JP2007261589A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料供給ステーション（ガソリンスタンド）において、系統電源（商用電源）の停電時においても車両への燃料補給を可能にする。
【解決手段】燃料計量機（給油機）３０において、燃料槽２１〜２３から車両側に燃料を移送する際に用いられる燃料ポンプ４１〜４３を駆動するモータとして、三相モータ５１〜５３を使用する。系統電源の停電時に
は、燃料電池１１で発生した直流電力をパワーコンディショナ１２によって単相交流電力に変換し、この単相交流電力を単相三相変換器１７で三相交流電力に変換し、この三相交流電力を用いて、三相モータ５１〜５３を駆動させる。燃料電池１１は、平常時には、分散電源として、パワーコンディショナ１２により系統電源側の単相交流電力と連系させて動作させるようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給ステーションにおいて車両に対してガソリンや軽油などの燃料を供給する燃料供給システムに関し、特に、災害等によって商用電源（系統電源）が長時間にわたって停電する場合であっても燃料を供給できる燃料供給システムに関する。

トラック、バス、乗用車などの道路運送車両に対してガソリンや軽油などの燃料を供給する燃料供給ステーション（給油所；ガソリンスタンド）は、通常、電気事業者の系統電源（商用電源）から得た電力を用いて稼動している。

現在、燃料供給ステーションにおいて、車両に燃料を供給するために用いられる燃料計量機は、１台で複数の油種（例えばレギュラーガソリン、プレミアムガソリン（ハイオクガソリン）、軽油など）に対応できるものが主流である。この種の燃料計量機（給油機）は、油種ごとに、該当油種の燃料を供給するためのポンプを構成するモータを備えており、これらのモータは、例えば、三相２００Ｖで駆動される定格７５０Ｗのものである。

ところで、地震等の災害が発生し、系統電源が長時間にわたって停電するような場合を想定すると、そのような災害時においても各種の緊急車両等に給油を行う必要があるから、燃料供給ステーションは、その燃料供給機能を維持していることが望まれる。燃料供給ステーションを停電時などの災害時対応とするためには、電源を確保して燃料計量機などを動作させることができるようにするとともに、かつ、給水可能であることが必要である。給水可能であるという要件は、貯水槽を燃料供給ステーションに備えることで容易に満たされる。これに対し、電源を確保し燃料計量機を動作させる、という要件を満たすためには、まず、系統電源からは自立した電源を燃料供給ステーションに設けることが必要である。災害時に使用可能な自立電源として、燃料電池を備え、燃料電池が発生する直流電力を交流電力に変換して出力する燃料電池発電装置が知られているが、燃料供給ステーションに燃料電池発電設備などの自立電源を設けたとしても、燃料電池発電設備が出力する交流電力は一般に単相電力であるので、動力負荷として三相モータを使用する燃料計量機を動作させることはできない。

なお、燃料電池で動作する計量機として特開２００５−１８９０４７号公報（特許文献１）に開示されるものがあるが、この公報に記載の計量機は、小売店の店頭などにおいて商品の質量を計測することを目的としているので、燃料供給ステーションにおいてガソリンなどを車両に給油する用途には使用することができない。
特開２００５−１８９０４７号公報

燃料電池は、気象条件等によらずに燃料があり続ける限り動作するものであるから、燃料電池発電装置は、地震等の災害が発生して系統電源における停電が持続することが想定される場合における非常用電源として有望なものである。しかしながら、上述したように、燃料電池発電設備を設けたとしても、燃料供給ステーションにおける燃料供給機能（給油機能）を維持することはできない。

そこで本発明の目的は、車両等に燃料を供給する燃料供給ステーションにおいて用いられ、系統電源の停電時においても燃料供給を行うことができる燃料供給システムを提供することにある。

