液体水素タンク残量検知システム
【課題】この発明は、水素貯蔵装置の貯蔵した液体水素の残量を検知する残量検知システムに関し、従前のタンク内部の状態に影響されず、液体水素残量を精度よく算出する残量検知システムを提供することを目的とする。
【解決手段】タンク内部の圧力Ｐを検出する（ステップ１００）。一定の熱量Ｅを液体水素に投入する（ステップ１０２）。熱量投入後のタンク内部の圧力Ｐ’を検出する（ステップ１０４）。タンク内部に投入された熱量Ｅに基づいて相転移した水素ガス容積Ｖeを算出する（ステップ１０６）。圧力Ｐ、および圧力Ｐ’に基づいて、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰを算出する（ステップ１０８）。水素ガス容積Ｖe、および圧力変化量ΔＰに基づいて、タンク内の液体水素残量ＶＬを算出する（ステップ１１０）。
【解決手段】タンク内部の圧力Ｐを検出する（ステップ１００）。一定の熱量Ｅを液体水素に投入する（ステップ１０２）。熱量投入後のタンク内部の圧力Ｐ’を検出する（ステップ１０４）。タンク内部に投入された熱量Ｅに基づいて相転移した水素ガス容積Ｖeを算出する（ステップ１０６）。圧力Ｐ、および圧力Ｐ’に基づいて、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰを算出する（ステップ１０８）。水素ガス容積Ｖe、および圧力変化量ΔＰに基づいて、タンク内の液体水素残量ＶＬを算出する（ステップ１１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を燃料とする車両、飛行機、および船舶等（以下、「水素燃料車両等」という。）に好適な水素貯蔵装置にかかり、特に貯蔵した液体水素の残量を検知する残量検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平５−２２３６１２号公報には、液体ガスボンベの残量をガスの積算流量から算出する液化ガスの残量管理装置が開示されている。この装置では、ガス供給ラインに取り付けられたマスフロメータにより流量が常時測定される。測定された流量は積算計で加算され、積算使用量が算出されることにより、ガスの残量を管理することとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２３６１２号公報
【特許文献２】特開平７−４９２５４号公報
【特許文献３】特開２００１−２７２２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、液体水素の大気圧飽和温度は大気温度と比べて非常に低い（約−２５３℃）ため、液体水素貯蔵タンクは断熱性の高い構造を有している。しかし、外部大気からの熱量の遺漏は微量ながら存在するため、かかる熱量の影響によりタンク内の液体水素が気体に相転移する現象（ボイルオフ）が発生する。その結果、タンク内圧力が上昇するため、適宜タンク内のガス（以下、「ボイルオフガス」という）を排出し、タンク内部を減圧する処理がなされる。このため、例えば、前述した積算使用量から残量を算出する装置に液体水素を貯蔵した場合、ボイルオフガス分の誤差が生じるため、精度よく液体水素残量を検出することができない。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従前のタンク内部の状態に影響されず、タンク内部に新たに投入された熱量と、その前後におけるタンク内圧力の変化に基づいて、液体水素残量を精度よく算出する残量検知システム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】
【０００６】
第１の発明は、上記目的を達成するため、液体水素を貯蔵するタンクを有する液体水素残量を検知するためのシステムであって、
前記タンクの内部に侵入したタンク内熱量を取得するタンク内熱量取得手段と、
前記タンクの内部圧力を取得する内部圧力取得手段と、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力とに基づいて、タンク内液体水素量を算出する液体水素量算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
水素ガスを前記タンクの外部に供給する水素ガス供給手段と、
前記水素ガス供給手段により供給される水素ガス供給量を推定、あるいは測定する水素ガス供給量取得手段と、を更に備え、
前記液体水素量算出手段は、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力と、前記水素ガス供給量とに基づいて、タンク内液体水素量を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
液体水素の気化を行う加熱手段を更に備え、
前記タンク内熱量は、前記加熱手段により前記タンクの内部に侵入した熱量であることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明において、
前記タンク内熱量は、前記タンクの外部から侵入する遺漏熱量を包含し、
前記タンク内熱量取得手段は、前記遺漏熱量を推定する遺漏熱量推定手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記タンクの内部に液体水素が満充填されたことを検知する満充填検知手段と、
前記タンクの満充填時の内部圧力を取得する満充填時内部圧力取得手段と、
前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力とに基づいて、基準遺漏熱量を算出する基準遺漏熱量算出手段と、
前記基準遺漏熱量に基づいて、前記遺漏熱量を補正する遺漏熱量補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。前記タンクの内部に侵入した熱量は、タンク内部の液体水素が気体に相転移するためのエネルギとして使用される。そして、気体へと相転移した水素ガスは大容積となるため、タンクの内部圧力は相転移前と比較して大きな値となる。このため、本発明によれば、かかる熱量、および相転移前後の圧力に基づいて、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記水素ガス供給量、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。タンク内部の液体水素は水素ガスとしてタンク外部に供給され、その水素ガス供給量は、推定、あるいは測定することができる。このため、本発明によれば、前記タンクの外部に水素ガスを供給中であっても、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。そして、加熱手段によりタンク内部に意図的に熱量を投入することで、前記タンクの内部に侵入した熱量を特定する。このため、本発明によれば、タンクの内部に侵入した熱量を正確に特定し、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。そして、本発明によれば、前記タンクの内部に侵入した遺漏熱量を推定することができる。このため、本発明によれば、この遺漏熱量に基づいて、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１５】
第５の発明によれば、基準遺漏熱量は、前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力に基づいて算出することができる。満充填時はタンク内部の空き容量が少ない。このため、タンクの内部圧力は、タンク内部への熱量の侵入に応じて感度よく反応する。本発明によれば、この満充填時を精度よく検知し、かかる状態での空き容量、および内部圧力変化量を算出する。このため、本発明によれば、前記基準遺漏熱量を精度よく算出し、補正を行うことにより、前記遺漏熱量を精度よく推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
［実施の形態１のハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる液体水素タンク残量検知システムの構成を示す。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、水素タンク１０を備えている。水素タンク１０は、液体水素を主貯蔵する水素供給タンクであり、断熱構造を有し、熱量の遺漏によるボイルオフガス発生を抑制することができる。
【００１７】
水素タンク１０には圧力センサ１２が設置されており、タンク内の圧力を検出することができる。また、水素タンク１０の内部には、熱量を投入するためのヒータ１４が設置されている。
【００１８】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)１６を備えている。上述した圧力センサ１２の出力はECU１６に供給されており、ECU１６は、これらの出力に基づいて所定時間における圧力変化量を算出する。また、ECU１６にはヒータ１４が接続されており、ヒータ駆動、およびタンク内部に供給した熱量の算出を行う。そして、ECU１６はこれらの情報に基づいて、液体ガスの残量の算出処理を行う。
