(57)【要約】【課題】高圧タンクにガスを充填する燃料ガス充填システムにおいて、充填されるガスの温度が低いことによる高圧タンクへの負担を低減する。【解決手段】燃料ガス充填システムは、一端部が高圧タンクに接続され、高圧タンクに充填されるガスを流通させる充填流路と、充填流路の他端部に設けられ、ガスを充填流路に流入させる流入口と、充填流路の途中に配置され、充填流路に閉区間を形成する２つの開閉弁と、閉区間を昇温する昇温機構と、高圧タンクの温度を取得する温度センサと、制御部と、を備え、制御部は、取得された温度が予め定められた基準温度未満である場合には、２つの開閉弁を閉弁することによって閉区間にガスを保持させて、昇温機構によって閉区間のガスを昇温し、閉区間内のガスが昇温機構によって昇温された後に、２つの開閉弁のうち高圧タンク側に配置された開閉弁を開弁し、昇温されたガスを高圧タンク側に流通させる。【選択図】図２
2019183910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タンクにガスを充填する燃料ガス充填システムであって、
一端部が前記高圧タンクに接続され、前記高圧タンクに充填される前記ガスを流通させる充填流路と、
前記充填流路の他端部に設けられ、前記ガスを前記充填流路に流入させる流入口と、
前記充填流路の途中に配置され、閉弁することによって、前記充填流路に閉区間を形成する２つの開閉弁と、
前記閉区間を昇温する昇温機構と、
前記高圧タンクの温度を取得する温度センサと、
前記取得された温度に応じて前記２つの開閉弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記取得された温度が予め定められた基準温度未満である場合には、
前記２つの開閉弁を閉弁することによって前記閉区間に前記ガスを保持させて、前記昇温機構によって前記閉区間の前記ガスを昇温し、
前記閉区間内の前記ガスが前記昇温機構によって昇温された後に、前記２つの開閉弁のうち前記高圧タンク側に配置された開閉弁を開弁し、前記昇温されたガスを前記高圧タンク側に流通させる、
燃料ガス充填システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料ガス充填システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂製の高圧タンクにおいて、ライナの線膨張係数とライナを保護するＣＦＲＰ層（補強層）の線膨張係数との違いによって、タンクの内部温度と内部圧力とが低い場合には、ライナとＣＦＲＰ層との間に隙間が生じる場合があった。このため、タンクの内部温度と圧力が低い場合に、タンクにガスを急速に充填すると、ライナに高負荷がかかるおそれがある。従来、燃料ガス充填システムにおいて、ライナと補強層との間の隙間量を算出し、算出した隙間量に応じて、ガスの充填量を制限する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料ガス充填システムにおいて、ガス供給源（例えば水素ステーション）から供給されるガスが冷却されている場合には、ガスを充填した際のタンク内部の温度が低くなりやすい。タンク内部の温度が低くなることによって、例えば、ライナと補強層との間に隙間が生じ、補強層によって補強されていない状態のライナにガス充填による圧力が付与されるおそれがある。この場合には、タンクへの負担が増大するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本開示の一形態によれば、燃料ガス充填システムが提供される。この燃料ガス充填システムは、一端部が前記高圧タンクに接続され、前記高圧タンクに充填される前記ガスを流通させる充填流路と、前記充填流路の他端部に設けられ、前記ガスを前記充填流路に流入させる流入口と、前記充填流路の途中に配置され、閉弁することによって、前記充填流路に閉区間を形成する２つの開閉弁と、前記閉区間を昇温する昇温機構と、前記高圧タンクの温度を取得する温度センサと、前記取得された温度に応じて前記２つの開閉弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記取得された温度が予め定められた基準温度未満である場合には、前記２つの開閉弁を閉弁することによって前記閉区間に前記ガスを保持させて、前記昇温機構によって前記閉区間の前記ガスを昇温し、前記閉区間内の前記ガスが前記昇温機構によって昇温された後に、前記２つの開閉弁のうち前記高圧タンク側に配置された開閉弁を開弁し、前記昇温されたガスを前記高圧タンク側に流通させる。この形態の燃料ガス充填システムにおいて、制御部は、高圧タンクの温度が予め定められた基準温度未満である場合には、閉区間にガスを保持させ、閉区間内のガスが昇温機構によって昇温された後に、昇温されたガスを高圧タンク側に流通させる。このため、昇温されていないガスが充填される場合と比べて、高圧タンク内の温度を高くできるので、充填されるガスの温度が低いことによる高圧タンクへの負担を低減できる。
【０００７】
