JP2015102229A - 車載貯蔵容器への水素ガス充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車載貯蔵容器に所定量の水素ガスを所望の時間内に充填することのできる車載貯蔵容器への水素ガス充填方法を提供する。
【解決手段】水素ガス移送路(４)の途中を分岐し、一方の水素ガス通路(５)に熱交換器(11)を介装して低温水素ガス通路とするともに、他方の水素ガス通路(６)を常温水素ガス通路とする。低温水素ガス通路(５)と常温水素ガス通路(６)との分岐部(７)の下流側に流量調節弁(９)・(10)をそれぞれ介装し、この各流量調節弁(９)・(10)の開度を予め定められた値に設定することで低温水素ガス通路(５)と常温水素ガス通路(６)を流れる水素ガスの流量比を固定する。熱交換器(11)で冷媒液化ガスと低温水素ガス通路内を流れる各水素ガスとを熱交換して低温水素ガス通路(５)内を流れる水素ガスを冷媒液化ガスの沸点温度域まで冷却したのち、熱交換器(11)の下流側で低温水素ガスと常温水素ガスとを合流させ、この合流ガスを車載貯蔵容器(３)に充填する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車に燃料としての水素ガスを充填する方法に関するものである。

次世代の自動車として、燃料電池自動車や水素ガス自動車の開発が進められている。これらの自動車は燃料として水素ガスを利用するものであり、通常の石油燃料自動車や液化石油ガス燃料自動車と同様、燃料充填設備(ディスペンサー)を備えた供給基地まで走行し、その燃料充填設備から水素ガスを補給充填することになる。この際、燃料充填設備から自動車に搭載される燃料タンクへは、約５ｋｇの水素を３分間で充填することが望まれている。この場合、充填後のタンク内圧は７０ＭＰａ程度となる。

自動車に搭載される燃料タンクとしては、軽量化のために強化プラスチック(ＦＲＰ)で形成された容器が用いられるが、ＦＲＰ容器は耐久性を考慮してその使用温度の上限が８５℃に規定されている。

水素ガスを容器に充填する場合、断熱圧縮により、ガス温度が極めて高くなりやすいことから前記したＦＲＰ容器に充填を行うに際しては、温度管理を必要する。

このような観点から、従来、供給する水素ガスを冷媒としての液化ガスと熱交換して、−３３℃〜−４０℃程度に冷却して車載貯蔵容器に充填する方法が提案されており、特許文献１にも−３０℃〜−４０℃程度に冷却する方法が記載されている。

この特許文献１に記載されている水素ガスの冷却技術は、水素ガスを供給する水素ガス供給路の途中にバイパス路を形成し、このバイパス路に液化ガスを冷媒とする熱交換器を介装して水素ガスの一部を冷却し、液化ガスとの熱交換により冷却された低温水素ガスと、水素ガス供給路を流通する常温水素ガスとを合流させることで所定温度範囲の充填用水素ガスを構成するようにしている。そして、この特許文献１に記載されている水素ガスの冷却技術では、水素ガス供給路を流れる常温水素ガスの流量と、バイパス路に流す水素ガスの流量とを分岐点の下流にそれぞれ設けた流量調整弁で調整し、この流量調整弁の開度を合流後の水素ガス供給路に設置した温度検出手段で検出した温度に基づきフィードバック制御するようにしている。

特開２０１１−１２７７５４号公報

上述の特許文献１に記載されている水素ガスの冷却方法では、熱交換器で液化ガスと熱交換して−１９６℃〜０℃の範囲に冷却した後の低温水素ガスと熱交換器を通らない常温水素ガスとを合流させた後の混合水素ガスの温度を検出し、その検出温度に基づき、熱交換器側に供給する水素ガス量と熱交換されない水素ガス量とをその分岐部の直後に配置した流量制御弁の開度を調整制御して、充填ガスを目標温度である−３０℃〜−４０℃となるように制御している。この方法は、流量制御弁の開度を調整し、車載貯蔵容器に充填する水素ガスの温度を調節するため、温度がやや不安定になるという問題や、温度が安定するまでに時間がかかるという問題、また、合流させた後の水素ガス温度を検出し、それぞれの流量調整弁の開度を制御するための制御機構を燃料充填設備に組み込まなければならないことから燃料充填設備が複雑かつ大形化して、イニシャルコストが高くなるという問題を有していた。

