JP2017137929A - ガス充填装置及び車両。 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス充填中のタンク内の平均温度をより正確に把握することのできるガス充填装置を提供する。【解決手段】高圧タンク（３０）へのガス充填装置であって、タンク本体（３００）と、タンク本体（３００）に装着されるバルブ（３０４）と、バルブ（３０４）からタンク本体（３００）の軸方向に対して傾斜した方向に延びるガス充填用のノズル（３０６）と、バルブ（３０４）からタンク本体（３００）内方に延びる温度センサ（３０８）と、温度推定部（３６０）と、を備え、温度センサ（３０８）は、ガスを充填する間にタンク本体（３００）内の温度を測定し、温度推定部（３６０）は、測定した温度のうち、温度が上昇から下降に転じる温度を抽出し、抽出した温度に基づいてタンク本体（３００）内の平均温度を推定する。【選択図】図５

Description

本発明は、ガス充填装置及び車両に関する。

燃料電池の発電に用いる高圧のガス（水素ガス）を収納する容器として、軽量化を図る目的で樹脂材料を用いた高圧タンクが知られている。より詳細には、水素ガスを収納する収容空間を内部に有した合成樹脂製の薄肉容器（ライナー）を、樹脂が含浸された繊維強化樹脂補強層で被い、その後樹脂を硬化させた構造の高圧タンクが知られている。

このような高圧タンクへガスを充填する際には、ガスの過充填、過昇温等を防止するために充填中のタンク内の平均温度を的確に把握する必要がある。例えば特許文献１には、充填中にタンク内のガスの温度のばらつきを抑制するために、ガス流入ノズルをタンクの内部空間の長手方向軸に対して角度をなすように構成することが提案されている。

特表２０１０−５２９３８５号公報

しかしながら、このような構成をとったとしても、タンク内の温度センサの位置によっては（例えば、温度センサがバルブ近傍に配置された場合等）、充填時の気流の影響を受けて、温度センサによる測定値とタンク内部の実際の平均温度との間にずれがおきてしまうことが判明した。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、ガス充填中のタンク内の平均温度をより正確に把握することのできるガス充填装置及び車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の好ましい一態様によれば、高圧タンクへのガス充填装置であって、タンク本体と、前記タンク本体に装着されるバルブと、前記バルブから前記タンク本体の軸方向に対して傾斜した方向に延びるガス充填用のノズルと、前記バルブからタンク本体内方に延びる温度センサと、温度推定部と、を備え、前記温度センサは、ガスを充填する間に前記タンク本体内の温度を測定し、前記温度推定部は、前記測定した温度のうち、温度が上昇から下降に転じる温度を抽出し、前記抽出した温度に基づいて前記タンク本体内の平均温度を推定する、ガス充填装置を構成する。

ガスの充填時には、ガス充填用のノズルがタンク本体の軸方向に対して傾斜した方向に延びるので、タンク本体内に流入するガスは、タンク本体の軸方向に対して傾斜した方向に向かって流れ、タンク本体の壁に反射され現存するガスと交じり合って還流が生じる。これにより高圧充填に伴う断熱圧縮によるタンク本体内の局所的な温度上昇が抑制される。ここで、本発明者らは、この還流はノズルから流入する新たなガスの膨張流により断続的に停滞し、タンク本体内方に延びる温度センサによる温度の測定値は断続的に上下に変動し、測定温度が低下する期間の温度は、タンク内の実際の平均温度を反映するものではないという知見を得た。この点、上記構成によれば、温度推定部は、温度が上昇から下降に転じる温度を抽出し、この抽出した温度に基づいて前記タンク本体内の平均温度を推定するので、実際の平均温度とは乖離した温度低下の影響を平均温度の推定において排除することができる。これにより、タンク本体の実際の平均温度をより正確に推定することができる。

