JP2005069333A - 水素供給ステーション及びその水素充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素充填の際に生ずる車載タンク内の加熱現象を抑制し、水素を利用するエネルギー効率を向上させ、要求される充填条件に応じて短時間で水素充填が可能な水素供給ステーション及びその水素充填方法を提供すること。
【解決手段】水素供給ステーション１の制御装置６は、供給流量検出手段３３による充填速度Ｖが規定の基準速度Ｖｓよりも小さくなったときには、使用する貯蔵タンク２１を１段上の圧力ステージＰｔを有するものに切り替える。また、制御装置６は、充填条件が満タン充填である場合には、圧力検出手段３１による圧力Ｐｖが最高使用圧力Ｐｍから算出した充填目標圧力Ｐｍ’に達したときに水素充填を停止させ、充填条件が指定量充填である場合には、供給流量検出手段３３による充填速度Ｖを積算した積算量Ｑが指定充填量Ｑｓに達したときに水素充填を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動車、水素エンジン自動車などの水素を燃料として走行する車両に搭載される車載タンクに水素を充填するための水素供給ステーション及びその水素充填方法に関する。

近年の環境問題に対応する車両として、水素を燃料とした自動車、具体的には燃料電池自動車、水素エンジン自動車などの開発が活発に行われている。このような水素を燃料として走行する車両の普及を促進するには、車両に搭載される車載タンクに対して、安定して効率よく水素を充填する機能を備えた水素供給ステーションを開発する必要がある。

そして、水素の性質により、水素供給ステーションにおける水素貯蔵タンクにおいて高圧に圧縮された水素を車載タンクに充填する際には、この水素が膨張して発熱することが知られている。そのため、例えば、特許文献１、２においては、水素の発熱による車載タンク内の温度上昇を抑制する対策が行われている。すなわち、特許文献１においては、水素タンク（車載タンク）内の圧力が上昇するにつれて水素の充填速度を速めることが行われており、特許文献２においては、冷却手段により高圧水素容器（車載タンク）の充填口の付近を冷却することが行われている。

しかしながら、上記特許文献１、２においては、水素を高圧に圧縮した水素供給ステーションの水素貯蔵タンクについては、水素の急激な充填に伴う発熱を抑制する工夫はなされていない。すなわち、特許文献１においては、特に、水素の充填を行う比較的初期の段階において、水素供給ステーションの水素貯蔵タンク内の水素圧力と、車載タンク内の水素圧力との圧力差が激しい。そのため、上記初期の段階において水素の充填速度をいくら絞っていても、車載タンクへの水素の急激な充填に伴う大きな発熱は避けられず、車載タンク内の温度上昇を防ぐには十分ではない。
また、特許文献２においては、あくまでも水素を発熱させてしまった後で冷却手段により冷却をしている。そのため、車載タンク内の温度上昇を防ぐための直接的な対策はなされていないばかりでなく、上記冷却を行うには莫大なエネルギーが必要となる。
特開２００１−３５５７９５号公報 特開２００２−８９７９３号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、水素を充填する際に車載タンク内が加熱されてしまうことを抑制できると共に水素を利用するエネルギー効率を向上させることができ、かつ要求される充填条件に応じて短時間で水素の充填を行うことができる水素供給ステーション及びその水素充填方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、車両に搭載された車載タンクに対して水素を充填するための水素供給ステーションであって、
貯蔵する水素の圧力ステージを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンクにそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニットと、
該タンクユニット内の水素を上記車載タンクへ供給するための供給ラインと、
該供給ラインに接続する上記貯蔵タンクを切り替える切替装置と、
上記供給ライン内を流れる水素の流量又は圧力を調整する供給調整手段と、
上記供給ライン内を流れる水素の流量を検出する供給流量検出手段と、
上記車載タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、
上記車載タンクにおける最高使用圧力の情報と、水素を上記車載タンクに満タンに充填する満タン充填又は水素を上記車載タンクに充填量を指定して充填する指定量充填のいずれかの充填条件とを収集するための収集手段と、
上記供給流量検出手段によって検出された流量又は上記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて上記切替装置を操作可能であり、上記圧力検出手段によって検出された圧力と、上記充填条件入力手段に入力された最高使用圧力の情報及び充填条件とに基づいて上記供給調整手段を制御可能である制御装置とを有しており、
上記制御装置は、上記供給流量検出手段により検出された流量が規定の流量よりも小さくなったときには、上記切替装置を操作して、上記供給ラインに接続する貯蔵タンクを１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替えるよう構成されており、
かつ、上記制御装置は、上記充填条件が上記満タン充填である場合には、上記圧力検出手段によって検出された圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに、上記供給調整手段を操作して上記水素の充填を停止させ、
一方、上記充填条件が上記指定量充填である場合には、上記供給流量検出手段によって検出された流量を積算した積算量が上記指定された充填量に達したときに、上記供給調整手段を操作して上記水素の充填を停止させるよう構成されていることを特徴とする水素供給ステーションにある（請求項１）。

本発明の水素供給ステーションにおいては、上記貯蔵する水素の圧力ステージ（圧力レベル）が段階的に異なる複数の貯蔵タンクの使用の仕方に工夫をしており、さらに、上記車載タンクへ水素を充填する際の制御の仕方にも工夫をしている。
すなわち、本発明の水素供給ステーションにおいては、上記車載タンクに水素の充填を開始する際には、上記圧力検出手段により車載タンク内の圧力が検出される。そして、制御装置は、上記切替装置を操作して車載タンク内に残留している水素による残留圧力に近く、かつこの残留圧力よりも規定の圧力差を超えて高い圧力ステージを有する貯蔵タンクを上記供給ラインに接続することができる。そして、その後、水素の充填が進行し車載タンク内の圧力が高くなるに従って、供給ラインに接続する貯蔵タンクを圧力ステージが高いものに逐次切り替えながら水素の充填を継続することができる。

