CN102472432A - 气体充填系统和气体充填装置 - Google Patents

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Abstract

一种气体充填系统(1)中的气体充填装置(2)包括用于冷却从气体供给源(11)供给的氢气的预冷器(18)，并且将由预冷器(18)冷却的氢气排出以将所述氢气充填到气罐(30)中。由预冷器(18)冷却的氢气的温度由气体温度传感器(T)检测，所述气体温度传感器在气罐(30)的上游检测由预冷器(18)冷却的氢气的温度。流量控制器(16)基于所检测出的氢气温度来控制要充填到气罐(30)中的氢气的充填流量。例如，当所检测出的氢气温度高时，与所检测出的氢气温度较低时相比，充填流量减小。

Description

气体充填系统和气体充填装置
技术领域
本发明涉及一种气体充填系统，所述气体充填系统用于将气体经由例如安装在氢站中的气体充填装置充填到例如装载在车辆上的气罐中。
背景技术
在充填燃料气体时，装载了气罐的气体燃料车辆(例如，燃料电池车辆)到达气站内并且用来自气体充填装置的充填喷嘴的燃料气体来充填气罐。已知的是，当燃料气体为氢气时，随着燃料气体被充填，温度上升。在日本专利申请No.2005-83567公报(JP-A-2005-83567)中记载的氢气充填装置设置有通过与冷却剂进行热交换来预冷氢气的冷却装置(所谓的预冷器)，并且经冷却的氢气被充填到气罐中，由此缩短充填时间。在氢气充填装置中，为了防止在氢气过冷时发生冷凝，检测氢气的供给压力并且基于检测结果来控制供给到冷却装置的冷却剂的流量和温度。
但是，当连续充填多个燃料电池车辆时，例如，存在供给到冷却装置的冷却剂的流量等不能被适当控制且冷却装置中冷却剂的温度超过预定温度的可能性。结果当未被适当冷却的氢气充填到气罐中时，存在气罐内的温度上升并在充填完成之前达到设计温度(例如，85℃)的担心。另一方面，当由于冷却不充分而停止充填时，存在让驾驶员等待的问题。
发明内容
本发明提供一种气体充填系统和气体充填装置，其能够对用气体经由装备有冷却装置的气体充填装置充填气罐进行优化。
根据本发明的气体充填系统包括：气罐；气体充填装置，所述气体充填装置包括用于冷却从气体供给源供给的气体的冷却装置，所述气体充填装置将由所述冷却装置冷却的气体排出以将所述气体充填到所述气罐中；气体温度传感器，所述气体温度传感器在所述气罐的上游检测由所述冷却装置冷却的气体的温度；和流量控制器，所述流量控制器基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度来控制要充填到所述气罐中的气体的充填流量。
根据本发明的气体充填装置包括用于冷却从气体供给源供给的气体的冷却装置并且将由所述冷却装置冷却的气体排出以将所述气体充填到气罐中。所述气体充填装置的特征在于还包括：气体温度传感器，所述气体温度传感器在所述气罐的上游检测由所述冷却装置冷却的气体的温度；和流量控制器，所述流量控制器基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度来控制要充填到所述气罐中的气体的充填流量。
根据本发明，所述充填流量基于由冷却装置冷却的气体的温度而改变，从而能根据冷却装置的冷却能力来执行最佳充填。这样，能在维持气罐的内部稳定的同时在最短的时间内将预定充填量(针对满罐的充填量的情况和针对特定充填水平的充填量的情况两者)的气体充填到气罐中。
所述流量控制器可将所述充填流量控制成使得所述充填流量随着所述气体的温度上升而减小。这样，能在短时间内完成预定充填量的气体充填，同时防止在气体的温度例如由于连续充填而变高时气罐内的温度达到设计温度。另一方面，当气体的温度低时，能在比气体温度较高的情况更短的时间内完成预定量的气体充填。
