气体供给系统

技术领域

本发明涉及一种气体供给系统，该气体供给系统切换从多个储罐向气体消耗装置进行的气体供给和切断。

背景技术

燃料电池系统具有储罐和燃料电池。储罐贮存氢气。燃料电池通过使氢和氧反应而进行发电。国际公开第2005/010427号示出了一种被设置于燃料电池系统的气体供给系统。在该气体供给系统中，控制器从多个储罐中选择任一个，并从所选择的储罐向燃料电池供给氢气。

发明内容

国际公开第2005/010427号中的气体供给系统不同时从多个储罐向燃料电池供给氢气。在同时从多个储罐向燃料电池供给氢气的气体供给系统的情况下，控制器例如进行如下控制。

控制器检测被向燃料电池供给的氢气的压力，并将该压力判定为各储罐的内压。当储罐的内压下降到压力阈值以下时，变得无法从储罐向燃料电池供给氢气。因此，控制器在氢气的压力下降到规定值以下的情况下，判定为欠缺气体。控制器在进行了欠缺气体的判定的情况下，停止向燃料电池进行的氢气供给。

在这种情况下，在一部分的储罐中可能残留有足够量的氢气。另外，在内压下降的储罐中也残留有一定程度量的氢气。因此，在同时从多个储罐向燃料电池供给氢气的气体供给系统中，无法有效地使用氢气。

本发明的目的在于解决上述技术问题。

本发明的技术方案是一种气体供给系统，其具有：第1储罐和第2储罐，其贮存气体；气体消耗装置，其消耗气体；第1阀，其切换从所述第1储罐向所述气体消耗装置进行的气体的供给和切断；第2阀，其切换从所述第2储罐向所述气体消耗装置进行的气体的供给和切断；和阀控制部，其进行所述第1阀的开闭控制和所述第2阀的开闭控制，所述气体供给系统具有存储装置，该存储装置存储用于判定是否从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体的气压阈值即第1压力阈值，所述第1压力阈值被以与所述第1储罐的内部温度即第1储罐温度建立对应关系的方式存储，所述阀控制部构成为，打开所述第1阀，从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体，并且打开所述第2阀，从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给气体，获取被向所述气体消耗装置供给的气体的所述气压和所述第1储罐温度，判定与所述第1储罐温度建立对应关系的所述第1压力阈值，在所述气压小于所述第1压力阈值的情况下，关闭所述第1阀，切断从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给的气体，在关闭所述第1阀之后且所述第1储罐温度上升到第1规定温度的情况下，打开所述第1阀，重新开始从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体。

根据本发明，能够有效地使用氢气。

通过参照附图对以下实施方式所做的说明，上述的目的、特征及优点应易于被理解。

附图说明

图1是示意性地表示燃料电池车辆的内部结构的图。

图2是表示气体供给系统的结构的图。

图3是表示与储罐温度对应的压力阈值的图。

图4是与第1储罐有关的主处理的流程图。

图5是与第1储罐有关的气体供给处理的流程图。

图6是与第1储罐有关的气体切断处理的流程图。

具体实施方式

图1是示意性地表示燃料电池车辆10的内部结构的图。本发明所涉及的气体供给系统14能够用于从多个储罐向气体消耗装置供给气体的系统。在本说明书中，对用于燃料电池车辆10的燃料电池系统12的气体供给系统14进行说明。此外，本发明所涉及的气体供给系统14也可以向燃料电池组20以外的装置供给气体。

[1车辆10]

以下将燃料电池车辆10简称为车辆10。车辆10具有燃料电池系统12。燃料电池系统12包括本发明所涉及的气体供给系统14。燃料电池系统12例如具有多个储罐(第1储罐16和第2储罐18)、燃料电池组20、蓄电池22、马达24。

