JP2009037869A - 移動体用燃料電池の排気状態制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の走行条件、移動体の操作状態、燃料電池の運転条件、あるいは環境条件から白霧対策の必要性を従来よりも精度よく判定し、効率的に白霧を抑制する。
【解決手段】燃料電池本体から排気ガスを排出する排出通路内の排気ガス温度を測定する排気ガス温度センサ１７と、排気ガスが排出される外気の温度を測定する外気温度センサ１９Ａとを備え、排気ガス温度と外気の温度との差異に応じて、排気ガスによって白霧が発生するか否かを判定し、白霧が発生すると判定されたときに、移動体の移動状態、移動体を操作する操作部の操作状態、および、移動体周囲の環境状態を検知するセンサからの検出信号の少なくとも１つから、白霧を低減すべき条件の成否を判定し、第１の条件が成立したときに白霧を低減する処理を起動し、第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件が成立したときに、白霧の発生を抑止する処理を起動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体用燃料電池の排気状態制御技術に関する。

燃料電池では、その反応により発電量に応じた生成水が排出される。特に、自動車用燃料電池では、走行距離により生成水が多量となる。また、自動車用燃料電池では、固定高分子型が主流で、基本的には運転温度が低い。したがって、これまでは、寒冷地での生成水の路面凍結、あるいは生成水の後続車両への飛散等、液水の処理が問題とされてきた。

しかし、外気条件と運転条件により、オフガスの排出通路テールエンドから発生する白霧も抑制する必要がある。白霧は、自動車の商品性の観点からは望ましくない。また、白霧による自動車の周囲への影響も考慮すべき場合もあるからである。このため、従来、車両用燃料電池において、白霧の抑制の提案がなされてきた。
特開平７−１６９４９８号公報 特開２００１−１８５１９９号公報

白霧低減のためには、一般的にはオフガスの温度を白霧の生じやすい温度から、冷却または加熱する手段、掃気量抑制等の手段が採用される。このため、白霧低減のためのエネルギを要し、発電効率向上の要請と整合していなかった。

すなわち、従来技術では、主として排気温度と外気温度との差に着目し、白霧の発生を推定する。そして、その推定結果にしたがって白霧対策処理を実行する。その場合に、白霧対策処理が頻繁に実行されると、加熱による燃費の低下、エネルギ効率の低下、掃気量抑制による出力の低下等の影響が大きくなる。

ところで、白霧の発生状況をさらに検討すると、以下の点が明かとなった。すなわち、車両走行中は、走行風の拡散効果により白霧が発生しても目立ちにくく、停車中または低速度での走行の場合には白霧が目立ちやすい。また、昼間か夜間か、晴天が雨天か等、車両の周囲の環境条件により、白霧に対する視認性が異なる。さらに、車両を後方に移動する際には、発生した白霧が運転者の視界に影響を及ぼす。

そこで、本発明は、燃料電池を含む車両等、燃料電池によって走行する移動体の走行条件、移動体の操作状態、あるいは環境条件から白霧対策の必要性を従来よりも精度よく判定し、効率的に白霧を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用した。すなわち、本発明の一態様は、移動体に搭載された燃料電池の排気ガスの状態を検出する移動体用燃料電池の排気状態制御装置として例示される。本移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、燃料電池本体から排気ガスを排出する排出通路内の排気ガス温度を測定する排気ガス温度センサと、排気ガスが排出される外気の温度を測定する外気温度センサと、を備える。そして、本移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、排気ガス温度と外気の温度との差異に応じて、前記排気ガスによって白霧が発生するか否かを判定し、白霧が発生すると判定されたときに、移動体の移動状態、移動体を操作する操作部の操作状態、および、移動体周囲の環境状態を検知するセンサからの検出信号の少なくとも１つから、白霧を低減すべき条件の成否を
判定する。そして、本移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、白霧を低減すべき第１の条件が成立したときに白霧を低減する処理を起動し、第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件が成立したときに、白霧の発生を抑止する処理を起動する。

したがって、白霧が発生するとの判断がなされた場合でも、さらに、第１の条件と、第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件を判定することで、白霧を低減する処理と白霧を抑止する処理とが使い分けられる。一般には、白霧を抑止する処理の方が、白霧を低減する処理より移動体用燃料電池の効率を低下させる場合が多い。したがって、本移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、白霧発生時の条件をきめ細かく判定し、処理を使い分けることで、移動体用燃料電池の効率を改善できる。

上記第１の条件は、移動体の移動速度が所定値以下であることが判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件のいずれか一方を含み、第２の条件は、移動体の移動速度が所定値以下であることが判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件の両方を含むようにすればよい。このように、第１の条件と第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件とに区分することで、移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、白霧発生時の状況をきめ細かく判定できる。

移動速度が所定値以下であることには、停止中を含む。停止中は、移動中よりもさらに、白霧を低減すべき要請が強い場合もあるからである。また、移動速度は、前記移動体と移動体周囲の外気との相対速度によって評価されるようにしてもよい。外気との相対速度によって、白霧発生および白霧の視認性が影響を受けるからである。

第１の条件は、前記移動体を操作する操作者の視界が前記白霧の影響を受けることを判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件のいずれか一方を含み、第２の条件は、移動体を操作する操作者の視界が前記白霧の影響を受けることを判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件の両方を含むようにすればよい。このように、第２１の条件と第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件とに区分することで、移動体用燃料電池の排気状態制御装置は、白霧発生時の状況をきめ細かく判定できる。

