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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023035678
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】水素補給制御装置、水素補給装置及び水素補給プログラム
(51)【国際特許分類】
F17C 5/06 20060101AFI20230306BHJP
F17C 13/02 20060101ALI20230306BHJP
【ＦＩ】
F17C5/06
F17C13/02 301Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021142706
(22)【出願日】2021-09-01
(71)【出願人】
【識別番号】000002082
【氏名又は名称】スズキ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001380
【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】脇屋 健
【テーマコード（参考）】
3E172
【Ｆターム（参考）】
3E172AA02
3E172AA05
3E172AB01
3E172BA01
3E172BA04
3E172BD03
3E172DA90
3E172EA02
3E172EA22
3E172EA23
3E172EA24
3E172EA48
3E172KA03
3E172KA22
3E172KA23
(57)【要約】
【課題】 安全に、早く、多量に水素を充填することができる水素補給制御装置、水素ステーション及び水素補給プログラムを提供する。
【解決手段】 水素補給制御装置３０は、水素ステーション１００から燃料電池車両５０の燃料タンク５１に補給されようとする流通水素の圧力Ｐｆを取得する水素圧力取得部４１と、流通水素の温度Ｔｆを取得する水素温度取得部４２と、燃料タンク５１のタンクサイズを推定するタンクサイズ推定部４４と、水素ステーション１００の外気温Ｔ０を取得する外気温取得部４３と、流通水素の初期圧Ｐ０、流通水素温度Ｔｆ及び外気温Ｔ０に基づいて質量平均水素温度（ＭＡＴE）を算出する水素温度算出部４５と、算出されたＭＡＴE及びタンクサイズに基づいて流通水素の目標昇圧率Ωを決定する決定部４７と、を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】 水素補給制御装置３０は、水素ステーション１００から燃料電池車両５０の燃料タンク５１に補給されようとする流通水素の圧力Ｐｆを取得する水素圧力取得部４１と、流通水素の温度Ｔｆを取得する水素温度取得部４２と、燃料タンク５１のタンクサイズを推定するタンクサイズ推定部４４と、水素ステーション１００の外気温Ｔ０を取得する外気温取得部４３と、流通水素の初期圧Ｐ０、流通水素温度Ｔｆ及び外気温Ｔ０に基づいて質量平均水素温度（ＭＡＴE）を算出する水素温度算出部４５と、算出されたＭＡＴE及びタンクサイズに基づいて流通水素の目標昇圧率Ωを決定する決定部４７と、を備える。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素ステーションから車両の燃料タンクに補給されようとする流通水素の圧力を取得する水素圧力取得部と、
前記流通水素の温度を取得する水素温度取得部と、
前記燃料タンクのタンクサイズを推定するタンクサイズ推定部と、
前記水素ステーションの外気温を取得する外気温取得部と、
前記流通水素の初期圧、前記温度及び前記外気温に基づいて質量平均水素温度を算出する水素温度算出部と、
算出された前記質量平均水素温度及び前記タンクサイズに基づいて前記流通水素の目標昇圧率を決定する決定部と、を備えることを特徴とする水素補給制御装置。
前記流通水素の温度を取得する水素温度取得部と、
前記燃料タンクのタンクサイズを推定するタンクサイズ推定部と、
前記水素ステーションの外気温を取得する外気温取得部と、
前記流通水素の初期圧、前記温度及び前記外気温に基づいて質量平均水素温度を算出する水素温度算出部と、
算出された前記質量平均水素温度及び前記タンクサイズに基づいて前記流通水素の目標昇圧率を決定する決定部と、を備えることを特徴とする水素補給制御装置。
【請求項2】
前記質量平均水素温度は、前記外気温、前記温度及び前記初期圧を変数とした重回帰分析により算出される請求項１に記載の水素補給制御装置。
【請求項3】
前記目標昇圧率は、後続して取得される昇圧率以上である請求項１又は請求項２に記載の水素補給制御装置。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素補給制御装置と、
充填開始から所定の時間の間前記目標昇圧率を用いて前記流通水素の流量を制御する制御部と、を備える水素補給装置。
充填開始から所定の時間の間前記目標昇圧率を用いて前記流通水素の流量を制御する制御部と、を備える水素補給装置。
【請求項5】
前記目標昇圧率を用いた制御は二輪用の前記燃料タンクに用いられる請求項４に記載の水素補給装置。
