ガス充填システム及び補正方法
【課題】ガスボンベ内の圧力と、圧力センサの出力電圧との関係を補正する。
【解決手段】（ａ）ガス充填前のガスボンベ内の第１の温度と、第１の圧力と、第１の圧力における圧力センサの第１の出力電圧とを取得する工程と、（ｂ）ガスボンベの容積と、第１の温度と、第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、（ｃ）ガス充填後のガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、（ｄ）ガス充填後のガスボンベ内の第２の温度と、第２の圧力と、第２の圧力における圧力センサの第２の出力電圧とを取得する工程と、（ｅ）ガス充填後のガスボンベ内の第２のガスの量と、ガスボンベの容積と、第２の温度と、を用いてガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、（ｆ）第１の圧力と第１の電圧及び第３の圧力と第２の電圧とを用いて、圧力センサの出力電圧とガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、を備える。
【解決手段】（ａ）ガス充填前のガスボンベ内の第１の温度と、第１の圧力と、第１の圧力における圧力センサの第１の出力電圧とを取得する工程と、（ｂ）ガスボンベの容積と、第１の温度と、第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、（ｃ）ガス充填後のガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、（ｄ）ガス充填後のガスボンベ内の第２の温度と、第２の圧力と、第２の圧力における圧力センサの第２の出力電圧とを取得する工程と、（ｅ）ガス充填後のガスボンベ内の第２のガスの量と、ガスボンベの容積と、第２の温度と、を用いてガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、（ｆ）第１の圧力と第１の電圧及び第３の圧力と第２の電圧とを用いて、圧力センサの出力電圧とガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のガスボンベの内部のガスの圧力を圧力センサで測定する時における、圧力と圧力センサの出力電圧の関係を補正する補正のやり方に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素をエネルギー源として使用する車両には、水素ガス貯蔵タンクが搭載されている。水素ガス貯蔵タンクの圧力監視は、例えば圧力センサにより行われている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２５９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池車両における水素ガス貯蔵タンクは、圧力が７０ＭＰａ程度以上の極めて高い圧力で水素を貯蔵する。このため、圧力センサとしては、例えば隔膜（ダイヤフラム）に加わる圧力を膜の変形として歪みセンサで検出し、歪み量に応じた出力電圧を発するものが使用される場合がある。このような圧力センサでは、圧力センサのダイヤフラムに水素が固溶し、ダイヤフラムが膨張する場合がある。かかる場合、圧力センサの出力電圧から水素ガス貯蔵タンクの圧力を正しく求めることが難しい場合があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、水素ガス貯蔵タンク（ガスボンベ）内の圧力と、圧力センサの出力電圧との関係を補正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
ガス充填システムであって、ガスステーションのガスタンクから供給されるガスを充填するガスボンベと、前記ガスタンクから前記ガスボンベに供給されるガスの量を測定するガス流量計と、前記ガスボンベ内のガスの温度を測定する温度センサと、前記ガスボンベ内のガスの圧力を測定し、圧力に応じて出力信号を発生する圧力センサと、前記圧力センサの圧力と前記出力信号の値との関係を補正する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得し、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得し、前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得し、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得し、前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出し、前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力を第３の圧力と補正することにより圧力センサの出力電圧との関係を補正し、出力電圧から正しい圧力を求めることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のガス充填システムにおいて、前記制御部は、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対して予め定められた第１の比率以上であって、予め定められた第２の比率未満である場合に、前記補正を行う、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力と第３の圧力との差が小さい場合には、補正をする必要がない。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のガス充填システムにおいて、前記ガスボンベの前記ガスステーションと反対側に減圧弁が接続されており、前記圧力センサは、前記減圧弁の前記ガスボンベ側のガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、前記減圧弁の前記ガスボンベと反対側のガスの圧力を測定する第２の圧力センサとを有し、前記制御部は、前記第１の圧力が予め定められた圧力よりも低く、前記減圧弁を通過した後の下流側の前記第２の圧力が、前記減圧弁を通過する前の上流側の前記第１の圧力と同じとなる場合には、前記第１の出力信号値として前記第１の圧力センサの出力信号値を用い、前記第１の圧力として前記第２の圧力センサから得られた圧力を用いて前記補正を行う、ガス充填システム。
この適用例によれば、第１の圧力を補正することにより圧力センサの出力電圧との関係を補正し、出力電圧から正しい圧力を求めることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載のガス充填システムにおいて、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対してあらかじめ定められた第２の比率以上の場合には、前記制御部は、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、前記第１のガスの量と、前記第２の温度と、前記第２の圧力と、を用いて、前記第２のガス量を求め、前記ガス流量計の測定値を補正する、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力と第３の圧力との差が大きい場合には、流量計の測定値を補正することができる。
【００１１】
［適用例５］
ガスボンベに接続された圧力センサにかかる圧力と前記圧力センサの出力信号との関係を補正する補正方法であって、（ａ）ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得する工程と、（ｂ）前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、（ｃ）前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、（ｄ）前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得する工程と、（ｅ）前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、（ｆ）前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、を備える、補正方法。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス充填装置の他、ガス充填方法、ガス充填におけるタンク内圧力検出値の補正方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例にかかるガス充填システムの構成を示す説明図である。
【図２】圧力センサ２７０の構成を示す説明図である。
