(57)【要約】【課題】  温度変化の影響を受け難く、且つ低残量時の正確な使用可能量を表示する気体燃料残量表示装置を提供する。【解決手段】  温度センサ８，圧力センサ９は、それぞれ水素タンク５の温度Ｔ及び圧力Ｐを検出する。コントローラ１１は、圧力Ｐに基づいて水素タンク５の残量の圧力式メータ表示値Ｈ1 を算出し、圧力Ｐ及び温度Ｔに基づいて水素タンク５の残量の質量式メータ表示値Ｈ2 を算出する。次いで、コントローラ１１は、圧力Ｐと所定値Ｐ0 とを比較し、圧力Ｐが所定値Ｐ0 以上の場合、質量式メータ表示値Ｈ2 を燃料計１０へ表示し、圧力Ｐが所定値Ｐ0 未満の場合、圧力式メータ表示値Ｈ1 を燃料計１０へ表示する。【選択図】  図１
2005240854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮気体燃料を貯蔵するタンクのガス圧力を測定する圧力測定手段と、
前記タンク内のガス質量を測定する質量測定手段と、
前記タンク内の圧縮気体残量を表示する残量表示手段と、
前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第一演算手段と、
前記質量測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第二演算手段と、
前記残量表示手段に表示する表示値を制御する表示制御手段と、を備えた気体燃料残量表示装置であって、
前記表示制御手段は、
前記圧力測定手段の測定値が所定値以上のときは前記残量表示手段に前記第二演算手段の演算結果を表示し、
前記圧力測定手段の測定値が所定値未満のときは前記残量表示手段に前記第一演算手段の演算結果を表示することを特徴とする気体燃料残量表示装置。
【請求項２】
圧縮気体燃料を貯蔵するタンクのガス圧力を測定する圧力測定手段と、
前記タンク内のガス質量を測定する質量測定手段と、
前記タンク内の圧縮気体残量を表示する残量表示手段と、
前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第一演算手段と、
前記質量測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第二演算手段と、
前記残量表示手段に表示する表示値を制御する表示制御手段と、を備えた気体燃料残量表示装置であって、
前記表示制御手段は、
前記第一演算手段による第一演算結果と前記第二演算手段による第二演算結果との加重平均を前記残量表示手段に表示することを特徴とする気体燃料残量表示装置。
【請求項３】
前記表示制御手段は、
前記加重平均において、前記第一演算結果が減少する程、前記第一演算結果の重みを大きくすることを特徴とする請求項２記載の気体燃料残量表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンク内に貯蔵された圧縮気体燃料の残量を表示する気体燃料残量表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とする自動車の気体燃料残量表示装置において、比較的高温状態における充填時の燃料ガス圧力に比べて、比較的低温時の燃料ガス圧力が低下する。このため、圧力計の表示からは、温度低下による圧力低下なのか、ＣＮＧ漏出による圧力低下なのかが容易に判別できないことになる。この問題に対して、圧力容器の圧力及び温度を計測し、圧力及び温度から圧力容器に貯蔵されているガスの質量を算出して質量表示することにより、温度による圧力変化の影響を受けず正確な燃料残量を表示する技術が知られている（特許文献１）。また、この燃料表示システムにおいて、自動車保安基準による圧力計設置義務に適合させるため、一つの表示手段に質量表示と圧力表示とを切替可能となっている。
【特許文献１】特開２００３―１７２６５４号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の気体燃料残量表示装置では、表示手段には質量と圧力のどちらか一方しか表示できず、さらに表示手段の切替えはユーザ自身によって行われていた。従って、圧力表示の場合には、同一質量の残量であっても温度によって圧力により表示値が変動してしまうし、圧力表示値は同じであっても実際のタンク内残量が異なってしまうという問題点があった。
【０００４】
また、質量表示の場合には、同じ質量であっても温度が異なると圧力が異なるので、低温時には実際に使用できない燃料を表示してしまうという問題点があった。
【０００５】
これら問題点を図７を参照して説明する。図７（ａ）は、タンク内残量に対する圧力表示の関係を示し、図７（ｂ）は、タンク内残量に対する質量表示の関係を示す。図中、Ａ点，Ｂ点＝Ｃ点、Ｄ点の順にタンク内残量が多いものとする。
