JP2016223584A - 水素充填装置及び水素充填方法 - Google Patents

水素充填装置及び水素充填方法 Download PDF

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Abstract

【課題】水素燃料自動車への水素充填を自動化して充填作業の簡易化が図れる水素充填装置及び水素充填方法を提供する。【解決手段】水素充填装置4は、検出装置6、移動装置7、接続装置8、水素供給装置5及び制御装置9を備える。検出装置は、水素燃料自動車110の給ガス口26を検出する。移動装置は、水素の充填ノズル25を前記検出装置で検出した給ガス口へ案内する。接続装置は、給ガス口と充填ノズルとを接続して締結する。水素供給装置は、水素燃料自動車の水素タンクに、充填ノズルから水素を供給して充填する。制御装置は、移動装置を制御して充填ノズルを検出装置で検出した水素燃料自動車の給ガス口に案内し、接続装置で給ガス口と充填ノズルとを接続して締結した後、水素供給装置を制御して水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填する。【選択図】図2

Description

本発明は、水素ステーションにおいて水素燃料自動車、例えば燃料電池自動車(FCV:Fuel Cell Vehicle)に水素を充填する水素充填装置及び水素充填方法に関する。
水素を燃料として用いるFCVは、走行時に排出されるのが水だけであり、二酸化炭素(CO)や大気汚染の原因となる有害物質を排出しない。しかも、短い燃料充填時間で長い航続距離が可能という利点を有する。
水素の車載には、例えば特許文献1に記載されているように、高圧水素を充填する高圧タンク、水素の吸蔵と放出が可能な水素吸蔵合金を内蔵したMH(Metal Hydride)タンク、両者を組み合わせた高圧MHタンクなど、水素を貯蔵可能な様々なタンクが用いられる。
特開2005−69327号公報
ところで、水素の車載に高圧水素タンクを用いるものは、水素を高圧に圧縮してタンクに貯蔵するので、水素の充填ノズルや充填ホースに高圧に耐える十分な強度が要求される。しかも、充填ノズルには給ガス口に締結するためのロック機構や、水素の逆流を防止するための逆止弁等も必要になる。このため、ガソリンや軽油等の液体燃料に比べて充填ノズルが重くなり、セルフ化すると女性や高齢者にとっては扱いにくい、という課題がある。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、水素燃料自動車への水素充填を自動化して充填作業の簡易化が図れる水素充填装置及び水素充填方法を提供することにある。
本発明の水素充填装置は、水素燃料自動車の給ガス口を検出するように構成された検出装置と、水素の充填ノズルを前記検出装置で検出した給ガス口へ案内するように構成された移動装置と、前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結するように構成された接続装置と、水素燃料自動車の水素タンクに、前記充填ノズルから水素を供給して充填するように構成された水素供給装置と、前記移動装置を制御して前記充填ノズルを前記検出装置で検出した水素燃料自動車の給ガス口に案内し、前記接続装置で前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結した後、前記水素供給装置を制御して水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填するように構成された制御装置とを具備することを特徴とする。
また、本発明の水素充填方法は、水素燃料自動車の給ガス口を検出する工程と、水素の充填ノズルを水素燃料自動車の給ガス口へ移動する工程と、前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結する工程と、前記給ガス口と前記充填ノズルとの締結完了後に、水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填する工程と、水素ガスの充填終了後に、前記充填ノズル内を脱圧し、前記給ガス口と前記充填ノズルの締結を解く工程と、前記充填ノズルを定位置に戻す工程とを具備する。
