JPH10252567A

JPH10252567A - 水素燃料自動車

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Publication number: JPH10252567A
Application number: JP9076576A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mitsui; 宏之三井; Hiroshi Aoki; 博史青木; Nobuo Fujita; 信雄藤田; Hideto Kubo; 秀人久保; Takashi Fuji; 敬司藤
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1998-09-22
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JP3352907B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構成を複雑化することなく，残存水素量の検
出を精度よく行うことができる，水素燃料自動車を提供
すること。【解決手段】駆動力を発生させる水素消費部１１と，
水素消費部１１へ供給するための水素を貯留する水素吸
蔵合金を内蔵したＭＨタンク１２と，ＭＨタンク１２か
ら水素消費部１１へ水素を圧送するための水素圧送機１
３と，水素圧送機１３の回転数を制御するインバータ１
４と，ＭＨタンク１２の圧力を測定する圧力センサ１６
と，ＭＨタンク１２内の残存水素量を算出する残存水素
量演算部１５とを有する。残存水素量演算部１５は，イ
ンバータ１４における回転数データＮｃと，圧力センサ
１６の圧力データＰとからＭＨタンク１２内の残存水素
量を算出するよう構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，水素燃料自動車に関するもので
あり，特に水素燃料の残存量を精度よく検出する機能を
有する水素燃料自動車に関する。

【０００２】

【従来技術】水素燃料自動車としては，水素吸蔵合金
（ＭＨ）を内蔵したＭＨタンクに燃料としての水素を貯
留し，ＭＨタンクから燃料電池や水素エンジン等の水素
消費部に水素を供給するシステムを適用したものが提案
されている。かかる水素燃料自動車を実際に走行させる
場合には，残り何ｋｍ程連続走行可能か，即ち，現在の
ＭＨタンク内に残存している水素量がいくらであるかに
ついて把握することが必要である。

【０００３】従来の水素燃料自動車においては，ＭＨタ
ンク内の残存水素量を把握するため，例えば，特開平７
−１０１２５５号公報に示されているごとく，３つの方
式の燃料計を有するものが提案されている。第１の燃料
計は，ＭＨタンクの重量変化から残量を算出する方式の
ものである。第２の燃料計は，ＭＨタンクへの流入水素
量と流出水素量とを測定し，その差から算出する方式の
ものである。第３の燃料計は，副燃料タンクを設け，該
副燃料タンク内には水素吸蔵量の変化に対して放出水素
圧力の変化が大きい別の水素吸蔵合金を充填することに
より，副燃料タンクの放出水素圧力から残存水素量を算
出する方式のものである。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の水
素燃料自動車における燃料計の方式（残存水素量検出方
式）においては次の問題がある。即ち，上記第１の方式
の燃料計においては，例えば一般的に１００ｋｇのＭＨ
タンクにフル充填される水素量は約１〜２ｋｇであり，
その変化量は１００ｇ単位である。そのため，１００ｋ
ｇを秤量可能なセンサーにおいてその０．１％の精度が
要求されることとなり，実用的でない。

【０００５】上記第２の方式の燃料計においては，充填
水素量と放出水素量の両者を測定する必要があり，充填
・放出（燃料補給・燃料消費）を繰り返すことによる両
者の積算誤差が発生して測定精度が低下するという問題
がある。上記第３の方式の燃料計においては，種類の異
なる水素吸蔵合金を使用した複数のＭＨタンクを搭載す
ることが必要であるが，各ＭＨタンクの残存水素量を同
一にすることは水素吸蔵合金の特性から非常に困難であ
り，十分な測定精度が得られない。さらに，この方式の
場合には，燃料計のためだけに副タンクを必要とし，水
素燃料自動車の構成が複雑化するという問題もある。

【０００６】本発明は，かかる従来の問題に鑑みてなさ
れたもので，構成を複雑化することなく，残存水素量の
検出を精度よく行うことができる，水素燃料自動車を提
供しようとするものである。

【０００７】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，駆動力を発生さ
せる水素消費部と，該水素消費部へ供給するための水素
を貯留する水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクと，該Ｍ
Ｈタンクから上記水素消費部へ水素を圧送するための水
素圧送機と，該水素圧送機の回転数を制御するインバー
タと，上記ＭＨタンクの圧力を測定する圧力センサと，
上記ＭＨタンク内の残存水素量を算出する残存水素量演
算部とを有する水素燃料自動車であって，該残存水素量
演算部は，上記インバータにおける回転数データと，上
記圧力センサの圧力データとから上記ＭＨタンク内の残
存水素量を算出するよう構成されていることを特徴とす
る水素燃料自動車にある。

【０００８】本発明において最も注目すべきことは，上
記ＭＨタンクから水素消費部への水素の供給は水素圧送
機により行い，かつ，ＭＨタンク内の残存水素量は，上
記インバータにおける水素圧送機の回転数データと上記
圧力センサにおけるＭＨタンクの圧力データとから算出
するよう構成されていることである。即ち，重要な点
は，上記水素圧送機の回転数及びＭＨタンク内の圧力
と，ＭＨタンク内の残存水素量とは，相関関係があると
いうことを見いだし，これを利用して水素燃料自動車に
おける残存水素量の演算に適用したことである。

