JP2016217468A - 水素ガス充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低減させ、エネルギー効率を向上することができる水素ガス充填装置を提供する。【解決手段】ディスペンサ２の供給管路３には、水素ガスの流量を計測する流量計１０と、水素ガスを冷却する熱交換器１３と、水素ガスの温度を検出する燃料温度センサ１６と、燃料タンク２７への水素ガスの充填を制御する制御装置２３とが設けられている。熱交換器１３には、冷媒を循環させるための熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄが接続されている。熱交換器側冷媒管路１４Ｃには、冷凍器１２Ａにより冷却された冷媒を冷凍器１２Ａと熱交換器１３との間で循環させるための冷媒循環用ポンプ１５が設けられている。制御装置２３は、流量計１０により計測される水素ガスの流量と、燃料温度センサ１６により検出される水素ガスの温度とに基づき、冷媒循環用ポンプ１５による熱交換器１３への冷媒の循環流量を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば水素ガスを車両の燃料タンクに充填するのに好適に用いられる水素ガス充填装置に関する。

一般に、水素ガスを燃料とする車両（４輪自動車等）の被充填タンク（燃料タンク）に水素ガスを充填する水素ガス充填装置が知られている。この種の水素ガス充填装置には、水素ガスが流通する供給管路に水素ガスの充填流量を調整する流量制御弁が設けられている。また、供給管路には、流量制御弁よりも下流側に、流量制御弁により温度上昇した水素ガスを冷却する熱交換器が設けられている。これにより、被充填タンク内の温度上昇および圧力上昇を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１１６６１９号公報

ところで、上述した従来技術では、被充填タンク内の温度と水素ガスの温度とに基づき、供給管路内を流れる水素ガスの流量を大流量としたり小流量としたりしている。しかし、水素ガスを冷却する熱交換器の冷媒の流量については調整されていない。従って、冷媒の流量は、供給管路内を流れる水素ガスの流量が小流量でも、水素ガスの流量が大流量のときと同じ流量となっており、無駄なエネルギーを消費している虞がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、消費電力を低減させることができる水素ガス充填装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の水素ガス充填装置は、水素ガスを蓄える蓄圧器とガス供給経路を介して接続され、前記水素ガスを被充填タンクに充填するためのカップリングと、前記ガス供給経路に設けられ、前記被充填タンクへ充填される前記水素ガスの流量を計測する流量計測器と、冷媒を冷却する冷凍器と、前記ガス供給経路に設けられ、前記冷凍器により冷却された前記冷媒との熱交換により前記カップリングによって充填される前記水素ガスを冷却する熱交換器と、前記冷凍器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させるための冷媒管路と、該冷媒管路に設けられ前記冷凍器により冷却された前記冷媒を前記冷凍器と前記熱交換器との間で循環させるための冷媒循環用ポンプと、前記ガス供給経路の前記熱交換器よりも前記カップリング側に設けられ、前記被充填タンクに充填される前記水素ガスの温度を検出する温度検出器と、前記被充填タンクへの水素ガス充填を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記流量計測器により計測される前記水素ガスの流量と、前記温度検出器により検出される前記水素ガスの温度とに基づき、前記冷媒循環用ポンプによる前記熱交換器への前記冷媒の循環流量を制御することを特徴としている。

請求項２の発明は、前記制御手段は、前記流量計測器により計測される前記水素ガスの流量が所定流量よりも低い場合に、前記熱交換器に循環させる前記冷媒の循環流量が低くなるように前記冷媒循環用ポンプを制御する構成としている。

請求項３の発明は、前記制御手段は、前記温度検出器により検出されている前記水素ガスの温度が所定温度よりも低い場合に、前記熱交換器に循環させる前記冷媒の循環流量が低くなるように前記冷媒循環用ポンプを制御する構成としている。

請求項１の発明によれば、制御手段は、供給経路内を流れる水素ガスの流量と、水素ガスの温度とに基づき冷媒循環用ポンプを制御している。これにより、熱交換器内を循環する冷媒の流量を変えることができるので、効率よく水素ガスの冷却を行うことができる。従って、冷媒循環用ポンプを駆動するときの消費電力を低減させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

請求項２の発明によれば、制御手段は、水素ガスの流量が所定流量よりも低い場合に、冷媒循環用ポンプにより冷媒の循環流量を低くしているので、冷媒循環用ポンプの出力を小さくすることができる。これにより、冷媒循環用ポンプを駆動するときの消費電力を低減させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

請求項３の発明によれば、制御手段は、水素ガスの温度が所定温度よりも低い場合に、冷媒循環用ポンプにより冷媒の循環流量を低くしているので、冷媒循環用ポンプの出力を小さくすることができる。これにより、冷媒循環用ポンプを駆動するときの消費電力を低減させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態による水素ガス充填装置を模式的に示す全体構成図である。 図１中の制御装置による水素ガス充填制御処理を示す流れ図である。 第２の実施の形態による水素ガス充填制御処理を示す流れ図である。

以下、本発明の実施の形態によるガス充填装置を、添付図面に従って詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１において、充填ステーション１は、水素ガスを燃料とする車両に水素ガスを供給するガス充填装置で、この充填ステーション１は、例えばディスペンサ２を備えている。

