JP2021060044A - ガス供給システムおよびガスタンクの内部圧力を推定する方法 - Google Patents

ガス供給システムおよびガスタンクの内部圧力を推定する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガスタンク内のガス圧を検知する精度を高める。【解決手段】ガス供給システムは、ガスタンクと、ガスタンクから供給されるガスの圧力を減圧する非バランス式減圧弁と、減圧弁の二次側の圧力を検出する圧力センサと、減圧弁の二次側の流量を変更する流量変更部と、制御部と、を備える。制御部は、減圧弁の二次側の流量を、第１流量と第２流量との間で変更させ、二次側の流量が第１流量のときの圧力センサの検出値である第１圧力と、二次側の流量が第２流量のときの圧力センサの検出値である第２圧力と、を圧力センサから取得し、第１流量、第２流量、および、第１圧力と前記第２圧力との差分、の関係を用いて、減圧弁の一次側の圧力を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス供給システムおよびガスタンクの内部圧力を推定する方法に関する。
従来、ガス供給システムとして、水素を消費する燃料電池に水素を供給するシステムであって、水素が充填されたガスタンクを備えるシステムが知られている。ガスタンク内のガス残量を推定する方法としては、ガスタンク内の圧力を直接検出するタンク圧センサを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７９１１４号公報
タンク圧センサとしては、満充填時からガス残量が僅かになったときまでガスタンク内の圧力を検出できるように、十分に検出レンジが広いセンサを用いることが望ましい。しかし、センサは、一般に、検出レンジが広いほど検出感度が低くなって、真の値に対する検出値のバラツキ幅が大きくなり得る。そのため、ガスタンク内の圧力を精度良く検出可能な技術が望まれていた。特に、ガスタンク内のガス残量が減少して、ガスタンク内の圧力が比較的低いときに、ガスタンク内の圧力を精度良く検出する技術が望まれていた。
本発明は、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、ガス供給システムが提供される。このガス供給システムは、加圧されたガスを貯蔵するガスタンクと、前記ガスを消費するガス消費装置と前記ガスタンクとを接続するガス供給路と、一次側の圧力の増加に伴い二次側の圧力が変化する非バランス式減圧弁であって、前記ガス供給路に設けられて前記ガスタンクから供給される前記ガスの圧力を減圧する減圧弁と、前記減圧弁の二次側の圧力を検出する圧力センサと、前記減圧弁の二次側の流量を変更する流量変更部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記流量変更部を駆動して、前記減圧弁の二次側の流量を、第１流量と、前記第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、前記二次側の流量が前記第１流量のときの前記圧力センサの検出値である第１圧力と、前記二次側の流量が前記第２流量のときの前記圧力センサの検出値である第２圧力と、を前記圧力センサから取得し、前記第１流量、前記第２流量、および、前記第１圧力と前記第２圧力との差分、の関係を用いて、前記減圧弁の一次側の圧力を推定する。
この形態のガス供給システムによれば、減圧弁の一次側の圧力を推定する際に、減圧弁を非バランス式減圧弁で構成すると共に、減圧弁の二次側の流量を変化させて、圧力センサによって減圧弁の二次側の圧力を検出し、流量変化の前後における二次側の圧力の差分を用いている。このように、減圧弁の二次側の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いて、減圧弁の一次側の圧力を推定するため、減圧弁の一次側に設けたセンサを用いて減圧弁の一次側の圧力を検出する場合に比べて、減圧弁の一次側の圧力を求める精度を高めることができる。そして、減圧弁の一次側の圧力によりガスタンクの内部圧力を求める場合には、ガスタンクの内部圧力を推定する精度を高めることができる。特に、ガスタンクのタンク残量が少なく、減圧弁の一次側の圧力が比較的低いときに、ガスタンクの内部圧力を推定する精度を高めることができる。
（２）上記形態のガス供給システムにおいて、前記第１流量は、前記流量変更部によって変更される前記二次側の流量の最小流量であり、前記第２流量は、前記流量変更部によって変更される前記二次側の流量の最大流量であることとしてもよい。この形態のガス供給システムによれば、減圧弁の一次側の圧力を推定する精度をさらに高めることができる。
（３）上記形態のガス供給システムにおいて、前記制御部は、前記減圧弁の一次側の圧力ごとに、前記減圧弁の二次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の流量と、の関係を予め求めたマップを予め記憶しており、前記マップを参照して、前記圧力センサが検出した前記第１圧力と前記第２圧力との差分が実現されるときの前記減圧弁の一次側の圧力を特定することにより、前記減圧弁の一次側の圧力を推定することとしてもよい。この形態のガス供給システムによれば、予め記憶したマップを参照することにより、減圧弁の一次側の圧力を精度良く推定することができる。
（４）上記形態のガス供給システムにおいて、前記ガスは水素であり、前記減圧弁は、前記ガスタンクから吐出される前記ガスが流入する一次室と、前記一次室から前記ガスが減圧されつつ流入する二次室と、前記一次室内で特定方向に往復移動して、前記一次室と前記二次室とを連通させる連通路を開閉する弁体と、前記弁体と一体で設けられて、前記弁体による前記連通路の開閉時には、前記減圧弁内で前記特定方向に摺動するピストンと、前記ピストンによって前記二次室と区画された大気圧室と、前記一次室に設けられて、前記弁体を、前記弁体の閉方向に付勢する第１スプリングと、前記大気圧室に設けられて、前記ピストンを、前記弁体の開方向に付勢する第２スプリングと、を備え、前記減圧弁の一次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の流量と、の関係は、以下の（１）式で表わされるガス供給システム。
