(57)【要約】【課題】駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理の実施中に、消費電力の増加によるバッテリ上がりを抑えつつ、外部からの衝撃を検知して水素タンクの主止弁を閉じることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明にかかる燃料電池システム１は、車両の駆動輪がロックされた状態で水素タンク３の主止弁４が開いているときに、大気圧センサ１５の検知結果に基づいて外部からの車両への衝突を検知する衝突検知部１３を備える。また、衝突検知部１３の検知結果に基づいて主止弁４の開閉を制御する主止弁開閉制御部１２を備える。衝突検知部１３は、大気圧センサ１５が検知した大気圧の単位時間当たりの変動が予め定められた規定値を超えたときに外部から車両への衝突があったと判断し、主止弁開閉制御部１２は、衝突検知部１３が外部から車両への衝突があったと判断したときに主止弁４を閉じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載する燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に水素を供給する水素タンクと、
前記水素タンクに設けられ開閉により水素の供給と停止とを切り替える主止弁と、
前記燃料電池への水素供給の制御のために大気圧を検知する大気圧センサと、
前記車両の駆動輪がロックされた状態で前記主止弁が開いているときに、前記大気圧センサの検知結果に基づいて外部からの前記車両への衝突を検知する衝突検知部と、
前記衝突検知部の検知結果に基づいて前記主止弁の開閉を制御する主止弁開閉制御部と、を備え、
前記衝突検知部は、前記大気圧センサが検知した大気圧の単位時間当たりの変動が予め定められた規定値を超えたときに外部から車両への衝突があったと判断し、前記主止弁開閉制御部は、前記衝突検知部が外部から車両への衝突があったと判断したときに前記主止弁を閉じる燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）の電解質膜は、適切に湿潤した状態において良好なプロトン伝導性を示す。このため、燃料電池システムの運転中において、電解質膜が適切な湿潤状態となるよう燃料電池内部を湿潤状態に保つことが好ましい。しかし、燃料電池システムの運転を停止した後に、燃料電池の内部に多量の水分が残留していると、氷点下などの低温環境下ではその水分が凍結し燃料電池システムの起動性の悪化を招く恐れがあった。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池の運転終了時に、燃料電池内部を掃気（パージ）することにより、燃料電池内部の水分量を低減させる燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１３４８３２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に記載された燃料電池システムなど、燃料電池の運転終了時に掃気処理を行う燃料電池システムでは、掃気処理中において水素配管内の圧力を一定以上に保つため水素タンクの主止弁を開いておく必要がある。車両に搭載する燃料電池システムでは、この掃気処理は車両が駐車した状態、すなわち、車両の駆動輪がロックされた状態で実施される。水素タンクの主止弁を開いた状態で外部から車両への衝突を受けた場合、水素配管の破断に伴う水素漏えいを防止するために水素タンクの主止弁を閉じるようにするのが好ましい。このため、掃気処理など、駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理を行っている際に、外部から車両への衝突を検知する必要がある。
【０００６】
近年、車両においてエアバックが急速に普及している。エアバックの動作を制御するエアバックＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）では、車両が外部から受けた衝撃を加速度センサ（Ｇセンサ）によって検知する。エアバックＥＣＵは、加速度センサが検知した加速度が一定値以上の場合に車両が外部から強い衝撃を受けたと判断してエアバックを作動させる。
【０００７】