このディスペンサ２内および／またはディスペンサ２の地下部分には、ガス供給経路としての供給管路３が設けられている。この供給管路３は、その一端が水素ガスからなる燃料を蓄える貯蔵タンク１００（蓄圧器）に連通するように接続されている。供給管路３の他端には、例えば可撓性ホース等からなる充填ホース４を介してカップリング５が接続されている。

ディスペンサ２は、カップリング５、流量調整弁８、遮断弁９、流量計１０、熱交換器１３、燃料温度センサ１６、圧力センサ１７、充填開始スイッチ１９、充填停止スイッチ２０、脱圧弁２２、および制御装置２３等を含んで構成されている。流量調整弁８および遮断弁９は、供給管路３を流れるガスの流量および圧力を制御する制御機器を構成している。流量計１０、燃料温度センサ１６、および圧力センサ１７は、供給管路３を流れるガスの流量、圧力および温度を計測する計測機器を構成している。

カップリング５は、後述する車両２６の燃料タンク２７に、水素ガスからなる燃料を供給するため後述の充填口２７Ａに気密状態で着脱可能に接続される充填ノズルとして構成されている。カップリング５には、水素ガスの充填中にガスの圧力によって充填口２７Ａから誤って外れることがないように、燃料タンク２７の充填口２７Ａに対して係脱可能にロックされるロック機構（図示せず）が設けられている。

ディスペンサ２には、燃料（水素ガス）の非充填時にカップリング５が取外し可能に収納されるカップリング収納部６が設けられている。このカップリング収納部６は、カップリング５がガス充填を終了して戻される場合に、当該カップリング５を収納するものである。

車両２６の燃料タンク２７に燃料を充填するときには、図１中に二点鎖線で示す如く、カップリング５がカップリング収納部６から取外されて車両２６（燃料タンク２７）の充填口２７Ａに連結して接続される。このようにカップリング５を燃料タンク２７に接続した状態で、貯蔵タンク１００内の燃料（水素ガス）は、供給管路３、充填ホース４およびカップリング５等を通じて後述の如く車両２６の燃料タンク２７に充填される。

入口弁７は、供給管路３の貯蔵タンク１００側に設けられている。この入口弁７は、例えば手動操作により開，閉される。なお、入口弁７は必要に応じて取付けられるものであり、不要であればこれを除いてもよい。

流量調整弁８は、入口弁７よりも下流側に位置して供給管路３に設けられている。この流量調整弁８は、後述の制御装置２３に接続され、制御装置２３からの制御信号で開，閉されることにより、供給管路３を流れる水素ガスの流量を調整するものである。即ち、制御装置２３は、例えば後述の流量計１０、燃料温度センサ１６、圧力センサ１７の測定結果および／または車両２６の燃料タンク２７の容量および残容量等により、流量調整弁８の開度等を予め設定された制御方式（定圧上昇制御方式または定流量制御方式）で調整する。これにより、供給管路３内に供給される水素ガスの圧力、流量を適切な流通状態に制御することができる。

遮断弁９は、流量調整弁８よりも下流側に位置して供給管路３に設けられている。この遮断弁９は、電磁式または空圧作動式の弁装置である。遮断弁９は、後述する制御装置２３に接続され、制御装置２３からの制御信号で開，閉されることにより、供給管路３内を流れる水素ガスの流通を許したり、または遮断したりする。即ち、制御装置２３は、カップリング５を介して車両２６の燃料タンク２７に水素ガスを充填または充填を停止（終了）するときに、流量調整弁８と遮断弁９との開，閉弁制御を行う。

流量計１０は、入口弁７と流量調整弁８との間に位置して供給管路３に設けられている。この流量計１０は、例えば被測流体の質量流量を計測するコリオリ式の流量計測器となっている。流量計１０は、入口弁７と流量調整弁８との間で供給管路３内を流れる燃料、即ち燃料タンク２７へ充填される水素ガスの流量（質量流量）を計測し、計測した流量に比例した数の流量パルスを制御装置２３へと出力する。これによって、制御装置２３は、車両２６の燃料タンク２７に対する燃料（水素ガス）の充填量を演算により求めることができる。また、演算された水素ガスの充填量は、車両２６に対する燃料の払出し量（給油量に相当）として表示器（図示せず）等で表示し、例えば顧客等に表示内容を報知することができる。

なお、供給管路３の上流側から下流側に向けて順番に設けられている流量計１０、流量調整弁８、遮断弁９は、この順番に限定されるものではなく、例えば流量計１０を流量調整弁８と遮断弁９との間に設けたり、流量計１０を遮断弁９よりも下流側に設けたりしてもよい。

冷却器１１は、供給管路３内を流れる水素ガスを冷却する装置である。この冷却器１１は、ディスペンサ２外に設けられ冷媒を冷却する冷凍器１２Ａを有するチラーユニット１２と、流量調整弁８および遮断弁９よりも下流側に位置して供給管路３に設けられた熱交換器１３と、チラーユニット１２の冷凍器１２Ａと熱交換器１３との間で冷媒を循環させるための冷媒管路１４と、冷媒管路１４に設けられた冷媒循環用ポンプ１５とを含んで構成されている。

チラーユニット１２は、例えば冷媒（例えば、エチレングリコール等を含んだ液体）を冷却する冷凍器１２Ａと、冷凍器１２Ａにより冷却された冷媒および熱交換器１３により温度上昇した冷媒を貯蔵する冷媒用タンク１２Ｂとを備えている。また、チラーユニット１２には、後述の冷媒循環用ポンプ１５が備えられている。

