(57)【要約】【課題】安定した圧力で水素を発電装置に供給することができ、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる高圧水素貯蔵システムを提供する。【解決手段】高圧水素貯蔵システムは、外部から充填された水素を高圧で貯蔵するタンク２と、所定の基準圧に基づいて、タンク２の供給口から供給されて水素供給流路を流れる水素の圧力を所定圧力に減圧する減圧弁７と、この減圧弁７の下流に設けられ、水素供給流路の断面積を変化させることによって水素の供給量を制御する電気式圧力調整弁９と、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御するコントローラ２０とを備える。【選択図】図１
2007149398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から充填された燃料ガスを高圧で貯蔵するタンクと、
所定の基準圧に基づいて、前記タンクの供給口から供給されて燃料供給流路を流れる燃料ガスの圧力を所定圧力に減圧する減圧弁と、
前記減圧弁の下流に設けられ、燃料供給流路の断面積を変化させることによって燃料ガスの供給量を制御する電気式圧力調整弁と、
前記減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御する制御手段とを備えること
を特徴とする燃料ガス供給システム。
【請求項２】
前記減圧弁は、大気圧を基準圧としたゲージ圧制御を行う機械式の構造とされ、
前記制御手段は、前記減圧弁における大気圧導入室の圧力を制御して、当該減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項３】
前記減圧弁に大気を導入する大気導入口には、大気を取り込んで圧縮空気を吐出するコンプレッサの空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続され、
前記制御手段は、前記空気供給流路に設けられた遮断弁を制御して、前記コンプレッサの空気吐出側及び吸気側のそれぞれから必要圧力を前記減圧弁に導入し、当該減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御すること
を特徴とする請求項２記載の燃料ガス供給システム。
【請求項４】
前記コンプレッサは、燃料ガスの供給先としての発電装置に酸化剤ガスとしての空気を供給するものであること
を特徴とする請求項３記載の燃料ガス供給システム。
【請求項５】
前記減圧弁における大気圧導入室に設けられたバネのバネ定数を変化させるように駆動するアクチュエータを備え、
前記制御手段は、前記アクチュエータを駆動して前記バネのバネ定数を変化させ、前記減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項６】
前記減圧弁には、当該減圧弁における弁体の位置を計測するための距離計測手段が設けられ、
前記制御手段は、前記距離計測手段によって検出される前記弁体の位置と移動時間とによって求められる当該弁体の稼働速度に基づいて、燃料ガスの供給圧力が追従するように前記減圧弁に大気を導入する大気導入口に正圧又は負圧を導入するように制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項７】
前記減圧弁に大気を導入する大気導入口には、大気を取り込んで圧縮空気を吐出するコンプレッサの空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続され、
前記制御手段は、前記空気供給流路に設けられた遮断弁の開時間を、当該空気供給流路を流れる空気圧力に応じて算出し、当該遮断弁を制御すること
を特徴とする請求項６記載の燃料ガス供給システム。
【請求項８】
前記減圧弁には、当該減圧弁における弁体の位置を計測するための距離計測手段が設けられ、
前記制御手段は、前記距離計測手段によって検出される前記弁体の位置と移動時間とによって求められる当該弁体の稼働速度に基づいて、燃料ガスの供給圧力が追従するように前記減圧弁に導入する大気の導入流量速度を変動させるように制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項９】
前記減圧弁に大気を導入する大気導入口には、大気を取り込んで圧縮空気を吐出するコンプレッサの空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続され、
前記制御手段は、前記空気供給流路に設けられたスピードコントローラの開速度を、当該空気供給流路を流れる空気圧力に応じて算出し、当該スピードコントローラを制御すること
を特徴とする請求項８記載の燃料ガス供給システム。
【請求項１０】
前記タンクの内部圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力検出手段によって検出される前記タンクの内部圧力から当該タンクの容積を換算して求め、状態方程式を利用して燃料ガスの流量を算出し、前記減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力とともに、算出した当該燃料ガスの流量を制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、実験式を利用して前記タンクの内部温度を求めること
を特徴とする請求項１０記載の燃料ガス供給システム。
【請求項１２】
前記タンクの内部圧力によって生じる歪みを検出する歪み検出手段を備え、
前記制御手段は、前記タンクの内部圧力ではなく、前記歪み検出手段によって検出された歪みに基づいて、前記タンクの容積を換算して求めること
を特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の燃料ガス供給システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記タンクから燃料ガスの供給先までの燃料供給流路における燃料ガスの漏れを検出し、燃料ガスの漏れを検出した場合には、当該燃料ガスの供給を遮断すること
を特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の燃料ガス供給システム。
【請求項１４】
外部から充填された燃料ガスを高圧でタンクに貯蔵する工程と、
所定の基準圧に基づいて、前記タンクの供給口から供給されて燃料供給流路を流れる燃料ガスの圧力を減圧弁によって所定圧力に減圧する工程と、
前記減圧弁の下流に設けられた電気式圧力調整弁によって燃料供給流路の断面積を変化させて燃料ガスの供給量を制御する工程と、
前記減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御する工程とを備えること
を特徴とする燃料ガス供給制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを貯蔵し、貯蔵した燃料ガスを所定の供給先に供給する燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給制御方法に関し、特に、燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに適用される燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、例えば車両の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば車両に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプのものが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子電解質膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池においては、水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子電解質膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子電解質膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
このような燃料電池システムを動力源として用いる燃料電池車両においては、燃料ガスとしての水素を高圧貯蔵タンクから燃料電池を含む発電装置に供給する。ここで、燃料電池車両においては、高圧貯蔵タンクに貯蔵された水素の圧力が当該燃料電池車両に要求される圧力よりも高いことから、そのまま使用することができない。そこで、燃料電池車両においては、減圧弁を用いて高圧貯蔵タンクから供給される水素の圧力を所定の圧力に減圧制御することが行われている（例えば、特許文献１乃至特許文献４等参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１００５８３号公報
【特許文献２】特開昭６０−１３００６０号公報
【特許文献３】特開２００４−１８５０５２号公報
