JP2004063205A

JP2004063205A - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP2004063205A
Application number: JP2002218507A
Authority: JP
Inventors: Takeaki Obata; 小幡　武昭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】燃料電池の運転状態が変化した場合においても航続可能距離を正確に算出することができる燃料電池車両を提供する。
【解決手段】残燃料量検出手段２０１は、タンク温度センサ２１からの温度と、タンク圧力センサ２２からの圧力に基づいて、残燃料量を検出する。第１の予想燃料消費率算出手段２０２は、スタック電流に基づいて燃料電池スタック３での発電に寄与する水素の予想消費率（第１の予想燃料消費率）を算出する。第２の予想燃料消費率算出手段２０３は、スタック電流と、タンク出口水素流量センサ２０が検出したタンク出口水素流量とに基づいて、発電に寄与しない水素の予想消費率（第２の予想燃料消費率）を算出する。航続可能距離算出手段２０４は、残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて車両の航続可能距離を算出し、航続可能距離表示装置１９へ出力する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電源とする燃料電池車両に係り、特に燃料電池車両の航続可能距離の表示技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の航続可能距離の表示に関する従来技術として、特開２００１−２３１１０９号公報には、熱機関と燃料電池を電源とした電動機を備えた車両において、燃料量に基づいて航続可能距離を表示する装置が開示されている。
【０００３】
また、特開平９−９８５０５号公報には、車両の走行距離と車両の残存エネルギー量とを検出し、これらの複数組のデータを記憶し、これらの記憶データに基づいて最小二乗法を用いて車両の航続可能距離を算出して表示する装置が開示されている。
【０００４】
このような従来技術から、燃料電池の燃料となる水素などの残存量の変化に基づいて、車両の航続可能距離を算出して表示する装置が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池における燃料消費率の変化の要因は、車両走行状態に応じた要求負荷の変化のほかに、燃料電池の運転状態に応じて、フラッディング（水溢れ）防止のために行う燃料パージによる燃料消費や燃料電池の暖機のために燃焼器等において燃焼される燃料消費など、燃料電池の発電には寄与しない燃料消費の変化がある。
【０００６】
このような燃料の消費は、燃料電池の運転状態の変化に応じて変化するものであり、車両の走行状態の変化とは異なる要因で変化するものである。
【０００７】
従って、上記従来技術においては、走行距離と残存燃料量の変化に基づいて航続可能距離を算出していたので、燃料電池を電源とした電動機によって走行する車両の航続可能距離を、燃料電池の運転状態に応じて正確に算出することはできないという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池を電源とした電動機を駆動力源として備えた燃料電池車両において、燃料電池の燃料の残量を検出する残燃料量検出手段と、燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率である第１の予想燃料消費率を予想する第１の予想燃料消費率算出手段と、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率である第２の予想燃料消費率を予想する第２の予想燃料消費率算出手段と、前記残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて、車両の航続可能な距離を算出する航続可能距離算出手段と、前記航続可能距離を表示する表示手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池を電源とした電動機を駆動力源として備えた車両において、燃料電池の燃料の残量を検出する一方、燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率を第１の予想燃料消費率として予想し、また、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率を第２の予想燃料消費率として予想する。そして、前記残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて、車両の航続可能な距離を算出して、表示する。
【００１０】
