JP5387846B2 - ガスステーション及びガス充填システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば車載タンクにガスを充填するガスステーションに関するものである。

燃料電池車両の水素タンクに水素ガスを充填する設備として、水素ステーションが知られている。水素ステーションには、水素ガスを高圧で貯留する蓄圧器があり、この蓄圧器と水素タンクとの圧力差によって、蓄圧器から水素タンクに水素ガスを流動させて充填している（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２８３３８６号公報

ところで、充填に伴って水素タンク内の温度及び圧力が上昇するため、これらが基準値を超えないように、充填先である水素タンク内の温度及び圧力を管理することが重要である。

例えば、充填開始時にガスタンク内の初期圧力等を検出すれば、充填開始時のガスタンク内の残量を算出したり、その後の充填条件（充填流量など）を決定したりすることもできる。
ところが、充填開始時は、水素タンクと水素ステーションの蓄圧器との圧力差が大きいため、水素タンクの手前で水素ガスの流動がつまるようになり、圧損が生じる。このことは、蓄圧器と水素タンクとの間に流量制御弁があっても同じことであり、充填開始時は低流量の水素ガスを水素タンクに供給し難い。この圧損が生じる箇所に圧力センサが設置されている場合、圧損によって初期圧力を正確に読み取ることができず、その後の充填を効率的に行うことができない。

また、水素ステーションの構成によっては、充填中にも圧損が生じ得ると考えられる。例えば、蓄圧器が複数のバンクで構成されていて充填中にバンクが切り替えられる場合、切り替えた後のバンクと水素タンクとの間の圧力差が大きいと、圧損の影響により、流量制御弁で流量を制御する際にハンチングが起きるおそれがある。

本発明は、圧力差に起因した問題に鑑みてなされたものであり、ガスタンクへの充填時における圧損を抑制することができるガスステーション及びガス充填システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のガスステーションは、外部のガスタンクに対してガスを充填するものであって、ガスタンクよりも大きい圧力でガスを貯留する第１の蓄圧器と、ガスタンクよりも大きい圧力で且つ第１の蓄圧器よりも小さい圧力でガスを貯留すると共に、第１の蓄圧器からガスを補充可能に構成されている第２の蓄圧器と、ガスタンクへのガス充填を制御する制御装置と、当該ガスステーションから前記ガスタンクに向けて放出されたガスが流れる充填流路と前記第１の蓄圧器とを結ぶガス流路と、前記ガス流路に設けられ、ガスの流量を制御する流量制御弁と、前記流量制御弁をバイパスするように前記ガス流路に接続されるバイパス流路であって、前記第２の蓄圧器が介設されているバイパス流路と、を備える。制御装置は、前記ガスタンクへの充填開始時に、先ず前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行い、その後、前記第１の蓄圧器に切り替えてガス充填を行う。

本発明によれば、貯留圧の小さい第２の蓄圧器を利用することで、第１の蓄圧器のみを利用する場合に比べて、ガスステーション側の圧力とガスタンク内の圧力との差が小さい状態でガス充填を行うことができる。これにより、ガス充填開始時の圧損が抑制される。また、上記した構成によれば、第１の蓄圧器を有効に活用して、第１の蓄圧器から第２の蓄圧器へのガスの補充も行うことができると共に、第１の蓄圧器を用いてガスタンクにガスを充填するときには、その充填流量を流量制御弁で制御することができる。

より好ましくは、ガスタンクの外部にある充填ラインの圧力が圧力センサによって検出されるようになっており、制御装置は、圧力センサが検出した圧力をガスタンク内の圧力として認識するとよい。上記のとおり、第２の蓄圧器の利用により圧損が抑制されているため、ガスタンク内の圧力を正確に把握することができる。

より好ましくは、圧力センサは、第２の蓄圧器のみを用いたガス充填が行われている間に、充填ラインの圧力を検出し、制御装置は、圧力センサが検出した圧力に基づいて、切り替え後の第１の蓄圧器を用いてガス充填を行うとよい。これにより、充填開始時のガスタンク内の圧力を正確に把握して、その後の充填制御を適切に行うことができる。

好ましくは、ガスステーションは、制御装置に接続された通信装置であって、圧力センサが検出した圧力の情報を通信により受信する通信装置を更に備えるとよい。こうすることで、ガスステーションの外部に圧力センサがある場合にも、その検出情報（ガスタンク内の圧力）をガスステーションにて把握することができる。

好ましくは、制御装置は、ガスタンクへのガス充填時に、第１の蓄圧器及び第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う第１のガス充填期間を含むように、ガス充填を行うものであり、第１のガス充填期間には、第２の蓄圧器から第１の蓄圧器に切り替えるタイミングが含まれるとよい。このように、第１の蓄圧器に切り替える際に両方の蓄圧器を用いて一時的にガス充填を行うことで、第２の蓄圧器から第１の蓄圧器にすぐに切り替える場合に比べて、ガスステーション側とガスタンク内との圧力差が段階的に小さくなる。これにより、第１の蓄圧器に完全に切り替えたときの圧損を抑制することができる。このような制御は、第１の蓄圧器と第２の蓄圧器との貯留圧の差が大きい場合に特に有用である。

