(57)【要約】【課題】車両の停車中のより適切なタイミングで生成水を排水する。【解決手段】車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電により生じた生成水を貯留するためのタンクと、タンクに貯留された生成水の貯留量を取得する貯留量取得部と、取得された貯留量の生成水を車両の外部に排出するために要する排水時間を取得する排水時間取得部と、車両の走行予定走路上に設置され、車両に最も近い信号機の待ち時間を、車両に搭載された通信部を介して外部から取得する待ち時間取得部と、排水時間が待ち時間よりも短い場合にタンクに貯留された生成水を車両の外部に排出する制御部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の発電により生じた生成水を貯留するためのタンクと、
前記タンクに貯留された前記生成水の貯留量を取得する貯留量取得部と、
取得された前記貯留量の前記生成水を前記車両の外部に排出するために要する排水時間を取得する排水時間取得部と、
前記車両の走行予定走路上に設置され、前記車両に最も近い信号機の待ち時間を、前記車両に搭載された通信部を介して外部から取得する待ち時間取得部と、
前記排水時間が前記待ち時間よりも短い場合に前記タンクに貯留された前記生成水を前記車両の外部に排出する制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池が搭載された車両において、燃料電池の生成水を車両の外部に排水する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載の車両は、車両の現在位置が、市街地、交差点等の予め定められた地点にあるとき、生成水の排水を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１８８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、生成水を車両の外部に排水するタイミングに関しては、依然として改善の余地がある。例えば、車両の走行中に生成水を排水すると、走行風によって排水が後続車両へと飛散して後続車両の乗員に不快感を生じさせるおそれがある。したがって、車両の停車中に排水することが好ましい。しかし、車両の停車時間が短い場合には、排水中に車両が走行を開始することになり、上述の問題が生じ得る。このため、車両の停車中のより適切なタイミングで生成水を排水する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本開示の一形態によれば、車両に搭載される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、燃料電池と、前記燃料電池の発電により生じた生成水を貯留するためのタンクと、前記タンクに貯留された前記生成水の貯留量を取得する貯留量取得部と、取得された前記貯留量の前記生成水を前記車両の外部に排出するために要する排水時間を取得する排水時間取得部と、前記車両の走行予定走路上に設置され、前記車両に最も近い信号機の待ち時間を、前記車両に搭載された通信部を介して外部から取得する待ち時間取得部と、前記排水時間が前記待ち時間よりも短い場合に前記タンクに貯留された前記生成水を前記車両の外部に排出する制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、排水時間が待ち時間よりも短い場合にタンクに貯留された生成水が車両の外部に排出されるので、車両の停車中のより適切なタイミングで生成水を排水できる。
【０００７】
本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法、生成水の排水方法等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】排水時間マップの一例を示す説明図。
【図３】生成水排出処理の処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給排出部３０と、燃料ガス供給排出部５０と、制御装置２０とを備える。
【００１０】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。
【００１１】
酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池１０に供給し、酸化オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガス配管３１と、エアフローメータ３２と、エアコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、第１圧力計３５と、酸化オフガス配管４１と、第１調圧弁４２とを備える。
【００１２】
酸化剤ガス配管３１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通する。エアフローメータ３２は、酸化剤ガス配管３１に設けられ、取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ３３は、酸化剤ガス配管３１に設けられ、制御装置２０からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して燃料電池１０に供給する。第１開閉弁３４は、エアコンプレッサ３３と燃料電池１０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３から燃料電池１０への空気の供給の実行および停止を行う。第１圧力計３５は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。