そのため、本発明においては、使用する貯蔵タンクの圧力ステージ（圧力レベル）と、上記車載タンク内の圧力との圧力差をできるだけ小さくした状態で水素の充填を行うことができる。そのため、貯蔵タンクから車載タンクに向けて水素が送出されるときに、水素の急激な圧力開放が行われることを抑制することができ、常温付近で水素が急激に膨張して発熱してしまうことを抑制することができる。また、上記圧力差を小さくした状態での充填により、水素が減圧される割合が少なくなり、上記送出の際に生じる水素の圧力エネルギーの損失を小さくすることができる。

また、上記車載タンクに水素の充填を開始した後においては、上記制御装置は、上記供給流量検出手段により検出された流量、すなわち上記供給ライン内を流れる水素の流量が規定の流量よりも小さくなっていないかを監視する。そして、上記水素の流量が規定の流量よりも小さくなったときには、制御装置は、上記切替装置を操作して、供給ラインに接続する貯蔵タンクを１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替えることができる。そのため、上記水素を充填する速度が遅くなったときには、直ちに上記貯蔵タンクを切り替えて、適切な速度を維持することができ、水素を充填する時間を短縮することができる。

また、水素供給ステーションは、上記水素の充填を行う際には、上記収集手段により、上記供給ラインに接続した車載タンクの最高使用圧力の情報を収集し、上記満タン充填を行うか上記指定量充填を行うかの充填条件を収集する。そして、上記制御装置は、上記充填条件が満タン充填である場合には、車載タンク内の圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに、上記供給調整手段を操作して直ちに水素の充填を停止させることができる。一方で、制御装置は、上記充填条件が指定量充填である場合には、上記積算量が上記指定された充填量になったときに、上記供給調整手段を操作して直ちに水素の充填を停止させることができる。

そのため、制御装置は、車載タンクに水素を充填する際に、上記満タン充填及び指定量充填のいずれの充填条件で水素の充填を行うかが要求されたときにおいても、柔軟にこれらの要求に対応するよう上記水素供給ステーションを制御することができる。また、制御装置は、車載タンクにおける最高使用圧力を認識した上で水素の充填を行うことができる。
それ故、本発明の水素供給ステーションによれば、水素を充填する際に車載タンク内が加熱されてしまうことを抑制できると共に水素を利用するエネルギー効率を向上させることができ、かつ要求される充填条件に応じて短時間で水素の充填を行うことができる。

なお、上記各段の貯蔵タンクにおける圧力ステージは、各貯蔵タンクにおける水素の圧力を所定の範囲内に設定して形成することができる。そして、上記タンクユニットは、貯蔵する水素の圧力（圧力ステージ）が低い貯蔵タンクから、貯蔵する水素の圧力（圧力ステージ）が高い貯蔵タンクまで、段階的に貯蔵する水素の圧力（圧力ステージ）を異ならせて構成することができる。

また、上記制御装置が上記切替装置を操作して上記供給ラインに接続する貯蔵タンクを切り替える動作は、上記水素の充填に使用されている貯蔵タンクの圧力ステージ（圧力レベル）と、上記圧力検出手段によって検出された圧力との差が規定の圧力差よりも小さくなったときに行うこともできる。
また、上記充填目標圧力は、上記最高使用圧力よりも小さな値とすることができる。そして、制御装置は、車載タンク内の圧力が常に最高使用圧力を超えないように上記供給調整手段を制御することができる。

第２の発明は、貯蔵する水素の圧力ステージを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンクにそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニットを有する水素供給ステーションから、車両に搭載された車載タンクに対して水素を充填する方法であって、
上記車載タンクにおける最高使用圧力の情報と、水素を上記車載タンクに満タンに充填する満タン充填、又は水素を上記車載タンクに充填量を指定して充填する指定量充填のいずれかの充填条件とを収集する収集ステップと、
上記水素供給ステーションに接続された上記車載タンク内の圧力を検出し、上記複数の貯蔵タンクのうち上記検出した圧力よりも規定の圧力差を超えて高い圧力ステージを有する貯蔵タンクを選択して、上記水素の充填を開始する充填開始ステップと、
上記水素の充填速度を検出し、該充填速度が規定の速度よりも小さくなったときには、上記充填に使用する貯蔵タンクを上記選択した貯蔵タンクよりも１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替えて、上記水素の充填を行う切替充填ステップと、
上記充填条件が上記満タン充填である場合には、上記圧力検出手段によって検出された圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに上記水素の充填を停止させ、一方、上記充填条件が上記指定量充填である場合には、上記タンクユニットから送出された水素の流量を積算した積算量が上記指定した充填量に達したときに上記水素の充填を停止させる充填停止ステップとを有することを特徴とする水素供給ステーションの水素充填方法にある（請求項２）。

本発明の水素充填方法においても、上記貯蔵する水素の圧力ステージ（圧力レベル）が段階的に異なる複数の貯蔵タンクの使用の仕方に工夫をしており、さらに、上記車載タンクへ水素を充填する際の制御の仕方にも工夫をしている。
すなわち、本発明においては、まず、上記収集ステップとして、上記車載タンクにおける最高使用圧力の情報と、この車載タンクに上記満タン充填を行うか上記指定量充填のいずれを行うかの充填条件とを収集する。

次いで、本発明においては、上記充填開始ステップとして、上記水素供給ステーションに上記車載タンクを接続したときには、この車載タンク内の圧力を検出する。そして、上記複数の貯蔵タンクのうちの水素の充填に使用する貯蔵タンクには、上記検出した圧力よりも規定の圧力差を超えて高い圧力ステージを有する貯蔵タンクを選択し、この貯蔵タンクから水素の充填を開始する。そのため、水素の充填速度が規定の速度よりも高い状態で、水素の充填を開始することができる。

