JP2014238159A - 水素ガス充填設備および水素ガス充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安全かつ効率的な水素ガスのプレクール充填、とりわけ温度制御が正確になされた水素ガスのプレクール充填を可能とする水素ガス供給装置の提供。
【解決手段】 水素ガス貯留手段と、前記水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段と、前記熱交換手段の水素ガス供給ラインを通過した水素ガスを、受入容器に充填するディスペンサーとを少なくとも備えてなり、前記冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、前記水素ガス供給ラインと前記冷却源流通ラインとの熱交換を行い前記水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却することを特徴とする装置によれば、水素ガスは冷媒の融点以下には冷却されず、安全かつ効率的な水素ガスのプレクールが実施できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素ガス供給源に貯蔵されている水素ガスを、被充填タンクに充填する水素ガス充填設備および水素ガス充填方法に関する。特に、水素を燃料とする車両に搭載された水素タンクへの水素ガス充填に適した装置および方法に関する。

水素を必要とする装置、器具等、例えば燃料電池車は、通常、水素を貯蔵するタンクを備え、その中で水素は、液体、気体または合金等に吸蔵された状態で貯蔵される。近時、耐圧性が高く、かつ軽量なタンクの開発が進んだことから、燃料電池車の車両において水素は高圧の水素ガスの状態で貯蔵される。タンク内の水素ガスが消費され、その補充が必要となった場合、このタンクに水素ガスを外部より充填する。燃料電池車の水素タンクには、いわゆる水素ステーションにおいて、水素ガス貯蔵源より水素ガスが充填される。

受入容器である水素タンクに、高圧水素ガス、例えば７０ＭＰａ級の水素ガスを急速に充填しようとすると、断熱圧縮となり、水素タンク内の温度が上昇する。このため、水素ガスを予め冷却して充填する、プレクール充填と呼ばれる方法が実施されている。水素冷却の冷却源として冷凍機や液化窒素を用いる方法の他に、充填される水素ガスが液化水素として貯蔵されている場合、この液化水素を冷却源とする方法や、液化天然ガスを用いる方法が提案されている。

また、この冷却源との熱交換についても、いわゆる二次冷媒を介した間接冷却を行う熱交換器によって行うことが提案されている。例えば、特開２００７−２１８５７３号公報（特許文献１）には、二次冷媒として水−アルコールの混合液等からなる蓄冷剤を用い、この蓄冷剤を液化天然ガスにより凝固させ、これを冷却源とする方法が開示されている。

水素ガスを燃料とする燃料電池車の場合、水素ガスの充填時間はガソリン車へのガソリンの充填と同程度であることが望まれ、一般的には３〜５分以内での充填が望まれる。このような短時間での充填のため、水素ガスの充填速度、圧力および量ならびに温度の制御が必要となるが、安全性への配慮も非常に重要となる。また、燃料電池車において充填時のタンクに残る水素ガス残量はさまざまであり、種々の条件下でも、安全かつ効率的な水素ガスの充填が行われる必要がある。

特開２００７−２１８５７３号公報

本発明者らは、今般、安全かつ効率的な水素ガスの充填、とりわけ温度制御が正確になされた水素ガスの充填が、間接冷却の冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら水素ガスを冷却することで実現出来る、との知見を得た。本発明はこの知見に基づくものである。

従って、本発明は、安全かつ効率的な水素ガスの充填、とりわけ温度制御が正確になされた水素ガスの充填を可能とする水素ガス供給装置の提供をその目的としている。

さらに本発明は、安全かつ効率的な水素ガスの充填、とりわけ温度制御が正確になされた水素ガスの充填を可能とする水素ガス供給方法の提供をその目的としている。

そして本発明による水素ガス供給装置は、
水素ガス貯留手段と、
前記水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段と、
前記熱交換手段の水素ガス供給ラインを通過した水素ガスを、受入容器に充填するディスペンサーとを少なくとも備えてなり、
前記冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、前記水素ガス供給ラインと前記冷却源流通ラインとの熱交換を行い前記水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却することを特徴とするものである。

