(57)【要約】【課題】水素タンクへと水素を充填する際に、より正確な充填所要残時間を算出及び表示することができ、作業者の利便性を高めることができる水素充填装置及び水素充填方法を提供する。【解決手段】水素充填装置１０は、水素貯蔵タンク１６に貯蔵された水素を、例えば燃料電池車両１８に搭載された水素タンク２０へと充填するための装置である。この水素充填装置１０は、水素タンク２０への水素充填が開始された後、該水素充填を所定時間停止し、この停止中に水素タンク２０内の温度及び圧力を検出すると共に、該温度及び圧力の検出値に基づき水素タンク２０への所定量の水素充填に必要な充填所要残時間を算出し、さらに、算出した充填所要残時間を表示部４２に表示可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクに水素を充填するための水素充填装置であって、
前記水素タンクへの水素充填の開始後、該水素充填を所定時間停止して前記水素タンク内の温度及び圧力を検出し、該温度及び圧力の検出値に基づき前記水素タンクへの所定量の水素充填に必要な充填所要残時間を算出し、該充填所要残時間を表示部に表示することを特徴とする水素充填装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素充填装置において、
前記水素充填は、前記所定時間停止する前の初期充填ステージと、前記所定時間停止して前記温度及び圧力を検出した後に水素充填を再開する通常充填ステージとを有することを特徴とする水素充填装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水素充填装置において、
前記水素タンクに充填するための水素を貯蔵する水素貯蔵タンクが所定温度以下となった場合に、該水素貯蔵タンクを加熱する加熱装置を備えたことを特徴とする水素充填装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の水素充填装置において、
前記水素タンクへの水素充填の開始前に該水素タンクの充填前圧力を検出しておき、
該充填前圧力及び前記検出値に基づき前記水素タンクの水素漏れを検知し、前記表示部に表示することを特徴とする水素充填装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の水素充填装置において、
前記水素タンクへの水素充填の開始前に該水素タンクの充填前温度及び充填前圧力を検出しておき、
該充填前温度及び充填前圧力と前記検出値とに基づき前記水素タンクの容量を算出し、該算出した容量と水素充填流量とに基づき前記充填所要残時間を算出することを特徴とする水素充填装置。
【請求項６】
水素タンクに水素を充填するための水素充填方法であって、
前記水素タンクへの水素充填の開始後、該水素充填を所定時間停止して前記水素タンク内の温度及び圧力を検出してから水素充填を再開し、該再開後に前記温度及び圧力の検出値に基づき前記水素タンクへの所定量の水素充填に必要な充填所要残時間を算出することを特徴とする水素充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に供給する水素を貯蔵する水素タンクへと水素を充填するための水素充填装置及び水素充填方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池において、燃料としての水素（水素ガス）は、水素タンクに所定の高圧で貯蔵され、前記燃料電池の近傍に配置される。この水素タンクへの水素充填は、通常、より高圧で水素を貯蔵している水素貯蔵タンクから行っている。
【０００３】
特許文献１には、水素ガス等の高圧ガスを被充填タンクに充填する際、被充填タンクでの温度上昇を抑制しながら充填を実施可能な装置が開示されている。これによれば、被充填タンクでの温度上昇が抑えられ、充填時間を短縮することができる等の利点があるが、作業者が充填作業に要する残時間を把握することが難しい。
【０００４】
一方、特許文献２には、水素貯蔵合金容器への水素充填に際し、充填水素流量や圧力等の物理量の変化を所定時間毎に測定し、その測定結果を近似式に対応させ、これにより充填完了の予測時間を算出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３０９３７５号公報
