特許 7338597 バルブ異常判定装置およびその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-28

(45)【発行日】2023-09-05

(54)【発明の名称】バルブ異常判定装置およびその方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 51/00 20060101AFI20230829BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230829BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20230829BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20230829BHJP

   G05D 16/20 20060101ALI20230829BHJP

   G01M 3/04 20060101ALI20230829BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230829BHJP

【ＦＩ】

F16K51/00 F

H01M8/04 J

H01M8/0438

H01M8/04664

H01M8/04 Z

G05D16/20 J

G01M3/04 H

H01M8/10 101

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020160620

(22)【出願日】2020-09-25

(65)【公開番号】P2022053799

(43)【公開日】2022-04-06

【審査請求日】2022-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 和男

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１４９２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－９２７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１３４０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１１９３７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－００１３２５５（ＫＲ，Ａ）

【文献】実開平２－９１９３２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ５１／００

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

Ｇ０５Ｄ １６／００－１６／２０

Ｆ１７Ｃ １／００－１３／１２

Ｇ０１Ｍ ３／００－ ３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスが外気より高い圧力で充填されるタンクと、
前記タンクの出口に設けられ、外部からの指示に応じてガス流路を開閉する第１バルブと、
前記第１バルブから下流側の流路に設けられ、開弁することで、前記第１バルブとの間に閉空間を形成し、開弁することで、前記閉空間のガスを外部に放出する第２バルブと、
前記閉空間の圧力を検出するセンサと、
前記第１，第２バルブの開閉を制御する制御部であって、前記閉空間が前記タンクに充填されたガスの圧力によって圧力を高められた状態で、かつ前記第１バルブが閉弁された第１状態から、前記第２バルブを一時的に開弁することによって、前記閉空間内のガスを外部に放出し、前記閉空間が前記第１状態の圧力より減圧された圧力で、かつ前記第２バルブが閉弁された第２状態とする制御部と、
前記第１バルブおよび前記第２バルブの動作に伴って、前記センサにより検出された前記閉空間の圧力の変化から、前記第１バルブの閉弁時通過ガス量を評価して、前記第１バルブの閉弁異常の有無を判定する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、
前記第１状態から前記第２状態への減圧量が予め定めた閾値未満の場合には、前記第２バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記第１バルブの閉弁異常を判断する手法のうち、予め定めた第１の判断手法で前記第１バルブの閉弁異常の有無の判定を行ない、
前記第２状態への前記減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なう、
バルブ異常判定装置。

【請求項2】

前記第２の判断手法は、前記第１の判断手法よりも、前記圧力の変化による前記判断の回数が多い手法である、請求項１記載のバルブ異常判定装置。

【請求項3】

前記第２の判断手法は、前記第２バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記第１バルブの閉弁異常を判断する処理を１回行なった後で、前記閉空間の圧力が、前記第１状態の圧力に対して所定の圧力範囲に入っているとき、前記第１バルブに閉弁異常があると判定する、請求項２に記載のバルブ異常判定装置。

【請求項4】

前記第２の判断手法は、前記第１の判断手法より、前記圧力の変化を検出するための時間が長い手法である、請求項１記載のバルブ異常判定装置。

【請求項5】

前記タンクは燃料電池に供給される燃料ガスが充填されるガスタンクであり、
前記第２バルブは、前記燃料ガスを燃料電池に供給するインジェクタである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバルブ異常判定装置。

【請求項6】

ガスが外気より高い圧力で充填されるタンクの出口に設けられ、ガス流路を開閉するタンクバルブの異常を判定する方法であって、
前記タンクバルブから下流側の流路に設けられ、前記タンクバルブより下流側に形成される閉空間に設けられたセンサにより、前記閉空間の圧力を検出し、
前記閉空間の圧力を、前記タンクに充填されたガスの圧力によって高め、かつ前記タンクバルブを閉弁した第１状態とし、
前記第１状態から、前記流路に設けられた放出バルブを一時的に開弁することで、前記閉空間の前記ガスを外部に放出して、前記閉空間の圧力を、前記第１状態の圧力より減圧し、かつ前記放出バルブが閉弁された第２状態とし、
前記第１状態から前記第２状態への減圧量が予め定めた閾値未満の場合には、前記放出バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記タンクバルブの閉弁異常を判定する手法のうち、予め定めた第１の判断手法で前記タンクバルブの閉弁異常の有無の判定を行ない、
前記第２状態への前記減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なう、
バルブ異常判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスを充填されるタンクに設けられたバルブの閉弁異常を判定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池車両などでは搭載した燃料ガスタンクの出口に、電気的に開閉弁される電磁弁などのタンクバルブが設けられている。燃料ガスを使用しない場合には、このタンクバルブを電気信号によって閉弁し、ガスの放出を止めている。こうしたタンクバルブでは、閉弁状態にされたバルブを通り抜けるガス（以下、閉弁時通過ガスという）が、許容値以下であることが要請される。閉弁時通過ガスが許容値より大きい場合には、タンクバルブに異常が生じたとして、通常、これをインスツルメントバネルなどに表示し報知する。

