JP4863031B2 - 燃料電池システム、その燃料ガス供給方法及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、ライナの外周面を補強層で覆ったタンクを有する燃料電池システム等に関するものである。

例えば車載の燃料電池システムでは、タンク内の水素ガスが燃料電池に供給され、燃料電池にて水素ガスが酸化ガスと反応して消費される。これにより電力が発生して、走行に用いられる。そして、消費によりタンク内の水素ガス残量が減った場合には、車両を水素ステーションに立ち寄らせ、水素ステーションからタンクに水素ガスを充填することが行われる。

ここで、タンクから水素ガスが供給、すなわち放出される場合には、タンク内の圧力及び温度は下がる。一方で、タンクに水素ガスが充填される場合には、タンク内の圧力及び温度は上がる。また、この種のタンクの構造は、ガス不透過性のライナの外周面を、耐圧性を確保する補強層で覆ったものが一般的である（例えば特許文献１参照）。例えば、補強層は、フィラメントワインディング法などによりライナの外周面に巻き付けられて形成されたＣＦＲＰからなる。

特開２００６−２２６５１１号公報

しかし、特に樹脂ライナ製のタンクを製造した場合、ライナとＣＦＲＰとの弾性率や線膨張係数の違いにより、ライナが収縮し、ライナとＣＦＲＰとの間に隙間が発生する。また、仮に製造段階で隙間が発生しなくても、水素ガスの供給によって、タンク内の圧力及び温度が下がると、上記同様に、ライナが収縮して隙間が発生する場合がある。そして、この隙間の大きさは、低温又は低圧の条件になるほど、大きくなる傾向にある。

このような隙間がある状態でタンクに水素ガスを充填すると、充填した水素ガスによって、収縮していたライナが隙間を埋めるように膨張する。しかし、この膨張量の大きさ等によっては、ライナに大きな負荷がかかるおそれがある。
この点、隙間の発生を防止するために、ライナとＣＦＲＰとを接着する改善策が考えられる。しかし、これでは、ライナの局所的な変形が生じ、負荷が局所的にかかってしまうため、望ましくない。

そこで、本発明は、充填によるライナへの負荷を低減することができる燃料電池システム、その燃料ガス供給方法及び移動体を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、ライナ及びその外周面に形成された補強層を有して燃料ガスを貯留するためのタンクと、タンクから燃料電池への燃料ガスの供給量を調整する調整装置と、タンク内の圧力及び温度に関する情報を取得する情報取得部と、情報取得部が燃料電池システムの稼働中に取得した情報に基づいて、ライナと補強層との間の隙間量を算出する算出部と、算出した隙間量に基づいて、供給量を制限するか否かを決定する決定部と、を備えたものである。

また、本発明の移動体は、本発明の燃料電池システムを備え、タンクが、移動体の外部にあるガスステーションから燃料ガスを充填可能に構成されているものである。

本発明によれば、隙間量に応じて供給量を制限することに決定し、この制限を実行した場合には、タンク内の温度低下速度及び圧力低下速度を抑えることができる。これにより、隙間量の拡大が抑制されるので、燃料電池システムの稼動停止後に燃料ガスをタンクに充填した際において、ライナの膨張量を抑えることができる。このように、本発明によれば、充填前の燃料電池システムの稼動段階において、隙間量に応じて積極的に供給量を制限することで、充填時のライナへの負荷を低減することができる。

好ましくは、算出部は、燃料電池システムの稼働中におけるタンク内の温度変化量及び圧力変化量に基づいて、隙間量について所定時間後の予測値をも算出するとよい。決定部は、予測値に基づいても、供給量を制限するか否かを決定するとよい。

この構成によれば、供給量を徐々に制限することが可能となる。例えば、予測値に応じた供給量の制限をしない場合に比べて、予測値に応じた供給量の制限をする場合には、現在の（燃料電池システムの稼動中の）隙間量に応じた供給量の制限量を小さくすることができる。これにより、例えば燃料電池の要求出力が大きくなる移動体の加速時に、加速しなくなるといったユーザーの感覚を軽減することができる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、タンク内の燃料ガスに関する状態量を所定の基準値と比較することで、タンク内の燃料ガスの不足及びその可能性の少なくとも一つを判定する判定部と、判定部が燃料ガスの不足及びその可能性の少なくとも一つであることを判定した場合にその旨を表示する表示部と、を備えるとよい。判定部は、算出した隙間量に基づいて、所定の基準値を変更するとよい。

この構成によれば、隙間量に応じて、いわゆるガス欠の判定の基準が変わる。例えば、隙間量が大きい場合、それが小さい場合よりも、ガス欠の旨が早く判定されて表示されるようにすれば、燃料ガスの消費量（供給量）を減らすような運転をユーザーに意識させるきっかけとなる。これにより、燃料ガスの供給量が制限されることになれば、充填前に隙間量の拡大を抑制することができる。

より好ましくは、上記の状態量は、タンク内の圧力又は燃料ガス量であるとよい。また、燃料ガス量については、判定部が、情報取得部が燃料電池システムの稼働中に取得したタンク内の圧力及び温度に関する情報に基づいて算出することが好ましい。

この構成によれば、情報取得部が取得した情報を、隙間量の算出のみならず、ガス欠の判定にも活用することができる。

より好ましくは、判定部は、算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びが所定の閾値を越える場合には、そうではない場合に比べて、タンク内が少なくとも０℃未満の温度条件下では、圧力又は燃料ガス量に関する所定の基準値を高圧側又は多量側に変更するとよい。

好ましくは、決定部は、算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びを算出すると共に、その算出した伸びが所定の閾値を越える場合には、そうではない場合よりも、供給量を制限することに決定するとよい。