【特許文献２】特開２００７−１３８９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２に記載の従来技術の場合には、水素充填中の水素流量や圧力等の所定の物理量に基づき充填完了までの予測時間を算出しているため、前記物理量が変動し易く、充填完了までの予測時間の算出精度が低下する可能性がある。さらに、前記物理量の測定時、常に水素充填が継続実施されるため、充填する水素タンク毎に容積が異なる場合には、予測時間の算出精度が一層低下するという問題もある。すなわち、水素充填装置は、充填に要する残時間をより正確に且つ容易に把握でき、その利便性を一層向上させることができる構成が望まれている。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、水素タンクへと水素を充填する際に、より正確な充填所要残時間を算出及び表示することができ、作業者の利便性を高めることができる水素充填装置及び水素充填方法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】
【０００８】
本発明に係る水素充填装置は、水素タンクに水素を充填するための水素充填装置であって、前記水素タンクへの水素充填の開始後、該水素充填を所定時間停止して前記水素タンク内の温度及び圧力を検出し、該温度及び圧力の検出値に基づき前記水素タンクへの所定量の水素充填に必要な充填所要残時間を算出し、該充填所要残時間を表示部に表示することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る水素充填方法は、水素タンクに水素を充填するための水素充填方法であって、前記水素タンクへの水素充填の開始後、該水素充填を所定時間停止して前記水素タンク内の温度及び圧力を検出してから水素充填を再開し、該再開後に前記温度及び圧力の検出値に基づき前記水素タンクへの所定量の水素充填に必要な充填所要残時間を算出することを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、水素充填の開始後に該水素充填を一時停止し、そのときに検出した温度及び圧力に基づき水素タンクへの充填所要残時間を算出する。従って、水素タンクへの水素充填に必要な時間を充填停止時の温度及び圧力に応じて算出することができ、より正確な残時間の算出が可能となる。さらに、算出した充填所要残時間を表示部に表示することで、当該充填所要残時間をリアルタイムで可視化することができ、装置の利便性が一層向上する。
【００１１】
この場合、前記水素充填は、前記所定時間停止する前の初期充填ステージと、前記所定時間停止して前記温度及び圧力を検出した後に水素充填を再開する通常充填ステージとを有することにより、両ステージ間の充填停止中に容易に水素タンク内の温度や圧力を測定することができる。
【００１２】
また、前記水素タンクに充填するための水素を貯蔵する水素貯蔵タンクが所定温度以下となった場合に、該水素貯蔵タンクを加熱する加熱装置を備えると、水素充填時における配管接続部等の温度低下を適切に防止することができ、これにより水素をより高い圧力で水素貯蔵タンクから放出させることができるため、充填時間を短縮することができる。
【００１３】
さらに、前記水素タンクへの水素充填の開始前に該水素タンクの充填前圧力を検出しておき、該充填前圧力及び前記検出値に基づき前記水素タンクの水素漏れを検知し、前記表示部に表示すると、水素漏れの検知を迅速に行うことができると共に、作業者に確実に通知することができる。
【００１４】
またさらに、前記水素タンクへの水素充填の開始前に該水素タンクの充填前温度及び充填前圧力を検出しておき、該充填前温度及び充填前圧力と前記検出値とに基づき前記水素タンクの容量を算出し、該算出した容量と水素充填流量とに基づき前記充填所要残時間を算出してもよい。そうすると、実際のタンク容量に適した充填所要残時間を精度よく算出することができ、例えば車両毎に容量や残量の異なる水素タンクに対しても、迅速且つ正確に充填所要残時間を算出することができるため、利便性や汎用性が一層向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水素充填の開始後に該水素充填を一時停止し、そのときに検出した温度及び圧力に基づき水素タンクへの充填所要残時間を算出する。従って、水素タンクへの水素充填に必要な時間を充填停止時の温度及び圧力に応じて算出することができ、より正確な残時間の算出が可能となる。さらに、算出した充填所要残時間を表示部に表示することで、当該充填所要残時間をリアルタイムで可視化することができ、装置の利便性が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図２】水素充填装置に備えられる制御装置のブロック説明図である。
【図３】水素充填装置に備えられる表示部に表示される各情報を例示した説明図である。
