JP2004179102A - 燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の発電停止後に希釈器内に滞留する水素の濃度を監視しながら低減して排出する排出ガス処理装置の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池スタック４から排出される水素ガスを入口部１２より導入して、滞溜室１３に滞溜させ、前記滞溜室１３に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタック４の発電を停止したとき、前記燃料電池スタック４を収容するボックス２の換気手段１８及び前記燃料電池スタック４への空気供給手段１６の少なくとも一方によって、前記滞留室１３内の残留水素を排出処理する時間を、前記残留水素の濃度に応じて、前記残留水素濃度が大きいときは長い時間に設定することを特徴とする。
【選択図】 図２
【解決手段】燃料電池スタック４から排出される水素ガスを入口部１２より導入して、滞溜室１３に滞溜させ、前記滞溜室１３に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタック４の発電を停止したとき、前記燃料電池スタック４を収容するボックス２の換気手段１８及び前記燃料電池スタック４への空気供給手段１６の少なくとも一方によって、前記滞留室１３内の残留水素を排出処理する時間を、前記残留水素の濃度に応じて、前記残留水素濃度が大きいときは長い時間に設定することを特徴とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源となる燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（以下、「車両」という。）の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池システムへの水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために、アノード配管系に循環系を採用している。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。この水素は不純物が含まれていても濃度が高いので、濃度の高い水素をそのまま大気に排出したのでは不都合が多い。
そこで希釈器内で水素を滞留させ、低濃度に希釈してから大気に排出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。この水分も希釈器を通じて大気に排水するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２３７号公報（テキスト版第１２頁、図７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車両の運転停止後は、希釈器内に水素が滞留する。この水素は、自然に拡散することによって、配管中や燃料電池を構成する燃料電池スタック内に逆流する虞がある。
一方で、希釈器内に滞留した水素をパージするときに、一度に濃度の高い水素が排出されないように、パージ操作をする必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の発電停止後に希釈器内に滞留する水素の濃度を監視しながら低減して排出する排出ガス処理装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって、前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記残留水素の濃度に応じて、前記残留水素濃度が大きいときは長い時間に設定することを特徴とする。
【０００７】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法では、パージ後、滞留室内の残留水素濃度は時間と共に減少していく。このため、燃料電池が発電を停止したときの残留水素濃度は予測可能である。この残留水素濃度の予測値が判れば、この予測値に応じて、残留水素を排出する時間を設定することができる。このため、燃料電池スタックの発電停止後に、滞留室に滞留した水素を排出するために継続運転される機器（換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方）の消費電力を最低限に押さえることが可能になる。これにより、例えば滞留室に滞留した水素を排出するのに蓄電池の容量を必要以上に消費しないで済ませることができるので、再起動時に必要な電気量を確保しやすくなる。
【０００８】
本発明に係わる請求項２の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記燃料電池の発電中の最終パージからの経過時間に応じて、パージ直後は長い時間に設定することを特徴とする。
【０００９】
このような構成としたことにより、請求項２に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法では、滞留室内に残留する水素量は、パージ直後は多く、パージから時間がたてば時間の経過と共に少なくなる。つまり、燃料電池が発電を停止したときに滞留室内に残留する水素量は、燃料電池が発電を停止する直前に行ったパージからの経過時間でわかる。この経過時間により残留水素量がわかると、燃料電池スタックの発電停止後に、滞留室に滞留した水素を排出するために継続運転される機器（換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方）の運転時間を設定することができる。即ち、滞留室内に残留する水素の排出処理の時間を最適化することができる。これにより、例えば滞留室に滞留した水素を排出するのに蓄電池の容量を必要以上に消費しないで済ませることができるので、再起動時に必要な電気量を確保しやすくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法について実施の形態を説明する。
