JP2023016476A - 水素充填レセプタクル - Google Patents

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Abstract

Figure 2023016476000001
【課題】特に容量の大きい水素タンクを対象としても水素の充填時間を抑制し、水素充填を効率よく行うことを可能とする
【解決手段】水素を充填する際にノズルが接続される水素充填レセプタクルであって、内部に直径Ｄ５（ｍｍ）の水素の流路が形成されており、外周の一部に直径がＤ３（ｍｍ）である凹部を有し、ノズルが挿入される側を先端、他方側を後端とし、後端の外周における直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、後端と凹部との間に外周の直径がＤ１（ｍｍ）より小さくＤ３（ｍｍ）より大きい直径であるＤ２（ｍｍ）のステップ部を有し、先端の外周の直径をＤ４（ｍｍ）としたとき、Ｄ１（ｍｍ）がＤ４（ｍｍ）より大きく、直径Ｄ５（ｍｍ）が３．７ｍｍ以上である。
【選択図】図３

Description

本開示は水素充填の際にノズルに接続されるレセプタクルに関する。
特許文献１、特許文献２には、ガスを供給するためのガス流路を有するノズルと、該ノズルが差し込まれる差込スペース、及び、ノズルが差し込まれることでノズルのガス流路に接続されるガス流路を有するレセプタクルと、を備えたガス接続装置が開示されている。
特開２０１４－１８１７７７号公報 特開２００９－１５６３２４号公報
大型車を燃料電池自動車とする場合、従来規格で規定されている最大の水素ガス充填容量が３０ｋｇの範囲では十分な航続距離を確保できない。また、水素充填量を増やせば充填時間が長くなる傾向にあり、短時間で水素を充填するために従来の充填速度で充填する場合だけでなく、さらに速い(いわゆる大流量)充填が必要となる。
そこで本開示では上記問題を鑑み、特に容量の大きい水素タンクを対象としても水素の充填時間を抑制し、水素充填を効率よく行うことを可能とすることを目的とする。
以上の知見に基づき、本願は、水素を充填する際にノズルが接続される水素充填レセプタクルであって、内部に直径Ｄ５（ｍｍ）の水素の流路が形成されており、外周の一部に直径がＤ３（ｍｍ）である凹部を有し、ノズルが挿入される側を先端、他方側を後端とし、後端の外周における直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、後端と凹部との間に外周の直径がＤ１（ｍｍ）より小さくＤ３（ｍｍ）より大きい直径であるＤ２（ｍｍ）のステップ部を有し、先端の外周の直径をＤ４（ｍｍ）としたとき、Ｄ１（ｍｍ）がＤ４（ｍｍ）より大きく、直径Ｄ５（ｍｍ）が３．７ｍｍ以上である、水素充填レセプタクルを開示する。
「水素充填レセプタクル」とは、水素タンクから延びる水素導入管の先端に配置され、水素供給装置側に設けられたノズルに接続する部材であり、水素供給装置から水素タンクへの水素流路を形成するための接続部材である。
上記水素充填レセプタクルにおいて、流路の直径Ｄ５（ｍｍ）がステップ部の直径Ｄ２（ｍｍ）に対して１／７以上であるように構成してもよい。
本開示によれば、特に容量の大きい水素タンクを対象としても、ノズルとの接続を適切に確保し、水素の充填時間を抑制して水素タンクへの水素充填を効率よく行うことができる。
図１は水素充填装置１の概要を表す図である。 図２は水素充填レセプタクル１５の外観を表す図である。 図３は水素充填レセプタクル１５の断面を表す図である。 図４は水素充填レセプタクル１５とノズル５との接続態様を表す図である。 図５は水素充填レセプタクル１５とノズル５との接続態様を表す図である。 図６は水素充填レセプタクル１５とノズル５とが接続不可能の態様を表す図である。
１．水素充填の概要
図１には、本開示の水素充填レセプタクル１５が用いられる１つの例示的な場面について説明する図を示した。図１は、水素充填装置１、及び、水素充填装置１から水素を充填される燃料電池を搭載した自動車（燃料電池車両）１０を概念的に表した図である。
水素充填装置１はいわゆる水素ステーションに備えられており、燃料電池車両１０に備えられた水素タンク１１に水素を供給する。
