JP6572724B2 - 車両の燃料電池発電システム、車両、及び車両の燃料電池発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を動力源とする車両に、燃料を改質する燃料改質器と、空気を圧送する空気供給装置と、燃料改質器で改質された燃料と空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する燃料電池とを備えた車両の燃料電池発電システム、車両、及び車両の燃料電池発電方法に関する。

近年、燃料電池で水素と酸素の化学反応によって発電した電気エネルギーを用いて、モーターを回転させて車両走行用の動力を得る燃料電池車両（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）の研究開発が自動車業界で行われている。

一般に燃料電池では、空気が供給される空気極（カソード電極）と、燃料を燃料改質器等で改質することで得た水素が供給される燃料極（アノード電極）と、空気極と燃料極の間に挟み込まれたイオンのみを通過させる電解質と、この電解質の外部で空気極と燃料極を接続する外部電子回路を備えて単体セルを形成し、この単体セルをセパレータを介して複数重ね合わせる（スタック状態にする）ことで燃料電池が構成されている。

この燃料電池には、燃料や電解質等に応じて、固体高分子形（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、りん酸型（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）等の複数の種類がある。

そして、固体酸化物形の燃料電池を用いた燃料電池発電システム（ＳＯＦＣシステム）では、燃料極が備える触媒の作用により、水素（Ｈ₂）を分解し、分解で生じた電子を外部電子回路を経由して空気極に移動することで発電する。また、分解で生じた水素イオンは電解質を通過して空気極に移動し、外部電子回路を経由して空気極に戻る電子とともに、空気極に供給される空気中の酸素と化学反応して水となる。この水は、上記の化学反応による発熱を伴って生成されるため、高温の水蒸気となっており、排気ガスと共に燃料電池から排出される。

なお、燃料電池に関する従来技術の例としては、例えば、水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、この燃料電池に圧縮空気を送り込む圧縮機と、この圧縮機から燃料電池までを接続して燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮空気供給流路と、この圧縮空気供給流路上に設けられ圧縮空気の温度を調節する熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来技術に係る車両の燃料電池発電システム１Ｘは図５に示すように、燃料電池１０と、この燃料電池１０の空気極（カソード電極）に接続される空気供給通路１４と、燃料電池１０の燃料極（アノード電極）に接続される燃料供給通路とを有して構成される。この空気供給通路１４には、上流側より順に、ブロワ（空気供給装置）１１、エアーフィルタ１２及び空気予熱器（熱交換器）１３が設けられ、燃料供給通路には、上流側より順に燃料タンク１５、圧力調整弁１６及び燃料改質器１７と、燃焼器１８と、貯湯タンク１９等が設けられている。

なお、ブロワ１１による空気の供給圧力（昇圧力）は、ブロワ１１と燃料電池１０の空気極の間の経路に設けたエアーフィルタ１２や空気予熱器１３、燃料電池１０での圧力損失を考慮して設定されるが、通常は、ブロワ１１は低圧大容量タイプで、送風圧は、大気圧より５ｋＰａ〜１５ｋＰａ程度高い圧力値に設定される。

この燃料電池発電システム（ＳＯＦＣシステム）１Ｘの発電効率を向上させるための方法の一つとして、燃料電池１０の空気極に供給する空気の圧力を上げることで、単体セルの発電力（起電力）を向上させる方法がある。そして、従来技術の燃料電池発電システム１Ｘにおいては、空気極へ供給される空気の経路は、上流のブロワ１１から供給される空気供給通路１４のみであり、空気極に供給する空気の圧力を上げるためには、空気をブロワ１１で昇圧することになる。

しかしながら、この空気極に供給される空気量は非常に多く、大量の空気をブロワ１１で昇圧すると、ブロワ１１の圧縮仕事が非常に大きくなってしまうため、発電効率を向上しても、ブロワ１１の消費電力を考慮すると、反って燃料電池発電システム１Ｘの発電効率の低下を招く虞がある。