この場合、制御装置は、第１のガス充填期間において、第１の蓄圧器から第２の蓄圧器に対してガスの供給を行うとよい。こうすることで、切替え期間を有効に利用して、第２の蓄圧器にガスを補充することができる。

好ましくは、第１の蓄圧器は、ガスタンクに対して並列に接続された複数のバンクからなるとよい。また、制御装置は、複数のバンクを切り替え、ガスタンクに対して各々独立してガス充填を行うと共に、第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行う第２のガス充填期間に、バンクを切り替えるタイミングを含めるようにガス充填を行うとよい。こうすることで、バンク切替え後の圧損を抑制することができる。

より好ましくは、制御装置は、第２のガス充填期間の後に、第１の蓄圧器のうち次に使用するバンク及び第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う第３のガス充填期間を含むように、ガス充填を行うとよい。こうすることで、上記同様に、第２の蓄圧器から第１の蓄圧器の該当バンクに完全に切り替えたときの圧損を抑制することができる。

好ましくは、第２の蓄圧器は、第１の蓄圧器よりも内容量が小さいとよい。こうすることで、簡易な構成で、充填開始時に低流量のガスをガスタンクに充填することができる。

より好ましくは、第２の蓄圧器のみを用いて行うガス充填は、切り替え後の第１の蓄圧器を用いて行うガス充填よりも低流量で行われるとよい。

この場合、制御装置は、切り替え後の第１の蓄圧器でのガス充填中に流量制御弁の下流側でハンチングが起きた場合、第１の蓄圧器及び第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行うとよい。こうすることで、ハンチングが解消されるようになるため、流量制御弁での制御を変更することなく、充填を継続することができる。

好ましくは、制御装置は、切り替え後の第１の蓄圧器でのガス充填中にガスタンク内の温度が所定の第１温度に近づいた場合、第１の蓄圧器及び第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行うとよい。こうすることで、ガスタンク内の温度の上昇率を低く抑えながら充填を継続でき、目標の充填量を充填することが可能となる。

制御装置は、上記のハンチングが解消されない場合、第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行うことが好ましい。また、これと同時に、制御装置は、第１の蓄圧器から第２の蓄圧器に対してガスの供給を行うことがより好ましい。

制御装置は、ガスタンク内の温度が所定の第１温度よりも高い第２温度に近づいた場合、第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行うことが好ましい。

実施形態に係るガス充填システムの概略図である。 実施形態に係るガス充填システムの構成図である。 実施形態に係るガス充填システムの充填開始から充填終了までの制御を示すフローチャートである。 実施形態に係るガス充填システムにおいて、実施形態の制御とは異なる充填開始時の制御をした場合について、圧力センサの検出値と時間との関係を示すグラフである。 実施形態の第１の変形例に係るものであり、バンク切替え処理時の制御を示すフローチャートである。 実施形態の第２の変形例に係るものであり、ハンチング対策処理時の制御を示すフローチャートである。 充填時のハンチングについて、流量と時間との関係を示すグラフである。 実施形態の第３の変形例に係るものであり、タンク温度が高温時の制御を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ここでは、ガスステーション及びガス充填システムとして、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に対して、水素ステーションから水素ガスを充填する例を説明する。なお、燃料電池システムは、公知のとおり、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば空気）の電気化学反応によって発電する燃料電池などを備える。

図１に示すように、ガス充填システム１は、例えばガスステーションとしての水素ステーション２と、水素ステーション２から水素ガスを供給される車両３と、を備える。

図２に示すように、車両３は、ガスタンク３０、レセプタクル３２、圧力センサ３６、温度センサ３８、通信機４４及び制御装置４６を備える。
ガスタンク３０は、燃料電池への燃料ガス供給源であり、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能な高圧タンクである。ガスタンク３０を複数搭載する場合には、ガスタンク３０は燃料電池に対して並列に接続される。ガスタンク３０内の水素ガスは、図示省略した供給管路を介して燃料電池に供給される。一方、ガスタンク３０への水素ガスの補給は、水素ガスが水素ステーション２からレセプタクル３２を介して充填流路３４に放出されることで行われる。充填流路３４は、ガスタンク３０外にあるガス配管と、ガスタンク３０の口部に取り付けられた図示省略のバルブアッセンブリ内にある流路部分と、からなる。また、充填流路３４と後述のガス流路１３とによって、ガスタンク３０の外部にある充填ラインが構成される。

圧力センサ３６は、この充填ラインの圧力を検出するものであり、ここでは充填流路３４に設けられる。例えば、圧力センサ３６は、ガスタンク３０の直前にある充填流路３４のガス配管に設けられ、実質的にガスタンク３０内の水素ガスの圧力（以下、「タンク圧力」という。）を反映する圧力を検出する。温度センサ３８は、例えば、上記バルブアッセンブリ内の流路部分に設けられ、ガスタンク３０内の水素ガスの温度（以下、「タンク温度」という。）を反映する温度を検出する。なお、充填流路３４には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁を設けることもできる。また、充填流路３４に設けるセンサとして、ガスタンク３０に充填される水素ガスの圧力及び温度以外の情報、例えば流量を検出するセンサを具備することもできる。

