JP7285210B2 - 燃料電池車両の排気装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両の排気装置及び燃料電池システムに関する。

車両が冠水路を走行している場合等においては、車両のガス排気口から水等が流入する可能性がある。車両が燃料電池を搭載する場合、走行用電池の充電状態によって発電を休止している状態もある。特に休止中は、燃料電池からの排気が止まるため、ガス排気口から水等が流入する可能性が高い。燃料電池の排気管（排ガス流路）内に水が浸入すると、燃料電池システムの再始動が困難となったり、浸水により燃料電池の構成部品が損傷してしまう虞がある。

特許文献１には、車両の前方および後方に備えられた水位センサにより路面上の水位を取得し、取得した水位が所定値以上の場合に、燃料電池への液体の流入を推定する燃料電池自動車が開示されている。この燃料電池自動車では、燃料電池への液体の流入が推定される場合、オフガス（排ガス）流路に設けられた封止弁（遮断弁）を閉状態にして、液体が燃料電池に流入することを防止している。

特開２００９－３２５１３号公報

車両のガス排気口から水が流入した場合、流入した水はまず、排ガス流路下流のマフラーに溜まった後、排ガス流路に浸入する。特許文献１に記載された燃料電池自動車では、路面上の水位を取得するために車両の前方および後方に水位センサを設けているが、マフラー内に浸入した水を直接検知するものではない。従って、遮断弁の封止が遅れてしまい、燃料電池（排ガス流路）に水が流入し、燃料電池が浸水してしまう虞がある。

本発明は上記課題に鑑みたものであり、燃料電池の浸水をより確実に防止できる燃料電池車両の排気装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、燃料電池の排ガス流路下流に設けられるマフラーを備える燃料電池車両の排気装置が提供される。この排気装置は、燃料電池とマフラーとの間に設けられる第１遮断弁と、マフラー内に備えられ、マフラー内に浸入した水の水位を検知する水位センサと、第１遮断弁の開閉を制御するよう構成され、水位センサにより検知された水位が第1の閾値を超えると、第１遮断弁を閉弁する制御部とを備える。制御部は、検知された水位の上昇度合いに応じて第１の閾値を変更する。

本発明によれば、マフラー内に備えられた水位センサがマフラー内の水の水位を直接検知し、制御部は、検知した水位の上昇度合いに応じて第１遮断弁を閉弁する第１閾値を変更する。マフラー内の水の水位を直接検知するため、マフラー内の水の水位及び水位上昇度合いを確実に検知することができ、水が燃料電池の排ガス流路に流入する前に遮断弁を閉弁することができる。従って、燃料電池の浸水をより確実に防止できる。

図１は、第１実施形態による燃料電池車両の排気装置の概略構成図である。 図２は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。 図３は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。 図４は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。 図５は、ＰＴＣヒータの電圧及び電流値と第１の閾値との関係を示すグラフである。 図６は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。 図７は、第２実施形態による燃料電池車両の排気装置の概略構成図である。 図８は、第２実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。 図９は、第２実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。 図１０は、第３実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。 図１１は、ＰＴＣヒータの電圧及び電流値と第１～第３の閾値との関係を示すグラフである。 図１２は、第３実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池車両の排気装置１００（以下、単に排気装置１００と称する）の概略図である。図１に示すように、排気装置１００は、マフラー（消音器）１、排気管２、排気遮断弁（第１遮断弁）３、テールパイプ４、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５及び制御部６を備える。

マフラー１は燃料電池１０（図１０参照）の排ガス流路（排気管２）下流に設けられ、排気管２から送られてくる燃料電池１０の排ガスの温度及び圧力を低下させ、排気音を抑制した状態で排ガスをテールパイプ４から外部へ放出する。なお、燃料電池１０は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

排気管２は、燃料電池１０の出口とマフラー１とを連結する配管で、燃料電池１０の排ガスをマフラー１に送る排ガス流路である。排気管２は、マフラー１の一方の側壁１１ａの上部においてマフラー１に連結する。なお、排気管２における燃料電池１０の出口とマフラー１との間には、排気燃焼器（図示しない）が設けられ、排気燃焼器は燃料電池１０から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼して排ガスを生成する。

排気管２とマフラー１とが連結する部分の近傍における排気管２には、排気遮断弁（第１遮断弁）３が設けられる。第１遮断弁３は、通常、より具体的にはマフラー１内が浸水していない場合、またはマフラー１内の水の水位ＨがＰＴＣヒータ５の検出限界以下の場合、開放（全開に）されている。第１遮断弁３の開閉は、制御部６により制御される。

テールパイプ４は、排気管２からマフラー１に送られた燃料電池１０の排ガスを外部に排出する配管であり、マフラー１の下流に設けられている。テールパイプ４は、マフラー１の他方の側壁１１ｂの下部において、マフラー１と車両外部とを連結する。

