(57)【要約】【課題】構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムを提供すること。【解決手段】水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機１１により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする水素プレクールシステム。
【請求項２】
前記膨張機に、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用したことを特徴とする請求項１記載の水素プレクールシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ステーションにおいて、燃料電池自動車等の水素自動車（以下、単に、「水素自動車」という場合がある。）の燃料となる水素ガスを、水素ガス供給源から水素自動車の燃料タンクに充填するための水素充填設備の付属システムに関し、特に、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガスを充填する経路に設けられている膨張弁等の部分で高圧から断熱膨張（等エンタルピ膨張）すると、その性状から逆転温度（−５８℃）よりも高い領域での膨張になるため、ジュールトムソン効果によって膨張後の温度が上昇するという性質を有している。
したがって、水素ステーションにおいて、水素自動車の燃料となる水素ガスを、水素ガス供給源から水素自動車の燃料タンクに充填する際に、水素ガスを充填する経路に設けられている膨張弁等の部分で、水素ガスの温度が上昇する。
【０００３】
この水素ガスの温度の上昇は、水素ガスの膨張比が大きくなるほど顕著になることから、水素ステーションでの水素ガス供給源からの供給ガスの高圧力化（例えば、４５→７０ＭＰａ（Ｇ）、さらには、８２ＭＰａ（Ｇ）化。）に伴い、さらに自己温度上昇量が大きくなってくる。
一例として、水素ガスを、７０ＭＰａ（Ｇ）、３０℃から一段で膨張させたときの、各２次圧における自己温度変化の一例を図１に示す。
【０００４】
一方、現状で普及が開始された燃料電池車では、燃料タンクの材質による温度制限と、燃料電池本体セルの運用温度の制限から、水素充填時の最高温度上限は８５℃程度とされている。
【０００５】
そして、上記水素の性質から、何の手段も施さずにそのまま水素ガスを充填すると、水素充填時の温度が、最高温度上限の８５℃を越えてしまい、燃料タンクの材質による温度制限や燃料電池本体セルの運用温度の制限、さらには、充填後の冷却に伴う圧力降下等の問題が発生するため、水素ガスを充填する経路に熱交換器等の冷却手段を配置し、この冷却手段で水素ガスを冷却しながら水素自動車に充填する方法が提案され、実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１６６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、図２に、現状の一般的な７０ＭＰａ（Ｇ）の水素ステーションの構成図を示す。
この水素ステーションは、水素ガスを受け入れる圧縮機ユニットからなる圧縮機設備１と、圧縮機設備１から送られてきた水素ガスを蓄圧する蓄圧器ユニットからなる水素蓄圧設備２と、水素蓄圧設備２からの水素ガスを水素自動車の燃料タンク６に充填するための経路に設けられた膨張弁３及び水素ガスプレクーラ４と、プレクーラ４を介して水素ガスの冷却を行うプレクールシステム５とを備え、さらに、プレクールシステム５には、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、アキュムレータ等からなる冷凍機設備７と、ブラインタンク、１次ブラインポンプ、２次ポンプ等からなるブライン回路８を備えるようにしている。
そして、この水素ステーションは、オンサイト型、オフサイト型の水素ステーションの両者とも、受け入れた水素は圧縮機設備１で中間圧（図例では４０ＭＰａ（Ｇ））や高圧（図例では８２ＭＰａ（Ｇ））まで圧縮され、それぞれの圧力で水素蓄圧設備２の蓄圧ユニット内にて圧縮ガスの形で保持される。
これらの水素ガスを、需要側である車載の燃料タンク６へ充填するには、膨張弁３を介しての膨張により行われるが、その際に水素ガス自身の温度上昇を伴うため、外部設備であるプレクールシステム５により−４０℃まで冷却される。
現状の技術では、このプレクールシステム５は、フロン冷媒等の通常の冷凍機設備７と、−４０℃近辺で動作するブライン回路８とを組み合わせて構成されているため、構成が複雑であり、また、冷凍機用冷媒圧縮機、１次ブラインポンプ、２次ブラインポンプ等の多くの回転機器も必要になる。
【０００８】
このため、従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムにおいては、以下の課題があった。
１）外部独立したプレクールシステムはそれ自体が外部電力で稼働するシステムである。一般的な水素ステーション（３００Ｎｍ３／ｈ）で約４０ｋＷとなっており、プレクールシステムの運用自体が運転コストを上昇させる。
２）冷凍機の冷媒にフロン（代替えフロン）を使用するため法的な扱いを受け、このプレクーラ設備自体が高圧ガス保安法の冷凍保安則にかかり、設備や運用において制約を受ける。
３）フロンやブラインをステーション内に保有することは、フロンやブラインの外部漏えいに対する環境事故の予防対策が必要になる。
４）プレクールシステムが、冷凍回路とブライン回路の２段構成で複雑であることや、冷媒圧縮機やブラインポンプ等の回転機が複数存在するため、多くの保守管理役務が生じる。
５）ブラインを介したシステムのため、運転起動から定常状態になるまで時間を要する。このため、充填作業のかなり前からプレクールシステムを事前起動、系内を定常状態にしておく必要がある。
６）水素ステーション自体の設置スペースを小型化する際に、プレクールシステムの専有スペースがその制約となる。
７）現状の−４０℃という温度では、さらなる水素の急速充填に制限が出てくる。将来において、さらに充填時間を短くするためには、現状の−４０℃よりも低い温度に予冷が必要となる可能性もある。
【０００９】
本発明は、上記従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムの有する問題点に鑑み、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステム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】
上記目的を達成するため、本発明の水素プレクールシステムは、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムおいて、膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする。
【００１１】
この場合において、前記膨張機に、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素プレクールシステムによれば、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムおいて、膨張減圧する過程で膨張機により、具体的には、例えば、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用して、水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにすることにより、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）と水素タービンを用いた膨張（タービン膨張）による温度上昇の一例を示すグラフである。
