JP2005201340A - 高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧タンクにガスを充填する際の高圧タンクの局部的な温度上昇を好適に抑制することができ、全体として簡易な構造に供することができる高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 ガスが高圧で充填される高圧タンク２と、高圧タンク２にガスを供給する供給管路３と、供給管路３に介設され、供給管路３内のガスの流れを断続させる流路断続手段３２と、を備えた高圧ガス充填システム１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素ガスなどのガスを高圧で貯蔵する高圧タンクに、ガスを充填する高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法に関するものである。

従来、燃料電池自動車のこの種の高圧ガス充填システムは、車両に搭載された高圧タンクと水素ステーションなどの水素供給源とを耐圧パイプで接続し、水素供給源から高圧タンクに水素ガスを急速充填するものである。急速充填により、高圧タンク内で水素ガスが断熱的に圧縮されて発熱し、水素ガスおよび高圧タンクの温度が上昇する。この温度上昇は、高圧タンクへの水素ガスの充填量を低下させる要因となるほか、短時間による急速充填を妨げる。

一般に、急速充填による高圧タンクの温度上昇は、水素充填口に対向する高圧タンク内の部分において特に著しい。高圧タンクの局部的な温度上昇は、規定量の水素ガスを充填完了する前に充填作業を停止する必要が生じるため、水素ガスの充填率をより一層低下させる要因となる。また、局部的な温度上昇は、高圧タンクに温度ムラを生じさせ、ひいては高圧タンクの製品寿命を縮めるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に記載の高圧ガス充填方法では、高圧タンクの上下両端に水素ガス（炭化水素ガス）が充填される水素充填口を各々設け、充填途中で、これら水素充填口を適宜切り替えながら、高圧タンクに水素ガスを充填するようにしている。
特開２００１―１７２６５４号公報（第３頁および第１図）

この特許文献１に記載の充填方法では、水素ガスの断熱膨張による冷却効果を好適に利用して、高圧タンクの充填に伴い高温化された局部を冷却しているため、高圧タンクの局部的な温度上昇を抑制することができる点では有用である。しかし、水素充填口が二つ必要となるなど、高圧タンクや水素ステーション側の構造が複雑化し易く、充填作業も煩雑となるなど改良の余地があった。

本発明は、高圧タンクにガスを充填する際の高圧タンクの局部的な温度上昇を好適に抑制することができ、全体として簡易な構造に供することができる高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法を提供することをその目的としている。

本発明の高圧ガス充填システムは、ガスが高圧で充填される高圧タンクと、高圧タンクにガスを供給する供給管路と、供給管路に介設され、供給管路内のガスの流れを断続させる流路断続手段と、を備えたものである。

この構成によれば、ガスの充填の際に、供給管路内でガスの流れを流路断続手段により断続しながら、ガスを高圧タンクに供給することができる。これにより、高圧タンク内全体に亘ってガスの拡散を促進しながら、これにガスを充填することができるため、ガス充填に伴う高圧タンク内での局部的な温度上昇を好適に抑制することができる。したがって、供給管路に通ずる充填口を従来のように２つ設けなくて済むなど、高圧タンク自体やガスの供給源側の構造を単純化することができる。
また、高圧タンク自体の温度が均一化されることにより、高圧タンクの外壁全面から均一に熱放射されるため、高圧タンク内のガスの温度上昇を全体として好適に抑制することができる。なお、ガスの代表例としては水素（純水素）が挙げられる。

この場合、流路断続手段は、開閉制御される電磁弁からなり、電磁弁は、供給管路内のガスの流れを遮断する遮断時間が高圧タンクへのガスの充填初期に比べ充填後期の方が短くなるように、制御されることが、好ましい。

この構成によれば、流路断続手段が電磁弁であるため、供給管路内を完全に閉塞することができ、ガスの流れを適切に断続させることができる。また、充填後期における遮断時間を充填初期に比べて短くしているため、効率良く高圧タンク内でガスを拡散しながら充填することができる。
すなわち、充填初期では高圧タンク内のガスの圧力が急激に上昇（急激に温度が上昇）する一方、充填後期ではこの圧力上昇により高圧タンク内のガス圧と充填元圧との圧力差が小さくなっているため、比較的緩やかにガスの圧力が上昇（温度が上昇）する。したがって、充填後期では充填初期に比べて高圧タンク内でのガスの圧力の平準化に時間を要しないので、上記のような遮断時間の制御を行うことで、急速充填を短時間で行うことが可能となる。

本発明の他の高圧ガス充填システムは、ガスが高圧で充填される高圧タンクと、高圧タンクにガスを供給する供給管路と、供給管路に連なり、高圧タンクの内壁の周方向にガスを導くタンク内管路と、を備えたものである。

