(57)【要約】【課題】燃料電池のカソード側流路からの排ガスを効率良く排出し、車両全体の効率を高める。【解決手段】車体の床下の少なくとも一部を、床下を通過する風により車体にダウンフォースを付与する形状とし、燃料電池のカソード側流路からの排ガスを排出する排気口を、ダウンフォースを付与する形状によって負圧が発生する負圧領域に配設する。この形状により発生する負圧の大きさを検出または推定し、検出または推定された負圧の大きさに応じて、燃料電池のカソードに空気を供給する空気供給器の駆動量を制御する。こうすることで、負圧を利用して、カソード側流路への空気の導入を図り、車両全体の効率を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を用いた燃料電池車両であって、
車体の床下の少なくとも一部を、前記床下を通過する風により前記車体にダウンフォースを付与する形状とし、
前記燃料電池のカソード側流路からの排ガスを排出する排気口を、前記形状によって負圧が発生する負圧領域に配設した
燃料電池車両。
【請求項２】
前記燃料電池と前記ダウンフォースを付与する前記形状とは、前記車体の走行方向前方に設けられた請求項１記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記車体の走行方向前方とは、燃料電池車両に設けられた後輪より前方である請求項２記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記負圧領域は、燃料電池車両に設けられた前輪と後輪との間に設けられた請求項１記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記形状は、前記床下の少なくとも一部に設けられ路面に対して±２０度以内の角度で形成された平面部と、前記平面部から前記路面方向に突出した凸部とを含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池車両。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池車両であって、
動力源の動力よって駆動され、前記燃料電池に空気を供給する空気供給器と、
前記形状により発生する前記負圧の大きさを検出または推定する検出部と、
前記検出または推定された負圧の大きさに応じて、前記動力源を用いた前記空気供給器の駆動量を低減するよう制御する制御部と
を備えた燃料電池車両。
【請求項７】
前記空気供給器は、前記燃料電池に前記空気を供給する流路の上流側に設けられ、前記空気を前記燃料電池に送り込むコンプレッサである請求項６記載の燃料電池車両。
【請求項８】
前記コンプレッサは、ターボ式コンプレッサである請求項７記載の燃料電池車両。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池車両であって、
前記検出部は、負圧の大きさを測定する負圧センサ、車両の速度を検出する速度センサ、前記排気口周辺の空気の流速を測定する流速センサのうちの少なくとも一つである燃料電池車両。
【請求項１０】
前記検出または推定された負圧が予め定めた値以上の場合には、前記空気供給器を駆動しない請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池車両。
【請求項１１】
燃料電池を用いた燃料電池車両の制御方法であって、
車体の床下の少なくとも一部を、前記床下を通過する風により前記車体にダウンフォースを付与する形状とし、
前記燃料電池のカソード側流路からの排ガスを排出する排気口を、前記形状によって負圧が発生する負圧領域に配設し、
前記形状により発生する前記負圧の大きさを検出または推定し、
前記検出または推定された負圧の大きさに応じて、動力源の動力よって駆動され、前記燃料電池に空気を供給する空気供給器の駆動量を制御する
燃料電池車両の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を中心として発電を行なう燃料電池システムを搭載した車両では、様々な目的で大気（空気）が用いられている。一つは、燃料ガスである水素ガスと反応させる酸化ガスとして空気が利用される。このため、発生すべき電力量に応じた量の空気を燃料電池に送り込むため、燃料電池システムでは、コンプレッサが設けられている。
【０００３】
