JP7211341B2

JP7211341B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの異常検知方法

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Publication number: JP7211341B2
Application number: JP2019203758A
Authority: JP
Inventors: 敬祐藤田; 稔弘江川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN112786929B; DE102020127801A1; CN112786929A; US20210143458A1; US11411234B2; JP2021077530A

Description

本開示は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの異常検知方法に関する。

燃料電池に供給するための水素を貯蔵する水素タンクを備える燃料電池システムにおいては、一般に、水素タンク内の圧力を検出するための圧力センサが設けられている。このような燃料電池システムとして、水素タンクに水素を充填するための充填流路と、燃料電池に供給するための水素が水素タンクから放出される供給流路と、の各々に圧力センサを設ける構成が知られている。そして、充填流路の圧力センサが、水素充填の動作の完了時に検出した圧力と、供給流路の圧力センサが、充填後最初の燃料電池への水素供給の開始時に検出した圧力と、を比較して、各々の圧力センサ係る異常判定を行なう構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１０６８６７号公報

しかしながら、このような燃料電池システムでは、例えば、充填流路の端部に設けられて水素充填時に水素充填装置が取り付けられるレセプタクルにおいて、異物がかみ込むこと等により、水素タンクに水素充填した後に充填流路の圧力が低下する場合がある。このような場合には、水素充填後の充填流路の圧力センサの検出値と、水素供給の開始時の供給流路の圧力センサの検出値と、を比較しても、圧力センサの異常判定を正確に行なうことができない場合がある、という新たな課題を、本願発明者等は見出した。

本開示は、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、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、前記燃料タンクの内部温度を検出する温度センサと、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサに係る異常検知制御を行なう制御部と、を備え、前記制御部は、前記異常検知制御において、前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時に前記温度センサが検出した温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時に前記温度センサが検出した温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定する。
この形態の燃料電池システムによれば、水素タンクに水素充填した後に充填流路の圧力が低下する場合であっても、充填時最大圧力は、充填終了時の燃料タンク内の圧力により近い値になり、供給開始時圧力と充填時最大圧力との差が、基準値以下になる可能性が高まる。そのため、圧力センサの異常判定における誤判定を抑えることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記充填流路を流れる前記燃料ガスの流量を検出する流量センサを備え、前記制御部は、前記燃料ガスの充填の開始後、前記流量センサが検出する前記流量が予め定めた基準流量以下になった後に、前記異常検知制御を開始することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、充填流路を流れる燃料ガスの流量の検出値を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記基準流量は、３０ｇ／ｓｅｃであることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、充填流路を流れる燃料ガスの流量の検出値を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に、前記第１圧力センサの検出値を用いて、前記充填流路内の圧力の昇圧速度を求め、前記燃料ガスの充填の開始後、前記昇圧速度が予め定めた第１基準速度以下になった後に、前記異常検知制御を開始することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、充填流路を流れる燃料ガスの圧力の昇圧速度を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第１基準速度は、２３ＭＰａ／ｍｉｎであることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、充填流路を流れる燃料ガスの圧力の昇圧速度を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に、前記温度センサの検出温度を用いて、前記燃料タンクの昇温速度を求め、前記燃料ガスの充填の開始後、前記昇温速度が予め定めた第２基準速度以下になった後に、前記異常検知制御を開始することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料タンクの温度の昇温速度を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第２基準速度は、２０℃／ｍｉｎであることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料タンクの温度の昇温速度を用いて異常検知制御を開始することにより、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
（８）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記充填流路を前記燃料ガスが流れる際の、前記第１圧力センサと前記燃料タンクとの間の圧力損失が、予め定めた判定値以下の状態になったと推定された後に、前記第１圧力センサの検出値が最大となったときを前記圧力最大時として、前記充填時最大圧力を取得することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、充填流路の圧力損失に起因して、充填時最大圧力の値として過剰に大きな値が取得されることを抑えることができる。そのため、圧力センサが正常であるにも関わらず異常であると誤判定されることを抑え、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。
本開示は、燃料電池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、燃料電池システムを搭載する燃料電池車両、燃料電池システムの異常検知方法、その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。異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャート。異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャート。水素充填時間と、圧力損失および充填流量との関係を示す説明図。異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャート。異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャート。水素充填時間と、圧力損失および昇圧速度との関係を示す説明図。異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャート。異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャート。水素充填時間と、圧力損失および昇温速度との関係を示す説明図。異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャート。異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャート。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ－１）全体構成：
図１は、本開示の第１実施形態の燃料電池システム２５の概略構成を表わす説明図である。燃料電池システム２５は、燃料電池車両２０に搭載されている。図１では、燃料電池システム２５が備える後述する燃料タンク６０に対して燃料ガスである水素を充填するための水素充填装置７０も併せて示している。以下では、燃料電池車両２０および水素充填装置７０の構成について説明する。

燃料電池システム２５は、燃料電池車両２０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２５は、燃料電池６６と、燃料タンク６０と、レセプタクル６４と、充填配管３０と、供給配管３２と、制御部６８と、を備える。燃料タンク６０とレセプタクル６４とは、充填配管３０によって接続されており、燃料タンク６０と燃料電池６６とは、供給配管３２によって接続されている。図１では、燃料電池車両２０の構成のうち、水素の流通に係る部分のみを示す。燃料電池車両２０は、さらに、燃料電池６６に対して酸素を含む酸化ガスを流通させるための構造、燃料電池６６に対して冷媒を流通させるための構造、および、駆動モータの駆動に係る構造を備えるが、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、固体酸化物形燃料電池など、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、電解質膜を間に挟んで、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。

燃料タンク６０は、燃料電池６６に供給するための水素を貯蔵するための装置である。燃料タンク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。燃料タンク６０は、タンク口金内に配置されたバルブ機構６２を備える。バルブ機構６２は、その内部に、バルブ内流路３４が形成される。バルブ内流路３４は、第１流路３５、第２流路３６、および第３流路３７を備える。第１流路３５の一端は、バルブ機構６２の表面で開口しており、充填配管３０が接続される。第１流路３５には、充填配管３０から燃料タンク６０内に向かう水素の流れのみを許容する第２逆止弁５２が設けられている。第１流路３５の他端は、第３流路３７の一端に接続されている。第２流路３６の一端は、バルブ機構６２の表面で開口しており、供給配管３２が接続される。第２流路３６には、第２流路３６の開閉を行なう電磁弁である主止弁５３が設けられている。第２流路３６の他端は、第３流路３７の一端に接続されている。第３流路３７の他端は、燃料タンク６０内で開口している。ただし、第１流路３５と第２流路３６とが合流する第３流路３７を設けることなく、第１流路３５と第２流路３６とが、別々に、燃料タンク６０内の空間に接続されることとしてもよい。燃料タンク６０は、さらに、燃料タンク６０内部の温度を検出する温度センサ４５を備える。

レセプタクル６４は、燃料電池車両２０の車体２２の側面に設けられており、燃料タンク６０に水素を充填する際に水素充填装置７０を燃料電池車両２０に接続するための構造である。レセプタクル６４の内部には、第４流路３８が形成されている。第４流路３８の一端は、充填配管３０に接続されている。第４流路３８の他端は、車体２２の表面で開口して、水素充填装置７０から供給される水素が流入する充填口２６を形成する。第４流路３８には、充填口２６から充填配管３０に向かう水素の流れのみを許容する第１逆止弁５１が設けられている。

