(57)【要約】【課題】高圧ガス充填方法及び高圧ガス充填システムにおいて、タンクへの高圧ガス充填のために必要となる、時間とエネルギと場所とを少なく抑えることである。【解決手段】貯蔵タンク１８から供給ライン２２を通じて液化ガスである液体水素を、加圧ポンプ２４に供給する。加圧ポンプ２４を用いて加圧された高圧の液体水素を、車載用タンク１６に供給し、車載用タンク１６に供給された高圧の液体水素を、車載用タンク１６に設けた熱交換部により車載用タンク１６内で気化させる。この構成により、車載用タンク１６に高圧ガスである高圧水素ガスを充填する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧器を用いて加圧された高圧の液化ガスをタンクに供給し、タンクに供給された高圧の液化ガスを、タンクに設けた気化部によりタンク内で気化させることにより、タンクに高圧ガスを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に記載の高圧ガス充填方法において、
気化部は、タンクと配管との接続部に設けて、逆止弁を有するバルブボディに、一体に設けた熱交換部であることを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高圧ガス充填方法において、
バルブボディは、タンクの内外を通じさせる液化ガス流路を設けており、
熱交換部は、液化ガス流路の液化ガス下流側に設けた複数のフィンまたは焼結材料を備えることを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の高圧ガス充填方法において、
圧力検出手段により、タンクへの液化ガス供給前のタンク内の圧力を検出し、
温度検出手段により、タンクへの液化ガス供給前のタンク内の温度を検出し、
制御手段により、タンク内の圧力と温度とからタンク残存ガス量を算出し、タンク内のガス圧力がタンクの予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限タンク総充填ガス量と、タンク残存ガス量とから、タンクへの上限液化ガス供給量を算出し、タンクに供給する液化ガスの供給量を、算出された上限液化ガス供給量以下に規制することを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項５】
加圧器を用いて加圧された高圧の液体水素をタンクに供給し、タンクに供給された高圧の液体水素をタンク内で気化させることにより、タンクに高圧ガスである高圧水素ガスを充填することを特徴とする高圧ガス充填方法。
【請求項６】
液化ガスを充填側タンクに供給するための供給ラインと、
供給ラインに供給するための液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、
供給ラインに設けられ、液化ガスを加圧する加圧器と、
充填側タンクに設けられ、供給された高圧の液化ガスを充填側タンク内で気化させ、気化した高圧ガスを充填側タンク本体部に供給するための気化部と、を備えることを特徴とする高圧ガス充填システム。
【請求項７】
請求項６に記載の高圧ガス充填システムにおいて、
気化部は、充填側タンクと配管との接続部に設けて、逆止弁を有するバルブボディに、一体に設けた熱交換部であることを特徴とする高圧ガス充填システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の高圧ガス充填システムにおいて、
充填側タンクに加圧器を介して液化ガスを供給する液化ガス供給機構と、
液化ガス供給機構の作動を制御する供給機構制御手段と、
充填側タンクへの液化ガス供給前の充填側タンク内のガス圧力を検出するタンク圧力検出手段と、
充填側タンクへの液化ガス供給前の充填側タンク内の温度を検出するタンク温度検出手段と、を備え、
供給機構制御手段は、充填側タンク内の圧力と温度とから充填側タンク残存ガス量を算出し、充填側タンク内のガス圧力が充填側タンクの予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限充填側タンク総充填ガス量と、充填側タンク残存ガス量とから、充填側タンクへの上限液化ガス供給量を算出し、充填側タンクに供給する液化ガスの供給量が算出された上限液化ガス供給量以下に規制されるように、液化ガス供給機構の作動を制御することを特徴とする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、液化ガスをタンクに供給し、タンクに供給された液化ガスをタンク内で気化させる高圧ガス充填方法及び高圧ガス充填システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気等の酸化ガスと水素ガス等の燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池車が考えられている。燃料電池は、水素ガス等の水素含有ガスを使用するため、車載用として、高圧水素ガスを充填した高圧水素タンクを使用することが考えられている。
【０００３】
高圧水素タンクへの高圧水素ガスの充填方法としては、次の方法がある。図９は、従来から一般的に考えられている高圧水素ガス充填方法の１例を示している。図９に示す高圧水素ガス充填方法は、水素ガス充填所において、予め常圧または常圧よりも低圧の気体状の水素ガス１０を図示しない貯蔵タンクに貯蔵し、貯蔵タンクから排出された水素ガス１０を加圧ポンプ１２により加圧し、予備蓄圧タンクである蓄圧タンク１４に高圧の水素ガス１０を充填しておくことで、充填の準備をする。燃料電池車等の自動車に搭載する車載用タンク１６に水素ガス１０を充填する場合には、蓄圧タンク１４内のガス圧と車載用タンク１６のガス圧との差圧で、被充填側タンクである車載用タンクに高圧の水素ガス１０を充填する。また、貯蔵タンクから蓄圧タンク１４への水素ガス１０の充填時には、加圧ポンプ１２において、気体状の水素ガス１０を定量ずつ吸い込み加圧した後、吐出する。