【特許文献４】特開２００４−１８５８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、減圧弁は、燃料ガスの流量に応じて当該燃料ガスの供給圧力が変動する特性を有する。一般には、燃料ガスの供給圧力は、当該燃料ガスの流量を０から増加させると急激に減少した後、略一定を保ち、さらに当該燃料ガスの流量が所定値を超えると、急激に減少する傾向にある。また、この供給圧力の変動量は、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで異なり、ヒステリシスを有している。
【０００６】
ここで、燃料電池車両のように高圧気体を燃料とする車両においては、当該車両を加減速するためにアクセル開度の操作が行われ、このアクセル開度に応じて、燃料の使用量が変動する。したがって、かかる車両においては、燃料ガスの流量に応じて供給圧力が変動する減圧弁を使用する場合には、燃料電池のような発電装置に供給される当該燃料ガスの圧力が安定せず、固体高分子電解質膜の耐圧性も上げる必要があり、コストの高騰と発電能力の低下とを招来するという問題があった。
【０００７】
また、燃料電池車両の出力は、燃料電池を含む発電装置によって発電されるが、その発電に必要な燃料ガスの供給量は、減圧弁の下流に設置され、流路の断面積を変化させることができる電気式圧力調整弁によって制御される。ここで、燃料電池車両においては、電気式圧力調整弁の上流における圧力、すなわち、減圧弁の下流における圧力が変動すると、流路断面積と燃料ガスの流量とを対応させていることから、当該電気式圧力調整弁の制御安定性を得ることができない。このように、燃料電池車両においては、燃料ガスの供給量が圧力制御であるとともに、供給圧力の変動量がヒステリシスを有することから、当該燃料ガスの流量変動が大きい場合には、目標とする当該燃料ガスの制御圧力に対して、制御したい流量にばらつきが生じ、燃費を悪化させる要因となっている。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、安定した圧力で燃料ガスを発電装置に供給することができ、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給制御方法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】
本発明にかかる燃料ガス供給システムは、所定の基準圧に基づいて、燃料ガスを高圧で貯蔵するタンクの供給口から供給されて燃料供給流路を流れる燃料ガスの圧力を減圧弁によって所定圧力に減圧し、減圧弁の下流に設けられた電気式圧力調整弁によって燃料供給流路の断面積を変化させて燃料ガスの供給量を制御し、減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御することにより、上述の課題を解決する。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料ガス供給制御方法は、外部から充填された燃料ガスを高圧でタンクに貯蔵し、所定の基準圧に基づいて、タンクの供給口から供給されて燃料供給流路を流れる燃料ガスの圧力を減圧弁によって所定圧力に減圧し、減圧弁の下流に設けられた電気式圧力調整弁によって燃料供給流路の断面積を変化させて燃料ガスの供給量を制御し、減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給制御方法においては、減圧弁の下流における燃料ガスの供給圧力の変動量を、燃料ガスの流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御することから、安定した圧力で燃料ガスを発電装置に供給することができ、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、当該車両を走行させるための駆動トルクを発生させる燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素を貯蔵し、貯蔵した水素を、燃料電池スタックを含む発電装置に供給する燃料ガス供給システムとしての高圧水素貯蔵システムである。
【００１４】
［第１の実施の形態］
［高圧水素貯蔵システムの構成］
高圧水素貯蔵システムは、図１に示すように、充填カプラ１を介して図示しない水素ステーションから充填された水素を高圧で貯蔵するタンク２を備える。このタンク２には、充填カプラ１から延在する水素供給流路が接続される充填口に逆止弁３が取り付けられるとともに、図示しない燃料電池スタックを含む発電装置への水素供給流路が接続される供給口に遮断弁４が取り付けられている。高圧水素貯蔵システムにおいては、逆止弁３によって充填水素の逆流が防止されるとともに、遮断弁４によって閉止されることにより、タンク２の内部に例えば３５ＭＰａ程度の高圧で水素が貯蔵される。また、高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２の内部に貯蔵された水素温度が高温になる事態が発生したときに当該タンク２の破裂を防止するために、所定温度で溶解する溶栓弁５を当該タンク２に取り付けている。
【００１５】
このようなタンク２の内部に貯蔵された水素は、コントローラ２０の制御のもとに、発電装置への水素供給流路に設けられた遮断弁４，６を開弁することによって発電装置に供給される。ここで、高圧水素貯蔵システムにおいては、これら遮断弁４，６の間に減圧弁７を設けている。
【００１６】
減圧弁７は、大気圧を基準圧としたゲージ圧制御を行う機械式の構造とすることができる。例えば、減圧弁７としては、図２に示すように、大気導入口から大気が導入される大気圧導入室と水素供給流路とをダイアフラム３１によって分離するとともに、大気圧導入室に設けられたバネ３２によって上下方向に移動可能な弁体３３を水素供給流路に介在するように設け、大気圧に晒されたバネ３２の付勢力と水素の供給圧力とに基づいて弁体３３の位置を調整するダイアフラム式のものを用いることができる。
【００１７】
また、減圧弁７としては、図３に示すように、大気導入口から導入される大気圧に晒されたバネ４１の付勢力と水素の供給圧力とに基づいて上下方向に移動可能なピストン４２と、水素供給流路に介設された弁体４３とを用いて構成されるピストン式のものを用いることができる。
【００１８】
このような減圧弁７を備える高圧水素貯蔵システムにおいては、図１に示すように、コントローラ２０の制御のもとに、大気導入流路に設けられた遮断弁８を開弁することによって大気導入口から大気を導入し、水素供給流路を流れる水素の圧力を例えば０．９ＭＰａ程度の所定圧力に減圧した上で、減圧弁７の下流に設けられた電気式圧力調整弁９を介して水素を発電装置に供給する。このとき、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、電気式圧力調整弁９を作動させて水素供給流路の断面積を変化させることによって流路抵抗を変化させ、必要な流量の水素を発電装置に供給する。なお、高圧水素貯蔵システムにおいては、減圧弁７の上流側及び下流側のそれぞれに圧力センサ１０，１１を設け、コントローラ２０によって当該減圧弁７の上流側及び下流側における水素の供給圧力を検出している。
【００１９】
また、高圧水素貯蔵システムは、減圧弁７の大気導入口に、コンプレッサモータ１２によって駆動されて大気を取り込んで圧縮空気を吐出するコンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路を接続し、当該コンプレッサ１３の空気吐出側における正圧と、当該コンプレッサ１３の吸気側における負圧とを利用する構成とされる。すなわち、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路に遮断弁１４，１５を設け、コントローラ２０の制御のもとに、減圧弁７の変動に応じて遮断弁１４，１５を作動させて必要圧力を当該減圧弁７に導入することにより、当該減圧弁７の下流における水素の供給圧力を制御する。このとき、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路に設けられた圧力センサ１６，１７によって検出される空気圧力をコントローラ２０によって監視することにより、遮断弁１４，１５を制御する。
【００２０】
なお、コンプレッサ１３としては、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタックを含む発電装置に供給するために燃料電池システムの空気供給系に設けられるものを用いることができる。また、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の運転流量の変動を平坦化するために、必要に応じて、コンプレッサ１３の空気吐出側から延在する空気供給流路にオリフィス１８を設けてもよい。
【００２１】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
このような高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０により、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御する。すなわち、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０によって減圧弁７における大気圧導入室の圧力を制御することにより、図４に示すように、水素流量を減少させる場合における減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量曲線Ｐ＋と、水素流量を増加させる場合における減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量曲線Ｐ−とが、ともに、変動量曲線Ｐとなるように制御する。換言すれば、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０によって大気圧Ｐ０と圧力センサ１１によって検出される減圧弁７の下流における圧力とを監視し、Ｐ＋−Ｐ又はＰ−Ｐ−を０に近付けるように、減圧弁７における大気圧導入室の圧力を制御する。
