JP7243140B2

JP7243140B2 - 水素燃料貯蔵システム

Info

Publication number: JP7243140B2
Application number: JP2018213219A
Authority: JP
Inventors: 達樹杉山; 仁村松
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: JP2020080261A

Description

本発明は、水素燃料貯蔵システムに関する。

特許文献１には、燃料電池車両の水素充填制御において、取得した水素タンク内の温度の値及び水素タンク内の圧力の値を用いて、水素タンク内の水素ガスの残量を所定時間ごとに算出し、その算出した水素タンク内の水素ガスの残量が所定時間内に減少した量と所定時間から、水素タンク内の水素ガスが減少する速度を算出し、その算出された燃料ガス減少速度の値が水素漏れ検出閾値よりも大きい場合に、水素タンクで燃料ガス漏れが発生していると判定することが記載されている。

特開２０１５－１２２１４９号公報

しかしながら、水素タンク内における燃料漏れのみを監視しているため、燃料供給通路における燃料漏れを検出できないという課題があった。

そこで、本発明は、燃料供給通路における燃料漏れを検出することができる水素燃料貯蔵システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、水素燃料を貯蔵する水素タンクと、前記水素燃料を前記水素タンクから燃料電池に供給する燃料供給通路と、前記燃料供給通路に配置され前記水素燃料の供給を選択的に遮断する主止弁と、前記燃料供給通路の前記主止弁よりも前記燃料電池側に配置され前記水素燃料の供給を選択的に遮断する入口弁と、前記燃料供給通路の前記主止弁よりも前記水素タンク側に配置され、前記水素タンクから前記主止弁への方向に遮断流量以上の前記水素燃料が流れたときに前記水素燃料を遮断する過流防止弁と、前記主止弁を遮断後に前記燃料電池を稼働させ、前記主止弁の燃料供給方向の上流側と下流側の圧力差が、所定の目標圧力差に達しない場合は、前記主止弁に燃料漏れがあると判定し、前記圧力差が所定の目標圧力差に達した場合、前記入口弁を遮断し、判定時間が経過するまでに前記主止弁と前記入口弁との間の前記燃料供給通路内の圧力が内部リーク閾値より高くなった場合には、前記主止弁に燃料漏れがあると判定し、判定時間が経過するまでに前記主止弁と前記入口弁との間の前記燃料供給通路内の圧力が外部リーク閾値より低くなった場合には、前記燃料供給通路から外部に燃料漏れがあると判定する燃料漏れ検出制御を行ない、前記燃料漏れ検出制御の終了後に前記主止弁を開放した際に、前記過流防止弁に流れる流量が前記遮断流量より少なくなるように前記目標圧力差を設定する制御部と、を備えるものである。

このように、本発明によれば、燃料供給通路における燃料漏れを検出することができる。
また、水素ガス漏れ検出処理の終了後に主止弁を再開放した際に、誤って過流防止弁が閉じることを防止することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの概略構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの水素ガス漏れ判定の例を示す図である。図３は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの目標圧力差と判定圧力の例を示すグラフである。図４は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの過流防止弁の特性の例を示すグラフである。図５は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの判定時間の例を示すグラフである。図６は、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムの水素ガス漏れ判定処理の手順を示すフローチャートである。

本発明の一実施の形態に係る水素燃料貯蔵システムは、水素燃料を貯蔵する水素タンクと、水素燃料を水素タンクから燃料電池に供給する燃料供給通路と、燃料供給通路に配置され水素燃料の供給を選択的に遮断する主止弁と、燃料供給通路の主止弁よりも燃料電池側に配置され水素燃料の供給を選択的に遮断する入口弁と、主止弁を遮断後に燃料電池を稼働させ、主止弁の燃料供給方向の上流側と下流側の圧力差が、所定の目標圧力差に達しない場合は、主止弁に燃料漏れがあると判定し、圧力差が所定の目標圧力差に達した場合、入口弁を遮断し、判定時間が経過するまでに主止弁と入口弁との間の燃料供給通路内の圧力が内部リーク閾値より高くなった場合には、主止弁に燃料漏れがあると判定し、判定時間が経過するまでに主止弁と入口弁との間の燃料供給通路内の圧力が外部リーク閾値より低くなった場合には、燃料供給通路から外部に燃料漏れがあると判定する燃料漏れ検出制御を行なう制御部と、を備えるよう構成されている。

これにより、本発明の一実施の形態に係る水素燃料貯蔵システムは、燃料供給通路における燃料漏れを検出することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る水素燃料貯蔵システムについて詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施例に係る水素燃料貯蔵システムを搭載した車両１は、燃料電池２と、水素タンク３と、制御部４と、を含んで構成される。

