JP2006141154A - 燃料電池の排水制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電反応により発生した過剰な水を、周辺に撒き散らせることなく排出する燃料電池の排水制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池車両において、反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池１と、前記燃料電池の発電反応によって生成された燃料電池１を加湿するための水を蓄える貯水装置３とを有する。さらに、燃料電池車両の走行速度を検出または走行空気抵抗を推定する走行状態量測定手段７、１０と、前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗が所定値以下で、前記貯水装置の水位が前記基準水位を超えたときに水を排水する排水許可手段８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の状態によって、貯水装置に蓄えられる燃料電池の反応生成水のうちから、余剰な水を排出する排水制御装置に関するものである。

従来の燃料電池の水回収システムにおいては、燃料電池の発電反応により生成された水を貯水装置に蓄え、その貯水装置がいっぱいになると余剰水を排出するものが知られている。これによれば燃料電池の陰極側より排出された水を蓄える貯水装置の水位を検出するセンサの信号に基づいて、コントロールユニットにより貯水装置に設置された排水弁の開閉動作を制御して、余剰水の排水を制御している（例えば、特許文献１、参照）。
特開２０００−２０８１６０号公報

上記従来の酸化剤膜の加湿を行うための水を蓄える貯水装置に排水弁を備えた燃料電池システムにおいては、貯水装置内に一定量の水が蓄えられた場合、燃料電池の電解質膜の加湿に不要な余剰水は排出される。しかし、車両の走行中、排水口近辺に気流を生成している状態で、貯水装置より水を一様に排出すると、その気流によって、排水を周辺に撒き散らせる可能性がある。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、車両の走行中に排水される燃料電池によって生成される余剰水を極力周辺に撒き散らさないようにすることを目的とする。

本発明は、燃料電池車両において、反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、前記燃料電池の発電反応によって生成された燃料電池を加湿するための水を蓄える貯水装置と、燃料電池車両の走行速度を検出または走行空気抵抗を推定する走行状態量測定手段と、前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗が所定値以下で、前記貯水装置の水位が前記基準水位を超えたときに水を排水する排水許可手段とを備える。

本発明は、燃料電池車両において、反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、前記燃料電池の発電反応によって生成された燃料電池を加湿するための水を蓄える貯水装置と、燃料電池車両の走行速度を検出または走行空気抵抗を推定する走行状態量測定手段と、前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗に応じて、走行速度または走行空気抵抗が高いほど貯水装置の基準水位が高くなるようにする水位設定手段と、前記貯水装置の水位が前記基準水位を超えたときに水を排水する排水許可手段とを備える。

本発明によると、燃料電池車で走行中に発生する余剰水を排水する際に、走行速度または走行空気抵抗が所定値以上のときは排水を行わず貯水装置に水を蓄え、走行速度または走行空気抵抗が所定値以下となったとき貯水装置の余剰水の排出を行う。これによって、極力排出された水が周辺に撒き散らされることなく地面に直接落ちる。

本発明によると、燃料電池車で走行中に発生する余剰水を排水する際に、走行速度または走行空気抵抗に応じて、走行速度または走行空気抵抗が高いほど貯水装置の基準水位を高くし、貯水装置の余剰水の排出を抑制する。これによって、排水した水が撒き散らされない状態で排水を行い、撒き散らされやすいときは、余剰水の排水を抑えることができる。

第１の実施形態の燃料電池の排水制御装置の概略構成を図１に示す。

本実施形態において、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１を備える。燃料ガスとしては水素ガスを、また酸化剤ガスとしては空気を用いる。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスとしてはこの限りではなく、例えば、燃料ガスとしては改質装置により改質された水素含有ガス、酸化剤ガスとしては酸素等を用いることもできる。

燃料電池１の酸化剤膜を加湿させるため、燃料電池１の発電反応により生成された水（純水）を回収し、蓄える貯水装置（貯水タンク）３を備える。

貯水装置３の水を燃料電池１へ送り込むと共に、燃料電池１からの生成水を貯水装置３へと還流する循環回路１６を備え、この循環回路１６には燃料電池１より上流側でかつ、貯水装置３より下流側に位置して水を循環させるポンプ２を備える。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池１に反応ガスを供給することによって、発電反応しそれに伴って水を生成する。この燃料電池１で生じた水を回収し貯水装置３に蓄える。この貯水装置３に蓄えられた水をポンプ２によって燃料電池１に供給することによって常に燃料電池１の加湿を行う。

