JP2011231799A - ガス充填方法、ガス充填システム、ガスステーション及び移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】タンク30内の圧力及び温度に基づいて、充填開始前におけるライナ53と補強層55との間の隙間量62を算出し、算出した隙間量62に基づいて、充填によりライナ53に許容以上の負荷がかかるか否かを予測し、許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、そうではない場合よりも、充填に際してガスの充填流量を制限する。
【選択図】図11
Description
しかし、特に樹脂ライナ製のタンクを製造した場合、ライナとCFRPとの弾性率や線膨張係数の違いにより、ライナが収縮し、ライナとCFRPとの間に隙間が発生する。また、仮に製造段階で隙間が発生しなくても、低圧又は低温の条件になると、上記の弾性率等の違いによりライナが収縮し、隙間が発生し得る。そして、より低圧又はより低温の条件になるほど、隙間の大きさが大きくなる傾向にある。
こうすることで、隙間を埋めるまでの少なくとも一部の期間では、制限した充填流量のもとでライナが変形するので、ライナへの負荷を低減することができる。
これにより、少なくとも隙間が埋まった後では、それまでの充填流量よりも大きな充填流量にて充填を行うことができるので、充填時間の短縮化を図ることができる。
これにより、ライナの変形と関係するライナの伸び(ひずみ)を基準に予測するので、その予測の確度が高まる。
この構成によれば、破断伸びが温度に依存することが予測の際に考慮されるので、その予測の確度がより高まる。
これにより、ライナへの負荷の低減と充填時間の短縮とを両立し得る。例えば、算出した必要な伸びが小さい場合には、それが大きい場合よりも充填流量を大きくし得るので、ライナへの負荷の低減を図りながら、充填時間を短縮することができる。
このようなマップを活用することで、許容以上の負荷がかからないライナ変形速度にて充填流量を制限することができる。
これにより、破断伸びが温度に依存することが充填流量の決定の際にも考慮されるので、ライナへの負荷を低減しながら充填時間の短縮を図ることができる。例えば、タンク内の温度が高い場合には、それが低い場合よりもライナ変形速度(充填流量)を大きくし得る。
この構成によれば、移動体側から充填流量を制限するように制御することができる。
この構成によれば、ガスステーション側にて充填流量を制限するように制御することができる。
こうすることで、ガスステーションの外部にあるタンク内の情報について、ガスステーションが簡単に把握することができる。
図2に示すように、車両3は、タンク30、レセプタクル32、圧力センサ36、温度センサ38、表示装置42、通信機44及び制御装置46を備える。
タンク30は、燃料電池への燃料ガス供給源であり、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能な高圧タンクである。タンク30を複数搭載する場合には、タンク30は燃料電池50に対して並列に接続される。タンク30内の水素ガスは、図示省略した供給管路を介して燃料電池に供給される。一方、タンク30への水素ガスの供給は、水素ガスが水素ステーション2からレセプタクル32を介して充填流路34に放出されることで行われる。充填流路34は、タンク30外にあるガス配管と、タンク30の口部に取り付けられた図示省略のバルブアッセンブリ内にある流路部分と、からなる。また、充填流路34には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁35が設けられる。
温度センサ38は、上記バルブアッセンブリ内の流路部分に設けられ、タンク30内に配置される。温度センサ38は、タンク30内の温度(以下、「タンク温度」という。)を反映する温度を検出する。なお、他の実施態様では、圧力センサ36をタンク30内に配置してもよい。また、タンク30内における温度センサ38の配置位置は、タンク温度を実質的に検出できる位置であれば特に限定されるものではない。
