(57)【要約】【課題】簡単な熱交換器を使用しても所望の水素ガス冷却効果を得ることができる、水素燃料電池自動車用ガス充填装置を提供する。【解決手段】ディスペンサ側の充填カップリングが接続される車両側のレセプタクル９とガスタンク６とを接続するガス管７の途中に熱交換器１０を設け、熱交換器１０は、ガス管７から分岐された複数の分岐管１１と冷却ファン１２とフィン１５とを備えた構成とし、さらに熱交換器１０内の分岐管１１の流路断面積を、その上流側のガス管７ａの流路断面積よりも大きくする。ディスペンサから圧送された高圧の水素ガスは、レセプタクル９内の逆止弁で絞られて断熱膨張すると共に、分岐管１１への流入時に断熱膨張して温度上昇するが、冷却ファン１２による分岐管１１の冷却で外部へ放熱され、したがって、ガスタンク６内では、断熱圧縮充填による水素ガスの温度上昇が主流となって、ガスタンク６の温度上昇が抑えられる。【選択図】図１
2008151186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されたガスタンクにディスペンサから水素ガスを充填するガス充填装置において、前記ディスペンサ側の充填カップリングが接続される車両側の逆止弁内蔵のレセプタクルと前記ガスタンクとを接続するガス管の途中に、該ガス管内の水素ガスを冷却する熱交換器を設けたことを特徴とするガス充填装置、
【請求項２】
熱交換器内のガス管の流路断面積を、該熱交換器より上流側のガス管の流路断面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のガス充填装置。
【請求項３】
熱交換器が、ガス管から分岐して並列に配置された複数の分岐管と該分岐管を空冷する冷却ファンとを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス充填装置。
【請求項４】
各分岐管の外周にフィンを設けたことを特徴とする請求項３に記載のガス充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車のタンクに高圧の水素ガスを充填するためのガス充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のガス充填装置は、図３に示されるように、水素ガスを貯蔵する貯蔵タンク１と、ガス充填系（図示略）および制御系を内蔵すると共に、充填ホース２および表示器３を外装したディスペンサ４と、車両５に搭載されたガスタンク６に一端が接続されたガス管７とからなっている。充填ホース２の先端には充填カップリング８が、車両５側のガス管７の他端には前記充填カップリング８に連結可能なレセプタクル９がそれぞれ設けられており、水素ガスの供給に際しては、充填カップリング８とレセプタクル９との連結により充填ホース２とガス管７とが接続され、ディスペンサ4側の操作でガスタンク６に所定量の水素ガスが充填される。
【０００３】
ところで、低圧となっているガスタンク６に高圧の水素ガスを充填すると、タンク内に吐出するときの断熱膨張による温度上昇（ジュール・トムソン効果）とタンク内への断熱圧縮充填による温度上昇とによりガスタンク６がかなりの高熱となる。一方、最近の燃料電池自動車に対する軽量化要求が高まる中、ガスタンク６として、アルミ製ライナーの外周に樹脂含浸繊維（カーボン繊維等）を巻付けて固めた複合構造のものが用いられるようになってきている。しかるに、このような複合構造のガスタンク６は、高温強度が不足するため、前記した温度上昇は強度面での不安を引き起こすことになる。
【０００４】
そこで従来は、たとえば、特許文献１に記載されるように、上記ディスペンサ内のガス充填系に熱交換器を介装し、事前に水素ガスを冷却してから車両側のガスタンクに水素ガスを充填するようにしていた。
【特許文献１】特開２００６−２２０２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記ディスペンサ側で事前に水素ガスを冷却する対策によれば、ガスタンクの温度上昇を十分に抑えるには、マイナス数十℃まで冷却する必要がある。このため、熱交換器として大がかりなものが必要になることに加え、充填ホースからガスタンクへ至る配管系を断熱構造とする必要があり、装置コスト並びに消費エネルギーの増大が避けられない、という問題があった。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、簡単な熱交換器を使用しても所望の水素ガス冷却効果を得ることができ、もって装置コストの低減とエネルギー消費量の削減とに大きく寄与するガス充填装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ガスタンクに水素ガスを充填した際の温度上昇は、上記したようにジュール・トムソン効果（断熱膨張）と断熱圧縮充填とが原因するが、このうち、断熱圧縮充填による温度上昇は、圧縮比（圧力比）が高いほど大きくなる。より詳しくは、断熱圧縮充填による温度上昇は、充填初期の低圧域（２〜３ＭＰａ、圧力比で２０〜３０）でほぼ最大温度に達し、その後、最終充填圧力（７０ＭＰａ程度）までの温度上昇はわずかとなる。このことは、ガスタンクの温度上昇を抑えるには、断熱膨張による温度上昇を低減する方がより効果的であることを意味する。
