(57)【要約】【課題】ガス容器内の残留ガス圧を正確に算出でき、容器弁に電気的な圧力センサを装着する必要がなく、容器弁を小形に維持できるうえ、システム全体での圧力センサの必要個数を少なくして安価に実施できるようにする。【解決手段】ガス供給路(６)との接続の際の、ガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力を初期容器圧(Ｐ０)として記憶する。減圧弁(４)の一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率を、減圧弁(４)の減圧特性係数(α)として記憶する。初期容器圧(Ｐ０)に対して設定された標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)を記憶する。ガスの消費により変動した二次圧(ｐ)を二次圧計測手段(25)で計測し、この二次圧(ｐ)と初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)とから、Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷αの関係式により、一次圧(Ｐ)であるガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する。【選択図】図１
2010174912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス容器(２)には減圧弁(４)を有する容器弁(３)が付設してあり、この減圧弁(４)のガス出口(５)がガス消費機器(１)のガス供給路(６)と着脱可能に接続されており、このガス容器(２)内の残留ガス圧を測定する残圧測定方法であって、
上記のガス供給路(６)との接続の際の、上記のガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力を初期容器圧(Ｐ０)として記憶し、
上記減圧弁(４)の一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率を、この減圧弁(４)の減圧特性係数(α)として記憶し、
上記の初期容器圧(Ｐ０)に対して設定された標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)を記憶し、
ガスの消費により変動した上記の二次圧(ｐ)を計測し、この計測した二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)とから、次式(i)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷α    …(i)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出することを特徴とする、ガス容器内の残圧測定方法。
【請求項２】
上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)の比率を、上記の減圧弁(４)の標準的な減圧比(ｒＳ)として記憶し、
この標準的減圧比(ｒＳ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(i)式の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代入して、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項１に記載のガス容器内の残圧測定方法。
【請求項３】
上記の標準的二次圧(ｐ０Ｓ)を用いて上記の(i)式により残留ガス圧を算出することに代えて、
上記のガス容器(２)とガス供給路(６)との接続の際に、上記の減圧弁(４)から取り出された二次圧(ｐ)を初期二次圧(ｐ０)として記憶し、
上記の計測した二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と初期二次圧(ｐ０)と減圧特性係数(α)とから、次式(ii)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０−ｐ）÷α    …(ii)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項１に記載のガス容器内の残圧測定方法。
【請求項４】
上記の初期二次圧(ｐ０)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの初期二次圧(ｐ０)の比率を、上記の減圧弁(４)の減圧比(ｒ)として記憶し、
この減圧比(ｒ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(ii)式の初期二次圧(ｐ０)に代入して、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項３に記載のガス容器内の残圧測定方法。
【請求項５】
上記の減圧弁(４)の減圧特性係数(α)は０よりも大きく設定してある、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス容器内の残圧測定方法。
【請求項６】
ガス容器(２)には減圧弁(４)を有する容器弁(３)が付設してあり、この減圧弁(４)のガス出口(５)がガス消費機器(１)のガス供給路(６)と着脱可能に接続されており、このガス容器(２)内の残留ガス圧を測定する残圧測定装置であって、