Figure 2021060044
 （式中、Ｐ２は、前記減圧弁の二次側の圧力であり、Ｐ１は、前記減圧弁の一次側の圧力であり、Ｐａｔｍは、大気圧であり、ｋ１は、前記第１スプリングのばね定数であり、ｋ２は、前記第２スプリングのばね定数であり、Ｓ１は、前記連通路における前記特定方向に垂直な断面の断面積であり、Ｓ２は、前記二次室における前記特定方向に垂直な断面の断面積であり、Ｆｋ１は、前記第１スプリングが前記弁体を前記閉方向に付勢する力であり、Ｆｋ２は、前記第２スプリングが前記ピストンを前記開方向に付勢する力であり、Ｆμは、前記ピストンが摺動する際の摩擦力であり、Ｔは、前記減圧弁を流れる前記ガスの温度であり、Ｑは、前記減圧弁の二次側の流量であり、Ｄ１は、前記連通路における前記特定方向に垂直な断面の直径であり、αは、前記連通路を通過して前記ガスが流れる際の有効流路の縮流係数であり、βは、前記連通路に対向する前記弁体の先端部が前記特定方向に垂直な断面との間で成す角度である。）
この形態のガス供給システムによれば、上記（１）式を用いることで、減圧弁の一次側の圧力ごとに、減圧弁の二次側の圧力と減圧弁の二次側の流量との関係を、容易に求めることができる。
（５）上記形態のガス供給システムにおいて、前記制御部は、推定した前記減圧弁の一次側の圧力が、予め定めた基準圧力以下になったときには、前記流量変更部を通じて前記ガス消費装置に供給する前記ガスの流量を制限することとしてもよい。この形態のガス供給システムによれば、精度良く検出した減圧弁の一次側の圧力を用いて、ガス消費装置に供給するガスの流量の制限に係る制御を適切に行なうことができる。
本発明は、ガス供給システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素ガス供給システム、燃料電池システム、ガスタンクを備えるガス供給システムにおける前記ガスタンクの内部圧力を推定する方法、ガス供給システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を表わす説明図。 減圧弁内部構成を模式的に示す説明図。 減圧弁の二次流量と二次圧との関係を表わす説明図。 タンク残量監視処理ルーチンを表わすフローチャート。
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１５の概略構成を表わす説明図である。本実施形態では、燃料電池システム１５は、燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池システム１５は、燃料電池車両に搭載された図示しない駆動モータで用いる電力を発生するための装置である。燃料電池システム１５は、燃料電池６６と、燃料電池６６に対して燃料ガスである水素を供給するためのガス供給システム１０と、を備える。ガス供給システム１０は、水素タンク６０と、供給配管３０と、制御部６８と、を備える。供給配管３０は、水素タンク６０と燃料電池６６とを接続する。供給配管３０は、「ガス供給路」とも呼ぶ。図１では、燃料電池システム１５の構成のうち、燃料電池６６に対する水素の供給に係る部分のみを示す。燃料電池システム１５は、さらに、水素タンク６０に水素を充填するための構成、燃料電池６６からの水素（アノードオフガス）の排出に係る構成、燃料電池６６に対して酸素を含む酸化ガスを流通させる構成、および、燃料電池６６に対して冷媒を流通させる構成を備えるが、これらについては説明を省略する。
燃料電池６６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り、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池６６は、固体高分子形燃料電池であるが、他種の燃料電池を用いてもよい。燃料電池６６を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスである水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸化ガスである空気が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。
水素タンク６０は、燃料電池６６に供給するための加圧された水素を貯蔵する装置である。水素タンク６０は、例えば、樹脂製ライナーの外表面上に、熱硬化性樹脂を含有する繊維を巻回した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を有する樹脂製タンクとすることができる。水素タンク６０は、図示しないバルブ機構が内部に設けられた口金６２を備える。口金６２内のバルブ機構は、水素タンク６０と供給配管３０との間の連通状態を遮断する遮断弁を含む。
本実施形態の水素タンク６０は、満充填時には、内部の圧力が７０ＭＰａ程度となるように水素が充填される。このような高圧ガスタンクにおいては、内部圧力の下限値として最低許容圧力が設定されており、内部圧力が最低許容圧力を下回らないように、タンク残量が管理される。水素タンク６０は、タンク壁に対して常に外部に向かう圧力が加えられることを前提とする構造を有しているため、最低許容圧力は、例えば、このような構造を安定して維持する観点から設定することができる。最低許容圧力は、例えば、１〜２ＭＰａ程度とすることができる。