【００１１】
参照する図面において、図１は燃料電池電気自動車における排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図２は燃料電池のシステム図である。最初に燃料電池の排出ガス処理装置について説明する。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池電気自動車１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、及び排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、高圧水素容器１５、燃料電池スタック４に空気を供給するスーパチャージャ（Ｓ／Ｃ）１６のような空気供給手段、燃料電池システムボックス２内の換気を行う換気ファン１８のような換気手段、燃料電池スタック４を冷却する図示せぬラジエタなどから構成される。
【００１３】
図２に示すように、燃料電池スタック４は、高圧水素容器１５に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れられ、スーパチャージャ１６で圧縮された空気を供給されて発電を行い、車両１を駆動するための電気を供給する。この燃料電池スタック４を好適に作動させるために、温調器３（図１参照）で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器５で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器６は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、排出空気と混合して希釈してから大気に排出する。
【００１４】
燃料電池スタック４で一度使用された水素は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ため、配管７により加湿器５の上流側に戻されて循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管７から分岐したパージ水素配管８が排出燃料希釈器６に接続されている。パージ水素配管８には開閉弁９が設けられ、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０のような制御手段に接続されて、通常時には閉じられ、水素ガスのパージのとき開かれる。
【００１５】
燃料電池スタック４から排出されるカソードオフガスを排出するための、カソードオフガス配管１１が排出燃料希釈器６を貫通して大気に開口している。カソードオフガス配管１１は、排出燃料希釈器６内に入ってから管径を細くする。これによりカソードオフガス配管１１内を流れるカソードオフガスは流速が速くなり、圧力が低くなる。又、排出燃料希釈器６内のカソードオフガス配管１１には、この排出燃料希釈器６内（滞留室１３）に滞留する水素を吸い込む図示せぬ穴部、及び燃料電池スタック４で生成される凝縮水を排水するための図示せぬ排水用穴が設けられている。
排出燃料希釈器６の上部には、循環系のパージ水素配管８から放出されるパージ水素の入口部１２が設けられている。排出燃料希釈器６内は、入口部１２から放出された水素の滞留室１３となる。
【００１６】
燃料電池システムボックス２は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器６内の滞留室１３に放出されたパージ水素は、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器６内に導入されたカソードオフガス配管１１内を排気空気が流れているため、図示せぬ穴部から吸い込まれ排気空気と混合して希釈され、低濃度となって大気に排出される。
加湿器５や燃料電池スタック４から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。
【００１７】
排出燃料希釈器６では、信号待ちで車両が停車したときなどに、図７に示すように、所定の時間間隔ＴＰＩＯで不純物の混じった残留水素のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタック４の発電を完全に停止すると、排気空気（カソードオフガス）の流れがなくなるので、排出燃料希釈器６内には大気に排出されなかった水素が滞留することになる。
そこで、燃料電池スタック４の発電を停止したあとも、スーパチャージャ１６を継続して作動させて燃料電池スタック４からのカソードオフガスを、カソードオフガス配管１１を通じて排出燃料希釈器６に続けて供給する。又、発電を停止したあと燃料電池システムボックス２内を換気するための換気ファン１８のような換気手段を継続して作動させる。換気ファン１８による換気用エアの一部は水素排出用配管１７で燃料電池システムボックス２内を貫通し、大気に開口している。そして、水素排出用配管１７と排出燃料希釈器６との間を制御用配管１９で接続し、制御用配管１９の途中に圧力調整が可能な（スーパチャージャ１６によって供給されるカソードオフガスの圧力の相違によって開閉する）ベントバルブのような逃がし弁２０を設けた。逃がし弁２０は、スーパチャージャ１６からの信号圧（カソード圧）が、例えば、１５ｋＰａ以上のとき（発電中）閉じ、５ｋＰａ以下になったとき（車両の停車時、または発電停止時）開くように調整されている。
尚、換気ファン１８を用いる水素ガスの排気を第１の実施形態として、スーパチャージャ１６を用いる水素ガスの排気を第２の実施形態として、後で説明する。
【００１８】