次いで、本発明においては、上記切替充填ステップとして、上記水素の充填速度を検出し、この充填速度が規定の速度よりも小さくなったときには、上記充填に使用する貯蔵タンクを上記選択した貯蔵タンクよりも１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替える。そのため、上記充填速度が規定の速度よりも低下したときには、直ちに上記貯蔵タンクを切り替えて適切な充填速度を維持することができ、水素を充填する時間を短縮することができる。
また、上記使用する貯蔵タンクの切替を行って水素を充填することにより、上記発明と同様に、水素を充填する際に車載タンク内が加熱されてしまうことを抑制でき、貯蔵タンクからの水素の送出の際に生じる水素の圧力エネルギーの損失を小さくできる。

そして、本発明においては、上記充填停止ステップとして、上記充填条件が満タン充填である場合には、車載タンク内の圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに直ちに水素の充填を停止させることができる。一方で、制御装置は、上記充填条件が指定量充填である場合には、上記積算量が上記指定された充填量になったときに直ちに水素の充填を停止させることができる。そのため、本発明においても、車載タンクに水素を充填する際に、上記満タン充填又は指定量充填のいずれの充填条件が要求されたときにおいても、柔軟にこれらの要求に対応することができ、車載タンクにおける最高使用圧力を認識した上で水素の充填を行うことができる。

それ故、本発明の水素供給ステーションの水素充填方法によっても、水素を充填する際に車載タンク内が加熱されてしまうことを抑制できると共に水素を利用するエネルギー効率を向上させることができ、かつ要求される充填条件に応じて短時間で水素の充填を行うことができる。
なお、上記水素充填に使用する貯蔵タンクを切り替える動作は、この水素充填に現在使用されている貯蔵タンクの圧力ステージ（圧力レベル）と、上記車載タンク内の圧力との差が規定の圧力差よりも小さくなったときに行うこともできる。

上記第１、第２の発明において、上記水素供給ステーションに接続して水素の充填を行うことができる車載タンクとしては、高圧水素を充填する高圧タンク、水素の吸蔵・放出が可能な水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンク、両者を組み合わせた高圧ＭＨタンクなど、水素を貯蔵可能な様々なタンクを適用することができる。

以下に、図面を用いて本発明の水素供給ステーション及びその水素充填方法にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例の水素供給ステーション１は、図１に示すごとく、車両に搭載された車載タンク７に対して水素を充填するものである。この水素供給ステーション１は、貯蔵する水素の圧力ステージＰｔを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンク２１にそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニット２と、このタンクユニット２内の水素を上記車載タンク７へ供給するための供給ライン３と、この供給ライン３に接続する上記貯蔵タンク２１を切り替える切替装置２２とを有している。また、水素供給ステーション１は、供給ライン３内を流れる水素の充填速度（流量）Ｖを調整する供給調整手段３２と、供給ライン３内を流れる水素の充填速度（流量）Ｖを検出する供給流量検出手段３３と、車載タンク７内の圧力Ｐｖを検出する圧力検出手段３１とを有している。

また、水素供給ステーション１は、上記車載タンク７における最高使用圧力Ｐｍの情報と、水素を上記車載タンク７に満タンに充填する満タン充填又は水素を上記車載タンク７に充填量Ｑｓを指定して充填する指定量充填のいずれかの充填条件とを収集するための収集手段６１を有している。また、本例の水素供給ステーション１は、上記車載タンク７への水素の充填に伴う各動作を制御する制御装置６を有している。この制御装置６は、上記供給流量検出手段３３によって検出された充填速度Ｖ又は上記圧力検出手段３１によって検出された圧力Ｐｖに基づいて上記切替装置２２を操作することが可能であり、また、上記圧力検出手段３１によって検出された圧力Ｐｖに基づいて上記供給調整手段３２を制御することが可能である。

そして、制御装置６は、供給流量検出手段３３により検出された充填速度（流量）Ｖが規定の基準速度（基準流量）Ｖｓよりも小さくなったときには、切替装置２２を操作して、供給ライン３に接続する貯蔵タンク２１を１段上の圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１に切り替えるよう構成されている。
また、制御装置６は、上記充填条件が満タン充填である場合には、上記圧力検出手段３１によって検出された圧力Ｐｖが上記最高使用圧力Ｐｍから算出した充填目標圧力Ｐｍ’に達したときに、上記供給調整手段３２を操作して水素の充填を停止させるよう構成されている。また、制御装置６は、上記充填条件が指定量充填である場合には、上記供給流量検出手段３３によって検出された充填速度Ｖを積算した積算量Ｑが上記指定された充填量Ｑｓに達したときに、上記供給調整手段３２を操作して水素の充填を停止させるよう構成されている。
以下に、これを詳説する。

図１に示すごとく、本例のタンクユニット２は、７つの貯蔵タンク２１を有しており、各貯蔵タンク２１に貯蔵する水素の圧力ステージＰｔを７段階に異ならせている。また、各段の貯蔵タンク２１における圧力ステージＰｔは、各貯蔵タンク２１における水素の圧力のレベルが所定の圧力の範囲内になるよう設定している。

本例においては、上記充填条件が満タン充填である場合、すなわち満タン充填を行う場合には、制御装置６は、上記充填の制御に使用する充填目標圧力Ｐｍ’を、車載タンク７の最高使用圧力Ｐｍに安全率を掛けて求めた許容最高使用圧力として水素充填の制御を行うよう構成されている。そして、この満タン充填の場合には、制御装置６は、車載タンク７内の圧力Ｐｖが許容最高使用圧力に達したときに、水素の充填を停止させるよう構成されている。