これにより、車両の走行状態に応じた要求負荷の変化に対応して、燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率を予想するとともに、燃料電池の運転状態の変化に対応して、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率を予想するので、燃料消費の要因ごとに消費率の予想を行うことができるようになる。したがって、車両の走行状態及び燃料電池の運転状態の変化に応じて燃料消費率を予想することができるので、精度良く航続可能距離の算出を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池車両の第１実施形態の構成を説明する概略構成図である。図１において、燃料電池車両は、エゼクタ１、水素循環流路２、燃料電池スタック３、水素パージ弁４、排水素燃焼器５、コンプレッサ６、空気供給流路７、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９、燃焼器温度センサ１０、排空気流路１１、空気圧力制御バルブ１２、航続可能距離を算出するコントローラ１３、水素圧力制御弁１４、空気入口圧力センサ１５、空気流量センサ１６、電流センサ１７、電圧センサ１８、航続可能距離を表示する航続可能距離表示装置１９、タンク出口水素流量センサ２０、タンク温度センサ２１、タンク圧力センサ２２、水素タンク２３、車両速度を検出する速度センサ２４、燃料電池スタック３が発電した電力を交流電力に変換する電力変換装置２５、電力変換装置２５の交流電力で車両を駆動する電動機２６、を備えている。
【００１２】
水素タンク２３から供給される水素は、水素圧力制御弁１４を経由して、エゼクタ１に供給される。エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた水素と混合され、燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３入口での水素の温度と圧力はそれぞれ、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９で測定される。水素圧力制御弁１４の制御は水素入口圧力センサ９で測定される圧力により行われる。通常は水素パージ弁４は燃料電池スタック３から排出される水素を水素循環流路２に流す方向になっている。
【００１３】
また、水素タンク２３から供給される水素流量は、タンク出口水素流量センサ２０によって測定され、水素タンク２３内の温度及び圧力はそれぞれタンク温度センサ２１、タンク圧力センサ２２によって測定される。水素タンク２３の水素量、即ち燃料の残量は、タンク容積、タンク温度及びタンク圧力から後述するようにコントローラ１３で計算される。
【００１４】
酸化剤となる空気は、コンプレッサ６により供給される。コンプレッサ６により供給された空気は空気流量センサ１６で計量された後、燃料電池スタック３へ供給される。燃料電池スタック３入口での空気の圧力は空気入口圧力センサ１５で測定され、空気圧力制御バルブ１２で制御される。燃料電池スタック３から排出された空気（以下、排空気）は、排水素燃焼器５を経由して大気中に放出される。
【００１５】
燃料電池スタック３の出力電流は電流センサ１７で、出力電圧は電圧センサ１８で測定される。
【００１６】
本実施形態では燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック３から取り出す出力が高いときには運転圧力を高め、出力が低いときは運転圧力を低める。
【００１７】
燃料電池スタック３内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合や、燃料電池スタック３の運転圧を低下させるときに水素パージ弁４を動作させて、水素循環流路２および燃料電池スタック３に存在する水素を排水素燃焼器５へ排出する。
【００１８】
排水素燃焼器５では、排出された水素（以下、排水素）と排空気を反応させて無害の水蒸気を生成する処理を行う。その際の排水素燃焼器５の温度は、燃焼器温度センサ１０で測定される。
【００１９】
航続可能距離表示装置１９は、コントローラ１３において算出された航続可能距離の値を、例えば車両の計器盤等に表示して運転者に告知する。
【００２０】
これらすべてのセンサの出力及び水素パージ弁４等のアクチュエータ駆動信号はコントローラ１３に接続されている。
【００２１】
運転圧力制御は水素の圧力を目標値に従い制御し、空気の圧力はそのときの水素の圧力を目標値として制御する。
【００２２】
図２は、第１実施形態におけるコントローラ１３の構成を示す機能ブロック図である。コントローラ１３は、例えば、ＣＰＵとメモリと周辺インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成される。
【００２３】
コントローラ１３は、燃料電池の燃料の残量を検出する残燃料量検出手段２０１と、燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率である第１の予想燃料消費率を予想する第１の予想燃料消費率算出手段２０２と、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率である第２の予想燃料消費率を予想する第２の予想燃料消費率算出手段２０３と、残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて、車両の航続可能な距離を算出する航続可能距離算出手段２０４と、を備えている。