所述气体充填系统还可包括气罐传感器，所述气罐传感器获取关于所述气罐的内部的信息，并且所述流量控制器还可基于由所述气罐传感器获得的所述信息来控制所述充填流量。利用该构型，能根据被充填的气罐内的状态来执行充填。此外，由于获得了气罐内的信息，所以与推定这种信息的情况相比能以更高的精度执行对充填流量的控制。
所述气罐传感器可包括气罐温度传感器和气罐压力传感器中的至少一者。利用该构型，例如，当检测到气罐内的温度高时，能通过减小充填流量抑制气罐内温度的进一步上升。
所述气体充填系统可包括多个所述气罐，所述气罐传感器可对每个所述气罐获取所述信息，并且所述流量控制器可基于由所述气罐传感器获取的各条所述信息之中关于温度最高的气罐的所述信息或关于压力最低的气罐的所述信息来控制所述充填流量。利用该构型，能在短时间内完成预定充填量的气体充填，同时防止所有气罐的温度达到设计温度。
所述气体温度传感器可检测所述冷却装置中的气体的温度。利用该构型，能基于所述冷却装置中的气体的温度对充填进行优化。
所述气体温度传感器可检测从所述气体充填装置排出到所述气罐之后的气体的温度。利用该构型，不必考虑气体充填装置中的扰动对已冷却的气体的温度的检测值的影响。换句话说，能在最影响气罐内状态的充填就要进行之前检测气体的温度，且因此能以高精度控制所述充填流量。
所述气体充填系统还可包括用于在充填时连接所述气罐与所述气体充填装置的连接单元，并且所述气体温度传感器可检测所述连接单元处的气体的温度。利用该构型，与上述情况类似，能尽量减小所述扰动对已冷却的气体的温度的检测值的影响。此外，能提高可应用性，也就是，例如，能利用所述连接单元安装所述气体温度传感器。
所述连接单元可包括位于所述气罐侧的接纳器和位于所述气体充填装置侧的与所述接纳器连接的充填喷嘴，并且所述气体温度传感器可检测所述充填喷嘴处或所述接纳器处的气体的温度。
本发明的气体充填系统还可包括显示装置，所述显示装置显示正在基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度控制所述充填流量的指示或已经基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度控制所述充填流量的指示。在这种情况下，所述显示装置可设置在所述气体充填装置中或设置在装载了所述气罐的移动体中。利用该构型，能可视地确认在所述气体充填装置中或在所述移动体中正在执行或已经执行根据冷却装置的冷却能力的最佳充填。
附图说明
从下面参照附图对示例性实施方式的描述中将清楚看到本发明的上述和其它目的、特征及优点，在附图中相似的附图标记用于表示相似的要素，并且其中：
图1是根据一实施例的气体充填系统的示意图；
图2是根据所述实施例的气体充填系统的构型图；
图3是示出根据所述实施例的气体充填系统中的充填操作流程的流程图；以及
图4是示出在根据所述实施例的充填操作中使用的充填流量图谱的示例的图示。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明示例性实施例的气体充填系统。这里将描述所述气体充填系统的示例，其中将氢气经由气体充填装置充填到装备有燃料电池系统的燃料电池车辆的气罐中。如通常所知，所述燃料电池系统包括通过燃料气体(例如氢气)与氧气(例如空气)之间的电化学反应来发电的燃料电池。
如图1所示，气体充填系统1包括例如设置在氢站中的气体充填装置2，和从气体充填装置2被供给以氢气的车辆3。
如图2所示，气体充填装置2具有储存氢气的瓶组(气体供给源)11，将氢气排出到车载气罐30中的充填喷嘴12，和连接瓶组11与充填喷嘴12的气体管路13。在充填氢气时，充填喷嘴12(是也被称作充填联接器的部件)与车辆3的接纳器32连接。充填喷嘴12和接纳器32构成连接气体充填装置2与气罐30的连接单元。