基準環境は、昼間かつ非雨天時の環境を含むようにすればよい。昼間かつ非雨天時の環境は、白霧の視認性が最も低い環境の１つと考えられ、この環境の白霧の視認性が高い場合、白霧抑制の要請が強くなるからである。

移動体が排気ガスの排出方向に進行する場合に、操作者の視界が白霧の影響を受けると判定されるようにしてもよい。操作者は、移動体の進行方向を見ており、操作者の視界が白霧の影響を受ける可能性が高まるからである。

白霧を低減する処理は、排気ガス温度を制御する処理、および燃料電池の空気極側の排気ガス流量を制御する処理の少なくとも１つを含むようにしてもよい。排気ガス温度および空気極側の排気ガス流量によって白霧の発生を制御できるからである。

移動体の移動速度が遅いほど排気ガス流量の排出限度を減少する評価基準にしたがって、空気極側の排気ガスの排出が制御されるようにしてもよい。すなわち、移動体の移動速度が所定以上であれば、白霧の発生および視認性が低下するからである。なお、上述のように、この場合に、移動速度として、移動体と外気との相対速度を用いてもよい。

排気ガスの圧力が高いほど排気ガス流量の排出限度を増加する評価基準にしたがって、空気極側の排気ガスの圧力または排気ガスの排出流量が制御されるようにしてもよい。排気ガスの圧力が高くなると同一の質量のガスを排出する場合も、体積流量が低下する。そのため、排気ガスの圧力が高いほど同一の質量の排気ガス排出での水蒸気の排出量が低減される。また、水蒸気の排出量を同程度に維持する場合には圧力を上昇させた方が、圧力が上昇する前よりも、多くの質量の排気ガスを排出できるからである。

本発明によれば、動力源の駆動力によって走行する移動体の走行条件、移動体の操作状態、燃料電池の運転条件、あるいは環境条件から白霧対策の必要性を従来よりも精度よく判定し、効率的に白霧を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

《第１実施形態》
以下、図１から図３の図面の図面に基づいて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、本燃料電池システムは、燃料電池スタック１を含み、燃料電池スタック１に水素を供給する水素系として、水素タンク７、調圧弁１０、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、水素ポンプ８、アノードオフガス循環通路４、アノードオフガスから水分を分離する気液分離器１２、ドレンタンク１３、排気排水弁１４を含む。また、本燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気を供給する空気系として、エアフィルタ１１、ポンプ９、カソードガス通路５、カソードオフガス通路６を含む。さらに、本燃料電池システムは、燃料電池システムの制御系および計測系として、ＥＣＵ（電子制御ユニット、移動体用燃料電池の排気状態制御装置に相当）１５、排出ガス温度センサ１７、外気温度センサ１９Ａ、外気湿度センサ１９Ｂ、およびスタック温度センサ２０を有する。図１に簡略化して示されている通り、本燃料電池システムは、車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として機能する。

燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード（燃料極）、カソード（空気極）、およびセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素および空気の流路が形成されている。

水素タンク７は、アノードガス通路２にアノードガスを供給する。水素タンク７から供給されるアノードガスは、調圧弁１０により所定圧力に調整される。これにより、アノードガスはアノードガス通路２から燃料電池スタック１のアノードに供給されている。

また、エアフィルタ１１を介して吸入された空気は、ポンプ９（エアーコンプレッサともいう）に駆動される。これにより、エアは燃料電池システム外から供給されるカソードガスとしてカソードガス通路５を通じて燃料電池スタック１のカソードに供給される。

燃料電池スタック１のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック１のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック１では、水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、
水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。

アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素およびカソードから透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路３に排出される。

燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路３およびアノードオフガス循環通路４を通り、水素タンク７からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック１のアノードへ供給される。また、アノードオフガス通路３は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器１２に供給する。これにより、アノードオフガスは、水分を分離されて、アノードオフガス循環通路４へ供給される。

また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス（以下、カソードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路６に排出される。カソードオフガスは、燃料電池スタック１が生成した水を水蒸気として含んでいる。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路６を通り外気に排出される。

ＥＣＵ１５は、ポンプ９、調整圧弁１０の駆動モータ、排出ガス温度センサ１７、外気温度センサ１９Ａ、外気湿度センサ１９Ｂ（センサの１つに相当）、およびスタック温度センサ２０とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ１５は、ポンプ９、調整圧弁１０の駆動モータの駆動を制御する。ＥＣＵ１５は、排出ガス温度センサ１７が測定したカソードオフガスの温度のデータを取得する。ＥＣＵ１５は、外気温度センサ１９Ａが測定した外気温度データおよび外気湿度センサ１９Ｂが取得した外気湿度データを取得する。ＥＣＵ１５は、スタック温度センサ２０が測定した燃料電池スタック１の運転温度のデータを取得する。ＥＣＵ１５は、その内部にＣＰＵやＲＯＭ等を備えており、ＣＰＵはＲＯＭに記録された制御プログラムにしたがって各種の処理を実行する。