【０００９】上記残存水素量演算部における演算は，例
えば，上記水素圧送機の回転数とＭＨタンクの圧力とＭ
Ｈタンクに残存する水素量との関係式を予め実験的に求
めておき，この関係式を用いる方法を取ることができ
る。また，この場合の関係式は，ＭＨタンク，水素圧送
機あるいは水素消費部の種類等に応じて変化する場合が
あるため，これらの種類ごとに求めることが必要であ
る。

【００１０】また，上記水素消費部とＭＨタンクとは，
上記水素圧送機を備えた水素流路により連結し，該水素
圧送機により水素供給が行われるよう構成する。上記水
素消費部としては，例えば燃料電池，水素エンジン等が
ある。燃料電池を用いる場合には，これに電気モータを
組み合わせることにより車両の駆動力を発揮させること
ができる。

【００１１】また，上記ＭＨタンクにおける水素吸蔵合
金としては，例えば，ＬａＮｉ系，ＭｍＮｉＡｌ系，Ｔ
ｉＦｅ系，その他の種々の合金を適用することができ
る。また，ＭＨタンクに設ける圧力センサとしては，従
来よりＭＨタンクの管理上使用している圧力センサをそ
のまま利用することもできるし，新たに設けることもで
きる。

【００１２】また，上記水素圧送機は，吸い込み側と吐
出側との間に圧力差を引き起こす回転部分を有し，該回
転部分の回転数を制御することによりその出力を変化さ
せるタイプのものである。この水素圧送機としては，例
えば，コンプレッサ，送風機，ポンプ等を用いることが
できる。そして，水素圧送機の回転数制御は上記インバ
ータにより供給電源の周波数を変化させることにより行
う。

【００１３】また，水素消費部とＭＨタンクとの間に
は，後述する実施形態例に示すごとく，上記水素圧送機
を有する水素流路と並列に水素圧送機を備えていないバ
イパス流路をさらに設けてもよい。この場合には，ＭＨ
タンクの圧力が高く残存水素量をあまり正確に把握する
必要がない場合において，水素圧送機の作動を止めてお
くことができ，省エネルギー化を図ることができる。

【００１４】次に，本発明の作用につき説明する。本発
明の水素燃料自動車においては，上記ＭＨタンクから水
素消費部への水素の供給を水素圧送機により行う。この
水素圧送機の出力は上記のごとくインバータによる回転
数制御により行われ，その回転数データはインバータに
おいて容易に検出することができる。一方，ＭＨタンク
内の圧力データは，上記圧力センサにより検出すること
ができる。

【００１５】これらの水素圧送機の回転数とＭＨタンク
内の圧力のデータは，それぞれ単独では残存水素量との
相関を見いだすことは困難であるが，これら２つのデー
タからは例えば実験的に相関関係を導き出すことができ
る。そして，この相関関係の関係式を用いることによ
り，上記残存水素量演算部において，残存水素量を容易
に算出することができる。

【００１６】そのため，本発明においては，例えば従来
のように水素の充填・放出データを積算等して残存水素
量を統計的に算出するのではなく，随時検出される上記
２つのデータを用い，随時直接的に，現在の残存水素量
を算出することができる。それ故，算出精度を従来以上
に向上させることができる。

【００１７】また，従来のような副タンク等の特別な構
成を新たに設ける必要がなく，また，使用するデータも
運転制御に用いるものをそのまま利用することができ
る。また，例えば，運転制御部に搭載される既存のＣＰ
Ｕを上記残存水素量演算部として利用することもでき
る。そのため，構造も簡単である。

【００１８】それ故，本発明の水素燃料自動車において
は，特に構造を複雑にすることなく，残存水素量を精度
よく検出することができる。なお，残存水素量は電気信
号として取り出して一般的な表示器によって表示するこ
とができる。

【００１９】次に，上記水素消費部には，該水素消費部
から排出される排熱を導入する熱交換器を設け，また該
熱交換器と上記ＭＨタンクとの間には熱媒体を循環する
循環路を設けると共に，該循環路における上記ＭＨタン
ク出口には熱媒体出口温度を測定する温度センサを配設
してなり，上記残存水素量演算部は，上記インバータに
おける回転数データと，上記圧力センサの圧力データ
と，上記温度センサの温度データとから上記ＭＨタンク
内の残存水素量を算出するよう構成されていることが好
ましい。

【００２０】この場合には，上記ＭＨタンクの温度を水
素放出反応に適した温度に加熱することができ，水素放
出を容易にすることができる。そのため，水素圧送機を
出力の低い状態で運転することができ，省エネルギー化
を図ることができる。さらに，上記熱媒体出口温度を残
存水素量の演算の要素として加えることにより，演算精
度を一層向上させることができる。また，上記のＭＨタ
ンクの加熱は上記水素消費部の排熱を利用した上記熱交
換器を用いるので，専用の熱源等を別途設ける必要がな
く，より一層の省エネルギー化及び構造の複雑化防止に
寄与することができる。