气体管路13从瓶组11侧起以下述的顺序设置有：对从瓶组11供给的氢气加压并排出该氢气的压缩机14；储存已由压缩机14加压到预定压力的氢气的储蓄器15；控制从储蓄器15供给的氢气的流量的流量控制阀16；测量氢气流量的流量计17；对流过气体管路13的氢气进行预冷却的预冷器18；和检测预冷器18下游的氢气的温度的温度传感器T。气体充填装置2包括通信装置21，显示装置22，环境温度传感器23和控制器24。各个装置与控制器24电连接。虽然未示出，但在储蓄器15中或下游设置有在充填期间打开气体管路13的截断阀。
流量控制阀16是电驱动阀并且包括例如步进电机作为驱动源。流量控制阀16的开度由步进电机根据来自控制器24的指令而改变，从而控制氢气的流量。这样，氢气充填到气罐30中的充填流量被控制。如此被控制的充填流量由流量计17测量，并且控制器24接收测量结果并反馈控制流量控制阀16以便实现期望的充填流量。也能使用除流量控制阀16之外的其它流量控制器。
预冷器18通过热交换将从储蓄器15供给的大致处于室温的氢气冷却到预定的低温(例如，-20℃)。预冷器18中的热交换的类型可以是间接型、中间介质型和蓄热型中的任何类型，并且可使用公知结构中的一种。例如，预冷器18具有供氢气流过的管路部，并且在预冷器18中，管路部容纳在有冷却剂流动的容器中，从而在氢气和冷却剂之间进行热交换。在这种情况下，可通过控制供给到容器的冷却剂的量和温度来控制氢气的冷却温度。这样，由预冷器18冷却的氢气的温度由温度传感器T检测并且表示检测结果的信号被供给到控制器24。
通信装置21具有用于执行无线通信例如红外数据通信的通信接口。显示装置22在屏幕上显示各种信息，例如关于充填期间的充填流量的信息。显示装置22可配备有用于在显示屏上选择或指定期望的充填量的操作面板。
控制器24由在其中包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)的微型计算机构成。CPU根据控制程序执行期望的计算以执行各种处理和控制操作。ROM存储由CPU执行的控制程序和控制数据。RAM主要用作用于执行控制处理的各种工作区域。除了经由用图2中的点划线表示的控制线路与控制器24连接的通信装置21等之外，控制器24还与瓶组11、压缩机14、储蓄器15和预冷器18电连接，并且控制气体充填装置2整体。此外，控制器24将可在气体充填装置2中获得的信息经由通信装置21传送给车辆3。
车辆3包括气罐30和接纳器32。气罐30是用于向燃料电池供给燃料的燃料气体供给源。气罐30是能够储存例如35MPa或70MPa的氢气的高压罐。气罐30中的氢气经由供给管路(未示出)供给到燃料电池。氢气向气罐30的供给由气体充填装置2经由接纳器32和充填管路34执行。例如，充填管路34设置有用于防止氢气回流的止回阀36。温度传感器40和压力传感器42分别检测气罐30中氢气的温度和压力，并且设置在供给管路或充填管路34中。
车辆3包括：向气体充填装置2的通信装置21传送和从通信装置21接收各种信息的通信装置44；由与气体充填装置2的控制器24相似的微型计算机构成的控制器46；和在屏幕上显示各种信息的显示装置48。通信装置44与通信装置21兼容，并且通信装置44具有用于执行无线通信例如红外数据通信的通信接口。通信装置44结合在接纳器32中或固定在车辆3的盖盒中，从而能在充填喷嘴12与接纳器32连接的状态下在通信装置44和21之间建立通信。控制器46从包括温度传感器40和压力传感器42在内的各种传感器接收检测结果并控制车辆3。控制器46经由通信装置44将可在车辆3中获得的信息传送给气体充填装置2。显示装置48能例如用作车辆导航系统的一部分。
在上述气体充填系统1中，当氢气充填到车辆3的气罐30中时，首先，将充填喷嘴12与接纳器32连接。然后，致动气体充填装置2。在致动后，储存在储蓄器15中的氢气被预冷器18冷却，然后氢气从充填喷嘴12被排出到气罐30，由此氢气充填到气罐30中。本实施例的气体充填系统1根据经冷却的氢气的温度来控制充填流量。
接下来，参照图3的流程图描述气体充填系统1中对充填流量的控制。
