JP2009183120A - Vehicle control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池駆動自動車の車輌制御システムに関する。 The present invention relates to a vehicle control system for a fuel cell drive vehicle.
一般的に、燃料電池の単位構造は膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)をセパレータで挟持した構成であり、ここに膜電極接合体は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜をカソード電極とアノード電極で挟持してなる。カソード電極には空気供給部から空気が供給され、アノード電極には燃料ガスが供給される。各電極は拡散層と反応層とを積層した構成を採る。 In general, the unit structure of a fuel cell is a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators, and the membrane electrode assembly is Nafion (registered trademark, manufactured by Dupon). An electrolyte membrane made of a solid polymer membrane such as the above is sandwiched between a cathode electrode and an anode electrode. Air is supplied to the cathode electrode from an air supply unit, and fuel gas is supplied to the anode electrode. Each electrode has a structure in which a diffusion layer and a reaction layer are laminated.
膜電極接合体では、アノード反応層における電気化学的反応により、燃料から水素イオン(H+;プロトン)と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったH3O+の形で電解質膜内をカソード反応層に向かって移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード反応層に流れる。一方、カソード反応層においては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。
本件発明に関連する文献として特許文献1を参照されたい。
Please refer to
かかる燃料電池本体は、運転環境によって、その燃料電池本体の性能が図1に示すように変化する。即ち、最適な温度・湿度環境で燃料電池本体を運転できれば、高い性能が得られて燃料消費量が削減される。
このため、温度と湿度とを精密に制御することが望ましいが、車輌に搭載される燃料電池本体では、出力変化や外気温・湿度の影響を受けるので温度及び湿度を精密に制御することは困難である。特に、高出力が続く場合、または、外気温が高い場合などは、燃料電池本体の膜電極接合体から必然的に水分が減少し、これの湿潤状態を維持して最適な運転条件に制御することが難しい。
The performance of the fuel cell main body varies depending on the operating environment as shown in FIG. That is, if the fuel cell body can be operated in an optimal temperature and humidity environment, high performance can be obtained and fuel consumption can be reduced.
For this reason, it is desirable to precisely control the temperature and humidity, but it is difficult to precisely control the temperature and humidity in the fuel cell body mounted on the vehicle because it is affected by output changes and outside air temperature and humidity. It is. In particular, when high output continues or when the outside air temperature is high, moisture is inevitably reduced from the membrane electrode assembly of the fuel cell body, and this wet state is maintained and controlled to optimum operating conditions. It is difficult.
膜電極接合体を構成する電極材料は多孔質物質からなり、水分を包含しやすいので、燃料電池本体を最適な湿度より高湿度側で動作させた場合、発電反応による生成水が蓄積される。水分の蓄積量が多くなりすぎると、触媒へのガス供給が妨げられていわゆるフラッディング現象を生じる。他方、適度に含水した膜電極接合体は、これが必然的に乾燥されていく条件で燃料電池本体が運転されても暫くの期間は高出力が得られる(図2参照)。これは、蓄積されていた水分が乾燥条件で気化し、固体高分子電解質膜を加湿するからである。
高出力が維持できる運転継続時間は膜電極接合体の含水量に依存し、含水量は電極材料の種類・体積、及び/又は電極材料の空隙率などで制御できる。
以上より、膜電極接合体が必然的に乾燥されていく条件での運転が事前に予測できる場合は、その条件での運転が開始される前にフラッディングしない程度の高湿度となるように冷却水温度や空気流量を制御し、膜電極接合体へ適度に水分を蓄積することが好ましい。これにより乾燥による燃料電池本体の性能低下を防止できる。
The electrode material constituting the membrane electrode assembly is made of a porous material and easily contains moisture. Therefore, when the fuel cell body is operated at a higher humidity than the optimum humidity, water generated by the power generation reaction is accumulated. If the accumulated amount of moisture is too large, the gas supply to the catalyst is hindered and a so-called flooding phenomenon occurs. On the other hand, the membrane / electrode assembly containing water appropriately can obtain a high output for a while even if the fuel cell body is operated under the condition that the membrane / electrode assembly is inevitably dried (see FIG. 2). This is because the accumulated moisture is vaporized under dry conditions and humidifies the solid polymer electrolyte membrane.
The operation continuation time during which high output can be maintained depends on the water content of the membrane electrode assembly, and the water content can be controlled by the type / volume of the electrode material and / or the porosity of the electrode material.
From the above, if the operation under the condition that the membrane electrode assembly is inevitably dried can be predicted in advance, the cooling water is set so that the humidity is high enough to prevent flooding before the operation under that condition is started. It is preferable that moisture is appropriately accumulated in the membrane electrode assembly by controlling the temperature and the air flow rate. Thereby, it is possible to prevent the performance of the fuel cell body from being deteriorated due to drying.
