CN102713403B - 燃料电池***及其燃料气体供给方法以及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供能够抑制填充对内衬的负荷的燃料电池***及其燃料气体供给方法以及移动体。该燃料电池***具备：燃料电池；具有内衬及形成在其外周面的加强层且用于贮存燃料气体的罐；对从罐向燃料电池供给的燃料气体的供给量进行调整的调整装置；取得与罐内的压力及温度有关的信息的信息取得部；基于信息取得部在燃料电池***运转中取得的信息算出内衬与加强层之间的间隙量的计算部；基于算出的间隙量决定是否限制供给量的决定部。

Description

燃料电池***及其燃料气体供给方法以及移动体
技术领域
本发明涉及具有利用加强层覆盖内衬的外周面而成的罐的燃料电池***等。
背景技术
例如，在车载的燃料电池***中，罐内的氢气供给至燃料电池，氢气在燃料电池中与氧气反应而被消耗。由此，产生电力，使用于行驶。并且，在因消耗而罐内的氢气剩余量减少了的情况下，使车辆靠近氢站，从氢站向罐填充氢气。
在此，在从罐供给即放出氢气的情况下，罐内的压力及温度下降。另一方面，在向罐填充氢气时，罐内的压力及温度上升。另外，这种罐的构造通常利用确保耐压性的加强层覆盖气体不透过性的内衬的外周面而成（例如参照专利文献1）。例如，加强层由碳化纤维强化塑料（CFRP：carbon fiber-reinforced plastics）构成，该CFRP是通过缠绕成型法（filament winding method）等卷绕在内衬的外周面上而形成的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2006-226511号公报。
发明内容
但是，特别在制造了树脂内衬制的罐的情况下，由于内衬和CFRP的弹性模量和线膨胀系数不同，内衬收缩，在内衬和CFRP之间产生间隙。另外，即使在制造阶段不产生间隙，因供给氢气而使罐内的压力及温度下降时，有时也会与上述同样，内衬收缩而产生间隙。并且，该间隙的大小具有在温度越低或压力越低的条件下越大的趋势。
当在以具有这样的间隙的状态下向罐填充氢气时，通过所填充的氢气使收缩了的内衬膨胀而填埋间隙。但是，可能因该膨胀量的大小等对内衬作用大的负荷。
关于这一点，为了防止产生间隙，考虑将内衬和CFRP粘接的改进方法。但是，这一改进方法因为内衬发生局部变形而会局部地作用负荷，而不优选。
因此，本发明的目的在于提供能够降低因填充而作用于内衬的负荷的燃料电池***及其燃料气体供给方法以及移动体。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的燃料电池***具备：燃料电池；罐，具有内衬及形成于该内衬的外周面的加强层，该罐用于贮存燃料气体；和调整装置，调整从罐向燃料电池供给的燃料气体的供给量；信息取得部，取得与罐内的压力及温度相关的信息；计算部，基于所述信息取得部在燃料电池***运转中取得的信息，算出内衬和加强层之间的间隙量；和决定部，基于算出的间隙量，决定是否限制供给量。
另外，本发明的移动体具备本发明的燃料电池***，能够从处于移动体的外部的气站向罐填充燃料气体。
根据本发明，根据间隙量决定限制供给量，在执行了该限制的情况下，能够抑制罐内的温度降低速度及压力降低速度。由此，抑制了间隙量的扩大，因而在燃料电池***的运转停止后向罐填充了燃料气体时，能够抑制内衬的膨胀量。这样，根据本发明，在填充前的燃料电池***的运转阶段，通过按照间隙量积极地限制供给量，能够降低填充时对内衬的负荷。
优选，计算部基于该燃料电池***运转中的罐内的温度变化量及压力变化量，还算出间隙量在规定时间后的预测值。决定部还基于预测值决定是否限制供给量。
根据该结构，能够逐渐限制供给量。例如，与不按照预测值限制供给量的情况相比，在按照预测值限制供给量的情况下，能够减小与当前的（燃料电池***运转中的）间隙量相对应的供给量的限制量。由此，例如在燃料电池的要求输出变大那样的移动体的加速时，能够减轻用户的未加速的感觉。
优选，本发明的燃料电池***具备：判定部，通过将与罐内的燃料气体相关的状态量和规定的基准值进行比较，判定罐内的燃料气体不足和/或该罐内的燃料气体可能不足；和显示部，在判定部判定为燃料气体不足和/或燃料气体可能不足时，显示该判定结果。判定部可以基于算出的间隙量来变更规定的基准值。
根据该结构，按照间隙量，来改变所谓的判定气体不足的基准。例如，如果在间隙量大的情况下，比间隙量小的情况更早地判定并显示气体不足这一情况，则能够使用户意识到要进行减少燃料气体的消耗量（供给量）这样的驾驶。由此，若限制燃料气体的供给量，则能够在填充前抑制间隙量的扩大。
