JP2016183686A - 水素ステーション及び水素ステーションでの蓄圧器充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両への充填用の蓄圧器の内圧を回復させる際のエネルギー消費を抑える。
【解決手段】水素貯蔵容器１０から圧縮機２０を介して蓄圧器３３０に至る第１充填ライン２４と、前記水素貯蔵容器１０から前記圧縮機２０をバイパスして前記蓄圧器３３０に至る第２充填ライン３４と、を設ける。そして、前記水素貯蔵容器１０の内圧と前記蓄圧器３３０の内圧との差に基づいて、前記第１充填ライン２４と前記第２充填ライン３４と、を選択的に切換える切換装置（開閉弁２６、３６）と、を更に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素ステーションに関し、特に蓄圧器に水素を充填する技術に関する。

水素を燃料とする車両（燃料電池自動車）に水素を供給する水素ステーションは、水素を貯蔵する貯蔵容器と、車両への充填用の蓄圧器と、貯蔵容器からの水素を圧縮して蓄圧器に充填する圧縮機と、を備えている。このような水素ステーションは、燃料電池自動車の水素燃料タンク（例えば、満充填の圧力は７０ＭＰａ）を、その内圧より高い圧力を持つ蓄圧器（例えば、満充填の圧力は８２ＭＰａ）と連通させて、高圧の蓄圧器から低圧の水素燃料タンクへと水素が移送させることで、燃料電池自動車の水素燃料タンクへ水素を供給する（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−３３０７０号公報

蓄圧器から水素を放出すると、蓄圧器の内圧が低下する。低下した蓄圧器の内圧を回復させるために、水素貯蔵容器（例えば、満充填の圧力は４５ＭＰａ）からの水素を圧縮機により圧縮して蓄圧器に充填することがなされるが、圧縮機を駆動させると電力を消費する。その一方、蓄圧器内の水素が消費されて内圧が低下しているときには、貯蔵容器の内圧が蓄圧器の内圧より高いことがあり、このような場合は、蓄圧器内に水素がある程度充填されるまで、圧縮機を用いずに、差圧充填が可能である。

そこで、本発明は、圧縮機の駆動時間を削減することで、エネルギー消費を抑えることができる水素ステーションを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る水素ステーションは、水素貯蔵容器と、車両への充填用の蓄圧器と、前記水素貯蔵容器からの水素を圧縮して前記蓄圧器に充填する圧縮機と、を含んで構成される水素ステーションであって、前記水素貯蔵容器から前記圧縮機を介して前記蓄圧器に至る第１充填ラインと、前記水素貯蔵容器から前記圧縮機をバイパスして前記蓄圧器に至る第２充填ラインと、前記第１充填ラインと前記第２充填ラインとを選択的に切換える切換装置と、を更に含んで構成される。
また、本発明に係る水素ステーションでの蓄圧器充填方法は、水素ステーションにおいて、水素貯蔵容器から車両への充填用の蓄圧器へ水素を充填するに際し、前記水素貯蔵容器内の内圧と前記蓄圧器内の内圧との差に基づいて、前記水素貯蔵容器から圧縮機を用いずに前記蓄圧器に差圧で充填する差圧充填と、前記水素貯蔵容器から前記圧縮機により前記蓄圧器に充填する圧縮機充填と、を選択的に切換えることを特徴とする。

本発明の水素ステーションは、充填開始当初など水素貯蔵容器の内圧が蓄圧器の内圧より高いときに、圧縮機を駆動させずに蓄圧器に水素を蓄圧することができるため、圧縮機の駆動時間を削減することができ、エネルギー消費を抑えることができる。

本発明の一実施形態による水素ステーションの構成を示す図 同上実施形態における蓄圧器ユニットの構成を示す図 水素貯蔵容器から蓄圧器への充填処理の一例を示すフローチャート

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による水素ステーションの構成を示す図である。実施形態の水素ステーション１は、水素貯蔵容器１０と、水素貯蔵容器１０からの水素を圧縮して昇圧する圧縮機２０と、圧縮機２０で昇圧された水素を蓄圧する蓄圧器ユニット３０と、蓄圧器ユニット３０に蓄圧された水素を、燃料電池自動車（ＦＣＶ）に充填するディスペンサー４０と、制御装置８０と、を備えている。

