(57)【要約】【課題】比較的単純な構成で、水素ガスの急速充てんを安全に行うことが可能な燃料充てん装置を提供する。【解決手段】液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器４を備え、この熱交換器４は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置１内に放出することができるようになっていることを特徴とする燃料充てん装置１を用いる。これにより、液体不活性ガスで水素ガスを冷却してから自動車１２の燃料タンク１３に充てんすることができるので、水素ガスの急激な温度上昇を抑制して、急速充てんが可能になる。また、水素ガスから奪った熱により気化した不活性ガスが燃料充てん装置１に供給されることにより、燃料充てん装置１内部を不活性ガス雰囲気とすることができるので、水素ガスの爆発を防止でき、充てんを安全に行うことができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充填する燃料充てん装置であって、
水素ガスを冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料充てん装置
【請求項２】
水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっていることを特徴とする燃料充てん装置。
【請求項３】
前記熱交換器は、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃料充てん装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に水素を燃料として充てんする燃料充てん装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車として、圧縮天然ガスを燃料として用いる圧縮天然ガス自動車や、水素ガスを燃料として用いる水素ガス自動車の開発が進められている。これらの自動車は、炭酸ガス、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の排出量が少ないという特長がある。
これらの自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、その燃料である圧縮天然ガスまたは水素ガスを充てんする燃料充てん装置（ディスペンサー）を備えた供給基地まで走行し、この燃料充てん装置から圧縮天然ガスまたは水素ガスを補給することとなる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
燃料タンクとしては、軽量化のために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる容器が使用されている。ＦＲＰ容器は、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定されており、その規定値は一般に約８５℃である。
【０００４】
圧縮天然ガスは、他の高圧ガス（不活性ガス、酸素ガス等）と同様に、圧縮状態（例えば圧力３５ＭＰａ）から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。そのため圧縮天然ガスは、細孔やスリットを備えた機器、例えば機器弁、逆止弁、カプラーを通過する際に、温度が低下する。このため、天然ガスを燃料タンクに充てんする際には、ガス温度の上昇が起こりにくいことから、タンク温度を管理することなく、容易にかつ短時間で充てんを行うことができる。
【０００５】
【非特許文献１】
社団法人日本ガス協会、「圧縮天然ガススタンド安全技術指針」、平成１０年４月、ｐ４４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇する。さらに、燃料タンクに充てんする際に、断熱圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が極めて高くなりやすい。ＦＲＰからなる燃料タンクは使用温度に上限があるため、水素ガスの充てんを行うに際しては厳重な温度管理が要求され、また、充てん速度を高めることが難しい。
【０００７】
また、水素ガスは、空気中での爆発下限界濃度が４ｖｏｌ％、爆発上限界濃度が７５ｖｏｌ％であることから、漏れなどが生じると大変危険であるため、一般に水素ガス用の燃料充てん装置に使用される部品は、ＪＩＳ　Ｃ　０９３１に規定される耐圧防爆構造を適用する。このため、水素ガス用の燃料充てん装置の製造や維持管理には多額の費用が掛かり、高価になるとともに、当該装置が大型化するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、比較的単純な構成で、水素ガスの急速充てんを安全に行うことが可能な燃料充てん装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充填する燃料充てん装置であって、水素ガスを冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料充てん装置を提供する。
これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
【００１０】
さらに本発明は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっていることを特徴とする燃料充てん装置を提供する。
液体不活性ガスとしては、液体窒素、液体アルゴンなどが例示される。
【００１１】
前記熱交換器としては、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部と備えたものを用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の燃料充てん装置の第１の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１は、水素ガス貯留タンク２からの水素ガスを供給する水素ガス供給経路３と、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、水素ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、水素ガスを冷却する熱交換器４と、水素ガス供給経路３に設けられた遮断弁Ｖ２と、水素ガス自動車１２に充てんされる水素ガスの圧力を検出する圧力計５とが、外装体６内に設けられたものである。
【００１３】
外装体６は、ステンレス等の金属や、アクリル樹脂などのプラスチック等の剛性材料からなる。外装体６は、気密構造とすることが好ましいが、必ずしも厳密な気密構造とする必要はなく、熱交換器４で気化した不活性ガスが、外装体６内で陽圧を維持できるように、発生量以上に漏出しないようになっていればよい。
【００１４】
熱交換器４は、ステンレスなどからなる容器２０と、この容器２０内に配置された水素ガス流通経路２１とを備えている。水素ガス流通経路２１は、水素ガス供給経路３に接続されている。また、容器２０には、液体不活性ガスタンク（図示略）から液体不活性ガス供給経路２２を介して液体不活性ガスが供給されるようになっている。また、容器２０には、外装体６内に開口された放出口を有する不活性ガス放出経路２３が接続されており、この不活性ガス放出経路２３を介して、該容器２０内で気化した不活性ガスを外装体６内に放出することができるようになっている。
【００１５】
熱交換器４は、液面センサ（図示略）により検出された容器２０内の液体不活性ガスの液面位置に基づいて、容器２０内への液体不活性ガスの供給量を制御することができるように構成することが好ましい。この構成により、容器２０内の液体不活性ガスの量をほぼ一定とすることができる。
また、熱交換器４の水素ガス流通経路２１は、コイル状に形成したり、外周に放熱板を設けることによって、水素ガスと液体不活性ガスとの熱交換効率を高めるように構成することが好ましい。
【００１６】
液体不活性ガスとしては、常温で気体であり、化学的に不活性であって、水素ガスを希釈することにより、水素ガスの引火や爆発を防止できるものが用いられる。具体的には、液体窒素、液体アルゴンなどが例示されるが、価格や供給の安定性などの観点から、液体窒素が好ましい。
【００１７】
水素ガス供給経路３の端部には、フレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。この連絡管１１の他端は、水素ガス自動車１２の燃料タンク１３に接続された水素ガス供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。
符号Ｖ３は、水素ガス自動車１２の水素ガス供給経路１４に設けられた逆止弁であり、燃料タンク１３内の燃料が外部に漏出するのを防ぐことができるようになっている。
【００１８】
さらに、本実施の形態の燃料充てん装置１は、外装体６の内圧を検出する圧力センサ２４と、外装体６内のガスを排気する排気経路２６に設けられた排気弁２７と、圧力センサ２４の検出値に基づいて、排気弁２７の開閉を制御する制御部２５とを備えた構成とすることが好ましい。
【００１９】
次に、本実施の形態の燃料充てん装置１を用いて、水素ガス自動車１２に水素ガスを充填する方法について説明する。
まず、水素ガス自動車１２への燃料充てんに先立ち、熱交換器４に液体不活性ガスを供給し、熱交換器４の温度を充分に低下させるとともに、前記液体不活性ガスの気化により発生した不活性ガスを外装体６内に放出し、該外装体６内の空気を追い出して、外装体６内を不活性ガス雰囲気とする。
