JP2002089793A - 高圧水素容器及びその充填制御装置 - Google Patents

高圧水素容器及びその充填制御装置

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JP2002089793A
JP2002089793A JP2000281004A JP2000281004A JP2002089793A JP 2002089793 A JP2002089793 A JP 2002089793A JP 2000281004 A JP2000281004 A JP 2000281004A JP 2000281004 A JP2000281004 A JP 2000281004A JP 2002089793 A JP2002089793 A JP 2002089793A
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container
filling
sub
pressure
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Ryuichi Idoguchi
隆一 井戸口
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Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Cooling, Air Intake And Gas Exhaust, And Fuel Tank Arrangements In Propulsion Units (AREA)
  • Arrangement Or Mounting Of Propulsion Units For Vehicles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素急速充填時に容器元弁部及び燃料充填配
管部の温度上昇を抑制出来る高圧水素容器、及び水素燃
料の充填が予測される場合に、人為操作を省略して自動
的に冷却機能を作動させることができる充填制御装置を
提供する。 【解決手段】 サブコンテナ5は、容器元弁2及び水素
充填口3から容器元弁2に接続する水素配管4を囲む。
制御コントローラ16は、圧力センサ12及び温度セン
サ13の検出値に基づいて残存水素量を算出し、残存水
素量が所定量以下となった場合に、換気バルブ11を閉
じ、冷却水バルブ10をバイパス9からサブコンテナ5
へ切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧水素容器及び
その充填制御装置に係り、特に水素を急速充填可能な高
圧水素容器及びその充填制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より車両用の高圧ガス容器として
は、天然ガスエンジン車の圧縮天然ガス容器が知られて
いる。このような高圧ガス容器に燃料ガスを供給する場
合、ガソリン車における燃料供給時間と同程度以下であ
ることが好ましい。
【0003】このため高圧ガス容器に天然ガスを充填す
る際には、急速充填を行っている。この天然ガスの急速
充填時には、例えば自動車技術会「CNG急速充填時の
車両充填配管におけるガスの熱力学的挙動」(天然ガス
エンジン専門委員会活動報告1998年4月)に見られ
るように、天然ガスの燃料充填の初期には、その圧力上
昇から瞬間的に−80℃付近まで温度低下することが知
られている(図9参照)。
【0004】これに対して、充填配管部にオリフィス構
造を設けることで温度低下を小さくする方法などが知ら
れており、これらの対策により燃料供給系部品では、減
圧弁のみが保温の目的で、エンジンの冷却水の循環を必
要としており、燃料充填系部品については、特別な温度
調整を行わなくてもシステムとして成立している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高圧ガ
ス燃料として水素を用いた場合、その物性上の特徴か
ら、メタン等の天然ガスとは異なり、充填時に容器元弁