【０００４】
図１０は、従来から考えられている高圧水素ガス充填方法の別例を示している。別例の高圧水素ガス充填方法は、図示しない貯蔵タンクから加圧ポンプ１２により、蓄圧タンク１４（図９参照）を介することなく、直接に車載用タンク１６に高圧の水素ガス１０を充填する。
【０００５】
また、特許文献１に記載された水素航空機用燃料供給システムの場合、液体水素をダンプタンクから貯蔵タンクに貯蔵し、貯蔵タンクから航空機に液体水素を供給し、航空機は液体水素を燃料として使用するとされている。
【０００６】
また、特許文献２に記載されたクリオタンク充填用燃料補給方法の場合、水素バスの液体水素を、水素冷却ユニットを介してクリオタンクに導入し、クリオタンクから液体水素をエンジンに供給するとされている。
【０００７】
また、特許文献３に記載されたガスの充填装置の場合、液体酸素供給源から供給される液体酸素を大気熱でガス化して昇圧するアキュムレーターと、アキュムレーターから供給される液体酸素を大気熱でガス化して常温の高圧酸素を発生する気化器と、気化器から供給される高圧酸素を医療用酸素ボンベに充填可能な充填ラインとを備えるとされている。
【０００８】
また、特許文献４に記載された液体燃料供給システムの場合、液体水素を貯蔵する液体燃料タンクと、液体水素から発生するボイルオフガスを貯蔵する気体燃料タンクと、燃料電池スタックと、電源制御部とを備えるとされている。また、圧力センサと温度センサとの計測値に基づいて気体燃料タンクの内圧と温度とを求め、求められた内圧と温度とに基づいて気体燃料タンク内のボイルオフガスの量を演算し、液体燃料タンクの液面位置に基づいて液体水素の残量を計算し、液体燃料タンクの圧力センサと温度センサとに基づいて液体燃料タンク内部のボイルオフガスの残量を演算し、各タンクのボイルオフガスの残量から気体燃料の総量を求め、気体燃料の総量と、液体燃料タンク内の液体水素の残量が気化した場合のボイルオフガスの総量との合計が利用可能な総燃料残量となるとされている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５６−４３１００号公報
【特許文献２】特開平５−２１５２９８号公報
【特許文献３】特開２００６−５２８０９号公報
【特許文献４】特開２００６−２００５６４号公報
【特許文献５】特開２００７−１０１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
車載用タンクへの高圧水素ガスの充填方法のうち、上記の図１０に示した従来から考えられている方法の別例の場合、車載用タンク１６へ高圧の水素ガス１０を充填するのに、長時間と大きなエネルギとが必要になる。例えば、定格圧力が３５ＭＰａの車載用タンク１６にガスを充填するとして、加圧ポンプ１２で４０ＭＰａの吐出圧でガスを吐出する場合を考える。この場合、加圧ポンプ１２の１回の圧縮吐出工程で、１Ｌを吸入しても、２．５×１０-3Ｌ（＝２．５ｃｃ）程度の少量ずつしかガスを吐出できない場合がある。すなわち、ある程度大きな容量を有する車載用タンク１６に水素ガスを充填する場合で、定量ずつガスを吐出する加圧ポンプ１２を使用する場合には、車載用タンク１６への水素ガス１０の充填に、長時間と大きなエネルギとが必要になる。
【００１１】
例えば、貯蔵タンクに充填されるガスは高圧ガスの取り扱い上、１ＭＰａ以下と定められている。このため、１ＭＰａ以下の圧力を有するガスであれば、加圧ポンプ１２を使用せずに、ボンベ等を用いて車載用タンク１６等の高圧タンクに充填することもできる。ただし、１ＭＰａを超える圧力を有するガスを高圧タンクに充填するためには、加圧ポンプ１２を用いて加圧して充填する必要がある。
【００１２】
上記の図１０に示した従来から考えられている別例の方法の場合、加圧ポンプ１２はガスを定量ずつ吸い込み加圧し吐出する。また、加圧ポンプ１２の１回の圧縮吐出工程での吸入量は１Ｌ以下が一般的であり、加圧ポンプ１２に吸入されたガスを充填側の車載用タンク１６の定格圧力まで加圧して車載用タンク１６に送り込む。例えば、車載用タンク１６が小さめの１００Ｌである場合、車載用タンク１６の定格圧力が３５ＭＰａであるとして、常圧ならば３５０００Ｌに相当するガスを加圧ポンプ１２により吐出する必要があり、充填効率（２０％減）を考慮しても２８０００Ｌに相当するガスを加圧ポンプ１２により吐出する必要がある。この場合、高圧ガス吐出用の加圧ポンプ１２の吐出能力を、３０〜１００Ｎｍ3／ｈｒとすると、車載用タンク１６にガスを充填するのに２０分〜１時間程度の時間がかかってしまう。なお、Ｎはノルマル状態、すなわち０℃、７６０ｍｍＨｇの標準状態を意味する。
【００１３】
また、別の例として同じ場合で、加圧ポンプ１２の１回当たりの吸入量を０．５Ｌとして１００ＭＰａまで加圧する場合には、加圧ポンプ１２は１回当たりに０．５×１０-3Ｌ（＝０．５ｃｃ）のガスを吐出する。また、車載用タンク１６の定格圧力が７０ＭＰａで、容量が１００Ｌである場合に、充填効率が１００％であると仮定した場合には、常圧ならば７００００Ｌ（＝７０ｍ3）に相当するガスを加圧ポンプ１２で吐出する必要がある。この場合、車載用タンク１６を高圧ガスで満タンにするためには、加圧ポンプ１２で１４万回（＝７００００／０．５）、圧縮吐出工程を繰り返す必要がある。例えば、加圧ポンプ１２の回転数が３０００min-1（＝rpm）である場合には、約４６分間加圧ポンプ１２を駆動し続ける必要がある。
【００１４】
一方、上記の図９に示した従来から考えられている方法で、蓄圧タンク１４を使用して車載用タンク１６に差圧で水素ガス１０を充填する場合に、多くの本数の蓄圧タンク１４から１本の車載用タンク１６に充填すれば、車載用タンク１６への水素ガスの充填時間を短縮できる可能性はある。ただし、この場合には、予め貯蔵タンクから蓄圧タンク１４に加圧ポンプ１２を用いてガスを充填する必要があり、この充填時に充填時間が長時間必要になる。また、この場合には、蓄圧タンク１４を多く用意する必要があり、蓄圧タンク１４用の多くの場所を必要とする。
