JP4139311B2 - 遮断弁の開閉状態判定システム及び遮断弁の開閉状態判定方法 - Google Patents
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Description
また、ガス消費機器とは、燃料ガスを消費して別のエネルギーに変換して出力するものであり、その例として、後記する第1実施形態から第4実施形態では、ガス消費機器を燃料電池とした場合について説明し、第5実施形態ではCNGエンジンとした場合について説明する。
また、遮断弁への閉弁指令がなされた後、燃料ガス消費量算出部は、出力検出器が検出したガス消費機器の単位時間当たりの運転出力に基づき、所定の計算式に従い、又は、ガス消費機器における運転出力と燃料ガス消費量との関連を記憶したテーブルに従って、ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を算出する。
一方、前記燃料ガスの消費に伴って、燃料ガス供給部位内の燃料ガスの圧力は変化する。この圧力変化は、燃料ガス圧力検出器により、燃料ガス供給部位毎に、単位時間当たりの圧力変化データとして検出される。燃料ガス供給量算出部は、圧力変化データと、圧力検出位置に対応する各燃料ガス供給部位の容積データとに基づいて、遮断弁が閉じていると仮定したときのガス消費機器に供給された燃料ガス供給量を算出する。
そこで、遮断弁開閉状態判定部は、燃料ガス消費量と燃料ガス供給量とを比較して、遮断弁の開閉状態を判定する。
このようにして、遮断弁の開閉状態、つまり遮断弁が実際に閉じているか否かを、確実かつ容易に判定することができる。
そして、ガス消費機器の単位時間当たりの運転出力に基づき、所定の計算式に従い、又は、ガス消費機器における運転出力と燃料ガス消費量との関連を記憶したテーブルに従って、ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を算出する。
一方、前記燃料ガスの消費に伴って、燃料ガス供給部位内の燃料ガスの圧力は変化し、単位時間当たりの圧力変化と、対応する各燃料ガス供給部位の容積とに基づいて、遮断弁が閉じていると仮定したときのガス消費機器に供給された燃料ガス供給量を算出する(第2工程)。
このように算出した燃料ガス消費量と燃料ガス供給量とを比較して、遮断弁が実際に閉じているか否かを、確実かつ容易に判定することができる(第3工程)。
前記ガス消費機器は、燃料電池であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の遮断弁の開閉状態判定方法である。
すなわち、請求項1に係る発明によれば、遮断弁への閉弁指令がなされた後、燃料ガス消費量と燃料ガス供給量とを比較することで、遮断弁が実際に閉じているか否かを、確実かつ容易に判定することができる。
また、請求項2に係る発明によれば、燃焼ガス流量検出器により、ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を直接検出することができる。
さらに、請求項3に係る発明によれば、遮断弁への閉弁指令がなされた後、燃料電池の運転を継続することで、遮断弁の開閉状態を確実かつ容易に判定することができる。
さらにまた、請求項4に係る発明によれば、遮断弁に閉弁指令を発した後、燃料ガス消費量と燃料ガス供給量とを比較することで、遮断弁の開閉状態を確実かつ容易に判定することができる
また、請求項5に係る発明によれば、ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を直接的に取得することができる。
さらに請求項6に係る発明によれば、遮断弁に閉弁指令を発した後、燃料電池の運転を継続することで、遮断弁の開閉状態を確実かつ容易に判定することができる。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
まず、第1実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムについて、図1から図4を参照して説明する。
参照する図面において、図1は、第1実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムの全体構成を示す図である。図2は、図1に示す遮断弁開閉状態判定手段の構成を模式的に示す図である。図3は、図1に示す燃料電池の水素ガス消費量と運転出力との関係を示すグラフである。図4は、図1に示す遮断弁の開閉状態判定システムの動作を示すフローチャートである。
