JP2023148190A - 水素貯蔵システム、制御装置、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内の水素残量を予め算出せずに、タンクに水素ガスを充填す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】水素を吸蔵する合金タンクと、合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御装置とを備え、制御装置は、カードルから合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得する変化率取得部と、時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、合金タンクへの水素の供給を終了する終了判定部とを備える水素貯蔵システム。【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。

従来、水素吸蔵合金を用いたタンクに水素ガスを補給する方法では、水素ガスの供給元とタンクとを接続する配管に流量計を設置し、タンクに所定量の水素ガスが充填されたら、供給を停止している（特許文献１参照）。

特開平６－１０３９８７号公報

しかしながら、従来の方法においては、タンクを満杯にするには、満杯になる充填水素量を決めるために、タンクの重量を測定するなどして、予めタンク内の水素残量を算出しなければならないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、タンク内の水素残量を予め算出せずに、タンクに水素ガスを充填す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、水素を吸蔵する合金タンクと、前記合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得する変化率取得部と、前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了する終了判定部とを備える水素貯蔵システムである。

また、本発明の他の一態様は、上述した水素貯蔵システムであって、前記変化率取得部は、前記カードル内の圧力と温度を取得し、取得した前記圧力と前記温度と気体の状態方程式とを用いて、前記時間変化率を算出する。

また、本発明の他の一態様は、上述した水素貯蔵システムであって、前記カードルから前記合金タンクへ水素ガスを充填する前に、前記カードルと前記合金タンクを接続するガス管内への前記カードルからの水素ガスの充填と外気への放出とを繰り返すパージ処理部を備える。

また、本発明の他の一態様は、水素を吸蔵する合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御装置であって、前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得する変化率取得部と、前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了する終了判定部とを備える。

また、本発明の他の一態様は、水素を吸蔵する合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御方法であって、前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得するステップと、前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了するステップとを有する。

この発明によれば、タンク内の水素残量を予め算出せずに、タンクに水素ガスを充填することができる。

この発明の第１の実施形態による水素カードル１０と水素貯蔵システム２０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２０９の動作を説明するフローチャートである。 同実施形態における変化率取得部２１２および終了判定部２１３の動作を説明するフローチャートである。 同実施形態における水素ガスの充填量と時間変化率とをプロットしたグラフである。 この発明の第２の実施形態における水素カードル１０と水素貯蔵システム２０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変化率取得部２１２および終了判定部２１３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、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態による水素カードル１０と水素貯蔵システム２０の構成を示す概略ブロック図である。水素貯蔵システム２０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。水素カードル１０は、高圧ガス容器を複数束ねたものであり、水素ガスの運搬に用いられる。水素カードル１０は、水素貯蔵システム２０に接続されて、水素貯蔵システム２０に充填する水素を供給する。

水素カードル１０は、カードル１０１、カードル圧力計１０２、カードル温度計１０３、カードルガス管１０４、カードルバルブ１０５を備える。カードル１０１は、水素ガスが充填されている高圧ガス容器の束である。カードル圧力計１０２は、カードル１０１内の水素ガスの圧力を測定する。カードル温度計１０３は、カードル１０１内の水素ガスの温度を直接または間接的に測定する。カードルガス管１０４は、カードル１０１内の水素ガスを水素貯蔵システム２０に供給するためのガス管である。カードルバルブ１０５は、カードルガス管１０４に設けられ、カードルガス管１０４内の水素ガスの流れを制御する。

水素貯蔵システム２０は、接続部２０１、タンクガス管２０２、パージガス管２０３、パージバルブ２０４、タンクバルブ２０５、減圧弁２０６、合金タンク２０７、タンク圧力計２０８、制御装置２０９を備える。接続部２０１は、水素貯蔵システム２０に充填する水素ガスを取り入れるためのガス管を接続する。ここでは、カードルガス管１０４が接続される。タンクガス管２０２は、接続部２０１と合金タンク２０７を接続するガス管であり、接続部２０１から供給された水素ガスを合金タンク２０７に供給する。

パージガス管２０３は、接続部２０１とタンクバルブ２０５との間でタンクガス管２０２から枝分かれしているガス管である。パージガス管２０３は、水素カードル１０を接続部２０１に接続したときに、カードルバルブ１０５とタンクバルブ２０５との間に残っている空気を排出させるのに用いられる。パージバルブ２０４は、パージガス管２０３に設けられ、パージガス管２０３内のガスの流れを制御する。

タンクバルブ２０５は、タンクガス管２０２に設けられ、タンクガス管２０２を介した合金タンク２０７への水素ガスの流れを制御する。減圧弁２０６は、タンクバルブ２０５よりも合金タンク２０７側のタンクガス管２０２に設けられ、合金タンク２０７に充填する水素ガスを減圧する。合金タンク２０７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。タンク圧力計２０８は、合金タンク２０７内の水素ガスの圧力を測定する。制御装置２０９は、水素カードル１０から水素貯蔵システム２０への水素ガスの充填を制御する。