【請求項6】
前記タンクサイズの設定を受け付けるサイズ設定部を備え、
前記決定部は、設定された前記タンクサイズに基づいて前記目標昇圧率を決定する請求項４又は請求項５に記載の水素補給装置。
前記決定部は、設定された前記タンクサイズに基づいて前記目標昇圧率を決定する請求項４又は請求項５に記載の水素補給装置。
【請求項7】
コンピュータに、
水素ステーションから車両の燃料タンクに補給されようとする流通水素の圧力を取得するステップ、
前記流通水素の温度を取得するステップ、
前記燃料タンクのタンクサイズを推定するステップ、
前記水素ステーションの外気温を検出するステップ、
前記流通水素の初期圧、前記温度及び前記外気温に基づいて質量平均水素温度を算出するステップ、
算出された前記質量平均水素温度及び前記タンクサイズに基づいて前記流通水素の目標昇圧率を決定するステップ、を実行することを特徴とする水素補給プログラム。
水素ステーションから車両の燃料タンクに補給されようとする流通水素の圧力を取得するステップ、
前記流通水素の温度を取得するステップ、
前記燃料タンクのタンクサイズを推定するステップ、
前記水素ステーションの外気温を検出するステップ、
前記流通水素の初期圧、前記温度及び前記外気温に基づいて質量平均水素温度を算出するステップ、
算出された前記質量平均水素温度及び前記タンクサイズに基づいて前記流通水素の目標昇圧率を決定するステップ、を実行することを特徴とする水素補給プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、燃料電池車両に水素を供給する水素補給技術に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、燃料電池車両の燃料タンクへ水素を補給する際、安全性の観点から燃料タンクのタンク内温度、充填圧力及び充填率が所定値を超えてはならないことが法定されている。この安全性の条件が満たされる下で、より「多量に」「早く」充填するために定められた補給態様に関する規格に、MC-Formula補給プロトコルがある。MC-Formula補給プロトコルでは、水素補給装置内のデータを毎秒読み取って随時充填水素の目標昇圧率を導出して水素の供給量を逐次制御することが規定されている。
【0003】
燃料電池車両内や水素補給装置内の水素の流路は、外気にさらされているため普段は外気温を示す。MC-Formula補給プロトコルでは、水素流路の温度を十分に冷却するために、水素の充填開始から３０秒間は冷却された水素を所定の昇圧率で供給するように定められている。燃料タンク内での充填水素の目標昇圧率は、理論上は燃料タンクに充填された水素の温度及び外気温に基づいて決定可能である。しかし、燃料タンク内の水素の温度は計測できないため、従来では、熱ノイズ等の熱マスが特に大きい充填開始後約３０秒間は任意の一定値を推定温度として使用していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１１－１２２６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した従来の技術では、充填完了時の燃料タンク内の水素の推定温度を任意の一定値に定め目標昇圧率を決定していたため、安全に、早く、多量に水素を補給することができないという課題があった。この一定値が充填完了時の燃料タンク内の到達温度から大きく乖離した場合に、燃料タンク内のオーバーヒートを回避するため充填が中断されるためである。特に外気温が高い場合、配管等からの熱で水素が昇温して到達温度の予想が不正確になるため、充填の中断が発生しやすい。また、二輪車では、水素流量が少なく充填完了時の到達温度が外気温や配管温度などの周辺環境の影響を大きく受けるため、温度推定の誤差が大きい。
【0006】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、安全に、早く、多量に水素を充填することができる水素補給制御装置、水素補給装置及び水素補給プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本実施形態に係る水素補給制御装置は、水素ステーションから車両の燃料タンクに補給されようとする流通水素の圧力を取得する水素圧力取得部と、前記流通水素の温度を取得する水素温度取得部と、前記燃料タンクのタンクサイズを推定するタンクサイズ推定部と、前記水素ステーションの外気温を取得する外気温取得部と、前記流通水素の初期圧、前記温度及び前記外気温に基づいて質量平均水素温度を算出する水素温度算出部と、算出された前記質量平均水素温度及び前記タンクサイズに基づいて前記流通水素の目標昇圧率を決定する決定部と、を備えるものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明により、最適な目標昇圧率で水素を充填することができる水素補給制御装置、水素補給装置及び水素補給プログラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１実施形態に係る水素補給装置が設置された水素ステーションの概略図。
