ガスタンクシステム及び車両
【課題】放熱性の異なる複数のガスタンクからガスの供給を開始する場合に、ガスタンク間の逆流を抑制することができる、ガスタンクシステム及び車両を提供することを課題とする。
【解決手段】ガスタンクシステムは、放熱性が異なるガスタンク２１ａ，２１ｂと、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を許容及び遮断する遮断弁２８ａ，２８ｂと、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧を検出する圧力センサ５４ａ，５４ｂと、を備える。制御装置２４は、圧力センサ５４ａ，５４ｂの検出結果に基づき、燃料電池２への水素ガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンク２１ｂから水素ガスの供給を許容するように遮断弁２８ｂを開き、その後、ガスタンク２１ｂの内圧が低圧側のガスタンク２１ａの内圧と等しくなった時点で、ガスタンク２１ａからも水素ガスの供給を許容するように遮断弁２８ａを開く。
【解決手段】ガスタンクシステムは、放熱性が異なるガスタンク２１ａ，２１ｂと、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を許容及び遮断する遮断弁２８ａ，２８ｂと、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧を検出する圧力センサ５４ａ，５４ｂと、を備える。制御装置２４は、圧力センサ５４ａ，５４ｂの検出結果に基づき、燃料電池２への水素ガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンク２１ｂから水素ガスの供給を許容するように遮断弁２８ｂを開き、その後、ガスタンク２１ｂの内圧が低圧側のガスタンク２１ａの内圧と等しくなった時点で、ガスタンク２１ａからも水素ガスの供給を許容するように遮断弁２８ａを開く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性の異なる複数のガスタンクを備えたガスタンクシステム及び車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数のガスタンクを備えた車両として、燃料電池車両が知られている。例えば特許文献１に記載の燃料電池車両では、複数の水素タンクと燃料電池とを並列につなぐ供給流路が設けられ、この供給流路において水素タンクごとに設けられた開閉弁を開くことで、各水素タンクから燃料電池に水素ガスが供給される。この場合、供給流路によって複数の水素タンク同士は互いにつながれており、水素タンクの内圧（以下、タンク圧という場合がある。）が小さい順に対応の開閉弁を開くことで、閉弁状態の開閉弁に逆圧が作用するのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２３７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、水素タンクの放熱性が互いに異なる場合、水素タンクの内圧が小さい順に開閉弁を開く方法では、水素タンク間に逆流が生じる。
具体的には、水素ステーションから水素タンクへの水素ガスの充填終了時は、タンク圧は水素タンク間で同じであるが、その放熱性の違いにより、タンク温度（水素タンクの内部温度）は水素タンク間で異なる。充填終了からしばらくすると、タンク温度は周囲環境温度により冷却されて水素タンク間で同じになるが、充填終了時に温度差があった分、タンク圧については水素タンク間で差が生じる。この状態で、タンク圧の低い水素タンクから開閉弁を開くと、タンク圧の高い水素タンクに対応する開閉弁を開いた際に、タンク圧の高い水素タンクからタンク圧の低い水素タンクへと水素ガスが逆流する現象が起きてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、放熱性の異なる複数のガスタンクからガスの供給を開始する場合に、ガスタンク間の逆流を抑制することができる、ガスタンクシステム及び車両を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のガスタンクシステムは、ガス供給先に対して並列に接続され、互いに放熱性が異なる複数のガスタンクと、ガスタンクの各々に関して、ガスタンクからガス供給先へのガスの供給を許容及び遮断する弁機構と、ガスタンクの各々の内圧情報を取得する情報取得部と、情報取得部の取得結果に基づいて弁機構を制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、ガス供給先へのガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンクからガスの供給を許容するように弁機構を制御し、その後、ガスタンクの内圧がガスタンクよりも内圧の低いガスタンクの内圧と等しくなった時点で、この内圧の低いガスタンクからもガスの供給を許容するように弁機構を制御するガス供給制御を実行する。
【０００７】
本発明によれば、ガス供給開始時には、先ず高圧側のガスタンクからガスの供給が行われるので、その内圧が下がる。そして、低圧側のガスタンクからもガスの供給が行われる時点では、当初差があった両ガスタンクの内圧は等しくなっている。このため、低圧側のガスタンクからガスの供給を開始しても、高圧側のガスタンクから低圧側のガスタンクへとガスが流れ込むことが回避される。よって、ガスタンク間の逆流を抑制できる。
【０００８】
好ましくは、上記のガス供給制御は、ガスタンクへのガス充填後においてガス供給先に対して最初のガス供給を行う場合に実行されるとよい。
【０００９】
こうすることで、ガス充填後にガスタンク間で内圧に差が生じていても、その後に行う最初のガス供給において、ガスタンク間で逆流が生じるのを抑制できる。
【００１０】
好ましくは、弁機構は、ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の遮断弁を有するとよい。
【００１１】
この構成によれば、シンプルな弁機構にて上記のガス供給制御を行うことができる。なお、弁機構は複数の遮断弁を有するものに限るものではなく、遮断弁以外の他のバルブを有するもので構成してもよい。
【００１２】
好ましくは、情報取得部は、ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の圧力センサを有し、各圧力センサは、ガスタンクの各々の内圧を検出するとよい。
【００１３】
この構成によれば、実際に検出したガスタンクの内圧に基づいて弁機構を制御することができるので、上記のガス供給制御をより精度良く行うことができる。
【００１４】
より好ましくは、圧力センサは、充填口に対してガスタンクを並列に接続するガス充填系統に設けられるとよい。
【００１５】
本発明の別の好ましい一態様によれば、情報取得部は、ガスタンクにガスを充填するガス充填系統に設けられ、ガスタンクへのガス充填終了直後における圧力を検出する一つの圧力センサと、ガスタンクの各々に対応して設けられ、ガスタンクへのガス充填終了直後及びガスタンクからのガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内部温度を検出する複数の温度センサと、を有するとよい。そして、制御装置は、ガス充填終了直後における一つの圧力検出値と、ガス充填終了直後における複数の温度検出値と、ガス供給開始直前における複数の温度検出値と、を用いて、ガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内圧を算出すると共に、その算出した複数の内圧の大きさを比較して、その比較した結果に基づきガス供給制御を実行するとよい。
【００１６】
このような一態様によれば、圧力センサをガスタンクの各々に対応して設けなくとも、ガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内圧を算出することができる。そして、この算出値に基づいて弁機構を制御するので、ガス供給制御を適切に行うことができる。また、ガスタンクの各々に対応する圧力センサを設ける場合に比べて、部品点数を削減でき、システム構成の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
【００１７】
