JP2009002432A - ガス残量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス容器内の圧力を直接測定するガス圧測定装置を用いることなく、ガス容器内のガス残量を算出することのできるガス残量算出装置を提供すること。
【解決手段】 水素タンク３１と、水素タンク３１内の水素ガスを外部に送り出すための開閉バルブ３１ａと、水素タンク３１から送り出された水素ガスを減圧する減圧弁３３と、減圧弁３３によって減圧された水素ガスの圧力を測定する圧力センサ５２と、圧力センサ５２が測定する水素ガスの圧力に基づいて水素タンク３１内のガスの圧力を算出することにより水素タンク３１内のガス残量を求める電源システム制御装置５０とでガス残量算出装置Ａを構成した。そして、減圧弁３３における一次室３３ａの圧力と、二次室３３ｂの圧力との関係が、一次室３３ａの圧力が増加すると二次室３３ｂの圧力も増加し、一次室３３ａの圧力が減少すると二次室３３ｂの圧力も減少する単調な関係になるようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、所定のガスが収容されたガス容器内のガス残量を求めるガス残量算出装置に関する。

従来から、所定のガスが収容されたガス容器内のガスを順次取り出して使用する装置があり、このような装置の中に、例えば、燃料電池を備えた燃料電池システムが発生する電力を利用して走行する車両等がある。この燃料電池システムには、水素ガスを収容する水素タンクが備わっており、水素タンクから供給される水素ガスと空気中の酸素ガスとを反応させることにより燃料電池が発電する。また、このような燃料電池システムには、一般に、水素タンク内の残量を測定するための測定装置が備わっている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に空気を送るコンプレッサと、減圧弁を介して燃料電池に接続され燃料電池に水素ガスを送る水素タンクと、水素タンク内の圧力を測定する圧力センサと、水素タンク内の温度を測定する温度センサと、コントローラとを備えている。そして、燃料電池は、減圧弁で所定圧力まで減圧されて送られてくる水素ガスと、コンプレッサから供給される空気中の酸素ガスを反応させて発電する。また、コントローラは、圧力センサと温度センサとの検出値に基づいて水素タンク内の残量を圧力式メータ表示値と質量式メータ表示値として算出する。そして、圧力測定値が所定値以上のときには、質量式メータ表示値を燃料計に表示し、圧力測定値が所定値未満のときには、圧力式メータ表示値を燃料計に表示する。
特開２００５−２４０８５４号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、圧力センサが水素タンク内の圧力を直接測定するように構成されているため、圧力センサとして高圧ガスに対するシール性を備えた高価なものを用いる必要があるとともに、圧力センサの近傍部分の構成を複雑で堅牢な構造にする必要があった。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、ガス容器内の圧力を直接測定するガス圧測定装置を用いることなく、ガス容器内のガス残量を算出することのできるガス残量算出装置を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係るガス残量算出装置の構成上の特徴は、所定のガスが収容されるガス容器と、ガス容器内のガスを外部に送り出すための開閉部と、ガス容器から送り出されたガスを減圧する減圧装置と、減圧装置によって減圧されたガスの圧力を測定するガス圧測定装置と、ガス圧測定装置が測定するガスの圧力に基づいてガス容器内のガスの圧力を算出することによりガス容器内のガス残量を求めるガス残量算出手段とを備えたガス残量算出装置であって、減圧装置の本体における前記ガスが送り込まれる入口側部分の圧力と、前記減圧装置における減圧されたガスが送り出される出口側部分の圧力との関係が、入口側部分の圧力が増加すると出口側部分の圧力も増加し、入口側部分の圧力が減少すると出口側部分の圧力も減少する単調な関係になるように、減圧装置を構成したことにある。

本発明に係るガス残量算出装置では、ガス圧測定装置が、ガス容器内の圧縮された高圧ガスの圧力を直接測定するのではなく、ガス容器から送り出されたのちに減圧装置によって減圧されたガスの圧力を測定するように構成されている。したがって、ガス圧測定装置に大きな圧力が加わることがなくなり、ガス圧測定装置として高圧ガスに対するシール性を備えた高価なものを用いる必要がなくなるとともに、ガス圧測定装置の近傍部分の構成を単純なものにすることができる。また、減圧装置を、ガスが送り込まれる入口側部分の圧力が増加すると減圧されたガスが送り出される出口側部分の圧力も増加し、入口側部分の圧力が減少すると出口側部分の圧力も減少する単調な関係になるように構成している。すなわち、減圧装置によって減圧されたガスの圧力がガス容器内の圧力にしたがって変化するようにしている。

これによると、減圧装置における出口側部分の圧力に対応する入口側部分の圧力の値は、一つだけになる。このため、減圧装置における入口側部分の圧力と出口側部分の圧力との関係を予めデータにして準備しておけば、ガス圧測定装置が測定する減圧装置の出口側部分の圧力から、減圧装置の入口側部分の圧力、すなわち、ガス容器内の圧力を容易に求めることができる。この場合の単調な関係とは、減圧装置の出口側部分の圧力と入口側部分の圧力を一方を横軸で示し他方を縦軸で示したグラフとして表わした場合に、そのグラフに示される線が一旦増加したのちに減少したり、減少したのちに増加したりすることなく、単純に増加または減少する関係にあればよく、必ずしも完全に比例して直線状に増加したり減少したりする関係でなくともよい。

