JP2020078101A - 燃料ガスを用いて走行する車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスを用いて走行する車両におけるガスタンク側逆止弁の故障の可能性を判断する。【解決手段】燃料ガスを供給するガスステーション側のノズルを受け入れるレセプタクルから燃料ガスタンクとの間に２以上の逆止弁を備え、複数の逆止弁によって挟まれた区間の圧力を検出する。ガスステーション側が、レセプタクルにノズルを装着した直後に、予め定められた量の燃料ガスの充填を行なったとき、逆止弁間の圧力の推移を取得し、この圧力が所定の低下傾向を示さない場合には、ガスタンク側の逆止弁が故障している可能性があるとして、ガスステーション側からの前記ガスの充填を回避する。【選択図】図２

Description

本発明は、水素やプロパンガスなどの燃料ガスを用いて走行する車両に関する。

燃料電池車両やＬＰＧ車両などでは、燃料ガスとしての水素やプロパンガスなどを貯蔵する燃料ガスタンクを搭載している。こうした燃料ガスタンクを備えた車両は、ガスステーションに赴き、燃料ガスの充填を受ける。充填されるガスは、車両側の充填口から充填用配管を介して燃料ガスタンク等に貯蔵される。一旦、燃料ガスタンクなどに燃料ガスが貯蔵されると、燃料ガスタンク内は高圧となるから、燃料ガスが、ガスの充填に用いられた配管を介して充填口に逆流・放出されないように、充填用配管には逆止弁が設けられている（特許文献１参照）。

特開２０１８−８０７５３号公報

特許文献１記載の燃料ガス貯蔵装置では、こうした逆止弁は、配管途中に１つ、ガスステーションからのガス供給ノズルを受けるレセプタクルに１つなど、少なくとも２つ以上設けられ、高い安全性を実現している。本発明は、こうした燃料ガスを用いて走行する車両において、複数の逆止弁が故障するといった不測の事態に備え、更に高い安全性を確保することを目的としている。

本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

本発明の第１の態様は、燃料ガスを用いて走行する車両としての態様である。この車両は、燃料ガスを供給するガスステーション側のノズルを受け入れるレセプタクルと、前記レセプタクルと燃料ガスタンクとを接続する充填経路に設けられた２以上の逆止弁と、前記２以上の逆止弁によって挟まれた区間の前記充填経路内の圧力を検出する圧力センサと、前記ガスステーション側が、前記レセプタクルに前記ノズルを装着した直後に、予め定められた量の前記燃料ガスの充填を行なった後で、前記圧力センサが検出する前記圧力の推移を取得し、当該圧力が所定の低下傾向を示さない場合には、前記複数の逆止弁のうち、前記燃料ガスタンク側の逆止弁が故障している可能性があると判断する制御部とを備える。

このようにすれば、容易に、燃料ガスタンク側に設けられた逆止弁の故障の可能性を判断することができる。ガスステーション側が、レセプタクルにノズルを装着した直後に、予め定められた量の燃料ガスの充填を行なうと、一旦圧力は上昇するが、燃料ガスタンク側の逆止弁が正常であれば、その後、ガス温度の低下により圧力は低下する。他方、燃料ガスタンク側の逆止弁による封止が不十分である場合には、圧力が低下しない、または低下しにくい、という状態が生じ得るからである。

本発明の第１実施形態における燃料ガス貯蔵供給システムの概略説明図。 水素ステーションで水素を充填する際の制御を示すフローチャート。 燃料圧力の変化を例示するグラフ。

Ａ１．第１実施形態の装置構成：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池を搭載した車両１００を、燃料供給系を中心に示す概略説明図である。この車両１００は、燃料電池４０を搭載しており、燃料電池４０に供給される水素（燃料ガス）により発電を行ない、その発電した電力を利用して走行する。走行用のモータや電力変換装置、燃料電池４０に空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサなどについては、図示および説明を省略する。

この車両１００は、水素の充填を受ける充填口１０、水素を貯蔵する第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２、水素の充填を制御する制御部６０等を備える。制御部６０は後述する水素充填処理を行なう他、他の制御、例えば燃料電池４０の運転制御などを行なうものとしてもよい。

