JP2019114485A - 燃料電池システム、移動体及び排ガス排出制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、移動体及び排ガス排出制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】排ガスによる霧の発生を目立ちにくくする。【解決手段】燃料電池システムは、エアコンプレッサと、エアコンプレッサから空気が供給される燃料電池と、燃料電池からの排ガスを排出する排ガス流路と、エアコンプレッサと排ガス流路とを連通するバイパス流路と、バイパス流路への空気の供給量を調節するバイパス流路調整弁と、外気温センサと、速度センサと、燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、制御部は、外気温が外気温判定閾値以下であり、かつ移動体の速度が判定速度以下である場合に、エアコンプレッサの駆動量とバイパス流路調整弁の開閉とを制御してバイパス流路に流す工アであるバイパス工アの流量を増大する霧抑制処理を実施し、霧抑制処理において、バイパスエアの流量は、外気温判定閾値以下の第1温度における流量より、第1温度より低い第2温度における流量の方が大きい。【選択図】図3

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した移動体及び排ガス排出制御方法に関する。
燃料電池システムは、燃料ガス(水素)と空気中の酸素とを反応させて発電するため、水が生成する。この水は、液体の水あるいは、気体の水蒸気として、排気管から大気(外気)に排出される。外気温が低い場合には、この水蒸気が大気により冷やされて結露し、細かい凝集体となって霧が生じる。特許文献1には、乾燥剤(シリカ)によって吸着し、あるいは、走行風によって冷却して結露・凝集させるなどして、排ガス中の水蒸気を減少させた後、排出することで、霧の発生を抑制することが記載されている。
特開2008−328774号公報
しかし、特許文献1の方法では、別途、乾燥剤が必要であり、場合によってはその交換も必要となる。また、走行風による凝集は、車両の停止中は十分に機能しない。したがって、車両が停車している場合、あるいは低速で走行している場合において、排ガスから生じる霧を目立ちにくくすることが求められていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、エアコンプレッサと、前記エアコンプレッサから空気が供給される燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスを排出する排ガス流路と、前記エアコンプレッサと前記排ガス流路とを連通するバイパス流路と、前記バイパス流路への空気の供給量を調節するバイパス流路調整弁と、外気温を取得する外気温センサと、前記移動体の速度を取得する速度センサと、前記燃料電池の運転を含む燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記外気温が外気温判定閾値以下であり、かつ前記移動体の速度が判定速度以下である場合に、前記エアコンプレッサの駆動量と前記バイパス流路調整弁の開閉とを制御して前記バイパス流路に流すバイパス工アの流量を増大する霧抑制処理を実施し、前記霧抑制処理において、前記増大したバイパスエアの流量は、前記外気温判定閾値以下の第1温度における流量より、前記第1温度より低い第2温度における流量の方が大きい。
この形態によれば、外気温が外気温判定閾値以下であり、かつ、速度センサで取得された速度が判定速度以下の場合、エアコンプレッサにより温度の高くなった空気を、バイパス流路を経由させて排ガス流路に流すことで、燃料電池から排出される排ガスの相対湿度を下げて大気に排出するので、排ガスが大気と接触して温度が下がっても、露点温度までは下がりにくくできる。その結果、排ガスから生じる霧を目立ちにくくできる。また、霧は、外気温が低いほど発生し易いので、外気温判定閾値以下の第1温度における流量より、第1温度より低い第2温度における流量の方が大きいと、排ガスから霧を生じにくくし、仮に霧が生じても目立ちにくくできる。
(2)上記形態において、さらに、前記燃料電池から排出される排ガスの温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、さらに、前記外気温が前記外気温判定閾値以下であり、かつ前記移動体の速度が前記判定速度以下である場合に加えて、前記排ガスの温度が排ガス温度判定閾値以上のときに、前記霧抑制処理を実施してもよい。排ガスに飽和水蒸気量の水蒸気が含まれるとすると、温度が高いほど絶対湿度が高く、大気に接触したときに霧が発生しやすい。この形態によれば、さらに霧が発生しやすい排ガスの温度が判定温度以上のときに、霧抑制処理を実施するので、排ガスから霧を生じにくくし、かりに霧が生じても目立ちにくくできる。
(3)上記形態において、前記燃料電池から排出される冷媒の温度を測定する温度センサを備え、前記温度取得部は、前記燃料電池から排出される冷媒の温度を用いて前記排ガスの温度を取得してもよい。この形態によれば、排ガスの温度を測定する温度センサが不要となる。
(4)上記形態において、前記制御部は、前記外気温を用いて、飽和水蒸気量の水蒸気を含む排ガスが排出されたときに霧を発生させる最低の温度である霧発生温度を取得し、前記霧発生温度における飽和水蒸気量と、前記排ガスの温度における飽和水蒸気量と、の比を用いて前記バイパスエアの目標流量を取得し、前記霧抑制処理を実施してもよい。この形態によれば、排ガスから生じる霧を目立ちにくくするための制御を精密に実施できる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムを搭載した移動体、燃料電池システムあるいは燃料電池車両から生じる霧の抑制方法等の種々の形態で実現することができる。