【００１３】
酸化オフガス配管４１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管４１は、各セル１１から排出される酸化オフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。酸化オフガスには、空気の他に、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。第１調圧弁４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、酸化オフガス配管４１における酸化オフガスの圧力を調整する。
【００１４】
燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給し、燃料オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガス配管５１と、水素ガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２調圧弁５４と、インジェクタ５５と、第２圧力計５６と、燃料オフガス配管６１と、第１気液分離器６２と、排気排水弁６３と、接続配管６４と、循環配管６５と、水素ポンプ６６とを備える。
【００１５】
燃料ガス配管５１は、水素ガスタンク５２と燃料電池１０の内部に形成された燃料ガス供給マニホールドとを接続し、水素ガスタンク５２内の水素ガスおよび水素ポンプ６６から送られる水素ガスを燃料電池１０に供給する。第２開閉弁５３、第２調圧弁５４、インジェクタ５５および第２圧力計５６は、この順序で水素ガスタンク５２から燃料電池１０に向かって燃料ガス配管５１に配置されている。
【００１６】
第２開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク５２からインジェクタ５５への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２調圧弁５４は、制御装置２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ５５は、制御装置２０からの制御信号に応じて、制御装置２０が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給すると共にその供給量を調整する。第２圧力計５６は、燃料電池１０の水素ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。
【００１７】
燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと第１気液分離器６２とを接続する。燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス配管６１は、燃料オフガスを第１気液分離器６２へと誘導する。
【００１８】
第１気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１と循環配管６５との間に接続されている。第１気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１内の燃料オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管６５へ流入させる。
【００１９】
排気排水弁６３は、第１気液分離器６２の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁６３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、第１気液分離器６２により分離された水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを接続配管６４へ排出する。
【００２０】
接続配管６４は、排気排水弁６３の下部と、酸化オフガス配管４１とを接続する。接続配管６４は、酸化オフガス配管４１と連通する。接続配管６４は、排気排水弁６３から排出された水および燃料オフガスを酸化オフガス配管４１へ排出する。
【００２１】
循環配管６５は、インジェクタ５５よりも下流側において燃料ガス配管５１と接続している。循環配管６５には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ６６が配置されている。水素ポンプ６６は、制御装置２０からの制御信号に応じて作動し、第１気液分離器６２において分離されたガス（水素ガスを含むガス）を燃料ガス配管５１に送り出す。燃料電池システム１００では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。
【００２２】
酸化オフガス配管４１における接続配管６４との接続部位よりも下流側に、第２気液分離器４３が設けられている。第２気液分離器４３は、酸化オフガス配管４１を流れる酸化オフガスおよび燃料オフガスと、両オフガスに含まれる生成水と、を分離する。第２気液分離器４３によって生成水と分離された酸化オフガスおよび燃料オフガスは、排気排水配管４５を介して燃料電池システム１００の外部（大気）に排出される。他方、第２気液分離器４３によって酸化オフガスおよび燃料オフガスと分離された生成水は、第３開閉弁４４を介して生成水流路７１へ排出される。
【００２３】
第３開閉弁４４は、第２気液分離器４３の下部に設けられた開閉弁である。第３開閉弁４４は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、第２気液分離器４３により分離された生成水を生成水流路７１へ排出する。