また、本発明に係るガス残量算出装置の他の構成上の特徴は、減圧装置の本体の内面における入口側部分と出口側部分との境界部に、入口側部分から出口側部分に向って大径になった絞り面を形成するとともに、入口側部分から出口側部分に向って大径になり絞り面に接触することにより入口側部分と出口側部分との間を閉塞し、絞り面から後退することにより絞り面との間に入口側部分と出口側部分とを連通させるガス流路を形成するピストンを設け、ピストンを絞り面から後退させるように付勢するばねを入口側部分に設けたことにある。

この場合、ガス容器内の圧力と等しい減圧装置の入口側部分の圧力をＰ1、減圧後の圧力である出口側部分の圧力をＰ2、ばねの荷重をＢ、入口側部分に対向するピストンの面の面積をＳ1、出口側部分に対向するピストンの面の面積をＳ2、ピストンを減圧装置の出口側に押す力をＦ1、ピストンを減圧装置の入口側に押す力をＦ2とすると、Ｆ1、Ｆ2は、それぞれ下記の（式１）、（式２）で表される。
Ｆ1＝Ｐ1×Ｓ1＋Ｂ …（式１）
Ｆ2＝Ｐ2×Ｓ2 …（式２）

そして、Ｆ1がＦ2よりも大きいとき、ピストンは絞り面から後退して絞り面との間にガス流路を形成するとともに、そのガス流路の断面積が大きくなるように出口側に移動し、Ｆ1がＦ2よりも小さくなると、ピストンは入口側に移動してガス流路を閉塞させる。また、Ｆ1とＦ2とが等しくなって、出口側部分の圧力が略一定に保持されると、下記の（式３）の関係が成り立つ。
Ｐ2＝Ｓ1／Ｓ2×Ｐ1＋Ｂ／Ｓ2 …（式３）
（式３）の関係によると、Ｐ1が大きくなるとＰ2も大きくなり、Ｐ1が小さくなるとＰ2も小さくなる。このように、減圧装置を前述したように構成することにより、ガスが送り込まれる入口側部分の圧力が増加すると減圧されたガスが送り出される出口側部分の圧力も増加し、入口側部分の圧力が減少すると出口側部分の圧力も減少する単調な関係が成立する。

また、本発明に係るガス残量算出装置のさらに他の構成上の特徴は、ガスが水素ガスで、ガス容器が水素タンクであり、水素タンクから送り出された水素ガスは、水素ガスと酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池に送られることにある。これによると、燃料電池に水素ガスを供給する水素タンク内の水素ガスの残量を高価なガス圧測定装置を用いることなく算出することができる。

また、本発明に係るガス残量算出装置のさらに他の構成上の特徴は、燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出装置を設けて、発電電流検出装置が検出する発電電流に基づいて水素タンクから燃料電池に供給される水素ガスの流量を算出し、水素ガスの流量を加味して、ガス残量算出手段が、水素タンク内のガス残量を求めるようにしたことにある。

減圧装置の入口側部分の圧力や出口側部分の圧力は、水素タンクから燃料電池に供給される水素ガスの流量によっても増減する。このため、水素ガスの流量に応じた入口側の圧力と出口側の圧力との関係をそれぞれ求めておいて、その水素ガスの流量も加味して水素タンク内の水素ガスの残量を算出することにより、より精度の良い水素ガスの残量の算出が可能になる。この場合の水素ガスの流量は、水素分子が反応したときに発生する電荷と発電電流との関係から求めることができる。

以下、本発明の一実施形態に係るガス残量算出装置を図面を用いて詳しく説明する。図１は、同実施形態に係るガス残量算出装置Ａ（図２参照）を備えた自動二輪車１０を示している。この自動二輪車１０は、前輪１１と後輪１２とからなる一対の車輪と、この一対の車輪が取り付けられた車体１０ａとを備えている。また、車体１０ａは、車体１０ａの主要部分を構成する車体フレーム１３と、車体フレーム１３に着脱自在に取り付けられるサブフレーム１４とを備えている。そして、車体フレーム１３は、車体１０ａの前部側部分を構成するヘッドパイプ１５と、ヘッドパイプ１５から後方に延びるメインフレーム１６とで構成されている。

また、前輪１１は、下方が二股に分岐したフロントフォーク１７の下端部に回転可能に支持され、フロントフォーク１７の上端部には、ヘッドパイプ１５内に配置されたステアリング軸１８の下端部が連結されている。このステアリング軸１８は、ヘッドパイプ１５の軸周り方向に回転可能な状態で、ヘッドパイプ１５内に取り付けられており、上端部がヘッドパイプ１５から突出して上方に延びている。そして、ステアリング軸１８の上端部に略水平方向に配置されたハンドル１９の中央部が連結されている。

このため、ハンドル１９を回転操作して、ステアリング軸１８を軸周り方向に回転させると、ステアリング軸１８の回転量に応じて前輪１１はフロントフォーク１７の軸を中心として左右に方向を変える。また、ハンドル１９の左右両端には、グリップ（図示せず）が設けられている。このグリップのうちの一方のグリップは、軸回り方向に回転可能な状態で設けられており、手で持つための把持部として使用される外、後述する駆動モータ４４ａの駆動力を調節するためのアクセル操作子を構成する。そして、他方のグリップは、ハンドル１９に固定され手で持つための把持部として使用される。また、グリップの近傍には、それぞれ、グリップから離れるように付勢され、グリップ側に引っ張られることにより前輪１１または後輪１２の回転を抑制するブレーキレバー（図示せず）が設置されている。

