JP2006200564A - 液体燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料と気体燃料とが存在するシステムで正確に燃料残量を把握し警告することが可能な液体水素消費装置を提供する。
【解決手段】 液体燃料が外部から供給される液体燃料消費装置であり、液体燃料の残量Ｑ４と当該液体燃料から気化した気体燃料の残量Ｑ６との合計値に基づいて総燃料残量を演算可能に構成さている。液体燃料が供給されるが気体燃料を利用可能なシステムでは、液体燃料か気体燃料かのいずれか一方では正確な燃料残量が把握できないが、当該構成によれば、液体燃料の残量と気体燃料の残量との合計値に基づいて総燃料残量Ｑ６＋Ｑ７を演算するので、利用可能な燃料の総量を正確に把握でき、それに基づく告知も正しく行える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、気体燃料であるボイルオフガスを利用する液体燃料消費装置に関する。

液体水素を貯蔵する液体燃料貯蔵装置では、液体水素の凝固点が極めて低いことから、大型の冷却装置を用いて極低温に冷却しない限り、どのような断熱処理をしても液体燃料が気化したボイルオフガス（気体燃料）が発生する。特に、重量制限のある自動車に液体水素を貯蔵する場合、十分な冷却手段を設けることは実質上不可能であるため、ボイルオフガスが発生することを前提としてシステムを構成する必要がある。

従来、このような液体水素から発生するボイルオフガスを気体燃料として積極利用するものとして、例えば特開２００３−５６７９９号公報に記載されているように、液体燃料タンクから発生するボイルオフガスを昇圧器で昇圧し、昇圧されたボイルオフガスを、燃料電池に接続された高圧水素タンクに貯蔵するよう構成されたボイルオフガス処理装置があった（特許文献１）。

その他、液体燃料不足時の警告を発する技術として、特開２０００−２９２１９５号公報に記載されているように、現在地点から最寄りの液体燃料充填設備である水素スタンドまでの距離に基づいて燃料補給の必要時には警告を発するものがあった（特許文献２）。また特開２００１−２９５９９６号公報に記載されたように、最後の水素貯蔵タンクから水素の供給を終了するときに警告灯を点灯するよう構成したものもあった（特許文献３）。さらに液体燃料を充填するための液体燃料充填設備との接続確認をする技術としては、特開２００３−１０４４９８号公報に記載されているように、燃料コネクタの接続の状態信号に基づいて異常が判定された場合に液体燃料供給の遮断弁を閉じるように制御するものがあった（特許文献４）。
特開２００３−５６７９９号公報 特開２０００−２９２１９５号公報 特開２００１−２９５９９６号公報、 特開２００２−１０６７９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような液体燃料貯蔵装置では、液体燃料とボイルオフガスとが混在するため、正しく燃料の残量を把握してユーザに告知するかに課題があった。

例えば、特許文献２や特許文献３に記載の装置では気体の水素ガスの残量に基づいて警告を発していたため、特許文献１に記載のような液体燃料を供給しボイルオフガスを利用するようなシステムでは正確な警告を行えない可能性があった。

そこで、本発明は、液体燃料と気体燃料とが存在するシステムで正確に燃料残量を把握し警告することが可能な液体水素消費装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、液体燃料が外部から供給される液体燃料消費装置であって、液体燃料の残量と当該液体燃料から気化した気体燃料の残量との合計値に基づいて総燃料残量を演算可能に構成されたことを特徴とする液体燃料消費装置である。

液体燃料が供給されるが気体燃料を利用可能なシステムでは、液体燃料か気体燃料かのいずれか一方では正確な燃料残量が把握できないが、上記構成によれば、液体燃料の残量と気体燃料の残量との合計値に基づいて総燃料残量を演算するので、利用可能な燃料の総量を正確に把握でき、それに基づく告知も正しく行える。

ここで「液体燃料」は液体水素その他ボイルオフガスが発生し気体燃料として利用可能なものであるが、液体水素に不純物（添加物）が混合している場合も含む。

また「気体燃料」は、液体燃料から気化したものの他、当初から気体として供給されたものを含んでいてもよい。そのような場合、液体燃料と気体燃料とは異なる種類の燃料であってもよい。

ここで、具体的なシステムとしては、液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクと、気体燃料を貯蔵する気体燃料タンクと、を備えることが考えられる。この場合、液体燃料タンクには、液体燃料の他に気体燃料の一部が含まれている。液体燃料タンクに液体燃料が貯蔵される場合にはそこから気化した気体燃料も存在しうるからである。もちろん液体燃料タンクの数にも気体燃料タンクの数にも制限がなくいずれかまたは双方が複数存在する場合を含む。また液体燃料タンクのみを備え、液体燃料タンク中の液体燃料から必然的に発生するボイルオフガスを利用するよう構成されたシステムも含まれる。

ここで、演算された総燃料残量に基づいて、当該総燃料残量に対応した告知をすることが考えられる。この告知には、総燃料残量が十分ある場合の告知と総燃料残量が少ない場合の告知とが含まれる。

後者の場合には、総燃料残量が所定の基準値以下である場合に告知をすることが考えられる。基準値よりも少ないことは燃料不足、いわゆるガス欠状態が近いことを示しているからである。ここで、この基準値を、液体燃料を供給する液体燃料供給所までの距離に基づいて変更するよう構成してもよい。液体燃料の補給できるまでに走行しなければならない距離が多いほど、早めに燃料補給の必要性を警告する必要があるからである。