また、上記構成において、前記温度センサの先端から前記ノズルの先端までの距離は、前記バルブから前記温度センサの先端までの距離よりも大きいようにしてもよい。

上記構成によれば、温度センサは、ノズルの先端寄りではなくバルブ寄りに配置される。ノズルの先端まで温度センサを延ばす必要がないので、温度センサの剛性を確保するためのハウジングやバーといった部品を不要にすることができる。なお、温度センサがバルブ寄りに配置されることで、温度センサは、還流及び膨張流の影響をより受けやすくなり、ガス噴出時の温度センサの測定値はより上下に変動しやすくなる。しかしながら、上記のとおり、温度推定部は、実際の平均温度を反映していない温度センサの測定値（温度低下分）を平均温度の推定において排除するので、温度センサがバルブ寄りに配置されたとしても、そのことによって平均温度の推定値が実際の平均温度と乖離してしまうことはない。

また上記ガス充填装置と、前記推定したタンク本体内の平均温度をガスステーションに送信する通信機と、を備えた車両を構成してもよい。

上記構成によれば、タンク本体内の平均温度をより正確に推測し、ガスステーションに送信することができるので、車両の高圧タンクへの燃料充填時における過充填、過昇温を抑制できる。

本発明によれば、ガス充填中のタンク内の平均温度をより正確に把握することのできるガス充填システム及び車両を提供することができる。

実施形態に係るガス充填システムの概略図である。 実施形態に係るガス充填システムの構成図である。 （Ａ）は、実施形態にかかる高圧タンクの模式図であり、（Ｂ）は、高圧タンクのパイプと温度センサを説明するための模式図である。 充填時の高圧タンク内のガスの流れを説明するための模式図である。 充填時の高圧タンク内のガスの平均温度及び温度センサによる測定値を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ここでは、ガス充填装置を搭載した燃料電池車に、水素ステーションから水素ガスを充填するガス充填システムを例に説明する。

図１及び図２に示すように、ガス充填システム１は、例えばガスステーションとしての水素ステーション２と、水素ステーション２から充填ノズル２２を介して水素ガスが供給される車両３と、を備える。

図２に示すように、水素ステーション２は、水素ガスを送り出すディスペンサ２０、ディスペンサ２０に接続される水素供給流路２１、水素供給流路２１の先端に取り付けられた充填ノズル２２、水素供給流路２１と充填ノズル２２との間に設けられた温度センサ２３、圧力センサ２４、車両３と各種情報を送受信する通信機２５及び制御装置２６等を備えている。制御装置２６は、温度センサ２３や圧力センサ２４からの出力や、通信機２５を介して受け取った車両３側の高圧タンクの平均温度や圧力等を基に、水素ステーション２の各機器を制御することで、車両３への水素ガスの充填量や速度を制御する。

車両３は、高圧タンク３０、燃料電池３１、レセプタクル３２、圧力センサ３３、表示装置３４、通信機３５及び制御装置３６等を備える。なお、本実施形態においては、ガス充填装置は、車両３に組み込まれており、高圧タンク３０及び制御装置３６の温度推定部３６０等により構成されている。

高圧タンク３０は、燃料電池３１への燃料ガス供給源であり、水素ガスを貯留可能である。高圧タンク３０内の水素ガスは、バルブ３０４に接続された供給流路３１０を介して燃料電池３１に供給される。なお、高圧タンク３０を複数搭載する場合には、高圧タンク３０は燃料電池３１に対して並列に接続される。高圧タンク３０の内部には、温度センサ３０８が配置されており、タンク内部の温度を測定するようになっている。

燃料電池３１は、車両３の動力源として機能するものであり、反応ガス（水素ガス、空気）の供給を受けて発電する燃料電池本体、空気を燃料電池本体に供給するための酸化ガス供給系と、水素ガスを燃料電池本体に供給するための燃料ガス供給系、電力の充放電を制御するための電力系、これらを統括制御するコントローラ等を備えている。

