KR100672273B1 - 가스 공급 장치 - Google Patents

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KR100672273B1
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요시유키 미키
가즈나리 시라이
아츠후미 기무라
나오히로 요시다
오사무 유미타
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제 (또는 저감 등) 할 수 있는 가스 공급 장치를 제공한다.
연료 전지 시스템 (10) 은, 4 개의 수소 탱크 (51, 52, 53, 54) 를 갖는 수소 공급 장치 (50) 와, 그 탱크로부터의 수소 가스의 공급을 제어하는 제어부 (80) 를 구비하고, 제어부 (80) 는, 수소 탱크 (51∼54) 의 온도를 검출함과 함께, 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 수소 가스의 공급을 제한한다.

Description

가스 공급 장치 {GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은, 탱크에 저장된 가스를 외부로 공급하는 가스 공급 장치에 관한 것이다.
종래에는 탱크에 저장된 가스를 외부로 공급하는 가스 공급 장치로서, 수소를 연료로 하는 연료 전지에 대하여 수소 가스를 공급하는 것 등이 알려져 있다.
일본 공개특허공보 2001-295996호 및 일본 공개특허공보 평8-115731호에는, 수소 흡장 합금을 사용한 복수의 탱크에 저장된 수소 가스를 공급하는 가스 공급 장치가 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2002-181295호에는, 고압의 수소가 저장되는 탱크 내의 수소를 공급하는 가스 공급 장치가 개시되어 있다.
탱크에 저장된 가스를 공급할 때에는, 탱크로부터 공급되는 가스의 단열 팽창에 의해서 탱크 본체를 포함한 레귤레이터, 밸브 등과 같은 탱크 관련 부품의 온도가 저하된다. 탱크 관련 부품의 온도가 각 부품의 상용 온도로부터 과도하게 저하되면, 탱크 관련 부품의 열화를 앞당긴다는 문제가 있었다.
발명의 개시
본 발명은, 상기한 과제를 고려하여, 가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제 (또는 저감 등) 할 수 있는 가스 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 가스 공급 장치는, 가스를 저장하는 저장부와, 그 저장된 가스를 그 저장부의 외부로 감압하여 방출하는 방출 기구를 갖는 탱크와, 상기 탱크의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 그 검출한 탱크의 온도에 따라서, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 공급 제한부를 구비한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 가스 공급 장치에 의하면, 탱크 온도에 따라서 가스 공급을 조절함으로써 가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제할 수 있다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 가스 공급 장치는, 이하의 양태를 채용할 수도 있다. 상기 탱크를 복수 구비하고, 상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도에 따라서 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 복수의 탱크 사이의 온도의 평준화를 꾀하여, 가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제할 수 있다.
이 경우에, 상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가 그 탱크를 공급원으로 전환한 시점의 온도로부터 소정 온도만큼 저하된 경우에, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크를 공급원으로 전환함으로써, 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 또, 상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 온도가 소정 온도차가 된 경우에, 그 다른 탱크를 공급원으로 전환함으로써, 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 그리고, 상기 공급 제한부가 상기 공급원으로 전환되는 탱크는, 상기 복수의 탱크 중 가장 고온의 탱크인 것으로 해도 된다.
또한, 상기 복수의 탱크의 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비하고, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 복수의 탱크의 온도 및 압력에 따라서, 그 복수의 탱크 사이의 온도차 및 압력차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 복수의 탱크 사이의 설치 환경에 기인하여 저온으로 되기 쉬운 탱크의 사용 빈도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 탱크의 온도와 탱크의 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여 가스 공급을 조정함으로써, 가스 공급량을 감소시켜, 가스 공급에 수반되는 탱크의 온도 저하를 억제할 수 있다.
이 경우에, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도가 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역을 벗어나지 않도록, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 탱크 온도가 지나치게 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 탱크를 복수 구비하고, 상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크 중 적어도 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도를 검출하고, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 복수의 탱크를 구비하는 경우라도, 가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제 (또는 저감 등) 할 수 있다. 여기서, 「가스 공급을 제한한다」라는 것은, 가스 공급을 차단하는 경우뿐만 아니라 가스 공급량을 감소시키는 경우도 포함한다.
여기서, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역을 벗어나지 않도록, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 복수의 탱크를 구비하는 경우라도 탱크 온도가 지나치게 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가, 그 탱크가 상기 공급원으로 되고 나서 상기 보증 온도 영역 내에서 소정 온도만큼 저하될 때에 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 되고, 상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고, 상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 온도가 상기 보증 온도 영역 내에서 소정 온도차가 될 때에, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 각 탱크 사이에서의 온도의 평준화를 꾀할 수 있다. 그리고, 상기 복수의 탱크의 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비하고, 상기 공급 제한부는, 상기 소정 온도차가 될 때, 또는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 압력과 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 압력이 소정 압력차가 될 때에, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 각 탱크 사이에서의 온도 및 압력의 평준화를 꾀할 수 있다.
또한, 상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급을 제한할 때에, 상기 공급원으로 되어 있는 탱크와는 상이한 다른 탱크 중에서 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 탱크 선택 수단을 구비한 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 가스를 계속해서 공급할 수 있다.
본 발명에는, 다음에 나타내는 각종 양태에서, 각 탱크를 간헐적으로 사용하는 제어가 포함된다. 예를 들어, n 개의 탱크가 구비되어 있는 경우, 본 발명에는, 「첫 번째 탱크 → 두 번째 탱크 … → n 번째 탱크 → 첫 번째 탱크 → 두 번째 탱크 …」와 같이, 복수의 탱크를 소정 시퀀스로 반복하여 사용하는 제어가 포함된다. 탱크의 사용 순서가 고정되어 있을 필요는 없고, 공급원의 전환이 필요하다고 판단된 시점에서 다음에 사용할 탱크를 선택하도록 해도 된다. 즉, 본 발명의 제어는, 「첫 번째 탱크 → 두 번째 탱크 → 첫 번째 탱크 → 세 번째 탱크 → …」등 변칙적으로 또는 정해지지 않은 순서로 탱크를 사용하는 양태도 포함하고 있다. 이 경우, 다음에 사용할 탱크의 선택 기준으로는, 예를 들면, 탱크의 온도, 탱크의 가스 잔량, 미리 정해진 시퀀스 등에 근거하여 설정할 수 있다.
또한, 상기 탱크 선택 수단은, 각 시점에서 상기 복수의 탱크 중 어느 하나의 탱크를 상기 공급원으로서 선택하는 수단인 것으로 해도 된다. 본 발명에 있어서, 2 개씩, 3 개씩 등과 같이 복수의 탱크를 한데 묶어서 공급원으로서 선택해도 되지만, 복수의 탱크가 설치되어 있는 경우, 통상, 감압 후의 공급 압력은 탱크 사이에서 편차가 생긴다. 이 편차에 근거하여 복수의 탱크로부터 동시에 가스를 공급하는 경우에는 공급 압력이 높은 측이 우선적으로 사용되어, 각 탱크로부터의 가스의 공급량, 팽창에 따른 온도 저하에 치우침이 생기는 경우가 있다. 임의의 어느 하나의 탱크를 공급원으로서 선택함으로써 이러한 치우침에 의한 영향을 회피할 수 있고, 탱크를 전환하기 위한 제어 처리의 간략화, 가스 공급의 안정화를 꾀할 수 있다. 복수의 탱크를 한데 묶어서 공급원으로서 선택하는 경우에는, 상기 서술한 공급량의 치우침이 생기지 않을 정도로, 양자의 공급 압력이 균일화되도록 각 탱크로부터의 가스 공급량을 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 공급 제한부는, 상기 복수의 탱크의 상기 공급원으로서의 사용 이력에 근거하여 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 수단인 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 복수의 탱크 사이에서의 사용 빈도의 균등화를 꾀할 수 있다. 또한, 상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고, 상기 선택 수단은, 상기 검출된 복수의 탱크의 온도에 근거하여 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 수단인 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 탱크의 온도 상태로부터, 다음 공급원에 적합한 탱크를 선택할 수 있다.
또한, 상기 공급 제한부는, 상기 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급에 지장이 있는지 여부를 판단하는 지장 판단 수단과, 상기 공급원으로 되어 있는 탱크에 지장이 있다고 판단한 경우에, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크 중에서 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 지장 선택 수단을 구비해도 된다. 이것에 의해, 가스의 안정적인 공급을 확보할 수 있다. 가스의 공급에 있어서의 지장은, 예를 들어 공급관의 압력의 거동에 근거하여 판단할 수 있다.
또한, 상기 가스를 공급하기 위한 공급관을 상기 복수의 탱크의 각 방출 기구에 공통되게 연결하고, 상기 공급관의 압력을 검출하는 공급관 검출부와, 상기 가스의 공급을 시작할 때에, 상기 검출된 공급관의 압력의 거동에 근거하여 적어도 하나의 상기 방출 기구의 이상 유무를 점검하는 공급관 점검부를 구비해도 된다. 예를 들어, 탱크의 방출 기구를 모두 닫은 상태에서도 공급관의 압력이 저하되지 않는다면, 방출 기구를 닫는 기능에 이상이 있다고 판정할 수 있다. 반대로, 탱크의 방출 기구를 연 상태에서도 공급관의 압력이 상승하지 않는다면, 방출 기구를 여는 기능에 이상이 있다고 판정할 수 있다.
또한, 상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스에 관련된 물리량에 근거하여 그 탱크의 온도를 검출해도 된다. 이것에 의해, 가스의 체적 변화나 압력 변화 등으로부터 탱크의 온도를 검출할 수 있다. 또, 탱크로부터 공급되는 가스에 관련된 물리량은, 탱크 내부에서 방출된 후의 가스에 관련된 물리량이어도 되고, 탱크 내부에서 방출되기 전의 탱크 내부에 저장되어 있는 가스에 관련된 물리량이어도 된다.
또한, 상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스의 단열 팽창 정도에 근거하여 그 탱크의 온도를 검출해도 된다. 이것에 의해, 탱크 온도의 저하값을 추정하여, 사전에 탱크의 온도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스가 그 탱크로부터 빼앗는 열량에 근거하여 그 탱크의 온도를 검출해도 된다. 이것에 의해, 가스가 빼앗는 열량으로부터 탱크의 온도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 저장부 및 상기 방출 기구 중 적어도 일부에서의 온도를 그 탱크의 온도로서 검출해도 된다. 이것에 의해, 탱크의 온도를 직접적으로 검출할 수 있다.
또한, 상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스의 공급량에 근거하여 그 탱크의 온도를 검출해도 된다. 이것에 의해, 탱크의 온도와 상관이 있는 가스의 공급량으로부터 탱크의 온도를 검출할 수 있다. 탱크로부터 가스가 빼앗는 열량 및 탱크의 온도 변화는, 각각 탱크로부터 공급되는 가스량과 상관이 있다. 가스 공급량은, 탱크 내의 압력과 상관이 있기 때문에, 압력을 파라미터로 할 수도 있다. 압력을 파라미터로 하는 경우에는 온도 센서를 생략할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 상기 저장부를 가열하는 가열부를 구비해도 된다. 이것에 의해, 가스의 공급 중에 있어서의 탱크의 온도 저하 속도를 저하시킬 수 있어, 탱크의 전환 빈도를 저감할 수 있다. 또한, 가스의 공급이 정지된 탱크의 온도 회복을 촉진할 수 있다. 가스의 공급이 정지된 탱크에 관해서는 온도가 충분히 회복될 때까지 다음 공급원으로서 선택하는 것이 불가능하지만, 온도 회복을 촉진함으로써 공급원이 될 수 있는 탱크를 안정적으로 확보할 수 있어, 가스를 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 탱크로부터의 가스의 공급에 이상이 존재하는 경우에, 그 이상을 알리는 경보부를 구비해도 된다. 이상의 알림은, 여러 가지 양태를 채용할 수 있다. 예를 들어, 이상이 존재하는 탱크를 제외하고 가스의 총 잔량을 산출하여, 잔량계의 표시를 수정해도 된다. 이것에 의해, 가스의 잔량이 급격하게 감소하기 때문에 관리자가 이상을 알 수 있다. 별도의 양태로서, 총 잔량에 상관없이 가스 부족의 경고등을 점등 또는 점멸시켜도 된다. 또 다른 별도 양태로서, 탱크마다 이상의 유무를 알리기 위한 경고 표시를 두어도 된다. 이상의 알림은, 표시에 한정되지 않고 음성으로 실시해도 된다.