特開２００５−７１７６４号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料改質器と、空気供給装置と、燃料改質器で改質された燃料と空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する燃料電池とを備えて構成される車両の燃料電池発電システムにおいて、車両の減速走行時の車軸の制動エネルギーを利用して、燃料電池に供給される空気圧を高めて発電効率を向上させたり、空気供給装置より圧送される空気の量を減少又はゼロにして空気供給装置を駆動するエネルギーを減少したりすることにより、燃料電池発電システム全体としてのエネルギー効率を高めることができる車両の燃料電池発電システム、車両、及び車両の燃料電池発電方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の車両の燃料電池発電システムは、燃料改質器と、空気供給装置と、前記燃料改質器で改質された燃料と前記空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する燃料電池とを備えた車両の燃料電池発電システムにおいて、前記空気供給装置で圧送された空気を前記燃料電池に供給する空気供給通路に第２の空気供給通路が接続して設けられ、該第２の空気供給通路に、上流側より順に、前記車両の車軸に動力伝達機構を介して接続されて前記車軸の制動力で駆動する第２の空気供給装置と、該第２の空気供給装置により圧送された空気を蓄圧する空気蓄圧装置と、開閉弁が設けられるとともに、当該燃料電池発電システムを制御する制御装置が、前記車両の減速走行時には、前記車軸より前記動力伝達機構を介して伝達される制動エネルギーで前記第２の空気供給装置を作動させて前記空気蓄圧装置に空気を蓄圧し、前記車両の加速走行時または定速走行時には、前記燃料電池に対する要求発電力と前記空気蓄圧装置の蓄圧量のいずれか一方又は両方に基づいて、前記開閉弁の開閉制御と前記空気供給装置の作動制御を行うように構成される。

すなわち、車両の減速走行時に、従来技術では殆ど利用されることなく廃棄されていた車軸の制動エネルギーで第２の空気供給装置を作動させて、圧縮空気のエネルギーとして空気蓄圧装置に蓄圧し、車両の加速走行時または定速走行時に、車両の走行状況等に基づいて設定される燃料電池に対する要求発電力と空気蓄圧装置の蓄圧量のいずれか一方又は両方に基づいて、蓄圧した空気と空気供給装置より圧送される空気のいずれか一方または両方の空気を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池に供給される空気圧を高めて発電効率を向上させたり、空気供給装置より圧送される空気の量を減少又はゼロにして空気供給装置を駆動するエネルギーを減少したりすることにより、燃料電池発電システム全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

なお、燃料電池に供給される空気圧を高めると同じ燃料量でも発電効率が向上するので、空気蓄圧装置に蓄圧される空気の圧力、即ち、燃料電池に供給される空気の圧力は、空気供給装置より圧送される空気の圧力より大きな圧力値に設定されることが好ましい。ただし、同じ圧力の大きさであっても、空気供給装置から圧送される空気量を減少又はゼロにすることにより、空気供給装置に供給する駆動エネルギーを減少でき、また、空気供給装置の駆動状態を一時的に緩和することができるので、空気供給装置の耐久性を高めることができる。

したがって、この構成によれば、車両の車軸の制動エネルギーを利用して燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、上記の車両の燃料電池発電システムにおいて、前記制御装置が、前記車両の加速走行時または定速走行時に、前記燃料電池に対する要求発電力が予め設定された第１発電力未満である場合には、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、前記燃料電池に対する要求発電力が前記第１発電力以上である場合には、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行うように構成されると、次のような効果を奏することができる。

つまり、燃料電池に対する要求発電力が大きくなったときに、空気蓄圧装置からの空気を空気供給装置からの空気に加えて燃料電池に供給するので、燃料電池の発電効率を向上させることができ、同じ燃料量でも発電量を増加でき、燃料電池に対して増加された要求発電力に効率よく対応することができる。

また、上記の車両の燃料電池発電システムにおいて、前記制御装置が、前記車両の加速走行時または定速走行時に、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が予め設定された第１蓄圧量未満のときは、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第１蓄圧量以上で、かつ、予め設定され、前記第１蓄圧量より大きな値となる第２蓄圧量未満であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行い、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第２蓄圧量以上であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を供給すると共に、前記空気供給装置からの空気の量を減少又はゼロにして前記燃料電池に供給する第３制御を行うように構成されると、次のような効果を奏することができる。

つまり、車両の減速走行時の制動エネルギーを有効利用して蓄圧した空気蓄圧装置における蓄圧量に応じて、燃料電池の発電効率を向上させたり、空気供給装置を低稼働にしたり、休止させたりすることができるので、燃料電池発電システムにおける全体としての発電効率を効率よく向上させることができる。

