JP2016184489A - 水素燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素の供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避する水素燃料供給システムを提供する。
【解決手段】水素燃料供給システム３０１において、高圧レギュレータ３２２の上流側の圧力Ｐ１を検出する１次圧センサ３３８を有する。コントローラ３４２は、１次圧センサ３３８の検出結果から、前回の水素停止要求時と今回の水素供給要求時とにおける高圧レギュレータ３２２の上流側圧力Ｐ１の変化量が、予め定められた所定値以上である場合に、除開制御により主止弁３１８を開弁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを燃料電池に供給するための水素燃料供給システムに関するものである。

燃料電池システムにおいては、高圧の水素ガスを所定の圧力まで減圧して燃料電池に供給している。このような水素燃料供給システムとして、例えば、水素ガスを蓄えるガスタンクと、ガスタンクから供給する水素ガスを燃料電池に供給するためのガス供給路と、ガスタンクから供給される高圧の水素ガスを減圧する減圧弁と、水素ガスの流れ方向に対して減圧弁よりも上流側及び下流側にそれぞれ設けられた遮断弁と、水素ガスの流量を調整する流量調整弁とを備えているものがある。

そして、この水素燃料供給システムでは、減圧弁の上流側あるいは下流側の少なくとも一方における圧力に基づき、減圧弁の開閉速度を制御して、ガス供給通路内の圧力変動を小さくするようしている（特許文献１参照）。

特開２００７−３０３５５９号公報

しかしながら、上記の水素燃料供給システムでは、ガスタンクに水素ガスを充填した後、高圧の水素ガスの供給を開始したとき、水素ガスがガス供給通路内に一気に浸入し、急激な圧力上昇が生じてしまう。そして、減圧弁がレギュレータである場合には、レギュレータ上流側で生じた急激な圧力上昇により、レギュレータに備わるフィルターが潰れる、レギュレータの調圧にオーバーシュートが生じる、レギュレータのリップシール部からの漏れが生じる等の問題が発生するおそれがあった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、水素ガスの供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる水素燃料供給システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、水素タンクから供給される水素ガスの圧力を所定の圧力に減圧する高圧レギュレータと、燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調節する燃料供給装置とが、この順番で前記水素タンク側から燃料供給通路上に配置されており、前記水素タンクからの水素ガスの供給要求・停止要求に応じて前記主止弁を開閉し、水素停止要求後に水素供給要求があった時、前記高圧レギュレータの上流側圧力に対して前記水素タンク内の圧力が大きい場合に、前記主止弁の開弁速度を遅くして徐々に開度を大きくしていく除開制御を行う制御部を有することを特徴とする。

この水素燃料供給システムでは、制御部より、主止弁が開閉されており、水素停止要求後に水素供給要求があった時、高圧レギュレータの上流側圧力に対して水素タンク内の圧力が大きい場合には、主止弁の開弁速度を遅くして徐々に開度を大きくしていく除開制御が実行される。これにより、水素停止要求後に水素供給要求があった時に、高圧レギュレータの上流側圧力に対して水素タンク内の圧力が大きい場合であっても、主止弁は一気に全開にはならず徐々に開度が大きくなっていくため、水素タンクから供給される水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入しなくなる。従って、高圧レギュレータの上流側で急激な圧力上昇が発生することを抑制することができる。その結果、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。

そして、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記高圧レギュレータの上流側の圧力を検出する第１圧力センサを有し、前記制御部は、前記第１圧力センサの検出結果から、前回の水素停止要求時と今回の水素供給要求時とにおける前記高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が、予め定められた所定値以上である場合に、前記除開制御により前記主止弁を開弁することが望ましい。

このような構成にすることにより、前回の水素停止要求時と今回の水素供給要求時とにおける高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が所定値以上である場合、つまり前記高圧レギュレータの上流側圧力に対して水素タンク内の圧力が大きく、水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入して急激な圧力上昇が生じるおそれがある場合にのみ、除開制御によって前記主止弁が開弁される。そのため、水素タンクから供給される水素ガスがガス供給通路内に一気に浸入しなくなり、高圧レギュレータの上流側で急激な圧力上昇が発生することを確実に抑制することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を確実に回避することができる。

また、主止弁を除開制御により開弁すると、水素ガスの圧力が低い場合には、水素供給の追従性が悪化するおそれがあるが、この水素燃料供給システムでは、前回の水素停止要求時と今回の水素供給要求時とにおける高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が所定値以上である場合だけ、主止弁を除開制御により開弁する。そのため、水素供給の追従性が悪化するおそれがあるような水素ガスの圧力が低い場合には、除開制御が実施されない。従って、除開制御によって水素供給の追従性が悪化することもない。

また、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンクへ水素ガスが充填されたことを検知する充填検知手段を有し、前記制御部は、前記充填検知手段が水素ガスの充填を検知した後に水素の供給要求があったとき、前記除開制御により前記主止弁を開弁するようにしても良い。