図1に示すように、第1実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムS1は、水素タンク(燃料ガス供給源)及び燃料電池6(ガス消費機器)を有する燃料電池自動車(図示しない)に搭載されており、上流側の水素タンク5と下流側の燃料電池6とを連通する燃料ガス供給配管10と、水素タンク5から燃料電池6に向かって、燃料ガス供給配管10上に順に設けられた遮断弁21及び減圧弁22と、圧力センサ41及び圧力センサ42(燃料ガス圧力検出器)と、電流計53及び電圧計54(出力検出器)と、遮断弁開閉状態判定手段70を備えて構成されている。
燃料ガス供給配管10は、遮断弁21と燃料電池6との間で、減圧弁22により分断されており、減圧弁22の上流側の燃料ガス供給部位31と、減圧弁22の下流側の燃料ガス供給部位32を有している。つまり、燃料ガス供給配管10は、燃料ガス供給部位31に対応する燃料配管11と、燃料ガス供給部位32に対応する燃料配管12とから構成されている。
水素タンク5は、本発明では特に限定されないが、耐久性、耐圧性を考慮するとステンレス製であることが好ましい。水素タンク5の内部には、高圧の水素ガスが充填されている。
燃料電池6の種類は、本発明では特に限定されないが、第1実施形態では固体高分子電解質形燃料電池(PEFC)としている。燃料電池6は、内部に膜電極複合体(MEA)7により仕切られたアノード(燃料極)側の水素流路6aと、カソード(空気極)側の酸素流路6bとを有している。
そして、上流側の水素タンク5から、順に、遮断弁21、燃料配管11、減圧弁22、燃料配管12を経由して、水素流路6aに水素ガスを供給可能となっている。水素流路6aの下流側では、配管61、止め弁62を介して、未反応の水素ガスを排出可能となっている。
酸素流路6bの供給側には、酸素ガスを含む空気を圧縮する空気ポンプ91と、加湿器92が配設されている。これらにより圧縮し加湿された酸素ガスを含む空気を、酸素流路6bに供給可能となっている。酸素流路6bの下流側には、配管94、止め弁95が順に配設されており、未反応の酸素ガスを含む空気を排出可能となっている。
燃料電池6の出力部は、電動モータ51を有する外部回路50に接続している。
遮断弁21は、最上流側で水素ガスの供給を遮断するための装置であり、第1実施形態では電磁式の遮断弁を使用している。遮断弁21は、遮断弁開閉状態判定手段70と電気的に接続しており、遮断弁開閉状態判定手段70からの開弁指令・閉弁指令に応じて、適宜開閉可能となっている。ただし、遮断弁21の作動方式は電磁式に限らず、手動式であってもよい。
減圧弁(レギュレータ)22は、水素タンク5から供給された高圧の水素ガスを、所定圧力に減圧し、下流側の燃料配管12、燃料電池6、膜電極複合体7等のデバイスの破損を防止するための装置である。すなわち、減圧弁22は、2次側(下流側)の水素ガスの圧力を、1次側(上流側)の水素ガスの圧力より低い一定圧力に維持するための装置である。また、減圧弁22は、単に圧力を下げるだけでなく、1次側の圧力変動による流量を動的に制御するための装置でもある。
このような減圧弁22としては、例えば、直動式減圧弁、パイロット式減圧弁、チェック弁付き減圧弁、ハイリリーフ減圧弁等から、適宜選択して使用可能である。
圧力センサ41、42は、燃料ガス供給部位31、32において内部の水素ガスの圧力を検出するものである。このような圧力センサ41、42としては、例えば、金属ダイヤフラム式圧力計を使用することができる。
また、圧力センサ41、42は、遮断弁開閉状態判定手段70に電気的に接続しており、遮断弁開閉状態判定手段70が燃料ガス供給部位31、32の内部を流通する水素ガスの圧力を監視可能となっている。
電流計53、電圧計54は、燃料電池6の発電量(運転出力)を検出可能となるように、外部回路50に設けられている。また、電流計53、電圧計54は、遮断弁開閉状態判定手段70に電気的に接続しており、遮断弁開閉状態判定手段70が発電量を監視可能となっている。
遮断弁開閉状態判定手段70は、圧力センサ41、42で検出された水素ガスの圧力及び燃料電池6の発電量に基づいて、遮断弁21の開閉状態を判定する手段であり、図2に示すように、燃料電池運転データ記憶部71(以下、運転データ記憶部という)と、水素ガス消費量算出部72と、容積データ記憶部73と、水素ガス供給量算出部74と、遮断弁開閉状態判定部75を備えて構成されている。
