JP2005201342A - 高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高圧タンクにガスを充填する際のガスおよび高圧タンクの温度上昇を好適に抑制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】 口金部21を有し、ガスが高圧で貯蔵される高圧タンク2と、高圧タンク2にガスを供給する供給管路3と、口金部21を冷却する冷却手段32と、供給管路3から高圧タンク2に供給されたガスを口金部21に向けて導くガス誘導手段22と、を備えた高圧ガス充填システム1である。
【選択図】 図1
【解決手段】 口金部21を有し、ガスが高圧で貯蔵される高圧タンク2と、高圧タンク2にガスを供給する供給管路3と、口金部21を冷却する冷却手段32と、供給管路3から高圧タンク2に供給されたガスを口金部21に向けて導くガス誘導手段22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。一般に、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、高圧タンクの元弁などの機器類の温度上昇をきたす。
急速充填を適切に行うべく、例えば特許文献1に記載の高圧ガス充填システムでは、高圧タンクの元弁の周囲およびこれと水素充填口とを接続する充填配管の周囲を、冷却水を循環通液させるサブコンテナで覆い、水素急速充填に伴うこれら元弁および充填配管の温度上昇を抑制するようにしている。
特開2002―89793号公報(第1図)
このような特許文献1に記載の方式は、元弁等の機器類の温度上昇を好適に抑制することができる。しかし、サブコンテナによる冷却効果が主として元弁等であるため、特に高圧タンクが樹脂など熱伝導性の低い材質からなる場合には、高圧タンク自体の温度上昇を抑制するには不十分であった。また、急速充填時、水素充填口に対向する高圧タンク内の部分が特に温度上昇が著しいが、従来の方式はこれを考慮したものでなく、この点でも高圧タンク自体の温度上昇の抑制が十分に図れていなかった。
本発明は、高圧タンクにガスを充填する際のガスおよび高圧タンクの温度上昇を好適に抑制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、口金部を有し、ガスが高圧で貯蔵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、口金部を冷却する冷却手段と、供給管路から高圧タンクに供給されたガスを口金部に向けて導くガス誘導手段と、を備えたものである。
この構成によれば、供給管路から高圧タンクに供給されたガスは高圧タンク内で断熱的に圧縮されて発熱するが、この高温化されたガスは、冷却した口金部に向けてガス誘導手段により導かれる。これにより、高温のガスと低温の口金部との間で熱交換を積極的に行うことができる。このため、ガスの温度上昇を好適に抑制することができる。そして、ガスの温度上昇が抑制されるため、高圧タンクの温度上昇もまた抑制することができる。
なお、口金部には、供給管路を接続してもよいし、充填されたガスを高圧タンクから排出する排出管路を設けてもよい。また、ガスの代表例としては純水素が挙げられる。
この場合、口金部は、高圧タンク内に臨む部位に熱交換フィンを有することが、好ましい。
この構成によれば、ガスと口金部との間での熱交換を熱交換フィンにより促進することができるため、ガスおよび高圧タンクの温度上昇の抑制を一層図ることができる。なお、ガス誘導手段から導かれたガスが、直接的に噴出される口金部の部分に熱交換フィンを設けておくことがより好ましい。
これらの場合、供給管路は、口金部を介して高圧タンクにガスを供給しており、口金部は、供給管路内のガスを絞り膨張させる絞り機構を有し、絞り機構の絞り作用により冷却されることが、好ましい。
この構成によれば、口金部に設けた絞り機構により、口金部を効率よく冷却することができる。すなわち、冷却液を通液させるような従来の高圧タンクの外部に配置される冷却手段を設けなくて済む。なお、絞り機構は、バルブやオリフィスなどで構成すればよい。
本発明の高圧ガス充填方法は、高圧タンクの冷却された口金部に向けて、高圧タンク内に供給されたガスを導きながら、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、高圧タンクに供給されたガスは高圧タンク内で断熱的な圧縮により発熱するが、この発熱して高温となったガスを、冷却した口金部に向けて導くようにしている。これにより、ガスと口金部との間で熱交換が積極的に行われるため、ガスの温度上昇ひいては高圧タンク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システムおよび高圧ガス充填方法によれば、高圧タンクにガスを充填する際、ガスと口金部との間で積極的に熱交換を行うようにしているため、高圧タンク内のガスはもとより高圧タンク自体の温度上昇を好適に抑制することができる。