본 발명은, 각종 가스의 공급 장치에 적용가능하다. 일례로서, 상기 가스는 수소를 함유하는 연료 전지용의 연료 가스이고, 그 가스의 공급처는 수소를 연료로 하는 연료 전지인 가스 공급 장치로서 구성할 수 있다. 상기 서술한 여러 가지 특징은 반드시 전부를 구비할 필요는 없고, 적절히 일부를 생략하거나, 조합하거나 해도 된다. 본 발명은, 정치형 장치로서 구성해도 되고, 차량이나 그 밖의 이동체에 대한 탑재형 장치로서 구성해도 된다. 본 발명은, 상기 서술한 가스 공급 장치로서의 양태에 한정되지 않고, 가스 공급 장치의 제어 방법 등 여러 가지 양태로 구성이 가능하다.
도 1 은 제 1 실시예에 있어서의 연료 전지 시스템 (10) 을 나타내는 설명도이다.
도 2 는 제어부 (80) 의 제어 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 3 은 제어부 (80) 의 제어 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 4 는 제어부 (80) 의 제어 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 5 는 제어부 (80) 의 제어 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 6 은 제어부 (80) 의 제어 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 7 은 제 2 실시예에 있어서의 차량 (310) 의 개략 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은 연료 전지 (320) 에 대한 가스 공급 계통의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9 는 제어 유닛 (340) 의 기동시 점검 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 10 은 제어 유닛 (340) 의 가스 공급 제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 11 은 제어 유닛 (340) 의 가스 공급원 특정 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 12 는 공급원 탱크의 선택예를 나타내는 설명도이다.
도 13 은 제어 유닛 (340) 의 이상 경보 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 14 는 제어 유닛 (340) 의 히터 가열 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 15 는 가스 공급원 특정 처리의 제 1 변형예를 나타내는 플로우차트이다.
도 16 은 가스 공급원 특정 처리의 제 2 변형예를 나타내는 플로우차트이다.
도 17 은 가스 공급원 특정 처리의 제 3 변형예를 나타내는 플로우차트이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이상 설명한 본 발명의 구성 및 작용을 한층 더 분명하게 하기 위해, 이하 본 발명을 적용한 가스 공급 장치에 관해서 다음 순서로 설명한다.
A. 제 1 실시예
A-(1). 연료 전지 시스템 (10) 의 구성
A-(2). 연료 전지 시스템 (10) 의 동작
A-(3). 그 밖의 실시형태
B. 제 2 실시예
B-(1). 시스템 구성
B-(2). 기동시 점검 처리
B-(3). 가스 공급 제어
B-(3-1). 가스 공급원 특정 처리
B-(3-2). 이상 경보 처리
B-(3-3). 히터 가열 처리
B-(4). 효과
B-(5). 가스 공급원 특정 처리의 변형예
B-(6). 그 밖의 실시형태
A. 제 1 실시예:
A-(1). 연료 전지 시스템 (10) 의 구성:
도 1 은 제 1 실시예에 있어서의 연료 전지 시스템 (10) 을 나타내는 설명도 이다. 도 1 에는, 연료 전지 시스템 (10) 이, 수소 공급 계통을 중심으로 하여 나타나 있다. 연료 전지 시스템 (10) 은 연료 전지 전기 자동차 (FCEV) 에 탑재되어 전력 발전을 행하는 온보드 발전 장치로서 구성되어 있고, 반응 가스 (연료 가스, 산화 가스) 를 공급받아 발전하는 연료 전지 (20) 를 구비하고 있다. 연료 전지 (20) 는 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막 등으로 이루어지는 고분자 전해질막 (21) 의 일방의 면에 애노드극 (22) 을, 타방의 면에 캐소드극 (23) 을 스크린 인쇄 등에 의해 형성한 막ㆍ전극 접합체 (MEA: 24) 를 구비하고 있다. 막ㆍ전극 접합체 (24) 의 양면은 리브가 있는 세퍼레이터 (도시 생략) 에 의해 샌드위치되고, 이 세퍼레이터와 애노드극 (22) 및 캐소드극 (23) 사이에 각각 홈형상의 애노드 가스 채널 (25) 및 캐소드 가스 채널 (26) 이 형성되어 있다. 연료 전지 (20) 가 발전한 전력은 부하 (70) 에 공급된다. 여기서는, 설명의 편의상 막ㆍ전극 접합체 (24), 애노드 가스 채널 (25) 및 캐소드 가스 채널 (26) 로 이루어지는 단(單)셀의 구조를 모식적으로 나타내고 있지만, 실제로는 상기 서술한 리브가 있는 세퍼레이터를 통해 복수의 단셀이 직렬로 접속된 스택 구조를 갖추고 있다.
수소 공급 장치 (50) 는 연료 전지 (20) 에 수소 (연료 가스) 를 공급하기 위한 4 개의 수소 탱크 (51, 52, 53, 54) 가 탑재되어 있다. 수소 공급 장치 (50) 는 복수의 수소 탱크 (51∼54) 중에서 수소 공급원으로서 선택된 어느 하나의 수소 탱크에 의해 수소를 공급한다. 수소 탱크 (51∼54) 에는 고압 (예를 들어, 300∼700기압) 으로 압축된 수소 가스가 충전되어 있다. 수소 스테이션 등 의 수소 공급 설비로부터 각각의 수소 탱크 (51∼54) 에 수소를 충전하기 위한 충전관 (55) 은 4 개의 분지관 (55a∼55d) 으로 4 갈래로 분지되어 수소 탱크 (51∼54) 에 연이어 통해 있다. 각각의 분지관 (55a∼55d) 에는 수소 충전시의 수소 역류를 방지하는 체크 밸브 (D1∼D4) 와, 탱크 내압을 검출하는 압력 센서 (P1∼P4) 와, 탱크 온도를 검출하는 온도 센서 (T1∼T4) 가 설치되어 있다. 수소 공급 장치 (50) 로부터 연료 전지 (20) 에 수소를 공급하기 위한 수소 공급관 (31) 은 4 개의 분지관 (31a∼31d) 으로 4 갈래로 분지되어 수소 탱크 (51∼54) 에 연이어 통해 있다. 분지관 (31a∼31d) 에는 수소압을 감압하기 위한 1 차 레귤레이터 (조압 밸브: A1∼A4) 와, 수소 탱크 (51∼54) 로부터의 수소 방출을 차단하는 탱크 밸브 (전자 차단 밸브: VT1∼VT4) 가 설치되어 있다.
연료 전지 시스템 (10) 의 수소 공급 계통에는, 상기 서술한 수소 공급관 (31) 과, 애노드 가스 채널 (25) 로부터 배기된 애노드 오프 가스 (수소 오프 가스) 를 애노드 가스 채널 (25) 로 환류시키기 위한 순환 유로 (32) 가 배관되어 있다. 이 수소 공급관 (31) 과 순환 유로 (32) 에 의해 수소 순환 계통이 구성되어 있다. 수소 공급관 (31) 에는, 수소압을 감압하기 위한 2 차 레귤레이터 (조압 밸브: A5) 와, 상기 서술한 1 차 레귤레이터 (A1∼A4) 와 2 차 레귤레이터 (A5) 사이에 흐르는 수소의 압력을 검출하는 압력 센서 (P5) 와, 애노드 입구로의 수소 공급을 차단하는 전자 차단 밸브 (B1) 와, 애노드 입구의 가스압을 검출하는 압력 센서 (P6) 가 설치되어 있다. 순환 유로 (32) 에는, 애노드 출구로부터 배기되는 애노드 오프 가스를 차단하는 전자 차단 밸브 (B2) 와, 애노드 오프 가스 를 수소 공급관 (31) 으로 환류시키기 위한 순환 펌프 (C1) 와, 순환 펌프 (C1) 의 상류압과 하류압을 검출하는 압력 센서 (P7, P8) 가 설치되어 있다. 애노드 가스 채널 (25) 을 통과할 때에 압력 손실을 입은 애노드 오프 가스는 모터 (M1) 에 의해 구동되는 순환 펌프 (C1) 에 의해서 적절한 가스압으로 승압되고, 수소 공급로 (31) 에 유도된다. 순환 유로 (32) 에는, 순환 수소에 함유되는 수소 이외의 성분 농도가 높아진 시점에서 애노드 오프 가스의 일부를 순환 유로 (32) 로부터 시스템 밖으로 퍼지시키기 위한 애노드 오프 가스 유로 (33) 가 분지 배관되어 있다. 애노드 오프 가스의 퍼지 처리는 애노드 오프 가스 유로 (33) 에 설치된 전자 차단 밸브 (퍼지 밸브: B3) 를 개폐함으로써 조정할 수 있도록 구성되어 있다.
연료 전지 시스템 (10) 의 산소 공급 계통에는, 캐소드 가스 채널 (26) 에 산소 (산화 가스) 를 공급하기 위한 산소 공급로 (41) 와, 캐소드 가스 채널 (26) 로부터 배기된 캐소드 오프 가스 (산소 오프 가스) 를 시스템 밖으로 유도하기 위한 캐소드 오프 가스 유로 (42) 가 배관되어 있다. 에어 필터 (61) 를 통하여 대기로부터 도입된 에어는 모터 (M2) 에 의해 구동되는 에어 컴프레서 (C2) 에 의해 가압된 후, 가습기 (62) 에 의해 적절히 가습되고, 산소 공급로 (41) 를 경유하여 캐소드 가스 채널 (26) 로 흘러 들어간다. 가습기 (62) 에서는 연료 전지 (20) 의 전지 반응에서 생긴 생성물에 의해 고습윤 상태가 된 캐소드 오프 가스와 대기로부터 도입된 저습윤 상태의 산소 사이에서 수분 교환이 이루어진다. 캐소드 오프 가스는 레귤레이터 (A6) 에 의해서 조압된 후, 가습기 (62) 를 경유하여 캐소드 오프 가스 유로 (42) 를 흘러 머플러 (64, 65) 로 유도된다. 머플러에서 음이 소거된 캐소드 오프 가스는 시스템 밖으로 배기된다. 캐소드 오프 가스 유로 (42) 에는, 애노드 오프 가스를 희석시키기 위한 희석기 (63) 에 분지되어 연이어 통하고, 나아가 캐소드 오프 가스 유로 (42) 에 재합류되는 바이패스 유로 (43) 가 배관되어 있다. 희석기 (63) 에는 애노드 오프 가스 유로 (33) 를 경유하여 애노드 오프 가스 (피희석 가스) 가 도입되고, 바이패스 유로 (43) 를 흐르는 캐소드 오프 가스 (희석 가스) 에 의해 혼합 희석된다. 또, 에어 필터 (61) 에는 외기 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (T5) 가 설치되어 있다.
제어부 (제어 수단: 80) 는 시스템을 제어하기 위한 CPU 와, 각종 전자 밸브 (VT1∼VT4, B1∼B3) 를 개폐 제어하기 위한 구동 회로와, 각종 센서 (P1∼P5, T1∼T5) 로부터 출력되는 센서 신호의 입력을 접수함과 함께, 각종 전자 밸브 (VT1∼VT4, B1∼B3) 나 보조 기기류 (M1∼M2) 에 제어 신호를 출력하기 위한 입출력 인터페이스 등을 포함하는 시스템 컨트롤러로서 구성되어 있다. 제어부 (80) 는 액셀 센서 (82) 가 검출한 액셀 개도와 차속 센서 (83) 가 검출한 차속으로부터 부하 (70) 의 요구 전력을 구하고, 모터 (M1, M2) 및 전자 차단 밸브 (B3) 를 구동 제어하여 연료 전지 (20) 에 공급되는 수소량과 산소량을 조정하여, 원하는 발전량이 얻어지도록 시스템을 제어한다. 부하 (70) 에는, 연료 전지 (20) 이외에 이차 전지 (도시 생략) 로부터도 전력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 부하 (70) 로는, 차량 주행용의 트랙션 모터나, 연료 전지 (20) 의 보조 기기류 (모터 (M1, M2) 등) 가 포함된다. 또, 제어부 (80) 는 압력 센서 (P1∼P5) 와 온도 센서 (T1∼T5) 로부터 출력되는 센서 신호를 기초로 수소 탱크 (51∼54) 의 온도 상태를 감시하면서, 각각의 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 개별적으로 개폐 제어하여 수소 탱크 (51∼54) 의 전환을 제어한다. 기억부 (81) 에는 각각의 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 이력이 기억되어 있다. 사용 이력이란, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 상태를 정량적으로 평가한 값을 말하고, 예를 들어, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 빈도 (탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 연 횟수), 수소 탱크 (51∼54) 의 누적 사용 시간 (탱크 밸브 (VT1∼VT4) 가 닫혀 있는 시간의 적산치), 또는 이 누적 사용 시간과 탱크 내압과의 승산치 등을 사용할 수 있다. 사용 이력은 어느 하나의 수소 탱크 (51∼54) 가 수소 공급원으로서 사용될 때마다 최신값으로 축차 갱신된다. 제어부 (80) 는, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 이력과 온도 상태 중 어느 일방 또는 양자를 조합하거나 하여, 수소 공급원이 될 임의의 하나의 수소 탱크를 선택한다. 또한, 간헐 운전 모드에서는 전자 차단 밸브 (B1, B2) 를 닫아서 연료 전지 (20) 에 대한 수소 공급을 차단함과 함께, 압력 센서 (P6∼P8) 로부터 출력되는 센서 신호에 근거하여 수소 누출 판정을 실시하여, 시스템의 안전을 체크한다.
