(57)【要約】【課題】車載タンク内に充填された水素の温度及び車載タンク自体の温度の上昇を抑えることができる圧縮水素ガス充填装置及び圧縮水素ガス充填方法を提供する。【解決手段】蓄圧器バンク２〜５を複数設けた蓄圧器ユニット６から圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填装置１において、各蓄圧器バンク２〜５に、互いに異なる圧力値の圧縮水素ガスが貯蔵されるように圧縮水素ガス充填装置を構成する。【選択図】図１
2008064160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄圧器バンクを複数設けた蓄圧器ユニットから圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填装置であって、
各蓄圧器バンクに、互いに異なる圧力値の圧縮水素ガスを貯蔵したこと
を特徴とする圧縮水素ガス充填装置。
【請求項２】
貯蔵された圧縮水素ガスの圧力値が低い蓄圧器バンク相互の差分に対し、圧力値が高い蓄圧器バンク相互の差分の方が大きいこと
を特徴とする請求項１に記載の圧縮水素ガス充填装置。
【請求項３】
蓄圧器バンクを複数設けた蓄圧器ユニットから圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填方法であって、
各蓄圧器バンクに貯蔵される圧縮水素ガスの圧力値を互いに異ならせるとともに、
圧力値の低い蓄圧器バンクから順番に、貯蔵された圧縮水素ガスを前記車載容器に充填すること
を特徴とする圧縮水素ガス充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄圧器に貯蔵された圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填装置及び圧縮水素ガス充填方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出量を抑制するなどの環境面から、燃料電池自動車、水素自動車など、水素（Ｈ2）を燃料とする自動車が注目されている。かかる自動車は、車載容器（水素タンク）を搭載しており、水素タンクに充填されている水素を燃料電池等に供給して駆動力を発生させる。
【０００３】
水素タンクには、３５ＭＰａ程度の圧力で水素が充填されているが、水素が消費されるに伴い、水素タンクの圧力が減り、燃料電池等に水素を供給することができなくなる。したがって、水素タンクには、水素の再充填を行う必要が生じるため、例えば、燃料電池自動車は、ガソリンスタンドのような水素ステーションに立ち寄り、搭載されている水素タンクに水素の充填を行う。
【０００４】
一方、従来から天然ガス（ＣＨ4）を燃料とする天然ガス自動車（ＣＮＧ自動車）が知られている。ＣＮＧ自動車が搭載する天然ガスタンクへの天然ガスの充填は、例えば、天然ガス充填所に設置された天然ガス供給源と天然ガスタンクとを接続し、両者の圧力差により行っている。この際に、天然ガスを繰り返して充填する技術として、天然ガス供給源である高圧蓄圧器と可変圧蓄圧器を切り替えて使用し、天然ガスの充填を行う「圧縮天然ガスを燃料とする自動車への燃料供給装置」が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
この文献には、高圧蓄圧器及び可変圧蓄圧器の最高蓄圧圧力が共に略２５ＭＰａ、燃料ボンベ（天然ガスタンク）の最高充填圧力が略２０ＭＰａであり、まず、２５ＭＰａの可変圧蓄圧器で略１０ＭＰａまで燃料ボンベに天然ガスを充填し、その後、２５ＭＰａの高圧蓄圧器で２０ＭＰａまで燃料ボンベに天然ガスを充填する旨が記載されている。このようにすることで、天然ガス供給源の圧力を高く維持することができ、天然ガスを繰り返して充填することが可能になる。
【０００６】
また、天然ガスタンク（燃料ボンベ）に天然ガスを充填する際には、天然ガスタンク内では、ジュール−トムソン効果による吸熱と断熱圧縮による発熱が同時に起こるので、吸熱と発熱がほぼ相殺され、若干天然ガスの温度が下がる。したがって、天然ガスの充填を行う際には、充填時の発熱は何ら問題になることはない。
