JP5099285B2

JP5099285B2 - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP5099285B2
Application number: JP2005204226A
Authority: JP
Inventors: 修弓田; 康之飯田; 信夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2006140132A

Description

本発明は、燃料供給装置に関し、特に、燃料の供給制御や残量表示の精度向上に有効な技術に関する。

近年、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池搭載車両の開発が行われている。この種の車両に搭載される水素タンクには、燃料電池への水素ガス供給の有無を制御する主止弁と、高圧に圧縮された水素ガスを減圧する調圧弁とが設けられており、水素タンクのタンク内圧力、主止弁の出口圧力、及び配管容積等に基づき、燃料（水素ガス）供給制御や水素タンクの残量表示が行われる。

一方、特許文献１には、水素タンクのタンク内圧力をタンク温度で補正する技術が開示されている。
特開２００２−８９７９３号公報

ところで、上記水素タンクのタンク内圧力を測定する圧力センサ等のように、高圧側（調圧弁の上流に位置する）の圧力センサは精度が悪いという課題がある。

そこで、本発明は、調圧弁の上流に設けられた第１圧力検出手段が示す値の精度向上を図ることを目的とする。

本発明は、高圧燃料タンクと、該高圧燃料タンクから供給される燃料を消費する燃料消費装置と、前記高圧燃料タンクと前記燃料消費装置とを連通する配管と、該配管上に設けられた調圧弁と、該調圧弁よりも前記配管の下流に設けられた圧力検出手段と、を備え、前記調圧弁の一次圧がその調圧弁の調圧設定値以下となったときに、前記圧力検出手段の検出値に基づいて、前記調圧弁よりも上流側の圧力を検出する燃料供給装置である。
より具体的には、前記調圧弁の上流側に前記圧力検出手段よりも相対的に圧力検出精度の低い第２の圧力検出手段を備え、前記調圧弁の一次圧がその調圧弁の調圧設定値以下となったときには、前記圧力検出手段による検出値と前記第２の圧力検出手段による第２検出値との差圧を前記第２検出値から減算したものを前記調圧弁よりも上流側の圧力として検出するものである。
この構成において、前記圧力検出手段よりも前記配管の下流に、前記調圧弁よりも調圧設定値の低い第２の調圧弁及び前記第２の圧力検出手段よりも相対的に圧力検出精度の高い第３の圧力検出手段がこの順に設けられ、前記調圧弁及び前記第２の調圧弁の一次圧がその第２の調圧弁の調圧設定値以下となったときには、前記第３の圧力検出手段の検出値に基づいて、前記調圧弁よりも上流側の圧力を検出するようしてもよい。この場合、前記調圧弁及び前記第２の調圧弁の一次圧がその第２の調圧弁の調圧設定値以下となったときには、前記第３の圧力検出手段による検出値と前記第２の圧力検出手段による第２検出値との差圧を前記第２検出値から減算したものを前記調圧弁よりも上流側の圧力として検出するようしてもよい。

このような構成によれば、調圧弁の一次圧がその調圧弁の調圧設定値以下となったときに、調圧弁上流よりも低圧の管路圧力を検出する圧力検出手段を用いて調圧弁上流側の圧力を検出するので、その検出精度は向上する。

本発明によれば、調圧弁の一次圧がその調圧弁の調圧設定値以下となったときに、調圧弁よりも上流側の圧力をより精度の良い圧力検出手段を用いて検出するので、その検出精度が向上する。