【００２１】また，上記ＭＨタンクは順次切り替えて使
用できるよう１個以上配設されており，また，上記残存
水素量演算部は，先回の運転終了時における全ＭＨタン
ク合計の残存水素量である運転終了時全水素量情報と先
回の運転終了後の燃料補給有無情報とを記憶しておく運
転情報記憶部を有しており，運転中のＭＨタンクの残存
水素量の算出結果と，記憶されている上記運転終了時全
残存量情報及び上記燃料補給有無情報とから，現在の全
ＭＨタンク合計の残存水素量である全残存量を算出し，
また，運転終了時には，その時点における全残存量を上
記運転終了時全残存量情報として上記運転情報記憶部に
記憶するよう構成することもできる。

【００２２】ここで，ＭＨタンクは１個以上，つまり１
個又は複数個設ける。また，ＭＨタンクが１個の場合に
は，その内部を仮想的に分割した構成にすることもでき
るし，分割せず１個のままの構成にすることもできる。
そして，いずれの場合においても，上記運転情報記憶部
を有する構成とする。

【００２３】この場合には，上記残存水素量演算部にお
いて，個々のＭＨタンクの残存水素量を算出すると共に
上記運転情報記憶部のデータから全ＭＨタンクのトータ
ルの残存水素量（システム全体の残存水素量）も算出す
ることができ，複数のＭＨタンクを有する場合の燃料計
としての機能を充実させることができる（実施形態例５
参照）。

【００２４】また，これにより，複数のＭＨタンクを使
用することによる効果を十分に発揮させることができ
る。例えば，各ＭＨタンクのコンパクト化，上記のごと
くＭＨタンクを加熱する場合の加熱時間の短縮，燃料補
給時間の短縮等の効果を得ることができる。

【００２５】次に，上記水素燃料自動車は，上記ＭＨタ
ンクを順次切り替えて使用できるよう１個以上有してい
ると共に，上記ＭＨタンクへの燃料補給時において充填
水素量を把握する充填水素量検出手段を有しており，ま
た，上記残存水素量演算部は，先回の運転終了時におけ
る全ＭＨタンク合計の残存水素量である運転終了時全水
素量情報を記憶しておく運転情報記憶部を有しており，
上記充填水素量と，運転中のＭＨタンクの残存水素量の
算出結果と，記憶されている上記運転終了時全残存量情
報とから，現在の全ＭＨタンク合計の残存水素量である
全残存量を算出し，また，運転終了時には，その時点に
おける全残存量を上記運転終了時全残存量情報として上
記運転情報記憶部に記憶するよう構成することもでき
る。

【００２６】この場合には，上記充填水素量検出手段を
追加することにより，全ＭＨタンク合計の残存水素量の
演算をさらに容易に行うことができる。ここで，上記充
填水素量検出手段としては，ＭＨタンクの水素充填口に
水素流量計を設けてその出力の積算値を用いる方法，水
素吸蔵合金の平衡圧力特性を利用して充填後のＭＨタン
ク圧力とＭＨタンク出口の熱媒温度からＭＨタンク内の
水素量を検出する方法，水素を補給する設備側から充填
量データを受信する方法等による手段を用いることがで
きる（実施形態例６参照）。

【００２７】

【発明の実施の形態】

実施形態例１本発明の実施形態例にかかる水素燃料自動車につき，図
１，図２を用いて説明する。本例の水素燃料自動車は水
素消費部に燃料電池を搭載し，燃料電池において発電さ
れた電力により電気モータを駆動して車両を走行させる
タイプの水素燃料自動車である。

【００２８】即ち，本例の水素燃料自動車１は，図１に
示すごとく，駆動力を発生させる水素消費部１１と，水
素消費部１１へ供給するための水素を貯留する水素吸蔵
合金を内蔵したＭＨタンク１２と，ＭＨタンク１２から
水素消費部１１へ水素を圧送するための水素圧送機１３
とを有する。また，水素圧送機１３の回転数を制御する
インバータ１４と，ＭＨタンク１２の圧力を測定する圧
力センサ１６と，ＭＨタンク１２内の残存水素量を算出
する残存水素量演算部１５とを有する。

【００２９】そして，残存水素量演算部１５は，インバ
ータ１４における回転数データと，圧力センサ１６の圧
力データとからＭＨタンク１２内の残存水素量を算出す
るよう構成されている。以下，これを詳説する。

【００３０】本例における水素消費部１１は，燃料電池
であり，図示しない駆動用電気モータに接続されてい
る。この水素消費部１１には，発電のための水素と空気
とを導入するための水素流路２と空気流路３とが接続さ
れている。水素流路２は，上流側のＭＨタンク１２に接
続されており，その途中において水素圧送機１３を設け
たメイン流路２２とバイパス流路２３とに分岐する分岐
部分２０を有している。

【００３１】分岐部分２０の上流側には主開閉弁４１が
配設されており，また，メイン流路２２及びバイパス流
路２３においてもそれぞれ第２開閉弁４２，第３開閉弁
４３が設けられている。そして，メイン流路２２におい
ては，第２開閉弁４２の下流側に水素圧送機１３が配設
されている。

【００３２】上記バイパス流路２３は，ＭＨタンク１２
と水素消費部１１との圧力差を利用して，水素圧送機１
３を使用することなく水素を直接圧送するための経路で
ある。この機能を実現するため，３つの開閉弁４１〜４
３は，ＭＨタンク１２の圧力に応じてメイン流路２２と
バイパス流路２３の開閉を行うよう構成されている。