レセプタクル３２は、水素ガス充填の際に、水素ステーション２の充填ノズル２２が接続される部分であり、例えば、車両３のリッドボックスに設けられている。高圧タンク３０への水素ガスの供給は、水素ステーション２から供給された水素ガスがレセプタクル３２を介して充填流路３２０に放出されることで行われる。充填流路３２０は、高圧タンク３０外にあるガス配管と、高圧タンク３０のバルブ３０４にある流路部分とからなる。充填流路３２０には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁３２２が設けられる。

圧力センサ３３は、水素ステーション２から放出された水素ガスの圧力を検出するものであり、充填流路３２０に設けられる。例えば、圧力センサ３３は、逆止弁３２２よりも下流側であって且つ高圧タンク３０の直前にあるガス配管に設けられ、実質的に高圧タンク３０内の水素ガスの圧力を反映する圧力を検出する。

表示装置３４は、例えばカーナビゲーションシステムの一部としても用いることが可能なものであり、各種情報を画面に表示する。

通信機３５は、車両３が水素ステーション２との間で通信するためのものであり、例えば、赤外線通信等の無線通信を行う通信インターフェースを有する。通信機３５は、水素ステーション２の充填ノズル２２をレセプタクル３２に接続した状態で通信可能となるように、レセプタクル３２に組み込まれるか、あるいは車両３のリッドボックス内に固定される。

制御装置３６は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成され、車両３を制御する。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、充填時の高圧タンク３０の平均温度の推定等、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置３６は、温度センサ３０８、圧力センサ３３、表示装置３４及び通信機３５などと接続されている。後述するように、制御装置３６は、水素ガスの充填時の高圧タンク３０内の平均温度を推定する温度推定部３６０を備え、推定した平均温度を通信機３５を介して水素ステーション２に送信する。

次に、高圧タンク３０について、図３を用いて詳細に説明する。図３（Ａ）に示すように、高圧タンク３０は、タンク本体３００、口金３０２、バルブ３０４、ノズル３０６及び温度センサ３０８等を有する。

タンク本体３００は、全体として略楕円体形状を有し、その内部に、水素ガスを常圧よりも高い圧力で貯留する貯留空間を有する。例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａといった圧力で水素ガスが貯留空間内に貯留される。タンク本体３００は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナとその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）とを有している。ライナの材質は、例えば、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体としてライナを構成しても良い。補強層は、例えば、マトリックス樹脂（プラスチック）を炭素繊維で強化してなるＦＲＰ層（ＣＦＲＰ）である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。

口金３０２は、略円筒形状の開口部を有し、タンク本体３００（ライナーと補強層との間）に嵌入されて、固定されている。口金３０２の開口部は、高圧タンク３０の開口として機能する。口金３０２の開口部における内周面には、着脱部（例えばメネジ：図示略）が形成され、バルブ３０４が着脱自在に装着される。本実施形態では、口金３０２は、ステンレスによって形成されているが、例えば、アルミニウムといった他の金属や樹脂材によって形成されても良い。

バルブ３０４は、バルブ本体３０４Ａとバルブ管３０４Ｂとを有する。

バルブ本体３０４Ａは、水素ガスの使用時（車両３の駆動時）には、燃料電池３１に対して供給流路３１０（図２参照）を介してタンク本体３００の内部に貯留された水素ガスの出力がなされるようになっている。また水素ガスの充填時には、水素ステーション２（図２参照）に充填流路３２０及びレセプタクル３２を介して接続され、水素ガスの供給がされるようになっている。

バルブ管３０４Ｂの外周面には着脱部（例えばオネジ：図示略）が形成され、口金３０２に形成された着脱部と嵌合する。これによりバルブ３０４は、タンク本体３００に対して位置が固定される。なお、口金３０２にバルブ３０４を着脱する構成は、これに限られるものではなく、例えば、口金３０２に当該内周面とバルブ３０４との間を軸シールするシール部材を設ける等、他の構成を採用することも可能である。バルブ管３０４Ｂには、水素ガス充填用のノズル３０６と、温度センサ３０８とが接続されている。