メインフレーム１６は、湾曲した一対のフレーム（一方しか図示せず）で構成されており、その前端部（上端部）はヘッドパイプ１５の下部側部分の両側部に連結されている。そして、各メインフレーム１６は、ヘッドパイプ１５との連結部からそれぞれ互いの間隔を広げるようにして、後方に向って斜め下方に延びたのちに湾曲して後方水平方向に延びている。さらに、各メインフレーム１６の後部側部分は、互いの間隔を保って後方斜め上方に向って延びている。そして、両メインフレーム１６の後端部は、水平方向に配置された板状の取付部材２１に連結されている。

また、両メインフレーム１６における後部側部分の上面には、クロスメンバ２２が掛け渡されている。このクロスメンバ２２は両端側部分が略直角に屈曲した略コ字状の棒状に形成されており、屈曲した両端部をそれぞれメインフレーム１６に連結して本体部分が両メインフレーム１６の上側に突出している。また、両メインフレーム１６の下端部には、両メインフレーム１６間の下方に突出する設置台２３が掛け渡されている。この設置台２３の上面は、凹部に形成され、その凹部に収容部２４が設けられている。そして、この収容部２４の内部に燃料電池２５（図２参照）が収容されている。

また、両メインフレーム１６の前部側部分と、両メインフレーム１６の後部に設けられたクロスメンバ２２との間に板状のサブフレーム１４が取り付けられている。そして、サブフレーム１４の上面における中央よりもやや前部側部分にリチウムイオン電池からなる二次電池２６が固定され、サブフレーム１４の上面における後部側部分にガス残量算出装置Ａが備える各装置を制御する電源システム制御装置５０が固定されている。

また、ヘッドパイプ１５の前部には、固定部材２７ａを介してラジエータ２７が取り付けられ、ラジエータ２７の裏面（ラジエータ２７とヘッドパイプ１５との間）には、ラジエータ２７を空冷するためのファン２７ｂが取り付けられている。そして、メインフレーム１６の前部側部分における収容部２４の前側でかつサブフレーム１４（二次電池２６）の下方部分にウォーターポンプ２８が取り付けられている。ラジエータ２７と燃料電池２５との間は、冷却水配管２９ａで接続されており、ウォーターポンプ２８は、冷却水配管２９ａに設けられている。

すなわち、冷却水配管２９ａは、ラジエータ２７からウォーターポンプ２８に延び、さらにウォーターポンプ２８から収容部２４に向って延びて収容部２４の前面部から内部に入って燃料電池２５に接続されている。また、燃料電池２５とラジエータ２７との間は、燃料電池２５を冷却した冷却水が燃料電池２５からラジエータ２７側に向って流れる冷却水配管２９ｂで接続されている。このため、ウォーターポンプ２８が作動すると、ラジエータ２７内の冷却水が冷却水配管２９ａを通って燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却する。そして、燃料電池２５を冷却することによって熱を吸収した冷却水は、冷却水配管２９ｂを通ってラジエータ２７に戻され、ラジエータ２７を通過する間にファン２７ｂによって冷却される。

また、両メインフレーム１６の後端部に連結された取付部材２１の上面には、燃料電池２５に供給するための水素が充填された水素タンク３１が取り付けられている。この水素タンク３１は、図２に示したように、ガス配管３２ａによって燃料電池２５の水素ガス供給口に接続されている。また、燃料電池２５の水素ガス排出口は、水素循環用のガス配管３２ｂによって、ガス配管３２ａにおける水素タンク３１と燃料電池２５との間の部分に接続されている。そして、ガス配管３２ａにおける水素タンク３１側部分に、本発明の開閉部としての開閉バルブ３１ａと、本発明の減圧装置としての減圧弁３３と、圧力調整用の調整バルブ３１ｂとが設けられている。

減圧弁３３は、図３に示したように、入口３４ａから出口３４ｂに向って貫通した弁本体３４と、弁本体３４内に設置されたピストン３５とばね３６とで構成されている。そして、弁本体３４は、入口３４ａ側部分（水素タンク３１側部分）が、出口３４ｂ側部分（燃料電池２５側部分）よりも細くなり、入口３４ａ側部分と出口３４ｂ側部分との間の部分が傾斜部に形成された段違いの略円筒状に形成されている。また、入口３４ａと出口３４ｂとはともに細径の孔で構成され、弁本体３４の内部における入口３４ａ側の部分は入口３４ａおよび出口３４ｂよりも大径の一次室３３ａで構成され、弁本体３４の内部における出口３４ｂ側の部分は一次室３３ａよりもさらに大径の二次室３３ｂで構成されている。

そして、弁本体３４の内面における一次室３３ａと二次室３３ｂとの間には、一次室３３ａ側から二次室３３ｂ側に向って大径になった傾斜面状の絞り面３３ｃが形成されている。また、二次室３３ｂ内の出口３４ｂ側の端面における外周部には、円周方向に間隔を保って複数のストッパ３４ｃが形成されている。ピストン３５は、軸方向の長さが短い円柱状のピストン本体３５ａの一方側（一次室３３ａ側）に円錐台状の絞り凸部３５ｂを突出させた形状に形成されている。ピストン３５は、二次室３３ｂと絞り面３３ｃとの内部で入口３４ａ側または出口３４ｂ側に向って移動可能な状態で設置されており、移動することにより、二次室３３ｂの内面と絞り面３３ｃとの間にガス流路を形成したり、そのガス流路を閉塞したりすることができる。

