JP7841914B2 - 水滴推定装置、および燃料電池車 - Google Patents

Description

本開示は、例えば車両などに適用される燃料電池システムのカソードオフガス流路における水滴推定技術に関する。

一般に燃料電池システムは、一方の電極（燃料極）に対して水素ガスを供給するとともに、他方の電極（空気極）に対して酸素ガスを供給し、これらが反応することで電気エネルギーを得ている。

ここで燃料電池による反応の結果として、カソードから排出されるガス（「カソードオフガス」とも称する）には水分が含まれる。従って、例えば低温環境下などにおいて燃料電池の安定した稼働を実現するためには、カソードオフガスにおける水滴の有無を高精度に推定することが重要となっている。

特開２０１０－２７２３７２号公報 特開２００９－２０６００３号公報

しかしながら上述した各特許文献に限らず現在の技術では以下に述べる課題が存在する。
例えば上記した特許文献１は、カソードオフガスが排出される排出管の入口付近のガス温度と出口付近のガス温度並びに発電に伴って燃料電池で生成された生成水量に基づいて排出管における残水量を推定しているが、燃料電池における直前の運転履歴や発電による生成水が排気に達するまでのタイムラグがある影響で、排気中にリアルタイムで発生する水滴量の推定には適用できないといった課題を有する。

また、上記した特許文献２では、基本的には上記した特許文献１と同様の手法を用い、背圧弁の後段において温度センサと圧力センサを設けて排出水分を十分に気化できたか否かを判断しているが、背圧弁の後段に比較的多数のセンサを設置しなければならずコストアップとなり、簡便に精度良く水滴有無を推定する手法にまで至ってないという課題を内包している。

本開示は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、より簡便にカソードオフガス流路における水滴の有無を推定することが可能な燃料電池のカソードオフガス流路における水滴推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本開示の燃料電池のカソードオフガス流路における水滴推定装置は、一つ又は複数のプロセッサと、前記一つ又は複数のプロセッサに通信可能に接続される一つ又は複数のメモリと、を備えて燃料電池のカソードオフガス流路における背圧弁の下流側での水滴有無を推定する水滴推定装置であって、前記プロセッサは、前記背圧弁の上流側におけるカソードオフガスの温度を取得し、前記背圧弁の下流側に配置された温度センサを介して前記カソードオフガスの温度を取得し、前記背圧弁の上流側と下流側の前記カソードオフガスの温度差に基づいて背圧弁前後で蒸発した前記カソードオフガスの水分量を推定し、前記背圧弁の下流側での水滴の有無を判定する。

本開示によれば、背圧弁前後における水分の蒸発量に着目して高い時間分解能且つ低コストでカソードオフガス流路における水滴の有無を推定することが可能となる。

実施形態に係る燃料電池車に搭載される燃料電池システムのブロック図である。 実施形態に係る制御装置（ＥＣＵ）を含む機能ブロック図である。 実施形態に係る水滴推定方法を示すフローチャートである。

次に本開示を実施するための好適な実施形態について説明する。また、以下で詳述する以外の構成については、上記した特許文献を含む公知の燃料電池システムに関する要素技術や構成を適宜補完して実施することができる。

＜燃料電池システム１００＞
まず本開示の好適な実施形態における係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照しながら説明する。本実施形態における燃料電池システム１００は、例えば水素タンクＨＴや燃料電池ＦＣなどを備えた公知の燃料電池自動車（ＦＣＶ）に搭載される。以下では、電動ターボチャージャＥＴを搭載するＦＣＶを一例にして説明するが、電動ターボチャージャＥＴは必ずしも必須ではなく適宜これを省略してもよい。

ＦＣＶに搭載される燃料電池システム１００は、車両の各部位を制御する制御装置１０（ＥＣＵ）と、この制御装置１０に制御される燃料電池ＦＣと、この燃料電池ＦＣにアノードガスおよびカソードガスを供給するガス吸排気系と、を含んで構成されている。

