(57)【要約】【課題】  暖機運転の完了等のタイミングを判断しやすくする。【解決手段】  燃料電池２０の暖機中、当該燃料電池２０の暖機状態に応じて変化するモータＭ３の出力可能な値を検出し、当該検出したモータＭ３の出力値と予め設定されている出力しきい値とを比較し、モータＭ３の出力値が出力しきい値を上回った場合に当該車両１の走行を許可する制御手段を備えている。また、出力しきい値を当該車両１のユーザが設定可能なしきい値設定手段を備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を搭載し、当該燃料電池にて発電した電力によってモータを駆動して走行する燃料電池車両において、
前記燃料電池の暖機中、当該燃料電池の暖機状態に応じて変化する前記モータの出力可能な値を検出し、当該検出した前記モータの出力値と予め設定されている出力しきい値とを比較し、前記モータの出力値が前記出力しきい値を上回った場合に当該車両の走行を許可する制御手段を備えていることを特徴とする燃料電池車両。
【請求項２】
前記出力しきい値を当該車両のユーザが設定可能なしきい値設定手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記しきい値設定手段は、予め設定されている値のうちのいずれかをユーザが選択可能なスイッチで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記しきい値設定手段は、所定の範囲内を連続的に変化させうる調節装置にて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記しきい値設定手段のオンオフ状態を切り換えるスイッチを備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池車両。
【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。さらに詳述すると、本発明は、複数の電力供給系統を有している燃料電池車両の構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電装置としての燃料電池を搭載した車両に関する研究や開発が多く行われるようになっている。このように車両等の動力源として用いられる燃料電池は、例えば固体高分子形燃料電池であれば作動温度域が８０℃程度であり、起動時においては発電効率の高い運転が可能となる当該作動温度域付近まで暖機を行うことが一般に行われている。
【０００３】
このように燃料電池の暖機を行う場合、暖機運転が完了したことの判断材料としてある温度をしきい値として設定しておき、燃料電池の温度が当該しきい値を超えたことによって暖機運転が完了したことを判断できるようにしていることがある。また、例えば燃料電池車両の停止中、次回の暖機運転開始や暖機運転完了の指示内容をユーザがあらかじめ入力しておくことができるようにした技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１５８３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のように暖機運転の完了などを判断するためのパラメータを温度としている場合、実際に使用するユーザにとってみれば判断のタイミングが容易ではなく、使い勝手に優れるというわけではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、暖機運転の完了等のタイミングを判断しやすくした燃料電池車両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】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。燃料電池を暖機するのであるから表示対象は当該燃料電池の温度上昇の経過であるという観念、内燃機関を用いた車両においては水温計にエンジン冷却水の温度を表示しているという従来構造などからすれば、当該燃料電池自体の温度をパラメータとして暖機の経過を示すことは当然のようでもある。また、暖機を十分に行えばその分だけ大きな出力が得られるのだから、車両の走行内容を重視するのであればその分は暖機を行うことも当然のように考えられる。
【０００７】
ところが、例えば低温状況下であれば暖機に更なる時間を要することとなり、ユーザにとってみれば出力が不十分であっても取り敢えず走行できればいいというようなことも当然に起こり得る。また、ユーザが実際に温度しきい値を設定ないしは指示するにしても、どの程度の温度しきい値とすれば暖機完了時にどの程度のモータ出力（あるいは当該燃料電池車両の出力）が得られるのかを予想ないし把握することは難しく、直接的なパラメータである温度を利用しているにもかかわらず実際には暖機運転のための操作が分かりにくかったり疎ましかったりすることもある。こういった背景から、暖機の程度を直接的に示す温度ではなく実際の車両走行に影響する因子に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００８】
本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を搭載し、当該燃料電池にて発電した電力によってモータを駆動して走行する燃料電池車両において、前記燃料電池の暖機中、当該燃料電池の暖機状態に応じて変化する前記モータの出力可能な値を検出し、当該検出した前記モータの出力値と予め設定されている出力しきい値とを比較し、前記モータの出力値が前記出力しきい値を上回った場合に当該車両の走行を許可する制御手段を備えているというものである。
【０００９】