【００１９】
水素タンク１０の内部の水素ガスは、ＦＣ（燃料電池）システム１８に供給される。ＦＣシステム１８はECU１６に接続されており、システムの運転状況等をECU１６に供給する。ECU１６は、かかる信号に基づいて水素ガス供給量の算出処理を行う。
【００２０】
[実施の形態１の動作]
次に、図２を参照して、本実施形態の動作原理を説明する。本実施の形態のシステムは、ヒータ１４にてタンク内部に供給される熱量、およびその前後のタンク内の圧力変化量に基づいて、液体水素残量を精度よく算出することができる。
【００２１】
図２(a)は水素タンク内部に熱量を投入する前における、タンク内部の状態を示す図である。この図によれば、タンク内部には、液体水素、および水素ガスが存在し、内圧Ｐ、温度Ｔにて平衡状態が保たれている。ここでタンク内部は、液体水素が気化することを防止するために、公知の手法により、常に沸点以下の温度を保つように制御されている。タンク容積をＶt、液体水素容積をＶＬとすると、タンク内部の水素ガスの容積は、Ｖt−ＶＬで表すことができる。
【００２２】
次に、図２(b)は、ECU１６によりヒータ１４が駆動され、熱量がタンク内部に投入された場合における、タンク内部の状態を示す図である。この図によれば、投入熱量Ｅ（エネルギ）、水素の蒸発潜熱をＥgとすると、Ｅ／Ｅg（質量）分に相当する液体水素が気体に相転移する。ここで蒸発潜熱とは、単位量の物質が気体へ相転移する際に必要な熱量（エネルギ）である。気体に相転移した容積をＶeとすると、Ｖeは液体時容積の数百倍となるため、タンク内圧力Ｐ’は圧力Ｐよりも大きくなる。タンク内温度Ｔは変化の前後で一定とし、理想気体の状態式を近似的に適用すると、以下の式が成立する。
Ｐ×（Ｖt−ＶＬ＋Ｖe）＝Ｐ’×（Ｖt−ＶＬ） ・・・（１）
圧力変化量（Ｐ’−Ｐ）をΔＰとして、上記（１）式を変形すると、以下の式が成立する。
ＶＬ＝Ｖt−（Ｖe×Ｐ／ΔＰ） ・・・（２）
【００２３】
また、同様に理想気体の状態式を近似的に適用すると気体に相転移した水素ガス容積Ｖeは、以下の式で表される。
Ｖe＝Ｅ／Ｅg×（ＲＴ／Ｐ） ・・・（３）
ここで、Ｔはタンク内部温度、Ｒはガス定数である。
【００２４】
以上より、本実施の形態では、タンク容積Ｖｔ、新たに発生した水素ガス容積Ｖe、および熱量投入前におけるタンク内圧Ｐ、圧力差ΔＰを算出することができる。そしてこれらの値を上記（２）式に代入することにより、タンク内の液体ガス容積ＶＬを精度よく算出することができる。
【００２５】
［実施の形態１における具体的処理］
図３は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ１００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００２６】
次に、図３に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク１０内部に設置されたヒータ１４が駆動され、一定の熱量Ｅが液体水素に投入される（ステップ１０２）。熱量が投入されると、一部の液体水素が気体に相転移するためタンク内圧力は大きくなる。圧力センサ１２はこの圧力Ｐ’を検出する（ステップ１０４）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００２７】
次に、ECU１６により、タンク内に投入された熱量Ｅに基づいて相転移した水素ガス容積Ｖeが算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、投入熱量Ｅと上記蒸発潜熱Ｅgに基づいて、気体に相転移する水素質量（Ｅ／Ｅg）が算出される。そして、上記（３）式に基づいて、この水素質量に対応する水素ガス容積Ｖeが特定される。
【００２８】
次に、ECU１６により、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、前ステップ１００にて検出された熱量投入前における圧力信号、および、前ステップ１０４にて検出された熱量投入後における圧力信号に基づいてΔＰが算出される。
【００２９】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、前ステップ１００にて検出されたＰ、前ステップ１０６にて算出されたＶe、および、前ステップ１０８にて算出されたΔＰとが、上記（２）式に代入され、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。
【００３０】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内へ投入する熱量、およびその前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、従前のタンク内部の状態に影響されず、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態１においては、圧力センサ１２をタンク１０に直接設置することとしているが、設置場所はこれに限られない。すなわち、タンク内部への熱の侵入を極力防止するために、タンク１０から管を延長し、別途離れた場所に圧力センサ１２を設置し、タンクの断熱効果を高める構成としてもよい。
【００３２】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU１６が、上記ステップ１０２において、タンク１０の内部に熱量Ｅを投入することにより、前記第１の発明における「タンク内熱量取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ１００、または１０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００３３】
また、上述した実施の形態１においては、ECU１６が、上記ステップ１０２において、ヒータ１４を駆動することにより、前記第３の発明における「加熱手段」が、実現されている。
【００３４】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４、および５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００３５】
上述した実施の形態１では、ヒータを駆動させることによりタンク内部に意図的に熱量を投入し、その前後のタンク内部の圧力変化量に基づいて、液体水素残量ＶＬの算出を行うこととしている。ところで、タンク１０は、前述のとおり、断熱性の高い構造を有しているが、微量の熱量が常にタンク内部に遺漏する。このため、この遺漏熱量を推定することができれば、ヒータによる投入熱量に代えて、液体水素残量ＶＬを算出するために使用することが可能となる。
【００３６】
ここで、タンクの断熱性能はタンク形状に影響する。また、図４に示すとおり、タンク形状が同じであっても、タンク内部温度と外気温度の温度差が大きいほど、遺漏熱量は大きな値となる。したがって、タンク形状により特定された遺漏熱量に、上記温度差を反映させることで、精度よく遺漏熱量を推定することが可能となる。本実施の形態では、上記遺漏熱量に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する。このため、意図的にヒータ駆動を行わなくても、精度よく液体水素残量ＶＬを算出することができる。
【００３７】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００３８】
図５は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ２００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００３９】
次に、図５に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク１０内部に遺漏した遺漏熱量ＥＬが推定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、先ず、基準遺漏熱量が読み込まれる。この基準遺漏熱量はタンク形状に基づいて規定された値である。次に、タンク内部と外気温との温度差ΔＴが算出される。この温度差は、ECU１６に供給されるＦＣシステム１８の外気温信号に基づいて算出可能である。ここで、実際の遺漏熱量は温度差ΔＴの大小により変化する値である。ECU１６は、温度差ΔＴと遺漏熱量の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、ΔＴに対応する遺漏熱量が特定される。そして、ECU１６により、所定時間の積算遺漏熱量ＥＬが算出される。
【００４０】
次に、遺漏熱量がタンク内部に侵入すると、一部の液体水素が気体に相転移するため、タンク内圧力は大きくなる。圧力センサ１２はこの圧力Ｐ’を検出する（ステップ２０４）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００４１】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、ECU１６により、遺漏熱量ＥＬに基づいて、新たに気化した水素容積Ｖeが算出される（ステップ２０６）。次に、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ２０８）。そして、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ２１０）。ステップ２０６から２１０では、具体的には、図３に示すステップ１０６から１１０と同様の処理が実行される。
