JP7429793B2 - 燃料電池駆動装置を有する自動車の水素タンクをタンク充填する方法、および自動車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池駆動装置を有する自動車の水素タンクをタンク充填する方法、および自動車に関する。

水素タンクの充填量は、水素タンクで許容される最大のタンク圧力に依存する。さらにタンク圧力は、水素タンク内の水素の温度に依存する。すなわちタンク圧力は、周囲温度が上昇すると高くなる。

したがって水素タンクを有する自動車は、通常、望ましい高い充填量で、たとえば現在の周囲温度について最大の充填量で、タンク充填しない。なぜならば周囲温度の上昇などの帰結として水素の温度が上昇すると、タンク圧力が、許容される最大のタンク圧力を超えてしまうからである。

それに応じて、周囲温度が非常に高いときでも、許容される最大のタンク圧力よりもタンク圧力が低く保たれる程度にのみ、水素タンクを充填することが知られている。

本発明は、第１の態様においては、燃料電池駆動装置を有する自動車の水素タンクをタンク充填する方法に関し、この方法は次の各ステップを有する：（ａ）自動車が作動を開始されるであろう第１の動作時点と、自動車が作動を開始されるであろう第１の動作場所とが決定され、（ｂ）第１の動作場所で第１の動作時点のときに予測される最大の周囲温度が判定され、（ｃ）水素タンクのタンク圧力がタンク温度のもとで許容される最大のタンク圧力に達するまで水素タンクが水素でタンク充填され、タンク温度について次式：タンク温度＝［最大の周囲温度；最大の周囲温度＋１０Ｋ］が成り立つ。

特に、タンク温度について次式を適用することができる：タンク温度＝［最大の周囲温度；最大の周囲温度＋５Ｋ］またはタンク温度＝［最大の周囲温度；最大の周囲温度＋２Ｋ］。換言すると水素タンクは、タンク温度が少なくとも最大の周囲温度に相当する程度にのみ、および、高くとも最大の周囲温度プラス１０Ｋ、特にプラス５Ｋ、さらには特にプラス２Ｋに相当する程度にのみ、タンク充填される。

それに応じて本発明の方法により、後に予定されている自動車の作動開始前に、タンクでの水素タンクの充填量を最大化することが可能である。それによって本発明の方法により、後の作動開始のもとでの所与の条件を考慮したうえで、水素タンクが最大に充填される。それによって走行距離が長くなり、必要なタンク充填プロセスの回数が減る。

たとえば自動車を本発明による方法に基づいて夕方または夜間にタンク充電することができ、第１の動作時点は翌日の朝である。それに応じて夜間の温度のほうが低くなり、水素タンクが最大まで充填されてはならない。というのも、そうしないと、温度が夜間よりも高くなる翌日の朝に、最大限許容されるタンク圧力をタンク圧力が超えることになるからである。

その一方で、予測される最大の周囲温度を用いることで、最大限許容されるタンク圧力を超えるタンク圧力の超過を回避するために、蓋然性の低い高すぎる安全係数を、すなわち考えられる高すぎる周囲温度を、考慮に入れる必要はない。

むしろ、第１の動作時点すなわち使用時点のときの、第１の動作場所すなわち使用場所での周囲温度を予測することができる。このとき安全係数は、予測される最大の周囲温度を１０Ｋ、特に５Ｋ、または２Ｋだけ上回ることができる。

予測される最大の周囲温度は、たとえば既知の気象データまたは気象予報によって提供することができる。気象データまたは気象予報は、たとえばインターネットを通じて入手することができる。その代替または追加として、前日にその時刻と場所で自動車で測定された周囲温度を援用することができる。

第１の動作時点と第１の動作場所は、たとえば車両利用者によって手動設定することができる。このことは自動車での入力によって行うことができる。その代替または追加として、車両利用者のスマートフォンなどの外部機器と自動車とのインターフェースによってこれを行うことができる。スマートフォンは、自動車によって読み取ることができるカレンダーを有することができる。それに応じて自動車は、スマートフォンのカレンダーなどの外部機器のデータを参照して、第１の動作時点と第１の動作場所を自動的に提供するようにセットアップされていてよい。このとき第１の動作場所をＧＰＳデータによって判定することもできる。その追加または代替として、第１の動作時点と第１の動作場所が自動車により固定的に設定されていてよい。さらに、第１の動作時点と第１の動作場所が自動車の利用プロフィールを参照して自動車により判定されることが意図されていてよい。換言すると学習アルゴリズムを設けることができ、これによって自動車が車両利用者の動作時点と動作場所を学習し、判定する。

