JP7420650B2 - ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンク内のガスを供給するガス供給システムに関する。

ガス供給システムは、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムにおいて、高圧タンクの燃料ガス（水素ガス、アノードガス：圧縮性流体）を供給する装置として適用される。高圧タンクの燃料ガスは、レギュレータ及びインジェクタを備えたガス供給路を通って燃料電池スタックに供給される。レギュレータは、上流（高圧タンク）側の燃料ガスの圧力を減圧して、下流（燃料電池スタック）側に流通させる。インジェクタは、レギュレータよりも下流側に設けられ、開弁及び閉弁の動作によって燃料ガスの供給量を調整する。

また、特許文献１に開示のシステムは、高圧タンク内の圧力を検出する高圧センサ（第１圧力センサ）と、レギュレータとインジェクタの間の圧力を検出する中圧センサ（第２圧力センサ）とを備える。高圧センサは、圧力検出レンジが広いことで誤差範囲が大きい一方で、中圧センサは、圧力検出レンジが高圧センサよりも狭いことで誤差範囲も小さい。そのため、システムは、高圧タンク内が低圧になった際に、高圧センサを利用した圧力監視から中圧センサを利用した圧力監視に切り替えることで、高圧タンクの燃料ガスのガス欠を判定している。

特開２０１０－３５２７号公報

ところで、ガス供給システムの中圧センサは、高圧タンクの燃料ガスの圧力がレギュレータの調圧範囲以上又は調圧範囲に重複している段階において、誤差範囲に調圧範囲を含む検出情報を検出する。そのため、ガス供給システムは、レギュレータの調圧範囲に重複して高圧タンクのガス欠の閾値を設定した場合に、中圧センサを用いたとしても誤差が大きくなり、高圧タンクの圧力の監視精度が低下する不都合が生じる。

或いは、誤差範囲に調圧範囲を含めないようにするために、中圧センサのガス欠の閾値に対してレギュレータの調圧範囲を予め高く設定することも考えられる。しかしながら、この場合は、レギュレータよりも下流側のデバイスの耐圧性能を高くする必要が生じ、仮にデバイスの耐圧性能を高めると、重量及びコストが大幅に増加することになる。

本発明は、上記の実情に鑑みたものであり、状況に応じてインジェクタを適切に動作させることで、圧力センサの検出精度を高めつつ、軽量化及び低コスト化を促進することができるガス供給システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、高圧タンクと、前記高圧タンクから放出されるガスの圧力を、調圧範囲内に減圧して下流側に流出させるレギュレータと、前記レギュレータよりも下流側に設けられ、開弁及び閉弁を繰り返すことで前記ガスの流量を調整するインジェクタと、前記レギュレータよりも上流側の圧力を検出する第１圧力センサと、前記レギュレータと前記インジェクタの間の圧力を検出する第２圧力センサと、前記インジェクタの動作を制御する制御部と、を備えるガス供給システムであって、前記制御部は、前記第１圧力センサの第１検出情報と第１閾値を比較する初期監視工程を行って、前記第１検出情報が前記第１閾値以下に至ったことを判定した後、前記第２圧力センサの第２検出情報と第２閾値を比較する２次監視工程を行う構成であり、且つ前記制御部は、前記初期監視工程の前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間よりも前記２次監視工程の前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間を長くする。

上記のガス供給システムは、状況に応じてインジェクタを適切に動作させることで、圧力センサの検出精度を高めつつ、軽量化及び低コスト化を促進することができる。

本発明の一実施形態に係るガス供給システムの全体構成を示す説明図である。 高圧センサと中圧センサの圧力検出レンジ及び誤差範囲を示す説明図である。 ガス制御ＥＣＵの機能を示すブロック図である。 図４Ａは、初期監視工程の調圧範囲と高圧センサの第１誤差範囲を説明するためのグラフである。図４Ｂは、２次監視工程の調圧範囲と中圧センサの第２誤差範囲を説明するためのグラフである。図４Ｃは、参考例に係る調圧範囲と中圧センサの第２誤差範囲を説明するためのグラフである。 図５Ａは、通常制御におけるインジェクタの動作及びレギュレータとインジェクタ間の圧力変化を示すグラフである。図５Ｂは、通常制御におけるインジェクタの動作及びレギュレータとインジェクタ間の圧力変化を示すグラフである。 初期監視工程及び２次監視工程におけるインジェクタの動作に基づく燃料ガス圧及び移動平均値を示すグラフである。 ガス供給システムのガス欠判定方法の処理フローの一例を示すフローチャートである。 時間経過に伴う高圧タンクの圧力の変化とガス欠判定方法を説明するためのグラフである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係るガス供給システム１０は、図１に示すように、燃料電池システム１２において、圧縮性流体である燃料ガス（水素ガス、アノードガス）を供給する燃料ガス系装置に適用される。このガス供給システム１０は、燃料ガスを貯留及び放出可能な高圧タンク１４を有し、高圧タンク１４から燃料電池スタック１６に燃料ガスを供給する。燃料電池スタック１６は、ガス供給システム１０により供給される燃料ガスと、図示しない酸化剤ガス系装置により供給される酸化剤ガス（エア、カソードガス）との電気化学反応により発電を行う。

燃料電池システム１２は、例えば、図示しない燃料電池車両に搭載され、燃料電池スタック１６の発電電力をモータやバッテリ等の電装品に供給する。なお、燃料電池システム１２（ガス供給システム１０）は、燃料電池車両への適用に限定されず、例えば、定置型に構成されてもよい。