首先，充填操作者将充填喷嘴12与接纳器32连接，并且当执行充填开始操作时(藉此允许氢气从气体充填装置2排出到气罐30中)，充填开始(步骤S1)。这样，储存在储蓄器15中的氢气在预冷器18中被冷却，然后排出到气罐30中。
在开始充填后，立即读入气罐压力、气罐温度和预冷器温度。气罐压力是气罐30中氢气的压力并由压力传感器42检测。气罐温度是气罐30中氢气的温度并由温度传感器40检测。表示气罐压力和气罐温度的检测结果的信号被供给到控制器46。控制器46利用通信装置44将气罐压力和气罐温度的检测值传送给气体充填装置2。气体充填装置2的控制器24由此获得刚刚开始充填后的气罐压力和气罐温度。预冷器温度是预冷器18中氢气的温度并由温度传感器T检测。直接接收表示预冷器温度的检测结果的信号的控制器24获得刚刚开始充填后的预冷器温度。
在接收了这三种信息之后，控制器24基于存储在ROM等中的充填流量图谱来确定充填流量(步骤S2)。在图4中示出其示例的充填流量图谱Ma是纵轴表示气罐压力而横轴表示气罐温度的图谱。充填流量图谱Ma针对多个预冷器温度(例如，满足关系T1＜T2＜T3的T1、T2、T3)中的每个而设定。例如，当检测出的预冷器温度为T1、气罐压力为40MPa且气罐温度为0℃时，控制器24例如选择D4(m3/min)作为充填流量。
充填流量图谱Ma中的充填流量是使得氢气在给定的气罐压力、气罐温度和预冷器温度的条件下能够以高速平顺地充填到气罐30中的流量。更具体地，充填流量图谱Ma中的各个充填流量是使得在最短时间内能够充填最大量的氢气(例如，针对满罐的充填量)且同时防止气罐30内的温度达到预定的上限值(例如85℃)的流量。在充填流量图谱Ma中，气罐压力以10MPa的间隔设定，气罐温度以10℃的间隔设定。然而，这些间隔可任意设定。预冷器温度也可例如以2至3℃、5℃或10℃的间隔任意设定。
现在将描述与充填流量图谱Ma中的流量值的大小关系有关的两点。第一，当气罐压力和气罐温度的条件相同时，预冷器温度越高，充填流量值越低。例如，当气罐压力为40MPa且气罐温度为0℃时，在预冷器温度T2下的充填流量比在预冷器温度T1下的充填流量D4低。当使用这种减小的充填流量时，即使在预冷器温度由于连续的充填而上升时，也能在最短的时间内完成充填，同时防止气罐30内的温度达到上限值。
第二，当预冷器温度相同时，充填流量可随着气罐压力升高而增大。在这种情况下，充填流量可随着气罐温度上升而增大。例如，当预冷器温度为T1时，在充填流量图谱Ma中的充填流量A1至H8之中，充填流量H1(气罐压力：80MPa，气罐温度：-30℃)最高，而充填流量A8(气罐压力：10MPa，气罐温度：40℃)最低。当这样在低气罐压力或高气罐温度的情况下使用减小的充填流量时，能在最短的时间内完成充填，同时防止气罐30内的温度达到上限值。
在步骤S3中，控制器24控制气体充填装置2以使得充填流量成为在步骤S2中确定的值。具体地，在监测流量计17的测量结果的同时，控制器24控制流量控制阀16的开度，以使得充填流量成为所确定的值。这样，氢气以根据气罐压力、气罐温度和预冷器温度的给定条件的充填流量充填到气罐30中。
在充填期间，气体充填装置2的显示装置22和车辆3的显示装置48中的至少一者指示正在以在步骤S2中确定的充填流量进行充填。换句话说，充填操作者能通过气体充填系统1的显示装置22和48中至少一者上的指示来确认正在基于包括预冷器温度在内的条件控制充填流量。
此后，当预定充填量的气体(由充填操作者指定的气体充填量，或针对满罐的充填量)已经充填到气罐30中时，停止从气体充填装置2的氢气供给并且充填结束(步骤S4)。同样在完成充填之后，或仅在完成充填之后，可在显示装置22和48中至少一者上给出与上述指示相似的指示，也就是，已经基于例如包括预冷器温度在内的条件控制充填流量的指示。