供給配管３０には、水素流れの上流側から順に、減圧弁５０とインジェクタ部５２とが設けられている。水素タンク６０から供給配管３０に水素が吐出される際の水素の圧力は、水素タンク６０の内部圧力（以下、タンク圧とも呼ぶ）に等しいと考えられ、減圧弁５０は、水素タンク６０から吐出されたこのような高圧の水素を減圧する。減圧弁５０は、例えば、１〜１．５ＭＰａ程度に水素を減圧する。減圧弁５０の構成については、後に詳しく説明する。インジェクタ部５２は、燃料電池６６に供給する水素量を調節する。本実施形態では、インジェクタ部５２は、並列に接続された複数のインジェクタを備える。図１では、並列に接続された３つのインジェクタを示しているが、インジェクタ部５２が備えるインジェクタの数は、１または３以外の複数としてもよく、燃料電池６６に供給する水素量を変更可能であればよい。インジェクタ部５２が備える各々のインジェクタは、内部に電磁弁を備え、この電磁弁の開閉動作によって、水素タンク６０から燃料電池６６に供給する水素量を変更する。本実施形態では、開弁するインジェクタの数を変更することによって、水素タンク６０からの供給水素量を調節する。インジェクタ部５２は、「流量変更部」とも呼ぶ。
供給配管３０内のガス圧を検出するセンサとして、供給配管３０において、減圧弁５０とインジェクタ部５２との間には第１圧力センサ４２が設けられており、減圧弁５０と水素タンク６０との間には第２圧力センサ４０が設けられている。減圧弁５０よりも上流側に配置された第２圧力センサ４０の検出値は、水素タンク６０から水素が吐出されるときには、水素タンク６０内の圧力を示す値となる。そして、減圧弁５０よりも下流側に配置された第１圧力センサ４２の検出値は、第２圧力センサ４０の検出値よりも小さくなる。第２圧力センサ４０を「高圧センサ」とも呼び、第１圧力センサ４２を「中圧センサ」とも呼ぶ。
なお、燃料電池６６内のアノード側流路を流れて燃料電池６６から排出される水素を含有するガス（アノードオフガス）は、例えば、供給配管３０におけるインジェクタ部５２の下流側に導いて、再び燃料電池６６に供給することとしてもよい。
制御部６８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る。制御部６８は、既述した第１圧力センサ４２および第２圧力センサ４０等の各種センサから検出信号を取得して、燃料電池システム１５の各部に駆動信号を出力する。そして、水素タンク６０におけるガス残量を管理する制御や、燃料電池６６の発電量に係る制御を行なう。なお、制御部６８は、燃料電池システム１５に係る制御の全てを一体で行なうのではなく、ガス残量の管理に係る制御を含む個々の制御をそれぞれ別体の制御部（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）で行うこととして、各ＥＣＵ間で情報をやり取りするように構成してもよい。
Ｂ．減圧弁について：
図２は、減圧弁５０の内部構成を模式的に示す説明図である。減圧弁５０は、一次導入路２０と、一次室２４と、連通路２５と、二次室２６と、二次排出路２２と、大気圧室２８と、大気開放路２９と、弁体７０と、貫通部７３と、ピストン７４と、シール部７８と、第１スプリング７２と、第２スプリング７６と、を備える。
一次導入路２０は、水素タンク６０と連通するように、供給配管３０に接続されている。一次室２４は、減圧弁５０の内部において一次導入路２０に連通して設けられ、水素タンク６０から吐出される水素が流入する空間である。一次室２４の外壁は、円筒状に形成されている。連通路２５は、一次室２４に連続して設けられ、円筒状の外壁を有し、一次室２４よりも内径が小さく形成されている。二次室２６は、連通路２５に連続して設けられ、連通路２５を介して一次室２４から水素が減圧されつつ流入する空間であり、連通路２５よりも内径が大きな円筒状の外壁内に形成されている。二次排出路２２は、二次室２６に連通して設けられ、インジェクタ部５２と連通するように、供給配管３０に接続されている。大気圧室２８は、二次室２６と共通する円筒状の外壁内に形成される空間であり、ピストン７４によって二次室２６と区画されている。大気開放路２９は、大気圧室２８を、減圧弁５０の外部に連通させて、大気圧室２８を大気開放する。図２では、一次室２４、連通路２５、二次室２６、および大気圧室２８に共通する中心線を、減圧弁５０の軸線Ｏとして表わしている。軸線Ｏに平行な方向を、「軸線方向」あるいは「特定方向」とも呼ぶ。
弁体７０は、一次室２４内に配置されて、一次室２４内で軸線方向に往復移動し、一次室２４の外壁の内側における連通路２５との境界に対して当接と離間とを繰り返して、連通路２５を開閉する。軸線方向において、連通路２５が開くときの弁体７０の移動方向を「開方向」とも呼び、連通路が閉じるときの弁体７０の移動方向を「閉方向」とも呼ぶ。弁体７０における連通路２５に対向する先端部は、二次室２６側に向かって一定の傾きで縮径する円錐台形状を有している。貫通部７３は、弁体７０に連続して設けられ、連通路２５を貫通するように配置され、中心軸が軸線Ｏと重なる円柱形状を有し、軸線方向に垂直な断面の直径が、連通路２５の内径よりも小さく形成されている。ピストン７４は、貫通部７３に連続して設けられ、二次室２６および大気圧室２８が形成される円筒状の外壁内に配置され、中心軸が軸線Ｏと重なる円柱形状を有し、軸線方向に垂直な断面の直径が、上記円筒状の外壁の内径よりも若干小さく形成されている。シール部７８は、ピストン７４の側面に固定されたリング状の部材である。シール部７８は、上記円筒状の外壁内においてピストン７４が軸線方向に摺動することを許容しつつ、上記円筒状の外壁の内側と接触し、二次室２６と大気圧室２８との間をシールする。連通路２５の開閉時には、弁体７０と貫通部７３とピストン７４とが一体で、軸線方向に往復移動する。
第１スプリング７２は、一次室２４内において、一次室２４の外壁と弁体７０とに接続して設けられており、弁体７０を閉方向に付勢する。第２スプリング７６は、大気圧室２８において、大気圧室２８の外壁とピストン７４とに接続して設けられており、ピストン７４を開方向に付勢する。
減圧弁５０においては、弁体７０が連通路２５を閉じる閉方向に働く力として、第１スプリング７２が弁体７０を閉方向に付勢する力であるＦｋ１と、一次室２４にかかる減圧弁５０の一次側の圧力（以下、一次圧Ｐ１とも呼ぶ）が弁体７０を閉方向に押す力であるＦＰＨと、二次室２６にかかる減圧弁５０の二次側の圧力（以下、二次圧Ｐ２とも呼ぶ）がピストン７４を閉方向に押す力であるＦＰＬと、が存在する。また、減圧弁５０においては、弁体７０が連通路２５を開く開方向に働く力として、第２スプリング７６がピストン７４を開方向に付勢する力であるＦｋ２と、大気圧室２８にかかる大気圧がピストン７４を開方向に押す力であるＦａｔｍと、が存在する。また、減圧弁５０においては、弁体７０と貫通部７３とピストン７４とが一体で軸線方向に往復移動する際に、移動の方向に応じて向きが変わる力として、二次室２６および大気圧室２８の外壁の内部とシール部７８との間の摩擦力Ｆμが生じる。
