JP7103097B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

例えば、特許文献１には、燃料電池システムの生成水を排出する方法が記載されている。この方法では、燃料電池において生成された生成水が貯留部に一旦貯留され、貯留部の水位が予め設定された水位を超えたとき、貯留部の生成水が排出される。

特開２００２－３１３４０３号公報

上述したシステムが搭載された燃料電池車両では、交通信号機が設置された交差点等のように、車両が制動や発進をする場所に生成水が排出されることがあり、外気温が低い場合には、排出された生成水がそのような場所で凍結してしまう可能性があった。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
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、アノードとカソードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスと、前記燃料電池の発電に伴って生成され、前記アノードから排出される生成水とが流れる水素排出流路と、前記水素排出流路に設けられており、前記アノードオフガスと前記生成水とを分離する第１気液分離器と、前記第１気液分離器から排出される前記生成水と、前記カソードから排出されるカソードオフガスと、前記燃料電池の発電に伴って生成され、前記カソードから排出される生成水とが流れる空気排出流路と、前記空気排出流路に設けられているマフラと、前記マフラ内に設けられており、前記カソードオフガスと前記生成水とを分離する第２気液分離器と、前記第２気液分離器によって分離された前記生成水を貯留する貯留部と、前記貯留部に前記生成水を貯留させる閉状態と、前記貯留部から前記生成水を前記燃料電池車両外に排出させる開状態とが切替わる排水弁と、前記燃料電池車両の外気温を取得する外気温取得部と、前記燃料電池車両の現在位置を表す現在位置情報と、車両が交通規則に従って停止する停止位置を表す停止位置情報とを取得する位置情報取得部と、前記排水弁の前記開状態と前記閉状態とを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記外気温取得部によって取得した前記外気温が、予め定められた温度以下であり、かつ、前記位置情報取得部によって取得した前記現在位置情報と前記停止位置情報とに基づく前記現在位置と前記停止位置との位置関係が、予め定められた近接関係にある場合には、前記排水弁を前記閉状態にする。
なお、本発明は以下の形態としても実現できる。

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、燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って生成される生成水を貯留する貯留部と、前記貯留部に前記生成水を貯留させる閉状態と、貯留された前記生成水を前記貯留部から前記燃料電池車両外に排出させる開状態とが切替わる排水弁と、前記燃料電池車両の外気温を取得する外気温取得部と、前記燃料電池車両の現在位置を表す現在位置情報と、車両が交通規則に従って停止する停止位置を表す停止位置情報とを取得する位置情報取得部と、前記排水弁の前記開状態と前記閉状態とを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記外気温取得部によって取得した前記外気温が、予め定められた温度以下であり、かつ、前記位置情報取得部によって取得した前記現在位置情報と前記停止位置情報とに基づく前記現在位置と前記停止位置との位置関係が、予め定められた近接関係にある場合には、前記排水弁を前記閉状態にする。
この形態の燃料電池車両によれば、外気温が低い場合に、停止位置において燃料電池車両から生成水が排出されることを抑制できる。そのため、燃料電池車両から排出された生成水が停止位置の路面で凍結する可能性を低減できる。
本発明は、燃料電池車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両の制御方法、燃料電池車両から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概略構成を示す説明図。 第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 第１実施形態における排水処理の内容を示すフローチャート。 第１実施形態における排水制限領域の一例を示す説明図。 第２実施形態における燃料電池車両の概略構成を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池車両１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態の燃料電池車両１０は、燃料電池１００を含む燃料電池システム２０と、走行用モータ３０と、外気温センサ４０と、ナビゲーション装置５０と、制御部５００とを備えている。燃料電池車両１０は、燃料電池１００から電力の供給を受けた走行用モータ３０によって駆動する。

外気温センサ４０は、燃料電池車両１０の外気温を取得する。外気温センサ４０によって取得された外気温についての情報は、制御部５００に送られる。尚、外気温センサ４０のことを外気温取得部と呼ぶこともある。

ナビゲーション装置５０は、ＧＮＳＳ受信機を備えている。ＧＮＳＳとは、Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍの頭字語であり、全地球航法衛星システムのことを意味する。ナビゲーション装置５０は、ＧＮＳＳ受信機によって受信した衛星からの信号を用いて、燃料電池車両１０の現在位置を表す位置情報を取得する。以下では、燃料電池車両１０の現在位置を表す位置情報のことを、現在位置情報と呼ぶ。

