JP2024002141A - 水素ガス充填システム - Google Patents

Abstract

【課題】加圧充填される水素ガスの冷却手段の冷却性能をより向上させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る水素ガス充填システム１は、所定の圧力に蓄圧された水素ガスを被充填タンクに供給する経路Ｌ１と、経路Ｌ１に設けられる膨張タービン２０と、膨張タービン２０の上流側で経路Ｌ１から分岐する経路Ｌ２と、経路Ｌ２に設けられる膨張タービン４０と、膨張タービン４０の下流側の経路Ｌ２の水素ガスを用いて、経路Ｌ１の水素ガスを冷却する熱交換器５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、水素ガス充填システムに関する。

従来、燃料電池車の燃料タンク等の被充填対象のタンクに水素ガスを加圧充填するための水素ガス充填システムにおいて、水素ガスを冷却手段によって冷却しながら、被充填対象のタンクに加圧充填を行う技術が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１では、被充填対象のタンクへの水素の供給経路に膨張タービンを設け、膨張タービンで水素ガスを膨張させることによって、水素の温度を低下させながら、被充填対象のタンクへの加圧充填を行うことができる。そのため、充填時の水素ガスの温度が所定の上限を超えるような事態を抑制できる。

特開２０１７－１５０６６０号公報

しかしながら、加圧充填される水素ガスの冷却手段は、より高い冷却性能を有していることが望ましい。

そこで、上記課題に鑑み、加圧充填される水素ガスの冷却手段の冷却性能をより向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
所定の圧力に加圧又は蓄圧された水素ガスを被充填タンクに供給する第１の経路と、
前記第１の経路に設けられる第１の膨張タービンと、
前記第１の膨張タービンの上流側で前記第１の経路から分岐する第２の経路と、
前記第２の経路に設けられる第２の膨張タービンと、
前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路の水素ガスを用いて、前記第１の経路の水素ガスを冷却する冷却装置と、を備える、
水素ガス充填システムが提供される。

上述の実施形態によれば、加圧充填される水素ガスの冷却手段の冷却性能をより向上させることができる。

水素ガス充填システムの構成の第１例を示す図である。 水素ガス充填システムの構成の第２例を示す図である。 水素ガス充填システムの構成の第３例を示す図である。 水素ガス充填システムの構成の第４例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

［水素ガス充填システムの第１例］
図１を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第１例について説明する。

図１は、水素ガス充填システム１の構成の第１例を示す図である。

図１に示すように、本例では、水素ガス充填システム１は、経路Ｌ１，Ｌ２と、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０と、膨張タービン２０と、ディスペンサ３０と、膨張タービン４０と、熱交換器５０とを含む。

経路Ｌ１は、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０から所定の圧力に圧縮された水素ガスを被充填対象のタンク１００に供給するために用いられる。被充填対象のタンク１００は、例えば、燃料電池車に搭載される燃料タンクである。

経路Ｌ１は、経路Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４を含む。

経路Ｌ１１は、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０と膨張タービン２０との間を接続し、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０から膨張タービン２０に水素ガスを送る。

経路Ｌ１１には、経路Ｌ１１を水素ガスが通流可能な開状態と通流不可能な閉状態とを切り換える開閉弁Ｖ１１が設けられる。

経路Ｌ１２は、膨張タービン２０とディスペンサ３０との間を接続し、膨張タービン２０から流出する水素ガスをディスペンサ３０に送る。

経路Ｌ１３は、ディスペンサ３０の内部に設けられ、経路Ｌ１２との連結部に相当する入口と、経路Ｌ１４との連結部に相当する出口との間を接続する。

経路Ｌ１３には、経路Ｌ１３を水素ガスのタンク側の昇圧率を制御するが通流可能な開状態と通流不可能な閉状態とを切り換える開閉弁Ｖ１３が設けられる。ディスペンサ３０に対するユーザの操作に応じて、開閉弁Ｖ１３が閉状態から開状態に移行することでタンク１００への水素ガスの充填工程が開始される。

経路Ｌ１４は、ディスペンサ３０の筐体とタンク１００の充填口との間を接続する。経路Ｌ１４は、ディスペンサ３０の筐体から延び出すように設けられるホースに相当し、ユーザは、ホース（経路Ｌ１４）の先端のコネクタをタンク１００の充填口に接続することにより、ディスペンサ３０からタンク１００への水素ガスの充填可能な状態を実現することができる。