【図４】水素充填装置による水素充填方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】水素充填装置により水素貯蔵タンクから水素タンクへと水素を充填した場合の充填体積と、水素貯蔵タンクの口金部を含む配管接続部の温度の時間変化を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の水素充填方法について、この方法を実施する水素充填装置との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素充填装置１０を備えた水素充填システム１２の概略構成図である。図１中、二重線は水素（水素ガス）が流通する配管を、実線（太）は熱媒体であるクーラントが流通するクーラント配管を、実線（細）は信号線を示している。
【００１９】
水素充填システム１２は、水素充填ステーション１４の水素貯蔵タンク１６に貯蔵された高圧の水素（水素ガス）を、水素充填装置１０を介して燃料電池車両１８に搭載された水素タンク２０へと充填するシステムである。水素貯蔵タンク１６には、例えば、複数のタンクが連結された水素カードルを用いることができる。
【００２０】
図１に示すように、水素充填ステーション１４には、水素貯蔵タンク１６と、水素貯蔵タンク１６に高圧で貯蔵されている水素を燃料電池車両１８の水素タンク２０に充填する際に作動される水素充填装置１０とが設けられている。
【００２１】
水素貯蔵タンク１６と水素充填装置１０とは、口金部１６ｂからの配管２２がボルテックスチューブ２４の入口部２４ａに連結されることで互いに接続されている。水素充填装置１０では、ボルテックスチューブ２４の低温出口部２４ｃが、ディスペンサ２６を介してノズル２８に連通している。
【００２２】
ノズル２８は、一端が配管（水素供給チューブ）３０によりディスペンサ２６に接続されており、他端が充填コネクタ２８ａにより燃料電池車両１８の充填口３２に連結自在である。ノズル２８先端の充填コネクタ２８ａが充填口３２に連結されると、充填コネクタ２８ａ及び充填口３２に配設されたロック機構３３がロックされて両者が固定され、これにより、水素充填ステーション１４側から燃料電池車両１８側への水素充填が可能になる。ロック機構３３には、そのロック及びアンロックの状態を検知する接続センサ（接続判断スイッチ）３３ａが設けられている（図２参照）。
【００２３】
ディスペンサ２６は、制御装置４０の制御下に、燃料電池車両１８の水素タンク２０に供給する水素の充填開始及び停止や充填流量等を制御する図示しない機器や制御部等を備え、後述する充填所要残時間等の各種情報を表示部４２（図３も参照）に表示することもできる。制御装置４０はディスペンサ２６に内蔵してもよい。また、表示部４２はディスペンサ２６と別体に設けてもよい。
【００２４】
ディスペンサ２６には、ノズル２８が着脱可能な図示しないノズル保持器が設けられている。ノズル２８は、通常時（非充填時）には前記ノズル保持器に保持される一方、充填時には作業者によって前記ノズル保持器から取り外され、燃料電池車両１８の充填口３２に接続される。
【００２５】
さらに、水素充填装置１０には、配管２２を介して入口部２４ａから流入する水素を高温ガス（暖気：高温の水素ガス）と低温ガス（冷気：低温の水素ガス）とに分離するボルテックスチューブ２４と、ボルテックスチューブ２４の高温出口部２４ｂからの配管３４が接続される第１熱交換器３６と、第１熱交換器３６をバイパスするバイパス管３８に接続される第２熱交換器３９とが設けられている。配管３４とバイパス管３８との分岐部には、三方弁４１が配設されている。また、ボルテックスチューブ２４の低温出口部２４ｃに接続される配管４３は、第１熱交換器３６や第２熱交換器３９の出口側の配管３４と合流された後、ディスペンサ２６へと連結されている。なお、ボルテックスチューブ２４は公知のものを採用可能であるため、詳細な説明は省略する。
【００２６】
このような水素充填装置１０には、熱媒体であるクーラント（例えば、エチレングリコール水溶液や水等）が循環されることで、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスの熱を利用して、水素貯蔵タンク１６を加熱する加熱装置（熱媒体回路）４４が備えられている。
【００２７】
加熱装置４４は、クーラントを循環させるための循環ポンプ４６と、クーラントと前記高温ガスを熱交換させる第１熱交換器３６と、水素貯蔵タンク１６に設けられた熱交換部１６ａ及び口金加熱部４８とが、クーラント配管により順次接続されて構成されている。
【００２８】
本実施形態では、第１熱交換器３６の出口側のクーラント配管７１が循環ポンプ４６の出口側で二方に分岐しており、一方のクーラント配管７３には熱交換部１６ａが連結され、他方のクーラント配管７５には口金加熱部４８が連結されている。クーラント配管７１がクーラント配管７３、７５に分岐する分岐点には三方弁７７が設けられ、制御装置４０の制御下に、クーラント配管７３、７５へのクーラントの流通が適宜切換制御される。勿論、クーラント配管７３、７５の両方にクーラントを流通させることも可能である。
【００２９】