図2に示すように、水素ステーション2は、水素ステーション2にある各機器を制御する制御装置5と、車両3との間で通信するための通信機6と、各種情報を画面に表示する表示装置7と、水素ステーション2の設置場所の外気温を検出する外気温センサ8と、を備える。通信機6は、車両3の通信機44に対応した形式のものであり、通信機44との間で各種情報を送受信する。通信機6は、例えば充填ノズル12に設けられる。表示装置7は、充填中における充填流量(充填速度)及び充填量などの情報を表示する。また、表示装置7は、作業者又は利用者(以下、「ユーザー」という。)が所望の充填条件を入力することが可能な操作パネルを表示画面に具備するものであってもよい。
本実施形態のガス充填システム1では、充填開始前にタンク30内の隙間量を把握し、タンク30のライナへの負荷を低減するようにしている。
図3に示すように、タンク30は、内部に貯留空間51が画成されるように中空状に形成されたライナ53と、ライナ53の外周面を覆う補強層55と、を有する。ライナ53及び補強層55の軸方向の少なくとも一端部には、バルブアッセンブリを接続するための口金57が設けられる。
図4(a)及び(b)は、外気温が20℃であるときのタンク圧力及びタンク温度の時間変化を示す図であり、図4(a)は水素ガス放出速度が遅い場合に関するものであり、図4(b)は、水素ガス放出速度が速い場合に関するものである。図4(a)及び(b)から分かるとおり、タンク30からの水素ガスの放出速度(燃料電池への供給速度)が速いほど、タンク圧力の低下率は大きく、タンク温度はより低下する。水素ガス放出終了後(時間t0)、タンク温度は、外気によって上昇し、外気温(20℃)に近づいていく。その際、タンク圧力も僅かに上昇する。なお、一般的に、外気温が低いと、タンク温度はさらに低下する。
図5は、タンク30において、ライナ53と補強層55との間に隙間60がある状態を示す断面図である。この隙間60が発生する理由を説明する。
図6に示すように、タンク温度が同じ条件であれば、タンク圧力が大きくなると、隙間60の大きさは小さくなる。同様に、タンク圧力が同じ条件であれば、タンク温度が大きくなると、隙間60の大きさは小さくなる。それゆえ、水素ガスがタンク30に充填されなくとも、外気温によってタンク温度が上がれば、隙間60が小さくなるということが言える。また、隙間60の大きさが同じ条件では、タンク温度が低温であるほど、隙間60を埋めるためには、高いタンク圧力が必要であることがわかる。
隙間60の大きさは、タンク圧力及びタンク温度にのみ依存するのではなく、タンク30の仕様によっても異なる。例えば、タンク30を構成する材料(ライナ53及び補強層55の材質)や、タンク30の体格(長さ、径、容量など)によって、隙間60の大きさは異なる。
上述のとおり、隙間量62はタンク30の仕様によって異なるので、その仕様毎(タンク301、タンク302、タンク303)のマップM1〜M3が用意される。例えば、マップM1とマップM2とは、ライナ53の材質について異なる。また、上述したように、隙間量62はタンク圧力及びタンク温度によって異なるので、隙間量62に関するマップMは、縦軸をタンク圧力とし、横軸をタンク温度として、それぞれの条件に対応する隙間量を規定する。例えば、タンク温度T1のもとでは、図7にB1〜E1としてそれぞれ示す隙間量62は、タンク圧力が大きくなるほど小さくなる。また、タンク圧力0MPaのもとでは、図7にA2〜A5として示すそれぞれ隙間量62は、タンク温度が大きくなるほど小さくなる。
スキマ規定値とは、後記「7.」の隙間量を考慮した充填制御において用いる指標の一つであり(参照:図11のステップS5、S18など)、ライナ53の破断伸びδ又はこれに安全率を乗じた値を意味する。破断伸びδは、ライナ53の材料物性により規定され、タンク温度に応じて異なる。具体的には、図8に示すように、タンク温度が大きくなるほど、破断伸びδは大きくなる。車両3に搭載されるタンク30に関するスキマ規定値は、マップMと同様に、車両3の制御装置46及び水素ステーション2の制御装置5の少なくとも一方の記憶部に予め記憶される。
δ=100×(lf−l0)/l0 ・・・(1)
ここで、各パラメータの意味は以下のとおりである。
l0:ライナ53の初期の長さ
lf:破断後のライナ53の永久伸び
後記「7.」の充填制御において、スキマ規定値と比較する対象は、隙間60を埋めるのに必要なライナ53の伸びεである。
ここで、各パラメータの意味は以下のとおりである。
r0:ライナ53の初期の外径
rf:隙間60を埋めたときのライナ53の外径
一例を挙げると、r0=50mm、隙間量=5mmの場合、rf=55となるので、必要なライナ53の伸びεは、10%となる。
次に、ガス充填システム1で実行される水素ガス充填について、隙間量62を考慮した複数の制御例を説明する。