こうすることで、ライナの変形と関係するライナの伸び（ひずみ）を基準に、供給量を制限するか否かを決定するので、その制限の必要性を正確に判断することができる。

より好ましくは、上記の所定の閾値はライナの破断伸びを用いることができ、その値はタンク内の温度に応じて異なるとよい。

この構成によれば、供給量の制限の必要性を判断するに際して、破断伸びが温度に依存することが考慮されるので、より一層正確に判断することができる。

好ましくは、決定部が供給量を制限することに決定した場合、調整装置は、供給量をゼロにすること、燃料電池への燃料ガスの供給流量の最大値を下げること、及び、供給流量を低減することのいずれかを実行することにより、供給量を制限するとよい。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムの燃料ガス供給方法では、燃料電池システムが、ライナ及びその外周面に形成された補強層を有するタンクと、タンクからの燃料ガスの供給先として燃料電池と、を有する。そして、燃料ガス供給方法は、燃料電池システムの稼働中に取得されたタンク内の圧力及び温度に関する情報に基づいて、ライナと補強層との間の隙間量を算出するステップと、算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びが所定の閾値を超えるか否かを判定するステップと、所定の閾値を越えると判定された場合には、そうではない場合に比べて、タンクから燃料電池への燃料ガスの供給量を制限するステップと、を備える。

本発明によれば、充填前の燃料ガス供給段階において、隙間量に対するライナの必要な伸びが所定の閾値を超えるとき、積極的に供給量を制限する。これにより、隙間量の拡大が抑制されるので、その後の充填によってライナに負荷がかかることを抑制することができる。

実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両をガスステーションとともに示す図である。 実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施形態に係るタンクの断面図である。 外気温が２０℃であるときのタンク圧力及びタンク温度の時間変化を示す図であり、タンクからの水素ガス放出速度が遅い場合に関するものである。 外気温が２０℃であるときのタンク圧力及びタンク温度の時間変化を示す図であり、タンクからの水素ガス放出速度が速い場合に関するものである。 図３のタンクにおいて、ライナと補強層との間に隙間がある状態を示す断面図である。 複数のタンク温度について、隙間の大きさとタンク圧力との関係を模式的に示す図である。 実施形態に係るタンクの隙間量に関するマップの一例を示す図である。 タンク温度とライナの破断伸びとの関係を示す図である。 隙間を埋めるのに必要なライナの伸びを算出する方法を示す図であり、隙間がある状態を示すものである。 隙間を埋めるのに必要なライナの伸びを算出する方法を示す図であり、隙間がなくなった状態を示すものである。 実施形態に係る燃料電池システムの第１の制御例を実現するための機能ブロック図である。 実施形態に係る燃料電池システムの第１の制御例を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムの第２の制御例を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムの第２の制御例において用いるタンク圧力の勾配を模式的に示す図であり、水素ガス供給中における時間に対するタンク圧力の変化を示すものである。 実施形態に係る燃料電池システムの第２の制御例において用いるタンク温度の勾配を模式的に示す図であり、水素ガス供給中における時間に対するタンク温度の変化を示すものである。 実施形態に係る燃料電池システムの第３の制御例を実現するための機能ブロック図である。 タンク圧力を基準値と比較することで行うガス欠判定に関し、比較例に係る方法を示す図である。 タンク圧力を基準値と比較することで行うガス欠判定に関し、第３の制御例に係る方法を示す図である。 水素ガスの残量を基準値と比較することで行うガス欠判定に関し、比較例に係る方法を示す図である。 水素ガスの残量を基準値と比較することで行うガス欠判定に関し、第３の制御例に係る方法を示す図である。 実施形態に係る燃料電池システムの第３の制御例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。ここでは、燃料電池システムを、移動体の代表例である車両に搭載した例について説明する。

１．車両の概要
図１に示すように、車両３は、例えばガスステーションとしての水素ステーション２にて、水素ステーション２の充填ノズル１２から水素ガスをタンクに充填される。車両３には、駆動源であるトラクションモータに電力を供給する燃料電池システム４が搭載される。

図２に示すように、燃料電池システム４は、燃料電池２８及びタンク３０を備える。
燃料電池２８は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２８は、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば空気）の電気化学反応によって発電する。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
タンク３０は、燃料電池２８への水素ガス供給源であり、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能な高圧タンクである。タンク３０を複数搭載する場合には、タンク３０は燃料電池２８に対して並列に接続される。

タンク３０から燃料電池２８への水素ガスの供給系統は、供給管路３１と、供給管路３１に設けられた調整装置３３と、を具備する。供給管路３１は、タンク３０と燃料電池２８とつなぐものである。調整装置３３は、タンク３０から燃料電池２８への水素ガスの供給量を調整するものである。調整装置３３は、例えば、遮断弁、調圧弁、流量制御弁及びインジェクタの少なくとも一つで構成することができる。遮断弁の場合には、タンク３０の元弁として機能させることもでき、燃料電池２８への水素ガスの供給を許容及び遮断する。調圧弁、流量制御弁又はインジェクタの場合には、燃料電池２８への水素ガスの流量を調整することができる。このような調整装置３３によって、燃料電池２８への水素ガスの供給量を制限することが可能となる。

タンク３０への水素ガスの充填系統は、レセプタクル３２及び充填流路３４を具備する。レセプタクル３２は、水素ガスの充填に際して、充填ノズル１２を接続される。充填流路３４は、レセプタクル３２とタンク３０とをつなぐものであり、その途中には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁３５が設けられる。

燃料電池システム４は、また、圧力センサ３６、温度センサ３８、表示装置４２及び制御装置４６を備える。

圧力センサ３６は、実質的にタンク３０内の水素ガスの圧力（以下、「タンク圧力」という。）を反映する圧力を検出する。圧力センサ３６は、例えば、逆止弁３５よりも下流側であって且つタンク３０の直前にある充填流路３４に設けられるが、タンク３０内に配置することも可能である。温度センサ３８は、タンク３０内の温度（以下、「タンク温度」という。）を反映する温度を検出する。温度センサ３８は、例えば、タンク３０内に設けられる。表示装置４２は、例えばカーナビゲーションシステムの一部としても用いることが可能なものであり、各種情報を画面に表示する。