また、貯水装置３には、当該貯水装置３に蓄えられた水の水位を検出する水位センサ４を備え、さらに、貯水装置３の余剰水の排出を行うため、貯水装置３の底部の排水口に排水弁５を備える。

貯水装置３の水位を適切に管理制御するため、コントロールユニット１５を備える。

コントロールユニット１５は、水位センサ４より検出した貯水装置３の水位が所定の基準値（水位しきい値）を超えると、水位しきい値を超えた水の排出を許可するタンク水位制御手段６と、車両速度検出手段（走行状態量測定手段）７より検出した車両速度が所定値より低いときのみ貯水装置3の余剰水の排出を許可する開閉排水許可手段８とから構成される。ここで、水位しきい値は燃料電池１の加湿に必要な量に設定し、車両速度の所定値は、車両の走行中に余剰水を排出しても排水が撒き散らない程度の比較的低速の速度を予め実験および計算等により求めておき、この実施形態ではマイクロコンピュータで構成されるコントロールユニット１５によって、データベースとして記憶しておく。

このような燃料電池システムにおいて、コントロールユニット１５が実行する排水制御を図２および図３のフローチャートにしたがって説明する。

図２において、水位の制御を行うため、ステップＳ２０１において水位センサ４の出力Ｈ0を読み込む。

次に、ステップＳ２０２において、水位制御にヒステリシス幅αを設けるためのスイッチとして設定されている排水弁５の開閉フラグＸを判定する。燃料電池システムの起動時には初期値をオフ（Ｘ＝０）と設定する。なお、ヒステリシスを設けることによって、後述する余剰水の排水動作が基準水位を境にして頻繁に繰り返されるのを防ぐことができる。

排水弁５の開閉フラグＸがオフであると判断された場合はステップＳ２０３に進み、Xがオン（Ｘ＝１）であると判断された場合はステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０３においては、水位しきい値Ｈｔと水位センサ４より検出した実際の水位に相当するＨ0との比較を行い、排水弁５の開閉の判断を行う。

これに対し、ステップＳ２０６に進んだ場合は、予め実験および計算等により設定しておいた水位しきい値Ｈｔおよび、貯水装置３の実際の水位に相当する水位Ｈ0との水位差ΔＨ（＝Ｈｔ−Ｈ0）とヒステリシスαとを比較し、貯水装置３の水位Ｈ0と水位しきい値Ｈｔから、貯水装置３に設置された排水弁５の開閉の判断を行う。

ステップＳ２０３において、貯水装置３の水位Ｈ0が水位しきい値Ｈｔより以下の場合はステップＳ２０４へ進み排水弁５を閉じ貯水装置３に水を蓄える。一方、貯水装置３の水位が水位しきい値Ｈｔより大きい場合はステップＳ２０５へ進み排水弁５を開き排水を行い、開閉フラグＸをオン（Ｘ＝１）とする。

また、ステップＳ２０６において、水位差ΔＨがヒステリシスαより大きい場合は、タンク内の水位が予め設定した水位よりも低いと判断しステップＳ２０７へ進み排水弁５を閉じ燃料電池１の加湿のための水を蓄え、排水弁５の開閉フラグＸを０の状態とする。一方、水位差ΔＨがヒステリシスα以下の場合は、貯水装置３の水位が予め設定してある水位よりも高いと判断しステップＳ２０８へ進み排水弁５は開かれる。

本制御を行うことにより、貯水装置３の水位が水位しきい値を基準として設定の範囲（水位しきい値−α）の間に水を蓄えることができる。

次に、図３において、走行状態に基づく排水の許可判断のため、ステップＳ３０１において車両速度検出手段７より検出した車両速度V0を読み込む。

ステップＳ３０２において、検出した車両速度Ｖ0と所定の車両速度Ｖ1との大きさの判断をする。所定の車両速度Ｖ1は、貯水装置３から排水を行う際、走行中の燃料電池車両によって形成された気流によって、排水を撒き散らさない程度の比較的低速の速度を予め実験および計算等により求めておき、データベースとして記憶しておく。

検出した車両速度V0が所定の車両速度V1より小さいとき、その排水は気流に舞う可能性が少な
いため、ステップＳ３０３へ進み図２で示すタンク水位制御を行い、貯水装置３の水が基準量より多いときは余剰水を排出し、基準量よりも少ないときは蓄える。一方、車両速度V0が所定の車両速度
V1より大きい場合には、その排水が気流に舞う可能性があるため、ステップＳ３０４へ進み、排水
弁５を閉じ貯水装置３の排水を許可しない。

