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JP5810753B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に関する。
特許文献１には、空冷式燃料電池を搭載した車両について開示されている。この技術では、車両の走行風を用いて燃料電池を冷却している。また、通風機のような別の圧力源が燃料電池の冷却のために準備されており、その制御として、車速を検出し、低速の際には通風機が作動して燃料電池の冷却を行う。また、外部温度が高い場合も通風機を作動させて燃料電池の冷却を行う。
特表２０００‐５１４７４５
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、走行風を調節するための手段がなく、燃料電池に対し状況に応じた走行風による適切な冷却を行うことができないという不具合がある。
本発明の目的は、燃料電池に対し状況に応じた走行風による適切な冷却を行うことである。
（１）本発明の一実施態様は、駆動用のモータと、モータに電力を供給する燃料電池とを備えている燃料電池車両において、車両前部に設けられた第１の空気取入口と、第１の空気取入口から取り入れた空気を燃料電池に供給する空気供給路と、空気供給路に設けられ当該空気供給路から燃料電池に供給する空気の量を調節する調節部材と、燃料電池に送風する送風機と、調節部材及び送風機を制御して空気供給路及び送風機により燃料電池に供給する空気量を調節する制御手段と、車両下部側から空気供給路に空気を取り入れる第２の空気取入口と、第２の空気取入口を開閉する開閉部材と、降雨を検出する降雨検出手段と、を備え、制御手段は、降雨検出手段で降雨を検出したときは調節部材で空気供給路から燃料電池への空気の供給を停止し、かつ、開閉部材で第２の空気取入口を開くことを特徴とする燃料電池車両である。
（２）（１）の実施態様において、車速を検出する車速検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記燃料電池の出力から当該燃料電池の要求空気流量を求めて当該要求空気流量及び前記車速に基づいて前記調節部材を制御して前記空気供給路から前記燃料電池に供給する空気の量を調節し、かつ、前記要求空気流量が前記調節部材により前記空気供給路から前記燃料電池に供給できる最大空気量より多い場合はさらに前記送風機を制御して不足分の空気量をまかなう、ことを特徴とするようにしてもよい。
（３）（２）の実施態様において、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、制御手段は、燃料電池の目標温度と温度検出手段の検出した温度との差を解消するように調節部材の制御及び送風機の制御を行う、ことを特徴とするようにしてもよい。
（４）（１）の実施態様において、制御手段は、燃料電池のシャットダウンの際には調節部材で空気供給路から燃料電池への空気の供給を停止する、ことを特徴とするようにしてもよい。
（５）（１）の実施態様において、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、制御手段は、温度検出手段の検出した温度があらかじめ設定した温度より低いときには調節部材で空気供給路から燃料電池への空気の供給を停止する、ことを特徴とするようにしてもよい。
（１）の実施態様によれば、燃料電池に供給する走行風の量を状況に応じ調節部材により調節することができる。また、雨滴が燃料電池にかからないようにすることができる。
（２）の実施態様によれば、燃料電池に必要な空気量を送風機を極力使用することなくまかなうことができるので、消費電力を抑制することができる。
（３）の実施態様によれば、燃料電池を発電に適した温度に保つことができる。
（４）の実施態様によれば、シャットダウン後は水や異物が燃料電池に侵入することを防止することができる。
（５）の実施態様によれば、燃料電池を速やかに暖機することができる。
本発明の一実施形態である燃料電池車両に搭載された燃料電池の構成、動作について説明する説明図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両のシステムのブロック図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両の前部の縦断面図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両の制御系を中心とした各部の配置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両のグリルシャッターのフィードフォワード制御について説明するブロック図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両においてグリルシャッター開度指令とブロア速度指令との使い分けについて説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態である燃料電池車両において水素燃料電池の要求空気流量と、グリルシャッター開度指令及びブロア速度指令との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態である燃料電池車両においてグリルシャッター及びブロアのフィードバック制御について説明するブロック図である。 本発明の一実施形態である燃料電池車両において水素燃料電池の要求空気流量と、グリルシャッター開度指令及びブロア速度指令との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態である燃料電池車両における降雨検出手段の検出結果に基づく制御について説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態である燃料電池車両における水素燃料電池をシャットダウンする場合の制御について説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態である燃料電池車両における温度センサの検出結果に基づく制御について説明するフローチャートである。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
