JP2023148017A - 水素貯蔵システム、制御装置、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする冷却能力を抑えることができる水素貯蔵システムを提供すること。【解決手段】水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクと、複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御装置と備え、制御装置は、複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、水素貯蔵システムである。【選択図】図１

Description

本発明は、水素貯蔵システム、制御装置、および制御方法に関する。

水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるときは、反応熱が発生するため、水素吸蔵合金を冷却する必要がある（例えば、特許文献１参照）。例えば移動式の水素カードルから水素吸蔵合金に水素充填する際には、大量の反応熱が発生する。

特開２０２０－１７０６９１号公報

しかしながら、水素吸蔵合金は温度が上昇すると、吸蔵できる水素の量が減少してしまうため、水素カードルなどから水素吸蔵合金タンクに大量の水素を貯蔵させる場合においては、大量の反応熱を取り除くために、大きな冷却能力を有する水素吸蔵合金タンクの冷却システムが必要になってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、必要とする冷却能力を抑えることができる水素貯蔵システム、制御装置、および制御方法を提供する。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様は、水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクと、前記複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、水素貯蔵システムである。

また、本発明の他の態様は、上述した水素貯蔵システムであって、前記制御装置は、前記複数の合金タンクを冷却した熱媒体の温度が、予め決められた閾値を超えたときは、前記複数の合金タンクへの水素ガスの充填を中断する。

また、本発明の他の態様は、上述した水素貯蔵システムであって、前記制御装置は、前記複数の合金タンクのうちの１つへの水素ガスの充填中に、他の合金タンクへの水素ガスの充填を開始する。

また、本発明の他の態様は、上述した水素貯蔵システムであって、前記制御装置は、前記複数の合金タンクのうちの１つへの水素ガスの充填を終了してから、他の合金タンクへの水素ガスの充填を開始する。

また、本発明の他の態様は、水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御装置であって、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、制御装置である。

また、本発明の他の態様は、水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御方法であって、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、制御方法である。

この発明によれば、水素貯蔵システムにおいて必要とする冷却能力を抑えることができる。

この発明の一実施形態による水素貯蔵システム１００の構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態における制御装置１０５の動作を説明するフローチャートである。 同実施形態と比較例における熱交換器入口温度の時間遷移を示すグラフである。 この発明の第２の実施形態における制御装置１０５の動作を説明するフローチャートである。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の一実施形態による水素貯蔵システム１００の構成を示す概略ブロック図である。水素貯蔵システム１００は、燃料電池などに供給するための水素を、水素吸蔵合金を用いて貯蔵するシステムである。水素貯蔵システム１００は、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４、制御装置１０５、水素ガス管路１０６、バルブＶ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、タンク冷却システム１１０を備える。合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４の各々は、水素吸蔵合金を有し、水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵させる。制御装置１０５は、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４への水素ガスの充填を制御する。制御装置１０５は、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４の間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる。

水素ガス管路１０６は、水素ガスを格納した水素カードルから合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４へ水素ガスを充填するための管路である。水素ガス管路１０６の一端には、水素カードルが接続される。水素ガス管路１０６の他端は、枝分かれして合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４に接続されている。水素ガス管路１０６の枝分かれする前の部分には、バルブＶが設置されている。水素ガス管路１０６の枝分かれして合金タンク１０１に接続されている部分にはバルブＶ１が、合金タンク１０２に接続されている部分にはバルブＶ２が、合金タンク１０３に接続されている部分にはバルブＶ３が、合金タンク１０４に接続されている部分にはバルブＶ４が、それぞれ設置されている。このように、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４の各々に対応するバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が設置されているため、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４毎に水素ガスを充填するか否かを制御することができる。

合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４は、水素ガスを吸蔵する際に反応熱を発する。タンク冷却システム１１０は、この反応熱を取り除く。タンク冷却システム１１０は、一次熱媒体管路１１１、温度計１１２、熱交換器１１３、ポンプ１１４、二次熱媒体管路１１５、冷却装置１１６、ポンプ１１７を備える。

一次熱媒体管路１１１は、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４を冷却する熱媒体を、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４と熱交換器１１３の間で循環させる管路である。温度計１１２は、一次熱媒体管路１１１の熱交換器１１３への入口付近に設置され、熱交換器１１３に流入する熱媒体の温度（熱交換器入口温度）を計測する。ポンプ１１４は、一次熱媒体管路１１１内の熱媒体の流れを作る。熱交換器１１３は、一次熱媒体管路１１１を流れる熱媒体と、二次熱媒体管路１１５を流れる熱媒体の間で熱交換を行い、一次熱媒体管路１１１内の熱媒体を冷却する。二次熱媒体管路１１５は、熱交換器１１３と、冷却装置１１６の間で熱媒体を循環させる管路である。冷却装置１１６は、二次熱媒体管路１１５を流れる熱媒体を冷却する。ポンプ１１７は、二次熱媒体管路１１５内の熱媒体の流れを作る。

図２は、本実施形態における制御装置１０５の動作を説明するフローチャートである。
水素カードルが水素ガス管路１０６に接続され、バルブＶが開かれて、水素ガスの供給が開始されると、ｎ＝１として、制御装置１０５は、バルブＶｎを開く（ステップＳａ１）。これにより、合金タンク１０１への水素ガスの充填が開始される。一定時間経過後、制御装置１０５は、温度計１１２が計測した熱交換器入口温度を取得する（ステップＳａ２）。次に、制御装置１０５は、取得した熱交換器入口温度が、閾値Ｘｔ以下か否かを判定する（ステップＳａ３）。閾値Ｘｔは、予め決められた値であり、例えば、３０℃から８０℃の間の値である。