【００２２】
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、図５に示すような一連の手順にしたがった処理を行い、電気式圧力調整弁９の流量指令値に基づいて、予測した減圧弁７における大気圧導入室の圧力を決定するフィードフォワード制御を行う。
【００２３】
まず、コントローラ２０は、同図に示すように、ステップＳ１において、当該高圧水素貯蔵システムを起動すると、ステップＳ２において、遮断弁８を開弁することによって減圧弁７における大気導入口から大気を導入させる。
【００２４】
続いて、コントローラ２０は、ステップＳ３において、車両の走行に要求される水素量を取得すると、ステップＳ４において、取得した水素量に基づいて、減圧弁７の下流における圧力センサ１１によって検出される圧力値Ｐ２を予測する。
【００２５】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ５において、ΔＰ＝（Ｐ＋＋Ｐ０）−（Ｐ−Ｐ０）における右辺第１項におけるＰ０を変化させてΔＰ→０としたときの圧力値Ｐと、予測した圧力値Ｐ２とを比較する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＜Ｐ２である場合には、ステップＳ６において、値｜Ｐ−Ｐ２｜が所定の第１の値と略等しいか、第１の値よりも小さい第２の値と略等しいかを判定した上でステップ８へと処理を移行し、減圧弁７における大気導入室の圧力過不足量と、圧力センサ１６，１７によって検出される圧力値とに基づいて、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出する。
【００２６】
一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＞Ｐ２である場合には、ステップＳ７において、値｜Ｐ−Ｐ２｜が所定の第１の値と略等しいか、第１の値よりも小さい第２の値と略等しいかを判定した上でステップ８へと処理を移行し、減圧弁７における大気導入室の圧力過不足量と、圧力センサ１６，１７によって検出される圧力値とに基づいて、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出する。
【００２７】
コントローラ２０は、ステップＳ６にて値｜Ｐ−Ｐ２｜が第１の値と略等しいと判定した上でステップＳ８へと処理を移行した場合には、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出すると、ステップＳ９において、減圧弁７における大気導入室の圧力を高めるために、遮断弁１４を開弁するとともに、遮断弁８を閉弁し、ステップＳ１３へと処理を移行する。
【００２８】
また、コントローラ２０は、ステップＳ６にて値｜Ｐ−Ｐ２｜が第２の値と略等しいと判定した上でステップＳ８へと処理を移行した場合には、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出すると、ステップＳ１０において、遮断弁８は開弁したまま遮断弁１４を開弁し、ステップＳ１３へと処理を移行する。
【００２９】
さらに、コントローラ２０は、ステップＳ７にて値｜Ｐ−Ｐ２｜が第１の値と略等しいと判定した上でステップＳ８へと処理を移行した場合には、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出すると、ステップＳ１１において、減圧弁７における大気導入室の圧力を下げるために、遮断弁１５を開弁するとともに、遮断弁８を閉弁し、ステップＳ１３へと処理を移行する。
【００３０】
さらにまた、コントローラ２０は、ステップＳ７にて値｜Ｐ−Ｐ２｜が第２の値と略等しいと判定した上でステップＳ８へと処理を移行した場合には、遮断弁８，１４，１５についての必要な開閉時間やタイミングを算出すると、ステップＳ１２において、遮断弁８は開弁したまま遮断弁１５を開弁し、ステップＳ１３へと処理を移行する。
【００３１】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ１３において、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったか否かを判定する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ１４において、値｜Ｐ−Ｐ２｜と第１の値及び第２の値との大小関係を再度求めた上で、ステップＳ５からの処理を繰り返す。
【００３２】
一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったと判定した場合には、ステップＳ１５へと処理を移行し、遮断弁１４，１５を閉弁するとともに、遮断弁８を開弁する。
【００３３】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ１６において、車両の停止要求があったか否かを判定する。コントローラ２０は、車両の停止要求がない場合には、ステップＳ２からの処理を繰り返す一方で、車両の停止要求があった場合には、ステップＳ１７において、当該高圧水素貯蔵システムを停止させ、一連の処理を終了する。
【００３４】
高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、このような一連の処理を行うことにより、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とすることができる。
【００３５】
［第１の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０により、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御することから、安定した圧力で水素を発電装置に供給することができ、水素の過剰消費を抑制し、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる。
【００３６】
具体的には、この高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７は、大気圧を基準圧としたゲージ圧制御を行う機械式の構造とすることができる。そして、コントローラ２０は、減圧弁７における大気圧導入室の圧力を制御して、当該減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御すればよい。
【００３７】
また、この高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７に大気を導入する大気導入口には、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続される。そして、コントローラ２０は、空気供給流路に設けられた遮断弁１４，１５を制御して、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから必要圧力を減圧弁７に導入し、当該減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御する。これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の空気吐出側における正圧と、当該コンプレッサ１３の吸気側における負圧とを利用する簡便な構成のもとに制御を行うことができる。
【００３８】
なお、コンプレッサ１３としては、水素の供給先としての発電装置に酸化剤ガスとしての空気を供給するものを用いることができる。これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、専用のコンプレッサを設ける必要がなく、システムの大幅な小型化を図ることができる。
【００３９】
［第２の実施の形態］
つぎに、本発明の第２の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【００４０】
この第２の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおける減圧弁の構成を異なるものとしたものである。したがって、第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成及び処理については、同一符号及び同一ステップ番号を付すことによってその説明を省略する。
【００４１】
［高圧水素貯蔵システムの構成］
高圧水素貯蔵システムは、図６に示すように、減圧弁７の駆動を、所定のモータ５２によって駆動されるスクリューアクチュエータ５１によって行うように構成される。
【００４２】
具体的には、減圧弁７は、先に図２に示したダイアフラム式のものを用いる場合には、例えば図７に示すように、大気圧導入室に設けられたバネ３２にスクリューアクチュエータ５１が取り付けられ、コントローラ２０の制御のもとに、バネ３２のバネ定数が、スクリューアクチュエータ５１を駆動させることによって可変に構成される。なお、減圧弁７においては、先に図３に示したピストン式のものを用いる場合には、特に図示しないが、バネ４１にスクリューアクチュエータ５１が取り付けられることになる。