本開示は、上記燃料ガス充填システム以外の種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料ガス充填方法や、上記燃料ガス充填システムを備える燃料電池システム、燃料電池車両、船舶、飛行機等の移動体、または、住宅、ビル等の定置設備の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略図。
【図２】第１実施形態における燃料ガス充填システムの構成を示すブロック図。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて実行される燃料ガス充填処理を示すフローチャート。
【図４】低流量での充填処理が実行される場合における第１の開閉弁と第２の開閉弁の開閉のタイミングを示す図。
【図５】第２実施形態における低流量での充填処理が実行される場合における第１の開閉弁と第２の開閉弁の開閉のタイミングを示す図。
【図６】第３実施形態に係る燃料ガス充填システムの構成を示すブロック図。
【図７】第４実施形態に係る燃料ガス充填システムの構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、燃料ガス給排機構５０と、酸化剤ガス給排機構６０と、冷媒循環機構７０と、制御部８０と、記憶部８２と、を備える。燃料電池システム１００は、燃料ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）との反応によって発電する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、駆動用モータを駆動させる発電装置として用いられる。
【００１０】
燃料電池スタック２０は、燃料電池単セル（図示しない）が複数積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池単セルは、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック２０は、冷媒循環機構７０によって適切な温度に調整されている。
【００１１】
冷媒循環機構７０は、燃料電池スタック２０に接続され、冷媒（例えば水）を流通させる冷媒循環流路７１や冷媒を送り出すポンプ７２を有する。酸化剤ガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路６１と、酸化剤ガスを外部へと排出する酸化剤ガス排出流路６２とを有する。酸化剤ガス供給流路６１には、酸化剤ガスを圧送するエアコンプレッサ６３が配置されている。酸化剤ガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０への空気の供給、および、燃料電池スタック２０からの空気の排出を行なう。
【００１２】
燃料ガス給排機構５０は、燃料ガス充填流路３２と、燃料ガス供給流路３４と、燃料ガス循環流路３６と、３つの高圧タンク２０２〜２０６と、を備える。高圧タンク２０２〜２０６は、燃料ガスを貯蔵するためのタンクであり、開閉弁である主止弁４２１〜４２３を介して燃料ガス充填流路３２及び燃料ガス供給流路３４に接続されている。高圧タンク２０２〜２０６は、燃料ガス供給流路３４を介して、内部に貯蔵された燃料ガスを燃料電池スタック２０へと供給する。
【００１３】
高圧タンク２０２〜２０６は、内側に気体を充填するための空間を有するライナと、ライナの外表面に形成されライナを補強する補強層と、を有する。ライナは、ガスバリア性を有する樹脂（例えばポリアミド６）によって形成されている。また、ライナに用いられる樹脂には、ゴムが添加されている。これにより、ゴムが添加されていない場合と比べて、ライナの弾性を向上させることが可能である。補強層は、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を備え、耐圧性を有する。
【００１４】
燃料ガス充填流路３２は、高圧タンク２０２〜２０６と連通する流路であり、水素ステーション等の燃料ガス充填装置から充填される燃料ガスを流通させる。燃料ガス充填流路３２の一端部には高圧タンク２０２〜２０６が接続されている。燃料ガス充填流路３２の他端部にはレセプタクル３０が設けられている。レセプタクル３０は、燃料ガス充填装置と接続され、燃料ガス充填装置から充填される燃料ガスを燃料ガス充填流路３２に流入させる流入口として機能する。燃料ガス充填流路３２には、レセプタクル３０から充填される燃料ガスを各高圧タンク２０２〜２０６に分配するための継ぎ手３１０が設けられている。
【００１５】
燃料ガス充填流路３２のうち継ぎ手３１０の上流側（レセプタクル３０側）には、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２とが設けられている。第１の開閉弁３０１は、第２の開閉弁３０２より上流側に設けられている。第１の開閉弁３０１及び第２の開閉弁３０２は、各開閉弁３０１、３０２の上流側と下流側（高圧タンク２０２〜２０６側）とを、連通にする開弁状態と、非連通にする閉弁状態と、のいずれか一方の状態となる弁機構である。第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２とは、燃料ガス充填流路３２に閉区間３２２を形成する。閉区間３２２は、閉弁状態の第１の開閉弁３０１と閉弁状態の第２の開閉弁３０２とによって、第１の開閉弁３０１の上流側からの燃料ガスの流入と、第２の開閉弁３０２の下流側への燃料ガスの流出と、が抑制される区間である。本実施形態において、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２とは、課題を解決するための手段における「２つの開閉弁」に対応する。