が温度上昇する傾向があることが分かっている。図1
0、図11は、それぞれ8分、2分の水素急速充填時の
容器温度及び容器圧力の時間経過を示すグラフである。
例えば、35MPaの高圧水素容器にほぼ空の状態から
急速充填すると、最大約100〜130℃まで温度上昇
する。
【0006】このため、水素を高圧容器に急速充填する
場合、容器及び容器元弁部の耐熱要件等を鑑みて、温度
管理を行いながら充填速度を決めなければならないとい
う問題点があった。
【0007】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
成されたものであり、その目的とするところは、水素急
速充填時に容器元弁部及び燃料充填配管部の温度上昇を
抑制することが可能な高圧水素容器を提供することであ
る。
【0008】また本発明の目的は、水素燃料の充填が予
測される場合に、人為操作を省略して自動的に冷却機能
を作動させることができる充填制御装置を提供すること
である。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の本発明
は、上記課題を解決するため、高圧で水素が充填される
高圧水素容器において、容器元弁部と水素充填口とを接
続する水素充填配管と、容器元弁部及び水素充填配管を
覆うサブコンテナと、サブコンテナに冷却水を循環させ
る冷却手段と、を備えたことを要旨とする高圧水素容器
である。
【0010】請求項2記載の本発明は、上記課題を解決
するため、高圧で水素が充填される高圧水素容器におい
て、容器元弁部と水素充填口とを接続する水素充填配管
と、容器元弁部及び水素充填配管を覆うサブコンテナ
と、前記サブコンテナをバイパスするバイパス通路と、
前記サブコンテナまたは前記バイパス通路に冷却水通路
を切り換える切換手段と、を備えたことを要旨とする高
圧水素容器である。
【0011】請求項3記載の本発明は、上記課題を解決
するため、請求項1または請求項2記載の高圧水素容器
において、前記高圧水素容器は、燃料電池車両の燃料電
池に水素を供給する車両用の高圧水素容器であることを
要旨とする。
【0012】請求項4記載の本発明は、上記課題を解決
するため、請求項1または請求項2記載の高圧水素容器
の充填を制御する充填制御装置であって、前記高圧容器
内の残存水素量が所定量以下になった場合に、前記サブ
コンテナ内を冷却水で満たし、水素量が所定量以上にな
った場合に、前記サブコンテナ内の冷却水を抜くように
制御することを要旨とする。
【0013】請求項5記載の本発明は、上記課題を解決
するため、請求項4記載の充填制御装置において、水素
充填口を覆うフューエルリッドの開閉状態を検知するフ
ューエルリッドスイッチを備え、該フューエルリッドス
イッチが開状態を示したとき、前記サブコンテナ内に冷
却水を満たすように制御し、該フューエルリッドスイッ
チが閉状態を示したとき、前記サブコンテナ内の冷却水
を抜くように制御することを要旨とする。
【0014】
【発明の効果】請求項1記載の本発明によれば、高圧で
水素が充填される高圧水素容器において、容器元弁部と
水素充填口とを接続する水素充填配管と、容器元弁部及
び水素充填配管を覆うサブコンテナと、サブコンテナに
冷却水を循環させる冷却手段と、を備えたことにより、
水素急速充填時の温度上昇を抑制することができるとい
う効果を奏する。
【0015】請求項2記載の本発明によれば、高圧で水
素が充填される高圧水素容器において、容器元弁部と水
素充填口とを接続する水素充填配管と、容器元弁部及び
水素充填配管を覆うサブコンテナと、前記サブコンテナ
をバイパスするバイパス通路と、前記サブコンテナまた
は前記バイパス通路に冷却水通路を切り換える切換手段
と、を備えたことにより、水素充填が予測されるときに
は容器元弁部及び水素充填配管を冷却することができる
という効果を奏する。
【0016】請求項3記載の本発明によれば、請求項1
または請求項2記載の発明の効果に加えて、前記高圧水
素容器は、燃料電池車両の燃料電池に水素を供給する車
両用の高圧水素容器であることとしたので、燃料電池車
