JP2006112492A

JP2006112492A - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP2006112492A
Application number: JP2004299296A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yumita; 修弓田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP4632119B2

Abstract

【課題】複数の燃料タンクを備えた燃料供給装置で充填後の正確な残量表示を可能にする。
【解決手段】複数の燃料タンクのうち一部の燃料タンクから燃料放出を行う燃料供給装置において、起動時には、１つの燃料タンクの主止弁ＳＶ１を開弁して燃料充填を確認し（ステップＳ３〜Ｓ７）、燃料充填が確認された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、全部の燃料タンクの主止弁ＳＶ１〜４を開弁する（ステップＳ９）。しかる後、検出した燃料残量を残量計に表示し（ステップＳ１１）、主止弁ＳＶ２〜４を閉弁する（ステップＳ１３）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料供給装置に関し、特に、燃料充填後の正確な残量表示に有効な技術に関する。

近年、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池搭載車両の開発が行われており、この種車両に搭載される燃料電池システムの燃料供給装置として、複数の燃料タンクを備え、燃料電池駆動中は１つの燃料タンクを使用し、順次燃料タンクを切り換えるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、この特許文献１には、燃料の残量を表示して燃料充填の注意を運転者に喚起する技術も開示されている。
特開２００１−２９５９９６号公報特開２００４−０８４８０８号公報

しかしながら、これら特許文献には、燃料電池駆動中の燃料残量表示については開示されているものの、燃料充填後起動時の残量表示についての開示はない。特に、起動時に１つの燃料タンクから燃料を放出するもの（特許文献２）にあっては、充填後の正確な残量表示が困難である。

そこで、本発明は、燃料充填後の正確な残量表示が可能な燃料供給装置の提供を目的とする。

本発明は、燃料タンクからの燃料の放出を制御する制御手段を備え、複数の燃料タンクのうち一部の燃料タンクから燃料放出を行う燃料供給装置であって、燃料タンクから放出される燃料の状態に基づいて燃料残量を検出する検出手段を備え、前記制御手段は燃料タンクへの燃料充填が確認された場合に、全部の燃料タンクから燃料を放出するものである。かかる燃料充填確認は起動時に行うのが好ましい。

この構成では、燃料充填のあったことが確認されると、全部の燃料タンクから燃料が放出され、この放出された燃料の状態に基づいて燃料残量が検出されるので、燃料充填後の正確な残量表示が可能となる。かかる正確な残量表示は、少なくとも起動時に一部の燃料タンクから燃料放出を行う燃料供給装置において特に有効である。

前記制御手段は、停止時に一部の燃料タンクの圧力を記憶しておき、該圧力と起動時の燃料タンクの圧力とを比較して燃料充填を確認してもよい。

つまり、停止時に検出し記憶しておいた燃料タンクの圧力Ｐ１＿oldよりも、起動時に検出した燃料タンクの圧力Ｐ１の方が大きければ、燃料充填があったことに他ならないので、両者を比較すれば、燃料充填の有無を確認することができる。ただし、圧力センサの検出能や検出誤差等を考慮して、「Ｐ１−Ｐ１＿old ＞所定値Ｐ＿refuel」の条件を満たすときに、燃料充填があったと判断するのが誤検知防止の観点からは好ましい。

本発明において、残量表示後は１つの燃料タンクにて燃料電池を駆動してもよい。また、本発明は、停止時に燃料供給系の漏れ検知を行ってもよい。さらに、本発明は、燃料タンクから燃料消費装置へと連なる配管に、燃料タンク側から順に遮断弁と調圧弁を備えていてもよい。

以上の構成によれば、漏れ検知を圧力降下法にて行う際に、減圧対象となる高圧部の容積が必要最小限となる。よって、漏れ検知のより確実な実施、漏れ検知精度の向上、及び漏れ検知時間の短縮化を図ることができる。

本発明によれば、燃料充填のあったことが確認されると、全部の燃料タンクから燃料が放出され、この放出された燃料の状態に基づいて燃料残量が検出されるので、燃料充填後の正確な残量表示が可能となる。また、正確な残量表示を可能にしつつ、停止時に行う燃料供給系の漏れ検知をより確実に精度良く短時間で行うことが可能となる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料供給装置を備えた燃料電池システムであるが、本発明の一形態に過ぎず、その他据え置き型等の燃料電池システムにも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料消費装置）１０に燃料である水素ガスを供給するための系統（以下、燃料供給系１）、空気を供給するための系統２、及び燃料電池スタック１０を冷却するための系統（不図示）を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための燃料供給系（燃料供給装置）１は、水素ガスの供給源から順に、並設された複数（４本）の水素タンク（燃料タンク）１１、水素タンク１１と燃料電池スタック１０とを連通する配管１ａ、主止弁（制御手段、遮断弁）ＳＶ１〜４、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の管路圧力（燃料タンクから放出される燃料の状態）を検出する圧力センサ（検出手段）Ｐ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間の管路圧力を検出する圧力センサＰ５、調圧弁Ｒｅｇ５、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間の管路圧力を検出する圧力センサＰ６、調圧弁Ｒｅｇ６、調圧弁Ｒｅｇ６−燃料電池スタック１０間の管路圧力を検出する圧力センサＰ７、制御部（制御手段）２０、及び残量表示部２１等を備えている。