ガス供給システム１０は、上記の高圧タンク１４の他に、高圧タンク１４と燃料電池スタック１６の間において燃料ガスを流通させるガス流通部１８と、ガス流通部１８に設けられるセンサ群２０と、を備える。また、ガス供給システム１０は、高圧タンク１４及びガス流通部１８において、燃料ガスを流通させるための種々のデバイスを制御するガス制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit：制御部）２２を有する。ガス制御ＥＣＵ２２は、燃料電池システム１２の発電を制御する発電制御ＥＣＵ２４からの燃料ガスの要求指令に基づき燃料ガスの流通状態を制御する。なお、ガス制御ＥＣＵ２２は、発電制御ＥＣＵ２４に一体に設けられてもよい。

高圧タンク１４は、高圧の燃料ガスを貯留するために、図示しないライナ及び補強層（ＣＦＲＰ）により構成される容器本体２６と、容器本体２６からガス流通部１８に燃料ガスを放出する口金（不図示）と、を備える。口金には、高圧タンク１４とガス流通部１８とを接続するためのコネクタ２８が取り付けられる。このコネクタ２８は、高圧タンク１４の燃料ガスの放出及び放出停止を切り替える主止弁３０を備える。

主止弁３０は、ガス制御ＥＣＵ２２から出力される制御信号に応じてコネクタ２８内の流路を開閉する。高圧タンク１４内の燃料ガスは、主止弁３０の開弁状態でガス流通部１８に放出され、主止弁３０の閉弁状態で放出が遮断される。

ガス流通部１８は、高圧タンク１４と燃料電池スタック１６の間において、燃料ガスを流通させる経路を有する。具体的には、ガス流通部１８は、高圧タンク１４から燃料電池スタック１６までの間を延在し、燃料ガスを流通させるガス供給路３２を備える。また、ガス流通部１８は、燃料電池スタック１６から燃料オフガス（未反応の水素ガス、窒素ガス、水蒸気等）が排出されるガス排出路３４と、ガス排出路３４の燃料オフガスをガス供給路３２に循環させるガス循環路３６とを有する。さらに、ガス循環路３６には、ガス流通部１８の循環回路から燃料オフガスを排出するパージ路３８が接続されている。パージ路３８には、燃料オフガスの排出及び排出停止を行うパージ弁３８ａが設けられている。

ガス流通部１８は、燃料ガスの流通状態（圧力、流量、流速等）を調整するためのデバイスを、ガス供給路３２、ガス排出路３４及びガス循環路３６に備える。詳細には、ガス供給路３２は、上流側（高圧タンク１４側）から下流側（燃料電池スタック１６側）に向かって順に、レギュレータ４０、インジェクタ４２及びエジェクタ４４等を備える。なおガス供給路３２には、これらのデバイスの他に、図示しない熱交換器等のデバイスが設けられてもよい。またガス供給システム１０は、上記の主止弁３０を、コネクタ２８に備えずに、レギュレータ４０よりも上流側のガス供給路３２に備える構成でもよい。

レギュレータ４０は、ガス供給路３２において、上流側（一次側：高圧タンク１４側）から高圧の燃料ガスが流入し、この燃料ガスを減圧して下流側（二次側：燃料電池スタック１６側）に流出する。例えば、レギュレータ４０は、図示しない調圧スプリング及び弁部を筐体内に有し、調圧スプリングの弾性力と下流側の圧力との差に応じて弁部を開閉することで、燃料ガスの圧力を調整する。なお、図１中では、ガス供給路３２にレギュレータ４０を１つ設けた構成としているが、ガス流通部１８は、レギュレータ４０を複数備え、下流側に向かって燃料ガスの圧力を段階的に減圧する構成でもよい。

レギュレータ４０は、設定された調圧範囲ＰＲ（図４Ａ、図４Ｂ参照）内となるように燃料ガスの圧力を減圧して、下流側のガス供給路３２に流出する。高圧タンク１４に燃料ガスが充分に貯留されている通常状態で、レギュレータ４０は、予め定められた圧力幅（下限値Ｌ１～上限値Ｈ１）の第１調圧範囲ＰＲ１（図４Ａ参照）で燃料ガスの減圧を行なう。またレギュレータ４０の調圧範囲ＰＲは、インジェクタ４２の動作を調整することで変化させることができる。この調圧範囲ＰＲを変化させる制御については後に詳述する。

インジェクタ４２は、ガス制御ＥＣＵ２２の制御下に開弁と閉弁を繰り返して、燃料電池スタック１６に出力する燃料ガスの吐出量を適宜調整する。すなわち、インジェクタ４２は、高圧タンク１４から燃料電池スタック１６に向かう燃料ガスの流量（供給量）を調整する流通状態調整部に相当する。また、インジェクタ４２は、当該インジェクタ４２よりも上流側の燃料ガスの圧力をさらに減圧して下流側に吐出する。換言すれば、ガス供給路３２は、高圧タンク１４からレギュレータ４０まで高圧の燃料ガスが流通し、レギュレータ４０からインジェクタ４２まで中圧の燃料ガスが流通し、インジェクタ４２から燃料電池スタック１６まで低圧の燃料ガスが流通する。

エジェクタ４４は、インジェクタ４２から吐出された燃料ガスの移動に伴って発生する負圧により、ガス循環路３６から燃料オフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１６に燃料ガスを供給する。

また、ガス供給路３２には、インジェクタ４２及びエジェクタ４４を跨ぐように供給用バイパス路４６が接続されている。この供給用バイパス路４６には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ４８が設けられている。ＢＰインジェクタ４８は、例えば、燃料電池スタック１６の高電流発電が要求された際に、ガス制御ＥＣＵ２２の制御下に開閉動作することで、高電流発電の要求値まで燃料ガスの吐出量を上昇させる。