燃料電池システムでは、この他、排気する水素ガスを希釈する希釈器でも、大量の空気が利用される。例えば、下記特許文献１では、希釈のために必要となる空気を取り込むのに、燃料電池からの排ガスによって負圧を発生させ、この負圧を利用している。燃料電池からの排ガスとは、燃料電池システムのコンプレッサにより燃料電池に送り込まれた空気のうち、燃料電池における化学反応に利用されなかった残余の気体である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７０２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、排ガスの負圧を利用しているが、この負圧を発生させるのにコンプレッサの動力を利用しており、結局のところ、燃料電池システムで空気を利用するには、コンプレッサを動かさねばならず、電力を消費してしまう。つまり、燃料電池によって発電するために、電力を使うことになってしまう。このため、燃料電池システムの効率を高めるためには、コンプレッサの消費電力を含めて、燃料電池車両全体でエネルギを効率的に利用することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一態様として、燃料電池を用いた燃料電池車両が提供される。この燃料電池搭載車両は、車体の床下の少なくとも一部を、前記床下を通過する風により前記車体にダウンフォースを付与する形状とし、前記燃料電池のカソード側流路からの排ガスを排出する排気口を、前記形状によって負圧が発生する負圧領域に配設したことを要旨とする。この燃料電池車両は、排ガス用の排気口が負圧領域に配設されているので、燃料電池のカソード側流路に流れる酸化剤ガスを負圧を利用して吸引することができる。この負圧は、車両の床下を通過する風により生じるダウンフォースを付与する形状により生じるので、負圧を利用して、カソード側のガスを吸入するのに、特別な部品を設けたり、特別な形状に加工するといった手間を要しない。
【０００８】
（２）こうした燃料電池車両において、前記燃料電池と前記ダウンフォースを付与する前記形状とは、前記車体の走行方向前方に設けることができる。車両の走行方向前方は、走行風によるダウンフォースを得やすいからである。
【０００９】
（３）この燃料電池車両において、前記車体の走行方向前方とは、燃料電池車両に設けられた後輪より前方である。排気口は負圧領域に設けられるので、こうすれば排気口の位置も後輪より前にでき、後続車との関係で、好ましい。
【００１０】
（４）こうした燃料電池車両において、前記負圧領域は、燃料電池車両に設けられた前輪と後輪との間に設けてもよい。こうすれば、車両前方から走行風により効率よくダウンフォースを生じさせることができ、かつ排気口の位置も望ましい範囲に収めることができる。
【００１１】
（５）こうした燃料電池車両において、前記形状は、前記床下の少なくとも一部に設けられ路面に対して±２０度以内の角度で形成された平面部と、前記平面部から前記路面方向に突出した凸部とを含むものとしてもよい。かかる燃料電池車両では、平面部と凸部とにより、効果的に負圧領域を形成できる。
【００１２】
（６）こうした燃料電池車両において、動力源の動力よって駆動され、前記燃料電池に空気を供給する空気供給器と、前記形状により発生する前記負圧の大きさを検出または推定する検出部と、前記検出または推定された負圧の大きさに応じて、前記動力源を用いた前記空気供給器の駆動量を低減するよう制御する制御部とを備えるものとしてもよい。この燃料電池車両は、空気供給器の駆動量を低減することができ、車両全体のエネルギー効率を高めることができる。空気供給器の駆動量を低減できれば、車両に搭載する空気供給器の大きさや定格を小さなものにすることができ、車両トータルでのエネルギー効率を改善できる。
【００１３】
（７）前記空気供給器は、前記燃料電池に前記空気を供給する流路の上流側に設けられ、前記空気を前記燃料電池に送り込むコンプレッサとしてもよい。この燃料電池車両では、燃料電池に空気を送り込むコンプレッサの電力を低減することが可能となる。なお、空気供給装置としては、コンプレッサ以外に、燃料電池のカソード流路に繋がる排気側通路側で、空気を吸引する構成も採用可能である。
【００１４】
（８）こうしたコンプレッサは、ターボ式コンプレッサとしてよい。ターボ式のコンプレッサは、停止時の空気抵抗が、例えばルーツ式のコンプレッサより小さいので、負圧によるカソード流路のガスの吸引にとって有利である。もとより、負圧による吸引を利用する上では、ルーツ式などのコンプレッサであっても差し支えない。
【００１５】
（９）こうした燃料電池車両において、前記検出部は、負圧の大きさを測定する負圧センサ、車両の速度を検出する速度センサ、前記排気口周辺の空気の流速を測定する流速センサのうちの少なくとも一つとして良い。負圧の大きさは直接検出しても良いし、速度などのパラメータから推定するようにしてもよいからである。
【００１６】
（１０）こうした燃料電池車両では、前記検出または推定された負圧が予め定めた値以上の場合には、前記空気供給器を駆動しないものとしてもよい。負圧領域の負圧で、必要なカソード側のガスの吸引ができれば、空気供給器を止めても差し支えないからである。
【００１７】
