JP4552399B2 - 複数タンクからなるタンクシステムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のタンクを備えたシステムおよびタンクからの放出流量の制御方法に関する。

従来、高圧ガスを複数本のタンクに貯留して用いるタンクシステムがあり、例えば、水素ガスと酸素ガスとの反応で電力を出力する燃料電池システムでは、多量の水素ガスを貯留するために、複数本の高圧タンクを並列に接続して使用している。こうした燃料電池システムでは、燃料電池の構造上の理由からシステムの回路上を流れる水素ガスは低圧に減圧する必要がある。従来から、高圧タンクの口金部近傍に減圧弁を設け、減圧弁で大きく減圧した水素ガスを高圧タンク下流の機器へ供給していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３７０５５０号公報

こうした機器配置の燃料電池システムでは、高圧タンクから減圧弁までの間に高圧配管が必要となるが、安全上、高圧配管をできるだけ短くすることが望ましい。そのため、各高圧タンクの口金部に直接、減圧弁を設け、各タンクの口金部から放出される水素ガスを低圧とする構成が採られている。

しかしながら、こうした複数本の各高圧タンクに減圧弁を設けたシステムでは、各高圧タンクの水素ガスの放出量を調整することが困難であった。これは、高圧タンク毎に設けた減圧弁の二次圧力の設定値がわずかにバラツクことに起因する。つまり、複数本の高圧タンクの中、設定値の高い減圧弁を有する高圧タンクから優先的に水素ガスが放出されてしまうからである。こうした放出量（消費量）の不均等は、減圧弁の設定値の高い特定のタンクのみからの放出、充填による急激な温度変化を発生させることとなり、タンクの強度上、問題となっていた。

本発明は、こうした問題を解決し、各タンクからの燃料放出量を調整するタンクシステムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１のタンクシステムは、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、複数のタンクを有し、該各タンクから放出する流体を該タンクの下流に配置した機器へ供給するタンクシステムであって、前記各タンクの内部の圧力である一次圧力を検出する一次圧力検出手段と、前記各タンクから放出する流体の流量を個別に調整する流量調整手段と、前記複数のタンクの中、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該設定した流量での前記流体の放出を前記流量調整手段に指示する制御手段と、前記流量調整手段を介して供給される流体の圧力を所定圧に調整する圧力調整手段とを備えたことを要旨としている。

本発明の第１のタンクシステムに対応した制御方法は、複数のタンクを有し、該各タンクから放出する流体を該タンクの下流に配置した機器へ供給するタンクシステムの流量制御方法であって、前記各タンクの内部の圧力である一次圧力を検出し、前記複数のタンクの中、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該各タンクから該設定した流量での前記流体の放出を実行し、該各タンクから供給される流体の圧力を所定圧に調整して、前記機器に供給することを要旨としている。

本発明の第１のタンクシステムおよびその制御方法によれば、各タンクから放出する流量の合計である供給流量を想定し、複数のタンクのうち、一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該設定した流量の放出を行なわせる。かかる流量を各タンクから放出することで、タンク下流の機器へ流体を供給する。したがって、各タンク毎に放出流量を制御するため、タンク内部に残る流体の流量を調整することができる。

上記の構成を有するタンクシステムの圧力調整制御手段は、検出した一次圧力に基づいて、少なくとも１以上の該一次圧力の低いタンクを除いた該一次圧力の高いタンクを選択し、該一次圧力の高いタンクの前記流量調整手段に所定流量の放出を指示する手段であり、所定のタイミングで前記選択と前記指示とを繰り返して、放出を行なうタンクを順次入れ替える手段としても良い。

また、上記の構成を有するタンクシステムに対応した制御方法は、検出した一次圧力に基づいて、少なくとも１以上の該一次圧力の低いタンクを除いた該一次圧力の高いタンクを選択し、該一次圧力の高いタンクから所定流量の放出を実行し、所定のタイミングで前記選択と前記実行とを繰り返して、放出を行なうタンクを順次入れ替える方法としても良い。