ここで、水素タンクへ水素ガスが充填されると、水素タンク内の圧力が高圧レギュレータの上流側圧力より高くなっている。そのため、このような状況で水素ガスを主止弁を開弁して水素ガスを供給すると、水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入してしまう。
そこで、このような構成にすることにより、水素タンクへ水素ガスが充填された後に水素ガスが供給される際には、除開制御により主止弁が開弁される。そのため、水素タンクから供給される水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入しなくなり、高圧レギュレータの上流側で急激な圧力上昇が発生することを抑制することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。

さらに、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記制御部は、前記第１圧力センサの検出結果から算出される、前回の水素停止要求時時と今回の水素供給要求時とにおける前記高圧レギュレータの上流側圧力の変化量に応じて前記主止弁の開弁速度を制御することが好ましい。

このような構成にすることにより、主止弁の開弁時に、高圧レギュレータの上流側圧力の変化量に応じて主止弁の開弁速度が調整される。具体的に例えば、高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が大きくなるに従って主止弁の開弁速度が遅くされ、高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が小さくなるに従って主止弁の開弁速度が速くされる。そして、圧力の変化量が所定値より小さい場合には、除開制御を実行せずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁される。これにより、高圧レギュレータの上流側圧力の変化に対応して最適な開弁速度で主止弁を開弁することができるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

また、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサを有し、前記制御部は、前記第２圧力センサの検出結果から算出される、前記水素タンクへの水素ガスの充填前後における前記水素タンク内の圧力変化量に応じて前記主止弁の開弁速度を制御しても良い。

このような構成にすることにより、主止弁の開弁時に、水素タンク内の圧力変化量に応じて主止弁の開弁速度が調整される。具体的に例えば、水素タンク内の圧力変化量が大きくなるに従って主止弁の開弁速度が遅くされ、水素タンク内の圧力変化量が小さくなるに従って主止弁の開弁速度が速くされる。そして、圧力の変化量が所定値より小さい場合には、除開制御を実行せずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁される。これにより、水素タンク内の圧力変化に対応して最適な開弁速度で主止弁を開弁することができるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

また、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記高圧レギュレータの上流側の圧力を検出する第１圧力センサと、前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサとを有し、前記制御部は、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの検出結果から算出される、水素の供給要求時における前記水素タンク内の圧力と前記高圧レギュレータの上流側圧力との圧力差に応じて前記主止弁の開弁速度を制御しても良い。

このような構成にすることにより、主止弁の開弁時に、水素タンク内の圧力変化量に応じて主止弁の開弁速度が調整される。具体的に例えば、水素タンク内の圧力と高圧レギュレータの上流側圧力との圧力差が大きくなるに従って主止弁の開弁速度が遅くされ、水素タンク内の圧力と高圧レギュレータの上流側圧力との圧力差が小さくなるに従って主止弁の開弁速度が速くされる。そして、圧力差が所定値より小さい場合には、除開制御を実行せずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁される。これにより、水素タンク内の圧力と高圧レギュレータの上流側圧力との圧力差に対応して最適な開弁速度で主止弁を開弁することができるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

また、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサとを有し、前記制御部は、前記第２圧力センサで検出される、水素の供給要求時における前記水素タンク内の圧力に応じて前記主止弁の開弁速度を制御しても良い。

このような構成にすることにより、主止弁の開弁時に、水素タンク内の圧力に応じて主止弁の開弁速度が調整される。具体的に例えば、水素タンク内の圧力が大きくなるに従って主止弁の開弁速度が遅くされ、水素タンク内の圧力が小さくなるに従って主止弁の開弁速度が速くされる。そして、水素タンク内の圧力が所定値より小さい場合には、除開制御を実行せずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁される。これにより、水素タンク内の圧力に対応して最適な開弁速度で主止弁を開弁することができるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

そして、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記主止弁は、デューティ制御可能な電磁弁であり、前記制御部は、前記主止弁に対する制御信号のデューティ比を小さくすることにより前記除開制御を行うことが望ましい。

このような構成にすることにより、主止弁を開弁する際の除開制御を簡単に精度良く行うことができる。

本発明に係る水素燃料供給システムによれば、水素の供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、高圧レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。

第１実施形態に係る水素燃料供給システムを適用した燃料電池システムの概略構成図である。 高圧レギュレータの断面図である。 主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。第１変形例を示す図である。 水素タンクへの水素充填の有無を判断するフラグ制御の処理内容を示すフローチャートである。 第２実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。 圧力差ΔＰ１に対する主止弁の開弁速度を示す図である。 第３実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。 充填前後における水素タンク内の圧力差ΔＰｔの演算処理の内容を示すフローチャートである。 圧力差ΔＰｔに対する主止弁の開弁速度を示す図である。 第４実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。 水素タンク内の圧力Ｐｔに対する主止弁の開弁速度を示す図である。 第５実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。 水素タンク内の圧力と高圧レギュレータの上昇側圧力との圧力差ΔＰｔ１に対する主止弁の開弁速度を示す図である。