ステップＳａ３にて、閾値Ｘｔ以下でない、すなわち閾値Ｘｔを超えたと判定したときは、制御装置１０５は、バルブＶｎを閉じ（ステップＳａ９）、充填を中断し、一定時間経過後に、処理はステップＳａ１に戻る。一方、ステップＳａ３にて、閾値Ｘｔ以下であると判定したときは、制御装置１０５は、バルブＶｎを開いてから予め決められた閾値時間を経過したか否かを判定する（ステップＳａ４）。ステップＳａ４において、閾値時間を経過していないと判定したときは（ステップＳａ４－Ｎｏ）、一定時間経過後に、処理は、ステップＳａ２に戻る。一方、ステップＳａ４において、閾値時間を経過していると判定したときは（ステップＳａ４－Ｙｅｓ）、制御装置１０５は、バルブＶｎ＋１を開き（ステップＳａ５）、ｎ＝ｎ＋１とする。ここで、閾値時間は、全充填時間の上限値Ｔ（例えば、２時間）を、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４の数Ａで割った値よりも小さい値である。

次に、制御装置１０５は、水素ガスの供給を開始してから、全充填時間の上限値Ｔだけ経過したか否かを判定する（ステップＳａ６）。ステップＳａ６にて、経過していないと判定したときは（ステップＳａ６－Ｎｏ）、一定時間経過した後、処理は、ステップＳａ２に戻る。一方、ステップＳａ６にて、経過していると判定したときは（ステップＳａ６－Ｙｅｓ）、制御装置１０５は、バルブＶを閉じて、水素ガスの供給を終了し（ステップＳａ７）、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を開く（ステップＳａ８）。

このように、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、それぞれ閾値時間の間隔をおいて開かれるので、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４は、それぞれ閾値時間の間隔をおいて水素ガスの充填が開始される。なお、ステップＳａ４における条件を、閾値時間を経過したこととしたが、熱交換器入口温度が下降傾向にあること、熱交換器入口温度が一定の温度以下であること、あるいは、これらと閾値時間を経過したこととのうちの複数の組み合わせとしてもよい。また、閾値時間は、ｎの値が大きいほど大きくするなど、ｎの値によって変えてもよい。

図３は、本実施形態と比較例における熱交換器入口温度の時間遷移を示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は熱交換器入口温度（℃）である。本実施形態における熱交換器入口温度をグラフＬ１に示す。グラフＬ１に示すように、本実施形態における熱交換器入口温度の時間遷移は、閾値時間ごとに上昇と下降とを繰り返す。比較例のグラフＬ２は、合金タンク１０１、１０２、１０３、１０４への水素ガスの充填を同時に始めた場合の熱交換器入口温度の時間遷移である。この場合、充填開始直後に急激に温度が上昇してしまう。このように、本実施形態では、急激な温度上昇を抑制することができるため、タンク冷却システム１１０に要求される冷却能力を抑えることができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、バルブＶｎを開いたまま、次のバルブＶｎ＋１を開いたが、第２の実施形態では、バルブＶｎを閉じてから、次のバルブＶｎ＋１を開く。第２の実施形態における水素貯蔵システム１００の構成は図１と同様である。ここでは、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。

図４は、この発明の第２の実施形態における制御装置１０５の動作を説明するフローチャートである。図４のフローチャートは、図２とは、ステップＳａ４とステップＳａ５の間に、ステップＳｂ１が挿入されている点が異なる。ステップＳｂ１では、制御装置１０５は、バルブＶｎを閉じる。このようにしても、第１の実施形態と同様に、温度上昇を抑えることができるため、タンク冷却システム１１０に要求される冷却能力を抑えることができる。

なお、上述の各実施形態において、合金タンク１０１～１０４、バルブＶ１～Ｖ４は、それぞれ４つとしたが、複数であればよく、４つでなくてもよい。また、合金タンク１０１～１０４の各々は、複数の合金タンクから構成されていてもよい。

また、図１における制御装置１０５の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより制御装置１０５を実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１００ 水素貯蔵システム
１０１、１０２、１０３、１０４ 合金タンク
１０５ 制御装置
１０６ 水素ガス管路
１１０ タンク冷却システム
１１１ 一次熱媒体管路
１１２ 温度計
１１３ 熱交換器
１１４、１１７ ポンプ
１１５ 二次熱媒体管路
１１６ 冷却装置
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４ バルブ

Claims (6)

1. 水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクと、
   前記複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、
   水素貯蔵システム。
2. 前記制御装置は、前記複数の合金タンクを冷却した熱媒体の温度が、予め決められた閾値を超えたときは、前記複数の合金タンクへの水素ガスの充填を中断する、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
3. 前記制御装置は、前記複数の合金タンクのうちの１つへの水素ガスの充填中に、他の合金タンクへの水素ガスの充填を開始する、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
4. 前記制御装置は、前記複数の合金タンクのうちの１つへの水素ガスの充填を終了してから、他の合金タンクへの水素ガスの充填を開始する、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
5. 水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御装置であって、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、制御装置。
6. 水素ガスを吸蔵する複数の合金タンクへの水素ガスの充填を制御する制御方法であって、前記複数の合金タンクの間で、水素ガスの充填を開始するタイミングを異ならせる、制御方法。

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