【００４２】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内部へ自然に遺漏する遺漏熱量、およびその前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、ヒータ等の外部熱源からの熱量の投入を必要とせず、また、従前のタンク内部の状態に影響されず、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態２においては、遺漏熱量のみの影響によるタンク内部の圧力変化量に基づいて、液体水素残量ＶＬを算出することとしているが、使用する熱量は遺漏熱量のみに限られない。すなわち、実施の形態１にて示したヒータ駆動による熱量投入も同時に行い、タンク内部に投入された総熱量に対応する圧力変化量に基づいて、液体水素残量算出に使用してもよい。
【００４４】
尚、上述した実施の形態２においては、ECU１６が、上記ステップ２００、または２０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００４５】
また、上述した実施の形態２においては、ECU１６が、上記ステップ２０２において、タンク内部に遺漏した熱量を算出することにより、前記第４の発明における「遺漏熱量推定手段」が、実現されている。
【００４６】
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００４７】
ＦＣシステム１８が運転中の状態においては、本システムからＦＣシステム１８へ水素ガスが随時供給される。ECU１６にはＦＣシステムの発電量等の情報が供給されており、かかる信号に基づいて供給すべき水素ガス容積Ｖoutが算出される。そして、Ｖoutの水素ガスを発生させるために必要な熱量Ｅoutが算出され、かかる値に基づいてヒータ制御が行われる。
【００４８】
つまり、ＦＣシステム運転中においては、ECU１６により、供給される水素ガスの容量が常に把握されている。このため、ＦＣシステム運転中において、実施の形態１に示す液体残量検出用熱量を、上記Ｅoutに加えて更にタンク内部に投入した場合においても、総熱量に基づいて気体に相転移した水素ガス容積から、Ｖoutを差し引くことにより、かかる熱量に基づく水素ガス容積を算出することができる。したがって、ＦＣシステム運転中であっても、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００４９】
尚、上述した実施の形態１、および２においては、液体水素残量算出の際タンク外部に供給される水素ガス容量を考慮していない。このため、ＦＣシステム運転中においては、この供給水素ガス容積Ｖout分の誤差が生じることとなる。したがって、上述した実施の形態１、および２に示す手法において、精度よく液体水素残量ＶＬを算出するためには、ＦＣシステム１８が非運転中の場合が適している。
【００５０】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００５１】
図６は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ３００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００５２】
次に、図６に示すルーチンでは、ECU１６により、ＦＣシステムに供給する水素ガスの容量Ｖoutが算出される（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、ＦＣシステムの発電量情報がECU１６に供給され、この信号等に基づいて必要な水素ガス容量が推定される。
【００５３】
次に、供給水素ガスＶoutを発生させるために必要な熱量Ｅoutが算出される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、蒸発潜熱Ｅg、タンク内部の温度、および圧力に基づいてこの容積Ｖoutの水素ガスを発生させるための熱量Ｅoutが算出される。
【００５４】
次に、ECU１６によりヒータ１４が駆動され、上記算出されたＥoutに、液体残量検出用の投入熱量αを加えた熱量Ｅout＋αが液体水素に投入される（ステップ３０６）。熱量が投入されると、一部の液体水素が気体に相転移する一方、容積Ｖoutの水素ガスはタンク外部に排出され、ＦＣシステムに供給される。圧力センサ１２はこの後の圧力Ｐ’を検出する（ステップ３０８）。
【００５５】
次に、図６に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク内部に残る水素ガスの容量が算出される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、投入された熱量の影響により相転移した水素ガスの総容積から、ＦＣシステムに供給された容積Ｖoutを差し引いた値が、かかる値として算出される。
【００５６】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、ECU１６により、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ３１２）。そして、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ３１４）。ステップ３１０、および３１２では、具体的には、図３に示すステップ１０８、および１１０と同様の処理が実行される。
【００５７】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、ＦＣシステム運転中においても、供給水素ガスを相転移させるために必要な熱量Ｅout、および液体残量検出用の投入熱量αを投入し、その前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、ＦＣシステム運転中においても、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００５８】
ところで、上述した実施の形態３においては、供給水素ガスを発生させるために必要な熱量Ｅout、および液体残量検出用の投入熱量αをタンク内部に投入し、その前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬを算出することとしているが、使用する熱量はこれに限られない。すなわち、上記ステップ３０６にて投入された熱量だけでなく、実施の形態２に示した遺漏熱量も加算し、これに対応する圧力変化量に基づいて、液体水素残量を算出することとしてもよい。
【００５９】
また、上述した実施の形態３においては、水素燃料車両等のＦＣシステムについて、システム運転中、すなわち水素ガス供給中においても液体水素の残量を算出することができることとしているが、水素ガスの供給先は、当該システムに限定されるものではない。すなわち、水素ガス供給量を取得できるのであれば、他の機関等（水素エンジン等）に対して、本実施の形態を実行し、液体水素残量を算出することとしてもよい。
【００６０】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU１６が、上記ステップ３０６において、タンク１０の内部に熱量Ｅout＋αを投入することにより、前記第１の発明における「タンク内熱量取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ３００、または３０８において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ３１４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００６１】
また、上述した実施の形態３においては、ＦＣシステムに水素ガスを供給することにより、前記第２の発明における「水素ガス供給手段」が、ECU１６が、上記ステップ３０２において、水素ガス供給量を推定することにより、前記第２の発明における「水素ガス供給量取得手段」が、実現されている。
【００６２】
また、上述した実施の形態３においては、ECU１６が、上記ステップ３０６において、ヒータ１４を駆動することにより、前記第３の発明における「加熱手段」が、実現されている。
【００６３】
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図７、および８を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６４】
上述した実施の形態２では、タンク内へ自然に遺漏する遺漏熱量、およびその前後のタンク内部圧力変化量に基づいて、タンク内の液体水素残量ＶＬの算出を行うこととしている。ところで、この遺漏熱量は、タンク形状、およびタンク内外の温度差に基づいて推定される。しかしながら、タンク形状のみでは、生産のばらつきに基づくタンク毎の個別特性を反映させることができず、推定された遺漏熱量には誤差が生じる。このため、この推定誤差を補正することができれば、更に精度よく液体水素残量を算出することができることとなる。
