JP2019149236A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、高圧タンクの樹脂ライナーと補強層との収縮量の差に起因して、樹脂ライナーが破損する可能性を低減できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、樹脂ライナーと補強層とを有する高圧タンクと、高圧タンクの内圧と内部温度とを取得する取得部と、高圧タンクへの燃料ガスの充填が必要であることを報知する報知部と、取得した内部温度と内圧とを用いて、報知部の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、内部温度及び内圧のマップにおいて、樹脂ライナーの収縮によって樹脂ライナーに付与される応力が樹脂ライナーを破損させる可能性があることを示す第１領域と、第１領域よりも高温高圧である第２領域とを区画する境界線を設定し、取得した内部温度及び内圧が境界線に到達した場合に、報知部に燃料ガスの充填が必要であることを報知させる。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
従来、高圧水素タンク内の圧力から残存水素量を推定する高圧水素タンクの残量検出方法が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２０１１−１３７５４５号公報
高圧水素タンクとして、樹脂ライナーと樹脂ライナーの周囲に形成された補強層とを有するタンクが用いられる場合には、タンクの温度やタンクの内圧などの使用環境の変化によって、樹脂ライナーが膨張や収縮することが知られている。本願の発明者は、樹脂ライナーが極度に収縮した状態と極度に膨張した状態とを繰り返すと、樹脂ライナーに過大な応力が発生し、樹脂ライナーが破損する可能性があることを見いだした。
本開示は、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）本開示の一形態によれば、燃料ガスを消費して発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、樹脂ライナーと、前記樹脂ライナーの外表面を覆う補強層と、を有し、内部に前記燃料ガスが充填されている高圧タンクと、前記高圧タンクの内圧と、前記高圧タンクの内部の温度である内部温度と、を取得する取得部と、前記高圧タンクへの燃料ガスの充填が必要であることを報知する報知部と、取得した前記内部温度と前記内圧とを用いて、前記報知部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記内部温度及び前記内圧のマップにおいて、前記樹脂ライナーの収縮によって前記樹脂ライナーに付与される応力が前記樹脂ライナーを破損させる可能性があることを示す第１領域と、前記第１領域よりも高温高圧である第２領域とを区画する境界線を設定し、取得した前記内部温度及び前記内圧が前記境界線に到達した場合に、前記報知部に前記燃料ガスの充填が必要であることを報知させる。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、内部温度及び内圧が低下して境界線に到達した場合に、報知部に燃料ガスの充填が必要であることを報知させる。これにより、樹脂ライナーと補強層との収縮量の差に起因して、樹脂ライナーが破損する可能性を低減できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、取得した前記内圧が予め定められた閾値に到達した場合には、前記境界線に到達したか否かに拘わらず、前記報知部に前記燃料ガスの充填が必要であることの報知を実行させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、内圧条件を満たした場合には、前記境界線に到達したか否かに拘わらず、報知を実行させるので、内圧が予め定められた閾値から大きく減少することを抑制できる。このため、燃料ガスの不足によって燃料電池スタックによる発電ができなくなる可能性を低減できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記樹脂ライナーは、前記樹脂ライナーの長手方向の中央部において前記補強層と接着された接着部を有しており、前記樹脂ライナーの収縮によって前記接着部において前記樹脂ライナーに応力が発生するように構成されていてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、樹脂ライナーの収縮によって接着部において発生する応力に起因して、樹脂ライナーが破損する可能性を低減できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記取得部は、下記（ｉ）から（ｉｉｉ）までのいずれか１つを有してもよい。
（ｉ）前記内圧を取得する圧力センサと、前記内部温度を取得する温度センサ
（ｉｉ）前記内圧を取得する圧力センサと、取得した前記内圧を用いて前記内部温度を推定することで取得する温度推定部
（ｉｉｉ）前記内部温度を取得する温度センサと、取得した前記内部温度を用いて前記内圧を推定することで取得する圧力推定部
この形態の燃料電池システムによれば、（ｉ）から（ｉｉｉ）までのいずれか１つの取得部を備える燃料電池システムが提供される。
本開示は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現可能である。例えば、上述の燃料電池システムの制御方法や燃料電池システムを備える燃料電池車両、船舶、飛行機等の移動体、または、住宅、ビル等の定置設備の形態で実現することができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムの概略図。 第１実施形態における高圧タンクの模式図。 第１実施形態におけるデータマップを示すグラフ。 第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて報知を実行する際の手順を示すフローチャート。 第２実施形態における高圧タンクの模式図。 第２実施形態におけるデータマップを示すグラフ。 応力発生領域における接着部の様子を説明するための模式図。
