JP2004324862A - ガス貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した燃料ガスの供給を行うことができるガス貯蔵システムを提供する。
【解決手段】ガス貯蔵システムＳは、吸着剤１１，２１，３１がそれぞれ設けられたタンク１，２，３および制御装置４を備えている。制御装置４は、タンク１，２，３における天然ガス放出時に対応する放出特性データおよび放出特性データに対応する天然ガス放出量をあらかじめ記憶している。天然ガスを放出する際には、タンク１，２，３における放射特性値を検出する。そして、燃料ガス放出時に検出された放出特性値と放出特性データとに基づいて、タンク１，２，３内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される天然ガスの放出量を求め、天然ガスの放出量が多いタンクから天然ガスを放出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば車両などに搭載され、燃料ガスなどのガスをタンクなどに充填して貯蔵するガス貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、天然ガス自動車や燃料電池自動車には、天然ガスや水素を貯蔵するガス貯蔵システムが用いられるものがある。このガス貯蔵システムは、燃料ガスとなる天然ガスや水素を貯蔵し、エンジンや燃料電池などに対して燃料ガスを放出して供給するものである。かかるガス貯蔵システムとして、特開２００２−８１５９７号公報に開示された水素貯蔵システムがある。この水素貯蔵システムは、水素貯蔵物質を内包するとともに、水素貯蔵時には水素放出圧力より高い圧力に保持されている複数の水素貯蔵容器を備えている。この水素貯蔵容器には、水素貯蔵容器内の圧力を調整するポンプが接続されており、水素貯蔵容器内の圧力を調整しながら、水素を貯蔵し、または放出するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８１５９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のガス貯蔵システムにおいて、その始動時には、システムが温まっていない状態となっていることが多い。このような始動時には、安定した燃料ガスの供給を行うために、なるべく燃料ガスを放出するタンクを変えず、１つのタンクから継続して燃料ガスを供給するの好ましいものである。ところが上記特許文献１に開示された水素貯蔵システムでは、複数の水素貯蔵容器のうち、水素を放出する水素貯蔵容器の順番については、特に言及されていない。このため、システムの始動時に安定した燃料ガスの供給を担保しているとは言い難いものであった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、特に始動時において、安定した燃料ガスの供給を行うことができるガス貯蔵システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るガス貯蔵システムは、ガス吸蔵材料が内部に設けられた複数のタンクを有し、複数のタンクにおける１つのタンクから燃料ガスを順次放出するガス貯蔵システムにおいて、各タンクにおける燃料ガス放出時に対応する放出特性データおよび放出特性データに対応する燃料ガス放出量をあらかじめ記憶しておき、各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値と放出特性データとに基づいて、タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される燃料ガスの放出量を求め、燃料ガスの放出量が多いタンクから燃料ガスを放出する制御を行う制御装置を備えるものである。
【０００７】
本発明に係るガス貯蔵システムにおいては、複数のタンクのうち、燃料ガスの貯蔵量が多いタンクから燃料ガスの放出を行うようにしている。このため、燃料ガスを放出するタンクを変えるという事態を無くす、または少なくすることができるので、安定した燃料ガスの供給を行うことができる。また、タンクからの燃料ガスの放出量の多少を判定するにあたり、本発明では、ガス吸蔵材料の放出特性データをあらかじめ記憶しておき、各タンクのそれぞれに設けられたガス吸蔵材料の放出特性値と放出特性データとに基づいて、タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力まで低下するまでに放出される燃料ガスの放出量を算出している。このため、たとえば単にタンク内圧力を測定してガスの貯蔵量を推定する場合よりも、高い精度で燃料ガスの放出量を判断することができる。
【０００８】