車体２２には、レセプタクル６４を覆うリッド２４が設けられている。リッド２４は、ヒンジを介して開閉自在に車体２２に取り付けられており、水素充填装置７０によって燃料タンク６０に水素充填する際に開けられる。レセプタクル６４の近傍には、リッド２４の開閉状態を検知するリッドセンサ４６が設けられている。

図１に示す構成において、充填口２６と燃料タンク６０とを接続する流路、すなわち、充填口２６から供給された水素が燃料タンク６０に充填されるまでに流れる流路を、「充填流路」とも呼ぶ。本実施形態では、「充填流路」は、充填配管３０と、第１流路３５と、第３流路３７と、第４流路３８と、を含む。本実施形態では、充填配管３０に、充填配管３０内の圧力を検出する充填圧センサ４１と、充填配管３０を流れる水素の質量流量を検出する流量センサ４７と、が設けられている。充填圧センサ４１のことを、「第１圧力センサ」とも呼ぶ。

燃料タンク６０に水素を充填する際には、水素充填装置７０の後述するノズル７２がレセプタクル６４に接続されて、ノズル７２、レセプタクル６４、および充填流路を介して、水素充填装置７０から燃料タンク６０へと水素が充填される。このとき、水素充填装置７０から高圧の水素が供給されることにより、第１逆止弁５１および第２逆止弁５２が開弁される。また、燃料タンク６０への水素の充填時には、バルブ機構６２の主止弁５３が閉弁される。そのため、燃料タンク６０への燃料ガスの充填時に充填圧センサ４１が検出する圧力は、燃料タンク６０内の圧力とほぼ等しくなる。以下では、燃料タンク６０内の圧力を単に「タンク圧」とも呼ぶ。

図１に示す構成において、燃料電池６６と燃料タンク６０とを接続する流路、すなわち、燃料タンク６０から排出された水素が燃料電池６６に供給されるまでに流れる流路を、「供給流路」とも呼ぶ。本実施形態では、「供給流路」は、供給配管３２と、第２流路３６と、第３流路３７と、を含む。供給配管３２には、水素流れの上流側から順に、減圧弁５４とインジェクタ５５とが設けられている。インジェクタ５５は、内部に電磁弁を備え、この電磁弁の開閉動作によって、燃料電池６６に供給される水素の量を調節する。燃料電池６６の発電時には、主止弁５３が開弁されて燃料タンク６０から供給配管３２へと高圧の水素が流入し、流入した高圧の水素は減圧弁５４により減圧されて、インジェクタ５５から燃料電池６６のアノード側流路へと供給される。

供給流路において、主止弁５３と減圧弁５４との間には高圧センサ４２が設けられており、減圧弁５４とインジェクタ５５との間には中圧センサ４３が設けられており、インジェクタ５５と燃料電池６６との間には低圧センサ４４が設けられている。燃料電池６６の発電時には、高圧センサ４２、中圧センサ４３、および低圧センサ４４の検出値は、この順で小さくなる。高圧センサ４２、中圧センサ４３、および低圧センサ４４の検出値は、燃料電池６６の発電時に、燃料電池６６に供給する水素量を制御する際に用いられる。燃料電池６６の発電時には、主止弁５３が開弁され、このとき高圧センサ４２が検出する圧力は、タンク圧とほぼ等しくなる。燃料ガスを減圧させる装置である減圧弁５４やインジェクタ５５よりも上流に配置された高圧センサ４２が検出するガス圧は、「燃料タンク６０の出口部の燃料ガスの圧力」ということができる。高圧センサ４２のことを、「第２圧力センサ」とも呼ぶ。

燃料電池６６には、さらに、燃料電池６６内のアノード側流路を流れたアノードオフガスが排出される排出配管３９が接続されている。なお、排出配管３９の下流側を、供給配管３２におけるインジェクタ５５と燃料電池６６との間に接続させて、燃料電池６６から排出されるアノードオフガスを燃料電池６６に供給して、燃料ガスが循環する流路を形成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、既述した充填圧センサ４１、高圧センサ４２、中圧センサ４３、および低圧センサ４４等の各圧力センサ、温度センサ４５、リッドセンサ４６、流量センサ４７の他、図示しないアクセル開度センサ、シフトポジションセンサ、車速センサ等、種々のセンサから検出信号を取得して、燃料電池車両２０に係る種々の制御を行なう。具体的には、制御部６８は、既述した各種バルブ、駆動用モータ、あるいは各種制御機器などに駆動信号を出力する。なお、制御部６８は、水素の充填動作の制御、後述する圧力センサの異常検知に係る制御、車両の走行動作の制御、の全てを一体で行なうのではなく、上記した各制御をそれぞれ別体としての制御部（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。

水素充填装置７０は、燃料電池車両２０の燃料タンク６０に水素を充填するための装置であり、例えば水素ステーションに設けることができる。水素充填装置７０は、高圧の水素を貯蔵する図示しない水素貯蔵部と、水素貯蔵部から取り出される高圧水素を導く水素供給ホース７６と、水素供給ホース７６の先端に設けられたノズル７２と、ステーション圧センサ７５と、制御部７８と、を備える。ノズル７２は、水素充填時に燃料電池車両２０のレセプタクル６４に結合するための構造であり、ノズル７２で開口する水素充填装置７０側の水素流路を、燃料電池車両２０の充填流路に接続するための構造である。ステーション圧センサ７５は、水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して供給する水素の圧力を検出する。水素充填時にノズル７２がレセプタクル６４に結合されて、水素充填装置７０内に設けられた充填水素が流れる流路が燃料タンク６０内と連通したときには、ステーション圧センサ７５によって、タンク圧を検出することが可能になる。制御部７８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７８は、水素充填の際には、ステーション圧センサ７５が検出したタンク圧を用いて、燃料電池車両２０に供給する水素の流量等を調節することができる。水素充填装置７０は、さらに、充填に先立って水素を予め定めた温度に冷却する図示しないプレクーラを備える。燃料タンク６０に水素を充填すると、いわゆる断熱圧縮様の現象により燃料タンク６０の温度が上昇するため、充填に先立って水素を冷却することにより、燃料タンク６０の過剰な温度上昇を抑えている。

図１では記載を省略しているが、燃料電池車両２０および水素充填装置７０には、両者の間で水素充填に係る情報、例えばタンク圧を含む情報をやり取りするための通信装置を設けてもよい。このような通信装置は、例えば、燃料電池車両２０から水素充填装置７０へと、赤外線通信により上記情報を送信するための装置とすることができる。

（Ａ－２）圧力センサの異常を検知する動作：
図２は、本実施形態の燃料電池車両２０の制御部６８のＣＰＵで実行される異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。図３は、異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャートである。以下では、図２および図３を用いて、燃料ガスの圧力を検出するセンサの異常、具体的には、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の異常を、検知するための動作について説明する。