上記のガス供給路(６)に付設され上記の減圧弁(４)により減圧された二次圧(ｐ)を計測する二次圧計測手段(25)と、この二次圧計測手段(25)からの出力に基づき上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を演算する演算手段(29)と、この演算手段(29)による演算結果を表示する残圧表示手段(30)とを備え、
上記の演算手段(29)は演算部(31)と記憶部(32)とを備え、
この記憶部(32)は、上記のガス供給路(６)との接続の際の上記のガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力である初期容器圧(Ｐ０)と、この初期容器圧(Ｐ０)に対して設定された上記の減圧弁(４)による標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)と、この一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率である減圧特性係数(α)とを記憶し、
上記の演算部(31)は、上記の二次圧計測手段(25)により計測された二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)とから、次式(i)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷α    …(i)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出することを特徴とする、ガス容器内の残圧測定装置。
【請求項７】
上記の記憶部(32)は、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)の比率を、上記の減圧弁(４)の標準的な減圧比(ｒＳ)として記憶し、
上記の演算部(31)は、この標準的減圧比(ｒＳ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(i)式の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代入して、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項６に記載のガス容器内の残圧測定装置。
【請求項８】
上記の二次圧計測手段(25)は、上記のガス容器(２)とガス供給路(６)とが接続された際の初期二次圧(ｐ０)を計測し、
上記の記憶部(32)は、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えてこの初期二次圧(ｐ０)を記憶し、
上記の演算部(31)は、上記の二次圧(ｐ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)と初期二次圧(ｐ０)と減圧特性係数(α)とから、次式(ii)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０−ｐ）÷α    …(ii)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項６に記載のガス容器内の残圧測定装置。
【請求項９】
上記の記憶部(32)は、上記の初期二次圧(ｐ０)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの初期二次圧(ｐ０)の比率を上記の減圧弁の減圧比(ｒ)として記憶し、
上記の演算部(31)は、この減圧比(ｒ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(ii)式の初期二次圧(ｐ０)に代入して、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する、請求項８に記載のガス容器内の残圧測定装置。
【請求項１０】
上記の減圧弁(４)の減圧特性係数(α)は０よりも大きく設定してある、請求項６から９のいずれか１項に記載のガス容器内の残圧測定装置。
【請求項１１】
上記の演算手段(29)は、少なくとも上記の初期容器圧(Ｐ０)を上記の記憶部(32)へ入力する入力手段(33)を備える、請求項６から１０のいずれか１項に記載のガス容器内の残圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧弁を有する容器弁が付設されたガス容器内の残圧を測定する方法と装置に関し、さらに詳しくは、ガス容器内の残留ガス圧を正確に算出でき、しかも容器弁に電気的な圧力センサを装着する必要がなく、容器弁を小形に維持できるうえ、システム全体での圧力センサの必要個数を少なくして安価に実施できるようにした、ガス容器内の残圧測定方法と残圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水素ガスを燃料とする車載用燃料電池システムにあっては、水素ガス容器を、ガス消費機器である燃料電池に着脱可能に接続するものがある。この場合、水素ガス容器は小形・大容量化するため、例えば３５ＭＰａなど高圧化が望まれており、この水素ガス容器の容器弁に減圧弁を備えたものがある(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
上記のガス容器内の貯蔵ガスは、ガスの消費により所定の残留ガス圧以下に低下するとガス消費機器で使用できなくなるので、フレッシュガスが充填された新しいガス容器と交換される。このため上記のガス容器は、交換時期を確認するためにガス容器内の残留ガス圧を測定する必要があり、その測定値は、例えば燃料電池搭載車両の運転席など、容易に確認できる位置に表示される。
【０００４】