かかるタンクシステムおよびその制御方法によれば、各タンクの一次圧力に基づいて、所定流量の放出を行なう一次圧力の高いタンクを選択し、放出を実行する。流体の放出に伴って、選択されたタンクの一次圧力は減少し、選択されなかったタンクの一次圧力を下回る。所定のタイミングで、再度、一次圧力の高いタンクを選択し直すことで、放出を行なうタンクが入れ替わり、各タンクから均等に流体を消費することができる。

上記の構成を有するタンクシステムの圧力調整制御手段は、複数のタンクの中、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、前記流量調整手段に該設定した流量の放出を指示するものとしても良い。

また、上記の構成を有するタンクシステムに対応した制御方法は、複数のタンクの中、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該各タンクから該設定した流量の放出を実行する方法としても良い。

かかるタンクシステムおよびその制御方法によれば、各タンクの一次圧力を検出し、その検出結果に応じた流量比率を各タンク毎の放出流量として設定する。つまり、一次圧力の高いタンクからは多流量の放出を行ない、一次圧力の低いタンクからは少流量の放出を行なう。つまり、一次圧力の高いタンクでは、放出に伴う一次圧力の減少を急激に、一次圧力の低いタンクではその減少を緩やかにすることができる。したがって、各タンク毎の残量（一次圧力）の差を早期に低減し、各タンクから均等に流体を消費することができる。

上記の構成を有するタンクシステムの流量調整手段は、電磁力により弁を開閉する電磁弁であり、該弁の開閉頻度で放出流量を調整するものとしても良い。かかるタンクシステムによれば、所定の期間に、各タンクに設けた電磁弁の開閉動作を繰り返すことで、単位時間あたりの流量を調整することができる。つまり、弁の開閉頻度の調整によるタンクの下流に供給する単位時間あたりの流量を変更することで、機器に供給する流体の流量制御を行なうことができる。

上記の構成を有するタンクシステムの流量調整手段は、電気的に弁を進退して開口断面積を調整するニードル弁であり、該弁の開度で放出流量を調整するものとしても良い。かかるタンクシステムによれば、各タンクに設けたニードル弁の弁を進退させ、開口断面積を変更することで放出流量を調整する。つまり、弁の開度を調整することで、タンクの下流に供給する流量を調整することができる。また、ニードル弁を使用するため、弁と弁座の接離を繰り返す直動の電磁弁にて生じる弁座の耐久性の問題を回避することができる。

上記の構成を有するタンクシステムの流量調整手段は、弁の駆動源である電動モータと、前記電動モータの出力軸に設けたネジと、前記弁内部に設けたナットと、該ネジと該ナットとの間に介装するボールとから構成されるボールネジ機構と、前記弁を軸方向へ直線的に進退可能に保持する案内と、前記電動モータへの通電停止時に、前記弁を軸方向に付勢して閉弁状態に戻すスプリングとを備えた電動弁であり、前記電動モータの回転運動を前記弁の直進運動に変換し、該弁が進退することで前記タンクからの放出流路の開閉を行ない放出流量を調整するものとしても良い。

かかるタンクシステムによれば、ボールネジ機構と案内との協働によって、電動モータの回転運動を弁の直線運動に変換する。各タンクからの放出流量は電動モータの電流を調整することで容易に行なうことができる。また、弁の進退動作は、ボールネジ機構と案内とで行なわれるため、動作に伴う摩擦や摩耗を低減することができる。さらに、電動モータへの通電が遮断された場合にも、スプリングの付勢力によって弁は閉弁状態に戻り、タンク内部の流体の外部への漏れを回避することができる。

上記の構成を有するタンクシステムの圧力調整制御手段は、一次圧力の時間変化を検出し、該検出結果と前記タンクの容積とから前記放出流量を設定する手段を備えたものとしても良い。かかるタンクシステムによれば、検出した所定時間の各タンクの一次圧力の時間変化と、各タンクの容積とから所定時間に放出した流量を推定することができる。したがって、流量計を用いずに簡素な構成でシステムを構築できる。

上記の構成を有するタンクシステムの複数のタンクは、車両に搭載する燃料電池システムの水素ガスを貯留する水素タンク、または、車両に搭載する内燃機関システムの天然ガスを貯留する圧縮天然ガスタンクとすることができる。