両の水素急速充填を可能とし、燃料補給時間を短縮する
ことができるという効果を奏する。
【0017】請求項4記載の本発明によれば、請求項1
または請求項2記載の高圧水素容器の充填を制御する充
填制御装置であって、前記高圧容器内の残存水素量が所
定量以下になった場合に、前記サブコンテナ内を冷却水
で満たし、水素量が所定量以上になった場合に、前記サ
ブコンテナ内の冷却水を抜くように制御するようにした
ので、冷却系の負荷を抑制し、冷却系を小型化すること
ができるという効果を奏する。
【0018】請求項5記載の本発明によれば、請求項4
記載の発明の効果に加えて、水素充填口を覆うフューエ
ルリッドの開閉状態を検知するフューエルリッドスイッ
チを備え、該フューエルリッドスイッチが開状態を示し
たとき、前記サブコンテナ内に冷却水を満たすように制
御し、該フューエルリッドスイッチが閉状態を示したと
き、前記サブコンテナ内の冷却水を抜くように制御した
ので、水素充填時には自動的に容器元弁部及び水素充填
配管を冷却することができるという効果を奏する。
【0019】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る高圧水
素容器及びその充填制御装置の第1実施形態の構成を示
すシステム構成図である。この実施形態は、図3に示す
ように乗用車Vの床下に燃料電池ユニットFを搭載し、
この燃料電池ユニットFに水素を供給する燃料供給系H
として、トランクルームに高圧容器1を横置きに配置し
た例を示している。
【0020】図1において、本システムは、燃料電池ユ
ニットFと、高圧容器1を備え燃料電池ユニットFに水
素ガスを供給する燃料供給系Hとを備えている。
【0021】燃料供給系Hは、高圧で水素ガスが充填さ
れる略円筒形の高圧容器1と、容器元弁2と、水素ガス
が燃料として補給される水素充填口3と、水素充填口3
からの水素ガスを容器元弁2に導く燃料充填配管である
水素配管4と、容器元弁2及び水素配管4の周囲を囲む
閉構造を持つサブコンテナ5と、容器元弁2からの高圧
水素ガスを減圧して燃料電池ユニットFに供給する減圧
弁6と、サブコンテナ5に下方から空気を供給する吸気
管7と、サブコンテナ5から上方へ漏れた水素を放出す
る排気管8と、サブコンテナ5またはバイパス9のいず
れかに冷却水通路を切り換える冷却水バルブ10と、サ
ブコンテナ5と吸気管7とを遮断する換気バルブ11
と、容器元弁2から供給される水素圧力を検出する圧力
センサ12と、同水素温度を検出する温度センサ13
と、車両走行時間積算器14と、車速センサ15と、サ
ブコンテナ5を冷却するかしないかを制御する充填制御
装置としての制御コントローラ16とを備えている。
【0022】サブコンテナ5は、容器元弁2及びこれに
接続される水素配管4の部分を完全に覆っており、通常
運転時には、万一漏れた水素は排気管8を通り上方の大
気へ放出され、下方の吸気管7から開放された換気バル
ブ11を介してサブコンテナ5の内部へ空気が流入して
サブコンテナ5内部が換気されるようになっている。
【0023】冷却水バルブ10は、図外のラジエータで
放熱された冷却水の通路をサブコンテナ5またはバイパ
ス9のいずれかに切り換えるバルブであり、制御コント
ローラ16からの制御により切り換えられる。また冷却
水通路の切換に連動して、換気バルブ11も開放遮断が
制御コントローラ16により切り換えられるようになっ
ている。
【0024】図1において、冷却水の流れる経路は、以
下の通りである。図外のラジエータで放熱された冷却水
は、冷却水バルブ10により選択的にバイパス9または
サブコンテナ5内を流れ、さらに冷却水バルブ10を通
って、減圧弁6を保温して、図外のラジエータに戻る。
【0025】制御コントローラ16は、水素量算出部1
6aとバルブ制御部16bとを備え、例えばマイクロコ
ンピュータによるソフトウェアによって、制御を行うも
のである。
【0026】水素量算出部16aは、圧力センサ12、
及び温度センサ13の検出信号に基づいて残存水素量を
算出する。
【0027】バルブ制御部16bは、残存水素量が所定
量以下になった場合に、換気バルブ11を閉じて吸気管