【００６５】
ここで、図７は、同容量の水素ガスＶeが発生した場合の、液体水素残量ＶＬと相転移前後の圧力変化量ΔＰの関係を示す図である。この図によれば、圧力変化量ΔＰは、液体水素残量が多いほど、つまりタンク内部の水素ガス容量が少ないほど、大きな値となる傾向を示している。このため、タンク内部が満充填状態に近いほど、Ｖe発生前後の圧力変化量ΔＰを、より高精度に検出することが可能となる。
【００６６】
遺漏熱量ＥＬは、上記（２）、（３）式に基づいて、以下のように表される。
ＥＬ＝Ｅg（Ｖt−ＶＬ）×ΔＰ／ＲＴ ・・・（４）
前述のとおり、水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）が少ないほど、精度よくＥＬを算出することができるため、満充填に近い液体水素容積ＶＬが特定されるほど望ましい。そこで、例えば、オーバーフィリングセンサを使用し、満充填時のＶＬを特定することができる。かかるセンサは、液面が所定の位置に達したか否かを精度よく検出することができる。タンク１０の内部には本センサが設置されている。このため、満充填時における規定容量の液体水素を精度よく充填することができる。
【００６７】
以上より、本実施の形態では、満充填時の水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）、Ｅg、ΔＰ、Ｔが特定される。そして、これらの値を上記（４）式に代入することにより、タンク毎の個別特性が反映された、正確な遺漏熱量を算出することができる。
【００６８】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００６９】
図８は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に液体水素が満充填されているかが判断される（ステップ４００）。ここでは、具体的には、タンクに設置されたオーバーフィリングセンサの検知信号に基づいて満充填か否かが判断される。これにより、タンク内部に規定の空き容量が形成されているか否かを判断することができる。そして、上記条件を満たす場合には次のステップに進み、満たさない場合には、本ルーチンは終了する。
【００７０】
次に、図８に示すルーチンでは、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、液体水素が満充填されている状態でのタンク内圧力Ｐが検出される（ステップ４０２）。次に、所定時間経過後のタンク内部の圧力Ｐ’が検出される（ステップ４０４）。そして、ECU１６により、遺漏熱量侵入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ４０６）。これらの処理は、具体的には、図５に示すステップ２００、２０４、２０８の処理と同様である。上述したとおり、満充填時はタンク内部圧力の変化量が大きい。したがって、上記ステップ４０６においては、少量の遺漏熱量であっても、精度よく圧力変化量を算出することができる。
【００７１】
図８に示すルーチンでは、次に、ECU１６により、タンク１０内部に遺漏した遺漏熱量ＥＬが算出される（ステップ４０８）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。前述のとおり、蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、ステップ４０６にて算出されたΔＰ、タンク内部温度Ｔが特定される。
【００７２】
上記ステップ４０８においては、次いで、水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）が特定される。前述のとおり、満充填時の液体水素容積ＶＬは正確に特定することができる。このため、タンク容積ＶｔからＶＬを差し引くことにより、（Ｖt−ＶＬ）が特定される。そして、ECU１６により、これらの値が上式（４）に代入され、遺漏熱量ＥＬが算出される。
【００７３】
上記ステップが終了すると、次に、図５に示すステップ２０２にて遺漏熱量の推定に使用された基準遺漏熱量が、上記ステップ４０８において満充填時の実測値に基づいて算出されたＥＬと差し替えられる（ステップ４１０）。そして、図８に示すルーチンは終了とされる。この後、別途図５に示すルーチンが実行されることにより、本ルーチンにて算出されたＥＬが反映されたタンク内の液体水素残量ＶＬを算出することができる。
【００７４】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内へ自然に遺漏する遺漏熱量ＥＬが満充填時の実測値に基づいて正確に算出される。このため、タンク形状等から遺漏熱量を推定する手法においては考慮することができなかった、タンク毎の個別特性を反映させることができ、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００７５】
ところで、上述した実施の形態４においては、オーバーフィリングセンサを用いて特定された満充填時の水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）に基づいて、遺漏熱量ＥＬを算出することとしているが、タンクの充填状態、および特定方法はこれに限られない。すなわち、タンク内部の水素ガス容積を正確に特定できるのであれば、満充填時でなくてもよいし、また、他の特定方法を用いて特定してもよい。
【００７６】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU１６が、上記ステップ４００において、タンク内部に液体水素が満充填されたことを検知することにより、前記第５の発明における「満充填検知手段」が、上記ステップ４０２、または４０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第５の発明における「満充填時内部圧力取得手段」が、上記ステップ４０８において、遺漏熱量を算出することにより、前記第５の発明における「基準遺漏熱量算出手段」が、上記ステップ４１０において、遺漏熱量が、図５に示すステップ２０２の基準遺漏熱量として使用されることにより、前記第５の発明における「遺漏熱量補正手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のタンク内部の液体水素残量検知システムの原理を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】遺漏熱量ＥＬのタンク内外の温度差ΔＴに対する依存性を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】圧力変化量ΔＰのタンク内部の液体水素容積ＶＬに対する依存性を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 液体水素タンク
１２ 圧力センサ
１４ ヒータ
１６ ECU(Electronic Control Unit)
１８ ＦＣシステム
ＶＬ 液体水素残量
Ｖt タンク容積
Ｖe 液体水素から相転移した水素ガス容積
Ｅ 投入熱量
ＥＬ 遺漏熱量
Ｅg 蒸発潜熱
Ｒ ガス定数
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を燃料とする車両、飛行機、および船舶等（以下、「水素燃料車両等」という。）に好適な水素貯蔵装置にかかり、特に貯蔵した液体水素の残量を検知する残量検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平５−２２３６１２号公報には、液体ガスボンベの残量をガスの積算流量から算出する液化ガスの残量管理装置が開示されている。この装置では、ガス供給ラインに取り付けられたマスフロメータにより流量が常時測定される。測定された流量は積算計で加算され、積算使用量が算出されることにより、ガスの残量を管理することとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２３６１２号公報
【特許文献２】特開平７−４９２５４号公報
【特許文献３】特開２００１−２７２２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、液体水素の大気圧飽和温度は大気温度と比べて非常に低い（約−２５３℃）ため、液体水素貯蔵タンクは断熱性の高い構造を有している。しかし、外部大気からの熱量の遺漏は微量ながら存在するため、かかる熱量の影響によりタンク内の液体水素が気体に相転移する現象（ボイルオフ）が発生する。その結果、タンク内圧力が上昇するため、適宜タンク内のガス（以下、「ボイルオフガス」という）を排出し、タンク内部を減圧する処理がなされる。このため、例えば、前述した積算使用量から残量を算出する装置に液体水素を貯蔵した場合、ボイルオフガス分の誤差が生じるため、精度よく液体水素残量を検出することができない。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従前のタンク内部の状態に影響されず、タンク内部に新たに投入された熱量と、その前後におけるタンク内圧力の変化に基づいて、液体水素残量を精度よく算出する残量検知システム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】
