(57)【要約】【課題】燃料電池を間欠運転している際の効率の向上を図る。【解決手段】ＰＣＵおよび駆動用モータの冷却機構６０に組み込まれた循環ポンプ６８の電力供給系に循環ポンプ６８に供給する電力の電圧を１２Ｖと８Ｖとに切り替える電圧切替回路６４を設け、車両の走行状態に応じて燃料電池３０を間欠運転する際に、燃料電池３０を発電運転しているときには１２Ｖの電圧の電力が循環ポンプ６８に供給されるように、燃料電池３０を運転停止しているときには８Ｖの電圧の電力が循環ポンプ６８に供給されるように、電圧切替回路６４を制御する。これにより、燃料電池３０を間欠運転している際の効率の向上を図ることができると共に車両の電力需給のバランスを図ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の間欠的な発電運転を伴って該燃料電池からの発電電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転に用いられる機器および／またはシステムに関連する機器としての補機と、
前記燃料電池の間欠的な発電運転の際、該燃料電池を発電運転しているときには前記補機が通常に駆動するよう該補機を駆動制御し、該燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機が前記通常の駆動より制限されて駆動するよう該補機を駆動制御する補機駆動制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記補機駆動制御手段は、前記燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機に印加する電圧を該燃料電池を発電運転しているときに比して制限する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記補機駆動制御手段は、前記補機に印加する電圧を第１の電圧と該第１の電圧より低い第２の電圧とに切り替える電圧切替手段を備え、前記燃料電池を発電運転しているときには前記補機に前記第１の電圧が印加されると共に前記燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機に前記第２の電圧が印加されるよう前記電圧切替手段を制御する手段である請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムから供給される電力を用いて走行する自動車。
【請求項５】
前記補機は、パワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵ）および駆動用モータの冷却用の冷却媒体を循環させるポンプである請求項４記載の自動車。
【請求項６】
車両の走行状態に基づいて前記燃料電池の発電運転を間欠的に行なう請求項４または５記載の自動車。
【請求項７】
走行中の車両が停止して所定の発電停止条件が成立したときに前記燃料電池の発電運転を停止すると共に該発電停止条件の成立の後に所定の発電開始条件が成立したときに該燃料電池の発電運転を開始する請求項６記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよびこれを備える自動車に関し、詳しくは、燃料電池の間欠的な発電運転を伴って該燃料電池からの発電電力を供給する燃料電池システムおよびこれを搭載する自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の自動車としては、メタノールの水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成する改質器とこの改質器からの燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムとこれに並列接続された二次電池とを搭載し、燃料電池システムからの電力や二次電池からの電力を用いて走行するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この自動車では、運転者の操作に基づく車両要求動力が所定動力未満で二次電池の残容量が所定値以上のときには燃料電池システムを停止して二次電池からの電力を用いて走行し、車両要求動力が所定動力以上になったり二次電池の残容量が所定値未満になったときには停止している燃料電池システムを運転して得られる発電電力を用いて走行する、いわゆる燃料電池システムの間欠運転により、電力の需給のバランスを図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３０７７５８号公報（図１，図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の燃料電池システムでは、燃料電池を間欠運転するためには、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器の運転も間欠運転する必要があるため、システム全体を間欠運転している。自動車に搭載される燃料電池システムには、こうした改質器により生成される燃料ガスを燃料電池に供給するものの他に、水素タンクから純水素を燃料電池に供給するものがある。このシステムでは、改質器を備えないことから、燃料電池の間欠運転に必要な制御は改質器を備えるシステムにおける制御とは異なるものとなる。
【０００５】
本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する自動車は、燃料電池の間欠運転を効率よく行なうことを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する自動車は、燃料電池の運転を車両の走行状態に応じたものとすることを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムおよびこれを搭載する自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池の間欠的な発電運転を伴って該燃料電池からの発電電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転に用いられる補機と、
