JP2020148240A - ガス充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小容量の貯留容器に対して圧縮ガスを充填する場合であっても、圧縮ガスが急激に供給されることを回避する。【解決手段】圧縮ガス供給源と、移動体に搭載された貯留容器とを、上流側に第１弁、下流側に第２弁が設けられた接続管を介して接続する。そして、第２弁を開き、第１弁と第２弁の間の圧力低下量を求める。圧力低下量が予め設定された所定の閾値以下であるときには、貯留容器への本充填を行う。一方、圧力低下量が前記閾値を上回るときには、第１弁と第２弁の間に圧縮ガスを予備充填した後、貯留容器への本充填を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮ガス供給源から接続管を介して貯留容器に圧縮ガスを移送し充填するガス充填方法に関する。

燃料ガス（例えば、水素ガスや圧縮天然ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として搭載した燃料電池車両が知られている。この燃料電池車両には、貯留容器として燃料ガスタンクが搭載されており、燃料電池車両の走行に伴って該燃料ガスタンク中の燃料ガスの残量が低下したときには、ガス充填装置（燃料ガスステーション）等の燃料ガス供給システムから燃料ガスが供給される。

ガス充填装置は、圧縮された燃料ガスを貯蔵する蓄圧器を有する。蓄圧器には充填ノズルが設けられており、この充填ノズルを燃料ガスタンクに接続した後に蓄圧器から燃料ガスタンクに燃料ガスを供給する。すなわち、燃料ガスタンクに充填ノズルを接続し、当該燃料ガスタンクの圧力及び温度のモニタリング結果から当該燃料ガスタンクの充填率（ＳｏＣ：State of Charge）を判断し、燃料ガスの充填終了を制御するようにしている。

特許文献１には、燃料電池車両に搭載された複数の燃料ガスタンク毎に接続される充填バルブと、前記複数の燃料ガスタンク毎に接続される放出バルブと、前記充填バルブ間に接続された充填配管と、前記放出バルブ間に接続された放出配管と、前記複数の燃料ガスタンクの温度を検出する温度センサと、前記燃料ガスタンクの圧力を検出する圧力センサと、これら温度センサ及び圧力センサの検出結果に基づいて前記充填バルブ及び前記放出バルブの制御を行なう制御ユニットとを備えたガス充填装置が記載されている。

この種のガス充填装置では、先ず、燃料ガスタンクに少量の充填を行ってガス充填装置と燃料ガスタンクの均圧化を行った後、本充填を行うことが多い。しかしながら、燃料ガスタンクが小型で小容量の場合には、少量であってもＳｏＣで数十％に達する場合があり得る。すなわち、本充填の前に急激な充填がなされ、その結果として燃料ガスタンクが発熱するに至る。

この観点から、本出願人は、特許文献２において、小容量の燃料ガスタンクに対して燃料ガスを充填する際に好適なガス充填方法を提案している。

国際公開第２０１１／０５８７８２号 特開２０１７−５３４５９号公報

本発明は上記した技術に関連してなされたもので、小容量の貯留容器に対して圧縮ガスを充填する場合であっても、圧縮ガスが急激に貯留容器に供給されることを回避し得、且つ圧縮ガスを廃棄する必要のないガス充填方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、圧縮ガス供給源と、移動体に搭載された貯留容器とを、第１弁、第２弁及び充填ノズルが上流側からこの順序で設けられ且つ前記第１弁と第２弁の間の圧力を検出する圧力検出手段が設けられた接続管を介して接続し、前記圧縮ガス供給源中の圧縮ガスを前記貯留容器に移送し充填するガス充填方法であって、
前記充填ノズルを前記貯留容器に接続することで、前記圧縮ガス供給源と前記貯留容器とを、前記接続管を介して接続する接続工程と、
前記第２弁を開き、前記第１弁と前記第２弁の間の圧力低下量を取得する圧力低下量取得工程と、
を有し、
前記圧力低下量が予め設定された所定の閾値以下であるときには、前記圧縮ガスの前記貯留容器への本充填を行う一方、
前記圧力低下量が予め設定された所定の閾値を上回るときには、前記第１弁を開いて前記第１弁と前記第２弁の間に前記圧縮ガスの充填を行うとともに、前記第１弁と前記第２弁の間の、単位時間又は単位質量当たりの圧力変化量を取得し、前記圧力変化量が予め設定された所定の閾値を下回った後に前記圧縮ガスの前記貯留容器への本充填を行う、ガス充填方法が提供される。

