JP4040525B2

JP4040525B2 - 水素充填装置

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Publication number: JP4040525B2
Application number: JP2003125354A
Authority: JP
Inventors: 毅昭島田; 芳雄縫谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: US7147690B2; US20050003246A1; JP2004332757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素充填装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素製造装置で製造した水素を蓄圧器（アキュムレータ）に貯蔵し、この蓄圧器から燃料電池車両の水素貯蔵手段に水素を充填する技術としては、例えば、特許文献１に開示された水素製造充填装置が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１３９４０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池車両の前記水素貯蔵手段が圧力水素タンクであって、その貯蔵圧力が高い場合には、前記貯蔵圧力以上の圧力で蓄圧器に水素を貯蔵しておかなければならず、高出力のコンプレッサが必要となり、消費電力も多くなる。
また、水素ガスは密度が大きくないので、大きな容量の蓄圧器が必要となり、その結果、大きな設置スペースが必要となる。
そこで、この発明は、設置スペースを小さくできる、エネルギー消費も減少することができる水素充填装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、互いに貯蔵圧力の異なる水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ４）を備えた３つ以上の水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における水素貯蔵器１１〜１４）と、前記水素貯蔵器のうち貯蔵圧力が最も低い水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における水素貯蔵器１１）に水素を供給する水素供給装置（例えば、後述する実施の形態における改質器２、水素供給管３０）と、貯蔵圧力が最も近い水素貯蔵器同士を接続し開閉バルブ（例えば、後述する実施の形態におけるバルブＶ１〜Ｖ３）を備える貯蔵器充填用流路（例えば、後述する実施の形態における充填管３１〜３３）と、前記貯蔵器充填用流路によって接続された２つの水素貯蔵器のうちの貯蔵圧力の低い方の水素貯蔵器の水素吸蔵合金を加熱することで高圧化した水素を、この貯蔵器充填用流路を介して貯蔵圧力が高い方の水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵させるときのみ該貯蔵器充填用流路の前記開閉バルブを開き、それ以外のときは閉ざすように開閉バルブを制御するバルブ制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ４０）と、前記各水素貯蔵器と圧力水素タンク（例えば、後述する実施の形態における圧力水素タンク５０）とを接続するタンク充填用流路（例えば、後述する実施の形態における充填管３４〜３８）と、前記タンク充填用流路に設けられ前記複数の水素貯蔵器のうちのいずれか一つを選択して前記圧力水素タンクに接続可能にする流路切り替え手段（例えば、後述する実施の形態におけるバルブＶ４〜Ｖ７）と、を備えたことを特徴とする水素充填装置（例えば、後述する実施の形態における水素充填装置１）である。
【０００６】
このように構成することにより、各水素貯蔵器に水素を貯蔵する際には、初めに水素供給装置から貯蔵圧力が低い水素貯蔵器に水素を供給し、次に、この水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器に貯蔵された水素を高圧化して放出し、貯蔵器充填用流路を介して貯蔵圧力が高い水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵器に移送し、これを順次行うことによって総ての水素貯蔵器に水素を貯蔵することができる。そして、これら水素貯蔵器に貯蔵された水素を圧力水素タンクに充填する際には、水素貯蔵器を加熱して水素を放出させ、流路切り替え手段によって該水素貯蔵器を圧力水素タンクとを接続して、該水素貯蔵器から圧力水素タンクへ水素を充填することができる。この圧力水素タンクへの水素充填は、貯蔵圧力の低い水素貯蔵器から順に行っていくと総ての水素貯蔵器を用いて圧力水素タンクへの水素充填を行うことができる。
また、水素貯蔵器は水素吸蔵合金を備えて構成されているので、水素吸蔵合金を備えずに水素をガス状で貯蔵する場合よりも、水素貯蔵器の容量を小さくすることができる。
