JP2016161071A - 水素充填システム - Google Patents

Abstract

【課題】停電などよって電源の供給が停止された場合であっても、車載タンクなどの被充填容器に水素ガスを充填することのできる水素充填システムを提供する。
【解決手段】水素充填システムは、水素ガスを昇圧する圧縮機２と、圧縮機２で昇圧された水素ガスを貯蔵する蓄圧器３と、蓄圧器３から供給される水素ガスを前記被充填容器に充填する充填ノズル４と、を含む。また、水素充填システムは、蓄圧器３から充填ノズル４に水素ガスを供給する経路として第１水素ガス供給経路１０及び第２水素ガス供給経路１１を有する。第２水素ガス供給経路１１は、そこに配置されたバルブ５２，７１，７２が手動で操作されることによって、蓄圧器３と充填ノズル４とを連通させた連通状態と、蓄圧器３と充填ノズル４との連通を遮断した遮断状態とが切り替えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車の車載タンクなどの被充填容器に水素ガスを充填する水素充填システムに関する。

この種の水素充填システムとして、いわゆる水素ステーションが知られている。前記水素ステーションは、一般に、水素ガスを昇圧する圧縮機と、圧縮機で昇圧された水素ガスを貯蔵する蓄圧器と、蓄圧器から供給される水素ガスを前記燃料電池車の前記車載タンクに充填するための充填ノズルと、を有している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２０２６１９号公報

しかし、前記水素ステーションは、通常、商用電源によって動作するため、災害などによって停電が発生すると、前記車載タンクに水素ガスを充填することができなくなる。

そこで、本発明は、停電などよって電源の供給が停止された場合であっても、前記車載タンクなどの被充填容器に水素ガスを充填することのできる水素充填システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面によると、昇圧された水素ガスを貯蔵する蓄圧器と、前記蓄圧器から供給される水素ガスを被充填容器に充填する充填ノズルと、を含む水素充填システムは、前記蓄圧器と前記充填ノズルとを連通させた連通状態と、前記蓄圧器と前記充填ノズルとの連通を遮断した遮断状態と、を手動で切り替えることができるように構成された水素ガス経路を有する。

前記水素充填システムによれば、前記水素ガス経路が手動で前記連通状態にされ得るので、停電などによって電源の供給が停止された場合であっても、前記蓄圧器に貯蔵された水素ガスを前記充填ノズルに供給し、前記充填ノズルを介して前記被充填容器に充填することができる。

本発明の一実施形態による水素充填システムの概略構成を示す図である。 前記水素充填システムの水素ガス供給通路を示す図であり、（Ａ）は通常時に使用される第１水素ガス供給通路を示す図、（Ｂ）は停電時に使用される第２水素ガス供給通路を示す図である。 前記水素充填システムの変形例の要部構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による水素充填システム１の概略構成を示している。実施形態による水素充填システム１は、商用電源によって動作して燃料電池車２０の車載タンク（被充填容器）２１に水素を充填する水素ステーションとして構成されている。図１に示すように、水素充填システム１は、圧縮機２と、蓄圧器３と、充填ノズル４と、水素ガスを圧縮機２、蓄圧器３及び充填ノズル４の順に流す水素ガス配管５と、制御装置６と、を含む。

圧縮機２は、図示省略の水素供給源から供給される水素ガスを所定圧力に昇圧する。前記水素供給源は、例えば、水素ガスを貯蔵した水素カードルや水素トレーラーなどの水素貯蔵容器、脱硫ガソリンやエタノールなどの燃料を改質して水素を取り出す改質装置、及び／又は、メチルシクロヘキサンなどの飽和六員環を有する化合物から脱水素反応により水素を取り出す有機ハイドライド装置である。

蓄圧器３は、圧縮機２から供給される水素ガス、すなわち、圧縮機２で昇圧された水素ガスを貯蔵する。なお、図１には、説明の便宜上、蓄圧器３が一つだけ示されているが、水素充填システム１が複数の蓄圧器３を含むものであってもよい。