上述した駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理を行っている際に外部からの衝撃を検知するため、エアバックＥＣＵの加速度センサを用いることも考えられる。駐車中に実施する処理は、補機用バッテリのみの電力供給によって行う必要がある。しかしながら、駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理の実施中に、当該処理とは直接必要のないエアバックＥＣＵを外部からの衝撃の検知のためだけに起動すると、電源リレーの励起電流による消費電力の増加やエアバックＥＣＵの起動による消費電力の増加などによりバッテリ上がりを起こしやすくなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、車両に搭載する燃料システムにおいて、駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理の実施中に、消費電力の増加によるバッテリ上がりを抑えつつ、外部からの衝撃を検知して水素タンクの主止弁を閉じることができる燃料電池システム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】
【０００９】
本発明は、車両に搭載する燃料システムにおいて、車両に搭載する燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に水素を供給する水素タンクと、前記水素タンクに設けられ開閉により水素の供給と停止とを切り替える主止弁と、前記燃料電池への水素供給の制御のために大気圧を検知する大気圧センサと、前記車両の駆動輪がロックされた状態で前記主止弁が開いているときに、前記大気圧センサの検知結果に基づいて外部からの前記車両への衝突を検知する衝突検知部と、前記衝突検知部の検知結果に基づいて前記主止弁の開閉を制御する主止弁開閉制御部と、を備え、前記衝突検知部は、前記大気圧センサが検知した大気圧の単位時間当たりの変動が予め定められた規定値を超えたときに外部から車両への衝突があったと判断し、前記主止弁開閉制御部は、前記衝突検知部が外部から車両への衝突があったと判断したときに前記主止弁を閉じるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、車両に搭載する燃料システムにおいて、駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理の実施中に、消費電力の増加によるバッテリ上がりを抑えつつ、外部からの衝撃を検知して水素タンクの主止弁を閉じることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】大気圧センサの概略構成を示す図である。
【図３】ゲージ圧力センサの概略構成を示す図である。
【図４】大気圧センサの出力値の一例を示す図である。
【図５】駐車中処理の実施中において車両への衝突を検知し水素タンクの主止弁を閉じる処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】本実施の形態にかかる燃料電池システムにおける大気圧センサの設置位置の変形例について説明する図である。
【図７】本実施の形態にかかる燃料電池システムにおける大気圧センサの設置位置の変形例について説明する図である。
【図８】本実施の形態にかかる燃料電池システムにおける主止弁の開閉を制御する制御部を燃料電池制御用ＥＣＵとは別体のＥＣＵとする変形例について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、水素タンク３と、燃料電池制御用ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５と、を備えている。
【００１３】
燃料電池２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜などの電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって両側から挟み込んで形成された燃料電池セルを複数枚積層して構成される。燃料電池セルは、アノード電極に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給すると、触媒反応によりアノード電極で発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極へと移動し、カソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こすことで発電する。なお、カソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こした際に水が生成される。燃料電池２は、燃料電池セルを数百枚積層して構成することにより自動車などの車両の駆動に必要な大電力を得ることができる。