A-(2). 연료 전지 시스템 (10) 의 동작:
다음으로, 도 2∼도 6 을 참조하여 수소 공급원이 될 수소 탱크의 선택 및 전환 처리에 관해서 설명한다. 이들 도면에 나타내는 제어 루틴은 제어부 (80) 에 의해 실행된다. 우선, 시스템 기동을 지령하는 스타트 스위치가 ON 상태인지 여부가 체크된다 (단계 S1). 이 스타트 스위치는 내연기관이 탑재된 차량의 이그니션키에 상당하는 것이다. 스타트 스위치가 ON 상태인 경우에는 (단계 S1; YES), 제어부 (80) 는 기억부 (81) 에 기억되어 있는 수소 탱크의 사용 빈도를 판독한다 (단계 S2). 여기서는, 수소 탱크의 사용 이력으로서 사용 빈도를 예시하지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 상기 서술한 누적 사용 시간, 또는 이 누적 사용 시간과 탱크 내압과의 승산치 등을 사용해도 된다. 다음으로, 시스템 기동시인지 여부가 체크된다 (단계 S3).
시스템 기동시인 경우에는 (단계 S3; YES), 수소 공급관 (31) 및 연료 전지 (20) 에 수소를 공급하여 가압할 필요가 있다. 기동 시간을 가능한 한 단축하기 위해, 모든 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 열고 (단계 S4), 압력 센서 (P6∼P8) 의 검출 압력이 임계값 압력 (Pk1) 을 초과하면 (단계 S5; YES) 모든 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 닫고 (단계 S6), 수소 누출 판정을 실시한다 (단계 S7). 임계값 압력 (Pk1) 으로는, 수소 공급관 (31) 및 순환 유로 (32) 의 수소 누출을 판정하기 위해서 필요 충분한 압력치로 선정하는 것이 바람직하다. 수소 누출 판정 (단계 S7) 에 있어서는, 전자 차단 밸브 (B1∼B3) 를 모두 닫아서 수소 공급관 (31) 및 순환 유로 (32) 를 밀폐한 후, 압력 센서 (P5∼P8) 가 검출한 압력 저하값이 소정의 임계값을 초과하고 있는지 여부에 의해 수소 누출을 판정한다. 수소 누출이 발생되어 있다면 (단계 S8; YES), 시스템 이상 정지를 실시한다 (단계 S9). 한편, 시스템 기동시가 아닌 경우 (단계 S3; NO), 또는 수소 누출이 없는 경우에는 (단계 S8; NO), 단계 S10 으로 점프한다.
단계 S10 에서는 주행가능한지 여부가 체크된다. 주행이 가능하지 않은 경우에는 (단계 S10; NO), 단계 S38 로 점프한다. 주행가능한 경우에는 (단계 S10; YES), 수소 탱크 (51∼54) 중에서 사용 빈도가 최소인 수소 탱크가 수소 공급원으로서 선택된다 (단계 S11). 사용 빈도가 최소인 수소 탱크가 복수 있는 경우에는, 그 중에서 가장 고온인 수소 탱크를 선택하는 것이 바람직하다. 다음으로, 수소 공급원으로서 선택된 수소 탱크의 온도 (TN) 가 임계값 온도 (Tc1) 이하인지 여부가 체크된다 (단계 S12). 온도 (TN) 는 수소 공급원으로서 선택된 수소 탱크 (51∼54) 의 온도 센서 (T1∼T4) 가 검출한 탱크 온도이다. 임계값 온도 (Tc1) 는 탱크 온도 저하에 따른 수소 탱크의 열화를 억제하기 위해서 탱크 전환의 기준이 되는 온도이고, 수소 탱크의 온도 보증 영역의 하한 온도 (T0) 근방에 설정하는 것이 좋다. 이 온도 보증 영역에서는, 예를 들어, 수소 탱크 (51∼54) 의 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 나 O 링 등이 사용에 견딜 수 있는 온도 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 온도 (TN) 가 임계값 온도 (Tc1) 를 초과하는 경우에는 (단계 S12; NO), 선택된 수소 탱크의 사용 빈도를 1 만큼 증가시키고 (단계 S17a), 선택된 수소 탱크의 탱크 밸브를 열어 (단계 S17b), 연료 전지 (20) 에 수소를 공급하고 발전을 시작한다 (단계 S18).
한편, 온도 (TN) 가 임계값 온도 (Tc1) 이하인 경우에는 (단계 S12; YES), 수소 탱크의 열화를 억제하기 위해 사용 빈도가 다음으로 적은 수소 탱크를 수소 공급원으로서 선택한다 (단계 S13). 다음으로, 모든 수소 탱크를 선택했는지 여부가 체크되고 (단계 S14), 아직 선택되어 있지 않은 수소 탱크가 존재하는 경우에는 (단계 S14; NO), 단계 S12 로 재귀한다. 이와 같이, 사용 빈도가 적은 수 소 탱크를 우선적으로 선택함으로써 각각의 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 빈도를 균등화할 수 있다. 또한, 사용 빈도를 기준으로 선택된 수소 탱크의 온도 (TN) 가 임계값 온도 (Tc1) 보다도 낮은 경우에는 다른 수소 탱크를 수소 공급원으로서 재선택함으로써, 수소 탱크의 온도 저하로 인한 열화를 억제할 수 있다. 여기서, 모든 수소 탱크 (51∼54) 의 온도가 임계값 온도 (Tc1) 이하인 경우에는 (단계 S14; YES), 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 모두 엶으로써 (단계 S15), 모든 수소 탱크 (51∼54) 로부터 연료 전지 (20) 에 수소를 공급한다. 이것에 의해, 수소 탱크 하나당 수소 공급량을 저감함으로써 수소 탱크의 온도 저하값을 작게 하여, 수소 탱크의 열화를 억제할 수 있다. 다음으로, 최저 온도의 수소 탱크를 기준으로 하여 연료 전지 (20) 의 출력을 제한하고, 발전을 시작한다 (단계 S16). 임계값 온도 (Tc1) 와 온도 보증 영역의 하한 온도 (T0) 사이에 어느 정도의 여유가 있는 경우에는, 이와 같이 연료 전지 (20) 의 출력 (발전량) 을 제한함으로써 차량을 정지시키지 않고 주행에 필요한 최저한의 전력을 확보할 수 있다. 단, 임계값 온도 (Tc1) 가 온도 보증 영역의 하한 온도 (T0) 에 근접하는 경우에는, 수소 탱크 (51∼54) 의 열화를 회피하기 위해 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 모두 닫고 차량을 정지하도록 구성해도 된다.
그런데, 연료 전지 (20) 의 발전을 제어하기 위해서는, 액셀 센서 (82) 에 의해 검출한 액셀 개도와, 차속 센서 (83) 에 의해 검출한 차속에 근거하여 부하 (70) 의 요구 전력을 산출하고 (단계 S19), 연료 전지 (20) 와 이차 전지 (도시 생략) 의 출력 비율을 구한다 (단계 S20). 다음으로, 연료 전지 (20) 의 발전량 과 전자 차단 밸브 (B3) 로부터 배기된 애노드 오프 가스의 배기량을 기초로 연료 전지 (20) 에서 소비된 수소량 (수소 탱크로부터 연료 전지 (20) 에 공급된 수소량) 을 연산한다 (단계 S21). 다음으로, 수소 탱크 (51, 52, 53, 54) 중 수소 공급원으로서 선택된 공급원 탱크의 내부 압력 (탱크 잔압) 과 출구 압력의 비로부터 수소의 단열 팽창 정도 (온도 저하값) 를 구한다 (단계 S22). 수소의 단열 팽창 정도는 1 차 레귤레이터 (A1∼A4) 의 1 차압 (압력 센서 (P1∼P4) 에 의해 검출되는 압력) 과, 2 차압 (압력 센서 (P5) 에 의해 검출되는 압력) 에 의해서 구할 수 있다. 다음으로, 소비 수소량과 단열 팽창 정도로부터 [온도 저하값]×[유량] 을 연산하여, 공급원 탱크의 흡열량 (Q1) 을 추정 연산한다 (단계 S23). 다음으로, 온도 센서 (T5) 가 검출한 외기 온도를 기초로 공급원 탱크가 외기로부터 얻은 흡열량 (Q2) 을 연산하여 (단계 S24), 공급원 탱크가 흡수하는 총 흡열량 (Q) 을 흡열량 (Q1)－흡열량 (Q2) 으로부터 구한다 (단계 S25). 다음으로, 공급원 탱크의 열용량, 탱크 온도, 총 흡열량 (Q) 으로부터 공급원 탱크의 온도 저하값 (ΔT) 을 구한다 (단계 S26). 다음으로, TN'= TN－ΔT 로부터 공급원 탱크의 온도 (TN') 를 추정 연산하여 (단계 S27), 온도 (TN') 가 임계값 온도 (Tc2) 이하인지 여부를 체크한다 (단계 S28). 임계값 온도 (Tc2) 로는, 예를 들어, 임계값 온도 (Tc1) 보다 저온이고, 보증 온도 영역의 하한 온도 (T0) 보다 고온인 것이 바람직하다 (T0<Tc2<Tc1). 온도 (TN') 가 임계값 온도 (Tc2) 보다도 높은 경우에는 (단계 S28; NO), 단계 S38 로 점프한다.
한편, 온도 (TN') 가 임계값 온도 (Tc2) 이하인 경우에는 (단계 S28; YES), 수소 탱크의 열화를 회피하기 위해, 수소 공급원으로서 아직 선택되어 있지 않은 수소 탱크 중 사용 빈도가 최소인 것을 수소 공급원으로서 선택한다 (단계 S29). 다음으로, 이 선택된 수소 탱크의 온도 (TN) 가 임계값 온도 (Tc1) 이하인지 여부를 체크한다 (단계 S30). TN 이 Tc1 이하인 경우에는 (단계 S30; YES), 사용 빈도가 다음으로 적은 수소 탱크를 수소 공급원으로서 선택한다 (단계 S31). 다음으로, 모든 수소 탱크를 선택했는지 여부가 체크되고 (단계 S32), 아직 선택되어 있지 않은 수소 탱크가 존재하는 경우에는 (단계 S32; NO), 단계 S30 으로 재귀한다. 여기서, 모든 수소 탱크 (51∼54) 의 온도가 임계값 온도 (Tc1) 이하인 경우에는 (단계 S32; YES), 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 모두 엶으로써 (단계 S33), 모든 수소 탱크 (51∼54) 로부터 연료 전지 (20) 에 수소를 공급한다. 다음으로, 최저 온도의 수소 탱크를 기준으로 하여 연료 전지 (20) 의 출력을 제한하고, 발전을 시작한다 (단계 S34). 원래부터, 모든 수소 탱크 (51∼54) 의 온도가 임계값 온도 (Tc1) 이하인 경우에는 (단계 S32; YES), 탱크 밸브 (VT1∼VT4) 를 모두 닫아서 차량을 정지하도록 구성해도 된다. 한편, 선택된 수소 탱크의 온도 (TN) 가 Tc1 를 초과하고 있는 경우에는 (단계 S30; NO), 선택된 수소 탱크의 사용 빈도를 1 만큼 증가시키고 (단계 S35), 탱크 밸브를 열어 (단계 S36), 연료 전지 (20) 의 발전을 시작한다 (단계 S37).