制御装置２０９は、パージ処理部２１０、減圧弁制御部２１１、変化率取得部２１２、終了判定部２１３を備える。なお、カードル圧力計１０２、カードル温度計１０３は、制御装置２０９が備えていてもよい。パージ処理部２１０は、カードル１０１から合金タンク２０７へ水素ガスを充填する前に、カードル１０１と合金タンク２０７を接続するカードルガス管１０４およびタンクガス管２０２内へのカードル１０１からの水素ガスの充填と外気への放出とを繰り返す。例えば、パージ処理部２１０は、接続部２０１にカードルガス管１０４が接続されると、カードルバルブ１０５を開いた後、パージバルブ２０４の開閉を所定の回数繰り返すことで、ガス管内の空気を排出する。

減圧弁制御部２１１は、水素貯蔵システム２０への水素ガスを充填する際に、減圧弁２０６を制御する。例えば、減圧弁制御部２１１は、充填される水素ガスの圧力が０．９５ＭＰａになるように減圧弁２０６を制御する。変化率取得部２１２は、カードル１０１から合金タンク２０７への水素ガスの充填量の時間変化率を取得する。例えば、変化率取得部２１２は、カードル圧力計１０２、カードル温度計１０３を用いて、カードル１０１内の圧力と温度を取得し、取得した圧力と温度と気体の状態方程式とを用いて、合金タンク２０７への水素ガスの充填量の時間変化率を算出してもよい。終了判定部２１３は、変化率取得部２１２が取得した時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、合金タンク２０７への水素ガスの供給を終了する。また、終了判定部２１３は、水素ガスを充填している時間、あるいはカードル１０１内の圧力と合金タンク２０７内の圧力の比較に基づき合金タンク２０７への水素ガスの供給を終了してもよい。なお、終了判定部２１３は、タンクバルブ２０５またはカードルバルブ１０５を閉めることで、水素ガスの供給を終了してもよい。

図２は、本実施形態における制御装置２０９の動作を説明するフローチャートである。まず、カードルガス管１０４が接続部２０１に接続されると（ステップＳａ１）、パージ処理部２１０は、カードルバルブ１０５を開く（ステップＳａ２）。次に、パージ処理部２１０は、パージバルブ２０４の開閉を、予め決められた回数繰り返す（ステップＳａ３）。これにより、カードルバルブ１０５とタンクバルブ２０５の間の空気が水素ガスに置き換わり、合金タンク２０７に空気が充填されるのを避けることができる。

次に、パージ処理部２１０は、パージバルブ２０４を閉じ、減圧弁２０６を合金タンク２０７内の圧力が予め決められた値（例えば、０．９５ＭＰａＧ）になるように制御し、タンクバルブ２０５を開く（ステップＳａ４）。これにより、合金タンク２０７への水素ガスの充填が行われる。減圧弁制御部２１１は、終了判定部２１３が、水素ガスの充填の終了を判定するまで、タンク圧力計２０８が示す合金タンク２０７内の圧力が、予め決められた値（例えば、０．９５ＭＰａＧ）になるように減圧弁２０６を制御する（ステップＳａ５）。終了判定部２１３は、水素ガスの充填の終了を判定すると（ステップＳａ６－Ｙｅｓ）、カードルバルブ１０５、タンクバルブ２０５を閉じて、水素ガスの充填を終了し、パージバルブ２０４を開き、減圧する（ステップＳａ７）。

図３は、本実施形態における変化率取得部２１２および終了判定部２１３の動作を説明するフローチャートである。図３のフローチャートは、図２のステップＳａ６に対応する。まず、変化率取得部２１２は、カードル１０１内の圧力、温度を取得する（ステップＳｂ１）。具体的には、変化率取得部２１２は、カードル圧力計１０２、カードル温度計１０３の測定結果を取得する。次に、変化率取得部２１２は、カードル１０１内の圧力、温度と、カードル１０１の内容積とを、気体の状態方程式に代入して、カードル１０１内の水素残量を算出する（ステップＳｂ２）。算出する水素残量の単位は、ノルマル立法メール（Ｎｍ^３）でもよいし、キログラム（Ｋｇ）でもよいし、その他の単位でもよい。

ステップＳｂ２における水素残量の算出が初回のときは（ステップＳｂ３－Ｙｅｓ）、処理はステップＳｂ６に進む。水素残量の算出が初回でないときは（ステップＳｂ３－Ｎｏ）、変化率取得部２１２は、合金タンク２０７への水素充填量の時間変化率を算出する（ステップＳｂ４）。例えば、変化率取得部２１２は、まず、前回算出の水素残量から今回算出の水素残量を減算し、その減算結果を前回算出時から今回算出時までの時間間隔で除算することで、水素充填量の時間変化率を算出する。

次に、終了判定部２１３が、ステップＳｂ４で算出された水素充填量の時間変化率が、予め決められた閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳｂ５）。閾値未満であると判定したときは（ステップＳｂ５－Ｙｅｓ）、処理は図２のステップＳａ６のＹｅｓに進む。閾値未満でないと判定したときは（ステップＳｂ５－Ｎｏ）、終了判定部２１３は、水素ガスを充填している時間が、予め決められた閾値（例えば、２時間）を超えているか否かを判定する（ステップＳｂ６）。