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、燃料ガス給排機構５０と、酸化剤ガス給排機構６０と、冷媒循環機構７０と、制御部８０と、記憶部８２と、報知部８４と、を備える。燃料電池システム１００は、燃料ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）との反応によって発電する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。
冷媒循環機構７０は、燃料電池スタック２０に接続され、冷媒（例えば水）を流通させる冷媒循環流路７１や冷媒を送り出すポンプ７２を有する。酸化剤ガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路６１と、酸化剤ガスを外部へと排出する酸化剤ガス排出流路６２とを有する。酸化剤ガス供給流路６１には、酸化剤ガスを圧送するエアコンプレッサ６３が配置されている。酸化剤ガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０への空気の供給、および、燃料電池スタック２０からの空気の排出を行なう。本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、駆動用モータを駆動させる発電装置として用いられる。
燃料電池スタック２０は、燃料電池単セル（図示しない）が複数積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池単セルは、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック２０は、冷媒循環機構７０によって適切な温度に調整されている。
燃料ガス給排機構５０は、燃料ガス充填流路３２と、燃料ガス供給流路３４と、燃料ガス循環流路３６と、２つの高圧タンク２０２、２０４と、を備える。高圧タンク２０２、２０４は、燃料ガスを貯蔵するためのタンクであり、開閉弁である主止弁４２１、４２２を介して燃料ガス充填流路３２及び燃料ガス供給流路３４に接続されている。高圧タンク２０２、２０４は、燃料ガス供給流路３４を介して、内部に貯蔵された燃料ガスを燃料電池スタック２０へと供給する。高圧タンク２０２、２０４の内部には、高圧タンク２０２、２０４内の温度である内部温度を取得する取得部としての温度センサ９３、９４が設けられている。以下において、２つの高圧タンク２０２、２０４の共通の性質や構造について説明する場合には、高圧タンク２００とも記載する。
燃料ガス充填流路３２は、高圧タンク２０２、２０４と連通する流路であり、水素ステーション等の燃料ガス充填装置から充填される燃料ガスを流通させる。燃料ガス充填流路３２の一端には、燃料ガス充填装置と接続される際に、接続口として機能するレセプタクル３０が備えられている。
燃料ガス供給流路３４は、高圧タンク２０２、２０４に充填された燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給するための流路である。燃料ガス供給流路３４には、開閉弁４３２、４３４とレギュレータ４４とインジェクタ４５とが設けられている。また、燃料ガス供給流路３４の途中には、燃料ガス循環流路３６が接続されている。
燃料ガス供給流路３４のうち開閉弁４３２、４３４と高圧タンク２０２、２０４との間には、取得部としての圧力センサ９１、９２が配置されている。圧力センサ９１、９２が配置されている位置では、高圧タンク２０２、２０４と圧力センサ９１、９２との間において、調圧弁等の圧力を変化させる構成が配置されていない。このため、圧力センサ９１、９２によって取得される圧力は、高圧タンク２０２、２０４の内圧とほぼ同じ大きさの圧力である。
燃料ガス循環流路３６は、燃料電池スタック２０の内部を通過した未反応の燃料ガスを回収し、燃料電池スタック２０に再度供給するための流路である。燃料ガス循環流路３６の途中には、燃料ガスを循環させるための水素ポンプ４６と、燃料ガスと燃料ガス中に含まれる液水とを分離するための気液分離器４７と、が配置されている。燃料ガス中に含まれる液水は、燃料電池スタック２０における電気化学反応によって生成される生成水である。気液分離器４７によって分離された液水は、開閉弁４８を開状態とすることで外部へと排出される。
本実施形態において、二つの高圧タンク２０２、２０４における燃料ガスの消費は、高圧タンク２０２、２０４の内圧が同程度になるように調整されている。この場合には、一方の高圧タンクのみから燃料ガスを消費する場合と比べて、高圧タンク２０２、２０４内の燃料ガスの減少速度が低減される。これにより、高圧タンク２０２、２０４内の燃料ガスの断熱膨張による高圧タンク２０２、２０４の内部温度の急激な低下が抑制される。
制御部８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を有し、各種センサ９１〜９４から取得した情報と記憶部８２に記憶されている情報とを用いて、報知部８４の動作を制御する。制御部８０による報知部８４の制御の詳細は、後述する。
記憶部８２は、ＨＤＤ等の記憶媒体を有する。記憶部８２は、制御部８０による制御を実行する際に用いられる各種プログラムや、各種センサ９１〜９４によって取得された情報を記憶する。
報知部８４は、制御部８０の指示によって、燃料電池システム１００の利用者に対して燃料ガスの充填が必要であることを報知する。本実施形態において、燃料電池システム１００の利用者とは、燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両の搭乗者である。報知部８４は、例えば、警告音の再生や音声の再生や画像の表示や光源の点灯によって報知を行う。
図２は、第１実施形態における高圧タンク２００の模式図である。図２は、高圧タンク２００の中心軸ＣＸに沿って高圧タンク２００を切断した際の断面構造を示している。高圧タンク２００は、樹脂ライナー２１０と、補強層２２０と、を備える。高圧タンク２００における長手方向（中心軸ＣＸに沿った方向）の両端部には、第１の口金２２２と、第２の口金２２４と、が取り付けられている。第１の口金２２２は、高圧タンク２００の内部空間と外部とを連通させる貫通口を有する。高圧タンク２００への燃料ガスの充填や高圧タンク２００から燃料電池スタック２０への燃料ガスの供給は、第１の口金２２２の貫通口を介して行われる。第２の口金２２４は、貫通口を有さず、例えば高圧タンク２００内と外部との熱交換に用いられる。