一方で、上記充填条件が指定量充填である場合、すなわち指定量充填を行う場合には、制御装置６は、上記積算量Ｑが上記指定された充填量Ｑｓに達したときに水素の充填を停止させるよう構成されているだけでなく、充填を行う途中で車載タンク７内の圧力Ｐｖが上記許容最高使用圧力を超えてしまったときには水素の充填を停止させるよう構成されている。そして、制御装置６は、指定量充填を行う際には、上記指定された充填量Ｑｓが仮に車載タンク７を満タンにするときの充填量よりも大きかったときでも、車載タンク７内の圧力Ｐｖが上記許容最高使用圧力を超えたときには直ちに充填を停止させることができる。こうして、水素充填を行う際の十分な安全性が確保されている。

また、本例の収集手段６１は、上記車載タンク７の最高使用圧力Ｐｍの情報を収集する際には、これ以外にも車載タンク７の許容最大充填速度、許容最高温度及びタンク製造日の情報を含むタンク情報を収集するよう構成することができる。そして、この場合には、制御装置６は、車載タンク７への充填速度Ｖが上記許容最大充填速度を超えないように上記供給調整手段３２を制御するよう構成することができる。また、この場合には、上記水素充填に使用する貯蔵タンク２１の切替が行われるときの上記基準速度Ｖｓは、上記許容最大充填速度よりも小さい値とすることができる。また、この場合には、制御装置６は、車載タンク７内の温度が上記許容最高温度を超えないように上記供給調整手段３２を制御するよう構成することができ、また、上記タンク製造日から上記車載タンク７が耐用年数を超えていないかを検知するよう構成することができる。

本例の供給調整手段３２は、弁の開度により充填速度（流量）Ｖを調整する流量調整弁３２１と充填速度（流量）Ｖをゼロにする第１ストップバルブ３２２とにより構成されている。また、本例の圧力検出手段３１は圧力計であり、供給流量検出手段３３は流量計である。

また、上記圧力検出手段３１、供給調整手段３２及び供給流量検出手段３３は、いずれも上記制御装置６に電気的に接続されている。そして、制御装置６は、上記圧力検出手段３１により車載タンク７内の圧力Ｐｖを検知すると共に、上記供給流量検出手段３３により上記供給ライン３内を流れる水素の充填速度Ｖを検知し、これらの圧力Ｐｖ及び充填速度Ｖの値に基づいて、上記供給調整手段３２の流量調整弁３２１を制御して上記供給ライン３を流れる水素の充填速度Ｖを制御することができる。

また、図１に示すごとく、上記水素供給ステーション１は、上記車載タンク７内の温度Ｔｖの上昇を抑制するために、この車載タンク７から水素を放出させることができる還流ライン４を有している。この還流ライン４は、上記供給ライン３に接続されており、車載タンク７を水素供給ステーション１に接続したときには、車載タンク７の水素放出口７２に接続されるよう構成されている。また、還流ライン４には、その内部を流れる水素を冷却するための冷却手段４１が配設されている。本例の冷却手段４１は熱交換器である。

そして、車載タンク７の水素放出口７２から放出させた水素は、還流ライン４を通過させると共に、上記冷却手段４１により冷却した後、上記供給ライン３へ合流させることができる。そのため、本例では、上記車載タンク７から放出させた水素を上記タンクユニット２から供給される水素と混合して、再び車載タンク７に充填することができる。そして、本例では、上記冷却手段４１により、車載タンク７から放出された水素を、その温度が上記供給ライン３内を流れる水素の温度よりも低くなるよう冷却しており、車載タンク７に充填する水素の温度を常温よりも低くしている。

また、上記冷却手段４１の出口側には、この冷却手段４１によって冷却された水素を加圧する加圧手段４２が配設されている。本例の加圧手段４２はポンプである。そのため、上記冷却後の水素の圧力が、上記供給ライン３内の水素の圧力よりも低くなっていても、冷却後の水素とタンクユニット２からの供給水素とが混合されたときに、この混合水素の車載タンク７への充填速度Ｖを低下させてしまうことを防止することができる。
なお、上記加圧手段４２としては、ポンプ以外にも、圧縮機、エジェクター等を用いることもできる。

また、図１に示すごとく、上記還流ライン４には、上記車載タンク７から放出される水素の温度Ｔｖを検出する温度検出手段４３と、車載タンク７から水素の放出が開始される圧力値である放出圧力値Ｐｒを調整する放出圧力調整手段４４とが配設されている。なお、温度検出手段４３は温度計であり、放出圧力調整手段４４は、圧力調整器である。
また、上記温度検出手段４３及び放出圧力調整手段４４は、上記制御装置６に電気的に接続されている。そして、制御装置６は、上記温度検出手段４３により検出された温度Ｔｖに基づいて、上記冷却手段４１における冷却強度を操作するよう構成されている。具体的には、制御装置６は、上記水素の充填中において、上記切替装置２２を操作して水素充填に使用する貯蔵タンク２１を圧力ステージＰｔが高いものに切り替えるときには、上記温度検出手段４３によって検出された温度Ｔｖが規定の基準温度Ｔｓよりも高くなっていないかを監視し、これが高くなっているときには上記冷却手段４１における冷却強度を増加させるよう構成されている。

このように冷却手段４１による冷却強度を逐次増加させる構成としたのは、本例においては、上記車載タンク７内の圧力Ｐｖに対応して上記貯蔵タンク２１を切り替えて使用する水素供給ステーション１の構成により、車載タンク７内の温度は充填の初期の段階に急激に上昇するのではなく、充填が進行するにつれて上昇していくものと考えられるからである。そのため、上記冷却手段４１の冷却強度は、上記貯蔵タンク２１を逐次高い圧力ステージＰｔを有するものに切り替えると共に上昇させていく構成とした。
なお、上記冷却手段４１による冷却強度は、上記車載タンク７内の温度上昇が小さくなる又は温度上昇がほぼなくなったら減少させることも可能である。