許容される最大のタンク圧力は水素タンクに依存する。許容される最大のタンク圧力は、たとえば８７５バールであり得る。

タンク温度が予測される最大の周囲温度に相当し、または予測される最大の周囲温度に実質的に相当するのが好ましい。タンク温度が予測される最大の周囲温度に実質的に相当することは、技術的に生じる誤差および／または１Ｋまでの些細な誤差を包含する。それにより、予測される最大の周囲温度を考慮したうえで、水素タンクを最大限に充填することができる。このようにして、燃料電池駆動装置を有する自動車の走行距離が最大化される。

さらに、本方法は次のステップをさらに有するのが好ましい：タンク圧力が許容される最大のタンク圧力を超過するであろうことが決定された場合に、水素タンクが圧力軽減される。それに伴い、タンク圧力が予期に反して許容される最大のタンク圧力を超過するであろうシナリオが発生したときのための解決法が提供される。このようにして、水素タンクの損傷を回避することができる。

このようなシナリオの１つは、たとえば気象およびこれに伴って実際の周囲温度が第１の動作時点で、またはその前に、および／または第１の動作場所で、予測に反して変化することであり得る。別の例示としてのシナリオは、見込まれる動作時点が延期され、あるいは自動車が作動を開始されないことであり得る。その場合、予測される最大の周囲温度を超えて周囲温度が上昇する可能性があり、許容される最大のタンク圧力を超えるタンク圧力の上昇を同じく生じる可能性がある。

このとき、タンク圧力が許容される最大のタンク圧力を超過するか否かを決定するために、周囲温度が自動車の作動開始前のタンク温度を超過するか否かが判定されるのが好ましい。その代替または追加として、タンク圧力を能動的に監視して、これが超過されると見込まれるか否かを決定することが可能である。たとえばこのような種類の決定は、許容される最大のタンク圧力を若干下回る、事前設定されたタンク圧力の限度が超過されることによって行うことができる。これら両方の決定は、その際に場合により生じるたとえば気象の変化や、自動車の作動開始なしでの第１の動作時点の経過などに対して対応できるようにすることを可能にする。

このとき、車両を動かすことなく自動車の燃料電池駆動装置の作動が開始されることによって、圧力軽減を行うことが可能である。たとえば後の動作のために自動車の温度調節をすることができる。その代替または追加として、少なくとも１つのシートヒータを作動させ、フロントガラスおよび／またはサイドミラーの霜取りをし、および／またはソフトウェアアップデートをすることができる。この意味において水素タンクの水素による燃料電池駆動装置の動作は、自動車の動作ないし自動車の作動開始に包含される。それに伴い、予測に反して多量にタンク充填されすぎた水素を効率的に利用することができ、許容される最大のタンク圧力を超過することがない。

このとき特に、自動車のバッテリを充電するために燃料電池駆動装置の作動が開始されることによって、圧力軽減が行われるのが好ましい。それに応じて、多量にタンク充填されすぎた水素をタンク圧力の低減のために、簡易かつ好都合な方式で自動車のバッテリの充電に利用することができる。

その代替または追加として、水素が水素タンクから放出されることによって圧力軽減が行われるのが好ましい。そのために水素タンクのパージ弁を利用することができる。放出される水素をエアマス流で希釈することができる。この態様の圧力軽減は特別に簡易であり、したがって高いコストのかかる制御やプログラミングを必要としない。

さらにその代替または追加として、自動車が自律走行式の自動車であり、自動車が自律走行をすることによって圧力軽減が行われるのが好ましい。このような走行は、無人走行および／または運行業務走行であり得る。無人走行では、自動車が乗客なしに走行する。運行業務走行では、自動車によって乗客が対価と引き換えに輸送される。そのために自動車は、スマートフォンなどにインストールすることができる運行業務アプリケーションとリンクするためのインターフェースを有することができる。運行業務アプリケーションはたとえば乗客のスマートフォンに存在していてよく、乗客は運行業務アプリケーションによって、さらに、タンク圧力が高くなりすぎている自動車を運行業務用として照会する。それに応じて、多量にタンク充填されすぎた水素の効率の良い利用が可能である。

特に、自動車が自律走行式の自動車である場合、水素タンクのタンク充填を自律的に行うことができる。このようなケースでは、タンク充填が完全自動式に行われる。そして自律走行式の自動車の車両利用者は、自動車が自動的に水素タンクを最大限充填するために、たとえば自宅からいつ出発したいかを指定するだけでよい。

