(57)【要約】【課題】  ガス充填時の発熱を抑制して過充填することなく目標圧力のガスを短時間で充填できるガス充填方法及び装置を提供する。【解決手段】  燃料電池自動車の車両に搭載された水素ガスタンク２に水圧封入／排出系と水素ガス充填系を接続し、ガス充填に先立って昇圧した水Ｗを水素ガスタンク２内に充填し、その内圧が予備圧力Ｐ２となるように予圧する。それから、その予圧状態を保持し、目標圧力Ｐ３に昇圧した水素ガスＧを水素ガスタンク２内へ充填し、水素ガスＧの圧力によって水Ｗを水素ガスタンク２から排出する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常圧よりも高い目標圧力のガスを容器へ充填する方法であって、
前記ガスに比して圧縮率が小さい媒体を該容器内へ加圧充填し、前記容器の内圧を常圧よりも高く且つ前記目標圧力よりも低い予備圧力まで上昇させる予圧工程と、
前記予圧工程を実施した後に、内圧が前記予備圧力とされた容器内に前記ガスを前記目標圧力まで加圧充填するガス充填工程と、
を備えるガス充填方法。
【請求項２】
前記ガス充填工程においては、前記容器内へ供給するガス圧によって該容器内の前記媒体を該容器外へ排出させる、
請求項１記載のガス充填方法。
【請求項３】
前記容器が自動車に搭載されるものであり、且つ、前記ガスとして燃料ガスが充填される、
請求項１又は２に記載のガス充填方法。
【請求項４】
常圧よりも高い目標圧力のガスを容器へ充填するための装置であって、
前記容器に接続され、前記ガスに比して圧縮率が小さい媒体を有しており、該容器の内圧が常圧よりも高く且つ前記目標圧力よりも低い予備圧力となるように該媒体を該容器内へ供給する媒体供給部と、
前記容器に接続され、前記ガスを有しており、該容器の内圧が前記目標圧力となるように該ガスを該容器内へ供給するガス供給部と、
前記容器に接続され、前記媒体を該容器外へ排出する媒体排出部と、
を備えるガス充填装置。
【請求項５】
前記媒体排出部は、前記容器内へ供給されるガス圧によって該容器内の前記媒体が該容器外へ排出されるように設けられたものである、
請求項４記載のガス充填装置。
【請求項６】
前記容器が自動車に搭載されたものであり、
前記ガス供給部が、前記ガスとして燃料ガスを有するものである、
請求項４又は５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、タンクやボンベ等の容器へガスを充填する方法、及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスが高圧充填されるタンクが搭載される。燃料ガスをタンクに加圧充填する際には、通常、燃料ガスの断熱圧縮によって温度が上昇し、それに伴ってタンクの内圧が変化してしまう。こうなると熱膨張によって規定量の燃料ガスを充填することが困難となるので、これを克服すべく種々のガス充填方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ガス充填時の気温を考慮しつつ目標圧力よりも高い圧力となるまで天然ガスをボンベに過充填する方法が記載されている。また、特許文献２には、ボンベが設置される設置部に、冷媒が流れる冷却流路が設けられたボンベ冷却機能付充填装置が記載されている。
【特許文献１】特開平９−２５０６９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来のガスを過充填する方法では、規定値を超える圧力が容器に印加されてしまい、容器の健全性の観点から好ましくない。或いは、その規定値以上の圧力に基づいて耐圧設計を行う必要があり、経済性の観点からも好ましくない。また、上記従来のボンベを冷却しながらガス充填を行う方法では、冷媒流路や熱交換器等の大掛かりな冷却設備が必要となってしまう。さらに、燃料電池自動車や天然ガス自動車の燃料ガスタンクに用いる場合、ガス充填を行うたびにボンベを車両から取り外し、ガス充填を終えた後、再び車両へ取り付ける必要があり、作業時間及び作業工数ひいてはコストの増大を招いてしまう。
【０００５】
