(57)【要約】【課題】霧が生じる領域を判定しと、当該領域中の霧の量を容易に定量する。【解決手段】燃料電池車両から排出される霧の定量化方法は、燃料電池車両の形状及び発電状態から、シミュレーションモデルを形成する工程と、前記燃料電池車両の排出口から排出される水蒸気量、向き、速度から、水蒸気分布を算出する工程と、前記燃料電池車両の周囲の温度分布を算出する工程と、前記温度分布から飽和水蒸気量を取得する工程と、水蒸気量を飽和水蒸気量で割った値が閾値以上を満たす領域を、霧が生じる霧領域と判定する工程と、前記霧領域の霧の量を算出する工程と、を備える。【選択図】図２
2019071240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両から排出される霧の定量化方法であって、
燃料電池車両の形状及び発電状態から、シミュレーションモデルを形成する工程と、
前記燃料電池車両の排出口から排出される水蒸気量、向き、速度から、水蒸気分布を算出する工程と、
前記燃料電池車両の周囲の温度分布を算出する工程と、
前記温度分布から飽和水蒸気量を取得する工程と、
水蒸気量を飽和水蒸気量で割った値が閾値以上を満たす領域を、霧が生じる霧領域と判定する工程と、
前記霧領域の霧の量を算出する工程と、
を備える、定量化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両から排出される霧の定量化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池車両の排気口付近の画像を取得し、排ガスの状態を解析して、例えば、輝度に応じて複数のレベルに分類してレベル毎に集計して、燃料電池車両の排ガスから生じる霧の量を定量することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６７８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
画像から霧を検出する場合、光の加減や背景によっては、正確に霧を検知することが難しいという問題があった。また、僅かな風でも霧に影響を与えるため、霧とそれ以外の境界を判別しにくいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池車両から排出される霧の定量化方法が提供される。この定量化方法は、燃料電池車両の形状及び発電状態から、シミュレーションモデルを形成する工程と、前記燃料電池車両の排出口から排出される水蒸気量、向き、速度から、水蒸気分布を算出する工程と、前記燃料電池車両の周囲の温度分布を算出する工程と、前記温度分布から飽和水蒸気量を取得する工程と、水蒸気量を飽和水蒸気量で割った値が閾値以上を満たす領域を、霧が生じる霧領域と判定する工程と、前記霧領域の霧の量を算出する工程と、を備える。この形態によれば、光の加減や背景の影響を受けること無く、霧が生じる領域を判定し、当該領域中の霧の量を容易に算出し、定量できる。
【０００７】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両から排出される霧の定量化方法の他、燃料電池車両から排出される霧の定量化シミュレーション装置、燃料電池車両から排出される霧を定量化するコンピュータプログラム等の種々の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】霧の定量化シミュレーション装置を示す説明図である。
【図２】霧の定量化シミュレーションの処理フローを示す説明図である。
【図３】燃料電池車両における霧の広がりの一例を示す説明図である。
【図４】ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値と霧の広がりの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
・実施形態：