図２に示す異常検知制御処理ルーチンは、制御部６８において、燃料電池車両２０の燃料タンク６０に対する水素充填が開始されたと判断されたときに起動される。本実施形態では、リッド２４が開いたことを示す信号を、制御部６８がリッドセンサ４６から受信したときに、燃料タンク６０に対する水素充填が開始されたと判断される。あるいは、燃料電池車両２０において、水素充填装置７０と通信するための既述した通信装置を設ける場合には、上記通信が開始されたときに、燃料タンク６０に対する水素充填が開始されたと判断してもよい。このように燃料タンク６０への水素充填が行なわれる際には、通常は、燃料電池車両２０のシステムは停止されている。すなわち、燃料電池車両２０に設けられた起動のためのスタートスイッチが、オフにされた状態となっている。スタートスイッチがオフであって、燃料電池システム２５が停止しているときに異常検知制御処理ルーチンを実行する制御部６８は、電源として、燃料電池車両２０に搭載された、燃料電池６６とは異なる図示しない蓄電装置を用いている。

なお、燃料電池車両２０のリッド２４が開けられて図２の異常検知制御処理ルーチンが開始されると、これと並行して、水素充填の動作を行なう使用者によって、水素充填装置７０のノズル７２がレセプタクル６４に取り付けられる。そして、ノズル７２がレセプタクル６４に取り付けられると、水素充填装置７０において、燃料タンク６０への水素供給が開始される。

リッドセンサ４６から受信した信号により水素充填の開始が検知されると（ステップＳ１００）、制御部６８は、充填圧センサ４１の検出信号を取得することにより、燃料タンク６０に供給する水素の圧力である充填ガス圧Ｐｉの検出を開始する（ステップＳ１３０）。ノズル７２がレセプタクル６４に取り付けられて水素充填装置７０からの水素供給が開始されると、タンク圧が次第に上昇する。既述したように、燃料タンク６０への燃料ガスの充填時に充填圧センサ４１が検出する圧力は、タンク圧とほぼ等しくなるため、充填ガス圧Ｐｉは、タンク圧を表わすと考えられる。

図３では、充填配管３０に設けられた充填圧センサ４１が検出するガス圧である充填ガス圧Ｐｉと、供給配管３２に設けられた高圧センサ４２が検出するガス圧である供給ガス圧Ｐｏの変化の様子と、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏを用いた異常検知制御を行なうタイミングと、が示されている。図３では、ステップＳ１００で充填開始が検知された後にステップＳ１３０で充填ガス圧Ｐｉの検出が開始されるタイミングが、時間ｔ１として示されている。そして、時間ｔ１で水素充填が開始された後、タンク圧である充填ガス圧Ｐｉが次第に上昇する様子が示されている。水素充填時には、バルブ機構６２の主止弁５３は閉弁されているため、時間ｔ１の後にも供給ガス圧Ｐｏは変化しない。図２に示すステップＳ１３０からステップＳ１８０までの動作を含む制御は、「異常検知制御」とも呼ぶ。図３ではさらに、時間ｔ１において、ステップＳ１３０の充填ガス圧Ｐｉの検出が開始されることにより、異常検知制御が開始されることが示されている。

本実施形態の制御部６８は、ステップＳ１３０で充填ガス圧Ｐｉの検出を開始した後の充填ガス圧Ｐｉの検出値の最大値である充填時最大圧力Ｐｉｍａｘを記憶している。以下では、上記充填時最大圧力Ｐｉｍａｘを、単に「最大圧力Ｐｉｍａｘ」とも呼ぶ。ステップＳ１３０で充填ガス圧Ｐｉの検出を開始すると、制御部６８のＣＰＵは、新たに検出した充填ガス圧Ｐｉが、充填ガス圧Ｐｉの検出を開始してから現時点までに検出した充填ガス圧Ｐｉの最大値である場合には、上記した最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶を、新たに検出した充填ガス圧Ｐｉの値で更新する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０では、新たに検出した充填ガス圧Ｐｉの値が、充填ガス圧Ｐｉの検出を開始してから現時点までに検出した充填ガス圧Ｐｉの最大値ではない場合には、最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶は更新されることなく維持される。

なお、ステップＳ１４０で最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶を更新するために用いる値としては、新たに検出した充填ガス圧Ｐｉの値を用いる他、例えば、検出した充填ガス圧Ｐｉを時系列的に記憶して、直近の複数の検出値の平均値を用いてもよい。充填時最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新に用いる充填ガス圧Ｐｉの値は、上記した平均値のような、実測した充填ガス圧Ｐｉの最大値の前後における検出値の変動を均した値であってもよい。

ステップＳ１４０の後、制御部６８のＣＰＵは、燃料タンク６０に水素充填する動作が終了したか否かを判断する（ステップＳ１５０）。燃料タンク６０に対する水素充填の動作が進行して、やがて、水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されると、水素充填の動作を行なう使用者によって、水素充填装置７０のノズル７２がレセプタクル６４から取り外され、リッド２４が閉じられる。ステップＳ１５０において、本実施形態の制御部６８のＣＰＵは、リッド２４が閉じたことを示す信号をリッドセンサ４６から受信したときに、燃料タンク６０に対する水素充填の動作が終了したと判断する。

水素充填が終了していないと判断すると（ステップＳ１５０：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１４０に戻り、充填ガス圧Ｐｉの検出を繰り返しつつ、最大圧力Ｐｉｍａｘを検出したときに記憶を更新する動作を繰り返す。水素充填装置７０による水素充填時に、タンク圧が上昇し続ける間は、最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新が繰り返し行なわれる。燃料タンク６０が例えば満充填の状態になり、水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されるときに、充填ガス圧Ｐｉは最大値となり、最大圧力Ｐｉｍａｘが確定する。図３では、水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されるタイミング、すなわち、水素充填装置７０から燃料タンク６０への水素供給が停止されるタイミングを、時間ｔ２として示している。水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されると、既述したように、その後、水素充填装置７０のノズル７２がレセプタクル６４から取り外され、リッド２４が閉じられて、水素充填の動作が終了したと判断される。図３では、リッド２４が閉じられて、水素充填の動作が終了したと判断されるタイミングを、時間ｔ３として示している。レセプタクル６４には第１逆止弁５１が設けられているため、水素充填装置７０が燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止される時間ｔ２の後にも、充填圧センサ４１が検出するガス圧である充填ガス圧Ｐｉは、最大圧力Ｐｉｍａｘとほぼ同等である。厳密には、燃料タンク６０内の水素ガス温度が徐々に低下するため、上記充填ガス圧Ｐｉは緩やかに低下する。

水素充填が終了したと判断すると（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、燃料電池車両２０が起動されたか否かを判断する（ステップＳ１６０）。具体的には、燃料電池車両２０に設けられた既述したスタートスイッチがオンにされたか否かを判断する。燃料電池車両２０が起動されていないときには、（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、起動されたと判断されるまで、ステップＳ１６０の動作を繰り返す。スタートスイッチがオンになって燃料電池システム２５が起動されると、バルブ機構６２の主止弁５３が開弁されて、燃料タンク６０から燃料電池６６への水素の供給が開始される。図３では、燃料電池システム２５が起動されるタイミングを、時間ｔ４として示している。時間ｔ４で主止弁５３が開弁されると、供給ガス圧Ｐｏは急上昇して、タンク圧になる。時間ｔ３から時間ｔ４までの間が比較的短い場合、起動時のタンク圧は、水素充填の終了時におけるタンク圧とほぼ同じであるため、時間ｔ４における供給ガス圧Ｐｏは、水素充填の終了時に記憶した最大圧力Ｐｉｍａｘとほぼ同じになる。