減圧弁５０は、上記した閉方向に働く力の合計と、開方向に働く力の合計とが釣り合うように動作することで、一次室２４に流入した高圧のガスを減圧して二次室２６に流す。例えば、弁体７０が連通路２５を閉じると、一次室２４からの高圧ガスの流入がなくなることにより二次室２６の圧力が低下し、閉方向に働く力ＦＰＬが小さくなる。その結果、閉方向に働く力の合計よりも開方向に働く力の合計の方が大きくなり、弁体７０等が開方向に移動して連通路２５が開かれる。すると、二次室２６の圧力が上昇して、閉方向に働く力ＦＰＬが大きくなる。その結果、閉方向に働く力の合計の方が開方向に働く力の合計よりも大きくなり、弁体７０等が閉方向に移動して連通路２５が閉じられる。
本実施形態の減圧弁５０は、ピストン式の非バランス式減圧弁である。バランス式減圧弁では二次圧が一定に調節されるのに対し、非バランス式減圧弁では、一次圧の増加に伴い二次圧が変化する。すなわち、非バランス式減圧弁とは、一次圧の増加に伴い二次圧が増加あるいは減少する性質を示す減圧弁である。本実施形態の減圧弁５０は、一次圧の増加に伴い、減圧弁５０の二次側の流量がゼロのときの二次圧が減少する。減圧弁５０において、二次室２６から排出されるガスの流量である二次流量（以下、二次流量Ｑとも呼ぶ）を変化させると、二次圧Ｐ２と二次流量Ｑとの間には、一定の関係が成り立つ。具体的には、二次流量Ｑが増加するほど二次圧Ｐ２が低下する。
図３は、減圧弁５０の二次流量と二次圧との関係を表わす説明図である。図３において、横軸は二次流量Ｑを表わし、縦軸は二次圧Ｐ２を表わす。図３に示すように、減圧弁５０の二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係は、一次関数で近似することができる。このような二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係は、減圧弁５０の一次圧Ｐ１によって変化する。図３では、二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係として、減圧弁５０の一次圧Ｐ１が５．０ＭＰａの場合と、２．０ＭＰａの場合とを例示している。図３に示すように、一次圧Ｐ１が低いほど、二次流量Ｑの変化量に対する二次圧Ｐ２の変化量の傾きが大きくなる。これは、一次圧Ｐ１が低圧になるほど、一次室２４から二次室２６へのガス供給能力が低下して、二次流量Ｑの変動に対する二次圧Ｐ２の変動の感度が高まるためと考えられる。
本実施形態の燃料電池システム１５では、一次圧Ｐ１が低圧になるほど、二次流量Ｑの変動に対する二次圧Ｐ２の変動の感度が高まるという上記した性質を利用して、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定している。具体的には、まず、一次圧Ｐ１ごとに、二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係を求めておく。そして、二次流量Ｑを、第１流量と、第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力と、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力と、を検出する。そして、第１流量、第２流量、および、第１圧力と第２圧力との差分、の関係を用いて、一次圧Ｐ１を推定している。
例えば、図３において、減圧弁５０の一次圧Ｐ１が５．０ＭＰａの場合には、二次流量Ｑが０のときの二次圧Ｐ２はＰａ０となり、二次流量ＱがＱ１に増加したときの二次圧Ｐ２はＰａ１となる。そのため、二次流量Ｑが０からＱ１に増加したときの二次圧Ｐ２の変化量ΔＰａは、「Ｐａ０−Ｐａ１」と表わすことができる。また、図３において、減圧弁５０の一次圧Ｐ１が２．０ＭＰａの場合には、二次流量Ｑが０のときの二次圧Ｐ２はＰｂ０となり、二次流量ＱがＱ１に増加したときの二次圧Ｐ２はＰｂ１となる。そのため、二次流量Ｑが０からＱ１に増加したときの二次圧Ｐ２の変化量ΔＰｂは、「Ｐｂ０−Ｐｂ１」と表わすことができる。このように、一次圧Ｐ１ごとの、二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係が予め分かっていれば、二次流量Ｑが０からＱ１に増加したときの二次圧Ｐ２の変化量から、一次圧Ｐ１を推定することができる。
本実施形態の燃料電池システム１５は、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を種々変更したときの二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係を、予め制御部６８内の記憶部に記憶している。図３に示したような、一次圧Ｐ１ごとの二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係は、例えば、実験により求めることとしてもよく、あるいは、シミュレーションにより求めてもよい。また、図２に示したように、減圧弁５０においては、閉方向に働く力であるＦｋ１、ＦＰＨ、およびＦＰＬの合計と、開方向に働く力であるＦｋ２とＦａｔｍとの合計と、シール部７８による摩擦力Ｆμと、が釣り合うように動作している。そのため、これらの力の関係から、二次圧Ｐ２と、一次圧Ｐ１および二次流量Ｑとの関係は、例えば、以下に（１）式として示す近似式により表わすことができる。このようにして求めた上記関係は、例えば、マップとして記憶しておけばよい。
Figure 2021060044
