JP2013117301A - 水素安全充填システム及び水素安全充填方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池自動車に水素を充填するとき、水素タンクのリアルタイム変形情報を反映して水素をより安全に水素タンクに充填する水素安全充填システム及び充填方法を提供する。
【解決手段】水素安全充填システムは、車両１の水素タンク２に設置され、水素タンク２の変形程度をタンク壁に設置されたストレーンゲージにより測定して出力する変形測定部１０と、変形測定部１０の出力信号を無線送信可能なタンク変形程度データに変換して出力する車両側制御部２０と、車両側制御部２０と充填所側制御部４１との間のデータ無線送受信のために設けられた無線通信手段３０と、無線通信手段３０により車両側制御部２０から受信したタンク変形情報に基づいて規定以上のタンク変形を感知した場合、水素充填器４０の水素充填作動を中断する充填所側制御部４１と、を含んで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素安全充填システム及び水素安全充填方法に関するものであり、より詳細には、燃料電池自動車のリアルタイムでタンク変形情報を用いて水素タンクに水素燃料をより安全に充填する水素安全充填システム及び水素安全充填方法に関するものである。
周知の通り、内燃機関自動車は、化石燃料と空気中の酸素を燃焼して爆発力を発生させ、その爆発力による内燃機関の回転動力を用いて走行し、燃料電池自動車は、燃料電池スタックで生成された電気エネルギーを用いて駆動する電気モーターの回転動力により走行する。
燃料電池自動車の動力源となる燃料電池スタックは、車両内の高圧水素タンクまたは改質器から供給される水素と、ブロワーまたは圧縮機などの空気供給装置から供給される空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより電気エネルギーを生成する。
このような燃料電池自動車は、燃料の水素をより安全でコンパクトに貯蔵することが重要であり、車両の走行距離を増大させると共に安全性を高める様々な水素貯蔵技術が開発されてきた。このような水素貯蔵技術としては、気体水素を液体水素とする方法や、吸蔵合金に吸蔵させる方法があるが、これは自然蒸発や吸蔵量など現在の技術では解決できない問題がある。
そこで、軽量、高強度で、かつ高圧にも耐えられる水素タンクに水素を充填して用いるのが一般的であり、乗車空間と十分な走行距離を確保するためには水素をタンク内に高圧に充填して用いている〔例えば、特許文献１〕。
燃料電池自動車の水素タンクは、通常、３５０ｂａｒや７００ｂａｒの仕様が適用されているが、アルミニウム合金などの金属またはプラスチックを材質にしてタンク本体を製作した後、十分な耐圧性能を確保するために、タンク本体の外郭に炭素繊維などの補強素材を巻き付ける方式が採択されている。
一方、充填所で燃料電池自動車の水素タンクに高圧の水素を充填する時、水素タンクは膨張と収縮を繰り返し、このような膨張と収縮は水素タンクの耐久寿命に悪影響を及ぼす。水素タンクの膨張は、３５０ｂａｒ仕様よりも７５０ｂａｒ仕様でさらに大きく、アルミニウムなどの金属タンクよりもプラスチックタンクでさらに大きい。
したがって、膨張などタンクの変形状態を考慮せずに水素を高圧に充填する場合、水素タンクの破損、水素の漏洩などにより安全事故が発生する虞があり、走行中に爆発などの大事故を招くことがある。
従来、充填するとき、水素タンクの内部温度と圧力だけをモニタリングして危険な状態になると、充填速度を制御するか、規定値以上になると、充填を中断するデータとして用いてきた。しかしながら、充填するとき、水素タンクの変形情報を反映した充填を行っていないため、充填安全性及びタンクの信頼性を確保し難く、頻繁に全数検査を実施しなければならないため、検査費用が高くなる。また、充填安全性及び信頼性をリアルタイムに確保できないため、プラスチックタンクの量産適用が制限されている 。
その他、水素充填に伴う危険回避の方策として、充填圧力が高くなったとき、その圧力を逃がして逆止弁にかかる圧力を低下させる方法〔特許文献２〕、燃料供給時に異常な状態が検出されたとき、確実に燃料遮断を行って、不適切な燃料供給を防止することができる燃料充填システム〔特許文献３〕などの提案がなされている。