以下、本発明の水素燃料供給システムを具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、車両に搭載される燃料電池システムに、本発明を適用したものを例示する。

［第１実施形態］
まず、本実施形態に係る水素燃料供給システムを適用した燃料電池システム３００について、図１を参照しながら説明する。図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム３００は、図１に示すように、燃料電池（ＦＣ）３１０、水素タンク３１２、水素供給通路３１４、水素排出通路３１６、主止弁３１８、第１切換弁３２０、高圧レギュレータ３２２、水素供給ユニット３２４、中圧リリーフ弁３２６、低圧リリーフ弁３２８、エア供給通路３３０、エア排出通路３３２、エアポンプ３３４、第２切換弁３３６、１次圧センサ３３８、エア圧センサ３４０、コントローラ３４２などを有している。

この燃料電池システム３００は、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池３１０は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしてのエアの供給を受けて発電を行う。燃料電池３１０で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。水素タンク３１２には、高圧（例えば、８０〜９０Ｍｐａ程度）の水素ガスが蓄えられる。水素タンク３１２には、水素ガスの充填を検知する充填検知器３１１と、タンク内の圧力を計測する圧力センサ３１３とが設けられている。

燃料電池３１０のアノード側には、水素燃料供給システム３０１が設けられている。この水素燃料供給システム３０１は、水素タンク３１２から供給先の燃料電池３１０へ水素ガスを供給するための水素供給通路３１４と、燃料電池３１０から導出される水素オフガスを排出するための水素排出通路３１６とを備えている。水素タンク３１２の直下流の水素供給通路３１４には、水素タンク３１２から水素供給通路３１４への水素ガスの供給と遮断を切り換える、デューティ制御される電磁弁よりなる主止弁３１８が設けられる。水素排出通路３１６には、電磁弁よりなる第１切換弁３２０が設けられる。

主止弁３１８より下流の水素供給通路３１４には、水素ガスの圧力を減圧するための高圧レギュレータ３２２が設けられる。主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間の水素供給通路３１４には、その中の圧力（高圧レギュレータ３２２の上流側圧力）を１次圧Ｐ１として検出するための１次圧センサ３３８が設けられる。なお、高圧レギュレータ３２２の詳細については後述する。
高圧レギュレータ３２２より下流の水素供給通路３１４には、燃料電池３１０へ供給される水素ガスの流量及び圧力を調節するための水素供給ユニット３２４が設けられる。この水素供給ユニット３２４は、導入通路３５０と、導出通路３５２と、インジェクタ３５４（本実施形態では３つ）と、２次圧センサ３５６と、３次圧センサ３５８などを備えている。

一方、燃料電池３１０のカソード側には、燃料電池３１０にエアを供給するためのエア供給通路３３０と、燃料電池３１０から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路３３２とが設けられている。エア供給通路３３０には、燃料電池３１０に供給されるエア流量を調節するためのエアポンプ３３４が設けられている。エアポンプ３３４より下流のエア供給通路３３０には、エア圧力Ｐ４を検出するためのエア圧センサ３４０が設けられる。エア排出通路３３２には、電磁弁よりなる第２切換弁３３６が設けられる。

上記構成において、水素タンク３１２から導出される水素ガスは、水素供給通路３１４を通り、主止弁３１８、高圧レギュレータ３２２、水素供給ユニット３２４を介して燃料電池３１０に供給される。燃料電池３１０に供給された水素ガスは、燃料電池３１０にて発電に使用された後、燃料電池３１０から水素オフガスとして水素排出通路３１６及び第１切換弁３２０を介して排出される。

また、上記構成において、エアポンプ３３４によりエア供給通路３３０へ吐出されたエアは燃料電池３１０に供給される。燃料電池３１０に供給されたエアは、燃料電池３１０にて発電に使用された後、燃料電池３１０からエアオフガスとしてエア排出通路３３２及び第２切換弁３３６を介して排出される。

この燃料電池システム３００は、システムの制御を司るコントローラ３４２を更に備える。コントローラ３４２は、水素燃料供給システム３０１の制御も司っている。コントローラ３４２は、燃料電池３１０へ供給される水素ガスの流れを制御するために、１次圧センサ３３８、水素供給ユニット３２４に備わる２次圧センサ３５０及び３次圧センサ３５２の検出値に基づき、主止弁３１８、水素供給ユニット３２４に備わるインジェクタ３４８を制御する。つまり、後述する主止弁３１８の除開制御はコントローラ３４２によって行われる。また、コントローラ３４２は、水素排出通路３１６の水素オフガスの流れを制御するために、第１切換弁３２０を制御する。

