(57)【要約】本発明では、水素補給ステーションが直接的かつ正確に水素タンク内の燃料補給終了時温度を計算でき、燃料補給の品質を向上し、一方で、燃料補給時間を減らす傾向がある単純で分析的な方法を明らかにする。計算は、ガスを受けているタンクシステムとガスを供給しているステーションから得られる熱力学パラメータセットに基づく合成熱容量値（ＭＣ）の計算を含む。これらの熱力学パラメータは、一連の単純で分析的な方程式で利用され、多段階プロセスが定義され、目標補給時間、最終温度と最終的な圧力が決定される。パラメータは、車両から直接ステーションに伝えられるか、あるいは、ステーションからアクセスできるデータベースから取り出される。この方法は実際の熱力学条件の直接測定と定量化された熱力学動作に基づくので、タンク燃料補給の結果は非常に改善されている。
2013527390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮ガスをタンクに補給するガス補給方法であって、
タンク内のガスの初期質量に関する高温維持初期温度ＴＨＳｉｎｉｔを計算するステップと、
予測されたＴＨＳｉｎｉｔを用いて予測補給時間を決定し、目標温度Ｔよりも高くないガス最終温度ＴＦｉｎａｌを算出するステップと、
前記タンク内のガスの初期質量に関する低温維持初期温度ＴＣＳｉｎｉｔを計算するステップと、
予測されたＴＣＳｉｎｉｔを用いて目標圧力Ｐｔａｒｇｅｔを決定し、前記タンク内の１００％充填状態を生成するステップと、
前記予測補給時間にＰｔａｒｇｅｔを達成する圧力上昇率で前記タンクにガスを供給するステップと、
を実行することを特徴とするガス補給方法。
【請求項２】
前記予測補給時間を決定するステップは、さらに、
次のいずれかの方程式によって、合成熱容量値ＭＣを計算する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス補給方法。
【数１】
2013527390.tif 000019
【数２】
2013527390.tif 000020
なお、Ｃ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊは、前記タンクに固有の定数である。
Ｕｉｎｉｔｉａｌは、ガスの初期ボリュームの初期内部エネルギーを示す。
Ｕａｄｉａｂａｔｉｃは、前記タンクへの燃料補給後のガスの断熱的な内部エネルギーを示す。
【請求項３】
前記予測補給時間を決定するステップは、さらに、
初期質量ｍｉｎｉｔを計算し、
前記タンク内の１００％充填状態を達成するのに必要な付加質量ｍａｄｄを計算し、
初期内部エネルギーＵｉｎｉｔｉａｌを計算し、
前記付加質量によって前記タンクに付与される平均エンタルピーＨａｖｅｒａｇｅを計算し、
断熱的な内部エネルギーＵａｄｉａｂａｔｉｃと断熱温度Ｔａｄｉａｂａｔｉｃを計算し、
少なくとも次のいずれかの方程式によって合成熱容量値ＭＣを計算する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス補給方法。
【数３】
2013527390.tif 000021
【数４】
2013527390.tif 000022
なお、Ｃ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊは、前記タンクに固有の定数である。
【請求項４】
さらに、前記タンクに関するＣ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊの値を決定する
ことを特徴とする請求項３に記載のガス補給方法。
【請求項５】
前記目標圧力Ｐｔａｒｇｅｔを決定するステップは、さらに、
次のいずれかの方程式によって、合成熱容量値ＭＣを計算する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス補給方法。
【数５】
2013527390.tif 000023
【数６】
2013527390.tif 000024
なお、Ｃ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊは、前記タンクに固有の定数である。
Ｕｉｎｉｔｉａｌは、ガスの初期ボリュームの初期内部エネルギーを示す。
Ｕａｄｉａｂａｔｉｃは、前記タンクへの燃料補給後のガスの断熱的な内部エネルギーを示す。
【請求項６】
前記目標圧力Ｐｔａｒｇｅｔを決定するステップは、さらに、
低温初期質量ｍｉｎｉｔＣを計算し、
前記タンク内の１００％充填状態を達成するのに必要な付加質量ｍａｄｄを計算し、
初期内部エネルギーＵｉｎｉｔｉａｌを計算し、
前記付加質量とともに前記タンクに供給される平均エンタルピーＨａｖｅｒａｇｅを計算し、
断熱的な内部エネルギーＵａｄｉａｂａｔｉｃと断熱温度Ｔａｄｉａｂａｔｉｃを計算し、
少なくとも次のいずれかの方程式によって合成熱容量値ＭＣを計算する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス補給方法。
【数７】
2013527390.tif 000025
【数８】
2013527390.tif 000026
なお、Ｃ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊは、前記タンクに固有の定数である。
【請求項７】
前記タンクに関するＣ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊの値を決定するステップは、さらに、
目標補給時間に１００％充填状態にする前記タンクの複数のテスト補給を実行し、前記テスト補給は多くの初期補給圧力と多くの予備冷却温度を含んでおり、
次の方程式によってそれぞれの前記テスト補給に関する補給終了時ＭＣを計算し、
【数９】
2013527390.tif 000027
Ｕａｄｉａｂａｔｉｃ／Ｕｉｎｉｔｉａｌに対してＭＣをプロットし、
ベストフィットを実行して、結果として生じる曲線の定数Ｃと係数Ａを決定し、
Δｔ（時間−目標補給時間）に対するΔＭＣをプロットし、ベストフィットモデルを実行して、結果として生じる曲線の次の方程式に関する係数ｇ、ｋ、ｊを決定する
ことを特徴とする請求項４に記載のガス補給方法。
【数１０】
2013527390.tif 000028
【請求項８】
第１の初期圧力は、前記タンク内の１０％未満の充填状態を示し、
第１の予備冷却温度は、周囲温度である
ことを特徴とする請求項７に記載のガス補給方法。
【請求項９】
第２の初期圧力は、前記タンク内の約５０％の充填状態を示し、
第２の予備冷却温度は、０℃未満である
ことを特徴とする請求項８に記載のガス補給方法。
【請求項１０】
第１の初期圧力は２ＭＰａで、第２の初期圧力は前記タンク内で少なくとも約５０％の充填状態を示し、
第１の予備冷却温度は周囲温度で、第２の予備冷却温度は−２０℃である
ことを特徴とする請求項７に記載のガス補給方法。
【請求項１１】
水素動力車両に搭載された水素タンクに水素ガスを補給するガス補給方法であって、
タンク内のガスの初期質量に関する高温維持初期温度ＴＨＳｉｎｉｔを計算するステップと、
目標温度Ｔ以下のガス最終温度ＴＦｉｎａｌを生成するために予測されるＴＨＳｉｎｉｔを用いて予測補給時間を決定するステップと、
前記タンク内のガスの初期質量に関する低温維持初期温度ＴＣＳｉｎｉｔを計算するステップと、
前記タンク内の１００％充填状態を生成するために予測されるＴＣＳｉｎｉｔを用いて目標圧力Ｐｔａｒｇｅｔを決定するステップと、
前記予測補給時間にＰｔａｒｇｅｔを達成する圧力上昇率で前記タンクにガスを供給するステップと、
を実行することを特徴とするガス補給方法。
【請求項１２】
水素ガス補給ステーションの操作方法であって、
水素動力車両に対応する第１のパラメータデータセットを取得し、
ステーション能力に対応する第２のパラメータデータセットを取得し、
燃料補給の周囲に対応する第３のパラメータデータセットを取得し、
取得した前記パラメータデータに基づいてＭＣの値を計算し、
目標温度Ｔ以下のガス最終温度ＴＦｉｎａｌを生成し、前記タンク内の１００％充填状態を達成するために予測される予測補給時間を、次の方程式［Ｂ］によって決定し、
【数１１】
2013527390.tif 000029
前記タンク内の１００％充填状態を生成するために予測される目標圧力Ｐｔａｒｇｅｔを決定する
ことを特徴とする水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１３】
前記第１のパラメータデータセットは、ＲＦＩＤ、ＨＶＡＳ、ＩＲＤＡから構成されるグループから選択された通信プロトコルを用いて前記水素動力車両から直接取得される
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１４】
前記第１のパラメータデータセットは、前記水素動力車両を識別し、前記水素動力車両外で維持されているパラメータデータベースにアクセスすることで、取得される
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１５】
前記第１のパラメータデータセットは、デフォルト値を割り当てられ、
前記ＴＦｉｎａｌにおいて前記Ｐｔａｒｇｅｔを充分達成するように調整された最終目標密度を決定する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１６】
前記第１のパラメータデータセットは、わずかの動作圧力、タンク容積、燃料補給履歴、最終燃料補給の時刻記録、走行記録データ、初期水素質量、初期ガス温度、最大高温維持温度、最大低温維持温度、最大損傷燃料抜き取りレート、最大燃料補給レートから構成されるグループから選択された少なくとも１つのパラメータを含む
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１７】
第１の水素補給アセンブリと第２の水素補給アセンブリとを維持しており、前記第１の水素補給アセンブリは第１の予備冷却温度で動作し、前記第２の水素補給アセンブリは第２の予備冷却温度で動作し、前記第１の予備冷却温度と前記第２の予備冷却温度とは等しくなく、
前記第１のパラメータデータセットを分析し、
前記水素動力車両に、より効率的に１００％充填状態を提供できる前記水素補給アセンブリを指示する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１８】
車両燃料補給履歴、タンク容積、履歴上の最低初期充填状態割合、履歴上の最低タンクＭＣ値、周囲温度から構成されるデータセットから選択されたパラメータ情報を用いて、３分間の燃料補給時間を充分に達成できるための目標予備冷却温度を計算し、
前記水素補給アセンブリを、車両燃料補給動作中、前記目標予備冷却温度にセットし、維持する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項１９】
さらに、結合されたシステム熱質量に関し、損傷燃料抜き取りシステム温度を予想し、