本実施形態の効果について説明する。

電解質膜を挟んで反応ガスを送り込むことによって発電を行う燃料電池１と、その燃料電池１の発電反応によって生成された水を蓄える貯水装置３と、燃料電池車両の走行速度を検出する車両速度検出手段７とを備える。また、貯水タンク３の貯水量としては、タンク水位制御手段６により燃料電池１の発電を行うために必要量以上に水を残すように水位しきい値を定める。開閉排水許可手段８により車両速度に応じて、車両速度が所定値以上の場合は、貯水タンク３に水を蓄え、車両速度が所定値以下の場合は、排水弁５を開いて貯水タンク３の余剰水を排出する。

したがって、貯水タンク３より排出した水を周囲に撒き散らす可能性がある場合は余剰水の排出をせず、周囲に撒き散らす可能性がない場合にのみ排出をすることができる。

ここでは、車両の走行状態量として車両速度を基準に貯水装置３の水の排出を許可するか否か判断を行ったが、第２実施形態に述べる車両の空気抵抗推定手段１０より検出した走行空気抵抗を判断の基準としてもよい。車両の走行空気抵抗が所定値以下のときは、やはり排水を後方に撒き散らすおそれが少ないからである。

さらに図４に示すように雨天検出手段１３を備え、雨天検出手段１３によって雨天を検出したときには、コントロールユニット１５は、車両速度による制限を解除し貯水装置３の水が予め設定しておいた水位しきい値をこえたときは、排水弁５によりいつでも排水を行う。なお、雨天検出手段１３として、ワイパーのスイッチ信号や雨滴センサ等を用いることによって、雨天を検出することも可能である。

また、図５に示すように後方車両検出手段１４を設け、コントロールユニット１５は後方車両検出手段１４によって車両を所定距離範囲内に検出しないときには、車両速度による排水弁５の開閉の制限を解除し貯水装置３の水が予め定めておいた水位しきい値となるまで排水を行う。なお、後方車両検出手段１４として、レーダおよびカメラ等により自車両の後ろ所定距離以内を監視することによって、後方車両を検出することができる。

このように雨天走行時や後続車両がないときなど、余剰水を排出しても影響を及ぼさないときは、貯水装置３の水位を所定レベルに保ち余剰水をできるだけ少なくする。

なお、氷点下の際、燃料電池システム内に余剰水を残したまま車を停車させておくと循環回路１６の水が凍り、モーターを始動してしばらくは動作できないことがあるが、余剰水を少なくすることで、このような状態を防ぐことができる。

次に本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる部分を中心に図６のブロック図を参照して説明する。

貯水装置３の水位を適切に制御するためのコントロールユニット１５は、タンク水位制御手段６と、後で述べる空気抵抗推定手段（走行状態量測定手段）１０より推定した車両の走行空気抵抗の大きさに応じて、水位しきい値を可変とする水位しきい値設定手段９とを備える。

この実施形態は、車両走行時の走行空気抵抗を推定し、この走行空気抵抗に応じて貯水装置３からの余剰水の排出を許可する基準水位を変化させるようにしたものである。

まず、空気抵抗推定手段１０として表される、コントロールユニット１５で実行される車両走行時の空気抵抗の推定について説明する。

コントロールユニット１５は、車両の走行中の走行速度を検出する車両速度検出手段７に、アクセルの踏み込み度合いを検出するアクセル開度検出手段１１およびナビ情報等から路面の勾配を検出する勾配検出手段１２より出力される各信号に基づいて、次のようにして車両走行時の空気抵抗を推定する。

まず、車両の走行抵抗ｄは、転がり抵抗Ｒ、空気抵抗Ｃおよび勾配抵抗Ｇそれぞれの抵抗を足し合わせることにより求める。転がり抵抗Ｒは路面の種類や状態によって定まり一定の値をとる。空気抵抗Ｃは車両の速度、車両前方投影面積および空気抵抗係数によって定まる。なお、車両前方投影面積および空気抵抗係数は個々の車両によって定まり、勾配抵抗Ｇは路面の勾配と車両質量によって定まる。無風状態、勾配０（deg）においては、走行抵抗ｄは図７に示したようになる。