【００３３】具体的には，ＭＨタンク１２の圧力が所定
値（供給圧力＋０．０５ＭＰａ）以上の場合には，主開
閉弁４１と第３開閉弁４３を開き，第２開閉弁４２を閉
じて，バイパス流路２３を有効にする。一方，ＭＨタン
ク１２の圧力が上記所定値以下の場合には，主開閉弁４
１と第２開閉弁４２を開き，第３開閉弁４３を閉じて，
メイン流路２２を有効にする。

【００３４】また，水素流路２の主開閉弁４１のさらに
上流側，即ちＭＨタンク１２の出側直近には，ＭＨタン
ク１２内の圧力を測定するための圧力センサ１６が配設
されている。ＭＨタンク１２は，内蔵する水素吸蔵合金
として，温度０〜５０℃の範囲に作動域を有する常温作
動型の合金を用いた。ここで，作動域とは，平衡圧力が
０．１〜１．１ＭＰａの範囲をいう。そして，本例のＭ
Ｈタンク１２の圧力は，温度（外気）条件により異なる
が，運転開始直後において水素消費部１１への水素の供
給圧力よりも高い場合が多く，概ね５〜１５％程度水素
を放出した状態で供給圧力と同等又はこれよりも低い圧
力となる。とくに，水素をフル充填した状態で温度の高
い夏場では，１５〜２０％程度の水素放出後，同様の圧
力となる。

【００３５】水素圧送機１３としてはコンプレッサを採
用しており，その回転数制御を行うインバータ１４に接
続されている。インバータ１４は，水素圧送機１３の回
転数データＮｃを送信するため残存水素量演算部１５に
接続されている。また，上記の圧力センサ１６も圧力デ
ータＰを送信するため残存水素量演算部１５に接続され
ている。

【００３６】残存水素量演算部１５は，圧力センサ１６
から送られる圧力値Ｐとインバータ１４から送られる水
素圧送機１３の回転数データＮｃとを入力するＡＤ変換
部と，これらの入力値から現在の残存水素量を算出する
ＣＰＵを内蔵した演算部と，演算結果を出力するＤＡ変
換部とより構成されている。このＤＡ変換部は，水素燃
料自動車１の運転席の前面パネルに設けられた表示器１
９に電気的に接続されている。

【００３７】残存水素量演算部１５の上記演算部は，入
力値Ｎｃ及びＰとＭＨタンク１２の残存水素量との関係
式を予め記憶しており，この関係式により随時残存水素
量を算出するよう構成されている。上記の関係式は，具
体的には次式Ｆ（Ｘ）の関数として求めてある。Ｆ（Ｘ）＝｛（Ｎｃ／Ｎｍａｘ）ⁿ¹｝×｛（Ｐ／Ｐ₀）
ⁿ²｝ここに，Ｎｍａｘは水素圧送機の最高回転数，Ｐ₀はＭ
Ｈタンクの水素吸蔵合金使用域における最低圧力，ｎ
１，ｎ２は構成システム固有の指数である。

【００３８】このＦ（Ｘ）と残存水素量ＨＳ（％）との
関係を図２に示す。図２は，横軸にＦ（Ｘ）を，縦軸に
残存水素量ＨＳ（％）を取り，これらの相関曲線を曲線
Ｇ１により示したものである。図２より知られるよう
に，Ｆ（Ｘ）とＨＳとはきれいな相関関係を有してお
り，Ｆ（Ｘ）を算出することにより，容易にＨＳを算出
することができる。この関係を利用して，残存水素量演
算部１５の演算部は，随時入力されるＮｃ，ＰからＦ
（Ｘ）を求め，Ｆ（Ｘ）からＨＳを演算するよう構成し
てある。

【００３９】次に，本例の水素燃料自動車１において実
際に残存水素量ＨＳ（％）を検出するまでの手順を説明
する。まず，ＭＨタンク１２の圧力が所定圧力（水素消
費部１１への供給圧力＋０．０５ＭＰａ）よりも高い状
態から運転を開始した場合について説明する。この場合
には，主開閉弁４１と第３開閉弁４３とを開き，第２開
閉弁４２を閉じてバイパス流路２３を有効にして水素の
供給を開始する。即ち，ＭＨタンク１２と水素消費部１
１との圧力差を利用して水素の圧送を開始する。

【００４０】このとき，ＭＨタンク１２の圧力データＰ
は残存水素量演算部１５に随時送られるが，水素圧送機
１３の回転数データＮｃは送られない。そのため，この
バイパス流路２３による水素の供給を行っている際には
残存水素量の演算はできない。しかしながら，ＭＨタン
ク１２の圧力が水素消費部１１よりも高い状態は，上記
のごとく，フル充填状態からでは１５〜２０％使用する
間，即ち，水素が８０〜８５％残存している間であり，
正確な残存量を把握する必要がなく，また，残存水素量
の少ない状態では水素使用量５％以下であり，実害はな
い。

【００４１】次いで，ＭＨタンク１２の圧力が上記所定
圧力よりも低くなった時点において，第２開閉弁を開く
と共に第３開閉弁４３を閉じてメイン流路２２を有効に
し，水素圧送機１３による水素の圧送を開始する。この
時点から，水素圧送機１３の回転数データＮｃがインバ
ータ１４から残存水素量演算部１５に随時送られる。そ
して，残存水素量演算部１５においては，Ｎｃ，Ｐを基
にしてＦ（Ｘ）を算出し，さらにＦ（Ｘ）から残存水素
量ＨＳ（％）を求めて表示器１９に表示する。