従来、上記のガス容器内の残圧測定システムとしては、電気的な圧力センサを容器弁等に付設し、この圧力センサからの出力をコントローラ等の演算装置に入力し、その演算結果を燃料計などの表示装置に表示させるものがある(例えば、特許文献２参照、以下、従来技術１という。)。
【０００５】
この従来技術１では、圧力センサによりガス容器内の残留ガス圧を測定でき、貯蔵ガスの消費状況やガス容器の交換時期を正確に把握できる利点がある。しかしながらこの従来技術１では、圧力センサを容器弁等に装着するため、次の問題点がある。
(１)この圧力センサと、上記の演算装置や表示装置とを電気的に接続するコネクタが必要となるため、ガス容器の交換時にコネクタを着脱しなければならず、交換作業が煩雑である。
(２)容器弁には圧力センサとこれに接続したコネクタが付設されるため、容器弁が大形化し、ガス容器の搬送が容易でない。
(３)このコネクタはガス容器の交換時に着脱されるため、その着脱の際に破損される虞があり、また、ガス容器を搬送する際にはこのコネクタや上記の圧力センサを破損する虞がある。
(４)上記の圧力センサは、ガス消費機器に接続されるガス容器だけでなく、空になったガス容器や、在庫中のガス容器を含む全てのガス容器に付設する必要があり、システム全体として多数の圧力センサを必要とするため、安価に実施できない。
【０００６】
上記の問題点を解消するため、例えばガス消費機器で消費されるガス量や、ガス供給路を流通するガス流量を計測してガス消費量を算出し、これをガス容器の貯蔵ガス量から差し引くことで残留ガス量を算出する方法が提案されている(例えば、特許文献３参照、以下、従来技術２という。)。
【０００７】
しかしながら、例えば水素ガスを燃料とする車載用燃料電池システムにあっては、水分を水素ガスでパージするシステムや、未反応水素ガスを回収して循環させるシステム等、ガス消費機器である燃料電池システムが多岐にわたるため、この従来技術２では、ガス消費機器ごとに設定すべき項目が多く、これらの設定操作が煩雑であり、しかもガス消費量からでは正確な残留ガス量を算出することが容易でない。また、長期に亘って使用する場合、ガス容器から微量ガスがリークしていると、この従来技術２ではガス容器内の残量ガスを正確に測定できない問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０４８９８１号公報
【特許文献２】特開２００５−２４０８５４号公報
【特許文献３】特開平０７−１９７８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の技術的課題は、上記の問題点を解消し、ガス容器内の残留ガス圧を正確に算出でき、しかも容器弁に電気的な圧力センサを装着する必要がなく、容器弁を小形に維持できるうえ、システム全体での圧力センサの必要個数を少なくして安価に実施できるようにした、ガス容器内の残圧測定方法と残圧測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一般に減圧弁には、一次圧が低下すると二次圧が上昇する形式のものと、二次圧が低下する形式のものとがある。しかしいずれの形式の減圧弁であっても、特定の二次圧に対応する一次圧は、各部品の加工誤差や組付誤差などによりバラツキがあって、一定しない。しかしながら、本発明者等は様々な減圧弁の減圧特性を測定して観察したところ、一次圧の低下幅に対する二次圧の変動幅が、減圧弁の構造や形式に応じて略一定していることを見出し、これに着目して本発明を完成した。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するために、例えば、本発明の実施の形態を示す図１から図５に基づいて説明すると、次のように構成したものである。
すなわち本発明１はガス容器内の残圧測定方法に関し、ガス容器(２)には減圧弁(４)を有する容器弁(３)が付設してあり、この減圧弁(４)のガス出口(５)がガス消費機器(１)のガス供給路(６)と着脱可能に接続されており、このガス容器(２)内の残留ガス圧を測定する残圧測定方法であって、上記のガス供給路(６)との接続の際の、上記のガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力を初期容器圧(Ｐ０)として記憶し、上記減圧弁(４)の一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率を、この減圧弁(４)の減圧特性係数(α)として記憶し、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対して設定された標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)を記憶し、ガスの消費により変動した上記の二次圧(ｐ)を計測し、この計測した二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)とから、次式(i)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷α    …(i)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出することを特徴とする。
【００１２】
