JP2005306212A - 燃料ガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧の貯蔵ガスタンクから低圧の車両側燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填するシステムにおいて、貯蔵ガスタンク側の内圧を下げることができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】 図の横軸の下に付記したように、第１貯蔵ガスタンクによる充填、第２貯蔵ガスタンクによる充填、第３貯蔵ガスタンクによる充填、コンプレッサによる充填を、シリーズに実施することにより、燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する。
【効果】 前半は貯蔵ガスタンクを用い、差圧作用及び平衡作用により、クイック充填が可能である。後半は貯蔵ガスタンクに残った燃料ガスをコンプレッサで増圧しながら燃料ガスタンクへ充填する。貯蔵ガスタンクの内圧を、従来より十分に低圧にすることができ、タンクの肉厚を薄くすることができ、タンクコストを抑えることができる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを供給する技術に関する。

燃料電池を搭載した車両が普及するに連れて、燃料としての燃料ガスを供給するシステムが重要となる。そのための水素ガス供給方法及び装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３７３２３０公報（図６）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１１は従来の技術の基本原理を説明する図であり、水素サービスステーションに水素製造装置Ｈｋ、水素貯蔵装置Ｓｔ及び水素充填装置Ｉｓを備え、水素自動車Ｊ２へ水素ガスを供給する水素ガス供給システムが開示されている。
ただし、水素充填装置Ｉｓの具体的説明はない。そこで、水素充填装置の代表例を次図で説明する。

図１２は従来の燃料ガス充填装置の説明図である。
（ａ）において、例えば貯蔵ガスタンク１０１に、圧力が７６ＭＰａで体積が９０Ｎｍ^３の燃料ガスを貯蔵する。そして、供給管１０２の先に、想像線で示す燃料ガスタンク１０３を接続し、バルブ１０４を開く。すると、燃料ガスが供給管１０２を通じて燃料ガスタンク１０３へ移動し始める。

（ｂ）において、貯蔵ガスタンク１０１と燃料ガスタンク１０３とが同圧になった段階（この状態を平衡という）で、燃料ガスの移動は終了し、両タンク１０１、１０３の内圧は同一の３８ＭＰａとなる。タンク１０１と１０３での貯蔵量は、タンクの大きさによって異なるので同一にならない。

前記燃料ガスの移動はごく短時間で終了するため、いわゆるクイック充填が可能となる。しかし、圧力差で燃料ガスを移動させるため、供給側の貯蔵ガスタンク１０１は、少なくとも２倍の内圧（３８ＭＰａの２倍の７６ＭＰａ）にする必要がある。

貯蔵ガスタンク１０１、供給管１０２及びバルブ１０４は、高圧に耐える構造が要求され、肉圧を増加する若しくは耐圧材料を採用する必要があり、装置コストが嵩む。

本発明は、貯蔵ガスタンク側の内圧を下げることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスを満たした貯蔵ガスタンク及びコンプレッサを準備する工程と、
前記コンプレッサは使用せずに、貯蔵ガスタンクから差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
次に、前記貯蔵ガスタンクに残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサを用いて車両の燃料ガスタンクへ充填する工程と、
によって貯蔵ガスタンクの燃料ガスを燃料ガスタンクへ供給する。

請求項２に係る発明は、燃料ガスを満たした複数個の貯蔵ガスタンク及びコンプレッサを準備する工程と、
前記コンプレッサは使用せずに、１本の貯蔵ガスタンクから差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
同様に残りの貯蔵ガスタンクから順次車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
次に、前記貯蔵ガスタンクに残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサを用いて車両の燃料ガスタンクへ充填する工程と、
によって貯蔵ガスタンクの燃料ガスを燃料ガスタンクへ供給する。

請求項３に係る発明では、燃料ガスは、水素ガスであることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、コンプレッサは、ダイヤフラム式コンプレッサであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、車両の燃料ガスタンクへの充填を大きく２つに分けて、前半は貯蔵ガスタンクの内圧を使用し、後半はコンプレッサを使用する。
前半は貯蔵ガスタンクの内圧を用い、差圧作用及び平衡作用により、クイック充填が可能である。

後半は貯蔵ガスタンクに残った燃料ガスをコンプレッサで増圧しながら燃料ガスタンクへ充填する。コンプレッサの吸込圧が高ければ、吐出圧並びに吐出量も高くなる。本発明では、コンプレッサの吸込圧が、貯蔵ガスタンクの残圧となり、この残圧は十分に高いため、容易に高い吐出圧並びに大きい吐出量を得ることができる。