以下、本発明のタンクシステムを燃料電池システムに搭載した一実施例について説明する。図１は、本発明の第１実施例であるタンクシステムを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応により発電するシステムであり、燃料電池による発電した電力を車両の動力源としている。図１に示すように、この燃料電池システムは、主に、燃料電池スタック１０、エアライン２０、燃料ライン３０から構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単一セルを複数重ね合わせた積層体として形成されている。この単一セルは、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータをこの順に重ね合わせた構造であり、セパレータの表裏に設けた溝を介してそれぞれ供給される水素ガスおよび空気に含まれる酸素の電気化学反応により発電する。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池を使用しているが、例えば、リン酸型、アルカリ型など種々の燃料電池を用いても良い。

この電気化学反応に使用される酸素の流路であるエアライン２０は、フィルタ４０、コンプレッサ５０、加湿器６０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。外部からフィルタ４０を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ５０にて圧縮され、加湿器６０により水分を含んだ状態で燃料電池スタック１０のカソードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気は、スタック下流の排気管から外部へ排出される。この排気管路上に設けた調圧バルブ９０は、バルブの絞りを調整することで、バルブ上流側に背圧を立て燃料電池スタック１０に供給する空気の圧力を調整している。エアライン２０上に配置した温度センサ３５はフィルタ４０を通して取り込まれた空気の温度Ｔを、圧力センサ８５は燃料電池スタック１０にかかる圧力Ｐを、それぞれ検出し、その検出値を後述する制御ユニット２００に出力する。

他方、燃料である水素ガスの流路である燃料ライン３０は、４本を並列に接続した水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの口金部に設けた流量制御装置である電動ニードル弁１１０ａ、１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。高圧の水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄに貯留された水素ガスは、電動ニードル弁１１０ａ、１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄによる放出流量の調整で低圧に減圧され、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。

水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内の圧力は、多量の燃料を貯留するために高圧に設定され、水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内部に設けた圧力センサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄは、この水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内部の圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を検出する。さらに、水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの下流に設けた圧力センサ１３５は、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出により合流して流れる水素ガスの回路圧力Ｐｓを検出する。こうした圧力センサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄ，１３５は、その検出値を後述する制御ユニット２００に出力する。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気には、反応で消費しなかった水素ガスが含まれる。この水素ガスは、水素循環ポンプ１４０により再び燃料ライン３０へ戻される。なお、電動ニードル弁１１０の構造については後述する。

こうして供給された水素と酸素とを用いて燃料電池スタック１０から発電した電力は、インバータ１５０等に出力され、車両の走行モータ１６０の駆動に使用される。また、車両の走行に必要な電力が発電量に対して少ない場合には、余剰分をＤＣ／ＤＣコンバータ１７０等を介して蓄電池１８０に蓄電し、急加速時など、必要な電力が大きい場合に、その不足分を蓄電池１８０から補う。

こうした機器から構成される燃料電池システムは、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御する制御ユニット２００を備えている。図２は、この制御ユニット２００を中心とした入出力信号を示す模式図である。制御ユニット２００は、図示するように、各種センサからの信号を受け、燃料電池システムの運転状態を判断し、上記アクチュエータを制御する信号を出力する。具体的には、圧力センサ８５，温度センサ３５，各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内の圧力センサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄ，燃料ライン３０の回路圧力Ｐｓを検出する圧力センサ１３５，車両の運転を制御する運転制御ユニット２１０を介したアクセルポジションセンサ２１５，車速センサ（図示せず）等の各種センサからのアクセル開度θ、車速Ｖや、圧力Ｐ、温度Ｔ、タンク内圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４、回路圧力Ｐｓ等を入力し、要求される出力を算出し、調圧バルブ９０、電動ニードル弁１１０、コンプレッサ５０、水素循環ポンプ１４０等を制御して燃料電池システムを運転する。なお、以下、複数の水素タンク，電動ニードル弁，圧力センサを、特に区別しない場合には、添え字を付さずに用いるものとする。