【００４３】
すなわち、高圧水素貯蔵システムにおいては、スクリューアクチュエータ５１を駆動して減圧弁７のバネ３２のバネ定数を変化させることにより、当該減圧弁７の下流における水素の供給圧力の調整を行う。
【００４４】
このような高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、先に図５に示した一連の処理のうち、ステップＳ９乃至ステップＳ１２における処理を、遮断弁の制御ではなく、スクリューアクチュエータ５１の制御とすればよい。
【００４５】
これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムのように、遮断弁８，１４，１５、コンプレッサモータ１２、コンプレッサ１３、圧力センサ１６，１７、及びオリフィス１８等を設ける必要がなく、大幅な小型化を図ることができるとともに、コントローラ２０による制御も簡易なものとなる。
【００４６】
［第２の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムは、減圧弁７における大気圧導入室に設けられたバネのバネ定数を変化させるように駆動するスクリューアクチュエータ５１を備える。そして、コントローラ２０は、スクリューアクチュエータ５１を駆動してバネのバネ定数を変化させ、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とするように制御する。これにより、この高圧水素貯蔵システムにおいては、システムの大幅な小型化を図ることができるとともに、簡易な制御体系で、安定した圧力で水素を発電装置に供給することができ、水素の過剰消費を抑制し、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる。
【００４７】
［第３の実施の形態］
つぎに、本発明の第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【００４８】
この第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおける減圧弁の構成を異なるものとしたものである。したがって、第３の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。
【００４９】
［高圧水素貯蔵システムの構成］
高圧水素貯蔵システムは、先に図１に示した構成とされる。ここで、高圧水素貯蔵システムにおいては、先に図４に示したように、コントローラ２０によって大気圧Ｐ０と圧力センサ１１によって検出される減圧弁７の下流における圧力とを監視し、Ｐ＋−Ｐ又はＰ−Ｐ−を０に近付けるように、減圧弁７における大気圧導入室の圧力を制御する際に、その応答性及び追従性を向上させる。
【００５０】
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、減圧弁７を制御する際の応答性及び追従性を向上させるために、減圧弁７における弁体の位置を計測するためのレーザ距離計を当該減圧弁７に設ける。
【００５１】
例えば、減圧弁７としては、先に図２に示したダイアフラム式のものにレーザ距離計を設けた場合には、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、バネ３２が設けられた大気圧導入室の上面にレーザ距離計６１を設ければよい。これにより、レーザ距離計６１は、大気圧導入室の上面から底面に向けてレーザ光を出射し、当該底面によって反射された反射光を受光することにより、当該大気圧導入室の高さ、すなわち、弁体３３の位置を計測することができる。
【００５２】
また、減圧弁７としては、先に図３に示したピストン式のものにレーザ距離計を設けた場合には、図９に示すように、ピストン４２の移動距離を計測可能な位置にレーザ距離計６１を設ければよい。これにより、レーザ距離計６１は、ピストン４２の底面に向けてレーザ光を出射し、当該底面によって反射された反射光を受光することにより、ピストン４２の位置、すなわち、弁体４３の位置を計測することができる。
【００５３】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
このような減圧弁７を備える高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、減圧弁７の下流における水素の供給圧力について、予め既知である電気式圧力調整弁９の開閉による圧力センサ１１による圧力値Ｐ２への影響に基づいて、当該減圧弁７における大気導入口の圧力を制御する。このとき、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、レーザ距離計６１によって検出される弁体の位置と移動時間とによって求められる当該弁体の稼働速度に基づいて、水素の供給圧力が追従するように減圧弁７における大気導入口に正圧又は負圧を導入するように制御する。
【００５４】
また、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、遮断弁１４，１５の開時間を圧力センサ１６，１７によって検出される圧力値Ｐ３，Ｐ４に応じて算出することにより、当該遮断弁１４，１５の制御を行う。具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、図１０に示すような一連の手順にしたがった処理を行い、電気式圧力調整弁９の流量指令値に基づいて、予測した減圧弁７における大気圧導入室の圧力を決定するフィードフォワード制御を行う。
【００５５】
まず、コントローラ２０は、同図に示すように、ステップＳ２１において、当該高圧水素貯蔵システムを起動すると、ステップＳ２２において、遮断弁８を開弁することによって減圧弁７における大気導入口から大気を導入させる。
【００５６】
また、コントローラ２０は、ステップＳ２３において、車両の走行に要求される水素量を取得するとともに、ステップＳ２４において、レーザ距離計６１による検出結果に基づく減圧弁７における弁体の稼働速度を取得し、さらに、ステップＳ２５において、車両の走行に要求される水素量に基づく電気式圧力調整弁９の開閉速度を求める。そして、コントローラ２０は、ステップＳ２６において、現在の圧力センサ１１によって検出される圧力値Ｐ２に基づいて、その変動値及び変動速度を算出する。
【００５７】
なお、圧力センサ１１によって検出される圧力値Ｐ２と電気式圧力調整弁９の開閉速度との関係は、マップＭ１のように表され、圧力センサ１１によって検出される圧力値Ｐ２の変動速度と減圧弁７の弁体の稼働速度との関係は、マップＭ２のように表され、減圧弁７の弁体の稼働速度とレーザ距離計６１によって検出される距離の変動速度との関係は、マップＭ３のように表される。コントローラ２０は、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶されたこのようなマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３を参照することにより、ステップＳ２４乃至ステップＳ２６の処理を行う。
【００５８】
続いて、コントローラ２０は、ステップＳ２７において、ΔＰ＝（Ｐ＋＋Ｐ０）−（Ｐ−Ｐ０）における右辺第１項におけるＰ０を変化させてΔＰ→０としたときの圧力値Ｐと、予測した圧力値Ｐ２とを比較する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＜Ｐ２である場合には、ステップＳ２８において、遮断弁８を閉弁した上で、ステップＳ２９において、圧力センサ１６によって検出される圧力値Ｐ３に応じた遮断弁１４の開時間を算出し、ステップＳ３０において、算出した開時間だけ当該遮断弁１４を開弁し、ステップＳ３４へと処理を移行する。一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＞Ｐ２である場合には、ステップＳ３１において、遮断弁８を閉弁した上で、ステップＳ３２において、圧力センサ１７によって検出される圧力値Ｐ４に応じた遮断弁１５の開時間を算出し、ステップＳ３３において、算出した開時間だけ当該遮断弁１５を開弁し、ステップＳ３４へと処理を移行する。
【００５９】
なお、遮断弁１４の開時間と減圧弁７の弁体の稼働速度との関係は、マップＭ４のように表され、遮断弁１５の開時間と減圧弁７の弁体の稼働速度との関係は、マップＭ５のように表される。コントローラ２０は、図示しないＲＯＭ等に記憶されたこのようなマップＭ４，Ｍ５を参照することにより、ステップＳ２９又はステップＳ３２の処理を行う。
【００６０】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ３４において、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったか否かを判定する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ３５において、値｜Ｐ−Ｐ２｜と所定の第１の値及びこの第１の値よりも小さい第２の値との大小関係を再度求めた上で、ステップＳ２７からの処理を繰り返す。
【００６１】