樹脂ライナー２１０は、円筒状の円筒部２１１と、円筒部２１１の両端に配置された半球状のドーム部２１２、２１４と、を有する。樹脂ライナー２１０は、内側に気体を充填するための空間である内部空間２１６を有する中空容器である。樹脂ライナー２１０は、高圧タンク２００のタンク素体として用いられる。樹脂ライナー２１０には、燃料ガス（水素ガス）の透過性が低い樹脂が用いられている。樹脂ライナー２１０を形成する樹脂としては、例えば、ポリアミド６や、エチレンビニルアルコールや、完全ケン化型ポリビニルアルコールを用いることができる。本実施形態において、樹脂ライナー２１０は、ポリアミド６を主成分とする合成樹脂によって構成されている。
補強層２２０は、繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂の層であり、樹脂ライナー２１０の外表面を覆うように形成されている。本実施形態において、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との境界面には、全面に渡って離型剤（図示しない）が塗布されている。繊維強化樹脂層は、炭素繊維と熱硬化性樹脂とを含む炭素繊維強化樹脂層と、ガラス繊維と熱硬化性樹脂とを含むガラス繊維強化樹脂層と、を有する。熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂を用いることができる。本実施形態では、エポキシ樹脂を採用している。
樹脂ライナー２１０は、内部温度や内圧の変動に応じて、収縮又は膨張する。例えば、内部温度が低温である場合には、高温である場合と比べて、樹脂ライナー２１０は収縮する。これは、内部温度が低いことによって、樹脂ライナー２１０を構成する樹脂の線膨張係数に応じて、樹脂ライナー２１０が収縮するためである。また例えば、内圧が小さい場合には、内圧が大きい場合と比べて、樹脂ライナー２１０は収縮する。さらに、内部温度が低くなるにつれて樹脂ライナー２１０を構成する樹脂の粘度が大きくなるため、同じ大きさの内圧が付与された際における樹脂ライナー２１０の膨張は、内部温度が高い場合と比べて、内部温度が低い場合の方が小さい。
一方、内部温度や内圧が変動した場合における補強層２２０の収縮や膨張の程度は、樹脂ライナー２１０と比べて小さい。これは、補強層２２０を構成する樹脂の線膨張係数が、樹脂ライナー２１０を構成する樹脂の線膨張係数と比べて小さいためである。また、補強層２２０は、樹脂ライナー２１０と比べて縦弾性係数が大きいため、内圧が変化した場合における収縮や膨張の程度が小さい。
ここで、樹脂ライナー２１０は、内部温度が低く、かつ内圧が小さい場合に、大きく収縮する。一方、補強層２２０は、内部温度が低く、かつ内圧が小さい場合であっても、樹脂ライナー２１０と比べて収縮の程度が極めて小さい。このため、内部温度が低く、かつ内圧が小さい場合には、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との収縮量の差によって、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じる可能性がある。この隙間は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との境界のうち、ドーム部２１２、２１４における補強層２２０との境界で生じやすい。樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じている領域では、樹脂ライナー２１０に内圧によって生じる引っ張り応力が樹脂ライナー２１０に直接付与される。例えば、高圧タンク２００内に燃料ガスを充填する際において、隙間が生じている場合には、大きな応力が樹脂ライナー２１０に付与されるおそれがある。なお、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に生じている隙間が大きいほど、燃料ガスの充填時において樹脂ライナー２１０に付与される応力が大きくなる傾向にある。
樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間の隙間は、高圧タンク２００の長手方向における長さが大きいほど、生じやすくなる。具体的には、高圧タンク２００の長手方向における長さが大きいほど、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間の隙間が生じ始める内部温度は高くなる。また、高圧タンク２００の長手方向における長さＬが大きいほど、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間の隙間が生じ始める内圧は大きくなる。また、円筒部２１１の中心軸ＣＸに垂直な平面における直径Ｒが小さいほど、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間の隙間が生じ始める内圧は大きくなる。
図３は、第１実施形態におけるデータマップを示すグラフである。図３では、第１領域ａ１と第２領域ａ２が示されている。第１領域ａ１は、樹脂ライナー２１０の収縮によって樹脂ライナー２１０に付与される応力が樹脂ライナー２１０を破損させる可能性があることを示す領域である。図３において、第１領域ａ１は、シングルハッチングとクロスハッチングとによって示されている領域である。第２領域ａ２は、第１領域ａ１よりも高温高圧な領域である。第１領域ａ１と第２領域ａ２とは、境界線Ｔｈによって区画されている。
