CN112563540B - 气体供给系统、气体供给系统的控制方法 - Google Patents

气体供给系统、气体供给系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的气体供给系统具备：多个高压罐，至少长度方向的长度不同；多个供给管，与多个高压罐分别连接；供给侧集合部，连接有多个供给管；多个电磁阀，分别配置于多个供给管；第一压力传感器，取得关于多个高压罐的内压的压力；第二压力传感器，取得供给侧集合部中的压力；以及控制装置，在气体供给系统的启动时，在从第一压力传感器检测到的压力中减去第二压力传感器检测到的压力而得的值大于阈值的情况下，使与长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀。

Description

气体供给系统、气体供给系统的控制方法
技术领域
本公开涉及气体供给系统、气体供给系统的控制方法。
背景技术
公知有将填充于多个高压罐的燃料气体通过与各高压罐分支连接的供给流路向一个气体供给对象供给的气体供给系统(例如，日本特开2013-228059)。
有时产生以下不良情况，即，若从高压罐开始气体的供给，则产生振动、噪声并向外部传导。
发明内容
本公开能够作为以下的方式来实现。
(1)本公开的第1形态涉及气体供给系统，上述气体供给系统具备：多个高压罐，是填充高压气体的多个高压罐，至少长度方向的长度不同；多个供给管，具有与上述多个高压罐分别连接的第1端和第2端；供给侧集合部，连接有上述多个供给管的各自的上述第2端；多个电磁阀，分别配置于上述多个供给管；第一压力传感器，取得关于上述多个高压罐的内压的第1压力；第二压力传感器，取得上述供给侧集合部中的第2压力；以及控制装置，构成为在上述气体供给系统的启动时，在从上述第一压力传感器检测到的上述第1压力中减去上述第二压力传感器检测到的第2压力而得的值大于预先决定好的阈值的情况下，使与上述多个高压罐中的所述长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀，然后使与上述多个高压罐中的剩余的高压罐对应的电磁阀开阀。根据该形态的气体供给系统，在高压罐的内压大于供给管的压力并且容易产生来自电磁阀的振动、噪声的状态下，首先使与长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率较大并且不易使振动、声音放大的高压罐对应的电磁阀开阀。因此，能够抑制在气体供给时能够从电磁阀产生的声音、振动从高压罐向外部传导的不良情况。
(2)也可以构成为，上述控制装置构成为：在上述减去而得的值为上述预先决定好的阈值以下的情况下，使上述多个电磁阀同时开阀。根据该气体供给系统，能够使用第一压力传感器和第二压力传感器的检测结果来判别对振动、声音的产生没有影响的状态，并能够使与多个高压罐对应的多个电磁阀在短时间内开阀。
(3)也可以构成为，上述形态的气体供给系统还具备：多个填充管，具有与上述多个高压罐分别连接的第1端和第2端；和填充侧集合部，连接有上述多个填充管的各自的上述第2端。也可以构成为：上述第一压力传感器设置于上述填充侧集合部。根据该气体供给系统，能够以设置于连接多个填充管的填充侧集合部的一个压力传感器的简单的结构取得多个高压罐的内压。
(4)在本公开的第2形态气体供给系统的控制方法涉及的气体供给系统的控制方法中，在气体供给系统的启动时，在从至少长度方向的长度不同的多个高压罐的第1压力减去供给侧集合部的第2压力而得的值大于预先决定好的阈值的情况下，使与上述多个高压罐中的上述长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀，然后使与剩余的高压罐对应的电磁阀开阀，其中，在上述供给侧集合部连接有将第1端与上述多个高压罐分别连接的多个供给管的第2端。