冷凍器１２Ａは、熱交換器１３で供給管路３内を流れる水素ガスと熱交換して温度上昇した冷媒を冷却するものである。即ち、温度上昇した冷媒は、冷媒用タンク１２Ｂから冷凍器側冷媒管路１４Ａを流通して冷凍器１２Ａへと導入される。冷凍器１２Ａに導入された冷媒は、例えば低温の代替フロン等により、例えば約−４０℃まで冷却され、冷凍器側冷媒管路１４Ｂにより冷媒用タンク１２Ｂに戻される。

熱交換器１３は、供給管路３に設けられ、冷凍器１２Ａにより冷却された冷媒との熱交換によりカップリング５によって充填される水素ガスを冷却するものである。即ち、熱交換器１３は、供給管路３の流量調整弁８を通過することにより温度上昇した水素ガスを冷却するものである。熱交換器１３は、冷媒と水素ガスとを熱交換させることにより水素ガスの温度を規定温度（例えば、−３３℃〜−４０℃）まで低下させる。これにより、車両２６の燃料タンク２７内の温度および圧力上昇を抑制することができる。

冷媒管路１４は、冷凍器１２Ａと熱交換器１３との間で冷媒を循環させるための流路である。この冷媒管路１４は、冷媒用タンク１２Ｂから冷凍器１２Ａに向けて冷媒を流通させる冷凍器側冷媒管路１４Ａと、冷凍器１２Ａで冷却された冷媒を冷媒用タンク１２Ｂに向けて流通させる冷凍器側冷媒管路１４Ｂと、冷媒用タンク１２Ｂから熱交換器１３に向けて冷媒を流通させる熱交換器側冷媒管路１４Ｃと、熱交換器１３で温度上昇した冷媒を冷媒用タンク１２Ｂに向けて流通させる熱交換器側冷媒管路１４Ｄとにより構成されている。

冷媒循環用ポンプ１５は、チラーユニット１２内に位置して熱交換器側冷媒管路１４Ｃに設けられている。この冷媒循環用ポンプ１５は、冷凍器１２Ａにより冷却された冷媒を冷凍器１２Ａと熱交換器１３との間で循環させるためのものである。具体的には、チラーユニット１２の冷媒用タンク１２Ｂ内の冷媒は、冷媒循環用ポンプ１５の駆動により、熱交換器側冷媒管路１４Ｃを流通して熱交換器１３内へと導入される。

この場合、冷媒循環用ポンプ１５は、例えば可変容量型のポンプが用いられる。冷媒循環用ポンプ１５は、後述の制御装置２３に接続され、制御装置２３からの制御信号により出力が制御される。即ち、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流通する冷媒の流量は、制御装置２３が冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御することにより変化する。制御装置２３が行う冷媒の流量制御については、後述で説明する。

燃料温度センサ１６は、熱交換器１３よりも下流側に位置して供給管路３に設けられている。この燃料温度センサ１６は、燃料タンク２７に充填される水素ガスの温度を検出するもので、本発明の温度検出器を構成している。燃料温度センサ１６は、供給管路３内を流れる水素ガスの温度を検出し、その検出信号を制御装置２３へと出力する。

圧力センサ１７は、燃料温度センサ１６よりも下流側に位置して供給管路３に設けられている。この圧力センサ１７は、燃料タンク２７内またはこれにほぼ相当する供給管路３の水素ガスの圧力（即ち、充填ステーション１で充填されるガス圧力としてのステーション圧力）を検知するセンサである。ここで、圧力センサ１７は、カップリング５の近傍で供給管路３内の圧力を測定し、測定した圧力に応じた検出信号を制御装置２３へと出力する。

換言すると、圧力センサ１７は、燃料タンク２７内のガス圧力を検知または検出するために設けられたものであり、燃料タンク２７内のガス圧力を直接検知するように燃料タンク２７に配置することでもよいが、必ずしもそのように配置しなければならないものではない。即ち、燃料タンク２７内のガス圧力の変動に応じて変動する供給管路３内の圧力を圧力センサ１７で検出することにより、燃料タンク２７内のガス圧力を監視することができ、よって、本実施の形態の圧力センサ１７は供給管路３内の圧力を検出するようにしている。必要ならば、圧力センサ１７による圧力検出（測定）値を基にして、燃料タンク２７内の実際のガス圧力を計算するのに補正係数を使用してもよい。なお、圧力センサ１７と燃料温度センサ１６との供給管路３に設けられる位置は逆にしても良い。

操作部１８は、充填開始スイッチ１９と充填停止スイッチ２０とを備えている。充填開始スイッチ１９は、例えば作業員または運転手等が手動で操作可能な操作スイッチで、水素ガスの充填を開始する場合に操作される。一方、充填停止スイッチ２０は、水素ガス充填中に水素ガスの充填を停止する場合に操作される。そして、充填開始スイッチ１９と充填停止スイッチ２０とは、操作状態に応じた信号を制御装置２３にそれぞれ出力する。制御装置２３は、これらの信号に応じて電磁弁または空圧駆動弁等の自動弁からなる遮断弁９を開または閉とする。