また、上記制御装置６は、上記水素の充填を開始する際には、上記圧力検出手段３１により上記車載タンク７内の初期残留圧力を検出し、その後、水素充填を行い、車載タンク７内の圧力Ｐｖがこの初期残留圧力に対して規定の圧力差ΔＰ０を超えて高い圧力になったときにはじめて水素の放出を開始させるよう構成されている。すなわち、制御装置６は、水素充填を開始する際には、上記放出圧力調整手段４４における放出圧力値（放出開始圧力値）Ｐｒを、車載タンク７内の初期残留圧力よりも規定の圧力差ΔＰ０を超えて高い圧力値に設定するよう構成されている。これにより、水素充填を行う初期段階において、車載タンク７内の水素が加熱されていないのに不必要に放出されてしまうことを防止することができる。

また、上記制御装置６は、上記切替え装置により上記水素充填に使用する貯蔵タンク２１を切り替えるときには、上記放出圧力調整手段４４における放出圧力値Ｐｒも高くするよう構成されている。具体的には、制御装置６は、上記貯蔵タンク２１の切替の際に、上記放出圧力調整手段４４における放出圧力値Ｐｒを、上記圧力検出手段３１により検出された圧力Ｐｖよりも規定の圧力差ΔＰ０を超えて高い圧力値に設定するよう構成されている。これにより、上記水素の充填中において、水素の放出が行われる圧力値を最適に保つことができ、不必要に水素の放出が行われてしまうことを防止することができる。

また、図１に示すごとく、上記水素供給ステーション１は、上記車載タンク７への水素の充填が終了した後に上記供給ライン３内に残留した水素を、上記タンクユニット２に回収するための回収ライン５を有している。そして、供給ライン３と回収ライン５との接続部分には、リリーフバルブ５１が配設されいる。これにより、供給ライン３内に残留した水素は、タンクユニット２に回収して再び有効に再利用することができる。

また、上記水素供給ステーション１は、上記回収ライン５に接続する貯蔵タンク２１を切り替える回収切替装置２３を有している。そして、制御装置６は、上記水素充填が終了した後に、上記回収切替装置２３を操作して、上記圧力検出手段３１により検出された圧力Ｐｖよりも低い圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１を上記回収ライン５に接続するよう構成されている。これにより、上記供給ライン３内に残留した水素を容易にタンクユニット２における貯蔵タンク２１に回収することができる。

次に、上述した構成の水素供給ステーション１を用いて上記車両に搭載した車載タンク７に水素の充填を行う方法につき、図１、図２を用いて説明する。
上記車両の車載タンク７に上記水素ステーションから水素を充填するに当たっては、まず、収集ステップとして、Ｓ１０１において、上記車載タンク７における最高使用圧力Ｐｍの情報と、この車載タンク７に上記満タン充填を行うか上記指定量充填のいずれを行うかの充填条件とを収集する。そして、制御装置６は、車載タンク７の最高使用圧力Ｐｍを検知することができ、また、充填条件として満タン充填か指定量充填かのいずれが要求されているのかを検知することができる。
そして、本例においては、以降、充填条件として満タン充填が制御装置６に収集された場合につ説明する。

次いで、充填開始ステップとして、Ｓ１０２において、車載タンク７の水素充填口７１を上記供給ライン３における接続部に接続し、車載タンク７の水素放出口７２を上記還流ライン４における接続部に接続する。また、車載タンク７のアース端子を水素供給ステーション１におけるアースアダプタに接続する。そして、上記供給ライン３の接続部、還流ライン４の接続部及びアースアダプタには、上記各接続が行われたことを検出するセンサが配設されており、このセンサにより各接続が行われたことが検出されると、上記制御装置６は、水素充填ができる状態が形成されたことを検知する。

次いで、Ｓ１０３において、車載タンク７の水素充填口７１に設けたバルブを開けると共に、供給ライン３に設けた第１ストップバルブ３２２を開ける。このとき、供給ライン３に設けた圧力検出手段３１により車載タンク７内の圧力Ｐｖが検出され、この検出された圧力Ｐｖの値が制御装置６に送信される。
そして、Ｓ１０４において、制御装置６は、上記放出圧力調整手段４４に制御信号を送信して、この放出圧力調整手段４４における放出圧力値Ｐｒを、上記検出した圧力Ｐｖの値よりも規定の圧力差ΔＰ０を超えて高い圧力値に設定する。すなわち、放出圧力値Ｐｒは、Ｐｒ＝Ｐｖ＋ΔＰ０とする。そして、車載タンク７の水素放出口７２に設けたバルブを開けると共に、還流ライン４に設けた第２ストップバルブ４５を開ける。

次いで、Ｓ１０５において、制御装置６は、上記複数の貯蔵タンク２１のうち上記放出圧力値Ｐｒよりも規定の圧力差ΔＰ１を超えて高い圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１を、水素充填に使用する貯蔵タンク２１として選択する。すなわち、水素充填に使用する貯蔵タンク２１は、その圧力ステージＰｔが、Ｐｔ＞Ｐｒ＋ΔＰ１の条件を満たすものを選択する。そして、制御装置６は、上記切替装置２２に制御信号を送信し、これを操作して上記選択した貯蔵タンク２１を上記供給ライン３に接続する。
次いで、Ｓ１０６において、制御装置６は、上記供給調整手段３２に制御信号を送信し、これを開けて水素充填を開始させる。そして、制御装置６は、供給調整手段３２における流量調整弁３２１の開度を調整して、水素の充填速度Ｖが基準速度Ｖｓよりも高い状態にする。また、制御装置６は、流量調整弁３２１の開度を、上記供給ライン３内を流れる水素の充填速度Ｖが上記車載タンク７における許容最大充填速度を超えないよう制御する。