一方、コントローラ３４２は、燃料電池３１０へ供給されるエアの流れを制御するために、エア圧センサ３４０の検出値に基づきエアポンプ３３４を制御する。また、コントローラ３４２は、エア排出通路３３２のエアオフガスの流れを制御するために、第２切換弁３３６を制御する。また、コントローラ３４２は、燃料電池３１０の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ入力するようになっている。コントローラ３４２は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備え、燃料電池３１０へ供給される水素ガス量及びエア量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいてインジェクタ３４８及びエアポンプ３３４等を制御する。

ここで、高圧レギュレータ３２２の構造について、図２を参照しながら説明する。図２は、高圧レギュレータの断面図である。
高圧レギュレータ３２２は、上流に位置する上流圧力調整弁１と、下流に位置する下流圧力調整弁２と、上流圧力調整弁１による減圧後であって下流圧力調整弁２による減圧前の水素ガスが通過する中通路３と、当該中通路３に接続された逆止弁４とをボデー部材７に備え、水素ガスを多段階に減圧しながら所望の圧力に調整する多段圧力調整弁である。本圧力調整弁３２２は、アルミ合金製のボデー部材７の内部に、上流圧力調整弁１、下流圧力調整弁２、中通路３、逆止弁４等が形成されている。上流圧力調整弁１と下流圧力調整弁２とは、直列に接続されている。

上流圧力調整弁１は、入口８と連通される弁室１２と、弁室１２内を上下動する弁体１３と、弁室１２の下端に形成され弁体１３と当接、離間する弁座１４と、弁座１４の下方に位置し弁体１３が上方へ移動したとき弁室１２と連通される調圧室１１と、調圧室１１内を上下動するピストン１５と、ピストン１５を上方へ付勢するコイルばね１６と、を備えている。

入口８と弁室１２との間には、入口通路８１が垂直状に形成されている。この入口通路８１の上流側にフィルタ３０が設けられている。フィルタ３０は、下流端（下端）が開口している中空円筒状をなしており、高圧レギュレータ３２２内への異物侵入を阻止する部材である。このフィルタ３０は、抑えばね３１により固定されている。入口８から流入する水素ガスは、フィルタ３０の外側から内側へ通過して入口通路８１へ流出するようになっている。

弁室１２と弁体１３との間には、弁体１３を下方へ付勢する弁ばね１３３が介装されている。弁体１３には、弁ばね１３３が装着された本体部の下方に弁座１４と当接するテーパ部１３２が形成されている。テーパ部１３２の下方には、ニードル部１３１が形成されている。ニードル部１３１は、弁座１４に形成された通孔を貫通して調圧室１１まで延伸されている。ニードル部１３１の下端は、ピストン１５の本体部上端に突設された軸突部１５３の上端に当接している。

ピストン１５の本体部外周縁には、調圧室１１の内周縁と摺接して調圧室１１をシールするリップシール部材１５１が嵌装されている。リップシール部材１５１は、上方へＶ字状に開くリップ状断面を有する。

下流圧力調整弁２は、出口６と連通される調圧室２１と、調圧室２１内を上下動するピストン２４と、ピストン２４を上方へ付勢するコイルばね２５と、調圧室２１の下方に形成された弁室２２と、ピストン２４の軸部に沿って弁室２２まで延設された略円筒状の弁体２４１と、を備えている。

調圧室２１は、ボデー部材７の右上端から嵌装される蓋部材２３によってシールされている。蓋部材２３の軸下方には、ピストン２４の上端部に当接して、ピストン２４の上方への移動を規制する円柱状凸部が形成されている。円柱状凸部がピストン２４の上端部に当接した時には、調圧室２１には円環状空間が形成される。

ピストン２４及び弁体２４１の軸中心には、円柱状の貫通孔２４１１がピストン２４の上端部から弁体の下端部まで形成されている。ピストン２４の本体部外周縁には、調圧室２１の内周縁と摺接して調圧室２１をシールするリップシール部材２４２が嵌装されている。リップシール部材２４２は、上方へＶ字状に開くリップ状断面を有する。

このような構成の高圧レギュレータ３２２により、水素タンク３１２から供給される水素ガスを、例えば、上流圧力調整弁１にて約３．０〜２．５Ｍｐａ程度まで減圧し、下流圧力調整弁２にて約３．０〜２．５Ｍｐａ程度から約１．０〜１．５Ｍｐａ程度まで減圧する。これにより、インジェクタ３４８には、１．０〜１．５Ｍｐａ程度の水素ガスが供給される。

ここで、高圧レギュレータ３２２には、非常に高圧の水素ガスが供給される。特に、水素タンク３１２に水素ガスが充填された後、水素供給要求がありコントローラ３４２によって主止弁３１８が開弁されたときに、非常に高圧の水素ガスが一気に水素供給通路３１４に一気に浸入し、急激な圧力上昇が生じてしまう。そして、高圧レギュレータ３２２では、レギュレータ上流側で生じた急激な圧力上昇により、フィルタ３０が潰れる、調圧にオーバーシュートが生じる、リップシール部材１５１の上下で圧力差がなくなってリップシール部材１５１から漏れが生じる等の問題が発生するおそれがある。