ＰＴＣヒータ５は、マフラー１における排気管２の近傍の位置に、マフラー１の底部から上部に向かって延設されるように設置され、ここではサーミスタとして用いられる。ＰＴＣヒータ５は、マフラー１外の電源５１に電気的に接続されており、電源５１のＯＮ・ＯＦＦ、電圧値等は制御部６により制御される。また、マフラー１と電源５１との間には、ＰＴＣヒータ５の電流値を検知する電流センサ５２が接続されている。電流センサ５２で検知されたＰＴＣヒータ５の電流値は制御部６に送信される。

ＰＴＣヒータ５は、周囲の温度が上昇すると電気抵抗値が上昇して電流値が低下し、温度が低下すると電気抵抗値が低下して電流値が上昇する。従って、マフラー１内が浸水した場合、水によりＰＴＣヒータ５が冷却され、電流値が上昇する。この電流値を測定することで、マフラー１内に浸入した水の水位を検知することができる。即ち、ＰＴＣヒータ５は、水位センサとしても機能する。

制御部６は、排気装置１００を含む燃料電池システム全体の動作を制御する。制御部６は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システムの制御のための処理を実行する。例えば制御部６は、以下で説明する燃料電池の浸水防止制御を実行する。

図２～４は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図であり、マフラー１の浸水時における第１遮断弁３の開閉制御を説明する図である。

車両が冠水路を走行する場合等においては、車両外部の水等の液体がテールパイプ４からマフラー１内に浸入し、マフラー１内が浸水する場合がある。マフラー１内の水が上昇し、排気管２の高さまで到達すると、排気管２内に水が流入し、燃料電池システムの再始動が困難となったり、浸水により燃料電池の構成部品が損傷してしまう虞がある。そこで本実施形態では、マフラー１内に浸入した水の水位を検知し、水位が所定の閾値（第１の閾値）Ｈ_fを超えた場合には第１遮断弁３を閉じて排気管２内に水が入り込まないようにした。

図２に示すように、テールパイプ４からマフラー１内に水が浸入した場合、ＰＴＣヒータ５により、マフラー１内の水の水位Ｈが検知される。マフラー１内に継続して水が浸入し、水位Ｈが所定の閾値Ｈ_fを超えると、第１遮断弁３が閉じられ（全閉）、燃料電池システムの運転が停止される。これにより、排気管２への水の流入が防止される。

しかしながら、水位の上昇速度が大きい場合、水位が閾値Ｈ_fを超えてから第１遮断弁３を閉じていると、第１遮断弁３の封止が遅れてしまう虞がある。一方、水位の上昇速度が小さい場合は、水位が閾値Ｈ_fを超えても、水位が排気管２の高さに到達するまでにはまだ余裕がある。このような場合に、水位が閾値Ｈ_fを超えた時点で第１遮断弁３を閉じて、燃料電池システムを停止してしまうと、燃料電池システムの発電時間が短くなってしまう。特にＳＯＦＣのように、起動に時間がかかる燃料電池システムの場合には、不必要に燃料電池システムを停止及び再起動することになり、燃費がより悪化してしまう。そこで本実施形態では、水位の上昇度合いに応じて、所定の閾値（第１の閾値）Ｈ_fを変更することとした。

ＰＴＣヒータ５により検知された水位の時間変化（水位の上昇速度）がｖ₁である場合、第１の閾値はＨ_f1に設定する。これに対し、水位の上昇速度がｖ₁よりも大きい場合は、第１の閾値Ｈ_fが下げられる。例えば、水位の上昇速度がｖ₁よりも大きいｖ₂である場合、図３に示すように、第１の閾値はＨ_f1よりも低いＨ_f2に設定し、水位がＨ_f2を超えた場合、第１遮断弁３を閉じる。このように、検知された水位の上昇する速さが大きいほど第１の閾値Ｈ_fは下げられる。これにより、遅滞なく第１遮断弁３を閉弁することができる。

一方、水位の上昇速度が小さい場合は、第１の閾値Ｈ_fが上げられる。例えば水位の上昇速度がｖ₁よりも小さいｖ₃である場合、図４に示すように、第１の閾値はＨ_f1よりも高いＨ_f3に設定し、水位がＨ_f3を超えるまでは、第１遮断弁３を閉じない。このように、検知された水位の上昇する速さが小さいほど第１の閾値Ｈ_fは上げられる。これにより、不必要な燃料電池の停止及び再起動による燃費の悪化を防止できる。

なお、第１の閾値Ｈ_fは、水位の上昇速度ｖと第１遮断弁３の閉弁速度から計算して水位が排気管２の高さに到達する前に第１遮断弁３を十分閉弁できる程度の高さに設定される。