また、上記の目的を達成するための本発明の車両は上記の車両の燃料電池発電システムを搭載して構成され、上記の車両の燃料電池発電システムと同様の作用効果を奏することができる。

また、上記の目的を達成するための本発明の車両の燃料電池発電方法は、燃料電池を備え、該燃料電池で燃料改質器で改質された燃料と空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する車両の燃料電池発電方法において、前記車両の減速走行時には、車軸より動力伝達機構を介して伝達される制動エネルギーで前記空気供給装置とは別の第２の空気供給装置を作動させて空気蓄圧装置に空気を蓄圧し、前記車両の加速走行時または定速走行時には、前記空気蓄圧装置に蓄圧された空気を開閉弁を備えた第２の空気供給通路を経由して前記燃料電池に供給する際に、前記燃料電池に対する要求発電力と前記空気蓄圧装置の蓄圧量のいずれか一方又は両方に基づいて、前記開閉弁の開閉制御と前記空気供給装置の作動制御を行うことを特徴とする方法である。

また、上記の車両の燃料電池発電方法において、前記車両の加速走行時または定速走行時に、前記燃料電池に対する要求発電力が予め設定された第１発電力未満である場合には、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、前記燃料電池に対する要求発電力が前記第１発電力以上である場合には、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行う。

また、上記の車両の燃料電池発電方法において、前記車両の減速走行時に、前記車両の加速走行時または定速走行時に、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が予め設定された第１蓄圧量未満のときは、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第１蓄圧量以上で、かつ、予め設定され、前記第１蓄圧量より大きな値となる第２蓄圧量未満であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行い、前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第２蓄圧量以上であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を供給すると共に、前記空気供給装置からの空気の量を減少又はゼロにして前記燃料電池に供給する第３制御を行う。

これらの方法によれば、上記の車両の燃料電池発電システムと同様の作用効果を奏することができる。

本発明の車両の燃料電池発電システム、車両、及び車両の燃料電池発電方法によれば、車両の減速走行時の車軸の制動エネルギーを利用して、燃料電池に供給される空気圧を高めて発電効率を向上させたり、空気供給装置より圧送される空気の量を減少又はゼロにして空気供給装置を駆動するエネルギーを減少したりすることにより、燃料電池発電システム全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電方法において、車両の加速走行時または定速走行時における、燃料電池に対する要求発電力に関する制御フローを示す図である。 本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電方法において、車両の加速走行時または定速走行時における、空気蓄圧装置の蓄圧量に関する制御フローを示す図である。 本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電方法において、車両の減速走行時における、制御フローを示す図である。 従来技術に係る実施の形態の車両の燃料電池発電システムの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電システム、車両、及び車両の燃料電池発電方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の車両は、後述する本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電システム１を搭載して構成され、後述する車両の燃料電池発電システム１が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

なお、走行用の内燃機関を搭載した車両では、通常は、エンジンの動力のみで走行して、燃料電池発電システム１で発電した電力は走行以外の用途、例えば、車両内部の照明のための電力等として用いられる。また、車両の燃料電池発電システム１の発電量が多い場合には車両の登坂時等で要求トルクが大きいときに、エンジンの動力の補助として、車両の燃料電池発電システム１で発電した電力で電動機などを使用して動力を加えると、エンジンの負荷を低減することができる。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０の空気極（カソード電極）に接続される空気供給通路１４と、燃料電池１０の燃料極（アノード電極）に接続される燃料供給通路とを有して構成される。この空気供給通路１４には、上流側より順に、ブロワ（空気供給装置）１１、エアーフィルタ１２及び空気予熱器（熱交換器）１３が設けられ、燃料供給通路には、上流側より順に燃料タンク１５、圧力調整弁１６及び燃料改質器１７と、燃焼器１８と、貯湯タンク１９等が設けられている。

つまり、この車両の燃料電池発電システム１は、燃料改質器１７と、ブロワ１１と、燃料改質器１７で改質された燃料Ｆとブロワ１１で圧送された空気Ａの両方の供給を受けて発電する燃料電池１０とを備えて構成される。

そして、本発明においては、ブロワ１１で圧送された空気Ａを燃料電池１０に供給する空気供給通路１４に第２の空気供給通路２０が接続して設けられる。この第２の空気供給通路２０に、上流側より順に、車両の車軸３０に動力伝達機構（ベルト機構、リンク機構等）３１を介して接続されて車軸３０の制動力で駆動するコンプレッサ（第２の空気供給装置）２１と、このコンプレッサ２１により圧送された空気Ａ１を蓄圧する空気タンク（空気蓄圧装置）２２と、開閉弁２３が設けられる。