一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったと判定した場合には、ステップＳ３６へと処理を移行し、遮断弁１４，１５を閉弁するとともに、遮断弁８を開弁する。
【００６２】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ３７において、車両の停止要求があったか否かを判定する。コントローラ２０は、車両の停止要求がない場合には、ステップＳ２６からの処理を繰り返す一方で、車両の停止要求があった場合には、ステップＳ３８において、当該高圧水素貯蔵システムを停止させ、一連の処理を終了する。
【００６３】
高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、このような一連の処理を行うことにより、減圧弁７における大気圧導入室の圧力を、良好な応答性及び追従性のもとに、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とすることができる。
【００６４】
［第３の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第３の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７には、当該減圧弁７における弁体の位置を計測するためのレーザ距離計６１が設けられる。そして、コントローラ２０は、レーザ距離計６１によって検出される弁体の位置と移動時間とによって求められる当該弁体の稼働速度に基づいて、水素の供給圧力が追従するように減圧弁７に大気を導入する大気導入口に正圧又は負圧を導入するように制御する。これにより、この高圧水素貯蔵システムにおいては、水素の供給圧力の応答性及び追従性を向上させた上で、安定した圧力で水素を発電装置に供給することができることから、使用する水素量の過不足を低減することができ、水素の過剰消費を抑制し、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる。
【００６５】
また、この高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７に大気を導入する大気導入口には、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続される。そして、コントローラ２０は、空気供給流路に設けられた遮断弁１４，１５の開時間を、当該空気供給流路を流れる空気圧力に応じて算出し、当該遮断弁１４，１５を制御する。これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の空気吐出側における正圧と、当該コンプレッサ１３の吸気側における負圧とを利用する簡便な構成のもとに制御を行うことができる。
【００６６】
［第４の実施の形態］
つぎに、本発明の第４の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【００６７】
この第４の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第３の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおけるコンプレッサの空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路に設けられた遮断弁の代わりに、スピードコントローラを設けたものである。したがって、第４の実施の形態の説明においては、第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成及び処理については、同一符号及び同一ステップ番号を付すことによってその説明を省略する。
【００６８】
［高圧水素貯蔵システムの構成］
高圧水素貯蔵システムは、図１１に示すように、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路にスピードコントローラ７１，７２を設け、コントローラ２０の制御のもとに、減圧弁７における弁体の稼働速度に応じて、大気の導入流量速度を変動させるように構成される。
【００６９】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、図１２に示すような一連の手順にしたがった処理を行い、電気式圧力調整弁９の流量指令値に基づいて、予測した減圧弁７における大気圧導入室の圧力を決定するフィードフォワード制御を行う。
【００７０】
まず、コントローラ２０は、同図に示すように、ステップＳ２１乃至ステップＳ２７の処理を行い、ΔＰ＝（Ｐ＋＋Ｐ０）−（Ｐ−Ｐ０）における右辺第１項におけるＰ０を変化させてΔＰ→０としたときの圧力値Ｐと、予測した圧力値Ｐ２とを比較する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＜Ｐ２である場合には、ステップＳ２８において、遮断弁８を閉弁した上で、ステップＳ４１において、求めた開速度でスピードコントローラ７１を開弁し、ステップＳ３４へと処理を移行する。一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＞Ｐ２である場合には、ステップＳ３１において、遮断弁８を閉弁した上で、ステップＳ４２において、求めた開速度でスピードコントローラ７２を開弁し、ステップＳ３４へと処理を移行する。
【００７１】
なお、スピードコントローラ７１の開速度と減圧弁７の弁体の稼働速度との関係は、マップＭ６のように表され、スピードコントローラ７２の開速度と減圧弁７の弁体の稼働速度との関係は、マップＭ７のように表される。コントローラ２０は、図示しないＲＯＭ等に記憶されたこのようなマップＭ６，Ｍ７を参照することにより、ステップＳ４１又はステップＳ４２の処理を行う。
【００７２】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ３４において、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったか否かを判定する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ３５において、値｜Ｐ−Ｐ２｜と所定の第１の値及びこの第１の値よりも小さい第２の値との大小関係を再度求めた上で、ステップＳ２７からの処理を繰り返す。
【００７３】
一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったと判定した場合には、ステップＳ４３へと処理を移行し、スピードコントローラ７１，７２を閉弁するとともに、遮断弁８を開弁する。
【００７４】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ３７及びステップＳ３８の処理を行い、一連の処理を終了する。
【００７５】
高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、このような一連の処理を行うことにより、減圧弁７における大気圧導入室の圧力を、良好な応答性及び追従性のもとに、減圧弁７の下流における水素の供給圧力の変動量を、水素流量を増加させる場合と減少させる場合とで一定とすることができる。
【００７６】
［第４の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第４の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７には、当該減圧弁７における弁体の位置を計測するためのレーザ距離計６１が設けられる。そして、コントローラ２０は、レーザ距離計６１によって検出される弁体の位置と移動時間とによって求められる当該弁体の稼働速度に基づいて、水素の供給圧力が追従するように減圧弁７に導入する大気の導入流量速度を変動させるように制御する。これにより、この高圧水素貯蔵システムにおいては、水素の供給圧力の応答性及び追従性を向上させた上で、安定した圧力で水素を発電装置に供給することができることから、使用する水素量の過不足を低減することができ、水素の過剰消費を抑制し、コストの低下と発電能力及び燃費の向上とを図ることができる。
【００７７】
また、この高圧水素貯蔵システムにおいて、減圧弁７に大気を導入する大気導入口には、コンプレッサ１３の空気吐出側及び吸気側のそれぞれから延在する空気供給流路が接続される。そして、コントローラ２０は、空気供給流路に設けられたスピードコントローラ７１，７２の開速度を、当該空気供給流路を流れる空気圧力に応じて算出し、当該スピードコントローラ７１，７２を制御する。これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、コンプレッサ１３の空気吐出側における正圧と、当該コンプレッサ１３の吸気側における負圧とを利用する簡便な構成のもとに制御を行うことができる。
【００７８】
［第５の実施の形態］
つぎに、本発明の第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【００７９】
この第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムを改良し、水素の供給圧力のみならず水素の流量も制御するものである。したがって、第５の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。