熱交換部１６ａは、例えば、公知の３層構造からなる水素貯蔵タンク１６の中間層を貫通し、当該水素貯蔵タンク１６の周囲を周回するように配設される。従って、熱交換部１６ａでは、第１熱交換器３６で前記高温ガスとの熱交換により昇温されたクーラントにより、当該水素貯蔵タンク１６が全体的に加熱される。
【００３０】
口金加熱部４８は、水素貯蔵タンク１６の口金部１６ｂをクーラントにより加熱可能に構成されており、例えば口金部１６ｂを囲繞する容器である。従って、口金加熱部４８では、第１熱交換器３６で昇温されたクーラントにより、当該口金部１６ｂ及びその周辺を含めた配管接続部が加熱される。
【００３１】
水素充填装置１０には、装置各部の温度を測定するための温度センサ５６、５８、５９、６０と、これらの測定結果に基づいて、三方弁４１、７７、循環ポンプ４６及びディスペンサ２６等の運転を制御する制御装置４０が設けられている。温度センサ５６は、第１熱交換器３６の出口側（２次側）の配管３４に設けられている。温度センサ５８は、熱交換部１６ａの出口側のクーラント配管７３に設けられている。温度センサ５９は、口金加熱部４８の出口側のクーラント配管７５に設けられている。温度センサ６０は、ディスペンサ２６の出口側の配管３０に設けられている。
【００３２】
さらに、ディスペンサ２６には、燃料電池車両１８に充填される水素の流量及び圧力を測定するための流量センサ６２及び圧力センサ６４が設けられている。従って、充填コネクタ２８ａが充填口３２に連結されることにより、温度センサ６０及び圧力センサ６４を介して燃料電池車両１８の水素タンク２０内の水素の温度及び圧力も検出可能である。勿論、燃料電池車両１８側の水素タンク２０に設置される図示しない温度センサや圧力センサの情報を、ノズル２８や配管３０に並設した図示しない信号線によって制御装置４０で取得するように構成してもよい。
【００３３】
燃料電池車両１８は、充填口３２から水素タンク２０へと連通する配管６６と、水素充填装置１０から充填口３２及び配管６６を介して供給される水素が充填・貯蔵される水素タンク（水素貯蔵容器、燃料タンク）２０と、車両の駆動源となる燃料電池６８とを有している。水素タンク２０は、燃料電池６８の図示しないアノード電極に水素ガスを供給するためのものである。
【００３４】
図２に水素充填装置１０に備えられる制御装置４０のブロック説明図を示す。制御装置４０は、当該水素充填装置１０の運転を管理する運転管理部７０と、加熱装置４４を駆動制御する加熱制御部７２と、表示部４２を制御する表示制御部７４と、外部から水素タンク２０の許容圧力（耐圧）等の入力を行う入力部７６とを備える。さらに、制御装置４０は、接続センサ３３ａの出力が入力される接続検出部７８と、圧力センサ６４、温度センサ５６、５８、５９、６０及び流量センサ６２の検出値（例えば、センサから出力される電圧値等）が入力される検出部８０と、検出部８０での検出結果を受けて充填継続可否等の所定の判定を行う判定部８２と、検出部８０での検出値や判定部８２での判定結果等に基づき充填所要残時間の算出等の所定の演算を行う演算部８４とを備える。
【００３５】
運転管理部７０は、検出部８０、演算部８４及び入力部７６等からの各種情報に基づき、水素充填装置１０の総合的な運転管理や三方弁４１の切換制御等を行うと共に、充填制御部８６により、ディスペンサ２６での水素充填の開始及び停止等の制御も実施する。加熱制御部７２は、検出部８０や運転管理部７０からの各種情報に基づき、水素貯蔵タンク１６を所定温度範囲に維持すべく加熱装置４４を駆動制御するものであり、例えば、三方弁７７によるクーラント配管７３、７５の切換制御や循環ポンプ４６の駆動制御を実施する。検出部８０は、圧力センサ６４、温度センサ５６、５８、５９、６０、流量センサ６２での検出値を受けて、各検出値から圧力（ＭＰａ）、温度（℃）、流量（ｍ3／ｓｅｃ）等の値を算出し、これを運転管理部７０や判定部８２等に送信する。判定部８２は、検出部８０での検出結果や演算部８４での演算結果等に基づき、水素充填中の各タイミングで充填可否判断や充填完了判断等の各種判定を行い、その結果を運転管理部７０（充填制御部８６）や加熱制御部７２に送信する。
【００３６】
図３に表示部４２における表示画面の構成例を示す。表示部４２は、例えば液晶ディスプレイによって構成され、表示制御部７４の制御下に各種情報を表示可能である。本実施形態では、表示部４２には、充填コネクタ２８ａ及び充填口３２の接続状態を表示する領域Ｒ１と、水素漏れの有無を表示する領域Ｒ２と、水素タンク２０の許容圧力（ＭＰａ）を表示する領域Ｒ３と、水素タンク２０への充填率（％）を表示する領域Ｒ４と、充填所要残時間（分）を表示する領域Ｒ５と、現在（充填中）の水素量として水素タンク２０への充填容積（Ｎｍ3。ノルマル立方メートル）及び充填圧力（ＭＰａ）を表示する領域Ｒ６とが設けられる。勿論、上記領域を増減させてもよく、各領域の表示単位を変更してもよい。