制御ユニット２００は、燃料電池システムの始動指令を受けると、水素タンク１００の口金部に設けた電動ニードル弁１１０の弁を開弁し、エアライン２０のコンプレッサ５０を駆動することで、燃料電池スタック１０に水素ガスおよび空気を供給する。例えば、出力の増加に伴って燃料電池スタック１０の水素ガス消費が増加し、水素ガスの圧力が低下する。この圧力を燃料ライン３０の圧力センサ１３５で検出し、検出結果を受けた制御ユニット２００は、電動ニードル弁１１０を制御して、水素ガスの供給流量を増加する。また、制御ユニット２００は、燃料電池システムの停止指令を受けると、電動ニードル弁１１０、コンプレッサ５０への電気信号を停止して、燃料の供給を断つ。こうした供給流量の調整を行なうことで、制御ユニット２００は運転に必要な電力の管理を行なっている。なお、アクセル開度θと車速Ｖから出力電力の増加要求を予測し、空気供給流量や電動ニードル弁１１０を制御するものとしても良い。

以上のように運転される燃料電池システムにおいて使用する電動ニードル弁１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、制御ユニット２００からの指令に応じて、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから適切な量の水素ガスを放出し、その放出量により、スタックに流入する水素ガスの圧力を制御する。図３は、このタンクシステムの１つの水素タンク１００の断面模式図である。図示するように、水素タンク１００の口金部の一方に電動ニードル弁１１０を、他方にネジ部材１３０を、それぞれ螺設し、電動ニードル弁１１０の弁の進退により水素タンク１００からの放出流量を調整する。なお、ネジ部材１３０には、圧力センサ１２５を装着し、水素タンク１００内部のガス圧力を検出している。

この電動ニードル弁１１０は、主に、ハウジング３００と、針形状のニードル３１０、ニードル３１０を駆動する電動モータ３２０と、電動モータ３２０の回転運動をニードル３１０の直線運動に変換するボールネジ機構３４０と、ニードル３１０を進退可能に支持するリニアガイド３３０と、ニードル３１０を閉弁方向に付勢するスプリング３６０とからなり、ニードル３１０の進退動作による流路の開口断面積を調整することで流量を制御する流量制御弁である。

ハウジング３００は、水素タンク１００に水素ガスを充填する入力ポート３０２、ニードル３１０と係合するテーパ形状の絞り流路３０３、ニードル３１０による絞りを受けた水素ガスを出力する出力ポート３０４等を有している。入力ポート３０２にはチェック機構３７０を設け、外部から充填した水素ガスが、水素タンク１００内部から逆流するのを防いでいる。なお、チェック機構３７０、入力ポート３０２を介して、ハウジング３００内部に流入した水素ガスは、ハウジング３００側面に設けた開口部３０５から水素タンク１００内部に充填される。

電動モータ３２０は、ＡＣサーボモータであり、モータへの通電により所望する回転角度に出力軸を制御可能である。なお、回転角度の制御は、電動モータ３２０内部に設けたロータリエンコーダにより、出力軸の回転角度を検出することで行なわれている。この電動モータ３２０の出力軸には雄ネジ部分を設けている。この出力軸と、ニードル３１０の軸内部に設けた雌ネジ（ナット）部分と、両者の間に介装するボールとからボールネジ機構３４０を構成している。こうして電動モータ３２０の出力軸を回転することで、ボールネジ機構３４０を介してニードル３１０が進退する。

ニードル３１０の軸外周には軸方向にレール溝を設け、そのレール溝に係合するリニアガイド３３０の鋼球でニードル３１０が出力軸と共回りするのを防止している。なお、電動モータ３２０への通電停止時には、スプリング３６０の復元力によりニードル３１０は常に絞り流路３０３を閉弁する構成としてある。

水素ガスが充填された水素タンク１００から水素ガスを放出する場合には、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄに設けられた電動ニードル弁１１０の電動モータ３２０へ通電する。通電により、ニードル３１０は所定の位置に移動し、ニードル３１０とハウジング３００との間に隙間（絞り流路３０３）が形成されることで、水素ガスが出力ポート３０４から放出される。

なお、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの電動ニードル弁１１０から放出される水素ガスは接続配管にて合流し、燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力は、４本の水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから放出される単位時間当たりの流量を制御することで行なっている。