本公开也能够通过气体供给系统、气体供给系统的控制方法以外的各种方式来实现。例如，能够通过具备气体供给系统的燃料电池系统、搭载气体供给系统的车辆、燃料电池系统、车辆的控制方法、实现那些控制方法的计算机程序、记录了该计算机程序的非暂时性的记录介质等形态来实现。
以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件
附图说明
图1是简要地表示燃料电池系统的说明图。
图2是表示开阀状态的电磁阀的剖视图。
图3是简要地表示第一高压罐的结构的说明图。
图4是简要地表示第二高压罐的结构的说明图。
图5是表示控制装置执行的气体供给控制的流程图。
具体实施方式
A.第1实施方式
图1是简要地表示具备本实施方式的气体供给系统100的燃料电池系统10的说明图。燃料电池系统10例如搭载于以燃料电池为驱动源的燃料电池车辆。燃料电池系统10具备气体供给系统100、燃料电池90、以及空气供给系统200。
空气供给系统200具备压缩机70、与燃料电池90的阴极供给口连接的空气供给管71、将阴极排出口与大气连通的空气放出管74、以及排出流量调整阀73。马达驱动的压缩机70设置于空气供给管71，排出流量调整阀73设置于空气放出管74。空气供给系统200通过压缩机70和排出流量调整阀73调节向燃料电池90的阴极供给的空气的流量。将从阴极排出口排出的未消耗的空气(也称为阴极废气)从空气放出管74向大气放出。
气体供给系统100将高压填充于多个高压罐的燃料气体(例如，氢气)向燃料电池90供给。气体供给系统100具备多个高压罐、控制装置80、用于将来自氢站等氢供给源的氢气向多个高压罐填充的氢填充系统HF、以及用于将来自多个高压罐的氢气向作为气体供给对象的燃料电池90供给的氢供给系统HS。
燃料电池90层叠具有使阳极与阴极两电极与电解质膜的两侧接合的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)的多个燃料电池单元而构成。燃料电池90通过作为燃料气体的氢气、与作为氧化气体的氧的电气化学反应而进行发电，并使用该发电电力使驱动用马达等负载驱动。
气体供给系统100在本实施方式中具备第一高压罐50L与第二高压罐50S两个高压罐。气体供给系统100并不局限于两个高压罐，也可以具备3个以上的任意数量的高压罐。
高压罐50L、50S经由阀单元60L、60S与氢填充系统HF及氢供给系统HS连接。在第一高压罐50L安装阀单元60L，在第二高压罐50S安装阀单元60S。阀单元60L、60S是在内部具备多个流路和多个阀的构造体。阀单元60L、60S通过切换多个阀的开闭状态，从而切换氢气从氢填充系统HF向高压罐50L、50S的填充、和氢气从各高压罐50L、50S向氢供给系统HS的供给。
在氢填充系统HF中包括贮藏器20、第一填充管21、填充侧集合部22、以及第二填充管24L、24S。第一填充管21的一端与贮藏器20连接。第二填充管24L的一端与阀单元60L的填充侧端口PF1连接。第二填充管24S的一端与阀单元60S的填充侧端口PF2连接。
填充侧集合部22是用于使一个流路分支为多个流路的管路。对于填充侧集合部22而言，将第一填充管21的另一端与第二填充管24L、24S的另一端连接，使从第一填充管21供给的氢气分别向第二填充管24L、24S分支。在填充侧集合部22设置有第一压力传感器28。第一压力传感器28检测关于各高压罐50L、50S的内压的第1压力。“关于高压罐50L、50S的内压的第1压力”表示用于直接地或者间接地取得高压罐50L、50S的内压的压力。在本实施方式中，与高压罐50L、50S连通的状态的填充侧集合部22及第二填充管24L、24S的压力、与高压罐50L、50S的内压相互平衡，第一压力传感器28通过取得填充侧集合部22中的压力，从而间接地取得高压罐50L、50S的内压。贮藏器20例如与未图示的氢站等气体供给源连接。经由贮藏器20供给的氢气经由第一填充管21向填充侧集合部22流动，并经由各第二填充管24L、24S被引导至各高压罐50L、50S。