【０００６】
図７（ａ）において、タンク内残量に対する高温時の圧力表示の傾きは、低温時の圧力表示の傾きより大きくなる。ここで、高温時の圧力表示Ｃ点と、低温時の圧力表示Ｂ点とは、質量である実残量が同じであるが、圧力表示値が異なる。これとは逆に、Ａ点とＤ点とは圧力表示が同じでも質量である実残量が異なる。図７（ａ）において、燃料ガス消費装置への供給可能限界圧力を一点鎖線で示せば、Ｂ点は供給可能限界圧力以下であるので、供給不能となる。
【０００７】
この関係を図７（ｂ）で見れば、Ｂ点とＣ点とは質量表示は同じであるがＣ点は燃料消費装置で燃料供給可能であるのに対して、Ｂ点は供給不能となる。
【０００８】
従って、ユーザは上述の背景を知らない場合、気体燃料の漏洩又は計器類の故障と勘違いするおそれがあった。そこで、本発明は、ユーザに的確な情報を与えることができる気体燃料残量表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本第一発明は上記問題点を解決するため、圧縮気体燃料を貯蔵するタンクのガス圧力を測定する圧力測定手段と、前記タンク内のガス質量を測定する質量測定手段と、前記タンク内の圧縮気体残量を表示する残量表示手段と、前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第一演算手段と、前記質量測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第二演算手段と、前記残量表示手段に表示する表示値を制御する表示制御手段と、を備えた気体燃料残量表示装置であって、前記表示制御手段は、前記圧力測定手段の測定値が所定値以上のときは前記残量表示手段に前記第二演算手段の演算結果を表示し、前記圧力測定手段の測定値が所定値未満のときは前記残量表示手段に前記第一演算手段の演算結果を表示することを要旨とする。
【００１０】
また本第二発明は上記問題点を解決するため、圧縮気体燃料を貯蔵するタンクのガス圧力を測定する圧力測定手段と、前記タンク内のガス質量を測定する質量測定手段と、前記タンク内の圧縮気体残量を表示する残量表示手段と、前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第一演算手段と、前記質量測定手段の測定値に基づいて前記残量表示手段の表示値を演算する第二演算手段と、前記残量表示手段に表示する表示値を制御する表示制御手段と、を備えた気体燃料残量表示装置であって、前記表示制御手段は、前記第一演算手段による第一演算結果と前記第二演算手段による第二演算結果との加重平均を前記残量表示手段に表示することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
第一発明によれば、第一演算結果が所定値以上の場合、即ち高圧側を質量表示（第二演算結果）とし、第一演算結果が所定値未満の場合、即ち低圧側を圧力表示（第一演算結果）とすることで、高圧側を針振れが起こり難い質量表示とし、低圧側を使用可能残量を正確に把握できる圧力表示とすることで、ユーザに的確な情報を与えることができるという効果がある。また、低圧側で圧力表示を行うので、実際のタンク内残量と使用可能残量の差異を抑制することができるという効果がある。
【００１２】
第二発明によれば、第一演算結果と第二演算結果との加重平均を表示する、即ち、圧力表示と質量表示を組み合わせて残量表示手段に表示することで、圧力表示及び質量表示のデメリットである針振れ及び使用可能残量の不明確さを改善でき、ユーザに的確な情報を与えることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両用の燃料電池システムに燃料である水素を供給する水素タンクの残量表示に本発明を適用した例である。本発明をＣＮＧ車両等に適用することもできる。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明に係る気体燃料残量表示装置を備えた燃料電池システムの要部構成を説明する構成図である。
【００１５】
図１において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池を用いた燃料電池本体２を備えている。燃料電池本体２は、酸化剤が供給されるカソード入口２ａと、燃料電池本体２で消費されなかった酸化剤ガスが排出されるカソード出口２ｂと、燃料ガスとしての水素が供給されるアノード入口２ｃと、燃料電池本体２で消費されなかった燃料ガスが排出されるアノード出口２ｄとを備えている。尚、燃料電池本体２から発電された電力を取り出すアノード電極、カソード電極、及び駆動モータ等の電力負荷は図示を省略してある。
【００１６】
