高圧ガス供給システム
【課題】必要以上に出力を制限するのを防止できる高圧ガス供給システムを提供する。
【解決手段】水素タンク１０と、水素タンク１０内の水素を燃料電池１１に供給する供給装置２０と、水素タンク１０から放出される水素の温度を検知する温度センサ４１と、水素タンク１０内のタンク圧力を検知する圧力センサ４２と、ＥＣＵ５０とを備える。ＥＣＵ５０は、検知された水素の温度に基づいて燃料消費量を制限する際、検知されたタンク圧力から定まる温度低下量を用いて、第１遮断弁２１の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和する。
【解決手段】水素タンク１０と、水素タンク１０内の水素を燃料電池１１に供給する供給装置２０と、水素タンク１０から放出される水素の温度を検知する温度センサ４１と、水素タンク１０内のタンク圧力を検知する圧力センサ４２と、ＥＣＵ５０とを備える。ＥＣＵ５０は、検知された水素の温度に基づいて燃料消費量を制限する際、検知されたタンク圧力から定まる温度低下量を用いて、第１遮断弁２１の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温環境に対応した高圧ガス供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧の燃料タンクを備えた高圧ガス供給システムでは、燃料タンクから燃料消費機器（エンジン、燃料電池など）に減圧弁で減圧した燃料を供給する燃料供給装置を備えたものが種々提案されている。このようなシステムでは、例えば、燃料供給装置において燃料の調圧機能に不具合が発生した場合、燃料遮断弁を駆動して高圧ガス流路を遮断する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、低温環境下において、燃料タンク内のガス温度がシステム保証温度よりも低下すると、弁のシール部の機能が損なわれるおそれがあるため、燃料タンクから放出される燃料の温度に基づいて燃料消費機器から取り出す出力を制限する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−４１６５１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の高圧ガス供給システムでは、タンク圧力が充填圧力よりも低い圧力領域において、燃料消費機器を高負荷で連続運転した場合、弁の性能保証温度よりも高い温度領域に出力制限開始温度が設定されているため、ガス温度（燃料温度）が弁の性能保証温度に到達（低下）しない状況であっても出力を制限する制御が働き、必要以上に出力を制限してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、必要以上に出力を制限するのを防止できる高圧ガス供給システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池に供給する燃料タンクと、前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料の燃料消費量を制御する燃料消費量制御手段と、前記燃料タンクから放出される燃料の燃料温度を検知する燃料温度検知手段と、前記燃料タンク内のタンク圧力を検知するタンク圧検知手段と、を備え、前記燃料消費量制御手段は、検知された前記燃料温度に基づいて前記燃料消費量を制限する際、検知された前記タンク圧力から定まる燃料温度低下値を用いて前記制限を緩和することを特徴とする。
【０００７】
これによれば、タンク圧力が低い（残燃料が少ない）場合には、温度低下が少ないと考えられることを利用し、制限を緩和することで、燃料消費量（燃料電池の出力など）を必要以上に制限するのを防止できる。なお、「制限を緩和する」とは、「制限を無くす（制限を行わない）」ことも含む趣旨である。
【０００８】
また、前記燃料消費量制御手段は、現在の前記燃料温度と、前記燃料温度低下値との和が、前記供給装置の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、現在の燃料電池の温度と燃料温度低下値との和が、供給装置の性能保証温度よりも高い場合には、前記和が性能保証温度に達することはないと判定できるので、制限を緩和することができる。逆に、前記和が性能保証温度以下の場合には、前記和が性能保証温度に達すると判定できるので、制限を緩和することなく、燃料消費量を制限する制御を行う。よって、燃料消費量の制限を緩和する必要があるか否かを精度よく判定できる。
【００１０】
また、前記燃料タンクがおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段を備え、前記環境温度毎に前記タンク圧力と前記燃料温度低下値との関係を定め、前記燃料消費量制御手段は、現在の前記環境温度と前記燃料温度と前記タンク圧力とに基づいて前記制限を緩和することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、環境温度が高いかまたは低いかに応じてタンク圧力と燃料温度低下値との関係が変化するので、環境温度毎に、タンク圧力と燃料温度低下値との関係を定めておき、燃料消費量制御手段は、環境温度毎に定めたタンク圧力と燃料温度低下値との関係に基づいて燃料消費量の制限を緩和する必要があるか否かをさらに精度よく判定できる。
【００１２】
また、前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする。
【００１３】
これによれば、燃料消費量制御手段が、燃料電池の出力を制限することで、燃料タンクからの燃料の放出量を抑えることができるので、燃料温度が急激に低下するのを防止して、供給装置での不具合（例えば、弁のシール機能低下）を防止することできる。
【００１４】
また、前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池への燃料の供給量を制限することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、燃料消費量制御手段は、燃料電池への燃料の供給量を制限することで、燃料タンクからの燃料の放出量を抑えることができるので、燃料温度が急激に低下するのを防止して、供給装置での不具合（例えば、弁のシール機能低下）を防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、必要以上に出力を制限するのを防止できる高圧ガス供給システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る高圧ガス供給システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る高圧ガス供給システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】タンク圧力と温度低下量との関係を示すマップである。
【図４】ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。
【図５】（ａ）は本実施形態に係るタイムチャート、（ｂ）は比較例に係るタイムチャートである。
【図６】高圧ガス供給システムの動作の変形例を示すフローチャートである。
【図７】ガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１について、図１ないし図７を参照して説明する。なお、以下では、高圧ガス供給システム１を燃料電池自動車に適用した車両用高圧ガス供給システム１を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶用や航空機用などの高圧ガス供給システム、または家庭用や業務用などの定置式の高圧ガス供給システムであってもよい。
【００１９】
図１に示すように、高圧ガス供給システム１は、燃料電池システムＦ１に適用されるものであり、水素タンク１０（燃料タンク）と、この水素タンク１０内の水素ガス（燃料）を燃料電池１１に供給する供給装置２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と、を備えている。
【００２０】
水素タンク１０は、燃料としての高純度の水素が高圧（例えば、３５ＭＰａ）で充填された容器である。また、水素タンク１０には、タンク内の水素の温度を検出する、サーミスタなどで構成されたガス温度センサ４１（燃料温度検知手段）、タンク内の水素の圧力を検知する圧力センサ４２（タンク圧検知手段）がそれぞれ設けられている。
【００２１】
例えば、水素タンク１０は、アルミニウム合金により形成され、その内部に水素ガスを高圧で貯留するライナー（図示せず）を有し、そのライナーの周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成された補強層（図示せず）で覆って構成されている。
【００２２】
燃料電池１１は、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、このＭＥＡを挟む導電性を有するアノードセパレータ（不図示）及びカソードセパレータ（不図示）と、を備えている。