在氢供给系统HS中包括供给侧集合部32、第一供给管34、第二供给管30L、30S、循环管42以及放出管44。第一供给管34的一端与燃料电池90的氢气供给口连接。第二供给管30L的一端与阀单元60L的供给侧端口PS1连接。第二供给管30S的一端与阀单元60S的供给侧端口PS2连接。
供给侧集合部32是用于使多个流路向一个流路集合的管路。对于供给侧集合部32而言，将第一供给管34的另一端与第二供给管30L、30S的另一端连接，使从第二供给管30L、30S分别供给的氢气向第一供给管34流动。在供给侧集合部32设置有第二压力传感器38。第二压力传感器38检测氢供给系统HS的压力，具体而言检测作为相互平衡的第二供给管30L、30S与第一供给管34的内压。
第一供给管34从供给侧集合部32依次具备减压阀36和喷射器40。减压阀36接受控制装置80的控制而驱动，将氢气减压并向喷射器40供给。喷射器40通过控制装置80的控制而被驱动，喷出氢气并向燃料电池90供给。
循环管42的一端与燃料电池90的排出口连接，循环管42的另一端在比喷射器40靠燃料电池90的一侧与第一供给管34连接。在循环管42设置循环泵48。循环泵48通过控制装置80的控制而被驱动，使从燃料电池90排出的排出气体所包含的未消耗的氢气向燃料电池90循环。
在循环管42，在比循环泵48靠近燃料电池90的排出口侧的位置连接有放出管44。放出管44的一端与空气供给系统200的空气放出管74连接，放出管44的另一端与循环管42连接。放出管44具备排出阀43。排出阀43通过控制装置80的控制而被驱动，将从燃料电池90排出的排出气体经由放出管44和空气放出管74向大气放出。
对与高压罐50L、50S连接的阀单元60L、60S进行说明。第一高压罐50L的阀单元60L具备填充侧逆止阀61L、主止阀62L、电磁阀64L以及供给侧逆止阀65L。第二高压罐50S的阀单元60S具备填充侧逆止阀61S、主止阀62S、电磁阀64S以及供给侧逆止阀65S。
主止阀62L、62S是切换高压罐50L、50S与第二填充管24L、24S及第二供给管30L、30S的连通的开闭的手动阀。通过在将气体供给系统100搭载于车辆之前手动操作各主止阀62L、62S，从而将它们开阀。填充侧逆止阀61L、61S将第二填充管24L、24S中的氢气的流动限制为只有从填充侧集合部22侧向各高压罐50L、50S的一个方向。电磁阀64L、64被控制装置80控制，进行驱动而开闭。电磁阀64L是与第一高压罐50L对应的电磁阀。“与第一高压罐50L对应的电磁阀64L”表示切换高压罐50L与高压罐50L连接的第二供给管30L的开闭的电磁阀。电磁阀64S是与第二高压罐50S对应的电磁阀，切换第二高压罐50S与第二供给管30S的开闭。供给侧逆止阀65L、65S将第二供给管30L、30S中的氢气的流动限制为只有从各高压罐50L、50S侧向供给侧集合部32的一个方向。
控制装置80由具备执行逻辑运算的微处理器、ROM、RAM等存储器的微型计算机构成。通过微处理器执行存储于存储器内的程序，从而控制装置80执行包括喷射器40、减压阀36、电磁阀64L、64S等各种阀的开闭控制在内的燃料电池90的各种控制。在本实施方式的气体供给系统100中，如后述那样，控制装置80执行使用了第一压力传感器28、和第二压力传感器38的检测结果的气体供给控制。
使用图2对电磁阀64L的详细内容进行说明。图2是表示开阀状态的电磁阀64L的剖视图。电磁阀64L具备阀体641、阀座642、线圈643、限位器644、以及容纳阀体641的连通空间645。此外，电磁阀64S的结构与电磁阀64L相同，因此省略说明。
在电磁阀64L的内部具备流路66L～68L。流路66L是作为第二供给管30L的一部分发挥功能，并用于使高压罐50L与连通空间645连通的流路。流路67L作为第二供给管30L的一部分发挥功能，并与连通空间645连通。流路68L是用于使电磁阀64L的外部与连通空间645连通的流路。通过未图示的压力调整阀将流路68L闭阀。