燃料電池搭載車両の構成を模式的に示す説明図である。 燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 制御部が実行する霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。 外気温Taとバイパスエアの流量比の関係を示すマップの一例である。 制御部が実行する第2実施形態における霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。 外気温Taと冷媒の温度Tclとバイパスエアの流量比の関係を示すマップの一例である。 制御部が実行する第3実施形態における霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。 外気温Taと霧発生温度Tmstの関係を示すグラフの一例である。 飽和水蒸気曲線を示すグラフである。
・第1実施形態:
図1は、燃料電池搭載車両10の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池搭載車両10は、燃料電池システム11と、制御部110と、スタートスイッチ120と、二次電池130と、電力分配コントローラ140と、駆動モータ150と、ドライブシャフト160と、動力分配ギア170と、速度センサ175と、車輪180と、を備える。燃料電池システム11は、燃料電池100と、排ガス流路410と、サイレンサー470とを備える。燃料電池システム11の詳しい説明については、後述する。
燃料電池100は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置である。制御部110は、燃料電池100と二次電池130の動作を制御する。スタートスイッチ120は、燃料電池搭載車両10の起動、停止を切り替えるメインスイッチである。二次電池130は、燃料電池搭載車両10の起動直後など、燃料電池100の発電力が小さい場合に、燃料電池搭載車両10を動かすための電力源として用いられる。二次電池130として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池を採用することが可能である。二次電池130への充電は、例えば、燃料電池100から出力される電力を用いて直接充電することや、燃料電池搭載車両10が減速するときに燃料電池搭載車両10の運動エネルギーを駆動モータ150によって回生して充電すること、により行うことが可能である。電力分配コントローラ140は、制御部110からの命令を受けて、燃料電池100から駆動モータ150への引き出す電力量と、二次電池130から駆動モータ150へ引き出す電力量を制御する。また、電力分配コントローラ140は、燃料電池搭載車両10の減速時には、制御部110からの命令を受けて、駆動モータ150によって回生された電力を二次電池130に送る。駆動モータ150は、燃料電池搭載車両10を動かすための電動機として機能する。また、駆動モータ150は、燃料電池搭載車両10が減速するときには、燃料電池搭載車両10の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機として機能する。ドライブシャフト160は、駆動モータ150が発する駆動力を動力分配ギア170に伝達するための回転軸である。動力分配ギア170は、左右の車輪180へ駆動力を分配する。動力分配ギア170には、速度センサ175が設けられている。速度センサ175は、ドライブシャフト160あるいは車輪180に設けられていても良い。
図2は、燃料電池システム11の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム11は、燃料電池100と、燃料ガス供給回路200と、エア供給回路300と、排ガス回路400と、冷却回路500と、を備える。
燃料ガス供給回路200は、燃料ガスタンク210と、燃料ガス供給流路220と、燃料ガス排気流路230と、燃料ガス還流流路240と、メインバルブ250と、レギュレーター260と、インジェクタ270と、気液分離器280と、還流ポンプ290と、を備える。燃料ガスタンク210は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。
燃料ガスタンク210と、燃料電池100とは、燃料ガス供給流路220で接続されている。燃料ガス供給流路220上には、燃料ガスタンク210側から、メインバルブ250と、レギュレーター260と、インジェクタ270が設けられている。メインバルブ250は、燃料ガスタンク210からの燃料ガスの供給をオン・オフする。レギュレーター260は、燃料ガスの圧力を所定の圧力に減圧してインジェクタ270に供給する。インジェクタ270は、燃料ガスの圧力と量とを調整して燃料電池100を噴射する噴射装置である。本実施形態では、3つのインジェクタ270が並列に配置されている。なお、インジェクタ270の数は3に限定されず、1つのインジェクタあるいは2以上の複数のインジェクタを備える構成であってもよい。本実施形態のように複数のインジェクタ270を備えると、燃料電池100に要求される発電量に応じて燃料電池100に噴射される燃料ガスの量を調整し易くできる。
燃料ガス排気流路230は、燃料電池100からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス還流流路240は、燃料ガス排気流路230と、燃料ガス供給流路220に接続されている。燃料ガス排気流路230と燃料ガス還流流路240との間には、気液分離器280が設けられている。燃料排ガスには、反応で消費されなかった燃料ガス及び燃料電池100を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器280は、燃料排ガス中の水と、ガス(燃料ガスと燃料電池100を通って移動してきた窒素などの不純物)とを分離する。燃料ガス還流流路240には、還流ポンプ290が設けられている。気液分離器280で分離された、消費されなかった燃料ガスを含むガスは、還流ポンプ290によって燃料ガス供給流路220に戻され、再利用される。なお、気液分離器280で分離された水については、後述する。