脱圧管路２１は、遮断弁９と充填ホース４との間に位置（本実施形態では遮断弁９と熱交換器１３との間に位置）して供給管路３の途中に分岐して設けられている。脱圧管路２１は、例えばカップリング５側からガス圧力を脱圧するためのもので、脱圧管路２１の途中には、例えば電磁弁または空圧駆動弁等の自動弁からなる脱圧弁２２が設けられている。この脱圧弁２２は、後述の如くカップリング５を用いた水素ガス充填作業が完了して遮断弁９が閉弁されたときに、制御装置２３からの信号により開弁制御される。そして、脱圧弁２２が開弁したときには、脱圧管路２１が大気に開放されることにより、カップリング５側のガスが外部に放出されてカップリング５の圧力が大気圧に減圧される。

制御装置２３は、車両２６に供給する燃料タンク２７への水素ガス充填を制御するものである。この制御装置２３は、流量調整弁８および遮断弁９等の制御機器を制御する制御手段を構成している。制御装置２３は、例えばタイマ機能と記憶部（図示せず）等とを備えたマイクロコンピュータ等として構成されている。制御装置２３の前記記憶部には、例えば図２に示す処理フローを実行するための処理プログラム等が格納されている。また、制御装置２３の前記記憶部には、水素ガス流量の閾値Ｆ１、気温の閾値Ｔ１、および水素ガス温度の閾値Ｔ２等が格納（記憶）されている。

制御装置２３の入力側には、流量計１０、燃料温度センサ１６、圧力センサ１７、充填開始スイッチ１９、充填停止スイッチ２０、気温センサ２４、受信器２５等が接続されている。気温センサ２４は、充填ステーション１が設置された場所の気温（周囲温度）を測定するものである。また、受信器２５は、車両２６から無線通信により送信された燃料タンク２７の状態（タンク容量、残容量、タンク内温度等）を受信するものである。

無線による通信の一例としては、燃料タンク２７の充填口２７Ａに送信用のコネクタ（図示せず）を設けると共に、カップリング５の先端に受信用のコネクタ（図示せず）を設け、カップリング５を充填口２７Ａに接続することにより両コネクタが近接して通信可能となるようにすることが考えられる。なお、受信器２５と車両２６との通信は、無線通信に限られるものではなく、有線による通信を行うようにしてもよい。

制御装置２３には、流量計１０により計測された水素ガスの流量、燃料温度センサ１６により検出された水素ガスの温度、圧力センサ１７により検出された水素ガスの圧力、気温センサ２４により検出された気温、受信器２５が受信した燃料タンク２７の状態が入力される。一方、制御装置２３の出力側には、流量調整弁８、遮断弁９、チラーユニット１２、表示器（図示せず）、および脱圧弁２２等が接続されている。

そして、制御装置２３は、図１中に二点鎖線で示す如く、車両２６の燃料タンク２７の充填口２７Ａにカップリング５を接続した状態で、例えば操作部１８の充填開始スイッチ１９が閉成（ＯＮ）操作されたときに、流量調整弁８と遮断弁９とに開弁信号を出力して流量調整弁８と遮断弁９とを開弁させる。これにより、貯蔵タンク１００内の水素ガスを燃料タンク２７に供給する充填作業が開始される。

制御装置２３は、例えば流量計１０、燃料温度センサ１６、圧力センサ１７の測定結果、および受信器２５が受信した燃料タンク２７の状態を監視しつつ、流量調整弁８の開度等を予め設定された制御方式（定圧上昇制御方式または定流量制御方式）等で調整する。これにより、供給管路３内に供給される水素ガスの圧力、流量を適切な流通状態に制御することができる。

また、制御装置２３は、水素ガスの流量、気温、水素ガスの温度に基づいて、冷媒循環用ポンプ１５を制御することにより、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流通する冷媒の流量を変化させる。具体的には、制御装置２３は、水素ガスの流量が閾値Ｆ１よりも大きいときに、冷媒の流量を高くする。一方、制御装置２３は、水素ガスの流量が閾値Ｆ１未満のときに、気温、水素ガスの温度に基づき冷媒の流量を低くする。これにより、冷媒循環用ポンプ１５を駆動するときの消費電力を低減させることができ、コストを向上することができる。

制御装置２３は、流量計１０からの流量パルスを積算して燃料の充填量（質量）を演算し、燃料の充填量が予め設定された目標充填量に達するか、または圧力センサ１７により検出したガスの圧力が予め設定された目標圧力（目標充填圧）に達したときに、遮断弁９を閉弁して燃料の充填を停止する。また、充填停止スイッチ２０が操作された場合には、例えばガスの充填量や圧力が目標に達していなくても、充填動作を強制的に停止すべく遮断弁９が制御装置２３からの信号により閉弁される。

水素ガスを燃料として走行する車両２６は、一例として図１に示すような４輪自動車（乗用車）により構成されている。車両２６には、例えば水素ガスを燃料として駆動力を発生する原動機としてのエンジンあるいは燃料電池と電動モータ等の駆動装置（図示せず）と、図１中に点線で示す燃料タンク２７とが設けられている。この燃料タンク２７は、水素ガスが充填される被充填タンクを構成し、例えば車両２６の後部側に搭載されている。なお、燃料タンク２７は、車両２６の後部側に限らず、前部側または中央部側に設けてもよい。