充填ノズル４は、充填ホース４１を有すると共に、燃料電池車２０の車載タンク２１に着脱可能に構成されている。充填ノズル４は、車載タンク２１に水素ガスを充填する際に車載タンク２１に装着されて、蓄圧器３から供給される水素ガスを車載タンク２１に充填する。

水素ガス配管５において、圧縮機２と蓄圧器３との間には、第１開閉バルブ５１が配設されている。また、蓄圧器３と充填ノズル４との間には、蓄圧器３側から順に、第２開閉バルブ５２、第３開閉バルブ５３、流量制御バルブ５４、ガス流量計５５、プレクーラー（水素冷却機）５６及び第４開閉バルブ５７が配置されている。

第１開閉バルブ５１は、蓄圧器３の水素ガス流入口を開閉する入口バルブとしての機能を有する。本実施形態において、第１開閉バルブ５１は、常閉型のバルブで構成されており、主に圧縮機２の稼働時に開弁される。

第２開閉バルブ５２は、蓄圧器３の水素ガス流出口を開閉する出口バルブとしての機能を有する。本実施形態において、第２開閉バルブ５２は、常閉型のバルブで構成されており、主に車載タンク２１に水素ガスを充填する際に開弁される。

第３開閉バルブ５３及び第４開閉バルブ５７は、主に水素ガス配管５の開放と閉鎖（遮断）とを切り替えるバルブである。本実施形態において、第３開閉バルブ５３及び第４開閉バルブ５７は、第１開閉バルブ５１及び第２開閉バルブ５２と同様、常閉型のバルブで構成されている。

流量制御バルブ５４は、水素ガス配管５を流通する水素ガスの流量を調整するためのバルブである。本実施形態において、流量制御バルブ５４は、常開型のバルブで構成されており、閉方向に操作されることによって水素ガス配管５を流通する水素ガスの流量を制限する（減少させる）。

ガス流量計５５は、水素ガス配管５を流通する水素ガスの流量を測定する機器である。ガス流量計５５は、水素ガス配管５を流通する水素ガスの流量を検出（測定）できればよく、その構成等は問わない。ガス流量計５５としては、例えばコリオリ流量計や超音波流量計が用いられる。

プレクーラー５６は、水素ガス配管５を流通する水素ガスを冷却する設備又は装置である。プレクーラー５６は、例えば、水素ガス配管５を流通する水素ガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器（図示省略）と、前記冷媒を冷却して循環させる冷凍機（図示省略）と、を含む。

制御装置６は、水素充填システム１の全体動作を制御する。例えば、制御装置６は、蓄圧器３の水素ガス貯蔵量が減少した場合に、蓄圧器３に対する水素ガスの充填を行う。具体的には、制御装置６は、前記水素供給源から圧縮機２への水素ガスの供給を開始し、圧縮機２に制御信号を出力して圧縮機２を作動させると共に、第１開閉バルブ５１に制御信号を出力して第１開閉バルブ５１を開弁させる。これにより、圧縮機２で昇圧された水素ガスが蓄圧器３に充填（貯蔵）される。

また、制御装置６は、車載タンク２１に水素ガスを充填する場合には、第２開閉バルブ５２、第３開閉バルブ５３及び第４開閉バルブ５７に制御信号を供給してこれらのバルブを開弁させると共に、プレクーラー５６（の前記冷凍機）に制御信号を供給してプレクーラー５６を作動させる。このとき、制御装置６は、必要に応じて、流量制御バルブ５４に制御信号を供給して流量制御バルブ５４を作動させることにより、水素ガス配管５を流通する水素ガスの流量、すなわち、車載タンク２１に充填される水素ガスの流量を調整することができる。

