることによって、所定の入力操作を行うことができるようにしたタッチパネルを使用することができる。
【００４５】
前記表示部３５としてはディスプレイが使用される。そして、表示部３５に形成された各種の画面に、現在地を表す自車位置、地図、探索経路、該探索経路に沿った案内情報、交通情報等を表示したり、探索経路における次の交差点までの距離、次の交差点における進行方向を表示したりすることができるだけでなく、前記画像操作部、操作部３４、音声入力部３６等の操作案内、操作メニュー、キーの案内を表示したり、ＦＭ多重放送の番組等を表示したりすることができる。
【００４６】
また、音声入力部３６は、図示されないマイクロホン等によって構成され、音声によって必要な情報を入力することができる。さらに、音声出力部３７は、図示されない音声合成装置及びスピーカを備え、音声出力部３７から、前記探索経路、案内情報、交通情報等が、例えば、音声合成装置によって合成された音声で出力される。
【００４７】
前記通信部３８は、前記道路交通情報センタから送信された現況の交通情報、一般情報等の各種の情報を、道路に沿って配設された電波ビーコン装置、光ビーコン装置等を介して電波ビーコン、光ビーコン等として受信するためのビーコンレシーバ、ＦＭ放送局を介してＦＭ多重放送として受信するためのＦＭ受信機等を備える。
【００４８】
なお、ナビゲーション装置１４と情報センタとがネットワークによって接続されている場合、通信部３８は、前記情報センタから前記地図データ、統計データ、走行履歴データ等のデータのほかに、交通情報、一般情報等の各種の情報を受信することができる。
【００４９】
前記燃料電池システム、車両制御装置１０、駆動モータ制御装置１３、ナビゲーション処理部１７、前記燃料電池電源部２４に配設された燃料電池制御装置９１、ＣＰＵ３１、５４等は、各種のプログラム、データ等に基づいてコンピュータとして機能する。また、データ記録部１６、ＲＡＭ３２、５５、ＲＯＭ３３、５６、各フラッシュメモリ等によって記録媒体が構成される。そして、演算装置として、ＣＰＵ３１、５４に代えてＭＰＵ等を使用することもできる。
【００５０】
次に、前記燃料電池電源部２４について説明する。
【００５１】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池電源部を示すブロック図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池電源部の要部を示すブロック図である。
【００５２】
図において、２４は燃料電池電源部であり、該燃料電池電源部２４は、互いに並列に接続された複数の、本実施の形態においては、４個の燃料電池ユニットｕｉ（ｉ＝１〜４）、車両制御装置１０から送られた各燃料電池ユニットｕｉの稼働スケジュールを表す制御信号に基づいて、前記各燃料電池ユニットｕｉの制御を行う前記燃料電池制御装置９１、補機類等を備える。
【００５３】
各燃料電池ユニットｕｉは、管路Ｌｉ（ｉ＝１〜４）、該管路Ｌｉに配設され、稼働単位ごとの燃料電池区分を構成するスタックＳｔｉ（ｉ＝１〜４）、前記管路Ｌｉの一端側に配設され、スタックＳｔｉに燃料としての水素ガスを選択的に供給するための第１の燃料弁としての電磁弁ｖａｉ（ｉ＝１〜４）、該電磁弁ｖａｉととスタックＳｔｉとの間に配設され、スタックＳｔｉ内の圧力を検出する圧力検出部としての圧力センサｐｉ（ｉ＝１〜４）、及び管路Ｌｉの他端側に配設され、スタックＳｔｉに対して水素ガスを給排するための第２の燃料弁としての電磁弁ｖｃｉ（ｉ＝１〜４）を備える。そして、前記燃料電池制御装置９１は、各燃料電池区分を構成するスタックＳｔｉに接続された管路Ｌｉの電磁弁ｖａｉ、ｖｃｉを制御することによって、所望のスタックＳｔｉを稼働する。
【００５４】
前記各管路Ｌｉは、一端側で管路Ｈ１によって、他端側で管路Ｈ２によって連通させられ、さらに、前記管路Ｈ１、Ｈ２は、それぞれ接続点ｑ１、ｑ２において管路Ｈ３によって連通させられ、該管路Ｈ３の接続点ｑ１側に、管路Ｈ３を選択的に遮断するための遮断弁としての電磁弁ｖｅ１、該電磁弁ｖｅ１より接続点ｑ２側において管路Ｈ３から分岐した管路ｎ１、該管路ｎ１に配設され、選択的に水素ガスを排出する排出弁としての電磁弁ｖｆ１、及び前記管路ｎ１の分岐点より接続点ｑ２側に配設され、水素ガスを動作時に循環させ、停止時に排出するためのポンプＰｍ１を備える。
【００５５】
また、前記接続点ｑ１において、前記各スタックＳｔｉに水素ガスを供給するための各スタックＳｔｉに共通の燃料供給系としての水素ガス供給系６１が接続される。そして、前記接続点ｑ１と水素ガス供給系６１とを連通する管路Ｈ４から分岐した管路ｍ１に、不活性ガスとしての空気を選択的に各スタックＳｔｉに導入し、水素ガスと置換するための不活性ガス置換弁としての電磁弁ｖｂ１が配設される。なお、不活性ガスとして空気に代えて窒素ガスを導入することができる。
【００５６】
そして、図３に示されるように、前記各スタックＳｔｉに、水素ガスと反応させるために、酸化剤としての空気を供給するための媒体供給系としての空気供給系６２、前記各スタックＳｔｉから排出された空気、蒸気及び水から成る混合流を排出するための混合流排出系６３、前記各スタックＳｔｉに水を供給するための冷却媒体供給部としての水供給系６４が、いずれも各スタックＳｔｉごとに配設される。なお、前記空気供給系６２、混合流排出系６３及び水供給系６４を、部分的に各スタックＳｔｉに共通に配設することができる。