水素タンク１１は、高圧水素タンクであるが、高圧水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。

主止弁ＳＶ１〜４は、各水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。
調圧弁Ｒｅｇ１〜４はタンク内圧力を所定の高圧（例えば、３Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ５はこの高圧に減圧された水素ガスを中圧（例えば、１Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ６はこの中圧に減圧された水素ガスを低圧（例えば、０．２ＭＰａ）に減圧する。

燃料電池スタック１０に空気を供給する系統２は、図１では図示を省略しているが、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れるエアクリーナ、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するコンプレッサ、圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える加湿器等を備えており、燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ、ファン、及び冷却ポンプを備えている。

制御部２０は、ＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、コンプレッサ等各種補機類の駆動量を決定する制御信号を出力したり、燃料供給系１の各所に配設された圧力センサＰ１〜Ｐ７からの検出信号に基づき、各主止弁ＳＶ１〜４及び調圧弁Ｒｅｇ１〜６の開閉を制御する制御信号を出力する他、後に説明する手順（図２）によって、システム起動時に水素タンク１１への水素充填の有無を確認し、水素充填があったことを確認した場合は、全主止弁ＳＶ１〜４を開弁して残量検出を行い、かかる検出結果に基づき残量表示部（残量計）２１を制御して水素タンク１１の残量表示を更新する。

以上のとおり、本実施形態における燃料供給装置は、少なくとも、水素タンク１１、配管１ａ、主止弁ＳＶ１〜４、圧力センサＰ１〜Ｐ４、停止時に検出された主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の圧力Ｐ１〜Ｐ４を圧力Ｐ１＿old〜Ｐ４＿oldとして記憶しておくメモリ等の記憶手段、制御部２０、及び残量表示部２１を備えて構成されている。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、この燃料電池システムで実施されるシステム起動時における水素タンク１１の残量表示処理の一例について説明する。

まず、運転者がイグニッションキーをＯＮにすると、制御部２０は、システム停止時に圧力センサＰ１で検出し記憶手段に記憶しておいた主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１＿oldを記憶手段から読み込む（ステップＳ１）。つまり、この燃料電池システムでは、システム停止時に圧力センサＰ１によって主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１が検出され、この圧力Ｐ１がＰ１＿oldとして記憶手段に記憶されている。

続くステップ３において、制御部２０からの制御信号によって主止弁ＳＶ１が開弁される。すると、水素タンク１１からの水素ガス放出によって、主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１が次第に上昇する。このとき、残りの主止弁ＳＶ２〜４は当初の閉弁状態がそのまま保持されている。所定時間の経過を待って、主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１を圧力センサＰ１で検出する（ステップＳ５）。所定時間の計時は、タイマ等で行う。

次いで、ステップ１で読み込んだ圧力Ｐ１＿oldと、ステップＳ５で検出した圧力Ｐ１と、予め設定しておいた所定の閾値Ｐ＿refとから、「Ｐ１ − Ｐ１＿old ＞Ｐ＿ref」の条件を満たすかどうかを判断する（ステップＳ７）。所定の閾値Ｐ＿refは、圧力センサＰ１の検出能や検出誤差等に起因して水素充填の有無を誤判断しないような値、例えば３ＭＰａに設定される。ステップＳ７の判断結果が「ＮＯ」の場合、つまり、システム停止後に水素充填の無かったことが確認された場合は、以降のステップＳ９〜Ｓ１３をスキップして、本処理の呼び出し元ルーチンにリターンする。

一方、ステップＳ７の判断結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり、システム停止時に検出した圧力Ｐ１＿oldよりもシステム起動時に検出した圧力Ｐ１の方が所定値以上大きい場合、制御部２０は、システム停止後に水素充填が有ったものと判断する。かかる場合には、ステップＳ９に進み、制御部２０からの制御信号によって残りの主止弁ＳＶ２〜４を全て開弁する。すると、水素タンク１１からの水素ガス放出によって、主止弁ＳＶ２〜４−調圧弁Ｒｅｇ２〜４間の圧力Ｐ２〜４が次第に上昇する。