【００１６】
閉区間３２２には、閉区間３２２内の燃料ガスを昇温する昇温機構３２４が設けられている。本実施形態では、閉区間３２２を形成する配管が、昇温機構３２４として機能する。具体的には、閉区間３２２を形成する昇温機構３２４としての配管は、燃料ガス充填流路３２のうち閉区間３２２以外の領域を形成する配管と比べて、高い熱伝導率を有する。これにより、閉区間３２２内の燃料ガスの温度が外気温より低い場合には、閉区間３２２を形成する配管の内側と外側とにおける熱交換によって、閉区間３２２内の燃料ガスが昇温される。
【００１７】
燃料ガス供給流路３４は、高圧タンク２０２〜２０６に充填された燃料ガスを燃料電池スタック２０に供給するための流路である。燃料ガス供給流路３４には、開閉弁４３２とレギュレータ４４とインジェクタ４５とが設けられている。また、燃料ガス供給流路３４の途中には、燃料ガス循環流路３６が接続されている。
【００１８】
燃料ガス循環流路３６は、燃料電池スタック２０の内部を通過した未反応の燃料ガスを回収し、燃料電池スタック２０に再度供給するための流路である。燃料ガス循環流路３６の途中には、燃料ガスを循環させるための循環ポンプ４６と、燃料ガスと燃料ガス中に含まれる液水とを分離するための気液分離器４７と、が配置されている。燃料ガス中に含まれる液水は、燃料電池スタック２０における電気化学反応によって生成される生成水である。気液分離器４７によって分離された液水は、開閉弁４８を開状態とすることで外部へと排出される。
【００１９】
燃料ガス給排機構５０には、燃料ガスの状態を取得するための各種センサが設けられている。例えば、閉区間３２２には、閉区間３２２における燃料ガスの温度を取得する第１の温度センサ９１と、閉区間３２２内における燃料ガスの圧力を取得するための第１の圧力センサ９２が設けられている。また、高圧タンク２０２〜２０６の内部には、高圧タンク２０２〜２０６内の温度である内部温度を取得するための第２の温度センサ９３が設けられている。また、継ぎ手３１０には、継ぎ手３１０における燃料ガスの圧力を取得する第２の圧力センサ９４が設けられている。ここで、第２の圧力センサ９４が設けられた継ぎ手３１０と高圧タンク２０２〜２０６との間の流路には圧力を変化させる調圧弁等の構成が配置されていない。このため、第２の圧力センサ９４によって取得される圧力は、高圧タンク２０２〜２０６の内圧と同程度の圧力である。なお、第２の温度センサ９３は、課題を解決するための手段における「温度センサ」に対応する。
【００２０】
制御部８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を有し、各種センサ９１〜９４から取得した情報と記憶部８２に記憶されている情報とを用いて、第１の開閉弁３０１及び第２の開閉弁３０２の動作を制御する。制御部８０による第１の開閉弁３０１及び第２の開閉弁３０２の制御の詳細は、後述する。
【００２１】
記憶部８２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶媒体を有する。記憶部８２は、制御部８０による制御を実行する際に用いられる各種プログラムや、各種センサ９１〜９４によって取得された情報を記憶する。
【００２２】
図２は、第１実施形態における燃料ガス充填システム４００の構成を示すブロック図である。燃料ガス充填システム４００は、燃料ガス供給装置５００と、燃料ガス充填流路３２と、高圧タンク２０２〜２０６と、を有する。燃料ガス充填システム４００は、燃料電池システム１００の高圧タンク２０２〜２０６に燃料ガスを充填するためのシステムである。燃料ガス供給装置５００は、例えば、水素ステーションである。
【００２３】
燃料ガス供給装置５００は、高圧タンクである燃料ガスの燃料ガス供給源５１０と、燃料電池システム１００との接続部として機能するノズル５０２と、を備える。レセプタクル３０とノズル５０２のそれぞれには、互いに通信可能な通信部３０４、５３０が設けられている。
【００２４】
燃料ガス供給装置５００から供給される燃料ガスは、レセプタクル３０から燃料ガス充填流路３２に流入する。燃料ガス充填流路３２に流入した燃料ガスは継ぎ手３１０で各高圧タンク２０２〜２０６に分配されて充填される。なお、燃料ガス供給装置５００から燃料電池システム１００に供給される燃料ガスは、予め定められた温度（例えばＳＡＥ規格に準拠する場合には−１７．５℃）以下になるように温度が調整されている。閉区間３２２内の燃料ガスは、昇温機構３２４からの受熱によって昇温可能である。
【００２５】