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、高圧タンクにガスが充填される際に、高圧タンク内ではガスは断熱的に圧縮されて発熱するが、この発熱したガスと高圧タンクの口金部との間で熱交換を積極的に行う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に充填するが、供給管路3内では、後述するバルブ32を除いて水素ガスは絞り作用を受けないようになっている。
一方、水素タンク2に充填された水素ガスは、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(例えば35MPaまたは70MPa)で充填される。
水素タンク2は、内部に水素ガスの貯蔵空間20を有し、全体として円筒状に形成されている。水素タンク2の外郭は、ライナーおよびシェルの樹脂製の2層構造からなり、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、その長手方向の一方の端部に設けられた口金21(口金部)と、供給管路3に連通して貯蔵空間20に臨む略U字状のU型管路22(ガス誘導手段)と、貯蔵空間20の水素ガスの温度を計測する温度センサ23と、貯蔵空間20の水素ガスの圧力を計測する圧力センサ24と、を有している。温度センサ23および圧力センサ24により、供給管路3上に流量計を設けなくとも、水素タンク2(貯蔵空間20)の水素ガスの充填量を算出できるようになっている。
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口金本体31と、水素タンク2の外側において口金本体31に取り付けられ、供給管路3に介設されたバルブ32と、を有している。口金本体31は、ステンレスの金属からなるが、熱伝導率の高い銅やアルミニウムで構成することが好ましい。
口金本体31は、図2に示すように、その貯蔵空間20に臨む部位に、すなわち貯蔵空間20側の端面に、熱交換フィン33を有している。熱交換フィン33は、口金本体31の端面に形成された供給管路3や排出管路11等の各種の挿通口の位置から外れた部位に設けられ、周方向に略均等に分散した放射状の複数の波状部で構成されている。
バルブ32は、供給管路3内を流れる水素ガスを絞り、バルブ32の位置で水素ガスを断熱的に膨張させるものである。バルブ32のこの絞り作用により、バルブ32を通過した水素ガスは冷却されて、口金本体31の貯蔵空間20側からU型管路22へと伝っていく。このとき、口金本体31の貯蔵空間20側の部位(水素タンク2内への延出部)は、水素ガスの冷却効果により冷却される。すなわち、バルブ32は、水素ガスの充填時において、口金本体31および熱交換フィン33を全体的に冷却させる冷却手段として機能している。なお、バルブ32は電磁弁でもマニュアル弁でもどちらでもよい。
U型管路22は、供給管路3と略同じ管径で構成され、口金本体31の位置で供給管路3に連通している。なお、U型管路22と供給管路3との連通位置は口金本体31に限らず、口金本体31から外れた貯蔵空間20であってもよいし、U型管路22と供給管路3とを単一の管で構成してもよい。U型管路22の端部となる流出口41は、熱交換フィン33に所定の間隙を存して臨んでおり、例えば、図1に示すように水素タンク2の長手方向の中間部に位置している。U型管路22は、供給管路3からの水素ガスの流れを貯蔵空間20で反転させ、水素ガスを熱交換フィン33に向けて導くように流出口41から噴出する。
以上のように、本実施形態の高圧ガス充填システム1では、水素ガスの充填時において、水素供給源からの水素ガスは、バルブ32の位置で冷却されてU型管路22内を伝っていき、最終的に流出口41から流出し、バルブ32の絞り作用によって冷却された熱交換フィン33の位置で断熱的に圧縮される。この断熱圧縮により水素ガスは発熱するが、このとき水素ガスが熱交換フィン33に直接的に流れ込むため、水素ガスと熱交換フィン33を含む口金本体31との間で熱交換が積極的に行われる。これにより、水素ガスの温度上昇は抑制され、その結果水素タンク2の温度上昇も抑制される。
したがって、本実施形態の高圧ガス充填システム1によれば、水素ガスの温度上昇および水素タンク2の温度上昇を好適に抑制することができ、水素ガスを急速充填する場合であっても、水素タンク2の水素ガスの充填量(充填率)を高めることができる。なお、供給管路3に流量計を設けないで、水素ガスの充填量を温度センサ23および圧力センサ24に基づいて算出することとしたが、もちろん水素ガスを絞らない流量計であれば供給管路3に設けても不都合は生じない。