このようなシステムでは、例えば、液体燃料消費装置の位置を測位する位置測位装置を備え、測位された当該液体燃料消費装置の位置情報と液体燃料供給所の位置情報とに基づいて、液体燃料供給所までの距離を演算することが考えられる。上記構成によれば、両地点の位置情報から両地点間の距離が割り出せるからである。この距離は直線距離に基づいてもよいし、位置測位装置等が提供する経路情報から得られる走行予想距離に基づいてもよい。

本発明は、液体燃料が外部から供給される液体燃料消費装置であって、当該液体燃料から気化した気体燃料の残量に基づいて当該液体燃料の充填量を制限可能に構成されている。液体燃料の充填量のみに基づくと過剰に液体燃料が供給され気化した気体燃料の量が多くなり過ぎる可能性があるが、上記構成によれば、気体燃料も利用する燃料と見なして気体燃料の残量に応じて液体燃料の充填量を減らすので、適正な量の燃料を充填可能である。

ここで、液体燃料消費装置の移動速度または液体燃料充填機との通信状態の少なくとも一方に基づいて液体燃料の充填を許可することは好ましい。液体燃料を充填する場合には、当該液体燃料消費装置を搭載する移動体がほぼ停止したり、充填機との情報交換が可能なように通信が確立したりしていなければならない。この点、当該構成によれば、このような条件が満たされた場合に液体燃料の充填が許可されることになる。ここで、「充填の許可」とは、例えば液体燃料の充填口からの配管に設けられた遮断弁を開放するような場合である。

また、液体燃料の残量または液体燃料充填機との通信状態の少なくとも一方に基づいて液体燃料の充填を禁止することは好ましい。液体燃料が十分に貯蔵された場合や充填機との情報交換ができなくなった場合には、それ以上液体燃料を充填し続けることは好ましくない。この点、当該構成によれば、このような状態になった場合には、液体燃料の充填が禁止される。ここで、「充填の禁止」とは、例えば液体燃料の充填口からの配管に設けられた遮断弁を閉鎖するような場合である。

本発明によれば、液体燃料の残量と当該液体燃料から気化した気体燃料の残量との合計値に基づいて総燃料残量を演算するので、利用可能な燃料の総量を正確に把握でき、それに基づく告知も正しく行える。

本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。

図１に、本発明の液体燃料消費装置に相当する燃料電池システムのシステムブロック図を示す。当該燃料電池システムは、移動体である自動車に搭載されたもので、液体燃料として液体水素、気体燃料として液体水素から発生するボイルオフガス（水素ガス）を利用可能に構成されたものである。当該燃料電池システムは、液体水素の残量とボイルオフガスの残量との合計値に基づいて残量把握可能に構成されている。

図１に示すように、本燃料電池システムは、燃料電池スタック１００に、気体燃料であるボイルオフガスを供給する水素ガス供給系１、酸化ガスである空気を供給する空気供給系２、燃料電池スタック１００を冷却する冷却系３、燃料電池スタック１００で発電された電力を充放電する電力系４、システム全体を制御する電源制御部５、及び自動車の位置を計測してドライバの走行補助をするナビゲーション装置６を備えている。

水素ガス供給系１は、液体水素を貯蔵する液体燃料タンク１０、及び液体水素から発生するボイルオフガスを貯蔵する気体燃料タンク１１〜１３を中心として構成されている。液体燃料タンク１０は、真空二重構造を備えており、沸点が極めて低い（およそ２０Ｋ）液体水素を貯蔵可能であり、ボイルオフガスをある程度の高圧まで貯蔵することが可能な耐圧構造を備えている。液体燃料タンク１０及び気体燃料タンク１１〜１３の各々には、内圧がかなり高くなった場合に内圧を下げるためのリリーフ弁が設けられている。また、液体燃料タンク１０には、液体燃料が液相で残留している量を調べるためのレベルゲージＬＧが電源制御部５から読み取り可能に設けられており、液体燃料の液面位置を計測することで液体燃料が液体として存在している量を電源制御部５に把握させることが可能になっている。気体燃料タンク１１〜１３はいずれも類似の構造を備えており、液体燃料タンク１０からのボイルオフガスをある程度の高圧まで貯蔵可能に構成されている。

これらタンク間を連通する配管・弁構造を説明する。液体燃料充填口ＦＩから液体燃料タンク１０までは液体燃料配管１６が敷設され、液体燃料タンク１０から気体燃料タンク１１〜１３の入口側までは充填配管１７が互いに連通している。また気体燃料タンク１１〜１３の出口側は各タンクからのボイルオフガスを共通して供給するための供給配管１８が互いに連通し、主配管１９に接続されている。