この構成によれば、ガスの充填の際に、ガスは供給管路を介してタンク内管路から高圧タンクの内壁の周方向に供給される。これにより、高圧タンク内でガスの流れにスワールが生成され、高圧タンク内全体に亘ってガスの拡散を促進することができる。このため、ガスの拡散を図りながらガスを高圧タンクに充填することができ、ガス充填に伴う高圧タンク内での局部的な温度上昇を好適に抑制することができる。したがって、上記同様に、高圧タンク自体やガスの供給源側の構造を単純化することができる。
また、このスワールによって、高圧タンクの内壁でガスの乱流化が促進されるため、高圧タンクへのガスの熱伝達を高めることができる。これにより、高圧タンクの外壁からの熱放射を促進することができ、高圧タンクの外壁全面から均一に熱放射されることと相俟って、高圧タンク内のガスの温度上昇を全体として好適に抑制することができる。なお、供給管路とタンク内管路とを同一の管で構成してもよいし、別部材で構成してもよい。

この場合、タンク内管路は、流出口側を高圧タンクの底部側に傾けられていることが、好ましい。

この構成によれば、ガスの充填に伴い温度上昇し易い局部（高圧タンクの底部）にスワールが適切に作用するため、この局部での温度上昇を好適に抑制することができる。

本発明の高圧ガス充填方法は、ガス供給系の部位においてガスの流れを断続させながら、ガス供給系に接続された高圧タンクにガスを充填するものである。

この構成によれば、ガスの流動を積極的に利用して、高圧タンク内でガスの拡散を促進して、ガス充填に伴う高圧タンク内での局部的な温度上昇を好適に抑制することができる。また、この拡散によって高圧タンク自体の温度が均一化され、高圧タンクの外壁全面から均一に熱放射されるため、高圧タンク内のガスの温度上昇を全体として好適に抑制することができる。

本発明の他の高圧ガス充填方法は、ガスが高圧で貯蔵される高圧タンク内で、これに供給されたガスの流れにスワールが生成するように、ガスを高圧タンクに充填するものである。

この構成によれば、同様にガスの流動を積極的に利用することで、高圧タンク内でガスの拡散を促進して、ガス充填に伴う高圧タンク内での局部的な温度上昇を好適に抑制することができる。またスワールの作用により、高圧タンクの内壁でガスの乱流化が促進され、高圧タンクへのガスの熱伝達が高まるため、高圧タンクの外壁からの熱放射が促進される。したがって、高圧タンク内のガスの温度上昇を全体として好適に抑制することができる。

本発明の高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法によれば、ガスを充填する際、高圧タンク内を全体的に拡散するようなガスの流動により、高圧タンクの局部的な温度上昇を好適に抑制することができ、加えて、高圧タンクまわりの構造を従来に比べて、全体として簡易な構造にし得る。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る高圧ガス充填システムおよびその方法について説明する。この高圧ガス充填システムは、高圧タンクへのガスの充填に際して、高圧タンク内のガスの拡散を促進することで、高圧タンクの局部的な温度上昇を抑制するようにしたものである。そしてこの高圧ガス充填システムは、燃料電池自動車に搭載される水素タンク（高圧タンク）に、十分な水素を急速充填するのに適したものである。以下の説明では、ガスとして水素ガス（純水素）を例に説明する。

図１に示すように、高圧ガス充填システム１は、燃料電池自動車に搭載され、水素ガスが高圧で貯蔵される水素タンク２と、水素ステーション等に設置され、水素タンク２への水素ガスの供給源となる水素供給源（図示省略）と、水素タンク２および水素供給源を配管接続する供給管路３と、を具備している。高圧ガス充填システム１は、水素供給源からの水素ガスを供給管路３を介して水素タンク２に充填する。

一方、水素タンク２に充填された水素ガスは、水素タンク２に配管接続された排出管路１１から水素タンク２外に排出され、減圧弁１２により減圧されて燃料電池自動車の燃料電池に供給される。そして、燃料電池での水素の消費により水素タンク２内の水素ガスの残量が減ったところで、高圧ガス充填システム１により再度、水素タンク２に水素ガスが高圧（３５ＭＰａまたは７０ＭＰａ）で充填される。

水素タンク２は、その外郭を内壁面側のライナーおよび外壁面側のシェルの２層構造で樹脂により構成され、内部に水素ガスの貯蔵空間２０を有している。ライナーは例えば高密度ポリエチレンで、シェルは例えばＦＲＰで構成されている。水素タンク２は、全体として円筒状に形成されており、その長手方向の一方の端部に口金２１を有している。