すなわち、ピストン３５が入口３４ａ側に移動すると絞り凸部３５ｂが絞り面３３ｃに接面して、弁本体３４内における一次室３３ａと二次室３３ｂとの間が遮断される。なお、ピストン本体３５ａの外径は二次室３３ｂの内径よりもやや小さく設定されて、ピストン本体３５ａの外周面と二次室３３ｂの内周面との間には、ガス流路が常時形成されている。また、ピストン３５が出口３４ｂ側に移動すると、絞り凸部３５ｂが絞り面３３ｃから離れて絞り凸部３５ｂと絞り面３３ｃとの間にガス流路が形成される。

これによって、入口３４ａと出口３４ｂとの間が、一次室３３ａ、絞り凸部３５ｂと絞り面３３ｃとの間のガス流路、ピストン本体３５ａの外周面と二次室３３ｂの内周面との間のガス流路および二次室３３ｂを介して連通する。なお、絞り凸部３５ｂと絞り面３３ｃとの間のガス流路やピストン本体３５ａの外周面と二次室３３ｂの内周面との間のガス流路は、本来は微小であるが、図３では作図の都合上、大きく描いている。

さらに、ピストン３５が出口３４ｂ側に移動して、ピストン本体３５ａの出口３４ｂ側端面の外周部がストッパ３４ｃに当接すると、ピストン３５はそれ以上出口３４ｂ側に移動できなくなる。この場合、図３に示したように、ストッパ３４ｃによって出口３４ｂの内部側開口がピストン３５によって閉塞されることが防止され、減圧弁３３は、入口３４ａから出口３４ｂに連通するガス流路を形成した状態に維持される。また、ばね３６は、弁本体３４の一次室３３ａ内に設置されて、ピストン３５を出口３４ｂ側に付勢している。このばね３６はコイルばねで構成されており、一方の端部を入口３４ａと一次室３３ａとの境界部に形成された段部に位置決めし、他方の端部を絞り凸部３５ｂの端面に当接させた状態で取り付けられている。

また、ガス配管３２ｂには、燃料電池２５の水素ガス排出口から排出される未反応の水素ガスをガス配管３２ａに送り返すための循環ポンプ３７が設けられている。このため、開閉バルブ３１ａを開けることにより、水素タンク３１内の水素ガスを、減圧弁３３で減圧してガス配管３２ａを介して燃料電池２５に供給することができる。また、その状態で、循環ポンプ３７を作動させることにより、燃料電池２５内で反応しないまま残った水素ガスを、ガス配管３２ｂを通過させてガス配管３２ａに送り返し、水素タンク３１から減圧弁３３を介して新たにガス配管３２ａに送り出される水素ガスと合流させることができる。

そして、水素ガスは、燃料電池２５内で酸素ガスと反応するまでガス配管３２ａ，３２ｂ内を循環する。また、水素タンク３１の前部側部分の上部にシート３８が配置されている。このシート３８は、支持部材３８ａを介してメインフレーム１６の後部側に連結されている。また、メインフレーム１６の後部側部分におけるクロスメンバ２２の後方にエアフィルタ４１が取り付けられ、メインフレーム１６の後部側部分におけるクロスメンバ２２の前方にエアブロア４２が取り付けられている。

また、エアフィルタ４１とエアブロア４２との間およびエアブロア４２と燃料電池２５との間はそれぞれ図２に示したガス配管４１ａ，４２ａによって接続されている。このため、エアブロア４２の作動により、シート３８の下部側の空気がエアフィルタ４１を介して吸引され、燃料電池２５に供給される。このときエアフィルタ４１に吸引された空気はエアフィルタ４１内を通過する際に、異物を除去される。また、燃料電池２５を通過する際に水素ガスと反応して燃料電池２５の発電に使用された酸素ガス以外の空気は外部に排出される。なお、ガス配管３２ａやガス配管４２ａの一部およびガス配管３２ｂは、燃料電池２５とともに収容部２４内に収容されている。

また、両メインフレーム１６の後部側部分の下部には、後方に向って延びる一対のアーム部材からなるリヤアーム（図示せず）が連結部材４３を介して連結されている。そして、リヤアームの両アーム部材の後端部に、後輪１２の中心軸の両側部分が回転可能に支持されており、これによって、後輪１２は、中心軸を中心として回転可能になっている。また、リヤアームの一方のアーム部材の外面側には、アーム部材を覆うようにして、モータユニット４４が取り付けられている。

このモータユニット４４内には、燃料電池２５が発生する電力によって作動する駆動モータ４４ａや減速機が収容されている。この駆動モータ４４ａの作動により後輪１２が回転して自動二輪車１０が走行する。また、メインフレーム１６の後端部と、リヤアームの後端上部との間には、リヤクッション４５がそれぞれ掛け渡されている。このリヤクッション４５の伸縮によって、リヤアームの後端側が揺動自在になっている。また、モータユニット４４の内側面側にはドラムブレーキ（図示せず）が取り付けられている。