そのため、本実施形態の水素燃料供給システム３０１では、水素タンク３１２に水素ガスが充填された後、水素供給要求があった場合に、コントローラ３４２によって主止弁３１８の開弁速度を遅くして徐々に開度を大きくしていく除開制御を行うようにしている。そこで、この主止弁３１８の除開制御について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。図４は、水素タンクへの水素充填の有無を判断するフラグ制御の処理内容を示すフローチャートである。これらの処理ルーチンは、所定時間毎にコントローラ３４２によって実行される。

まず、水素燃料供給システム３０１では、図３に示すように、コントローラ３４２により、水素停止要求があり水素ガスの供給が停止された後に水素供給要求があるか否かが判断される（ステップＳ１）。水素供給要求がある場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、主止弁３１８が開弁される前に高圧レギュレータ３２２の上流側圧力Ｐ１が１次圧センサ３３８から取り込まれ、その開弁直前の圧力値Ｐ１がＰ１＿１として、コントローラ３４２のメモリに記憶される（ステップＳ２）。

一方、水素供給要求がない場合には（Ｓ１：ＮＯ）、水素停止要求があるか否かが判断される（ステップＳ１０）。水素停止要求がある場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）、主止弁３１８が閉弁される前に高圧レギュレータ３２２の上流側圧力Ｐ１が１次圧センサ３３８から取り込まれ、その閉弁直前の圧力値Ｐ１がＰ１＿２として、コントローラ３４２のメモリに記憶され（ステップＳ１２）、この処理ルーチンが一旦終了する。

そして、Ｓ３で算出された圧力差ΔＰ１が予め設定されている所定値Ａ（例えば１０〜２０Ｍｐａ）以上である場合、すなわち主止弁３１８を開弁したときに水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入するおそれがある場合には（Ｓ４：ＮＯ）、ステップＳ５の処理を実行することなく、主止弁３１８が除開制御されて開弁される。具体的には、主止弁３１８に対するコントローラ３４２からの制御信号のデューティ比が小さくされて開弁される。つまり、主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、主止弁３１８の開度が徐々に大きくされていく。

これにより、水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入することを確実に防止することができる。そのため、高圧レギュレータ３２２の上流側で急激な圧力上昇が発生しなくなる。従って、高圧レギュレータ３２２の上流側で急激な圧力上昇が発生しなくなる。よって、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。

一方、Ｓ３で算出されたΔＰ１が予め設定されている所定値Ａよりも小さい場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、水素タンク３１２への水素充填が行われた否かが判断される（ステップＳ５）。具体的にＳ５の処理では、充填検知器３１１の検出信号に基づき制御されるＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグの状態により、水素タンク３１２への水素充填の有無が判断される。

ここで、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグは、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されたことを示すフラグであり、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「０」の場合に、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されたことを示している。水素タンク３１２への水素ガスの充填は、リッドスイッチＯＮや水素タンク３１２の内圧上昇（第２圧力センサを有する場合）等に基づいて検出することができる。そして、図４に示すように、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されている場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグは「０」に設定される（ステップＳ２１）。一方、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されていない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、Ｓ２１の処理が行われず、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグは「１」のままである。なお、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグに「１」が設定されるのは、後述するステップＳ６の処理が実行されたときである。

そして、Ｓ５において、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「０」である場合、すなわち水素タンク３１２へ水素ガスが充填された場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、コントローラ３４２により、主止弁３１８が除開制御されて開弁される。また、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「１」に設定される（ステップＳ６）。つまり、主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、主止弁３１８の開度が徐々に大きくされていく。これにより、水素タンク３１２に水素ガスが充填された場合には、主止弁３１８が除開制御により開弁される。従って、水素タンク３１２に水素ガスが充填された後に水素ガスが供給される場合、水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入しなくなる。そのため、高圧レギュレータ３２２の上流側で急激な圧力上昇が発生しなくなる。よって、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。

一方、Ｓ５において、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「１」である場合、すなわち水素タンク３１２へ水素ガスが充填されていない場合には（Ｓ５：ＮＯ）、コントローラ３４２により、通常の開弁制御により主止弁３１８が開弁される（ステップＳ１５）。

以上、詳細に説明したように第１実施形態に係る水素燃料供給システム３０１によれば、水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入するおそれのある、１次圧の圧力差ΔＰ１が大きい（所定値Ａ以上である）場合、及び水素タンク３１２に水素ガスが充填された場合には、コントローラ３４２によって、主止弁３１８が除開制御されて開弁される。そのため、高圧レギュレータ３２２の上流側で急激な圧力上昇が発生しなくなる。よって、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。

また、水素燃料供給システム３０１では、水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入するおそれのある場合だけ、主止弁３１８を除開制御により開弁する。そのため、水素供給の追従性が悪化するおそれがあるような水素ガスの圧力が低い場合には、除開制御が実施されないので、除開制御によって水素供給の追従性が悪化することもない。