根据按照上述该实施例的气体充填系统1，能将氢气以根据气罐压力、气罐温度和预冷器温度的流量充填到气罐30中。特别地，虽然存在冷却后的氢气温度根据预冷器的能力而改变的情况，但是根据该实施例，能检测预冷器温度并根据所检测出的预冷器温度来控制充填流量。这样，能根据预冷器18的冷却能力进行最佳的充填，且因此能在维持气罐30的内部稳定的同时在最短的时间内将预定充填量的气体充填到气罐30中。
如上所述，例如，当执行控制以使得充填流量随着预冷器温度上升而减小时，能确保平顺、高速的充填，同时防止气罐30内部的温度超过上限温度。换句话说，该效果可论述如下：即使在预冷器18尚未执行达到特定水平的冷却时，也不需要中断或停止充填操作且不需要让充填操作者或驾驶员等待。此外，能连续地充填多个车辆3。另一方面，当预冷器温度较低时，通过将充填流量设定得相对较高，能在更短的时间内执行平顺的充填，同时防止气罐30内部的温度超过上限温度。
此外，由于是实际上获取关于气罐30内部的信息、也就是气罐压力和气罐温度以便确定充填流量，所以与推定这些值的情况相比，能确定更优的充填流量。在一替换实施例中，可在不考虑气罐压力和气罐温度中的一者或两者而根据预冷器温度确定充填流量之后执行控制。
<变型>
接下来将描述所述实施例的气体充填系统1的一些变型。每种变型都能单独地或与另一变型结合地应用于所述实施例。
在第一变型中，在确定充填流量时可推定气罐压力和气罐温度。在这种情况下，可利用位于气体充填装置2侧的装置来推定气罐压力和气罐温度。例如，对于气罐压力，可在气体充填装置2的气体管路13中设置压力传感器，并且可基于刚刚开始充填后压力传感器的检测结果来推定气罐压力。另一方面，可基于刚刚开始充填后环境温度传感器23的检测结果来推定气罐温度。这种利用推定的方法在气体充填装置2和车辆3都未设置通信装置(上述通信装置21和44)的情况下是有用的。
在第二变型中，可改变检测预冷器温度的温度传感器T的位置。为了根据氢气在流过预冷器18而冷却之后的温度来优化充填流量，温度传感器T检测预冷器18和气罐30上游一位置之间的氢气温度就足够了。这样，温度传感器T可设置在位于车辆3侧的接纳器32或充填管路34中。或者，温度传感器T可检测从气体充填装置2朝气罐30排出之后的氢气的温度。在另一实施例中，温度传感器T可设置在充填喷嘴12中并且可检测充填喷嘴12处的氢气的温度。
当在这样的位置进行温度传感器T的检测时，不需要考虑气体充填装置2中的扰动对经冷却的氢气的温度的检测值的影响。换句话说，当预冷器18和充填喷嘴12之间的距离大时，在充填喷嘴12处，由于在气体管路13的管道受热，已在预冷器18中冷却的氢气的温度可超过预冷器18紧下游的温度。但是，当在充填喷嘴12下游的位置检测氢气温度时，能避免这种影响并且能在最影响气罐30内部状态的充填就要进行之前检测氢气的温度。这样，能更精确地控制充填流量。
在第三变型中，气罐30的数量可以是多个。当多个气罐装载在车辆3上时，热辐射根据装载位置而不同，并且各个气罐的排出量根据向燃料电池供给气体的方式而不同。这样，当存在多个气罐30时，可基于预冷器温度和关于在所述多个气罐之中温度最高的气罐或压力最低的气罐的信息(气罐温度和气罐压力)由充填流量图谱Ma确定充填流量。这样，对于每个气罐都能在短时间内完成预定充填量的气体充填，同时防止温度达到上限温度。
对于第三变型的情况，可通过为每个气罐都设置温度传感器40和压力传感器42来获取各个气罐的气罐温度和气罐压力，或者可利用用于所有气罐的总共一个温度传感器40和一个压力传感器42来获取各个气罐的气罐温度和气罐压力。或者，如关于第二变型所述，可通过推定针对各个气罐获取气罐温度和气罐压力。
根据本发明的气体充填系统1不仅可用于氢气的情况，而且可用于温度在充填期间上升的气体的情况。此外，气体充填系统1不仅可应用于车辆3，而且可应用于装载了要用从外部供给的气体来充填的气罐的移动体，例如飞机、轮船或机器人。
已参照仅用于例述目的的示例性实施例对本发明进行了描述。应当理解，描述不是穷举性的或限制本发明的形式，本发明可适用于其它系统和应用。本发明的范围涵盖本领域技术人员可想到的各种变型和等同布置。