そして、Ｓ１０７においては、上記供給ライン３に設けた供給流量検出手段３３により供給ライン３内を流れる水素の充填速度Ｖが検出され、この検出された充填速度Ｖの値が制御装置６に送信される。そして、Ｓ１０８において、制御装置６は、上記検出された充填速度Ｖの値を積算して、車載タンク７への水素の積算量Ｑを算出する。

次いで、Ｓ１０９において、制御装置６は、上記車載タンク７内の圧力Ｐｖが上記最高使用圧力Ｐｍから算出した充填目標圧力Ｐｍ’に達したか否かを判別（チェック）する。上記Ｓ１０９における判別がＮｏのときには、切替充填ステップとして、Ｓ１１１において、制御装置６は、上記供給流量検出手段３３により検出された充填速度（流量）Ｖが、基準速度（基準流量）Ｖｓよりも小さいか否かを判別（チェック）する。

Ｓ１１１における判別がＮｏのときには、水素の充填速度Ｖが上記基準速度Ｖｓ以上であるとして、制御装置６は、現状の貯蔵タンク２１を使用したまま水素充填を継続し、再び上記Ｓ１０７を実行する。一方で、Ｓ１１１における判別がＹｅｓのときには、水素の充填速度Ｖが上記基準速度Ｖｓよりも小さくなったとして、Ｓ１１２において、制御装置６は、上記切替装置２２を操作して、上記供給ライン３に接続する貯蔵タンク２１を、現在使用している貯蔵タンク２１よりも１段上の圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１に切り替える。また、このときには、Ｓ１１３において、制御装置６は、上記放出圧力調整手段４４に制御信号を送信して、この放出圧力調整手段４４における放出圧力値Ｐｒを、上記圧力検出手段３１から検出された上記貯蔵タンク２１の切替時の車載タンク７内の圧力Ｐｖの値よりも規定の圧力差ΔＰ０を超えて高い圧力値に再設定する。

次いで、Ｓ１１４においては、上記還流ライン４に設けた温度検出手段４３により還流ライン４内を流れる水素の温度Ｔｖが検出され、この検出された温度Ｔｖの値が制御装置６に送信される。そして、Ｓ１１５において、制御装置６は、上記検出された温度Ｔｖの値が基準温度Ｔｓよりも高いか否かを判別（チェック）する。

Ｓ１１５における判別がＮｏのときには、上記検出された温度Ｔｖ、すなわち水素充填の際の車載タンク７内の水素の温度Ｔｖが上記基準温度Ｔｓ以下であるとして、冷却手段４１における冷却強度を現状維持して、再び上記Ｓ１０７を実行する。一方で、Ｓ１１５における判別がＹｅｓのときには、Ｓ１１６において、制御装置６は、上記車載タンク７内の温度Ｔｖが上昇し、上記基準温度Ｔｓよりも高くなったと判断して、上記冷却手段４１に制御信号を送信してこれを操作し、この冷却手段４１における冷却強度を増加させ、その後は、再び上記Ｓ１０７を実行する。
そして、以降同様に、上記Ｓ１０７〜Ｓ１１６を繰り返し、上記充填速度Ｖが上記基準速度Ｖｓよりも小さくなる毎に、逐次高い圧力ステージＰｔの貯蔵タンク２１に切り替えて水素充填を行うことができる。

そして、上記Ｓ１０７〜Ｓ１１６を繰り返し、上記車載タンク７内の圧力Ｐｖが上記最高使用圧力Ｐｍから算出した充填目標圧力Ｐｍ’に達したときには、上記Ｓ１０９における判別がＹｅｓになり、充填停止ステップとしてのＳ１１０が実行される。すなわち、Ｓ１１０において、制御装置６は、上記供給ライン３における流量調整弁３２１を操作して充填速度Ｖを絞り、また、供給ライン３における第１ストップバルブ３２２と上記還流ライン４における第２ストップバルブ４５とを操作して、これらのバルブを閉じる。
このように、上記水素供給ステーション１は、上記車載タンク７の最高使用圧力Ｐｍを確実に検知した上で上記水素の満タン充填を行うことができる。また、この満タン充填が終了したときには、上記制御装置６において算出した積算量Ｑにより車載タンク７内にどれだけの水素を充填したかを検知することができる。

そして、水素充填を終了した後には、車載タンク７における水素充填口７１及び水素放出口７２を閉じたことを確認して、車両を移動して車載タンク７を水素供給ステーション１から切り離すことができる。また、上記水素充填が終了した後には、制御装置６は、上記回収切替装置２３を操作して、上記圧力検出手段３１により検出された圧力Ｐｖよりも低い圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１を上記回収ライン５に接続し、その後、上記供給ライン３に残留した水素を、上記リリーフバルブ５１を開けて、上記回収ライン５から上記タンクユニット２の貯蔵タンク２１に回収することができる。

なお、上記Ｓ１０９において、車載タンク７内の圧力Ｐｖが充填目標圧力Ｐｍ’に対する規定の範囲内に達したら、上記流量調整弁３２１を絞って水素の充填速度Ｖを小さくすることができる。そして、このときには、上記Ｓ１１１の判別において、充填速度Ｖが基準速度Ｖｓよりも小さくなっても貯蔵タンク２１を切り替えずに、現在使用中の貯蔵タンク２１を継続して使用することができる。このように、水素充填が終了する間近になったときに充填速度Ｖを絞ることにより、流量調整弁３２１又は第１ストップバルブ３２２を閉めるときに生ずる圧力衝撃を小さくすることができる。