【００２３】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２４】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝などで形成されたアノード流路１２が形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝などで形成されたカソード流路１３が形成されている。
【００２５】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されるとともに、カソード流路１３を介して各カソードに空気（酸素）が供給されると、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１１と走行モータ（燃料電池自動車の動力源）６２等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１１が発電するようになっている。
【００２６】
供給装置２０は、燃料電池システムＦ１のアノード系の水素供給ラインに設けられるものであり、上流側から順に、常閉型の第１遮断弁２１、配管ａ１、第１減圧弁２２、配管ａ２、リリーフ弁２３、配管ａ３、常閉型の第２遮断弁２４、配管ａ４、第２減圧弁２５、配管ａ５、エゼクタ２６および配管ａ６を備えている。
【００２７】
第１遮断弁２１は、例えば、水素タンク１０と一体に設けられたインタンク電磁弁であり、ＥＣＵ５０の制御によって開閉される。
【００２８】
第１減圧弁２２は、水素タンク１０から供給される高圧の水素を所定の圧力値（中圧）に減圧するものである。
【００２９】
リリーフ弁２３は、第１減圧弁２２と第２減圧弁２５との間の配管ａ２，ａ３，ａ４の圧力が、第１減圧弁２２によって減圧された圧力に対して所定圧力を超えたときに開くようになっている。なお、リリーフ弁２３は、機械的に開弁するものであっても、電気的な信号によって開弁するものであってもよい。
【００３０】
第２遮断弁２４は、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、第１減圧弁２２で減圧された水素を第２減圧弁２５に供給する。
【００３１】
第２減圧弁２５は、第１減圧弁２２で減圧された水素の圧力を、エゼクタ２６を介して燃料電池１１に供給される水素の圧力が適切な圧力（低圧）となるように減圧する。なお、この第２減圧弁２５は、例えば、後記するコンプレッサ３０からカソード流路１３に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、入力された空気の圧力に基づいて水素の圧力を制御するようになっている。また、第２減圧弁２５は、電気的な信号によって減圧するものであってもよい。
【００３２】
エゼクタ２６は、燃料電池１１のアノード流路１２から排出された未反応の水素を、配管ａ７を介して燃料電池１１のアノード流路１２に戻す真空ポンプの一種である。また、エゼクタ２６は、図示していないが、金属製の筐体を有し、筐体内に、水素を噴射するノズル、このノズルに挿通されてノズルの開口径を変更するニードル、このニードルを駆動させるソレノイドを有する駆動部などが収容されて構成されている。
【００３３】
なお、アノード流路１２の出口に接続された配管ａ７には配管８が分岐して接続され、この配管ａ８にパージ弁２７が設けられている。パージ弁２７は、例えば、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、燃料電池１１の発電時において水素循環流路（アノード流路１２、配管ａ６，ａ７）を循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出するように構成されている。なお、パージ弁２７を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、例えば、燃料電池１１の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったときである。また、パージ弁２７は、ＥＣＵ５０によって定期的（所定時間経過毎）に開弁されるようにしてもよい。
【００３４】
また、燃料電池システムＦ１のカソード系は、コンプレッサ３０、図示しない加湿器、背圧弁、希釈器などを備えている。
【００３５】
コンプレッサ３０は、モータで駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、配管ｂ１を介してカソード流路１３の入口に接続されている。ＥＣＵ５０の制御によってコンプレッサ３０が駆動されると、車外から取り込まれた空気がカソード流路１３に供給されるようになっている。コンプレッサ３０のモータの回転速度は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するように、高められる設定となっている。このように、コンプレッサ３０の回転速度が高くなると、燃料電池１１で消費される水素の消費量が増加する。
【００３６】
加湿器は、水分交換可能な複数の中空糸膜を備えており、中空糸膜を介して、燃料電池１１に供給される空気と、カソード流路１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換されて、燃料電池１１に供給される空気が加湿されるように構成されている。
【００３７】
背圧弁は、バタフライ弁などで構成された開度調整可能な常開型の弁で構成され、配管ｂ２に設けられている。例えば、背圧弁の開度は、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ５０によって、空気を高圧で供給するために、小さくなる（絞る）ように制御される。
【００３８】
希釈器は、背圧弁の下流の配管ｂ２に設けられており、パージ弁２７から配管ａ８を介して排出されたアノードオフガスが導入され、このアノードオフガス中の水素をカソードオフガスで希釈した後、車外に排出するように構成されている。
【００３９】
また、燃料電池システムＦ１は、電力消費系として、ＶＣＵ（Voltage Control Unit：電圧制御装置）６１、走行モータ６２、高圧バッテリ６３などを備えている。
【００４０】
ＶＣＵ６１は、ＥＣＵ５０から出力される発電指令に基づいて、燃料電池１１の発電電力（発電電流）を制御（制限）する機能を有している。すなわち、ＶＣＵ６１に対して発電電力を大きくする指令がＥＣＵ５０から入力された場合には、水素タンク１０から放出される水素量が増加し、逆にＶＣＵ６１に対して発電電力を小さくする指令がＥＣＵ５０から入力された場合には、水素タンク１０から放出される水素量が減少する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ５０とＶＣＵ６１とで、燃料消費量制御手段が構成されている。
【００４１】
走行モータ６２は、永久磁石式の３相交流同期モータなどで構成され、燃料電池自動車の動力源となるものであり、図示しないＰＤＵ（Power Drive Unit）を介してＶＣＵ６１と接続されている。
【００４２】
高圧バッテリ６３は、リチウムイオン電池などの充放電可能な種類の電池で構成され、ＶＣＵ６１によって充放電が制御される。高圧バッテリ６３は、車両の急加速時などに燃料電池１１からの電力をアシストして走行モータ６２に供給し、また、燃料電池システムＦ１の起動時の電力（コンプレッサ３０など）等に使用される。
【００４３】
イグニッションスイッチ（ＩＧ）６４は、燃料電池システムＦ１（燃料電池自動車）の起動スイッチであり、ＯＮされることにより、燃料電池１１の発電が開始され、ＯＦＦされることにより、燃料電池１１の発電が停止される。
【００４４】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。また、ＥＣＵ５０は、温度センサ４１によって検出された水素タンク１０内の温度Ｔ１（燃料温度）、圧力センサ４２によって検出された水素タンク１０内の圧力Ｐ（タンク圧力）、外気温度センサ４３（環境温度検知手段）によって検出された外気温度Ｔ２（環境温度）を取得する。なお、外気温度センサ４３は、水素タンク１０が置かれている周囲の温度を検出するものであり、例えば水素タンク１０の周辺近傍（車外）に配置されている。
【００４５】
また、ＥＣＵ５０は、検出された水素タンク１０内のガス温度（燃料温度）Ｔ１に基づいて燃料電池１１で消費される水素の消費量（燃料消費量）を制限する機能を有している。ここで、水素の消費量を制限する場合、上述のガス温度に加え、検出されたタンク圧力によって求められる温度低下量（燃料温度低下値）を用いて、前記制限を緩和するか否かを決定する。
【００４６】
なお、温度低下量とは、例えば、車両（燃料電池自動車）が保証する外気温度（車両保証温度、例えばマイナス２０℃）にて最大負荷で連続運転（連続走行）したときの温度低下量（最大値）を意味している。このような温度低下量をタンク圧力毎に定めたものが、後記する図３に示すマップである。
【００４７】