本発明の車両は、上記した本発明のガスタンクシステムを備え、ガス供給先として燃料電池を有するものである。これによれば、燃料電池車両におけるガスタンク間の逆流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係るガスタンクシステムを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】（ａ）は、放熱性の異なる二つのガスタンクの内圧について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示すグラフであり、（ｂ）は、放熱性の異なる二つのガスタンクの内部温度について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係るガスタンクシステムにおけるガス供給開始時における制御を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係るガスタンクシステムを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図５】第２実施形態に係るガスタンクシステムにおけるガス供給開始時における制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るガスタンクシステムを備えた車両について説明する。ここでは、ガスタンクシステムを燃料電池システムの燃料ガス系統に適用した例を説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料ガス系統３及び酸化ガス系統を備える。燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載され、車両の動力源であるトラクションモータに電力を供給する。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されるものである。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
【００２１】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。なお、図１では、説明の便宜上、単セルの構造が燃料電池２に模式的に示されている。単セルは、電解質膜１０、燃料極１１及び空気極１２からなるＭＥＡ（膜電極接合体）１３を有する。電解質膜１０は、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜からなる。燃料極１１及び空気極１２は、電解質膜１０の両面に設けられる。単セルは、燃料極１１及び空気極１２を両側から挟みこむように一対のセパレータ１４，１５を有する。セパレータ１４の燃料ガス流路１６に供給された水素ガスとセパレータ１５の酸化ガス流路１７に供給された酸化ガスとの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２で発電された電力は、車両のトラクションモータなどの負荷１８に供給される。
【００２２】
燃料ガス系統３は、二つのガスタンク２１ａ，２１ｂ、ガス充填系統２２、ガス供給系統２３及び制御装置２４を備える。ガスタンク２１ａ，２１ｂは、ガス充填系統２２を介して充填口２５に並列に接続されると共に、ガス供給系統２３を介してガス供給先である燃料電池２に対して並列に接続される。充填口２５は、水素ガスの充填時に、水素ガス充填装置（例えば水素ステーション）の充填ノズルに接続される。なお、図示省略したが、燃料電池２から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を再びガス供給系統２３に導いて、燃料電池２に循環させることも可能である。
【００２３】
ガスタンク２１ａ、２１ｂは、燃料電池２への水素ガス供給源であり、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガスを貯蔵する高圧タンクである。ガスタンク２１ａ、２１ｂは、例えば、内側にライナー層を、外側にＦＲＰ層などの補強層を有する積層構造を備える。
【００２４】
ここで、ガスタンクの放熱性は、一般に、ガスタンクそれ自身を構成する材料や、ガスタンクの体格（長さ、径、容量、表面積等）など、ガスタンクの仕様によって異なる。例えば、ガスタンクのライナー層としてアルミニウムを用いた場合には、樹脂（ポリエチレンなど）を用いた場合よりも、放熱性は優れたものとなる。また、ライナー層における樹脂の特性や配合割合によっても放熱性は異なる。さらに、ガスタンクの体格、例えば径に対する長さの比や、表面積に対する容量の比によっても、放熱性は異なる。そして、ガスタンクの放熱性が優れている場合、それが優れていない場合に比べて、充填に伴うガスタンク内の温度上昇率（温度上昇量）及び圧力上昇率（圧力上昇量）が低く抑えられる。
【００２５】
本実施形態のガスタンク２１ａ，２１ｂは、互いに放熱性が異なるものであり、ガスタンク２１ｂの方が放熱性が優れている。例えば、ガスタンク２１ｂのライナー層はアルミニウムからなり、ガスタンク２１ａのライナー層は樹脂からなる。以下、簡便な説明のため、ガスタンク２１ａ、２１ｂの放熱性について、良い又は悪いという相対的な表現を用いる場合がある。
【００２６】
ガスタンク２１ａ，２１ｂは、各種バルブやセンサ等を一体的に組み込んだバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂをねじ込み接続されている。ガスタンク２１ａ，２１ｂは、バルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂを介して水素ガスの充填及び放出をする。バルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂは、ガス充填系統２２に連通する通路に逆止弁２７ａ，２７ｂ又はマニュアル弁を有し、ガス供給系統２３に連通する通路に遮断弁２８ａ，２８ｂを有する。遮断弁２８ａ，２８ｂは、駆動方式が例えば電磁式からなるが、これに限らず、各種のタイプのものを用いることができる。遮断弁２８ａ，２８ｂは、ガスタンク２１ａ，２１ｂに対して元弁（主止弁）として機能するものであり、対応するガスタンク２１ａ、２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を許容及び遮断する弁機構を構成する。
【００２７】
ガス充填系統２２は、充填口２５に連通する一系統の共通充填配管３０と、ガスタンク２１ａ，２１ｂに連通する二系統の個別充填配管３１ａ、３１ｂと、で構成される。このように途中で二股に分岐するガス充填系統２２の分岐点には、配管３０、３１ａ，３１ｂの一端が接続される充填マニホールド部３２が設けられる。充填口２５から供給された水素ガスは、充填マニホールド部３２にて分配されて、ガスタンク２１ａ，２１ｂに充填される。
【００２８】
ガス供給系統２３は、燃料電池２に連通する一系統の共通供給配管４０と、ガスタンク２１ａ，２１ｂに連通する二系統の個別供給配管４１ａ、４１ｂと、で構成される。このように途中で二股に分岐するガス供給系統２３の分岐点には、配管４０、４１ａ，４１ｂの一端が接続される供給マニホールド部４２が設けられる。ガスタンク２１ａ、２１ｂから放出された水素ガスは、供給マニホールド部４２にて合流し、配管４０にあるレギュレータ４３で調圧されて燃料電池２に供給される。ただし、遮断弁２８ａ，２８ｂの一方だけを開く場合には、ガスタンク２１ａ、２１ｂの一方のみから水素ガスが放出され、供給マニホールド部４２で水素ガスの合流を受けることなく、燃料電池２に供給される。供給マニホールド部４２には、ガスタンク２１ａ及びガスタンク２１ｂの少なくとも一つから放出された水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４４が設けられている。
【００２９】
温度センサ５２ａ，５２ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内に配置され、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内部温度（以下、それぞれ「タンク温度Ｔａ，Ｔｂ」という。）を検出する。温度センサ５２ａ，５２ｂは、例えば、ガス充填系統２２又はガス供給系統２３に連通するバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂの流路部分に設けられる。
圧力センサ５４ａ，５４ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧（以下、それぞれ「タンク圧力Ｐａ，Ｐｂ」という。）を反映する圧力を検出する。圧力センサ５４ａ，５４ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂ外における、ガス充填系統２２に連通するバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂの流路部分に設けられる。
【００３０】
制御装置２４は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、後述する遮断弁２８ａ，２８ｂの制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置２４は、弁機構を構成する遮断弁２８ａ，２８ｂのほか、温度センサ５２ａ，５２ｂ及び圧力センサ４４，５４ａ，５４ｂなどと接続されている。例えば、制御装置２４は、圧力センサ５４ａ，５４ｂからの検出信号を入力し、遮断弁２８ａ，２８ｂに制御信号を出力することで、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を制御する。
【００３１】
図２は、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内の圧力及び温度について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示す図である。
【００３２】