閾値を超えていると判定したときは（ステップＳｂ６－Ｙｅｓ）、処理は図２のステップＳａ６のＹｅｓに進む。閾値を超えていないと判定したときは（ステップＳｂ６－Ｎｏ）、終了判定部２１３は、合金タンク２０７の圧力がカードル１０１の圧力以上であるか否かを判定する(ステップＳｂ７)。カードル１０１の圧力以上であると判定したときは（ステップＳｂ７－Ｙｅｓ）、処理は図２のステップＳａ６のＹｅｓに進む。カードル１０１の圧力以上でないと判定したときは（ステップＳｂ７－Ｎｏ）、処理は図２のステップＳａ６のＮｏに進む。

図４は、本実施形態における水素ガスの充填量と時間変化率とをプロットしたグラフである。図４において、実施例１は、合金タンク２０７に２０Ｎｍ^３の水素ガスが吸蔵されている状態から充填を開始し、８０Ｎｍ３吸蔵させると満杯になる場合の例である。実施例２は、合金タンク２０７に水素ガスが吸蔵されていない状態から充填を開始し、１００Ｎｍ３吸蔵させると満杯になる場合の例である。図４に示すように、実施例１、実施例２の双方で、時間変化率が０．００５を下回ったところで満杯まで３～５Ｎｍ^３となっており、ステップＳｂ５における閾値を０．００５とすると満杯の９５％程度まで充填することができる。このように、充填量の時間変化率を用いることで、合金タンク２０７内の水素ガスの残量に関わらず、充填の終了を判定することができる。したがって、合金タンク２０７内の水素残量を予め算出せずに、合金タンク２０７に水素ガスを充填することができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、カードル圧力計１０２、カードル温度計１０３の測定結果を用いて算出したカードル１０１の水素残量の変化から、充填量の時間変化率を算出した。第２の実施形態では、流量計により測定される流量を、充填量の時間変化率として用いる。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５は、この発明の第２の実施形態における水素カードル１０と水素貯蔵システム２０の構成を示す概略ブロック図である。図１とは、カードル圧力計１０２とカードル温度計１０３とを有しない点と、タンクガス管２０２の減圧弁２０６と合金タンク２０７の間の部分に流量計２１４を有している点が異なる。この流量計２１４は、合金タンク２０７に充填される水素ガスの流量を測定する。

図６は、本実施形態における変化率取得部２１２および終了判定部２１３の動作を説明するフローチャートである。図３のフローチャートとは、ステップＳｂ１からＳｂ５を有さない点と、ステップＳｃ１とＳｃ２を有する点が異なる。まず、変化率取得部２１２は、流量計２１４が測定した流量を取得する（ステップＳｃ１）。次に、終了判定部２１３が、ステップＳｃ１で取得した流量が、予め決められた閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳｃ２）。閾値未満であると判定したときは（ステップＳｃ２－Ｙｅｓ）、処理は図２のステップＳａ６のＹｅｓに進む。閾値未満でないと判定したときは（ステップＳｃ５－Ｎｏ）、処理はステップＳｂ６に進む。
このように、流量計２１４を用いても、第１の実施形態と同様に、合金タンク２０７内の水素残量を予め算出せずに、合金タンク２０７に水素を充填することができる。

また、図１、図５における制御装置２０９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２０９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。

１０１ カードル
１０２ カードル圧力計
１０３ カードル温度計
１０４ カードルガス管
１０５ カードルバルブ
２０１ 接続部
２０２ タンクガス管
２０３ パージガス管
２０４ パージバルブ
２０５ タンクバルブ
２０６ 減圧弁
２０７ 合金タンク
２０８ タンク圧力計
２０９ 制御装置
２１０ パージ処理部
２１１ 減圧弁制御部
２１２ 変化率取得部
２１３ 終了判定部
２１４ 流量計

Claims (5)

1. 水素を吸蔵する合金タンクと、
   前記合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得する変化率取得部と、
   前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了する終了判定部と
   を備える水素貯蔵システム。
2. 前記変化率取得部は、前記カードル内の圧力と温度を取得し、取得した前記圧力と前記温度と気体の状態方程式とを用いて、前記時間変化率を算出する、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
3. 前記カードルから前記合金タンクへ水素ガスを充填する前に、前記カードルと前記合金タンクを接続するガス管内への前記カードルからの水素ガスの充填と外気への放出とを繰り返すパージ処理部を備える、請求項１または請求項２に記載の水素貯蔵システム。
4. 水素を吸蔵する合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御装置であって、
   前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得する変化率取得部と、
   前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了する終了判定部と
   を備える制御装置。
5. 水素を吸蔵する合金タンクへのカードルからの水素ガスの供給を制御する制御方法であって、
   前記カードルから前記合金タンクへの水素ガスの充填量の時間変化率を取得するステップと、
   前記時間変化率が、予め決められた閾値未満となったときに、前記合金タンクへの水素の供給を終了するステップと
   を有する制御方法。

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