特開２０１１−２５５８８２号公報 特開２００３−２６９６９５号公報 特開２００３−１０４４９８号公報
上記の問題点を解決するためになされた本発明の目的は、燃料電池自動車に水素を充填するとき、水素タンクのリアルタイム変形情報を反映して水素をより安全に水素タンクに充填する水素安全充填システム及び充填方法を提供することにある。
上記記目的を達成するためになされた本発明は、燃料電池自動車のリアルタイムでタンク変形情報を用いた水素安全充填システムであって、車両の水素タンクに設置され、水素タンクの変形程度を測定して出力する変形測定部と、変形測定部の出力信号を無線送信可能なタンク変形程度データに変換して出力する車両側制御部と、車両側制御部と充填所側制御部との間のデータ無線送受信のために設けられた無線通信手段と、無線通信手段により車両側制御部から受信したタンク変形情報に基づいて規定以上のタンク変形を感知した場合、水素充填器の水素充填作動を中断する充填所側制御部と、を含んで構成される。
また、本発明は、燃料電池自動車のリアルタイムでタンク変形情報を用いた水素安全充填方法であって、水素を充填するとき、車両の水素タンクに設置された変形測定部により水素タンクの変形程度を測定する段階と、変形測定部により測定されたタンク変形程度データを、車両側制御部から無線通信手段により充填所側制御部に伝送する段階と、充填所側制御部が車両側制御部から受信したタンク変形情報に基づいて、規定以上のタンク変形を感知した場合、水素充填器の水素充填作動を中断する段階と、を含んで構成される。
本発明の水素安全充填システム及び水素安全充填方法によれば、燃料電池自動車に水素を充填するとき、車両で水素タンクの変形程度をリアルタイムに測定し、充填所では無線通信により車両からリアルタイムでタンク変形情報を受信し、規定以上のタンク変形を感知した場合には、水素の充填を中断するなど、危険を回避する安全モードを行うように構成され、水素をより安全に水素タンクに充填する利点がある。
また、本発明を適用する場合、充填安全性と共に、タンクに対する信頼性を高め、水素タンクに対する全数検査周期を延ばすことができ、検査にかかる費用を低減する利点もある。
本発明において、水素を充填するときに、充填所と燃料電池自動車の連結状態を示す図面である。 本発明における水素安全充填システムの構成図である。 水素タンクにストレーンゲージが設置された状態を示す斜視図である。 赤外線（ＩＲ）受信機が設置された充填ノズルの斜視図である。 水素充填器の充填ノズルが車両のレセプタクルに連結された状態を示す図面である。 本発明による水素安全充填方法を示すフローチャートである。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明は、燃料電池自動車に水素を充填するとき、水素タンクのリアルタイム変形情報を反映して水素をより安全に水素タンクに充填できる水素安全充填システム及び充填方法に関する。
本発明は、水素を充填するとき、車両で水素タンクの変形程度をリアルタイムに測定し、充填所では車両から無線通信によりリアルタイムでタンク変形情報を受信し、規定以上のタンク変形を感知したとき、水素充填を中断するなど危険を回避する安全モード制御を行うように構成している。
図１は、水素を充填するときに、充填所と燃料電池自動車の連結状態を示す図面であって、車両１に水素供給ホース４４の充填ノズル４５が連結されると、水素供給ホース４４と充填ノズル４５を介して水素充填器４０から車両に水素が供給される。この時、水素は、車両１に搭載された水素タンク（燃料タンク）に高圧充填される。
車両１では、水素が充填されるとき、水素タンクで測定されたタンク内部温度及び圧力など従来からの測定情報が水素充填器４０に伝送されると共に、変形測定部によりリアルタイムでタンク変形情報（下記ストレーンゲージにより測定される変形率データ）が測定され、その情報が水素充填器４０に伝送される。
