JP2016085857A - 燃料電池システムの燃料残量表示方法および燃料電池搭載車両 - Google Patents

燃料電池システムの燃料残量表示方法および燃料電池搭載車両 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料ガスタンクの主止弁が開いていなくても、燃料ガスの残量を表示する。【解決手段】燃料ガスタンクの主止弁と燃料電池との間に圧力センサを有する燃料電池システムの燃料残量表示方法は、前記主止弁が開いている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して、表示装置に燃料ガスの残量を表示し、前記主止弁が閉じている場合には、前記主止弁が閉じる時点において前記記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料残量表示方法および燃料電池搭載車両に関する。
特許文献１には、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が記載されている。この燃料供給装置は、起動時に、１つの燃料タンクの主止弁を開弁して燃料充填を確認し、燃料充填が確認された場合には、全部の燃料タンクの主止弁を開弁する。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の残量が検出され、検出された燃料の残量が残量計に表示される。
特開２００６−１１２４９２号公報
しかしながら、従来の燃料供給装置では、起動時に１つの燃料タンクの主止弁を開弁して燃料充填を確認し、燃料の残量を残量計に表示するのに対し、燃料電池搭載車両では、イグニッションスイッチがオンにされたのち、燃料タンクの主止弁が開く。そのため、燃料電池搭載車両では、イグニッションスイッチがオンにされてから燃料タンクの主止弁が開くまでの間は、燃料の残量を残量計に表示できない、という問題があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池と燃料ガスタンクの主止弁との間に圧力センサを有する燃料電池システムの燃料残量表示方法が提供される。この燃料電池システムの燃料残量表示方法は、前記主止弁が開いている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して、表示装置に燃料ガスの残量を表示し、前記主止弁が閉じている場合には、前記主止弁が閉じる時点において前記記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示する。主止弁が閉じている場合には、圧力センサの値は、燃料ガスタンクの中の圧力を示さない。この形態によれば、主止弁が閉じている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から算出された前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量ではなく、前記主止弁が閉じる時点において前記記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示するので、主止弁が開いておらず、圧力センサの圧力から燃料ガスタンクの燃料の残量を算出できない場合であっても、表示装置に燃料ガスの残量を表示できる。
（２）上記形態の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、イグニッションスイッチがオフにされたときには、前記主止弁を閉じる前に前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して前記記憶装置に格納してもよい。この形態によれば、イグニッションスイッチがオフにされて燃料電池システムが停止するときに、主止弁を閉じる前の燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して記憶装置に格納できる。
（３）上記形態の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、前記主止弁が開いている場合には、前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出するごとに、前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を前記記憶装置に格納してもよい。この形態によれば、イグニッションスイッチがオフにされる以外に燃料電池システムが停止した場合であっても、燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量が記憶装置に格納されているので、この記憶装置の値を利用可能である。
（４）上記形態の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、前記燃料ガスタンク中の内部の燃料ガスの温度を測定し、前記圧力値から前記燃料ガスタンク中の前記燃料ガスの残量を算出する場合に、前記燃料ガスの温度を用いて算出してもよい。気体の圧力は、温度に依存する。この形態によれば、燃料ガスの残量を正しく算出できる。
