JP2019116929A - 燃料電池車両の高圧ガスタンクシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ガスタンクの保護を図るとともに、燃料ガス充填への影響を小さくする。【解決手段】第１種の高圧ガスタンクおよび第１種の高圧ガスタンクよりも長を有する第２種の高圧ガスタンクに燃料ガスの充填を行なう場合において、（ａ）燃料ガスの充填を開始する際に、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度以下の時には、第２種の高圧ガスタンクと充填側マニホールドとの間の流路に設けられた充填遮断バルブを閉じて、第２種の高圧ガスタンクへの燃料ガスの充填を行なわずに、第１種の高圧ガスタンクのうちの少なくとも１つへの燃料ガスの充填を開始し、（ｂ）第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度よりも高くなった後、充填遮断バルブを開いて、第２種の高圧ガスタンクへの燃料ガスの充填を開始する。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池車両の高圧ガスタンクシステムに関する。

燃料電池を搭載した車両（以下、単に「燃料電池車両」とも呼ぶ）では、搭載された高圧ガスタンクに貯蔵された燃料ガスとしての水素と、空気に含まれる酸化ガスとしての酸素とを用いて燃料電池による発電が行なわれる。高圧ガスタンクへの燃料ガスの充填は、例えば、燃料ガス充填装置の側の燃料ガスを供給するためのノズルを、燃料電池車両の燃料ガスの供給を受けるためのレセプタクルに嵌合装着させて、燃料ガス充填装置のガス充填元タンクから燃料電池車両の高圧ガスタンクへ向けて燃料ガスを供給することで行なわれる（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−４７４９１号公報

燃料電池車両の走行可能距離を向上させる一手段として、燃料ガスを貯蔵する高圧ガスタンクを複数備えることが考えられる。燃料電池車両に複数の高圧ガスタンクを配置するためには、燃料電池車両の限られた空間領域に複数の高圧ガスタンクを配置しなければならず、配置可能な空間領域に合わせた形状を有する高圧ガスタンクを用いることが望まれる。

複数の高圧ガスタンクの配置の一例として、１つの高圧ガスタンクを、車内中央で車長方向に伸びたセンタートンネルと呼ばれる空間領域に、高圧ガスタンクの長さ方向を車長方向に沿わせて配置（以下、「縦配置」とも呼ぶ）し、その後方の空間領域に、他の高圧ガスタンクを、高圧ガスタンクの長さ方向を車幅方向に沿わせて配置（以下、「横配置」とも呼ぶ）する配置が考えられる。高圧ガスタンクが横方向配置される燃料電池車両の後方の空間領域は、他の空間領域間に比べて余裕があるため、高圧ガスタンクの長さ（以下、「タンク長」とも呼ぶ）および高圧ガスタンクの径（以下、「タンク径」とも呼ぶ）の制限は小さい。しかし、センタートンネルは、車長方向は他の空間領域に比べて余裕があるが、車幅方向の制限が他の空間領域に比べて厳しく、タンク径の制限が大きい。このため、センタートンネルに縦配置される高圧ガスタンクには、後方空間領域に横配置される高圧ガスタンクに比べて、タンク長が長く、タンク径が細い高圧ガスタンクを用いることが望まれる。

上記のように、基準となる高圧ガスタンク（以下、「基準高圧ガスタンク」とも呼ぶ）に比べて、タンク長が長くなった高圧ガスタンク（以下、「長尺高圧ガスタンク」とも呼ぶ）を含む場合、以下で説明するように、極低温・低圧環境下で燃料ガスの充填を行なった場合に、長尺高圧ガスタンクの耐久性や信頼性に悪影響が発生する可能性がある。極低温・低圧環境下で燃料ガスの充填を行なう場合としては、例えば、−３０℃以下の極低温環境下で、速度１００ｋｍ／ｈ以上の高い速度および１時間以上連続での走行がなされて、燃料ガスが満タンに対応する圧力からガス欠に対応する圧力まで高圧ガスタンク内の圧力が低下した状態となるまで燃料ガスが消費され、直後に燃料ガスの充填を行なった場合が、代表例として挙げられる。

高圧ガスタンクは、通常、樹脂製のライナーの外周が、繊維強化樹脂で形成された補強層で覆れた構造を有し、ライナーと補強層との間には隙間がある。この隙間は、高圧ガスタンクのタンク長が長いほど相対的に大きくなり、また、タンク径が細いほど相対的に大きくなる。また、環境温度が低いほど、補強層の縮小量に比べてライナーの縮小量の方が大きくなり、隙間は大きくなる。また、燃料ガスの充填によるタンク内の圧力上昇に伴うライナーの膨張量、すなわち、隙間の縮小量は、タンク長が長いほど相対的に小さくなり、また、タンク径が細いほど相対的に小さくなる。これらのことから、極低温・低圧環境下からの燃料ガスの充填に伴ってライナーが膨張した場合に、基準高圧ガスタンクのライナーでは補強層に接触するが、長尺高圧ガスタンクのライナーでは補強層に接触せずに、ライナーに対して局部的な応力集中が発生して、ライナーに長尺高圧ガスタンクの耐久性や信頼性の低下を招く可能性がある。なお、タンク長が長くなることに加えてタンク径が細くなれば、高圧ガスタンクの耐久性や信頼性の低下の問題はより顕著となる。