図５は、ＰＴＣヒータの電圧Ｖ及び電流値Ａと第１の閾値Ｈ_fとの関係を示すグラフである。

図５の線Ｌ_f1は、マフラー１内の水の水位がＨ_f1に達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを示している。図５に示すように、例えばＰＴＣヒータ５の電源電圧ＶがＶ₀である場合、電流値Ａがａ₁より大きくなると、マフラー１内の水の水位はＨ_f1を超える。従って、第１の閾値がＨ_f1（水位の上昇速度がｖ₁）である場合、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａがａ₁を超えると、第１遮断弁３が閉じられる。

同様に、図５の線Ｌ_f2は、マフラー１内の水の水位がＨ_f2に達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを示し、線Ｌ_f3は、マフラー１内の水の水位がＨ_f3に達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを示している。例えば、水位の上昇速度がｖ₁よりも大きいｖ₂であり、ＰＴＣヒータ５の電源電圧ＶがＶ₀である場合、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａがａ₂を超えると、マフラー１内の水の水位は第１の閾値Ｈ_f2を超え、第１遮断弁３が閉じられる。同様に、水位の上昇速度がｖ₁よりも小さいｖ₃であり、ＰＴＣヒータ５の電源電圧ＶがＶ₀である場合、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａがａ₃を超えると、マフラー１内の水の水位は第１の閾値Ｈ_f3を超え、第１遮断弁３が閉じられる。図５に示されるように、ＰＴＣヒータ５の電源電圧Ｖが一定の値より大きい範囲においては、水位の上昇速度ｖが大きくなるほど第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値の線Ｌ_fが下方にシフトし、水位の上昇速度ｖが小さくなるほど第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値の線Ｌ_fが上方にシフトする。なお、図５に示すように、ＰＴＣヒータ５は、電源電圧Ｖが一定の値より小さいと、水位が異なっていても電流値Ａが同一の値を取るため、水位を検知できない。従って、ＰＴＣヒータ５の電源電圧Ｖはマフラー１内の水の水位Ｈが排気管２に到達するまでの水位を検知できる大きさに設定される。具体的には、電源電圧Ｖは、マフラー１内の水の水位Ｈが排気管２に到達した際の電流の最大値に対応する電圧値以上の電圧値に設定される。

図５の線Ｌ_minは、水位の検出限界を示す線であり、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａの下限を表している。マフラー１内が浸水していない場合、または水位がＰＴＣヒータ５の検出限界以下である場合、電流値Ａは曲線Ｌ_min上の値ｌを取る。即ち、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａはｌより小さい値を取ることはない。例えばマフラー１内が浸水していない、または水位ＨがＰＴＣヒータ５の検出限界以下である場合、ＰＴＣヒータ５の電源電圧ＶがＶ₀であれば、電流値Ａはｌ₀となる。

図６は、第１実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれも制御部６により実行される。

制御部６は、燃料電池システムの起動指令を受け付けると、燃料電池の浸水防止制御を開始する。燃料電池システムの起動指令は、例えば、車両の始動キーをＯＦＦからＯＮに切り替えるＯＮ操作が行われた場合、又は、燃料電池システムに対して燃料電池の発電が要求された場合などに、制御部６に対して送信される。

燃料電池の浸水防止制御を開始すると、ステップ１０１において、制御部６は、ＰＴＣヒータ５への通電を開始する。

次に、ステップＳ１０２において、制御部６は、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａ及び電流値Ａの時間変化ΔＡ／Δｔを取得する。また、制御部６は、電流値Ａの時間変化ΔＡ／Δｔから、マフラー１内の水の水位Ｈの上昇速度ｖを算出する。

ステップＳ１０３において、制御部６は、取得した電流値ＡがＰＴＣヒータ５の電流値Ａの下限値ｌを超えているか否かを判定する。電流値Ａが下限値ｌである場合、マフラー１内が浸水していない、または水位ＨがＰＴＣヒータ５の検出限界以下である。この場合、制御部６はステップＳ１０２の処理に戻る。

一方、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが下限値ｌを超えている、即ちマフラー１の浸水が検知された場合、制御部６はステップＳ１０４の処理を実行する。

ステップＳ１０４において、制御部６は、ステップＳ１０２において算出した水位の上昇速度ｖに基づき、第１の閾値Ｈ_fを設定し、マフラー１内の水の水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fに到達した場合のＰＴＣヒータ５の電流値ａを算出する。前述のとおり、第１の閾値Ｈ_fは、水位Ｈの上昇速度ｖと第１遮断弁３の閉弁速度から計算して水位Ｈが排気管２の高さに到達する前に第１遮断弁３を十分閉弁できる程度の高さに設定される。例えば、水位Ｈの上昇速度ｖがｖ₁である場合、制御部６は、第１の閾値Ｈ_fを、水位Ｈが排気管２の高さに到達する前に第１遮断弁３を十分閉弁できる高さＨ_f1に設定し、水位がＨ_f1に達した場合のＰＴＣヒータ５の電流値ａ₁を算出する。