なお、（１）式において、Ｐａｔｍは、大気圧である。ｋ１は、第１スプリング７２のばね定数である。ｋ２は、第２スプリング７６のばね定数である。Ｓ１は、連通路２５における軸線方向に垂直な断面の断面積である。Ｓ２は、二次室２６における軸線方向に垂直な断面の断面積である。Ｆｋ１は、第１スプリング７２が弁体７０を閉方向に付勢する力である。Ｆｋ２は、第２スプリング７６がピストン７４を開方向に付勢する力である。Ｆμは、ピストン７４が摺動する際の摩擦力である。Ｔは、減圧弁５０を流れるガスの温度である。Ｄ１は、連通路２５における軸線方向に垂直な断面の直径である。αは、連通路２５を通過してガスが流れる際の有効流路の縮流係数である。βは、連通路２５に対向する弁体７０の先端部が軸線方向に垂直な断面との間で成す角度である（図２参照）。
Ｃ．タンク圧の検出を伴う制御：
図４は、本実施形態の燃料電池システム１５の制御部６８で実行されるタンク残量監視処理ルーチンを表わすフローチャートである。燃料電池システム１５では、水素タンク６０の残量を監視して、水素タンク６０の残量が、予め定めた下限値を下回らないように、水素の使用状態が制御される。本ルーチンは、燃料電池システム１５を始動される指示が入力されたとき、具体的には、燃料電池車両のスタートスイッチ（図示せず）が押されたときに起動されて、燃料電池システム１５の稼働中に実行される。
図４の残量監視処理ルーチンが起動されると、制御部６８のＣＰＵは、高圧センサである第２圧力センサ４０の検出値ＰＨを取得する（ステップＳ１００）。そして、制御部６８のＣＰＵは、取得した検出値ＰＨと、予め定めた第１使用時下限圧ＰＨ１とを比較する（ステップＳ１１０）。第２圧力センサ４０の検出値ＰＨは、減圧弁５０の一次圧Ｐ１であって、供給配管３０に水素を吐出する水素タンク６０の内部の圧力を示す。第１使用時下限圧ＰＨ１とは、水素タンク６０の残量が低下したことを判断するための値として予め設定された値である。この第１使用時下限圧ＰＨ１は、後述する第２使用時下限圧ＰＨ２および第３使用時下限圧ＰＨ３よりも、大きな値として設定されている。
燃料電池システム１５が始動されて燃料電池６６が発電を開始すると、水素タンク６０内の水素が消費されて水素タンク６０内の圧力が次第に低下し、第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが次第に低下する。第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが第１使用時下限圧ＰＨ１よりも大きいときには（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、検出値ＰＨが第１使用時下限圧ＰＨ１に低下するまで、ステップＳ１００およびステップＳ１１０の動作を繰り返す。
第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが第１使用時下限圧ＰＨ１以下であると判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、燃料電池６６に対する水素の供給を行ないつつ、燃料電池６６による水素の使用量を制限するように制御を変更する（ステップＳ１２０）。例えば、燃料電池６６からの出力（燃料電池６６が発電する電力）を、通常発電値の最大値の８０％以下に制限するように、制御変更する。ステップＳ１００〜ステップＳ１２０の動作は必須ではないが、水素タンク６０における水素残量がある程度低下したときにガスの使用を制限することにより、燃料電池６６が発電可能である時間や燃料電池車両が走行可能である時間を延ばすことができるため望ましい。ガスの使用を制限する際には、ガスの使用や燃料電池出力が制限されていることを、燃料電池システム１５の使用者が認識可能となるように、表示や音声により報知することが望ましい。
その後、制御部６８のＣＰＵは、第２圧力センサ４０の検出値ＰＨを取得し（ステップＳ１３０）、取得した検出値ＰＨと、予め定めた第２使用時下限圧ＰＨ２とを比較する（ステップＳ１４０）。水素タンク６０においては、タンク内の圧力の下限値として、既述した最低許容圧力が定められている。そして、最低許容圧力に対して、第２圧力センサ４０の検出感度に起因する誤差を加味して、第２使用時下限圧ＰＨ２が定められている。すなわち、第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが第２使用時下限圧ＰＨ２を下回らないようにすれば、水素タンク６０内の圧力の真の値が最低許容圧力を下回らないように、最低許容圧力に対して余裕を持たせた値として、第２使用時下限圧ＰＨ２が設定されている。第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが第２使用時下限圧ＰＨ２よりも大きいときには（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、検出値ＰＨが第２使用時下限圧ＰＨ２に低下するまで、ステップＳ１３０およびステップＳ１４０の動作を繰り返す。
第２圧力センサ４０の検出値ＰＨが第２使用時下限圧ＰＨ２以下であると判断すると（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、中圧センサである第１圧力センサ４２の検出値ＰＭを用いて、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定する動作を行なう（ステップＳ１５０）。第１圧力センサ４２の検出値ＰＭは、減圧弁５０の二次圧Ｐ２を示す。ステップＳ１５０では、図３を用いて説明したように、二次流量Ｑを、第１流量と、第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力と、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力と、の差分を求めて、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定する。