【００２０】
燃料充てんのため、燃料充てん装置１を訪れた水素ガス自動車１２に、連絡管１１を接続する。次いで、遮断弁Ｖ２を開き、貯留タンク２からの水素ガスを水素ガス供給経路３に導入する。水素ガスの供給流量は、流量調整弁Ｖ１によって適切な値に調整することができる。水素ガスは、特に流量調整弁Ｖ１を通過する際に、ジュールトムソン効果により、温度が上昇する。
【００２１】
流量調整弁Ｖ１を経た水素ガスは、熱交換器４の水素ガス流通経路２１に導入される。液体不活性ガス供給経路２２により熱交換器４の容器２０内に液体不活性ガスが導入され、この液体不活性ガスが、水素ガス流通経路２１内の水素ガスと熱交換されることにより、水素ガスが冷却される。熱交換器４で冷却された水素ガスは、遮断弁Ｖ２、連絡管１１、水素ガス供給経路１４を通して燃料タンク１３に充てんされる。
また、液体不活性ガスは、水素ガス流通経路２１内の水素ガスを冷却することにより、その一部が気化する。気化した不活性ガスは、不活性ガス放出経路２３を通して、外装体６内に放出される。
熱交換器４には、気化による減少分に応じて、液体不活性ガスを上記液体不活性ガス供給経路２２から容器２０に供給することが好ましい。これにより、容器２０内の液体不活性ガス量を所定量以上に維持できるとともに、外装体６内の不活性ガスの圧力を所定値以上に維持することができる。
【００２２】
圧力センサ２４によって検出された外装体６内圧に基づいて、排気弁２７の開閉を制御することにより、外装体６の内圧を陽圧に維持する。
より具体的には、圧力センサ２４の検出値が予め設定された設定範囲を下回ると、この検出値に応じた検出信号が制御部２５に送られ、この検出信号に応じた制御信号が排気弁２７に送られて、この制御信号に応じて排気弁２７が閉止する。これにより、熱交換器４から放出された不活性ガスは外装体６内に滞留し、外装体６の内圧を高めることができる。また、圧力センサ２４の検出値が上記設定範囲を越えると、この検出値に応じた検出信号が制御部２５に送られ、この検出信号に応じた制御信号が排気弁２７に送られて、この制御信号に応じて排気弁２７が開放され、過剰な不活性ガスが排気される。
【００２３】
このように、本実施の形態の燃料充てん装置１は、水素ガスを液体不活性ガスにより冷却する熱交換器４を備えているので、水素ガスを効果的に冷却することができ、低温の水素ガスを燃料タンク１３に充てんすることができる。このため、流量調整弁Ｖ１を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、熱交換器４により冷却することができ、水素ガスの充てん前温度を下げることができる。従って、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができるので、水素ガスの充てん速度を高め、短時間で充てんを行うことができる。
【００２４】
また、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置１の外装体６内に放出することができるように構成されているので、外装体６を不活性ガス雰囲気に保ち、外装体６内の水素ガスや酸素ガスの濃度を常に低く維持することができる。このため、水素ガスの爆発を未然に防止することができる。
このため、液体不活性ガスの気化により発生した不活性ガスを保護ガスとして、燃料充てん装置１に使用される電気部品をＪＩＳ　Ｃ　０９３２に規定されている内圧防爆構造とすることができるので、燃料充てん装置１を耐圧防爆構造とする必要はなくなる。従って、比較的簡単な構造により、安価で安全な燃料充てん装置１を実現することができる。
【００２５】
次に、本発明の燃料充てん装置の第２の実施の形態について説明する。図２は、第２の実施の形態の燃料充てん装置３０の一例を示す概略構成図である。図２において、図１で用いた符号と同一の符号は、図１の構成と同様のものであることを意味し、説明を省略する。
本実施の形態の燃料充てん装置３０においては、熱交換器４に供給された液体不活性ガスの一部のみが外装体６内に放出されるようになっている。
【００２６】
図２に示すように、熱交換器４には、液体不活性ガスの供給経路２２と排出経路３１とが接続されている。また、液体不活性ガス排出経路３１から配管３２が分岐しており、この配管３２には蒸発器３３が接続されており、この蒸発器３３には、放出弁３４を備えた不活性ガス放出経路３５が接続されている。
蒸発器３３は、放熱板などにより外装体６内のガスとの接触面積を大きくして、外装体６内のガスとの熱交換により配管３２内の液体不活性ガスを温めて気化させる装置である。そして、この蒸発器３３によって気化した不活性ガスは、不活性ガス放出経路３５を通って外装体６内に放出されるようになっている。
また、放出弁３４は、所定の開度とすることにより、蒸発器３３からの液体不活性ガスの放出量を調節できるようになっている。