また、貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器に水素を貯蔵しているので、全量を一定圧力で水素を貯蔵するよりも、昇圧に必要なエネルギーを小さくすることができる。また、水素貯蔵器の熱の授受だけで水素貯蔵器への水素充填および圧力水素タンクへの水素充填を行うことができ、操作が簡単になる。また、貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器から圧力水素タンクに水素を充填するので、水素貯蔵器の総容量を低減することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧力水素タンクの残容量情報あるいは充填時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ４０）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、圧力水素タンクの残容量情報あるいは充填時間情報に応じて充填に供すべき水素貯蔵器を選択することができる。特に、充填時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段の場合には、制限時間内に充填可能な最大容量の水素を圧力水素タンクに充填することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧力水素タンクへの接続を貯蔵圧力の低い水素貯蔵器から行い、順次、貯蔵圧力の高い水素貯蔵器に接続するように前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ４０）を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧力水素タンクは車両（例えば、後述する実施の形態における燃料電池車両ＦＣＶ）に搭載され、前記車両の停車時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ４０）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、車両の停車時間情報に応じて充填に供すべき蓄圧器を選択することができるので、制限された停車時間内に充填可能な最大容量の水素を車両の圧力水素タンクに充填することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る水素充填装置の実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して水素充填装置の構成を説明する。この実施の形態における水素充填装置１は、燃料電池車両（水素燃料車両）ＦＣＶに搭載され最高貯蔵圧力が３５ＭＰａに設定された圧力水素タンク５０に水素を充填する態様である。
水素充填装置１は、例えば都市ガスやガソリンなどを原燃料としてガス状の水素を製造する改質器（水素供給装置）２と、改質器２で製造された水素を貯蔵する４つの水素貯蔵器（蓄圧器）１１，１２，１３，１４を備えている。
４つの水素貯蔵器１１，１２，１３，１４には、互いに貯蔵圧力が異になるように、それぞれ温度−圧力特性（以下、Ｔ−Ｐ特性という）を異にする水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３，ＭＨ４が収納されている。周知のように、水素吸蔵合金は、水素吸蔵合金の温度が高いほど水素解離圧（水素放出平衡圧）が高くなる性質（Ｔ−Ｐ特性）を有している。
【００１４】
図２は、この実施の形態で用いた水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３，ＭＨ４のＴ−Ｐ特性を示すＴ−Ｐ特性図であり、横軸に水素吸蔵合金の絶対温度の逆数（１／Ｔ）、縦軸に水素解離圧の対数（ｌｏｇＰ）をとっている。
水素貯蔵器１１に収納された水素吸蔵合金ＭＨ１は、合金温度が４０°Ｃにおいて水素解離圧がＰ０（例えば略大気圧＝０．１ＭＰａ）以下となり、合金温度が８０゜Ｃにおいて水素解離圧がＰ１（例えば、０．３ＭＰａ）となるＴ−Ｐ特性を有している。
水素貯蔵器１２に収納された水素吸蔵合金ＭＨ２は、合金温度が４０°Ｃで水素解離圧がＰ１以下となり、合金温度が８０゜Ｃで水素解離圧がＰ２（例えば、２ＭＰａ）となるＴ−Ｐ特性を有している。
水素貯蔵器１３に収納された水素吸蔵合金ＭＨ３は、合金温度が４０°Ｃで水素解離圧がＰ２以下となり、合金温度が８０゜Ｃで水素解離圧がＰ３（例えば、１０ＭＰａ）となるＴ−Ｐ特性を有している。
水素貯蔵器１４に収納された水素吸蔵合金ＭＨ４は、合金温度が４０°Ｃで水素解離圧がＰ３以下となり、合金温度が８０゜Ｃで水素解離圧がＰ４（例えば、３５ＭＰａ）となるＴ−Ｐ特性を有している。
【００１５】
図２のＴ−Ｐ特性図からわかるように、同一温度条件において水素解離圧を比較すると、水素解離圧は水素吸蔵合金ＭＨ１が最も低く、ＭＨ２、ＭＨ３、ＭＨ４の順に徐々に高くなっている。すなわち、同一温度条件において水素貯蔵器１１の貯蔵圧力が最も低く、水素貯蔵器１２，１３，１４の順に徐々に高くなるように各水素貯蔵器１１，１２，１３，１４に収納する水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３，ＭＨ４が選定されている。
また、水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３はいずれも、直ぐ上位の水素解離圧（換言すれば、貯蔵圧力）の水素吸蔵合金（すなわち、ＭＨ１に対するＭＨ２、ＭＨ２に対するＭＨ３、ＭＨ３に対するＭＨ４）との関係において、４０〜８０°Ｃの合金温度範囲では、該水素吸蔵合金の８０゜Ｃ付近の水素解離圧と直ぐ上位の水素吸蔵合金の４０゜Ｃ付近の水素解離圧が重複するようになっている。これは、後述する水素貯蔵器１１〜１４への水素充填を行う際に必要不可欠な条件となる。
【００１６】
各水素貯蔵器１１，１２，１３，１４には、水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３，ＭＨ４を加熱および冷却するための温度制御装置（温度制御手段）２１，２２，２３，２４が設けられている。温度制御装置２１〜２４は、温水や冷水などの熱媒体との熱交換により水素吸蔵合金を加熱、冷却するものであってもよいし、加熱は電気ヒータで行い、冷却は冷風あるいは冷水との熱交換で行うなど、種々の形態が採用可能である。ここで、温度制御装置２１〜２４として、熱媒体を介して熱交換を行う熱交換器を用いた場合には、改質器２等の廃熱を加熱源として利用することが可能になる。温度制御装置２１〜２４は電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）４０によって運転制御される。