燃料電池車両２０が起動されたと判断すると（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、高圧センサ４２の検出信号を取得することにより、燃料タンク６０から燃料電池６６に供給される水素の圧力である供給ガス圧Ｐｏを検出する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０で検出される供給ガス圧Ｐｏは、水素充填の終了後、燃料タンク６０内の水素の燃料電池６６への供給を最初に開始したときの高圧センサ４２の検出値であり、「供給開始時圧力」とも呼ぶ。その後、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１４０で記憶していた最大圧力Ｐｉｍａｘと、ステップＳ１７０で検出した供給ガス圧Ｐｏとを比較して、圧力センサの異常の有無を判定し（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。図３では、時間ｔ４において異常検知制御が終了されることが示されている。

ステップＳ１８０では、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとを比較して、両者の差が、予め定めた基準値以下のときに、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の双方が正常であると判定する。また、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとの差が、上記基準値を超えるときには、充填圧センサ４１と高圧センサ４２とのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定する。上記基準値は、充填圧センサ４１と高圧センサ４２との検出精度を考慮して、充填圧センサ４１と高圧センサ４２との双方が正常であるときに、満充填にされた燃料タンク６０のタンク圧を別々に測定したときの、充填圧センサ４１の検出値と高圧センサ４２の検出値との間で生じ得る差の最大値として、予め設定されている。なお、ステップＳ１８０において、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとの差が上記基準値を超えると判断されたときには、供給配管３２に設けた高圧センサ４２が異常である可能性があるため、燃料電池車両２０の走行を禁止することとしてもよい。

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２５によれば、例えば、レセプタクル６４において異物がかみ込んで第１逆止弁５１の気密性が損なわれる等により、燃料タンク６０に水素充填した後に充填流路の圧力が低下する場合であっても、圧力センサの異常判定における誤判定を抑えることができる。上記したレセプタクル６４等における問題が生じていない場合には、図３の時間ｔ２で燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されてから、時間ｔ３で水素充填の動作が終了したと判断されるまでの間、充填ガス圧Ｐｉはほぼ同等である。そのため、例えば、上記した時間ｔ３に、充填圧センサ４１から充填ガス圧Ｐｉを取得すると共に、次回の起動時である時間ｔ４に高圧センサ４２から供給ガス圧Ｐｏを取得して、両者を比較しても、実施形態と同様に、圧力センサの異常判定を行なうことができる。しかしながら、上記したレセプタクル６４等における問題が生じている場合には、燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止された時間ｔ２の後、上記した時間ｔ３までの間に、充填配管３０内の圧力である充填ガス圧Ｐｉが低下する。図３では、時間ｔ２の後に充填ガス圧Ｐｉが次第に低下する様子を、破線で示している。

このような場合には、充填の動作が終了したと判断される時間ｔ３で検出される充填ガス圧Ｐｉは、燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止された時間ｔ２におけるタンク圧よりも低下する。したがって、このような場合に、時間ｔ３で検出した充填ガス圧Ｐｉと、時間ｔ４で検出した供給ガス圧Ｐｏとを比較して圧力センサの異常判定を行なうと、充填ガス圧Ｐｉと供給ガス圧Ｐｏとの差が大きくなることにより、充填圧センサ４１および高圧センサ４２に異常が無くても、異常判定される場合がある。本実施形態では、充填圧センサ４１の検出値として、水素充填の動作が終了したと判断されたときに検出した値ではなく、水素充填の動作を行なう際に検出された最大値である最大圧力Ｐｉｍａｘを用いている。このような最大圧力Ｐｉｍａｘは、燃料タンク６０に対して水素充填する動作が実質的に停止されたときの燃料タンク６０内の圧力と、実質的に同じになると考えられる。そのため、燃料タンク６０に水素充填した後に充填流路の圧力が低下する場合であっても、圧力センサの異常判定における誤判定を抑えることができる。なお、時間ｔ２の後、上記した時間ｔ３までの間に充填ガス圧Ｐｉが低下する場合とは、上記のようにレセプタクル６４において気密性が損なわれる場合に限らず、燃料タンク６０に水素充填した後に充填流路のいずれかの箇所で気密性が損なわれる場合を含む。

Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、水素充填が開始される時間ｔ１において、図２のステップＳ１３０からステップＳ１８０までの動作を含む異常検知制御を開始しているが、異なる構成としてもよい。異常検知制御を開始するタイミングを第１実施形態とは異ならせた例を、以下の第２実施形態から第４実施形態において説明する。また、以下に示す第２実施形態から第５実施形態の燃料電池システム２５は、第１実施形態と同様の構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。

図４は、燃料タンク６０に水素充填する水素充填時間と、圧力損失および充填流量との関係を示す説明図である。横軸に示す水素充填時間とは、水素充填を開始する図３における時間ｔ１からの経過時間である。圧力損失とは、充填配管３０を燃料ガスが流れる際の圧力損失であって、充填配管３０における、充填圧センサ４１が配置された箇所と燃料タンク６０との間の圧力損失を指す。充填流量とは、充填流路を流れる燃料ガスの流量である。図４に示すように、燃料タンク６０に水素充填する際には、充填配管３０における圧力損失および充填流量は、充填開始後しばらくは上昇傾向を示すが、やがて低下傾向を示す。

水素充填装置７０が燃料タンク６０に水素充填する際には、水素充填装置７０は一定の圧力上昇率を維持するが、タンク圧は圧力上昇が次第に鈍化する。その結果、充填流路を流れる水素の流速や充填流量は、充填開始後しばらくは増加するが、やがて減少する。ここで、圧力損失は、ガスと流路壁面との間で発生する摩擦力を含む直管損失、縮流損失、曲がり損失などの影響を受けると考えられる。本実施形態では、圧力損失は、各損失から成る管路抵抗の影響が大きく、特に、圧縮性流体である充填水素の流速の影響を受けると考えられる。そのため、圧力損失と充填流量とは、図４に示すように、水素充填装置７０から供給される燃料ガスの温度や、充填流路の配管形状や、水素充填時の圧力制御の状態などの充填条件によって定まる、一定のパターンを示す。

図４に示すように、水素充填時の圧力損失が十分に低下した状態であることを判断するための基準値である圧損閾値を定めることができる。この圧損閾値は、圧力損失に起因して充填圧センサ４１の検出値が真のタンク圧より高くなっても、その検出値が、充填終了時のタンク圧よりも大きくならない程度に圧力損失が低下したことを示す値である。この圧損閾値は、用いる充填圧センサ４１および高圧センサ４２の精度や、充填配管の形状等の既述した摩擦力に影響する構造的な要因や、水素充填時の条件等により変化し得るものであり、燃料電池システム２５の構成により、予め定めることができる。圧損閾値のことを、「判定値」とも呼ぶ。

本実施形態の燃料電池システム２５では、燃料タンク６０に直接圧力センサを取り付けるのではなく、充填配管３０に設けた充填圧センサ４１の検出値をタンク圧として用いることにより、システム構成を簡素化している。そのため、水素充填時に、圧力損失を検出することは困難である。そこで、第２実施形態では、水素充填時の圧力損失が十分に低下した状態になったと推定されるか否か、すなわち、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するために、流量センサ４７が検出した充填流量（質量流量）を用いている。

