JP2017129259A - 冷却水素供給ステーション及び水素冷却装置 - Google Patents

冷却水素供給ステーション及び水素冷却装置 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータ制御によって空冷ファンを駆動する空冷式凝縮器を採用し、且つ、水素に対する十分に高効率な冷却を、好ましくは高精度に実現することができる冷却水素供給ステーション、及び、当該冷却水素供給ステーションに用いられる水素冷却装置を提供すること。【解決手段】本発明は、第１冷媒路の一部に対して設けられ空冷ファンを駆動することで第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器と、第１冷媒路の他の一部と第２冷媒路の一部との間で第１の冷媒によって第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器と、第２冷媒路の他の一部と水素流路の一部との間で第２の冷媒によって水素の冷却を可能にする第２熱交換器と、を備えた水素冷却装置である。空冷式凝縮器から第１熱交換器に至るまでの第１の冷媒の圧力が１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるよう、空冷ファンの駆動回転数がインバータ制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却水素を燃料電池車等に供給するための冷却水素供給ステーション、及び、当該冷却水素供給ステーションに用いられる水素冷却装置に関する。
水素を燃料とする燃料電池車は、排気ガスを出さないため、環境面において優れている。従って、そのような燃料電池車を広く普及させるために、近年、種々の開発が進められている。燃料電池車の普及には、車両自体の開発も重要であるが、水素を燃料電池車に供給するための水素供給ステーションの開発もまた重要である。
水素供給ステーションに関して、本件出願人は、既に特許を取得している（特許文献１参照）。当該特許の冷却水素供給ステーションは、十分に高効率な冷却を、高精度に実現することが可能である。
特許第５６３２０６５号公報
特許文献１の発明においては、第１の冷媒の冷却のために、水冷式冷凍機ユニットが採用されている。本件発明者は、これを、空冷ファンを駆動することで冷却作用を得る空冷式凝縮器に置換することについて、鋭意検討を重ねてきた。また、本件発明者は、空冷ファンの駆動制御について、インバータ制御を採用して省エネルギー効果を得ることについても、鋭意検討を重ねてきた。
本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、インバータ制御によって空冷ファンを駆動する空冷式凝縮器を採用し、且つ、水素に対する十分に高効率な冷却を、好ましくは高精度に実現することができる冷却水素供給ステーション、及び、当該冷却水素供給ステーションに用いられる水素冷却装置を提供することである。
本発明は、第１の冷媒が循環される第１冷媒路と、前記第１冷媒路の一部に対して設けられ、空冷ファンを駆動することで前記第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器と、第２の冷媒が通流される第２冷媒路と、前記第１冷媒路の他の一部と前記第２冷媒路の一部との間で前記第１の冷媒によって前記第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器と、前記空冷式凝縮器から前記第１熱交換器に至るまでの間の第１の冷媒の圧力を検出する圧力検出センサと、前記圧力検出センサにより検出される圧力に基づいて、当該圧力が１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるよう、前記空冷ファンの駆動回転数をインバータ制御するインバータ式制御器と、水素が貯蔵された水素貯蔵部と、前記水素貯蔵部に貯蔵された水素が搬送される水素流路と、前記第２冷媒路の他の一部と前記水素流路の一部との間で前記第２の冷媒によって前記水素の冷却を可能にする第２熱交換器と、を備え、前記インバータ式制御器は、前記圧力検出センサにより検出される圧力が上昇しているか高レベルにある間は、前記空冷ファンの駆動回転数を上昇させるか高レベルに維持し、前記圧力検出センサにより検出される圧力が下降しているか低レベルにある間は、前記空冷ファンの駆動回転数を下降させるか低レベルに維持するようになっており、前記第１の冷媒は、フロンであり、前記第２の冷媒は、ギ酸カリウム水溶液であり、前記第２冷媒路における前記第２の冷媒の通流量は、０．３ＭＰａの通流圧力で１３５Ｌ／ｍｉｎ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎであり、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内にまで冷却されるようになっており、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっており、水素冷却能力は、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであり、前記水素流路には、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、前記排出口から排出される水素の量は、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎであることを特徴とする冷却水素供給ステーションである。
本件発明者により開発された当該冷却水素供給ステーションによれば、水素冷却能力として、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであること（１３．５ｋＷ＠−４０℃乃至１６．５ｋＷ＠−４０℃）を実現できたことにより、水素の冷却を高効率に、すなわち、極めて省エネルギーに実現することができる。
