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JP4478707B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池車両に関する。詳しくは、複数の始動要因を有する燃料電池車両に関する。
近年、その動力源として燃料電池システムを搭載する燃料電池車両が注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体(MEA)を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極(陽極)およびカソード電極(陰極)の2つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
ところで、発電停止中の燃料電池の内部には、上述のように発電中に生成された水や、結露により生成された水が溜まる場合があるこのように内部に水が溜まった状態で、燃料電池を低温雰囲気下で放置しておくと、燃料電池の内部が凍結してしまい、燃料電池を起動する際に長時間の暖機が必要となってしまう。
そこで、特許文献1には、燃料電池の内部が凍結するのを防止するために、燃料電池の発電停止期間中に、燃料電池の内部をエアで掃気する燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、発電停止期間中であっても定期的にシステムが起動される。システムが起動されると、外気温度を検出し、この外気温度が所定温度以下であった場合には、燃料電池の内部にエアを流通させ、内部の水分を除去する掃気処理が行われる。
特開2003−203665号公報
この特許文献1に示された燃料電池システムを、動力源として車両に搭載すると、発電停止期間すなわち車両停止中において、燃料電池システムを定期的に起動したり掃気処理を行ったりするための電力は、発電期間すなわち車両走行中に蓄電されたバッテリにより供給される。このバッテリの電力は、燃料電池の発電を開始する際にも用いられるため、上述のような車両停止時におけるバッテリの蓄電容量の低下を可能な限り低減できる燃料電池車両の開発が望まれていた。
本発明は、車両の停止時における消費電力を削減できる燃料電池車両を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池車両(例えば、後述の燃料電池車両1)は、燃料電池(例えば、後述の燃料電池10)と、少なくともエアコンプレッサ(例えば、後述のエアコンプレッサ6)を含む複数の電気機器(例えば、後述のモータ4、エアコンプレッサ6)と、前記燃料電池で発電した電力を蓄電する蓄電装置(例えば、後述のバッテリ3)と、前記複数の電気機器を制御する下位制御装置(例えば、後述のECU30)と、電力が供給されると前記下位制御装置と前記蓄電装置とを接続するリレー部(例えば、後述のリレー部36)と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段(例えば、後述の温度センサ19)と、前記下位制御装置に設けられ、前記エアコンプレッサを駆動して前記燃料電池の内部を掃気する掃気手段(例えば、後述のコンプレッサ制御部32)と、前記蓄電装置から供給された電力により作動して、前記燃料電池温度検出手段で検出された燃料電池の温度に基づいて前記掃気手段による掃気を行うか否かを判断する掃気実行判断手段(例えば、後述のマイクロコンピュータ41の掃気実行判断部411)を備える上位制御装置(例えば、後述の統合ECU40)と、車両が停止している期間、定期的に前記上位制御装置を起動する定期起動手段(例えば、後述のアラームクロック46)と、を備える燃料電池車両であって、前記定期起動手段による起動時には、前記上位制御装置を起動して、前記掃気実行判断手段が掃気により掃気を行うと判断された場合には前記リレー部に電力を供給し、前記掃気実行判断手段により掃気を行わないと判断された場合には前記リレー部に電力を供給しない電力供給回路(例えば、後述の電力供給回路43)を備えることを特徴とする燃料電池車両。
この発明によれば、車両が停止している期間、定期起動手段により、定期的に上位制御装置を起動する。すると、上位制御装置の起動が完了した後、この上位制御装置の掃気実行判断手段により、掃気を行うか否かが燃料電池の温度に基づいて判断される。
ここで、掃気実行判断手段により掃気を行うと判断された場合には、リレー部に電力を供給して、下位制御装置と蓄電装置とを接続する。すると、下位制御装置に電力が供給され、この下位制御装置に設けられた掃気手段により、燃料電池の掃気が実行される。
一方、掃気実行判断手段により掃気を行わないと判断された場合には、リレー部に電力を供給しない。よって、下位制御装置には電力が供給されない。
したがって、この発明によれば、車両が停止している期間は、掃気を実行する場合にのみ下位制御装置に電力を供給するため、定期起動毎に下位制御装置に電力を供給する場合と比較して、車両の停止時における消費電力を削減できる。