ＴＦｉｎａｌＤｅｆｕｅｌＣｏｌｄを設定し、
ＴＦｉｎａｌＤｅｆｕｅｌＣｏｌｄを用いて燃料補給を開始する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２０】
前記第１のパラメータデータセットの第１のサブセットを取得し、前記第１のサブセットは、前記水素動力車両に搭載された第１の水素タンクに関係するパラメータデータに対応しており、
前記第１のパラメータデータセットの第２のサブセットを取得し、前記第２のサブセットは、前記水素動力車両に搭載された第２の水素タンクに関係するパラメータデータに対応しており、
前記第１のサブセットを使ってＴＦｉｎａｌ１を計算し、前記第２のサブセットを使ってＴＦｉｎａｌ２を計算し、
ＴＦｉｎａｌ１とＴＦｉｎａｌ２の大きなほうを用いて目標燃料補給速度を決定し、
ＴＦｉｎａｌ１とＴＦｉｎａｌ２の小さなほうを用いてＰｔａｒｇｅｔを決定する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２１】
さらに、水素ガス補給を開始し、
前記水素ガス補給の間、前記第２のパラメータデータセットを調整して、測定されたステーションパフォーマンスを示し、
前記水素ガス補給の間、前記ＭＣの値を調整して、前記第１のパラメータデータセットにおける変化と、測定された補給パフォーマンスを示し、
調整された補給時間とＰｔａｒｇｅｔを計算して、前記第２のパラメータデータセットとＭＣの値における調整を示す
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２２】
前記したより効率的な水素補給アセンブリは、減った燃料補給時間、より高い充填状態割合、増加した予備冷却温度、減ったエネルギー消費、それらの組み合わせから構成されるグループから選択された利益を提供する
ことを特徴とする請求項１７に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２３】
前記した水素動力車両に対応する第１のパラメータデータセットを取得するステップは、
前記水素動力車両に関する燃料補給の時刻記録を検索する
ことを特徴とする請求項１２に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２４】
前記燃料補給の時刻記録のデータは、前記水素動力車両に付随するＨＶＡＳのＲＦＩＤタグから検索される
ことを特徴とする請求項２３に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【請求項２５】
前記燃料補給の時刻記録のデータから、経過時間を決定し、
燃料補給速度を調整して、経過時間が長いほど、燃料補給速度を速くする
ことを特徴とする請求項２３に記載の水素ガス補給ステーションの操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本出願は、米国の仮特許出願（第６１／３２６，３７５号と第６１／３３２，９１９号）と特許出願（第３４号）に基づく優先権を主張する。そして、それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。
【背景技術】
【０００２】
水素タンクの燃料補給の安全性と便利さが、市場における水素燃料車両の最終的な成功を決定する上で重要なポイントとなっていると考えられる。現在の安全性ガイドラインの下では、圧縮水素タンクへの燃料補給は、燃料補給の間にタンクが過昇温状態（８５℃超の温度）にならないような方法で、および／または、常時、圧力が通常動作圧力（ＮＷＰ）の１２５％を超える点までタンクに燃料を入れすぎないような方法で、行うことになっている。従来の水素タンクへの燃料補給の作業に関する未知のパラメータが多いので、燃料補給作業は、増加した安全性のマージンのために、特に充填密度（ＳＯＣ％）の限界、および／または、予備冷却の不必要なレベルに関してある程度保守的になる傾向があり、それによって、パフォーマンスや効率を犠牲にする。１００％のＳＯＣは、例えば、ＮＷＰで１５℃のタンクに対応する。
【０００３】
パラメータの想定がさらに保守的である非通信燃料供給作業において、この犠牲は、特に重要である。水素ステーションにはそのときに補給するタンクに関する情報がないので、非常に保守的な想定がそのシステムのために作られる必要があり、それにより、システムが安全制限を超えるのを避けるために可能なタンク構成や最初のタンク状態の範囲が定められる。ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１（それらの開示は参照によって本出願に完全に取り入れられる。）において、これらの保守的な想定は、水素タンク充填のために一連のルックアップテーブル内に取り込まれている。タンク体積、開始圧力、周囲温度やステーション予備冷却セットポイントを含むパラメータに基づいて動作するとき、ルックアップテーブルが、圧力上昇率と最終目標圧力を決定するために使われる。これらのルックアップテーブルの適用によって、事実上のすべての状況下や、事実上のすべてのタンクシステムに対して、安全な燃料補給が提供される。その一方、関連する想定の保守的な性質が与えられるので、その結果として、水素タンクの充填作業はより長くなり、最終的な充填圧はより低くなり、および／または、特定のタンクシステムを充填するために必要な低い温度よりも低い水素ステーション・予備冷却温度を必要とする。
【０００４】
ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１によって定められている補給作業のさらなる制限は、水素タンク補充ステーションが、その実際の動作状態が許容耐性外に陥ってしまう状況に対して、補償したり調整したりする方法や作業を有していないことである。例えば、予備冷却温度が複数の連続的な補給の結果としての設計・セットポイントを越えている場合、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で定められるルックアップテーブルは使用できない。この仕様外の状態を避ける努力により、過大設計水素タンク充填ステーション（予備冷却の目標温度が維持されることを確実にするための過度の冷却）がもたらされ、それによってステーションコストがあがる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反対に、予備冷却の目標温度が維持されることを確実とすることができないと、タイムリーな方法で自分のタンクを補給することができない（予備冷却温度が仕様の温度になるのを待っている遅れの結果）顧客に迷惑をかけてしまう。そして、それによって、顧客満足、ステーション収益や繰り返しビジネスを減らす。さらに、現在の周囲の状況に関係なく一定の予備冷却温度でステーションを管理することは、結果として、過度のエネルギーを使用し、Ｗｅｌｌ−ｔｏ−Ｗｈｅｅｌ（一次エネルギーの採掘から車両走行まで）エネルギー効率を減らす。エネルギー使用を減らすために、水素タンク充填ステーションは、顧客が許容できる燃料補給時間と充分な安全性マージンを提供する最も高い可能な予備冷却温度で管理されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（概要）
以下に詳述するＭＣ手法は、水素燃料システムの総熱容量に基づく新しいタンク補給モデルと、動作状況の幅広い範囲の下で水素補給ステーションのパフォーマンスを向上させるためのそのモデルに基づく進化したアルゴリズムを、提供する。このアルゴリズムは、ＭＣ手法内で徐々に適用され、タンクシステムに関する付加的な熱力学情報を用いることにより、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１に従って燃料パフォーマンスを強化するのに用いることができる。ＭＣ手法は、実質的にどんなタンクシステムの通常動作圧力（ＮＷＰ）の下ででも、また、どんな圧縮した水素タンクシステムとともにでも、動作する。そして、ＭＣ手法のおかげで、現在のＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１テーブル（例えば−１０℃予備冷却による新しいステーション、または、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で規定された予備冷却能力を有さない従来の既存のステーション）の外側で動作する状況でも、燃料補給が可能である。ＭＣ手法を利用することで、水素ステーションは充填速度と充填品質（ＳＯＣ％）を改善し、その一方で、より低コストの水素ステーションがそれらのニーズを満たすのを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
以下に詳述される実施形態は、詳細な説明が添付図面とともに考慮されるとき、より明確に理解される。
【図１】図１は、不安定なフロー制御容積モデルによるオープン・システムとしての燃料補給時の水素貯蔵タンクのモデリングを例示する。この開示の目的のために、制御容積は、ガスと、制御容積の境界線を通ってタンクのライナに移される熱によるライナとの間の境界線と定義される。
【図２】図２は、水素タンク補給作業に関する温度対時間曲線を例示する。図２は、下記の方程式［５］によって示されている水素から移動された熱による熱移動を計算する際に断熱温度を使うことを示している。
【図３】図３は、タンクの外側からの熱移動がないという保守的な想定での断熱的な境界条件における時間軸に対する温度分布を示す恒常的な熱流モデルを例示する。これによって、タンク内の実際の最終温度は、この想定を考慮して計算された値よりわずかに低い値になることが期待される。
【図４】図４は、燃料補給した直後の車両の混成タンクの部分の温度分布を例示する。
【図５】図５は、断熱的な外部境界を有し、質量と比熱容量の合成値（ＭＣ）の想定される特徴的な体積を有する水素タンクの簡略化された表現を例示する。
【図６】図６は、タイプ３タンクを用いた典型的な車両の３分での燃料補給の様子を例示する。タイプ３タンクは、補給終了ＭＣ値として６２である。ＭＣ値は、その後、タンクが冷えるとともに、増加する傾向を示す。ＭＣ対時間のこの傾向は、与えられたタンクシステムに対して特徴的で、より長い車両燃料補給時間の温度結果を予測する際に使うことができる。
【図７】図７は、「デフォルト」のＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１―７０ＭＰａのタイプ４タンク―に関するＭＣ対補給時間を、例示する。このグラフは、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１のタイプＢ（７−１０ｋｇ）の７０ＭＰａステーションテーブルに由来する。
【図８】図８は、タンクの特徴描写のための潜在的なテストマトリックスを例示する。