また本発明２はガス容器内の残圧測定装置に関し、ガス容器(２)には減圧弁(４)を有する容器弁(３)が付設してあり、この減圧弁(４)のガス出口(５)がガス消費機器(１)のガス供給路(６)と着脱可能に接続されており、このガス容器(２)内の残留ガス圧を測定する残圧測定装置であって、上記のガス供給路(６)に付設され上記の減圧弁(４)により減圧された二次圧(ｐ)を計測する二次圧計測手段(25)と、この二次圧計測手段(25)からの出力に基づき上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を演算する演算手段(29)と、この演算手段(29)による演算結果を表示する残圧表示手段(30)とを備え、上記の演算手段(29)は演算部(31)と記憶部(32)とを備え、この記憶部(32)は、上記のガス供給路(６)との接続の際の上記のガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力である初期容器圧(Ｐ０)と、この初期容器圧(Ｐ０)に対して設定された上記の減圧弁(４)による標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)と、この一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率である減圧特性係数(α)とを記憶し、上記の演算部(31)は、上記の二次圧計測手段(25)により計測された二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)とから、次式(i)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷α    …(i)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出することを特徴とする。
【００１３】
上記の初期容器圧(Ｐ０)は、ガス容器にフレッシュガスを満タンに充填した際の設定ガス圧力であり、ガス容器に応じて一定している。また、このガス容器に付設された容器弁が備える減圧弁は、その減圧特性として、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対する標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)が設定してある。そしてこの減圧弁については、一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率である減圧特性係数(α)(即ち、α＝Δｐ÷ΔＰである。)も、略一定していることが判明した。この結果、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)と減圧特性係数(α)を定数として扱い、任意の時点で測定した二次圧(ｐ)をこれらの定数とともに上記の(i)式に代入することで、その時点での一次圧(Ｐ)が算出される。
【００１４】
この場合、減圧弁の減圧特性としては、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)の比率を、この減圧弁の標準的な減圧比(ｒＳ)として設定する場合がある(即ちｒＳ＝ｐ０Ｓ÷Ｐ０である。)。この場合は、この標準的減圧比(ｒＳ)を記憶しておき、この標準的減圧比(ｒＳ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(i)式の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代入して、上記のガス容器内の残留ガス圧を算出することができる。
【００１５】
なお、減圧弁の初期容器圧(Ｐ０)に対する実際の二次圧(ｐ)の比率は、前記の加工誤差や組付誤差などによりバラツキがあるため、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)や標準的減圧比(ｒＳ)を用いて算出した一次圧には、誤差を生じる虞がある。しかし、その誤差を生じた場合も、その大きさは一次圧の変動にかかわらず一定している。従って、加工精度などを高めて上記のバラツキを十分に小さくすることで、上記の算出した一次圧に生じる誤差を十分に小さくすることができる。
【００１６】
一方、上記の初期二次圧(ｐ０Ｓ)を用いて上記の(i)式により残留ガス圧を算出することに代えて、上記のガス容器とガス供給路との接続の際に、上記の減圧弁から取り出された二次圧(ｐ)を初期二次圧(ｐ０)として記憶し、上記の計測した二次圧(ｐ)と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と初期二次圧(ｐ０)と減圧特性係数(α)とから、次式(ii)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０−ｐ）÷α    …(ii)
により一次圧(Ｐ)である上記のガス容器内の残留ガス圧を算出した場合には、前記の加工誤差や組付誤差などがあっても、算出した一次圧に生じる誤差を大幅に小さくすることができ、一層正確に一次圧を算出することができる。
【００１７】
なおこの式(ii)を用いる場合においても、上記の初期二次圧(ｐ０)に代えて、上記の初期容器圧(Ｐ０)に対するこの初期二次圧(ｐ０)の比率を、上記の減圧弁の減圧比(ｒ)として記憶し(即ちｒ＝ｐ０÷Ｐ０である。)、この減圧比(ｒ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)との積を上記の(ii)式の初期二次圧(ｐ０)に代入して、上記のガス容器内の残留ガス圧を算出することができる。
【００１８】
上記の減圧弁は、一次圧が低下すると二次圧が上昇する形式のもの、即ち上記の減圧特性係数が０よりも小さい減圧弁であってもよく、或いは、一次圧が低下すると二次圧が低下する形式のもの、即ち上記の減圧特性係数が０よりも大きい減圧弁であってもよい。但し、減圧特性係数が０よりも小さい減圧弁にあっては、一次圧が使用限界圧力近傍の低い圧力になると、二次圧が上昇から下降に反転する。このため、この二次圧が反転したのちは上記の(i)式や(ii)式を使用することができず、より低圧までガス容器内の貯蔵ガスを消費する場合には、例えば、二次圧が下降に転じたのちの減圧値でガス容器の交換時期を判定しなければならない場合がある。