ＥＣＵ５０は、例えば、ガス温度（燃料温度）と温度低下量（燃料温度低下値）との和が、供給装置２０の性能保証温度よりも高い場合に前記した制限を緩和するように構成されている。なお、供給装置２０の性能保証温度とは、本実施形態では、例えば、第１遮断弁２１の性能保証温度、換言すると第１遮断弁２１のシール部の保証温度（性能保証温度）である。このように、現在のガス温度と、温度低下量との和が、第１遮断弁２１の性能保証温度よりも高い場合には、ガス温度が性能保証温度を下回ることがないので、水素の消費量の制限を緩和することができる。
【００４８】
なお、制限の緩和とは、制限しない（制限を無くす）ことを含む趣旨であり、つまり最大負荷で運転している場合にはそのまま最大負荷での運転（走行）を継続するように制御される場合がある。また、制限の緩和とは、制限しないことに限定されず、文字通り制限を緩めるように（制限の度合が小さくなるように）制御することも含む。したがって、本実施形態では、「制限を緩和する」とは、制限を緩和する場合だけではなく、制限を無くす場合（制限しない場合）も含むことを意味している。
【００４９】
次に、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１を含む燃料電池システムＦ１の動作について図２ないし図５を参照（適宜、図１を参照）して説明する。
【００５０】
ＥＣＵ５０は、燃料電池システムＦ１のＩＧ６４からのＯＮ信号を検知すると、第１遮断弁２１および第２遮断弁２４をそれぞれ開弁し、またコンプレッサ３０を駆動する。これにより水素タンク１０から燃料電池１１のアノードに水素が供給され、また燃料電池１１のカソードに空気（酸素）が供給され、燃料電池１１が発電を開始するようになっている。なお、水素タンク１０から水素が放出されることにより、水素タンク１０内の温度が低下し、また第１遮断弁２１の温度も低下する。
【００５１】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、ガス温度センサ４１により検出された水素タンク１０内のガス温度（燃料温度）Ｔ１を取得する。
【００５２】
そして、ステップＳ１０２に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０１により取得したガス温度Ｔ１が所定値以下であるか否かを判定する。なお、所定値とは、燃料電池１１の発電電力の出力制限を開始する必要があるか否かを判定する閾値（出力制限開始温度Ａ）であり、例えば第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ（例えば、マイナス４０℃）よりも高いマイナス３５℃に設定される。
【００５３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、ガス温度Ｔ１が所定値以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池１１の出力制限を開始する必要があると判定して、ステップＳ１０３に進む。
【００５４】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、外気温度センサ４３により検出された外気温度（環境温度）Ｔ２を取得し、さらに圧力センサ４２により検出されたタンク圧力Ｐを取得する。
【００５５】
ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０１で取得したガス温度Ｔ１、ステップＳ１０３で取得したタンク圧力Ｐおよび外気温度Ｔ２に基づいて推定される最低温度を決定し、この決定された最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ（シール保証最低温度）以下であるか否かを判定する。すなわち、外気温度Ｔ２毎（環境温度毎）に求められたタンク圧力Ｐと温度低下量ΔＴとの関係を示す図３のマップに基づいて、温度低下量ΔＴを算出し、算出された温度低下量ΔＴと現在のガス温度Ｔ１との和が最低温度として決定（推定）される。
【００５６】
図３のマップは、タンク圧力Ｐが低くなるにつれて温度低下量ΔＴが低くなるように関係づけられたものであり、このように関係づけられたマップが外気温度Ｔ２毎に求められてＥＣＵ５０に記憶されている。すなわち、タンク圧力Ｐが高い場合（例えば、３５ＭＰａ）の水素タンク１０と、タンク圧力Ｐが低い場合（例えば、１０ＭＰａ）の水素タンク１０の場合において、それぞれ同じ条件で第１遮断弁２１を介して水素が放出されていると仮定すると、断熱膨張は圧力に比例することにより、タンク圧力Ｐが低い場合の方が、タンク圧力Ｐが高い場合よりも圧力差が小さくなるので、温度低下量ΔＴも少なくなることによる。また、マップは、同一のタンク圧力Ｐにおいて、外気温度Ｔ２が高くなるにつれて温度低下量ΔＴが少なくなるように、外気温度Ｔ２が低くなるにつれて温度低下量ΔＴが多くなるように設定される。
【００５７】
また、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。
【００５８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、図４に示す出力制限マップ（実線部分）に基づいて燃料電池１１の出力を制限するように制御する。なお、図４に示すマップは、ガス温度と燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）１１の出力（ＦＣ出力、燃料消費量）との関係を示すものであり、例えば、出力制限開始温度（所定値）Ａをマイナス３５℃とし、性能保証温度（シール保証最低温度）Ｂをマイナス４０℃とした場合、ガス温度が低くなるにつれて、燃料電池１１の出力が低くなるように、つまり燃料電池１１の出力の制限が大きくなるように設定されている。また、図４に示すマップは、実験やシミュレーションなどによって予め求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００５９】
すなわち、ＥＣＵ５０は、燃料電池１１の出力（ＦＣ出力、発電電力）が低くなるようにＶＣＵ６１に発電指令を与える。このように燃料電池１１の出力が制限されることで、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が減少して、水素タンク１０内の水素の温度の低下が抑えられ、第１遮断弁２１の温度の低下が抑えられることで、ガス温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回るのを回避することが可能となる。
【００６０】
一方、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、つまり最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回らないと判定した場合、ステップＳ１０６に進む。
【００６１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、燃料電池１１の出力制限を緩和する。すなわち、ＥＣＵ５０は、図４において一方の破線で示すように、ステップＳ１０５で設定されたＦＣ出力制限（実線部分）に対して出力制限値が小さくなる（出力制限を緩和する）ようにＶＣＵ６１を制御する。出力制限値を小さくすることにより、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が減少する。
【００６２】
なお、ステップＳ１０６では、燃料電池１１の出力制限を緩和する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、図４において他方の破線で示すように、燃料電池１１の出力制限をしない（制限を無くす、制限をゼロ）ように制御してもよい。これによっても、水素タンク１０から第１遮断弁を介して放出される水素量が減少する。
【００６３】
また、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、ガス温度Ｔ１が所定値以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、リターンする。
【００６４】
また、ＥＣＵ５０は、図４の実線で示す出力制限マップに基づいて燃料電池１１の出力が制限されている場合において（Ｓ１０５）、最低温度が性能保証温度Ｂ以下ではないと判定された場合には（Ｓ１０４、Ｎｏ）、図４の実線で示す出力制限マップに対して出力制限を緩和する（または出力制限をゼロとなる）ように制御する。
【００６５】
ところで、比較例として図５（ｂ）に示すように、ガス温度が出力制限開始温度Ａ（所定値）以下となった場合において、最大負荷（負荷上限、例えば、最高車速）で連続運転したとしても第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂまで到達しない状況であっても出力制限が働いてしまう。そこで、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、ガス温度が出力制限開始温度Ａ（所定値）以下となった場合において、最大負荷で連続運転しても、第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回らないときには出力制限しないものである。
【００６６】