図10は、本制御を実現するために、制御装置5,46が有する機能ブロックを示すブロック図である。
車両3の制御装置46は、記憶部70、隙間量算出部71、予測部72及び流量決定部73を有する。また、水素ステーション2の制御装置5は、タンク30への充填を制御する運転制御部75を有する。
先ず、車両3のリッドボックスのフューエルカバーが開けられると(ステップS1)、そのことがセンサ(図示省略)により検知され、車両3の制御装置46が起動する(ステップS2)。その後、圧力センサ36、温度センサ38及び通信機44が起動する(ステップS3)。これらの起動に際しては、低圧バッテリから電力が供給される。なお、制御装置46等を起動するトリガーとして、充填ノズル12とレセプタクル32の接続作業がなされたことをセンサで検知することを用いてもよい。
次に、図12及び図13を参照して、上記「7−1」における制御の主体を水素ステーション2とした例について説明する。なお、上記「7−1」と同様の内容については、適宜、説明を省略する。
先ず、ユーザーによって充填ノズル12がレセプタクル32に接続される(ステップS31)。すると、車両3側では、圧力センサ36、温度センサ38、通信機44及び制御装置46が起動し(参照:図11のステップS2,S3)、圧力センサ36及び温度センサ38によって、タンク初期圧力及びタンク初期温度が検出される。この検出されたタンク初期圧力及びタンク初期温度の各情報は、制御装置46の例えばRAMに一時的に記憶される。
次に、図14及び図15を参照して、充填流量の制限に関する具体的な制御例を説明する。本制御例は、スキマ規定値外であるときに実行される(例えば図11のステップS14〜20、図13のステップS38〜41)。本制御例においては、スキマ規定値と比較する必要な伸びεを、図15に示すようなライナ変形速度と破断伸びとの関係を規定するマップに参照し、それにより、ライナ53に許容以上の負荷がかかるライナ変形速度よりも小さいライナ変形速度となるように充填流量を制限する。なお、ライナ変形速度とは、隙間60を埋める際のライナ53の膨張変形の速度を意味する。また、破断伸びとは、ライナ53の破断伸びδであり、上述したように、スキマ規定値の基準となる値である。
l´=ε´Di ・・・(3)
ε´=σθ´/E ・・・(4)
σθ´=p´Di/2t ・・・(5)
p´=n´RT/V ・・・(6)
l´:単位時間当たりの円周方向ライナ変形量[m/min]
ε´:単位時間当たりの円周方向ライナひずみ増加量[1/min]
σθ´:単位時間当たりの円周方向応力増加量[Pa/min]
Di:ライナ内径[m]
t:ライナ肉厚[m]
E:ライナの弾性率[Pa]
p´:ライナ内圧増加量[Pa/min]
n´:単位時間当たりの充填量[mol/min]
R:水素ガスの気体定数[J/(mol・K)]
T:タンク温度[K]
V:タンク体積(ライナ体積)[m3]
l´=Di 2n´RT/2EtV ・・・(7)
この式(7)に示すように、ライナ変形速度l´は、単位時間当たりの充填量n´、すなわち充填流量から算出できることがわかる。本実施形態のタンク30に関して、このようにして算出したライナ変形速度l´と破断伸びδとの関係を示した一例が図15である。
nmax´=2EtV・l1´/Di 2RT
次に、水素ガス充填の際に隙間量62を考慮した結果、充填流量をゼロに制限する場合の制御例について説明する。
図16は、車両3側から充填を禁止するように制御する一例を示すフローチャートである。上記「7−1」で説明した図11との相違点は、図11のステップS14〜S20に代えて、ステップS51〜S53を採用した点である。なお、本制御を実現するための機能ブロックは、図10に示すものと同様である。
図17は、水素ステーション2側から充填を禁止するように制御する一例を示すフローチャートである。上記「7−2」で説明した図13との相違点は、図13のステップS38〜S41に代えて、ステップS61〜S62を採用した点である。なお、本制御を実現するための機能ブロックは、図12に示すものと同様である。
図18は、車両3側から充填を禁止するよう警告を出す制御の一例を示すフローチャートである。図16との主な相違点は、図16のステップS51〜S53に代えて、ステップS71〜S73を採用した点である。
Claims (25)
- ライナ及びその外周面に形成された補強層を備えるタンクにガスを充填するガス充填方法において、