駆動モータ４４ａは、電源システム制御装置５０の制御によってハンドル１９のグリップの操作量に応じて作動し、後輪１２に駆動力を自動的に発生させる。また、この自動二輪車１０は、静止状態のときに、自動二輪車１０を起立状態に維持させるための回転式のスタンド４６を備えており、自動二輪車１０を走行させるときには、図１に実線で示したように、スタンド４６を上方に上げておき、自動二輪車１０を静止させておくときには、図１に二点鎖線で示したようにスタンド４６を下方に下ろして、スタンド４６に自動二輪車１０を支持させる。

さらに、このガス残量算出装置Ａは、燃料電池２５が発生する電力の電圧を昇圧する昇圧装置４７および逆流防止用のダイオード４８も備えており、燃料電池２５、二次電池２６、駆動モータ４４ａ、昇圧装置４７、ダイオード４８およびこれらを接続する配線で電気回路４９が形成されている。また、このガス残量算出装置Ａを構成する各装置には、各装置の種々の状態を検出するための各種のセンサが設けられており、これらのセンサと電源システム制御装置５０との間が各電気配線を介して接続されている。

すなわち、水素タンク３１には、水素タンク３１の表面温度を検出する温度センサ５１が設けられ、ガス配管３２ａにおける減圧弁３３と調整バルブ３１ｂとの間には、水素タンク３１から送り出され減圧弁３３で減圧された水素ガスの圧力を検出する本発明のガス圧測定装置としての圧力センサ５２が設けられている。この圧力センサ５２が検出する水素ガスの圧力に基づいて、後述する水素タンク３１内の水素ガスの残量が算出される。また、冷却水配管２９ｂには、ラジエータ２７から燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却したのちに燃料電池２５からラジエータ２７に送られる冷却水の温度を検出する温度センサ５３が設けられ、ガス配管４２ａには、エアブロア４２から燃料電池２５に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ５４が設けられている。

そして、燃料電池２５には、燃料電池２５の温度を検出する温度センサ５５および電圧値を検出する電圧センサ５６が設けられ、二次電池２６には二次電池２６の温度を検出する温度センサ５７が設けられている。また、電気回路４９には、電気回路４９を流れる電流の値を検出する本発明の発電電流検出装置としての電流センサ５８、駆動モータ４４ａに流れる電流の値を検出する電流センサ５９および電圧値を検出する電圧センサ６１が設けられている。また、電気回路４９における二次電池２６に接続された配線４９ａには、二次電池２６に流れる電流の値を検出する電流センサ６２が設けられている。これらの各センサはそれぞれ配線５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ，５８ａ，５９ａ，６１ａ，６２ａを介して電源システム制御装置５０に接続されており、検出した値を電気信号として電源システム制御装置５０に送信する。

また、電源システム制御装置５０から、エアブロア４２、開閉バルブ３１ａ、調整バルブ３１ｂ、循環ポンプ３７、ファン２７ｂを駆動させるモータ２７ｃ、ウォーターポンプ２８、昇圧装置４７および駆動モータ４４ａにそれぞれ指示信号を送信するための配線６３，６４ａ，６４，６５，６６，６７，６８，６９がそれぞれ電源システム制御装置５０と対応する装置との間を接続している。エアブロア４２は、電源システム制御装置５０からの流量指示信号に応じて作動して空気を燃料電池２５に供給する。また、配線６３には、電流センサ７１および電圧センサ７２が設けられており、これらのセンサはエアブロア４２に供給される電流や電圧を検出する。

電源システム制御装置５０からの開閉指示信号に応じて、開閉バルブ３１ａは開閉されるとともに、流量指示信号に応じて調整バルブ３１ｂはその開度を調節しながら開閉されて、水素タンク３１から水素ガスを燃料電池２５に供給させる。そして、燃料電池２５は、エアブロア４２から供給される空気中の酸素ガスと、水素タンク３１から供給される水素ガスとを反応させて水を発生させるとともに電気を発生させる。また、その際、循環ポンプ３７は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、燃料電池２５で酸素ガスと反応しなかった水素ガスを、ガス配管３２ｂを介してガス配管３２ａに戻し、水素タンク３１から新たにガス配管３２ａに送り出される水素ガスと合流させる。

また、ウォーターポンプ２８は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、ラジエータ２７と燃料電池２５との間で冷却水を循環させて燃料電池２５の温度を所定の温度に維持する。そして、モータ２７ｃは、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動してファン２７ｂを回転させ、ラジエータ２７を空冷する。昇圧装置４７は、電源システム制御装置５０からの電圧指示信号に応じて燃料電池２５が発生した電気を昇圧して駆動モータ４４ａに送ったり、二次電池２６に送って二次電池２６を充電したりする。また、駆動モータ４４ａは、アクセル操作子を構成するグリップの操作量に応じた動作信号を電源システム制御装置５０から受信し、その動作信号に応じて作動する。

電源システム制御装置５０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，不揮発性メモリ等を備えており、ＲＯＭには、予め用意された各種のプログラムや図４に示したマップ等の各種のデータが記憶されている。また、ＲＡＭや不揮発性メモリには、各センサが検出した検出値等のデータが書き換え可能に記憶される。そして、ＣＰＵは、運転者によるグリップ等の操作や、予め用意されたプログラム等に基づいて、駆動モータ４４ａ、開閉バルブ３１ａ、調整バルブ３１ｂ、エアブロア４２、ウォーターポンプ２８等を制御する。さらに、この自動二輪車１０は、メインスイッチ７３等のスイッチや、水素タンク３１の内圧を表示する内圧表示部７４ａと水素ガスの残量を表示する残量表示部７４ｂとを備えた表示計７４も備えている。また、電源システム制御装置５０は、本発明のガス残量算出手段を構成するもので、表示計７４に表示する水素タンク３１の内圧や水素ガスの残量を算出する。