【図２】従来の水素プレクールシステムを用いた水素ステーションの説明図である。
【図３】本発明の水素プレクールシステムの一実施例を示す説明図である。
【図４】本発明の水素プレクールシステムの変形実施例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の水素プレクールシステムの実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１５】
この水素プレクールシステムは、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムであって、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにしたものである。
【００１６】
より具体的には、図３に示す、水素ステーションの水素ガスの最終膨張機構のように、水素ガス供給ラインの一部のガスを分岐し、膨張タービンの回路を設ける。
膨張タービンで水素を膨張させ温度低下させた水素ガスを再合流させる。必要に応じ中間的な圧力に膨張させて混合させ、最終的に少ない膨張比でタンクに最終膨張充填させる場合もある。
図３において、高圧の状態で分岐された高圧水素ガスはタービン入口弁を介して水素タービンへ供給される、水素タービンによる膨張は常に温度降下を生じる（図１参照。ここで、図１は計算の一例であり、膨張タービンの入り口条件と膨張比の設定等により出口温度は広い範囲で制御することができる。）ため、タービン出口温度は入口より降下する。
その膨張後のガスを通常膨張させたガスと合流混合させ、最適な温度として最終的に低膨張比でタンクに対して連続充填を行うようにする。
そして、充填の相手側の圧力と温度の状況をセンサで感知して、最適な混合温度にするフィードバック制御をかけて構成する。この温度指令により水素タービン入口弁を制御することにより、タービン回路の流量を変化させることにより温度降下幅さらには混合後の温度を適切な範囲に保つようにする。
【００１７】
また、図４に示すように、蓄圧設備からの水素ガスを抽出して膨張タービンによる温度降下回路を設けるようにすることもできる。
【００１８】
この場合において、膨張機には、従来膨張機として汎用されている、上記の水素タービン１１、２１（例えば、特開２００３−１０６１０８号公報、特開２０１２−２０６９０９号公報参照。）のほか、往復動機械膨張機（例えば、特開昭６１−２６２５５８号公報参照。）、ロータリー式膨張機（例えば、特開２００７−９７５５号公報参照。）及びスクロール式膨張機（例えば、国際公開ＷＯ２０１２／１６４６０９参照。）のいずれか又はこれらを組み合わせて使用することができる。
【００１９】
また、前記膨張機によるエネルギを取り出す手段として、以下の方式を挙げることができる。
１）ブレーキファンによる制動（水冷クーラで熱に変換）
２）発電機を組み込むことによる発電制動
３）昇圧ブロワによるプロセス水素の昇圧
【００２０】
この水素プレクールシステムは、上記原理により、従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムの課題を、以下のとおり解決することができる。
課題１）については、水素膨張タービン等の膨張機の稼働には外部電力を必要としないため、従来のプレクールシステムの運転コスト（電気代）に対して、ほとんど電力は必要としない。
課題２）については、冷媒が存在しないので、別個には冷凍則にかからないシステムとなる。水素ステーション全体の高圧ガス保安法のなかで対処することができる。
課題３）については、フロン冷媒やブライン自体が存在しないので、環境事故に対するリスクはなくなる。
課題４）については、シンプルなシステム構成となるため、運転コストのみならず保守コストも大幅に低減できる。
課題５）については、膨張タービン等の膨張機の起動と同時に温度降下状態が作れるため、系内の時定数が非常に小さい。事前起動の時間はわずかになる。
課題６）については、膨張タービン等の膨張機のコールドボックスのみでよいので大幅な省スペース化が図れる。
課題７）については、水素膨張タービン等の膨張機により、温度は−１００℃近くまでプレクール可能であり、より急速な充填に対応可能である。
【００２１】
以上、本発明の水素プレクールシステムについて、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の水素プレクールシステムは、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできるという特性を有していることから、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムの用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００２３】
１  圧縮機設備
２  水素蓄圧設備
３  膨張弁
４  プレクーラ
５  プレクールシステム
６  燃料タンク
７  冷凍機設備
８  ブライン回路
１０  プレクールシステム
１１  水素タービン（膨張機）
１２  第１膨張弁
１３  第２膨張弁
２０  プレクールシステム
２１  水素タービン（膨張機）
２２  第１膨張弁
２３  プレクーラ
【図１】
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【図２】
2016176592.tif 000004
【図３】
2016176592.tif 000005
【図４】
2016176592.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月4日(2015.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の水素プレクールシステムは、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の水素プレクールシステムによれば、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、膨張減圧する過程で膨張機により、具体的には、例えば、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用して、水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにすることにより、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムを提供することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
この水素プレクールシステムは、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられるプレクールシステムであって、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにしたものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機により水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする水素プレクールシステム。
【請求項２】
前記膨張機に、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用したことを特徴とする請求項１記載の水素プレクールシステム。