図３（Ｂ）に示すように、ノズル３０６は、タンク本体３００の軸方向（図３（Ａ）及び（Ｂ）においてＺで示す方向）に対して所定角度θ（０°＜θ≦９０°）傾斜した方向に延びる。これにより、軸方向に対して傾斜した方向で水素ガスがタンク本体３００の貯留空間内に噴出されるようになっている。図３（Ａ）に示すように、水素ガスはそのまま軸方向に対して傾斜した方向に向かって流れ、タンク本体３００の内壁で反射される。そして現存する燃料ガスと新たに充填された燃料ガスとが巻き込まれた還流（図３（Ａ）に矢印Ｆ１で模式的に示す）が生じる。これにより、高圧充填に伴う断熱圧縮によるタンク本体３００内の局所的な温度上昇が抑制され、タンク本体３００内の温度分布がより均一化される。

図３（Ｂ）に示すように、温度センサ３０８は、バルブ３０４から軸方向に向かってタンク本体３００内方に延びている。温度センサ３０８の先端にはセンサ素子（図示せず）が設けられている。温度センサ３０８のセンサ素子は、ノズル３０６の先端寄りではなく、バルブ３０４（バルブ管３０４Ｂ）寄りに配置される。すなわち、温度センサ３０８の先端からノズル３０６の先端までの距離（Ｌ₁）は、バルブ３０４から温度センサ３０８の先端までの距離（Ｌ₂）よりも大きい。例えば、温度センサの長さは、ノズル３０６の１／３の大きさとしてもよい。また例えば、温度センサの長さは、バルブ３０４から１０〜５０ｍｍの範囲としてもよい。また例えば、Ｌ₁は、８０〜１００ｍｍであり、Ｌ₂は、２０〜５０ｍｍとしてもよい。

このように、温度センサ３０８はノズル３０６の先端まで延びていないので、その剛性を確保するためのハウジングやバーといった部品が不要であり、本実施形態においては、一つの円筒状の筐体内にセンサ素子や配線等を収容することができている。そのため製造コスト（部品コスト、組立コスト等）が削減できる。なお、ノズル３０６と温度センサ３０８との位置関係が上記範囲にあるのであれば、部品数は増えるが、温度センサ３０８にハウジングやバーを設けても構わない。

次に、図４及び図５を用いて、制御装置３６の温度推定部３６０が、水素ガスの充填時に高圧タンク３０内の平均温度を推定する方法について説明する。

制御装置３６の温度推定部３６０は、水素ガスの充填時においては、温度センサ３０８から得られた測定値から、温度が上昇から下降に転じる温度を抽出し、この抽出した温度に基づいてタンク本体３００内の平均温度を推定する。

これは、次のような知見に基づく。すなわち、図４に示すように、温度センサ３０８はバルブ３０４の近傍に位置するので、水素ガスの充填時は、温度センサ３０８には還流Ｆ１が流れる。この還流Ｆ１は、タンク本体３００内に現存する水素ガスと新たに充填された水素ガスとが混じあったものであり、その温度はタンク本体３００の平均温度と略一致する。従って、温度センサ３０８は、還流Ｆ１の温度を測定することにより、タンク本体３００内の平均温度を検出できる。

しかしながら、この還流Ｆ１はノズル３０６から噴出される新たなガスの膨張流Ｆ２により断続的に停滞する。そのため、図５に示すように、水素ガスの充填時においては、温度センサ３０８の測定値は、温度が前回よりも下がる箇所（温度Ｔ₂、Ｔ₄、Ｔ₆…Ｔ₂₀、Ｔ₂₂）が断続的に現れる。前回よりも温度が低下した測定値は、上記のとおり還流Ｆ１の停滞によるものであり、タンク本体３００内の実際の平均温度（図５の実線で示すように継続的に上昇をしていく）を反映するものではない。膨張流Ｆ２の影響を受ける前の測定値、すなわち、温度が上昇から下降に転じる測定値（温度Ｔ₁、Ｔ₃、Ｔ₅…Ｔ₂₁、Ｔ₂₃）が、タンク本体３００内の実際の平均温度を反映している。