第１領域ａ１のうちクロスハッチングによって示された領域は、応力発生領域ａ１１である。応力発生領域ａ１１は、内部温度及び内圧の変化によって生じる樹脂ライナー２１０と補強層２２０との収縮量の差に起因して樹脂ライナー２１０に付与される応力が樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる領域である。本実施形態において、応力発生領域ａ１１は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に生じる隙間と、燃料ガスを充填する際に樹脂ライナー２１０に付与される応力との関係をシミュレーションした結果に応じて決定されている。また、境界線Ｔｈは、応力発生領域ａ１１に安全率を加味して定められた、樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる前の予め定められた基準内部温度および基準内圧の組み合わせによって規定されている。以下において、境界線Ｔｈを規定する基準内部温度および基準内圧の組み合わせを、基準条件とも記載する。
ここで、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に生じる隙間の大きさは、内部温度の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張と、内圧の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張と、に応じて算出されている。内部温度の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張は、樹脂ライナー２１０の長手方向の長さと、樹脂ライナー２１０の直径と、線膨張係数と、内部温度と、を用いて算出される。内圧の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張は、樹脂ライナー２１０の長手方向の長さと、樹脂ライナー２１０の直径と、樹脂ライナー２１０の壁厚と、縦弾性係数とポアソン比と、内圧によって付与される引張応力と、を用いて算出される。なお、縦弾性係数は、樹脂ライナー２１０の温度（内部温度）に応じて変動する。例えば、温度が低下すると、縦弾性係数は大きくなる。また例えば、温度が上昇すると、縦弾性係数は小さくなる。また、シミュレーションには、樹脂ライナー２１０の膨張と収縮によって樹脂ライナー２１０と補強層２２０との位置関係が変化した場合における、隙間の大きさの変化量も考慮されている。本実施形態では、応力発生領域と境界線Ｔｈを含むデータマップは、記憶部８２（図１）に記憶されている。なお、図３において後述する閾値Ｐ１が示されているが、本実施形態では、閾値Ｐ１は、データマップとは別に記憶部８２に記憶されている。
図４は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００が実行する報知制御のフローチャートである。燃料電池システム１００の電源がオンになることによって開始される。燃料電池システム１００の電源がオンになるとは、例えば、燃料電池システム１００を備える燃料電池車両の搭乗者によってスタートスイッチが押され、燃料電池スタック２０による発電が開始された場合が該当する。ここで、スタートスイッチは、燃料電池システム１００の起動と停止とを切り替えるスイッチである。
報知制御が開始されると、制御部８０は、高圧タンク２０２、２０４それぞれの内圧が予め定められた閾値Ｐ１（図３）に到達したという内圧条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０１）。本実施形態において、内圧条件は、２つの高圧タンク２０２、２０４における合計の燃料ガス残量による航続可能距離が予め定めた距離（例えば３ｋｍ）以下となる値であり、例えば、０．８ＭＰａである。高圧タンク２０２、２０４の内圧には、圧力センサ９１、９２（図１）によって計測された圧力値が用いられている。ステップＳ１０１では、２つの高圧タンク２０２、２０４の内圧が両方とも閾値Ｐ１未満である場合に、内圧条件を満たす（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）と判定される。
内圧条件を満たさない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）には、制御部８０は、次に高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが、境界線Ｔｈ（図３）に到達したという基準条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、少なくとも一方の高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが、境界線Ｔｈに到達している場合に、高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが基準条件を満たしている（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）と判定される。高圧タンク２０２、２０４の内部温度には、温度センサ９３、９４によって計測された温度が用いられる。高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが基準条件を満たしていない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）には、制御部８０は、高圧タンク２０２、２０４内の水素残量が予め定めた閾値未満であるか否かを再び判定する（ステップＳ１０１）。
高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが基準条件を満たしている場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）には、制御部８０は報知部８４に報知の実行を指示する（ステップＳ１０３）。ここで、内圧と内部温度とが基準条件を満たす場合には、例えば、内部温度−４０℃以下において、連続走行することで高圧タンク２０２、２０４内の気体を消費することによって内圧が低下し、かつ断熱膨張によって内部温度がさらに低下した場合が該当し得る。報知は、例えば、基準条件を満たしている高圧タンク２０２、２０４についてのみ充填が必要であることを報知してもよい。また、一方の高圧タンク２０２、２０４のみが基準条件を満たしている場合であっても、全ての高圧タンク２０２、２０４について充填が必要であることを報知してもよい。報知が実行されることによって、報知制御は終了する。なお、報知部８４による報知は、燃料ガスが高圧タンク２０２、２０４に充填されるまで継続してもよいし、一定時間経過後に終了してもよい。