（１１）本発明は、上記の燃料電池車両に限らず、その他の態様でも実施可能である。例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車両の制御方法としても良い。この制御方法は、車体の床下の少なくとも一部を、前記床下を通過する風により前記車体にダウンフォースを付与する形状とし、前記燃料電池のカソード側流路からの排ガスを排出する排気口を、前記形状によって負圧が発生する負圧領域に配設し、前記形状により発生する前記負圧の大きさを検出または推定し、前記検出または推定された負圧の大きさに応じて、動力源の動力よって駆動され、前記燃料電池に空気を供給する空気供給器の駆動量を制御する。かかる燃料電池車両の制御方法によれば、ダウンフォースを付与する形状により生じる負圧を利用して、カソード側のガスを吸入するものとし、負圧の大きさに応じて空気吸入器の駆動量を制御するので、特別な部品を設けたり、特別な形状に加工するといったことなく、空気供給器の駆動量を制御でき、車両全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００１８】
本発明は、こうした態様以外に、燃料電池車両の設計方法や、燃料電池車両の製造方法、車両アンダーカバー、およびその製造方法などの発明としても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池を搭載した車両の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図２】車両に搭載される燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図３】制御部を中心として燃料電池システムの入出力関係を示す説明図である。
【図４】燃料電池車両の底面を模式的に示す説明図である。
【図５】燃料電池のカソードに連通する排気口の周辺を模式的に示す説明図である。
【図６】制御部が行なうトリップ内運転処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】省電力係数マップの一例を示す説明図である。
【図８】省電力制御を行なった場合のエアコン電力ＭＰなどの遷移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、燃料電池を搭載した燃料電池車両１０（以下、単に車両１０とも呼ぶ）の構成を模式的に示す説明図である。図１では、燃料電池車両１０の外観を破線で示し、主要な構成部品を実線で示した。車両１０は、車体とこれを支える前輪、後輪その他に加えて、燃料電池１００と、制御部１１０（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ぶ。）と、燃料となる水素ガスを高圧で貯留する燃料ガスタンク２１０とを備える。燃料電池１００は車両１０の前部に、燃料ガスタンク２１０は車両１０の後部に、それぞれ設けられており、燃料ガスタンク２１０からの水素ガスは、車両１０の客室空間の下部（床下）を通るように設けられた燃料ガス供給流路２２０を介して、燃料電池１００に供給される。
【００２１】
燃料電池１００は、燃料ガスタンク２１０から送られた燃料ガスとしての水素と、大気を利用して送り込まれる酸化剤ガスとしての酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池１００は、発電を行なう単位となる単セルを複数枚積層したスタックとして構成されている。水素と酸素は、スタック内の通路を介して各単セル内のアノードおよびカソードに供給され、各単セルでは、図示しない周知の固定電解質膜を介したプロトンの移動により発電が行なわれる。カソードにはストイキ比１．０以上となるように酸素を含む空気が送り込まれるため、電気化学反応に利用されなかった空気は、燃料電池１００から排出される。この燃料電池１００内を空気が通る流路をカソード側流路と呼ぶ。燃料電池１００には、このカソード側流路からの排ガスを排出する排気口４８０が設けられている。この排気口４８０は、車両１０の床下前部を覆うアンダーカバー７０の後方向終端の更に後方側に設けられている。アンダーカバー７０の車両１０の後方向終端には、凸部８０が設けられている。燃料電池１００の全体構成に加えて、排気口４８０とアンダーカバー７０の関係などについては、後で詳しく説明する。
【００２２】
図２は、燃料電池１００を動作させる燃料電池システム１１の概略構成図である。この燃料電池システム１１は、大まかには、燃料電池１００と、燃料ガス供給回路２００と、エア供給回路３００と、排ガス回路４００と、冷却回路５００と、これらの各回路に設けられたバルブやモータなどを制御する制御部１１０とを備える。制御部１１０は、車両１０に設けられたスタートスイッチ１２０がオンにされると、燃料電池システム１１を動作させ、燃料電池１００による発電を行なう。発電された電力は、駆動モータ１５０の駆動に用いられ、駆動モータ１５０は、動力分配ギア１７０を介して駆動輪１８０を回転し、車両を走行させる。図２では、電力系統は簡略化して示したが、燃料電池システム１１には、バッテリ１３０が設けられ、燃料電池１００からの電力供給が立ちあがるまでは、バッテリ１３０からの電力により駆動モータ１５０や図示しない補機などが駆動される。また制動時には、駆動モータ１５０により回生される電力がバッテリに蓄えられる。こうした電力制御を行なうために、車両１０には、インバータや昇圧・降圧用のコンバータなどを備えた電力分配コントローラ１４０が設けられている。制御部１１０は、この電力分配コントローラ１４０とやり取りすることにより、燃料電池１００の発電状態、具体的には発電電圧ＤＣや供給電流Ｉａなどを知ることができる。電力分配コントローラ１４０の構成など、詳細な説明は省略する。