そこで、温度推定部３６０は、水素ガスの充填時においては、温度センサ３０８から得られた測定値から、温度が上昇から下降に転じる温度（温度Ｔ₁、Ｔ₃、Ｔ₅…Ｔ₂₁、Ｔ₂₃）を抽出し、この抽出した温度をタンク本体３００内の平均温度と推定する。

これにより、タンク本体３００内の実際の平均温度とは乖離した測定値温度Ｔ₂、Ｔ₄、Ｔ₆…Ｔ₂₀、Ｔ₂₂）を平均温度の推定において排除することができる。そのため、温度推定部３６０は、タンク本体の実際の平均温度をより正確に推定することができる。

上述のとおり、車両３は水素ガスの充填中、タンク本体３００内の平均ガス温度を含めたタンク情報を水素ステーション２に送信し、水素ステーション２は当該情報及びディスペンサ２０側の圧力及び温度等に基づいて充填完了の判定を行う。温度推定部３６０がタンク本体３００内の平均温度を正確に推定することで、水素ステーション２は、高圧タンク３０への水素ガスの充填の程度をより正確に把握できる。これにより高圧タンク３０の過充填・過昇温を防止できる。

上記実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

例えば、温度推定部３６０は、温度が上昇から下降に転じる温度（温度Ｔ₁、Ｔ₃、Ｔ₅…Ｔ₂₁、Ｔ₂₃）を抽出しているが、温度が前回測定値から下降さえしてなければ、膨張流の影響を受けていないとして、平均温度の推定に用いてもよい。例えば、温度センサ３０８の測定値が前回測定値よりも下降しているか否かを判別し、前回測定値よりも上昇していれば平均温度の推定に用い、下降していれば平均温度の推定から除外するようにしてもよい。

また、例えば、本発明にかかるガス充填装置は、燃料電池車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型の装置にも適用できる。この場合高圧タンクに貯留するガスとしては、水素ガスのみならず、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス等を採用可能である。

１……ガス充填システム
２……水素ステーション、２０……ディスペンサ、２１……水素供給流路、２２……充填ノズル、２３……温度センサ、２４……圧力センサ、２５……通信機、２６……制御装置
３……車両、３０……高圧タンク、３００……タンク本体、３０２……口金、３０４……バルブ、３０４Ａ……バルブ本体、３０４Ｂ……バルブ管、３０６……ノズル、３０８……温度センサ、３１……燃料電池、３１０……供給流路、３２……レセプタクル、３２０……充填流路、３２２……逆止弁、３３……圧力センサ、３４……表示装置、３５……通信機、３６……制御装置、３６０……温度推定部

Claims (3)

1. 高圧タンクへのガス充填装置であって、
   タンク本体と、前記タンク本体に装着されるバルブと、前記バルブから前記タンク本体の軸方向に対して傾斜した方向に延びるガス充填用のノズルと、前記バルブからタンク本体内方に延びる温度センサと、温度推定部と、を備え、
   前記温度センサは、ガスを充填する間に前記タンク本体内の温度を測定し、
   前記温度推定部は、前記測定した温度のうち、温度が上昇から下降に転じる温度を抽出し、前記抽出した温度に基づいて前記タンク本体内の平均温度を推定する、ガス充填装置。
2. 前記温度センサの先端から前記ノズルの先端までの距離は、前記バルブから前記温度センサの先端までの距離よりも大きい、請求項１に記載のガス充填装置。
3. 請求項１又は２に記載のガス充填装置と、
   前記推定したタンク本体内の平均温度をガスステーションに送信する通信機と、を備えた車両。