また、本発明による水素ガス供給方法は、
水素ガス貯留手段から導かれた水素ガスを、冷却源と冷媒を介して間接熱交換して冷却する工程と、
前記冷却された水素ガスを、受入容器に充填する工程とを含んでなり、
前記水素ガスの冷却工程を、前記冷媒を、固−液二相が混在した状態におきながら行うことを特徴とするものである。

本発明による水素ガス供給装置の一つの態様であって、冷却源流通ラインに導入する冷却源として、水素ガスの供給源ともなる液化水素を用いた装置の説明図である。 図１の装置において、充填される水素ガスの上限温度を−３３℃とし、下限温度を−４０℃として充填が実施される態様における、水素ガス充填の運転前の準備操作手順を示すフローチャートである。 図１の装置において、充填される水素ガスの上限温度を−３３℃とし、下限温度を−４０℃として充填が実施される態様における、水素ガスの充填操作手順を示すフローチャートである。 本発明による水素ガス供給装置の一つの態様であって、冷却源流通ラインに導入する冷却源として、水素ガスの供給源ともなる液化水素を用いた装置の説明図である。 実験１および２に用いた熱交換器の説明図である。 図５の熱交換器の断面図であり、（ａ）は中央に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管３１を置き、その周囲に冷却源流通ラインの液化水素が通る管３２を４本おいた構成の熱交換器の断面図であり、（ｂ）は中央に冷却源流通ラインの液化水素が通る管３３を置き、その周囲に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管３４を４本おいた構成の熱交換器の断面図である。

本発明による水素ガス温度制御の原理
本発明による水素ガス供給装置および方法は、水素ガスを必要とする装置、器具における水素ガスの受入容器に、水素ガスを安全かつ効率的に充填することを可能にするものである。本発明の好ましい一つの態様によれば、本発明は、水素ガスを燃料とする車両、例えば燃料電池車の水素タンクへの水素ガスの充填に用いられる。すなわち、本発明による装置および方法は、好ましくは水素ガスステーションに設置され、実施される。

さらに、本発明による水素ガス供給装置および方法は、水素ガスの断熱圧縮にともなう温度上昇による影響を避けるために、水素ガスを予め冷却して充填するプレクール充填を行うものである。

本発明による水素ガス供給装置にあっては、水素ガスと冷却源とを、冷媒を介して間接的に接触させて熱交換して、水素ガスを冷却する。そして、この間接熱交換を、冷媒を、その全体を完全に凝固させず、固−液二相が混在した状態におきながら行う。ここでの熱交換は、冷媒の融解潜熱により水素ガスから熱エネルギーを奪うことで水素ガスを冷却し、他方、凝固潜熱により冷却源に熱エネルギーを与え冷媒を冷却することを意味する。これらの熱交換は、冷媒が固−液二相が混在した状態において行われるから、そのときの冷媒の温度は、冷媒の凝固点・融点である。なお、本明細書において、凝固点と融点は同義に用いる。

冷媒を、その全体を完全に凝固させず、固−液二相が混在した状態におきながら、冷媒と水素ガスとを接触させて熱交換を行うことで、次のような利点が得られる。

まず、上記の通り、本発明にあって、冷媒が固−液二相が混在した状態において熱交換が行われる。このとき冷媒の温度は融点にあるから、冷却される水素ガスの温度は冷媒の融点以下にはならない。例えば、充填される水素ガスが冷却され温度が低下し過ぎると、受入容器に過剰な水素ガスが充填されて受入容器の許容圧力を超えてしまう恐れがあり、望ましくない。本発明にあっては、充填される水素ガスの温度制御、特に下限の制御が正確に行われる点で有利である。水素ガスのプレクール充填にあっては、冷却効率の観点から、充填しようとする水素ガスの目標温度よりも、より低い温度の物と接触させて冷却することが一般的に行われている。しかし、目標とする温度よりも低い物と水素ガスを接触させることから、過剰に冷却された、つまり水素ガスの温度が低くなり過ぎてしまうことがある。特に、水素ガスの充填にあたり、受入容器内の水素残量、充填条件により、水素ガスの流量が変化する。水素ガスの流量が小さくなると熱交換効率がよくなり、水素ガスは過剰に冷却されやすい状況となる。しかし本発明にあっては、冷媒の融点の温度を、充填する水素ガスの温度下限値と一致させれば、過剰な冷却を有効に防止できる。この点は、本発明により得られる大きな利点である。