【００２７】
蒸発器３３としては、例えば、常時一定量の液体不活性ガスを気化させて、得られた不活性ガスを外装体６内に放出するものを用いてもよい。また、外装体６の内圧を測定する圧力計（図示略）からの検出信号に基づいて、この内圧の減少量に応じた量の液体不活性ガスを気化させるように制御されていてもよい。また、蒸発器３３による不活性ガスの気化量と、排気弁２７からの不活性ガスの排出量とが釣り合うように、蒸発器３３と排気弁２７とを連動して制御するようにすることもできる。
蒸発器３３による不活性ガスの気化量を充分に多くできる場合には、排気弁２７を常に一定の開度で開いていても、外気の進入を阻止できるので、排気弁２７の開閉を外装体６の内圧に基づいて制御しなくてもよい。
【００２８】
このような燃料充てん装置３０によれば、上記第１の実施の形態の燃料充てん装置１と同様に、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを外装体６内に放出することができるように構成されているので、外装体６を不活性ガス雰囲気に保ち、燃料充てん装置３０を内圧防爆構造とすることができる。従って、比較的簡単な構造により、安価で安全な燃料充てん装置３０を実現することができる。
【００２９】
また、液体不活性ガス供給経路２２から熱交換器４への液体不活性ガスの供給量を増やし、過剰な液体不活性ガスを液体不活性ガス排出経路３１により排出することができるので、熱交換器４内の液体不活性ガスの流速を高め、液体不活性ガスと水素ガスとの熱交換効率を向上することができる。このため、熱交換器４の冷却能力を向上することができる。
【００３０】
次に、本発明の燃料充てん装置の第３の実施の形態について説明する。図３は、この燃料充てん装置４０の一例を示す概略構成図である。図３において、図１、２で用いた符号と同一の符号は、図１、２の構成と同様のものであることを意味し、説明を省略する。
この燃料充てん装置４０においては、熱交換器４１は、水素ガスを中間媒体Ｍにより冷却する第１熱交換部４２と、中間媒体Ｍを液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部４３とを備えている。
【００３１】
第１熱交換部４２は、中間媒体Ｍを収容する第１容器４２ａと、この第１容器４２ａ内に設けられた水素ガス流通経路４２ｂを備えている。水素ガス流通経路４２ｂは、水素ガス供給経路３に接続されている。
また、第２熱交換部４３は、中間媒体Ｍを収容する第２容器４３ａと、この第２容器４３ａ内に設けられた液体不活性ガス流通経路４３ｂを備えている。液体不活性ガス流通経路４３ｂは、液体不活性ガス供給経路２２および液体不活性ガス排出経路３１に接続されている。
第１容器４２ａと第２容器４３ａとは、外部に対して気密に設けられている。
【００３２】
中間媒体Ｍとしては、液体不活性ガスによる冷却により液化し、かつ、固化しない性状を示す流体が望ましい。中間媒体Ｍとしては例えば、メタノール、ジクロロメタン、フロリナートなどを用いることができる。中間媒体Ｍは、第１容器４２ａおよび第２容器４３ａ内で、気液平衡下におかれている。
【００３３】
第１容器４２ａの上部と、第２容器４３ａの下部とは、第１連絡経路４４によって接続されている。また、第２容器４３ａの上部と、第１容器４２ａの上部とは、第２連絡経路４５によって接続されている。
これにより、熱交換器４１は、第１連絡経路４４を介して、第２容器４３ａ内の液状の中間媒体Ｍを第１容器４２ａ内に導入し、この第２連絡経路４５を介して、第１容器４２ａ内の気体の中間媒体Ｍを第２容器４３ａ内に導入することができるようになっている。
【００３４】
熱交換器４１内の中間媒体Ｍは、第１容器４２ａと第２容器４３ａの間を、第１および第２の連絡経路４４、４５を介して循環するようになっている。
より具体的には、中間媒体Ｍは、第２容器４３ａにおいて、液体不活性ガス流通経路４３ｂを流れる液体不活性ガスにより冷却され、第１連絡経路４４を介して第１容器４２ａに移動し、そこで水素ガス流通経路４２ｂ内を流れる水素ガスを冷却するようになっている。水素ガスから得た熱により気化した中間媒体Ｍは、第２連絡経路４５を介して第２容器４３ａに移動し、そこで液体不活性ガス流通経路４３ｂを流れる液体不活性ガスにより冷却されて、再度液化される。
【００３５】
この熱交換器４１には、中間媒体Ｍの気相の圧力を測定する圧力指示調節計４６が設けられており、この圧力指示調節計４６は、水素ガスの冷却により中間媒体Ｍが気化し、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値以上になると、液体不活性ガス供給経路２２に設けられた調節弁４７を開き、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値未満になると、調節弁４７を閉じるように制御するものである。
