JP2006077932A - 燃料ガス容器、及び燃料ガス充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 作業時間を過度に増大させることなく、規定量の燃料ガスを満充填できる燃料ガス容器、及び燃料ガス充填方法を提供する。
【解決手段】 ガスタンク１は、中空且つ略円筒状を成し長軸方向の両端部が縮径している胴部２の一方端に、水素ガス等の燃料ガスの給排口Ｋが設けられたものである。また、胴部２の給排口Ｋが設けられた部位には、環状の口金３が突設されており、温度センサＳ１を有するボス５が嵌着された口金３が形成されている。さらに、ガスタンク１の他方端には、温度センサＳ２を有するボス７が螺着された口金６が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素（Ｈ₂）ガスや天然ガス等の燃料ガスを貯蔵する燃料ガス容器、及びその容器への燃料ガスの充填方法に関する。

燃料電池自動車や天然ガス自動車には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスが高圧充填される燃料ガス容器（ガスボンベ、ガスタンク）が搭載される。この燃料ガス容器に燃料ガスを加圧充填する際には、通常、燃料ガスの断熱圧縮によって温度が上昇し、それに伴って容器内圧が変化してしまう。そこで、燃料ガス充填時の燃料ガス容器内の状態を把握するには、燃料ガス容器内の燃料ガス温度を測定する必要があり、その実測値に基づいて適正量の燃料ガスを充填することが望まれる。そのための燃料ガス容器の一例として、特許文献１には、ガス遮蔽性を有するライナーの外周が耐圧性のシェルで覆われており、そのシェル内に設けられた温度検出器を備える高圧ガスタンクが記載されている。

この高圧ガスタンクでは、具体的には特許文献１の図１に示されるように、ガス入出口が設けられた縮径部と反対側の縮径部に設置された単一の温度検出器でライナー外表面の温度が測定され、その温度実測値と、予め測定されたライナー外表面温度と容器内のガス温度との関係に基づいて、燃料ガス充填時の高圧ガスタンク内のガス温度が求められるようになっている。
特開２００３−２７００５６号公報

しかし、本発明者が詳細に検討したところ、上記従来の高圧ガスタンクでは、燃料ガスを満充填することが困難な場合があることが判明した。これは、断熱圧縮によって温度上昇した燃料ガスの状態を十分に把握できないことによると推定される。

一方で、そのような燃料ガスの温度上昇そのものを抑えるべく、長時間かけて準静的に燃料ガスを燃料ガス容器内に充填する方法も想定される。しかし、そうすると過度に長時間の作業が強いられてしまう。将来的にガスステーション等のガス充填設備において、現在のガソリン燃料の給油時間並みのガス充填時間を実現することが望まれるところ、そのような長時間の燃料ガス充填作業は非現実的である。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、車両等に搭載された燃料ガス容器へ燃料ガスを充填する際に、作業時間を過度に増大させることなく、燃料ガスの満充填が可能な燃料ガス容器、及び燃料ガス充填方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による燃料ガス容器は、中空状を成し、常圧に比して圧力が高められた燃料ガスが充填されるものであって、燃料ガス容器の長軸方向の一方端側に設けられた燃料ガスの供給口と、長軸方向に沿って設けられた複数の温度検出部とを備える。

このように長軸方向に延在する燃料ガス容器の一方端側から燃料ガスを充填していくと、その長軸方向に沿って燃料ガス容器内に燃料ガスの有意な温度分布が生じる傾向にある。ある場合には、特開２００３−２６７０６９号に記載されているように、一方端側の燃料ガスの供給口（充填口）から燃料ガス容器内に噴出された燃料ガスの大部分は、高速で一気に他方端側に衝突し、その衝突エネルギーによって他方端側が一方端側よりも高温になり得る。すなわち、燃料ガスを供給する側を頭部とし反対側を底部とすれば、頭部の温度が比較的低く、底部の温度が比較的高くなるような温度勾配が生じる。