第1储罐16和第2储罐18均贮存氢气。在本实施方式中，第1储罐16的容量比第2储罐18的容量大。燃料电池组20是消耗氢气的气体消耗装置。在燃料电池组20中，被供给有来自各储罐的氢气的同时，被供给有大气中的氧。燃料电池组20通过氢和氧的化学反应进行发电。蓄电池22能够进行充放电。马达24由从燃料电池组20或蓄电池22供给的电功率驱动。马达24是牵引马达。

马达厢26位于车辆10的前部。蓄电池厢28位于车辆10的中间部。储罐厢30位于车辆10的后部。马达厢26由机罩(bonnet)32、底板34的前部和下罩36的前部形成。此外，底板34的前部也称为前围板(dash panel)。在马达厢26的前端部设置有前格栅38。在前格栅38上形成有多个第1导入口40。

蓄电池厢28由底板34的中间部和下罩36的中间部形成。储罐厢30由底板34的后部和下罩36的后部形成。在下罩36的后部形成有第2导入口42和排出口44。第2导入口42位于排出口44的前方。在第2导入口42设置有能开闭的门46。在排出口44设置有能开闭的门48。

在马达厢26中收纳有燃料电池组20和马达24。在蓄电池厢28中收纳有蓄电池22。在储罐厢30中收纳有第1储罐16和第2储罐18。第1储罐16位于第2储罐18的后方。第1储罐16位于排出口44的前方。第2储罐18位于第2导入口42的前方。

马达厢26与蓄电池厢28相互连通。蓄电池厢28与储罐厢30相互连通。当车辆10前进时，大气从第1导入口40流入马达厢26。流入到马达厢26的大气流入到蓄电池厢28。大气从马达24、蓄电池22等发热源吸热。在门46和门48打开的状态下，大气流入马达厢26。大气向第1储罐16和第2储罐18散热。流入到马达厢26的大气被从排出口44排出到车辆10的外部。另一方面，在门46和门48关闭的状态下，储罐厢30被封闭。因此，大气不会流入马达厢26。

[2气体供给系统14的结构]

图2是表示气体供给系统14的结构的图。如上所述，气体供给系统14包含在燃料电池系统12中。气体供给系统14具有多个储罐(第1储罐16和第2储罐18)、燃料电池组20、多个阀(第1阀52、第2阀54、减压阀55和喷射器(i njector)56)、多个温度传感器(第1温度传感器58和第2温度传感器60)和压力传感器62。此外，本实施方式所涉及的气体供给系统14具有两个储罐。但是，气体供给系统14也可以具有三个以上的储罐。

第1储罐16和燃料电池组20通过第1配管64和通用配管68连接。第2储罐18和燃料电池堆20通过第2配管66和通用配管68连接。第1配管64的上游端64-1与第1储罐16的气体排出口连接。第2配管66的上游端66-1与第2储罐18的气体排出口连接。第1配管64的下游端64-2和第2配管66的下游端66-2分别与通用配管68的上游端68-1连接。通用配管68的下游端68-2与燃料电池组20的气体导入口连接。

在第1配管64上设置有第1阀52。第1阀52根据从控制器78输出的信号进行开闭。当打开第1阀52时，从第1储罐16排出的氢气流过第1配管64和通用配管68，被供给到燃料电池组20。当第1阀52关闭时，从第1储罐16向燃料电池组20供给的氢气被切断。

在第2配管66上设置有第2阀54。第2阀54根据从控制器78输出的信号进行开闭。当第2阀54打开时，从第2储罐18排出的氢气流过第2配管66和通用配管68，被供给到燃料电池组20。当第2阀54关闭时，从第2储罐18向燃料电池组20供给的氢气被切断。

在通用配管68上设置有减压阀55和喷射器56。减压阀55被配置于喷射器56的上游。减压阀55对从上游供给的氢气进行减压并将其向下游排出。喷射器56根据从控制器78输出的信号，调整向燃料电池组20供给氢气的供给量。