ここで、災害などによって停電が発生すると、動作電源（商用電源）の供給が停止されて制御装置６が機能しなくなる。このため、水素充填システム１は、燃料電池車２０の車載タンク２１に水素ガスを充填することができなくなってしまう。一方、停電が発生した場合であっても、蓄圧器３には、昇圧された水素ガス、換言すれば、車載タンク２１に充填することができる水素ガスが貯蔵されている。そこで、本実施形態による水素充填システム１においては、停電などで動作電源の供給が停止された場合であっても車載タンク２１への水素ガスの充填を可能にするため、以下のような構成を採用している。

まず、水素充填システム１において、蓄圧器３の出口バルブとしての機能を有する第２開閉バルブ５２は、前記オペレータ等によって操作され得るように構成されている。すなわち、第２開閉バルブ５２は、制御装置６による操作（自動操作）と前記オペレータ等による操作（手動操作）とのそれぞれが可能に構成されている。

また、水素充填システム１は、プレクーラー５６をバイパスして水素ガスを流すバイパス配管７をさらに含んでいる。バイパス配管７は、蓄圧器３の水素ガス供給方向の下流側にて水素ガス配管５から分岐し、プレクーラー５６をバイパスして充填ノズル４の前記水素ガス供給方向の上流側にて再び水素ガス配管５に合流するように形成されている。より具体的には、バイパス配管７は、水素ガス配管５の第２開閉バルブ５２と第３開閉バルブ５３との間の部位から分岐し、プレクーラー５６を経由せずに、水素ガス配管５の第４開閉バルブ５７と充填ノズル４との間の部位に合流している。

バイパス配管７には、前記オペレータ等による操作（手動操作）が可能な、第５開閉バルブ７１、第６開閉バルブ７２及び流量制限機器（流量制限部）７３が配設されている。第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２は、バイパス配管７の開放と閉鎖（遮断）とを切り替えるバルブである。流量調整機器７３は、バイパス配管７を流通する水素ガスの流量を制限可能な機器であり、例えばオリフィスなどの絞り機構や流量制御バルブが該当する。本実施形態において、第５開閉バルブ７１は水素ガス配管５からの分岐点の近くに配置され、第６開閉バルブ７２は水素ガス配管５への合流点の近くに配置され、流量調整機器７３は第５開閉バルブ７１と第６開閉バルブ７２との間に配置されている。

さらに、水素充填システム１は、バイパス配管７内の圧力情報を表示する圧力表示装置８及び車載タンク２１の温度情報を表示する温度表示装置９を有している。圧力表示装置８及び温度表示装置９は、水素充填システム１の前記動作電源とは別の電源、例えば各装置が内蔵する蓄電池（図示省略）によって動作可能に構成されている。

圧力表示装置８は、バイパス配管７内の圧力を検出する検出部８ａと、検出部８ａによって検出された圧力を数字等で表示する表示部８ｂと、を有する。温度表示装置９は、燃料電池車２０から車載タンク２１の温度を取得する取得部９ａと、取得部９ａによって取得された温度を数字等で表示する表示部９ｂと、を有する。取得部９ａは、例えば、燃料電池車２０の制御ユニット等（図示省略）に接続されるケーブル（図１中に一点鎖線で示す）を介して車載タンク２１の温度を取得するように構成され得る。

次に、以上のような構成を有する水素充填システム１の作用を説明する。水素充填システム１において、通常時、すなわち、前記動作電源が供給されている場合には、以下のように、制御装置６による制御の下で車載タンク２１への水素ガスの充填が行われる。ここで、通常時において、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２は閉弁されているものとする。

前記オペレータ等は、充填ノズル４を車載タンク２１に装着し、その後、制御装置６（の入力部等）に水素充填指令を入力する。すると、制御装置６は、第２開閉バルブ５２、第３開閉バルブ５３及び第４開閉バルブ５７に制御信号を出力してこれらを開弁させ、プレクーラー５６（の前記冷凍機）に制御信号を供給してプレクーラー５６を作動させる。これにより、図２（Ａ）に太線で示すように、蓄圧器３から水素ガスが流出し、蓄圧器３から流出した水素ガスは、プレクーラー５６を経由して充填ノズル４に供給され、充填ノズル４を介して車載タンク２１に充填される。すなわち、蓄圧器３に充填された水素ガスを、プレクーラー５６で冷却して充填ノズル４に供給するための第１水素ガス供給経路１０が形成される。