本発明は、コンパクトでイニシャルコストを低減できる燃料充填装置を使用して、車載貯蔵容器に所定量の水素ガスを所望の時間内に充填することのできる車載貯蔵容器への水素ガス充填方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達するために、請求項１に記載の本発明は、高圧水素ガス貯蔵容器に貯蔵されている高圧水素ガスを水素ガス移送路により自動車に搭載されている車載貯蔵容器に移送充填するにあたって、水素ガス移送路の途中に２系統の水素ガス通路を形成し、一方の水素ガス通路に熱交換器を介装して低温水素ガス通路とするとともに、他方の水素ガス通路を常温水素ガス通路とし、低温水素ガス通路と常温水素ガス通路の分岐部での下流部分に流路絞り具をそれぞれ介装し、この各流路絞り具(流量調整弁)の開度を予め定められた値に設定することで低温水素ガス通路と常温水素ガス通路をそれぞれ流れる水素ガスの流量比を固定し、熱交換器に冷媒液化ガスを供給して冷媒液化ガスと低温水素ガス通路内を流れる水素ガスとの間で熱交換して低温水素ガス通路内を流れる水素ガスを冷媒液化ガスの沸点温度域まで冷却し、熱交換器の下流側で低温水素ガス通路を流れる低温水素ガスと常温水素ガス通路を流れる常温水素ガスとを合流させて、車載貯蔵容器に移送充填することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加えて、熱交換器内で低温水素ガス通路内を流れる水素ガスと、熱交換器内を流れる冷媒液化ガスとをそれぞれ乱流の状態で熱交換させることを特徴としている。

本発明では、車載貯蔵容器に水素ガスを移送貯蔵するに当たり、熱交換器で液化ガス冷媒と熱交換することで、液化ガスの沸点温度域まで冷却した低温水素ガスと高圧水素ガス貯蔵容器からの常温ガスとを、予め定められた流量比で混合させることで、所定温度範囲内の水素ガスにして、車載貯蔵容器に移送充填するものであるから、フィ−ドバック制御等の複雑な温度制御を行わなくてもよく、燃料充填設備(ディスペンサー)をコンパクトに構成することができてイニシャルコストの低減化を図ることができるだけでなく、予め設定された流量比で供給水素ガスの温度を決定しているから、供給水素ガス温度を短時間で安定させることができる。

本発明方法を適用した燃料充填装置の一実施形態を示す概略図である。

この燃料充填装置(１)は、水素ガスタンクやカードルなどの高圧水素ガス貯蔵容器(２)に貯蔵されている水素ガスを自動車(Ｃ)に搭載されている車載貯蔵容器(３)に移送する水素ガス移送路(４)の中間に介装されている。

燃料充填装置(１)の内部で、水素ガス移送路(４)は２系統の水素ガス通路(５)・(６)に分岐されており、その分岐部(７)の上流側には供給水素ガスの流量を一定に調整する流量調節弁(８)が、また分岐部(７)の下流側での各水素ガス通路(５)・(６)にはそれぞれを流れる水素ガスの流量比を決定するニードル弁で構成した流路絞り具(流量調節弁)(９)・(10)がそれぞれ配設してある。

一方の水素ガス通路(５)は、その流量調節弁(９)よりも下流側に熱交換器(11)を配置して低温水素ガス通路としており、熱交換器(11)の下流側部分で他方の水素ガス通路(６)に合流させてある。前記他方の水素ガス通路(６)は熱エネルギーの付加操作がなされることのない常温ガスが流通する常温水素ガス通路に形成してある。

低温水素ガス通路(５)と、常温水素ガス通路(６)とを合流させた後の充填水素ガス移送路(12)には車載貯蔵容器(３)のガス補給口に接続する接続ノズル(図示略)を先端に装着するとともに、合流部とノズル部との間に流路開閉弁(13)が装着してある。