【００１４】
水素タンク３は、水素配管６を介して燃料電池２のアノード電極に水素を含有するアノードガスを供給する。水素タンク３には、開閉により水素の供給と停止とを切り替える主止弁４が設けられている。
【００１５】
燃料電池制御ＥＣＵ５は、燃料電池の運転の制御を行う電子制御ユニットである。燃料電池制御ＥＣＵ５は、マイコン（ＣＰＵ）１０と、流量制御部１１と、主止弁開閉制御部１２と、衝突検知部１３と、配管圧力監視部１４と、を備えている。燃料電池制御用ＥＣＵ５は、エンジンルーム内に搭載される。車両が駐車しているとき、燃料電池制御ＥＣＵ５への電力供給は補機バッテリ８によって行われる。燃料電池制御ＥＣＵ５と補機バッテリ８との間にはオン／オフの切り替えを行う電源リレー７が設けられている。
【００１６】
配管圧力監視部１４は、水素配管６に設けられたゲージ圧力センサ１６と大気圧センサ１５とがそれぞれ検知した圧力により水素配管６内の絶対圧力を算出する。大気圧センサ１５は、燃料電池制御用ＥＣＵ５の基板上にはんだ付けなどによって取り付けされる。流量制御部１１は、配管圧力監視部１４が産出した水素配管６内の絶対圧力に基づき水素配管６の途中に設けられた流量調節用のレギュレータ９の開度を調節することにより燃料電池２へのアノードガスの供給量を制御する。なお、流量制御部１１は、燃料電池２のカソード電極側に供給するエアの流量についても制御する。
【００１７】
主止弁開閉制御部１２は、主止弁４の開閉動作を制御する。衝突検知部１３は、外部から車両への衝突の検知を行う。外部から車両への衝突の検知方法の詳細については後述する。
【００１８】
燃料電池２を効率的に運転させるためには、燃料電池２に供給されるアノードガスの供給量を様々な状況に適合させて制御する必要がある。この制御のために、水素配管６内の絶対真空を基準にして表した圧力（絶対圧力）を測定する必要がある。しかし、測定対象空間の絶対圧力を測定する絶対圧力センサでは、水素配管内の絶対圧力を直接測定することは難しい。そこで、水素配管６内における絶対圧力は、まず水素配管６内における大気圧を基準とした圧力（ゲージ圧力）を測定し、測定したゲージ圧力に大気圧を加えることにより算出する。このため、燃料電池２の制御において、大気圧を測定するための大気圧センサ１５が不可欠である。
【００１９】
図２は、大気圧センサ１５の概略構成を示す図である。図２に示すように、大気圧センサ１５は、真空封止された真空空間１５ｃと、真空空間１５ｃと外気とを仕切るダイヤフラム１５ａと、ダイヤフラム１５ａの変形量を計測するひずみゲージなどの感圧素子１５ｂと、を備えている。真空空間１５ｃと外気との圧力差が大気圧であるが、この大気圧の大きさに応じてダイヤフラム１５ａの変形量が変わるので、この変形量を感圧素子１５ｂで計測することにより大気圧を測定できる。
【００２０】
図３は、ゲージ圧力センサ１６の概略構成を示す図である。図３に示すように、ゲージ圧力センサ１６は、外気と連通する大気空間１６ｃと、大気空間１６ｃと測定対象空間１６ｄとを仕切るダイヤフラム１６ａと、ダイヤフラム１６ａの変形量を計測するひずみゲージなどの感圧素子１６ｂと、を備えている。大気空間１６ｃと測定対象空間１６ｄとの圧力差がゲージ圧力であるが、このゲージ圧力の大きさに応じてダイヤフラム１６ａの変形量が変わるので、この変形量を感圧素子１６ｂで計測することによりゲージ圧力を測定できる。
【００２１】
なお、絶対圧力センサは、上述した大気圧センサ１５と基本的な構造は同じで、真空空間と測定対象空間とを仕切るダイヤフラム変形量を感圧素子で計測することにより測定対象空間における絶対気圧を測定する。水素で満たされた水素配管内を絶対圧力センサにより測定できないのは、水素の分子量が小さいため、水素がダイヤフラムを透過して真空空間内に進入してしまうからである。
【００２２】
燃料電池システム１では、車両のイグニッションスイッチ（キースイッチ）がオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）された後、燃料電池２の発電を停止し、燃料電池終了処理を行う。燃料電池終了処理では、次回の始動性の確保のための燃料電池２の内部や水素配管６内・各バルブ内の掃気（パージ）や、水素配管６の漏れチェックなどを行う。
