(57)【要約】【課題】高圧ガスを被充填タンクに充填する際に、被充填タンク内での温度上昇を低減すると共に、充填時間を短縮する。【解決手段】高圧ガス充填装置である水素充填装置１０ａは、水素貯蔵タンク１６に配管２２を介して入口部２４ａが連通されたボルテックスチューブ２４と、ボルテックスチューブ２４の高温出口部２４ｂに連通された第１熱交換器３６とを備える。さらに、水素充填装置１０ａでは、第１熱交換器３６の出口側の配管３４とボルテックスチューブ２４の低温出口部２４ｃの配管４２とが合流されて、燃料電池車両１８に搭載されている水素タンク２０に連通するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填する高圧ガス充填方法であって、
前記高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている前記高圧ガスをボルテックスチューブに導入して高温ガスと低温ガスとに分離し、
前記高温ガスを熱交換器にて冷却した後、前記低温ガスに混合して該低温ガスと共に前記被充填タンクに充填することを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項２】
請求項１記載の高圧ガス充填方法において、
前記熱交換器では前記高温ガスを熱媒体により冷却すると共に、
前記高温ガスとの熱交換により温められた前記熱媒体により、前記高圧ガス貯蔵タンク、及び（又は）、該高圧ガス貯蔵タンクの口金部を加熱することを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項３】
高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填する際に用いられる高圧ガス充填装置であって、
前記高圧ガス貯蔵タンクに入口部が連通されたボルテックスチューブと、
前記ボルテックスチューブの高温出口部に連通された第１の熱交換器と、を備え、
前記第１の熱交換器の出口側と前記ボルテックスチューブの低温出口部が合流されて、前記被充填タンクに連通するように構成されていることを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項４】
請求項３記載の高圧ガス充填装置において、
前記被充填タンクが、車両に備えられ、
前記高圧ガス貯蔵タンクが、前記車両の前記被充填タンクに対して高圧ガスを充填する高圧ガス充填ステーションに備えられ、
前記ボルテックスチューブが、前記高圧ガス充填ステーションに配置されていることを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項５】
請求項４記載の高圧ガス充填装置において、
さらに、熱媒体を前記高圧ガス貯蔵タンクと熱交換させる貯蔵タンク用熱交換部、及び（又は）、前記熱媒体を前記高圧ガス貯蔵タンクの口金部と熱交換させる口金部用熱交換部と、
前記熱媒体を循環させる循環ポンプと、を有し、
前記熱媒体を前記第１の熱交換器に循環させることで、前記高温ガスと前記熱媒体とを熱交換させる熱媒体回路を備えていることを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の高圧ガス充填装置において、
さらに、前記第１の熱交換器をバイパスするバイパス流路を有し、
前記バイパス流路には、前記高温ガスを冷却するための第２の熱交換器が設けられていることを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項７】
請求項３記載の高圧ガス充填装置において、
前記被充填タンクが、車両に備えられ、
前記高圧ガス貯蔵タンクが、前記車両の前記被充填タンクに対して高圧ガスを充填する高圧ガス充填ステーションに備えられ、
前記ボルテックスチューブが、前記車両に配置されていることを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項８】
請求項７記載の高圧ガス充填装置において、
前記第１の熱交換器は、前記高温ガスと前記車両の車体フレームとを熱交換させる車体フレーム利用熱交換部、及び（又は）、前記高温ガスと前記車両の駆動源の冷却用に用いられるラジエータに循環させた熱媒体とを熱交換させるラジエータ利用熱交換部を含むことを特徴とする高圧ガス充填装置。
【請求項９】
被充填タンクを有し、該被充填タンクに貯蔵されている高圧ガスを燃料として走行する車両であって、
前記高圧ガスが供給される充填口と、
前記充填口に入口部が連通されたボルテックスチューブと、
前記ボルテックスチューブの高温出口部に連通された熱交換器と、を備え、
前記熱交換器の出口側と前記ボルテックスチューブの低温出口部が合流されて、前記被充填タンクに連通されていることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填するための高圧ガス充填方法、高圧ガス充填装置及びこの高圧ガス充填装置を搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池において、燃料としての水素ガスは、水素タンクに高圧で貯蔵されて前記燃料電池の近傍に配置される。このような水素タンクの水素量が低下した場合、前記水素タンクは、該水素タンクよりも高圧の水素ガスが貯蔵されている水素貯蔵タンクに接続されて水素が充填（補充）される。
