JP2007071266A - 水素自動車への液化水素の供給、充填方法およびその供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素自動車の燃料タンクに液化水素を充填する際に、高価で予冷が必要な液送ポンプを用いず液化水素の充填が行え、燃料タンクへの充填量を簡便に正確に知る。
【解決手段】液化水素の貯蔵タンク１と、貯蔵タンク１からの液化水素を一時的に溜め、動力媒体として作用する水素ガスによって加圧されて、内部の液化水素が押し出される１基以上のバンク４と、これらバンク４に接続され、バンク４から押し出された液化水素を受け入れて水素自動車の燃料タンク２８に供給するとともに燃料タンク２８から気化した水素ガスを受け入れるディスペンサ１１と、気化した水素ガスを加圧して上記バンク４に動力媒体として送給する回収加圧部を備えた液化水素供給装置。ディスペンサ１１には、液化水素の供給量を求める液体積算流量計１８と、燃料タンクからの水素ガスの流量を求める気体積算流量計２１を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素自動車の燃料タンクに液化水素を供給し、充填するための液化水素の供給、充填方法とそのための供給装置に関する。

次世代の自動車として、水素ガスを燃料として走行する水素自動車の開発が進められている。
水素自動車は、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の排出量が少なく、大気汚染や環境負荷が少ないと言う特長がある。

水素自動車の燃料タンクに充填する水素として水素ガスを用いる場合がある。しかし、この場合には、一回の充填で走行可能な距離が短いという大きな障害がある。この障害を克服するために、燃料タンクを大型化したり、燃料タンクの耐圧力を高めたりして、多量の高圧の水素ガスを充填することが検討されているが、これらの方法は、自動車内部の有効利用できる空間が減少する、車重が重くなるなどの欠陥がある。

一方、燃料として液化水素を充填する方法がある。これによれば、１回の充填による走行可能距離を大きく伸ばすことができる。
しかし、液化水素を供給し、燃料タンクに充填するには、極低温用の液送ポンプが必要になるが、この種の液送ポンプは、構造が複雑で極めて高価である問題がある。また、液送ポンプを使用に先立って予冷する必要があり、手間がかかる問題もある。

また、料金請求システム構築の点から、燃料タンクに充填された液化水素の充填量を正確に知ることが必要になる。
ところが、水素は軽量であって、液化水素を例えば１４０リットル充填してもその重量は９．９ｋｇ程度であり、自動車全体の重量に占め割合は小さく、自動車の重量変化をロードセルによって計測し、充填量を求める方法も実用性に欠けることになる。
特開２００５−８３５６７号公報

よって、本発明における課題は、水素自動車の燃料タンクに液化水素を供給し、充填する際に、高価で予冷が必要な液送ポンプを用いることなく液化水素の供給、充填が行えるようにし、かつ燃料タンクへの液化水素の充填量が簡便に正確に把握できるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、水素自動車の燃料タンクに液化水素を供給、充填する方法であって、
液化水素貯蔵タンクからの液化水素を水素自動車の燃料タンクに供給する際に不可避的に気化して発生する水素ガスの一部または全部を、液化水素の供給のための動力媒体として利用することを特徴とする水素自動車への液化水素の供給、充填方法である。

請求項２にかかる発明は、不可避的に発生する水素ガスを加圧して、動力媒体として利用することを特徴とする請求項１記載の水素自動車への液化水素の供給、充填方法である。
請求項３にかかる発明は、液化水素の供給量と燃料タンクで不可避的に発生する水素ガスの量とから、燃料タンクへの液化水素の充填量を求めることを特徴とする請求項１記載の水素自動車への液化水素の供給、充填方法である。

請求項４にかかる発明は、液化水素を貯える貯蔵タンクと、この貯蔵タンクからの液化水素を一時的に貯留し、動力媒体として作用する水素ガスによって加圧されて、内部の液化水素が押し出されるように構成された１基以上のバンクと、これらバンクに接続され、バンクから押し出された液化水素を受け入れて水素自動車の燃料タンクに供給するとともに該燃料タンクにおいて気化した水素ガスを受け入れるディスペンサと、このディスペンサに流入した水素ガスとバンクで気化した水素ガスを回収し加圧して上記バンクに動力媒体として送給する回収加圧部を備えたことを特徴とする水素自動車用液化水素供給装置である。

請求項５にかかる発明は、ディスペンサには、液化水素の供給量を求める液体積算流量計と、燃料タンクからの水素ガスの流量を求める気体積算流量計が備えられたことを特徴とする請求項４記載の水素自動車用液化水素供給装置である。