同図に示すように、燃料電池ＦＣには、水素タンクＨＴから公知のバルブ等を含むアノードガス吸気系ＨＩＳと、燃料電池ＦＣからアノードオフガスを排出する公知のバルブ等を含むアノードオフガス排気系ＨＤＳと、がそれぞれ接続されている。また、燃料電池ＦＣには、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、バッテリーあるいは電動モータなど公知の種々の電気モジュールＥＭと接続されている。

この電気モジュールＥＭと燃料電池ＦＣとの回路には電流センサＡＭが設けられており、この電流センサＡＭによって燃料電池ＦＣを流れる電流値を計測することが可能となっている。また、燃料電池ＦＣによって発電される電圧については公知の電圧計（不図示）で検出される。また、本実施形態の燃料電池ＦＣには、燃料電池ＦＣの冷却を目的としたクーラントが流通する公知のクーラント系ＷＰが接続されている。

なお、それぞれ上記したアノード（燃料）ガスの吸排気系の構造形態、ＤＣ／ＤＣコンバータやバッテリーなどを含む電気モジュールＥＭの構成とその接続形態、およびクーラント系ＷＰの配管形態などは、図１の構成に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない限りにおいて上記特許文献に例示される公知の種々の設置例を適用することができる。

［カソードガス系］
次に本実施形態における燃料電池ＦＣのカソードガスの吸気系および排気系の構造について詳述する。
図１に示すように、燃料電池ＦＣへ酸素ガス（酸素を含む空気）を供給するカソードガス吸気系ＡＩＳは、空気を取り入れる公知のエアフィルタＡＦと、エアフィルタＡＦで取り込んだ空気を圧縮する公知の電動ターボチャージャＥＴと、この電動ターボチャージャＥＴで圧縮されて温度上昇した圧縮空気を冷却する公知のインタークーラーＩ／Ｃと、を含んで構成されている。

また、エアフィルタＡＦと電動ターボチャージャＥＴとの間の配管内には公知の質量流量センサＦＭが設けられており、燃料電池ＦＣに供給される空気の質量流量を計測することが可能となっている。かような質量流量センサＦＭとしては、例えばカルマン渦式流速計や熱式質量流量計など公知の種々の質量流量センサのうちＦＣＶに好適なものを適宜適用することができる。

また、インタークーラーＩ／Ｃと燃料電池ＦＣとの間の配管内には公知の圧力センサＰＭが設けられており、燃料電池ＦＣに供給される空気の入口圧力を計測することが可能となっている。このように燃料電池ＦＣの酸素極に供給されるエアの圧力は、燃料電池ＦＣにおける酸素極２１の入口付近に設けられた圧力センサＰＭによって検出されており、この検出された空気圧が所定圧力となるように後述する背圧弁ＢＰＶの開度が制御装置１０によって制御される。

一方で同図に示すように、燃料電池ＦＣから排出されるオフガス（カソードオフガス）を排気するカソードオフガス排気系ＡＤＳは、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの背圧を調整するための公知の背圧弁ＢＰＶが設けられている。背圧弁ＢＰＶから出たカソードオフガスは、上記した電動ターボチャージャＥＴに流入した後に、外部へ放出される。なお本実施形態の背圧弁ＢＰＶには、弁の開度を検出可能な公知の開度センサＶＳが設けられている。

また、同図から理解されるとおり、カソードオフガス排気系ＡＤＳのうち背圧弁ＢＰＶの上流（入口）側には、背圧弁ＢＰＶを通過する前におけるカソードオフガスの温度を検出可能な公知の第１温度センサＴ_ＡＭが設けられている。また、カソードオフガス排気系ＡＤＳのうち背圧弁ＢＰＶの下流（出口）側には、背圧弁ＢＰＶを通過した後におけるカソードオフガスの温度を検出可能な公知の第２温度センサＴ_ＢＭが設けられている。