この場合、車両内に設けられたキースイッチが操作されると、前記上位制御装置の起動を開始する走行用起動手段(例えば、後述のイグニッションスイッチ8)を備え、前記電力供給回路は、前記走行用起動手段により起動された場合、前記上位制御装置の起動完了を待たずに前記リレー部に電力を供給することが好ましい。
この発明によれば、キースイッチが操作されると、走行用起動手段により上位制御装置の起動を開始する。一方、電力供給回路は、走行用起動手段により起動された場合、上位制御装置の起動の完了を待たずにリレー部に電力を供給し、蓄電装置と下位制御装置とを接続する。すると、下位制御装置に電力が供給され、下位制御装置が制御する電気機器の使用が可能となる。
したがって、走行用起動手段により上位制御装置を起動した場合、定期起動手段により上位制御装置を起動した場合と比較して、上位制御装置の起動の完了を待たない時間だけ、車両の起動時間を短縮できる。
本発明の燃料電池車両によれば、車両が停止している期間は、掃気を実行する場合にのみ下位制御装置に電力を供給するため、定期起動毎に下位制御装置に電力を供給する場合と比較して、車両の停止時における消費電力を削減できる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両1の構成を示すブロック図である。
燃料電池車両1は、車輪を駆動するモータ4と、反応ガスを反応させて発電し、モータ4に電力を供給する燃料電池10と、この燃料電池10に水素ガスやエア(空気)を供給する供給装置2と、燃料電池10で発電した電力を蓄電する蓄電装置としてのバッテリ3と、これらを制御する制御部20と、を備える。
燃料電池10は、アノード電極(陽極)側に水素ガスが供給され、カソード電極(陰極)側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
供給装置2は、エアコンプレッサ6と、水素タンク7とを備える。エアコンプレッサ6は、図示しないエア供給管を介して燃料電池10と連結され、燃料電池10のカソード電力側にエアを供給する。水素タンク7は、図示しない水素供給管を介して燃料電池10と連結され、燃料電池10のアノード電極側に水素ガスを供給する。また、供給装置2は、図示しないが、エアコンプレッサ6により供給されたエアを加湿する加湿器や、水素タンクにより供給された水素ガスを循環させるエゼクタや、燃料電池10を冷却する冷却器などを備える。
燃料電池10は、図示しない電力分配器を介して、バッテリ3、モータ4、および制御部20に接続されている。燃料電池10で発電された電力は、バッテリ3、モータ4、および制御部20に供給される。電力分配器は、燃料電池10からの出力を必要に応じて分配して、バッテリ3、モータ4、および制御部20に供給する。また、燃料電池10には、燃料電池10の温度を検出する燃料電池温度検出手段としての温度センサ19が設けられている。
バッテリ3は、燃料電池10で発電した電力を蓄電しておき、燃料電池10の発電が停止している場合、すなわち、燃料電池車両1が停止している場合に、制御部20に電力を供給する。このバッテリ3は、給電線9を介して制御部20に接続されている。
制御部20は、上位制御装置としての統合ECU(ISU)40と、下位制御装置としてのECU30とを備える。
ECU30は、モータ4、およびエアコンプレッサ6などの複数の電気機器に制御信号を出力し、これら機器を制御する。具体的には、ECU30は、モータ4を制御するモータ制御部31と、エアコンプレッサ6を制御する掃気手段としてのコンプレッサ制御部32を備える。
モータ制御部31は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じた制御信号をモータ4に出力し、このモータ4を駆動する。コンプレッサ制御部32は、エアコンプレッサ6に制御信号を出力し、エアコンプレッサ6を駆動する。また、このコンプレッサ制御部32は、車両1の停車中であっても、バッテリ3からの電力によりエアコンプレッサ6を駆動して、燃料電池10の内部に新規なエアを供給することで、この燃料電池10の内部を掃気する。
ECU30は、車両1の走行時には、燃料電池10からの電力が供給されることにより作動する。また、ECU30は、給電線9から分岐した給電線35を介してバッテリ3と接続されており、車両1の停止時には、バッテリ3からの電力が供給されることにより作動する。
また、給電線35には、この給電線35を開閉するリレー部36が設けられている。リレー部36は、機械式のスイッチと、このスイッチを開閉する電磁式の駆動コイルとを備える。このリレー部36のスイッチは、バッテリ3とECU30とを接続する給電線35に設けられ、駆動コイルは、ISU40に接続されている。
すなわち、ISU40からリレー部36を駆動するためのリレー駆動信号が入力された状態では、駆動コイルが励磁してスイッチを閉成し、バッテリ3からECU30に電力が供給される。また、このリレー駆動信号の入力がない状態では、スイッチが開成し、バッテリ3からECU30への電力の供給は停止される。
ISU40は、ECU30およびリレー部36を制御する。ISU40は、給電線9を介してバッテリ3と接続されており、バッテリ3からの電力が供給されることにより作動する。
図2は、ISU40の構成を示すブロック図である。