更优选，上述的状态量是罐内的压力或燃料气体量。另外，优选判定部基于与信息取得部在燃料电池***运转中取得的罐内的压力及温度有关的信息算出燃料气体量。
根据该结构，不仅能够将信息取得部所取得的信息应用于间隙量的计算，还能够应用于判定气体不足。
更优选，在为了使算出的间隙量为零所需要的内衬的伸展量大于规定的阈值的情况下，与该伸展量为规定的阈值以下的情况相比，判定部在罐内至少低于0℃的温度条件下将与压力或燃料气体量有关的规定的基准值向高压侧或量多侧变更。
优选，决定部算出为了使算出的间隙量为零所需要的内衬的伸展量，并且在算出的伸展量大于规定的阈值的情况下，与算出的伸展量为规定的阈值以下的情况相比，决定限制供给量。
由此，因为以与内衬的变形有关的内衬的伸展量（变形）为基准决定是否限制供给量，所以能够正确地判断该限制的必要性。
更优选，上述的规定的阈值能够使用内衬的破坏伸展量，该值根据罐内的温度不同而不同。
根据该结构，在判断需要限制供给量时，考虑了破坏伸展量依赖于温度，所以能够更正确地进行判断。
优选，在决定部决定了限制供给量的情况下，调整装置通过执行使供给量为零、减小燃料气体向燃料电池供给的供给流量的最大值及降低供给流量中的任一操作，来限制供给量。
为了达到上述目的，在本发明的燃料电池***的燃料气体供给方法中，燃料电池***具有：罐，具有内衬及形成在该内衬的外周面的加强层；和作为来自罐的燃料气体的供给对象的燃料电池。并且，燃料气体供给方法包括如下步骤：基于在所述燃料电池***运转中取得的与罐内的压力及温度相关的信息，算出内衬和加强层之间的间隙量；判定为了使算出的间隙量为零所需要的内衬的伸展量是否超过规定的阈值；在判定为超过规定的阈值的情况下，与判定为在规定的阈值以下的情况相比，限制从罐向燃料电池供给的燃料气体的供给量。
根据本发明，在填充前的燃料气体供给阶段，在对于间隙量的内衬的需要的伸展量大于规定的阈值时，积极地限制供给量。由此，抑制了间隙量扩大，因而能够抑制因之后的填充而对内衬作用负荷。
附图说明
图1是将搭载有实施方式的燃料电池***的车辆与气站一起示出的图。
图2是实施方式的燃料电池***的构成图。
图3是实施方式的罐的剖视图。
图4A是表示外部气温为20℃时的罐压力及罐温度的时效变化的图，涉及来自罐的氢气放出速度慢的情况。
图4B是表示外部气温为20℃时的罐压力及罐温度的时效变化的图，涉及来自罐的氢气放出速度快的情况。
图5是表示在图3的罐中内衬与加强层之间具有间隙的状态的剖视图。
图6是示意地表示多个罐温度下的间隙的大小与罐压力之间的关系的图。
图7是表示实施方式的与罐的间隙量有关的映射的一例的图。
图8是表示罐温度与内衬的破坏伸展量之间的关系的图。
图9A是表示算出填埋间隙所需的内衬的伸展量的方法的图，示出了具有间隙的状态。
图9B是表示算出填埋间隙所需的内衬的伸展量的方法的图，示出了没有间隙的状态。
图10是用于实现实施方式的燃料电池***的第1控制例的功能框图。
图11是表示实施方式的燃料电池***的第1控制例的流程图。
图12是表示实施方式的燃料电池***的第2控制例的流程图。
图13A是示意地表示在实施方式的燃料电池***的第2控制例中使用的罐压力的梯度的图，示出了氢气供给中的罐压力相对于时间的变化。
图13B是示意对表示在实施方式的燃料电池***的第2控制例中使用的罐温度的梯度的图，示出了氢气供给中的罐温度相对于时间的变化。
图14是用于实现实施方式的燃料电池***的第3控制例的功能框图。
图15A是表示关于通过将罐压力与基准值相比较来进行的气体不足判定的比较例的方法的图。
图15B是表示关于通过将罐压力与基准值相比较来进行的气体不足判定的第3控制例的方法的图。
图16A是表示关于通过将氢气的剩余量与基准值相比较来进行的气体不足判定的比较例的方法的图。
图16B是表示关于通过将氢气的剩余量与基准值相比较来进行的气体不足判定的第3控制例的方法的图。
图17是表示实施方式的燃料电池***的第3控制例的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的优选的实施方式的燃料电池***。在此，说明将燃料电池***搭载于作为移动体的代表例的车辆的例子。
1．车辆的概要
如图1所示，车辆3在例如作为气站的氢站2中，从氢站2的填充嘴12向罐填充氢气。在车辆3上搭载有向作为驱动源的牵引马达供给电力的燃料电池***4。
如图2所示，燃料电池***4具有燃料电池28及罐30。
燃料电池28例如由固体高分子电解质型燃料电池构成，具有将多个单电池层叠而成的堆叠构造。燃料电池28通过燃料气体（例如氢气）和氧气（例如空气）的电化学反应来发电。下面，作为燃料气体以氢气为例来说明。
罐30是向燃料电池28的氢气供给源，例如是能够贮存35MPa或70MPa的氢气的高压罐。在搭载有多个罐30的情况下，罐30并列地连接于燃料电池28。