本発明によれば、本充填を行う前に接続管内の圧力低下量を求め、その結果に応じて接続管内の圧力と貯留容器内の圧力が均衡したか否かを判断し、均衡していると判断された場合には本充填を行う一方で、均衡していないと判断された場合には、第１弁と第２弁の間への圧縮ガスの予備充填を行って圧力を均衡させるようにしている。結局、接続管内の圧力と貯留容器内の圧力が略同等となった後に本充填がなされる。

このため、貯留容器が小容量である場合であっても、圧縮ガスが急激に供給されることが回避される。従って、貯留容器の圧力や温度が急激に上昇する懸念が払拭される。

本発明の実施の形態に係るガス充填方法が実施される充填システムを模式的に示した概略構成図である。 本発明の実施の形態に係るガス充填方法の概略フローである。

以下、本発明に係るガス充填方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、後述する本実施の形態に係るガス充填方法が実施される充填システム１０を模式的に示した概略構成図である。この充填システム１０は、ガスステーション１２に設置された供給元タンク１４（圧縮ガス供給源）と、移動体としての燃料電池車両１６に搭載された燃料ガスタンク２０（貯留容器）とを含む。供給元タンク１４と燃料ガスタンク２０は、接続管２４を介して接続される。

供給元タンク１４には、例えば、水素ガスが圧縮されて収容されている。すなわち、この場合、供給元タンク１４から移送されて燃料ガスタンク２０に充填される圧縮ガスは、高圧の水素ガスである。この供給元タンク１４にはタンク側供給弁２６が設けられており、接続管２４は、該タンク側供給弁２６に接続される。

接続管２４には、流量調整弁２８（第１弁）、熱交換器２９、遮断弁３０（第２弁）が上流側からこの順序で設けられるとともに、遮断弁３０よりも下流側の先端に、可撓性を示すホース３１が三方継手３３を介して接続される。該ホース３１の下流側先端には、充填ノズル３２が設けられる。接続管２４の、流量調整弁２８と遮断弁３０の間（以下、「弁間部３４」とも表記する）、すなわち、流量調整弁２８よりも下流側の所定箇所には、圧力検出手段である第１圧力計３６が配設される。

充填ノズル３２は、通常は閉じており、後述するレセプタクル３８が接続されたときに自動的に開状態となる。さらに、後述する逆止弁等が開くことにより、供給元タンク１４と燃料ガスタンク２０が接続管２４を介して連通する。

また、遮断弁３０よりも下流側で且つホース３１よりも上流側の三方継手３３には、放出管４０が接続管２４から分岐するように接続される。該放出管４０には、排出弁４２が設けられる。この排出弁４２を開状態とすると、放出管４０が大気に連通する。一方、ホース３１には第２圧力計４３が介在する。

燃料ガスタンク２０には、充填ノズル３２を接続するためのレセプタクル３８が設けられる。このレセプタクル３８には、図示しない逆止弁が内蔵される。該逆止弁は、所定圧力の水素ガスが供給元タンク１４から燃料ガスタンク２０側に流通することを許容する一方、その逆方向への流通を阻止する役割を果たす。

タンク側供給弁２６、流量調整弁２８、遮断弁３０、第１圧力計３６、排出弁４２及び第２圧力計４３は、制御回路４４に電気的に接続されている。制御回路４４は、流量調整弁２８の開度を調整するとともに、第１圧力計３６、第２圧力計４３によって測定された水素ガスの圧力を個々に記憶する。

次に、本実施の形態に係るガス充填方法につき、図２に示す概略フローに基づいて説明する。

充填ノズル３２をレセプタクル３８に接続する前、タンク側供給弁２６、流量調整弁２８及び遮断弁３０は閉状態にある（なお、レセプタクル３８内の逆止弁も閉止している）。従って、この場合、第１圧力計３６は、弁間部３４に封入された水素ガスの圧力を示す。例えば、前回の充填を行った車両が、水素ガスの充填を３０ＭＰａで終了した場合、弁間部３４の圧力は３０ＭＰａである。