本発明は、上述の課題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、燃料電池車両の高圧ガスタンクシステムが提供される。この燃料電池車両の高圧ガスタンクシステムは；基準となる１以上の第１種の高圧ガスタンクと；前記第１種の高圧ガスタンクよりも長いタンク長を有する１以上の第２種の高圧ガスタンクと；前記第１種の高圧ガスタンクと、前記第２種の高圧ガスタンクと、燃料ガスの充填用のレセプタクルとに、それぞれの流路を介して接続された充填側マニホールドと；前記第２種の高圧ガスタンクと前記充填側マニホールドとの間の流路に設けられ、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記レセプタクルからの前記燃料ガスの充填を遮断するための充填遮断バルブと；前記第２種の高圧ガスタンクの内部に設けられた温度センサーと、
前記充填遮断バルブを制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記第１種の高圧ガスタンクおよび前記第２種の高圧ガスタンクに前記燃料ガスの充填を行なう場合において；（ａ）前記燃料ガスの充填を開始する際に、前記温度センサーで測定される前記第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度以下の時には、前記充填遮断バルブを閉じて、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記燃料ガスの充填を行なわずに、前記第１種の高圧ガスタンクのうちの少なくとも１つへの前記燃料ガスの充填を開始し；（ｂ）前記第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が前記予め定めた温度よりも高くなった後、前記充填遮断バルブを開いて、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記燃料ガスの充填を開始する。
上記形態の燃料電池車両の高圧ガスタンクシステムによれば、複数の高圧ガスタンクに燃料ガスを充填する場合において、燃料ガスの充填を開始する際に、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度以下の時には、充填遮断バルブを閉じて、第２種の高圧ガスタンクを除く第１種の高圧ガスタンクのうちの少なくとも１つへの燃料ガスの充填を開始する。そして、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度よりも高くなった後、充填遮断バルブを開いて、第２種の高圧ガスタンクへの燃料ガスの充填を開始する。これにより、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度以下の間、第２種の高圧ガスタンクへの充填が行なわれないので、第１種の高圧ガスタンクに比べて耐久性や信頼性の低下を招く可能性の高い第２種の高圧ガスタンクを保護して、第２種の高圧ガスタンクの耐久性や信頼性の低下を抑制することが可能である。
また、第２種の高圧ガスタンクが予め定めた温度以下の間、第２種の高圧ガスタンクを除く第１種の高圧ガスタンクのうちの少なくとも１つへの燃料ガスの充填を行なうことができるので、第２種の高圧ガスタンクが予め定めた温度よりも高くなるまで、全ての高圧ガスタンクへの充填を不可とする場合に比べて、充填不可の期間を無くすことができ、充填完了までの時間の遅延を少なくすることができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池車両の高圧ガスタンクシステム、燃料電池車両の複数の高圧ガスタンクへの充填システム、燃料電池車両の複数の高圧ガスタンクへの充填方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池車両を示す概略図。 燃料電池車両に搭載された燃料電池システムを概略的に示す説明図。 第１水素ガスタンクの構成を概略的に示す説明図。 第１水素ガスタンクの一部領域を拡大して示す説明図。 図４に対応する第２水素ガスタンクの一部領域を拡大して示す説明図。 水素ガスの充填の処理を示すフローチャート。

Ａ．実施形態：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池車両１０を示す概略図である。本明細書において、燃料電池車両１０における方向に関する記載（「右」、「左」、「前」、「後」、「上」、「下」）は、それぞれ、燃料電池車両１０に搭乗しているときの運転者を基準とする方向である。図１において、Ｘ軸方向は車両の前後方向（車長方向）を示し、Ｙ軸方向は車両の上下方向（車高方向）を示し、Ｚ軸方向は車両の幅方向（左右方向、車幅方向）を示す。

燃料電池車両１０は、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）１００で車両の動力源となる電力の発電を行なう燃料電池システムを搭載する。燃料電池システムは、２つの水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆを含む高圧ガスタンクシステムを有する。図１では、燃料電池１００および水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆ以外の各構成要素は、図示および説明の便宜上省略されている。

燃料電池車両１０は、燃料電池１００で発電された電力により不図示のモータを駆動して前輪ＦＷおよび後輪ＲＷを回転させ、走行する電気自動車である。燃料電池１００は、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆから供給される燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての空気中の酸素と、の電気化学反応によって発電する。水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆは、燃料電池１００の発電に利用される水素ガスを貯蔵する容器である。

燃料電池１００は、車両１０の乗員室１４の前方のフロントコンパートメント１２に収容されている。２つの水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆのうち、一方の水素ガスタンク１１０ｆは、タンクの長手方向（タンク長方向）が、車長方向（Ｘ方向）に沿って延びた細長い空間領域であるセンタートンネル１８に沿うように配置（縦配置）され、他方の水素ガスタンク１１０ｒは、一方の水素ガスタンク１１０ｆの後方で、タンクの長手方向(タンク長方向）が、車幅方向（Ｚ方向）に沿うように配置（横配置）されている。なお、センタートンネル１８は、燃料電池車両１０の床１５のうち、車幅方向（Ｚ方向）の中央部分１６で、車幅方向の両側部分１７よりも車高方向（Ｙ方向）の上方向に突出し、車長方向（Ｘ方向）に沿って延びた部分の床下の空間領域である。一方の水素ガスタンク１１０ｆは、センタートンネル１８の細長い空間領域に配置するために、他方の水素ガスタンク１１０ｒに比べて、そのタンク径が細く、そのタンク長が長い形状の高圧ガスタンクとされている。水素ガスタンク１１０ｒが「第１種の高圧ガスタンク」に相当し、水素ガスタンク１１０ｆが「第２種の高圧ガスタンク」に相当する。そこで、以下では、説明の便宜上、一方の水素ガスタンク１１０ｒを「第１水素ガスタンク１１０ｒ」、他方の水素ガスタンク１１０ｆを「第２水素ガスタンク１１０ｆ」とも呼ぶ。