又、制御用配管１９と水素排出用配管１７との接続部には、水素出用配管１７よりも内径が狭くなったスロート部２１ａを有するイジェクタ２１を設けた。このようにすることで、イジェクタ２１（図２参照）のスロート部２１ａが水素排出用配管１７よりも狭まっているので、換気ファン１８によって送風される風速は速くなり、排出燃料希釈器６側よりも圧力が下がる。そのためスロート部２１ａに吸引力が生じ、この吸引力で排出燃料希釈器６内の滞留室１３に滞留している残留水素が吸い出される。
滞留室１３内には、水素センサ２２を設け、滞留室１３内の残留水素量を検出して、ＥＣＵ１０に信号を送り、水素濃度を検出する。水素濃度は、直接検出しなくても、後述する方法により予測値として求めても良い。
尚、符号２３はカソード排出口、符号２４は水素排出用配管１７の排出口、同じく符号２５は燃料電池システムボックス２内の換気用排出口である。
【００１９】
次に本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法の第１の実施形態について、換気ファンによる制御を図３のフローチャートにより説明する。尚、この第１の実施形態は、滞留室１３内の残留水素濃度の予測値に応じて排出時間を決定する実施形態である。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック４の発電を停止すると（Ｓ１）、スーパチャージャ１６の運転は停止されるが、換気ファン１８はそのまま継続して運転される。そして、図４に示すように、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩがＥＣＵ１０（図２参照）によって計測される（Ｓ２）。次いで、この時間ＴＰＩと、イグニッションスイッチを切る以前のスーパチャージャ（Ｓ／Ｃ）１６による滞留室１３への空気の流量と、パージ水素量とから、ＥＣＵ１０によって、滞留室１３内の水素濃度を予測する（Ｓ３）。これは、図７に示すように、パージすると濃度が増加し、パージしていないときは（ゆるやかに）濃度が減少するというアルゴリズムに基づく。
この求めた水素濃度と、図５に示す残留水素の予測濃度の推移曲線とから、目標とする低い水素濃度に下がるまでの時間を算出する（Ｓ４）。そして算出した時間（換気ファン１８の駆動時間）だけ換気ファン１８を駆動し（Ｓ５）、滞留室１３内の残留水素は、逃がし弁２０（発電停止のため、逃がし弁２０は開いている）、制御用配管１９、イジェクタ２１を通って、水素排出用配管１７内を流れる空気と混合して希釈され、低濃度となって排出口２４から大気に排出される。
この換気ファン１８による滞留室１３内の残留水素の排出処理の時間は、図５に示すように、残留水素濃度の予測値（初期濃度）が大きいときは長めに行う。
【００２０】
第１の実施形態によれば、滞留室１３内の残留水素の予測値（初期濃度）が大きいときは、換気ファン１８の駆動を長めに行って、残留水素を大気に排出するが、滞留室１３内の残留水素濃度の予測値（初期濃度）が小さいときは、換気ファン１８の駆動時間は短くなるので、換気ファン１８の消費電力を最低限度に抑え、図示せぬ蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２１】
次に本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法の第２の実施形態について、スーパチャージャによる制御を図６のフローチャートにより説明する。尚、第２の実施形態は、最終パージからの経過時間に応じて滞留室１３内の残留水素の排出処理時間を決定する実施形態である。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック４の発電を停止すると（Ｓ１１）、換気ファン１８は止まり、スーパチャージャ１６はそのまま継続して運転される。そして、図７に示すように、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩがＥＣＵ１０（図２参照）によって計測される（Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ１０によって、最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩが、例えば、１０秒以上か否かを判断する（Ｓ１３）。１０秒以上であれば（ＹＥＳ）、スーパチャージャ１６を駆動する必要がないと判断されるので、スーパチャージャ１６は停止される（Ｓ１４）。
しかしながら、最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩが、例えば、１０秒未満の場合（ＮＯ）は、次のようにスーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣを計算する（Ｓ１５）。
【００２２】
即ち、ステップＳ１５では、図７に示すように、水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩと、最終パージとその１つ前のパージの間の時間ＴＰＩＯとを比べて、スーパチャージャ１６の運転時間を計算する。そして、スーパチャージャ１６をこの計算した時間ＴＳＣだけある回転速度で駆動する（Ｓ１６）。これにより、滞留室１３内の残留水素は、カソードオフガス配管１１内に吸い込まれ、空気と混合して希釈され、低濃度となってカソード排出口２３から大気に排出される。
このスーパチャージャ１６を駆動して滞留室１３内の残留水素を排出処理する時間（スーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣ）は、図８に示すように、パージ直後（ＴＰＩが短い側にあるとき）は長めに行う。
【００２３】
一方、ステップＳ１５で、図７に示す水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩと、最終パージとその１つ前のパージの間の時間ＴＰＩＯとを比べて、等しければ、スーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣを「０」と計算し（Ｓ１３）、この時間ＴＳＣだけスーパチャージャ１６を駆動する。即ち、時間ＴＳＣが０であれば、スーパチャージャ１６は駆動されないことになる。