【０００３】
ところで、一般に、高圧ガスを高圧ガス貯蔵タンクから被充填タンクに充填する際には、充填されたガスが被充填タンク内で発熱することが知られている。
【０００４】
例えば、水素ガスを被充填タンクである水素タンクに充填する場合には、水素充填終了直後の水素タンク内温度は外気温よりも大幅に高くなることがある。この場合、水素充填終了直後の水素タンク内の水素圧力は、上記のような温度上昇後の高温状態での圧力である。このため、その後、水素タンク内の温度が大気温度程度まで低下すると、水素タンク内の水素圧力も水素充填終了直後に比べて低下することになる。
【０００５】
従って、上記のように、高圧ガス充填時に温度上昇が生じると、被充填タンクへのガスの充填量が不足する。また、このような温度上昇を避けるために充填流量（充填速度）を低下させると、充填終了までに多くの時間を費やしてしまうことになる。
【０００６】
そこで、上記のような高圧ガス充填時における被充填タンク内の温度上昇を抑制する装置として、特許文献１には、貯留タンク内に貯留した液化ガスを蒸発器により気化させ、そのガスを高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックスチューブ（渦流管装置）を備えたガス充填装置が記載されている。このガス充填装置では、ボルテックスチューブの低温気体出口は被充填タンクに連通される。一方、ボルテックスチューブの高温気体出口は貯留タンクに連通され、複流路に接続し冷却・加圧されて貯留タンク内に返送される。また、蒸発器により気化したガスをボルテックスチューブによりエネルギ分離し、分離した低温ガスをガス容器（被充填タンク）に充填している。このため、充填時に生じる圧縮熱を抑制することができ、ガス容器内の温度と圧力を所定の値に維持する条件下において、一定の時間内でより多量のガスを充填することが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】実開平６−２４３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来の構成では、ボルテックスチューブからの高温ガスを冷却・加圧して貯留タンクに戻すため、コンプレッサ等を駆動するエネルギが必要となる。また、貯留タンクから蒸発器を介してボルテックスチューブに導入されたガスの一部（低温ガス）しか被充填タンクに充填されないため、結果として充填流量（充填速度）が遅くなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、高圧ガスを被充填タンクに充填する際に、被充填タンク内での温度上昇を低減することで充填量を十分に確保しながらも、充填時間を大幅に短縮することを可能とする高圧ガス充填方法、高圧ガス充填装置及びこの高圧ガス充填装置を搭載した車両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】
【００１０】
本発明の高圧ガス充填方法は、高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填する高圧ガス充填方法であって、前記高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている前記高圧ガスをボルテックスチューブに導入して高温ガスと低温ガスとに分離し、前記高温ガスを熱交換器にて冷却した後、前記低温ガスに混合して該低温ガスと共に前記被充填タンクに充填することを特徴とする。
【００１１】
本発明の高圧ガス充填装置は、高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填する際に用いられる高圧ガス充填装置であって、前記高圧ガス貯蔵タンクに入口部が連通されたボルテックスチューブと、前記ボルテックスチューブの高温出口部に連通された第１の熱交換器と、を備え、前記第１の熱交換器の出口側と前記ボルテックスチューブの低温出口部が合流されて、前記被充填タンクに連通するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、高圧ガスの充填時、ボルテックスチューブにより分離される高温ガスを冷却した後、低温ガスと共に被充填タンクに導入することにより、充填される高圧ガスが冷却されると共に、高圧ガス量の減少がない。このため、高圧ガスの充填速度を大幅に向上させることができ、充填時間が短縮されると共に、被充填タンクへ十分な量を充填することができる。
【００１３】
また、前記被充填タンクが、車両に備えられ、前記高圧ガス貯蔵タンクが、前記車両の前記被充填タンクに対して高圧ガスを充填する高圧ガス充填ステーションに備えられ、前記ボルテックスチューブが、前記高圧ガス充填ステーションに配置されていると、車両側の装備に依存することなく、被充填タンクに充填される高圧ガスを高圧ガス充填ステーション側で冷却することができる。また、ボルテックスチューブで分離した高温ガスの持つ熱を高圧ガス貯蔵タンク各部の加熱に利用することもできるため、高圧ガス貯蔵タンク各部の温度低下を防止することができる。
【００１４】
