JP2004116619A - 燃料充てん装置および方法 - Google Patents
燃料充てん装置および方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004116619A JP2004116619A JP2002279230A JP2002279230A JP2004116619A JP 2004116619 A JP2004116619 A JP 2004116619A JP 2002279230 A JP2002279230 A JP 2002279230A JP 2002279230 A JP2002279230 A JP 2002279230A JP 2004116619 A JP2004116619 A JP 2004116619A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- filling
- hydrogen gas
- fuel
- tank
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
【課題】燃料タンク１３の温度を確実に低く抑えることができ、かつ簡単な操作で燃料充てんを行うことができる燃料充てん装置を提供する。
【解決手段】水素ガスを燃料とする水素ガス自動車１２の燃料タンク１３に水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、流量調整弁Ｖ１を経た水素ガスを冷却する冷却手段４とを備えている。
【選択図】 図１
【解決手段】水素ガスを燃料とする水素ガス自動車１２の燃料タンク１３に水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、流量調整弁Ｖ１を経た水素ガスを冷却する冷却手段４とを備えている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に水素を燃料として充てんする燃料充てん装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車として、圧縮天然ガスを燃料として用いる圧縮天然ガス自動車、水素ガスを燃料として用いる水素自動車の開発が進められている。これらの自動車は、炭酸ガス、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出量が少ないという特長がある。
これらの自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、その燃料である圧縮天然ガスまたは水素ガスを充てんする燃料充てん装置（ディスペンサー）を備えた供給基地まで走行し、この燃料充てん装置から圧縮天然ガスまたは水素ガスを補給することとなる。
【０００３】
燃料タンクとしては、通常、軽量化のためにＦＲＰ容器が使用されている。ＦＲＰ容器は、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定され、その設計値は一般に約８５℃である。
【０００４】
圧縮天然ガスは、他の高圧ガス（窒素ガス、酸素ガス等）と同様に、圧縮状態（例えば圧力３５ＭＰａ）から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。そのため圧縮天然ガスは、細孔やスリットを備えた機器、例えば機器弁、逆止弁、カプラーを通過する際に、温度が低下する。
このため、天然ガスを燃料タンクに充てんする際には、ガス温度の上昇が起こりにくいことから、タンク温度を管理することなく、容易にかつ短時間で充てんを行うことができる。
圧縮天然ガス用の燃料充てん装置としては、特許文献１に記載されたものがある。この文献には、天然ガスの供給流量を調整する弁である過充てん防止装置を備えた燃料充てん装置（ディスペンサーユニット）が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
社団法人日本ガス協会、「圧縮天然ガススタンド安全技術指針」、平成１０年４月、ｐ．４４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇しやすい。
水素ガスを燃料タンクに充てんする際には、ジュールトムソン効果による温度上昇に加え、圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が高くなりやすい。
ＦＲＰからなる燃料タンクは使用温度に上限があるため、水素ガスの充てんを行うに際しては厳重な温度管理が要求される。
【０００７】
そのため水素自動車では、燃料タンクの温度が設計温度を越えないようにすることを目的として、燃料タンクの温度を直接測定しながら充てんを行う方法が提案されている。
具体的には、自動車の燃料タンクに温度端子（温度センサ）を設けておき、燃料充てん用配管を自動車の燃料タンクに接続するとともに、温度測定用の配線を上記温度端子に接続し、検出したタンク温度に基づいてガス供給流量を調整しつつ燃料充てんを行う方法が提案されている。
しかしながら、この充てん方法では、燃料充てん用配管とは別に、温度測定用の配線を自動車に接続する必要があり、操作に手間がかかる問題がある。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、燃料電池を動力源とする水素ガス自動車等の燃料タンクの温度を確実に低く抑えることができ、かつ簡単な操作で燃料充てんを行うことができる燃料充てん装置および方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスを冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、この流量調整弁を経た水素ガスを冷却する冷却手段とを備えた構成とすることができる。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものである構成とすることができる。
【０００９】
本発明の燃料充てん方法は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに、燃料充てん装置を用いて水素ガスを充てんする方法であって、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、水素ガスを冷却する冷却手段とを備え、流量調整弁を経た水素ガスを、冷却手段を用いて冷却した後に燃料タンクに充てんすることを特徴とする。
本発明では、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含み、この燃料充てん装置を用いて充てんを行う方法を採用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料充てん装置の第１の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１は、水素ガス貯留タンク２からの水素ガスを供給する供給経路３と、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、水素ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、供給経路３に設けられた遮断弁Ｖ２と、水素ガスを冷却する熱交換器４（冷却手段）とを備えている。
【００１１】
流量調整弁Ｖ１の一次側（水素ガス流れ方向の上流側）および二次側（下流側）の供給経路３には、それぞれ水素ガス温度を検出する第１および第２温度計６、７が設けられている。
熱交換器４の二次側の供給経路３には、充てんされる水素ガスの温度を検出する充てんガス温度計８（充てんガス温度検出手段）と、充てんされる水素ガスの圧力を検出する圧力計９（圧力検出手段）とが設けられている。
【００１２】
熱交換器４は、水素ガスを流通させる水素ガス流通管４ａを備え、水素ガス流通管４ａ内の水素ガスを、冷媒を用いて冷却することができるようになっている。
熱交換器４としては、エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を用いることができる。この場合には、熱交換器４に冷媒を循環させる循環経路を接続する。また、空気を冷媒とするプレートフィン式熱交換器を用いることもできる。
また、液体窒素、フロン等の冷媒により水素ガスを直接冷却したり、液体窒素、フロン等で別の冷媒を冷却し、該冷媒で水素ガスを冷却する熱交換器等を使用しても良い。
なお、これらの構成機器は必ずしも燃料充てん装置内に納める必要はなく、例えば流量調整弁を水素ガス貯留タンク２に近い場所に別置きとすると、流量調整弁を通過して温度上昇した水素ガスが、熱交換器に到るまでに空冷され、熱交換器での冷却エネルギーを省力化することができる。
【００１３】
供給経路３の端部には、燃料充てん装置１からの水素ガスを水素自動車１２に供給するフレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。
連絡管１１の他端は、水素自動車１２内の供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。
符号Ｖ３は、水素自動車１２の供給経路１４に設けられた逆止弁であり、燃料タンク１３内の燃料が外部に漏出するのを防ぐことができるようになっている。
【００１４】
次に、燃料充てん装置１を用いて、水素自動車１２の燃料タンク１３に水素ガスを充填する方法について説明する。
燃料充てんのため燃料充てん装置１を訪れた水素自動車１２に、連絡管１１を接続する。
次いで、遮断弁Ｖ２を開き、貯留タンク２からの水素ガスを供給経路３に導入する。この水素ガスの供給流量は、流量調整弁Ｖ１によって適切な値に調整することができる。
水素ガスは、流量調整弁Ｖ１を通過する際に、ジュールトムソン効果により温度が上昇する。
【００１５】
熱交換器４において、水素ガスは冷媒により冷却される。熱交換器４としてチラー冷却器を用いる場合には、水素ガスは冷媒であるエチレングリコールにより冷却される。
熱交換器４で冷却された水素ガスは、連絡管１１、供給経路１４を通して燃料タンク１３に充てんされる。
【００１６】
燃料充てん装置１は、水素ガスを冷却する熱交換器４を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンク１３に充てんすることができる。
