JP2010218879A - 燃料電池監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】実際にガス漏れなどの不具合が生じる前に、燃料ガスタンク等の要素に用いられるシール部品等の樹脂製部品のメンテナンス時機の到来をユーザに知らせる。
【解決手段】監視システムは、水素タンク１００の温度を検出する温度センサ１０と、温度センサ１０が検出した温度と、その温度であった時間と、に基づき、水素タンク１００に含まれる樹脂製部品に対する温度の影響の指標値を求め、その指標値を順次積算する温度積算部２０と、温度積算部２０が求めた積算値４２が、樹脂製部品の寿命に対応してあらかじめ定められた判定閾値４４を越えた場合に、運転者に対してメンテナンス時期の到来を示す警告表示を行うためのメンテナンス警告ランプ５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料ガスを貯蔵するタンクの部品その他、燃料電池システムを構成する部品のメンテナンス時期の到来をユーザに知らせるための仕組みに関する。

燃料電池のための燃料ガス（例えば水素ガス）を貯蔵するタンク等の貯蔵系システムには、例えばタンクと配管との接続部分や、タンクの口に設けられる遮断弁やレギュレータ弁などの各種弁などに、ゴムや樹脂等でできたシール部品が多く用いられている。ゴム又は樹脂等の材料により製造された部品のことを、この明細書及び特許請求の範囲では樹脂製部品と呼ぶ。樹脂製部品は、経時劣化や温度の影響による劣化などで徐々に劣化していく。ユーザに継続的に安全を確保した上で使用してもらうには、それら部品の保証寿命が到来する前にメンテナンスを行う必要がある。

従来は、接続部や弁内のシール部品の劣化などによる水素漏れが水素センサにより検知されると、インスツルメントパネル等に設けられた警告ランプが点灯し、これによりユーザはメンテナンスが必要であることを知ることができた。しかしながら、これでは故障や不具合が生じてからでないとメンテナンス時期を把握することができない。

また、製造時点からの経過時間がある時間に達した時点や、走行距離がある距離に達した時点をメンテナンス時期と定めることも考えられる。しかし、燃料電池の使用環境や使用方法、使用時間はユーザごとに異なるため、そのように一律に定めたメンテナンス時期は必ずしも適切なものとはいえない。

使用する樹脂製部品の耐久性を高めれば、このような問題は少なくなるが、コスト高を招いてしまう。

特許文献１には、圧力容器の材料の粒界偏析量を容器温度と平衡偏析量とに基づき予測し、この予測に基づき焼き戻し脆化量を予測し、この焼き戻し脆化量から圧力容器の寿命を予測する方法が開示されている。

特許文献２には、圧力容器に通電することで圧力容器の残存寿命を推定し、その推定結果を運転席のインスツルメントパネルなどに表示することが開示されている。

特開平５−１８４９７号公報 特開平１１−２３０３４７号公報

特許文献１，２に示される方法は、いずれもタンク本体の寿命を推定するものであり、シール等の樹脂製部品のメンテナンス時期を判定するものではなかった。

本発明は、実際にガス漏れなどの不具合が生じる前に、燃料ガスタンク等の要素に用いられるシール部品等の樹脂製部品のメンテナンス時機の到来をユーザに知らせることができるようにすることを目的とする。

本発明に係る燃料電池監視システムは、燃料電池システムの構成要素の温度を検出する温度センサと、前記温度センサが検出した前記構成要素の温度と、前記構成要素がその温度であった時間と、に基づき、前記構成要素に含まれる樹脂製部品に対する温度の影響の指標値を求め、その指標値を順次積算する積算手段と、前記積算手段が求めた前記指標値の積算結果が、前記樹脂製部品の寿命に対応してあらかじめ定められた閾値を越えた場合に、運転者に対してメンテナンス時期の到来を示す警告表示を行うための警告手段と、を備える。

本発明によれば、温度と時間の影響を積算して評価することで、実際にガス漏れなどの不具合が生じる前に、燃料ガスタンク等の要素に用いられるシール部品等の樹脂製部品のメンテナンス時機の到来をユーザに知らせることができる。

実施の形態の監視システムの構成例を示す図である。 システム起動中の温度積算処理の一例を示すフローチャートである。 水素ガス充填時の温度積算処理の一例を示すフローチャートである。 警告処理の一例を示すフローチャートである。 変形例の積算・警告処理の一例を示すフローチャートである。