ステップＳ１０１において、高圧タンク２０２、２０４それぞれの内圧が予め定められた閾値Ｐ１に到達したという内圧条件を満たす場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）には、制御部８０は、データマップを参照することなく、報知部８４に報知を指示する（ステップＳ１０３）。つまり、この場合において、制御部８０は、高圧タンク２０２、２０４の内部温度と内圧とが基準条件を満たすか否かに拘わらず、報知部８４に報知を実行させる。
例えば、図３に示した組み合わせ点Ａでは、高圧タンク２００の内圧が閾値Ｐ１以上であり（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、かつ高圧タンク２００の内部温度と内圧とが基準条件を満たさない（ステップＳ１０２：Ｎｏ）。このため、組み合わせ点Ａにおいて、制御部８０は、燃料ガスの充填は必要ないと判定し、報知部８４に報知の実行を指示しない。
また、図３に示した組み合わせ点Ａから燃料ガスを消費する場合において、急激に燃料ガスを消費すると、燃料ガスの消費に伴い高圧タンク２００内の燃料ガスが断熱膨張し内部温度が大きく低下して、組み合わせ点Ｂに変化する場合がある。この場合には、高圧タンク２００の内圧が閾値Ｐ１以上であるが（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、高圧タンク２００の内部温度と内圧とが基準条件を満たす（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）。このため、組み合わせ点Ｂにおいて、制御部８０は、燃料ガスの充填が必要あると判定し、報知部８４に報知の実行を指示する（ステップＳ１０３）。
一方、図３に示した組み合わせ点Ａから燃料ガスを消費する場合において、緩やかに燃料ガスを消費すると、高圧タンク２００が例えば外気温によって暖められることにより高圧タンク２００の内部温度の低下が低減され、組み合わせ点Ｃに変化する場合がある。この場合には、高圧タンク２００の内圧は組み合わせ点Ｂにおける内圧と同じ値の内圧であるが、内部温度が高いため、高圧タンク２００の温度と内圧とが基準条件を満たさない（ステップＳ１０２：Ｎｏ）。このため、組み合わせ点Ｃにおいて、制御部８０は報知部８４に報知の実行を指示しない。さらに、組み合わせ点Ｃからさらに燃料ガスが消費され組み合わせＤになった場合には、高圧タンク２００の内圧が閾値Ｐ１未満であるため（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、制御部８０は報知部８４に報知の実行を指示する（ステップＳ１０３）。
以上説明した第１実施形態において、制御部８０は、内部温度及び内圧の変化によって生じる樹脂ライナー２１０と補強層２２０との収縮量の差に起因して生じる樹脂ライナー２１０に付与される応力が、基準条件を満たすか否かを判定する。ここで、基準条件は、樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる前の予め定められた基準内部温度および基準内圧の組み合わせを示す境界線Ｔｈに内部温度および内圧が到達することである。制御部８０は、基準条件を満たした場合に、燃料ガスの充填が必要であると判定し、報知部８４に燃料ガスの充填が必要であることを報知させる。このため、燃料電池システム１００は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との収縮量に差がある場合があっても、樹脂ライナー２１０が破損する可能性を低減できる。これにより、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じやすい低温環境下であっても、燃料電池システム１００は、樹脂ライナー２１０が破損する可能性を低減できる。したがって、図４に示した報知制御を実行しない場合と比べて、より低温な環境における燃料電池システム１００の使用が可能である。また、高圧タンク２０２、２０４の形状を、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じやすい形状、例えば、長尺・小径の形状を採用した場合であっても、使用時における制御によって樹脂ライナー２１０の破損の可能性を低減できる。したがって、高圧タンク２０２、２０４の形状の選択の自由度が向上する。
また以上説明した第１実施形態によれば、制御部８０は、内圧が予め定められた閾値Ｐ１（図３）に到達したという内圧条件を満たすか否かを判定する。制御部８０は、内圧条件を満たした場合には、基準条件を満たすか否かに拘わらず燃料ガスの充填が必要であると判定し、報知部８４に燃料ガスの充填が必要であることの報知を実行させる。このため、燃料電池システム１００では、燃料ガスの残存量が予め定められた量から大きく減少することを抑制できる。したがって、燃料ガスの不足によって燃料電池システム１００による発電できなくなる可能性を低減できる。
また以上説明した第１実施形態によれば、制御部８０は、内部温度と内圧との両方を用いて、報知制御を行っている。例えば、内部温度が一定値以下の場合に報知を実行する場合には、樹脂ライナー２１０が破損する程度の応力が発生しない内圧であっても報知が実行される可能性がある。また例えば、内圧が一定値以下の場合に報知を実行する場合には、樹脂ライナー２１０が破損する程度の応力が発生しない内部温度であっても報知が実行される可能性がある。一方、燃料電池システム１００は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じ得る組み合わせをより細かく設定することができるので、樹脂ライナー２１０が破損する程度の応力が発生しない内部温度と内圧の組み合わせにおいて、報知を実行する可能性が低減される。したがって、燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両は、内部温度と内圧との一方のみを用いて報知制御を実行する場合と比べて、航続距離を向上させることができる。