水素貯蔵容器１０は、水素トレーラー及び水素カードルなどから供給（荷卸し）される水素を中圧（例えば最大圧力４５ＭＰａ）で貯蔵する。水素貯蔵容器１０の出口部には、水素貯蔵容器１０の内圧（残圧）を検出するための圧力検出装置１５が設けられている。

圧縮機２０は、水素貯蔵容器１０の出口部と蓄圧器ユニット３０の入口部３１０とをつなぐ第１充填ライン２４に配置され、水素貯蔵容器１０から開閉弁２６を介して供給される水素を圧縮して蓄圧器ユニット３０へ充填することができる。圧縮機２０は、その入力側に減圧弁２８を有し、例えば、この減圧弁２８により０．６ＭＰａに減圧された水素を８２ＭＰａに昇圧することができる。
減圧弁２８を用いるのは次の理由による。水素貯蔵容器１０内の圧力は蓄圧器ユニット３０への充填によって低下する。従って、水素貯蔵容器１０内の圧力が１ＭＰａ程度まで低下しても、水素貯蔵容器１０内の水素の払い出し（圧縮機２０による蓄圧器ユニット３０への充填）が可能となるように、圧縮機２０の圧縮比を選定している。このため、水素貯蔵容器１０内の圧力にかかわらず、圧縮機２０の吸入圧力を一定とするために、減圧弁２８を使用している。

蓄圧器ユニット３０は、ディスペンサー４０によりＦＣＶへ差圧充填する水素を高圧（例えば最大圧力８２ＭＰａ）で蓄圧する。蓄圧器ユニット３０は、後述するように複数の蓄圧器３３０から構成されるが、全体容量は水素貯蔵容器１０に比べ小容量である。

ディスペンサー４０は、蓄圧器ユニット３０の出口部３２０に開閉弁４６及び逆止弁４８を介して接続されており、蓄圧器ユニット３０内の水素をＦＣＶに差圧充填することができる。また、ディスペンサー４０には、ＦＣＶからその水素燃料タンクの内圧（残圧）についての情報が入力されるようになっている。尚、ＦＣＶ側の水素燃料タンクは、例えば７０ＭＰａまで、水素を充填可能に構成されている。

本実施形態においては、水素貯蔵容器１０の出口部と蓄圧器ユニット３０の入口部３１０との間に、前記第１充填ライン２４と並列に、第２充填ライン３４が設けられている。言い換えれば、第２充填ライン３４は、圧縮機２０及び減圧弁２８をバイパスする。
第２充填ライン３４には、開閉弁３６と逆止弁３８とが設けられている。
従って、第１充填ライン２４側の開閉弁２６と第２充填ライン３４側の開閉弁３６とが、第１充填ライン２４と第２充填ライン３４とを選択的に切換える切換装置に相当する。

次に、蓄圧器ユニット３０について詳細に説明する。図２に示すように、蓄圧器ユニット３０は、複数（ここでは３つ）の蓄圧器３３０で構成される。各蓄圧器３３０の水素の充填口と放出口を兼ねる出入口部には、各蓄圧器３３０の内圧（残圧）を検出するための圧力検出装置３３５が設けられている。各蓄圧器３３０の出入口部は、蓄圧器３３０毎に設けられた開閉弁３４６及び逆止弁３４８を介して蓄圧器ユニット３０の入口部３１０に接続されている。また、各蓄圧器３３０の出入口部は、蓄圧器３３０毎に設けられた開閉弁３５６及び逆止弁３５８を介して蓄圧器ユニット３０の出口部３２０に接続されている。

