JP2008281108A - ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス充填時間の短縮を図ることができるガス供給装置を提供する。
【解決手段】燃料タンク１２のガス圧が第１ガス圧しきい値（１０ＭＰａ）未満である場合、すなわち、水素ガス充填に伴い急激な温度上昇が予想される場合には、第２圧力上昇率〔５ＭＰａ／ｍｉｎ〕を選択して充填制御する（ステップＳ１２）。これにより、前記急激な温度上昇を緩和してガスの充填を進める。また、燃料タンク１２のガス圧が、緩やかな温度上昇特性を示す圧力に到達後は第１圧力上昇率（１５ＭＰａ／ｍｉｎ）に切替えて充填制御を行う（ステップＳ８）。第２圧力上昇率を選択して急激な温度上昇が緩和されたことにより、その分、燃料タンク１２の耐熱許容温度に達して充填を中断するような事態になることを回避して、確実に充填制御を継続でき、かつ充填制御を第１圧力上昇率で行うことで、迅速な充填が確保され、ガス充填時間を短縮できる。
【選択図】図３

Description

本発明は圧縮された水素ガスを被充填タンクに充填するなどに用いられるガス供給装置に関する。

近年、水素ガスを燃料にして走行する自動車の開発や、水素ガスを原料として生成された電気により走行する燃料電池車の開発が進められている。これに伴って、高圧に圧縮された水素ガスを自動車の燃料タンクに供給するガス供給装置の実用化も進められている。
この種のガス供給装置では、圧縮されたガスをガス蓄圧器に貯蔵しておき、ガス充填ホースの接続カップリングを自動車側の接続カップリングに接続し、ガス充填ホースの先端部に連通された三方弁を切り替え操作することによりガス蓄圧器に貯蔵されたガスを自動車の燃料タンク（被充填タンク、被ガス供給体ともいう。）に充填するように構成されている。

上述したガス供給装置では、一般に、被ガス供給体へのガス充填が進むにつれて被ガス供給体（被充填タンク）の温度が上昇するが、被充填タンク内の温度が所定温度以下となるように被充填タンクへのガス充填を制御する必要がある。この装置の一例として、特許文献1に示される装置がある。この特許文献1に示される装置は、ガス充填時の被ガス供給体（被充填タンク）の温度上昇を防止するために、被充填タンクの種類やガスの種類にあわせてガスの充填による被充填タンク内の圧力上昇率を調節するようにしている。
この際、被充填タンクの耐熱温度に対応して温度しきい値を設け、被充填タンクの温度が温度しきい値に達すると、充填処理を一旦停止し、被充填タンクの温度を耐熱温度以下に収めることが一般に行われている。
特開２００５-１２７４３０号公報

ところで、上述したガス供給装置が対象とするガスが、圧縮水素ガスである場合、充填初期においても熱が発生するため、図４に示すように、被充填タンクの温度は充填初期から充填終了まで一貫して上昇し、その上昇度合は、前記ガスが圧縮天然ガスである場合に比して、より顕著なものになる。図４において、充填処理に伴い、被充填タンクの内圧（ガス圧）が時間に比例して増加し、その後、目標充填圧力〔約３５〔ＭＰａ〕〕が確保される。一方、被充填タンクの温度については、充填が開始され被充填タンクのガス圧が低い場合に急激に上昇し、その後、時間経過（容器圧力の増加）に伴い、徐々に上昇し、被充填タンクのガス圧が所定の圧力になった後は僅かに低下する特性を示す。

前記図４は次のように読取ることができる。すなわち、空の被充填タンクに圧縮水素ガス〔以下、単にガスという。〕を充填する場合と、ある程度ガスが残っている被充填タンクにガスを充填する場合とでは、前者（空の被充填タンクにガスを充填する場合）の方が、前記温度の急激上昇特性を含む分、温度上昇が大きくなる。すなわち、被充填タンクにガスが残されている場合、ガスの充填に伴う発熱の一部が前記残されているガスに吸収され、この分、空の被充填タンクにガスを充填する場合に比して、温度上昇が緩和されると想定される。
また、一般に、被充填タンクヘの充填による当該被ガス供給体内の圧力上昇率について、被充填タンク内のガスの貯蔵量を考慮した調整は行われず、例えば、ある程度ガスが残っている被充填タンクへのガス充填の際の圧力上昇率は、空の被充填タンクへの充填時の温度上昇に基づいて設定されるガス充填の際の圧力上昇率を用いているのが実情である。このため、ガス充填時間が延びてしまう結果になり、その改善策が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ガス充填時間の短縮を図ることができるガス供給装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、圧縮されたガスを供給するガス供給経路に配置された流量計、制御弁及び圧力検出器と、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて被ガス供給体への前記ガスの充填制御を行うコントローラと、を備えたガス供給装置において、前記コントローラは、前記被ガス供給体のガス圧が予め定めた第１ガス圧しきい値未満における前記被ガス供給体への前記ガスの充填による当該被ガス供給体内の圧力上昇率を、前記被ガス供給体のガス圧が前記第１ガス圧しきい値以上における前記被ガス供給体へのガスの充填による当該被ガス供給体内の圧力上昇率よりも小さくして前記充填制御を行うことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ガス充填時間の短縮を図ることができる。

