(57)【要約】【課題】車載タンクの最高到達温度を抑えつつ短時間でガスの充填が可能なガス供給装置およびガス供給方法を提供すること。【解決手段】本発明のガス供給装置１は，蓄ガス器１１と，蓄ガス器１１に貯蔵されたガスを車載タンク４へ供給するディスペンサ１２とを有するガス供給装置１であって，ディスペンサ１２内のガス流路に設けられた流量コントロール弁３３と，流量コントロール弁３３の開度を制御する制御装置３６とを有し，制御装置３６は，車載タンク４への供給の初期には流量コントロール弁３３を第１の開度にして低速供給を行い，その後，流量コントロール弁３３をより大きい第２の開度に切り替えて急速供給を行うものである。【選択図】            図１
2006029424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス貯蔵容器と，前記ガス貯蔵容器に貯蔵されたガスを供給先容器へ供給するディスペンサとを有するガス供給装置において，
前記ディスペンサ内のガス流路に設けられた開度調整弁と，
前記開度調整弁の開度を制御する開度制御部とを有し，
前記開度制御部は，供給先容器への供給の初期には前記開度調整弁を第１の開度にして低速供給を行い，その後，前記開度調整弁をより大きい第２の開度に切り替えて急速供給を行うことを特徴とするガス供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載するガス供給装置において，
供給先容器のガス量に関する情報を取得する残量取得手段を有し，
前記開度制御部は，
供給開始前における供給先容器のガス量が所定の水準より低い場合に限り低速供給を行い，
低速供給の途中で供給先容器のガス量が所定の水準に達すると急速供給に切り替えることを特徴とするガス供給装置。
【請求項３】
ガス貯蔵容器に貯蔵されたガスをディスペンサを介して供給先容器へ供給するガス供給方法において，
前記ディスペンサ内のガス流路に開度調整弁を設けておき，
供給先容器への供給の初期には前記開度調整弁を第１の開度にして低速供給を行い，その後，前記開度調整弁をより大きい第２の開度に切り替えて急速供給を行うことを特徴とするガス供給方法。
【請求項４】
請求項３に記載するガス供給方法において，
供給先容器のガス量に関する情報を取得する残量取得手段を設けておき，
供給開始前における供給先容器のガス量が所定の水準より低い場合に限り低速供給を行い，
低速供給の途中で供給先容器のガス量が所定の水準に達すると急速供給に切り替えることを特徴とするガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，例えば，燃料電池自動車等へ燃料である水素ガスを供給する水素供給ステーション等に設けられるガス供給装置およびそのガス供給装置によるガス供給方法に関するものである。さらに詳細には，圧縮したガスを貯蔵タンクに貯蔵してディスペンサによって供給するガス供給装置およびガス供給方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば，燃料電池自動車に水素ガスを供給するための水素供給ステーションでは，都市ガス等から水素を製造するための水素製造装置と，製造された水素を供給するためのガス供給装置とを有している。そして，ガス供給装置は，水素製造装置で製造された水素を圧縮保管するための蓄ガス器と，蓄ガス器に保管されているガスを燃料電池自動車等に搭載されているタンク（車載タンク）に供給するためのディスペンサとを有している。一般に，水素製造装置により製造された水素は、圧縮機により所定の圧力以上（例えば４０ＭＰａＧ）まで昇圧され、一旦蓄ガス器に貯蔵される。そして，燃料電池自動車の車載タンクには，ディスペンサによって，所定の圧力（例えば３５ＭＰａＧ）に達するまで水素が充填される。
【０００３】
一般に，高圧ガスを容器に充填する際は、容器内でガスの断熱圧縮が起こるとみなせるため、容器内のガス温度が上昇する。燃料電池自動車の車載タンクに水素ガスを充填する際においても同様な現象が発生するため，車載タンク内のガス温度が上昇し，それに伴って車載タンク自体の温度も上昇する。一方，車載タンクには，樹脂等の耐熱性のやや低い材質が部分的に使用される場合があり，そのため，車載タンクに許容される温度範囲は，例えば−４０〜８２℃のように設定されている。