【００２４】
残燃料量検出手段２０１は、既知の水素タンク２３の容積と、タンク温度センサ２１が検出した水素タンク温度と、タンク圧力センサ２２が検出した水素タンク圧力とに基づいて、水素タンク内の水素量、即ち残燃料量の検出を行い、航続可能距離算出手段２０４へ出力する。
【００２５】
第１の予想燃料消費率算出手段２０２は、電流センサ１７が検出したスタック電流に基づいて燃料電池スタック３での発電に寄与する水素の予想消費率（第１の予想燃料消費率）を算出し、航続可能距離算出手段２０４へ出力する。
【００２６】
第２の予想燃料消費率算出手段２０３は、電流センサ１７が検出したスタック電流と、タンク出口水素流量センサ２０が検出したタンク出口水素流量とに基づいて、燃料電池スタック３での発電に寄与しない水素の予想消費率（第２の予想燃料消費率）を算出し、航続可能距離算出手段２０４へ出力する。
【００２７】
そして、航続可能距離算出手段２０４において、残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて、車両の航続可能距離を算出し、航続可能距離表示装置１９へ出力する。
【００２８】
図３は、第１実施形態における航続可能距離の算出方法を示したフローチャートであり、一定の周期ΔＴ（例えば、ΔＴ＝０．０１［ｓｅｃ　］）毎にコントローラ１３が実行する。
【００２９】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）３０１において、車両の走行距離Ｔｒｉｐ　の積算を式（１）に基づいて行う。
【００３０】
【数１】
Ｔｒｉｐ　＝Ｔｒｉｐ　（前回値）＋ＶＳＰ×ΔＴ　　　…（１）
ここで、ＶＳＰは、速度センサ２４が検出する車両の速度［ｍ／ｓｅｃ］である。
【００３１】
Ｓ３０２では、スタックの発電に寄与する第１の燃料（水素）消費量Ｃ１　［ｇ］　の積算を式（２）に基づいて行う。
【００３２】
【数２】
Ｃ１＝Ｃ１（前回値）＋（２．０１６×Ｎｓｔ×ｉ）／（２Ｆ）×ΔＴ　…（２）
ここで、２．０１６は水素分子の原子量、Ｎｓｔはスタックを構成する直列セル数、ｉは電流センサ１７で検出した燃料電池スタック３の発電電流［Ａ］であり、Ｆはファラデー定数（水素イオン１ｍｏｌの総電荷量）である。式（２）は、燃料電池から取り出した電流の時間積分値に相当する水素イオン数を求め、これにＮｓｔを乗じたものを水素重量に換算するという考え方である。
【００３３】
Ｓ３０３では、燃料電池スタック３の発電に寄与しない第２の燃料（水素）消費量Ｃ２　［ｇ］　の積算を式（３）に基づいて行う。
【００３４】
【数３】
Ｃ２＝Ｃ２（前回値）＋｛ＦＨ−（２．０１６×Ｎｓｔ×ｉ）／（２Ｆ）｝×ΔＴ　…（３）
ここで、ＦＨ　は、タンク出口水素流量センサ２０で検出した水素流量［ｇ／ｓｅｃ］である。式（３）は、消費した総水素量から、式（２）の発電に寄与した水素量を差し引いたものが発電に寄与しない水素量である、という考え方である。
【００３５】
Ｓ３０４ではＳ３０１〜Ｓ３０３の積算演算を開始してから所定時間（例えば６００［ｓｅｃ］）が経過したかどうかを判定し、所定時間経過した場合はＳ３０５に進み、所定時間が経過していない場合はＳ３０７に進む。
【００３６】
Ｓ３０５では、第１、第２の予想燃料消費率Ｅ１　、Ｅ２　の更新を式（４）、式（５）に基づいて行う。
【００３７】
【数４】
Ｅ１　＝Ｃ１／Ｔｒｉｐ　　　…（４）
Ｅ２　＝Ｃ２／Ｔｒｉｐ　　　…（５）
ここで、Ｅ１　は発電に寄与する第１の予想燃料（水素）消費率［ｇ／ｍ］であり、Ｅ２　は発電に寄与しない第２の予想燃料（水素）消費率［ｇ／ｍ］である。
【００３８】
Ｓ３０６では、各積算値のリセットを行う。すなわち、Ｔｒｉｐ、Ｃ１　、Ｃ２　の値を０とする。
【００３９】
Ｓ３０７では、残燃料（水素）量ＱＨ　［ｇ］の算出を式（６）に基づいて行う。
【００４０】
【数５】
ＱＨ　＝（２．０１６×ＰＴ　×ＶＴ　）／（Ｒ×ＴＴ　）　　…（６）
ここで、ＰＴ　はタンク圧力センサ２２で検出した水素タンク２３内の圧力［Ｐａ］であり、ＴＴ　はタンク温度センサ２１で検出した水素タンク２３内の温度［Ｋ］であり、ＶＴ　は水素タンク２３の容積［ｍ^３］であり、Ｒは気体定数である。
【００４１】
Ｓ３０８では、第１、第２の予想燃料消費率Ｅ１　、Ｅ２　と、残燃料量ＱＨ　から、式（７）に基づいて、航続可能距離Ｄ［ｋｍ］を算出する。
【００４２】
【数６】
Ｄ＝ＱＨ　／（Ｅ１　＋Ｅ２　）×１／１０００　　　　　…（７）
また、Ｓ３０５の予想燃料消費率の演算において、燃料電池のパージ回数の増減に対応させて第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増減させる場合には、発電に寄与しない第２の予想燃料消費率Ｅ２　を式（８）に基づいて算出する。
【００４３】
【数７】
Ｅ２　＝ｋ×Ｃ２　／Ｔｒｉｐ