【0003】

下記特許文献１には、こうしたバルブの閉弁時通過ガスを検出する手法が開示されている。具体的には、燃料ガスを充填したタンクからタンクバルブを通過して燃料電池に至るまでの流路に設けられた各種電磁弁を制御して、閉空間を作り出し、この閉空間からガスを放出させてその内部の圧力を一旦下げる。そのあとで、再び閉空間にし、この状態おける閉空間の圧力変動を計測することで、タンクバルブの閉弁時通過ガス量を測定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開ＷＯ２００５／０８８７５６Ａ１公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この特許文献１に記載の技術は、閉弁時通過ガス量を広い範囲に亘って精度良く検出する優れたものであるが、測定時に、閉空間のガスを放出して内部の圧力を下げているため、閉弁時通過ガス量の測定のために減圧量を大きくすると、外部に放出されるガス量が増えてしまう。他方、ガスの放出量を抑制すると、閉空間の圧力を十分に、例えば複数回の測定が可能な圧力まで低下することができない。かかる問題は、トレードオフの関係にあり、燃料電池車両に限らず、ガスタンクの出口に設けられたタンクバルブの閉弁時通過ガス量が許容値以上となった場合にタンクバルブに閉弁異常があると判定するものに共通している。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、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。

【0007】

（１）本開示の第１の態様は、バルブ異常判定装置としての態様である。このバルブ異常判定装置は、ガスが外気より高い圧力で充填されるタンクと、前記タンクの出口に設けられ、外部からの指示に応じてガス流路を開閉する第１バルブと、前記第１バルブから下流側の流路に設けられ、開弁することで、前記第１バルブとの間に閉空間を形成し、開弁することで、前記閉空間のガスを外部に放出する第２バルブと、前記閉空間の圧力を検出するセンサと、前記第１，第２バルブの開閉を制御する制御部であって、前記閉空間が前記タンクに充填されたガスの圧力によって圧力を高められた状態で、かつ前記第１バルブが閉弁された第１状態から、前記第２バルブを一時的に開弁することによって、前記閉空間内のガスを外部に放出し、前記閉空間が前記第１状態の圧力より低い圧力で、かつ前記第２バルブが閉弁された第２状態とする制御部と、前記第１バルブおよび前記第２バルブの動作に伴って、前記センサにより検出された前記閉空間の圧力の変化から、前記第１バルブの閉弁時通過ガス量を評価して、前記第１バルブの閉弁異常の有無を判定する異常判定部と、を備える。ここで、前記異常判定部は、前記第１状態から前記第２状態への前減圧量が予め定めた閾値未満の場合には、前記第２バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記第１バルブの閉弁異常を判定する手法のうち、予め定めた第１の判断手法で前記第１バルブの閉弁異常の有無の判定を行ない、前記第２状態への前記減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なう。
こうすれば、第１状態から第２状態への減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なうので、第１バルブの異常判定において、誤判定する可能性を低減できる。しかも、閉空間からのガスの放出量の増加を抑制できる。
（２）こうしたバルブ異常判定装置において、前記第２の判断手法は、前記第１の判断手法よりも、前記圧力の変化による前記判断の回数が多い手法であるものとしてもよい。こうすれば、第２の判断手法は判断回数が多いので、誤判定の可能性を低減できる。
（３）こうしたバルブ異常判定装置において、前記第２の判断手法は、前記第２バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記第１バルブの閉弁異常を判断する処理を１回行なった後で、前記閉空間の圧力が、前記第１状態の圧力に対して所定の圧力範囲に入っているとき、前記第１バルブに閉弁異常があると判定するものとしてもよい。こうすれば、閉空間の圧力が閉弁時通過ガス量が多く、１回の異常判断の処理で、閉空間の圧力が第１状態に近づいてしまうような場合でも、第１バルブの異常の誤判定を回避できる。
（４）こうしたバルブ異常判定装置において、前記第２の判断手法は、前記第１の判断手法より、前記圧力の変化を検出するための時間が長い手法であるものとしてもよい。こうすれば、第２の判断手法は判断回数を維持しやすいので、誤判定の可能性を低減できる。
（５）こうしたバルブ異常判定装置において、前記タンクは燃料電池に供給される燃料ガスが充填されるガスタンクであり、前記第２バルブは、前記燃料ガスを燃料電池に供給するインジェクタであるものとしてもよい。こうすれば、燃料電池に燃料ガスを供給するタンクに設けられたバルブの閉弁異常を、既存の装置を利用して、容易に判定できる。
（６）本開示の第２の態様は、バルブの異常判定方法としての態様である。このバルブの異常判定方法は、前記タンクバルブから下流側の流路に設けられ、前記タンクバルブより下流側に形成される閉空間に設けられたセンサにより、前記閉空間の圧力を検出し、前記閉空間の圧力を、前記タンクに充填されたガスの圧力によって高め、かつ前記タンクバルブを閉弁した第１状態とし、前記第１状態から、前記流路に設けられた放出バルブを一時的に開弁することで、前記閉空間の前記ガスを外部に放出して、前記閉空間の圧力を、前記第１状態の圧力より減圧し、かつ前記放出バルブが閉弁された第２状態とし、前記第１状態から前記第２状態への減圧量が予め定めた閾値未満の場合には、前記放出バルブの前記閉弁後に前記センサにより検出された圧力の変化により前記タンクバルブの閉弁異常を判定する手法のうち、予め定めた第１の判断手法で前記タンクバルブの閉弁異常の有無の判定を行ない、前記第２状態への前記減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なう。
この異常判定方法によれば、前記第１状態から前記第２状態の減圧量が前記閾値以上の場合には、前記第１の判断手法よりも精度が高い第２の判断手法で前記閉弁異常の有無の判定を行なうので、タンクバルブの異常判定において、誤判定する可能性を低減できる。しかも、閉空間からのガスの放出量の増加を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態のバルブ異常判定装置の概略構成図。