【００３７】
基本的には以上のように構成される水素充填システム１２において、次に、水素充填装置１０により水素貯蔵タンク１６から水素タンク２０へと水素を充填する水素充填方法につき、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３８】
先ず、水素タンク２０を搭載する燃料電池車両１８を水素充填ステーション１４の所定の水素充填位置に停車させ、イグニッションをＯＦＦとして燃料電池６８等の運転を停止させる。次に、作業者がノズル２８をディスペンサ２６から取り外し、充填コネクタ２８ａを燃料電池車両１８の充填口３２に接続する。
【００３９】
そこで、図４のステップＳ１では、接続センサ３３ａ（図２参照）の出力が接続検出部７８に入力され、該接続検出部７８では、ロック機構３３がロック状態になったか否か、つまり充填コネクタ２８ａと充填口３２とが確実に接続されたか否かを判定する。
【００４０】
この判定結果は、例えば運転管理部７０で処理され、充填コネクタ２８ａと充填口３２とが未接続又は接続不良の場合には（ステップＳ１のＮＯ）、次にステップＳ２において、表示制御部７４の制御下に、表示部４２の領域Ｒ１に充填口未接続（図３参照）の表示（ランプ）を点灯させる。充填口未接続の表示が点灯中であれば、その点灯状態を維持する。一方、充填コネクタ２８ａと充填口３２とが確実に接続された場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、次にステップＳ３において、表示部４２の充填口未接続（領域Ｒ１）の表示を消灯する。勿論、表示部４２は、充填口未接続の表示に加えて又は代えて、充填口接続完了等の表示を行う構成としてもよい。
【００４１】
ステップＳ４において、作業者は、入力部７６を操作して水素タンク２０の許容圧力ＰSup（例えば、３５ＭＰａ）を設定入力する。この許容圧力ＰSupは、水素タンク２０に水素ガスを充填する際の許容充填圧力（耐圧）を示す。
【００４２】
ステップＳ５では、検出部８０により、水素タンク２０内の初期圧力（充填前圧力）Ｐ0iniと初期温度（充填前温度）Ｔ0iniを検出し、水素充填前（初期）の水素タンク２０内の残存気体圧力及び温度を測定する。この場合、ディスペンサ２６と水素タンク２０とは配管３０を介して連通していることから、ディスペンサ２６に設けた圧力センサ６４及び温度センサ６０の検出値により、水素タンク２０内の水素ガス圧力及び温度を検出することができる。勿論、燃料電池車両１８に設置された図示しない温度センサや圧力センサによる水素タンク２０の検出値を制御装置４０側で取得してもよい。
【００４３】
ステップＳ６では、ステップＳ４で設定された許容圧力ＰSupと、ステップＳ５で検出した初期圧力Ｐ0iniとに基づき、水素タンク２０への水素充填が可能であるか否か、つまり、Ｐ0ini≦ＰSupであるか否かを判定部８２で判定する（水素充填可否判断）。
【００４４】
水素タンク２０の初期圧力Ｐ0iniが許容圧力ＰSupより大きい場合には（ステップＳ６のＮＯ）、それ以上の水素充填は不可（不要）であると判断し、次にステップＳ７において、表示部４２の領域Ｒ４、Ｒ５（図３参照）にそれぞれ水素充填率１００（％）、充填所要残時間０（ゼロ）（分）を表示する。一方、初期圧力Ｐ0iniが許容圧力ＰSup以下の場合には（ステップＳ６のＹＥＳ）、水素タンク２０への水素充填が可能であると判断し、次にステップＳ８において、充填制御部８６の制御下にディスペンサ２６を運転制御して初期充填を開始する。
【００４５】
初期充填が開始されると（初期充填ステージ）、水素貯蔵タンク１６からの水素が先ずボルテックスチューブ２４に流入する。ボルテックスチューブ２４に流入した水素は高温ガスと低温ガスとに分離され、前記高温ガスは高温出口部２４ｂから配管３４へと流通する。一方、前記低温ガスは低温出口部２４ｃから配管４３へと流通し、ディスペンサ２６からノズル２８及び充填口３２を介して燃料電池車両１８の水素タンク２０へと充填される。
【００４６】
この場合、当該ステップＳ８による初期充填は、充填制御部８６の制御下に、予め設定された所定時間（例えば、水素タンク２０への水素充填直後の数秒間）だけ行われ、該所定時間経過後に充填が停止（一時中止）される（ステップＳ９）。
【００４７】
ステップＳ９による初期充填の停止中、検出部８０により水素タンク２０内の圧力Ｐ1と温度Ｔ1を検出し、初期充填後の水素タンク２０内の気体圧力及び温度を測定する（ステップＳ１０）。
【００４８】
ステップＳ１１では、ステップＳ５で検出した初期圧力Ｐ0iniと、ステップＳ１０で検出した圧力Ｐ1とに基づき、水素漏れの有無を判定するために、前記初期充填により水素タンク２０内の圧力が充填前圧力に対して上昇したか否か、つまり、Ｐ0ini＜Ｐ1であるか否かを判定部８２で判定する（水素漏れ検知）。