このため、流量調整弁Ｖ１を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンク１３の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができる。
また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンク１３の温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
【００１７】
図２は、本発明の燃料充てん装置の第２の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１０は、水素ガスの供給量を制御する制御手段５を備えている点で図１に示す燃料充てん装置１と異なる。
図３に示すように、制御手段５は、温度履歴データベース２１が格納された記憶部２２と、流量調整弁Ｖ１の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部２３と、検出値や演算結果を表示する表示部２４と、設定値などを入力する入力部２５とを有する。
【００１８】
温度履歴データベース２１は、充てん前の燃料タンク１３内の温度Ｔ１（充てん前タンク内温度）と、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度Ｔ２（充てんガス温度）と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含む。
すなわち、温度履歴データベース２１は、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αとを、それぞれ所定の値に設定して実際に燃料タンクへの燃料充てん試験を行い、その際の燃料タンク内の温度変化を調べた結果を含むものである。
なお、この燃料充てん試験では、タンク内圧力がゼロから設計圧力（例えば３５ＭＰａ）となるまで燃料充てんを行うのが好ましい。燃料タンクとしては、水素自動車に標準的に用いられる、１５０リットル容量の燃料タンクを使用するのが好ましい。
温度履歴データベース２１は、キーボードなどの入力手段を使用して任意に入力および更新が可能である。
【００１９】
充てん前タンク内温度Ｔ１とは、燃料を充てんする前の燃料タンク１３内の温度である。充てん前タンク内温度Ｔ１は、通常、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられる。
水素自動車１２の使用が想定できる環境中の気温を−４０〜５０℃の範囲に想定する場合には、充てん前タンク内温度Ｔ１も−４０〜５０℃の範囲であると考えることができる。
【００２０】
充てんガス温度Ｔ２は、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度であり、熱交換器４の冷却能力や設定に応じて定めることができる。
例えば５０ｗｔ％エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を熱交換器４として用いる場合には、充てんガス温度Ｔ２は、最低冷却温度である−２０℃を下限とし、上限を１０℃とする範囲に想定することができる。
【００２１】
流量調整弁Ｖ１の開放速度αは、貯留タンク２の圧力に基づき所定の時間内にどの程度開度を大きくするかを示すものである。
例えば弁座に形成された開口部を塞ぐ弁体と、これに接続されたスピンドルを備えた流量調整弁Ｖ１では、所定時間に、開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離を、開放速度αとすることができる。スピンドルの移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表すことができる。開放速度αの具体例としては、３０秒間あたりのスピンドル移動距離（％）を挙げることができる。
なお、本発明では、流量調整弁の開放速度に代えて、流量調整弁の開度を使用することもできる。
すなわち、本発明でいう「流量調整弁の開度」とは、開度を大きくする速度である開放速度であってもよいし、開度そのものであってもよい。
なお、貯留タンク２は、複数でもよく、低圧の貯留タンクから高圧側に順次切り換えて充てんする方法にも適用できる。
【００２２】
次に、図２〜図５を参照して、燃料充てん装置１０を用いた場合を例として、本発明の燃料充てん方法の第２の実施形態を説明する。
温度履歴データベース２１には、あらかじめ、燃料充てん装置１０が設置された地域の過去における気温を、時期や時刻ごとに入力しておく。
なお、温度履歴データベース２１には、燃料充てん装置１０の設置場所が限定されないようにするため、燃料充てん装置１０の設置が想定されるすべての地域における気温データを入力しておくことができる。
ここに示す充てん方法では、制御部２３において、以下の（１）〜（３）に示す演算処理を行い、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを決定する。
【００２３】
（１）充てん前タンク内温度Ｔ１の予測
水素ガスを水素自動車１２に充てんする時点での気温を、温度履歴データベース２１内の過去の気温データから予測する。
気温の予測は、過去の同時期（同日）および同時刻における気温や、充てん時の天候などに基づいて行うことができる。
【００２４】
貯留タンク２が燃料充てん装置１０の近くに設置されている場合には、貯留タンク２内の温度は、燃料充てん装置１０付近の気温に応じたものとなるため、貯留タンク２内の温度に基づいて気温を予測してもよい。例えば充てん時の気温は貯留タンク２内温度とほぼ同じであると考えることができる。この場合には、貯留タンク２に温度計（温度検出手段）を設置し、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
なお、充てん時の気温は、気温計（気温検出手段）を用いて直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
【００２５】
充てん前タンク内温度Ｔ１は、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられるため、上記予測または測定された気温に基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を予測することができる。例えば充てん前タンク内温度Ｔ１は、上記気温とほぼ同じであると考えることができる。
図４に示す例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、−４０〜５０℃の範囲で、１０℃ごとに９段階が想定されている。
この例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、９段階の想定温度のうち、２０℃であると予測されている。
充てん時の気温予測値が上記９段階の想定温度のいずれにも該当しない場合には、上記９段階の想定温度のなかから予測値に最も近い値（好ましくは予測値よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てん前タンク内温度Ｔ１とすればよい。
また、予測値の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を決定してもよい。
【００２６】
（２）充てんガス温度Ｔ２の設定
熱交換器４の設定等に基づいて、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度を定める。
図４に示す例では、充てんされる水素ガスの温度は、熱交換器４の設定に応じて−１０〜１０℃の範囲で５℃ごとに５段階が想定されている。
この例は、熱交換器４のフル稼働させた場合に関するものであり、充てんガス温度Ｔ２は、５段階の温度のうち、最低冷却温度である−１０℃とされている。
実際に充てんされる水素ガスの温度（実際の充てん温度）が上記５段階の温度のいずれにも該当しない場合には、上記５段階の温度のなかから実際の充てん温度に最も近い値（好ましくは実際の充てん温度よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てんガス温度Ｔ２とすればよい。また、実際の充てん温度の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てんガス温度Ｔ２を決定してもよい。
なお、充てんガス温度Ｔ２は、充てんガス温度計８によって直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
【００２７】
（３）流量調整弁Ｖ１の開放速度αの設定
図４に示す例では、開放速度αは次の３段階が想定されている。
α１：３０秒間で１００％開放
α２：３０秒間で７５％開放
α３：３０秒間で５０％開放
開放速度αは、３０秒間に、流量調整弁Ｖ１の開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離で表されている。スピンドル移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表されている。
【００２８】
図５は、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃であるときに、開放速度をα１〜α３のうちいずれか設定した場合における、充てん時の燃料タンク１３内の温度の経時変化を示すものである。
図示例においては、燃料タンク１３の設計温度は８５℃とされているため、タンク内温度を８５℃以下にする必要がある。
図５（ａ）に示すように、開放速度をα１とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃を越えてしまう。
図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、開放速度をα２またはα３とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃以下となる。
開放速度をα２とした場合とα３とした場合とを比較すると、より高い開放速度α２の方が充てん速度を高くすることができるため、開放速度α２が選択される。
【００２９】
制御部２３において、上記（１）〜（３）が行われ、流量調整弁Ｖ１の開放速度α２が選択されると、開放速度α２に応じた制御信号が流量調整弁Ｖ１に向けて送出される。流量調整弁Ｖ１では、この制御信号に基づいて、開度が開放速度α２で大きくなる。
