(57)【要約】【課題】フィルタに吸着された不純物量を正確に認識し、フィルタの寿命を正確に判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムを提供することを課題とする。【解決手段】自車両が走行している位置の標準不純物濃度と、自車両の平均速度とを含む自車両の走行環境下の情報に基づいて、フィルタに吸着される単位時間あたりの不純物吸着量を求め、求めた単位時間あたりの不純吸着量を、走行時間により積算してフィルタの総不純物吸着量を求め、総不純物吸着量が所定値を超えたか否かを判別し、超えている場合には、フィルタが寿命であると判定するするように構成される。【選択図】      図１
2004152669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車における燃料電池の空気系に備えられ、空気中の不純物を吸着するフィルタの寿命を判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムにおいて、
自車両が走行している位置の標準不純物濃度と、自車両の平均速度とを含む自車両の走行環境下の情報に基づいて、前記フィルタに吸着される単位時間あたりの不純物吸着量を求め、求めた単位時間あたりの不純吸着量を、走行時間により積算して前記フィルタの総不純物吸着量を求め、総不純物吸着量が所定値を超えたか否かを判別し、超えている場合には、前記フィルタが寿命であると判定する演算手段
を有することを特徴とする燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項２】
燃料電池車における燃料電池の空気系に備えられ、空気中の不純物を吸着するフィルタの寿命を判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムにおいて、
自車両の位置情報と、位置情報に対応した地図情報を入力し、自車両が現在走行している現在地情報を求め、現在地情報と各位置における標準不純物濃度のデータを示す不純物濃度マップとを照合し、現在地における標準不純物濃度を求め、自車両が走行している周辺の交通情報を入力し、交通情報に基づいて自車両の平均速度を求め、平均速度に基づいて、平均速度と標準不純物濃度との相関関係を示す速度係数を求め、標準不純物濃度と速度係数とに基づいて単位時間あたりの不純物吸着量を求め、求めた単位時間あたりの不純吸着量を、走行時間により積算して前記フィルタの総不純物吸着量を求め、総不純物吸着量が所定値を超えたか否かを判別し、超えている場合には、前記フィルタが寿命であると判定する演算手段
を有することを特徴とする燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項３】
前記自車両の位置情報ならびに交通情報は、
カーナビゲーションシステムにより得る
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項４】
前記フィルタは、
複数備えられ、前記演算手段により算出された単位時間あたりの不純物吸着量に基づいて、使用するフィルタの個数を変更する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項５】
前記フィルタは、
複数使用する場合には、直列接続と並列接続とを選択可能に構成する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項６】
前記演算手段により算出された不純物吸着量は、車両外部のデータベースへ送信される
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項７】
前記演算手段により算出された不純物吸着量が、所定値以上になった場合には、前記フィルタが寿命に達したことを運転者に対して警告することを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【請求項８】
前記演算手段により算出された不純物吸着量が、所定値以上になった場合には、前記燃料電池の発電量を制限する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池のフィルタ寿命判定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車に備えられて空気中の不純物を吸着するケミカルフィルタの寿命を、走行環境を考慮して判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