既述したように、圧力損失と充填流量とは、水素充填時の圧力制御の状態などに応じて、図４に示すような一定のパターンを示す。このような圧力損失と充填流量との関係は、予め実験的あるいはシミュレーションにより求めることができる。第２実施形態では、上記した圧力損失と充填流量との関係を用いて、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するための、充填流量の基準流量Ｆａを予め定めている。図４では、圧力損失が圧損閾値に低下した時の充填時間ｔαにおける充填流量を、基準流量Ｆａとして定めることを示している。基準流量Ｆａは、設定される圧損閾値の値や、圧力損失と充填流量との関係により定まる。このような基準流量Ｆａは、例えば、３０ｇ／ｓｅｃとすることができる。

図５は、第２実施形態の燃料電池車両２０の制御部６８のＣＰＵで実行される異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。図６は、異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャートである。以下では、図５および図６を用いて、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の異常を検知するための動作について、説明する。なお、図５において、図２と共通する工程には、同じステップ番号を付している。

図５に示す異常検知制御処理ルーチンは、制御部６８において、図２に示す第１実施形態の異常検知制御処理ルーチンに代えて実行される。第２実施形態の制御部６８のＣＰＵは、燃料タンク６０に対する水素充填の開始を検知すると（ステップＳ１００）、流量センサ４７の検出信号を取得することにより、燃料タンク６０に供給する水素の流量である充填流量Ｆの監視を開始する（ステップＳ１０２）。

図６では、図３と同様に、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏの変化の様子と、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏを用いた異常検知制御を行なうタイミングと、が示されると共に、さらに、充填流量Ｆの変化の様子が示されている。図６では、充填流量Ｆが変化するパターンが、図４に比べて簡略化されている。図６に示すように、第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、ステップＳ１００で充填開始が検知されるタイミングである時間ｔ１には、充填ガス圧Ｐｉの検出を伴う異常検知制御は開始されていない。

ステップＳ１０２で充填流量Ｆの監視を開始すると、制御部６８のＣＰＵは、充填流量Ｆの経時的な変化が増加から減少に転じたか否かを判断する（ステップＳ１０４）。すなわち、ステップＳ１０２の後、制御部６８のＣＰＵは、流量センサ４７の検出値を取得する動作を繰り返し実行し、前回取得した値との差である充填流量Ｆの変化量が、正の値が続く状態から、負の値が続く状態へと変化したか否かを判断する。充填流量Ｆの経時的な変化が減少に転じていないと判断する間は（ステップＳ１０４：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１０４の動作を繰り返す。

充填流量Ｆの経時的な変化が増加から減少に転じたと判断すると（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、充填流量Ｆを、既述した基準流量Ｆａと比較する（ステップＳ１０６）。すなわち、ステップＳ１０４の後、制御部６８のＣＰＵは、流量センサ４７の検出値を取得して、取得した充填流量Ｆと基準流量Ｆａとを比較する動作を繰り返す。取得した充填流量Ｆが基準流量Ｆａを超えると判断する間は（ステップＳ１０６：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１０６の動作を繰り返す。

取得した充填流量Ｆが基準流量Ｆａ以下であると判断すると（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、第１実施形態と同様の、ステップＳ１３０からステップＳ１８０の動作を含む異常検知制御を実行して、本ルーチンを終了する。すなわち、充填ガス圧Ｐｉの検出を開始して最大圧力Ｐｉｍａｘを求め、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとを比較することにより、圧力センサの異常判定を行なう。図６では、取得した充填流量Ｆが基準流量Ｆａ以下であると判断するタイミングを、時間ｔαとして示している。また、図６では、時間ｔαにおいて、異常検知制御を開始する様子が示されている。

このような構成とすれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。すなわち、充填流路の圧力損失が高いときに検出した充填ガス圧Ｐｉの値が、水素充填完了時のタンク圧よりも高い最大圧力Ｐｉｍａｘとして記憶されて、最大圧力Ｐｉｍａｘが供給ガス圧Ｐｏよりも大きな値となることで、圧力センサが正常であるにも関わらず、異常であると誤判定されることを抑えることができる。

水素充填時には、充填流路で生じる上記した圧力損失が大きいほど、充填圧センサ４１がタンク圧として検出する圧力は、燃料タンク６０内の実際の圧力よりも高くなる。このような場合に、充填圧センサ４１の検出値から最大圧力Ｐｉｍａｘを導出して圧力センサの異常判定を行なうと、最大圧力Ｐｉｍａｘとして、燃料タンク６０への充填が終了したときの真の最大圧力ではなく、充填途中の圧力損失が大きいときに充填圧センサ４１が検出した値が導かれる可能性がある。最大圧力Ｐｉｍａｘとして、充填終了時の真の最大圧力よりも高い圧力を用いて、圧力センサの異常判定を行なうと（図２のステップＳ１８０）、ステップＳ１７０で検出された供給ガス圧Ｐｏよりも最大圧力Ｐｉｍａｘが高くなることにより、圧力センサに異常がない場合であっても、異常であると誤判定される可能性がある。第２実施形態の燃料電池システム２５では、水素充填時の圧力損失が十分に低下した状態になったと推定されてから、最大圧力Ｐｉｍａｘを求めるための充填ガス圧Ｐｉの検出を開始するため、たとえ水素充填時に圧力損失が大きくなることがあっても、上記した誤判定を抑えることができる。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態では、第２実施形態と同様に、水素充填時の圧力損失が十分に低下した状態になったと推定された後に、最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新を伴う圧力センサの異常検知制御を行なっている。第３実施形態では、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するために、充填圧センサ４１が検出した充填ガス圧Ｐｉの上昇速度(以下、昇圧速度ΔＰｉとも呼ぶ）を用いている。昇圧速度ΔＰｉは、本実施形態では、単位時間当たりに上昇した充填ガス圧Ｐｉの大きさとしているが、例えば、一定時間ごとに充填ガス圧Ｐｉを検出したときの、前回の検出値に対する今回の検出値の割合としてもよい。

図７は、燃料タンク６０に水素充填する水素充填時間と、圧力損失および昇圧速度との関係を示す説明図である。水素充填時間および圧力損失は、第２実施形態の図４と同様である。昇圧速度は、上記したように充填流路を流れる燃料ガスの圧力の上昇速度である。図７に示すように、燃料タンク６０に水素充填する際には、圧力損失と共に、昇圧速度も、充填開始後しばらくは上昇傾向を示した後、やがて低下傾向を示す。既述したように、水素充填装置７０が燃料タンク６０に水素充填する際には、水素充填装置７０は、一定の圧力上昇率を維持するが、燃料タンク６０の圧力上昇は次第に緩やかになるためである。圧力損失と昇圧速度とは、図７に示すように、水素充填装置７０から供給される燃料ガスの温度や、充填流路の配管形状や、水素充填時の圧力制御の状態などの充填条件によって定まる、一定のパターンを示す。