从罐30向燃料电池28的氢气的供给***具备供给管路31、设置于供给管路31的调整装置33。供给管路31连接罐30和燃料电池28。调整装置33对从罐30向燃料电池28的氢气的供给量进行调整。调整装置33例如能够由截止阀、调压阀、流量控制阀及喷射器中的至少一个构成。在调整装置33由截止阀构成的情况下，也能够作为罐30的总阀发挥功能，允许及切断氢气向燃料电池28的供给。在调整装置33由调压阀、流量控制阀或喷射器构成的情况下，能够对向燃料电池28的氢气的流量进行调整。通过这样的调整装置33，能够限制向燃料电池28的氢气的供给量。
向罐30的氢气的填充***具备容器32及填充流路34。容器32在填充氢气时连接填充嘴12。填充流路34连接容器32和罐30，在填充流路34的中途设置有用于防止氢气倒流的止回阀35。
燃料电池***4另外具备压力传感器36、温度传感器38、显示装置42及控制装置46。
压力传感器36检测实质上反映罐30内的氢气的压力（下面称为“罐压力”）的压力。压力传感器36例如设置在止回阀35的下游侧且位于罐30的前方的填充流路34，但也能够配置于罐30内。温度传感器38检测反映罐30内的温度（下面称为“罐温度”）的温度。温度传感器38例如设置于罐30内。显示装置42例如也能够作为汽车导航***的一部分来使用，将各种信息显示在画面上。
控制装置46构成为在内部具备CPU、ROM、RAM的微型计算机，控制车辆3及燃料电池***4。CPU按照控制程序执行期望的运算，进行各种处理和控制。ROM存储由CPU处理的控制程序和控制数据，RAM主要作为控制处理用的各种作业区域来使用。控制装置46与调整装置33、压力传感器36、温度传感器38及显示装置42等相连接。例如，控制装置46基于与作为信息取得部的压力传感器36及温度传感器38所取得的压力及温度有关的信息，控制调整装置33而控制氢气的供给量。
2．罐的构造
如图3所示，罐30具有形成为中空状而在内部划分出贮存空间51的内衬53、覆盖内衬53的外周面的加强层55。内衬53及加强层55的轴向的至少一端部设置有用于连接阀配件的接头57。
内衬53具有气体阻挡性，抑制氢气向外部透过。内衬53的材质无特别限制，例如除了金属之外，还能够列举聚乙烯树脂、聚丙烯树脂等硬质树脂。
加强层55起到承受所贮存的氢气的压力的作用，是将浸渍有基体树脂的纤维卷绕在内衬53的外表面上之后，对该基体树脂进行加热硬化而形成的。作为基体树脂使用环氧树脂、改性环氧树脂等，作为纤维使用碳纤维、芳香族聚酰胺纤维。另外，作为卷绕方法列举长丝缠绕法（FW法）、带缠绕法等，作为此时的卷绕方法能够列举公知的环向缠绕及螺旋缠绕。
在本实施方式中，对树脂制的内衬53使用FW法来构成CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics：碳纤维增强塑料）的加强层55。该CFRP使用热硬化性的环氧树脂作为基体树脂，使用碳纤维作为纤维。此外，加强层55可以具备除了层叠于内衬53的外周面的CFRP层以外的层，例如，层叠于CFRP层的外周面的GFRP（Glass Fiber ReinforcedPlastics：玻璃纤维增强塑料）层。
3．氢放出速度与罐压力及罐温度之间的关系
图4A及4B是表示外部气温为20℃时的罐压力及罐温度的时效变化的图，图4A是氢气放出速度慢时的图，图4B是氢气放出速度快时的图。根据图4A及4B可知，氢气从罐30放出的放出速度（向燃料电池28的供给速度）越快，罐压力的降低率越大，罐温度更低。氢气放出结束后（时间t0），通过外部气体使罐温度上升，罐温度渐渐接近外部气温（20℃）。此时，罐压力也稍上升。此外，通常，外部气温低时，罐温度更低。
罐30搭载于车辆3的情况下，在氢气刚放出后能够在氢站2填充。因而，可认为在填充氢气时，大多处于罐温度及罐压力低的状态。此时，在刚进行了氢气放出速度快的行驶（例如加速行驶）之后进行填充时，处于罐温度及罐压力更低的状态。
此外，关于罐30，在为减小了氢气的装载量（罐容积）的规格的情况下，在消耗了与减小前的规格的情况下等量的氢气时，罐压力的降低速度加快。因而，在为减小了装载量（罐容积）的规格的情况下，罐温度更易于降低。
4．关于间隙的产生
图5是表示罐30中在内衬53与加强层55之间具有间隙60的状态的剖视图。说明产生该间隙60的理由。
第一，在罐30的如下的制造工序中产生间隙60。具体地说，在形成加强层55时，首先，对于将内压保持为以FW法的张力不会变形的程度的常温下的内衬53，通过FW法卷绕浸渍有环氧树脂的碳纤维。在结束了该卷绕的阶段，不产生间隙60。作为下一阶段，保持内压不变进行加热，通过热硬化处理固化CFRP的环氧树脂。在该阶段，也不产生间隙60。但是，在热硬化处理后，当卸除内压恢复为常温时，内衬53收缩。结果，产生图5所示的间隙60。这是因为内衬53与加强层55的弹性模量和线膨胀系数的差而使内衬53比加强层55更易于发生收缩/膨胀变形而导致的。