エア供給回路300は、エアクリーナ310と、エア供給流路320と、エアコンプレッサ330と、インタクーラ340と、スタック入口バルブ350と、大気圧センサ375と、外気温センサ380と、エアフローメータ385と、供給ガス温度センサ390と、供給ガス圧力センサ395と、を備える。本実施形態の燃料電池100は、酸化剤ガスとして、空気を用いる。なお、酸化剤として機能するのは、空気中の酸素である。
エアクリーナ310は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアクリーナ310と、燃料電池100とは、エア供給流路320で接続されている。エア供給流路320上には、エアクリーナ310側から、エアコンプレッサ330、インタクーラ340、スタック入口バルブ350、がこの順で設けられている。エアコンプレッサ330は、空気を圧縮し、エア供給流路320を通して空気を燃料電池100に送る。一般に気体は、圧縮されると、温度が上昇する。これは、気体を圧縮するときには、気体の圧力に対抗して圧縮するため、気体に仕事が加えられるからである。インタクーラ340は、エアコンプレッサ330によって圧縮されて温度が上昇した空気の温度を燃料電池100の温度とほぼ同じになるように熱交換を行う。すなわち、インタクーラ340には、燃料電池100から排出された冷媒が分流されて供給されており、この冷媒の温度は、燃料電池100の温度とほぼ等しくなっている。したがって、圧縮された空気の温度は、燃料電池100の温度とほぼ等しくなる。なお、燃料電池100から排出される排ガスの温度も、燃料電池100の温度とほぼ等しい。スタック入口バルブ350は、空気の燃料電池100への供給をオン・オフするためのバルブである。大気圧センサ375は、大気圧を測定する。外気温センサ380は、取り込む前の空気の温度を取得する。エアフローメータ385は、取り込んだ空気の流量を測定する。供給ガス温度センサ390は、燃料電池100に供給される空気の温度を測定し、供給ガス圧力センサ395は、燃料電池100に供給される空気の圧力を測定する。
排ガス回路400は、排ガス流路410と、調圧バルブ420と、燃料ガス排出流路430と、排気排水バルブ440と、酸化剤ガスバイパス流路450(以下、「バイパス流路450」と略す。)と、サイレンサー470とを備える。排ガス流路410は、燃料電池100の酸化剤排ガスを排出する。排ガス流路410には、調圧バルブ420が設けられている。調圧バルブ420は、燃料電池100中の空気の圧力を調整する。燃料ガス排出流路430は、気液分離器280と、排ガス流路410とを接続している。燃料ガス排出流路430上には、排気排水バルブ440が設けられている。バイパス流路450は、エア供給流路320と、排ガス流路410とを連通している。バイパス流路450には、バイパス流路調整弁455が設けられている。バイパス流路450は、燃料電池100を経由せずに空気を排ガス流路410にバイパスさせるための流路である。バイパス流路調整弁455は、その開閉や、弁の開度を調整することにより、バイパス流路450に流す空気であるバイパスエアの流量を調節する。
制御部110(図1)は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなる、あるいは、気液分離器280中の水の量が多くなったときには、排気排水バルブ440を開けて、燃料ガス排出流路430から水とガスを排気させる。排気されるガスは、窒素などの不純物と燃料ガスとを含む。本実施形態では、燃料ガス排出流路430は、排ガス流路410に接続されており、排出されるガス中の燃料ガスは、酸化剤排ガスによって、希釈される。なお、制御部110は、バイパス流路調整弁455を開けることで、バイパス流路450から空気を供給し、さらに排出されるガス中の燃料ガスを希釈しても良い。サイレンサー470は、排ガス流路410の下流部に設けられており、排気音を減少させる。
冷却回路500は、冷媒供給流路510と、冷媒排出流路515と、ラジエータ流路520と、ウォーターポンプ525と、ラジエータ530と、冷媒バイパス流路540と、三方バルブ545と、を備える。冷媒供給流路510は、燃料電池100に冷媒を供給するための流路であり、冷媒供給流路510にはウォーターポンプ525が配置されている。冷媒排出流路515は、燃料電池100から冷媒を排出するための流路である。冷媒排出流路515には、温度センサ550が設けられており、燃料電池100から排出される冷媒の温度を測定する。温度センサ550で測定される温度は、燃料電池100の内部の温度とほぼ等しく、燃料電池100から排出される排ガスの温度とも、ほぼ等しい。冷媒排出流路515の下流部は、三方バルブ545を介して、ラジエータ流路520と、冷媒バイパス流路540と、に接続されている。ラジエータ流路520には、ラジエータ530が設けられている。ラジエータ530には、ラジエータファン535が設けられている。ラジエータファン535は、ラジエータ530に風を送り、ラジエータ530からの放熱を促進する。ラジエータ流路520の下流部と、冷媒バイパス流路540の下流部とは、冷媒供給流路510に接続されている。冷媒供給流路510と、冷媒排出流路515とは、インタクーラ340に接続されている。