本実施の形態にかかる燃料電池車両は、車両を駆動するためのモータと、このモータに電力を供給する燃料電池とを搭載している。
図１は、この燃料電池車両１（図２〜図４参照）に搭載された燃料電池の構成、動作について説明する説明図である。最初に、この水素燃料電池１１の電気化学反応と、それに付随する水の生成について説明する。水素燃料電池１１はセルと呼ばれる最小構成単位を多数積層してスタックを構成している。図１図示の構成もセルの一つを示すものである。通常の固体高分子型燃料電池において、各セルには、水素及び空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１２とカソード極１３に挟まれた拡散層１４と、拡散層１４に挟まれた反応活性化のための触媒層１５と、触媒層１５に挟まれていて水素イオンを選択的に透過させる電界質膜１６とを備えている。
アノード極１２に供給された水素分子は、アノード極１２の電解質表面にある触媒層１５において活性な水素原子となり、さらに水素イオンになって電子を放出する。図１において“１”で示されるこの反応は、以下の（１）式で表わされる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ……（１）
（１）式により発生した水素イオンは電解質膜に含まれる水分を伴ってアノード極１２側からカソード極１３側への電解質膜１６中を移動し、また、電子は外部回路を通じてカソード極１３に移動する。一方のカソード極１３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層１５において外部回路から供給された電子を受け取って酸素イオンとなり、電界質膜１６を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図１において“２”で示されるこの反応は、以下の（２）式で表わされる。
１／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ ……（２）
このようにして生成された水分の一部は濃度拡散によりカソード極１３からアノード極１２へと移動する。
このような化学反応において、燃料電池内部では電界質膜１６や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層１４中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱は冷却する必要がある。
図２は、本実施形態の燃料電池車両１のシステムのブロック図である。この燃料電池車両１のシステムは、燃料電池の発生する排熱を空冷式で冷却する。すなわち水素燃料電池１１はフィルタ２１を介してブロア２２により空気の供給を受ける。供給された空気は、水素燃料電池１１における発電反応に供給するのみでなく、水素燃料電池１１の排熱を奪い、冷却する役割も担う。なお、水素燃料電池１１への空気の供給は走行風によっても行うことは後述する。また、水素タンク２３内の水素は減圧弁２４により降圧した後に水素燃料電池１１に供給される。アノード排気はパージ弁２５を介してカソード排気に連結し、アノード側のパージを行う際には排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出する。
図３は、本実施形態の燃料電池車両１の前部の縦断面図である。車両前部の先端部分に形成されたフロントグリル３１は第１の空気取入口となるもので、走行風を車両前方から採り入れる。この走行風は空気供給路となる吸気ダクト３２を介して車両後方側に向かって導かれ、吸気ダクト３２の後段に配置された燃料電池ケース３３内の水素燃料電池１１に供給される。また、水素燃料電池１１の後部には水素燃料電池１１に送風する送風機となるブロア２２が設けられている。ブロア２２はＰＷＭ制御などで回転数、出力を変えることができる。なお、図３では水素燃料電池１１が上下２段示されていて、上段の水素燃料電池１１に送風するブロア２２は、図３においてはカバー３４に隠れている。フロントグリル３１と吸気ダクト３２との間には調節部材となるグリルシャッター３６が配置されている。このグリルシャッター３６はシャッター部材３７を開閉でき、また、開くときにはその開度を調整することができる。これにより、フロントグリル３１から取り込む空気の量を調節することができる。
また、吸気ダクト３２の下部には、車両下部から空気を取り入れる第２の空気取入口となる開口部３８と、この開口部３８を開閉する開閉部材となるフラップ３９とが設けられている。なお、図３の各部における空気の流れを矢印により示している。
図４は、本実施形態の燃料電池車両１の制御系を中心とした各部の配置を示すブロック図である。駆動輪となる前輪４１の車軸４２には駆動用のモータ４３、変速機のギヤボックス４４が配置されている。車両の前方部には前述の水素燃料電池１１が搭載されている。また、後輪４５の車軸４６近傍には前述の水素タンク２３が配置されている。
制御手段となる制御装置５１は、マイクロコンピュータを中心に構成され、燃料電池車両１の各部を集中的に制御する。制御装置５１には、車速を検出する車速検出手段となる車速センサ５２、水素燃料電池１１の温度を検出する温度検出手段となる温度センサ５３、降雨を検出する降雨検出手段５４がそれぞれ接続されている。降雨検出手段５４は、車両のワイパ（図示せず）を作動させるワイパスイッチや、雨滴を検出する雨滴センサなどにより実現することができる。