また、この空気タンク２２に蓄圧された空気Ａ１の一部を、車両のフットブレーキ等に用いられる圧縮空気として用いてもよく、この空気タンク２２を、大型トラックや大型バスなどに設けているブレーキ用の圧縮空気タンクと兼用にしてもよい。

この燃料電池１０は、空気（新気）Ａを供給される空気極（カソード電極）と、燃料Ｆを燃料改質器１６で改質することで得た水素Ｈを供給される燃料極（アノード電極）と、空気極と燃料極の間に挟み込まれたイオンのみを通過させる電解質と、この電解質の外部で空気極と燃料極を接続する外部電子回路を備えたものを単体セルとして、この単体セルをセパレータを介して複数重ね合わせて、即ち、スタック状態にして構成される。

そして、発電時では、ブロワ１１からの空気Ａを空気予熱器１３で昇温してから燃料電池１０に送ると共に、燃料タンク１５の燃料Ｆを圧力調整弁１６を経由して燃料改質器１７に供給し、この燃料改質器１７で燃料Ｆの改質で生じた水素Ｈを燃料電池１０に供給して発電する。また、燃料電池１０からの排気ガスＧａ１は、燃料電池１０で消費されなかった不純物などを燃焼器１８で燃焼し、その後の排気ガスＧａ２を燃料改質器１７、空気予熱器１３及び貯湯タンク１９に送り、排気ガスＧａ２の熱で燃料改質器１７、空気予熱器１３及び貯湯タンク１９を暖めてその排熱を回収している。

より詳細には、この燃料電池１０の定格発電時では、燃料電池１０の各単体セルにおいて、空気極に供給された空気Ａ中の酸素が酸素イオン（Ｏ^2-）に分解し、この酸素イオン（Ｏ^2-）が電解質を経由して燃料極に移動する。燃料極で酸素イオン（Ｏ^2-）は水素と電気化学的に反応して水を生成する。このときに放出される電子（2e^-）によって発電する（Ｈ2＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋2e^-）。

発電時に生成される水は、上記の化学反応による発熱を伴う高温の水蒸気であり、燃料電池１０からの排気ガスＧａ１の一部として、燃料電池１０より排出される。また、排気ガスＧａ１には、水蒸気の他に、未化学反応分の空気及び水素、燃料改質器１７により改質されなかった燃料等が含まれるが、これらの水蒸気以外の成分については、燃料電池１０より下流側でかつ燃料改質器１７より上流側に配設される燃焼器１８での燃焼により、二酸化炭素、二酸化窒素、水蒸気等になる。

なお、燃料改質器１７の温度は、燃料Ｆを水素Ｈに改質するのに最適な温度、例えば、５００〜６００℃程度に維持するのが好ましく、また、空気予熱器１３の温度は４００〜５００℃程度に維持するのが好ましい。なお、燃料電池１０として固体酸化物形の燃料電池を用いる場合は、通常は、燃料Ｆとして主に都市ガスが用いられる。

また、ブロワ１１による空気の供給圧力（昇圧力）は、ブロワ１１と燃料電池１０の空気極の間の経路に設けたエアーフィルタ１２や空気予熱器１３、燃料電池１０での圧力損失を考慮して設定されるが、通常は、ブロワ１１は低圧大容量タイプで、送風圧は、大気圧より５ｋＰａ〜１５ｋＰａ程度高い圧力値に設定される。

更に、この車両の燃料電池発電システム１を制御する制御装置４０が設けられる。この制御装置４０は、車両のエンジン（内燃機関）（図示しない）の運転状態全般を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に組み込んでもよいし、独立して設けてもよい。

この燃料電池発電システム１を制御する制御装置４０は、車両の減速走行時には、車軸３０より動力伝達機構３１を介して伝達される制動エネルギーＥでコンプレッサ２１を作動させて空気タンク２２に空気Ａ１を蓄圧し、車両の加速走行時または定速走行時には、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔと空気タンク２２の蓄圧量Ｖのいずれか一方又は両方に基づいて、開閉弁２３の開閉制御とブロワ１１の作動制御を行うように構成される。