制御部８０は、各種センサ９１〜９４から取得する情報に応じて、第１の開閉弁３０１及び第２の開閉弁３０２を制御する。また、制御部８０は、レセプタクル３０に設けられた通信部３０４を介して、燃料ガス供給装置５００に指示を行う。制御部８０から燃料ガス供給装置５００への指示は、ノズル５０２に設けられた通信部５３０によって受信される。燃料ガス供給装置５００は、制御部８０からの指示に応じて、燃料ガスの供給を実行する。
【００２６】
図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００において実行される燃料ガス充填処理を示すフローチャートである。この燃料ガス充填処理は、例えば、レセプタクル３０を覆うフューエルカバー（図示しない）が外され、ノズル５０２がレセプタクル３０に取り付けられることによって開始される。なお、本実施形態において、通信部３０４と、各種センサ９１〜９４と、制御部８０とは、燃料ガス充填処理が開始される際に起動される。
【００２７】
燃料ガス充填処理が開始されると、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力とを取得する（ステップＳ１０１）。内部温度は、第２の温度センサ９３によって計測された温度である。圧力は、第２の圧力センサ９４によって計測された圧力である。
【００２８】
内部温度及び圧力を取得した後に、制御部８０は、取得した内部温度と圧力との両方が基準値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が予め定められた第１の温度（基準温度）以上であるか否かを判定し、高圧タンク２０２〜２０６内の圧力が予め定められた第１の圧力（基準圧力）以上であるか否かを判定する。なお、燃料電池システム１００に複数の高圧タンクが用いられている場合には、最も温度の低い高圧タンクの温度を判定の代表値として用い、最も低い圧力の高圧タンクの圧力を判定の代表値として用いる。
【００２９】
基準温度と基準圧力とには、高圧タンク２０２〜２０６においてライナと補強層との間に隙間が生じ得る温度と圧力とが設定されている。高圧タンク２０２〜２０６においてライナと補強層との間に隙間が生じる温度と圧力とは、例えば、高圧タンク２０２〜２０６を構成する材質によって変化する。例えば、高圧タンク２０２〜２０６のライナの線膨張係数と補強層の線膨張係数との差が大きい場合には、隙間が生じやすいため、基準温度と基準圧力とが高くなる傾向がある。本実施形態において、高圧タンク２０２〜２０６における隙間は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が基準温度未満であり、かつ、圧力がガス欠圧力の付近である場合に生じ得る。この様な、内部温度と圧力との組み合わせは、例えば、外気温−３０℃未満の寒冷地の高速道路等を連続走行することによって急速に燃料ガスを消費した場合に発生しうる。
【００３０】
また、本実施形態では、ライナを形成する樹脂に添加されたゴムのガラス転移が発生することによって、ライナの弾性が低下する。ライナの弾性が低下した場合には、弾性が低下していない場合と比べて、ライナの破損のおそれが増大する。本実施形態では、基準温度は、高圧タンク２０２〜２０６のライナのガラス転移によって生じる貯蔵弾性率の変化に応じて決定されている。具体的には、ライナの貯蔵弾性率と温度との関係を示すグラフの変曲点を実験的に求め、ライナのガラス転移に起因する変曲点における温度を基準温度として採用している。本実施形態では、基準温度と基準圧力とは、実験的に求められているが、これに限定されない。例えば、高圧タンク２０２〜２０６の各構成が有する線膨張係数を用いて、隙間が生じ得る基準温度と基準圧力とを算出してもよい。
【００３１】
高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との両方が基準値以上である場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）には、制御部８０は、通常の充填処理を行う（ステップＳ１１０）。通常の充填処理とは、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２を開弁させたまま燃料ガスを高圧タンク２０２〜２０６に充填する処理である。高圧タンク２０２〜２０６への燃料ガスの充填は、例えば、高圧タンク２０２〜２０６の内圧に応じて、予め定められた満タン量になるまで高圧タンク２０２〜２０６に燃料ガスを充填する。高圧タンク２０２〜２０６への燃料ガスの充填が完了すると、燃料ガス充填処理は終了する。本実施形態において、通信部３０４と、各種センサ９１〜９４と、制御部８０とは、燃料ガス充填処理が終了された後に、フューエルカバーがレセプタクル３０に装着された際に停止する。
【００３２】