前記燃料電池の間欠的な発電運転の際、該燃料電池を発電運転しているときには前記補機が通常に駆動するよう該補機を駆動制御し、該燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機が前記通常の駆動より制限されて駆動するよう該補機を駆動制御する補機駆動制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の間欠的な発電運転の際、燃料電池が発電運転しているときには補機を通常に駆動し、燃料電池の発電運転を停止しているときには補機を通常の駆動より制限して駆動するから、燃料電池の間欠運転を効率よく行なうことができる。ここで、補機は、本発明の燃料電池システムを搭載した自動車におけるＰＣＵおよび駆動用モータの冷却用の冷却媒体を循環させるポンプも含まれる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記補機駆動制御手段は、前記燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機に印加する電圧を該燃料電池を発電運転しているときに比して制限する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記補機駆動制御手段は、前記補機に印加する電圧を第１の電圧と該第１の電圧より低い第２の電圧とに切り替える電圧切替手段を備え、前記燃料電池を発電運転しているときには前記補機に前記第１の電圧が印加されると共に前記燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機に前記第２の電圧が印加されるよう前記電圧切替手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の発電運転を停止しているときの補機による消費電力を低減することができる。
【００１０】
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の燃料電池システム、即ち、基本的には、燃料電池の間欠的な発電運転を伴って該燃料電池からの発電電力を供給する燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転に用いられる補機と、前記燃料電池の間欠的な発電運転の際、該燃料電池を発電運転しているときには前記補機が通常に駆動するよう該補機を駆動制御し、該燃料電池の発電運転を停止しているときには前記補機が前記通常の駆動より制限されて駆動するよう該補機を駆動制御する補機駆動制御手段と、を備える燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムから供給される電力を用いて走行することを要旨とする。
【００１１】
この本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の燃料電池システムを備えるから、本発明の燃料電池システムが奏する効果、例えば、燃料電池の間欠運転を効率よく行なうことができるなどと同様の効果を奏することができる。この結果、車両全体のエネルギ効率の向上を図ることができる。
【００１２】
こうした本発明の自動車において、車両の走行状態に基づいて前記燃料電池の発電運転を間欠的に行なうものとすることもできる。こうすれば、車両における電力の需給のバランスを燃料電池の間欠運転により行うことができる。この態様の本発明の自動車において、走行中の車両が停止して所定の発電停止条件が成立したときに前記燃料電池の発電運転を停止すると共に該発電停止条件の成立の後に所定の発電開始条件が成立したときに該燃料電池の発電運転を開始するものとすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０を備える自動車の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、水素タンク２２から調節弁２６を介して供給された燃料ガスとしての水素とエアポンプ２８により供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池３０と、燃料電池３０からの発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して充電可能なバッテリ３８と、燃料電池３０の運転に用いる補機類に１２Ｖの電圧の電力を供給するバッテリ５０と、モータ１６およびインバータ１８を駆動するのに適した温度に保持するための冷却機構６０と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備え、ディファレンシャルギヤ１４を介して車輪１２ａ，１２ｂに動力を出力するモータ１６にインバータ１８を介して電力を供給する。なお、電子制御ユニット７０は、車両の走行のためのコントロールをも兼ねている。
【００１４】
冷却機構６０は、冷却水を循環する冷却水循環経路６６と、この冷却水循環経路６６に設けた冷却水を循環させる循環ポンプ６８および外気により冷却水を冷却するラジエータ６２と、循環ポンプ６８への駆動用の電力を１２Ｖと８Ｖとに切替可能な電圧切替回路６４とから構成されている。循環ポンプ６８への駆動用の電力は、電圧切替回路６４を介してバッテリ５０から供給されている。なお、電圧切替回路６４には、回路切替スイッチ６４ａとバッテリ５０からの１２Ｖの電圧を８Ｖに降圧する降圧回路６４ｂとが設けられている。また、燃料電池３０には、燃料電池３０から排出される未反応の水素を供給側に戻す水素ポンプ２４が設けられている。
【００１５】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムが記憶されたＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット７０には、燃料電池３０に取り付けられた図示しない温度センサから温度や図示しないセル間に取り付けられた電圧センサからのセル間電圧、シフトレバー８１のポジションを検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度ＡＰ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰ、車両の走行速度を検出する車速センサ８８からの車速Ｖ、モータ１６の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置検出センサからの信号などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、調節弁２６のアクチュエータや水素ポンプ２４、循環ポンプ６８、エアポンプ２８などへの駆動信号や電圧切替回路６４の回路切替スイッチ６４ａのスイッチ信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２への制御信号、インバータ１８へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１６】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に、燃料電池３０の間欠運転の際の冷却水を循環させる循環ポンプ６８の動作について説明する。図２は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット７０により実行される燃料電池制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００１７】