なお、図５（ａ）では、出力制限中ではない状況において、最低温度が性能保証温度Ｂ以下とはならない場合に出力制限せず最大負荷（負荷上限）で連続走行を続ける場合を示している。なお、本実施形態は、前記のように出力制限中ではない状況において出力制限しない場合に限定されるものではなく、図５（ｂ）に示すパターンの出力制限よりもその制限を緩和した出力制限となるようにしてもよい。また、出力制限中の状況において出力制限を緩和させる場合も含む。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１は、ガス温度センサ４１により検知されたガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池１１の出力（燃料消費量）を制限する際、ガス温度Ｔ１に加えて、圧力センサ４２により検知されたタンク圧力Ｐから定まる温度低下量（燃料温度低下値）ΔＴを用いて、燃料電池１１の出力制限を緩和するように（または出力制限をしないように）したものである。これによれば、タンク圧力Ｐが低い（残ガスが少ない）場合には、最大負荷で連続運転したとしても（燃料をめいいっぱい連続して消費したとしても）温度低下量は少なく、タンク圧力が高い（残ガスが多い）場合には、最大負荷で連続運転すると（燃料をめいいっぱい連続して消費すると）温度低下量は多くなる。よって、タンク圧力Ｐが低い（残ガスが少ない）ときには、温度低下量は少なくなるので出力制限を緩和できる（または出力制限しないようにできる）。したがって、必要以上に燃料電池１１の出力を制限することがなくなり、高圧ガス供給システム１（燃料電池システムＦ１、車両）としての商品性の低下を防止できる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、ＥＣＵ５０（燃料消費量制御手段）が、現在のガス温度Ｔ１と温度低下量ΔＴとの和が、第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂよりも高い場合に燃料電池１１の出力の制限を緩和することで、燃料電池１１の出力の制限を緩和する必要があるか否かを精度よく判定できる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、外気温度Ｔ２（環境温度）を検知する外気温度センサ４３を備えて、外気温度Ｔ２毎にタンク圧力Ｐと温度低下量ΔＴとの関係を定めたマップ（図３参照）に基づいて燃料電池１１の出力の制限を緩和することで、燃料電池１１の出力の制限を緩和する必要があるか否かをさらに精度よく判定できる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、ＥＣＵ５０が燃料電池１１の出力を制限することで、燃料電池１１から取り出される発電電力（発電電流）が減少し、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が低減されるので、その結果、第１遮断弁２１の温度が性能保証温度Ｂを下回るのを回避できる。
【００７１】
なお、前記実施形態では、ＥＣＵ５０がＶＣＵ６１を介して燃料電池１１から取り出す発電電力（発電電流）を制限する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、外部負荷（走行モータ６２、コンプレッサ３０、高圧バッテリ６３）の電力消費量を制限することで、燃料電池１１の出力を制限してもよい。
【００７２】
図６は高圧ガス供給システムの動作の変形例を示すフローチャート、図７はガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。なお、変形例に係る高圧ガス供給システムでのガス消費量を制限する手段としては、燃料電池１１の出力を制限する構成に替えて、燃料電池１１へのガス供給量（水素の供給量）を制限する構成としたものである。また、図６に示すステップＳ２０１ないしＳ２０４は、図２に示すステップＳ１０１ないしＳ１０４と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
燃料電池１１へのガス供給量を制限する構成としては、例えば、第２遮断弁２４（図１参照）を利用して、この第２遮断弁２４の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）のタイミングを切り替えて制御することで、燃料電池１１へのガス供給量を制御できる。なお、ガス供給量を制限する手段としては、第２遮断弁２４に限定されるものではなく、可変オリフィスなどを別途設けて制御してもよい。
【００７４】
図６に示すように、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が性能保証温度Ｂ以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、図７に示すガス供給量制限マップに基づいて燃料電池１１へのガス供給量（水素の供給量）を制限する。なお、図７に示すマップは、ガス温度と燃料電池１１へのガス供給量との関係を示すものであり、例えば、出力制限開始温度（所定値）Ａをマイナス３５℃とし、性能保証温度（シール保証最低温度）Ｂをマイナス４０℃とした場合、ガス温度が低くなるにつれて、ガス供給量が少なくなるように、つまりガス供給量の制限が大きくなるように設定されている。また、図７に示すマップは、実験やシミュレーションなどによって予め求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００７５】
また、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が性能保証温度Ｂ以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０６に進み、燃料電池１１へのガス供給量制限を緩和する。すなわち、ＥＣＵ５０は、ガス供給量を制限しないガス供給量となるように第２遮断弁２４を常時開となるように制御する。
【００７６】
なお、前記した実施形態では、供給装置２０として第１遮断弁２１を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、第１減圧弁２２が第１遮断弁２１、第２遮断弁２４、第２減圧弁２５等よりも低温耐性が劣る高圧ガス供給システム１である場合には、例えば、第１減圧弁２２の性能保証温度を考慮して燃料消費量（ＦＣ出力、ガス供給量）を制限してもよい。また、第１遮断弁２１や第１減圧弁２２だけではなく、第２遮断弁２４や第２減圧弁２５などを考慮して燃料消費量を制限してもよい。
【００７７】
また、前記した実施形態では、ガス温度Ｔ１とタンク圧力Ｐによって求められる温度低下量ΔＴと環境温度Ｔ２とに基づいて最低温度を決定したが、ガス温度Ｔ１とタンク圧力Ｐによって求められる温度低下量ΔＴとに基づいて最低温度を決定してもよい。
【００７８】
また、前記した実施形態では、水素タンク１０内に圧力センサ４２を設けた場合を例に挙げて説明したが、水素タンク１０内の圧力と同等の圧力を得ることができる高圧ガス供給システムである場合には、配管ａ１に圧力センサ４２を配置してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１ 高圧ガス供給システム
１０ 水素タンク（燃料タンク）
１１ 燃料電池
２０ 供給装置
２１ 第１遮断弁
２４ 第２遮断弁（燃料消費量制御手段）
４１ ガス温度センサ（燃料温度検知手段）
４２ 圧力センサ（タンク圧検知手段）
４３ 外気温度センサ（環境温度検知手段）
５０ ＥＣＵ（燃料消費量制御手段）
６１ ＶＣＵ（燃料消費量制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温環境に対応した高圧ガス供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧の燃料タンクを備えた高圧ガス供給システムでは、燃料タンクから燃料消費機器（エンジン、燃料電池など）に減圧弁で減圧した燃料を供給する燃料供給装置を備えたものが種々提案されている。このようなシステムでは、例えば、燃料供給装置において燃料の調圧機能に不具合が発生した場合、燃料遮断弁を駆動して高圧ガス流路を遮断する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、低温環境下において、燃料タンク内のガス温度がシステム保証温度よりも低下すると、弁のシール部の機能が損なわれるおそれがあるため、燃料タンクから放出される燃料の温度に基づいて燃料消費機器から取り出す出力を制限する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−４１６５１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の高圧ガス供給システムでは、タンク圧力が充填圧力よりも低い圧力領域において、燃料消費機器を高負荷で連続運転した場合、弁の性能保証温度よりも高い温度領域に出力制限開始温度が設定されているため、ガス温度（燃料温度）が弁の性能保証温度に到達（低下）しない状況であっても出力を制限する制御が働き、必要以上に出力を制限してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、必要以上に出力を制限するのを防止できる高圧ガス供給システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池に供給する燃料タンクと、前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料の燃料消費量を制御する燃料消費量制御手段と、前記燃料タンクから放出される燃料の燃料温度を検知する燃料温度検知手段と、前記燃料タンク内のタンク圧力を検知するタンク圧検知手段と、を備え、前記燃料消費量制御手段は、検知された前記燃料温度に基づいて前記燃料消費量を制限する際、検知された前記タンク圧力から定まる燃料温度低下値を用いて前記制限を緩和することを特徴とする。