液体燃料配管１６は、液体燃料充填口ＦＩから液体燃料タンク１０への液体燃料供給通路であり、液体燃料充填時に利用されるものである。液体燃料配管１６には、液体燃料充填口ＦＩ側から順に逆止弁ＲＶ１、ＲＶ２、手動弁Ｈ１、遮断弁Ｌ１が設けられている。液体燃料充填口ＦＩは、液体燃料スタンドなどで液体水素充填機の供給ノズルを接続可能な構造を備え、液体水素充填機と当該燃料電池システムの電源制御部５と間で通信可能なように、図示しないコネクタも設けられている。逆止弁ＲＶ１及びＲＶ２は直列接続された二重構造になっており、万一いずれかの弁においてシール不良等の弁不全が生じたとしても液体水素が逆流することを防止することが可能になっている。圧力センサｐ１及びｐ２は、逆止弁ＲＶ１及びＲＶ２で区画される液体燃料配管１６の各区間の圧力を計測するために設けられている。手動弁Ｈ１は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁されている。遮断弁Ｌ１は電源制御部５によって開閉制御が可能な電磁弁となっており、液体燃料供給時には開弁するよう制御されるものである。液体燃料タンク１０の入口側にはタンク内圧、すなわち液体水素が気化して発生したボイルオフガスの圧力を計測するための圧力センサｐ３、及びボイルオフガスの内部温度を計測するための温度センサｔ１が設けられている。

充填配管１７は、液体燃料タンク１０と各気体燃料タンク１１〜１３とを連通させるものであり、液体燃料タンク１０の出口近傍に手動弁Ｈ２が設けられている。また各気体燃料タンク１１〜１３に分岐した後の気体燃料タンク入口側には、各気体燃料タンクに対応させた逆止弁Ｗ１〜Ｗ３、手動弁Ｈ３〜Ｈ５がそれぞれ設けられている。逆止弁Ｗ１〜Ｗ３は、本実施形態では電源制御部５の制御に基づいて開閉するよう構成されているが、機械構造的に所定の開弁圧力となるよう設定され、その開弁圧力に達すると自動的に開弁するように構成する方がより好ましい。このように所定の開弁圧力で自動的に開弁するよう構成しておけば、逆止弁が壊れない限りにおいて、制御工程が不要であり、構造を簡単にできるからである。手動弁Ｈ３〜Ｈ５は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。各気体燃料タンク１１〜１３の入口にはタンク内のボイルオフガス圧力を計測するための圧力センサｐ４〜ｐ６、及び各タンクの内部温度を計測するための温度センサｔ２〜ｔ４が設けられている。

供給配管１８は、各気体燃料タンク１１〜１３を連通させ主配管１９に接続するためのものである。供給配管１８のうち各気体燃料タンク１１〜１３に対応した枝管部分には、調整弁Ｒ１〜Ｒ３、手動弁Ｈ６〜Ｈ８、遮断弁Ｇ１〜Ｇ３がそれぞれ対応づけられて設けられている。調整弁Ｒ１〜Ｒ３は、各気体燃料タンク１１〜１３から供給配管１８への供給圧力をそれぞれ規定するもので、所定の差圧でボイルオフガスを出力するように調整されている。手動弁Ｈ６〜Ｈ８は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。

液体燃料配管１６と供給配管１８とは、遮断弁Ｌ２を介してバイパス可能になっている。これは液体燃料配管１６内に残留しているボイルオフガスを速やかに遮断弁Ｌ２経由で供給配管１８に供給し燃料電池スタック１００で消費させるためである。

主配管１９以降の構成について説明する。主配管１９の上流側から順に、調圧弁Ｒ４，Ｒ５、遮断弁Ｌ３、燃料電池スタック１００内の流路を経て、気液分離器１４及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１５、並びにパージ遮断弁Ｌ５が設けられ、水素ガスの循環経路を構成している。

調圧弁Ｒ４及びＲ５は、供給配管１８からのボイルオフガスを調圧して出力するように構成されている。シール不良に対応するため調圧弁Ｒ４及びＲ５は二重化されたものである。調圧弁Ｒ４やＲ５のいずれも、配管内が所定以上の圧力になった場合に減圧するためのリリーフ弁が設けられている。遮断弁Ｌ３は、発電の開始・停止に応じて開閉し、主配管１９上でボイルオフガスの供給の有無を制御可能に構成される。圧力センサｐ１０は、主配管１９上流における供給配管１８内の圧力を計測可能に設けられ、圧力センサｐ１１は、燃料電池スタック１００の内圧を計測可能に設けられている。

燃料電池スタック１００は、単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備える。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）といわれる発電体を、燃料ガス（水素ガス、ボイルオフガス）、酸化ガス（空気）、冷却液の流路が設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池スタック１００のアノードに供給されたボイルオフガスは、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの燃料ガス流路を流れて、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１００から排出されたボイルオフガス（水素オフガス）は、気液分離器１４に供給される。気液分離器１４は、通常運転時において燃料電池スタック１００の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁Ｌ４を通じて外部に放出するように構成されている。水素ポンプ１５は、水素オフガスを強制循環させて主配管１９に戻すことにより、循環経路を構成している。パージ遮断弁Ｌ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び配管内ガス漏れ判定時には遮断されている。パージ遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは希釈器２５を含む排気系で処理される。

空気供給系２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３、気液分離器２４、希釈器２５、及び消音器２６を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を電源制御部５の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。燃料電池スタック１００のカソードに供給された空気は、ボイルオフガスと同じくマニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じる。燃料電池スタック１００から排出された空気（空気オフガス）加湿器２３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック１００に供給された空気は、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１００から排出された空気オフガスは、気液分離器２４において過剰な水分が除去される。希釈器２５は、パージ遮断弁Ｌ５から供給された水素オフガスを空気オフガスで混合・希釈し、酸化反応が生じ得ない濃度にまで均一化するよう構成されている。消音器２６は、混合された排気ガスの騒音レベルを低減させて排出可能に構成されている。