他方、車輌に搭載されるナビゲーション装置では目的地までのルートが設定される。設定されたルートにおいて膜電極接合体が必然的に乾燥されていく条件で燃料電池本体が運転される領域を予想することができる。例えば、高速道路や登坂道路などでは燃料電池本体に高い負荷がかかり、その温度が高くなって膜電極接合体が乾燥する。即ち、発電反応により生成される水の量より蒸発する水の量が多くなる。同様に、外気温が高温であると、カソード電極に送られる空気の温度が高くなり膜電極接合体が乾燥する。
従って、ナビゲーション装置で特定された目的地までのルート上において膜電極接合体が必然的に乾燥されていく条件で燃料電池本体が運転される領域(乾燥運転領域)を抽出し、車輌が当該乾燥運転領域より手前の所定の位置に到達したとき、燃料電池本体を強制的に蓄水運転モードで運転する。ここに蓄水運転モードでは膜電極接合体に生成水が強制的に蓄積する。例えば、カソード電極へ送られる空気の量を減少することにより膜電極接合体から蒸発する水分量を抑制し、当該蒸発水分量を発電反応により生成される水の量より少なくすることにより、膜電極接合体に水分を蓄積することができる。
その他、冷却水の供給を調整して燃料電池本体の温度を低く設定し、膜電極接合体から蒸発する水分量を抑制すること、また、カソード電極及び/又はアノード電極へ送るガスを加湿すること(水を液体の状態で供給することも含む)により、膜電極接合体の含水量を増大させることもできる。
On the other hand, a route to a destination is set in a navigation device mounted on a vehicle. The region where the fuel cell main body is operated under the condition that the membrane electrode assembly is inevitably dried in the set route can be predicted. For example, on a highway or an uphill road, a high load is applied to the fuel cell body, and the temperature rises and the membrane electrode assembly is dried. That is, the amount of water that evaporates is larger than the amount of water generated by the power generation reaction. Similarly, when the outside air temperature is high, the temperature of the air sent to the cathode electrode becomes high and the membrane electrode assembly is dried.
Therefore, an area (dry operation area) where the fuel cell body is operated under the condition that the membrane electrode assembly is inevitably dried on the route to the destination specified by the navigation device is extracted, and the vehicle is dried. When reaching a predetermined position before the operation region, the fuel cell main body is forcibly operated in the water storage operation mode. Here, in the water storage operation mode, the generated water is forcibly accumulated in the membrane electrode assembly. For example, by reducing the amount of air sent to the cathode electrode, the amount of water evaporated from the membrane electrode assembly is suppressed, and by reducing the amount of evaporated water from the amount of water generated by the power generation reaction, the membrane electrode Water can be accumulated in the joined body.
In addition, the temperature of the fuel cell main body is set low by adjusting the cooling water supply, the amount of water evaporated from the membrane electrode assembly is suppressed, and the gas sent to the cathode electrode and / or the anode electrode is humidified. By including (including supplying water in a liquid state), the water content of the membrane electrode assembly can be increased.
以上より、この発明の第1の局面は次のように規定される。即ち、
燃料電池装置及びナビゲーション装置、前記ナビゲーション装置の信号に応じて前記燃料電池装置の動作を制御する制御装置を備えた車輌制御システムであって、
前記燃料電池装置は
膜電極接合体、セパレータ、燃料ガス供給部及び空気供給部を備える燃料電池本体と、
前記膜電極接合体に生成水を強制的に蓄積する蓄水運転モード、前記膜電極接合体を強制的に乾燥する乾燥運転モード、若しくは前記燃料電池本体の負荷に応じて予め定められた条件で運転する通常運転モードで前記燃料電池本体を運転する運転モード制御部と、を備え、
前記ナビゲーション装置は目的地までのルートを保存して該ルートにおける自動車の現在位置を特定し、及び
前記制御装置は前記ナビゲーション装置の保存するルート上における乾燥運転領域を抽出し、車輌が該乾燥運転領域より手前の所定の位置に到達したとき、前記燃料電池本体を強制的に蓄水運転モードで運転させる、
ことを特徴とする車輌制御システム。
From the above, the first aspect of the present invention is defined as follows. That is,
A fuel cell device and a navigation device, a vehicle control system comprising a control device for controlling the operation of the fuel cell device according to a signal of the navigation device,
The fuel cell device includes a membrane electrode assembly, a separator, a fuel gas supply unit, and a fuel cell main body including an air supply unit,
A water storage operation mode for forcibly storing generated water in the membrane electrode assembly, a drying operation mode for forcibly drying the membrane electrode assembly, or a condition determined in advance according to the load of the fuel cell body An operation mode control unit for operating the fuel cell main body in a normal operation mode for driving,
The navigation device stores a route to the destination and identifies the current position of the vehicle on the route, and the control device extracts a dry operation region on the route stored by the navigation device, and the vehicle performs the dry operation. When the fuel cell main body is forcibly operated in the water storage operation mode when reaching a predetermined position before the region,
A vehicle control system characterized by the above.