前記タンク内の圧力及び温度に基づいて、充填開始前における前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出する算出ステップと、
算出した隙間量に基づいて、充填により前記ライナに許容以上の負荷がかかるか否かを予測する予測ステップと、
前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、そうではない場合よりも、充填に際してガスの充填流量を制限する流量制限ステップと、を備えた、ガス充填方法。 - 前記流量制限ステップは、充填により前記ライナが変形して前記隙間量をゼロとするまでの第1の期間の少なくとも一部の期間中、ガスの充填流量を制限して充填を行う、請求項1に記載のガス充填方法。
- 少なくとも前記第1の期間の経過後に、前記充填流量の制限を解除して充填を行うステップを、更に備える、請求項2に記載のガス充填方法。
- 前記予測ステップは、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びを算出し、その算出したライナの伸びが所定の閾値を越える場合には、前記許容以上の負荷がかかると予測する、請求項2又は3に記載のガス充填方法。
- 前記所定の閾値は、前記ライナの破断伸びであり、前記タンク内の温度に応じて異なる、請求項4に記載のガス充填方法。
- 前記流量制限ステップは、前記算出した必要なライナの伸びに応じて、前記充填流量の制限量を異ならせる、請求項4又は5に記載のガス充填方法。
- 前記流量制限ステップは、前記算出した必要なライナの伸びを、前記ライナと前記補強層との間の隙間を埋める際のライナ変形速度と当該ライナの破断伸びとの関係を規定するマップに参照することで、当該ライナに許容以上の負荷がかかるライナ変形速度よりも小さいライナ変形速度となるように、前記充填流量を制限する、請求項6に記載のガス充填方法。
- 前記マップは、前記タンク内の温度に応じたものが複数あり、
前記流量制限ステップは、前記複数のマップのうち、前記算出ステップで用いた前記タンク内の温度に対応するものを参照することで、前記タンク内の温度に応じて前記充填流量の制限量を異ならせる、請求項7に記載のガス充填方法。 - 前記流量制限ステップは、前記ライナと前記補強層との間の隙間を埋める際のライナ変形速度が、当該ライナに許容以上の負荷がかかるライナ変形速度よりも小さくなるように、前記充填流量を制限する、請求項2に記載のガス充填方法。
- 前記流量制限ステップは、前記算出した隙間量、その隙間量をゼロとするために必要なライナの伸び及び前記タンク内の温度の少なくとも一つに応じて、前記充填流量の制限量を異ならせる、請求項2に記載のガス充填方法。
- 前記タンクは、移動体に搭載されていると共に、当該移動体の外部に設置されているガスステーションからガスを充填可能に構成されているものであり、
前記移動体は、前記流量制限ステップにおける充填流量の制限を決定して、その決定した充填流量に関する情報を前記ガスステーションに送信し、
前記ガスステーションは、前記移動体から受信した充填流量に関する情報に基づいて充填を行う、請求項2ないし10のいずれか一項に記載のガス充填方法。 - 前記タンクは、移動体に搭載されていると共に、当該移動体の外部に設置されているガスステーションからガスを充填可能に構成されているものであり、
前記算出ステップ、前記予測ステップ及び前記流量制限ステップは、前記ガスステーションによって実行される、請求項2ないし10のいずれか一項に記載のガス充填方法。 - 前記ガスステーションは、前記算出ステップにおいて、前記タンク内の圧力及び温度に関する情報を前記移動体から通信により受信する、請求項12に記載のガス充填方法。
- 前記流量制限ステップが前記充填流量をゼロに制限した場合に充填を禁止するステップを、更に備える、請求項1に記載のガス充填方法。
- ライナ及びその外周面に形成された補強層を備えるタンクを搭載した移動体と、
前記移動体の外部に設置され、前記タンクにガスを充填するガスステーションと、
を備えたガス充填システムにおいて、
前記移動体又は前記ガスステーションは、
前記タンク内の圧力及び温度に関する情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部が取得した情報に基づいて、充填開始前における前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出する算出部と、
