JP4888654B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に車両（移動体）に搭載されるハイブリッド形燃料電池システムに関する。

エンジン起動の発電機とバッテリとを電源とし、駆動用モータで走行するエンジン式のハイブリッド型車両において、パワーステアリング用の油圧ポンプが、やはりエンジンで駆動されるもの（いわゆる油圧式のパワーステアリングを搭載している車両）については、エンジン出力が低いか、またはエンジンが停止している場合であっても、バッテリが車両用モータに必要トルクを与えることが可能な状態でありさえすれば、車両を走行させることが可能となる。

しかし、このような状態での走行時には、エンジン出力が低いか、またはエンジンが停止しているために、パワーステアリング用の油圧ポンプの出力が低いか、または停止しており、よって、パワーステアリング用の動力が定格に達しないので、ハンドル操作が重くなる。

そこで、例えば、特開平８−９８３１８号公報では、エンジンが所定の回転数を示すのを確認してから走行許可を与える「ハイブリッド型電気自動車の制御方法」が提案されている（特許文献１）。

また、燃料電池を搭載したハイブリッド型車両では、例えば、特開平９−２３１９９１号公報に記載されているように、始動時であって燃料電池が発電可能となるまでの期間は、二次電池から電力を供給して暖機運転を行い、燃料電池の暖機が終了した後、車両走行用モータに燃料電池の電力を供給していた（特許文献２、要約）。
特開平８−９８３１８号公報（段落００２０等） 特開平９−２３１９９１号公報（要約書等）

しかしながら、燃料電池式のハイブリッド型車両にパワーステアリング機能を設ける場合、上記従来の技術はエンジン式のハイブリッド型電気自動車に対する制御技術であるので、そのままでは燃料電池式のハイブリッド型車両に適用できないという課題があった。

例えば、エンジン式のハイブリッド型車両では、エンジンによりパワーステアリング用の油圧ポンプを動作させていたため、エンジンの出力が上昇してからパワーステアリング機能を有効にしないとハンドル操作の重さに差が出ていたが、燃料電池式のハイブリッド車両では、燃料電池または二次電池の一方または双方から供給される電力によりパワーステアリング用の油圧ポンプを駆動する。

ここで、燃料電池式のハイブリッド型車両において、上記特許文献２のように、燃料電池の暖機運転が終了してからパワーステアリング機能を有効にすると、始動時の暖機運転に一定の時間がかかるため、パワーステアリング機能を使えるようになるまで時間がかかりすぎるという不都合がある。

一方、燃料電池の暖機運転中は、二次電池から補機類に電力を供給可能であるが、二次電池の電力供給が可能になった時点でパワーステアリング機能を有効にすると、二次電池の電力供給からパワーステアリング用の油圧ポンプの回転数が一定になるまでの間、パワーステアリング用の動力が定格に達しないため、二次電池の電力供給開始直後のハンドル操作が重くなってしまうという不都合もあった。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池システムを搭載したハイブリッド型車両において、比較的短時間に走行を開始でき、かつ、走行開始直後からハンドル操作が重くなることを防止可能な移動体に搭載されるハイブリッド形燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、移動体に搭載され、移動体の動力源として燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド形燃料電池システムであって、燃料電池および二次電池の動作を制御する電源制御部と、移動体のパワーステアリング機能を制御する走行機能制御部と、始動時における起動を制御する起動制御部と、を備え、起動制御部は、二次電池から移動体を走行可能とする起電力が出力可能であること、および、パワーステアリング機能が利用可能な状態であることの双方が満たされた場合に、移動体の走行を許可するように制御することを特徴とする。

このように構成することにより、発車に際し、燃料電池の起動前であっても、二次電池の起動を確認すると同時に走行機能の起動を確認してから走行を許可するので、走行開始直後から走行機能が動作不良に陥る不都合を防止することができ、移動体の安定性向上に資することができる。