このような圧力損失と昇圧速度との関係は、予め実験的あるいはシミュレーションにより求めることができる。第３実施形態では、上記した圧力損失と昇圧速度との関係を用いて、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するための、昇圧速度の基準速度ΔＰｉａを予め定めている。図７では、圧力損失が圧損閾値に低下した時の充填時間ｔβにおける昇圧速度を、基準速度ΔＰｉａとして定めることを示している。基準速度ΔＰｉａは、設定される圧損閾値の値や、圧力損失と昇圧速度との関係により定まる。このような基準速度ΔＰｉａは、例えば、２３ＭＰａ／ｍｉｎとすることができる。基準速度ΔＰｉａのことを、「第１基準速度」とも呼ぶ。

図８は、第３実施形態の燃料電池車両２０の制御部６８のＣＰＵで実行される異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。図９は、異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャートである。以下では、図８および図９を用いて、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の異常を検知するための動作について、説明する。なお、図８において、図２と共通する工程には、同じステップ番号を付している。

図８に示す異常検知制御処理ルーチンは、制御部６８において、図２に示す第１実施形態の異常検知制御処理ルーチンに代えて実行される。第３実施形態の制御部６８のＣＰＵは、燃料タンク６０に対する水素充填の開始を検知すると（ステップＳ１００）、充填圧センサ４１の検出信号を取得することにより、充填流路における圧力の上昇速度である昇圧速度ΔＰｉの監視を開始する（ステップＳ１１２）。

図９では、図３と同様に、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏの変化の様子と、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏを用いた異常検知制御を行なうタイミングと、が示されると共に、さらに、昇圧速度ΔＰｉの変化の様子が示されている。図９では、昇圧速度ΔＰｉが変化するパターンが、図７に比べて簡略化されている。図９に示すように、第３実施形態では、第１実施形態とは異なり、ステップＳ１００で充填開始が検知されるタイミングである時間ｔ１には、異常検知制御は開始されていない。

ステップＳ１１２で昇圧速度ΔＰｉの監視を開始すると、制御部６８のＣＰＵは、昇圧速度ΔＰｉの経時的な変化が増加から減少に転じたか否かを判断する（ステップＳ１１４）。すなわち、ステップＳ１１２の後、制御部６８のＣＰＵは、充填圧センサ４１の検出値を取得する動作を繰り返し実行して昇圧速度ΔＰｉを算出し、前回算出した昇圧速度ΔＰｉとの差である昇圧速度ΔＰｉの変化量が、正の値が続く状態から、負の値が続く状態へと変化したか否かを判断する。昇圧速度ΔＰｉの経時的な変化が減少に転じていないと判断する間は（ステップＳ１１４：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１１４の動作を繰り返す。

昇圧速度ΔＰｉの経時的な変化が増加から減少に転じたと判断すると（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、算出した昇圧速度ΔＰｉを、既述した基準速度ΔＰｉａと比較する（ステップＳ１１６）。すなわち、ステップＳ１１４の後、制御部６８のＣＰＵは、充填圧センサ４１の検出値を取得して昇圧速度ΔＰｉを算出し、算出した昇圧速度ΔＰｉと基準速度ΔＰｉａとを比較する動作を繰り返す。算出した昇圧速度ΔＰｉが基準速度ΔＰｉａを超えると判断する間は（ステップＳ１１６：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１１６の動作を繰り返す。

算出した昇圧速度ΔＰｉが基準速度ΔＰｉａ以下であると判断すると（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、第１実施形態と同様の、ステップＳ１３０からステップＳ１８０の動作を含む異常検知制御を実行して、本ルーチンを終了する。すなわち、充填ガス圧Ｐｉの検出を開始して最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新を行ない、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとを比較することにより、圧力センサの異常判定を行なう。図９では、算出した昇圧速度ΔＰｉが基準速度ΔＰｉａ以下であると判断するタイミングを、時間ｔβとして示している。また、図９では、時間ｔβにおいて、異常検知制御を開始する様子が示されている。

なお、上記した第３実施形態では、ステップＳ１１２からステップＳ１１６の工程において昇圧速度ΔＰｉを監視する際に、充填圧センサ４１の検出値を用いたが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池車両２０と水素充填装置７０との間の通信により、水素充填装置７０のステーション圧センサ７５の検出値を燃料電池車両２０が取得可能であるならば、ステーション圧センサ７５の検出値を用いて、上記した昇圧速度ΔＰｉの監視を行なってもよい。

Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態では、第２実施形態と同様に、水素充填時の圧力損失が十分に低下した状態になったと推定された後に、最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新を伴う圧力センサの異常検知制御を行なっている。第４実施形態では、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するために、温度センサ４５が検出した燃料タンク６０の温度Ｔｘの上昇速度を用いている。燃料タンク６０の温度Ｔｘの上昇速度のことを、「タンク昇温速度」あるいは「昇温速度ΔＴｘ」とも呼ぶ。昇温速度ΔＴｘは、本実施形態では、単位時間当たりに上昇したタンク温度Ｔｘの大きさとしているが、例えば、一定時間ごとにタンク温度Ｔｘを検出したときの、前回の検出値に対する今回の検出値の割合としてもよい。

図１０は、燃料タンク６０に水素充填する水素充填時間と、圧力損失および昇温速度との関係を示す説明図である。水素充填時間および圧力損失は、第２実施形態の図４と同様である。昇温速度は、上記したように燃料タンク６０内の温度の上昇速度である。図１０に示すように、燃料タンク６０に水素充填する際には、圧力損失と共に、昇温速度も、充填開始後しばらくは上昇傾向を示した後、やがて低下傾向を示す。既述したように、水素充填時には、いわゆる断熱圧縮様の現象により燃料タンク６０の温度が上昇する。燃料タンク６０が温度上昇する昇温速度は、充填流路を流れて燃料タンク６０に充填される燃料ガスの流量、すなわち充填流量が多いほど、上昇する。既述したように、充填流量は充填開始後しばらくは増加するが、その後、減少する。そのため、燃料タンク６０の昇温速度は、充填開始後しばらくは上昇するが、その後、低下する。圧力損失と昇温速度とは、図１０に示すように、水素充填装置７０から供給される燃料ガスの温度や、充填流路の配管形状や、水素充填時の圧力制御の状態などの充填条件によって定まる、一定のパターンを示す。

このような圧力損失と昇温速度との関係は、予め実験的あるいはシミュレーションにより求めることができる。第４実施形態では、上記した圧力損失と昇温速度との関係を用いて、水素充填時の圧力損失が圧損閾値まで低下したか否かを判断するための、昇温速度の基準速度ΔＴｘａを予め定めている。図１０では、圧力損失が圧損閾値に低下した時の充填時間ｔγにおける昇温速度を、基準速度ΔＴｘａとして定めることを示している。基準速度ΔＴｘａは、設定される圧損閾値の値や、圧力損失と昇温速度との関係により定まる。このような基準速度ΔＴｘａは、例えば、２０℃／ｍｉｎとすることができる。基準速度ΔＴｘａのことを、「第２基準速度」とも呼ぶ。

図１１は、第４実施形態の燃料電池車両２０の制御部６８のＣＰＵで実行される異常検知制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。図１２は、異常検知制御に伴う動作の概要を示すタイムチャートである。以下では、図１１および図１２を用いて、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の異常を検知するための動作について、説明する。なお、図１１において、図２と共通する工程には、同じステップ番号を付している。