ISU40は、リレー部36を駆動するためのリレー駆動信号を出力するマイクロコンピュータ41および駆動信号出力回路42と、これらマイクロコンピュータ41および駆動信号出力回路42からの入力に基づいてリレー部36を制御する電力供給回路43と、バッテリ3の電力をマイクロコンピュータ41に供給するレギュレータ45とを備える。
また、これらマイクロコンピュータ41、駆動信号出力回路42、電力供給回路43、およびレギュレータ45には、走行用起動手段としてのイグニッションスイッチ8と、定期起動手段としてのアラームクロック46とが接続されている。
イグニッションスイッチ8は、車両内に設けられたキースイッチの操作に応じてオンまたはオフにされる。イグニッションスイッチ8は、オンにされると、ISU40の起動を指令する起動指令信号を、上述のマイクロコンピュータ41、電力供給回路43、およびレギュレータ45に出力する。
アラームクロック46は、車両1が停車している期間、ISU40の起動を指令する起動指令信号を、内蔵のタイマにより定期的に、上述のマイクロコンピュータ41、電力供給回路43、およびレギュレータ45に出力する。
レギュレータ45は、イグニッションスイッチ8またはアラームクロック46からの起動指令信号の入力を契機として作動し、バッテリ3の出力を所定値の電圧に変換してマイクロコンピュータ41、および電力供給回路43に供給する。
マイクロコンピュータ41は、掃気実行判断手段としての掃気実行判断部411と、リレー駆動信号出力部412と、停止制御部413と、を備える。
掃気実行判断部411は、アラームクロック46により起動された場合、温度センサ19で検出された燃料電池10の温度に基づいて、燃料電池10の掃気を行うか否かを判断する。具体的には、この掃気実行判断部411は、温度センサ19で検出された温度が、所定の閾値よりも低い場合には掃気を行うと判断し、所定の閾値以上である場合には掃気を行わないと判断する。
リレー駆動信号出力部412は、イグニッションスイッチ8により起動された場合、および、掃気実行判断部411により掃気を行うと判断された場合に、リレー部36を駆動するためのリレー駆動信号を電力供給回路43に出力する。
停止制御部413は、イグニッションスイッチ8がオフにされたことに応じて、ECU30をシャットダウンさせるなどの、車両1を停止させるための所定の停止制御処理を行う。
以上のようなマイクロコンピュータ41は、レギュレータ45を介してバッテリ3からの電力の供給が開始されたことを契機として起動し、この起動が完了した後、上述の掃気実行判断部411、リレー駆動信号出力部412、停止制御部413の作動を開始する。
駆動信号出力回路42は、リレー部36を駆動するためのリレー駆動信号を、電力供給回路43に出力している。
電力供給回路43は、起動要因を判断する起動要因判断回路47と、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41と駆動信号出力回路42とで選択的に切り換えるリレー出力切換回路48と、を含んで構成される。
起動要因判断回路47は、起動要因がイグニッションスイッチ8であるかアラームクロック46であるかを判断し、この判断に応じて、リレー駆動信号の出力を切り換えるための切換信号を、リレー出力切換回路48に出力する。
リレー出力切換回路48は、この切換信号の入力に応じて、マイクロコンピュータ41とリレー部36とを接続したり、または、駆動信号出力回路42とリレー部36とを接続したりすることにより、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41と駆動信号出力回路42とで選択的に切り換える。これにより、マイクロコンピュータ41から出力されるリレー駆動信号でリレー部36を駆動させたり、または、駆動信号出力回路42から出力されるリレー駆動信号でリレー部36を駆動させたりすることが可能となる。
また、アラームクロック46が起動要因である場合には、起動要因判断回路47は、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41にする切換信号を出力する。リレー出力切換回路48は、この切換信号の入力に応じて、マイクロコンピュータ41とリレー部36とを接続する。これにより、マイクロコンピュータ41からのリレー駆動信号の出力に基づき、リレー部36を駆動させることが可能となる。
以上のように構成されたISU40において、電力供給回路43は、例えば論理回路で構成されており、レギュレータ45からの電力の供給が開始すると、直ちに動作可能となる。つまり、電力供給回路43は、マイクロコンピュータ41の起動完了を待たずに動作する。
すなわち、ISU40は、イグニッションスイッチ8またはアラームクロック46による起動直後、マイクロコンピュータ41を起動している間は、駆動信号出力回路42側からのリレー駆動信号の出力に基づくリレー部36の開閉制御(以下、「ロジック制御」という)が行われ、マイクロコンピュータ41の起動が完了してからは、このマイクロコンピュータ41側からのリレー駆動信号に基づくリレー部36の開閉制御(以下、「マイコン制御」という)が行われる。
次に、ISU40により車両を起動する手順について説明する。