【００２４】
第２の実施形態によれば、ある時間（１０秒）経過しているか否かを判断し、更に最小時間ＴＳＣだけ、スーパチャージャ１６を継続運転して、滞留室１３内の残留水素の排出処理を行うので、消費電力を最低限度に抑え、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２５】
尚、第１の実施形態では、換気ファン（換気手段）１８を使用して、第２の実施形態では、スーパチャージャ（空気供給手段）１６を使用して、滞留室１３内の残留水素の排出処理を行う場合について説明したが、両実施形態とも、換気ファン（換気手段）１８とスーパチャージャ（空気供給手段）１６を同時に使用して、滞留室１３内の残留水素の排出処理をより短い持間で効率よく行うようにしてもよい。又、第１の実施形態では、換気ファン１８に代えてスーパチャージャ１６を使用するようにしても良いし、第２の実施形態では、スーパチャージャ１６に代えて換気ファン１８を使用するようにしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、残留水素が多いときは、水素排出時間を長くするので、滞留室内に残留する水素を確実に排出することができる。従って継続運転する換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方の消費電力を最低限度に抑えることができる。このため、例えば、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、発電停止時の直前の水素パージからの経過時間が長いときも、水素排出時間を長くするので、滞留室内に残留する水素を確実に排出することができる。従って換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方を必要時間継続運転するので、消費電力を最低限度に抑えることができる。このため、例えば、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の燃料電池のシステム図である。
【図３】換気ファンの制御方法を示すフローチャートである。
【図４】換気手段を所定時間運転する場合のタイムチャートである。
【図５】滞留室内の水素の予測濃度を示すグラフである。
【図６】スーパチャージャの制御方法を示すフローチャートである。
【図７】スーパチャージャを所定時間運転する場合のタイムチャートである。
【図８】滞留室内の水素の予測濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ：燃料電池電気自動車（車両）
２ ：燃料電池システムボックス
４ ：燃料電池スタック
６ ：排出燃料希釈器
８ ：パージ水素配管
１１ ：カソードオフガス配管
１２ ：入口部
１３ ：滞留室
１６ ：スーパチャージャ（空気供給手段）
１７ ：水素排出用配管
１８ ：換気ファン（換気手段）
２０ ：逃がし弁
２２ ：水素センサ
２３ ：カソード排出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源となる燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（以下、「車両」という。）の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池システムへの水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために、アノード配管系に循環系を採用している。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。この水素は不純物が含まれていても濃度が高いので、濃度の高い水素をそのまま大気に排出したのでは不都合が多い。
そこで希釈器内で水素を滞留させ、低濃度に希釈してから大気に排出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。この水分も希釈器を通じて大気に排水するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２３７号公報（テキスト版第１２頁、図７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車両の運転停止後は、希釈器内に水素が滞留する。この水素は、自然に拡散することによって、配管中や燃料電池を構成する燃料電池スタック内に逆流する虞がある。
一方で、希釈器内に滞留した水素をパージするときに、一度に濃度の高い水素が排出されないように、パージ操作をする必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の発電停止後に希釈器内に滞留する水素の濃度を監視しながら低減して排出する排出ガス処理装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって、前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記残留水素の濃度に応じて、前記残留水素濃度が大きいときは長い時間に設定することを特徴とする。
【０００７】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法では、パージ後、滞留室内の残留水素濃度は時間と共に減少していく。このため、燃料電池が発電を停止したときの残留水素濃度は予測可能である。この残留水素濃度の予測値が判れば、この予測値に応じて、残留水素を排出する時間を設定することができる。このため、燃料電池スタックの発電停止後に、滞留室に滞留した水素を排出するために継続運転される機器（換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方）の消費電力を最低限に押さえることが可能になる。これにより、例えば滞留室に滞留した水素を排出するのに蓄電池の容量を必要以上に消費しないで済ませることができるので、再起動時に必要な電気量を確保しやすくなる。