【０００６】
第１の発明は、上記目的を達成するため、液体水素を貯蔵するタンクを有する液体水素残量を検知するためのシステムであって、
前記タンクの内部に侵入したタンク内熱量を取得するタンク内熱量取得手段と、
前記タンクの内部圧力を取得する内部圧力取得手段と、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力とに基づいて、タンク内液体水素量を算出する液体水素量算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
水素ガスを前記タンクの外部に供給する水素ガス供給手段と、
前記水素ガス供給手段により供給される水素ガス供給量を推定、あるいは測定する水素ガス供給量取得手段と、を更に備え、
前記液体水素量算出手段は、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力と、前記水素ガス供給量とに基づいて、タンク内液体水素量を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
液体水素の気化を行う加熱手段を更に備え、
前記タンク内熱量は、前記加熱手段により前記タンクの内部に侵入した熱量であることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明において、
前記タンク内熱量は、前記タンクの外部から侵入する遺漏熱量を包含し、
前記タンク内熱量取得手段は、前記遺漏熱量を推定する遺漏熱量推定手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記タンクの内部に液体水素が満充填されたことを検知する満充填検知手段と、
前記タンクの満充填時の内部圧力を取得する満充填時内部圧力取得手段と、
前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力とに基づいて、基準遺漏熱量を算出する基準遺漏熱量算出手段と、
前記基準遺漏熱量に基づいて、前記遺漏熱量を補正する遺漏熱量補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。前記タンクの内部に侵入した熱量は、タンク内部の液体水素が気体に相転移するためのエネルギとして使用される。そして、気体へと相転移した水素ガスは大容積となるため、タンクの内部圧力は相転移前と比較して大きな値となる。このため、本発明によれば、かかる熱量、および相転移前後の圧力に基づいて、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記水素ガス供給量、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。タンク内部の液体水素は水素ガスとしてタンク外部に供給され、その水素ガス供給量は、推定、あるいは測定することができる。このため、本発明によれば、前記タンクの外部に水素ガスを供給中であっても、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。そして、加熱手段によりタンク内部に意図的に熱量を投入することで、前記タンクの内部に侵入した熱量を特定する。このため、本発明によれば、タンクの内部に侵入した熱量を正確に特定し、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、前記タンク内液体水素量は、前記タンクの内部に侵入した熱量、および前記タンクの内部圧力変化量に基づいて算出することができる。そして、本発明によれば、前記タンクの内部に侵入した遺漏熱量を推定することができる。このため、本発明によれば、この遺漏熱量に基づいて、常にタンク内液体水素量を正しく算出することができる。
【００１５】
第５の発明によれば、基準遺漏熱量は、前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力に基づいて算出することができる。満充填時はタンク内部の空き容量が少ない。このため、タンクの内部圧力は、タンク内部への熱量の侵入に応じて感度よく反応する。本発明によれば、この満充填時を精度よく検知し、かかる状態での空き容量、および内部圧力変化量を算出する。このため、本発明によれば、前記基準遺漏熱量を精度よく算出し、補正を行うことにより、前記遺漏熱量を精度よく推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
［実施の形態１のハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる液体水素タンク残量検知システムの構成を示す。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、水素タンク１０を備えている。水素タンク１０は、液体水素を主貯蔵する水素供給タンクであり、断熱構造を有し、熱量の遺漏によるボイルオフガス発生を抑制することができる。
【００１７】
水素タンク１０には圧力センサ１２が設置されており、タンク内の圧力を検出することができる。また、水素タンク１０の内部には、熱量を投入するためのヒータ１４が設置されている。
【００１８】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)１６を備えている。上述した圧力センサ１２の出力はECU１６に供給されており、ECU１６は、これらの出力に基づいて所定時間における圧力変化量を算出する。また、ECU１６にはヒータ１４が接続されており、ヒータ駆動、およびタンク内部に供給した熱量の算出を行う。そして、ECU１６はこれらの情報に基づいて、液体ガスの残量の算出処理を行う。
【００１９】
水素タンク１０の内部の水素ガスは、ＦＣ（燃料電池）システム１８に供給される。ＦＣシステム１８はECU１６に接続されており、システムの運転状況等をECU１６に供給する。ECU１６は、かかる信号に基づいて水素ガス供給量の算出処理を行う。
【００２０】
[実施の形態１の動作]
次に、図２を参照して、本実施形態の動作原理を説明する。本実施の形態のシステムは、ヒータ１４にてタンク内部に供給される熱量、およびその前後のタンク内の圧力変化量に基づいて、液体水素残量を精度よく算出することができる。
【００２１】
図２(a)は水素タンク内部に熱量を投入する前における、タンク内部の状態を示す図である。この図によれば、タンク内部には、液体水素、および水素ガスが存在し、内圧Ｐ、温度Ｔにて平衡状態が保たれている。ここでタンク内部は、液体水素が気化することを防止するために、公知の手法により、常に沸点以下の温度を保つように制御されている。タンク容積をＶt、液体水素容積をＶＬとすると、タンク内部の水素ガスの容積は、Ｖt−ＶＬで表すことができる。
【００２２】
次に、図２(b)は、ECU１６によりヒータ１４が駆動され、熱量がタンク内部に投入された場合における、タンク内部の状態を示す図である。この図によれば、投入熱量Ｅ（エネルギ）、水素の蒸発潜熱をＥgとすると、Ｅ／Ｅg（質量）分に相当する液体水素が気体に相転移する。ここで蒸発潜熱とは、単位量の物質が気体へ相転移する際に必要な熱量（エネルギ）である。気体に相転移した容積をＶeとすると、Ｖeは液体時容積の数百倍となるため、タンク内圧力Ｐ’は圧力Ｐよりも大きくなる。タンク内温度Ｔは変化の前後で一定とし、理想気体の状態式を近似的に適用すると、以下の式が成立する。
Ｐ×（Ｖt−ＶＬ＋Ｖe）＝Ｐ’×（Ｖt−ＶＬ） ・・・（１）
圧力変化量（Ｐ’−Ｐ）をΔＰとして、上記（１）式を変形すると、以下の式が成立する。
ＶＬ＝Ｖt−（Ｖe×Ｐ／ΔＰ） ・・・（２）
【００２３】
また、同様に理想気体の状態式を近似的に適用すると気体に相転移した水素ガス容積Ｖeは、以下の式で表される。
Ｖe＝Ｅ／Ｅg×（ＲＴ／Ｐ） ・・・（３）
ここで、Ｔはタンク内部温度、Ｒはガス定数である。
【００２４】
以上より、本実施の形態では、タンク容積Ｖｔ、新たに発生した水素ガス容積Ｖe、および熱量投入前におけるタンク内圧Ｐ、圧力差ΔＰを算出することができる。そしてこれらの値を上記（２）式に代入することにより、タンク内の液体ガス容積ＶＬを精度よく算出することができる。
【００２５】
［実施の形態１における具体的処理］
図３は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ１００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００２６】
次に、図３に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク１０内部に設置されたヒータ１４が駆動され、一定の熱量Ｅが液体水素に投入される（ステップ１０２）。熱量が投入されると、一部の液体水素が気体に相転移するためタンク内圧力は大きくなる。圧力センサ１２はこの圧力Ｐ’を検出する（ステップ１０４）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００２７】