また、上記Ｓ１０８において、上記車載タンク７への水素の積算量Ｑは、車載タンク７内の圧力Ｐｖ及び温度Ｔｖが精度よく検出されれば、ＰＶ＝ｎＲＴ（Ｐ；車載タンク７内の圧力、Ｖ；車載タンク７の容積、ｎ；水素のモル数、Ｒ；気体定数、Ｔ；車載タンク７内の温度）の状態方程式を用いて求めることもできる。

上記のごとく、本例においては、図２を用いて車載タンク７に満タン充填を行う場合につき説明した。これに対し、車載タンク７に指定量充填を行う際には、制御装置６は以下のように水素充填の制御を行うことができる。
すなわち、図３に示すごとく、ステップＳ１０１において、上記収集手段６１により指定量充填の充填条件が収集された場合には、上記Ｓ１０９においては、制御装置６は、上記算出した積算量Ｑが指定充填量Ｑｓに達したか否かを判別（チェック）する。そして、Ｓ１０９における判別がＹｅｓになったときには、Ｓ１１０を実行して水素充填を終了することができる。この指定量充填を行う場合においても、Ｓ１０１及びＳ１０９以外は上記満タン充填を行う場合と同じである。

本例の水素供給ステーション１においては、上記車載タンク７に水素の充填を開始する際には、上記圧力検出手段３１により車載タンク７内の圧力Ｐｖが検出される。そして、制御装置６は、上記切替装置２２を操作して車載タンク７内に残留している水素による初期残留圧力に近く、かつこの初期残留圧力よりも規定の圧力差を超えて高い圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１を上記供給ライン３に接続することができる。そして、その後、水素の充填が進行し車載タンク７内の圧力Ｐｖが高くなるに従って、供給ライン３に接続する貯蔵タンク２１を圧力ステージＰｔが高いものに逐次切り替えながら水素の充填を継続することができる。

そのため、本例においては、使用する貯蔵タンク２１の圧力ステージ（圧力レベル）Ｐｔと、上記車載タンク７内の圧力Ｐｖとの圧力差をできるだけ小さくした状態で水素の充填を行うことができる。そのため、貯蔵タンク２１から車載タンク７に向けて水素が送出されるときに、水素の急激な圧力開放が行われることを抑制することができ、常温付近で水素が急激に膨張して発熱してしまうことを抑制することができる。また、上記圧力差を小さくした状態での充填により、水素が減圧される割合が少なくなり、上記送出の際に生じる水素の圧力エネルギーの損失を小さくすることができる。

また、上記車載タンク７に水素の充填を開始した後においては、上記制御装置６は、上記供給流量検出手段３３により検出された水素の充填速度Ｖが基準速度Ｖｓよりも小さくなっていないかを監視する。そして、上記充填速度Ｖが基準速度Ｖｓよりも小さくなったときには、制御装置６は、上記切替装置２２を操作して、供給ライン３に接続する貯蔵タンク２１を１段上の圧力ステージＰｔを有する貯蔵タンク２１に切り替えることができる。そのため、上記充填速度Ｖが遅くなったときには、直ちに上記貯蔵タンク２１を切り替えて、適切な充填速度Ｖを維持することができ、水素充填に要する時間を短縮することができる。

また、水素供給ステーション１は、上記水素の充填を行う際には、上記収集手段６１により、上記供給ライン３に接続した車載タンク７の最高使用圧力Ｐｍの情報を収集し、上記満タン充填を行うか上記指定量充填を行うかの充填条件を収集する。そして、制御装置６は、充填条件が満タン充填である場合には、車載タンク７内の圧力Ｐｖが上記最高使用圧力Ｐｍから算出した充填目標圧力Ｐｍ’に達したときに、上記供給調整手段３２を操作して直ちに水素の充填を停止させることができる。一方で、制御装置６は、上記充填条件が指定量充填である場合には、上記積算量Ｑが上記指定充填量Ｑｓになったときに、上記供給調整手段３２を操作して直ちに水素の充填を停止させることができる。

そのため、制御装置６は、車載タンク７に水素を充填する際に、満タン充填及び指定量充填のいずれの充填条件で水素の充填を行うかが要求されたときにおいても、柔軟にこれらの要求に対応するよう上記水素供給ステーション１を制御することができる。また、制御装置６は、車載タンク７における最高使用圧力Ｐｍを認識した上で水素の充填を行うことができる。
それ故、本例の水素供給ステーション１によれば、水素を充填する際に車載タンク７内が加熱されてしまうことを抑制できると共に水素を利用するエネルギー効率を向上させることができ、かつ要求される充填条件に応じて短時間で水素の充填を行うことができる。

さらに、本例においては、上記圧力ステージＰｔが低い貯蔵タンク２１から圧力ステージＰｔが高い貯蔵タンク２１まで、段階的に貯蔵する水素の圧力の範囲を異ならせたことにより、これらの貯蔵タンク２１に水素を補充する際においても、低い圧力ステージＰｔの貯蔵タンク２１には、圧力の低い補充装置から補充することができ、あるいは水素を昇圧する量を少なくすることができる。そのため、水素の補充の際に必要なエネルギーを少なくすることもできる。

なお、上記制御装置６が上記切替装置２２を操作して供給ライン３に接続する貯蔵タンク２１を切り替える動作は、上記供給ライン３に接続され水素充填に使用されている貯蔵タンク２１の圧力ステージ（圧力レベル）Ｐｔと、上記圧力検出手段３１によって検出された圧力Ｐｖとの差が規定の圧力差よりも小さくなったときに行うこともできる。
また、本例においては上記冷却手段４１は上記還流ライン４に設けたが、これに対し、この冷却手段４１は、上記供給ライン３に配設することもできる。そして、この場合には、上記車載タンク７に充填する水素を常温以下に冷却することができ、水素を充填する際に、車載タンク７が高温に加熱されてしまうことを一層効果的に防止することができる。