【００５７】
前記燃料電池電源部２４、水素ガス供給系６１、空気供給系６２、混合流排出系６３及び水供給系６４によって燃料電池システムのメインシステムが構成される。そして、各スタックＳｔｉは、水素ガス供給系６１、空気供給系６２、混合流排出系６３及び水供給系６４とともに、燃料電池システムのサブシステムを構成する。
【００５８】
本実施の形態においては、各スタックＳｔｉとして、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が使用されるが、固体高分子型燃料電池に代えて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。
【００５９】
前記各スタックＳｔｉは、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット６７を備える。そして、該スタックユニット６７は、図示されない複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、スタックＳｔｉの端子を構成する一対の図示されないターミナル、並びに前記各モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料から成る図示されないインシュレータを備える。
【００６０】
ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系６１によって供給された水素ガスの水素と、前記空気供給系６２によって供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、スタックＳｔｉの要素を構成する複数の薄い膜状の単位セルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。
【００６１】
前記各単位セルは、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを伝播する固体電解質としての電解質膜を挟んで、空気極及び燃料極（水素極）を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて媒体流路としての空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える。
【００６２】
前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面には、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層が形成される。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての、かつ、酸化剤としての純酸素をスタックＳｔｉに供給することもできる。
【００６３】
前記スタックケース内には、前記スタックユニット６７より上方に、空気供給系６２から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、第１のマニホルドとしての供給マニホルド６８が、スタックユニット６７より下方に、空気極内の混合流を集め、混合流排出系６３に排出するための、第２のマニホルドとしての排出マニホルド６９が形成される。前記供給マニホルド６８及び排出マニホルド６９は、前記空気流路と連通させられる。そのために、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によって前記空気流路が構成される。
【００６４】
また、前記セパレータにおける燃料極と面する側においては、マトリックス状に突出させて複数の突起が形成され、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、前記各突起間に、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料流路が形成される。なお、７１は各スタックＳｔｉの起電圧を検出する電圧検出部としての電圧センサ（Ｖ）であり、該電圧センサ７１は各スタックＳｔｉに複数配設される。
【００６５】
前記空気供給系６２は、供給マニホルド６８に空気を供給するための媒体供給路としての管路Ａ１、該管路Ａ１に配設された酸化剤供給装置としてのシロッコファン等から成るファン７３、該ファン７３によって吸引される空気を濾（ろ）過するフィルタ７４等を備える。前記酸化剤供給装置として、ファン７３に代えて空気タンク、空気コンプレッサ、酸素タンク等を使用することができる。
【００６６】
また、前記混合流排出系６３は、排出マニホルド６９から排出された混合流のうちの空気及び蒸気を排出するための排出路としての管路Ｄ１、該管路Ｄ１に接続された回収部材としての凝縮器７５、空気の温度を検出する温度検出部としての温度センサ（Ｔ）７６等を備える。
【００６７】