ステップＳ１０５において、制御部６は、ステップＳ１０２において検知したＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fに到達した場合のＰＴＣヒータ５の電流値ａより大きいか否かを判定する。例えばステップＳ１０４において、第１の閾値Ｈ_fがＨ_f1に設定された場合、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａがａ₁よりも大きいか否かを判定する。ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａ以下の場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第１の閾値Ｈ_fを超えていないため、制御部６は、ステップＳ１０２の処理に戻る。

ステップＳ１０２に戻ると、制御部６は、再びＰＴＣヒータ５の電流値Ａ及び電流値Ａの時間変化ΔＡ／Δｔを取得し、マフラー１内の水の水位Ｈの上昇速度ｖを算出する。

続いてステップＳ１０３において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが下限値ｌより大きい場合、ステップＳ１０４において、制御部６は、第１の閾値Ｈ_fを設定し、第１の閾値Ｈ_fに対応するＰＴＣヒータ５の電流値ａを算出する。例えばステップＳ１０２において、水位の上昇速度ｖがｖ₁よりも大きいｖ₂になっていた場合、制御部６は、第１の閾値Ｈ_fをＨ_f1よりも低いＨ_f2に設定する。一方、水位の上昇速度ｖがｖ₁よりも小さいｖ₃になっていた場合、第１の閾値Ｈ_fをＨ_f1よりも高いＨ_f3に設定する。第１の閾値Ｈ_fの再設定及び電流値ａの算出を行うと、制御部６は、再びステップＳ１０５の処理を実行する。

一方、ステップＳ１０５において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａより大きい場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第１の閾値Ｈ_fを超えている。この場合、制御部６は、ステップＳ１０６の処理を実行する。

ステップＳ１０６において、制御部６は、第１遮断弁３を閉弁し、燃料電池システムを停止する。これにより、マフラー１内に浸入した水の排気管２への流入が防止される。

上記した第１実施形態の燃料電池車両の排気装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池車両の排気装置１００は、排気管（燃料電池の排ガス流路）２下流に設けられるマフラー１と、燃料電池とマフラー１との間に設けられる第１遮断弁３と、第１遮断弁３の開閉を制御する制御部６とを備える。マフラー１内には、マフラー１内に浸入した水の水位Ｈを検知するＰＴＣヒータ（水位センサ）５を備え、制御部６は、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５により検知された水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fを超えると、第１遮断弁３を閉弁する。また、制御部６は、検知された水位Ｈの上昇度合いに応じて第１の閾値Ｈ_fを変更する。

水位センサをマフラー外部に設け、車両外部の水の水位を検知する場合、マフラー内の水位と誤差が生じる可能性があり、遮断弁の封止が遅れてしまう虞がある。これに対し、燃料電池車両の排気装置１００では、マフラー１内に備えられたＰＴＣヒータ（水位センサ）５により、マフラー１内に浸入した水の水位Ｈを直接検知している。このため、マフラー１内の水の水位Ｈ及び水位Ｈの上昇度合いを確実に検知することができ、水が燃料電池の排気管（排ガス流路）２に流入する前に第１遮断弁３を閉弁することができる。従って、燃料電池１０の浸水をより確実に防止できる。

また、車両外部で検知された水の水位とマフラー内の水位との間に誤差が生じた場合、本来遮断弁を閉弁する必要がない場合にも遮断弁を閉弁し、燃料電池システムを停止してしまう場合がある。このような場合、本来必要ない燃料電池システムの停止、再起動が行われ、燃費が悪化してしまう。これに対し、燃料電池車両の排気装置１００では、マフラー１内に備えられたＰＴＣヒータ（水位センサ）５により、マフラー１内の水の水位Ｈ及び水位Ｈの上昇度合いを確実に検知することができるため、第１遮断弁３を不必要に閉弁することを防止できる。従って、不必要な燃料電池システムの停止、再起動を防止でき、燃料電池システムの燃費の低下を抑制できる。

燃料電池車両の排気装置１００は、制御部６が、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５により検知された水位Ｈの上昇する速さ（上昇速度ｖ）が大きいほど、第１遮断弁３を閉弁する第１の閾値Ｈ_fを下げる。これにより、より確実に遅滞なく第１遮断弁３を閉弁することができ、燃料電池１０の浸水をより確実に防止できる。

燃料電池車両の排気装置１００は、制御部６が、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５により検知された水位Ｈの上昇する速さ（上昇速度ｖ）が小さいほど、第１遮断弁３を閉弁する第１の閾値Ｈ_fを上げる。これにより、マフラー１内の水の水位Ｈが排気管（燃料電池の排ガス流路）２の高さに到達するまでまだ余裕がある場合に、第１遮断弁３を閉弁して燃料電池システムを停止してしまうことを防止できる。従って、燃料電池システムの発電時間をできるだけ長くすることができる。また、不必要な燃料電池システムの停止及び再起動を防止でき、燃費の悪化を抑制できる。