一方、ガス排出路３４とガス循環路３６の境界部分には、気液分離器５０が設けられている。気液分離器５０は、燃料オフガスに含まれる液体（発電時の生成水）を、気体（水素ガス、窒素ガス等）から分離する。ガス循環路３６は、気液分離器５０の上部に接続され、気液分離器５０において液体が分離した燃料オフガスを流出させる。ガス循環路３６には、燃料オフガスをガス供給路３２に循環させるポンプ５２が設けられる。

さらに、気液分離器５０の底部には、分離した液体を排出するドレイン路５４の一端が接続される。ドレイン路５４には、液体の排出及び遮断を行うドレイン弁５４ａが設けられる。ドレイン路５４の他端は、パージ路３８に接続されている。

ガス供給システム１０のセンサ群２０は、燃料ガスの圧力を検出する複数の圧力センサ６０（高圧センサ６２、中圧センサ６４）を有する。なお図示は省略するが、センサ群２０は、圧力センサ６０の他に、温度センサ、流量センサ等を含んでもよい。

高圧センサ６２は、高圧タンク１４とレギュレータ４０の間のガス供給路３２に設けられる第１圧力センサである。すなわち、高圧センサ６２は、レギュレータ４０よりも上流側の高圧の燃料ガス圧を検出可能に構成されている。高圧センサ６２は、ガス制御ＥＣＵ２２に接続され、検出した圧力（第１検出情報）をガス制御ＥＣＵ２２に出力する。なお、高圧センサ６２は、高圧タンク１４の容器本体２６の内部に設けられてもよい。

中圧センサ６４は、レギュレータ４０とインジェクタ４２の間（供給用バイパス路４６の接続箇所よりも上流側）に設けられる第２圧力センサである。すなわち、中圧センサ６４は、レギュレータ４０により減圧された後の中圧の燃料ガス圧を検出可能に構成されている。中圧センサ６４も、ガス制御ＥＣＵ２２に接続され、検出した圧力（第２検出情報）をガス制御ＥＣＵ２２に出力する。

ここで、図２に示すように、高圧センサ６２は、高圧の燃料ガスを検出するために広い第１圧力検出レンジを有する一方で、中圧センサ６４は、中圧の燃料ガスを検出するために高圧センサ６２よりも狭い第２圧力検出レンジを有する。高圧センサ６２の第１圧力検出レンジは、高圧タンク１４の耐圧性能にもよるが、例えば大気圧～７０ＭＰａ程度に設定される。中圧センサ６４の第２圧力検出レンジは、レギュレータ４０の減圧性能にもよるが、例えば大気圧～５ＭＰａ程度に設定される。

なお、高圧タンク１４は、内部の燃料ガスの圧力が所定のタンク保護圧力ＧＰ（図４Ａ～図４Ｃ参照）以下になると、高圧タンク１４の損傷等の可能性が高まる。また所定のタンク保護圧力ＧＰでは、レギュレータ４０の弁部が開かなくなることで、中圧センサ６４によるガス欠判定ができなくなる。

高圧センサ６２と中圧センサ６４は、上記のように圧力検出レンジが相互に異なることで、圧力検出において生じる誤差範囲も異なる。すなわち、高圧センサ６２は、比較的広い第１誤差範囲Ｅ１で圧力を検出する。例えば、第１誤差範囲Ｅ１は、プラス分として＋Ｅ１を有し、マイナス分として－Ｅ１を有する（図４Ａも参照）。

一方、中圧センサ６４は、第１誤差範囲Ｅ１よりも狭い第２誤差範囲Ｅ２で圧力を検出する。すなわち第２誤差範囲Ｅ２は、＋Ｅ１よりも小さなプラス分（＋Ｅ２）と、－Ｅ１よりも小さなマイナス分（－Ｅ２）とを有する（図４Ｂも参照）。ただし、高圧タンク１４に燃料ガスが充分に貯留されている通常状態においては、上記したようにレギュレータ４０の調圧範囲ＰＲが予め定められた第１調圧範囲ＰＲ１となっている。そのため通常状態において、中圧センサ６４は、第２誤差範囲Ｅ２に第１調圧範囲ＰＲ１を加えた範囲で、レギュレータ４０よりも下流側の燃料ガスの圧力を検出する。

図１に戻り、ガス制御ＥＣＵ２２は、プロセッサ６６、メモリ６８、入出力インターフェース７０を有するコンピュータにより構成され、ガス供給システム１０の各デバイス、センサ群２０、及び報知部７２に通信可能に接続されている。報知部７２は、ガス供給システム１０のユーザに高圧タンク１４内の燃料ガスの状態を知らせるデバイスであり、例えば、燃料電池車両に設けられたインジケータ、モニタ、スピーカ等があげられる。

ガス制御ＥＣＵ２２は、メモリ６８に記憶されているプログラム（不図示）をプロセッサ６６が実行することで、図３に示すように、燃料ガスの流通状態を制御するための機能ブロックを構築する。また、ガス制御ＥＣＵ２２は、燃料ガスの供給時に、高圧センサ６２の検出信号（第１検出情報Ｉ１）と、中圧センサ６４の検出信号（第２検出情報Ｉ２）とを使用して、高圧タンク１４内のガス欠判定を２段階で行なう。このため、ガス制御ＥＣＵ２２内には、初期監視処理部８０、２次監視処理部９０が構築される。

初期監視処理部８０は、高圧タンク１４内に燃料ガスが充分に残存しており、高圧タンク１４の圧力が高い場合に動作する機能部である。この初期監視処理部８０内には、高圧センサ判定部８２、通常制御部８４が設けられている。