これにより、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値以上になると、液体不活性ガス流通経路４３ｂに液体不活性ガスを流し、中間媒体Ｍを冷却してその気相の圧力を低下させる。中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値未満になると、調整弁４７を閉じて液体不活性ガスの流通を停止して、中間媒体Ｍの冷却をやめる。
これにより、中間媒体Ｍの気相の圧力を所定の範囲内に維持することができる。すなわち、気液平衡下にある中間媒体Ｍの温度を所定の範囲内に維持することができる。
【００３６】
このような燃料充てん装置４０によれば、中間媒体Ｍが入れられた熱交換器４１に液体不活性ガスを供給し、この液体不活性ガスにより中間媒体Ｍを冷却して、その温度を所定の範囲内に調整し、この中間媒体Ｍを用いて水素ガスを冷却することができるので、水素ガスの冷却温度の調節を精度よく行うことができる。
【００３７】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施の形態のみに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上記実施例では、熱交換器４を外装体６内に設置した例により説明を行ったが、これに限定されず、熱交換器４を外装体６外に設置することもできる。この場合は、熱交換により気化した不活性ガスを外装体６内に導入することにより同様の効果を得ることができる。
また例えば、外装体６に酸素濃度計や水素濃度計を取り付け、外装体６内の酸素や水素の濃度を監視するようにしてもよい。この場合、これらのガス濃度計の検出値に基づいて、液体不活性ガス供給経路２２の流量や、蒸発器３３の気化量、排気弁２７の開閉などを制御し、酸素や水素の濃度が高まる前に液体不活性ガスの供給量を増やし、この不活性ガスにより酸素や水素を希釈して排出するようにすれば、安全性を一層向上することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、水素ガスを冷却する熱交換器を備えた燃料充てん装置によれば、水素ガスを冷却してから自動車の燃料タンクに充てんすることができる。これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
【００３９】
また、液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっている燃料充てん装置を用いることもできる。
これにより、液体窒素などの液体不活性ガスにより、水素ガスを冷却してから、自動車の燃料タンクに充てんすることができる。これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
また、水素ガスの冷却により気化した不活性ガスを、燃料充てん装置内に放出することにより、燃料充てん装置内を不活性ガス雰囲気にし、水素ガスの爆発を防止することができるので、比較的単純な構成で、水素ガスの急速充てんを安全に行うことができるとともに、燃料充てん装置の防爆構造をより簡易なものにし、燃料充てん装置の小型化、低価格化を達成することができる。
【００４０】
さらに、熱交換器として、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部とを備えたものを用いることにより、中間媒体が入れられた第２熱交換部に液体不活性ガスを供給し、この液体不活性ガスにより中間媒体を冷却して一定の温度に制御し、この中間媒体を用いて水素ガスを冷却することができるので、水素ガスの冷却温度の制御を精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料充てん装置の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料充てん装置の第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明の燃料充てん装置の第３の実施の形態の要部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…燃料充てん装置、３…水素ガス供給経路、４…熱交換器、１２…水素ガス自動車、１３…燃料タンク、２２…液体不活性ガス供給経路、２３…不活性ガス放出経路、３０…燃料充てん装置、４０…燃料充てん装置、４１…熱交換器、４２…第１熱交換部、４３…第２熱交換部、４４…第１連絡経路、４５…第２連絡経路、Ｍ…中間媒体。
【図１】
2004125087.tif 000003
【図２】
2004125087.tif 000004
【図３】
2004125087.tif 000005