(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として水素からなる燃料と空気を用いて発電を行う燃料電池と、
該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池に前記水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池により発電された電力を駆動力に変換するモータと、
前記燃料電池により発電された電力あるいは前記モータによる回生電力を蓄電し、該電力を前記モータに供給する二次電池と
を備えた燃料電池車両において、
前記供給空気中の燃料電池に対して有害な物質を検出する有害物質検出手段と、
前記二次電池の残量を検出する二次電池残量検出手段と、
二次電池残量が、過放電を判定する第１の基準値以下のときには有害物質の検出結果にかかわらず前記燃料電池を運転し、二次電池残量が、前記第１の基準値よりも高く設定され当面充分な駆動力を確保できることを判定する第２の基準値を超えるときには有害物質の検出結果にかかわらず燃料電池を停止し、二次電池残量が、前記第１の基準値を超え前記第２の基準値以下のときには前記有害物質検出手段と前記二次電池残量検出手段の信号に基づいて前記燃料電池の運転および停止を制御する制御手段と
を備えた燃料電池車両。
【請求項２】
前記制御手段は、二次電池残量が大きいときほど比較的低い有害物質濃度にて燃料電池の運転を停止する特性を有する請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記制御手段は、有害物質濃度の時間平均値と二次電池残量とに基づいて燃料電池の運転または停止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記有害物質検出手段は、有害物質として少なくとも一酸化炭素を検出する請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記制御手段は、有害物質濃度と二次電池残量とをパラメータとして燃料電池の運転領域または停止領域を設定したマップを参照して燃料電池の運転または停止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項６】
前記制御手段は、水素を発生する改質装置の作動を制御することにより燃料電池の運転または停止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項７】
前記制御手段は、燃料電池に対する貯蔵水素の供給を制御することにより燃料電池の運転または停止を制御するように構成されている請求項１に記載の燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動力源として燃料電池を搭載した車両の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、使用する電解質の材料の違いにより、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、リン酸型、固体高分子型、アルカリ型等のいくつかのタイプがある。ふっ素系のイオン交換膜を電解質として使用する固体高分子型燃料電池は、高性能なイオン交換膜の実現に伴い従来の何倍もの高い電流密度を取りだせるようになり、これにより自動車の限られた搭載スペースの中に、充分な出力の燃料電池を搭載することが可能になりつつある。一方、米カリフォルニア州におけるＺＥＶ（Zero Emission Vehicle）規制により、固体高分子型燃料電池の電気自動車への応用が本格的に検討されるようになったが、現在までのところ市場に投入された燃料電池自動車はまだ存在せず、実験車が公開されている段階にすぎない。
【０００３】
燃料電池を搭載した電気自動車は、主として水素からなる燃料と空気を用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給装置と、電力を駆動力に変換するモータ等から構成され、燃料電池と二次電池とのハイブリッド構成とすることが一般的である。燃料供給系としては、大きく分類すると、水素そのものを貯蔵し供給するシステムか、またはメタノールやガソリンといった燃料を改質装置を用いて水素を含む改質ガスに変換し供給するシステムが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のように固体高分子型燃料電池を移動体の動力源として使用する燃料電池自動車がトンネル内を走行する場合、従来の内燃機関を動力源とする車両（エンジン車）から排出されるＮＯｘやオイル成分といった排出物を、空気供給装置である圧縮器が吸い込み、燃料電池に供給してしまうという問題がある。
【０００５】
例えば、図１に示したように、トンネル１０６内はエンジン車１０５の走行により排気ガスが充満しやすい環境となっている。このようなトンネル内を燃料電池自動車１０３が走行すると、コンプレッサ１０１は排気ガスをフィルタ１０２を介して吸入し、燃料電池１００に供給する。１０４は燃料電池システムの筐体である。エンジン排出物のうち、Ｎｏｘは水分で膨潤している燃料電池スタックの高分子膜中に、硝酸や亜硝酸として水系に取り込まれ、その酸化性により各種材料ならびにスタックの高分子膜を劣化させ、したがってスタック性能を劣化させる。また水系の脱イオンフィルタの交換時期を早めるために、メンテナンスコストが上昇するという問題が生じる。また、排気排出物のうち、オイル分は燃料電池の電極触媒に吸着し、電極触媒性能を劣化させ、スタック性能を劣化させる。この対策として、エアフィルタを高性能化すると製造コストやメンテナンスコストが上がるだけでなく、エアフィルタの圧損が大きくなるために圧縮器の運転電力が増加し、燃料電池自動車の燃費性能が低下してしまう。