燃料電池車両１０は公知の通りであるが、車体内に燃料電池システムを備えている。燃料電池システムには燃料電池及び水素タンク１１が備えられており、水素タンク１１から燃料電池に水素が供給される。燃料電池は、水素タンク１１から供給された水素を燃料ガスとし、この燃料ガスを別途供給された酸化ガス（空気）によって酸化させることにより発電を行い、この発電された電気により車両の駆動源であるモータを回転させる。なお、本開示によれば、上記したように特に燃料電池車両１０が大型車であり水素タンク１１の容量が３０ｋｇを超えるものに対しても効率よい水素の充填が可能である。
水素充填装置１には、水素が封入された蓄圧器２と、蓄圧器２から配管に放出された水素を圧縮（昇圧）する圧縮機（コンプレッサ）３と、昇圧された水素を圧縮機３から燃料電池車両１０に供給する水素供給管４と、水素供給を制御する不図示の制御装置を備える。水素供給管４の先端にはノズル５が配置されている。
一方、燃料電池車両１０には水素タンク１１から水素導入管１２が延びており、水素導入管１２の先端にノズル５との接続部材、及び、充填口として機能する本開示の水素充填レセプタクル１５が配置されている。
水素充填装置１のノズル５と燃料電池車両１０の水素充填レセプタクル１５とが接続されて水素充填のための流路が形成され、圧縮機３によって蓄圧器２内から放出された水素が水素供給管４、ノズル５、水素充填レセプタクル１５、水素導入管１２を経て水素タンク１１の経路で水素が充填される。
２．水素充填レセプタクル
容量が大きい水素タンクに効率よく水素を充填するに際し、水素充填レセプタクルを従来のままとすると水素の充填時間が長くなってしまう。これは従来の水素充填レセプタクルが容量の大きい水素タンクに効率よく水素を充填する（流す）ことが想定されていないためである。一方、水素の流量を大きくするために従来の水素充填レセプタクルを単に大きくしても、既存のノズルに接続することができない。
そこで、既存のノズルに接続することを可能としつつ、効率のよい水素充填を可能とする水素充填レセプタクルの新しい形態が必要である。本開示ではそのための水素充填レセプタクルを提供する。
図２、図３には、水素導入管１２の先端に配置された、本開示の１つの例にかかる水素充填レセプタクル１５の形態を示した。図２は外観図（正面図、図１と同じ方向から見た図）、図３は全体として円筒状である水素充填レセプタクル１５の軸線に沿った方向の断面図である。
図２、図３からわかるように水素充填レセプタクル１５は全体として円筒状であり、その内側にはノズル５の流路部５ａ（図４～図６参照）が挿入されるノズル挿入部２０、ノズル挿入部２０に連続し、水素流路となる直径Ｄ５（ｍｍ）の流路２１が形成されている。
一方、水素充填レセプタクル１５の外周面はノズル５の嵌合部５ｂ（図４～図６参照）が嵌合する形状とされており、直径が異なる複数の部位が軸線が延びる方向に平行に並ぶように配置されている。具体的には、水素充填レセプタクル１５は、水素導入管１２側となり直径Ｄ１（ｍｍ）、長さＬ１（ｍｍ）である後端部１６と、後端部１６に連続して直径Ｄ２（ｍｍ）、長さＬ２（ｍｍ）であるステップ部１７と、ステップ部１７に連続し直径Ｄ３（ｍｍ）、長さＬ３（ｍｍ）である凹部１８と、凹部１８に連続し、水素充填レセプタクル１５の先端側を形成する直径Ｄ４（ｍｍ）、長さＬ４（ｍｍ）である先端部１９と、を備えている。なお、ここでは水素充填レセプタクル１５のうちノズル５が挿入される側を「先端」、その反対側（水素導入管１２に接続される側）を「後端」と記載することがある。
なお、水素充填レセプタクル１５の後端と水素導入管１２の端部との間には水素充填レセプタクル１５の外周よりさらに突出する円環状の部材であるストッパー部材１３が配置されてもよい。これは、ノズルが挿入される部分を明確にするための部材であり、何らかの不具合等の理由でノズルが水素充填レセプタクル１５を超えてさらに挿入される事態になってもストッパー部材１３にノズルが接触してそれ以上の挿入を規制する。
ここで、流路２１の直径Ｄ５（ｍｍ）は３．７ｍｍ以上であることが好ましい。これにより大きな流量を流すための水素の流路断面積を確保することができ、水素を効率よく水素タンクに供給することが可能となる。また、より好ましくは、流路２１の直径Ｄ５（ｍｍ）はステップ部１７の直径Ｄ２（ｍｍ）に対して、１／７以上とすることが好ましい。
また、水素充填レセプタクル１５の外周形状については次のように構成されていることが好ましい。これにより既存のノズルへの接合が可能となる。