燃料電池システムで用いられる燃料ガス（例えば水素ガス）を収容するタンクの口を、燃料電池セルを搭載した本体装置（例えば車両）側の配管と接続する接続部分には、燃料ガスの漏出を防ぐためにゴムや樹脂等からなるシール部品が設けられている。また、そのタンク内、又はそのタンクを配管に取り付けるためのアセンブリ等の周辺機器内に設けられた遮蔽弁等の各種の弁にも、シールその他の目的のために樹脂製部品が用いられている。このような樹脂製部品は、経時的に性能（例えば柔軟性）が劣化していくが、高温になるほどその劣化が早まることが知られている。

そこで、この実施の形態の監視システムは、燃料ガスタンクの内部温度を監視し、その温度を時間的に積算、すなわち時間積分することで、樹脂製部品の劣化度を示す指標値を算出する。タンクの内部温度は、タンク内の燃料ガスの温度にほぼ等しく、タンク内にある樹脂製部品はもちろんのこと、タンクの口に取り付けられた配管接続のための取り付けアセンブリなどのように、タンクの口の近くにあるその燃料ガスが流れる部分の樹脂製部品にも影響を与える。そして、その影響の大きさは温度が高いほど大きく、また部品がその温度にさらされた時間が長いほど大きい。そこで、そのタンク内部の温度と時間により、樹脂製部品の劣化程度の指標値を求めるのである。そして、その指標値が樹脂製部品の保証寿命に対応して定められた閾値を上回った時点で、水素タンク内又は取り付けアセンブリの樹脂製部品のメンテナンス時期が到来したことを示す警告をユーザ（例えば電気自動車等の所有者）に対して発する。

図１を参照して、電気自動車等の車両に搭載される燃料電池システムの水素タンク又はそのタンクの周辺機器（取り付けアセンブリなど）に用いられる樹脂製部品のメンテナンス時期監視のための監視システムの例を説明する。なお、背景となる車両に搭載される燃料電池システムやこれに含まれる燃料ガス供給・循環系は、従来よく知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。

図１に例示する監視システムは、水素タンク１００内の温度を検知するための温度センサ１０、温度積算部２０、判定部３０、記憶装置４０及びメンテナンス警告ランプ５０を含む。温度センサ１０は、水素タンク１００の内部、例えばタンク口の部分に設けられる。温度積算部２０及び判定部３０は、車両内に搭載されたＣＰＵ（中央演算装置）にて、以下に説明する処理を記述した監視制御プログラムを実行することにより実現される。記憶装置４０は、車両に搭載されたハードディスク又はＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)等の不揮発性の記憶装置である。メンテナンス警告ランプ５０は、水素タンク１００周りの樹脂製部品を含んだ機器（弁や取り付けアセンブリなど）のメンテナンス時期の到来を警告するランプである。警告ランプ５０は、例えば運転席のインスツルメントパネルに設けられた、各種メーターやインジケータを収容したメーター表示部２００内に配置される。

温度積算部２０は、温度センサ１０が検知した水素タンク１００内の温度を時間的に積算する。積算の結果得られる積算値４２は、不揮発性の記憶装置４０内に保存される。この温度の積算は、例えば車両の工場出荷の時点から開始される。そして、その後樹脂製部品を含むアセンブリの交換などのメンテナンス作業が行われ、作業員によって積算値が０にリセットされるまでの間、積算が続けられる。

判定部３０は、温度の時間的な積算値４２が、樹脂製部品の保証寿命に対応して定められた判定閾値４４を越えたかどうかを判定する。判定閾値４４は、樹脂製部品の保証寿命を考慮して、樹脂製部品の耐久試験などの実験などによって求められ、不揮発性の記憶装置４０に保存されている。水素タンク１００やその周辺機器には一般に複数の樹脂製部品が用いられているが、記憶装置４０に保存する判定閾値４４は、例えば、それら複数の樹脂製部品のうち最も条件が厳しい（劣化しやすい）ものについて求めた閾値とすればよい。

次に、図２を参照して、温度積算部２０の処理手順の一例を説明する。この手順は、車両の電装系の起動スイッチのオン動作（例えばイグニッションキーの差込）により、この実施形態の監視システムが起動（すなわちＣＰＵが監視プログラムの実行を開始）することにより始まる。起動すると、温度積算部２０は、まずその起動時点での水素タンク１００の温度を温度センサ１０から取得し（Ｓ１０）、取得した温度（起動時温度）をその時点の時刻（起動時刻）と対応づけて記憶装置４０又は揮発性のメインメモリに記憶する（Ｓ１２）。そして、電装系のスイッチのオフ動作に応じて監視システムの終了が指示されるのを待ち（Ｓ１４）、その終了指示を受けると、温度積算部２０は、その時点の水素タンク１００内部の温度（終了時温度）を温度センサ１０から取得する（Ｓ１６）。そして、温度積算部２０は、ステップＳ１２で記憶していた起動時温度と、ステップＳ１６で取得した終了時温度のうち、より高い方をシステム起動期間中の代表温度に選ぶ（Ｓ１８）。高い方を選ぶことで、この実施の形態の監視・警告の制御をより安全な方向で行うことができる。ただし、これは一例に過ぎず、例えばこの代わりに起動時温度と終了時温度の平均値を代表温度にするなど、他の方式で代表温度を決定してもよい。そして、温度積算部２０は、求めた代表温度に、ステップＳ１２で記憶した起動時刻と現在の時刻（終了時刻）との差、すなわち車両システムの動作時間を乗算し、その乗算結果を積算値４２に加算して、その加算結果を記憶装置４０内の積算値４２に上書きする（Ｓ２０）。