【０００７】
これによれば、タンク圧力が低い（残燃料が少ない）場合には、温度低下が少ないと考えられることを利用し、制限を緩和することで、燃料消費量（燃料電池の出力など）を必要以上に制限するのを防止できる。なお、「制限を緩和する」とは、「制限を無くす（制限を行わない）」ことも含む趣旨である。
【０００８】
また、前記燃料消費量制御手段は、現在の前記燃料温度と、前記燃料温度低下値との和が、前記供給装置の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、現在の燃料電池の温度と燃料温度低下値との和が、供給装置の性能保証温度よりも高い場合には、前記和が性能保証温度に達することはないと判定できるので、制限を緩和することができる。逆に、前記和が性能保証温度以下の場合には、前記和が性能保証温度に達すると判定できるので、制限を緩和することなく、燃料消費量を制限する制御を行う。よって、燃料消費量の制限を緩和する必要があるか否かを精度よく判定できる。
【００１０】
また、前記燃料タンクがおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段を備え、前記環境温度毎に前記タンク圧力と前記燃料温度低下値との関係を定め、前記燃料消費量制御手段は、現在の前記環境温度と前記燃料温度と前記タンク圧力とに基づいて前記制限を緩和することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、環境温度が高いかまたは低いかに応じてタンク圧力と燃料温度低下値との関係が変化するので、環境温度毎に、タンク圧力と燃料温度低下値との関係を定めておき、燃料消費量制御手段は、環境温度毎に定めたタンク圧力と燃料温度低下値との関係に基づいて燃料消費量の制限を緩和する必要があるか否かをさらに精度よく判定できる。
【００１２】
また、前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする。
【００１３】
これによれば、燃料消費量制御手段が、燃料電池の出力を制限することで、燃料タンクからの燃料の放出量を抑えることができるので、燃料温度が急激に低下するのを防止して、供給装置での不具合（例えば、弁のシール機能低下）を防止することできる。
【００１４】
また、前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池への燃料の供給量を制限することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、燃料消費量制御手段は、燃料電池への燃料の供給量を制限することで、燃料タンクからの燃料の放出量を抑えることができるので、燃料温度が急激に低下するのを防止して、供給装置での不具合（例えば、弁のシール機能低下）を防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、必要以上に出力を制限するのを防止できる高圧ガス供給システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る高圧ガス供給システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る高圧ガス供給システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】タンク圧力と温度低下量との関係を示すマップである。
【図４】ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。
【図５】（ａ）は本実施形態に係るタイムチャート、（ｂ）は比較例に係るタイムチャートである。
【図６】高圧ガス供給システムの動作の変形例を示すフローチャートである。
【図７】ガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１について、図１ないし図７を参照して説明する。なお、以下では、高圧ガス供給システム１を燃料電池自動車に適用した車両用高圧ガス供給システム１を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶用や航空機用などの高圧ガス供給システム、または家庭用や業務用などの定置式の高圧ガス供給システムであってもよい。
【００１９】
図１に示すように、高圧ガス供給システム１は、燃料電池システムＦ１に適用されるものであり、水素タンク１０（燃料タンク）と、この水素タンク１０内の水素ガス（燃料）を燃料電池１１に供給する供給装置２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と、を備えている。
【００２０】
水素タンク１０は、燃料としての高純度の水素が高圧（例えば、３５ＭＰａ）で充填された容器である。また、水素タンク１０には、タンク内の水素の温度を検出する、サーミスタなどで構成されたガス温度センサ４１（燃料温度検知手段）、タンク内の水素の圧力を検知する圧力センサ４２（タンク圧検知手段）がそれぞれ設けられている。
【００２１】
例えば、水素タンク１０は、アルミニウム合金により形成され、その内部に水素ガスを高圧で貯留するライナー（図示せず）を有し、そのライナーの周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成された補強層（図示せず）で覆って構成されている。
【００２２】
燃料電池１１は、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、このＭＥＡを挟む導電性を有するアノードセパレータ（不図示）及びカソードセパレータ（不図示）と、を備えている。
【００２３】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２４】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝などで形成されたアノード流路１２が形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝などで形成されたカソード流路１３が形成されている。
【００２５】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されるとともに、カソード流路１３を介して各カソードに空気（酸素）が供給されると、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１１と走行モータ（燃料電池自動車の動力源）６２等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１１が発電するようになっている。
【００２６】
供給装置２０は、燃料電池システムＦ１のアノード系の水素供給ラインに設けられるものであり、上流側から順に、常閉型の第１遮断弁２１、配管ａ１、第１減圧弁２２、配管ａ２、リリーフ弁２３、配管ａ３、常閉型の第２遮断弁２４、配管ａ４、第２減圧弁２５、配管ａ５、エゼクタ２６および配管ａ６を備えている。
【００２７】
第１遮断弁２１は、例えば、水素タンク１０と一体に設けられたインタンク電磁弁であり、ＥＣＵ５０の制御によって開閉される。
【００２８】
第１減圧弁２２は、水素タンク１０から供給される高圧の水素を所定の圧力値（中圧）に減圧するものである。
【００２９】
リリーフ弁２３は、第１減圧弁２２と第２減圧弁２５との間の配管ａ２，ａ３，ａ４の圧力が、第１減圧弁２２によって減圧された圧力に対して所定圧力を超えたときに開くようになっている。なお、リリーフ弁２３は、機械的に開弁するものであっても、電気的な信号によって開弁するものであってもよい。
【００３０】
第２遮断弁２４は、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、第１減圧弁２２で減圧された水素を第２減圧弁２５に供給する。
【００３１】
第２減圧弁２５は、第１減圧弁２２で減圧された水素の圧力を、エゼクタ２６を介して燃料電池１１に供給される水素の圧力が適切な圧力（低圧）となるように減圧する。なお、この第２減圧弁２５は、例えば、後記するコンプレッサ３０からカソード流路１３に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、入力された空気の圧力に基づいて水素の圧力を制御するようになっている。また、第２減圧弁２５は、電気的な信号によって減圧するものであってもよい。
【００３２】