図２は、燃料電池車両１０に搭載された燃料電池システム２０を概略的に示す説明図である。この燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、水素ガス供給系１２０と、モータ駆動のコンプレッサ１５０を含む空気供給系１６０と、図示しない冷却系と、制御装置２００と、を備える。

燃料電池１００は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成される。燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系１２０から供給された水素ガス中の水素と、空気供給系１６０から供給された空気中の酸素と、の電気化学反応により発電し、その発電電力にて駆動用モータ等の負荷を駆動する。

水素ガス供給系１２０は、燃料電池１００に供給する燃料ガスとしての水素ガスを高圧貯蔵する高圧ガスタンクとして第１水素ガスタンク１１０ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆを備える。第１水素ガスタンク１１０ｒの口金には、バルブユニット１１１ｒが装着され、第２水素ガスタンク１１０ｆの口金にはバルブユニット１１１ｆが装着されている。水素ガス供給系１２０は、第１水素ガスタンク１１０ｒのバルブユニット１１１ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆのバルブユニット１１１ｆを介して、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆから燃料電池１００へ水素ガスを供給する供給側部分と、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆへ水素ガスを充填する充填側部分とに区分される。

供給側部分には、バルブユニット１１１ｒ，１１１ｆの後述する供給機構部分と、供給側タンク管路１１６ｒ，１１６ｆと、供給側マニホールド１２１と、水素ガス供給管路１２０Ｆと、水素ガス循環管路１２４と、放出管路１２９と、を備える。供給側マニホールド１２１は、第１水素ガスタンク１１０ｒのバルブユニット１１１ｒの供給側ポートＰｓｒに接続された供給側タンク管路１１６ｒと、第２水素ガスタンク１１０ｆのバルブユニット１１１ｆの供給側ポートＰｓｆに接続された供給側タンク管路１１６ｆと、燃料電池１００の水素ガス供給口に接続された水素ガス供給管路１２０Ｆとを、繋ぐ多岐管（本例では４分岐管）である。供給側マニホールド１２１の１つの分岐ポートには供給側圧力センサー１２１Ｐが設けられている。

また、充填側部分には、バルブユニット１１１ｒ，１１１ｆの後述する充填機構部分と、レセプタクル１２２と、水素ガス充填管路１２０Ｒと、充填側マニホールド１２３と、充填側タンク管路１１７ｒ，１１７ｆと、充填遮断バルブ１１８と、を備える。充填側マニホールド１２３は、第１水素ガスタンク１１０ｒのバルブユニット１１１ｒの充填側ポートＰｆｒに接続された充填側タンク管路１１７ｒと、第２水素ガスタンク１１０ｆのバルブユニット１１１ｆの充填側ポートＰｆｆに接続された充填側タンク管路１１７ｆと、レセプタクル１２２に接続された水素ガス充填管路１２０Ｒと、を繋ぐ多岐管（本例では４分岐管）である。充填側マニホールド１２３の１つの分岐ポートには充填側圧力センサー１２３Ｐが設けられている。

第１水素ガスタンク１１０ｒのバルブユニット１１１ｒは、メインバルブ１１２ｒと、開閉バルブ１１３ｒ、逆止弁１１５ｒおよび供給側ポートＰｓｒと、充填側ポートＰｆｒおよび逆止弁１１４ｒと、を備える。メインバルブ１１２ｒから分岐されて供給側タンク管路１１６ｒへ向けて順に配置される開閉バルブ１１３ｒと逆止弁１１５ｒと供給側ポートＰｓｒとは、供給機構部分を構成する。メインバルブ１１２ｒから分岐されて充填側タンク管路１１７ｒとの間に配置される逆止弁１１４ｒおよび充填側ポートＰｆｒは、充填機構分を構成する。また、バルブユニット１１１ｒには、バルブユニット１１１ｒが第１水素ガスタンク１１０ｒに装着された状態でタンク内温度を検出する温度センサーＴＳｒを備えている。第２水素ガスタンク１１０ｆのバルブユニット１１１ｆもバルブユニット１１１ｒと同様に、メインバルブ１１２ｆと、供給機構部分を構成する開閉バルブ１１３ｆ、逆止弁１１５ｆおよび供給側ポートＰｓｆと、充填機構部分を構成する逆止弁１１４ｆおよび充填側ポートＰｆｆと、温度センサーＴＳｆと、を備える。温度センサーＴＳｒ，ＴＳｆは、図示しない信号線にて後述の制御装置２００と接続され、検出したタンク内温度を制御装置２００に出力する。なお、バルブユニット１１１ｒ，１１１ｆには、タンク内温度が所定温度以上になったときにタンク内部の水素ガスを外部に放出するための溶栓弁が含まれる。