次に、ECU１６により、タンク内に投入された熱量Ｅに基づいて相転移した水素ガス容積Ｖeが算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、投入熱量Ｅと上記蒸発潜熱Ｅgに基づいて、気体に相転移する水素質量（Ｅ／Ｅg）が算出される。そして、上記（３）式に基づいて、この水素質量に対応する水素ガス容積Ｖeが特定される。
【００２８】
次に、ECU１６により、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、前ステップ１００にて検出された熱量投入前における圧力信号、および、前ステップ１０４にて検出された熱量投入後における圧力信号に基づいてΔＰが算出される。
【００２９】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、前ステップ１００にて検出されたＰ、前ステップ１０６にて算出されたＶe、および、前ステップ１０８にて算出されたΔＰとが、上記（２）式に代入され、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。
【００３０】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内へ投入する熱量、およびその前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、従前のタンク内部の状態に影響されず、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態１においては、圧力センサ１２をタンク１０に直接設置することとしているが、設置場所はこれに限られない。すなわち、タンク内部への熱の侵入を極力防止するために、タンク１０から管を延長し、別途離れた場所に圧力センサ１２を設置し、タンクの断熱効果を高める構成としてもよい。
【００３２】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU１６が、上記ステップ１０２において、タンク１０の内部に熱量Ｅを投入することにより、前記第１の発明における「タンク内熱量取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ１００、または１０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００３３】
また、上述した実施の形態１においては、ECU１６が、上記ステップ１０２において、ヒータ１４を駆動することにより、前記第３の発明における「加熱手段」が、実現されている。
【００３４】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４、および５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００３５】
上述した実施の形態１では、ヒータを駆動させることによりタンク内部に意図的に熱量を投入し、その前後のタンク内部の圧力変化量に基づいて、液体水素残量ＶＬの算出を行うこととしている。ところで、タンク１０は、前述のとおり、断熱性の高い構造を有しているが、微量の熱量が常にタンク内部に遺漏する。このため、この遺漏熱量を推定することができれば、ヒータによる投入熱量に代えて、液体水素残量ＶＬを算出するために使用することが可能となる。
【００３６】
ここで、タンクの断熱性能はタンク形状に影響する。また、図４に示すとおり、タンク形状が同じであっても、タンク内部温度と外気温度の温度差が大きいほど、遺漏熱量は大きな値となる。したがって、タンク形状により特定された遺漏熱量に、上記温度差を反映させることで、精度よく遺漏熱量を推定することが可能となる。本実施の形態では、上記遺漏熱量に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する。このため、意図的にヒータ駆動を行わなくても、精度よく液体水素残量ＶＬを算出することができる。
【００３７】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００３８】
図５は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ２００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００３９】
次に、図５に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク１０内部に遺漏した遺漏熱量ＥＬが推定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、先ず、基準遺漏熱量が読み込まれる。この基準遺漏熱量はタンク形状に基づいて規定された値である。次に、タンク内部と外気温との温度差ΔＴが算出される。この温度差は、ECU１６に供給されるＦＣシステム１８の外気温信号に基づいて算出可能である。ここで、実際の遺漏熱量は温度差ΔＴの大小により変化する値である。ECU１６は、温度差ΔＴと遺漏熱量の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、ΔＴに対応する遺漏熱量が特定される。そして、ECU１６により、所定時間の積算遺漏熱量ＥＬが算出される。
【００４０】
次に、遺漏熱量がタンク内部に侵入すると、一部の液体水素が気体に相転移するため、タンク内圧力は大きくなる。圧力センサ１２はこの圧力Ｐ’を検出する（ステップ２０４）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００４１】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、ECU１６により、遺漏熱量ＥＬに基づいて、新たに気化した水素容積Ｖeが算出される（ステップ２０６）。次に、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ２０８）。そして、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ２１０）。ステップ２０６から２１０では、具体的には、図３に示すステップ１０６から１１０と同様の処理が実行される。
【００４２】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内部へ自然に遺漏する遺漏熱量、およびその前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、ヒータ等の外部熱源からの熱量の投入を必要とせず、また、従前のタンク内部の状態に影響されず、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態２においては、遺漏熱量のみの影響によるタンク内部の圧力変化量に基づいて、液体水素残量ＶＬを算出することとしているが、使用する熱量は遺漏熱量のみに限られない。すなわち、実施の形態１にて示したヒータ駆動による熱量投入も同時に行い、タンク内部に投入された総熱量に対応する圧力変化量に基づいて、液体水素残量算出に使用してもよい。
【００４４】
尚、上述した実施の形態２においては、ECU１６が、上記ステップ２００、または２０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００４５】
また、上述した実施の形態２においては、ECU１６が、上記ステップ２０２において、タンク内部に遺漏した熱量を算出することにより、前記第４の発明における「遺漏熱量推定手段」が、実現されている。
【００４６】
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００４７】
ＦＣシステム１８が運転中の状態においては、本システムからＦＣシステム１８へ水素ガスが随時供給される。ECU１６にはＦＣシステムの発電量等の情報が供給されており、かかる信号に基づいて供給すべき水素ガス容積Ｖoutが算出される。そして、Ｖoutの水素ガスを発生させるために必要な熱量Ｅoutが算出され、かかる値に基づいてヒータ制御が行われる。
【００４８】
つまり、ＦＣシステム運転中においては、ECU１６により、供給される水素ガスの容量が常に把握されている。このため、ＦＣシステム運転中において、実施の形態１に示す液体残量検出用熱量を、上記Ｅoutに加えて更にタンク内部に投入した場合においても、総熱量に基づいて気体に相転移した水素ガス容積から、Ｖoutを差し引くことにより、かかる熱量に基づく水素ガス容積を算出することができる。したがって、ＦＣシステム運転中であっても、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００４９】
尚、上述した実施の形態１、および２においては、液体水素残量算出の際タンク外部に供給される水素ガス容量を考慮していない。このため、ＦＣシステム運転中においては、この供給水素ガス容積Ｖout分の誤差が生じることとなる。したがって、上述した実施の形態１、および２に示す手法において、精度よく液体水素残量ＶＬを算出するためには、ＦＣシステム１８が非運転中の場合が適している。