【００４９】
水素タンク２０の初期充填後の圧力Ｐ1が充填前の初期圧力Ｐ0ini以下の場合には（ステップＳ１１のＮＯ）、水素タンク２０を含む各機器や各配管接続部等から水素漏れを生じている可能性があると判断し、次にステップＳ１２において、表示部４２の領域Ｒ２に水素漏れ（図３参照）の表示を点灯させる。一方、圧力Ｐ1が初期圧力Ｐ0iniより大きい場合には（ステップＳ１１のＹＥＳ）、水素漏れを生じていないと判断し、次にステップＳ１３において、圧力Ｐ1を標準温度（例えば、２５℃）での圧力Ｐ1Modに換算する処理を実施する。この換算処理は、例えば、演算部８４で気体の状態方程式（ＰＶ＝ＮＲＴ。Ｎはモル数、Ｒは気体定数。）等の公知の公式等に基づき実施される。
【００５０】
ステップＳ１４では、ステップＳ４で設定された許容圧力ＰSupと、ステップＳ１３で算出した圧力Ｐ1Modとに基づき、水素タンク２０にさらに水素を充填可能であるか否か、つまり、Ｐ1Mod＜ＰSupであるか否かを判定部８２で判定する（水素充填可否判断）。
【００５１】
水素タンク２０の圧力Ｐ1Modが許容圧力ＰSup以上の場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、それ以上の水素充填は不可（不要）であると判断し、次にステップＳ７を実行する。一方、圧力Ｐ1Modが許容圧力ＰSup未満である場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、水素タンク２０へのさらなる水素充填が可能であると判断し、次にステップＳ１５を実行する。
【００５２】
ステップＳ１５では、演算部８４にて水素タンク２０の容量Ｖtankを算出する。この容量Ｖtankは、例えば、以下に説明するように算出することができる。
【００５３】
先ず、圧力Ｐ（ａｔｍ）、温度Ｔ（Ｋ）、体積Ｖ（ｌ）の気体Ｎ（ｍｏｌ）に対しては、次式（１）、（２）が成立する。
【数１】
2010286015.tif 000003
【００５４】
そこで、第１算出ステップとして、ステップＳ５で検出した水素タンク２０の初期圧力Ｐ0ini及び初期温度Ｔ0iniを上式（１）に代入し、充填前の水素タンク２０内の気体（水素ガス）のモル数Ｎとタンク容量Ｖとの比Ｖ／Ｎを導出する。
【００５５】
第２算出ステップとして、ステップＳ８の初期充填にて水素タンク２０内に流入させた水素の体積ｖiniを上式（１）に代入し、上記第１算出ステップの場合と同様に、該流入させた水素量ｄＮ（ｍｏｌ）を式（１）から算出する。この場合、体積ｖiniは、例えば流量センサ６２の出力を検出部８０で検出し、初期充填に要した時間（ステップＳ８の初期充填開始からステップＳ９の初期充填停止までの時間）に基づき算出する。従って、上式（１）のＶ、Ｐ、Ｔにそれぞれ、体積ｖini、初期圧力Ｐ0ini、初期温度Ｔ0iniを代入することにより、体積ｖiniの水素が流入された際の水素量の増加分、つまり、水素量ｄＮ（ｍｏｌ）を算出する。
【００５６】
第３算出ステップとして、ステップＳ１０で検出した水素充填一時中止中の水素タンク２０内の圧力Ｐ1と温度Ｔ1とに基づき、ｄＰ＝Ｐ1−Ｐ0ini、ｄＴ＝Ｔ1−Ｔ0iniとして、ｄＰ、ｄＴ、ｄＮ（第２算出ステップにて算出）、Ｖ／Ｎ（第１算出ステップにて算出）を上式（２）に代入し、これをＶについて数値計算して解くことで、水素タンク２０の容量Ｖtankを算出する。
【００５７】
図４のフローチャートに戻り、ステップＳ１６では、ステップＳ９以降停止されていた水素充填を再開する（通常充填ステージ）。この通常充填では、充填制御部８６の制御下に、水素貯蔵タンク１６からの水素がディスペンサ２６からノズル２８及び充填口３２を介して燃料電池車両１８の水素タンク２０へと充填される。
【００５８】
この際、制御装置４０を構成する運転管理部７０及び加熱制御部７２の制御下に、三方弁４１を第１熱交換器３６側に切り換えておくことにより、高温出口部２４ｂからの高温ガスが第１熱交換器３６に流通する。さらに、加熱装置４４の循環ポンプ４６を駆動することにより、第１熱交換器３６では高温ガスとクーラントが熱交換され、高温ガスがクーラントにより冷却される一方、クーラントが高温ガスにより加熱される。
【００５９】
第１熱交換器３６で冷却された高温ガスは、配管４３を流通する低温ガスに合流した後、ディスペンサ２６及びノズル２８等を介して水素タンク２０へと充填される。一方、第１熱交換器３６にて加熱されたクーラントは、加熱制御部７２による制御下に、三方弁７７が温度センサ５８、５９等の検出に基づき適宜切換制御されることにより、熱交換部１６ａや口金加熱部４８に循環される。従って、水素充填時に水素貯蔵タンク１６及びその口金部１６ｂを適切に加熱することができ、急速に水素ガスが流出されることによる水素貯蔵タンク１６及びその口金部１６ｂ（配管接続部）の温度低下を適切に防止することができる。