【図2】第１実施形態に係る水素補給装置及び燃料電池車両の機能ブロック図。
【図3】水素の充填時間と流通水素圧力との関係を示すグラフ。
【図4】第１実施形態に係る水素補給装置の動作手順を示すフローチャート。
【図5】第２実施形態に係る水素補給装置及び燃料電池車両の機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0011】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素補給装置１０が設置された水素ステーション１００の概略図である。
水素ステーション１００で供給される水素は、多数のカードルに貯蔵された水素が圧縮機で高圧にされて、図１に示されるように蓄圧器１１に貯蔵されたものである。蓄圧器１１は、導管１２によって水素補給装置（以下、単に「補給装置」という）１０の充填ノズル１３のホース２４に接続される。
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素補給装置１０が設置された水素ステーション１００の概略図である。
水素ステーション１００で供給される水素は、多数のカードルに貯蔵された水素が圧縮機で高圧にされて、図１に示されるように蓄圧器１１に貯蔵されたものである。蓄圧器１１は、導管１２によって水素補給装置（以下、単に「補給装置」という）１０の充填ノズル１３のホース２４に接続される。
【0012】
補給装置１０は、水素ステーション１００に停止した燃料電池車両（以下、単に「車両」という）５０に気体の水素を補給する、いわゆるディスペンサーである。車両５０に内蔵された燃料タンク５１の充填口５２に充填ノズル１３が接続されて、水素が燃料タンク５１に充填される。燃料タンク５１は、例えば、３５ＭＰａ（二輪車対応）又は７０ＭＰａ（四輪車対応）の圧力に対応可能な高圧タンクである。車両５０は、燃料タンク５１に充填されて一時貯蔵される水素（以下、「流通水素」という）を酸化させることで発電して、その電気エネルギーで駆動する。
補給装置１０には、例えばタッチパネル式の入出力画面２１が設けられ、所望の充填量など利用者からの各種入力を受け付ける。入出力画面２１には、充填中における充填速度及び充填量などの各種情報も表示される。
補給装置１０には、例えばタッチパネル式の入出力画面２１が設けられ、所望の充填量など利用者からの各種入力を受け付ける。入出力画面２１には、充填中における充填速度及び充填量などの各種情報も表示される。
【0013】
【0014】
＜水素補給装置（補給装置）１０＞
水素ステーション１００の導管１２には、補給装置１０の内部において、流量調整弁１４、事前冷却器１５、冷却温度計１６、遮断弁１７、流量計１８、流路圧力計１９、流路温度計２０、及び緊急離脱カプラ（Ｂ／Ａ：Break Away）２５がこの順で設けられる。
水素ステーション１００の導管１２には、補給装置１０の内部において、流量調整弁１４、事前冷却器１５、冷却温度計１６、遮断弁１７、流量計１８、流路圧力計１９、流路温度計２０、及び緊急離脱カプラ（Ｂ／Ａ：Break Away）２５がこの順で設けられる。
【0015】
事前冷却器１５は、熱交換器部分が補給装置１０の内部に設けられ、本体部は補給装置１０の外部に設置される。事前冷却器１５は、圧縮機で圧縮された室温程度の水素を例えば－４０℃～－２０℃程度にまで冷却する。水素は十分に冷却された状態で燃料タンク５１に充填される必要があるためである。事前冷却器１５から導管１２に流出する水素は、冷却温度計１６においてその温度が冷却水素温度Ｔpcとして確認されてから補給装置１０に供給される。導管１２に供給された水素は導管１２や車内配管５３等の流路上の各構造機器から熱を奪って燃料タンク５１に充填されるため、流通水素温度Ｔｆは冷却水素温度Ｔpcよりも高くなる。
【0016】
Ｂ／Ａ２５は、充填ノズル１３が車両５０に接続された状態で車両５０が動き出してしまった場合に、車両５０を補給装置１０から切り離すためのカプラである。Ｂ／Ａ２５により、水素を漏洩させずに安全に車両５０を補給装置１０から切り離すことができる。このＢ／Ａ２５には、流路圧力計１９及び流路温度計２０が設けられる。
【0017】
流路圧力計１９は、Ｂ／Ａ２５通過時点の流通水素の圧力（以下、「流通水素圧力Ｐｆ」という）を検出する。
また、流路温度計２０は、Ｂ／Ａ２５通過時点の流通水素の温度（以下、「流通水素温度Ｔｆ」という）を検出する。
また、流路温度計２０は、Ｂ／Ａ２５通過時点の流通水素の温度（以下、「流通水素温度Ｔｆ」という）を検出する。
【0018】
なお、流路圧力計１９及び流路温度計２０の配置位置は、充填ノズル１３から出射される前の水素の圧力又は温度を測定できれば、必ずしもＢ／Ａ２５の内部又は直近でなくてもよい。例えば、流路圧力計１９及び流路温度計２０の配置位置は、充填ノズル１３のホース２４上であってもよい。この他に、水素ステーション１００内には、水素ステーション１００の設置場所の外気温Ｔ０を検出する大気温度計２２が設けられる。
【0019】
＜水素補給制御装置（制御装置）３０＞