これによって、流量調整弁Ｖ１の開度に応じた流量の水素ガスが、貯留タンク２から供給経路３、連絡管１１を通して水素自動車１２の燃料タンク１３に充てんされる。
充てん時の燃料タンク１３内の温度は、図５（ｂ）に示したものに近い経時変化を示すため、タンク内温度は設計温度以下に保たれる。
【００３０】
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す温度変化データは、充てん開始時のタンク内圧力をゼロとした場合のものである。
通常、燃料充てんのため燃料充てん装置１０を訪れる水素自動車１２は、燃料タンク１３内の水素ガス量はゼロでなく、燃料タンク１３内に水素ガスが残留していると考えられる。この場合には、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合に比べ、新たに充てんできる燃料の量が少なくなることから、充てん時の温度上昇幅は低く抑えられることになる。
従って、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合（ 図５（ａ）〜図５（ｃ））に基づいて開放速度αを設定しても安全上の問題は生じない。
【００３１】
上記燃料充てん装置１０では、温度履歴データベース２１を格納した記憶部２２を有する制御手段５を備えているので、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
従って、燃料タンク１３の温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。
【００３２】
なお、燃料タンク１３への燃料充てん量（タンク１３の設計圧力に対する充てん圧力）が１００％未満である場合（例えば充てん量５０％である場合）には、次に示す充てん方法が可能である。
水素自動車１２の供給経路１４には逆止弁Ｖ３が設けられているため、供給する水素ガス圧力が燃料タンク１３内の圧力より大きくなったときにはじめて水素ガスが供給される。
従って、水素ガス充てん開始時の水素ガス圧力（充てん開始圧力）は、燃料タンク１３内の圧力（残留ガス圧力）とほぼ等しいことになり、この圧力は、圧力計９によって検出することができる。
あらかじめ、温度履歴データベース２１に、充てん開始時圧力ごとの充てん時のタンク内温度変化のデータを用意しておくことによって、タンク内の水素ガス量が、目的とする充てん量に達するまでの時間を予測することができる。
すなわち、温度Ｔ１、Ｔ２と、開放速度αと、充てん開始時圧力と、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、上記目的充てん量に達するまでの時間内で設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
これによって、燃料タンク１３の温度を確実に低く維持し、かつ充てん操作を容易にすることができる。
【００３３】
次に、図６を参照して、本発明の燃料充てん方法の他の例を説明する。
この充てん方法では、充てん時間を極力短くすることを目的とする「急速充てん」と、タンク温度低く抑え、かつ充てん量を多くすることを目的とする「量充てん」のうちいずれかを選択できる。
【００３４】
まず、急速充てんについて説明する。
急速充てんでは、上記第２の実施形態の方法と同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択する。
例えば、図５に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα２を選択することができる。
なお、熱交換器４の冷却能力が充分大きく、流量調整弁Ｖ１の開度を最大としてもタンク内温度が設計温度を越えない場合には、常に最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度が選択されるようにしてもよい。
【００３５】
次に、量充てんについて説明する。
まず、急速充てんと同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１、充てんガス温度Ｔ２を決定する。
量充てんでは、急速充てんと異なり、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを選択するに際して、設計温度を越えない範囲で最も高い開放速度αではなく、比較的低い開放速度αを選択する。
例えば、図５に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、比較的小さな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα３を選択することができる。
この方法では、急速充てんに比べ、充てんに要する時間は長くなるが、充てん速度が低くなるため、タンク内温度を低く抑えることができる。
従って、水素ガス充てん量を多くすることが可能となる。
【００３６】
急速充てんは、タンク内の残留水素ガス量が多く、充てんするべき水素ガス量が少ない場合に用いるのが好ましい。充てん量が少ない場合には充てん速度が速くてもタンク内の温度上昇幅が小さくなるためである。
量充てんは、タンク内の残留水素ガス量が少なく、充てんするべき水素ガス量が多い場合に用いるのが好ましい。充てん量が多い場合には、タンク内の温度が上昇しやすいためである。
【００３７】
急速充てんと量充てんとの選択は、利用者側（水素自動車１２の利用者側）が行ってもよいし、従業員側（燃料充てん装置１の取扱者側）が行ってもよい。
また、利用者が多い繁忙時期には、急速充てんを選択して利用者あたりの充てん時間を短くするのが好ましい。これによって、利用者数を多くすることができる。
一方、利用者が少ない閑散時期には、量充てんを選択し、利用者あたりの充てん量を多くするのが好ましい。
【００３８】
また、外気温が低い場合には、熱交換器４を使用せずに十分な水素ガス冷却が可能となることがある。このため、外気温に応じて熱交換器４の使用および不使用を選択することができるようにすれば、エネルギー消費を最小限に抑えることができ、コスト面で有利となる。
また、温度履歴データベースには、容量が異なる複数種の燃料タンクに応じた温度データを格納しておき、充てん対象となる燃料タンクの容量に応じた温度データに基づいて流量調整弁Ｖ１の開度を調整するのが好ましい。
【００３９】
なお、上記実施形態の充てん方法では、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度との関係を示すデータを取得し、これに基づいて開放速度αを選択するが、本発明の充てん方法はこれに限らず、これらのデータから得られた計算式に基づいて、充てん時のタンク内温度を求めることも可能である。
この場合には、算出されたタンク内温度に基づいて、開放速度αを選択する。
なお、上記実施形態では、流量調整弁の二次側に熱交換器を設けて、水素ガスの冷却を行ったが、各構成機器および配管に冷却機能を付与することで同様の冷却をおこなうこともできる。
また熱交換器は、流量調整弁の二次側に配置したが、流量調整弁を熱交換器の二次側に設けることもできる。この場合には、温度抑制効果は小さくなるが、上記実施形態の方法と同様に、水素ガスの温度抑制および流量調整という効果を得ることができる。
本発明では、流量調整弁を備えていない構成も可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを冷却する熱交換器を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンクに充てんすることができる。
このため、流量調整弁を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンクの温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンクの温度を確実に設定温度以下に維持することができる。
また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンクの温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
【００４１】
また、温度履歴データベースを格納した記憶部を有する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを有する構成によって、温度履歴データベース内のデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁の開度を選択することができる。
従って、燃料タンクの温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料充てん装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料充てん装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図２に示す燃料充てん装置の制御手段を示すブロック図である。
【図４】本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。
【図５】本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。
【図６】本発明の燃料充てん方法の他の例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１、１０・・・燃料充てん装置、４・・・熱交換器、５・・・制御手段、１２・・・水素自動車、１３・・・燃料タンク、２１・・・温度履歴データベース、Ｖ１・・・流量調整弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に水素を燃料として充てんする燃料充てん装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車として、圧縮天然ガスを燃料として用いる圧縮天然ガス自動車、水素ガスを燃料として用いる水素自動車の開発が進められている。これらの自動車は、炭酸ガス、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出量が少ないという特長がある。
これらの自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、その燃料である圧縮天然ガスまたは水素ガスを充てんする燃料充てん装置（ディスペンサー）を備えた供給基地まで走行し、この燃料充てん装置から圧縮天然ガスまたは水素ガスを補給することとなる。