通信機４４は、車両３が水素ステーション２との間で通信するためのものであり、例えば、赤外線通信等の無線通信を行う通信インターフェースを有する。通信器４４は、水素ステーション２の充填ノズル１２をレセプタクル３２に接続した状態で通信可能となるように、レセプタクル３２に組み込まれるか、あるいは車両３のリッドボックス内に固定される。制御装置４６は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成され、車両３を制御する。制御装置４６は、圧力センサ３６、温度センサ３８及び通信機４４などと接続されており、車両３にて把握可能な情報、例えば圧力センサ３６及び温度センサ３８による検出情報を通信機４４を用いて、水素ステーション２に送信する。

水素ステーション２は、水素ステーション２にある各機器を制御する制御装置５と、車両３との間で通信するための通信機６と、を備える。通信機６は、車両３の通信機４４に対応した形式のものであり、通信機４４との間で各種情報を送受信する。

また、水素ステーション２は、水素ガスを高圧で貯留する第１蓄圧器１１と、水素ガスを車載のガスタンク３０に向けて放出する充填ノズル１２と、これらを結ぶガス流路１３と、を有する。第１蓄圧器１１は、ガスタンク３０に対して並列に接続された複数のバンク１１ａ、１１ｂ、１１ｃからなる。バンク１１ａ，１１ｂ，１１ｃの最大貯留圧は、互いに同じである。バンク１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、図示省略した圧縮機によって所定圧力まで昇圧された水素ガスが蓄えられており、それぞれに対応する電磁式の元弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃを開閉することで、水素ガスを供給するバンクを切り替えることができる。なお、他の実施態様では、第１蓄圧器１１を一つのバンクのみで構成してもよい。充填ノズル１２は、充填カップリングとも称される部品であり、水素ガスの充填に際して、車両３のレセプタクル３２に接続される。充填ノズル１２とレセプタクル３２によって、水素ステーション２とガスタンク３２とを接続する接続ユニットが構成される。

ガス流路１３には、第１蓄圧器１１側から順に、プレクーラ１５、遮断弁１６、流量制御弁１７、流量計１８及びディスペンサ１９が設けられる。プレクーラ１５は、第１蓄圧器１１からの室温程度の水素ガスを所定の低温（例えば−２０℃）に冷却する。遮断弁１６は、例えば電磁式のものであり、ガス流路１３を開閉する。流量制御弁１７は、電気的に駆動される弁であり、制御装置５からの指令に従って、第１蓄圧器１１からの水素ガスの流量を調整する。これにより、ガスタンク３０への水素ガスの充填流量が制御される。この制御された充填流量が流量計１８によって計測され、その計測結果を受けて所望の充填流量となるように、制御装置５が流量制御弁１７をフィードバック制御する。なお、流量制御弁１７以外の流量制御装置を用いることも可能である。ディスペンサ１９は、水素ガスを充填ノズル１２へと送り出すものである。例えば、充填ノズル１２のトリガーレバーを引くとディスペンサ１９が作動し、充填ノズル１２からガスタンク３０に向けて水素ガスの放出が可能となる。

ガス流路１３には、流量制御弁１７をバイパスするバイパス流路２０が接続される。バイパス流路２０には、第２蓄圧器２１と、その上流側及び下流側に遮断弁２２，２３とが介設される。バイパス流路２０は、上流側をプレクーラ１５に接続され、下流側をディスペンサ１９に接続される。これらの接続位置は任意であるが、第１蓄圧器１１からの水素ガスが流量制御弁１７をバイパスしてディスペンサ１９に流れるように、ガス流路１３又はこれに設けられる機器にバイパス流路２０を接続する必要がある。

第２蓄圧器２１は、第１蓄圧器１１よりも小さい圧力及び内容量で水素ガスを貯留するものである。例えば、第２蓄圧器２１の内容量は、第１蓄圧器１１（各バンク１１ａ〜ｃ）の１/４であり、第２蓄圧器２１の最大貯留圧力は、第１蓄圧器１１（各バンク１１ａ〜ｃ）の１/２である。ただし、第２蓄圧器２１の最大貯留圧は、ガスタンク３０よりも大きい。第２蓄圧器２１には、第２蓄圧器２１内の水素ガスを冷却する冷却器２４を付設することもできる。こうすることで、効率的に水素ガスを冷やすことができる。もっとも、冷却効率は低下するが、第２冷却器２４をバイパス流路２０に介設して、第２蓄圧器２１からの流動する水素ガスを冷却することも可能である。遮断弁２２，２３は、例えば電磁式のものであり、第２蓄圧器２１の上流側及び下流側におけるバイパス流路２０を開閉する。したがって、遮断弁２２を開いた場合には、第１蓄圧器１１から第２蓄圧器１２に対して水素ガスを流して、第２蓄圧器１２に補充することができる。

制御装置５は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置５は、図２において一点鎖線で示した制御線にて接続されている通信機６、流量制御弁１７及び流量計１８のほか、元弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、遮断弁１６，２２，２３等とも電気的に接続される。例えば、制御装置５は、圧力センサ３６及び温度センサ３８が検出した圧力及び温度を、ガスタンク３０内の圧力及び温度（すなわち、タンク圧力及びタンク温度）として認識して、水素ガスの充填を制御する。詳細には、制御装置５は、通信機６から受け取った車両３側のタンク圧力及びタンク温度の情報をもとに流量制御弁１７の開度を制御したり、第２蓄圧器２１からの水素ガスの充填を許容したりする。