燃料電池制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、車速センサ８８からの車速Ｖを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。次に、燃料電池３０を発電運転しているか否かを示す間欠運転フラグＦｋの状態を判定する（ステップＳ１０２）。この間欠運転フラグＦｋは、後述する本ルーチンの処理により設定されるものであり、燃料電池３０を発電運転するときに値０が、燃料電池３０の発電運転を停止するときに値１が設定される。
【００１８】
間欠運転フラグＦｋが値１のときには、燃料電池３０の発電運転の発電開始条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。発電開始条件としては、例えば、運転者が踏み込んでいたブレーキペダル８５を離した場合や、アクセルペダル８３が踏み込まれた場合、バッテリ３８の残容量が所定値以下となった場合などを挙げることができる。発電開始条件が成立しているときには、間欠運転フラグＦｋに値０を設定し（ステップＳ１０６）、循環ポンプ６８に１２Ｖの電圧が印加されるよう電圧切替回路６４の回路切替スイッチ６４ａにスイッチ信号を出力して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。発電開始条件が成立していないときには、燃料電池３０の発電運転を開始せずに本ルーチンを終了する。
【００１９】
一方、間欠運転フラグＦｋが値０のときには、ステップ１００で読み込んだ車速Ｖが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。車速Ｖが値０であるときには、発電停止条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１１２）。発電停止条件としては、例えば、車両が停止してから所定時間以上経過しており、ブレーキペダル８５が踏まれており、さらにバッテリ３８の残容量が所定値以上であるときを挙げることができる。発電停止条件が成立しているときには、間欠運転フラグＦｋに値１を設定し（ステップＳ１１４）、循環ポンプ６８に８Ｖの電圧が印加されるよう電圧切替回路６４の回路切替スイッチ６４ａにスイッチ信号を出力して（ステップＳ１１６）、本ルーチンを終了する。即ち、燃料電池３０の発電運転を停止するときには燃料電池３０の発電運転をしているときに比して低い電圧で循環ポンプ６８を駆動するのである。これにより、燃料電池３０の発電運転を停止しているときの電力消費量を低減することができる。なお、車速Ｖが値０でなかったり、発電停止条件が成立していないときには、燃料電池３０の発電運転を停止せずに、本ルーチンを終了する。
【００２０】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、燃料電池３０を間欠運転する際に、燃料電池３０の発電運転を停止するときには、発電運転しているときに比して冷却水を循環させる循環ポンプ６８に印加する電圧を低くするから、燃料電池３０の発電運転を停止しているときの消費電力を低減することができる。この結果，燃料電池３０の間欠運転を効率よく行うことができる。また、車両の走行状態に応じて燃料電池３０を間欠運転するから、車両の電力の需給のバランスを図ることができる。
【００２１】
実施例の燃料電池システム２０では、循環ポンプ６８には、燃料電池３０を発電運転するときには１２Ｖの電圧の電力を供給し、燃料電池３０の運転を停止するときには８Ｖの電圧の電力を供給するものとしたが、燃料電池３０の運転を停止するときに循環ポンプ６８に供給する電力の電圧は、燃料電池３０を発電運転しているときに比して制限されていればよいから、８Ｖに限られず、１２Ｖ未満の電圧であれば如何なる電圧であってもよい。
【００２２】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の発電運転を停止するときには循環ポンプ６８に印加する電圧を制限するものとしたが、循環ポンプ６８の回転数を制限するものとしてもよい。
【００２３】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の発電運転を停止するときにはモータ１６およびインバータ１８を駆動するのに適した温度に保持するための循環ポンプ６８に印加する電圧を制限するものとしたが、インバータ１８と電子制御ユニット７０とが一体となったＰＣＵを冷却するための循環ポンプなどの自動車の各機器や燃料電池３０を運転するのに適した温度に保持するための冷却系の循環ポンプに印加する電圧を制限するものとしてもよいし、水素ポンプ２４やエアポンプ２８などの燃料電池３０の運転に用いる他の補機に印加する電圧を制限するものとしてもよい。
【００２４】
実施例の燃料電池システム２０では、走行中の車両が停止して所定の発電停止条件が成立したときに燃料電池３０の発電運転を停止するものとしたが、バッテリ３８の残容量が所定値以上のときなど、車両が停止していなくても燃料電池３０の発電運転を停止するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の燃料電池システム２０では、システムを自動車に搭載した場合として説明したが、こうした実施例の燃料電池システム２０を自動車以外の車両や船舶、航空機などの移動体に搭載するものとしたり、移動を伴わない建設機械などに搭載するものとしてもよい。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０を備える自動車の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット７０により実行される燃料電池制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１２ａ，１２ｂ  車輪、１４  ディファレンシャルギヤ、１６  モータ、１８インバータ、２０  燃料電池システム、２２  水素タンク、２４  水素ポンプ、２６  調節弁、２８  エアポンプ、３０  燃料電池、３２  ＤＣ／ＤＣコンバータ、３８  バッテリ、５０  バッテリ、６０  冷却機構、６２  ラジエータ、６４  電圧切替回路、６４ａ  回路切替スイッチ、６４ｂ  降圧回路、６６  冷却水循環経路、６８  循環ポンプ、７０  電子制御ユニット、７２  ＣＰＵ、７４  ＲＯＭ、７６  ＲＡＭ、８１  シフトレバー、８２  シフトポジションセンサ、８３  アクセルペダル、８４  アクセルペダルポジションセンサ、８５  ブレーキペダル、８６  ブレーキペダルポジションセンサ、８８  車速センサ。
【図１】
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【図２】
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