本発明の第１の燃料供給システムは、燃料を供給する燃料供給システムであって、燃料を貯蔵する燃料槽と、燃料槽から燃料を移送するためのポンプと、ポンプを駆動する三相モータと、燃料電池と、燃料電池で発生した直流電力を単相交流電力に変換するパワーコンディショナと、パワーコンディショナで生成した単相交流電力を三相交流電力に変換する単相三相変換器と、系統電源からの三相交流電力と単相三相変換器からの三相交流電力とを切り替えて三相モータに供給する切り替えスイッチと、を備える。

本発明の第２の燃料供給システムは、燃料を供給する燃料供給システムであって、燃料を貯蔵する燃料槽と、燃料槽から燃料を移送するためのポンプと、ポンプを駆動する単相モータと、系統電源から供給される三相交流電力を単相交流電力に変換する変換器と、燃料電池と、燃料電池で発生した直流電力を単相交流電力に変換するパワーコンディショナと、変換器からの単相交流電力とパワーコンディショナからの単相交流電力とを切り替えて単相モータに供給する切り替えスイッチと、を備える。

本発明の燃料供給システムは、例えば、レギュラーガソリン、プレミアムガソリン、軽油などの複数種類の燃料の供給が可能であることが好ましい。そのため、燃料供給システムは、燃料の種類ごとに燃料槽とポンプと三相（または単相）モータとを備えるとともに、切り替えスイッチが燃料電池からの電力供給を受ける側に切り替わっているときには同時には１台の三相（単相）モータのみを始動する制御シーケンスを実行する制御回路をさらに有することが好ましい。

本発明では、燃料電池から見た負荷変動を平滑化するために、パワーコンディショナの出力側に負荷調整器を接続することが好ましい。また、燃料電池の稼働率を向上させることなどのために、パワーコンディショナとして、燃料電池を単相交流電力の系統電源に連系させる機能を有するものを使用し、系統電源の稼動時において、パワーコンディショナが出力する単相交流電力が、系統電源からの単相交流電力とともに、燃料供給システムの設置場所の宅内の負荷に供給されるようにすることが好ましい。

本発明において燃料電池は、例えば、炭化水素を燃料とする燃料電池である。

本発明は、（１）燃料計量機の燃料ポンプを駆動するモータに三相モータを用いるとともに、この三相モータに対し、燃料電池が発生する直流電力を単相交流電力に変換しさらにこの単相交流電力を変換して得られる三相交流電力を供給できる構成としたことにより、また、（２）燃料計量機の燃料ポンプを駆動するモータに単相モータを用いるとともに、この単相モータに対し、燃料電池が発生する直流電力を変換して得た単相交流電力を供給できる構成としたことにより、系統電源の停電時にも車両に燃料を供給できるようになる、という効果がある。系統電源の通常稼動時には、この燃料電池を系統電源に連系させることで、トータルとしてのエネルギーコストの削減などを図ることができる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の燃料供給システムを示している。この燃料供給システムは、車両に対して燃料を供給する燃料供給ステーション（例えば、ガソリンスタンドなど）に設けられるものであって、３種類の燃料（例えば、レギュラーガソリン、プレミアムガソリン、軽油）を車両に供給することができるものである。燃料供給システムには、油種ごとにその油種の燃料を格納する燃料槽２１〜２３と、１台で３種類の燃料を車両に供給することができる燃料計量機３０とを備えている。燃料計量機３０には、油種ごとに給油ユニット３１〜３３と、燃料計量機３０全体の制御を行う制御回路３４とが設けられている。給油ユニット３１〜３３は、従来の燃料計量機の場合と同様に、それぞれ、対応する油種の燃料槽２１〜２３から燃料を車両に移送するための燃料ポンプ４１〜４３と、この燃料ポンプ４１〜４３を駆動する三相モータ５１〜５３と、燃料ポンプ４１〜４３によって燃料槽２１〜２３から取り出された燃料を車両側の燃料タンクに注入する際に用いられる給油ノズル６１〜６３とを備えている。この燃料供給システムでは、三相モータ５１〜５３を駆動するための三相交流電力は系統電源から切り替えスイッチ１３を介して供給されるようになっている。