在第1储罐16上安装有第1温度传感器58。第1温度传感器58检测第1储罐16的内部温度。将第1储罐16的内部温度称为第1储罐温度。此外，第1温度传感器58也可以检测从第1储罐16排出的氢气的温度，来代替检测第1储罐16的内部温度。例如，第1温度传感器58也可以检测在第1配管64中流动的氢气的温度。第1温度传感器58向控制器78输出检测值。

在第2储罐18上安装有第2温度传感器60。第2温度传感器60检测第2储罐18的内部温度。将第2储罐18的内部温度称为第2储罐温度。此外，第2温度传感器60也可以检测从第2储罐18排出的氢气的温度，来代替检测第2储罐18的内部温度。例如，第2温度传感器60也可以检测在第2配管66中流动的氢气的温度。第2温度传感器60向控制器78输出检测值。

在通用配管68上设置有压力传感器62。压力传感器62检测通用配管68的上游端68-1与减压阀55之间的氢气的气压。压力传感器62向控制器78输出检测值。

气体供给系统14具有第1开闭机构70和第2开闭机构72。第1开闭机构70具有对第2导入口42的门46进行开闭的执行机构。第2开闭机构72具有对排出口44的门48进行开闭的执行机构(actuator)。各执行机构通过从控制器78供给的电功率进行动作。

气体供给系统14具有多个热交换器(第1热交换器74和第2热交换器76)。第1热交换器74被安装于第1储罐16的外周面。第2热交换器76被安装于第2储罐18的外周面。例如，第1热交换器74具有供热交换介质流动的循环路径和泵。循环路径的第1部分沿第1储罐16的外周面配置。循环路径的第2部分沿着热源(马达24、蓄电池22)的外周面配置。循环路径的第2部分也可以暴露于大气。第2热交换器76的结构与第1热交换器74的结构相同。第1热交换器74在车辆10的行驶过程中加热第1储罐16。第2热交换器76在车辆10的行驶过程中加热第2储罐18。

气体供给系统14具有控制器78。控制器78具有运算装置80和存储装置82。

运算装置80具有处理电路。处理电路可以是CPU(central processing unit，中央处理器)等处理器。处理电路也可以是ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等集成电路。处理器能够通过执行被存储于存储装置82的程序来执行各种处理。运算装置80作为阀控制部84和厢温调整部86发挥功能。阀控制部84的处理和厢温调整部86的处理中的至少一部分也可以由包含分立器件(discretedevice)的电子电路执行。

阀控制部84控制第1阀52的开闭、第2阀54的开闭和喷射器56的动作。厢温调整部86控制第1开闭机构70的执行机构的动作和第2开闭机构72的执行机构的动作。

存储装置82具有易失性存储器和非易失性存储器。作为易失性存储器，例如可以举出RAM等。易失性存储器用作处理器的工作存储器(working memory)。易失性存储器暂时存储处理或运算所需的数据等。作为非易失性存储器，例如可以举出ROM、闪存等。非易失性存储器被用作保存用的存储器。非易失性存储器存储程序、表格、映射等。存储装置82的至少一部分也可以设置在上述那样的处理器、集成电路等中。

非易失性存储器存储阈值信息88。阈值信息88按每个储罐来制作。即，非易失性存储器存储第1储罐16的阈值信息88-1和第2储罐18的阈值信息88-2。阈值信息88用于判定是否从判定对象的储罐向燃料电池组20供给氢气。换言之，阈值信息88用于判定是否能使用判定对象的储罐。

如图3所示，阈值信息88包括与气压的阈值有关的信息。将气压的阈值称为压力阈值。将第1储罐16的压力阈值称为第1压力阈值。将第2储罐18的压力阈值称为第2压力阈值。压力阈值按每个储罐温度来确定。压力阈值根据储罐的形状、容量、储罐的材质等来确定。例如，设定用于从储罐向燃料电池组20供给氢气所需的最低限度的气压，作为压力阈值。

[3控制器78进行的处理]

使用图4～图6，对控制器78进行的处理(主处理、气体供给处理、气体切断处理)进行说明。此外，图4至图6所示的处理与从第1储罐16排出的氢气的控制有关。

[3-1主处理]