【０００４】
従来，燃料電池自動車の車載タンクに水素ガスを充填する際は，ディスペンサ内の流量コントロール弁を自動制御することによって行われる。その制御方法は，例えば，次のようにしている。まず，所定の速度で流量コントロール弁を所定開度まで開き，その開度を保って充填を続ける。そして，車載タンクが満タン状態に近づき，設定供給量または設定圧力に達した時点で流量コントロール弁を閉じるのである。しかしながら，弁開度を大きく取って，水素を急速充填した場合には、ガス温度の上昇によって車載タンクの温度が許容範囲以上に高くなるおそれがある。そのため，従来のガス供給装置では，車載タンクに充填する水素の流量または圧力をある程度まで制限することにより，温度上昇を抑えるようにしている。
【０００５】
これに対し，初めは十分に低い初期速度で充填し始め，次第にガス流量を増加する充填方法が提案されている（例えば，特許文献１参照。）。この文献の充填方法によれば，空の容器に充填するときにはガスをゆっくり導入することによって，ガス容器の過剰な加熱を防止する。さらに，ガス流量増加後，充填量が所定量に近づいたら次第にガス流量を減少させて，所定のガス量を正確に充填する。
【特許文献１】特開平１０−３１８４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来のガス供給方法では，次のような問題点があった。まず，充填するガスの流量を制限する方法は，自動車の車載タンクへの充填時間が長くかかることとなり好ましくない。また，ガスの圧力を制限すると，車載タンクの到達ガス圧力が低くなり，充填できるガスの量が減ってしまう。また，特許文献１のようにガス流量を変化させる方法では，ガス流量が常時変化し続けていることとなるため，その測定や制御が難しい。さらに，必ず空に近い状態から充填を始めるガスボンベ等と異なり，燃料電池自動車の車載タンクではある程度ガスが残っている状態から充填を始める場合があるため，充填速度を正確に制御することは困難であるという問題点があった。
【０００７】
本発明は，前記した従来のガス供給装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，車載タンクの最高到達温度を抑えつつ短時間でガスの充填が可能なガス供給装置およびガス供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のガス供給装置は，ガス貯蔵容器と，ガス貯蔵容器に貯蔵されたガスを供給先容器へ供給するディスペンサとを有するガス供給装置であって，ディスペンサ内のガス流路に設けられた開度調整弁と，開度調整弁の開度を制御する開度制御部とを有し，開度制御部は，供給先容器への供給の初期には開度調整弁を第１の開度にして低速供給を行い，その後，開度調整弁をより大きい第２の開度に切り替えて急速供給を行うものである。
【０００９】
本発明のガス供給装置によれば，ガス貯蔵容器に貯蔵されたガスが供給先容器へと供給されるときには，開度調整弁の開度によってそのガス流量が調整される。その開度調整弁の開度は，開度制御部によって調整され，供給の初期には第１の開度で低速供給されるので，供給先容器が空に近い状態であってもガス温度の上昇が抑えられる。その後，第２の開度で急速供給されるので，短時間でのガスの充填が可能である。
【００１０】
ここで，供給先容器に供給されるガス流量とガス温度との関係は，次の通りである。ガスの低流量域においては，ガス流量が小さいほどガス温度の上昇率が低く，ガスの高流量域においては，ガス流量に関わりなくガス温度の上昇率はほぼ一定となる。また，供給先容器へガスを供給する工程中は，ガスの温度上昇が持続するのではなく，周囲への放熱により前に供給されたガスの温度は低下する。このことから，供給工程の初期では小流量で供給する時間を長くとることで放熱させ，供給工程の後期では大流量で供給する時間を短くとる。これにより，供給工程の全体として，ガス温度の上昇幅を小さく抑えることができるので，供給先容器の最高到達温度が抑えられる。従って，車載タンクの最高到達温度を抑えつつ一定時間内でガスの充填が可能なガス供給装置となっている。