【図３】ガスボンベ２００の内部の圧力が高くなった状態を示す説明図である。
【図４】ガスボンベ内のガスの充填量と圧力との関係を示す説明図である。
【図５】圧力とセンサ出力電圧の関係を示す説明図である。
【図６】第１の実施例における動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施例の構成を示す説明図である。
【図８】第２の実施例における圧力と圧力センサの出力電圧の関係を示す説明図である。
【図９】第２の実施例の動作フローチャートである。
【図１０】第３の実施例の動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかるガス充填システムの構成を示す説明図である。ガス充填システムは、ガスを供給するガスステーション１０と、ガスの供給を受ける車両２０とを備える。ガスステーション１０は、ガスタンク１００と、弁１１０と、ノズル１２０と、ガス管１３０と、制御装置１４０と、通信機１５０と、流量計１６０と、を備える。車両２０は、燃料タンク（「ガスボンベ」とも呼ぶ。）２００と、減圧弁２１０と、レセプタクル２２０と、ガス管２３０と、充填通信用ＥＣＵ２４０と、通信機２５０と、温度センサ２６０と、圧力センサ２７０と、燃料電池３００と、を備える。
【００１５】
ガスステーション１０のガスタンク１００と、ノズル１２０とは、ガス管１３０により接続されており、ガス管１３０には、弁１１０が設けられている。車両２０のレセプタクル２２０には、ガスステーション１０のノズル１２０が接続され、レセプタクル２２０は、ガス管２３０を介してガスボンベ２００に接続されている。ガスボンベ２００は、減圧弁を介して燃料電池３００に接続されている。本実施例では、ガスタンク１００内のガスは、弁１１０、ガス管１３０、ノズル１２０、レセプタクル２２０、ガス管２３０を経てガスボンベ２００に充填される。
【００１６】
ガスステーション１０の流量計１６０は、ガス管１３０に接続されており、ガス管１３０を流れる単位時間当たりのガスの流量を測定する。車両２０の温度センサ２６０は、ガスボンベ２００の中のガスの温度を測定する。圧力センサ２７０は、ガスボンベ２００の中のガスの圧力を測定する。
【００１７】
車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０は、温度センサ２６０からガスボンベ２００内のガスの温度を取得し、圧力センサ２７０からガスボンベ２００内のガスの圧力を取得する。このとき、充填通信用ＥＣＵ２４０が取得するのは、温度センサ２６０や圧力センサ２７０の出力電圧であり、充填通信用ＥＣＵ２４０は、これらの出力電圧から温度や圧力を算出する。充填通信用ＥＣＵ２４０はガスボンベ２００内のガスの温度や圧力を、ガスボンベ２００の容積を、通信機２５０及びガスステーション１０の通信機１５０を介して、ガスステーション１０の制御装置１４０に送る。通信機１５０と通信機２５０は、それぞれノズル１２０とレセプタクル２２０の傍に、赤外線発光部と赤外線発受光部とそれぞれ備えており、ノズル１２０とレセプタクル２２０とが結合されたときに、赤外線通信により通信を行ってもよい。ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００内のガスの温度や圧力を元に弁１１０の開閉を制御することにより、ガスタンク１００からガスボンベ２００へのガスの充填を制御する。また、流量計１６０からガスの流量を取得し、積算することにより、ガスタンク１００からガスボンベ２００に充填されたガスの量を算出する。
【００１８】
図２は、圧力センサ２７０の構成を示す説明図である。圧力センサ２７０は、ステム２７１と、ガラス層２７４と、センサチップ２７６と、を備える。ステム２７１は、略円筒形の金属性の部材であり、頂部にダイヤフラム（薄膜部）２７２を備える。ガラス層２７４は、ダイヤフラム２７２に接するように配置され、センサチップ２７６はガラス層２７４に接するように配置されている。センサチップ２７６として、単結晶ピエゾ抵抗素子を用いることができる。圧力センサ２７０の内側の圧力が高くなると、ダイヤフラム２７２が外側に膨らみ、ガラス層２７４を介してセンサチップ２７６を変形させる。センサチップ２７６は、変形量に従って電圧を発生させる。充填通信用ＥＣＵ２４０は、この電圧の値から圧力を求める。
【００１９】
図３は、ガスボンベ２００の内部の圧力が高くなった状態を示す説明図である。ガスボンベ２００の圧力が高いと言うことは、ガスボンベ２００内の水素分圧が高いことを意味する。かかる場合、水素の一部はダイヤフラム２７２に固溶する。その結果、ダイヤフラム２７２が膨張し、センサチップ２７６に対して、圧力に加えてダイヤフラム２７２の膨張による応力が作用する。したがって、充填通信用ＥＣＵ２４０は、このセンサチップの出力電圧の値からガスボンベ２００内のガスの圧力を求める場合にダイヤフラム２７２の膨張による応力を考慮して圧力の補正を行うことが必要となる。
【００２０】
図４は、ガスボンベ内のガスの充填量と圧力との関係を示す説明図である。一般に、ガスの充填量が多くなると、圧力が増大し、またガスの温度が高いほど圧力は増大する。ガスボンベの容積をＶ［ｍ3］、圧力をＰ［Ｐａ］、温度をＴ［Ｋ］、ガスの量をｎ［ｍｏｌ］とすると、
【数１】
の関係がある。この式（１）は、理想気体の状態方程式と呼ばれるものであり、定数Ｒは気体定数と呼ばれ、Ｒ＝８．３１ＪＫ-1ｍｏｌ-1である。気体の分子間には、分子間力が働き、また、分子の大きさは無視できないので、一般には、実在気体の状態方程式が用いられる。
【００２１】
式（２）は、実在気体の状態方程式の一例（ファンデルワールスの状態方程式）を示すものである。
【数２】
式（２）において、第１項の＋ａｎ2／Ｖ2は分子間力（ファンデルワールス力）を考慮したものであり、第２項の−ｎｂは、分子の移動空間の減少分を考慮したものである。係数ａ、ｂは、ファンデルワールス係数と呼ばれる。ガスが水素の場合、ファンデルワールス係数ａは、２．４８×１０-3Ｐａｍ6ｍｏｌ-2であり、ファンデルワールス係数ｂは、２６．７×１０-6ｍ3ｍｏｌ-1である。
【００２２】
ガスボンベ２００の容積をＶ、ガス充填前の圧力をＰ１、温度をＴ１、ガスのモル数をＮ１とすると、式（２）より、
【数３】
容積Ｖ、圧力Ｐ１、温度Ｔ１を取得し、式（３）に代入して解くことにより、モル数Ｎ１を求めることが出来る。
【００２３】
ガス充填後の圧力をＰ３、温度をＴ２、ガスのモル数をＮ２とすると、式（２）より、
【数４】
が得られる、式（４）を変形すると、式（５）が得られる。
【数５】
ここでガス充填後のガスの量Ｎ２は、Ｎ１＋ΔＮである。Ｎ１は上述したガス充填前のガスボンベ２００内のガスのモル数である。ΔＮは、新たに充填されたガスの量であり、ガスステーション１０の流量計１６０の測定値を積算することにより容易に求めることができる。温度Ｔ２は温度センサ２６０により測定することができる。したがって、式（５）より、圧力Ｐ３を算出することができる。
【００２４】
なお、ガスボンベ２００が金属などの材料で形成されている場合、温度によりガスボンベが膨張し、容積Ｖが大きくなる場合がある。したがって、式（５）において、温度によるガスボンベ２００の膨張を考慮して圧力Ｐ３を求めてもよい。さらに、圧力Ｐ３は、大気圧よりも大きいので、ガスボンベ２００は、内外圧力差により、膨張する可能性がある。かかる場合には、一旦、式（５）により圧力Ｐ３を求め、圧力Ｐ３と大気圧とからガスボンベ２００の容積Ｖを補正し、補正後の容積Ｖを用いて再度式（５）を用いて圧力Ｐ３を求める。これを繰り返し、求めた圧力Ｐ３の変化が一定の範囲内に収束したときの圧力を圧力Ｐ３としてもよい。
【００２５】
図５は、圧力とセンサ出力電圧の関係を示す説明図である。破線（点Ｑ１、Ｑ２を通る直線）が補正前であり、実線（点Ｑ１、Ｑ３を通る直線）が、本実施例で説明する補正を行った後の圧力とセンサ出力電圧の関係を示す。補正前では、ガス充填前のとき、ガスボンベ２００の圧力はＰ１であり、そのときセンサ出力電圧はＥ１である（点Ｑ１）。ガス充填後、センサ出力電圧がＥ２になったとする。圧力とセンサ出力電圧との関係を示すグラフから、ガス充填後の圧力Ｐ２を求めることができる（点Ｑ２）。
【００２６】
ここで、圧力Ｐ２とＰ３とがほぼ同じであれば、圧力を補正する必要がない。しかし、図３で説明したように、圧力が高くなると、センサ出力電圧から圧力を正しく求めることが出来なくなる。したがって、式（５）を用いて算出した圧力を用いて、センサ出力電圧と圧力の関係を補正する。具体的には、図５の高圧力側のポイントとして、圧力Ｐ３、出力電圧Ｅ２の点を用いる（点Ｑ３）。なお、本実施例では、Ｐ３＞Ｐ２となる例を示しているが、補正前の圧力とセンサ出力電圧との関係を示すグラフによっては、Ｐ３＜Ｐ２となる場合もあり得る。このような補正を行うことにより、圧力と圧力センサ２７０の出力電圧の関係を示す式は、点Ｑ１、Ｑ３を通る直線となり、圧力センサ２７０の出力電圧からガスボンベ２００内のガスの圧力を正しく求めることができる。このため、燃料電池（図示せず）の動作によりガスが消費された場合に、圧力センサ２７０の出力電圧からガスボンベ２００内のガスの圧力を正しく判断することが可能となる。