前記水素ガス供給系６１は、燃料供給装置としての燃料タンク７７、該燃料タンク７７と前記接続点ｑ１との間に配設され、順に、燃料タンク７７内から排出された水素ガスを各スタックＳｔｉに供給するための燃料供給路としての管路Ｆ１を備え、該管路Ｆ１に、燃料タンク７７側から接続点ｑ１側にかけて、燃料タンク７７から管路Ｆ１に向けて選択的に水素ガスを供給するための開閉弁としての電磁弁ｖｇ１、管路Ｆ１に排出された水素ガスの圧力、すなわち、一次圧力を検出する第１の圧力検出器としての水素ガス圧センサｐａ、前記管路Ｆ１に排出された水素ガスの圧力を調整する第１の燃料供給圧調整弁としての調圧弁ｖｇ２、スタックＳｔｉへの水素ガスの供給量を調整する燃料供給量調整弁としての調整弁ｖｇ３、及び前記調圧弁ｖｇ２によって調整された水素ガスの圧力を更に調整する第２の燃料供給圧調整弁としての調圧弁ｖｇ４が配設される。
【００６８】
そして、該調圧弁ｖｇ４の両端に、調圧弁ｖｇ４をバイパスして迂回路Ｆ２が接続され、該迂回路Ｆ２に、燃料タンク７７から接続点ｑ１側にかけて、順に、前記調整弁ｖｇ３によって調整された水素ガスの圧力、すなわち、二次圧力を検出する第２の圧力検出器としての水素ガス圧センサｐｂ、及び前記調圧弁ｖｇ４を通すことなく、高いままの二次圧力の水素ガスを直接にスタックＳｔｉに供給するための、開閉弁としての電磁弁ｖｇ５が配設される。この場合、前記調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４が配設されるので、水素ガスの圧力を段階的に低くすることができる。
【００６９】
前記調整弁ｖｇ３及び電磁弁ｖｇ５は、水素ガスの供給量を調整するだけでなく、スタックＳｔｉへの水素ガスの供給を行ったり、遮断したりする。なお、前記調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４は、水素ガスの圧力を段階的に低くするために配設されるが、調圧弁を必要に応じて三つ以上配設することができる。
【００７０】
なお、燃料供給装置として、前記燃料タンク７７に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することができる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４の開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、水素吸蔵合金が加熱される。
【００７１】
なお、燃料供給装置として改質装置を使用し、該改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、供給することもできるが、燃料電池搭載車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、前記燃料タンク７７を使用するのが好ましい。
【００７２】
また、前記水供給系６４は、水供給源としての水タンク８１、該水タンク８１から排出される水を濾過するフィルタ８２、水タンク８１に補給される水を濾過するフィルタ８３、水供給装置としての水供給ポンプＰｍ２、空気極冷却装置としての噴射装置（インジェクタ）８４、前記水タンク８１から排出された水を噴射装置８４に供給するための冷却媒体供給路としての管路Ｗ１、排出マニホルド６９の下部に溜（た）まり、排出マニホルド６９から排出された水、及び凝縮器７５において分離させられた水を回収し、水タンク８１に供給するための水帰還路としての管路Ｗ２、回収された水を水タンク８１に供給する水回収ポンプＰｍ３、並びに水回収ポンプＰｍ３と水タンク８１との間に配設された逆止弁８５を備える。該逆止弁８５は、水回収ポンプＰｍ３側から水タンク８１側に水が流れるのを許容し、水タンク８１側から水回収ポンプＰｍ３側に水が流れるのを阻止する。
【００７３】
なお、前記凝縮器７５に凝縮促進部材として図示されない冷却ファンが配設され、該冷却ファンを作動させて冷却媒体としての冷却空気を凝縮器７５に供給し、該凝縮器７５を冷却する。また、前記冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
【００７４】
前記水タンク８１には、水位検出部としての水位センサ（Ｌ）８８が配設され、該水位センサ８８によって水タンク８１内の水の量を表す水位が検出される。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としての図示されないアラームが点滅し、水が不足していることをオペレータに通知する。この場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファンの回転速度を高くすることによって凝縮器７５の能力を高くし、水の回収量を多くする。
【００７５】
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることをオペレータに通知することもできる。その場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファンの回転速度を低くすることによって凝縮器７５の能力を低くし、水の回収量を少なくする。なお、前記水位センサ８８及び冷却ファンは車両制御装置１０（図１）に接続されるので、該車両制御装置１０によって水位センサ８８によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファンの回転速度を変更することもできる。