ナビゲーション装置５０には、地図情報が予め記憶されている。地図情報には、停止位置を表す位置情報が設定されている。停止位置とは、例えば、交通信号機が設けられた地点や、一時停止の道路標識が設けられた地点や、一時停止の道路標示が設けられた地点や、横断歩道が設けられた地点や、踏切が設けられた地点等のように、車両が交通規制に従って停止する位置のことを意味する。以下では、停止位置を表す位置情報のことを停止位置情報と呼ぶ。

本実施形態のナビゲーション装置５０は、ＧＮＳＳ受信機を用いて現在位置情報を取得し、地図情報を用いて停止位置情報を取得する。ナビゲーション装置５０によって取得された現在位置情報と停止位置情報とは、制御部５００に送られる。尚、ナビゲーション装置５０のことを位置情報取得部と呼ぶこともある。

制御部５００は、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することによって、燃料電池システム２０による発電を制御する。また、ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することによって、後述する排水処理を実行する。

図２は、第１実施形態における燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、水素ガス給排系２００と、空気給排系３００とを備えている。

本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池１００である。燃料電池１００は、電気化学反応によって起電力を発生させる。燃料電池１００の反応ガスには、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池１００は、複数の単セル１０１が積層したスタック構造を有し、それぞれの単セル１０１同士は直列に接続されている。それぞれの単セル１０１は、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。アノード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、水素ガスが流通するアノード流路が形成されている。カソード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、空気が流通するカソード流路が形成されている。

水素ガス給排系２００は、水素タンク２１１と、水素供給流路２１２と、主止弁２１３と、水素排出流路２２１と、第１気液分離器２３１と、水素循環流路２４１と、水素循環ポンプ２４２と、排気排水流路２３２と、排気排水弁２３３とを備えている。水素タンク２１１には、燃料電池１００に供給するための水素ガスが貯蔵されている。水素供給流路２１２は、水素タンク２１１と燃料電池１００のアノード流路の入口とを接続する流路である。水素供給流路２１２には主止弁２１３が設けられている。主止弁２１３が開弁されることによって、水素供給流路２１２を介して、水素タンク２１１に貯蔵された水素ガスが燃料電池１００のアノード流路に供給される。

水素排出流路２２１は、燃料電池１００のアノード流路の出口と第１気液分離器２３１とを接続する流路である。水素排出流路２２１には、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスが流れる。アノードオフガスには、未消費の水素ガスの他に、窒素ガスや燃料電池１００の発電に伴う生成水が含まれる。第１気液分離器２３１は、アノードオフガスに含まれる未消費の水素ガスと、窒素ガスや生成水とを分離する。分離された生成水は、第１気液分離器２３１内に貯留される。尚、本実施形態では、第１気液分離器２３１のことを、貯留部と呼ぶこともある。

水素循環流路２４１は、第１気液分離器２３１と、水素供給流路２１２における主止弁２１３と燃料電池１００との間とを接続する流路である。水素循環流路２４１には、水素循環ポンプ２４２が設けられている。第１気液分離器２３１によってアノードオフガスから分離された水素ガスは、水素循環ポンプ２４２によって、水素供給流路２１２に循環する。

排気排水流路２３２は、第１気液分離器２３１と、後述する空気排出流路３２１における燃料電池１００とマフラ３２２との間とを接続する流路である。水素排出流路２２１には、排気排水弁２３３が設けられている。排気排水弁２３３が閉弁されることによって、第１気液分離器２３１内に生成水が貯留される。排気排水弁２３３が開弁されることによって、第１気液分離器２３１に貯留された生成水を含むアノードオフガスが、空気排出流路３２１を介して燃料電池車両１０外へと排出される。尚、本実施形態では、排気排水弁２３３のことを、排水弁と呼ぶこともある。

空気給排系３００は、空気供給流路３１１と、空気排出流路３２１と、マフラ３２２とを備えている。空気供給流路３１１は、燃料電池１００のカソード流路の入口に接続された流路である。大気から空気供給流路３１１に導入された空気は、燃料電池１００のカソード流路に供給される。