ステップ部１７の直径Ｄ２（ｍｍ）は、凹部１８の直径Ｄ３（ｍｍ）より大きく、後端部１６の直径Ｄ１（ｍｍ）よりも小さいことが好ましい。すなわち、Ｄ３（ｍｍ）＜Ｄ２（ｍｍ）＜Ｄ１（ｍｍ）である。
凹部１８を挟んで後端部１６と先端部１９とで、後端部１６の直径Ｄ１（ｍｍ）が先端部１９の直径Ｄ４（ｍｍ）より大きいことが好ましい。すなわちＤ４（ｍｍ）＜Ｄ１（ｍｍ）である。
凹部１８の直径Ｄ３（ｍｍ）は、他の部位の直径Ｄ１（ｍｍ）、Ｄ２（ｍｍ）、Ｄ４（ｍｍ）のいずれよりも小さい。
これにより、例えば次のように水素充填レセプタクル１５にノズル５を接続することができる。図４、図５に説明のための図を示した。図４、図５では、図３と同じ視点で、図３に表した水素充填レセプタクル１５対してノズル５の流路部５ａ及び嵌合部５ｂを組み合わせて示している。
ノズル５は全体として二重管の形態を有しており、円筒である嵌合部５ｂの内側に管状である流路部５ａが同軸に配置されている。流路部５ａは水素の流路を形成する管であり、図４、図５からわかるように水素充填レセプタクル１５のノズル挿入部２０に挿入される。
一方、嵌合部５ｂは内壁面が水素充填レセプタクル１５の外周面に対向するように配置され、ノズル５と水素充填レセプタクル１５とを接続する。具体的には、ノズル５には嵌合部５ｂの内壁面から突出するように係合爪５ｃが設けられており、この係合爪５ｃが水素充填レセプタクル１５の凹部１８に係合することで両者が安定的に接続する。係合爪５ｃは不図示の切り替え機構により嵌合部５ｂの内壁面から突没可能とされており、必要に応じて突出した姿勢及び没した姿勢を切り替えて維持することができる。
ただし、既存のノズル５の嵌合部５ｂの内面形状は公知のものでも複数種類あり、例えば図４に示したように係合爪５ｃのみのものもあれば、図５に示したように、嵌合部５ｂの内面に係合爪５ｃの他に、係合爪５ｃからノズル５の先端側に延びる突起５ｄが設けられたものもある。
本開示の水素充填レセプタクルはこうした既存の複数種類のノズルに嵌合（接続）可能であり、ノズルの形態は特に限定されることないが、係合爪５ｃから嵌合部５ｂの先端までの長さをＬＮ１（ｍｍ）、突起５ｄの長さをＬＮ２（ｍｍ）としたとき、ＬＮ２（ｍｍ）が９．７ｍｍ以上であるノズルを用いることが好ましい。より好ましくはＬＮ１（ｍｍ）が３０．６ｍｍ以下である。また、ＬＮ１／ＬＮ２で表される比が０．３１以上であることが好ましい。
また、当該内面形状によらず、ノズルが想定する水素流量の範囲も数種類に渡り、大容量の水素タンクへ効率よい水素充填のためには、このような複数の種類のノズルに対して柔軟に接続できる水素充填レセプタクルが必要とされる。
以上のようなノズルの形態に対して、本開示の水素充填レセプタクルのようにステップ部１７を設けることで、ノズル５の嵌合部５ｂに突起５ｄがあってもノズル５と水素充填レセプタクル１５とを適切に接続することができる。
具体的には、図４に表した例のように、嵌合部５ｂの内面には係合爪５ｃのみであり突起５ｄが配置されていないノズル５については、係合爪５ｃが凹部１８に係合することでノズル５と水素充填レセプタクル１５とが安定して接続される。
一方、図５に表したように、嵌合部５ｂの内面に係合爪５ｃに加えて突起５ｄが配置されているノズル５については、突起５ｄがステップ部１７に対向するように配置され、ノズル５と水素充填レセプタクル１５との接続を邪魔しないためノズル５と水素充填レセプタクル１５とが安定して接続される。もしステップ部１７がなく、後端部１６が凹部１８に隣接する位置にまで延びていると後端部１６が突起５ｄに当たるためノズル５と水素充填レセプタクル１５との接続ができない。
以上のように、本開示の水素充填レセプタクル１５によれば、ノズルの種類に対して柔軟に接続することができ、ノズルの種類の選択肢を高めることができるため、水素の充填時間を抑制して水素充填を効率よく行うことができる。
一方、ノズルの形態、及び、該ノズルが備えられた水素充填装置の性質上適切な水素充填ができない場合がある。そのために、水素充填レセプタクル１５の上記長さＬ１～Ｌ３を調整することで、このような場合にはノズル５と水素充填レセプタクル１５とが物理的に接続できないように構成することもできる。例えば、図６に示したように、ノズル５と水素充填レセプタクル１５との接続の際に、係合爪５ｃが凹部１８に達する前に突起５ｄが後端部１６に接触する構成とすることが挙げられる。これによれば、ノズル５と水素充填レセプタクル１５との接続ができないように構成される。