【０００３】
燃料タンクとしては、通常、軽量化のためにＦＲＰ容器が使用されている。ＦＲＰ容器は、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定され、その設計値は一般に約８５℃である。
【０００４】
圧縮天然ガスは、他の高圧ガス（窒素ガス、酸素ガス等）と同様に、圧縮状態（例えば圧力３５ＭＰａ）から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。そのため圧縮天然ガスは、細孔やスリットを備えた機器、例えば機器弁、逆止弁、カプラーを通過する際に、温度が低下する。
このため、天然ガスを燃料タンクに充てんする際には、ガス温度の上昇が起こりにくいことから、タンク温度を管理することなく、容易にかつ短時間で充てんを行うことができる。
圧縮天然ガス用の燃料充てん装置としては、特許文献１に記載されたものがある。この文献には、天然ガスの供給流量を調整する弁である過充てん防止装置を備えた燃料充てん装置（ディスペンサーユニット）が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
社団法人日本ガス協会、「圧縮天然ガススタンド安全技術指針」、平成１０年４月、ｐ．４４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇しやすい。
水素ガスを燃料タンクに充てんする際には、ジュールトムソン効果による温度上昇に加え、圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が高くなりやすい。
ＦＲＰからなる燃料タンクは使用温度に上限があるため、水素ガスの充てんを行うに際しては厳重な温度管理が要求される。
【０００７】
そのため水素自動車では、燃料タンクの温度が設計温度を越えないようにすることを目的として、燃料タンクの温度を直接測定しながら充てんを行う方法が提案されている。
具体的には、自動車の燃料タンクに温度端子（温度センサ）を設けておき、燃料充てん用配管を自動車の燃料タンクに接続するとともに、温度測定用の配線を上記温度端子に接続し、検出したタンク温度に基づいてガス供給流量を調整しつつ燃料充てんを行う方法が提案されている。
しかしながら、この充てん方法では、燃料充てん用配管とは別に、温度測定用の配線を自動車に接続する必要があり、操作に手間がかかる問題がある。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、燃料電池を動力源とする水素ガス自動車等の燃料タンクの温度を確実に低く抑えることができ、かつ簡単な操作で燃料充てんを行うことができる燃料充てん装置および方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスを冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、この流量調整弁を経た水素ガスを冷却する冷却手段とを備えた構成とすることができる。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものである構成とすることができる。
【０００９】
本発明の燃料充てん方法は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに、燃料充てん装置を用いて水素ガスを充てんする方法であって、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、水素ガスを冷却する冷却手段とを備え、流量調整弁を経た水素ガスを、冷却手段を用いて冷却した後に燃料タンクに充てんすることを特徴とする。
本発明では、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含み、この燃料充てん装置を用いて充てんを行う方法を採用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料充てん装置の第１の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１は、水素ガス貯留タンク２からの水素ガスを供給する供給経路３と、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、水素ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、供給経路３に設けられた遮断弁Ｖ２と、水素ガスを冷却する熱交換器４（冷却手段）とを備えている。
【００１１】
流量調整弁Ｖ１の一次側（水素ガス流れ方向の上流側）および二次側（下流側）の供給経路３には、それぞれ水素ガス温度を検出する第１および第２温度計６、７が設けられている。
熱交換器４の二次側の供給経路３には、充てんされる水素ガスの温度を検出する充てんガス温度計８（充てんガス温度検出手段）と、充てんされる水素ガスの圧力を検出する圧力計９（圧力検出手段）とが設けられている。
【００１２】
熱交換器４は、水素ガスを流通させる水素ガス流通管４ａを備え、水素ガス流通管４ａ内の水素ガスを、冷媒を用いて冷却することができるようになっている。
熱交換器４としては、エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を用いることができる。この場合には、熱交換器４に冷媒を循環させる循環経路を接続する。また、空気を冷媒とするプレートフィン式熱交換器を用いることもできる。
また、液体窒素、フロン等の冷媒により水素ガスを直接冷却したり、液体窒素、フロン等で別の冷媒を冷却し、該冷媒で水素ガスを冷却する熱交換器等を使用しても良い。
なお、これらの構成機器は必ずしも燃料充てん装置内に納める必要はなく、例えば流量調整弁を水素ガス貯留タンク２に近い場所に別置きとすると、流量調整弁を通過して温度上昇した水素ガスが、熱交換器に到るまでに空冷され、熱交換器での冷却エネルギーを省力化することができる。
【００１３】
供給経路３の端部には、燃料充てん装置１からの水素ガスを水素自動車１２に供給するフレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。
連絡管１１の他端は、水素自動車１２内の供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。
符号Ｖ３は、水素自動車１２の供給経路１４に設けられた逆止弁であり、燃料タンク１３内の燃料が外部に漏出するのを防ぐことができるようになっている。
【００１４】
次に、燃料充てん装置１を用いて、水素自動車１２の燃料タンク１３に水素ガスを充填する方法について説明する。
燃料充てんのため燃料充てん装置１を訪れた水素自動車１２に、連絡管１１を接続する。
次いで、遮断弁Ｖ２を開き、貯留タンク２からの水素ガスを供給経路３に導入する。この水素ガスの供給流量は、流量調整弁Ｖ１によって適切な値に調整することができる。
水素ガスは、流量調整弁Ｖ１を通過する際に、ジュールトムソン効果により温度が上昇する。
【００１５】
熱交換器４において、水素ガスは冷媒により冷却される。熱交換器４としてチラー冷却器を用いる場合には、水素ガスは冷媒であるエチレングリコールにより冷却される。
熱交換器４で冷却された水素ガスは、連絡管１１、供給経路１４を通して燃料タンク１３に充てんされる。
【００１６】
燃料充てん装置１は、水素ガスを冷却する熱交換器４を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンク１３に充てんすることができる。
このため、流量調整弁Ｖ１を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンク１３の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができる。
また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンク１３の温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
【００１７】
図２は、本発明の燃料充てん装置の第２の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１０は、水素ガスの供給量を制御する制御手段５を備えている点で図１に示す燃料充てん装置１と異なる。
図３に示すように、制御手段５は、温度履歴データベース２１が格納された記憶部２２と、流量調整弁Ｖ１の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部２３と、検出値や演算結果を表示する表示部２４と、設定値などを入力する入力部２５とを有する。
【００１８】
温度履歴データベース２１は、充てん前の燃料タンク１３内の温度Ｔ１（充てん前タンク内温度）と、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度Ｔ２（充てんガス温度）と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含む。
すなわち、温度履歴データベース２１は、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αとを、それぞれ所定の値に設定して実際に燃料タンクへの燃料充てん試験を行い、その際の燃料タンク内の温度変化を調べた結果を含むものである。
なお、この燃料充てん試験では、タンク内圧力がゼロから設計圧力（例えば３５ＭＰａ）となるまで燃料充てんを行うのが好ましい。燃料タンクとしては、水素自動車に標準的に用いられる、１５０リットル容量の燃料タンクを使用するのが好ましい。
温度履歴データベース２１は、キーボードなどの入力手段を使用して任意に入力および更新が可能である。
【００１９】
充てん前タンク内温度Ｔ１とは、燃料を充てんする前の燃料タンク１３内の温度である。充てん前タンク内温度Ｔ１は、通常、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられる。
水素自動車１２の使用が想定できる環境中の気温を−４０〜５０℃の範囲に想定する場合には、充てん前タンク内温度Ｔ１も−４０〜５０℃の範囲であると考えることができる。
【００２０】