冷却系３は、ラジエタ３１、ファン３２、冷却ポンプ３３、冷却装置３４、及びロータリーバルブＣ１〜Ｃ４を備えている。ラジエタ３１は、多数の配管を備え、分流された冷却液がファン３２の送風により強制空冷されるようになっている。冷却ポンプ３３は、冷却液を燃料電池スタック１００内部に循環供給されるようになっている。燃料電池スタック１００内に入った冷却液は、マニホールド経由で各単セルに供給されセパレータの冷却液流路を流れ、発電によって生じる熱を奪うようになっている。冷却装置３４はコンデンサ等を備えており、空冷を上回る冷却性能を備え、冷却液の温度を低下させることが可能になっている。

当該冷却系３は、冷却経路３５〜３７のいずれかをロータリーバルブＣ１またはＣ２を切り替えることで選択可能になっている。冷却経路３５は、ラジエタ３１による空冷無しで冷却液を冷却ポンプ３３に供給する経路であり、冷却経路３６は、ラジエタ３１による強制空冷をする経路である。冷却経路３７は、本発明の気体燃料タンク１１〜１３を冷却するための循環経路である。ロータリーバルブＣ１は、気体燃料タンク１１〜１３のための冷却経路３７か、冷却経路３５・３６かを切り替えるものであり、ロータリーバルブＣ２は、気体燃料タンク１１〜１３から循環してきた冷却液を、空冷無しの冷却経路３５を通すか、空冷させる冷却経路３６を通すかを切り替えるものである。冷却経路３７には、ロータリーバルブＣ３及びＣ４が設けられている。ロータリーバルブＣ３は気体燃料タンク１１に冷却液を供給するか否かの選択を、ロータリーバルブＣ４は気体燃料タンク１２に冷却液を供給するか否かの選択をするように構成されている。冷却経路３７は、各気体燃料タンク１１〜１３においてボイルオフガスの入出力口付近（逆止弁Ｗ１〜３や調圧弁Ｒ１〜３付近）を冷却可能に配管されており、ボイルオフガスの温度を制御して圧力を低減させることが可能になっている。

特にロータリーバルブＣ１とＣ２は、起動時に冷却経路３５に冷却液が循環するように制御される。起動時にラジエタ３１や気体燃料タンク１１〜１３に冷却液が流れないようにすることで、温度差が大きい冷却液が供給されて生ずる熱衝撃によって破壊を抑制するためである。

電力系４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、バッテリ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４，高圧補機４５等を備えている。燃料電池スタック１００は単セルが直列接続されて構成されるもので、そのアノードＡとカソードＣとの間に所定の高圧電圧（例えば約５００Ｖ）が発生する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は燃料電池スタック１００の出力電圧と異なる端子電圧を有するバッテリ）４１との間で双方向の電圧変換を行い、燃料電池スタック１００の補助電源としてバッテリ４１の電力を利用したり、または、燃料電池スタック１００からの余剰電力をバッテリ４１に充電したりすることが可能になっている。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は電源制御部５の制御に対応した端子間電圧を設定可能である。バッテリ４１は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２２、水素ポンプ１５、ファン３２、冷却ポンプ３３等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。

電源制御部５は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。電源制御部５は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系１、空気供給系２、冷却系３、電力系４を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムを本発明の液体燃料供給システムとして動作させることが可能になっている。また、電源制御部５は、ナビゲーション装置６と通信可能に構成されており、ナビゲーション装置６にコマンドを送信することで当該自動車の現在の位置情報を取得したり、最寄りの液体水素供給所（スタンド）の位置情報を取得したりができるようになっている。

上記構成において、液体燃料タンク１０に液体水素が充填されていた場合、外部の熱によって液体水素が気化してボイルオフガスが生じ、液体水素の液相上に充満する。このとき液体燃料タンク１０は充填配管１７によって気体燃料タンク１１〜１３に連通しているので、液体燃料タンク１０内のボイルオフガスの圧力が逆止弁Ｗ１〜Ｗ３の各々に設定された開弁圧力に達すると、電源制御部５の制御により順に逆止弁が開弁され、気体燃料タンク１１から気体燃料タンク１２，気体燃料タンク１３への順に充填されていく。このシステムの燃料残量は、これら液体燃料タンク１０の液体水素残量と気体燃料タンク１１〜１３のボイルオフガス残量とによって把握できる。この残量把握処理は具体的には図３のフローチャートで後述する。

図２に、ナビゲーション装置のブロック図を示す。図２に示すように、ナビゲーション装置６は、位置情報制御部６０、角速度センサ６１、加速度センサ６２、車輪速センサ６３、ＤＰＳ受信部６４、表示制御部６５、ディスプレイ６６、ディスクドライブ６７、入出力装置６８等を備えて構成される。