こうしたタンクシステムでの各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの水素ガスの放出量の制御について説明する。図４は、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの内部圧力に基づいて、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから放出する流量を決定し、放出を行なう処理のフローチャートである。なお、この処理は、制御ユニット２００で実行される。

運転制御ユニット２１０から、燃料電池システムの始動指示を受けた制御ユニット２００は、初期設定値である回路供給流量Ｑおよび回路の設定目標圧力Ｐａを読み込む（ステップＳ４００）。続いて、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内部に設けた圧力センサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄによる水素タンク１００の内圧を検出する（ステップＳ４１０）。

検出した各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの内圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と初期設定値である回路供給流量Ｑとから各水素タンク１００それぞれの放出流量を算出する（ステップＳ４２０）。この算出処理は、検出したタンク内圧が高い水素タンク１００から順に放出流量が多量となる比率を決定し、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出量の合計が回路供給流量Ｑとなる放出量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を設定する処理である。本実施例では、タンク内圧の二乗に比例した比率で各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出を行なうように回路供給流量Ｑを分配しているが、例えば、タンク内圧を整数倍した比率で放出を行なうように流量Ｑを分配するものとしても良い。また、予め検出圧力と比率との関係をステップ状に設定したマップを用いるものとしても良い。各タンク内圧の検出値をこのマップに照らして所定の比率を得ることで、比率の決定が容易なものとなる。

こうして設定した放出流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４に従って、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから水素ガスを放出する処理を行なう（ステップＳ４３０）。この処理は、各水素タンク１００の電動ニードル弁１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄへの電流値を設定し、その値に伴って移動するニードル３１０が形成する開口断面積を調整する処理である。

一の水素タンク１００から放出される水素ガスの流量は、水素タンク１００の容積とタンク内圧の時間変化とから推定することができる。つまり、単位時間当たりのタンク内圧の減少が大きい場合には大流量の放出を、タンク内圧の減少が小さい場合には小流量の放出を行なっていると判断できる。この放出処理は、電動ニードル弁１１０へ初期値として所定電流の通電を行ない、タンク内圧の時間変化を検出し、その検出結果と設定した放出流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４とから、電動ニードル弁１１０への電流値を逐次変更する処理である。本実施例では、予め、所定流量に対する初期値としての電流値を設定してあるが、設定した放出流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４とタンク内圧とから電流値を算定するマップを用意し、このマップから各電動ニードル弁１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄへの電流値を決定するものとしても良い。

この放出処理によって、４本の水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから放出された水素ガスは、合流してタンクの下流に流れ、回路に所定の圧力を発生させる。この下流（二次側）供給圧力を回路上の圧力センサ１３５にて検出し、検出値Ｐｓを取り込む処理を行なう(ステップＳ４４０)。

この二次側供給圧力Ｐｓと目標圧力Ｐａとの差分が所定値α以内であるか否かを判断する(ステップＳ４５０)。この所定値αは、許容可能な誤差であり、設計値である。差分が誤差範囲内である場合には、ＮＥＸＴへ抜けて所定のタイミングでこの処理を繰り返す。

他方、ステップＳ４５０で、差分が誤差範囲内に収まらない場合には、差分値に基づいて、回路供給流量Ｑを再設定する処理を行なう（ステップＳ４６０）。この処理は、初期状態で読み込んだ回路供給流量Ｑを増量および減量する処理である。すなわち、二次側供給圧力Ｐｓが目標圧力Ｐａを上回っている場合には、各水素タンク１００から供給する流量を減少させ、二次側供給圧力Ｐｓが目標圧力Ｐａを下回っている場合には、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから供給する流量を増加させる。この増減流量ΔＱは、両圧力差（Ｐａ−Ｐｓ）を所定係数β倍した値として算出する。ステップＳ４１０へ戻り、この再設定した回路供給流量Ｑを基に、各タンク内圧に対応した放出量を設定し、放出を実行する一連の処理を繰り返す。