後述する制御装置１０は、これらの第１温度センサＴ_ＡＭ、第２温度センサＴ_ＢＭおよび開度センサＶＳを介して、それぞれ背圧弁ＢＰＶ前後の温度と背圧弁ＢＰＶの開度を検出することが可能となっている。

なお上述のとおり本実施形態では電動ターボチャージャＥＴを介したカソードガスの吸排気系を示しているが、本開示はこの形態に限られない。すなわち電動ターボチャージャＥＴの代わりに電動ブロワを使用して、エアフィルタＡＦから取り込んだ空気を圧縮せずに燃料電池ＦＣへ供給する態様であってもよい。

また、本実施形態では加湿器等は省略したが、燃料電池ＦＣへ供給されるカソードガスを加湿する公知の加湿器などを適宜追加してもよい。かような燃料電池ＦＣに供給されるエアへの加湿態様としては、例えば排気した空気中の水分を再利用する水蒸気交換膜を用いる態様や、純水などの水分をエアに供給する膜加湿器や噴霧器など公知の種々の装置を用いてもよい。

［制御装置１０］
次に、図２も参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム１００における制御装置１０の構成について説明する。
図２に示すとおり、本実施形態の制御装置１０は、上記した燃料電池ＦＣのカソードオフガス流路における背圧弁ＢＰＶの下流側での水滴有無を推定する水滴推定装置として機能する。

より具体的に本実施形態の制御装置１０は、質量流量値計測部１１、圧力計測部１２、空気温度取得部１３、飽和水蒸気量取得部１４、膨張率推定部１５、水蒸気流量推定部１６、水滴存在判定部１７、水滴調整部１８および報知制御部１９などを含んで構成されている。かような制御装置１０の具体例としては、公知のＣＰＵで構成された一つ又は複数のプロセッサと、この一つ又は複数のプロセッサに通信可能に接続される一つ又は複数のメモリと、を備えた公知のコンピュータ装置が例示できる。

本実施形態の制御装置１０は、上記した燃料電池システム１００全体を制御する機能を有して構成されていてもよい。
また同図に示すとおり、本実施形態の制御装置１０は、通信装置４０を介してインターネットなど公知の外部ネットワークＮＥＴと接続可能に構成されていてもよい。かような通信装置４０は、ＦＣＶと例えば外部サーバなどとの間で情報通信を行う機能を備えた公知の車載通信機器が例示できる。また、外部ネットワークＮＥＴとしては、上記したインターネットに限られず、例えば無線通信を介して各種情報を車車間で送受信可能な公知の情報通信ネットワークなども含まれる。

また、制御装置１０は、ＦＣＶに搭載されたセンサ類２０から各種の信号を受信可能に構成されている。かようなセンサ類２０の例としては、上記した第１温度センサＴ_ＡＭ、第２温度センサＴ_ＢＭおよび開度センサＶＳの他に、車両に通常搭載される外気温センサや車速センサなど公知の種々の車載センサが例示できる。また、制御装置１０は、ＦＣＶにそれぞれ搭載された公知のナビゲーション装置３０、スピーカＳＰおよびディスプレイＤＰと通信可能に構成されている。

質量流量値計測部１１は、上記した質量流量センサＦＭを介して、燃料電池ＦＣの上記した吸気側の空気における質量流量値を計測する機能を有している。なお、本実施形態では質量流量センサＦＭを用いて直接的にカソードガスの質量流量値を計測しているが、例えば公知の体積流量センサを用いて体積流量値を計測した後で公知の手法により質量流量値に換算する形態であってもよい。