また以上説明した第１実施形態によれば、制御部８０は、記憶部８２に予め定め記憶されたデータマップを用いて報知制御を実行するので、報知制御における処理に要する時間を軽減できる。
Ｂ．第２実施形態
図５は、第２実施形態における高圧タンク４００の模式図である。図５は、高圧タンク４００の中心軸ＣＸに沿って切断した際の断面構造を示している。第２実施形態に係る燃料電池システム１００において用いられる高圧タンク４００は、長手方向における中央部において、樹脂ライナー２１０と補強層２２０とが樹脂ライナー２１０の周方向にわたって接着されている接着部４１０を有する点で、第１実施形態における高圧タンク２００と異なる。以下において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付して、詳細な説明を省略する。
接着部４１０における樹脂ライナー２１０と補強層２２０とは、例えば、高圧タンク４００を製造する際に樹脂ライナー２１０のうち接着部４１０となる領域に離型剤を塗布しないことによって、接着される。この場合には、補強層２２０に含まれるエポキシ樹脂が補強層２２０と樹脂ライナー２１０とを接着させる接着剤として機能する。また、接着部４１０となる領域にサンディング処理等によって凹凸を形成し、接着面積を増加させてもよい。この場合には、接着部４１０における接着がより強固になる。
高圧タンク４００は、接着部４１０を有することにより、樹脂ライナー２１０が収縮と膨張を繰り返した場合であっても、補強層２２０に対する樹脂ライナー２１０の位置の変動を抑制できる。このため、樹脂ライナー２１０の膨張と収縮によって樹脂ライナー２１０と補強層２２０との位置関係が変化することによる、ドーム部２１２、２１４における隙間の大きさの変化量が低減する。したがって、補強層２２０に対して樹脂ライナー２１０の位置が変動し得る場合と比べて、樹脂ライナー２１０に付与される応力の算出が容易である。
図６は、第２実施形態におけるデータマップを示すグラフである。図７は、応力発生領域Ａ１１における接着部４１０の様子を示す模式図である。本実施形態におけるデータマップは、第１実施形態とは異なる条件によって規定された第１領域Ａ１と第２領域Ａ２と応力発生領域Ａ１１と境界線ＴＨとを含んでいる。本実施形態において、第１領域Ａ１は、樹脂ライナー２１０の収縮によって接着部４１０において発生する応力が樹脂ライナー２１０を破損させる可能性があることを示す領域である。図６において、第１領域Ａ１は、シングルハッチングとクロスハッチングとによって示されている領域である。第２領域Ａ２は、第１領域Ａ１よりも高温高圧な領域である。第１領域Ａ１のうちクロスハッチングによって示された領域は、応力発生領域Ａ１１である。本実施形態における応力発生領域Ａ１１は、内部温度及び内圧の変化によって生じる樹脂ライナー２１０と補強層２２０との収縮量の差に起因して接着部４１０に付与される応力が樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる内部温度と内圧との組み合わせである。本実施形態において、応力発生領域Ａ１１は、樹脂ライナー２１０が収縮する際に接着部４１０に付与される応力をシミュレーションした結果に応じて決定されている。
本実施形態において、樹脂ライナー２１０が径方向に収縮する場合には、接着部４１０が補強層２２０に接着されていることにより収縮力に対する応力が発生する。樹脂ライナー２１０における径方向への収縮が大きい場合には、接着部４１０と補強層２２０との接着の一部が剥がれ、図７に示す様に、接着部４１０と補強層２２０との接着面積が減少する。この場合には、樹脂ライナー２１０の接着部４１０のうち補強層２２０と接着されている領域に応力が集中し、接着部４１０に付与される応力が樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力となるおそれがある。なお、高圧タンク４００の直径Ｒが小さいほど、径方向への収縮による樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間の隙間は生じやすい傾向にある。
図６に示された第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを区画する境界線ＴＨは、接着部４１０において発生する応力が樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる前の予め定められた基準内部温度および基準内圧の組み合わせによって規定されている。境界線ＴＨは、例えば、応力発生領域Ａ１１に安全率を加味して定められてもよい。また例えば、境界線ＴＨは、内部温度の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張と、内圧の変化による樹脂ライナー２１０の収縮又は膨張と、が釣り合っている内部温度と内圧の組み合わせであってもよい。この場合において、境界線ＴＨにおける内部温度と内圧の組み合わせでは、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じず、かつ、樹脂ライナー２１０の膨張による圧力が補強層２２０へと付与されていない。内部温度と内圧の組み合わせが境界線ＴＨを超えて応力発生領域Ａ１１に近づくと、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じ始める。
以上説明した第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。さらに、第２実施形態によれば、報知制御（図４）において、制御部８０は、接着部４１０への応力集中が発生しうる組み合わせを示す第１領域Ａ１に内部温度と内圧が該当する場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）に、報知を実行する（ステップＳ１０３）。このため、燃料電池システム１００は、接着部４１０に付与される応力が樹脂ライナー２１０を破損させる程度の応力になる前に報知を実行できる。このため、接着部４１０に付与される応力による樹脂ライナー２１０、特に接着部４１０近傍、の破損が抑制される。
Ｃ．他の実施形態