燃料電池車両の排気装置１００は、水位センサとして、マフラー１の底部から上部に向かって延設されたＰＴＣヒータ５を備える。マフラー１の底部から上部に向かって延設されたＰＴＣヒータ５を水位センサに用いることで、マフラー１内の水の水位Ｈを確実に検知することができる。

なお、本実施形態において、第１の閾値Ｈ_fは、水位Ｈの上昇速度ｖと第１遮断弁３の閉弁速度に基づき設定しているが、これに加えて、燃料電池システムの発電量に基づき設定してもよい。例えば、燃料電池システムの発電量が小さい場合には、燃料電池システム停止の影響が少ないため、第１の閾値Ｈ_fを下げて早めに第１遮断弁３を閉弁するようにしてもよい。

（第２実施形態）
図７～図９を参照して、第２実施形態による燃料電池車両の排気装置１００を説明する。本実施形態においては、テールパイプ４に排気遮断弁（第２遮断弁）７を備える点が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７は、第２実施形態による燃料電池車両の排気装置１００の概略構成図である。

図７に示すように、排気装置１００は、マフラー１下流のテールパイプ４に排気遮断弁（第２遮断弁）７が設けられる。第２遮断弁７は、通常、より具体的にはマフラー内が浸水していない場合、またはマフラー１内の水の水位ＨがＰＴＣヒータ５の検出限界以下の場合、開放（全開に）されている。第２遮断弁７の開閉は、制御部６により制御される。

図８は、第２実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。

図８に示すように、テールパイプ４からマフラー１内に水が浸入した場合、ＰＴＣヒータ５により、マフラー１内の水の水位Ｈが検知され、水位Ｈの上昇速度ｖに応じて第１の閾値Ｈ_fが設定される。

また、ＰＴＣヒータ５がマフラー１の浸水を検知すると、第２遮断弁７は、水位Ｈに応じて全開の状態から閉方向に開度が減少される。具体的には、水位Ｈが第１の閾値Ｈ_f以下の間は、水位Ｈが高くなるほど、第２遮断弁７の開度が所定の中間開度に向かって閉弁していく。このように、第２遮断弁７を全開の状態から絞っていくことで、燃料電池１０からの排出ガスによりマフラー１の内部圧は上昇する。この内部圧の上昇により、マフラー１内の水がテールパイプ４を通じて外部に押し出されるため、マフラー１内の水が排出され易くなる。また、第２遮断弁７の開度を減少させるため、外部から水等がテールパイプ４を介してマフラー１内に流入してくることを抑制できる。マフラー１内の水の水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fを超えると、第１遮断弁３は閉弁され、第２遮断弁７は再び開放（全開）にされる。第２遮断弁７を全開にすることで、例えば坂道走行時の車両の傾きによってマフラー１内の水がテールパイプ４から自然に排出される。

なお、所定の中間開度は、燃料電池システムの発電を妨げない程度の開度に設定され、第２遮断弁７が完全に閉弁されることはない。

図９は、第２実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。

ステップＳ１０１～Ｓ１０５は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ１０５において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａ以下の場合、即ち、マフラー１内の水の水位Ｈが第１の閾値Ｈ_f以下の場合、制御部６は、ステップＳ２０６の処理を実行する。

ステップＳ２０６において、制御部６は、第２遮断弁７の開度を、ステップＳ１０２において取得したＰＴＣヒータ５の電流値Ａ（即ち、マフラー１内の水の水位Ｈ）に応じた開度に調整する。即ち、制御部６は、水位Ｈが高いほど、第２遮断弁７を所定の中間開度に近い開度に向かって閉弁する。第２遮断弁７の開度を調整すると、制御部６はステップＳ１０２の処理に戻る。

一方、ステップＳ１０５において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａより大きい場合、第１実施形態と同様にステップＳ１０６の処理に進み、制御部６は、第１遮断弁３を閉弁し、燃料電池システムを停止する。

上記した第２実施形態の燃料電池車両の排気装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池車両の排気装置１００は、マフラー１下流のテールパイプ４に設けられる第２遮断弁７を備え、制御部６は、検知された水位Ｈが第１の閾値Ｈ_f以下の場合に、検知された水位Ｈが高いほど第２遮断弁７の開度を閉弁方向に閉弁するよう調整する。水位Ｈが第１の閾値Ｈ_f以下の場合に、第２遮断弁７を全開の状態から水位Ｈに応じて絞っていくことで、マフラー１の内部圧を上昇させることができ、マフラー１内の水をテールパイプ４から排出し易くすることができる。また、第２遮断弁７の開度を減少させるため、外部の水等がテールパイプ４を介して車内に流入してくることを抑制できる。