また、上記課題を解決した本発明に係るガス貯蔵システムは、ガス吸蔵材料が内部に設けられた複数のタンクを有し、複数のタンクにおける１つのタンクから燃料ガスを順次放出するガス貯蔵システムにおいて、各タンクにおける燃料ガス放出時に対応する放出特性データおよび放出特性データに対応する燃料ガス放出量をあらかじめ記憶しておき、各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値と放出特性データとに基づいて、タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される燃料ガスの放出量を求め、各タンクに対して安定した熱供給が可能となるまでの安定供給可能時間を求め、燃料ガスの放出量に基づいて燃料ガスの放出継続可能時間を求め、放出継続可能時間が安定供給可能時間以上となるタンクから、燃料ガスを放出する制御を行う制御装置を備えるものである。
【０００９】
本発明に係るガス貯蔵システムでは、各タンクに対して安定した熱供給が可能となるまでの安定供給可能時間と燃料ガスの放出継続可能時間とを求め、放出継続可能時間が安定供給可能時間以上となるタンクから、燃料ガスを放出する制御を行っている。このため、各タンクに安定した熱供給を行うことができる状態になるまで、燃料を供給することができるタンクを確実に選択することができる。
【００１０】
ここで、制御装置は、燃料ガスの放出を継続可能なタンクのうち、燃料ガスの貯蔵量が最も少ないタンクから燃料ガスを放出する制御を行う態様とするのが好適である。
【００１１】
燃料ガスの貯蔵量が少ないタンクから燃料を放出することにより、たとえば燃料ガスを充填する際の手間が小さくなり、好適なものとなる。この点、本発明では、燃料ガスの放出を継続可能なタンクのうち、燃料ガスの貯蔵量が最も少ないタンクから燃料ガスを放出する制御を行う。このため、燃料ガスの充填を行うことを考慮した際に好適なものとすることができる。
【００１２】
また、各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値を、各タンクにおける燃料ガス放出時の新たな放出特性データとし、新たな放出特性データを、後の燃料ガス放出時の放出特性データとして利用するのが好適である。
【００１３】
このように、ガス放出時のデータを新たな放出特性データとして利用することにより、ガス吸蔵材料が劣化した場合などでも、そのガス吸蔵材料の特性からのズレが少ないデータによって制御を行うことができる。したがって、その制御の精度を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス貯蔵システムのブロック構成図である。図１に示すように、本実施形態に係るガス貯蔵システムＳは、３つのタンク１，２，３を備えている。これらのタンク１，２，３は、同一の構造を有している。タンク１，２，３は、それぞれタンク本体１０，２０，３０を備えており、タンク本体１０，２０，３０の内部には、本発明の燃料ガスとなる天然ガスを吸着して保持する本発明のガス吸蔵材料である天然ガス吸着剤（以下、「吸着剤」という）１１，２１，３１が充填されている。
【００１６】
タンク本体１０の先端部には、ガスを導入するガス導入口１２，２２，３２が形成されており、タンク本体１０，２０，３０の後端部には、冷却液を導入するための冷却液導入口１３，２３，３３が形成されている。ガス導入口１２，２２，３２には、ガス流通管１４，２４，３４が接続されており、ガス流通管１４，２４，３４には、ガス充填バルブ１５，２５，３５が取り付けられている。ガス流通管１４，２４，３４は、図示しないガス充填カプラを介して、やはり図示しないインフラ側ガス充填機と接続可能とされている。このインフラ側ガス充填機から各タンク本体１０，２０，３０に天然ガスが充填される。
【００１７】
さらに、タンク本体１０，２０，３０の内部には、熱交換器１６，２６，３６が設けられている。熱交換器１６，２６，３６は、冷却液導入口１３，２３，３３を貫通する冷却水流通管１７，２７，３７に接続されており、冷却水流通管１７，２７，３７には、冷却水導入バルブ１８，２８，３８が設けられている。冷却水流通管１７，２７，３７は、図示しないインフラ側冷却水循環器に接続されている。
【００１８】
また、タンク本体１０，２０，３０には、温度計Ｔ１〜Ｔ３および圧力計Ｐ１〜Ｐ３がそれぞれ設けられている。温度計Ｔ１〜Ｔ３は、タンク本体１０，２０，３０内に設けられた吸着剤１１，２１，３１の温度をそれぞれ検出して制御装置４に出力しており、圧力計Ｐ１〜Ｐ３は、タンク本体１０，２０，３０内の圧力をそれぞれ検出して制御装置４に出力している。また、ガス流通管１４，２４，３４には、それぞれ図示しない流量計および温度計が設けられており、ガス流通管１４，２４，３４を流れる天然ガスの流量および温度を検出している。検出した流量および温度は、それぞれ制御装置４に出力される。さらに、冷却水流通管１７，２７，３７には、それぞれ図示しない流量計および温度計が設けられており、冷却水流通管１７，２７，３７を流れる冷却液の流量および温度を検出して制御装置４に出力している。