制御装置４６は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成され、車両３及び燃料電池システム４を制御する。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置４６は、調整装置３３、圧力センサ３６、温度センサ３８及び表示装置４２などと接続されている。例えば、制御装置４６は、情報取得部としての圧力センサ３６及び温度センサ３８が取得した圧力及び温度に関する情報をもとに、調整装置３３を制御して水素ガスの供給量を制御する。

２．タンクの構造
図３に示すように、タンク３０は、内部に貯留空間５１が画成されるように中空状に形成されたライナ５３と、ライナ５３の外周面を覆う補強層５５と、を有する。ライナ５３及び補強層５５の軸方向の少なくとも一端部には、バルブアッセンブリを接続するための口金５７が設けられる。

ライナ５３は、ガスバリア性を有し、水素ガスの外部への透過を抑制する。ライナ５３の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、金属のほか、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。

補強層５５は、貯留する水素ガスの圧力に耐える役割を果たすものであり、マトリックス樹脂を含浸した繊維をライナ５３の外表面に巻き付けた後で、そのマトリックス樹脂を加熱硬化してなるものである。マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂や変性エポキシ樹脂等が用いられ、繊維としては、カーボン繊維やアラミド繊維が用いられる。また、巻き付け方法としては、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）やテープワインディング法等が挙げられ、その際の巻き付け方としては、公知のフープ巻き及びヘリカル巻きが挙げられる。

本実施形態では、樹脂製のライナ５３に対しＦＷ法を用いて、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）の補強層５５を構成している。このＣＦＲＰは、マトリックス樹脂として熱硬化性のエポキシ樹脂を用い、繊維として炭素繊維を用いている。なお、補強層５５は、ライナ５３の外周面に積層されたＣＦＲＰ層以外の層、例えば、ＣＦＲＰ層の外周面に積層されたＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）層を具備するものであってもよい。

３．水素放出速度とタンク圧力及びタンク温度との関係
図４Ａ及びＢは、外気温が２０℃であるときのタンク圧力及びタンク温度の時間変化を示す図であり、図４Ａは水素ガス放出速度が遅い場合に関するものであり、図４Ｂは、水素ガス放出速度が速い場合に関するものである。図４Ａ及びＢから分かるとおり、タンク３０からの水素ガスの放出速度（燃料電池２８への供給速度）が速いほど、タンク圧力の低下率は大きく、タンク温度はより低下する。水素ガス放出終了後（時間ｔ_０）、タンク温度は、外気によって上昇し、外気温（２０℃）に近づいていく。その際、タンク圧力も僅かに上昇する。なお、一般的に、外気温が低いと、タンク温度はさらに低下する。

車両３に搭載されるタンク３０の場合、水素ガス放出直後に水素ステーション２で充填され得る。したがって、水素ガスが充填されるときは、タンク温度及びタンク圧力が低下した状態であることが多いと考えられる。このとき、水素ガス放出速度の速い走行（例えば加速走行）をしていた直後の充填の場合には、タンク温度及びタンク圧力がより低下した状態となっている。

なお、タンク３０に関して、水素ガスの搭載量（タンク容積）を減らした仕様の場合には、その減らす前の仕様の場合と同量の水素ガスを消費するとなると、タンク圧力の低下速度が上がる。したがって、搭載量（タンク容積）を減らした仕様の場合は、タンク温度がより低下し易い。

４．隙間の発生について
図５は、タンク３０において、ライナ５３と補強層５５との間に隙間６０がある状態を示す断面図である。この隙間６０が発生する理由を説明する。

第１に、タンク３０の次のような製造工程では、隙間６０が発生する。具体的には、補強層５５の形成にあたっては、先ず、ＦＷ法の張力では変形しない程度に内圧を保持した常温のライナ５３に対して、エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維をＦＷ法により巻き付ける。この巻き付けが終わった段階では、隙間６０は発生しない。次の段階として、内圧を保持したまま加熱し、ＣＦＲＰのエポキシ樹脂を熱硬化処理により固める。この段階でも、隙間６０は発生しない。しかし、熱硬化処理後、内圧が抜かれて常温に戻ると、ライナ５３が収縮する。その結果、図５に示すような隙間６０が発生する。これは、ライナ５３と補強層５５との弾性率や線膨張係数の差に起因して、ライナ５３の方が補強層５５に比べて収縮・膨張の変形がし易いために起きる。

第２に、上記の製造段階において隙間６０が発生しなくとも、低圧又は低温の条件になると、隙間６０が発生し得る。例えば、図３に示すような隙間がゼロの状態からタンク圧力が下がると、図５に示すような隙間６０が発生する。これは、上記の弾性率等の差に起因して、ライナ５３は収縮するのに対し、補強層５５はほとんど変形しないからである。同様に、図３に示すような隙間がゼロの状態からタンク温度が下がると、図５に示すような隙間６０が発生する。そして、この隙間６０の大きさは、タンク圧力又はタンク温度がより小さくなるほど大きくなる。つまり、水素ガス放出速度が速かったときほど（参照：図４Ａ及びＢ）、隙間６０の大きさは大きくなる傾向になる。

図６は、複数のタンク温度Ｔ_１〜Ｔ_４（Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３＜Ｔ_４）について、隙間６０の大きさとタンク圧力との関係を模式的に示す図である。
図６に示すように、タンク温度が同じ条件であれば、タンク圧力が大きくなると、隙間６０の大きさは小さくなる。同様に、タンク圧力が同じ条件であれば、タンク温度が大きくなると、隙間６０の大きさは小さくなる。それゆえ、水素ガスがタンク３０に充填されなくとも、外気温によってタンク温度が上がれば、隙間６０が小さくなるということが言える。また、隙間６０の大きさが同じ条件では、タンク温度が低温であるほど、隙間６０を埋めるためには、高いタンク圧力が必要であることがわかる。