また、前記被充填タンクが、車両に備えられ、前記高圧ガス貯蔵タンクが、前記車両の前記被充填タンクに対して高圧ガスを充填する高圧ガス充填ステーションに備えられ、前記ボルテックスチューブが、前記車両に配置されていると、高圧ガス充填ステーション側の設備に依存することなく、被充填タンクに充填される高圧ガスを車両側で冷却することができる。
【００１５】
本発明の車両は、被充填タンクを有し、該被充填タンクに貯蔵されている高圧ガスを燃料として走行する車両であって、前記高圧ガスが供給される充填口と、前記充填口に入口部が連通されたボルテックスチューブと、前記ボルテックスチューブの高温出口部に連通された熱交換器と、を備え、前記熱交換器の出口側と前記ボルテックスチューブの低温出口部が合流されて、前記被充填タンクに連通されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、充填される高圧ガスを冷却する装備が車両側に備えられていることにより、該車両に高圧ガスを充填する高圧ガス充填ステーションの設備に依存することなく、被充填タンクに充填される高圧ガスを車両側で冷却することができる。このため、被充填タンクに十分な量の高圧ガスを充填することが可能となると共に、充填速度を大幅に向上させることができ、充填時間の短縮が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高圧ガスの充填時、ボルテックスチューブにより分離される高温ガスを冷却した後、低温ガスと共に被充填タンクに導入する。従って、充填される高圧ガスを確実に冷却することができると共に、充填時での高圧ガス量の減少がない。このため、高圧ガスの充填速度の向上と充填時間の短縮、及び十分な充填量の確保が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の高圧ガス充填方法について、この方法を実施する高圧ガス充填装置及びこの高圧ガス充填装置を搭載した車両との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１０ａを備えた水素充填システム１２ａ（高圧ガス充填システム）を示す概略構成図である。図１において、二重線は高圧ガスである水素ガスが流通する配管を、実線（太）は熱媒体であるクーラントが流通するクーラント配管を、実線（細）は信号線を示しており、以下の図面においても同様とする。
【００２０】
水素充填システム１２ａは、水素充填ステーション１４ａ（高圧ガス充填ステーション）に備えられている水素貯蔵タンク１６（高圧ガス貯蔵タンク）内の高圧ガスである水素ガスを、水素充填装置１０ａを介して、燃料電池車両１８（車両）に搭載されている水素タンク２０（被充填タンク）に充填する構成である。なお、図１の一点鎖線により囲まれる部分は、水素充填ステーション１４ａに備えられている構成要素を示すものであり、以下の図面においても同様とする。
【００２１】
本第１の実施形態において、水素充填装置１０ａは水素充填ステーション１４ａに配置されている。水素充填装置１０ａは、水素貯蔵タンク１６に高圧で貯蔵されている水素ガスを、燃料電池車両１８の水素タンク２０に充填する際に用いられる。
【００２２】
水素充填ステーション１４ａには、水素貯蔵タンク１６と、水素貯蔵タンク１６からの配管２２が入口部２４ａに連結（連通）されるボルテックスチューブ２４を備える水素充填装置１０ａと、水素充填装置１０ａを経由した水素ガスを燃料電池車両１８に供給するディスペンサ２６と、ノズル２８とが設けられている。ノズル２８は、一端が配管３０によりディスペンサ２６に接続されており、他端が充填コネクタ２８ａにより燃料電池車両１８の充填口３２に連結自在である。すなわち、ノズル２８の充填コネクタ２８ａが充填口３２に連結されると、水素充填ステーション１４ａ側から燃料電池車両１８側への水素ガスの供給が可能となる。
【００２３】
このような水素充填ステーション１４ａにおいて、水素貯蔵タンク１６としては、例えば、複数のタンクが連結された水素カードルを用いることもできる。
【００２４】
ディスペンサ２６は、燃料電池車両１８に供給する水素ガスの充填流量や充填速度等を制御する図示しない制御部を有し、充填量等の情報を図示しない表示部に表示可能である。
【００２５】
ノズル２８は、通常時（非充填時）にはディスペンサ２６に取り付けられている。そして、充填時には操作者（充填者）がノズル２８をディスペンサ２６から取り外し、燃料電池車両１８の充填口３２（水素供給口、燃料口）に接続する。
【００２６】
水素充填装置１０ａは、配管２２を介して入口部２４ａから流入する水素ガスを高温ガス（暖気、高温の水素ガス）と低温ガス（冷気、低温の水素ガス）とに分離する機能を果たすボルテックスチューブ２４と、ボルテックスチューブ２４の高温出口部２４ｂに連結（連通）される配管３４と、配管３４に接続される第１熱交換器３６（第１の熱交換器）とを備えている。配管３４には、第１熱交換器３６をバイパスするバイパス管３８（バイパス流路）が連結されている。バイパス管３８には、例えば、前記高温ガスを大気と熱交換させる第２熱交換器４０（第２の熱交換器）が接続されると共に、配管３４とバイパス管３８との分岐部には、三方弁４１が設けられている。なお、ボルテックスチューブ２４としては公知のものを採用しているので、詳細な説明は省略する。