高圧センサ判定部８２は、通常制御（通常制御部８４の動作）時に、高圧センサ６２の第１検出情報Ｉ１を受信して、高圧タンク１４内の燃料ガスの残量を判定する初期監視工程を行う。このため、高圧センサ判定部８２は、第１検出情報Ｉ１と比較するための第１閾値Ｔ１を予め保有している。第１閾値Ｔ１は、高圧タンク１４の保護圧力、高圧センサ６２の第１誤差範囲Ｅ１等に基づき可及的に低く設定されることが好ましい。例えば図４Ａに示すように、第１閾値Ｔ１は、高圧タンク１４のタンク保護圧力ＧＰと、高圧センサ６２の第１誤差範囲Ｅ１のマイナス分（－Ｅ１）の絶対値を加えた値設定されるとよい。

図３に戻り、通常制御部８４は、高圧タンク１４の圧力が高い状態で動作して、通常制御を実施する。この際、通常制御部８４は、発電制御ＥＣＵ２４の要求指令に基づき燃料ガスの目標供給量を算出し、主止弁３０を開弁すると共に、目標供給量に対応するデューティ比でインジェクタ４２を動作させる。インジェクタ４２の制御では、電源に接続されている配電部（不図示）に駆動指令を出力して、図５Ａに示すような波形の駆動電流（パルス電流）を配電部からインジェクタ４２の駆動回路（不図示）に供給する。

具体的には、駆動電流は、インジェクタ４２の開弁初期時に高い突入電流を示し、その後に開弁に必要な電流値（安定電流）となり、さらに安定電流から降下して電流ゼロとなることでインジェクタ４２を閉弁させる。この場合、突入電流及び安定電流の期間は開弁期間Ｔｏにあたり、電流ゼロの期間は閉弁期間Ｔｃにあたる。また本実施形態では、開弁及び閉弁を１回行う期間を駆動インターバルＴｉｎ（＝開弁期間Ｔｏ＋閉弁期間Ｔｃ）という。インジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃのデューティ比は、ＤＵＴＹ＝Ｔｏ／Ｔｉｎで算出することができる。インジェクタ４２は、通常制御部８４が指令したデューティ比の駆動電流に基づき開弁及び閉弁を繰り返すことで、燃料ガスの供給量を調整する。

そして、レギュレータ４０とインジェクタ４２間のガス供給路３２の燃料ガス圧（以下、レギュレータ下流圧力ともいう）は、インジェクタ４２の開弁及び閉弁の動作の影響を受けて変化する。すなわち、インジェクタ４２は、開弁により下流側に燃料ガスを流出させるため、レギュレータ下流圧力を急激に低下させる。また所定の圧力まで低下した後、レギュレータ下流圧力は、以降の開弁期間Ｔｏの間、所定の圧力のまま推移する。一方、インジェクタ４２は、閉弁により下流側への燃料ガスの流出を遮断する。このため、レギュレータ下流圧力は、閉弁の開始初期時に急激に上昇し、さらにレギュレータ４０の締切圧力まで緩やかに上昇するような時定数の波形を呈する。

ただし、ガス制御ＥＣＵ２２は、中圧センサ６４が上記の圧力波形を検出しても圧力波形をそのまま用いずに、連続する圧力波形の移動平均値ＭＡＤ（図６参照）を算出していく。これによりガス制御ＥＣＵ２２は、レギュレータ下流圧力の平均的な変動を認識して、この平均的な変動（移動平均値ＭＡＤ）をガス欠判定等の処理に使用する。

図３に戻り、２次監視処理部９０は、初期監視工程において高圧センサ６２の第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１以下と判定した後に動作する。この２次監視処理部９０内には、中圧センサ判定部９２、低圧制御部９４が設けられている。

中圧センサ判定部９２は、低圧制御（低圧制御部９４の動作）時に、中圧センサ６４の第２検出情報Ｉ２を受信して、高圧タンク１４内の燃料ガスの残量を判定する２次監視工程を行う。すなわち、ガス供給システム１０は、第１誤差範囲Ｅ１よりも狭い第２誤差範囲Ｅ２を含む第２検出情報Ｉ２を用いることで、高圧タンク１４内のガス欠を精度よく判定する。

中圧センサ判定部９２は、第２検出情報Ｉ２と比較するための第２閾値Ｔ２を予め保有している。ガス制御ＥＣＵ２２は、第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下になった場合に、高圧タンク１４内の燃料ガスのガス欠を判定し、報知部７２を介してその旨（燃料ガスのガス欠）をユーザに報知する。

この第２閾値Ｔ２は、高圧タンク１４の保護圧力、中圧センサ６４の第２誤差範囲Ｅ２等に基づき可及的に低く設定されることが好ましい。例えば図４Ｂに示すように、第２閾値Ｔ２は、高圧タンク１４のタンク保護圧力ＧＰと、中圧センサ６４の第２誤差範囲Ｅ２のマイナス分（－Ｅ２）の絶対値を加えた値に設定されるとよい。

以下、本実施形態に係るガス供給システム１０の第２閾値Ｔ２、中圧センサ６４の第２誤差範囲Ｅ２、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲ、及び高圧タンク１４の保護圧力の関係について、さらに詳述していく。

ガス供給システム１０は、レギュレータ４０の減圧能力である調圧範囲ＰＲが低い（高圧タンク１４の保護圧力に近い）場合に、レギュレータ４０よりも下流側の配管やデバイス等の耐圧性能を低減させることができる。そして、配管やデバイスの耐圧性能の低減によって、ガス供給システム１０は軽量化や低コスト化を一層促進することが可能となる。

そのため図４Ａに示すように、ガス供給システム１０は、初期監視工程において通常制御を実施し、この通常制御では、２次監視工程の第２閾値Ｔ２に対し、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲが重複するように燃料ガスの流通状態を調整する。例えば、レギュレータ４０は、第１調圧範囲ＰＲ１で燃料ガスを減圧する。これにより、ガス供給システム１０は、レギュレータ４０の下流側の配管やデバイス等の耐圧性能を低減することができる。