さらにこの燃料供給システムでは、系統電源の停電時にも給油を可能とするために、燃料電池１１と燃料電池１１が出力する直流電力を単相２００Ｖの交流電力に変換するパワーコンディショナ１２と、パワーコンディショナから出力される単相交流電力を三相交流電力に変換する単相三相変換器１７と、パワーコンディショナ１２と単相三相変換器１７の間の電力配線に対して接続された負荷調整器１５と、を備えており、単相三相変換器１７が出力する三相交流電流は切り替えスイッチ１３に供給されている。単相三相変換器１７としては、トランスを使用する公知のものが使用される。切り替えスイッチ１３は、系統電源からの三相交流電力とパワーコンディショナ１２からの三相交流電力のいずれかを選択して三相モータ５１〜５３に供給するためのものであり、三相モータ５１〜５３は、切り替えスイッチ１３の共通端子に対して並列に接続している。負荷調整器１５は、燃料計量機３０における電力消費量が急変する場合であっても、燃料電池１１側（パワーコンディショナ１２側）から燃料計量機３０側を見たときの負荷が平準化されるようにするものである。この負荷調整器１５は、燃料電池１１を系統電源に連系させる場合に、燃料電池１１で発生する余剰電力を吸収するためにも使用される。なお、この燃料供給システムでは、後述するように、パワーコンディショナ１２が出力する単相交流電力は、系統電源の停電時において、燃料供給システムの設置場所の宅内の照明や空調などの負荷を動作させるための非常用電源とも使用されるものである。このため、パワーコンディショナ１２と切り替えスイッチ１３とを結ぶ配線から、それらの負荷に向けて非常用配線１９が分岐している。

燃料電池１１としては、例えば、炭化水素からなる燃料、例えば灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）などの燃料を改質して水素を生成する改質器と、この水素と酸素（空気）とが供給されて発電する燃料電池本体とを備えるものを用いることができる。燃料電池本体は、典型的な燃料電池として、水素及び酸素がそれぞれ供給される負極及び正極と、負極及び正極間に配置され水素イオンが透過可能な電解質膜とを備えている。

次に、本実施形態の燃料供給システムの動作について説明する。

系統電源が正常に稼動しているときには、切り替えスイッチ１３によって、三相交流の系統電源からの三相交流電力が燃料計量機３０に供給され、この三相交流電力によって三相モータ５１〜５３が駆動される。これにより、車両に燃料を供給することができる。

一方、系統電源が停電となっているときは、燃料電池１１を動作させるとともに、切り替えスイッチ１３を単相三相変換器１７側に切り替える。その結果、燃料電池１１で発生した直流電力はパワーコンディショナ１２によって単相交流電力に変換され、引き続いて単相三相変換器１７により三相交流電力に変換される。変換後の三相交流電力が切り替えスイッチ１３を介して燃料計量機３０に供給され、三相モータ５１〜５３の駆動に使用される。この燃料供給システムによれば、系統電源が停電であっても、三相モータ５１〜５３を動作させることができ、車両に燃料を供給することができる。なおこのとき、燃料供給システムの設置場所の宅内の負荷に対しても非常用配線１９によって単相交流電力を供給できる。