また、固−液二相が混在した状態にある冷媒は流動性を有することから、冷媒が完全に凝固した場合に比較して、対流による熱交換が効率よく行われるとの利点も得られる。

さらに本発明の好ましい態様によれば、水素ガスの温度を、所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御することができる。上限温度は、プレクール充填として十分な冷却がなされる温度に設定される必要がある。上記のとおり、水素ガスが充分に冷却されないと受入容器に必要な水素ガスが充填されない恐れがあるが、本発明にあっては、所望の温度範囲にある水素ガスを充填可能となるため、受容容器に、目的とする水素ガス量を所望の充填量および速度で充填することができる。

冷媒および蓄冷剤
本発明において冷媒は、一定の融点を示す物質を第一に意味する。さらに、本発明の一つの態様において、冷媒として蓄冷剤を用いる。本明細書において、蓄冷剤とは、有機化合物および／または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の混合物を意味する。一般的に蓄冷剤は冷却して凍結・凝固して使用するが、本発明にあっては、蓄冷剤を完全に凝固させず、固−液二相が混在した状態におく。完全に凍結・凝固した蓄冷剤を水素ガスの冷却に用いると、その熱交換条件によっては、水素ガスが蓄冷剤の融点以下の温度に冷却されてしまうが、本発明にあっては、上記の通り、蓄冷剤を固−液二相が混在した状態において用いるため、融点以下の温度に水素ガスは冷却されない。

本発明において蓄冷剤としては、その融点が明確に一定温度を示すものが好ましいが、混合物であるため融点が一定の温度を示さないことがある。本発明にあっては、凝固または融解時に、すなわち固−液二相が混在した状態にあるときに、幅のある温度域として融点を示す蓄冷剤であっても、固−液二相が混在した状態において示す温度域の下限温度を融点として利用すれば、水素ガスはこの温度を下回らない温度で冷却される。つまり上述の本発明による効果をこの態様においても享受することができる。よって、このような幅のある温度域として融点を示す蓄冷剤であっても、本発明において冷媒として利用することが可能である。従って、本発明にあって冷媒とは、このような冷媒も第二に意味する。またこの態様において、幅のある温度域の下限のみならず、その温度域にある温度を、融点として利用することも可能である。例えば、−３５〜−４２℃の範囲にある冷媒において、−４０℃を融点とみなして利用することも可能である。この場合、冷媒により冷却された直後の水素ガスの下限温度は−４２℃となるが、例えば、実際の充填までに引き回される間、所望の冷却下限温度である−４０℃となるよう制御されればよい。

また、本発明にあっては、凝固した状態にあっても完全に固化せず柔軟性が付与された蓄冷剤であって、上記意味の融点を有するものであってもよい。

本発明において蓄冷剤の組成は、上記意味の融点を有する限り限定されないが、例えば水に、有機化合物として、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド、グアーガム、アルギン酸ナトリウム、デンプン、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩などの水溶性高分子を加えたもの、および／または無機化合物として、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどに加え、防腐剤などの添加剤を含むものであってもよい。

冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御
本発明にあっては、水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、この水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段において、冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、水素ガス供給ラインと冷却源流通ラインとの熱交換を行い、これにより水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却する。ここで、冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御は、冷媒を冷却し、固−液二相が混在した状態においた後、冷媒の融解潜熱により水素ガスから熱エネルギーを奪い水素ガスを冷却する結果としての熱エネルギーの入りと、凝固潜熱により冷却源に熱エネルギーを与えるエネルギーの出とを均衡させることにより実現される。

例えば燃料電池車の場合、水素ガスの充填時間を短くし、かつ、要時、安定した水素ガス充填を可能にする必要がある。そのため、水素ガス供給ラインの水素ガス充填により冷媒温度が上昇したとき、水素ガス供給ラインの水素ガス流量を小さく制限し、あるいは止めることで冷媒の温度上昇を抑制することは望ましくない。そのため、本発明の一つに態様によれば、冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御は、主として、冷却源流通ラインに導入する冷却源に熱エネルギーを伝達するエネルギーの出の制御により行われることが好ましい。