以下に、水素充填レセプタクル１５とノズル５とを嵌合可能とする場合及び嵌合不可能とする場合の具体的な例について説明する。
図４に示したようにノズル５が突起５ｄを有さず係合爪５ｃを有するノズル５に対して、水素充填レセプタクル１５をノズル５に嵌合可能とするためには、Ｌ１（ｍｍ）、Ｌ２（ｍｍ）、Ｌ３（ｍｍ）の合計がＬＮ１（ｍｍ）以上であればよい。すなわち、
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３≧ＬＮ１
である。そのため例えばＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３を２０．６ｍｍ以上とすることが好ましい。
一方、ノズル５が突起５ｄを有さず係合爪５ｃを有するノズル５に対して、水素充填レセプタクル１５をノズル５に嵌合不可能とするためには、Ｌ１（ｍｍ）、Ｌ２（ｍｍ）、Ｌ３（ｍｍ）の合計がＬＮ１（ｍｍ）未満であればよい。すなわち、
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＜ＬＮ１
である。そのため例えばＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３を２０．６ｍｍ未満とすることが好ましい。
図５に示したようにノズル５が突起５ｄ及び係合爪５ｃを有するノズル５に対して、水素充填レセプタクル１５をノズル５に嵌合可能とするためには、Ｌ１（ｍｍ）、Ｌ２（ｍｍ）、Ｌ３（ｍｍ）の合計がＬＮ１（ｍｍ）以上であるとともに、Ｌ２（ｍｍ）とＬ３（ｍｍ）との合計がＬＮ２（ｍｍ）以上とすればよい。すなわち、
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３≧ＬＮ１
Ｌ２＋Ｌ３≧ＬＮ２
である。そのため例えばＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３を２０．６ｍｍ以上、Ｌ２＋Ｌ３を９．７ｍｍ以上とすることが好ましい。
一方、ノズル５が突起５ｄ及び係合爪５ｃを有するノズル５に対して、水素充填レセプタクル１５をノズル５に嵌合不可能とするためには、Ｌ１（ｍｍ）、Ｌ２（ｍｍ）、Ｌ３（ｍｍ）の合計がＬＮ１（ｍｍ）未満であるとともに、Ｌ２（ｍｍ）とＬ３（ｍｍ）との合計がＬＮ２（ｍｍ）未満とすればよい。すなわち、
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＜ＬＮ１
Ｌ２＋Ｌ３＜ＬＮ２
である。そのため例えばＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３を２０．６ｍｍ未満、Ｌ２＋Ｌ３を９．７ｍｍ未満とすることが好ましい。
ここで、ノズル５と水素充填レセプタクル１５とを組み合わせることを回避（嵌合不可能と）した方がよい一例として、対象とする圧力又は流量の範囲について、ノズル５の方が水素充填レセプタクル１５より大きい組み合わせとなった時が挙げられる。これは、このような場合には水素充填の効率が低下する虞があるからである。
１ 水素充填装置
２ 蓄圧器
３ 圧縮機
４ 水素供給管
５ ノズル
１０ 燃料電池車両
１１ 水素タンク
１２ 水素導入管
１５ 水素充填レセプタクル
１６ 後端部
１７ ステップ部
１８ 凹部
１９ 先端部

Claims (2)

  1. 水素を充填する際にノズルが接続される水素充填レセプタクルであって、
    内部に直径Ｄ５（ｍｍ）の水素の流路が形成されており、
    外周の一部に直径がＤ３（ｍｍ）である凹部を有し、
    前記ノズルが挿入される側を先端、他方側を後端とし、前記後端の外周における直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、前記後端と前記凹部との間に外周の直径がＤ１（ｍｍ）より小さくＤ３（ｍｍ）より大きい直径であるＤ２（ｍｍ）のステップ部を有し、
    前記先端の外周の直径をＤ４（ｍｍ）としたとき、Ｄ１（ｍｍ）がＤ４（ｍｍ）より大きく、
    前記直径Ｄ５（ｍｍ）が３．７ｍｍ以上である、
    水素充填レセプタクル。
  2. 前記流路の直径Ｄ５（ｍｍ）が前記ステップ部の直径Ｄ２（ｍｍ）に対して１／７以上である請求項１に記載の水素充填レセプタクル。
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