排出ガス温度センサ１７は、カソードオフガス通路６を介して外気に排出されるカソードオフガスの温度を測定する。排出ガス温度センサ１７は、カソードオフガス通路６のいずれの位置に設けてもよい。例えば、外気に排出される直前のカソードオフガスの温度を測定できるように、排気口付近に排出ガス温度センサ１７を設けてもよい。以下、排気口をテールエンドともいう。

外気温度センサ１９Ａは、燃料電池システム外部の温度、すなわち外気温度を測定する。また、外気湿度センサ１９Ｂは、外気湿度データを測定する。スタック温度センサ２０は、燃料電池スタック１の運転温度を測定する。スタック温度センサ２０は、燃料電池スタック１に直付けしてもよいし、燃料電池スタック１の冷却水の温度を測定してもよい。

車両には、車両の移動速度を検出する車速センサ２２（センサの１つに相当）、運転者が移動体を操作するための各種レバー、操作ボタン、つまみ、ペダル等が設けられている。例えば、動力源により駆動されるモータの回転数と被駆動部（例えば、車輪）との回転数の比を指定してするシフトレバー、ワイパーをオンまたはオフにするワイパーレバー、ＧＰＳ（Global Positioning System）からの信号を受信し、現在位置、時刻の表示、目
的地への誘導等の機能を提供する車載器のつまみ、パーキングブレーキのレバー等である。本実施形態の車両は、各種レバー、操作ボタン、つまみ、ペダル等への運転者による操作を検知するそれぞれのセンサを有し（いずれも本発明のセンサに相当）、その操作に応じた制御を実行する。その場合に、ＥＣＵ１５は、それらの操作を監視し、現在の操作状態を認識する。

図２に、ＥＣＵ１５における排気状態制御処理のフローチャートを示す。この処理は、ＣＰＵで実行される制御プログラムによって実現される。この処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

この処理では、ＥＣＵ１５は、まず、排出ガス温度センサ１７で検出されたテールエンドのガス温度、および外気温度センサ１９Ａの検出温度を取得する。そして、ＥＣＵ１５は、テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１）。テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１以下の場合、ＥＣＵ１５は、制御をＳ１に戻す。この場合、所定の時間の経過を待って、ＥＣＵ１５がＳ１以下を実行するようにすればよい。ここで、所定値Ｔ１および所定時間は、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。Ｓ１の処理を実行するＥＣＵ１５が発生判定部に相当する。

一方、テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１より大きい場合、ＥＣＵ１５は、車速センサ２２から車両の走行速度を読み取る。また、このとき、シフトレバーのレンジ位置を読み取るようにしてもよい（Ｓ２）。

そして、ＥＣＵ１５は、車速が０であるか否かを判定する（Ｓ３）。この場合に、ＥＣＵ１５は、シフトレバーがＰレンジ（駐車レンジ）に入っているか否かを判定してもよい。Ｓ３の条件が第１の条件に相当する。また、Ｓ３の条件が車両の走行条件、移動体の移動状態に相当する。

そして、車速が０でない場合、ＥＣＵ１５は、制御をＳ１に戻す。一方、車速が０であるか、または、シフトレバーがＰレンジとなっている場合、ＥＣＵ１５は、周囲環境の条件を判定する（Ｓ４）。周囲環境の条件とは、例えば、以下をいう。これらの条件と、上記Ｓ１の条件の両方を含む条件が第２の条件に相当する。
（１）ヘッドライトがオンである（操作部の操作状態に相当）。
（２）コントロールライトでの暗検出信号がオンである（環境状態に相当）。ここで、コントロールライトは、いわゆる自動点灯ライトをいう。コントロールライトは、コントローラによって周囲の明るさが所定の限度以下に状態になったことを検知し、暗検出信号を発生し、ライトをオンにする。
（３）日没の時刻以降で、夜明け前の時刻である（環境状態に相当）。
（４）ＧＰＳからの信号が受信できない状態である（環境状態に相当）。
（５）ワイパーがオンとなっている（操作部の操作状態に相当）。
（６）オートワイパーを備えた車両で、雨の検知信号がオンである（環境状態に相当）。（７）外気湿度センサ１９Ｂにて、検出値ｈが所定値Ａより大きい（環境状態に相当）。ここで、所定値Ａは、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。

これらの条件のいずれもが成立しない場合（Ｓ５でＮＯの場合）、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御を実行する（Ｓ６）。上記いずれの条件も成立しない場合、周囲環境の条件は、昼間かつ雨天以外かつ外気湿度が所定値より低い。したがって、白霧に対する視認性は、必ずしも高くない。この場合には、発生した白霧を低減する処理を実行する。

ここで、白霧低減制御とは、空気極側の掃気量を低減する処理である。例えば、ＥＣＵ１５は、所定の割合でポンプ９の掃気量を低減する。また、例えば、カソードオフガス通路６に設けた不図示のヒータによりカソードオフガスを加熱してもよい。また、逆に、不図示の熱交換機によって、カソードオフガスを冷却し、外気温度に近い温度に制御してもよい。

例えば、外気温度とテールエンドのガス温度との関係から、白霧が発生する条件を求めておけばよい。これは、「湿度ｈのとき、外気温度とテールエンドのガス温度との差分がΔＴ以下」という関係を実験的、経験的に作成し、ＥＣＵ１５の記憶装置にマップとして格納しておけばよい。そして、現在の外気湿度において、外気温度との差分がΔＴ以下となるように、カソードオフガスを加熱または冷却すればよい。