また、制御装置５１には、グリルシャッター３６のシャッター部材３７を開閉動作するアクチュエータ５５と、フラップ３９を開閉動作するアクチュエータ５６とが接続されている。
以上の構成の燃料電池車両１においては、グリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度を調整することにより、フロントグリル３１から採り入れる走行風の水素燃料電池１１への供給量を状況に応じてさまざまに調節することができる。
以下では、本実施形態の燃料電池車両１で制御装置５１が実行する制御の内容について説明する。
図５は、グリルシャッター３６のフィードフォワード制御について説明するブロック図である。制御装置５１は、まず、予め用意された変換マップにより、水素燃料電池１１の出力から水素燃料電池１１の要求空気流量を求める。次に、予め用意された変換マップにより、水素燃料電池１１の要求空気流量と、車速センサ５２で検出した車速とに基づいて、グリルシャッター開度指令と、ブロア速度指令とが生成され、グリルシャッター開度指令はグリルシャッター３６に与えられ、ブロア速度指令はブロア２２に与えられる。グリルシャッター開度指令はグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度を指示する制御信号であり、ブロア速度指令はブロア２２の送風量を指示する制御信号である。ここで使用される変換マップは予め実験により求めておく。
図６は、図５の制御において、グリルシャッター開度指令とブロア速度指令との使い分けについて説明するフローチャートである。まず、制御装置５１は、走行風による最大供給空気流量が水素燃料電池１１の要求空気流量より大きいか否かを判断する(ステップＳ１)。走行風による最大供給空気流量は、グリルシャッター３６のシャッター部材３７を全開にしたときにフロントグリル３１から水素燃料電池１１に供給される空気流量であり、車速から計算することができる。走行風による最大供給空気流量が水素燃料電池１１の要求空気流量より大きいときは(ステップＳ１のＹ)、水素燃料電池１１に供給すべき空気流量はフロントグリル３１から取り込む走行風で全てまかなえるので、グリルシャッター開度指令によるグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開閉制御のみで水素燃料電池１１の要求空気流量をまかない、ブロア２２は動作させない(ステップＳ２)。走行風による最大供給空気流量が水素燃料電池１１の要求空気流量以下のときは(ステップＳ１のＮ)、グリルシャッター開度指令によりグリルシャッター３６のシャッター部材３７を全開にして、フロントグリル３１から取り込む走行風を最大量にし、また、水素燃料電池１１の要求空気流量の不足分の空気はブロア速度指令によりブロア２２を動作させてまかなう(ステップＳ３)。
図７は、水素燃料電池１１の要求空気流量と、グリルシャッター開度指令及びブロア速度指令との関係を示すグラフである。横軸には要求空気流量をとり、縦軸にはグリルシャッター開度指令及びブロア速度指令をとっている。グリルシャッター開度指令は高くなるほどグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度が大きくなり、ブロア速度指令は高くなるほどブロア２２の風量が大きくなる。要求空気流量が小さいうちはフロントグリル３１から取り込む走行風ですべてまかなえるので、グリルシャッター開度指令によるグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度調節のみで対処する。そして、要求空気流量が増大してグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度が全開になって以後は、その全開状態を維持したままブロア速度指令によりブロア２２の風量を要求空気流量の増大に応じて拡大していく。
このように、まずはグリルシャッター３６の調節によりフロントグリル３１からの走行風で水素燃料電池１１の要求空気流量をまかない、これで足りない場合にのみブロア２２を駆動するようにしているので、消費電力を抑制することができる。
図８は、グリルシャッター３６及びブロア２２のフィードバック制御について説明するブロック図である。制御装置５１は、温度センサ５３による水素燃料電池１１の測定温度を予め用意された水素燃料電池１１の目標温度と比較し、その差分を解消するようにグリルシャッター開度指令、ブロア速度指令をグリルシャッター３６及びブロア２２に出力し、グリルシャッター３６を介して取り込む走行風の量やブロア２２の風量を調節し、水素燃料電池１１の温度が目標温度になるようにする。
図９は、この場合の水素燃料電池１１の要求空気流量と、グリルシャッター開度指令及びブロア速度指令との関係を示すグラフである。横軸には要求空気流量をとり、縦軸にはグリルシャッター開度指令及びブロア速度指令をとっている。グリルシャッター開度指令は高くなるほどグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度が大きくなり、ブロア速度指令は高くなるほどブロア２２の風量が大きくなる。この制御の場合も要求空気流量が小さいうちはフロントグリル３１から取り込む走行風ですべてまかなえるので、グリルシャッター開度指令によるグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度調節のみで対処する。そして、要求空気流量が増大してグリルシャッター３６のシャッター部材３７の開度が全開になって以後は、その全開状態を維持したままブロア速度指令によりブロア２２の風量を要求空気流量の増大に応じて拡大していく。
このようなフィードバック制御をおこなうことにより、水素燃料電池１１を発電に適した温度に保つことができる。