高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との少なくとも一方が基準値未満である場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）には、制御部８０は、低流量での充填処理を行う（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）。低流量での充填処理では、通常の充填処理（ステップＳ１１０）と比べて、燃料ガス供給装置５００から高圧タンク２０２〜２０６へと流通する燃料ガスの流量が小さい。低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）が開始されると、まず、制御部８０は、第２の開閉弁３０２（図２）に閉弁を指示する（ステップＳ１２１）。第２の開閉弁３０２が閉弁された後に、燃料ガス供給源５１０から燃料ガス充填流路３２への燃料ガスの供給の開始を指示する（ステップＳ１２２）。第２の開閉弁３０２が閉弁している状態で、燃料ガス充填流路３２に燃料ガスが供給されることにより、燃料ガスは燃料ガス充填流路３２のうち第２の開閉弁３０２より上流側に一時的に貯留される。
【００３３】
ステップＳ１２２の処理が開始された後に、制御部８０は、閉区間３２２に配置された第１の圧力センサ９２によって取得される圧力値が予め定められた第２の圧力以上か否かを判定する（ステップＳ１２３）。ここで、予め定められた第２の圧力は、少なくともステップＳ１２３の処理が実行されている際における、高圧タンク２０２〜２０６内の圧力より大きい値である。ステップＳ１２３の処理の結果、圧力値が第２の圧力未満である場合（ステップＳ１２３：Ｎｏ）には、制御部８０は、圧力値が第２の圧力以上になるまで、ステップＳ１２３の処理を繰り返す。ステップＳ１２３の処理の結果、圧力値が第２の圧力以上である場合（ステップＳ１２３：Ｙｅｓ）には、制御部８０は、第１の開閉弁３０１に閉弁を指示するとともに、燃料ガス供給装置５００による燃料ガスの供給を停止する（ステップ１２４）。
【００３４】
第１の開閉弁３０１が閉弁されることによって閉区間３２２内への燃料ガスの流通が停止される。閉区間３２２内の燃料ガスは、昇温機構３２４によって昇温される。本実施形態において、閉区間３２２内の燃料ガスの温度は、昇温機構３２４による燃料ガス充填流路３２の外部との熱交換によって昇温される。つまり、２つの開閉弁３０１、３０２が閉じた状態が維持されることで、閉区間３２２内の燃料ガスが昇温される。ステップＳ１２４の処理が実行された後に、制御部８０は、閉区間３２２内の燃料ガスの温度が予め定められた第２の温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２５）。ここで、予め定められた第２の温度は、少なくとも基準温度より高い温度である。
【００３５】
ステップＳ１２５の処理の結果、閉区間３２２内の燃料ガスの温度が予め定められた第２の温度未満である場合（ステップＳ１２５：Ｎｏ）には、制御部８０は、再びステップＳ１２５の処理を実行する。ステップＳ１２５の処理の結果、閉区間３２２内の温度が第２の温度以上である場合（ステップＳ１２５：Ｙｅｓ）には、第２の開閉弁３０２に開弁を指示する（ステップＳ１２６）。第２の開閉弁３０２が開弁されることによって、閉区間３２２内で昇温された燃料ガスが高圧タンク２０２〜２０６に充填される。
【００３６】
ステップＳ１２６の処理を実行した後に、第１の圧力センサ９２によって取得される閉区間３２２の圧力が高圧タンク２０２〜２０６の内部圧力と同程度の圧力になった後に、制御部８０は、第２の開閉弁３０２に閉弁を指示する（ステップＳ１２７）。ステップＳ１２７の処理の後に、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力が予め定められた基準値以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ１２８）。なお、ステップＳ１２８の処理における基準値は、ステップＳ１０２の処理における基準値（基準温度及び基準圧力）と同じ値である。ステップＳ１２８の処理の結果、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との両方が基準値以上である場合（ステップＳ１２８：Ｙｅｓ）には、通常の充填処理（ステップＳ１１０）を実行する。
【００３７】
ステップＳ１２８の処理の結果、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との少なくとも一方が基準値未満である場合（ステップＳ１２８：Ｎｏ）には、制御部８０は、第１の開閉弁３０１に開弁を指示する（ステップＳ１２９）。第１の開閉弁３０１が開弁した後に、制御部８０は、再びステップＳ１２２の処理を実行する。
【００３８】