本発明が対象としている燃料充填装置(１)では、その使用頻度が少なく充填間隔が長くなった際、熱交換器(11)の出口から充填ノズルの部分までの配管部分が常温に戻ってしまい、次の充填作業時に冷ガスを流しても、配管冷却のために冷熱が奪われてしまうことから、流れるガス温度が上昇し、所定の低温になるまで、時間を要することになる。このため、常温水素ガス通路(６)の分岐部(７)と流量調節弁(10)との間に流路開閉切換弁(14)が配設してある。この流路開閉切換弁(14)は、供給系が冷えていない充填開始時に流路開閉切換弁(14)を閉にして常温水素ガス通路(６)でのガス流通を遮断し、低温水素ガス通路(５)のみに水素ガスを流通させ、充填水素ガス移送路(12)での流路開閉弁(13)よりも下流側に設置した温度計(19)で検出した配管温度が冷えたら、常温水素ガス通路(６)に設けた流路開閉切換弁(14)を開にして常温水素ガス通路(６)を開通させ、冷温・常温の混合ガスを流すようにするものである。
この、流路開閉切換弁(14)の存在により、車載貯蔵容器(３)に充填される水素ガス温度が低温(−３３℃〜−４０℃)で安定するのを早めることができる。

熱交換器(11)は、内管内部に被冷却ガスである水素を流通させ、内管外面とケーシング内面との間に冷媒としての液化窒素を流通させる向流型熱交換器で構成してあり、冷媒通路となる内管外面とケーシング内面との間の隙間を狭く形成することで、冷媒(液化窒素)が乱流となるようにしてある。また、水素ガスは、大流量で流すため、充填開始時から終了時まで常に乱流となる。図中符号(15)は冷媒としての液化窒素貯蔵容器である。

さらに、充填水素ガス移送路(12)での温度計(19)の配置部から、水素回収装置(16)に接続する放出・回収路(17)が分岐導出してあり、その分岐導出部にガス放出・回収用開閉弁(18)が配置してある。この放出・回収路(17)は、自動車(Ｃ)への水素ガス充填が終了した際に、車載貯蔵容器(３)と接続ノズルを切り離すため、充填水素ガス移送路(12)に滞留している水素ガスを放出・回収して、配管の圧力を低減させるものである。水素回収装置(16)に代えてフレアスタックなどを備える水素ガス放出配管としてもよい。

なお、燃料充填装置(１)よりも上流側に位置する水素ガス移送路(４)に配置した流量調節弁(８)と水素ガス貯蔵容器(２)との間には、水素ガスを昇圧する加圧ポンプ(図示略)が配置してあり、燃料充填装置(１)に水素ガスを７０ＭＰａ程度の高圧ガスにして供給できるようにしてある。

以下、上記に述べた燃料充填装置(１)を使用しての、車載貯蔵容器(３)への水素ガス高圧充填方法を説明する。

水素ガス貯蔵容器(２)から送出した水素ガスを加圧ポンプ(図示略)で昇圧し、この昇圧された水素ガスを水素ガス移送路(４)の分岐部(７)の上流側に装着した流量調節弁(８)で水素ガス移送路(４)を流通する水素ガスの流量を一定流量に調節し、この調節された流量の水素ガスを分岐部の下流側に設置した流量調節弁(９)・(10)の開度比率により、低温水素ガス通路(５)を流れる水素ガスと、常温水素ガス通路(６)を流れる水素ガスとの流量比を設定する。

そして、低温水素ガス通路(５)を流れる水素ガスを熱交換器(11)内で、冷媒である液化窒素と熱交換して、水素ガスのガス温を液化窒素の沸点温度近傍の温度域(以下沸点温度域という)まで冷却する。一方常温水素ガス通路(６)を流れる水素ガスは加熱や冷却などのために特別な熱エネルギー付加をすることなく、ガス温はいわゆる常温に保持されている。

この冷媒の沸点温度域まで冷却されている低温水素ガス流と、常温状態の水素ガス流とを合流させることにより、所定温度範囲の充填水素ガスとして、充填水素ガス移送路(12)から車載貯蔵容器(３)に充填貯蔵する。

低温水素ガス通路(５)を流れる高圧水素ガスと、常温水素ガス通路(６)を流れる高圧水素ガスの流量を設定する流量調節弁(９)・(10)の開度をそれぞれ２０％および８０％、及び、それぞれ４０％および６０%とした場合での混合ガスの温度は、次表の通りであった。その際の流量比はそれぞれ１５：８５、４５：５５程度であった。なお、Ｈ_{２ ＯＵＴ}ガス温度は熱交換器出口での低温水素ガスの温度である。