図３に示すように、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力と、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力と、の差分は、第１流量と第２流量の差が大きいほど大きくなる。そして、第１圧力と第２圧力との差分が大きいほど、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定する感度を高めることができる。本実施形態では、流量変更部であるインジェクタ部５２によって、二次流量Ｑを変更することができる。そこで、本実施形態では、変更前の二次流量Ｑである第１流量は、インジェクタ部５２によって変更される二次流量Ｑの最小流量としており、変更後の二次流量Ｑである第２流量は、インジェクタ部５２によって変更される二次流量Ｑの最大流量としている。具体的には、インジェクタ部５２が備える全てのインジェクタを閉弁したとき、すなわち、流量０を、変更前の流量である第１流量としている。また、インジェクタ部５２が備える全てのインジェクタを開弁したときの二次流量Ｑを、変更後の流量である第２流量としている。第１圧力センサ４２を用いて、まず、全てのインジェクタを閉弁した状態で第１圧力センサ４２の検出値ＰＭを取得し、その後、全てのインジェクタを開弁して第１圧力センサ４２の検出値ＰＭを取得する。そして、二次流量Ｑの変更の前後における検出値ＰＭの差分を求め、既述したマップを参照して、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定する。すなわち、既述したマップを参照して、二次流量Ｑの変更の前後における第１圧力センサ４２の検出値ＰＭの差分が実現されるときの一次圧Ｐ１を特定することにより、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定する。
例えば、変更前の二次流量Ｑである第１流量がゼロであり、変更後の二次流量Ｑである第２流量が図３に示す流量Ｑ１である場合に、制御部６８のＣＰＵは、算出した上記差分がΔＰａの値と等しければ、減圧弁５０の一次圧Ｐ１は５．０ＭＰａであると推定する。そして、上記差分がΔＰｂの値と等しければ、減圧弁５０の一次圧Ｐ１は２．０ＭＰａであると推定する。
減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定すると、制御部６８のＣＰＵは、推定した一次圧Ｐ１と、予め定めた第３使用時下限圧ＰＨ３とを比較する（ステップＳ１６０）。第３使用時下限圧ＰＨ３とは、水素タンク６０の既述した最低許容圧力に対して、第１圧力センサ４２の検出感度に起因するタンク圧の推定誤差を加味して定めた値である。すなわち、第１圧力センサ４２の検出値ＰＭを用いて推定した一次圧Ｐ１が第３使用時下限圧ＰＨ３を下回らないようにすれば、水素タンク６０内の圧力の真の値が最低許容圧力を下回らないように、最低許容圧力に対して余裕を持たせた値として、第３使用時下限圧ＰＨ３が設定されている。第１圧力センサ４２は減圧弁５０で減圧されたガスを検出対象とするため、第１圧力センサ４２としては、減圧弁５０の上流に設けられた第２圧力センサ４０よりも、検出レンジが狭く検出感度が高い圧力センサが用いられている。そのため、第３使用時下限圧ＰＨ３は、既述した第２使用時下限圧ＰＨ２よりも、最低許容圧力に対するセンサの誤差を加味した上乗せ分が小さく、第２使用時下限圧ＰＨ２よりも小さな値が設定されている。第３使用時下限圧ＰＨ３は、「基準圧力」とも呼ぶ。一次圧Ｐ１の推定値が第３使用時下限圧ＰＨ３よりも大きいときには（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、一次圧Ｐ１の推定値が第３使用時下限圧ＰＨ３に低下するまで、ステップＳ１５０およびステップＳ１６０の動作を繰り返す。
一次圧Ｐ１の推定値が第３使用時下限圧ＰＨ３以下であると判断すると（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、ガスの使用を禁止して、すなわち、燃料電池６６における水素を用いた発電を禁止して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。燃料電池６６の発電を禁止する際には、制御部６８のＣＰＵは、インジェクタ部５２を通じた燃料電池６６への水素の供給を停止する。
ステップＳ１７０でガスの使用を禁止した後は、燃料電池システム１５を搭載する燃料電池車両においては、燃料電池６６以外の駆動用電源（例えば二次電池等の蓄電装置）のみを用いた走行が可能になる。また、ステップＳ１７０においてガスの使用を禁止する際には、水素ガスの使用や燃料電池による発電が行なわれないことを、燃料電池システム１５の使用者が認識可能となるように、表示や音声により報知することが望ましい。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１５によれば、減圧弁５０の二次流量Ｑを、第１流量と第２流量との間で変更させ、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力を示す第１圧力センサ４２の検出値ＰＭと、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力を示す第１圧力センサ４２の検出値ＰＭと、の差分を求めて、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定している。すなわち、水素タンク６０の残量が減少したときには、高圧センサである第２圧力センサ４０の検出値ＰＨに代えて、検出レンジが狭く検出感度が高い中圧センサである第１圧力センサ４２の検出値ＰＭを用いて、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定している。そのため、一次圧Ｐ１の真の値に対するバラツキを抑えた推定値を得て、一次圧Ｐ１の検出精度を高めることができる。