図４は、低流量での充填処理（図３のステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）が実行される場合における第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２の開閉のタイミングを示す図である。図４では、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が基準温度未満である場合における、燃料ガス充填処理の様子を示している。時刻ｔ０において、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度に応じて、第２の開閉弁３０２に閉弁を指示する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間において、第１の開閉弁３０１は開弁状態であるため、燃料ガス供給装置５００から供給される燃料ガスは、閉区間３２２に充填される。時刻ｔ１において、閉区間３２２の圧力が第２の圧力以上になることによって、第１の開閉弁３０１が閉弁される。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、閉区間３２２内に保持された燃料ガスは、昇温機構３２４によって昇温される。
【００３９】
時刻ｔ２において、閉区間３２２内の燃料ガスの温度が第２の温度以上になることによって、第２の開閉弁３０２が開弁される。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、閉区間３２２に保持されていた燃料ガスが高圧タンク２０２〜２０６に充填されることによって、閉区間３２２の圧力が低下する。時刻ｔ３において、閉区間３２２の圧力が高圧タンク２０２〜２０６の内部圧力と同程度の圧力になることによって、第２の開閉弁３０２が閉弁される。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間において、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２との両方が閉弁している。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間において、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が基準温度以上であるか否かを判定する。高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が基準温度未満である場合には、時刻ｔ０から時刻ｔ４までの期間において実行された処理を繰り返されることによって、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が昇温される。
【００４０】
以上説明した第１実施形態によれば、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との少なくとも一方が基準値未満である場合には、閉区間３２２に燃料ガスを保持させ、閉区間３２２内の燃料ガスを昇温機構３２４によって昇温させる。この場合において、制御部８０は、昇温機構３２４によって昇温された燃料ガスを高圧タンク側に流出させる。このため、昇温されていないガスが充填される場合と比べて、高圧タンク２０２〜２０６内の温度を高くできる。これにより、充填される燃料ガスの温度が低いことによる高圧タンク２０２〜２０６への負担、例えば、ライナと補強層との間に隙間が生じることによって補強層によって補強されていない状態のライナにガス充填による圧力が付与されることによる負担、を低減できる。
【００４１】
また以上説明した第１実施形態によれば、燃料ガス充填システム４００は、燃料ガスを昇温させた後に高圧タンク２０２〜２０６に充填できる。このため、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が基準値未満である場合であっても、燃料ガス充填システム４００では、燃料ガスの昇温せずに高圧タンク２０２〜２０６に充填する場合と比べて、高圧タンク２０２〜２０６の温度の上昇を促進できる。これにより、燃料ガス充填システム４００では、低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）を実行した場合であっても、早期に通常の充填処理（ステップＳ１１０）に切り替えることができる。したがって、燃料ガス充填システム４００は、燃料ガスの充填に要する時間が増加することを抑制できる。
【００４２】
また以上説明した第１実施形態によれば、昇温機構３２４は、閉区間３２２内の燃料ガスの昇温するための加熱器などの電力消費源を用いていない。このため、燃料ガスを充填する際に必要となる電力を低減できる。
【００４３】
Ｂ．第２実施形態
第２実施形態に係る燃料ガス充填システム４００は、閉区間３２２において昇温した燃料ガスを高圧タンク２０２〜２０６に充填する際の、第２の開閉弁３０２の開閉動作において第１実施形態と異なる。以下において、第２実施形態に係る燃料ガス充填システム４００の構成のうち第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４４】
図５は、第２実施形態における低流量での充填処理が実行される場合における第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２の開閉のタイミングを示す図である。第２実施形態では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、第２の開閉弁３０２が間欠的に開弁される。第２の開閉弁３０２を間欠的に開弁させることにより、第２実施形態における低流量での充填処理において、高圧タンク２０２〜２０６への燃料ガスの充填速度を低減することができる。充填速度を低減させることによって、充填時における高圧タンク２０２〜２０６の歪み速度を低減できる。歪み速度が小さい場合には、高圧タンク２０２〜２０６の破断伸び率が大きくなる。