また、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっている。すなわち、本件発明者により開発された当該冷却水素供給ステーションによれば、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内での冷却精度を実現できたことにより、水素に対する十分に高効率な冷却を、高精度に実現することができる。
また、前記冷却水素供給ステーションは、前記水素流路に、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、前記排出口から排出される水素の量が、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎである。このような水素供給量とすることにより、少なくとも１台分の燃料電池車への水素供給を３分で実施することができる（現在の通常の燃料電池車の水素容量は５ｋｇである）。
前記冷却水素供給ステーションでは、前記第１の冷媒がフロンであり、前記第２の冷媒がギ酸カリウム水溶液、具体的にはショーワ株式会社製のコールドブラインであることで、前述の各性能を実現することができることを、本件発明者は確認している。
そして、特許文献１の発明と異なり、水冷式冷凍機ユニットの代わりに空冷式凝縮器を採用したことにより、冷却水用力設備が不要である。これにより、設置場所の自由度が顕著に向上している。更に、空冷ファンの制御に、空冷式凝縮器から第１熱交換器に至るまでの第１の冷媒の圧力に基づくインバータ制御を採用したことにより、省エネルギー効果並びに高精度運転を得ることができる。
具体的には、例えば、圧力検出センサにより検出される圧力が上昇しているか高レベルにある間（いわゆる高負荷時、例えば初期稼働時の第１の冷媒の降温中や第２熱交換器による水素冷却中）、空冷ファンの駆動回転数を５７．５Ｈｚとする一方で、圧力検出センサにより検出される圧力が下降しているか低レベルにある間（いわゆる低負荷時、例えばアイドリング中）、空冷ファンの駆動回転数を３２．９Ｈｚに留めることで、効果的な省エネルギー効果を得ることができる一方、第１の冷媒の凝縮圧力も１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲内で安定するため、第１の冷媒を常に安定した状態で利用することができる（図３参照）。
なお、空冷ファンは、外気に曝された状態で配置される必要があるため、水素に対する防爆構造からなっている必要がある。水素に対する防爆構造の例としては、水素が存在する危険区域で使用できる防爆電気設備機器規格として安全増防爆があげられる。
更に具体的に、例えば、前記冷却水素供給ステーションは、前記空冷式凝縮器を通る前記第１の冷媒の循環量を制御するバルブと、前記第２冷媒路内の前記第１熱交換器通過直後の前記第２の冷媒の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて前記バルブを制御する温度フィードバック制御部と、を更に備える。この場合、簡易な温度フィードバック制御によって、第２の冷媒を所望の温度に高精度に制御することができる。
より具体的には、前記第２の冷媒の温度が−４０℃よりも高い時には、前記バルブの開度は４０％以上、例えば５０％を上限として運転され得て、前記第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時には、前記バルブの開度は１０％を下限として、例えば２０〜３０％で運転され得る。前記バルブは、例えば、電子膨張弁である。
前記第１の冷媒がコンプレッサの駆動によって前記第１冷媒路内を循環するようになっている場合には、前記第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時、当該コンプレッサの出力も６０〜８０％に低減されることが更に好ましい。例えば、この時、前記コンプレッサの出力は７０％に低減され得て、前記バルブの開度は１２．８％にまで低減され得る。この場合、第１冷媒路において空冷式凝縮器をバイパスするホットガスバイパス路と、当該ホットガスバイパス路内の第１の冷媒の循環量を制御する第２バルブと、が更に設けられ、当該第２バルブの開度が１００％にされることが好ましい。
なお、前記冷却水素供給ステーションは、第１運転モードと第２運転モードとのいずれかが選択されて運転されるようになっており、第１運転モードにおいては、前記水素が−２０℃に冷却され、第２運転モードにおいては、前記水素が−４０℃に冷却されることが好ましい。
例えば、水素供給の必要性に応じて、必要性が低い場合にはアイドル運転状態に対応する第１運転モードが選択され、必要性が高い場合にはスタンバイ状態に対応する第２運転モードが選択されることにより、冷却に関するエネルギー消費を効果的に抑制することができる。
例えば、前記第１運転モードまたは前記第２運転モードの選択は、時間帯に応じて自動的に行われるようになっていてもよい。この場合、例えば、水素供給の必要性が低い夜間の時間帯（例えば営業時間外）では第１運転モードが選択され、水素供給の必要性が高い日中の時間帯（例えば営業時間内）では第２運転モードが選択されることにより、水素供給の必要性が低い夜間の時間帯において冷却に関するエネルギー消費を効果的に抑制することができる。
また、前記冷却水素供給ステーションでは、前記第２冷媒路は、タンク部を更に有しており、 前記タンク部には、当該タンク部内における前記第２の冷媒の液面を所定範囲に維持するための冷媒量調整機構が接続されていてもよい。
