(57)【要約】【課題】短時間に車載タンクへ水素ガスを満充填することができる水素ガスの充填装置を提供する。【解決手段】車両１にディスペンサ２７が接続されると、充填用プラグ２１と充填用レセプタクル５，放出用プラグ２２と放出用レセプタクル８，信号用プラグ２３と信号用レセプタクル９がそれぞれ接続される。次いで放出弁６を開き、車載高圧水素タンク２から水素を放出する。車両から放出された水素は、水素供給源選択弁３３を介して昇圧機３２で昇圧し、高圧水素タンク２９に充填する。放出が終了すると、水素充填弁２８を開いて、高圧水素タンク２９の水素を車載高圧水素タンク２へ充填する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧水素タンクと、該高圧水素タンクから水素を放出する水素放出用バルブと、を備えた車両において、
前記高圧水素タンクへ水素を充填する前に、前記水素放出バルブから水素を放出することを特徴とする水素ガスの充填装置。
【請求項２】
前記高圧水素タンクの温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段が検出した高圧水素タンクの温度が規定値以上の場合に、前記水素放出バルブから水素を放出することを特徴とする請求項１記載の水素ガスの充填装置。
【請求項３】
前記高圧水素タンクの温度を検出する温度検出手段と、前記高圧水素タンクに水素の充填を開始する温度である充填開始目標温度を算出する充填開始目標温度算出手段とを備え、
前記温度検出手段が検出した高圧水素タンクの温度が前記充填開始目標温度以上の場合に、前記水素放出バルブから水素を放出することを特徴とする請求項１記載の水素ガスの充填装置。
【請求項４】
前記高圧水素タンクの残水素量を検出する残水素量検出手段をさらに備え、
前記充填開始目標温度算出手段は、前記温度検出手段が検出した高圧タンクの温度と前記残水素量検出手段が検出した残水素量とに基づいて、前記充填開始目標温度を算出することを特徴とする請求項３記載の水素ガスの充填装置。
【請求項５】
前記高圧水素タンクの残水素量が少なく温度が高いほど、前記充填開始目標温度を低く算出することを特徴とする請求項４記載の水素ガスの充填装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを車両搭載タンクに充填するための水素ガスの充填装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載されたガスタンクへ高圧ガスを充填する従来技術としては、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を車載タンクへ充填する技術や、高圧水素ガスを車載タンクへ充填する技術が知られている。
【０００３】
いずれの従来技術においても車両へガスを充填する時に、車載タンク内のガスを放出することはなく、ガス充填機能のみを有していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガス充填ステーションにおける車両へのガス供給は、その利便性から短時間に完了することが望ましい。しかしながら、車両の高圧水素ガスタンクへ急速に水素ガスを充填しようとした場合、物性的に水素タンクの温度が上昇してしまうことがわかっている。このため、充填初期に水素タンクの温度が高い場合、水素ガスを所定の圧力まで満充填する前に、水素タンク温度が上限に達し、満充填することができないという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、短時間に車載タンクへ水素ガスを満充填することができる水素ガスの充填装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、高圧水素タンクと、該高圧水素タンクから水素を放出する水素放出用バルブと、を備えた車両において、前記高圧水素タンクへ水素を充填する前に、前記水素放出バルブから水素を放出することを要旨とする水素ガスの充填装置である。