図3は、制御部110が実行する霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。図3に示した処理は、燃料電池搭載車両10の運転中に繰り返し実行される。ステップS10では、制御部110は、外気温センサ380から、外気温Taを取得する。ステップS15では、制御部110は、外気温Taが、外気温判定閾値Tjd以下か否かを判断する。外気温判定閾値Tjdの値は、例えば−5℃から+10℃の間から選択された値であり、例えば、5℃である。外気温Taが、外気温判定閾値Tjd以下でない場合(ステップS15、NO)、すなわち外気温判定閾値Tjdを越えている場合、この処理を終了する。この場合、外気温Taが高いため、大気の飽和水蒸気量が大きく、また、温度変化に対する飽和水蒸気量の変化も大きい。そのため、燃料電池搭載車両10から飽和水蒸気量の水蒸気を含む排ガスが排出されても、大気の絶対湿度が大きくない場合には、大気の飽和水蒸気量が大きいため、大気と混ざったガスの水蒸気量は、飽和水蒸気量を越えにくく、霧が発生しにくい。また、温度変化に対する飽和水蒸気量の変化も大きいので、仮に大気の絶対湿度が大きい場合であっても、排ガスによって大気の温度が少し上昇すれば、大気の飽和水蒸気量は、大きくなり、霧が発生しにくく、仮に霧が発生しても霧が目立ち難くなる。従って霧の発生を抑制あるいは、霧を目立たなくするための制御を実行する必要がないからである。一方、外気温Taが、外気温判定閾値Tjd以下であれば(ステップS15、YES)、ステップS20に移行する。
ステップS20では、制御部110は、速度センサ175から、燃料電池搭載車両10の速度vを取得する。ステップS25では、制御部110は、速度vが、判定速度vjd以下か否かを判断する。判定速度vjdの値は、例えば、0km/hから10km/hの間から選択された値であり、例えば0km/hである。速度vが、判定速度vjdを越えていれば(ステップS25、NO)、この処理を終了する。この場合、燃料電池搭載車両10が走行しながら水蒸気を拡散するので、霧が発生しにくく、仮に霧が発生しても、霧が目立たない。そのため霧の発生を抑制あるいは、霧を目立たなくするための制御を実行する必要がないからである。一方、速度vが判定速度vjd以下の場合には(ステップS25、YES)、ステップS50に移行する。
ステップS50では、制御部110は、燃料電池搭載車両10の消費電力量から燃料電池100の発電量を算出し、燃料電池100の発電に必要な空気の流量を算出する。ステップS70では、制御部110は、外気温Taに基づいて、排ガスが大気と接触しても霧が生じないためのバイパスエアの目標流量を取得する。例えば、制御部110は、外気温Taと、必要なバイパスエアの流量との関係をマップとして持っており、外気温Taから対応するバイパスエアの目標流量を取得する。
図4は、外気温Taとバイパスエアの流量比の関係を示すマップの一例である。図4の横軸は、外気温Taであり、縦軸は、バイパスエアの流量比である。バイパスエアの流量比は、燃料電池100の発電に必要な空気の流量に対するバイパスエアの流量の比(倍率、以下「倍率」と呼ぶ。)である。この倍率は、外気温判定閾値Tjd以下の第1温度における流量より、第1温度より低い第2温度における流量の方が大きくなる倍率である。すなわち、外気温Taが低くなれば、バイパスエアの流量が多くなる。しかし、外気温Taが低くなり過ぎた場合、例えば外気温Tb以下の場合には、大気の飽和水蒸気量は、外気温Tc(Tc>Tb)の時とほとんど変わらない。したがって、例えば外気温がTc以下の場合には、バイパスエアの流量は、外気温がより低くなっても、外気温がTcの時のバイパスエアの流量とほとんど変わらなくなるようにしている。このため、外気温がTc以下における制御を簡略化できる。また、外気温Tbにおけるエアコンプレッサ330の駆動量を多くしないでもよいので、霧抑制処理に必要なエネルギーを低減できる。なお、もとより低温ほどバイパスエアの流量比を大きくしても良い。
図3のステップS80では、制御部110は、燃料電池100に流す空気の流量とバイパスエアの流量から、エアコンプレッサ330の駆動量と、スタック入口バルブ350とバイパス流路調整弁455の開度を制御する。例えば、排ガスを燃料電池100の発電に必要な空気の流量のk倍(kは1より大きな数)に希釈する場合、制御部110は、エアコンプレッサ330の駆動量を、燃料電池100の発電に必要な空気の流量のk倍に増大させる駆動量とし、スタック入口バルブ350とバイパス流路調整弁455の開度を調整して、(k−1)倍の空気をバイパス流路450に流すように制御する。
外気温判定閾値Tjdを0℃とすると、温度が外気温判定閾値Tjd以下の空気は、飽和水蒸気量の水蒸気を含んでいても、水蒸気の量は、僅かである。エアコンプレッサ330によって空気を圧縮すると、空気の温度は上昇する。圧縮された空気は、インタクーラ340によって熱交換されて、燃料電池100から排出される冷媒の温度とほぼ等しくなる。一方、燃料電池100から排出される排ガスは、温度が燃料電池100から排出される冷媒の温度とほぼ等しい。ここで、排ガスの相対湿度を、ほぼ100%と仮定する。この場合、同量のバイパスエアを混合させれば、混合ガスの相対湿度は、ほぼ50%に下がり、2倍の量のバイパスエアを混合させれば、混合ガスの相対湿度は、ほぼ33%に下がる。排ガスは、バイパスエアと混合されることによって、温度を維持したまま、相対湿度だけ下げられる。この相対湿度が下げられた混合ガスが、排ガスとして、外気温Taの大気に排出される。混合ガスが大気と接触し、大気によって温度が下げられて、その温度における飽和水蒸気量が下げられる。しかし、飽和水蒸気量が下げられても、排ガスの相対湿度は100%を越えにくい。その結果、霧の発生を抑制し、あるいは、霧を目立たなくできる。
以上説明したように、第1実施形態によれば、排ガスは、バイパスガスによって温度が高い状態を維持したまま相対湿度が下げられ、その後、大気に放出される。排ガスは、大気によって温度が下げられる結果、排ガスの相対湿度が上昇するが、バイパスガスによって相対湿度が下げられているので、大気によって温度が下げられても、相対湿度が100%を越えにくくなっている。その結果、霧の発生を抑制し、あるいは、霧が生じてもその霧を目立たなくできる。また、相対湿度が下げられた排ガスが排出され大気と混合すると、排ガスと混合した一部の領域において大気の温度が高くなり、この領域において大気の飽和水蒸気量も増える。この効果によっても相対湿度が100%を越え難くなり、霧の発生を抑制し、あるいは、霧を目立たなくできる。