ところで、動力負荷であるモータ（単相モータ、三相モータのいずれであっても）は、その始動時には、定格電流の数倍に及ぶ始動電流が流れる。図２は、燃料計量機の燃料ポンプを駆動するためのモータにおける消費電流の時間経過の一例を示しているが、モータの定格電圧が２００Ｖ、定格出力が７５０Ｗであるときに、給油開始から最初の約１秒弱の時間帯では、２０Ａ程度の電流が流れ、給油開始から１秒が経過すると、消費電流は、定格電流である３．７Ａに落ち着く。系統電源でこのようなモータを駆動する場合には、極端に多数のモータを同時に始動させないかぎり問題は生じないが、燃料電池からの電力を用いてモータを駆動する場合、燃料電池は負荷変動に対して急速に追従する能力に乏しいので、燃料電池からの電力によってはモータを始動できない場合も考えられる。そこで本実施形態では、燃料計量機３０の制御回路３４は、切り替えスイッチ１３が負荷調整器１５側に切り替わり、燃料電池１１からの電力が燃料計量機３０に供給されている場合には、３個ある三相モータ５１〜５３のうちの複数台が同時には始動しないように、制御シーケンスによる制御を行う。このような制御と負荷調整器１５を設けたこととにより、いずれかの三相モータ５１〜５３を始動させようとした場合、その始動電流の影響は燃料電池１１側には及ばす、その三相モータを良好に始動できて、確実に給油を行うことができる。このとき、燃料電池１１側で出力電力が燃料電池の定格出力を超えることもない。さらに、三相モータ始動時の制御シーケンスとして、始動電流が比較的小さいようなシーケンスを選択することも好ましい。なお、制御回路１４は、切り替えスイッチ１３が系統電源側に切り替わっている場合には、例えば、同時には高々２台の三相モータしか始動しないように制御シーケンスを実行する。

図３は、本発明の第２の実施形態の燃料供給システムを示している。この燃料供給システムは、第１の実施形態の場合と同様に、車両に対して燃料を供給する燃料供給ステーションに設けられるものであって、３種類の燃料を車両に供給することができるものである。燃料供給システムには、油種ごとにその油種の燃料を格納する燃料槽２１〜２３と、１台で３種類の燃料を車両に供給することができる燃料計量機３０とを備えている。燃料計量機３０には、油種ごとに給油ユニット３１〜３３と、燃料計量機３０全体の制御を行う制御回路３４とが設けられている。給油ユニット３１〜３３は、それぞれ、対応する油種の燃料槽２１〜２３から燃料を車両に移送するための燃料ポンプ４１〜４３と、この燃料ポンプ４１〜４３を駆動する単相モータ７１〜７３と、燃料ポンプ４１〜４３によって燃料槽２１〜２３から取り出された燃料を車両側の燃料タンクに注入する際に用いられる給油ノズル６１〜６３とを備えている。第１の実施形態では、燃料ポンプを駆動するために三相モータが用いられていたが、第２の実施形態では、交流の単相モータ７１〜７３が用いられている。

ところで、一般のガソリンスタンド（燃料供給ステーション）には、系統電源側から、動力負荷用として三相２００Ｖの交流電力が供給されている。そこで本実施形態では、既存の三相２００Ｖの配線を生かすために、トランスなどを用い三相２００Ｖの交流電力を受けて単相２００Ｖの交流電力を出力する三相単相変換器１４を設け、三相単相変換器１４が出力する単相交流電力を用いて各単相モータ７１〜７３を駆動するようにしている。三相単相変換器１４が出力する単相交流電力は、切り替えスイッチ１３を介して、各単相モータ７１〜７３に供給される。

さらにこの燃料供給システムは、系統電源の停電時にも給油を可能とするために、第１の実施形態の場合と同様に、燃料電池１１と燃料電池１１が出力する直流電力を単相２００Ｖの交流電力に変換するパワーコンディショナ１２とを備え、パワーコンディショナ１２が出力する交流電力が切り替えスイッチ１３に供給されている。パワーコンディショナ１２と切り替えスイッチ１３との間の配線に対して、負荷調整器１５と非常用配線１９とが接続している。燃料電池１１としては、第１の実施形態において使用されたものと同様のものを使用できる。

切り替えスイッチ１３は、三相単相変換器１４が出力する単相交流電力とパワーコンディショナ１２が出力する単相交流電力のいずれかを選択して燃料計量機３０に供給するために設けられている。負荷調整器１５は、燃料計量機３０における電力消費量が急変する場合であっても、燃料電池１１側（パワーコンディショナ１２側）から燃料計量機３０側を見たときの負荷が平準化されるようにするものである。