５．隙間量の測定及び記憶について
隙間６０の大きさは、タンク圧力及びタンク温度にのみ依存するのではなく、タンク３０の仕様によっても異なる。例えば、タンク３０を構成する材料（ライナ５３及び補強層５５の材質）や、タンク３０の体格（長さ、径、容量など）によって、隙間６０の大きさは異なる。

隙間６０の大きさを示す指標としては、ここでは、図５に示すように、ライナ５３と補強層５５との間の距離に相当する隙間量６２を用いることにする。なお、この隙間量６２は、ライナ５３及び補強層５５の全領域で一律である場合にはその両者間の距離に相当し、一律ではない場合にはその両者間の距離のうち最も大きい距離に相当するものとする。

隙間量６２は、様々な方法により測定することができる。例えば、タンク３０をＸ線撮影し、タンク３０の内部を可視化することで、ライナ５３と補強層５５との間の隙間量６２を測定することができる。また別の方法として、タンク３０の補強層５５に穴をあけ、その穴から変位計の測定プローブを挿入することで、隙間量６２を機械的に測定することもできる。このような隙間量６２の測定は、タンク３０の開発段階でなされており、充填時に隙間量６２が上記のような方法で測定されるわけではない。したがって、燃料電池システム４においては、タンク３０の隙間量６２が既に把握されており、例えばマップとして予め用意される。

図７は、隙間量６２に関するマップＭの一例を示す図である。
マップＭは、燃料電池システム４のタンク３０に固有のものが用意される。上述したように、隙間量６２はタンク圧力及びタンク温度によって異なるので、隙間量６２に関するマップＭは、縦軸をタンク圧力とし、横軸をタンク温度として、それぞれの条件に対応する隙間量を規定する。例えば、タンク温度Ｔ_１のもとでは、図７にＢ１〜Ｅ１としてそれぞれ示す隙間量６２は、タンク圧力が大きくなるほど小さくなる。また、タンク圧力０ＭＰａのもとでは、図７にＡ２〜Ａ５として示すそれぞれ隙間量６２は、タンク温度が大きくなるほど小さくなる。

ここで、マップＭは、制御装置４６の記憶部（ＲＯＭなど）に記憶される。詳細は後述するが、水素ガスの供給中に、そのときのタンク圧力及びタンク温度を記憶部のマップＭに参照することで隙間量６２を算出し、これをもとに、その後の供給量に制限を設定するか否かを決定する。

６．スキマ規定値について
スキマ規定値とは、後記「７．」の隙間量を考慮した供給制御において用いる指標の一つであり（参照：図１１のステップＳ３など）、ライナ５３の破断伸びδ又はこれに安全率を乗じた値を意味する。破断伸びδは、ライナ５３の材料物性により規定され、タンク温度に応じて異なる。具体的には、図８に示すように、タンク温度が大きくなるほど、破断伸びδは大きくなる。タンク３０に関するスキマ規定値は、マップＭと同様に、制御装置４６の記憶部に予め記憶される。

なお、破断伸びδは、引張試験の結果から得ることができるものであり、以下の式（１）で表されることは言うまでもない。
δ＝１００×（ｌ_ｆ−ｌ_０）／ｌ_０ ・・・（１）
ここで、各パラメータの意味は以下のとおりである。
ｌ_０：ライナ５３の初期の長さ
ｌ_ｆ：破断後のライナ５３の永久伸び

６−１．スキマ規定値と比較する対象
後記「７．」の供給制御において、スキマ規定値と比較する対象は、隙間６０を埋めるのに必要なライナ５３の伸びεである。

図９Ａに示すように、ライナ５３と補強層５５との間に隙間６０がある状態で水素ガスの充填を行うと、図９Ｂに示すように、ライナ５３が隙間６０を埋めるまで膨張変形する。これは、充填によりタンク圧力及びタンク温度が上昇し、これにより、収縮していたライナ５３が補強層５５と接触するまで膨張するからである。この隙間６０に対するライナ５３の伸び、すなわち隙間６０を埋めるのに必要なライナ５３の伸びεは、例えば以下の式（２）を用いて算出される。

ε＝１００×（ｒ_ｆ−ｒ_０）／ｒ_０ ・・・（２）
ここで、各パラメータの意味は以下のとおりである。
ｒ_０：ライナ５３の初期の外径
ｒ_ｆ：隙間６０を埋めたときのライナ５３の外径
一例を挙げると、ｒ_０＝５０ｍｍ、隙間量＝５ｍｍの場合、ｒ_ｆ＝５５となるので、必要なライナ５３の伸びεは、１０%となる。

供給制御に際しては、隙間量６２の算出値及びライナ５３の外径ｒ_ｆがわかっているので、上記の式（２）より、隙間６０を埋めるのに必要な伸びεを算出することができる。そして、この算出した必要な伸びεをスキマ規定値と比較し、必要な伸びεがスキマ規定値を超える場合には、燃料電池システム４の停止後の充填に際してライナ５３に許容以上の負荷がかかると予測する。

ここで、算出した必要な伸びεと比較するスキマ規定値（所定の閾値）は、その比較時のタンク温度に応じたものが用いられる。上述したように、破断伸びδがタンク温度に依存するからである（参照：図８）。したがって、タンク温度が高くなると、設定されるスキマ規定値も大きくなる。

７．隙間量を考慮した供給制御
次に、燃料電池システム４で実行される水素ガス供給について、隙間量６２を考慮した複数の制御例を説明する。いずれの制御例も、燃料電池システム４の稼働中に行われる。