（実施例２）
本例の水素供給ステーション１は、図４に示すごとく、上記還流ライン４を有する代わりに、上記車載タンク７から放出させた水素を上記タンクユニット２へ戻すための戻りライン４０を有している。また、本例においては、上記冷却手段４１は上記戻りライン４０に配設し、この戻りライン４０には、その内部を流れる水素の充填速度（流量）Ｖ’を検出する戻り流量検出手段４６を配設している。
そして、本例においては、上記水素充填を行う際に、上記車載タンク７から戻りライン４０に放出された水素は、冷却手段４１により冷却された後に上記タンクユニット２における貯蔵タンク２１に戻される。また、このタンクユニット２に戻される水素の充填速度Ｖ’は、上記戻り流量検出手段４６により検出しており、制御装置６は、上記検出した充填速度Ｖ’の値を積算して水素の戻り量Ｑ’を算出することができる。

そして、制御装置６は、上記供給流量検出手段３３により検出された充填速度Ｖを積算して求めた上記車載タンク７への水素の積算量Ｑから、上記タンクユニット２への水素の戻り量Ｑ’を差し引いた値を実際に車載タンク７に充填した正規の充填量であるとして検知することができる。
本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、水素供給ステーションの構成を示す説明図。 実施例１における、満タン充填を行う場合の水素充填方法を示すフローチャート。 実施例１における、指定量充填を行う場合の水素充填方法を示すフローチャート。 実施例２における、水素供給ステーションの構成を示す説明図。

符号の説明

１ 水素供給ステーション
２ タンクユニット
２１ 貯蔵タンク
２２ 切替装置
３ 供給ライン
３１ 圧力検出手段
３２ 供給調整手段
３３ 供給流量検出手段
４ 還流ライン
４０ 戻りライン
４１ 冷却手段
４２ 加圧手段
４３ 温度検出手段
４４ 放出圧力調整手段
５ 回収ライン
６ 制御装置
６１ 収集手段
７ 車載タンク
Ｖ 充填速度（流量）
Ｖｓ 基準速度
Ｑ 積算量
Ｑｓ 指定充填量
Ｐｖ 圧力
Ｐｔ 圧力ステージ
Ｐｍ 最高使用圧力
Ｐｍ’ 充填目標圧力

Claims (2)

1. 車両に搭載された車載タンクに対して水素を充填するための水素供給ステーションであって、
   貯蔵する水素の圧力ステージを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンクにそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニットと、
   該タンクユニット内の水素を上記車載タンクへ供給するための供給ラインと、
   該供給ラインに接続する上記貯蔵タンクを切り替える切替装置と、
   上記供給ライン内を流れる水素の流量又は圧力を調整する供給調整手段と、
   上記供給ライン内を流れる水素の流量を検出する供給流量検出手段と、
   上記車載タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   上記車載タンクにおける最高使用圧力の情報と、水素を上記車載タンクに満タンに充填する満タン充填又は水素を上記車載タンクに充填量を指定して充填する指定量充填のいずれかの充填条件とを収集するための収集手段と、
   上記供給流量検出手段によって検出された流量又は上記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて上記切替装置を操作可能であり、上記圧力検出手段によって検出された圧力と、上記充填条件入力手段に入力された最高使用圧力の情報及び充填条件とに基づいて上記供給調整手段を制御可能である制御装置とを有しており、
   上記制御装置は、上記供給流量検出手段により検出された流量が規定の流量よりも小さくなったときには、上記切替装置を操作して、上記供給ラインに接続する貯蔵タンクを１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替えるよう構成されており、
   かつ、上記制御装置は、上記充填条件が上記満タン充填である場合には、上記圧力検出手段によって検出された圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに、上記供給調整手段を操作して上記水素の充填を停止させ、
   一方、上記充填条件が上記指定量充填である場合には、上記供給流量検出手段によって検出された流量を積算した積算量が上記指定された充填量に達したときに、上記供給調整手段を操作して上記水素の充填を停止させるよう構成されていることを特徴とする水素供給ステーション。
2. 貯蔵する水素の圧力ステージを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンクにそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニットを有する水素供給ステーションから、車両に搭載された車載タンクに対して水素を充填する方法であって、
   上記車載タンクにおける最高使用圧力の情報と、水素を上記車載タンクに満タンに充填する満タン充填、又は水素を上記車載タンクに充填量を指定して充填する指定量充填のいずれかの充填条件とを収集する収集ステップと、
   上記水素供給ステーションに接続された上記車載タンク内の圧力を検出し、上記複数の貯蔵タンクのうち上記検出した圧力よりも規定の圧力差を超えて高い圧力ステージを有する貯蔵タンクを選択して、上記水素の充填を開始する充填開始ステップと、
   上記水素の充填速度を検出し、該充填速度が規定の速度よりも小さくなったときには、上記充填に使用する貯蔵タンクを上記選択した貯蔵タンクよりも１段上の圧力ステージを有する貯蔵タンクに切り替えて、上記水素の充填を行う切替充填ステップと、
   上記充填条件が上記満タン充填である場合には、上記圧力検出手段によって検出された圧力が上記最高使用圧力から算出した充填目標圧力に達したときに上記水素の充填を停止させ、一方、上記充填条件が上記指定量充填である場合には、上記タンクユニットから送出された水素の流量を積算した積算量が上記指定した充填量に達したときに上記水素の充填を停止させる充填停止ステップとを有することを特徴とする水素供給ステーションの水素充填方法。

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