このように規定される第1の局面の発明によれば、膜電極接合体が必然的に乾燥されていく領域(乾燥運転領域)乾燥運転領域の前で、燃料電池本体が強制的に蓄水運転モードで運転される。これにより、乾燥運転領域に車輌が到達する前に膜電極接合体には十分な水分が蓄積されることとなり、乾燥運転領域において膜電極接合体から水分が減少しはじめても十分な出力を維持できる。
燃料電池装置を強制的に蓄水運転モードとするタイミングは、車輌が乾燥運転領域の手前の所定の位置に到達したときとする。ここに、所定の位置とは膜電極接合体の空孔容積等に応じて任意に設定できるものであるが、例えば乾燥運転領域の開始点から5〜10km手前とすることができる。
当該開始点から乾燥運転領域に到達するまでの領域(強制蓄水運転モード領域)において燃料電池本体は蓄水運転モードで運転されて、その膜電極接合体に水分が蓄積される。
According to the first aspect of the invention thus defined, the fuel cell main body is forced to store water in front of the region where the membrane electrode assembly is inevitably dried (dry operation region) and the dry operation region. It is operated in the operation mode. As a result, sufficient moisture is accumulated in the membrane electrode assembly before the vehicle reaches the dry operation region, and sufficient output can be maintained even if moisture begins to decrease from the membrane electrode assembly in the dry operation region. .
The timing when the fuel cell device is forced to enter the water storage operation mode is when the vehicle reaches a predetermined position before the dry operation region. Here, the predetermined position can be arbitrarily set according to the pore volume or the like of the membrane electrode assembly, and can be, for example, 5 to 10 km before the starting point of the drying operation region.
In the region from the start point to the dry operation region (forced water storage operation mode region), the fuel cell body is operated in the water storage operation mode, and moisture is accumulated in the membrane electrode assembly.
ナビゲーション装置が保存するルート上の各道路の道路データと予め定めておいた条件とを比較することにより、ルート上において乾燥運転領域を抽出することができる。例えば、高速道路や自動車専用道路を乾燥運転領域とする。高速道路等を通行するとき、燃料電池本体に高い出力が要求されて膜電極接合体が昇温するので、膜電極接合体から蒸発する水分量が生成水量を上回る。同様に登坂道も乾燥運転領域となる。例えば登り勾配が5度以上の登坂道路を乾燥運転領域とする。
なお、乾燥運転領域が短距離(例えば1km以内)であれば、予め燃料電池装置を蓄水運転モードに強制的に切り替える必要は無い。かかる短距離間に膜電極接合体がドライアップして燃料電池装置の出力が低下することは殆ど無いからである。
By comparing the road data of each road on the route stored by the navigation device with a predetermined condition, a dry operation region can be extracted on the route. For example, a highway or an automobile exclusive road is set as a dry operation area. When traveling on an expressway or the like, a high output is required of the fuel cell body and the temperature of the membrane electrode assembly rises, so that the amount of water evaporated from the membrane electrode assembly exceeds the amount of generated water. Similarly, the uphill road is also a dry operation area. For example, an uphill road with a climb gradient of 5 degrees or more is set as a dry operation region.
If the dry operation region is a short distance (for example, within 1 km), there is no need to forcibly switch the fuel cell device to the water storage operation mode in advance. This is because the membrane electrode assembly hardly dries up during such a short distance and the output of the fuel cell device hardly decreases.
更には、ナビゲーション装置がインターネット等を介して外部情報提供サーバにアクセスできる場合、ルートの所定の地点(例えば道路を特定するノード)における車輌到達時の外気温度を予測することができる。ルート上の各地点においてその温度変化を予め外部情報提供サーバから取得し、温度変化率から車輌到達時の温度を予測することができる。
外部情報提供サーバは気象台その他の情報ソースから取得したデータに基づき全ての道路における温度履歴を保存するものとする。
燃料電池本体の膜電極接合体が必然的に乾燥されていく外気温度(閾値)は燃料電池本体のスペック(膜電極接合体の細孔容積、平均細孔径、カソード電極に対する風量等)に応じて任意に設定されるものである。当該外気温度の閾値は、例えば35℃とすることができる。
Furthermore, when the navigation device can access the external information providing server via the Internet or the like, it is possible to predict the outside air temperature when the vehicle arrives at a predetermined point on the route (for example, a node that specifies a road). The temperature change at each point on the route can be acquired in advance from an external information providing server, and the temperature when the vehicle reaches can be predicted from the temperature change rate.
The external information providing server stores temperature histories on all roads based on data obtained from weather stations and other information sources.
The outside temperature (threshold) at which the membrane electrode assembly of the fuel cell body is inevitably dried depends on the specifications of the fuel cell body (pore volume of the membrane electrode assembly, average pore diameter, air volume to the cathode electrode, etc.) It is set arbitrarily. The threshold value of the outside air temperature can be set to 35 ° C., for example.
上記の発明では、乾燥運転領域より手前の所定の位置において強制的に蓄水運転モードで燃料電池装置が運転されるが、道路状況の如何によっては、乾燥運転領域に到達する前に膜電極接合体が水分飽和状態になるおそれがある。膜電極接合体が水分飽和状態になると燃料電池装置の出力が低下する。
そこでこの発明の第2の局面で規定するように、燃料電池本体の出力が所定の閾値(例えば定格出力の90%)を下回ったとき蓄水運転モードの運転を終了し、通常運転モード若しくは乾燥運転モードに切り替えることが好ましい。
In the above invention, the fuel cell device is forcibly operated in the water storage operation mode at a predetermined position before the dry operation region, but depending on the road conditions, the membrane electrode bonding may be performed before reaching the dry operation region. The body may become saturated with water. When the membrane electrode assembly is saturated with water, the output of the fuel cell device decreases.
