JP2009176467A - 燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス通路における水の凍結を確実に防止して、燃料電池自動車の低温始動性を向上する。
【解決手段】車両に搭載した燃料電池１で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車であって、燃料電池１から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路１９，３５，３７と、排気ガス通路１９，３５，３７に熱伝達可能に設けられ熱媒体が循環する循環通路５１と、燃料電池１で発電した電気を消費し熱媒体を加熱する電気ヒータ４５と、電気ヒータ４５への通電を制御する制御装置６０と、を備え、電気ヒータ４５で加熱した熱媒体により排気ガス通路１９，３５，３７を暖機可能とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池自動車における排気ガス通路の凍結防止技術に関するものである。

燃料電池を低温環境下で始動する場合には、初めに燃料電池を暖機し発電可能な状態にしてから発電を行うが、燃料電池が発電可能な状態に暖機されても、燃料電池から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路が低温状態である場合には、燃料電池から排出された排気ガスが排気ガス通路を流通する間に、排気ガスに含まれる水分が排気ガス通路内で凍結し、排気ガス通路の開口面積を狭め、その結果、排気ガスが流れ難くなる可能性がある。

排気ガス通路を暖機する手法として、燃料電池の発電量を増やして排気ガスの温度を高くし、温度の高い排気ガスを排気ガス通路に流す方法や、排気ガス通路（例えばマフラーシェル内）をニクロム線などの電気ヒータで直接加熱する方法がある（例えば、特許文献１参照） 。
特開２００４−３９４６２号公報

燃料電池の発電量を増やすことにより排気ガス通路を暖機する場合には、発電量の増大分をバッテリーの充電に充てているが、バッテリーが満充電状態のときには過充電となるため発電量を増やすことができず、高温の排気ガスを排気ガス通路に流すことができないという課題がある。

また、排気ガス通路を電気ヒータで直接加熱する方法では、複雑な形状で長さも長い排気ガス通路（配管）にニクロム線等の配線を行うとなると、作業が極めて面倒である。また、配線も長くなるため、電気的な短絡が懸念される。

そこで、この発明は、排気ガス通路における水の凍結を確実に防止することができる燃料電池自動車を提供するものである。

この発明に係る燃料電池自動車では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、車両に搭載した燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車であって、前記燃料電池から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路（例えば、後述する実施例における排出ガス流路３５、サイレンサ１９、排気管３７）と、前記排気ガス通路に熱伝達可能に設けられ熱媒体が循環する循環通路（例えば、後述する実施例における循環通路５１）と、前記燃料電池で発電した電気を消費し前記熱媒体を加熱する電気ヒータ（例えば、後述する実施例における電気ヒータ４５）と、前記電気ヒータへの通電を制御する制御装置（例えば、後述する実施例における制御装置６０）と、を備え、前記電気ヒータで加熱した熱媒体により前記排気ガス通路を暖機可能としたことを特徴とする。
このように構成することにより、低温始動直後から燃料電池が発電可能となるまでは、バッテリーに充電された電気を電気ヒータに通電することで、電気ヒータにより熱媒体を加熱し、熱媒体の熱を排気ガス通路に伝達して排気ガス通路を加熱することができる。
また、これによりバッテリーに蓄えられている電気が消費されるので、燃料電池の暖機が完了して燃料電池が発電可能となったときには、燃料電池で発電した電気をバッテリーに充電することができ、その結果、発電当初から燃料電池の発電量を高く維持することができ、温度の高い排気ガスを大流量で排気ガス通路に流すことができるので、これによっても排気ガス通路を加熱することができる。
これらの相乗効果により排気ガス通路を迅速に暖機することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記排気ガス通路の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述する実施例における温度センサ５３）を備え、前記制御装置は温度検出手段により検出された温度に応じて前記電気ヒータへの通電量を制御することを特徴とする。
温度検出手段で検出された排気ガス通路の温度に基づいて排気ガス通路の暖機に必要な熱量を算出し、これから熱媒体の加熱に必要な電気ヒータの電力を算出して、電気ヒータへの通電量を制御することにより、電気ヒータで消費される電力を適切に制御しつつ、排気ガス通路を迅速に暖機することができる。