【０００７】
ところが、水素ガスは、ジュール−トムソン効果における逆転温度が常温以下の２０２Ｋ（約−７１℃）であるため、圧縮された常温程度の水素を膨張すると、天然ガスの場合とは異なり、吸熱ではなく発熱して、水素の温度が上昇する。したがって、水素タンクへ水素を充填する際には、水素タンク内の圧力を断熱的に高めることによる発熱（断熱圧縮による発熱）及び水素タンクよりも圧力の高い水素供給源から供給された水素が水素タンク内で膨張することによる発熱（ジュール−トムソン効果による発熱）が同時に生じ、水素タンク内に充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度が高くなってしまう。
【０００８】
すなわち、水素の場合には、天然ガスなどの場合と異なり、水素タンク内で水素を膨張させることによる冷却効果（吸熱）が生じず、充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度が高くなる。このように水素の温度及び水素タンク自体の温度が高くなると、水素タンクへの水素の充填効率の低下や、水素タンクの劣化、備品の故障という問題が生じてしまう。特に、水素タンク内の温度の初期値が大きい夏場や、自動車の走行距離を延すために、水素ガスの充填圧力を高くした場合に問題となる。
【０００９】
これらの問題に対処するため、蓄圧器から水素タンク内に水素を充填する際に、蓄圧器から供給される水素ガスの流量を小さくし、水素タンクからの熱の放散を利用することで、タンク内に充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度の上昇を抑える技術が知られている。
【００１０】
また、蓄圧器から水素タンク内に水素を充填する際に、蓄圧器から充填される水素ガスを水やエチレングリコール等の冷却剤で冷却（プレクール）し、タンク内に充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度の上昇を抑える技術が知られている。
【００１１】
【特許文献１】実開平０４−６４６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、蓄圧器から供給される水素ガスの流量を小さくすると、車載容器である水素タンク内に水素を充填する時間が長くなり、水素ステーションの運用に支障をきたすおそれがある。
【００１３】
また、蓄圧器から供給される水素ガスを冷却剤で冷却するようにすると、冷却設備や冷却のためのエネルギーが必要となり、水素の充填コストが高くなるという問題が生じる。
【００１４】
さらに、蓄圧器から充填される水素ガスの圧力と水素タンク内に充填されている水素ガスの圧力との差が大きくなると、タンク内におけるジュール−トムソン効果及び断熱圧縮による発熱が大きくなり、タンク内に充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度が上昇するという問題が生じる。
【００１５】
本発明の目的は、上記のような問題点を考慮し、車載容器内に充填された水素の温度及び車載容器自体の温度の上昇を抑えることができる圧縮水素ガス充填装置及び圧縮水素ガス充填方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記のような目的を達成するためになされたものであり、この目的は、下記（１）〜（３）の発明によって達成される。
【００１７】
（１）蓄圧器バンクを複数設けた蓄圧器ユニットから圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填装置であって、
各蓄圧器バンクに、互いに異なる圧力値の圧縮水素ガスを貯蔵したこと
を特徴とする圧縮水素ガス充填装置。
【００１８】
（２）貯蔵された圧縮水素ガスの圧力値が低い蓄圧器バンク相互の差分に対し、圧力値が高い蓄圧器バンク相互の差分の方が大きいこと