【図９Ａ−９Ｂ】図９Ａと図９Ｂは、タイプ３タンクに補給するためのＭＣ対Ｕａｄｉａｂａｔｉｃ／Ｕｉｎｉｔを例示する。係数Ａ、Ｃは、ＭＣ対Ｕａｄｉａｂａｔｉｃ／Ｕｉｎｉｔから、線形近似を用いて長い補給時間に関して決定され、また、対数関数近似を用いて短い補給時間に関して決定される。
【図１０】図１０は、３分を超える補給時間に関するΔＭＣ対時間を例示する。係数ｇ、ｋ、ｊは、ΔＭＣ対時間から、３分超の補給時間に関するＭＣの振舞いを記述するために決定される。
【図１１】図１１は、既存の燃料補給基準に対する未来の水素ステーション動作の比較を例示し、既存の範囲、あるいは、予想される動作体制のいくつかのギャップ（ずれ）を例示する。
【図１２】図１２は、所定の条件のセットの下での燃料補給プロトコルを決定するためにＭＣ手法を充分に利用するために必要とされる情報を例示する。
【図１３】図１３は、ＭＣ手法の第１ステップ（周囲温度よりも高い温度の保持条件に基づく燃料補給時間を測定）を例示する。
【図１４】図１４は、ＭＣ手法の第２ステップ（周囲温度よりも低い温度の保持予想の使用に基づく圧力目標の計算）を例示する。
【図１５】図１５は、ＭＣ手法の第３ステップ（第２ステップからの圧力目標を使用して、予測結果を決定し、もし、目標圧力を上回るならば、目標密度を減らし、反復手法で再計算を行い、最終温度において圧力目標に一致させる）を例示する。
【図１６】図１６は、５℃の予備冷却水素と５ＭＰａの開始圧力を用い、３５℃の環境の下で３５ＭＰａタイプ３タンク補給から得られた結果を示す。Ｔｆｉｎａｌ目標は６９．２℃であり、７４．３℃の高温維持と６２．３℃の低温維持で制限される。
【図１７】図１７は、−１５℃の予備冷却水素と２ＭＰａの開始圧力を用い、３０℃の環境の下で５０ＭＰａタイプ４タンク補給から得られた結果を示す。Ｔｆｉｎａｌ目標は８６．７℃であり、８９．０℃の高温維持と８３．０℃の低温維持で制限される。目標予備冷却温度は−２０℃で、指定された予備冷却温度を保つのが実践的に困難であることがわかっていることに、注意してください。
【図１８】図１８は、−７．５°Ｃの予備冷却水素と１７ＭＰａの開始圧力を用い、２５°Ｃの環境の下で７０ＭＰａタイプ４タンク補給から得られた結果を示す。Ｔｆｉｎａｌ目標は７６．６℃であり、８１．０℃の高温維持と７０．０℃の低温維持で制限される。
【図１９】図１９は、タイプ３タンクに関するＭＣ方程式（方程式［１１］）の定数の計算を例示する。そこでは、異なる状況下で証拠フィルの間に生成されたデータが、当初、定数を生成するのに用いられたデータと相関することが、示されている。そのモデルは、異なる状況に対して頑健である。
【図２０】図２０は、ＭＣ手法によって計算されたＴｆｉｎａｌと、補給の終わりに実際に計測された最終温度との間の誤差を例示する。
【図２１】図２１は、ＭＣ手法を使用して誤差を入力するタイプ３タンクとタイプ４タンクの感度解析を例示する。
【図２２】図２２は、既存の燃料プロトコルにＭＣ手法を加えることによる影響を示している燃料供給方法の比較を例示する。
【図２３】図２３は、予備冷却温度からのノズル温度乖離、流量、予備冷却温度と、補給テストの間、測定される周囲温度と、の関係を例示する。この関係は、もちろん、所定の燃料供給ステーションまたは地上スタンドのためのコンポーネントの特定の装備に依存している。
【図２４】図２４は、水素ガスの内部エネルギー（所定の温度と圧力）、エンタルピー（所定の温度と圧力）、温度（所定の内部エネルギーと圧力）、および、密度（所定の温度と圧力）を決定するために利用される水素ガスの「NIST Hydrogen Property Database」にフィットする曲線の方程式を例示する。
【０００８】
これらの図が、実施形態の例において利用される方法、構造および／または材料の一般的な特徴を例示して、下記の記述を補うことを目的としている点に留意する必要がある。しかし、これらの図面は、一定の比率でなく、所定の実施形態の正確な構造やパフォーマンス特徴を正確に反映していない可能性もあり、実施形態によって包囲されている値や特性の範囲を定めたり限定したりするように解釈されてはならない。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ここに詳述する方法とシステムの目的は、水素タンク補給ステーション、または、実際には、任意のガスタンク補給操作によって用いることができる補給モデルとそれと結びついたアルゴリズムを提供して、利用することである。それにより、様々な水素タンクと様々な周囲と動作の条件に関して補給終了時の温度と圧力をより正確に予測する。水素タンク燃料補給の間に下記で詳述される方法およびシステムを実施することは、過補給を避け、そして、水素タンクの過昇温を避けることによって、燃料補給作業の効率、正確さおよび／または安全性を改善する。
【００１０】
燃料補給イベントの補給終了時の温度を正確に推定することは難しい。それが、通信燃料補給が発展した理由である。そこでは、温度と圧力の情報が、例えば、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２７９９（それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。）において詳述されるＩＲＤＡ（Infrared Data Association）のインターフェースを含む一つ以上の通信デバイスによって、水素タンク補給ステーションに直接送られる。そのような温度と圧力の情報が通信されないことが、非通信燃料補給プロトコルが安全の大きなマージンを必要とする理由である。情報とは、例えば、タンク・タイプ、タンク・サイズ、アスペクト比、タンクの数、高温／低温の保持状態を含む、特に、与えられた付加的な未知のパラメータである。完全通信燃料補給はタンク・パラメータのデータを水素タンク補給ステーションに提供するのに用いることができるが、特にタンク内のセンサの使用に関して、完全通信燃料補給はより多くのコストと複雑さをステーションと車両に加えて、さらなる懸念を引き起こす。したがって、完全通信のプロトコルとハードウェアを必要とすることなく燃料補給する間、タンク内で水素の温度に関して充分に正確な予測を提供する方法の必要性は、依然として残っている。
【００１１】
ガスの温度を正確に予測するために、タンクへ移されたエネルギー量と、ガスからタンクの壁へ移る熱量が、推定される。多くの研究が、補給終了時の温度を把握して定量化しようと実施された。不安定な流れのオープン・システムとして水素タンクをモデル化することによって、図１に図示されるように、入って来る水素流のエンタルピーを測って、タンクの温度をモニターすることによって、タンクへ移されたエネルギー量を推定することができる。この開示のために、熱が制御容積の境界からタンクのライナに移されるのにともない、制御容積は、ガスとタンク・ライナの間の境界線と定義される。システムに入ってくる熱量と出ていく熱量の合計である総熱移動量（Ｑ）は、方程式［１］と［２］によって表される。
【数１】
2013527390.tif 000003
ここで、各記号の意味は、次の通りである。
Ｑ＝システムの内外の総熱移動量（ｋＪ）（システムから出ていく熱移動は慣例によりマイナスである。）
Ｗ＝システムに対して行われた仕事（ｋＪ）
Ｍｅ＝システムに存在する質量（ｋｇ）
ｈｅ＝システムに存在する流体のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）
ｍｉ＝システムに入ってくる質量（ｋｇ）
ｈｉ＝システムに入ってくる流体のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）
ｍ１＝初期状態の制御容積における流体の質量（ｋｇ）
ｍ２＝最終状態の制御容積における流体の質量（ｋｇ）
ｕ１＝最終状態の制御容積における流体の内部エネルギー（ｋＪ／ｋｇ）
ｕ２＝初期状態の制御容積における流体の内部エネルギー（ｋＪ／ｋｇ）
ｃｖは、制御容積の状態を意味する。
【００１２】
エンタルピーは、フローストリーム（望ましくはタンク・インレットまたはその近く）における水素の温度と圧力を測ることによって、測定した、または、最初の状態と最後の状態から計算されたタンク内への流入質量を用いることで、決定できる。燃料補給作業の間か後にガスの最終温度を推定するために、ガスからタンク壁への実際の熱移動量（Ｑ）が推定される必要がある。方程式［２］はタンクの内部エネルギー状態のための情報を与えるだけなので、ツール（例えば国立基準技術研究所（ＮＩＳＴ）の熱物性データベース）は目標ガス（例えば、水素）の内部エネルギー特性から温度を調べるのに用いられる。内部エネルギーに関してここで使われるＮＩＳＴデータにフィットする曲線は、図２に図示されている。断熱的な内部エネルギーと測定された内部エネルギー（測定された温度と圧力のＵ２）の差は、制御容積から移される熱量であり、それは、テストデータから決定されうる。
【数２】
2013527390.tif 000004
ここで、各記号の意味は、次の通りである。
Ｕａｄｉａｂａｔｉｃ＝断熱的な内部エネルギー（システムから熱の移動がない場合）（ｋＪ／ｋｇ）
ｍ２＝ｍｃｖ＝制御容積内の水素の補給質量の限度（ｋｇ）
Ｔａｄｉａｂａｔｉｃ＝断熱的な温度（システムから熱の移動がない場合）（Ｋ）
Ｔｆｉｎａｌ＝補給終了時の水素温度（Ｋ）
Ｃｖ＝容積一定の水素の比熱容量（ｋＪ／ｋｇＫ）
【００１３】
図２は、水素タンク補給作業に関する温度対時間曲線を例示する。Ｔａｄｉａｂａｔｉｃは、熱移動を計算する際に使用される。水素からの熱移動は、上記で詳述のように方程式［５］によって表される。これは、実際のテストデータを分析し、制御容積から出る、または、タンク構造に入る水素ガスから移された熱量を決定するためのツールを提供する。断熱的な内部エネルギーは、タンクの初期条件（水素の初期質量と初期温度）とステーションから出される水素の条件（エンタルピーと補給質量）だけに基づくことに、注意すべきである。その断熱的な条件には、時間の次元がない。だから、図２はすべての時間の間の結果のために適切な参照となっている。熱移動を予測するための信頼できる方法が見つれば、タンクにおける水素の最終的な状態を直接計算することができるようになるはずである。
【００１４】
補給終了時のガス温度（Ｔｆｉｎａｌ）を計算するために、タンク壁に吸収されている熱量を推定することが必要である。総熱移動量を計算する１つの方法は、車両の燃料補給作業の終了時にタンク容積（タンク体積）上の温度分布を記録することである。２００３年に、ゼネラル・ダイナミックスは、「Application of Plastic-Lined Composite Pressure Vessels For Hydrogen Storage」（世界水素エネルギー会議、ヘッセン，Ｊ．Ａ．、２００４年）（それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。）で報告された結果で最終的なタンク温度と補給時間の関係を理解することを目的とする一連のテストを実施した。ヘッセンで詳述されたように、一連の補給テストは、ガスの温度や、水素タンク壁の様々な場所の温度を測っている間、実施された。