一方、上記条件のいずれかが成立する場合（Ｓ５でＹＥＳの場合）、ＥＣＵ１５は、白霧抑止制御を実行する（Ｓ７）。上記いずれかの条件が成立する場合、周囲環境の条件は、夜間、ヘッドライト使用、雨天、および外気湿度が所定値より高い場合のいずれかが成立する。したがって、白霧に対する視認性は、高い場合が多い。この場合には、発生した白霧を低減するだけでは足りず、抑止する処理を実行する。

ここで、白霧抑止制御とは、例えば、ポンプ９の運転停止（すなわち、掃気処理の停止）、調圧弁１０での水素供給圧の遮断による燃料電池システムの運転休止等である。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、外気に排出されるカソードオフガス温度と外気温度との関係から、白霧発生の可能性が高い場合に、さらに、車両の走行条件、車両の操作状態、あるいは周囲環境の条件から白霧の視認性を判定することにより、精度よく白霧対策の要否を判定できる。そして、白霧の視認性が必ずしも高くないと推定される場合には、白霧の低減処理を実行し、一方、白霧の視認性が高いと推定される場合には、白霧の抑止処理を実行する。すなわち、車両の運転条件と、周囲環境の条件により、白霧対策の程度を制御する。これにより、白霧対策の要否を精度よく判定し、無駄なエネルギの消耗、発電効率の低下を低減できる。

＜変形例＞
上記第１実施形態では、図２のＳ４およびＳ５で説明したように、上記（１）から（７）のいずれの条件も成立しない場合に、白霧低減制御を実行し、上記（１）から（７）のいずれかの条件が成立した場合に、白霧抑止処理を実行した。しかし、そのような判断に代えて、上記（１）から（７）のいずれかを組み合わせた条件が成立した場合に、白霧抑止処理（Ｓ７）を実行するようにしてもよい。例えば、ヘッドライトオンで、かつ、夜間の時間帯の条件が成立したときに、白霧抑止処理を実行してもよい。また、ワイパーオンで、かつ、外気湿度センサ値ｈが所定値Ａより大きい場合に、白霧抑止処理を実行してもよい。このように、上記（１）から（７）の条件のうち、複数が成立した場合に、白霧抑止処理（Ｓ７）を実行し、そうでない場合に、白霧低減処理（Ｓ６）を実行してもよい。

上記第１実施形態では、図２のＳ３の判定がなされ、車速が０でない場合、あるいはシフトレバーがＰシフトにない場合には、制御がＳ１に戻された。すなわち、この場合には、白霧対策制御および白霧抑止制御のいずれもが実行されなかった。このような処理に代えて、まず、図２のＳ５の判定、すなわち、周囲環境の条件が、成立するか否かを判定してもよい。そして、上記（１）から（７）の条件のいずれもが成立しない場合に、白霧対策制御および白霧抑止制御のいずれをも実行しないようにしてもよい。そして、上記（１）から（７）の条件のいずれかが成立する場合に、車速０が否か、あるいは、シフトレバーがＰシフトとなっているかどうかを判定し、その判定結果に応じて、白霧対策制御あるいは白霧抑止制御のいずれかを実行してもよい。

また、上記第１実施形態では、主として、車両外部から見て、白霧の視認性が高いかどうかによって、白霧対策の必要性の判断、白霧低減制御、あるいは、白霧抑止制御が実行された。しかし、そのような判断に代えて、車両の運転者の視界に影響があるか否かによって白霧対策の必要性の判断、白霧低減制御、あるいは、白霧抑止制御を実行してよい。そのような処理例を図３に示す。

この処理では、ＥＣＵ１５は、まず、排出ガス温度センサ１７で検出されたテールエンドのガス温度、および外気温度センサ１９Ａの検出温度を取得する。そして、ＥＣＵ１５は、テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１）。テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１以下の場合、ＥＣＵ１５は、制御をＳ１に戻す。 一方、テールエンドのガス温度と外気温度との温度差が所定値Ｔ１より大きい場合、ＥＣＵ１５は、周囲環境の条件を判定する（Ｓ４）。この条件は、第１実施形態の場合と同様であるので、その説明を省略する。

そして、周囲環境の条件（上記（１）から（７）の条件）がいずれも成立しない場合（Ｓ５でＮＯの場合）、ＥＣＵ１５は、制御をＳ１に戻す。一方、周囲環境の条件（上記（１）から（７）の条件）のいずれかが成立する場合（Ｓ５でＹＥＳの場合）、ＥＣＵ１５は、シフトレバーがＲレンジ（リアレンジ）にあるか、どうかを判定する（Ｓ９）。なお、この場合、さらに、パーキングブレーキオフかどうかを併せて判定してもよい。

そして、シフトレバーがＲレンジ（リアレンジ）にない場合、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御を実行する（Ｓ１０）。シフトレバーがＲレンジにない場合（Ｓ９でＮＯ）、排気口から排気口からのガス排出方向に車両が移動しない。このため、ＥＣＵ１５は、白霧が発生し、かつ、視認性がある程度高い条件でも、運転者の視界に影響を及ぼす可能性が低いと判定する。この場合に、ＥＣＵ１５は、白霧低減処理で十分と判定する。