図3は、ISU40による車両の起動処理を示すフローチャートである。具体的には、図3は、イグニッションスイッチ8またはアラームクロック46によりISU40の起動が開始されてから、ロジック制御(ステップS1〜S4)が行われ、次いでマイコン制御(ステップS5〜S10)が完了するまでの手順を示すフローチャートである。
この処理は、イグニッションスイッチ8またはアラームクロック46がオンとなり、起動指令信号が出力されたことに応じて開始する。
ステップS1では、起動指令信号の出力に基づいて、レギュレータ45が作動する。このレギュレータ45の作動に応じて、マイクロコンピュータ41の起動が開始されるとともに、リレー部36のロジック制御が開始する。
ステップS2では、起動要因がイグニッションスイッチ8であるか否かが起動要因判断回路47により判別される。この判別がYESである場合にはステップS3に移り、NOである場合、すなわち起動要因がアラームクロック46である場合には、ステップS4に移る。
ステップS3では、リレー出力切換回路48は、リレー駆動信号の出力を駆動信号出力回路42に切り換え、駆動信号出力回路42は、リレー駆動信号を出力しリレー部36をオンにし、ステップS5に移る。
ステップS4では、リレー出力切換回路48は、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41に切り換え、ステップS5に移る。ここで、マイクロコンピュータ41は、未だ起動が完了していないので、リレー部36にはリレー駆動信号が入力されず、リレー部36はオフとなる。
ステップS5では、マイクロコンピュータ41の起動が完了したことに応じて、リレー部36のマイコン制御が開始する。
ステップS6では、起動要因がイグニッションスイッチ8であるか否かがマイクロコンピュータ41により判別される。この判別がYESである場合にはステップS7に移り、NOである場合、すなわち起動要因がアラームクロック46である場合には、ステップS8に移る。
ステップS7では、リレー出力切換回路48は、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41に切り換えると同時に、マイクロコンピュータ41は、リレー駆動信号を出力しリレー部36をオンにし、車両の起動処理を終了する。
ステップS8では、アラームクロック46により起動されたことに基づき、燃料電池10の掃気処理を行うか否かが判断される。具体的には、温度センサ19で検出された燃料電池10の温度に基づき、燃料電池10の掃気処理が必要であるか否かが、マイクロコンピュータ41の掃気実行判断部411により判別される。この判別がYESである場合にはステップS9に移り、NOである場合にはステップS10に移る。
ステップS9では、リレー出力切換回路48は、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41に切り換えると同時に、マイクロコンピュータ41は、リレー駆動信号を出力しリレー部36をオンにし、車両の起動処理を終了する。ここで、リレー部36がオンにされたことに応じてECU30が起動され、ECU30の起動完了後、燃料電池10の掃気処理が実行される。
ステップS10では、リレー出力切換回路48は、リレー駆動信号の出力をマイクロコンピュータ41に切り換え、車両の起動処理を終了する。また、このステップS10では、燃料電池10の掃気が必要ではないと判断されたことに応じて、リレー部36をオフのままにし、ECU30の起動は行わない。
次に、ISU40により車両を停止する手順について説明する。
図4は、ISU40による車両の停止処理を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチ8がオフとなったことに応じて開始する。
ステップS21では、マイクロコンピュータ41は、停止制御処理を行い、ステップS22に移る。ステップS22では、停止制御処理が完了したか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS23に移り、NOの場合にはステップS21に移る。
ステップS23では、マイクロコンピュータ41は、リレー駆動信号の出力を停止しリレー部36をオフにする。これにより、ECU30への電力の供給が停止される。ステップS24では、マイクロコンピュータ41は、レギュレータ45をオフにし、車両の停止処理を終了する。
本実施形態によれば、以下のような作用効果がある。
(1)車両1が停止している期間、アラームクロック46により、定期的にISU40を起動する。すると、ISU40の起動が完了した後、このISU40のマイクロコンピュータ41の掃気実行判断部411により、掃気を行うか否かが燃料電池10の温度に基づいて判断される。
ここで、掃気実行判断部411により掃気を行うと判断された場合には、リレー部36に電力を供給して、ECU30とバッテリ3とを接続する。すると、ECU30に電力が供給され、このECU30に設けられたコンプレッサ制御部32により、燃料電池10の掃気が実行される。