これにより、開閉弁３５６が閉じた状態で、開閉弁３４６を選択的に開くと、水素貯蔵容器１０より、蓄圧器ユニット３０の入口部３１０を介して水素が所定の蓄圧器３３０に充填され、開弁した開閉弁３４６を閉じると所定の蓄圧器３３０への水素の充填が停止される。また、開閉弁３４６が閉じた状態で、開閉弁３５６を選択的に開くと、所定の蓄圧器３３０から水素が放出され、開弁した開閉弁３５６を閉じると所定の蓄圧器３３０からの水素の放出が停止される。
本実施形態の蓄圧器ユニット３０は、蓄圧器３３０毎に開閉弁３４６，３５６を備えているため、水素を充填する蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を開き、水素を放出する蓄圧器３３０に対応する開閉弁３５６を開くことで、水素の充填と水素の放出とを同時に独立に行うことができる。

制御装置８０は、水素貯蔵容器１０及び各蓄圧器３３０の内圧等の各種情報を入力し、各開閉弁２６，３６，４６，３４６，３５６、及び圧縮機２０を制御する。具体的には、制御装置８０には、圧力検出装置１５によって検出された水素貯蔵容器１０の内圧（残圧）、圧力検出装置３３５によって検出された各蓄圧器３３０の内圧（残圧）、ディスペンサー４０に入力された上記水素燃料タンクの内圧（残圧）を含む各種情報が入力される。そして、制御装置８０は、入力された各種情報やオペレータによる動作指令等に基づいて、各開閉弁２６，３６，４６，３４６，３５６、及び圧縮機２０等を適宜制御する。尚、本実施形態では、デフォルト状態において、各開閉弁２６，３６，４６，３４６，３５６は閉じているものとする。

水素貯蔵容器１０から、各蓄圧器３３０への水素の供給は、水素貯蔵容器１０の内圧及び蓄圧する蓄圧器３３０の内圧に応じて、水素貯蔵容器１０から該蓄圧器３３０への充填ラインを切換えて行う。具体的には、水素貯蔵容器１０の内圧と、蓄圧する蓄圧器３３０の内圧との差（「水素貯蔵容器１０の内圧」−「蓄圧する蓄圧器３３０の内圧」）が、所定値（例えば、１０ＭＰａ）以上の場合は、蓄圧する蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を開き、更に開閉弁３６を開いて第２充填ライン３４に切換える。これにより、水素貯蔵容器１０と、該蓄圧器３３０とが連通し、高圧の水素貯蔵容器１０から低圧の該蓄圧器３３０へと水素が移送される。

また、水素貯蔵容器１０の内圧と、蓄圧する蓄圧器３３０の内圧との差が、所定値（１０ＭＰａ）未満の場合は、開閉弁２６及び蓄圧する蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を開き、更に圧縮機２０を駆動する。水素貯蔵容器１０から放出された水素は、一旦減圧弁２８により０．６ＭＰａまで減圧された後、圧縮機２０により８２ＭＰａまで昇圧されて、該蓄圧器３３０に移送される。

蓄圧器３３０からＦＣＶへの水素の供給は、ＦＣＶの水素燃料タンクを、水素燃料タンクの内圧より高い内圧を持つ蓄圧器３３０のうちの１つと連通させ、その差圧により行う。ここで一例として、３つの蓄圧器３３０が満充填の状態（内圧が８２ＭＰａ）であり、空状態の水素燃料タンクを満充填する場合について説明する。

まず３つある蓄圧器３３０のうちの１つの蓄圧器３３０から水素燃料タンクに水素を差圧充填する。該蓄圧器３３０から水素燃料タンクへの充填が進むにつれて水素燃料タンクの内圧が上昇する一方、該蓄圧器３３０の内圧が低下する。そして、水素燃料タンクの内圧と該蓄圧器３３０の内圧との差が小さくなり（例えば、それぞれの内圧が約４０ＭＰａになり）、差圧による充填ができなくなる。次に、水素燃料タンクの内圧より高い内圧を持つ別の蓄圧器３３０（内圧は８２ＭＰａ）に切換える。該蓄圧器３３０から水素燃料タンクへの充填が進むにつれて、蓄圧器３３０の内圧と水素燃料タンクの内圧との差が小さくなり（例えば、それぞれの内圧が約６０ＭＰａとなり）、差圧による充填ができなくなる。更に水素燃料タンクに充填するために、もう１つの蓄圧器３３０（内圧は８２ＭＰａ）に切換える。最終的に水素燃料タンクの内圧は満充填の７０ＭＰａまで上昇し、水素燃料タンクの充填が完了する。
このように、水素燃料タンクの内圧に応じて、３つの蓄圧器を切換えることで水素燃料タンクを満充填することができる。