【００２３】
燃料電池２の電解質膜は、適切に湿潤した状態において良好なプロトン伝導性を示す。このため、燃料電池システム１の運転中には、燃料電池２の内部を湿潤状態に保つ。しかし、燃料電池システム１の運転を停止した後、そのままの状態で放置すると、駐車中に気温が氷点下となったときに水分が凍結することにより、燃料電池２の始動が困難となる可能性がある。燃料電池に残留する水分や燃料電池システムの配管・バルブ等に付着している水分を低減させるために、燃料電池２の内部や水素配管６内・各バルブ内の掃気を行う必要がある。
【００２４】
燃料電池２の内部や水素配管６内・各バルブ内の掃気（パージ）を行っている間、水素配管６内やバルブ内の圧力を一定以上に保つ必要があるため水素タンク３の主止弁４を開ける。また、水素配管６の漏れチェックをするためには、水素配管６内に水素ガスを導入して配管内の圧力を一定以上に保つ必要がある。このため、水素配管の漏れチェックを行っている間にも水素タンク３の主止弁４を開ける。上述した燃料電池終了処理は、補機バッテリのみの給電により実施する。
【００２５】
燃料電池２では、アノード電極（燃料極）側の圧力が低下すると、カソード電極（酸化剤極）側から窒素が透過し電池が劣化する恐れがある。このため、駐車中においても燃料電池２のアノード電極（燃料極）側の圧力を一定以上に保つ必要がある。水素インジェクション処理とは、駐車中に燃料電池２のアノード電極側の圧力をモニタリングし、必要に応じて水素タンク３の主止弁４を開き、アノード電極側の圧力を一定以上に保つ処理である。この水素インジェクション処理も、基本的には補機バッテリのみの給電により実施する。
【００２６】
以下、燃料電池終了処理や水素インジェクション処理などの、駐車中に水素タンクの主止弁を開く必要のある処理を総括して、“駐車中処理”と呼ぶ。
【００２７】
水素タンク３の主止弁４を開いた状態で外部から車両への衝突を受けた場合、水素配管６の破断に伴う水素漏えいを防止するために水素タンク３の主止弁４を閉じる必要がある。このため、駐車中処理を行っている際に、外部から車両への衝突を検知する必要がある。駐車中処理を行っている際における外部から車両への衝突の検知は、大気圧センサ１５により検知された圧力に基づいて行う。
【００２８】
駐車中処理を行っている際に、衝突検知部１３において大気圧センサ１５により検知された圧力に基づいて外部から車両への衝突の検知を行う方法について以下で説明する。
車両の駐車中は、シフトギヤの位置をパーキングレンジ（Ｐレンジ）にする。つまり、駐車中は車両の駆動輪がロックされている。駐車中に車両の駆動輪がロックされた状態で外部から車両への衝突があると、車両が衝突により受けた水平方向へのエネルギの一部が上下方向へのエネルギに変換されサスペンションを伸縮させることで車両が上下動する。車両が鉛直方向に移動すると、車両の移動に追随して大気圧センサ１５の位置も鉛直方向に移動する。
【００２９】
大気圧センサ１５が鉛直方向に移動すると、その移動距離に応じて大気圧センサ１５が検知する大気圧も変わる。つまり、大気圧センサ１５の鉛直方向上方への移動距離が多くなればなるほど大気圧センサ１５が検知する大気圧（大気圧センサ１５の出力値）は低くなる。一方、大気圧センサ１５の鉛直方向下方への移動距離が多くなればなるほど大気圧センサ１５が検知する大気圧（大気圧センサ１５の出力値）は高くなる。
【００３０】
図４は、大気圧センサ１５の出力値の一例を示す図である。横軸は経過時間（ｔ）、縦軸は大気圧センサの出力値（Ｐ）を表す。図４に示すように、経過時間がＱの時点において外部から車両への衝突により車体が瞬間的に沈み込んだとする。また、経過時間がＲの時点において外部から車両への衝突により車体が瞬間的に浮き上がったとする。経過時間がＱ、Ｒの時点では、単位時間当たりの圧力変動（｜ΔＰ｜／Δｔ）が大きい。よって、単位時間当たりの圧力変動（｜ΔＰ｜／Δｔ）が予め定められた規定値Ｗを超えた場合に外部から車両への衝突があったと判断することができる。
【００３１】
一方、経過時間がＳの時点においてカーエレベータやカーリフトなどによる車両の搬送があったとする。経過時間がＳの時点における単位時間当たりの圧力変動（｜ΔＰ｜／Δｔ）は経過時間がＱ、Ｒの時点よりも相対的に小さい。規定値Ｗは、このような車両の搬送と、外部から車両への衝突と、を区別できるような値に設定する。
以上より、大気圧センサ１５の出力値の変動（変化量）により外部から車両への衝突の検知することができる。