［第２実施形態］
続いて、第２実施形態に係る水素燃料供給システムについて説明する。第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、１次圧Ｐ１の圧力差ΔＰ１に応じて、主止弁３１８の除開制御実行時の開弁速度を変化させる点が相違する。そこで、第２実施形態における主止弁３１８の除開制御について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。図６は、圧力差ΔＰ１に対する主止弁の開弁速度を示す図である。

第２実施形態でも、図５に示すように、コントローラ３４２により、Ｓ１〜Ｓ５、及びＳ１０〜Ｓ１２の処理は、第１実施形態と同様に実行される。そのため、これらの処理の説明は省略する。

そして、圧力差ΔＰ１が所定値Ａ以上である場合、すなわち主止弁３１８を開弁したときに水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入するおそれがある場合には（Ｓ４：ＮＯ）、圧力差ΔＰ１に応じた主止弁３１８の開弁速度ｋＯｐｅｎ＿ｓｐｄが、図６に示す対応関係に基づき算出され（ステップＳ３０）、その開弁速度ｋＯｐｅｎ＿ｓｐｄで主止弁３１８が開弁（除開）される（ステップＳ３１）。具体的には、圧力差ΔＰ１が大きくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、圧力差ΔＰ１が小さくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が速くされる。なお、図６に示す圧力差ΔＰ１と開弁速度Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄの対応関係はマップとして、コントローラ３４２のメモリに予め記憶されている。

このようにして、圧力差ΔＰ１に応じた主止弁３１８の開弁速度ｋＯｐｅｎ＿ｓｐｄにて主止弁３１８が除開されるため、最適な除開制御を実施することができる。これにより、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

一方、圧力差ΔＰ１が所定値Ａより小さい場合であっても（Ｓ４：ＹＥＳ）、Ｓ５において、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「０」であるとき、すなわち水素タンク３１２へ水素ガスが充填されたときには（Ｓ５：ＹＥＳ）、コントローラ３４２により、開弁速度ＬＯｐｅｎ＿ｓｐｄで主止弁３１８が開弁される。つまり、最も遅い開弁速度で除開されるのである。また、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「１」に設定される（ステップＳ３２）。

これにより、水素タンク３１２に水素ガスが充填された場合には、主止弁３１８が最も遅い開弁速度にて開弁される。従って、水素タンク３１２に水素ガスが充填された後に水素ガスが供給される場合、水素タンク３１２から供給される水素ガスが燃料供給通路３１４内に一気に浸入しなくなる。そのため、高圧レギュレータ３２２の上流側で急激な圧力上昇が発生しなくなる。よって、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。

一方、Ｓ５において、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「１」である場合、すなわち水素タンク３１２へ水素ガスが充填されていない場合には（Ｓ５：ＮＯ）、コントローラ３４２により、除開制御が実行されずに開弁速度Ｈｏｐｅｎ＿ｓｐｄで開弁される。つまり、最も速い開弁速度（従来の開弁速度）で主止弁３１８が開弁（全開）される（ステップＳ３３）。

このように第２実施形態によれば、高圧レギュレータ３２２の上流側圧力の圧力差ΔＰ１に応じた主止弁３１８の開弁速度ｋＯｐｅｎ＿ｓｐｄにて主止弁３１８が除開される。そのため、最適な除開制御を実施することができる。従って、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る水素燃料供給システムについて説明する。第３実施形態は、基本的な構成は第２実施形態と同様であるが、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔの水素充填前後における圧力差ΔＰｔ１に応じて、主止弁３１８の除開制御実行時の開弁速度を変化させる点が相違する。そこで、第３実施形態における主止弁３１８の除開制御について、図７〜図９を参照しながら説明する。図７は、第３実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。図８は、充填前後における水素タンク内の圧力差ΔＰｔの演算処理の内容を示すフローチャートである。図９は、圧力差ΔＰｔに対する主止弁の開弁速度を示す図である。

第３実施形態でも、図７に示すように、コントローラ３４２により、Ｓ１〜Ｓ５、Ｓ１０〜Ｓ１２、Ｓ３０〜Ｓ３１、及びＳ３３の処理は、第２実施形態と同様に実行される。そのため、これらの処理の説明は省略する。

そして、Ｓ５において、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「０」である場合、すなわち水素タンク３１２へ水素ガスが充填された場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、充填前後における水素タンク３１２内の圧力差ΔＰｔが取り込まれる（ステップＳ４０）。