圧力計測部１２は、上記した圧力センサＰＭを介して、燃料電池ＦＣへのカソードガス流路入口付近の気体圧力を計測する機能を有している。
空気温度取得部１３は、上記した第１温度センサＴ_ＡＭを介して、燃料電池ＦＣのカソードオフガス流路における背圧弁入口（すなわち背圧弁ＢＰＶの上流側）のカソードオフガスの温度を計測する機能を有している。また、空気温度取得部１３は、上記した第２温度センサＴ_ＢＭを介して、燃料電池ＦＣのカソードオフガス流路における背圧弁出口（すなわち背圧弁ＢＰＶの下流側）のカソードオフガスの温度を計測する機能を有している。

なお本実施形態では、第１温度センサＴ_ＡＭを介して背圧弁前のカソードオフガス温度を計測しているが、本開示はこの態様に限定されない。
例えば制御装置１０の空気温度取得部１３は、第１温度センサＴ_ＡＭに代えて、燃料電池ＦＣを流出した直後のクーラント液（冷却水）の温度に基づいて背圧弁入口のカソードオフガス温度を推定するようにしてもよい。燃料電池ＦＣから排出された直後の冷却水の温度は、カソードオフガスの温度とほぼ等価であると見做せるからである。かような場合には第１温度センサＴ_ＡＭの設置を省略でき、燃料電池システム１００の更なるコストダウンに寄与することができる。

飽和水蒸気量取得部１４は、制御装置１０と電気的に接続された記憶装置ＭＤ（公知のメモリやＨＤＤあるいはＳＳＤなど）などに予め保存された飽和水蒸気曲線データから、所定の温度における飽和水蒸気量を取得する機能を有している。なお記憶装置ＭＤに保存された飽和水蒸気曲線データは、例えば飽和水蒸気量と気温（温度）との関係が、Ｔｅｔｅｎｓ（テテンス）の式やＷａｇｎｅｒ（ワグナー）の式などの公知の換算式に基づいて規定されたデータ構造となっていてもよい。

また、本実施形態では上記した飽和水蒸気曲線データが記憶装置ＭＤに保存されている例を説明したが、本開示はこの形態に限られない。すなわち、例えば飽和水蒸気曲線データがクラウドなどの外部サーバにデータベースとして保存されていて、飽和水蒸気量取得部１４が上記通信装置４０及び外部ネットワークＮＥＴを介して上記外部サーバのデータベースにアクセス可能に構成されていてもよい。

膨張率推定部１５は、背圧弁ＢＰＶを出たカソードオフガスにおける膨張率を推定する機能を有している。より具体的に本実施形態の膨張率推定部１５は、上記した質量流量センサＦＭで計測されるカソードガスの入口流量と、上記した開度センサＶＳで計測される背圧弁ＢＰＶのバルブ開度と、上記した圧力センサＰＭで計測されるカソードガスの入口圧力と、に基づいて、背圧弁ＢＰＶを出たカソードオフガスにおける膨張率を推定する（詳細は後述する）。

水蒸気流量推定部１６は、後述する手法によって、燃料電池ＦＣから出たカソードオフガスが背圧弁ＢＰＶを通過した際に蒸発した水蒸気流量を推定する機能を有している。
水滴存在判定部１７は、上記した水蒸気流量推定部１６が推定した水蒸気流量と、背圧弁ＢＰＶ前後におけるカソードオフガスの温度差と、に基づいて、背圧弁ＢＰＶの下流（出口）側において水滴が存在するか否かの判定を行う機能を有している。より具体的に本実施形態の水滴存在判定部１７は、カソードオフガスが背圧弁ＢＰＶを通過した時に蒸発した水蒸気量が十分に少ないときは背圧弁通過時に水滴が全て蒸発したと判断する一方で、背圧弁通過時に蒸発した水蒸気が多い（すなわち後述する判定閾値に近い）ときは水滴が蒸発しきらず残っていると判断する。
なお水滴存在判定部１７による上記判定閾値を用いた判定手法について、理論的には上記した判定閾値に等しい場合に水滴の残りが存在すると判定するのが好ましいが、センサの精度などを鑑みて本実施形態では「判定閾値に近い」ことを基準とした（なお、この「近さ」の程度については具体的な数値を用いて後述する）。上記した理論的な判定手法を採用する場合には、水滴存在判定部１７は、測定結果が判定閾値を下回れば水滴が存在せず、判定閾値を測定結果が上回れば何らかのミス（測定ミスや計算ミスなど）があったと判定してもよい。