【０００６】
このような、空気中に含まれる燃料電池にとって有害な物質による種々の問題に対し、特開平９−６３６２０号では、吸気中の一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する手段を設ける構成を提案している。この場合、空気を一度加熱バーナーで加熱するために余分な燃料が必要であり、また一度加熱した空気を冷やすためにラジエータ放熱量が増加するという問題が生じる。燃料電池は低温で動作するために常温から起動できる優れた特徴を持つ反面、低温で大気中に放熱しにくい多量の排熱を出すという特性があり、これに対応するための大容量のラジエータの搭載は自動車としての成立性にかかわる重要な問題である。また、大気中のオイル分を酸化除去することは困難であり、またＮＯｘは酸化除去することは原理的に不可能であり、窒素と酸素に分解除去することが必要となるが、この場合、酸素を多量に含む大気中という酸化雰囲気下で還元反応である分解反応を進行させることは非常に困難である。
【０００７】
一方、オンサイトの燃料電池発電プラントにおいても、有害物質を吸い込んでしまうことによる種々の問題が同様にあり、このため例えば特開平９−１８０７４４号では、有害物質を検出する手段を設け、有害物質の吸入を検出したら発電を停止させる構成を提案している。しかしながら、このような構成では、移動体である燃料電池自動車に適用した場合、状況によっては走行性能を完全には満足しない状態に陥ってしまうという商品性上の問題が生じる。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、二次電池による駆動力を確保しうる範囲で燃料電池を停止させることにより燃料電池システムとしての効率および耐久性を高めるようにした燃料電池車両を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、主として水素からなる燃料と空気を用いて発電を行う燃料電池と、該燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池に前記水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記燃料電池により発電された電力を駆動力に変換するモータと、前記燃料電池により発電された電力あるいは前記モータによる回生電力を蓄電し、該電力を前記モータに供給する二次電池とを備えた燃料電池車両において、前記供給空気中の有害物質を検出する有害物質検出手段と、前記二次電池の残量を検出する二次電池残量検出手段と、二次電池残量が、過放電を判定する第１の基準値以下のときには有害物質の検出結果にかかわらず前記燃料電池を運転し、二次電池残量が、前記第１の基準値よりも高く設定され当面充分な駆動力を確保できることを判定する第２の基準値を超えるときには有害物質の検出結果にかかわらず燃料電池を停止し、二次電池残量が、前記第１の基準値を超え前記第２の基準値以下のときには前記有害物質検出手段と前記二次電池残量検出手段の信号に基づいて前記燃料電池の運転および停止を制御する制御手段とを備える。
【００１０】
第２の発明は、前記第１の発明の制御手段を、二次電池残量が大きいときほど比較的低い有害物質濃度にて燃料電池の運転を停止する特性を有するものとする。
【００１２】
第３の発明は、前記第１の発明の制御手段を、有害物質濃度の時間平均値と二次電池残量とに基づいて燃料電池の運転または停止を制御するように構成されたものとする。
【００１３】
第４の発明は、前記第１の発明の有害物質検出手段を、有害物質として少なくとも一酸化炭素を検出するものとする。
【００１４】
第５の発明は、前記第１の発明の制御手段を、有害物質濃度と二次電池残量とをパラメータとして燃料電池の運転領域または停止領域を設定したマップを参照して燃料電池の運転または停止を制御するように構成されたものとする。
【００１５】
第６の発明は、前記第１の発明の制御手段を、水素を発生する改質装置の作動を制御することにより燃料電池の運転または停止を制御するように構成されたものとする。
【００１６】
第７の発明は、前記第１の発明の制御手段を、燃料電池に対する貯蔵水素の供給を制御することにより燃料電池の運転または停止を制御するように構成されたものとする。
【００１７】
【作用・効果】
第１の発明以下の各発明において、車両は燃料電池または二次電池の何れか一方または双方の電力に基づいて作動するモータにより走行駆動される。この場合、二次電池の蓄電量が充分であってその電力のみによって走行可能であるときには燃料電池の作動を停止させることができる。すなわち、大気有害物質により燃料電池が劣化するおそれのある走行環境下では、二次電池の残量がある程度確保できることを条件として燃料電池を停止させることにより、車両の走行性能を確保しつつ燃料電池の劣化を防止することが可能である。なお、有害物質としては例えば第４の発明として示したように、少なくとも一酸化炭素を検出することが望ましい。
【００１８】
バッテリの過放電防止または残量確保の観点からは燃料電池の停止は必要最小限に抑えることが好ましく、また燃料電池の劣化防止のためにはできるだけ燃料電池を停止する機会を増やした方がよい。このような要求に対応するには、第２の発明として示したように、制御装置を、二次電池残量が大であるときほど比較的低い有害物質濃度にて燃料電池の運転を停止するような特性に設定する。このような制御は、第５の発明として示したように、有害物質濃度と二次電池残量とをパラメータとして燃料電池の運転領域または停止領域を設定したマップを設け、このマップを参照して燃料電池の運転または停止を判定することで比較的容易に行うことができる。
【００１９】