この場合、タンク部内における第２の冷媒の液面が所定範囲に維持されることによって、第２の冷媒に腐食性の高い液化冷媒が用いられ、当該第２の冷媒が温度変化に伴って膨張収縮したとしても、当該第２の冷媒の液面の昇降に起因するタンク部内壁の腐食の発生及び析出物の付着を防止することができる。
また、本発明は、水素流路内を搬送される水素を冷却する水素冷却装置であって、第１の冷媒が循環される第１冷媒路と、前記第１冷媒路の一部に対して設けられ、空冷ファンを駆動することで前記第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器と、第２の冷媒が通流される第２冷媒路と、前記第１冷媒路の他の一部と前記第２冷媒路の一部との間で前記第１の冷媒によって前記第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器と、前記空冷式凝縮器から前記第１熱交換器に至るまでの間の第１の冷媒の圧力を検出する圧力検出センサと、前記圧力検出センサにより検出される圧力に基づいて、当該圧力が１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるよう、前記空冷ファンの駆動回転数をインバータ制御するインバータ式制御器と、前記第２冷媒路の他の一部と前記水素流路の一部との間で前記第２の冷媒によって前記水素の冷却を可能にする第２熱交換器と、を備え、前記第１の冷媒は、フロンであり、前記第２の冷媒は、ギ酸カリウム水溶液であり、前記第２冷媒路における前記第２の冷媒の通流量は、０．３ＭＰａの通流圧力で１３５Ｌ／ｍｉｎ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎであり、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内にまで冷却されるようになっており、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっており、水素冷却能力は、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであり、前記水素流路には、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、前記排出口から排出される水素の量は、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎであることを特徴とする水素冷却装置である。
本発明によれば、水素冷却能力として、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであることを実現できたことにより、水素の冷却を高効率に、すなわち、極めて省エネルギーに実現することができる。
また、前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっている。すなわち、本件発明者により開発された当該冷却水素供給ステーションによれば、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内での冷却精度を実現できたことにより、水素に対する十分に高効率な冷却を、高精度に実現することができる。
また、前記冷却水素供給ステーションは、前記水素流路に、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、前記排出口から排出される水素の量が、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎである。このような水素供給量とすることにより、少なくとも１台分の燃料電池車への水素供給を３分で実施することができる（現在の通常の燃料電池車の水素容量は５ｋｇである）。
また、前記冷却水素供給ステーションでは、前記第１の冷媒がフロンであり、前記第２の冷媒がギ酸カリウム水溶液、具体的にはショーワ株式会社製のコールドブラインであることで、前述の各性能を実現することができることを、本件発明者は確認している。
そして、特許文献１の発明と異なり、水冷式冷凍機ユニットの代わりに空冷式凝縮器を採用したことにより、冷却水用力設備が不要である。これにより、設置場所の自由度が顕著に向上している。更に、空冷ファンの制御に、空冷式凝縮器から第１熱交換器に至るまでの第１の冷媒の圧力に基づくインバータ制御を採用したことにより、省エネルギー効果並びに高精度運転を得ることができる。
本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションの系統図である。 本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションにおける水素冷却装置の概略斜視図である。 本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションにおいて、第１の冷媒の凝縮圧力と空冷ファンの駆動周波数との対応例を示すグラフである。 本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションにおいて、第２の冷媒の温度と電子膨張弁の開度との対応例を示すグラフである。 本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションにおける運転状態の一例を示す表である。 本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーションにおける運転状態の他の例を示す表である。
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態による冷却水素供給ステーション１の系統図であり、図２は、当該冷却水素供給ステーション１における水素冷却装置２０の概略斜視図である。