【００１５】
これらの結果は、燃料補給作業の間、熱移動プロセスが、タンクの外面の温度が上がらなかったプロセスであったことを示した。これは、熱がタンク壁を通してあまり移動しなかったことを示している。これらの結果に基づいて、ゼネラル・ダイナミックスは、内部の表面上の一定の熱流と外面の断熱的な境界を有する一般的な熱方程式に対するグリーンズ・ファンクション解決法に基づいたタンク壁の中での温度分布を予測するという熱移動モデルを提案した。方程式［６］を見てください。断熱的な境界条件で時間に依存する温度分布を示す恒常的な熱流モデルは、図４に図示される。タンクの外側からの熱移動がないという想定が保守的であることと、タンク内の実際の最終温度がこの想定を使って計算された最終温度よりいくぶん低い傾向があることを示すことに、注意すべきである。
【数３】
2013527390.tif 000005
Ｔ（ｘ，ｔ）＝「ライナ深さ＝ｘ」、「時間＝ｔ」のときの温度
ｑ０＝基準化されたライナの熱流（テストから決定）
Ｌ＝ライナの厚み
ｋ＝ライナの熱伝導率
α＝熱拡散係数
Ｔ０＝ライナの初期温度
【００１６】
条件（水素タンク温度、燃料ガスの温度と圧力）の初期のセットが与えられ、燃料補給温度結果と温度分布結果が単に時間に依存しているという前提は、このアプローチにおける固有の事項である。燃料補給作業の間にライナへ移される熱量は、ライナの容量上の温度分布を積分することによって推定される。ゼネラル・ダイナミックスは、所定のテストのセットに関して、このモデルが誤差３Ｋ以内で最終的なタンク温度を予測したことを発見した。しかし、一定の熱流（または時間だけに対する温度依存）という仮定は、興味深いと同時に、問題である。初期条件（タンクの温度、タンクの初期充填質量、入ってくるガスの温度や圧力）が異なると、異なる温度勾配と異なる平均熱流を生む。さらに、熱流は、ガスと壁の間の境界層の状況に依存するであろう。つまり、タンク内で強制的なおよび／または自由な対流から生じる壁の上のガス流の速さ、密度または温度の変化は、熱移動における対応する変化を生じるであろう。これらの条件は実際のタンク補給作業の間に変化するので、熱流もまた補給作業が進行する間に変化する。
【００１７】
さらにまた、日本自動車研究所（ＪＡＲＩ）の広谷らによる「Thermal Behavior in Hydrogen Storage Tank for Fuel Cell Vehicle on Fast Filling,」（世界水素エネルギー会議、２００４年）（それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。）で報告されたように、ＪＡＲＩによる水素補給テストは、タンク（熱流に影響する）を通して３０Ｋの差まで、ガス自体の範囲内で明らかな温度が分布していることを明らかにした。そのような温度分布の存在は、データの分析をさらに難しくする。なぜなら、タンク内で行われた特定の温度測定がどれくらい正確にタンクのバルク（容積）特性を表しているのかを知ることは、不可能ではないとしても、難しいからである。
【００１８】
バルク温度と比較して、もし、熱電対が平均バルク温度より暖かいかより涼しい温度を測っているならば、計算された値は明らかに正確ではない。タンクのセンターライン又はその近くで行われる温度測定値が平均（バルク）ガス温度を表すと想定するのが慣例であるが、この想定に関連した誤差の大きさは実際には知られていない。ここに開示される方法とシステムの開発の間に取得されたデータは、熱電対出力と予測バルク・ガス温度との間で±５Ｋの不可解な誤差を示した。およそ±１Ｋの正確さを持つ熱電対の使用にもかかわらず、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１委員会によるモデル結果は、同様に、モデル化された温度と測定されたデータとの間で最高９Ｋの誤差を示した。温度勾配モデリングに対するこれらの現実世界の複雑さは、実際に、補給終了時の温度を計算するために、ある程度の不確実性を導入している通信燃料補給作業の間の一つ以上の温度信号を信頼して温度分布を直接推定する伝熱モデルの適用を難しくする。
【００１９】
ＪＡＲＩテストの１つの目的は、まだ同じ総燃料補給時間を維持する一方、異なる燃料補給パターンを利用することの影響を分析することであった。ＪＡＲＩテストの興味深い結果は、次のことを示した。つまり、補給作業を行う際に使われる特定の補給パターンに関係なく、同じ初期条件と補給時間設定があれば、補給終了時のガスの温度は同程度である。
【００２０】
セントクロイ研究所がＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１委員会、パワーズ、Ｃ．に提出した分析「70-MPa Hydrogen Tank Filling Model and Test Data Observations - SAE TIR J2601 Modeling Sub-Team Meeting, September 15, 2008,」（セントクロイ研究所、２００８年）（それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。）は、また、外側のタンク温度が、車両燃料補給の間、あまり上がらないことを、示している。
【００２１】
複雑な熱移動のモデルと分析がこれらのテストの結果を説明するために以前提案されていたが、本出願で記述される革新的なアプローチは単純な比熱を一定とする熱容量モデルを用いたタンク燃料補給プロセスの分析に基づく（その発展は以下で更に詳述され、さらに関連する図に図示される。この新しい解決法の有用性と適用性は、ＪＡＲＩ、ゼネラル・ダイナミックス、ＳＡＥおよびセントクロイ研究所による、ここに詳述される比熱を一定とする熱容量に基づく単純化されたモデルが充分な正確さでシステムの熱移動特徴をモデル化して、予測することを示すための結果を用いて確かめることができる。燃料補給データのさらなるテストと分析が実施された。そして、その結果は、さらに、この比熱を一定とする熱容量モデルを使うこの新しい方法が、水素タンク補給システムの熱力学を正確に説明して、関連する燃料補給プロセスを改善するのに充分であることを、実証した。
【００２２】
短い時間で車両の燃料補給をちょうど完了したばかりタンクを考えてみてください。図５に図示されるように、タンクの内部はタンクの外側より非常に熱い。それは、タンク内に直近に噴射された高圧水素のセンシブルなエネルギーへの圧力エネルギーの転換のためである。実際の温度分布を計算することは難しい。理由は次の通りである。
１）境界条件によって、タンク内の水素とライナとの間に温度分布が存在する。
２）ライナ内（層の間の接触抵抗）を通っている温度分布が存在する。
３）タンクの様々な層内を通っている温度分布が存在する。
４）外側の境界条件によって、タンクの外側と環境の間にある温度分布が存在する。
そして、前記したように、温度分布が、３０Ｋのオーダーの温度分布でタンク自体の中の水素の範囲内にもあるかもしれない。各々の層は、温度にも依存する異なる比熱容量を持つ。そして、各々の層は異なる質量から成る。これらの複雑さの全てがあれば、タンクの壁を通っている正確な温度分布を計算することは、不可能ではないとしても、非常に困難である。
【００２３】
水素タンクの壁の内部の温度分布の正確な計算に基づく熱移動モデルを考慮する際の最大の困難は、燃料補給イベントの全ての時間領域での温度分布解（実際には達成するのが難しい解決）を必要とするということである。したがって、その方法は、図５に示すように、質量と比熱容量が組み合わされたモデルを利用する。図５は、質量（Ｍ）と比熱容量（Ｃ）と断熱的な外部の境界線によって定義された想定される特徴的な体積（特定容積）を有するタンク壁の簡略化された部分を例示する。その特徴的な体積の温度は、ガス（たとえば、水素）の温度と同じである。
【００２４】
タンク壁（特徴的な体積）のこの部分は、質量と比熱容量の合成値（ＭＣ（ｋＪ／Ｋ））を有する。その特徴的な体積と対応するＭＣとが、数学的な構造だけであることに注意すべきである。タンク設計の知識とタンク構築において用いられる材料とがあれば、分析的なＭＣ値を見積もることができる。しかし、ここで開示される方法では、特徴的な体積が単にヒートシンクの働きをするので、タンクの正確な量と比熱容量を計算する必要がない。そして、その特性は、タンクシステムの熱の動きを予測する際に使われる。
【００２５】
その方法を適用する際に、特徴的な体積の温度は、車両補給の終了時にタンク内の水素の温度に等しくなるように設定される。これは、特徴的な体積が高い熱伝導率と高い対流熱移動係数を持つことを意味する。さらに、ＱＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＝０は、燃料補給の間、熱が特徴的な体積から移されないことを意味する（断熱的な境界線）。上記したように、燃料補給作業の間、環境への熱移動はほとんどないので、この熱移動の要素は無視できる。図示した例において、熱移動方程式は、目標に対して、または、好ましい補給の終了条件（例えば２、３分（必要であると考えられるより長い補給時間に対していくらかの調整をプラス）の補給時間）に対して、解かれる。この開示のために、３分の目標補給時間が使われた。しかし、当業者は、その方法が、より長い補給時間やより短い補給時間のために簡単に利用することができることを、理解するであろう。
【００２６】
この手法における特徴的な体積を適用するとき、水素質量（ｍｃｖ）から特徴的な体積に移される熱は、質量と比熱容量の合成値であるＭＣと特徴的な体積の燃料補給の間の温度上昇によって記述される。
【数４】
2013527390.tif 000006
ここで、各記号の意味は、次の通りである。
ＭＣ＝特徴的な体積の質量と比熱容量の合成値（ｋＪ／Ｋ）
Ｔｆｉｎａｌ＝燃料補給終了時の温度（Ｋ）
Ｔｉｎｉｔｉａｌ＝燃料補給開始時の温度（Ｋ）
【００２７】
制御容積の境界線を超えてエネルギー・バランスを適用し、さらに、方程式［５］（水素から移されるエネルギー）（方程式［９］は方程式［５］の他のアイデンティティ）を方程式［７］（特徴的な体積へ移されるエネルギー）と結合することによって、次の式が得られる。
【数５】
2013527390.tif 000007
それから、ＭＣは、方程式［８］を用いることで、特定の燃料補給作業に対してテストデータから直接決定される。そして、それは、水素から特徴的な体積の温度変化へ移される熱の比率である。方程式［７］と方程式［８］において、Ｔｉｎｉｔ＝Ｔｉｎｉｔｉａｌである。図６には、タイプ３タンクの３分補給に関する温度、圧力およびＭＣの振舞いが、図示されている。グラフの中で示されるように、ＭＣは補給終了ポイントで「６２」だが、それから、タンクが冷却して時間とともに増加する。時間経過に関するＭＣのこの傾向が、次に、より長い充填作業の結果を予測する際に使われる。一旦、ＭＣが初期条件の所定のセットに対してわかれば、燃料補給イベントの最終温度を直接計算するために、そのＭＣが使われる。