一方、シフトレバーがＲレンジにある場合（Ｓ９でＹＥＳ）、排気口からのガス排出方向に車両が移動する可能性が高い。このとき、さらに、パーキングブレーキがオフかどうかを判定してもよい。シフトレバーがＲレンジにある場合（かつ、パーキングブレーキオフの場合）には、ＥＣＵ１５は、白霧抑止制御を実行する（Ｓ１１）。この場合には、白霧が単に外部から視認されやすいばかりではなく、運転者の視界に影響を及ぼす可能性があるからである。

以上述べたように、車両の進行方向が、ガスの排出方向と一致するどうかを判定することで、ＥＣＵ１５は、運転者への影響を推定する。そして、車両の進行方向が、ガスの排出方向と一致する場合に白霧抑止制御を実行する。

ここで、白霧抑止制御では、掃気の停止、燃料電池システムの運転の休止等がなされる。一方、白霧低減制御では、掃気の制限、ヒータによる加熱等が実行される。

このような制御により、白霧の視認性が高い場合には、白霧低減制御を実行し、運転者への影響がある場合には、さらに、白霧抑止処理を実行でき、燃料電池システムを効率的に利用できる。例えば、燃料電池スタック１の掃気を停止すべき場合、あるいは、燃料電池システムを休止すべき場合を極めて精度よく判定できる。

上記実施形態では、図２のＳ３の判定で、車速０（またはシフトレバーがＰレンジにあるか）、どうかを判定した。しかし、必ずしも車速０でなくても、商品性の観点、あるいは、ユーザの希望から、車速が所定速度以下の場合に、白霧低減処理あるいは白霧抑止処理を実行するようにしてもよい。その場合には、工場出荷時の設定値、販売店での調整値、あるいは、ユーザ設定によって、所定速度を設定してもよい。この場合には、その所定速度以下（未満）の場合には、図２のＳ４〜Ｓ７の処理が実行されることになる。

《第２実施形態》
図４および図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。上記第１実施形態では、車速０でない場合（あるいは、シフトレバーがＰレンジにない
場合）には、白霧の対策を実行しなかった。さらに、車速０の場合、あるいは、シフトレバーがＰレンジにある場合には、周囲環境の条件が条件（１）から（７）の成立状況に応じて、白霧低減制御と白霧抑止制御を切り分けて実行した。しかし、そのような処理に代えて、白霧対策のレベルをさらに細かく分けて実行してもよい。以下では、白霧低減制御１、白霧低減制御２、および白霧低減制御３（白霧抑止制御）に分けて、白霧対策を実行する。本実施形態の他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の処理については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、システム構成は、図１と同様であるとする。

図４に、本実施形態の燃料電池システムにおける白霧対策処理の分類を示す。図４の表では、白霧低減制御１から３を例示している。白霧低減制御１は、例えば、掃気を３０％減少し、カソードオフガスのヒーティングを３００ワットとする場合である。掃気３０％減とは、空気極側のポンプ９駆動電力を３０％減少することを意味する。また、白霧低減制御２は、例えば、掃気を６０％減少し、カソードオフガスのヒーティング６００ワットとする場合である。さらに、白霧低減制御３は、例えば、掃気を１００％減少し、カソードオフガスのヒーティングを１０００ワットとする場合である。この場合、ポンプ９は、停止する。すなわち、白霧低減制御３は、掃気を停止する場合である。この場合に、燃料電池システムの運転自体を停止してもよい。例えば、調圧バルブ１０による水素圧力を遮断すればよい。これによって、ＥＣＵ１５は、強制的に白霧の発生を抑止する。

図５に、本燃料電池システムおけるＥＣＵ１５の制御を示す。この処理でＳ１、Ｓ２は、第１実施形態の場合と同様であるので、その説明を省略する。Ｓ３の処理で、ＥＣＵ１５は、車速が０であるか否かを判定する（Ｓ３）。この場合に、ＥＣＵ１５は、シフトレバーがＰレンジ（駐車レンジ）に入っているか否かを判定してもよい。

そして、車速が０でない場合、ＥＣＵ１５は、制御を白霧低減制御１を実行する（Ｓ６Ａ）。一方、車速が０であるか、または、シフトレバーがＰレンジとなっている場合、ＥＣＵ１５は、ＥＣＵ１５は、周囲環境の条件を判定する（Ｓ４）。周囲環境の条件は、第１実施形態で説明した（１）から（７）の条件と同様である。

そして、（１）から（７）の条件がいずれも成立しない場合、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御２を実行する（Ｓ６Ｂ）。また、（１）から（７）の条件のいずれかが成立する場合、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御３を実行する（Ｓ６Ｃ）。この場合には、白霧が抑止される。すなわち、燃料電池スタック１の掃気の停止、あるいは、燃料電池システムが休止される。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の場合よりもさらに細かく、白霧対策を実行できる。

＜変形例＞
上記第１実施形態の変形例で説明したように、上記（１）から（７）のいずれかを組み合わせた条件が成立した場合に、白霧抑止処理（Ｓ７）を実行するようにしてもよい。例えば、ヘッドライトオンで、かつ、夜間の時間帯の条件が成立したときに、白霧抑止処理を実行してもよい。また、ワイパーオンで、かつ、外気湿度センサ値ｈが所定値Ａより大きい場合に、白霧抑止処理を実行してもよい。