ここで、補正係数ｋの演算は、パージの頻度に基づいて図４に示したような特性のテーブルデータを用いて行う。尚、パージの頻度は所定時間経過する間にパージを行った回数から算出すればよい。このように補正係数ｋを算出することによって、パージの回数が増加するほど、第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させることができる。
【００４４】
一方、燃料電池の運転状態に応じて、パージ回数が増加すると予想される状態においては第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させるように補正し、パージ回数が減少すると予想される状態においては第２の予想燃料消費率Ｅ２　を減少させるように補正する場合には、図５〜図８に示したような特性のテーブルデータを用いて補正係数ｋの演算を行う。
【００４５】
図５において、スタック温度は、水素入口温度センサ８で検出する。このように、スタック温度に基づいてパージの回数が増加することが予想される場合には、第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させることができる。
【００４６】
また、図６においてストイキ比は、コントローラ１３内で水素流量制御或いは空気流量制御のパラメータとして演算している水素のストイキ比或いは空気のストイキ比を使用する。ここでストイキ比は、燃料電池に要求される発電量に相当する水素量、または酸素を含む空気量に対して、実際に供給する水素量または空気量の比とする。
【００４７】
このように、ストイキ比に基づいてパージの回数が増加することが予想される場合には、第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させることができる。
【００４８】
図７においてスタック運転圧力は、水素入口圧力センサ９で検出する。このように、スタック運転圧力に基づいてパージの回数が増加することが予想される場合には、第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させることができる。
【００４９】
図８においてスタック出力変化周期は、所定時間においてスタック出力が所定の出力値を上回った回数と下回った回数との和で算出する。このように、スタック出力変化周期に基づいて、特に出力を減少させる際のパージの回数が増加することが予想される場合には、第２の予想燃料消費率Ｅ２　を増加させることができる。
【００５０】
以上説明した第１の実施形態によれば、スタック発電電流の変化に対応して、燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率である第１の予想燃料消費率を予想するとともに、燃料電池の運転状態の変化に対応して、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率である第２の予想燃料消費率を予想するので、燃料消費の要因ごとに燃料消費率の予想を行うことができるようになる。
【００５１】
したがって、車両の走行状態及び燃料電池の運転状態の変化に応じて燃料消費率を予想することができるので、精度良く航続可能距離の算出を行うことができる。
【００５２】
また、燃料電池の過去の全燃料消費率から、燃料電池の発電に寄与した過去の燃料消費率を減算した値の変化に基づいて、第２の予想燃料消費率を算出するようにしたので、比較的容易な構成で第２の予想燃料消費率を算出することができる。
【００５３】
また、燃料電池のパージ回数の変化に基づいて、パージ回数の増減に対応させて第２の予想燃料消費率を増減させるように補正を行うので、精度良く第２の予想燃料消費率の算出を行うことができる。
【００５４】
次に、本発明に係る燃料電池車両の第２実施形態を説明する。本実施形態は、燃料電池の暖機中は、燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率である第２の予想燃料消費率を更新しない実施形態である。尚、本実施形態の構成は、図１及び図２に示した第１実施形態の構成と同様である。
【００５５】
図９は、第２実施形態における航続可能距離の算出方法を示したフローチャートである。このフローチャートは、一定の周期ΔＴ（例えば、ΔＴ＝０．０１［ｓｅｃ］）毎に実行する。
【００５６】
まず、Ｓ９００において、スタックを暖機中であるか否かを判定し、暖機中である場合はＳ９０７に進み、走行距離と燃料消費量の積算、及び、燃料消費率の更新を行わない。
【００５７】
一方、Ｓ９００において暖機中でない場合は、Ｓ９０１に進む。Ｓ９０１〜Ｓ９０８における処理はそれぞれＳ３０１〜Ｓ３０８における処理と同じである。また、暖機中であることの判定は、暖機のために排水素燃焼器５を動作中であるという条件と、水素入口温度センサ８或いはスタックそのものの温度を測定する温度センサの測定値に基づいて検出したスタックの温度が所定値以下であるという条件とが、いずれか一方、或いは、ともに成立した場合に、スタックが暖機中であると判定する。
【００５８】
以上説明した第２の実施形態によれば、燃料電池の暖機運転中という短期的な燃料消費率の変化を、第２の予想燃料消費率に反映させないので、航続可能距離が短期的に変動し、ドライバが不安感を抱くことを防止することができる。