燃料タンク２７には、図１中に二点鎖線で示すように、カップリング５（即ち、充填ノズル）が着脱可能に取付けられる充填口２７Ａが設けられている。そして、車両２６の燃料タンク２７内には、カップリング５が充填口２７Ａに気密に連結（接続）された状態で水素ガスのガス充填が行われる。この間、カップリング５は、ロック機構（図示せず）により充填口２７Ａに対して不用意に外れることがないようにロックされている。

車両２６には、燃料タンク２７内の燃料（即ち、水素ガス）の温度を検知するために、タンク内ガス温度センサ２８（温度センサ）が設けられている。タンク内ガス温度センサ２８は、燃料タンク２７内の水素ガスの温度を検出すると共に、その検出信号を無線通信等の送信器（図示せず）からディスペンサ２の受信器２５に出力する。

本実施の形態による充填ステーション１は、上述の如き構成を有するもので、次に、制御装置２３による車両２６の燃料タンク２７への水素ガスの充填制御処理について、図２を参照して説明する。なお、この制御処理は、充填ステーション１が起動している間に所定周期毎に繰り返し実行される。また、図２に示す流れ図の各ステップは、それぞれ「Ｓ」という表記を用い、例えばステップ１を「Ｓ１」として示すものとする。

まず、処理動作がスタートすると、制御装置２３は、Ｓ１で充填開始操作を検出する。この充填開始操作の検出は、作業員または運転手等によってカップリング５が車両２６の燃料タンク２７の充填口２７Ａに図１中に二点鎖線で示す如く接続された状態で、操作部１８の充填開始スイッチ１９が閉成（ＯＮ）操作されたときとすることができる。

そして、制御装置２３は、冷媒循環用ポンプ１５を最大出力で駆動させる。従って、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流れる冷媒の流量は最大値（最大流量）から開始される。また、制御装置２３は、流量調整弁８と遮断弁９とを開弁状態とする。この場合、制御装置２３は、流量調整弁８の開度を例えば制御装置２３の受信器２５が受信した車両２６の燃料タンク２７の容量および／または残容量により調整する。これにより、貯蔵タンク１００内の水素ガスは、車両２６の燃料タンク２７に向けて供給管路３内を流通する。

次のＳ２では、水素ガス流量、気温、水素ガス温度の読込みを行う。水素ガス流量は、供給管路３に設けられた流量計１０により計測される。気温は、制御装置２３に設けられた気温センサ２４により検出される。水素ガスの温度は、燃料温度センサ１６により検出される。流量計１０、気温センサ２４、燃料温度センサ１６によりそれぞれ検出された値は、制御装置２３の記憶部に随時記憶(更新)される。

次のＳ３では、水素ガス流量が閾値Ｆ１未満となっているか否か（水素ガス流量＜Ｆ１）を判定する。即ち、流量計１０により計測される水素ガスの流量が所定流量（閾値Ｆ１）よりも低いか否かを判定する。ここで、水素ガス流量の閾値Ｆ１は、例えば熱交換器１３内を流通する冷媒との熱交換の効率に対応したものとして、実験的に求められた値に設定される。即ち、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が低い場合には、熱交換器１３内を流通する冷媒の流量を低くしても十分に熱交換を行うことができるものとして、冷媒の流量に対応した水素ガス流量の閾値Ｆ１が設定される。

そして、Ｓ３で「ＹＥＳ」、即ち水素ガス流量が閾値Ｆ１未満であると判定された場合には、Ｓ４に進む。一方、Ｓ３で「ＮＯ」、即ち水素ガスの流量が閾値Ｆ１以上であると判定された場合には、Ｓ５に進み、冷媒流量「大」に決定して次のＳ１０に進む。

Ｓ４では、気温が閾値Ｔ１未満であるか否か（気温＜Ｔ１）を判定する。ここで、気温の閾値Ｔ１は、例えば熱交換器１３で冷却された水素ガスが車両２６の燃料タンク２７に供給（充填）されるまでに、過度に昇温する虞がある値として設定されている。そして、Ｓ４で「ＹＥＳ」、即ち気温が閾値Ｔ１未満であると判定された場合には、Ｓ６に進む。一方、Ｓ４で「ＮＯ」、即ち気温が閾値Ｔ１以上であると判定された場合には、Ｓ７に進む。

Ｓ６では、水素ガス温度が閾値Ｔ２未満であるか否か（水素ガス温度＜Ｔ２）を判定する。即ち、燃料温度センサ１６により検出された水素ガスの温度が所定温度（閾値Ｔ２）よりも低いか否かを判定する。この場合、水素ガス温度の上限値は、水素ガス充填中に燃料タンク２７内のガス温度が過度に上昇するのを抑制するために、例えば−３３℃以下に設定されている。また、水素ガス温度の下限値は、供給管路３や熱交換器１３の水素脆化を抑制するために、例えば−４０℃以上に設定されている。

従って、水素ガス温度の閾値Ｔ２は、例えば規定温度（−３３℃〜−４０℃）内の任意の値に設定されている（−３３℃≧Ｔ２≧−４０℃）。この場合、水素ガス温度は、冷媒の温度以下となることはないので、例えば冷媒の温度を−４０℃としている。従って、水素ガス温度の閾値Ｔ２は、水素ガスの温度が上限値（−３３℃）以上とならないように、冷媒の流量に対応して実験的に求められた値に設定される。