【数６】
2013527390.tif 000008
ここで、Ｃｖ＝一定のボリュームにおける水素の比熱容量
【００２８】
補給が始まったちょうどそのとき、方程式［１０］（方程式［７］と方程式［９］の結合）は、水素タンク燃料補給の予測最終温度を計算するのに用いられる。ＭＣパラメータとｍｃｖ（制御容積の補給終了時質量）は、ステーションに送られる。非限定的な例において、ＭＣパラメータとｍｃｖは、ＲＦＩＤによって、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２７９９  ＩＲＤＡインターフェースを経由して、または、水素タンク補給ステーションにすぐにアクセスできるデータベース内のエントリに対応する識別番号を介して、送られる。水素タンク補給ステーションは、ｍｃｖと、次の情報を含むパラメータとから、Ｔａｄｍｂａｔｉｃを計算することができる。
１）水素を受けているタンク（例えば、車両のタンク）の初期圧力
２）水素を受けているタンク（ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で議論されるような熱い、または冷たいタンクの可能性のために、なんらかの違いをプラスして周囲の状況と仮定）の初期温度
３）移動する水素のエンタルピー（移動する水素の予想平均温度と予想平均圧力の作用（更なる説明は図２４に示される付属資料で与えられる））
【００２９】
前記したＭＣ手法の特定の特徴は、特にガス送達系に役立つ。例えば、特定のタンク構成は、ＭＣ対補給時間の特性曲線を有する。初期条件の範囲を補償するために、その特性曲線から、調整がなされる。特に典型的な水素タンク補給作業（例えば、２〜３分以上）に関する時間スケールにわたって、ＭＣモデルを利用すると、すべての複雑なタンク壁の温度分布を考慮する必要がない。
【００３０】
ＭＣは、タンクやライナ材の質量や比熱容量のような直接的な物質的な定数ではない。ＭＣは、合成値であり、全体的な熱移動係数（タンク内に満たされている初期ガスボリュームを構成する水素へ移される熱と同様、タンク弁アセンブリと配管に移される熱を含む。）と類似する。熱伝達が遅い特徴（対流または伝導）を有するシステムは、より低いＭＣの値（例えばタイプ４タンク）を生じる傾向がある。一方、より速い熱移動特徴（対流または伝導）を有するシステムは、より高いＭＣの値（例えばタイプ３タンク）を生じる傾向がある。ＭＣは、例えば、時間、補給条件、タンク材料、タンク構成などを含むいくつかの異なるパラメータの関数であるが、所定のタンク、補給時間と補給条件のセットに対して、ＭＣは一定である。時間と、異なる補給条件下にわたるＭＣ値の傾向は、予測することができ、次に、望まれる安全性マージンを維持する間、水素タンク補給作業を調整するために利用され、効率を改善する。
【００３１】
様々なパラメータの重要性を評価するための複数の線形回帰を用いて結合された数セットのテストデータの観察に基づき、多くの可能性がある物理モデルが、ＭＣ対時間曲線を表し、また、テストされた初期条件における変化を表すために考えられた。非限定的な例において、１つのモデルは下記の方程式［１１］によって表される。
【数７】
2013527390.tif 000009
または、他の非限定的な例において、１つのモデルは下記の方程式［１１］’によって表される。
【数８】
2013527390.tif 000010
ここで、Ｃ、Ａ、ｇ、ｋ、ｊは、特性テストから得られる定数である。
Ｕａｄｉａｂａｔｉｃは、断熱的な内部エネルギーである。＝ｍｃｖＵａｄｉａｂａｔｉｃ
Ｕｉｎｉｔｉａｌは、初期エネルギーである。＝ｍｉｎｉｔｉａｌＵｉｎｉｔｉａｌ
Δｔは、通常定義された補給終了時間（例えば３分）と望ましい最終温度を達成する補給終了時間との時間差である。
【００３２】
方程式［１１］における各記号の意味は、次の通りである。Ｃは、例えば、最小限の熱容量（例えば、２，３分の補給）を表す定数である。Ａは、初期補給条件と予備冷却量に対応するＭＣへの調整を表す定数である。係数ｇ、ｋ、ｊは、ＭＣ手法の中で必要に応じて使用され、補給時間を２，３分延長することによって、生じるＭＣを調節する能力を提供する。それにより、ＴＦｉｎａｌは、適正温度付近に最適化される。しかし、時間、内部エネルギー、予備冷却温度等を用いてＭＣの傾向を予測するために発展されうる多くの可能性のあるモデルが存在することを、当業者が認識するであろうことを、理解すべきである。ＭＣ手法は、物理学を完璧に記述しようとするものではないし、そのように試みるものでもない。しかし、ＭＣ手法は、その代わり、システムの等価熱量を近似することによって、特定の補給作業の温度結果を予測するために使われうる分析的エンジニアリング・ツールを提供する。
【００３３】
新しいモデルをチェックする１つの方法は、過去の文献に書かれている現象を表す、または、予測することができることを確かめることである。車両技術者協会（ＳＡＥ）は、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１における燃料補給テーブルを作るために行われていたモデル化の試みのテストを支持して、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１の開発の間、パワーテックにおいて、水素タンク補給テストを数セット行った。テスト補給のセットとしてＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１において提供されているテーブルを用い、方程式［８］を使って、補給時間に対する各補給のＭＣをプロットすると、結果は図７に例示されるような明確なパターンになる。
【００３４】
この結果は、いくつかの理由（次の１）、２）を含むが、これらに限定されない。）によって有望である。１）ＭＣ手法がＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１のテストの実際の結果をとてもよく表していること。これは、そのモデルが水素タンク補給の物理学を正確に表していることを示す。２）ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１におけるテーブルのセット全体がこの一つの方程式を使うことによって見積もられること。この結果は、ＭＣ手法内で利用される方程式が広範囲の条件にわたってＭＣ対時間を表すのに使用されうることと、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１において定義された数セットのテーブルの代わりに使用されうることを、示す。前記した数セットのテーブルの場合、適切な圧力上昇率を見つけるためのリスト化データと補給終了時圧力目標との間の補間を必要とする。ＭＣ手法は、望ましい最終タンク温度に対応する補給時間を調節できるので、任意のステーション構成に使用されうる。このことは、補給プロトコルを、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１のきつい「タイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ」というステーションタイプ指定に対する依存から自由にする。なぜなら、結果として生じる補給温度が、広範囲のステーション条件から引き出されうるからである。実際に、ＭＣ手法で利用されるＭＣ対時間曲線の係数を用いて、水素タンク補給ステーションは、方程式［１０］を用いて予測補給終了時の温度（ＴＦｉｎａｌ）を直接計算できる。
【００３５】
当業者によって当然理解されるように、特徴的なＭＣ曲線を計算するためにＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１テーブルを使うことは、「デフォルトＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１タンク」に対応する特性曲線を提供する。したがって、このＭＣ曲線が方程式［１０］で使われるとき、補給結果はＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１テーブルで表される補給結果と実質的に同じである。しかし、ＭＣ手法は、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１テーブルから予測されるよりも短い補給時間を提供するとともに、改善された補給品質を提供することを目的とする。この結果を達成するために、ＭＣ手法は、特定のタンクに対応している特定の特徴的なＭＣ曲線を取り入れる。
【００３６】
１７１Ｌのタイプ３−３５ＭＰａタンク、１０９Ｌのタイプ４−７０ＭＰａタンク、５０ＭＰａが満たされている同じタイプ４−７０ＭＰａタンク、３４Ｌのタイプ３−７０ＭＰａタンクをだいたい特徴付けるために、一連の補給テストが、２０１０年２月１〜６日と２０１０年８月２３〜３０日の間、パワーテックで実施された。各タンクは、２５℃環境で、２ＭＰａの開始圧力または１／２のタンク開始圧力の下、予備冷却ガスと非予備冷却ガスを用いて、テストが実施された。各タンクは所定の条件下で約１〜３分間で燃料補給され、その後、１時間、データが記録された。それから、各タンクは燃料を抜かれ、翌日の次のテストまで周囲温度に保持された。
【００３７】
図６に示すように、方程式［８］を使用して、ＭＣ対時間が各燃料補給に対してプロットされた。すべてのタンク補給は、図７に示すＭＣ対補給時間の類似パターンに続く。結果として生じる曲線は、所定の条件セット下での所定のタンクに関するタンク特徴に対応する。方程式［１１］で使われる係数を発見するために、図９に示すように、各補給終了時間３分に関するＭＣが、初期内部エネルギーによって分けられている断熱的な内部エネルギーに対してプロットされている。線形最適ラインの傾きと切片は、それぞれ、係数Ａと定数Ｃを与える。それから、ΔＭＣ対Δ時間（ＭＣ（ｔ−１８０）ｓ）−ＭＣ（１８０ｓ））対（ｔ−１８０ｓ）は、図１０に示すようにプロットされる。そして、最適モデルが、係数ｇ、ｋ、ｊを決定するために用いられる。そして、これらの係数は、どれくらいの熱が典型的補給時間を越えた時間内にタンクによって吸収されるかを表すのに用いられる。また、これらの係数は、周囲温度が暖かすぎて、および／または、予備冷却温度が暖かすぎて、３分以下の補給時間で８５℃未満の補給終了時温度を達成できない条件下で、特に有用である。
【００３８】
水素タンク補給ステーションのパフォーマンスを改善するためのＭＣパラメータを使うために、燃料補給プロトコルを開発する必要があった。燃料補給プロトコルは、広範囲の周囲条件や初期補給条件に対して、充填（ＳＯＣ）補給の安全で高い状態を提供すべきである。図１１に示すように、現在の燃料補給基準を既存の水素ステーションの実際の作業範囲と比較すると、現在の燃料補給基準が広範囲のステーション燃料搬送作業条件を満たさないのは明らかである。さらに、車両のメーカや修理会社は、他の圧力、例えば、５０ＭＰａで動くように設計されたタンクを導入すべきである。燃料補給基準はこの修正に対応するために書き直される必要がある。