【００４２】また，ＭＨタンク１２の圧力が上記所定圧
力よりも低い状態から水素燃料自動車１の運転を開始し
た場合には，最初からメイン流路２２を用いた水素供給
を開始する。したがって，運転開始直後から正確な残存
水素量ＨＳ（％）が算出されて表示器１９に表示され
る。

【００４３】このように，本例においては，ＭＨタンク
１２の残存水素量が８０〜８５％未満の場合に，水素圧
送機１３の回転数データＮｃとＭＨタンク１２の圧力Ｐ
とから，残存水素量演算部１５において直接的に残存水
素量ＨＳ（％）を随時算出することができる。また，こ
れに要する構造は上記のごとく簡単である。それ故，本
例によれば，構成を複雑化することなく，残存水素量の
検出を精度よく行うことができる，水素燃料自動車を得
ることができる。

【００４４】実施形態例２本例は，実施形態例１の水素燃料自動車１における残存
水素量ＨＳ（％）の算出精度を確認すべく実験を行っ
た。実験は，水素圧送機１３の回転数データＮｃとＭＨ
タンク１２の圧力データＰを測定してＦ（Ｘ）を求める
と共に，そのときのＭＨタンク１２内の水素量を実際に
測定して求めた。水素量の測定は，充填水素量と放出水
素量を測定し，これらの差から求めた。

【００４５】実験結果を上記の図２に記号○（符号Ｅ
２）により示す。図２より知られるごとく，上記の演算
結果Ｇ１と実験値Ｅ２とは殆ど差がなかった。特に残存
水素量ＨＳ（％）が５０％以下の領域においては５％の
範囲内で対応しており，残存水素量ＨＳ（％）を正確に
把握する必要性が高い領域において特に精度が高くなっ
ている。一方。残存水素量ＨＳ（％）が７８％以上にお
いては最大誤差１４％が発生しているが，この領域にお
けるこの程度の誤差は実用上問題ないと考えられる。こ
れにより，実施形態例１に示した演算は，非常に精度の
高いものであり，実用上有効に利用できることが証明さ
れた。

【００４６】実施形態例３本例は，図３に示すごとく，実施形態例１の水素燃料自
動車１において，水素消費部１１には，水素消費部１１
から排出される排熱を導入する熱交換器５を排熱導入路
５１を介して設け，また熱交換器５とＭＨタンク１２と
の間には熱媒体を循環する循環路５２を設けた。

【００４７】また，循環路５２におけるＭＨタンク１２
出口には熱媒体出口温度を測定する温度センサ１７を配
設した。そして，残存水素量演算部１５は，インバータ
１４における回転数データＮｃと，圧力センサの圧力デ
ータＰと，温度センサ１７の温度データＴとからＭＨタ
ンク１２内の残存水素量を算出するよう構成した。

【００４８】また，上記温度センサ１７によって検出さ
れた温度データＴは，回転数データＮｃと圧力データＰ
と共に，残存水素量演算部１５に随時伝えられるよう構
成されている。その他の構成は，実施形態例１と同様で
ある。

【００４９】また，本例の残存水素量演算部１５におけ
る演算は，上記温度データＴを新たに加えた下式Ｆ
（Ｚ）の関数を用いて行う。Ｆ（Ｚ）＝｛（Ｎｃ／Ｎｍａｘ）ⁿ¹｝×｛（Ｐ／Ｐ₀）
ⁿ²×ｅ^(-1000/T)｝ここに，ＴはＭＨタンク出側の熱媒温度（絶対温度）で
ある。

【００５０】次に，上記Ｆ（Ｚ）と残存水素量ＨＳ
（％）との関係を図４に示す。図４は，横軸にＦ（Ｚ）
を，縦軸に残存水素量ＨＳ（％）を取り，これらの相関
曲線を曲線Ｇ２により示したものである。図４より知ら
れるように，Ｆ（Ｚ）とＨＳとはきれいな相関関係を有
しており，Ｆ（Ｚ）を算出することにより，容易にＨＳ
を算出することができる。この関係を利用して，残存水
素量演算部１５の演算部は，随時入力されるＮｃ，Ｐ，
ＴからＦ（Ｚ）を求め，Ｆ（Ｚ）からＨＳを演算するよ
う構成してある。

【００５１】また，本例においては，運転開始後に水素
消費部１１の排熱を利用してＭＨタンク１２を加熱す
る。このＭＨタンク１２の加熱は，水素圧送機１３の運
転開始の前後いずれの時点で開始してもよいが，熱媒体
の温度上昇にはある程度の時間が必要であることを考慮
して加熱開始時期を設定する。

【００５２】このＭＨタンク１２の加熱は，内蔵する水
素吸蔵合金の放出反応を容易にすることができる。これ
は，水素放出反応が化学反応であるため一般的に温度が
高いほど分子運動が活発となり反応が促進されるという
こと，及び温度上昇に伴い平衡圧力が上昇するためであ
る。