通过由磁性体构成的阀体641与线圈643的励磁及消磁对应地在连通空间645的内部滑动，从而电磁阀64L能够切换开阀状态和闭阀状态。通过阀体641的前端坐于阀座642，从而将电磁阀64L闭阀，通过阀体641的前端与阀座642分离，从而将其开阀。由此，将连通流路66L与流路67L的流路开闭。
限位器644作为连通空间645的壁面的一部分发挥功能。通过限位器644的壁面644W与开阀时的阀体641的端面641W接触，从而限制阀体641的滑动范围。若在高压罐50L的内压大于第二供给管30L的压力的状态下将电磁阀64L开阀，则阀体641的端面641W与限位器644的壁面644W碰撞，由此可产生振动、噪声。
使用图3和图4，对第一高压罐50L和第二高压罐50S的详细内容进行说明。图3是简要地表示第一高压罐50L的结构的说明图。在图3中，用点划线示出了第一高压罐50L的中心轴AX1。
第一高压罐50L沿着中心轴AX1具有长条的形状。在图3中示意性地示出了沿着中心轴AX1的第一高压罐50L的长度方向的长度TL1和第一高压罐50L的宽度方向的宽度TW1。高压罐的宽度方向的宽度当在高压罐的宽度方向上剖面形状是圆形的情况下表示直径，在剖面形状为圆形以外的情况下，表示剖面形状的最大宽度。在本实施方式中，第一高压罐50L的宽度方向的宽度TW1与作为圆形的第一高压罐50L的剖面形状的直径即罐径相同。
图4是简要地表示第二高压罐50S的结构的说明图。第二高压罐50S与第一高压罐50L在形状不同这一点上不同，其他的结构与第一高压罐50L相同。
在图4中，示出了沿着第二高压罐50S的中心轴AX2的长度方向的长度TL2和第二高压罐50S的宽度方向的宽度TW2。长度TL2小于第一高压罐50L的长度方向的长度TL1，宽度TW2是第二高压罐50S的罐径，大于第一高压罐50L的宽度方向的宽度TW1。
在高压罐中，长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率越接近1，高压罐越是接近球体的形状，则越容易将向高压罐传递的振动、声音放大，并越容易将振动、噪声向外部传递。在长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率相同的情况下，高压罐的长度方向的长度越小，越容易将振动、声音放大。在本实施方式的气体供给系统100中，第一高压罐50L中长度方向的长度TL1相对于宽度方向的宽度TW1的比率K1、与第二高压罐50S中长度方向的长度TL2相对于宽度方向的宽度TW2的比率K2都大于1，并且比率K1大于比率K2。即，在本实施方式中，第二高压罐50S与第一高压罐50L相比，容易将声音、振动向外部传递。
使用图5对本实施方式的气体供给系统100的控制装置80执行的气体供给控制进行说明。图5是表示控制装置80执行的气体供给控制的流程图。例如，通过将具备气体供给系统100的车辆的启动开关接通而气体供给系统100启动，从而开始图5所示的气体供给控制。在气体供给系统100启动时，减压阀36、和各电磁阀64L、64S为闭阀状态，各主止阀62L、62S为开阀状态。
若启动气体供给系统100，则控制装置80取得第一压力传感器28和第二压力传感器38的检测结果(步骤S10)。如上述那样，由第一压力传感器28检测的压力P1表示高压罐50L、50S的内压。如上述那样，由第二压力传感器38检测的压力P2表示从各电磁阀64L、64S到减压阀36之间的第二供给管30L、30S和第一供给管34的内压的压力。
控制装置80若取得压力P1、P2，则比较从压力P1中减去压力P2而得的计算结果与预先决定好的阈值TS，从而判定计算结果是否大于阈值TS(步骤S20)。优选阈值TS例如为5MPa以上。由此，能够使各压力传感器28、38的检测精度对误差的影响减少。进一步优选阈值TS为10MPa以上。由此，能够除去从电磁阀64L、64S产生的声音、振动较小的区域，从而抑制不必要地限制各电磁阀64L、64S的开阀顺序。