단계 38 에 있어서는, 간헐 운전 개시 조건이 성립되어 있는지 여부가 체크된다. 간헐 운전이란, 저속으로 주행하고 있는 경우나 아이들링되어 있는 경우 등과 같이 이차 전지 등의 축전 장치로부터 공급되는 전력으로 차량 주행할 수 있 을 정도의 저부하시에 연료 전지 (20) 의 운전을 중지하고 축전 장치로부터 공급되는 전력으로 차량 주행하는 운전 모드를 말한다. 간헐 운전 개시 조건이 성립되어 있지 않은 경우에는 (단계 S38; NO), 단계 S10 으로 점프한다. 간헐 운전 개시 조건이 성립하면 (단계 S38; YES), 탱크 밸브 (VT1∼VT4), 전자 차단 밸브 (B1∼B3) 를 모두 닫아 (단계 S39), 발전을 정지한다 (단계 S40). 이 때, 시스템의 안전성을 확인하기 위해 수소 누출 판정을 실시해도 된다. 수소 누출 판정은 단계 S7 과 동일한 순서로 실시하면 된다. 다음으로, 간헐 운전 해제 조건이 성립하였는지 여부를 체크한다 (단계 S41). 간헐 운전 해제 조건이 성립되어 있지 않은 경우에는 (단계 S41; NO), 단계 S38 로 점프한다. 한편, 간헐 운전 해제 조건이 성립된 경우에는 (단계 S41; YES), 수소 공급관 (31) 및 연료 전지 (20) 에 빠르게 수소를 공급하여 기동 시간을 단축시키기 위해, 탱크 밸브 (VT1∼VT4), 전자 차단 밸브 (B1∼B2) 를 모두 연다 (단계 S42). 연료 전지 (20) 는 통상 운전으로 이행하여, 전력 발전을 실시한다. 다음으로, 시스템 정지 요구가 있는지 여부가 체크되고 (단계 S43), 시스템 정지 요구가 없는 경우에는 (단계 S43; NO), 단계 S19 로 점프한다. 시스템 정지 요구가 있는 경우에는 (단계 S43; YES), 탱크 밸브 (VT1∼VT4), 전자 차단 밸브 (B1∼B3) 를 모두 닫아 (단계 S44), 시스템을 정지시킨다 (단계 S45).
본 실시형태에 의하면, 수소 탱크 (51∼54) 의 온도 상태에 근거하여 수소 공급원이 될 수소 탱크를 선택하고 전환하기 때문에, 탱크 온도 저하로 인한 수소 탱크 (51∼54) 의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 사용 빈도가 적은 수소 탱크 의 내부에서는 고압력이 장시간 가해지고 있기 때문에 기계 부품 등에 영구 변형이 생겨 수소 탱크의 기밀성을 손상시킬 우려가 있지만, 사용 빈도를 선택 기준으로 하여 수소 탱크를 선택함으로써, 각각의 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 빈도를 균일화함으로써 이러한 문제를 해소할 수 있다.
A-(3). 그 밖의 실시형태:
수소 공급원이 될 수소 탱크의 선택 기준으로서 사용 빈도를 예시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니고, 수소 탱크 (51∼54) 의 누적 사용 시간, 또는 이 누적 사용 시간과 탱크 내압의 승산치 등, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 상태를 정량적으로 평가할 수 있는 값을 선택 기준으로서 사용할 수 있다. 또한, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 빈도를 가능한 한 균등화하기 위해서는, 수소 탱크를 수소 충전하더라도 사용 빈도를 리셋 (제로 클리어) 하지 않는 편이 바람직하다. 또한, 수소 탱크 (51∼54) 의 사용 이력과 탱크 온도 중 어느 일방 또는 양자를 조합하여 선택 기준을 정해도 된다. 양자를 조합하는 경우에는 어느 일방의 우선도를 높게 하여 선택 기준을 정해도 된다. 예를 들어, 상기 서술한 예 (단계 S11∼S14, 단계 S29∼S32) 에서는 탱크 온도보다도 사용 빈도의 우선 순위를 높게 하여 선택 기준을 정하고 있었지만, 사용 빈도보다도 탱크 온도의 우선 순위를 높게 하여 선택 기준을 정해도 된다.
또한, 상기 서술한 예 (단계 S21∼S27) 에서는, 탱크로부터 공급되는 가스에 관련된 물리량인 수소의 단열 팽창 정도로부터 탱크 온도를 추정하고, 이 추정 온도를 탱크 전환의 판단 기준으로 하고 있었지만, 탱크 온도에 관련된 물리량 (단열 팽창 정도 이외의 물리량) 으로부터 탱크 온도를 추정 연산하여, 이 추정 온도를 탱크 전환의 판단 기준으로 해도 된다. 예를 들어, 상기 서술한 온도 센서 (T1∼T5) 및 압력 센서 (P1∼P5) 는 수소 탱크 (51∼54) 의 온도에 관련된 물리량을 검출하는 검출 수단으로서 기능하지만, 이것 외의 물리 센서를 사용하여 탱크 온도에 관련된 물리량을 검출해도 된다. 단, 반드시 탱크 온도를 추정 연산할 필요는 없고, 온도 센서 (T1∼T4) 가 검출한 탱크 온도를 탱크 전환의 판단 기준으로 해도 된다.
또한, 상기 서술한 예 (단계 S29) 에서는 탱크 온도가 보증 온도 영역을 하회하는 것으로 판정된 경우에 탱크를 전환하고 있었지만, 반드시 탱크를 전환할 필요는 없고, 수소 공급원으로서 선택된 수소 탱크로부터 연료 전지 (20) 에 대한 수소 공급량을 제한한 다음에 수소 공급을 계속해도 된다. 수소 탱크로부터의 수소 공급량을 제한하는 경우, 연료 전지 (20) 의 발전량을 제한하거나, 또는 이차 전지 등의 축전 장치로부터 부하 (70) 에 대한 전력 공급량을 증대하는 등의 대응 조치를 강구하면 된다.
또한, 상기 서술한 예에서는 수소 공급원으로서 고압 수소 가스를 충전한 수소 탱크 (51∼54) 를 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니라, 예를 들어 수소를 가역적으로 흡장 및 방출가능한 수소 흡장 합금을 탱크 용기 내에 충전한 수소 흡장 탱크를 사용해도 된다. 수소 흡장 합금은 수소와 반응하여 금속 수소 화물이 되는 합금으로, 수소화 및 탈수소화의 반응이 실용적인 조건 하에서 바람직한 반응 속도로 진행되는 가역성을 구비하고 있다. 예를 들어, 수소의 가스압을 승압시키거나 또는 가스 온도를 낮추면 수소를 흡장하여 발열하는 한편, 수소의 가스압을 강압시키거나 또는 가스 온도를 올리면 수소를 방출하여 흡열하는 성질이 있다. 수소 흡장 합금으로서, 예를 들어, Mg-Ni 계, La-Ni 계, Ti-Mn 계 등이 바람직하다. 또한, 상기 서술한 예에서는 복수의 수소 탱크 (51∼54) 를 구비하고 있는 경우를 설명하였지만, 수소 공급 장치 (50) 에 탑재되는 수소 탱크의 개수는 하나여도 된다.
B. 제 2 실시예:
B-(1). 시스템 구성:
도 7 은, 제 2 실시예에 있어서의 차량 (310) 의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 차량 (310) 은, 후부의 연료 전지실 (312) 에 탑재된 연료 전지 (320) 를 전원으로 하여, 모터 (330) 의 동력에 의해 구동된다. 모터 (330) 는 여러 가지 타입을 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는, 동기 전동기 (모터) 를 사용하는 것으로 하였다. 연료 전지 (320) 로부터 출력되는 직류는, 인버터 (331) 에 의해서 3 층 교류로 변환된다. 모터 (330) 는, 이 3 층 교류에 의해 구동된다. 모터 (330) 의 동력은, 회전축 (332) 을 통하여 차륜 (333) 에 전달되고, 차량 (310) 을 구동한다.
연료 전지 (320) 는, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전한다. 연료 전지 (320) 에는 여러 가지 타입을 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는 고체 고분자형을 사용하였다. 산소극에는, 공급관 (324) 을 통해 외부로부터 공기가 공급된다. 수소는, 지붕 위의 수소 탱크실 (311) 에 설치된 복수의 수소 탱크 (350) 로부터 공급관 (322) 을 통해 순차적으로 공급된다. 수소극에 공급된 수소 및 공기는 발전에 이용된 후, 배출관 (323) 으로부터 외부로 배출된다. 수소, 공기의 공급 계통의 구성에 관해서는 후술한다.
인버터 (331) 등, 차량 (310) 에 탑재된 각 기기의 동작은 제어 유닛 (340) 에 의해 제어된다. 제어 유닛 (340) 은, 내부에 CPU, ROM, RAM 등을 구비한 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있고, ROM 에 기억된 제어 프로그램에 따라서 각 유닛의 동작을 제어한다.
도 7 중에, 제어 유닛 (340) 의 기능 블록을 나타내었다. 본 실시예에서는, 이들 기능 블록은 제어 유닛 (340) 에 있어서 소프트웨어적으로 구성되어 있다. 각 기능 블록을 하드웨어적으로 구성하는 것도 가능하다.
각 기능 블록은, 주제어부 (342) 의 제어하에 연계하여 동작한다. 센서 입력부 (341) 는, 차량 (310) 에 설치된 각종 센서로부터의 신호 입력을 접수한다. 센서로는, 예를 들어, 연료 전지 (320) 에 수소나 공기를 공급하는 공급 계통에 설치된 온도 센서, 압력 센서가 포함된다. 센서로부터의 검출 신호에는, 주행시의 요구 동력에 상당하는 액셀 개도도 포함된다.
발전 제어부 (344) 는, 요구 동력에 따라서 연료 전지 (320) 의 발전을 제어한다. 공급 제어부 (345) 는, 연료 전지 (320) 에서의 발전량에 따라서 수소 탱크 (350) 를 구별하여 사용하고, 연료 전지 (320) 에 수소를 공급한다. 모터 제어부 (346) 는, 연료 전지 (320) 의 전력을 이용하여 요구된 동력을 출력하도록 모터 (330) 를 구동 제어한다.
계기 제어부 (343) 는, 차량 (310) 의 운전석 (314) 에 설치된 계기판 (360) 에 대한 표시를 제어한다. 이러한 표시로는, 속도, 모터 (330) 의 회전수, 연료 전지 (320) 의 온도, 시프트 포지션 등이 포함된다. 또한, 수소의 잔량, 수소 탱크 (350) 의 공급 계통에 관한 이상 표시 등도 포함된다.
도 8 은 연료 전지 (320) 에 대한 가스 공급 계통의 구성을 나타내는 설명도이다. 먼저 설명한 바와 같이, 연료 전지 (320) 에 있어서, 캐소드에는 산소를 함유한 가스로서의 압축 공기가 공급되고, 애노드에는 수소가 공급된다. 공기는, 필터 (325) 로부터 흡입되어, 콤프레서 (326) 에 의해 압축된 후, 가습기 (327) 에 의해 가습되어, 공급관 (324) 을 통해 공급된다. 공급관 (324) 에는, 공기의 공급압을 검출하기 위한 압력 센서 (328) 가 설치되어 있다.
수소는, 4 개의 수소 탱크 (350) 로부터 공급관 (322) 을 통하여 애노드에 공급된다. 도 8 중에서는, 설명의 편의상, 각 탱크에 [1]∼[4] 의 탱크 번호를 붙였다. 이하, 이 탱크 번호에 따라서, 각 수소 탱크 (350) 를 1 번 탱크∼4 번 탱크로 구별하여 부르기도 한다. 가스 공급 계통에서는, 수소는 수소 탱크 (350) 로부터 연료 전지 (320) 로 흐르기 때문에, 설명의 편의상, 수소 탱크 (350) 에 가까운 측을 상류측, 연료 전지 (320) 에 가까운 측을 하류측으로 부르기도 한다.
각 수소 탱크 (350) 는, 수소를 약 350 기압의 고압으로 저장하고 있다. 수소 탱크 (350) 에는, 수소를 감압하기 위한 레귤레이터 (355), 제어 유닛 (340) 으로부터의 제어 신호에 의해서 전자적으로 개폐되는 개폐 밸브 (351) 를 구비하고 있다. 수소의 압력은, 연료 전지 (320) 에 공급되기까지의 사이에 공급관 (322) 의 도중에서 또 한번 단계적으로 감압되지만, 이 감압 기구에 관해서는 도시를 생략하였다.
수소 탱크 (350) 에는, 레귤레이터 (355) 의 하류측에 온도 센서 (353) 가 설치되어 있다. 온도 센서 (353) 는, 레귤레이터 (355) 에서 감압된 후의 수소의 온도를 검출가능한 부위에 설치된다. 온도 센서 (353) 의 설치 부위는, 도시한 부위에 한정되지 않고, 레귤레이터 (355), 개폐 밸브 (351) 의 동작 온도를 직접 또는 간접적으로 계측가능한 여러 부위를 선택할 수 있다.
수소 탱크 (350) 로부터 공급되는 가스는, 감압시에 단열 팽창에 의해 온도가 저하된다. 수소 탱크 (350) 에는, 이 온도 저하를 억제함과 함께, 온도가 저하된 수소 탱크 (350) 의 온도 회복을 촉진하기 위해 히터 (352) 가 설치되어 있다.