【００２４】
生成水流路７１は、第２気液分離器４３と接続し、第２気液分離器４３によって分離された生成水を燃料電池システム１００の外部（大気）へと排出する。生成水流路７１には、生成水タンク７２が設けられている。
【００２５】
生成水タンク７２は、第２気液分離器４３によって分離された生成水を貯留する。生成水タンク７２は、貯留量検出センサ７３と、排水弁７４とを備える。貯留量検出センサ７３は、生成水タンク７２内の水位を検出することにより、生成水タンク７２に貯留された水量（以下、「貯留量」と呼ぶ）を取得して、制御装置２０に送信する。取得された貯留量が、生成水タンク７２の許容貯留量に達している、あるいは、許容貯留量にある程度マージンを持たせた閾値を超えている場合には、制御装置２０は、生成水タンク７２への生成水の流入を制限する。具体的には、制御装置２０は、第２気液分離器４３において、生成水を、排気排水配管４５を介して燃料電池システム１００の外部（大気）へ排出させる。なお、貯留量検出センサ７３は、課題を解決するための手段における貯留量取得部の下位概念に相当する。
【００２６】
排水弁７４は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、生成水タンク７２に貯留された生成水を燃料電池システム１００の外部（大気）に排出する。
【００２７】
制御装置２０は、燃料電池システム１００全体を制御する。制御装置２０は、ＣＰＵ２１と、メモリ２５とを備えている。ＣＰＵ２１は、メモリ２５に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部２２、排水時間取得部２３および待ち時間取得部２４として機能する。
【００２８】
制御部２２は、エアコンプレッサ３３や水素ポンプ６６等の制御装置２０と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池１０の運転を制御する。また、制御部２２は、後述の生成水排出処理を実行して、生成水タンク７２内に貯留された生成水を燃料電池システム１００の外部に排出する。本実施形態では、車両の走行中に生成水タンク７２に貯留された生成水が排出されることを抑制するために、車両が信号待ちをして停車している間に生成水を排出させる。加えて、生成水の排出中に車両が走行を開始することを抑制するために、信号待ちの時間に対して生成水の排出時間を十分に確保できる場合に生成水を排出させる。
【００２９】
排水時間取得部２３は、生成水タンク７２内に貯留された生成水を燃料電池システム１００の外部に排出するために要する時間（以下、「排水時間」と呼ぶ）を取得する。排水時間取得部２３は、生成水タンク７２の貯留量とエアコンプレッサ３３の流量とを、後述の排水時間マップ２６に照らし合わせることで、排水時間を取得する。
【００３０】
待ち時間取得部２４は、燃料電池システム１００が搭載された車両が走行する予定の走路（以下、「走行予定走路」と呼ぶ）上に設置されている信号機のうち、車両の現在位置から最も近い位置に存在する信号機の待ち時間を取得する。具体的には、待ち時間取得部２４は、車両に搭載された通信部による交通管理システム、例えば、高度道路交通システム（Intelligent Transport System）との通信によって、待ち時間を取得する。待ち時間としては、赤信号から青信号に変わるまでの時間であって、高度道路交通システムと通信を開始した時間から青信号に変わるまでの時間が取得される。なお、道路設備に設置された路側無線機から待ち時間を取得可能な構成においては、路側無線機と路車間通信を行うことによって取得してもよい。
【００３１】
メモリ２５には、排水時間マップ２６が予め格納されている。排水時間マップ２６には、生成水タンク７２の貯留量と、エアコンプレッサ３３の流量と、排水時間との関係が定められている。
【００３２】
図２は、排水時間マップ２６の一例を示す説明図である。図２において、横軸は生成水タンク７２の貯留量を示し、縦軸は排水時間を示している。図２に示すように、排水時間は、貯留量と、エアコンプレッサ３３の流量Ｆ１〜Ｆ３との関係に基づき定められている。本実施形態では、排水時間は、エアコンプレッサ３３の流量が多いほど短くなるように設定されている。図２では、エアコンプレッサ３３の流量として、実線で示す第１流量Ｆ１、一点鎖線で示す第２流量Ｆ２、および破線で示す第３流量Ｆ３を例示している。第３流量Ｆ３は、第１流量Ｆ１および第２流量Ｆ２に比べて多く、第２流量Ｆ２は、第１流量Ｆ１に比べて多い。したがって、第３流量Ｆ３における排水時間は、第１流量Ｆ１および第２流量Ｆ２における排水時間に比べて短く、第２流量Ｆ２における排水時間は、第１流量Ｆ１における排水時間に比べて短い。排水時間マップ２６は、エアコンプレッサ３３の流量が多いほど、排水時間が短くなるように設定されていればよく、実験等により任意に定めることができる。
【００３３】
以上説明した燃料電池システム１００には、上述の構成の他、燃料電池１０から出力される電圧を昇圧するコンバータや、車両の動力を発生するモータ等の負荷への電力の供給を制御するパワーコントロールユニット等を備えるが、本実施形態の説明においては必須ではないので、図示および説明を省略する。
【００３４】
Ａ２．生成水排出処理：