【００８０】
［高圧水素貯蔵システムの構成］
高圧水素貯蔵システムは、先に図１に示した構成とされる。ここで、高圧水素貯蔵システムは、特に図示しないが、タンク２の内部の圧力を検出する圧力センサと、当該タンク２の内部の温度を検出する温度センサとを備える。
【００８１】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
このような高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、タンク２の内部の圧力から当該タンク２の容積を換算して求め、状態方程式を利用して水素流量を算出する。そして、高圧水素貯蔵システムにおいては、減圧弁７の水素の供給圧力の変動量が有するヒステリシスにおける流量変動を抑制するために、コントローラ２０によって算出した水素流量を制御することにより、水素の供給圧力及び流量をともに制御する。
【００８２】
すなわち、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０によって水素流量を制御することにより、図１３に示すように、同図破線で示す水素の供給圧力の変動量曲線Ｐを、同図実線で示す略線形の変動量曲線Ｐ’とし、流量に対する供給圧力の変動量を最小化する。
【００８３】
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、図１４に示すような一連の手順にしたがった処理を行う。
【００８４】
まず、コントローラ２０は、同図に示すように、ステップＳ５１において、当該高圧水素貯蔵システムを起動すると、ステップＳ５２において、遮断弁８を開弁することによって減圧弁７における大気導入口から大気を導入させる。
【００８５】
また、コントローラ２０は、ステップＳ５３において、車両の走行に要求される水素量を取得するとともに、ステップＳ５４において、水素流量を算出し、さらに、ステップＳ５５において、圧力センサ１１によって検出される圧力値Ｐ２を取得する。
【００８６】
ここで、コントローラ２０は、図１５に示すような一連の手順にしたがって、水素流量を算出する。
【００８７】
すなわち、コントローラ２０は、同図に示すように、ステップＳ７１において、タンク２の内部の温度予測計算を開始し、ステップＳ７２において、現在の状態が、水素ステーションからの水素の充填であるのか、発電装置への水素の供給であるのかを判定する。ここで、コントローラ２０は、水素の充填時である場合には、ステップＳ７３において、図示しないＲＯＭ等に記憶されている充填時の温度予測式を使用するモードへと移行する一方で、水素の供給時である場合には、ステップＳ７４において、図示しないＲＯＭ等に記憶されている供給時の温度予測式を使用するモードへと移行する。
【００８８】
また、コントローラ２０は、ステップＳ７５において、ステップＳ７１の処理を開始した時刻からの経過時間τを取得するとともに、ステップＳ７６において、タンク２の内部の圧力Ｐ、ステップＳ７７において、当該タンク２の内部の温度を取得する。さらに、コントローラ２０は、ステップＳ７８において、タンク２の内部の圧力又はその圧力による歪みεを取得すると、ステップＳ７９において、これら圧力又は歪みεに基づいて、当該タンク２の正確な容積Ｖを換算して求める。なお、歪みεに基づいてタンク２の正確な容積Ｖを求める方法については、第８の実施の形態にて説明する。
【００８９】
そして、コントローラ２０は、水素の充填時である場合には、ステップＳ７３からステップＳ８０へと処理を移行し、ステップＳ７５乃至ステップＳ７９にて取得した経過時間τ、タンク２の内部の圧力Ｐ、当該タンク２の内部の温度Ｔ、及び当該タンク２の容積Ｖに基づいて、状態方程式から導かれる温度Ｔについての関数ψ（ｑ，Ｐ，Ｖ，τ）と、水素の充填時における水素流量とタンク２の内部の温度との関係を表す関数Ｊ（Ｔ０，ｑ）との連立方程式を解く。ここで、ｑは、タンク２の内部の水素質量ｍを用いてｍ／τで表されるパラメータ、すなわち、流量であり、Ｔ０は、タンク２の内部の初期温度である。
【００９０】
一方、コントローラ２０は、水素の供給時である場合には、ステップＳ７４からステップＳ８１へと処理を移行し、ステップＳ７５乃至ステップＳ７９にて取得した経過時間τ、タンク２の内部の圧力Ｐ、当該タンク２の内部の温度Ｔ、及び当該タンク２の容積Ｖに基づいて、状態方程式から導かれる温度Ｔについての関数ψ（ｑ，Ｐ，Ｖ，τ）と、水素の供給時における水素流量とタンク２の内部の温度との関係を表す関数Ｈ（Ｔ０，ｑ，τ）との連立方程式を解く。
【００９１】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ８２において、タンク２の内部の水素質量ｍを求め、一連の処理を終了する。ここで、タンク２の内部の水素質量ｍは、タンク２の内部の圧力Ｐをパラメータとしたとき、当該タンク２の内部の温度Ｔ及び当該タンク２の容積Ｖを用いて、例えば図１６に示すようなマップとして表される。コントローラ２０は、このようにして水素質量ｍを求め、経過時間τで除すことにより、水素流量ｑを算出することができる。
【００９２】
さて、コントローラ２０は、図１４に示すように、ステップＳ５６において、図示しないＲＯＭ等に記憶されている水素流量と値Ｐ−Ｐ２との関係を示すマップＭ８を参照し、求めた水素流量に対応する値Ｐ−Ｐ２を求め、さらに、図示しないＲＯＭ等に記憶されている値Ｐ−Ｐ２と減圧弁７における弁体の気口圧力値Ｐ’との関係を示すマップＭ９を参照し、求めた値Ｐ−Ｐ２に対応する弁体の気口圧力値Ｐ’を求める。
【００９３】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ５７において、ΔＰ＝（Ｐ＋＋Ｐ０）−（Ｐ−Ｐ０）における右辺第１項におけるＰ０を変化させてΔＰ→０としたときの圧力値Ｐと、予測した圧力値Ｐ２とを比較する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＜Ｐ２である場合には、ステップＳ５８において、減圧弁７における大気導入室の圧力を高めるために、遮断弁１４を開弁するとともに、遮断弁８を閉弁する。そして、コントローラ２０は、ステップＳ５９において、圧力値Ｐ２と弁体の気口圧力値Ｐ’とを比較し、これら圧力値Ｐ２，Ｐ’が等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ５８からの処理を繰り返す一方で、圧力値Ｐ２，Ｐ’が等しくなったと判定した場合には、ステップＳ６２へと処理を移行する。
【００９４】
一方、コントローラ２０は、ステップＳ５７において、圧力値Ｐ，Ｐ２の関係がＰ＞Ｐ２である場合には、ステップＳ６０において、減圧弁７における大気導入室の圧力を下げるために、遮断弁１５を開弁するとともに、遮断弁８を閉弁する。そして、コントローラ２０は、ステップＳ６１において、圧力値Ｐ２と弁体の気口圧力値Ｐ’とを比較し、これら圧力値Ｐ２，Ｐ’が等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ６０からの処理を繰り返す一方で、圧力値Ｐ２，Ｐ’が等しくなったと判定した場合には、ステップＳ６２へと処理を移行する。
【００９５】
続いて、コントローラ２０は、ステップＳ６２において、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったか否かを判定する。ここで、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなっていないと判定した場合には、ステップＳ６３において、値｜Ｐ−Ｐ２｜と所定の第１の値及びこの第１の値よりも小さい第２の値との大小関係を再度求めた上で、ステップＳ５６からの処理を繰り返す。
【００９６】
一方、コントローラ２０は、圧力値Ｐ，Ｐ２が略等しくなったと判定した場合には、ステップＳ６４へと処理を移行し、遮断弁１４，１５を閉弁するとともに、遮断弁８を開弁する。
【００９７】
そして、コントローラ２０は、ステップＳ６５において、車両の停止要求があったか否かを判定する。コントローラ２０は、車両の停止要求がない場合には、ステップＳ５６からの処理を繰り返す一方で、車両の停止要求があった場合には、ステップＳ６６において、当該高圧水素貯蔵システムを停止させ、一連の処理を終了する。
【００９８】
高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、このような一連の処理を行うことにより、水素の供給圧力及び流量をともに制御することができ、流量に対する供給圧力の変動量を最小化することができる。
【００９９】
［第５の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第５の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、圧力センサによって検出されるタンク２の内部の圧力Ｐから当該タンク２の容積Ｖを換算して求め、状態方程式を利用して水素流量を算出し、減圧弁７の下流における水素の供給圧力とともに、算出した当該水素流量を制御する。これにより、この高圧水素貯蔵システムにおいては、発電装置に水素を過不足なく供給することが可能となるため、水素の過剰消費を抑制し、燃費を向上させることが可能となる。
【０１００】
［第６の実施の形態］
つぎに、本発明の第６の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【０１０１】