図１に示すように、冷却水素供給ステーション１は、水素が貯蔵された水素貯蔵部１１と、当該水素貯蔵部１１に貯蔵された水素が搬送される水素流路１２と、を有している。水素流路１２の下流側端部が排出口１３（一般には、充填ノズル）となっており、当該排出口１３から水素が燃料電池車の燃料供給口に供給されるようになっている。水素供給時には、排出口１３と燃料電池車の燃料供給口とは、気密に接続されるようになっている。
本実施の形態の水素貯蔵部１１には、圧縮状態の水素が貯蔵されている。従って、水素流路１２内には、圧縮状態の水素が供給されるようになっている。本実施の形態では、排出口１３から排出される（燃料電池車に供給される）水素の量が４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎ、特には５．０ｋｇ／ｍｉｎ、となるような、圧縮状態が採用されている。
また、冷却水素供給ステーション１は、図１に示すように、第１の冷媒が循環される第１冷媒路２１と、第１冷媒路２１の一部に対して設けられ空冷ファン２２ｆを駆動することで第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器２２と、第２の冷媒が通流される第２冷媒路２３と、第１冷媒路２１の他の一部（空冷式凝縮器２２によって冷却される部分とは異なる部分）と第２冷媒路２３の一部との間で第１の冷媒によって第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器２４と、を備えている。
第１冷媒路２１における第１の冷媒の循環の方向は、図１の矢印に示すようになっている。すなわち、空冷式凝縮器２２によって冷却され、その後に第１熱交換器２４を通過し、再び空冷式凝縮器２２に戻るようになっている。そのような方向に第１の冷媒を循環させるために、第１熱交換器２４から空冷式凝縮器２２に至る第１冷媒路２１の部分に、コンプレッサ２５が設けられている。
また、空冷式凝縮器２２から第１熱交換器２４に至るまでの間の第１の冷媒の圧力（凝縮圧力）を検出するべく、圧力検出センサ２６が設けられている。そして、当該圧力検出センサ２６により検出される圧力に基づいて、当該圧力が（１．６ＭＰａを目標として）１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるように、空冷ファン２２ｆの駆動回転数をインバータ制御するインバータ式制御器２７が設けられている。具体的には、本実施の形態のインバータ式制御器２７は、図３及び図５に示すように、圧力検出センサ２６により検出される圧力が上昇しているか高レベルにある間（初期稼働時の第１の冷媒の降温中、及び、第２熱交換器による水素冷却中（水素充填中））、空冷ファンの駆動回転数を５７．５Ｈｚとする一方で、圧力検出センサ２６により検出される圧力が下降しているか低レベルにある間（アイドリング中）、空冷ファンの駆動回転数を３２．９Ｈｚに留めるようになっている。
更に、空冷式凝縮器２２を通る第１の冷媒の循環量を制御するバルブとしての電子膨張弁２８が、圧力検出センサ２６と第１熱交換器２４との間に設けられている。一方、第２冷媒路２３内の第１熱交換器通過直後の第２の冷媒の温度を検出するべく、温度センサ２９が設けられており、当該温度センサ２９の検出結果に基づいて電子膨張弁２８を制御する温度フィードバック制御部３０が設けられている。
その他、第１冷媒路２１において空冷式凝縮器２２をバイパスするホットガスバイパス路３１と、当該ホットガスバイパス路３１内の第１の冷媒の循環量を制御する第２バルブ３２と、が更に設けられている。
一方、第２冷媒路２３の他の一部（第１熱交換器２４によって冷却される部分とは異なる部分）と水素流路１２の一部との間に、第２の冷媒によって水素の冷却を可能にする第２熱交換器４０が設けられている。当該第２熱交換器４０は、水素流路１２内において排出口１３に至る前の水素を冷却するようになっている。
本実施の形態では、第２冷媒路２３が、第１熱交換器２４によって第１冷媒路２１の前記他の一部との間で熱交換が行われる第２冷媒路２３の一部を含む前半通流路と、第２熱交換器４０によって水素流路１２の一部との間で熱交換が行われる第２冷媒路２３の前記他の一部を含む後半通流路と、後半通流路を前半通流路に接続するタンク部２３Ｔと、を有している。
そして、タンク部２３Ｔには第２の冷媒が略満杯状態で貯留されており、前半通流路に設けられたポンプ２３ｐによって、図１の矢印に示すように、タンク部２３Ｔから前半通流路に供給された第２の冷媒は、第１熱交換器２４を通過して第１の冷媒によって冷却された後に後半通流路に供給され、当該後半通流路に供給された第２の冷媒は、第２の熱交換器４０を通過して水素を冷却した後に（第２の冷媒にとっては昇温された後に）タンク部２３Ｔに戻るようになっている。本実施の形態では、第２の冷媒の通流量が、１３５Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ（すなわち、０．３ＭＰａの通流圧力で１３５Ｌ／ｍｉｎ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎ）、特には、１５０Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ（すなわち、０．３ＭＰａの通流圧力で１５０Ｌ／ｍｉｎ）、となるように、前記ポンプ２３ｐの運転が制御されるようになっている。具体的には、前記ポンプ２３ｐの運転が、適宜に設けられた流量センサ（不図示）によって検出された流量値（検出結果）に基づいて、フィードバック制御されるようになっている。