【００５９】
また、暖機用燃焼器の動作・非動作を検出し、また、燃料電池の温度を検出することによって燃料電池が暖機運転中であることを判断することができるので、容易な構成で燃料電池が暖機運転中であることを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池車両の実施形態の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態における航続可能距離の算出方法を示すフローチャートである。
【図４】パージ頻度に基づいて第２の予想燃料消費率を補正する係数ｋを算出するためのテーブルデータ例を示す図である。
【図５】スタック温度に基づいて第２の予想燃料消費率を補正する係数ｋを算出するためのテーブルデータ例を示す図である。
【図６】ストイキ比に基づいて第２の予想燃料消費率を補正する係数ｋを算出するためのテーブルデータ例を示す図である。
【図７】スタック運転圧力に基づいて第２の予想燃料消費率を補正する係数ｋを算出するためのテーブルデータ例を示す図である。
【図８】スタック出力変化周期に基づいて第２の予想燃料消費率を補正する係数ｋを算出するためのテーブルデータ例を示す図である。
【図９】第２実施形態における航続可能距離の算出方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　エゼクタ
２　水素循環流路
３　燃料電池スタック
４　水素パージ弁
５　排水素燃焼器
６　コンプレッサ
７　空気供給流路
８　水素入口温度センサ
９　水素入口圧力センサ
１０　燃焼器温度センサ
１１　排空気流路
１２　空気圧力制御バルブ
１３　コントローラ
１４　水素圧力制御弁
１５　空気入口圧力センサ
１６　空気流量センサ
１７　電流センサ
１８　電圧センサ
１９　航続可能距離表示装置
２０　タンク出口水素流量センサ
２１　タンク温度センサ
２２　タンク圧力センサ
２３　水素タンク
２４　速度センサ
２５　電力変換装置
２６　電動機

Claims

燃料電池を電源とした電動機を駆動力源として備えた燃料電池車両において、
燃料電池の燃料の残量を検出する残燃料量検出手段と、
燃料電池の発電に寄与する燃料の消費率である第１の予想燃料消費率を予想する第１の予想燃料消費率算出手段と、
燃料電池の発電に寄与しない燃料の消費率である第２の予想燃料消費率を予想する第２の予想燃料消費率算出手段と、
前記残燃料量と第１の予想燃料消費率と第２の予想燃料消費率とに基づいて、車両の航続可能な距離を算出する航続可能距離算出手段と、
前記航続可能距離を表示する航続可能距離表示装置と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両。
第１の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池の発電に寄与した過去の燃料消費率の変化に基づいて、第１の予想燃料消費率を算出する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両。
第２の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池の過去の全燃料消費率から、燃料電池の発電に寄与した過去の燃料消費率を減算した値の変化に基づいて、第２の予想燃料消費率を算出する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両。
第２の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池のパージ回数の変化に基づいて、パージ回数の増減に対応させて第２の予想燃料消費率を増減させるように補正を行う補正手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３記載の燃料電池車両。
第２の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池の運転状態に応じて、パージ回数が増加すると予想される状態においては第２の予想燃料消費率を増加させるように補正を行い、パージ回数が減少すると予想される状態においては第２の予想燃料消費率を減少させるように第２の予想燃料消費率を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４の何れか１項に記載の燃料電池車両。
第２の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池が暖機運転中である場合には、第２の予想燃料消費率の値の更新を行わないことを特徴とする請求項１又は請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
第２の予想燃料消費率算出手段は、
燃料電池の暖機用燃焼器を動作させている場合、または／かつ、燃料電池の温度が所定値以下である場合に、第２の予想燃料消費率の値の更新を行わないことを特徴とする請求項１又は請求項３乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池車両。