ガスタンク２１ａ，２１ｂに水素ガスが充填され始めると（ｔ＝ｔ0）、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは同じ傾きで上昇していく一方、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは互いに異なる傾きで上昇していく。タンク温度Ｔａの傾きがタンク温度Ｔｂの傾きよりも大きいのは、放熱性に関して、ガスタンク２１ａの方がガスタンク２１ｂよりも悪いからである。そして、充填終了時では（ｔ＝ｔ1）、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは互いに同じ圧力Ｐ1である一方、タンク温度Ｔａはタンク温度Ｔｂよりも大きくなり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間で温度差が生じる。タンク温度Ｔａは、例えば８５℃であり、ガスタンク２１ａ、２１ｂの周囲の環境温度よりも高くなる。
【００３３】
その後、充填終了からの時間経過に伴い、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは周囲の環境温度によって徐々に冷却されていく。そして、次の燃料電池システム１の起動時、すなわち、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）には、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは同じとなる。このときのタンク温度Ｔａ，Ｔｂは、周囲の環境温度と等しくなり、例えば２５℃である。一方、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂも充填終了からの時間経過に伴って変化するが、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）には、タンク圧力Ｐａはタンク圧力Ｐｂよりも小さくなり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間で圧力差が生じる。
【００３４】
ここで、仮に、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）に、タンク圧力Ｐａ側の遮断弁２８ａを先に開弁し、その後で遮断弁２８ｂを開弁すると、圧力差（Ｐｂ−Ｐａ）によってガスタンク２１ａに逆流が生じる。詳細には、ガス供給系統２３にはガスタンク２１ａ，２１ｂ同士を接続する流路があるため、ガスタンク２１ｂから放出された水素ガスは、供給マニホールド部４２から個別供給配管４１ａへと流れ、ガスタンク２１ａ内へと流れ込む。このような逆流が生じると、例えば個別供給配管４１ａにフィルタ（図示省略）を設けている場合、フィルタに捕捉されていた異物が遮断弁２８ａの弁部へと逆流し、遮断弁２８ａの開閉不良が生じる可能性がある。したがって、このような逆流は好ましくない。
【００３５】
そこで、本実施形態では、逆流現象が発生することを抑制するべく、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）において図３に示す制御を行っている。
【００３６】
図３に示すように、燃料電池システム１の起動が開始されると（ステップＳ１、図２のｔ＝ｔ2）、先ず、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂが圧力センサ５４ａ，５４ｂによって読み込まれ、これらの情報が、制御装置２４のＲＡＭに記憶される（ステップＳ２）。この場合、図２に示したとおり、タンク圧力については以下の関係となっている。
Ｐｂ＞Ｐａ
【００３７】
次いで、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂ側の遮断弁２８ｂを開弁し、水素ガスを燃料電池２に供給する（ステップＳ３）。このとき、遮断弁２８ａは閉じたままにしておく。供給されたガスタンク２１ｂからの水素ガスが、酸化ガス系統からの酸化ガスと燃料電池２にて電気化学反応をすると電力が発生する。この電力の発生を伴う燃料電池システム１の運転（燃料電池車両の走行）によって、ガスタンク２１ｂ内の水素ガスは徐々に消費されていくので、タンク圧力Ｐｂは徐々に低下していく。一方で、ガスタンク２１ａ内の水素ガスは消費されないため、タンク圧力Ｐａは変化しない。
【００３８】
その後、タンク圧力Ｐｂがタンク圧力Ｐａと等しくなるまで低下した時点で、制御装置２４は、ガスタンク２１ａ側の遮断弁２８ａも開弁する（ステップＳ４）。これにより、ガスタンク２１ａ，２１ｂの両者からの水素ガスが、燃料電池２に供給されていく。なお、水素ガスの供給中は、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは圧力センサ５４ａ，５４ｂによって随時検出され、その検出された情報が制御装置２４のＲＡＭに記憶される。したがって、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂがタンク圧力Ｐａと等しくなった時点を判断することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、水素ガスの供給開始時において、先ず高圧側の遮断弁２８ｂを開弁し、その後、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の圧力差がなくなったところで、当初低圧側であった遮断弁２８ａを開弁する。このため、遮断弁２８ａを開弁した際に、ガスタンク２１ｂからの水素ガスがガスタンク２１ａに流れ込むことが回避される。したがって、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の逆流を抑制することができるので、上記のような遮断弁２８ａの開閉不良を抑制することができる。
【００４０】
特に、本実施形態によれば、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧情報を取得する手段（すなわち、情報取得部）として、ガスタンク２１ａ，２１ｂの個々に対応して設けた圧力センサ５４ａ，５４ｂを用いている。このため、実際の圧力検出値（Ｐａ，Ｐｂ）に基づいて遮断弁２８ａ，２８ｂの開弁タイミングを決めることができるので、上述した水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御をより精度良く行うことができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、高圧側の遮断弁２８ｂを低圧側の遮断弁２８ａよりも先に開弁するので、上記の特許文献１（特開２００８−２２３７８４号公報）で指摘されている逆圧が遮断弁２８ａに作用し得る。しかしながら、水素ガスの供給開始のタイミングで生じ得る逆圧は例えば５ＭＰａ程度の僅かな圧力であり、この程度の逆圧では、遮断弁２８ａが開けられることがないように遮断弁２８ａを設計することは可能である。例えば、逆圧によって遮断弁２８ａの弁体が弁座から離間しないように、遮断弁２８ａの弁体を付勢する弾性体のバネ力を事前に設計することができる。したがって、本実施形態の上記制御によれば、水素ガスの供給開始時において、逆流を抑制しつつ、さらに、逆圧による遮断弁２８ａの受けるダメージを最小減に抑えることもできる。
【００４２】
＜第１実施形態の変形例＞
ガスタンクの数は、上記の２つに限られるものではなく、３つ以上であってもよい。例えば、互いに放熱性が異なる３つのガスタンクを燃料電池２に並列に接続した場合には、これに対応して３つの圧力センサを設けるとよい。このような構成において、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御を行う場合には、先ず、タンク圧力が最も高いガスタンクに対応する遮断弁を開き、そのタンク圧力が、２番目に高いタンク圧力と同じになった時点で、この２番目に高いタンク圧力に対応する遮断弁を開く。その後、これら２つのタンク圧力が、当初最も低かったタンク圧力と同じになった時点で、この当初最も低かったタンク圧力に対応する遮断弁を開くことで、計３つのガスタンクから水素ガスを供給する。
【００４３】
他の例として、３つ以上のガスタンクのうち、２つのガスタンクの放熱性が同じである場合には、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御において、その２つのガスタンクに対応する２つの遮断弁については同時に開くようにすればよい。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、図４及び図５を参照して、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態との主な相違点は、ガスタンク２１ａ，２１ｂごとの圧力センサ５４ａ，５４ｂに代えて、一つの圧力センサ６０を用いることにした点と、これに伴い、水素ガス供給開始時の制御を行うにあたり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内の圧力を算出することにした点である。なお、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