【００２３】
燃料電池システム１１を構成する各部について説明する。燃料電池１００は、既に説明した様に、水素と酸素との反応を利用して発電を行なう。この燃料電池１００には、その温度を検出する温度センサ１０５が設けられている。燃料ガス供給回路２００は、燃料電池１００に燃料ガスタンク２１０から水素ガスを供給する。その燃料ガス供給流路２２０上には、燃料ガスタンク２１０側から、メインバルブ２５０と、レギュレーター２６０と、インジェクタ２７０が設けられている。メインバルブ２５０は、燃料ガスタンク２１０からの燃料ガスの供給をオン・オフする。レギュレーター２６０は、燃料ガスの圧力を所定の圧力に減圧してインジェクタ２７０に供給する。インジェクタ２７０は、開閉弁の一種であり、時間当りの開弁の割合（デューティ）により、燃料電池１００に供給する水素量を調整する噴射装置である。本実施形態では、３つのインジェクタ２７０が並列に配置されている。なお、インジェクタ２７０の数は３に限定されず、１つのインジェクタあるいは２以上の複数のインジェクタを備える構成であってもよい。本実施形態のように複数のインジェクタ２７０を備えると、燃料電池１００に要求される発電量に応じて燃料電池１００に噴射して供給する燃料ガスの量を調整し易くできる。レギュレーター２６０の上流側には、燃料ガスタンク２１０の出力側の圧力を検出する高圧用の圧力センサ２５５が、他方、インジェクタ２７０の下流側には、低圧用の圧力センサ２７５が、それぞれ設けられている。
【００２４】
燃料ガス供給回路２００には、更に、燃料ガス排気流路２３０と燃料ガス還流流路２４０とが設けられている。燃料ガス排気流路２３０は、燃料電池１００からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス還流流路２４０は、燃料ガス排気流路２３０と、燃料ガス供給流路２２０に接続されている。燃料ガス排気流路２３０と燃料ガス還流流路２４０との間には、気液分離器２８０が設けられている。燃料排ガスには、反応で消費されなかった燃料ガス及び燃料電池１００を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器２８０は、燃料排ガス中の水と、ガス（燃料ガスと窒素などの不純物）とを分離する。燃料ガス還流流路２４０には、還流ポンプ２９０が設けられている。気液分離器２８０で分離された、消費されなかった燃料ガスを含むガスは、還流ポンプ２９０によって燃料ガス供給流路２２０に戻され、再利用される。なお、気液分離器２８０で分離された水については、後述する。
【００２５】
エア供給回路３００は、酸化ガスとして酸素を含む空気を燃料電池１００に供給する回路である。燃料電池１００に送り込まれる空気は、「エア」や「吸気」とも呼ぶ。エアを燃料電池１００に送り込むエア供給流路３２０には、上流端部に空気取入口３０５が形成されており、ここから燃料電池１００に向かって、空気中の塵埃を取り除くエアクリーナ３１０、空気を圧縮して燃料電池１００に送り込むためのエアコンプレッサ３３０、冷却回路５００から分流された冷却水を用いて圧縮された空気（吸気）を冷却するインタクーラ３４０、燃料電池１００の不使用時に燃料電池１００内と大気との連通を遮断する入口バルブ３５０、を備える。また、エア供給流路３２０の最上流には大気圧を検出する大気圧センサ３７５が設けられ、エアクリーナ３１０には外気温を検出する外気温センサ３８０が設けられている。エアクリーナ３１０の下流には、吸気量を検出するエアフローメータ３８５が設けられている。本実施形態では、空気供給器としてのエアコンプレッサ３３０は、ターボ式のコンプレッサを採用している。
【００２６】
排ガス回路４００は、燃料電池１００に接続され、燃料電池１００において発電に用いられなかった空気を排出する排ガス流路４１０を備える。この排ガス流路４１０上には、燃料電池１００の側から順に、燃料電池１００中のエアの圧力を調整する調圧バルブ４２０と、排ガスの排出音を低減するサイレンサー４７０とが設けられ、その終端には、排気口４８０が設けられている。調圧バルブ４２０とサイレンサー４７０との間には、気液分離器２８０に排気排水バルブ４４０を介して接続された燃料ガス排出流路４３０と、エア供給流路３２０にバイパスバルブ４５５を介して接続された酸化剤ガスバイパス流路４５０とが接続されている。