充てんガス温度Ｔ２は、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度であり、熱交換器４の冷却能力や設定に応じて定めることができる。
例えば５０ｗｔ％エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を熱交換器４として用いる場合には、充てんガス温度Ｔ２は、最低冷却温度である−２０℃を下限とし、上限を１０℃とする範囲に想定することができる。
【００２１】
流量調整弁Ｖ１の開放速度αは、貯留タンク２の圧力に基づき所定の時間内にどの程度開度を大きくするかを示すものである。
例えば弁座に形成された開口部を塞ぐ弁体と、これに接続されたスピンドルを備えた流量調整弁Ｖ１では、所定時間に、開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離を、開放速度αとすることができる。スピンドルの移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表すことができる。開放速度αの具体例としては、３０秒間あたりのスピンドル移動距離（％）を挙げることができる。
なお、本発明では、流量調整弁の開放速度に代えて、流量調整弁の開度を使用することもできる。
すなわち、本発明でいう「流量調整弁の開度」とは、開度を大きくする速度である開放速度であってもよいし、開度そのものであってもよい。
なお、貯留タンク２は、複数でもよく、低圧の貯留タンクから高圧側に順次切り換えて充てんする方法にも適用できる。
【００２２】
次に、図２〜図５を参照して、燃料充てん装置１０を用いた場合を例として、本発明の燃料充てん方法の第２の実施形態を説明する。
温度履歴データベース２１には、あらかじめ、燃料充てん装置１０が設置された地域の過去における気温を、時期や時刻ごとに入力しておく。
なお、温度履歴データベース２１には、燃料充てん装置１０の設置場所が限定されないようにするため、燃料充てん装置１０の設置が想定されるすべての地域における気温データを入力しておくことができる。
ここに示す充てん方法では、制御部２３において、以下の（１）〜（３）に示す演算処理を行い、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを決定する。
【００２３】
（１）充てん前タンク内温度Ｔ１の予測
水素ガスを水素自動車１２に充てんする時点での気温を、温度履歴データベース２１内の過去の気温データから予測する。
気温の予測は、過去の同時期（同日）および同時刻における気温や、充てん時の天候などに基づいて行うことができる。
【００２４】
貯留タンク２が燃料充てん装置１０の近くに設置されている場合には、貯留タンク２内の温度は、燃料充てん装置１０付近の気温に応じたものとなるため、貯留タンク２内の温度に基づいて気温を予測してもよい。例えば充てん時の気温は貯留タンク２内温度とほぼ同じであると考えることができる。この場合には、貯留タンク２に温度計（温度検出手段）を設置し、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
なお、充てん時の気温は、気温計（気温検出手段）を用いて直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
【００２５】
充てん前タンク内温度Ｔ１は、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられるため、上記予測または測定された気温に基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を予測することができる。例えば充てん前タンク内温度Ｔ１は、上記気温とほぼ同じであると考えることができる。
図４に示す例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、−４０〜５０℃の範囲で、１０℃ごとに９段階が想定されている。
この例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、９段階の想定温度のうち、２０℃であると予測されている。
充てん時の気温予測値が上記９段階の想定温度のいずれにも該当しない場合には、上記９段階の想定温度のなかから予測値に最も近い値（好ましくは予測値よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てん前タンク内温度Ｔ１とすればよい。
また、予測値の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を決定してもよい。
【００２６】
（２）充てんガス温度Ｔ２の設定
熱交換器４の設定等に基づいて、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度を定める。
図４に示す例では、充てんされる水素ガスの温度は、熱交換器４の設定に応じて−１０〜１０℃の範囲で５℃ごとに５段階が想定されている。
この例は、熱交換器４のフル稼働させた場合に関するものであり、充てんガス温度Ｔ２は、５段階の温度のうち、最低冷却温度である−１０℃とされている。
実際に充てんされる水素ガスの温度（実際の充てん温度）が上記５段階の温度のいずれにも該当しない場合には、上記５段階の温度のなかから実際の充てん温度に最も近い値（好ましくは実際の充てん温度よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てんガス温度Ｔ２とすればよい。また、実際の充てん温度の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てんガス温度Ｔ２を決定してもよい。
なお、充てんガス温度Ｔ２は、充てんガス温度計８によって直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部２３に入力できるようにすればよい。
【００２７】
（３）流量調整弁Ｖ１の開放速度αの設定
図４に示す例では、開放速度αは次の３段階が想定されている。
α１：３０秒間で１００％開放
α２：３０秒間で７５％開放
α３：３０秒間で５０％開放
開放速度αは、３０秒間に、流量調整弁Ｖ１の開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離で表されている。スピンドル移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表されている。
【００２８】
図５は、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃であるときに、開放速度をα１〜α３のうちいずれか設定した場合における、充てん時の燃料タンク１３内の温度の経時変化を示すものである。
図示例においては、燃料タンク１３の設計温度は８５℃とされているため、タンク内温度を８５℃以下にする必要がある。
図５（ａ）に示すように、開放速度をα１とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃を越えてしまう。
図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、開放速度をα２またはα３とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃以下となる。
開放速度をα２とした場合とα３とした場合とを比較すると、より高い開放速度α２の方が充てん速度を高くすることができるため、開放速度α２が選択される。
【００２９】
制御部２３において、上記（１）〜（３）が行われ、流量調整弁Ｖ１の開放速度α２が選択されると、開放速度α２に応じた制御信号が流量調整弁Ｖ１に向けて送出される。流量調整弁Ｖ１では、この制御信号に基づいて、開度が開放速度α２で大きくなる。
これによって、流量調整弁Ｖ１の開度に応じた流量の水素ガスが、貯留タンク２から供給経路３、連絡管１１を通して水素自動車１２の燃料タンク１３に充てんされる。
充てん時の燃料タンク１３内の温度は、図５（ｂ）に示したものに近い経時変化を示すため、タンク内温度は設計温度以下に保たれる。
【００３０】
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す温度変化データは、充てん開始時のタンク内圧力をゼロとした場合のものである。
通常、燃料充てんのため燃料充てん装置１０を訪れる水素自動車１２は、燃料タンク１３内の水素ガス量はゼロでなく、燃料タンク１３内に水素ガスが残留していると考えられる。この場合には、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合に比べ、新たに充てんできる燃料の量が少なくなることから、充てん時の温度上昇幅は低く抑えられることになる。
従って、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合（ 図５（ａ）〜図５（ｃ））に基づいて開放速度αを設定しても安全上の問題は生じない。
【００３１】
上記燃料充てん装置１０では、温度履歴データベース２１を格納した記憶部２２を有する制御手段５を備えているので、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
従って、燃料タンク１３の温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。
【００３２】
なお、燃料タンク１３への燃料充てん量（タンク１３の設計圧力に対する充てん圧力）が１００％未満である場合（例えば充てん量５０％である場合）には、次に示す充てん方法が可能である。
水素自動車１２の供給経路１４には逆止弁Ｖ３が設けられているため、供給する水素ガス圧力が燃料タンク１３内の圧力より大きくなったときにはじめて水素ガスが供給される。
従って、水素ガス充てん開始時の水素ガス圧力（充てん開始圧力）は、燃料タンク１３内の圧力（残留ガス圧力）とほぼ等しいことになり、この圧力は、圧力計９によって検出することができる。
あらかじめ、温度履歴データベース２１に、充てん開始時圧力ごとの充てん時のタンク内温度変化のデータを用意しておくことによって、タンク内の水素ガス量が、目的とする充てん量に達するまでの時間を予測することができる。
すなわち、温度Ｔ１、Ｔ２と、開放速度αと、充てん開始時圧力と、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、上記目的充てん量に達するまでの時間内で設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