制御部２０は、所定時間の経過を待って、圧力Ｐ１〜４、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の配管容積、圧縮係数等から全水素タンク１１の残量を演算し、この演算結果に基づく制御信号を残量表示部２１に出力し、残量表示を更新する（ステップＳ１１）。しかる後、制御部２０からの制御信号によって主止弁ＳＶ２〜４を全て閉弁し、１つの水素タンク１１のみを使用して燃料電池１０を駆動する。なお、使用中の水素タンク１１の残量が所定値以下になれば、主止弁ＳＶ１〜４が開閉制御されることにより、順次他の水素タンク１１への切り換えが行われる。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料供給装置は、１つの水素タンク１１のみを使用して燃料電池１０を駆動する構成であるにもかからず、その起動時には、システム停止時における主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１＿oldと、起動時における主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１とから、システム停止後における水素充填の有無を確認し、水素充填が有ったことを確認した場合には、改めて全水素タンク１１の残量を求めて残量表示を更新するようにしているので、水素充填後の正確な残量表示が可能となる。

ところで、燃料電池システムで圧力降下法による漏れ検知を実施する場合には、高圧部の燃料を漏れ検知レンジまで減圧することが必要になるが、例えば起動時に全燃料タンクを使用するシステムでは、減圧対象となる高圧部の容積が大きくなり、十分に水素消費ができなかったり、水素消費時間が長くなってしまう。

しかしながら、本実施の形態では、１つ（一部）の水素タンク１１のみを使用して燃料電池１０を駆動する燃料電池システムであるため、減圧対象となる高圧部が主止弁ＳＶｎ−調圧弁Ｒｅｇｎ（ｎ：１〜４のいずれか１つ）間の１箇所だけとなり、減圧対象区間の容積を必要最小限に抑えることが可能となる。

よって、漏れ検知のためにシステム停止後に水素消費を実施する場合でも、その消費量が少なくて済む結果、水素消費に伴い燃料電池１０で発電した電力を全てバッテリに充電させることができ、水素消費が制限されることはない。その結果、漏れ検知の確実な実施と、検知精度の向上を図ることができる。また、水素消費に必要な時間も短くて済むので、漏れ検知に要する時間の短縮化、ひいては、車両の停止処理時間の短縮化を図ることができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態（図１）のような、複数の水素タンク１１に対してそれと同数の調圧弁Ｒｅｇ１〜４を備えた燃料電池システムへの適用に限定されるわけではない。例えば、図３に示すように、複数（同図では２つ）の水素タンク１１に対して１つの調圧弁Ｒｅｇ１，Ｒｅｇ３を備えた燃料電池システムへの適用も可能であり、かかる構成においても、システム起動時に、停止時における主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１＿oldと、起動時における主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１間の圧力Ｐ１とから、システム停止後における水素充填の有無を確認することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。同実施形態のシステム起動時における残量表示処理を説明するフローチャートである。本発明の他の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…燃料供給系（燃料供給装置）１ａ…配管１０…燃料電池スタック（燃料消費装置）１１…水素タンク（燃料タンク）２０…制御部（制御手段）Ｐ１〜Ｐ４…圧力センサ（検出手段）Ｒｅｇ１〜４…調圧弁ＳＶ１〜ＳＶ４…主止弁（制御手段、遮断弁）

Claims

燃料タンクからの燃料の放出を制御する制御手段を備え、複数の燃料タンクのうち一部の燃料タンクから燃料放出を行う燃料供給装置であって、
燃料タンクから放出される燃料の状態に基づいて燃料残量を検出する検出手段を備え、前記制御手段は燃料タンクへの燃料充填が確認された場合に、全部の燃料タンクから燃料を放出することを特徴とする燃料供給装置。
燃料充填確認を起動時に行う請求項１記載の燃料供給装置。
少なくとも起動時は一部の燃料タンクから燃料放出を行う請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
前記制御手段は、停止時に一部の燃料タンクの圧力を記憶しておき、該圧力と起動時の燃料タンクの圧力とを比較して燃料充填を確認する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料供給装置。
残量表示後は一部の燃料タンクにて燃料電池を駆動する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料供給装置。
停止時に燃料供給系の漏れ検知を行う請求項１〜５のいずれかに記載の燃料供給装置。
燃料タンクから燃料消費装置へと連なる配管に、燃料タンク側から順に遮断弁と調圧弁を備えた請求項１〜６のいずれかに記載の燃料供給装置。