このようにモータ出力値を媒介としている燃料電池車両の場合、燃料電池の温度を直接のパラメータとはせず、出力可能なモータ出力値に応じて暖機運転を継続または完了する。つまり、実際の車両走行に影響する因子をパラメータとして暖機運転を制御することが可能となっているため、ユーザからすれば暖機運転完了時に出力可能な値を設定しておくことが可能であり、暖機完了時に得られる車両走行の質を直感的に把握しやすい。したがって、走行内容を重視する場合には高めの出力しきい値を設定しておく一方で、暖機完了までに要する時間を短くしたい場合には低めの出力しきい値を設定しておくというように、ユーザにとってみれば操作が分かりやすい。また、モータ出力値が出力しきい値を上回らない限りは車両走行が許可されないため、少なくともモータ出力値がしきい値を上回るまでは燃料電池の暖機が行われるようになっているから、出力源たる燃料電池自体を良好な状態に保つことが可能である。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池車両は、前記出力しきい値を当該車両のユーザが設定可能なしきい値設定手段を備えている。ユーザは、このしきい値設定手段を用いて任意の出力しきい値を設定し、燃料電池の起動時、モータ出力値が当該出力しきい値を超えるまで暖機を継続させることができる。
【００１１】
前記しきい値設定手段は、例えば、予め設定されている値のうちのいずれかをユーザが選択可能なスイッチで構成されている。この場合、ユーザは、かかるスイッチを操作することによって設定値のいずれかを選択し、出力しきい値を設定することができる。
【００１２】
あるいは、前記しきい値設定手段は、所定の範囲内を連続的に変化させうる調節装置にて構成されていてもよい。この場合、ユーザは、例えばスライダやダイヤルなどからなる調節装置を操作することにより所定の範囲内にて出力しきい値を連続的に変化させ、任意の値を設定することができる。
【００１３】
また、前記しきい値設定手段のオンオフ状態を切り換えるスイッチを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、暖機運転の完了等のタイミングを判断しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１〜図５に本発明にかかる燃料電池車両の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池車両１は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０を搭載し、当該燃料電池２０にて発電した電力によってモータＭ３を駆動して走行するというものである。また、本実施形態の燃料電池車両１は、燃料電池２０の暖機中、当該燃料電池２０の暖機状態に応じて変化するモータの出力可能な値を検出等する制御手段１３を備えているものである。
【００１７】
燃料電池（燃料電池スタック）２０は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。以下においては、この燃料電池２０などによって構成される燃料電池システム１０の全体構成についてまず説明し、その後、燃料電池車両１において燃料電池２０を暖機している最中における制御等の内容について説明することとする。
【００１８】
図１に本実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）１の車載発電システムとして用いる例を示すが、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１９】
本実施形態における燃料電池システム１０は、燃料電池２０に接続された燃料ガス配管系と酸化ガス配管系とを備えている。燃料ガス配管系は、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給流路３１、燃料電池２０、燃料ガス循環流路３２、およびアノードオフガス流路（燃料ガス排出流路）３３を含んだ構成となっている（図１参照）。
【００２０】
燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンクまたは水素貯蔵タンク（吸蔵合金を含む場合もある）等の水素貯蔵源によって構成されている。燃料ガス供給流路３１は燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード（燃料極）に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、およびＦＣ入口バルブＨ２１が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧されるようになっている。
【００２１】
燃料ガス循環流路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ２２、水素ポンプ６３、および逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給流路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給流路３１から燃料ガス循環流路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。また、この燃料ガス循環流路３２の途中で分岐するアノードオフガス流路３３は燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージ弁Ｈ５１が配設されている。
【００２２】
なお、上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、およびパージ弁Ｈ５１は各ガス流路３１〜３３または燃料電池２０に対して燃料ガスを供給し、あるいはこれを遮断するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。このような電磁弁としては、例えばオンオフ弁、あるいはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。
【００２３】