ここで、制御装置８０が実施する蓄圧器３３０への充填処理について簡単に説明する。

制御装置８０は、蓄圧器３３０により少なくとも１台の車両の水素燃料タンクへ水素を充填したこと、又は、蓄圧器３３０の内圧が所定値以下になったことを契機として、当該蓄圧器３３０への充填処理を開始する。
充填処理を開始すると、制御装置８０には、充填する蓄圧器３３０の内圧及び水素貯蔵容器１０の内圧が入力される。そして、制御装置８０は、入力された当該蓄圧器３３０の内圧及び水素貯蔵容器１０の内圧の差に基づいて、差圧による充填か、圧縮機２０による充填か、を選択する。例えば、水素貯蔵容器１０の内圧と、蓄圧する蓄圧器３３０の内圧との差が１０ＭＰａ以上の場合には、差圧による充填を行う。この場合には、制御装置８０は、選択した蓄圧器３３０に水素を流入させるように、対応する開閉弁３４６を制御し（即ち、対応する開閉弁３４６を開き）、当該蓄圧器３３０の内圧及び水素貯蔵容器１０の内圧を監視しながら、開閉弁３６を制御する（即ち、開閉弁３６を開く）。

次に、制御装置８０は、水素貯蔵容器１０の内圧と、蓄圧する蓄圧器３３０の内圧との差が１０ＭＰａ未満になると、差圧による充填を停止するように開閉弁３６を制御する（即ち、開閉弁３６を閉じる）。
そして、圧縮機２０による充填を行う。圧縮機２０による充填では、制御装置８０は、選択した蓄圧器３３０に水素を流入させるように開閉弁２６及び開閉弁３４６を制御し（即ち、開閉弁２６及び対応する開閉弁３４６を開き）、当該蓄圧器３３０の内圧及び水素貯蔵容器１０の内圧を監視しながら、圧縮機２０を稼働させる。
次に、制御装置８０は、当該蓄圧器３３０の内圧が、満充填の内圧（８２ＭＰａ）に達すると、圧縮機２０を停止しさせ、開閉弁２６及び対応する開閉弁３４６を閉じる。

なお、充填処理を開始するときの水素貯蔵容器１０と当該蓄圧器３３０との圧力差が１０ＭＰａ未満の場合には、当初より圧縮機２０による充填を行う。

図３は、制御装置８０によって実施される上記蓄圧器３３０への水素の充填処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、制御装置８０は、圧力検出装置３３５から充填する蓄圧器３３０の内圧及び水素貯蔵容器１０の内圧を入力する。
ステップＳ２では、ステップＳ１で入力した水素貯蔵容器１０の内圧と蓄圧器３３０の内圧との差（「水素貯蔵容器１０の内圧」−「蓄圧器３３０の内圧」）が、所定値（本例では１０ＭＰａ）以上か否かを判断する。
水素貯蔵容器１０の内圧と蓄圧器３３０の内圧との差が所定値以上の場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、それ以外（ＮＯ）はステップＳ６に進む。

ステップＳ３では、制御装置８０は、開閉弁３６と、充填対象の蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を開く。これにより、水素貯蔵容器１０と、充填対象の蓄圧器３３０が、第２充填ライン経由３４で連通し、水素貯蔵容器１０と蓄圧器３３０との差圧により、水素貯蔵容器１０内の水素が蓄圧器３３０へと移送される。これにより、水素貯蔵容器１０の内圧は徐々に低下し、蓄圧器３３０の内圧は上昇する。

ステップＳ４では、ステップＳ２と同様に、制御装置８０は、水素貯蔵容器１０の内圧と移送先の蓄圧器３３０の内圧との差が所定値（１０ＭＰａ）以上か否かを判断する。水素貯蔵容器１０の内圧と移送先の蓄圧器３３０の内圧との差が所定値以上の場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ４に戻って差圧による充填を継続し、それ以外（ＮＯ）はステップＳ５に進み、差圧による充填を停止する。