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の水素ガスの充填装置において、前記高圧水素タンクの温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段が検出した高圧水素タンクの温度が規定値以上の場合に、前記水素放出バルブから水素を放出することを要旨とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の水素ガスの充填装置において、前記高圧水素タンクの温度を検出する温度検出手段と、前記高圧水素タンクに水素の充填を開始する温度である充填開始目標温度を算出する充填開始目標温度算出手段とを備え、前記温度検出手段が検出した高圧水素タンクの温度が前記充填開始目標温度以上の場合に、前記水素放出バルブから水素を放出することを要旨とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項３記載の水素ガスの充填装置において、前記高圧水素タンクの残水素量を検出する残水素量検出手段をさらに備え、前記充填開始目標温度算出手段は、前記温度検出手段が検出した高圧タンクの温度と前記残水素量検出手段が検出した残水素量とに基づいて、前記充填開始目標温度を算出することを要旨とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項４記載の水素ガスの充填装置において、前記高圧水素タンクの残水素量が少なく温度が高いほど、前記充填開始目標温度を低く算出することを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、車両の高圧水素タンクへ水素を充填する前に、一旦高圧水素タンク内ガスをステーションへ放出するようにしたので、高圧水素タンクの温度が下がり、車両への水素を急速に充填する場合に高圧水素タンクの温度上限に制約されず満充填が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る水素ガスの充填装置を適用した車両１と水素供給ステーション２０との第１実施形態の構成を示す水素充填システムの構成図である。車両１としては、水素を燃料とする燃料電池車両や、水素をエンジン内で燃焼させる水素エンジン車両が考えられる。
【００１３】
車両１は、車載高圧水素タンク２と、容器元弁３と、車両充填系配管４と、水素供給ステーションから車両へ水素ガスを送るための充填用レセプタクル５と、車両からの水素放出を可能とする水素放出弁６と、車両放出系配管７と、車両から水素供給ステーションへ水素を放出するための放出用レセプタクル８と、車両と水素供給ステーション間の信号を接続するための信号用レセプタクル９と、車両制御ユニット１０と、車載高圧水素タンク２の温度を検出する温度センサ１１と、車載高圧水素タンク２の圧力を検出する圧力センサ１２と、信号用レセプタクル９と車両制御ユニット１０とを接続する信号線１３と、を備えている。
【００１４】
水素供給ステーション２０は、水素供給ステーションから車両へ水素ガスを送るための充填用プラグ２１と、車両から水素供給ステーションへ水素を放出するための放出用プラグ２２と、信号用プラグ２３と、充填系配管２４と、放出系配管２５と、信号用プラグ２３とステーション制御ユニット３５を接続する信号線２６と、車両１と水素供給ステーション２０とを接続し水素の受給を行なうディスペンサ２７と、車両１へ水素を供給する水素供給弁２８と、車両へ供給する水素を蓄える高圧水素タンク２９と、高圧水素タンク２９毎に設けられその内圧を検出する圧力センサ３０と、昇圧機３２で昇圧された水素を高圧水素タンク２９に充填する充填弁３１と、水素ガスの圧力を昇圧する昇圧機３２と、図外の供給水素源と車両から放出された水素を選択する水素供給源選択弁３３と、起動スイッチ３４と、ステーション制御ユニット３５と、を備えている。
【００１５】