ここで、タンク内圧力差ΔＰｔの演算処理について説明する。タンク内圧力差ΔＰｔは、図８に示すように、上記の主止弁の開閉制御とは別の処理ルーチンで算出される。具体的には、圧力センサ３１３から水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが取り込まれる（ステップＳ５０）。そして、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されている場合（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、水素充填後のタンク内圧力ＰｔがＰｔ＿１として、コントローラ３４２のメモリに記憶される（ステップＳ５２）。一方、水素タンク３１２へ水素ガスが充填されていない場合（ステップＳ５１：ＮＯ）、水素充填前のタンク内圧力ＰｔがＰｔ＿２として、コントローラ３４２のメモリに記憶される（ステップＳ５５）。

そして、ステップＳ５３において、充填前後のタンク内圧力差ΔＰｔ（＝Ｐｔ＿１−Ｐｔ＿２）が算出される。その後、ＸＳ＿Ｏｐｅｎフラグが「０」に設定される（ステップＳ５４）。

図７に戻って、上記のようにして算出されたタンク内圧力差ΔＰｔが、Ｓ４０においてコントローラ３４２に取り込まれると、コントローラ３４２により、タンク内圧力差ΔＰｔに応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄが、図９に示す対応関係に基づき算出され（ステップＳ４１）、その開弁速度ｋｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄで主止弁３１８が開弁（除開）される（ステップＳ４２）。具体的には、充填前後のタンク内圧力差ΔＰｔが大きくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、充填前後のタンク内圧力差ΔＰｔが小さくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が速くされる。なお、図９に示す圧力差ΔＰｔと開弁速度Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄの対応関係はマップとして、コントローラ３４２のメモリに予め記憶されている。

このように第３実施形態によれば、水素タンク３１２へ水素ガスが充填された場合には、充填前後におけるタンク内圧力差ΔＰｔに応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄにて主止弁３１８が除開されるため、最適な除開制御を実施することができる。これにより、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る水素燃料供給システムについて説明する。第４実施形態は、基本的なシステム構成は上記の実施形態と同様であるが、水素供給要求時における水素タンク３１２内の圧力Ｐｔに応じて、主止弁３１８の除開制御を行う点が相違する。そこで、第４実施形態における主止弁３１８の除開制御について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、第４実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。図１１は、水素タンク内の圧力Ｐｔに対する主止弁の開弁速度を示す図である。

第４実施形態では、図１０に示すように、コントローラ３４２により、水素ガスの供給が停止された後に水素供給要求がある場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、主止弁３１８が開弁される前に水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが圧力センサ３１３から取り込まれ、その開弁直前の圧力値Ｐｔが記憶される（ステップＳ６０）。

一方、水素供給要求がない場合には（Ｓ１：ＮＯ）、水素停止要求があるか否かが判断される（ステップＳ１０）。このとき、水素停止要求がある場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）主止弁３１８が閉弁される（ステップＳ１２）。水素停止要求がない場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、この処理ルーチンは一旦終了する。

そして、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔに応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｐｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄが、図１１に示す対応関係に基づき算出され（ステップＳ６１）、その開弁速度ｋｐｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄで主止弁３１８が開弁（除開）される（ステップＳ６２）。具体的には、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが大きくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが小さくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が速くされる。そして、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが所定値Ａより小さい場合には、除開制御が実行されずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁（全開）される。なお、図１１に示す圧力Ｐｔと開弁速度Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄの対応関係はマップとして、コントローラ３４２のメモリに予め記憶されている。

このように第４実施形態によれば、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔに応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｐｔＯｐｅｎ＿ｓｐｄにて主止弁３１８が除開されるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、非常に簡単な制御により、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

［第５実施形態］
最後に、第５実施形態に係る水素燃料供給システムについて説明する。第５実施形態は、基本的なシステム構成は上記の実施形態と同様であるが、水素供給要求時における水素タンク３１２内の圧力Ｐｔと高圧レギュレータ３２２の上流側圧力（１次圧）Ｐ１との圧力差ΔＰｔ１に応じて、主止弁３１８の除開制御を行う点が相違する。そこで、第５実施形態における主止弁３１８の除開制御について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２は、第５実施形態における主止弁の除開制御を含む開閉制御の処理内容を示すフローチャートである。図１３は、水素タンク内の圧力と高圧レギュレータの上昇側圧力との圧力差ΔＰｔ１に対する主止弁の開弁速度を示す図である。

第５実施形態では、図１２に示すように、コントローラ３４２により、水素ガスの供給が停止された後に水素供給要求がある場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、主止弁３１８が開弁される前に、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔが圧力センサ３１３から取り込まれるとともに、高圧レギュレータ３２２の上流側圧力Ｐ１が１次圧センサ３３８から取り込まれて、開弁直前のそれぞれの圧力値Ｐｔ，Ｐ１が記憶される（ステップＳ７０，Ｓ７１）。そして、その圧力差ΔＰｔ１（＝Ｐｔ−Ｐ１）が算出される（ステップＳ７２）。

一方、水素供給要求がない場合には（Ｓ１：ＮＯ）、水素停止要求があるか否かが判断される（ステップＳ１０）。このとき、水素停止要求がある場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）主止弁３１８が閉弁される（ステップＳ１２）。水素停止要求がない場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、この処理ルーチンは一旦終了する。