【００２７】
図６は、第１の実施例における動作を示すフローチャートである。ステップＳ６００では、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０を起動する。この起動は、例えば、運転者あるいはガスステーション１０の係員がレセプタクル２２０の蓋（図示せず）を開けることにより起動されてもよい。次いでステップＳ６０５において、充填通信用ＥＣＵ２４０は、通信機２５０、温度センサ２６０、圧力センサ２７０を起動する。ステップＳ６１０では、ガスステーション１０の係員は、ガスステーション１０のノズル１２０を車両２０のレセプタクル２２０に差し込む。これによりガスステーション１０から車両２０へのガスの充填が可能となる。また、ノズル１２０とレセプタクル２２０とが結合することにより、ガスステーション１０の通信機１５０と、車両２０の通信機２５０とは、通信が可能となる。
【００２８】
ステップＳ６１５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、温度センサ２６０、圧力センサ２７０から、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ１、圧力Ｐ１、出力電圧Ｅ１を取得し、ガスボンベ２００の容積Ｖとともに、ガスステーション１０の制御装置１４０に送信する。なおガスボンベ２００の容積Ｖの値は、ガスボンベ２００の設計データから予め求められており、例えば充填通信用ＥＣＵ２４０に格納されている。
【００２９】
ステップＳ６２０では、まず、ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ１、圧力Ｐ１、ガスボンベ２００の容積Ｖから、ファンデルワールスの状態方程式を用いて、ガス充填前のガスボンベ２００内のガスのモル数Ｎ１を求める（（式）３）。そして、弁１１０を開けてガスボンベ２００へのガスの充填を開始する。ステップＳ６２５では、制御装置１４０は、流量計１６０を用いて取得したガスの流量を取得して、ガスボンベに充填されたガスの充填量ΔＮを取得する。ステップＳ６３０では、制御装置１４０は、弁１１０を閉じてガスボンベ２００へのガスの充填を終了する。制御装置１４０は、ガス充填を終了する条件として、例えばガスの充填量ΔＮが一定の量に達したとき、あるいは、圧力センサ２７０から得られるガスボンベ２００内のガスの圧力が予め定められた値に達したとき、あるいは温度センサ２６０から得られるガスボンベ２００内のガスの温度が予め定められた値に達したとき、など、様々な条件を採用することができる。
【００３０】
ステップＳ６３５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、ガス充填後のガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ２、圧力Ｐ２、出力電圧Ｅ２を取得し、ガスステーション１０の制御装置１４０に送信する。なお、ガスボンベ２００の容積Ｖは、すでにステップＳ６１５において送信済である。
【００３１】
ステップＳ６４０では、ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ２、ガスボンベ２００の容積Ｖおよびガス充填後のガスボンベ２００内のガスの量Ｎ２（＝Ｎ１＋ΔＮ）から、ファンデルワールスの状態方程式を用いて、ガス充填後のガスボンベ２００内のガスの圧力Ｐ３を算出する（式（５））。
【００３２】
ステップＳ６４５では、制御装置１４０は、充填通信用ＥＣＵ２４０から得た圧力Ｐ２と、ファンデルワールスの状態方程式から得た圧力Ｐ３とを比較しＰ２／Ｐ３がｘ１〜ｘ２の範囲内か否かを判断する。ここでｘ１は１より小さい値であり、ｘ２は１より大きい値であり、ｘ１、ｘ２は予め任意に定めることができる。圧力Ｐ３に対する圧力Ｐ２が５％以上異なるときに補正を実行するとすれば、ｘ１＝０．９５、ｘ２＝１．０５となる。ｘ１＜Ｐ２／Ｐ３＜ｘ２であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５０に移行し、補正を実行しない。一方、Ｐ２／Ｐ３≦ｘ１あるいは、ｘ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５５に移行し、補正を実行する。具体的には、図５に示すように、出力電圧Ｅ２に対応する圧力をＰ２からＰ３に変更する。ステップＳ６６０では、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。この後、車両の充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力センサ２７０の出力電圧から補正後の関係式を用いて、ガスボンベ２００の圧力を取得することができる。
【００３３】
以上、本実施例によれば、ガスの充填量から、ガスの圧力を補正するので、圧力センサ２７０に水素が固溶し、圧力センサ２７０のダイヤフラム２７２が膨張する場合であっても、圧力センサ２７０の出力電圧から圧力を正しく求めることが可能となる。
【００３４】
［第２の実施例］
図７は、第２の実施例の構成を示す説明図である。第２の実施例では、高圧における圧力補正だけではなく低圧における圧力補正も行う。第１の実施例では、車両２０の減圧弁２１０の上流側に圧力センサ２７０を備えていたが、第２の実施例では、上流側に加えて下流側にも圧力センサを備える。以下、両圧力センサを区別するため、上流側を上流側圧力センサａ２７０、下流側を下流側圧力センサｂ２８０と呼ぶ。
【００３５】
図８は、第２の実施例における圧力と圧力センサの出力電圧の関係を示す説明図である。破線（点Ｑ１、Ｑ２を通る直線）が補正前であり、実線（点Ｑ４、Ｑ３を通る直線）が、本実施例で説明する補正を行った後の圧力とセンサ出力電圧の関係を示す。点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３については、第１の実施例と同じであるので、点Ｑ４について説明する。点Ｑ４は、圧力Ｐｂ、出力電圧Ｅ１の点である。ここで、圧力Ｐｂは、下流側圧力センサｂ２８０の示す圧力の値である。
【００３６】
減圧弁２１０の上流側の一次圧が調圧値以下まで下がったときには、下流側の二次圧と上流側の一次圧は等しくなる。但し、上流側の圧力は、上流側圧力センサａ２７０が測定しており、下流側の圧力は、下流側圧力センサｂ２８０が測定しているので、上流側圧力センサａ２７０が示す出力電圧から求められる圧力値と、下流側圧力センサｂ２８０が示す出力電圧から求められる圧力値は、異なる場合がある。ここで、上流側圧力センサａ２７０の圧力測定範囲は、ガスボンベ２００にガスを充填したとき（高圧）からガスを消費したとき（低圧）まで広範囲が測定範囲である。これに対し、下流側圧力センサｂ２８０の圧力測定範囲は、減圧弁２１０の下流側であり、低圧のみである。したがって、低圧、特に減圧弁２１０の調圧値以下の低圧における測定の場合には、下流側圧力センサｂ２８０の方が上流側圧力センサａ２７０よりも信頼度が高い。したがって、この特徴を用い、減圧弁の一次圧と二次圧とが等しくなる条件において、下流側圧力センサｂ２８０の指示値Ｐｂをもとに上流側圧力センサａ２７０の値Ｐａを補正する（点Ｑ１→点Ｑ４）。補正前の圧力と出力電圧の関係を示す直線は、点Ｑ１、Ｑ２を通る直線であったが、補正後の圧力と出力電圧の関係を示す直線は、点Ｑ３、Ｑ４を通る直線となる。
【００３７】
図９は、第２の実施例の動作フローチャートである。第２の実施例は、第１の実施例のステップＳ６１０とステップＳ６１５との間に低圧側の補正処理のステップ（ステップＳ９００〜Ｓ９２０）が加わる点が異なる。
【００３８】
ステップＳ９００では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、上流側圧力センサａ２７０を用いて、減圧弁２１０の上流側（一次側）圧力Ｐａ（出力電圧Ｅ１）を測定する。ステップＳ９０５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力Ｐａが調圧値以下か、否かを判断する。この調圧値は、例えば、実験により予め求めておくことができる。圧力Ｐａが調圧値よりも大きい場合には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、処理をステップＳ６１５に移行し、低圧領域における補正を実行しない。圧力Ｐａが調圧値以下の場合には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、処理をステップＳ９１０に移行し、低圧領域における補正を実行する。