【００２７】
燃料電池１００の通常運転時には、エア供給回路３００から供給された空気は、燃料電池１００内の積層された単セルのカソードを通り、排ガス回路４００から排出される。この空気の流れは、一般には、エアコンプレッサ３３０による空気の圧縮とこれに伴う送り込みにより実現される。燃料電池１００に送り込まれる空気量は、エアコンプレッサ３３０を駆動する動力源としてのモータ３３５に供給する電力を調整することにより可変できる。なお、本実施形態の燃料電池１００では、燃料ガス還流流路２４０を介した燃料ガスの循環・再利用により、燃料ガス排気流路２３０から排気される燃料排ガス中の窒素濃度が高くなる、あるいは、気液分離器２８０中の水の量が多くなったときには、排気排水バルブ４４０を開けて、燃料ガス排出流路４３０から水とガスを、排ガス流路４１０を介して排出させることがある。排気されるガスは、窒素などの不純物以外に、燃料ガスも含むため、バイパスバルブ４５５を開いて酸化剤ガスバイパス流路４５０から供給される空気により、希釈することも、必要に応じて行なわれる。
【００２８】
冷却回路５００は、冷却水供給流路５１０と、冷却水排出流路５１５と、ラジエータ流路５２０と、ウォーターポンプ５２５と、ラジエータ５３０と、バイパス流路５４０と、三方バルブ５４５と、を備える。冷却水供給流路５１０は、燃料電池１００に冷却水を供給するための流路であり、冷却水は、ウォーターポンプ５２５により燃料電池１００に送り込まれる。冷却水排出流路５１５は、燃料電池１００から冷却水を排出するための流路である。冷却水排出流路５１５には、温度センサ５５０が設けられており、燃料電池１００から排出される冷却水の温度を測定する。温度センサ５５０で測定される温度は、燃料電池１００の温度とほぼ等しいので、温度センサ５５０で測定される温度を燃料電池１００の温度として利用し、上述した温度センサ１０５を省略しても良い。冷却水排出流路５１５の下流部は、三方バルブ５４５を介して、ラジエータ流路５２０と、バイパス流路５４０と、に接続されている。ラジエータ流路５２０には、ラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。ラジエータ流路５２０の下流部と、バイパス流路５４０の下流部とは、冷却水供給流路５１０に接続されている。冷却水供給流路５１０と、冷却水排出流路５１５とは、インタクーラ３４０に接続されている。
【００２９】
制御部１１０は、図３に示したように、ＣＰＵ１１１，メモリ１１２，入力ポート１１５，出力ポート１１７を備えたコンピュータであり、メモリ１１２に記憶したプログラムを実行することにより、燃料電池システム１１の制御を行なう。メモリ１１２は、処理のためのプログラムの他、後述する省電力係数マップなどのデータも不揮発的に記憶している。
【００３０】
制御部１１０の入力ポート１１５には、上述した燃料電池システム１１の温度センサ１０５，３８０，５５０や、圧力センサ２５５，２７５，３７５や、エアフローメータ３８５、更には、車両の速度を検出する車速センサ９０などが接続されている。従って、制御部１１０は、燃料電池システム１１の状況を把握することができる。他方、制御部１１０の出力ポート１１７には、燃料電池システム１１に設けられたアクチュエータ、即ち、各種ポンプ２９０，５２５や、各種バルブ２５０，３５０，４２０，４５５，５４５や、各種モータ３３５，５３５などか接続されている。従って、制御部１１０は、これらのアクチュエータを駆動して、燃料ガスである水素ガスや、酸化ガスである酸素を含む空気を燃料電池１００に供給するなどして、要求された電力を燃料電池１００から出力させる。また、上述したように、燃料電池１００より発電した電力を用いて、駆動モータ１５０を駆動して、車両１０を走行させる。なお、図３において、駆動モータ１５０等との接続は、図示を省略している。
【００３１】
燃料電池１００の排気口４８０の配置等について、図４を用いて説明する。図４は、車両１０の底面を模式的に示す説明図である。車両１０の底面は、排気や排水等を考えて、完全には覆われていないが、エンジンコンパートメントなどに収納された燃料電池１００などを保護するためにカバーが設けられている。図１に示したアンダーカバー７０は、本実施例では、複数のパーツに分かれており、車両１０の前方から、第１アンダーカバー７１、第２アンダーカバー７２、第３アンダーカバー７３が設けられている。もとより、一枚のプレートにより構成することも可能である。本実施形態では、アンダーカバーは金属製としたが、必要な強度が得られれば、強化プラスチックなどにより構成することも可能である。
【００３２】