本実施形態では、フィードフォワード制御のみでは望む制御の状態が外れることがあり、また、フィードバック制御のみでは制御が遅れることがあるため、前述のとおりフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて、応答性の良い制御を実現している。
図１０は、降雨検出手段５４の検出結果に基づく制御について説明するフローチャートである。制御装置５１は、降雨検出手段５４で降雨を検出したときは(ステップＳ１１のＹ)、グリルシャッター３６をシャッター部材３７の駆動により閉じて、走行風の水素燃料電池１１への供給を停止し、また、開口部３８をフラップ３９の動作により開く(ステップＳ１２)。そして、その後、降雨を検出しなくなったときは(ステップＳ１１のＮ)、グリルシャッター３６のシャッター部材３７の駆動による開閉制御（図５〜図９を参照して前述した制御）を開始し、また、開口部３８をフラップ３９の動作により閉じる(ステップＳ１３)。
かかる制御により、雨滴が水素燃料電池１１にかからないようにすることができる。また、シャッター部材３７を閉じても開口部３８を開くことで車両の下部から空気を取り入れることはできる。
図１１は、水素燃料電池１１をシャットダウンする場合の制御について説明するフローチャートである。制御装置５１は、水素燃料電池１１をシャットダウン（水素燃料電池１１の化学反応を停止し、水素燃料電池１１からの電力供給を停止した状態）したときは(ステップＳ２１のＹ)、グリルシャッター３６をシャッター部材３７の駆動により閉じる(ステップＳ２２)。
このような制御により、水素燃料電池１１のシャットダウン後には、水や異物が水素燃料電池１１に侵入することを防止することができる。
図１２は、温度センサ５３の検出結果に基づく制御について説明するフローチャートである。制御装置５１は、温度センサ５３の検出温度が予め設定された温度より低いときには(ステップＳ３１のＹ)、グリルシャッター３６をシャッター部材３７の駆動により閉じて、走行風の水素燃料電池１１への供給を停止する(ステップＳ３２)。そして、その後、温度センサ５３の検出温度が予め設定された温度以上となったときは(ステップＳ３１のＮ)、グリルシャッター３６のシャッター部材３７の駆動による開閉制御（図５〜図９を参照して前述した制御）を開始する(ステップＳ３３)。
かかる制御により、燃料電池車両１の運転開始初期の場合などに、水素燃料電池１１を速やかに暖機することができる。
なお、以上説明した事項が本発明を限定するものではないことは言うまでもない。例えば、前述の説明は４輪車両の例で説明したが、本発明を２輪車両に適用してもよい。
また、二次電池等の冷却に対しても本発明を適用することができる。
１１ 水素燃料電池
２２ ブロア
３１ フロントグリル
３２ 吸気ダクト
３６ グリルシャッター
３８ 開口部
３９ フラップ
５１ 制御装置

Claims (5)

  1. 駆動用のモータと、前記モータに電力を供給する燃料電池とを備えている燃料電池車両において、
    車両前部に設けられた第１の空気取入口と、
    前記第１の空気取入口から取り入れた空気を前記燃料電池に供給する空気供給路と、前記空気供給路に設けられ当該空気供給路から前記燃料電池に供給する空気の量を調節する調節部材と、
    前記燃料電池に送風する送風機と、
    前記調節部材及び前記送風機を制御して前記空気供給路及び前記送風機により前記燃料電池に供給する空気量を調節する制御手段と、
    車両下部側から前記空気供給路に空気を取り入れる第２の空気取入口と、
    前記第２の空気取入口を開閉する開閉部材と、
    降雨を検出する降雨検出手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記降雨検出手段で降雨を検出したときは前記調節部材で前記空気供給路から前記燃料電池への空気の供給を停止し、かつ、前記開閉部材で前記第２の空気取入口を開くことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 車速を検出する車速検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池の出力から当該燃料電池の要求空気流量を求めて当該要求空気流量及び前記車速に基づいて前記調節部材を制御して前記空気供給路から前記燃料電池に供給する空気の量を調節し、かつ前記要求空気流量が前記調節部材により前記空気供給路から前記燃料電池に供給できる最大空気量より多い場合はさらに前記送風機を制御して不足分の空気量をまかなう、
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
  3. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池の目標温度と前記温度検出手段の検出した温度との差を解消するように前記調節部材の制御及び前記送風機の制御を行う、
    ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
  4. 前記制御手段は、前記燃料電池のシャットダウンの際には前記調節部材で前記空気供給路から前記燃料電池への空気の供給を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
  5. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記温度検出手段の検出した温度があらかじめ設定した温度より低いときには前記調節部材で前記空気供給路から前記燃料電池への空気の供給を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
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