以上の処理によれば、車両システム動作中の温度と時間の影響が積算されることとなる。

水素タンク１００の配置場所は車種ごとに様々であるが、例えば走行用のエンジン（例えば内燃機関（ハイブリッド車の場合）やモータ）の近くに配置されている場合は、水素タンク１００回りの樹脂製部品はエンジンの発熱の影響を受ける。また、タンクが車両の底面近傍に設けられている場合、走行時に路面からの照り返しの影響を強く受ける。また、タンクが車両の天井部に設けられている場合、走行時の日差しによる温度上昇の影響を強く受ける。車両システム動作中の温度の時間積算により、これらの影響を積算値に反映させることができる。

また、水素タンク１００内の温度が上昇する別の要因として、タンク１００への水素ガスの充填がある。温度積算部２０は、水素充填による温度上昇の影響を積算値４２に反映させるために、例えば、図３に例示するような処理を行う。なお、充填時にイグニッションキーをオフにしなければならない構成の場合は、充填口の蓋が開かれたことを検知すると監視システムを起動（及び監視システムの処理を実行するハードウエアへの電力供給を開始）するようにすればよい。この構成では、充填口の蓋が閉じられたことを検知すると監視システムを終了（及び監視システムのハードウエアへの電力供給停止）するようにすればよい。

この処理では、水素タンク１００への水素ガスの充填が開始されると、温度積算部２０はその開始時の時刻をメインメモリ等の記憶装置に記憶し（Ｓ３０）、水素タンク１００への水素ガス充填の終了を待つ（Ｓ３２）。水素タンク１００への水素充填の開始や終了は、例えば、車両に設けられた水素ガス充填口への水素供給ノズルの挿入を検知するセンサからの信号に基づき判定したり、水素タンク１００内の圧力センサの圧力値の上昇開始や上昇終了などに基づき判定したりすればよい。水素の充填が完了すると、温度積算部２０は、そのときの温度センサ１０の温度値を取得し（Ｓ３４）、その温度値に対し、ステップＳ３０で記憶した充填開始時刻と現在の時刻（終了時刻）との差、すなわち充填時間を乗算し、その乗算結果を積算値４２に加算して、その加算結果を記憶装置４０内の積算値４２に上書きする（Ｓ３６）。

水素ガスの充填中は水素タンク１００内の温度は上昇するので、図３の手順では、充填終了時点の温度を代表温度として用いているのである。もちろんこれは一例に過ぎず、充填開始時と終了時の温度の平均値を代表温度とするなど、他の方式により代表温度を定めてもよい。

なお、水素ガスの充填中に車両の電装系がオフ状態である場合、温度積算部２０は動作せず、したがって図３の処理を行うことができない。そのような場合を備えて、次のような処理を行ってもよい。

すなわち、温度積算部２０は、監視システムの終了指示を受けた（Ｓ１４）ときに、その時刻（終了時刻）を不揮発性の記憶装置４０に保存しておく。そして、次回に監視システムが起動したときに、温度センサ１０の温度値（起動時温度）を取得し、その温度値に対し、記憶装置４０に保存された前回の終了時刻と現在の時刻との差を乗算する。その乗算結果をシステム停止期間（この場合は水素充填作業の期間）の温度影響の指標値とし、これを積算値４２に加算する。水素スタンドでの水素ガスの充填の後、一般にユーザは車両を運転してスタンドから出て行くので、監視システム起動時の温度は水素充填の終了時の温度とほぼ同等と見なせる。したがって、図３の処理とほぼ同様の結果が得られる。