【００５０】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００５１】
図６は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、タンク内圧力Ｐが検出される（ステップ３００）。そして検出された出力信号はECU１６に供給される。
【００５２】
次に、図６に示すルーチンでは、ECU１６により、ＦＣシステムに供給する水素ガスの容量Ｖoutが算出される（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、ＦＣシステムの発電量情報がECU１６に供給され、この信号等に基づいて必要な水素ガス容量が推定される。
【００５３】
次に、供給水素ガスＶoutを発生させるために必要な熱量Ｅoutが算出される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、蒸発潜熱Ｅg、タンク内部の温度、および圧力に基づいてこの容積Ｖoutの水素ガスを発生させるための熱量Ｅoutが算出される。
【００５４】
次に、ECU１６によりヒータ１４が駆動され、上記算出されたＥoutに、液体残量検出用の投入熱量αを加えた熱量Ｅout＋αが液体水素に投入される（ステップ３０６）。熱量が投入されると、一部の液体水素が気体に相転移する一方、容積Ｖoutの水素ガスはタンク外部に排出され、ＦＣシステムに供給される。圧力センサ１２はこの後の圧力Ｐ’を検出する（ステップ３０８）。
【００５５】
次に、図６に示すルーチンでは、ECU１６により、タンク内部に残る水素ガスの容量が算出される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、投入された熱量の影響により相転移した水素ガスの総容積から、ＦＣシステムに供給された容積Ｖoutを差し引いた値が、かかる値として算出される。
【００５６】
上記ステップにおける処理が終了すると、次いで、ECU１６により、熱量投入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ３１２）。そして、タンク内の液体水素残量ＶＬが算出される（ステップ３１４）。ステップ３１０、および３１２では、具体的には、図３に示すステップ１０８、および１１０と同様の処理が実行される。
【００５７】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、ＦＣシステム運転中においても、供給水素ガスを相転移させるために必要な熱量Ｅout、および液体残量検出用の投入熱量αを投入し、その前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬが算出される。このため、ＦＣシステム運転中においても、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００５８】
ところで、上述した実施の形態３においては、供給水素ガスを発生させるために必要な熱量Ｅout、および液体残量検出用の投入熱量αをタンク内部に投入し、その前後のタンク内圧力変化量に基づいてタンク内の液体水素残量ＶＬを算出することとしているが、使用する熱量はこれに限られない。すなわち、上記ステップ３０６にて投入された熱量だけでなく、実施の形態２に示した遺漏熱量も加算し、これに対応する圧力変化量に基づいて、液体水素残量を算出することとしてもよい。
【００５９】
また、上述した実施の形態３においては、水素燃料車両等のＦＣシステムについて、システム運転中、すなわち水素ガス供給中においても液体水素の残量を算出することができることとしているが、水素ガスの供給先は、当該システムに限定されるものではない。すなわち、水素ガス供給量を取得できるのであれば、他の機関等（水素エンジン等）に対して、本実施の形態を実行し、液体水素残量を算出することとしてもよい。
【００６０】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU１６が、上記ステップ３０６において、タンク１０の内部に熱量Ｅout＋αを投入することにより、前記第１の発明における「タンク内熱量取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ３００、または３０８において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第１の発明における「内部圧力取得手段」が、ECU１６が、上記ステップ３１４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「液体水素量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００６１】
また、上述した実施の形態３においては、ＦＣシステムに水素ガスを供給することにより、前記第２の発明における「水素ガス供給手段」が、ECU１６が、上記ステップ３０２において、水素ガス供給量を推定することにより、前記第２の発明における「水素ガス供給量取得手段」が、実現されている。
【００６２】
また、上述した実施の形態３においては、ECU１６が、上記ステップ３０６において、ヒータ１４を駆動することにより、前記第３の発明における「加熱手段」が、実現されている。
【００６３】
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図７、および８を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU１６に、後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６４】
上述した実施の形態２では、タンク内へ自然に遺漏する遺漏熱量、およびその前後のタンク内部圧力変化量に基づいて、タンク内の液体水素残量ＶＬの算出を行うこととしている。ところで、この遺漏熱量は、タンク形状、およびタンク内外の温度差に基づいて推定される。しかしながら、タンク形状のみでは、生産のばらつきに基づくタンク毎の個別特性を反映させることができず、推定された遺漏熱量には誤差が生じる。このため、この推定誤差を補正することができれば、更に精度よく液体水素残量を算出することができることとなる。
【００６５】
ここで、図７は、同容量の水素ガスＶeが発生した場合の、液体水素残量ＶＬと相転移前後の圧力変化量ΔＰの関係を示す図である。この図によれば、圧力変化量ΔＰは、液体水素残量が多いほど、つまりタンク内部の水素ガス容量が少ないほど、大きな値となる傾向を示している。このため、タンク内部が満充填状態に近いほど、Ｖe発生前後の圧力変化量ΔＰを、より高精度に検出することが可能となる。
【００６６】
遺漏熱量ＥＬは、上記（２）、（３）式に基づいて、以下のように表される。
ＥＬ＝Ｅg（Ｖt−ＶＬ）×ΔＰ／ＲＴ ・・・（４）
前述のとおり、水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）が少ないほど、精度よくＥＬを算出することができるため、満充填に近い液体水素容積ＶＬが特定されるほど望ましい。そこで、例えば、オーバーフィリングセンサを使用し、満充填時のＶＬを特定することができる。かかるセンサは、液面が所定の位置に達したか否かを精度よく検出することができる。タンク１０の内部には本センサが設置されている。このため、満充填時における規定容量の液体水素を精度よく充填することができる。
【００６７】
以上より、本実施の形態では、満充填時の水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）、Ｅg、ΔＰ、Ｔが特定される。そして、これらの値を上記（４）式に代入することにより、タンク毎の個別特性が反映された、正確な遺漏熱量を算出することができる。
【００６８】
以下、本実施の形態のシステムが、上記手法に基づいて液体水素残量ＶＬを算出する手順を、具体的に説明する。
【００６９】
図８は、ECU１６が、タンク内部の液体水素残量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、タンク１０に液体水素が満充填されているかが判断される（ステップ４００）。ここでは、具体的には、タンクに設置されたオーバーフィリングセンサの検知信号に基づいて満充填か否かが判断される。これにより、タンク内部に規定の空き容量が形成されているか否かを判断することができる。そして、上記条件を満たす場合には次のステップに進み、満たさない場合には、本ルーチンは終了する。
【００７０】
次に、図８に示すルーチンでは、タンク１０に設置された圧力センサ１２により、液体水素が満充填されている状態でのタンク内圧力Ｐが検出される（ステップ４０２）。次に、所定時間経過後のタンク内部の圧力Ｐ’が検出される（ステップ４０４）。そして、ECU１６により、遺漏熱量侵入前後におけるタンク内部の圧力変化量ΔＰが算出される（ステップ４０６）。これらの処理は、具体的には、図５に示すステップ２００、２０４、２０８の処理と同様である。上述したとおり、満充填時はタンク内部圧力の変化量が大きい。したがって、上記ステップ４０６においては、少量の遺漏熱量であっても、精度よく圧力変化量を算出することができる。
【００７１】