この構成において、自動二輪車１０を運転する場合には、まず、メインスイッチ７３等のスイッチをオン状態にする。これによって、燃料電池２５には、エアブロア４２からエアフィルタ４１によって異物を除去された空気が供給されるとともに、水素タンク３１から減圧弁３３によって減圧された水素ガスが供給され、燃料電池２５は、供給される空気中の酸素ガスと水素ガスとを反応させて電気を発生する。その状態で、自動二輪車１０を加速させる速度に応じてグリップを操作する。これによって、電源システム制御装置５０は、駆動モータ４４ａを作動させ、後輪１２に駆動力を発生させる。

また、自動二輪車１０の走行速度を下げる場合には、グリップを減速方向に操作したり、必要に応じてブレーキレバーを操作する。これによって、自動二輪車１０は、ブレーキレバーの操作量等に応じて減速する。そして、燃料電池２５が作動する間、燃料電池２５は、ウォーターポンプ２８から送られる冷却水によって冷却され所定温度を維持する。また、表示計７４の内圧表示部７４ａには水素タンク３１の内圧が表示され、残量表示部７４ｂには水素タンク３１内の水素ガスの残量が表示される。内圧表示部７４ａおよび残量表示部７４ｂの表示は、数値や複数のランプのうちの所定のランプが点灯すること等によって行われる。

また、この表示計７４の表示は、圧力センサ５２が検出する減圧弁３３によって減圧された水素ガスの圧力に対応する水素タンク３１内の高圧水素ガスの圧力を、図４に示したマップや後述する算出式等から求めることによって行われる。図４において、縦軸は、圧力センサ５２が検出する減圧後の圧力を示しており、横軸は減圧前の圧力を示している。なお、この水素タンク３１、減圧弁３３、圧力センサ５２および燃料電池２５の位置関係の概略を図５に示しており、圧力センサ５２は、水素タンク３１の下流側に設置された減圧弁３３と燃料電池２５との間に設置されて減圧後の水素ガスの圧力を検出する。

また、図４における曲線ａは、水素ガスの流量が所定の小さい値のときの減圧後の圧力に対する減圧前の圧力の関係を示しており、曲線ｂは、水素ガスの流量が中程度の値のときの減圧後の圧力に対する減圧前の圧力の関係を示している。そして、曲線ｃは、水素ガスの流量が所定の大きい値のときの減圧後の圧力に対する減圧前の圧力の関係を示している。開閉バルブ３１ａが開いているときは、図４における減圧前の圧力は水素タンク３１内の圧力と等しくなる。したがって、図４に示したように、水素ガスの流量が中程度のときに、減圧後の圧力がＣであれば減圧前の圧力、すなわち、水素タンク３１内の圧力はＤであると算出することができる。そして、求められた水素タンク３１内の圧力から水素ガスの残量を算出することができる。

また、図４における破線Ｐmaxは、燃料電池２５の作動中における減圧後の最大圧力値を示し、破線Ｐminは、燃料電池２５の作動中における減圧後の最小圧力値を示しており、ガス配管３２ａに設けられた減圧弁３３は、減圧後の圧力がこの最大圧力値Ｐmaxの圧力以下になるように作動する。そして、水素タンク３１内の水素ガスの残量が減少して減圧後の圧力が最小圧力値Ｐminまで低下すると開閉バルブ３１ａが閉じられるようになっている。一方、減圧弁３３を通過した水素ガスは、調整バルブ３１ｂによって、減圧弁３３による減圧後の圧力が前記Ｐminよりも小さい圧力Ｐａになるように調整され、この圧力Ｐａで水素ガスが燃料電池２５に供給される。

この図４のマップは、減圧弁３３が備える特性や、電流センサ５８の検出値等に基づいて予め求められたものである。まず、減圧弁３３の特性である作動原理を説明すると、開閉バルブ３１ａが閉じられている状態では、減圧弁３３のピストン３５はばね３６によって出口３４ｂ側に付勢されて、図３に示したように、ストッパ３４ｃに当接した状態になる。この場合、一次室３３ａと二次室３３ｂとは、絞り凸部３５ｂと絞り面３３ｃとの間のガス流路を介して連通しており、一次室３３ａ内の圧力と、二次室３３ｂの圧力とは同じ圧力になる。

そして、開閉バルブ３１ａを開くと、水素タンク３１内の水素ガスは、減圧弁３３の入口３４ａから一次室３３ａ内に入る。これによって、ピストン３５には、一次室３３ａ側から下記の（式１）で示される力Ｆ1が出口３４ｂ側に向って働く。なお、（式１）におけるＳ1は、絞り凸部３５ｂの端面の面積であり、Ｂはばね３６の荷重である。
Ｆ1＝Ｐ1×Ｓ1＋Ｂ …（式１）
また、この状態では、一次室３３ａと二次室３３ｂとは連通しているため、一次室３３ａに送られた水素ガスは二次室３３ｂにも入る。これによって、ピストン３５には、二次室３３ｂ側から下記の（式２）で示される力Ｆ2が入口３４ａ側に向って働く（図６参照）。なお、（式２）におけるＳ2は、ピストン本体３５ａの端面の面積である。
Ｆ2＝Ｐ2×Ｓ2 …（式２）