【００３９】
充填通信用ＥＣＵ２４０は、ステップＳ９１０において、下流側圧力センサｂ２８０を起動し、ステップＳ９１５において、減圧弁２１０の下流側（二次側）圧力Ｐｂを測定する。ステップＳ９２０では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、低圧側圧力を補正する。具体的には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、上流側圧力センサａ２７０の出力電圧がＥ１であるときの圧力が圧力Ｐｂであるとみなす。以後は、ステップＳ６１５〜ステップＳ６６０の処理が実行される。
【００４０】
なお、ステップＳ６６０では、制御装置１４０は、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式（点Ｑ３、Ｑ４を通る）を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。この後、車両の充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力センサ２７０の出力電圧から補正後の関係式を用いて、ガスボンベ２００の圧力を取得することができる。
【００４１】
以上、本実施例によれば、高圧領域のみならず低圧領域においても、圧力と出力電圧の関係を補正するので、出力電圧から、圧力をより正しく求めることが可能となる。
【００４２】
［第３の実施例］
第１、第２の実施例では、圧力センサ２７０の出力電圧と圧力の関係を補正する補正式を求め、新たな補正式を用いて、圧力センサ２７０の出力電圧から圧力を求めたが、第３の実施例では、出力電圧と圧力の関係を補正するのではなく、流量計１６０を補正する。なお、ガス充填システムの構成は、第１、第２の実施例と同じなので、説明を省略する。
【００４３】
図１０は、第３の実施例の動作フローチャートである。第３の実施例は、ステップＳ６５０までは、第１の実施例と同じ動作であるので、説明を省略する。ステップＳ６４５において、制御装置１４０は、Ｐ２／Ｐ３≦ｘ１あるいは、ｘ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ１０００に移行し、圧力の補正を行うか、あるいは、流量の補正を行うかを、判断する。
【００４４】
ステップＳ１０００では、Ｐ２／Ｐ３がｙ１〜ｙ２の範囲内か否かを判断する。ここでｙ１はｘ１よりも小さい値であり、ｙ２は、ｘ２よりも大きい値である。このｙ１、ｙ２の値は、例えば実験により予め求めておくことができる。ｙ１＜Ｐ２／Ｐ３＜ｙ２であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５５に移行し、高圧側の圧力の補正を実行する。ステップＳ６６では、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。一方、Ｐ２／Ｐ３≦ｙ１あるいは、ｙ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ１００５に移行し、流量計１６０の補正を実行する。具体的には、実在気体の状態方程式（式（２））を用いて、ガスボンベ２００に新たに充填されたガスの充填量ΔＮを求め、これを、積算結果と比較することにより、流量計１６０の補正を実行する。計算により求めた圧力Ｐ３に対し、圧力センサの出力電圧と圧力の関係から求めた圧力Ｐ２とが、一定以上異なっている場合には、流量計の異常が考えられる。したがって、第３の実施例では、計算により求めた圧力Ｐ３に対し、圧力センサの出力電圧と圧力の関係から求めた圧力Ｐ２とが、一定以上異なっている場合には、流量計１６０を補正する。
【００４５】
以上、第３の実施例によれば、圧力を補正するだけでなく、流量を補正することが可能となる。
【００４６】
なお、上記各実施例では、ガスステーション１０のガス容器としてガスタンク、車両２０のガス容器としてガスボンベの用語を用いているが、これは、２つのガス容器を区別するために便宜上使い分けているだけある。
【００４７】
上記各実施例では、ガスステーション１０の制御装置１４０が圧力センサ２７０の出力電圧と圧力との関係を示す式を補正しているが、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０が、制御装置１４０からガス充填量のモル数ΔＮを取得し、式（５）を用いて圧力Ｐ３を算出し、圧力センサ２７０の出力電圧と圧力との関係を示す式を補正してもよい。
【００４８】
本実施例では、実在気体の状態方程式として、ファンデルワールスの状態方程式を用いたが、他に、例えば、ビルアル方程式や、ペン−ロビンソンの状態方程式、ディーテリチの状態方程式などの他の状態方程式を用いることが可能である。また、制御装置１４０は、低圧と、高圧で異なる状態方程式を用いてもよい。例えばペン−ロビンソンの状態方程式は高圧下での計算に有効である。
【００４９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５０】
１０…ガスステーション
２０…車両
１００…ガスタンク
１１０…弁
１２０…ノズル
１３０…ガス管
１４０…制御装置
１５０…通信機
１６０…流量計
２００…ガスボンベ
２１０…減圧弁
２２０…レセプタクル
２３０…ガス管
２４０…充填通信用ＥＣＵ
２５０…通信機
２６０…温度センサ
２７０…圧力センサ
２７１…ステム
２７２…ダイヤフラム
２７４…ガラス層
２７６…センサチップ
３００…燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のガスボンベの内部のガスの圧力を圧力センサで測定する時における、圧力と圧力センサの出力電圧の関係を補正する補正のやり方に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素をエネルギー源として使用する車両には、水素ガス貯蔵タンクが搭載されている。水素ガス貯蔵タンクの圧力監視は、例えば圧力センサにより行われている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２５９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池車両における水素ガス貯蔵タンクは、圧力が７０ＭＰａ程度以上の極めて高い圧力で水素を貯蔵する。このため、圧力センサとしては、例えば隔膜（ダイヤフラム）に加わる圧力を膜の変形として歪みセンサで検出し、歪み量に応じた出力電圧を発するものが使用される場合がある。このような圧力センサでは、圧力センサのダイヤフラムに水素が固溶し、ダイヤフラムが膨張する場合がある。かかる場合、圧力センサの出力電圧から水素ガス貯蔵タンクの圧力を正しく求めることが難しい場合があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、水素ガス貯蔵タンク（ガスボンベ）内の圧力と、圧力センサの出力電圧との関係を補正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
ガス充填システムであって、ガスステーションのガスタンクから供給されるガスを充填するガスボンベと、前記ガスタンクから前記ガスボンベに供給されるガスの量を測定するガス流量計と、前記ガスボンベ内のガスの温度を測定する温度センサと、前記ガスボンベ内のガスの圧力を測定し、圧力に応じて出力信号を発生する圧力センサと、前記圧力センサの圧力と前記出力信号の値との関係を補正する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得し、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得し、前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得し、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得し、前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出し、前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力を第３の圧力と補正することにより圧力センサの出力電圧との関係を補正し、出力電圧から正しい圧力を求めることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のガス充填システムにおいて、前記制御部は、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対して予め定められた第１の比率以上であって、予め定められた第２の比率未満である場合に、前記補正を行う、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力と第３の圧力との差が小さい場合には、補正をする必要がない。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のガス充填システムにおいて、前記ガスボンベの前記ガスステーションと反対側に減圧弁が接続されており、前記圧力センサは、前記減圧弁の前記ガスボンベ側のガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、前記減圧弁の前記ガスボンベと反対側のガスの圧力を測定する第２の圧力センサとを有し、前記制御部は、前記第１の圧力が予め定められた圧力よりも低く、前記減圧弁を通過した後の下流側の前記第２の圧力が、前記減圧弁を通過する前の上流側の前記第１の圧力と同じとなる場合には、前記第１の出力信号値として前記第１の圧力センサの出力信号値を用い、前記第１の圧力として前記第２の圧力センサから得られた圧力を用いて前記補正を行う、ガス充填システム。