エゼクタ２６は、燃料電池１１のアノード流路１２から排出された未反応の水素を、配管ａ７を介して燃料電池１１のアノード流路１２に戻す真空ポンプの一種である。また、エゼクタ２６は、図示していないが、金属製の筐体を有し、筐体内に、水素を噴射するノズル、このノズルに挿通されてノズルの開口径を変更するニードル、このニードルを駆動させるソレノイドを有する駆動部などが収容されて構成されている。
【００３３】
なお、アノード流路１２の出口に接続された配管ａ７には配管８が分岐して接続され、この配管ａ８にパージ弁２７が設けられている。パージ弁２７は、例えば、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、燃料電池１１の発電時において水素循環流路（アノード流路１２、配管ａ６，ａ７）を循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出するように構成されている。なお、パージ弁２７を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、例えば、燃料電池１１の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったときである。また、パージ弁２７は、ＥＣＵ５０によって定期的（所定時間経過毎）に開弁されるようにしてもよい。
【００３４】
また、燃料電池システムＦ１のカソード系は、コンプレッサ３０、図示しない加湿器、背圧弁、希釈器などを備えている。
【００３５】
コンプレッサ３０は、モータで駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、配管ｂ１を介してカソード流路１３の入口に接続されている。ＥＣＵ５０の制御によってコンプレッサ３０が駆動されると、車外から取り込まれた空気がカソード流路１３に供給されるようになっている。コンプレッサ３０のモータの回転速度は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するように、高められる設定となっている。このように、コンプレッサ３０の回転速度が高くなると、燃料電池１１で消費される水素の消費量が増加する。
【００３６】
加湿器は、水分交換可能な複数の中空糸膜を備えており、中空糸膜を介して、燃料電池１１に供給される空気と、カソード流路１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換されて、燃料電池１１に供給される空気が加湿されるように構成されている。
【００３７】
背圧弁は、バタフライ弁などで構成された開度調整可能な常開型の弁で構成され、配管ｂ２に設けられている。例えば、背圧弁の開度は、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ５０によって、空気を高圧で供給するために、小さくなる（絞る）ように制御される。
【００３８】
希釈器は、背圧弁の下流の配管ｂ２に設けられており、パージ弁２７から配管ａ８を介して排出されたアノードオフガスが導入され、このアノードオフガス中の水素をカソードオフガスで希釈した後、車外に排出するように構成されている。
【００３９】
また、燃料電池システムＦ１は、電力消費系として、ＶＣＵ（Voltage Control Unit：電圧制御装置）６１、走行モータ６２、高圧バッテリ６３などを備えている。
【００４０】
ＶＣＵ６１は、ＥＣＵ５０から出力される発電指令に基づいて、燃料電池１１の発電電力（発電電流）を制御（制限）する機能を有している。すなわち、ＶＣＵ６１に対して発電電力を大きくする指令がＥＣＵ５０から入力された場合には、水素タンク１０から放出される水素量が増加し、逆にＶＣＵ６１に対して発電電力を小さくする指令がＥＣＵ５０から入力された場合には、水素タンク１０から放出される水素量が減少する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ５０とＶＣＵ６１とで、燃料消費量制御手段が構成されている。
【００４１】
走行モータ６２は、永久磁石式の３相交流同期モータなどで構成され、燃料電池自動車の動力源となるものであり、図示しないＰＤＵ（Power Drive Unit）を介してＶＣＵ６１と接続されている。
【００４２】
高圧バッテリ６３は、リチウムイオン電池などの充放電可能な種類の電池で構成され、ＶＣＵ６１によって充放電が制御される。高圧バッテリ６３は、車両の急加速時などに燃料電池１１からの電力をアシストして走行モータ６２に供給し、また、燃料電池システムＦ１の起動時の電力（コンプレッサ３０など）等に使用される。
【００４３】
イグニッションスイッチ（ＩＧ）６４は、燃料電池システムＦ１（燃料電池自動車）の起動スイッチであり、ＯＮされることにより、燃料電池１１の発電が開始され、ＯＦＦされることにより、燃料電池１１の発電が停止される。
【００４４】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。また、ＥＣＵ５０は、温度センサ４１によって検出された水素タンク１０内の温度Ｔ１（燃料温度）、圧力センサ４２によって検出された水素タンク１０内の圧力Ｐ（タンク圧力）、外気温度センサ４３（環境温度検知手段）によって検出された外気温度Ｔ２（環境温度）を取得する。なお、外気温度センサ４３は、水素タンク１０が置かれている周囲の温度を検出するものであり、例えば水素タンク１０の周辺近傍（車外）に配置されている。
【００４５】
また、ＥＣＵ５０は、検出された水素タンク１０内のガス温度（燃料温度）Ｔ１に基づいて燃料電池１１で消費される水素の消費量（燃料消費量）を制限する機能を有している。ここで、水素の消費量を制限する場合、上述のガス温度に加え、検出されたタンク圧力によって求められる温度低下量（燃料温度低下値）を用いて、前記制限を緩和するか否かを決定する。
【００４６】
なお、温度低下量とは、例えば、車両（燃料電池自動車）が保証する外気温度（車両保証温度、例えばマイナス２０℃）にて最大負荷で連続運転（連続走行）したときの温度低下量（最大値）を意味している。このような温度低下量をタンク圧力毎に定めたものが、後記する図３に示すマップである。
【００４７】
ＥＣＵ５０は、例えば、ガス温度（燃料温度）と温度低下量（燃料温度低下値）との和が、供給装置２０の性能保証温度よりも高い場合に前記した制限を緩和するように構成されている。なお、供給装置２０の性能保証温度とは、本実施形態では、例えば、第１遮断弁２１の性能保証温度、換言すると第１遮断弁２１のシール部の保証温度（性能保証温度）である。このように、現在のガス温度と、温度低下量との和が、第１遮断弁２１の性能保証温度よりも高い場合には、ガス温度が性能保証温度を下回ることがないので、水素の消費量の制限を緩和することができる。
【００４８】
なお、制限の緩和とは、制限しない（制限を無くす）ことを含む趣旨であり、つまり最大負荷で運転している場合にはそのまま最大負荷での運転（走行）を継続するように制御される場合がある。また、制限の緩和とは、制限しないことに限定されず、文字通り制限を緩めるように（制限の度合が小さくなるように）制御することも含む。したがって、本実施形態では、「制限を緩和する」とは、制限を緩和する場合だけではなく、制限を無くす場合（制限しない場合）も含むことを意味している。
【００４９】
次に、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１を含む燃料電池システムＦ１の動作について図２ないし図５を参照（適宜、図１を参照）して説明する。
【００５０】
ＥＣＵ５０は、燃料電池システムＦ１のＩＧ６４からのＯＮ信号を検知すると、第１遮断弁２１および第２遮断弁２４をそれぞれ開弁し、またコンプレッサ３０を駆動する。これにより水素タンク１０から燃料電池１１のアノードに水素が供給され、また燃料電池１１のカソードに空気（酸素）が供給され、燃料電池１１が発電を開始するようになっている。なお、水素タンク１０から水素が放出されることにより、水素タンク１０内の温度が低下し、また第１遮断弁２１の温度も低下する。
【００５１】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、ガス温度センサ４１により検出された水素タンク１０内のガス温度（燃料温度）Ｔ１を取得する。
【００５２】
そして、ステップＳ１０２に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０１により取得したガス温度Ｔ１が所定値以下であるか否かを判定する。なお、所定値とは、燃料電池１１の発電電力の出力制限を開始する必要があるか否かを判定する閾値（出力制限開始温度Ａ）であり、例えば第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ（例えば、マイナス４０℃）よりも高いマイナス３５℃に設定される。
【００５３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、ガス温度Ｔ１が所定値以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池１１の出力制限を開始する必要があると判定して、ステップＳ１０３に進む。