【００６０】
当該通常充填時、温度センサ５６、５８、５９での検出温度を監視し、例えば温度センサ５６、５８、５９の１個又は複数の温度が所定値以上となった場合、すなわち、水素貯蔵タンク１６の加熱が不要となった場合等には、加熱装置４４を停止すると共に、三方弁４１をバイパス管３８側に切り換え第２熱交換器３９で高温ガスを放熱させる。これにより、水素貯蔵タンク１６が過剰に加熱されることや高温ガスが冷却不足となることを防止できる。なお、上記ステップＳ８での初期充填は、例えば数秒程度の短時間のみの充填であり、水素充填に伴う温度変化等は僅かであることから、加熱装置４４の駆動を停止させておいてもよく、そうすると不要な電力消費等を抑制することができる。
【００６１】
次に、ステップＳ１７において、検出部８０により流量センサ６２の検出値を取得し、当該通常充填時の単位時間当たりの水素タンク２０への水素流入量（水素充填流量）ｑ（ｌ／ｓｅｃ）を検出する。続いて、ステップＳ１８において、演算部８４により、前記検出した水素流入量ｑと、通常充填開始（ステップＳ１６）後の水素タンク２０への水素充填時間とに基づき、水素タンク２０への水素流入量の積算値ｖtot（ｌ）を算出する。
【００６２】
ステップＳ１９では、ステップＳ１７で検出した水素流入量ｑと、例えば充填制御部８６に予め設定されているか又は演算部８４等で算出設定される流量ゼロ判定閾値εとに基づき、水素タンク２０への水素流入量が略０（ゼロ）となり、水素タンク２０内に許容圧力ＰSupまで水素が充填されたか否か、つまり、ｑ＞εであるか否かを判定部８２で判定する（水素充填完了判断）。
【００６３】
ここで、流量ゼロ判定閾値εについて説明する。通常、単位時間当たりの気体流入量ｑは、測定に使用する流量センサの精度に依存しており、厳密な気体流入量のゼロと流量センサにより示される流量ゼロとは必ずしも一致しない。さらに、流量センサにより示される流量ゼロを充填完了判断の閾値に設定した場合には、流量がゼロにならない限り水素充填が完了しなくなるため、充填時間の増加の一因になる。
【００６４】
そこで、このような事象を回避するため、本実施形態では流量センサ６２の温度ドリフト等を考慮した流量ゼロ判定閾値εとして、例えばステップＳ１５で算出した水素タンク２０の容量Ｖtankの１／７０（数％程度）といった当該容量Ｖtankに対して十分小さい値であり、且つ流量センサ６２の最小分解能よりも大きな値を用いるものとする。すなわち、流量ゼロ判定閾値εは、水素タンク２０への水素流入量が実質的にゼロであると判断可能な閾値であり、この閾値ε以下の流量では水素充填が実質的に不可能又はほとんど進行しない程度の値として設定される。
【００６５】
図５は、水素充填装置１０により水素貯蔵タンク１６から水素タンク２０へと水素を充填した場合の充填体積と、水素貯蔵タンク１６の口金部１６ｂを含む配管接続部の温度の時間変化を例示したグラフである。図５に示す実施例では、例えば、水素タンク２０の容量を０．１８（ｍ3）、これに対する流量ゼロ判定閾値εを０．１６（ｍ3）に設定し、加熱装置４４による加熱の有無毎に、水素充填体積（ｍ3）と配管接続部温度（℃）の時間変化を図示している。
【００６６】
図５に示すように、グラフＡ、Ｂに示す加熱ありの場合、及びグラフＣ、Ｄに示す加熱なしの場合のいずれについても、水素タンク２０の真の容量０．１８（ｍ3）に達するまでの時間よりも、流量ゼロ判定閾値εを設定した容量０．１６（ｍ3）に達するまでの時間の方が短く、加熱ありの場合には約０．４分短縮でき（２．８分→２．４分）、加熱なしの場合には約４．７分短縮することができた（１０分→５．３分）。つまり、流量ゼロ判定閾値εを設定して水素流入量のゼロ判定を実施することにより（ステップＳ１９）、より短時間で水素タンク２０を実質的な満充填状態にすることができる。さらに、水素充填時、加熱装置４４を適宜駆動制御することにより、図５に示す実施例の場合、加熱なしでは５．３分で充填完了となるのに対し、加熱ありでは２．４分で充填完了となり、充填に要する時間を大幅に短縮することができた。
【００６７】
図４のフローチャートに戻り、ステップＳ１９において、水素流入量ｑが流量ゼロ判定閾値ε未満となった場合には（ステップＳ１９のＮＯ）、それ以上の水素タンク２０への水素充填が不可（不要）であり、水素タンク２０への水素充填が完了したものと判断し、次にステップＳ７を実行し、当該水素充填作業を終了する。一方、水素流入量ｑが流量ゼロ判定閾値εより大きい場合には（ステップＳ１９のＹＥＳ）、次にステップＳ２０を実行する。
【００６８】