この適用例によれば、第１の圧力を補正することにより圧力センサの出力電圧との関係を補正し、出力電圧から正しい圧力を求めることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載のガス充填システムにおいて、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対してあらかじめ定められた第２の比率以上の場合には、前記制御部は、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、前記第１のガスの量と、前記第２の温度と、前記第２の圧力と、を用いて、前記第２のガス量を求め、前記ガス流量計の測定値を補正する、ガス充填システム。
この適用例によれば、第２の圧力と第３の圧力との差が大きい場合には、流量計の測定値を補正することができる。
【００１１】
［適用例５］
ガスボンベに接続された圧力センサにかかる圧力と前記圧力センサの出力信号との関係を補正する補正方法であって、（ａ）ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得する工程と、（ｂ）前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、（ｃ）前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、（ｄ）前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得する工程と、（ｅ）前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、（ｆ）前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、を備える、補正方法。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス充填装置の他、ガス充填方法、ガス充填におけるタンク内圧力検出値の補正方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例にかかるガス充填システムの構成を示す説明図である。
【図２】圧力センサ２７０の構成を示す説明図である。
【図３】ガスボンベ２００の内部の圧力が高くなった状態を示す説明図である。
【図４】ガスボンベ内のガスの充填量と圧力との関係を示す説明図である。
【図５】圧力とセンサ出力電圧の関係を示す説明図である。
【図６】第１の実施例における動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施例の構成を示す説明図である。
【図８】第２の実施例における圧力と圧力センサの出力電圧の関係を示す説明図である。
【図９】第２の実施例の動作フローチャートである。
【図１０】第３の実施例の動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかるガス充填システムの構成を示す説明図である。ガス充填システムは、ガスを供給するガスステーション１０と、ガスの供給を受ける車両２０とを備える。ガスステーション１０は、ガスタンク１００と、弁１１０と、ノズル１２０と、ガス管１３０と、制御装置１４０と、通信機１５０と、流量計１６０と、を備える。車両２０は、燃料タンク（「ガスボンベ」とも呼ぶ。）２００と、減圧弁２１０と、レセプタクル２２０と、ガス管２３０と、充填通信用ＥＣＵ２４０と、通信機２５０と、温度センサ２６０と、圧力センサ２７０と、燃料電池３００と、を備える。
【００１５】
ガスステーション１０のガスタンク１００と、ノズル１２０とは、ガス管１３０により接続されており、ガス管１３０には、弁１１０が設けられている。車両２０のレセプタクル２２０には、ガスステーション１０のノズル１２０が接続され、レセプタクル２２０は、ガス管２３０を介してガスボンベ２００に接続されている。ガスボンベ２００は、減圧弁を介して燃料電池３００に接続されている。本実施例では、ガスタンク１００内のガスは、弁１１０、ガス管１３０、ノズル１２０、レセプタクル２２０、ガス管２３０を経てガスボンベ２００に充填される。
【００１６】
ガスステーション１０の流量計１６０は、ガス管１３０に接続されており、ガス管１３０を流れる単位時間当たりのガスの流量を測定する。車両２０の温度センサ２６０は、ガスボンベ２００の中のガスの温度を測定する。圧力センサ２７０は、ガスボンベ２００の中のガスの圧力を測定する。
【００１７】
車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０は、温度センサ２６０からガスボンベ２００内のガスの温度を取得し、圧力センサ２７０からガスボンベ２００内のガスの圧力を取得する。このとき、充填通信用ＥＣＵ２４０が取得するのは、温度センサ２６０や圧力センサ２７０の出力電圧であり、充填通信用ＥＣＵ２４０は、これらの出力電圧から温度や圧力を算出する。充填通信用ＥＣＵ２４０はガスボンベ２００内のガスの温度や圧力を、ガスボンベ２００の容積を、通信機２５０及びガスステーション１０の通信機１５０を介して、ガスステーション１０の制御装置１４０に送る。通信機１５０と通信機２５０は、それぞれノズル１２０とレセプタクル２２０の傍に、赤外線発光部と赤外線発受光部とそれぞれ備えており、ノズル１２０とレセプタクル２２０とが結合されたときに、赤外線通信により通信を行ってもよい。ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００内のガスの温度や圧力を元に弁１１０の開閉を制御することにより、ガスタンク１００からガスボンベ２００へのガスの充填を制御する。また、流量計１６０からガスの流量を取得し、積算することにより、ガスタンク１００からガスボンベ２００に充填されたガスの量を算出する。
【００１８】
図２は、圧力センサ２７０の構成を示す説明図である。圧力センサ２７０は、ステム２７１と、ガラス層２７４と、センサチップ２７６と、を備える。ステム２７１は、略円筒形の金属性の部材であり、頂部にダイヤフラム（薄膜部）２７２を備える。ガラス層２７４は、ダイヤフラム２７２に接するように配置され、センサチップ２７６はガラス層２７４に接するように配置されている。センサチップ２７６として、単結晶ピエゾ抵抗素子を用いることができる。圧力センサ２７０の内側の圧力が高くなると、ダイヤフラム２７２が外側に膨らみ、ガラス層２７４を介してセンサチップ２７６を変形させる。センサチップ２７６は、変形量に従って電圧を発生させる。充填通信用ＥＣＵ２４０は、この電圧の値から圧力を求める。
【００１９】
図３は、ガスボンベ２００の内部の圧力が高くなった状態を示す説明図である。ガスボンベ２００の圧力が高いと言うことは、ガスボンベ２００内の水素分圧が高いことを意味する。かかる場合、水素の一部はダイヤフラム２７２に固溶する。その結果、ダイヤフラム２７２が膨張し、センサチップ２７６に対して、圧力に加えてダイヤフラム２７２の膨張による応力が作用する。したがって、充填通信用ＥＣＵ２４０は、このセンサチップの出力電圧の値からガスボンベ２００内のガスの圧力を求める場合にダイヤフラム２７２の膨張による応力を考慮して圧力の補正を行うことが必要となる。
【００２０】
図４は、ガスボンベ内のガスの充填量と圧力との関係を示す説明図である。一般に、ガスの充填量が多くなると、圧力が増大し、またガスの温度が高いほど圧力は増大する。ガスボンベの容積をＶ［ｍ3］、圧力をＰ［Ｐａ］、温度をＴ［Ｋ］、ガスの量をｎ［ｍｏｌ］とすると、
【数１】
の関係がある。この式（１）は、理想気体の状態方程式と呼ばれるものであり、定数Ｒは気体定数と呼ばれ、Ｒ＝８．３１ＪＫ-1ｍｏｌ-1である。気体の分子間には、分子間力が働き、また、分子の大きさは無視できないので、一般には、実在気体の状態方程式が用いられる。
【００２１】
