JP2005201342A - 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

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。

本発明の実施形態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。 図１のＡ−Ａ線に沿った平面図であり、熱交換フィンまわりの構造を模式的に示した図である。

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（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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
   
   

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