【００５３】また，上記水素圧送機１３の運転は，ＭＨ
タンク１２の圧力データをフィードバックして制御する
よう構成した。これは，上記加熱によりＭＨタンク１２
の圧力の上昇により水素圧送機１３の出力を下げて低回
転化できるので，上記フィードバック制御により水素圧
送機１３の回転数を最適化すると共に省エネルギー化を
図るためである。

【００５４】したがって，本例によれば，上記熱交換器
５と温度センサ１７の付加により，水素放出反応の促進
及び水素圧送機１３の回転数低減による省エネルギー化
を図ることができると共に，温度データＴを追加した演
算式Ｆ（Ｚ）を用いて精度の高い残存水素量ＨＳ（％）
の演算を行うことができる。その他，実施形態例１と同
様の効果が得られる。

【００５５】実施形態例４本例は，実施形態例３の水素燃料自動車１における残存
水素量ＨＳ（％）の算出精度を確認すべく実験を行っ
た。実験は，水素圧送機１３の回転数データＮｃとＭＨ
タンク１２の圧力データＰと温度データＴを測定してＦ
（Ｚ）を求めると共に，そのときの実際のＭＨタンク１
２内の水素量を実際に測定して求めた。水素量の測定
は，実施形態例２と同様にして行った。

【００５６】実験結果を上記の図４に記号○（符号Ｅ
４）により示す。図４より知られるごとく，上記の演算
結果Ｇ２と実験値Ｅ４とは殆ど差がなかった。これらの
間の誤差は，全領域において９％以下であり，特に残存
水素量ＨＳ（％）が４０％以下の領域においては４％の
誤差範囲内で対応しており，実施形態例１の場合よりも
精度の向上がみられた。これは温度センサの追加による
温度データＴを演算に取り入れたためであると考えられ
る。

【００５７】また，本例における実験で消費した動力
は，実施形態例２における実験に比べて大幅に低減され
た。低減効果は，３０〜５０％にものぼり，上記のＭＨ
タンク１２を加熱する構成を取ることが省エネルギー化
に大きな効果を発揮することがわかった。

【００５８】実施形態例５本例は，図５に示すごとく，ＭＨタンク１２（１）〜１
２（ｎ）をｎ個配設し，これを順次切り替えて使用する
よう構成したものである。各ＭＨタンク１２（１）〜１
２（ｎ）は，それぞれその前後に実施形態例３と同様の
圧力センサ１６及び温度センサ１７を有していると共
に，圧力センサ１６の下流側にそれぞれ主開閉弁４１を
有している。そして，各ＭＨタンク１２（１）〜１２
（ｎ）は，実施形態例３と同様に，水素消費部１１の排
熱を利用した熱交換器５の循環路５２に連結されてい
る。

【００５９】また，本例の残存水素量演算部１５は，先
回の運転終了時における全ＭＨタンク合計の残存水素量
（システム全体の残存水素量）である運転終了時全水素
量（ＨＳＴ）情報と先回の運転終了後の燃料補給有無情
報（ＲＦ）とを記憶しておく運転情報記憶部を有してい
る。

【００６０】そして，運転中のＭＨタンク１２（ｍ）の
残存水素量ＨＳ（ｍ）の算出結果と，記憶されている運
転終了時全残存量ＨＳＴ情報と燃料補給有無情報ＲＦと
から，現在の全ＭＨタンク合計の残存水素量である全残
存量ＨＳＴを算出するよう構成されている。また，運転
終了時には，その時点における全残存量ＨＳＴを運転終
了時全残存量ＨＳＴ情報として運転情報記憶部に記憶す
るよう構成されている。その他は，実施形態例３と同様
である。

【００６１】以下，本例における残存水素量の算出手順
を図６，図７に示すフローチャートを用いて説明する。
まず，図６に示すごとく，ステップ６０１において，運
転開始と同時に上記運転情報記憶部に記憶された運転終
了時全残存量ＨＳＴと燃料補給有無情報ＲＦとを読み込
み，ステップ６０３〜６０５において，燃料供給開始前
情報を決定する。燃料供給開始前情報は，初期の全水素
量ＨＳＡと初期のタンク１個当たりの水素量ＨＳＳであ
る。ここで，上記の初期とは，燃料補給直後の状態を意
味する。

【００６２】具体的には，燃料補給有無情報ＲＦとし
て，補給なし（ＲＦ＝０），任意量補給（ＲＦ＝１），
フル充填（ＲＦ＝２）の場合に分けて上記ＨＳＡ及びＨ
ＳＳを決定する。ＲＦ＝０の場合には，先回の運転終了
時から水素残存量が何ら変化していないため，ＨＳＡ＝
ＨＳＡ，ＨＳＳ＝ＨＳＡ／ｎとし，先回からのデータを
引き継ぎ，運転を開始する。なお，ｎはＭＨタンクの個
数である。

【００６３】ＲＦ＝１の場合には，ＨＳＡ＝（ＨＳＦ＋
ＨＳＴ）／２，ＨＳＳ＝ＨＳＡ／ｎにより推定する。ま
た，ＲＦ＝２の場合には，ＨＳＡ＝ＨＳＦ，ＨＳＳ＝Ｈ
ＳＦ／ｎ×０．９により算出する。ここでＨＳＦは全タ
ンクをフル充填した場合の水素量である。なお，ここで
決定するＨＳＡ，ＨＳＳは後述する演算によって随時見
直されるため，それほど正確である必要はない。