【００１９】
これに対し、上記の減圧特性係数が０よりも大きい減圧弁を用いた場合は、二次圧は一次圧が低圧になっても常に１対１で特定の一次圧と対応するため、この二次圧から、一次圧(Ｐ)であるガス容器内の残留ガス圧を算出することができ、好ましい。
【００２０】
上記の初期容器圧(Ｐ０)は、ガス容器により設定されているため、予め上記の記憶部へ記憶させておくことができる。しかしながら、ガス容器が圧力計を備えている場合等は、上記の演算手段に入力手段を設けて、この入力手段により上記の圧力計から読み取った初期容器圧(Ｐ０)を上記の記憶部へ入力するように構成してもよい。
さらに上記の入力手段は、上記の減圧弁の型式などに応じて、上記の減圧特性係数(α)や標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)、標準的減圧比(ｒＳ)などを記憶部へ入力することも可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は上記のように構成され作用することから、次の効果を奏する。
【００２２】
(１)上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)や標準的減圧比(ｒＳ)と減圧特性係数(α)は、いずれも定数として扱われるので、二次圧(ｐ)を計測するだけでガス容器内の残留ガス圧を算出することができる。このため、電気的な圧力センサなどの二次圧計測手段は、例えば燃料電池システム搭載車両など、ガス消費機器側に付設すればよく、容器弁やガス容器側に付設する必要がない。
【００２３】
(２)二次圧計測手段を容器弁やガス容器側に付設する必要がないので、ガス容器の交換時に二次圧計測手段の電気的なコネクタを着脱する必要がなく、交換作業を簡略にすることができる。
(３)容器弁には二次圧計測手段やこれに接続したコネクタが付設されないので、容器弁を小形に維持することができ、ガス容器を容易に搬送することができる。
(４)ガス容器の交換時に、二次圧計測手段の電気的なコネクタを着脱する必要がないことから、この着脱によるコネクタの破損の虞を低減できる。また、ガス容器や容器弁に二次圧計測手段や上記のコネクタが付設されていないので、搬送の際にこれらを破損する虞がない。
(５)上記の二次圧計測手段は、ガス消費機器側に付設しておけばよく、全てのガス容器に付設する必要がないので、前記の従来技術１に比べてシステム全体として圧力センサの必要個数を低減でき、安価に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す、ガス容器の残圧測定装置を備えた車載用燃料電池システムの概略回路図である。
【図２】第１実施形態の、容器弁が備える減圧弁の減圧特性を示す一次圧と二次圧の対比表である。
【図３】第１実施形態の、減圧弁の減圧特性を示す対比グラフである。
【図４】第２実施形態の、容器弁が備える減圧弁の減圧特性を示す一次圧と二次圧の対比表である。
【図５】第２実施形態の、この型式の減圧弁の減圧特性を示す対比グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１から図３は本発明の第１実施形態を示し、図１はガス容器の残圧測定装置を備えた、車載用燃料電池システムの概略回路図、図２は上記のガス容器に付設された容器弁が備える減圧弁の減圧特性を示す一次圧と二次圧の対比表、図３はこの減圧特性を示す対比グラフである。
【００２６】
図１に示すように、ガス消費機器である車載用燃料電池システム(１)は、高圧水素ガスを充填した複数のガス容器(２…)と、各ガス容器(２)に付設された容器弁(３)とこの容器弁(３)が備える減圧弁(４)のガス出口(５)に一端が接続されたガス供給路(６)と、このガス供給路(６)の中間部に付設された電磁弁マニホールド(７)と、上記のガス供給路(６)の他端に接続された燃料電池(８)とを備える。
【００２７】
上記の容器弁(３)は、ハウジング(９)の外面に容器接続口(10)と上記のガス出口(５)とが形成してあり、この容器接続口(10)とガス出口(５)との間にガス取出路(11)が形成してある。このガス取出路(11)には過流防止弁(12)と容器元弁(13)と上記の減圧弁(４)とが順に設けてある。このガス取出路(11)の、上記の容器元弁(13)と減圧弁(４)との中間には圧力計(14)が付設してあり、ハウジング(９)の外面に設けたガス充填口(15)との間に、逆止弁(16)を備えた充填路(17)が形成してある。上記のハウジング(９)には、上記のガス容器(２)の内部空間に連通する容器安全弁(18)が設けてあり、また、上記の減圧弁(４)よりも下流側のガス取出路(11)に、二次安全弁(19)を備えたガス逃し路(20)が接続してある。
なお、上記のガス出口(５)は、例えば急速継手(21)により上記のガス供給路(６)と着脱可能に接続される。
【００２８】
上記の電磁弁マニホールド(７)には、この内部を通過する状態に上記のガス供給路(６)が設けてあり、このガス供給路(６)に逆止弁(22)と電磁弁(23)と二次減圧弁(24)とが、上流側から順に設けてある。なお、各ガス容器(２)に接続されたそれぞれのガス供給路(６)は、この電磁弁マニホールド(７)内の上記の電磁弁(23)の下流側で合流してある。
上記の電磁弁(23)よりも上流側のガス供給路(６)には、二次圧計測手段として第１圧力センサ(25)が付設してある。また、上記の二次減圧弁(24)の下流側の１本に合流されたガス供給路(６)には、第２圧力センサ(26)と安全弁(27)とが付設してある。