メインバルブ１１２ｒ，１１２ｆは、車両搭載前の状態において流路開放側に手動操作され、流路開放を維持する。開閉バルブ１１３ｒ，１１３ｆは、後述の制御装置２００の制御下で開閉駆動し、逆止弁１１５ｒ，１１５ｆを介して、供給側タンク管路１１６ｒ，１１６ｆによって、供給側マニホールド１２１に接続される。逆止弁１１５ｒ，１１５ｆは、ガス通過を開閉バルブ１１３ｒ，１１３ｆの側からのみに規制する。逆止弁１１４ｒ，１１４ｆは、充填側タンク管路１１７ｒ，１１７ｆによって、充填側マニホールド１２３と接続され、ガス通過を充填側マニホールド１２３の側からのみに規制する。

上記管路構成により、第１水素ガスタンク１１０ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆは、水素ガス供給管路１２０Ｆの供給側マニホールド１２１から分岐した供給側タンク管路１１６ｒ，１１６ｆを介して燃料電池１００に接続され、この燃料電池１００に対して並列に接続されることになる。また、第１水素ガスタンク１１０ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆは、水素ガス充填管路１２０Ｒの充填側マニホールド１２３から分岐した充填側タンク管路１１７ｒ，１１７ｆを介してレセプタクル１２２に接続され、レセプタクル１２２に対して並列に接続されることになる。なお、第２水素ガスタンク１１０ｆの側の充填側タンク管路１１７ｆには充填遮断バルブ１１８が配置されている。充填遮断バルブ１１８は、後述の制御装置２００の制御下で開閉駆動し、第２水素ガスタンク１１０ｆへの水素ガスの充填を遮断し、第１水素ガスタンク１１０ｒへの水素ガスの充填のみに規制する。

水素ガス供給管路１２０Ｆは、供給側マニホールド１２１の側から減圧バルブ１２６とインジェクター１２５とを備えている。水素ガス循環管路１２４は、その一方端が燃料電池１００の未消費の水素ガスの排出口に接続されており、他方端はインジェクター１２５よりも燃料電池１００の側で水素ガス供給管路１２０Ｆに接続されている。水素ガス循環管路１２４は水素循環ポンプ１２８を備えている。放出管路１２９は、水素循環ポンプ１２８よりも燃料電池１００の側の水素ガス循環管路１２４と、後述する空気供給系１６０の放出管路１６２との間に接続されており、排出バルブ１２７を備える。減圧バルブ１２６は後述の制御装置２００の制御を受けて駆動し、減圧後の水素ガスをインジェクター１２５に流す。インジェクター１２５は、後述の制御装置２００の制御を受けて駆動し、燃料電池１００に水素ガスを噴出供給する。水素循環ポンプ１２８は、後述の制御装置２００の制御を受けて駆動し、燃料電池１００から排出された排出ガスに含まれる未消費の水素ガスを燃料電池１００に循環供給する。排出バルブ１２７は、後述する制御装置２００の制御を受けて駆動し、燃料電池１００から排出された排出ガスを放出管路１２９および後述する放出管路１６２を介して大気放出する。

上記管路構成を備える水素ガス供給系１２０は、水素循環ポンプ１２８により調整される流量で、燃料電池１００から排出された排出ガスに含まれる未消費の水素ガスを、燃料電池１００のアノードに循環供給するとともに、インジェクター１２５から噴出供給される水素ガスを、燃料電池１００のアノードに供給する。また、水素ガス供給系１２０は、燃料電池１００のアノードから水素ガス循環管路１２４に排出される排出ガスの不純物濃度が高くなった場合に、排出バルブ１２７を介して水素ガス循環管路１２４から放出管路１２９へ排出ガスを放出する。なお、水素ガスの供給、水素ガスの循環供給、および、排出ガスの放出の制御は、燃料電池１００のアノードへの水素ガスの供給が燃料電池１００に要求される発電量に応じた流量となるように、後述する制御装置２００による、減圧バルブ１２６、インジェクター１２５、水素循環ポンプ１２８、および排出バルブ１２７の制御によって行われる。

また、水素ガス供給系１２０におけるレセプタクル１２２は、既存のガソリン車両における車両側方の燃料給油箇所に相当するガス充填箇所に位置し、車両外装側カバー（「リッド」とも呼ぶ）で覆われている。そして、図示しない水素ガスステーションでの水素ガス充填に際しては、レセプタクル１２２は、当該ステーションのガス充填ノズルＧｎに嵌合装着される。ガス充填ノズルＧｎから高圧で充填供給された水素ガスは、充填側マニホールド１２３および充填側タンク管路１１７ｒ，１１７ｆを経て、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆに導かれる。こうしたガス充填に際して、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆごとの温度センサーＴＳｒ，ＴＳｆおよび充填側圧力センサー１２３Ｐは、タンク内温度および充填ガス圧力を制御装置２００およびステーション内制御装置に出力し、充填ガス量や充填ガス圧の確認に用いられる。なお、水素ガス供給系１２０における水素ガスの充填については、さらに後述する。