式（２）は、実在気体の状態方程式の一例（ファンデルワールスの状態方程式）を示すものである。
【数２】
式（２）において、第１項の＋ａｎ2／Ｖ2は分子間力（ファンデルワールス力）を考慮したものであり、第２項の−ｎｂは、分子の移動空間の減少分を考慮したものである。係数ａ、ｂは、ファンデルワールス係数と呼ばれる。ガスが水素の場合、ファンデルワールス係数ａは、２．４８×１０-3Ｐａｍ6ｍｏｌ-2であり、ファンデルワールス係数ｂは、２６．７×１０-6ｍ3ｍｏｌ-1である。
【００２２】
ガスボンベ２００の容積をＶ、ガス充填前の圧力をＰ１、温度をＴ１、ガスのモル数をＮ１とすると、式（２）より、
【数３】
容積Ｖ、圧力Ｐ１、温度Ｔ１を取得し、式（３）に代入して解くことにより、モル数Ｎ１を求めることが出来る。
【００２３】
ガス充填後の圧力をＰ３、温度をＴ２、ガスのモル数をＮ２とすると、式（２）より、
【数４】
が得られる、式（４）を変形すると、式（５）が得られる。
【数５】
ここでガス充填後のガスの量Ｎ２は、Ｎ１＋ΔＮである。Ｎ１は上述したガス充填前のガスボンベ２００内のガスのモル数である。ΔＮは、新たに充填されたガスの量であり、ガスステーション１０の流量計１６０の測定値を積算することにより容易に求めることができる。温度Ｔ２は温度センサ２６０により測定することができる。したがって、式（５）より、圧力Ｐ３を算出することができる。
【００２４】
なお、ガスボンベ２００が金属などの材料で形成されている場合、温度によりガスボンベが膨張し、容積Ｖが大きくなる場合がある。したがって、式（５）において、温度によるガスボンベ２００の膨張を考慮して圧力Ｐ３を求めてもよい。さらに、圧力Ｐ３は、大気圧よりも大きいので、ガスボンベ２００は、内外圧力差により、膨張する可能性がある。かかる場合には、一旦、式（５）により圧力Ｐ３を求め、圧力Ｐ３と大気圧とからガスボンベ２００の容積Ｖを補正し、補正後の容積Ｖを用いて再度式（５）を用いて圧力Ｐ３を求める。これを繰り返し、求めた圧力Ｐ３の変化が一定の範囲内に収束したときの圧力を圧力Ｐ３としてもよい。
【００２５】
図５は、圧力とセンサ出力電圧の関係を示す説明図である。破線（点Ｑ１、Ｑ２を通る直線）が補正前であり、実線（点Ｑ１、Ｑ３を通る直線）が、本実施例で説明する補正を行った後の圧力とセンサ出力電圧の関係を示す。補正前では、ガス充填前のとき、ガスボンベ２００の圧力はＰ１であり、そのときセンサ出力電圧はＥ１である（点Ｑ１）。ガス充填後、センサ出力電圧がＥ２になったとする。圧力とセンサ出力電圧との関係を示すグラフから、ガス充填後の圧力Ｐ２を求めることができる（点Ｑ２）。
【００２６】
ここで、圧力Ｐ２とＰ３とがほぼ同じであれば、圧力を補正する必要がない。しかし、図３で説明したように、圧力が高くなると、センサ出力電圧から圧力を正しく求めることが出来なくなる。したがって、式（５）を用いて算出した圧力を用いて、センサ出力電圧と圧力の関係を補正する。具体的には、図５の高圧力側のポイントとして、圧力Ｐ３、出力電圧Ｅ２の点を用いる（点Ｑ３）。なお、本実施例では、Ｐ３＞Ｐ２となる例を示しているが、補正前の圧力とセンサ出力電圧との関係を示すグラフによっては、Ｐ３＜Ｐ２となる場合もあり得る。このような補正を行うことにより、圧力と圧力センサ２７０の出力電圧の関係を示す式は、点Ｑ１、Ｑ３を通る直線となり、圧力センサ２７０の出力電圧からガスボンベ２００内のガスの圧力を正しく求めることができる。このため、燃料電池（図示せず）の動作によりガスが消費された場合に、圧力センサ２７０の出力電圧からガスボンベ２００内のガスの圧力を正しく判断することが可能となる。
【００２７】
図６は、第１の実施例における動作を示すフローチャートである。ステップＳ６００では、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０を起動する。この起動は、例えば、運転者あるいはガスステーション１０の係員がレセプタクル２２０の蓋（図示せず）を開けることにより起動されてもよい。次いでステップＳ６０５において、充填通信用ＥＣＵ２４０は、通信機２５０、温度センサ２６０、圧力センサ２７０を起動する。ステップＳ６１０では、ガスステーション１０の係員は、ガスステーション１０のノズル１２０を車両２０のレセプタクル２２０に差し込む。これによりガスステーション１０から車両２０へのガスの充填が可能となる。また、ノズル１２０とレセプタクル２２０とが結合することにより、ガスステーション１０の通信機１５０と、車両２０の通信機２５０とは、通信が可能となる。
【００２８】
ステップＳ６１５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、温度センサ２６０、圧力センサ２７０から、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ１、圧力Ｐ１、出力電圧Ｅ１を取得し、ガスボンベ２００の容積Ｖとともに、ガスステーション１０の制御装置１４０に送信する。なおガスボンベ２００の容積Ｖの値は、ガスボンベ２００の設計データから予め求められており、例えば充填通信用ＥＣＵ２４０に格納されている。
【００２９】
ステップＳ６２０では、まず、ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ１、圧力Ｐ１、ガスボンベ２００の容積Ｖから、ファンデルワールスの状態方程式を用いて、ガス充填前のガスボンベ２００内のガスのモル数Ｎ１を求める（（式）３）。そして、弁１１０を開けてガスボンベ２００へのガスの充填を開始する。ステップＳ６２５では、制御装置１４０は、流量計１６０を用いて取得したガスの流量を取得して、ガスボンベに充填されたガスの充填量ΔＮを取得する。ステップＳ６３０では、制御装置１４０は、弁１１０を閉じてガスボンベ２００へのガスの充填を終了する。制御装置１４０は、ガス充填を終了する条件として、例えばガスの充填量ΔＮが一定の量に達したとき、あるいは、圧力センサ２７０から得られるガスボンベ２００内のガスの圧力が予め定められた値に達したとき、あるいは温度センサ２６０から得られるガスボンベ２００内のガスの温度が予め定められた値に達したとき、など、様々な条件を採用することができる。
【００３０】
ステップＳ６３５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、ガス充填後のガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ２、圧力Ｐ２、出力電圧Ｅ２を取得し、ガスステーション１０の制御装置１４０に送信する。なお、ガスボンベ２００の容積Ｖは、すでにステップＳ６１５において送信済である。
【００３１】
ステップＳ６４０では、ガスステーション１０の制御装置１４０は、ガスボンベ２００の内部のガスの温度Ｔ２、ガスボンベ２００の容積Ｖおよびガス充填後のガスボンベ２００内のガスの量Ｎ２（＝Ｎ１＋ΔＮ）から、ファンデルワールスの状態方程式を用いて、ガス充填後のガスボンベ２００内のガスの圧力Ｐ３を算出する（式（５））。
【００３２】
ステップＳ６４５では、制御装置１４０は、充填通信用ＥＣＵ２４０から得た圧力Ｐ２と、ファンデルワールスの状態方程式から得た圧力Ｐ３とを比較しＰ２／Ｐ３がｘ１〜ｘ２の範囲内か否かを判断する。ここでｘ１は１より小さい値であり、ｘ２は１より大きい値であり、ｘ１、ｘ２は予め任意に定めることができる。圧力Ｐ３に対する圧力Ｐ２が５％以上異なるときに補正を実行するとすれば、ｘ１＝０．９５、ｘ２＝１．０５となる。ｘ１＜Ｐ２／Ｐ３＜ｘ２であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５０に移行し、補正を実行しない。一方、Ｐ２／Ｐ３≦ｘ１あるいは、ｘ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５５に移行し、補正を実行する。具体的には、図５に示すように、出力電圧Ｅ２に対応する圧力をＰ２からＰ３に変更する。ステップＳ６６０では、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。この後、車両の充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力センサ２７０の出力電圧から補正後の関係式を用いて、ガスボンベ２００の圧力を取得することができる。
【００３３】
以上、本実施例によれば、ガスの充填量から、ガスの圧力を補正するので、圧力センサ２７０に水素が固溶し、圧力センサ２７０のダイヤフラム２７２が膨張する場合であっても、圧力センサ２７０の出力電圧から圧力を正しく求めることが可能となる。
【００３４】
［第２の実施例］