図１は、霧の定量化シミュレーション装置１０（「シミュレーション装置１０」と略す。）を示す説明図である。シミュレーション装置１０は、ＣＰＵ２０と、入力部１１と、モデル設定部１２と、水蒸気分布算出部１３と、温度分布算出部１４と、霧判定部１５と、霧量算出部１６と、メモリ１７と、表示部１８と、を備える。大辞林 第三版によれば、「霧」とは、地表や水面の近くで水蒸気が凝結して無数の微小な水滴となり、浮遊している現象を意味する。本実施形態では、「霧」の用語は、このように水蒸気が凝結（凝集）して形成された凝集体が浮遊している状態を意味するものとして使用する。
【００１０】
入力部１１は、シミュレーションの対象である燃料電池車両（以下「車両」と呼ぶ。）の形状データ、車高、排気口の形状・向き等の車両の形状等に関するデータ、車両に搭載される燃料電池の発電状態、温度等に関するデータ、外気温や湿度など、車両の周囲環境に関するデータなど、シミュレーションに必要なデータやパラメータを入力するための装置である。
【００１１】
モデル設定部１２は、シミュレーションモデルの作成、及びシミュレーションパラメータの初期設定を行う。例えば、モデル設定部１２は、燃料電池の発電状態から、発生する水蒸気の量や温度を決定する。車両の形状等に関するデータから、水蒸気が拡散する領域の形状を決定し、ボリューム（「メッシュ」とも呼ぶ。）に分割する。ボリュームの大きさは、入力部１１から入力が可能であり、例えば、１ｍｍ３〜２７ｃｍ３程度の大きさである。ボリュームの大きさを大きくすれば、計算時間を短くできる。一方、ボリュームの大きさを小さくすれば、精度を良くできる。燃料電池の発電状態及び排気口の形状・向きにより、どの方向にどれくらいの速度、温度の水蒸気が放出されるかを決定する。車両の周囲環境に関するデータから、各ボリュームの初期温度、初期水蒸気量を決定する。
【００１２】
水蒸気分布算出部１３は、水蒸気の分布を算出する。具体的には、燃料電池の発電状態から、排出口から排出される水蒸気量を算出し、水蒸気量と排気口の形状・向きに基づいて、水蒸気の排出方向及び速度を算出する。そして、例えば有限体積法を用いて流れの支配方程式であるナビエストークス方程式を離散化し、数値解析によりナビエストークス方程式を解いて、流速分布と圧力分布を算出する。水蒸気分布算出部１３は、さらに、得られた流速分布から、例えば有限体積法を用いて水蒸気モル分率の輸送方程式を離散化し、数値解析により水蒸気モル分率の輸送方程式を解いて水蒸気モル分率分布を算出する。水蒸気分布算出部１３は、水蒸気モル分率と、全圧Ｐとを用いて、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを算出する。水蒸気分圧ＰＨ２Ｏは、水蒸気モル分率×全圧Ｐで得られる。
【００１３】
温度分布算出部１４は、車両に搭載される燃料電池の発電状態から車両の発熱量を算出する。そして、車両の発熱量と、水蒸気分布算出部１３で得られた流速分布とを用いて、例えば有限体積法を用いてエネルギーの輸送方程式を離散化し、数値解析によりエネルギーの輸送方程式を解いて、温度分布を算出する。
【００１４】
霧判定部１５は、ボリュームで区切った各領域の水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを用いて、そのボリュームの領域に霧が生じているか否かを判定する。霧判定部１５は、先ず、温度分布算出部１４から得られた温度分布から、アントワン（Antoine）の式を用いてボリュームで区切った各領域の飽和水蒸気圧Ｐ０を算出する。アントワンの式は、
Ｌｏｇ１０Ｐ０＝Ａ−Ｂ／（Ｔ＋Ｃ）
で示される。ここで、Ｐ０を水銀柱ミリメートルで表した飽和蒸気圧、Ｔをセルシウス温度とすると、Ａ＝８．０２７５４、Ｂ＝１７０５．６１６、Ｃ＝２３１．４０５である。なお、日本の計量法では、１水銀柱ミリメートルは１０１３２５／７６０Ｐａと定義されており、飽和水蒸気圧の単位が水銀柱ミリメートルであっても、ＳＩ単位系への変換は容易である。
【００１５】