また、各水素貯蔵器１１，１２，１３，１４は、貯蔵されている水素の圧力を検出するための圧力センサ２５，２６，２７，２８を備えており、各圧力センサ２５〜２８の出力信号はＥＣＵ４０に入力される。
【００１７】
改質器２は、バルブＶ０を備えた水素供給管３０を介して、貯蔵圧力の最も低い水素貯蔵器１１に接続されており、改質器２で製造された水素を水素貯蔵器１１に充填することができるようにされている。この実施の形態において、改質器２と水素供給管３０は水素供給装置を構成する。
水素貯蔵器１１とこれに対して貯蔵圧力が直ぐ上位の水素貯蔵器１２はバルブＶ１を備えた充填管３１を介して接続され、水素貯蔵器１２とこれに対して貯蔵圧力が直ぐ上位の水素貯蔵器１３はバルブＶ２を備えた充填管３２を介して接続され、水素貯蔵器１３とこれに対して貯蔵圧力が直ぐ上位の水素貯蔵器１４はバルブＶ３を備えた充填管３３を介して接続されている。この実施の形態において、充填管３１〜３３は貯蔵器充填用流路を構成する。バルブＶ０〜Ｖ３は、水素貯蔵器１１〜１４への水素充填時にＥＣＵ４０によって開閉制御される。
【００１８】
また、水素貯蔵器１１，１２，１３，１４はそれぞれ、バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７を備えた充填管３４，３５，３６，３７を介して充填管３８に接続されており、充填管３８は図示しないコネクタを介して車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０に接続可能にされている。バルブＶ４〜Ｖ７は、圧力水素タンク５０への水素充填時にＥＣＵ４０によって開閉制御される。この実施の形態において、充填管３４〜３８はタンク充填用流路を構成し、バルブＶ４〜Ｖ７は、４つの水素貯蔵器１１〜１４のうちのいずれか一つを選択して圧力水素タンク５０に接続可能にする流路切り替え手段を構成する。
また、充填管３８を前記コネクタを介して圧力水素タンク５０に接続すると、圧力水素タンク５０内の圧力を検出する圧力センサ５１がＥＣＵ４０に自動的に接続され、圧力センサ５１の出力信号がＥＣＵ４０に入力されるように構成されている。ここで、圧力水素タンク５０内の圧力が高いほど圧力水素タンク５０に残っている水素量が多いので、圧力水素タンク５０内の圧力は圧力水素タンク５０の残容量情報になり得る。
【００１９】
次に、この水素充填装置１の水素貯蔵器１１〜１４に水素を充填する方法を説明する。水素貯蔵器１１〜１４に水素充填するときには、水素貯蔵器１１〜１３に収納されている水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ３を昇圧器として利用し、貯蔵圧力が下位の水素貯蔵器に貯蔵された水素を昇圧して貯蔵圧力が上位の水素貯蔵器に順次移送していく。
詳述すると、まず初めに水素貯蔵器１１に水素を充填するには、バルブＶ１を閉じ、水素貯蔵器１１の水素吸蔵合金ＭＨ１の温度を４０゜Ｃ以下に保持し、水素吸蔵合金ＭＨ１の水素解離圧をＰ０（大気圧）以下にする。その場合、必要に応じて温度制御装置２１を運転して水素吸蔵合金ＭＨ１を冷却する。そして、バルブＶ０を開き、水素吸蔵合金ＭＨ１の温度を４０゜Ｃ以下に保持しながら、改質器２から水素貯蔵器１１に水素を供給する。
【００２０】
そして、水素貯蔵器１１が水素で満杯になり、改質器２から水素貯蔵器１１に水素を充填できなくなったら、バルブＶ０，Ｖ２を閉じ、水素貯蔵器１２の水素吸蔵合金ＭＨ２の温度を４０゜Ｃ以下に保持して、水素吸蔵合金ＭＨ２の水素解離圧をＰ１以下にする。その場合、必要に応じて温度制御装置２２を運転して水素吸蔵合金ＭＨ２を冷却する。その後、バルブＶ１を開いて充填管３１を介して水素貯蔵器１１と水素貯蔵器１２を連通し、水素貯蔵器１１の温度制御装置２１を運転して水素吸蔵合金ＭＨ１を加熱し８０゜Ｃに保持することにより、水素貯蔵器１１に貯蔵されている水素の圧力をＰ１まで昇圧し、水素貯蔵器１１に貯蔵された圧力Ｐ１の水素を水素貯蔵器１２の水素吸蔵合金ＭＨ２に吸蔵させる。これにより、水素貯蔵器１１の水素を水素貯蔵器１２に移送することができる。
【００２１】
そして、水素貯蔵器１２が水素で満杯になり、水素貯蔵器１１から水素貯蔵器１２に水素を移送できなくなったら、バルブＶ１，Ｖ３を閉じ、水素貯蔵器１３の水素吸蔵合金ＭＨ３の温度を４０゜Ｃ以下に保持して、水素吸蔵合金ＭＨ３の水素解離圧をＰ２以下にする。その場合、必要に応じて温度制御装置２３を運転して水素吸蔵合金ＭＨ３を冷却する。その後、バルブＶ２を開いて充填管３２を介して水素貯蔵器１２と水素貯蔵器１３を連通し、水素貯蔵器１２の温度制御装置２２を運転して水素吸蔵合金ＭＨ２を加熱し８０゜Ｃに保持することにより、水素貯蔵器１２に貯蔵されている水素の圧力をＰ２まで昇圧し、水素貯蔵器１２に貯蔵された圧力Ｐ２の水素を水素貯蔵器１３の水素吸蔵合金ＭＨ３に吸蔵させる。これにより、水素貯蔵器１２の水素を水素貯蔵器１３に移送することができる。
【００２２】
そして、水素貯蔵器１３が水素で満杯になり、水素貯蔵器１２から水素貯蔵器１３に水素を移送できなくなったら、バルブＶ２を閉じ、水素貯蔵器１４の水素吸蔵合金ＭＨ４の温度を４０゜Ｃ以下に保持して、水素吸蔵合金ＭＨ４の水素解離圧をＰ３以下にする。その場合、必要に応じて温度制御装置２４を運転して水素吸蔵合金ＭＨ４を冷却する。その後、バルブＶ３を開いて充填管３３を介して水素貯蔵器１３と水素貯蔵器１４を連通し、水素貯蔵器１３の温度制御装置２３を運転して水素吸蔵合金ＭＨ３を加熱し８０゜Ｃに保持することにより、水素貯蔵器１３に貯蔵されている水素の圧力をＰ３まで昇圧し、水素貯蔵器１３に貯蔵された圧力Ｐ３の水素を水素貯蔵器１４の水素吸蔵合金ＭＨ４に吸蔵させる。これにより、水素貯蔵器１３の水素を水素貯蔵器１４に移送することができる。