また、図３で説明したように、車両の運転者の視界に影響があるか否かによって白霧対策の必要性の判断、白霧低減制御、あるいは、白霧抑止制御を実行してよい。そのような処理例を図６に示す。

この処理では、周囲環境にて、上記（１）から（７）のいずれの条件も成立しない場合に、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御１を実行する（Ｓ１０Ａ）。一方、周囲環境の条件（上記（１）から（７）の条件）のいずれが成立する場合（Ｓ５でＹＥＳの場合）、ＥＣＵ１５は、シフトレバーがＲレンジ（リアレンジ）にあるか、どうかを判定する（Ｓ９）。なお、この場合、さらに、パーキングブレーキオフかどうかを併せて判定してもよい。

そして、シフトレバーがＲレンジにない場合、ＥＣＵ１５は、白霧低減制御２を実行する（Ｓ１０Ｂ）。一方、シフトレバーがＲレンジにある場合（Ｓ９でＹＥＳ）、排気口から排気口からのガス排出方向に車両が移動する可能性が高い。このとき、さらに、パーキングブレーキがオフかどうかを判定してもよい。シフトレバーがＲレンジにある場合（かつ、パーキングブレーキオフの場合）には、ＥＣＵ１５は、白霧抑止制御３を実行する（Ｓ１１）。すなわち、白霧抑止制御を実行する。

《第３実施形態》
図７から図９の図面を参照して本発明の第３実施形態を説明する。上記第１実施形態および第２実施形態では、テールエンドのガス温度と、外気温度との差異から、白霧対策が必要であるか否かを判定した（図２、図３、図５および図６のＳ１の処理を参照）。しかし、そのような処理に代えて、外気温度および外気湿度を含む車両の周囲の環境条件と、テールエンドのガス温度から、白霧対策が必要であるか否かを判定してもよい。本実施形態の他の構成および作用は、第１実施形態および第２実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図７は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。

まず、ＥＣＵ１５は、ガス温度センサ１７により測定されたカソードオフガスの温度のデータを取得する。また、ＥＣＵ１５は、外気温度センサ１９Ａにより測定された外気温度のデータを取得する。さらに、ＥＣＵ１５は、外気湿度センサ１９Ｂにより測定された外気湿度のデータを取得する。本実施形態においては、外気湿度センサ１９Ｂにより測定された外気湿度を測定外気湿度という。（Ｓ１Ａ）。

次に、ＥＣＵ１５は、カソードオフガスの温度のデータ、測定外気温度のデータおよび測定外気湿度のデータに基づいて白霧対策領域の判定を行う（Ｓ１Ｂ）。

外気に排出されたカソードオフガスに含まれる水蒸気が白く視認できる状態になることを白霧対策領域という。カソードオフガスの温度、外気温度および外気湿度と白霧対策領域との関係は、実験またはシミュレーションで求めておけばよい。例えば、図８に示すようなマップ（テーブル）を実験またはシミュレーションにより予め作成する。そして、ＥＣＵ１５は、マップから白霧対策領域の判定を行ってもよい。

図８に示すΔＴは、カソードオフガスの温度と外気温度との差である。図８に示す湿度は、外気湿度である。図８の○は、白霧対策領域であることを示している。図８の×は、白霧対策領域ではないことを示している。図８のマップを用いて、白霧対策領域の判定を行う場合、ＥＣＵ１５は、カソードオフガスの温度と測定外気温度との差であるΔＴ１を算出する。そして、ＥＣＵ１５は、図８に示すマップを参照し、ΔＴ１および測定外気湿度が白霧対策領域にあるか否かを判定する（Ｓ１Ｂ）。

白霧対策領域であると判定した場合、ＥＣＵ１５は、Ｓ２以下の処理を実行する。Ｓ２以下については、第１実施形態、第２実施形態の場合と同様であるので、その説明を省略する。一方、白霧対策領域でないと判定した場合、制御をＳ１Ａに戻す。

本実施形態によれば、初期段階で、外気湿度も含めて、白霧対策の要否を判定できる。なお、図７では、Ｓ２以降、図２と同様の処理を実行する。しかし、これに代えて、図７のＳ２以降に、図３と同様の処理を実行してもよい。また、図７のＳ２以降に、第２実施形態の図５あるいは図６と同様の処理を実行してもよい。

《第４実施形態》
図９から図１１の図面を参照して、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを説明する。上記第１実施形態から第３実施形態では、白霧対策の必要性があると判定された場合に、次に、車両外部からの白霧の視認性が高いか否か、あるいは、白霧が運転者の視界に影響するかどうかに応じて、白霧を低減する制御、あるいは、白霧を抑止する制御を実行した。

本実施形態では、水蒸気を含む燃料電池スタック１を通過したカソードオフガスを燃料電池スタック１を通過していない空気で希釈する。その場合に、車両の走行速度を反映した評価式にて、制御の目標とする水蒸気を含む空気の希釈率を決定する。他の構成および作用は、第１実施形態から第３実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。

図９は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図９では、図１の構成として比較して、カソード側に、エア背圧調整弁３１および希釈器３２が追加されている。希釈器３２には、カソード側からカソードオフガス通路６が接続される。

一方、アノード側には、アノードオフガス通路３に、排気バルブ３６を介して、アノードオフガス分岐通路３７が接続されている。アノードオフガス分岐通路３７も、希釈器３２に接続される。なお、図９では、水素の調圧弁１０の上流側にさらにシャットバルブ３０が明示されている。