図７に示したように勾配が無い状態で車両を走行させると、空気抵抗Ｃは、転がり抵抗Ｒが一定であり、車両速度のみの影響を受ける。

したがって、無風状態の空気抵抗Ｃは、車両前方投影面積、車両速度から得る。次に、風の吹いている状態を想定し、車両速度、アクセル開度、勾配から演算を行うことで走行抵抗ｄを求める。
例えば、
走行抵抗ｄ＝転がり抵抗Ｒ＋空気抵抗Ｃ＋勾配抵抗Ｇ (1)
と表す。車両実際に受ける力関係は、
車両質量Ｍ×加速度ａ＝駆動力Ｆ−走行抵抗ｄ (2)
である。ここに、転がり抵抗Ｒは路面の種類および状態によって決まる一定値とし、ここでは乾燥したアスファルトとする。

また、勾配抵抗Ｇはナビ情報および振り子等を用いて路面の勾配を検出し演算する。加速度ａは車両速度検出手段７より検出できる車両速度を微分して求められる。

駆動力Ｆは、図８に示した図から、車両速度とアクセル開度の関係から求められる値である。ここで、図８に駆動力Ｆと車両速度Ｖの関係を示した。この関係を実験および演算によって予めデータベースとして蓄積しておく。

したがって、(1)および(2)より、
空気抵抗Ｃ＝駆動力Ｆ−転がり抵抗Ｒ−勾配抵抗Ｇ−車両質量Ｍ×加速度ａ (3)
となり、空気抵抗Ｃを得る。

次に、このように推定された車両走行時の走行空気抵抗に基づいてコントロールユニット１５（水位しきい値設定手段９）で実行される貯水装置３からの余剰水の排水制御を、図９のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ９０１において空気抵抗推定手段１０より得られた空気抵抗を推定する。

次に、ステップＳ９０２において、そこで推定した空気抵抗に基づき、貯水タンク３の排水基準値である水位しきい値を設定する。

ステップＳ９０３へ進み前記水位しきい値に基づいて図２と同様のタンク水位制御を行い、排水弁５の開閉の判断を行う。すなわち、この実施形態では、排水弁５からの排水を許可する基準水位が、走行状態量である車両の走行空気抵抗に応じて上下に変化し、貯水タンク３内の水位がこの基準水位をこえたときに自動的に排水が許可されるようになっている。ここに水位しきい値の設定の方法であるが、予め実験および計算等によって求めておいてもよいし、走行空気抵抗に基づき、たとえば、水位しきい値＝ａ×走行空気抵抗＋ｂ として定めてもよい。

このシステムにより走行空気抵抗の変化に応じて水位しきい値が可変となり、例えば、走行空気抵抗が高いときには水位しきい値が高くなり排水を抑制し、走行空気抵抗が下がったときには水位しきい値が低くなり排水を促進する。なお、ここでコントロールユニット１５に車両速度推定手段７より検出した車両速度を入力してもよい。

また、車両走行時の空気抵抗に基づいてコントロールユニット１５で実行される、水位しきい値を高い水位しきい値と低い水位しきい値との２種類設けることもでき、この排水制御を図１０のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００１において、コントロールユニット１５に上記演算を空気抵抗推定手段１０において行うことによって走行空気抵抗を推定する。

ステップＳ１００２において推定した走行空気抵抗と所定の走行空気抵抗の大きさを比較する。ここで、所定の走行空気抵抗の値は貯水装置３から排水を行う際、車両の走行中に形成された気流によって、排水を撒き散らさない程度の比較的低い空気抵抗を予め実験および計算等により求めておき、データベースとして記憶しておく。

走行空気抵抗が所定の走行空気抵抗より小さいときは、ステップＳ１００３へ進み低く設定した水位しきい値を取得する。一方、走行空気抵抗が所定の走行空気抵抗より大きいときは、ステップＳ１００４へ進み高く設定した水位しきい値を取得する。

水位しきい値が定まるとステップＳ１００５へと進み図２のタンク水位制御を行い、前記と同じようにして排水弁５の開閉の判断を行う。

本実施形態の効果について説明する。

貯水装置３の排水を行う際、車両速度の変化に応じて貯水装置３の水位しきい値の制御を行うことで、走行中車両速度が高いと水位しきい値を高くし余剰水の排出を抑制し、一方、車両速度が低いと水位しきい値を低くし余剰水の排出を促進する。したがって、貯水タンク３からの余剰水が排出されるのは、主として車両速度の低い領域となり余剰水の排出の際周囲に水を撒き散らすことがない。