図４に示すように、圧力センサ６０は、充填マニホールド部３２に設けられ、ガスタンク２１ａ，２１ｂに充填されていく水素ガスの圧力（以下、圧力Ｐｃという。）を検出する。圧力センサ６０を設ける位置は、充填マニホールド部３２に限るものではなく、例えば共通充填配管３０であってもよい。圧力センサ６０は、圧力Ｐｃの検出情報の信号を制御装置２４に入力する。
【００４６】
図５に示すように、先ず、ガスタンク２１ａ，２１ｂへの水素ガスの充填終了直後において、圧力Ｐｃが圧力センサ６０によって読み込まれると共に、タンク温度Ｔａ，Ｔｂが温度センサ５２ａ，５２ｂによって読み込まれる（ステップＳ１１）。この読み込まれた情報は、制御装置２４のＲＡＭに記憶される。以下、このときに記憶された充填終了直後におけるタンク温度Ｔａ，Ｔｂの検出値を、タンク温度Ｔａ1，Ｔｂ1と表記する。
【００４７】
ここで、充填終了直後とは、充填終了時又は充填終了から僅かな時間が経過した時をいい、時間経過に伴ってガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧が実質的に減少する前の段階をいう。したがって、充填終了直後の一例は、例えば図２に示す充填終了時（ｔ＝ｔ1）であり、そのときに読み込まれる圧力Ｐｃは、図２に示す圧力Ｐ1と等しくなる。
【００４８】
次いで、燃料電池システム１の起動が開始されると（ステップＳ１２、図２のｔ＝ｔ2）、タンク温度Ｔａ，Ｔｂが温度センサ５２ａ，５２ｂによって読み込まれ（ステップＳ１３）、その情報が制御装置２４のＲＡＭに記憶される。このときに記憶されるタンク温度Ｔａ，Ｔｂの検出値は、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給開始直前におけるものであり、以下、これらをタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2と表記する。なお、水素ガスの供給開始直前とは、充填終了から任意の時間が経過したときであって、その充填終了後において最初に行われる水素ガスの供給開始の直前をいう。
【００４９】
その後、制御装置２４は、ＲＡＭに記憶している情報、すなわち充填終了直後の圧力Ｐｃ、充填終了直後のタンク温度Ｔａ1，Ｔｂ1及び供給開始直前のタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2を用いて、供給開始直前のタンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、理想気体の状態方式を用いることで、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´は以下の式（１）及び（２）によりそれぞれ算出することができる。
Ｐａ´＝Ｐｃ×Ｔａ2／Ｔａ1 ・・・（１）
Ｐｂ´＝Ｐｃ×Ｔｂ2／Ｔｂ1 ・・・（２）
【００５０】
ここで、水素ガスの供給開始直前においては、通常、タンク圧力Ｐｂ´はタンク圧力Ｐａ´よりも大きくなる。このことは、例えば供給開始直前が図２に示すタイミングｔ2のときであると仮定すると、上記（１）及び（２）におけるタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2は等しくなることからも簡単に導くことができる。
【００５１】
この算出後においては、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´をもとに、図３に示した第１実施形態と同じように、遮断弁２８ａ，２８ｂの開弁タイミングが制御される。具体的には、制御装置２４は、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´の大きさを比較し、その大きさが大きいタンク圧力Ｐｂ´側の遮断弁２８ｂを先に開弁する（ステップＳ１５）。その後、タンク圧力Ｐｂ´が低下してタンク圧力Ｐａ´と等しくなった時点で、制御装置２４は、ガスタンク２１ａ側の遮断弁２８ａも開弁する（ステップＳ１６）。
【００５２】
ここで、ステップＳ１５以降において低下していくタンク圧力Ｐｂ´の値は、温度センサ５２ｂによって随時検出するタンク温度Ｔｂを用いることで、制御装置２４にて算出することができる。あるいは、制御装置２４による算出に代えて、圧力センサ４４を用い、圧力センサ４４による検出値をタンク圧力Ｐｂの値とみなしてもよい。いずれの場合であっても、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂ´が低下してタンク圧力Ｐａ´と等しくなった時点を判断することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、水素ガスの供給開始時において、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の逆流を抑制することができる。特に、この逆流を抑制するための制御構成のうち、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧情報を取得する手段（すなわち、情報取得部）として、温度センサ５２ａ，５２ｂ及び圧力センサ６０を少なくとも用いており、本実施形態によれば、ガスタンク２１ａ，２１ｂの各々に対応して圧力センサを設けなくて済む。したがって、部品点数を削減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００５４】
＜第２実施形態の変形例＞
第１実施形態の変形例と同様に、ガスタンクの数は、上記の２つに限られるものではなく、３つ以上であってもよい。この場合についても、詳述するまでもなく、上記同様に個々のタンク圧力を算出することで、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御を行うことができる。
【００５５】
ここで、放熱性が互いに異なるｎ個（ただし、ｎは二以上の自然数。）のガスタンクがある場合について、ガス供給開始直前におけるガスタンク２１m（ただし、添え字のｍはタンク番号を示す自然数であり、１≦ｍ≦ｎである。）の内圧Ｐm´について数式化すると以下のとおりである。
Ｐm´＝Ｐ×Ｔm´／Ｔm
【００５６】
上記式において、Ｐは、充填終了直後の圧力Ｐｃである。また、Ｔm´は、ガスタンク２１mのガス供給開始直前における内部温度であり、ガスタンク２１mに対応する温度センサによって検出される検出値である。同様に、Ｔmは、ガスタンク２１mの充填終了直後における内部温度であり、ガスタンク２１mに対応する温度センサによって検出される検出値である。
【００５７】
その他、変形例として、圧力センサ６０を水素ステーション側に設けることも可能である。例えば、水素ステーションの充填ノズル等に圧力センサ６０を設け、充填終了直後における圧力Ｐｃを水素ステーション側で検出する。この場合、赤外線の通信技術等を用いて、水素ステーションから制御装置２４に圧力Ｐｃの情報を伝えておく。こうすることで、圧力センサ６０を車両側に設けなくとも、図５に示すステップＳ１４において、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明のガスタンクシステムは、水素ガスのみならず、天然ガスなど他のガスを使用するものにも適用することができる。また、車両に限らず、航空機、船舶、ロボットなど、各種の移動体に適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１：燃料電池システム、２：燃料電池（ガス供給先）、２１ａ，２１ｂ：ガスタンク、２２：ガス充填系統、２３：ガス供給系統、２４：制御装置、２８ａ，２８ｂ：遮断弁、５２ａ，５２ｂ：温度センサ、５４ａ，５４ｂ，６０：圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性の異なる複数のガスタンクを備えたガスタンクシステム及び車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数のガスタンクを備えた車両として、燃料電池車両が知られている。例えば特許文献１に記載の燃料電池車両では、複数の水素タンクと燃料電池とを並列につなぐ供給流路が設けられ、この供給流路において水素タンクごとに設けられた開閉弁を開くことで、各水素タンクから燃料電池に水素ガスが供給される。この場合、供給流路によって複数の水素タンク同士は互いにつながれており、水素タンクの内圧（以下、タンク圧という場合がある。）が小さい順に対応の開閉弁を開くことで、閉弁状態の開閉弁に逆圧が作用するのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２３７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、水素タンクの放熱性が互いに異なる場合、水素タンクの内圧が小さい順に開閉弁を開く方法では、水素タンク間に逆流が生じる。