水素補給制御装置（以下、単に「制御装置」という）３０は、補給装置１０の内部又は外部近傍に設けられ、水素ステーション１００の各所に設けられた各制御機器（１４～２０）を制御する。
水素補給制御装置（以下、単に「制御装置」という）３０は、補給装置１０の内部又は外部近傍に設けられ、水素ステーション１００の各所に設けられた各制御機器（１４～２０）を制御する。
【0020】
制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、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３０は、不図示のネットワークで大気温度計２２、流量調整弁１４、流路圧力計１９、流路温度計２０、遮断弁１７及び流量計１８のほか、蓄圧器１１とも電気的に接続される。
制御装置３０は、不図示のネットワークで大気温度計２２、流量調整弁１４、流路圧力計１９、流路温度計２０、遮断弁１７及び流量計１８のほか、蓄圧器１１とも電気的に接続される。
【0021】
また、制御装置３０は、図２に示されるように、互いに通信ネットワーク３１で接続された、記憶部３２、入出力インターフェース３３、制御部３４及び圧力調整部４０を備える。
記憶部３２は、上述のＲＯＭやＲＡＭから構成される。記憶部３２は、例えば、質量平均水素温度（ＭＡＴ：Mass Average Temperature）と充填完了時間ｔfinとの関係をマッピングした充填時間算出マップを保持する。
ＭＡＴは、Ｂ／Ａ２５を流通水素の全質量により流路圧力計１９で検出した流通水素温度Ｔｆを除算した物理量であり、流通水素の絶対温度に比例する。
また、記憶部３２は、水素補給時に計測した流通水素温度Ｔｆ又は流通水素圧力Ｐｆ等の各種データを記憶する。
記憶部３２は、上述のＲＯＭやＲＡＭから構成される。記憶部３２は、例えば、質量平均水素温度（ＭＡＴ：Mass Average Temperature）と充填完了時間ｔfinとの関係をマッピングした充填時間算出マップを保持する。
ＭＡＴは、Ｂ／Ａ２５を流通水素の全質量により流路圧力計１９で検出した流通水素温度Ｔｆを除算した物理量であり、流通水素の絶対温度に比例する。
また、記憶部３２は、水素補給時に計測した流通水素温度Ｔｆ又は流通水素圧力Ｐｆ等の各種データを記憶する。
【0022】
入出力インターフェース３３は、入出力画面２１と制御装置３０内の各構成（３２，３４，４０）との情報の授受を媒介する。
制御部３４は、流量計１８で計測した水素の充填流量を監視して、流量調整弁１４の開度をフィードバック制御する。また、制御部３４は、遮断弁１７の開閉も制御する。
圧力調整部４０は、補給装置１０内の各種構成機器（１３～２２）から得られる圧力に関する情報に基づいて、制御部３４を介して流量調整弁１４の開度を制御する。
制御部３４及び圧力調整部４０によって、燃料タンク５１への水素の充填流量が所望量に調整される。
制御部３４は、流量計１８で計測した水素の充填流量を監視して、流量調整弁１４の開度をフィードバック制御する。また、制御部３４は、遮断弁１７の開閉も制御する。
圧力調整部４０は、補給装置１０内の各種構成機器（１３～２２）から得られる圧力に関する情報に基づいて、制御部３４を介して流量調整弁１４の開度を制御する。
制御部３４及び圧力調整部４０によって、燃料タンク５１への水素の充填流量が所望量に調整される。
【0023】
＜圧力調整部４０＞
以下、圧力調整部４０について、より詳細に説明する。
圧力調整部４０は、図２に示されるように、水素圧力取得部４１、水素温度取得部４２、外気温取得部４３、タンクサイズ推定部４４、ＭＡＴE算出部４５、ＭＡＴ算出部４６、及び決定部（図２，５では「目標昇圧率決定部」と表記）４７を備える。
以下、圧力調整部４０について、より詳細に説明する。
圧力調整部４０は、図２に示されるように、水素圧力取得部４１、水素温度取得部４２、外気温取得部４３、タンクサイズ推定部４４、ＭＡＴE算出部４５、ＭＡＴ算出部４６、及び決定部（図２，５では「目標昇圧率決定部」と表記）４７を備える。
【0024】
水素圧力取得部４１は、流路圧力計１９で検出した流通水素の圧力Ｐｆを取得する。
水素温度取得部４２は、流路温度計２０で検出した流通水素の温度を取得する。
外気温取得部４３は、水素ステーション１００の外気温Ｔ０を取得する。
水素温度取得部４２は、流路温度計２０で検出した流通水素の温度を取得する。
外気温取得部４３は、水素ステーション１００の外気温Ｔ０を取得する。
【0025】
タンクサイズ推定部４４は、燃料タンク５１のタンクサイズを推定する。タンクサイズは、充填開始後に、流量計１８で計測された流通水素の流動量、流通水素圧力Ｐｆの上昇率、及び流通水素温度Ｔｆの変化率から状態方程式を用いて推定される。
【0026】
水素温度算出部（ＭＡＴE算出部）４５は、流通水素の初期圧、流通水素温度Ｔｆ及び外気温Ｔ０に基づいて次式（１）で表されるＭＡＴEを算出する。
ＭＡＴEは、充填開始後約３０秒経過時のＭＡＴの予測値である。ＭＡＴEは、初期圧測定充填の完了から充填開始後約３０秒経過までの間の水素充填において用いられる。
ＭＡＴE＝ｂ０＋ｂ１Ｔ０［℃］＋ｂ２Ｔｆ［℃］＋ｂ３Ｐ０［ＭＰａ］ （１）