Therefore, as specified in the second aspect of the present invention, when the output of the fuel cell main body falls below a predetermined threshold (for example, 90% of the rated output), the operation of the water storage operation mode is terminated, and the normal operation mode or the dry operation is completed. It is preferable to switch to the operation mode.
この発明の他の局面は次のように規定される。即ち、
燃料電池装置及びナビゲーション装置、前記ナビゲーション装置の信号に応じて前記燃料電池の動作を制御する制御装置を備えた車輌制御システムであって、
到着時の目的地の気温を予測する気温予測装置が更に備えられ、
前記燃料電池装置は
膜電極接合体、セパレータ、燃料ガス供給部及び空気供給部を備える燃料電池本体と、
前記膜電極接合体に生成水を強制的に蓄積する蓄水運転モード、前記膜電極接合体を強制的に乾燥する乾燥運転モード、若しくは前記燃料電池本体の負荷に応じて予め定められた条件で運転する通常運転モードで前記燃料電池本体を駆動する運転モード制御部と、を備え、
前記ナビゲーション装置は目的地までのルートを保存して該ルートにおける車輌の現在位置を特定し、及び
前記制御装置は、前記気温予測装置により予測された前記目的地の予測気温が氷点以下のとき、前記車輌が前記目的地より手前の所定の位置に達すると前記燃料電池本体を強制的に乾燥運転モードで運転させる、
ことを特徴とする車輌制御システム。
Another aspect of the present invention is defined as follows. That is,
A fuel cell device and a navigation device, a vehicle control system comprising a control device for controlling the operation of the fuel cell in accordance with a signal of the navigation device,
A temperature prediction device for predicting the temperature of the destination at the time of arrival,
The fuel cell device includes a membrane electrode assembly, a separator, a fuel gas supply unit, and a fuel cell main body including an air supply unit,
A water storage operation mode for forcibly storing generated water in the membrane electrode assembly, a drying operation mode for forcibly drying the membrane electrode assembly, or a condition determined in advance according to the load of the fuel cell body An operation mode control unit for driving the fuel cell main body in a normal operation mode for driving,
The navigation device stores a route to the destination and identifies the current position of the vehicle in the route, and the control device is when the predicted temperature of the destination predicted by the temperature prediction device is below the freezing point, When the vehicle reaches a predetermined position before the destination, the fuel cell body is forcibly operated in a dry operation mode.
A vehicle control system characterized by the above.
このように規定される発明によれば、目的地に到着するときには燃料電池本体の膜電極接合体に含まれる水分が少なくなっている。燃料電池本体を停止させるとき外気温が氷点以下であると、凍結防止のために燃料電池本体に対し停止動作(スタックや配管の乾燥処理)を行うことがある。このとき、膜電極接合体の水分が予め減少されていると、当該停止動作を短時間で終了できるとともに、当該停止動作で消費される電力も節約される。
ここに、目的地より手前の所定の位置において強制的に乾燥運転モードで燃料電池本体が運転されるが、道路状況の如何によっては、目的に到達する前に膜電極接合体が過剰に乾燥されてしまうおそれがある。膜電極接合体が水分不足になると燃料電池本体の出力が低下する。
そこで、燃料電池本体の出力が所定の閾値(例えば定格出力の90%)を下回ったとき乾燥運転モードの運転を終了し、通常運転モード若しくは蓄水運転モードに切り替えることが好ましい。
According to the invention defined in this way, the moisture contained in the membrane electrode assembly of the fuel cell main body is reduced when arriving at the destination. If the outside air temperature is below the freezing point when the fuel cell main body is stopped, a stop operation (stack or pipe drying process) may be performed on the fuel cell main body to prevent freezing. At this time, if the moisture of the membrane electrode assembly is reduced in advance, the stop operation can be completed in a short time, and the power consumed by the stop operation can be saved.
Here, the fuel cell body is forcibly operated in the dry operation mode at a predetermined position before the destination, but depending on the road conditions, the membrane electrode assembly is excessively dried before reaching the destination. There is a risk that. When the membrane / electrode assembly becomes deficient in water, the output of the fuel cell main body decreases.
Therefore, it is preferable to end the operation in the dry operation mode and switch to the normal operation mode or the water storage operation mode when the output of the fuel cell body falls below a predetermined threshold (for example, 90% of the rated output).
以下、本発明を具体化した実施例を説明する。
図3は実施例の車輌制御システム1を示す。
この実施例の車輌制御システム1は燃料電池装置10、制御装置50及びナビゲーション装置70を備えてなる。
燃料電池装置10は燃料電池本体11及び運転モード制御部40を備える。
燃料電池本体11はセル部20、空気供給部31、燃料ガス供給部33及び冷却部35を備えている。
セル部20の構成を図4に模式的に示す。セル部20は膜電極接合体21を備える。固体高分子電解質膜22をカソード電極23とアノード電極24で挟持した構成である。この電解質膜22はパーフルオロカーボンスルホン酸基を具備したフッ素樹脂(例えばナフィオン(商標名))からなるプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を発揮する。カソード電極23、アノード電極24はカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある多孔質基材(拡散層)と、この拡散層の一面に形成される反応層とからなる。反応層は電解質膜22に接し、この反応層には白金等からなる触媒が担持されている。多孔質基材からなる拡散層は吸水能を有する。
Embodiments embodying the present invention will be described below.