そして、Ｓ６で「ＹＥＳ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ２未満であると判定された場合には、Ｓ８に進み、冷媒流量「小」に決定して次のＳ１０に進む。一方、Ｓ６で「ＮＯ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ２以上であると判定された場合には、Ｓ９に進み、冷媒流量「中」に決定して次のＳ１０に進む。

Ｓ７では、Ｓ６と同様に水素ガス温度が閾値Ｔ２未満であるか否かを判定する。即ち、Ｓ４での判定に拘わらず、次のＳ６およびＳ７では水素ガス温度が閾値Ｔ２未満であるか否かを判定する。そして、Ｓ７で「ＹＥＳ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ２未満であると判定された場合には、Ｓ９に進み、冷媒流量「中」に決定して次のＳ１０に進む。一方、Ｓ７で「ＮＯ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ２以上であると判定された場合には、Ｓ５に進み、冷媒流量「大」に決定して次のＳ１０に進む。

Ｓ１０では、ガス供給制御を行う。即ち、制御装置２３は、流量調整弁８と遮断弁９との開弁状態を維持すると共に、流量計１０からの流量パルスを積算して水素ガスの充填量（質量）を演算する。これにより、貯蔵タンク１００から車両２６の燃料タンク２７に払い出されたガスの充填量（質量）を計量することができる。また、制御装置２３は、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９で決定された冷媒流量に基づき、冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御する。これにより、常に冷媒の流量を一定として冷媒循環用ポンプ１５を駆動している場合と比較して消費電力を低減させることができる。

次のＳ１１では、ガス充填終了か否かを判定する。即ち、作業員等により充填停止スイッチ２０が操作された場合または圧力センサ１７により車両２６の燃料タンク２７が所定圧力値（最大圧力値）に到達して、燃料タンク２７内の水素ガスが満充填された場合か否かを判定する。そして、Ｓ１１で「ＹＥＳ」、即ち水素ガスの充填が終了したと判定された場合には、Ｓ１２に進む。一方、Ｓ１１で「ＮＯ」、即ち水素ガスの充填が終了していないと判定された場合には、Ｓ２に戻る。

Ｓ１２では、ガス供給制御を行う。即ち、制御装置２３は、流量調整弁８と遮断弁９とを閉弁状態とする。そして、制御装置２３からの信号により脱圧弁２２が、閉弁状態から開弁制御される。そして、脱圧弁２２が開弁したときには、脱圧管路２１が大気に開放されることにより、カップリング５側の水素ガスが外部に放出されてカップリング５の圧力が大気圧に減圧される。このような状態で、充填ステーション１は、次なる充填作業に備えて待機状態となる。

第１の実施の形態による冷媒循環量の制御をまとめると、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が多いときには、気温、水素ガス温度に拘わらず、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄに流通する冷媒流量を「大」にする。一方、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が少ないときには、気温と水素ガス温度とに基づき熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄに流通する冷媒流量を調整する。具体的には、気温が高く、かつ水素ガス温度が高いときには、冷媒流量を「大」にする。一方、気温が高く、かつ水素ガス温度が低いときには、冷媒流量を「中」にする。また、気温が低く、かつ水素ガス温度が高いときには、冷媒流量を「中」にする。一方、気温が低く、かつ水素ガス温度が低いときには、冷媒流量を「小」にする。

なお、制御装置２３は、待機状態時に冷媒循環用ポンプ１５の出力（回転数または吐出流量）を下げてもよい。即ち、流量計１０において水素ガスの流量が検出されていない場合（非充填時）には、流量計１０において水素ガスの流量が検出されている場合（充填時）よりも冷媒循環用ポンプ１５による熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流れる冷媒流量を小さくしてもよい。これにより、待機状態時における冷媒循環用ポンプ１５の消費電力を低減させることができるので、コストを向上することができる。

この場合、制御装置２３は、例えば所定時間毎に冷媒循環用ポンプ１５の出力を上げたり、受信器２５が水素ガスを燃料とする車両が接近しているのを受信したときに冷媒循環用ポンプ１５の出力を上げたりしてもよい。これにより、次の車両の水素ガス充填を行うときに、熱交換器１３の準備時間を短縮することができるので、効率よく複数の車両に水素ガス充填を行うことができる。

かくして、第１の実施の形態によれば、制御装置２３は、水素ガスの流量と水素ガスの温度とに基づき、冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御して熱交換器１３内を流通する冷媒の流量を調整している。即ち、制御装置２３は、水素ガスの流量が所定流量（閾値Ｆ１）よりも低い場合に、冷媒循環用ポンプ１５により冷媒の循環流量を低くしている。また、制御装置２３は、水素ガスの温度が所定温度（閾値Ｔ２）よりも低い場合に、冷媒循環用ポンプ１５により冷媒の循環流量を低くしている。これにより、冷媒循環用ポンプ１５を駆動するときの消費電力を低減させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

次に、図３は、本発明の第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態の特徴は、第１の実施の形態による気温の判定（気温＜Ｔ１）を省略したことにある。また、冷媒の流量を段階的（３段階）ではなく、連続的に増加または減少させる構成としたことにある。なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

また、第２の実施の形態では、制御装置２３の記憶部に、図３に示す処理フローを実行するための処理プログラム等が格納されている。さらに、制御装置２３の記憶部には、水素ガス流量の閾値Ｆ２および水素ガス温度の閾値Ｔ３等が格納（記憶）されている。