図１は本発明の一実施形態に係るガス供給装置を示すシステム系統図である。図１に示されるように、ガス供給装置１０は、例えば自動車の燃料タンク（被ガス供給体）１２に圧縮したガス（ここでは、水素ガス）を供給するガス供給ステーションなどに設置されている。

ガス供給装置１０は、高圧に圧縮されたガスを貯蔵するガス貯蔵部１４と、ガス貯蔵部１４からのガスを燃料タンク１２に供給するためのディスペンサユニット１５と、ディスペンサユニット１５の各機器を制御する制御装置（コントローラ）１６と、から大略、構成されている。
ガス貯蔵部１４は、圧力源として可変ガス蓄圧器６２と高圧ガス蓄圧器６４とを有する。可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４には後述のコンプレッサ７０より供給された高圧のガスが貯蔵される。また、可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４は、燃料タンク１２の目標充填圧力よりも高い圧力のガスが蓄圧されるまでコンプレッサ７０よりガスが供給されるようになっている。

充填開始当初は、可変ガス蓄圧器６２の元弁６６が開弁されて燃料タンク１２へのガス充填が行われる。そして、燃料タンク１２の充填圧力が目標圧力に達する直前に高圧ガス蓄圧器６４の元弁６８を開弁して燃料タンク１２の充填圧力を目標圧力まで充填する。
このように、燃料タンク１２へのガスの供給元を、今までのガスの供給に伴ってガスの圧力が低下してきた可変ガス蓄圧器６２から高圧ガス蓄圧器６４に切り換えることにより、可変ガス蓄圧器６２のガスのみを用いて目標圧力に達するまでガス充填を行う方法に比べてその充填時間を短縮することができるようになっている。

また、上述のように、燃料タンク１２へのガス充填の際には、まず、可変ガス蓄圧器６２内のガスを燃料タンク１２へ供給し、燃料タンク１２内のガスの圧力がある程度高圧になった時点で燃料タンク１２へのガスの供給元を可変ガス蓄圧器６２から高圧ガス蓄圧器６４に切り換えるようになっている。このため、燃料タンク１２へのガス充填が頻繁に行われる場合には可変ガス蓄圧器６２のガスの圧力は低下し、この結果、可変ガス蓄圧器６２内のガスの圧力は燃料タンク１２の目標充填圧力よりも低下することになる。

また、可変ガス蓄圧器６２のガス供給経路６７には、元弁６６と逆流を防止する逆止弁６９が設けられている。
ディスペンサユニット１５には、ガス貯蔵部１４に連通されたガス供給経路１８が設けられている。ガス供給経路１８には、１次圧力計２０、流量計２２、ガス供給開閉弁２４、制御弁２６、温度センサ２８、圧力センサ３０、２次圧力計３２、安全弁３４が配設されている。圧力センサ３０は、制御弁２６から供給された圧力を検出し、その圧力検出信号を制御装置１６に出力する。

ガス供給経路１８の下流には、緊急離脱カップリング４２を介して充填ホース４４が接続されている。そして、充填ホース４４の先端には、燃料タンク１２の充填口１２ａに連結される充填ノズル４６が設けられている。燃料タンク１２と充填口１２ａとの間には、逆流を防止する逆止弁１３が設けられている。
また、ディスペンサユニット１５には、充填ノズル４６が燃料タンク１２の充填口１２ａに結合されて操作される充填開始スイッチ５０と、充填を停止する充填停止スイッチ５２とが設けられている。

可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４は、コンプレッサ７０により圧縮されたガスを蓄圧する容器であり、コンプレッサ７０の吐出口に連通されたガス供給経路７１，７５を介して圧縮されたガスを供給される。ガス供給経路７１，７５には、夫々電磁弁からなる開閉弁７２，７６と逆流を防止する逆止弁７４，７８が設けられている。また、コンプレッサ７０は、多段圧縮方式の圧縮機であり、吸い込み口が吸い込み経路７９を介してガスを貯蔵するガスタンク或いはガスを生成する水素生成設備に連通する中圧配管８０に連通されている。
コンプレッサ７０により圧縮されたガスは、開閉弁７２，７６のうち開弁された方の経路を介して可変ガス蓄圧器６２または高圧ガス蓄圧器６４の何れかに供給される。

