(57)【要約】    【課題】  急速充填する際のガスおよび高圧タンクの温度上昇を好適に抑制して、高圧タンクに十分な量のガスを適切に充填することができる高圧ガス充填システムを提供することを課題とする。    【解決手段】  高圧のガスを貯蔵したガス供給源３と、ガス供給源３に供給管路６を介して接続され、ガス供給源３のガスが充填される高圧タンク４と、供給管路６に設けられ、ガスを減圧する単一の減圧手段４４と、を備え、減圧手段４４は、高圧タンク４内に位置し、供給管路６内のガスを絞り膨張させる絞り機構からなる高圧ガス充填システム１である。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧のガスを貯蔵したガス供給源と、
前記ガス供給源に供給管路を介して接続され、当該ガス供給源のガスが充填される高圧タンクと、
前記供給管路に設けられ、ガスを減圧する単一の減圧手段と、を備え、
前記減圧手段は、前記高圧タンク内に位置し、前記供給管路内のガスを絞り膨張させる絞り機構からなる高圧ガス充填システム。
【請求項２】
前記絞り機構は、前記供給管路において最小の流路断面積となる当該供給管路の先端部からなる請求項１に記載の高圧ガス充填システム。
【請求項３】
前記供給管路の先端部は、前記高圧タンク内部のほぼ中心部に位置している請求項１または２に記載の高圧ガス充填システム。
【請求項４】
前記高圧タンク内に配設され、当該高圧タンク内のガスの圧力を計測する圧力センサと、
前記高圧タンク内に配設され、当該高圧タンク内のガスの温度を計測する温度センサと、
を更に備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の高圧ガス充填システム。
【請求項５】
前記ガスは、圧縮された純水素である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の高圧ガス充填システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスなどのガスを高圧タンクに充填する高圧ガス充填システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池自動車のこの種の高圧ガス充填システムは、車両に搭載された高圧タンクとガスステーションなどのガス供給源とを供給管路で接続し、ガス供給源から高圧タンクに高圧のガスを急速充填するものである（例えば、特許文献１参照。）。この場合、供給管路には、高圧タンクへのガスの充填量を計測する流量計のほか、ガスの圧力を調整する減圧弁が配設されている。
【０００３】
一般に、高圧の水素ガスを急速充填すると、高圧タンク内で水素ガスが断熱的に圧縮されて発熱し、水素ガスおよび高圧タンクの温度が上昇することが知られている。
【０００４】
また一般に、ガスを絞り膨張させると、その絞り作用によりガスの温度が低下するが、この温度低下はガスの初圧が高いほど大きくなる傾向があることが知られている。
【特許文献１】特開平８−２９１８９７号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の高圧ガス充填システムにおいて、ガスとして水素ガスを用いた場合には、高圧タンクへの水素ガスの充填量を流量計により適切に管理することができるものの、この流量計および減圧弁により、水素ガスは供給管路で段階的に減圧された後に高圧タンクに供給されることになる。このため、仮に水素ガスを高圧タンクで絞り膨張させたとしても、水素ガスの温度低下が十分でなく、水素ガスおよび高圧タンクの温度上昇の結果、高圧タンクへの水素ガスの充填量を低下させる問題があった。
【０００６】
本発明は、急速充填する際のガスおよび高圧タンクの温度上昇を好適に抑制して、高圧タンクに十分な量のガスを適切に充填することができる高圧ガス充填システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の高圧ガス充填システムは、高圧のガスを貯蔵したガス供給源と、ガス供給源に供給管路を介して接続され、ガス供給源のガスが充填される高圧タンクと、供給管路に設けられ、ガスを減圧する単一の減圧手段と、を備え、減圧手段は、高圧タンク内に位置し、供給管路内のガスを絞り膨張させる絞り機構からなるものである。
【０００８】
この構成によれば、ガス供給源と高圧タンクとを接続する供給管路に流量計等の減圧要素がないため、ガス供給源のガスは、高い初圧を保ったまま（ほぼ元圧のまま）高圧タンク内で断熱的に絞り膨張されながらこれに充填される。これにより、急速充填に際して、ガスの絞り作用による高い冷却効果を高圧タンク内で得ることができるため、急速充填に伴うガスおよび高圧タンクの温度上昇を好適に抑制することができる。なお、高圧のガスとしては、例えばヘリウムや窒素のほか、後述する水素が挙げられる。