この第６の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムを改良し、水素供給流路における水素の漏れを検出するものである。したがって、第６の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。
【０１０２】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２から下流の発電装置に対する水素の供給量が過大とならないように、所定の燃料過流防止装置を設置することが保安基準によって義務付けられている。ここで、従来の燃料過流防止装置の種類としては、ａ）機械式過流防止弁による機械的燃料遮断を行うもの、ｂ）圧力検出装置によって検出される圧力降下速度に基づく間接測定を行って過流検出時に燃料遮断を行うもの、ｃ）流量計測装置による過流検出時に燃料遮断を行うものの３方法が提案されている。
【０１０３】
しかしながら、ａ）及びｂ）に示す方法は、誤差が大きいことから、過流であるとする設定値を下限値に設定しなければならず、また、広範囲で検出可能な過流検出装置を必要とすることから、コストの高騰を招来するという問題がある。また、ｃ）に示す方法は、高精度の過流検出装置のサイズが大きく、質量も大きいことから、車両に搭載するのが困難であり、実用化されていない。
【０１０４】
そこで、第６の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２から供給される水素量と電気式圧力調整弁９の指令値との差異を検出し、タンク２から発電装置までの水素供給流路における水素漏れを検出する。
【０１０５】
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、図１７に示すような一連の手順にしたがった処理を行う。
【０１０６】
まず、コントローラ２０は、同図に示すように、起動指令を受信すると、ステップＳ９１において、タンク２の内部の水素残量を取得するとともに、ステップＳ９２において、前回停止時における当該タンク２の内部の水素残量を取得する。
【０１０７】
続いて、コントローラ２０は、ステップＳ９３において、ステップＳ９１及びステップＳ９２にて取得した水素残量の差分値を求め、水素の漏洩量が規定の閾値以内であるか否かを判定する。
【０１０８】
ここで、コントローラ２０は、水素の漏洩量が規定の閾値以内でない場合には、タンク２から発電装置までの水素供給流路における水素漏れが生じている可能性があることから、ステップＳ９４において、所定の警報を出力した上で、ステップＳ９５において、モータのみでの走行を行うＥＶモードへと運転モードを切り替え、当該高圧水素貯蔵システムを停止する。一方、コントローラ２０は、水素の漏洩量が規定の閾値以内である場合には、ステップＳ９６において、当該高圧水素貯蔵システムを起動した上で、ステップＳ９７において、タンク２の内部の水素残量の減少速度が、車両の走行に要求される水素量よりも小さいか否かを判定する。
【０１０９】
コントローラ２０は、タンク２の内部の水素残量の減少速度が、車両の走行に要求される水素量よりも小さい場合には、ステップＳ９３からの処理を繰り返す。一方、コントローラ２０は、タンク２の内部の水素残量の減少速度が、車両の走行に要求される水素量以上である場合には、タンク２から発電装置までの水素供給流路における水素漏れが生じている可能性があることから、ステップＳ９８において、所定の警報を出力した上で、ステップＳ９９において、モータのみでの走行を行うＥＶモードへと運転モードを切り替え、さらにステップＳ１００において、水素の供給を遮断し、当該高圧水素貯蔵システムを停止する。
【０１１０】
高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、このような一連の処理を行うことにより、タンク２から発電装置までの水素供給流路における水素漏れを検出することができる。
【０１１１】
なお、この第６の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムの水素漏れ検出、水素漏れを検出した場合の水素の供給遮断を行う構成並びに制御手法は、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムだけではなく、第２乃至第５の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システム、後述する第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおいても適用することができる。
【０１１２】
［第６の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第６の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、タンク２から発電装置までの水素供給流路における水素漏れを検出し、水素漏れを検出した場合には、当該水素の供給を遮断する。これにより、この高圧水素貯蔵システムにおいては、特殊な装置を用いることなく水素の供給を遮断することができ、低コストのもとに、水素の過流防止を図ることができる。
【０１１３】
［第７の実施の形態］
つぎに、本発明の第７の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【０１１４】
この第７の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第１の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムを改良し、タンク内部の温度を検出する温度センサを不要とするものである。したがって、第７の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。
【０１１５】
［高圧水素貯蔵システムの構成］
通常、高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２に水素を貯蔵して遮断するために当該タンク２の口元に主止弁が設けられている。そして、高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２の内部の温度を検出するために、主止弁から当該タンク２の内部に電線を挿通して温度センサを設けるため、電線部をシールする必要がある。具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、例えば図１８に示すように、シール部をワイヤーパススルーと称されるガスシール構造１０１を採用し、温度センサ１０２をタンク２の内部に設置している。
【０１１６】
ここで、近年では、車両に搭載するタンク２の内部における水素圧力は、その貯蔵量を多くするために増大傾向にある。そのため、高圧水素貯蔵システムにおいては、コストの高いシール技術の採用を必要とし、タンク２のコストの高騰を招来している。
【０１１７】
そこで、第７の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおいては、温度を直接測定せずに、実験式を利用した間接測定を行うことにより、例えば図１９に示すように、タンク２の内部に設けるべき温度センサを不要とする。
【０１１８】
［高圧水素貯蔵システムの動作］
具体的には、高圧水素貯蔵システムにおいては、例えば図２０に示すように、タンク２の容積Ｖと、当該タンク２の内部の圧力Ｐとの関係を実験によって求める。ここで、タンク２の内部の圧力Ｐは、状態方程式から次式（１）に示すように表すことができる。なお、次式（１）において、Ａは、実験による補正係数であり、Ｒは、ガス定数であり、Ｔは、タンク２の内部の温度であり、Ｖは、当該タンク２の内部の容積であり、ｎは、当該タンク２の内部に存在する水素のモル数であり、ａ，ｂは、レッドリッチ定数である。
【数１】
2007149398.tif 000003
【０１１９】
ここで、タンク２の内部の水素の質量ｍは、そのモル数ｎと水素の分子量ｍＨ２とを用いて、ｍ＝ｎ×ｍＨ２で表すことができる。したがって、タンク２の内部の圧力Ｐは、関数ｆ（Ｔ，ｍ，Ｖ）で表すことができる。換言すれば、タンク２の内部の水素の質量ｍは、関数ｇ（Ｐ，Ｔ，Ｖ）で表すことができる。また、ある時間τの間に流れる水素の流量ｑは、タンク２の内部の水素の質量ｍを用いて、ｑ＝ｍ／τで表すことができる。したがって、タンク２の内部の温度Ｔは、関数ψ（ｑ，Ｐ，Ｖ，τ）で表すことができる。
【０１２０】
高圧水素貯蔵システムにおいては、かかるＴ＝ψ（ｑ，Ｐ，Ｖ，τ）を用いて、タンク２の内部の初期温度Ｔ０を求める。
【０１２１】
また、高圧水素貯蔵システムにおいては、例えば図２１に示すように、水素ステーションからの水素の充填時におけるタンク２の内部の温度Ｔと水素流量ｑとの関係を実験によって求めておく。具体的には、水素の充填時におけるタンク２の内部の温度Ｔは、初期温度Ｔ０と水素流量ｑとを用いて、Ｔ＝Ｔ０＋αｑβ＝Ｊ（Ｔ０，ｑ）で表すことができる。なお、α，βは、定数である。したがって、高圧水素貯蔵システムにおいては、求めた初期温度Ｔ０と水素流量ｑとを用いることにより、水素の充填時におけるタンク２の内部の温度Ｔを求めることができる。
【０１２２】