以上のガス充填システム１において、車両３に水素ガスを充填する場合、先ず、充填ノズル１２をレセプタクル３２に接続し、この状態にて、ディスペンサ１９を作動させる。すると、充填ノズル１２からガスタンク３０に向けて水素ガスが放出され、ガスタンク３０に充填される。このような水素ガス充填を行う場合、基本的には、水素ステーション２の蓄圧器（第１蓄圧器１１及び第２蓄圧器２１）のうち、第１蓄圧器１１のみからの水素ガスが利用される。しかし、ガスタンク３０への充填開始時など、ガス充填時における所定のガス充填期間では、少なくとも第２蓄圧器２１からの水素ガスが利用される。

次に、図３のフローチャートを参照して、ガス充填システム１における充填開始時の制御について説明する。

充填作業者によって、上記の充填ノズル１２とレセプタクル３２の接続作業がなされ、水素ステーション２からガスタンク３０への水素ガスの放出を許可する充填開始操作がなされると、水素ガスの充填が開始される（ステップＳ１）。

この充填開始時では、先ず、第２蓄圧器２１のみを用いて水素ガス充填が行われる（ステップＳ２）。具体的には、遮断弁１６，２２が閉じられている一方で、遮断弁２３が開かれている。これにより、第１蓄圧器１１からガスタンク３０及び第２蓄圧器２１への水素ガスの流動は遮断される一方で、第２蓄圧器２１からの水素ガスがバイパス流路２０の下流側をとおって充填ノズル１２へと流動し、ガスタンク３０に向けて放出される（ステップＳ２）。このときの水素ガスの流動は、第２蓄圧器２１とガスタンク３０との内部の圧力差によってなされる。

このステップＳ２による充填初期段階では、圧力センサ３６及び温度センサ３８によりタンク圧力及びタンク温度（以下、それぞれ「タンク初期圧力」及び「タンク初期温度」という場合がある。）が検出され、その検出信号が制御装置４６に入力される。制御装置４６は、通信機４４を利用して、タンク初期圧力及びタンク初期温度の情報を水素ステーション２の通信機６に伝える。これにより、水素ステーション２の制御装置５は、充填初期段階で圧力センサ３６及び温度センサ３８が検出した圧力及び温度を、充填先のタンク初期圧力及びタンク初期温度として認識する。

第２蓄圧器２１のみでの充填が所定時間行われると、ガスタンク３０に供給する蓄圧器が第１蓄圧器１１に切り替えられる（ステップＳ３、Ｓ４）。第１蓄圧器１１を使用し始めるタイミングは、例えば、予めシミュレーションや評価結果等により求めておいた所定時間の経過時とすればよい。ただし、第２蓄圧器２１の全貯留量をガスタンク３０に充填するわけではない。

第１蓄圧器１１への切り替えに際しては、第１蓄圧器１１及び第２蓄圧器２１の両方で一時的に（例えば数秒間）、水素ガスの充填を行うと同時に、第１蓄圧器１１から第２蓄圧器２１に水素ガスの供給を行うことが好ましい（ステップＳ３）。これは、遮断弁１６、２２を開くと共に、元弁１４ａ〜１４ｃのいずれかを開けばよい。こうすることで、第１蓄圧器１１のいずれかのバンク１１ａ〜１１ｃからガス流路１３へと流れ出した水素ガスの一部は、第２蓄圧器２１へと供給される一方、残りの部分は、第２蓄圧器２１からの水素ガスとディスペンサ１９で合流して、ガスタンク３０へと充填される。

次のステップＳ４においては、第１蓄圧器１１のみで水素ガスの充填が行われるように、第２蓄圧器２１から第１蓄圧器１１に完全に切り替える。この場合には、遮断弁２２、２３を閉じればよい。なお、ステップＳ３の際に第２蓄圧器２１への水素ガスの補充が完了していない場合には、ステップＳ４の際に遮断弁２２を開けたままにしておき、これが完了し次第、遮断弁２２を閉じるようにしてもよい。

このステップＳ４による本格的な充填段階では、切り替え後の第１蓄圧器１１（バンク１１ａ〜１１ｃのいずれか）から放出される水素ガスが流量制御弁１７によって制御される。具体的には、水素ステーション２側の制御装置５は、ステップＳ２で車両３側から受け取ったタンク初期圧力及びタンク初期温度などの情報を、予めＲＯＭ等の記憶装置に保存している充填流量マップに参照して、ガスタンク３０への最適な充填流量を選択する。そして、その選択した充填流量となるように、制御装置５は、流量制御弁１７の開度を制御する。この充填流量にて所定の充填量が充填されると、一連の水素ガス充填が完了する（ステップＳ５）。

以上説明した本実施形態に関し、ガス充填期間の観点で説明すると、水素ステーション２の制御装置５は、ガスタンク３０へのガス充填時に次のガス充填期間を含むように、ガス充填を行うといえる。
初期ガス充填期間：少なくとも第２蓄圧器２１を用いる期間
第１のガス充填期間：第１蓄圧器１１及び第２蓄圧器２１の両方を用いる期間
図３に示した一例によれば、ステップＳ２及びＳ３を行う期間は初期ガス充填期間に含まれ、ステップＳ３を行う期間は第１のガス充填期間に含まれる。換言すると、初期ガス充填期間は、充填開始から第１蓄圧器１１への切り替えが完全に終わるまでの期間の一部又は全部を含むものであり、第１のガス充填期間を包含する。一方、第１のガス充填期間は、第２蓄圧器２１のみを用いたガス充填の終了時から、第１蓄圧器１１のみを用いたガス充填の開始時までの期間を含む。したがって、第１のガス充填期間には、第２蓄圧器２１から第１蓄圧器１１に切り替えるタイミングが含まれる。