【００１９】
また、ガス貯蔵システムＳは、制御装置４を備えている。制御装置４は、ガス流通管１４，２４，３４に設けられたガス充填バルブ１５，２５，３５に接続されており、これらのガス充填バルブ１５，２５，３５の開閉制御を行っている。このガス充填バルブ１５，２５，３５の開閉制御については、さらに後に説明する。また、制御装置４は、各タンク１，２，３における冷却水導入バルブ１８，２８，３８に接続されている。この制御装置４が、各冷却水導入バルブ１８，２８，３８の開閉を制御している。
【００２０】
以上の構成を有する本実施形態に係るガス貯蔵システムの動作、作用について説明する。本実施形態に係るガス貯蔵システムＳでは、たとえばガスを消費する図示しないエンジンの要求に応じて、タンク本体１０，２０，３０に充填された天然ガスの放出を行う。天然ガスの放出を行うにあたり、エンジンが始動する際には、ガス貯蔵システムＳは冷えていることが多い。このように、冷えた状態で天然ガスの放出を行うときには、天然ガスを放出するタンクを変えないようにするのが望ましい。そのために、ガス貯蔵システムＳでは、制御装置４において、最も天然ガスを多く放出することができるタンクから順に天然ガスを放出する制御を行う。ここで、ガス貯蔵システムＳにおいて、放出する天然ガスの量の多少は、タンク本体１０，２０，３０の内部に設けられた吸着剤１１，２１，３１の放出特性データに基づいて決定する。具体的な放出特性データとしては、タンク本体１０，２０，３０内の圧力、温度、ガス流量、吸着剤１１，２１，３１の温度、冷却水流通管１７，２７，３７を流れる冷却液の流量、温度の各データが挙げられる。タンク本体１０，２０，３０内の圧力は、圧力計Ｐ１〜Ｐ３によってそれぞれ検出され、天然ガスの温度はガス流通管１４，２４，３４に設けられた温度計Ｔ１〜Ｔ３によってそれぞれ検出され、天然ガスのガス流量はガス流通管１４，２４，３４に設けられた流量計によってそれぞれ検出されて、放出特性値として制御装置４に出力される。また、吸着剤１１，２１，３１の温度は、タンク本体１０，２０，３０に設けられた温度計によって検出されて、放出特性値として制御装置４に出力される。さらに、冷却液の流量および温度は、冷却水流通管１７，２７，３７の設けられた流量計および温度計によってそれぞれ検出されて、放出特性値として制御装置４に出力される。
【００２１】
制御装置４には、これらの放出特性値に対応する放出特性データに対応する天然ガスの放出量があらかじめ記憶されている。制御装置４は、出力されたこれらの放出特性値と、あらかじめ記憶した放出特性データとを比較参照して、タンク１，２，３における現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される天然ガスの放出量を算出する。その結果、タンク１，２，３のうち、もっとも放出量が多くなるタンクから天然ガスの放出を行うようにする。ここで、使用下限圧力はたとえば０．１ＭＰａ程度とすることができる。
【００２２】
このように、本実施形態におけるガス貯蔵システムＳでは、もっとも放出量が多くなるタンクから天然ガスを放出することができるので、特にエンジンの始動時に、燃料を放出するタンクの切り替えの回数を少なく済ませることができる。
【００２３】
また、天然ガスの放出量を算出するにあたり、単にタンク内の圧力を用いるだけでなく、放出特性データをあらかじめ記憶しておき、この放出特性データから天然ガスの放出量を算出している。ここで、タンク内の圧力とガス吸蔵量との関係を図２に示す。一般に、タンク内の圧力が高いとガス吸蔵量が高くなる傾向にあるものの、タンク内の温度Ｔが高いと、タンク内の圧力が高くても吸蔵量が少なくなる傾向が見られる。また、吸着剤は、プロパン、ブタンなどの高Ｃ成分が吸着剤の細孔内に蓄積し、メタン成分が十分に吸着できなくなることに起因して劣化する。なお、天然ガスが水素である場合には、充填時に入る微量ななどによって吸着剤が死活することに起因して劣化する。さらには、天然ガスを充填する際に充填機から流れ込む微量なオイルミストも吸着剤を劣化させる原因となる。
【００２４】
このようにしてタンク内に設けられた吸着剤が劣化すると、タンク内圧力に対してガス吸蔵量が低くなる傾向も見られる。このため、単にタンク内の圧力から天然ガスの放出量を求めるだけでは、その精度が高いとはいえなくなる。
【００２５】