一方、高圧水素貯蔵システムにおいては、例えば図２２に示すように、発電装置への水素の供給時におけるタンク２の内部の温度Ｔと水素流量ｑとの関係についても実験によって求めておく。具体的には、水素の供給時におけるタンク２の内部の温度Ｔは、初期温度Ｔ０と水素流量ｑと経過時間τとを用いて、Ｔ＝Ｔ０−φｑγτθ＝Ｈ（Ｔ０，ｑ，τ）で表すことができる。なお、φ，γ，θは、定数である。したがって、高圧水素貯蔵システムにおいては、求めた初期温度Ｔ０と水素流量ｑと経過時間τとを用いることにより、水素の供給時におけるタンク２の内部の温度Ｔを求めることができる。
【０１２３】
このように、高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２の内部に温度センサを設けることなく、実験式を利用して間接的に求めることができる。
【０１２４】
［第７の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第７の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、実験式を利用してタンク２の内部の温度Ｔを求めることから、当該タンク２の内部に温度センサを設ける必要がなく、システムの小型化を図ることができる。
【０１２５】
［第８の実施の形態］
つぎに、本発明の第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムについて説明をする。
【０１２６】
この第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムは、第５の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいて、タンク内部の圧力による歪みεに基づいて、当該タンクの正確な容積Ｖを換算して求める手法を提案するものである。したがって、第８の実施の形態の説明においては、第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。
【０１２７】
高圧水素貯蔵システムにおいては、タンク２の内部に水素が充填され圧力がかかるのに応じて、例えば図２３に示すように、当該タンク２の軸方向に所定の引張り荷重が生じ、これにともない、歪みε１が生じる。したがって、タンク２の軸方向長さＬ１は、図２４（ａ）に示すように、当該タンク２の軸方向歪みε１に応じて変化することになる。また、高圧水素貯蔵システムにおいては、図２３に示すように、タンク２の円周方向にも所定の引張り荷重が生じ、これにともない、歪みε２が生じる。したがって、タンク２の円周方向長さＬ２も、図２４（ｂ）に示すように、当該タンク２の円周方向歪みε２に応じて変化することになる。
【０１２８】
これらから、タンク２の容積Ｖは、一意ではなく、図２４（ｃ）に示すように、当該タンク２の軸方向長さＬ１と円周方向長さＬ２とに応じて変化することになる。
【０１２９】
そこで、高圧水素貯蔵システムにおいては、例えば図２５に示すように、タンク２の軸方向歪みε１を検出する歪みゲージ１１１と、当該タンク２の円周方向歪みε２を検出する歪みゲージ１１２とを、当該タンク２の表面に取り付ける。これにより、高圧水素貯蔵システムにおいては、歪みゲージ１１１，１１２によって検出された歪みε１，ε２に基づいて、コントローラ２０によってタンク２の正確な容積Ｖを換算して求めることができる。
【０１３０】
このように、第８の実施の形態として示した高圧水素貯蔵システムにおいては、コントローラ２０の制御のもとに、タンク２の内部圧力ではなく、歪みゲージ１１１，１１２によって検出された当該タンク２の内部圧力によって生じる歪みに基づいて、当該タンク２の容積Ｖを換算して求める。したがって、この高圧水素貯蔵システムにおいては、極めて簡便な構成のもとに、タンク２の正確な容積Ｖを求めることができる。
【０１３１】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの構成について説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるダイアフラム式の減圧弁の構造を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるピストン式の減圧弁の構造を説明する図である。
【図４】減圧弁の下流における水素の供給圧力と流量との関係を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの処理動作について説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの構成について説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるダイアフラム式の減圧弁の構造を説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるダイアフラム式の減圧弁の構造を説明する図であり、（ａ）は、減圧弁の平面図であり、（ｂ）は、減圧弁の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるピストン式の減圧弁の構造を説明する図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの処理動作について説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の第４の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの構成について説明する図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの処理動作について説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおける減圧弁の下流における水素の供給圧力と流量との関係を説明する図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの処理動作について説明するフローチャートである。
【図１５】本発明の第５の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおいて、水素流量を算出する際の処理動作について説明するフローチャートである。
【図１６】タンクの内部圧力をパラメータとしたときにおける当該タンクの内部温度及び当該タンクの容積並びに当該タンクの内部の水素質量の関係を説明する図である。
【図１７】本発明の第６の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの処理動作について説明するフローチャートである。
【図１８】温度センサをタンクの内部に設置した高圧水素貯蔵システムの構成を説明する図である。
【図１９】本発明の第７の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムの構成について説明する図である。
【図２０】タンクの容積と当該タンクの内部圧力との関係を説明する図である。
【図２１】水素の充填時におけるタンクの内部温度と水素流量との関係を説明する図である。
【図２２】水素の供給時におけるタンクの内部温度と水素流量との関係を説明する図である。
【図２３】本発明の第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるタンクの構成について説明する図であり、当該タンクの軸方向及び円周方向に引張り荷重が生じている様子を説明するための図である。
【図２４】本発明の第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるタンクの容積について説明するための図であり、（ａ）は、当該タンクの軸方向長さと軸方向歪みとの関係を説明する図であり、（ｂ）は、当該タンクの円周方向長さと円周方向歪みとの関係を説明する図であり、（ｃ）は、当該タンクの軸方向長さ及び当該タンクの円周方向長さ並びに当該タンクの容積の関係を説明する図である。
【図２５】本発明の第８の実施の形態として示す高圧水素貯蔵システムにおけるタンクの構成について説明する正面図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１  充填カプラ
２  タンク
３  逆止弁
４，６，８，１４，１５  遮断弁
５  溶栓弁
７  減圧弁
９  電気式圧力調整弁
１０，１１，１６，１７  圧力センサ
１２  コンプレッサモータ
１３  コンプレッサ
１８  オリフィス
２０  コントローラ
３１  ダイアフラム
３２，４１  バネ
３３，４３  弁体
４２  ピストン
５１  スクリューアクチュエータ
５２  モータ
６１  レーザ距離計
７１，７２  スピードコントローラ
１０１  ガスシール構造
１０２  温度センサ
１１１，１１２  歪みゲージ
【図１】
2007149398.tif 000004
【図２】
2007149398.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007149398.tif 000020
【図１８】
2007149398.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2007149398.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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