ＥＣＵ１５は、エア背圧弁３１、排気バルブ３６、およびポンプ９を制御し、アノードオフガスおよびカソードオフガスの希釈率を制御する。

図１０に、本燃料電池システムを搭載した車両の概念図を示す。図１０では、車両は、矢印方向に速度ｖで進行している。このとき、カソードオフガス通路６から希釈器３２に排出されるカソードオフガス流量をＱairexとする。

この場合の車速ｖによってカソードオフガスが外気に拡散される効果を反映したカソードオフガスの希釈率Ｄｒを次の数１で定義する。

@0014
ここで、ｋは、車速ｖによってカソードオフガスが希釈されると考えた場合の希釈エア量を算出するための換算係数である。また、Ｐ_H2O@FCは燃料電池スタック１の運転温度における飽和蒸気圧であり、Ｐ_H2O@atmは外気温度における飽和蒸気圧である。

数１の物理的意味は、車速ｖが大きければ、カソードオフガスの希釈による濃度が低下することを示している。すなわち、燃料電池スタック１の運転温度における飽和蒸気圧が外気温度における飽和蒸気圧よりも高い場合、Ｐ_H2O@FC／Ｐ_H2O@atmは１より大きくなり
、白霧が発生する条件を満たす。ここで、Ｐ_H2O@FC／Ｐ_H2O@atmは、カソードオフガスが
外気に放出されたときの、カソードオフガスのうち、水滴になる割合を示す。また、（Ｐ_H2O@FC／Ｐ_H2O@atm）×Ｑairexは、カソードオフガスが外気に放出されたときの水滴になるガス量である。

しかし、車速ｖが十分に大きければ、カソードオフガスを希釈するのと同様の効果が発生し、白霧が目立たなくなる。その程度を示したのが希釈率Ｄｒということができる。

したがって、Ｐ_H2O@FC／Ｐ_H2O@atmを複数の値に設定し、それぞれの値において、カソ
ードオフガス流量Ｑairexおよび車速ｖを変化させた場合の白霧発生の程度を観測する。
そのような実験値によって、Ｐ_H2O@FC、Ｐ_H2O@atm、Ｑairexおよび車速ｖと白霧発生の程度（視認性の程度）との関係を求めることができる。そのような実験値から、希釈率Ｄｒとして満足すべき値（以下、基準値Ｄｒ０という）を決定する。そして、ＥＣＵ１５の不図示のメモリに基準値Ｄｒ０を設定しておき、希釈率Ｄｒが基準値Ｄｒ０以下になるように、燃料電池の運転状態を制御すればよい。

図１１に、その場合のＥＣＵ１５が実行する制御のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ１５は、まず、スタック温度センサ２０から現在の燃料電池スタック１の運転温度を読み、カソードオフガスの飽和蒸気圧Ｐ_H2O@FCを算出する（Ｓ２１）。なお、このとき、スタック温度センサ２０に代えて、図１の排気ガス温度センサ１７によってカソードオフガスの温度を検出してもよい。

次に、ＥＣＵ１５は、外気温度センサ１９Ａから外気温度を読み、外気中の飽和蒸気圧Ｐ_H2O@atmを算出する（Ｓ２２）。さらに、ＥＣＵ１５は、不図示の車速センサから現在
の車速ｖを読む（Ｓ２３）。そして、数１にしたがって、希釈率Ｄｒが基準値Ｄｒ０以下となるように、カソードオフガス流量Ｑairexを決定する（Ｓ２４）。そして、カソード
オフガス流量がＱairex以下となる範囲で、ポンプ９の回転数を制御する（Ｓ２５）。

以上の述べたように、第４実施形態の燃料電池システムによれば、カソードオフガスの飽和蒸気圧、外気中の飽和蒸気圧、および車速によって、希釈率が基準値Ｄｒ０以下となるようにカソードオフガスの排出量、すなわち、ポンプ９の回転数を制御する。このような制御によって、車速ｖに応じて、カソードオフガスの排出量、したがって、希釈率を制御し、カソードオフガスによる白霧を目立たない方向に制御できる。

＜変形例＞
上記第４実施形態では、車速ｖに応じて、カソードオフガスの排出量、したがって、希釈率を制御し、白霧を抑制した。このような制御において、さらに、カソード側の背圧を制御してもよい。カソード側の背圧は、燃料電池スタック１のカソード側の流路出口の背圧弁３１の開度によって制御される。

燃料電池システムにおいて、排出すべきカソードオフガス量を質量で考える。例えば、毎分Ｍグラムの要求排出量で発電していると仮定する。カソード側の背圧が高くなると、
排出すべきオフガスの質量が同じでも、体積は小さくなる。すなわち、体積流量は少なくなる。例えば、背圧が２倍になれば、必要な排出体積流量は半分で済む。

一方、飽和蒸気圧は、オフガスの背圧によらず、温度に依存するので、同一体積中に含まれる水蒸気量は、背圧によらず、ほぼ一定である。したがって、背圧が２倍になれば、必要な排出体積流量は半分で済む。したがって、そのとき、オフガスとともに排出される水蒸気量も半分になる。

