(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【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を少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温運転制御手段とを備える移動体。
【請求項２】
請求項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。
【請求項３】
請求項１または請求項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する移動体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか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。
【請求項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少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
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を少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温運転制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
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、移動体が移動できない状態にあると判定された場合には、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確実に防止することができる。
【０００９】
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防止することができる。
【００１０】
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、燃料電池によっ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。
【００１１】
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。
【００１２】
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少なくとも所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させることを特徴として備える。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池搭載車両１０は、電源システムとしての燃料電池システム２０、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）３０、駆動用モータ３０によって駆動される車輪４０、車両１０の動作を制御する制御ユニット５０を備えている。
【００１７】
燃料電池システム２０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２１、運転時に燃料電池２１を冷却する熱交換器２２、燃料電池２１に供給する水素を蓄える高圧水素ボンベ２３、燃料電池２１に対して空気を供給する空気ポンプ２４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。
【００１８】
燃料電池２１と高圧水素ボンベ２３とは水素供給管２３１によって接続されており、水素供給管２３１には水素圧力を燃料電池２１への供給圧力へと減圧する減圧弁２３２が配置されている。燃料電池２１と空気ポンプ２４とは空気供給管２４１を介して接続されている。また、燃料電池２１に供給された空気は排気管２４２を介して大気中へと排出される。
【００１９】
熱交換器２２は、燃料電池２１を冷却するために燃料電池２１に備えられており、内部を冷却液が循環する。熱交換器２２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２２１には冷却液温度を検出する冷却液温度センサ５１、５２が備えられている。
【００２０】
駆動用モータ３０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ロータと、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ータとを備える。駆動用モータ３０の動作は、制御ユニット５０からの制御信号を受けたインバータ３１によって制御される。インバータ３１と燃料電池２１とは電力供給線３１１によって接続されており、電力供給線３１１の途中には、燃料電池２１と駆動用モータ３０とを電気的に遮断（切断）するための電源リレー３１２が配置されている。
【００２１】
駆動用モータ３０のロータは、クラッチ機構３５１を備えるギヤ機構３５を介して車輪４０と接続されている。ギヤ機構３５は、ギヤ位置（シフトポジションＳＰ）を選択するためのシフトセレクタ３６と電気的または機械的に接続されている。クラッチ機構３５１は、シフトセレクタ３６のシフトポジションＳＰ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、駆動用モータ３０と車輪４０との機械的な接続を遮断（切断）する。
【００２２】
駆動用モータ３０は、ロータに備えられた永久磁石による磁界とステータ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４０に出力する。車速の減速要求（制動要求）が発生した場合には、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３０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。
【００２３】
車両１０には、この他に、車両駐車時に、ブレーキ４１を制動状態として車両１０の移動を防止するパーキングブレーキ４２、車両１０を始動・停止させるためのスイッチ（イグニションスイッチ）４３、速度計・警告灯４４１等を備える計器パネル４４を備える。
【００２４】
制御ユニット５０は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）等を備え、車両１０の運転状態に応じて車両１０の動作を制御する。制御ユニット５０には、シフトセレクタ３６において選択されたシフトポジションＳＰを示すシフトポジション信号、パーキングブレーキ４２の状態を示すパーキングブレーキのオン・オフ信号、スイッチ４３におけるイグニッションポジションを示すイグニションポジション信号、冷却液温度センサ５１、５２からの検出温度信号が信号線を介して入力される。
【００２５】
制御ユニット５０は、インバータ３１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３１２、警告灯４４１に対して遮断・接続信号、報知信号をそれぞれ送出する。
【００２６】
図２および図３を参照して本実施例に係る車両１０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１０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（ＦＣ）２１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。
【００２７】
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。制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の停止要求が発生したか否かを判定する（ステップＳ１００）。具体的には、使用者（運転者）がスイッチ４３をオフしたか否かによって判定される。燃料電池システム２０の保温運転制御は、燃料電池システム２０の運転停止時に燃料電池システム２０、特に燃料電池２１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２０の停止要求を処理開始のトリガとする。
【００２８】
制御ユニット５０は、スイッチ４３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２０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Ｓ１００：Ｙｅｓ）、燃料電池システム２０の運転を停止すると共に、電源リレー３１２をオフして（ステップＳ１１０）、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。保温運転制御時に発生する電力が駆動用モータ３０に対して供給され、駆動用モータ３０が作動する事態を回避するためである。なお、スイッチ４３がオフされた後も、制御ユニット５０は作動状態にあり、適宜、燃料電池システム２０を起動、停止することができる。
【００２９】