수소 탱크 (350) 에는, 레귤레이터 (355) 보다도 상류측에, 탱크 내의 저장 압력을 계측하기 위한 압력 센서 (354) 가 설치되어 있다. 이들 압력 센서 (354) 와는 별도로, 공급관 (322) 에는 수소의 공급압을 검출하기 위한 압력 센서 (329) 도 설치되어 있다.
B-(2). 기동시 점검 처리:
도 9 는 제어 유닛 (340) 이 실행하는 기동시 점검 처리를 나타내는 플로우차트이다. 제어 유닛 (340) 은, 운전자에 의한 스타터 스위치의 조작 등, 연료 전지 (320) 의 운전이 지시된 시점에서 기동시 점검 처리를 실행한다.
이 처리가 시작되면, 제어 유닛 (340) 은, 공급관 (322) 에 수소 가스를 충전시키기 위해서 개폐 밸브 (351) 를 연다 (단계 S310a). 수소 가스가 공급관 (322) 에 충전된 후, 모든 수소 탱크 (350) 의 개폐 밸브 (351) 를 닫고 (단계 S310b), 압력 센서 (329) 에 의해 공급관 (322) 의 공급압 (Pa) 을 검출한다 (단계 S311a). 개폐 밸브 (351) 를 닫음으로써 수소의 공급이 정지되어 있기 때문에, 공급관 (322) 의 수소가 연료 전지 (320) 로 빠지는 것에 의해 정상시라면 공급압 (Pa) 은 저감되어야 한다. 본 실시예에서는, 공급압 (Pa) 의 변화를 단시간에 검출가능하도록 하기 위해, 연료 전지 (320) 를 일시적으로 운전하여 공급관 (322) 내부의 수소를 소비하는 것에 의한 감압 처리를 실시한다 (단계 S311b). 그 후, 공급관 (322) 의 공급압 (Pa) 을 다시 검출하고 (단계 S311c), 감압 처리의 전후에서 공급압 (Pa) 이 저감되었는지 여부를 판단한다 (단계 S312). 공급압 (Pa) 이 저감되지 않은 경우 (단계 S312) 에는, 제어 유닛 (340) 은, 임의의 하나의 수소 탱크 (350) 의 개폐 밸브 (351) 에 누출이 있거나, 또는 열린 상태로 고착되어 있는 것으로 판단하여 이상 판정 처리를 실시한다 (단계 S318). 이상 판정 처리로는, 예를 들어 이상의 존재를 나타내는 이상 판정 플래그를 세우는 처리를 들 수 있다.
공급압 (Pa) 이 저감된 경우 (단계 S312), 제어 유닛 (340) 은 이하의 순서로 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 에 관해서 개별적으로 개폐 밸브 (351[1]∼351[4]) 가 정상적으로 열리는지 여부를 점검한다. 제어 유닛 (340) 은, 어느 하나의 수소 탱크 (350) 를 점검 대상 탱크로서 선택하고, 그 점검 대상 탱크의 개폐 밸브 (351) 를 열어 (단계 S313), 공급압 (Pa) 을 검출한다 (단계 S314). 개폐 밸브 (351) 가 정상적으로 열린 경우에는, 점검 대상 탱크로부터 수소가 공급되기 때문에 공급압 (Pa) 이 증가될 것이다. 공급압 (Pa) 이 증가되지 않는 경우에는 (단계 S315), 제어 유닛 (340) 은 개폐 밸브 (351) 의 개방 동작에 이상이 있는 것으로 판단하여 이상 판정 처리를 실시한다 (단계 S318). 공급압 (Pa) 이 증가된 경우에는 (단계 S315), 제어 유닛 (340) 은 개폐 밸브 (351) 는 정상인 것으로 판단하고, 점검 대상 탱크의 개폐 밸브 (351) 를 닫는다 (단계 S316). 제어 유닛 (340) 은, 하나씩 점검 대상 탱크를 변경하면서 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 모두에 관해서 단계 S311a∼S316 의 점검 처리를 실행한다.
상기 서술한 기동시 점검 처리를 실시함으로써, 본 실시예에서는, 공급원이 되는 수소 탱크 (350) 의 전환시의 개폐 밸브 (351) 의 작동 신뢰성을 높일 수 있어, 전환시의 지장을 억제할 수 있다. 상기 서술한 처리에 있어서, 단계 S312 에서는, 예를 들어 공급압 (Pa) 이 소정 임계값을 하회하였을 때에 공급압이 저감되었다고 판단해도 된다. 또, 공급압 (Pa) 의 시간적인 저감률의 절대값이 소정 임계값 이상으로 되었을 때에 공급압 (Pa) 이 저감되었다고 판단해도 된다. 마찬가지로, 단계 S315 에 있어서도, 공급압 (Pa) 과 임계값의 대소 관계에 근거하는 판단, 공급압 (Pa) 의 변화율에 근거하는 판단 중 어느 것을 적용해도 된다.
B-(3). 가스 공급 제어:
도 10 은, 제어 유닛 (340) 이 실행하는 가스 공급 제어를 나타내는 플로우차트이다. 제어 유닛 (340) 은, 연료 전지 (320) 의 운전 중에 수소 탱크 (350) 를 구별 사용하여 발전에 요구되는 양의 수소를 공급하기 위해, 가스 공급 제어를 반복하여 실행한다.
이 처리가 시작되면, 제어 유닛 (340) 은, 액셀 개도에 근거하여 요구 동력을 입력하고 (단계 S320), 가스의 공급량을 설정한다 (단계 S321). 가스의 공급량은, 예를 들어 요구 동력에 대하여 가스의 공급량을 제공하는 맵, 함수 등에 근거하여 구할 수 있다.
다음으로, 제어 유닛 (340) 은 가스의 공급원을 특정한다 (단계 S330). 본 실시예에서는, 다음의 이유에서 공급원이 되는 수소 탱크 (350) 를 순차 전환하여 수소를 공급하는 것으로 하였다. 고압으로 수소를 저장하는 수소 탱크 (350) 로부터 수소를 공급할 때에는, 단열 팽창에 의해 수소의 온도가 극단적으로 저하된다. 이러한 온도 저하는, 레귤레이터 (355), 개폐 밸브 (351) 에서의 수지 부품의 경화에 기인하는 개폐 동작의 불량, 수명 저하, 성능 저하 등의 폐해를 초래할 가능성이 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 이러한 폐해를 초래할 정도로 하나의 수소 탱크 (350) 로부터 연속적으로 수소를 공급하는 것을 회피하기 위해, 공급원을 순차적으로 전환한다. 즉, 하나의 수소 탱크 (350) 가 다 비워진 후에 다음 수소 탱크 (350) 로 전환하는 것이 아니라, 4 개의 수소 탱크 (350) 를 순차, 간헐적으로 공급원으로서 사용한다. 가스 공급원 특정 처리 (단계 S330) 는, 이러한 사고방식에 근거하여 공급원이 될 수소 탱크 (350) 를 선택하는 처리이다. 가스 공급원 특정 처리의 상세한 내용에 관해서는 후술한다.
제어 유닛 (340) 은, 선택된 수소 탱크 (350) 의 개폐 밸브 (351) 를 제어하 여 가스를 공급한다 (단계 S340). 레귤레이터 (355) 나 개폐 밸브 (351) 의 이상 등과 같은 이유에 의해서 가스를 공급할 수 없는 경우에는 (단계 S341), 다시 가스 공급원 특정 처리를 실행하여 (단계 S330), 다른 수소 탱크 (350) 로부터 공급을 시도한다. 단계 S341 에 있어서, 제어 유닛 (340) 은, 예를 들어 공급관 (322) 의 공급압 (Pa) 이 저하된 경우에는 가스 공급에 이상이 있다고 판단할 수 있다. 공급에 이상이 있다고 판단된 경우에는, 앞서 기동시 점검 처리 (도 9) 에서 설명한 바와 같이, 이상 판정 플래그를 세워 두는 것이 바람직하다.
제어 유닛 (340) 은, 기동시 점검 처리 (도 9) 및 상기 서술한 단계 S320∼S341 까지의 처리에서 이상이 존재하는 수소 탱크 (350) 가 발견되어 있는 경우에는 (단계 S342), 운전자에게 이상을 알린다 (단계 S350). 이 처리에 관해서는 후술한다. 이상이 존재하지 않는 경우에는, 제어 유닛 (340) 은 이상 경보 처리 (단계 S350) 를 스킵한다.
제어 유닛 (340) 은, 수소의 공급과 더불어, 각 수소 탱크 (350) 의 개폐 밸브 (351) 의 온도가 지나치게 저하되지 않도록 히터로 가열한다 (단계 S360). 히터에 대한 통전 제어에 관해서는 후술한다.
제어 유닛 (340) 은, 이상의 처리를 반복 실행함으로써 요구 동력에 걸맞는 발전을 행할 수 있도록 수소를 공급한다. 도 10 에 나타낸 가스 공급 제어 처리는 일례에 불과하며, 이 가스 공급 제어 처리에서의 각 처리는, 적절하게 처리 순서를 교체하거나, 병행하여 실행하거나 해도 상관없다.
B-(3-1). 가스 공급원 특정 처리:
도 11 은, 제어 유닛 (340) 이 실행하는 가스 공급원 특정 처리를 나타내는 플로우차트이다. 가스 공급원 특정 처리는, 먼저 설명한 가스 공급 제어 (도 10) 의 단계 S330 에 상당하는 처리로, 수소의 단열 팽창에 의한 온도 저하에 수반되는 폐해를 회피하기 위해, 공급원이 될 수소 탱크 (350) 를 선택하기 위한 처리이다. 본 실시예에서는, 각 수소 탱크 (350) 의 온도 센서 (353), 압력 센서 (354) 의 검출치에 근거하여 공급원을 선택한다.
제어 유닛 (340) 은, 가스 공급원 특정 처리를 시작하면 현재 공급 중인 수소 탱크 (350) (이하, 「현용 탱크」라고 한다) 에 관해서, 온도 (T) 및 압력 (P) 을 검출한다 (단계 S331). 처음, 이 처리를 실시하는 경우, 즉 현용 탱크가 존재하지 않는 경우에는 온도 (T), 압력 (P) 모두 0 으로 하여 처리를 실시한다. 또한, 제어 유닛 (340) 은, 현용 탱크의 사용이 시작된 시점에서의 온도 (T) 를 초기 온도 (T0) 로서 기억해 둔다.
제어 유닛 (340) 은, 「온도 (T)<임계값 (Ta)」의 조건 (단계 S332) 이 만족될 때, 현용 탱크를 전환한다. 이 조건이 만족되지 않을 때에는 현용 탱크를 계속적으로 사용하는 것으로 하고, 가스 공급원 특정 처리를 종료한다.
「온도 (T)<임계값 (Ta)」의 조건 (단계 S332) 은, 현용 탱크의 온도가 지나치게 저하되는 것을 회피하기 위한 조건이다. 본 실시예에서는, －10℃ 를 임계값 온도 (Ta) 로서 사용하는 것으로 하였다. 임계값 (Ta) 은, 예를 들어, 레귤레이터 (355), 개폐 밸브 (351) 등의 각 부품에 관해서 정상 동작을 확보할 수 있는 하한 온도, 또는 이 하한 온도보다도 소정량 높은 온도로 설정할 수 있다. 또한, 임계값 (Ta) 은, 현용 탱크를 전환하였을 때의 탱크 온도로부터 하한 온도 내에서 소정 온도만큼 낮은 온도, 예를 들어, 전환하였을 때의 탱크 온도로부터 5℃ 만큼 낮은 온도로 설정할 수도 있다. 또한, 임계값 (Ta) 은, 현용 탱크 이외의 다른 수소 탱크 (350) 와의 탱크 온도의 차 (예를 들어, 다른 수소 탱크 (350) 의 평균 탱크 온도차) 가 소정 온도에 도달한 경우에 「온도 (T)<임계값 (Ta)」의 조건을 만족하도록 설정할 수도 있다.
단계 S332 에 있어서, 현용 탱크를 전환해야 된다고 판단한 경우, 제어 유닛 (340) 은, 현용 탱크의 개폐 밸브 (351) 를 닫는다 (단계 S333). 그리고, 현용 탱크를 제외한 수소 탱크 (350) 중에서 탱크의 온도가 임계값 (Ta) 이상으로 되어 있는 탱크를 후보 탱크로서 추출한다 (단계 S334). 후보 탱크는 복수 추출될 가능성이 있다.