背圧の影響を数１の希釈率に組み込むと、次の数２のように表すことができる。

@0015
ここで、Ｐatmは、大気圧であり、Pbackは、カソード側の背圧である。また、
Qair×（Ｐatm／Pback）は、背圧を上げることによる体積流量の変化である。したがって、同一のオフガス排出量（質量）において、この体積流量の変化だけ希釈率を低減できる。逆に、背圧を低下させた運転の場合には、オフガス排出質量を低減することで、白霧を低減できる。

すなわち、ＥＣＵ１５は、上記図１１の処理の他、さらに、背圧を制御することによって、白霧を低減するようにしてもよい。また、背圧の制御が優先される場合には、背圧の上昇および低下に応じて、オフガス排出質量を増大、あるいは、低減すればよい。

また、上記第４実施形態では、車速ｖに応じて、カソードオフガスの排出量、したがって、希釈率を制御し、白霧を抑制した。この場合、車速として、周囲の風の影響を反映させてもよい。例えば、車両の前後方向および左右方向に向かう四方に風圧センサを配置し、車両停止中および車両進行中に拘わらず、風圧に基づく車両と外気との相対速度Ｖを算出してもよい。相対速度Ｖは、車両の前後方向および左右方向の風圧に基づく前後方向の相対速度Ｖ１、および左右方向の相対速度Ｖ２のうち、大きい方を車両と外気との相対速度Ｖとすればよい。

そして、車速ｖに代えて、車両と外気との相対速度Ｖによって、数１の希釈率を算出すればよい。このように、車両と外気との相対速度を反映して希釈率を算出することで、車両の速度が遅い場合、あるいは、車両が停止中であっても、白霧を抑制した上でカソードオフガスを排出できる限度を増加できる。

燃料電池システムの構成例を示す図である。 燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 白霧抑止制御の処理例を示す図である。 白霧対策処理の分類を示す図である。 白霧抑止制御の処理例を示す図である。 白霧抑止制御の処理例を示す図である。 燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 白霧対策領域を示すマップの例である。 燃料電池システムの構成図である。 本燃料電池システムを搭載した車両の概念図を示す図である。 白霧抑止制御の処理例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ アノードガス通路
３ アノードオフガス通路
４ アノードオフガス循環通路
５ カソードガス通路
６ カソードオフガス通路
９ ポンプ
１５ ＥＣＵ
１７ 排出ガス温度センサ
１９Ａ 外気温度センサ
２０ スタック温度センサ

Claims (11)

1. 移動体に搭載された燃料電池の排気ガスの状態を検出する移動体用燃料電池の排気状態制御装置であり、
   排気ガスの状態と外気の状態との関係から白霧が発生するか否かを判定する発生判定部と、
   前記排気ガスによって白霧が発生すると判定されたときに、前記移動体の移動状態、移動体を操作する操作部の操作状態、および、移動体周囲の環境状態をそれぞれ検知するそれぞれのセンサのうち少なくとも１つと、
   前記少なくとも１つのセンサからの検出信号から、白霧を低減すべき条件の成否を判定する条件判定部と、
   前記条件判定部にて第１の条件が成立したときに白霧を低減する処理を起動し、第１の条件よりも白霧を低減すべき要求が強い第２の条件が成立したときに、白霧の発生を抑止する処理を起動する制御部と、を備える移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
2. 燃料電池本体から排気ガスを排出する排出通路内の排気ガス温度を測定する排気ガス温度センサと、
   前記排気ガスが排出される外気の温度を測定する外気温度センサと、をさらに備え、
   前記発生判定部は、前記排気ガス温度と外気の温度との差異に応じて白霧が発生するか否かを判定する請求項１に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
3. 前記第１の条件は、前記移動体の移動速度が所定値以下であることが判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件のいずれか一方を含み、前記第２の条件は、前記移動体の移動速度が所定値以下であることが判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件の両方を含む請求項１または２に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
4. 前記移動速度が所定値以下であることには、停止中を含む請求項３に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
5. 前記移動速度は、前記移動体と移動体周囲の外気との相対速度によって評価される請求項３に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
6. 前記第１の条件は、前記移動体を操作する操作者の視界が前記白霧の影響を受けることを判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件のいずれか一方を含み、前記第２の条件は、前記移動体を操作する操作者の視界が前記白霧の影響を受けることを判定できる条件および移動体周囲での白霧の視認性が基準環境での白霧の視認性より高いことが判定できる条件の両方を含む請求項１から５のいずれか１項に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
7. 前記基準環境は、昼間かつ非雨天時の環境を含む請求項３または６に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
8. 移動体が前記排気ガスの排出方向に進行する場合に、前記操作者の視界が前記白霧の影響を受けると判定される請求項６に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
9. 前記白霧を低減する処理は、排気ガス温度を制御する処理、および燃料電池の空気極側の排気ガス流量を制御する処理の少なくとも１つを含む請求項１から８のいずれか１項に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
10. 前記移動体の移動速度が遅いほど排気ガス流量の排出限度を減少する評価基準にしたがって、前記空気極側の排気ガスの排出が制御される請求項９に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。
11. 前記排気ガスの圧力が高いほど排気ガス流量の排出限度を増加する評価基準にしたがって、前記空気極側の排気ガスの圧力または排気ガスの排出流量が制御される請求項９または１０に記載の移動体用燃料電池の排気状態制御装置。

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