とサブコンテナ5とを遮断し、冷却水バルブ10をバイ
パス9側からサブコンテナ5側へ切り換える。逆に残存
水素量が所定以上になった場合に、冷却水バルブ10を
サブコンテナ5側からバイパス9側へ切り換え、サブコ
ンテナ5内の冷却水がなくなった後、換気バルブ11を
開く。
【0028】こうして、水素充填が予測される場合に、
予めサブコンテナ5に冷却水が通じるようにする一方、
水素量が所定量以上になった場合、冷却水通路をバイパ
ス9側に切り換えて、冷却系の負荷を減少させることが
できる。
【0029】図2は、充填制御装置としての制御コント
ローラ16及びその周辺の制御ブロック図を示すもので
あり、制御コントローラ16の内部に備える制御用マッ
プと、制御コントローラ16に接続される検出器、及び
アクチュエータを説明するものである。
【0030】制御コントローラ16には、検出器として
圧力センサ12と温度センサ13が接続され、それぞれ
水素圧力PH2、水素温度TH2を入力する。
【0031】制御コントローラ16の内部には、水素圧
力と水素量との関係を示す水素圧力−水素量マップ、水
素温度と水素量補正係数を示す水素温度−水素量補正マ
ップ、及び水素残量から水素充填が予測されるか否かを
示す水素残量(充填要求)マップを備えている。
【0032】また、制御コントローラ16は、換気バル
ブ11、冷却水バルブ10に切換信号を出力する。
【0033】次に、図4のフローチャートを参照して、
制御コントローラを中心に第1実施形態の動作を説明す
る。
【0034】まず、圧力センサ12から水素圧力PH2
を入力し(ステップ10、以下ステップをSと略す)、
温度センサ13から水素温度TH2を入力する(S1
2)。次いで、水素圧力PH2を水素温度TH2で補正し
て高圧容器1内の残存水素量MH2を算出し(S1
4)、残存水素量MH2が所定水素量MH2Lより少ない
か否かを判定する(S16)。
【0035】残存水素量MH2が所定水素量MH2Lより
少なければ、換気バルブ11を閉じて換気通路を閉じ
(S18)、冷却水バルブ10をバイパス9側からサブ
コンテナ5側へ切り換え(S20)、サブコンテナ5の
内部を冷却水が流れて、容器元弁2及び水素配管4を冷
却状態とする(S22)。換気通路は、吸気管7のみに
換気バルブ11を設けているので、排気管8は常に開放
状態であり、水素充填時サブコンテナ5内部に漏れた水
素は、排気管8を通じて大気中へ放散することができ
る。
【0036】残存水素量MH2が所定水素量MH2Lより
少なくなければ、水素量が増加したと判定し(S3
0)、冷却水バルブ10をサブコンテナ5側からバイパ
ス9側へ切り換え(S32)、所定時間経過したかどう
かタイマを判定し(S34)、未経過であればS32へ
戻る。所定時間経過していれば、サブコンテナ5内の冷
却水が抜けたと判定し、換気バルブ11を開いて換気通
路を開き(S36)、通常の運転状態となる。
【0037】S32の冷却水バルブ10の切換が水素充
填直後であれば、充填により温度上昇した冷却水が減圧
弁6側に流れ、減圧弁6を効果的に保温することができ
る。
【0038】図5(a)は、上記フローチャートのS1
4で参照される温度による圧力の補正係数を示すグラフ
である。
【0039】図5(b)は、残存水素量MH2の時間経
過と、水素充填時に容器元弁部を冷却する必要がある所
定水素量MH2Lとの関係を示すグラフである。残存水
素量が所定水素量MH2L以下となった場合、水素充填
時の圧力差が大きくなり、急速水素充填時に容器元弁部
を冷却する必要が生じる。
【0040】図5(c)のように、残存水素量が所定水
素量MH2L以上の場合には、水素充填時の圧力差があ
まり大きくなく、急速水素充填時に容器元弁部を冷却す
る必要はないと判断できる。
【0041】次に、本発明に係る高圧水素容器及びその
充填制御装置の第2実施形態を説明する。第2実施形態
と第1実施形態との相違は、制御コントローラ16の水
素量算出部16aが水素圧力及び水素温度に代えて、車
両走行時間と車速を用いて残存水素量を算出するように
している点である。その他の構成は、第1実施形態と同
様である。
