(57)【要約】【課題】車両外に排出された生成水が路上で凍結することを抑制することができる燃料電池車両を提供する。【解決手段】反応ガスを用いた電気化学反応により発電を行う燃料電池２を備える燃料電池車両１であって、電気化学反応により生じた生成水を車両外に排出するための排水路２５（排出流路）と、排水路２５を介して排出される生成水の凝固点を低下させる凝固点低下装置３８（凝固点低下手段）と、を備える。凝固点低下装置３８は、生成水の凝固点を低下させる融雪剤１００（凝固点低下媒体）を貯留する容器３９と、容器３９と排水路２５とを接続する接続流路４０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを用いた電気化学反応により発電を行う燃料電池を備える燃料電池車両であって、
前記電気化学反応により生じた生成水を車両外に排出するための排出流路と、
前記排出流路を介して排出される生成水の凝固点を低下させる凝固点低下手段と、
を備える燃料電池車両。
【請求項２】
前記凝固点低下手段は、生成水の凝固点を低下させる凝固点低下媒体を貯留する容器と、この容器と前記排出流路とを接続する接続流路と、前記容器から前記接続流路を介して前記排出流路へと前記凝固点低下媒体を供給する供給装置と、を有する請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記供給装置を外気温に基づいて制御する制御手段を備える請求項２に記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記凝固点低下手段は、生成水の凝固点を低下させる凝固点低下媒体が前記排出流路内を流れる生成水に接するように構成されてなる請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記凝固点低下媒体は、塩化カルシウムである請求項２から４の何れか一項に記載の燃料電池車両。
【請求項６】
前記凝固点低下媒体の残量が少なくなった場合に、その旨を搭乗者に報知する報知装置を備える請求項２から５の何れか一項に記載の燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に関し、特に、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料ガス及び酸化ガス（以下、これらを「反応ガス」と総称する）との電気化学反応によって発電する燃料電池を動力源とした燃料電池車両が提案され、実用化されている。固体高分子電解質型の単電池を有する燃料電池においては、以下に示すように、単電池のアノード側において水素を水素イオンと電子とに分離させる反応が行われ、この水素イオンが単電池の電解質膜中をカソード側に移動し、単電池のカソード側において酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００３】
アノード側：Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ-
【０００４】
カソード側：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
【０００５】
近年においては、前記した電気化学反応により生成された水（以下、「生成水」という）を車両外に排出する際の飛散を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２２２８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記特許文献１に記載されたような技術を採用した場合においても、氷点下等の低温環境下では、車両外に排出された生成水が路上で凍結してしまう可能性がある。
【０００７】
前記事情に鑑み、本発明は、車両外に排出された生成水が路上で凍結することを抑制することができる燃料電池車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池車両は、反応ガスを用いた電気化学反応により発電を行う燃料電池を備える燃料電池車両であって、電気化学反応により生じた生成水を車両外に排出するための排出流路と、この排出流路を介して排出される生成水の凝固点を低下させる凝固点低下手段と、を備えるものである。
【０００９】
かかる構成を採用すると、排出流路を介して、凝固点低下手段で凝固点を低下させた生成水を車両外に排出することができるため、生成水が路上で凍結することを抑制することができる。
【００１０】
前記燃料電池車両において、生成水の凝固点を低下させる凝固点低下媒体を貯留する容器と、この容器と前記排出流路とを接続する接続流路と、前記容器から前記接続流路を介して前記排出流路へと前記凝固点低下媒体を供給する供給装置と、を有する凝固点低下手段を採用することができる。かかる場合において、前記供給装置を外気温に基づいて制御する制御手段を備えることができる。
【００１１】
かかる構成を採用すると、容器に貯留された凝固点低下媒体を、接続流路を介して排出流路に供給することが可能となる。そして、制御手段により、例えば外気温が低いほど凝固点低下媒体の供給量を増大させることができる。従って、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結を効果的に抑制することが可能となる。
【００１２】
制御手段は、例えば、例えば接続流路に設けられたバルブ（供給装置）の開閉動作を制御する制御部（マイクロコンピュータ等）を備えた構成とすることができる。
【００１３】
また、前記燃料電池車両において、生成水の凝固点を低下させる凝固点低下媒体が排出流路内を流れる生成水に接するように構成されてなる凝固点低下手段を採用することもできる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、排出流路内を流れる生成水に凝固点低下媒体が接するため、生成水は凝固点が低下した状態で車両外に排出されることとなる。
【００１５】
また、前記燃料電池車両において、凝固点低下媒体として例えば塩化カルシウムのような融雪剤としても使用可能なものを採用することができる。