制御装置１６のメモリ４８には、圧力センサ３０により検出された圧力値より得られる圧力上昇率が予め定められた所定の圧力上昇率に一致するように制御弁２６の弁開度を制御する制御プログラム（弁開度制御手段）が格納されている。
制御装置１６は、メモリ４８に格納された各制御プログラムにしたがって燃料タンク１２へのガス充填制御を行う。このガス充填制御には、圧力センサ３０の検出値に基づいて燃料タンク１２内のガス圧（燃料タンク１２のガス圧ともいう。）を把握し、後述するように燃料タンク１２のガス圧に応じて燃料タンク１２に供給するガスの圧力上昇率（充填流速）を切替えて行う制御〔図３ステップＳ７、８、１２参照〕も含まれている。

図２は制御装置１６に接続された各機器を示すブロック図である。図２に示されるように、制御装置１６は、流量計２２、ガス供給開閉弁２４、制御弁２６、温度センサ２８、圧力センサ３０、メモリ４８、充填開始スイッチ５０、充填停止スイッチ５２、開閉弁７２，７６、元弁６６，６８と接続されている。
流量計２２は、コリオリ式質量流量計からなり、供給されたガスの流量に応じた信号を制御装置１６に出力する。ガス供給開閉弁２４は、電磁弁からなり、制御装置１６からの開弁信号のオン、オフにより開弁または閉弁する。
制御弁２６は、制御装置１６の指令により任意の弁開度に調整され、予め設定された制御則に基づいてガスの圧力または流量を制御する〔ガス充填による燃料タンク１２内の圧力上昇率が予め決められた所定の圧力上昇率となるように制御弁２６の弁開度を調整する制御則（定圧上昇制御）、又はガス充填による燃料タンク１２内へ充填されるガスの流量を予め決められた所定の低い流量となるように制御弁２６の弁開度を調整する制御則（定流量制御）に基づいて制御する〕ように動作する。

ここで、制御装置１６が実行するガス充填制御処理について図３のフローチャートを参照して説明する。作業員は、ガス充填を受ける自動車が到着すると、ディスペンサユニット１５に誘導し、充填ノズル４６を燃料タンク１２の充填口１２ａに連結させた後、充填開始スイッチ５０をオンに操作する。

制御装置１６は、ガス充填制御処理において、図３に示されるように、充填開始スイッチ５０がオン（ＯＮ）に操作された（ステップＳ１)ことに基づいて、ガス供給開閉弁２４を開動作し（ステップＳ２)、定流量制御（ここでは、２００ｇ／ｍｉｎ）を行う（ステップＳ３)。
続いて、積算流量を流量計２２から取り込む。積算流量が充填ホース４４内（ガス供給開閉弁２４下流）に満タン圧力（ここでは３５ＭＰａ）まで満たせるだけの予め定めた所定値（ここでは５０ｇ）に達したか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４でＮＯと判定すると、ステップＳ３に戻る。ステップＳ４でＹＥＳと判定すると、圧力センサ３０から充填開始圧力値を取り込む（ステップＳ５）。この充填開始圧力値は、燃料タンク１２の残圧力（燃料タンク１２内のガスの圧力）とみなせる。

ステップＳ５に続いて、定流量制御から定圧上昇制御へ移行して充填を行う（ステップＳ６）。ここで、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が予め定めた第１ガス圧しきい値（ここでは１０ＭＰａ）以上であるか否かの比較判定を行い（ステップＳ７）、大小（ＹＥＳ、ＮＯの判定）に応じて予め定めた大小の圧力上昇率（以下、適宜、便宜上、第１、第２圧力上昇率という。）を選択し、選択した圧力上昇率を用いて定圧上昇制御する。

本実施形態では、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が１０ＭＰａ〔第１ガス圧しきい値〕以上（ステップＳ７でＹＥＳと判定）の場合には、第１圧力上昇率〔この実施形態では、１５ＭＰａ／ｍｉｎ〕を選択して充填制御する（ステップＳ８）。また、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が１０ＭＰａ〔第１ガス圧しきい値〕未満（ステップＳ７でＮＯと判定）の場合、第２圧力上昇率〔この実施形態では、５ＭＰａ／ｍｉｎ〕を選択して充填制御する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２に続いて、残容量(燃料タンク１２内のガスの圧力が後述の充填終了圧力に達するのに要するガスの量)が５０ｇ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３で残容量が５０ｇより多いと判定する（すなわち、ＮＯと判定する）と、残圧力が１０ＭＰａ〔第１ガス圧しきい値〕以上であるか否かの比較判定を行う（ステップＳ１４）。ステップＳ１４でＮＯ〔すなわち、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が１０ＭＰａ未満である〕と判定するとステップＳ１２に戻る。ステップＳ１４でＹＥＳ〔すなわち、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が１０ＭＰａ以上である〕と判定すると、ステップＳ８に進む。
なお、充填中は、積算流量、充填開始圧力、充填終了圧力、充填中圧力等に基づいて、燃料タンク１２の残容量を、例えば「残容量＝係数×現在までに燃料タンク１２に充填したガスの積算流量÷（現在の燃料タンク１２内の圧力−充填開始時の燃料タンク１２内の圧力）×（充填終了圧力−現在の燃料タンク１２内の圧力）」の算出式を用いて演算する。