本実施形態の作用効果について、図４を参照して説明する。
図４は、本実施形態の制御（図３に示す制御）とは異なり、充填開始から第１蓄圧器１１のみを用いた場合について、圧力センサ３６の検出値と時間との関係を示すグラフである。破線にて示すように、水素ガスの充填に伴い、実際のタンク圧力は徐々に上昇していく。ところが、充填開始から第１蓄圧器１１のみを用いた場合、実線にて示すように、充填初期段階では圧力センサ３６による検出値が実際のタンク圧力よりも大きく上昇してしまう現象が生じる。

この原因は以下のとおりである。
充填開始時では、第１蓄圧器１１とガスタンク３０との圧力差が大きいため、流量制御弁１７での低流量制御が十分にできない。このため、圧力差によって水素ガスが流動してきたとしても、水素ステーション２のガス流路１３に比べると径が小さいバルブアッセンブリ内の流路部分では水素ガスの流動がつまるようになり、圧損が発生する。この圧損のために、圧力センサ３６が図４に示す充填開始直後の時間ｔ１のときにタンク初期圧力を読み込んでも、正確な値を得ることができない。

これに対し、本実施形態によれば、充填開始時は、先ず貯留圧の小さい第２蓄圧器２１のみを用いて水素ガスの充填を行うので（図３のステップＳ２）、比較的小さい圧力差の状態で水素ガスの充填を行うことができる。これにより、上記の圧損が抑制されるため、圧力センサ３６は、実際のタンク圧力を正確に読み取ることができるようになる。つまり、圧損による検出値の立ち上がりがなくなり、圧力センサ３６によってタンク初期圧力の情報を正確に取得し、水素ステーション２に送信することができる。その結果、その後の本格的な充填において（図３のステップＳ４）、水素ステーション２が適正な充填流量を選択することができ、ガスタンク３０に対して適切な充填を行うことができる。なお、このことは、車両３側の仕様（ガスタンク３０の本数、容量など）や初期状態（ガスタンク３０内の残量など）の差によって変わるものでもない。

特に、本実施形態によれば、第２蓄圧器２１が第１蓄圧器１１よりも貯留圧及び内容量が小さいため、第２蓄圧器２１からガスタンク３０までの経路上に流量制御弁を設けなくとも、充填開始時に低流量の水素ガスをガスタンク３０に充填することができる。一方で、充填開始後の本格的充填においては、充填開始時よりも大流量の水素ガスを流量制御弁１７で調整しながら、第１蓄圧器１１からガスタンク３０に充填することができる。

加えて、本実施形態の好ましい一態様では、第２蓄圧器２１から第１蓄圧器１１に切り替える際に、この両方を一時的に利用してガスタンク３０に対して充填を行う第１のガス充填期間が含まれている（図３のステップＳ３）。これにより、すぐに完全に切り替える場合に比べて、水素ステーション２側とガスタンク３０内との圧力差を段階的に小さくすることができる。よって、第１蓄圧器１１に完全に切り替えたときの圧損を抑制することができ、切り替え直後のタンク圧力の検出も適切に行うことができる。また、この切り替えの際には、第１蓄圧器１１から第２蓄圧器２１に対して水素ガスの供給も行われる。これにより、充填開始時における切替えのタイミングを有効に利用して、第２蓄圧器２１に水素ガスを補充することができる。

なお、他の実施態様として、第１蓄圧器１１から第２蓄圧器２１に水素ガスを補充するタイミングを変更してもよい。例えば、ステップＳ４の際又は充填完了後に、この補充を行うようにしてもよい。

＜変形例＞
次に、本実施形態のいくつかの変形例について説明する。なお、各変形例は単独でも本実施形態に適用することができるが、他の変形例と組み合わせて適用することができる。

＜第１の変形例：バンク切替え処理＞
図５に示すバンク切替え処理のフローは、図３のステップＳ４の水素ガス充填中に行われる。ここでは、一例として、バンク１１ａ、１１ｂ、１１ｃの順に切り替える場合について説明する。

先ず、水素ガスの本格的な充填が始まると、第１蓄圧器１１のバンク１１ａのみからガスタンク３０に水素ガスが充填される（ステップＳ１１）。この充填に伴ってバンク１１ａの貯留圧が下がる。この貯留圧が第２蓄圧器２１の貯留圧よりも小さくなった場合、第１蓄圧器１１から水素ガスを放出するバンクとして、バンク１１ａからバンク１１ｂに切り替えられることになる（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）。この切替えは、元弁１４ａを閉じて元弁１４ｂを開くことで行われる。なお、各バンク１１ａ〜１１ｃ及び第２蓄圧器２１の貯留圧は、それぞれに対応して設けられた図示省略の圧力センサによって検出される。

バンク切替えが実行される際（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、圧力の関係は以下のとおりとなっている。
バンク１１ｂの貯留圧＞第２蓄圧器２１の貯留圧＞バンク１１ａの貯留圧≧タンク圧力