また、燃料電池システムにおいて、二次電池の起動を確認すると同時にパワーステアリング機能の起動を確認してから走行を許可するので、走行開始直後からハンドル操作が重くなるといった不都合な状態を防止することができ、移動体の操作性向上に資することができる。

また、前記パワーステアリング機能は、電動式または電動油圧式のいずれであっても構わないので、従来のエンジンを動力源として用いた油圧式パワーステアリング機能に比べて燃費を節約することが可能となり、大型車に搭載することも可能となっている。

さらに、前記パワーステアリング機能は、前記二次電池からの電力供給のみで作動可能に構成されているので、二次電池が電力供給可能になってから起動を開始させることができる。

本発明によれば、二次電池から移動体を走行可能とする起電力が出力可能であること、および、パワーステアリング機能が利用可能な状態であることの双方が満たされた場合に移動体の走行を許可するように制御されるので、ハイブリッド形燃料電池システムを搭載した移動体において、比較的短時間に走行を開始でき、かつ、走行開始直後からハンドル操作が重くなることを防止することが可能である。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、燃料電池を搭載する電気自動車に本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

この実施形態は、二次電池が動作可能であることと、パワーステアリング等の走行系の準備が完了したこととを制御部で確認した後、駆動系（ここでは少なくとも車両走行用モータ９４が該当する）の起動を許可するものである。

図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図１において、燃料電池システム１０は、主要な構成要素として、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９と、パワーステアリング機能を制御するパワステ制御部１１０と、パワーステアリング用の駆動モータであるパワステ駆動モータ１１１と、を備えて構成されている。

燃料電池２０は、フツ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ²＋（１／２）Ｏ２→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエ−タ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３，９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。この交流インピーダンス測定によって測定される含水量は燃料電池２０にスタックされている単位セル全体の平均的な含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電、パワステ制御部１１０の動作、及び前述の駆動系の起動を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２，３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７，７３，９９からのセンサ信号や、電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

制御部８０は、電圧センサ９７と電流センサ９８を含む含水量測定部に対して、燃料電池全体の含水量の測定を指令し、燃料電池全体の含水量が不適正なときには掃気駆動部に対して掃気駆動を指令する。さらに制御部８０は、燃料電池全体の含水量が適正であっても、電圧測定部１０１に対して、単位セルのうち含水量が相対的に多くなり易い特定の単位セルについて開回路電圧の測定を指令し、電圧測定部１０１の測定による開回路電圧の低下速度に基づいて、燃料電池２０の含水量の適否を判断する判断部として動作するように構成されている。

特に、制御部８０は、本発明の特徴的な制御動作として、バッテリ９１が動作可能であることと、パワステ駆動モータ１１１を含めてパワーステアリング等の走行系の準備が完了し、所定の動作が可能であることとを確認した後、前述の駆動系の起動を許可するよう構成されている。

パワステ制御部１１０は、走行系のパワーステアリングを駆動するパワステ駆動モータ１１１およびパワーステアリング機能を稼働させるために必要な各種の制御をする。パワステ駆動モータ１１１は、電動式または電動油圧式のパワーステアリングを駆動させるモータである。

パワステ制御部１１０とパワステ駆動モータ１１１は、電動式または電動油圧式のいずれのパワーステアリング機能をも実現することができる。パワステ制御部１１０の電源とパワステ駆動モータ１１１の駆動電源は、いずれも燃料電池２０またはバッテリ９１のいずれか、または双方であってもよいが、独自の電源（燃料電池を範疇に含む）と接続されていてもよい。

図２は、本発明が適用される燃料電池システム１０の制御部８０の機能ブロック図である。
図２に示す制御部８０は、機能ブロックとして、前述の駆動系の起動（始動）を制御する起動制御部８０１と、燃料電池２０およびバッテリ９１等の燃料電池システムの電力系統９を制御する電源制御部８０２と、パワーステアリング機能を制御する走行機能制御部８０３と、前述の駆動系の起動後の動作を制御する駆動系制御部８０４と、を備える。

