JP6935750B2

JP6935750B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP6935750B2
Application number: JP2018003934A
Authority: JP
Inventors: 宏平小田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP2019126127A

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

燃料電池（燃料電池スタック）の発電によって生成された生成水の車両外部への排出を抑制することが好ましい地点である排水抑制地点が設定されている地図データを用いて、燃料電池車両の現在位置が排水抑制地点に含まれるとき、生成水の排出を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１１８８８６号公報

しかしながら、生成水が溜まっている状態で燃料電池車両が排水抑制地点に到着した後しばらく停止する場合、生成水の排出が制限されるため、生成水が燃料電池スタックに過度に滞留してしまい、燃料電池スタックに劣化が生じる恐れがあるという問題があった。

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、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにおける発電により生成される生成水を前記燃料電池車両の外部に排出するための排水流路と、前記排水流路に設けられ、開度を調節可能な排水弁と、前記燃料電池車両の現在位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部によって検出された前記現在位置が前記生成水の排出を制限すべき予め定められた排水制限地点と一致する場合に前記排水弁の開度を減少させ、又は前記排水弁を閉じる制御部と、を備える。前記制御部は、予め設定された前記燃料電池車両の目的地が前記排水制限地点と一致する場合、前記位置検出部によって検出された前記現在位置から前記目的地までの距離が、予め定められた排水距離以下になると、前記排水弁の開度を増大させる。
この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池車両の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下になると、排水弁の開度が増大されるので、燃料電池車両が目的地に到着して停止している間に生成水の排出が制限されても、生成水が燃料電池スタック内に過度に滞留してしまうことを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両の排水方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池車両の簡略構成図。生成水の排水処理の手順を示すフローチャート。第２実施形態における生成水の排水処理の手順を示すフローチャート。空気流量と貯水タンク残水量とエアコンプレッサの消費電力の時間的変化を例示する図。空気流量とエアコンプレッサの排水用電力の効率との関係を例示する図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池車両９００の簡略構成図である。燃料電池車両９００は、位置検出部５００と、燃料電池システム８００と、を備える。

位置検出部５００は、燃料電池車両９００の現在位置を検出する、例えば航法衛星システム（Navigation Satellite System(s)：ＮＳＳ）によって構成される。位置検出部５００は、例えば、複数の衛星から信号を受信することにより、燃料電池車両９００の現在位置（例えば燃料電池車両９００の緯度及び経度）を検出する。

燃料電池システム８００は、運転者からの要求に応じて、燃料電池車両９００の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム８００は、燃料電池スタック２００と、カソードガス供給流路１００と、排水流路３００と、制御部４００と、図示しないカソードガス排出流路やアノードガス供給流路、冷却媒体循環流路等とを有する。燃料電池スタック２００は、例えばカソードガスとアノードガスを利用して発電する固体高分子形燃料電池を採用可能である。図１の例では、カソードガスは空気が採用され、アノードガスは水素が採用されている。このため、燃料電池スタック２００の発電において、生成水が生成される。

カソードガス供給流路１００は、カソードガス供給管１１０を有する。カソードガス供給管１１０は、空気を燃料電池車両９００の外部から燃料電池スタック２００に導く配管である。カソードガス供給管１１０の一端は、燃料電池スタック２００と接続しており、他端は、大気に開放されている空気の入口である。カソードガス供給管１１０には、空気の入口から空気流量計１２０と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）１３０とが設けられている。ＡＣＰ１３０には、エアコンプレッサ用モータ（ＡＣＰＭ）１４０が設けられている。ＡＣＰ１３０は、ＡＣＰＭ１４０の駆動により、燃料電池車両９００の外部から空気を取り込んで圧縮して燃料電池スタック２００に供給する。空気流量計１２０は、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量を測定する。この空気流量は、燃料電池スタック２００に供給される空気流量とほぼ同一である。なお、空気流量は、ＡＣＰ１３０の回転数、すなわちＡＣＰＭ１４０の回転数を調整することによって調整可能である。

排水流路３００は、燃料電池スタック２００における発電により生成される生成水を燃料電池車両９００の外部に排出するための流路である。排水流路３００は、排水管３１０と、排水管３１０の途中に設けられた貯水タンク３３０とを有する。貯水タンク３３０は、燃料電池スタック２００からの生成水の一部を一時的に貯留する容器である。貯水タンク３３０には、水位計３３５が設けられている。水位計３３５は、貯水タンク３３０内の残水量を測定する。なお、貯水タンク３３０は、省略されてもよい。排水管３１０の一端は、燃料電池スタック２００と接続し、他端は、燃料電池車両９００の外部に露出している。排水管３１０の他端には、排水口３５０が設けられている。排水口３５０と貯水タンク３３０との間の排水管３１０には、排水弁３４０が設けられている。排水弁３４０の開度は、０％〜１００％の間で調節可能である。排水弁３４０は、貯水タンク３３０から排水される場合には「開」となり、貯水タンク３３０から排水されない場合には「閉」となる。