第二，即使在上述的制造阶段不产生间隙60，但在低压或低温条件下，会产生间隙60。例如，当罐压力从如图3所示的间隙为零的状态开始降低时，产生图5所示的间隙60。这是因为，因上述的弹性模量等的差，内衬53收缩，而加强层55几乎不变形。同样，罐温度从图3所示的间隙为零的状态开始降低时，产生图5所示的间隙60。并且，罐压力或罐温度越小，该间隙60的大小越大。也就是说，具有氢气放出速度越快时（参照图4A及4B），间隙60的大小越大的趋势。
图6是示意地表示在多个罐温度T1～T4（T1＜T2＜T3＜T4）下，间隙60的大小与罐压力之间的关系的图。
如图6所示，在罐温度相等的条件下，若罐压力变大，则间隙60的大小变小。同样，在罐压力相等的条件下，若罐温度升高，则间隙60的大小变小。因此，可以说即使氢气未填充罐30，在因外部气温而使罐温度升高时，间隙60变小。另外，可知：在间隙60的大小相等的条件下，罐温度越低，为了填满间隙60，需要越高的罐压力。
5．关于间隙量的测定及存储
间隙60的大小不仅依赖于罐压力及罐温度，还根据罐30的规格的不同而不同。例如，根据构成罐30的材料（内衬53及加强层55的材质）、罐30的体积（长度、直径、容量等）不同，间隙60的大小不同。
作为表示间隙60的大小的指标，在此，如图5所示，使用与内衬53和加强层55之间的距离相当的间隙量62。此外，设内衬53及加强层55在全部区域上一致的情况下，该间隙量62相当于两者间的距离，内衬53及加强层55不在全部区域上一致的情况下，该间隙量62相当于两者间的距离中的最大的距离。
间隙量62能够通过各种方法测定。例如，对罐30进行X射线拍摄，使罐30的内部可视化，从而能够测定内衬53与加强层55之间的间隙量62。另外作为其他的方法，通过在罐30的加强层55上开孔，从该孔***位移计的测量头，从而也能够以机械的方式测定间隙量62。这样的间隙量62的测定在罐30的开发阶段进行，在填充时并不是以上述的方法测定间隙量62。因而，在燃料电池***4中，已经把握了罐30的间隙量62，例如作为映射预先准备。
图7是表示与间隙量62相关的映射M的一个例子的图。
映射M准备燃料电池***4的罐30固有的参数。如上所述，间隙量62因罐压力及罐温度不同而不同，所以与间隙量62相关的映射M将纵轴作为罐压力，将横轴作为罐温度，规定与各条件相对应的间隙量。例如，在罐温度为T1时，对于在图7表示为B1～E1的各间隙量62来说，罐压力越大则间隙量越小。另外，在罐压力为0MPa时，对于在图7中表示为A2～A5的各间隙量62来说，罐温度越高则间隙量越小。
在此，映射M存储在控制装置46的存储部（ROM等）中。后面详述，在供给氢气的过程中，通过在存储部的映射M中参照此时的罐压力及罐温度来算出间隙量62，基于此来决定是否对之后的供给量设定限制。
6．关于间隙规定值
间隙规定值，是在后面的（7．）的考虑了间隙量的供给控制中使用的指标之一（参照图11的步骤S3等），指内衬53的破坏伸展量δ或破坏伸展量δ乘以安全因数而得到的值。破坏伸展量δ根据内衬53的材料物性来规定，根据罐温度的不同而不同。具体地说，如图8所示，罐温度越高，破坏伸展量δ越大。与罐30有关的间隙规定值与映射M同样，预先存储在控制装置46的存储部中。
此外，破坏伸展量δ能够根据拉伸试验的结果获得，能够用下面的式（1）表示，这是不言自明的。
δ＝100×（lf-l0）／l0……（1）
在此，各参数的含义如下。
l0：内衬53的初始长度
lf：破坏后的内衬53的永久伸展量
6-1．与间隙规定值比较的对象
在后述「7．」的供给控制中，与间隙规定值进行比较的对象为填埋间隙60所需的内衬53的伸展量ε。
如图9A所示，当在内衬53与加强层55之间具有间隙60的状态下填充氢气时，如图9B所示，内衬53进行膨胀变形直到填埋间隙60为止。这是因为，因填充使罐压力及罐温度上升，由此已收缩的内衬53膨胀直到与加强层55相接触为止。相对于该间隙60的内衬53的伸展量、即填埋间隙60所需的内衬53的伸展量ε例如使用下面的式（2）算出。
ε＝100×（rf-r0）／r0……（2）
在此，各参数的含义如下。
r0：内衬53的初始外径
rf：已将间隙60填埋时的内衬53的外径
若列举一例，则在r0＝50mm，间隙量＝5mm时，rf＝55，因而需要的内衬53的伸展量ε为10%。
在进行供给控制时，因为已知间隙量62的计算值及内衬53的外径rf，所以能够由上述的式（2）算出填埋间隙60所需的伸展量ε。然后，将所算出的需要的伸展量ε与间隙规定值进行比较，在需要的伸展量ε大于间隙规定值时，预测为在燃料电池***4停止后进行填充时会对内衬53作用允许以上的负荷。