【００１１】
さらに本発明では，供給先容器のガス量に関する情報を取得する残量取得手段を有し，開度制御部は，供給開始前における供給先容器のガス量が所定の水準より低い場合に限り低速供給を行うことが望ましい。さらに，低速供給の途中で供給先容器のガス量が所定の水準に達すると急速供給に切り替えることが望ましい。
供給先容器が車載タンク等の場合では，ガス供給装置によってガスの供給を受ける際に必ずしも空に近い状態であるとは限らない。このようにすれば，供給先容器のガスの残量がある程度多い場合には初めから急速供給することになり，より短時間でのガスの充填ができる。また，急速供給しても問題のない最少のガス量を所定の水準とすれば，供給先容器の最高到達温度を抑えつつ，短時間でガスの充填が可能となる。
【００１２】
また，本発明は，ガス貯蔵容器に貯蔵されたガスをディスペンサを介して供給先容器へ供給するガス供給方法であって，ディスペンサ内のガス流路に開度調整弁を設けておき，供給先容器への供給の初期には開度調整弁を第１の開度にして低速供給を行い，その後，開度調整弁をより大きい第２の開度に切り替えて急速供給を行うガス供給方法にも及ぶ。
【００１３】
さらに本発明では，供給先容器のガス量に関する情報を取得する残量取得手段を設けておき，供給開始前における供給先容器のガス量が所定の水準より低い場合に限り低速供給を行い，低速供給の途中で供給先容器のガス量が所定の水準に達すると急速供給に切り替えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のガス供給装置およびガス供給方法によれば，車載タンクの最高到達温度を抑えつつ短時間でガスの充填が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，燃料電池自動車に水素ガスを供給するための水素供給ステーションに使用されるガス供給装置に本発明を適用したものである。
【００１６】
本形態のガス供給装置１は，図１に示すように，水素供給ステーションの水素製造装置２に接続されて水素ガスの供給を受けるとともに，燃料電池自動車３の車載タンク４に対して水素ガスを供給するためのものである。水素製造装置２で製造された水素ガスは圧縮機５で圧縮されて，ガス供給装置１に貯蔵される。
【００１７】
ガス供給装置１は，図１に示すように，蓄ガス器１１とディスペンサ１２とを有している。蓄ガス器１１は，複数のガスタンク２１，２２を有し，そのそれぞれに対して流入用と流出用の開閉弁２３，２４，２５，２６および圧力計２７，２８が接続されている。この図では２つのガスタンク２１，２２を示しているが，より多数のものを備えていても良い。これらのガスタンク２１，２２は，同様の構成であるが，使用時には区別して使用される。
【００１８】
また，ディスペンサ１２は，その流路中に開閉弁３１，質量流量計３２，流量コントロール弁３３，圧力計３４が接続され，充填ホース３５によって車載タンク４と接続可能である。また，ディスペンサ１２には，制御装置３６が備えられ，各圧力計２７，２８，３４や質量流量計３２の検出結果の入力を受けるとともに，各開閉弁２３〜２５，３１と流量コントロール弁３３を制御する。
【００１９】
水素製造装置２で製造された水素ガスは，圧縮機５によって４０ＭＰａＧ程度に圧縮され，開閉弁２３または２５が開放されて蓄ガス器１１のガスタンク２１または２２に一旦保管される。この水素ステーションに水素ガスの充填を希望する燃料電池自動車３が到着すると，その車載タンク４に充填ホース３５を接続し，ガスタンク２１，２２のいずれかから車載タンク４へ水素ガスが充填される。ガスタンク２１，２２のガス圧力は圧力計２７，２８によって検出され，燃料電池自動車３へ水素ガスを充填した後は，水素製造装置２から水素ガスを導入して適度な圧力に制御されている。
【００２０】