を特徴とする上記（１）に記載の圧縮水素ガス充填装置。
【００１９】
（３）蓄圧器バンクを複数設けた蓄圧器ユニットから圧縮水素ガスを車載容器に充填する圧縮水素ガス充填方法であって、
各蓄圧器バンクに貯蔵される圧縮水素ガスの圧力値を互いに異ならせるとともに、
圧力値の低い蓄圧器バンクから順番に、貯蔵された圧縮水素ガスを前記車載容器に充填すること
を特徴とする圧縮水素ガス充填方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る圧縮水素ガス充填装置によれば、車載容器内に充填された水素の温度及び車載容器自体の温度の上昇を抑えることができる。
【００２１】
本発明に係る圧縮水素ガス充填方法によれば、車載容器内に充填された水素の温度及び車載容器自体の温度の上昇を抑えながら、水素ガスを車載容器に充填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る圧縮水素ガス充填装置を実施するための一実施の形態について、図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明に係る圧縮水素ガス充填方法については、圧縮水素ガス充填装置と併せて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る圧縮水素ガス充填装置１の概略構成図を示したものである。
図１に示すように、本実施の形態に係る圧縮水素ガス充填装置１は、複数の蓄圧器バンク２〜５で構成される蓄圧器ユニット６と、切替弁１２〜１５と、制御器７と、圧力計８と、接続具９と、充填ラインＬ２〜Ｌ６、検知ラインＬ７及び計装ラインＬ８を備えている。蓄圧器バンク２〜５は、それぞれ複数の蓄圧容器１６により構成されている。なお、蓄圧器ユニット６には、燃料充填時における外部からの入熱を遮断するため、断熱材を設けるようにしてもよい。
【００２４】
なお、本実施の形態では、同時に使用される複数本の蓄圧容器から構成されるユニット体を蓄圧器バンクといい、複数の蓄圧器バンクから構成されるユニット体を蓄圧器ユニットと定義する。
【００２５】
充填ラインＬ２〜Ｌ６は、蓄圧器バンク２〜５と接続具９とを接続し、充填ラインＬ２〜Ｌ６を通じて、蓄圧器に貯蔵されている圧縮水素ガスを、接続具９を介して自動車の車載容器に充填する。
【００２６】
充填ラインＬ６の途中には、圧力計８が設けられている。圧力計８は、検知ラインＬ７を介して制御器７に接続されている。圧力計８は、充填ラインＬ６内の水素ガスの圧力を検知する。
【００２７】
また、蓄圧器バンク２〜５に接続された充填ラインＬ２〜Ｌ５の途中には、それぞれ切替弁１２〜１５が設けられている。切替弁１２〜１５は、計装ラインＬ８を介して、制御器７に接続されている。切替弁１２〜１５は、弁を開閉することにより、自動車の車載容器に水素ガスを充填するための蓄圧器を切替える。
【００２８】
自動車等に搭載された車載容器に水素ガスを充填する際は、制御器７によって、切替弁１２〜１５の開閉を制御することにより行う。具体的には、充填ラインＬ６内の圧力上昇割合が小さくなったこと、又は充填ラインＬ６の圧力と充填に使用されている蓄圧器の圧力との差が小さくなったこと、あるいは充填ラインＬ６の流量が所定の流量を維持できなくなった場合に、制御器７は、計装ラインＬ８を通じて、切替弁１２〜１５の開閉を切替える指令をだし、水素ガスを充填する蓄圧器を切替えるように制御する。
【００２９】
なお、蓄圧器バンクの切り替え時に流量を落とさず連続して充填できるよう、切替弁１２〜１５の下流側の充填ラインＬ２〜Ｌ５に、それぞれ逆止弁を設けるようにしてもよい。
【００３０】
充填ラインＬ６の先端には、接続具９が取り付けられている。接続具９を自動車に設けられた車載容器等に接続することにより、蓄圧器に貯蔵されている圧縮水素ガスを充填することができる。
【００３１】
また、各蓄圧器バンク２〜５には、図示しない圧縮機が接続されており、この圧縮機から各蓄圧器バンク２〜５に圧縮された水素ガスが供給される。なお、圧縮機と各蓄圧器バンク２〜５との間には、自動弁が設けられている。