また、第1実施形態では、制御部110は、バイパスエアの流量について、外気温判定閾値Tjd以下の第1温度における流量より、第1温度より低い第2温度における流量の方が大きくなるように、バイパスエアの流量を制御している。そのため、霧が生じやすい外気温Taが低いほどバイパスエアの流量が多くされて大気に放出される排ガス中の相対湿度が下げられ、また流量が多くより広範囲に排ガスが拡散され薄くなることで、霧をより目立ち難く出来る。
バイパスエアの流量を、燃料電池100の発電に必要な空気の流量の(k−1)倍とすれば、無駄なバイパスエアの流量を増やさないので、霧の発生を目立ち難くしつつエアコンプレッサ330の駆動を少なくして省エネルギーを実現できる。なお、バイパスエアの流量を、燃料電池100の発電に必要な空気の流量の(k−1)倍より多くしても良い。こうすればより霧の発生を目立ち難くできる。
第1実施形態では、通常の燃料電池システム11に備えられることが多い構成要素であるエアコンプレッサ330、バイパス流路450、バイパス流路調整弁455を使用するだけで霧の発生を抑制できる。このため、排ガスを排出前に冷却して結露させて水分を除去する付加的な構成を備える必要が無い。
制御部110は、外気温Taと、必要なバイパスエアの流量との関係をマップとして持っていると説明したが、制御部110は、外気温Taと、必要なバイパスエアの流量との関係のマップについて、速度に応じた複数のマップを有していてもよい。速度が早いほど、走行風により水蒸気が拡散されるため、必要なバイパスエアの流量は少なくて済む。
上記第1実施形態においては、ステップS15における外気温判定閾値Tjdとして、5℃を選んでいるが、例えば、カソード排ガス中の水分を用いて燃料電池100に供給されるカソードガスを加湿する場合には、車外に排出されるカソード排ガス中の水分の量が少なくなるため、外気温がより低くならないと、霧が発生しない。従って、カソード排ガス中の水分を用いて燃料電池100に供給されるカソードガスを加湿する場合には、外気温判定閾値Tjdを、5℃よりも低い温度、例えば、−10℃〜−30℃の中から採用しても良い。
上記第1実施形態において、外気温Taが、外気温判定閾値Tjdを越えている場合、あるいは、速度vが、判定速度vjdを越えている場合に、処理を終了すると説明したが、霧を抑制するための処理を実行しない、に過ぎない。Ta>Tjdの場合であっても、バイパス流路450に空気を流してもよい。例えば、アノード排ガスを排気するときに、水素を希釈するために、バイパス流路450に空気を流してもよい。
・第2実施形態:
第1実施形態では、制御部110は、外気温Taが低い時の方が、高い時よりもバイパス流路に流すバイパスエアの流量が多く、あるいは、ほぼ同等、すなわち、外気温Taが低い第1の温度におけるバイパスエアの流量が、外気温Taが第1の温度よりも高い第2の温度におけるバイパスエアの流量以上となるように、バイパスエアの流量を制御している。第2実施形態では、制御部110は、燃料電池100から排出される冷媒の温度から排ガスの温度を取得し、排ガスの温度と外気温とを用いて、バイパス流路450に流すバイパスエアの流量を取得する。
図5は、制御部110が実行する第2実施形態における霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。図5に示した処理は、図3に示した処理と同様に燃料電池搭載車両10の運転中に繰り返し実行される。ステップS110、S115、S120、S125は、それぞれ、図3のステップS10、S15、S20、S25に対応している。ステップS25において、速度vが判定速度vjd以下の場合には、ステップS130に移行し、越える場合には、処理を終了する。
ステップS130では、制御部110は、温度センサ550を用いて燃料電池100から排出される冷媒の温度Tclを取得する。この冷媒の温度は、燃料電池100から排出される排ガスの温度とほぼ等しい。また、インタクーラ340によって熱交換され、バイパスエアの温度は、冷媒の温度と等しくなる。なお、冷媒の温度の代わりに、燃料電池100の温度を取得しても良く、排ガスの温度を取得しても良い。
ステップS135では、制御部110は、冷媒の温度Tclが排ガス温度判定閾値Tjd2以上か否かを判断する。上述したように、冷媒の温度Tclは、燃料電池100から排出される排ガスの温度とほぼ等しいので、排ガスの温度で判断する代わりに冷媒の温度Tclで判断できる。そのため、冷媒の温度Tclの判断基準として、便宜上排ガス温度判定閾値Tjd2の名称を使用している。なお、冷媒の温度Tclが排ガス温度判定閾値Tjd2未満の場合には、排ガスの飽和水蒸気量が少なく、絶対湿度が小さいため、大気に放出されても、霧が発生しにくいため、バイパスエアの流量を増加させる制御を行わずに処理を終了する。一方、冷媒の温度Tclが排ガス温度判定閾値Tjd2以上の場合には、制御部110は、ステップS150に移行して発電に必要な空気の供給量を算出する。ステップS150は、図3のステップS50と同じである。
ステップS170では、制御部110は、外気温Taと、冷媒の温度Tclとから、排ガスから霧が生じないためのバイパスエアの目標流量を取得する。例えば、制御部110は、外気温Taと、冷媒の温度Tclと、必要なバイパスエアの流量との関係をマップとして持っており、外気温Taから対応するバイパスエア目標流量を取得する。