なおまた、バルブ32を口金21に設ける際に、口金本体31に直接取り付けたが、これに取り付けない場合には、口金本体31の直近であって且つ水素ガスの流れの上流側の位置にバルブ32を設けることが好ましい。また、バルブ32に代わる絞り機構としては、供給管路3上に形成され、口金本体31の直近であって且つ水素ガスの流れの上流側に位置するオリフィスであってもよい。さらに、バルブやオリフィスによる絞りの作用を利用して、口金本体31を冷却するようにしたが、もちろん水素タンク2の外部に冷却手段を配設して、口金本体31を冷却するようにしてもよい。
また、供給管路3からの水素ガスをU型管路22を用いて熱交換フィン33に向けて導くようにしているが、管の形状はU型に限るものでないことは言うまでもない。また、本実施形態では、口金21に供給管路3および排出管路11の両者を挿通させるような構成としているが、各管路専用の口金を設けてもよい。すなわち、2つの口金を対向する位置に設け、一方の口金には供給管路3を挿通させ、他方の口金には排出管路11を挿通させるようにしてもよい。そして、この他方の口金を外部冷却手段により冷却すると共に、この冷却された他方の口金に向けて、供給管路3からの水素ガスを導いて上記の熱交換を行うようにしてもよい。
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(口金部)、22…U型管路(ガス誘導手段)、31…口金本体、32…バルブ、33…熱交換フィン
Claims (4)
- 口金部を有し、ガスが高圧で貯蔵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、
前記口金部を冷却する冷却手段と、
前記供給管路から前記高圧タンクに供給されたガスを前記口金部に向けて導くガス誘導手段と、
を備えた高圧ガス充填システム。 - 前記口金部は、前記高圧タンク内に臨む部位に熱交換フィンを有する請求項1に記載の高圧ガス充填システム。
- 前記供給管路は、前記口金部を介して前記高圧タンクにガスを供給しており、
前記口金部は、前記供給管路内のガスを絞り膨張させる絞り機構を有し、当該絞り機構の絞り作用により冷却される請求項1または2に記載の高圧ガス充填システム。 - 高圧タンクの冷却された口金部に向けて、当該高圧タンク内に供給されたガスを導きながら、当該高圧タンクにガスを充填する高圧ガス充填方法。
Priority Applications (1)
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JP2004007241A JP2005201342A (ja) | 2004-01-14 | 2004-01-14 | 高圧ガス充填システムおよび高圧ガス充填方法 |
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Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
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JP2009532641A (ja) * | 2006-04-07 | 2009-09-10 | 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 | 少なくとも1つの圧縮ガスタンクに少なくとも1種のガスを充填する方法、圧縮ガスタンクの開口部に連結するための連結器、および圧縮ガスボンベ装置 |
CN105605412A (zh) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 丰田自动车株式会社 | 高压罐 |
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- 2004-01-14 JP JP2004007241A patent/JP2005201342A/ja active Pending
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US9802480B2 (en) | 2014-11-14 | 2017-10-31 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | High-pressure tank |
KR101810744B1 (ko) * | 2014-11-14 | 2017-12-19 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | 고압 탱크 |
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