さらに、自動車が第１の動作時点に引き続いて作動を開始される、見込まれる第２の動作時点が決定されるのが好ましく、たとえば第１の動作場所で第２の動作時点のときに予測される最大の周囲温度が判定される。このとき、自動車が第１の動作時点に引き続いて作動を開始される、見込まれる第２の動作時点と、場合により自動車が第２の動作時点のときに作動を開始される、見込まれる第２の動作場所とが決定されるのが好ましい場合があり、第２の動作場所で第２の動作時点のときに予測される最大の周囲温度が判定される。このことが有意義であり得るのは、第１の動作時点での自動車の第１の作動開始時に、わずかな量の水素しか水素タンクから消費されない短い動作しか予定されておらず、もしくは行われておらず、第２の動作時点が大幅に後に位置していて、その結果、この第２の動作時点で水素の温度が比較的高くなる可能性があり、そのためタンク圧力が最大限許容されるタンク圧力を超過することになり得る場合である。そのために、第１の動作時点での第１の動作のときにどれだけの量の水素を自動車が消費することになるかの決定が行われることが意図されていてよい。

最後に、水素による水素タンクのタンク充填が相互に交代する２回のインターバルで行われるのも好ましく、第１のインターバルでは、水素タンクの中で水素の許容される最大温度に達するまで水素が水素タンクに流入し、第２のインターバルでは水素が水素タンクに流入せず、それにより、許容される最大温度を有する水素タンク内の水素を冷却することができる。許容される最大温度はたとえば８０から９０℃の範囲内、特に８５℃であり得る。

したがって、第１のインターバルと第２のインターバルとが互いに交代する。それにより、許容される最大温度が超過されるのを回避することができる。第２のインターバルは、水素タンク内の水素の能動的な冷却によって繰り上げることができる。水素が水素タンクに流入する前に、これを代替的および／または追加的に予冷却することができ、たとえば－２０℃から－５０℃の領域まで、特に－４０℃まで予冷却することができる。相応に予冷却がなされれば、インターバル形式でのタンク充填を場合により省略することができる。

本発明は、第２の態様においては、水素タンクと、燃料電池駆動装置と、水素タンクのタンク充填を制御するための制御システムとを有する自動車に関し、制御システムは、本発明の第１の態様に基づく方法を実施するためにセットアップされる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。特許請求の範囲、発明の詳細な説明、または図面から明らかとなる一切の構成要件は、設計上の具体的事項も含めて、それ自体としても、異なる任意の組合せとしても本発明の要部となり得る。図面はそれぞれ模式的に次のものを示す：

タンク充填のときの本発明による自動車の実施例を示す透視側面図である。 図１の自動車をタンク充填する本発明の方法を示すグラフ図である。

同じ機能や作用形態を有する部材には、図１および２においてそれぞれ同一の符号が付されている。

図１は、水素ディスペンサ６でタンク充填するときの、図示しない燃料電池駆動装置を有する本発明による自動車１の実施例の透視側面図を示している。

水素ディスペンサ６は、配管とノズルとによって自動車１に接続される。自動車１の水素タンク２が、水素ディスペンサ６から水素３で充填される。

さらに、自動車１はバッテリ４と制御システム５とを備えている。バッテリ５は燃料電池駆動装置によって、および水素タンク２からの水素によって、充電することができる。制御システム５はタンク充填プロセスを制御するための役目を果たす。

図２は、図１の自動車１をタンク充填する本発明による方法のグラフ図を示している。

このグラフ図は、水素タンク２への水素３の流動Ｓないし水素３による水素タンク２の充填と、水素タンク２の中の水素３の温度Ｔと、水素タンク２の中の水素３のタンク圧力ｐとが示されたグラフを表している。ここでは横軸にタンク充填プロセスの時間ｔがプロットされている。縦軸には、水素の温度Ｔとタンク圧力ｐがプロットされている。

第１のインターバルＩで、水素３が流動Ｓ．１によって水素タンク２に供給される。このときに水素３のタンク圧力ｐと温度Ｔが上昇する。温度Ｔが許容される最大温度Ｔ_ｍａｘに達したときに、または達する前に、流動Ｓ．１が中断されてタンク充填プロセスが一時休止される。

その後に、水素３が冷却される時間ｔが待機される第２のインターバルＩＩが続く。冷却を能動的に補助することができる。

第２のインターバルＩＩの後に、許容される最大温度Ｔ_ｍａｘに達するまで、流動Ｓ．２によって水素３が水素タンク２に供給される別の第１のインターバルＩがあらためて続く。その後に再び第２のインターバルＩＩが続く。