またさらに、断熱圧縮を緩和して温度上昇を抑えるべく、長時間かけてガス充填を行う方法も考えられる。しかし、燃料電池自動車や天然ガス自動車では、ガスステーション等のガス充填設備において、将来的には現在のガソリン燃料の給油時間並みのガス充填時間を実現することが望まれるところ、そのような長時間のガス充填は非現実的である。
【０００６】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、ガス充填時の発熱を抑制して過充填することなく目標量（目標圧力）のガスを短時間で充填できると共に、コストの増大を防止できるガス充填方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明によるガス充填方法は、常圧よりも高い目標圧力のガスを容器へ充填する方法であって、そのガスに比して圧縮率が小さい媒体を容器内へ加圧充填し、その容器の内圧を常圧よりも高く且つ目標圧力よりも低い予備圧力まで上昇させる予圧工程と、その予圧工程を実施した後に、内圧が予備圧力とされた容器内にガスを目標圧力まで加圧充填するガス充填工程とを備える。
【０００８】
なお、本発明において「圧縮率」とは、下記式（１）；
Ｒ＝｜ΔＶ／Ｖ｜  …（１）、
で表される値を示す。式中、Ｒは圧縮率を示し、ΔＶは物体が静圧（静止しているものに印加される一様な圧力）を受けたときに減少する体積を示し、Ｖはその物体の変形前の体積を示す。
【０００９】
このように構成されたガス充填方法では、ガス充填工程に先立って予圧工程を実施し、ガスに比して圧縮率が小さい媒体を容器内に加圧充填することにより、容器内を目標圧力よりも低い予備圧力まで昇圧する。その後、ガス充填工程を実施し、媒体によって予圧された容器内にガスを加圧供給する。
【００１０】
ガス充填時の断熱圧縮による発熱量は、ガス充填前の容器内圧力と目標圧力との比に依存するので、容器内を予備圧力まで昇圧した状態からガス充填を行うことにより、発熱量が低減されて容器の温度上昇が抑制される。また、ガスの断熱圧縮によって発生した熱量が媒体へ移行し、その媒体の排出によってその熱量が容器外へ除去される。よって、ガス及び容器の温度上昇が一層抑えられる。
【００１１】
さらに、容器内を予圧するための媒体として、充填するガスよりも圧縮率が小さい（すなわち、より圧縮され難い）媒体を用いるので、容器内への圧力印加による体積変化が少なく、よって、予備圧力までの昇圧を迅速に行うことができる。このような媒体としては、特に制限されないが、水等の液体を用いるとガスとの混合を防止し易いので好ましい。
【００１２】
また、容器内の媒体を連続的又は断続的に容器外へ排出しながらガス充填工程を実行すれば、常圧からガス充填をするよりも小さい圧力差を維持しながらガス充填を実施できる。よって、ガス充填工程の全体を通して発熱が少ない状態を維持できる。
【００１３】
より具体的には、ガス充填工程において、容器内へ供給するガス圧によって容器内の媒体を容器外へ排出させるようにすると更に好ましい。
【００１４】
さらに、本発明によるガス充填方法は、燃料電池自動車や天然ガス自動車等の自動車用途に極めて適したものである。すなわち、容器が自動車に搭載されるものであり、ガスとして燃料ガスが充填されると一層有用である。
【００１５】
例えば、燃料電池自動車では、燃料ガスである水素ガスの充填量に関し、政府関係省庁で検討が進められている高圧ガス保安法に基づく水素ガス供給ステーション及び高圧水素容器に関する規制の枠組みにおいて、３５ＭＰａ、７０ＭＰａといった水素ガス充填量が議論されている。車両に搭載される程度の大きさの容器に略常圧から開始して短時間でその高い圧力まで充填すると、かなりの発熱を生じてしまう。よって、本発明は、これらの燃料ガスを用いる自動車用のガス充填方式として有望である。
【００１６】
また、本発明によるガス充填装置は、本発明のガス充填方法を有効に実施するためのものであり、常圧よりも高い目標圧力のガスを容器へ充填する装置であって、容器に接続され、ガスに比して圧縮率が小さい媒体を有しており、容器の内圧が常圧よりも高く且つ目標圧力よりも低い予備圧力となるように媒体を容器内へ供給する媒体供給部と、容器に接続され、ガスを有しており、容器の内圧が目標圧力となるようにガスを容器内へ供給するガス供給部と、容器に接続され、媒体を容器外へ排出する媒体排出部とを備える。