タンク内部温度及び圧力データは、水素タンクに設置された温度検出部と圧力検出部により検出されるデータであり、本発明によるリアルタイムでタンク変形情報を用いた水素充填中断ロジックと共に、水素の充填速度を制御し、規定値以上の危険状態が感知された時には、水素充填を中断させるロジックが適用される。
充填所で高圧水素が充填されるとき、水素タンクは長さ方向と円周方向に膨張するが、この膨張は水素を充填するときにだけ発生する。この点に着眼して、本発明では、充填するときに水素タンクの変形程度、すなわち膨張程度をリアルタイムでモニタリングし、水素タンクの膨張程度が規定以上になったとき危険と判断し、その危険を回避するための安全モード制御を行うように構成される。
図２は、本発明の水素安全充填システムの構成図であって、水素安全充填システムは、車両の水素タンク２に設置され、水素タンク２の変形程度をリアルタイムに測定して出力する変形測定部１０と、変形測定部１０の出力信号を無線送信可能なタンク変形程度データに変換して出力する車両側制御部２０と、車両側制御部２０と後記する充填所側制御部４１との間でデータを無線送受信する無線通信手段３０と、無線通信手段３０で受信されたタンク変形情報に基づいて規定以上のタンク変形が発生したと判定した場合、安全モード制御を行う充填所側制御部４１とを含んで構成される。
変形測定部１０は、水素タンク２のタンク壁に設置され、充填するときにタンク壁の変形率（ｓｔｒａｉｎ）を検出し、その検出値を電気信号にして出力するストレーンゲージである。この時、変形測定部１０は、Ｘ方向とＹ方向の２つの方向に対して変形率を測定できるものが好ましい。
図３は、水素タンク２に変形測定部１０が設置された状態を示す斜視図であり、この例では、変形測定部１０として、水素タンク２におけるＸ方向とＹ方向の変形率を測定できるホイル（ｆｏｉｌ）型ストレーンゲージを用いている。ここでは、Ｘ方向変形率は水素タンク２の長さ方向変形率であり、Ｙ方向変形率は水素タンク２の円周方向変形率である。
このようにストレーンゲージを用いた変形測定部１０により、水素タンク２に水素を充填するとき、水素タンクの変形情報、すなわち長さ方向と円周方向の変形率をリアルタイムで得ることができ、水素タンク２の安全状態をモニタリングすることができる。
ストレーンゲージは、水素タンク２のタンク壁に固定しなければならないが、ストレーンゲージの固定方法は、水素タンク２の製作時に、炭素繊維などの補強素材をタンク本体の外側面に巻き付け、ストレーンゲージをタンク本体または巻き付けられた補強素材の外側面に付着し、補強素材をさらに巻き付ける方式、すなわちタンク壁の外層に埋め立てて固定する方式が適用できる。
変形測定部１０の信号出力部と車両側制御部２０は、電線あるいは無線で結び、変形率信号が車両側制御部２０に送られる。
車両側制御部２０は、変形測定部１０からの電気信号、すなわち水素充填時の変形率信号を受け、これをさらに無線通信手段３０に送る。
無線通信手段３０は、車両側無線送信機３１と充填所側無線受信機３２で構成され、車両側無線送信機３１では、車両側制御部２０からの電気信号を無線送信できる信号に変換し、無線で充填所側制御部４１に送る。ここでの情報は、リアルタイムのタンク変形情報であり、水素タンク２の変形率データと共に、水素タンク内部の圧力と温度データもある。
一方、充填所側制御部４１は、水素充填器４０と共に設けられ、充填所側無線受信機３２を介してタンク変形の情報を受信し、水素タンク２の変形が規定値以上であると判定した場合には、警告部４３から警告を発すると共に、車両に水素を供給する水素供給部４２の作動を中断する所定の安全モード制御過程を行う。
このような無線通信手段３０を用いることにより、車両と水素充填器４０の間に別途の通信ケーブルを連結しなくても、データ通信が可能となり、車両に通信ケーブル用コネクターを連結する必要がなく、車両の水素充填が容易になり、車両の商品価値を上げることができる。
車両側無線送信機３１と充填所側無線受信機３２は、それぞれ赤外線（ＩＲ）送信機と赤外線（ＩＲ）受信機であってもよく、これについて図４及び図５を参照して説明する。
図４は、ＩＲ受信機が設置された充填ノズルの斜視図であり、図５は、水素充填器の充填ノズルが車両のレセプタクルに連結された状態を示す図面である。