制御装置６は、車載タンク２１への水素ガスの充填中、必要に応じて流量制御バルブ５４を制御して車載タンク２１に充填される水素ガスの流量を調整（増減）することができる。例えば、制御装置６は、ガス流量計５５の測定値をモニタし、測定値が閾値を超えた場合に、流量制御バルブ５４を閉方向に制御して車載タンク２１に充填される水素ガスの流量を減少させることができる。

制御装置６は、例えばガス流量計５５の測定値が所定値以下（ほぼ０）になると、車載タンク２１への水素ガスの充填が終了したと判断し、第２開閉バルブ５２、第３開閉バルブ５３、流量制御バルブ５４、プレクーラー５６及び第４開閉バルブ５７への制御信号の出力を停止して元の状態に戻す。

ここで、図では省略しているが、制御装置６は、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２の状態を入力し、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２が閉弁されていることを条件に、前記水素充填指令に基づく車載タンク２１への水素ガスの充填を実行するようにしてもよい。また、制御装置６は、車載タンク２１への水素ガスの充填中に何らかの異常が検出された場合に、例えば第２開閉バルブ５１、第３開閉バルブ５２及び第４開閉バルブ５６への制御信号の出力を直ちに停止するようにしてもよい。

制御装置６は、車載タンク２１への水素ガスの充填が終了すると、蓄圧器３における水素ガスの減少分を補うため、蓄圧器３に水素ガスを充填（貯蔵）する。具体的には、制御装置６は、上述のように、前記水素供給源から圧縮機２への水素ガスの供給を開始し、圧縮機２に制御信号を出力して圧縮機２を作動させ、第１開閉バルブ５１に制御信号を出力して第１開閉バルブ５１を開弁させる。そして、蓄圧器３への水素ガスの充填が終了すると（例えば充填開始から所定時間が経過すると）、前記水素供給源から圧縮機２への水素ガスの供給を停止し、圧縮機２及び第１開閉バルブ５１への制御信号の出力を停止する。

一方、水素充填システム１において、停電時、すなわち、前記動作電源の供給が停止された場合には、以下のように、前記オペレータ等による手動操作によって車載タンク２１への水素ガスの充填が行われる（手動充填）。

前記オペレータ等は、充填ノズル４を車載タンク２１に装着し、流量調整機器７３を操作してバイパス配管７を流通する水素ガスの流量を制限し、第２開閉バルブ５１、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２を開弁操作する。このとき、好ましくは、前記オペレータ等は、車載タンク２１の仕様や水素ガスの残量（車載タンク２１内圧力）などに応じて流量調整機器７３を操作する。これにより、図２（Ｂ）に太線で示すように、蓄圧器３から水素ガスが流出し、流出した水素ガスはバイパス配管７を流通して充填ノズル４に供給され、充填ノズル４を介して車載タンク２１に充填される。すなわち、蓄圧器３に充填された水素ガスを、プレクーラー５６をバイパスさせて充填ノズル４に供給するための第２水素ガス供給経路１１が形成される。

前記オペレータ等は、車載タンク２１への水素ガスの充填中、圧力表示装置８に表示されるバイパス配管７内の圧力や温度表示装置９に表示される車載タンク２１の温度を参照して、必要に応じて流量調整機器７３を操作して車載タンク２１に充填される水素ガスの流量を調整（増減）することができる。そして、前記オペレータ等は、車載タンク２１への水素ガスの充填が終了すると（例えば充填開始から所定時間が経過すると）、第２開閉バルブ５１、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２を閉弁操作する。

以上説明したように、本実施形態において、水素充填システム１は、車載タンク２１に水素ガスを充填する際に蓄圧器３から充填ノズル４に水素ガスを供給する経路として、第１水素ガス供給経路１０（図２（Ａ）参照）と、第２水素ガス供給経路１１（図２（Ｂ）参照）と、を有している。