在此，与所算出的需要的伸展量ε进行比较的间隙规定值（规定的阈值）使用与该比较时的罐温度相对应的规定值。如上所述，是因为破坏伸展量δ依赖于罐温度（参照图8）。因而，当罐温度升高时，设定的间隙规定值也变大。
7．考虑了间隙量的供给控制
接着，关于通过燃料电池***4执行的氢气供给，说明考虑了间隙量62的多个控制例。任意的控制例都是在燃料电池***4的运转中进行。
7-1．第1控制例
图10是表示为了实现本控制，控制装置46所具有的功能块的框图。控制装置46具有存储部70、计算部71、决定部72及运转控制部73。存储部70存储与罐30相对应的上述的映射M及间隙规定值等。计算部71通过在存储部70的映射M中参照检测出的罐压力及罐温度，来算出间隙量62。决定部72基于算出的间隙量62，决定是否对向燃料电池28供给的氢气的供给量进行限制。运转控制部73基于决定部72产生的决定结果，控制调整装置33。尤其在决定部72决定对供给量进行限制的情况下，运转控制部73控制调整装置33，以形成该决定的限制的供给量。
图11是表示本控制例的流程图。
首选，当通过驾驶员等用户使车辆3点火时（步骤S1），燃料电池***4开始运转。由此，开始从罐30向燃料电池28供给氢气。在氢气的供给中，通过压力传感器36及温度传感器38读取罐压力及罐温度，算出该读取时的（即当前的）间隙量62（步骤S2）。详细地说，罐压力及罐温度各信息暂时存储在控制装置46的例如RAM中，因而计算部71通过在存储部70的映射M中参照该暂时存储的信息，算出当前的间隙量62。
在下面的步骤S3中，决定部72基于算出的当前的间隙量62，算出填埋间隙60所需要的内衬53的伸展量ε，并判断算出的需要的伸展量ε是否在间隙规定值内。此时，作为与算出的需要的伸展量ε进行比较的间隙规定值，使用与在步骤S2时读取的当前的罐温度相对应的间隙规定值。
结果，在需要的伸展量ε在间隙规定值内的情况下（步骤S3：是），判断为即使在燃料电池***4停止运转后填充氢气，也不会对内衬53作用允许以上的负荷，进行通常的氢气供给。在该通常的氢气供给中，供给与燃料电池28的要求输出相对应的氢气。具体地说，通过调整装置33，向燃料电池28供给与燃料电池28的要求输出相对应的供给压力、供给流量及供给量的氢气。
另一方面，在需要的伸展量ε不在间隙规定值内的情况下（步骤S3：否），判断为若进行通常的氢气供给，则会对内衬53作用允许以上的负荷，而限制氢气的供给量（步骤S4）。该供给量的限制，指与通常的氢气供给相比，对从罐30放出的氢气的供给量进行限制。
限制氢气的供给量，能够通过控制调整装置33，由多种方法来执行。例如，能够通过使氢气的供给流量比通常的氢气供给中的供给流量低（例如，将供给流量降低规定的百分比等），来限制供给量。关于该方法，不仅在调整装置33为喷射器等的情况下，在调整装置33为截止阀的情况下，也能反复使其开闭。另外，在其他的方法中，通过降低供给流量的最大值（例如，使最大流量为规定流量以下等），也能够限制供给量。根据这些方法，能够持续从罐30向燃料电池28供给氢气。
另外，通过另外的方法，也能够通过停止供给氢气而使供给量为零来进行限制。这种方法能够在调整装置33为截止阀的情况下简单地执行。此外，在采用该方法的情况下，不从罐30向燃料电池28供给氢气。不过，即使在采用该方法时，在燃料电池***4具有氢气循环***（由于公知，故省略图示）的情况下，也允许通过氢泵将氢气循环***内的氢气或氢废气供给至燃料电池28。
之后，通过用户反复执行上述步骤S2～S4，直到车辆3熄火（步骤S5：否）。即，随时读入罐压力及罐温度，算出此时的间隙量62（步骤S2），判定是否在间隙规定值内（步骤S3）。结果，继续限制供给量的状态（步骤S3：否，步骤S4），或者解除对供给量的限制而进行通常的氢气供给（步骤S3：是）。当熄火时（步骤S5：是），燃料电池***4结束运转，停止从罐30向燃料电池28供给氢气（步骤S6）。
对以上说明的本控制例的作用效果进行说明。
算出燃料电池***4运转中的罐30内的间隙量62，判定是否因燃料电池***4运转停止后的填充对内衬53作用负荷，在判定为作用那样的负荷时，限制来自罐30的供给量。通过限制该供给量，能够抑制罐30内的温度降低速度及压力降低速度（参照图4A及4B）。这是因为，即使在从罐30放出氢气的情况下，随着罐30内的氢气的绝热膨胀而产生的温度降低以比较缓慢的速度进行。限制了供给量的结果，罐30易于被外部气体加热，抑制变为更低温且更低压的状态，因而抑制了间隙量的扩大。由此，在停止后的填充中，抑制了内衬53的膨胀量，因而能够抑制对内衬53作用大的负荷。