【００１５】
また、蓄圧タンク１４に対して、車載用タンク１６の定格圧力よりも高圧でガスを充填する必要があり、充填時の必要エネルギも過大になる。また、蓄圧タンク１４の定格圧力は、次の充填側である車載用タンク１６の定格圧力よりも高圧に設定されるため、加圧ポンプ１２も、この高圧に昇圧可能な能力を有するものを使用する。
【００１６】
また、蓄圧タンク１４内の、車載用タンク１６の定格圧力以下の低い圧力のガスは使用されないのにもかかわらず、低い圧力に対応する量のガスを蓄圧タンク１４に常に充填しておく必要がある。図１１は、これを説明するための車載用タンク１６への水素ガス１０充填初期状態の１例を工程に分けて示す図であり、図１２は、同じく車載用タンク１６への水素ガス１０充填消費サイクルを繰り返す場合の１例を工程に分けて示す図である。図１１、図１２では、箱形の上下寸法が圧力を表しており、同じく横寸法が常温時のタンク容積を表している。また、図１１、図１２で斜線または斜格子を付した部分は、水素ガス１０があることを表している。
【００１７】
まず、図１１を用いて説明すると、図１１（ａ）で、貯蔵タンク１８内の水素ガス１０は１０〜２０ＭＰａの圧力を有するものとし、図１１（ｂ）に示すように、貯蔵タンク１８から加圧ポンプ１２に供給された水素ガスを、加圧ポンプ１２により１００ＭＰａに昇圧する。蓄圧タンク１４は８０ＭＰａの定格圧力を有し、加圧ポンプ１２から吐出された水素ガス１０は、管路での圧力損失により８０ＭＰａに圧力が低下する。次いで、図１１（ｃ）に示すように、蓄圧タンク１４から車載用タンク１６に、差圧で水素ガス１０を充填する。車載用タンク１６内の水素ガス１０の圧力は７０ＭＰａとなり、図１１（ｃ）に斜格子で示す水素ガス１０部分が、蓄圧タンク１４内に常に残ったままで使用されない残存ガス量となる。
【００１８】
図１２も図１１と同様であるが、図１２（ａ）では、図１１（ｃ）に対応する残存ガス量の水素ガス１０が、蓄圧タンク１４に残ったままとなっている。図１２（ｂ）では、蓄圧タンク１４内の残存ガス量を除いた充填余地分だけ貯蔵タンク１８から水素ガス１０を供給し、蓄圧タンク１４に水素ガス１０を満充填している。図１２（ｃ）では、図１１（ｃ）と同様に、蓄圧タンク１４内と車載用タンク１６内との差圧により、車載用タンク１６に水素ガス１０を満充填する。図１２（ｃ）に示す場合も、斜格子で示す水素ガス１０部分が、蓄圧タンク１４内に常に残ったままで使用されない残存ガス量となる。いずれにしても、車載用タンク１６内の水素ガス１０の圧力以下の、蓄圧タンク１４内の高圧を維持するための水素ガス１０によるエネルギは、蓄圧タンク１４で使用されないエネルギとなる。また、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）では、蓄圧タンク１４に高圧の水素ガス１０を充填するために、加圧ポンプ１２で１００ＭＰａ等の高圧に昇圧するためのエネルギ、例えば６０〜８０ＭＰａの加圧力に対応するエネルギが必要になる。
【００１９】
要するに、蓄圧タンク１４で、無駄に過大となる可能性のあるエネルギとして、次の２種類がある。第１の種類のエネルギは、蓄圧タンク１４に常に残ったままとなる残存ガス量の水素が有するエネルギであり、これは蓄圧タンク１４の容積と蓄圧タンク１４内最低ガス圧力との積に等しくなる。また、蓄圧タンク１４内最低ガス圧力は、充填側の車載用タンク１６の最大圧力と、両タンク１４，１６間でガスを移送する間に失われる圧力損失分との和に等しくなる。また、第２の種類のエネルギは、蓄圧タンク１４にガスを蓄圧するための蓄圧圧力に対応するエネルギであり、蓄圧圧力は、蓄圧タンク１４内最低ガス圧力と、蓄圧タンク１４にガスを充填余地分補充するための圧力との和に等しくなる。また、１本の車載用タンク１６に複数本の蓄圧タンク１４により同時に、または短時間でガスを充填する場合には、蓄圧圧力は更に大きくなる。
【００２０】
このように、蓄圧タンク１４内のガス圧力は、車載用タンク１６の定格圧力を最低値とし、車載用タンク１６を高圧ガスで満充填するためには、例えば、蓄圧タンク１４の耐圧上限となる圧力付近までガス圧力を大きくするように、ガスを充填しておく必要がある。蓄圧タンク１４の最低圧力は、車載用タンク１６の最高圧力であり、この圧力は充填する高圧ガスの土台的役割を有する。蓄圧タンク１４から車載用タンク１６へのガスの充填時でも、土台となる圧力に相当するガスは蓄圧タンク１４に残ったままとなり、通常使用できない。このため、蓄圧タンク１４に土台となる圧力に対応する量のガスを充填するためのエネルギと、蓄圧タンク１４の土台となる圧力に対応するガス分の容積とが必要になる可能性がある。このように、上記の図９、図１１、図１２に示した従来から考えられている方法では、時間と、エネルギと、場所とが過度に多く必要となる可能性がある。
【００２１】
これに対して、特許文献１、特許文献２に記載された水素航空機用燃料供給システム、クリオタンク充填用燃料補給方法の場合には、航空機またはクリオタンクに液体水素を液体のまま充填し、液体水素を液体として使用するものであり、タンクに高圧ガスを充填する方法及びシステムは開示されていない。また、液体水素を液体のまま使用する場合、ボイルオフガスが出続ける可能性があるため、タンクを特別な貯蔵庫に配置したり、排気装置等の特別なボイルオフガス対策手段を設ける必要がある。
【００２２】
また、特許文献３に記載されたガスの充填装置の場合も、タンクに高圧ガスを充填する方法及びシステムは開示されていない。タンクに充填するガスは高圧となるのに対し、高圧とするための加圧器を設けることも開示されていない。また、タンクに高圧ガスを短時間で充填するようにするための手段も開示されていない。また、特許文献４に記載された液体燃料供給システムの場合も、タンクに高圧ガスを短時間で充填できるようにするための手段は開示されていない。