【図2】第１実施形態におけるタンクバルブ異常判定処理を示すフローチャート。

【図3】第１実施形態において、閉空間の圧力が十分に低下できた場合の判定の様子を示す説明図。

【図4】第１実施形態において、閉空間の圧力の低下が不十分な場合の判定の様子を示す説明図。

【図5】第２実施形態におけるタンクバルブ異常判定処理を示すフローチャート。

【図6】第３実施形態におけるタンクバルブ異常判定処理を示すフローチャート。

【図7】第３実施形態における判定の様子を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

第１実施形態：
（１）ハードウェア構成：
燃料電池システムにおけるバルブ異常判定装置２０の概略構成を、図１に示す。図示するように、第１バルブに相当するタンクバルブ５３は、燃料電池システムに用いられるガスタンク（以下、単にタンクという）５１に設けられている。まず、燃料電池システムの概略構成について簡単に説明する。燃料電池システムは、燃料電池３０と、酸素を含有する大気を供給し排気するエア給排気系４０と、水素を供給し排出する水素給排気系５０と、図示しない冷却水循環系とが設けられている。

【0010】

燃料電池３０は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置であり、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池３０は、固体高分子形燃料電池であるが、他種の燃料電池を用いてもよい。燃料電池３０を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスである水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸化ガスである空気が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。

【0011】

エア給排気系４０は、図示しないコンプレッサにより供給される空気を、燃料電池３０内のカソード側流路に導くエア供給管４１と、燃料電池３０で酸素の一部が消費された空気が排気されるエア排気管４３とを備える。エア排気管４３は、希釈器６７に接続されている。

【0012】

水素給排気系５０は、タンク５１に貯蔵された水素を燃料電池３０のアノード側流路に供給するためのものであり、タンク５１から燃料電池３０のアノード側流路入口までの管路５２に、タンク５１から順に下流側に向けて、タンクバルブ５３、調圧バルブ５５，第２バルブ（放出バルブ）に相当するインジェクタ５７が設けられている。また、燃料電池３０のアノード側流路出口には、気液分離器６５を介して、アノード排ガスをアノード側流路入口に接続する循環管路６４が設けられ、ここに、水素循環ポンプ６３が設けられている。気液分離機６５で水分を分離された後のアノード排ガスは、希釈器６７で空気により希釈され、システムの外部に放出される。

【0013】

水素給排気系５０の管路５２には、高圧用、中圧用、低圧用の圧力計が設けられている。タンクバルブ５３と調圧バルブ５５との間には第１圧力計７１が、調圧バルブ５５とインジェクタ５７との間には第２圧力計７２が、インジェクタ５７の下流には第３圧力計７３が、それぞれ設けられている。また、タンク５１の口金には、タンク５１から取り出されたガスの温度Ｔを検出する温度センサ７５が設けられている。

【0014】

バルブ異常判定装置２０には、燃料電池制御用ＥＣＵ８０が含まれている。この燃料電池制御用ＥＣＵ８０は、周知のＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどを内蔵しており、ＲＯＭに記憶したプログラムを実行することにより、燃料電池３０の運転の制御とタンクバルブ５３の異常判定とを行なう。図では、燃料電池制御用ＥＣＵ８０の内部のうち、タンクバルブ５３の異常判定に関与する部分、すなわち異常判定部８１，制御部８２，出力部８３のみを示した。また、燃料電池制御用ＥＣＵ８０は、既に説明した各種センサやアクチュエータと接続され、タンクバルブ５３の異常の判定を行なうための検出信号の入力や制御信号の出力などを行なう。燃料電池制御用ＥＣＵ８０に異常判定に関して入力される信号は、第１圧力計７１からの圧力検出信号Ｐ１、第２圧力計７２からの圧力検出信号Ｐ２、第３圧力計７３からの圧力検出信号Ｐ３、温度センサ７５からの温度検出信号Ｔなどである。また、燃料電池制御用ＥＣＵ８０が異常判定に関して出力する制御信号は、第１バルブであるタンクバルブ５３の開閉を指示する制御信号Ｓ１、第２バルブであるインジェクタ５７を駆動する制御信号Ｓ２、などである。燃料電池制御用ＥＣＵ８０は、燃料電池３０の運転の際には、水素循環ポンプ６３に対して制御信号を出力するなど、他の部品にも信号を出力し、あるいは信号を入力しているが、これらの信号については、タンクバルブ５３の異常判定には直接関わらないので、図示および説明を省略した。

【0015】

（２）タンクバルブの閉弁異常の判定手法：
バルブ異常判定装置２０は、タンクバルブ５３の閉弁異常を判定するが、これは以下のようにして行なわれる。燃料電池３０の運転時にはタンクバルブ５３は、開弁されている。この場合、インジェクタ５７が閉じていれば、タンクバルブ５３からインジェクタ５７までの管路５２の内部は、タンク５１内の圧力と等しくなる。この状態を、第１状態と呼ぶ。この状態からタンクバルブ５３を閉弁すると、タンクバルブ５３からインジェクタ５７までの管路５２から水素は流出しないので、この間が閉空間６０となる。この閉空間６０の圧力は、第１圧力計７１または第２圧力計７２により検出することができる。以下の説明では、第１圧力計７１を用いるものとして説明する。