また、その長軸方向における温度勾配は、燃料ガスの充填速度、充填圧、燃料ガス容器の材質、形状、等によって異なると共に、短軸方向すなわち燃料ガス容器の半径方向に生じ得る温度勾配よりも大きい傾向にある。よって、従来のように燃料ガス容器の単一箇所（単点）で燃料ガス温度を測定しても、実際に生じている温度分布を正確に算定することができず、燃料ガスの状態把握が不十分となってしまい、満充填するための適正な量の燃料ガスを燃料ガス容器に充填することが困難となる。

また、燃料ガスの充填速度や雰囲気温度から燃料ガスの温度分布の形状モデルを仮定し、単一箇所での温度測定値とを組み合わせて充填中の温度分布を推定するといった手法も考えられる。しかし、充填の初期状態における温度分布は、車両に搭載された燃料ガス容器からの燃料ガスの放出量、車両走行時の雰囲気温度、及び車速（風量の相違により冷却度合いが異なる）等の差によって精度よく評価することが困難であるため、充填時の温度分布を正確に把握することはやはり難しい。

これに対し、上記の如く構成された本発明による燃料ガス容器においては、長軸方向の一方端側に燃料ガスの供給口が設けられた燃料ガス容器のその長軸方向に沿って複数の温度検出部が設けられているので、燃料ガスを充填する際に生じる燃料ガスの温度分布がより正確に算出される。また、このように正確な温度分布が得られるので充填時の燃料ガス容器内の状態を十分に把握でき、それに応じて燃料ガスの供給を適正に調節できる。よって、燃料ガス容器に過度の負荷を生じさせてしまうような燃料ガスの充填操作を抑止でき、燃料ガス容器の耐久性を損なうことが防止される。

ここで、複数の温度検出部の設置数や設置位置、設置間隔は、対象となる燃料ガス容器で想定される燃料ガスの温度分布を予め実験的に求めておき、その温度分布に応じて適宜決定することができる。

より具体的には、複数の温度検出部が、少なくとも長軸方向における燃料ガス容器の両端部（外部でも内部でもよい）にそれぞれ設けられた温度検出センサを有するものであると好ましい。

また、本発明による燃料ガス充填方法は、本発明の燃料ガス容器を用いて有効に実施される方法であり、中空状を成す燃料ガス容器に、常圧に比して高い圧力で燃料ガスを充填する方法であって、燃料ガス容器の長軸方向に沿った複数の部位において、燃料ガス容器、又は燃料ガス容器内の燃料ガスの温度を測定し、測定された複数の温度実測値を用いて、燃料ガス容器内における燃料ガスの温度分布又は温度勾配を評価する温度測定評価工程と、温度分布又は温度勾配に基づいて、燃料ガス容器内に充填する燃料ガスの量を調節する燃料ガス供給調節工程とを備える。

さらに、燃料ガス供給工程におけるより具体的な燃料ガス量の調節手順としては、例えば、まず、温度測定評価工程で得られた温度分布を燃料ガス容器の長軸方向全長に亘って且つ燃料ガス容器の短軸方向（半径方向）の内部長つまり胴部内径に亘って体積積分する。そして、得られた体積積分値を燃料ガス容器の内容積で除して燃料ガス容器内の燃料ガスの平均温度（代表温度）を算出し、予め求めておいたその温度に応じた量の燃料ガスをその温度に応じた充填速度で充填する。なお、燃料ガス容器内の燃料ガスの圧力を圧力センサ等で同時に測定し、その圧力の実測値を更に加味して燃料ガスの供給を調節するようにしても好ましい。

またさらに、燃料ガスの温度は充填開始から時間が経過するにつれて上昇し、また、温度分布も時間の経過と共に変化するので、燃料ガスを充填している間、温度検出部による温度測定を、常時、連続的又は断続的に実施し、温度分布を逐次算出しながら燃料ガスの燃料ガス容器への供給を調節制御することが望ましい。さらにまた、燃料ガス容器の表面を適宜の冷媒で冷却しながら燃料ガスの充填を行ってもよく、このようにしても燃料ガスの温度分布が少なからず生じるため、本発明は極めて有用である。