口金２１は、水素タンク２の球面状をした端壁部の中心に設けられ、水素タンク２の内外に亘って延在する金属製の口金本体３１と、口金本体３１に取り付けられた電磁弁３２と、を有している。口金本体３１には、供給管路３および排出管路１１を挿通させる挿通部が各々形成されており、供給管路３および排出管路１１は口金本体３１の各挿通部を介して水素タンク２の内外に亘って延在している。

電磁弁３２は、供給管路３上に介設されており、図外の制御装置により開閉制御される。電磁弁３２の閉状態では、供給管路３内の水素ガスの流れは完全に遮断され、水素ガスは貯蔵空間２０内へ流入されないようになっている。一方、電磁弁３２の開状態では、供給管路３内の水素ガスの流れが確保され、水素ガスは貯蔵空間２０へと流入していく。すなわち、電磁弁３２は、供給管路３内のガスの流れを断続させる流路断続手段として機能することができる。

電磁弁３２を開状態にして水素ガスを水素タンク２に充填した場合には、水素ガスは供給管路３の流出口から貯蔵空間２０に流入する。このとき、貯蔵空間２０では水素ガスが断熱的に圧縮され、特に水素タンク２の底部（長手方向の他方の端部）で温度が上昇する。そこで、この局部的な温度上昇を抑制するべく、本実施例の高圧ガス充填システム１では、水素ガスの充填過程において、電磁弁３２を適宜開閉し、供給管路３内のガスの流れを断続させるようにしている。

具体的には、水素ガスが水素タンク２に所定量充填されたところで、電磁弁３２を一時的に閉状態にし、水素ガスの充填作業を一時中断する。そして、所定時間経過後、電磁弁３２を再び開状態にし、水素ガスの充填作業を再開する。この電磁弁３２の開閉動作を複数回繰り返すことで、水素ガスの水素タンク２への一連の充填作業が終了する。

このように、本実施例の高圧ガス充填システム１では、水素ガスの充填に際し、ガス供給系である供給管路３内で水素ガスの流れを断続させ、水素ガスを水素タンク２に断続的（パルス的）に充填するようにしているため、水素タンク２内において水素ガスの拡散が良好に行われる。これにより、水素タンク２内の底部における温度上昇を好適に抑制することができ、水素タンク２内全体に亘って水素ガスの温度を均一化することができる。

また、水素ガスの温度が均一化されることによって、水素タンク２自体の温度が均一化される。これにより、水素タンク２の外壁面全域から均一に熱放射されるため、全体として水素タンク２内の水素ガスの温度上昇を好適に抑制することができる。

ここで、水素ガスの一連の断続的な充填過程において、その充填初期では、水素タンク２内の水素ガスの圧力が急激に上昇し、その圧力の平準化までには時間を要することになる。一方、充填後期では、この圧力上昇により水素タンク２内の圧力と水素供給源側の充填元圧との圧力差が小さくなっているため、水素タンク２内では比較的緩やかに水素ガスの圧力が上昇し、その圧力の平準化までには時間を比較的要しないことになる。

そこで好ましい実施例としては、水素ガスの断続的な充填過程において、電磁弁３２を閉状態とする時間、すなわち供給管路３内の水素ガスの流れを遮断する遮断時間が、充填後期に移行するにつれて段階的にまたは徐々に短くなるように電磁弁３２を制御する。これにより、水素ガスの急速充填をより短時間で行うことが可能となる。

なお、本実施例では、電磁弁３２を口金本体３１に取り付けて貯蔵空間２０の外側に位置するようにしたが、もちろん電磁弁３２を貯蔵空間２０内に設けるようにしてもよい。また、電磁弁３２に水素ガスを絞り膨張させる絞り機構を併有させてもよく、これにより水素タンク２内の水素ガスの温度を降下させることもできる。さらに、電磁弁３２を、その開閉によってガスの流れに脈動を生じさせる構成としても、同様に、上述した水素ガスの拡散を促進することができる。

次に、第２実施例に係る高圧ガス充填システム１について、第１実施例との相違点を中心に説明する。図２に示すように、第２実施例に係る高圧ガス充填システム１は、第１実施例の構成要素に加え、供給管路３に連なり、流出口４２が水素タンク２の内周壁面に臨むタンク内管路４１を更に有している。タンク内管路４１は、供給管路３を構成する管と一体に構成され、供給管路３の管を第１実施例よりも長く延在することで構成されている。なお、タンク内管路４１と供給管路３とを、略同じ管径の別の管で構成することもでき、その場合の両管路４１，３の連通位置を口金本体３１の内部とすることもできる。