图4是与第1储罐16有关的主处理的流程图。控制器78在从车辆10的电气系统启动到停止为止的期间，以固定周期执行主处理。厢温调整部86在车辆10的电气系统启动时，关闭门46和门48。另外，当车辆10的电气系统启动时，阀控制部84使第1阀52和第2阀54为打开状态。此外，当车辆10的电气系统启动时，阀控制部84使处理标志为1。处理标志是用于判定在各周期中应执行的处理(气体供给处理或气体切断处理)的标志。

在步骤S1中，阀控制部84判定处理标志是1和2中的哪一个。在处理标志为1的情况下(步骤S1:1)，处理转移到步骤S2。另一方面，在处理标志为2的情况下(步骤S1:2)，处理转移到步骤S3。

当从步骤S1转移到步骤S2时，进行图5所示的气体供给处理。另一方面，当从步骤S1转移到步骤S3时，进行图6所示的气体切断处理。

[3-2气体供给处理]

图5是与第1储罐16有关的气体供给处理的流程图。在图4所示的步骤S2中，执行以下一系列的气体供给处理。气体供给处理在从第1储罐16向燃料电池组20供给氢气的状态下进行。

在步骤S11中，阀控制部84从第1温度传感器58获取第1储罐温度。当步骤S11结束时，处理转移到步骤S12。

在步骤S12中，阀控制部84从压力传感器62获取气压。当步骤S12结束时，处理转移到步骤S13。

在步骤S13中，阀控制部84利用第1储罐16的阈值信息88-1，判定与在步骤S11中获取到的第1储罐温度对应的第1压力阈值。当步骤S13结束时，处理转移到步骤S14。

在步骤S14中，阀控制部84将在步骤S12中获取到的气压与在步骤S13中判定的第1压力阈值进行比较。在气压小于第1压力阈值的情况下(步骤S14：是)，处理转移到步骤S15。另一方面，在气压为第1压力阈值以上的情况下(步骤S14：否)，结束气体供给处理。在这种情况下，继续从第1储罐16向燃料电池组20供给氢气。

当从步骤S14转移到步骤S15时，阀控制部84向第1阀52输出关闭信号。第1阀52根据关闭信号从打开状态切换至关闭状态。于是，切断从第1储罐16向燃料电池系统12供给氢气。即使第1储罐16处于关闭状态，若第2储罐18为打开状态，则氢气也从第2储罐18继续供给到燃料电池系统12。当步骤S15结束时，处理转移到步骤S16。

在步骤S16中，厢温调整部86分别向第1开闭机构70的执行机构和第2开闭机构72的执行机构供给打开电功率。第1开闭机构70的执行机构通过供给打开电功率而打开门46。第2开闭机构72的执行机构通过供给打开电功率而打开门48。于是，储罐厢30被敞开。

从第1导入口40流入车辆10的内部的大气在流过马达厢26和蓄电池厢28之后，流入储罐厢30。进而，大气从门46流入储罐厢30。流入到储罐厢30的大气通过排出口44被排出到储罐厢30的外部。大气的温度比第1储罐16的温度高。因此，第1储罐16被加热。当步骤S16结束时，处理转移到步骤S17。

在步骤S17中，阀控制部84向喷射器56输出限制信号。喷射器56根据限制信号来限制氢气的供给量。例如，喷射器56使向燃料电池组20供给氢气的供给量比通常时的氢气的供给量少。其结果，燃料电池组20中的氢气的消耗量减少。据此，能够降低小容量的第2储罐18中的氢气的减少率。于是，第2储罐18的可使用时间延长。而且，能够争取第1储罐16的温度恢复为止的时间。

在步骤S18中，阀控制部84将处理标志从1变更为2。当步骤S18结束时，气体供给处理结束。

[3-3气体切断处理]