水滴調整部１８は、上記した水滴存在判定部１７によって背圧弁ＢＰＶの下流（出口）側で水滴が存在すると判定されたとき、燃料電池ＦＣの動作状態を変更して当該水滴を減らす制御を実行する機能を有している。一例として本実施形態の水滴調整部１８は、燃料電池ＦＣを加温して動作温度を上昇させる制御、あるいは燃料電池ＦＣに流入する気体の流量を増加させる制御を行ったりしてもよい。

報知制御部１９は、上記したスピーカＳＰおよびディスプレイＤＰを介した報知を制御する機能を有している。例えば報知制御部１９は、水滴存在判定部１７の判定結果に基づいて、スピーカＳＰ又はディスプレイＤＰを介して燃料電池ＦＣの状態を報知することができる。これにより、例えば燃料電池車の所有者などは、カソードオフガス流路における水滴の存在に起因する燃料電池ＦＣの不具合などを予見することができ、修理や点検など必要な措置をいち早くとることが可能となる。

＜排気湿度推定方法＞
次に図３も適宜参照しつつ、燃料電池システム１００の制御装置１０で実行されるカソードオフガス流路における背圧弁下流側での水滴有無の推定方法について説明する。
ここで、まず本開示における背圧弁下流側での水滴有無推定のメカニズムについて概略を示す。すなわち、燃料電池ＦＣから排出されたカソードオフガスは、上記した背圧弁ＢＰＶを通過するときに絞り断熱膨張の状態変化（すなわち等エンタルピーで膨張する）を経ることになる。このとき、仮に背圧弁ＢＰＶの入口に水滴を含むオフガスが流れ込んだ時は、背圧弁ＢＰＶを通過する際に圧力が低下すると共に体積が膨張する。そして圧力が低下して体積が膨張したオフガスは、その変化分だけ飽和水蒸気量が増加することで、上記水滴が蒸発してその蒸発熱の分だけ顕熱が減少して温度が低下することになる。
従って、水滴を含むカソードオフガスが背圧弁ＢＰＶを通過する際の温度変化ΔＴは、以下の式１で表すことができる。

（式１）

ただし式１において、
「Δｆ_H2O,g」は背圧弁ＢＰＶ前後の水蒸気流量差を、
「ΔＨ_H2O,l→ｇ」は水の蒸発熱を、
「ΔＨ_loss」は背圧弁ＢＰＶでのエンタルピー損失を、
「ｆ_all」は背圧弁ＢＰＶを通過する流体（オフガス）の全体流量を、
「Ｃｐ」は背圧弁ＢＰＶ出口における流体（オフガス）の比熱を、
「ΔＴ」は背圧弁ＢＰＶ前後での流体（オフガス）の温度差を、
それぞれ示している。

かような本開示の知見に基づいて、本実施形態では、以下のとおり計算から導かれる背圧弁通過時における計算上の蒸発水分量と、背圧弁前後のセンサで測定された温度差に基づく測定上の蒸発水分量と、を比較して、測定上の蒸発水分量（下記のΔｆ）が計算上の蒸発水分量（下記のΔｆ_ｍａｘ）に近い値か否かで、背圧弁ＢＰＶをカソードオフガスが通過するときに水滴が蒸発せず残留しているものと見做している。