【００２９】
上記の燃料電池(８)が塔載された車両側には、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を測定する残圧測定装置(28)が付設してある。この残圧測定装置(28)は、上記の第１圧力センサ(25)と、この第１圧力センサ(25)に電気的に接続された演算装置(29)と、この演算装置(29)からの出力を表示する残圧表示装置(30)とを備える。
【００３０】
上記の第１圧力センサ(25)は、前記の減圧弁(４)により減圧された二次圧(ｐ)を計測して、その計測結果を上記の演算装置(29)へ出力する。この演算装置(29)は、演算部(31)と記憶部(32)とを備える。この記憶部(32)には、上記のガス供給路(６)との接続の際の上記のガス容器(２)内の貯蔵ガス圧力、すなわち満タンにされたガス容器(２)の設定充填圧力である初期容器圧(Ｐ０)と、この減圧弁(４)の一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率である減圧特性係数(α)とが記憶してある。
【００３１】
上記の第１圧力センサ(25)は、上記のガス容器(２)が装着されて上記のガス出口(５)がガス供給路(６)に接続された際、上記の減圧弁(４)で減圧された初期二次圧(ｐ０)を計測して上記の演算装置(29)へ出力する。上記の記憶部(32)は、この初期二次圧(ｐ０)をも記憶してある。
【００３２】
上記の演算部(31)は、上記の第１圧力センサ(25)から送られてきた二次圧(ｐ)の計測結果と、上記の初期容器圧(Ｐ０)と初期二次圧(ｐ０)と減圧特性係数(α)とから、次式(ii)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０−ｐ）÷α    …(ii)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する。この算出結果は、上記の残圧表示装置(30)へ出力され、この残圧表示装置(30)に表示される。
【００３３】
なお、上記の残量表示装置(30)は、ガス容器(２)内の残留ガス圧を直接表示してもよいが、これに代えて、例えばガス容器(２)の満タン状態を１とし、残圧が使用限界圧力である状態を０として、その間を棒グラフ状に表示してもよく、或いは、残圧が使用限界圧力近傍に達したときに、ガス容器(２)の交換時期が近づいた旨を警告するように表示するものであってもよい。
【００３４】
次に、上記の車載用燃料電池システムと残圧測定装置の作動について説明する。
最初に、水素ガスを充填したガス容器(２)が上記の車載用燃料電池システム(１)に装着される。このガス容器(２)には水素ガスが、例えば３５ＭＰａの設定充填圧力で充填されており、上記の記憶部(32)にはこの３５ＭＰａを定数の初期容器圧(Ｐ０)として予め記憶してある。
【００３５】
上記のガス容器(２)が装着されると、上記の減圧弁(４)のガス出口(５)が上記のガス供給路(６)に接続される。この減圧弁(４)は、この第１実施形態では一次圧が低下すると二次圧が低下する形式のものが用いられている。この減圧弁(４)の具体的な減圧特性は、例えば図２の対比表に示す一次圧と二次圧の関係になっている。この減圧特性をグラフ化すると、図３に示すように右上がりに傾斜した直線状となっている。
【００３６】
この図２に示す対比表によれば、例えば一次圧(Ｐ)が３５ＭＰａから５ＭＰａ低下したときに、二次圧(ｐ)は０.８９７ＭＰａから０.０７５ＭＰａ低下している。従って、一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率、即ち、この減圧弁(４)の減圧特性係数(α)は、０.０７５÷５＝０.０１５となっている。上記の記憶部(32)は、この０.０１５を定数の減圧特性係数(α)として予め記憶してある。
【００３７】
なお、この実施形態では上記の減圧特性係数(α)を算出するため、一次圧(Ｐ)が初期容器圧(Ｐ０)から５ＭＰａ低下したときの二次圧(ｐ)の圧力低下の比率を算出した。しかし本発明では、例えば一次圧(Ｐ)が初期容器圧(Ｐ０)から３０ＭＰａ低下したときの二次圧(ｐ)の圧力低下の比率など、他の範囲において比率を算出してもよい。
【００３８】
次に、上記の容器弁(２)の上記の容器元弁(13)が開かれ、ガス容器(２)内の貯蔵ガスが減圧弁(４)で減圧されてガス供給路(６)に流出する。上記の第１圧力センサ(25)は、このガス供給路(６)に最初に流出した二次圧(ｐ)を計測し、これを初期二次圧(ｐ０)として上記の演算装置(29)に出力し、上記の記憶部(32)がこの初期二次圧(ｐ０)を定数として記憶する。
【００３９】
次いで、上記の燃料電池システム(１)を運転する際に、上記の電磁弁(23)が開弁され、これにより上記のガス供給路(６)に流出した水素ガスが、上記の二次減圧弁(24)でさらに減圧されて燃料電池(８)に送られ、この水素ガスが発電のために消費される。このガス消費により、上記のガス容器(２)内の貯蔵ガスが減少して、残留ガス圧が徐々に低下していく。これとともに、上記の減圧弁(４)で減圧された二次圧(ｐ)も徐々に低下する。上記の第１圧力センサ(25)はこの二次圧(ｐ)を随時計測し、その計測結果が上記の演算装置(29)へ出力される。
【００４０】
上記の計測結果が上記の演算装置(29)に出力されると、上記の演算部(31)はこの二次圧(ｐ)と上記の初期容器圧(Ｐ０)と初期二次圧(ｐ０)と減圧特性係数(α)とから、次式(ii)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０−ｐ）÷α    …(ii)