【0042】図6は、充填制御装置としての制御コント
ローラ16及びその周辺の制御ブロック図を示すもので
あり、制御コントローラ16の内部に備える制御用マッ
プと、制御コントローラ16に接続される検出器、及び
アクチュエータを説明するものである。
【0043】制御コントローラ16には、車両走行時間
積算器14と車速センサ15が接続され、それぞれ車両
走行時間VR、車速VSを入力する。
【0044】制御コントローラ16の内部には、走行時
間と車速の積に対する水素量の関係を示す走行時間*車
速−水素量マップ、車速−水素量補正マップ、及び水素
残量から水素充填が予測されるか否かを示す水素残量
(充填要求)マップを備えている。
【0045】また、制御コントローラ16は、換気バル
ブ11、冷却水バルブ10に切換信号を出力する。
【0046】次に、図7のフローチャートを参照して、
制御コントローラを中心に第2実施形態の動作を説明す
る。
【0047】まず、車両走行時間積算器14から走行時
間積算値VRを入力し(S50)、車速センサ15から
車速VSを入力する(S52)。次いで、走行時間*車
速−水素量マップを参照して、高圧容器1内の残存水素
量MH2を算出し(S54)、残存水素量MH2が所定水
素量MH2Lより少ないか否かを判定する(S56)。
【0048】残存水素量MH2が所定水素量MH2Lより
少なければ、換気バルブ11を閉じて換気通路を閉じ
(S58)、冷却水バルブ10をバイパス9側からサブ
コンテナ5側へ切り換え(S60)、サブコンテナ5の
内部を冷却水が流れて、容器元弁2及び水素配管4を冷
却状態とする(S62)。換気通路は、吸気管7のみに
換気バルブ11を設けているので、排気管8は常に開放
状態であり、水素充填時サブコンテナ5内部に漏れた水
素は、排気管8を通じて大気中へ放散することができ
る。
【0049】残存水素量MH2が所定水素量MH2Lより
少なくなければ、水素量が増加したと判定し(S7
0)、車両走行時間積算器に対してリセット信号を送出
してりセットし(S72)、冷却水バルブ10をサブコ
ンテナ5側からバイパス9側へ切り換え(S74)、所
定時間経過したかどうかタイマを判定し(S76)、未
経過であればS74へ戻る。所定時間経過していれば、
サブコンテナ5内の冷却水が抜けたと判定し、換気バル
ブ11を開いて換気通路を開き(S78)、通常の運転
状態となる。
【0050】S74の冷却水バルブ10の切換が水素充
填直後であれば、充填により温度上昇した冷却水が減圧
弁6側に流れ、減圧弁6を効果的に保温することができ
る。
【0051】図8(a)は、上記フローチャートのS5
4で参照される車速による水素量の補正係数を示すグラ
フである。
【0052】図8(b)は、残存水素量MH2の時間経
過と、水素充填時に容器元弁部を冷却する必要がある所
定水素量MH2Lとの関係を示すグラフである。残存水
素量が所定水素量MH2L以下となった場合、水素充填
時の圧力差が大きくなり、急速水素充填時に容器元弁部
を冷却する必要が生じる。
【0053】図8(c)のように、残存水素量が所定水
素量MH2L以上の場合には、水素充填時の圧力差があ
まり大きくなく、急速水素充填時に容器元弁部を冷却す
る必要はないと判断できる。
【0054】以上の実施形態では説明しなかったが、水
素充填口の覆いであるフューエルリッドの開閉状態を示
すフューエルリッドスイッチの信号に基づいて水素充填
を予測し、冷却水バルブ及び換気バルブを制御しても良
い。即ちフューエルリッド開であれば、換気バルブを閉
じて、冷却水バルブをバイパス側からサブコンテナ側へ
切り換え、サブコンテナが冷却されるようにする。逆に
フューエルリッド閉であれば、水素充填が終わったとし
て、冷却水バルブをサブコンテナ側からバイパス側へ切
り換え、換気バルブを開くように制御する。
【0055】尚、以上説明した実施形態は、本発明の理
解を容易にするために記載されたものであって、本発明
を限定するものではない。従って、上記の実施形態に開
示された各要素は、本発明の技術範囲に属する全ての設
計上の選択事項をも含む趣旨である。
【0056】例えば、上述した実施形態では、サブコン