次に、本実施形態の燃料供給システムの動作について説明する。

系統電源が正常に稼動しているときには、切り替えスイッチ１３によって、三相交流の系統電源から三相単相変換器１４を経て出力される単相交流電力が燃料計量機３０に供給され、この単相交流電力によって単相モータ７１〜７３が駆動されるようにする。これにより、車両に燃料を供給することができる。

一方、系統電源が停電となっているときは、燃料電池１１を動作させるとともに、切り替えスイッチ１３をパワーコンディショナ１２側に切り替える。その結果、燃料電池１１で発生した直流電力はパワーコンディショナ１２によって単相交流電力に変換され、変換後の単相交流電力が切り替えスイッチ１３を介して燃料計量機３０に供給され、単相モータ７１〜７３の駆動に使用される。したがって、この燃料供給システムによれば、系統電源が停電であっても、単相モータ７１〜７３を動作させることができ、車両に燃料を供給することができる。また、非常用配線１９によって、燃料供給システムの設置場所の宅内の負荷にも単相交流電力を供給できる。

単相モータであっても、第１の実施形態で説明したように、その始動時には、定格電流の数倍に及ぶ始動電流が流れる。そこで本実施形態でも、燃料計量機３０の制御回路３４は、切り替えスイッチ１３がパワーコンディショナ１２側に切り替わり、燃料電池１１からの電力が燃料計量機３０に供給されている場合には、３個ある単相モータ７１〜７３のうちの複数台が同時には始動しないように、制御シーケンスによる制御を行う。このような制御と負荷調整器１５を設けたこととにより、いずれかの単相モータ７１〜７３の始動の際に、その始動電流の影響は燃料電池１１側には及ばなくなり、その単相モータを良好に始動できて、確実に給油を行うことができる。このとき、燃料電池１１側で出力電力が燃料電池の定格出力を超えることもない。さらに、単相モータ始動時の制御シーケンスとして、始動電流が比較的小さいようなシーケンスを選択することも好ましい。なお、制御回路１４は、切り替えスイッチ１３が三相単相変換器１４側に切り替わっている場合には、同時には高々２台の単相モータしか始動しないように制御シーケンスを実行する。

以上説明した各燃料供給システムでは、燃料電池１１は、系統電源の停電時にしか利用されないものとすると、設備としての利用効率が極めて小さいものとなる。そこで本実施形態では、系統電源が正常に稼動している場合には、燃料電池１１を分散電源として使用して系統電源と連系させるようにしている。すなわち、パワーコンディショナ１２は、系統電源からの単相交流電力の配電線（三線式）１６にも接続しており、燃料電池１１からの直流電力を単相交流電力に変換し、燃料供給ステーション内の負荷（例えば、照明機器、空調機器など）に対して配電線１６を介してこの単相交流電力を供給する。燃料供給ステーション内の負荷から見れば、系統電源からの電力に重畳する形で、燃料電池１１からパワーコンディショナ１２を介して電力が供給されることになる。なお、この状態で系統電源が停電になったとすると、安全上の理由により、燃料電池を系統電源から解列しなければならないから、パワーコンディショナ１２としては、系統電源の停電を検出でき、停電の検出時には配電線１６への単相交流電力の出力を停止する機能を有するものを使用する必要がある。このように燃料電池を系統電源に連系させ、停電時には燃料電池を系統電源から解列させる機能を有するパワーコンディショナは公知である。また、燃料電池を系統電源に連系させる場合に、燃料電池から系統電源側に電力が供給される、いわゆる逆潮流は禁止されているので、燃料供給ステーション内での電力負荷よりも燃料電池から出力される電力の方が大きい場合には、上述した負荷調整器１５によって余剰分の電力を消費すればよい。