【０００８】
本発明は、上記した知見に基づいてなされたもので、車両に搭載されたガスタンクにディスペンサから水素ガスを充填するガス充填装置において、前記ディスペンサ側の充填カップリングが接続される車両側の逆止弁内蔵のレセプタクルと前記ガスタンクとを接続するガス管の途中に、該ガス管内の水素ガスを冷却する熱交換器を設けたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成したガス充填装置においては、レセプタクルに内蔵された逆止弁が絞りとなって水素ガスが断熱膨張するので、該レセプタクルからガスタンクに続くガス管の途中に熱交換器を設けることで、前記断熱膨張により温度上昇した水素ガスを効果的に冷却できる。この結果、ガスタンク内での温度上昇は、そのほとんどが断熱圧縮充填による温度上昇となり、その分、ガスタンクの温度上昇が抑えられる。また、断熱膨張による温度上昇を抑えるだけなので、事前冷却する場合のごとき大がかりな熱交換器を必要とせず、配管系を断熱構造とする必要もなくなる。
【００１０】
本発明は、上記熱交換器内のガス管の流路断面積を、該熱交換器より上流側のガス管の流路断面積よりも大きくするのが望ましい。このように流路断面積に差をつけることで、熱交換器内に流入する際にも水素ガスの断熱膨張が起こるが、この断熱膨張により温度上昇した水素ガスは熱交換機内で直ちに冷却されるので、ガスタンク内に高温の水素ガスが吐出されることはない。また、レセプタクル通過時と熱交換器流入時との２回にわたって断熱膨張が起こるので、ガスタンク内での水素ガスの断熱膨張はきわめてわずかとなり、ガスタンクの温度上昇がより一層抑えられる。
【００１１】
本発明において、上記熱交換器は、ガス管から分岐して並列に配置された複数の分岐管と該分岐管を空冷する冷却ファンとを備えている構成とすることができる。このように構成した場合は、分岐管によって空冷面積が広がることで、ガス管内の水素ガスの冷却がより一層促進され、簡単な冷却ファンの採用と相俟って熱交換器に要するコストは大幅に低減する。
また、この場合は、各分岐管の外周にフィンを設ける構成とするのが望ましく、これによりガス管内の水素ガスの冷却がより一層促進される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るガス充填装置によれば、簡単な熱交換器を使用しても所望の水素ガス冷却効果を得ることができるので、装置コストの大幅な低減はもとより、エネルギー消費量の大幅な削減を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１および図２は、本発明に係るガス充填装置の要部構造を示したものである。なお、本ガス充填装置の全体構造は、前出図３に示したものと同じであるので、ここでは、全体構造として図３を代用することとする。本実施形態においては、前記ディスペンサ４側における充填ホース２の先端の充填カップリング８（図３）が接続される車両５側のレセプタクル９と前記ガスタンク６とを接続するガス管７の途中に、該ガス管７内の水素ガスを冷却する熱交換器１０を設けている。
【００１５】
熱交換器１０は、ガス管７から分岐して並列に配置された複数の分岐管１１と該分岐管１１を空冷する冷却ファン１２とを備えている。複数の分岐管１１は、レセプタクル９に接続する上流側のガス管７ａから第１のマニホールド１３を介して分岐されると共に、ガスタンク６に接続する下流側のガス管７ｂに対して第２のマニホールド１４を介して集合されている。また、各分岐管１１の外周には多数のフィン１５が設けられている。冷却ファン１２は、これら分岐管１１に対してその軸に直交する方向から空気を吹付けできるように配置されている。
【００１６】
本実施形態において、上記ガス管７は、図２によく示されるように、熱交換器１０の上流側のガス管７ａの流路断面積φＤ１よりも、熱交換器１０の下流側のガス管７ｂの流路断面積φＤ３が大きくなるように（φＤ１＜φＤ３）、それぞれの口径が設定されている。また、熱交換器１０内の各分岐管１１は、その流路断面積φＤ２が上流側のガス管７ａの流路断面積φＤ１よりも大きく、かつ下流側のガス管７ｂの流路断面積φＤ３よりも小さくなるようにその口径が設定されている（φＤ１＜φＤ２＜φＤ３）。
【００１７】