制御ユニット５０は、スイッチ４３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２０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Ｓ１００：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム２０の保温運転制御を実行しない。
【００３０】
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ったか否かを判定する（ステップＳ１２０）。すなわち、駆動用モータ３０と車輪４０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。
【００３１】
制御ユニット５０はシフトポジションＳＰ＝Ｐ又はＮであると判定した場合には（ステップＳ１２０：Ｙｅｓ）、パー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ＰＢがオンされているか否かを判定する（ステップＳ１３０）。すなわち、パーキングブレーキ４２によってブレーキ４１が制動状態に置かれ、車両１０（車輪４０）の移動が止められている状態であるか否かを判定する。
【００３２】
制御ユニット５０はパーキングブレーキ４２が引かれている、すなわちＰＢ＝オンであると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、冷却液温度センサ５１または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（ステップＳ１４０）。すなわち、燃料電池システム２０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℃を用いているのは、冷却液温度センサ５１、５２によって燃料電池システム２０、特に、燃料電池２１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２１に対して燃料電池２１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℃であっても良く、０〜５℃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２１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。
【００３３】
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（ステップＳ１４０：Ｙｅｓ）、保温運転処理を開始し（Ｓ１５０）、本処理ルーチンを終了する。
【００３４】
燃料電池システム２０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２０、より具体的には燃料電池２１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２１の温度であるＦＣ温度が０℃近傍温度になると、制御ユニット５０は燃料電池システム２０を起動し、燃料電池２１による発電を開始する。燃料電池２１が発電を開始すると、燃料電池２１は発熱し、燃料電池システム２０の温度は上昇し、燃料電池システム２０（燃料電池２１）における水分の凍結を防止することができる。
【００３５】
燃料電池システム２０の凍結防止の観点からは、燃料電池システム２０の温度は０℃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２０の温度が、例えば、１０℃といった上限温度に到達すると燃料電池システム２０の運転が停止される。この後、燃料電池システム２０の温度をパラメータとして、燃料電池システム２０の起動・停止が繰り返し実行される。
【００３６】
保温運転時に発電された電力は、空気ポンプ２４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２０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、電気ヒータによって燃料電池システム２０を加熱（保温）するために用いられても良い。
【００３７】
一方、制御ユニット５０は、シフトポジションＳＰ＝Ｐ又はＮでないと判定した場合（ステップＳ１２０：Ｎｏ）、およびパーキングブレーキ４２が引かれていない、すなわちＰＢ＝オンでないと判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、警告を報知する（ステップＳ１６０）。具体的には、制御ユニット５０は、計器パネル４４上の警告灯４４１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ＳＰ＝ＰまたはＮとすること、パーキングブレーキ４２を引くことを促す。
【００３８】
制御ユニット５０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Ｓ１７０）、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Ｓ１７０：Ｎｏ）、ステップＳ１２０へと処理を移行する。一方、制御ユニット５０は、所定時間が経過したと判定した場合には（ステップＳ１７０：Ｙｅｓ）、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム２０の保温運転処理は実行されない。
【００３９】
以上説明したように、本実施例に係る車両１０および車両１０に搭載された燃料電池システム２０の保温運転制御方法によれば、駆動用モータ３０と車輪４０との接続が機械的に遮断され、また、燃料電池２１と駆動用モータ３０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２０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２１によって発電されても、車両１０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１０の移動を確実に防止することができる。
【００４０】
また、車両１０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ＳＰのＰまたはＮポジションへの変更、パーキングブレーキ４２の作動を促すので、車両１０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２０の保温運転処理実行の機会を増大させることができる。この結果、燃料電池システム２０の凍結をより適切に防止することができる。
【００４１】
・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ＳＰ、パーキングブレーキ４２の作動状況の双方に基づいて車両１０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３１２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。
【００４２】
上記実施例では、冷却液温度センサ５１、５２によって燃料電池２１の温度を検出しているが、燃料電池２１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２１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２０の凍結を防止することができる。さらに、燃料電池２１の温度は、燃料電池２１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
【００４３】
上記実施例では燃料電池２１の燃料として高圧水素タンク２３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。
【００４４】
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ピュータ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。
【００４５】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】本実施例に係る車両１０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】保温運転と燃料電池（ＦＣ）２１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。
【符号の説明】
１０…車両
２０…燃料電池システム
２１…燃料電池
２２…熱交換器
２２１…冷却液外部循環管
２３…高圧水素タンク
２３１…水素供給管
２３２…減圧弁
２４…空気ポンプ
２４１…空気供給管
２４２…排気管
３０…駆動用モータ
３１…インバータ
３１１…電力供給線
３１２…電源リレー
３５…ギヤ機構
３５１…クラッチ機構
４０…車輪
４１…ブレーキ
４２…パーキングブレーキ
４３…スイッチ（イグニションスイッチ）
４４…計器パネル
４４１…警告灯
５０…制御ユニット
５１、５２…冷却液温度センサ
【図１】
2004327101.tif 000003
【図２】
2004327101.tif 000004
【図３】
2004327101.tif 000005