より具体的には図３に示すとおり、まずステップ１において、制御装置１０は、燃料電池ＦＣの背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側における下記の状態情報を取得する。すなわち制御装置１０の空気温度取得部１３は、例えば上記した第１温度センサＴ_ＡＭやクーラント液の温度を介して、背圧弁ＢＰＶ入口におけるカソードオフガスの温度を取得する。同様に制御装置１０の質量流量値計測部１１および圧力計測部１２は、例えば流量センサＦＭや電流センサＡＭ、圧力センサＰＭなどに基づいて、背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側におけるカソードオフガスの流量値と圧力値（絶対圧）をそれぞれ取得する。これにより制御装置１０は、一例として、背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側における圧力が２５０ＫＰａ,ａ、カソードオフガスの質量流量が２．８ｍｏｌ／ｓ（ここに水蒸気と、発電で消費した分の酸素は含まない）、温度が８０℃であるという情報をそれぞれ取得する。

続くステップ２において、制御装置１０は、燃料電池ＦＣの背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側における下記の状態情報を取得する。すなわち制御装置１０の空気温度取得部１３は、例えば上記した第２温度センサＴ_ＢＭを介して、背圧弁ＢＰＶの下流（出口）側におけるカソードオフガスの温度を取得する。これにより制御装置１０は、一例として、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側におけるガスの温度が６９．２℃であるという情報を取得する。

次いで制御装置１０は、次に述べるように、背圧弁ＢＰＶの上流側と下流側のカソードオフガスの温度差に基づいて背圧弁前後で蒸発したカソードオフガスの水分量を推定し、背圧弁ＢＰＶの下流側（出口）での水滴の有無を判定する。

具体的にはステップ３において、制御装置１０は、背圧弁ＢＰＶ通過時に蒸発した水蒸気量を次に示す手法によって推定する。
すなわち制御装置１０の水蒸気流量推定部１６は、まず背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側での水蒸気流量ｆ_ｉｎを推定する。ここで、背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側での圧力（２５０ＫＰａ，ａ）、質量流量（２．８ｍｏｌ／ｓ）および温度（８０℃）はステップ１で取得していることから、水蒸気流量推定部１６は、飽和水蒸気量取得部１４を介して取得した８０℃における飽和水蒸気量（２９２ｇ／ｃｍ^３）に基づいて、下記の式２のとおり背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側での水蒸気流量ｆ_ｉｎは「０．５２ｍｏｌ／ｓ」であると推定する。

（式２）

次に制御装置１０の膨張率推定部１５は、上記で求めた背圧弁ＢＰＶに入るオフガスの全流量（２．８ｍｏｌ／ｓ＋０．５２ｍｏｌ／ｓ）と、開度センサＶＳを介して取得したバルブ開度と、上記背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側の圧力（２５０ＫＰａ，ａ）とから、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側での膨脹率を推定する。これにより制御装置１０は、一例として、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側での膨脹率は「５／３」であると推定する。なお、背圧弁ＢＰＶの後段に公知の圧力センサを設けてもよい場合には、制御装置１０は、当該圧力センサの値も用いて上記した膨張率を推定してもよい。

そしてステップ４において、制御装置１０は、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側において水滴が存在するかを、例えば次に述べる手法によって推定する。
すなわち制御装置１０の水滴存在判定部１７は、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側における湿度は１００％であると仮定して、公知の算出式を考慮して背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側における水蒸気流量ｆ_ｏｕｔの理論上の最大値ｆ_{ｏｕｔ, ｍａｘ}を次に示す式３のとおり推定する。なお下記式３において「ｅ（Ｔ）」は、公知のＴｅｔｅｎｓの式に基づく飽和蒸気圧の式を使用したものである。

式（３）

一方で、計算の簡略化のため上記式１における背圧弁ＢＰＶでのエンタルピー損失（ΔＨ_loss）をゼロと見做すと、背圧弁ＢＰＶ前後で蒸発出来る水蒸気流量の最大値Δｆ_ｍａｘは次の式４で近似できる。

（式４）

また、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側における水蒸気流量は、背圧弁ＢＰＶ上流（入口）側における水蒸気流量ｆ_ｉｎを用いて下記式５のとおりにも表せる。