图6是与第1储罐16有关的气体切断处理的流程图。在图4所示的步骤S3中，执行以下一系列的气体切断处理。气体切断处理在切断从第1储罐16向燃料电池组20供给氢气的状态下进行。

在步骤S21，阀控制器84从第1温度传感器58获取第1储罐温度。当步骤S21结束时，处理转移到步骤S22。

在步骤S22中，阀控制部84使用在步骤S21中获取到的第1储罐温度和存储装置82的信息，计算第1储罐16的内压。将第1储罐16的内压称为第1储罐内压。储罐温度与储罐内压具有相关性。存储装置82存储各储罐的储罐温度与储罐内压的相关信息。当步骤S22结束时，处理转移到步骤S23。

在步骤S23中，阀控制部84利用第1储罐16的阈值信息88-1判定与在步骤S22获取到的第1储罐温度对应的第1压力阈值。当步骤S23结束时，处理转移到步骤S24。

在步骤S24中，阀控制部84将在步骤S22中计算出的第1储罐内压与在步骤S23中判定出的第1压力阈值进行比较。在第1储罐内压为第1压力阈值以上的情况下(步骤S24：是)，处理转移到步骤S25。另一方面，在第1储罐内压小于第1压力阈值的情况下(步骤S24：否)，结束气体切断处理。在这种情况下，继续切断从第1储罐16向燃料电池组20供给氢气。

当从步骤S24转移到步骤S25时，阀控制部84向第1阀52输出打开信号。第1阀52根据打开信号从关闭状态切换至打开状态。于是，从第1储罐16向燃料电池系统12供给氢气。当步骤S25结束时，处理转移到步骤S26。

在步骤S26中，厢温调整部86分别向第1开闭机构70的执行机构和第2开闭机构72的执行机构供给关闭电功率。第1开闭机构70的执行机构通过被供给的关闭电功率来关闭门46。第2开闭机构72的执行机构通过被供给的关闭电功率来关闭门48。于是，储罐厢30被封闭。当步骤S26结束时，处理转移到步骤S27。

在步骤S27中，阀控制部84向喷射器56输出通常信号。喷射器56根据通常信号，将向燃料电池组20供给的氢气的供给量恢复到限制前的状态。当步骤S27结束时，处理转移到步骤S28。

在步骤S28中，阀控制部84将处理标志从2变更为1。当步骤S28结束时，结束气体切断处理。

[3-4关于第2储罐18的处理]

控制器78对于从第2储罐18排出的氢气的控制也进行与图4～图6所示的处理相同的处理。在这种情况下，在各处理的说明中，将“第1储罐16”改称为“第2储罐18”。另外，在各处理的说明中，将“第1阀52”改称为“第2阀54”。另外，在气体供给处理的说明中，将“第1压力阈值”改称为“第2压力阈值”。

在具有三个以上的储罐的气体供给系统14的情况下，控制器78对各储罐进行与图4～图6所示的处理相同的处理。

[4变形例]

阀控制部84也可以计算第1储罐16中的氢气的剩余量，并通过比较氢气的剩余量和剩余量阈值来判定第1阀52的开闭。例如，阀控制部84能够根据第1储罐温度、气压、第1储罐16的容量，来计算残留于第1储罐16的内部的氢气的重量(剩余量)。

在上述实施方式中，运算装置80分别以第1储罐16和第2储罐18为对象，进行图4～图6所示的处理。运算装置80也可以仅以第1储罐16和第2储罐18中的任一方为对象，进行图4～图6所示的处理。例如，运算装置80也可以仅以第1储罐16为对象，进行图4～图6所示的处理。由于第1储罐16比第2储罐18大，因此第1储罐16的储罐温度和内压容易下降。因此，以第1储罐16为对象进行图4～图6所示处理为有效的处理。

[5从实施方式得到的发明]