従って、本発明の一つの態様によれば、冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御は、冷媒の温度を測定し、冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御することにより行われる。ここで、冷媒の温度の測定は、例えば、熱交換手段に設けられた複数の温度センサーにより行われる。

また、別の態様によれば、冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御は、水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を測定し、冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を前記所定の上限温度と下限温度との間にあるようにしながら行われてもよい。この態様において、水素ガスの下限温度は好ましくは冷媒の融点と同一とされる。

さらに本発明の別の好ましい態様によれば、冷媒の温度を測定し、さらに水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を測定し、これら温度情報から、冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、冷媒をその全体を完全に凝固させず、固−液二相が混在した状態におく。

水素ガス供給装置および方法
本発明による水素ガス供給装置および方法を、図面を用いて説明する。図１は、本発明による水素ガス供給装置、特に水素ガスを燃料とする車両に水素ガスを供給する水素ガスステーションとしての装置の説明図である。図中、水素ガス供給装置１０は、水素ガス貯留手段１１と、熱交換手段１２と、車両の水素ガス受入容器に水素ガスを充填するディスペンサー１３とを備える。水素ガス貯留手段１１には、液化水素貯蔵手段１４aから液化水素がバルブ１５ａを介して気化器１６に導入され、気化された水素ガスが、バルブ１５ｂを経て圧縮機１７にて供給される。この態様にあっては、ボイルオフした水素ガスの回収ライン１４ｂがバルブ１４ｃを介して設けられてなる。

図１の装置において、水素ガス貯留手段１１から水素ガスが、バルブ１５ｄを備えた水素ガス供給ライン１８ａを経て、熱交換手段１２に導かれる。他方、液化水素貯蔵手段１４ａから液化水素が、バルブ１５ｅを備えた冷却源流通ライン１９ａを経て、熱交換手段１２に導かれる。熱交換手段１２は冷媒２０で満たされており、水素ガス供給ライン１８ａに連結する熱交換領域１８ｂがこの冷媒と接触し、その内部の水素ガスと冷媒との間で熱交換可能とされる。また、同様に冷却源流通ライン１９ａに連結された熱交換領域１９ｂが冷媒２０と接触して熱交換する。熱交換手段１２において冷却された水素ガスは、ライン１８ｃを経て、ディスペンサー１３に至り、ここから車両の水素ガスタンクに供給される。

熱交換手段１２において、冷媒２０は、冷却源流通ライン１９ａから供給された液化水素により冷却され、固−液二相が混在した状態におかれ、その状態を維持するよう制御される。この制御は、熱交換手段１２内の冷媒の温度を測定し、冷却源流通ラインの液化水素の導入量を制御することにより行われる。そのために図１の装置には、熱交換手段内に冷媒の温度を測定する温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３が設けられてなる。さらにこの装置にあっては、水素ガス供給ラインで冷却された水素ガスの温度を測定するために、温度センサーＴ４が設けられてなる。

図１の装置における水素ガス充填の運転は、次のように行われる。まず、運転前の準備操作として、水素ガス貯留手段１１に、ガス化した水素ガスを貯蔵しておく。すなわち、水素ガス貯留手段１１に、液化水素貯蔵手段１４から液化水素がバルブ１５ａを介して気化器１６に導入され、気化された水素ガスが、バルブ１５ｂを経て圧縮機１７にて圧縮貯蔵される。この操作は、後記する水素ガスの冷却運転と独立して、水素ガス貯留手段１１中の水素ガスの量に応じて、適宜実施されてよい。

水素ガス充填の運転前の準備操作として、バルブ１５ｃおよび１５ｅを開け、液化水素貯蔵手段１４から冷却源流通ライン１９ａに液化水素を通し、熱交換領域１９ｂにおいて冷媒２０と接触して、冷媒２０を冷却する。この冷却は、冷媒の温度を測定する温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３の少なくとも一部において、冷媒２０の融点または凝固点の温度が測定され、冷媒２０が固−液二相が混在した状態におかれるまで行われる。