ここで図４Ｃを参照して、通常制御（初期監視工程）で設定された第１調圧範囲ＰＲ１が、仮に２次監視工程でも第２閾値Ｔ２に重複していた場合を考慮する。この場合、中圧センサ６４は、レギュレータ４０の第１調圧範囲ＰＲ１が第２誤差範囲Ｅ２（±Ｅ２）に加わった第２検出情報Ｉ２’を検出する。つまり、実際の圧力が第１調圧範囲ＰＲ１内や第１調圧範囲ＰＲ１以上であったとしても、検出誤差によって第２閾値Ｔ２以下の圧力を検出する可能性があり、この場合でもガス欠を判定することになる。換言すれば、高圧センサ６２よりも誤差範囲が小さい中圧センサ６４を用いても、高圧タンク１４のガス欠の判定精度が低下する。

そのため、本実施形態に係るガス制御ＥＣＵ２２は、図４Ｂに示すように２次監視工程において、第２誤差範囲Ｅ２のプラス分（＋Ｅ２）を含む第２閾値Ｔ２からレギュレータ４０の調圧範囲ＰＲをオフセットさせる処理を行う。２次監視処理部９０の低圧制御部９４は、インジェクタ４２の動作内容を変えることで、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲを調整する。

詳細には図５Ｂに示すように、低圧制御部９４は、インジェクタ４２のデューティ比を変えずに、駆動インターバルＴｉｎを延長して開弁及び閉弁を繰り返す動作（低圧制御）を行う。例えば低圧制御部９４は、低圧制御の駆動インターバルＴｉｎ２を、通常制御の駆動インターバルＴｉｎ１に対して１５０％～２００％（１．５倍～２倍）の範囲で延長する。これにより閉弁期間Ｔｃが長くなって、インジェクタ４２は、この閉弁期間Ｔｃに応じてレギュレータ下流圧力を上昇させる時間を増加させることができる。その結果、図６に示すように、低圧制御の移動平均値ＭＡＤ２は、通常制御の移動平均値ＭＡＤ１に対して上方向にシフトする。

低圧制御部９４は、このインジェクタ４２の制御によって、図４Ｂに示すようにレギュレータ４０よりも下流側の圧力変化の幅を狭め、レギュレータ４０の制御圧力（第２調圧範囲ＰＲ２）の下限値Ｌ２を上昇させる。例えば、低圧制御部９４は、初期監視工程における第１調圧範囲ＰＲ１に対して、第２閾値Ｔ２を基点に第２誤差範囲Ｅ２のプラス分だけ狭めた第２調圧範囲ＰＲ２となるように、駆動インターバルＴｉｎを延長する。これにより中圧センサ判定部９２は、第２閾値Ｔ２付近において燃料ガス圧（中圧センサ６４の第２検出情報Ｉ２）を良好に監視し、高圧タンク１４のガス欠を判定することが可能となる。

特に、本実施形態に係る低圧制御では、燃料ガスの目標供給量が変わらなければ、開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃのデューティ比を変えない。これによりガス供給システム１０は、インジェクタ４２の下流側に吐出する燃料ガスの流量を大きく低下させない。例えば通常制御及び低圧制御において、デューティ比は、５０％以下に設定されるとよい。これによりガス供給システム１０は、燃料ガスの供給量を確保しつつ、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲを変化させることができる。なお、インジェクタ４２の閉弁期間Ｔｃが長くなれば燃料ガス圧を上昇させることができるので、ガス供給システム１０は、低圧制御において、閉弁期間Ｔｃが長くなるようにデューティ比を小さくしてもよい。

本実施形態に係るガス供給システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。

燃料電池システム１２の発電制御ＥＣＵ２４は、ガス供給システム１０を動作させ、高圧タンク１４から燃料電池スタック１６に燃料ガスを供給する。燃料電池スタック１６は、ガス供給システム１０により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス系装置により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。

ガス制御ＥＣＵ２２は、燃料ガスの供給において、センサ群２０の検出信号に基づき燃料ガスの流通状態を設定して、主止弁３０、パージ弁３８ａ、インジェクタ４２、ＢＰインジェクタ４８、ポンプ５２、ドレイン弁５４ａを適宜制御する。また、ガス制御ＥＣＵ２２は、燃料ガスの供給中に、高圧センサ６２の検出信号（第１検出情報Ｉ１）及び中圧センサ６４の検出信号（第２検出情報Ｉ２）に基づき高圧タンク１４内の燃料ガスの残量を監視する。具体的には、ガス制御ＥＣＵ２２は、図７に示すガス欠判定方法の処理フローを実施する。

ガス欠判定方法ではまず初期監視工程を実施する。この際、通常制御部８４は、主止弁３０を開弁しつつ、燃料ガスの目標供給量に基づくデューティ比でインジェクタ４２を開弁及び閉弁させる通常制御を実施する（ステップＳ１）。つまり、図５Ａ及び図６に示す通常制御のレギュレータ下流圧力の波形は、デューティ比に応じて時間幅が変化する。そのため、通常制御のレギュレータ下流圧力の移動平均値ＭＡＤ１は、デューティ比が大きくなるに連れて低下し、デューティ比が小さくなるに連れて増加する。また、図４Ａに示すように通常制御において、レギュレータ４０は、上流側の燃料ガスの圧力を第１調圧範囲ＰＲ１に減圧して下流側に出力する。