【００６４】上記の燃料補給有無情報ＲＦは，燃料補給
スタンド等においてＭＨタンクの水素充填口に水素充填
用の配管が接続されることにより自動的に水素バルブが
開くとともに，燃料補給有りの情報を上記運転情報記憶
手段に記録される。また，この場合の燃料補給がフル充
填か任意量補給かの判断は，例えばＭＨタンクの圧力値
から判断することができる。これは，フル充填状態に達
するとＭＨタンクと充填圧力とがほぼ同等になる関係を
利用するものである。

【００６５】なお，上記のフル充填時の検出方式は，運
転者の入力による方式に置き換えた簡易型にすることも
できる。即ち，フル充填するか否かは運転者の判断によ
るものであるため，運転席前面パネルに設けたリセット
スイッチによりフル充填を判断することも可能である。

【００６６】次に，図７に示すごとく，運転制御プログ
ラムの指令により水素圧送機１３が運転開始した後に，
ステップ７０１において入力されたＮｃ，Ｐ，Ｔのデー
タを用い，ステップ７０２においてＭＨタンクの残存水
素量ＨＳ（ｍ）の検出を開始する。このときには，上記
のＦ（Ｚ）の式を用いる。また，上記ＨＳ（ｍ）は，比
率であって，１００をかけることによって％となる値で
ある。

【００６７】次いで，ステップ７０３〜７０６におい
て，上記ＨＳ（ｍ）を用いて現在の全タンクトータルの
残存水素量である全残存量ＨＳＴを計算する。ただし，
測定開始後１回目の計算（ＮＮ＝１）であり，かつ上記
の燃料補給有無情報ＲＦが１又は２の場合には，補正部
においてＨＳＡの補正の要否を判断する。具体的には，
ステップ７０４において，ＨＳＳと（ＨＳ（１）×ＨＳ
Ｆ／ｎ）とが誤差範囲１０％以内であるか否かを判断
し，誤差が１０％以内ならば補正なしとし，１０％を超
える場合にはＨＳＡ＝ＨＳ（１）×ＨＳＦ，ＨＳＳ＝Ｈ
ＳＡ／ｎと補正する。ここでＨＳ（１）は１個目のＭＨ
タンクの残存水素量を示す。

【００６８】次に，ステップ７０６において，現在の全
残存量ＨＳＴは，（ｎ−ｍ）×ＨＳＳ＋ＨＳ（ｍ）×Ｈ
ＳＦ／ｎの計算により求める。その後は，ステップ７０
７において，使用しているＭＨタンクの残存水素量等か
ら運転制御プログラムがＭＨタンクの切り替え要否を判
断し，ステップ７０１〜７０６を繰り返して上記の個々
のＭＨタンクの残存水素量の検出及び全残存量ＨＳＴの
算出を続ける。

【００６９】そして，水素燃料自動車の運転が終了した
時点で，ステップ７０９において，現在の全残存量ＨＳ
Ｔを運転終了時全残存量ＨＳＴとして運転情報記憶手段
に記憶する。このようにして，本例の水素燃料自動車に
おいては，複数のＭＨタンクを使用するにも関わらず，
各ＭＨタンクの残存水素量と全ＭＨタンクトータルの残
存水素量を随時直接的に精度よく算出することができ
る。

【００７０】それ故，ＭＨタンクを複数有するシステム
を構成した場合においても残存水素量の把握を正確に行
えるため，安心して水素燃料自動車の走行を行うことが
でき，ＭＨタンクを複数にした場合の効果を十分に得る
ことができる。即ち，ＭＨタンクを複数にした場合に
は，同じ全容量のタンクを１個のＭＨタンクにより構成
した場合と比べて各ＭＨタンクの容量を小さくすること
ができる。そのため，例えば運転開始時にＭＨタンクを
加熱する場合には急速に加熱することができ，また燃料
補給時間を短縮することができる。

【００７１】燃料補給時間を短縮できる理由は，水素吸
蔵合金の特性によって残存水素量が少ないほど水素充填
の速度が速いためである。例えば水素を５０％消費した
状態において，容量の大きい１個のタンクと，容量がそ
の１／４の４個のタンクがあった場合に，前者の５０％
の残存水素量のタンクに水素をフル充填する時間と，後
者の４個中２個の空のタンクにフル充填する時間とを比
べると，後者の２個のタンクの場合の方が短い時間とな
る。

【００７２】なお，本例においては，図５に示すごと
く，ＭＨタンク１２（１）〜１２（ｎ）を加熱するため
の熱交換器５を設けると共にＭＨタンクの温度を測定す
るための温度センサ１７を設けたが，これらを除いた実
施形態例１と同様のシステム構成にすることもできる。
この場合にも，実用上問題ない精度で各ＭＨタンクの残
存水素量及び全残存量を随時求めることができる。

【００７３】実施形態例６本例は，実施形態例５と同様に順次切り替えて使用する
複数のＭＨタンクを有するタイプの水素燃料自動車であ
る。ただし，本例においては，実施形態例５における燃
料補給有無情報ＲＦを記憶する機能は有しておらず，代
わりにＭＨタンクへの燃料補給時において充填水素量を
把握する充填水素量検出手段を有している。そして，こ
の充填水素量を用いて全ＭＨタンクのトータルの残存水
素量の算出を容易にしたものである。