水素貯蔵器１４が水素で満杯になり、水素貯蔵器１３から水素貯蔵器１４に水素を移送できなくなったら、バルブＶ３を閉じる。
【００２３】
次に、車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０への水素充填方法について説明する。水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ４に同じ合金系の水素吸蔵合金を使用した場合、貯蔵すべき水素量が同量であれば、必要となる水素吸蔵合金量はほぼ同量となる。したがって、総ての水素貯蔵器１１〜１４の貯蔵容量を圧力水素タンク５０の貯蔵容量と同じにしておけば、図５に示すように、貯蔵圧力が下位の水素貯蔵器から直ぐ上位の水素貯蔵器への水素移送はそれぞれ１回ずつで済み、空の状態の圧力水素タンク５０に水素を満充填するときに、水素貯蔵器１４に貯蔵された水素の全量を圧力水素タンク５０に１回移送するだけで済む。しかしながら、このようにすると、水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ４の総使用量が多くなり、水素貯蔵器１１〜１４の総容量が大きくなり、その結果、コストアップになるだけでなく、水素充填装置１の設置スペースが大きくなる。また、水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ４の使用量が多くなれば温度制御装置２１〜２２の熱負荷が大きくなり、大きな能力が必要となって水素充填装置１が大型化する。
【００２４】
そこで、この実施の形態の水素充填装置１では、基本的には、総ての水素貯蔵器１１〜１４から圧力水素タンク５０に水素を充填するようにして、水素充填装置１の小型・軽量化、および、コストダウンを図っている。
なお、水素貯蔵器１２，１３への水素充填方法は、前述した水素貯蔵器１４への水素充填方法と同様であり、水素貯蔵器１４への水素充填が終了したら、水素貯蔵器１１，１２を介して水素貯蔵器１３への水素充填を行い、水素貯蔵器１３への水素充填が終了したら、水素貯蔵器１１を介して水素貯蔵器１２への水素充填を行う。
【００２５】
総ての水素貯蔵器１１〜１４から圧力水素タンク５０に水素を充填するときには、当然のことながら、貯蔵圧力の低い水素貯蔵器から順番に圧力水素タンク５０に水素を充填していかなければならない。
そして、貯蔵圧力の低いものから順に、水素貯蔵器１１，１２，１３，１４に貯蔵されている水素の全量を、内部圧力が大気圧で空の状態の圧力水素タンク５０に充填していき、圧力水素タンク５０を満充填させるようにした場合には、各水素貯蔵器１１〜１４の貯蔵圧力（すなわち、圧力水素タンク５０への水素充填圧力）に応じて、各水素貯蔵器１１〜１４の容量比率が決定される。
例えば、水素貯蔵器１１の貯蔵圧力Ｐ１を０．３ＭＰａ、水素貯蔵器１２の貯蔵圧力Ｐ２を２ＭＰａ、水素貯蔵器１３の貯蔵圧力Ｐ３を１０ＭＰａ、水素貯蔵器１４の貯蔵圧力Ｐ４を３５ＭＰａとした場合には、圧力水素タンク５０の満充填時の水素貯蔵量１００％に対して、理論上、水素貯蔵器１１の水素貯蔵量は約０．１％、水素貯蔵器１２の水素貯蔵量は約７．４％、水素貯蔵器１３の水素貯蔵量は約２５．０％、水素貯蔵器１４の水素貯蔵量は約６７．５％となる。
【００２６】
この水素貯蔵量に応じて水素貯蔵器１１〜１４の容量比率を設定すると、水素貯蔵器１１〜１４の総容積を最小にすることができ、小型・軽量、コストダウンの効果が最も大きい。しかしながら、この場合、図６に示すように、圧力水素タンク５０への水素充填に先立って行う水素貯蔵器１１〜１４への水素充填のときには、水素貯蔵器１４への水素充填のために水素貯蔵器１３から水素貯蔵器１４への水素移送を３回繰り返さなければならなくなり、水素貯蔵器１３，１４への水素充填のために水素貯蔵器１２から水素貯蔵器１３への水素移送を１６回繰り返さなければならず、水素貯蔵器１２，１３，１４への水素充填のために水素貯蔵器１１から水素貯蔵器１２への水素移送を９９９回繰り返さなければならず、水素貯蔵器１１〜１４への水素充填作業が極めて繁雑になり、作業時間も長時間になる。
【００２７】
そこで、この実施の形態では、図４に示すように、水素貯蔵器１１〜１４の容量は総て同じとし、圧力水素タンク５０の水素貯蔵量１００％に対して６７．５％の水素貯蔵量に設定した。このように設定すると、水素貯蔵器１４への水素充填のための水素貯蔵器１３から水素貯蔵器１４への水素移送は１回で済み、水素貯蔵器１３，１４への水素充填のための水素貯蔵器１２から水素貯蔵器１３への水素移送は２回で済み、水素貯蔵器１２，１３，１４への水素充填のための水素貯蔵器１１から水素貯蔵器１２への水素移送は３回で済むようになる。これにより、小型・軽量化およびコストダウンと、作業性および作業時間の適正さを両立させるようにしている。
【００２８】
次に、この実施の形態における車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０への水素充填制御を図３のフローチャートに従って説明する。
なお、図３に示す制御ルーチンを実行する前に、総ての水素貯蔵器１１〜１４には既に合金温度４０゜Ｃ以下で水素が満充填されているものとし、総てのバルブＶ０〜Ｖ７は閉ざされているものとする。
まず、ステップＳ１０１において、圧力センサ５１により検出した車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０の圧力Ｐを読み込む。