すなわち、車両の減速走行時に、従来技術では殆ど利用されることなく廃棄されていた車軸３０の制動エネルギーＥでコンプレッサ２１を作動させて、圧縮空気のエネルギーとして空気タンク２２に蓄圧し、車両の加速走行時または定速走行時に、車両の走行状況等に基づいて設定される燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔと空気タンク１１の蓄圧量Ｖのいずれか一方又は両方に基づいて、蓄圧した空気Ａ１とブロワ１１より圧送される空気Ａのいずれか一方または両方の空気を燃料電池１０に供給する。

これにより、燃料電池１０に供給される空気圧を高めて発電効率を向上させたり、ブロワ１１より圧送される空気Ａの量を減少又はゼロにしてブロワ１１を駆動するエネルギーを減少したりすることにより、燃料電池発電システム１全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

なお、燃料電池１０に供給される空気圧を高めると同じ燃料量でも発電効率が向上するので、空気タンク２２に蓄圧される空気Ａ１の圧力、即ち、燃料電池１０に供給される空気Ａ１の圧力は、ブロワ１１より圧送される空気Ａの圧力より大きな圧力値に設定されることが好ましい。

この燃料電池１０に供給される空気圧を高める場合は、空気Ａ１と空気Ａの両方の空気を燃料電池１０に供給するときには、空気Ａ１の圧力が空気Ａの圧力より高く、空気Ａ１がブロワ１１側に流入する虞があるため、開閉弁２３より下流側の第２の空気供給通路２０に空気Ａを吸引するようなエゼクター等の吸引機構（図示しない）を設けて、この吸引機構により圧力の小さい空気Ａを圧力の高い空気Ａ１の流れに吸い込んで空気Ａ１の高い圧力で燃料電池１０に供給することが好ましい。

なお、空気タンク２２より供給される空気Ａ１の圧力とブロワ１１より圧送される空気Ａの圧力とは同じ圧力の大きさであっても、ブロワ１１から圧送される空気量を減少又はゼロにすることにより、ブロワ１１に供給する駆動エネルギーを減少でき、また、ブロワ１１の駆動状態を一時的に緩和することができるので、ブロワ１１の耐久性を高めることができる。したがって、車両の車軸３０の制動エネルギーを利用して燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。

この燃料電池１０に供給される空気圧を高めない場合は、空気Ａ１と空気Ａの両方の空気を燃料電池１０に供給するときには、空気Ａ１の圧力が空気Ａの圧力より高く、空気Ａ１がブロワ１１側に流入する虞があるため、開閉弁２３より下流側の第２の空気供給通路２０に調圧弁（図示しない）を設けて、この調圧弁により空気Ａ１の圧力を空気Ａの圧力と同程度まで減圧することが好ましい。

また、制御装置４０は、車両の加速走行時または定速走行時に、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが予め設定された第１発電力Ｗ１未満である場合には、開閉弁２３を閉弁してブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給して発電する第１制御を行い、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが第１発電力Ｗ１以上である場合には、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給する第２制御を行うように構成されることが好ましい。

これにより、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが大きくなったときに、空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給するので、燃料電池１０の発電効率を向上させることができ、同じ燃料量でも発電量Ｗを増加でき、燃料電池１０に対して増加された要求発電力Ｗｔに効率よく対応することができるようになる。

また、制御装置４０は、車両の加速走行時または定速走行時に、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが予め設定された第１蓄圧量Ｖ１未満のときは、開閉弁２３を閉弁してブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給して発電する第１制御を行い、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第１蓄圧量Ｖ１以上で、かつ、予め設定され、第１蓄圧量Ｖ１より大きな値となる第２蓄圧量Ｖ２未満であるときは、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給する第２制御を行い、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第２蓄圧量Ｖ２以上であるときは、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１を供給すると共に、ブロワ１１からの空気Ａの量を減少又はゼロにして燃料電池１０に供給する第３制御を行うように構成されることが好ましい。

これにより、車両の減速走行時の制動エネルギーＥを有効利用して蓄圧した空気タンク２２における蓄圧量Ｖに応じて、燃料電池１０の発電効率を向上させたり、ブロワ１１を低稼働にしたり、休止させたりすることができるので、燃料電池発電システム１における全体としての発電効率を効率よく向上させることができるようになる。