以上の準備操作により、冷媒２０が固−液二相が混在した状態におかれた後、水素ガスの充填操作が行われる。まず、バルブ１５ｄを開け、水素ガスが水素ガス供給ライン１８ａに導かれ、さらに熱交換領域１８ｂに至る。ここで、水素ガスは、固−液二相が混在した状態にある冷媒２０、すなわちその融点にある冷媒２０と接触し熱交換可能とされ、冷媒の融点の温度をその下限として冷却される。その後、冷却された水素ガスは経路１８ｃを経て、ディスペンサー１３に至り、ここから車両の水素ガスタンクに供給される。

この水素ガスの充填操作中、冷媒２０は熱交換領域１８ｂにおいて、水素ガスから熱エネルギーを奪う。このとき、固体の状態にある冷媒２０が融解してそのエネルギーを吸収することができる限り、冷媒２０の温度は変化しない。しかし、水素ガスの充填に伴い固体状態の冷媒が無くなれば、冷媒２０の温度は融点を超える。従って、冷媒２０が固−液二相が混在した状態を維持するように、冷却源流通ラインの液化水素の導入を行う必要がある。水素ガス供給ラインの水素ガス充填が継続的に一定量である場合には、冷却源流通ラインの液化水素の導入も、熱交換領域１８ｂの水素ガス冷却と均衡するエネルギー量とすればよい。しかし、水素ガス供給ラインの水素ガス充填が、要時行われる場合、冷却源流通ラインの液化水素の導入も、水素ガス供給ラインの水素ガス量の変化に伴って変化させなければならない。

図１の装置にあっては、冷媒２０の温度を温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３により測定し、さらに、熱交換領域１８ｂで冷却された水素ガスの温度を温度センサーＴ４により測定する。これらの温度情報から、冷却源流通ラインの液化水素の導入量を制御する。

まず、例えば水素ガスの温度の上限温度と下限温度とをＴ_ＵおよびＴ_Ｌと定め、ここでＴ_Ｌは冷媒２０の融点よりも高い温度と設定されてもよいが、好ましくは冷媒２０の融点と一致する温度とする。ディスペンサー１３を車両の水素ガス充填口に装着し、バルブ１５ｄを開け、さらにディスペンサーが備える弁を開けて、水素ガスの充填操作を行う。その後、次のような操作・制御を行う。

水素ガスの充填運転中、冷媒２０の温度および水素ガス供給ライン水素ガスの温度を、温度センサーＴ１〜Ｔ４により監視する。そして、Ｔ４の温度が、上限温度Ｔ_Ｕに近づいたときに、冷却源流通ラインの液化水素の流入を止めていたのであればこれを再開し、あるいは流入量を増加させて、冷媒２０から熱エネルギーを奪い、これによりＴ_Ｕを越えないよう制御する。このため、具体的には、上限温度Ｔ_Ｕよりも低い温度例えばＴ_Ｕ−ａ℃を設定し、温度センサーＴ４で測定された温度がこのＴ_Ｕ−ａ℃に至った時点で、冷却源流通ラインの液化水素の流入を止めていたのであればバルブ１５ｅを開けて流入を再開し、あるいはバルブ１５ｅをさらに開けて流入量を増加させる操作を行う。なお、本発明の一つの態様によれば、水素ガスの温度が上限温度Ｔ_Uを越えた場合、水素ガスの供給を制限または停止するよう構成してもよい。

また、上記態様に加え、または上記態様とは別の態様として、温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３で測定されたいずれか又は全ての温度が例えばＴ_Ｕ−ａ℃に至った場合に、冷却源流通ラインの液化水素の流入を止めていたのであれば再開し、あるいは流入量を増加させる操作を行う。固−液二相が混在した状態にある冷媒２０の温度は融点にあるが、熱交換手段１２の中において場所によっては、固体が溶解し、液体化した冷媒２０がさらに加温される。温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３により、このような状態を捉えて、冷媒２０全体が液体化し、固−液二相が混在した状態ではなくなってしまうことを防ぐよう制御されてもよい。