位置情報制御部６０は、ナビゲーション装置の中心的な制御部で、入出力装置、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えて構成されている。角速度センサ６１は、自動車の角速度を検知可能になっている。加速度センサ６２は、当該自動車の加速度を検出可能になっている。車輪速センサ６３は、当該自動車の車輪回転数を求めるもので、位置情報制御部６０の積分処理によって走行距離を演算することが可能になっている。ＧＰＳ受信部６４は、特定のＧＰＳ規格に準拠したＧＰＳ衛星からの電波を受信し復号可能になっており、複数のＧＰＳ衛星からの電波を復号可能になっている。表示制御部６５は、ディスプレイ６６の画像表示を制御するものであり、ディスプレイ６６に位置情報制御部６０からの画像情報に基づく画像を表示させることが可能になっている。ディスクドライブ６７は、地図情報を格納したＤＶＤ−ＲＯＭやＣＤ−ＲＯＭを着脱自在に収納し情報の読み取りが可能になっている。入出力装置６８は、所定の規格により電源表示部５とコマンドや情報の通信が可能になっている。ディスクドライブ６７に供給されるＤＶＤ―ＲＯＭやＣＤ−ＲＯＭには、地図情報の一部として、液体水素を充填可能な充填機が設けられている液体燃料供給所（スタンド）の位置情報が含まれているものとする。

上記構成によって、位置情報制御部６０は、ＧＰＳ受信部６４からのＧＰＳ衛星から把握される現在位置情報を角速度センサ６１から把握される角速度、加速度センサ６２から把握される加速度、車輪速センサ６３から演算される走行距離に基づいて補正して現在位置を測位する。そして現在位置に対応する地図情報や経路情報マージデータまたは差分更新データをディスクドライブ６７から読み込み、ＲＡＭ等のメモリに格納する。そしてメモリ上の地図情報から得られる地図画像に現在位置情報を示すマーカ画像を合成し、表示制御部６５において読み出し可能に画像メモリに更新可能に格納する。

ここで位置情報制御部６０は、電源制御部５から、現在位置を求める所定のコマンドを受信すると、現在位置情報を送信し、また、最寄りの液体燃料供給所の位置情報を送信可能になっている。

図３乃至図５のフローチャートを参照しながら本実施形態における液体燃料消費方法を説明する。これらのフローチャートは、自動車の走行中か液体燃料充填中かに限らず、定期的に実施される。ステップＳ１〜Ｓ１３のメインモジュールが、本発明に関する液体燃料充填の許可・禁止処理に関する。またステップＳ２０〜Ｓ２９のサブモジュールが、本発明に関する総燃料残量演算及びそれに基づく警告処理に関する。ステップＳ３０〜３９のサブモジュールが、気体燃料であるボイルオフガス量に応じて気体燃料タンクの容量（数量）を変更する容量変更処理に関する。これら処理の前提条件として、液体燃料配管１６の遮断弁Ｌ１は閉鎖されているものとする。

メインモジュールでは、ステップＳ１〜Ｓ１１が、液体燃料充填中の処理となり、ステップＳ１２及びＳ１３が、運転中定期的に実施される処理となる。まず、液体燃料供給のための液体燃料充填口ＦＩを覆う燃料蓋が開かれたか否かが調べられる（Ｓ１）。液体燃料供給のためにはまず燃料蓋を開けることが指示されることが前提だからである。燃料蓋が開けられていたら（Ｓ１：ＹＥＳ）、今度はそれが停車中に行われたものか否かが判断される（Ｓ２）。停車中ではない場合（Ｓ２：ＮＯ）走行中に誤って操作されただけと判断できるため何もしない。一方、停車中であった場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、実際に液体燃料供給処理が要求されたものと判断でき、液体燃料スタンドで液体燃料の充填機と接続するための処理に移行する。

次いで燃料電池システムが運転中であるか、すなわち燃料電池スタック１００において発電中であるかが検査される（Ｓ３）。燃料電池システムが運転中である場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、燃料電池システムの運転を停止させる。例えば高圧補機４５を停止して各遮断弁を閉鎖し、空気や水素ガスが燃料電池スタック１００に供給されないようにする。

次いで液体水素を充填する充填機との通信が確立したかが検査される（Ｓ５）。通信が確立できない場合には（Ｓ５：ＮＯ）そのまま処理を抜ける。

上記一連の処理で、燃料蓋が開いている場合（Ｓ１：ＮＯ）、停車中でない場合（Ｓ２：ＮＯ）、及び充填機との通信が確立できない場合（Ｓ５：ＮＯ）はいずれも遮断弁Ｌ１が開弁されることはなく、液体燃料の供給が禁止され、図４と図５で後述する燃料残量計算処理（Ｓ１２）と容量変更処理（Ｓ１３）のみが実施されることになる。

さて、正しく充填機と電気的に接続され所定のプロトコルに従って通信の同期が取れ、正しくデータの送受信が行えるようになったら（Ｓ５：ＹＥＳ）、液体燃料の供給を許可するため、遮断弁Ｌ１が開放される（Ｓ６）。そして液体燃料充填口ＦＩからの液体水素を液体燃料配管１６経由で液体燃料タンク１０に充填可能な状態になったら、液体水素要求信号が充填機に送信される（Ｓ７）。

液体水素要求信号を受信したら充填機は液体水素の液体燃料充填口ＦＩからの注入を開始する。但し、燃料残量計算処理は、液体燃料の充填中はもちろん、自動車の走行中、つまり燃料の消費中も提起的に実施されるものである。液体燃料充填中は、燃料残量計算処理（Ｓ８）と容量変更処理（Ｓ９）が継続される。これらについては図４と図５で後述する。

液体水素が順当に液体燃料タンク１０に充填され、液体燃料タンク１０がフル充填状態であることを示す全充填信号が出力されていれば（Ｓ１０：ＹＥＳ）、充填機に対して液体水素の供給を停止するように要求する液体水素停止要求信号が出力され、充填に関する全てのバルブ、つまり遮断弁Ｌ１、逆止弁Ｗ１〜Ｗ３が閉鎖され、処理が終了する（Ｓ１１）。