図７は、第２の実施例の構成を示す説明図である。第２の実施例では、高圧における圧力補正だけではなく低圧における圧力補正も行う。第１の実施例では、車両２０の減圧弁２１０の上流側に圧力センサ２７０を備えていたが、第２の実施例では、上流側に加えて下流側にも圧力センサを備える。以下、両圧力センサを区別するため、上流側を上流側圧力センサａ２７０、下流側を下流側圧力センサｂ２８０と呼ぶ。
【００３５】
図８は、第２の実施例における圧力と圧力センサの出力電圧の関係を示す説明図である。破線（点Ｑ１、Ｑ２を通る直線）が補正前であり、実線（点Ｑ４、Ｑ３を通る直線）が、本実施例で説明する補正を行った後の圧力とセンサ出力電圧の関係を示す。点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３については、第１の実施例と同じであるので、点Ｑ４について説明する。点Ｑ４は、圧力Ｐｂ、出力電圧Ｅ１の点である。ここで、圧力Ｐｂは、下流側圧力センサｂ２８０の示す圧力の値である。
【００３６】
減圧弁２１０の上流側の一次圧が調圧値以下まで下がったときには、下流側の二次圧と上流側の一次圧は等しくなる。但し、上流側の圧力は、上流側圧力センサａ２７０が測定しており、下流側の圧力は、下流側圧力センサｂ２８０が測定しているので、上流側圧力センサａ２７０が示す出力電圧から求められる圧力値と、下流側圧力センサｂ２８０が示す出力電圧から求められる圧力値は、異なる場合がある。ここで、上流側圧力センサａ２７０の圧力測定範囲は、ガスボンベ２００にガスを充填したとき（高圧）からガスを消費したとき（低圧）まで広範囲が測定範囲である。これに対し、下流側圧力センサｂ２８０の圧力測定範囲は、減圧弁２１０の下流側であり、低圧のみである。したがって、低圧、特に減圧弁２１０の調圧値以下の低圧における測定の場合には、下流側圧力センサｂ２８０の方が上流側圧力センサａ２７０よりも信頼度が高い。したがって、この特徴を用い、減圧弁の一次圧と二次圧とが等しくなる条件において、下流側圧力センサｂ２８０の指示値Ｐｂをもとに上流側圧力センサａ２７０の値Ｐａを補正する（点Ｑ１→点Ｑ４）。補正前の圧力と出力電圧の関係を示す直線は、点Ｑ１、Ｑ２を通る直線であったが、補正後の圧力と出力電圧の関係を示す直線は、点Ｑ３、Ｑ４を通る直線となる。
【００３７】
図９は、第２の実施例の動作フローチャートである。第２の実施例は、第１の実施例のステップＳ６１０とステップＳ６１５との間に低圧側の補正処理のステップ（ステップＳ９００〜Ｓ９２０）が加わる点が異なる。
【００３８】
ステップＳ９００では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、上流側圧力センサａ２７０を用いて、減圧弁２１０の上流側（一次側）圧力Ｐａ（出力電圧Ｅ１）を測定する。ステップＳ９０５では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力Ｐａが調圧値以下か、否かを判断する。この調圧値は、例えば、実験により予め求めておくことができる。圧力Ｐａが調圧値よりも大きい場合には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、処理をステップＳ６１５に移行し、低圧領域における補正を実行しない。圧力Ｐａが調圧値以下の場合には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、処理をステップＳ９１０に移行し、低圧領域における補正を実行する。
【００３９】
充填通信用ＥＣＵ２４０は、ステップＳ９１０において、下流側圧力センサｂ２８０を起動し、ステップＳ９１５において、減圧弁２１０の下流側（二次側）圧力Ｐｂを測定する。ステップＳ９２０では、充填通信用ＥＣＵ２４０は、低圧側圧力を補正する。具体的には、充填通信用ＥＣＵ２４０は、上流側圧力センサａ２７０の出力電圧がＥ１であるときの圧力が圧力Ｐｂであるとみなす。以後は、ステップＳ６１５〜ステップＳ６６０の処理が実行される。
【００４０】
なお、ステップＳ６６０では、制御装置１４０は、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式（点Ｑ３、Ｑ４を通る）を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。この後、車両の充填通信用ＥＣＵ２４０は、圧力センサ２７０の出力電圧から補正後の関係式を用いて、ガスボンベ２００の圧力を取得することができる。
【００４１】
以上、本実施例によれば、高圧領域のみならず低圧領域においても、圧力と出力電圧の関係を補正するので、出力電圧から、圧力をより正しく求めることが可能となる。
【００４２】
［第３の実施例］
第１、第２の実施例では、圧力センサ２７０の出力電圧と圧力の関係を補正する補正式を求め、新たな補正式を用いて、圧力センサ２７０の出力電圧から圧力を求めたが、第３の実施例では、出力電圧と圧力の関係を補正するのではなく、流量計１６０を補正する。なお、ガス充填システムの構成は、第１、第２の実施例と同じなので、説明を省略する。
【００４３】
図１０は、第３の実施例の動作フローチャートである。第３の実施例は、ステップＳ６５０までは、第１の実施例と同じ動作であるので、説明を省略する。ステップＳ６４５において、制御装置１４０は、Ｐ２／Ｐ３≦ｘ１あるいは、ｘ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ１０００に移行し、圧力の補正を行うか、あるいは、流量の補正を行うかを、判断する。
【００４４】
ステップＳ１０００では、Ｐ２／Ｐ３がｙ１〜ｙ２の範囲内か否かを判断する。ここでｙ１はｘ１よりも小さい値であり、ｙ２は、ｘ２よりも大きい値である。このｙ１、ｙ２の値は、例えば実験により予め求めておくことができる。ｙ１＜Ｐ２／Ｐ３＜ｙ２であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ６５５に移行し、高圧側の圧力の補正を実行する。ステップＳ６６では、制御装置１４０は、補正後の圧力と出力電圧の関係式を求め、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０に送信する。一方、Ｐ２／Ｐ３≦ｙ１あるいは、ｙ２≦Ｐ２／Ｐ３であれば、制御装置１４０は、処理をステップＳ１００５に移行し、流量計１６０の補正を実行する。具体的には、実在気体の状態方程式（式（２））を用いて、ガスボンベ２００に新たに充填されたガスの充填量ΔＮを求め、これを、積算結果と比較することにより、流量計１６０の補正を実行する。計算により求めた圧力Ｐ３に対し、圧力センサの出力電圧と圧力の関係から求めた圧力Ｐ２とが、一定以上異なっている場合には、流量計の異常が考えられる。したがって、第３の実施例では、計算により求めた圧力Ｐ３に対し、圧力センサの出力電圧と圧力の関係から求めた圧力Ｐ２とが、一定以上異なっている場合には、流量計１６０を補正する。
【００４５】
以上、第３の実施例によれば、圧力を補正するだけでなく、流量を補正することが可能となる。
【００４６】
なお、上記各実施例では、ガスステーション１０のガス容器としてガスタンク、車両２０のガス容器としてガスボンベの用語を用いているが、これは、２つのガス容器を区別するために便宜上使い分けているだけある。
【００４７】
上記各実施例では、ガスステーション１０の制御装置１４０が圧力センサ２７０の出力電圧と圧力との関係を示す式を補正しているが、車両２０の充填通信用ＥＣＵ２４０が、制御装置１４０からガス充填量のモル数ΔＮを取得し、式（５）を用いて圧力Ｐ３を算出し、圧力センサ２７０の出力電圧と圧力との関係を示す式を補正してもよい。
【００４８】
本実施例では、実在気体の状態方程式として、ファンデルワールスの状態方程式を用いたが、他に、例えば、ビルアル方程式や、ペン−ロビンソンの状態方程式、ディーテリチの状態方程式などの他の状態方程式を用いることが可能である。また、制御装置１４０は、低圧と、高圧で異なる状態方程式を用いてもよい。例えばペン−ロビンソンの状態方程式は高圧下での計算に有効である。
【００４９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５０】
１０…ガスステーション
２０…車両
１００…ガスタンク
１１０…弁
１２０…ノズル
１３０…ガス管
１４０…制御装置
１５０…通信機
１６０…流量計
２００…ガスボンベ
２１０…減圧弁
２２０…レセプタクル
２３０…ガス管
２４０…充填通信用ＥＣＵ
２５０…通信機
２６０…温度センサ
２７０…圧力センサ
２７１…ステム
２７２…ダイヤフラム
２７４…ガラス層
２７６…センサチップ
３００…燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス充填システムであって、
ガスステーションのガスタンクから供給されるガスを充填するガスボンベと、
前記ガスタンクから前記ガスボンベに供給されるガスの量を測定するガス流量計と、
前記ガスボンベ内のガスの温度を測定する温度センサと、