本発明の燃料ガス容器、及び燃料ガス充填方法によれば、燃料ガス容器に燃料ガスを充填する際に、燃料ガス容器内の燃料ガスの温度分布をより正確に把握できるので、作業時間を不都合に増大させることもなく、燃料ガスを燃料ガス容器内に満充填することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。

図１は、本発明による燃料ガス容器の好適な一実施形態を模式的に示す側面図（一部破断面図）である。ガスタンク１（燃料ガス容器）は、中空且つ略円筒状を成し長軸方向（図示矢印Ｌで表される方向）の両端部が縮径している胴部２の一方端に、水素ガス等の燃料ガスの給排口Ｋが設けられたものである。胴部２は、例えば燃料ガスを遮断するための内部ライナーの周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が巻回されたものである。また、胴部２の給排口Ｋが設けられた部位には、環状の口金３が突設されている。

さらに、この口金３には、耐圧シール構造を有するバルブ４が螺合等により嵌着されている。またさらに、バルブ４には、ボス５が口金３内に遊挿されるように固定されており、ボス５の先端が胴部２内部の一方端に位置するように配置されている。さらにまた、ボス５の先端部上には、サーミスタや熱電対等の公知の感温又は検温素子を有して成る温度センサＳ１が設けられている。また、バルブ４には、図示しない燃料ガスステーション等に設けられた燃料ガス供給源を有する燃料ガス供給系Ｈが接続されるようになっている。

また、ガスタンク１の長軸方向における他方端には、孔部が設けられ、そこから環状の口金６が突設している。この口金６には、ボス７が口金６内に遊挿されるように、例えば螺合により嵌着されており、ボス７の先端が胴部２内部の他方端に位置するように配置されている。さらに、ボス５の先端部上には、温度センサＳ１と同種の温度センサＳ２が設置されている。

また、温度センサＳ１，Ｓ２は、入出力インターフェースと演算部（共に図示せず）を備える温度分布算出部８に接続されており、この温度分布算出部８は燃料ガス供給系Ｈに接続されている。

このように構成されたガスタンク１に燃料ガスを充填する際には、まず、バルブ４に燃料ガス供給系Ｈの配管を接続し、バルブ４を開放する。同時に、温度センサＳ１，Ｓ２によるガスタンク１内部の雰囲気ガス温度の測定を開始する。温度センサＳ１，Ｓ２からの検出信号（例えば、電流信号、電圧信号）は、実時間で温度分布算出部８へ出力される。温度分布算出部８では、入力された検出信号が演算部において温度に換算され、これにより、ガスタンク１の胴部２内部の両端部における燃料ガス温度が実時間で連続的に又は断続的に測定される。

また、この燃料ガスの充填に先立って、ガスタンク１の寸法形状、材質、充填開始前のガスタンク１内の燃料ガス残留量、周囲の雰囲気温度等に加え、胴部２内の両端部における燃料ガス温度と、胴部２内の長軸方向における燃料ガスの温度分布又は温度勾配との関係を予め実測又は推算しておき、その関係を、例えば表データ又は数式データとして温度分布算出部８に記憶させておく。そして、温度分布算出部８では、温度センサＳ１，Ｓ２によって測定された胴部２内部の両端部における燃料ガス温度の実測値と、上記の関係とに基づいてガスタンク１内部の長軸方向に沿った燃料ガスの温度分布が算出される（温度測定評価工程）。

ここで、図２は、ガスタンク１における長軸方向長さと燃料ガス温度との関係の一例を模式的に示すグラフであり、図示曲線Ｔは、燃料ガスの充填開始から一定時間経過した時に、温度分布算出部８で得られた温度分布曲線の一例を示す。