【００３２】
本実施形態の蓄圧器ユニット６においては、例えば蓄圧器バンク２には５ＭＰａの圧縮水素ガスが、蓄圧器バンク３には１０ＭＰａの圧縮水素ガスが、蓄圧器バンク４には２０ＭＰａの圧縮水素ガスが、蓄圧器バンク５には４０ＭＰａの圧縮水素ガスが、それぞれ貯蔵されている。すなわち、車載容器への水素ガスの充填開始時において、蓄圧器ユニット６を構成する蓄圧器バンク２〜５には、予め段階的に異なる圧力値の水素ガスが貯蔵されている。
【００３３】
また、本実施の形態では、蓄圧器バンク２と蓄圧器バンク３との間における水素ガスの圧力値の差分は５ＭＰａである。また、蓄圧器バンク３と蓄圧器バンク４との間における水素ガスの圧力値の差分は１０ＭＰａであり、蓄圧器バンク４と蓄圧器バンク５との間における水素ガスの圧力値の差分は２０ＭＰａとなるように設定されている。すなわち、貯蔵された圧縮水素ガスの圧力値の低い蓄圧器相互の差分に対し、圧力値の高い蓄圧器相互の差分の方が大きくなるように構成されている。つまり、圧力値の高い蓄圧器バンク４，５の差分は２０ＭＰａであり、圧力値の低い蓄圧器バンク２、３の差分である５ＭＰａよりも大きくなるように設定されている。
【００３４】
このように、本実施の形態では、車載容器内に充填されている水素ガスの圧力の値が低いほうが、充填する水素ガスの圧力と容器内に充填されている水素ガスの圧力との差によって生じる発熱の影響が大きくなることを考慮し、圧力値の低い蓄圧器バンク２，３の差分は小さくし、圧力値の高い蓄圧器バンク４，５の差分は大きくなるように設定している。これにより、ジュール−トムソン効果及び断熱圧縮による発熱の影響を最小限に抑え、車載容器９内に充填された水素の温度及び車載容器自体の温度の上昇を抑えることができる。
【００３５】
また、このように各蓄圧器バンクに圧力差を設定することで、各蓄圧器バンクを均等の圧力の差分で配置する場合に比べて、蓄圧器ユニット６を構成する蓄圧器バンクの数を少なくすることができるので、圧縮水素ガス充填装置を小型にすることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、蓄圧器ユニット６を構成する蓄圧器バンクの数は４体としたが、これに限られることなく、状況に応じて、蓄圧器ユニットを構成する蓄圧器バンクの数を増減させてもよい。
【００３７】
本発明に係る圧縮水素ガス充填装置によれば、圧力値が異なる圧縮水素ガスを貯蔵した複数の蓄圧器バンクを備えたので、異なる圧力値の圧縮水素ガスを、順番に車載容器に充填することができる。これにより、水素ガスを車載容器に充填する際に、車載容器内の水素ガスの圧力と蓄圧器内の水素ガスとの圧力差を小さく保つことができるため、ジュール−トムソン効果及び断熱圧縮による発熱の影響を最小限に抑え、車載容器内に充填された水素の温度及び水素タンク自体の温度の上昇を抑えることができる。
【００３８】
また、従来の蓄圧器による充填に比べ、充填する水素ガスの流量を絞る必要がないので、より短い時間で水素ガスの充填作業を行うことができる。あるいは、充填する水素ガスをプレクールする場合に比べ、プレクールの際に必要な熱交換器等の備品を省略することができ、ガス充填装置の製造コストを安くすることができる。
【００３９】
次に、本発明に係る圧縮水素ガス充填方法の実施の形態について、図２を用いて説明する。なお、本発明に係る圧縮水素ガス充填方法は、以下の実施の形態に限られるものではない。
【００４０】
図２は、本発明の一実施形態に係る圧縮水素ガス充填装置の蓄圧器の切り替え手順を示す概略図である。
図２において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図２（ａ）は、蓄圧器バンク２内の圧縮水素ガスを自動車１０の車載容器である燃料タンク１１に充填する状態を示す図である。