ここで、流通水素の初期圧Ｐ０は、ＭＡＴEを用いた充填開始するときの燃料タンク５１内の圧力の推定値である。初期圧Ｐ０については後述する。
また、係数ｂ０～ｂ３の４つの係数は、外気温Ｔ０、流通水素温度Ｔｆ、初期圧Ｐ０及びタンクサイズを変数にして決定される係数であり、事前実験の結果から重回帰分析により算出する。係数ｂ０～ｂ３は、利用者が水素充填をする度に蓄積されたデータに基づいて再計算される。
ＭＡＴEは、充填開始後約３０秒経過時のＭＡＴの予測値である。ＭＡＴEは、初期圧測定充填の完了から充填開始後約３０秒経過までの間の水素充填において用いられる。
ＭＡＴE＝ｂ０＋ｂ１Ｔ０［℃］＋ｂ２Ｔｆ［℃］＋ｂ３Ｐ０［ＭＰａ］ （１）
ここで、流通水素の初期圧Ｐ０は、ＭＡＴEを用いた充填開始するときの燃料タンク５１内の圧力の推定値である。初期圧Ｐ０については後述する。
また、係数ｂ０～ｂ３の４つの係数は、外気温Ｔ０、流通水素温度Ｔｆ、初期圧Ｐ０及びタンクサイズを変数にして決定される係数であり、事前実験の結果から重回帰分析により算出する。係数ｂ０～ｂ３は、利用者が水素充填をする度に蓄積されたデータに基づいて再計算される。
【0027】
なお、実際に実験用水素ステーションで二輪車用の１０Ｌタンクの水素を充填する試験を行い、その試験結果に基づいて、ＭＡＴEについて重回帰解析を行い導出した。この重回帰解析の結果、ｂ０＝－１８．１、ｂ１＝０．１３、ｂ２＝０．７９、ｂ３＝０．２２の結果を、誤差１℃未満で決定係数Ｒ２＝９７．９の確度で得られた。１℃の誤差は燃料タンク５１内がオーバーヒートするほどの誤差ではなく、安全に充填ができると考えられる。なお、大きい誤差を含むＭＡＴEに基づいて水素を充填した場合、安全が確保できないと判断され充填が途中で停止する場合がある。よって、早い充填を確保するためには、この誤差は小さいことが好ましい。
【0028】
式（１）により、外気温Ｔ０、流通水素温度Ｔｆ及び初期圧Ｐ０を代入することで、一般的な重回帰分析で、目標昇圧率Ωの算出に適したＭＡＴを推定することができる。
ＭＡＴEは充填開始から約３０秒間の激しい水素温度変化をなます意味を有する。流通水素が流動する流路の冷却が十分にされていない最初の３０秒間は、流通水素温度Ｔｆが急激に変化する。よって、Ｂ／Ａ２５の地点で流通水素温度Ｔｆが特定できても、この値は逐次変化していくため、昇圧率を適切に特定するのは困難である。そこで、ＭＡＴEを用いて、最適な一定値である目標昇圧率Ωを算出して、この目標昇圧率Ωで水素を充填する。
ＭＡＴEは充填開始から約３０秒間の激しい水素温度変化をなます意味を有する。流通水素が流動する流路の冷却が十分にされていない最初の３０秒間は、流通水素温度Ｔｆが急激に変化する。よって、Ｂ／Ａ２５の地点で流通水素温度Ｔｆが特定できても、この値は逐次変化していくため、昇圧率を適切に特定するのは困難である。そこで、ＭＡＴEを用いて、最適な一定値である目標昇圧率Ωを算出して、この目標昇圧率Ωで水素を充填する。
【0029】
目標昇圧率決定部（決定部）４７は、算出されたＭＡＴE及びタンクサイズ推定部４４で推定されたタンクサイズに基づいて流通水素の目標昇圧率Ωを決定する。
具体的には、決定部４７は、充填時間算出マップを参照して、ＭＡＴEに基づいて水素の充填完了時間ｔfinを推定する。そして、決定部４７は、推定した燃料タンク５１のタンクサイズを充填完了時間ｔfinで除算し、さらに外気温Ｔ０を加味して目標昇圧率Ωを決定する。
このように算出した目標昇圧率Ωを用いて流通水素の流量を制御することで、充填開始後約３０秒間について、種々の構成機器（１３～２２，５２，５３）の熱マスを測定せずに高精度に水素補給を制御することができる。
具体的には、決定部４７は、充填時間算出マップを参照して、ＭＡＴEに基づいて水素の充填完了時間ｔfinを推定する。そして、決定部４７は、推定した燃料タンク５１のタンクサイズを充填完了時間ｔfinで除算し、さらに外気温Ｔ０を加味して目標昇圧率Ωを決定する。
このように算出した目標昇圧率Ωを用いて流通水素の流量を制御することで、充填開始後約３０秒間について、種々の構成機器（１３～２２，５２，５３）の熱マスを測定せずに高精度に水素補給を制御することができる。
【0030】
ここで、図３は、水素の充填時間ｔと流通水素圧力Ｐｆとの関係を示すグラフである。
充填ノズル１３は、通常、水素補給の終了時に脱圧される。よって、遮断弁１７より充填ノズル１３側の流路は、充填ノズル１３を充填口５２への接続の直前では大気圧にされている。よって、遮断弁１７が開放されると、遮断弁１７より蓄圧器１１側の流路に残された高圧の水素が、燃料タンク５１に流入する。水素が瞬間的に流入することで、燃料タンク５１内及び流通水素の流路内の圧力が瞬間的に急上昇するコネクションパルスが発生する。よって、遮断弁１７の開放直後は、図３に示される圧力グラフにおいても、コネクションパルスが確認される。コネクションパルスにより流通水素の流路及び燃料タンク５１が均圧化され、圧力Ｐｆが平衡になったときの圧力Ｐ０αから水素の質量保存を利用して初期圧Ｐ０が算出される。