そして、第２熱交換器４０を通流する第２の冷媒の温度が電子膨張弁２８の制御等によって調整されることによって、第２熱交換器４０を介して、水素流路１２内の水素が−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内において設定される設定温度に調整されるようになっている。具体的には、図４に示すように、第２の冷媒の温度が−４０℃よりも高い時には、電子膨張弁２８の開度は４０％以上、例えば５０％を上限として運転され、第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時には、電子膨張弁２８の開度は１０％を下限として例えば２０〜３０％で運転されるよう、温度センサ２９によって検出された第２の冷媒の温度値（検出値）に基づいてフィードバック制御されるようになっている。
なお、本実施の形態では、第１冷媒路２１内を循環する１の冷媒としてフロンが用いられており、具体的には、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のＨＦＣ系混合冷媒Ｒ−４０４Ａが用いられている。また、第２冷媒路２３内を通流する第２の冷媒として、ショーワ株式会社製のコールドブラインＦＰ−４０（ギ酸カリウム水溶液）が用いられている。
第２の冷媒であるコールドブラインＦＰ−４０は液化冷媒であり、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲において流動性を保持することができる。更に、第２の冷媒であるコールドブラインＦＰ−４０は、その温度に応じて膨張収縮され得る。本実施の形態では、そのような膨張収縮が生じても、タンク部２３Ｔにおける第２の冷媒の液面が昇降して腐食を発生させないように、タンク部２３Ｔに当該タンク部２３Ｔ内における第２の冷媒の液面を所定範囲（好ましくは一定の液面高さ）に維持するための冷媒量調整機構３３が接続されている。冷媒量調整機構３３は、タンク部２３Ｔに接続される調整用タンク３３Ａと逆止弁（不図示）とを有している。冷媒量調整機構３３は、第２の冷媒が冷却されて圧縮された場合に、調整用タンク３３Ａから第２の冷媒をタンク部２３Ｔ内に補充することで、第２の冷媒の液面を所定範囲に維持するようになっている。一方、冷媒量調整機構３３は、第２の冷媒が昇温して膨張した場合に、タンク部２３Ｔから逆止弁を通して第２の冷媒を外部に排出させることで、第２の冷媒の液面を所定範囲に維持するようになっている。
ここで、図１において、水素貯留部１１及び第２熱交換器４０を通る水素流路１２が、冷却水素供給ステーション１における水素供給ディスペンサ１０を構成している。一方、冷却水素供給ステーション１における水素貯留部１１及び水素流路１２を除いた部分は、水素冷却装置２０として理解することができる。冷却水素供給ステーション１は、水素供給ディスペンサ１０と水素冷却装置２０とを第２熱交換器４０を介して結合することで構成されていると言える。
なお、空冷ファン２２ｆは、図２に示すように、外気に曝された状態で配置される必要がある。このため、空冷ファン２２ｆは、水素に対する防爆構造からなっている必要があり、水素に対する防爆構造の例としては、水素が存在する危険区域で使用できる防爆電気設備機器規格として安全増防爆があげられる。
以上に説明した冷却水素供給ステーション１においては、空冷式凝縮器２２を採用し、複数の冷媒路及びこれらを循環する冷媒の選定等によって、水素冷却能力として、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであること（１３．５ｋＷ＠−４０℃乃至１６．５ｋＷ＠−４０℃）を実現している。すなわち、水素を−４０℃に維持する冷却能力として、１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷを実現している。更に、水素の冷却精度として、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して、＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内での冷却を実現している。
また、本実施の形態による冷却水素供給ステーション１は、第１運転モードと第２運転モードとのいずれかが選択されて運転されるようになっており、第１運転モードにおいては、水素が−２０℃に冷却され、第２運転モードにおいては、水素が−４０℃に冷却されるようになっている。第１運転モードまたは第２運転モードの選択は、時間帯に応じて自動的に行われるようになっており、一例として本実施の形態では、午後５時から午前９時までの間は、第１運転モードとなるように設定され、午後５時から午前９時以外の時間帯は、第２運転モードとなるように設定されている。
更に、本実施の形態では、第１運転モードが選択される時間帯及び第２運転モードが選択される時間帯の設定を、手動で変更することができるようになっている。具体的には、図２に示すような水素冷却装置２０の筐体２０Ｃ上にタッチパネル（不図示）等が設けられ得て、当該タッチパネルに対して作業者が手動操作を行えるようになっている。
更に、当該タッチパネル等において、第１運転モードと第２運転モードとの選択自体を手動で行うことができるようになっていてもよい。また、第１運転モードまたは第２運転モードの選択は、外気温度に応じて自動的に行われるようになっていてもよい。
次に、本実施の形態による水素供給ステーション１の作用について説明する。
本実施の形態による水素供給ステーション１は、水素が−２０℃に冷却される第１運転モードまたは水素が−４０℃に冷却される第２運転モードが選択されて運転されるようになっている。
まず、第１運転モードにおける水素供給ステーション１の動作について説明する。第１運転モードでの運転が開始されると、第１冷媒路２１のコンプレッサ２５が駆動され、第１冷媒路２１での第１の冷媒の図１の矢印方向への循環が開始される。また、第２冷媒路２３におけるポンプ２３ｐが駆動され、第２冷媒の図１の矢印方向への循環が開始される。これにより、第１冷媒路２１を循環する第１の冷媒が第１熱交換器２４を通過するとともに、第２冷媒路２３を循環する第２の冷媒も第１熱交換器２４を通過する。この際、第２の冷媒が、第１熱交換器２４を介して第１の冷媒によって冷却される。第２の冷媒は、その後、第２冷媒路２３の後半通流路における第２熱交換器４０を通過してタンク部２３Ｔに戻る。