により、一次圧(Ｐ)である上記のガス容器(２)内の残留ガス圧を算出する。
具体的には、例えば、上記の二次圧(ｐ)が０.５ＭＰａであった場合、一次圧(Ｐ)は
Ｐ＝３５−（０.８９７−０.５）÷０.０１５≒８.５３
となり、この値は、図３に示す対比グラフから略正しい値であることがわかる。そしてこの算出結果が、上記の残圧表示装置(30)へ出力されて表示される。
【００４１】
なお、上記の電磁弁(23)が開いて上記の燃料電池(８)が稼動している間は、上記のガス供給路(６)内の二次圧(ｐ)が安定しない。このため、上記の二次圧(ｐ)は、燃料電池(８)の稼動が停止しているときに計測される。一方、燃料電池(８)の稼動中は、直前に算出された容器残圧を表示し続けてもよい。或いはこれに代えて、水素ガスの消費量を稼動時間等から算出し、これを直前に計測されたガス残量から差引くことで、残留ガス圧を推定し表示してもよい。この場合、この表示される残留ガス圧は、次回に燃料電池(８)の稼動が停止した際、上記の二次圧(ｐ)を計測することで正確に算出して更新される。
【００４２】
上記のガス消費が進み、上記のガス容器(２)内の残留ガス圧が所定の限界圧力にまで低下すると、上記の残圧表示装置(30)がこれを表示して容器交換時期であることを報知する。これにより、上記のガス容器(２)が車載用燃料電池システム(１)から取外され、水素ガスを満タンに充填した新しいガス容器(２)がこの燃料電池システム(１)に装着される。この新しいガス容器(２)やこれに付設されている容器弁(３)の減圧弁(４)は、上記の取外されたガス容器(２)や減圧弁(４)と同じ型式であり、上記の初期容器圧(Ｐ０)と減圧特性係数(α)は同じ値が定数として用いられる。また、この新しいガス容器(２)の装着時に、前記と同様、初期二次圧(ｐ０)が計測されて上記の記憶部(32)に記憶され、その後は前記のガス容器と同様に使用される。
【００４３】
上記の実施形態では、第１圧力センサ(25)が計測した初期二次圧(ｐ０)を用いて、上記の式(ii)により一次圧(Ｐ)を算出した。しかしながら本発明ではこれに代えて、初期容器圧(Ｐ０)に対するこの初期二次圧(ｐ０)の比率を、上記の減圧弁(４)の減圧比(ｒ)として記憶部(32)に記憶し、この減圧比(ｒ)を用いて次式(iii)
Ｐ＝Ｐ０−（Ｐ０×ｒ−ｐ）÷α    …(iii)
により一次圧(Ｐ)を算出してもよい。即ち、ｒ＝ｐ０÷Ｐ０であり、この式(iii)は、上記の式(ii)の初期二次圧(ｐ０)に、上記の初期容器圧(Ｐ０)と減圧比(ｒ)との積を代入したものである。
【００４４】
また本発明では、初期容器圧(Ｐ０)に対する標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)を記憶部(32)に記憶しておき、この標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)を用いて次式(i)
Ｐ＝Ｐ０−（ｐ０Ｓ−ｐ）÷α    …(i)
により一次圧を算出してもよい。
【００４５】
さらに本発明では、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えて、初期容器圧(Ｐ０)に対するこの標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)の比率を、上記の減圧弁(４)の標準的な減圧比(ｒＳ)として記憶部(32)に記憶し、この標準的減圧比(ｒＳ)を用いて次式(iv)
Ｐ＝Ｐ０−（Ｐ０×ｒＳ−ｐ）÷α    …(iv)
により一次圧(Ｐ)を算出してもよい。即ち、ｒＳ＝ｐ０Ｓ÷Ｐ０であり、この式(iv)は、上記の式(i)の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に、上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的減圧比(ｒＳ)との積を代入したものである。
【００４６】
上記の式(i)における標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)や、式(iv)における初期容器圧(Ｐ０)と標準的減圧比(ｒＳ)との積は、個別の減圧弁(４)に組付誤差などがあると、実際の初期二次圧(ｐ０)とバラツキを生じる。しかしその組付誤差などが充分に小さい場合は、そのバラツキも小さく、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)などを用いても、一次圧(Ｐ)であるガス容器(２)内の残圧が略正確に算出される。
【００４７】
図４と図５は本発明の第２実施形態を示し、図４は減圧弁の減圧特性を示す一次圧と二次圧の対比表であり、図５はこの型式の減圧弁の、減圧特性のバラツキを示す一次圧と二次圧の対比グラフである。
【００４８】
この第２実施形態では、上記の第１実施形態と同様の燃料電池システム(１)が用いられており、新しいガス容器(２)が装着されて減圧弁(４)のガス出口(５)がガス供給路(６)に接続される。またこのガス供給路(６)には電磁弁マニホールド(７)が付設してあり、第１実施形態と同様の、ガス容器(２)内の残圧測定装置(28)が設けてある。
しかしこの第２実施形態では、前記の第１実施形態とは異なり、一次圧(Ｐ)が低下すると二次圧(ｐ)が上昇する形式の減圧弁(４)が用いられている。この減圧弁(４)の具体的な減圧特性は、例えば図４の対比表に示す一次圧(Ｐ)と二次圧(ｐ)の関係になっている。この型式の複数台の減圧弁(４)の減圧特性をグラフ化すると、図５に示すように、いずれも右下がりに傾斜した直線状となっており、その傾斜角度はほぼ等しい。