不純物を除去するケミカルフィルタの残り寿命を推定する、従来の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された、活性炭吸着型ケミカルフィルタの残り寿命の推定方法では、溶媒抽出法により求めたケミカルフィルタのガス成分吸着量と該ケミカルフィルタのガス成分吸着能との関係を求め、この関係から、寿命判定点とするガス成分吸着能に対応するケミカルフィルタのガス成分吸着量を求め、残り寿命推定の対象となる使用時間のケミカルフィルタをサンプリングし、そのサンプルのガス成分吸着量を溶媒抽出法により求め、ガス成分吸着能に対応する該ケミカルフィルタのガス成分吸着量、サンプルのガス成分吸着量ならびに残り寿命推定の対象となる使用時間とに基づいて、ケミカルフィルタの残り寿命を推定するようにしている。すなわち、上記技術では、フィルタの一部をサンプリングし、溶媒抽出法により吸着量を求め、吸着量と時間との相関関係に基づいてフィルタの寿命を予測している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３２１２５７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、特許文献１に記載された従来の技術においては、フィルタをサンプリングして評価することが必要となる。このため、フィルタの使用環境の違いによる劣化速度の違いを反映できなかった。また、車両がどのような環境を走行したかといった情報との相関を判断する何らかの基準が必要となり、車両走行状態での予測精度に問題があった。さらに、車両から定期的にフィルタの一部をサンプリングする必要が生じ、実験レベル以外では有効に使用できない方法である。
【０００５】
一方、ケミカルフィルタを用いて除去しようとしている窒素酸化物、硫黄化合物等の除去対象となる不純物は、燃料電池へ到達した場合には、固体高分子膜と結合し、燃料電池性能の低下を引き起こす物質である。また、これらの物質は固体高分子膜と結合すると、分解が困難となり、外部手段により除去することが難しい。固体高分子型の燃料電池の性能低下を避けるためには、このような物質の燃料電池への到達を防ぐ必要があった。したがって、ケミカルフィルタを車両で用いるためには、その能力を常に把握しておく必要があった。
【０００６】
ケミカルフィルタを車両に適用する場合には、新たな機器を追加することなく、かつフィルタ部品を定期的にサンプリングする必要もなく、さらにガス分析計などの直接的な測定手段に頼らずに、フィルタの寿命を正確に判定する方法が求められていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フィルタに吸着された不純物量を正確に認識し、フィルタの寿命を正確に判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池車における燃料電池の空気系に備えられ、空気中の不純物を吸着するフィルタの寿命を判定する燃料電池のフィルタ寿命判定システムにおいて、自車両が走行している位置の標準不純物濃度と、自車両の平均速度とを含む自車両の走行環境下の情報に基づいて、前記フィルタに吸着される単位時間あたりの不純物吸着量を求め、求めた単位時間あたりの不純吸着量を、走行時間により積算して前記フィルタの総不純物吸着量を求め、総不純物吸着量が所定値を超えたか否かを判別し、超えている場合には、前記フィルタが寿命であると判定する演算手段を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池車の実際の走行環境に基づいて不純物吸着量を算出するようにしたので、フィルタをサンプリングすることなくフィルタに吸着された不純物量を正確に認識することが可能となる。これにより、フィルタの寿命を正確に判別することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池のフィルタ寿命判定システムの構成を示す図であり、図２は寿命を判定するケミカルフィルタを含む燃料電池システムにおける空気系の構成を示す図である。
【００１２】
まず、図１に示す燃料電池のフィルタ寿命判定システムについて説明する前に、図２を参照して、この実施形態で使用されるケミカルフィルタについて説明する。図２において、この実施形態では、例えば２つのフィルタ２０、２１を使用し、各開閉バルブ２２、２３、２４、２５、２６をそれぞれ開閉制御することにより、フィルタなし、フィルタ１台使用（フィルタ２０又は２１使用）、フィルタ２台並列使用、フィルタ２台直列使用、の５通りの運転モード（後述する）で使用することが可能となる。吸気された空気は、開状態に制御されたバルブ２２〜２６、ならびにそれらにより使用されるフィルタ２０、２１を介して与えられたコンプレッサ２７で圧縮され、圧縮された空気は燃料電池２８に供給される。なお、この実施形態では、フィルタ２０、２１を２台使用しているが、３台以上の複数台を使用することも可能である。