第１熱交換器２４を通過した第２の冷媒の温度は、温度センサ２９によって検出される。そして、温度フィードバック制御部３０は、温度センサ２９によって検出された第２の冷媒の温度と−２０℃との差分に応じて、必要に応じて第１の冷媒路２１の電子膨張弁２８を制御する。以上により、第２の冷媒の温度が−２０℃に制御される。
次に、第２運転モードにおける水素供給ステーション１の動作について説明する。第２運転モードでの運転においても、第１冷媒路２１のコンプレッサ２５が駆動され、第１冷媒路２１での第１の冷媒の図１の矢印方向への循環が開始され、一方、第２冷媒路２３のポンプ２３ｐが駆動され、第２冷媒の図１の矢印方向への循環が開始される。これにより、第１冷媒路２１を循環する第１の冷媒が第１熱交換器２４を通過するとともに、第２冷媒路２３を循環する第２の冷媒も第１熱交換器２４を通過する。この際、第２の冷媒が、第１熱交換器２４を介して第１の冷媒によって冷却される。第２の冷媒は、その後、第２冷媒路２３の後半通流路における第２熱交換器４０を通過してタンク部２３Ｔに戻る。
第１熱交換器２４を通過した第２の冷媒の温度は、温度センサ２９によって検出される。そして、温度フィードバック制御部３０は、温度センサ２９によって検出された第２の冷媒の温度と−４０℃との差分に応じて、必要に応じて第１の冷媒路２１の電子膨張弁２８を制御する（図４参照）。以上により、第２の冷媒の温度が−４０℃に制御される。
この状態で、水素充填作業が開始される。すなわち、圧縮状態の水素が、水素貯蔵部１１から水素流路１２を通って排出口１３へと（燃料電池車へと）供給される。この際、水素流路１２内を通る水素は、第２熱交換器４０を介して第２の冷媒によって−４０℃まで精度良く冷却される。この時、第２の冷媒の通流量は、１３５Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ、特には、１５０Ｌ／ｍｉｎ＠０．３ＭＰａ、となっている。
第２熱交換器４０を通過した第２の冷媒は、昇温した状態となって、タンク部２３Ｔに戻る。しかし、当該第２の冷媒の温度は温度センサ２９によって検出され、当該温度に基づいて温度フィードバック制御部３０によって電子膨張弁２８の開度が制御されるため（図４参照）、後半通流路を循環する第２冷媒の温度は、−４０℃に安定的に維持され得る。
実際に、本件発明者により開発された当該冷却水素供給ステーション１によれば、＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に第２の冷媒の温度を高精度に冷却することができる。このことにより、当該第２の冷媒によって冷却される水素についても、＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に高精度に冷却することができる。
本実施の形態の第２運転モードによれば、例えば外界温度＋４０℃の状態から一気に第２の冷媒を−４０℃に冷却するまでは、１２０ｍｉｎである。また、第１運転モードによって−２０℃に冷却されていた状態から第２の冷媒を−４０℃に冷却するまでは、わずか３０ｍｉｎである。
本実施の形態による冷却水素供給ステーション１は、以上のように高精度に冷却された水素を、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎ、特には５．０ｋｇ／ｍｉｎ、という流量で燃料電池車に供給することができる。また、本実施の形態による冷却水素供給ステーション１によれば、１台の燃料電池車に４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎ、特には５．０ｋｇ／ｍｉｎで水素を供給した後は、７ｍｉｎのインターバルをおけば、再び次の１台の燃料電池車に４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎ、特には５．０ｋｇ／ｍｉｎで水素を供給することができる。
なお、−４０℃に冷却された第２の冷媒を、当該−４０℃に安定的に維持しておく場合の冷却能力は、１３．５ｋＷ＠−４０℃乃至１６．５ｋＷ＠−４０℃、特には、１５．０ｋＷ＠−４０℃、である。
なお、第１運転モードから第２運転モードに切り替わる際には、第１冷媒路２１のコンプレッサ２５及び第２冷媒路２３におけるポンプ２３Ｐは、第１運転モードから引き続いて駆動されてよい。同様に、第２運転モードから第１運転モードに切り替わる際には、第１冷媒路２１のコンプレッサ２５及び第２冷媒路２３におけるポンプ２３Ｐは、第２運転モードから引き続いて駆動されてよい。
また、第１運転モードにおいても第２運転モードにおいても、第２の冷媒であるコールドブラインＦＰ−４０は、その温度に応じて膨張収縮され得る。本実施の形態では、そのような膨張収縮が生じても、タンク部２３Ｔにおける第２の冷媒の液面が昇降して腐食等を発生させないように、タンク部２３Ｔに当該タンク部２３Ｔ内における第２の冷媒の液面を所定範囲（好ましくは一定の液面高さ）に維持するように冷媒量調整機構３３が機能する。冷媒量調整機構３３は、第２の冷媒が冷却されて圧縮された場合に、調整用タンク３３Ａから第２の冷媒をタンク部２３Ｔ内に補充することで、第２の冷媒の液面を所定範囲に維持する。一方、冷媒量調整機構３３は、第２の冷媒が昇温して膨張した場合に、タンク部２３Ｔから逆止弁を通して第２の冷媒を外部に排出させることで、第２の冷媒の液面を所定範囲に維持する。