（第３実施形態）
図１０～図１２を参照して、第３実施形態による燃料電池車両の排気装置１００を説明する。本実施形態においては、バッテリ８の充電を開始する第２の閾値Ｈｓを設定する点が第１及び第２実施形態と異なる。なお、他の実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、第３実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明する模式図である。

図１０に示すように、排気装置１００を含む燃料電池システムは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１０（以下、単に燃料電池１０と称する）と、燃料電池１０から電力が供給されるバッテリ８とを備える。燃料電池１０の作動時には、燃料供給路（図示しない）から燃料が、空気供給路（図示しない）から空気が燃料電池１０に供給される。なお、燃料電池１０は、必ずしもＳＯＦＣに限られず、例えば高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）等であってもよい。燃料電池１０に供給される燃料及び空気の量は、制御部６により制御することができる。

バッテリ８は、燃料電池１０から供給される電力を充電するとともに、充電された電力を車両の走行モータ（図示しない）に供給する。バッテリ８に電力を充電しておくことで、マフラー１内の水の水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fを超えて、燃料電池システムが停止された場合にも、バッテリ８の電力により車両を走行させることができる。

なお、燃料電池１０による電力に加えて、エンジンに接続された発電機（図示しない）による発電電力や、走行モータによる回生電力によりバッテリ８を充電可能なように構成してもよい。

図１０に示すように、テールパイプ４からマフラー１内に水が浸入した場合、ＰＴＣヒータ５により、マフラー１内の水の水位Ｈが検知され、水位Ｈの上昇速度ｖに応じて第１の閾値Ｈ_fが設定される。また、水位Ｈに応じて第２遮断弁７の開度が調整される。

また、ＰＴＣヒータ５がマフラー１の浸水を検知すると、水位の上昇速度ｖに応じて、第１の閾値Ｈ_fよりも小さい第２の閾値Ｈ_sが設定される。第２の閾値Ｈ_sはバッテリ８の充電量を増加させる閾値である。

図１０に示すように、水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sを超え、且つ第１の閾値Ｈ_f以下である場合、燃料電池１０に供給される燃料及び空気流量を増加し、燃料電池１０による発電量を増加する。これにより、燃料電池１０からバッテリ８に供給される電力が増加し、バッテリ８の充電量が増加する。このように、水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fに達する前にバッテリ８の充電量を増やしておくことで、水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fを超えて燃料電池システムを停止した場合に、バッテリ８の電力により走行可能な距離及び時間を長くすることができる。また、燃料電池１０に供給する燃料及び空気流量が増加されるため、排気管２からマフラー１へ排出される排ガスの流量も増加する。これにより、マフラー１内の水をより多く外部に排出することができる。

なお、第２の閾値Ｈ_sは、水位Ｈの上昇速度ｖに基づくと水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sを超えた場合に所定の時間内に第１の閾値Ｈ_fを超える虞がある値に設定される。また、ここでの所定の時間は、例えばバッテリ８をある程度充電できる位の時間である。また、第２の閾値Ｈ_sは、第１の閾値Ｈ_fと同様に、水位Ｈの上昇速度ｖが大きいほど低く、水位Ｈの上昇速度ｖが小さいほど高く設定される。

バッテリ８の充電量が増加され、バッテリ８が満充電になった場合、燃料電池１０への燃料の供給は停止され、燃料電池１０による発電が停止される。但し、バッテリ８の充電が完了した後、水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sよりも小さい第３の閾値Ｈ_tを超え且つ第１の閾値Ｈ_f以下である場合には、燃料電池１０に継続して空気が供給される。これにより、マフラー１の内圧が高まり、排気管２への水の流入を防止するとともに、マフラー１内の水をテールパイプ４から排水し易くすることができる。

なお、第３の閾値Ｈ_tは、例えばテールパイプ４の上部程度の高さに設定される。水位Ｈがテールパイプ４の上部程度の高さまで低下すれば、排気管２から排出される排ガスを、テールパイプ４を介して容易に外部に排出できるため、燃料電池システムを再起動した際に、発電にほとんど影響を与えない。また、水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sよりも低い第３の閾値Ｈ_tを超えているうちから、排水しておくことで、燃料電池１０の浸水をより確実に防止できる。

図１１は、ＰＴＣヒータの電圧Ｖ及び電流値Ａと第１～第３の閾値との関係を示すグラフである。なお、ＰＴＣヒータの電源電圧Ｖは、水位Ｈが排気管２に到達するまでの水位を検知できる大きさ、即ち、マフラー１内の水の水位Ｈが排気管２に到達した際の電流の最大値に対応する電圧値以上の電圧値に設定される。

図１１の線Ｌ_fは、マフラー１内の水の水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fに達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを示している。また、線Ｌ_sはマフラー１内の水の水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sに達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを、線Ｌ_tはマフラー１内の水の水位Ｈが第３の閾値Ｈ_tに達した場合におけるＰＴＣヒータ５の電流値Ａを示している。

ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａを超えている場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第１の閾値Ｈ_fより高いため、第１遮断弁３が閉じられる。即ち、電流値Ａが図１１の領域Ｓ₁にある場合、第１遮断弁３が閉じられる。

ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、第２の閾値Ｈ_sに対応する電流値ｂを超えており且つ第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａ以下の場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第２の閾値Ｈ_sより高く且つ第１の閾値Ｈ_fより低い。この場合、バッテリ８が満充電でなければ、燃料電池１０からバッテリ８に供給する電力を増加し、バッテリ８の充電量を増加する。即ち、電流値Ａが図１１の領域Ｓ₂にあり且つバッテリ８が満充電ではない場合、バッテリ８の充電量を増加させる。

ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、第３の閾値Ｈ_tに対応する電流値ｃを超えており且つ第１の閾値Ｈ_fに対応する電流値ａ以下の場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第３の閾値Ｈ_tより高く且つ第１の閾値Ｈ_fより低い。この場合、バッテリ８が満充電であれば、燃料電池１０への燃料の供給を停止し、燃料電池１０に空気のみを供給し、マフラー１の内圧を高める。即ち、電流値Ａが図１１の領域Ｓ₂またはＳ₃にあり且つバッテリ８が満充電の場合、燃料電池１０に空気を供給する。

図１２は、第３実施形態による燃料電池の浸水防止制御を説明するフローチャートである。

ステップＳ１０１～Ｓ１０５及びステップＳ２０６は、第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ２０６において、第２遮断弁７の開度を調整すると、制御部６は、ステップＳ３０７の処理を実行する。

ステップＳ３０７において、制御部６は、バッテリ８が満充電か否かを判定する。バッテリ８が満充電ではない場合、制御部６はステップＳ３０８の処理を実行する。

ステップＳ３０８において、制御部６は、ステップＳ１０２において検知したＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sに到達した場合のＰＴＣヒータ５の電流値ｂより大きいか否かを判定する。ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第２の閾値Ｈ_sに対応する電流値ｂより大きい場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第２の閾値Ｈ_sを超えている。従って、この場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第２の閾値Ｈ_sより大きく、第１の閾値Ｈ_f以下（ステップＳ１０５を参照）である。電流値Ａが電流値ｂより大きい場合、制御部６は、ステップＳ３０９の処理を実行する。

ステップＳ３０９において、制御部６は、燃料電池１０に供給される燃料及び空気流量を増加し、燃料電池１０による発電量を増加する。これにより、燃料電池１０からバッテリ８に供給される電力が増加し、バッテリ８の充電量が増加する。バッテリ８の充電量を増加させると、制御部６は、ステップＳ１０２の処理に戻る。

一方、ステップＳ３０８において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第２の閾値Ｈ_sに対応する電流値ｂ以下の場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第２の閾値Ｈ_s以下である。この場合、制御部６は、ステップＳ１０２の処理に戻る。

ステップ３０７に戻り、バッテリ８が満充電の場合、制御部６は、ステップＳ３１０の処理を実行する。

ステップＳ３１０において、制御部６は、燃料電池１０への燃料の供給を停止する。

続いてステップＳ３１１において、制御部６は、ステップＳ１０２において検知したＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、水位Ｈが第３の閾値Ｈ_tに到達した場合のＰＴＣヒータ５の電流値ｃより大きいか否かを判定する。ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが第３の閾値Ｈ_tに対応する電流値ｃより大きい場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第３の閾値Ｈ_tを超えている。従って、この場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第３の閾値Ｈ_tより大きく、第１の閾値Ｈ_f以下（ステップＳ１０５を参照）である。電流値Ａが電流値ｃより大きい場合、制御部６は、ステップＳ３１２の処理を実行する。

ステップＳ３１２において、制御部６は、燃料電池１０への空気の供給を継続する。これにより、マフラー１の内圧が高まり、排気管２への水の流入が防止されるとともに、マフラー１内の水を外部に排水し易くすることができる。燃料電池１０への空気の供給により、電流値Ａが電流値ｃ以下になると（即ち、水位が第３の閾値Ｈ_t以下になると）、制御部６は、燃料電池の浸水防止制御を終了する。

一方、ステップＳ３１１において、ＰＴＣヒータ５の電流値Ａが、第３の閾値Ｈ_tに対応する電流値ｃ以下の場合、マフラー１内の水の水位Ｈは第３の閾値Ｈ_t以下であるため、制御部６は、燃料電池の浸水防止制御を終了する。