図７に戻り、高圧センサ判定部８２は、高圧センサ６２の第１検出情報Ｉ１を監視するために、メモリ６８に予め記憶されている第１閾値Ｔ１を読み出す（ステップＳ２）。そして、高圧センサ判定部８２は、高圧センサ６２から第１検出情報Ｉ１を取得し（ステップＳ３）、この第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１以下となったか否かを判定する（ステップＳ４）。第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１を上回っている場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ステップＳ３に戻って、以下同様の処理を繰り返す。一方、第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１以下になった場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、ガス制御ＥＣＵ２２は、通常制御から低圧制御に切り替える。低圧制御部９４は、図５Ｂ及び図６に示す低圧制御において、主止弁３０を開弁状態としつつ、インジェクタ４２の開弁及び閉弁の駆動インターバルＴｉｎ２を、通常制御の駆動インターバルＴｉｎ１よりも延長させる。またこの際、燃料ガスの目標供給量が一定であれば、開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃのデューティ比が変化しない。

インジェクタ４２は、通常制御よりも長い開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃで開閉し、レギュレータ下流圧力の振幅の時間幅も通常制御の時間幅より長くなる。従って、低圧制御の移動平均値ＭＡＤ２は、通常制御の移動平均値ＭＡＤ１よりも上昇する。このインジェクタ４２の動作によって、レギュレータ４０は、図４Ｂに示すように上流側の燃料ガスの圧力を第２調圧範囲ＰＲ２に減圧して下流側に出力する。

図７に戻り、中圧センサ判定部９２は、メモリ６８から第２閾値Ｔ２を読み出す（ステップＳ６）。そして中圧センサ判定部９２は、中圧センサ６４から第２検出情報Ｉ２を取得し（ステップＳ７）、この第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下となったか否かを判定する（ステップＳ８）。

上記したように、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲは、低圧制御（インジェクタ４２の駆動インターバルＴｉｎの延長）によって、下限値Ｌ２～上限値Ｈ２からなる第２調圧範囲ＰＲ２に変化する（図４Ｂも参照）。この第２調圧範囲ＰＲ２の下限値Ｌ２は、第２閾値Ｔ２に重複しておらず、且つ第２誤差範囲Ｅ２のプラス分（＋Ｅ２）を加えた値以上となっている。従って、第２閾値Ｔ２付近まで燃料ガスの圧力が低下した場合において、仮に中圧センサ６４が第２誤差範囲Ｅ２を含んで第２検出情報Ｉ２を検出しても、第２検出情報Ｉ２はレギュレータ４０の第２調圧範囲ＰＲ２を上乗せした値とならない。つまり、中圧センサ６４は、低下した燃料ガスの圧力を、第２閾値Ｔ２付近において精度よく検出することができる。ガス制御ＥＣＵ２２は、この中圧センサ６４が検出した第２検出情報Ｉ２と第２閾値Ｔ２とを比較することで、高圧タンク１４のガス欠を良好に認識できる。

第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２を上回っている場合（ステップＳ８：ＮＯ）に、中圧センサ判定部９２は、ステップＳ７に戻って、以下同様の処理を繰り返す。一方、第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下になった場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）に、中圧センサ判定部９２は、高圧タンク１４内の燃料ガスのガス欠を認識しステップＳ９に進む。ステップＳ９において、２次監視処理部９０は、報知部７２を介して燃料電池システム１２のユーザにガス欠となったことを報知する。

さらに、発電制御ＥＣＵ２４は、ガス制御ＥＣＵ２２のガス欠の判定結果を受信することで、燃料電池スタック１６の発電を停止する処理を行う（ステップＳ１０）。この際、ガス制御ＥＣＵ２２は、主止弁３０の閉弁やガス流通部１８の各デバイス（インジェクタ４２、ポンプ５２等）の動作停止等を行なうことで、燃料電池スタック１６への燃料ガスの供給を停止する。

次に、図８を参照して時間経過に伴う高圧タンク１４の燃料ガスの圧力変化及びガス欠判定に至るまでの制御タイミングについて説明する。高圧タンク１４から燃料ガスの放出を開始した後、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力は、高圧センサ６２の第１検出情報Ｉ１に基づき監視される（初期監視工程）。この際、ガス制御ＥＣＵ２２は、通常制御を実施し、燃料ガスの目標供給量に対応するデューティ比に基づきインジェクタ４２の開弁及び閉弁を繰り返す（図６も参照）。これによりレギュレータ４０は、燃料ガス圧を第１調圧範囲ＰＲ１まで減圧する。高圧タンク１４の燃料ガスの圧力（第１検出情報Ｉ１）は、第１閾値Ｔ１に達する時点ｔ１まで徐々に低下していく。

燃料ガスの圧力が第１閾値Ｔ１以下になった時点ｔ１において、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力は、高圧センサ６２の第１検出情報Ｉ１から中圧センサ６４の第２検出情報Ｉ２に切り替えられて監視される（２次監視工程）。また、ガス制御ＥＣＵ２２は、通常制御から低圧制御に切り替わり、通常制御の駆動インターバルＴｉｎ１よりも長い駆動インターバルＴｉｎ２でインジェクタ４２の開弁及び閉弁を繰り返す。この際、低圧制御の目標供給量が通常制御の目標供給量と同じであれば、低圧制御のデューティ比は通常制御のデューティ比に一致している。このため、通常制御の燃料ガスの流量と、低圧制御の燃料ガスの流量を変えずにインジェクタ４２の下流側へ吐出することができる。

インジェクタ４２は、もともと開弁より閉弁に時間がかかることから、基本的に、デューティ比が５０％以下（開弁期間Ｔｏ≦閉弁期間Ｔｃ）に設定される。そのため、駆動インターバルＴｉｎを延長させても、レギュレータ下流圧力は、下降している時間幅よりも上昇している時間幅のほうが長くなり、低圧制御の移動平均値ＭＡＤ２は通常制御の移動平均値ＭＡＤ１に対して上方向にシフトする。これによりレギュレータ４０は、燃料ガス圧を第２調圧範囲ＰＲ２に減圧する。