尚、温度センサ１１は、車載高圧水素タンク２の温度を検出するものでもよいし、温度センサの検知部が車載高圧水素タンク２の内部に突出し、内部の水素ガス温度を検出するものでもよい。以下の説明では、タンク温度と内部水素温度とを総称してタンク温度とする。
【００１６】
充填用プラグ２１は充填用レセプタクル５と、放出用プラグ２２は放出用レセプタクル８と、信号プラグ２３は信号レセプタクル９と、それぞれ嵌合するようになっている。これらプラグとレセプタクルは、図１では水素供給ステーション２０側をプラグ、車両１側をレセプタクルとしたが、これに限らず車両１側をプラグ、水素供給ステーション２０側をレセプタクルとしてもよい。
【００１７】
ディスペンサ２７は、充填系配管２４，放出系配管２５，信号線２６を一纏めにして水素供給ステーション２０と車両１との接続を容易にするものである。
【００１８】
水素供給弁２８，高圧水素タンク２９，圧力センサ３０，充填弁３１は、特に限定されないがそれぞれ複数の同数備えることが好ましい。
【００１９】
車載高圧水素タンク２の水素ガスは、容器元弁３，水素放出弁６，車両放出系配管７，放出用レセプタクル８，放出用プラグ２２，放出系配管２５を介して水素供給源選択弁３３へ導かれる。
【００２０】
水素供給源選択弁３３は、三方弁を用いた選択弁であり、車両１から放出された水素または図外の水素供給源からの水素を選択して昇圧機３２へ送るものである。
【００２１】
昇圧機３２は、水素を圧縮、昇圧して充填弁３１を介して高圧水素タンク２９に充填するためのコンプレッサである。
【００２２】
高圧水素タンク２９に貯蔵された水素ガスは、充填弁２８、充填系配管２４，充填用プラグ２１，充填用レセプタクル５，車両充填配管４，容器元弁３を順次介して、車載高圧水素タンク２に充填できるようになっている。
【００２３】
次に、上記構成による第１実施形態の水素充填動作を説明する。
【００２４】
（１）車両を所定位置に停車させ、機関（または燃料電池発電装置）を停止した後に、水素供給ステーション２０のディスペンサ２７を車両１に接続する。（２）水素供給ステーション２０の起動スイッチ３４を操作する。（３）車両制御ユニット１０は、水素放出弁６を開く。
【００２５】
（４）ステーション制御ユニット３５は、水素供給源選択弁３３で車両側を選択するとともに、昇圧機３２を駆動して、車両から放出された水素を充填弁３１を介して高圧水素タンク２９へ充填する。
【００２６】
（５）車両制御ユニットは、水素の放出が終了すると水素放出弁６を閉じる。（６）ステーション制御ユニットは、昇圧機３２を停止させる。（７）ステーション制御ユニットは、水素供給弁２８を開いて車両へ水を供給する。
【００２７】
なお、本実施形態をはじめ、以下の各実施形態では、水素放出用バルブの開閉は、車両制御ユニットにより行うように記載しているが、ステーション制御ユニットにより行うようにしてもよい。
【００２８】
また、車両１から放出された水素は、水素供給ステーション２０内で直ちに昇圧機３２により高圧水素タンク２９へ充填する代わりに、水素供給ステーションに別途備えた一時貯蔵用の低圧水素タンクに貯蔵するようにしてもよい。
【００２９】
以上説明した第１実施形態によれば、車両の高圧水素タンクへ水素を充填する前に、一旦高圧水素タンク内ガスは全てステーションへ放出される。このため、高圧水素タンクは、もっとも温度の低い状態となる。この状態で水素供給ステーションから水素が車両へ供給されるため、車両への水素を急速に充填する場合に高圧水素タンクの温度上限に制約されず満充填が可能となる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
次に、図２乃至図４のフローチャートを参照して、第２実施形態の水素ガス充填動作を説明する。第２実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第１実施形態との相違は、充填前に車載高圧水素タンク２の温度、または同タンク内の水素温度を温度検出手段である温度センサ１１で検出し、その検出結果が既定値以上の場合に車載高圧水素タンク２から水素を放出し、その後、水素供給ステーション２０から水素を供給することである。