本発明によれば、水素充填装置で水素燃料自動車の給ガス口を検出し、水素の充填ノズルを水素燃料自動車の給ガス口へ移動し、給ガス口と充填ノズルとを接続して締結した後、水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填することで、水素充填を自動化できる。よって、運転者が重い充填ノズルを扱う必要がなく、充填作業の簡易化が図れる。
水素ステーションと燃料電池自動車の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る水素充填装置の構成図である。 図1における接続装置の構成例と、移動装置による充填ノズルのレセプタクルへの挿入動作と締結動作について説明するための模式図である。 図1乃至図3における移動装置を、ローディングアームで実現する場合の斜視図である。 本発明の実施形態に係る水素充填方法について説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、水素ステーションと燃料電池自動車(FCV)の概略構成図であり、水素ステーションでFCVに水素を充填している状態を示している。水素を燃料とする自動車には、レシプロエンジン車やロータリーエンジン車もあるが、ここではFCVを例に取って説明する。また、水素ステーションで水素を製造するオンサイト型を示すが、他の場所で製造された水素が輸送されるオフサイト型にも適用できる。
水素製造設備1で製造された水素は、圧縮機2に供給されて昇圧される。圧縮機2で昇圧された水素は、蓄圧器3に供給されて貯留される。この蓄圧器3に貯留された水素は、FCVに水素を充填する水素充填装置4に供給される。水素充填装置4は、水素供給装置(ディスペンサ)5、検出装置6、移動装置7、接続装置8及び制御装置9などを備えている。
ディスペンサ5は、蓄圧器3から放出された水素を、接続装置8で接続されたFCVの水素タンク11に供給して充填する。ここで、水素タンク11は、例えば70MPaの水素を充填可能に構成されている。また、このディスペンサ5には、FCVから接続装置8を介して水素タンク11に関する情報(残圧、最高使用圧力、充填回数など)SIが入力される。
FCVの水素タンク11に充填された水素は、燃料電池12に供給されて水素と酸素の化学反応によって発電が行われる。この化学反応によって、燃料電池12から水(水蒸気)が排出される。燃料電池12で発電した電気エネルギーは、電力制御ユニット13によりモータ14に供給されてFCVの動力として利用される。余剰電力は、バッテリ(キャパシタでも良い)15に充電される。モータ14に電力が供給されて駆動されると、このモータ14の回転が車輪(タイヤ)16に伝達されてFCVが走行する。急坂や急加速でモータ14の負荷が大きい場合には、電力制御ユニット13の制御により、必要に応じてバッテリ15からモータ14に電力が供給される。一方、減速やブレーキング時などには、モータ14からバッテリ15に電力が回生される。
なお、図1では燃料電池12と補助電源(バッテリ15)を併用したハイブリッド方式のFCVを示したが、システムを簡略化するために燃料電池のみを搭載したFCVであっても良い。
次に、本発明の実施形態に係る水素充填装置4について詳しく説明する。検出装置6は、少なくとも2台のカメラ21,22を用いてFCVの給ガス口を検出するように構成されている。すなわち、例えば図2に示すように、所定の停車スペース100に停車しているFCV110を撮影する2台のカメラ21,22と、これらカメラ21,22の映像に基づきFCVの車種を認識する認識装置23を含んでいる。この認識装置23は、FCVの車種の情報と、車種毎の給ガス口26の位置、向き、形状及びサイズを含む情報とが記憶された記憶装置24を備え、認識結果を制御装置9に供給する。これによって、2台のカメラ21,22による画像データのみで、充填ノズル25の位置と向きを決定できる。ここでは記憶装置24が認識装置23内に設けられているが、認識装置23とは独立した記憶装置を設けることもできる。独立した記憶装置を用いることで、情報の更新が容易になる。