ステップＳ８に続いて、残容量が５０ｇ以下であるか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９でＮＯと判定した場合、ステップＳ８に戻る。
ステップＳ９でＹＥＳと判定した場合、及びステップＳ１３でＹＥＳと判定した場合、定流量制御（ここでは、２００ｇ／ｍｉｎ）を行う（ステップＳ１０)。ステップＳ１０に続いて、圧力センサ３０の検出圧力が予め定めた充填終了圧力（ここでは３５ＭＰａ）以上であるか否かの判定を行い（ステップＳ１１）、ステップＳ１１でＮＯと判定すると、ステップＳ１０に戻って定流量制御を繰返し、ステップＳ１１でＹＥＳと判定すると制御弁２６及び開閉弁２４を閉弁させて、当該充填制御を停止する。

上述したように構成したガス供給装置では、充填時において上昇する燃料タンク１２内のガス圧（残圧力）を検出し、そのガス圧（残圧力）に応じて圧力上昇率を切替えて定圧上昇制御（燃料タンク１２内の圧力が所定の圧力上昇率で上昇するようにガス充填を行う制御）による充填を行う。そして、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が第１ガス圧しきい値（１０ＭＰａ）未満である場合、すなわち、水素ガス充填に伴い急激な温度上昇が予想される場合には、第１圧力上昇率〔１５ＭＰａ／ｍｉｎ〕よりも低い第２圧力上昇率〔５ＭＰａ／ｍｉｎ〕を選択して充填制御する（ステップＳ１２）ことにより、前記急激な温度上昇を緩和して（すなわち、図４左側に示される急激な温度上昇の発生が回避され）、ガスの充填を進める。また、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が、緩やかな温度上昇特性（図４で約５秒（ｓ）経過以後の部分）を示す圧力（本実施形態では、１０ＭＰａ）に到達後は高い圧力上昇率（第１圧力上昇率〔１５ＭＰａ／ｍｉｎ〕）に切替えて充填制御を行う（ステップＳ８）。

上述したように、水素ガス充填に伴い急激な温度上昇が予想される場合に、第２圧力上昇率〔５ＭＰａ／ｍｉｎ〕を選択して充填制御して（ステップＳ１２）前記急激な温度上昇が緩和されたことにより、その分、燃料タンク１２の耐熱許容温度に達して充填を中断するような事態になることを回避できて、充填制御を確実に継続できることとなり、上述したように、燃料タンク１２のガス圧（残圧力）が予め定めた第１ガス圧しきい値（１０ＭＰａ）に到達後（ステップＳ７でＹＥＳ）は、高い圧力上昇率〔第１圧力上昇率（１５ＭＰａ／ｍｉｎ）〕を用いた充填制御を行うことにより充填時間を短縮できる。

なお、上記実施形態では、圧縮ガスとして水素ガスを例示したが、これに限らず、水素ガス以外のガスを被充填タンクに充填する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。

本発明の一実施形態に係るガス供給装置を示すシステム系統図である。 図1の制御装置に接続される各機器を示すブロック図である。 図1の制御装置の充填制御内容を示すフローチャートである。 水素ガスを対象にした時間−容器圧力特性及び時間−容器温度特性を合わせて示す図である。

符号の説明

１０…ガス供給装置、１２…燃料タンク、１６…制御装置（コントローラ）、１８…ガス供給経路、２２…流量計、２６…制御弁、３０…圧力センサ（圧力検出器）。

Claims (1)

1. 圧縮されたガスを供給するガス供給経路に配置された流量計、制御弁及び圧力検出器と、前記流量計により計測された流量計測値及び前記圧力検出器によって検出された圧力計測値に基づいて被ガス供給体への前記ガスの充填制御を行うコントローラと、を備えたガス供給装置において、
   前記コントローラは、前記被ガス供給体のガス圧が予め定めた第１ガス圧しきい値未満における前記被ガス供給体への前記ガスの充填による当該被ガス供給体内の圧力上昇率を、前記被ガス供給体のガス圧が前記第１ガス圧しきい値以上における前記被ガス供給体へのガスの充填による当該被ガス供給体内の圧力上昇率よりも小さくして前記充填制御を行うことを特徴とするガス供給装置。

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