空気供給系１６０は、コンプレッサ１５０を経て燃料電池１００のカソードの入口に接続された酸素供給管路１６１と、カソードの出口から未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出管路１６２と、放出管路１６２に設けられた排出流量調整バルブ１６３とを備える。この空気供給系１６０は、酸素供給管路１６１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１５０にて流量調整した上で燃料電池１００のカソードに供給しつつ、放出管路１６２の排出流量調整バルブ１６３で調整された流量でカソードオフガスを、放出管路１６２を介して大気放出する。

制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル等のセンサー入力やガス充填に伴うセンサー入力、例えば、温度センサーＴＳｒ，ＴＳｆ、供給側圧力センサー１２１Ｐ、充填側圧力センサー１２３Ｐ等のセンサー入力を受けて、インジェクター１２５や減圧バルブ１２６、開閉バルブ１１３ｒ，１１３ｆ、充填遮断バルブ１１８等の各種のバルブの開閉制御を含む燃料電池１００の種々の制御を行なう。

図３は、第１水素ガスタンク１１０ｒの構成を概略的に示す説明図である。図３において、上半分は断面図であり、下半分は正面図である。図３において、第１水素ガスタンク１１０ｒの中心軸ＡＸは、一点鎖線により示している。第１水素ガスタンク１１０ｒ（以下、単に「タンク１１０ｒ」とも呼ぶ）は、タンク本体２１０と、タンク１１０ｒの両端部にそれぞれ設けられたプロテクタ２４０，２４１とを備える。タンク本体２１０は、ライナー２２０と、ライナー２２０の外周面を被覆する補強層２３０とを備える。

ライナー２２０は、水素ガスを密封するための空間を内部に形成する。ライナー２２０は、例えば、ナイロン系樹脂（ポリアミド系樹脂）やポリエチレン系樹脂等の合成樹脂によって形成することができ、本実施形態ではナイロンによって形成している。ライナー２２０は、中空円筒状のシリンダ部２２２と、シリンダ部２２２の両側に続く略半球状の２つのドーム部２２４とに区分可能である。ライナー２２０の両端の各々には、ドーム部２２４の頂上の位置に、第１口金２１２あるいは第２口金２１４が配置されている。第１口金２１２は、タンク１１０ｒの内部の空間と連通する貫通孔２１５を有すると共に、第１口金２１２の開口部を開閉するバルブユニット１１１ｒ（図１参照）を備える。第２口金２１４は、有底孔２１６を有する。

補強層２３０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層である。具体的には、樹脂を含浸させた長繊維を、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）によりライナー２２０の表面に巻回し、その後、樹脂を硬化させた層である。補強層２３０の樹脂としては、エポキシ樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、およびアラミド繊維等が挙げられる。本実施形態では、繊維として炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）による層およびガラス繊維を用いたガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）による層で補強層２３０を形成している。

プロテクタ２４０，２４１は、ライナー２２０の両端部のドーム部２２４において補強層２３０の上に配置されており、外部から受ける衝撃と、タンク１１０ｒの内圧による応力からタンク１１０ｒを保護する保護部材である。第１口金２１２側のドーム部２２４上には、プロテクタ２４０が配置されており、第２口金２１４側のドーム部２２４上には、プロテクタ２４１が配置されている。タンク１１０ｒの内部には、第１口金２１２にバルブユニット１１１ｒが装着されることにより、温度センサーＴＳｒが配置される。

図示は省略するが、第２水素ガスタンク１１０ｆも第１水素ガスタンク１１０ｒと同様の構成を有している。但し、第２水素ガスタンク１１０ｆは、上述したように、センタートンネル１８（図１参照）に配置されるために、タンク径が第１水素ガスタンク１１０ｒに比べて細い点、および、タンクの中心軸ＡＸに沿ったタンク長が第１水素ガスタンク１１０ｒに比べて長い点、が第１水素ガスタンク１１０ｒと異なっている。

図４は、第１水素ガスタンク１１０ｒの一部領域ＲＥ（図３参照）を拡大して示す説明図である。図５は、図４に対応する第２水素ガスタンク１１０ｆの一部領域を拡大して示す説明図である。

課題で説明したように、ライナーと補強層との間には隙間があり、この隙間は、高圧ガスタンクのタンク長が長いほど相対的に大きくなり、また、タンク径が細いほど相対的に大きくなる。また、環境温度が低いほど、補強層の縮小量に比べてライナーの縮小量の方が大きくなり、隙間は大きくなる。また、燃料ガスの充填によるタンク内の圧力上昇に伴うライナーの膨張量、すなわち、隙間の縮小量は、タンク長が長いほど相対的に小さくなり、また、タンク径が細いほど相対的に小さくなる。