はじめに、接続工程Ｓ１において、接続管２４の先端、すなわち、充填ノズル３２をレセプタクル３８に接続する。この接続に伴い、充填ノズル３２が自動的に開く。

次に、圧力低下量取得工程Ｓ２を行うべく、遮断弁３０を開く。ここで、充填を行おうとする車両の燃料ガスタンク２０の残圧力が、例えば、１０ＭＰａである場合、該燃料ガスタンク２０の圧力（１０ＭＰａ）は、弁間部３４の圧力（３０ＭＰａ）に比して大きい。このように弁間部３４内の圧力が燃料ガスタンク２０内の圧力に比して大きいときには、レセプタクル３８内の逆止弁が開くと、弁間部３４内の水素ガスが、充填ノズル３２及び逆止弁を介して燃料ガスタンク２０に流入する。その結果、弁間部３４内の圧力が急激に低下し、燃料ガスタンク２０内の圧力と均衡する。この際の圧力低下量が、第１圧力計３６によって検出された圧力に基づき、制御回路４４にて求められる。

水素ガスを充填する際に遮断弁３０を開いたときの圧力低下量が予め設定された所定の閾値以下である（図２中のＳ２で「ＹＥＳ」である）ときには、制御回路４４は、「接続管２４の弁間部３４に残留していた水素ガスが、遮断弁３０を開いたことに伴って燃料ガスタンク２０に流入し、その結果として、接続管２４内と燃料ガスタンク２０内とが均圧化された」と判断する。この場合、本充填工程Ｓ４に進む。

本充填工程Ｓ４では、制御回路４４の作用下にタンク側供給弁２６及び流量調整弁２８が開状態とされる。これにより所定圧力の水素ガスが供給元タンク１４から排出され、流量調整弁２８を経由して接続管２４内に流入する。逆止弁が高圧の水素ガスから押圧を受けて開くので、供給元タンク１４から燃料ガスタンク２０に向かって水素ガスが流通する。すなわち、燃料ガスタンク２０に水素ガスが供給され、充填が行われる。この際、流量調整弁２８は、水素ガスの流量を適宜制御する。

充填は、燃料ガスタンク２０内が所定の圧力又はＳｏＣとなるまで継続される。第２圧力計４３によって測定された水素ガスの圧力が所定の圧力又はＳｏＣに到達したとき、制御回路４４は、燃料ガスタンク２０への充填が終了したと判断し、タンク側供給弁２６、流量調整弁２８及び遮断弁３０を閉止する。その後、制御回路４４は、排出弁４２を開き、ホース３１に残留した水素ガスを大気に放出する。さらに、充填ノズル３２をレセプタクル３８から離脱させると、逆止弁、充填ノズル３２及び排出弁４２が自動的に閉止する。排出弁４２が閉じられた後のホース３１内、換言すれば、遮断弁３０から充填ノズル３２までの間は、大気圧と略同圧である。

一方、弁間部３４には、充填が終了した際の燃料ガスタンク２０の圧力と略同等の圧力の水素ガスが残留する。例えば、前回の充填を行った車両が、水素ガスの充填を３０ＭＰａで終了した場合、第１圧力計３６が示す弁間部３４の圧力は３０ＭＰａである。

ここで、次のユーザが、例えば、残圧が５０ＭＰａである燃料ガスタンク２０に対して充填を行おうとする事態が想定される。この場合、該燃料ガスタンク２０の圧力（５０ＭＰａ）が弁間部３４の圧力（３０ＭＰａ）に比して大きい。従って、充填ノズル３２がレセプタクル３８に接続され、遮断弁３０が開状態となっても、弁間部３４から燃料ガスタンク２０に向かって水素ガスが流通することがない。この場合、燃料ガスタンク２０内の圧力が弁間部３４内の圧力に比して大きいために逆止弁が開かないからである。このような理由から、流量調整弁２８を開いたときの圧力低下量が予め設定された所定の閾値を上回る。すなわち、図２中のＳ２で「ＮＯ」となる。このときには、予備充填工程Ｓ３に進む。

予備充填工程Ｓ３では、制御回路４４の作用下にタンク側供給弁２６及び流量調整弁２８が開状態とされる。この際、制御回路４４は、流量調整弁２８の開度を、上記した本充填工程Ｓ４における流量に比して小流量となるように設定する。これにより、接続管２４内を流れるガス流量が適宜に制御される。

弁間部３４内の圧力が燃料ガスタンク２０内の圧力と同等となるまでは、接続管２４から燃料ガスタンク２０に水素ガスが流入することはない。このため、供給元タンク１４から流出された水素ガスは、弁間部３４に蓄積される。すなわち、弁間部３４に対する予備充填がなされる。