【００２７】
また、ボルテックスチューブ２４の低温出口部２４ｃに連結される配管４２は、第１熱交換器３６や第２熱交換器４０の出口側の配管３４と合流された後、ディスペンサ２６へと連結されている。
【００２８】
さらに、水素充填装置１０ａには、熱媒体であるクーラント（例えば、エチレングリコール水溶液や水等）が循環されることで、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスの熱を利用して、水素貯蔵タンク１６を加熱する熱媒体回路４４ａが備えられている。熱媒体回路４４ａでは、クーラントを循環させるための循環ポンプ４６と、クーラントにより前記高温ガスを冷却する第１熱交換器３６と、水素貯蔵タンク１６に設けられ、クーラントが循環する熱交換部１６ａ（貯蔵タンク用熱交換部）とが、クーラント配管４８により順次接続されている。
【００２９】
ここで、水素貯蔵タンク１６に設けられる熱交換部１６ａの構造について、図２を参照して説明する。図２は、図１の点線で囲まれたＡ部を拡大した水素貯蔵タンク１６の一部省略概略断面図である。
【００３０】
水素貯蔵タンク１６は、タンク内面を形成するライナー層５０と、熱交換部１６ａを構成するクーラント配管４８を内包し、ライナー層５０の外側に形成されるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）層５２と、ＣＦＲＰ層５２の外側に形成され、タンク外面を形成する樹脂層５４とからなる３層構造である。
【００３１】
ライナー層５０としては、例えば、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ポリアミド系樹脂又はアルミニウム等を用いることができる。樹脂層５４としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができる。また、ＣＦＲＰ層５２は、クーラント配管４８が貫通することで、熱交換部１６ａが形成されている。従って、熱交換部１６ａでは、第１熱交換器３６で前記高温ガスとの熱交換により昇温されたクーラントがＣＦＲＰ層５２と熱交換することで、水素貯蔵タンク１６が加熱され、クーラント自体は冷却される。
【００３２】
さらに、水素充填装置１０ａには、装置各部の温度を測定するための温度センサ５６、５８と、これらの測定結果（温度）に基づいて、三方弁４１及び循環ポンプ４６等の運転を制御する制御装置６０が設けられている。温度センサ５６は、第１熱交換器３６の出口側（２次側）の配管３４に設けられている。温度センサ５８は、熱交換部１６ａにおける水素貯蔵タンク１６からの出口側（２次側）のクーラント配管４８に設けられている。なお、温度センサ５８は、水素貯蔵タンク１６内や外表面等に設けてもよい。
【００３３】
一方、燃料電池車両１８は、充填口３２から水素タンク２０へと連通する配管６２と、水素充填装置１０ａから充填口３２及び配管６２を介して供給される水素ガスが充填される水素タンク２０と、燃料電池６４（ＦＣ）とを有している。水素タンク２０は、燃料電池６４のアノード電極側に水素ガスを供給するためのものである。
【００３４】
基本的には以上のように構成される水素充填システム１２ａにおいて、次に、水素充填装置１０ａを用いて水素貯蔵タンク１６から水素タンク２０へと水素ガスを充填する際の水素充填方法について説明する。
【００３５】
先ず、水素タンク２０を搭載する燃料電池車両１８が水素充填ステーション１４ａに到着し、所定位置（水素充填位置）に停車される。そして、燃料電池車両１８のイグニッションがＯＦＦとされ、燃料電池６４等の運転が停止される。次いで、操作者（充填者）が、ノズル２８をディスペンサ２６から取り外し、ノズル２８の充填コネクタ２８ａを燃料電池車両１８の充填口３２に接続する。
【００３６】
そして、水素タンク２０への水素ガスの充填を開始する。そうすると、水素貯蔵タンク１６からの水素ガスが配管２２を流通し、入口部２４ａからボルテックスチューブ２４内へと流入する。そして、ボルテックスチューブ２４内に流入した水素ガスは、その内部で高温ガスと低温ガスとに分離され、高温ガスは高温出口部２４ｂから配管３４へと流通し、低温ガスは低温出口部２４ｃから配管４２へと流通する。
【００３７】
このとき、制御装置６０の制御下に、三方弁４１を第１熱交換器３６側に切り換えておくことにより、高温出口部２４ｂから配管３４へと流通した高温ガスは第１熱交換器３６へと流通する。さらに、制御装置６０の制御下に、熱媒体回路４４ａの循環ポンプ４６を駆動することにより、第１熱交換器３６では、高温ガスとクーラントとが熱交換される。すなわち、第１熱交換器３６では、高温ガスがクーラントにより冷却される一方、クーラントが高温ガスにより加熱される。
【００３８】
そして、第１熱交換器３６で冷却された高温ガスは、配管４２を流通する低温ガスに合流して混合された後、ディスペンサ２６及びノズル２８等を介して水素タンク２０へと充填されることになる。
【００３９】
一方、熱媒体回路４４ａでは、第１熱交換器３６にて加熱されたクーラントは、水素貯蔵タンク１６の熱交換部１６ａに循環される。これにより、水素貯蔵タンク１６が加熱される。
【００４０】