【００１３】
次に、図１に戻って、図１に示す第１の実施形態のシステムは、演算装置１、ＤＶＤドライバ２、表示装置３、ディスプレー４、記録装置５ならびに制御装置６を備えて構成されている。なお、本システムは、従来から知られているカーナビゲーションシステム（図示せず）、ならびに外部のとの間で種々の情報を通信可能な通信装置（図示せず）を備えた燃料電池車両に搭載される。
【００１４】
演算装置１は、カーナビゲーションシステムのＧＰＳアンテナを介して、自車両の位置情報、ならびに自車両の現在地付近の交通情報を入力し、また上記通信装置を介して、フィルタ２０、２１で除去する対象となる不純物の不純物濃度分布データを入力し、さらにＤＶＤドライバ２を介して、自車両が走行している周辺の地図情報を入力し、また記録装置５を介して、前回キースイッチ停止前のフィルタ２０、２１の総吸着量を入力し、フィルタ２０、２１に吸着された不純物の吸着量を、後述する手順にしたがって算出し、算出した不純物の吸着量に基づいてフィルタ２０、２１の寿命を判定する。算出された不純物の吸着量は、表示装置３、記録装置５、制御装置６ならびに通信装置に与えられる。通信装置に与えられた不純物の吸着量は、通信装置を介して走行データとともに外部のデータベースに送信される。
【００１５】
演算装置１は、燃料電池の現在の出力と、燃料電池出力の基準値ならびに不純物濃度の基準値を入力し、図２に示すフィルタ２０、２１の運転モードを切り替えるための処理（後述する）を行い、運転モード信号を制御装置６に与える。
【００１６】
なお、不純物濃度分布データは、ＤＶＤもしくは記録装置５に記録され、ＤＶＤドライバ２もしくは記録装置５を介して演算装置１に与えるようにしてもよい。
【００１７】
ＤＶＤドライバ２は、上述した地図情報を記録したＤＶＤを駆動して、ＤＶＤに記録された地図情報を演算装置１に与える。
【００１８】
表示装置３は、演算装置１によって算出された不純物の吸着量に基づいてフィルタ２０、２１の寿命が判定され、フィルタ２０、２１が寿命に達した場合には、寿命に達したことを示す警告を、ディスプレー４に表示する。
【００１９】
記録装置５は、演算装置１で算出された不純物の吸着量を入力し、演算装置１で演算が開始された後演算が停止するまでに、演算装置１で算出された不純物の吸着量を記録する。
【００２０】
制御装置６は、演算装置１から与えられる運転モード信号に基づいて、図２に示す開閉バルブ２２〜２５を開閉制御し、フィルタ２０、２１の使用／未使用を選択してフィルタ２０、２１の運転モードを切り替え制御する。
【００２１】
図３はフィルタ２０、２１の運転モードを示す図である。図３において、運転モードは５通りとなる。モード１はフィルタ２０、２１を通さずに空気を供給するモードであり、モード２およびモード３はフィルタ２０、２１を１台のみ通して空気を供給するモードであり、モード４はフィルタ２０、２１を２台直列に空気を通すモードであり、モード５はフィルタ２０、２１を２台並列に空気を通すモードである。
【００２２】
これらの運転モードは、図３の開閉バルブ２２〜２７の動作に示すように、開閉バルブ２２〜２７の開閉の組み合わせにより可能である。モード１は、運転条件として、大気中の不純物濃度が基準値Ｙ１より低い低濃度であり、かつ燃料電池出力が基準値Ｐ１より小さい時に使用する。モード２およびモード３は、大気中の不純物濃度が基準値Ｙ２より低い濃度であり、かつ燃料電池出力が基準値Ｐ２より小さい時に使用する。モード４は、大気中の不純物濃度が基準値Ｙ２より高い濃度であり、かつ燃料電池出力が基準値Ｐ２より小さい時に使用する。モード５は、大気中の不純物濃度が基準値Ｙ２より高い濃度であり、かつ燃料電池出力が基準値Ｐ２より大きい時に使用する。ここで、各基準値は、Ｐ１＜Ｐ２、Ｙ１＜Ｙ２の関係に設定されている。
【００２３】
次に、フィルタ２０、２１の寿命を判定し、寿命に達した場合にはフィルタ２０、２１の交換の警告を行う制御の処理を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。図４に示す処理では、フィルタ２０、２１で除去する不純物を窒素酸化物の場合を一例としている。
【００２４】
まず、ステップＳ４０１では、キースイッチをオン状態とし、燃料電池を始動する。ステップＳ４０２では、演算装置１を起動し、演算処理を開始する。窒素酸化物の総吸着量を計算するために、記録装置５に記録されている、前回のキースイッチ停止前の総吸着量Ａ１を演算装置１に入力する。