図6は、外気温Taと冷媒の温度Tclとバイパスエアの流量比の関係を示すマップの一例である。図6の横軸は、外気温Taであり、縦軸は、バイパスエアの流量比である。図6では、4つの冷媒の温度T1〜T4(T1>T2>T3>T4)における外気温Taとバイパスエアの流量比の関係を示している。バイパスエアの流量比は、図4に示したのと同様に、外気温が低い時の方が、高い時よりもバイパス流路に流すバイパスエアの流量が少なくないような倍率となっている。また、冷媒の温度Tclが高いほどバイパスエアの流量比が高くなるようになっている。冷媒の温度Tclが高いほど、排ガスの温度が高く、排ガスに含まれる水蒸気の量が多い、すなわち絶対湿度が高い。そのため、冷媒の温度Tclが高いほど、よりバイパスエアで排ガスを希釈して、相対湿度を下げることにより霧を発生しにくくできる。
図5のステップS180では、図3のステップS80と同様に、制御部110は、燃料電池100に流す空気の流量とバイパスエアの流量から、エアコンプレッサ330の駆動量と、スタック入口バルブ350とバイパス流路調整弁455の開度を制御する。
以上説明したように、第2実施形態においても、排ガスは、バイパスガスにより温度が高い状態を維持したまま相対湿度が下げられ、その後、大気に放出される。排ガスは、大気によって温度が下げられる結果、排ガスの相対湿度が上昇するが、バイパスガスによって温度が高い状態を維持したまま相対湿度が下げられているので、温度が下げられても、相対湿度が100%を越え難くなっており、霧の発生を抑制できる。
第2実施形態では、冷媒の温度Tcl、すなわち、排ガスの温度が低い場合には、バイパス流路450に流す空気をゼロにし(ステップS135でTcl<Tjd2)あるいは、図6に示す様にバイパスエアの流量を少なくする。したがって、排ガスの温度に応じてエアコンプレッサ330の駆動量を少なくできるので、冷媒の温度Tclが低い場合に、省エネルギーを図ることができる。
第2実施形態では、排ガスの温度を取得する温度取得部として、燃料電池100から排出された冷媒の温度を取得する温度センサ550を用いている。排ガスの温度は、燃料電池100から排出された冷媒の温度とほぼ等しいため、温度センサ550を用いることで、排ガスの温度を測定する温度センサを備えなくても良い。
第2実施形態のように外気温Taと冷媒の温度Tclとバイパスエアの流量比の関係を示すマップを用いると、演算処理を簡便にできるため、高速な処理が可能となる。
第2実施形態において、冷媒の温度Tclが、例えばT1とT2との間の温度Txの場合には、温度T1におけるバイパスエアの流量と、温度T2におけるバイパスエアの流量とを用いる補間処理によってバイパスエアの流量を求めても良い。
なお、第1実施形態と、第2実施形態は、以下の関係を有する。第1実施形態は、第2実施形態において、冷媒の温度Tclを一定とみなして、ステップS130、S135を実行せずに霧の発生を抑制する、あるいは目立ちにくくする実施形態とみなすことができる。例えば、燃料電池搭載車両10が起動されてからしばらく経過すると、燃料電池100の温度がほぼ一定となり、冷媒の温度Tclや排ガスの温度も、燃料電池100の温度とほぼ同じになる。そのため、バイパスエアの流量を決定するのに、外気温Taと燃料電池搭載車両10の速度vのみを考慮すればよい。すなわち、制御部110は、第2実施形態の制御フローチャートを実施開始後、冷媒の温度Tclが切り換え温度を超えた後、第1実施形態の制御フローチャートに制御を切り換えても良い。第1実施形態の制御フローチャートに制御を切り換えた後は、バイパスエアの流量を決めるのに、外気温Taと燃料電池搭載車両10の速度vのみを考慮すればよいので、制御を簡単にできる。なお、制御部110は、第2実施形態の制御フローチャートを実施開始後、一定時間経過した後に、第1実施形態の制御フローチャートに制御を切り換えても良い。
・第3実施形態:
第3実施形態では、制御部110は、燃料電池100から排出される冷媒の温度から排ガスの温度を取得し、排ガスの温度に対応する霧発生温度を取得し、霧発生温度における飽和水蒸気量と排ガスの温度における飽和水蒸気量との比を用いてバイパス流路450に流すバイパスエアの流量を取得する。そのため、霧の発生の抑制をより精密に制御する。排ガスの温度は、排ガス流路410の温度センサを設けて該温度センサが直接取得しても良い。また、排ガス温度と冷媒の温度がほぼ等しいことを利用して、制御部110は、冷媒の温度を排ガスの温度とみなして利用しても良い。
図7は、制御部110が実行する第3実施形態における霧の発生を抑制するための制御フローチャートである。図7に示した処理は、燃料電池搭載車両10の運転中に繰り返し実行される。ステップS110、S115、S120、S125、S130の制御は、図5で説明した第2実施形態における制御フローチャートのステップS110、S115、S120、S125、S130における制御と同じであるので、説明を省略する。
ステップS140では、制御部110は、外気温Taから霧発生温度Tmstを取得する。霧発生温度Tmstは、外気温ごとの霧の発生が問題となる最低の排気温度である。すなわち、霧発生温度Tmstよりも高い温度の、飽和水蒸気量の水蒸気を含む排ガスが大気に排出されたとすると、霧が発生すると判断される温度である。したがって、外気温Taが低い方が、霧発生温度Tmstも低い。外気温Taと霧発生温度Tmstとの関係は、実験等により測定、取得されており、例えばマップの形で制御部110に格納されている。
図8は、外気温Taと霧発生温度Tmstの関係を示すグラフの一例である。グラフよりも上の領域で霧が発生する。霧発生温度Tmstは、外気温がTa低いほど低くなっている。これは、温度が低いほど飽和水蒸気量が少ないため、外気温Taが低いほど放出される排ガスの絶対湿度が低くならないと、霧が発生するからである。なお、外気温がTd以下の場合、飽和水蒸気量がほとんど変わらないため、霧発生温度Tmstもほぼ一定となっている。また、排ガスの温度が霧発生温度Tmst以下の場合、絶対湿度が低く、霧が生じ難いが、仮に霧が生じても、僅かで有り、霧は、目立ち難い。