上述したように、第２水素ガスタンク１１０ｆは、第１水素ガスタンク１１０ｒに比べてタンク長が長く、タンク径が細い。従って、図５の上段に示すように、第２水素ガスタンク１１０ｆの補強層２３０とライナー２２０との間の隙間Ｇｆは、図４の上段に示した第１水素ガスタンク１１０ｒの隙間Ｇｒに比べて大きい。また、第２水素ガスタンク１１０ｆはセンタートンネル１８に配置されているので、環境温度の低下に伴って冷却され易い。このため、冷却によるライナーの収縮に伴う第２水素ガスタンク１１０ｆの隙間Ｇｆは、第１水素ガスタンク１１０ｒの隙間Ｇｒに比べて大きくなり易い。また、タンク内の圧力上昇に伴う第２水素ガスタンク１１０ｆのライナー２２０の膨張による隙間Ｇｆの縮小量は、第１水素ガスタンク１１０ｒの隙間Ｇｒの縮小量に比べて小さくなる。このため、課題でも説明したように、極低温・低圧環境下で燃料ガスの充填を行なった場合、図４の下段に示すように、第１水素ガスタンク１１０ｒのライナー２２０は膨張により隙間Ｇｒが無くなって補強層２３０に接触するが、図５の下段に示すように、第２水素ガスタンク１１０ｆのライナー２２０では補強層２３０に接触しない可能性が高い。これにより、第１水素ガスタンク１１０ｒのライナー２２０では、図４の下段に示すように、加わる圧力に対する応力は分散されるが、第２水素ガスタンク１１０ｆのライナー２２０では、図５の下段に示すように、局部的な応力集中が発生し、耐久性や信頼性の低下を招く可能性が高い。そこで、本実施形態では、水素ガスの充填を以下で説明するように行なうこととした。なお、課題でも説明したように、極低温・低圧環境下で燃料ガスの充填を行なう場合としては、例えば、−３０℃以下の極低温環境下で、速度１００ｋｍ／ｈ以上の高い速度および１時間以上連続での走行がなされて、燃料ガスが満タンに対応する圧力からガス欠に対応する圧力まで高圧ガスタンク内の圧力が低下した状態となるまで燃料ガスが消費され、直後に燃料ガスの充填を行なった場合が、代表例として挙げられる。但し、これに限定されるものではなく、高圧ガスタンクのタンク内温度が低く、かつ、タンク内の圧力が低下してライナーが収縮した環境下で、燃料ガスの充填によるライナーの膨張によってライナーと補強層との隙間が無くならず、局所的な応力集中が発生するような種々の場合が考えられる。

図６は、水素ガスの充填の処理を示すフローチャートである。この処理は、制御装置２００によって実行される。この処理は、例えば、水素ガスの充填のため、運転者が、レセプタクル１２２を覆うリッドを開く操作を行なった際に、開始される。ステップＳ１１０では、ガス充填ノズルＧｎの装着の完了を待つ。レセプタクル１２２へのガス充填ノズルＧｎの装着が完了したか否かは、例えば、ガス充填ノズルＧｎが装着された場合に、水素ガスステーションのステーション内制御装置と制御装置２００との間で行なわれる不図示の信号回線（例えば、赤外線通信回線等の無線通信回線や有線通信回線）を介して、行なわれる通信によって確認される。

ガス充填ノズルＧｎの装着が完了した場合には、ステップＳ１２０において、対象タンク、本例では、第２水素ガスタンク１１０ｆのタンク温度Ｔｔ（以下、「対象タンク温度Ｔｔ」とも呼ぶ）のチェック（測定）が開始され、処理が終了するまで継続される。そして、ステップＳ１３０において、対象タンク温度Ｔｔがあらかじめ定めた判定温度Ｔｔｈよりも高いか否か判断される。なお、判定温度Ｔｔｈは、あらかじめ定めたタンク内圧力の状態から水素ガスの充填を行なった場合に、対象タンクのライナーに応力集中が発生して、許容可能な歪み量以上の歪みが発生する可能性が高い温度として、あらかじめ実験等によって定められる。なお、燃料電池車両に搭載する高圧ガスタンクの環境温度は−４０℃以上と規定されている。また、タンク温度は、高圧ガスタンクの環境温度以下である。そこで、判定温度Ｔｔｈとしては、例えば、−４５℃±５℃の範囲内の何れかの温度に設定されれば良いと考えられる。

対象タンク温度Ｔｔが判定温度Ｔｔｈよりも高い場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ステップＳ１４０において充填遮断バルブ１１８が開かれ、ステップＳ１５０において、水素ガスステーションに対して水素ガスの充填を開始しても良い旨の通知が送信され、水素ガスステーションによって水素ガスの充填が開始される。この場合、充填遮断バルブ１１８が開かれているので、第１水素ガスタンク１１０ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆの両方に水素ガスの充填が行なわれる。

対象タンク温度Ｔｔが判定温度Ｔｔｈ以下の場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ステップＳ１６０において充填遮断バルブ１１８が閉じられ、ステップＳ１７０において、水素ガスステーションに対して水素ガスの充填を開始しても良い旨の通知が送信され、水素ガスステーションによって水素ガスの充填が開始される。この場合、充填遮断バルブ１１８が閉じられているので、第２水素ガスタンク１１０ｆへの水素ガスの充填は行なわれず、第１水素ガスタンク１１０ｒにのみ水素ガスの充填が行なわれる。そして、ステップＳ１８０において、対象タンク温度Ｔｔが判定温度Ｔｔｈ以下の間、第１水素ガスタンク１１０ｒのみへの充填が行なわれている状態が継続され、対象タンク温度Ｔｔが判定温度Ｔｔｈよりも高くなった場合に、ステップＳ１９０において充填遮断バルブ１１８が開かれる。これにより、第２水素ガスタンク１１０ｆへの充填も開始され、第１水素ガスタンク１１０ｒおよび第２水素ガスタンク１１０ｆの両方に水素ガスの充填が行なわれる。なお、第２水素ガスタンク１１０ｆのタンク温度Ｔｔは判定温度Ｔｔｈ以下の状態であっても、数分（１〜３分）の間に、判定温度Ｔｔｈよりも高い温度まで回復するので、第１水素ガスタンク１１０ｒへの充填はまだ完了せず、水素ガスの充填は停止されない。