７−１．第１の制御例
図１０は、本制御を実現するために、制御装置４６が有する機能ブロックを示すブロック図である。制御装置４６は、記憶部７０、算出部７１、決定部７２及び運転制御部７３を有する。記憶部７０は、タンク３０に対応する上記のマップＭ及びスキマ規定値などを記憶する。算出部７１は、検出されたタンク圧力及びタンク温度を記憶部７０のマップＭに参照することで、隙間量６２を算出する。決定部７２は、算出された隙間量６２に基づいて、燃料電池２８への水素ガスの供給量を制限するか否かを決定する。運転制御部７３は、決定部７２による決定結果に基づいて、調整装置３３を制御する。特に、決定部７２が供給量を制限することに決定した場合、運転制御部７３は、その決定した制限に係る供給量となるように、調整装置３３を制御する。

図１１は、本制御例を示すフローチャートである。
先ず、運転者などのユーザーによって、車両３がイグニッションオンされると（ステップＳ１）、燃料電池システム４が稼動し始める。これにより、タンク３０から燃料電池２８に水素ガスが供給され始める。水素ガスの供給中では、タンク圧力及びタンク温度が圧力センサ３６及び温度センサ３８によって読み込まれ、この読み込んだときの（すなわち現在の）隙間量６２が算出される（ステップＳ２）。詳細には、タンク圧力及びタンク温度の各情報が制御装置４６の例えばＲＡＭに一時的に記憶されるので、算出部７１が、その一時的に記憶された情報を記憶部７０のマップＭに参照することで現在の隙間量６２を算出する。

次のステップＳ３では、決定部７２が、算出した現在の隙間量６２に基づいて、隙間６０を埋めるのに必要なライナ５３の伸びεを算出し、算出した必要な伸びεがスキマ規定値内であるか否かを判断する。このとき、算出した必要な伸びεと比較するスキマ規定値としては、ステップＳ２の際に読み込んだ現在のタンク温度に対応するものが用いられる。

その結果、スキマ規定値内である場合には（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、燃料電池システム４の稼動停止後に水素ガス充填をしてもライナ５３に許容以上の負荷がかからないと判断して、通常の水素ガス供給を行う。この通常の水素ガス供給では、燃料電池２８の要求出力に対応した水素ガスの供給が行われる。具体的には、調整装置３３によって、燃料電池２８の要求出力に対応した供給圧力、供給流量及び供給量の水素ガスが燃料電池２８に供給される。

一方、スキマ規定値内でない場合には（ステップＳ３；Ｎｏ）、通常の水素ガス供給を行うと、ライナ５３に許容以上の負荷がかかると判断して、水素ガスの供給量を制限する（ステップＳ４）。この供給量の制限とは、通常の水素ガス供給に比べて、タンク３０から放出される水素ガスの供給量を制限することをいう。

水素ガスの供給量の制限は、調整装置３３の制御により、いくつかの方法で実行することができる。例えば、水素ガスの供給流量を通常の水素ガス供給におけるものよりも低減することで（例えば、供給流量を所定％ダウンとするなど。）、供給量を制限することができる。この方法は、調整装置３３がインジェクタ等の場合のみならず、遮断弁である場合にもその開閉を繰り返すことで可能である。また、別の方法では、供給流量の最大値を下げることで（例えば、最大流量を所定流量以下とするなど。）、供給量を制限することもできる。これらの方法によれば、タンク３０から燃料電池２８への水素ガスの供給を続行することができる。

また、他の方法では、水素ガスの供給を止め、供給量をゼロにすることで制限することも可能である。これは、調整装置３３が遮断弁である場合に、簡単に実行することができる。なお、この方法の場合には、タンク３０から燃料電池２８へは水素ガスは供給されない。もっとも、この方法を採用する場合であっても、燃料電池システム４が水素ガス循環系（公知であるので、図示省略。）を有する場合には、水素ポンプによって水素ガス循環系内の水素ガス又は水素オフガスを燃料電池２８に供給することは許容される。

その後、ユーザーによって、車両３がイグニッションオフされるまでは（ステップＳ５；Ｎｏ）、上記ステップＳ２〜Ｓ４が繰り返される。すなわち、随時、タンク圧力及びタンク温度が読み込まれて、そのときの隙間量６２が算出され（ステップＳ２）、スキマ規定値内であるか否かが判断される（ステップＳ３）。その結果、供給量を制限した状態が継続されるか（ステップＳ３；Ｎｏ、ステップＳ４）、あるいは供給量の制限が解除されて通常の水素ガス供給が行われる（ステップＳ３；Ｙｅｓ）。イグニッションオフとなると（ステップステップＳ５；Ｙｅｓ）、燃料電池システム４の稼動が終了し、タンク３０から燃料電池２８への水素ガスの供給も停止する（ステップＳ６）。

以上説明した本制御例の作用効果を説明する。
燃料電池システム４の稼働中のタンク３０内の隙間量６２を算出し、燃料電池システム４の稼働停止後の充填によってライナ５３に負荷がかかるか否かを判断し、そのような負荷がかかると判断されると、タンク３０からの供給量を制限している。この供給量を制限することで、タンク３０内の温度低下速度及び圧力低下速度を抑えることができる（参照：図４Ａ及びＢ）。これは、タンク３０から水素ガスが放出される場合であっても、タンク３０内の水素ガスの断熱膨張に伴う温度低下が、比較的ゆっくりとした速度で行われるからである。供給量を制限した結果、タンク３０が外気に暖められ易くなり、より低温且つより低圧の状態になることが抑制されるので、隙間量の拡大が抑制される。これにより、停止後の充填において、ライナ５３の膨張量が抑えられるので、ライナ５３に大きな負荷がかかることを抑制することができる。