ステップS145では、制御部110は、冷媒の温度Tclが霧発生温度Tmst以上か否かを判断する。冷媒の温度Tclと排ガスの温度はほぼ同じであるので、冷媒の温度Tclが霧発生温度Tmst未満であれば、排ガスの飽和水蒸気量が少なく、絶対湿度が小さいため、大気に放出されても、霧が発生しにくいため、バイパスエアの流量を増加させる制御を行わずに処理を終了する。一方、冷媒の温度Tclが霧発生温度Tmst以上の場合には、制御部110は、ステップS150に移行して発電に必要な空気の供給量を算出する。ステップS150は、図3のステップS50と同じである。
ステップS160では、制御部110は、排ガスを排出しても霧が目立たない排ガスの相対湿度を算出する。先ず、制御部110は、霧発生温度Tmstにおける飽和水蒸気量Wmstを算出する。また、制御部110は、冷媒の温度Tclにおける飽和水蒸気量Wtclを算出する。図9は、飽和水蒸気曲線を示すグラフである。制御部110は、霧発生温度Tmstにおける飽和水蒸気量Wmstや、温度Tclにおける飽和水蒸気量Wtclを算出するのに図9に示す飽和水蒸気曲線を用いてもよく、テテンスの式等の近似式を用いて算出しても良い。
次いで、制御部110は、RH1=(Wmst/Wtcl)×100を算出する。排ガスの温度を霧発生温度Tmstと仮定したときの飽和水蒸気量Wmstと、温度Tcl、相対湿度RH1の排ガス中の絶対湿度は等しい。温度Tclの排ガスを相対湿度RH1未満に希釈すれば、排ガスが大気に排出されても、霧が生じず、仮に霧が生じても目立たない。このように、制御部110は、霧発生温度Tmstにおける飽和水蒸気量Wmstと、冷媒の温度Tclにおける飽和水蒸気量Wtclとから、霧が目立たない排ガスの相対湿度RH1を算出する。
ステップS175では、制御部110は、排ガスから霧が生じないためのバイパスエアの目標流量を取得する。制御部110は、飽和水蒸気量Wtclを飽和水蒸気量Wmstで割り、倍数kを算出する。すなわち、排ガスをk倍に希釈すれば、排ガスの相対湿度は、RH1=(Wmst/Wtcl)×100=(100/k)%に下がる。すなわち、排ガスをk倍に希釈すれば、水蒸気量は、水蒸気が飽和している霧発生温度Tmst以下の排ガスを排出することと同じことになる。排ガスをk倍に希釈するには、エアコンプレッサ330の駆動量を、燃料電池100の発電に必要な空気の流量のk倍に増大させる駆動量とし、バイパス流路調整弁455の開度を調整して、(k−1)倍の空気をバイパス流路450に流すようにすればいい。このようにして、制御部110は、バイパスエアの目標流量を取得する。
ステップS180では、制御部110は、ステップS80と同様に、燃料電池100に流す空気の流量とバイパス流路450に流すバイパスエアの流量から、エアコンプレッサ330の駆動量と、スタック入口バルブ350とバイパス流路調整弁455の開度を制御する。
以上、第3実施形態によれば、制御部110は、冷媒の温度Tclから排ガスの温度を取得し、外気温Taに対応する霧発生温度Tmstを取得し、霧発生温度Tmstにおける飽和水蒸気量Wmstと、排ガスの温度Tclにおける飽和水蒸気量Wtclと、を用いてバイパス流路450に流すバイパスエアの流量を取得する。その結果、エアコンプレッサ330の駆動量を精密に制御できる。その結果、エアコンプレッサ330を無駄に駆動することがなく、燃費を向上できる。
第3実施形態では、バイパスエアの流量を取得するのに、飽和水蒸気曲線あるいは、温度と飽和水蒸気量との関係を示す近似式を用いている。第3実施形態のように、飽和水蒸気曲線あるいは、温度と飽和水蒸気量との関係を示す近似式を用いれば、飽和水蒸気曲線や近似式のパラメータを格納するためのメモリ容量を少なくできる。
・他の実施形態
制御部110は、第2実施形態において、ステップS150、S170、S180の代わりに、図3のステップS50、S70、S80を実行しても良い。制御部110は、冷媒の温度Tclが高く霧が発生しやすいときに、第1実施形態の霧の発生を抑制し、あるいは目立ちにくくする制御を実行できる。ステップS50において用いられるマップは、図4に示すマップと同じものが使用でき、マップを格納するためのメモリ容量を少なくできる。
上記各実施形態では、制御部110は、霧抑制処理を実施するときの排ガスの量を燃料電池100の発電に必要な量のk倍(k−1倍)として倍率で制御しているが、排ガスの絶対量を制御しても良い。
上記各実施形態では、霧抑制処理を実施するときの排ガスの量を求めているが、制御部110は、外気温Ta及び排ガスの温度(冷媒の温度Tcl)と、エアコンプレッサ330の回転数との関係を格納するマップを予め格納しておき、外気温Ta及び排ガスの温度(冷媒の温度Tcl)から、エアコンプレッサ330の回転数を求めても良い。制御部110は、制御部110は、外気温Ta及び排ガスの温度(冷媒の温度Tcl)と、バイパス流路調整弁455の開度との関係を格納するマップを予め格納しておき、外気温Ta及び排ガスの温度(冷媒の温度Tcl)から、バイパス流路調整弁455の開度を求めても良い。
上記実施形態において、排ガスを希釈する場合に、燃料電池100に空気を供給するためのエアコンプレッサ330の駆動量を上げて空気をバイパス流路450に流しているが、バイパス流路450に流すためのエアコンプレッサを別に設け、そのコンプレッサの駆動量を変える構成であってもよい。燃料電池100に供給するエアコンプレッサ330の駆動量を変えないので、燃料電池100に供給される空気の流量を一定にしたまま、排ガスの相対湿度を下げることができる。
上記形態では、インタクーラ340を設けてエアコンプレッサ330によって圧縮された空気と、燃料電池100から排出される排ガスの温度をほぼ等しくしているが、インタクーラ340は省略可能である。エアコンプレッサ330によって圧縮された空気は、圧縮により加熱されて温度が上昇しているため、バイパスエアの相対湿度を下げることができ、同様の効果を奏するからである。
上記実施形態において、燃料電池搭載車両10を例にあげて説明したが、燃料電池搭載車両10以外の移動体、例えば燃料電池を搭載した乗用車の他、バスやトラック、また、デュアルモードビークルや、電車にも適用可能である。