FIG. 3 shows a
The
The
The fuel cell
The configuration of the
図4において符号26は空気流路を示し、空気供給部31(図3参照)から空気が供給される。空気流路26において空気は図面上下方向に流れる。空気供給部31は例えばファンを備えて空気を送風する。空気供給部31による空気供給量は駆動制御部37により制御される。空気供給部31には加湿装置を付加することができる。加湿装置として水を液体の状態でカソード電極23へ供給するタイプ若しくは水蒸気をカソード電極23へ供給するタイプを選択できる。
空気供給部31から供給される空気量を少なくするとカソード電極23からの水分蒸発量が低下するので、その蒸発量が発電反応に伴い生成される水の量を下回ると、膜電極接合体21には水分が蓄積される。他方、空気供給部31から供給される空気量を多くするとカソード電極23からの水分蒸発量が増大するので、その蒸発量が発電反応に伴い生成される水の量を上回ると、膜電極接合体21は乾燥される。
4, the code |
If the amount of air supplied from the
図4において符号27は燃料ガス流路を示し、燃料ガス供給部33から水素ガス等の燃料ガスが供給される。燃料ガス流路26において燃料ガスは図面垂直方向に流れ、燃料ガス供給部33へ戻される。燃料ガス供給部33は例えば循環ポンプを備えて燃料ガスを循環させる。燃料ガス供給部33による燃料ガス供給量は駆動制御部37により制御される。燃料ガス供給部33には加湿装置を付加することができる。
図4の符号28はセパレータであり、符号29は絶縁材料を示す。
In FIG. 4,
図3の符号35は冷却部を示し、セル部20との間で冷却水を循環させる。冷却部35による冷却機能を強くしてセル部20の温度を低くすると膜電極接合体21から蒸発する水分量が低下し、膜電極接合体21には水分が蓄積される。他方、冷却部35による冷却機能を弱くしてセル部20の温度を高くすると膜電極接合体21から蒸発する水分量が増大し、膜電極接合体21は乾燥する。
この冷却部35の動作は駆動制御部37により制御される。
The operation of the cooling
駆動制御部37は運転モード制御部40が指定する運転モードとなるように空気供給部31、燃料ガス供給部33、冷却部35の駆動を制御する。
セル部20の通常の運転状態において、運転モード制御部40は通常運転モードを選択している。駆動制御部37はセル部20の負荷とセル部20の温度と基づきセル部に供給されるべき空気量、燃料ガス量及び冷却能力を特定する。特定された空気量となるように空気供給部31を制御し、特定された燃料ガス量となるように燃料ガス供給部33を制御し、及び冷却能力となるように冷却部35を制御する。
この通常運転モードにおいても、セル部20に要求される負荷の大きさや外気の条件によっては、膜電極接合体21から水分が減少する状態や蓄水する状態を取りうる。
図5Aは、目的地までの予想運転環境と通常運転モードを実行したときのセル部20の温度及び運転湿度との関係を示す。ここに、運転湿度は生成水の生成量と膜電極接合体から乾燥する水分との差から演算され、当該運転湿度が最適湿度範囲にあるとき膜電極接合体の湿潤状態が良好に保たれてセル部20は高い効率で発電する。図5Aから明らかな通り、高速道路や登坂道路ではセル部20の温度が高くなり、その結果運転湿度は最適湿度範囲を下回り、膜電極接合体が乾燥される。この明細書において、このような状態を膜電極接合体が必然的に乾燥されていく状態という。
The
In the normal operation state of the
Even in this normal operation mode, depending on the magnitude of the load required for the
FIG. 5A shows the relationship between the predicted operating environment to the destination and the temperature of the
運転モード制御部40が蓄水運転モードを選択すると、膜電極接合体21の特にカソード電極23に水が蓄積されるように駆動制御部37は空気供給部31の空気供給量を低減する。この実施例では蓄水運転モードの空気供給量(風量)を通常運転モードのそれの80%とした。これにより、カソード電極23からの空気蒸発量が抑制され、生成水形成量とのバランスから、カソード電極23に水分が蓄積されていく。
空気供給量の低減割合は任意に設定可能であり、空気供給量の低減と共に、若しくはこれとは独立して冷却部35を制御してセル部20の温度を下げることによっても膜電極接合体21に水分を蓄積することができる。
When the operation
The reduction rate of the air supply amount can be arbitrarily set, and the
運転モード制御部40が乾燥運転モードを選択すると、膜電極接合体21の特にカソード電極23が乾燥されるように駆動制御部37は空気供給部31の空気供給量を増大する。この実施例では乾燥運転モードの空気供給量(風量)を通常運転モードのそれの200%とした。これにより、カソード電極23からの空気蒸発量が促進され、生成水形成量とのバランスから、カソード電極23の含水量が減少する。