なお、水素ガスの供給量の制限中に、車両３のＷＯＴ（Wide Open Throttle:スロットルバルブ全開）など、燃料電池２８に急速な出力要求があった場合、制御装置４６は、これを満たす運転をすることを禁止することが好ましい。こうすることで、供給量の制限状態を確実に維持することができ、ライナ５３の負荷を低減することができる。

７−２．第２の制御例
次に、図１２を参照して、第２の制御例について第１の制御例との相違点を中心に説明する。主な相違点は、現在の隙間量の算出のみならず（ステップＳ１１）、所定時間後の隙間量の予測値をも算出し（ステップＳ１４）、この予測値に基づいても供給量を制限するか否かを決定する点である（ステップＳ１５）。なお、本制御を実現するための制御装置４６のブロック図は、図１１に示したものと同じである。

図１２に示すように、ステップＳ１１では、現在のタンク圧力及びタンク温度から現在の隙間量６２が算出される。ステップＳ１２では、この算出された現在の隙間量６２に基づいて必要な伸びεを算出し、算出した必要な伸びεがスキマ規定値内であるか否かを判断する。そして、スキマ規定値内となるまで（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、水素ガスの供給量の制限（ステップＳ１３）と、その後の隙間量６２の算出（ステップＳ１１）及び比較（ステップＳ１２）が行われる。

一方、スキマ規定値内である場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、タンク圧力の勾配及びタンク温度の勾配に基づいて、ｘ時間（所定時間）後の隙間量６２の予測値が算出される（ステップＳ１４）。この算出も算出部７１によってなされる。

具体的には、図１３Ａ及びＢに示すように、水素ガスの供給によってタンク圧力及びタンク温度はともに低下するため、算出部７１は、先ず、単位時間当たりのタンク圧力の勾配（△Ｐ／△ｔ）及びタンク温度の勾配（△Ｔ／△ｔ）を求め、各勾配からｘ時間後のタンク圧力及びタンク温度を推定する。次いで、算出部７１は、これらの推定値を上記のマップＭに参照することで、ｘ時間後の隙間量６２の予測値を算出する。なお、別の実施態様では、算出部７１は、タンク圧力及びタンク温度の勾配以外の変化量に基づいて、隙間量６２の予測値を算出してもよい。また、ｘ時間は、任意の時間に設定することができ、例えば５分とすることができる。

次のステップＳ１５では、決定部７２が、隙間量６２の予測値に基づいて、隙間６０を埋めるのに必要なライナ５３の伸びεを算出し、算出した必要な伸びεがスキマ規定値内であるか否かを判断する。このとき、算出した必要な伸びεと比較するスキマ規定値としては、ステップＳ１４の際に推定したｘ時間後のタンク温度に対応するものが用いられる。

その結果、スキマ規定値内であれば（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、通常の水素ガス供給を行ってイグニッションオフを待つ（ステップＳ１７）。一方で、スキマ規定値内でなければ（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、水素ガスの供給量の制限（ステップＳ１６）がなされて、イグニッションオフを待つ（ステップＳ１７）。そして、イグニッションオフがされるまでは（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、上記ステップＳ１１〜１６が繰り返される。したがって、当初、供給量を制限しなかったとしても（ステップＳ１２；Ｙｅｓ、ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、隙間量６２に対する必要な伸びεがスキマ規定値を超えた場合には、その後において、積極的に供給量が制限されることになる。

ここで、ステップＳ１３及びＳ１６における供給量の制限は、上記した第１の制御例（ステップＳ４）と同様の方法で行うことができる。ステップＳ１３及びＳ１６では、同じ供給量の制限量とすることもできるが、異ならせることが好ましい。具体的には、ステップＳ１３における制限量は、ステップＳ１６における制限量よりも大きくするとよい。一例を挙げると、ステップＳ１３では、ステップＳ１６よりも供給流量を小さくするとよい。

一方で、ステップＳ１３における制限量は、第１の制御例のステップＳ４における制限量よりも小さいものに設定することができる。つまり、現在の隙間量６２に基づいて供給量を制限する場合、第２の制御例のステップＳ１３の方が、第１の制御例のステップＳ４よりも供給量を大きくすることができる。これは、第２の制御例では、ステップＳ１６でも、供給量の制限を行い得るからである。

以上説明した本制御例によれば、第１の制御例と同様の作用効果を奏することに加え、第１の制御例に比べて、供給量を徐々に制限することが可能となる。これにより、水素ガスの消費を多く伴う車両３の加速時において、その消費のための水素ガス量をある程度確保することができる。このため、車両３を運転中のユーザーが、車両３が急に加速しなくなるといった感覚を軽減することができる。

７−３．第３の制御例
次に、図１４〜図１７を参照して、第３の制御例について説明する。第３の制御例は、燃料電池システム４の稼働中に算出した隙間量６２に基づいて、いわゆるガス欠の判定の基準を変えるものである。

図１４は、本制御を実現するために、制御装置４６が有する機能ブロックを示すブロック図である。制御装置４６は、上述した記憶部７０、算出部７１、決定部７２及び運転制御部７３に加えて、ガス欠の判定を行う判定部７５を有する。

図１５Ａ及びＢは、それぞれ比較例及び本制御例に係るガス欠判定の方法を示す。いずれの方法も、タンク圧力を基準値と比較することでガス欠判定を行う。
ここで、ガス欠判定における基準値として、タンク３０内の燃料ガスの不足及びその可能性の境界を示す二つのガス欠ラインＬ_１及びＬ₂が用いられる。具体的には、ガス欠ラインＬ_１は、タンク３０内の水素ガスの残量が完全になくなるか否かの境界を示すタンク圧力のラインである。タンク圧力がガス欠ラインＬ_１よりも低圧側になると、タンク３０の水素ガスの残量が完全になくなり、車両３を停止させることになる。一方、ガス欠ラインＬ_２は、車両３の航続可能距離が０ｋｍであることを表示するか否かの境界を示すタンク圧力のラインである。タンク圧力がガス欠ラインＬ_２よりも低圧側になると、航続可能距離が０ｋｍであることが表示され、運転者などのユーザーは水素ガスを充填するよう促される。このような表示は、例えばガス欠ランプ等に代表される表示装置４２によってなされる。なお、タンク圧力がガス欠ラインＬ_１とガス欠ラインＬ_２との間にある場合には、タンク３０内には少量の水素ガスが残っており、車両３は航続可能である。