以上の処理が終了したら、充填機の接続が解除され、燃料蓋が閉められて、再び当該燃料電池システムを運転させることが可能になる。電源制御部５は必要に応じて遮断弁Ｇ１〜Ｇ３を開放してボイルオフガスを供給配管１８及び主配管１９経由で燃料電池スタック１００に供給すればよい。

以降は、必要に応じて充填された液体水素またはボイルオフガスが利用されていく。すなわち、使用条件に合致した場合に遮断弁Ｇ１〜Ｇ３が圧力に応じて開放され、気体燃料タンク１３から１２、さらに１１へと順にボイルオフガスが放出され利用されていく。

図４に、本発明に係る燃料残量計算処理のフローチャートを示す。当該処理は、図３のメインモジュールで、液体燃料充填時（Ｓ８）にも通常運転時（Ｓ１２）にも実施されるものである。

図４において、まず各タンク内のボイルオフガス残量が計算される。気体燃料タンク１１〜１３のそれぞれについて、圧力センサｐ４〜ｐ６の計測値に基づいて内圧が求められ、温度センサｔ２〜ｔ４の計測値に基づいてタンク内温度が求められ、求められたタンク内圧とタンク内温度とに基づいて、各気体燃料タンク１１〜１３のそれぞれに充填され、または残留しているボイルオフガスの量Ｑ１〜Ｑ３が演算される（Ｓ２０）。

また液体燃料タンク１０については、液体燃料タンク１０に設けられたレベルゲージＬＧが参照され、液体燃料タンク１０内部の液体水素の液面位置が計測され、それに基づいて液相の液体水素の残量Ｑ４が計算される。その液体水素の残量Ｑ４の残りの空間が気相であるボイルオフガスの容積として把握できる。そこで液体燃料タンク１０に設けられた圧力センサｐ３と温度センサｔ１とに基づいてこの気相のボイルオフガスの内圧と温度が演算され、液体燃料タンク１０の内部のボイルオフガスの残量Ｑ５が演算される（Ｓ２１）。

そしてステップＳ２０で求めた気体燃料タンク１１〜１３中のボイルオフガス残量Ｑ１〜Ｑ３と、ステップＳ２１で求めた液体燃料タンク１０の気相部分のボイルオフガス残量Ｑ５とを合計して、気体燃料の総量Ｑ６が求められる（Ｓ２２）。次いでステップＳ２１で求められた液体燃料タンク１０内の液体水素の残量Ｑ４から、この液体水素が気化した場合に得られるボイルオフガスの総量Ｑ７を換算する（Ｓ２３）。この換算には、ステップＳ２０やＳ２１におけるボイルオフガスの残量と同等に扱うため、温度や圧力の条件を一致させた場合の残量として演算される。このようにして把握された気相状態のボイルオフガス総残量Ｑ６と液相の液体水素のボイルオフガスへの換算量Ｑ７との合計値が利用可能な総燃料残量となる。なお、ここでは液体燃料の液量を気体燃料であるボイルオフガスの容積に換算していたが、逆にボイルオフガスの容量を液相の液体燃料の液量に換算して総燃料残量を把握してもよい。

次いで、算出された総燃料残量に基づいて、警告の要否は判断される。まず、総量Ｑ６＋Ｑ７の燃料残量でどのくらいの走行可能かを示す走行可能距離Ｄ１が演算される（Ｓ２４）。これは当該自動車について平均的に把握されている燃費等の情報に基づいて計算可能である。

次いでナビゲーション装置６に現在位置を問い合わせるコマンドが送信され、返信された現在位置情報から現在位置Ｐｃが取得される（Ｓ２５）。同様に、取得された現在位置Ｐｃの直近の液体燃料供給所の位置Ｐｓについてもナビゲーション装置６に問い合わせのコマンドが送信され、液体燃料供給所の位置Ｐｓが所得される（Ｓ２６）。そして現在位置Ｐｃと液体燃料供給所の位置Ｐｓとに基づいて両者の距離Ｄ２が計算される（Ｓ２７）。この計算は、単純に現在位置Ｐｃと液体燃料供給所の位置Ｐｓとの直線距離を求めてもよいし、この二つの位置間を結ぶ道路を結んだ経路長をナビゲーション装置６に問い合わせることで求めてもよい。

両地点の距離が得られたら、ステップＳ２４で算出した現在の燃料残量で走行可能な距離Ｄ１と、直近の液体燃料供給所までの距離Ｄ２とを比較する（Ｓ２８）。このとき単純に両距離を比較すると、直近の液体燃料供給所を通過してしまった場合や道に迷った場合に燃料が無くなり、いわゆるガス欠状態になってしまう可能性がある。このため一定のマージンβを設け、余裕を持って燃料残量警告ができるように比較する。

走行可能距離Ｄ１が直近の液体燃料供給所までの距離Ｄ２とマージンβとの合計より大きい場合（Ｓ２８：ＮＯ）、まだ十分な燃料残量があるものとして処理を終了する。一方、走行可能距離Ｄ１が直近の液体燃料供給所までの距離Ｄ２とマージンβとの合計以下になってきた場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、そろそろ液体燃料供給所に向かうべきことをドライバに知らせる必要がある。そのために適当な燃料不足警告が行われる（Ｓ２９）。この燃料不足警告は、例えば燃料切れランプを点灯させる等が考えられる。