請求項６にかかる発明は、回収加圧部が、バンクにおいて発生した水素ガスとディスペンサからの水素ガスとを加熱する加熱器と、この加熱器で加熱された水素ガスを貯蔵する水素ガスホルダーと、この水素ガスホルダーからの水素を加圧する圧縮機と、この圧縮機で加圧された水素ガスを所定圧力で一時的に貯える蓄圧器と、この蓄圧器からの水素ガスの圧力を減圧する減圧弁と、減圧弁からの水素ガスを冷却する冷却器と、この冷却器で冷却された水素ガスをバンクに送る加圧弁を備えたものであることを特徴とする請求項４記載の水素自動車用液化水素供給装置である。

本発明によれば、液化水素の供給、充填に伴ってその配管、タンク、バンクなどにおいて必然的、かつ不可避的に気化して生じる水素ガスを液化水素の移送用の動力媒体として利用しているので、高価で取り扱いが面倒な液送ポンプが不要となる。
また、水素自動車の燃料タンクへの液化水素の充填量を、液化水素の供給量と燃料タンクにおいて気化する水素ガスの流量とから求めているので、精密なロードセルのような秤量装置が不要となり、簡便な方法で正確な液化水素の燃料タンクへの充填量を知ることができる。

以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の水素自動車用液化水素供給装置の一例を示すものである。
図において、符号１は、貯蔵タンクを示す。この貯蔵タンク１は、その内部に液化水素を貯えるもので、この貯蔵タンク１には、例えばタンクローリー２により、液化水素製造工場から運搬された液化水素が供給され、貯蔵される。

また、貯蔵タンク１の内部に貯蔵された液化水素が管３を介して外部に抜き出されるようになっている。この管３はその途中で分岐され、管３Ａに分流した液化水素が第１のバンク４Ａに流入し、管３Ｂに分流した液化水素が第２のバンク４Ｂに流入し、管３Ｃに流れた液化水素が第３のバンク４Ｃにそれぞれ流入するようになっている。
また、管３Ａ、３Ｂ、３Ｃの途中には、供給弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃがそれぞれ取り付けられ、ここを流れる液化水素の流れを制御するようになっている。

第１、第２および第３のバンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、いずれも貯蔵タンク１からの液化水素を一時的に貯え、これを要求に応じて送り出すためのものである。
各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃには、液化水素の液面を感知する液面計６Ａ、６Ｂ、６Ｃが設けられ、さらにその内部の気相空間に連通する管７Ａ、７Ｂ、７Ｃが接続されている。

また、管３Ａ、３Ｂ、３Ｃには、充填管８Ａ、８Ｂ、８ｃが接続され、これに各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃからの液化水素が流れ、これら充填管８Ａ、８Ｂ、８Ｃにそれぞれ設けられた充填弁９Ａ、９Ｂ、９Ｃを通った後に合流し、管１０からディスペンサ１１に流入するようになっている。

また、各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃの気相空間に連通する管７Ａ、７Ｂ、７Ｃには、管１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃがそれぞれ接続され、各バンク内の液化水素が気化して生じた水素ガスがここに流れ、回収弁１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを経て管１４に流れ、逆止弁１５を通って、熱交換器１６の一次側入口に流入するようになっている。

ディスペンサ１１は、管１０に接続される管１７と、この管１７に設けられた遮断弁１８と、液体積算流量計１９と、回収管２０と、この回収管２０に設けられた元弁２１と、気体積算流量計２２とから概略構成されている。
遮断弁１８は、管１７を流れる液化水素の流れを制御する開閉弁であり、液体積算流量計１８は、管１７を流れる液化水素の積算流量を求めるものである。

また、回収管２０は、後述する水素自動車の燃料タンクから気化して発生する水素ガスを回収するもので、元弁２１は、この水素ガスの流れを制御する開閉弁であり、気体積算流量計２２は、この水素ガスの積算流量を求めるものである。
この回収管２０を流れる液化水素は、逆止弁を通って管２３を流れ、管１４と合流して熱交換器１６の一次側入口に流入するようになっている。

ディスペンサ１１の液化水素が流れる管１７には、充填ホース２４が接続され、回収管２０には、回収ホース２５が接続されている。充填ホース２４および回収ホース２５は、ともに可撓性のものであって、両者は束ねられて一体となっている。これら充填ホース２４および回収ホース２５の先端には、口金２７が取り付けられており、この口金２７は、水素自動車の燃料タンク２８の供給口２９に着脱可能となっている。

また、水素自動車の燃料タンク２８は、液化水素を貯えるタンク本体３０と、上記供給口２９とタンク本体３０を繋いで液化水素を流す管３１と、タンク本体３０内で気化して発生した水素ガスを供給口２９に戻す管３２とから概略構成されている。