【００３２】
なお、車両が運行中である（駐車中でない）場合、車両の駆動輪がロックされていないので大気圧センサ１５によって車両が外部から受けた衝突を検知することはできない。しかし、車両が運行中である場合は、エアバックが作動するようにエアバックＥＣＵを起動させているので、エアバックＥＣＵに設けられた加速度センサ（Ｇセンサ）の使用が可能である。このため、車両が運行中である（駐車中でない）場合は、エアバックＥＣＵに設けられた加速度センサ（Ｇセンサ）を用いて衝突判定を行う。なお、車両運行中は補機バッテリ８と燃料電池２とにより各ＥＣＵへの電力供給を行うためバッテリ上がりの問題も起きない。
【００３３】
駐車中処理の実施中において車両への衝突を検知し水素タンク３の主止弁４を閉じる処理の流れについて以下で説明する。なお、以下の説明においては図１も適宜参照する。
図５は、駐車中処理の実施中において車両への衝突を検知し水素タンク３の主止弁４を閉じる処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１では、燃料電池制御用ＥＣＵ５において、Ｐレンジ、かつ、ＩＧ−ＯＦＦであるか否かを判断する。ステップＳ１で、Ｐレンジ、かつ、ＩＧ−ＯＦＦであると判断された場合、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、燃料電池制御用ＥＣＵ５において、衝突検知のための圧力センサをエアバックＥＣＵのＧセンサから大気圧センサ１５に切り替える。
【００３４】
ステップＳ２に続き、ステップＳ３では、主止弁開閉制御部１２が水素タンク３の主止弁４を開ける。そして、ステップＳ４では、燃料電池制御用ＥＣＵ５において駐車中処理を実施する。続くステップＳ５では、衝突検知部１３が、大気圧センサ１５が検知した圧力の変動があらかじめ定められた規定値を超えたか否かを判断する。ステップＳ５で大気圧センサ１５が検知した圧力の変動があらかじめ定められた規定値を超えたと判断された場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、車両への衝突があったと判定し、ステップＳ８へと進む。ステップＳ８では、主止弁開閉制御部１２が水素タンク３の主止弁４を閉じ、続くステップＳ９で燃料電池制御用ＥＣＵ５を停止する。
【００３５】
ステップＳ５で大気圧センサ１５が検知した圧力の変動があらかじめ定められた規定値を超えていないと判断された場合、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、燃料電池制御用ＥＣＵ５において、駐車中処理が完了したか否かを判断する。ステップＳ７で駐車中処理が完了したと判断された場合、ステップＳ８に進む。ステップＳ７で駐車中処理が完了していないと判断された場合、処理をステップＳ４に戻す。
【００３６】
以上により、駐車中に水素タンク３の主止弁４を開く必要のある処理の実施中に、消費電力の増加によるバッテリ上がりを抑えつつ、外部からの衝撃を検知して水素タンク３の主止弁４を閉じることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００３８】
上記実施の形態では、大気圧センサ１５は、燃料電池制御用ＥＣＵ５の基板上に実装したが、図６に示すように、大気圧センサ１５を燃料電池制御用ＥＣＵとは別に単独で設けてもよい。大気圧センサ１５は、開放空間でかつ衝突時における車両の挙動が大きくなる箇所に取り付けてもよい。例えば、図７に示すように、車両５０のトランク内後端（領域Ａ）やエンジンルーム内先端（領域Ｂ）に取り付けてもよい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、主止弁の開閉を制御する主止弁開閉制御部１２を燃料電池ＥＣＵ内に設けたが、図８に示すように、主止弁の開閉を制御する制御部を燃料電池制御用ＥＣＵとは別体のＥＣＵ（主止弁開閉制御用ＥＣＵ１１６）として構成してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  水素タンク
４  主止弁
５  燃料電池制御用ＥＣＵ
６  水素配管
８  補機バッテリ
１２  主止弁開閉制御部
１３  衝突検知部
１５  大気圧センサ
【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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