ところで、上記のように水素ガスの充填を開始すると、通常、水素タンク２０内では、充填される水素ガスが断熱圧縮されることにより温度が上昇する。一方、水素貯蔵タンク１６内では、急速に水素ガスが流出することによる膨張作用により温度が低下する。従って、水素タンク２０では、温度上昇により（見かけの）圧力が上昇し、水素貯蔵タンク１６では、温度低下により（見かけの）圧力が低下してしまうことになる。
【００４１】
しかしながら、本第１の実施形態では、水素充填装置１０ａにより、水素タンク２０へと充填される水素ガスが冷却される一方、水素貯蔵タンク１６は熱媒体回路４４ａにより加熱される。すなわち、水素充填装置１０ａによれば、水素ガス充填時での水素タンク２０の温度（圧力）上昇が抑制されることにより、水素タンク２０に十分な量の水素ガスを迅速に充填することができる。さらに、熱媒体回路４４ａにより水素貯蔵タンク１６の温度低下を抑制することができるため、水素貯蔵タンク１６での急激な圧力低下等に起因する充填速度の低下を防止して、充填速度を向上させることができる。
【００４２】
さらに、水素充填装置１０ａでは、ボルテックスチューブ２４により分離した高温ガスを第１熱交換器３６にて冷却した後、低温ガスと合流させ混合して水素タンク２０へと充填している。従って、上記従来技術に比べると、水素貯蔵タンク１６から供給される水素ガス（充填ガス）の減少がなく、つまり、充填される水素ガス量が減少しないため、充填速度が一層向上され、充填時間が一層短縮される。
【００４３】
また、本第１の実施形態では、ボルテックスチューブ２４を含む水素充填装置１０ａが水素充填ステーション１４ａに配置されている。このため、燃料電池車両１８側に、充填される水素ガスの冷却装置等を搭載しておく必要がなく、燃料電池車両１８の構造の簡素化や軽量化が可能となる。換言すると、水素充填システム１２ａによれば、例えば、水素充填装置１０ａを備えていない燃料電池車両１８と、備えている燃料電池車両とが混在して水素充填ステーション１４ａでの水素ガス充填サービスを受ける場合であっても、いずれの燃料電池車両に対しても、充填される水素ガスを冷却して、十分な量の水素ガスを迅速に充填することができる。
【００４４】
なお、水素充填装置１０ａでは、水素ガスの充填時、制御装置６０の制御下に、温度センサ５６での温度（第１熱交換器３６から出た高温ガスの温度）や温度センサ５８での温度（水素貯蔵タンク１６に配された熱交換部１６ａから出たクーラントの温度）を常時監視しておくことが好ましい。この際、例えば、温度センサ５６、５８の一方又は両方の温度が所定値以上となった場合、すなわち、水素貯蔵タンク１６の加熱が不要となった場合や高温ガスの冷却が困難となった場合には、三方弁４１をバイパス管３８側（第２熱交換器４０側）に切り換え、循環ポンプ４６を停止する。これにより、水素貯蔵タンク１６が過剰に加熱されることや高温ガスが冷却不足となることを防止できる。なお、高温ガスの不要（過剰）な熱は、第２熱交換器４０により大気中に放出されるため、配管４２の低温ガスに混合される高温ガスを確実に冷却しておくことができる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施形態につき、図３を参照して説明する。図３は、この第２の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１０ｂを備えた水素充填システム１２ｂの概略構成図である。なお、図３において、図１に示される参照符号と同一の参照符号は、同一又は同様な構成を示し、このため同一又は同様な機能及び効果を奏するものとして、その詳細な説明を省略して、以下の図面においても同様とする。
【００４６】
水素充填システム１２ｂは、図１に示す水素充填システム１２ａと比べて、水素充填ステーション１４ａの替わりに水素充填ステーション１４ｂが設けられ、水素充填装置１０ａの替わりに水素充填装置１０ｂが設けられている点が相違する。水素充填ステーション１４ｂ（高圧ガス充填ステーション）には、水素貯蔵タンク６６（高圧ガス貯蔵タンク）が備えられ、水素充填装置１０ｂには、熱媒体回路４４ｂが備えられている。
【００４７】
水素貯蔵タンク６６は、水素貯蔵タンク１６と略同様な構成であるが、熱交換部１６ａの替わりに口金加熱部６８（口金部用熱交換部）を備えている。口金加熱部６８は、水素貯蔵タンク６６の口金部６６ａを、熱媒体回路４４ｂのクーラント配管７０を循環するクーラントにより加熱可能に構成されている。すなわち、熱媒体回路４４ｂでは、循環ポンプ４６の駆動により、第１熱交換器３６で加熱されたクーラントが口金加熱部６８へと流通することで、口金部６６ａを加熱する。このような口金加熱部６８は、図４に示すように、クーラント配管７０の途中に、口金部６６ａを収納する口金加熱容器６８ａが連結されて構成されている。なお、熱媒体回路４４ｂにおける口金加熱部６８の出口側のクーラント配管７０には、温度センサ５９が設けられている。温度センサ５９は、口金部６６ａに直接取り付けるようにしてもよい。
【００４８】