また、燃料電池システム１は、カソード入口２ａへ酸化剤ガスである空気を供給するコンプレッサ３と、カソード出口２ｂから排出される余剰の空気を絞ることによりカソード圧力を調整する空気圧調整弁４と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク５と、水素タンク５から供給される高圧水素ガスの圧力を燃料電池本体２の運転圧力まで低下させてアノード入口２ｃへ供給する減圧弁６と、アノード出口２ｄから不純物を含んだ水素を排出させるパージ弁７と、水素タンク５の温度を検出する温度センサ８と、水素タンク５の圧力を検出する圧力センサ９と、水素タンク５内の圧縮水素残量を表示する残量表示手段としての燃料計１０と、温度センサ８及び圧力センサ９の検出値に基づいて燃料計１０の表示値を演算して燃料計１０へ出力するコントローラ１１とを備えている。
【００１７】
尚、特に限定されないがコントローラ１１は、本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えるマイクロプロセッサとして構成されている。
【００１８】
また、コントローラ１１は、温度センサ８及び圧力センサ９の検出値に基づいて水素タンク５内のガス質量を測定する質量測定手段の一部、圧力センサ９の測定値から燃料計１０の圧力表示値を演算する第一演算手段、コントローラ１１が演算したタンク内質量から燃料計１０の質量表示値を演算する第二演算手段、及び表示制御手段を兼ねている。
【００１９】
水素タンク５内には高圧気体燃料である水素が貯蔵され、水素タンク５内の水素は、減圧弁６にて所定圧力まで減圧した後、燃料電池本体２のアノード入口２ｃへ供給される。なお、水素タンク５内には、タンク内の圧力を測定する圧力センサ９とタンク内の温度を測定する温度センサ８が設置されている。また、圧力センサ９は燃料供給系であって減圧弁６上流に設置してもよい。
【００２０】
一方、燃料電池本体２のカソード入口１ａにはコンプレッサ３により空気が供給され、アノードに供給された水素とカソードに供給された空気により燃料電池本体２が発電し、図示しない駆動モータにより車両を駆動させる。
【００２１】
図２は、燃料計１０のよる燃料残量表示の例を示し、図２（ａ）は、アナログ表示、図２（ｂ）はデジタル表示の例を示す。尚、本実施例においては、いずれの表示の場合でも、コントローラ１１から燃料計１０に対して出力する表示値の範囲は、０から１まであり、表示値「１」を出力した場合「Ｆ」を表示し、表示値「０」を出力した場合「Ｅ」を表示するものとする。
【００２２】
図３は、本実施例１におけるコントローラ１１の制御内容を説明するフローチャートである。コントローラ１１は、図示しない燃料電池車両のキースイッチがオンの間に、一定時間毎（例えば、０．１秒毎）に図３のルーチンを実行するものとする。
【００２３】
実施例１では、コントローラ１１は、温度センサ８及び圧力センサ９の検出値に基づいて、燃料計の圧力式メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 とを算出し、圧力測定値が所定値以上の時は質量式メータ表示値Ｈ2 を、所定値未満の時には圧力式メータ表示値Ｈ1 を燃料計１０に出力するものである。
【００２４】
まず図３のステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントローラ１１は、圧力センサ９の検出値を読み込むことにより水素タンク５の圧力Ｐを検出する。次いで、Ｓ１２でコントローラ１１は、温度センサ８の検出値を読み込むことにより水素タンク５の温度Ｔを検出する。
【００２５】
次いで、Ｓ１４でコントローラ１１は、圧力Ｐに所定の係数（１／ＰMAX ）を乗じて燃料計１０に表示する表示値である圧力式メータ表示値Ｈ1 （Ｈ1 ＝Ｐ／ＰMAX ）を算出する（第一演算手段）。この係数（１／ＰMAX ）は、水素タンク５が満タン（例えば３５〔ＭＰａ〕）時にＦを表示し、水素タンク５の圧力が供給下限圧力（または０．１〔ＭＰａ〕）の時にＥとなるように設定されている。
【００２６】
次いで、Ｓ１６でコントローラ１１は、圧力センサ９，温度センサ８の各検出値に基づいて、水素タンク５内の燃料ガスの質量を燃料計１０に表示するための質量式メータ表示値Ｈ2 を算出する。
【００２７】
図４は、コントローラ１１による質量式メータ表示値Ｈ2 の算出内容の詳細を説明するフローチャートである。図４において、まずＳ１０２で、以下の式（１）に示すファンデルワールスの状態方程式に基づいて水素タンク５内に搭載されている水素のモル数ｎを算出する。
【００２８】
（数１）
（Ｐ＋ａｎ2 ／Ｖ2 ）（Ｖ＋ｂｎ）＝ｎＲＴ         …（１）
Ｐ：タンク内圧力
Ｖ：タンク内容積（例えば、１８０ｌ）
Ｔ：タンク内温度