燃料電池２０の酸化ガス配管系は、エアコンプレッサ４０、酸化ガス供給流路４１、およびカソードオフガス流路（酸化ガス排出流路）４２を含んだ構成となっている。なお、エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮空気を酸化ガスとして燃料電池２０のカソード（空気極）へと供給する。燃料電池２０の電池反応に供された後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。この酸素オフガスは燃料電池２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給流路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池２０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。また、カソードオフガス流路４２はその下流において希釈器６４に連通している。さらにこの希釈器６４にはアノードオフガス流路３３がその下流において連通しており、水素オフガスを酸素オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。
【００２４】
燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、バッテリー（二次電池）５４に充電される。トラクションインバータ５１および補機インバータ５２は燃料電池２０とバッテリー５４の双方または何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。ちなみに、補機モータＭ４は後述の水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称して表現しているものであり、モータＭ１として機能する場合もあればモータＭ２として機能する場合もある。なお、以下の説明では、燃料電池２０およびバッテリー５４のいずれか一方もしくは双方によって駆動されるものを負荷と総称する。
【００２５】
高圧部（タンクバルブＨ２０１〜水素供給バルブＨ２００の区間）、低圧部（水素供給バルブＨ２００〜ＦＣ入口バルブＨ２１）、ＦＣ部（ＦＣ入口バルブＨ２１〜ＦＣ出口バルブＨ２２）、循環部（ＦＣ出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２）の各部には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ（状態検出手段）Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ６１，Ｐ５，Ｐ１０，Ｐ１１と燃料ガスの温度を検出する温度センサ（状態検出手段）Ｔ６，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ６１，Ｔ５，Ｔ１０が配設されている。各圧力センサの役割について詳述すると、圧力センサＰ６は燃料ガス供給源３０の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサＰ７は高圧レギュレータＨ９の二次圧を検出する。圧力センサＰ９は低圧レギュレータＨ１０の二次圧を検出する。圧力センサＰ６１は燃料ガス供給流路３１の低圧部の圧力を検出する。圧力センサＰ５は燃料電池２０の入口における圧力を検出する。圧力センサＰ１０は水素ポンプ６３の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサＰ１１は水素ポンプ６３の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。
【００２６】
燃料極圧力検出手段Ｐ５は燃料極（アノード）における圧力を検出するためのもので例えば圧力計によって構成されている。本実施形態では、この燃料極圧力検出手段Ｐ５を燃料ガス供給流路３１の低圧部、より具体的にはＦＣ入口バルブＨ２１と燃料電池２０との間に配設している（図１参照）。また、燃料極圧力検出手段Ｐ５はさらにＥＣＵ１３と接続され、検出した圧力値に関するデータを当該ＥＣＵ１３に送信するようになっている。
【００２７】
ＥＣＵ（Electric Control Unit）１３は電子制御装置によって構成された制御手段である。本実施形態のＥＣＵ１３は、燃料電池２０の温度を検出するスタック温度検出手段１１、燃料電池２０の運転が停止してから再起動されるまでの時間を計測する放置時間計測手段１２、燃料極圧力検出手段Ｐ５のそれぞれと接続されていて、スタック温度、放置時間、そして燃料極圧力（アノード圧力）に関するデータを取得する。これらデータは、例えばアノード窒素濃度（電解質膜を透過してカソードからアノードまで達したものなどを含む窒素の当該アノードにおける濃度）を推定する場合などにおいて利用される。さらに、ＥＣＵ１３は、アクセルセンサ（図示省略）が検出したアクセル開度、車速センサ（図示省略）が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２０が目標電力に一致するようにシステムを制御する。具体的には、ＥＣＵ１３はエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１の回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。また、ＥＣＵ１３はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
【００２８】
図２に、以上のような燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両１の一例を示す。当該燃料電池車両１は、燃料電池２０にて発電した電力によってモータＭ３を駆動して走行するというものである。なお、図２中における符合２は当該車両のボデー、符合５７は変速装置、符合５８は燃料となる水素の充填口をそれぞれ示している。
【００２９】
続いて、燃料電池車両１において燃料電池２０を暖機している最中における制御等の内容について説明する（図３等参照）。
【００３０】
上述したように、本実施形態にかかる燃料電池車両１においては、燃料電池２０の暖機中、当該燃料電池２０の暖機状態に応じて変化するモータＭ３の出力可能な値を検出し、当該検出したモータＭ３の出力値と予め設定されている出力しきい値とを比較し、モータＭ３の出力値が出力しきい値を上回った場合に当該車両１の走行を許可するという制御をＥＣＵ１３によって行うようにしている。
【００３１】
ここで、モータＭ３の出力可能値の検出は例えば以下のようにして行うことができる。すなわち、燃料電池２０のスタック温度と出力電圧との関係を表す特性マップをあらかじめＥＣＵ１３のメモリ等にインプットしておく。暖機運転中、スタック温度検出手段１１により当該燃料電池２０の温度を検出したら、当該検出温度と上述の特性マップとから当該時点における燃料電池２０の出力電圧が求められるから、かかる燃料電池２０の出力電圧に基づきモータＭ３の出力可能値も求めることができる。