제어 유닛 (340) 은, 추출된 후보 탱크로부터 공급원으로 할 탱크를 선택한다 (단계 S335). 공급원으로 할 탱크는 여러 가지 기준에 의해 선택할 수 있지만, 본 실시예에서는 이하의 3 가지 기준을 사용하는 것으로 하였다.
a) 탱크 온도가 높은 순;
b) 잔량이 많은 순;
c) 미리 정해진 시퀀스;
상기 서술한 기준은 a)∼c) 의 우선 순위로 적용한다. 즉, 우선 기준 a) 에 의해, 복수의 후보 탱크 중에서 가장 온도가 높은 탱크를 선택한다. 이렇게 해서 선택된 후보 탱크가 복수 존재하는 경우에는, 다음으로 기준 b) 에 의해 잔량 이 많은 최대 탱크, 즉 압력 (P) 이 최대인 탱크를 선택한다. 다시 복수의 후보 탱크가 존재하는 경우에는, 기준 c) 에 의해 「1 번 탱크 → 2 번 탱크 → 3 번 탱크 → 4 번 탱크」등 미리 정해진 시퀀스로 선택한다. 이들 기준은, 여러 가지로 설정이 가능하고, 예를 들어 기준 a)∼c) 중 어느 하나만을 사용해도 되고, 기준 a)∼c) 를 상기 서술한 내용과는 다른 우선 순위로 적용해도 된다.
도 12 는 공급원 탱크의 선택예를 나타내는 설명도이다. 1 번 탱크 (#1)∼4 번 탱크 (#4) 의 압력 및 온도의 시간 변화를 나타내었다. 이 예에서는, 「1 번 탱크 → 2 번 탱크 → 3 번 탱크 → 4 번 탱크」의 시퀀스가 설정되어 있는 것으로서 설명한다.
시각 0 에서는, 모든 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 가 동일한 압력 (P0), 온도 (T0) 의 초기 상태이다. 따라서, 온도에 근거하는 기준 a), 잔량에 근거하는 기준 b) 가 아니라, 기준 c) 의 시퀀스에 의해 1 번 탱크가 공급원 탱크로서 선택된다.
이 결과, 시간 0∼t1 의 구간에서는 1 번 탱크의 압력 (P1) 이 저하되고, 그에 따라서 온도 (T1) 도 저하된다. 시각 t1 에서는, 1 번 탱크의 온도가 임계값 (Ta) 에 도달하였기 때문에 공급원의 전환이 이루어진다. 이 시점에서 후보 탱크는 2 번 탱크∼4 번 탱크이다. 이들 각 탱크의 압력 (P2∼P4), 온도 (T2∼T4) 는 모두 같다. 따라서, 기준 c) 의 시퀀스에 의해 1 번 탱크의 다음 탱크, 즉 2 번 탱크가 공급원 탱크로서 선택된다.
이 결과, 시간 t1∼t2 의 구간에서는 2 번 탱크의 압력 (P2) 이 저하되고, 거기에 따라서 온도 (T2) 도 저하된다. 1 번 탱크는 수소의 공급을 정지하고 있기 때문에, 압력 (P1) 은 변화하지 않는다. 온도 (T1) 는, 수소 배출에 의한 냉각 효과가 없어지는 점 및 히터에 의한 가열이 이루어지기 때문에, 서서히 상승한다.
시각 t2 에서는 2 번 탱크의 온도가 임계값 (Ta) 에 도달하였기 때문에, 공급원의 전환이 이루어진다. 이 시점에서 후보 탱크는, 1 번 탱크, 3 번 탱크, 4 번 탱크이다. 이들 각 탱크의 압력 (P1, P3, P4), 온도 (T1, T3, T4) 는, 다음의 관계에 있다.
압력: P3=P4>P1 ;
온도: T3=T4>T1 ;
따라서, 기준 a) 에 의해, 온도가 최저인 1 번 탱크는 공급원 탱크의 후보로부터 제외되고, 후보 탱크는 3 번 탱크와 4 번 탱크가 된다. 결국, 기준 c) 의 시퀀스에 의해 2 번 탱크의 다음 탱크, 즉 3 번 탱크가 공급원 탱크로서 선택된다.
시각 t3 에서는 3 번 탱크의 온도가 임계값 (Ta) 에 도달하였기 때문에, 공급원의 전환이 이루어진다. 이 시점에서 후보 탱크는, 1 번 탱크, 2 번 탱크, 4 번 탱크이다. 이들 각 탱크의 압력 (P1, P2, P4), 온도 (T1, T2, T4) 는, 다음의 관계에 있다.
압력: P4>P1=P2 ;
온도: T4>T1>T2 ;
따라서, 기준 a) 에 의해, 온도가 최고인 4 번 탱크가 공급원 탱크로서 선택 된다. 이하, 동일한 방법으로 기준 a)∼c) 를 적용함으로써, 적절히 공급원 탱크를 선택할 수 있다.
B-(3-2). 이상 경보 처리:
도 13 은, 제어 유닛 (340) 이 실행하는 이상 경보 처리를 나타내는 플로우차트이다. 이상 경보 처리는, 가스 공급 제어 처리 (도 10) 의 단계 S350 에 상당하는 처리로, 4 개의 수소 탱크 (350) 중 어느 하나에 이상이 존재하는 것을 운전자에게 알리기 위한 처리이다.
이상 경보 처리가 시작되면, 제어 유닛 (340) 은 이상 판정 결과를 입력한다 (단계 S351). 이상 판정 결과로서, 예를 들어 기동시 점검 처리 (도 9 의 단계 S318) 나 가스 공급 제어 처리 (도 10 의 단계 S341) 등에서 설정된 이상 판정 플래그를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 이상 판정 플래그에 근거하여, 1 번 탱크∼4 번 탱크 중 이상이 존재하는 탱크를 개별적으로 특정할 수 있는 것으로 한다.
제어 유닛 (340) 은, 이상이 존재하는 탱크를 제외하고 가스의 잔량을 산출한다 (단계 S352). 도 13 중에, 4 번 탱크에 이상이 검출된 경우를 예로 들어 잔량의 산출 방법을 나타내었다. 도시한 바와 같이, 이상이 검출되기 전의 시점에서 1 번 탱크∼4 번 탱크의 가스 잔량은 각각 R1∼R4 였다고 한다. 이상이 검출되기 전의 시점에서는, 합계 잔량 (Rold) 은 「R1＋R2＋R3＋R4」로 구해진다. 제어 유닛 (340) 은, 4 번 탱크에 이상이 검출된 경우에는 4 번 탱크의 잔량 (R4) 을 무시한다. 따라서, 합계 잔량 (Rnew) 은 「R1＋R2＋R3」으로 구해진다.
제어 유닛 (340) 은, 잔량의 산출 결과에 근거하여 잔량 표시를 수정함과 함께, 운전자에게 경고 표시를 한다 (단계 S353). 도 13 중에는, 차량 (310) 의 계기판 (360) 을 예시하였다. 본 실시예에서는, 계기판 (360) 의 좌측에 가스의 잔량계 (361), 잔량 경고등 (362), 각 탱크에 관한 이상 경고등 (363) 이 설치되어 있다. 단계 S352 의 계산에 의해 잔량은 급격히 줄어들기 때문에, 잔량계 (361) 의 지시값도 도시하는 바와 같이 급격하게 Rold 에서 Rnew 로 저하된다. 제어 유닛 (340) 은, 잔량계 (361) 의 표시가 수정된 것을 운전자에게 의식시키기 위해, 잔량 (Rnew) 의 값에 상관없이 잔량 경고등 (362) 을 소정 기간 점멸시킨다. 잔량 경고등 (362) 의 점멸 대신에, 소정 기간 잔량계 (361) 의 지침을 진동시켜도 된다.
제어 유닛 (340) 은, 이들 표시와 더불어 이상이 발견된 수소 탱크 (350) 에 관해서 이상 경고등 (363) 을 점등 또는 점멸시킨다. 도 13 의 예에서는, 4 번 탱크에 이상이 발견된 상태를 예시하였다. 이들 표시는, 반드시 전부 실시할 필요는 없고, 계기판 (360) 의 구성에 따라서 일부를 생략하더라도 상관없다.
B-(3-3). 히터 가열 처리:
도 14 는 제어 유닛 (340) 이 실행하는 히터 가열 처리를 나타내는 플로우차트이다. 가스 공급 제어 처리 (도 10) 의 단계 S360 에 상당하는 처리로서, 각 수소 탱크 (350) 의 히터 (352) 에 대한 통전 여부 및 통전량을 제어하기 위한 처리이다. 제어 유닛 (340) 은, 각 수소 탱크 (350) 에 대하여 히터 가열 처리를 실시한다. 이하, 설명의 편의상, 히터 가열 처리의 제어 대상으로 되어 있 는 수소 탱크 (350) 를 대상 탱크라고 부른다.
히터 가열 처리가 시작되면, 제어 유닛 (340) 은 대상 탱크의 온도 (T) 의 입력을 접수한다 (단계 S361). 제어 유닛 (340) 은, 이 온도 (T) 가 미리 설정된 목표 온도 (Th) 보다도 큰 경우에는 히터 (352) 에 의한 가열이 불필요하다고 판단하여, 히터 (352) 에 대한 통전을 오프로 한다 (단계 S363). 목표 온도 (Th) 는, 예를 들어 레귤레이터 (355), 개폐 밸브 (351) 등 수소 탱크 (350) 의 각 부품의 동작이 보증되어 있는 온도에 근거하여 설정할 수 있다. 본 실시예에서는, 목표 온도 (Th) 를 0℃ 로 설정하였다.
대상 탱크의 온도 (T) 가 목표 온도 (Th) 이하인 경우에는, 이하의 처리에 의해 히터 (352) 에 대한 통전량을 설정한다. 우선, 제어 유닛 (340) 은, 목표 온도 (Th) 와 대상 탱크의 온도 (T) 와의 차분 (dT) 을 산출한다 (단계 S364). 이 차분 (dT) 은, 대상 탱크에 요구되는 온도 상승량에 상당한다.
제어 유닛 (340) 은, 다음으로, 전환까지의 소요 시간, 즉 제어 대상으로 되어 있는 대상 탱크가 다시 사용되기까지의 소요 시간 (Tc) 을 다음 식에 의해 산출한다 (단계 S365).
Tc=Nt×Tav … (1)
여기서, Nt 는 인터벌 탱크수이고, Tav 는 평균 연속 사용 가능 시간이다.
인터벌 탱크수 (Nt) 는, 대상 탱크가 다음으로 수소의 공급원으로서 사용될 때까지 사용되는 수소 탱크 (350) 의 수이다. 예를 들어, 4 개의 수소 탱크 (350) 가 모두 사용가능한 경우를 가정한다. 대상 탱크가 수소의 공급을 마친 직후이면, 통상은 다른 3 개의 수소 탱크 (350) 가 사용된 후, 다시 공급원으로서 선택되게 되므로 「Nt=3」이 된다. 대상 탱크가 수소의 공급을 마친 후, 이미 다른 하나의 수소 탱크 (350) 가 수소의 공급을 마친 경우에는 「Nt=2」가 된다. 대상 탱크가 실제로 수소의 공급원으로서 사용되고 있는 경우에는 「Nt=0」으로 취급하게 된다. 또한, 어느 하나의 수소 탱크 (350) 에서 이상이 발견되어 있어 대상 탱크도 포함하여 3 개의 수소 탱크 (350) 가 사용가능한 경우에는, 대상 탱크가 수소의 공급을 마친 직후이면 「Nt=2」가 된다.
평균 연속 사용 가능 시간 (Tav) 은, 온도가 지나치게 저하되는 일 없이, 하나의 수소 탱크 (350) 로부터 연속하여 수소를 공급가능한 평균 시간으로, 예를 들어, 종전의 공급 이력으로부터 구할 수 있다. 평균 연속 사용 가능 시간 (Tav) 은 고정값으로 해도 되고, 예를 들어 최대 공급량으로 수소를 공급한 경우에, 온도가 지나치게 저하되는 일없이 연속하여 공급가능한 시간으로 설정해도 된다.
제어 유닛 (340) 은, 단계 S364, S365 에서 산출한 값에 근거하여 단위 시간 당 필요 열량 (Qr) 을 다음 식에 의해 산출한다 (단계 S366).
Qr=dT×Ct/Tc … (2)
여기서, Ct 는 탱크의 열용량이다.
필요 열량 (Qr) 은, 소요 시간 (Tc) 후에, 대상 탱크의 온도를 목표 온도 (Th) 까지 상승시키기 위해서 단위 시간 당 공급해야 할 열량을 나타내고 있다. 이와 같이 필요 열량 (Qr) 을 설정함으로써, 수소 탱크 (350) 의 온도를 안정적으로 목표 온도 (Th) 로 회복시키는 것이 가능해진다.
마지막으로, 제어 유닛 (340) 은, 다음 식에 의해 히터 (352) 에 의한 단위 시간 당 가열량 (Hr) 을 설정하고, 이것에 근거하여 히터 (352) 에 대한 통전 제어를 실시한다 (단계 S367).