また、二次電池の過放電を確実に防止するためには、第１の発明として示したように、二次電池残量がある第１の基準値以下のときには、有害物質の検出結果にかかわらず、燃料電池を運転するように図る。また、二次電池残量が前記第１の基準値よりも大きく設定された第２の基準値を超えるときには燃料電池を停止させることにより、二次電池の有効利用と保護を図ることができる。
【００２０】
一方、第３の発明として示したように、有害物質濃度の時間平均値と二次電池残量とに基づいて燃料電池の運転または停止を制御することにより、有害物質を比較的大量に排出する車両とのすれ違い時などの有害物質濃度の瞬間的な増減によって燃料電池の運転と停止が過敏に切り替わることによるエネルギ効率の低下を防止することができる。
【００２１】
燃料電池を運転または停止させるには、第６の発明または第７の発明として示したように、水素を発生する改質装置を有する燃料電池装置の場合には、改質装置の作動を制御することにより、または燃料電池に供給する水素を貯蔵する手段を有する装置の場合には、貯蔵水素の供給を制御することにより行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図２以下の各図に沿って説明する。図中の２００は水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池、２０１は燃料（例えば液体燃料であるメタノールあるいはガソリン）を改質し水素を含む改質ガスに変換し、燃料電池２００に供給する改質装置、２０２は燃料電池２００に空気を供給する空気供給装置としての圧縮器、２０５は燃料と必要に応じて燃料改質に必要な水とを供給する燃料供給装置、２０８は車両の走行モータ、２０７は燃料電池２００により発電された電力あるいは走行モータ２０８が減速時等に逆駆動されたときに発生する回生電力を蓄電し、または走行モータ２０８に走行用の電力を供給するバッテリ（二次電池）、２０９は燃料電池２００による発電電力とバッテリ２０７の電力と走行モータの走行用電力や回生電力等の各種電力のやりとり、ならびに燃料電池２００からの電力取りだし量を制御する電力制御装置である。前記電力制御装置２０９は、バッテリ２０７の残量を含むバッテリ状態ＳＯＣ（State Of Charge）を算出する二次電池残量検出手段としての機能を備えている。
【００２３】
２５０は、圧縮器２０２の吸気部２５１に吸気される空気中のＣＯ濃度を検出する有害物質検出手段としてのＣＯセンサであり、該ＣＯセンサのＣＯ濃度信号と電力制御装置２０９で算出したバッテリ２０７の残量信号とに基づいて、制御手段であるコントローラ２５４が改質装置２０１、圧縮器２０２、燃料供給装置２０５および燃料電池２００の運転または停止を制御する。
【００２４】
次にコントローラ２５４の動作内容について図３に示した流れ図に従って説明する。なお流れ図および以下の説明中で文字「Ｓ」は制御動作のステップを表す。
Ｓ１：ＣＯセンサ２５０のＣＯ濃度信号２５２を読み込む。
Ｓ２：格納されていた前回までのＣＯ濃度信号２５２の値と、前記Ｓ１で読み込んだ値とを用いてＣＯ濃度の時間平均値を算出する。
Ｓ３：電力制御装置２０９で算出したバッテリ２０７のＳＯＣ信号を読み込む。
Ｓ４：マップＡ（図４参照）を用いて、改質装置２０１の運転ならびに停止を判断する。
Ｓ５〜Ｓ６：前記Ｓ４の判断が「運転する」の場合、改質装置２０１が運転中であればその状態を継続し、改質装置２０１が停止中であればその運転を再開する。
Ｓ７〜Ｓ８：前記Ｓ４の判断が「運転しない」の場合、改質装置２０１が停止中であればその状態を継続し、改質装置２０１が運転中であればその停止処理を行う。
【００２５】
前記マップは、図４に示されるように、ＳＯＣ信号が、過放電を判定する第１の基準値ＳＯＣ＿Ｌ以下であれば、過放電防止のために、圧縮器２０２で吸気する空気中のＣＯ濃度によらずに改質装置２０１を運転し、燃料電池２００による発電を行わせる。一方、ＳＯＣ信号が、前記第１の基準値よりも高く設定され当面充分な駆動力を確保できることを判定する第２の基準値ＳＯＣ＿Ｈ以上であれば、バッテリ２０７のみで当面は充分な駆動力が確保できるので、圧縮器２０２で吸気する空気中のＣＯ濃度によらずに改質装置２０１を停止させる。
【００２６】
ディーゼル車とのすれ違い時など空気中のＣＯ濃度が瞬間的に高くなった際に改質装置２０１の停止ならびに再運転処理が頻繁に行われるとエネルギー効率が低下するおそれがあるが、この実施形態のようにＣＯ濃度の時間平均値を用いた制御を行うことにより、このような敏感な動作を抑えて高効率を確保することが可能になる。
【００２７】
実施形態の大気有害物質検出手段としてはＣＯセンサ例示したが、他の有害物質を検出する手段によっても同様の制御が可能である。また、本発明は、実施形態に示した改質型燃料電池車両に限らず、水素そのものの貯蔵システムを有する直接水素燃料電池自動車にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池自動車が従来エンジン車と共に走行するときの環境状態の説明図。
【図２】本発明による燃料電池車両の一実施形態の構成概念を示すブロック図。
【図３】前記実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図４】前記実施形態の制御に用いるマップの構成例を示す説明図。
【符号の説明】
２００    燃料電池
２０１    改質装置
２０２    圧縮器（空気供給装置）
２０５    燃料供給装置
２０７    バッテリ（二次電池）
２０８    走行モータ
２０９    電力制御装置
２５０    ＣＯセンサ
２５４    コントローラ（制御手段）
【図１】
0003882485.tif 000002
【図２】
0003882485.tif 000003
【図３】
0003882485.tif 000004
【図４】
0003882485.tif 000005