図１１に示す異常検知制御処理ルーチンは、制御部６８において、図２に示す第１実施形態の異常検知制御処理ルーチンに代えて実行される。第４実施形態の制御部６８のＣＰＵは、燃料タンク６０に対する水素充填の開始を検知すると（ステップＳ１００）、温度センサ４５の検出信号、すなわち温度センサ４５の検出温度を取得することにより、燃料タンク６０の温度の上昇速度である昇温速度ΔＴｘの監視を開始する（ステップＳ１２２）。

図１２では、図３と同様に、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏの変化の様子と、充填ガス圧Ｐｉおよび供給ガス圧Ｐｏを用いた異常検知制御を行なうタイミングと、が示されると共に、さらに、昇温速度ΔＴｘの変化の様子が示されている。図１２では、昇温速度ΔＴｘが変化するパターンが、図１０に比べて簡略化されている。図１２に示すように、第４実施形態では、第１実施形態とは異なり、ステップＳ１００で充填開始が検知されるタイミングである時間ｔ１には、異常検知制御は開始されていない。

ステップＳ１２２で昇温速度ΔＴｘの監視を開始すると、制御部６８のＣＰＵは、昇温速度ΔＴｘの経時的な変化が増加から減少に転じたか否かを判断する（ステップＳ１２４）。すなわち、ステップＳ１２２の後、制御部６８のＣＰＵは、温度センサ４５の検出値を取得する動作を繰り返し実行して昇温速度ΔＴｘを算出し、前回算出した昇温速度ΔＴｘとの差である昇温速度ΔＴｘの変化量が、正の値が続く状態から、負の値が続く状態へと変化したか否かを判断する。昇温速度ΔＴｘの経時的な変化が減少に転じていないと判断する間は（ステップＳ１２４：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１２４の動作を繰り返す。

昇温速度ΔＴｘの経時的な変化が増加から減少に転じたと判断すると（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、算出した昇温速度ΔＴｘを、既述した基準速度ΔＴｘａと比較する（ステップＳ１２６）。すなわち、ステップＳ１２４の後、制御部６８のＣＰＵは、温度センサ４５の検出値を取得して昇温速度ΔＴｘを算出し、算出した昇温速度ΔＴｘと基準速度ΔＴｘａとを比較する動作を繰り返す。算出した昇温速度ΔＴｘが基準速度ΔＴｘａを超えると判断する間は（ステップＳ１２６：ＮＯ）、制御部６８のＣＰＵは、ステップＳ１２６の動作を繰り返す。

算出した昇温速度ΔＴｘが基準速度ΔＴｘａ以下であると判断すると（ステップＳ１２６：ＹＥＳ）、制御部６８のＣＰＵは、第１実施形態と同様の、ステップＳ１３０からステップＳ１８０の動作を含む異常検知制御を実行して、本ルーチンを終了する。すなわち、充填ガス圧Ｐｉの検出を開始して最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶の更新を行ない、最大圧力Ｐｉｍａｘと供給ガス圧Ｐｏとを比較することにより、圧力センサの異常判定を行なう。図１２では、算出した昇温速度ΔＴｘが基準速度ΔＴｘａ以下であると判断するタイミングを、時間ｔγとして示している。また、図１２では、時間ｔγにおいて、異常検知制御を開始する様子が示されている。

Ｅ．第５実施形態：
第１実施形態から第４実施形態では、供給開始時圧力である供給ガス圧Ｐｏと、充填時最大圧力Ｐｉｍａｘと、の差を用いて、圧力センサの異常の有無を判定しているが、異なる構成としてもよい。第５実施形態では、水素充填の終了後、燃料電池６６への水素供給を最初に開始したときである供給開始時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、充填ガス圧Ｐｉの検出値が最大となるときである圧力最大時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、の差を用いて、圧力センサの異常の有無を判定する。このような異常判定の動作は、第１実施形態から第４実施形態のいずれにおいても適用可能である。

第５実施形態では、上記した各実施形態のステップＳ１４０において、最大圧力Ｐｉｍａｘの記憶を更新する際に、更新に用いる最大圧力Ｐｉｍａｘを検出したときの燃料タンク６０内の温度、すなわち温度センサ４５の検出値も記憶する。また、ステップＳ１７０において、供給開始時圧力である供給ガス圧Ｐｏを検出する際に、この供給ガス圧Ｐｏを検出したときの燃料タンク６０内の温度、すなわち温度センサ４５の検出値も検出する。

そして、ステップＳ１８０では、記憶された最大圧力Ｐｉｍａｘを検出したときである圧力最大時における燃料タンク６０内の温度と、記憶された最大圧力Ｐｉｍａｘと、を用いて、圧力最大時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量を算出する。また、ステップＳ１８０では、ステップＳ１７０で検出した供給ガス圧Ｐｏと、供給ガス圧Ｐｏを検出したときの燃料タンク６０内の温度と、を用いて、供給開始時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量を算出する。燃料タンク６０の容積は予め制御部６８に記憶されており、上記した燃料タンク６０内の圧力と温度と容積とから、燃料タンク６０内の燃料ガスの量、具体的には水素量を算出することができる。

第５実施形態のステップＳ１８０では、上記のようにして求めた供給開始時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、圧力最大時における燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、充填圧センサ４１および高圧センサ４２の双方が正常であると判定する。また、上記差が、上記基準値を超えるときには、充填圧センサ４１と高圧センサ４２とのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定する。上記基準値は、充填圧センサ４１と高圧センサ４２との検出精度、および、温度センサ４５の検出精度を考慮して、予め設定されている。また、上記基準値は、充填圧センサ４１と高圧センサ４２との双方が正常であるときに、満充填後の供給開始時に算出される燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、満充填となった圧力最大時の検出値を用いて算出される燃料タンク６０内の燃料ガスの量と、の間で生じ得る差の最大値として、予め設定されている。

本実施形態のステップＳ１８０において差を求めるために算出される既述した燃料ガスの量は、燃料タンク６０内の圧力と温度とを用いて算出される燃料タンク６０内の燃料ガスの絶対量であればよい。例えば、燃料タンク６０内の水素のモル量として算出してもよく、あるいは、燃料タンク６０内の水素の重量として算出してもよい。

このような構成とすれば、上記した各実施形態と同様の効果に加えて、さらに、水素充填の動作が終了したと判断されるタイミングである時間ｔ３から、その後に燃料電池システム２５が起動されるタイミングである時間ｔ４までの時間が、比較的長い場合であっても、圧力センサの異常判定の精度を高めることができるという効果を奏する。既述したように、燃料タンク６０に水素を充填すると、いわゆる断熱圧縮様の現象により燃料タンク６０の温度が上昇する。そして、水素充填の終了後には、放熱等により燃料タンク６０の温度が次第に低下するため、燃料電池システム２５の停止中には、温度低下に伴って燃料タンク６０内の圧力が低下し得る。第５実施形態では、燃料タンク６０の燃料ガスの量を算出して比較するため、燃料タンク６０内の圧力低下の影響を抑えて、圧力センサの異常判定の精度を高めることができる。