（５）上記形態の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、外気温を測定し、前記圧力値から前記燃料ガスタンク中の前記燃料ガスの残量を算出する場合に、前記外気温を用いて算出してもよい。燃料ガスタンクに燃料を充填する場合以外は、燃料ガスタンクの温度と、外気温は平衡状態にある。この形態によれば、燃料ガスタンクが複数ある場合であっても、それぞれの燃料ガスタンクの温度センサを設けなくても良い。
（６）本発明の一形態によれば、燃料電池搭載車両が提供される。この燃料電池搭載車両は、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクから前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するために燃料ガス供給管と、前記燃料ガスタンクと前記燃料ガス供給管との間に設けられた主止弁と、前記主止弁と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給管の内部の燃料ガスの圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサから得られた圧力から前記燃料ガスタンクの燃料ガスの残量を算出する制御部と、前記燃料ガスの残量を格納する記憶装置と、前記燃料ガスの残量を表示する表示装置と、前記燃料電池搭載車両のイグニッションスイッチと、を備える。前記制御部は、前記主止弁が開いている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出し、前記燃料ガスの残量を記憶装置に格納するとともに、表示装置に燃料ガスの残量を表示する。前記制御部は、前記イグニッションスイッチがオフからオンにされた場合であって、前記主止弁が開く前には、前記主止弁が閉じる時点において前記記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示する。この形態によれば、イグニッションスイッチがオフからオンにされ、主止弁が開く前の状態でも、正しい燃料ガスの残量を表示装置に表示できる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムの燃料残量表示方法、燃料電池搭載車両の他、燃料ガス供給装置等の形態で実現することができる。
燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両を示す説明図である。 燃料電池システムの燃料ガスの供給系を示す説明図である。 本実施形態の動作フローチャートである。
図１は、燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両１０００を示す説明図である。燃料電池搭載車両１０００は、燃料電池１００と、制御部２００（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ぶ。）と、要求出力検知部２６０と、二次電池３００と、電力分配コントローラ３１０と、駆動モータ３２０と、ドライブシャフト３３０と、動力分配ギア３４０と、車輪３５０と、を備える。
燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置である。制御部２００は、要求出力検知部２６０から取得した要求出力値に基づいて、燃料電池１００と二次電池３００の動作を制御する。要求出力検知部２６０は、燃料電池搭載車両１０００のアクセル（図示せず）の踏み込み量を検知し、その踏み込み量の大きさから、運転手からの要求出力を検知する。制御部２００は、要求出力から、燃料電池１００に要求する要求電力量を算出する。二次電池３００として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池を採用することが可能である。二次電池３００への充電は、例えば、燃料電池１００から出力される電力を用いて直接充電することや、燃料電池搭載車両１０００が減速するときに燃料電池搭載車両１０００の運動エネルギーを駆動モータ３２０により回生して充電すること、により行うことが可能である。電力分配コントローラ３１０は、制御部２００からの命令を受けて、燃料電池１００から駆動モータ３２０への引き出す電力量と、二次電池３００から駆動モータ３２０へ引き出す電力量を制御する。また、電力分配コントローラ３１０は、燃料電池搭載車両１０００の減速時には、制御部２００からの命令を受けて、駆動モータ３２０により回生された電力を二次電池３００に送る。駆動モータ３２０は、燃料電池搭載車両１０００を動かすための電動機として機能する。また、駆動モータ３２０は、燃料電池搭載車両１０００が減速するときには、燃料電池搭載車両１０００の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機として機能する。ドライブシャフト３３０は、駆動モータ３２０が発する駆動力を動力分配ギア３４０に伝達するための回転軸である。動力分配ギア３４０は、左右の車輪３５０へ駆動力を分配する。
図２は、燃料電池システムの燃料ガスの供給系を示す説明図である。燃料電池システムには、燃料ガスの供給系の他に、燃料ガスの排出系、酸化ガスの供給系および排出系、冷却系を備える。ここでは、燃料ガスの供給系のみ説明し、他の系については説明を省略する。