また、貯蔵ガスタンクの内圧を、従来より十分に低圧にすることができ、タンクの肉厚を薄くすることができ、タンクコストを抑えることができる。

また、充填の全てをコンプレッサに委ねると充填時間が長大になり好ましくない。この点、請求項１では後半だけコンプレッサを用いるため、充填聡時間を短くすることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１を発展させた発明であって、請求項１の効果に加えて次の効果を発揮する。
請求項２では貯蔵ガスタンクを複数個とし、これらの貯蔵ガスタンクを順次切替えるようにした。貯蔵ガスタンク各々を小型化できる。

請求項３に係る発明では、燃料ガスは水素ガスとした。水素ガスは酸素と化学反応させることにより、水が生成する。水は無害であり、環境保全を図ることができ好ましい。

請求項４に係る発明では、コンプレッサはダイヤフラム式コンプレッサとした。ダイヤフラム式コンプレッサは、原理が単純で安価であり、一段で高圧を発生させることができ、比較的小型のタンクを搭載する車両において、それの燃料ガスタンクに燃料ガスを充填するにはダイヤフラム式コンプレッサは好適である。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。また、以下の説明で貯蔵ガスタンクは１個で差し支えないが、３個を配置した例で説明する。

図１は本発明に係る燃料ガス供給装置の原理図であり、燃料ガス供給装置１０は、第１貯蔵ガスタンク１１、第２貯蔵ガスタンク１２及び第３貯蔵ガスタンク１３並びにコンプレッサ３０と、これら第１〜第３貯蔵ガスタンク１１〜１３並びにコンプレッサ３０に張り巡らせた管路１４と、この管路１４に介在させたストップ弁１５〜２４と、管路１４の先端（末端）に設けたカップリング２５とからなり、このカップリング２５に車両側の燃料ガスタンク２６を適宜接続することができる装置である。

上記燃料ガス供給装置１０は、地面若しくは建築物に固定して使用するが、小型であるため、一般家庭のガレージや駐車場の隅に設置することができる。

図２は本発明で採用したダイヤフラム式コンプレッサの原理図であり、コンプレッサ３０はダイヤフラム式コンプレッサが好適である。

ダイヤフラム式コンプレッサ３０は、ダイヤフラム３１を中心に入側管３２と出側管３３とを備え、入側管３２の出口を仕切板３４で仕切り、この仕切板３４に吸込弁３５を上へ開放可能に備え、出側管３３の入口を仕切板３６で仕切り、この仕切板３６に吐出弁３７を下へ開放可能に備え、これらの仕切板３４、３６の上部空間３８をダイヤフラム３１で覆うと共に、ダイヤフラム３１をカバー３９で囲い、カバー３９に設けたリターンばね４１でダイヤフラム３１を下方へ付勢するようにし、カバー３９に電磁石４２を設け、ダイヤフラム３１の上面に永久磁石４３を設け、両磁石４２、４３を接合／離反自在にした簡便な圧縮器である。

図３はダイヤフラム式コンプレッサの作動原理図である。
（ａ）において、永久磁石４３に対して電磁石４２を異なる極性にすることで、両磁石４２、４３は接合し、ダイヤフラム３１は上へ撓む。上部空間３８は真空になり、吐出弁３７は閉じ、吸込弁３５が開いて、入側管３２内の流体が上部空間３８へ移動する。

（ｂ）において、電磁石４２の極性を変えると、両磁石４２、４３は離反する。そして、リターンばね４１が伸びるため、ダイヤフラム３１は下へ撓み上部空間３８が狭くなる。上部空間３８が高圧になり、吸込弁３５が閉じて、吐出弁３７が開き、高圧になった流体が出側管３３へ移動する。

ダイヤフラム３１を高速で上下動させることができ、実質的に連続的に流体（燃料ガス）を高圧化することができる。
なお、図２、３のダイヤフラム式コンプレッサ３０は一例を述べたものであって、ダイヤフラム３１を除く要素は変更可能であり、構造は実施例に限定するものではない。

ダイヤフラム式コンプレッサ３０は、原理が単純で安価であり、一段で高圧を発生させることができるという利点を有する。
そのため、比較的小型のタンクを搭載する車両において、それの燃料ガスタンクに燃料ガスを充填するにはダイヤフラム式コンプレッサは好適であると言える。

以上の構成からなる燃料ガス供給装置の作用を次に説明する。黒く塗り潰したバルブシンボルは「閉」、白いバルブシンボルは「開」を示す。
また、図４以降で、説明の理解を促すことを目的に圧力値及び体積を、数値で示した。しかし、これらは参考値であって、必ずしも正しい値とは言えない。