【００２３】
また、特許文献５に記載された液化ガスの充填方法の場合には、ポンプにより加圧された液化ガス液を気化器または熱交換器を介して気化させた後、充填容器に充填するか、または加圧された液化ガス液を充填容器に直接充填し、室温で放置することにより充填された液が気化するようにするとされている。ただし、このような特許文献５に記載された方法の場合には、タンクに液化ガス液を気化させるための気化部を設けることは開示されていない。このような特許文献５に記載された方法の場合、タンクに液化ガス液を充填してから短時間で、タンクから高圧ガスを取り出して使用することができない可能性がある。
【００２４】
本発明の目的は、高圧ガス充填方法及び高圧ガス充填システムにおいて、タンクへの高圧ガス充填のために必要となる、時間とエネルギと場所とを少なく抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係る高圧ガス充填方法のうち、第１の発明に係る高圧ガス充填方法は、加圧器を用いて加圧された高圧の液化ガスをタンクに供給し、タンクに供給された高圧の液化ガスを、タンクに設けた気化部によりタンク内で気化させることにより、タンクに高圧ガスを充填することを特徴とする高圧ガス充填方法である。
【００２６】
また、好ましくは、気化部は、タンクと配管との接続部に設けて、逆止弁を有するバルブボディに、一体に設けた熱交換部とする。
【００２７】
また、より好ましくは、バルブボディは、タンクの内外を通じさせる液化ガス流路を設け、熱交換部は、液化ガス流路の液化ガス下流側に設けた複数のフィンまたは焼結材料を備える。
【００２８】
また、第１の発明に係る高圧ガス充填方法において、好ましくは、圧力検出手段により、タンクへの液化ガス供給前のタンク内の圧力を検出し、温度検出手段により、タンクへの液化ガス供給前のタンク内の温度を検出し、制御手段により、タンク内の圧力と温度とからタンク残存ガス量を算出し、タンク内のガス圧力がタンクの予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限タンク総充填ガス量と、タンク残存ガス量とから、タンクへの上限液化ガス供給量を算出し、タンクに供給する液化ガスの供給量を、算出された上限液化ガス供給量以下に規制する。
【００２９】
また、本発明に係る高圧ガス充填方法のうち、第２の発明に係る高圧ガス充填方法は、加圧器を用いて加圧された高圧の液体水素をタンクに供給し、タンクに供給された高圧の液体水素をタンク内で気化させることにより、タンクに高圧ガスである高圧水素ガスを充填することを特徴とする高圧ガス充填方法である。
【００３０】
また、本発明に係る高圧ガス充填システムは、液化ガスを充填側タンクに供給するための供給ラインと、供給ラインに供給するための液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、供給ラインに設けられ、液化ガスを加圧する加圧器と、充填側タンクに設けられ、供給された高圧の液化ガスを充填側タンク内で気化させ、気化した高圧ガスを充填側タンク本体部に供給するための気化部と、を備えることを特徴とする高圧ガス充填システムである。
【００３１】
また、好ましくは、気化部は、充填側タンクと配管との接続部に設けて、逆止弁を有するバルブボディに、一体に設けた熱交換部とする。
【００３２】
また、より好ましくは、充填側タンクに加圧器を介して液化ガスを供給する液化ガス供給機構と、液化ガス供給機構の作動を制御する供給機構制御手段と、充填側タンクへの液化ガス供給前の充填側タンク内のガス圧力を検出するタンク圧力検出手段と、充填側タンクへの液化ガス供給前の充填側タンク内の温度を検出するタンク温度検出手段と、を備え、供給機構制御手段は、充填側タンク内の圧力と温度とから充填側タンク残存ガス量を算出し、充填側タンク内のガス圧力が充填側タンクの予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限充填側タンク総充填ガス量と、充填側タンク残存ガス量とから、充填側タンクへの上限液化ガス供給量を算出し、充填側タンクに供給する液化ガスの供給量が算出された上限液化ガス供給量以下に規制されるように、液化ガス供給機構の作動を制御する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る高圧ガス充填方法及び高圧ガス充填システムによれば、加圧器により加圧された高圧の液化ガスをタンクに供給し、タンクに供給された高圧の液化ガスをタンク内で気化させるので、気体を圧縮するポンプを使用する必要がなくなる。このため、高圧ガス充填時の充填時間を短くできるとともに、充填時に必要となるエネルギを小さくできる。また、高圧ガスをタンクに差圧で供給する蓄圧タンクを、貯蔵タンクとタンクとの間に設ける必要もなくなり、蓄圧タンク配置のための場所が不要となる。また、蓄圧タンクに土台となる圧力に対応する量のガスを充填するためのエネルギと、蓄圧タンクの土台となる圧力に対応するガス分の容積とのいずれもが不要となる。この結果、車載用タンクへの高圧ガス充填のために必要となる、時間とエネルギと場所とを少なく抑えることができる。また、第１の発明に係る高圧ガス充填方法によれば、タンクに供給された高圧の液化ガスを、タンクに設けた気化部によりタンク内で気化させるので、上記の特許文献５に記載された液化ガスの充填方法の場合と異なり、タンクに高圧ガスを充填してから短時間で、タンクから高圧ガスを取り出して使用しやすくできる。また、第２の発明に係る高圧ガス充填方法によれば、液化ガスが液体水素であり、高圧ガスが高圧水素ガスであるので、高圧水素ガスを使用する燃料電池等の電源において、燃料の補充時間を短くしやすくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
［第１の発明の実施の形態］