【００３９】
実際の燃料供給ステーションでＭＣ手法を充分に利用するために、ＭＣパラメータは、通信されるか、あるいは、何らかの方法でステーションによって測定されなければならない。このデータ収集は、いくつかの方法で達成された。非限定的な例において、ＲＦＩＤまたはＳＡＥ  Ｊ２７９９で定義されたＩＲＤＡインターフェースでさえ、車両からステーションまでＭＣパラメータを送信するのに使われうる。車両が燃料に対して認可されていること（安全性の要求を満たしているＯＥＭ車両または改造車）を確かめるために使われるＨＶＡＳ（Hydrogen Vehicle Authorization System）を開発しているカリフォルニア燃料電池組合内に専門調査委員会がある。ＨＶＡＳの仕様と装置はまだ開発中である。しかし、ＨＶＡＳは、装置を通して直接的に、または、ＭＣパラメータを取り込んだデータベースに対して、識別された車両を対応させることによって、ＭＣパラメータをステーションに伝えるための候補である。
【００４０】
図１２は、ＭＣ手法に基づいて車両へ燃料補給するために使用される車両側の情報とステーション側の情報を示す。ステーションは、例えば、ＨＶＡＳを通して車両側情報にアクセスし、直接の測定によってステーション側情報にアクセスする。ステーションが適切な燃料補給速度と補給終了時圧力目標を決定するために通るプロセスは、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１でルックアップテーブルを作る際に使われるプロセスと非常に類似している。その違いは、Ｊ２６０１において利用される想定が最悪のケースで、境界条件タンクに基づくものであることである。しかし、ＭＣ手法に関して、ステーションは、特定の車両に燃料補給するためのいくつかの基本的なパラメータデータと仮定を与えられる。
【００４１】
また、ＭＣ手法は、ＯＥＭによって好まれた、または、指定される補給プロトコルに対する特定の修正の通信に容易に対応できる。例えば、もし、ＯＥＭが最大補給レートを強要または指示し、最高温度が８５℃を超えることができるか、あるいは、１０３％ＳＯＣ（もし、ＭＡＷＰ（Maximum Allowable Working Pressure）の内部であれば）の補給を許容することができるタンクシステムを開発する場合、ＯＥＭの設計に関するパラメータまたは作業の限界や選択が、補給プロトコルを適宜修正するために水素タンク補給ステーションに与えられうる。このフレキシビリティは、車両燃料補給の結果の付加的な制御を直接的にＯＥＭの側に伝える。そのため、ＭＣ手法を利用する補給ステーションは、特定の車両に対応するための補給プロトコルを採用し、それによって、広範囲のＯＥＭ設計を可能にすることができる。
【００４２】
実施形態において、ＭＣ手法を適用するとき、燃料補給プロセスは、２つの別々のステップから構成される。第１ステップにおいて、パラメータデータは、適切な燃料補給レート、タンク内のガスを過昇温させない燃料補給レートを決定するために用いられる。第２ステップの間、決定した燃料補給レートを用いて、目標圧力範囲内にシステム圧力を維持する補給終了時目標圧力を決定する。これらの２つのステップは、以下で詳述される。
【００４３】
計画された燃料補給作業に対する適切な燃料補給レートを決定するために、水素タンク補給ステーションは、車両タンクシステムの容量能力と、現在の条件下で燃料を運ぶ自身の能力を考慮する。
【００４４】
ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１とＴＩＲ  Ｊ２５７９に定義されている燃料補給の限度は、平均ガス温度と平均ガス圧力が、それぞれ、８５℃とＮＷＰの１２５％である。例示の例において、ステーションは、環境の気温測定や選択的に高温維持状態（例えば、車両が周囲よりも熱い環境（例えば熱いガレージや駐車場）に停められている。）に関するマージンの付加に基づき、タンク内部の平均ガス温度について仮定する。ステーションは、また、温度前提を使い、ホース圧をタンク圧力と釣り合わせるために少量の燃料をタンクに注入することによって、車両のおよその初期ＳＯＣを決定する。タンク圧力と車両側情報に基づいて、ステーションは、望ましいＳＯＣを達成するためにどれくらいの水素（質量）が車両に届けられなければならないかを計算することができる。そして、ステーションは、その予備冷却の能力の推定を利用して、補給作業の間、車両のタンクシステムに供給される平均エンタルピーを計算することができる。この情報に基づいて、ステーションは、それから、必要な安全性のマージンを維持しながら、車両に速く燃料補給する方法を決定することができる。
【００４５】
上述のように、付加的なパラメータは初期ＳＯＣ、および／または、目標燃料補給時間を超える燃料補給時間の原因となる一方で、主要なＭＣパラメータは目標燃料補給時間に基づくものである。ステーションは、これらの目標から始めて、最初の補給プロトコルを分析して、その補給が正常に完了するのかどうか（すなわち、補給終了時温度が仕様の範囲内かどうか）を決定する。初期の補給プロトコルが正常に完了しないと判断されれば、反復的なプロセスが開始し、適切な燃料補給時間を決定する。例えば、燃料供給作業が温度の上限を上回ることなく目標時間内に実行されうるならば、ステーションは燃料補給を開始する。しかし、最初の補給プロトコルによって温度の上限を越えることになれば、計画された燃料補給時間は増加（例えば、０．１、１、５、１０秒など）によって増やされる。そして、新しいＭＣ値が計算される。仕様の範囲内（例えば、燃料補給終了時ガス温度が８５℃未満）の燃料補給終了状況を生む燃料補給時間が確認されるまで、燃料補給時間のこの増加は続けられる。このプロセスは図１３に示される。より、補給の終わりガス温度は少ない。このステップ１の出力は、ＴＦｉｎａｌ（高温維持限界）と、燃料補給または充填時間である。実施形態において、車両に供給される実際のエンタルピーに基づく補給作業の間中、適切な燃料補給時間が連続的に計算される。したがって、たとえ補給の初めに計算される燃料補給時間が良い概算であるべきだとしても、燃料補給時間（または補給の間の圧力上昇率）は、起きた実際の補給状況に基づくフィードバックループを利用して、必要に応じて調節されうる。
【００４６】
タンク内のガス温度の上限が環境温度ＴにΔＴの高温維持を加えたものであるという想定をする燃料補給装置は、車両が最近の過去に燃料補給されていないということを知っていなければならない。燃料補給装置は、この情報を知ることができないならば、そのためにより保守的な想定をしなければならなくて、空かほとんど空のタンクに基づいて燃料補給速度を決定しなければならない。それから、たとえ車両が最近燃料補給されたとしても、燃料補給速度はタンクを過昇温しない。
【００４７】
車両の最近の燃料補給の履歴を知ることができるならば、より保守的でない燃料補給速度を利用でき、潜在的に燃料補給時間をかなり短くできる。車両の最近の燃料補給の履歴を知るために利用することができるいくつかのアプローチがある。非限定的な例では、ＨＶＡＳのＲＦＩＤタグは、車両が給油されるたびに、その時刻が記録される。それから、燃料補給装置は、車両が給油されるたびに、この時刻記録を読み込むことができる。そして、燃料補給装置は、時刻記録が最近の燃料補給ありを示すならば、保守的な燃料補給速度を使い、あるいは、時刻記録が最近の燃料補給なしを示すならば、タンク内の実際の開始圧力に基づいてより保守的でない燃料補給速度を使うことができる。
【００４８】
適切な燃料補給時間が決定されると、ＭＣ手法の次のステップは、いつ、あるいは、どのくらいの圧力で、補給作業を止めるべきかについて決定する。この第２ステップでステーションによって使われるプロセスは、ステーションが補給の初めにタンク内のガス温度が周囲温度、すなわち、低温維持条件であるタンクが空調付きのガレージにさらされている、あるいは、周囲温度が上がっている、内部のガス温度が環境を覆う、といった可能性を含む温度以下にあると想定すること以外は、第１ステップで使われたプロセスと類似している。水素が消費されたので、タンク内のガス温度が下がり、結果として圧力が減ったという運転の要因も、考えられる。ＭＣ手法は、方程式［１２］を使用して、損傷燃料を抜く間のＭＣと水素ガスの平均温度を推定するのに用いられうる。
【数９】
2013527390.tif 000011
ここで、各記号の意味は、次の通りである。
ｍａｄｄ＝時間ｔ内に水素タンクから出る質量
ｍａｄｄ＝ｍｃｖ−ｍｉｎｔＣｏｌｄ＝１００％ＳＯＣを達成するためにＭＣ手法において計算される車両燃料補給中に加えられる質量
ｈｅｘｉｔ＝タンクから出る水素の平均エンタルピー
ｍｉｎｔＣｏｌｄ＝燃料補給直前のタンク内の質量
ｔ＝タンクをＰＮＷＰから開始補給圧力Ｐｉｎｉｔまで空にするのに必要な時間
【数１０】
2013527390.tif 000012
ｍ・＝損傷燃料を抜く間の水素の流量
（「・」は「ｍ」の上にあるものとする。以下同様）
ＴＣｏｌｄＳｏａｋ＝損傷燃料を抜く前の車両タンクの想定温度
【数１１】
2013527390.tif 000013
そして、Ｔａｄｉａｂａｔｉｃが前の通りＮＩＳＴデータへの曲線のあてはめによって決定される方程式［１１］に結合され、そして、Ｔｆｉｎａｌはタンク内のＭＣとガスの平均温度である。
【数１２】
2013527390.tif 000014
【００４９】
適切なΔＴｃｏｌｄパラメータと損傷燃料質量流量ｍ・は、一般的にＯＥＭによって測定され、ＨＶＡＳを通して移されるか、あるいは、補給ステーションに利用可能となる車両側情報の一部として提供される。
【００５０】
初期条件が決定されると、ステーションは、１００％のＳＯＣの目標密度に達するためにどれくらいの質量がタンクに加えられなければならないかを計算することができる。ステーションは、精密な流量計を持っていれば、補給の間、質量の流れを単に積分し、目標質量が達成されたとき、停止することができる。しかし、この能力の流量計の使用は、それ自身の難題を有するかもしれない。第２のオプションは、ステップ１と同じ方程式のセットを利用して圧力目標を計算することである。Ｔｆｉｎａｌはステップ１の燃料補給時間に基づいて計算される。そして、Ｔｆｉｎａｌとともに、１００％のＳＯＣ目標密度を提供する圧力に基づいて、Ｐｔａｅｇｅｔの値は計算される。
【００５１】
このプロセスは、図１４に示される方程式を利用することによって、より簡単に理解される。車両に供給される実際のエンタルピーに基づく補給作業の間中、圧力目標を連続的に計算することができる点に注意することは、重要である。したがって、たとえ補給の初めに計算される圧力目標が良い概算であるべきだとしても、補給を止める際に利用される圧力目標は、起きた実際の補給状況に基づいて必要に応じて調節されうる。このステップ２の出力は、ＰＴａｒｇｅｔである。
【００５２】