また、図１に示すように、車軸３０と動力伝達機構３１の間に、または、動力伝達機構３１とコンプレッサ２１の間に（図１の位置）、クラッチ（動力断接装置）３２を設けて構成し、制御装置４０が、車両の減速走行時に、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが、予め設定され、かつ、第２蓄圧量Ｖ２より大きな値の第３蓄圧量Ｖ３未満であるときには、クラッチ３２を接状態として、コンプレッサ２１を作動させるとともに、第３蓄圧量Ｖ３以上であるときには、クラッチ３２を断状態として、コンプレッサ２１を停止させる制御を行うように構成することが好ましく、これにより、空気タンク２２に蓄圧される空気Ａ１のオーバーフローを防止しながら、車両の減速走行時の制動エネルギーＥを効率よく有効利用することができるようになる。

次に、上記の車両の燃料電池発電システム１を用いた、本発明の車両の燃料電池発電方法について、図２〜図４の制御フローを参照しながら説明する。図２及び図３の制御フローは、車両の加速走行時または定速走行時に、制御時間毎に上級の制御フローから呼ばれて実施され、実施後に、上級の制御フローに戻る制御フローであり、車両が加速走行または定速走行している限り、繰り返し呼ばれる制御フローとして示している。

図４の制御フローは、車両の減速走行時に、制御時間毎に上級の制御フローから呼ばれて実施され、実施後に、上級の制御フローに戻る制御フローであり、車両が減速走行している限り、繰り返し呼ばれる制御フローとして示している。

なお、この図２〜図４の制御フローに基づく制御の途中で、エンジンが運転停止するとき等では、割り込みが生じて、リターンに行って上級の制御フローに戻り、この上級の制御フローの終了と共に終了する。

図２の制御フローについて説明する。車両が加速走行または定常走行しており、図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１にて、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが予め設定された第１発電力Ｗ１未満であるか否かを判定する。要求発電力Ｗｔが第１発電力Ｗ１未満であるとき（ＹＥＳ）は、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが低く、ブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給しても、燃料電池１０の発電効率を維持することができると判定して、ステップＳ１２に進む。このステップＳ１２では、開閉弁２３を閉弁して、ブロワ１１を作動させる第１制御を行い、ブロワ１１より圧送される空気Ａのみを燃料電池１０に供給する。ステップＳ１２の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

一方、ステップＳ１１にて、要求発電力Ｗｔが第１発電力Ｗ１以上であるとき（ＮＯ）は、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが高く、ブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給しているだけでは、燃料電池１０の発電量が足りないと判定して、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３にて、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて、燃料電池１０に供給する第２制御を行い、燃料電池１０における発電効率を高め、要求発電力Ｗｔを発電する。ステップＳ１３の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

次に、図３の制御フローについて説明する。車両が加速走行または定常走行しており、図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが予め設定された第１蓄圧量Ｖ１未満であるか否かを判定する。この判定は、ブロワ１１からの空気Ａの量をアシストして、燃料電池１０を高効率で発電させることができる十分な第１蓄圧量Ｖ以上になっているか否かの判定である。

空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第１蓄圧量Ｖ１未満のとき（ＹＥＳ）は、燃料電池１０に供給するのに必要十分な量の空気Ａ１が空気タンク２２に蓄圧されていないと判定して、ステップＳ２３に進む。このステップＳ２３では、開閉弁２３を閉弁して、ブロワ１１を作動させ、ブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給して発電する第１制御を行う。ステップＳ２３の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

一方、ステップＳ２１にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第１蓄圧量Ｖ１以上であるとき（ＮＯ）は、燃料電池１０に供給するのに必要十分な量の空気Ａ１が空気タンク２２に蓄圧されていると判定して、ステップＳ２２に進む。そして、ステップＳ２２にて、予め設定され、第１蓄圧量Ｖ１より大きな値となる第２蓄圧量Ｖ２未満であるか否かを判定する。この判定は、ブロワ１１からの空気Ａの量を減少またはゼロにしても、燃料電池１０を高効率で発電させることができる十分な第２蓄圧量Ｖ以上になっているか否かの判定である。

ステップＳ２２にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第１蓄圧量Ｖ１以上で、かつ、第２蓄圧量Ｖ２未満であるとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４にて、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給する第２制御を行い、燃料電池１０における発電効率を高める。ステップＳ２４の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