テナ内に圧力センサと温度センサを収容したが、減圧弁
もサブコンテナ内に収容し、常にサブコンテナ内を冷却
水で満たすように変形することもできる。
【0057】さらにサブコンテナ内に高圧容器全体を収
容して、フルコンテナ形状とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る高圧水素容器及びその充填制御装
置の第1実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図2】本発明の第1実施形態の制御ブロック図であ
る。
【図3】高圧水素容器を乗用車に搭載した状態を示す透
視側面図である。
【図4】第1実施形態の動作を説明するフローチャート
である。
【図5】(a)温度による圧力補正係数の例を示すグラ
フである。(b),(c)残存水素量の時間変化と水素
充填が想定される所定量とを示すグラフである。
【図6】本発明の第2実施形態の制御ブロック図であ
る。
【図7】第2実施形態の動作を説明するフローチャート
である。
【図8】(a)車速による水素量補正係数の例を示すグ
ラフである。(b),(c)残存水素量の時間変化と水
素充填が想定される所定量とを示すグラフである。
【図9】天然ガス充填時の容器内温度、圧力変化を示す
グラフである。
【図10】水素急速充填時(8分)の容器内温度、圧力
の変化を示すグラフである。
【図11】水素急速充填時(2分)の容器内温度、圧力
の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 高圧容器 2 容器元弁 3 水素充填口 4 水素配管 5 サブコンテナ 6 減圧弁 7 吸気管 8 排気管 9 バイパス 10 冷却水バルブ 11 換気バルブ 12 圧力センサ 13 温度センサ 14 車両走行時間積算器 15 車速センサ 16 制御コントローラ 16a 水素量算出部 16b バルブ制御部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高圧で水素が充填される高圧水素容器に
    おいて、 容器元弁部と水素充填口とを接続する水素充填配管と、 容器元弁部及び水素充填配管を覆うサブコンテナと、 サブコンテナに冷却水を循環させる冷却手段と、を備え
    たことを特徴とする高圧水素容器。
  2. 【請求項2】 高圧で水素が充填される高圧水素容器に
    おいて、 容器元弁部と水素充填口とを接続する水素充填配管と、 容器元弁部及び水素充填配管を覆うサブコンテナと、 前記サブコンテナをバイパスするバイパス通路と、 前記サブコンテナまたは前記バイパス通路に冷却水通路
    を切り換える切換手段と、を備えたことを特徴とする高
    圧水素容器。
  3. 【請求項3】 前記高圧水素容器は、燃料電池車両の燃
    料電池に水素を供給する車両用の高圧水素容器であるこ
    とを特徴とする請求項1または請求項2記載の高圧水素
    容器。
  4. 【請求項4】 請求項1または請求項2記載の高圧水素
    容器の充填を制御する充填制御装置であって、 前記高圧容器内の残存水素量が所定量以下になった場合
    に、前記サブコンテナ内を冷却水で満たし、水素量が所
    定量以上になった場合に、前記サブコンテナ内の冷却水
    を抜くように制御することを特徴とする充填制御装置。
  5. 【請求項5】 水素充填口を覆うフューエルリッドの開
    閉状態を検知するフューエルリッドスイッチを備え、 該フューエルリッドスイッチが開状態を示したとき、前
    記サブコンテナ内に冷却水を満たすように制御し、該フ
    ューエルリッドスイッチが閉状態を示したとき、前記サ
    ブコンテナ内の冷却水を抜くように制御することを特徴
    とする請求項4記載の充填制御装置。
JP2000281004A 2000-09-14 2000-09-14 高圧水素容器及びその充填制御装置 Pending JP2002089793A (ja)

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