次に、ステップＳ１０２に進み、圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素貯蔵器１１の水素吸蔵合金ＭＨ１の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ１よりも大きいか否か判定する。
【００２９】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ≦Ｐ１）である場合は、水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるのでステップＳ１０３に進み、一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＞Ｐ１）である場合は、水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填が不可能であるのでステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０３では、水素貯蔵器１１の温度制御装置２１を運転して水素吸蔵合金ＭＨ１を８０゜Ｃまで加熱し、水素貯蔵器１１に貯蔵されている水素の圧力をＰ１まで昇圧する。
次に、ステップＳ１０３からステップＳ１０４に進み、バルブＶ４を開いて、水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填を開始する。
【００３０】
そして、ステップＳ１０４からステップＳ１０５に進み、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、圧力センサ２５で検出した現時点の水素貯蔵器１１内の実圧力Ｐ１'以上か否かを判定する。水素貯蔵器１１内の実圧力Ｐ１'が圧力水素タンク５０の圧力Ｐよりも大きい間は水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるので、ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＜Ｐ１'）である場合はステップＳ１０３に戻り、水素貯蔵器１１からの水素充填を続行する。ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ≧Ｐ１'）である場合は、水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填は不可能であるので、ステップＳ１０６に進んでバルブＶ４を閉じ、水素貯蔵器１１からの水素充填を終了してステップＳ１０７に進む。
【００３１】
ステップＳ１０７では、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素貯蔵器１２の水素吸蔵合金ＭＨ２の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ２よりも大きいか否か判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ≦Ｐ２）である場合は、水素貯蔵器１２から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるのでステップＳ１０８に進み、一方、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＞Ｐ２）である場合は、水素貯蔵器１２から圧力水素タンク５０への水素充填が不可能であるのでステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１０８では、水素貯蔵器１２の温度制御装置２２を運転して水素吸蔵合金ＭＨ２を８０゜Ｃまで加熱し、水素貯蔵器１２に貯蔵されている水素の圧力をＰ２まで昇圧する。
次に、ステップＳ１０８からステップＳ１０９に進み、バルブＶ５を開いて、水素貯蔵器１２から圧力水素タンク５０への水素充填を開始する。
【００３２】
そして、ステップＳ１０９からステップＳ１１０に進み、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、圧力センサ２６で検出した現時点の水素貯蔵器１２内の実圧力Ｐ２'以上か否かを判定する。水素貯蔵器１２内の実圧力Ｐ２'が圧力水素タンク５０の圧力Ｐよりも大きい間は水素貯蔵器１２から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるので、ステップＳ１１０における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＜Ｐ２'）である場合はステップＳ１０８に戻り、水素貯蔵器１２からの水素充填を続行する。ステップＳ１１０における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ≧Ｐ２'）である場合は、水素貯蔵器１２から圧力水素タンク５０への水素充填は不可能であるので、ステップＳ１１１に進んでバルブＶ５を閉じ、水素貯蔵器１２からの水素充填を終了してステップＳ１１２に進む。
【００３３】
ステップＳ１１２では、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素貯蔵器１３の水素吸蔵合金ＭＨ３の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ３よりも大きいか否か判定する。