車両に水素を供給するために、充填所側水素充填器（図１と図２における図面符号「４０」）に連結された水素供給ホース４４の末端に充填ノズル４５が設置されている。そして、車両からのデータを受信するためのＩＲ受信機（３２）が、充填ノズル４５の一側に設置される。
充填所にデータを送信するＩＲ送信機（３１）は、車両側にあり、水素充填器の充填ノズル４５が車両に連結された時に、ＩＲ受信機（３２）に対し無線通信が可能な位置に設けられる。好ましい実施形態で、図５に示すように、ＩＲ送信機（３１）は、車両１の水素充填口の周辺、すなわちレセプタクル３の周辺の位置に設置される。
このようにして、充填ノズル４５をレセプタクル３に結合した時、ＩＲ送信機（３１）とＩＲ受信機（３２）は互いに近くなり、データ通信が可能となる。ＩＲ送信機（３１）とＩＲ受信機（３２）を用いた無線データ通信により、車両側制御部２０から充填所側制御部４１にタンク変形情報を含む情報が伝達される。
充填所側制御部４１における判定は、例えば、車両から伝送されるタンク変形情報、すなわち変形率データを所定の閾値と比較し、水素タンクの変形率が閾値以上であれば、規定以上のタンク変形が発生したと判定する。
具体的には、図６に示すように、受信された変形率データからタンク変形率が閾値未満であれば、正常に水素充填状態を継続するが、タンク変形率が閾値以上であれば、警告部４３を作動させて警告を発すると共に、水素供給部４２の充填（水素供給）を中断する。水素タンク２は、別途検査する。
この閾値は、同一仕様の水素タンクに対して高圧の水素を充填してタンクが破裂するまでストレーンゲージにより変形率を測定する先行テストで設定する値であって、実際の破裂が発生する変形率値及び安全充填のための余裕を考慮して充填中断ロジックに適用する閾値を設定する。
本発明者は先行テストで、アルミニウム合金でタンク本体を製作した後、補強素材として炭素繊維を巻き付けて７００ｂａｒ仕様の水素タンクを製作し、図３に示すように炭素繊維層内に埋め立てる方式でストレーンゲージを水素タンク２に設置した後、高圧の水素を実際に破裂するまで水素タンク２に充填して破裂が発生するタンク内部の圧力（破裂圧力）と破裂時の変形率を測定した。
測定結果の例として、破裂圧力は１３８８ｂａｒ、破裂時の変形率は１．３８％であった。従って、本発明では１．３８％よりも低い変形率値を閾値として設定することができる。この閾値設定方法により実験的に求める方式の代わりに、有限要素法を用いた数値解析方法により導き出されたデータから閾値を設定してもよい。
また、本発明で水素タンクの長さ方向（Ｘ方向）及び円周方向（Ｙ方向）に対する変形率の測定が可能なストレーンゲージを用いた場合、閾値はそれぞれの方向に対する値として設定され、Ｘ方向の変形率とＹ方向の変形率のうちのいずれか１方が所定の閾値に到達したとき、直ちに水素充填を中断し、警告部を作動させるなどの安全モードの作動が行われるようにする。
同じように、タンク内の圧力が規定値に到達した場合、水素充填を中断し、警告部を作動させるロジックを併行適用することもでき、この規定値も実験的に得られた圧力、例えば１３８８ｂａｒよりも低い圧力値に設定することができる。
このようにして、水素を充填している車両からリアルタイムでタンク変形情報を充填所に伝送し、規定以上のタンク変形を検出した場合には、水素の充填を中断することで、水素をより安全に充填できる。
本発明の水素安全充填システム、水素安全充填方法を適用することにより、充填の安全性と共に、タンクに対する信頼性を高められ、水素タンクの検査周期を延ばすことも可能になり、検査に要する費用を削減できる利点がある。
本発明に対する具体的な内容を説明するに当たって、変形測定部としてストレーンゲージを用いた実施形態を挙げて説明したが、ストレーンゲージ以外に、水素の充填時に、充填所側制御部がタンクの初期値を認識した後、水素を充填するとき、タンクの膨張程度が初期値に比して規定以上の変形程度が認識できるものであればよく、その他公知の変形測定手段を用いてもよい。
以上、本発明の実施形態に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲はそれに限定されることはなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に含むものである。