燃料電池２は、水素タンク３から供給される水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。

水素タンク３は、燃料ガスである水素ガスを高圧の状態に圧縮して貯蔵するものである。水素タンク３には、タンクバルブ３１が設けられている。タンクバルブ３１には、燃料供給通路としての水素供給管１１が設けられ、水素供給管１１を介して燃料電池２に水素ガスを供給できるようになっている。

水素供給管１１には、水素ガスが水素タンク３から燃料電池２へ供給される方向である供給方向の上流から順に、フィルタ３２、過流防止弁３３、主止弁３４、減圧弁３５、フィルタ３６、入口弁２１、が設けられている。

フィルタ３２、フィルタ３６は、通過する水素ガスを濾過する。過流防止弁３３は、通過する水素ガスの流量により発生する圧力損失を利用して閉じる弁である。

主止弁３４は、制御部４によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。この主止弁３４が閉弁状態である場合、水素タンク３内は密閉状態となる。

減圧弁３５は、水素タンク３から供給される水素ガスの圧力を、減圧させる。入口弁２１は、制御部４によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。主止弁３４及び入口弁２１が開弁状態である場合には、水素タンク３内の水素ガスが水素供給管１１を介して燃料電池２に供給される。一方、入口弁２１が閉弁状態になった場合には、燃料電池２に水素ガスが供給されなくなる。

水素供給管１１の主止弁３４と減圧弁３５の間には、フィルタ３７を介して圧力センサ３８が設けられている。フィルタ３７は、通過する水素ガスを濾過する。圧力センサ３８は、主止弁３４の供給方向下流の圧力を検出する。

水素供給管１１の入口弁２１と燃料電池２の間には、圧力センサ２２が設けられている。圧力センサ２２は、入口弁２１の供給方向下流の圧力を検出する。

タンクバルブ３１には、水素タンク３に水素ガスを充填するための水素充填管１２が設けられている。水素充填管１２の水素タンク３が接続されたのと反対側の端には、充填口１３が接続されている。

充填口１３には、水素ガスが充填される方向である充填方向の上流から順に、フィルタ１５、逆止弁１４、が設けられている。フィルタ１５は、通過する水素ガスを濾過する。逆止弁１４は、水素充填管１２の充填方向を逆流してくる水素ガスを止めるものである。

タンクバルブ３１内部の水素充填管１２には、充填方向の上流から順に、フィルタ４０、逆止弁３９、が設けられている。フィルタ４０は、通過する水素ガスを濾過する。逆止弁３９は、水素充填管１２の充填方向を逆流してくる水素ガスを止めるものである。

水素充填管１２のフィルタ４０と逆止弁３９の間には、圧力センサ４１が設けられている。圧力センサ４１は、逆止弁３９の充填方向上流の圧力を検出する。

タンクバルブ３１には、水素タンク３内の温度を検出するタンク温度センサ４２が設けられている。

制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

制御部４のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットを制御部４として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、制御部４として機能する。

制御部４の入力ポートには、前述の圧力センサ２２と、圧力センサ３８と、圧力センサ４１と、タンク温度センサ４２とを含む各種センサ類が接続されている。一方、制御部４の出力ポートには、燃料電池２と、入口弁２１と、主止弁３４と、減圧弁３５とを含む各種制御対象類が接続されている。

制御部４は、車両１のイグニッションキーがオフにされ、車両１が走行していない状態において、水素供給管１１での燃料漏れを検出する燃料漏れ検出制御を行なう。

制御部４は、主止弁３４を閉止して、水素タンク３から供給方向下流への水素ガスの供給を停止させる。

制御部４は、水素タンク３内の圧力に基づいて、主止弁３４の供給方向上流と下流につける目標圧力差を決定し、目標圧力差から主止弁３４の供給方向下流の目標圧力を決定する。

水素タンク３内の圧力は、主止弁３４を開いた状態において、圧力センサ３８により検出することができる。なお、別途水素タンク３内の圧力を検出する圧力センサを設けてもよい。

制御部４は、入口弁２１を開いた状態で燃料電池２を稼働させ、水素ガスを消費することで、圧力センサ３８により検出される主止弁３４の供給方向下流の圧力が目標圧力となるかを監視する。

制御部４は、所定時間が経過しても圧力センサ３８により検出される圧力が目標圧力とならない場合、主止弁３４から供給方向下流への水素ガス漏れがあると判定する。

制御部４は、所定時間が経過する前に圧力センサ３８により検出される圧力が目標圧力となった場合、燃料電池２を停止するとともに入口弁２１を閉止して、入口弁２１と主止弁３４の間において密閉空間を作る。その後、所定の判定時間の間、圧力センサ３８の検出する圧力を監視する。