認識装置23は、水素の充填対象のFCV110をカメラ21,22で撮影した画像情報に基づいてパターン認識を行い、記憶装置24に記憶された車種の情報と比較して車種を識別する。識別したFCV110の車種と、記憶装置24に予め記憶した給ガス口26の位置、形状及びサイズなどを含む情報とから、FCV110の給ガス口26の位置を検出し、検出結果を制御装置9に供給する。制御装置9は、移動装置7を制御して充填ノズル25を検出装置6で検出したFCVの給ガス口26に案内する。
図3に示すように、移動装置7は、充填ノズル25を上下(X−X’)、左右(Y−Y’)、奥と手前(Z−Z’)方向に自由に移動可能になっている。この移動装置7は、例えば関節部にスイベルジョイントを有し、内部にディスペンサ5から充填ノズル25への水素ガス通路を有する多関節アームと、スイベルジョイントをそれぞれ回動させる複数のアクチュエータとで構成する。そして、制御装置9で各アクチュエータを制御して、充填ノズル25を検出装置6で検出した給ガス口26の位置へ案内する。
あるいは、ディスペンサ5から充填ノズル25への水素ガス通路を内部に有する蛇腹状配管と、この蛇腹状配管の一端に装着した充填ノズル25を上下(X−X’)、左右(Y−Y’)、奥と手前(Z−Z’)方向に移動させる複数のアクチュエータとで構成する。そして、制御装置9で各アクチュエータを制御して、充填ノズル25を検出装置6で検出した給ガス口26の位置へ案内しても良い。
接続装置8は、充填ノズル25をFCV110の給ガス口26に接続して締結するように構成されている。本例では充填ノズル25を給ガス口26に設けられているレセプタクル27に挿入し、所定の角度だけ回転することでロック機構28が作動して締結する。この際、給ガス口26における充填ノズル25を支持する支持部30,30の周方向に沿って配置した複数の圧力センサ29a,29b,…によって、充填ノズル25と給ガス口26との接触圧力を検出し、検出出力を制御装置9に供給する。
制御装置9は、例えばマイクロコンピュータを備え、ディスペンサ5と移動装置7を制御するように構成されている。また、ディスペンサ5で受けたFCV110の水素タンク11に関する情報SIを受け取ると共に、移動装置7から充填ノズル25の定位置の情報を受け取るようになっている。更に、複数の圧力センサ29a,29b,…の出力に基づき、充填ノズル25を給ガス口26に差し込む際の押圧力が小さくなるように移動装置7を制御して充填ノズル25をレセプタクル27に挿入する。
そして、充填ノズル25と給ガス口26とがロック機構28によって締結された後、制御装置9でディスペンサ5を制御してFCVの水素タンク11に水素を充填する。
なお、制御装置9で、水素製造設備1、圧縮機2及び蓄圧器3などの情報も取得して、FCV110への水素充填の際にこれらの情報を反映させるようにしても良い。
図4は、上述した移動装置7をローディングアームで実現する場合の構成例を示しており、FCVへ水素を充填する状態を示している。このローディングアーム7は、3種類(6個)のスイベルジョイント31,32,33と、ベースライザー34、インボードアーム35及びアウトボードアーム36と呼ばれる鋼管により構成されている。3種類のスイベルジョイント31,32,33の組合せにより、FCV110の給ガス口26の位置にローディングアーム7の先端部に装着した充填ノズル25が円滑に移動し、レセプタクル27に挿入して水素の充填を行うことができる。
スイベルジョイント31はベースライザー34の上部に組み込まれ、破線の矢印で示すようにローディングアーム7全体の水平旋回と垂直方向の動きを担う。スイベルジョイント32はインボードアーム35とアウトボードアーム36を接続し、アウトボードアーム36を垂直方向に動かす。スイベルジョイント33は、破線の矢印で示すように3平面方向の動きが可能になっており、アウトボードアーム36の先端に設けられ、充填ノズル25をレセプタクル27に挿入するために使用される。各スイベルジョイントにはそれぞれ、図示しない6個のアクチュエータが設けられており、制御装置9の制御により、充填ノズル25を上下(X−X’)、左右(Y−Y’)、奥と手前(Z−Z’)方向に自由に移動可能になっている。
なお、37はローディングアーム7のバランスを取るカウンターウェイトである。