他方で、水素ガスの充填運転中、Ｔ４の温度が、下限温度Ｔ_Ｌに近づいたときに、冷却源流通ラインの液化水素の流入を止め、あるいは流入量を減少させて、冷媒２０の冷却を抑制し、これにより冷媒２０の全体が凝固してしまい、凝固点・融点よりもさらに低い温度とならないよう制御する。このため、具体的には、下限温度Ｔ_Ｌよりも高い温度例えばＴ_Ｌ＋ｂ℃を設定し、温度センサーＴ４で測定された温度がこのＴ_Ｌ＋ｂ℃に至った時点で、冷却源流通ラインの液化水素の流入をバルブ１５ｅを閉じて止め、あるいはバルブ１５ｅを閉めて流入量を減少させる操作を行う。

また、上記態様に加え、または上記態様とは別の態様として、温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３で測定されたいずれかの温度が冷媒２０の融点を下回った場合に、冷却源流通ラインの液化水素の流入を止め、あるいは流入量を減少させる操作を行う。固−液二相が混在した状態にある冷媒２０の温度は融点にあるが、熱交換手段１２の中において場所によっては液体状態の冷媒が凝固し、固化した冷媒２０がさらに冷却される。温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３により、このような状態を捉えて、冷媒２０全体が凝固し、固−液二相が混在した状態ではなくなってしまうことを防ぐよう制御されてもよい。

車両の水素ガスタンクの圧力が規定値に達したとき、あるいは車両の水素ガスタンクに所望の水素ガス量が充填されたとき、ディスペンサーが備える弁を閉じて充填操作を終了する。次の水素ガス充填までの間、冷媒２０が固−液二相が混在した状態を維持するように、冷却源流通ラインの液化水素の導入を、例えば限られた量の液化水素が流入するようバルブ１５ｅの開閉程度を制御し、その後バルブ１５ｅを閉じる。

水素ガスの充填にあたり、通常、充填開始から水素ガスの流量が徐々に増加し、水素タンクの充填が満充填に近づくにつれ水素ガス流量は徐々に減少に転じる。また、水素ガスステーションにおいて、水素ガス充填に訪れる車両の時間あたりの数は一般的には一様ではなく、水素ガスステーションは連続した水素ガス充填にも対応する必要がある。本発明にあっては、冷媒２０の量を、充填開始直後の流量の水素ガスを冷却するのに十分な潜熱を有する量とする、および／または冷却のために冷却源流通ラインとの熱交換を提供するのに十分な量とすることで、このような一定ではない充填条件にも対応できる点で有利である。

本発明の一つの態様によれば、本発明による装置は、バルブ１５ａ〜１５ｅの開閉操作を温度センサーＴ１〜Ｔ４から得られた温度情報および充填される水素ガス量を勘案して実施するバルブ制御手段を備えてなることができる。

本発明の一つの好ましい態様によれば、本発明による装置および方法は、水素ガス供給ラインの水素ガス充填圧力を７０ＭＰａとし、かつ、充填される水素ガスの上限温度を−３３℃とし、下限温度を−４０℃として実施される。この態様にあっては、冷媒２０として、融点が−４０℃のものを用いることが好ましい。

図１に示される装置において、冷媒２０として融点が−４０℃のものを用い、上限温度を−３３℃とし、下限温度を−４０℃として実施される運転態様の一例を、図３および４に示されるフローチャートを用いて説明する。

まず、水素ガス充填の運転前の準備操作として、運転スイッチをオンにし、バルブの開閉状況を確認した後、バルブ１５ｃおよび１５ｅを開け、液化水素貯蔵手段１４から冷却源流通ライン１９ａに液化水素を通し冷媒２０を冷却する。冷媒の温度を測定する温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３において、温度センサーＴ３は、熱交換領域１９ｂにおいて、冷却源ラインの最も下流側にあるから、通常、Ｔ１、Ｔ２が示す温度よりも比較的高めの温度を示すものであるから、このＴ３のセンサーが、冷媒２０が冷媒の融点を示した場合には、冷媒２０が完全に凍結した状態になってしまっている恐れがある。そこで、好ましくは、このＴ３のセンサーが、冷媒２０が冷媒の融点よりもやや高めの温度−３３℃に至ったかどうかを指標に、図３のフローチャートが示す通りセンサーＴ３がこの温度を示すまで液体水素を冷却源流通ラインに通し、センサーＴ３が示す温度が−３３℃に至れば、冷媒２０が固−液二相が混在した状態におかれたとしてバルブ１５ｃおよび１５ｅを閉じる。