【００５４】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、外気温度センサ４３により検出された外気温度（環境温度）Ｔ２を取得し、さらに圧力センサ４２により検出されたタンク圧力Ｐを取得する。
【００５５】
ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０１で取得したガス温度Ｔ１、ステップＳ１０３で取得したタンク圧力Ｐおよび外気温度Ｔ２に基づいて推定される最低温度を決定し、この決定された最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ（シール保証最低温度）以下であるか否かを判定する。すなわち、外気温度Ｔ２毎（環境温度毎）に求められたタンク圧力Ｐと温度低下量ΔＴとの関係を示す図３のマップに基づいて、温度低下量ΔＴを算出し、算出された温度低下量ΔＴと現在のガス温度Ｔ１との和が最低温度として決定（推定）される。
【００５６】
図３のマップは、タンク圧力Ｐが低くなるにつれて温度低下量ΔＴが低くなるように関係づけられたものであり、このように関係づけられたマップが外気温度Ｔ２毎に求められてＥＣＵ５０に記憶されている。すなわち、タンク圧力Ｐが高い場合（例えば、３５ＭＰａ）の水素タンク１０と、タンク圧力Ｐが低い場合（例えば、１０ＭＰａ）の水素タンク１０の場合において、それぞれ同じ条件で第１遮断弁２１を介して水素が放出されていると仮定すると、断熱膨張は圧力に比例することにより、タンク圧力Ｐが低い場合の方が、タンク圧力Ｐが高い場合よりも圧力差が小さくなるので、温度低下量ΔＴも少なくなることによる。また、マップは、同一のタンク圧力Ｐにおいて、外気温度Ｔ２が高くなるにつれて温度低下量ΔＴが少なくなるように、外気温度Ｔ２が低くなるにつれて温度低下量ΔＴが多くなるように設定される。
【００５７】
また、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。
【００５８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、図４に示す出力制限マップ（実線部分）に基づいて燃料電池１１の出力を制限するように制御する。なお、図４に示すマップは、ガス温度と燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）１１の出力（ＦＣ出力、燃料消費量）との関係を示すものであり、例えば、出力制限開始温度（所定値）Ａをマイナス３５℃とし、性能保証温度（シール保証最低温度）Ｂをマイナス４０℃とした場合、ガス温度が低くなるにつれて、燃料電池１１の出力が低くなるように、つまり燃料電池１１の出力の制限が大きくなるように設定されている。また、図４に示すマップは、実験やシミュレーションなどによって予め求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００５９】
すなわち、ＥＣＵ５０は、燃料電池１１の出力（ＦＣ出力、発電電力）が低くなるようにＶＣＵ６１に発電指令を与える。このように燃料電池１１の出力が制限されることで、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が減少して、水素タンク１０内の水素の温度の低下が抑えられ、第１遮断弁２１の温度の低下が抑えられることで、ガス温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回るのを回避することが可能となる。
【００６０】
一方、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂ以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、つまり最低温度が第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回らないと判定した場合、ステップＳ１０６に進む。
【００６１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、燃料電池１１の出力制限を緩和する。すなわち、ＥＣＵ５０は、図４において一方の破線で示すように、ステップＳ１０５で設定されたＦＣ出力制限（実線部分）に対して出力制限値が小さくなる（出力制限を緩和する）ようにＶＣＵ６１を制御する。出力制限値を小さくすることにより、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が減少する。
【００６２】
なお、ステップＳ１０６では、燃料電池１１の出力制限を緩和する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、図４において他方の破線で示すように、燃料電池１１の出力制限をしない（制限を無くす、制限をゼロ）ように制御してもよい。これによっても、水素タンク１０から第１遮断弁を介して放出される水素量が減少する。
【００６３】
また、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、ガス温度Ｔ１が所定値以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、リターンする。
【００６４】
また、ＥＣＵ５０は、図４の実線で示す出力制限マップに基づいて燃料電池１１の出力が制限されている場合において（Ｓ１０５）、最低温度が性能保証温度Ｂ以下ではないと判定された場合には（Ｓ１０４、Ｎｏ）、図４の実線で示す出力制限マップに対して出力制限を緩和する（または出力制限をゼロとなる）ように制御する。
【００６５】
ところで、比較例として図５（ｂ）に示すように、ガス温度が出力制限開始温度Ａ（所定値）以下となった場合において、最大負荷（負荷上限、例えば、最高車速）で連続運転したとしても第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂまで到達しない状況であっても出力制限が働いてしまう。そこで、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、ガス温度が出力制限開始温度Ａ（所定値）以下となった場合において、最大負荷で連続運転しても、第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂを下回らないときには出力制限しないものである。
【００６６】
なお、図５（ａ）では、出力制限中ではない状況において、最低温度が性能保証温度Ｂ以下とはならない場合に出力制限せず最大負荷（負荷上限）で連続走行を続ける場合を示している。なお、本実施形態は、前記のように出力制限中ではない状況において出力制限しない場合に限定されるものではなく、図５（ｂ）に示すパターンの出力制限よりもその制限を緩和した出力制限となるようにしてもよい。また、出力制限中の状況において出力制限を緩和させる場合も含む。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態に係る高圧ガス供給システム１は、ガス温度センサ４１により検知されたガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池１１の出力（燃料消費量）を制限する際、ガス温度Ｔ１に加えて、圧力センサ４２により検知されたタンク圧力Ｐから定まる温度低下量（燃料温度低下値）ΔＴを用いて、燃料電池１１の出力制限を緩和するように（または出力制限をしないように）したものである。これによれば、タンク圧力Ｐが低い（残ガスが少ない）場合には、最大負荷で連続運転したとしても（燃料をめいいっぱい連続して消費したとしても）温度低下量は少なく、タンク圧力が高い（残ガスが多い）場合には、最大負荷で連続運転すると（燃料をめいいっぱい連続して消費すると）温度低下量は多くなる。よって、タンク圧力Ｐが低い（残ガスが少ない）ときには、温度低下量は少なくなるので出力制限を緩和できる（または出力制限しないようにできる）。したがって、必要以上に燃料電池１１の出力を制限することがなくなり、高圧ガス供給システム１（燃料電池システムＦ１、車両）としての商品性の低下を防止できる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、ＥＣＵ５０（燃料消費量制御手段）が、現在のガス温度Ｔ１と温度低下量ΔＴとの和が、第１遮断弁２１の性能保証温度Ｂよりも高い場合に燃料電池１１の出力の制限を緩和することで、燃料電池１１の出力の制限を緩和する必要があるか否かを精度よく判定できる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、外気温度Ｔ２（環境温度）を検知する外気温度センサ４３を備えて、外気温度Ｔ２毎にタンク圧力Ｐと温度低下量ΔＴとの関係を定めたマップ（図３参照）に基づいて燃料電池１１の出力の制限を緩和することで、燃料電池１１の出力の制限を緩和する必要があるか否かをさらに精度よく判定できる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、ＥＣＵ５０が燃料電池１１の出力を制限することで、燃料電池１１から取り出される発電電力（発電電流）が減少し、水素タンク１０から第１遮断弁２１を介して放出される水素量が低減されるので、その結果、第１遮断弁２１の温度が性能保証温度Ｂを下回るのを回避できる。