以上の各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出流量の制御では、内圧の高い（タンク内の水素ガス容量が大である）タンクから順に、多量の水素ガスの放出を行なう。内圧の高いタンクからの放出は、内圧の低いタンクからの放出に比べて放出速度、つまり、内圧の減圧速度が速い。この処理を所定のタイミングで繰り返すことで、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出量は順次変更され、各タンクの内圧差はほとんど無くなる。こうして、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄから均等に水素ガスが消費される。換言すると、タンク内圧（一次圧）にバラツキがあっても、この制御による放出に伴って、一次圧は各タンク同一圧力に近づいて行く。したがって、一本の水素タンク１００からの偏った放出が行なわれることは無く、特定の水素タンク１００のみからの放出による急激な温度変化を生じることも無い。

さらに、本実施例では、水素タンク１００口金部に電動ニードル弁１１０を使用している。この弁は、電動モータ３２０と、ボールネジ機構３４０やリニアガイド３３０からなる直動機構とにより、電流値を変更するだけで、ニードル３１０位置を制御することができる。したがって、放出流量の制御が容易となる。加えて、通常の流量制御弁に比べて、ニードル３１０の移動に伴う摩擦力を大幅に低減する。したがって、高頻度で弁を進退する制御を行なっても耐久性に関する問題は生じ難い。

なお、本実施例では、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの内容積は同一としているが、タンク容積に違いがある場合でも、容積比とタンク内圧比とに基づいて放出流量を算定すれば、各タンク内圧を（つまり、各タンクの消費量を）均等にすることができる。もとより、放出流量の算定の仕方により、特定の水素タンク１００から優先的に放出するように制御するもともできる。

次に、本発明の第２実施例であるタンクシステムおよびその制御方法について説明する。図５は、第２実施例であるタンクシステムを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。第２実施例のタンクシステムは、水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出量を制御する流量制御弁に電磁弁５００ａ，５００ｂ，５００ｃ，５００ｄを用い、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出量を検出する流量計５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄを各タンクの下流に設けたことが第１実施例と異なる。その他の構成に関しては、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。以下、水素タンク同様、電磁弁，流量計についても、特に区別しない場合には、添え字を付さずに用いるものとする。

図５に示すように、第２実施例のタンクシステムは、４本の水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからなり、各水素タンク１００口金部付近に流量計５１０を配置している。この流量計５１０は、カルマン渦の発生頻度が流速と比例関係にあることを利用して流量を測定するカルマン渦式の流量計である。なお、流量計５１０には、超音波ドップラー式流量計や電磁流量計など種々のものを用いても良い。この流量計５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄからの検出値は、制御ユニット２００に出力され、後述する放出量の制御に利用する。

水素タンク１００の口金部に設けられた流量制御弁は、ソレノイドを励磁することで内部の弁が進退して流路の開閉を行なう電磁弁５００である。この電磁弁５００の初期状態は、スプリングによる付勢力を受けて閉弁状態であり、ソレノイドに通電することで開弁するノーマルクローズタイプの弁である。

こうしたタンクシステムにおける各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの水素ガスの放出量の制御について説明する。図６は、各タンクの内圧に基づいて、放出を行なう水素タンク１００を選択し、放出を実行する処理のフローチャートである。なお、この処理は、制御ユニット２００で実行される。

運転制御ユニット２１０から、燃料電池システムの始動指示を受けた制御ユニット２００は、初期設定値である回路供給流量Ｑおよび回路の設定目標圧力Ｐａを読み込み（ステップＳ６００）、各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ内部に設けた圧力センサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄによりタンク内圧を検出する（ステップＳ６１０）。この処理は第１実施例と同様のステップである。

検出した各タンク内圧から、最も圧力の低いタンクを選択する処理を行なう（ステップＳ６２０）。この最小内圧を示す水素タンク１００は、最もタンク内部の水素ガスが少ないと判断して、この最小内圧を示すタンク以外の３本の水素タンク１００から放出を行なうものとする。３本の各水素タンク１００からの放出流量は、回路供給流量Ｑの３分の１（以下、目標流量と呼ぶ）に設定する（ステップＳ６３０）。