具体的には、水素ステーションから水素タンクへの水素ガスの充填終了時は、タンク圧は水素タンク間で同じであるが、その放熱性の違いにより、タンク温度（水素タンクの内部温度）は水素タンク間で異なる。充填終了からしばらくすると、タンク温度は周囲環境温度により冷却されて水素タンク間で同じになるが、充填終了時に温度差があった分、タンク圧については水素タンク間で差が生じる。この状態で、タンク圧の低い水素タンクから開閉弁を開くと、タンク圧の高い水素タンクに対応する開閉弁を開いた際に、タンク圧の高い水素タンクからタンク圧の低い水素タンクへと水素ガスが逆流する現象が起きてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、放熱性の異なる複数のガスタンクからガスの供給を開始する場合に、ガスタンク間の逆流を抑制することができる、ガスタンクシステム及び車両を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のガスタンクシステムは、ガス供給先に対して並列に接続され、互いに放熱性が異なる複数のガスタンクと、ガスタンクの各々に関して、ガスタンクからガス供給先へのガスの供給を許容及び遮断する弁機構と、ガスタンクの各々の内圧情報を取得する情報取得部と、情報取得部の取得結果に基づいて弁機構を制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、ガス供給先へのガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンクからガスの供給を許容するように弁機構を制御し、その後、ガスタンクの内圧がガスタンクよりも内圧の低いガスタンクの内圧と等しくなった時点で、この内圧の低いガスタンクからもガスの供給を許容するように弁機構を制御するガス供給制御を実行する。
【０００７】
本発明によれば、ガス供給開始時には、先ず高圧側のガスタンクからガスの供給が行われるので、その内圧が下がる。そして、低圧側のガスタンクからもガスの供給が行われる時点では、当初差があった両ガスタンクの内圧は等しくなっている。このため、低圧側のガスタンクからガスの供給を開始しても、高圧側のガスタンクから低圧側のガスタンクへとガスが流れ込むことが回避される。よって、ガスタンク間の逆流を抑制できる。
【０００８】
好ましくは、上記のガス供給制御は、ガスタンクへのガス充填後においてガス供給先に対して最初のガス供給を行う場合に実行されるとよい。
【０００９】
こうすることで、ガス充填後にガスタンク間で内圧に差が生じていても、その後に行う最初のガス供給において、ガスタンク間で逆流が生じるのを抑制できる。
【００１０】
好ましくは、弁機構は、ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の遮断弁を有するとよい。
【００１１】
この構成によれば、シンプルな弁機構にて上記のガス供給制御を行うことができる。なお、弁機構は複数の遮断弁を有するものに限るものではなく、遮断弁以外の他のバルブを有するもので構成してもよい。
【００１２】
好ましくは、情報取得部は、ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の圧力センサを有し、各圧力センサは、ガスタンクの各々の内圧を検出するとよい。
【００１３】
この構成によれば、実際に検出したガスタンクの内圧に基づいて弁機構を制御することができるので、上記のガス供給制御をより精度良く行うことができる。
【００１４】
より好ましくは、圧力センサは、充填口に対してガスタンクを並列に接続するガス充填系統に設けられるとよい。
【００１５】
本発明の別の好ましい一態様によれば、情報取得部は、ガスタンクにガスを充填するガス充填系統に設けられ、ガスタンクへのガス充填終了直後における圧力を検出する一つの圧力センサと、ガスタンクの各々に対応して設けられ、ガスタンクへのガス充填終了直後及びガスタンクからのガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内部温度を検出する複数の温度センサと、を有するとよい。そして、制御装置は、ガス充填終了直後における一つの圧力検出値と、ガス充填終了直後における複数の温度検出値と、ガス供給開始直前における複数の温度検出値と、を用いて、ガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内圧を算出すると共に、その算出した複数の内圧の大きさを比較して、その比較した結果に基づきガス供給制御を実行するとよい。
【００１６】
このような一態様によれば、圧力センサをガスタンクの各々に対応して設けなくとも、ガス供給開始直前におけるガスタンクの各々の内圧を算出することができる。そして、この算出値に基づいて弁機構を制御するので、ガス供給制御を適切に行うことができる。また、ガスタンクの各々に対応する圧力センサを設ける場合に比べて、部品点数を削減でき、システム構成の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
【００１７】
本発明の車両は、上記した本発明のガスタンクシステムを備え、ガス供給先として燃料電池を有するものである。これによれば、燃料電池車両におけるガスタンク間の逆流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係るガスタンクシステムを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】（ａ）は、放熱性の異なる二つのガスタンクの内圧について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示すグラフであり、（ｂ）は、放熱性の異なる二つのガスタンクの内部温度について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係るガスタンクシステムにおけるガス供給開始時における制御を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係るガスタンクシステムを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図５】第２実施形態に係るガスタンクシステムにおけるガス供給開始時における制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るガスタンクシステムを備えた車両について説明する。ここでは、ガスタンクシステムを燃料電池システムの燃料ガス系統に適用した例を説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料ガス系統３及び酸化ガス系統を備える。燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載され、車両の動力源であるトラクションモータに電力を供給する。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されるものである。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
【００２１】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。なお、図１では、説明の便宜上、単セルの構造が燃料電池２に模式的に示されている。単セルは、電解質膜１０、燃料極１１及び空気極１２からなるＭＥＡ（膜電極接合体）１３を有する。電解質膜１０は、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜からなる。燃料極１１及び空気極１２は、電解質膜１０の両面に設けられる。単セルは、燃料極１１及び空気極１２を両側から挟みこむように一対のセパレータ１４，１５を有する。セパレータ１４の燃料ガス流路１６に供給された水素ガスとセパレータ１５の酸化ガス流路１７に供給された酸化ガスとの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２で発電された電力は、車両のトラクションモータなどの負荷１８に供給される。
【００２２】
燃料ガス系統３は、二つのガスタンク２１ａ，２１ｂ、ガス充填系統２２、ガス供給系統２３及び制御装置２４を備える。ガスタンク２１ａ，２１ｂは、ガス充填系統２２を介して充填口２５に並列に接続されると共に、ガス供給系統２３を介してガス供給先である燃料電池２に対して並列に接続される。充填口２５は、水素ガスの充填時に、水素ガス充填装置（例えば水素ステーション）の充填ノズルに接続される。なお、図示省略したが、燃料電池２から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を再びガス供給系統２３に導いて、燃料電池２に循環させることも可能である。
【００２３】
ガスタンク２１ａ、２１ｂは、燃料電池２への水素ガス供給源であり、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガスを貯蔵する高圧タンクである。ガスタンク２１ａ、２１ｂは、例えば、内側にライナー層を、外側にＦＲＰ層などの補強層を有する積層構造を備える。
【００２４】
ここで、ガスタンクの放熱性は、一般に、ガスタンクそれ自身を構成する材料や、ガスタンクの体格（長さ、径、容量、表面積等）など、ガスタンクの仕様によって異なる。例えば、ガスタンクのライナー層としてアルミニウムを用いた場合には、樹脂（ポリエチレンなど）を用いた場合よりも、放熱性は優れたものとなる。また、ライナー層における樹脂の特性や配合割合によっても放熱性は異なる。さらに、ガスタンクの体格、例えば径に対する長さの比や、表面積に対する容量の比によっても、放熱性は異なる。そして、ガスタンクの放熱性が優れている場合、それが優れていない場合に比べて、充填に伴うガスタンク内の温度上昇率（温度上昇量）及び圧力上昇率（圧力上昇量）が低く抑えられる。