充填口１０は、水素充填用のガスステーションである水素ステーション７０において、水素の充填を受ける際に、水素供給用のノズル７１を受け入れる。ノズル７１は、充填口１０に設けられたレセプタクル１１に結合する。レセプタクル１１には、逆止弁１２が設けられているので、ノズル７１をレセプタクル１１から引き抜いても、充填口１０から水素が漏れることはない。

ノズル７１とレセプタクル１１とが結合すると、水素ステーション７０は、車両１００の制御部６０と通信可能となる。制御部６０は、図示しないＣＰＵやメモリの他、水素ステーション７０と通信するための通信部を備え、後述する充填処理を実行する。また水素ステーション７０も、図示しないＣＰＵやメモリの他、制御部６０と通信するための通信部を備え、後述する充填処理を実行する。図１に示した「Ｅ１３：警報」は、通信により、制御部６０から水素ステーション７０に出力される情報の１つだが、これ以外にも、通信により、制御部６０と水素ステーション７０とは、種々の情報をやり取り可能である。

レセプタクル１１と、燃料ガスタンクである第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２との間には、水素充填経路が設けられている。この水素充填経路は、レセプタクル１１側からは、燃料ガス配管２０、シャントバルブ２２，充填側三方弁２３が設けられている。充填側三方弁２３は、シャントバルブ２２側からの配管を、第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２に分岐する。充填側三方弁２３の分岐した出力の一方は第１ガスタンク４１のタンクバルブ５３に、他方は第２ガスタンク４２のタンクバルブ５４に、それぞれ結合されている。

タンクバルブ５３，５４は、第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２の口金５１，５２に取り付けられており、両者は、同一の構成を備える。タンクバルブ５３は、逆止弁５７、主止弁５５、手動弁を内蔵する。同様に、タンクバルブ５４は、逆止弁５８、主止弁５６、手動弁を内蔵している。２つの手動弁は、それぞれ第１ガスタンク４１，第２ガスタンク４２に結合されており、その出口側は、それぞれ、逆止弁５７，５８の二次側および主止弁５５，５６の一次側に結合されている。

逆止弁５７，５８の一次側は、それぞれ充填側三方弁２３からの分岐出力に結合されている。このため、レセプタクル１１から辿ると、水素ステーション７０側から充填される水素は、シャントバルブ２２，充填側三方弁２３，逆止弁５７または逆止弁５８，手動弁を介して、第１ガスタンク４１または第２ガスタンク４２に充填されることになる。充填側三方弁２３には、充填されている水素の圧力を検出する充填側圧力センサ３３が設けられており、検出した圧力値は、制御部６０に出力されている。レセプタクル１１から第１ガスタンク４１までには、２つの逆止弁１２および逆止弁５７が設けられており、レセプタクル１１から第２ガスタンク４２までには、同じく２つの逆止弁１２および逆止弁５８が設けられている。従って、全ての逆止弁１２，５７，５８が正常であれば、レセプタクル１１側からの水素の充填が終了し、かつ電磁弁である主止弁５５，５６が閉状態になっていれば、充填側三方弁２３で検出される圧力は一定に保たれる。

第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２からの水素の出力について説明する。第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２に充填された水素は、主止弁５５，５６が、制御部６０により開弁されると、主止弁５５，５６の二次側から、供給側三方弁２４にそれぞれ分岐管を介して供給され、供給側三方弁２４を介して、燃料電池４０へと供給される。供給側三方弁２４から燃料電池４０までの配管には、圧力を低下させると共に、一定の圧力調圧する調圧弁２５と、開弁時間と開弁量とにより、燃料電池４０に供給する水素量を制御するインジェクタ２６とが設けられている。また、供給側三方弁２４には、第１ガスタンク４１および第２ガスタンク４２から供給される水素のガス圧を検出する供給側圧力センサ３４が設けられ、検出した圧力値は、制御部６０に出力されている。

制御部６０は上述した充填側圧力センサ３３および供給側圧力センサ３４の他、第１ガスタンク４１に貯留された水素の温度を検出する第１温度センサ３１および第２ガスタンク４２に貯留された水素の温度を検出する第２温度センサ３２からの検出信号も受け取っている。また、制御部６０は、上述した主止弁５５，５６の他、シャントバルブ２２の開閉を制御する信号を出力可能である。