式（５）

従って制御装置１０は、背圧弁ＢＰＶを通過する流体（オフガス）の全体流量（ｆall）は「２．８＋０．５２＝３．３２ｍｏｌ／ｓ＝０．０９６ｋｇ／ｓ」であることから、背圧弁ＢＰＶ出口側における流体の比熱を「Ｃｐ＝１．００９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ」とし、水の蒸発熱を「ΔＨH2O,l→ｇ＝４１．７ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ」として、式３、式４及び式５に基づいてΔＴを計算によって算出する。これにより、本例ではΔＴ≒１０．４℃となり、制御装置１０は、上記した最大値Δｆｍａｘ≒０．０２４ｋｇ／ｓと算出する。

次いで制御装置１０の水滴存在判定部１７は、上記した測定上の温度差が１０．８℃（８０℃－６９．２℃）であることから、測定上の水蒸気流量Δｆは次の式６に従って「０．０２５ｋｇ／ｓ」であると算出する。

（式６）

そして制御装置１０の水滴存在判定部１７は、測定上の水蒸気流量Δｆ（０．０２５）と、計算上の蒸発水分量の最大値Δｆ_ｍａｘ（０．０２４）を比較することで、ΔｆがΔｆ_ｍａｘに近い値であるときは背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側で水滴が残留しているものと判断し、ΔｆがΔｆ_ｍａｘより小さいときは背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側で水滴が全て蒸発したものと判断する。
なお、ΔｆがΔｆ_ｍａｘに近い値か否かの閾値としては、例えば両者の差分が０．０１未満であるなど、実験やシミュレーションによって適宜設定することができる。

以上説明したように本実施形態の制御装置１０は、推定された背圧弁ＢＰＶ前後で蒸発したオフガスの水分量が、背圧弁ＢＰＶ上流（入口）の流体圧力、空気流量、空気温度およびバルブ開度と、を用いて算出した背圧弁の通過時に蒸発可能な最大水分量に近いか否かで上記水滴の存在を判定している。しかしながら本開示は、上記形態に限られず、例えば上記した複数のパラメータのうち例えばバルブ開度は他のパラメータとの相関値で代用するなどして省略してもよい。換言すれば、制御装置１０は、背圧弁ＢＰＶ前段（入口）の流体圧力、空気流量、空気温度およびバルブ開度と、これらの相関値のうち少なくとも一つ以上を用いて、上記した最大水分量を算出するようにしてもよい。
また、制御装置１０は、空気の分子量や比熱を、実際の空気の組成比に合わせて変動する値として扱ってもよい。

そしてステップ４で背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側に水滴が存在すると判定された場合には、続くステップ５において、制御装置１０の水滴調整部１８は、上記で例示した手法などを用いて、燃料電池ＦＣの動作状態を変更して背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側における水滴量の調整を実行する。

ステップ５で上記した水滴量の調整を実行した後、続くステップ６において、制御装置１０は、燃料電池ＦＣは乾燥傾向にあるか否かを判断する。なお燃料電池ＦＣにおける具体的な乾燥傾向の判定手法に関しては、本開示の趣旨を逸脱しない限り特に制限はなく、例えば特開２００７－０１２５７１号や特開２０１５－０９５３０５号などに開示された判定手法など公知の種々の技術を適用してもよい。

そしてステップ６において、制御装置１０は、燃料電池ＦＣが乾燥傾向であると判定した場合には、続くステップ７で水滴調整部１８による上記水滴量の調整を中断したり、上記した動作状態の変更度合いを小さくしたりするなどして水滴量の減少を抑制する。換言すれば、本実施形態の制御装置１０は、燃料電池ＦＣが乾燥傾向であるか否かを判定し、燃料電池ＦＣが乾燥傾向であると判定された場合には背圧弁ＢＰＶ下流側での水滴を減少させる制御を制限する。一方でステップ６において、燃料電池ＦＣは乾燥傾向でないと制御装置１０によって判定された場合には、続くステップ８へと移行する。