【００３１】
尚、図２乃至図４において、図中左側のフローが車両制御ユニット１０の処理、図中右側のフローがステーション制御ユニット３５の処理を示し、左右間の線は、両制御ユニット間の信号の授受（通信）を示すものとする。
【００３２】
フローチャートの動作に入る前に、まず車両１が水素供給ステーション２０の所定位置に停車し、車両１のキースイッチがオフにされる。次いで、ディスペンサ２７が車両１に接続される。これにより、車両１と水素供給ステーション２０との間で、充填用プラグ＆レセプタクル、放出用プラグ＆レセプタクル、信号用プラグ＆レセプタクルがそれぞれ接続され、車両制御ユニット１０とステーション制御ユニット３５との間で交信可能となる。
【００３３】
図２において、ステーション制御ユニットは、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０で、水素供給ステーションの起動スイッチ（以下、起動ＳＷ）３４の状態信号を検出し、Ｓ１２で起動ＳＷ信号がオンか否かを判定し、オンでなければＳ１０へ戻る。起動ＳＷ３４が起動のためにオン操作されると、Ｓ１２の判定で起動ＳＷ信号がオンとなり、Ｓ１４でステーション制御ユニットから車両制御ユニットへ起動信号を送信し、次いでＳ１６〜Ｓ２０のループで車両制御ユニットからの信号を待機する。
【００３４】
一方、車両制御ユニットは、Ｓ１００でステーション制御ユニットから信号を受信し、Ｓ１０２で起動信号を受信したか否かを判定し、起動信号を受信していなければ、Ｓ１００に戻るループで待機している。この状態でステーション制御ユニットから起動信号を受信すると、Ｓ１０２の判定がＹｅｓとなり、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４では、車両制御ユニットが起動し、Ｓ１０６で車載高圧水素タンク２の温度Ｔｐを温度センサ１１から読み込んで検出する。
【００３５】
次いでＳ１０８でタンク温度Ｔｐが所定値Ｔｆ以上であるか否かを判定する。所定値Ｔｆ以上でなければ、タンク温度Ｔｐが低くてタンク内の水素を放出することなく、直ちに水素充填が可能であるとして、図４のＳ１３２へ進む。
【００３６】
Ｓ１０８の判定がＹｅｓ、即ちタンク温度Ｔｐが所定値Ｔｆ以上であれば、車載高圧水素タンク２から残留水素ガスの放出が必要であるので、Ｓ１１０でステーション制御ユニットへ水素放出要求信号を送信して、図３のＳ１１２へ進む。
【００３７】
一方、ステーション制御ユニットは、Ｓ１６で車両制御ユニットからの信号を受信し、Ｓ１８で水素放出要求信号を受信したか否かを判定する。Ｓ１８の判定がＹｅｓ、即ち受信した信号が水素放出要求信号であれば、図３のＳ２２へ進む。Ｓ１８の判定がＮｏであれば、Ｓ２０で充填許可信号を受信したか否かを判定する。Ｓ２０の判定がＹｅｓであれば、図４のＳ４４へ進む。Ｓ２０の判定がＮｏであれば、Ｓ１６へ戻る。
【００３８】
Ｓ２２では、複数の圧力センサ３０が検出する高圧水素タンク２９毎の水素圧力値を読み込み、これらの圧力値を相互比較して、圧力最低の高圧水素タンク２９を選択し、そのタンクに対応する充填弁３１を開く。Ｓ２４で水素供給源選択弁３３を放出系配管２５側、即ち車両側に切り換え、車両が放出する水素を受け入れる準備をする。次いでＳ２６で車両制御ユニットに対して、水素放出許可信号を送信し、Ｓ２８，Ｓ３０のループで水素放出開始信号の受信待機する。
【００３９】
車両制御ユニットは、Ｓ１１２でステーション制御ユニットから信号を受信し、Ｓ１１４で水素放出許可信号を受信したか否かを判定する。水素放出許可信号を受信していなければ、Ｓ１１２へ戻る。水素放出許可信号と判定したとき、Ｓ１１６で水素放出弁６を開いて、車載高圧水素タンク２から水素供給ステーションへ水素の放出を開始し、Ｓ１１８で水素放出開始信号をステーション制御ユニットへ送信し、Ｓ１２０へ移る。
【００４０】