【０００９】
この場合、絞り機構は、供給管路において最小の流路断面積となる当該供給管路の先端部からなることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、簡単な構造で絞り機構を設けることができる。なお、供給管路の先端部が最小の流路断面積となることには、供給管路の先端部を先細りとすることが含まれる。
【００１１】
これらの場合、供給管路の先端部は、高圧タンク内部のほぼ中心部に位置していることが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、高圧タンク内でガスの対流が良好になされるため、ガス等の温度上昇をより好適に抑制することができる
これらの場合、高圧タンク内に配設され、高圧タンク内のガスの圧力を計測する圧力センサと、高圧タンク内に配設され、高圧タンク内のガスの温度を計測する温度センサと、を更に備えていることが、好ましい。
【００１３】
この構成によれば、高圧タンク内の圧力センサおよび温度センサにより高圧タンクのガスの充填量を算出することができるため、従来のように供給管路に流量計を設けなくとも、ガスの充填量を適切に管理することができる。
【００１４】
これらの場合、ガスは、圧縮された純水素であることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池自動車に代表される燃料電池システムにおいて特に有用となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高圧ガス充填システムによれば、急速充填する際に、ガスの断熱的な絞り膨張による十分な冷却効果で高圧タンクの温度上昇を好適に抑制することができるため、高圧タンクに十分な量のガスを適切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】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る高圧ガス充填システムについて説明する。この高圧ガス充填システムは、ヘリウムや窒素等の各種のガスに適用することができるものであるが、ここでは、燃料電池システムに用いられる水素ガス（純水素）に適用した例について説明する。また、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として代表される燃料電池自動車を例に説明する。
【００１８】
図１に示すように、高圧ガス充填システム１は、例えば水素製造装置により製造された水素ガスを圧縮する圧縮機２と、圧縮機２により圧縮された高圧の水素ガスを貯蔵する蓄圧器３（ガス供給源）と、燃料電池自動車５０に搭載され、蓄圧器３の水素ガスが充填される水素タンク４（高圧タンク）と、圧縮機２および蓄圧器３を配管接続する高圧管路５と、蓄圧器３および水素タンク４を配管接続する供給管路６と、を備えている。水素製造装置、圧縮機２および蓄圧器３は、例えば水素ステーション等に設置される。また、供給管路６の上流側の一部も水素ステーション等に設置される。
【００１９】
供給管路６には、これを開閉する仕切り弁１１が介設されている。仕切り弁１１の開状態で、蓄圧器３の水素ガスは供給管路６を介して水素タンク４に流入し、一方仕切り弁１１の閉状態で、蓄圧器３からの水素ガスの流出が阻止される。なお、仕切り弁１１は、供給管路６内を流れる水素ガスを絞る機能（減圧する機能）を有しておらず、後述するように、供給管路６には、水素ガスを絞ることによって減圧する減圧手段は一つのみ設けられる。
【００２０】
供給管路６は、仕切り弁１１を挟んで蓄圧器３側の上流管路１２と水素タンク４側の下流管路１３とからなり、上流管路１２および下流管路１３はほぼ同じ管径で構成されている。図示では模式的に示しているが、実機では、下流管路１３はさらに、水素ステーション側に設置される第１管路と、水素タンク４側に設けられる第２管路とからなる。そして、水素ステーションにおいて燃料電池自動車５０に水素ガスの充填を行う際に、第１管路および第２管路の端部に設けた接続カプラ（図示省略）を互いに接続することで、第１管路と第２管路とが連通され、蓄圧器３の水素ガスが供給管路６を介して水素タンク４に充填可能な状態となるようになっている。
【００２１】