Ａ２．水素充填制御：
以上説明した装置構成を前提として、車両１００の制御部６０と水素ステーション７０とが協働して行なう水素充填処理については説明する。図２は、この水素充填処理の概要を示すフローチャートである。図２において、左欄は、水素ステーション７０の処理を、右欄は、制御部６０の処理を、それぞれ示している。

まず、車両１００が水素ステーション７０に到着すると、車両１００側は、水素充填に備えて、燃料電池４０の運転を停止し、主止弁５５，５６を閉弁する。一連の停止作業を完了すると、充填口１０の図示しないリッドが開き、車両１００は、水素ステーションの水素充填用のノズル７１を受入可能となる。この状態で、水素ステーション７０側は、充填用のノズル７１を、車両１００の充填口１０に装着する処理を行なう（ステップＳ１１０）。この処理は、自動で行なうものとしてもよいし、作業員が行なってもよい。

水素ステーション７０は、その後、制御部６０との通信が可能となったかをチェックする（ステップＳ１２０）。ノズル７１とレセプタクル１１とが正常に結合されれば、光通信などにより、水素ステーション７０は車両１００の制御部６０との通信が可能となる。なお、図示は省略したが、一定時間以内に通信が可能とならなければ、異常と判断し、異常処理、例えば水素ステーション７０側で異常表示を行なうものとしてもよい。

ノズル７１がレセプタクル１１に装着されると、車両１００の制御部６０は、これを受けて、水素ステーション７０との通信を開始する（ステップＳ２１０）。この通信の開始を受けて、水素ステーション７０は、車両との通信が可能となったと判断し（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、パルス充填を行なう（ステップＳ１３０）。パルス充填とは、第１，第２ガスタンク４１，４２への水素充填前に、水素ステーション７０が車両１００側の圧力を確認するために行なう、少量の水素充填である。パルス充填量は、ＳＡＥ Ｊ２６０１規格に規定された確認用の充填であり、その水素充填量は、２００ｇ以下として規定されている。水素ステーション７０は、図３に示すように、パルス充填を行なうことで、車両側の圧力が上昇し、その上昇分（ピーク圧力Ｐｐ−直前の圧力Ｐ０）が、予め定めた所定値以上となったことが確認できた場合に、本充填を行なう。

水素ステーション７０はステップＳ１３０において、パルス充填を行なうと、これを通信を利用して車両１００の制御部６０送信する。その上で、上述したように、パルス充填により圧力上昇が基準値以上かを判断し（ステップＳ１４０）、基準値未満であれば、車両１００側の水素充填経路に何らかの異常があるとして、異常処理（ステップＳ１４５）を行なう。その後、「ＥＮＤ」に抜けて本処理ルーチンを終了する。従って、この場合は、水素充填は行なわれない。

他方、パルス充填による圧力上昇が基準値以上であれば（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、次に車両１００からの信号を受信する（ステップＳ１５０）。この間、車両１００側の制御部６０は、ステップＳ２２０以下の処理を実行する。

制御部６０は、まず水素ステーション７０からパルス充填を行なったという情報が届いたかを判断する（ステップＳ２２０）。水素ステーション７０からパルス充填を行なった旨の通知があるまで待機し、通知があれば（ステップＳ２２０：「ＹＥＳ」）、次に充填側圧力センサ３３から信号を読取って、水素充填経路の圧力変化を検出する処理を行なう（ステップＳ２３０）。

このときの圧力変化の一例を図３を用いて説明する。図３に示したように、パルス充填によって一旦圧力は上昇するが、この圧力が第１，第２ガスタンク４１，４２の圧力より高ければ、逆止弁５７，５８が開き、圧力は低下する（時間ｔｉ〜ｔ０）。ここでパルス充填が完了して、逆止弁５７，５８が閉じると、バルス充填によって逆止弁１２から逆止弁５７，５８との間に水素が圧力Ｐ１で充填された状態となる。この場合、第１，第２ガスタンク４１，４２と充填側圧力センサ３３が存在する充填側三方弁２３とは、逆止弁５７，５８により遮断されているから、第１，第２ガスタンク４１，４２からの水素の供給はない。このため、２つの逆止弁間に封止された水素の圧力は徐々に低下する。これは水素のリークにより低下ではなく、バルス充填されたことで、その後水素の温度が低下するからである。温度の低下に伴い、圧力Ｐ１は、実線ＮＬとして示したように、低下していく。