以上のように、本第２の実施形態に係る水素充填装置１０ｂによれば、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスにより、水素貯蔵タンク６６の口金部６６ａを加熱することができる。これにより、通常、耐低温性の低いシール部（Ｏリング等）を有する口金部６６ａを、高温ガスの熱を利用して効果的に加熱することができる。従って、外気温の低下や、水素ガスの充填時における上記のような膨張作用により口金部６６ａの温度が低下した際にも、前記シール部を保護することができる。
【００４９】
また、水素充填装置１０ｂにおいても、上記第１の実施形態に係る水素充填装置１０ａと同様に、水素タンク２０への充填速度が向上し、十分な充填量が確保できることは勿論である。さらに、水素充填装置１０ａと同様に、温度センサ５６、５９での測定結果に基づき、三方弁４１の切換制御を行うことが可能である。
【００５０】
次に、本発明の第３の実施形態につき、図５を参照して説明する。図５は、この第３の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１０ｃを備えた水素充填システム１２ｃの概略構成図である。
【００５１】
水素充填システム１２ｃは、図１に示す水素充填システム１２ａと比べて、水素充填ステーション１４ａの替わりに水素充填ステーション１４ｃ（高圧ガス充填ステーション）が設けられ、水素充填装置１０ａの替わりに水素充填装置１０ｃが設けられている点が相違する。水素充填装置１０ｃは、熱媒体回路４４ａの替わりに熱媒体回路４４ｃを備えている。
【００５２】
熱媒体回路４４ｃは、上記第１の実施形態における熱媒体回路４４ａと上記第２の実施形態における熱媒体回路４４ｂの機能を合わせた構成である。すなわち、熱媒体回路４４ｃでは、第１熱交換器３６から出たクーラント配管７２が循環ポンプ４６の出口側でニ方に分岐している。このうち、一方のクーラント配管７４には、水素貯蔵タンク１６の熱交換部１６ａが連結され、他方のクーラント配管７６には、口金加熱部６８が連結されている。
【００５３】
また、クーラント配管７２がクーラント配管７４、７６に分岐する分岐点には、三方弁７８が設けられている。三方弁７８は、制御装置６０により、クーラント配管７４又はクーラント配管７６へのクーラントの流通を切換制御する。なお、三方弁７８では、クーラント配管７４、７６の両方にクーラントを流通させるように制御することもできる。
【００５４】
以上のように、本第３の実施形態に係る水素充填装置１０ｃによれば、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスにより、水素貯蔵タンク１６（タンク本体）及び口金部６６ａを加熱することができる。このため、水素ガスの充填時における水素貯蔵タンク１６の膨張作用等による温度低下の影響を一層確実に回避することが可能となる。
【００５５】
また、水素充填装置１０ｃでは、第１熱交換器３６で高温ガスと熱交換したクーラントの放熱部として、熱交換部１６ａと口金加熱部６８とを用いることができるため、クーラントの放熱効率が向上する。従って、上記水素充填装置１０ａ、１０ｂと比べて、ボルテックスチューブ２４から出た高温ガスの冷却（放熱）効率が向上し、水素タンク２０での温度上昇が一層抑制される。これにより、水素タンク２０に十分な量の水素ガスを一層迅速に充填することができる。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施形態につき、図６を参照して説明する。図６は、この第４の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１００ａを備えた水素充填システム１０２ａの概略構成図である。
【００５７】
水素充填システム１０２ａは、図１に示す水素充填システム１２ａと比べて、水素充填ステーション１４ａの替わりに水素充填ステーション１０４（高圧ガス充填ステーション）が設けられ、燃料電池車両１８の替わりに燃料電池車両１０６ａ（車両）が設けられている点が相違する。
【００５８】
本第４の実施形態において、水素充填装置１００ａは燃料電池車両１０６ａに配置（搭載）されている。すなわち、燃料電池車両１０６ａは、水素充填装置１００ａと、水素タンク２０と、燃料電池６４とを有している。水素充填装置１００ａでは、充填口３２から配管１０８を介してボルテックスチューブ２４に導入された水素ガスが、高温ガスと低温ガスとに分離される。
【００５９】
ボルテックスチューブ２４の高温出口部２４ｂには、配管１１４が連結され、配管１１４には、車体フレーム１１０と前記高温ガスとを熱交換させる熱交換器１１２ａ（第１の熱交換器、車体フレーム利用熱交換部）が接続されている。そして、熱交換器１１２ａの出口側（２次側）の配管１１４は、低温出口部２４ｃからの配管１１６と連結（合流）され、さらに、水素タンク２０へと連結（連通）されている。
【００６０】
以上のように、本第４の実施形態に係る水素充填装置１００ａによれば、ボルテックスチューブ２４により分離された高温ガスを、車体フレームと熱交換させて冷却した後、低温ガスと合流させ混合して水素タンク２０へと充填している。従って、水素タンク２０に導入される水素ガスが冷却され、水素タンク２０内での温度上昇が抑制される。このため、水素タンク２０に十分な量の水素ガスを迅速に充填することができる。また、上記従来技術のように、ボルテックスチューブ２４で分離した高温ガスを水素貯蔵タンク６６へと返送する構成に比べて、充填される水素ガス量を十分に確保することができ、充填速度が一層向上する。