【0016】

次に、インジェクタ５７を一時的に、つまり所定時間だけ開弁すると、閉空間６０内の圧力は、燃料電池３０のアノード側流路の圧力より高いから、閉空間６０の水素はインジェクタ５７から噴出し、閉空間６０の圧力は、その分低下する。これを減圧量ΔＰと呼ぶ。インジェクタ５７が指定時間後に閉弁すると、閉空間６０の圧力の低下は止まり、閉空間６０の圧力は維持される。この状態を第２状態と呼ぶ。このとき、閉弁しているタンクバルブ５３をタンク５１側から通過する閉弁時通過ガスが存在すると、閉空間６０の圧力は上昇する。この上昇の際の圧力の変化を検出すれば、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量が許容値以下である正常な状態か、閉弁時通過ガスの流量が許容値を超えており、タンクバルブ５３が閉弁異常であるかを判定することができる。なぜなら、閉空間６０の体積Ｖ、閉空間６０の圧力Ｐ、閉空間６０内のガスの温度Ｔ、閉空間６０内のガスの質量（モル数）ｎの間には、気体定数Ｒを用いて、以下の状態方程式、
Ｐ＝ｎＲＴ／Ｖ
が成り立つから、閉弁されているタンクバルブ５３を介してタンク５１側からガスが流入すると、閉空間６０内のガスの質量は増加し、結果的に閉空間６０の圧力Ｐも上昇するからである。

【0017】

閉空間６０の圧力の上昇は、閉弁されているタンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量により生じるので、圧力の変化はタンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量に比例する。これを精度良く検出するには、ある程度の時間を要するから、インジェクタ５７が閉弁した直後の閉空間６０の圧力とそれから検出時間Ｔｐｐが経過した時点の閉空間６０の圧力との差から、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量Ｑを求めることができる。この閉弁時通過ガスの流量を評価して、流量が許容値を超えていれば、タンクバルブ５３は閉弁異常を起こしていると判定する。

【0018】

以上説明した判定原理に基づいて、バルブ異常判定装置２０が行なうタンクバルブ異常判定処理について、図２のフローチャートおよび図３の説明図を参照して説明する。図３は、閉空間６０の圧力の時間的な変化を示す。図２に示す処理は、燃料電池３０への燃料ガス等の供給を停止し、燃料電池３０の運転を終了する際に実行される。燃料電池制御用ＥＣＵ８０は、燃料電池３０の運転を停止すると共に、図２に示した異常判定処理を開始する。燃料電池３０の運転を終了することから、この処理の開始より前に、タンクバルブ５３は、既に閉弁されている。なお、この処理を開始する際、何回目の異常判断であるかを示す変数Ｎは初期化され、値１に設定される。

【0019】

タンクバルブ異常判定処理を開始すると、まず減圧処理を行なう（ステップＳ１００）。減圧処理は、インジェクタ５７を所定時間開弁することにより行なう。インジェクタ５７を開くと、閉空間６０内の高圧のガスは燃料電池３０向かって放出され、閉空間６０の圧力は低下する。この様子を、図３に示した。図示するように、インジェクタ５７が時刻ｔ１からｔ２までの時間開弁すると、その間に、閉空間６０の圧力は、第１状態である圧力ＰＰ１から、第２状態である圧力ＰＰ２まで低下する。これらの圧力は、所定のサンプリングタイムで、第１圧力計７１または第２圧力計７２の出力を読み取ることにより、検出できる。

【0020】

そこで、次に減圧量ΔＰを演算する（ステップＳ１１０）。減圧量ΔＰは、
ΔＰ＝ＰＰ１－ＰＰ２
として求めることができる。減圧量ΔＰを求めると、この減圧量ΔＰが、予め定めた減圧閾値ＴＤｐより小さいか否かの判断を行なう（ステップＳ１２０）。この減圧閾値ＴＤｐは、その後に行なわれる２回の異常判断に必要な減圧が行なわれたか否かを判断する閾値である。減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐより小さければ（ステップＳ１２０：「ＹＥＳ」）、異常判断を行なう回数を示す設定値Ｍに値１を代入し（ステップＳ１３０）、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ以上であれば（ステップＳ１３０：「ＮＯ」）、設定値Ｍに値２を代入する（ステップＳ１３５）。

【0021】

その後、予め設定された時間Ｔｐｐが経過するまで待って、閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）を検出する。ここで、閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）とは、時間当たりの流量を言う。閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）は、時間Ｔｐｐの間に生じた圧力差Ｐ（Ｎ）に、閉空間６０の体積Ｖと温度Ｔとから求められる係数ｋを乗じることにより検出できる。式で表わせば、
Ｑ（Ｎ）＝ｋ・Ｐ（Ｎ）／Ｔｐｐ
である。つまり、１回目の異常判断の際には、時間Ｔｐｐの間に生じた圧力の上昇による圧力差Ｐ（１）を用いて、
Ｑ（１）＝ｋ・Ｐ（１）／Ｔｐｐ＝ｋ・（ＰＰ３－ＰＰ２）／Ｔｐｐ
として、閉弁時通過ガス量Ｑ（１）が求められる。