【００１７】
さらに、媒体排出部は、容器内へ供給されるガス圧によってその容器内の媒体が容器外へ排出されるように設けられたものであると好ましい。
【００１８】
またさらに、容器が自動車に搭載されたものであり、ガス供給部がガスとして燃料ガスを有するものであると一層有用である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のガス充填方法及び装置によれば、ガスが充填される容器内を所定の媒体で予圧してから目標圧力のガスを充填するので、ガス充填時の発熱を抑制でき、これにより、過充填することなく短時間で規定量のガスを充填できる。また、容器を冷却するための装置や設備が不要であり、しかも容器が自動車等に搭載されたものであってもガス充填のたびに容器を移設する必要がないので、経済性の悪化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００２１】
図１は、本発明によるガス充填装置の好適な一実施形態の構成を示すブロック図である。水素ガス充填システム１（ガス充填装置）は、燃料電池自動車の車両Ｖに搭載された水素ガスタンク２（容器）にそれぞれ接続される水圧封入／放出系１０（媒体供給部）及び水素ガス充填系２０（ガス供給部）を備えるものである。水素ガスタンク２は、例えば、内部に空間が画成されるように中空状に形成された内容器（ライナー）の大部分が、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の外容器（外被）で覆われるように構成されたものである。
【００２２】
内容器は、略円筒状を成す胴壁部の両端が絞り状に形成された曲壁部で閉塞されるように形成されており、例えば軸方向の両端部に、水Ｗ（媒体）が供給・排出される給排水口２ａ及び水素ガスＧ（ガス、燃料ガス）が供給・排出されるガス給排口２ｂが突設されている。なお、水素ガスタンク２は車両Ｖ内に搭載されたままの状態で水素ガスＧの充填が行われるが、図示においては、説明の便宜のため、水素ガスタンク２を車両Ｖから離隔して且つ拡大して示す。
【００２３】
水圧封入／放出系１０は、水Ｗが貯留されているプール１１と、例えば油圧駆動式の水圧ポンプ１２、圧力計１３及び開閉バルブ１４が設けられており且つ一方端がプール１１に接続され他方端がジョイントＪ１に接続された配管Ｐ１１を有している。また、水圧封入／放出系１０は、一方端がジョイントＪ１に接続された水給排ホースＨ１を介して水素ガスタンク２の給排水口２ａに接続されるようになっている。
【００２４】
水素ガス充填系２０は、水素ガス源２１に配管Ｐ２１を介して蓄圧機２２が接続され、その配管Ｐ２１に、圧縮機２３と接続された配管Ｐ２２が接続されたものである。また、蓄圧機２２には、圧力計２４、減圧弁２５、絞り弁２６、圧力計２７、流量計２８、及び逆止弁２９がその順に連設された配管Ｐ２３の一方端が接続されており、その配管Ｐ２３の他方端はジョイントＪ２に接続されている。また、水素ガス充填系２０は、一方端がジョイントＪ２に接続された水素ガス供給ホースＨ２を介して水素ガスタンク２のガス給排口２ｂに接続されるようになっている。
【００２５】
このように構成された水素ガス充填システム１を用いた水素ガスの充填方法について以下に説明する。図２は、本発明によるガス充填方法の好適な一実施形態の手順を示すフロー図である。まず、水素ガス充填システム１が設けられた水素ガスステーションの所定区域に車両Ｖを停車させる。次に、水給排ホースＨ１及び水素ガス供給ホースＨ２を、それぞれ水素ガスタンク２の給排水口２ａ及びガス給排口２ｂに接続する（ステップＳ１）。このとき、給排水口２ａ及びガス給排口２ｂにそれぞれ設けられた封止バルブ（図示せず）を閉止しておく。
【００２６】