ステップ８では、制御装置１０は、背圧弁ＢＰＶ下流（出口）側に存在する水滴が蒸発したか否かを判定する。具体的に制御装置１０は、ステップ５において上記した水滴を減らす処理を実行した後に、上記した手法によって背圧弁ＢＰＶ前後で蒸発したオフガスの水分量を再び算出する。そして制御装置１０は、背圧弁通過時に蒸発した水蒸気量の増減量が上記Δｆ_ｍａｘを下回った場合には水滴が全て蒸発したと判断する。

そしてステップ８で上記した水滴が未だ蒸発していないと判定された場合には、制御装置１０は、再びステップ５に戻って上記した水滴の調整処理を繰り返す。一方でステップ８において水滴が蒸発したと判定された場合には、続くステップ９において、制御装置１０は、燃料電池車のシステムがＯＦＦとなったか否かを判定する。ステップ９で燃料電池車のシステムがＯＦＦとなっていない場合には、制御装置１０は、ステップ１に戻って以上の処理を再度実行する。

上記した本実施形態の燃料電池システムおよびその水滴推定方法によれば、背圧弁前後における水分の蒸発量に着目して高精度且つ低コストでカソードオフガス流路における水滴の有無を推定することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、これら実施形態や変形例に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

１００ 制御システム
１０ 制御装置
ＦＣ 燃料電池
ＢＰＶ 背圧弁

Claims (4)

1. 一つ又は複数のプロセッサと、
   前記一つ又は複数のプロセッサに通信可能に接続される一つ又は複数のメモリと、
   を備えて燃料電池のカソードオフガス流路における背圧弁の下流側での水滴有無を推定する水滴推定装置であって、
   前記プロセッサは、
   前記背圧弁の上流側におけるカソードオフガスの温度を取得し、
   前記背圧弁の下流側に配置された温度センサを介して前記カソードオフガスの温度を取得し、
   前記背圧弁の上流側と下流側の前記カソードオフガスの温度差に基づいて、
   「Δｆ _{Ｈ２Ｏ,ｇ} 」を、前記背圧弁の前後の水蒸気流量差とし、
   「ΔＨ _{Ｈ２Ｏ,ｌ→ｇ} 」を、水の蒸発熱とし、
   「ΔＨ _loss 」を、前記背圧弁でのエンタルピー損失とし、
   「ｆ _all 」を、前記背圧弁を通過する前記カソードオフガスの全体流量とし、
   「Ｃｐ」を、前記背圧弁の出口における前記カソードオフガスの比熱とし、
   「ΔＴ」を、前記背圧弁の前後での前記カソードオフガスの温度差としたとき、
   下記式（１）に従って背圧弁前後で蒸発した前記カソードオフガスの水分量を推定し、前記背圧弁の下流側での水滴の有無を判定する、
   燃料電池のカソードオフガス流路における水滴推定装置。
   （式１）：
   
2. 前記プロセッサは、
   推定された前記背圧弁前後で蒸発した前記カソードオフガスの水分量が、前記背圧弁の入口空気圧力、入口空気流量、入口空気温度および開度と、これらの相関値のうち少なくとも一つ以上を用いて算出した前記背圧弁の通過時に蒸発可能な最大水分量に、近いか否かで上記水滴の存在を判定する、
   請求項１に記載の水滴推定装置。
3. 前記プロセッサは、
   前記燃料電池が乾燥傾向であるか否かを判定し、
   前記乾燥傾向であると判定された場合に前記背圧弁の下流側での水滴を減少させる制御を制限する、
   請求項１に記載の水滴推定装置。
4. 燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードオフガス流路における背圧弁の下流側での水滴有無を推定する請求項１に記載の水滴推定装置と、
   を含む燃料電池車。