この実験結果から、低温水素ガス通路(５)に介装した流量調整弁(９)の開度を４０％、常温水素ガス通路(６)に介装した流量調節弁(10)の開度を６０％としたとき、つまり、低温水素ガスと常温水素ガス流量比が４５：５５程度の比率のときの混合ガスの温度は、−６０℃付近で収まった。したがって、目標温度を−３０℃〜−４０℃に定める場合には、低温水素ガスと常温水素ガス流量比を３：７に設定すればよい。

特に、総流量に違いがあっても、流量比が一定であると、混合ガスの温度はあまり変動しないで一定温度範囲に収まることが分かる。なお、本実施例では分岐部の下流側に可変式の流量調節弁を設置したケースについて記載したが、流量制御ができればこれに限定されず、他の形式の可変型の流路絞り具や、オリフィスなどの固定型の流路絞り具を用いることができる。

そして、冷媒の沸点温度域まで冷却した低温水素ガスを使用することで、複雑なフィードバック制御を行わなくても、常温水素ガス温度と低温水素ガスとの混合で、安定した温度の充填水素ガスを得ることができることになる。熱交換器に供給される冷媒液化ガスとしては、液化窒素、液化水素などから適宜選択して用いることができる。

さらに、異なる温度域の水素ガスを混合するだけで所定温度の水素ガスが供給できるため、温度制御の応答が遅いという従来の課題も解決できる。

さらに、熱交換器(11)に供給される冷媒液化ガスを液化窒素とし、車載貯蔵容器(３)に供給される充填用水素ガスの混合比を低温水素ガス：常温水素ガス＝３：７とした場合充填水素ガスの目標温度である−４０℃程度の温度で水素ガスを充填することができる。なお、混合ガス温度が許容範囲に収まっていればよいことから、この場合は、低温水素温度は液化窒素の沸点より１０〜３０℃程度高温でも許容される。したがって冷媒としての液化窒素を使用した場合の沸点温度域とは、−１９６〜−１７０℃程度の領域を指す。

本発明は、燃料電池自動車や水素ガス自動車へ水素ガスを供給する燃料充填装置での水素ガス供給方法として利用することができる。

２…水素ガス貯蔵容器、３…車載貯蔵容器、４…水素ガス移送路、５…低温水素ガス通路、６…常温水素ガス通路、７…分岐部、９・10…流路絞り具(流量調節弁)、11…熱交換器、Ｃ…自動車。

Claims (2)

1. 水素ガス貯蔵容器(２)に貯蔵されている水素ガスを水素ガス移送路により自動車(Ｃ)に搭載されている車載貯蔵容器(３)に移送充填する車載貯蔵容器への水素ガス充填方法であって、
   水素ガス移送路(４)の途中に２系統の水素ガス通路(５)・(６)を形成し、一方の水素ガス通路(５)に熱交換器(11)を介装して低温水素ガス通路とするとともに、他方の水素ガス通路(６)を常温水素ガス通路とし、低温水素ガス通路(５)と常温水素ガス通路(６)の分岐部(７)の下流部分に流路絞り具(９)・(10)をそれぞれ介装し、この各流路絞り具(９)・(10)の開度を予め定められた値に設定することで低温水素ガス通路(５)と常温水素ガス通路(６)をそれぞれ流れる水素ガスの流量比を固定し、熱交換器(11)に冷媒液化ガスを供給して冷媒液化ガスと低温水素ガス通路内を流れる水素ガスとの間で熱交換して低温水素ガス通路(５)内を流れる水素ガスを冷媒液化ガスの沸点温度域まで冷却し、熱交換器(11)の下流側の低温水素ガス通路(５)を流れる低温水素ガスと常温水素ガス通路(６)を流れる常温水素ガスとを合流させて所定温度範囲に設定された充填用水素ガスとし、この充填用水素ガスを車載貯蔵容器(３)に移送充填することを特徴とする車載貯蔵容器に移送充填する水素ガス充填方法。
2. 熱交換器(11)内で低温水素ガス通路(５)内を流れる水素ガスと、熱交換器(11)内を流れる冷媒液化ガスとをそれぞれ乱流に形成する請求項１に記載した車載貯蔵容器に移送充填する水素ガス充填方法。

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