以下、制御装置２３による燃料タンク２７への水素ガスの充填制御処理について、図３を参照して説明する。なお、この制御処理は、充填ステーション１が起動している間に所定周期毎に繰り返し実行される。また、図３に示す流れ図の各ステップは、それぞれ「Ｓ」という表記を用い、例えばステップ２１を「Ｓ２１」として示すものとする。

図３の処理動作がスタートすると、制御装置２３は、Ｓ２１で充填開始操作を検出する。この充填開始操作は、上述した図２のＳ１と同様に行われる。次のＳ２２では、水素ガス流量、水素ガス温度の読込を行う。水素ガス流量は、供給管路３に設けられた流量計１０により計測される。水素ガスの温度は、燃料温度センサ１６により検出される。流量計１０、燃料温度センサ１６によりそれぞれ検出された値は、制御装置２３の記憶部に随時記憶(更新)される。

次のＳ２３では、水素ガス流量が閾値Ｆ２未満となっているか否か（水素ガス流量＜Ｆ２）を判定する。即ち、流量計１０により計測される水素ガスの流量が所定流量（閾値Ｆ２）よりも低いか否かを判定する。ここで、水素ガス流量の閾値Ｆ２は、例えば熱交換器１３内を流通する冷媒との熱交換の効率に対応したものとして、実験的に求められた値に設定される。そして、Ｓ２３で「ＹＥＳ」、即ち水素ガス流量が閾値Ｆ２未満であると判定された場合には、Ｓ２４に進む。一方、Ｓ２３で「ＮＯ」、即ち水素ガスの流量が閾値Ｆ２以上であると判定された場合には、Ｓ２５に進む。

Ｓ２４では、水素ガス温度が閾値Ｔ３未満であるか否か（水素ガス温度＜Ｔ３）を判定する。即ち、燃料温度センサ１６により検出されている水素ガスの温度が所定温度（閾値Ｔ３）よりも低いか否かを判定する。この場合、水素ガス温度の閾値Ｔ３は、水素ガスの温度が上限値（−３３℃）以上とならないように、充填ステーション１が設置される場所、気温等を考慮して実験的に求められた値に設定される。即ち、充填ステーション１が設置される場所の季節毎の気温等が水素ガスの温度に与える影響を考慮して、例えば夏場に閾値Ｔ３を低い値に設定したり、冬場に閾値Ｔ３を高い値に設定したりすることができる。

そして、Ｓ２４で「ＹＥＳ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ３未満であると判定された場合には、Ｓ２６に進み、冷媒流量を「減少」に決定してＳ２９に進む。一方、Ｓ２４で「ＮＯ」、即ち水素ガス温度が閾値Ｔ３以上であると判定された場合には、Ｓ２５に進む。

Ｓ２５では、冷媒流量が最大か否かを判定する。即ち、冷媒循環用ポンプ１５の出力（回転数または吐出流量）が最大で、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流れる冷媒の流量、即ち熱交換器１３内に流れる冷媒が最大流量であるか否かを判定する。そして、Ｓ２５で「ＹＥＳ」、即ち冷媒流量が最大であると判定された場合には、Ｓ２７に進み冷媒流量を「維持」（最大流量維持）に決定して、Ｓ２９に進む。一方、Ｓ２５で「ＮＯ」、即ち冷媒流量が最大でないと判定された場合には、Ｓ２８に進み冷媒流量を「増加」に決定して、Ｓ２９に進む。

Ｓ２９では、ガス供給制御を行う。即ち、制御装置２３は、流量調整弁８と遮断弁９との開弁状態を維持すると共に、流量計１０からの流量パルスを積算して水素ガスの充填量（質量）を演算する。これにより、貯蔵タンク１００から車両２６の燃料タンク２７に払い出されたガスの充填量（質量）を計量することができる。

また、制御装置２３は、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８で決定された冷媒流量に基づき、冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御する。具体的には、Ｓ２６を介してＳ２９に到達した場合には、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流通する冷媒流量を設定された下限値（最小流量）まで徐々に下げる。また、Ｓ２７を介してＳ２９に到達した場合には、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流通する冷媒流量が上限値（最大流量）であるのでその状態を維持する。一方、Ｓ２８を介してＳ２９に到達した場合には、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄを流通する冷媒流量を設定された上限値（最大流量）まで徐々に上げる。これにより、常に冷媒の流量を一定として冷媒循環用ポンプ１５を駆動している場合と比較して消費電力を低減させることができる。

次のＳ３０では、ガス充填終了か否かを判定する。この判定は、上述した図２のＳ１１と同様に行われる。そして、Ｓ３０で「ＹＥＳ」、即ちＳ３０で「ＹＥＳ」、即ち水素ガスの充填が終了したと判定された場合には、Ｓ３１に進む。一方、Ｓ３０で「ＮＯ」、即ち水素ガスの充填が終了していないと判定された場合には、Ｓ２２に戻る。

Ｓ３１では、ガス供給制御を行う。即ち、制御装置２３は、流量調整弁８と遮断弁９とを閉弁状態とする。そして、制御装置２３からの信号により脱圧弁２２が、閉弁状態から開弁制御される。そして、脱圧弁２２が開弁したときには、脱圧管路２１が大気に開放されることにより、カップリング５側の水素ガスが外部に放出されてカップリング５の圧力が大気圧に減圧される。このような状態で、充填ステーション１は、次なる充填作業に備えて待機状態となる。なお、待機状態時には、上述した第１の実施の形態と同様に、冷媒循環用ポンプ１５の制御を行ってもよい。