【００２５】
本実施形態のガスタンク２１ａ，２１ｂは、互いに放熱性が異なるものであり、ガスタンク２１ｂの方が放熱性が優れている。例えば、ガスタンク２１ｂのライナー層はアルミニウムからなり、ガスタンク２１ａのライナー層は樹脂からなる。以下、簡便な説明のため、ガスタンク２１ａ、２１ｂの放熱性について、良い又は悪いという相対的な表現を用いる場合がある。
【００２６】
ガスタンク２１ａ，２１ｂは、各種バルブやセンサ等を一体的に組み込んだバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂをねじ込み接続されている。ガスタンク２１ａ，２１ｂは、バルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂを介して水素ガスの充填及び放出をする。バルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂは、ガス充填系統２２に連通する通路に逆止弁２７ａ，２７ｂ又はマニュアル弁を有し、ガス供給系統２３に連通する通路に遮断弁２８ａ，２８ｂを有する。遮断弁２８ａ，２８ｂは、駆動方式が例えば電磁式からなるが、これに限らず、各種のタイプのものを用いることができる。遮断弁２８ａ，２８ｂは、ガスタンク２１ａ，２１ｂに対して元弁（主止弁）として機能するものであり、対応するガスタンク２１ａ、２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を許容及び遮断する弁機構を構成する。
【００２７】
ガス充填系統２２は、充填口２５に連通する一系統の共通充填配管３０と、ガスタンク２１ａ，２１ｂに連通する二系統の個別充填配管３１ａ、３１ｂと、で構成される。このように途中で二股に分岐するガス充填系統２２の分岐点には、配管３０、３１ａ，３１ｂの一端が接続される充填マニホールド部３２が設けられる。充填口２５から供給された水素ガスは、充填マニホールド部３２にて分配されて、ガスタンク２１ａ，２１ｂに充填される。
【００２８】
ガス供給系統２３は、燃料電池２に連通する一系統の共通供給配管４０と、ガスタンク２１ａ，２１ｂに連通する二系統の個別供給配管４１ａ、４１ｂと、で構成される。このように途中で二股に分岐するガス供給系統２３の分岐点には、配管４０、４１ａ，４１ｂの一端が接続される供給マニホールド部４２が設けられる。ガスタンク２１ａ、２１ｂから放出された水素ガスは、供給マニホールド部４２にて合流し、配管４０にあるレギュレータ４３で調圧されて燃料電池２に供給される。ただし、遮断弁２８ａ，２８ｂの一方だけを開く場合には、ガスタンク２１ａ、２１ｂの一方のみから水素ガスが放出され、供給マニホールド部４２で水素ガスの合流を受けることなく、燃料電池２に供給される。供給マニホールド部４２には、ガスタンク２１ａ及びガスタンク２１ｂの少なくとも一つから放出された水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４４が設けられている。
【００２９】
温度センサ５２ａ，５２ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内に配置され、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内部温度（以下、それぞれ「タンク温度Ｔａ，Ｔｂ」という。）を検出する。温度センサ５２ａ，５２ｂは、例えば、ガス充填系統２２又はガス供給系統２３に連通するバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂの流路部分に設けられる。
圧力センサ５４ａ，５４ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧（以下、それぞれ「タンク圧力Ｐａ，Ｐｂ」という。）を反映する圧力を検出する。圧力センサ５４ａ，５４ｂは、それぞれ、ガスタンク２１ａ，２１ｂ外における、ガス充填系統２２に連通するバルブアッセンブリ２６ａ，２６ｂの流路部分に設けられる。
【００３０】
制御装置２４は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、後述する遮断弁２８ａ，２８ｂの制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置２４は、弁機構を構成する遮断弁２８ａ，２８ｂのほか、温度センサ５２ａ，５２ｂ及び圧力センサ４４，５４ａ，５４ｂなどと接続されている。例えば、制御装置２４は、圧力センサ５４ａ，５４ｂからの検出信号を入力し、遮断弁２８ａ，２８ｂに制御信号を出力することで、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給を制御する。
【００３１】
図２は、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内の圧力及び温度について、水素ガスの充填開始からその後の水素ガスの供給開始までの推移を示す図である。
【００３２】
ガスタンク２１ａ，２１ｂに水素ガスが充填され始めると（ｔ＝ｔ0）、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは同じ傾きで上昇していく一方、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは互いに異なる傾きで上昇していく。タンク温度Ｔａの傾きがタンク温度Ｔｂの傾きよりも大きいのは、放熱性に関して、ガスタンク２１ａの方がガスタンク２１ｂよりも悪いからである。そして、充填終了時では（ｔ＝ｔ1）、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは互いに同じ圧力Ｐ1である一方、タンク温度Ｔａはタンク温度Ｔｂよりも大きくなり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間で温度差が生じる。タンク温度Ｔａは、例えば８５℃であり、ガスタンク２１ａ、２１ｂの周囲の環境温度よりも高くなる。
【００３３】
その後、充填終了からの時間経過に伴い、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは周囲の環境温度によって徐々に冷却されていく。そして、次の燃料電池システム１の起動時、すなわち、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）には、タンク温度Ｔａ，Ｔｂは同じとなる。このときのタンク温度Ｔａ，Ｔｂは、周囲の環境温度と等しくなり、例えば２５℃である。一方、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂも充填終了からの時間経過に伴って変化するが、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）には、タンク圧力Ｐａはタンク圧力Ｐｂよりも小さくなり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間で圧力差が生じる。
【００３４】
ここで、仮に、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）に、タンク圧力Ｐａ側の遮断弁２８ａを先に開弁し、その後で遮断弁２８ｂを開弁すると、圧力差（Ｐｂ−Ｐａ）によってガスタンク２１ａに逆流が生じる。詳細には、ガス供給系統２３にはガスタンク２１ａ，２１ｂ同士を接続する流路があるため、ガスタンク２１ｂから放出された水素ガスは、供給マニホールド部４２から個別供給配管４１ａへと流れ、ガスタンク２１ａ内へと流れ込む。このような逆流が生じると、例えば個別供給配管４１ａにフィルタ（図示省略）を設けている場合、フィルタに捕捉されていた異物が遮断弁２８ａの弁部へと逆流し、遮断弁２８ａの開閉不良が生じる可能性がある。したがって、このような逆流は好ましくない。
【００３５】
そこで、本実施形態では、逆流現象が発生することを抑制するべく、水素ガスの供給開始時（ｔ＝ｔ2）において図３に示す制御を行っている。
【００３６】
図３に示すように、燃料電池システム１の起動が開始されると（ステップＳ１、図２のｔ＝ｔ2）、先ず、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂが圧力センサ５４ａ，５４ｂによって読み込まれ、これらの情報が、制御装置２４のＲＡＭに記憶される（ステップＳ２）。この場合、図２に示したとおり、タンク圧力については以下の関係となっている。
Ｐｂ＞Ｐａ
【００３７】
次いで、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂ側の遮断弁２８ｂを開弁し、水素ガスを燃料電池２に供給する（ステップＳ３）。このとき、遮断弁２８ａは閉じたままにしておく。供給されたガスタンク２１ｂからの水素ガスが、酸化ガス系統からの酸化ガスと燃料電池２にて電気化学反応をすると電力が発生する。この電力の発生を伴う燃料電池システム１の運転（燃料電池車両の走行）によって、ガスタンク２１ｂ内の水素ガスは徐々に消費されていくので、タンク圧力Ｐｂは徐々に低下していく。一方で、ガスタンク２１ａ内の水素ガスは消費されないため、タンク圧力Ｐａは変化しない。