ステップＳ２０では、ｖtot／Ｖtank×１００（％）を演算部８４で演算し、その結果を現在の水素充填率（％）として表示部４２の領域Ｒ４（図３参照）に表示し、さらに、（Ｖtank−ｖtot）／ｑ（分）を演算部８４で演算し、その結果を充填所要残時間として表示部４２の領域Ｒ５に表示する。同時に、現在の水素量（充填体積Ｎｍ3、充填圧力ＭＰａ）を領域Ｒ６に表示する。なお、充填体積（Ｎｍ3）は、標準温度（例えば２５℃）での圧力を示す。
【００６９】
ステップＳ２０の後は再びステップＳ１６に戻り、通常充填を継続すると共に、そのときの水素充填率や充填所要残時間等を表示部４２に随時表示することにより、作業者に水素充填完了までの各種情報を適切に通知することができる。
【００７０】
以上のように、本実施形態に係る水素充填装置１０によれば、例えば、燃料電池車両１８に搭載された水素タンク２０への水素充填の開始後、該水素充填（初期充填）を所定時間停止して水素タンク２０内の温度Ｔ1及び圧力Ｐ1を検出し、該温度及び圧力の検出値に基づき水素タンク２０への所定量（タンク容量Ｖtank）の水素充填に必要な充填所要残時間を演算部８４で算出し、該充填所要残時間を表示部４２に表示する。すなわち、充填を一時停止し、そのときに検出した温度及び圧力に基づき水素タンク２０への充填所要残時間を算出することにより、水素タンク２０への所定量の水素充填に必要な時間を充填停止時の温度及び圧力に応じて算出することができ、より正確な残時間を算出することができる。しかもその算出結果を表示部４２に表示することで、充填に必要な残時間やそのときの水素充填状態等を表示部４２においてリアルタイムで可視化することができ、装置の利便性が一層向上する。
【００７１】
この際、水素タンク２０への水素充填開始前の初期圧力Ｐ0ini及び初期温度Ｔ0iniを検出しておき、その検出値と充填一時停止時での検出値とに基づき、水素タンク２０の容量Ｖtankを算出し、このタンク容量と水素流入量ｑ（積算値ｖtot）とに基づき充填所要残時間を算出することが好ましい。すなわち、充填停止中に検出した温度及び圧力に基づき算出したタンク容量を用いて充填所要残時間を算出する。これにより、実際のタンク容量に適した充填所要残時間をより精度よく算出することができる。さらに、例えば車両毎に容量や残量の異なる水素タンク２０に対しても、迅速且つ正確に充填所要残時間を算出することができるため、利便性や汎用性が一層向上する。
【００７２】
水素充填装置１０では、水素充填を初期充填ステージと通常充填ステージとに分けて実施する。これにより、両ステージ間の充填停止中に水素タンク２０内の温度や圧力の測定と共に、水素充填回路のリーク（水素漏れ）チェック等も行うことができ、利便性が一層向上する。しかも各ステージで要求される充填条件等が異なる場合には、その条件に応じて加熱装置４４の駆動の有無等を最適に制御することができるため、装置全体としての運転コストを低下し、省エネルギーでの水素充填が可能となる。
【００７３】
さらに、水素貯蔵タンク１６を加熱する加熱装置４４を設けることにより、水素充填時に水素貯蔵タンク１６及びその口金部１６ｂ（配管接続部）の温度低下を適切に防止して、充填時間を大幅に短縮することが可能となる。加熱装置４４を設けると、水素ガスをより高い圧力で水素貯蔵タンク１６から放出させることができ、より短時間での充填が可能となるからである。従って、上記した充填残時間表示と合わせて用いることにより、充填時の作業者等の利便性が一層向上する。しかも、口金加熱部４８によって水素配管の接続部での凍結や過度の温度低下が緩和されることから、当該接続部に配されたシール部材等を保護することができ、逆に言えばシール部材等の低温に対する材料強度をある程度緩和することができ、一層の低コスト化や製造効率の向上が図られるという利点もある。
【００７４】
以上、上記実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
【００７５】
例えば、上記各実施形態では、水素タンクが搭載される車両として燃料電池車両を例示したが、燃料電池車両に限られるものではなく、当然、水素タンクは車載用以外であってもよい。
【００７６】
また、ボルテックスチューブは省略可能であり、この場合、加熱装置には電気ヒータ等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０…水素充填装置                  １２…水素充填システム
１６…水素貯蔵タンク                １８…燃料電池車両
２０…水素タンク                    ４０…制御装置
４２…表示部                        ４４…加熱装置
５６、５８、５９、６０…温度センサ  ６２…流量センサ
６４…圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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