Ｃ１．第１の他の実施形態
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、２つの高圧タンク２０２、２０４を備えるが、これに限定されない。例えば、燃料電池システム１００は、１つの高圧タンクのみを備えてもよく、３つ以上の高圧タンクを備えてもよい。３つ以上の高圧タンクを備えている場合には、報知制御（図４）におけるステップＳ１０１では、燃料電池システム１００に備えられた全ての高圧タンクの内圧が閾値Ｐ１未満である場合に、内圧条件を満たす（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）と判定される。また、ステップＳ１０２では、燃料電池システム１００に備えられた少なくともいずれか１つの高圧タンクの内圧と内部温度とが、境界線Ｔｈに到達している場合に、高圧タンクの内圧と内部温度とが基準条件を満たしている（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）と判定される。
Ｃ２．第２の他の実施形態
上記実施形態において、二つの高圧タンク２０２、２０４における燃料ガスの消費は、高圧タンク２０２、２０４の内圧が同程度になるように調整されているが、これに限定されない。例えば、一方の高圧タンクのみから燃料ガスを消費し、この高圧タンクの燃料ガス残量が一定の量未満になると、この高圧タンクからの燃料ガスの消費を停止し、他方の高圧タンクからの燃料ガスの消費を開始してもよい。この場合には、報知制御（図４）におけるステップＳ１０１では、最後に消費される高圧タンクの内圧が閾値Ｐ１未満である場合に、内圧条件を満たす（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）と判定される。また、ステップＳ１０２では、最後に消費される高圧タンクの内圧と内部温度とが、境界線Ｔｈに到達している場合に、高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが基準条件を満たしている（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）と判定される。
Ｃ３．第３の他の実施形態
上記実施形態において、制御部８０は、記憶部８２に予め記憶されたデータマップを用いて報知制御を実行しているが、これに限定されない。例えば、記憶部８２に予め定められた基準内部温度および基準内圧の組み合わせをリストとして記憶し、制御部８０は、内部温度および内圧が記憶されているリストに合致する組み合わせがあるか否かを判定してもよい。この場合には、リストに合致する組み合わせであった場合に、制御部８０は、基準条件を満たすと判定してもよい。また例えば、データマップは、記憶部８２に記憶されていなくてもよい。この場合には、制御部８０は、燃料電池システム１００の外部に設けられたサーバ上に記憶されたデータマップを用いて報知制御を実行してもよい。内部温度と内圧とを用いて、樹脂ライナー２１０の収縮量を算出し、収縮量が予め定めた値を以上になった場合に、報知を実行してもよい。また、データマップは、閾値Ｐ１を含んでいてもよい。
Ｃ４．第４の他の実施形態
上記実施形態において、燃料電池システム１００に備えられた高圧タンク２０２、２０４は、それぞれ異なる長さＬや直径Ｒを有していてもよい。この場合において、応力発生領域を決定する際には、複数の高圧タンク２０２、２０４のうち樹脂ライナー２１０への応力が最も発生しやすい高圧タンクを基準に用いることが好ましい。例えば、第１実施形態の場合であれば、樹脂ライナー２１０と補強層２２０との間に隙間が生じやすい方を基準として用いればよい。また例えば、第２実施形態の場合であれば、接着部４１０への集中応力が最も発生しやすい、つまり、直径Ｒが最も小さい高圧タンクを基準とすればよい。この場合には、燃料電池システム１００に備えられた高圧タンク２０２、２０４が、それぞれ異なる長さＬや直径Ｒを有している場合には、例えば燃料電池システム１００を積載した燃料電池車両における高圧タンク２０２、２０４の配置の自由度が向上する。
Ｃ５．第５の他の実施形態
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、内部温度取得部としての温度センサ９３、９４と内圧取得部としての圧力センサ９１、９２とを備えるが、これに限定されない。例えば、燃料電池システム１００は、圧力センサ９１、９２と、内圧を用いて内部温度を推定する温度推定部と、を取得部として備えてもよい。また例えば、燃料電池システム１００は、内部温度を用いて内圧を推定する圧力推定部と、内部温度を計測する温度センサ９３、９４を取得部として備えてもよい。内圧を用いた内部温度の推定および内部温度を用いた内圧の推定には、例えば気体の状態方程式を用いることができる。気体の状態方程式を用いて内圧もしくは内部温度を推定する場合には、高圧タンク２００の内部空間２１６の体積は、内圧や内部空間が変化する場合であっても一定の体積と仮定してもよい。例えば、予め定めた条件（例えば標準状態）における高圧タンク２００の内部空間２１６の体積を気体の状態方程式に当てはめて、内圧もしくは内部温度を推定してもよい。また、この場合において、燃料電池システム１００は、燃料ガスの充填量と燃料ガスの消費量とを用いて高圧タンク２００内の残存燃料ガス量を推定し、内圧や内部温度の推定に用いてもよい。
Ｃ６．第６の他の実施形態
上記実施形態において、温度センサ９３、９４は高圧タンク２０２、２０４内に配置され、圧力センサ９１、９２は燃料ガス供給流路３４に備えられているが、これに限定されない。例えば、温度センサ９３、９４は、燃料ガス供給流路３４に備えられ、制御部８０は、取得された温度に高圧タンク２０２、２０４から排出されてからの温度変化を除去する補正を行うことによって、内部温度を取得してもよい。また例えば、圧力センサ９１、９２は、高圧タンク２０２、２０４内に配置されていてもよい。
Ｃ７．第７の他の実施形態