ステップＳ１１２における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ≦Ｐ３）である場合は、水素貯蔵器１３から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるのでステップＳ１１３に進み、一方、ステップＳ１１２における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＞Ｐ３）である場合は、水素貯蔵器１３から圧力水素タンク５０への水素充填が不可能であるのでステップＳ１１７に進む。
ステップＳ１１３では、水素貯蔵器１３の温度制御装置２３を運転して水素吸蔵合金ＭＨ３を８０゜Ｃまで加熱し、水素貯蔵器１３に貯蔵されている水素の圧力をＰ３まで昇圧する。
次に、ステップＳ１１３からステップＳ１１４に進み、バルブＶ６を開いて、水素貯蔵器１３から圧力水素タンク５０への水素充填を開始する。
【００３４】
そして、ステップＳ１１４からステップＳ１１５に進み、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、圧力センサ２７で検出した現時点の水素貯蔵器１３内の実圧力Ｐ３'以上か否かを判定する。水素貯蔵器１３内の実圧力Ｐ３'が圧力水素タンク５０の圧力Ｐよりも大きい間は水素貯蔵器１３から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるので、ステップＳ１１５における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＜Ｐ３'）である場合はステップＳ１１３に戻り、水素貯蔵器１３からの水素充填を続行する。ステップＳ１１５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ≧Ｐ３'）である場合は、水素貯蔵器１３から圧力水素タンク５０への水素充填は不可能であるので、ステップＳ１１６に進んでバルブＶ６を閉じ、水素貯蔵器１３からの水素充填を終了してステップＳ１１７に進む。
【００３５】
ステップＳ１１７では、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素貯蔵器１４の水素吸蔵合金ＭＨ４の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ４よりも大きいか否か判定する。
ステップＳ１１７における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ≦Ｐ４）である場合は、水素貯蔵器１４から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるのでステップＳ１１８に進み、一方、ステップＳ１１７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＞Ｐ４）である場合は、水素貯蔵器１４から圧力水素タンク５０への水素充填が不可能であるので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３６】
ステップＳ１１８では、水素貯蔵器１４の温度制御装置２４を運転して水素吸蔵合金ＭＨ４を８０゜Ｃまで加熱し、水素貯蔵器１４に貯蔵されている水素の圧力をＰ４まで昇圧する。
次に、ステップＳ１１８からステップＳ１１９に進み、バルブＶ７を開いて、水素貯蔵器１４から圧力水素タンク５０への水素充填を開始する。
【００３７】
そして、ステップＳ１１９からステップＳ１２０に進み、圧力センサ５１で検出した現時点の圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、圧力センサ２８で検出した現時点の水素貯蔵器１４内の実圧力Ｐ４'以上か否かを判定する。水素貯蔵器１４内の実圧力Ｐ４'が圧力水素タンク５０の圧力Ｐよりも大きい間は水素貯蔵器１４から圧力水素タンク５０への水素充填が可能であるので、ステップＳ１２０における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＜Ｐ４'）である場合はステップＳ１１８に戻り、水素貯蔵器１４からの水素充填を続行する。ステップＳ１２０における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ≧Ｐ４'）である場合は、圧力水素タンク５０は満充填されており、水素貯蔵器１４から圧力水素タンク５０への水素充填は不可能であるので、ステップＳ１２１に進んでバルブＶ７を閉じ、水素貯蔵器１４からの水素充填を終了して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３８】
このように圧力水素タンク５０への水素充填制御を行うと、ほぼ空の状態の圧力水素タンク５０に水素を充填する場合には、最も貯蔵圧力の低い水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填が行われ、順次、水素貯蔵器１２，１３，１４からの水素充填へと移行していく。したがって、総ての水素貯蔵器１１〜１４から圧力水素タンク５０に水素が充填されて、圧力水素タンク５０は満充填される。
【００３９】