選択した３本の水素タンク１００から、設定した流量分の水素ガスを放出する処理を行なう（ステップＳ６４０）。この処理は、電磁弁への通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、弁を頻繁に開閉することで放出流量を調整する処理である。本実施例では、各水素タンク１００の口金部付近に設けた流量計５１０からの検出値を入力し、設定値である目標流量Ｑ／３と検出値との差分から、弁の開閉頻度の修正をするフィードバック制御を行なっている。

具体的には、電磁弁５００の一回の開閉動作（以下、１ショットと呼ぶ）により放出される流量はタンク内圧にほぼ比例することを利用して、放出流量を１分間のショット回数とタンク内圧とから概略算出し、このショット回数を変更することで放出流量の制御を行なっている。例えば、一の水素タンク１００からの水素ガスの流量が目標流量Ｑ／３に満たないときは、ショット回数を増加補正することで放出流量を目標値に近づける。

なお、この放出処理は、第１実施例と同様に、タンク内圧の単位時間当たりの変化量から推定するものとしても良い。また、タンク内圧と目標流量とからショット回数を決定するマップを用意して制御することとしても良い。

タンクの下流には、３本の水素タンク１００から均等に放出された水素ガスが合流して流れ、所定の圧力を生じる。以下、第１実施例と同様に、この二次側供給圧力Ｐｓを検出し（ステップＳ６５０）、二次側供給圧力Ｐｓと目標圧力Ｐａとの差分が誤差範囲内である場合には、ＮＥＸＴに抜けて所定のタイミングでこの処理を繰り返す（ステップＳ６６０）。他方、ステップＳ６６０で、増圧および減圧する必要があると判断した場合には、回路供給流量Ｑの再設定を行ない（ステップＳ６７０）、目標流量と検出値とを比較して電磁弁５００のショット回数を変更する一連の処理を行なう。

以上の各水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからの放出流量の制御では、タンク内圧の高い３本の水素タンク１００から同一量の水素ガスの放出を行ない、水素ガスの放出と共に、３本のタンク内圧は低下する。この３本の水素タンク１００の中、最も低圧である水素タンク１００の内圧が放出を停止していたタンクの内圧を下回る場合には、放出を行なう水素タンク１００が交代する。こうしてタンク内圧を基に、放出する水素タンク１００が順次交代することで、各水素タンク１００の内圧のバラツキが減少して行く。

この一連の処理を繰り返した場合の各水素タンク１００の内圧の時間変化の一例を図７に示す。図示するように、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの順にタンク内圧が高い場合には、水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｃから均等な量の放出を行なう。放出に伴いタンク圧力が１００ａ，１００ｂ，１００ｄ，１００ｃの順になると、タンクを選択し直して、水素タンク１００ａ，１００ｂ，１００ｄからの放出を行なう。こうして低圧である水素タンク１００ｃと１００ｄは、１００ｂの内圧に到達するまで、放出と停止とを交互に繰り返す。したがって、常時放出を続ける１００ａ，１００ｂに対して、１００ｃ，１００ｄは内圧の低下速度が遅く、次第に内圧のバラツキは無くなる。水素タンク１００ｃ，１００ｄの内圧が１００ｂの内圧に到達すると、１００ｂ，１００ｃ，１００ｄは放出と停止とを繰り返しながら、１００ａの内圧に近づき、全てのタンク内圧は所定の範囲に収束する。なお、放出するタンクの選択は所定の間隔で行なうため、例えば１００ｃと１００ｄとが繰り返し放出を交代する場合等に、ハンチング状態となることはない。

このように各水素タンク１００の内圧は、ほとんどバラツクこと無く放出を続ける。したがって、一本の水素タンク１００からの偏った放出が行なわれることは無く、特定の水素タンク１００のみからの放出による急激な温度変化を生じることも無い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、高圧タンクは４本としたが、２以上の複数本であればこのシステムが有効となる。また、本実施例では、電動モータ３２０とボールネジ機構３４０およびリニアガイド３３０からなる直動駆動機構とを有する電動ニードル弁１１０による流量制御を行なうものとしたが、例えば、ポペット弁（シャット弁）の弁駆動にこの直動駆動機構を用いて、こうした弁による流量制御を行なうものとしても良い。さらに、本実施例では４本のタンク容積を同一として、各タンクから均等に水素ガスが消費されるように制御を行なったが、例えば、タンクの大きさが異なる場合や、特定のタンクから先に消費したい場合には、タンク容積を加味した重み付けをして放出流量を設定すれば良い。