此外，优选在氢气的供给量被限制的过程中，在车辆3的WOT（Wide Open Throttle：节流阀全开）等要求燃料电池28快速地输出的情况下，控制装置46禁止进行满足这样的要求的运转。由此，能够可靠地维持供给量的限制状态，从而能够减轻内衬53的负荷。
7-2．第2控制例
接着，参照图12，以与第1控制例的不同点为中心来说明第2控制例。主要的不同点在于，不仅算出当前的间隙量（步骤S11），也算出规定时间后的间隙量的预测值（步骤S14），基于该预测值决定是否对供给量进行限制（步骤S15）。此外，用于实现本控制的控制装置46的框图与图11所示的相同。
如图12所示，在步骤S11中，根据当前的罐压力及罐温度算出当前的间隙量62。在步骤S12中，基于所算出的当前的间隙量62算出需要的伸展量ε，判定算出的需要的伸展量ε是否在间隙规定值内。然后，进行氢气的供给量的限制（步骤S13）、之后的间隙量62的计算（步骤S11）以及比较（步骤S12）直到算出的需要的伸展量ε在间隙规定值内为止（步骤S12：是）。
另一方面，在算出的需要的伸展量ε在间隙规定值内（步骤S12：是）的情况下，基于罐压力的梯度及罐温度的梯度算出x时间（规定时间）后的间隙量62的预测值（步骤S14）。该计算也由计算部71来进行。
具体地说，如图13A及13B所示，由于氢气的供给使罐压力及罐温度都降低，计算部71首先求出单位时间内的罐压力的梯度（△P／△t）及罐温度的梯度（△T／△t），根据各梯度推定x时间后的罐压力及罐温度。接着，计算部71通过在上述的映射M中参照上述的推定值，算出x时间后的间隙量62的预测值。此外，在其他的实施方式中，计算部71也可以基于除了罐压力及罐温度的梯度以外的变化量，算出间隙量62的预测值。另外，x时间能够设定为任意的时间，例如5分钟。
在下一步骤S15中，决定部72基于间隙量62的预测值算出填埋间隙60所需要的内衬53的伸展量ε，判断算出的需要的伸展量ε是否在间隙规定值内。此时，作为与算出的需要的伸展量ε进行比较的间隙规定值，使用与执行步骤S14时推定的x时间后的罐温度相对应的间隙规定值。
结果，在算出的需要的伸展量ε在间隙规定值内时（步骤S15：是），进行通常的氢气供给而等待熄火（步骤S17）。另一方面，在算出的需要的伸展量ε不在间隙规定值内时（步骤S15：是），限制氢气的供给量（步骤S16），等待熄火（步骤S17）。然后，反复进行上述步骤S11～16直到熄火为止（步骤S17：是）。因而，即使当初未限制供给量（步骤S12：是，步骤S15：是），在对于间隙量62的需要的伸展量ε大于间隙规定值的情况下，在之后也能够积极地限制供给量。
在此，步骤S13及S16中的供给量的限制能够通过与上述的第1控制例（步骤S4）同样的方法进行。在步骤S13及S16中，也能够形成相等的供给量的限制量，但优选使供给量的限制量不等。具体地说，可以使步骤S13的限制量大于步骤S16的限制量。列举一例，可以在步骤S13中，使供给流量小于步骤S16的供给流量。
另一方面，步骤S13的限制量能够设定得比第1控制例的步骤S4的限制量小。也就是说，在基于当前的间隙量62限制供给量的情况下，能够使第2控制例的步骤S13的供给量大于第1控制例的步骤S4的供给量。这是因为，在第2控制例中，在步骤S16中，还能够限制供给量。
根据以上说明的本控制例，不仅起到与第1控制例同样的作用效果，与第1控制例相比，还能够逐渐限制供给量。由此，在大多伴随着氢气的消耗的车辆3加速时，能够一定程度上确保消耗用的氢气量。因此，驾驶车辆3中的用户能够减轻车辆3突然不加速的感觉。
7-3．第3控制例
接着，参照图14～图17，说明第3控制例。第3控制例基于燃料电池***4运转中算出的间隙量62改变判定所谓的气体不足的基准。
图14是表示为了实现本控制而控制装置46所具有的功能块的框图。控制装置46具有上述的存储部70、计算部71、决定部72及运转控制部73，还具有进行气体不足的判定的判定部75。
图15A及15B分别示出了比较例及本控制例的气体不足判定的方法。两种方法都通过将罐压力和基准值进行比较来进行气体不足判定。
在此，作为气体不足判定中的基准值使用表示罐30内的燃料气体不足和罐30内的燃料气体可能不足的界限的两条气体不足线L1及L2。具体地说，气体不足线L1是表示罐30内的氢气的剩余量是否完全没有的界限的罐压力线。当罐压力处于气体不足线L1的低压侧时，罐30内的氢气的剩余量完全没有，使车辆3停止。另一方面，气体不足线L2是表示如下界限的罐压力线：是否表示车辆3的可续航距离为0km。在罐压力处于气体不足线L2的低压侧时，表示可续航距离为0km，催促驾驶员等用户填充氢气。这样的显示例如通过以气体不足灯等为代表的显示装置42显示。此外，在罐压力处于气体不足线L1与气体不足线L2之间的情况下，罐30内残留有少量的氢气，车辆3能够续航。