これに対して、圧力水素タンク５０に水素が残っている状態で水素充填を開始する場合には、圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素吸蔵合金ＭＨ１の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ１よりも大きく、水素吸蔵合金ＭＨ２の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ２よりも小さいときには、水素貯蔵器１１からの水素充填は行われず、水素貯蔵器１２からの水素充填から開始されることとなる。同様に、圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素吸蔵合金ＭＨ２の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ２よりも大きく、水素吸蔵合金ＭＨ３の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ３よりも小さいときには、水素貯蔵器１１，１２からの水素充填は行われず、水素貯蔵器１３からの水素充填から開始され、さらに、圧力水素タンク５０の圧力Ｐが、水素吸蔵合金ＭＨ３の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ３よりも大きく、水素吸蔵合金ＭＨ４の８０゜Ｃにおける水素解離圧Ｐ４よりも小さいときには、水素貯蔵器１１，１２，１３からの水素充填は行われず、水素貯蔵器１４からの水素充填から開始されることとなる。
【００４０】
つまり、圧力水素タンク５０の圧力は圧力水素タンク５０の残容量情報であるので、圧力水素タンク５０の残容量情報に応じてＥＣＵ４０が最初に充填に供すべき水素貯蔵器を選択し、バルブＶ４〜Ｖ７および温度制御装置２１〜２４を制御して、圧力水素タンク５０の圧力よりも貯蔵圧力が高い水素貯蔵器から圧力水素タンク５０への水素充填を行っている。この実施の形態において、ＥＣＵ４０は、圧力水素タンク５０の残容量情報に応じてバルブＶ４〜Ｖ７および温度制御装置２１〜２４を制御するタンク充填制御手段を構成する。
【００４１】
以上のように、この実施の形態における水素充填装置１および水素充填方法によれば、水素貯蔵器１１〜１４が水素吸蔵合金ＭＨ１〜ＭＨ４を備えて構成されているので、水素吸蔵合金を備えずに水素をガス状で貯蔵する場合よりも、水素貯蔵器１１〜１４の容量を小さくすることができる。その結果、水素充填装置１を小型・軽量にでき、設置スペースも小さくて済む。
貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器１１〜１４に水素を貯蔵しているので、全量を一定圧力で水素を貯蔵するよりも、昇圧に必要なエネルギーを小さくすることができる。
また、水素貯蔵器１１〜１４の熱の授受だけで水素貯蔵器１１〜１４への水素充填および圧力水素タンク５０への水素充填を行うことができ、操作が簡単である。
また、貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器１１〜１４から圧力水素タンク５０に水素を充填するので、前述したように水素貯蔵器１１〜１４の総容量を低減することができる。
【００４２】
ところで、前述のように、総ての水素貯蔵器１１〜１４から順番に圧力水素タンク５０へ水素を充填し満充填する方法は、満充填までの所要時間が長くかかるので、車両ＦＣＶを長時間停車している間に行う場合に向いている。
しかしながら、圧力水素タンク５０への水素充填を行いたい時に常に十分な停車時間があるとは限らない。例え圧力水素タンク５０が空に近い状態（すなわち、圧力水素タンク５０内の圧力がＰ１以下）であっても、車両ＦＣＶを停車させておく時間が短い場合に、貯蔵圧力の最も低い水素貯蔵器１１から圧力水素タンク５０への水素充填を行っていったのでは、車両ＦＣＶの停車時間内に圧力水素タンク５０に充填できる水素量が少なくなってしまう。このような場合は、貯蔵圧力の低い水素貯蔵器（例えば、水素貯蔵器１１あるいは１２）による水素充填をキャンセルして、貯蔵圧力の高い水素貯蔵器（例えば、水素貯蔵器１３あるいは１４）による水素充填から開始した方が、短時間で多くの水素を圧力水素タンク５０に充填することができる。
【００４３】
そこで、圧力水素タンク５０への水素充填開始時に、ＥＣＵ４０に車両ＦＣＶの停車予定時間あるいは希望充填時間を設定あるいは選択できるようにしておき、設定あるいは選択された停車時間情報や充填時間情報に応じて、ＥＣＵ４０が最初に充填に供すべき水素貯蔵器を選択し、バルブＶ４〜Ｖ７および温度制御装置２１〜２４を制御するようにしてもよい。このように制御すると、制限時間内に充填可能な最大容量の水素を圧力水素タンク５０に充填することができる。この場合、ＥＣＵ４０は、車両ＦＣＶの停車時間情報あるいは充填時間情報に応じて最初に充填に供すべき水素貯蔵器を選択してバルブＶ４〜Ｖ７および温度制御装置２１〜２４を制御するタンク充填制御手段を構成する。
【００４４】
前述した実施の形態では、水素吸蔵合金を収納した水素貯蔵器を備えた水素充填装置で説明したが、水素貯蔵器は、水素吸蔵合金を備えずに水素をガス状で貯蔵する蓄圧器とすることもできる。
その場合には、互いに貯蔵圧力の異なる複数の蓄圧器を用意し、これら蓄圧器に貯蔵された水素を圧力水素タンクに充填する際に、貯蔵圧力が低い蓄圧器から水素充填を行い、その後、貯蔵圧力が高い蓄圧器からの水素充填へと移行していく。このようにすると、貯蔵圧力の異なる複数の蓄圧器に水素を貯蔵しているので、全量を一定圧力で水素を貯蔵するよりも、昇圧に必要なエネルギーを小さくすることができる。
【００４５】
また、この場合、圧力水素タンクの圧力よりも貯蔵圧力が高い蓄圧器から圧力水素タンクへの水素充填を行うことができる。
さらに、この場合にも、燃料電池車両に搭載された圧力水素タンクに水素を充填するときに、車両の停車時間情報に応じてＥＣＵが前記複数の蓄圧器のうちいずれかを選択し、選択した蓄圧器から前記圧力水素タンクに水素を充填するように制御することができる。このようにすると、車両の停車時間情報に応じて充填に供すべき蓄圧器を選択することができるので、制限された停車時間内に充填可能な最大容量の水素を車両の圧力水素タンクに充填することができる。
【００４６】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