燃料電池システムは、燃料電池１００と、第１の燃料ガスタンク１１０と、第２の燃料ガスタンク１１５と、燃料ガス供給管１２０と、第１の主止弁１３０と、第２の主止弁１３５と、レギュレーター１４０と、圧力センサ１５０と、第１の温度センサ１６０と、第２の温度センサ１６５と、制御部２００と、表示装置２３０と、イグニッションスイッチ２４０と、外気温センサ２５０と、を備える。第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５は、燃料電池１００に供給される燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５は、燃料ガス供給管１２０を介して燃料電池１００に接続されている。第１の燃料ガスタンク１１０と燃料ガス供給管１２０との間には、第１の主止弁１３０が設けられ、第２の燃料ガスタンク１１５と燃料ガス供給管１２０との間には、第２の主止弁１３５が設けられている。主止弁１３０、１３５は、開閉により、主止弁から下流への燃料ガスの供給を遮断する弁をいう。燃料ガス供給管１２０には、レギュレーター１４０が設けられ、燃料電池１００に供給される燃料ガスの圧力を調整している。レギュレーター１４０と、第１、第２の主止弁１３０、１３５と、の間には、圧力センサ１５０が設けられている。圧力センサ１５０は、燃料ガス供給管１２０中の燃料ガスの圧力を取得する。なお、第１の主止弁１３０、第２の主止弁１３０が開いている場合には、燃料ガス供給管１２０中の燃料ガスの圧力は、それぞれ、第１の燃料ガスタンク１１０、第２の燃料ガスタンク１１５の内部の燃料ガスの圧力に等しい。また、第１の燃料ガスタンク１１０には、第１の温度センサ１６０が設けられ、第２の燃料ガスタンク１１５には、第２の温度センサ１６５が設けられている。
制御部２００は、演算装置２１０（「ＣＰＵ２１０」とも呼ぶ。）と、記憶装置２２０を備える。演算装置２１０は、圧力センサ１５０が測定した圧力Ｐ１と第１、第２の温度センサ１６０、１６５が測定した第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の温度Ｔ１、Ｔ２から第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の燃料ガスの残量を算出する。第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の容積Ｖ１、Ｖ２は、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５を設計あるいは製造した段階で定まる。また、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の温度Ｔ１、Ｔ２は、それぞれ、第１の温度センサ１６０と、第２の温度センサ１６５から得ることが出来る。したがって、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の燃料ガスの残量ｎ１、ｎ２は、それぞれ以下の式で算出可能である。
ｎ１＝（Ｐ１・Ｖ１）／（Ｒ・Ｔ１） …（１）
ｎ２＝（Ｐ１・Ｖ２）／（Ｒ・Ｔ２） …（２）
ここで、Ｒは気体定数である。式（１）（２）では、計算を簡単にするために、理想気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）を用いてｎの値を算出したが、ファンデルワールスの状態方程式（（Ｐ＋ｎ２ａ／Ｖ２）・（Ｖ−ｎｂ）＝ｎＲＴ）や他の気体の状態方程式を用いて、燃料ガスの残量ｎ１、ｎ２の値を解いても良い。
記憶装置２２０は、算出された燃料ガスの残量を格納する。イグニッションスイッチ２４０は、燃料電池搭載車両１０００のスイッチであり、イグニッションスイッチ２４０がオンにされると、燃料電池搭載車両１０００の燃料電池システム１０が起動し、イグニッションスイッチ２４０がオフにされると、燃料電池搭載車両１０００の燃料電池システム１０は停止する。燃料電池搭載車両１０００のイグニッションスイッチ２４０がオフになっても記憶装置２２０の記憶内容が消えないように、記憶装置２２０は、不揮発性の記憶装置であってもよい。また、イグニッションスイッチ２４０がオフになっても記憶装置２２０に電流が供給され、記憶装置２２０の記憶内容が保持される構成であってもよい。表示装置２３０は、燃料ガスの残量を表示する。なお、イグニッションスイッチ２４０がオフになると、表示装置２３０はオフとなり、燃料ガスの残量の表示が消える。
なお、外部から第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５に燃料ガスが充填される場合には、制御部２００は、演算装置２１０に対して圧力センサ１５０が測定した圧力の値Ｐ１、温度センサ１６０、１６５から得られた第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の温度Ｔ１、Ｔ２、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の容積Ｖ１、Ｖ２を用いて第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の燃料ガスの残量ｎ１、ｎ２を算出させ、燃料ガスの残量ｎ１、ｎ２を記憶装置２２０に格納させる。