ｎ：タンク内水素のｍｏｌ数
Ｒ：気体定数
ａ：水素における定数（例えば、ａ＝０．２４４〔l2・atm／mol2〕）
ｂ：水素における定数（例えば、ｂ＝０．０２６６〔ｌ／mol〕）
ここで、上記式（１）は、ｎに関する３次方程式となるが、その解法はカルダノの公式として公知（例えば、岩波講座  現代数学への入門７  代数入門２ pp.232-238 1996年  岩波書店、共立  数学公式  1993年  共立出版等）であるので、説明を省略する。
【００２９】
次いで、Ｓ１０４で、ｍｏｌ数ｎに水素分子量（２．０１８）を乗じて、搭載水素質量Ｍ〔ｇ〕を算出する。
【００３０】
次いで、Ｓ１０６で  搭載質量Ｍを最大搭載質量ＭMAX で除して質量式メータ表示値Ｈ2 を求める。ここで、ＭMAX は、例えば圧力３５〔ＭＰａ〕、温度０〔℃〕の時に水素タンク５に充填される水素質量の値とする。
【００３１】
図３に戻って、次にコントローラ１１は、Ｓ１８で、水素タンク５の圧力Ｐが所定値Ｐ0 以上か否かを判定する。ＰがＰ0 以上であれば、Ｓ２２へ進み、質量式メータ表示値Ｈ2 を燃料計に表示して終了する。Ｓ１８の判定で、Ｐが所定値Ｐ0 以上でなければ、言い換えればＰが所定値Ｐ0 未満であれば、Ｓ２０へ進み、圧力式メータ表示値Ｈ1 を燃料計に表示して終了する。
【００３２】
以上説明したように本実施例１によれば、第一演算結果が所定値以上の場合、即ち高圧側を質量表示（第二演算結果）とし、第一演算結果が所定値未満の場合、即ち低圧側を圧力表示（第一演算結果）とすることで、高圧側を針振れが起こり難い質量表示とし、低圧側を使用可能残量を正確に把握できる圧力表示とすることで、ユーザに的確な情報を与えることができるという効果がある。また、低圧側で圧力表示を行うので、実際のタンク内残量と使用可能残量の差異を抑制することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３３】
図５は、実施例２におけるコントローラ１１の制御内容を説明するフローチャートである。本実施例の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。コントローラ１１は、図示しない燃料電池車両のキースイッチがオンの間に、一定時間毎（例えば、０．１秒毎）に図５のルーチンを実行するものとする。
【００３４】
実施例２では、コントローラ１１は、温度センサ８及び圧力センサ９の検出値に基づいて、圧力式メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 とを算出し、圧力メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 との加重平均を燃料計１０に表示するものである。
【００３５】
まず図５のＳ１０において、コントローラ１１は、圧力センサ９の検出値を読み込むことにより水素タンク５の圧力Ｐを検出する。次いで、Ｓ１２でコントローラ１１は、温度センサ８の検出値を読み込むことにより水素タンク５の温度Ｔを検出する。
【００３６】
次いで、Ｓ１４でコントローラ１１は、圧力Ｐに所定の係数（１／ＰMAX ）を乗じて燃料計１０に表示する表示値である圧力式メータ表示値Ｈ1 （Ｈ1 ＝Ｐ／ＰMAX ）を算出する（第一演算手段）。この係数（１／ＰMAX ）は、水素タンク５が満タン（例えば３５〔ＭＰａ〕）時にＦ（満タン、フルスケール）を表示し、水素タンク５の圧力が供給下限圧力（または０．１〔ＭＰａ〕）の時にＥ（空）となるように設定されている。
【００３７】
次いで、Ｓ１６でコントローラ１１は、圧力センサ９，温度センサ８の各検出値に基づいて、水素タンク５内の燃料ガスの質量を燃料計１０に表示するための質量式メータ表示値Ｈ2 を算出する。Ｓ１６の詳細は、図４を参照して実施例１で説明した通りである。
【００３８】
次いで、コントローラ１１は、Ｓ３０で、圧力式メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 との加重平均Ｈ3 を式（２）で算出する。
【００３９】
（数２）
Ｈ3＝（１−ｋ）Ｈ1 ＋ｋＨ2                     …（２）    
ここで、Ｈ2 の重み係数ｋは、０＜ｋ＜１の定数である。
【００４０】
最後に、コントローラ１１は、加重平均値Ｈ3 を燃料計１０に表示して終了する。
【００４１】
以上説明したように実施例２によれば、第一演算結果と第二演算結果との加重平均を燃料計に表示する、即ち、圧力表示と質量表示を組み合わせて残量表示手段に表示することで、圧力表示及び質量表示のデメリットである針振れ及び使用可能残量の不明確さを改善でき、ユーザに的確な情報を与えることができるという効果がある。
【実施例３】
【００４２】