１；車両
２；水素タンク
３；レセプタクル
１０；ストレーンゲージ（変形測定部）
２０；車両側制御部
３０；無線通信手段
３１；車両側無線送信機（ＩＲ送信機）
３２；充填所側無線受信機（ＩＲ受信機）
４０；水素充填器
４１；充填所側制御部
４２；水素供給部
４３；警告部
４４；水素供給ホース
４５；充填ノズル

Claims (10)

  1. 燃料電池自動車のリアルタイムでタンク変形情報を用いた水素安全充填システムであって、
    車両の水素タンクに設置され、水素タンクの変形程度を測定して出力する変形測定部と、
    前記変形測定部の出力信号を無線送信可能なタンク変形程度データに変換して出力する車両側制御部と、
    前記車両側制御部と充填所側制御部との間のデータ無線送受信のために設けられた無線通信手段と、
    前記無線通信手段により前記車両側制御部から受信したタンク変形情報に基づいて規定以上のタンク変形を感知した場合、水素充填器の水素充填作動を中断する充填所側制御部と、
    を含んで構成されることを特徴とする水素安全充填システム。
  2. 前記変形測定部は、前記水素タンクのタンク壁に設置され、充填するときに前記タンク壁の変形率を測定するストレーンゲージであり、前記タンク変形程度データは、前記ストレーンゲージにより測定された変形率データであることを特徴とする請求項１に記載の水素安全充填システム。
  3. 前記ストレーンゲージは、前記水素タンクのＸ方向とＹ方向の変形率を測定し、前記水素タンクの長さ方向と円周方向の変形率を測定することを特徴とする請求項２に記載の水素安全充填システム。
  4. 前記充填所側制御部は、前記車両側制御部から受信された前記水素タンクの変形率が所定の閾値に到達したとき、規定以上のタンク変形が発生したと判定することを特徴とする請求項２または３に記載の水素安全充填システム。
  5. 前記無線通信手段は、
    前記車両側制御部から出力されたタンク変形程度データを送信する無線送信機と、
    前記無線送信機から送信されたタンク変形程度データを受信して前記充填所側制御部に入力する無線受信機と、
    で構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素安全充填システム。
  6. 前記無線送信機は、車両で水素が注入されるレセプタクルの周辺に設置された赤外線（ＩＲ）送信機であり、前記無線受信機は、前記水素充填器の充填ノズルの一側に設置された赤外線（ＩＲ）送信機であることを特徴とする請求項５に記載の水素安全充填システム。
  7. 燃料電池自動車のリアルタイムでタンク変形情報を用いた水素安全充填方法であって、
    水素を充填するとき、車両の水素タンクに設置された変形測定部により水素タンクの変形程度を測定する段階と、
    前記変形測定部により測定されたタンク変形程度データを、車両側制御部から無線通信手段により充填所側制御部に伝送する段階と、
    前記充填所側制御部が前記車両側制御部から受信したタンク変形情報に基づいて、規定以上のタンク変形を感知した場合、水素充填器の水素充填作動を中断する段階と、
    を含むことを特徴とする水素安全充填方法。
  8. 前記変形測定部は、前記水素タンクのタンク壁に設置され、水素を充填するときに前記タンク壁の変形率を測定するストレーンゲージであり、前記タンク変形程度データは、前記ストレーンゲージにより測定された変形率データであることを特徴とする請求項７に記載の水素安全充填方法。
  9. 前記ストレーンゲージは、前記水素タンクのＸ方向とＹ方向の変形率を測定し、前記水素タンクの長さ方向と円周方向の変形率を測定することを特徴とする請求項８に記載の水素安全充填方法。
  10. 前記充填所側制御部は、前記車両側制御部から受信された前記水素タンクの変形率が所定の閾値に到達したとき、規定以上のタンク変形が発生したと判定することを特徴とする請求項８または９に記載の水素安全充填方法。
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