【0022】

次に、こうして求めた異常判断１回目の閉弁時通過流量Ｑ（Ｎ）が、予め定めた許容値ＴＱを超えているかを判断する（ステップＳ１５０）。閉弁時通過流量Ｑ（Ｎ）が許容値ＴＱを超えていれば（ステップＳ１５０：「ＹＥＳ」）、タンクバルブ５３に閉弁異常が生じている可能性があるとして、フラグＦ（Ｎ）に値１を設定し（ステップＳ１６０）、閉弁時通過流量Ｑ（Ｎ）が許容値ＴＱを超えていなければ（ステップＳ１５０：「ＮＯ」）、タンクバルブ５３に閉弁異常は認められないとして、フラグＦ（Ｎ）に値０を設定する（ステップＳ１６５）。続いて、何回目の異常判断かを示す変数Ｎを値１だけインクリメントし（ステップＳ１７０）、変数Ｎが、ステップＳ１３０またはＳ１３５で設定した設定値Ｍより大きいかを判定する（ステップＳ１８０）。設定値Ｍが値１に設定されていれば、異常判断の処理回数を示す変数Ｎは、ステップＳ１７０でインクリメントしたことにより設定値Ｍを超えるので、ステップＳ１８０での判断は「ＹＥＳ」となり、上述したステップＳ１４０からＳ１６５の処理を１回行なったところで、ステップＳ２００の異常判断に移行する。他方、設定値Ｍが値２に設定されていれば、ステップＳ１７０での判断は「ＮＯ」となり、上記ステップＳ１４０に戻って、２回目の異常判断の処理を行なう。

【0023】

図３に示した例は、減圧処理（ステップＳ１００）により閉空間６０の圧力ＰＰが十分に低下でき（ΔＰ≧ＴＤｐ）、異常判断の時間Ｔｐｐを２回とっても、異常判断が正しく行なえる場合を示している。図２おいて、破線Ｂ１は、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量Ｑが許容値であるの場合を示し、実線Ｊ１は、閉弁時通過ガスの流量Ｑが許容値より大きい場合を示す。図示から分かるように、流量Ｑ（１）は１回目の異常判断で検出された流量であり、第１圧力計７１により検出された圧力ＰＰ３と圧力ＰＰ２との差圧Ｐ（１）から求められる。同様に、流量Ｑ（２）は２回目の異常判断で検出された流量であり、第１圧力計７１により検出された圧力ＰＰ４と圧力ＰＰ３との差圧Ｐ（２）から求められる。

【0024】

設定値Ｍが値２の場合には、二度目の異常判断を行なったところで、ステップＳ１８０の判断は「ＹＥＳ」となり、異常判定（ステップＳ２００）に移行する。異常判定（ステップＳ２００）では、テーブルＴＢ１にしたがって、異常判定を行なう。すなわち、１回目の異常判断と２回目の異常判断との結果を組み合わせ、２回の判断が行なえた場合には、いずれか１回でもフラグＦ（Ｎ）に値０が設定されていれば、つまり１回でも、タンクバルブ５３に閉弁異常がないと判断されていれば、「正常」と判定する。２回の異常判断において、フラグＦ（１）もＦ（２）も値１に設定された場合には、「異常」と判定する。他方、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐより小さいために異常判断が１回しか行なえなかった場合には、その１回の異常判断の結果にしたがって、「正常」または「異常」と判定する。異常判断が１回しか行なえなかった場合を、テーブルＴＢ１では、Ｆ（２）について「Ｎ／Ａ」として示した。

【0025】

他方、ステップＳ１２０において減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満であると判断された場合には、設定値Ｍは値１に設定されるから、異常判断（ステップＳ１４０、Ｓ１５０）は１回しか行なわれない。この様子を、図４に示した。図３と同じく、破線Ｂ２は、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガスの流量Ｑが許容値であるの場合を示し、実線Ｊ２は、閉弁時通過ガスの流量Ｑが許容値より大きい場合を示す。この例では、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満なので、２回の検出時間Ｔｐｐ×２が経過する前に、閉空間６０の圧力は減圧前の圧力に戻ってしまう可能性がある。こうした可能性がある場合には、２回目の判断を行なわないので、誤ってタンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が許容値以下と判断して、フラグＦ（Ｎ）を値０に設定することがない。

【0026】

以上説明した本実施形態では、タンクバルブ５３の閉弁異常の検出を行なうための減圧処理（ステップＳ１００）において、減圧量ΔＰが減圧閾値より小さいか否かにより、異常判断の回数を変更することで、異常判断の精度の確保とガス放出量の抑制とを両立させている。つまり、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満の場合には、第１の判断手法として異常判断を１回だけ行なうものとし、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ異常の場合には、第２の判断手法として異常判断を２回行なうものとして、後者での異常判断の精度を高めている。このように、減圧量ΔＰによって異常判断の精度を異ならせることで、２回の異常判断が必ず行なえるだけの大きなマージンを見込んで圧力を低下する必要がない。減圧は、つまるところ閉空間６０に確保された燃料ガス、ここでは水素を外部に放出することなので、こうした放出量を抑制できる。特に、調圧バルブ５５を備え、タンクバルブ５３から調圧バルブ５５までの高圧部と、調圧バルブ５５からインジェクタ５７までの中圧部を有する燃料電池システムでは、閉空間６０の体積が大きくなりやすい。こうした場合、十分な減圧量ΔＰを確保しようとして増加しがちな放出ガス量を抑制できる効果は大きい。