【００７６】
前記各スタックＳｔｉにおいて、前記燃料タンク７７から水素ガスが供給されると、管路Ｌｉからスタックユニット６７内の各燃料流路に分配され、該各燃料流路を流れる。一方、前記ファン７３を作動させることによって、車外から空気を取り込み、前記供給マニホルド６８に供給すると、該供給マニホルド６８からスタックユニット６７内の各空気流路に分配され、該空気流路を下方に向けて流れる。
【００７７】
ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置としての前記インバータ２２を接続すると、燃料極において形成される水素イオンが、プロトン（Ｈ+ ）の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子が前記電解質膜を介して空気極側に移動し、電流が発生する。このように、空気流路内を空気が、燃料流路内を水素ガスが流れると、酸素と水素とが反応して水が生成され、これに伴って直流の電流が発生させられ、前記インバータ２２に送られる。
【００７８】
なお、前記車両制御装置１０は、燃料電池搭載車両の全体の制御を行うとともに、燃料電池システムの制御を併せて行う。また、前記燃料電池制御装置９１に、前記水位センサ８８のほかに、温度センサ７６、圧力センサｐｉ、水素ガス圧センサｐａ、ｐｂ、電圧センサ７１等の各センサが検出部として接続され、各センサのセンサ出力が燃料電池制御装置９１に送られる。また、該燃料電池制御装置９１に、ファン７３、電磁弁ｖａｉ、ｖｂ１、ｖｃｉ、ｖｅ１、ｖｆ１、ｖｇ１、ｖｇ５、調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４、調整弁ｖｇ３、ポンプＰｍ１、水供給ポンプＰｍ２、水回収ポンプＰｍ３等の各アクチュエータが接続され、前記燃料電池制御装置９１は、前記センサ出力に基づいて各アクチュエータの動作を制御する。
【００７９】
ところで、例えば、燃料電池搭載車両を近距離で短時間走行させた後の停車時間が長い場合等において、燃料流路に水素ガスが残留したままになると、スタックＳｔｉを劣化させてしまうので、停車時間が長い場合等においては、燃料流路内の水素ガスを排出し、空気と置換するようにしている。
【００８０】
そして、本実施の形態においては、例えば、燃料電池搭載車両を走行させたときに前記燃料電池電源部２４に加わる負荷が小さくなると、該燃料電池電源部２４において発生させる必要がある電力が小さくなる。その場合、燃料電池電源部２４におけるすべてのスタックＳｔｉを使用して、すなわち、すべての単位セルを使用して燃料電池電源部２４を稼働すると、停車時間が長い場合等においては、一部の水素ガスが電力の発生に寄与することなく、前述されたように排出されてしまうことになる。
【００８１】
そこで、車両制御装置１０において、燃料電池搭載車両の走行パターンを予測し、前記燃料電池制御装置９１において、前記走行パターンに基づいて前記燃料電池電源部２４に加わる負荷を算出し、該負荷に応じて各スタックＳｔｉを選択的に稼働するようにしている。
【００８２】
次に、前記ナビゲーション装置１４の動作について説明する。
【００８３】
まず、運転者によって図示されないイグニッションスイッチがオンにされ、操作部３４（図１）が操作され、ナビゲーション装置１４が起動されると、ＣＰＵ３１の図示されないナビ初期化処理手段は、ナビ初期化処理を行い、ＧＰＳセンサ１５によって検出された現在地、方位センサ１８によって検出された自車方位等を読み込むとともに、各種のデータを初期化する。次に、前記ＣＰＵ３１の図示されないマッチング処理手段は、マッチング処理を行い、読み込まれた現在地の軌跡、及び現在地の周辺の道路を構成する各道路リンクの形状、配列等に基づいて、現在地がいずれの道路リンク上に位置するかの判定を行うことによって、現在地を特定する。
【００８４】
続いて、ＣＰＵ３１の図示されない基本情報取得処理手段は、基本情報取得処理を行い、前記地図データを、データ記録部１６から読み出して取得するか、又は通信部３８を介して情報センタ等から受信して取得する。
【００８５】
そして、前記ＣＰＵ３１の図示されない表示処理手段は、表示処理を行い、前記表示部３５に各種の画面を形成する。例えば、表示処理手段の地図表示処理手段は、地図表示処理を行い、表示部３５に地図画面を形成し、該地図画面に自車位置、自車位置の周辺の地図及び自車方位を表示する。したがって、運転者は、前記自車位置、自車位置の周辺の地図及び自車方位に従って車両を走行させることができる。
【００８６】
また、運転者が操作部３４を操作して目的地を入力すると、ＣＰＵ３１の図示されない目的地設定処理手段は、目的地設定処理を行い、目的地を設定する。なお、必要に応じて出発地を入力し、設定することもできる。また、あらかじめ所定の地点を登録しておき、登録された地点を目的地として設定することができる。続いて、運転者が操作部３４を操作して探索条件を入力すると、ＣＰＵ３１の図示されない探索条件設定処理手段は、探索条件設定処理を行い、探索条件を設定する。
【００８７】