これによって、燃料タンク１３の温度を確実に低く維持し、かつ充てん操作を容易にすることができる。
【００３３】
次に、図６を参照して、本発明の燃料充てん方法の他の例を説明する。
この充てん方法では、充てん時間を極力短くすることを目的とする「急速充てん」と、タンク温度低く抑え、かつ充てん量を多くすることを目的とする「量充てん」のうちいずれかを選択できる。
【００３４】
まず、急速充てんについて説明する。
急速充てんでは、上記第２の実施形態の方法と同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択する。
例えば、図５に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα２を選択することができる。
なお、熱交換器４の冷却能力が充分大きく、流量調整弁Ｖ１の開度を最大としてもタンク内温度が設計温度を越えない場合には、常に最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度が選択されるようにしてもよい。
【００３５】
次に、量充てんについて説明する。
まず、急速充てんと同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１、充てんガス温度Ｔ２を決定する。
量充てんでは、急速充てんと異なり、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを選択するに際して、設計温度を越えない範囲で最も高い開放速度αではなく、比較的低い開放速度αを選択する。
例えば、図５に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、比較的小さな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα３を選択することができる。
この方法では、急速充てんに比べ、充てんに要する時間は長くなるが、充てん速度が低くなるため、タンク内温度を低く抑えることができる。
従って、水素ガス充てん量を多くすることが可能となる。
【００３６】
急速充てんは、タンク内の残留水素ガス量が多く、充てんするべき水素ガス量が少ない場合に用いるのが好ましい。充てん量が少ない場合には充てん速度が速くてもタンク内の温度上昇幅が小さくなるためである。
量充てんは、タンク内の残留水素ガス量が少なく、充てんするべき水素ガス量が多い場合に用いるのが好ましい。充てん量が多い場合には、タンク内の温度が上昇しやすいためである。
【００３７】
急速充てんと量充てんとの選択は、利用者側（水素自動車１２の利用者側）が行ってもよいし、従業員側（燃料充てん装置１の取扱者側）が行ってもよい。
また、利用者が多い繁忙時期には、急速充てんを選択して利用者あたりの充てん時間を短くするのが好ましい。これによって、利用者数を多くすることができる。
一方、利用者が少ない閑散時期には、量充てんを選択し、利用者あたりの充てん量を多くするのが好ましい。
【００３８】
また、外気温が低い場合には、熱交換器４を使用せずに十分な水素ガス冷却が可能となることがある。このため、外気温に応じて熱交換器４の使用および不使用を選択することができるようにすれば、エネルギー消費を最小限に抑えることができ、コスト面で有利となる。
また、温度履歴データベースには、容量が異なる複数種の燃料タンクに応じた温度データを格納しておき、充てん対象となる燃料タンクの容量に応じた温度データに基づいて流量調整弁Ｖ１の開度を調整するのが好ましい。
【００３９】
なお、上記実施形態の充てん方法では、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度との関係を示すデータを取得し、これに基づいて開放速度αを選択するが、本発明の充てん方法はこれに限らず、これらのデータから得られた計算式に基づいて、充てん時のタンク内温度を求めることも可能である。
この場合には、算出されたタンク内温度に基づいて、開放速度αを選択する。
なお、上記実施形態では、流量調整弁の二次側に熱交換器を設けて、水素ガスの冷却を行ったが、各構成機器および配管に冷却機能を付与することで同様の冷却をおこなうこともできる。
また熱交換器は、流量調整弁の二次側に配置したが、流量調整弁を熱交換器の二次側に設けることもできる。この場合には、温度抑制効果は小さくなるが、上記実施形態の方法と同様に、水素ガスの温度抑制および流量調整という効果を得ることができる。
本発明では、流量調整弁を備えていない構成も可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを冷却する熱交換器を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンクに充てんすることができる。
このため、流量調整弁を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンクの温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンクの温度を確実に設定温度以下に維持することができる。
また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンクの温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
【００４１】
また、温度履歴データベースを格納した記憶部を有する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを有する構成によって、温度履歴データベース内のデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁の開度を選択することができる。
従って、燃料タンクの温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料充てん装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料充てん装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図２に示す燃料充てん装置の制御手段を示すブロック図である。
【図４】本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。
【図５】本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。
【図６】本発明の燃料充てん方法の他の例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１、１０・・・燃料充てん装置、４・・・熱交換器、５・・・制御手段、１２・・・水素自動車、１３・・・燃料タンク、２１・・・温度履歴データベース、Ｖ１・・・流量調整弁
Claims (5)
- 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
水素ガスを冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする燃料充てん装置。 - 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、この流量調整弁を経た水素ガスを冷却する冷却手段とを備えたことを特徴とする燃料充てん装置。 - 水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、
温度履歴データベースは、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものであることを特徴とする請求項２記載の燃料充てん装置。 - 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに、燃料充てん装置を用いて水素ガスを充てんする方法であって、
燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、水素ガスを冷却する冷却手段とを備え、
流量調整弁を経た水素ガスを、冷却手段を用いて冷却した後に燃料タンクに充てんすることを特徴とする燃料充てん方法。 - 燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、
温度履歴データベースは、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものであることを特徴とする請求項４記載の燃料充てん方法。
Priority Applications (14)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002279230A JP2004116619A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 燃料充てん装置および方法 |
| CA002493502A CA2493502A1 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling fuel |
| KR1020057002933A KR20050058416A (ko) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | 연료 충전 장치 및 방법 |
| EP03807908A EP1593905A2 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling a fuel tank with a compressed gas like hydrogen by controlling flow and temperatrure |
| AU2003266493A AU2003266493A1 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling a fuel tank with a compressed gas like hydrogen by controlling flow and temperature |
| CNA038195712A CN1675494A (zh) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | 燃料填充装置及方法 |