一方、掃気実行判断部411により掃気を行わないと判断された場合には、リレー部36に電力を供給しない。よって、ECU30には電力が供給されない。
したがって、この本実施形態の燃料電池車両1によれば、車両1が停止している期間は、掃気を実行する場合にのみECU30に電力を供給するため、定期起動毎にECU30に電力を供給する場合と比較して、車両の停止時における消費電力を削減できる。
(2)キースイッチが操作されると、イグニッションスイッチ8によりISU40の起動を開始する。一方、ISU40の電力供給回路は、イグニッションスイッチ8により起動された場合、ISU40の起動の完了を待たずにリレー部36に電力を供給し、バッテリ3とECU30とを接続する。すると、ECU30に電力が供給され、ECU30が制御する電気機器の使用が可能となる。
したがって、イグニッションスイッチ8によりECU30を起動した場合、アラームクロック46によりISU40を起動した場合と比較して、ISU40のマイクロコンピュータ41などの起動の完了を待たない時間だけ、車両1の起動時間を短縮できる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、蓄電装置としてバッテリ3を用いたが、これに限らず、キャパシタを用いてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池10の温度を検出する温度センサ19を設け、この温度センサ19で検出された温度に基づいて、燃料電池10の掃気処理を行うか否かの判断を行ったが、これに限らない。例えば、外気の温度、燃料電池から排出される冷却水の水温などを検出し、この温度に基づいて掃気の判断を行ってもよい。
本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係るISUの構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係るISUにより車両を起動する手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係るISUにより車両を停止する手順を示すフローチャートである。
符号の説明
1 燃料電池車両
3 バッテリ(蓄電装置)
6 コンプレッサ
8 イグニッションスイッチ(走行用起動手段)
10 燃料電池
19 温度センサ(燃料電池温度検出手段)
20 制御部
30 ECU(下位制御装置)
32 コンプレッサ制御部(掃気手段)
36 リレー部
40 統合ECU(ISU)(上位制御装置)
41 マイクロコンピュータ
411 掃気実行判断部(掃気実行判断手段)
43 電力供給回路(電力供給回路)
46 アラームクロック(定期起動手段)
47 起動要因判断回路
48 リレー出力切換回路

Claims (1)

  1. 燃料電池と、
    少なくともエアコンプレッサを含む複数の電気機器と、
    前記燃料電池で発電した電力を蓄電する蓄電装置と、
    前記複数の電気機器を制御する下位制御装置と、
    前記下位制御装置と前記蓄電装置とを接続する給電線に設けられ、リレー駆動信号に基づいて駆動されるリレー部と、
    前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
    前記下位制御装置に設けられ、前記エアコンプレッサを駆動して前記燃料電池の内部を掃気する掃気手段と、
    前記蓄電装置から供給された電力により作動して、前記燃料電池温度検出手段で検出された燃料電池の温度に基づいて前記掃気手段による掃気を行うか否かを判断し、当該判断に基づいてリレー駆動信号を出力するマイクロコンピュータ、並びに、当該マイクロコンピュータとは別にリレー駆動信号を出力する駆動信号出力回路を備える上位制御装置と、
    車両が停止している期間、定期的に前記上位制御装置を起動する定期起動手段と、
    車両内に設けられたキースイッチが操作されると、前記上位制御装置の起動を開始する走行用起動手段と、を備える燃料電池車両であって、
    起動要因が前記定期起動手段であるか前記走行用起動手段であるかを判断する起動要因判断回路、並びに、前記リレー駆動信号の出力を前記マイクロコンピュータと前記駆動信号出力回路とで選択的に切り換えるリレー出力切換回路を含む電力供給回路をさらに備え、
    前記上位制御装置と前記下位制御装置とは別体で構成され、
    当該電力供給回路は、前記定期起動手段による起動時には、前記マイクロコンピュータの起動完了を待ち当該マイクロコンピュータが掃気を行うと判断た場合には当該マイクロコンピュータからのリレー駆動信号を出力して前記リレー部を駆動し、前記マイクロコンピュータが掃気を行わないと判断た場合には前記リレー部に前記リレー駆動信号を入力せず、
    前記走行用起動手段による起動時には、前記マイクロコンピュータの起動完了を待たずに、前記駆動信号出力回路からリレー駆動信号を出力し、前記マイクロコンピュータの起動が完了してからは、当該マイクロコンピュータからのリレー駆動信号に基づいて前記リレー部を開閉制御することを特徴とする燃料電池車両。
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