経路Ｌ２は、経路Ｌ１１における開閉弁Ｖ１１の上流側の箇所から分岐し、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０における水素ガスが所定の圧力に圧縮される前の工程に対応する低圧部１０Ａに接続される。

経路Ｌ２には、膨張タービン４０の負荷を制御（調整）する調整弁Ｖ２が設けられる。

水素ガス圧縮・貯蔵設備１０は、所定の圧力に圧縮された水素ガスを、経路Ｌ１を通じてタンク１００に供給する。水素ガス圧縮・貯蔵設備１０は、低圧の水素ガスを圧縮し所定の圧力まで高める圧縮機を含む。また、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０は、圧縮機により圧縮された水素ガスを蓄圧する蓄圧器を含んでもよい。水素ガス圧縮・貯蔵設備１０は、圧縮機で所定の圧力まで圧縮（加圧）された水素ガスを経路Ｌ１に直接供給してもよいし、圧縮後に蓄圧器に蓄圧（貯蔵）された水素ガスを経路Ｌ１に供給してもよいし、その双方の方法で経路Ｌ１に供給可能に構成されていてもよい。

膨張タービン２０は、経路Ｌ１１から流入する水素ガスを膨張させ低圧側の経路Ｌ１２に流出させる。これにより、膨張タービン２０は、水素ガスの温度を低下させることができる。

膨張タービン２０の回転軸の他端には、水素ガスにより駆動される回転軸のエネルギ消費用の回転体が連結される。本例では、エネルギ消費用の回転体として、制動用の圧縮機のインペラが採用され、循環回路中では、所定の気体が圧縮機で圧縮されると共に、圧縮後の温度が上昇した気体が熱交換器で冷却された後に、圧縮機に戻る工程が繰り返される。以下、膨張タービン４０についても同様であってよい。

ディスペンサ３０は、ユーザの操作に応じて、水素ガスをタンク１００に供給し充填する。例えば、ユーザは、上述の如く、経路Ｌ１４に相当するホースの先端のコネクタをタンク１００の充填口に連結し、ディスペンサ３０に対する所定の操作入力を行う。これにより、開閉弁Ｖ１３が閉状態から開状態に移行し、ディスペンサ３０（経路Ｌ１３）から経路Ｌ１４を通じてタンク１００に水素ガスが充填される。

膨張タービン４０は、経路Ｌ２の調整弁Ｖ２より下流側に設けられ、経路Ｌ１１から分流する形で供給される水素ガスを膨張させる。この際、膨張タービン４０の出口側の圧力は略一定に保たれ、その結果、膨張タービン４０は、比較的高い断熱効率点を維持することができる。これにより、膨張タービン４０は、安定して相対的に大きな水素ガスの温度降下量を実現することができる。

熱交換器５０は、膨張タービン４０の下流側の経路Ｌ２の水素ガスと、経路Ｌ１１の水素ガスとの間で熱交換を行う。これにより、膨張タービン４０による膨張行程によって温度が低下した、膨張タービン４０より下流側の経路Ｌ２の水素ガスによって、経路Ｌ１１の水素ガス、即ち、膨張タービン２０に流入する水素ガスを前もって冷却し温度を低下させることができる。

このように、本例では、膨張タービン２０の膨張行程によって、タンク１００に充填される水素ガスを冷却することができる。併せて、本例では、水素ガスの供給源としての水素ガス圧縮・貯蔵設備１０を基準として膨張タービン２０と並列に設置される膨張タービン４０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスを用いて、タンク１００に充填される水素ガスを冷却することができる。これにより、加圧充填される水素ガスの冷却手段の冷却性能をより向上させることができる。そのため、タンク１００に充填された水素ガスの温度が所定の基準温度（例えば、燃料電池車で規定される８５℃）を超えるような事態の発生をより適切に抑制することができると共に、より早い時間でのタンク１００への水素ガスの充填を完了することができる。よって、水素ガス充填システム１の運転余裕度を向上させることができる。

［水素ガス充填システムの第２例］
次に、図２を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第２例について説明する。

以下、上述の第１例と同じ或いは対応する構成には同じ符号を付すと共に、上述の第１例と異なる部分を中心に説明し、上述の第１例と同じ或いは対応する内容の説明を簡略化或いは省略する場合がある。