図５に、容積変更処理のフローチャートを示す。この容積変更処理は、ボイルオフガスの残量に応じて、利用する気体燃料タンクの数（充填容積）を変更していく処理であり、図３のメインモジュールにおいて、液体燃料充填時（Ｓ９）にも通常運転時（Ｓ１３）にも実施されるものである。

まず、燃料残量計算処理（図４）で得られた液体燃料タンク１０のボイルオフガス残量Ｑ５が、所定値Ｑａ以上である場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、逆止弁Ｗ１〜Ｗ３の全てが開放される（Ｓ３１）。この所定値Ｑａとは、液体燃料タンク１０の内部がかなり高圧になっている状態におけるボイルオフガス量であり、液体燃料タンク１０のみならず気体燃料タンク１１にもボイルオフガスを分散して充填していくべきボイルオフガス量のしきい値である。

全逆止弁Ｗ１〜Ｗ３を開放する必要が無かった場合、つまり液体燃料タンク１０のボイルオフガス量Ｑ５が所定値Ｑａより小さい場合（Ｓ３０：ＮＯ）、容量変更処理の本体に移行する。最初に、気体燃料タンク１１についてのボイルオフガス残量Ｑ１が所定値Ｑｂ以下かが判定される。ボイルオフガス残量Ｑ１が所定値Ｑｂ以下の場合には（Ｓ３２：ＹＥＳ）、逆止弁Ｗ１が開放される（Ｓ３３）。この処理に基づき、充填時には優先的に気体燃料タンク１１へボイルオフガスが充填配管１７経由で充填されていき、消費時にはこの気体燃料タンク１１からボイルオフガスの利用が行われる。所定値Ｑｂは、気体燃料タンク１２にもボイルオフガスを充填していくべき場合のボイルオフガス量のしきい値である。

また気体燃料タンク１１のボイルオフガス残量Ｑ１が前記所定量Ｑｂより大きく、かつ、所定値Ｑｃより小さい範囲では（Ｓ３４：ＹＥＳ）、気体燃料タンク１１の逆止弁Ｗ１が閉鎖され、逆止弁Ｗ２が開放される（Ｓ３５）。この処理により、気体燃料タンク１２への優先的なボイルオフガスの充填や気体燃料タンク１２からのボイルオフガスの優先利用が可能になる。この所定値Ｑｃは、気体燃料タンク１３にもボイルオフガスを充填していくべき場合のボイルオフガス量のしきい値である。

さらに気体燃料タンク１２のボイルオフガス残量Ｑ２が前記所定量Ｑｃより大きく、かつ、所定量Ｑｄより小さい範囲では（Ｓ３６：ＹＥＳ）、気体燃料タンク１２の逆止弁Ｗ２が閉鎖され、逆止弁Ｗ３が開放される（Ｓ３７）。この処理により、気体燃料タンク１３への優先的なボイルオフガスの充填や気体燃料タンク１３からのボイルオフガスの優先利用が可能になる。ここで、所定値Ｑｄは、気体燃料タンク１３も含めて全ての気体燃料タンク１１〜１３がフル充填状態となったことを示すボイルオフガス量のしきい値である。

そして気体燃料タンク１３のボイルオフガス残量Ｑ３が所定量Ｑｄを超えている場合（Ｓ３８：ＹＥＳ）、逆止弁Ｗ３が閉鎖される。全ての気体燃料タンク１１〜１３が充填されている状態である。

以上、本実施形態によれば、液体燃料充填時には、液体燃料の残量Ｑ４（Ｑ７）と気体燃料の残量Ｑ６との合計値に基づいて総燃料残量を演算するので、利用可能な燃料の総量を正確に把握でき、それに基づく告知も正しく行える。

また本実施形態によれば、総燃料残量に基づいて、当該総燃料残量が不足する旨の告知を行えるので、ガス欠状態を未然に防ぐことが可能となる。

また本実施形態によれば、液体燃料供給所までの距離Ｄ２と、総燃料残量により走行可能な距離Ｄ１との比較に基づいて警告の有無を判断するので、所定の燃料残量になった場合に一律に警告する場合に比べ、より正確で柔軟性のある警告が可能である。

さらに本実施形態によれば、気体燃料も利用する燃料と見なして気体燃料の残量に応じて液体燃料の充填量を制限するので、適正な量の燃料を充填可能である。

さらにまた本実施形態によれば、自動車が停車中か、及び液体燃料充填機との通信状態が確立されたかに基づいて充填を許可する遮断弁Ｌ１の開閉を制御するので、正しく充填可能条件を判定することが可能である。

また本実施形態によれば、ボイルオフガスの量に応じて気体燃料タンク１１〜１３の有効無効が制御され、気体燃料であるボイルオフガスを充填するための容積が変更される。この一連の処理によって、ボイルオフガスの量が相対的に少ないときは少ない容積で、ボイルオフガスの量が相対的に多くなるに連れそれに応じた容積でボイルオフガスを充填するように容積を変更していくことができ、燃料電池スタック１００の入口における供給圧力をある程度以上に保つことができる。

また実施形態によれば、各逆止弁Ｗ１〜Ｗ３の開弁圧力が互いに異なるように設定されているので、開弁圧力を低く設定した逆止弁Ｗ１に対応づけられた気体燃料タンク１１から順にボイルオフガスが充填されていき、ボイルオフガスの量に応じて気体燃料タンク全体の容積を変更させることができる。