以下记载能够从上述实施方式掌握的发明。

本发明的方式是一种气体供给系统(14)，该气体供给系统具有：第1储罐(16)和第2储罐(18)，其贮存气体；气体消耗装置(20)，其消耗气体；第1阀(52)，其切换从所述第1储罐向所述气体消耗装置进行的气体的供给和切断；第2阀(54)，其切换从所述第2储罐向所述气体消耗装置进行的气体的供给和切断；和阀控制部(84)，其进行所述第1阀的开闭控制和所述第2阀的开闭控制，所述气体供给系统具有存储装置(82)，该存储装置存储用于判定是否从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体的气压阈值即第1压力阈值，所述第1压力阈值被以与所述第1储罐的内部温度即第1储罐温度建立对应关系的方式存储，所述阀控制部构成为，打开所述第1阀，从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体，并且打开所述第2阀，从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给气体，获取被向所述气体消耗装置供给的气体的所述气压和所述第1储罐温度，判定与所述第1储罐温度建立对应关系的所述第1压力阈值，在所述气压小于所述第1压力阈值的情况下，关闭所述第1阀，切断从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给的气体，在关闭所述第1阀之后且所述第1储罐温度上升到第1规定温度的情况下，打开所述第1阀，重新开始从所述第1储罐向所述气体消耗装置供给气体。

在所述结构中，阀控制部在第1储罐的内压减少的情况下，切断从第1储罐向气体消耗装置供给的氢气，另一方面，继续从第2储罐向气体消耗装置供给氢气。因此，根据上述结构，能够有效地使用第2储罐的氢气。而且，在上述结构中，阀控制部使第1储罐的温度上升。当第1储罐的温度上升时，第1储罐的内压也上升。当第1储罐的内压上升时，能够从第1储罐向气体消耗装置供给氢气。因此，根据上述结构，能够有效地使用第1储罐的氢气。在气体供给系统被搭载于燃料电池车辆的情况下，能够延长燃料电池车辆的续航距离。

在本发明的方式中，也可以是，所述存储装置存储用于判定是否从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给气体的所述气压的阈值即第2压力阈值，所述第2压力阈值被以与所述第2储罐的内部温度即第2储罐温度建立对应关系的方式存储，所述阀控制部构成为，获取被向所述气体消耗装置供给的气体的所述气压和所述第2储罐温度，判定与所述第2储罐温度建立对应关系的所述第2压力阈值，在所述气压小于所述第2压力阈值的情况下，关闭所述第2阀，切断从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给的气体，在关闭所述第2阀之后且所述第2储罐温度上升到第2规定温度的情况下，打开所述第2阀，重新开始从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给气体。

在本发明的方式中，也可以具有调整阀(56)，该调整阀调整向所述气体消耗装置供给的气体的供给量，所述阀控制部在关闭所述第1阀的情况下，通过控制所述调整阀来限制从所述第2储罐向所述气体消耗装置供给的气体的供给量。

当关闭第1阀时，气体消耗装置使用从第2储罐排出的气体。于是，存在第2储罐欠缺气体的风险。在上述结构中，能够抑制从第2储罐排出的气体。因此，根据上述结构，能够减少第2储罐欠缺气体的风险。

本发明的方式也可以具有厢温调整部(86)，在关闭所述第1阀之后，该厢温调整部加热收纳所述第1储罐的储罐厢(30)的厢内。

根据上述结构，能够使第1储罐温度提前恢复，从而能够使第1储罐的内压提前上升。

在本发明的方式中，所述储罐厢也可以具有排出口(44)，该排出口用于将所述储罐厢的内部的气体排出到所述储罐厢的外部，所述厢温调整部通过使所述排出口成为敞开状态，使流入所述储罐厢的内部的气体排出到所述储罐厢的外部。

在本发明的方式中，也可以具有热交换器(74)，该热交换器被安装于所述第1储罐，所述热交换器从所述第1储罐以外的部分吸热，并向所述第1储罐散热。

根据上述结构，能够使第1储罐温度提前恢复，从而能够使第1储罐的内压提前上升。

此外，本发明不限于上述公开的内容，在不脱离本发明的主旨的情况下，可以采用各种结构。