起動制御部８０１は、電源制御部８０２からバッテリ９１からの電源供給が可能であることを示す信号Ｓｅを受け取るとともに、走行機能制御部８０３からパワーステアリング機能の準備が完了したことを示す信号Ｓｒを受け取った場合に、駆動系の起動を許可するように機能する。

すなわち、起動制御部８０１は、車両走行用モータ９４等の走行系の起動（始動）を制御するが、電源制御部８０２からの信号Ｓｅと、走行機能制御部８０３からの信号Ｓｒとの論理積（ＡＮＤ）が成立した時に、前述の駆動系の起動（始動）を許可するフラグＦ_Aを立てる。このフラグＦ_Aが立てられると、駆動系制御部８０４は、前述の走行系を起動すると共に、運転者のアクセルおよびブレーキなどの操作量に基づいて走行系の制御量（例えば、車両走行用モータ９４のトルク）を計算し、この制御量でもって走行系を制御する。

電源制御部８０２は、電力系統９の動作一般を制御する。例えば燃料電池２０の起動・停止・発電量を制御すると共に、バッテリコンピュータ９２を介してバッテリ９１の充放電を制御する。また、この制御を通じて、バッテリ９１の状態を把握し、バッテリ９１から走行に適合する起電力が出力可能な場合に信号Ｓｅを起動制御部８０１に送出する。さらに電源制御部８０２は、燃料電池２０の運転に必要な前述の各系統（例えば、冷却液供給系統３、燃料ガス供給系統４、酸化ガス供給系統７）や、前述の各流路（例えば、燃料ガス流路４０、循環流路５１、排気流路６１）を制御する。また、この制御を通じて、燃料電池２０の起動が完了したことを検知し、燃料電池２０に、走行に適合する起電力が得られた時に信号Ｓｅを起動制御部８０１に送出する。

走行機能制御部８０３は、パワーステアリング、方向指示器、ワイパー等の走行機能系統を制御する。また、この制御を通じて、走行機能系統の状態を把握し、走行に適合する走行機能系統の状態が得られた時に信号Ｓｒを起動制御部８０１に送出する。

駆動系制御部８０４は、前述のフラグＦ_Aが立てられると、前述の走行系を起動すると共に、運転者のアクセルおよびブレーキなどの操作量に基づいて走行系の制御量（例えば、車両走行用モータ９４のトルク）を計算し、この制御量でもって走行系を制御する。

バッテリコンピュータ９２は、バッテリ９１の出力端子に設けられており、制御部８０と通信可能になっている。バッテリコンピュータ９２は、バッテリ９１の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持すると共に、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部８０に通知するように構成されている。

これにより、パワーステアリング機能の準備が完了しない間は車両走行用モータ９４の起動が許可されず、パワーステアリング機能の準備が完了して、ハンドル操作が通常どおり軽くなった時点で、ようやく走行開始することができるので、従来のように、ハンドル操作が重くて困難であるにも係わらず車両が走行してしまうという不都合な状態を回避することが可能となり、車両の操作性を向上することができる。

図３は、本発明が適用される燃料電池システムの制御部８０のエンジン始動時の動作を示すフローチャート図である。以下、図１，２を参照しながら、図３に示すフローチャートを使用して、制御部８０で実施されるエンジン始動時の動作を説明する。

まず、起動制御部８０１は、信号Ｓｅが燃料制御部８０２から送出されるまで待機し、信号Ｓｅが電源制御部８０２から送出されている場合はステップＳ２に進む（ステップＳ１）。

ステップＳ２では、起動制御部８０１は、信号Ｓｒが走行機能制御部８０３から送出されたか否かを検証し、信号Ｓｒが走行機能制御部８０３から送出されている場合はステップＳ３に進み、信号Ｓｒが走行機能制御部８０３から送出されていない場合はステップＳ１に戻る。

以上のステップＳ１およびＳ２により、双方がＹＥＳとなると、バッテリ９１からの電源供給が可能であって、かつ、パワーステアリング機能が稼働可能な状態であること判定される。