以上のように本実施の形態の冷却水素供給ステーション１によれば、水素冷却能力として、１３．５ｋＷ＠−４０℃乃至１６．５ｋＷ＠−４０℃を実現できたことにより、水素の冷却を高効率に、すなわち、極めて省エネルギーに実現することができる。
更に、本実施の形態では、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内での冷却精度を実現できたことにより、水素に対する十分に高効率な冷却を、高精度に実現することができる。
そして、特許文献１の発明と異なり、水冷式冷凍機ユニットの代わりに空冷式凝縮器２２を採用したことにより、冷却水用力設備が不要である。これにより、設置場所の自由度が顕著に向上している。更に、空冷ファン２２ｆの制御に、空冷式凝縮器２２から第１熱交換器２４に至るまでの間の第１の冷媒の圧力に基づくインバータ制御を採用したことにより、省エネルギー効果並びに高精度運転を得ることができる。
具体的には、圧力検出センサ２６により検出される圧力が上昇しているか高レベルにある間（初期稼働時の第１の冷媒の降温中ないし第２熱交換器４０による水素冷却中）、空冷ファン２２ｆの駆動回転数を５７．５Ｈｚとする一方で、圧力検出センサ２６により検出される圧力が下降しているか低レベルにある間（アイドリング中）、空冷ファン２２ｆの駆動回転数を３２．９Ｈｚに留めることで、効果的な省エネルギー効果を得ることができる。そして、このような制御は、第１の冷媒の凝縮圧力を１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲内に安定させるため、第１の冷媒を常に安定した状態で利用することができるという効果もある（図３参照）。
更に、本実施の形態では、図４に示すように、第２の冷媒の温度が−４０℃よりも高い時、電子膨張弁２８の開度は４０％以上、例えば５０％を上限として運転され、第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時には、電子膨張弁２８の開度は１０％を下限として例えば２０〜３０％で運転されるようになっている。このことによっても、効果的な省エネルギー効果を得ることができる。この場合、ホットガスバイパス路３１内の第１の冷媒の循環量を制御する第２バルブ３２は、圧力検出センサ４１の圧力が−４６ｋＰａ以上を維持するように、検出された第１の冷媒の圧力値（検出値）に基づいてフィードバック制御され、開放されるようになっている。このような運転状態を、図５に纏めて示す。
また、本実施の形態の冷却水素供給ステーション１によれば、第１運転モードと第２運転モードとのいずれかが選択されて運転されるようになっており、第１運転モードにおいては、水素が−２０℃に冷却され、第２運転モードにおいては、水素が−４０℃に冷却される。これにより、水素供給の必要性に応じて、必要性が低い場合にはアイドル運転状態に対応する第１運転モードが選択され、必要性が高い場合にはスタンバイ状態に対応する第２運転モードが選択されることにより、冷却に関するエネルギー消費を効果的に抑制することができる。
具体的に、本実施の形態では、第１運転モードまたは第２運転モードの選択が、時間帯に応じて自動的に行われるようになっている。そして、水素供給の必要性が低い夜間の時間帯（例えば営業時間外）では第１運転モードが選択され、水素供給の必要性が高い日中の時間帯（例えば営業時間内）では第２運転モードが選択されることにより、水素供給の必要性が低い夜間の時間帯において冷却に関するエネルギー消費を効果的に抑制することができる。
次に、図５に示した運転状態の変形例を、図６に示す。図６の例では、第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時、コンプレッサ２５の出力が７０％に低減され、電子膨張弁の開度は１２．８％に低減され、第２バルブ３２の開度は１００％にされる。このような運転状態によっても、効果的な省エネルギー効果を得ることができる。
１ 冷却水素供給ステーション
１０ 水素供給装置
１１ 水素貯留部
１２ 水素流路
１３ 排出口
２０ 水素冷却装置
２１ 第１冷媒路
２２ 空冷式凝縮器
２２ｆ 空冷ファン
２３ 第２冷媒路
２３Ｔ タンク部
２４ 第１熱交換器
２５ コンプレッサ
２６ 圧力検出センサ
２７ インバータ式制御器
２８ 電子膨張弁
２９ 温度センサ
３０ 温度フィードバック制御部
３１ ホットガスバイパス路
３２ 第２バルブ
３３ 冷媒量調整機構
３３Ａ 冷媒量調整タンク
４０ 第２熱交換器
４１ 圧力検出センサ

Claims (9)

  1. 第１の冷媒が循環される第１冷媒路と、
    前記第１冷媒路の一部に対して設けられ、空冷ファンを駆動することで前記第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器と、
    第２の冷媒が通流される第２冷媒路と、
    前記第１冷媒路の他の一部と前記第２冷媒路の一部との間で前記第１の冷媒によって前記第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器と、
    前記空冷式凝縮器から前記第１熱交換器に至るまでの間の第１の冷媒の圧力を検出する圧力検出センサと、
    前記圧力検出センサにより検出される圧力に基づいて、当該圧力が１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるよう、前記空冷ファンの駆動回転数をインバータ制御するインバータ式制御器と、
    水素が貯蔵された水素貯蔵部と、
    前記水素貯蔵部に貯蔵された水素が搬送される水素流路と、
    前記第２冷媒路の他の一部と前記水素流路の一部との間で前記第２の冷媒によって前記水素の冷却を可能にする第２熱交換器と、
    を備え、