次に、霧判定部１５は、水蒸気量を飽和水蒸気量で割った値が閾値以上を満たす領域を、霧が生じる霧領域と判定する。ここで、水蒸気量と水蒸気分圧ＰＨ２Ｏとは１対１に対応し、飽和水蒸気量と飽和蒸気圧Ｐ０とは１対１に対応する。したがって、水蒸気量／飽和水蒸気量の代わりに、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０を求め、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が予め定められた閾値以上の領域を霧が生じる霧領域と判定する。閾値としては、一般的には１を設定することが好ましいが、任意の値が設定可能である。ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が１以上となれば、通常、水蒸気は凝集して霧になるが、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏが飽和水蒸気圧Ｐ０を上回っても、水蒸気が凝縮しない過飽和状態が生じる場合があり、この場合には、霧は生じない。ただし、この過飽和状態は不安定である。一方、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が１未満の場合には、水蒸気は凝集しないが、ボリューム内に温度分布があれば、水蒸気が凝集して、霧が生じる場合がある。これらを考慮して、閾値として任意の値を設定できることとしたものである。
【００１６】
霧量算出部１６は、霧領域の体積を算出する。霧量算出部１６は、霧領域の体積だけでなく、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値を考慮して、霧の量を算出しても良い。すなわち、（ＰＨ２Ｏ／Ｐ０−閾値）に相当する量の水蒸気が霧に相転移しているので、（ＰＨ２Ｏ／Ｐ０−閾値）から霧の量を求めることができる。また、入力部１１から検査領域が入力された場合には、検査領域内、且つ、霧領域の体積を算出してもよく、その体積中の霧の量を算出しても良い。
【００１７】
メモリ１７は、水蒸気分布算出部１３、温度分布算出部１４、霧判定部１５、霧量算出部１６の算出結果を格納する。表示部１８は、算出結果を表示する。
【００１８】
図２は、霧の定量化シミュレーションの処理フローを示す説明図である。ステップＳ１０では、車両の形状データ、車両に搭載される燃料電池の発電状態、排気口の形状・向き等のシミュレーションに必要なデータやパラメータが入力部１１に入力される。モデル設定部１２は、燃料電池の発電状態から、発生する水蒸気の量や温度を決定する。車両の形状等に関するデータから、水蒸気が拡散する領域の形状を決定し、ボリュームに分割する。燃料電池の発電状態及び排気口の形状・向きにより、どの方向にどれくらいの速度、温度の水蒸気が放出されるかを決定する。車両の周囲環境に関するデータから、各ボリュームの初期温度、初期水蒸気量を決定する。
【００１９】
ステップＳ１５では、水蒸気分布算出部１３は、有限体積法を用いてナビエストークス方程式を離散化し、数値解析によりナビエストークス方程式を解いて、Δｔ後の流速分布と圧力分布を算出する。ステップＳ２０では、水蒸気分布算出部１３は、得られた流速分布から、有限体積法を用いて水蒸気モル分率の輸送方程式を離散化し、数値解析により水蒸気モル分率の輸送方程式を解いてΔｔ後の水蒸気モル分率分布を算出する。ステップＳ２５では、水蒸気分布算出部１３は、水蒸気モル分率と、全圧Ｐとを用いて、水蒸気モル分率ＰＨ２Ｏを算出する。
【００２０】
ステップＳ３０では、温度分布算出部１４は、水蒸気分布算出部１３で得られた流速分布を用いて、有限体積法を用いてエネルギーの輸送方程式を離散化し、数値解析によりエネルギーの輸送方程式を解いて、Δｔ後の温度分布を算出する。ステップＳ３５では、霧判定部１５は、温度分布算出部１４から得られた温度分布から、アントワンの式を用いてボリュームで区切った各領域の飽和水蒸気圧Ｐ０を算出する。
【００２１】
ステップＳ４０では、霧判定部１５は、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０を求め、その分布を算出する。ステップＳ４５では、霧判定部１５は、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が予め定められた閾値以上の領域（ＰＨ２Ｏ／Ｐ０≧閾値を満たす領域）を霧が生じる領域と判定し、閾値未満の領域を霧が生じる領域と判定する。ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が閾値と等しくなるところが、霧が生じる領域と生じない領域との境界である。ここで、閾値としては、例えば１が選ばれるが、閾値として１以外の値を採用してシミュレーション結果と実際の実験の結果とが一致ないし良い相関を示すように調整してもよい。