また、バンク切替えが実行される際、一旦、第２蓄圧器２１のみからガスタンク３０に水素ガスが充填される（ステップＳ１３）。これは、遮断弁１６を閉じる一方で、遮断弁２３を開くことで行う。

その後、遮断弁１６を開くことで、第２蓄圧器２１及びバンク１１ｂの両方から水素ガスの充填を行う（ステップＳ１４）。この場合、遮断弁２２を開くことで、バンク１１ｂからの水素ガスの一部を第２蓄圧器２１に供給するようにしてもよい。その後、少なくとも遮断弁２３を閉じて、第２蓄圧器２１からガスタンク３０への水素ガスの流動を遮断し、バンク１１ｂのみでガスタンク３０に水素ガスを充填するようにする（ステップＳ１５）。

なお、図示省略したが、バンク１１ｂからバンク１１ｃへの切り替えについても同様の手順で行われる。すなわち、圧力センサによって以下の関係が検出された場合に、第２蓄圧器２１のみでの充填と、第２蓄圧器２１及びバンク１１ｃでの充填とを経て、バンク１１ｃのみでの充填に切替えられる。
バンク１１ｃの貯留圧＞第２蓄圧器２１の貯留圧＞バンク１１ｂの貯留圧≧タンク圧力

以上説明した第１の変形例によれば、使用中のバンクを次のバンクにすぐに完全に切り替えるのではなく、一時的に第２蓄圧器２１のみを利用している。それゆえ、上記の充填開始時の制御と同様に、次のバンクに切り換えたときの圧損を抑制することができる。加えて、第２蓄圧器２１のみの利用後には次に使用予定のバンクを併用しているので、第２蓄圧器２１から次のバンクにすぐに完全に切り替える場合に比べて、切替え後の圧損をより一層抑制することができる。

したがって、第１の変形例によれば、水素ガス充填中のバンク切替え直後においても、圧力センサ３６によるタンク圧力の検出も正確に行うことができる。それゆえ、仮に充填終了直前にバンク切替えがあっても、正確に把握するタンク圧力から充填終了の判断（満充填の場合はガスタンク３０内が満タンに達したかどうかの判断であり、指定量充填の場合はその指定量の充填量に達したかどうかの判断）を正確に行うことができる。

なお、第１の変形例についてもガス充填期間の観点で説明すると、制御装置５は、ガスタンク３０へのガス充填時に次のガス充填期間を含むように、ガス充填を行うといえる。
第２のガス充填期間：第２蓄圧器２１のみを用いる期間
第３のガス充填期間：第１蓄圧器１１及び第２蓄圧器２１の両方を用いる期間
図５に示した一例によれば、ステップＳ１３を行う期間は第２のガス充填期間に含まれ、ステップＳ１４を行う期間は第３のガス充填期間に含まれる。第２のガス充填期間は上記した初期ガス充填期間に包含されるものであり、第２のガス充填期間にはバンクを切り替えるタイミングが含まれる。

＜第２の変形例：ハンチング対策処理＞
図６に示すハンチング対策処理のフローは、充填開始又はバンク切替えから流量制御弁１７の初期開度保持後、ハンチングした場合に行われる。

ここで、ハンチングは、図７に示すように、例えば、流量制御弁１７の初期開度の保持からｔ秒後に起きる水素ガス流量の振動現象をいい、流量制御弁１７の下流側の充填流量が本来の値の近傍に収束しない状況をいう。また、充填開始から流量制御弁１７の初期開度保持後とは、例えば、図３のステップＳ４にて第１蓄圧器１１のみで水素ガスの充填を開始するべく、制御装置５が、タンク初期圧力等から選択した充填流量となるように、流量制御弁１７の初期開度を所定の開度に保持したことをいう。同様に、バンク切替えから流量制御弁１７の初期開度保持後とは、例えば、図５のステップＳ１５にて切替え後のバンクで水素ガスの充填を開始するべく、制御装置５が、タンク圧力等から選択した充填流量となるように、流量制御弁１７の初期開度を所定の開度に保持したことをいう。

図６に示すように、流量制御弁１７の初期開度を保持し（ステップＳ２１）、流量制御弁１７による充填流量の制御を開始して、ハンチングが発生するか否かを判断する（ステップＳ２２）。これは、流量計１８の検出結果を制御装置５で判断することで行う。具体的には、流量計１８によって検出される水素ガスの流量の単位時間当たりの変化量（あるいはハンチングの幅）が閾値の範囲か否かを制御装置５で判断する。ハンチングが発生していないと判断した場合には（ステップＳ２２；Ｎｏ）、本フローによる処理を抜ける。

一方、ハンチングが発生していると判断した場合には（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、第２蓄圧器２１も利用して水素ガスをガスタンク３０に充填する（ステップＳ２３）。具体的に、少なくとも遮断弁２３を開くことで、充填初期段階の場合には第１蓄圧器１１と併用して第２蓄圧器２１で充填する一方、バンク切替え後の場合にはその切替え後のバンク（ここでは、バンク１１ｂとする。）と併用して第２蓄圧器２１で充填する。なお、このときに遮断弁２２も開いて、第１蓄圧器１１側から第２蓄圧器２１に水素ガスを供給するようにしてもよい。