本発明によれば、高圧側に設けられた圧力検出手段の値を低圧側に設けられた圧力検出手段の値に基づき補正するので、高圧側に設けられた圧力検出手段によっても調圧弁上流の配管圧力を精度良く検出することが可能となり、その検出精度が向上する。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムの燃料供給装置であるが、本発明の一形態に過ぎず、その他定置用の燃料電池システムにおける燃料供給装置にも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料消費装置）１０に燃料である水素ガスを供給するための系統（以下、燃料系１）、空気を供給するための系統２、及び燃料電池スタック１０を冷却するための系統（不図示）を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための燃料系（燃料供給装置）１は、水素ガスの供給源から順に、複数（４本）の水素タンク（高圧燃料タンク）１１、並設された水素タンク１１と燃料電池スタック１０とを連通する配管１ａ、主止弁ＳＶ１〜４、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の管路圧力を検出する圧力センサ（第１圧力検出手段）Ｐ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間の管路圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段、第２圧力検出手段）Ｐ５、調圧弁Ｒｅｇ５、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間の管路圧力を検出する圧力センサＰ６、調圧弁Ｒｅｇ６、調圧弁Ｒｅｇ６−燃料電池スタック１０間の管路圧力を検出する圧力センサＰ７、及び制御部２０等を備えている。

水素タンク１１は、高圧水素タンクであるが、高圧水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。また、タンク内に圧力が均一に負荷され、液面高さではなく、タンク内の圧力によって燃料の残量を外部から検知することのできる燃料貯蔵手段であることが好ましい。

主止弁ＳＶ１〜４は、各水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。調圧弁Ｒｅｇ１〜４はタンク内圧力を所定の高圧（例えば、３Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ５はこの高圧に減圧された水素ガスを中圧（例えば、１Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ６はこの中圧に減圧された水素ガスを低圧（例えば、０．２ＭＰａ）に減圧する。

燃料電池スタック１０に空気を供給する系統２は、図１では図示を省略しているが、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れるエアクリーナ、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するコンプレッサ、圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える加湿器等を備えており、燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ、ファン、及び冷却ポンプを備えている。

制御部２０は、ＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、コンプレッサ等各種補機類の駆動量を決定する制御信号を出力したり、燃料系１の各所に配設された圧力センサＰ１〜Ｐ７からの検出信号に基づき、各主止弁ＳＶ１〜４及び調圧弁Ｒｅｇ１〜６の開閉を制御する制御信号を出力する制御手段として機能する他、後に説明する手順（図２）によって、圧力センサＰ１〜４で検出したタンク内圧力（値）を圧力センサＰ５〜７で検出した管路圧力（値）にて補正する補正手段としても機能する。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、この燃料電池システムで実施されるタンク内圧力の補正演算処理の一例について説明する。

この処理は、燃料電池システムの起動時や終了時の他、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次圧が調圧値以下となったときに実行される。例えば起動時のように運転者がイグニッションキーをＯＮにすると、制御部２０は、圧力センサＰ１〜７、不図示のＦＣ電流センサ、主止弁１〜４等からの出力信号を読み込み、圧力Ｐ５と、圧力Ｐ１〜Ｐ４を圧力Ｐ１＿0〜Ｐ４＿0としてメモリ等に記憶する（ステップＳ１）。このとき、主止弁ＳＶ１〜４は閉状態である。

続くステップＳ２では、オフセット演算を行う。このオフセット演算処理では、ステップＳ１において圧力センサＰ１〜４で検出し記憶しておいた圧力Ｐ１＿0〜４＿0と、圧力センサＰ５で検出した圧力Ｐ５との差圧Ｐ１＿0−Ｐ５、…、差圧Ｐ４＿0−Ｐ５をオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetとしてメモリ等に登録する。

続くステップ３では、ステップＳ１で読み込んだ信号に基づき、後述のタンク圧力演算（ステップＳ１１）を実施可能なタイミング（状態）であるかどうかを判定する。その判定結果が「ＮＯ」の場合は、以降の処理をスキップし、本処理の呼び出し元ルーチンにリターンする。一方、ステップＳ３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合は、ステップＳ５に進み、異常判定を行う。

この異常判定は、圧力センサ１〜５からの信号を参照して行う。具体的に説明すると、本処理は、既述のオフセット演算（ステップＳ２）で求めたオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを用いて圧力センサＰ１〜４で検出した圧力Ｐ１〜Ｐ４を補正することによって、タンク内圧力を求めるものであるが、このオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetが所定値よりも大きいときは、圧力センサＰ１〜５に異常が発生していると判断し（ステップＳ５：「ＮＯ」）、所定範囲内であれば異常なしと判断する（ステップＳ５：「ＹＥＳ」）。