ステーション制御ユニットは、Ｓ２８で車両制御ユニットから信号を受信し、Ｓ３０で水素放出開始信号か否かを判定する。水素放出開始信号であれば、Ｓ３２で昇圧機３２を駆動し車両から放出された水素を高圧水素タンク２９に充填する。次いでＳ３４、Ｓ３６のループからなる水素放出停止信号の受信待機に移る。
【００４１】
車両制御ユニットは、Ｓ１２０において圧力センサ１２で検出した車載高圧水素タンク２内の水素圧力Ｐｈを読み込み、Ｓ１２２において、温度センサ１１で検出した車載高圧水素タンク２の温度Ｔｐを読み込む。次いで、Ｓ１２４で温度Ｔｐが所定温度Ｔｆ以下か否かを判定する。温度Ｔｐが所定温度Ｔｆ以下であれば、Ｓ１２８へ進む。温度Ｔｐが所定温度Ｔｆ以下でなければ、Ｓ１２６で圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｆ以下か否かを判定し、圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｆ以下であればＳ１２８へ進む。圧力Ｐｈが所定圧力Ｐｆ以下でなければ、Ｓ１２０へ戻り、水素放出を続ける。即ち、Ｓ１２０〜Ｓ１２６のループで、温度ＴｐがＴｆ以下になるか、圧力ＰｈがＰｆ以下になるまで水素を放出する。
【００４２】
Ｓ１２８では、ステーション制御ユニットへ水素放出停止信号を送信し、Ｓ１３０で水素放出弁６を閉じて、図４のＳ１３２へ移る。Ｓ１３２では充填許可信号をステーション制御ユニットへ送信する。次いで、Ｓ１３４で圧力センサ１１により車載高圧水素タンク２の圧力Ｔｐを検出し、Ｓ１３６で圧力Ｔｐが所定の充填停止圧力Ｐｓｔ以上か否かを判定する。圧力Ｔｐが所定の充填停止圧力Ｐｓｔ未満であれば、Ｓ１３４へ戻り、水素の充填を続ける。
【００４３】
Ｓ１３６の判定で圧力Ｔｐが所定の充填停止圧力Ｐｓｔ以上であれば、Ｓ１３８で充填停止信号を車両制御ユニットへ送信し、Ｓ１４０、Ｓ１４２の充填停止完了信号の受信待機ループへ移る。ステーション制御ユニットから充填停止完了信号を受信すると、車両制御ユニットの処理を終了する。
【００４４】
ステーション制御ユニットは、Ｓ３４で車両制御ユニットから信号を受信し、Ｓ３６で水素放出停止信号を受信したか否かを判定し、水素放出停止信号でなければ、Ｓ３４へ戻る。水素放出停止信号であれば、Ｓ３８で水素供給源選択弁３３を車両側から図外の水素供給源側へ切り換え、図４のＳ４０へ移る。Ｓ４０、Ｓ４２のループでは、車両制御ユニットからの充填許可信号を受信待機する。
【００４５】
Ｓ４０でステーション制御ユニットが車両制御ユニットから充填許可信号を受信すると、Ｓ４２の判定がＹｅｓとなり、Ｓ４４で圧力センサ３０の検出値を読み込み、複数の高圧水素タンク２９から最も圧力の高い高圧水素タンク２９を選択する。Ｓ４６で選択された高圧水素タンク２９の水素供給弁２８を開き、水素供給ステーションから車両への水素充填を開始する。次いで、Ｓ４８、Ｓ５０のループで車両制御ユニットから充填停止信号を受信待機する。
【００４６】
車両制御ユニットから受信した信号が充填停止信号であれば、Ｓ５２へ移り水素供給弁２８を閉じて水素の充填を停止する。次いでＳ５４で充填停止完了信号を車両制御ユニットへ送信して、ステーション制御ユニットの処理を終了する。
【００４７】
以上説明した第２実施形態によれば、高圧水素タンクの温度が既定値以上の場合に、水素を放出するようにしたので、外気温度が低い場合などの不必要な水素の放出を防止し、充填ステーションにおける充填時間の短縮が可能となる。
【００４８】
〔第３実施形態〕
次に、図２乃至図５のフローチャートを参照して、第３実施形態の水素ガス充填動作を説明する。第３実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。
【００４９】
第２実施形態との処理上の相違は、充填開始目標温度算出手段により充填前に車載高圧水素タンク２の充填開始目標温度を演算し、車載高圧水素タンク２の温度検出結果が充填開始目標温度以上の場合に車両１から水素を放出した後に、水素供給ステーション２０から充填していることである。