空気排出流路３２１は、燃料電池１００のカソード流路の出口に接続された流路である。空気排出流路３２１には、消音のためのマフラ３２２が設けられている。空気排出流路３２１には、燃料電池１００から排出されたカソードオフガスが流れる。カソードオフガスには、空気の他に、燃料電池１００の発電に伴う生成水が含まれる。空気排出流路３２１におけるマフラ３２２よりも上流側には、排気排水流路２３２を介して、アノードオフガスが流入する。空気排出流路３２１を流れるカソードオフガスやアノードオフガスは、マフラ３２２を介して、大気へと排出される。

図３は、第１実施形態における排水処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池車両１０を起動させるためのスタートスイッチ５１０がオンにされてからスタートスイッチ５１０がオフにされるまでの期間内において、制御部５００によって、所定のインターバルで繰り返し実行される。所定のインターバルは、例えば、１秒である。

まず、制御部５００は、第１気液分離器２３１内に貯留された生成水の水量を取得する（ステップＳ１１０）。制御部５００は、例えば、第１気液分離器２３１内に設けられたレベルセンサを用いて第１気液分離器２３１に貯留された水量を取得できる。次に、制御部５００は、第１気液分離器２３１に貯留された生成水の水量が予め定められた水量以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。

第１気液分離器２３１に貯留された生成水の水量が予め定められた水量以上であると判断されなかった場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部５００は、排気排水弁２３３を閉状態にする（ステップＳ１８０）。ステップＳ１８０の後、制御部５００は、この処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再度、ステップＳ１１０から排水処理を開始する。一方、第１気液分離器２３１に貯留された生成水の水量が予め定められた水量以上であると判断された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部５００は、外気温センサ４０を用いて、外気温を取得する（ステップＳ１３０）。

ステップＳ１３０の後、制御部５００は、外気温が予め定められた温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。本実施形態では、予め定められた温度は、摂氏２度に設定されている。尚、予め定められた温度は、摂氏２度でなくてもよく、例えば、摂氏０度であってもよい。予め定められた温度は、生成水が凍結する温度に基づいて設定できる。

外気温が予め定められた温度以下であると判断されなかった場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御部５００は、排気排水弁２３３を開状態にする（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０の後、制御部５００は、この処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再度、ステップＳ１１０から排水処理を開始する。一方、外気温が予め定められた温度以下であると判断された場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、制御部５００は、ナビゲーション装置５０を用いて、燃料電池車両１０の現在位置情報と停止位置情報とを取得する（ステップＳ１５０）。

ステップＳ１５０の後、制御部５００は、現在位置情報と停止位置情報とに基づく、現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。本実施形態では、ナビゲーション装置５０に記憶された地図情報に、停止位置を表すノードを中心とした、予め定められた半径を有する円形の領域が設定されている。以下では、この円形の領域のことを排水制限領域と呼ぶ。予め定められた半径は、例えば、２０ｍである。本実施形態では、予め定められた近接関係として、現在位置が排水制限領域内に位置するという位置関係が設定されている。制御部５００は、ナビゲーション装置５０の地図情報を参照し、現在位置が排水制限領域内に位置する場合には、現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあると判断し、現在位置が排水制限領域内に位置しない場合には、現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあると判断しない。尚、排水制限領域は、円形の領域でなくてもよい。例えば、交差点内、および、当該交差点に接続された道路における予め定められた区間が排水制限領域として設定されてもよい。予め定められた区間は、例えば、交差点の２０ｍ手前から交差点までの区間とすることができる。また、停止位置からの距離とは無関係に排水制限領域が設定されてもよい。例えば、停止位置から停止位置の直前に位置する交差点までの区間を２分割し、停止位置に近い側の区間が排水制限領域に設定されてもよい。

現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあると判断されなかった場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部５００は、排気排水弁２３３を開状態にする（ステップＳ１７０）。一方、現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあると判断された場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部５００は、排気排水弁２３３を閉状態にする（ステップＳ１８０）。ステップＳ１７０またはステップＳ１８０の後、制御部５００は、この処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再度、ステップＳ１１０から排水処理を開始する。

図４は、第１実施形態における排水制限領域６３０の一例を示す説明図である。図４には、ナビゲーション装置５０に記憶された地図６００を表している。地図６００上には、燃料電池車両１０の現在位置６１０と、燃料電池車両１０の走行経路６１５と、道路６２０と、交通信号機が設置された交差点６２５と、排水制限領域６３０とが表されている。ナビゲーション装置５０に記憶された地図６００では、交差点６２５等の地点がノードによって表され、道路６２０が各ノードを結ぶリンクとして表されている。本実施形態では、交通信号機が設置された交差点６２５の周りに、排水制限領域６３０が設定されている。