予測される最大の周囲温度Ｔ_{Ｕ，ｍａｘ}のもとで許容される最大のタンク圧力ｐ_ｍａｘに相当するタンク圧力ｐに達するまで、このようなインターバル形式のタンク充填プロセスが継続される。このとき予測される最大の周囲温度Ｔ_{Ｕ，ｍａｘ}は、見込まれる第１の動作時点と見込まれる第１の動作場所で生じることになる温度である。

例示としての１つの適用シナリオについて以下に詳しく説明する。夜１時の周囲温度はＴ_Ｕ＝１０℃である。この時点で自動車１にタンク充填をするものとする。そして自動車１を翌日の朝８時ごろに作動開始するものとする。

水素タンク２にどれだけの量の水素３を充填できるかを決定するために、自動車１の使用開始の場所についての気象予報を参照して、朝８時における最大の周囲温度Ｔ_{Ｕ，ｍａｘ}が予測される。これは本例ではＴ_{Ｕ，ｍａｘ}＝２０℃である。それに応じて、たとえば８７５バールの許容される最大のタンク圧力ｐ_ｍａｘと２０℃のタンク温度に達するまで、水素タンク２を水素３で充填することができる。

そして、車両が予定に反して朝８時には作動開始されず、周囲温度Ｔ_Ｕが予測された最大の周囲温度Ｔ_{Ｕ，ｍａｘ}＝２０℃を超えて上昇すると決定されると、このことは、最大のタンク圧力ｐ_ｍａｘを超えるタンク圧力の上昇につながることになる。

最大のタンク圧力ｐ_ｍａｘの超過を回避するために、自動車１をたとえば作動開始させてバッテリ４を充電し、自律走行させることができ、あるいは水素タンク３からパージ弁によって水素２を放出することができる。

１ 自動車
２ 水素タンク
３ 水素
４ バッテリ
５ 制御システム

Claims (8)

1. 燃料電池駆動装置を有する自動車（１）の水素タンク（２）をタンク充填する方法において、前記方法は次の各ステップを有し、
   （ａ）前記自動車（１）が作動を開始されるべき第１の動作時点と、前記自動車（１）が作動を開始されるべき第１の動作場所とが決定され、
   （ｂ）前記第１の動作場所で前記第１の動作時点のときに予測される最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）が判定され、
   （ｃ）前記水素タンク（２）のタンク圧力（ｐ）がタンク温度（Ｔ）のもとで許容される最大のタンク圧力（ｐｍａｘ）に達するまで前記水素タンクが水素（３）でタンク充填され、前記タンク温度（Ｔ）について次式：タンク温度（Ｔ）＝［最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）；最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）＋１０Ｋ］が成立し、
   （ｄ）前記タンク圧力（ｐ）が前記許容される最大のタンク圧力（ｐｍａｘ）を超過するであろうことが決定された場合に、前記水素タンク（２）が圧力軽減され、
   （ｅ）前記タンク圧力（ｐ）が前記許容される最大のタンク圧力（ｐｍａｘ）を超過するか否かを決定するために、周囲温度（ＴＵ）が自動車の作動開始前のタンク温度を超過するか否かが判定される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記タンク温度（Ｔ）は前記予測される最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）に相当し、または前記予測される最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）に実質的に相当することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記自動車（１）のバッテリ（４）を充電するために前記燃料電池駆動装置の作動が開始されることによって、圧力軽減が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 水素（３）が前記水素タンク（２）から放出されることによって圧力軽減が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記自動車（１）が自律走行式の自動車（１）であり、前記自動車（１）が自律走行をすることによって圧力軽減が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記自動車（１）が第１の動作時点に引き続いて作動を開始される、見込まれる第２の動作時点が決定され、前記第２の動作時点のときに前記予測される最大の周囲温度（ＴＵ，ｍａｘ）が判定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 水素（３）による前記水素タンク（２）のタンク充填が相互に交代する２回のインターバルで行われ、第１のインターバルでは前記水素タンク（２）の中で水素（３）の許容される最大温度（Ｔｍａｘ）に達するまで水素（３）が前記水素タンク（２）に流入し、第２のインターバルでは水素（３）が前記水素タンク（２）に流入せず、それにより、前記許容される最大温度（Ｔｍａｘ）を有する前記水素タンク（２）内の水素（３）を冷却することができることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 水素タンク（２）と、燃料電池駆動装置と、前記水素タンク（２）のタンク充填を制御するための制御システム（５）とを有する自動車（１）において、前記制御システム（５）は請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を実施するためにセットアップされる、自動車。
   

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