次いで、水圧封入／放出系１０の水圧ポンプ１２を運転し、圧力計１３で計測される圧力が、常圧より高く且つ後述する目標圧力Ｐ３よりも低い所定の予備圧力Ｐ２となるようにプール１１から送給される水Ｗを昇圧する（ステップＳ２）。これと並行して、水素ガス充填系２０において水素ガスＧを昇圧する。具体的には、圧縮機２３を運転して水素ガス源２１から供給される水素ガスを圧縮しながら蓄圧機２２へ送り、減圧弁２５手前の圧力計２４で計測される圧力が、一旦、後述する目標圧力Ｐ３よりも高い圧力となるように昇圧する。それから、その水素ガスＧを減圧弁２５及び絞り弁２６に通すことにより、圧力計２７で計測される圧力が目標圧力Ｐ３となるように減圧する。これにより、結果として水素ガスＧを目標圧力Ｐ３まで昇圧させる（ステップＳ３）。
【００２７】
次に、水圧封入／放出系１０の開閉バルブ１４を開放し、さらに水素ガスタンク２の給排水口２ａの封止バルブを開放して予備圧力Ｐ２へ昇圧された水Ｗを水素ガスタンク２内に充填し、水素ガスタンク２の内圧が予備圧力Ｐ２となるように予圧する（ステップＳ４；予圧工程）。このとき、水素ガスタンク２内に水素ガスが残っていても、水の圧縮率が水素ガスの圧縮率よりも格段に大きいので、水Ｗが加圧充填されると水素ガスタンク２内で残存水素ガスが占める体積は無視できるほど小さくなる。
【００２８】
次いで、水素ガスタンク２の内圧を予備圧力Ｐ２以上に維持できるように水圧ポンプ１２の負荷を制御しながら運転を続行し、ガス給排口２ｂの封止バルブを開放する。これにより、目標圧力Ｐ３に昇圧された水素ガスＧを、ガス給排口２ｂから水素ガスタンク２内へ流入させる。水素ガスＧは、水Ｗが充填された水素ガスタンク２内の内圧（予備圧力Ｐ２）と水素ガスＧの圧力（目標圧力Ｐ３）との差圧に応じて水素ガスタンク２内へ徐々に充填される。それと同時に、水素ガスタンク２からは水Ｗが水圧封入／放出系１０へ排出される。このように、水圧封入／放出系１０及び水素ガス充填系２０によって媒体排出部が構成されている。
【００２９】
水素ガスタンク２の内圧は水素ガスＧの充填につれて徐々に高められ、このとき、水圧ポンプ１２の圧力負荷が水素ガスタンク２の内圧と同等程度となるように制御することにより、水素ガスＧの充填速度を調節できる。こうして、水Ｗが水素ガスＧで置換されて全て排出されるまで水素ガスＧを水素ガスタンク２内に加圧充填する（ステップＳ５；ガス充填工程）。そして、水素ガスタンク２の給排水口２ａ及びガス給排口２ｂのそれぞれの封止バルブを閉止して水素ガス充填を終了する。
【００３０】
このような水素ガス充填システム１及びそれを用いた水素ガス充填方法によれば、水素ガスタンク２内を予備圧力Ｐ２に予圧した状態から水素ガスＧの充填を行うので、常圧から水素ガスＧの充填を開始する場合に比して、水素ガスＧを充填する前の水素ガスタンク２の内圧と目標圧力Ｐ３との差圧を小さくできる。よって、水素ガスＧの断熱圧縮による発熱量を低減でき、水素ガスタンク２の温度上昇を抑制できる。その結果、水素ガスＧの充填圧力を目標圧力Ｐ３よりも高くして過充填する従来方法を用いなくても、目標圧力Ｐ３の水素ガスＧを水素ガスタンク２内に短時間で充填できる。
【００３１】
また、水素ガスタンク２を冷却する必要がないので、大掛かりな冷却設備が不要である。さらに、このように冷却が不要であるから、水素ガスＧの充填のたびに水素ガスタンク２を車両Ｖから取り外して効果的に冷却するといった特別な手間と労力が掛からない。よって、コストの増大を防止できる。
【００３２】
ここで、目標圧力Ｐ３が、例えば規格圧力である３５ＭＰａの場合、予備圧力Ｐ２としては、常圧よりも高く目標圧力Ｐ３よりも小さければ特に制限されないが、１５〜２５ＭＰａ程度が好ましく、１５〜２０ＭＰａ程度であるとより好ましい。この予備圧力Ｐ２が２５ＭＰａを超えると、目標圧力Ｐ３との差圧が過小となってしまい、水素ガスＧの急速充填を行い難くなる。一方、予備圧力Ｐ２が１５ＭＰａ未満となると、目標圧力Ｐ３との圧力差が過大となり、場合によっては水素ガスＧの断熱圧縮による発熱量を十分に抑え難い傾向にある。
【００３３】
また、目標圧力Ｐ３が他の規格圧力である７０ＭＰａの場合も、予備圧力Ｐ２としては、常圧よりも高く目標圧力Ｐ３よりも小さければ特に制限されないが、上述と同様に、３０〜５０ＭＰａであると好ましく、３０〜４０ＭＰａであるとより好ましい。
【００３４】