図３は、本実施形態の動作フローチャートである。ステップＳ１００において、燃料電池搭載車両１０００のイグニッションスイッチ２４０がオンにされると、制御部２００は、第１、第２の主止弁１３０、１３５を開けて燃料電池システムを起動する。これにより、燃料電池システムの始動処理、始動操作が開始される。制御部２００は、ステップＳ１１０において、第１、第２の主止弁１３０、１３５が開弁したかを確認する。第１、第２の主止弁１３０、１３５が開弁していない場合には、処理をステップＳ１２０に移行し、記憶装置２２０に格納されている燃料ガスの残量を表示装置２３０に表示する。この燃料ガスの残量は、後述するステップＳ１８０の処理により記憶装置２２０に格納されたものである。一方、第１、第２の主止弁１３０、１３５が開弁した場合には、制御部２００は、処理をステップＳ１３０に移行する。
ステップＳ１３０では、制御部２００は、圧力センサ１５０を用いて、燃料ガス供給管１２０中の燃料ガスの圧力Ｐ１を取得する。第１、第２の主止弁１３０、１３５が開いていれば、この圧力Ｐ１は、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの圧力に等しい。ステップＳ１４０では、制御部２００は、演算装置２１０に、圧力Ｐ１の値から、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２を算出させる。第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの温度Ｔ１、Ｔ２を、第１、第２の温度センサ１６０、１６５を用いて測定している場合には、圧力Ｐ１、温度Ｔ１，Ｔ２、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の容積Ｖ１、Ｖ２を用いて、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２を容易に算出できる。なお、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５に燃料ガスを充填するとき以外、例えば、通常の燃料電池システムの運転状態では、温度Ｔ１、Ｔ２は、外気温とほぼ平衡状態にあるので、第１、第２の温度センサ１６０、１６５の温度Ｔ１、Ｔ２の代わりに外気温センサ２５０により測定された外気温を用いても良い。この場合、各燃料ガスタンク１１０、１１５に温度センサ１６０、１６５を設けなくても良い。制御部２００は、ステップＳ１５０で、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２を、記憶装置２２０に格納し、ステップＳ１６０では、燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）を、表示装置２３０に表示する。なお、制御部２００は、ステップＳ１３０からステップＳ１６０の処理を、例えば１分ごと、あるいは５分ごと、のように所定の間隔で繰り返し実行する。なお、燃料電池搭載車両１０００の運転中は、燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）が、表示装置２３０に表示されればよいので、制御部２００は、ステップＳ１５０の処理を省略しても良い。なお、ステップＳ１５０の処理を行えば、イグニッションスイッチ２４０がオフにされる以外に燃料電池システム１０が停止した場合であっても、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５中の燃料ガスの残量が記憶装置２２０に格納されているので、この値を利用可能である。
ステップＳ１７０において、イグニッションスイッチ２４０がオフされると、制御部２００は、処理をステップＳ１８０に移行し、ステップＳ１３０からステップＳ１５０で行った処理と同じ処理をもう一度実行し、第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２を、記憶装置２２０に格納する。なお、ステップＳ１３０からステップＳ１６０の処理を行う繰り返しの間隔が短い場合には、ステップＳ１８０で格納される第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２と、イグニッションスイッチ２４０がオフにされる直前のステップＳ１５０で記憶装置２２０に格納された第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５の内部の燃料ガスの量（残量）ｎ１、ｎ２とは、ほとんど同じ値であるので、制御部２００は、ステップＳ１８０の処理を行わなくても良い。ステップＳ１９０では、制御部２００は、第１、第２の主止弁１３０、１３５を閉じ、表示装置２３０をオフする。なお、制御部２００は、ステップＳ１８０の処理を行う前に表示装置２３０のオフを行っても良い。
以上、本実施形態によれば、制御部２００は、第１、第２の主止弁１３０、１３５が開いている場合には、演算装置２１０に圧力センサ１５０から得られた圧力値から第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５中の燃料ガスの残量を算出させ、燃料ガスの残量を記憶装置２２０に格納するとともに、表示装置２３０に燃料ガスの残量を表示する。イグニッションスイッチ２４０がオンにされた直後のように、まだ第１、第２の主止弁１３０、１３５が閉じている場合には、圧力センサ１５０から得られた圧力値から算出された第１、第２の燃料ガスタンク１１０、１１５中の燃料ガスの残量ではなく、第１、第２の主止弁１３０、１３５が閉じる時点において記憶装置２２０に格納された燃料ガスの残量を、表示装置２３０に表示する。その結果、第１、第２の主止弁１３０、１３５が開いておらず、圧力センサ１５０の圧力の値から燃料ガスタンクの燃料の残量を算出できない場合であっても、表示装置２３０に燃料ガスの残量を表示できる。特に、イグニッションスイッチ２４０がオフからオンにされた直後の第１、第２の主止弁１３０、１３５が開く前の状態でも、正しい燃料ガスの残量を表示装置に表示できる。