以下において図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の高圧ガス充填方法を示す略図である。図２は、同じく高圧ガス充填システムを示す基本構成図である。図３は、図２の構成を構成する車載用タンクの略透視斜視図である。図４は、車載用タンクの略断面図である。図５は、図４からバルブボディのみを取り出して、熱交換部とそれ以外とに分解して示す略図である。図６は、バルブボディを示しており、（ａ）は一部を省略して示す端面図で、（ｂ）は蓋部及びねじとそれ以外とに分解して示す斜視図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施の形態の高圧ガス充填方法は、例えば燃料電池車に搭載して使用する充填側タンクである、車載用タンク１６に高圧の水素ガスを充填するために使用する。高圧ガス充填方法は、貯蔵タンク１８（図２参照）に液化ガスである、燃料電池発電用の常圧液体水素２０を貯蔵しておき、車載用タンク１６への高圧水素ガスの充填時には、貯蔵タンク１８から常圧液体水素２０を供給ライン２２に供給する。そして、供給ライン２２を通じて加圧器である加圧ポンプ２４（図２参照）に常圧液体水素２０を供給し、加圧ポンプ２４を用いて加圧し、高圧液体水素２６とした後に、高圧液体水素２６を車載用タンク１６に、液体のまま供給する。この場合、加圧ポンプ２４により加圧された高圧液体水素２６のうち、一部が供給ライン２２等、車載用タンク１６以外の部分で気化し、気化したものも高圧液体水素２６とともに、車載用タンク１６に供給されてもよい。その後、車載用タンク１６に設けた気化部である、熱交換部に高圧液体水素２６を通過させることにより、熱交換部により高圧液体水素２６を気化させて高圧水素ガスとし、車載用タンク１６を構成する車載用タンク本体部に高圧水素ガスを充填する。なお、図１では車載用タンク１６を複数本図示しているが、貯蔵タンク１８からは１本ずつ車載用タンク１６に順に高圧水素ガスを充填する。ただし、貯蔵タンク１８から複数本の車載用タンク１６に同時に高圧水素ガスを充填することもできる。このような高圧ガス重点作業は、ガス充填所において、例えば、燃料電池車等の自動車に車載用タンク１６を搭載した状態で行う。
【００３６】
図２は、高圧ガス充填方法を実施するための高圧ガス充填システムを示している。高圧ガス充填システムは、液体水素を車載用タンク１６に供給するための供給ライン２２と、供給ライン２２に供給するための液体水素を貯蔵する貯蔵タンク１８と、供給ライン２２に設けられ、液体水素を加圧する加圧ポンプ２４と、車載用タンク１６に設けられ、供給された高圧の液体水素を車載用タンク１６内で気化させ、気化した高圧の水素ガスを、車載用タンク１６を構成する車載用タンク本体部２７に供給するための気化部である熱交換部２８（図３から図５参照）と、制御手段である制御部３０とを備える。また、高圧ガス充填システムは、車載用タンク１６内の圧力を検出するタンク圧力検出手段であるタンク圧力センサ３２と、車載用タンク１６内の温度を検出するタンク温度検出手段であるタンク温度センサ３４とを備える。供給ライン２２において、貯蔵タンク１８と加圧ポンプ２４との間に、電磁弁である液体水素供給弁３６を設けている。熱交換部２８は、供給ライン２２を構成する配管と車載用タンク１６との接続部に設けたバルブボディ３８に一体に設けている。また、液体水素供給弁３６は、液化ガス供給機構に対応する。
【００３７】
図３は、車載用タンク１６を示している。車載用タンク１６は、車載用タンク本体部２７の長さ方向一端（図３の左端）の中心部に、バルブボディ３８を接続することにより構成している。図４に詳しく示すように、バルブボディ３８は、略円柱状で長さ方向中間部外周面に、車載用タンク本体部２７の端部にねじ結合するためのねじ部４０を設けている。バルブボディ３８に、内部冷媒流路４２を設けている。内部冷媒流路４２はバルブボディ３８内部で折れ曲がるようにして連続している。
【００３８】
図５は、図４よりもバルブボディ３８を詳しく示している。図５に示すように、バルブボディ３８は、金属製のバルブボディ本体部４４の長さ方向一端（図５の左端）に、金属製の蓋部４６をねじにより結合している。このために、図６（ａ）に示すように、蓋部４６に複数の孔部４８を形成し、図６（ｂ）に示すように、バルブボディ本体部４４に形成した図示しないねじ孔に、孔部４８を挿通したねじをねじ結合することにより、バルブボディ本体部４４に蓋部４６を固定している。
【００３９】
内部冷媒流路４２は、バルブボディ本体部４４に一端が開口する複数の孔部５０を形成し、バルブボディ３８の周方向に隣り合う孔部５０同士をバルブボディ本体部４４の両端寄り部分で、端部同士を通じさせることにより構成している。孔部５０は、バルブボディ本体部４４の周方向及び長さ方向に対して傾斜している。孔部５０の一端はバルブボディ本体部４４の一端面（図６（ｂ）の左端面）に開口させるが、開口部を蓋部４６によりシールしている。これにより蓋部４６は、内部冷媒流路４２の折り返し部の役目も有する。孔部５０の他端は、バルブボディ本体部４４の他端面（図６（ｂ）の右端面）には開口させない。また、複数の孔部５０のうちの２本の孔部５０を、バルブボディ本体部４４の外周面に開口させ、外周面に開口させた開口部を、図示しない外部冷媒流路に接続している。そして、内部冷媒流路４２に冷却水等の冷媒を流すようにしている。すなわち、バルブボディ３８は、内部にウォータージャケットを有するような構造としている。
【００４０】
図４に戻って示すように、バルブボディ３８は、内部に液化ガス流路である、液体水素流路５２を設けており、バルブボディ３８の車載用タンク本体部２７から突出した部分に位置する、液体水素流路５２の一端に、供給ライン２２（図２）を構成する配管の端部を接続可能としている。図５に示すように、バルブボディ本体部４４の他側（図５の右側）で、液体水素流路５２の他端と対向する部分に接続用孔部５４を設けている。接続用孔部５４は、内周面にねじ部を形成し、内側に熱交換部２８をねじ結合可能としている。熱交換部２８は、外周面にねじ部を形成した筒部５６と、筒部５６の内側に積層するように設けた複数の波形フィン５８とを備える。