そして、ステップＳ２００において、水素ガスステーションから充填完了の通知を受けるまで、水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆへの充填が行なわれ、充填完了の通知を受けて、この処理が終了される。なお、水素ガスステーションでは、例えば、制御装置２００から受け取る水素ガスタンク１１０ｒ，１１０ｆのタンク温度や、供給される水素ガスの充填圧力等の充填時の状況に関係する種々の情報から、ガス流量推移や圧力推移、充填量推移等の充填の状況が把握される。そして、水素ガスステーションでは、充填完了の場合に、水素ガスの送出が停止されるとともに、充填完了の通知が制御装置２００へ送信される。

図５で説明したように、基準となる第１水素ガスタンク１１０ｒよりもタンク長が長くタンク径が細い第２水素ガスタンク１１０ｆは、水素ガスの充填時において、局所的な応力集中の発生により、ライナーへの損傷等を招き、耐久性や信頼性の低下を招く可能性がある。これに対して、図６で説明したように、本実施形態の水素ガスの充填の処理では、第２水素ガスタンク１１０ｆのタンク温度Ｔｔが、局所的な応力集中の発生によるライナーへの損傷等の抑制が可能か否かの境界温度である判定温度Ｔｔｈよりも高くなった場合において、第２水素ガスタンク１１０ｆへの水素ガスの充填を行なっている。これにより、第２水素ガスタンク１１０ｆの耐久性や信頼性の低下を抑制することができる。また、第２水素ガスタンク１１０ｆのタンク温度Ｔｔが判定温度Ｔｔｈよりも高くなるまで、第１水素ガスタンク１１０ｒへの水素ガスの充填も不可とする場合に比べて、充填不可の期間を無くすことができるので、充填完了までの時間の遅延を少なくすることができる。

なお、本実施形態において、水素ガス供給系１２０および制御装置２００が「高圧ガスタンクシステム」に相当する。

Ｂ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。

（１）上記実施形態では、第２種の高圧ガスタンクに相当する第２水素ガスタンク１１０ｆは、第１種の高圧ガスタンクに相当する第１水素ガスタンク１１０ｒに比べて、タンク長が長いだけでなく、タンク径も細い場合を例に説明した。しかしながら、少なくともタンク長が長ければ、上述したように、ライナーと補強層との間の隙間が大きくなるので、第２水素ガスタンク１１０ｆ（第２種の高圧ガスタンク）が、第１水素ガスタンク１１０ｒ（第１種の高圧ガスタンク）と比べて、少なくともタンク長が長い高圧ガスタンクであれば、同様に適用可能である。

（２）上記実施形態では、センタートンネル１８に縦配置された第２水素ガスタンク１１０ｆ（第２種の高圧ガスタンク）と、その後方に横配置された第１水素ガスタンク１１０ｒ（第１種の高圧ガスタンク）を例としている。しかしながら、それぞれの配置はこれに限定されるものではなく、燃料電池車両の種々の任意の配置可能な空間に配置した場合にも適用可能である。

（３）上記実施形態では、第１水素ガスタンク１１０ｒ（第１種の高圧ガスタンク）および第２水素ガスタンク１１０ｆ（第２種の高圧ガスタンク）を有する場合を例に説明したが、１以上の第１種の高圧ガスタンクおよび１以上の第２種の高圧ガスタンクを有する構成としてもよい。

基準となる１つの第１種の高圧ガスタンクと、少なくとも、第１種の高圧ガスタンクよりも長いタンク長を有する複数の第２種の高圧ガスタンクとを有する場合には、これら複数の第２種の高圧ガスタンクと充填側マニホールドとを接続する充填側タンク管路（流路）のそれぞれに、充填遮断バルブを設けるようにすればよい。そして、複数の第２種の高圧ガスタンクについて、それぞれ、タンク温度が判定温度以下か否かに応じて、充填遮断バルブの開閉を制御するようにすればよい。なお、複数の第２種の高圧ガスタンクのタンク長は、同じであっても異なっていても良く、少なくとも、基準となる１つの第１種の高圧ガスタンクのタンク長よりも長ければ良い。

また、複数の第１種の高圧ガスタンクを有する構成としてもよい。この場合、複数の第１種の高圧ガスタンクのタンク長は同じであっても、異なっていても良い。但し、タンク長が異なっている場合、複数の第１種の高圧ガスタンクのうち、最も長いタンク長の高圧ガスタンクを第２種の高圧ガスタンクのタンク長との比較の基準とすればよい。

以上のことから、「第１種の高圧ガスタンク」は、第２種の高圧ガスタンクのタンク長との比較の基準となる高圧ガスタンクのタンク長と同じ長さの高圧ガスタンクだけでなく、そのタンク長よりも短いタンク長の高圧ガスタンクを含むとしてもよい。また、「第２種の高圧ガスタンク」は、第１種の高圧ガスタンクのうちの基準となるタンク長を有する高圧ガスタンクよりも長い１つのタンク長の高圧ガスタンクだけでなく、第１種の高圧ガスタンクのうちの基準となるタンク長を有する高圧ガスタンクよりも長い種々の長さのタンク長を有する高圧ガスタンクを含むとしてもよい。