一方、ステップＳ２２にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第２蓄圧量Ｖ２以上であるとき（ＮＯ）は、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第２蓄圧量Ｖ２以上であるときは、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１を供給すると共に、ブロワ１１からの空気Ａの量を減少又はゼロにして燃料電池１０に供給する第３制御を行う。これによりブロワ１１の負担を軽くする。ステップＳ２５の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

図４の制御フローについて説明する。車両が減速走行しており、図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ３１にて、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが予め設定され、かつ、第２蓄圧量Ｖ２より大きな値の第３蓄圧量Ｖ３未満であるか否かを判定する。蓄圧量Ｖが第３蓄圧量Ｖ３未満であるとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ３２に進み、ステップＳ３２にて、クラッチ３２を接状態として、コンプレッサ２１を作動させる制御を行い、空気タンク２２への蓄圧を実施する。蓄圧量Ｖが第３蓄圧量Ｖ３以上であるとき（ＮＯ）は、ステップＳ３３に進み、ステップＳ３３にて、クラッチ３２を断状態として、コンプレッサ２１を停止させる制御を行い、空気タンク２２への蓄圧を行わない。そして、ステップＳ３２、Ｓ３３の制御を行った後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

次に、本発明に係る実施の形態の車両の燃料電池発電方法について説明する。この方法は、燃料電池１０を備え、この燃料電池１０で燃料改質器１７で改質された燃料Ｈとブロワ１１で圧送された空気Ａの両方の供給を受けて発電する車両の燃料電池発電方法である。

この方法において、車両の減速走行時には、車軸３０より動力伝達機構３１を介して伝達される制動エネルギーＥでコンプレッサを作動させて空気タンク２２に空気Ａ１を蓄圧し、車両の加速走行時または定速走行時には、空気タンク２２に蓄圧された空気Ａ１を開閉弁２３を備えた第２の空気供給通路２０を経由して燃料電池１０に供給する際に、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔと空気タンク２２の蓄圧量Ｖのいずれか一方又は両方に基づいて、開閉弁２３の開閉制御とブロワ１１の作動制御を行う。

また、上記の車両の燃料電池発電方法において、車両の加速走行時または定速走行時に、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが予め設定された第１発電力Ｗ１未満である場合には、開閉弁２３を閉弁してブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給して発電する第１制御を行い、燃料電池１０に対する要求発電力Ｗｔが第１発電力Ｗ１以上である場合には、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給する第２制御を行う。

また、上記の車両の燃料電池発電方法において、車両の加速走行時または定速走行時に、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが予め設定された第１蓄圧量Ｖ１未満のときは、開閉弁２３を閉弁してブロワ１１からの空気Ａのみを燃料電池１０に供給して発電する第１制御を行い、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第１蓄圧量Ｖ１以上で、かつ、予め設定され、第１蓄圧量Ｖ１より大きな値となる第２蓄圧量Ｖ２未満であるときは、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１をブロワ１１からの空気Ａに加えて燃料電池１０に供給する第２制御を行い、空気タンク２２の蓄圧量Ｖが第２蓄圧量Ｖ２以上であるときは、開閉弁２３を開弁して空気タンク２２からの空気Ａ１を供給すると共に、ブロワ１１からの空気Ａの量を減少又はゼロにして燃料電池１０に供給する第３制御を行う。

本発明の車両の燃料電池発電システム１、車両、及び車両の燃料電池発電方法によれば、車両の減速走行時の車軸３０の制動エネルギーＥを利用して、燃料電池１０に供給される空気圧を高めて発電効率を向上させたり、ブロワ１１より圧送される空気Ａの量を減少又はゼロにしてブロワ１１を駆動するエネルギーを減少したりすることにより、燃料電池発電システム１全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

１、１Ｘ 車両の燃料電池発電システム
１０ 燃料電池
１１ ブロワ（空気供給装置）
１２ エアーフィルタ
１３ 空気予熱器
１４ 空気供給通路
１５ 燃料タンク
１６ 圧力調整弁
１７ 燃料改質器
１８ 燃焼器
１９ 貯湯タンク
２０ 第２の空気供給通路
２１ コンプレッサ（第２の空気供給装置）
２２ 空気タンク（空気蓄圧装置）
２３ 開閉弁
３０ 車軸
３１ 動力伝達機構
３２ クラッチ（動力断接装置）
４０、４０Ｘ 制御装置
Ａ 空気（新気）
Ａ１ 圧縮空気
Ｆ 燃料
Ｈ 水素
Ｇａ１、Ｇａ２ 排気ガス
Ｅ 車両の制動エネルギー
Ｗｔ 要求発電力
Ｗ１、Ｗ２ 発電力
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ 蓄圧量