タンク内管路４１は、水素タンク２の径方向に延在する第１管路部５１と、第１管路部５１に一体に連なって水素タンク２の周方向に延在すると共に上記の流出口４２を有する第２管路部５２と、で構成されている。流出口４２は、水素タンク２の内周壁面に対し所定の間隙を存して対峙している。タンク内管路４１により、供給管路３からの水素ガスは水素タンク２の内壁の周方向に導かれる。これにより、貯蔵空間２０において水素ガスの流れにスワールを生成することができるようになっている。

第２実施例によれば、水素ガスの充填の際に、貯蔵空間２０内全体に亘ってスワールによる水素ガスの拡散が行われるため、水素ガスの充填に伴う水素タンク２内での局部的な温度上昇を好適に抑制することができる。また、このスワールは、水素タンク２の内周壁面において水素ガスの乱流化を促進するため、水素タンク２への水素ガスの熱伝達が高まり、水素タンク２の外周壁面からの熱放射が促進される。

したがって、第２実施では、第１実施例のように電磁弁３２を開閉制御して水素ガスの流れを断続させなくとも、タンク内管路４１によって生成されるスワールによって、水素タンク２内全体に亘って水素ガスの温度を均一化することができると共に、これによって水素タンク２自体の温度を均一化することができる。もっとも、水素ガスの充填の際に、第１実施例の電磁弁３２を適宜開閉するようにして、第２実施例において水素ガスを拡散させる機能を併有させてもよい。

本実施例は、特に図示しないが、第２実施例のタンク内管路４１の形状を変形した例である。第３実施例のタンク内管路４１の第２管路部５２は、流出口４２側を水素タンク２の底部側に傾けられている。したがって、タンク内管路４１の流出口４２から貯蔵空間２０に流入する水素ガスは、水素タンク２の内壁の周方向に且つ底部に向かって導かれ、第２実施例と同様に、貯蔵空間２０において水素ガスの流れにスワールが生成される。

第３実施例によれば、局部的に温度上昇し易い水素タンク２の底部にスワールを適切に作用させることができると共に、水素タンク２の内周壁面の全域に亘ってスワールを適切に作用させることができるため、水素タンク２の局部的な温度上昇はもとより、水素タンク２全体の温度上昇をより好適に抑制することが可能となる。なお、水素タンク２の全域に亘ってスワールをより適切に作用させる点に着目すれば、流出口４２は水素タンク２の口金２１の近傍にあることが好ましい。

なお、流出口４２側が水素タンク２の底部側に僅かに臨むようにして、その底部にスワールを好適に作用させるようにしたが、そもそもタンク内管路４１を設けない構成としても、この作用を奏させることができる。すなわち例えば、この作用が奏するように、口金本体３１の貯蔵空間２０側の部位に掘り込みを設けてもよい。

また、上記第２実施例および第３実施例では、タンク内管路４１に流出口４２を一つのみ設ける構成としたが、これを複数設けるようにしてもよい。例えば、複数の流出口４２を水素タンク２の長手方向に沿って分散して設けてもよい。

本発明の実施例１に係る高圧ガス充填システムの構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施例２に係る高圧ガス充填システムの構成を模式的に示す構成図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線方向から見た図である。

符号の説明

１…高圧ガス充填システム、２…水素タンク、３…供給管路、２０…貯蔵空間、２１…口金、３１…口金本体、３２…電磁弁、４１…タンク内管路、４２…流出口

Claims (6)

1. ガスが高圧で充填される高圧タンクと、
   前記高圧タンクにガスを供給する供給管路と、
   前記供給管路に介設され、当該供給管路内のガスの流れを断続させる流路断続手段と、
   を備えた高圧ガス充填システム。
2. 前記流路断続手段は、開閉制御される電磁弁からなり、
   前記電磁弁は、前記供給管路内のガスの流れを遮断する遮断時間が前記高圧タンクへのガスの充填初期に比べ充填後期の方が短くなるように、制御される請求項１に記載の高圧ガス充填システム。
3. ガスが高圧で充填される高圧タンクと、
   前記高圧タンクにガスを供給する供給管路と、
   前記供給管路に連なり、前記高圧タンクの内壁の周方向にガスを導くタンク内管路と、
   を備えた高圧ガス充填システム。
4. 前記タンク内管路は、流出口側を前記高圧タンクの底部側に傾けられている請求項３に記載の高圧ガス充填システム。
5. ガス供給系の部位においてガスの流れを断続させながら、当該ガス供給系に接続された高圧タンクにガスを充填する高圧ガス充填方法。
6. ガスが高圧で貯蔵される高圧タンク内で、これに供給されたガスの流れにスワールが生成するように、ガスを当該高圧タンクに充填する高圧ガス充填方法。
   
   

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