第１水素ガス供給経路１０は、通常時に使用される経路であり、蓄圧器３と充填ノズル４とを連通させた連通状態と、蓄圧器３と充填ノズル４との連通を遮断した遮断状態とが制御装置６によって切り替えられる。また、停電時には第２開閉バルブ５２、第３開閉バルブ５３及び第４開閉バルブ５７が閉弁されるため、第１水素ガス供給路１０は前記遮断状態となる。

一方、第２水素ガス供給経路１１は、前記連通状態と前記遮断状態とを手動で切り替えることができるように構成されている。具体的には、第２水素ガス供給経路１１は、前記オペレータ等がそこに配置された第２開閉バルブ５２、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２を開弁操作することで前記連通状態となり、前記オペレータ等が第２開閉バルブ５２、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２の少なくとも一つ（基本的には全部）を閉弁操作することで第２水素ガス供給経路１１は前記遮断状態となる。このため、本実施形態による水素充填システム１によれば、停電時においても、第２水素ガス供給経路１１を使用することにより、蓄圧器３から充填ノズル４に水素ガスを供給して充填ノズル４を介して車載タンク２１に水素ガスを充填することが可能となる。

ここで、第２水素ガス供給経路１１には手動操作が可能な流量調整機器７３が配設されており、第２水素ガス供給経路１１を使用して車載タンク２１に水素ガスを充填する際、車載タンク２１に充填される水素ガスの流量をあらかじめ制限しておくことができる。このため、第２水素ガス供給経路１１を使用して車載タンク２１に水素ガスを充填する場合であっても、車載タンク２１の急激な温度上昇が抑制される。

また、水素充填システム１は、バイパス配管７内、すなわち、第２水素ガス供給経路１１内の圧力情報を表示する圧力表示装置８と、車載タンク２１の温度情報を表示する温度表示装置９と、を有している。このため、前記オペレータ等は、これらの装置の表示を参照して流量調整機器７３を適宜操作することができる。これにより、車載タンク２１の急激な温度上昇を抑制しつつ、車載タンク２１への効率的な水素ガスの充填が可能となる。

なお、上述の実施形態において、水素充填システム１は、燃料電池車２０の車載タンク２１に水素を充填する水素ステーションとして構成されている。しかし、これに限るものではない。水素充填システム１は、燃料電池車２０の車載タンク２１以外の被充填容器に水素ガスを充填するものであってもよい。

また、上述の実施形態において、第２水素ガス供給経路１１には、前記オペレータ等による操作（手動操作）が可能な、第２開閉バルブ５２、第５開閉バルブ７１、第６開閉バルブ７２及び流量制限機器７３が配設されている。しかし、これに限るものではない。第２水素ガス供給経路１１にチェックバルブ（逆止弁）などの逆流防止機器が適宜追加されたり、第５開閉バルブ７１及び第６開閉バルブ７２の少なく一方が前記逆流防止機器に置き換えられたりしてもよい。

また、上述の実施形態において、前記連通状態と前記遮断状態とを手動で切り替えることのできる第２水素ガス供給経路１１が、通常時に使用される第１水素ガス供給経路１０とは別に設けられている。しかし、これに限るものではなく、第１水素ガス供給経路１０が前記連通状態と前記遮断状態とを手動で切り替えることができるように構成されてもよい。例えば、第３開閉バルブ５３、流量制御バルブ５４及び第４開閉バルブ５７を、第２開閉バルブ５２と同様、制御装置６による操作（自動操作）と前記オペレータ等による操作（手動操作）とのそれぞれが可能なバルブとする。そして、通常時には制御装置６がこれらのバルブを操作し、停電時にはオペレータ等がこれらのバルブを操作するように構成する。なお、この場合にはバイパス配管７を省略することができる。但し、上述の実施形態のように第１水素ガス供給経路１０と第２水素ガス供給経路とが別々に設けられている方が操作性などの面から好ましい。