その後、ハンチングが解消されたか否かについて、上記のハンチング発生の有無の判断と同様の方法を用いて制御装置５で判断する（ステップＳ２４）。ハンチングが解消されていないと判断した場合には（ステップＳ２４；Ｎｏ）、ハンチングの解消が確認されるまで、第２蓄圧器２２のみで水素ガスをガスタンク３０に充填する（ステップＳ２５）。これは、遮断弁１６を閉じる一方、少なくとも遮断弁２３を開いた状態を維持することで行える。

ハンチングが解消していると判断した場合には（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、第２蓄圧器２２の利用を完全にやめる（ステップＳ２５）。具体的に、少なくとも遮断弁２３を閉じる一方で遮断弁１６は開いた状態にすることで、充填初期段階の場合には第１蓄圧器１１のみで充填を継続する一方、バンク切替え後の場合にはバンク１１ｂのみで充填を継続する。なお、ステップＳ２３及びＳ２５を行う期間は、上記した初期ガス充填期間に含まれることは言うまでもない。

以上説明した第２の変形例によれば、ハンチングが発生した場合に、第２蓄圧器２１を利用して水素ガスをガスタンク３０に充填している。これにより、水素ステーション２側とガスタンク３０内との差圧を縮めることができ、ハンチングを解消することができる。よって、ハンチングの発生時に充填を途中停止することなく、充填を効率的に継続することができる。また、ガスタンク３０の仕様や初期状態、第１蓄圧器１１の仕様や初期状態によって流量制御弁１７の制御を変更する必要がない。

なお、第２の変形例におけるハンチング対策処理は、第１の変形例のバンク切替え処理と独立して行うことが可能である。すなわち、バンク切替え処理時に第２蓄圧器２１を利用しない場合であっても、第１蓄圧器１１から水素ガス充填中にハンチングが起きた場合に、図６に示すハンチング対策処理を行うことができる。

＜第３の変形例：タンク温度の高温時における制御＞
先ず、上記の第２蓄圧器２１を具備しない比較例に係るガス充填システムについて説明する。この比較例に係るガス充填システムにおいては、第１蓄圧器からの高圧水素ガスの充填中に、タンク温度が所定の設定温度（例えば、８０℃）に達した場合、水素ガスの充填を一旦停止し、タンク温度がある程度下がってから、水素ガスの充填を再開することになる。しかし、この充填再開時には、圧損によって、圧力センサが実際のタンク圧力よりも大きい圧力値を検出することになるおそれがある。その結果、タンク圧力が基準値に達したと誤判断して、充填が再び停止することになり、目標の充填量を達成することができない。

これに対し、本実施形態の第３の変形例では、第２蓄圧器２１を利用した充填制御を行うことで、上記のような弊害を解消することができる。具体的には、図８に示すように、第１蓄圧器１１からガスタンク３０への水素ガスの充填中に（ステップＳ３１）、タンク温度が所定の第１温度Ｔ₁に近づいた場合又は達した場合（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、第１蓄圧器１１と併用して第２蓄圧器２１からも水素ガスの充填を一時的に行うように制御する（ステップＳ３３）。

ここで、第１温度Ｔ₁としては、タンク温度の基準値（上限温度。例えば８５℃）よりも小さい値に設定することが好ましく、例えば８０℃とすることができる。また、タンク温度が第１温度Ｔ₁に近づいた場合とは、例えば、タンク温度と第１温度Ｔ₁との差が５℃になった場合をいう。なお、本制御は、少なくとも遮断弁２３を開くことで行えばよく、その際に遮断弁２２も開いて、第１蓄圧器１１から第２蓄圧器２１に水素ガスを供給するようにしてもよい。

このような制御を行うことで、ガスタンク３０に供給される水素ガスの圧力及び流量が抑えられる。したがって、タンク温度自体は上昇するものの、その上昇率については下げることができ、タンク温度がすぐに上限温度に達することを抑制することができる。よって、流量制御弁１７の制御いかんに関わらず、水素ガスの充填をすぐに停止しなくて済む。また、充填を継続する際に、圧力センサ３６によってタンク圧力を正確に検出することができる。

特に、本制御によってタンク温度が第１温度Ｔ₁よりも高い所定の第２温度Ｔ₂に近づいた場合（ステップＳ３４；Ｙｅｓ）、さらに、第２蓄圧器２１のみで水素ガスの充填を行うように制御すれば（ステップＳ３５）、タンク温度の上昇率をより一層抑えながら、充填を継続することができる。すなわち、この第２温度Ｔ₂として、タンク温度の上限温度に近い温度（例えば８３℃であり、適宜設定できる。）に設定しておけば、第２温度Ｔ₂以降についても、タンク温度の上限温度を狙いながら、低圧の水素ガスを低流量にてガスタンク３０に充填することができる。このため、目標の充填量をより達成することができ、しかもその際の充填時間を短縮することができる。

以上説明した第３の変形例における制御は、例えば図３のステップＳ４又は図６のステップＳ２６の水素ガス充填中に行うことができるが、これらと独立して行うこともできる。すなわち、バンク切替え処理時に第２蓄圧器２１を利用しない場合であっても、第１蓄圧器１１から水素ガス充填中にタンク温度が上記の第１温度に近づいた場合等に、第２蓄圧器２１を併用した水素ガス充填を行うことができる。なお、ステップＳ３３及びＳ３５を行う期間は、上記した初期ガス充填期間に含まれることは言うまでもない。