制御部４００は、例えばＣＰＵとＲＡＭと不揮発性メモリとを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部４００は、ＡＣＰＭ１４０の回転数や、排水弁３４０の開度を制御する。また、制御部４００は、空気流量計１２０から空気流量を取得し、貯水タンク３３０の水位計３３５から残水量を、位置検出部５００から燃料電池車両９００の現在位置を取得する。なお、図１では、燃料電池車両９００内の各部と制御部４００との間の信号経路が破線で描かれている。

制御部４００の不揮発性メモリ（図示せず）には、予め地図情報が記憶されている。地図情報には、例えば、道路の位置情報、道路の形状情報（例えばカーブ、直線部の種別、カーブの曲率等）、交差点及び分岐点の位置情報、施設や構造物の位置情報等が含まれている。また、地図情報には、予め定められた排水制限地点の位置情報が含まれている。「排水制限地点」とは、燃料電池スタック２００における発電により生成される生成水の排出を制限すべき地点のことをいう。排水制限地点は、例えば、自宅の位置が採用される。なお、制御部４００は、利用者等によって予め設定された燃料電池車両９００の目的地の位置情報を地図情報に書き込むことが可能である。なお、制御部４００は、地図情報を記憶する代わりに、地図情報が記憶された他の構成から地図情報を取得してもよい。

ここで、燃料電池車両９００の走行中に燃料電池スタック２００で生成された生成水の一部は、まず、貯水タンク３３０に貯留される。制御部４００は、生成水を燃料電池車両９００の外部に排出させる場合には、排水弁３４０を開くとともに、ＡＣＰＭ１４０の回転数を上げて、ＡＣＰ１３０のエアブローにより、貯水タンク３３０内の生成水を排水口３５０を介して燃料電池車両９００の外部に排出させる。なお、排水弁３４０を貯水タンク３３０の重力下方に設けることにより、エアブローを行うことなく、重力により生成水を燃料電池車両９００の外部に排出できる。一方、制御部４００は、生成水の排出を制限する場合には、排水弁３４０の開度を減少させ、又は、排水弁３４０を閉じる。

制御部４００は、位置検出部５００によって検出された燃料電池車両９００の現在位置を地図情報に照らし、燃料電池車両９００の現在位置が排水制限地点と一致する場合には、排水弁３４０の開度を減少させ、又は、排水弁３４０を閉じる。また、制御部４００は、予め設定された燃料電池車両９００の目的地が排水制限地点と一致する場合には、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が予め定められた排水距離以下になると、排水弁３４０の開度を増大させる。「排水距離」とは、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの区間のうち、燃料電池車両９００から生成水の排出が制限されない区間である。すなわち、燃料電池車両９００は、目的地を円心で排水距離を半径とする円形の範囲内に入ると、排水制限地点以外の任意の位置で、生成水が制限されずに排出される。「開度を増大させる」とは、排水弁３４０が開いている場合には、排水弁３４０の開度を現在の開度よりも大きな開度に増大させること、排水弁３４０が閉じている場合には、排水弁３４０の開度を０％から０％よりも大きな開度に増大させることを意味する。燃料電池車両９００は、目的地に到着すると停止する可能性が大きい。こうすれば、燃料電池車両９００が目的地に到着して停止している間に生成水の排出が制限されても、制御部４００が前もって生成水を積極的に燃料電池車両９００の外部に排出させるので、生成水が燃料電池スタック２００内に過度に滞留してしまうことを抑制できる。なお、排水距離は、例えば、燃料電池車両９００が目的地までのルート中に生成水を制限されずに排出できる機会が１回以上存在する距離を採用してもよい。また、排水距離は、生成水が制限されずに排出される毎に変化してもよい。こうすれば、複数回同一地点での生成水の排出を抑制できる。なお、排水距離は、利用者の目的地までのルート履歴を用いて設定されてもよい。

図２は、燃料電池スタック２００（図１）からの生成水の排水処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０において、制御部４００は、位置検出部５００によって検出された燃料電池車両９００の現在位置を取得する。ステップＳ１２０において、制御部４００は、予め設定された燃料電池車両９００の目的地が排水制限地点と一致するか否かを判定する。制御部４００は、燃料電池車両９００の目的地が排水制限地点と一致すると判定した場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０において、制御部４００は、ステップＳ１１０で取得した燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下であるか否かを判定する。制御部４００は、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下であると判定した場合（ステップＳ１３０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４０に移行する。ステップＳ１４０において、制御部４００は、排水弁３４０の開度を増大させる。制御部４００は、ステップＳ１４０を実行した後、生成水の排水処理を終了する。