このようにして、目的地及び探索条件が設定されると、ＣＰＵ３１の図示されない経路探索処理手段は、経路探索処理を行い、前記現在地、目的地、探索条件等を読み込むとともに、データ記録部１６から探索データ等を読み出し、現在地、目的地及び探索データに基づいて、現在地で表される出発地から目的地までの経路を前記探索条件で探索し、探索経路を表す経路データを出力する。この場合、各道路リンクごとに付与されたリンクコストの合計が最も小さい経路が探索経路とされる。
【００８８】
続いて、前記ＣＰＵ３１の図示されない案内処理手段は、案内処理を行い、運転者に探索経路の案内、すなわち、経路案内を行う。そのために、前記案内処理手段の経路表示処理手段は、経路表示処理を行い、前記経路データを読み込み、該経路データに従って前記地図画面に探索経路を表示する。この場合、必要に応じて、前記案内処理手段の音声出力処理手段は、音声出力処理を行い、音声出力部３７から探索経路を音声で出力して経路案内を行う。
【００８９】
なお、情報センタにおいて経路探索処理を行うことができる。その場合、ＣＰＵ３１は現在地、目的地、探索条件等を情報センタに送信する。該情報センタは、現在地、目的地、探索条件等に基づいて経路探索処理を行い、探索経路を表す経路データをナビゲーション装置１４に送信する。
【００９０】
次に、車両制御装置１０の動作について説明する。
【００９１】
図４は本発明の実施の形態における車両制御装置の動作を示すフローチャート、図５は本発明の実施の形態における走行パターンの例を示す図である。なお、図５において、横軸に距離を、縦軸に車速を採ってある。
【００９２】
まず、ＣＰＵ５４の図示されない経路判定処理手段は、経路判定処理を行い、ナビゲーション装置１４から経路データを読み込み、探索経路が初めてのものであるかどうかを判断する。そのために、前記データ記録部１６には、過去に経路探索処理において探索された探索経路の経路データが記録され、前記経路判定処理手段は、経路データを比較することによって、探索経路が初めてのものであるかどうかを判断する。
【００９３】
探索経路が初めてのものである場合、ＣＰＵ５４の図示されない記録処理手段は、記録処理を行い、燃料電池搭載車両の走行に伴って発生する実績データを走行データとして読み込むとともに、経路データ及び走行環境情報と共にＲＯＭ５５に記録する。該走行データには、現在地の座標、アクセル開度、ブレーキペダルの踏込量、ステアリングの舵（だ）角、車速等が含まれる。また、走行環境情報には、季節、曜日、日付、時間帯、天候、イベント、施設の情報（デパート、スーパーマーケット等の大型の施設の有無）等の一般情報に関するデータが含まれる。
【００９４】
そして、探索経路が初めてのものでない場合、ＣＰＵ５４の図示されない走行データ取得処理手段は、走行データ取得処理を行い、前記ＲＯＭ５６から前記経路データに対応する走行データを走行環境情報と共に読み出して取得する。次に、ＣＰＵ５４の図示されない走行パターン予測用データ取得処理手段は、走行パターン予測用データ取得処理を行い、前記経路データを読み込むとともに、前記経路データ及び走行データに基づいて探索経路に沿って燃料電池搭載車両を走行させる際の走行パターンを予測するのに必要な走行パターン予測用データ、例えば、道路データ、交差点データ、勾配データ、高度データ、交通情報、一般情報等をナビゲーション処理部１７を介してデータ記録部１６から取得する。
【００９５】
前記走行パターン予測用データを使用するに当たり、前記道路データには、道路種別（国道、県道、高速道路、都市高速道路等の別）、曲率半径、幅員、信号機の有無、踏切、橋等に関するデータが含まれ、交差点データには、交差点の位置、交差点の種類、信号機の間隔等に関するデータが含まれる。また、前記交通情報として、統計データ及び走行履歴データのほかに、道路交通情報センタから送信された現況の交通情報が使用され、渋滞が発生している道路リンク、渋滞の長さを表す渋滞長、渋滞の度合いを表す渋滞度、前記各道路リンクを走行したときの所要時間を表すリンク所要時間、該リンク所要時間の各曜日ごとの平均的なデータ（例えば、曜日平均データ）、規制情報、駐車場情報、交通事故情報、工事情報（道路、橋梁等の工事に関する情報）、サービスエリアの混雑状況情報等のデータが含まれる。そして、一般情報には、季節、曜日、日付、時間帯、天候、イベント、施設の情報（デパート、スーパーマーケット等の大型の施設の有無）等に関するデータが含まれる。
【００９６】
続いて、ＣＰＵ５４の図示されない走行パターン予測処理手段は、走行パターン予測処理を行い、前記走行パターン予測用データに基づいて、図５に示されるような走行パターンを予測する。
【００９７】
図５において、ｓは出発地、ｇは目的地、ｃｉ（ｉ＝１、２、…、６）は交差点であり、該各交差点ｃｉのうちの交差点ｃ１、ｃ３には信号がなく、交差点ｃ２、ｃ４〜ｃ６には信号がある。探索経路上において、前記交差点ｃ１は右折交差点であり、交差点ｃ３は左折交差点である。また、交差点ｃ４から交差点ｃ５までの区間は、渋滞がなく、燃料電池搭載車両を一定の車速で、かつ、高速で連続して走行させることが可能であり、交差点ｃ５から交差点ｃ６までの区間は、渋滞があり、燃料電池搭載車両を低速で、かつ、発進と停止とを繰り返して走行させる必要がある。