さらに実施形態によれば、当初のボイルオフガスの量Ｑ５が所定値Ｑａよりも大きい場合に、複数の気体燃料タンク１１〜１３にボイルオフガスを同時に充填可能に構成したので、ボイルオフガスの量が相対的に多かった場合に大きな充填容積を確保で、充填圧力を極端に高めることなくボイルオフガスの充填が行える。

さらにまた実施形態によれば、液体燃料配管１６を燃料電池スタック１００に連通する主配管１９と連結させる遮断弁Ｌ２を備えたので、液体燃料配管１６中のボイルオフガスを優先的に燃料電池スタック１００に供給可能であり、液体水素の利用効率を向上させることができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、燃料蓋が開いていること、停車中であること、充填機との通信ができたことの全ての条件を満たした場合に液体燃料の充填を許可したが、これらのうちいずれか一つの条件で充填を許可してもよい。

また、上記実施形態では、ガス欠の判断をナビゲーション装置６の情報を利用して実施していたが、現在の総燃料残量と最寄りの液体燃料供給所までに必要な燃料量との関係を把握できれば十分であるため、必ずしもナビゲーション装置の補助を必要としない。例えば、外部から与えられる燃料供給に関する位置情報を利用することも可能である。

また、上記実施形態では、取り扱う液体燃料として液体水素を例にして説明しているが、沸点が比較的低く、ボイルオフガスの発生が予想される燃料であれば、同様の思想を適用可能である。

さらに本発明は、燃料電池システムを搭載する車両、船舶、航空機などの移動体のみならず、ビル、家屋などの閉空間に定置された燃料電池システムにも適用することが出来る。

本発明の液体燃料消費装置を搭載した燃料電池システムのブロック構成図 本実施形態のナビゲーション装置のブロック構成図 本実施形態のメインモジュールを説明するフローチャート 本実施形態の燃料残量計算処理を説明するフローチャート 本実施形態の容量変更処理を説明するフローチャート

符号の説明

１ 水素ガス供給系、２ 空気供給系、３ 冷却系、４ 電力系、５ 制御部、６ ナビゲーション装置、１００ 燃料電池スタック、１０ 液体燃料タンク、１１〜１３ 気体燃料タンク、１４、２４ 気液分離器、１５ 水素ポンプ、２１ エアクリーナ、２２ コンプレッサ、２３ 加湿器、２５ 希釈器、２６ 消音器、３１ ラジエタ、３２ ファン、３３ 冷却ポンプ、３４ 冷却装置、４０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、４１ バッテリ、４２ トラクションインバータ、４３ トラクションモータ、４４ 補機インバータ、４５ 高圧補機、６０ 位置情報制御部、６１ 角速度センサ、６２ 加速度センサ、６３ 車輪速センサ、６４ ＤＰＳ受信部、６５ 表示制御部、６６ ディスプレイ、６７ ディスクドライブ、６８ 入出力（Ｉ／Ｏ）装置、ＦＩ 液体燃料充填口、ＲＶ１、ＲＶ２、Ｗ１〜Ｗ３ 逆止弁、Ｌ１〜５、Ｇ１〜Ｇ３ 遮断弁、Ｒ１〜５ 調圧弁、Ｃ１〜Ｃ４ ロータリーバルブ、ｐ１〜ｐ６，ｐ１０，ｐ１１ 圧力センサ、ｔ１〜ｔ６ 温度センサ

Claims (9)

1. 液体燃料が外部から供給される液体燃料消費装置であって、
   液体燃料の残量と当該液体燃料から気化した気体燃料の残量との合計値に基づいて総燃料残量を演算可能に構成されたことを特徴とする液体燃料消費装置。
2. 前記液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクと、
   前記気体燃料を貯蔵する気体燃料タンクと、を備え、
   前記液体燃料タンクには、前記液体燃料の他に前記気体燃料の一部が含まれている、請求項１に記載の液体燃料消費装置。
3. 演算された前記総燃料残量に基づいて、当該総燃料残量に対応した告知をする、請求項１に記載の液体燃料消費装置。
4. 前記総燃料残量が所定の基準値以下である場合に前記告知をする、請求項３に記載の液体燃料消費装置。
5. 前記液体燃料を供給する液体燃料供給所までの距離に基づいて、前記基準値を変更する、請求項４に記載の液体燃料消費装置。
6. 当該液体燃料消費装置の位置を測位する位置測位装置を備え、
   測位された当該液体燃料消費装置の位置情報と前記液体燃料供給所の位置情報とに基づいて、前記液体燃料供給所までの距離を演算する、請求項５に記載の液体燃料消費装置。
7. 液体燃料が外部から供給される液体燃料消費装置であって、
   当該液体燃料から気化した気体燃料の残量に基づいて当該液体燃料の充填量を制限可能に構成されたことを特徴とする液体燃料消費装置。
8. 当該液体燃料消費装置の移動速度または液体燃料充填機との通信状態の少なくとも一方に基づいて前記液体燃料の充填を許可する、請求項１に記載の液体燃料消費装置。
9. 前記液体燃料の残量または液体燃料充填機との通信状態の少なくとも一方に基づいて前記液体燃料の充填を禁止する、請求項１に記載の液体燃料消費装置。

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