この点、本実施形態に係るガス貯蔵システムＳでは、放出特性データからガスの放出量を求めるようにしている。このため、タンク間の温度が異なっていたり、タンク間で吸着剤の劣化度が異なっていたりする場合でも、ガス放出量を正確に求めることができる。したがって、ガス放出量が多いタンクを確実に選択することができる。その結果、安定した天然ガスの供給を行うことができる。
【００２６】
また、ここで検出された放出特性値を新たな放出特性データとして、制御装置４に記憶しておくことができる。そして、記憶された放出特性データを次回など、後に行われる天然ガスの放出時の放出特性データとして利用することができる。このように、検出された放出特性値を放出特性データとして利用することにより、吸着剤に劣化が生じた場合などであっても、その吸着剤の特性からのズレが少なく、放出特性データを正確なものに近いものとすることができる。したがって、天然ガスの放出量が多いタンクをさらに確実に選択することができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、上記実施形態と比較して、制御装置４による制御が異なり、その他の点については上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００２８】
タンクに天然ガスを充填することを考えると、なるべく天然ガスが少ないタンクから天然ガスを放出する方が好ましくなる。このため、天然ガスを放出するにあたり、ガス放出量が多いタンクから天然ガスを放出することにより、安定した天然ガスの供給をできる一方で、天然ガスの吸蔵量が少ないタンクから天然ガスを放出する方が望ましくなる。これらの要求を満たすためには、本実施形態に係るガス貯蔵システムでは、図３に示すフローチャートに沿って天然ガスを放出するタンクを決定している。以下にその手順について説明する。
【００２９】
図３は、天然ガスを放出するタンクを決定する手順を示すフローチャートである。まず、上記第１の実施形態と同様に、圧力計Ｐ１〜Ｐ３や温度計Ｔ１〜Ｔ３などによって、タンク本体１０，２０，３０内の圧力、天然ガスの温度やガス流量、さらには冷却液の流量および温度などの放出特性値を検出する（Ｓ１）。検出した放出特性値は、制御装置４に出力される。制御装置４では、出力された放出特性値およびあらかじめ求められた放出特性データに基づいて、各タンクにおける天然ガスの貯蔵量を算出する。ここでの天然ガスの貯蔵量は、タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される天然ガスの放出量と同一としている。
【００３０】
放出特性値が検出されて制御装置４に出力され、各タンクにおける天然ガスの貯蔵量を求めたら、タンクに安定した熱の供給ができるようになるまでの時間（以下「安定供給可能時間という」）を予測する（Ｓ２）。この安定供給可能時間の予測は、別途設けられた外気温を測定する温度計で測定された外気温および冷却水温度などによって求めることができる。
【００３１】
こうして、安定供給可能時間を予測したら、まず、天然ガスの貯蔵量が一番少ないタンクを選択し（Ｓ３）、選択されたタンクからの天然ガスの安定供給が可能か否かを判断する（Ｓ４）。この判断は、選択されたタンクにおける現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに天然ガスを排出する時間（以下「放出継続可能時間」という）が、安定供給可能時間よりも長いか否かによって判断することができる。また放出継続可能時間が安定供給可能時間よりも長い場合には、安定供給が可能であると判断する。
【００３２】
ステップＳ４における判断の結果、安定供給が可能であると判断したら、選択されたタンクから使用して、天然ガスの供給を開始する（Ｓ５）。一方、安定供給が可能でないと判断したら、選択されていない他のタンクがあるか否かを判断する（Ｓ６）。本実施形態では、３個のタンク１，２，３が設けられているので、これらの３個のタンク１，２，３が全て選択されるまでこの判断が行われる。
【００３３】
その結果、他のタンクがあると判断したら、他のタンクのうち、次に貯蔵量が少ないタンクを選択する（Ｓ７）。そして、ステップＳ４に戻って選択されたタンクからの安定供給が可能であるか否かを判断する（Ｓ５）。
【００３４】
一方、これらのルーチンを経て、ステップＳ６において、他のタンクがないと判断されたら、タンクに安定した熱の供給を継続することができる量の天然ガスが貯蔵されたタンクはないことになる。この場合には、もっとも天然ガスの貯蔵量が多いタンクから使用を開始し、そのタンクから天然ガスの放出を開始する（Ｓ８）。
【００３５】