図２（ａ）に示すように、蓄圧器バンク２に接続する充填ラインＬ２に設けられた切替弁１２は開状態であり、他の切替弁１３、１４、１５は閉状態である。これにより、まず蓄圧器バンク２に貯蔵されている５ＭＰａの圧縮水素ガスが、充填ラインＬ２，Ｌ６を通って、燃料タンク１１に充填される。なお、このとき充填ラインＬ６に取り付けられた接続具９は、燃料タンク１１に接続されている。
【００４２】
図２（ｂ）は、蓄圧器バンク３内の圧縮水素ガスを自動車１０の燃料タンク１１に充填する状態を示す図である。
図２（ｂ）に示すように、蓄圧器バンク３に接続する充填ラインＬ３に設けられた切替弁１３は開状態であり、他の切替弁１２、１４、１５は閉状態である。これにより、蓄圧器バンク３に貯蔵されている１０ＭＰａの圧縮水素ガスが、充填ラインＬ３，Ｌ６を通って、燃料タンク１１に充填される。
【００４３】
図２（ｃ）は、蓄圧器バンク４内の圧縮水素ガスを自動車１０の燃料タンク１１に充填する状態を示す図である。
図２（ｃ）に示すように、蓄圧器バンク４に接続する充填ラインＬ４に設けられた切替弁１４は開状態であり、他の切替弁１２、１３、１４は閉状態である。これにより、蓄圧器バンク４に貯蔵されている２０ＭＰａの圧縮水素ガスが、充填ラインＬ４，Ｌ６を通って、燃料タンク１１に充填される。
【００４４】
図２（ｄ）は、蓄圧器バンク５内の圧縮水素ガスを自動車１０の燃料タンク１１に充填する状態を示す図である。
図２（ｄ）に示すように、蓄圧器バンク５に接続された充填ラインＬ５に設けられた切替弁１５は開状態であり、他の切替弁１２、１３、１４は閉状態である。これにより、蓄圧器バンク５に貯蔵されている４０ＭＰａの圧縮水素ガスが、充填ラインＬ５，Ｌ６を通って、燃料タンク１１に充填される。
【００４５】
上述したように、本実施形態の圧縮水素ガス充填方法では、蓄圧器バンクに貯蔵された圧縮水素ガスの圧力値が低い順に従って、各蓄圧器バンクから燃料タンク１１に水素ガスを充填するものである。すなわち、蓄圧器バンク２（５ＭＰａ）、蓄圧器バンク３（１０ＭＰａ）、蓄圧器バンク４（２０ＭＰａ）、蓄圧器バンク５（４０ＭＰａ）の順番で、圧縮水素ガスを燃料タンク１１に充填するようにしている。なお、このとき、各蓄圧器バンクから燃料タンク１１に充填される水素ガスの流量を所定の流量に保つように、制御器７により、切替弁１２〜１５の開閉を制御する。
【００４６】
本発明の圧縮水素ガス充填方法によれば、圧力値が異なる圧縮水素ガスを貯蔵した複数の蓄圧器バンクを備え、圧力値の低い蓄圧器バンクから順番に、水素ガスを燃料タンク１１に充填するようにしたので、水素ガスを充填する際に、車載容器内の水素ガスの圧力と蓄圧器バンク内の水素ガスとの圧力差を小さく保つことができるので、ジュール−トムソン効果及び断熱圧縮による発熱の影響を最小限にすることができる。このため、車載容器内に充填された水素の温度及び車載容器自体の温度の上昇を抑えることができる。また、車載容器に充填する際に、従来に比べて水素ガスの流量を絞る必要がないので、短い時間で水素ガスの充填作業を行うことができる。あるいは、充填する水素ガスをプレクールする必要がないので、プレクールに必要な冷却設備を省略することができる。
【００４７】
なお、本発明の圧縮水素ガス充填装置及び圧縮水素ガス充填方法は、上述の各形態に限定されるものではなく、その他材料、構成等において本発明の構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧縮水素ガス充填装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る圧縮水素ガス充填装置の蓄圧器の切り替え手順を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１・・圧縮水素ガス充填装置、２，３，４，５・・蓄圧器バンク、６・・蓄圧器ユニット、７・・制御器、８・・圧力計、９・・接続具、１０・・自動車、１１・・燃料タンク、１２〜１５・・切替弁、１６・・蓄圧容器、Ｌ２〜Ｌ５・・充填ライン、Ｌ６・・燃料充填ライン、Ｌ７・・検知ライン、Ｌ８・・計装ライン
【図１】
2008064160.tif 000003
【図２】
2008064160.tif 000004