【００４５】
以上説明した第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。さらに、第２実施形態によれば、第２実施形態における低流量での充填処理において、第２の開閉弁３０２を間欠的に開弁させるので、高圧タンク２０２〜２０６の破断（破損）のおそれを低減できる。
【００４６】
Ｃ．第３実施形態
図６は、第３実施形態に係る燃料ガス充填システム７００の構成を示すブロック図である。第３実施形態に係る燃料ガス充填システム７００おいて、昇温機構７２４は、閉区間３２２に近傍に外気を流通させる外気流通機構７２６を有する点で、第１実施形態および第２実施形態に係る燃料ガス充填システム４００と異なる。本実施形態において、外気流通機構７２６は、外気を取り込む為の取込口７２８と外気を排出するための排出口７２９とを有している。取込口７２８と排出口７２９との少なくとも一方には、外気の流通を補助するための送風機が設けられていてもよい。
【００４７】
以上説明した第３実施形態によれば、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。さらに、第３実施形態によれば、昇温機構７２４は、外気を用いて閉区間３２２を昇温する。このため、外気温が第２の温度より高い場合には、外気からの受熱によって効率的に閉区間３２２を昇温することが可能である。
【００４８】
Ｄ．第４実施形態
図７は、第４実施形態に係る燃料ガス充填システム８００の構成を示すブロック図である。第４実施形態に係る燃料ガス充填システム８００おいて、昇温機構８２４は、閉区間３２２に隣接して設けられた冷媒流路８２６を有する点で、第１実施形態から第３実施形態に係る燃料ガス充填システム４００、７００と異なる。本実施形態において、冷媒流路８２６は、燃料電池スタック２０の温度を調整するための冷媒循環機構７０から延長された流路である。冷媒流路８２６内を流通する冷媒は、燃料電池スタック２０の冷却に用いられることによって昇温されている。
【００４９】
以上説明した第４実施形態によれば、上記第１実施形態から第３実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。さらに、第４実施形態は、冷媒流路８２６内を流通する冷媒からの受熱によって、閉区間３２２を昇温できる。このため、外気温が第２の温度よりも低い場合であっても、閉区間３２２を昇温することができる。また、急激な燃料ガスの消費を伴う発電よって発熱した燃料電池スタック２０によって昇温された冷媒を効率的に冷却することが可能である。
【００５０】
Ｅ．他の実施形態
Ｅ１．第１の他の実施形態
上記実施形態における燃料ガス充填処理（図３）では、低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）を実行するか否かの判断（ステップＳ１０２）に、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力との両方を用いている。しかし、ステップＳ１０２の処理は、これに限定されない。制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度と圧力とのうち内部温度のみを用いて、低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）を実行するか否かの判断をしてもよい。具体的には、例えば、第２の温度センサ９３によって取得される高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が予め定められた基準温度以上であるか否かを判定し、基準温度以上である場合には、通常の充填処理（ステップＳ１１０）を実行してもよい。また、基準温度未満である場合には、低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）を実行してもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様に、充填される燃料ガスの温度が低いことによる高圧タンク２０２〜２０６への負担を低減できる。
【００５１】
Ｅ２．第２の他の実施形態