【００９８】
次に、前記記録処理手段は、予測された走行パターンを構成する走行パターンデータをＲＯＭ５６に記録する。本実施の形態において、前記走行パターンデータには、出発地から目的地までの各ノードの座標、アクセル開度、車速、勾配データ等が含まれる。
【００９９】
続いて、前記記録処理手段は、前記探索経路に従って、かつ、前記予測された走行パターンに従って燃料電池搭載車両を走行させる間、走行データを読み込み、走行環境情報と共にＲＯＭ５６に記録する。この場合、走行データ及び走行環境情報は、各探索経路ごとに、所定の走行回数分ＲＯＭ５６に記録される。
【０１００】
次に、ＣＰＵ５４の図示されない平均化処理手段は、平均化処理を行い、探索経路ごとに、また、走行環境情報ごとに走行データを平均化する。
【０１０１】
続いて、ＣＰＵ５４の図示されない稼働スケジュール算出処理手段は、稼働スケジュール算出処理を行い、前記走行パターンデータを読み込み、各燃料電池ユニットｕｉの稼働スケジュールを算出する。
【０１０２】
そのために、前記稼働スケジュール算出処理手段の負荷算出処理手段は、負荷算出処理を行い、走行パターンデータに基づいて、燃料電池電源部２４に加わる負荷を算出する。
【０１０３】
すなわち、前記負荷算出処理手段は、出発地から目的地まで燃料電池搭載車両を走行させるのに必要とされる第１の負荷としての最大の電力（ピーク値）、すなわち、必要最大電力を算出する。
【０１０４】
そのために、前記負荷算出処理手段は、まず、車速及びアクセル開度に基づいて、前記車両要求トルクを算出する。そのために、車速及びアクセル開度と車両要求トルクとが対応させてあらかじめ設定され、前記ＲＯＭ５６に記録される。続いて、負荷算出処理手段は、前記車両要求トルク、勾配データ及びバッテリ２５のバッテリ残量ＳＯＣに基づいて、各ノードごとに必要な電力、すなわち、必要電力を算出する。この場合、負荷算出処理手段は、ナビゲーション処理部１７を介して取得された勾配データに基づいて、各ノードごとに、走行している道路が登坂路であるか、降坂路であるかを判断し、登坂路である場合、道路の傾きに対応させて必要電力を大きくし、降坂路である場合、道路の傾きに対応させて必要電力を小さくする。また、負荷算出処理手段は、蓄電量検出部としての図示されないバッテリ残量検出センサからバッテリ残量ＳＯＣを読み込み、バッテリ残量ＳＯＣが多い場合、必要電力を少なくし、バッテリ残量ＳＯＣが少ない場合、必要電力を多くする。
【０１０５】
そして、前記負荷算出処理手段は、前記各必要電力のうちの最大値を必要最大電力として算出する。
【０１０６】
次に、前記負荷算出処理手段は、出発地から目的地まで燃料電池搭載車両を走行させるのに必要とされる第２の負荷としての必要電力量を算出する。そのために、負荷算出処理手段は、前記各ノードごとの必要電力を、出発地からの距離で積分して必要電力量を算出する。なお、走行パターンを時間に対する車速で算出することができ、その場合、前記各ノードごとの必要電力を、出発地からの走行を開始してから経過した時間で積分して必要電力量を算出することができる。
【０１０７】
このようにして、各燃料電池ユニットｕｉの稼働スケジュールを算出することができる。
【０１０８】
次に、フローチャートについて説明する。
ステップＳ１  探索経路が初めてのものであるかどうかを判断する。初めてのものである場合はステップＳ６に、初めてのものでない場合はステップＳ２に進む。
ステップＳ２  走行データを読み出す。
ステップＳ３  走行パターン予測用データを取得する。
ステップＳ４  走行パターン予測処理を行う。
ステップＳ５  走行パターンデータを記録する。
ステップＳ６  走行データを記録する。
ステップＳ７  平均化処理を行う。
ステップＳ８  稼働スケジュール算出処理を行い、終了する。
【０１０９】
次に、前記燃料電池制御装置９１の動作について説明する。
【０１１０】
図６は本発明の実施の形態における燃料電池制御装置の動作を示すフローチャートである。
【０１１１】
まず、運転者によってイグニッションスイッチがオンにされると、燃料電池制御装置９１において、前記ＣＰＵの始動制御処理手段は、始動制御処理を行い、電源装置２１の作動を開始する。
【０１１２】
続いて、前記ＣＰＵの燃料電池区分算出処理手段は、燃料電池区分算出処理を行い、前記稼働スケジュールを読み込み、必要最大電力及び必要電力量を発生させるために必要な最小限のスタックの数を算出する。そのために、前記ＲＯＭに必要最大電力及び必要電力量とスタックの数とが対応させて記録された稼動単位変更マップが配設され、前記燃料電池区分算出処理手段は、稼動単位変更マップを参照して前記スタックの数を算出する。
【０１１３】
そして、前記ＣＰＵの燃料電池稼働制御処理手段は、燃料電池稼働制御処理を行い、前記スタックの数を読み込み、スタックＳｔｉ中の所定のスタックだけを稼働し、他のスタックを停止させる。
【０１１４】
このように、燃料電池電源部２４に加わる負荷に応じて稼働されるスタックの数が変更されるので、水素ガスを使用されるスタック、すなわち、使用される単位セルだけに供給することができる。
【０１１５】