空気供給量の増大割合は任意に設定可能であり、空気供給量の増大と共に、若しくはこれとは独立して冷却部35を制御してセル部20の温度を上げることによっても膜電極接合体21を乾燥させることができる。
When the operation
The rate of increase of the air supply amount can be arbitrarily set, and the
制御装置50は、図6に示すように、蓄水運転領域抽出部51、切替地点設定部53、モード切替指令部55及びセル出力モニタリング部57を備える。
ナビゲーション装置70は汎用的なプログラムに基づき目的地までのルートを特定して保存する。このナビゲーション装置70には通信インターフェースが取り付けられており、インターネット等の通信回線80を介して外部情報提供サーバ90から情報を取得することができる。外部情報提供サーバ90は気象台の発表データに基づき、ナビゲーション用地図データにおいて道路の始点と終点とを特定するノード地点における温度履歴(温度の時間変化)を保存している。
ナビゲーション装置70は各ノード地点への到達時間を予測することができる。これにより、制御装置50はルート上の各ノード地点の温度履歴を外部情報提供サーバ90から読み取り、かつナビゲーション装置70から各ノード地点までの予測到達時間を読み取り、予測到達時間における各ノード地点の温度を予測する。予測の方法は任意であるが、温度履歴にもとづき外挿法により予測することができる。
As shown in FIG. 6, the
The
The
次に、実施例の車輌制御システム1の動作について、図7〜図9のフローチャートに基づき、説明する。
ステップ1では、ナビゲーション装置70をオンとして目的地までのルートを設定する。
ステップ3では、設定されたルートにおいてセル部20の膜電極接合体21が必然的に乾燥されていく状態となる領域(乾燥運転領域)を抽出する。
Next, operation | movement of the
In
In step 3, a region (drying operation region) where the
ステップ3の動作の詳細を図8に示す。
ステップ31では制御装置50が、ナビゲーション装置70が設定したルート上の道路の道路データを取得する。道路データには道路の種類(高速道路、自動車専用道路、一般道路の別)、道路の傾斜角度が含まれている。
従ってステップ32ではルート上の全道路の種別を判断し、高速道路又は自動車専用道路が含まれていれば当該道路を乾燥運転領域と認定する(ステップ37)。ステップ33では道路の勾配を判断し、勾配が5度以上の登坂道路である場合はステップ34に進む。ステップ34では登坂道路が1km以上連続するか否かを判断し、登坂道路が1km以上連続する場合はステップ37に進んで当該道路を乾燥運転領域と認定する。
Details of the operation in step 3 are shown in FIG.
In
Therefore, in step 32, the types of all roads on the route are determined, and if an expressway or a motorway is included, the road is recognized as a dry operation region (step 37). In
ステップ35では、ルート上の各ノード地点への予測到達時間における外気温度を予測する。予測到達時間における外気温度が35℃を超える領域が1km以上続くとき(ステップ36参照)、当該領域を乾燥運転領域と認定する。
上記のステップ34及びステップ36では登坂道路若しくは高温の外気温度が1km以上連続することをもって当該領域を乾燥運転領域と認定したが、1km以上の連続がなくても、例えば5km内においてステップ34及びステップ36でYESの領域が1km以上存在すれば、当該5kmの領域を乾燥運転領域と認定することもできる。
In
In step 34 and step 36 described above, the region is recognized as a dry operation region when the uphill road or the high-temperature outside air continues for 1 km or more. However, even if there is no continuation of 1 km or more, for example, step 34 and step are performed within 5 km. If the area of YES in 36 is 1 km or more, the 5 km area can be recognized as the drying operation area.
図7に戻り、ステップ5では強制蓄水運転モード領域を設定する。
制御部50の切替地点設定部53は、ステップ3において乾燥運転領域が抽出されたら当該乾燥運転領域の始点から手前の10kmの地点をマークし、当該地点から乾燥運転領域の始点までが強制蓄水運転モード領域となる。
Returning to FIG. 7, in step 5, a forced water storage operation mode region is set.