【００５０】
尚、充填開始目標温度算出手段は、図１のステーション制御ユニットのプログラムとして実現されている。
【００５１】
この充填開始目標温度を計算するため、図２のＳ１０６，Ｓ１０８に代えて、図５（ａ）のＳ２０２、Ｓ２０４，Ｓ２０６，Ｓ２０８を実行する。また、図３のＳ１２４に代えて、図５（ｂ）のＳ２２４を実行する。その他のステップは、第２実施形態と同様である。
【００５２】
Ｓ２０２において、車載高圧水素タンク２の圧力Ｐｈ、温度Ｔｐを、圧力センサ１２，温度センサ１１で検出する。Ｓ２０４でＰｈ、Ｔｐテーブルを参照して、車載高圧水素タンク２の残存水素量ＳＯＨを演算する。Ｐｈ、Ｔｐテーブルの例を図６に示す。このテーブルは、充填圧力Ｐｈ〔ＭＰａ〕とタンク温度Ｔｐ〔°Ｋ〕から所定のタンク容積を使用して、タンク内の水素量ＳＯＨ〔ｋｇ〕を算出するものである。
【００５３】
Ｓ２０６で温度Ｔｐと残存水素量ＳＯＨとから充填開始目標温度ＳＴを演算する。ＴｐとＳＯＨとからＳＴを演算するテーブルの例を図７に示す。このテーブルは、残存水素量ＳＯＨが少なく、温度Ｔｐが高いほど、充填開始目標温度ＳＴを低く算出するものである。
【００５４】
Ｓ２０８で温度Ｔｐが充填開始目標温度ＳＴ以上か否かを判定し、ＴｐがＳＴ以上であれば、水素放出により車載高圧水素タンクの温度Ｔｐを下げるべく、Ｓ１１０へ進む。ＴｐがＳＴを超えていなければ、車両から水素を放出することなく、水素を充填するためにＳ１３２へ進む。
【００５５】
また、Ｓ２２４において、温度Ｔｐが充填開始目標温度ＳＴ以下か否かを判定し、温度Ｔｐが充填開始目標温度ＳＴ以下であれば、Ｓ１２８へ進み、温度Ｔｐが充填開始目標温度ＳＴを超えていれば、Ｓ１２６で進む。以下第２実施形態と同様である。
【００５６】
以上説明した第３実施形態によれば、充填開始前に、高圧水素タンクへ充填を開始する充填開始目標温度を算出し、高圧水素タンクの温度が充填開始目標温度以上の場合に、水素を放出するようにしたので、最小の水素放出量で充填が開始されるため、最少の時間での充填が可能となる。
【００５７】
さらに、高圧水素タンクの温度と充填前の高圧水素タンクの水素残量とに応じて、充填開始目標温度を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素ガスの充填装置を適用した車両と水素供給ステーションとの第１実施形態を示す水素充填システムの構成図である。
【図２】第２実施形態における車両制御ユニットとステーション制御ユニットの処理を説明するフローチャートである。
【図３】第２実施形態における車両制御ユニットとステーション制御ユニットの処理を説明するフローチャートである。
【図４】第２実施形態における車両制御ユニットとステーション制御ユニットの処理を説明するフローチャートである。
【図５】第３実施形態における処理の要部を説明するフローチャートである。
【図６】充填圧力及び温度から残存水素量を算出する方法を説明する図である。
【図７】残存水素量及び温度から充填開始目標温度を算出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…車両
２…車載高圧水素タンク
３…容器元弁
４…車両充填系配管
５…充填用レセプタクル
６…水素放出弁
７…車両放出系配管
８…放出用レセプタクル
９…信号用レセプタクル
１０…車両制御ユニット
１１…温度センサ
１２…圧力センサ
１３…信号線
２０…水素供給ステーション
２１…充填用プラグ
２２…放出用プラグ
２３…信号用プラグ
２４…充填系配管
２５…放出系配管
２６…信号線
２７…ディスペンサ
２８…水素供給弁
２９…高圧水素タンク
３０…圧力センサ
３１…充填弁
３２…昇圧機
３３…水素供給源選択弁
３４…起動スイッチ
３５…ステーション制御ユニット
【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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