貯水装置内の排水を行う際、車両の速度のみによって貯水装置３の排水許可の判断を行うのに対し、走行空気抵抗を判断の基準とすることで、車両の走行中、車両に対し追い風または、向かい風の影響を排除し、確実に排水を周囲に撒き散らさないようにできる。

またここでは、貯水タンク３の排水を許可する基準水位（水位しきい値）の設定を車両の走行空気抵抗に応じて設定したが、前述の第１実施形態と同じく、車両の走行速度に基づいて設定することもできる。すなわち、走行状態量としての走行速度が高車速では基準水位を高くし余剰水の排出を抑制し、低車速では基準水位を低くして余剰水の排水を促すようにする。

なお、この実施形態においても、上記図４と同様に、雨天検出手段１３によって雨天を検出したときには、コントロールユニット１５は走行空気抵抗による制限を解除し、貯水装置３の基準水位を予め設定した水位しきい値を超えたときは排水弁５によりいつでも排水を行えるようにすることもできる。

さらに、上記図５と同様に、後方車両検出手段１４を設けコントロールユニット１５は後方車両検出手段１４によって車両を所定距離範囲内に検出しないときには、車両速度による排水弁５の開閉の制限を解除し貯水タンク３の水が予め定めておいた水位しきい値となるまで排水を行うようにしてもよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更が含まれることは明白である。

第１の実施形態のシステムのブロック図である。 第１の実施形態の貯水装置の水位を制御するフローチャートである。 第１の実施形態の速度により排水弁の制御をするフローチャートである。 システムの一部を変更したブロック図である。 システムの一部を変更したブロック図である。 第２の実施形態のシステムのブロック図である。 第２の実施形態の空気抵抗と車両速度との関係を示す特性図である。 第２の実施形態の駆動力、車両速度とアクセル開度との関係を示す特性図である。 第２の実施形態の空気抵抗の変化に応じた水位しきい値の制御を行うフローチャートである。 第２の実施形態の水位しきい値を２段階設けた制御を行うフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ ポンプ
３ 貯水装置
４ 水位センサ
５ 排水弁
６ 水位制御手段
７ 車両速度検出手段（走行状態量測定手段）
８ 排水許可手段
９ 水位設定手段
１０ 空気抵抗推定手段（走行状態量測定手段）
１１ 踏み込み量検出手段
１２ 勾配検出手段
１３ 雨天制限解除手段
１４ 後続車制限解除手段
１５ コントロールユニット

Claims (8)

1. 燃料電池車両において、
   反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、
   前記燃料電池の発電反応によって生成された燃料電池を加湿するための水を蓄える貯水装置と、
   燃料電池車両の走行速度を検出または走行空気抵抗を推定する走行状態量測定手段と、
   前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗が所定値以下で、前記貯水装置の水位が前記基準水位を超えたときに水を排水する排水許可手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の排水制御装置。
2. 雨天を検出すると前記走行速度または走行空気抵抗による制限を解除する雨天制限解除手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排水制御装置。
3. 自車両の後方所定距離内に車両がないときは前記走行速度または走行空気抵抗による制限を解除する後続車制限解除手段、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排水制御装置。
4. 燃料電池車両において、
   反応ガスを用いて発電反応を生じる燃料電池と、
   前記燃料電池の発電反応によって生成された燃料電池を加湿するための水を蓄える貯水装置と、
   燃料電池車両の走行速度を検出または走行空気抵抗を推定する走行状態量測定手段と、
   前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗に応じて、走行速度または走行空気抵抗が高いほど貯水装置の基準水位が高くなるようにする水位設定手段と、
   前記貯水装置の水位が前記基準水位を超えたときに水を排水する排水許可手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の排水制御装置。
5. 雨天を検出すると水を排水する基準水位の設定を解除し、所定の低水位に設定する雨天制限解除手段、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の排水制御装置。
6. 自車両の後方所定距離内に車両がないときは水を排水する基準水位の設定を解除し、所定の低水位に設定する後続車制限解除手段、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の排水制御装置。
7. 前記走行空気抵抗の推定は、
   車両速度と、
   駆動ペダルの踏み込み量と、
   自車両の勾配に基づいて、
   演算により行われることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池の排水制御装置。
8. 前記水位設定手段は、
   貯水装置の基準水位を２段階に設け、前記検出した走行速度または推定した走行空気抵抗が所定値よりも高いときは、高い基準水位を選択することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の排水制御装置。

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