請求項１に係る発明によれば、排気ガス通路を迅速に暖機することができるので、低温環境下で燃料電池を始動したときにも、排気ガス通路での水の凍結を確実に防止することができ、燃料電池自動車の低温始動性が向上する。また、電気ヒータで排気ガス通路を直接加熱するわけではないので、暖機対象となる排気ガス通路が長くなっても、電気ヒータが電気的に短絡する虞もない。

請求項２に係る発明によれば、電気ヒータで消費される電力を適切に制御しつつ、排気ガス通路を迅速に暖機することができる。

以下、この発明に係る燃料電池自動車の実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
実施例の燃料電池自動車は、車体に、燃料電池とこの燃料電池で発電した電気を充電するバッテリーとを搭載し、前記燃料電池から直接あるいはバッテリーを介して駆動モータに電気を供給し走行する燃料電池自動車である。なお、バッテリーに代えてキャパシタを用いることも可能である。

図１を参照して、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成を説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電気を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路３とカソードガス流路５を備えてなるセルを複数積層して構成されており、アノードガス流路３にアノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路５にカソードガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、図１では、単一のセルのアノードガス流路３とカソードガス流路５を代表して示している。

カソードガス（空気）はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路９、加湿器１１を通って燃料電池１のカソードガス流路５に供給される。燃料電池１に供給されたカソードガスは発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共にカソードオフガス（排気ガス）としてカソードオフガス流路１３に排出され、加湿器１１、背圧弁１５を通って希釈器１７に排出される。加湿器１１は例えば水透過膜を備えて構成されており、水透過膜を間に挟んでカソードガスとカソードオフガスを流通させることにより、カソードオフガスに含まれる水分が水透過膜を透過してカソードガスに移動し、カソードガスが加湿される。

一方、水素タンク２１から供給されるアノードガス（水素ガス）は、アノードガス供給流路２３、遮断弁２５、エゼクタ２７を通って燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。そして、消費されなかった未反応のアノードガスは、燃料電池１からアノードオフガス（排気ガス）として排出され、アノードオフガス流路２９を通ってエゼクタ２７に吸引され、水素タンク２１から供給される新鮮なアノードガスと合流し再び燃料電池１に供給されて循環する。

アノードオフガス流路２９からは、排出弁３１を備えたアノードオフガス排出流路３３が分岐している。排出弁３１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスをアノードオフガス排出流路３３を介して希釈器１７へ排出する。
希釈器１７において、アノードオフガス排出流路３３を介して流入したアノードオフガスと、カソードオフガス流路１３を介して流入したカソードオフガスとが混合され、アノードオフガスが希釈される。この混合ガスは排出ガスとして希釈器１７から排出ガス流路３５を介してサイレンサ１９に送られる。

サイレンサ１９は、排出ガスの排出音を低減するものであり、例えば複数の膨張室や吸音材を備えて構成されている。サイレンサ１９により消音された排出ガスは排気管３７を通って大気に排出される。
排気管３７には水素ガスを検出する水素ガス検出器３９が設置されており、希釈器１７が正常に機能して、排出ガス中に所定濃度以上の水素ガスが漏洩していないことをチェックする。

なお、この実施例において、カソードオフガス流路１３、希釈器１７、アノードオフガス流路２９、アノードオフガス排出流路３３、排出ガス流路３５、排気管３７は、燃料電池１から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路を構成する。
この排気ガス通路において、希釈器１７の出口近傍の排出ガス流路３５から、サイレンサ１９を含み、サイレンサ１９の出口から所定距離下流の排気管３７までは、これらを包み込む二重管構造のようにジャケット４１が設けられており、ジャケット４１の内部は不凍液からなる熱媒体が流通可能な熱媒体通路４３となっている。熱媒体通路４３と排出ガス流路３５およびサイレンサ１９および排気管３７は熱的に結合されていて、熱媒体通路４３を流れる熱媒体の熱が排出ガス流路３５およびサイレンサ１９および排気管３７に伝達可能とされている。

熱媒体通路４３においてサイレンサ１９の下流に位置する下流端４３ａと、サイレンサ１９上流に位置する上流端４３ｂは、電気ヒータ４５およびポンプ４７を備えたリターン通路４９によって接続されており、熱媒体はポンプ４７によって昇圧され、熱媒体通路４３およびリターン通路４９を通って循環することができるように構成されている。この実施例において熱媒体通路４３とリターン通路４９は熱媒体が循環する循環通路５１を構成している。