特に、水素タンク６０の残量が減少して、一次圧Ｐ１がタンク圧の下限値に近づいて比較的小さい値となったときには、図３に示すように、二次流量Ｑを変化させたときの二次圧Ｐ２の変化量が大きくなる。そのため、検出レンジが狭く検出感度が高い中圧センサである第１圧力センサ４２を用いて、上記二次圧Ｐ２の変化量を測定することにより、一次圧Ｐ１を精度良く推定することができる。その結果、推定した一次圧Ｐ１を水素タンク６０のタンク圧として水素タンク６０の残量を判断する際に、推定したタンク圧が下限値（第３使用時下限圧ＰＨ３）に低下したと判断する時点における、タンク圧の真の値の下限値（最低許容圧力）に対する過剰分を、抑えることができる。そして、水素タンク６０内の水素を、より多く使用可能となるため、燃料電池システム１５を搭載する燃料電池車両の航続距離を伸ばし、燃費を向上させることができる。
Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記実施形態では、図３に示すように、取り得る二次流量Ｑの値に対応する二次圧Ｐ２の値を、一次圧Ｐ１毎に求めたマップを用いているが、異なる構成としてもよい。二次流量Ｑを、第１流量と、第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力と、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力と、の差分を求めて、第１流量、第２流量、および、上記差分の関係を用いて、一次力Ｐ１を推定できればよい。例えば、二次流量Ｑが第１流量のときの二次圧Ｐ２である第１圧力と、二次流量Ｑが第２流量のときの二次圧Ｐ２である第２圧力と、の差分と、一次圧Ｐ１との対応関係のみをマップとして記憶してもよい。あるいは、二次流量Ｑが第１流量から第２流量に増加するのに伴って二次圧Ｐ２が低下するときの変化量の傾きと、一次圧Ｐ１との対応関係のみをマップとして記憶してもよい。
（Ｄ２）上記実施形態では、一次圧Ｐ１を推定するために二次流量Ｑを変更する際の第１流量は、流量変更部によって変更される二次流量Ｑの最小流量としており、第２流量は、流量変更部によって変更される二次流量の最大流量としているが、異なる構成としてもよい。減圧弁５０の二次流量Ｑを、第１流量と、第１流量とは異なる第２流量との間で変更させて、それぞれの流量に対応する二次圧Ｐ２を検出すれば、同様にして一次圧Ｐ１を推定することができる。ただし、推定の精度を向上させるためには、第１流量と第２流量の差が大きい方が望ましい。
（Ｄ３）上記実施形態では、流量変更部を、複数のインジェクタを備えるインジェクタ部５２としたが、異なる構成としてもよい。流量変更部は、減圧弁５０の二次側の流量を、第１流量と、第１流量とは異なる第２流量との間で変更可能であればよい。例えば、下流側に流すガス流量を任意の流量に調節可能な流量調整弁によって流量変更部を構成してもよい。実施形態で用いたインジェクタ部５２は、インジェクタが閉状態から開状態に変更する動作によって、すなわち、二次流量Ｑの増加を伴う動作によって、流量制御を行なうが、二次流量Ｑの減少を伴う動作によって流量制御する流量変更部を用いてもよい。この場合には、ステップＳ１５０において、二次流量Ｑを第１流量と第２流量との間で変更させる際に、二次流量Ｑを増加させるのではなく減少させて、減圧弁５０の一次圧Ｐ１を推定すればよい。すなわち、二次流量Ｑの変化前の流量である第１流量よりも、変化後の流量である第２流量を、少なくすればよい。このとき、減圧弁５０において、二次流量Ｑと二次圧Ｐ２との関係を示す特性が、二次流量Ｑを減少させる場合と増加させる場合とで異なるならば、例えば、ステップＳ１５０で用いるマップとして、二次流量Ｑの増減の態様に応じたマップを用意すればよい。
（Ｄ４）既述した（１）式に示したように、減圧弁５０において二次圧Ｐ２や二次流量Ｑと一次圧Ｐ１との関係は、ガス温度の影響を受ける。そのため、例えば、ステップＳ１５０で用いるマップとして、さらにガス温度をパラメータとして有するマップを用いてもよい。この場合には、燃料電池システム１５において、減圧弁５０を流れる水素の温度を検出する温度センサをさらに設けて、ステップＳ１５０において一次圧Ｐ１を推定する際には、さらに、上記温度センサが検出したガス温度を用いることとしてもよい。
（Ｄ５）実施形態では、減圧弁５０は、ピストン式の非バランス式減圧弁としたが、異なる構成としてもよい。減圧弁５０は、一次圧の増加に伴い二次圧が変化する非バランス式減圧弁であればよく、例えば、ダイヤフラム式減圧弁であってもよい。また、直動式減圧弁やパイロット式減圧弁など、種々の態様を採用可能である。
（Ｄ６）実施形態では、ステップＳ１７０において、燃料電池６６における水素を用いた発電を禁止して、燃料電池６６に対する水素の供給を停止しているが、異なる構成としてもよい。すなわち、ステップＳ１７０では、燃料電池６６に対して供給する水素の流量を制限すればよく、燃料電池６６に対する水素の供給の停止に限らず、燃料電池６６に対して供給する水素の流量および燃料電池６６における発電量の上限値を、さらに減少させるように制御変更してもよい。
（Ｄ７）実施形態では、燃料電池システム１５がガス供給システム１０を備えることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池６６以外の水素消費装置、例えば、水素エンジンを備えるシステムにおいて、水素消費装置に水素を供給するためにガス供給システム１０を用いることとしてもよい。また、ガス供給システム１０が備えるガスタンクに蓄えるガスは、水素以外のガスであってもよい。ガス消費装置に対してガスを供給するガス供給システムにおいて、ガスタンクとガス消費装置とを接続するガス供給路に、非バランス式減圧弁とガスセンサとを、ガス流れの上流側からこの順序で配置することで、同様の動作を行ない、同様の効果を得ることができる。
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、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。
１０…ガス供給システム、１５…燃料電池システム、２０…一次導入路、２２…二次排出路、２４…一次室、２５…連通路、２６…二次室、２８…大気圧室、２９…大気開放路、３０…供給配管、４０…第２圧力センサ、４２…第１圧力センサ、５０…減圧弁、５２…インジェクタ部、６０…水素タンク、６２…口金、６６…燃料電池、６８…制御部、７０…弁体、７２…第１スプリング、７３…貫通部、７４…ピストン、７６…第２スプリング、７８…シール部