アンダーカバー７０の更に前方には、フロントスポイラー６０が設けられており、車両１０底面の空気の流れを制約している。また、第３アンダーカバー７３の最も後端側であって、車両右側（右ハンドル車における運転席側）には、凸部８０が設けられている。ここで、凸部とは、車両１０の床下から、地面方向に突出していることを意味する。第１から第３アンダーカバー７１〜７３は、フロントスポイラー６０から取り込まれた空気を、車両１０の下面と路面との間に流し、本実施形態では、ダウンフォースを発生させる。これは、車両１０の下面と路面との隙間が、空気の流れに沿って車両１０の前方から後方に向かうほど狭くなるように第１から第３アンダーカバー７１〜７３が形成されているからである。車両１０の下面と路面との間隔が狭くなることで流速が高まり、負圧が発生し、ダウンフォースが得られる。従って、これらのアンダーカバーのうち特に第３アンダーカバー７３は、路面に対して±２０度以内の角度の平面部として形成することが望ましい。
【００３３】
更に、本実施形態では、この第３アンダーカバー７３の後端に凸部８０を設け、その後方に、燃料電池１００の排ガス回路４００終端の排気口４８０を設けている。この凸部８０と排気口４８０との配置を図５に示した。図５に模式的に示したように、第３アンダーカバー７３の下を流れる空気ＤＢは、凸部８０があることで流速を上げるので、凸部８０の背後には、部分的に負圧が発生する。排気口４８０はこの負圧領域ＮＰＡに開口している。
【００３４】
エア供給回路３００の空気取入口３０５はほぼ大気圧に等しいことから、燃料電池１００全体でみれば、空気取入口３０５と排気口４８０との間には、車両１０走行中には、大きな圧力差が存在することになる。従って、車両１０が走行している間は、この圧力差により、空気取入口３０５から排気口４８０に向かって、空気が流れることになる。
【００３５】
以上説明した燃料電池システム１１の構成を前提として、制御部１１０が行なう制御について説明する。図６は、制御部１１０が行なう「トリップ内運転処理ルーチン」を示すフローチャートである。トリップとは、車両１０の運用の１回分を言う。つまり、燃料電池車両１０では、スタートスイッチ１２０をオンにして車両１０の走行を開始してから、車両１０を停止して、スタートスイッチ１２０をオフにするまでを言う。
【００３６】
図６に示した処理は、従って、スタートスイッチ１２０をオンにしたことにより開始され、まず燃料電池１００に燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を導入し、スタックでの発電を開始する（ステップＳ１００）。発電を開始すると、次にフラグＦｅの値が１であるか否かの判断を行なう（ステップＳ１１０）。トリップの開始時点でのフラグＦｅの値、つまりデフォルト値は、値０である。従って、トリップの開始直後には、ステップＳ１１０での判断は「ＮＯ」となる。
【００３７】
そこで、制御部１１０は、次に車速Ｖを車速センサ９０から読み込む処理を行ない（ステップＳ１２０）、車速Ｖが予め定めた閾値Ｖthより大きいか否かの判断を行なう（ステップＳ１３０）。車速Ｖが閾値Ｖthよりも大きければ、続いて省電力係数マップから係数Ｈを読み出す処理を行なう（ステップＳ１４０）。
【００３８】
省電力係数マップの一例を図７に示した。図示するように、この省電力係数マップでは、車速Ｖが閾値Ｖthとなるまでは係数Ｈは値１であり、車速Ｖが閾値Ｖthを越えると車速Ｖに応じて小さな値となり、所定値Ｖlt以上で値０となる。この省電力係数マップから求められる係数Ｈは、後述するように、エアコンプレッサ３３０のモータ３３５の制御において、その消費電力を低減するために用いられる。
【００３９】
省電力係数マップから係数Ｈを読み出すと、読み出した係数Ｈを用いて、エアコンプレッサ３３０のモータ３３５の電力制御を行なう（ステップＳ１６０）。具体的には、要求されている発電量に見合った量の空気を燃料電池１００に送り込むために予め設定されたモータ３３５の定格電力量Ｐｍに、読み出した係数Ｈを乗じて、エアコンプレッサ３３０のモータ３３５を制御する。従って、車速Ｖが閾値Ｖthより大きければ、モータ３３５の駆動に用いられる電力は必ず低減される。
【００４０】
このように、エアコンプレッサ３３０を駆動するモータ３３５の駆動電力が低減されれば、エアコンプレッサ３３０より燃料電池１００に送り込まれる空気量は少なくなるが、車両１０が走行していると、図５に示した様に、走行風によって排気口４８０付近の負圧領域（図５、符号ＮＰＡ）に生じる負圧により、燃料電池１００の排ガスは吸い出される。このため、モータ３３５の駆動電力を低減しても、燃料電池１００が酸素不足なることは通常ない。
【００４１】
こうして係数Ｈを用いたエアコンプレッサ３３０の省電力制御を行ない（ステップＳ１６０）、燃料電池１００の発電状態を読み込む処理を行なう（ステップＳ１７０）。燃料電池１００の発電状態とは、電力分配コントローラ１４０を介して取得した燃料電池１００の発電量や温度センサ１０５が検出する燃料電池１００の温度、更にはインジェクタ２７０下流の圧力など、燃料電池１００の発電の状態を判断できる各種パラメータを意味する。
【００４２】