| CNA2006101403170A CN1978973A (zh) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | 燃料填充装置及方法 |
| EP09003134A EP2063166A1 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling fuel |
| PCT/IB2003/004131 WO2004033955A1 (ja) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | 流量や温度調整による水素ガスなどの圧縮ガスで燃料タンクを充填する燃料充填装置および方法 |
| JP2005501000A JPWO2004033955A1 (ja) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | 燃料充てん装置および方法 |
| DE03807908T DE03807908T1 (de) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Vorrichtung und verfahren zum füllen eines kraftstofftanks mit einem druckgas wie wasserstoff durch steuerung von strom und temperatur |
| EP09003135A EP2072884A1 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling fuel |
| US10/529,130 US7406987B2 (en) | 2002-09-25 | 2003-09-24 | Apparatus and method for filling fuel |
| US12/054,273 US20080289720A1 (en) | 2002-09-25 | 2008-03-24 | Apparatus and method for filling fuel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002279230A JP2004116619A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 燃料充てん装置および方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004116619A true JP2004116619A (ja) | 2004-04-15 |
Family
ID=32274297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002279230A Pending JP2004116619A (ja) | 2002-09-25 | 2002-09-25 | 燃料充てん装置および方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004116619A (ja) |
| CN (1) | CN1978973A (ja) |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006316817A (ja) * | 2005-05-10 | 2006-11-24 | Jfe Engineering Kk | 水素の供給方法、水素の供給装置 |
| JP2007239956A (ja) * | 2006-03-10 | 2007-09-20 | Taiyo Nippon Sanso Corp | 水素ガスの充填方法及び装置 |
| JP2009510352A (ja) * | 2005-09-28 | 2009-03-12 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | タンクに加圧ガスを充填する方法及びデバイス |
| WO2011013214A1 (ja) * | 2009-07-29 | 2011-02-03 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填システム |
| JP2011033069A (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-17 | Toyota Motor Corp | ガス充填システム及びガス充填装置 |
| WO2011058782A1 (ja) * | 2009-11-16 | 2011-05-19 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填装置及びガス充填方法 |
| JP2014126149A (ja) * | 2012-12-27 | 2014-07-07 | Toyota Motor Corp | 水素充填装置 |
| WO2015016076A1 (ja) * | 2013-07-31 | 2015-02-05 | 株式会社神戸製鋼所 | 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム |
| DE102014015872A1 (de) * | 2014-10-25 | 2016-04-28 | Audi Ag | Entnahmevorrichtung für ein gasförmiges Brennmittel zum Betanken eines Kraftfahrzeugs mit komprimiertem gasförmigem Brennmittel |
| CN105972431A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-09-28 | 成都华气厚普机电设备股份有限公司 | 本安型lng橇装设备 |
| DE102016105390A1 (de) | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Hitachi Plant Mechanics Co., Ltd. | Wasserstoff-Vorkühlsystem |
| JP2017150810A (ja) * | 2017-04-10 | 2017-08-31 | 株式会社神戸製鋼所 | 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム |
| JP6231245B1 (ja) * | 2017-08-24 | 2017-11-15 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| WO2018012320A1 (ja) | 2016-07-14 | 2018-01-18 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| JP2018115697A (ja) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | トヨタ自動車株式会社 | ガスタンク用のライナーおよびガスタンク |
| KR20180136442A (ko) | 2016-02-23 | 2018-12-24 | 가부시키가이샤 히타치 플랜트메카닉스 | 고압 수소의 팽창 터빈·컴프레서식 충전 시스템 및 그 제어 방법 |
| EP3457019A1 (en) * | 2017-09-15 | 2019-03-20 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Gas supply device and method for starting operation of gas supply device |
| JP2020118199A (ja) * | 2019-01-22 | 2020-08-06 | 株式会社タツノ | 水素冷却システム |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107965663A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-04-27 | 温岭正峰动力有限公司 | 一种汽车空调氟利昂的自动灌装装置 |
-
2002
- 2002-09-25 JP JP2002279230A patent/JP2004116619A/ja active Pending
-
2003
- 2003-09-24 CN CNA2006101403170A patent/CN1978973A/zh active Pending
Cited By (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006316817A (ja) * | 2005-05-10 | 2006-11-24 | Jfe Engineering Kk | 水素の供給方法、水素の供給装置 |
| JP2009510352A (ja) * | 2005-09-28 | 2009-03-12 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | タンクに加圧ガスを充填する方法及びデバイス |
| JP2007239956A (ja) * | 2006-03-10 | 2007-09-20 | Taiyo Nippon Sanso Corp | 水素ガスの充填方法及び装置 |
| JP5029855B2 (ja) * | 2009-07-29 | 2012-09-19 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填システム |
| WO2011013214A1 (ja) * | 2009-07-29 | 2011-02-03 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填システム |
| DE112009005107B4 (de) * | 2009-07-29 | 2017-10-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Gasabfüllsystem |