在判定为计算结果为阈值TS以下的情况下(S20：否)，控制装置80使与高压罐50L、50S对应的电磁阀64L、64S同时开阀(步骤S50)。“使多个电磁阀同时开阀”表示使多个电磁阀在0.1sec.以内开阀。此外，电磁阀64L、64S的开阀并不局限于同时，也可以以任意的顺序执行。控制装置80若将电磁阀64L、64S开阀，则结束处理。
在判定为计算结果大于阈值TS的情况下(S20：是)，则控制装置80使与多个高压罐中的长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀(步骤S30)。在本实施方式的气体供给系统100中，第一高压罐50L的比率K1大于第二高压罐50S的比率K2，因此控制装置80使与第一高压罐50L对应的电磁阀64L首先开阀。例如，在多个高压罐的各罐径大致相同之类的在多个高压罐中宽度方向的宽度相同的情况下，控制装置80可以在步骤S30中使用各高压罐的长度方向的长度来决定开阀顺序，也可以使与多个高压罐中的长度方向的长度最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀。当在多个高压罐中，例如长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率全部相同，而长度方向的长度不同的情况下，可以将与长度方向的长度最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀。
若使与第一高压罐50L对应的电磁阀64L开阀，则控制装置80使与第二高压罐50S对应的电磁阀64S开阀(步骤S40)。即，在从第一高压罐50L供给气体，并且各高压罐50L、50S与各第二供给管30L、30S的压力差变小后，将电磁阀64S开阀。在气体供给系统100具备3个以上高压罐的情况下，控制装置80可以在使与长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀开阀后，使与剩余的高压罐对应的所有的电磁阀同时或者以任意的顺序开阀。“剩余的高压罐”表示气体供给系统100具备的多个高压罐中的在步骤S30中首先将电磁阀开阀的高压罐以外的高压罐，并且表示预定电磁阀的开阀的高压罐。例如，在气体供给系统100是在步骤S40中每当完成高压罐的气体的消耗时依次切换使电磁阀开阀的高压罐的形态的情况下，未预定电磁阀的开阀的高压罐不包括在“剩余的高压罐”中。控制装置80若使电磁阀64L、64S开阀，则结束处理。
以上，如说明的那样，根据本实施方式的气体供给系统100，在气体供给系统100启动时，在从由第一压力传感器28检测的压力P1中减去由第二压力传感器38检测的压力P2而得的值大于预先决定好的阈值TS的情况下，控制装置80使与长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的第一高压罐50L对应的电磁阀64L首先开阀，然后使与第二高压罐50S对应的电磁阀64S开阀。因此，能够抑制在气体供给时能够从电磁阀64L、64S产生的声音、振动被高压罐50L、50S放大并向外部传导的不良情况。
根据本实施方式的气体供给系统100，在从由第一压力传感器28检测的压力P1中减去由第二压力传感器38检测的压力P2而得的值为预先决定好的阈值TS以下的情况下，控制装置80使电磁阀64L、64S同时开阀。因此，能够使用各压力传感器28、38的检测结果判别对振动、声音的产生没有影响的状态，并能够使与各高压罐50L、50S对应的电磁阀64L、64S在短时间内开阀。
根据本实施方式的气体供给系统100，在连接多个第二填充管24L、24S的填充侧集合部22设置第一压力传感器28。因此，能够以一个压力传感器的简单的结构取得各高压罐50L、50S的内压。
B.其他的实施方式
(B1)在上述实施方式中，示出了第一高压罐50L与第二高压罐50S这两个高压罐的长度方向的长度不同的例子。在气体供给系统100具备3个以上高压罐的情况下，并非所有的高压罐的长度方向的长度都相互不同例如，使一个高压罐的长度方向的长度最大，其他的高压罐的长度方向的长度相互相同等等。在这样的情况下，也可以构成为：在气体供给控制中，在由第一压力传感器28检测的压力P1大于由第二压力传感器38检测的压力P2的情况下，控制装置使与长度方向的长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀。