充填ノズル１３は、通常、水素補給の終了時に脱圧される。よって、遮断弁１７より充填ノズル１３側の流路は、充填ノズル１３を充填口５２への接続の直前では大気圧にされている。よって、遮断弁１７が開放されると、遮断弁１７より蓄圧器１１側の流路に残された高圧の水素が、燃料タンク５１に流入する。水素が瞬間的に流入することで、燃料タンク５１内及び流通水素の流路内の圧力が瞬間的に急上昇するコネクションパルスが発生する。よって、遮断弁１７の開放直後は、図３に示される圧力グラフにおいても、コネクションパルスが確認される。コネクションパルスにより流通水素の流路及び燃料タンク５１が均圧化され、圧力Ｐｆが平衡になったときの圧力Ｐ０αから水素の質量保存を利用して初期圧Ｐ０が算出される。
【0031】
なお、コネクションパルスの発生後も流通水素圧力Ｐｆが均一化され圧力が一定となっていることが確認できず初期圧Ｐ０を取得できない場合がある。この場合、初期圧Ｐ０を算出するために、さらに少量の水素を一定速度で燃料タンク５１に充填してもよい。このような初期圧測定充填をし、初期圧測定充填により圧力Ｐｆが平衡になったときの圧力Ｐ０α２から初期圧Ｐ０を算出する。なお、初期圧測定充填時には、タンクサイズなど、後続するＭＡＴEを用いた充填に必要な情報が計算される。
【0032】
ＭＡＴ算出部４６（図２）は、ＭＡＴE充填に後続するＭＡＴ３０充填及びＭＡＴ０充填を行うためのＭＡＴ３０及びＭＡＴ０を算出する。
ＭＡＴ３０は、流路温度計２０で検出した流通水素温度Ｔｆを流量質量で除算した質量平均温度で、充填開始の約３０秒後から起算したものである。充填開始後の約３０秒間は熱マスが大きいため、ＭＡＴ３０はこの間の温度変化を算入せずに算出される。ＭＡＴ３０は、流通水素温度Ｔｆから毎秒算出される。ＭＡＴEによる３０秒間の充填が終わりＭＡＴ３０充填に切り替わると、実際の水素温度等から計算した目標昇圧率Ωに基づき水素が充填される。
ＭＡＴ３０は、流路温度計２０で検出した流通水素温度Ｔｆを流量質量で除算した質量平均温度で、充填開始の約３０秒後から起算したものである。充填開始後の約３０秒間は熱マスが大きいため、ＭＡＴ３０はこの間の温度変化を算入せずに算出される。ＭＡＴ３０は、流通水素温度Ｔｆから毎秒算出される。ＭＡＴEによる３０秒間の充填が終わりＭＡＴ３０充填に切り替わると、実際の水素温度等から計算した目標昇圧率Ωに基づき水素が充填される。
【0033】
ＭＡＴ０は、ＭＡＴ３０による水素充填に後続する充填で用いられる質量平均水素温度である。ＭＡＴ０もまた、流路温度計２０で検出した流通水素温度Ｔｆを流量質量で除算した質量平均温度である。ＭＡＴ０は、コネクションパルスの終息直後から起算するため、初期測定充填及びＭＡＴEを用いた充填期間の大きな温度変化も算入することになる。
ＭＡＴ３０及びＭＡＴ０の目標昇圧率Ωも、ＭＡＴEと同様に決定部４７で計算される。
ＭＡＴ３０及びＭＡＴ０の目標昇圧率Ωも、ＭＡＴEと同様に決定部４７で計算される。
【0034】
ＭＡＴ３０充填及びＭＡＴ０充填においては、決定部４７は、毎秒算出されるＭＡＴ３０及びＭＡＴ０に基づいて、約５秒ごとに目標昇圧率Ωを決定する。この結果、ＭＡＴ３０及びＭＡＴ０による充填期間では、約５秒ごとに水素の供給量が制御されることになる。計測される流通水素圧力Ｐｆが既定の移行圧力Ｐtransに到達した場合に、目標昇圧率Ωの変数はＭＡＴ３０からＭＡＴ０に切り替えられる。ＭＡＴ３０では算入から除外していた温度変化も水素充填の後半には計算に含ませることで、後半では燃料タンク５１内の圧力の上昇が穏やかになる。流通水素圧力Ｐｆが目標圧力である充填終了圧力Ｐendに到達するまで、ＭＡＴ０に基づく目標昇圧率Ωで水素補給制御がなされる。
【0035】
なお、ＭＡＴEがＭＡＴ３０以上の大きさに設定されることで、ＭＡＴEに基づく目標昇圧率ΩがＭＡＴ３０に基づく目標昇圧率Ω以上になる。ＭＡＴEに基づく目標昇圧率Ωの大きさをＭＡＴ３０に基づく目標昇圧率Ω以上に設定することで、MC-Formula補給プロトコルによる安全性確保のための規定の下で、短時間で水素を充填することができる。
【0036】
【0037】
まず、充填ノズル１３が燃料タンク５１側の充填口５２に接続される（Ｓ１１）。
充填ノズル１３の接続後、入出力画面２１に表示される充填開始ボタンを押下すると遮断弁１７が開放される。そして、遮断弁１７より上流側に溜まっていた水素が一気に燃料タンク５１へ流入する。そこで、このコネクションパルスの発生を見込んで数秒間待機して燃料タンク５１内及び流通水素の流路内の圧力が均一化してからＭＡＴ０のタイムカウントを開始する。
充填ノズル１３の接続後、入出力画面２１に表示される充填開始ボタンを押下すると遮断弁１７が開放される。そして、遮断弁１７より上流側に溜まっていた水素が一気に燃料タンク５１へ流入する。そこで、このコネクションパルスの発生を見込んで数秒間待機して燃料タンク５１内及び流通水素の流路内の圧力が均一化してからＭＡＴ０のタイムカウントを開始する。
【0038】
タイムカウントを開始後、水素圧力取得部４１が、流路圧力計１９が測定した流通水素圧力Ｐｆの取得を開始する（Ｓ１２）。