このようにして、天然ガスを放出するタンクを決定することにより、タンクに安定した熱の供給ができるようになるまでの時間、天然ガスの放出を継続することができるタンクのうち、天然ガスの貯蔵量が最も少ないタンクから、天然ガスの放出を開始することができる。したがって、天然ガスを充填する際の手間が小さくなり、天然ガスの充填を行うことを考慮した際に好適になるガス貯蔵システムとすることができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記各実施形態において、吸着剤の劣化が進んだ際には、天然ガスの貯蔵量が減少するので、放出特性値と放出される天然ガスとの関係を監視し、放出特性値に対して放出される天然ガスの量がある閾値以下となったら、吸着剤が劣化した判断する態様とすることもできる。吸着剤の劣化が判断されたら、たとえば警報装置などの告知手段を用いて、運転者などに吸着剤が劣化したことを告知することができる。そのときに、運転者は、吸着剤のメンテナンスを行うようにすることができる。また、上記各実施形態において、主にエンジンの始動時に着目した説明としているが、通常運転時であっても用いることができる。さらに、上記各実施形態では、燃料ガスとしては天然ガスを挙げているが、燃料ガスとしては、水素などを挙げることもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、特に始動時において、安定した燃料ガスの供給を行うことができるガス貯蔵システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るガス貯蔵システムのブロック構成図である。
【図２】タンク内の圧力とガス吸蔵量との関係を示すグラフである。
【図３】第２の実施形態に係るガス貯蔵システムにおける燃料ガスを放出するタンクを決定する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１，２，３…タンク、４…制御装置、１０，２０，３０…タンク本体、１１，２１，３１…吸着剤、１２，２２，３２…ガス導入口、１３，２３，３３…冷却液導入口、１４，２４，３４…ガス流通管、１５，２５，３５…ガス充填バルブ、１６，２６，３６…熱交換器、１７，２７，３７…冷却水流通管、１８，２８，３８…冷却水導入バルブ、Ｓ…ガス貯蔵システム、Ｐ１〜Ｐ３…圧力計、Ｔ１〜Ｔ３…温度計。

Claims (4)

1. ガス吸蔵材料が内部に設けられた複数のタンクを有し、前記複数のタンクにおける１つのタンクから燃料ガスを順次放出するガス貯蔵システムにおいて、
   前記各タンクにおける燃料ガス放出時に対応する放出特性データおよび前記放出特性データに対応する燃料ガス放出量をあらかじめ記憶しておき、
   前記各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値と前記放出特性データとに基づいて、前記タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される燃料ガスの放出量を求め、
   前記燃料ガスの放出量が多いタンクから燃料ガスを放出する制御を行う制御装置を備えることを特徴とするガス貯蔵システム。
2. ガス吸蔵材料が内部に設けられた複数のタンクを有し、前記複数のタンクにおける１つのタンクから燃料ガスを順次放出するガス貯蔵システムにおいて、
   前記各タンクにおける燃料ガス放出時に対応する放出特性データおよび前記放出特性データに対応する燃料ガス放出量をあらかじめ記憶しておき、
   前記各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値と前記放出特性データとに基づいて、前記タンク内の圧力が現在圧力から使用下限圧力に低下するまでに放出される燃料ガスの放出量を求め、
   前記各タンクに対して安定した熱供給が可能となるまでの安定供給可能時間を求め、
   前記燃料ガスの放出量に基づいて前記燃料ガスの放出継続可能時間を求め、前記放出継続可能時間が前記安定供給可能時間以上となるタンクから、燃料ガスを放出する制御を行う制御装置を備えることを特徴とするガス貯蔵システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料ガスの放出を継続可能なタンクのうち、前記燃料ガスの貯蔵量が最も少ないタンクから燃料ガスを放出する制御を行う請求項２に記載のガス貯蔵システム。
4. 前記各タンクにおける燃料ガス放出時に検出された放出特性値を、前記各タンクにおける燃料ガス放出時の新たな放出特性データとし、
   前記新たな放出特性データを、後の燃料ガス放出時の放出特性データとして利用する請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のガス貯蔵システム。

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