これらのパラメータを総合的には判断して、燃料電池１００の発電状態が正常か否かの判断を行なう（ステップＳ１８０）。発電が正常に行なわれていれば、何も行なわず、他方、発電が正常であると判断できない場合には、異常フラグＦｅを値１に設定して（ステップＳ１９０）、その後トリップが終了したかを判断し（ステップＳ１９５）、トリップが終了するまで、上記の処理（ステップＳ１１０〜Ｓ１９５）を繰り返す。
【００４３】
エアコンプレッサ３３０のモータ３３５の省電力制御を行なったことで、燃料電池の発電に異常を来した場合（Ｆｅ＝１）には、ステップＳ１１０での判断は、「ＮＯ」となるので、車速Ｖが閾値Ｖth以下の場合共々、ステップＳ１５０に移行し、係数Ｈに値１を設定する。この結果、燃料電池１００の発電に異常が認められて、異常フラグＦｅが値１に設定されていれば、その後は、省電力制御は行なわれない。なお、異常フラグＦｅの他に、省電力運転を一旦停止するか否かを示すフラグを設け、ステップＳ１９０では、この省電力運転一旦停止フラグに値１をセットし、このフラグがセットされていれば、省電力運転を一旦停止しても良い。このフラグは、異常フラグＦｅと同様に、トリップが終了する度に値１に初期化しても良いし、燃料電池１００が正常運転されていると判断したときに、値１に初期化するようにしてもよい。あるいは予め定めた他の条件、例えば運転者による手動操作等で初期化するようにするなどしてもよい。
【００４４】
上述したトリップ内処理ルーチンを実行することで、エアコンプレッサ３３０のモータ３３５の電力等がどのように制御されるかを、図８に例示した。この例では、燃料電池１００が起動されて（時刻ｔ０）、車両１０が走行を始めると、車速Ｖが閾値Ｖthとなるタイミング（時刻ｔ１）までは、省電力係数マップから求められる係数Ｈは値１なので、エアコンプレッサ３３０のモータ３３５が消費する電力（図８では「エアコン電力」と記載）ＭＰは、特に低減されることがない。このとき、エアフローメータ３８５で検出した吸入空気量Ｑは、３Ｌ／分を越えていた。吸入空気は、燃料電池１００のカソードに供給され、発電に用いられるが、３Ｌ／分の空気量Ｑは、本実施形態の燃料電池１００の最大発電量に必要な空気量を超えていた。
【００４５】
車両１０の車速Ｖが閾値Ｖthより大きくなると、車速Ｖに応じて係数Ｈの値は小さくなり、エアコン電力ＭＰは小さくなっていく。やがて、車速Ｖが所定値Ｖ０を越えると（時刻ｔ２）、係数Ｈは値０となり、エアコン電力ＭＰも値０となる。この場合でも、吸入空気量Ｑは燃料電池１００の発電に必要な３Ｌ／分を越えていた。従って、燃料電池１００は正常に発電を継続していた。
【００４６】
以上説明した本実施形態の燃料電池車両によれば、車両１０の走行に伴う走行風によって排気口４８０の付近の負圧領域ＮＰＡに負圧を発生させ、これを利用して、燃料電池１００からの排ガスの排気、延いては燃料電池１００への空気の吸入を実現している。本実施形態では、車速Ｖが所定値Ｖ０以上であれば、エアコンプレッサ３３０を停止しても、発電に必要な空気が不足することがなかった。しかも、こうした空気を吸入するための負圧は、車両１０が走行する際に車両に付与するダウンフォースの一部を利用しているので、負圧を形成するための特別な構造などを用意する必要がない。また、車両１０が走行して大きな電力が必要となる状態では、負圧を利用した空気を燃料電池１００に送り込むので、エアコンプレッサ３３０およびモータ３３５を、従来より小型化することが可能となる。小型化すれば、重量も小さくなり、車両１０の燃費を改善することができる。
【００４７】
本実施形態では、エアコンプレッサ３３０としてターボ式のコンプレッサを採用した。従って、車速Ｖが所定値Ｖ０より高くなってエアコンプレッサ３３０を停止したとき、エアコンプレッサ３３０自体が、空気の吸込に対して圧損となる程度が小さい。もとより、エアコンプレッサ３３０をバイパスする通路を設け、３３０の停止時には、バイパス通路を開くようにしてもよい。この場合には、エアコンプレッサ３３０として比較的圧損の高いルーツ式など、他の方式のコンプレッサを採用することも容易である。
【００４８】
また、上記実施形態では、走行風による負圧が得られることを車速Ｖにより判断しているので、負圧が十分に得られていないのに、エアコンプレッサ３３０の電力ＭＰを低減して、燃料電池１００が酸素不足になるという事態の発生を回避もしくは抑制できる。更に、燃料電池１００の発電状況を見て、何らかの理由で発電状況に不具合があれば（Ｆｅ＝１）、エアコンプレッサ３３０の省電力制御を中止するので、負圧不足のまま燃料電池１００を運転することがない。走行しているにもかかわらず、負圧が発生しないという事態は、例えば車両１０の走行方向と同方向に、車速Ｖと同程度の風が吹いている場合などに、生じる可能性がないとは言えない。本実施形態では、省電力制御を中止するが、こうした省電力制御の中止を、トリップ毎に判断しているので、走行方向や風向き・風力などが変わって、新たなトリップでは省電力制御に復することができる。従って、負圧を利用したエアコンプレッサ３３０の省電力制御のメリットを十分に引き出すことができる。なお、負圧領域での負圧の発生を、車速Ｖにより推定してその多寡を判断するのではなく、排気口４８０の近傍に、風の流速を検出する風速計を設置したり、ピトー管など、負圧を直接測定する負圧センサを設置し、負圧が実際に発生する条件が得られたとき、あるいは実際に負圧が発生しているときに、エアコンプレッサ３３０の省電力制御を実施する構成としても良い。