電気ヒータ４５は、燃料電池１により発電された電気を直接供給されて、あるいはバッテリー（図示略）に充電されている電気を供給されて運転可能であり、その運転は制御装置６０によって制御される。なお、前記バッテリーは燃料電池１によって充電される。
この電気ヒータ４５を制御するために、リターン通路４９における電気ヒータ４５の上流に温度センサ（温度検出手段）５３が設置されている。温度センサ５３は電気ヒータ４５に流入する熱媒体の温度（換言すると、熱媒体通路４３の下流における熱媒体の温度）を検出し、検出した温度に応じた電気信号を制御装置６０に出力する。なお、熱媒体通路４３の下流における熱媒体の温度には、排気管３７における上流部の温度が反映されるので、温度センサ５３は間接的にではあるが排気管３７の温度（すなわち、排気ガス通路の温度）を検出していると言える。

制御装置６０は、燃料電池１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ７を駆動して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、遮断弁２５を制御して水素タンク２１から所定量の水素ガスを燃料電池１に供給する。また、制御装置６０は背圧弁１５を制御し、燃料電池１への空気の供給圧力を燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。また、制御装置６０は、排出弁３１を制御してアノードオフガスの排出を調整する。

さらに、制御装置６０は、低温環境下で燃料電池１が運転される場合に、排気ガス通路の暖機を行う。
詳述すると、この実施例の燃料電池自動車では、低温環境下で始動する場合には、燃料電池１を暖機運転するとともに、排気ガス通路のうち排出ガス流路３５とサイレンサ１９と排気管３７の一部（以下、暖機対象通路と称す）に対して暖機を行う。暖機対象通路の暖機は、電気ヒータ４５およびポンプ４７を運転し、電気ヒータ４５によって熱媒体を加熱し、加熱した熱媒体をポンプ４７で加圧して、循環通路５１に循環させることにより行われる。加熱した熱媒体を循環通路５１に循環させると、熱媒体の熱が暖機対象通路に伝達され、暖機対象通路を加熱する。

制御装置６０は、燃料電池１の運転状態に応じて、電気ヒータ４５とポンプ４７の電気供給源を制御するとともに、温度センサ５３により検出される熱媒体の温度に応じて電気ヒータ４５とポンプ４７の運転を制御する。
すなわち、制御装置６０は、燃料電池１の暖機運転開始と同時に、電気ヒータ４５およびポンプ４７に電気を供給して運転を開始し、排気ガス通路の暖機を行うが、燃料電池１が発電可能な状態になるまでは前記バッテリーから電気ヒータ４５およびポンプ４７に電気を供給するように制御し、燃料電池１の暖機が完了し発電可能な状態になったときには、燃料電池１から直接あるいは前記バッテリーを介して電気ヒータ４５およびポンプ４７に電気を供給するように制御する。

また、制御装置６０は、温度センサ５３により検出される熱媒体の温度に基づいて、暖機対象通路の暖機に必要な熱量を算出し、この熱量に応じて熱媒体を加熱するために必要な電気ヒータ４５の電力を算出し、この電力に応じて電気ヒータ４５への通電量を制御する。

ここで、暖機対象通路の温度が低いときほど、熱媒体の温度を高くする必要があるので、このときには電気ヒータ４５での消費電力が大きくなり、前記バッテリーに蓄電されている電気を多く消費することとなる。したがって、始動開始時の暖機対象通路の温度が低いときほど、排気ガス通路の暖機によってバッテリー残容量を大きく低減することができる。

これにより、燃料電池１が暖機完了し発電可能となったときには、前記バッテリーを充電可能な状態にすることができ、燃料電池１から前記バッテリーへの充電を行うことにより、燃料電池１の発電当初から燃料電池１の発電量を高く維持することができる。燃料電池１の発電量が高いと、燃料電池１から排出されるカソードオフガスの流量も大きくなり、カソードオフガスの温度も高くなるので、このカソードオフガスの流通によっても、排出ガス流路３５とサイレンサ１９と排気管３７が加熱されるので、熱媒体による加熱との相乗効果により、暖機対象通路の暖機を促進することができる。