このようにして、燃料電池搭載車両を走行させた後、運転者が燃料電池搭載車両を停止させ、イグニッションスイッチをオフにすると、ＣＰＵの停止制御処理手段は、停止制御処理を行い、前記各スタックの稼働を停止させる。
【０１１６】
次に、フローチャートについて説明する。
ステップＳ１１  始動制御処理を行う。
ステップＳ１２  稼働スケジュールを読み込む。
ステップＳ１３  燃料電池区分算出処理を行う。
ステップＳ１４  燃料電池稼働制御処理を行う。
ステップＳ１５  停止制御処理を行い、処理を終了する。
【０１１７】
次に、ステップＳ１１の始動制御処理手段の動作について説明する。
【０１１８】
図７は本発明の実施の形態における始動制御処理手段のサブルーチンを示す図である。
【０１１９】
前記始動制御処理手段の初期状態判定処理手段は、初期状態判定処理を行い、水素ガス圧センサｐａ（図２）によって検出された一次圧力を読み込み、一次圧力が設定値より大きいかどうかを判断する。一次圧力が設定値より高い場合、水位センサ８８（図３）によって検出された水タンク８１の水位を読み込み、該水位が設定値より高いかどうかを判断する。
【０１２０】
水位が設定値より高い場合、前記始動制御処理手段の水供給系始動制御処理手段は、水供給系始動制御処理を行い、水回収ポンプＰｍ３を作動させ、水の回収を開始する。続いて、前記水供給処理手段は、水供給ポンプＰｍ２を作動させ、噴射装置８４から前記空気流路に向けて水を噴射する。
【０１２１】
次に、前記始動制御処理手段の媒体供給系始動制御処理手段は、媒体供給系始動制御処理を行い、ファン７３を作動させる。このようにして、空気流路内への水及び空気の供給が開始される。
【０１２２】
続いて、前記始動制御処理手段の燃料供給系始動制御処理手段は、燃料供給系始動制御処理を行い、前記燃料流路内の空気を排出し、該燃料流路に水素ガスを供給する。そのために、前記燃料供給系始動制御処理手段は、電磁弁ｖａｉ、ｖｂ１、ｖｅ１を閉鎖し、電磁弁ｖｃｉ、ｖｆ１を開放し、前記ポンプＰｍ１を作動させる。これに伴って、各スタックＳｔｉの燃料流路内の空気は、ポンプＰｍ１によって吸引され、管路ｎ１から大気中に排出され、燃料流路内が減圧されて負圧になる。
【０１２３】
続いて、前記燃料供給系始動制御処理手段は、電磁弁ｖｇ１を開放し、電磁弁ｖｇ５を閉鎖するとともに、調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４及び調整弁ｖｇ３を所定の開度で開くことによって、水素ガス供給系６１の設定を行う。
【０１２４】
次に、フローチャートについて説明する。
ステップＳ１１−１  初期状態判定処理を行う。
ステップＳ１１−２  水回収ポンプＰｍ３を作動させる。
ステップＳ１１−３  水供給ポンプＰｍ２を作動させる。
ステップＳ１１−４  ファン７３を作動させる。
ステップＳ１１−５  燃料流路内を減圧する。
ステップＳ１１−６  水素ガス供給系６１の設定を行い、リターンする。
【０１２５】
次に、ステップＳ１４の燃料電池稼働制御処理手段の動作について説明する。
【０１２６】
図８は本発明の実施の形態における燃料電池稼働制御処理のサブルーチンを示す図である。
【０１２７】
まず、前記燃料電池稼働制御処理手段の燃料電池区分選択処理手段は、燃料電池区分選択処理を行い、前記燃料電池区分算出処理において算出されたスタックの数を読み込み、各スタックＳｔｉのうちの前記読み込まれた数のスタックを、稼働スタックとして選択する。続いて、前記燃料電池区分選択処理手段は、前記稼働スタックについて、電磁弁ｖａｉ、ｖｃｉを開放し、稼働スタック以外の非稼働スタックについて、電磁弁ｖａｉ、ｖｃｉを閉鎖する。また、燃料電池区分選択処理手段は、電磁弁ｖｅ１を開放し、電磁弁ｖｂ１、ｖｆ１を閉鎖する。
【０１２８】
その結果、水素ガスが、前記燃料供給系制御処理によって設定された二次圧力で、設定された流量で稼働スタックだけに供給され、稼働スタックだけが稼働される。
【０１２９】
次に、フローチャートについて説明する。
ステップＳ１４−１  スタックの数を読み込む。
ステップＳ１４−２  稼働スタックに水素ガスを供給し、リターンする。
【０１３０】
次に、ステップＳ１５の停止制御処理手段の動作について説明する。
【０１３１】
図９は本発明の実施の形態における停止制御処理のサブルーチンを示す図である。
【０１３２】
まず、前記停止制御処理手段の燃料供給系停止制御処理手段は、燃料供給系停止制御処理を行い、電磁弁ｖｅ１（図２）、ｖｇ１を閉鎖し、調圧弁ｖｇ２、ｖｇ４及び調整弁ｖｇ３を閉鎖することによって、水素ガス供給系６１の設定を解除した後、電磁弁ｖｂ１を開放するとともに、前記稼働スタックについて、電磁弁ｖａｉを閉鎖し、電磁弁ｖｃｉを開放し、前記ポンプＰｍ１を作動させる。これに伴って、稼働スタックにおいて、燃料流路内の水素ガスは、ポンプＰｍ１によって吸引され、管路ｎ１から大気中に排出され、それに伴って、管路ｍ１を介して大気中の空気が燃料流路に供給され、水素ガスが空気と置換される。
【０１３３】
次に、停止制御処理手段の水供給系停止制御処理手段は、水供給系停止制御処理を行い、水回収ポンプＰｍ３及び水供給ポンプＰｍ２を停止させ、水の回収及び噴射装置８４からの水の噴射を停止させる。続いて、前記停止制御処理手段の媒体供給系停止制御処理手段は、媒体供給系停止制御処理を行い、ファン７３を停止させる。このようにして、空気流路内への水及び空気の供給が停止させられる。