【００４１】
バルブボディ本体部４４に熱交換部２８をねじ結合し、バルブボディ３８に熱交換部２８を一体に設けた状態で、熱交換部２８は、車載用タンク１６内に、液体水素流路５２の液体水素下流側に設けられる。この状態で、液体水素流路５２から供給された液体水素が、複数の波形フィン５８の間部分を流れることにより、液体水素が気化した後、バルブボディ３８外部に流出するようにしている。すなわち、液体水素は、複数の波形フィン５８の間を流れる間に、波形フィン５８との間で熱交換して、温度上昇し、気化する。このために、バルブボディ本体部４４と熱交換部２８とは、バルブボディ３８外側に存在する図示しない外部熱源により加温する。波形フィン５８は、加温されたバルブボディ本体部４４から筒部５６を介して伝熱される。このような熱交換部２８は、波形フィン５８の積層構造を持つことにより、伝熱面積を大きくして熱交換性能を高くできる。
【００４２】
また、図示は省略するが、液体水素流路５２に、ばね等の弾力付与手段を用いて弁に一方向の弾力を付与する逆止弁を設けている。逆止弁は、車載用タンク１６外部から内部への液体水素流路５２を通じての液体水素の流入を可能とするが、車載用タンク１６内部から外部への液体水素の流出は不能とする。このようなバルブボディ３８は、車載用タンク本体部２７にねじ結合した状態で、車載用タンク１６と配管との接続部に設ける。
【００４３】
図２に戻り、タンク温度センサ３４は、車載用タンク１６、または供給ライン２２の、車載用タンク１６液体水素入口付近に接続して、車載用タンク１６への液体水素供給前の、車載用タンク１６内の温度を検出する機能を有する。また、タンク圧力センサ３２は、車載用タンク１６、または供給ライン２２の、車載用タンク１６液体水素入口付近に接続して、車載用タンク１６への液体水素供給前の、車載用タンク１６内の圧力を検出する機能を有する。
【００４４】
また、液体水素供給弁３６は、開弁により、貯蔵タンク１８から車載用タンク１６に、加圧ポンプ２４を介して液体水素を供給する。また、制御部３０は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータであり、加圧ポンプ２４の作動を制御する機能を有する。また、制御部３０に、タンク温度センサ３４とタンク圧力センサ３２とからの検出信号を入力している。
【００４５】
制御部３０は、液体水素供給弁３６の作動を制御する供給機構制御手段６０を有する。供給機構制御手段６０は、車載用タンク１６内の圧力と温度との検出値から車載用タンク１６残存ガス量、すなわち標準状態での残存ガス容量を算出する。また、供給機構制御手段６０は、車載用タンク１６内のガス圧力が車載用タンク１６の、耐圧強度から予め任意に定められた所定の上限圧力となるための予め設定された、上限車載用タンク１６総充填ガス量と、車載用タンク１６残存ガス量とから、車載用タンク１６への上限液化ガス供給量を算出する。すなわち、車載用タンク１６残存水素ガス量をＰとし、上限車載用タンク１６総充填水素ガス量をＱとし、車載用タンク１６への上限液体水素供給量をＲとした場合に、Ｒ＝Ｑ−Ｐとして求める。そして、供給機構制御手段６０は、車載用タンク１６に供給する液体水素の供給量が、算出された上限液体水素供給量Ｒ以下に規制されるように、液体水素供給弁３６の作動、すなわち開閉動作を制御する。
【００４６】
このような供給機構制御手段６０を備える高圧ガス充填システムにより、車載用タンク１６に高圧ガスである高圧水素ガスを充填する方法は、タンク圧力センサ３２により、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の圧力を検出し、タンク温度センサ３４により、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の温度を検出し、供給機構制御手段６０により、車載用タンク１６内の圧力と温度とから車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐを算出し、上限車載用タンク１６総充填水素ガス量Ｑと、車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐとから、上限液体水素供給量Ｒ（＝Ｑ−Ｐ）を算出し、車載用タンク１６に供給する液体水素の供給量を、算出された上限液体水素供給量Ｒ以下に規制する。なお、車載用タンク１６内の圧力と温度との検出値から算出する車載用タンク１６残存ガス量は、標準状態での残存ガス容量でなく、残存ガス重量としてもよい。また、上限車載用タンク１６総充填水素ガス量Ｑは、標準状態のガス容量を使用してもよく、また、ガス重量を使用してもよい。また、例えば、車載用タンク１６残存ガス量は、図示しない表示部に、標準状態のガス容量を表示することもでき、また、ガス重量を表示することもできる。例えば、タンク内のガスの表示方法として、タンクに対する残圧を表示したり、タンクの内容量を重量、体積（ただし、これは定量となるタンクでは表示が難しい、または表示させることができない）、標準状態での容量等で表示することができる。ただし、残圧は、タンクによって絶対値が変動するので、実際には、重量、標準状態での容量のどちらかでタンク内のガス量を表示させる可能性が高く、特に、タンクに対するガスの充填所では、車両のタンク内情報に対して、残存ガス量から充填可能ガス量情報を送る必要がある。水素ガスに関して、ガソリンのＬ数に相当するのは、水素ガスの重量、または条件が明確に規定できる標準状態での水素ガス容量となる。このため、タンク内のガス量として、標準状態でのガス容量、ガス重量のいずれを使用してもよい。
【００４７】