図２は、水素ガス充填システム１の構成の第２例を示す図である。

図２に示すように、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第１例と同様、経路Ｌ１，Ｌ２と、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０と、膨張タービン２０と、ディスペンサ３０と、膨張タービン４０とを含む。また、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第１例とは異なり、熱交換器５０に代えて、熱交換器５５を含む。

熱交換器５５は、膨張タービン２０の下流側の経路Ｌ２の水素ガスと、経路Ｌ１２の水素ガスとの間で熱交換を行う。これにより、膨張タービン４０による膨張行程によって温度が低下した、膨張タービン４０より下流側の経路Ｌ２の水素ガスによって、経路Ｌ１２の水素ガス、即ち、膨張タービン２０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスを冷却し更に温度を低下させることができる。

このように、本例では、上述の第１例と同様、膨張タービン２０の膨張行程によって、タンク１００に充填される水素ガスを冷却することができる。併せて、本例では、上述の第１例と同様、膨張タービン４０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスを用いて、タンク１００に充填される水素ガスを更に冷却することができる。これにより、上述の第１例と同様の作用・効果を奏し、水素ガス充填システム１の運転余裕度を向上させることができる。

［水素ガス充填システムの第３例］
次に、図３を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第３例について説明する。

以下、上述の第１例や第２例と同じ或いは対応する構成には同じ符号を付すと共に、上述の第１例や第２例と異なる部分を中心に説明し、上述の第１例や第２例と同じ或いは対応する内容の説明を簡略化或いは省略する場合がある。

図３は、水素ガス充填システム１の構成の第３例を示す図である。

図３に示すように、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第２例と同様、経路Ｌ１，Ｌ２と、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０と、膨張タービン２０と、ディスペンサ３０と、膨張タービン４０と、熱交換器５５を含む。また、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第１例～第３例と異なり、熱交換器６０を含む。

熱交換器６０は、膨張タービン４０より上流側の経路Ｌ２の水素ガスと、膨張タービン４０より下流側且つ熱交換器５５より下流側の経路Ｌ２の水素ガスとの間で熱交換を行う。これにより、膨張タービン４０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスによって、膨張タービン４０に流入する前の水素ガスを冷却することができる。そのため、熱交換器５５を通過する経路Ｌ２の部分の水素ガスの温度を更に低下させることができ、その結果、経路Ｌ１２の水素ガスの温度を更に低下させることができる。特に、膨張タービン４０の膨張工程で温度が低下した後に熱交換器５５を通過し流出する水素ガスの温度が水素ガス圧縮・貯蔵設備１０の圧縮機の吸入許容温度よりも低いような場合に有効である。

このように、本例では、熱交換器６０は、膨張タービン４０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスを用いて、膨張タービン４０に流入する前の水素ガスの温度を低下させることができる。これにより、膨張タービン４０から流出する水素ガスの温度を更に低下させることができ、その結果、膨張タービン４０の膨張行程によって温度が低下した水素ガスを用いて、タンク１００に充填される水素ガスの温度を更に低下させることができる。

［水素ガス充填システムの第４例］
次に、図４を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第４例について説明する。

以下、上述の第１例～第３例と同じ或いは対応する構成には同じ符号を付すと共に、上述の第１例～第３例と異なる部分を中心に説明し、上述の第１例～第３例と同じ或いは対応する内容の説明を簡略化或いは省略する場合がある。

図４は、水素ガス充填システム１の構成の第４例を示す図である。

図４に示すように、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第３例と同様、経路Ｌ１，Ｌ２と、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０と、膨張タービン２０と、ディスペンサ３０と、膨張タービン４０と、熱交換器５５と、熱交換器６０とを含む。また、本例では、水素ガス充填システム１は、上述の第１例～第３例と異なり、経路Ｌ３を含む。

経路Ｌ３は、経路Ｌ２の膨張タービン４０より下流側且つ熱交換器５５より下流側の部分と、経路Ｌ１２の熱交換器５５よりも下流側の部分とを接続する経路である。これにより、膨張タービン４０の出口側の圧力がタンク１００の圧力よりも高い場合に、膨張タービン４０の膨張工程で温度が低下した経路Ｌ２の水素ガスの一部又は全部を経路Ｌ１２に合流させてタンク１００に供給することができる。そのため、経路Ｌ２を通じて水素ガス圧縮・貯蔵設備１０の低圧部１０Ａに戻される水素ガスの量を低減し、戻される水素ガスの再圧縮の動力を低減することができる。