本発明は、上述の実施形態や他の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池搭載車両
11…燃料電池システム
100…燃料電池
110…制御部
120…スタートスイッチ
130…二次電池
140…電力分配コントローラ
150…駆動モータ
160…ドライブシャフト
170…動力分配ギア
175…速度センサ
180…車輪
200…燃料ガス供給回路
210…燃料ガスタンク
220…燃料ガス供給流路
230…燃料ガス排気流路
240…燃料ガス還流流路
250…メインバルブ
260…レギュレーター
270…インジェクタ
280…気液分離器
290…還流ポンプ
300…エア供給回路
310…エアクリーナ
320…エア供給流路
330…エアコンプレッサ
340…インタクーラ
350…スタック入口バルブ
375…大気圧センサ
380…外気温センサ
385…エアフローメータ
390…供給ガス温度センサ
395…供給ガス圧力センサ
400…排ガス回路
410…排ガス流路
420…調圧バルブ
430…燃料ガス排出流路
440…排気排水バルブ
450…酸化剤ガスバイパス流路(バイパス流路)
455…バイパス流路調整弁
470…サイレンサー
500…冷却回路
510…冷媒供給流路
515…冷媒排出流路
520…ラジエータ流路
525…ウォーターポンプ
530…ラジエータ
535…ラジエータファン
540…冷媒バイパス流路
545…三方バルブ
550…温度センサ
特開2008−269983号公報

Claims (9)

  1. 移動体に搭載された燃料電池システムであって、
    エアコンプレッサと、
    前記エアコンプレッサから空気が供給される燃料電池と、
    前記燃料電池からの排ガスを排出する排ガス流路と、
    前記エアコンプレッサと前記排ガス流路とを連通するバイパス流路と、
    前記バイパス流路への空気の供給量を調節するバイパス流路調整弁と、
    外気温を取得する外気温センサと、
    前記移動体の速度を取得する速度センサと、
    前記燃料電池の運転を含む燃料電池システムの制御を行う制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記外気温が外気温判定閾値以下であり、かつ前記移動体の速度が判定速度以下である場合に、前記エアコンプレッサの駆動量と前記バイパス流路調整弁の開閉とを制御して前記バイパス流路に流すバイパス工アの流量を増大する霧抑制処理を実施し、前記霧抑制処理において、前記増大したバイパスエアの流量は、前記外気温判定閾値以下の第1温度における流量より、前記第1温度より低い第2温度における流量の方が大きい、
    燃料電池システム。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池から排出される排ガスの温度を取得する温度取得部を備え、
    前記制御部は、さらに、前記外気温が前記外気温判定閾値以下であり、かつ前記移動体の速度が前記判定速度以下である場合に加えて、前記排ガスの温度が排ガス温度判定閾値以上のときに、前記霧抑制処理を実施する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池から排出される冷媒の温度を測定する温度センサを備え、
    前記温度取得部は、前記燃料電池から排出される冷媒の温度を用いて前記排ガスの温度を取得する、燃料電池システム。
  4. 請求項2または3に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記外気温を用いて、飽和水蒸気量の水蒸気を含む排ガスが排出されたときに霧を発生させる最低の温度である霧発生温度を取得し、
    前記霧発生温度における飽和水蒸気量と、前記排ガスの温度における飽和水蒸気量と、の比を用いて前記バイパスエアの目標流量を取得し、前記霧抑制処理を実施する、燃料電池システム。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した移動体。
  6. 燃料電池システムを搭載した移動体から排出される排ガスから生じる霧を目立ち難くする排ガス排出制御方法であって、
    外気温を取得し、
    移動体の速度を取得し、
    空気を燃料電池に供給し、
    前記外気温が外気温判定閾値以下であり、かつ、前記移動体の速度が判定速度以下の場合に、空気を前記燃料電池ではなくてバイパス流路に流すバイパスエアの流量について、前記外気温判定閾値以下の第1温度における流量より、前記第1温度より低い第2温度における流量の方が大きくなるように前記バイパスエアの流量を制御する霧抑制処理を実施し、
    前記バイパスエアと前記燃料電池から排出される排ガスとを混合して排出する、
    排ガス排出制御方法。
  7. 請求項6に記載の排ガス排出制御方法であって、
    前記燃料電池から排出される排ガスの温度を取得し、
    さらに、前記外気温が前記外気温判定閾値以下であり、かつ前記移動体の速度が前記判定速度以下である場合に加えて、前記排ガスの温度が排ガス温度判定閾値以上のときに、前記霧抑制処理を実施する、排ガス排出制御方法。
  8. 請求項7に記載の排ガス排出制御方法であって、
    前記燃料電池から排出される冷媒の温度を測定する温度センサで測定された温度を用いて前記排ガスの温度を取得する、排ガス排出制御方法。
  9. 請求項7または8に記載の排ガス排出制御方法であって、
    前記外気温から、飽和水蒸気量の水蒸気を含む排ガスが排出されたときに霧を発生させる最低の温度である霧発生温度を取得し、
    前記霧発生温度における飽和水蒸気量と、前記排ガスの温度における飽和水蒸気量と、の比を用いて前記バイパスエアの目標流量を取得し、前記霧抑制処理を実施する、排ガス排出制御方法。
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