この構成により、ディスペンサ１１の管１７を流れる液化水素は、液体積算流量計１９によって積算流量が求められたうえ、充填ホース２４を通り、供給口２９を経て燃料タンク２８のタンク本体３０内に供給され、充填されることになる。また、タンク本体３０内で発生した水素ガスは、管３２、供給口２９、回収ホース２５、管２０、元弁２１を流れ、さらに気体積算流量計２２においてその積算流量が求められたうえ、管２３を経て、熱交換器１６に送り込まれることになる。

熱交換器１６の一次側入口に流入した水素ガスは、ここで戻りガスと熱交換して、加熱され、さらに加温器３３で加熱されて、ほぼ常温となり水素ガスホルダー３４に送られて、ここで貯えられる。水素ガスホルダー３４内の水素ガスの一部は、管３５から抜き出され、圧縮機３６で１０〜９０ＭＰａ程度に加圧され、管３７から蓄圧器３８に送られ、ここで一時的に貯えられる。

蓄圧器３８からの水素ガスは、管３９を通り減圧弁４０にて、０．１〜５．０ＭＰａ程度に減圧され、管４１を流れて、熱交換器１６の二次側入口に流入し、ここで上記水素ガスと熱交換して−２５３〜０℃程度に冷却され、管４２に流れる。

この管４２には、各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃに設けられた管７Ａ、７Ｂ、７Ｃに繋がる管４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが接続されており、これら管４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃには、それぞれ加圧弁４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃが取り付けられ、ここを流れる水素ガスの流れを制御するようになっている。

この構成により、管４２を流れる圧力０．１〜５．０ＭＰａの水素ガスが管４３Ａ、４３Ｂ、５３Ｃを流れ、加圧弁４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃを開とすることで、水素ガスが各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃの気相空間に流入し、内部の液化水素を加圧することになる。

また、水素ガスホルダー３４内の水素ガスの一部は、管４５から水素液化装置４６に送られ、ここで液化水素とされ、この液化水素が管４７からの貯蔵タンク１に送られ、再使用することができるようになっている。
さらには、圧縮器３６で加圧された水素ガスは、その一部が管３７から管４８に分流され、水素カードル４９のシリンダに充填され、別途使用されることができるようにもなっている。

また、以上の構成部分のうち、液化水素に接触する部分は、沸点−２５２．８℃（１ａｔｍ）の極低温となるので、断熱特性が特に良好なスーパーインシュレーション構造となっている。

次に、この供給装置の動作について説明する。
初めに、貯蔵タンク１には、０〜１．０ＭＰａの液化水素が貯蔵され、水素ガスホルダー３４には０〜１．０ＭＰａの水素ガスが貯えられ、蓄圧器３８には１０〜９０ＭＰａの水素ガスが貯えられ、減圧弁４０の設定圧力は０．１〜５．０ＭＰａとされる。また、各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃには０〜１．０ＭＰａの液化水素が貯蔵されているものとする。

さらに、供給弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、充填弁９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、加圧弁４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃは、すべて閉とされ、回収弁１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃはすべて開とされているものとする。
この状態で、ディスペンサ１１から延びる充填ホース２４と回収ホース２５の口金２７を水素自動車の燃料タンク２８の供給口２９に接続し、ディスペンサ１１の元弁２１を開にする。これによりタンク本体３０内の圧力は大気圧となる。

ついで、第１バンク４Ａの加圧弁４４Ａと充填弁９Ａを開とし、ディスペンサ１１の遮断弁１８を開とする。これにより第１バンク４Ａ内部が水素ガスで加圧され、内部の圧力が ＭＰａとなる。この圧力によって内部に貯えられた液化水素が押し出され、管８Ａを通り、ディスペンサ１１を介して燃料タンク２８に供給され、タンク本体３０に充填される。この時の液化水素の供給量は、液体積算流量計１８によって求められる。

このディスペンサ１１からの液化水素の供給に伴って、液化水素に接する配管、弁、タンク本体等が冷却され、その際に液化水素が気化して水素ガスが不可避的に発生する。この水素ガスは、タンク本体３０の上部に溜まり、管３２、回収ホース２５、管２０を通り、気体積算流量計２１でその積算流量が求められたうえ、熱交換器１６、加熱器３３を経て水素ガスホルダー３４に回収される。この回収された水素ガスは、上述のように加圧されて各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃに送られ、液化水素の供給のための動力媒体として作用する。

そして、液体積算流量計１８によって求められた液化水素の供給量と、気体積算流量計２１によって求められた回収水素ガスの量とから、燃料タンク２８のタンク本体３０内に充填された液化水素の充填量が正しく求められることになる。