運転データ記憶部71及び容積データ記憶部73は、ハードディスクドライブ(HDD)等の記憶媒体から構成されており、水素ガス消費量算出部72、水素ガス供給量算出部74及び遮断弁開閉状態判定部75は、CPU、ROM、I/O等から構成されており、これらは電気的に相互に接続し、データのやり取りが自在となっている。
運転データ記憶部71には、燃料電池6の発電量(運転出力)とその発電量における水素ガス消費量とが関連付けられた運転データが記憶されている。具体的には、運転データは、所定の計算式(図3参照)、又はテーブルである。
水素ガス消費量算出部72は、電流計53、電圧計54により燃料電池6の単位時間当たりの発電量(運転出力)を監視しつつ、この発電量に基づき、運転データ記憶部71に記憶された運転データに従って、その発電量に対応した燃料電池6の水素ガス消費量Q1を算出するものである。
容積データ記憶部73には、予め求められた燃料ガス供給部位31の容積である容積データV1と、燃料ガス供給部位32の容積である容積データV2が記憶されている。すなわち、第1実施形態では、容積データV1は燃料配管11の容積であり、容積データV2は燃料配管12の容積である。
水素ガス供給量算出部74は、圧力センサ41、42と電気的に接続しており、圧力センサ41、42が検出した圧力により求まる単位時間当たりの圧力変化データと、容積データ記憶部73に記憶され、その圧力検出位置に対応する容積データV1、V2とに基づいて、遮断弁21が閉じていると仮定したときの水素ガス供給量Q2を算出するものである。
遮断弁開閉状態判定部75は、水素ガス消費量算出部72が算出した水素ガス消費量Q1と、水素ガス供給量算出部74が算出した水素ガス供給量Q2とを比較して、遮断弁の開閉状態を判定するものである。
続いて、第1実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムS1の動作と共に、遮断弁21の開閉状態判定方法について説明する。
遮断弁21の開閉状態判定方法は、遮断弁21に閉弁指令を発する第1工程と、燃料電池6が消費した水素ガス消費量を算出し、燃料電池6に供給された水素ガス供給量を算出する第2工程と、水素ガス消費量と水素ガス供給量とを比較して遮断弁21の開閉状態を算出する第3工程とを有している。
ここで、特許請求の範囲における「燃料ガス供給系」は、第1実施形態では、燃料ガス供給配管10と、遮断弁21と、減圧弁22とから構成されている。
燃料電池6の水素流路6aには、水素タンク5から減圧弁22で所定圧力に減圧された水素ガスが連続的に供給され、酸素流路6bには、酸素ガスを含む空気が連続的に供給される。
このような状態で、外部回路50が電気的に接続されることで、燃料電池6は発電し、電動モータ51が稼動する。このように燃料電池6が発電すると、アノード側では水素ガスが、カソード側では空気中の酸素ガスがそれぞれ消費される。
燃料電池6の発電の停止を実行すると、遮断弁開閉状態判定手段70は、遮断弁21を閉弁させる閉弁指令を発し、遮断弁21を閉じる(S1、Yes)。閉弁指令を発しない場合(S1、No)は、燃料電池6を停止しない場合である。
そして、遮断弁21への閉弁指令後も燃料電池6の発電を継続し、燃料ガス供給部位31、32内の水素ガスを消費する。
なお、燃料電池6が消費した水素ガス消費量Q1は、直接的には外部回路50を流れる電流と比例するが、第1実施形態では、発電量に基づいて水素ガス消費量Q1を算出することとした。
そして、この圧力変化|ΔP1|、|ΔP2|に、対応する容積データV1、V2をそれぞれ乗算し、さらに合算することで、単位時間あたりに燃料電池6に供給された水素ガス供給量Q2が算出される。
なお、式(1)において、zは圧力により変動する圧縮係数である。
そこで、遮断弁開閉状態判定部75は、水素ガス消費量Q1と水素ガス供給量Q2を、次の式(2)に基づいて比較し、遮断弁の開閉状態を判定する(S4)。
つまり、遮断弁21が閉じている場合、水素ガス消費量Q1と水素ガス供給量Q2は、一致するはずである。そうすると、水素ガス供給量Q2と水素ガス消費量Q1の差が、ある一定閾値または水素ガス消費量Q1を基準に設定される閾値以上であった場合は、遮断弁21が閉じていないと判断できる。
また、このように遮断弁21に閉弁指令が発せされているにも関わらず、実際には遮断弁21が閉じていない場合は、遮断弁開閉状態判定手段70が警告ランプ(警告手段)を点灯させるようにしてもよい。