温度分布算出部８では、さらに、こうして得られたある時刻における燃料ガスの温度分布（曲線Ｔ）に対し、例えば、ガスタンク１の長軸方向全長に亘って且つガスタンク１の短軸方向（半径方向）の内部長（胴部内径）に亘って体積積分を施す。こうすることにより、言わばガスタンク１内の燃料ガスが保有する熱量が評価される。それから、得られた体積積分値をガスタンク１の内容積で除してガスタンク１内の燃料ガスの平均温度（代表温度）を算出する。

さらに、温度分布算出部８では、その時点で既にガスタンク１内に供給した燃料ガス量及び充填前の燃料ガス残量と、得られたガスタンク１内の燃料ガス温度の平均値とに基づいて、燃料ガスの適正な供給状態（充填速度、充填圧、充填量等）の指示信号を燃料ガス供給系Ｈへ送出する。燃料ガス供給系Ｈでは、その指示信号に基づいてガスタンク１への燃料ガスの供給状態を調節する（燃料ガス供給調節工程）。

なお、ガスタンク１内の燃料ガス温度は、特許文献１にも記載されているように、燃料ガスの充填開始から時間の経過とともに時々刻々変化し（通常は徐々に上昇していく）、温度分布も時間の経過と共に変化する、すなわち図２に例示された曲線Ｔが変化するので、燃料ガスを充填している間、温度分布算出部８では、上述した温度分布又は温度勾配の算出、及びガスタンク１における燃料ガス温度の平均値の算出を逐次実行し、燃料ガス供給系Ｈからの燃料ガスの供給を実時間で調整する。このとき、ガスタンク１内の燃料ガスの圧力を図示しない圧力センサ等で同時に常時測定し、その圧力の実測値を更に考慮して燃料ガスの供給状態を調節するようにすると一層好ましい。

このような構成のガスタンク１及び燃料ガス充填方法によれば、温度センサＳ１，Ｓ２を装備するので、ガスタンク１の長軸方向における燃料ガスの温度の差異すなわち温度分布を実測評価できる。よって、燃料ガスを充填する際にガスタンク１内に生じる燃料ガスの温度分布を、単一の温度検出器を用いて測定評価していた従来に比してより確実に精度よく算定することができる。

したがって、そのように得られた温度分布に基づいて燃料ガスの供給状態を適正に調節することが可能となる。その結果、作業時間を不都合に増大させることもなく、適正量の燃料ガスを燃料ガス容器内に満充填することが可能となる。また、このようにガスタンク１内の状態把握を正確に行って燃料ガス供給を適正に実施できるので、燃料ガス充填時のガスタンク１への負荷を軽減でき、もってガスタンク１の耐久性を損なうことを抑止できる。

また、温度センサＳ１，Ｓ２がガスタンク１の長軸方向における両端部に設けられており、それらの値に基づいてガスタンク１内の燃料ガスの温度分布を確実に把握することができるので、燃料ガスの供給を調節する確度及び精度を向上できる。特に、図２に例示されるように、給排口Ｋから遠ざかるにつれて燃料ガスの温度が単調に上昇するような温度勾配が生じるようなときに、極めて有効である。

さらに、このように温度センサＳ１，Ｓ２による温度実測値に基づいて温度分布を算出し、その温度分布から、ガスタンク１内の燃料ガス全体の代表値として温度平均値を求め、さらにその値に基づいて燃料ガス供給系Ｈからの燃料ガスの供給状態を調節するようにすれば、燃料ガスの供給調節を簡易に行うことができるので好ましい。またさらに、温度分布を経時的に且つ実時間でモニターしながら、その変化に応じて燃料ガス供給を調節するので、ガスタンク１内への燃料ガスの満充填をより確実ならしめることができる。