【００２２】
ステップＳ５０では、霧判定部１５は、検査領域４０を定義する。検査領域４０は、目的に応じて定義される。具体的には、空間の８点の座標を指定する。例えば、車両３０のキャビン周辺に発生する霧量を定量化したいときは、キャビン周辺に検査領域４０を定義する。この検査領域４０の座標は、入力部１１から入力される。検査領域４０は、有限体積法における全ボリュームの外縁よりも内側である。なお、検査領域４０の形状は、必ずしも直方体である必要は無い。ステップＳ５５では、霧判定部１５は、検査領域４０の内側、且つ、霧が生じる領域の体積を算出し、当該体積中の霧の量を算出する。ＰＨ２Ｏ／Ｐ０から閾値を引いた値に相当する水蒸気は、凝集して、霧になっているものと考えられる。したがって、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０から閾値を引いた値に相当する水蒸気の量を合計することで、当該体積中の霧の量を容易に算出できる。ＣＰＵ２０は、ステップＳ１５からステップＳ５５までの結果をメモリ１７に格納する。
【００２３】
ステップＳ６０では、ＣＰＵ２０は、シミュレーションを終了するか否かを判断する。本実施形態では、１サイクルのシミュレーションでΔｔ後の各状態を算出する。予め定められた時間分のシミュレーションが終了していれば、ステップＳ６５に移行し、結果を表示部１８に表示する。シミュレーションが終了していなければ、ステップＳ１５に戻り、次のΔｔ後の値を算出すべく、シミュレーションを続行する。なお、本実施形態では、シミュレーションの終了後に結果を表示部１８に表示しているか、１サイクル（ステップＳ１５〜Ｓ５５）が終了する毎に、リアルタイムで結果を表示部１８に表示してもよい。
【００２４】
図３は、車両３０と、霧と、検査領域４０を示す説明図である。図３の破線は、霧が生じる領域と生じない領域との境界を示し、１点鎖線は、検査領域４０を示している。破線の内側、且つ、１点鎖線の内側の体積及びその体積中の霧の量が、ステップＳ５５で算出される。
【００２５】
図４は、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値と霧の広がりの関係を示す説明図である。図４では、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値を、１．２から０．１刻みで１．０まで小さくして、図示している。ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が１．２よりも高い領域は、霧の広がりの中程にある。周りに行くに従って、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が小さくなっていく。霧の広がりの中程ほど、多くの水蒸気が凝集して濃い霧になっている。ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値が１．０よりも小さい領域には、霧が生じていない。図４において、さらに、ＰＨ２Ｏ／Ｐ０の値を１．０よりも小さい０．９にしたときの様子を図示してもよい。
【００２６】
以上、本実施形態によれば、霧の拡散を容易にシミュレーションすることができる。本実施形態によれば、実車を用いて実験することや模型等を作成して実験することに比べると、（ａ）周囲環境、例えば、光の加減より霧を誤認することがない、（ｂ）微風による影響がない。といった様々な効果を有する。さらに、（ｃ）霧の３次元的な拡散の様子を再現できる、（ｄ）パラメータを変更することが容易である、（ｅ）実車や模型等では実験しにくい条件でも霧の拡散を判定できる、（ｆ）風の向きや強さを任意に変えることができる、（ｇ）画像を撮影して霧を３次元的に捉えようとすると、ｘ、ｙ、ｚの３方向から撮影する必要があり、この場合、車両３０の影は撮影できないが、本実施形態では、霧が車両３０の影に存在する場合であっても、霧の拡散を算出できる、という効果も有する。そして、様々な条件でシミュレーションし、その結果を、霧量低減のための部品設計や運転制御に利用することができる。