通信による補給の場合、最初の温度は、ステーションによって直接測定される。この最初の温度が安定している温度（すなわち、車両燃料と関連したダイナミックな変化に従属しない温度）であるので、それは一般に信頼できる。そのような場合、Ｔｉｎｉｔは単に測定された最初の温度である。そして、上で詳述した高温維持と低温維持の想定は考慮する必要がない。
【００５３】
ＭＣ手法の開発の間に行われた補給テストの間、「目標Ｔｆｉｎａｌ」の値が、予測結果と実際の結果の間の任意の誤差を評価するために計算された。この「目標Ｔｆｉｎａｌ」は、図１６−１８と図２０に示され、ＭＣ手法の正確さを示す。通常の「ＩＤ補給（という燃料補給手法）」において、ステップ３は不必要である。補給プロトコルがステップ１とステップ２によって充分に定義されるので、ステーションは予測結果を計算する必要がない。
【００５４】
ステップ１からの補給レートとステップ２からの圧力目標を使って、予測Ｔｆｉｎａｌは計算される。ステップ２で計算される圧力目標がステップ１で想定された圧力目標より通常低いので、結果として生じる補給は、わずかに低いＳＯＣ％を示す傾向がある。そのわずかに低いＳＯＣ％は、ガス密度目標が、ステップ２で計算されたものよりも高いＴｆｉｎａｌでの圧力目標に対応するために、減少させる必要があることを、示す。加えられた水素の付加した質量の変化がＴａｄｉａｂａｔｉｃに影響を及ぼすので、精度を向上するために、予測ＴｆｉｎａｌとＳＯＣ％目標を決定するために概算を完了することが必要である。
【００５５】
当業者によって当然理解されるように、ＭＣ手法の有用性と柔軟性は、高いＳＯＣで補給を始めるタンクのために、例えば、３分未満の燃料補給時間を含むカスタム化と改良のための多くの機会を提供する。
【００５６】
上記で定義された動作によって計算されたＭＣパラメータを確かめるために、また、上記で詳述された補給アルゴリズムにおけるこれらのパラメータを使う正確さを確かめるために、５回目の燃料補給テストが、タンクを特徴づける際に使われた条件とは異なる周囲温度、最初の補給量、予備冷却温度の条件を使ってそれ以前にテストされたそれぞれのタンクを用いて、実施された。上記で説明し、図１３に図示されたアルゴリズムを使用して、予測最終温度Ｔｆｉｎａｌが、３５ＭＰａ、５０ＭＰａ、７０ＭＰａで行われた補給のために計算された。過昇温の安全性の高温維持マージンのために、「Ｔｉｎｉｔ＝周囲温度＋７．５℃」が使われた。また、過冷の安全性の低温維持マージンのために、「Ｔｉｎｉｔ＝周囲温度−１０℃」が使われた。目標Ｔｆｉｎａｌのために、「Ｔｉｎｉｔ＝周囲温度」が、図１５に図示されるアルゴリズムにおいて使われた。
【００５７】
３５ＭＰａタイプ３タンク（補給）確認テストの結果は、図１６に図示される。当初の目標は０℃ガスを補給するように設定されていたが、評価のために使われている水素補給ステーションは、実際には、約５℃（タイプＣステーションに関して０℃±２．５℃のＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１の許容範囲外の温度）のガスを補給していた。これは、予備冷却温度の厳しい許容範囲を定める実践的な挑戦（テスト条件においてさえ、実際の達成や維持が難しい）の１つを示す。言及の水素ステーションの能力を考慮して、目標は、届けられたガスの温度として４．８℃を使うように調整され、３５ＭＰａタンク補給の実際の温度測定は、計算されたＴｆｉｎａｌの１Ｋ範囲内であった。さらに、補給完了は１８０秒間を目標としていたが、実際の補給は１９６秒で完了した。しかし、実用的な方法として、最適な補給時間を達成するために、高温維持限界は８５℃に設定されるべきである。なぜなら、テストは３分の補給目標になっていたので、高温維持限界は８５℃以下である。ＭＣ手法アルゴリズムは、さらに改良され、３分未満の補給時間のためにパフォーマンスを改善することができる。
【００５８】
５０ＭＰａ確認テストで補給された７０ＭＰａタイプ４タンクの結果は、図１７に図示される。この場合、予備冷却が−２０℃に設定されていたが、予備冷却によって、実際には平均して−１４．８℃のガスを届けていたと測定された。この結果は、タイプＢステーションに関して−２０℃＋／−２．５℃というＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１の許容範囲を満たすことの実際の困難さを再び表している。観察されたパフォーマンスを考慮して、別の状況の同じ条件で、−１５℃予備冷却目標が何であったのかを示すように、温度目標が調整された。これは高温維持限界を８９℃という高い値にしたが、この乖離は仕様外にある予備冷却温度の名残である。
【００５９】
補給終了後に測定されたタンク内の温度の変化も、記録された。これらの補給後の乖離は、例えば、熱電対配置、タンク内の温度傾斜やタイムラグから生じる水素タンク内の温度測定における実践的な誤差源を意味する。しかし、これらの誤差があるが、実際の補給結果はまだ目標に著しく近かった。そして、モデルをさらに確認した。さらに、８５℃は、これらの補給の停止点として利用されなかった。そして、それによって、タンクが、８５℃を少し上回る温度に達した。これらの少しの温度乖離は問題を含むと思われなかった。なぜなら、一時的に８５℃を上回る温度は、ＳＡＥ  Ｊ２５７９（それらの内容は、参照によって本出願に完全に取り入れられる。）によって一般的に知られ、許容されているからである。
【００６０】
７０ＭＰａタイプ４タンクの確認テストの結果は、図１８に図示される。例示されたデータに示されているように、７０ＭＰａタンクテストの温度結果は、計算されたＴｆｉｎａｌ目標に本質的に完全な対応した。
【００６１】
方程式［１１］の定数を生成するのに用いられる４つのテスト補給から得られたデータを、５回目の確認補給と更なる確認補給で発生したデータと比較すると、その結果は、ＭＣがタンクの特徴を表しており、燃料補給結果を予測することに使用可能という考え方を、補強するものである。これは、上記で詳述したタイプ３タンク確認テストの間に発生したデータが、方程式［１１］で利用される様々な定数のために適切な値を測定する際に使われるデータと一致している図１９に図示されるグラフによって証明される。これらの結果は、ＭＣ手法が、タンク構成と動作条件の範囲にわたって高信頼で適用されるのに充分頑健であることを、証明する。
【００６２】
図２０に図示されるように、実施されたすべての補給から誤差を見ると、ＭＣ手法がタイプ３タンクとタイプ４タンクにとって非常に正確な結果（通常、熱電対配置やタイムラグの誤差におけるバリエーションから予測される範囲の一致に落ち着く。）を与えることは明らかである。図２０に示すように、ＭＣ手法モデルの誤差は、ＭＣ手法によって計算されるＴｆｉｎａｌと、補給作業の終了時に測定された実際の最終温度結果との差である。ステーションの実際の予備冷却温度が、上記の理由のために、予備冷却セットポイントよりもむしろエンタルピー計算への入力として、使われた。誤差の知られている元、または、疑わしい元は、例えば、以下を含む。
・使用された平均エンタルピーにおける計算誤差
・届けられた水素質量の計算
・周囲温度の測定
・初期タンク圧力の測定
・最終タンク圧力の測定
・最終タンク圧力の測定（熱電対配置、タイムラグ、基準の誤差）
・最適係数からのＭＣの計算
・実際の補給時間と予測補給時間との差（ステーションバンクスイッチング、流れ差等による）
・ステーションのエンタルピー測定後の内外の水素流れにおける熱移動
・想定された周囲温度と実際のタンク温度の差（ホットスポット、コールドスポット等）
【００６３】
これらの可能性のある誤差の元がすべて与えられると、比熱を一定とする熱容量モデルが、タイプ３タンクに対する０．６Ｋと、タイプ４タンクに対する２．４Ｋの誤差の標準偏差を達成することができることを、テストの間に発生したデータが示すことは、注目に値する。図２０に示す「定義誤差」は、テストデータを使って、実際の熱移動、補給の実際の平均エンタルピー、実際のＭＣの値を決定し、それらを使ってＴｆｉｎａｌを計算することによって、エンタルピー計算における誤差、質量計算による誤差、ＭＣ係数の計算による誤差を取り除く。これは、ＭＣ手法自体の計算に起因している誤差と近いもののほぼすべてを取り除く。そして、誤差の元として測定誤差だけを残す。これは、タイプ３タンクに対する０．３Ｋの標準偏差と、タイプ４タンクに対する１．３Ｋの標準偏差を持つ。誤差の残りの部分は、おそらく、測定誤差、熱電対遅れ、および／または、想定条件と実際の条件（例えば損傷燃料抜き取り後のタンク内のコールドスポット）との違いの結果である。テストのペースが増加したので、想定条件と実際の条件の差（おそらく、例えば、補給テスト間に実施された損傷燃料の抜き取り作業により残っていた残存コールドスポットを含む。）の結果として、誤差の大きさも増加する傾向があった点が、目立っていた。
【００６４】
入力誤差における変化へのＭＣ手法の感度解析が実施され、入力誤差の既知のレベルと、結果として生じる出力誤差との間の相関が調べられた。図２１に示されたデータに反映されているように、ＭＣ手法は、最初の温度測定における変化により敏感なタイプ３タンクによる入力誤差に対して、比較的、耐性があった。一方、タイプ４タンクは、ステーションにおける流れの温度測定における変化により敏感である。最初の温度測定における１０Ｋの誤差は、タイプ３タンクとタイプ４タンクの両方に対して、Ｔｆｉｎａｌにおける６Ｋの誤差につながる。ステーション（平均エンタルピー概算のために使われる）の水素温度測定における１０Ｋの誤差は、タイプ３タンクに対してＴｆｉｎａｌにおける６Ｋの誤差につながり、タイプ４タンクに対してＴｆｉｎａｌにおける８Ｋの誤差につながる。計算されたＭＣ係数における１０％の誤差は、およそ３Ｋの誤差（３Ｋは水素密度における約１％の誤差を意味する）につながる。これらの結果は、ＭＣ手法が、条件の範囲にわたって車両燃料補給を正確に表し、入力誤差の影響を抑えるために、かなり頑健であることを、証明する。
【００６５】
上記で詳述したように、燃料補給プロトコルを改良するためにＭＣ手法を利用することにより、燃料補給パフォーマンスを向上させることができる。「ＩＤ補給」という燃料プロトコルが上記で説明されたが、ＭＣ手法は、現在ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で定められているように、完全通信燃料補給作業と同様、従来の非通信燃料補給作業にも適用できる。燃料供給方法の比較は図２２に示される。図２２では、ＭＣ手法を全３種類の燃料補給（すなわち、ＩＤ補給、非通信、完全通信）に取り込むことにより期待される利益を強調している。これらの利益は、以下に述べる説明で、さらに詳述される。
【００６６】