さらにまた、ガスタンク１の長軸方向における温度分布が、例えば図２に示すような単調的な傾向よりも複雑な場合が予想されるときには、図１に一点鎖線で示すように、胴部２の側壁の内部に温度センサＳ１，Ｓ２と同種の温度センサＳ３，Ｓ４を適当な間隔で更に設置してもよい。温度センサＳ３，Ｓ４は、ガスタンク１の内部に露呈するように設けてもよく、或いは、ガスタンク１が複数層で形成されているような場合には、層間に設けてもよい。このとき、温度センサＳ１，Ｓ２と温度センサＳ３，Ｓ４とが長軸に沿って同軸上に設けられていないが、例えば、ガスタンク１の短軸方向（半径方向）における温度分布を予め実測又は推算して求めておくことで、所望の補正が可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、温度センサＳ１，Ｓ２はガスタンク１の長軸方向の両端部に設置する必要はなく、長軸方向における燃料ガスの温度分布が有意に実測評価できる位置に設けられていればよい。また、温度センサＳ３，Ｓ４はなくてもよく、設ける場合には、いずれか一方でもよく、より多くの温度センサを設置してもよい。さらに、温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は異種のものでもよい。またさらに、口金３，６のいずれか一方を燃料ガスの供給口とし、且つ、他方を燃料ガスの排出口としても構わない。

さらにまた、ガスタンク１を冷却しながら燃料ガスを充填するようにすれば、燃料ガスの充填量を更に増大できる。また、ガスタンク１は、内部ライナーを有するＦＲＰ製でなくともよく、例えば金属製であってもよいし、また、単層構造であってもよく、３層以上の多層構造を有していてもよい。さらに、二つの温度センサＳ１，Ｓ２を設ける場合、必ずしもボス５，７に設ける必要はなく、ガスタンク１の両端部の近傍に配置することが好ましい。

本発明による燃料ガス容器及び燃料ガス充填方法は、燃料ガス容器の長軸方向に沿って設けられた複数の温度検出部によって燃料ガス容器内における燃料ガスの温度分布を実測し、それに基づいて燃料ガスの供給を調節するように制御することができ、これにより適正量の燃料ガスを燃料ガス容器内に満充填することが可能となる。よって、燃料ガスンクを備える燃料電池自動車、天然ガス自動車等機器、動機、設備等の圧力容器を使用する技術分野に広く利用することができる。

本発明による燃料ガス容器の好適な一実施形態を模式的に示す側面図（一部破断面図）である。 ガスタンク１における長軸方向長さと燃料ガス温度との関係の一例を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１…ガスタンク（燃料ガス容器）、２…胴部、３，６…口金、４…バルブ、５，７…ボス、８…温度分布算出部、Ｈ…燃料ガス供給系、Ｋ…給排口、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…温度センサ（温度検出部）。

Claims (3)

1. 中空状を成し、常圧に比して圧力が高められた燃料ガスが充填される燃料ガス容器であって、
   当該燃料ガス容器の長軸方向の一方端側に設けられた前記燃料ガスの供給口と、
   前記長軸方向に沿って設けられた複数の温度検出部と、
   を備える燃料ガス容器。
2. 前記複数の温度検出部は、少なくとも前記長軸方向における当該燃料ガス容器の両端部にそれぞれ設けられた温度検出センサを有する、
   請求項１記載の燃料ガス容器。
3. 中空状を成す燃料ガス容器に、常圧に比して高い圧力で燃料ガスを充填する方法であって、
   前記燃料ガス容器の長軸方向に沿った複数の部位において、該燃料ガス容器、又は該燃料ガス容器内の前記燃料ガスの温度を測定し、該測定された複数の温度実測値を用いて、前記燃料ガス容器内における前記燃料ガスの温度分布又は温度勾配を評価する温度測定評価工程と、
   前記温度分布又は温度勾配に基づいて、前記燃料ガス容器内に充填する前記燃料ガスの量を調節する燃料ガス供給調節工程と、
   を備える燃料ガス充填方法。
   
   
   
   

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