そして、二次室３３ｂに水素ガスが供給され続けると、二次室３３ｂ内の圧力は徐々に高くなり、力Ｆ2が力Ｆ1よりも大きくなるとピストン３５は入口３４ａ側に向って移動を始める。この移動に伴って絞り面３３ｃと絞り凸部３５ｂとの間隔が狭まり、一次室３３ａから二次室３３ｂに流れる水素ガスの流量が制限されるようになる。そして、図７に示したように、絞り面３３ｃと絞り凸部３５ｂとが接面して一次室３３ａと二次室３３ｂとの間が遮断されると、二次室３３ｂ内の圧力はそれ以上大きくなることはなくなる。この状態は、二次室３３ｂ内の水素ガスが消費され力Ｆ1と力Ｆ2とが等しい値になるまで維持される。

そして、図８に示したように、二次室３３ｂ内の水素ガスが消費され力Ｆ1が力Ｆ2よりも大きくなると、ピストン３５は、出口３４ｂ側に向って移動し始める。この移動に伴って絞り面３３ｃと絞り凸部３５ｂとの間隔が徐々に広がって、一次室３３ａから二次室３３ｂに水素ガスが流れ込み、再び二次室３３ｂ内の圧力が上昇する。この図６から図８に示した一連の動作が繰り返されることで、二次室３３ｂ内の圧力は略一定に維持される。この場合、二次室３３ｂ内の圧力は、力Ｆ1と力Ｆ2とが等しい値になる状態で維持されるため、下記の（式３）の関係が成り立つ。
Ｐ2＝Ｓ1／Ｓ2×Ｐ1＋Ｂ／Ｓ2 …（式３）

この場合、絞り凸部３５ｂの端面の面積Ｓ1と、ピストン本体３５ａの端面の面積Ｓ2とは一定で、ばね３６の荷重Ｂは変位量が小さく略一定と考えることができるため、減圧前の圧力Ｐ1と、減圧後の圧力Ｐ2との間には、図４の曲線ａ，ｂ，ｃのような比例関係が成立する。また、減圧弁３３の一次室３３ａ内の圧力と二次室３３ｂ内の圧力とは、水素タンク３１から燃料電池２５に供給される水素ガスの流量によっても増減し、この場合の水素ガスの流量は、水素分子が反応したときに発生する電荷と発電電流との関係から求めることができる。

すなわち、ファラデーの法則によると、１モルの水素分子が反応すると９６４８５クーロン×２モルの電荷が発生する。そして、１アンペアとは１クーロンの電荷が１秒間に導体を移動する場合の電流であることから、電流センサ５８が検出する燃料電池２５の発電電流の値を９６４８５クーロン×２モルの電荷の値で除することにより、１秒当りの水素ガスの消費モル数を求めることができ、このようにして求めた１秒当りの水素ガスの消費モル数から水素ガスの流量を算出することができる。これ以外の方法として、発電電流の値と水素ガスの流量との関係を予め求めてマップ化しておき、そのマップを参照することによって簡易的に発電電流から水素ガスの流量を求めるようにしてもよい。

このようにして求められた１秒当たりの水素ガスの流量と、減圧後の圧力Ｐ2とを、図４のマップに当てはめて減圧前の圧力Ｐ1を求める。そして、得られた圧力Ｐ1の値は、メインスイッチ７３等のスイッチがオン状態になっている間、水素タンク３１の内圧として表示計７４の内圧表示部７４ａに表示される。また、水素タンク３１内の容積をＶ、気体定数をＲ、温度センサ５１が検出する水素タンク３１（水素ガス）の温度をＴ、水素ガスの１モル当りの質量または容積をａとすると、水素タンク３１内の水素ガスの残量は、下記の（式４）で表される。前記温度Ｔは、温度センサ５１によって検出された値を用いる。
水素ガスの残量＝｛（Ｐ1×Ｖ）／（Ｒ×Ｔ）｝×ａ …（式４）

この場合、ａを「２」とすれば水素ガスの残量は質量として求められ、ａを「２２．４」とすれば水素ガスの残量は標準状態（０℃、１気圧）における容積として求められる。このようにして求められた値が残量表示部７４ｂに表示される。また、自動二輪車１０の走行を終了させるときには、メインスイッチ７３をオフ状態にするとともに、スタンド４６を下方に回転させて地面に接地させることにより、自動二輪車１０を起立状態にしておく。

このように、本実施形態に係るガス残量算出装置Ａでは、圧力センサ５２が、水素タンク３１内の高い圧力を直接測定するのでなく、水素タンク３１から送り出され減圧弁３３によって減圧されたのちの水素ガスの圧力を測定する。したがって、圧力センサ５２に大きな圧力が加わることがなくなり、圧力センサ５２として高圧ガスに対するシール性を備えた高価なものを用いる必要がなくなるとともに、ガス配管３２ａにおける圧力センサ５２の近傍部分の構成を単純なものにすることができる。また、減圧弁３３における一次室３３ａ内の圧力と二次室３３ｂ内の圧力との関係が、図４に示したように、一次室３３ａ内の圧力が増加すると二次室３３ｂ内の圧力も増加し、一次室３３ａ内の圧力が減少すると二次室３３ｂ内の圧力も減少する単調な関係になっている。