| US9222621B2 (en) | 2009-07-29 | 2015-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Gas filling system |
| JP2011033069A (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-17 | Toyota Motor Corp | ガス充填システム及びガス充填装置 |
| KR101388162B1 (ko) | 2009-11-16 | 2014-04-29 | 도요타 지도샤（주） | 가스 충전 장치 및 가스 충전 방법 |
| US8534327B2 (en) | 2009-11-16 | 2013-09-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Gas charging apparatus and gas charging method |
| CN102667303A (zh) * | 2009-11-16 | 2012-09-12 | 丰田自动车株式会社 | 气体填充装置及气体填充方法 |
| JP4877434B2 (ja) * | 2009-11-16 | 2012-02-15 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填装置及びガス充填方法 |
| WO2011058782A1 (ja) * | 2009-11-16 | 2011-05-19 | トヨタ自動車株式会社 | ガス充填装置及びガス充填方法 |
| JP2014126149A (ja) * | 2012-12-27 | 2014-07-07 | Toyota Motor Corp | 水素充填装置 |
| WO2015016076A1 (ja) * | 2013-07-31 | 2015-02-05 | 株式会社神戸製鋼所 | 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム |
| JP2015031420A (ja) * | 2013-07-31 | 2015-02-16 | 株式会社神戸製鋼所 | 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム |
| DE102014015872A1 (de) * | 2014-10-25 | 2016-04-28 | Audi Ag | Entnahmevorrichtung für ein gasförmiges Brennmittel zum Betanken eines Kraftfahrzeugs mit komprimiertem gasförmigem Brennmittel |
| DE102016105390A1 (de) | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Hitachi Plant Mechanics Co., Ltd. | Wasserstoff-Vorkühlsystem |
| KR20180136442A (ko) | 2016-02-23 | 2018-12-24 | 가부시키가이샤 히타치 플랜트메카닉스 | 고압 수소의 팽창 터빈·컴프레서식 충전 시스템 및 그 제어 방법 |
| KR102173489B1 (ko) * | 2016-02-23 | 2020-11-03 | 토키코 시스템 솔루션즈 가부시키가이샤 | 고압 수소의 팽창 터빈·컴프레서식 충전 시스템 및 그 제어 방법 |
| CN105972431A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-09-28 | 成都华气厚普机电设备股份有限公司 | 本安型lng橇装设备 |
| WO2018012320A1 (ja) | 2016-07-14 | 2018-01-18 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| JP2018009651A (ja) * | 2016-07-14 | 2018-01-18 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| KR20190016565A (ko) | 2016-07-14 | 2019-02-18 | 가부시키가이샤 히타치 플랜트메카닉스 | 고압 수소의 팽창 터빈식 충전 시스템 |
| US10724767B2 (en) | 2016-07-14 | 2020-07-28 | Hitachi Plant Mechanics Co., Ltd. | High-pressure hydrogen filling system with expansion turbine |
| JP2018115697A (ja) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | トヨタ自動車株式会社 | ガスタンク用のライナーおよびガスタンク |
| JP2017150810A (ja) * | 2017-04-10 | 2017-08-31 | 株式会社神戸製鋼所 | 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム |
| JP2018021669A (ja) * | 2017-08-24 | 2018-02-08 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| JP6231245B1 (ja) * | 2017-08-24 | 2017-11-15 | 株式会社日立プラントメカニクス | 高圧水素の膨張タービン式充填システム |
| EP3457019A1 (en) * | 2017-09-15 | 2019-03-20 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Gas supply device and method for starting operation of gas supply device |
| US10480715B2 (en) | 2017-09-15 | 2019-11-19 | Kobe Steel, Ltd. | Gas supply device and method for starting operation of gas supply device |
| JP2020118199A (ja) * | 2019-01-22 | 2020-08-06 | 株式会社タツノ | 水素冷却システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1978973A (zh) | 2007-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2004116619A (ja) | 燃料充てん装置および方法 | |
| JPWO2004033955A1 (ja) | 燃料充てん装置および方法 | |
| JP4913427B2 (ja) | 水素ガスの充填方法及び装置 | |
| US20170130901A1 (en) | Fuel refilling systems and methods | |
| JP5328617B2 (ja) | ガス充填システム、ガス充填方法、車両 | |
| JP6793259B2 (ja) | 水素燃料補給システム | |
| JP5489573B2 (ja) | ガス充填システム及びガス充填装置 | |
| US9347614B2 (en) | Method and system for tank refilling using active fueling speed control | |
| US8522834B2 (en) | Gas filling device, gas filling system, gas filling method and moving device | |
| US9222621B2 (en) | Gas filling system | |
| JP5740468B2 (ja) | ガス補給方法、水素ガス補給ステーションの操作方法 | |
| KR20120087129A (ko) | 가스 충진의 작동 및 제어 방법 | |
| US11480303B2 (en) | Gas fueling systems and methods with minimum and/or no cooling | |
| US11060666B2 (en) | Method for filling tanks with pressurized gas | |
| JP2021113616A (ja) | １つ又は複数のタンクを充填するためのステーション及び方法 | |
| KR101924171B1 (ko) | 보냉창을 포함하는 선박 | |
| JP4327559B2 (ja) | 燃料充てん方法 | |
| JP4554966B2 (ja) | 水素ガス充填方法及び水素ガス充填装置 | |
| JP4354881B2 (ja) | 冷媒充填装置 | |
| CN108700258A (zh) | 用于冷却第一低温压力容器的方法 | |
| US20130269828A1 (en) | Method and System for Tank Refilling | |
| US20230119413A1 (en) | Method of controlling hydrogen filling apparatus and hydrogen filling apparatus | |
| JP5775486B2 (ja) | ガスタンク検査装置、および、ガスタンク検査方法 | |
| JP2006200553A (ja) | 液化ガス流量計測システム | |
| Pregassame et al. | Evaluation of cold filling processes for 70MPa storage systems in vehicles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050819 |
|
| A072 | Dismissal of procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A072 Effective date: 20060523 |