【００３８】
その後、タンク圧力Ｐｂがタンク圧力Ｐａと等しくなるまで低下した時点で、制御装置２４は、ガスタンク２１ａ側の遮断弁２８ａも開弁する（ステップＳ４）。これにより、ガスタンク２１ａ，２１ｂの両者からの水素ガスが、燃料電池２に供給されていく。なお、水素ガスの供給中は、タンク圧力Ｐａ，Ｐｂは圧力センサ５４ａ，５４ｂによって随時検出され、その検出された情報が制御装置２４のＲＡＭに記憶される。したがって、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂがタンク圧力Ｐａと等しくなった時点を判断することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、水素ガスの供給開始時において、先ず高圧側の遮断弁２８ｂを開弁し、その後、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の圧力差がなくなったところで、当初低圧側であった遮断弁２８ａを開弁する。このため、遮断弁２８ａを開弁した際に、ガスタンク２１ｂからの水素ガスがガスタンク２１ａに流れ込むことが回避される。したがって、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の逆流を抑制することができるので、上記のような遮断弁２８ａの開閉不良を抑制することができる。
【００４０】
特に、本実施形態によれば、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧情報を取得する手段（すなわち、情報取得部）として、ガスタンク２１ａ，２１ｂの個々に対応して設けた圧力センサ５４ａ，５４ｂを用いている。このため、実際の圧力検出値（Ｐａ，Ｐｂ）に基づいて遮断弁２８ａ，２８ｂの開弁タイミングを決めることができるので、上述した水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御をより精度良く行うことができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、高圧側の遮断弁２８ｂを低圧側の遮断弁２８ａよりも先に開弁するので、上記の特許文献１（特開２００８−２２３７８４号公報）で指摘されている逆圧が遮断弁２８ａに作用し得る。しかしながら、水素ガスの供給開始のタイミングで生じ得る逆圧は例えば５ＭＰａ程度の僅かな圧力であり、この程度の逆圧では、遮断弁２８ａが開けられることがないように遮断弁２８ａを設計することは可能である。例えば、逆圧によって遮断弁２８ａの弁体が弁座から離間しないように、遮断弁２８ａの弁体を付勢する弾性体のバネ力を事前に設計することができる。したがって、本実施形態の上記制御によれば、水素ガスの供給開始時において、逆流を抑制しつつ、さらに、逆圧による遮断弁２８ａの受けるダメージを最小減に抑えることもできる。
【００４２】
＜第１実施形態の変形例＞
ガスタンクの数は、上記の２つに限られるものではなく、３つ以上であってもよい。例えば、互いに放熱性が異なる３つのガスタンクを燃料電池２に並列に接続した場合には、これに対応して３つの圧力センサを設けるとよい。このような構成において、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御を行う場合には、先ず、タンク圧力が最も高いガスタンクに対応する遮断弁を開き、そのタンク圧力が、２番目に高いタンク圧力と同じになった時点で、この２番目に高いタンク圧力に対応する遮断弁を開く。その後、これら２つのタンク圧力が、当初最も低かったタンク圧力と同じになった時点で、この当初最も低かったタンク圧力に対応する遮断弁を開くことで、計３つのガスタンクから水素ガスを供給する。
【００４３】
他の例として、３つ以上のガスタンクのうち、２つのガスタンクの放熱性が同じである場合には、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御において、その２つのガスタンクに対応する２つの遮断弁については同時に開くようにすればよい。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、図４及び図５を参照して、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態との主な相違点は、ガスタンク２１ａ，２１ｂごとの圧力センサ５４ａ，５４ｂに代えて、一つの圧力センサ６０を用いることにした点と、これに伴い、水素ガス供給開始時の制御を行うにあたり、ガスタンク２１ａ，２１ｂ内の圧力を算出することにした点である。なお、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
図４に示すように、圧力センサ６０は、充填マニホールド部３２に設けられ、ガスタンク２１ａ，２１ｂに充填されていく水素ガスの圧力（以下、圧力Ｐｃという。）を検出する。圧力センサ６０を設ける位置は、充填マニホールド部３２に限るものではなく、例えば共通充填配管３０であってもよい。圧力センサ６０は、圧力Ｐｃの検出情報の信号を制御装置２４に入力する。
【００４６】
図５に示すように、先ず、ガスタンク２１ａ，２１ｂへの水素ガスの充填終了直後において、圧力Ｐｃが圧力センサ６０によって読み込まれると共に、タンク温度Ｔａ，Ｔｂが温度センサ５２ａ，５２ｂによって読み込まれる（ステップＳ１１）。この読み込まれた情報は、制御装置２４のＲＡＭに記憶される。以下、このときに記憶された充填終了直後におけるタンク温度Ｔａ，Ｔｂの検出値を、タンク温度Ｔａ1，Ｔｂ1と表記する。
【００４７】
ここで、充填終了直後とは、充填終了時又は充填終了から僅かな時間が経過した時をいい、時間経過に伴ってガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧が実質的に減少する前の段階をいう。したがって、充填終了直後の一例は、例えば図２に示す充填終了時（ｔ＝ｔ1）であり、そのときに読み込まれる圧力Ｐｃは、図２に示す圧力Ｐ1と等しくなる。
【００４８】
次いで、燃料電池システム１の起動が開始されると（ステップＳ１２、図２のｔ＝ｔ2）、タンク温度Ｔａ，Ｔｂが温度センサ５２ａ，５２ｂによって読み込まれ（ステップＳ１３）、その情報が制御装置２４のＲＡＭに記憶される。このときに記憶されるタンク温度Ｔａ，Ｔｂの検出値は、ガスタンク２１ａ，２１ｂから燃料電池２への水素ガスの供給開始直前におけるものであり、以下、これらをタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2と表記する。なお、水素ガスの供給開始直前とは、充填終了から任意の時間が経過したときであって、その充填終了後において最初に行われる水素ガスの供給開始の直前をいう。
【００４９】
その後、制御装置２４は、ＲＡＭに記憶している情報、すなわち充填終了直後の圧力Ｐｃ、充填終了直後のタンク温度Ｔａ1，Ｔｂ1及び供給開始直前のタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2を用いて、供給開始直前のタンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、理想気体の状態方式を用いることで、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´は以下の式（１）及び（２）によりそれぞれ算出することができる。
Ｐａ´＝Ｐｃ×Ｔａ2／Ｔａ1 ・・・（１）
Ｐｂ´＝Ｐｃ×Ｔｂ2／Ｔｂ1 ・・・（２）
【００５０】
ここで、水素ガスの供給開始直前においては、通常、タンク圧力Ｐｂ´はタンク圧力Ｐａ´よりも大きくなる。このことは、例えば供給開始直前が図２に示すタイミングｔ2のときであると仮定すると、上記（１）及び（２）におけるタンク温度Ｔａ2，Ｔｂ2は等しくなることからも簡単に導くことができる。
【００５１】
この算出後においては、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´をもとに、図３に示した第１実施形態と同じように、遮断弁２８ａ，２８ｂの開弁タイミングが制御される。具体的には、制御装置２４は、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´の大きさを比較し、その大きさが大きいタンク圧力Ｐｂ´側の遮断弁２８ｂを先に開弁する（ステップＳ１５）。その後、タンク圧力Ｐｂ´が低下してタンク圧力Ｐａ´と等しくなった時点で、制御装置２４は、ガスタンク２１ａ側の遮断弁２８ａも開弁する（ステップＳ１６）。
【００５２】
ここで、ステップＳ１５以降において低下していくタンク圧力Ｐｂ´の値は、温度センサ５２ｂによって随時検出するタンク温度Ｔｂを用いることで、制御装置２４にて算出することができる。あるいは、制御装置２４による算出に代えて、圧力センサ４４を用い、圧力センサ４４による検出値をタンク圧力Ｐｂの値とみなしてもよい。いずれの場合であっても、制御装置２４は、タンク圧力Ｐｂ´が低下してタンク圧力Ｐａ´と等しくなった時点を判断することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、水素ガスの供給開始時において、ガスタンク２１ａ，２１ｂ間の逆流を抑制することができる。特に、この逆流を抑制するための制御構成のうち、ガスタンク２１ａ，２１ｂの内圧情報を取得する手段（すなわち、情報取得部）として、温度センサ５２ａ，５２ｂ及び圧力センサ６０を少なくとも用いており、本実施形態によれば、ガスタンク２１ａ，２１ｂの各々に対応して圧力センサを設けなくて済む。したがって、部品点数を削減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００５４】
