JP2006331851A - 自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出来るだけ簡単な構造で氷結を防止することを可能とし、また、電力を常時オンして氷結防止を待ち受けることのない自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池１に供給した空気と水素を反応させて電力を出力すると共に水を生成する自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置において、生成された水を車両の外に排出する配水管７と、この配水管７の出口に接続されたサージタンク８と、アノードライン９から水素制御弁１０を介して水素をサージタンク８に導入させる水素導入配管１１と、排水口出口１２での氷結の可能性を判定するＥＣＵ１５と、このＥＣＵ１５で判断された結果に基づいて操作され、前記サージタンク８内の水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を前記排水口出口１２に向かって発生させる点火装置１３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置に関し、詳細には、排水口出口における氷結を防止するための技術に関する。

燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車では、冬季などの氷点下の下に車両を長時間放置して置くと、燃料電池システムで発生した水を車両外部に排出させる排水口出口で当該水が氷結する可能性がある。排水が氷結してしまうと最悪の場合、排水口出口が閉塞され、システム異常を起すことが考えられる。

この氷結を防止する対策の一つとして、温水配管を氷結部近傍に循環させる方法、電気ヒータ−で氷結部を過熱する方法、または、燃料電池システム内を流れるガスに含まれる水分をシステム停止時に加熱して蒸発させる方法など、種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００５−１１７７９号公報

しかしながら、前記各方法では、温水配管の取り回しや水通路の追加等が必要となり、構造が複雑になる。また、電気ヒーターなどを設定しても構造が複雑になり、且つ、電力を常時供給しておく必要を生じ、効率の悪化を招くなどの問題が残る。

そこで本発明は、出来るだけ簡単な構造で氷結を防止することを可能とし、また、電力を常時オンして氷結防止を待ち受けることのない自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置を提供することを目的とする。

本発明の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置は、生成された水を車両の外に排出する配水管と、この配水管の出口に接続されたサージタンクと、アノードラインから流量制御弁を介して水素をサージタンクに導入させる水素導入配管と、配水管の排水口出口での氷結の可能性を判定する氷結判定手段と、この氷結判定手段で判断された結果に基づいて操作され、前記サージタンク内の水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を前記排水口出口に向かって発生させる点火手段とを備える。

本発明の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置によれば、排水口出口での氷結の可能性を氷結判定手段で判定し、その判定結果で氷結の可能性がある場合は、配水管の出口に接続したサージタンク内にアノードラインから水素を導入させ、該サージタンクに設けた点火手段で水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を排水口出口に向かって発生させることで、当該排水口出口を塞ぐ氷を粉砕除去させることができる。

したがって、本発明によれば、氷結部をヒータなどで常時オンして氷を溶かすような待ち受ける必要が無く、エネルギーロスを最小限にすることができ、氷点下の下でも燃料電池自動車を運転することができる。

なお、ここで定義するエネルギーロスとは、ヒーターで過熱しながら待ち受けるなどの保温や解凍用の無駄なエネルギーが不要という意味である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「第１の実施の形態」
図１は第１の実施の形態を示す燃料電池システムの構成図、図２は第１の実施の形態を示す燃料電池システムに設けられたサージタンク部分の要部拡大断面図、図３は第１の実施の形態を示す燃料電池システムに設けられたサージタンク内に導入される水素濃度の推移状態を示すグラフである。

燃料電池システムは、空気と水素を反応させて出力を取り出す燃料電池１と、燃料電池１に空気を送り込む空気導入管２と、反応されずに残った余剰の空気を燃料電池１から排気する空気排出管３と、燃料電池１に水素を送り込む水素導入管４と、余分な水素を燃料電池１から排気し循環させる水素排出管５と、水素排出管５から排出される水素と共に含まれた水を分離する水分離器６と、水分離機６で分離した水を車外へ排出させる配水管７とを備えている。

この燃料電池システムでは、空気導入管２と水素導入管４よりそれぞれ空気と水素が燃料電池１に供給され、この燃料電池１内で空気と水素が反応して起電力を発生する。発生された起電力は、外部に取り出され、モータなどの駆動源の駆動力として使用される。また、燃料電池１では、電力以外に水が生成される。生成された水は、水素と共に燃料電池１から排出され、水分離機６で分離された後、配水管７を経て車外へと放出される。一方、回収された水素は、再度、水素導入管４に戻されて燃料電池１へと供給される。