【００１６】
また、前記燃料電池車両において、凝固点低下媒体の残量が少なくなった場合に、その旨を搭乗者に報知する報知装置を備えることができる。
【００１７】
かかる構成を採用すると、燃料電池車両の搭乗者は、凝固点低下媒体の残量が少なくなったことを認識することができ、凝固点低下媒体を補給することができる。このため、凝固点低下媒体の不足による生成水の凍結を抑制することが可能となる。報知装置としては、燃料電池車両の内部に設けられる画像表示装置やインジケータ等の視覚情報表示装置のほか、音声ガイダンスやブザー等の聴覚情報出力装置を採用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池車両の外部に排出された生成水が路上で凍結することを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池車両１について説明する。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池車両１は、図１に示すように、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００２１】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００２２】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガス（空気）が流れる空気供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる空気排出路１２と、を有している。空気供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。
【００２３】
空気排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、後述の希釈器３５に導かれ、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００２４】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給路２２の合流点Ａに戻すための水素循環路２３と、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２９と、水素循環路２３内の水素オフガスを水素供給路２２に圧送するポンプ２４と、を有している。
【００２５】
さらに気液分離器２９で分離された生成水を導く排水路２５と、気液分離器２９で分離されたガスを導く排気路３０と、排水路２５に設けられた排水弁３３Ａと、排気路３０Ａに設けられた排気弁３３Ｂを備える。排水路２５は、本発明における排出流路の一実施形態に相当するものである。
【００２６】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の主止弁２６を開くと、水素供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００２７】
水素供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、水素供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、水素循環路２３と、を順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００２８】
排水路２５には、遮断弁である排水弁３３Ａが設けられている。排水弁３３Ａ及び排気弁３３Ｂが燃料電池車両１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物及び生成水が後述の希釈器３５に排出される。排水弁３３Ａ及び排気弁３３Ｂの開弁により、水素循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２９】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００３０】
水素オフガス及び酸化オフガスは、希釈器３５、マフラ３６及び気液分離器３７を経て外部に排出される。希釈器３５には、排水路２５、空気排出路１２及び排気路３０から、各々、生成水（図１におけるＢ）、酸化オフガス（図１におけるＣ）及び水素オフガス（図１におけるＤ）が導かれる。
【００３１】
さらに、本実施形態に係る燃料電池車両１は、生成水の凝固点を低下させる凝固点低下装置３８を備える。凝固点低下装置３８は、例えば塩化カルシウム等の融雪剤（生成水の凝固点を低下させる凝固点低下媒体）１００を貯留する容器３９と、容器３９と燃料電池２から生成水を排出する排水路２５とを接続する接続流路４０と、接続流路４０に設けられたバルブ（供給装置）４６と、を備える。凝固点低下装置３８は、本発明における凝固点低下手段の一実施形態に相当するものである。
【００３２】
容器３９には、貯留された融雪剤１００の残量を検出する融雪剤残量検知センサ４７が設けられている。融雪剤残量検知センサ４７で検出された融雪剤１００の残量に係る情報は、制御部７に伝送される。接続流路４０には、容器３９から排水路２５へと流入する融雪剤１００の量（供給量）を制御するバルブ４６が設けられている。
【００３３】
制御部７には、外気温センサ４８で検出された外気温に係る情報が入力され、この外気温に係る情報に応じてバルブ４６の開度が制御部７により制御されるようになっている。この制御部７は、本発明における制御手段の一実施形態を構成するものである。
【００３４】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４及び各種の補機インバータ６５、６６、６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有している。
【００３５】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３６】