図２に示す実線のように、圧力センサ３８の検出する圧力の変動が、内部リーク閾値と外部リーク閾値の間であれば、制御部４は、水素ガス漏れは無く、正常と判定する。

図２に示す一点鎖線のように、圧力センサ３８の検出する圧力が上昇し、内部リーク閾値を超えた場合は、制御部４は、主止弁３４の供給方向上流から下流側への内部リークがあると判定する。

図２に示す点線のように、圧力センサ３８の検出する圧力が下降し、外部リーク閾値より低下した場合は、制御部４は、主止弁３４の供給方向下流側の水素配管や部品から外部に漏れる外部リークがあると判定する。

主止弁３４の供給方向上流と下流につける目標圧力差は、図３に示すように、水素タンク３内の圧力である水素タンク圧が低い場合は、目標圧力差を小さく設定する。

過流防止弁３３は、図４に示すように、過流防止弁３３の供給方向上流側の水素タンク圧が低いほど水素ガスの通過による圧力損失が増加し、水素ガスが遮断される遮断流量が低下して閉じやすくなる。そのため、水素タンク圧が所定圧力以下の範囲では、水素ガスの漏れ判定が終了した後で、主止弁３４を開弁する際に低圧となった水素供給管１１内に向けて、遮断流量を超えた一時的な流量が発生し、意図せず過流防止弁３３が作動する可能性がある。このため、水素タンク圧が所定圧力以下の場合においては、主止弁３４の再開弁時に生じる一時的な流量を低減し、過流防止弁３３に流れる流量が遮断流量より少なくなるように、過流防止弁３３の作動領域（図中、斜線で示した領域）を避け、目標圧力差を小さな値とする。

また、水素タンク圧が低い場合に目標圧力差を小さく設定することで、水素残量が少ないときの漏れ検出作業における水素消費量を低減して、できるだけ車両１の航続距離を維持させることができる。

内部リーク閾値と外部リーク閾値は、例えば、目標圧力に対して正負が逆の同絶対値としており、図３においては、その絶対値を判定圧力として示している。制御部４は、目標圧力と圧力センサ３８の検出する圧力との差の絶対値が、判定圧力より大きくなれば、リークであると判定する。

水素供給管１１内の通路内圧は、水素タンク圧に依存する。また、水素供給管１１内に水素ガス漏れがあった場合、通路内圧が低いほど漏れる速度が遅く、判定圧力まで到達するのに時間がかかる。このため、水素ガス漏れの検出を精度よく行なえるように、判定時間は、図５に示すように、水素タンク圧が低くなるに伴って長く設定する。

以上のように構成された本実施例に係る水素燃料貯蔵システムによる水素ガス漏れ判定処理について、図６を参照して説明する。なお、以下に説明する水素ガス漏れ判定処理は、車両１のイグニッションキーがオフにされ、車両１が走行していない状態において、水素ガス漏れ判定実行条件が成立すると開始される。

ステップＳ１において、制御部４は、主止弁３４を閉止させる。
ステップＳ２において、制御部４は、水素タンク３内の圧力に基づいて、目標圧力差を決定する。

ステップＳ３において、制御部４は、燃料電池ユニットを稼働して、目標圧力差をつける。

ステップＳ４において、制御部４は、圧力差がつけられたか否かを判定する。圧力差がつけられず所定時間が経過した場合、圧力差がつけられなかったと判定し、ステップＳ５において、制御部４は、主止弁３４の著しい内部リークエラーと判定し、処理を終了する。

圧力差がつけられたと判定した場合、ステップＳ６において、制御部４は、燃料電池２の入口弁２１を閉止させる。

ステップＳ７において、制御部４は、圧力センサ３８の検出する圧力が内部リーク閾値を超えたか否かを判定する。圧力センサ３８の検出する圧力が内部リーク閾値を超えたと判定した場合、ステップＳ８において、制御部４は、内部リークエラーと判定し、処理を終了する。

圧力センサ３８の検出する圧力が内部リーク閾値を超えていないと判定した場合、ステップＳ９において、制御部４は、圧力センサ３８の検出する圧力が外部リーク閾値を下まわったか否かを判定する。圧力センサ３８の検出する圧力が外部リーク閾値を下まわったと判定した場合、ステップＳ１０において、制御部４は、外部リークエラーと判定し、処理を終了する。

圧力センサ３８の検出する圧力が外部リーク閾値を下まわっていないと判定した場合、ステップＳ１１において、制御部４は、判定時間が経過したか否かを判定する。判定時間が経過していないと判定した場合、制御部４は、ステップＳ７に処理を戻して処理を繰り返す。