ここで，充填開始時の車載タンク４は必ずしも空に近い状態であるとは限らず，例えば，半分程度残った状態から充填開始される場合もある。発明者らの実験では，タンク内残圧が低いほど充填による温度上昇が大きいことが分かった。また，充填時のガス流量が大きいほど温度上昇が大きいことも分かった。
【００２１】
そこで，本形態のガス供給装置１の制御装置３６では，まず，充填に訪れた燃料電池自動車３の車載タンク４に残っているガス量を検出する。そのために，全ての弁が閉じている状態で充填ホース３５を車載タンク４に接続し，車載タンク４の弁を開いて圧力計３４によって車載タンク４の残ガス圧を検出する。このとき，同時に，燃料電池自動車３の車種や車載タンク４の種類等の入力を受けて，車載タンク４の全容量を取得する。あるいは，車両のクラスの入力を受けて，そのクラスの標準的な車載タンクの容量を車載タンク４の容量としても良い。そして，車載タンク４の容量と残ガス圧とから，残ガス量を求める。
【００２２】
その結果，残ガス量が大きい場合には，図２に示すように，比較的急速に充填する。この場合はタンク内に比較的多量のガスが残っており，すぐに急速充填しても温度上昇はあまり大きくないからである。一方，残ガス量が小さい場合には，図３に示すように，ガス流量を小さくして充填し始め，ある程度充填が進んだ段階で充填速度を上げる。この場合には，いきなり急速充填すると非常に温度が上昇するので好ましくない。そこで，所定の充填量となるまではゆっくり充填し，その後は急速に充填することで，ガス温度の過剰な上昇を防止しつつ短時間で充填することができる。
【００２３】
このガス供給装置１によるガス供給方法を，図４のフローチャートに基づいて説明する。ガスの充填を受ける燃料電池自動車３が到着すると，制御装置３６はこのガス充填処理を開始する。この処理を開始するとまず，車載タンク４の容量を取得する。また，圧力計３４の検出結果から，車載タンク４の圧力を取得する（Ｓ１０１）。続いて，Ｓ１０１の結果から，車載タンク４に残っているガス量を求める（Ｓ１０２）。そして，Ｓ１０２で求められたガス量が所定量以上であるかどうかを判断する（Ｓ１０３）。
【００２４】
残ガス量が所定量以上であった場合は（Ｓ１０３：Ｙｅｓ），そのまま急速に充填しても問題ない。そこで，開閉弁２４，３１を開とするとともに，流量コントロール弁３３を急速充填開度まで開く（Ｓ１０４）。この段階が，図２の時間０〜ｔ１までの間に相当する。図２では，時間ｔ１に急速充填弁開度ｐ１まで弁開されている。そして，この状態で車載タンク４への水素ガス充填を行う（Ｓ１０５）。この段階が，図２の時間ｔ１〜ｔ２までの間に相当する。
【００２５】
次に，車載タンク４の内圧を検出し，充填完了に相当する所定圧力に達したかどうかを判断する（Ｓ１０６）。  充填完了でない場合は（Ｓ１０６：Ｎｏ），弁開度をｐ１に保ってさらに充填を続ける（Ｓ１０５）。充填完了したら（Ｓ１０６：Ｙｅｓ），流量コントロール弁３３と，開閉弁２４，３１を閉止する（Ｓ１０７）。この段階が，図２の時間ｔ２〜ｔ３までの間に相当する。これで，車載タンク４の残ガス量が多かった場合の充填が終了である。
【００２６】
次に，車載タンク４の残ガス量が少ない場合の処理について説明する。すなわち，Ｓ１０３でＮｏと判断された場合である。この場合は，いきなり急速に充填するとガス温度が上がりすぎることとなり，好ましくない。そこで，開閉弁２４，３１を開とするとともに，流量コントロール弁３３を低速充填弁開度まで開く（Ｓ１０８）。この段階が，図３の時間０〜ｔ４までの間に相当する。図３では，時間ｔ４に低速充填弁開度ｐ２まで弁開されている。この低速充填弁開度ｐ２は，急速充填弁開度ｐ１より小さい弁開度である。
【００２７】
そして，この弁開度ｐ２でしばらく充填する（Ｓ１０９）。この段階が，図３の時間ｔ４〜ｔ５までの間に相当する。そして，充填された水素ガス量が所定量に達したかどうかを判断する（Ｓ１１０）。この所定量は，Ｓ１０３の判断基準とほぼ同じとしても良いし，その時点でのガス温度等を考慮して調整するようにしても良い。そして，所定量までのガスの充填が終了していない場合は（Ｓ１１０：Ｎｏ），さらに弁開度ｐ２での充填を継続する（Ｓ１０９）。