【００７１】
なお、前記実施形態では、ＥＣＵ５０がＶＣＵ６１を介して燃料電池１１から取り出す発電電力（発電電流）を制限する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、外部負荷（走行モータ６２、コンプレッサ３０、高圧バッテリ６３）の電力消費量を制限することで、燃料電池１１の出力を制限してもよい。
【００７２】
図６は高圧ガス供給システムの動作の変形例を示すフローチャート、図７はガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。なお、変形例に係る高圧ガス供給システムでのガス消費量を制限する手段としては、燃料電池１１の出力を制限する構成に替えて、燃料電池１１へのガス供給量（水素の供給量）を制限する構成としたものである。また、図６に示すステップＳ２０１ないしＳ２０４は、図２に示すステップＳ１０１ないしＳ１０４と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
燃料電池１１へのガス供給量を制限する構成としては、例えば、第２遮断弁２４（図１参照）を利用して、この第２遮断弁２４の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）のタイミングを切り替えて制御することで、燃料電池１１へのガス供給量を制御できる。なお、ガス供給量を制限する手段としては、第２遮断弁２４に限定されるものではなく、可変オリフィスなどを別途設けて制御してもよい。
【００７４】
図６に示すように、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が性能保証温度Ｂ以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、図７に示すガス供給量制限マップに基づいて燃料電池１１へのガス供給量（水素の供給量）を制限する。なお、図７に示すマップは、ガス温度と燃料電池１１へのガス供給量との関係を示すものであり、例えば、出力制限開始温度（所定値）Ａをマイナス３５℃とし、性能保証温度（シール保証最低温度）Ｂをマイナス４０℃とした場合、ガス温度が低くなるにつれて、ガス供給量が少なくなるように、つまりガス供給量の制限が大きくなるように設定されている。また、図７に示すマップは、実験やシミュレーションなどによって予め求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００７５】
また、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、最低温度が性能保証温度Ｂ以下ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０６に進み、燃料電池１１へのガス供給量制限を緩和する。すなわち、ＥＣＵ５０は、ガス供給量を制限しないガス供給量となるように第２遮断弁２４を常時開となるように制御する。
【００７６】
なお、前記した実施形態では、供給装置２０として第１遮断弁２１を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、第１減圧弁２２が第１遮断弁２１、第２遮断弁２４、第２減圧弁２５等よりも低温耐性が劣る高圧ガス供給システム１である場合には、例えば、第１減圧弁２２の性能保証温度を考慮して燃料消費量（ＦＣ出力、ガス供給量）を制限してもよい。また、第１遮断弁２１や第１減圧弁２２だけではなく、第２遮断弁２４や第２減圧弁２５などを考慮して燃料消費量を制限してもよい。
【００７７】
また、前記した実施形態では、ガス温度Ｔ１とタンク圧力Ｐによって求められる温度低下量ΔＴと環境温度Ｔ２とに基づいて最低温度を決定したが、ガス温度Ｔ１とタンク圧力Ｐによって求められる温度低下量ΔＴとに基づいて最低温度を決定してもよい。
【００７８】
また、前記した実施形態では、水素タンク１０内に圧力センサ４２を設けた場合を例に挙げて説明したが、水素タンク１０内の圧力と同等の圧力を得ることができる高圧ガス供給システムである場合には、配管ａ１に圧力センサ４２を配置してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１ 高圧ガス供給システム
１０ 水素タンク（燃料タンク）
１１ 燃料電池
２０ 供給装置
２１ 第１遮断弁
２４ 第２遮断弁（燃料消費量制御手段）
４１ ガス温度センサ（燃料温度検知手段）
４２ 圧力センサ（タンク圧検知手段）
４３ 外気温度センサ（環境温度検知手段）
５０ ＥＣＵ（燃料消費量制御手段）
６１ ＶＣＵ（燃料消費量制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に蓄積した燃料を燃料電池に供給する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給装置と、
前記燃料電池で消費される燃料の燃料消費量を制御する燃料消費量制御手段と、
前記燃料タンクから放出される燃料の燃料温度を検知する燃料温度検知手段と、
前記燃料タンク内のタンク圧力を検知するタンク圧検知手段と、を備え、
前記燃料消費量制御手段は、検知された前記燃料温度に基づいて前記燃料消費量を制限する際、検知された前記タンク圧力から定まる燃料温度低下値を用いて前記制限を緩和することを特徴とする高圧ガス供給システム。
【請求項２】
前記燃料消費量制御手段は、現在の前記燃料温度と、前記燃料温度低下値との和が、前記供給装置の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和する請求項１に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項３】
前記燃料タンクがおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段を備え、
前記環境温度毎に前記タンク圧力と前記燃料温度低下値との関係を定め、
前記燃料消費量制御手段は、現在の前記環境温度と前記燃料温度と前記タンク圧力とに基づいて前記制限を緩和することを特徴とする請求項２に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項４】
前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項５】
前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池への燃料の供給量を制限することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項１】
内部に蓄積した燃料を燃料電池に供給する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給装置と、
前記燃料電池で消費される燃料の燃料消費量を制御する燃料消費量制御手段と、
前記燃料タンクから放出される燃料の燃料温度を検知する燃料温度検知手段と、
前記燃料タンク内のタンク圧力を検知するタンク圧検知手段と、を備え、
前記燃料消費量制御手段は、検知された前記燃料温度に基づいて前記燃料消費量を制限する際、検知された前記タンク圧力から定まる燃料温度低下値を用いて前記制限を緩和することを特徴とする高圧ガス供給システム。
【請求項２】
前記燃料消費量制御手段は、現在の前記燃料温度と、前記燃料温度低下値との和が、前記供給装置の性能保証温度よりも高い場合に前記制限を緩和する請求項１に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項３】
前記燃料タンクがおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段を備え、
前記環境温度毎に前記タンク圧力と前記燃料温度低下値との関係を定め、
前記燃料消費量制御手段は、現在の前記環境温度と前記燃料温度と前記タンク圧力とに基づいて前記制限を緩和することを特徴とする請求項２に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項４】
前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高圧ガス供給システム。
【請求項５】
前記燃料消費量制御手段は、前記燃料電池への燃料の供給量を制限することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高圧ガス供給システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２２１６３７（Ｐ２０１２−２２１６３７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４１４６（Ｐ２０１１−８４１４６）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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