【００２７】
水蒸気分布算出部１３は、流速分布と圧力分布を算出するとき、水蒸気モル分率分布を算出するとき、有限体積法を用いたが、有限体積法以外の方法、例えば、有限要素法、有限差分法、格子法、格子ボルツマン法などを利用してもよい。また、温度分布算出部１４も、温度分布を算出するときに、有限体積法以外の方法、例えば、有限要素法、有限差分法、格子法、格子ボルツマン法などを利用してもよい。
【００２８】
霧判定部１５は、本実施形態では、飽和水蒸気圧Ｐ０を算出するのにアントワンの式を用いたが、温度と飽和水蒸気圧Ｐ０との関係を示す近似式には、アントワンの式の他に、例えば、Wagnerの式、Augustの式（Tetensのパラメータ、Murrayのパラメータ）、Goff-Gratchの式、Wexlerの式、Sonntagの式、岡田の式など、様々な近似式があり、そのどれを用いても良い。また、近似式を用いるのでは無く、メモリ１７に温度と飽和水蒸気圧Ｐ０との関係を記録したテーブルを格納しておき、そのテーブルを用いて飽和水蒸気圧Ｐ０を取得してもよい。この場合、温度と飽和水蒸気圧Ｐ０との関係を記録したテーブルは、例えばメモリ１７に格納されてもよい。
【００２９】
本実施形態では、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏ、飽和水蒸気圧Ｐ０を用いたが、代わりに絶対湿度、飽和水蒸気量を用いてもよい。水蒸気分圧ＰＨ２Ｏ、飽和水蒸気圧Ｐ０の単位はＰ（パスカル）に対し、絶対湿度、飽和水蒸気量の単位はＫｇ／ｍ３であり、両者は、単位が異なるが、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏと絶対湿度、飽和水蒸気圧Ｐ０と飽和水蒸気量は、それぞれ１対１で対応し、実質的に同一だからである。
【００３０】
水蒸気が霧に相転移して凝集すると、凝集エネルギーが生じ、温度が上昇する。また、霧が水蒸気に相転移して気化すると、気化エネルギーが奪われ、温度が下降する。温度分布算出部１４は、凝集エネルギー、気化エネルギーを考慮して、温度分布を求めてもよい。なお、温度によっては、水蒸気が、液体の水を経由せずに氷に相転移する場合、氷が液体の水を経由せずに水蒸気に相転移する場合があるが、これらの相転移エネルギーを考慮しても良い。
【００３１】
水蒸気は、燃料電池車両３０から排出される水蒸気の他に、大気中に自然に含まれている水蒸気が存在する。従って、水蒸気分布算出部１３は、燃料電池車両３０から排出される水蒸気の他に、大気中に自然に含まれている水蒸気を考慮して、水蒸気分布を算出しても良い。
【００３２】
本実施形態では、検査領域４０をステップＳ５０で設定しているが、ステップＳ１０で設定してもよい。この場合、ステップＳ４５の次にステップＳ５５が実行される。また、２サイクル目からは、ステップＳ５０を省略し、１サイクル目のステップＳ５０で設定された検査領域４０を使用しても良い。
【００３３】
上記説明では、車両１０から周囲環境への熱の影響、排出口から周囲環境への熱の影響については、言及していないが、モデル設定部１２は、これらの部材からの熱の影響を含めて、シミュレーションモデルを設定しても良い。
【００３４】
本発明は、上述の実施形態や他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、他の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】
【００３５】
１０…霧の定量化シミュレーション装置（シミュレーション装置）
１１…入力部
１２…モデル設定部
１３…水蒸気分布算出部
１４…温度分布算出部
１５…霧判定部
１６…霧量算出部
１７…メモリ
１８…表示部
２０…ＣＰＵ
３０…燃料電池車両（車両）
４０…検査領域
【図１】
2019071240.tif 000003
【図２】
2019071240.tif 000004
【図３】
2019071240.tif 000005
【図４】
2019071240.tif 000006