以上の準備操作により、冷媒２０が固−液二相が混在した状態においた後、水素ガスの充填操作を行う。充填操作は、まず、図４のフローチャートが示すとおり、バルブ開閉状況を確認後、バルブ１５ｃおよび１５ｄを開け、水素ガスを水素ガス供給ライン１８ａに導き熱交換領域１８ｂに導入する。ここで上述の運転前の準備操作と同様に、センサーＴ３が示す温度が−３３℃に至り、冷媒２０が固−液二相が混在した状態におかれた状態であることを確認する。−３３℃に至っていない場合には、冷媒の冷却を継続する。−３３℃に至っていることを確認したら、バルブ１５ｅを閉める。

次に、図４のフローチャートにあるように、バルブ１５ｄを開け、水素ガスを水素ガス供給ライン１８ａに導き、熱交換領域１８ｂに導入する。水素ガスは、固−液二相が混在した状態にある冷媒２０により冷却される。冷却された水素ガスは経路１８ｃに至り、温度センサーＴ４よりその温度が測定される。ここで、この水素ガスの温度が上限温度−３３℃よりもやや低い−３５℃および下限温度−４０℃の間にある場合には充填を行う。充填を継続しながら温度センサーＴ４の値を観察し、−３５℃に至ったならばバルブ１５ｅを開け、冷媒２０の冷却を再開する。引き続き温度センサーＴ３およびＴ４の値を観察し、Ｔ４の温度、すなわち充填される水素ガスの温度が−３５℃以下となるか、または熱交換領域の温度センサーＴ３の温度が−３３℃を下回るまでバルブ１５ｅを開け続け、これら温度に至ったならばバルブ１５ｅを閉じる。その間、水素ガスの充填操作を継続する。車両の水素ガスタンクの圧力が規定値に達したならば、バルブ１５ｄを閉じて、充填操作を終了する。

図１の装置にあっては、冷却源流通ラインに導入する冷却源は、水素ガスの供給源ともなる液化水素を用いた。この態様にあっては、液化水素の冷熱を利用するため、他の冷凍機等の冷却源が不要となり、経済的かつ省スペースであるとの利点が得られる。他方、本発明にあっては、冷却源は液化水素に限定されず、液化天然ガス、液化窒素、液化水素のボイルオフガス、ブライン、の他、フロンガス、炭酸ガスなどの冷媒も求められる温度に応じて適宜用いることができる。この場合、図４に示される通り、冷却源流通ラインに、これら冷却源１９が接続される。

試験装置
図５に記載の熱交換器２０に、融点−１０℃の蓄冷剤を充填して、以下の試験を行った。ここで、熱交換器２０は、縦１２ｃｍ、横５０ｃｍ、高さ１２ｃｍの大きさであり、縦方向に図６（ａ）に示されるとおりの水素ガス供給ライン用および冷却源流通ライン用水素流通管を配置した。すなわち、中央に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管として直径１／４インチの管３１を置き、その周囲に冷却源流通ラインの液化窒素が通る管として直径３／８インチの管３２を４本おいた構成とした。これとは別に、図６（ｂ）に記載のように、逆に、中央に冷却源流通ラインの液化窒素が通る管として直径３／４インチの管３３を置き、その周囲に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管として直径１／４インチの管３４を４本おいた構成の熱交換器も用意した。

図５の熱交換器２０には、融点−１０℃の蓄冷剤２１が充填されており、この蓄冷剤２１の温度を、温度センサー２２ａ、２２ｂおよび２２ｃに加え、合計３０箇所で測定した。さらに、図示しない水素ガス供給ライン用水素流通管３１または３４の、熱交換器２０への入口側と出口側に設置した温度センサーにより温度が測定可能とされ、また当該管に設置した流量計により水素ガスの流量を測定可能とされている。

試験１
図６（ａ）に示される構造を有した図５の熱交換器２０に、液化窒素および水素ガスを流入させて、水素ガス供給ラインの水素ガスの入口と出口の温度を測定した。水素ガス供給ラインの水素ガス流量は２００Ｌ／分とし、冷却源流通ラインの液化窒素は蓄冷剤２１がほぼ−１０℃の温度となり、固−液二相が混在した状態になるよう流量を調整した。