そして、本実施の形態の自動車用燃料電池システムにおいては、排水口出口での氷結を防止する排水口氷結防止装置を備えている。

かかる排水口氷結防止装置は、配水管７の出口に接続されたサージタンク８と、アノードライン９から流量制御弁である水素制御弁１０を介して水素をサージタンク８に導入させる水素導入配管１１と、配水管７の排水口出口１２での氷結の可能性を判定する氷結判定手段と、氷結判定手段で判断された結果に基づいて操作され、サージタンク８内の水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を前記排水口出口１２に向かって発生させる点火手段である点火装置１３と、サージタンク８内の水素濃度を検出する検出手段である水素濃度検出手段１４とを備える。

サージタンク８は、配水管７の出口に接続され、水分離器６で分離された水が前記配水管７を通してその内部に導入される。また、このサージタンク８には、氷結の可能性があると判断した時にアノードライン９から水素制御弁１０を介して水素導入配管１１よりその内部に水素が導入される。

かかるサージタンク８は、図２に示すように、内部に導入された水が自ずと落下するように、排水口出口１２を鉛直方向（重力方向）下向きに設けている。また、このサージタンク８の内形状は、天面から排水口出口１２に向かってその開口面積が次第に減少するような絞り形状とされている。換言すれば、サージタンク８の内部は、ボトルを逆さにしたような形状とされており、排水口出口１２に向かってその開口径が徐々に絞られるなだらかな傾斜部８ａとされている。

水素制御弁１０は、電子制御装置であるＥＣＵ１５で駆動制御され、弁を閉いて水素を水素導入配管１１に導入し、または弁を閉じて水素導入配管１１への水素の導入を停止する。

氷結判定手段は、ＥＣＵ１５からなり、水素濃度検出手段１４で検出される前記サージタンク８内の水素濃度の推移より前記排水口出口１２での氷結の有無を判断する。つまり、排水口出口１２が氷結して閉塞している場合は、図３に示すように、水素濃度の経過時間は、水素導入により一度上昇し、その後非常にゆっくり低下して行く。これに対して、排水口出口１２が氷結によって閉塞されていない場合は、車両走行などによりサージタンク８内に外気の拡散があるため、水素濃度が上昇しない。したがって、水素濃度検出手段１４で検出された水素濃度の推移をＥＣＵ１５でモニターすることで、排水口出口１２の氷結の有無を判断することができる。

点火装置１３は、サージタンク８の天面に設けられた点火部である点火栓１６に対して点火ケーブル１７で接続されている。水素濃度検出手段１４は、点火栓１６と同様、サージタンク８の天面に設けられ、当該サージタンク８内に導入後の水素濃度をモニターする。これら点火装置１３と水素濃度検出手段１４は、何れもＥＣＵ１５で制御され動作するようになっている。

このように構成された排水口氷結防止装置を備えた自動車用燃料電池システムでは、水素濃度検出手段１４で検出したサージタンク８内の水素濃度の推移から前記ＥＣＵ１５が、前記排水口出口１２に氷結の可能性が有ると判定した場合、水素制御弁１０を開いて水素排出管５から水素を水素導入配管１１に導いてサージタンク８内に導入させる。その後、氷結判定手段であるＥＣＵ１５は、点火装置１３を作動させて点火栓１６を点火させる。すると、サージタンク８内の水素空気混合気（可燃混合気）が着火されて燃焼し、その燃焼時に衝撃波が発生する。衝撃波は、排水口出口１２に向かって進ため、該排水口出口１２を塞いでいた氷結を粉砕する。

本実施の形態によれば、排水口出口１２での氷結の可能性を氷結判定手段（ＥＣＵ１５）で判定し、その判定結果で氷結の可能性がある場合は、サージタンク８内にアノードラインから水素を導入させ、該サージタンク８に設けた点火栓１６で水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を排水口出口に向かって発生させることで、当該排水口出口１２を塞ぐ氷を粉砕除去することができる。したがって、氷点下の下でも燃料電池自動車を運転することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、サージタンク８内の水素濃度を測定できる水素濃度検出手段１４を設けているため、水素空気混合気の点火制御の精度が向上し、確実に排水口出口１２の氷を粉砕除去することができる。