【0027】

上記実施形態では、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐより大きければ、異常判断を２回行ない、いずれか一回でも閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が許容値以下であれば、タンクバルブ５３は「正常」と判定したが、１回目の判断で、許容値以下と判断すれば、２回目の判断を行なわないものとしてもよい。あるいは、２回とも許容値以下でなければ「異常」と判定するものとしてもよい。また、上記実施形態では、判断の最大回数を２回としたが、３回以上としても良い。

【0028】

第２実施形態：
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同様のハードウェア構成を用い、タンクバルブ異常判定処理が異なる。図５に第２実施形態における異常判定処理のフローチャートを示す。第１実施形態と同じ処理には同じステップ番号を付し、説明は省略または簡略なものに留める。

【0029】

第２実施形態では、減圧量ΔＰと減圧閾値ＴＤｐとの大小にかかわらず、異常判断の回数は２回とし、検出時間Ｔｐｐを変更している。つまり、減圧処理（ステップＳ１００）によって生じた減圧量ΔＰを検出し（ステップＳ１１０）、減圧量ΔＰと減圧閾値ＴＤｐとの大小関係を判定する（ステップＳ１２０）。減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満であれば、検出時間Ｔｐｐを基準時間Ｔｄから時間ｔ０だけ短くする（ステップＳ１３０Ａ）。他方、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ以上であれば、検出時間Ｔｐｐを基準時間Ｔｄに設定する（ステップＳ１３５Ａ）。

【0030】

その後の処理（ステップＳ１４０からＳ１７０）は、第１実施形態と同じである。その後、異常判断の回数を示す変数Ｎが値２より大きくなったかを判断し（ステップＳ１８０Ａ）、異常判断が２回行なわれるまで、上記の処理を繰り返す。異常判断を２回行なうと（ステップＳ１８０Ａ：「ＹＥＳ」）、異常判定を行なう（ステップＳ２００Ａ）。第２実施形態では、２回の異常判断が行なわれるので、２回の異常判断の組合わせにより、タンクバルブ５３の閉弁異常を判定する。この判定の一例をテーブルＴＢ２として示した。第１実施形態と同様、テーブルＴＢ２に示した判定は、２回の異常判断のうち１回でも、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が許容値以下であれば、タンクバルブ５３は「正常」と判定するが、２回とも許容値以下でなければ「異常」と判断するものとしてもよい。

【0031】

第２実施形態では、減圧処理による減圧量がΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満の場合、第１の判断手法として、検出時間Ｔｐｐを基準時間Ｔｄより短く設定している。このように検出時間を短くしているので、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐより小さい場合でも、２回の異常判断を行なうことが可能となる。しかも、減圧処理による減圧量がΔＰが減圧閾値ＴＤｐ以上の場合には、第２の判断手法として、検出時間Ｔｐｐを基準時間Ｔｄとしているので、この場合の異常判断の精度は、減圧処理による減圧量がΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満の場合より高い。なお、検出時間Ｔｐｐを変更する場合、閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が許容値ＴＱを上回るかの判定（ステップＳ１５０）における許容値ＴＱを、検出時間Ｔｐｐに比例して低減する。また、上記実施形態では、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満の場合に検出時間Ｔｐｐを基準時間Ｔｄより短くする時間ｔ０は固定値としたが、減圧量ΔＰに応じて、例えば反比例する値とするようにしてもよい。こうすれば、減圧量ΔＰが小さいほど検出時間は短くなり、閉空間６０の圧力が減圧前の圧力に戻る前に２回の異常判断を完了できる可能性は高まる。

【0032】

第３実施形態：
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態も第１，第２実施形態と同様にハードウェア構成を用い、タンクバルブ異常判定処理が異なる。第３実施形態における異常判定処理の一例を、図６に示す。またこの場合、閉空間６０の圧力の変化の様子を、図７に示す。図６において、第１，第２実施形態と同じ処理には同じステップ番号を付し、説明は省略または簡略なものとする。

【0033】

第３実施形態では、減圧処理（ステップＳ１００）によって生じた減圧量ΔＰを検出し（ステップＳ１１０）、減圧量ΔＰと減圧閾値ＴＤｐとの大小関係を判定する（ステップＳ１２０）。その上で、減圧量ΔＰと減圧閾値ＴＤｐとの大小によって、異常判断の回数は２回または１回とし、２回の場合には、後述する元圧判定の処理（ステップＳ２１８）を行なう。図６では、１回目の異常判断をステップＳ２１０として、２回目の異常判断をステップＳ２２０として示した。第３実施形態でも、異常判断の回数を変更しており、第１の判断手法として、異常判断の回数を１回とする場合よりも、第２の判断手法として、異常判断の回数を２回とする場合の方が、判定の精度が高い。

【0034】

減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満の場合には、判断回数を示すフラグＦＦＮに値１を設定し（ステップＳ１９０）、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ以上の場合には、判断回数を示すフラグＦＦＮに値２を設定する（ステップＳ１９５）。そして、１回目の異常判断の処理（ステップＳ２１０）を開始する。