【００２８】
次に，所定量までガスが充填されたと判断されたら（Ｓ１１０：Ｙｅｓ），流量コンロトール弁３３を制御して急速充填弁開度まで弁開する（Ｓ１０４）。図３では，時間ｔ５〜ｔ６までの間で弁開度ｐ２から弁開度ｐ３まで弁開されている。この弁開度ｐ３は，図２の弁開度ｐ１と同じ開度としても良い。この急速充填弁開度ｐ３は，低速充填弁開度ｐ２よりも大きい弁開度である。
【００２９】
そして，この状態で車載タンク４への水素ガス充填を行う（Ｓ１０５）。この段階が，図３の時間ｔ６〜ｔ７までの間に相当する。また，車載タンク４の内圧を検出し，充填完了に相当する所定圧力に達したかどうかを判断する（Ｓ１０６）。充填完了まで弁開度をｐ３に保ってさらに充填を続け（Ｓ１０５），充填完了したら（Ｓ１０６：Ｙｅｓ），流量コントロール弁３３と，開閉弁２４，３１を閉止する（Ｓ１０７）。この段階が，図３の時間ｔ７〜ｔ８までの間に相当する。これで，車載タンク４の残ガス量が少なかった場合の充填が終了である。以上で，このガス充填処理の説明を終了する。
【００３０】
なお，ここでは，車載タンク４へのガス充填をガスタンク２１のみから行うとして説明した。しかし，ガスタンク２１の残ガス圧と車載タンク４のガス圧との関係から，ガスタンク２１のみでは充填完了まで至らない場合もある。その場合には，開閉弁２４を閉止して開閉弁２６を開放することにより，続いてガスタンク２２から充填する。これを，バンク切り替えと呼んでいる。充填処理中にバンク切り替えが行われた場合でも，流量コントロール弁３３の弁開度はそのまま保持すればよい。
【００３１】
以上詳細に説明したように本形態のガス供給装置およびガス供給方法によれば，車載タンク４の残ガス量をあらかじめ検出し，残ガス量がある程度多い場合には急速に充填する。残ガス量が多い場合には，急速に充填してもガスの温度上昇はさほどでないので，急速に充填すれば短時間で充填終了できるからである。一方，残ガス量が少ない場合には，まず低速で所定量まで充填した後，急速に充填する。残ガス量が少ないときに急速に充填すると，車載タンク４の温度が上がりすぎるおそれがある。そこで，ある程度充填されるまでは低速で充填し，その後急速に充填する。このようにすれば，車載タンク４の最高到達温度を抑えつつ一定時間内でガスの充填が可能である。さらに，流量コントロール弁３３の弁開度の制御は２〜３段階でよいので，複雑な制御を必要とせず，容易に実施できる。
【００３２】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，図４のＳ１０３あるいはＳ１１０において，車載タンク４内のガス量によって判断している。しかし，この判断の基準はこれに限らず，タンク容量中の残ガス量の割合や，車載タンク４のガス圧力等によって判断することもできる。
また例えば，制御装置３６は，ディスペンサ１２内に限らず蓄ガス器１１に備えられたり，あるいはディスペンサ１２や蓄ガス器１１とは別に単独で設けられても良い。
また例えば，上記の形態では，燃料電池自動車に水素ガスを供給する水素ガス供給ステーションに本発明を適用しているが，水素ガスに限らず，圧縮天然ガス等の他のガスを供給する装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本形態のガス供給装置を示す概略構成図である。
【図２】ガス供給方法を示すグラフ図である。
【図３】ガス供給方法を示すグラフ図である。
【図４】ガス供給方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ガス供給装置
４  車載タンク（供給先容器）
１１  蓄ガス器（ガス貯蔵容器）
１２  ディスペンサ
３３  流量コントロール弁（開度調整弁）
３４  圧力計（残量取得手段）
３６  制御装置（開度制御部）
【図１】
2006029424.tif 000003
【図２】
2006029424.tif 000004
【図３】
2006029424.tif 000005
【図４】
2006029424.tif 000006