図４は第１貯蔵ガスタンクへ燃料ガスを供給する手順を説明する図であり、ストップ弁２１側から低圧の燃料ガスを供給する。そして、ストップ弁２１、２２、２３及び１５を開き、コンプレッサ３０を運転する。すると、第１貯蔵ガスタンク１１に高圧の燃料ガスを溜めることができ、４２ＭＰａで１６．８Ｎｍ^３になったらストップ弁１５を閉じる。

次にストップ弁１７を開き、第２貯蔵ガスタンク１２に高圧の燃料ガスを溜め始め、４２ＭＰａで１６．８Ｎｍ^３になったらストップ弁１７を閉じる。
次にストップ弁１９を開き、第３貯蔵ガスタンク１３に高圧の燃料ガスを溜め始め、４２ＭＰａで１６．８Ｎｍ^３になったらストップ弁１９を閉じる。

なお、ストップ弁１５、１７。１９を同時に開いて第１〜第３貯蔵ガスタンク１１〜１３へ同時に燃料ガスを溜めることは差し支えない。

図５は準備が完了したときの状態図であり、第１〜第３貯蔵ガスタンク１１、１２、１３に等しく４２ＭＰａで１６．８Ｎｍ^３の燃料ガスが貯蔵できたことを示す。ストップ弁は全て閉じておく。そして、カップリング２５に空の燃料ガスタンク２６を接続する。

図６は第１貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図であり、ストップ弁１５、２２及び２４を開く。すると、第１貯蔵ガスタンク１１内の燃料ガスが管路１４を介して燃料ガスタンク２６へ移動を開始する。この移動は両タンク１１、２６の内圧が平衡したときに終了し、そのための所要時間は短い。
第１貯蔵ガスタンク１１の貯蔵量は１６．８Ｎｍ^３から４．５Ｎｍ^３に変化する。一方、燃料ガスタンク２６の圧力は０．８ＭＰａになり、貯蔵量は１２．３Ｎｍ^３になる。

図７は第２貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図であり、ストップ弁１７、２２及び２４を開く。すると、第２貯蔵ガスタンク１２内の燃料ガスが管路１４を介して燃料ガスタンク２６へ移動を開始する。この移動は両タンク１２、２６の内圧が平衡したときに終了し、そのための所要時間は短い。
第２貯蔵ガスタンク１２の貯蔵量は１６．８Ｎｍ^３から７．８Ｎｍ^３に変化する。一方、燃料ガスタンク２６の圧力は０．８ＭＰａから１４．２ＭＰａに変化し、貯蔵量は１２．３Ｎｍ^３から２１．３Ｎｍ^３に変化する。

図８は第３貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図であり、ストップ弁１９、２２及び２４を開く。すると、第３貯蔵ガスタンク１３内の燃料ガスが管路１４を介して燃料ガスタンク２６へ移動を開始する。この移動は両タンク１３、２６の内圧が平衡したときに終了し、そのための所要時間は短い。
第２貯蔵ガスタンク１３の貯蔵量は１６．８Ｎｍ^３から１０．２Ｎｍ^３に変化する。一方、燃料ガスタンク２６の圧力は１４．２ＭＰａから１８．６ＭＰａに変化し、貯蔵量は２１．３Ｎｍ^３から２７．９Ｎｍ^３に変化する。

図９はコンプレッサの作用図であり、コンプレッサ３０を始動し、ストップ弁１８、２０、２３及び２４を開く。すると、第２貯蔵ガス像タンク１２及び第３貯蔵ガスタンク１３に残っていた燃料ガスが、高圧化されて燃料ガスタンク２６へ移動する。
燃料ガスタンク２６の圧力が３８ＭＰａ、貯蔵量が４２Ｎｍ^３に達したら、充填作業を終了する。第２貯蔵ガス像タンク１２及び第３貯蔵ガスタンク１３の貯蔵量は、共に１．９５Ｎｍ^３になる。

充填が終了したので、カップリング２５を切り離し、車両を走行可能にする。そして、図４に戻って、実質的に空になった第１〜第３貯蔵ガスタンク１１〜１３へ燃料ガスを供給し、図５の状態に復帰すればよい。
この復帰作業は、安価な深夜料金設定の電力を使用することができる。そして、時間的な制約はないので、吐出能力の小さいダイヤフラム式コンプレッサで対応させることができる。