またさらに、水素ガスＧの断熱圧縮によって発生した熱量が水Ｗへ移行する。そして、その水Ｗが排出されることにより、その熱量が水素ガスタンク２外へ除去される。よって、水素ガスＧ及び水素ガスタンク２の温度上昇を一層抑制することができる。また、水Ｗの比熱が水素ガスＧよりも格段に大きいので、そのような熱除去効果を更に高めることができる。
【００３５】
さらにまた、水素ガスタンク２内を予圧するための媒体として、水素ガスＧよりも圧縮率が格段に小さく圧縮され難い水Ｗを用いるので、圧力印加時に水素ガスタンク２内での体積変化が極めて少ない。よって、水素ガスタンク２内の予圧を迅速に行うことができる。例えば、燃料電池自動車に搭載される規模の水素ガスタンク２の内部を、水Ｗを用いて上述した程度の予備圧力Ｐ２へ予圧するには、１０〜２０秒程度の時間しか要しない。加えて、水素ガスＧに比して圧縮率が小さい水Ｗを用いるので、前述の如く、水素ガスタンク２内に水素ガスＧが残存していても、その容積を実質的に無視することができ、予備圧力Ｐ２への昇圧を確実ならしめることができる。
【００３６】
また、水素ガスＧを水素ガスタンク２内へ加圧充填することにより、予圧に使用した水Ｗを連続的に水素ガスタンク２の外部へ押し出すように排出できるので、予備圧力Ｐ２と目標圧力Ｐ３との小さい圧力差を維持しながら、水素ガスタンク２内へ水素ガスＧが充填し続けることができる。よって、水素ガスの充填工程の全体を通して断熱圧縮による発熱を抑えることができる。また、このように水素ガスＧによって水Ｗを排出し水圧封入／放出系１０へ戻入させるので、他の水排出機構が不要となって設備規模の増大を防止できる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、本発明は、水素ガスタンク２内への水素ガスＧの充填が必要な燃料電池自動車のみならず、例えば天然ガス自動車、更には、燃料電池や天然ガスを用いた発電設備等のガス容器への高圧ガス充填が必要な機器、設備等に好適である。また、予圧のための媒体として、水Ｗ以外の他の液体を用いても構わない。さらに、水素ガスタンク２内の水Ｗを、他の手段（例えば、水排出ポンプ）等によって強制的に排出させてもよい。またさらに、水素ガスタンク２内に水素ガスＧが残存する場合には、水Ｗの充填前にその残存ガスを水素ガスタンク２から排気しておいてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によるガス充填方法及び装置は、ガス充填に先立って容器内を媒体で予圧し、その後ガス充填を行うことにより、ガスの断熱圧縮による発熱を抑制することができるので、過充填することなく目標量（目標圧力）のガスを短時間で容器に充填でき、また、コストの増大を防止できる。よって、上述の如く、容器へガスを高圧充填することが必要な機器や設備等に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるガス充填装置の好適な一実施形態の構成を示すブロック図で  ある。
【図２】本発明によるガス充填方法の好適な一実施形態の手順を示すフロー図であ  る。
【符号の説明】
【００４０】
１…水素ガス充填システム（ガス充填装置）、２…水素ガスタンク（容器）、２ａ…給排水口、２ｂ…ガス給排口、１０…水圧封入／放出系（媒体供給部、媒体排出部）、１１…プール、１２…水圧ポンプ、１３，２４，２７…圧力計、１４…開閉バルブ、２０…水素ガス充填系（ガス供給部、媒体排出部）、２１…水素ガス源、２２…蓄圧機、２３…圧縮機、２５…減圧弁、２６…絞り弁、２８…流量計、２９…逆止弁、１２…水圧ポンプ、Ｇ…水素ガス（ガス、燃料ガス）、Ｈ１…水給排ホース、Ｈ２…水素ガス供給ホース、Ｊ１，Ｊ２…ジョイント、Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３…配管、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…ステップ、Ｓ４…ステップ（予圧工程）、Ｓ５…ステップ（ガス充填工程）、Ｖ…車両、Ｗ…水（媒体）。
【図１】
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【図２】
2005273871.tif 000004