(B2)在上述实施方式中，控制装置80若在步骤S20中取得压力P1、P2，则比较从压力P1中减去压力P2而得的计算结果与预先决定好的阈值TS，从而判定计算结果是否大于阈值TS。与此相对地，也可以构成为：控制装置80不设定阈值TS，而比较压力P1与压力P2，并判定压力P1是否大于压力P2。压力P1是否大于压力P2的判定可以通过将阈值TS设定为零附近来实现。
(B3)在上述实施方式中，第一压力传感器28设置于填充侧集合部22，但例如也可以构成为：通过设置于第二填充管24L、24S等氢填充系统HF的任意一个管路而取得关于设置于气体供给系统100的多个高压罐的内压的第1压力，由此间接地检测多个高压罐的内压。
(B4)在上述实施方式中，在从由第一压力传感器28检测的压力P1中减去由第二压力传感器38检测的压力P2而得的值为预先决定好的阈值TS以下的情况下，将电磁阀64L、64S同时开阀，但可以将电磁阀64L、64S以任意的顺序开阀，在气体供给系统具备3个以上的高压罐的情况下，可以将与各高压罐对应的各电磁阀以任意的顺序开阀。
(B5)在上述实施方式中，电磁阀64L、64S设置于阀单元60L、60S，但也可以构成为：电磁阀64L、64S不设置于阀单元60L、60S，而分别设置于第二供给管30L、30S。
本公开并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，与在发明内容栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要未将其技术特征说明为在本说明书中是必须的，就能够适当地删除。

Claims (4)

1.一种气体供给系统，其特征在于，
所述气体供给系统具备：
多个高压罐，填充有高压气体，多个高压罐的至少长度方向的长度不同；
多个供给管，具有与所述多个高压罐分别连接的第1端和第2端；
供给侧集合部，连接有所述多个供给管的各自的所述第2端；
多个电磁阀，分别配置于所述多个供给管；
第一压力传感器，取得关于所述多个高压罐的内压的第1压力；
第二压力传感器，取得所述供给侧集合部中的第2压力；以及
控制装置，构成为在所述气体供给系统的启动时，在从所述第一压力传感器检测到的所述第1压力中减去所述第二压力传感器检测到的第2压力而得的值大于预先决定好的阈值的情况下，使与所述多个高压罐中的所述长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀，然后使与所述多个高压罐中的剩余的高压罐对应的电磁阀开阀。
2.根据权利要求1所述的气体供给系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：在从所述第一压力传感器检测到的所述第1压力中减去所述第二压力传感器检测到的第2压力而得的所述值为所述预先决定好的阈值以下的情况下，使所述多个电磁阀同时开阀。
3.根据权利要求1或2所述的气体供给系统，其特征在于，
还具备：
多个填充管，具有与所述多个高压罐分别连接的第1端和第2端；和
填充侧集合部，连接有所述多个填充管的各自的所述第2端，
所述第一压力传感器设置于所述填充侧集合部。
4.一种气体供给系统的控制方法，其特征在于，
在气体供给系统的启动时，在从至少长度方向的长度不同的多个高压罐的第1压力中减去供给侧集合部的第2压力而得的值大于预先决定好的阈值的情况下，使与所述多个高压罐中的所述长度相对于宽度方向的宽度的比率最大的高压罐对应的电磁阀首先开阀，然后使与剩余的高压罐对应的电磁阀开阀，
其中，在所述供给侧集合部连接有将第1端与所述多个高压罐分别连接的多个供给管的第2端。
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