【００６１】
また、本第４の実施形態では、水素充填装置１００ａが燃料電池車両１０６ａに搭載（車載）されているため、水素充填ステーション１０４の設備に依存することなく、充填される水素ガスを冷却して、水素タンク２０内での温度上昇を抑制することができる。
【００６２】
次に、本発明の第５の実施形態につき、図７を参照して説明する。図７は、この第５の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１００ｂを備えた水素充填システム１０２ｂの概略構成図である。
【００６３】
水素充填システム１０２ｂは、図６に示す水素充填システム１０２ａと比べて、燃料電池車両１０６ａの替わりに、水素充填装置１００ｂを備えた燃料電池車両１０６ｂ（車両）が設けられている点が相違する。
【００６４】
水素充填装置１００ｂには、図示しない車両駆動用モータや燃料電池６４等、燃料電池車両１０６ｂの駆動源を冷却するための冷却回路を構成するラジエータ１１８に連結され、循環ポンプ１２０によりクーラントが循環するクーラント配管１２２を有する熱媒体回路１２４が設けられている。熱媒体回路１２４には、さらに、ボルテックスチューブ２４の高温出口部２４ｂからの配管１１４に設けられる熱交換器１１２ｂ（第１の熱交換器、ラジエータ利用熱交換部）が接続されている。
【００６５】
すなわち、水素充填装置１００ｂでは、ボルテックスチューブ２４にて分離された高温ガスを、熱交換器１１２ｂにて、熱媒体回路１２４を循環するクーラントと熱交換させる。このため、熱交換器１１２ｂにおいて、前記高温ガスは冷却され、前記クーラントは加熱される。この際、熱交換器１１２ｂで加熱されたクーラントは、ラジエータ１１８にて放熱して冷却される。
【００６６】
以上のように、本第５の実施形態に係る水素充填装置１００ｂによれば、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスを、燃料電池車両１０６ｂの各種駆動源を冷却する冷却回路に備えられるラジエータ１１８を利用した熱媒体回路１２４を用いて冷却した後、低温ガスと混合して水素タンク２０へと充填している。従って、水素タンク２０に導入される水素ガスが冷却され、水素タンク２０内での温度上昇が抑制される。このため、水素タンク２０に十分な量の水素ガスを迅速に充填することができる。また、上記従来技術のように、ボルテックスチューブ２４で分離した高温ガスを水素貯蔵タンク６６へと返送する構成に比べて、充填される水素ガス量を十分に確保することができ、充填速度が一層向上する。
【００６７】
次に、本発明の第６の実施形態につき、図８を参照して説明する。図８は、この第６の実施形態に係る高圧ガス充填装置としての水素充填装置１００ｃを備えた水素充填システム１０２ｃの概略構成図である。
【００６８】
水素充填システム１０２ｃは、図６に示す水素充填システム１０２ａと比べて、燃料電池車両１０６ａの替わりに、水素充填装置１００ｃを備える燃料電池車両１０６ｃ（車両）が設けられている点が相違する。
【００６９】
水素充填装置１００ｃは、上記第４の実施形態における水素充填装置１００ａと上記第５の実施形態における水素充填装置１００ｂの機能を合わせた構成である。すなわち、水素充填装置１００ｃの熱交換器１１２ｃ（第１の熱交換器、車体フレーム利用熱交換部、ラジエータ利用熱交換部）では、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスが、車体フレーム１１０及び熱媒体回路１２４内を循環するクーラントと熱交換して冷却される。
【００７０】
以上のように、本第６の実施形態に係る水素充填装置１００ｃによれば、ボルテックスチューブ２４で分離された高温ガスを熱交換器１１２ｃにおいて、車体フレーム１１０及び熱媒体回路１２４により冷却した後、低温ガスと混合して水素タンク２０へと充填している。従って、水素充填装置１００ａ、１００ｂと比べて、ボルテックスチューブ２４から出た高温ガスの冷却（放熱）効率が向上し、水素タンク２０での温度上昇が一層抑制される。このため、水素タンク２０に十分な量の水素ガスを一層迅速に充填することができる。
【００７１】
次に、本発明に係る水素充填方法において、水素充填時にボルテックスチューブを利用することによる作用効果について、図９及び図１０を参照して説明する。図９Ａは、水素充填時にボルテックスチューブを利用しない条件（１）を説明するための説明図であり、図９Ｂは、水素充填時にボルテックスチューブを利用する条件（２）を説明するための説明図である。図１０は、図９Ａ及び図９Ｂに示す各条件（１）、（２）において、水素貯蔵タンクから水素タンクへと水素ガスを充填するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【００７２】
図９Ａに示すように、条件（１）では、水素貯蔵タンクから水素タンクへ水素ガスを充填する際、ボルテックスチューブにおいて低温ガスと高温ガスとに分離せず、高温ガスを１００％とすると共に、熱交換器で前記高温ガスを熱交換させないものとした。つまり、ボルテックスチューブなしに水素ガスの充填を行う条件である。
【００７３】