図１５Ａに示す比較例では、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、それぞれ、タンク圧力ｘ、ｙを通る鉛直の直線である。すなわち、タンク温度の大きさに関わらず、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は一定である。これに対し、図１５Ｂに示す本制御例では、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、それぞれ、タンク温度Ｔｂ以上では、図１５Ａに示す比較例のものと同じである。しかし、タンク温度Ｔｂ以下では、図１５Ｂに示す本制御例のガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、タンク温度が低下するほど高圧となるように傾いている。すなわち、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、タンク温度Ｔｂ以下の条件下では、タンク温度Ｔｂ以上の条件下に比べて高圧側に変更される。なお、タンク温度Ｔｂは、少なくとも０℃未満であり、その一例を挙げると−３０℃である。

図１６Ａ及びＢは、ガス欠判定の別の方法を示すものであり、それぞれ比較例及び本制御例に係るものである。この方法では、タンク３０内の水素ガス量を基準値と比較することでガス欠判定を行う。
ここで、タンク３０内の水素ガス量ｎは、気体の状態方程式より算出することができ、以下の式（３）で表すことができる。
ｎ＝ＰＶ／ｚＲＴ ・・・（３）

各パラメータの意味は以下のとおりである。
Ｐ：タンク圧力
Ｖ：タンク３０の体積
ｚ：圧縮係数
Ｒ：気体定数
Ｔ：タンク温度
したがって、水素ガス量ｎは、タンク圧力及びタンク温度等から算出することができる。

図１６Ａ及びＢに示す二つのガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、水素ガス量ｎのラインであり、それぞれ、上記同様に、タンク３０内の水素ガスの残量が完全になくなるか否かの境界と、車両３の航続可能距離が０ｋｍであることを表示するか否かの境界とを示す。図１６Ａに示す比較例では、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、それぞれ、タンク圧力ｘ、ｙを通る傾いた直線である。これに対し、図１６Ｂに示す本制御例では、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、それぞれ、タンク温度Ｔｂ以上では、図１６Ａに示す比較例のものと同じであるが、タンク温度Ｔｂ以下では、タンク温度が低下するほど高圧となるように傾いている。すなわち、ガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂は、タンク温度Ｔｂ以下の条件下では、タンク温度Ｔｂ以上の条件下に比べて水素ガス量の多量側に変更される。

なお、タンク３０内の水素ガスに関する状態量として、タンク圧力及びタンク３０内の水素ガス量以外のものを基準にガス欠の判定をすることも可能である。また、ガス欠ラインＬ_２は、車両３の航続可能距離が０ｋｍ以外の所定距離（例えば１０ｋｍなど）であることを表示するか否かの境界を示すものであってもよい。

図１７は、第３の制御例を示すフローチャートである。
先ず、燃料電池システム４の稼動開始のトリガーとして、車両３がイグニッションオンされる（ステップＳ２１）。すると、航続可能距離が０ｋｍであることが表示装置４２に表示されているか否かが判断された後（ステップＳ２２）、タンク圧力及びタンク温度から現在の隙間量６２が算出される（ステップＳ２３，Ｓ２４）。航続可能距離が０ｋｍであることが表示されていない場合には（ステップＳ２２；Ｎｏ）、現在の隙間量６２の算出後（ステップＳ２４）、ガス欠ライン決定の処理（ステップＳ２７）へと進む。

航続可能距離が０ｋｍであることが表示されている場合（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、算出した現在の隙間量６２がゼロを超えていれば（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、ガス欠ライン決定の処理（ステップＳ２７）へと進む一方、算出した現在の隙間量６２がゼロであれば（ステップＳ２５；Ｎｏ）、隙間６０が埋まったことで水素ガスがタンク３０に充填されたと判断し、上記表示を解除してから（ステップＳ２６）、ガス欠ライン決定の処理（ステップＳ２７）へと進む。

ガス欠ライン決定の処理（ステップＳ２７）では、判定部７５が、算出された隙間量６２に基づいて、ガス欠の判定に使用するガス欠ラインを決定する。具体的には、算出された隙間量６２から上記の必要な伸びεを算出し、その算出した必要な伸びεがスキマ規定値内であれば、図１５Ａ又は図１６Ａに示すガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂を用いることに決定する。一方、そうでなければ（スキマ規定値内でなければ）、図１５Ｂ又は図１６Ｂに示すガス欠ラインＬ_１，Ｌ₂を用いることに決定する。

その後、燃料電池システム４の稼働中に随時検出されるタンク圧力又は随時算出されるタンク３０内の水素ガス量ｎが、決定されたガス欠ラインＬ₂以上であるか否かが随時監視される（ステップＳ２８）。決定されたガス欠ラインＬ₂未満であれば（ステップＳ２８；Ｎｏ）、表示装置４２が航続可能距離０ｋｍである旨を表示する（ステップＳ２９）。なお、既にこの表示がされている場合には、ステップＳ２９は省略される。その後は、同様に随時取得されるタンク圧力又は水素ガス量ｎが、決定されたガス欠ラインＬ_１以上であるか否かが随時監視される（ステップＳ３０）。決定されたガス欠ラインＬ_１未満であれば（ステップＳ３０；Ｎｏ）、車両３は停止する（ステップＳ３１）。一方、決定されたガス欠ラインＬ_１以上であれば（ステップＳ３０；Ｙｅｓ）、車両３がイグニッションオフされるまでは（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、上記ステップＳ２２に戻って上記同様の処理がなされる。