なお、このシステム停止期間の温度影響を積算する処理は、水素充填作業時のみならず、車両の電装システムが停止している期間の温度影響も積算する処理一般に適用可能である。すなわち、この手法を用いることで、車両の電装システムが停止中の間の温度の影響を積算値４２に反映させることができる。車両が駐車されている期間の温度影響を、例えばシステム起動時の水素タンク１００の内部温度を代表温度とし、前回終了時からの経過時間を乗算することで指標値化することができる。なお、システム終了時の時刻だけでなく、そのときの水素タンク１００の温度も記憶装置４０に記憶しておき、次回の起動時の起動時温度とその記憶した終了時温度から代表温度を定めるようにしてもよい。

次に、判定部３０の処理の一例を、図４を参照して説明する。判定部３０は、監視システムが起動中は、定期的に（Ｓ４４）、記憶装置４０に記憶された積算値４２を、判定閾値４４と比較する（Ｓ４０）。そして、積算値４２が判定閾値４４を超えたと判定した場合、メンテナンス警告ランプ５０を点灯させる（Ｓ４２）。

これによりユーザは、水素タンク１００周りの部品のメンテナンス（例えば交換）の時期が来たことを知ることができる。

以上に説明したように、この実施の形態の監視システムによれば、水素ガスの漏れを検知しなくても、水素タンク周りの樹脂製部品の劣化に対するメンテナンスの時期を温度から推定し、ユーザに知らせることができる。

次に、温度積算部２０の処理の変形例を、図５を参照して説明する。この手順では、監視システムが動作している間は、温度積算部２０があらかじめ定められた時間間隔（例えば１時間）ごとに定期的に（Ｓ５８）、水素タンク１００の内部温度を温度センサ１０から取得し（Ｓ５０）、その温度にその時間間隔を乗算したものを記憶装置４０内の積算値４２に加算する（Ｓ５２）。そして、判定部３０が、積算値４２を判定閾値４４と比較し（Ｓ５４）、積算値４２が判定閾値４４を越えた場合にメンテナンス警告ランプ５０を表示させる（Ｓ５６）。

この変形例によれば、車両の電装システムが動作中の温度影響を、図２の例よりも更に精密に積算することができる。なお、電装システムが動作中は図５の処理を行い、停止中は上述した方法により前回の終了時刻（及び終了時温度）と次回の起動時の温度と時刻からその間の温度影響を推定して積算するようにしてもよい。

以上の例では、樹脂製部品に対する温度の影響の指標値を、温度と時間の乗算により求めたが、これは一例に過ぎない。前述したように、樹脂製部品の劣化は温度が高いほど激しく、時間が経つほど劣化が進むので、そのような性質を満足するもっと適切な関数（この関数は温度と時間をパラメータとする）を実験等により定め、利用してもよい。

また、以上では、水素タンク１００とその周辺機器を例にとって説明したが、燃料電池システムの構成要素の中にはこの他にも樹脂製部品を含んだものが存在する。例えば水素ポンプや燃料電池スタックがその一例である。このような構成要素に用いられた樹脂製部品のメンテナンス時期についても、同様に、その構成要素の温度を監視し、温度と時間の影響を積算することで推定することができる。

また、メンテナンス時期の到来をメーター表示部２００内のランプ５０で表示する代わりに、車載ナビゲーションシステムのモニタや車両状態表示モニタなどのような車両の搭載された表示画面上に表示してもよい。この表示では、例えば「水素タンクのメンテナンス時期が来ました」などと、メンテナンスの対象となる燃料電池システムの構成要素を明示したメッセージ等を表示すればよい。メンテナンス時期をランプで表示する場合、水素タンク、水素ポンプなどの要素ごとにランプを設ける必要があるが、画面表示方式の場合はソフトウエアの修正で対処できる。

以上説明したように、この実施の形態によれば、ユーザが燃料電池システムの部品のメンテナンス時期を把握できるため、使用途中での故障を回避して安全性を確保することができる。また、燃料電池システムの設計時点でも、樹脂製部品の耐久性をいたずらに高めずに適切な設計を行うことができ、低コスト化に繋げることができる。

１０ 温度センサ、２０ 温度積算部、３０ 判定部、４０ 記憶装置、４２ 積算値、４４ 判定閾値、５０ メンテナンス警告ランプ、１００ 水素タンク、２００ メーター表示部。

Claims (1)

1. 燃料電池システムの構成要素の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサが検出した前記構成要素の温度と、前記構成要素がその温度であった時間と、に基づき、前記構成要素に含まれる樹脂製部品に対する温度の影響の指標値を求め、その指標値を順次積算する積算手段と、
   前記積算手段が求めた前記指標値の積算結果が、前記樹脂製部品の寿命に対応してあらかじめ定められた閾値を越えた場合に、運転者に対してメンテナンス時期の到来を示す警告表示を行うための警告手段と、
   を備える燃料電池監視システム。

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