以上の手順をまとめると、本発明は次のとおりになる。
燃料ガスを満たした複数個の貯蔵ガスタンク１１〜１３及びコンプレッサ３０を準備する工程（図５）と、
前記コンプレッサ３０は使用せずに、１本の貯蔵ガスタンク１１から差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンク２６へ燃料ガスを充填する工程（図６）と、
同様に残りの貯蔵ガスタンク１２、１３から順次車両の燃料ガスタンク２６へ燃料ガスを充填する工程（図７、図８）と、
次に、前記貯蔵ガスタンク１２、１３に残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサ３０を用いて車両の燃料ガスタンク２６へ充填する工程（図９）と、から燃料ガスを供給する。

貯蔵ガスタンクが１個の場合は、本発明は次のとおりになる。
燃料ガスを満たした複数個の貯蔵ガスタンク１１及びコンプレッサ３０を準備する工程と、
前記コンプレッサ３０は使用せずに、貯蔵ガスタンク１１から差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンク２６へ燃料ガスを充填する工程と、
次に、前記貯蔵ガスタンク１１に残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサ３０を用いて車両の燃料ガスタンク２６へ充填する工程と、から燃料ガスを供給する。

図１０は燃料ガスタンクの内圧の変化を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は燃料ガスタンクの内圧を示す。
横軸の下に付記したように、第１貯蔵ガスタンクによる充填、第２貯蔵ガスタンクによる充填、第３貯蔵ガスタンクによる充填、コンプレッサによる充填を、シリーズに実施することにより、燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填できたことを示す。

すなわち、充填を大きく２つに分けて、前半は複数の貯蔵ガスタンクを用い、後半はコンプレッサを用いる。
前半は貯蔵ガスタンクを用い、差圧作用及び平衡作用により、クイック充填が可能である。
後半は貯蔵ガスタンクに残った燃料ガスをコンプレッサで増圧しながら燃料ガスタンクへ充填する。

貯蔵ガスタンクの内圧を、従来より十分に低圧にすることができ、タンクの肉厚を薄くすることができ、タンクコストを抑えることができる。
さらに、複数の貯蔵ガスタンクを用いて順番に充填するようにした。この結果、貯蔵ガスタンク各々を小型化できる。

また、充填の全てをコンプレッサに委ねると充填時間が長大になり好ましくない。この点、実施例では、後半だけコンプレッサを用いるため、充填聡時間を短くすることができる。

また、燃料ガスは水素ガスとした。水素ガスは酸素と化学反応させることにより、水が生成する。水は無害であり、環境保全を図ることができ好ましい。

尚、複数個の貯蔵ガスタンクは、実施例では３個にしたが、個数は任意である。
また、コンプレッサの形式は、ダイヤフラム式他、プランジャ式、ルーツ式、ロータリ式などいずれの形式であってもよい。

本発明は、ガレージに付設する燃料ガス供給設備に好適である。

本発明に係る燃料ガス供給装置の原理図である。 本発明で採用したダイヤフラム式コンプレッサの原理図である。 ダイヤフラム式コンプレッサの作動原理図である。 第１貯蔵ガスタンクへ燃料ガスを供給する手順を説明する図である。 準備が完了したときの状態図である。 第１貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図である。 第２貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図である。 第３貯蔵ガスタンクによる燃料ガスタンクへの燃料ガス充填の手順を説明する図である。 コンプレッサの作用図である。 燃料ガスタンクの内圧の変化を示すグラフである。 従来の技術の基本原理を説明する図である。 従来の燃料ガス充填装置の説明図である。

符号の説明

１０…燃料ガス供給装置、１１〜１３…貯蔵ガスタンク、２６…燃料ガスタンク、３０…コンプレッサ。

Claims (4)

1. 燃料ガスを満たした貯蔵ガスタンク及びコンプレッサを準備する工程と、
   前記コンプレッサは使用せずに、貯蔵ガスタンクから差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
   次に、前記貯蔵ガスタンクに残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサを用いて車両の燃料ガスタンクへ充填する工程と、からなる燃料ガス供給方法。
2. 燃料ガスを満たした複数個の貯蔵ガスタンク及びコンプレッサを準備する工程と、
   前記コンプレッサは使用せずに、１本の貯蔵ガスタンクから差圧を利用するとともに圧力が平衡になるまで車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
   同様に残りの貯蔵ガスタンクから順次車両の燃料ガスタンクへ燃料ガスを充填する工程と、
   次に、前記貯蔵ガスタンクに残留する低圧の燃料ガスを、コンプレッサを用いて車両の燃料ガスタンクへ充填する工程と、からなる燃料ガス供給方法。
3. 前記燃料ガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料ガス供給方法。
4. 前記コンプレッサは、ダイヤフラム式コンプレッサであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の燃料ガス供給方法。
   

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