【0035】

１回目の異常判断では、予め定めた時間Ｔｐｐ経過後の閉空間６０の圧力ＰＰ３を、第１圧力計７１により検出する（ステップＳ２１２）。検出した圧力ＰＰ３から、検出時間Ｔｐｐの間の圧力差Ｐ（１）を求め、これからタンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（１）を求めることができるので、この閉弁時通過ガス量Ｑ（１）が許容値ＴＱ以下であるか否かを判断する（ステップＳ２１４）。閉弁時通過ガス量Ｑ（１）が許容値ＴＱ以下であれば（ステップＳ２１４：「ＹＥＳ」）、タンクバルブ５３は「正常」であると判定する（ステップＳ２７０）。この様子を、図７に示した。図示するように、１回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点の閉空間６０の圧力ＰＰ３から求めた圧力差Ｐ（１）が、閉弁時通過ガス量が許容値である場合（破線Ｂ３）の圧力変化より小さければ、この時点でタンクバルブ５３は「正常」であると判定し、「ＥＮＤ」に抜けて、本処理ルーチンを終了する。

【0036】

他方、１回目の異常判断（ステップＳ２１０）において、１回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点の閉空間６０の圧力ＰＰ３から求めた圧力差Ｐ（１）が、閉弁時通過ガス量が許容値の場合（破線Ｂ３）の圧力変化以上であれば、実線Ｊ３として示したように、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（１）が許容値ＴＱより大きいと判断され（ステップＳ２１４：「ＮＯ」）、この時点でタンクバルブ５３は「正常」であると判定できない。そこで、この場合には、ステップＳ２１６に進み、ステップＳ１９０またはＳ１９５で設定されたフラグＦＦＮの値について判別する。

【0037】

フラグＦＦＮが値１であれば（ステップＳ２１６）、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ未満であり、もう一度異常判断を行なうことができるほどの圧力差がないと判断されていたので、ステップＳ２１４の結果（Ｑ（１）＞ＴＱ）から、タンクバルブ５３は閉弁異常であると判定する（ステップＳ２８０）。

【0038】

他方、フラグＦＦＮが値２であれば（ステップＳ２１６）、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐ以上であり、もう一度異常判断を行なうことができるほどの圧力差があったと判断されていたので、２回目の異常判断（ステップＳ２２０）を行なうが、その前に、元圧判定の処理（ステップＳ２１８）を行なう。この元圧判定の処理は、１回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点での閉空間６０の圧力ＰＰ３が、予め定めた閾値圧力ＴＦＰより大きいか否か判断である。

【0039】

図７に例示したように、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量が大きければ、減圧量ΔＰが減圧閾値ＴＤｐより大きくても、破線Ｄ１に示したように、検出時間Ｔｐｐ経過後に閉空間６０の圧力が大幅に低下して、閾値圧力ＴＦＰより高くなってしまうことがあり得る。この場合、二度目の異常判断を行なうと、二度目の検出時間Ｔｐｐの経過後の圧力は、減圧処理（ステップＳ１００）前の圧力に戻ってしまい、圧力差Ｐ（２）が小さな値になってしまうことがある。

【0040】

そこで、ステップＳ２１８で、１回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点での閉空間６０の圧力ＰＰ３が、予め定めた閾値圧力ＴＦＰより大きいと判断された場合には、２回目の異常判断は行なわず、ステップＳ８０に移行して、タンクバルブ５３には閉弁異常があると判断する。他方、ステップＳ２１８で、１回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点での閉空間６０の圧力ＰＰ３が、予め定めた閾値圧力ＴＦＰ以下だと判断すれば、もう一回異常判断の処理が行なえるだけの減圧量が残っていると判断し、２回目の異常判断（ステップＳ２２０）を行なう。

【0041】

２回目の異常判断では、１回目の異常判断と同様に、検出時間Ｔｐｐの経過後の閉空間６０の圧力ＰＰ４を検出する（ステップＳ２２２）。検出した圧力ＰＰ４から、検出時間Ｔｐｐの間の圧力差Ｐ（２）を求め、これからタンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（２）を求めることができるので、この閉弁時通過ガス量Ｑ（２）が許容値ＴＱ以下か否かを判断する（ステップＳ２２４）。閉弁時通過ガス量Ｑ（２）が許容値ＴＱ以下であれば（ステップＳ２２４：「ＹＥＳ」）、タンクバルブ５３は「正常」であると判定する（ステップＳ２７０）。

【0042】

他方、２回目の異常判断（ステップＳ２２０）において、２回目の検出時間Ｔｐｐが経過した時点の閉空間６０の圧力ＰＰ４から求めた圧力差Ｐ（２）が、閉弁時通過ガス量が許容値の場合（破線Ｂ３）の圧力変化以上であれば、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（２）が許容値ＴＱより大きいと判断され（ステップＳ２２４：「ＮＯ」）、この時点でタンクバルブ５３は「正常」であると判定できない。そこで、この場合には、１回目の異常判断でも、２回目の異常判断でも、共に「正常」であると判断できなかったことから、タンクバルブ５３には閉弁異常があると判定する（ステップＳ２８０）。これらの正常判定（ステップＳ２７０）、または異常判定（ステップＳ２８０）の処理の後、「ＥＮＤ」に抜けて、本処理ルーチンを終了する。