本発明の第１実施例であるタンクシステムを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。 制御ユニットを中心とした入出力信号を示す模式図である。 タンクシステムの１つの水素タンクの断面模式図である。 各水素タンクから放出する流量を決定し放出を行なう処理のフローチャートである。 第２実施例であるタンクシステムを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。 放出を行なうタンクを選択し放出を実行する処理のフローチャートである。 水素タンク内圧の時間変化を示す関係図である。

符号の説明

１０...燃料電池スタック
２０...エアライン
３０...燃料ライン
３５...温度センサ
４０...フィルタ
５０...コンプレッサ
６０...加湿器
８５...圧力センサ
９０...調圧バルブ
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ...水素タンク
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ...電動ニードル弁
１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄ...圧力センサ
１３０...ネジ部材
１３５...圧力センサ
１４０...水素循環ポンプ
１５０...インバータ
１６０...走行モータ
１８０...蓄電池
２００...制御ユニット
２１０...運転制御ユニット
２１５...アクセルポジションセンサ
３００...ハウジング
３０２...入力ポート
３０３...絞り流路
３０４...出力ポート
３０５...開口部
３１０...ニードル
３２０...電動モータ
３３０...リニアガイド
３４０...ボールネジ機構
３６０...スプリング
３７０...チェック機構
５００ａ，５００ｂ，５００ｃ，５００ｄ...電磁弁
５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ...流量計

Claims (7)

1. 複数のタンクを有し、該各タンクから放出する流体を該タンクの下流に配置した機器へ供給するタンクシステムであって、
   前記各タンクの内部の圧力である一次圧力を検出する一次圧力検出手段と、
   前記各タンクから放出する流体の流量を個別に調整する流量調整手段と、
   前記複数のタンクのうち、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該設定した流量での前記流体の放出を前記流量調整手段に指示する制御手段と、
   前記流量調整手段を介して供給される流体の圧力を所定圧に調整する圧力調整手段と
   を備えるタンクシステム。
2. 請求項１に記載のタンクシステムであって、
   前記流量調整手段は、電磁力により弁を開閉する電磁弁であり、該弁の開閉頻度で放出流量を調整するタンクシステム。
3. 請求項１に記載のタンクシステムであって、
   前記流量調整手段は、電気的に弁を進退して開口断面積を調整するニードル弁であり、該弁の開度で放出流量を調整するタンクシステム。
4. 請求項１に記載のタンクシステムであって、
   前記流量調整手段は、
   弁の駆動源である電動モータと、
   前記電動モータの出力軸に設けたネジと、前記弁内部に設けたナットと、該ネジと該ナットとの間に介装するボールとから構成されるボールネジ機構と、
   前記弁を軸方向へ直線的に進退可能に保持する案内と、
   前記電動モータへの通電停止時に、前記弁を軸方向に付勢して閉弁状態に戻すスプリングとを備えた電動弁であり、
   前記電動モータの回転運動を前記弁の直進運動に変換し、該弁が進退することで前記タンクからの放出流路の開閉を行ない放出流量を調整する機構であるタンクシステム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のタンクシステムであって、
   前記複数のタンクは、車両に搭載する燃料電池システムの水素ガスを貯留する水素タンクであるタンクシステム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のタンクシステムであって、
   前記複数のタンクは、車両に搭載する内燃機関システムの天然ガスを貯留する圧縮天然ガスタンクであるタンクシステム。
7. 複数のタンクを有し、該各タンクから放出する流体を該タンクの下流に配置した機器へ供給するタンクシステムの流量制御方法であって、
   前記各タンクの内部の圧力である一次圧力を検出し、
   前記複数のタンクの中、前記一次圧力の高いタンクから順に、該一次圧力の検出結果に応じた流量比率を設定し、該各タンクから該設定した流量での前記流体の放出を実行し、
   該各タンクから供給される流体の圧力を所定圧に調整して、前記機器に供給する
   タンクシステムの流量制御方法。

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