前述した実施の形態では、水素貯蔵器を４つ備えた水素充填装置の場合で説明したが、水素貯蔵器は２つ、あるいは３つ、あるいは５つ以上であっても構わない。
また、前述した実施の形態では、水素貯蔵器に水素が充填される時の温度を４０゜Ｃ、水素貯蔵器から水素を放出する時の温度を８０゜Ｃに設定したが、水素充填時および水素放出時の合金温度はこの温度に限るものではなく、使用する水素吸蔵合金のＴ−Ｐ特性や水素充填時の操作性を考慮して、適宜の温度に設定することが可能である。
【００４７】
また、水素貯蔵器の容量比率についても、必ずしも総ての水素貯蔵器を同一容量に設定しなければならないものではなく、水素貯蔵器への水素充填時の手間や水素充填装置１の設置スペース等を考慮して、適宜の容積比率に設定することができる。
また、圧力水素タンクを搭載した水素燃料車両は、燃料電池車両に限るものではなく、例えば、水素を燃料とするエンジンを備えた水素エンジン車両であってもよい。
また、水素燃料車両に搭載された圧力水素タンクは、内部に水素吸蔵合金を備えたものであってもよい。
さらに、圧力水素タンクは車両以外の移動体に搭載されたものであってもよいし、あるいは、可搬式の圧力水素タンクであってもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１および請求項３に係る発明によれば、総ての水素貯蔵器に順次水素を充填することができ、水素が充填された水素貯蔵器から圧力水素タンクに水素を充填することができる。また、水素貯蔵器は水素吸蔵合金を備えて構成されているので、水素吸蔵合金を備えずに水素をガス状で貯蔵する場合よりも、水素貯蔵器の容量を小さくすることができ、水素充填装置が小型にでき、設置スペースが小さくて済む。
また、貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器に水素を貯蔵しているので、全量を一定圧力で水素を貯蔵するよりも、昇圧に必要なエネルギーを小さくすることができる。また、水素貯蔵器の熱の授受だけで水素貯蔵器への水素充填および圧力水素タンクへの水素充填を行うことができ、操作が簡単になる。また、貯蔵圧力の異なる複数の水素貯蔵器から圧力水素タンクに水素を充填するので、水素貯蔵器の総容量を低減することができる。
【００４９】
請求項２に係る発明によれば、圧力水素タンクの残容量情報あるいは充填時間情報に応じて充填に供すべき水素貯蔵器を選択することができるので、使い勝手が向上する。特に、充填時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段の場合には、制限時間内に充填可能な最大容量の水素を圧力水素タンクに充填することができる。
【００５１】
請求項４に係る発明によれば、車両の停車時間情報に応じて充填に供すべき蓄圧器を選択することができるので、制限された停車時間内に充填可能な最大容量の水素を車両の圧力水素タンクに充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る水素充填装置の一実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記実施の形態の水素充填装置で使用される水素吸蔵合金のＴ−Ｐ特性図である。
【図３】前記実施の形態の水素充填装置を用いて圧力水素タンクに水素を充填するときの水素充填制御を示すフローチャートである。
【図４】前記実施の形態における水素貯蔵器の容量比を説明する図である。
【図５】水素貯蔵器の容量比の比較例を説明する図である。
【図６】水素貯蔵器の容量比の比較例を説明する図である。
【符号の説明】
１水素充填装置
２改質器（水素供給装置）
１１〜１４水素貯蔵器（蓄圧器）
２１〜２４温度制御装置
３０水素供給管（水素供給装置）
３１〜３３充填管（貯蔵器充填用流路）
３４〜３８充填管（タンク充填用流路）
４０ＥＣＵ（タンク充填制御手段）
５０圧力水素タンク
ＦＣＶ燃料電池車両（水素燃料車両）
Ｖ４〜Ｖ７バルブ（流路切り替え手段）

Claims

互いに貯蔵圧力の異なる水素吸蔵合金を備えた３つ以上の水素貯蔵器と、
前記水素貯蔵器のうち貯蔵圧力が最も低い水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵器に水素を供給する水素供給装置と、
貯蔵圧力が最も近い水素貯蔵器同士を接続し開閉バルブを備える貯蔵器充填用流路と、
前記貯蔵器充填用流路によって接続された２つの水素貯蔵器のうちの貯蔵圧力の低い方の水素貯蔵器の水素吸蔵合金を加熱することで高圧化した水素を、この貯蔵器充填用流路を介して貯蔵圧力が高い方の水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵させるときのみ該貯蔵器充填用流路の前記開閉バルブを開き、それ以外のときは閉ざすように開閉バルブを制御するバルブ制御手段と、
前記各水素貯蔵器と圧力水素タンクとを接続するタンク充填用流路と、
前記タンク充填用流路に設けられ前記複数の水素貯蔵器のうちのいずれか一つを選択
して前記圧力水素タンクに接続可能にする流路切り替え手段と、
を備えたことを特徴とする水素充填装置。
前記圧力水素タンクの残容量情報あるいは充填時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素充填装置。
前記圧力水素タンクへの接続を貯蔵圧力の低い水素貯蔵器から行い、順次、貯蔵圧力の高い水素貯蔵器に接続するように前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素充填装置。
前記圧力水素タンクは車両に搭載され、前記車両の停車時間情報に応じて前記流路切り替え手段を制御するタンク充填制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素充填装置。