以上説明した本制御例の作用効果を説明する。
燃料電池システム４の稼働中において、現在の隙間量６２から算出した必要な伸びεがスキマ規定値内でない場合、ガス欠の判定の基準（ガス欠ラインＬ_１、Ｌ₂）として図１５Ｂ又は図１６Ｂに示すのを用いている。これにより、氷点下であるタンク温度Ｔｂ以下では、必要な伸びεがスキマ規定値内である場合（図１５Ａ又は図１６Ａに示すガス欠ラインＬ_１、Ｌ₂）に比べて、タンク圧力が高いところでもガス欠である旨を判定する。

すなわち、ガス欠判定の基準値が変更される結果、タンク温度Ｔｂ以下の条件下においてスキマ規定値内でない場合、ガス欠の旨が早く判定されるようになる。この判定を受けて、ガス欠である旨が表示されるので、運転者などのユーザーに水素消費量が少ない運転を意識させるきっかけとなり得る。その結果、燃料電池２８での水素消費量が減れば、タンク３０から燃料電池２８への水素ガスの供給量が減るので、隙間量６２の拡大が抑制される。これにより、燃料電池システム４の停止後の充填において、ライナ５３への負荷を低減することができる。

なお、ガス欠ラインＬ_１、Ｌ₂の一方を省略することも可能である。また、第３の制御例を上記した第１の制御例又は第２の制御例と組み合わせてもよい。この場合、例えばガス欠ラインの決定の際（ステップＳ２７）、決定部７２によって供給量を制限することが決定されると、運転制御部７３によって供給量の制限がなされる。

本発明の燃料電池システム、その燃料ガス供給方法及び車両は、水素ガスのみならず、天然ガスなど他の燃料ガスにも適用することができる。また、車両に限らず、航空機、船舶、ロボットなど、外部からの燃料ガスの充填先としてタンクを搭載した移動体に適用することができる。

上記した実施形態においては、燃料電池システム４の稼働中に隙間量６２をマップＭとして読んで制御を行うこととしたが、タンク圧力及びタンク温度に関する情報を取得するだけで上記の制御を行うように設計することも可能である。

２：ガスステーション、３：車両、２８：燃料電池、３０：タンク、３６：圧力センサ、３８：温度センサ、５３：ライナ、５５：補強層、７１：算出部、７２：決定部、７３：運転制御部、７５：判定部

Claims (13)

1. 燃料電池と、
   ライナ及びその外周面に形成された補強層を有し、燃料ガスを貯留するためのタンクと、
   前記タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給量を調整する調整装置と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記タンク内の圧力及び温度に関する情報を取得する情報取得部と、
   前記情報取得部が当該燃料電池システムの稼働中に取得した情報に基づいて、前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出する算出部と、
   前記算出した隙間量に基づいて、前記供給量を制限するか否かを決定する決定部と、を備えた、燃料電池システム。
2. 前記算出部は、当該燃料電池システムの稼働中におけるタンク内の温度変化量及び圧力変化量に基づいて、前記隙間量について所定時間後の予測値をも算出するものであり、
   前記決定部は、前記予測値に基づいても、前記供給量を制限するか否かを決定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記タンク内の燃料ガスに関する状態量を所定の基準値と比較することで、当該タンク内の燃料ガスの不足及びその可能性の少なくとも一つを判定する判定部と、
   前記判定部が燃料ガスの不足及びその可能性の少なくとも一つであることを判定した場合、その旨を表示する表示部と、を備え、
   前記判定部は、前記算出した隙間量に基づいて、前記所定の基準値を変更する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記状態量は、前記タンク内の圧力であり、
   前記所定の基準値は、圧力に関するものである、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記判定部は、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びが所定の閾値を越える場合には、そうではない場合に比べて、前記タンク内が少なくとも０℃未満の温度条件下では前記所定の基準値を高圧側に変更する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記状態量は、前記タンク内の燃料ガス量であり、
   前記所定の基準値は、燃料ガス量に関するものであり、請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記判定部は、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びが所定の閾値を越える場合には、そうではない場合に比べて、前記タンク内が少なくとも０℃未満の温度条件下では前記所定の基準値を多量側に変更する、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記判定部は、前記情報取得部が当該燃料電池システムの稼働中に取得したタンク内の圧力及び温度に関する情報に基づいて、前記所定の基準値と比較する前記燃料ガス量を算出する、請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
9. 前記決定部は、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びを算出すると共に、その算出した伸びが所定の閾値を越える場合には、そうではない場合よりも、前記供給量を制限することに決定する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記所定の閾値は、前記ライナの破断伸びであり、前記タンク内の温度に応じて異なる、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記決定部が前記供給量を制限することに決定した場合、前記調整装置は、前記供給量をゼロにすること、前記燃料電池への燃料ガスの供給流量の最大値を下げること、及び、前記供給流量を低減することのいずれかを実行することにより、前記供給量を制限する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体であって、
    前記タンクが、当該移動体の外部にあるガスステーションから燃料ガスを充填可能に構成されている、移動体。
13. 燃料電池システムの燃料ガス供給方法であって、当該燃料電池システムが、ライナ及びその外周面に形成された補強層を有するタンクと、当該タンクからの燃料ガスの供給先として燃料電池と、を有するものにおいて、
    前記燃料電池システムの稼働中に取得されたタンク内の圧力及び温度に関する情報に基づいて、前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出するステップと、
    前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びが所定の閾値を超えるか否かを判定するステップと、
    前記所定の閾値を越えると判定された場合には、そうではない場合に比べて、前記タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給量を制限するステップと、を備えた、燃料電池システムの燃料ガス供給方法。

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