Ｆ．他の実施形態：
（Ｆ１）上記各実施形態では、燃料電池システム２５は、単一の燃料タンク６０を備えることとしたが、複数の燃料タンク６０を備えていてもよい。このような場合には、例えば、複数の燃料タンク６０を並列に接続して、燃料タンク６０への水素の充填、および、燃料タンク６０から燃料電池６６への水素の供給の動作を、全ての燃料タンク６０について同時に行なえばよい。このとき充填ガス圧Ｐｉを検出するための充填圧センサ４１、および、充填配管３０を流れる水素の質量流量を検出する流量センサ４７は、充填配管３０において、各々の燃料タンク６０へと分岐する箇所よりも上流に設ければよい。また、高圧センサ４２は、減圧弁５４よりも上流であって、各々の燃料タンク６０に接続される配管が１つの供給配管３２に集合する箇所よりも下流に設ければよい。

また、燃料電池システム２５が複数の燃料タンク６０を備える構成を、第４実施形態に適用する場合には、例えば、全ての燃料タンク６０に温度センサ４５を設けて、これら全ての温度センサ４５の検出値の平均値を用いて、タンク昇温速度ΔＴｘを監視することとしてもよい。あるいは、複数の燃料タンク６０のうちの特定の燃料タンク６０に設けた温度センサ４５の検出値を用いて、タンク昇温速度ΔＴｘを監視してもよい。用いる温度センサ４５の検出値と、水素充填時の圧力損失との間の関係が予め求められて、基準温度ΔＴｘａが定められていればよい。

（Ｆ２）水素充填時における圧力損失の推定は、第２から第５実施形態とは異なる方法により行なってもよい。燃料タンク６０に水素を充填する際に変化する物理量であって、圧力損失と一定の関係を示すパラメータであれば、充填流量Ｆや、昇圧速度ΔＰｉや、昇温速度ΔＴｘと同様に用いることができる。例えば、水素充填の条件が予め定まっていれば、水素充填の開始からの経過時間を用いてもよい。

（Ｆ３）第２から第５実施形態では、異常検知制御を開始するタイミングを判断するために、圧力損失との関係に基づいて、充填流量Ｆに係る基準流量Ｆａ（図４）や、昇圧速度ΔＰｉに係る基準速度ΔＰｉａ（図７）や、昇温速度ΔＴｘに係る基準速度ΔＴｘａ（図１０）を定めたが、異なる構成としてもよい。異常検知制御を開始するために、充填圧センサ４１によるタンク圧の測定の精度が十分に高まったタイミングを判断できればよい。そのため、判断に用いる基準を定めるために、充填流量Ｆや昇圧速度ΔＰｉや昇温速度ΔＴｘと、圧力損失との関係を、予め調べることは必須ではない。

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…燃料電池車両、２２…車体、２４…リッド、２５…燃料電池システム、２６…充填口、３０…充填配管、３２…供給配管、３４…バルブ内流路、３５…第１流路、３６…第２流路、３７…第３流路、３８…第４流路、３９…排出配管、４１…充填圧センサ、４２…高圧センサ、４３…中圧センサ、４４…低圧センサ、４５…温度センサ、４６…リッドセンサ、４７…流量センサ、５１…第１逆止弁、５２…第２逆止弁、５３…主止弁、５４…減圧弁、５５…インジェクタ、６０…燃料タンク、６２…バルブ機構、６４…レセプタクル、６６…燃料電池、６８…制御部、７０…水素充填装置、７２…ノズル、７５…ステーション圧センサ、７６…水素供給ホース、７８…制御部

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、
前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
前記燃料タンクの内部温度を検出する温度センサと、
前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサに係る異常検知制御を行なう制御部と、
前記充填流路を流れる前記燃料ガスの流量を検出する流量センサと、
を備え、
前記制御部は、前記異常検知制御において、
前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、
前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時に前記温度センサが検出した温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時に前記温度センサが検出した温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、
前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定し、
前記制御部は、前記燃料ガスの充填の開始後、前記流量センサが検出する前記流量が予め定めた基準流量以下になった後に、前記異常検知制御を開始する
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記基準流量は、３０ｇ／ｓｅｃである
燃料電池システム。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、
前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
前記燃料タンクの内部温度を検出する温度センサと、
前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサに係る異常検知制御を行なう制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記異常検知制御において、
前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、
前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時に前記温度センサが検出した温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時に前記温度センサが検出した温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、
前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定し、
前記制御部は、
前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に、前記第１圧力センサの検出値を用いて、前記充填流路内の圧力の昇圧速度を求め、
前記燃料ガスの充填の開始後、前記昇圧速度が予め定めた第１基準速度以下になった後に、前記異常検知制御を開始する
燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記第１基準速度は、２３ＭＰａ／ｍｉｎである
燃料電池システム。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、
前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
前記燃料タンクの内部温度を検出する温度センサと、
前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサに係る異常検知制御を行なう制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記異常検知制御において、
前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、
前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時に前記温度センサが検出した温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時に前記温度センサが検出した温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、
前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定し
前記制御部は、
前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に、前記温度センサの検出温度を用いて、前記燃料タンクの昇温速度を求め、
前記燃料ガスの充填の開始後、前記昇温速度が予め定めた第２基準速度以下になった後に、前記異常検知制御を開始する
燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記第２基準速度は、２０℃／ｍｉｎである
燃料電池システム。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、
前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
前記燃料タンクの内部温度を検出する温度センサと、
前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサに係る異常検知制御を行なう制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記異常検知制御において、
前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、
前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時に前記温度センサが検出した温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時に前記温度センサが検出した温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、
前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定し
前記制御部は、前記充填流路を前記燃料ガスが流れる際の、前記第１圧力センサと前記燃料タンクとの間の圧力損失が、予め定めた判定値以下の状態になったと推定された後に、前記第１圧力センサの検出値が最大となったときを前記圧力最大時として、前記充填時最大圧力を取得する
燃料電池システム。
燃料電池システムの異常検知方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクに充填される前記燃料ガスが流れる充填流路と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する供給流路と、
前記充填流路に設けられて前記充填流路内の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記供給流路に設けられて、前記燃料タンクの出口部における前記燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
前記充填流路を流れる前記燃料ガスの流量を検出する流量センサと、
を備え、
前記燃料ガスの充填の開始後、前記流量センサが検出する前記流量が予め定めた基準流量以下になった後に、
前記第１圧力センサの検出値から、前記燃料タンクに前記燃料ガスを充填する際に前記充填流路の圧力が最大となる圧力最大時における前記充填流路の圧力である充填時最大圧力を取得し、
前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填の終了後、前記燃料タンク内の前記燃料ガスの前記燃料電池への供給を最初に開始したときである供給開始時の前記第２圧力センサの検出値である供給開始時圧力と、前記充填時最大圧力と、の差、または、前記供給開始時の前記燃料タンク内の温度と前記供給開始時圧力とを用いて算出される前記供給開始時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、前記圧力最大時の前記燃料タンク内の温度と前記充填時最大圧力とを用いて算出される前記圧力最大時における前記燃料タンク内の前記燃料ガスの量と、の差が、予め定めた基準値以下のときに、前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサの双方が正常であると判定し、
前記差が、前記基準値を超えるときに、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとのうちの少なくともいずれか一方が異常である可能性があると判定する
燃料電池システムの異常検知方法。