上記のように構成したガス充填装置により車両（水素燃料電池自動車）５に水素ガスの供給を行うには、図３に示したようにディスペンサ４から充填ホース２を取外して、その先端の充填カップリング８を車両５側のレセプタクル９に連結する。レセプタクル９には逆止弁（図示略）が内蔵されており、前記連結に応じてこの逆止弁が開弁され、車両５に搭載されたガスタンク６がガス管７および充填ホース２を介してディスペンサ４のガス充填系に連通される。
【００１８】
そして、上記ガスタンク６がディスペンサ４側に連通された状態で、先ず熱交換器１０の冷却ファン１２が回転駆動され、続いてディスペンサ4側のボタン操作で、該ディスペンサ４内のガス供給系が開かれ、貯蔵タンク１内の高圧の水素ガスが充填ホース２からレセプタクル９を経てガス管７へ圧送される。このとき、レセプタクル９に内蔵された逆止弁が絞りとなって水素ガスが断熱膨張し、その温度が上昇する。この断熱膨張により高温になった水素ガスは、上流側ガス管９ａから第１のマニホールド１３を経て熱交換器１０内の分岐管１１に流入する。このとき、上流側のガス管７ａの流路断面積φＤ１よりも熱交換器１０内の各分岐管１１の流路断面積φＤ２が大きくなっているので、水素ガスは、さらに断熱膨張しながら分岐管１１内に流入し、この間、さらに水素ガスの温度が上昇する。
【００１９】
しかして、熱交換器１０内の分岐管１１は冷却ファン１２により冷却されているので、水素ガスの熱が分岐管１１を介して外部へ速やかに放熱され、分岐管１１内を流通する間に水素ガスが十分に冷却される。本実施形態においては特に、分岐管１１を複数配列しかつ各分岐管１１の外周にフィン１５を設けているので、水素ガスの冷却はより一層促進される。
【００２０】
上記分岐管１１を通過した水素ガスは、下流側のガス管７ｂに流入するが、該下流側のガス管７ｂの流路断面積φＤ３が分岐管１１の流路断面積φＤ２よりも大きくなっているので、水素ガスは、ここで再び断熱膨張し、その温度が上昇する。しかし、水素ガスは、レセプタクル９を通過する際および熱交換器１０内の分岐管１１に流入する際の２回にわたって断熱膨張しているので、下流側のガス管９ｂでの断熱膨張量はわずかとなり、したがって該ガス管９ｂ内における水素ガスの温度上昇はわずかとなる。その後、水素ガスは、下流側のガス管９ｂからガスタンク６内へ吐出するが、前記ガス管９ｂを流通する間、該ガス管９ｂを介しての放熱が進むので、ガスタンク６内へ吐出する際の水素ガスの温度は低くなっている。また、ガスタンク６へ吐出された水素ガスは、ガスタンク６内でも断熱膨張するが、上記した事前の３回の断熱膨張の繰返しにより、その断熱膨張量わきわめてわずかであり、ガスタンク６内での断熱膨張による水素ガスの温度はきわめてわずかとなる。
【００２１】
一方、ガスタンク６内への断熱圧縮充填により水素ガスの温度が上昇する。しかし、この断熱圧縮充填による温度上昇は、前記したように圧縮比（圧力比）の大きい初期の低圧域だけで、その後の温度上昇はわずかであり、前記断熱膨張による温度上昇がほとんど無視できることもあって、ガスタンク６の温度上昇は低く抑えられる。したがって、ガスタンク６が、アルミ製ライナーの外周に樹脂含浸繊維を巻付けて固めた複合構造であっても、強度面の不安はない。
【００２２】
なお、上記実施形態においては、熱交換器１０内の各分岐管１１の流路断面積φＤ２を、上流側のガス管７ａの流路断面積φＤ１よりも大きく、かつ下流側のガス管７ｂの流路断面積φＤ３よりも小さくした（φＤ１＜φＤ２＜φＤ３）が、本発明は、これら流路断面積を同一に設定してもよいものである。この場合は、レセプタクル９に内蔵された逆止弁を通過する際の断熱膨張による水素ガスの温度上昇分だけが、熱交換器１０によって冷却されることになる。しかし、前記逆止弁を通過する際の断熱膨張による水素ガスの温度上昇は、ガスタンク６に吐出された際の断熱膨張による水素ガスの温度上昇と比べて、かなり大きくなっているので、この場合でも、ガスタンク６の温度抑制効果は十分となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るガス充填装置の要部構造を示す側面図である。
【図２】本ガス充填装置における熱交換器の設置構造を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明が適用されるガス充填装置の全体構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    水素貯蔵タンク
２    充填ホース
４    ディスペンサ
５    車両（水素電池自動車）
６    ガスタンク
７    ガス管
７ａ  上流側ガス管
７ｂ  下流側ガス管
８    充填カップリング
９    レセプタクル
１０  熱交換器
１１  分岐管
１２  冷却ファン
１５  フィン
【図１】
2008151186.tif 000003
【図２】
2008151186.tif 000004
【図３】
2008151186.tif 000005