ディスペンサ5から供給された水素は、ベースライザー34、スイベルジョイント31、インボードアーム35、スイベルジョイント32、アウトボードアーム36、スイベルジョイント33及び充填ノズル25を介して、FCV110のレセプタクル27から水素タンク11に供給されて充填される。
上記ローディングアーム7は、ベースライザー34を支点にしてインボードアーム35の左右でバランスが取れるように設計されており、これにより充填ノズル25に懸かる荷重を軽減できるので、比較的駆動力の小さいアクチュエータを用いても、充填ノズル25を検出装置6で検出した給ガス口26(レセプタクル27)の位置に移動させることができる。
上記のような水素充填装置によれば、FCVへの水素充填を自動化できるので、重い充填ノズルを扱う必要がなく、充填作業の簡易化が図れる。しかも、運転者が充填作業を行う必要がないので、不慣れな操作による事故などを抑制して安全性を高めることができる。
次に、上述した水素充填装置4による水素充填方法について、図5のフローチャートにより説明する。FCVが来店すると、停車スペース100に誘導する。FCV110の運転者は、指定された停車スペース100に停車させ(ステップS1)、レセプタクル27のカバー(ゴム製のキャップ)を開放する(ステップS2)。
この状態で、水素の自動充填動作が開始される。自動充填に先立って、制御装置9で充填ノズル25が原点復帰しているか否かを確認する(ステップS3)。この確認には、例えば移動装置がローディングアーム7の場合には、6個のスイベルジョイントにそれぞれ設けられているアクチュエータの初期位置を、制御装置9で検出してズレがないか確認する。アクチュエータの初期位置の検出には、例えばエンコーダやレゾルバなどの回転角センサを用いる。充填ノズル25が原点復帰していれば、この原点と検出したレセプタクル27の位置との差からアクチュエータの駆動量を制御装置9で算出できる。一方、充填ノズル25が原点に復帰していなければ、アクチュエータを駆動して原点復帰させる。
次に、カメラ21,22で停車スペース100に停車しているFCV110を撮影し、カメラ21,22の映像に基づき認識装置23でFCV110の車種と給ガス口26を認識する(ステップS4)。この認識動作は、撮影した画像情報に基づいてパターン認識を行い、記憶装置24に記憶された車種の情報と比較して車種を識別する。識別したFCV110の車種により、記憶装置24に予め記憶した給ガス口26の位置、形状及びサイズなどを含む情報とから、FCV110の給ガス口26の位置を検出し、検出結果を制御装置9に供給する。
続いて、充填ノズル25の原点位置と給ガス口26の位置情報とから、制御装置9でローディングアーム7のアクチュエータを駆動し、充填ノズル25を給ガス口26の近傍まで移動させる(ステップS5)。制御装置9は、検出した三次元的な座標に基づき、関節部であるスイベルジョイント31,32,33にそれぞれ設けられた6個のアクチュエータを駆動し、充填ノズル25を移動させるようにプログラムされている。
充填ノズル25が給ガス口26に近づいたときに移動速度を低下あるいは一時停止させ、カメラ21,22の映像に基づき認識装置23でレセプタクル27を認識する。次に、制御装置9でローディングアーム7の各スイベルジョイント31,32,33に設けられた6個のアクチュエータを駆動し、充填ノズル25とレセプタクル27の位置合わせを行う。この位置合わせでは、充填ノズル25とレセプタクル27の中心軸を一致させると共に、充填ノズル25の先端をレセプタクル27の挿入端の近傍に位置させる(ステップS6)。
次に、充填ノズル25をレセプタクル27へ差し込む際の押圧力が小さくなるように制御しつつ充填ノズル25をレセプタクル27へ挿入し、充填ノズル25を所定の角度だけ回転させて充填ノズル25をレセプタクル27(給ガス口26)へ締結する(ステップS7)。この制御には、圧力センサ29a,29b,…で充填ノズル25と給ガス口26との接触圧力を検出し、充填ノズル25を給ガス口26に差し込む際の押圧力が小さくなるように移動装置7で制御しつつ、充填ノズル25を給ガス口26のレセプタクル27に挿入する。挿入が完了すると、充填ノズル25を所定の角度だけ回転させ、ロック機構28により充填ノズル25とレセプタクル27を締結する。ロック機構28が電気的に制御可能な場合には、制御装置9によりロック機構28を電気的にロックする。