そして、タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になっているか否か確認する（Ｓ１３）。図３に示されるような圧力の一定箇所がある場合には、タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になっているといえる（Ｓ１３においてＹＥＳ）。タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になると、流通水素圧力Ｐｆが流路圧力計１９で把握することができる。このときの圧力Ｐｆを計測初期圧Ｐ０αとして、この計測初期圧Ｐ０αから初期圧Ｐ０を算出する。
そして、タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になっているか否か確認する（Ｓ１３）。図３に示されるような圧力の一定箇所がある場合には、タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になっているといえる（Ｓ１３においてＹＥＳ）。タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧になると、流通水素圧力Ｐｆが流路圧力計１９で把握することができる。このときの圧力Ｐｆを計測初期圧Ｐ０αとして、この計測初期圧Ｐ０αから初期圧Ｐ０を算出する。
【0039】
タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧化しない場合（Ｓ１３においてＮＯ）、初期圧測定充填を開始する（Ｓ１４へ）。初期圧測定充填では、一定速度で最大で２００ｇまで充填がなされる。この初期圧測定充填によって、流通水素の流路の全域が均一化され、タンク内水素圧力と流通水素圧力Ｐｆとが均圧化する。初期圧測定充填を実施した場合には、この時の均圧化された圧力Ｐ０α２から初期圧Ｐ０を算出する。
なお、万一初期圧測定充填の途中で燃料タンク５１内の温度が８５℃を超えるおそれが発生した場合、水素の充填は停止される。
なお、万一初期圧測定充填の途中で燃料タンク５１内の温度が８５℃を超えるおそれが発生した場合、水素の充填は停止される。
【0040】
均圧化がなされ流路圧力計１９により初期圧Ｐ０が取得された後（Ｓ１３においてＹＥＳ）、ＭＡＴE算出部４５により、式（１）からＭＡＴEが算出される（Ｓ１５）。まず、ＭＡＴE算出部４５がタンクサイズ、初期圧Ｐ０、外気温Ｔ０及び流通水素温度Ｔｆを取得してＭＡＴEを算出する。
そして、決定部４７が、ＭＡＴEから記憶部３２に保持された充填時間算出マップを用いて充填完了時間ｔfinを算出する（Ｓ１５）。決定部４７は、タンクサイズ推定部４４で推定したタンクサイズを用いて、充填完了時間ｔfinから目標昇圧率Ωを導出する。そして、制御部３４が、この目標昇圧率Ωを昇圧率に設定し、流量調整弁１４を制御して水素流量を制御しながら水素を燃料タンク５１に充填する。
そして、決定部４７が、ＭＡＴEから記憶部３２に保持された充填時間算出マップを用いて充填完了時間ｔfinを算出する（Ｓ１５）。決定部４７は、タンクサイズ推定部４４で推定したタンクサイズを用いて、充填完了時間ｔfinから目標昇圧率Ωを導出する。そして、制御部３４が、この目標昇圧率Ωを昇圧率に設定し、流量調整弁１４を制御して水素流量を制御しながら水素を燃料タンク５１に充填する。
【0041】
充填開始から３０秒が経過するまで（Ｓ１６においてＹＥＳ）、ＭＡＴEに基づく目標昇圧率Ωで水素充填の制御が行われる（Ｓ１５へ）。
そして、充填開始から３０秒経過すると（Ｓ１６においてＹＥＳ）、ＭＡＴをＭＡＴEからＭＡＴ３０に切り替えて目標昇圧率Ωが算出される（Ｓ１７）。そして、ＭＡＴ３０に基づく目標昇圧率Ωで水素充填が制御される。ＭＡＴ３０に基づく水素充填に移行した後は、流通水素圧力Ｐｆが毎秒検出され、決定部４７により５秒毎に目標昇圧率Ωが更新される。
そして、充填開始から３０秒経過すると（Ｓ１６においてＹＥＳ）、ＭＡＴをＭＡＴEからＭＡＴ３０に切り替えて目標昇圧率Ωが算出される（Ｓ１７）。そして、ＭＡＴ３０に基づく目標昇圧率Ωで水素充填が制御される。ＭＡＴ３０に基づく水素充填に移行した後は、流通水素圧力Ｐｆが毎秒検出され、決定部４７により５秒毎に目標昇圧率Ωが更新される。
【0042】
流通水素圧力Ｐｆが移行圧力Ｐtransに到達すると、ＭＡＴ０により目標昇圧率Ωが昇圧率に設定され水素が充填される（Ｓ１８）。
流通水素圧力Ｐｆが、充填終了圧力Ｐendへの到達した場合、充填終了する（ＥＮＤ）。なお、流路圧力計１９又は流路温度計２０が圧力異常又は温度異常を検出した場合、水素充填は途中で停止する。
流通水素圧力Ｐｆが、充填終了圧力Ｐendへの到達した場合、充填終了する（ＥＮＤ）。なお、流路圧力計１９又は流路温度計２０が圧力異常又は温度異常を検出した場合、水素充填は途中で停止する。
【0043】
以上のように、第１実施形態に係る制御装置３０によれば、最適な目標昇圧率Ωで水素を充填することができる。目標昇圧率Ωを最適化することで、水素を「安全に」、「早く」、「多量に」補給することができる。また、目標昇圧率Ωは自動で算出されるため、より安全に水素を補充することができる。また、作業者による目標昇圧率Ωの設定が不要になるため工数が削減される。なお、第１実施形態に係る水素補給制御プログラムを制御装置３０にインストールするだけで制御装置３０が実装できるため、ハード機器の変更が不要である。