そこで、ステップＳ３では、起動制御部８０１がフラグＦ_Aを立て、次いで、ステップＳ４において、駆動系制御部８０４は、このフラグＦ_Aが立てられたことを受けて、駆動系の制御量（ここでは車両走行モータ９４のトルクＳｔ）を算出する。

そして、ステップＳ５において、駆動系制御部８０４は、この制御量（即ち、車両走行モータ９４のトルクＳｔ）と、前述のフラグＦ_Aに対応する信号Ｓ_Aとを、駆動系の車両走行モータ９４に送出する。

次に、ステップＳ６において、起動制御部８０１は、駆動系が起動したか否かを検証し、駆動系が起動していない場合はステップＳ３に戻り、駆動系が起動した場合はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、駆動系制御部８０４は、このフラグＦ_Aが立てられたことを受けて、駆動系の制御量（ここでは車両走行モータ９４のトルクＳｔ）を算出する。

次に、ステップＳ８において、駆動系制御部８０４は、この制御量（即ち、車両走行モータ９４のトルクＳｔ）を、駆動系の車両走行モータ９４に送出する。

そして、ステップＳ９において、駆動系制御部８０４は、駆動系が停止したか否かを検証し、駆動系が停止していない場合はステップＳ７に戻り、駆動系が停止した場合はステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、駆動系制御部８０４は、フラグＦ_Aを降ろし、ステップＳ１に戻る。
以上の動作により、バッテリ９１からの電源供給が可能であって、かつ、パワーステアリング機能が有効である場合にのみ、車両走行用モータ９４がトルクを発生させることが許可され、よって運転が許可されるので、車両の発進直後からパワーステアリング機能を有効に機能させることができる。したがって、ハンドル操作が重たくなることを防止可能である。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では走行機能として、パワーステアリング機能を例示して説明したが、パワーステアリング機能以外の、始動に時間が掛かる他の走行機能に適用することが可能である。

また、本発明は、本実施形態のようにハイブリッド形燃料電池システムに適用すると効果が大きいが、他の一般的な燃料電池システムに適用することも可能である。

また、本実施形態では、パワーステアリング機能として電動式および電動油圧式のパワーステアリング機能を例示したが、本発明は、油圧式のパワーステアリング機能が使用される車両にも適用可能である。

さらに、本発明は、車両のみならず、ハイブリッド形燃料電池システムを搭載して陸上、地中、海上、海中、空中、宇宙空間を移動するあらゆる移動体に本発明を適用することも可能である。

本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。 本発明が適用される燃料電池システム１０の制御部８０の機能ブロック図である。 本発明が適用される燃料電池システムの制御部８０のエンジン始動時の動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、４０ 燃料ガス流路、５５ 水素ポンプ、７１ 酸化ガス流路、８０ 制御部、９１ バッテリ、
９２ バッテリコンピュータ、１１０ パワステ制御部、
１１１ パワステ駆動モータ、８０１ 起動制御部、８０２ 電源制御部 ８０３ 走行機能制御部、Ｓ_A，Ｓｅ，Ｓｒ，Ｓｔ 信号、Ｆ_A フラグ

Claims (3)

1. 移動体に搭載され、前記移動体の動力源として燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド形燃料電池システムであって、
   前記燃料電池および前記二次電池の動作を制御する電源制御部と、
   前記移動体のパワーステアリング機能を制御する走行機能制御部と、
   始動時における起動を制御する起動制御部と、を備え、
   前記起動制御部は、前記二次電池から前記移動体を走行可能とする起電力が出力可能であること、および、前記パワーステアリング機能が利用可能な状態であることの双方が満たされた場合に、前記移動体の走行を許可するように制御することを特徴とするハイブリッド形燃料電池システム。
2. 前記パワーステアリング機能は、電動式または電動油圧式である、請求項１記載のハイブリッド形燃料電池システム。
3. 前記パワーステアリング機能は、前記二次電池からの電力供給のみで作動可能に構成されている、請求項１または２記載のハイブリッド形燃料電池システム。

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