Claims (6)

  1. ガス供給システムであって、
    加圧されたガスを貯蔵するガスタンクと、
    前記ガスを消費するガス消費装置と前記ガスタンクとを接続するガス供給路と、
    一次側の圧力の増加に伴い二次側の圧力が変化する非バランス式減圧弁であって、前記ガス供給路に設けられて前記ガスタンクから供給される前記ガスの圧力を減圧する減圧弁と、
    前記減圧弁の二次側の圧力を検出する圧力センサと、
    前記減圧弁の二次側の流量を変更する流量変更部と、
    制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記流量変更部を駆動して、前記減圧弁の二次側の流量を、第１流量と、前記第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、
    前記二次側の流量が前記第１流量のときの前記圧力センサの検出値である第１圧力と、前記二次側の流量が前記第２流量のときの前記圧力センサの検出値である第２圧力と、を前記圧力センサから取得し、
    前記第１流量、前記第２流量、および、前記第１圧力と前記第２圧力との差分、の関係を用いて、前記減圧弁の一次側の圧力を推定する
    ガス供給システム。
  2. 請求項１に記載のガス供給システムであって、
    前記第１流量は、前記流量変更部によって変更される前記二次側の流量の最小流量であり、
    前記第２流量は、前記流量変更部によって変更される前記二次側の流量の最大流量である
    ガス供給システム。
  3. 請求項１または２に記載のガス供給システムであって、
    前記制御部は、
    前記減圧弁の一次側の圧力ごとに、前記減圧弁の二次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の流量と、の関係を予め求めたマップを予め記憶しており、
    前記マップを参照して、前記圧力センサが検出した前記第１圧力と前記第２圧力との差分が実現されるときの前記減圧弁の一次側の圧力を特定することにより、前記減圧弁の一次側の圧力を推定する
    ガス供給システム。
  4. 請求項３に記載のガス供給システムであって、
    前記ガスは水素であり、
    前記減圧弁は、
    前記ガスタンクから吐出される前記ガスが流入する一次室と、
    前記一次室から前記ガスが減圧されつつ流入する二次室と、
    前記一次室内で特定方向に往復移動して、前記一次室と前記二次室とを連通させる連通路を開閉する弁体と、
    前記弁体と一体で設けられて、前記弁体による前記連通路の開閉時には、前記減圧弁内で前記特定方向に摺動するピストンと、
    前記ピストンによって前記二次室と区画された大気圧室と、
    前記一次室に設けられて、前記弁体を、前記弁体の閉方向に付勢する第１スプリングと、
    前記大気圧室に設けられて、前記ピストンを、前記弁体の開方向に付勢する第２スプリングと、
    を備え、
    前記減圧弁の一次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の圧力と、前記減圧弁の二次側の流量と、の関係は、以下の（１）式で表わされるガス供給システム。
    Figure 2021060044
     （式中、ＰＬは、前記減圧弁の二次側の圧力であり、ＰＨは、前記減圧弁の一次側の圧力であり、Ｐａｔｍは、大気圧であり、ｋ１は、前記第１スプリングのばね定数であり、ｋ２は、前記第２スプリングのばね定数であり、Ｓ１は、前記連通路における前記特定方向に垂直な断面の断面積であり、Ｓ２は、前記二次室における前記特定方向に垂直な断面の断面積であり、Ｆｋ１は、前記第１スプリングが前記弁体を前記閉方向に付勢する力であり、Ｆｋ２は、前記第２スプリングが前記ピストンを前記開方向に付勢する力であり、Ｆμは、前記ピストンが摺動する際の摩擦力であり、Ｔは、前記減圧弁を流れる前記ガスの温度であり、Ｑは、前記減圧弁の二次側の流量であり、Ｄ１は、前記連通路における前記特定方向に垂直な断面の直径であり、αは、前記連通路を通過して前記ガスが流れる際の有効流路の縮流係数であり、βは、前記連通路に対向する前記弁体の先端部が前記特定方向に垂直な断面との間で成す角度である。）
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のガス供給システムであって、
    前記制御部は、推定した前記減圧弁の一次側の圧力が、予め定めた基準圧力以下になったときには、前記流量変更部を通じて前記ガス消費装置に供給する前記ガスの流量を制限する
    ガス供給システム。
  6. 加圧されたガスを貯蔵するガスタンクを備えるガス供給システムにおける前記ガスタンクの内部圧力を推定する方法であって、
    前記ガス供給システムは、さらに、
    前記ガスを消費するガス消費装置と前記ガスタンクとを接続するガス供給路と、
    一次側の圧力の増加に伴い二次側の圧力が変化する非バランス式減圧弁であって、前記ガス供給路に設けられて前記ガスタンクから供給される前記ガスの圧力を減圧する減圧弁と、
    前記減圧弁の二次側の圧力を検出する圧力センサと、
    前記減圧弁の二次側の流量を変更する流量変更部と、
    を備え、
    前記流量変更部を駆動して、前記減圧弁の二次側の流量を、第１流量と、前記第１流量とは異なる第２流量との間で変更させ、
    前記二次側の流量が前記第１流量のときの前記圧力センサの検出値である第１圧力と、前記二次側の流量が前記第２流量のときの前記圧力センサの検出値である第２圧力と、を前記圧力センサから取得し、
    前記第１流量、前記第２流量、および、前記第１圧力と前記第２圧力との差分、の関係を用いて、前記減圧弁の一次側の圧力を推定する
    方法。
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