このため、減圧弁３３における二次室３３ｂ内の圧力に対応する一次室３３ａ内の圧力の値は、一つだけになり、圧力センサ５２が測定する二次室３３ｂ側部分の圧力から、一次室３３ａ側部分の圧力を容易に求めることができる。また、減圧弁３３における一次室３３ａ内の圧力と二次室３３ｂ内の圧力とは、水素タンク３１から燃料電池２５に供給される水素ガスの流量によっても増減するが、本実施形態に係るガス残量算出装置Ａでは、電流センサ５８が検出する発電電流に基づいて水素ガスの流量を算出し、水素ガスの流量を加味して、水素タンク３１内の圧力およびガス残量を求めるようにしている。このため、より精度のよい水素タンク３１内の圧力および水素ガスの残量の算出が可能になる。

また、本発明に係るガス残量算出装置Ａは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することが可能である。例えば、前述した実施形態では、開閉バルブ３１ａを水素タンク３１を開閉するための開閉部として用いるとともに、調整バルブ３１ｂをガス配管３２ａ内を通過する水素ガスの流量を調整するための圧力調整弁として用いているが、これに代えて、開閉バルブ３１ａを省略し、調整バルブ３１ｂを圧力調整弁として用いることに加え、ガス配管３２ａの流路を開閉するための開閉弁としても用いるようにしてもよい。

また、前述した実施形態では、ガス残量算出装置Ａを自動二輪車１０に設けているが、このガス残量算出装置Ａを設ける装置は、自動二輪車１０に限らず、自動三輪車や自動四輪車等の車両であってもよいし、車両以外の装置であってもよい。さらに、ガスを水素ガス以外のガスにするとともにガス容器を水素タンク以外のガス容器で構成することもできる。すなわち、本発明は、ガス容器から順次所定のガスを取り出して使用する装置であれば利用することができる。また、本発明に係るガス残量算出装置Ａを構成する各部分についても、本発明の技術的範囲内で適宜変更することができる。

本発明の一実施形態に係るガス残量算出装置を備えた自動二輪車を示した側面図である。 ガス残量算出装置を示した構成図である。 減圧弁を示した断面図である。 減圧後の水素ガスの圧力に対する水素タンク内の圧力の関係を示したグラフである。 水素タンク、減圧弁、圧力センサおよび燃料電池の位置関係を示した概略図である。 減圧弁のピストンが入口側に移動しようとしている状態を示した断面図である。 減圧弁のガス流路が閉塞された状態を示した断面図である。 減圧弁のピストンが出口側に移動しようとしている状態を示した断面図である。

符号の説明

２５…燃料電池、３１…水素タンク、３１ａ…開閉バルブ、３３…減圧弁、３３ａ…一次室、３３ｂ…二次室、３３ｃ…絞り面、３４ａ…入口、３４ｂ…出口、３５…ピストン、３５ｂ…絞り凸部、３６…ばね、５０…電源システム制御装置、５２…圧力センサ、５８…電流センサ、Ａ…ガス残量算出装置。

Claims (4)

1. 所定のガスが収容されるガス容器と、前記ガス容器内のガスを外部に送り出すための開閉部と、前記ガス容器から送り出されたガスを減圧する減圧装置と、前記減圧装置によって減圧されたガスの圧力を測定するガス圧測定装置と、前記ガス圧測定装置が測定するガスの圧力に基づいて前記ガス容器内のガスの圧力を算出することにより前記ガス容器内のガス残量を求めるガス残量算出手段とを備えたガス残量算出装置であって、
   前記減圧装置の本体における前記ガスが送り込まれる入口側部分の圧力と、前記減圧装置における減圧されたガスが送り出される出口側部分の圧力との関係が、前記入口側部分の圧力が増加すると前記出口側部分の圧力も増加し、前記入口側部分の圧力が減少すると前記出口側部分の圧力も減少する単調な関係になるように、前記減圧装置を構成したことを特徴とするガス残量算出装置。
2. 前記減圧装置の本体の内面における前記入口側部分と前記出口側部分との境界部に、前記入口側部分から前記出口側部分に向って大径になった絞り面を形成するとともに、前記入口側部分から前記出口側部分に向って大径になり前記絞り面に接触することにより前記入口側部分と前記出口側部分との間を閉塞し、前記絞り面から後退することにより前記絞り面との間に前記入口側部分と前記出口側部分とを連通させるガス流路を形成するピストンを設け、前記ピストンを前記絞り面から後退させるように付勢するばねを前記入口側部分に設けた請求項１に記載のガス残量算出装置。
3. 前記ガスが水素ガスで、前記ガス容器が水素タンクであり、前記水素タンクから送り出された水素ガスは、水素ガスと酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池に送られる請求項１または２に記載のガス残量算出装置。
4. 前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出装置を設けて、前記発電電流検出装置が検出する発電電流に基づいて前記水素タンクから前記燃料電池に供給される水素ガスの流量を算出し、前記水素ガスの流量を加味して、前記ガス残量算出手段が、前記水素タンク内のガス残量を求めるようにした請求項３に記載のガス残量算出装置。

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