第２の実施の形態による冷媒循環量の制御をまとめると、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が多いときには、水素ガス温度に拘わらず、熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄに流通する冷媒流量を上限値に向けて徐々に増加させる。また、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が少なく、かつ水素ガス温度が高いときには、冷媒流量を上限値に向けて徐々に増加させる。一方、供給管路３内を流通する水素ガスの流量が少なく、かつ水素ガス温度が低いときには、冷媒流量を下限値に向けて徐々に減少させる。

かくして、このように構成される第２の実施の形態でも、貯蔵タンク１００から車両２６の燃料タンク２７に水素ガスを充填するときに、制御装置２３は、供給管路３内を流通する水素ガスの流量と水素ガスの温度とに基づき、冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御して熱交換器１３内を流通する冷媒の流量を調整している。これにより、冷媒循環用ポンプ１５を駆動するときの消費電力を低減させることができ、エネルギー効率を向上することができる。

なお、上述した第１の実施の形態では、Ｓ１１で水素ガスの充填が終了していない場合には、Ｓ２に戻り再度冷媒流量を決定する制御を行う場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばＳ１１の判定を省略してもよい。即ち、一度冷媒流量が決定されたら、水素ガスの充填が終了するまでその決定された冷媒流量を維持する構成としてもよい。このことは、第２の実施の形態のＳ３０の判定についても同様である。

また、上述した第１の実施の形態では、冷媒流量を３段階に設定した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば冷媒流量を２段階または４段階以上に設定してもよい。

また、上述した第１の実施の形態では、水素ガス流量の閾値、気温の閾値、水素ガスの閾値をそれぞれ１個に設定した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばそれぞれの閾値を複数個に設定してもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

また、上述した第１の実施の形態では、ディスペンサ２内に設けられた制御装置２３により、冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばチラーユニット１２に設けられた図示しない制御装置または別に設けられた制御装置で冷媒循環用ポンプ１５の駆動を制御してもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

また、上述した第１の実施の形態では、水素ガスの温度をディスペンサ２に設けられた燃料温度センサ１６により検出した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば車両２６に設けられたタンク内ガス温度センサ２８を用いて燃料タンク２７に供給される水素ガスの温度を検出してもよい。この場合、水素ガスの温度は、ディスペンサ２に設けられた受信器２５で受信することができる。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

また、上述した第１の実施の形態では、冷媒循環用ポンプ１５をチラーユニット１２内に配設した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば冷媒循環用ポンプ１５をディスペンサ２内に位置して熱交換器側冷媒管路１４Ｃ，１４Ｄに設けてもよい。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

また、上述した第１の実施の形態では、充填される水素ガスを熱交換器１３によって、規定温度（例えば、−３３℃〜−４０℃）に冷却する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば水素ガスの冷却温度は、適宜設定することができる。このことは、第２の実施の形態についても同様である。

１ 充填ステーション（水素ガス充填装置）
３ 供給管路（ガス供給経路）
５ カップリング
１０ 流量計（流量計測器）
１２Ａ 冷凍器
１３ 熱交換器
１４ 冷媒管路
１５ 冷媒循環用ポンプ
１６ 燃料温度センサ（温度検出器）
２３ 制御装置（制御手段）
２７ 燃料タンク（被充填タンク）
１００ 貯蔵タンク（蓄圧器）

Claims (3)

1. 水素ガスを蓄える蓄圧器とガス供給経路を介して接続され、前記水素ガスを被充填タンクに充填するためのカップリングと、
   前記ガス供給経路に設けられ、前記被充填タンクへ充填される前記水素ガスの流量を計測する流量計測器と、
   冷媒を冷却する冷凍器と、
   前記ガス供給経路に設けられ、前記冷凍器により冷却された前記冷媒との熱交換により前記カップリングによって充填される前記水素ガスを冷却する熱交換器と、
   前記冷凍器と前記熱交換器との間で前記冷媒を循環させるための冷媒管路と、
   該冷媒管路に設けられ前記冷凍器により冷却された前記冷媒を前記冷凍器と前記熱交換器との間で循環させるための冷媒循環用ポンプと、
   前記ガス供給経路の前記熱交換器よりも前記カップリング側に設けられ、前記被充填タンクに充填される前記水素ガスの温度を検出する温度検出器と、
   前記被充填タンクへの水素ガス充填を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記流量計測器により計測される前記水素ガスの流量と、前記温度検出器により検出される前記水素ガスの温度とに基づき、前記冷媒循環用ポンプによる前記熱交換器への前記冷媒の循環流量を制御することを特徴とする水素ガス充填装置。
2. 前記制御手段は、
   前記流量計測器により計測される前記水素ガスの流量が所定流量よりも低い場合に、前記熱交換器に循環させる前記冷媒の循環流量が低くなるように前記冷媒循環用ポンプを制御する構成としてなる請求項１に記載の水素ガス充填装置。
3. 前記制御手段は、
   前記温度検出器により検出されている前記水素ガスの温度が所定温度よりも低い場合に、前記熱交換器に循環させる前記冷媒の循環流量が低くなるように前記冷媒循環用ポンプを制御する構成としてなる請求項１または２に記載の水素ガス充填装置。

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