また、上述の実施形態において、蓄圧器３は、前記水素ガス流入口と前記水素ガス流出口とを別々に有している。しかし、これに限るものではない。図３に要部構成を示すように、蓄圧器３は、前記水素ガス流入口と前記水素ガス流出口とが共通に形成されたものであってもよい。

また、上述の実施形態において、第２開閉バルブ５２は、制御装置６による操作（自動操作）と前記オペレータ等による操作（手動操作）とが可能に構成されている。しかし、これに限るものではない。第２開閉バルブ５２を前記オペレータ等による操作（手動操作）のみが可能なバルブとしてもよい。但し、この場合、第２開閉バルブ５２は通常時に開弁状態とされる。

また、上述の実施形態において、水素充填システム１は、圧力表示装置８及び温度表示装置９を有している。しかし、これに限るものではない。水素充填システム１が、圧力表示装置８及び温度表示装置９の少なくとも一方を有しなくてもよい。この場合、前記オペレータ等は、例えば燃料電池車２０において表示される情報を参照して流量制限機器７３を適宜操作することができる。

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態やその変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形や変更が可能である。

１…水素充填システム、２…圧縮機、３…蓄圧器、４…充填ノズル、５…ガス配管、６…制御装置、７…バイパス配管、８…圧力表示装置、９…温度表示装置、１０…第１水素ガス供給経路、１１…第２水素ガス供給経路、２０…燃料電池車、２１…車載タンク（被充填容器）、５１…第１開閉バルブ、５２…第２開閉バルブ、５３…第３開閉バルブ、５４…流量制御バルブ、５５…ガス流量計、５６…プレクーラー（水素冷却機）、５７…第４開閉バルブ、７１…第５開閉バルブ、７２…第６開閉バルブ、７３…流量調整機器（流量制限部）

Claims (7)

1. 昇圧された水素ガスを貯蔵する蓄圧器と、前記蓄圧器から供給される水素ガスを被充填容器に充填する充填ノズルと、を含む水素充填システムであって、
   前記蓄圧器と前記充填ノズルとを連通させた連通状態と、前記蓄圧器と前記充填ノズルとの連通を遮断した遮断状態と、を手動で切り替えることができるように構成された水素ガス経路を有する、水素充填システム。
2. 前記水素ガス経路は、そこに配置されたバルブの全部又は一部が手動で操作されることによって前記連通状態と前記遮断状態とが切り替えられる、請求項１に記載の水素充填システム。
3. 前記水素ガス経路は、当該水素ガス経路を流通する水素ガスの流量を制限可能な流量制限部を含む、請求項１又は２に記載の水素充填システム。
4. 前記蓄圧器に貯蔵された水素ガスを、水素冷却機で冷却して前記充填ノズルに供給するための第１水素ガス供給経路と、
   前記蓄圧器に貯蔵された水素ガスを、前記水素冷却機をバイパスさせて前記充填ノズルに供給するための第２水素ガス供給経路と、
   を有し、
   前記第２水素ガス供給経路が前記水素ガス経路を構成している、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載の水素充填システム。
5. 通常時には、前記水素ガス経路としての前記第２水素ガス供給経路が前記遮断状態にあると共に、前記水素充填システムの制御装置が前記第１水素ガス供給経路を前記連通状態として前記被充填容器への水素ガスの充填を行い、
   停電時には、前記第１水素ガス供給経路が前記遮断状態とされる、
   請求項４に記載の水素充填システム。
6. 前記水素充填システムとは別電源で動作可能に構成され、前記水素ガス経路内の圧力を検出して表示する圧力表示装置を有する、請求項１〜５のいずれか一つの記載の水素充填システム。
7. 前記被充填容器は、燃料電池車の車載タンクであり、
   前記水素充填システムとは別電源で動作可能に構成され、前記燃料電池車から前記車載タンクの温度情報を取得して表示する温度表示部を有する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の水素ガス充填システム。

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