＜第２実施形態の変形例＞
第１実施形態の変形例と同様に、ガスタンクの数は、上記の２つに限られるものではなく、３つ以上であってもよい。この場合についても、詳述するまでもなく、上記同様に個々のタンク圧力を算出することで、水素ガス供給開始時の逆流を防止する制御を行うことができる。
【００５５】
ここで、放熱性が互いに異なるｎ個（ただし、ｎは二以上の自然数。）のガスタンクがある場合について、ガス供給開始直前におけるガスタンク２１m（ただし、添え字のｍはタンク番号を示す自然数であり、１≦ｍ≦ｎである。）の内圧Ｐm´について数式化すると以下のとおりである。
Ｐm´＝Ｐ×Ｔm´／Ｔm
【００５６】
上記式において、Ｐは、充填終了直後の圧力Ｐｃである。また、Ｔm´は、ガスタンク２１mのガス供給開始直前における内部温度であり、ガスタンク２１mに対応する温度センサによって検出される検出値である。同様に、Ｔmは、ガスタンク２１mの充填終了直後における内部温度であり、ガスタンク２１mに対応する温度センサによって検出される検出値である。
【００５７】
その他、変形例として、圧力センサ６０を水素ステーション側に設けることも可能である。例えば、水素ステーションの充填ノズル等に圧力センサ６０を設け、充填終了直後における圧力Ｐｃを水素ステーション側で検出する。この場合、赤外線の通信技術等を用いて、水素ステーションから制御装置２４に圧力Ｐｃの情報を伝えておく。こうすることで、圧力センサ６０を車両側に設けなくとも、図５に示すステップＳ１４において、タンク圧力Ｐａ´，Ｐｂ´を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明のガスタンクシステムは、水素ガスのみならず、天然ガスなど他のガスを使用するものにも適用することができる。また、車両に限らず、航空機、船舶、ロボットなど、各種の移動体に適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１：燃料電池システム、２：燃料電池（ガス供給先）、２１ａ，２１ｂ：ガスタンク、２２：ガス充填系統、２３：ガス供給系統、２４：制御装置、２８ａ，２８ｂ：遮断弁、５２ａ，５２ｂ：温度センサ、５４ａ，５４ｂ，６０：圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給先に対して並列に接続され、互いに放熱性が異なる複数のガスタンクと、
前記ガスタンクの各々に関して、前記ガスタンクから前記ガス供給先へのガスの供給を許容及び遮断する弁機構と、
前記ガスタンクの各々の内圧情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部の取得結果に基づいて前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ガス供給先へのガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンクからガスの供給を許容するように前記弁機構を制御し、その後、当該ガスタンクの内圧が当該ガスタンクよりも内圧の低いガスタンクの内圧と等しくなった時点で、この内圧の低いガスタンクからもガスの供給を許容するように前記弁機構を制御するガス供給制御を実行する、ガスタンクシステム。
【請求項２】
前記ガス供給制御は、前記ガスタンクへのガス充填後において前記ガス供給先に対して最初のガス供給を行う場合に実行される、請求項１に記載のガスタンクシステム。
【請求項３】
前記弁機構は、前記ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の遮断弁を有する、請求項１又は２に記載のガスタンクシステム。
【請求項４】
前記情報取得部は、
前記ガスタンクの各々に対応して設けられ、前記ガスタンクの各々の内圧を検出する複数の圧力センサを有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスタンクシステム。
【請求項５】
前記圧力センサは、充填口に対して前記ガスタンクを並列に接続するガス充填系統に設けられている、請求項４に記載のガスタンクシステム。
【請求項６】
前記情報取得部は、
前記ガスタンクにガスを充填するガス充填系統に設けられ、前記ガスタンクへのガス充填終了直後における圧力を検出する一つの圧力センサと、
前記ガスタンクの各々に対応して設けられ、前記ガスタンクへのガス充填終了直後及び前記ガスタンクからのガス供給開始直前における当該ガスタンクの各々の内部温度を検出する複数の温度センサと、を有し、
前記制御装置は、
前記ガス充填終了直後における一つの圧力検出値と、前記ガス充填終了直後における複数の温度検出値と、前記ガス供給開始直前における複数の温度検出値と、を用いて、ガス供給開始直前における前記ガスタンクの各々の内圧を算出すると共に、その算出した複数の内圧の大きさを比較し、その比較した結果に基づき前記ガス供給制御を実行する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスシステム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のガスタンクシステムを備えた車両であって、
前記ガス供給先として燃料電池を有する、車両。
【請求項１】
ガス供給先に対して並列に接続され、互いに放熱性が異なる複数のガスタンクと、
前記ガスタンクの各々に関して、前記ガスタンクから前記ガス供給先へのガスの供給を許容及び遮断する弁機構と、
前記ガスタンクの各々の内圧情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部の取得結果に基づいて前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ガス供給先へのガス供給開始時においては、内圧の高いガスタンクからガスの供給を許容するように前記弁機構を制御し、その後、当該ガスタンクの内圧が当該ガスタンクよりも内圧の低いガスタンクの内圧と等しくなった時点で、この内圧の低いガスタンクからもガスの供給を許容するように前記弁機構を制御するガス供給制御を実行する、ガスタンクシステム。
【請求項２】
前記ガス供給制御は、前記ガスタンクへのガス充填後において前記ガス供給先に対して最初のガス供給を行う場合に実行される、請求項１に記載のガスタンクシステム。
【請求項３】
前記弁機構は、前記ガスタンクの各々に対応して設けられた複数の遮断弁を有する、請求項１又は２に記載のガスタンクシステム。
【請求項４】
前記情報取得部は、
前記ガスタンクの各々に対応して設けられ、前記ガスタンクの各々の内圧を検出する複数の圧力センサを有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスタンクシステム。
【請求項５】
前記圧力センサは、充填口に対して前記ガスタンクを並列に接続するガス充填系統に設けられている、請求項４に記載のガスタンクシステム。
【請求項６】
前記情報取得部は、
前記ガスタンクにガスを充填するガス充填系統に設けられ、前記ガスタンクへのガス充填終了直後における圧力を検出する一つの圧力センサと、
前記ガスタンクの各々に対応して設けられ、前記ガスタンクへのガス充填終了直後及び前記ガスタンクからのガス供給開始直前における当該ガスタンクの各々の内部温度を検出する複数の温度センサと、を有し、
前記制御装置は、
前記ガス充填終了直後における一つの圧力検出値と、前記ガス充填終了直後における複数の温度検出値と、前記ガス供給開始直前における複数の温度検出値と、を用いて、ガス供給開始直前における前記ガスタンクの各々の内圧を算出すると共に、その算出した複数の内圧の大きさを比較し、その比較した結果に基づき前記ガス供給制御を実行する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスシステム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のガスタンクシステムを備えた車両であって、
前記ガス供給先として燃料電池を有する、車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２０４４１（Ｐ２０１１−２２０４４１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９００８５（Ｐ２０１０−９００８５）
【出願日】平成２２年４月９日（２０１０．４．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月９日（２０１０．４．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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