また、本実施の形態によれば、排水口出口１２を鉛直方向下向きとすると共にサージタンク８内形状を排水口出口１２に向かってその開口面積が次第に減少するような絞り形状となし、点火栓１６をサージタンク８の天面に設けることで、点火によって発生する衝撃波が分散されず（衝撃波の損失が抑えられ）、且つ、徐々に絞る形状部で強化されて排水口出口１２に向かって進むことから、当該排水口出口１２での氷粉砕能力を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、水素導入後の水素濃度推移をモニターすることで、排水口出口１２の氷結の有無を判定することができる。

「第２の実施の形態」
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の自動車用燃料電池システムに対して、図４に示すように、車両外部の気温を測定する外気温センサー１８を設け、さらに燃料電池１の運転温度をモニターする燃料電池運転温度センサー１９を設けることで、これら外気温と燃料電池１の運転温度とから排水口出口１２での氷結の有無を判定するようにした例である。その他の構成は、第１の実施の形態と同一である。

外気温センサー１９は、車両外部の温度を検出し、その検出された温度データがＥＣＵ１５でモニタリングされる。燃料電池運転温度センサー１９は、例えば燃料電池１の水温を測定し、その水温データがＥＣＵ１５でモニタリングされる。

このように、外気温センサー１８で外気温を検出し、燃料電池運転温度センサー１９で燃料電池の運転温度を検出することで、前記排水口出口１２での氷結の有無を判定することができる。このことにより、極氷点下始動の直後に、氷結の可能性を判定することができる。氷結判定をした場合は、第１の実施の形態と同様、サージタンク８内の可燃混合気を点火栓１６で点火することで、この可燃混合気（水素空気混合気）を燃焼させたときに発生する衝撃波によって排水口８付近の氷結を粉砕させる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることはない。

第１の実施の形態では、水素濃度検出手段１４でサージタンク８内の水素濃度の推移から排水口出口１２での氷結の有無を判断し、第２の実施の形態では、燃料電池１の運転温度と外気温とから氷結の有無を判断したが、これら二つの判断手段を組み合わせることでより正確な氷結の有無を判定することができる。

第１の実施の形態を示す燃料電池システムの構成図である。 第１の実施の形態を示す燃料電池システムに設けられたサージタンク部分の要部拡大断面図である。 第１の実施の形態を示す燃料電池システムに設けられたサージタンク内に導入される水素濃度の推移状態を示すグラフである。 第２の実施の形態を示す燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１…燃料電池
５…水素排出管
６…水分離器
７…配水管
８…サージタンク
９…アノードライン
１０…水素制御弁（流量制御弁）
１１…水素導入配管
１２…排水口出口
１３…点火装置（点火手段）
１４…水素濃度検出手段
１５…ＥＣＵ（氷結判定手段）
１６…点火栓（点火手段）
１８…外気温センサー
１９…燃料電池運転温度センサー

Claims (5)

1. 燃料電池に供給した空気と水素を反応させて電力を出力すると共に水を生成する自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置において、
   生成された水を車両の外に排出する配水管と、
   前記配水管の出口に接続されたサージタンクと、
   アノードラインから流量制御弁を介して水素を前記サージタンクに導入させる水素導入配管と、
   前記配水管の排水口出口での氷結の可能性を判定する氷結判定手段と、
   前記氷結判定手段で判断された結果に基づいて操作され、前記サージタンク内の水素空気混合気を燃焼させて衝撃波を前記排水口出口に向かって発生させる点火手段とを備えた
   ことを特徴とする自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置。
2. 請求項１に記載の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置であって、
   前記サージタンク内の水素濃度を検出する検出手段を設けた
   ことを特徴とする自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置であって、
   前記サージタンクは、前記排水口出口を鉛直方向下向きとすると共にサージタンク内形状を排水口出口に向かってその開口面積が次第に減少する絞り形状となし、
   前記点火手段を、前記排水口出口の鉛直方向上側に設けた
   ことを特徴とする自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置であって、
   前記氷結判定手段は、前記燃料電池の温度と外気温をモニターし、これらの温度から前記排水口出口での氷結の可能性を判定し、氷結の可能性がある場合は、前記サージタンク内に水素を導入し可燃混合気を生成して、該可燃混合気を前記点火手段で燃焼させる
   ことを特徴とする自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置。
5. 少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置であって、
   前記氷結判定手段は、前記サージタンク内に水素を導入すると共に、水素導入後の水素濃度推移をモニターし、前記排水口出口での氷結の有無を判断する
   ことを特徴とする自動車用燃料電池システムの排水口氷結防止装置。

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