このような高圧ガス充填方法及び高圧ガス充填システムによれば、加圧ポンプ２４により加圧された高圧液体水素２６を車載用タンク１６に供給し、車載用タンク１６に供給された高圧液体水素２６を車載用タンク１６内で熱交換部２８により気化させるので、気体を圧縮するポンプを使用する必要がなくなる。このため、車載用タンク１６への高圧水素ガス充填時の充填時間を短くできるとともに、充填時に必要となるエネルギを小さくできる。また、液体水素の圧縮には容積変化がほとんど生じないため、加圧ポンプ２４の液体水素の１回の加圧供給により多くの高圧液体水素２６を生成できる。例えば、加圧ポンプ２４に１Ｌの常圧液体水素２０を供給することにより、ほぼ１Ｌの高圧液体水素２６を生成できる。
【００４８】
また、上記の図９に示した従来から考えられている高圧ガス充填方法の場合と異なり、高圧ガスを車載用タンク１６に差圧で供給する蓄圧タンク１４（図９参照）を、貯蔵タンク１８と車載用タンク１６との間に設ける必要もなくなり、蓄圧タンク１４配置のための場所が不要となる。また、蓄圧タンク１４に土台となる圧力に対応する量のガスを充填するためのエネルギと、蓄圧タンク１４の土台となる圧力に対応するガス分の容積とのいずれもが不要となる。この結果、車載用タンク１６への高圧水素ガス充填のために必要となる、時間とエネルギと場所とを少なく抑えることができる。
【００４９】
なお、高圧ガス充填システムのうち、車載用タンク１６以外の部分に、ボイルオフガス対策手段、すなわち、液体水素が車載用タンク１６以外の部分で気化することにより、システム内の液体水素流通部分で圧力上昇した場合でも、構成部品に加わる圧力が耐圧強度上の上限となる圧力を超えないように、ガスの逃げ部を設けたり、逃げ部周辺部に換気装置を設けることもできる。例えば、液体水素を貯蔵する貯蔵タンク１８は、常温化で液体水素が吸熱し、気化により容積が膨張する。このため、貯蔵タンク１８では完全断熱構造とするか、冷却構造を設けない限り、内圧が上がってしまう可能性がある。このような事情を考慮して、貯蔵タンク１８にタンク構造の保護のため、ガスを外部に放出させるボイルオフガス流出構造を設けることもできる。
【００５０】
また、車載用タンク１６に供給された高圧液体水素２６を、車載用タンク１６に設けた熱交換部２８により車載用タンク１６内で気化させるので、上記の特許文献５に記載された液化ガスの充填方法の場合と異なり、車載用タンク１６に高圧水素ガスを充填してから短時間で、車載用タンク１６から高圧水素ガスを取り出して使用しやすくできる。また、液化ガスが液体水素であり、高圧ガスが高圧水素ガスであるので、本実施の形態のように、高圧水素ガスを使用する電源である、燃料電池において、燃料である水素ガスの補充時間を短くしやすくできる。
【００５１】
また、熱交換部２８は、車載用タンク１６と配管との接続部に設けて、逆止弁を有するバルブボディ３８に、一体に設けているため、気化する前の液体水素が車載用タンク１６に直接接触するのを防止できる。車載用タンク１６は、軽量化のために樹脂等により造る場合があるのに対し、液体水素が直接接触するのを防止できることにより、車載用タンク１６の耐久性を有効に確保しやすくできる。また、本実施の形態のように、熱交換部２８を車載用タンク１６内に設けることにより、熱交換部２８は高圧環境下で使用され、熱交換部に加わる圧力が過度に大きく変化しないので、耐圧性を有効に確保しやすくでき、部品の保護を図りやすくなる。また、逆止弁を通過するものとして、蒸発等で昇圧される前の液体水素を含むため、この面からも部品の保護を図りやすくできる。また、バルブボディ３８は、蓋部４６（図５、図６）も含めて金属製としているため、激しい温度変化にも耐えやすくなる。
【００５２】
また、高圧ガス充填方法は、タンク圧力センサ３２（図２）により、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の圧力を検出し、タンク温度センサ３４（図２）により、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の温度を検出し、供給機構制御手段６０（図２）により、車載用タンク１６内の圧力と温度とから車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐを算出し、車載用タンク１６内の水素ガス圧力が車載用タンク１６の予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限車載用タンク１６総充填水素ガス量Ｑと、車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐとから、車載用タンク１６への上限液体水素供給量Ｒ（＝Ｑ−Ｐ）を算出し、車載用タンク１６に供給する液体水素の供給量を、算出された上限液体水素供給量Ｒ以下に規制する。また、高圧ガス充填システムは、車載用タンク１６に加圧ポンプ２４を介して液体水素を供給する液体水素供給弁３６と、液体水素供給弁３６の作動を制御する供給機構制御手段６０と、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の圧力を検出するタンク圧力センサ３２と、車載用タンク１６への液体水素供給前の車載用タンク１６内の温度を検出するタンク温度センサ３４とを備え、供給機構制御手段６０は、車載用タンク１６内の圧力と温度とから車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐを算出し、車載用タンク１６内の水素ガス圧力が車載用タンク１６の予め任意に定められた所定の上限圧力となるための上限車載用タンク１６総充填水素ガス量Ｑと、車載用タンク１６残存水素ガス量Ｐとから、車載用タンク１６への上限液体水素供給量Ｒを算出し、車載用タンク１６に供給する液体水素の供給量が、算出された上限液体水素供給量Ｒ以下に規制されるように、液体水素供給弁３６の作動を制御する。このため、車載用タンク１６への高圧水素ガスの充填前の充填準備に要する時間を短くできる。また、車載用タンク１６に、液体水素ガスの気化のためのボイルオフガス対策手段を別に設ける必要がなくなり、安全性をより有効に確保できる。