次に、ディスペンサ5から水素タンク11に水素を充填する(ステップS8)。この際、FCV110から水素タンク11に関する情報SIがディスペンサ5を介して制御装置9に入力され、残圧、最高使用圧力、充填回数などが認識されるようになっている。
制御装置9では、水素タンク11内の圧力に基づき水素の充填が終了したか否かが判定され(ステップS9)、充填終了と判定されるまで水素の充填が行われる。そして、水素タンク11内の圧力が、例えば最高使用圧力(充填プロトコルで定められた充填目標圧力)に達すると充填終了と判定され、ベースライザー34、インボードアーム35及びアウトボードアーム36内のバルブを開け、ディスペンサ5内のバルブを開けて、充填ノズル25内の脱圧を行う(ステップS10)。
次に、充填ノズル25を締結時とは逆方向に所定の角度だけ回転させてロック機構28を解除する(ステップS11)。あるいは、制御装置9によりロック機構28を電気的に解除する。その後、制御装置9でローディングアーム7の6個のアクチュエータを駆動し、充填ノズル25をレセプタクル27から引き抜く(ステップS12)。引き続き、制御装置9で充填ノズル25を原点に移動させる(ステップS13)。このようにして、水素の自動充填が完了する。
そして、FCV110の運転者がレセプタクル27のカバーを装着すると水素の充填が終了する(ステップS14)。
上記のような水素充填方法によれば、FCVへの水素充填を自動化できるので、重い充填ノズルを扱う必要がなく、充填作業の簡易化が図れる。しかも、まず充填ノズルを高速に移動させ、給ガス口の近傍で移動速度を低下させることで、移動時間を短縮しつつ高精度な移動制御が可能となり、制御装置9の処理負荷も軽減できる。
以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えば、上述した実施形態では、レセプタクルのカバーをFCVの運転者が開放するようにしたが、ローディングアームに取り付けたマニピュレータなどでこのカバーを開放するようにしても良い。
また、移動装置7として多関節アームとスイベルジョイントを用いる場合、及び蛇腹状配管と複数のアクチュエータとで構成する場合を例に取って説明したが、これらに限定されるものではなく、人型ロボットなど他の手段で移動させるようにしても良いのはもちろんである。
更に、ローディングアーム7の6個のスイベルジョイントを6個のアクチュエータで駆動する例を示したが、スイベルジョイントとアクチュエータは6個に限定されるものではない。
また、ステップS4においてカメラでFCVの車種と給ガス口を認識し、ステップS5で充填ノズルを給ガス口の近傍まで移動させ、ステップS6で充填ノズルとレセプタクルの位置合わせを行うようにした。しかし、ステップS4でFCVの車種とレセプタクルを認識し、ステップS5で充填ノズルをレセプタクルの近傍まで移動させ、ステップS6で充填ノズルとレセプタクルの位置合わせを行うこともできる。あるいはステップS4でFCVの車種とレセプタクルを認識し、充填ノズルをレセプタクルに直接挿入して締結するようにしても良い。
1…水素製造設備
2…圧縮機
3…蓄圧器
4…水素充填装置
5…水素供給装置(ディスペンサ)
6…検出装置
7…移動装置(ローディングアーム)
8…接続装置
9…制御装置
11…水素タンク
12…燃料電池
13…電力制御ユニット
14…モータ
15…バッテリ
16…車輪
21,22…カメラ
23…認識装置
24…記憶装置
25…充填ノズル
26…給ガス口
27…レセプタクル
28…ロック機構
29a,29b…圧力センサ
30…支持部
31,32,33…スイベルジョイント
34…ベースライザー
35…インボードアーム
36…アウトボードアーム
100…停車スペース
110…燃料電池自動車(水素燃料自動車)
SI…水素タンクに関する情報

Claims (9)

  1. 水素燃料自動車の給ガス口を検出するように構成された検出装置と、
    水素の充填ノズルを前記検出装置で検出した給ガス口へ案内するように構成された移動装置と、
    前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結するように構成された接続装置と、
    水素燃料自動車の水素タンクに、前記充填ノズルから水素を供給して充填するように構成された水素供給装置と、