また、図９Ｂに示すように、条件（２）では、水素貯蔵タンクから水素タンクへ水素ガスを充填する際、ボルテックスチューブにおける分離条件を冷風比７５％、すなわち、低温ガスを７５％、高温ガスを２５％とすると共に、高温ガスの熱交換器での熱交換効率を５０％とした。つまり、ボルテックスチューブを用いて水素ガスの充填を行う条件である。
【００７４】
図１０は、上記各条件（１）、（２）での水素ガス充填におけるシミュレーション結果を示している。図１０から明らかなように、充填終了時（３００ｓｅｃ経過時）、ボルテックスチューブを利用する条件（２）の方が、ボルテックスチューブを利用しない条件（１）よりも充填水素量が多く、水素タンク温度が低くなった。詳細には、条件（２）の方が条件（１）よりも、充填水素量が約３％増加し、水素タンク温度が約１０℃低下していた。つまり、ボルテックスチューブを設けて高温ガスと低温ガスとを分離し、該高温ガスを熱交換器により冷却した後、前記低温ガスと合流させて水素タンクへ充填するように構成することで、水素タンク温度を低下させ、さらに、充填水素量を増加させることが可能となることが明示された。これにより、ボルテックスチューブを利用して、冷却後の高温ガスを低温ガスと合流させて水素タンクに導入することにより、充填速度を大幅に向上可能であることが明らかとなった。
【００７５】
従って、上記シミュレーション結果から諒解されるように、上記各実施形態に示す水素充填装置１０ａ〜１０ｃ、１００ａ〜１００ｃでは、上記条件（２）の場合と同様に、水素タンク２０の温度低減及び充填水素量の増加と、これによる充填速度の向上及び充填時間の短縮を図ることが可能となる。
【００７６】
以上、上記実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
【００７７】
例えば、上記各実施形態では、水素ガスを充填する水素充填装置を例示して本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、高圧ガス貯蔵タンクに貯蔵されている高圧ガスを被充填タンクに充填する際に用いられる高圧ガス充填装置であれば適用可能である。この場合の高圧ガスとしては、水素ガス以外に、例えば、天然ガス等が挙げられる。
【００７８】
また、上記各実施形態では、被充填タンクが搭載される車両として燃料電池車両を例示したが、水素ガス等の高圧ガスを貯蔵する被充填タンクが搭載される車両やこのような高圧ガスを燃料として走行する車両であれば、燃料電池車両に限られるものではない。
【００７９】
さらに、上記第２及び第３の実施形態における口金加熱部６８では、口金部６６ａ以外にも、水素貯蔵タンク１６に取り付けられている逆止弁等の各種部品を加熱するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムを示す概略構成図である。
【図２】図１のＡ部を拡大した水素貯蔵タンクの一部省略概略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図４】前記第２の実施形態に係る水素充填装置の口金加熱部を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムの概略構成図である。
【図９】図９Ａは、水素充填時にボルテックスチューブを利用しない条件（１）を説明するための説明図であり、図９Ｂは、水素充填時にボルテックスチューブを利用する条件（２）を説明するための説明図である。
【図１０】図９Ａ及び図９Ｂに示す各条件（１）、（２）において、水素貯蔵タンクから水素タンクへと水素ガスを充填するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
１０ａ〜１０ｃ、１００ａ〜１００ｃ…水素充填装置
１２ａ〜１２ｃ、１０２ａ〜１０２ｃ…水素充填システム
１４ａ〜１４ｃ、１０４…水素充填ステーション
１６、６６…水素貯蔵タンク              １６ａ…熱交換部
１８、１０６ａ〜１０６ｃ…燃料電池車両  ２０…水素タンク
２４…ボルテックスチューブ              ２４ａ…入口部
２４ｂ…高温出口部                      ２４ｃ…低温出口部
３２…充填口                            ３６…第１熱交換器
３８…バイパス管                        ４０…第２熱交換器
４１、７８…三方弁                      ４４ａ〜４４ｃ、１２４…熱媒体回路
４６…循環ポンプ                        ６０…制御装置
６６ａ…口金部                          ６８…口金加熱部
６８ａ…口金加熱容器                    １１０…車体フレーム
１１２ａ〜１１２ｃ…熱交換器            １１８…ラジエータ
【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】
2007309375.tif 000009
【図８】
2007309375.tif 000010
【図９】
2007309375.tif 000011
【図１０】
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