そして、圧力差ΔＰｔ１に応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｔ１Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄが、図１３に示す対応関係に基づきが算出され（ステップＳ７３）、その開弁速度ｋｔ１Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄで主止弁３１８が開弁（除開）される（ステップＳ７４）。具体的には、圧力差ΔＰｔ１が大きくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が遅くされ、圧力差ΔＰｔ１が小さくなるに従って主止弁３１８の開弁速度が速くされる。そして、圧力差ΔＰｔ１が所定値Ａより小さい場合には、除開制御が実行されずに通常の制御（通常の開弁速度）で主止弁が開弁（全開）される。なお、図１３に示す圧力Ｐｔ１と開弁速度Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄの対応関係はマップとして、コントローラ３４２のメモリに予め記憶されている。

このように第５実施形態によれば、水素タンク３１２内の圧力Ｐｔと高圧レギュレータ３２２の上流側圧力Ｐ１との圧力差ΔＰｔ１に応じた主止弁３１８の開弁速度ｋｔ１Ｏｐｅｎ＿ｓｐｄにて主止弁３１８が除開されるため、最適な除開制御を実施することができる。従って、簡単な制御により、高圧レギュレータ３２２に備わるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避しつつ、水素供給の追従性も確保することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施形態を適宜、組み合わせても良い。例えば、第１実施形態と第４実施形態あるいは第５実施形態を組み合わせることができる。

１ 上流圧力調整弁
２ 下流圧力調整弁
３ 中通路
３０ フィルタ
１５１ リップシール部材
３００ 燃料電池システム
３０１ 水素燃料供給システム
３１０ 燃料電池
３１１ 充填検知器
３１２ 水素タンク
３１３ 圧力センサ
３１４ 水素供給通路
３１８ 主止弁
３２２ 高圧レギュレータ
３２４ 水素供給ユニット
３３８ １次圧センサ
３４２ コントローラ

Claims (8)

1. 水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、
   前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、水素タンクから供給される水素ガスの圧力を所定の圧力に減圧する高圧レギュレータと、燃料電池へ供給する水素ガスの流量．を調節する燃料供給装置とが、この順番で前記水素タンク側から燃料供給通路上に配置されており、
   前記水素タンクからの水素ガスの供給要求・停止要求に応じて前記主止弁を開閉し、水素停止要求後に水素供給要求があった時、前記高圧レギュレータの上流側圧力に対して前記水素タンク内の圧力が大きい場合に、前記主止弁の開弁速度を遅くして徐々に開度を大きくしていく除開制御を行う制御部を有する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
2. 請求項１に記載する水素燃料供給システムにおいて、
   前記高圧レギュレータの上流側の圧力を検出する第１圧力センサを有し、
   前記制御部は、前記第１圧力センサの検出結果から、前回の水素停止要求時と今回の水素供給要求時とにおける前記高圧レギュレータの上流側圧力の変化量が、予め定められた所定値以上である場合に、前記除開制御により前記主止弁を開弁する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する水素燃料供給システムにおいて、
   前記水素タンクへ水素ガスが充填されたことを検知する充填検知手段を有し、
   前記制御部は、前記充填検知手段が水素ガスの充填を検知した後に水素ガスの供給要求があったとき、前記除開制御により前記主止弁を開弁する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載する水素燃料供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記第１圧力センサの検出結果から算出される、前回の水素停止要求時時と今回の水素供給要求時とにおける前記高圧レギュレータの上流側圧力の変化量に応じて前記主止弁の開弁速度を制御する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
5. 請求項２から請求項４に記載するいずれか１つの水素燃料供給システムにおいて、
   前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサを有し、
   前記制御部は、前記第２圧力センサの検出結果から算出される、前記水素タンクへの水素ガスの充填前後における前記水素タンク内の圧力変化量に応じて前記主止弁の開弁速度を制御する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
6. 請求項１に記載する水素燃料供給システムにおいて、
   前記高圧レギュレータの上流側の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサとを有し、
   前記制御部は、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの検出結果から算出される、水素の供給要求時における前記水素タンク内の圧力と前記高圧レギュレータの上流側圧力との圧力差に応じて前記主止弁の開弁速度を制御する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
7. 請求項１に記載する水素燃料供給システムにおいて、
   前記水素タンク内の圧力を検出する第２圧力センサとを有し、
   前記制御部は、前記第２圧力センサで検出される、水素の供給要求時における前記水素タンク内の圧力に応じて前記主止弁の開弁速度を制御する
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。
8. 請求項１から請求項５に記載するいずれか１つの水素燃料供給システムにおいて、
   前記主止弁は、デューティ制御可能な電磁弁であり、
   前記制御部は、前記主止弁に対する制御信号のデューティ比を小さくすることにより前記除開制御を行う
   ことを特徴とする水素燃料供給システム。

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