【００４９】
上記実施形態では、車速Ｖが閾値を超えてから所定値Ｖ０までは、車速に応じてエアコン電力ＭＰを低減するようにしたが、ある閾値まではエアコンプレッサ３３０を通常運転し、ある閾値以上ではエアコンプレッサ３３０を停止するようにしてもよい。逆に、車速Ｖが大きくなっても、エアコン電力ＭＰを０以上に保つよう構成しても差し支えない。凸部８０は、負圧発生用に特別に設ける必要はなく、アンダーカバー７０の形状のうちに、凸部８０として用いることが可能な部位が存在すれば、その近傍に排気口４８０を設ければ良い。
【００５０】
アンダーカバー７０の一部の形状により負圧を発生させる場所と、燃料電池１００の配置との関係は、特に制限はないが、車両１０の前方、例えば後輪より前の方がダウンフォースを利用した負圧の発生は容易である。他方、排気口４８０は、燃料電池１００からあまり隔たっていない方が、配管を短くできるので好ましい。また排気口４８０の位置は、排ガス含まれる水分が水として後方に飛び散らないようにするには、車両１０の中央部付近の方が好ましい。これらの条件を満たす配置としては、排気口４８０は車両１０の前後輪の間が好ましい。もとより、ダウンフォースに基づく負圧を利用するという点さえ満たされれば、その余の条件、例えば燃料電池１００や排気口４８０の配置は、変更可能なものである。例えば、燃料電池１００が車両１０の後方に設けられ、排気口４８０が燃料電池１００より前方に設けられても良い。
【００５１】
上記実施形態では、ダウンフォースによる負圧の発生に走行風を想定したが、車両１０の停車時などにおいて、ラジエータファン５３５による冷却風を、排気口４８０近傍に導き、負圧を発生させても良い。停車している際には、燃料電池１００の発電量は通常小さいので、僅かな負圧による排ガスの吸い出し、延いては空気の燃料電池１００の吸込によっても、発電に必要な酸素を確保することが可能である。この場合、エアコンプレッサ３３０おびこれを駆動するモータ３３５を省略することが可能となる。
【００５２】
上記実施形態では、燃料電池１００の発電に必要な空気の吸込に、排気口４８０付近の負圧領域の負圧を利用したが、例えば燃料ガスを希釈して排出する際に必要となる空気量の増加にこの負圧による空気の吸込を利用しても良い。この場合、酸化剤ガスバイパス流路４５０やバイパスバルブ４５５を省略しても良い。
【００５３】
本発明は、上述の実施形態や他の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池車両
１１…燃料電池システム
６０…フロントスポイラー
７０…アンダーカバー
７１…第１アンダーカバー
７２…第２アンダーカバー
７３…第３アンダーカバー
８０…凸部
９０…車速センサ
１００…燃料電池
１０５…温度センサ
１１０…制御部
１１１…ＣＰＵ
１１２…メモリ
１１５…入力ポート
１１７…出力ポート
１２０…スタートスイッチ
１３０…バッテリ
１４０…電力分配コントローラ
１５０…駆動モータ
１７０…動力分配ギア
１８０…駆動輪
２００…燃料ガス供給回路
２１０…燃料ガスタンク
２２０…燃料ガス供給流路
２３０…燃料ガス排気流路
２４０…燃料ガス還流流路
２５０…メインバルブ
２５５…圧力センサ
２６０…レギュレーター
２７０…インジェクタ
２７５…圧力センサ
２８０…気液分離器
２９０…還流ポンプ
３００…エア供給回路
３０５…空気取入口
３１０…エアクリーナ
３２０…エア供給流路
３３０…エアコンプレッサ
３３５…モータ
３４０…インタクーラ
３５０…入口バルブ
３７５…大気圧センサ
３８０…外気温センサ
３８５…エアフローメータ
４００…排ガス回路
４１０…排ガス流路
４２０…調圧バルブ
４３０…燃料ガス排出流路
４４０…排気排水バルブ
４５０…酸化剤ガスバイパス流路
４５５…バイパスバルブ
４７０…サイレンサー
４８０…排気口
５００…冷却回路
５１０…冷却水供給流路
５１５…冷却水排出流路
５２０…ラジエータ流路
５２５…ウォーターポンプ
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス流路
５４５…三方バルブ
５５０…温度センサ
【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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