上記した第３実施形態の燃料電池車両の排気装置１００を備える燃料電池システムによれば、以下の効果を得ることができる。

排気装置１００を備えた燃料電池システムは、燃料電池１０から電力が供給されるバッテリ８を備える。制御部は、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５により検知された水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fよりも小さい第２の閾値Ｈ_sと第１の閾値Ｈ_fとの間にある場合、燃料電池１０に供給する燃料及び空気流量を増加させてバッテリ８を充電する。このように、水位Ｈが第１遮断弁３を閉弁して燃料電池システムを停止する第１の閾値Ｈ_fに達する前に、バッテリ８の充電量を増やしておくため、燃料電池システムを停止後のバッテリ８の電力による走行距離及び時間を長くすることができる。

また、水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sと第１の閾値Ｈ_fとの間にある場合に、燃料電池１０に供給する燃料及び空気流量を増加するため、排気管２からマフラー１へ排出される排ガスの流量が増加する。これにより、マフラー１内の水をより多く外部に排出することができ、水位Ｈが第１の閾値Ｈ_fを超えることを防止でき、燃料電池１０の浸水をより確実に防止できる。

排気装置１００を備えた燃料電池システムは、制御部６が、バッテリ８の充電が完了した後、ＰＴＣヒータ（水位センサ）５により検知された水位Ｈが第２の閾値Ｈ_sよりも小さい第３の閾値Ｈ_t以下になるまで燃料電池１０に空気のみを供給するように制御する。これにより、マフラー１の内圧が高まり、排気管２への水の流入を防止するとともに、マフラー１内の水を排水することができる。このように、水位Ｈが第２の閾値Ｈｓよりも低い第３の閾値Ｈｔを超えているうちから、排水しておくことで、燃料電池１０の浸水をより確実に防止できる。

なお、本実施形態において、第３の閾値Ｈ_tは、排ガスを容易に外部に排出できるようにテールパイプ４の上部程度の高さに設定されることが好ましいが、必ずしもこれに限られない。マフラー１内の水の水面は必ずしも水平ではなく、車両の運行状況によっては水面が傾く場合もある。即ち、ＰＴＣヒータ５により検知された水位Ｈがテールパイプ４よりも高い位置であっても、排ガスを外部に排出し得る場合がある。従って、第３の閾値Ｈ_tをテールパイプ４よりも高い位置に設定してもよい。

また、いずれの実施形態においても、排気管２をマフラー１の側壁１１ａ上部に、テールパイプ４をマフラー１の側壁１１ｂ下部に設けているが、必ずしもこれに限られない。例えば、排気管２とテールパイプ４をほぼ同じ高さに設けてもよい。

また、いずれの実施形態においても、水位センサとしてＰＴＣヒータ５を用いているが、必ずしもこれに限られない。例えばフロート等を用いて水位Ｈを検知してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、上記した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

１ マフラー
２ 排気管（排ガス流路）
３ 第１遮断弁
４ テールパイプ
５ ＰＴＣヒータ（水位センサ）
６ 制御部
７ 第２遮断弁
８ バッテリ
１０ 燃料電池
１００ 排気装置

Claims (8)

1. 燃料電池の排ガス流路下流に設けられるマフラーを備えた燃料電池車両の排気装置であって、
   前記燃料電池と前記マフラーとの間に設けられる第１遮断弁と、
   前記マフラー内に備えられ、前記マフラー内に浸入した水の水位を検知する水位センサと、
   前記第１遮断弁の開閉を制御するよう構成され、前記水位センサにより検知された水位が第１の閾値を超えると、前記第１遮断弁を閉弁する制御部を備え、
   前記制御部は、検知された水位の上昇度合いに応じて前記第１の閾値を変更する、
   燃料電池車両の排気装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両の排気装置であって、
   前記制御部は、前記検知された水位の上昇する速さが大きいほど前記第１の閾値を下げる、
   燃料電池車両の排気装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池車両の排気装置であって、
   前記制御部は、前記検知された水位の上昇する速さが小さいほど前記第１の閾値を上げる、
   燃料電池車両の排気装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池車両の排気装置であって、
   前記マフラー下流のテールパイプに設けられる第２遮断弁をさらに備え、
   前記制御部は、前記検知された水位が第１の閾値以下の場合に、前記検知された水位が高いほど前記第２遮断弁の開度を閉弁方向に閉弁するよう調整する、
   燃料電池車両の排気装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池車両の排気装置であって、
   前記水位センサは、前記マフラーの底部から上部に向かって延設されたＰＴＣヒータである、
   燃料電池車両の排気装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の排気装置を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給路と、
   前記燃料電池から電力が供給されるバッテリと、を備え、
   前記制御部は、前記検知された水位が前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と前記第１の閾値との間にある場合、前記燃料電池に供給する燃料及び空気流量を増加させて前記バッテリを充電する、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記バッテリの充電が完了した後、前記検知された水位が前記第２の閾値よりも小さい第３の閾値以下になるまで前記燃料電池に空気のみを供給するように制御する、
   燃料電池システム。
8. 請求項６または７に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は固体酸化物型燃料電池である、
   燃料電池システム。

Images