Claims (7)

1. 燃料改質器と、空気供給装置と、前記燃料改質器で改質された燃料と前記空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する燃料電池とを備えた車両の燃料電池発電システムにおいて、
   前記空気供給装置で圧送された空気を前記燃料電池に供給する空気供給通路に第２の空気供給通路が接続して設けられ、
   該第２の空気供給通路に、上流側より順に、前記車両の車軸に動力伝達機構を介して接続されて前記車軸の制動力で駆動する第２の空気供給装置と、該第２の空気供給装置により圧送された空気を蓄圧する空気蓄圧装置と、開閉弁が設けられるとともに、
   当該燃料電池発電システムを制御する制御装置が、
   前記車両の減速走行時には、前記車軸より前記動力伝達機構を介して伝達される制動エネルギーで前記第２の空気供給装置を作動させて前記空気蓄圧装置に空気を蓄圧し、
   前記車両の加速走行時または定速走行時には、前記燃料電池に対する要求発電力と前記空気蓄圧装置の蓄圧量のいずれか一方又は両方に基づいて、前記開閉弁の開閉制御と前記空気供給装置の作動制御を行うように構成される車両の燃料電池発電システム。
2. 前記制御装置が、
   前記車両の加速走行時または定速走行時に、
   前記燃料電池に対する要求発電力が予め設定された第１発電力未満である場合には、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、
   前記燃料電池に対する要求発電力が前記第１発電力以上である場合には、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行うように構成される請求項１に記載の車両の燃料電池発電システム。
3. 前記制御装置が、
   前記車両の加速走行時または定速走行時に、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が予め設定された第１蓄圧量未満のときは、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第１蓄圧量以上で、かつ、予め設定され、前記第１蓄圧量より大きな値となる第２蓄圧量未満であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行い、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第２蓄圧量以上であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を供給すると共に、前記空気供給装置からの空気の量を減少又はゼロにして前記燃料電池に供給する第３制御を行うように構成される請求項１に記載の車両の燃料電池発電システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両の燃料電池発電システムを搭載したことを特徴とする車両。
5. 燃料電池を備え、該燃料電池で燃料改質器で改質された燃料と空気供給装置で圧送された空気の両方の供給を受けて発電する車両の燃料電池発電方法において、
   前記車両の減速走行時には、車軸より動力伝達機構を介して伝達される制動エネルギーで前記空気供給装置とは別の第２の空気供給装置を作動させて空気蓄圧装置に空気を蓄圧し、
   前記車両の加速走行時または定速走行時には、前記空気蓄圧装置に蓄圧された空気を開閉弁を備えた第２の空気供給通路を経由して前記燃料電池に供給する際に、前記燃料電池に対する要求発電力と前記空気蓄圧装置の蓄圧量のいずれか一方又は両方に基づいて、前記開閉弁の開閉制御と前記空気供給装置の作動制御を行うことを特徴とする車両の燃料電池発電方法。
6. 前記車両の加速走行時または定速走行時に、
   前記燃料電池に対する要求発電力が予め設定された第１発電力未満である場合には、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、
   前記燃料電池に対する要求発電力が前記第１発電力以上である場合には、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行うように構成される請求項５に記載の車両の燃料電池発電方法。
7. 前記車両の加速走行時または定速走行時に、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が予め設定された第１蓄圧量未満のときは、前記開閉弁を閉弁して前記空気供給装置からの空気のみを前記燃料電池に供給して発電する第１制御を行い、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第１蓄圧量以上で、かつ、予め設定され、前記第１蓄圧量より大きな値となる第２蓄圧量未満であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を前記空気供給装置からの空気に加えて前記燃料電池に供給する第２制御を行い、
   前記空気蓄圧装置の蓄圧量が前記第２蓄圧量以上であるときは、前記開閉弁を開弁して前記空気蓄圧装置からの空気を供給すると共に、前記空気供給装置からの空気の量を減少又はゼロにして前記燃料電池に供給する第３制御を行う請求項５に記載の車両の燃料電池発電方法。

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