【００７４】本例における充填水素量検出手段として
は，ＭＨタンクの水素充填口に水素流量計を設け，水素
流量計の出力の積算値により検出する方法を用いた。な
お，その他，水素吸蔵合金の平衡圧力特性を利用して，
充填後のＭＨタンク圧力とＭＨタンク出口の熱媒温度か
らＭＨタンク内の水素量を検出する方法等を用いること
もできる。その他は，実施形態例５と同様である。

【００７５】次に，本例における残存水素量の検出方法
を図８，図９のフローチャートに基づき説明する。本例
の場合には，実施形態例５と同様に運転終了時全残存水
素量ＨＳＴを記憶しておき，この値に上記の充填水素量
ＨＲＦ（燃料補給量）を加えることにより，容易に初期
全残存水素量ＨＳＡを正確に求めることができる。

【００７６】即ち，図８に示すごとく，燃料補給時にお
いて，補給完了後のステップ８０１において，ＨＳＡ＝
ＨＳＴ＋ＨＲＦとして全残存水素量を求め，ステップ８
０２において，運転終了時全残存水素量ＨＳＴをＨＳＡ
に変更する。次に，燃料供給時（車両走行時）には，ス
テップ８０３において，運転終了時全残存水素量ＨＳＴ
から，燃料供給開始前情報として，運転開始前全残存量
ＨＳＩ，タンク初期（燃料補給直後）の水素量ＨＳＳ，
使用中のＭＨタンクＮｏ．ｍ，及び使用中のタンク残存
水素量ＨＳＥを確定する。

【００７７】次に，図９に示すごとく，実施形態例５と
同様に，運転制御プログラムの指令により水素圧送機１
３が運転開始した後，ステップ９０１において，ＭＨタ
ンクの残存水素ＨＳ（ｍ）が検出される。また，本例に
おいては，充填水素量が既知であることから，運転開始
前（供給開始前）全残存量ＨＳＩを確定できることで，
システム全体の残存水素量ＨＳＴは，ＨＳＩからＭＨタ
ンクの消費水素量であるＨＳＥ−ＨＳ（ｍ）×ＨＳＦ／
ｎを引くことで求まる。

【００７８】つまり，ステップ９０２に示すごとく，現
在の全残存水素量ＨＳＴは，次式により簡単に算出でき
る。ＨＳＴ＝ＨＳＩ−ＨＳＥ＋ＨＳ（ｍ）×ＨＳＦ／ｎさらに，ステップ９０３においてＭＨタンクが切り替え
られた場合には，ステップ９０４において，使用中のＭ
Ｈタンク残存水素量ＨＳＥをＨＳＳに置き換え，次のＭ
Ｈタンクから燃料供給を開始することで，連続的に現在
の全残存量ＨＳＴを求めることができる。

【００７９】このうように，本例によれば，燃料供給開
始前の情報を常に確定できることで，より精度良く全残
存量を検出することができる。その他の効果について
は，実施形態例５と同様である。

【００８０】

【発明の効果】上述のごとく，本発明によれば，構成を
複雑化することなく，残存水素量の検出を精度よく行う
ことができる，水素燃料自動車を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の水素燃料自動車の構成を示す説
明図。

【図２】実施形態例１における，Ｆ（Ｘ）と残存水素量
との関係を示す説明図。

【図３】実施形態例３の水素燃料自動車の構成を示す説
明図。

【図４】実施形態例３における，Ｆ（Ｚ）と残存水素量
との関係を示す説明図。

【図５】実施形態例５の水素燃料自動車の構成を示す説
明図。

【図６】実施形態例５における，システム全体の残存水
素量演算フローを示す説明図。

【図７】実施形態例５における，システム全体の残存水
素量演算フローを示す説明図。

【図８】実施形態例６における，システム全体の残存水
素量演算フローを示す説明図。

【図９】実施形態例６における，システム全体の残存水
素量演算フローを示す説明図。

【符号の説明】

１．．．水素燃料自動車，１３．．．水素圧送機，１４．．．インバータ，１５．．．残存水素量演算部，１６．．．圧力センサ，１７．．．温度センサ，２．．．水素流路，２２．．．メイン流路，２３．．．バイパス流路，５．．．熱交換器，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三井宏之愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者青木博史愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者藤田信雄愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者久保秀人愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者藤敬司愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動力を発生させる水素消費部と，該水
素消費部へ供給するための水素を貯留する水素吸蔵合金
を内蔵したＭＨタンクと，該ＭＨタンクから上記水素消
費部へ水素を圧送するための水素圧送機と，該水素圧送
機の回転数を制御するインバータと，上記ＭＨタンクの
圧力を測定する圧力センサと，上記ＭＨタンク内の残存
水素量を算出する残存水素量演算部とを有する水素燃料
自動車であって，該残存水素量演算部は，上記インバー
タにおける回転数データと，上記圧力センサの圧力デー
タとから上記ＭＨタンク内の残存水素量を算出するよう
構成されていることを特徴とする水素燃料自動車。