    前記移動装置を制御して前記充填ノズルを前記検出装置で検出した水素燃料自動車の給ガス口に案内し、前記接続装置で前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結した後、前記水素供給装置を制御して水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填するように構成された制御装置と
    を具備することを特徴とする水素充填装置。
  2. 前記検出装置は、水素燃料自動車の車種を識別する認識装置と、水素燃料自動車の車種の情報と、車種毎の給ガス口の位置、向き、形状及びサイズを含む情報とが記憶された記憶装置とを備える、ことを特徴とする請求項1に記載の水素充填装置。
  3. 前記認識装置は、給ガス対象の水素燃料自動車における画像情報に基づきパターン認識を行い、前記記憶装置に記憶された車種の情報と比較して車種を識別するパターン認識装置を含み、該パターン認識装置で識別した水素燃料自動車の車種と、前記記憶装置に記憶した給ガス口の位置、向き、形状及びサイズを含む情報とから、水素燃料自動車の給ガス口の位置を検出する、ことを特徴とする請求項2に記載の水素充填装置。
  4. 前記移動装置は、関節部にスイベルジョイントを有し、内部に前記水素供給装置から前記充填ノズルへの水素ガス通路を有する多関節アームと、前記スイベルジョイントをそれぞれ回動させる複数のアクチュエータと備え、前記制御装置でこれらのアクチュエータを制御して、前記充填ノズルを前記検出装置で検出した給ガス口へ移動させる、ことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1つの項に記載の水素充填装置。
  5. 前記移動装置は、内部に前記水素供給装置から前記充填ノズルへの水素ガス通路を有する蛇腹状配管と、この蛇腹状配管を少なくとも上下、左右及び奥と手前方向に移動させる複数のアクチュエータとを備え、前記制御装置でこれらのアクチュエータを制御して、前記充填ノズルを前記検出装置で検出した給ガス口へ移動させる、ことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1つの項に記載の水素充填装置。
  6. 前記接続装置は、前記充填ノズルを支持する支持部の周方向に沿って配置され、前記充填ノズルと前記給ガス口との接触圧力を検出する複数のセンサを備え、前記制御装置は、前記複数のセンサの出力信号に基づき、前記充填ノズルを前記給ガス口に差し込む際の押圧力が小さくなるように前記移動装置を制御して前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続する、ことを特徴とする請求項1乃至5いずれか1つの項に記載の水素充填装置。
  7. 水素燃料自動車の給ガス口を検出する工程と、
    水素の充填ノズルを水素燃料自動車の給ガス口へ移動する工程と、
    前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結する工程と、
    前記給ガス口と前記充填ノズルとの締結完了後に、水素燃料自動車の水素タンクに水素を充填する工程と、
    水素ガスの充填終了後に、前記充填ノズル内を脱圧し、前記給ガス口と前記充填ノズルの締結を解く工程と、
    前記充填ノズルを定位置に戻す工程と
    を具備する水素充填方法。
  8. 前記水素の充填ノズルを水素燃料自動車の給ガス口へ移動する工程において、前記充填ノズルが前記給ガス口へ近づいたときに、移動速度を低下させる、ことを特徴とする請求項7に記載の水素充填方法。
  9. 前記給ガス口と前記充填ノズルとを接続して締結する工程は、前記充填ノズルを前記給ガス口へ差し込む際の押圧力が小さくなるように制御しつつ挿入し、前記充填ノズルを所定の角度だけ回転させて締結する、ことを特徴とする請求項7または8に記載の水素充填方法。
JP2015112311A 2015-06-02 2015-06-02 水素充填装置及び水素充填方法 Active JP6525743B2 (ja)

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