この予備充填により、弁間部３４内の、単位時間又は単位質量当たりの圧力が変化する。なお、単位質量の基準は、弁間部３４に予備充填された水素ガスの質量である。この圧力変化量は、予備充填の初期で大きく、予備充填の進行とともに小さくなる。制御回路４４は、このように変化する圧力変化量を記憶する。

圧力変化量は、最終的に所定の閾値を下回る。このとき、制御回路４４は、弁間部３４内の圧力と燃料ガスタンク２０内の圧力とが均衡するに至ったと判断する。制御回路４４は、その後、流量調整弁２８の開度を一層大きくする。これにより、本充填工程Ｓ４が開始される。

燃料ガスタンク２０が小容量であるとき、弁間部３４内の水素ガスが燃料ガスタンク２０に流入する程度であっても、燃料ガスタンク２０の温度が短時間で上昇する懸念がある。そこで、本実施の形態では、上記したように、弁間部３４内、すなわち、接続管２４内の圧力と、燃料ガスタンク２０内の圧力とを先ず均衡（均圧化）させ、その後に燃料ガスタンク２０への本充填を行うようにしている。このため、小容量の燃料ガスタンク２０に水素ガスを充填する場合であっても、水素ガスが急激に供給されることが回避される。これにより、燃料ガスタンク２０の温度が短時間で上昇する懸念が払拭される。

しかも、本実施の形態では、弁間部３４の圧力が燃料ガスタンク２０内の圧力に比して大きいか又は小さいかに対応して所定の工程が自動的に遂行される。このため、弁間部３４の圧力の大小に関わらず上記の均圧化を図ることができる。

さらに、このガス充填方法によれば、弁間部３４内の水素ガスを充填前に排気する必要は特にない。従って、前回の充填後に接続管２４内に残留した水素ガスを燃料ガスタンク２０に流入させることができる。この分、省資源化を図ることができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、燃料電池車両１６は、燃料ガスタンク２０が小容量である車両に特に限定されるものではなく、燃料ガスタンク２０が大容量である大型貨物車や大型乗用車であってもよい。上記のガス充填方法は、このような車両に搭載された燃料ガスタンク２０に対しても実施することが可能である。

さらに、この実施の形態では、圧縮ガスとして水素ガスを例示しているが、これ以外のガスであってもよいことは勿論である。

１０…充填システム １２…ガスステーション
１４…供給元タンク １６…燃料電池車両
２０…燃料ガスタンク ２４…接続管
２６…タンク側供給弁 ２８…流量調整弁
３０…遮断弁 ３１…ホース
３２…充填ノズル ３４…弁間部
３６、４３…圧力計 ３８…レセプタクル
４０…放出管 ４２…排出弁
４４…制御回路

Claims (3)

1. 圧縮ガス供給源と、移動体に搭載された貯留容器とを、第１弁、第２弁及び充填ノズルが上流側からこの順序で設けられ且つ前記第１弁と前記第２弁の間の圧力を検出する圧力検出手段が設けられた接続管を介して接続し、前記圧縮ガス供給源中の圧縮ガスを前記貯留容器に移送し充填するガス充填方法であって、
   前記充填ノズルを前記貯留容器に接続することで、前記圧縮ガス供給源と前記貯留容器とを、前記接続管を介して接続する接続工程と、
   前記第２弁を開き、前記第１弁と前記第２弁の間の圧力低下量を取得する圧力低下量取得工程と、
   を有し、
   前記圧力低下量が予め設定された所定の閾値以下であるときには、前記圧縮ガスの前記貯留容器への本充填を行う一方、
   前記圧力低下量が予め設定された所定の閾値を上回るときには、前記第１弁を開いて前記第１弁と前記第２弁の間に前記圧縮ガスの充填を行うとともに、前記第１弁と前記第２弁の間の、単位時間又は単位質量当たりの圧力変化量を取得し、前記圧力変化量が予め設定された所定の閾値を下回った後に前記圧縮ガスの前記貯留容器への本充填を行う、ガス充填方法。
2. 請求項１記載のガス充填方法において、前記第１弁と前記第２弁の間に前記圧縮ガスの充填を行う際、前記第１弁を制御し、前記本充填に比して小流量とするガス充填方法。
3. 請求項１又は２記載のガス充填方法において、前記圧縮ガスとして水素ガスを用いるガス充填方法。
   

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