ＩＤ補給構成において、燃料補給プロセスは、燃料補給されているタンクに、より適しており、このように、ステーションにおけるタンクの初期条件と測定の不確実さ範囲の中で補給時間を減らし、ＳＯＣを増やす傾向がある。燃料補給プロセスは、また、ステーションのリアルタイム能力にもより適しており、それにより、作業上の柔軟性を増し、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で定義された様々なステーションタイプに対応する堅く、プレセットで、狭い範囲の温度条件を避けることができる。ＭＣ手法によって、燃料補給プロセスは、ステーションの現在の燃料補給能力に対して自動調整でき、それにより、簡素で、より柔軟的で、低コストの水素補給ステーションの可能性を提供する。ＭＣ手法の柔軟性によって、水素補給ステーションは、大部分の状況下で一般に許容される補給時間を維持する一方、増加した予備冷却温度を許容するかもしれない現在の作業環境に「合わせ」られることができる。より高い予備冷却温度で動作する能力は、ステーション効率や低コストを向上させ、顧客満足を維持することができる。
【００６７】
燃料プロセスは、上記で詳述されたＭＣ手法を取り入れることによって、現在、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１と調和する非通信燃料補給のために利用されているルックアップテーブルの必要を除外でき、上記で概説したものと同じ利益を生じた。非通信燃料補給作業は、非通信ルックアップテーブルを作る際に利用される境界条件タンクのＭＣパラメータの計算を含む。タイプＡ（−４０℃）またはタイプＢ（−２０℃）の予備冷却温度で動作するとき、結果として生じる範囲の燃料補給レートと圧力目標は、ルックアップテーブルで定義されるそれらと実質的に同じ（同一でないなら）と予測される。
【００６８】
温度と圧力の変化に対処するときのＭＣ手法の柔軟性は、現在適用されているステーションタイプのきつい定義の必要を減らすか除き、そして、そのために、各ステーションは、現在の環境にとってより効率的に動作し、予備冷却温度に関係なく、改善されたレートで燃料補給を実施する。反対に、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１で定められている非通信プロセスは、非常にきつい予備冷却温度の許容範囲の中で動作しなければならない。そして、予備冷却温度の許容範囲からはずれると、その差が指定範囲内に戻るまで、燃料補給を実施できない（結果として客が不幸になる）。
【００６９】
ＭＣ手法の燃料補給プロセスは、また、完全通信燃料補給でも利用することができ、いくつかの利益を生じる。ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１は、現在、通信燃料補給として、次の２つのタイプを定義している。
１）デフォルトの方法
燃料補給レートは、ルックアップテーブル内で定義された非通信燃料補給レートと同じである。
２）他の方法
より積極的な燃料補給レートが、その場合に利用される。そして、車両温度信号がフィードバックループ内で利用され、過昇温条件を抑制したり回避したりするために燃料補給レートを調整する。
ＭＣ手法では、燃料補給レートは、上記のように、補給の初めに決定され、そして、また、補給の間に供給される水素の実際のエンタルピーに基づいて、補給の間、チェックされる。通信燃料補給では、初期や途中の条件をよりきつく定義することができ、さらに良い結果を与える。ＭＣ手法の採用は、上記のデフォルトの方法と他の方法がもはや不要であることを意味する。つまり、シングル通信燃料補給プロトコルが定義され、それが、燃料補給されている車両や燃料補給補給条件のために採用される。
【００７０】
安全性の見地から、ＭＣ手法は、車両から受信した温度信号によって、付加的なクロスチェックを許容する。ステーションがＭＣパラメータと届けられたエンタルピーとから予想温度を計算できるので、ステーションは車両からの温度信号を用いてこれをクロス参照する。補給作業の開始時の温度信号は通常一定であり、実際の測定された初期温度と特徴的なＭＣパラメータを用いることによって、車両燃料補給プロトコルを充分に定義することができ、そして、より高品質の補給結果が達成される（ＳＯＣと補給時間の両方に示される）。
【００７１】
ＭＣ手法の燃料補給プロトコルは、ステーションによって、ＩＤ補給、非通信補給、完全通信補給のために、包括的に利用される。その結果、車両と水素補給ステーションの両方の現在の能力によりよく適し、現在の動作環境を考慮して、より高品質な補給を達成する補給プロトコルを生じる。
【００７２】
ＭＣ手法を使う場面は、燃料補給の作業やイベントの間にタンクに供給される質量平均エンタルピーの正確な予測である。図２１に示すように、質量の平均温度における１０Ｋの誤差は、Ｔｆｉｎａｌにおける６Ｋ〜８Ｋの誤差になりうるので、これから来る補給のエンタルピーを正確に予測するのは重要である。ＭＣ手法テストに関連して、ルンゲ−クッタ概算法が、次の方程式［１２］に例示するように、予備冷却を使ってステーションからのノズルでの平均水素エンタルピーのために開発された。
【数１３】
2013527390.tif 000015
ここで、各記号の意味は、次の通りである。
Ｔｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ＝予測予備冷却温度
ＰＳｔａｔｉｏｎＩｎｉｔ＝Ｐｉｎｉｔ＋ΔＰＳｔａｔｉｏｎＩｎｉｔ＝初期水素タンク圧力＋初期水素ステーション圧力低下
ＰＳｔａｔｉｏｎＦｉｎａｌ＝ＰＦｉｎａｌ＋ΔＰＳｔａｔｉｏｎＦｉｎａｌ＝最終水素タンク圧力＋最終水素ステーション圧力低下
【００７３】
テストの間、ΔＰＳｔａｔｉｏｎＩｎｉｔは、初期タンク圧力が２ＭＰａなら５ＭＰａ、初期タンク圧力が１７ＭＰａなら２ＭＰａ、より高い初期圧力のときは１ＭＰａであったことが発見された。ΔＰＳｔａｔｉｏｎＦｉｎａｌは、すべての場合に１ＭＰａであるとされた。したがって、アルゴリズムは、特定のステーションの状況やパフォーマンスをより正確に示すように、修正することができる。例示した例では、ステーションの作製者あるいはオペレータは、アルゴリズムを修正して、ステーションの状況やパフォーマンスをより正確に示すようにできる。
【００７４】
いくつかのテスト補給の間、予備冷却出力温度とノズルに届けられた実際の温度との間で、乖離が見られた。図２３に図示されるように、これらの乖離は、質量流量と予備冷却レベルとの関係に続く傾向があった。一般に、ノズル温度と予備冷却設定温度との間の温度乖離が大きいほど、流量がより高くなり、予備冷却温度と周囲温度とのより大きな差がいっそう大きくなる。したがって、そのような要因は、ＭＣ手法において考慮される。非限定的な例において、各ステーションの作製者やオペレータは、客に親切な燃料補給時間を一般的に提供する適切な予備冷却レベルを選ぶために、予測動作状況とパラメータの範囲に関して、この関係を決定する。この柔軟性はＭＣ手法の利益の１つである。ステーションは、その補給の状況やタンク自身の能力に基づいて、特定の予備冷却温度に関して適切な補給時間を計算できる。
【００７５】
ＭＣ手法を実践する際に利用されるアルゴリズムは、以下に提供される。車両が水素補給ステーションに接近するとき、車両は、ステーションに、ＲＦＩＤ、ＩＲＤＡまたは他の通信手段を用いて、ＭＣ手法補給手順のためのパラメータのデータを提供する。パラメータのデータは、例えば、以下のデータを含む。
・ＮＷＰ
・タンク容積（あるいは、ステーションが圧力パルスを用いてそれを計算できる。）
・高温維持仮定
・低温維持仮定
・ＭＣ方程式の定数
・望ましい他のパラメータ（許容最高温度、許容補給レート速度上限、ρＴａｒｇｅｔ等）
【００７６】
パラメータが１つも通信されなくても、ステーションはＭＣ手法を使い、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１から引き出したＭＣ方程式のデフォルト定数と、ＳＡＥ  ＴＩＲ  Ｊ２６０１のデフォルトの高温維持仮定と低温維持仮定とを用いることで、補給を実施することができる。
【数１４】
2013527390.tif 000016
【００７７】
実践的な手法として、内部エネルギーは圧力との関係が非常に弱いので、Ｐａｄｉａｂａｔｉｃは、非常に小さな誤差しか有しないＭＡＲＰとして仮定される。
【数１５】
2013527390.tif 000017
【数１６】
2013527390.tif 000018
【００７８】
水素ステーションは、ステーションに送信されたＭＣパラメータのデータベースを維持し、ＭＣパラメータ、タンク容積、それまでに観察された最低初期ＳＯＣ％を使い、周囲温度が与えられた場合に速い燃料補給レートを達成するために、そのシステムに関する予備冷却温度を設定する。このような方法で、ステーションは、予備冷却温度を、経済的に適したレベルで設定する。
【００７９】
ＭＣ手法は、水素補給ステーションにおける車両水素タンクへの燃料補給に重点を置いて開発され、記述されているが、水素バスへの燃料補給あるいは低温ガスや液体を有するシステムへの燃料補給に関してパフォーマンスを改善するためのＭＣ手法の修正は確実に熟慮されている。同様に、基本的なＭＣ手法は、圧縮された自然ガス車両の燃料補給や工業ガスを含む容器への速い補給に関する使用や、圧縮ガスが圧力容器に噴射される任意のプロセスにおける結果として生じる温度の計算に、容易に適用される。ＭＣ手法と熱力学特性と他のプロセスの振舞いを示す関連定数の適応性は、自動車に関する圧縮水素タンクへの燃料補給に関する上記の設定としての類似するテストマトリックスを適用することで、決定される。
【図１】
2013527390.tif 000030
【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１３】
2013527390.tif 000036
【図１４】
2013527390.tif 000037
【図１５】
2013527390.tif 000038
【図２２】
2013527390.tif 000039
【図２４】
2013527390.tif 000040
【図７】
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【図８】
2013527390.tif 000042
【図９Ａ】
2013527390.tif 000043
【図９Ｂ】
2013527390.tif 000044
【図１０】
2013527390.tif 000045
【図１１】
2013527390.tif 000046
【図１２】
2013527390.tif 000047
【図１６】
2013527390.tif 000048
【図１７】
2013527390.tif 000049
【図１８】
2013527390.tif 000050
【図１９】
2013527390.tif 000051
【図２０】
2013527390.tif 000052
【図２１】
2013527390.tif 000053
【図２３】
2013527390.tif 000054
【国際調査報告】
2013527390.tif 000055
2013527390.tif 000056
2013527390.tif 000057