Claims (14)

1.一种气体充填系统，其特征在于包括：
气罐；
气体充填装置，所述气体充填装置包括用于冷却从气体供给源供给的气体的冷却装置，所述气体充填装置将由所述冷却装置冷却的气体排出以将所述气体充填到所述气罐中；
气体温度传感器，所述气体温度传感器在所述气罐的上游检测由所述冷却装置冷却的气体的温度；和
流量控制器，所述流量控制器基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度来控制要充填到所述气罐中的气体的充填流量。
2.根据权利要求1所述的气体充填系统，其中，所述流量控制器将所述充填流量控制成使得所述充填流量随着所述气体的温度上升而减小。
3.根据权利要求1或2所述的气体充填系统，其特征在于还包括气罐传感器，所述气罐传感器获取关于所述气罐的内部的信息，其中所述流量控制器还基于由所述气罐传感器获得的所述信息来控制所述充填流量。
4.根据权利要求3所述的气体充填系统，其中，所述气罐传感器包括气罐温度传感器和气罐压力传感器中的至少一者。
5.根据权利要求3或4所述的气体充填系统，其中：
所述气体充填系统包括多个所述气罐；
所述气罐传感器对每个所述气罐获取所述信息；并且
所述流量控制器基于由所述气罐传感器获取的各条所述信息之中关于温度最高的气罐的所述信息或关于压力最低的气罐的所述信息来控制所述充填流量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体充填系统，其中，所述气体温度传感器检测所述冷却装置中的气体的温度。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的气体充填系统，其中，所述气体温度传感器检测从所述气体充填装置排出到所述气罐之后的气体的温度。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的气体充填系统，其特征在于还包括用于在充填时连接所述气罐与所述气体充填装置的连接单元，
其中，所述气体温度传感器检测所述连接单元处的气体的温度。
9.根据权利要求8所述的气体充填系统，其中：
所述连接单元包括位于所述气罐侧的接纳器和位于所述气体充填装置侧的与所述接纳器连接的充填喷嘴；并且
所述气体温度传感器检测所述充填喷嘴处的气体的温度。
10.根据权利要求8所述的气体充填系统，其中：
所述连接单元包括位于所述气罐侧的接纳器和位于所述气体充填装置侧的与所述接纳器连接的充填喷嘴；并且
所述气体温度传感器检测所述接纳器处的气体的温度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体充填系统，其特征在于还包括显示装置，所述显示装置显示正在基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度控制所述充填流量的指示或已经基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度控制所述充填流量的指示。
12.根据权利要求11所述的气体充填系统，其中，所述显示装置设置在所述气体充填装置中。
13.根据权利要求11所述的气体充填系统，其中，所述显示装置设置在装载了所述气罐的移动体中。
14.一种气体充填装置，所述气体充填装置包括用于冷却从气体供给源供给的气体的冷却装置，所述气体充填装置将由所述冷却装置冷却的气体排出以将所述气体充填到气罐中，所述气体充填装置的特征在于包括：
气体温度传感器，所述气体温度传感器在所述气罐的上游检测由所述冷却装置冷却的气体的温度；和
流量控制器，所述流量控制器基于由所述气体温度传感器检测出的气体的温度来控制要充填到所述气罐中的气体的充填流量。
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