When the drying operation area is extracted in step 3, the switching
ステップ7では車輌の現在位置が、ステップ5で設定した強制蓄水運転モード領域内にあるか否かを判断する。強制蓄水運転モード領域内に車輌が位置するとき、ステップ9へ進み、制御装置50はそのモード切替指令部55が運転モード制御装置40へモード切替指令信号を送る。車輌が強制蓄水運転モード領域内に位置しないときは、ステップ11へ進み、セル部20にかかる負荷に応じた通常運転モードを実行する。
ステップ9の動作の詳細を図9に示す。
ステップ91において、空気供給部31の出力を低下させて膜電極接合体21に水分が蓄積する状態を作り出す。例えば、図5(B)に示す(1)一般道路において高速道路の始点より10km手前の切替地点においてセル部20の運転モードを通常運転モードから蓄水運転モードに強制的に切り替える。即ち、切替地点以前(強制蓄水運転モード領域外)においてセル部20は通常運転モードで運転される。一般道では負荷が小さいので、効率を高めるため、セル部20の温度をできるだけ高くしてかつ膜電極接合体21の湿潤状態が維持される条件で運転を行う。その後強制蓄水運転モード領域に入ると、駆動部は空気供給部31、燃料ガス供給部33及び/又は冷却部35のうちのすくなくとも一つの出力を制御し、運転湿度を最適湿度範囲の上限より高くする。これにより、膜電極接合体21に水分が蓄積されることとなる。このとき、セル部20の出力は多少低くなるが、一般道を走行中の車輌には十分な出力が確保されている。
In step 7, it is determined whether or not the current position of the vehicle is within the forced water storage operation mode region set in step 5. When the vehicle is located in the forced water storage operation mode region, the process proceeds to step 9, and the
Details of the operation of
In step 91, the output of the
膜電極接合体21へ過剰に水分が蓄積されるとセル部20の出力が低下して一般道の走行にも支障をきたすおそれがある。そこでステップ92ではセル部20の出力が所定の閾値を下回ったとき、強制蓄水運転モードを解除し、セル部20を通常モードで運転する(ステップ94)。
強制蓄水運転モードを解除する指標となる閾値は任意に設定することができるが、この実施例では強制蓄水運転モード開始時のセル部20の出力を基準として、これより90%を超えて下回ったとき、強制蓄水運転モードを解除して、通常運転モードに復帰する。又は、フラッディングを確実に防止するため、乾燥運転モードとすることもできる。
If water is excessively accumulated in the
The threshold value serving as an index for canceling the forced water storage operation mode can be arbitrarily set, but in this embodiment, the output of the
車輌が乾燥運転領域(図5では高速道)に入ると、セル部20は通常運転モードで運転され(ステップ11)、その膜電極接合体21は必然的に乾燥されていく状態となる。ここに、車輌が強制蓄水運転モード領域を通過する頃には、膜電極接合体21には十分な量の水分が蓄積されているので、当該蓄積された水分を消費することにより膜電極接合体21はその最適湿潤状態が長く維持されることとなる。よって、高速道においてもセル部20の高い出力を維持できる。
When the vehicle enters the drying operation region (the highway in FIG. 5), the
他の実施例につき以下に説明する。なお、ハードの構成は上記の実施例と同一である。また、制御については図10及び図11に示すフローチャートに基づき説明する。なお、図10のフローチャートにおいて図7のフローチャートと同一のステップには同一の符号を付してその説明を省略する。 Other embodiments will be described below. The hardware configuration is the same as in the above embodiment. The control will be described based on the flowcharts shown in FIGS. In the flowchart of FIG. 10, the same steps as those in the flowchart of FIG.
図10のステップ101では到着予測時間における目的地の温度を予測する。予測の方法は、道路データのノード地点の予測と同様にして行うことができる。即ち、目的地の温度履歴を外部情報提供サーバ90から取得し、目的地の到着予測時間における温度を当該温度履歴から外挿法により予測する。
ステップ103では到着予測時間から所定時間以内、例えば24時間以内における目的地の予測温度が氷点(0℃)未満であるか否かを検証し、当該予測温度が氷点未満であった場合は、ステップ105において強制乾燥運転モード領域を設定する。即ち、制御部50の切替地点設定部53は、目的地の手前10kmの地点をマークし、当該地点から目的地までが強制乾燥運転モード領域となる。
In step 101 of FIG. 10, the temperature of the destination at the predicted arrival time is predicted. The prediction method can be performed in the same manner as the prediction of the node point of the road data. That is, the temperature history of the destination is acquired from the external
In step 103, it is verified whether or not the predicted temperature of the destination within a predetermined time from the predicted arrival time, for example, within 24 hours, is less than the freezing point (0 ° C.). In 105, a forced drying operation mode region is set. That is, the switching
ステップ107において車輌が強制乾燥運転モード領域内に位置するとき、ステップ109へ進み、制御装置50の切替指令部55が運転モード制御装置40へモード切替信号を送る。
ステップ109の動作の詳細を図11に示す。
ステップ1091において、空気供給部31の出力をアップさせて膜電極接合体21の水分が減少する状態を作り出す。例えば、図5(B)に示す目的地より10km手前の切替地点においてセル部20の運転モードを通常運転モードから乾燥運転モードに強制的に切り替える。強制乾燥運転モード領域に入ると、駆動部は空気供給部31、燃料ガス供給部33及び/又は冷却部35のうちの少なくとも一つの出力を制御し、運転湿度を最適湿度範囲の上限より低くする。これにより、膜電極接合体21の水分が減少することとなる。このとき、セル部20の出力は多少低くなるが、一般道を走行中の車輌には十分な出力が確保されている。
When the vehicle is located in the forced drying operation mode region in step 107, the process proceeds to step 109, and the switching
Details of the operation of step 109 are shown in FIG.
In step 1091, the output of the
膜電極接合体21が過剰に乾燥するとセル部20の出力が低下して一般道の走行にも支障をきたすおそれがある。そこでステップ1092ではセル部20の出力が所定の閾値を下回ったとき、強制乾燥運転モードを解除し、セル部20を通常モードで運転する(ステップ1094)。
強制乾燥運転モードを解除する指標となる閾値は任意に設定することができるが、この実施例では強制乾燥運転モード開始時のセル部20の出力を基準として、これより20%を超えて下回ったとき、強制乾燥運転モードを解除して、通常運転モードに復帰する。乾燥状態から十分な湿潤状態に素早く回復させる、蓄水運転モードとすることもできる。
If the
Although the threshold value serving as an index for canceling the forced drying operation mode can be arbitrarily set, in this embodiment, the output of the
この実施例によれば、到着時の目的地の温度が氷点未満と予測されるとき、目的地に到着する前に膜電極接合体の含水量を減らしておくことができる。これにより、運転停止時の乾燥処理を短時間で完了できる。 According to this embodiment, when the temperature of the destination at the time of arrival is predicted to be lower than the freezing point, the water content of the membrane electrode assembly can be reduced before reaching the destination. Thereby, the drying process at the time of a stop of operation can be completed in a short time.