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、高圧タンク２０２、２０４の内圧と内部温度とが基準条件を満たしている場合に、報知部８４による報知に加えて、発電量を制限する処理を行ってもよい。発電量を制限する処理は、例えば、燃料電池スタック２０へと供給される燃料ガスの量を予め定めた量以下に制限することによって行われてもよい。この場合には、燃料電池システム１００は、基準条件を満たした後において、燃料ガスの消費速度を低減することができる。これにより、燃料電池システム１００は、燃料ガスの消費による高圧タンク２００の内圧の低下と内部温度の低下とを低減できる。発電量を制限する処理を実行する場合には、制御部８０は、報知部８４の動作に加えて、燃料ガス給排機構５０の各構成（例えば、レギュレータ４４とインジェクタ４５と水素ポンプ４６との少なくともいずれか１つ）の動作を制御してもよい。なお、燃料電池システム１００は、高圧タンク２０２、２０４の内圧が内圧条件を満たしている場合においても、発電量を制限する処理を実行してもよい。
以上説明した第１から第７の他の実施形態によれば、上記第１実施形態および第２実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。
Ｃ８．第８の他の実施形態
上記第２実施形態において、接着部４１０は、長手方向における中央部に形成されているが、これに限定されない。例えば、長手方向における中央部に加えて、もしくは、代えて、樹脂ライナー２１０の他の領域において接着されていてもよい。また、接着部４１０は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０とが樹脂ライナー２１０の周方向にわたって接着されているが、これに限定されない。例えば、接着部４１０は、樹脂ライナー２１０と補強層２２０とが樹脂ライナー２１０の周方向の一部において接着されていてもよい。
本開示は、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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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。
２０…燃料電池スタック
３０…レセプタクル
３２…燃料ガス充填流路
３４…燃料ガス供給流路
３６…燃料ガス循環流路
４４…レギュレータ
４５…インジェクタ
４６…水素ポンプ
４７…気液分離器
４８…開閉弁
５０…燃料ガス給排機構
６０…酸化剤ガス給排機構
７０…冷媒循環機構
８０…制御部
８２…記憶部
８４…報知部
９１、９２…圧力センサ
９３、９４…温度センサ
１００…燃料電池システム
２００、２０２、２０４…高圧タンク
２１０…樹脂ライナー
２１１…円筒部
２１２、２１４…ドーム部
２１６…内部空間
２２０…補強層
２２２…第１の口金
２２４…第２の口金
４００…高圧タンク
４１０…接着部
４２１、４２２…主止弁
４３２、４３４…開閉弁

Claims (5)

  1. 燃料ガスを消費して発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
    樹脂ライナーと、前記樹脂ライナーの外表面を覆う補強層と、を有し、内部に前記燃料ガスが充填されている高圧タンクと、
    前記高圧タンクの内圧と、前記高圧タンクの内部の温度である内部温度と、を取得する取得部と、
    前記高圧タンクへの燃料ガスの充填が必要であることを報知する報知部と、
    取得した前記内部温度と前記内圧とを用いて、前記報知部の動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記内部温度及び前記内圧のマップにおいて、前記樹脂ライナーの収縮によって前記樹脂ライナーに付与される応力が前記樹脂ライナーを破損させる可能性があることを示す第１領域と、前記第１領域よりも高温高圧である第２領域とを区画する境界線を設定し、取得した前記内部温度及び前記内圧が前記境界線に到達した場合に、前記報知部に前記燃料ガスの充填が必要であることを報知させる、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    取得した前記内圧が予め定められた閾値に到達した場合には、前記境界線に到達したか否かに拘わらず、前記報知部に前記燃料ガスの充填が必要であることの報知を実行させる、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記樹脂ライナーは、前記樹脂ライナーの長手方向の中央部において前記補強層と接着された接着部を有しており、前記樹脂ライナーの収縮によって前記接着部において前記樹脂ライナーに応力が発生するように構成されている、燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記取得部は、下記（ｉ）から（ｉｉｉ）までのいずれか１つを有する、燃料電池システム。
    （ｉ）前記内圧を取得する圧力センサと、前記内部温度を取得する温度センサ
    （ｉｉ）前記内圧を取得する圧力センサと、取得した前記内圧を用いて前記内部温度を推定することで取得する温度推定部
    （ｉｉｉ）前記内部温度を取得する温度センサと、取得した前記内部温度を用いて前記内圧を推定することで取得する圧力推定部
  5. 燃料ガスを消費して発電を行う燃料電池スタックと、
    樹脂ライナーと、前記樹脂ライナーの外表面を覆う補強層と、を有し、内部に前記燃料ガスが充填されている高圧タンクと、
    前記高圧タンクへの燃料ガスの充填が必要であることを報知する報知部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記高圧タンクの内圧と、前記高圧タンクの内部の温度である内部温度と、を取得し、
    前記内部温度及び前記内圧のマップにおいて、前記樹脂ライナーの収縮によって前記樹脂ライナーに付与される応力が前記樹脂ライナーを破損させる可能性があることを示す第１領域と、前記第１領域よりも高温高圧である第２領域とを区画する境界線を設定し、取得した前記内部温度及び前記内圧が前記境界線に到達した場合に、前記報知部に前記燃料ガスの充填が必要であることを報知させる、
    燃料電池システムの制御方法。
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