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…第１の燃料ガスタンク
１１５…第２の燃料ガスタンク
１２０…燃料ガス供給管
１３０…第１の主止弁
１３５…第２の主止弁
１４０…レギュレーター
１５０…圧力センサ
１６０…第１の温度センサ
１６５…第２の温度センサ
２００…制御部
２１０…演算装置（ＣＰＵ）
２２０…記憶装置
２３０…表示装置
２４０…イグニッションスイッチ
２５０…外気温センサ
２６０…要求出力検知部
３００…二次電池
３１０…電力分配コントローラ
３２０…駆動モータ
３３０…ドライブシャフト
３４０…動力分配ギア
３５０…車輪
１０００…車両
ｎ１、ｎ２…残量
Ｐ１…圧力
Ｖ１、Ｖ２…容積
Ｔ１、Ｔ２…温度
Ｒ…気体常数

Claims (6)

  1. 燃料電池と燃料ガスタンクの主止弁との間に圧力センサを有する燃料電池システムの燃料残量表示方法であって、
    前記主止弁が開いている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して、表示装置に燃料ガスの残量を表示し、
    前記主止弁が閉じている場合には、前記主止弁が閉じる時点において記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示する、燃料電池システムの燃料残量表示方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、
    イグニッションスイッチがオフにされたときには、前記主止弁を閉じる前に前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出して前記記憶装置に格納する、燃料電池システムの燃料残量表示方法。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、
    前記主止弁が開いている場合には、前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出するごとに、前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を前記記憶装置に格納する、燃料電池システムの燃料残量表示方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、
    前記燃料ガスタンク中の内部の燃料ガスの温度を測定し、
    前記圧力値から前記燃料ガスタンク中の前記燃料ガスの残量を算出する場合に、前記燃料ガスの温度を用いて算出する、燃料電池システムの燃料残量表示方法。
  5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの燃料残量表示方法において、
    外気温を測定し、
    前記圧力値から前記燃料ガスタンク中の前記燃料ガスの残量を算出する場合に、前記外気温を用いて算出する、燃料電池システムの燃料残量表示方法。
  6. 燃料電池搭載車両であって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、
    前記燃料ガスタンクから前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するために燃料ガス供給管と、
    前記燃料ガスタンクと前記燃料ガス供給管との間に設けられた主止弁と、
    前記主止弁と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給管の内部の燃料ガスの圧力を測定する圧力センサと、
    前記圧力センサから得られた圧力から前記燃料ガスタンクの燃料ガスの残量を算出する制御部と、
    前記燃料ガスの残量を格納する記憶装置と、
    前記燃料ガスの残量を表示する表示装置と、
    前記燃料電池搭載車両のイグニッションスイッチと、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記主止弁が開いている場合には、前記圧力センサから得られた圧力値から前記燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量を算出し、前記燃料ガスの残量を記憶装置に格納するとともに、表示装置に燃料ガスの残量を表示し、
    前記イグニッションスイッチがオフからオンにされた場合であって、前記主止弁が開く前には、前記主止弁が閉じる時点において前記記憶装置に格納された燃料ガスの残量を、前記表示装置に表示する、燃料電池搭載車両。
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