一方、水素タンク４に充填された水素ガスは、水素タンク４に配管接続された排出管路２１から水素タンク４外に排出され、減圧弁２２により減圧されて燃料電池自動車５０の燃料電池５１に供給される。そして、燃料電池５１での水素ガスの消費により水素タンク４内の水素ガスの残量が減ったところで、高圧ガス充填システム１により再度、水素タンク４に水素ガスが高圧（例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａ）で充填される。
【００２２】
図２に示すように、水素タンク４は、内部に水素ガスの貯蔵空間３１を有し、全体として円筒状に形成されている。水素タンク４の外郭は、内壁面側のライナーおよび外壁面側のシェルの２層構造で樹脂により構成され、ライナーは例えば高密度ポリエチレンで、シェルは例えばＦＲＰで構成されている。
【００２３】
水素タンク４は、その長手方向の一方の端部に設けられた口金３２と、貯蔵空間３１に配設され、貯蔵空間３１の水素ガスの温度を計測する温度センサ３３と、貯蔵空間３１に配設され、貯蔵空間３１の水素ガスの圧力を計測する圧力センサ３４と、を有している。温度センサ３３および圧力センサ３４により、供給管路６上に流量計を設けなくとも、水素タンク４内（貯蔵空間３１）の水素ガスの充填量を算出できるようになっている。
【００２４】
口金３２は、水素タンク４の球面状をした端壁部の中心に設けられ、水素タンク４の内外に亘って延在する口金本体部４１と、口金本体部４１に作り込まれ、供給管路６（第２管路）の一部となる供給管路部４２と、を有している。口金本体部４１には、温度センサ３３および圧力センサ３４の配線部が挿通されていると共に、排出管路２１を開閉する図示省略した電磁弁が組み込まれている。
【００２５】
供給管路部４２は、その先端部４４が水素タンク４内部の略中心部に位置していると共に、先端部４４の断面積が供給管路６において最小の流路断面積に構成されている。すなわち、供給管路部４２の先端部４４は、供給管路６内の水素ガスを貯蔵空間３１に向かって絞り膨張させる絞り機構となっており、これが供給管路６に設けられた単一の減圧手段を構成している。この供給管路部４２の絞り作用により、充填に際して水素タンク４内の水素ガスが冷却される。
【００２６】
なお、供給管路部４２の先端部４４の流出口の穴径は、供給管路６の他の部位の例えば１／１０に設定されるが、急激に流出した水素ガスによって水素タンク４に衝撃がかからないように、水素ガスの充填時間および充填速度（すなわち充填流量）を基準に設定される。
【００２７】
以上のように、高圧ガス充填システム１では、水素ガスの充填時において、水素タンク４に流入された水素ガスは貯蔵空間３１で断熱的に圧縮して発熱するが、水素ガスは貯蔵空間３１に流入する際に供給管路部４２の先端部４４（絞り機構）により断熱的に膨張して冷却される。この場合に、蓄圧器３から供給管路６を介して水素タンク４に供給される水素ガスは、供給管路６の途中で絞り作用を受けずに、水素タンク４内で初めて絞り作用を受けるため、高い冷却効果を奏する。
【００２８】
したがって、高圧ガス充填システム１によれば、水素タンク４内の水素ガスの温度上昇を十分に抑制することができ、その結果、水素タンク４自体の温度上昇も十分に抑制される。これにより、水素ガスを急速充填する場合であっても、水素タンク４の水素ガスの充填量（充填率）を適切に高めることができる。
【００２９】
なお、図示した供給管路部４２の先端部４４の断面形状に代えて、例えば供給管路部４２の先端部４４を先細りにすることで、この先端部４４の流路断面積が供給管路６の他の部位の流路断面積に比して小さくなるようにしてもよい。また、供給管路部４２の先端部４４のオリフィス形状に代わる他の絞り機構として、供給管路部４２の先端部４４に開閉バルブを設けてもよい。さらに、本実施形態では、供給管路６の一部を口金３２に作り込んだが、もちろんこれに限るものではない。例えば、供給管路６を構成する上記の第２管路を、口金本体部４１を挿通する耐圧パイプ等で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧ガス充填システムの構成を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧ガス充填システムの高圧タンクを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…高圧ガス充填システム、２…圧縮機、３…蓄圧器（ガス供給源）、４…水素タンク（高圧タンク）、５…高圧管路、６…供給管路、３３…温度センサ、３４…圧力センサ、４２…供給管路部、４４…先端部
【図１】
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【図２】
2005221049.tif 000004