また、第１バンク４Ａ内の液化水素の貯蔵量は、液面計６Ａで監視され、規定値以下となった場合には、第１バンク４Ａの加圧弁４４Ａ、充填弁９Ａを閉とし、回収弁１３Ａを開とし、第２バンク４Ｂの加圧弁４４Ｂ、充填弁９Ｂを開とし、回収弁１３Ｂを閉として、第２バンク４Ｂから液化水素をディスペンサ１１に流すようにする。以下、第２バンク４Ｂ内の液化水素が規定値以下となった場合には、同様にして第３バンク４Ｃから液化水素を送り出すようにする。

液化水素の貯蔵量が低下したバンク４には、その供給弁５を開として、貯蔵タンク１から新たに液化水素を補充することになる。

また、各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃでは、液化水素の貯蔵に伴って、同様に水素ガスが発生するが、この水素ガスは、管１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを通り、回収弁１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを経て、管１０に流れ、熱交換器１６、加温器３３を通って水素ガスホルダー３４に回収される。この回収された水素ガスも、同様に加圧されて各バンク４Ａ、４Ｂ、４Ｃに送られ、液化水素の供給のための動力媒体として作用する。

このような液化水素供給装置にあっては、液化水素と接するバンク４、各配管、燃料タンク２８などにおいて、不可避的に発生する水素ガスを回収し、その一部を加圧してバンク４から液化水素を送り出すための動力媒体としているため、極めて高価で予冷を必要とする液送ポンプを用いる必要がない。
また、燃料タンク２８への液化水素供給量から燃料タンク２８において気化した水素ガス量を差し引いて、燃料タンク２８への液化水素の充填量を算出しているので、燃料タンク２８への液化水素充填量を簡便に、かつ正しく知ることができる。

さらに、回収した水素ガスの残部を必要に応じて、液化して再使用したり、水素カードル２９のシリンダーに充填して別の用途に使用したりすることもでき、経済性にも優れたものとなる。また、水素ガスホルダー３４に回収された水素ガスは常温となっているので、この水素ガスホルダー３４、圧縮機３６、蓄圧器３８、減圧弁４０等の機器に常温仕様のものを採用することができ、設備コストを抑えることもできる。

本発明の液化水素供給装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・貯蔵タンク、４Ａ・・第１のバンク、４Ｂ・・第２のバンク、４Ｃ・・第３のバンク、１１・・・ディスペンサ、１６・・熱交換器、１９・・液体積算流量計、２１・・元弁、２２・・気体積算流量計、２８・・燃料タンク、３３・・加温器、３４・・水素ガスホルダー、３６・・圧縮機、３８・・蓄圧器、４０・・減圧弁、４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ・・加圧弁

Claims (6)

1. 水素自動車の燃料タンクに液化水素を供給、充填する方法であって、
   液化水素貯蔵タンクからの液化水素を水素自動車の燃料タンクに供給する際に不可避的に気化して発生する水素ガスの一部または全部を、液化水素の供給のための動力媒体として利用することを特徴とする水素自動車への液化水素の供給、充填方法。
2. 不可避的に発生する水素ガスを加圧して、動力媒体として利用することを特徴とする請求項１記載の水素自動車への液化水素の供給、充填方法。
3. 液化水素の供給量と燃料タンクで不可避的に発生する水素ガスの量とから、燃料タンクへの液化水素の充填量を求めることを特徴とする請求項１記載の水素自動車への液化水素の供給、充填方法。
4. 液化水素を貯える貯蔵タンクと、この貯蔵タンクからの液化水素を一時的に貯留し、動力媒体として作用する水素ガスによって加圧されて、内部の液化水素が押し出されるように構成された１基以上のバンクと、これらバンクに接続され、バンクから押し出された液化水素を受け入れて水素自動車の燃料タンクに供給するとともに該燃料タンクにおいて気化した水素ガスを受け入れるディスペンサと、このディスペンサに流入した水素ガスとバンクで気化した水素ガスを回収し加圧して上記バンクに動力媒体として送給する回収加圧部を備えたことを特徴とする水素自動車用液化水素供給装置。
5. ディスペンサには、液化水素の供給量を求める液体積算流量計と、燃料タンクからの水素ガスの流量を求める気体積算流量計が備えられたことを特徴とする請求項４記載の水素自動車用液化水素供給装置。
6. 回収加圧装部が、バンクにおいて発生した水素ガスとディスペンサからの水素ガスとを加熱する加熱器と、この加熱器で加熱された水素ガスを貯蔵する水素ガスホルダーと、この水素ガスホルダーからの水素を加圧する圧縮機と、この圧縮機で加圧された水素ガスを所定圧力で一時的に貯える蓄圧器と、この蓄圧器からの水素ガスの圧力を減圧する減圧弁と、減圧弁からの水素ガスを冷却する冷却器と、この冷却器で冷却された水素ガスをバンクに送る加圧弁を備えたものであることを特徴とする請求項４記載の水素自動車用液化水素供給装置。
   

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