【０００８】
本発明に係わる請求項２の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法は、燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記燃料電池の発電中の最終パージからの経過時間に応じて、パージ直後は長い時間に設定することを特徴とする。
【０００９】
このような構成としたことにより、請求項２に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法では、滞留室内に残留する水素量は、パージ直後は多く、パージから時間がたてば時間の経過と共に少なくなる。つまり、燃料電池が発電を停止したときに滞留室内に残留する水素量は、燃料電池が発電を停止する直前に行ったパージからの経過時間でわかる。この経過時間により残留水素量がわかると、燃料電池スタックの発電停止後に、滞留室に滞留した水素を排出するために継続運転される機器（換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方）の運転時間を設定することができる。即ち、滞留室内に残留する水素の排出処理の時間を最適化することができる。これにより、例えば滞留室に滞留した水素を排出するのに蓄電池の容量を必要以上に消費しないで済ませることができるので、再起動時に必要な電気量を確保しやすくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法について実施の形態を説明する。
【００１１】
参照する図面において、図１は燃料電池電気自動車における排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図２は燃料電池のシステム図である。最初に燃料電池の排出ガス処理装置について説明する。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池電気自動車１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、及び排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、高圧水素容器１５、燃料電池スタック４に空気を供給するスーパチャージャ（Ｓ／Ｃ）１６のような空気供給手段、燃料電池システムボックス２内の換気を行う換気ファン１８のような換気手段、燃料電池スタック４を冷却する図示せぬラジエタなどから構成される。
【００１３】
図２に示すように、燃料電池スタック４は、高圧水素容器１５に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れられ、スーパチャージャ１６で圧縮された空気を供給されて発電を行い、車両１を駆動するための電気を供給する。この燃料電池スタック４を好適に作動させるために、温調器３（図１参照）で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器５で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器６は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、排出空気と混合して希釈してから大気に排出する。
【００１４】
燃料電池スタック４で一度使用された水素は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ため、配管７により加湿器５の上流側に戻されて循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管７から分岐したパージ水素配管８が排出燃料希釈器６に接続されている。パージ水素配管８には開閉弁９が設けられ、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０のような制御手段に接続されて、通常時には閉じられ、水素ガスのパージのとき開かれる。
【００１５】
燃料電池スタック４から排出されるカソードオフガスを排出するための、カソードオフガス配管１１が排出燃料希釈器６を貫通して大気に開口している。カソードオフガス配管１１は、排出燃料希釈器６内に入ってから管径を細くする。これによりカソードオフガス配管１１内を流れるカソードオフガスは流速が速くなり、圧力が低くなる。又、排出燃料希釈器６内のカソードオフガス配管１１には、この排出燃料希釈器６内（滞留室１３）に滞留する水素を吸い込む図示せぬ穴部、及び燃料電池スタック４で生成される凝縮水を排水するための図示せぬ排水用穴が設けられている。
排出燃料希釈器６の上部には、循環系のパージ水素配管８から放出されるパージ水素の入口部１２が設けられている。排出燃料希釈器６内は、入口部１２から放出された水素の滞留室１３となる。
【００１６】
燃料電池システムボックス２は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器６内の滞留室１３に放出されたパージ水素は、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器６内に導入されたカソードオフガス配管１１内を排気空気が流れているため、図示せぬ穴部から吸い込まれ排気空気と混合して希釈され、低濃度となって大気に排出される。
加湿器５や燃料電池スタック４から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。
【００１７】