その結果、１時間にわたり、水素ガス供給ラインの入口と出口において温度差が安定して１０℃ある水素ガスが供給できた。

試験２
図６（ｂ）に示される構造を有した図５の熱交換器２０を４個用意し、水素ガス供給ラインについてこれらを直列に連結し、水素ガスを熱交換器４段を連続して通すことでこれを冷却する装置を構成した。この装置の冷却源流通ラインに液化窒素を通し、蓄冷剤２１がほぼ−１０℃の温度となり、固−液二相が混在した状態になるよう、液化水素の流量を調整した。その後、水素ガス供給ラインに水素ガスを供給し、水素ガス供給ラインの水素ガスの入口と出口の温度を測定した。ここで、水素ガス供給ラインの水素ガス流量を２００Ｌ／分とした。その結果、４段目の熱交換器２０の出口において、−５℃から−１０℃の範囲にある水素ガスを２５分間にわたり供給することができた。

Claims (17)

1. 水素ガス供給装置であって、
   水素ガス貯留手段と、
   前記水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段と、
   前記熱交換手段の水素ガス供給ラインを通過した水素ガスを、受入容器に充填するディスペンサーとを少なくとも備えてなり、
   前記冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、前記水素ガス供給ラインと前記冷却源流通ラインとの熱交換を行い前記水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却することを特徴とする、水素ガス供給装置。
2. 前記冷媒が、有機化合物および／または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の蓄冷剤である、請求項１に記載の水素ガス供給装置。
3. 前記ディスペンサーから提供される水素ガスの温度が、所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御される、請求項１または２に記載の水素ガス供給装置。
4. 前記冷媒の融点が、前記下限温度と同一である、請求項３に記載の水素ガス供給装置。
5. 前記冷却源流通ラインに、液化水素、液化天然ガス、液化窒素、液化水素のボイルオフガス、ブライン、フロンガス、炭酸ガスから選択される冷却源が導入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
6. 前記冷媒の温度を測定し、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、前記冷媒を固−液二相が混在した状態におく、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
7. 前記冷媒の温度の測定が、前記熱交換手段に設けられた複数の温度センサーにより行われる、請求項６に記載の水素ガス供給装置。
8. 前記水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を測定し、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、前記水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を前記所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
9. 前記ディスペンサーより水素ガスが充填される前記受容容器が、水素を燃料とする車両に搭載された水素タンクである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
10. 水素ガス供給方法であって、
    水素ガス貯留手段から導かれた水素ガスを、冷却源と冷媒を介して間接熱交換して冷却する工程と、
    前記冷却された水素ガスを、受入容器に充填する工程とを含んでなり、
    前記水素ガスの冷却工程を、前記冷媒を、固−液二相が混在した状態におきながら行うことを特徴とする、水素ガス供給方法。
11. 前記冷媒が、有機化合物および／または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の蓄冷剤である、請求項１０に記載の水素ガス供給方法。
12. 前記間接熱交換が、水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段において行われ、
    前記水素ガス供給ラインを通過し冷却された水素ガスの温度を測定し、その温度が所定の温度を上回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を大きくし、その温度が所定の温度を下回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を小さくし、または導入を止め、
    これにより、提供される水素ガスの温度が、所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御する、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記冷媒の融点が、前記下限温度と同一である、請求項１２に記載の水素ガス供給方法。
14. 前記冷媒の温度を測定し、その温度が所定の温度を上回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を大きくし、その温度が所定の温度を下回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を小さくし、または導入を止め、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、前記冷媒を固−液二相が混在した状態におく、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
15. 前記冷媒の温度の測定が、前記熱交換手段に設けられた複数の温度センサーにより行われる、請求項１４に記載の水素ガス供給方法。
16. 冷却された水素が、ディスペンサーを介して、水素を燃料とする車両に搭載された水素タンクに充填される、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
17. 前記冷却源が、液化水素、液化天然ガス、液化窒素、液化水素のボイルオフガス、ブライン、フロンガス、炭酸ガスから選択されるものである、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
    
    

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