次に、第2実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムについて、図5を参照して説明する。図5は、第2実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムの全体構成を示す図である。
圧力センサ43は、圧力センサ41、圧力センサ42と同様に、遮断弁の開閉状態判定手段70に電気的に接続している。
また、遮断弁の開閉状態判定システムS2は、燃料ガス供給部位31と、燃料ガス供給部位33と、燃料ガス供給部位34との3つの燃料ガス供給部位を有している。ここで、燃料電池6側の燃料ガス供給部位34は、第1実施形態と異なり、燃料配管13だけでなく、燃料電池6内部の水素ガス流路6a及びさらに後段の配管61を含むこととする。すなわち、燃料ガス供給部位は、燃料配管、燃料電池等の形態に応じて、その設定範囲を適宜変更してよい。
そして、燃料ガス供給部位31の容積である容積データはV1、燃料ガス供給部位33の容積データはV3、燃料ガス供給部位34の容積データはV4である。
次に、第3実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムについて、図6を参照して説明する。図6は、第3実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムの全体構成を示す図である。
一方、パージ弁65を適宜開弁させると、アノードオフガスを排出可能となっている。そして、このパージ弁65の開弁により排出されたアノードオフガスの量は、流量計68で検出可能となっている。
そして、燃料ガス供給部位31の容積はV1、燃料ガス供給部位35の容積はV5、燃料ガス供給部位36の容積はV6である。また、燃料ガス供給部位31内部の水素ガスの圧力は圧力センサ41で、燃料ガス供給部位35内部の水素ガスの圧力は圧力センサ44で、燃料ガス供給部位36内部の圧力は圧力センサ45で、それぞれ検出可能となっている。
まず、パージ弁65が閉じている場合であって、燃料電池6を停止させるために遮断弁21に閉弁指令を発したときについて説明する。
このとき、遮断弁21が閉じていると仮定すると、水素ガス供給量Q2Bは、次の式(4)により算出される。
一方、パージ弁65が開いている場合であって、燃料電池6を停止させるために遮断弁21に閉弁指令を発したときについて説明する。
このとき、遮断弁21が閉じていると仮定したときの、燃料電池6側での水素ガス消費量Q1Cは、次の式(5)に示すように、燃料電池6の発電量から求められた水素ガス消費量Q1’と、流量計68で検出された水素ガス量Q68とを合算した値となる。
すなわち、第1実施形態及び第2実施形態では、配管61、止め弁62を介して燃料電池6から排出された未反応の水素ガス量を考慮しなかったが、このように水素ガス量Q68を考慮することで、燃料電池6側での水素ガス消費量を高精度で求めることができる。
次に、第4実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムについて、図7を参照して説明する。図7は、第4実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムの全体構成を示す図である。
次に、第5実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムについて説明する。
第5実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムは、第1実施形態に係る遮断弁の開閉状態判定システムS1(図1参照)に対し、燃料ガス供給源をCNG(Compressed Natural Gas)タンクとし、ガス消費機器をエンジンとした場合である。
また、さらに圧力損失等を考慮するときは、燃料ガス供給部位34をさらに細かく分割して設定し、その設定に対応して圧力センサを適宜設けてもよい。
5 水素タンク(燃料ガス供給源)
6 燃料電池(ガス消費機器)
10 燃料ガス供給配管
11、12、12a、12b、13 燃料配管
21 遮断弁
22、23 減圧弁
31、32、33、34、35、36、37 燃料ガス供給部位
41、42、43、44、45、46 圧力センサ(燃料ガス圧力検出器)
53 電流計(出力検出器)
54 電圧計(出力検出器)
55 流量計(燃料ガス流量検出器)