ステップＳ５の判断結果が「ＮＯ」の場合は、ステップＳ７に進み、警報を鳴らす、警告ランプを表示する等の異常出力を行い、本処理の呼び出し元ルーチンにリターンする。一方、ステップＳ５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合は、ステップＳ１１に進み、ステップＳ２で求めたオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを用いて、タンク内圧力を演算する。

つまり、システム起動時や、システム停止後に管路内の滞留水素を消費する等した時のように、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の管路圧力が調圧弁Ｒｅｇ１〜４の調圧設定値以下になると、調圧弁Ｒｅｇ１〜４での絞りがなくなるため、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次側管路圧力、言い換えれば、圧力センサＰ１〜４で検出される圧力Ｐ１〜４と、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の二次側管路圧力、言い換えれば、圧力センサＰ５で検出される圧力Ｐ５とは同圧となる。

本実施の形態では、既述した調圧弁Ｒｅｇ１〜５の減圧特性のとおり、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次側管路に配設される圧力センサＰ１〜４に比して、調圧弁Ｒｅｇ５の一次側管路（調圧弁Ｒｅｇ１〜４の二次側管路）に配設される圧力センサＰ５の方が、より低圧用のものであるから、圧力検出精度は良い。このため、圧力Ｐ１〜４と圧力Ｐ５が同圧となるはずの上記タイミングで両者の間に差圧が生じていれば、その差圧は圧力センサＰ１〜４でタンク内圧力を検出した場合の実タンク内圧力に対する誤差に相当することになる。

よって、その誤差相当の上記オフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを予め登録（学習）しておき（ステップＳ２）、このオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを圧力センサＰ１〜４の検出圧力から減算してこれをタンク内圧力とみなせば（ステップＳ１１）、圧力センサＰ１〜４の検出圧力をそのままタンク内圧力とみなす場合に比して、タンク内圧力の検出精度が向上することになる。

なお、この図２に示すタンク内圧力の補正演算処理フローは、起動時や終了時だけでなく、所定の時間間隔で、あるいは特定イベントの発生時に随時実行してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態では、圧力センサＰ１〜４で検出した圧力Ｐ１〜４をそのまま水素タンク１１のタンク内圧力とみなすのではなく、例えばシステム起動時や終了時等のように調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次圧が調圧値以下になっているとき、つまり、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次圧と二次圧とが同圧になっているときに、これら一次圧と二次圧を圧力センサＰ１〜５で検出して両者の差圧をオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetとして記憶し、このオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを用いて圧力センサＰ１〜４で検出した圧力Ｐ１〜４を補正して水素タンク１１のタンク内圧力とみなしている。

換言すれば、低圧では検出精度の劣る圧力センサＰ１〜４の検出圧力Ｐ１〜４を検出精度のより良い圧力センサＰ５の検出圧力Ｐ５にて補正して水素タンク１１のタンク内圧力を求めているので、検出精度が向上し、燃料供給制御やタンク残量表示の精度も向上する。

特に、水素消費が進んでガス欠付近までタンク内圧力が低下した場合には、圧力センサＰ１〜４によるタンク内圧力の検出精度の低下が顕著となるため、従来はガス欠防止のために多めのマージンを見込んでタンク残量表示を行う必要があったところ、本実施の形態では、ガス欠付近での圧力精度が特に向上するため、かかるマージンを減少させて航続距離を延ばすことができる。