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示されていないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池２が搭載される燃料電池車両１の主動力源を構成する。
【００３７】
補機インバータ６５、６６、６７は、各々、対応するモータ１４ａ、２４ａ、４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５、６６、６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ、２４ａ、４２ａに供給する。補機インバータ６５、６６、６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１４ａ、２４ａ、４２ａで発生する回転トルクを制御する。
【００３８】
制御部７は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４や冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００３９】
次に、本実施形態に係る燃料電池車両１における生成水排出制御動作について説明する。
【００４０】
燃料電池車両１では、発電の際に電気化学反応によって生成水が生ずる。生成水は水素循環路２３から気液分離器２９を経て、排水弁３３Ａが開くことにより排水路２５に流入する。燃料電池２から生成水が排出される際に、制御部７が外気温に応じてバルブ４６の開度を制御し、容器３９内の融雪剤１００を排水路２５に供給する。これにより生成水に対して融雪剤１００が溶け込んだ状態で排出される。
【００４１】
制御部７は外気温に応じてバルブ４６の開度を制御する。すなわち、外気温が低いほど生成水に混合する融雪剤１００の量を増大させ、凝固点をより低下させるように制御する。一方、外気温が十分に高い場合においては、制御部７はバルブ４６を閉じて融雪剤１００の供給を停止させる。
【００４２】
また、容器３９内における融雪剤１００の残量は融雪剤残量検知センサ４７により検出される。そして、融雪剤１００の残量が低下した場合には、制御部７は燃料電池車両１の搭乗者に対してその旨を報知する。
【００４３】
本実施形態においては、燃料電池車両１の内部に設けられた図示されていない画像表示装置、インジケータ及び音声ガイダンスにより、融雪剤１００の残量が低下した旨を報知するようにしている。搭乗者は、かかる報知を受けた場合に融雪剤１００の補充等を行うことができる。制御部７及び画像表示装置等は、本発明における報知装置の一実施形態を構成する。
【００４４】
以上説明した実施形態における燃料電池車両１においては、凝固点低下装置３８の容器３９に貯留された融雪剤１００を、接続流路４０を介して排水路２５に供給することが可能となる。従って、排水路２５（排出流路）を介して、凝固点を低下させた生成水を車両外に排出することができるため、生成水が路上で凍結することを抑制することができる。
【００４５】
また、制御部７（制御手段）及びバルブ４６により、外気温が低いほど融雪剤１００の供給量を増大させることができるので、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結を効果的に抑制することが可能となる。
【００４６】
また、以上説明した実施形態における燃料電池車両１においては、融雪剤１００の残量が少なくなった場合に、その旨を搭乗者に報知する報知装置（制御部７及び画像表示装置等）を備えるので、搭乗者は、融雪剤１００の残量が少なくなったことを認識することができ、融雪剤１００を補給することができる。このため、融雪剤１００の不足による生成水の凍結を抑制することが可能となる。
【００４７】
なお、以上の実施形態においては、凝固点低下手段として、容器３９，接続流路４０，及びバルブ４６を備える凝固点低下装置３８を採用した例を示したが、融雪剤１００が排出流路（排水路２５やマフラ３６）内を流れる生成水に接するような構成を凝固点低下手段として採用することもできる。
【００４８】
例えば、融雪剤１００を、排水路２５及びマフラ３６の内壁の重力方向下方部分や希釈器３５及び気液分離器３７の重力方向下方部分に直接配置したり、排出流路内に設置された専用の容器内に収納したりすることにより、生成水が排出される際に直接融雪剤１００と接するように構成することができる。
【００４９】
かかる構成を採用すると、排出流路内を流れる生成水に融雪剤１００が接するため、生成水は凝固点が低下した状態で車両外に排出されることとなり、生成水が路上で凍結することを抑制することができる。また、かかる構成を採用すると、バルブ４６等の制御が不要となるため、装置を簡略化することができる。なお、かかる構成を採用する場合には、融雪剤１００を着脱自在とし、ユーザがシーズン毎に融雪剤１００を配置することができるようにすることが好ましい。
【００５０】
また、以上の実施形態においては、凝固点低下媒体として塩化カルシウム等の融雪剤１００を採用した例を示したが、生成水の凝固点を低下させる他の媒体を採用することができる。
【００５１】
また、前記実施形態の構成に加えて、排水路２５等にヒータを設けて生成水を気化させたり、生成水を外部に向けて噴霧し空気中で凍結させて小さい粒として排出したりする構成を付加することもできる。かかる構成を採用した場合は、路面で大きな固まりとして凍結することがなく、さらに効果的に路面凍結を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池車両の構成を概略的に示した構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料電池車両、２…燃料電池、７…制御部（制御手段、報知装置）、２５…排水路（排出流路）、３６…マフラ、３８…凝固点低下装置（凝固点低下手段）、３９…容器、４０…接続流路、４６…バルブ（供給装置）、４７…融雪剤残量検知センサ、４８…外気温センサ、１００…融雪剤（凝固点低下媒体）。
【図１】
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