在图15A所示的比较例中，气体不足线L1、L2分别为通过罐压力x、y的铅垂直线。即，无论罐温度的大小如何，气体不足线L1、L2恒定。相对于此，在图15B所示的本控制例中，气体不足线L1、L2在罐温度Tb以上分别与图15A所示的比较例相同。但是，在罐温度Tb以下，图15B所示的本控制例的气体不足线L1、L2以罐温度越低压力越高的方式倾斜。即，在罐温度Tb以下的条件下，与罐温度Tb以上的条件下相比，气体不足线L1、L2向高压侧变更。此外，罐温度Tb至少小于0℃，若列举一例则为-30℃。
图16A及16B是表示气体不足判定的另外的方法的图，分别是比较例及本控制例的图。在该方法中，通过将罐30内的氢气量与基准值进行比较来进行气体不足判定。
在此，罐30内的氢气量n能够通过气体的状态方程式算出，可用下面的式（3）来表示。
n＝PV／zRT…（3）
各参数的意思如下。
P：罐压力
V：罐30的体积
z：压缩系数
R：气体常数
T：罐温度
因而，氢气量n能够根据罐压力及罐温度等算出。
图16A及16B所示的两条气体不足线L1、L2是氢气量n的线，与上述同样，分别表示罐30内的氢气的剩余量是否完全没有的界限和是否表示车辆3的可续航距离为0km的界限。在图16A所示的比较例中，气体不足线L1、L2分别为通过罐压力x、y的倾斜直线。相对于此，在图16B所示的本控制例中，就气体不足线L1、L2而言，在罐温度Tb以上，与图16A所示的比较例相同，但在罐温度Tb以下，以罐温度越低压力越高的方式倾斜。即，在罐温度Tb以下的条件下，与罐温度Tb以上的条件下相比，气体不足线L1、L2向氢气量的量多侧变更。
此外，作为与罐30内的氢气有关的状态量，也能够以罐压力及罐30内的氢气量以外的状态量为基准来进行气体不足的判定。另外，气体不足线L2可以表示如下界限：是否表示车辆3的可续航距离为0km以外的规定距离（例如10km等）。
图17是表示第3控制例的流程图。
首先，作为燃料电池***4的运转开始的触发，车辆3点火（步骤S21）。于是，在判断是否在显示装置42显示可续航距离为0km之后（步骤S22），根据罐压力及罐温度算出当前的间隙量62（步骤S23、S24）。在未显示可续航距离为0km的情况下（步骤S22：否），算出当前的间隙量62后（步骤S24），进入气体不足线决定的处理（步骤S27）。
在显示可续航距离为0km的情况下（步骤S22：是），在算出的当前的间隙量62大于零时（步骤S25：是），进入气体不足线决定的处理（步骤S27），另一方面，在算出的当前的间隙量62为零时（步骤S25：否），判断为通过填埋间隙60而将氢气填充在罐30，解除了上述显示之后（步骤S26），进入气体不足线决定的处理（步骤S27）。
在气体不足线决定的处理（步骤S27）中，判定部75基于算出的间隙量62决定在气体不足的判定时使用的气体不足线。具体地说，根据算出的间隙量62算出上述的需要的伸展量ε，若算出的需要的伸展量ε在间隙规定值内，则决定使用图15A或图16A所示的气体不足线L1、L2。另一方面，若不是如此（不在间隙规定值内），则决定使用图15B或图16B所示的气体不足线L1、L2。
然后，随时监视在燃料电池***4运转中随时检测出的罐压力或随时算出的罐30内的氢气量n是否在决定的气体不足线L2以上（步骤S28）。在小于决定的气体不足线L2时（步骤S28：否），显示装置42显示可续航距离为0km（步骤S29）。此外，在已经进行了该显示的情况下，省略步骤S29。然后，同样随时监视随时取得的罐压力或氢气量n是否在决定的气体不足线L1以上（步骤S30）。在小于决定的气体不足线L1时（步骤S30：否），车辆3停止（步骤S31）。另一方面，在决定的气体不足线L1以上时（步骤S30：是），返回上述步骤S22进行与上述同样的处理直到车辆3熄火（步骤S32：是）。
说明以上说明的本控制例的作用效果。
在燃料电池***4运转中，在根据当前的间隙量62算出的需要的伸展量ε不在间隙规定值内的情况下，使用图15B或图16B所示的线作为判定气体不足的基准（气体不足线L1、L2）。由此，在处于冰点下的罐温度Tb以下，与需要的伸展量ε在间隙规定值内的情况（图15A或图16A所示的气体不足线L1、L2）相比，在罐压力高时也判定气体不足。
即，气体不足判定的基准值变更的结果是，在罐温度Tb以下的条件下不在间隙规定值内时，较早判定气体不足。接受该判定来显示气体不足，因而能够使驾驶员等用户注意有意识地进行氢消耗量少的驾驶。结果，如果减小燃料电池28的氢消耗量，则减少了从罐30向燃料电池28的氢气的供给量，因而抑制了间隙量62扩大。由此，能够在燃料电池***4的停止后的填充中减小对内衬53的负荷。