    前記インバータ式制御器は、前記圧力検出センサにより検出される圧力が上昇しているか高レベルにある間は、前記空冷ファンの駆動回転数を上昇させるか高レベルに維持し、前記圧力検出センサにより検出される圧力が下降しているか低レベルにある間は、前記空冷ファンの駆動回転数を下降させるか低レベルに維持するようになっており、
    前記第１の冷媒は、フロンであり、
    前記第２の冷媒は、ギ酸カリウム水溶液であり、
    前記第２冷媒路における前記第２の冷媒の通流量は、０．３ＭＰａの通流圧力で１３５Ｌ／ｍｉｎ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎであり、
    前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内にまで冷却されるようになっており、
    前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっており、
    水素冷却能力は、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであり、
    前記水素流路には、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、
    前記排出口から排出される水素の量は、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎである
    ことを特徴とする冷却水素供給ステーション。
  2. 前記空冷ファンは、水素に対する防爆構造からなっている
    ことを特徴とする請求項１に記載の冷却水素供給ステーション。
  3. 前記空冷式凝縮器を通る前記第１の冷媒の循環量を制御するバルブと、
    前記第２冷媒路内の前記第１熱交換器通過直後の前記第２の冷媒の温度を検出する温度センサと、
    前記温度センサの検出結果に基づいて前記バルブを制御する温度フィードバック制御部と、
    を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却水素供給ステーション。
  4. 前記第２の冷媒の温度が−４０℃よりも高い時には、前記バルブの開度は４０％〜５０％であり、
    前記第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時には、前記バルブの開度は１０％〜３０％である
    ことを特徴とする請求項３に記載の冷却水素供給ステーション。
  5. 前記第１の冷媒は、コンプレッサによって前記第１冷媒路内を循環するようになっており、
    前記第２の冷媒の温度が−４０℃以下である時には、前記コンプレッサの出力も６０〜８０％に低減される
    ことを特徴とする請求項３または４に記載の冷却水素供給ステーション。
  6. 第１運転モードと第２運転モードとのいずれかが選択されて運転されるようになっており、
    第１運転モードにおいては、前記水素が−２０℃に冷却され、
    第２運転モードにおいては、前記水素が−４０℃に冷却される
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却水素供給ステーション。
  7. 前記第１運転モードまたは前記第２運転モードの選択は、時間帯に応じて自動的に行われるようになっている
    ことを特徴とする請求項６に記載の冷却水素供給ステーション。
  8. 前記第２冷媒路は、タンク部を更に有しており、
    前記タンク部には、当該タンク部内における前記第２の冷媒の液面を所定範囲に維持するための冷媒量調整機構が接続されている
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の冷却水素供給ステーション。
  9. 水素流路内を搬送される水素を冷却する水素冷却装置であって、
    第１の冷媒が循環される第１冷媒路と、
    前記第１冷媒路の一部に対して設けられ、空冷ファンを駆動することで前記第１の冷媒の冷却を可能にする空冷式凝縮器と、
    第２の冷媒が通流される第２冷媒路と、
    前記第１冷媒路の他の一部と前記第２冷媒路の一部との間で前記第１の冷媒によって前記第２の冷媒の冷却を可能にする第１熱交換器と、
    前記空冷式凝縮器から前記第１熱交換器に至るまでの間の第１の冷媒の圧力を検出する圧力検出センサと、
    前記圧力検出センサにより検出される圧力に基づいて、当該圧力が１．５ＭＰａ〜１．７ＭＰａの範囲に維持されるよう、前記空冷ファンの駆動回転数をインバータ制御するインバータ式制御器と、
    前記第２冷媒路の他の一部と前記水素流路の一部との間で前記第２の冷媒によって前記水素の冷却を可能にする第２熱交換器と、
    を備え、
    前記第１の冷媒は、フロンであり、
    前記第２の冷媒は、ギ酸カリウム水溶液であり、
    前記第２冷媒路における前記第２の冷媒の通流量は、０．３ＭＰａの通流圧力で１３５Ｌ／ｍｉｎ乃至１６５Ｌ／ｍｉｎであり、
    前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内にまで冷却されるようになっており、
    前記水素は、前記第２熱交換器によって、−４３℃乃至−２０℃の温度範囲内の設定温度に対して＋２℃乃至−３℃の誤差範囲内に冷却されるようになっており、
    水素冷却能力は、水素を−４０℃に冷却するときに１３．５ｋＷ乃至１６．５ｋＷであ
    り、
    前記水素流路には、前記第２熱交換器によって冷却された後の水素を排出する排出口が設けられており、
    前記排出口から排出される水素の量は、４．５ｋｇ／３ｍｉｎ乃至５．５ｋｇ／３ｍｉｎである
    ことを特徴とする水素冷却装置。
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