ここで、ガス供給システム１０は、インジェクタ４２の駆動インターバルＴｉｎを延長することで、インジェクタ４２よりも下流側の燃料ガスの流通において脈動が大きくなる。この燃料ガスの脈動により、燃料電池スタック１６は発電品質に影響が生じる可能性がある。しかしながら、本実施形態に係る低圧制御は、初期監視工程にて高圧タンク１４の燃料ガスの圧力が充分に低下した時点（第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１以下のタイミング：燃料残量計のＥ点（Empty）以下のタイミング）で実施する。このため、ガス供給システム１０は、低圧制御を実施しても、燃料電池スタック１６の発電品質や燃料電池システム１２のユーザに与える影響（ノイズ等）を最小限に抑えることができる。

時点ｔ１以降において、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力が第２調圧範囲ＰＲ２よりも大きい場合、ガス制御ＥＣＵ２２は、中圧センサ６４の第２検出情報Ｉ２に基づき、概ねレギュレータ４０の第２調圧範囲ＰＲ２の中央値を算出する。高圧タンク１４の燃料ガスの圧力が第２調圧範囲ＰＲ２の中央値以下となる時点ｔ２において、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力と中圧センサ６４の第２検出情報Ｉ２とが一致するようになる。従って、第２検出情報Ｉ２は、時点ｔ２以降において、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力をリアルタイムに反映する。

そしてガス制御ＥＣＵ２２は、低圧制御により、第２誤差範囲Ｅ２のプラス分（＋Ｅ２：図４Ｂ参照）を第２閾値Ｔ２に加えた値に対して、レギュレータ４０の第２調圧範囲ＰＲ２をオフセットさせる。このため高圧タンク１４の燃料ガスの圧力が第２閾値Ｔ２に近づいたタイミングにおいて、中圧センサ６４は、レギュレータ４０の第２調圧範囲ＰＲ２が加わらない第２検出情報Ｉ２（第２誤差範囲Ｅ２を含む）を検出する。ガス制御ＥＣＵ２２は、高圧タンク１４の燃料ガスの圧力（第２検出情報Ｉ２）が第２閾値Ｔ２以下になったか否かを精度よく監視することができる。

第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２に至る時点ｔ３において、ガス制御ＥＣＵ２２は、高圧タンク１４内の燃料ガスのガス欠を判定する。発電制御ＥＣＵ２４は、このガス欠判定に伴い燃料電池スタック１６の発電を停止する。この際、ガス制御ＥＣＵ２２は、各デバイスの動作を停止することで、高圧タンク１４からの燃料ガスの放出を停止する。よって、時点ｔ３以降において中圧センサ６４は、横ばいとなった燃料ガスの圧力を検出する。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、ガス供給システム１０は、燃料電池システム１２への適用に限定されず、高圧タンク１４からガス消費物に、ガスを供給する種々のシステムに適用し得る。

また例えば、ガス供給システム１０は、複数の高圧タンク１４を備えた構成でもよく、この場合、各高圧タンク１４のコネクタ２８から延在する各ガス供給路３２同士は、高圧センサ６２の設置箇所よりも上流側で合流していればよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。

本発明の一態様は、高圧タンク１４と、高圧タンク１４から放出されるガスの圧力を、調圧範囲ＰＲ内に減圧して下流側に流出させるレギュレータ４０と、レギュレータ４０よりも下流側に設けられ、開弁及び閉弁を繰り返すことでガスの流量を調整するインジェクタ４２と、レギュレータ４０よりも上流側の圧力を検出する第１圧力センサ（高圧センサ６２）と、レギュレータ４０とインジェクタ４２の間の圧力を検出する第２圧力センサ（中圧センサ６４）と、インジェクタ４２の動作を制御する制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）と、を備えるガス供給システム１０であって、制御部は、第１圧力センサの第１検出情報Ｉ１と第１閾値Ｔ１を比較する初期監視工程を行って、第１検出情報Ｉ１が第１閾値Ｔ１以下に至ったことを判定した後、第２圧力センサの第２検出情報Ｉ２と第２閾値Ｔ２を比較する２次監視工程を行う構成であり、且つ制御部は、初期監視工程のインジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃよりも２次監視工程のインジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃを長くする。

上記のガス供給システム１０は、２次監視工程におけるレギュレータ４０とインジェクタ４２間のガスの圧力（レギュレータ下流圧力）を、初期監視工程のレギュレータ下流圧力よりも高めることが可能となる。これにより制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、レギュレータ４０の調圧範囲ＰＲを変化させ、第２検出情報Ｉ２と第２閾値Ｔ２とを精度よく比較することができる。すなわち、ガス供給システム１０は、状況に応じてインジェクタ４２を適切に動作させることで、レギュレータ４０においてガスを充分に減圧する一方で、圧力センサ６０の検出精度を高めることができる。よって、ガス供給システム１０は、下流側のデバイスの耐圧性能を低減することが可能となり、軽量化及び低コスト化が促進される。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、インジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃを長くすることで、調圧範囲ＰＲの下限値を上昇させる。これにより、ガス供給システム１０は、第２検出情報Ｉ２を一層精度よく検出することができる。