図６は、実施例３におけるコントローラ１１の制御内容を説明するフローチャートである。本実施例の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。コントローラ１１は、図示しない燃料電池車両のキースイッチがオンの間に、一定時間毎（例えば、０．１秒毎）に図６のルーチンを実行するものとする。
【００４３】
実施例３では、コントローラ１１は、温度センサ８及び圧力センサ９の検出値に基づいて、圧力式メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 とを算出し、水素タンク５の圧力が低いほど圧力メータ表示値Ｈ1 の重みを大きくして、圧力メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 との加重平均を燃料計１０に表示するものである。
【００４４】
まず図６のＳ１０において、コントローラ１１は、圧力センサ９の検出値を読み込むことにより水素タンク５の圧力Ｐを検出する。次いで、Ｓ１２でコントローラ１１は、温度センサ８の検出値を読み込むことにより水素タンク５の温度Ｔを検出する。
【００４５】
次いで、Ｓ１４でコントローラ１１は、圧力Ｐに所定の係数（１／ＰMAX ）を乗じて燃料計１０に表示する表示値である圧力式メータ表示値Ｈ1 （Ｈ1 ＝Ｐ／ＰMAX ）を算出する（第一演算手段）。この係数（１／ＰMAX ）は、水素タンク５が満タン（例えば３５〔ＭＰａ〕）時にＦを表示し、水素タンク５の圧力が供給下限圧力（または０．１〔ＭＰａ〕）の時にＥとなるように設定されている。
【００４６】
次いで、Ｓ１６でコントローラ１１は、圧力センサ９，温度センサ８の各検出値に基づいて、水素タンク５内の燃料ガスの質量を燃料計１０に表示するための質量式メータ表示値Ｈ2 を算出する。Ｓ１６の詳細は、図４を参照して実施例１で説明した通りである。
【００４７】
次いで、コントローラ１１は、Ｓ４０で、圧力式メータ表示値Ｈ1 と質量式メータ表示値Ｈ2 との加重平均Ｈ3 を式（３）により算出する。
【００４８】
（数３）
Ｈ3 ＝（１−Ｈ1 ）×Ｈ1 ＋Ｈ1 ×Ｈ2               …（３）
ここでＨ1 は、０≦Ｈ1 ≦１の範囲の変数である。
【００４９】
最後に、コントローラ１１は、加重平均値Ｈ3 を燃料計１０に表示して終了する。
【００５０】
以上説明したように実施例３によれば、タンク内圧力が低下すればするほど第一演算結果の重みを大きくして第一演算結果と第二演算結果との加重平均を燃料計に表示するようにしたので、圧力表示及び質量表示のデメリットである針振れ及び使用可能残量の不明確さを改善するとともに、燃料残量が少なくなればなるほど、使用可能な燃料量に対応する圧力表示に近づくので、さらにユーザに的確な情報を与えることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る気体燃料残量表示装置を用いた燃料電池システムの要部構成図である。
【図２】（ａ）本発明に係る気体燃料残量表示装置のアナログ表示の一例を示す図、（ｂ）本発明に係る気体燃料残量表示装置のデジタル表示の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る気体燃料残量表示装置の実施例１における表示値算出方法を説明するフローチャートである。
【図４】質量表示の算出方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る気体燃料残量表示装置の実施例２における表示値算出方法を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る気体燃料残量表示装置の実施例３における表示値算出方法を説明するフローチャートである。
【図７】（ａ）タンク内残量と圧力表示の関係を説明する図、（ｂ）タンク内残量と質量表示の関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池システム
２…燃料電池本体
３…コンプレッサ
４…空気圧調整弁
５…水素タンク
６…減圧弁
７…パージ弁
８…温度センサ
９…圧力センサ（圧力測定手段）
１０…燃料計（残量表示手段）
１１…コントローラ（第一、第二演算手段、表示制御手段）
【図１】
2005240854.tif 000003
【図２】
2005240854.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005240854.tif 000006
【図５】
2005240854.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005240854.tif 000009