経路Ｌ３には、経路Ｌ３を水素ガスが通流可能な開状態と通流不可能な閉状態とを切り換える開閉弁Ｖ３が設けられる。これにより、開閉弁Ｖ３の操作によって、膨張タービン４０より下流側の経路Ｌ２の水素ガスを経路Ｌ１２に合流させる状態と合流させない状態とを切り換えることができる。

このように、本例では、経路Ｌ３を通じて、膨張タービン４０より下流側の経路Ｌ２の水素ガスを経路Ｌ１（経路Ｌ１２）に合流させ、タンク１００に充填させることができる。これにより、経路Ｌ２から水素ガス圧縮・貯蔵設備１０の低圧部１０Ａに戻される水素ガスの量を低減することができ、その結果、水素ガス圧縮・貯蔵設備１０の水素ガスの圧縮時の動力を低減することができる。

［水素ガス充填システムの他の例］
次に、水素ガス充填システム１の他の例について説明する。

上述の実施形態（第１例～第４例）は、適宜、組み合わせられる等の変形や変更が加えられたりしてもよい。

例えば、上述の第３例や第４例では、熱交換器５５に代えて、上述の第１例の熱交換器５０が採用されてもよい。

また、上述の第３例やその変形例では、膨張タービン４０よりも下流側の経路Ｌ２において、熱交換器５０或いは熱交換器５５と熱交換器６０との間の位置関係が逆にされてもよい。

また、上述の第４例やその変形例では、経路Ｌ３は、膨張タービン４０よりも下流側の経路Ｌ２における熱交換器５０或いは熱交換器５５、及び熱交換器６０の双方よりも上流側の部分或いは下流側の部分から分岐するように設けられてもよい。

また、上述の第１例～第４例やその変形例では、経路Ｌ１１を膨張タービン２０の回転軸の他端に連結される圧縮機に接続し、圧縮機から流出する水素ガスを熱交換器で冷却した後に膨張タービン２０に流入させるようにしてもよい。これにより、膨張タービン２０での水素ガスの膨張比を増加させることができ、その結果、水素ガスの温度を更に低下させることができる。また、膨張タービン４０についても同様であってよい。

［作用］
次に、本実施形態に係る水素ガス充填システムの作用について説明する。

例えば、燃料電池車向けの水素ガス充填システムでは、水素ガスの流量が比較的小さく、その結果、膨張タービンを使用する場合、膨張タービンが非常に小型となり且つ高回転となる場合がある。この場合、膨張タービンが小型であることから断熱効率を犠牲にして高速回転の信頼性を確保する必要が生じる。また、水素ガスの充填工程の初期（被充填対象のタンクの圧力が相対的に低いとき）の高膨張比の状態から、充填工程の後半（被充填対象のタンクの圧力が相対的に高いとき）の低膨張比の状態まで膨張タービンの効率を全体として最大化する必要が生じる。また、起動及び停止が高頻度になることを想定すると、膨張タービンのガス軸受構造の代表隙間を比較的大きく確保する必要があることから、ガス軸受室からプロセス側への内部漏洩のガスを無視することができない。そのため、膨張タービンの断熱効率を常に適正に保つことは困難であり、膨張タービンの断熱効率の低下によって、水素ガスの冷却性能に関する運転余裕度が比較的小さくなってしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、水素ガス充填システムは、第１の経路と、第１の膨張タービンと、第２の経路と、第２の膨張タービンと、冷却装置と、を備える。水素ガス充填システムは、例えば、上述の水素ガス充填システム１である。第１の経路は、例えば、上述の経路Ｌ１である。第１の膨張タービンは、例えば、上述の膨張タービン２０である。第２の経路は、例えば、上述の経路Ｌ２である。第２の膨張タービンは、例えば、上述の膨張タービン４０である。冷却装置は、例えば、上述の熱交換器５０や熱交換器５５である。具体的には、第１の経路は、所定の圧力に加圧又は蓄圧された水素ガスを被充填タンクに供給する。被充填タンクは、例えば、タンク１００である。また、第１の膨張タービンは、第１の経路に設けられる。また、第２の経路は、第１の膨張タービンの上流側で第１の経路から分岐する。また、第２の膨張タービンは、第２の経路に設けられる。そして、冷却装置は、第２の膨張タービンの下流側の第２の経路の水素ガスを用いて、第１の経路の水素ガスを冷却する。