（４）複数の第１種の高圧ガスタンクを有する場合、それぞれへの水素ガスの充填を、同時に行っても良く、複数の組に分けてそれぞれの組ごとに順に行っても良く、１つずつ順に行っても良い。そして、順に充填を行なう場合には、組分けした充填側タンク管路毎、あるいは、各充填側タンク管路に、充填遮断バルブを設けて制御する構成とすれば良い。

（５）上記実施形態では、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が判定温度以下か否かで充填遮断バルブの開閉を制御する構成としている。これに加えて、以下の構成とするようにしてもよい。例えば、複数の第１種の高圧ガスタンクを有する場合に、燃料電池車両内の配置環境によっては、全ての高圧ガスタンクのうち、第１種の高圧ガスタンクのいずれかが最も早く冷却され、最も低い温度までタンク内温度が低下する場合がある。このような高圧ガスタンクにおいても、第２種の高圧ガスタンクと同様に、耐久性や信頼性の低下を招く可能性がある。そこで、このような高圧ガスタンクの充填側タンク管路にも、充填遮断バルブを設けて、同様に制御する構成としてもよい。

（６）なお、参考形態として以下の構成とすることも可能である。上記実施形態では、第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が判定温度以下であるか否かに応じて、充填遮断バルブの開閉を制御する構成としている。これに対して、第２種の高圧ガスタンクのライナーのドーム部に歪みセンサーを設けて、歪みセンサーで検出される歪み量があらかじめ定めた歪み量を超えていれば充填遮断バルブを閉じ、超えていなければ遮断バルブを開く構成とすることも可能である。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池車両
１２…フロントコンパートメント
１４…乗員室
１５…床
１６…中央部分
１７…両側部分
１８…センタートンネル
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０ｆ，１１０ｒ…水素ガスタンク
１１１ｆ，１１１ｒ…バルブユニット
１１２ｆ，１１２ｒ…メインバルブ
１１３ｆ，１１３ｒ…開閉バルブ
１１４ｆ，１１４ｒ…逆止弁
１１５ｆ，１１５ｒ…逆止弁
１１６ｆ，１１６ｒ…供給側タンク管路
１１７ｆ，１１７ｒ…充填側タンク管路
１１８…充填遮断バルブ
１２０…水素ガス供給系
１２０Ｆ…水素ガス供給管路
１２０Ｒ…水素ガス充填管路
１２１…供給側マニホールド
１２１Ｐ…供給側圧力センサー
１２２…レセプタクル
１２３…充填側マニホールド
１２３Ｐ…充填側圧力センサー
１２４…水素ガス循環管路
１２５…インジェクター
１２６…減圧バルブ
１２７…排出バルブ
１２８…水素循環ポンプ
１２９…放出管路
１５０…コンプレッサ
１６０…空気供給系
１６１…酸素供給管路
１６２…放出管路
１６３…排出流量調整バルブ
２００…制御装置
２１０…タンク本体
２１２…第１口金
２１４…第２口金
２１５…貫通孔
２１６…有底孔
２２０…ライナー
２２２…シリンダ部
２２４…ドーム部
２３０…補強層
２４０…プロテクタ
２４１…プロテクタ
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
ＡＸ…中心軸
Ｇｆ，Ｇｒ…隙間
Ｇｎ…ガス充填ノズル
Ｐｆｆ，Ｐｆｒ…充填側ポート
Ｐｓｆ，Ｐｓｒ…供給側ポート
ＴＳｆ，ＴＳｒ…温度センサー

Claims (1)

1. 燃料電池車両の高圧ガスタンクシステムであって、
   基準となる１以上の第１種の高圧ガスタンクと、
   前記第１種の高圧ガスタンクよりも長いタンク長を有する１以上の第２種の高圧ガスタンクと、
   前記第１種の高圧ガスタンクと、前記第２種の高圧ガスタンクと、燃料ガスの充填用のレセプタクルとに、それぞれの流路を介して接続された充填側マニホールドと、
   前記第２種の高圧ガスタンクと前記充填側マニホールドとの間の流路に設けられ、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記レセプタクルからの前記燃料ガスの充填を遮断するための充填遮断バルブと、
   前記第２種の高圧ガスタンクの内部に設けられた温度センサーと、
   前記充填遮断バルブを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１種の高圧ガスタンクおよび前記第２種の高圧ガスタンクに前記燃料ガスの充填を行なう場合において、
   （ａ）前記燃料ガスの充填を開始する際に、前記温度センサーで測定される前記第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が予め定めた温度以下の時には、前記充填遮断バルブを閉じて、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記燃料ガスの充填を行なわずに、前記第１種の高圧ガスタンクのうちの少なくとも１つへの前記燃料ガスの充填を開始し、
   （ｂ）前記第２種の高圧ガスタンクのタンク温度が前記予め定めた温度よりも高くなった後、前記充填遮断バルブを開いて、前記第２種の高圧ガスタンクへの前記燃料ガスの充填を開始する、
   ことを特徴とする燃料電池車両の高圧ガスタンクシステム。

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