排出燃料希釈器６では、信号待ちで車両が停車したときなどに、図７に示すように、所定の時間間隔ＴＰＩＯで不純物の混じった残留水素のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタック４の発電を完全に停止すると、排気空気（カソードオフガス）の流れがなくなるので、排出燃料希釈器６内には大気に排出されなかった水素が滞留することになる。
そこで、燃料電池スタック４の発電を停止したあとも、スーパチャージャ１６を継続して作動させて燃料電池スタック４からのカソードオフガスを、カソードオフガス配管１１を通じて排出燃料希釈器６に続けて供給する。又、発電を停止したあと燃料電池システムボックス２内を換気するための換気ファン１８のような換気手段を継続して作動させる。換気ファン１８による換気用エアの一部は水素排出用配管１７で燃料電池システムボックス２内を貫通し、大気に開口している。そして、水素排出用配管１７と排出燃料希釈器６との間を制御用配管１９で接続し、制御用配管１９の途中に圧力調整が可能な（スーパチャージャ１６によって供給されるカソードオフガスの圧力の相違によって開閉する）ベントバルブのような逃がし弁２０を設けた。逃がし弁２０は、スーパチャージャ１６からの信号圧（カソード圧）が、例えば、１５ｋＰａ以上のとき（発電中）閉じ、５ｋＰａ以下になったとき（車両の停車時、または発電停止時）開くように調整されている。
尚、換気ファン１８を用いる水素ガスの排気を第１の実施形態として、スーパチャージャ１６を用いる水素ガスの排気を第２の実施形態として、後で説明する。
【００１８】
又、制御用配管１９と水素排出用配管１７との接続部には、水素出用配管１７よりも内径が狭くなったスロート部２１ａを有するイジェクタ２１を設けた。このようにすることで、イジェクタ２１（図２参照）のスロート部２１ａが水素排出用配管１７よりも狭まっているので、換気ファン１８によって送風される風速は速くなり、排出燃料希釈器６側よりも圧力が下がる。そのためスロート部２１ａに吸引力が生じ、この吸引力で排出燃料希釈器６内の滞留室１３に滞留している残留水素が吸い出される。
滞留室１３内には、水素センサ２２を設け、滞留室１３内の残留水素量を検出して、ＥＣＵ１０に信号を送り、水素濃度を検出する。水素濃度は、直接検出しなくても、後述する方法により予測値として求めても良い。
尚、符号２３はカソード排出口、符号２４は水素排出用配管１７の排出口、同じく符号２５は燃料電池システムボックス２内の換気用排出口である。
【００１９】
次に本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法の第１の実施形態について、換気ファンによる制御を図３のフローチャートにより説明する。尚、この第１の実施形態は、滞留室１３内の残留水素濃度の予測値に応じて排出時間を決定する実施形態である。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック４の発電を停止すると（Ｓ１）、スーパチャージャ１６の運転は停止されるが、換気ファン１８はそのまま継続して運転される。そして、図４に示すように、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩがＥＣＵ１０（図２参照）によって計測される（Ｓ２）。次いで、この時間ＴＰＩと、イグニッションスイッチを切る以前のスーパチャージャ（Ｓ／Ｃ）１６による滞留室１３への空気の流量と、パージ水素量とから、ＥＣＵ１０によって、滞留室１３内の水素濃度を予測する（Ｓ３）。これは、図７に示すように、パージすると濃度が増加し、パージしていないときは（ゆるやかに）濃度が減少するというアルゴリズムに基づく。
この求めた水素濃度と、図５に示す残留水素の予測濃度の推移曲線とから、目標とする低い水素濃度に下がるまでの時間を算出する（Ｓ４）。そして算出した時間（換気ファン１８の駆動時間）だけ換気ファン１８を駆動し（Ｓ５）、滞留室１３内の残留水素は、逃がし弁２０（発電停止のため、逃がし弁２０は開いている）、制御用配管１９、イジェクタ２１を通って、水素排出用配管１７内を流れる空気と混合して希釈され、低濃度となって排出口２４から大気に排出される。
この換気ファン１８による滞留室１３内の残留水素の排出処理の時間は、図５に示すように、残留水素濃度の予測値（初期濃度）が大きいときは長めに行う。
【００２０】
第１の実施形態によれば、滞留室１３内の残留水素の予測値（初期濃度）が大きいときは、換気ファン１８の駆動を長めに行って、残留水素を大気に排出するが、滞留室１３内の残留水素濃度の予測値（初期濃度）が小さいときは、換気ファン１８の駆動時間は短くなるので、換気ファン１８の消費電力を最低限度に抑え、図示せぬ蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２１】
次に本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法の第２の実施形態について、スーパチャージャによる制御を図６のフローチャートにより説明する。尚、第２の実施形態は、最終パージからの経過時間に応じて滞留室１３内の残留水素の排出処理時間を決定する実施形態である。
イグニッションスイッチを切って燃料電池スタック４の発電を停止すると（Ｓ１１）、換気ファン１８は止まり、スーパチャージャ１６はそのまま継続して運転される。そして、図７に示すように、イグニッションスイッチを切る直前に行った水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩがＥＣＵ１０（図２参照）によって計測される（Ｓ１２）。そして、ＥＣＵ１０によって、最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩが、例えば、１０秒以上か否かを判断する（Ｓ１３）。１０秒以上であれば（ＹＥＳ）、スーパチャージャ１６を駆動する必要がないと判断されるので、スーパチャージャ１６は停止される（Ｓ１４）。