他方、逆止弁５７，５８の少なくとも一方が故障していると、水素がガスタンク側から供給されるため、充填側圧力センサ３３が検出する圧力は、変化しない。この様子を破線ＥＬとして示した。

制御部６０は、パルス充填後の圧力変化を検出し（ステップＳ２３０）、圧力が低下するか否かを判断する（ステップＳ２４０）。圧力が低下していれば、水素充填経路は正常である、少なくとも逆止弁５７，５８は故障していないとして、通信を介して水素ステーション７０に、正常出力を行なう（ステップＳ２５０）。他方、検出した圧力変化が、低下しないというものであれば、逆止弁５７，５８の少なくとも一方が故障している可能性があると判断し、制御部６０は水素ステーション７０に対して異常出力を行なう（ステップＳ２６０）。

この出力を水素ステーション７０は受信し（ステップＳ１５０）、異常出力でないと判断すれば（ステップＳ１６０：「ＹＥＳ」）、燃料充填処理（ステップＳ１７０）を行なう。他方、車両１００側から異常出力が送信されていれば、異常処理（ステップＳ１４５）を行なう。異常処理としては、水素ステーション７０側で異常の存在を表示して警告したり、修理を含めた異常対応可能なサービスマンを呼び出したりすることが考えられる。

水素ステーション７０が、車両１００から正常出力が得られて燃料充填処理（ステップＳ１７０）を行なうのに対応して、車両１００側では充填の完了をモニタし（ステップＳ２７０）、燃料である水素の充填が完了するまで待機する。燃料の充填の完了は、車両１００側で、充填側圧力センサ３３より検出した圧力と第１，第２ガスタンク４１，４２の温度センサ３１，３２により検出したタンク内温度から、満充填と判断された状態になった時、制御部６０がこれを判断し、通信により水素ステーション７０側に通知する。もとより、充填している水素がガスタンクに満充填状態となったかは、水素ステーション７０側で、水素の単位時間当りの流量の変化から判断するようにしても良い。

燃料である水素の充填が完了すれば、水素ステーション７０は「ＥＮＤ」に抜けて図２左欄に示した処理を終了する。車両１００側の制御部６０は、図２右欄に示した処理を終了し、通常処理に移行する。通常処理とは、水素ステーション７０側のノズル７１が充填口１０から外されたことを検出し、リッドが閉じられたことを確認した後、必要に応じて燃料電池４０を起動し、その発電量を制御するといった処理である。

以上説明した実施形態によれば、通常水素ステーション７０により水素充填の開始に先立って行なわれるパルス充填を利用して、逆止弁５７，５８の異常の可能性を判断することができる。もとより、水素の充填系には、レセプタクル１１内の逆止弁１２が存在するため、逆止弁５７，５８が開故障を起したとしても、水素がレセプタクル１１から充填口１０を通って外部に漏れることはない。この状態で、逆止弁５７，５８の少なくとも一方に、開故障の可能性があることが判断できるので、速やかに逆止弁５７，５８を調べて、故障している場合にこれを交換・修理すれば、安全性をより確実なものにすることができる。なお、逆止弁の故障は、弁体への異物の噛み込みや、閉弁用スプリングのへたりや破断など、種々の要因が考えられる。こうした要因に対する対策は勿論とられており、例えば、異物の噛み込みについては、フィルタ設置による異物の除去がなされ、またスプリング不具合の発生については強度計算やパーツの品質管理により、十分な耐久性の確保がなされている。その上で、上記の対策をとることにより、水素充填経路の安全性は一層高められる。