【０１３４】
このように、燃料電池搭載車両を走行させるのに当たり、燃料電池稼働単位算出処理において、燃料電池電源部２４に加わる負荷に応じて算出された数の稼働スタックだけが稼働されるので、すべての単位セルを使用する必要がなくなる。したがって、燃料供給系停止制御処理において稼働スタック内の水素ガスだけが排出されるので、電力の発生に寄与しない水素ガスが排出されることはない。その結果、水素ガスの消費量を少なくすることができ、燃料電池システムのコストを低くすることができる。
【０１３５】
次に、フローチャートについて説明する。
ステップＳ１５−１  水素ガス供給系６１の設定を解除する。
ステップＳ１５−２  水素ガスを空気に置換する。
ステップＳ１５−３  水の供給を停止する。
ステップＳ１５−４  空気の供給を停止し、リターンする。
【０１３６】
なお、本実施の形態においては、燃料供給系停止制御処理において、稼働スタック内の水素ガスが排出されるようになっているが、燃料電池搭載車両を停止させた後の燃料電池搭載車両を運転するスケジュールがあらかじめ設定されている場合には、必ずしも、稼働スタック内の水素ガスを排出する必要はない。
【０１３７】
例えば、燃料電池搭載車両を停止させた後の経過時間が設定値より短い場合、水素ガスを燃料流路内に残留させ、経過時間が設定値以上になると、水素ガスを排出することができる。この場合、前記燃料供給系停止制御処理手段は、経過時間が設定値より短いかどうかを判断し、経過時間が設定値以上である場合にだけ水素ガスを排出する。
【０１３８】
また、停車時において長時間にわたり、補機類（機器）を使用したり、消費電力の大きな補機類に電力を供給したりする場合に、バッテリ電圧が所定の値以下になるのを防止するために、バッテリ電圧、消費電力に対応させて燃料電池区分を独立して稼働することができる。そして、選択された燃料電池区分だけに空気を供給するだけでよいので、補機類による消費電力を小さくすることができる。
【０１３９】
また、本実施の形態において、各スタックＳｔｉを燃料電池の稼働単位を表す燃料電池区分とし、燃料電池電源部２４に加わる負荷に応じて、稼働スタックの数が設定されるようになっているが、モジュールを燃料電池区分として、燃料電池電源部２４に加わる負荷に応じて、稼働されるモジュールの数を設定したり、単位セルを燃料電池区分とし、燃料電池電源部２４に加わる負荷に応じて、稼働される単位セルの数を設定したりすることができる。
【０１４０】
本実施の形態は、低温起動時において、より少ない燃料の消費量で温度を上昇させるためのシステムに適用することもできる。
【０１４１】
具体的には、スタックＳｔｉのヒートマスが小さい中央部に位置する燃料電池区分を暖機モジュールとし、前記燃料電池制御装置９１は、起動時に外気の温度が設定値より低い場合、例えば、零度以下の場合、まず、前記暖機モジュールと接続された管路Ｆ１の調整弁ｖｇ３を開き、暖機モジュールが所定の温度まで昇温された後、両端部のスタックＳｔｉに接続された電磁弁ｖａｉ、ｖｃｉを開放するように制御する暖機運転モードを備える。
【０１４２】
したがって、局所発電による温度上昇に伴って、スタックＳｔｉの端部が加熱され、熱エネルギーを効率良く暖機に利用することができる。
【０１４３】
なお、前記暖機モジュールをより早く昇温させるために、管路Ａ１にヒータを配設し、低温起動時に、前記ヒータを作動させ、前記暖機モジュールに温風を供給することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池電源部を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池電源部の要部を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態における車両制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態における走行パターンの例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における始動制御処理手段のサブルーチンを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における燃料電池稼働制御処理のサブルーチンを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における停止制御処理のサブルーチンを示す図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１０    車両制御装置
１２    駆動モータ
１３    駆動モータ制御装置
１４    ナビゲーション装置
２４    燃料電池電源部
３１、５４    ＣＰＵ
Ｓｔｉ    スタック
ｖａｉ、ｖｂ１、ｖｃｉ、ｖｆ１    電磁弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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