【００４９】
上記の図５から、この型式の減圧弁(４)では、例えば平均値を標準とすると、初期容器圧(Ｐ０)である３５ＭＰａに対し、標準的な初期二次圧(ｐ０Ｓ)は０.４８ＭＰａに設定されている。また、一次圧(Ｐ)が３０ＭＰａのときの平均値は０.５３５ＭＰａである。従って一次圧(Ｐ)が３５ＭＰａから５ＭＰａ低下したとき、二次圧(ｐ)は０.０５５ＭＰａ上昇しており、一次圧(Ｐ)の圧力低下(ΔＰ)に対する二次圧(ｐ)の圧力低下(Δｐ)の比率である減圧特性係数(α)は、−０.０１１となっている。上記の記憶部(32)は、この減圧特性係数(α)と上記の初期容器圧(Ｐ０)と標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)とを、それぞれ定数として予め記憶してある。
【００５０】
ここで、図４に示す減圧特性の減圧弁(４)を備えたガス容器(２)が、上記の燃料電池システム(１)に装着された場合に、例えば上記の第１圧力センサ(25)が０.６ＭＰａの二次圧(ｐ)を計測すると、上記の演算部(31)は次式(i)により、
Ｐ＝３５−（０.４８−０.６）÷(−０.０１１)≒２４.１(ＭＰａ)
を算出する。これに対し、図４に示す対比表から算出すると、この減圧弁(４)の減圧特性によれば、二次圧(ｐ)が０.６ＭＰａのとき、一次圧(Ｐ)は約２３.３ＭＰａであるので、０.８ＭＰａの僅かな誤差を生じている。
【００５１】
次に、上記の標準的初期二次圧(ｐ０Ｓ)に代えて、ガス容器(２)を装着した際の実際の初期二次圧(ｐ０)を計測し、これを記憶部(32)に記憶して上記の式(ii)により一次圧を算出する場合について説明する。図４から初期二次圧(ｐ０)は０.４７ＭＰａであるので、例えば二次圧(ｐ)が０.６ＭＰａであると、上記の演算部(31)は次式(ii)により、
Ｐ＝３５−（０.４７−０.６）÷(−０.０１１)≒２３.２(ＭＰａ)
を算出する。上記のように、この減圧弁(４)の減圧特性によれば、二次圧(ｐ)が０.６ＭＰａのとき、一次圧(Ｐ)は約２３.３ＭＰａであるから、この式(ii)により算出した場合は、０.１ＭＰａ程度のきわめて僅かな誤差におさまり、上記の式(i)での算出よりも正確に一次圧(Ｐ)が算出される。
【００５２】
上記の実施形態で説明したガス容器内の残圧測定方法と残圧測定装置は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものであり、各部材の構造や配置、操作手順などをこの実施形態のものに限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【００５３】
例えば、上記の実施形態では、燃料電池システムに２つのガス容器を装着する場合について説明した。しかし本発明では１つのガス容器を備えるものであってもよく、３以上のガス容器を備えるものであってもよい。また、複数のガス容器を使用する場合、各ガス容器からのガスの取り出しは、１つずつ順に使用してもよく、複数のガス容器から同時にガスを取り出して使用してもよい。この場合、各ガス容器に接続されるそれぞれのガス供給路に、前記の第１圧力センサが配置され、それぞれのガス容器から減圧して供給されるガスの二次圧が計測され、各ガス容器内の残留ガス圧が算出される。さらに上記の実施形態では、減圧弁が容器弁のハウジング内に設けてある場合について説明した。しかし本発明では、この減圧弁を容器弁とは別体に形成して、例えば容器弁のガス取出路の下流側に接続したものであってもよい。
【００５４】
また、上記の各実施形態では、初期容器圧を予め記憶部に記憶させた。しかし本発明では、例えば図１に示す仮想線のように、演算装置(29)に入力手段(33)を設けて、ガス容器(２)を装着する際にそのガス容器(２)の貯蔵ガス圧力を初期容器圧(Ｐ０)として上記の記憶部(32)へ入力させてもよい。また、この入力手段(33)は、上記の減圧弁(４)の減圧特性係数(α)などを入力することも可能である。
【００５５】
また上記の実施形態では、ガス消費機器が車載用燃料電池システムである場合について説明したが、本発明の残圧測定方法と残圧測定装置は、ガス容器が着脱可能に装着される他のガス消費機器へも適用することができ、さらに、ガス容器の貯蔵ガスが水素ガスに限定されないことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のガス容器内の残圧測定方法と残圧測定装置は、ガス容器内の残留ガス圧を正確に算出でき、しかも容器弁に電気的な圧力センサを装着する必要がなく、容器弁を小形に維持できるうえ、システム全体での圧力センサの必要個数を少なくして安価に実施できるので、車載用燃料電池システムに特に好適であるが、定置式燃料電池システムを初め、ガス容器が着脱可能に装着される他のガス消費機器にも好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１…ガス消費機器(燃料電池システム)
２…ガス容器
３…容器弁
４…減圧弁
５…ガス出口
６…ガス供給路
25…二次圧計測手段(第１圧力センサ)
28…残圧測定装置
29…演算手段(演算装置)
30…残圧表示手段(残圧表示装置)
31…演算部
32…記憶部
33…入力手段
Ｐ…一次圧
Ｐ０…初期容器圧
ΔＰ…一次圧(Ｐ)の圧力低下
ｐ…二次圧
ｐ０…初期二次圧
ｐ０Ｓ…標準的初期二次圧
Δｐ…二次圧(ｐ)の圧力低下
ｒ…減圧比
ｒＳ…標準的減圧比
α…減圧特性係数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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