【００５３】
また、貯蔵タンク１８から供給ライン２２への液体水素の供給量から、液体水素が気化した場合の圧力上昇分が算出できるので、その圧力上昇分を考慮してもシステムの構成部品が強度を確保できるように、液体水素供給弁３６による液体水素の供給量を制御することもできる。例えば、車載用タンク１６内の残存水素ガス量Ｐを算出した後に、車載用タンク１６に液体水素を供給する場合に、加圧ポンプ２４から液体水素に与えられる熱量と、この熱量による気化量とを予め算出し、気化した場合でもシステムの構成部品の強度が確保できるようにすれば、車載用タンク１６に気液混合状態で水素を供給することもできる。
【００５４】
また、本実施の形態において、液体水素の車載用タンク１６供給前の気化を抑えるために、冷凍機等の冷却手段によりシステムの構成部品を冷却することもできる。例えば、冷却手段により貯蔵タンク１８を冷却することもできる。
【００５５】
［第２の発明の実施の形態］
図７から図８は、本発明の第２の実施の形態を示している。図７は、本実施の形態において、車載用タンクを示す図３と同様の図である。図８は、同じく（ａ）が車載用タンクへの液体水素供給初期状態を、（ｂ）が車載用タンクへの液体水素供給中後期状態を、それぞれ示す略断面図である。
【００５６】
図７に示すように、本実施の形態では、バルブボディ３８ａのうち、車載用タンク１６の内部に存在する、片半部（図７の右半部）に設けた筒部６２内に、金属粉末等の焼結材料により構成した熱交換部２８ａを設けている。図８（ａ）（ｂ）に示すように、バルブボディ３８ａは、車載用タンク１６の外部に存在する、他半部（図８（ａ）（ｂ）の左半部）に液体水素流路５２を設けている。液体水素流路５２の一端（図８（ａ）（ｂ）の左端）に、供給ライン２２を構成する配管を接続可能としている。バルブボディ３８は全体を金属製としている。液体水素流路５２に図示しない逆止弁を設けている。液体水素流路５２の下流側を、熱交換部２８ａの片側に通じさせている。
【００５７】
図８（ａ）に矢印で示すように、車載用タンク１６への液体水素供給初期状態では、バルブボディ３８の他半部（図８（ａ）（ｂ）の左半部）に図示しない外部熱源から熱が与えられ、与えられた熱が片半部（図８（ａ）（ｂ）の右半部）に伝達される。これにより、熱交換部２８ａが加温され、車載用タンク本体部２７内のバルブボディ３８以外の部分の温度よりも温度上昇する。熱交換部２８を構成する焼結材料の伝熱部分の面積は大きい。熱交換部２８ａに液体水素を通過させることにより、液体水素が熱交換部２８ａと熱交換して、気化した後、車載用タンク本体部２７内に送り込まれる。
【００５８】
さらに車載用タンク１６内への液体水素の供給が継続されると、車載用タンク本体部２７内の温度が上昇する。そして、図８（ｂ）に矢印で示すように、車載用タンク本体部２７内の熱が熱交換部２８ａに伝わり、熱交換部２８ａが加温される。この場合も、熱交換部２８に液体水素を通過させることにより、液体水素が気化した後、車載用タンク本体部２７内に送り込まれる。
その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する図示及び説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の高圧ガス充填方法を示す略図である。
【図２】同じく高圧ガス充填システムを示す基本構成図である。
【図３】図２の構成を構成する車載用タンクの略透視斜視図である。
【図４】車載用タンクの略断面図である。
【図５】図４からバルブボディのみを取り出して、熱交換部とそれ以外とに分解して示す略図である。
【図６】バルブボディを示しており、（ａ）は一部を省略して示す端面図で、（ｂ）は蓋部及びねじとそれ以外とに分解して示す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態において、車載用タンクを示す図３と同様の図である。
【図８】同じく（ａ）が車載用タンクへの液体水素供給初期状態を、（ｂ）が車載用タンクへの液体水素供給中後期状態を、それぞれ示す略断面図である。
【図９】従来から考えられている高圧水素ガス充填方法の１例を示す略図である。
【図１０】同じく高圧水素ガス充填方法の別例を示す略図である。
【図１１】図９の方法で生じる不都合を説明するための、車載用タンクへの水素ガス充填初期状態の１例を工程に分けて示す図である。
【図１２】同じく車載用タンクへの水素ガス充填消費サイクルを繰り返す場合の１例を工程に分けて示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  水素ガス、１２  加圧ポンプ、１４  蓄圧タンク、１６  車載用タンク、１８  貯蔵タンク、２０  常圧液体水素、２２  供給ライン、２４  加圧ポンプ、２６  高圧液体水素、２７  車載用タンク本体部、２８，２８ａ  熱交換部、３０  制御部、３２  タンク圧力センサ、３４  タンク温度センサ、３６  液体水素供給弁、３８，３８ａ  バルブボディ、４０  ねじ部、４２  内部冷媒流路、４４  バルブボディ本体部、４６  蓋部、４８  孔部、４９  ねじ、５０  孔部、５２  液体水素流路、５４  接続用孔部、５６  筒部、５８  波形フィン、６０  供給機構制御手段、６２  筒部。
【図１】
2009144815.tif 000003
【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】
2009144815.tif 000009
【図８】
2009144815.tif 000010
【図９】
2009144815.tif 000011
【図１０】
2009144815.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2009144815.tif 000014