【００３２】
また、暖機完了判断の処理内容についてフローチャートを用いて説明すると以下のとおりである（図３参照）。すなわち、暖機完了判断の処理を開始したら、当該車両１は走行させないままで燃料電池２０の暖機運転を継続する（ステップ１）。その間、当該燃料電池２０の温度に基づいてモータＭ３の出力可能値を算出し（ステップ２）、このモータ出力可能値とあらかじめ設定されている出力しきい値とを比較する（ステップ３）。モータ出力可能値が出力しきい値に達していなければ（ステップ３にてＮｏ）、燃料電池の暖機運転を継続する（ステップ１）。モータ出力可能値が出力しきい値を超えていれば（ステップ３にてＹｅｓ），走行可能な状態になったことを表示し（ステップ４）、一連の暖機完了判断処理を終了する。
【００３３】
なお、走行可能な状態になったことは、例えば燃料電池車両１のインストルメントパネルに設けられているパワーゲージに併設されたReady onランプなどの表示装置を点灯させることによってユーザ（ドライバ）に認識させることができる。また、暖機完了判断処理は、例えば燃料電池車両１のイグニッションキーの作動をトリガーとして開始されるようになっている。
【００３４】
ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池車両１においては、燃料電池２０の温度を直接のパラメータとはせず、出力可能なモータ出力値に応じて暖機運転を継続または完了する判断を行う、つまり、実際の車両走行に影響する因子をパラメータとして暖機運転を制御することとしている。このため、ユーザにとってみれば暖機完了時に得られる車両走行の質（出力）を直感的に把握しやすいという利点がある。
【００３５】
また、出力しきい値を設定するためのしきい値設定手段３としては、例えば予め設定されている値のうちのいずれかをユーザが選択可能なスイッチ３ａで構成されているものを利用することができる（図４参照）。すなわち、ある水準の出力ないしは車両走行の質を保障しうる範囲内で数通りの選択可能な出力値を設定しておき、ユーザがシーソースイッチやボタンなどを操作することによって出力しきい値を自ら設定できるようにしたものである。例示すれば、スイッチオフの場合に６０ｋＷ、オンの場合に９０ｋＷというようにモータＭ３の出力しきい値を切り替えられるようにしておけば、ユーザはスイッチ３ａを操作するだけで出力しきい値を簡単に設定することができる。例えばこのように６０ｋＷと９０ｋＷという２通りの出力しきい値の選択が可能となっている場合、ユーザは、走行内容を重視するのであれば高い出力しきい値（９０ｋＷ）を選択することができ、暖機完了までに要する時間を短くして早く走り出したいと考える場合には低い出力しきい値（６０ｋＷ）を選択することができる。
【００３６】
あるいは、所定の範囲内を連続的に変化させうる調節装置３ｂにてしきい値設定手段３を構成することもできる（図５参照）。例えばスライダやダイヤルなどからなる調節装置３ｂにて任意の出力しきい値を設定できるようにすれば、ユーザは所定の範囲内にて出力しきい値を連続的に変化させ、種々の状況に応じた細かな設定を行うことが可能となる。
【００３７】
以上のように、本実施形態の燃料電池車両１においては暖機運転完了時に出力可能な値を設定しておくことが可能であり、暖機完了時に得られる車両走行の質を直感的に把握し、暖機運転の完了等のタイミングを判断しやすい。要は、燃料電池車両１における動力源はモータであるから、燃料電池２０の温度を直接のパラメータとするよりも当該モータ自体の出力を媒介したほうが走行時の状況を認識しやすい。
【００３８】
また、走行内容を重視する場合には高めの出力しきい値を設定しておき、逆に暖機完了までに要する時間を短くしたい場合（出力が不十分であっても早く走り出したいような場合）には低めの出力しきい値を設定しておけばよく、ユーザにとって操作が分かりやすい。しかも、モータ出力値が出力しきい値を上回らない限りは車両走行が許可された状態とならないため、少なくともモータ出力値がしきい値を上回るまでは燃料電池２０の暖機が行われることになり、出力源たる燃料電池２０自体を良好な状態に保つことが可能である。
【００３９】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では燃料電池２０を起動した場合における暖機運転を対象として説明をしたが、かかる暖機運転は発車後に行ってもよい。すなわち、時間に余裕がないため暖機運転もそこそこに発車したはいいが渋滞や信号待ちなど短時間確実に停車する状況になった場合に、当該停車の間だけ暖機完了判断処理に基づく暖機を実施し、その後の走行状態を少しでも向上させるといった適用が可能である。特に図示はしていないが、しきい値設定手段３のオンオフ状態を切り換えるスイッチを併設しておき、状況に応じて適宜暖機完了判断処理に基づく暖気を実施できるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にかかる燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態の燃料電池車両の概略構成を示す側面図である。
【図３】燃料電池を暖機している際の暖機完了判断処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図４】出力しきい値を選択可能なスイッチで構成されたしきい値設定手段の概要を表す図である。
【図５】所定の範囲内を連続的に変化させて任意の出力しきい値を選択可能としたしきい値設定手段の概要を表す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池車両、３…しきい値設定手段、３ａ…スイッチ、３ｂ…調節装置、１３…ＥＣＵ（制御手段）、２０…燃料電池、Ｍ３…モータ
【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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