これにより、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを用いて、被充填タンクに充填される水素ガスの温度を低下させることができる。そのため、水素ガス充填システムは、第１の膨張タービンの膨張工程における温度の低下に加えて、更に、被充填タンクに充填される水素ガスの温度を低下させることができる。そのため、加圧充填される水素ガスの冷却手段の冷却性能をより向上させることができ、その結果、水素ガス充填システムにおける水素ガスの冷却性能に関する運転余裕度を向上させることができる。

また、本実施形態では、冷却装置は、第２の膨張タービンの下流側の第２の経路の水素ガスと、第１の膨張タービンの上流側の第１の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換器であってもよい。第１の熱交換器は、例えば、上述の熱交換器５０である。

これにより、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを用いて、第１の膨張タービンの膨張工程で温度が低下する前の水素ガスを前もって冷却することができる。

また、本実施形態では、冷却装置は、第２の膨張タービンの下流側の第２の経路の水素ガスと、第１の膨張タービンの下流側の第１の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器であってもよい。第２の熱交換器は、例えば、上述の熱交換器５５である。

これにより、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを用いて、第１の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを更に冷却することができる。

また、本実施形態では、水素ガス充填システムは、第３の熱交換器を備えてもよい。第３の熱交換器は、例えば、上述の熱交換器６０である。具体的には、第３の熱交換器は、第２の膨張タービンの下流側の第２の経路の水素ガスと、第２の膨張タービンの上流側の第２の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う。

これにより、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを用いて、第２の膨張タービンに流入する水素ガスの冷却することができる。そのため、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンから流出する水素ガスの温度を更に低下させることができ、その結果、第１の経路を通じて被充填タンクに充填される水素ガスの温度を更に低下させることができる。

また、本実施形態では、水素ガス充填システムは、第３の経路を備えてもよい。第３の経路は、例えば、上述の経路Ｌ３である。具体的には、第３の経路は、第２の膨張タービンの下流側の第２の経路と、第１の膨張タービンの下流側の第１の経路とを接続する。

これにより、水素ガス充填システムは、第２の膨張タービンの膨張工程で温度が低下した水素ガスを被充填タンクに供給し充填することができる。

以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 水素ガス充填システム
１０ 水素ガス圧縮・貯蔵設備
１０Ａ 低圧部
２０ 膨張タービン
３０ ディスペンサ
４０ 膨張タービン
５０ 熱交換器
５５ 熱交換器
６０ 熱交換器
１００ タンク
Ｌ１ 経路
Ｌ２ 経路
Ｌ３ 経路
Ｌ１１ 経路
Ｌ１２ 経路
Ｌ１３ 経路
Ｌ１４ 経路
Ｖ２ 調整弁
Ｖ３ 開閉弁
Ｖ１１ 開閉弁
Ｖ１３ 開閉弁

Claims (5)

1. 所定の圧力に加圧又は蓄圧された水素ガスを被充填タンクに供給する第１の経路と、
   前記第１の経路に設けられる第１の膨張タービンと、
   前記第１の膨張タービンの上流側で前記第１の経路から分岐する第２の経路と、
   前記第２の経路に設けられる第２の膨張タービンと、
   前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路の水素ガスを用いて、前記第１の経路の水素ガスを冷却する冷却装置と、を備える、
   水素ガス充填システム。
2. 前記冷却装置は、前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路の水素ガスと、前記第１の膨張タービンの上流側の前記第１の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換器である、
   請求項１に記載の水素ガス充填システム。
3. 前記冷却装置は、前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路の水素ガスと、前記第１の膨張タービンの下流側の前記第１の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器である、
   請求項１に記載の水素ガス充填システム。
4. 前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路の水素ガスと、前記第２の膨張タービンの上流側の前記第２の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第３の熱交換器を備える、
   請求項２又は３に記載の水素ガス充填システム。
5. 前記第２の膨張タービンの下流側の前記第２の経路と、前記第１の膨張タービンの下流側の前記第１の経路とを接続する第３の経路を備える、
   請求項２又は３に記載の水素ガス充填システム。

Images