しかも、上記の判断手法は新たなセンサや新たな充填処理などを必要とせず、既存の圧力センサを用い、また従来から行なわれているパルス充填を利用するので、ハードウェア構成の複雑化や制御の煩雑化を招くことがない。従って、コストの上昇も抑制される。

Ｂ．他の実施形態：
上記実施形態では、逆止弁５７，５８の少なくとも一方に異常の可能性があると判断すると、燃料である水素の充填を行なわないものとしたが、異常の可能性があると判断して、これを記録するに留めてもよい。あるいは、異常の可能性を放置するだけにしてもよい。異常の可能性がある場合には、水素の充填量をリンプホームに必要な最小限に留めるといった対応も可能である。

上記の実施形態では、水素を貯留するガスタンクは２つ設けたが、１つであってもよい。また３以上のガスタンクを設けた構成であっても良い。複数のガスタンクは、上記の実施形態では並列に接続して、それぞれのガス充填側に逆止弁を設けたが、複数のガスタンクを直列に接続し、充填口から一番近いガスタンクの手は前に逆止弁を設けておき、レセプタクルとこの逆止弁との間のガス圧を測定するようにすれば、同様にガスタンク側の逆止弁の開故障の可能性を判断することができる。

上記実施形態では、充填側圧力センサ３３により検出し圧力が一定以上低下しているときに、逆止弁５７，５８の少なくとも一方に異常の可能性があると判断したが、圧力低下の様子（勾配、低下幅等）は、外気温やガスタンク内の残圧などによっても変化する。このため、一律に判断するのではなく、パルス充填後の圧力低下を毎回記録しておき、前回の圧力低下の割合や、それまで圧力低下の割合の平均値よりも、予め定めた割合、例えば２０％以上低下している場合には、異常と判断するようにしてもよい。或いは、こうした前回と比べて所定の割合低下している、という状態が検出されたらこれを記録し、その回数が所定回数、例えば１０回以上連続したら、異常と判断し、外部に通知するようにしてもよい。

異常の放置は、上記実施形態では、通常水素ステーション７０側で行なった（図２、ステップＳ１４５）が、制御部６０側でインスツルメントパネルなどへの異常表示を行なうものとしてもよい。また、上記実施形態では、車両１００は、水素を用いた燃料電池車両としたが、燃料を貯留するガスタンクを搭載している車両であれば、プロパンガスやメタンガスを用いた車両であっても実施可能である。水素を用いる場合でも、燃料電池に限らず、ロータリエンジンなど、直接水素を燃焼させるエンジンを搭載した車両に適用することも可能である。

上記各実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。ソフトウェアによって実現されていた構成の少なくとも一部は、ディスクリートな回路構成により実現することも可能である。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、上記実施形態においてハードウェアにより実現した構成の一部は、ソフトウェアにより実現することができる。

１０…充填口、１１…レセプタクル、１２…逆止弁、２０…燃料ガス配管、２２…シャントバルブ、２３…充填側三方弁、２４…供給側三方弁、２５…調圧弁、２６…インジェクタ、３１…第１温度センサ、３２…第２温度センサ、３３…充填側圧力センサ、３４…供給側圧力センサ、４０…燃料電池、４１…第１ガスタンク、４２…第２ガスタンク、５１…口金、５３，５４…タンクバルブ、５５，５６…主止弁、５７，５８…逆止弁、６０…制御部、７０…水素ステーション、７１…ノズル、１００…車両

Claims (1)

1. 燃料ガスを用いて走行する車両であって、
   燃料ガスを供給するガスステーション側のノズルを受け入れるレセプタクルと、
   前記レセプタクルと燃料ガスタンクとを接続する充填経路に設けられた２以上の逆止弁と、
   前記２以上の逆止弁によって挟まれた区間の前記充填経路内の圧力を検出する圧力センサと、
   前記ガスステーション側が、前記レセプタクルに前記ノズルを装着した直後に、予め定められた量の前記燃料ガスの充填を行なった後で、前記圧力センサが検出する前記圧力の推移を取得し、当該圧力が所定の低下傾向を示さない場合には、前記複数の逆止弁のうち、前記燃料ガスタンク側の逆止弁が故障している可能性があると判断する制御部と
   を備えた車両。

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