（第２の実施形態）
なお、上記実施形態のオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetは、起動時や終了時だけでなく、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次圧が調圧値以下になっているとき、つまり、調圧弁Ｒｅｇ１〜４の一次圧と二次圧とが同圧になっているときであれば、いつでも更新（学習）可能である。例えば、図１において、圧力センサＰ５の検出圧力Ｐ５が調圧弁Ｒｅｇ５の調圧値以下である場合は、調圧弁Ｒｅｇ５の二次側（下流側）に配設された圧力センサ（第２圧力検出手段）Ｐ６の検出圧力Ｐ６を用いて、「オフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offset ＝Ｐｎ＿0 − Ｐ６」とする。

かかる場合には、上記実施形態の場合よりも更に低圧用の圧力センサＰ６の検出結果を用いてオフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offsetを求めるのでその精度が向上し、水素タンク１１の圧力検出精度も更に向上する。同様に、圧力センサＰ６の検出圧力Ｐ６が調圧弁Ｒｅｇ６の調圧値以下の場合は、調圧弁Ｒｅｇ６の二次側（下流側）に配設された圧力センサ（第２圧力検出手段）Ｐ７の検出圧力Ｐ７を用いて、「オフセットＰ１＿offset、…、Ｐ４＿offset ＝Ｐｎ＿0 − Ｐ７」とすれば、水素タンク１１の圧力検出精度は更に向上することとなる。

また、本発明は、上記実施形態（図１）のような、複数の水素タンク１１に対してそれと同数の調圧弁Ｒｅｇ１〜４を備えた燃料供給装置への適用に限定されるわけではなく、例えば、図３に示すように、複数（同図では２つ）の水素タンク１１に対して１つの調圧弁Ｒｅｇ１，Ｒｅｇ３を備えた燃料供給装置への適用も可能である。さらに、本発明の第１圧力検出手段は、調圧弁の上流に配設されるものであれば、高圧燃料タンクのタンク内圧を検出するものに限定されないことは勿論である。

（参考例）
次に、参考例について、図４，５を参照しながら説明する。

本参考例と上記第１及び第２の実施形態との主たる構成上の相違点は、本参考例に係る燃料供給装置では、図４に示すように図１，３における圧力センサＰ１〜Ｐ４を備えておらず、調圧弁Ｒｅｇ１〜４が例えば図５に示すようなポペット型のダイヤフラム式調圧弁４０で構成されている点にある。なお、図４中のその他の構成要素については、図１と同一の構成を採用することが可能であるため、以下の説明では、同一の符号を付すと共にその説明を省略する。

この調圧弁４０は、その外殻をハウジング５１により構成され、ハウジング５１には、１次側の流入口５２と２次側の流出口５３とが形成されている。ハウジング５１の内部空間は、弁体５５が連結されたダイヤフラム５６によって上下に仕切られており、これらよりも上側の空間は水素ガスが１次側から２次側へと流通可能な流路として構成され、下側の空間は大気圧開放された背圧室５７として構成されている。

背圧室５７には、弁体５５を開弁方向（図４では上方向）に付勢する調圧スプリング５８が配設されている。調圧スプリング５８は、そのバネ定数などの性状が所定に設定されている。弁体５５には、ステム５９を介してポペット６０が設けられており、ポペット６０の側面はハウジング５１に設けた弁座６１に離接可能に構成されている。

ポペット６０が弁座６１から離間する弁体５５が開いた状態では、１次側と２次側との間の流路は連通して、２次側への水素ガスの流れが許容される。一方、ポペット６０が弁座６１に当接する弁体５５が閉じた状態では、１次側と２次側との間の流路は遮断され、２次側への水素ガスの流れが遮断される。

ポペット６０の上面とハウジング５１との間には、ポペット６０を介して弁体５５を閉弁方向（図４では下方向）に付勢する調圧バネ６２が配設されている。調圧バネ６２は、調圧スプリング５８およびステム５９と同軸に配設され、調圧スプリング５８と同様にバネ定数などの性状が所定に設定されている。これら調圧バネ６２と調圧スプリング５８とから２次側の調圧値が設定される。