【００２５】
ステップＳ４０３では、ＧＰＳアンテナより演算装置１に入力される位置情報を、ＤＶＤドライバ２より演算装置１に入力される地図情報と照合し、現在地情報を得る。ステップＳ４０４では、ステップＳ４０３で得られた現在地情報を、窒素酸化物濃度マップと照合し、現在地での標準窒素酸化物濃度Ｎ１を算出する。
【００２６】
ステップＳ４０５では、通信装置より外部から交通情報が演算装置１に入力される。
【００２７】
次に、ステップＳ４０６では、ステップＳ４０５で得られた交通情報から、演算装置１において単位時間あたりの平均速度Ｖ１を算出する。ステップＳ４０７では、演算装置１内において、平均速度と濃度の相関式Ｖ２＝ａ／Ｖ１＋ｂが処理に導入される。ここで、Ｖ２は窒素酸化物濃度を算出するために使用される速度係数であり、ａ、ｂは定数である。なお、この相関式は、通信装置により常に最新のものを演算装置１に導入することも可能である。
【００２８】
次に、ステップＳ４０８では、ステップＳ４０６で得られた平均速度Ｖ１と、ステップＳ４０７で導入された相関式に基づいて、窒素酸化物濃度に対する速度係数Ｖ２を算出する。ステップＳ４０９では、ステップＳ４０４で得られた標準窒素酸化物濃度Ｎ１と、ステップＳ４０８で得られた速度係数Ｖ２とに基づいて、単位時間あたりの窒素酸化物吸着量ΔＸ１を算出する。算出式はΔＸ１＝Ｎ１×Ｖ２である。ステップＳ４１０では、ステップＳ４０９で得られた単位時間あたりの窒素酸化物吸着量ΔＸ１を積分処理し、積分した値に前回までの総吸着量Ａ１を加えて、現在までの窒素酸化物の総吸着量Ａを算出する。
【００２９】
次に、ステップＳ４１１では、キースイッチ停止指令が入った場合の判断を行う。ステップＳ４１２では、ステップＳ４１１において、キースイッチ停止であった場合に、ステップＳ４１０で行う積分処理を停止する。ステップＳ４１３では、現在までの窒素酸化物の総吸着量Ａを記録装置５に記録し、演算装置１の電源を停止する。
【００３０】
次に、ステップＳ４１４では、算出された総吸着量Ａを、警報基準値Ａ２と比較判断する。総吸着量Ａが、Ａ２よりも大きい場合には、ステップＳ４１５に進む。一方、総吸着量ＡがＡ２よりも小さい場合には、ステップＳ４０３に戻り、再度ステップＳ４０３〜ステップＳ４１４の処理を繰り返す。
【００３１】
次に、ステップＳ４１５では、ステップＳ４１４において総吸着量Ａが警報基準値Ａ２を超えた場合には、フィルタ２０、２１が寿命に達したことを示す警報を表示装置３を用いてディスプレー４に表示する。これにより、運転者に早期にフィルタ２０、２１を交換するよう注意を喚起すると共に、燃料電池の発電量を制限する。ステップＳ４１６では、通信装置を用いて、警告情報を整備データベースへ送信する。
【００３２】
以上の処理を行うことにより、フィルタ２０、２１の劣化状態を常に精度よく把握し、フィルタ２０、２１の交換時期の管理などを行うことができる。なお、硫黄化合物などの、フィルタ２０、２１が対象とする不純物に対しても、窒素酸化物濃度マップに代えて硫黄酸化物等の不純物の濃度マップを使用し、図４に示す処理手順を実行することにより対応することが可能である。
【００３３】
図５は窒素酸化物の不純物濃度分布データとしての窒素酸化物濃度マップの一例を示す図である。図４に示す処理のステップＳ４０４において、図５に示すような濃度マップが用いられ、自車両の位置情報との照合を行い、自車両の現在地の窒素酸化物濃度が求められる。
【００３４】
図６は車両の平均速度と窒素酸化物濃度の相関の一例を示す図である。図６において、Ｖ２＝ａ／Ｖ１＋ｂで表される相関式は、図４に示す処理のステップＳ４０７で用いられ、現在の速度情報に基づいて実際の窒素酸化物濃度を推定する式である。
【００３５】
次に、フィルタ２０、２１の運転モードの切り替え制御の処理を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３６】
まず、ステップＳ７０１では、キースイッチをオン状態とし、燃料電池を始動する。ステップＳ７０２では、図４に示す処理と同様に、自車両の位置情報、交通情報を入力する。ステップＳ７０３では、図４に示す処理と同様にステップＳ７０２で入力された情報に基づいて、単位時間あたりの不純物吸着量ΔＸ１を計算する。
【００３７】
次に、ステップＳ７０４では、燃料電池（ＦＣＶ）出力を入力する。ステップＳ７０５では、キースイッチ停止指令が入った場合の判断を行う。ステップＳ７０６では、燃料電池（ＦＣＶ）出力の基準値Ｐ１および不純物濃度の基準値Ｙ１を参照する。ステップＳ７０７では、ステップＳ７０５により、キースイッチがオフしたことが判断されると、図３に示すモード５に移行する。