70、70’ 遮断弁開閉状態判定手段
71 運転データ記憶部
72 水素ガス消費量算出部(燃料ガス消費量算出部)
73 容積データ記憶部
74 水素ガス供給量算出部(燃料ガス供給量算出部)
75 遮断弁開閉状態判定部
Claims (6)
- 燃料ガス供給源とガス消費機器とを連通する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給源から前記ガス消費機器に向かって、前記燃料ガス供給配管に順に設けられた遮断弁及び少なくとも1つの減圧弁と、
前記遮断弁と前記ガス消費機器との間で、前記少なくとも1つの減圧弁により分断された各燃料ガス供給部位の燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出器と、
前記ガス消費機器の運転出力を検出する出力検出器と、
前記燃料ガスの圧力、及び、前記運転出力に基づいて、前記遮断弁の開閉状態を判定する遮断弁開閉状態判定手段と、を具備し、
前記遮断弁開閉状態判定手段は、
前記出力検出器が検出した単位時間当たりの運転出力に基づき、所定の計算式に従い、又は、前記ガス消費機器における運転出力と燃料ガス消費量との関連を記憶したテーブルに従って、前記ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記燃料ガス供給部位の容積データを記憶した容積データ記憶部と、
前記燃料ガス圧力検出器が検出した圧力より求まる単位時間当りの圧力変化データと、圧力検出位置に対応する前記容積データとに基づいて、前記遮断弁が閉じていると仮定したときの前記ガス消費機器への燃料ガス供給量を算出する燃料ガス供給量算出部と、
前記燃料ガス消費量と前記燃料ガス供給量とを比較して、前記遮断弁の開閉状態を判定する遮断弁開閉状態判定部と、
を備えたことを特徴とする遮断弁の開閉状態判定システム。 - 前記出力検出器及び燃料ガス消費量算出部に代えて、
前記各燃料ガス供給部位のうち、最下流の燃料ガス供給部位の燃料ガス流量を検出する燃料ガス流量検出器を備え、
前記遮断弁開閉状態判定部は、前記燃料ガス流量検出器が検出した燃料ガス流量と、前記燃料ガス供給量とを比較して、前記遮断弁の開閉状態を判定することを特徴とする請求項1に記載の遮断弁の開閉状態判定システム。 - 前記燃料ガス供給源は、水素が封入された水素タンクであり、
前記ガス消費機器は、燃料電池であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の遮断弁の開閉状態判定システム。 - 燃料ガス供給源とガス消費機器とを連通する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給源から前記ガス消費機器に向かって、前記燃料ガス供給配管に順に設けられた遮断弁及び少なくとも1つの減圧弁とを有する燃料ガス供給系における遮断弁の開閉状態判定方法であって、
前記遮断弁に閉弁指令を発する第1工程と、
前記閉弁指令後、前記ガス消費機器の運転を継続することによって、前記燃料ガス供給部位の燃料ガスを消費しつつ、
前記ガス消費機器の単位時間当たりの運転出力に基づき、所定の計算式に従い、又は、前記ガス消費機器における運転出力と燃料ガス消費量との関連を記憶したテーブルに従って、前記ガス消費機器が消費した燃料ガス消費量を算出し、
前記遮断弁と前記ガス消費機器との間で、前記少なくとも1つの減圧弁により分断された燃料ガス供給部位毎の単位時間当たりの圧力変化と、対応する前記各燃料ガス供給部位の容積とに基づいて、前記遮断弁が閉じていると仮定したときの前記ガス消費機器に供給された燃料ガス供給量を算出する第2工程と、
前記燃料ガス消費量と前記燃料ガス供給量とを比較して、前記遮断弁の開閉状態を判定する第3工程と、
を有することを特徴とする遮断弁の開閉状態判定方法。 - 前記第2工程における前記燃料ガス消費量は、前記各燃料ガス供給部位のうち、最下流の燃料ガス供給部位の燃料ガス流量を測定することにより取得することを特徴とする請求項4に記載の遮断弁の開閉状態判定方法。
- 前記燃料ガス供給源は、水素が封入された水素タンクであり、
前記ガス消費機器は、燃料電池であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の遮断弁の開閉状態判定方法。
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