前記ガスボンベ内のガスの圧力を測定し、圧力に応じて出力信号を発生する圧力センサと、
前記圧力センサの圧力と前記出力信号の値との関係を補正する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得し、
前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得し、
前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得し、
前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得し、
前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出し、
前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する、ガス充填システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス充填システムにおいて、
前記制御部は、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対して予め定められた第１の比率以上であって、予め定められた第２の比率未満である場合に、前記補正を行う、ガス充填システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス充填システムにおいて、
前記ガスボンベの前記ガスステーションと反対側に減圧弁が接続されており、
前記圧力センサは、前記減圧弁の前記ガスボンベ側のガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、前記減圧弁の前記ガスボンベと反対側のガスの圧力を測定する第２の圧力センサとを有し、
前記制御部は、
前記第１の圧力が予め定められた圧力よりも低く、前記減圧弁を通過した後の下流側の前記第２の圧力が、前記減圧弁を通過する前の上流側の前記第１の圧力と同じとなる場合には、前記第１の出力信号値として前記第１の圧力センサの出力信号値を用い、前記第１の圧力として前記第２の圧力センサから得られた圧力を用いて前記補正を行う、ガス充填システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス充填システムにおいて、
前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対してあらかじめ定められた第２の比率以上の場合には、前記制御部は、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、前記第１のガスの量と、前記第２の温度と、前記第２の圧力と、を用いて、前記第２のガス量を求め、前記ガス流量計の測定値を補正する、ガス充填システム。
【請求項５】
ガスボンベに接続された圧力センサにかかる圧力と前記圧力センサの出力信号との関係を補正する補正方法であって、
（ａ）ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得する工程と、
（ｂ）前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、
（ｃ）前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、
（ｄ）前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得する工程と、
（ｅ）前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、
（ｆ）前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、
を備える、補正方法。
【請求項１】
ガス充填システムであって、
ガスステーションのガスタンクから供給されるガスを充填するガスボンベと、
前記ガスタンクから前記ガスボンベに供給されるガスの量を測定するガス流量計と、
前記ガスボンベ内のガスの温度を測定する温度センサと、
前記ガスボンベ内のガスの圧力を測定し、圧力に応じて出力信号を発生する圧力センサと、
前記圧力センサの圧力と前記出力信号の値との関係を補正する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得し、
前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得し、
前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得し、
前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得し、
前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出し、
前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する、ガス充填システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス充填システムにおいて、
前記制御部は、前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対して予め定められた第１の比率以上であって、予め定められた第２の比率未満である場合に、前記補正を行う、ガス充填システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス充填システムにおいて、
前記ガスボンベの前記ガスステーションと反対側に減圧弁が接続されており、
前記圧力センサは、前記減圧弁の前記ガスボンベ側のガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、前記減圧弁の前記ガスボンベと反対側のガスの圧力を測定する第２の圧力センサとを有し、
前記制御部は、
前記第１の圧力が予め定められた圧力よりも低く、前記減圧弁を通過した後の下流側の前記第２の圧力が、前記減圧弁を通過する前の上流側の前記第１の圧力と同じとなる場合には、前記第１の出力信号値として前記第１の圧力センサの出力信号値を用い、前記第１の圧力として前記第２の圧力センサから得られた圧力を用いて前記補正を行う、ガス充填システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス充填システムにおいて、
前記第２の圧力と前記第３の圧力との差が、前記第２の圧力に対してあらかじめ定められた第２の比率以上の場合には、前記制御部は、前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、前記第１のガスの量と、前記第２の温度と、前記第２の圧力と、を用いて、前記第２のガス量を求め、前記ガス流量計の測定値を補正する、ガス充填システム。
【請求項５】
ガスボンベに接続された圧力センサにかかる圧力と前記圧力センサの出力信号との関係を補正する補正方法であって、
（ａ）ガスを充填する前の前記ガスボンベ内のガスの第１の温度と、第１の圧力と、前記第１の圧力における前記圧力センサの第１の出力信号値とを取得する工程と、
（ｂ）前記ガスボンベの容積と、前記第１の温度と、前記第１の圧力と、を用いて前記ガスボンベ内の第１のガスの量を取得する工程と、
（ｃ）前記ガスを充填するときの前記ガス流量計の測定値を積算することにより、ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量を取得する工程と、
（ｄ）前記ガス充填後の前記ガスボンベ内のガスの第２の温度と、第２の圧力と、前記第２の圧力における前記圧力センサの第２の出力信号値とを取得する工程と、
（ｅ）前記ガスボンベの容積と、前記ガス充填後の前記ガスボンベ内の第２のガスの量と、前記第２の温度と、を用いて前記ガスボンベ内のガスの第３の圧力を算出する工程と、
（ｆ）前記第１の圧力と前記第１の出力信号値及び前記第３の圧力と前記第２の出力信号値とを用いて、前記圧力センサの出力信号と前記ガスボンベ内の圧力との関係を補正する工程と、
を備える、補正方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４１９９７（Ｐ２０１２−４１９９７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４８１３（Ｐ２０１０−１８４８１３）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【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２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]