Hr=max (Qr－Qn, Hmin) … (3)
여기서, Qn 은 자연 가열에 의한 열량이고, Hmin 은 최저 가열량이다. max (A, B) 는, A, B 중 큰 쪽을 선택하는 연산자이다.
자연 가열에 의한 열량 (Qn) 은, 실험 또는 해석에 의해 미리 설정할 수 있다. 최저 가열량 (Hmin) 은, 히터 (352) 에 의해서 무조건적으로 주어지는 가열량이다. 예를 들어, 대상 탱크가 수소의 공급원으로서 사용되고 있는 경우나, 대상 탱크의 온도가 목표 온도 (Th) 에 가까운 경우 등에 이 최저 가열량 (Hmin) 에 의한 가열이 실시되게 된다.
최저 가열량 (Hmin) 을 큰 값으로 설정하면, 대상 탱크가 수소의 공급원으로서 이용되고 있는 경우의 온도 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 연속하여 공급가능한 시간을 연장시킬 수 있어, 수소 탱크 (350) 의 전환 빈도를 억제할 수 있는 이점이 있다. 최저 가열량 (Hmin) 을 작은 값으로 설정하면, 히터 (352) 에 대한 통전에 소비되는 에너지를 억제하여, 연료 전지 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 최저 가열량 (Hmin) 은, 이와 같이 온도 저하의 억제라는 요구와, 에너지 효율의 향상이라는 요구를 감안하여 임의로 설정할 수 있다.
히터 가열 처리는, 변형예로서 상기 서술한 단계 S364∼S366 를 생략해도 된다. 즉, 대상 탱크 온도 (T) 가 목표 온도 (Th) 이하인 경우, 제어 유닛 (340) 은, 미리 설정된 최저 가열량 (Hmin) 에서의 가열을 무조건으로 실시하게 히터 (352) 에 통전하도록 해도 된다.
B-(4). 효과:
이상 설명한 제 2 실시예에 의하면, 복수의 수소 탱크 (350) 를 레귤레이터 (355) 의 하류측 온도에 따라서 전환하여 사용한다. 따라서, 레귤레이터 (355), 개폐 밸브 (351) 등의 각 부품의 온도가 지나치게 저하되는 것을 회피할 수 있고, 개폐 동작의 이상, 부품의 수명 저하, 성능 저하 등 온도 저하에 기인하는 여러 가지 폐해를 회피할 수 있다.
B-(5). 가스 공급원 특정 처리의 변형예:
도 15 는 가스 공급원 특정 처리의 제 1 변형예를 나타내는 플로우차트이다. 도 15 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리는, 먼저 설명한 가스 공급 제어 (도 10) 의 단계 S330 에 상당하는 처리이다. 제 1 변형예에서는, 각 수소 탱크 (350) 의 온도 센서 (353) 를 생략한 구성으로, 압력 센서 (354) 의 검출치에 근거하여 공급원을 선택한다.
제어 유닛 (340) 은, 도 15 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리를 시작하면, 현재 공급 중인 수소 탱크 (350) 인 현용 탱크에 관해서 압력 변화 (dP) 를 검출한다 (단계 S331A). 압력 변화 (dP) 란, 현용 탱크로부터 수소 공급을 시작한 초기 압력 (Pini) 과, 현 시점의 압력 (P) 과의 차분 (dP=Pini－P) 이다. 먼저, 이 처리를 실시하는 경우, 즉 현용 탱크가 존재하지 않는 경우에는 압력 변화 (dP) 를 0 으로 하여 처리한다.
제어 유닛 (340) 은, 「압력 변화 (dP)>임계값 (X)」의 조건 (단계 S332A) 을 만족할 때, 현용 탱크를 전환한다. 어떠한 조건도 만족되지 않은 때에는 현용 탱크를 계속적으로 사용하는 것으로 하고, 가스 공급원 특정 처리를 종료한다.
「압력 변화 (dP)>임계값 (X)」의 조건 (단계 S332A) 은, 압력 변화에 의해서 추측되는 온도 변화에 근거하여 현용 탱크의 온도가 지나치게 저하되는 것을 회피하기 위한 조건이다. 임계값 (X) 의 설정 방법에 관해서 설명한다. 일반적으로 고압 가스를 감압하여 공급하는 경우, 가스는 단열 팽창에 의해 다음 식에 따라서 온도가 저하되는 것이 알려져 있다.
T1=Ts(P1/Ps)(γ－1)/γ … (4)
여기서, T1 은 단열 팽창 후의 온도 (K) 이고, Ts 는 단열 팽창 전의 초기 온도 (K) 이다. P1 은 단열 팽창 후의 압력이고, Ps 는 단열 팽창 전의 초기 압력이다. γ 는 비열비 (1.4) 이다. 예를 들어, Ts=300K, P1=1 기압, Ps=350 기압의 경우, T1 은 이론적으로는 약 56K (－217℃) 까지 저하된다.
상기 식에 의하면, 감압된 상태에서의 수소의 온도는 수소 탱크 (350) 의 압력 (Ps) 에 의존하지만, 임계값 (X) 의 설정시에는, 압력 (Ps) 에 의존하지 않고 일정한 것으로 취급함으로써, 배출되는 수소의 온도는 일정한 것으로 취급된다. 이 일정치는, 온도의 지나친 저하를 회피한다는 관점에서 안전측의 설정으로 하기 때문에, 예를 들어 최대 압력으로부터의 단열 팽창에 근거하여 설정할 수 있다. 수소의 배출에 의한 수소 탱크 (350) 의 온도 저하는 유량에 의존하기 때문에, 임 계값 (X) 의 설정시에서는 최대 유량으로 배출되는 것으로 가정한다. 이 조건 하에서, 수소 탱크 (350) 의 온도를 1℃ 저하시키는 데 필요한 수소의 배출량 (Y) [Pa/℃] 이 실험적 또는 해석적으로 구해진다. 배출량 (Y) 의 단위에 압력을 사용하고 있는 것은, 수소의 배출량은 수소 탱크 (350) 의 압력 변화에 비례하기 때문이다.
상기 서술한 배출량 (Y) 을 사용하면, 수소 탱크 (350) 의 온도가 초기 온도, 즉 히터에 의한 가열 제어의 목표 온도 (Th) 로부터 임계값 (Ta) 까지 저하되는데 요구되는 수소의 배출량 [Pa] 이 구해진다. 본 실시예에서는, 이 배출량을 임계값 (X) 로서 사용하였다. 즉, 「X [Pa]=(Th－Ta) [℃]×Y [Pa/℃]」로 설정하였다. 이 값은, 공급원으로서의 사용 개시시에는, 히터 가열 처리 (도 14) 에서 설명한 초기의 목표 온도 (Th) 가 실현되어 있는 것으로 상정하여 설정한 값이다. 온도 센서가 설치되어 있는 경우에는, 초기 온도의 실측치를 사용해도 된다. 임계값 (X) 은, 형식상은 수소 탱크 (350) 의 압력 변화에 근거하는 조건으로서 표시되어 있지만, 실질적으로는 수소 탱크 (350) 로부터의 수소 배출량에 근거하는 조건이라고 할 수도 있다. 또한 임계값 (X) 은, 가장 온도 저하가 심해지는 조건을 가정하여 설정되어 있기 때문에, 수소 탱크 (350) 의 온도가 지나치게 저하되는 것을 보다 확실하게 회피할 수 있다.
먼저 설명한 바와 같이, 배출되는 수소의 온도는 수소 탱크 (350) 의 압력 (P) 에 의해서 변화하기 때문에, 수소 탱크 (350) 의 온도를 1℃ 저하시키는 데 필요한 수소의 배출량 (Y) [Pa/℃] 도 압력 (P) 에 의존한다. 이러한 영향을 고 려하여, 상기 서술한 배출량 (Y) 의 값을 현용 탱크의 초기 압력 (Pini) 에 따라서, 미리 준비된 맵, 함수에 근거하여 설정하도록 해도 된다.
단계 S332A 에 있어서, 현용 탱크를 전환해야 한다고 판단한 경우, 제어 유닛 (340) 은, 현용 탱크의 개폐 밸브 (351) 를 닫는다 (단계 S333A). 그리고, 현용 탱크를 제외한 수소 탱크 (350) 중에서, 「a) 잔량이 많은 순; b) 미리 정해진 시퀀스」라는 2 가지 기준에 의해 공급원이 될 수소 탱크 (350) 를 선택한다. 변형예에서는 온도 센서를 생략하고 있기 때문에, 온도에 관한 기준은 적용하지 않는다.
이상에서 설명한 바와 같이, 변형예에서는 온도 센서를 생략하여 구조의 간소화를 꾀하면서, 실시예와 마찬가지로 수소 탱크 (350) 의 온도의 지나친 저하를 회피할 수 있다.
제 1 변형예는, 온도 센서 및 히터의 가열을 모두 생략한 시스템에 적용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 임계값 (X) [Pa] 에 상당하는 수소를 배출하여 온도가 저하된 수소 탱크 (350) 는, 다른 수소 탱크 (350) 로부터 수소가 공급되고 있는 동안 수소의 공급을 저하시킴으로써, 자연 가열에 의해 초기 온도 (T0) 로 되돌아간다는 전제에서 제어를 실시한다. 임계값 (X) 은, 먼저 설명한 바와 같이, 「X [Pa]=(T0－Ta) [℃]×Y [Pa/℃]」로 설정할 수 있다. 이 시스템 구성에서는, 수소 탱크 (350) 에 관해서, 단열 팽창에 의한 온도 저하 (dT (=T0－Ta)) 보다도 온도 (Ta) 로부터 자연 가열에 의한 온도 상승 (dTr) 이 커질 것, 즉 dTr>dT 가 요구된다. 따라서, 이러한 조건을 만족하는 인터벌 기간, 즉 각 수 소 탱크 (350) 로부터의 수소 공급이 정지되는 기간을 확보하도록 수소 탱크 (350) 의 개수를 설정하는 것이 바람직하다. 온도 상승 (dTr) 을 달성하기 위한 소요 시간을 단축하기 위해, 예를 들어 수소 탱크 (350) 에 형성된 레귤레이터 (355) 에 대해, 흡열성을 향상시키는 재질 및 구조를 적용해도 된다.
도 16 은 가스 공급원 특정 처리의 제 2 변형예를 나타내는 플로우차트이다. 도 16 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리는, 먼저 설명한 가스 공급 제어 (도 10) 의 단계 S330 에 상당하는 처리이다. 제 2 변형예에서는, 각 수소 탱크 (350) 의 온도에 따라서, 각 수소 탱크 (350) 사이의 온도차가 작아지도록 공급원 탱크를 선택한다.
제어 유닛 (340) 은, 도 16 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리를 시작하면, 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 에 관한 각 수소 탱크 온도 (T[N]) (N=1∼4) 를 검출한다 (단계 S410). 그 후, 수소 탱크 온도 (T[N]) 중 현재 공급 중인 수소 탱크 (350) 인 현용 탱크의 온도인 현용 탱크 온도 (Tep) 가, 이 현용 탱크가 공급원 탱크로서 전환된 시점으로부터 저하 온도 (Tdc) 만큼 저하되었는지 여부를 판단한다 (단계 S420). 여기서, 저하 온도 (Tdc) 는, 각 수소 탱크 (350) 사이의 온도차를 작게 하기 위해서 설정된 소정 온도로, 본 실시예에서는 미리 5℃ 로 설정되어 있다.
현용 탱크 온도 (Tep) 가 저하 온도 (Tdc) 만큼 저하되어 있지 않은 경우에는 (단계 S420), 현용 탱크로부터의 수소 공급을 계속하고 (단계 S460), 가스 공급원 특정 처리를 종료한다.
한편, 현용 탱크 온도 (Tep) 가 저하 온도 (Tdc) 만큼 저하된 경우에는 (단계 S420), 현용 탱크로부터의 수소 공급을 정지하고 (단계 S430), 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 중에서 가장 고온인 수소 탱크 (350) 를 공급원 탱크로서 특정하여 공급원 탱크를 전환하고 (단계 S440), 가스 공급원 특정 처리를 종료한다.
제 2 변형예에 의하면, 복수의 수소 탱크 (350) 사이의 온도의 평준화를 꾀하고, 가스 공급에 수반되는 온도 저하에 기인하는 폐해를 억제할 수 있다.