図８に示すルーチンでは、次に、ECU１６により、タンク１０内部に遺漏した遺漏熱量ＥＬが算出される（ステップ４０８）。ここでは、具体的には、先ず、水素の蒸発潜熱Ｅgが特定される。前述のとおり、蒸発潜熱Ｅgは圧力によって変化する値である。ECU１６は蒸発潜熱Ｅgと圧力の関係を定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップに従って、圧力センサ１２により供給されたタンク内圧力に対応する蒸発潜熱Ｅgが特定される。次いで、ステップ４０６にて算出されたΔＰ、タンク内部温度Ｔが特定される。
【００７２】
上記ステップ４０８においては、次いで、水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）が特定される。前述のとおり、満充填時の液体水素容積ＶＬは正確に特定することができる。このため、タンク容積ＶｔからＶＬを差し引くことにより、（Ｖt−ＶＬ）が特定される。そして、ECU１６により、これらの値が上式（４）に代入され、遺漏熱量ＥＬが算出される。
【００７３】
上記ステップが終了すると、次に、図５に示すステップ２０２にて遺漏熱量の推定に使用された基準遺漏熱量が、上記ステップ４０８において満充填時の実測値に基づいて算出されたＥＬと差し替えられる（ステップ４１０）。そして、図８に示すルーチンは終了とされる。この後、別途図５に示すルーチンが実行されることにより、本ルーチンにて算出されたＥＬが反映されたタンク内の液体水素残量ＶＬを算出することができる。
【００７４】
以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、タンク内へ自然に遺漏する遺漏熱量ＥＬが満充填時の実測値に基づいて正確に算出される。このため、タンク形状等から遺漏熱量を推定する手法においては考慮することができなかった、タンク毎の個別特性を反映させることができ、常に精度よく液体水素残量を算出することができる。
【００７５】
ところで、上述した実施の形態４においては、オーバーフィリングセンサを用いて特定された満充填時の水素ガス容積（Ｖt−ＶＬ）に基づいて、遺漏熱量ＥＬを算出することとしているが、タンクの充填状態、および特定方法はこれに限られない。すなわち、タンク内部の水素ガス容積を正確に特定できるのであれば、満充填時でなくてもよいし、また、他の特定方法を用いて特定してもよい。
【００７６】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU１６が、上記ステップ４００において、タンク内部に液体水素が満充填されたことを検知することにより、前記第５の発明における「満充填検知手段」が、上記ステップ４０２、または４０４において、圧力センサ１２により検出されたタンク内圧力を取り込むことにより、前記第５の発明における「満充填時内部圧力取得手段」が、上記ステップ４０８において、遺漏熱量を算出することにより、前記第５の発明における「基準遺漏熱量算出手段」が、上記ステップ４１０において、遺漏熱量が、図５に示すステップ２０２の基準遺漏熱量として使用されることにより、前記第５の発明における「遺漏熱量補正手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のタンク内部の液体水素残量検知システムの原理を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】遺漏熱量ＥＬのタンク内外の温度差ΔＴに対する依存性を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】圧力変化量ΔＰのタンク内部の液体水素容積ＶＬに対する依存性を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 液体水素タンク
１２ 圧力センサ
１４ ヒータ
１６ ECU(Electronic Control Unit)
１８ ＦＣシステム
ＶＬ 液体水素残量
Ｖt タンク容積
Ｖe 液体水素から相転移した水素ガス容積
Ｅ 投入熱量
ＥＬ 遺漏熱量
Ｅg 蒸発潜熱
Ｒ ガス定数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素を貯蔵するタンクを有する液体水素残量を検知するためのシステムであって、
前記タンクの内部に侵入したタンク内熱量を取得するタンク内熱量取得手段と、
前記タンクの内部圧力を取得する内部圧力取得手段と、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力とに基づいて、タンク内液体水素量を算出する液体水素量算出手段と、
を備えることを特徴とする液体水素残量検知システム。
【請求項２】
水素ガスを前記タンクの外部に供給する水素ガス供給手段と、
前記水素ガス供給手段により供給される水素ガス供給量を推定、あるいは測定する水素ガス供給量取得手段と、を更に備え、
前記液体水素量算出手段は、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力と、前記水素ガス供給量とに基づいて、タンク内液体水素量を算出することを特徴とする請求項１記載の液体水素残量検知システム。
【請求項３】
液体水素の気化を行う加熱手段を更に備え、
前記タンク内熱量は、前記加熱手段により前記タンクの内部に侵入した熱量であることを特徴とする請求項１、および２記載の液体水素残量検知システム。
【請求項４】
前記タンク内熱量は、前記タンクの外部から侵入する遺漏熱量を包含し、
前記タンク内熱量取得手段は、前記遺漏熱量を推定する遺漏熱量推定手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３記載の液体水素残量検知システム。
【請求項５】
前記タンクの内部に液体水素が満充填されたことを検知する満充填検知手段と、
前記タンクの満充填時の内部圧力を取得する満充填時内部圧力取得手段と、
前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力とに基づいて、基準遺漏熱量を算出する基準遺漏熱量算出手段と、
前記基準遺漏熱量に基づいて、前記遺漏熱量を補正する遺漏熱量補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項４記載の液体水素残量検知システム。
【請求項１】
液体水素を貯蔵するタンクを有する液体水素残量を検知するためのシステムであって、
前記タンクの内部に侵入したタンク内熱量を取得するタンク内熱量取得手段と、
前記タンクの内部圧力を取得する内部圧力取得手段と、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力とに基づいて、タンク内液体水素量を算出する液体水素量算出手段と、
を備えることを特徴とする液体水素残量検知システム。
【請求項２】
水素ガスを前記タンクの外部に供給する水素ガス供給手段と、
前記水素ガス供給手段により供給される水素ガス供給量を推定、あるいは測定する水素ガス供給量取得手段と、を更に備え、
前記液体水素量算出手段は、
前記タンク内熱量と、前記内部圧力と、前記水素ガス供給量とに基づいて、タンク内液体水素量を算出することを特徴とする請求項１記載の液体水素残量検知システム。
【請求項３】
液体水素の気化を行う加熱手段を更に備え、
前記タンク内熱量は、前記加熱手段により前記タンクの内部に侵入した熱量であることを特徴とする請求項１、および２記載の液体水素残量検知システム。
【請求項４】
前記タンク内熱量は、前記タンクの外部から侵入する遺漏熱量を包含し、
前記タンク内熱量取得手段は、前記遺漏熱量を推定する遺漏熱量推定手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３記載の液体水素残量検知システム。
【請求項５】
前記タンクの内部に液体水素が満充填されたことを検知する満充填検知手段と、
前記タンクの満充填時の内部圧力を取得する満充填時内部圧力取得手段と、
前記タンクの満充填時の空き容量と、前記タンクの満充填時の内部圧力とに基づいて、基準遺漏熱量を算出する基準遺漏熱量算出手段と、
前記基準遺漏熱量に基づいて、前記遺漏熱量を補正する遺漏熱量補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項４記載の液体水素残量検知システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１６２８４９（Ｐ２００７−１６２８４９Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６０８１８（Ｐ２００５−３６０８１８）
【出願日】平成１７年１２月１４日（２００５．１２．１４）
【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１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１４日（２００５．１２．１４）
【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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