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
1 車輌制御システム
10 燃料電池装置
11 燃料電池本体
20 セル部
21 膜電極接合体
22 固体高分子電解質膜
31 空気供給部
33 燃料ガス供給部
35 冷却部
37 駆動制御部
40 運転モード制御部
50 制御装置
51 蓄水運転領域抽出部
53 切替地点設定部
55 モード切替指令部
57 セル出力モニタリング部
70 ナビゲーション装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池装置は
膜電極接合体、セパレータ、燃料ガス供給部及び空気供給部を備える燃料電池本体と、
前記膜電極接合体に生成水を強制的に蓄積する蓄水運転モード、前記膜電極接合体を強制的に乾燥する乾燥運転モード、若しくは前記燃料電池本体の負荷に応じて予め定められた条件で運転する通常運転モードで前記燃料電池本体を運転する運転モード制御部と、を備え、
前記ナビゲーション装置は目的地までのルートを保存して該ルートにおける自動車の現在位置を特定し、及び
前記制御装置は前記ナビゲーション装置の保存するルート上における乾燥運転領域を抽出し、車輌が該乾燥運転領域より手前の所定の位置に到達したとき、前記燃料電池本体を強制的に蓄水運転モードで運転させる、
ことを特徴とする車輌制御システム。 A fuel cell device and a navigation device, a vehicle control system comprising a control device for controlling the operation of the fuel cell device according to a signal of the navigation device,
The fuel cell device includes a membrane electrode assembly, a separator, a fuel gas supply unit, and a fuel cell main body including an air supply unit,
A water storage operation mode for forcibly storing generated water in the membrane electrode assembly, a drying operation mode for forcibly drying the membrane electrode assembly, or a condition determined in advance according to the load of the fuel cell body An operation mode control unit for operating the fuel cell main body in a normal operation mode for driving,
The navigation device stores a route to the destination and identifies the current position of the vehicle on the route, and the control device extracts a dry operation region on the route stored by the navigation device, and the vehicle performs the dry operation. When the fuel cell main body is forcibly operated in the water storage operation mode when reaching a predetermined position before the region,
A vehicle control system characterized by the above.
前記制御装置は、前記気温予測装置により予測された前記目的地の予測気温が氷点以下のとき、前記車輌が前記目的地より手前の所定の位置に達すると前記燃料電池本体を強制的に乾燥運転モードで運転させる、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の車輌制御システム。 A temperature prediction device for predicting the temperature at the time of arrival at the destination is further provided,
When the predicted temperature of the destination predicted by the temperature prediction device is below the freezing point, the control device forcibly dries the fuel cell main body when the vehicle reaches a predetermined position before the destination. Drive in mode,
The vehicle control system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
到着時の目的地の気温を予測する気温予測装置が更に備えられ、
前記燃料電池装置は
膜電極接合体、セパレータ、燃料ガス供給部及び空気供給部を備える燃料電池本体と、
前記膜電極接合体に生成水を強制的に蓄積する蓄水運転モード、前記膜電極接合体を強制的に乾燥する乾燥運転モード、若しくは前記燃料電池本体の負荷に応じて予め定められた条件で運転する通常運転モードで前記燃料電池本体を駆動する運転モード制御部と、を備え、
前記ナビゲーション装置は目的地までのルートを保存して該ルートにおける車輌の現在位置を特定し、及び
前記制御装置は、前記気温予測装置により予測された前記目的地の予測気温が氷点以下のとき、前記車輌が前記目的地より手前の所定の位置に達すると前記燃料電池本体を強制的に乾燥運転モードで運転させる、
ことを特徴とする車輌制御システム。 A fuel cell device and a navigation device, a vehicle control system comprising a control device for controlling the operation of the fuel cell in accordance with a signal of the navigation device,
A temperature prediction device for predicting the temperature of the destination at the time of arrival,
The fuel cell device includes a membrane electrode assembly, a separator, a fuel gas supply unit, and a fuel cell main body including an air supply unit,
A water storage operation mode for forcibly storing generated water in the membrane electrode assembly, a drying operation mode for forcibly drying the membrane electrode assembly, or a condition determined in advance according to the load of the fuel cell body An operation mode control unit for driving the fuel cell main body in a normal operation mode for driving,
The navigation device stores a route to the destination and identifies the current position of the vehicle in the route, and the control device is when the predicted temperature of the destination predicted by the temperature prediction device is below the freezing point, When the vehicle reaches a predetermined position before the destination, the fuel cell body is forcibly operated in a dry operation mode.
A vehicle control system characterized by the above.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
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