このように燃料電池１の暖機運転に並行して暖機対象通路の暖機を行うと、燃料電池１の暖機完了前に、あるいは燃料電池１の暖機完了から余り時間が経過しないうちに、暖機対象通路を０゜Ｃ以上に昇温することができるので、燃料電池１から排出されるカソードオフガス中に水分が含まれていても、その水分が排出ガス流路３５、サイレンサ１９、排気管３７内で凍結するのを防止することができ、凍結する前に前記水分を排気管３７を介して車外に排出することができる。

図２は、燃料電池１の低温環境下での始動時に前述のように電気ヒータ４５およびポンプ４７を運転制御した場合の実験データである。排気管温度が０゜Ｃに達するまで、熱媒体による排気ガス通路の暖機を実施しているが、このときは電気ヒータ４５を運転しているので、その分だけ燃料電池１の発電電流が、排気ガス通路の暖機完了後の発電電流よりも大きくなっている。また、排気温度が０゜Ｃに達してから排気管温度が０゜Ｃ以上になるまでの時間が極めて短い。したがって、排気管内での水の凍結が生じ難くい。

図３は、比較例であり、熱媒体による排気ガス通路の暖機を行わなかった場合の実験データである。この場合には、電気ヒータ４５は運転されないので、燃料電池１の発電電流は一定である。また、排気温度が０゜Ｃに達してから排気管温度が０゜Ｃ以上になるまでの時間が極めて長い。したがって、その間に、排気ガス中に含まれる水分が排気管内で凍結し易い。

このように、この燃料電池自動車によれば、低温環境下での始動時に、排気ガス通路を迅速に暖機することができるので、排気ガス通路での水の凍結を確実に防止することができ、燃料電池自動車の低温始動性が向上する。また、電気ヒータ４５で暖機対象通路を直接加熱するわけではないので、暖機対象通路が長くなっても、電気ヒータ４５が電気的に短絡する虞がない。

また、温度センサ５３で検出された熱媒体の温度（排気ガス通路の温度）に基づいて暖機対象通路の暖機に必要な熱量を算出し、これから熱媒体の加熱に必要な電気ヒータ４５の電力を算出して、電気ヒータ４５への通電量を制御しているので、電気ヒータ４５で消費される電力を適切に制御しつつ、暖機対象通路を迅速に暖機することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、熱媒体で加熱する暖機対象通路を、排出ガス流路３５とサイレンサ１９と排気管３７の一部としたが、これに限るものではなく、排気ガス通路の全体を暖機対象通路として熱媒体で加熱することができるようにしてもよいし、あるいは、排気ガス温度がより低くなる傾向にあるサイレンサ１９よりも下流側の排気管だけを暖機対象通路することもできる。要するに、排気ガス通路のうち、少なくとも排気ガス中の水分が凍結し易い部分を暖機することができれば、この発明の目的は達成される。

また、前述した実施例では、熱媒体が循環する循環通路を新たに設置した例で説明したが、燃料電池１の冷却システムや車内空調システムを部分的に利用することも可能である。燃料電池１の冷却システムを利用する場合には、電気ヒータによって冷却液を加熱できるようにする。また、空調システムを利用する場合には、熱媒体は空気となる。

また、温度検出手段を排気ガス通路に設置して、排気ガス通路の温度を直接に検出するようにしてもよい。

この発明に係る燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの構成図である。 実施例において熱媒体による排気ガス通路の暖機を行った場合の実験データである。 排気ガス通路の暖機を行わない場合の実験データである。

符号の説明

１ 燃料電池
１９ サイレンサ（排気ガス通路）
３５ 排出ガス流路（排気ガス通路）
３７ 排気管（排気ガス通路）
４５ 電気ヒータ
５１ 循環通路
５３ 温度センサ（温度検出手段）
６０ 制御装置

Claims (2)

1. 車両に搭載した燃料電池で発電した電気で駆動モータを駆動し走行する燃料電池自動車であって、
   前記燃料電池から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、
   前記排気ガス通路に熱伝達可能に設けられ熱媒体が循環する循環通路と、
   前記燃料電池で発電した電気を消費し前記熱媒体を加熱する電気ヒータと、
   前記電気ヒータへの通電を制御する制御装置と、
   を備え、前記電気ヒータで加熱した熱媒体により前記排気ガス通路を暖機可能としたことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 前記排気ガス通路の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御装置は温度検出手段により検出された温度に応じて前記電気ヒータへの通電量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。

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