ステップＳ１２０において、制御部４００は、燃料電池車両９００の目的地が排水制限地点と一致しないと判定した場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）には、排水弁３４０の開度を変更せず、生成水の排水処理を終了する。ステップＳ１３０において、制御部４００は、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１３０、Ｎｏ）には、排水弁３４０の開度を変更せず、生成水の排水処理を終了する。なお、図２に示す生成水の排水処理は、燃料電池車両９００の走行中に繰り返して実行される。また、生成水の排水処理は、燃料電池車両９００の停止中に実行されてもよい。

以上説明したように、第１実施形態では、制御部４００は、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下になると、排水弁３４０の開度を増大させ、燃料電池スタック２００からの生成水を積極的に燃料電池車両９００の外部に排出させるので、燃料電池車両９００が目的地に到着して停止している間に生成水の排出が制限されても、生成水が燃料電池スタック２００内に過度に滞留してしまうことを抑制できる。こうすれば、燃料電池スタック２００に劣化が生じることを抑制できる。

・第２実施形態：
図３は、第２実施形態における生成水の排水処理の手順を示すフローチャートであり、図２に対応するフローチャートである。図３のフローチャートは、図２のフローチャートのステップＳ１３０とステップＳ１４０の間にステップＳ１３１〜ステップＳ１３５を加えたフローチャートである。

ステップＳ１３１において、制御部４００は、貯水タンク３３０の水位計３３５によって測定された貯水タンク３３０内の残水量を取得する。ステップＳ１３２において、制御部４００は、貯水タンク３３０内の残水量が基準残水量以上であるか否かを判定する。「基準残水量」とは、貯水タンク３３０内の水を外部に排出すべきと判定できる残水量である。制御部４００は、貯水タンク３３０内の残水量が基準残水量以上であると判定した場合（ステップＳ１３２、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３３に移行する。ステップＳ１３３において、制御部４００は、燃料電池スタック２００が発電を開始してから生成水の燃料電池車両９００の外部への排出が未実施か否かを判定する。制御部４００は、燃料電池スタック２００が発電を開始してから生成水の燃料電池車両９００の外部への排出が実施されていないと判定した場合（ステップＳ１３３、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３４に移行する。ステップＳ１３４において、制御部４００は、空気流量計１２０で測定された空気流量を取得する。ステップＳ１３５において、制御部４００は、ステップＳ１３４で取得した空気流量が基準空気流量以上であるか否かを判定する。「基準空気流量」とは、ＡＣＰ１３０が生成水排出のためにエアブローを行える空気流量である。制御部４００は、空気流量が基準空気流量以上であると判定した場合（ステップＳ１３５、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４０に移行し、排水弁３４０の開度を増大させる。

ステップＳ１３２において、制御部４００は、貯水タンク３３０内の残水量が基準残水量よりも少ないと判定した場合（ステップＳ１３２、Ｎｏ）には、排水弁３４０の開度を変更せず、生成水の排水処理を終了する。ステップＳ１３３において、制御部４００は、燃料電池スタック２００が発電を開始してから生成水の燃料電池車両９００の外部への排出が１回以上実施されたと判定した場合（ステップＳ１３３、Ｎｏ）には、排水弁３４０の開度を変更せず、生成水の排水処理を終了する。ステップＳ１３５において、制御部４００は、空気流量が基準空気流量よりも小さいと判定した場合（ステップＳ１３５、Ｎｏ）には、排水弁３４０の開度を変更せず、生成水の排水処理を終了する。

図４は、燃料電池車両９００が走行を開始して目的地に到着するまでの間、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量と、貯水タンク３３０内の残水量と、ＡＣＰ１３０の消費電力の時間的変化を例示する図である。なお、目的地は排水制限地点と一致する。

グラフＱｘは、燃料電池車両９００の走行過程において燃料電池スタック２００の発電に利用される空気の流量を示すグラフであり、燃料電池スタック２００からの生成水の燃料電池車両９００の外部への排出を全く行わない場合のＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量を示すグラフである。生成水を排出させる時には、ＡＣＰ１３０のエアブローのために、空気流量がＱ０分増加される。グラフＱｄは、空気流量がＱ１の時に生成水を排出させる場合のＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量のグラフである。グラフＣＱｄは、空気流量が０の時に生成水を排出させる場合のＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量のグラフであり、比較例である。グラフＲｗは、空気流量がＱ１の時に生成水を排出させる場合の貯水タンク３３０内の残水量のグラフである。グラフＣＲｗは、空気流量が０の時に生成水を排出させる場合の貯水タンク３３０内の残水量のグラフであり、比較例である。グラフＥｐは、空気流量がＱ１の時に生成水を排出させる場合のＡＣＰ１３０の消費電力のグラフである。グラフＣＥｐは、空気流量が０の時に生成水を排出させる場合のＡＣＰ１３０の消費電力のグラフであり、比較例である。なお、空気流量Ｑ１は、基準空気流量（図３）と等しく、残水量Ｒ１は、基準残水量（図３）と等しい。また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの時間は、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの時間と等しい。