判定時間が経過したと判定した場合、ステップＳ１２において、制御部４は、水素ガス漏れは無く正常であると判定し、処理を終了する。

このように、上述の実施例では、主止弁３４を閉止させて燃料電池２を稼働し、水素タンク圧と水素供給管１１内の通路内圧との圧力差が目標圧力差に達しない場合には主止弁３４に漏れがあると判定し、水素タンク圧と通路内圧との圧力差が目標圧力差に達した場合、入口弁２１を閉止させ、判定時間の間に圧力センサ３８の検出する圧力が内部リーク閾値を超えた場合には内部リークがあると判定し、判定時間の間に圧力センサ３８の検出する圧力が外部リーク閾値を下まわった場合には外部リークがあると判定する。

これにより、連続した一つの工程で主止弁３４の開固着による漏れと、水素供給管１１から外部への漏れと、を区別して検出でき、個別に水素ガス漏れを検出する工程を行なう場合と比較して、検出のために使用する消費燃料と時間を削減することができる。

また、目標圧力差は、水素タンク圧が低いほど小さく設定される。
これにより、水素タンク圧が低い場合には、目標圧力差を小さくすることで、水素残量が少ない時の水素ガス漏れ検出処理における水素消費量を低減させ、車両１の航続距離を維持させることができる。水素タンク圧が高い場合には、目標圧力差を大きくすることで、誤った判定を防止することができる。

また、判定時間は、水素タンク圧が低くなるにつれて長く設定される。
水素供給管１１内に水素ガス漏れがあった場合に、通路内圧が低いほど漏れる速度が遅くなり、判定圧力に到達するのに時間がかかる。

そのため、検出精度を保てるように、判定までの時間を水素タンク圧が低くなるにつれて長くする。水素タンク圧が高い場合には、判定時間を短くすることで、水素ガス漏れ検出処理に必要な時間を削減する。

また、水素ガス漏れ検出処理の終了後に再度主止弁３４を開放した際に、過流防止弁３３に流れる水素ガスの流量が遮断流量より少なくなるように目標圧力差を設定する。

水素ガス漏れ検出処理の終了後に主止弁３４を再開放すると、減圧された状態で密閉されていた水素供給管１１に、水素タンク３から水素ガスが一時的に流れる。特に差圧が大きいと、過流防止弁３３が誤って閉じるような流量が発生する。そのため、主止弁３４を再開放時に遮断流量より少ない流量となるように目標圧力差を設定することで、誤って過流防止弁３３が閉じることを防止することができる。特に水素タンク圧が低い場合には、遮断流量が低くなる。そのため、水素タンク圧が低い場合には、目標圧力差を小さく設定する。

また、目標圧力差をつけられた場合の、主止弁３４下流側の圧力変動の監視時には、入口弁２１を閉止しているため、燃料電池２が稼働して水素消費することによる外乱の影響をなくすことができ、精密にリークを判定することができる。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１車両
２燃料電池
３水素タンク
４制御部
１１水素供給管（燃料供給通路）
２１入口弁
３３過流防止弁
３４主止弁
３８圧力センサ

Claims

水素燃料を貯蔵する水素タンクと、
前記水素燃料を前記水素タンクから燃料電池に供給する燃料供給通路と、
前記燃料供給通路に配置され前記水素燃料の供給を選択的に遮断する主止弁と、
前記燃料供給通路の前記主止弁よりも前記燃料電池側に配置され前記水素燃料の供給を選択的に遮断する入口弁と、
前記燃料供給通路の前記主止弁よりも前記水素タンク側に配置され、前記水素タンクから前記主止弁への方向に遮断流量以上の前記水素燃料が流れたときに前記水素燃料を遮断する過流防止弁と、
前記主止弁を遮断後に前記燃料電池を稼働させ、前記主止弁の燃料供給方向の上流側と下流側の圧力差が、所定の目標圧力差に達しない場合は、前記主止弁に燃料漏れがあると判定し、
前記圧力差が所定の目標圧力差に達した場合、前記入口弁を遮断し、
判定時間が経過するまでに前記主止弁と前記入口弁との間の前記燃料供給通路内の圧力が内部リーク閾値より高くなった場合には、前記主止弁に燃料漏れがあると判定し、
判定時間が経過するまでに前記主止弁と前記入口弁との間の前記燃料供給通路内の圧力が外部リーク閾値より低くなった場合には、前記燃料供給通路から外部に燃料漏れがあると判定する燃料漏れ検出制御を行ない、
前記燃料漏れ検出制御の終了後に前記主止弁を開放した際に、前記過流防止弁に流れる流量が前記遮断流量より少なくなるように前記目標圧力差を設定する制御部と、を備える水素燃料貯蔵システム。
前記制御部は、前記水素タンク内の圧力が低いほど前記目標圧力差を小さくする請求項１に記載の水素燃料貯蔵システム。
前記制御部は、前記水素タンク内の圧力が低くなるにつれて前記判定時間を長くする請求項１または請求項２に記載の水素燃料貯蔵システム。