図４に表した状態では、燃料電池車両１０の現在位置６１０が排水制限領域６３０内に位置していない。そのため、第１気液分離器２３１内の水量が予め定められた水量以上となった場合には、排気排水弁２３３は開状態にされる。一方、燃料電池車両１０が走行経路６１５に沿って走行して、現在位置６１０が排水制限領域６３０に位置する状態になると、第１気液分離器２３１内の水量が予め定められた水量以上となった場合であっても、外気温が摂氏２度以下である場合には、排気排水弁２３３は閉状態にされる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池車両１０によれば、外気温が摂氏２度以下であり、かつ、燃料電池車両１０の現在位置６１０が排水制限領域６３０内に位置していると判断された場合には、制御部５００は、排気排水弁２３３を閉状態にするので、燃料電池１００のアノード流路から排出された生成水が燃料電池車両１０外に排出されることが抑制される。そのため、燃料電池車両１０から排出された生成水が停止位置の路面で凍結する可能性を低減できる。したがって、路面の凍結によってスリップを生じさせる可能性を低減できる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池車両１０ｂの概略構成を示す説明図である。第２実施形態における燃料電池車両１０ｂでは、燃料電池システム２０ｂが、生成水流路４１１と、タンク４２０と、ドレンバルブ４３０とを備えていること、および、マフラ３２２ｂ内に第２気液分離器が設けられていることが第１実施形態と異なる。第２実施形態における燃料電池車両１０ｂのその他の構成は、特に説明しない限り第１実施形態と同じである。

本実施形態のマフラ３２２ｂ内には、第２気液分離器３２３が設けられている。本実施形態の第２気液分離器３２３は、邪魔板を備えており、マフラ３２２ｂ内を流れるカソードオフガスやアノードオフガスが邪魔板に吹き付けられることによって、カソードオフガスやアノードオフガスに含まれる生成水が水滴として分離される。尚、第２気液分離器３２３は、遠心分離によってカソードオフガスやアノードオフガスに含まれる生成水を分離する形態であってもよい。

本実施形態のマフラ３２２ｂには、生成水流路４１１が接続されている。生成水流路４１１のマフラ３２２ｂとは反対側の端部には、生成水を貯留するためのタンク４２０が接続されている。タンク４２０の底部には、ドレンバルブ４３０が設けられている。尚、本実施形態では、第１気液分離器２３１ではなく、タンク４２０のことを貯留部と呼ぶこともある。また、本実施形態では、排気排水弁２３３ではなく、ドレンバルブ４３０のことを排水弁と呼ぶこともある。

本実施形態における排水処理の内容は、貯留部が第１気液分離器２３１ではなくタンク４２０であることと、排水弁が排気排水弁２３３ではなく、ドレンバルブ４３０であることとを除いて、図３を用いて説明した第１実施形態における排水処理の内容と同じである。

以上で説明した本実施形態の燃料電池車両１０ｂによれば、外気温が摂氏２度以下であり、かつ、燃料電池車両１０ｂの現在位置６１０が排水制限領域６３０内に位置していると判断された場合には、制御部５００は、ドレンバルブ４３０を閉状態にするので、燃料電池１００のアノード流路およびカソード流路から排出された生成水が燃料電池車両１０ｂ外に排出されることが抑制される。そのため、燃料電池車両１０ｂから排出された生成水が停止位置の路面で凍結する可能性をより低減できる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上述した各実施形態における燃料電池車両１０，１０ｂでは、制御部５００は、外気温センサ４０を用いて、燃料電池車両１０，１０ｂの外気温を取得している。これに対して、制御部５００は、ナビゲーション装置５０に搭載されたＧＳＮＮ受信機によって、燃料電池車両１０，１０ｂの現在位置を取得し、取得した現在位置の情報と、ナビゲーション装置５０に接続された通信装置を用いて取得した天気予報情報とを用いて、燃料電池車両１０，１０ｂの外気温を取得してもよい。