以上の構成からなる調圧弁４０は、弁体５５およびダイヤフラム５６に、その上面側から作用する水素ガスの２次側圧力および調圧バネ６２の付勢力と、その下面側から作用する大気圧および調圧スプリング５８の付勢力とに応じて、弁体５５の開度（ポペット６０の位置）が調整されることにより、水素ガスの２次側圧力を調整する。

このような調圧弁４０が水素タンク１１の直下に配設された燃料電池システムにおいては、当該調圧弁４０よりも上流側に設けられた水素タンク１１の異常（例えば、燃料漏れ）を、当該調圧弁４０よりも下流側に設けられた圧力センサＰ５の検出圧力Ｐ５に基づいて、検出することが可能である。

例えば水素タンク１１に不具合等が発生し、タンク内圧が調圧弁４０の２次側調圧値に比して低くなると、調圧弁４０内においては、ダイヤフラム５６の下面側（背圧室５７側）に作用する大気圧および調圧スプリング５８からの付勢力が、上面側に作用する水素ガスの２次側圧力および調圧バネ６２からの付勢力に比して大きくなる。

すると、ポペット６０が弁座６１から離間して弁体５５が大きく開くため、調圧弁４０よりも下流側の配管１ａにおける管路圧力の降下率（所定時間あたりの圧力降下量）が大きくなる。制御部２０は、この圧力降下率が所定の閾値以上である場合に、水素タンク１１に異常が発生していると判断（異常を検出）し、主止弁ＳＶ１〜４を閉じて水素タンク１１と燃料電池スタック１０との連通を遮断する。

これにより、水素タンク１１からの無駄な燃料放出を抑制することができる。また、調圧弁４０の２次圧が大気圧よりも高い場合には、この２次側からのガス放出を抑制することもできる。さらに、この参考例によれば、調圧弁４０の下流側に配設された圧力センサＰ５の検出結果に基づいて、水素タンク１１の異常を検出して主止弁ＳＶ１〜４を遮断することができるので、上記第１及び第２の実施形態のように水素タンク１１内の圧力センサＰ１〜４を不要にできる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。同実施形態のシステム起動時におけるタンク内圧力の補正演算処理を説明するフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。参考例に係る燃料供給装置を備えた燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。同参考例に係る燃料供給装置に設けられた調圧弁の一構造例を示す断面図である。

符号の説明

１ａ…配管、１０…燃料電池スタック（燃料消費装置）、１１…水素タンク（高圧燃料タンク）、Ｐ１〜Ｐ４…圧力センサ（第１圧力検出手段）、Ｐ５〜Ｐ７…圧力センサ（圧力検出手段、第２圧力検出手段）、Ｒｅｇ１〜Ｒｅｇ６…調圧弁

Claims

高圧燃料タンクと、該高圧燃料タンクから供給される燃料を消費する燃料消費装置と、前記高圧燃料タンクと前記燃料消費装置とを連通する配管と、該配管上に設けられた調圧弁と、該調圧弁よりも前記配管の下流に設けられた圧力検出手段と、前記調圧弁の上流側に前記圧力検出手段よりも相対的に圧力検出精度の低い第２の圧力検出手段とを備え、
前記調圧弁の一次圧がその調圧弁の調圧設定値以下となったときには、前記圧力検出手段による検出値と前記第２の圧力検出手段による第２検出値との差圧を前記第２検出値から減算したものを前記調圧弁よりも上流側の圧力として検出する、燃料供給装置。
前記圧力検出手段よりも前記配管の下流に、前記調圧弁よりも調圧設定値の低い第２の調圧弁及び前記第２の圧力検出手段よりも相対的に圧力検出精度の高い第３の圧力検出手段がこの順に設けられ、
前記調圧弁及び前記第２の調圧弁の一次圧がその第２の調圧弁の調圧設定値以下となったときには、前記第３の圧力検出手段による検出値と前記第２の圧力検出手段による第２検出値との差圧を前記第２検出値から減算したものを前記調圧弁よりも上流側の圧力として検出する、請求項１に記載の燃料供給装置。