또, 저하 온도 (Tdc) 는 5℃ 에 한정되지 않고, 시스템의 특성이나 사용 환경, 수소 공급량 등에 따른 소정 온도로 설정할 수 있다. 또한, 저하 온도 (Tdc) 를 소정 온도로 고정하는 것은 아니고, 시스템의 상태에 따라서 시스템의 가동 중에 적절히 변경하는 것으로 해도 된다. 예를 들어, 탱크 온도가 높아질수록 저하 온도 (Tdc) 의 값을 크게 해도 된다. 이것에 의해, 탱크 관련 부품의 열화 가능성이 비교적 낮은 고온시에 있어서의 탱크의 전환 빈도를 줄일 수 있다. 또한, 현용 탱크가 공급원 탱크로서 전환된 시점부터 소정 온도만큼 저하된 경우에 공급원 탱크를 전환하는 것이 아니라, 현용 탱크와 다른 수소 탱크 (350) 의 평균 온도와의 온도차가 소정 온도가 된 경우나, 공급원 탱크를 전환하고 나서 소정 시간이 경과된 경우에 공급원 탱크를 전환함으로써, 각 수소 탱크 (350) 사이의 온도차가 작아지도록 해도 된다. 또한, 수소 탱크 (350) 의 온도의 평준화와 함께, 수소 탱크 (350) 의 온도 보증 영역의 범위 내에서 수소를 공급하는 것으로 해도 된다.
도 17 은 가스 공급원 특정 처리의 제 3 변형예를 나타내는 플로우차트이다. 도 17 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리는, 먼저 설명한 가스 공급 제어 (도 10) 의 단계 S330 에 상당하는 처리이다. 제 3 변형예에서는, 각 수소 탱크 (350) 의 온도 및 압력에 따라서, 각 수소 탱크 (350) 사이의 온도차 및 압력차가 작아지도록 공급원 탱크를 선택한다.
제어 유닛 (340) 은, 도 17 에 나타내는 가스 공급원 특정 처리를 시작하면, 수소 탱크 (350[1]∼350[4]) 에 관한 각 수소 탱크 온도 (T[N]) (N=1∼4) 및 각 수소 탱크 압력 (P[N]) (N=1∼4) 을 검출한다 (단계 S510). 그 후, 다음 식으로 표시되는 공급원 특정치 (F) 를 최소치로 하는 수소 탱크 (350) 를 공급원 탱크로서 특정하여 공급원 탱크를 전환하고 (단계 S520), 가스 공급원 특정 처리를 종료한다.
F=ΣAㆍ(T[N]－Tave)2＋ΣBㆍ(P[N]－Pave)2 … (5)
여기서, A 는 수소 탱크 온도 (T[N]) 에 대한 게인이고, B 는 수소 탱크 압력 (P[N]) 에 대한 게인이고, 각 수소 탱크 (350) 사이의 온도차 및 압력차의 축소에 적합한 소정값으로 설정되어 있다. Tave 는 모든 수소 탱크 (350) 의 평균 온도이고, Pave 는 모든 수소 탱크 (350) 의 평균 압력이다.
제 3 변형예에 의하면, 복수의 수소 탱크 (350) 사이의 설치 환경 (예를 들어, 햇볕에 노출되는 정도나, 발열 기기와의 위치 관계) 에 기인하여 저온으로 되기 쉬운 수소 탱크 (350) 의 사용 빈도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 각 수소 탱크 (350) 의 용적이 동일한 경우에는, 각 수소 탱크 (350) 내의 가스 밀도의 평 준화를 꾀할 수 있다.
또, 공급원 특정치 (F) 를 나타내는 식 (5) 에 있어서, 「｜T[N]－Tave｜<C (C 는 소정의 임계값)」의 경우에는「A=0」으로 하고, 「｜T[N]－Tave｜<D (D 는 소정의 임계값)」의 경우에는「B=0」으로 함으로써, 수소 탱크 (350) 의 전환이 과잉으로 행해지는 것을 억제하는 것으로 해도 된다.
또한, 수소 탱크 (350) 의 온도 및 압력의 평준화와 함께, 수소 탱크 (350) 의 온도 보증 영역의 범위 내에서 수소를 공급하는 것으로 해도 된다. 이 경우에는, 온도 보증 영역의 하한 온도 직전의 온도에서 공급원 탱크를 전환하였을 때에, 하한 온도를 초과하지 않을 정도로 가스를 공급가능한 가스 공급량을, 수소 탱크 (350) 의 외기 온도와 수소 탱크 (350) 의 온도를 고려하여 산출하고, 이 산출된 가스 공급량을 방출한 후에 가스 공급을 제한하는 것으로 해도 된다.
B-(6). 그 밖의 실시형태:
제 2 실시예와, 그 변형예의 가스 공급원 특정 처리 (도 11 및 도 15) 를 조합한 처리를 실시해도 된다. 즉, 현용 탱크의 전환에, 수소 탱크의 온도 (T) 에 의한 판단 (도 11 의 단계 S332) 과, 압력 변화 (dP) 에 의한 판단 (도 5 의 단계 S332A) 을 병용해도 된다. 이 경우, 예를 들어, 어느 일방의 조건이 만족된 경우에 현용 탱크를 전환해야 한다고 판단하는 방법을 채용할 수 있다. 이렇게 함으로써, 전환에 관한 오판단의 가능성을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 2 실시예에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 구성을 채용할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 본 발명은, 차량에 탑재한 연료 전지뿐만 아니라, 정치형의 연료 전지에 가스를 공급하는 시스템으로서 구성하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은, 수소에 한정되지 않고, 복수의 고압 탱크로부터 각종 가스를 감압하여 공급하는 가스 공급 장치에 적용가능하다. 실시예 및 변형예에서는, 수소 탱크 (350) 를 하나씩 공급원으로서 선택하는 경우를 예시하였지만, 복수의 수소 탱크 (350) 를 선택하는 것을 허용할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는, 히터 (52) 에 의해서 수소 탱크 (350) 를 가열하는 것으로 하였지만, 연료 전지 (20) 나 인버터 (31) 등의 발열체의 폐열을 이용하여 수소 탱크 (350) 를 가열하는 것으로 해도 된다. 그리고, 각 수소 탱크 (350) 의 표면과 발열체 사이에서 냉각수를 순환시킴으로써, 각 수소 탱크 (350) 와 발열체 사이에서 열교환하는 것으로 해도 된다. 또, 예를 들어, 각 수소 탱크 (350) 의 사이에서 냉각수를 순환시킴으로써, 각 수소 탱크 (350) 사이에서 열교환하는 것으로 해도 된다.
본 발명은, 탱크에 저장된 가스를 외부로 공급하는 가스 공급 장치에 적용가능하다. 또한, 수소를 취급하는 가스 공급 장치에 이용하는 것 뿐만 아니라, 산소나 질소, 공기 등 각종 가스를 취급하는 가스 공급 장치에 있어서도 이용가능하다.

Claims (34)

  1. 가스를 저장하는 저장부와, 그 저장된 가스를 그 저장부의 외부로 감압하여 방출하는 방출 기구를 갖는 탱크와,
    상기 탱크의 온도를 검출하는 온도 검출부와,
    그 검출한 탱크의 온도에 따라서, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 공급 제한부를 구비한 가스 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크를 복수 구비하고,
    상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도에 따라서, 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가, 그 탱크를 공급원으로 전환한 시점의 온도로부터 소정 온도만큼 저하된 경우에, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크를 공급원으로 전환함으로써, 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 온도가 소정 온도차가 된 경우에, 그 다른 탱크를 공급원으로 전환함으로써, 상기 복수의 탱크 사이의 온도차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 공급 제한부가 상기 공급원으로 전환하는 탱크는, 상기 복수의 탱크 중 가장 고온의 탱크인 가스 공급 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 탱크의 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비하고,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 복수의 탱크의 온도 및 압력에 따라서, 그 복수의 탱크 사이의 온도차 및 압력차가 작아지도록 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 가스 공급 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도가, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역을 벗어나지 않도록, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 조정하는 가스 공급 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 탱크를 복수 구비하고,
    상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크 중, 적어도 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도를 검출하고,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역을 벗어나지 않도록, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도가, 그 탱크가 상기 공급원으로 되고 나서 상기 보증 온도 영역 내에서 소정 온도만큼 저하될 때에, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 온도가, 상기 보증 온도 영역 내에서 소정 온도차가 될 때에, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 탱크의 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비하고,
    상기 공급 제한부는, 상기 소정 온도차가 될 때, 또는, 상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 압력과, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크의 압력이 소정 압력차가 될 때에, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 가스 공급 장치.
  14. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 가스의 공급을 제한할 때에, 상기 공급원으로 되어 있는 탱크와는 상이한 다른 탱크 중에서, 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 탱크 선택 수단을 구비한 가스 공급 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탱크 선택 수단은, 각 시점에서 상기 복수의 탱크 중 어느 하나의 탱크를 상기 공급원으로서 선택하는 수단인 가스 공급 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 탱크 선택 수단은, 상기 복수의 탱크의 상기 공급원으로서의 사용 이력에 근거하여, 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 수단인 가스 공급 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 복수의 탱크의 온도를 검출하고,
    상기 선택 수단은, 상기 검출된 복수의 탱크의 온도에 근거하여, 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 수단인 가스 공급 장치.
  18. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는,
    상기 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급에 지장이 있는지 여부를 판단하는 지장 판단 수단과,
    상기 공급원으로 되어 있는 탱크에 지장이 있다고 판단한 경우에, 그 탱크와는 상이한 다른 탱크 중에서, 상기 공급원이 될 탱크를 선택하는 지장 선택 수단을 구비한 가스 공급 장치.
  19. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하기 위한 공급관을, 상기 복수의 탱크의 각 방출 기구에 공통되게 연결하고,
    상기 공급관의 압력을 검출하는 공급관 검출부와,
    상기 가스의 공급을 시작할 때에, 상기 검출된 공급관의 압력의 거동에 근거하여, 적어도 하나의 상기 방출 기구의 이상 유무를 점검하는 공급관 점검부를 구비한 가스 공급 장치.
  20. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스에 관련된 물리량에 근거하여, 그 탱크의 온도를 검출하는 가스 공급 장치.
  21. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스의 단열 팽창 정도에 근거하여, 그 탱크의 온도를 검출하는 가스 공급 장치.
  22. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스가 그 탱크로부터 빼앗는 열량에 근거하여, 그 탱크의 온도를 검출하는 가스 공급 장치.
  23. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 저장부 및 상기 방출 기구 중 적어도 일부에서의 온도를, 그 탱크의 온도로서 검출하는 가스 공급 장치.
  24. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출부는, 상기 탱크로부터 공급되는 가스의 공급량에 근거하여, 그 탱크의 온도를 검출하는 가스 공급 장치.
  25. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장부를 가열하는 가열부를 구비한 가스 공급 장치.
  26. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탱크로부터의 가스의 공급에 이상이 존재하는 경우에, 그 이상을 알리는 경보부를 구비한 가스 공급 장치.
  27. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는, 수소를 함유하는 연료 전지용의 연료 가스이고,
    그 가스의 공급처는, 수소를 연료로 하는 연료 전지인 가스 공급 장치.
  28. 가스를 저장하는 저장부와, 그 저장하는 가스를 감압하여 방출하는 방출 기구를 갖는 탱크를 구비하고, 그 탱크에 저장된 가스를 외부로 공급하는 가스 공급 장치의 제어 방법으로서,
    상기 탱크의 온도를 검출하고,
    그 검출한 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여, 그 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 제어 방법.
  29. 가스를 저장하는 저장부와, 그 저장하는 가스를 감압하여 방출하는 방출 기구를 갖는 탱크를 복수 구비하고, 그 탱크에 저장된 가스를 외부로 공급하는 가스 공급 장치의 제어 방법으로서,
    상기 복수의 탱크 중, 적어도 상기 가스의 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도를 검출하고,
    상기 검출한 공급원으로 되어 있는 탱크의 온도와, 그 탱크의 성능을 보증하는 보증 온도 영역과의 관계에 근거하여, 그 공급원으로 되어 있는 탱크로부터의 가스의 공급을 제한하는 제어 방법.
  30. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도에 따라서 상기 방출 기구를 제어하는 가스 공급 장치.
  31. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 기구는, 상기 저장부로부터 상기 외부로 이어져 통하는 배관에 배치되어, 상기 배관 내에서의 가스의 흐름을 조절하는 밸브인 가스 공급 장치.
  32. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도가 저하되는 것에 따라서 상기 방출 기구를 제어함으로써, 그 탱크로부터 공급되는 가스의 공급량을 감소시키는 가스 공급 장치.
  33. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 제한부는, 상기 검출한 탱크의 온도에 따라서 상기 방출 기구를 제어함으로써, 그 탱크로부터 공급되는 가스의 공급량을 변동시키는 가스 공급 장치.
  34. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장부에 저장되는 가스는 기체인 가스 공급 장치.
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