本発明のガスステーション及びガス充填システムは、水素ガスのみならず、他のガスにも適用することができる。また、車両に限らず、航空機、船舶、ロボットなど、外部からのガスの充填先としてガスタンクを搭載した移動体に適用することができる。

１：ガス充填システム、２：水素ステーション、３：車両（移動体）、５：制御装置、６：通信機、１１：第１蓄圧器、１１ａ〜１１ｃ：バンク、１３：ガス流路、１７：流量制御弁、２０：バイパス流路、２１：第２蓄圧器、３０：ガスタンク、３６：圧力センサ、３８：温度センサ、４４：通信機、４６：制御装置

Claims (16)

1. 外部のガスタンクに対してガスを充填するガスステーションであって、
   前記ガスタンクよりも大きい圧力でガスを貯留する第１の蓄圧器と、
   前記ガスタンクよりも大きい圧力で且つ前記第１の蓄圧器よりも小さい圧力でガスを貯留すると共に、前記第１の蓄圧器からガスを補充可能に構成されている第２の蓄圧器と、
   前記ガスタンクへのガス充填を制御する制御装置と、
   当該ガスステーションから前記ガスタンクに向けて放出されたガスが流れる充填流路と前記第１の蓄圧器とを結ぶガス流路と、
   前記ガス流路に設けられ、ガスの流量を制御する流量制御弁と、
   前記流量制御弁をバイパスするように前記ガス流路に接続されるバイパス流路であって、前記第２の蓄圧器が介設されているバイパス流路と、を備え、
   前記制御装置は、前記ガスタンクへの充填開始時に、先ず前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行い、その後、前記第１の蓄圧器に切り替えてガス充填を行う、ガスステーション。
2. 前記ガスタンクの外部にある充填ラインの圧力が圧力センサによって検出されるようになっており、
   前記制御装置は、前記圧力センサが検出した圧力を前記ガスタンク内の圧力として認識する、請求項１に記載のガスステーション。
3. 前記圧力センサは、前記第２の蓄圧器のみを用いたガス充填が行われている間に、前記充填ラインの圧力を検出し、
   前記制御装置は、前記圧力センサが検出した圧力に基づいて、切り替え後の第１の蓄圧器を用いてガス充填を行う、請求項２に記載のガスステーション。
4. 前記制御装置に接続され、前記圧力センサが検出した圧力の情報を通信により受信する通信装置を更に備えた、請求項２又は３に記載のガスステーション。
5. 前記制御装置は、前記ガスタンクへのガス充填時に、前記第１の蓄圧器及び前記第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う第１のガス充填期間を含むように、ガス充填を行うものであり、
   前記第１のガス充填期間には、前記第２の蓄圧器から前記第１の蓄圧器に切り替えるタイミングが含まれる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスステーション。
6. 前記制御装置は、前記第１のガス充填期間において、前記第１の蓄圧器から第２の蓄圧器に対してガスの供給を行う、請求項５に記載のガスステーション。
7. 前記第１の蓄圧器は、前記ガスタンクに対して並列に接続された複数のバンクからなり、
   前記制御装置は、前記複数のバンクを切り替え、前記ガスタンクに対して各々独立してガス充填を行うと共に、前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行う第２のガス充填期間に、前記バンクを切り替えるタイミングを含めるようにガス充填を行う、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のガスステーション。
8. 前記制御装置は、前記第２のガス充填期間の後に、前記第１の蓄圧器のうち次に使用するバンク及び前記第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う第３のガス充填期間を含むように、ガス充填を行う、請求項７に記載のガスステーション。
9. 前記第２の蓄圧器は、前記第１の蓄圧器よりも内容量が小さい、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のガスステーション。
10. 前記第２の蓄圧器のみを用いて行うガス充填は、切り替え後の第１の蓄圧器を用いて行うガス充填よりも低流量で行われる、請求項９に記載のガスステーション。
11. 前記制御装置は、切り替え後の第１の蓄圧器でのガス充填中に前記流量制御弁の下流側でハンチングが起きた場合、当該第１の蓄圧器及び前記第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のガスステーション。
12. 前記制御装置は、切り替え後の第１の蓄圧器でのガス充填中に前記ガスタンク内の温度が所定の第１温度に近づいた場合、当該第１の蓄圧器及び前記第２の蓄圧器の両方を用いてガス充填を行う、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のガスステーション。
13. 前記制御装置は、前記ハンチングが解消されない場合、前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行う、請求項１１に記載のガスステーション。
14. 前記制御装置は、前記ハンチングが解消されない場合に前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行うと同時に、前記第１の蓄圧器から前記第２の蓄圧器に対してガスの供給を行う、請求項１３に記載のガスステーション。
15. 前記制御装置は、前記ガスタンク内の温度が前記所定の第１温度よりも高い第２温度に近づいた場合、前記第２の蓄圧器のみを用いてガス充填を行う、請求項１２に記載のガスステーション。
16. 請求項１ないし１５のいずれか一項に記載のガスステーションと、
    前記ガスタンクを搭載した移動体と、を備えた、ガス充填システム。

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