ステップＳ５では、制御装置８０は、開閉弁３６と、充填対象の蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を閉じる。

ステップＳ６では、制御装置８０は、開閉弁２６と、充填対象の蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を開く。
ステップＳ７では、制御装置８０は、圧縮機２０を稼働させる。圧縮機２０が稼働すると、水素貯蔵容器１０の水素が第１充填ライン２４を経由し該蓄圧器３３０に移送される。より詳細には、水素貯蔵容器１０の水素が減圧弁２８によって０．６ＭＰａに減圧された後、圧縮機２０で８２ＭＰａに昇圧され蓄圧器３３０へと移送される。

ステップＳ８では、制御装置８０は、移送先の蓄圧器３３０の内圧に基づいて、蓄圧器３３０の水素充填が完了したか否かを判断する。例えば、制御装置８０は、圧力検出装置３３５により検出された上記移送先の蓄圧器３３０の内圧が８２ＭＰａ（最高設定圧力）に達した場合に、当該移送先の蓄圧器３３０の水素充填が完了したと判断する。

ステップＳ９では、制御装置８０は、圧縮機２０を停止する。
ステップＳ１０では、制御装置８０は、開閉弁２６と充填対象の蓄圧器３３０に対応する開閉弁３４６を閉じる。

本実施形態によれば、充電開始当初など水素貯蔵容器１０の内圧と蓄圧器３３０の内圧との差が所定値以上の場合に、第２充填ラインに切換えることで、圧縮機２０を稼働させることなく、水素貯蔵容器１０と蓄圧器３３０との差圧により、蓄圧器３３０への水素の充填を行うことができる。これにより、圧縮機２０の駆動時間を削減することができ、エネルギー消費を抑えることができる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 水素ステーション
１０ 水素貯蔵容器
１５ 圧力検出装置
２０ 圧縮機
２４ 第１充填ライン
２６ 開閉弁
２８ 減圧弁
３０ 蓄圧器ユニット
３４ 第２充填ライン
３６ 開閉弁
３８ 逆止弁
４０ ディスペンサー
４６ 開閉弁
４８ 逆止弁
８０ 制御装置
３１０ 蓄圧器ユニット３０の入口部
３２０ 蓄圧器ユニット３０の出口部
３３０ 蓄圧器
３３５ 圧力検出装置
３４６、３５６ 開閉弁
３４８、３５８ 逆止弁

Claims (4)

1. 水素貯蔵容器と、車両への充填用の蓄圧器と、前記水素貯蔵容器からの水素を圧縮して前記蓄圧器に充填する圧縮機と、を含んで構成される水素ステーションであって、
   前記水素貯蔵容器から前記圧縮機を介して前記蓄圧器に至る第１充填ラインと、
   前記水素貯蔵容器から前記圧縮機をバイパスして前記蓄圧器に至る第２充填ラインと、
   前記第１充填ラインと前記第２充填ラインとを選択的に切換える切換装置と、
   を更に含んで構成される、水素ステーション。
2. 前記水素貯蔵容器の内圧を検出する第１圧力検出装置と、
   前記蓄圧器の内圧を検出する第２圧力検出装置と、
   を更に含んで構成され、
   前記切換装置は、前記水素貯蔵容器の内圧と前記蓄圧器の内圧との差に基づいて切換制御されることを特徴とする、請求項１に記載の水素ステーション。
3. 前記圧縮機は、その入口側に減圧弁を有し、前記第２充填ラインは前記圧縮機と共に前記減圧弁をバイパスすることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の水素ステーション。
4. 水素ステーションにおいて、水素貯蔵容器から車両への充填用の蓄圧器へ水素を充填するに際し、
   前記水素貯蔵容器内の内圧と前記蓄圧器内の内圧との差に基づいて、前記水素貯蔵容器から圧縮機を用いずに前記蓄圧器に差圧で充填する差圧充填と、前記水素貯蔵容器から前記圧縮機により前記蓄圧器に充填する圧縮機充填と、を選択的に切換えることを特徴とする、水素ステーションでの蓄圧器充填方法。

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