【0043】

以上説明した第３実施形態では、減圧量ΔＰの大きさによって、異常判断の回数を１回または２回に設定して、第１実施形態と同様の作用効果を奏する上、２回の異常判断を行なうものとした場合に、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量が想定以上に大きく、閉空間６０の圧力変化が大きくて減圧処理前の圧力に戻る、または近づいてしまった場合に、２回目の異常判断を行なわないので（ステップＳ２１８：「ＹＥＳ」）、２回目の異常判断において誤判断することがない。このため、２回の異常判断を行なう場合に、一度でも閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が許容値ＴＱ以下であればタンクバルブ５３は「正常」と判定するようにしても、誤判定する可能性を抑制できる。

【0044】

第３実施形態では、検出時間Ｔｐｐは固定としたが、第２実施形態に示したように、減圧量ΔＰに依存して可変するものとしてもよい。この場合には、２回の異常判断が試みられることになるが、１回目の異常判断の後に閉空間６０の圧力が、減圧前の圧力に一致または近傍まで戻っていれば、２回目の異常判断を行なわず、タンクバルブは閉弁異常と判定すればよい。

【0045】

他の態様：
以上説明した第１から第３実施形態では、第１状態から第２状態への減圧量を予め定めた閾値と比較しているが、例えばタンクバルブ５３よりタンク側に調圧弁があって、閉空間６０の圧力が所定値に保たれている場合には、第２状態の圧力を直接閾値と比較することでも、同様の判断を行なうことができる。あるいは、第１状態の圧力に基づいて、閾値を定めるようにすれば、第２状態の圧力を閾値と比較することによって、同様の判断を行なうことができる。

【0046】

上記実施形態では、タンクバルブ５３の閉弁異常の判断を、閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）を求めて行なっているが、ガス量の評価は通過ガス量（流量）を算出せず、圧力変化Ｐ（１）やＰ（２）により行なってもよい。検出時間Ｔｐｐが既知であれば、圧力変化によってガス流量を評価することができるからである。

【0047】

第１バルブであるタンクバルブ５３や第２バルブであるインジェクタ５７はいずれも電気的に駆動される電動バルブを用いたが、油圧や空気圧などにより駆動されるタイプのバルブであっても差し支えない。これらのバブルでは、油圧弁や空気圧弁の開閉を指示することにより、結果的にバルブにより流路が開閉される。

【0048】

上記実施形態では、「異常」との判定がなされた場合には、出力部８３がこの判定結果をインスツルメントパネルのランプを点灯させるなどして、燃料電池システムの使用者に報知する。もとより、「正常」の場合を含めて、ダイアグノーシスコンピュータに結果を報知し、判定結果を記憶するようにしてもよい。なお、タンクバルブ５３の閉弁時通過ガス量Ｑ（Ｎ）が値０でないような場合でも、インジェクタ５７が閉弁されているので、閉空間６０のガス（水素）が燃料電池３０側に漏れ出ることはない。

【0049】

上記の実施形態では、閉空間６０は、管路５２の一部であって、タンクバルブ５３からインジェクタ５７までの管路としたが、タンクバルブ５３からインジェクタ５７までの間に水素ガスの循環路が接続されている場合などでも、循環路に循環路開閉バルブを設け、管路を遮断できれば、その循環路開閉バルブまでを含めて閉空間６０とすることができる。これは水素ガスの循環路に限らず、他の流路などが設けられている場合も同様であり、遮断弁を設けて、閉空間６０にできれば、どのような構成であっても差し支えない。

【0050】

以上本開示の幾つかの実施形態について説明したが、本開示のバルブ異常判定装置２０は、燃料電池システム以外であっても実施可能である。また、燃料電池システムに用いる場合、車載のシステムに限らず、例えば設置型の燃料電池システムのタンクに設けられたバルブの閉弁異常の判定に用いることも可能である。こうした場合に、対象となる燃料電池は固体高分子型に限らず、リン酸型燃料電池（PAFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体酸化物型燃料電池（SOFC）などであっても適用できる。第１電動弁は、電磁弁に限らず、モータを用いて弁体を駆動するタイプであってもよい。またロータリソレノイドを用いたものやピエゾ素子を用いたものであってもよい。また開弁、閉弁ともに電動のものに限らず、例えば閉弁はバネや磁力などで実現し、開弁時などに電気信号を必要とするもの、またその逆の構成なども採用可能である。

【0051】

本開示は、ガスが外気より高い圧力で充填されるタンクの出口に設けられ、ガス流路を開閉するバルブであれば、燃料電池用の水素タンクのバルブに限らず、異常判定を行なうことができる。例えば、プロパンガスや窒素ガスなどのタンクに設けられたバルブの閉弁異常の判定に適用することができる。もとより、上述した各実施形態において説明した様に、バルブの異常判定方法としても実施可能である。

【0052】

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。

【0053】

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。

【符号の説明】

【0054】

２０…バルブ異常判定装置、３０…燃料電池、４０…エア給排気系、４１…エア供給管、４３…エア排気管、５０…水素給排気系、５１…タンク、５２…管路、５３…タンクバルブ、５５…調圧バルブ、５７…インジェクタ、６０…閉空間、６３…水素循環ポンプ、６４…循環管路、６５…気液分離機、６７…希釈器、７１…第１圧力計、７２…第２圧力計、７３…第３圧力計、７５…温度センサ、８０…燃料電池制御用ＥＣＵ、８１…異常判定部、８２…制御部、８３…出力部、ＴＢ１，ＴＢ２…テーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】