なお、上述した各燃料供給システムでは、系統電源の停電時に、燃料供給システムの設置場所の宅内の照明設備や空調設備などの負荷に対して、非常用配線１９によって単相交流電力を供給できるようにしている。非常用配線１９を使用して電力を供給する際には、系統電源側に電力が流出することがないように、照明設備や空調設備などの負荷を常用の配電線から切り離し、そののち、これらの負荷を非常用配線１９に接続して、燃料電池側から単相交流電力の供給を受けるようにする。

上述した燃料供給システムでは、系統電源の停電時に車両に対して燃料供給を行うための電源や、燃料供給システムの設置場所の宅内の負荷に対する非常用電源として燃料電池を用いるとともに、系統電源が正常に稼動しているときにはこの燃料電池を分散電源として使用することにより、燃料電池自体の稼働率を高めることができるとともに、トータルでのエネルギーコストの削減が可能になる。

本発明の第１の実施形態の燃料供給システムの構成を示すブロック図である。 始動電流の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の燃料供給システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 燃料電池
１２ パワーコンディショナ
１３ 切り替えスイッチ
１４ 三相単相変換器
１５ 負荷調整器
１６ 配電線
１７ 単相三相変換器
１９ 非常用配線
２１〜２３ 燃料槽
３０ 燃料計量機
３１〜３３ 給油ユニット
３４ 制御回路
４１〜４３ 燃料ポンプ
５１〜５３ 三相モータ
６１〜６３ 給油ノズル
７１〜７３ 単相モータ

Claims (8)

1. 燃料を供給する燃料供給システムであって、
   前記燃料を貯蔵する燃料槽と、
   前記燃料槽から前記燃料を移送するためのポンプと、
   前記ポンプを駆動する三相モータと、
   燃料電池と、
   前記燃料電池で発生した直流電力を単相交流電力に変換するパワーコンディショナと、
   前記パワーコンディショナで生成した単相交流電力を三相交流電力に変換する単相三相変換器と、
   系統電源からの三相交流電力と前記単相三相変換器からの三相交流電力とを切り替えて前記三相モータに供給する切り替えスイッチと、
   を備える、燃料供給システム。
2. 複数種類の燃料の供給が可能であり、燃料の種類ごとに前記燃料槽と前記ポンプと前記三相モータとが設けられ、
   前記切り替えスイッチが前記単相三相変換器の側に切り替わっているときには同時には１台の三相モータのみを始動する制御シーケンスを実行する制御回路をさらに有する、請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記パワーコンディショナと前記単相三相変換器との間の配線に対して負荷調整器が接続する、請求項１または２に記載の燃料供給システム。
4. 燃料を供給する燃料供給システムであって、
   前記燃料を貯蔵する燃料槽と、
   前記燃料槽から前記燃料を移送するためのポンプと、
   前記ポンプを駆動する単相モータと、
   系統電源から供給される三相交流電力を単相交流電力に変換する三相単相変換器と、
   燃料電池と、
   前記燃料電池で発生した直流電力を単相交流電力に変換するパワーコンディショナと、
   前記三相単相変換器からの単相交流電力と前記パワーコンディショナからの単相交流電力とを切り替えて前記単相モータに供給する切り替えスイッチと、
   を備える、燃料供給システム。
5. 複数種類の燃料の供給が可能であり、燃料の種類ごとに前記燃料槽と前記ポンプと前記三相モータとが設けられ、
   前記切り替えスイッチが前記パワーコンディショナの側に切り替わっているときには同時には１台の単相モータのみを始動する制御シーケンスを実行する制御回路をさらに有する、請求項４に記載の燃料供給システム。
6. 前記パワーコンディショナと前記切り替えスイッチとの間の配線に対して負荷調整器が接続する、請求項４または５に記載の燃料供給システム。
7. 前記パワーコンディショナは、前記燃料電池を単相交流電力の系統電源に連系させる機能を有し、前記系統電源の稼動時において、前記パワーコンディショナが出力する単相交流電力が、前記系統電源からの単相交流電力とともに負荷に供給される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
8. 前記燃料電池は、炭化水素を燃料とする燃料電池である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料供給システム。

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