また、第１圧力センサ（高圧センサ６２）は、第１誤差範囲Ｅ１を第１検出情報Ｉ１に含み、第２圧力センサ（中圧センサ６４）は、第１誤差範囲Ｅ１よりも狭い第２誤差範囲Ｅ２を第２検出情報Ｉ２に含み、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、初期監視工程において、第２閾値Ｔ２を基点とした第２誤差範囲Ｅ２に対して調圧範囲ＰＲを重複させる一方で、２次監視工程において、インジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃを長くすることで、第２閾値Ｔ２を基点とした第２誤差範囲Ｅ２に対して調圧範囲ＰＲをオフセットさせる。これにより、ガス供給システム１０は、調圧範囲ＰＲの影響が抑えられた第２検出情報Ｉ２を用いることが可能となり、２次監視工程の監視精度を一層高めることができる。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下となった場合に高圧タンク１４のガス欠を判定する。これにより、ガス供給システム１０は、高圧タンク１４のガス欠を一層精度よく判定して、高圧タンク１４のガスを充分に使い切ることが可能となる。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下となるまでインジェクタ４２の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃを長くした状態を継続する。これにより、制御部は、２次監視工程において、第２検出情報Ｉ２と第２閾値Ｔ２との比較を安定的に行なうことができる。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、第２検出情報Ｉ２が第２閾値Ｔ２以下となった場合に、高圧タンク１４からのガスの放出を停止する。これにより、ガス供給システム１０は、高圧タンク１４のガス欠を判定した際に、直ちにガスの放出を停止して高圧タンク１４を保護することができる。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、初期監視工程から２次監視工程に移行する際に、開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃのデューティ比を変えずに、１回の開弁期間Ｔｏ及び閉弁期間Ｔｃからなる駆動インターバルＴｉｎを延長する。これにより、ガス供給システム１０は、インジェクタ４２から吐出するガスの流量を確保しつつ、レギュレータ下流圧力を高めることができる。

また、制御部（ガス制御ＥＣＵ２２）は、２次監視工程の駆動インターバルＴｉｎ２を、初期監視工程の駆動インターバルＴｉｎ１に対し１．５倍～２倍の範囲で延長する。これにより、ガス供給システム１０は、２次監視工程におけるレギュレータ４０の調圧範囲ＰＲを適切な範囲に変化させることができる。

１０…ガス供給システム １４…高圧タンク
１６…燃料電池スタック ２２…ガス制御ＥＣＵ
４０…レギュレータ ４２…インジェクタ
６２…高圧センサ ６４…中圧センサ
Ｅ１…第１誤差範囲 Ｅ２…第２誤差範囲
ＰＲ…調圧範囲 Ｔ１…第１閾値
Ｔ２…第２閾値 Ｔｃ…閉弁期間
Ｔｉｎ、Ｔｉｎ１、Ｔｉｎ２…駆動インターバル
Ｔｏ…開弁期間

Claims (8)

1. 高圧タンクと、
   前記高圧タンクから放出されるガスの圧力を、調圧範囲内に減圧して下流側に流出させるレギュレータと、
   前記レギュレータよりも下流側に設けられ、開弁及び閉弁を繰り返すことで前記ガスの流量を調整するインジェクタと、
   前記レギュレータよりも上流側の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記レギュレータと前記インジェクタの間の圧力を検出する第２圧力センサと、
   前記インジェクタの動作を制御する制御部と、を備えるガス供給システムであって、
   前記高圧タンクに接続される前記ガスのガス供給路に、前記高圧タンクから下流側に向かって、前記第１圧力センサ、前記レギュレータ、前記第２圧力センサ及び前記インジェクタが、この順に設けられており、
   前記第２圧力センサの圧力検出レンジは、前記第１圧力センサの圧力検出レンジよりも狭く、
   前記第２圧力センサにおいて生じる誤差範囲は、前記第１圧力センサにおいて生じる誤差範囲よりも狭く、
   前記制御部は、前記第１圧力センサの第１検出情報と第１閾値を比較する初期監視工程を行って、前記第１検出情報が前記第１閾値以下に至ったことを判定した後、前記第２圧力センサの第２検出情報と、前記第１閾値よりも小さい第２閾値を比較する２次監視工程を行う構成であり、
   且つ前記制御部は、前記初期監視工程の前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間よりも前記２次監視工程の前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間を長くする
   ガス供給システム。
2. 請求項１記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間を長くすることで、前記調圧範囲の下限値を上昇させる
   ガス供給システム。
3. 請求項２記載のガス供給システムにおいて、
   前記第１圧力センサは、第１誤差範囲を前記第１検出情報に含み、
   前記第２圧力センサは、前記第１誤差範囲よりも狭い第２誤差範囲を前記第２検出情報に含み、
   前記制御部は、
   前記初期監視工程において、前記第２閾値を基点とした前記第２誤差範囲に対して前記調圧範囲を重複させる一方で、
   前記２次監視工程において、前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間を長くすることで、前記第２閾値を基点とした前記第２誤差範囲に対して前記調圧範囲をオフセットさせる
   ガス供給システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記第２検出情報が前記第２閾値以下となった場合に前記高圧タンクのガス欠を判定する
   ガス供給システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記第２検出情報が前記第２閾値以下となるまで前記インジェクタの開弁期間及び閉弁期間を長くした状態を継続する
   ガス供給システム。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記第２検出情報が前記第２閾値以下となった場合に、前記高圧タンクからの前記ガスの放出を停止する
   ガス供給システム。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記初期監視工程から前記２次監視工程に移行する際に、前記開弁期間及び前記閉弁期間のデューティ比を変えずに、１回の前記開弁期間及び前記閉弁期間からなる駆動インターバルを延長する
   ガス供給システム。
8. 請求項７記載のガス供給システムにおいて、
   前記制御部は、前記２次監視工程の前記駆動インターバルを、前記初期監視工程の前記駆動インターバルに対し１．５倍～２倍の範囲で延長する
   ガス供給システム。

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