しかしながら、最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩが、例えば、１０秒未満の場合（ＮＯ）は、次のようにスーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣを計算する（Ｓ１５）。
【００２２】
即ち、ステップＳ１５では、図７に示すように、水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩと、最終パージとその１つ前のパージの間の時間ＴＰＩＯとを比べて、スーパチャージャ１６の運転時間を計算する。そして、スーパチャージャ１６をこの計算した時間ＴＳＣだけある回転速度で駆動する（Ｓ１６）。これにより、滞留室１３内の残留水素は、カソードオフガス配管１１内に吸い込まれ、空気と混合して希釈され、低濃度となってカソード排出口２３から大気に排出される。
このスーパチャージャ１６を駆動して滞留室１３内の残留水素を排出処理する時間（スーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣ）は、図８に示すように、パージ直後（ＴＰＩが短い側にあるとき）は長めに行う。
【００２３】
一方、ステップＳ１５で、図７に示す水素の最終パージからイグニッションスイッチを切るまでの時間ＴＰＩと、最終パージとその１つ前のパージの間の時間ＴＰＩＯとを比べて、等しければ、スーパチャージャ１６の駆動時間ＴＳＣを「０」と計算し（Ｓ１３）、この時間ＴＳＣだけスーパチャージャ１６を駆動する。即ち、時間ＴＳＣが０であれば、スーパチャージャ１６は駆動されないことになる。
【００２４】
第２の実施形態によれば、ある時間（１０秒）経過しているか否かを判断し、更に最小時間ＴＳＣだけ、スーパチャージャ１６を継続運転して、滞留室１３内の残留水素の排出処理を行うので、消費電力を最低限度に抑え、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２５】
尚、第１の実施形態では、換気ファン（換気手段）１８を使用して、第２の実施形態では、スーパチャージャ（空気供給手段）１６を使用して、滞留室１３内の残留水素の排出処理を行う場合について説明したが、両実施形態とも、換気ファン（換気手段）１８とスーパチャージャ（空気供給手段）１６を同時に使用して、滞留室１３内の残留水素の排出処理をより短い持間で効率よく行うようにしてもよい。又、第１の実施形態では、換気ファン１８に代えてスーパチャージャ１６を使用するようにしても良いし、第２の実施形態では、スーパチャージャ１６に代えて換気ファン１８を使用するようにしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、残留水素が多いときは、水素排出時間を長くするので、滞留室内に残留する水素を確実に排出することができる。従って継続運転する換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方の消費電力を最低限度に抑えることができる。このため、例えば、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、発電停止時の直前の水素パージからの経過時間が長いときも、水素排出時間を長くするので、滞留室内に残留する水素を確実に排出することができる。従って換気手段及び空気供給手段の少なくとも一方を必要時間継続運転するので、消費電力を最低限度に抑えることができる。このため、例えば、蓄電池の容量を必要以上に消費しないから、再起動時に必要な電気量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の燃料電池のシステム図である。
【図３】換気ファンの制御方法を示すフローチャートである。
【図４】換気手段を所定時間運転する場合のタイムチャートである。
【図５】滞留室内の水素の予測濃度を示すグラフである。
【図６】スーパチャージャの制御方法を示すフローチャートである。
【図７】スーパチャージャを所定時間運転する場合のタイムチャートである。
【図８】滞留室内の水素の予測濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ：燃料電池電気自動車（車両）
２ ：燃料電池システムボックス
４ ：燃料電池スタック
６ ：排出燃料希釈器
８ ：パージ水素配管
１１ ：カソードオフガス配管
１２ ：入口部
１３ ：滞留室
１６ ：スーパチャージャ（空気供給手段）
１７ ：水素排出用配管
１８ ：換気ファン（換気手段）
２０ ：逃がし弁
２２ ：水素センサ
２３ ：カソード排出口
Claims (2)
- 燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって、前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記残留水素の濃度に応じて、前記残留水素濃度が大きいときは長い時間に設定する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法。 - 燃料電池スタックからパージされる水素ガスを入口部より導入して、滞留室に滞留させ、前記滞留室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記燃料電池スタックの発電を停止したとき、前記燃料電池スタックを収容するボックスの換気手段及び前記燃料電池スタックへの空気供給手段の少なくとも一方によって、前記滞留室内の残留水素を排出処理する時間を、前記燃料電池の発電中の最終パージからの経過時間に応じて、パージ直後は長い時間に設定する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置の制御方法。
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