図３は、生成水排出処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、車両全体の制御をする上位のＥＣＵ（Electronic Control Unit）からイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったことを示す信号が制御装置２０に入力されると、図３に示す生成水排出処理が実行される。生成水排出処理は、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられるまでの間、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、６０秒としてもよい。
【００３５】
制御部２２は、貯留量検出センサ７３から生成水タンク７２の貯留量を取得する（ステップＳ１０５）。排水時間取得部２３は、排水時間を取得する（ステップＳ１１０）。具体的には、排水時間取得部２３は、エアコンプレッサ３３の回転量を取得し、エアコンプレッサ３３の回転量と流量との関係を記憶したテーブル（不図示）を参照して、エアコンプレッサ３３の流量を取得する。次に、排水時間取得部２３は、排水時間マップ２６を参照して、上述のステップＳ１０５で取得された貯留量とエアコンプレッサ３３の流量とに対応づけられている排水時間を取得する。
【００３６】
制御部２２は、車両が赤信号で停車しているか否かを判定する（ステップＳ１１５）。具体的には、制御部２２は、上述の高度道路交通システムから赤信号であるか否かを取得し、車両の速度がゼロであるか否かを判定する。赤信号で停車していると判定した場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、待ち時間取得部２４は、信号機の待ち時間を取得する（ステップＳ１２０）。制御部２２は、排水時間が待ち時間よりも短いか否かを判定する（ステップＳ１２５）。排水時間が待ち時間よりも短いと判定した場合（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、制御部２２は、排水弁７４を開弁させて、生成水タンク７２内に貯留された生成水を燃料電池システム１００の外部に排出する（ステップＳ１３０）。
【００３７】
ステップＳ１３０の実行後、または、ステップＳ１１５において赤信号で停車していないと判定した場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、または、ステップＳ１２５において排水時間が待ち時間以上であると判定した場合（ステップＳ１２５：ＮＯ）、制御部２２は、生成水排出処理を終了する。
【００３８】
以上の構成を有する実施形態の燃料電池システム１００によれば、排水時間が待ち時間よりも短い場合に生成水タンク７２に貯留された生成水が車両の外部に排出されるので、車両の停車中のより適切なタイミングで生成水を排水できる。
【００３９】
Ｂ．他の実施形態：
（１）上記実施形態において、信号機の待ち時間として、走行予定走路において車両の現在位置に最も近い位置に存在する信号機の実際の待ち時間を用いていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、信号機の待ち時間の標準時間（平均時間）を用いてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
【００４０】
（２）上記各実施形態において、生成水タンク７２の貯留量として、貯留量検出センサ７３の検出結果を取得していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、貯留量は、燃料電池１０のインピーダンスを利用して取得されてもよい。具体的には、インピーダンスと貯留量との関係を実験等により求めて、マップとして予めメモリ２５に記憶しておき、上述のステップＳ１０５においてインピーダンスを計測し、計測されたインピーダンスをマップと照らし合わせることで、貯留量を取得してもよい。また、例えば、貯留量は、インピーダンスに代えて、燃料電池１０の総発電量（燃料電池１０が出力した電流の時間積分により算出される電流積算値）を利用して取得されてもよい。また、例えば、上述のマップに代えて、所定の実験式を用いて、貯留量を算出してもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
【００４１】
本開示は、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。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池、１１…セル、２０…制御装置、２１…ＣＰＵ、２２…制御部、２３…排水時間取得部、２４…待ち時間取得部、２５…メモリ、２６…排水時間マップ、３０…酸化剤ガス供給排出部、３１…酸化剤ガス配管、３２…エアフローメータ、３３…エアコンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…第１圧力計、４１…酸化オフガス配管、４２…第１調圧弁、４３…第２気液分離器、４４…第３開閉弁、４５…排気排水配管、５０…燃料ガス供給排出部、５１…燃料ガス配管、５２…水素ガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２調圧弁、５５…インジェクタ、５６…第２圧力計、６１…燃料オフガス配管、６２…第１気液分離器、６３…排気排水弁、６４…接続配管、６５…循環配管、６６…水素ポンプ、７１…生成水流路、７２…生成水タンク、７３…貯留量検出センサ、７４…排水弁、１００…燃料電池システム、Ｆ１…第１流量、Ｆ２…第２流量、Ｆ３…第３流量
【図１】
2020136232.tif 000003
【図２】
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【図３】
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