（Ｃ２）上述した各実施形態における燃料電池車両１０，１０ｂでは、制御部５００は、ナビゲーション装置５０を用いて、現在位置情報と停止位置情報とを取得している。これに対して、燃料電池車両１０，１０ｂの前面にステレオカメラが設けられ、制御部５００は、このステレオカメラを用いて、現在位置と停止位置との間の距離を表す情報を取得してもよい。現在位置と停止位置との間の距離を表す情報は、現在位置が停止位置に対してどれだけ近接しているかを表す情報、換言すれば、停止位置が現在位置に対してどれだけ近接しているかを表す情報と捉えることもできる。この場合、現在位置と停止位置との間の距離が予め定められた距離以内である場合に、制御部５００は、現在位置と停止位置との位置関係が予め定められた近接関係にあると判断してもよい。予め定められた距離は、例えば、２０ｍとしてもよい。尚、制御部５００は、ステレオカメラではなく、単眼カメラとレーダやＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）等の測距装置とを用いて、現在位置と停止位置との距離を取得してもよい。

（Ｃ３）上述した第１実施形態における燃料電池車両１０において、制御部５００は、第１気液分離器２３１から生成水が溢れたり、逆流する可能性がある場合には、排気排水弁２３３を開状態にしてもよい。また、上述した第２実施形態における燃料電池車両１０ｂにおいて、制御部５００は、タンク４２０から生成水が溢れたり、逆流する可能性がある場合には、ドレンバルブ４３０を開状態にしてもよい。例えば、図３を用いて説明した排水処理において、排気排水弁２３３が閉状態にされた期間が予め定められた期間よりも長いと判断された場合には、制御部５００は、外気温や、現在位置と停止位置との位置関係にかかわらず、排気排水弁２３３を開状態としてもよい。図３を用いて説明した排水処理において、第１気液分離器２３１内の水量が、ステップＳ１２０にて用いた予め定められた水量よりも多い第２の水量以上となった場合には、制御部５００は、外気温や、現在位置と停止位置との位置関係にかかわらず、排気排水弁２３３を開状態としてもよい。

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。

１０，１０ｂ…燃料電池車両、２０，２０ｂ…燃料電池システム、３０…走行用モータ、４０…外気温センサ、５０…ナビゲーション装置、１００…燃料電池、１０１…単セル、２００…水素ガス給排系、２１１…水素タンク、２１２…水素供給流路、２１３…主止弁、２２１…水素排出流路、２３１…第１気液分離器、２３２…排気排水流路、２３３…排気排水弁、２４１…水素循環流路、２４２…水素循環ポンプ、３００…空気給排系、３１１…空気供給流路、３２１…空気排出流路、３２２，３２２ｂ…マフラ、３２３…第２気液分離器、４１１…生成水流路、４２０…タンク、４３０…ドレンバルブ、５００…制御部、５１０…スタートスイッチ、６００…地図、６１０…現在位置、６１５…走行経路、６２０…道路、６２５…交差点、６３０…排水制限領域。

Claims (1)

1. 燃料電池車両であって、
   アノードとカソードとを有する燃料電池と、
   前記アノードから排出されるアノードオフガスと、前記燃料電池の発電に伴って生成され、前記アノードから排出される生成水とが流れる水素排出流路と、
   前記水素排出流路に設けられており、前記アノードオフガスと前記生成水とを分離する第１気液分離器と、
   前記第１気液分離器から排出される前記生成水と、前記カソードから排出されるカソードオフガスと、前記燃料電池の発電に伴って生成され、前記カソードから排出される生成水とが流れる空気排出流路と、
   前記空気排出流路に設けられているマフラと、
   前記マフラ内に設けられており、前記カソードオフガスと前記生成水とを分離する第２気液分離器と、
   前記第２気液分離器によって分離された前記生成水を貯留する貯留部と、
   前記貯留部に前記生成水を貯留させる閉状態と、前記貯留部から前記生成水を前記燃料電池車両外に排出させる開状態とが切替わる排水弁と、
   前記燃料電池車両の外気温を取得する外気温取得部と、
   前記燃料電池車両の現在位置を表す現在位置情報と、車両が交通規則に従って停止する停止位置を表す停止位置情報とを取得する位置情報取得部と、
   前記排水弁の前記開状態と前記閉状態とを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記外気温取得部によって取得した前記外気温が、予め定められた温度以下であり、かつ、前記位置情報取得部によって取得した前記現在位置情報と前記停止位置情報とに基づく前記現在位置と前記停止位置との位置関係が、予め定められた近接関係にある場合には、前記排水弁を前記閉状態にする、
   燃料電池車両。

Images