上記実施形態において、燃料ガス充填システム４００、７００、８００では、第１の温度センサ９１と第１の圧力センサ９２とによって取得される、閉区間３２２の温度と圧力とを用いて、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２との制御を行っている。しかし、これに限定されない。例えば、第１の圧力センサ９２によって取得される圧力値を用いずに、制御部８０は、第１の開閉弁３０１と第２の開閉弁３０２とを制御してもよい。具体的には、図３のステップＳ１２３の処理において、制御部８０は、燃料ガス充填流路３２への燃料ガスの供給を実行した時間に応じて、燃料ガスの供給の停止及び第１の開閉弁３０１の閉弁を実行するか否かを判定してもよい。この場合には、第１の圧力センサ９２は、備えられていなくてもよい。また、この場合には、図３のステップＳ１２５の処理において、制御部８０は、燃料ガスの供給を停止してから経過した時間に応じて、第２の開閉弁３０２を開弁するか否かを判定してもよい。この場合には、第１の温度センサ９１は、備えられていなくてもよい。これらの場合であっても、上記実施形態と同様に、充填される燃料ガスの温度が低いことによる高圧タンク２０２〜２０６への負担を低減できる。
【００５２】
Ｅ３．第３の他の実施形態
上記実施形態において、図３のステップＳ１２２の処理での燃料ガスの供給される速度は、ステップＳ１１０の処理における供給の速度より小さくてもよい。この場合には、閉区間３２２を構成する配管への負担を低減することができる。また、この場合であっても、上記実施形態と同様に、充填される燃料ガスの温度が低いことによる高圧タンク２０２〜２０６への負担を低減できる。
【００５３】
Ｅ４．第４の他の実施形態
上記第３実施形態及び第４実施形態において、昇温機構７２４、８２４は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度に応じで、閉区間３２２内の燃料ガスの昇温速度を調整可能な構成を有していてもよい。例えば、第３実施形態における昇温機構７２４は、取込口７２８と排出口７２９との少なくとも一方に開度を段階的に調整可能な構成を有し、内部温度が低くなるにつれて開度を大きくしてもよい。この場合には、内部温度が低くなるにつれて、外気流通機構７２６内を流通する外気の量を増加させることができる。これにより、外気からの受熱による閉区間３２２内の燃料ガスの昇温速度を大きくできる。また、外気流通機構７２６に送風機が備えられている場合には、送風機の出力を調整することによって、昇温速度を調整してもよい。また例えば、第４実施形態における昇温機構８２４は、冷媒流路８２６内を流通する冷媒の量を調整することによって、昇温速度を調整してもよい。この場合には、内部温度が低くなるにつれて、冷媒流路８２６内を流通する冷媒の量を増加させてもよい。また、冷媒流路８２６内を流通する冷媒の温度に応じて、冷媒流路８２６内を流通する冷媒の量を調整してもよい。この場合には、冷媒の温度が低くなるにつれて、冷媒流路８２６内を流通する冷媒の量を増加させてもよい。
【００５４】
Ｅ５．第５の他の実施形態
上記実施形態において、第２の開閉弁３０２は、開度を調整可能な弁機構であってもよい。この場合において、低流量での充填処理（ステップＳ１２１〜ステップＳ１２９）を実行する際には、通常の充填処理（ステップＳ１１０）を実行する際と比べて、第２の開閉弁３０２の開度が小さくされていてもよい。これにより、低流量での充填処理において、燃料ガスを充填する際の高圧タンク２０２〜２０６への負荷をより低減できる。さらに、第２の開閉弁３０２の開度は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度に応じて調整されていてもよい。この場合には、低流量での充填処理において、制御部８０は、高圧タンク２０２〜２０６の内部温度が高くなるにつれて第２の開閉弁３０２の開度が大きくなるように第２の開閉弁３０２を制御してもよい。
【００５５】
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】
【００５６】
２０…燃料電池スタック
３０…レセプタクル
３２…燃料ガス充填流路
３４…燃料ガス供給流路
３６…燃料ガス循環流路
４４…レギュレータ
４５…インジェクタ
４６…循環ポンプ
４７…気液分離器
４８…開閉弁
５０…燃料ガス給排機構
６０…酸化剤ガス給排機構
６１…酸化剤ガス供給流路
６２…酸化剤ガス排出流路
６３…エアコンプレッサ
７０…冷媒循環機構
７１…冷媒循環流路
７２…ポンプ
８０…制御部
８２…記憶部
９１…第１の温度センサ
９２…第１の圧力センサ
９３…第２の温度センサ
９４…第２の圧力センサ
１００…燃料電池システム
２０２〜２０６…高圧タンク
３０１…第１の開閉弁
３０２…第２の開閉弁
３０４…通信部
３１０…継ぎ手
３２２…閉区間
３２４…昇温機構
４００…燃料ガス充填システム
４２１〜４２３…主止弁
４３２…開閉弁
５００…燃料ガス供給装置
５０２…ノズル
５１０…燃料ガス供給源
５３０…通信部
７００…燃料ガス充填システム
７２４…昇温機構
７２６…外気流通機構
７２８…取込口
７２９…排出口
８００…燃料ガス充填システム
８２４…昇温機構
８２６…冷媒流路
【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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【図６】
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【図７】
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