【0044】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る補給装置１０及び燃料電池車両５０の機能ブロック図である。
第２実施形態に係る補給装置１０には、図５に示されるように、タンクサイズの設定を受け付けるタンクサイズ設定部４９が設けられる。また、タンクサイズ推定部４４は、タンクサイズ設定部４９から設定されたタンクサイズを加味してタンクサイズを推定する。このようにして推定されたタンクサイズは、決定部４７において、目標昇圧率Ωの決定に用いられる。
図５は、第２実施形態に係る補給装置１０及び燃料電池車両５０の機能ブロック図である。
第２実施形態に係る補給装置１０には、図５に示されるように、タンクサイズの設定を受け付けるタンクサイズ設定部４９が設けられる。また、タンクサイズ推定部４４は、タンクサイズ設定部４９から設定されたタンクサイズを加味してタンクサイズを推定する。このようにして推定されたタンクサイズは、決定部４７において、目標昇圧率Ωの決定に用いられる。
【0045】
水素ステーション１００を利用する車両５０の燃料タンク５１のタンクサイズは、二輪用サイズと四輪用サイズとに大別される。二輪用タンクの１０倍のサイズの四輪用タンクに同じ流量で充填すると、満充填時間は二輪用タンクの１０倍かかることになる。また、二輪用タンクは四輪用タンクよりも流量が少ないため外部環境温度に依存しやすく、より高精度にＭＡＴの推定をしなければ、タンク内温度の上昇により充填が途中で止まってしまう。そこで、予めタンクサイズを大別させることで、タンクサイズの推定精度を向上させることに加え、推定時間を短くすることができる。
【0046】
例えば、タンクサイズ設定部４９が入出力画面２１に二輪車及び四輪車を表す選択ボタンを表示して、利用者にいずれかのボタンを選択させる。なお、タンクサイズの選択には、テンキーを利用して、利用者にタンクサイズをテンキー入力させてもよい。
また、タンクサイズを選択させるタイミングは、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１１のノズル接続時の事前又は後段が好ましい。
また、タンクサイズを選択させるタイミングは、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１１のノズル接続時の事前又は後段が好ましい。
【0047】
なお、利用者による選択が誤っており、四輪用の流量で二輪車の燃料タンク５１に誤充填されてしまうことがある。そこで、利用者によるタンクサイズの選択がなされる場合にも、タンクサイズ推定部４４によるタンクサイズの推定は必要である。
【0048】
なお、利用者が選択したタンクサイズを加味してタンクサイズを推定すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同様の構成及び動作になるので、重複する説明を省略する。また、図面においても、同一の構成には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【0049】
以上のように、第２実施形態に係る補給装置１０によれば、タンクサイズを利用者に大別させることで、目標昇圧率Ωの算出精度を向上させることができる。特に、タンク容量の少ない二輪用の燃料タンク５１を四輪用から区別することで、二輪車における水素補充を安全に、多量に、早くすることができる。
【0050】
本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【0051】
例えば、実施形態では、流量計及び導管流量弁を用いて、水素の充填流量を制御したが、この充填流量は他の機器で制御してもよい。
【符号の説明】
【0052】
１０…水素補給装置（補給装置）、１１…蓄圧器、１２…導管、１３…充填ノズル、１４…流量調整弁、１５…事前冷却器、１６…冷却温度計、１７…遮断弁、１８…流量計、１９…流路圧力計、２０…流路温度計、２１…入出力画面、２２…大気温度計、２４…ホース、２５…緊急離脱カプラ（Ｂ／Ａ）、３０…水素補給制御装置（制御装置）、３１…通信ネットワーク、３２…記憶部、３３…入出力インターフェース、３４…制御部、４０…圧力調整部、４１…水素圧力取得部、４２…水素温度取得部、４３…外気温取得部、４４…タンクサイズ推定部、４５…ＭＡＴE算出部、４６…ＭＡＴ算出部、４７…決定部（目標昇圧率決定部）、４９…タンクサイズ設定部、５０…燃料電池車両（車両）、５１…燃料タンク、５２…充填口、５３…車内配管、１００…水素ステーション、Ｐ０（Ｐ０α，Ｐ０α2）…初期圧、Ｐend…充填終了圧力、Ｐｆ…流通水素圧力、Ｒ２…決定係数、Ｔ０…外気温、Ｔｆ…流通水素温度、Ｔpc…冷却水素温度、ｂ０～ｂ３…重回帰解析の係数、ｔfin…充填完了時間、Ω…目標昇圧率。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】