前記算出した隙間量に基づいて、充填により前記ライナに許容以上の負荷がかかるか否かを予測する予測部と、
前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、そうではない場合よりも、充填に際してガスの充填流量を制限することに決定する流量決定部と、を有する、ガス充填システム。 - 前記ガスステーションは、前記タンクへの充填を制御する運転制御部を有し、
前記運転制御部は、前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、充填により前記ライナが変形して前記隙間量をゼロとするまでの第1の期間の少なくとも一部の期間中は、前記流量決定部が決定した充填流量にて充填を行う、請求項15に記載のガス充填システム。 - ライナ及びその外周面に形成された補強層を備えるタンクを搭載した移動体の外部に設置され、前記タンクにガスを充填するガスステーションにおいて、
前記タンク内の圧力及び温度に関する情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部が取得した情報に基づいて、充填開始前における前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出する算出部と、
前記算出した隙間量に基づいて、充填により前記ライナに許容以上の負荷がかかるか否かを予測する予測部と、
前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、そうではない場合よりも、充填に際してガスの充填流量を制限することに決定する流量決定部と、を有する、ガスステーション。 - 前記タンクへの充填を制御する運転制御部を更に有し、
前記運転制御部は、前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、充填により前記ライナが変形して前記隙間量をゼロとするまでの第1の期間の少なくとも一部の期間中は、前記流量決定部が決定した充填流量にて充填を行う、請求項17に記載のガスステーション。 - 前記運転制御部は、少なくとも前記第1の期間の経過後に、前記充填流量の制限を解除して充填を行う、請求項18に記載のガスステーション。
- 前記情報取得部は、前記移動体側にある温度センサ及び圧力センサの検出結果を、通信により前記タンク内の圧力及び温度に関する情報として取得するものである、請求項17ないし19のいずれか一項に記載のガスステーション。
- 前記予測部は、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びを算出し、その算出した伸びが所定の閾値を越える場合には、前記許容以上の負荷がかかると予測する、請求項18ないし20のいずれか一項に記載のガスステーション。
- 前記流量決定部は、前記算出した隙間量、その隙間量をゼロとするために必要なライナの伸び及び前記タンク内の温度の少なくとも一つに応じて、前記充填流量の制限量を異ならせる、請求項18ないし21のいずれか一項に記載のガスステーション。
- 外部にあるガスステーションからガスを充填されるタンクとして、ライナ及びその外周面に形成された補強層を備えるタンクを搭載した移動体において、
前記タンク内の圧力及び温度に関する情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部が取得した情報に基づいて、充填開始前における前記ライナと前記補強層との間の隙間量を算出する算出部と、
前記算出した隙間量に基づいて、充填により前記ライナに許容以上の負荷がかかるか否かを予測する予測部と、
前記許容以上の負荷がかかる旨が予測された場合、そうではない場合よりも、充填に際してガスの充填流量を制限することに決定する流量決定部と、
前記流量決定部が決定した充填流量に関する情報を前記ガスステーションに送信する送信機と、を備えた、移動体。 - 前記予測部は、前記算出した隙間量をゼロとするために必要なライナの伸びを算出し、その算出した伸びが所定の閾値を越える場合には、前記許容以上の負荷がかかると予測する、請求項23に記載の移動体。
- 前記流量決定部は、前記算出した隙間量、その隙間量をゼロとするために必要なライナの伸び及び前記タンク内の温度の少なくとも一つに応じて、前記充填流量の制限量を異ならせる、請求項23又は24に記載の移動体。
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