此外，也能够省略气体不足线L1、L2中的一方。另外，可以使第3控制例与上述的第1控制例或第2控制例进行组合。这种情况下，例如在决定气体不足线时（步骤S27），若通过决定部72决定对供给量进行限制，则通过运转控制部73限制供给量。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池***及其燃料气体供给方法以及车辆不仅能够应用于氢气，还能够应用于天然气等其他的燃料气体。另外，不限于车辆，还能够应用于搭载有罐来作为来自外部的燃料气体的填充目标的移动体，例如航空器、船舶、机器人等。
在上述的实施方式中，在燃料电池***4运转中将间隙量62作为映射M读取来进行控制，但还能够设计为仅通过取得与罐压力及罐温度有关的信息而进行上述的控制
标号说明
2：气站，3：车辆，28：燃料电池，30：罐，36：压力传感器，38：温度传感器，53：内衬，55：加强层，71：计算部，72：决定部，73：运转控制部，75：判定部

Claims (13)

1.一种燃料电池***，具备：
燃料电池；
罐，具有内衬及形成于该内衬的外周面的加强层，该罐用于贮存燃料气体；和
调整装置，调整从所述罐向所述燃料电池供给的燃料气体的供给量，
所述燃料电池***具备：
信息取得部，取得与所述罐内的压力及温度相关的信息；
计算部，基于所述信息取得部在该燃料电池***运转中取得的信息，算出所述内衬和所述加强层之间的间隙量；和
决定部，基于算出的所述间隙量，决定是否限制所述供给量。
2.如权利要求1所述的燃料电池***，其中，
所述计算部基于该燃料电池***运转中的罐内的温度变化量及压力变化量，还算出所述间隙量在规定时间后的预测值，
所述决定部还基于所述预测值决定是否限制所述供给量。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池***，具备：
判定部，通过将与所述罐内的燃料气体相关的状态量和规定的基准值进行比较，判定该罐内的燃料气体不足或该罐内的燃料气体可能不足；和
显示部，在所述判定部判定为燃料气体不足或燃料气体可能不足时，显示该判定结果，
所述判定部基于算出的所述间隙量来变更所述规定的基准值。
4.如权利要求3所述的燃料电池***，其中，
所述状态量是所述罐内的压力，
所述规定的基准值是与压力相关的值。
5.如权利要求4所述的燃料电池***，其中，
在为了使算出的所述间隙量为零所需要的内衬的伸展量大于规定的阈值的情况下，与该伸展量为规定的阈值以下的情况相比，所述判定部在所述罐内至少低于0℃的温度条件下将所述规定的基准值向高压侧变更。
6.如权利要求3所述的燃料电池***，其中，
所述状态量是所述罐内的燃料气体量，
所述规定的基准值是与燃料气体量相关的值。
7.如权利要求6所述的燃料电池***，其中，
在为了使算出的所述间隙量为零所需要的内衬的伸展量大于规定的阈值的情况下，与该伸展量为规定的阈值以下的情况相比，所述判定部在所述罐内至少低于0℃的温度条件下将所述规定的基准值向量多侧变更。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池***，其中，
所述判定部基于所述信息取得部在该燃料电池***运转中取得的与罐内的压力及温度相关的信息，算出与所述规定的基准值进行比较的所述燃料气体量。
9.如权利要求1或2所述的燃料电池***，其中，
所述决定部算出为了使算出的所述间隙量为零所需要的内衬的伸展量，并且在算出的该伸展量大于规定的阈值的情况下，与算出的该伸展量为规定的阈值以下的情况相比，决定限制所述供给量。
10.如权利要求9所述的燃料电池***，其中，
所述规定的阈值是所述内衬的断裂伸展量，且所述规定的阈值根据所述罐内的温度而不同。
11.如权利要求1或2所述的燃料电池***，其中，
在所述决定部决定了限制所述供给量的情况下，所述调整装置通过执行使所述供给量为零、减小燃料气体向所述燃料电池的供给流量的最大值及降低所述供给流量中的任一操作，来限制所述供给量。
12.一种移动体，具备权利要求1～11中任一项所述的燃料电池***，其中，
所述移动体构成为使所述罐能够从位于该移动体的外部的气站填充燃料气体。
13.一种燃料电池***的燃料气体供给方法，该燃料电池***具有：罐，具有内衬及形成在该内衬的外周面的加强层；和作为来自该罐的燃料气体的供给对象的燃料电池，
所述燃料电池***的燃料气体供给方法包括如下步骤：
基于在所述燃料电池***运转中取得的与罐内的压力及温度相关的信息，算出所述内衬和所述加强层之间的间隙量；
判定为了使算出的所述间隙量为零所需要的内衬的伸展量是否超过规定的阈值；
在判定为超过所述规定的阈值的情况下，与判定为在所述规定的阈值以下的情况相比，限制从所述罐向所述燃料电池供给的燃料气体的供给量。
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