【００３８】
次に、ステップＳ７０８では、現在の不純物濃度ΔＸ１と不純物濃度の基準値Ｙ１との比較、および現在の燃料電池出力Ｐと出力基準値Ｐ１との比較を行う。ステップＳ７０９では、不純物濃度の基準値Ｙ２を参照する。ステップＳ７１０では、ステップＳ７０８で行った比較の比較結果に基づいて、不純物濃度ΔＸ１が不純物濃度の基準値Ｙ１より小さく、かつ燃料電池出力Ｐが燃料電池の基準出力Ｐ１より小さい場合には、図３に示すモード１に移行し、再度ステップＳ７０２に戻り同様の処理を繰り返す。
【００３９】
次に、ステップＳ７１１では、現在の不純物濃度ΔＸ１と不純物濃度の基準値Ｙ２との比較を行う。ステップＳ７１２では、燃料電池出力の基準値Ｐ２を参照する。ステップＳ７１３では、現在の不純物濃度ΔＸ１が不純物濃度の基準値Ｙ２より小さい場合に、図３に示すモード２もしくはモード３に移行し、再度ステップＳ７０２に戻り同様の処理を繰り返す。
【００４０】
次に、ステップＳ７１４では、燃料電池出力Ｐと燃料電池出力の基準値Ｐ２との比較を行う。ステップＳ７１５では、燃料電池出力Ｐが燃料電池出力の基準値Ｐ２より小さい場合には、図３に示すモード４に移行し、再度ステップＳ７０２に戻り同様の処理を繰り返す。ステップＳ７１６では、燃料電池出力Ｐが燃料電池出力の基準値Ｐ２より大きい場合には、図３に示すモード５に移行し、再度ステップＳ７０２に戻り同様の処理を繰り返す。
【００４１】
上記処理を行うことにより、２台のフィルタ２０、２１の寿命を最大限に使うことができ、かつ燃料電池への不純物混入をより確実に防ぐことができる。
【００４２】
以上説明したように、この第１の実施形態においては、フィルタ２０、２１の寿命を判定する際に、フィルタをサンプリングすることなく、実際の走行環境に基づいてフィルタの寿命を判定しているので、どの程度の量の窒素酸化物や硫黄化合物等の不純物を、現在取り込んでいるかという情報を得ることができる。したがって、取り込まれた量を積算することにより、フィルタ２０、２１の寿命を正確に判定することができる。
【００４３】
また、交通情報、自車両の位置情報など既存のナビゲーションシステムを流用して、不純物のセンサを用いることなく実現できる。さらに、実際の走行環境に基づくことにより、フィルタ２０、２１への負荷の大小を把握することができる。これにより、フィルタ２０、２１の負荷の大きな環境では、フィルタ２０、２１を複数台使用することにより、燃料電池への不純物の到達を防ぐことができる。一方、負荷の小さい環境では、フィルタ２０、２１を１台のみの使用とすることにより、フィルタ２０、２１による圧力損失を下げて、燃料電池システムの効率を向上させるとともに、必要以上のフィルタ２０、２１を使わないことによりフィルタ２０、２１の寿命を延ばすことができる。
【００４４】
また、外部のデータベースにフィルタ２０、２１の交換を示す警告情報を送信することにより、フィルタ寿命以外の車両整備データ、修理履歴などと共に、メンテナンス情報の一元管理ができると共に、走行データの蓄積ができる。
【００４５】
さらに、フィルタ交換時期を運転者に知らせることができることにより、フィルタ交換遅れによる燃料電池への不純物の蓄積を避けることができる。また、フィルタ２０、２１の寿命時に燃料電池の出力を制限することにより、燃料電池への不純物蓄積を最小限に抑えることができると共に、燃料電池の劣化（被毒）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池のフィルタ寿命判定システムの構成を示す図である。
【図２】寿命を判定するケミカルフィルタを含む燃料電池システムにおける空気系の構成を示す図である。
【図３】フィルタの運転モードを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池のフィルタ寿命判定システムの動作処理を示すフローチャートである。
【図５】窒素酸化物の不純物濃度マップの一例を示す図である。
【図６】平均速度と不純物濃度との相関関係を示す図である。
【図７】フィルタの運転モード切替制御の動作処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  演算装置
２  ＤＶＤドライバ
３  表示装置
４  ディスプレー
５  記録装置
６  制御装置
２０，２１  フィルタ
２２，２３，２４，２５，２６  開閉バルブ
【図１】
2004152669.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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