まず、空気流量がＱ１の時に生成水を排出させる場合（実線のグラフ）を説明する。この場合は、図３に示す生成水の排水処理の手順に従う。図４の例では、燃料電池スタック２００は、時刻Ｔ０から発電を開始し、燃料電池車両９００は、時刻Ｔ０から目的地に向かって走行を開始する。時刻Ｔ１になると、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下となる。時刻Ｔ２になると、ＡＣＰ１３０に取り込まれた空気流量が基準空気流量Ｑ１以上となり、貯水タンク３３０内の残水量が基準残水量Ｒ１以上となる。加えて、燃料電池スタック２００が発電を開始してから生成水の排出が未実施である。従って、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間では、制御部４００は、生成水を排出させるために、排水弁３４０を開くとともに、ＡＣＰ１３０の回転数を上げ、空気流量をＱ０分増加させる。これに応じて、貯水タンク３３０内の残水量が減少する。時刻Ｔ６になると、燃料電池車両９００は目的地に到着し、燃料電池スタック２００は発電を停止する。目的地が排水制限地点と一致するので、制御部４００は、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間まで、排水弁３４０の開度を減少させつつ、ＡＣＰ１３０に微量なエアブローを実行させ、貯水タンク３３０内の残水を排出させる。

次に、空気流量が０の時に生成水を排出させる場合（破線のグラフ）を説明する。時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの間では、制御部４００は、生成水を排出させるために、排水弁３４０を開くとともに、ＡＣＰ１３０の回転数を上げ、空気流量をＱ０分増加させる。これに応じて、貯水タンク３３０内の残水量が減少する。

ここで、ＡＣＰ１３０の消費電力は、空気流量が０の時に生成水を排出させる場合よりも、空気流量がＱ１の時に生成水を排出させる場合のほうがΔＥを節約できる。すなわち、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量が基準空気流量Ｑ１以上の時に生成水の排出を行うと、消費電力を節約できる。

図５は、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量と、ＡＣＰ１３０における生成水排出に利用される電力の効率との関係を例示する図である。図４に示す時刻Ｔ２〜Ｔ３でのＡＣＰ１３０の空気流量Ｑ２〜Ｑ３に対応する効率はη２〜η３であり、図４に示す時刻Ｔ４〜Ｔ５でのＡＣＰ１３０の空気流量Ｑ０に対応する効率はη０である。図５から分かるように、効率はη２，η３はいずれもη０より大きいので、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量が基準空気流量Ｑ１以上の時に生成水の排出を行うと、電力効率を高めることができ、消費電力を節約できる。

以上説明したように、第２実施形態においても、制御部４００は、燃料電池車両９００の現在位置から目的地までの距離が排水距離以下になると、排水弁３４０の開度を増大させ、燃料電池スタック２００からの生成水を積極的に燃料電池車両９００の外部に排出させるので、燃料電池車両９００が目的地に到着して停止している間に生成水の排出が制限されても、生成水が燃料電池スタック２００内に過度に滞留してしまうことを抑制できる。加えて、制御部４００は、ＡＣＰ１３０に取り込まれる空気の流量が基準空気流量Ｑ１以上の時に生成水の排出を行うので、消費電力を節約できる。

本発明は、上述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。

１００…カソードガス供給流路
１１０…カソードガス供給管
１２０…空気流量計
１３０…エアコンプレッサ（ＡＣＰ）
１４０…エアコンプレッサ用モータ（ＡＣＰＭ）
２００…燃料電池スタック
３００…排水流路
３１０…排水管
３３０…貯水タンク
３３５…水位計
３４０…排水弁
３５０…排水口
４００…制御部
５００…位置検出部
８００…燃料電池システム
９００…燃料電池車両

Claims

燃料電池車両であって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける発電により生成される生成水を前記燃料電池車両の外部に排出するための排水流路と、
前記排水流路に設けられ、開度を調節可能な排水弁と、
前記燃料電池車両の現在位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出された前記現在位置が前記生成水の排出を制限すべき予め定められた排水制限地点と一致する場合に前記排水弁の開度を減少させ、又は前記排水弁を閉じる制御部と、
を備え、
前記制御部は、予め設定された前記燃料電池車両の目的地が前記排水制限地点と一致する場合、前記位置検出部によって検出された前記現在位置から前記目的地までの距離が、予め定められた排水距離以下になると、前記排水弁の開度を増大させる、
燃料電池車両。