JP5461791B2 - ガス充填方法及びガス充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮されたガス、例えば水素ガスを被充填タンクに充填する際のガス充填方法及びガス充填装置に関する。

近年、水素ガスを燃料にして走行する自動車の開発や、水素ガスを原料として生成された電気により走行する燃料電池車の開発が進められている。これに伴って、高圧に圧縮された水素ガスを自動車の燃料タンク（被充填タンク）に充填するガス充填装置の実用化も進められている。
この種のガス充填装置では、圧縮されたガスをガス蓄圧器に貯蔵しておき、充填ノズルを自動車側のレセプタクルに接続し、充填ホースの先端部に連通された三方弁を切り替え操作することによりガス蓄圧器に貯蔵されたガスを自動車の燃料タンクに充填するように構成されている。

上述したガス充填装置では、一般に、被充填タンクへのガス充填が進むにつれて被充填タンク内の温度が上昇するが、被充填タンク内の温度が所定温度以下となるように被充填タンクへのガス充填を制御する必要がある。
この装置の一例として、特許文献１に開示されたガス充填装置がある。この特許文献１に開示されたガス充填装置では、ガス充填時間を短縮させると共にガス充填時の被ガス供給体（被充填タンク）内の温度上昇を抑制するために、作業者が被充填タンクの形状、容量等に応じてガス充填による被充填タンク内の圧力上昇率（特許文献１では最大流速値）を選択できるようにし、さらに、制御部では、被充填タンクの耐熱温度に対応した温度しきい値を設け、被充填タンク内の温度が温度しきい値に達すると、制御弁の弁開度を制御して、被充填タンクに供給されるガスの流量を制限している。
特開２００５−１２７４３０号公報

ところで、上述したガス充填装置が対象とするガスが、圧縮された水素ガスである場合、充填初期において熱が発生するため、図３に示すように、被充填タンク内の温度は充填初期に急激に上昇しその後充填終了まで一貫して上昇し、その上昇度合は、前記ガスが圧縮された天然ガスである場合に比して、より顕著なものになる。
詳しくは、図３に示すように、水素ガスの充填時における、被充填タンク内の時間に対する圧力特性は、充填処理に伴い、被充填タンク内のガス圧が時間に比例して増加し、その後、目標充填圧力まで充填される。一方、被充填タンク内の時間に対する温度特性については、充填が開始され被充填タンク内のガス圧がまだ低い時間帯において急激に上昇し、その後、時間経過（圧力の増加）に伴い、徐々に上昇し、被充填タンク内のガス圧が所定の圧力になった充填終了後は僅かに低下する。

また、図３は、次のように読取ることができる。すなわち、空の被充填タンクに圧縮された水素ガスを充填する場合と、ある程度水素ガスが残っている（残ガス圧のある）被充填タンクに水素ガスを充填する場合とでは、前者の空の被充填タンクに水素ガスを充填する場合の方が、ガス圧がまだ低い時間帯における急激な温度上昇特性を含む分、温度上昇が大きくなる。これは、後者の被充填タンクに水素ガスが残されている場合には、水素ガスの充填に伴う発熱の一部が前記残されている水素ガスに吸収され、この分、空の被充填タンクに水素ガスを充填する場合に比して、温度上昇が緩和されると想定される。

また、一般に、被充填タンク内の圧力上昇率（単位時間当たりの圧力上昇）を選択する際、ガス充填開始前の被充填タンク内の残ガス圧や初期温度を考慮した調整は行われておらず、例えば、空または残ガス圧が微小である被充填タンクへのガス充填の際、ガス充填時間の短縮のため圧力上昇率を高く設定すると、被充填タンク内の急激な温度上昇及び充填終了時のタンク温度が高くなり、温度上昇という観点から好ましくない。このため、被充填タンク内の温度上昇を抑えた上で、ガス充填時間を短縮させて効率良くガスを充填する必要があった。

なお、前記特許文献１に開示されたガス充填装置では、作業者自身が被充填タンクの形状、容量等の情報を入力することで被充填タンク内の圧力上昇率が選択できるように構成されているが、被充填タンク内の残ガス圧については何ら考慮されていない。しかも、このガス充填装置では、ガスを充填している最中に、被充填タンク内の温度変化を計測（推定）し、該温度がしきい値に達すると制御弁の弁開度を制御し、被充填タンクに供給するガスの流量を制限するため充填時間が長くなる虞があり改善する余地がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、被充填タンク内の温度上昇を抑えた上で、ガス充填時間を短縮させて効率良くガスを充填するガス充填方法及びガス充填装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明の請求項１に記載したガス充填方法の発明は、圧縮されたガスを被充填タンクへ充填する際に、該被充填タンクへのガスの充填開始時における前記被充填タンク内のガスの残ガス圧と温度とを測定し、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値より大きく、かつ、当該温度の測定値が所定温度値以下の場合の圧力上昇率を、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値以下で、かつ、当該温度の測定値が所定温度値より大きい場合の圧力上昇率より大きくなるように設定して、残ガス圧及び温度の測定値に基づいて設定された圧力上昇率となるように前記被充填タンクへガスを充填することを特徴とするものである。
また、請求項２に記載したガス充填装置の発明は、圧縮されたガスを被充填タンクへ充填するガス充填装置であって、該ガス充填装置は、前記被充填タンク内の残ガス圧を測定する圧力センサーと、前記被充填タンク内の温度を測定する温度センサーと、前記被充填タンクへのガスの充填開始時における、前記圧力センサーからの残ガス圧の測定値が所定圧力値より大きく、かつ、前記温度センサーからの温度の測定値が所定温度値以下の場合の圧力上昇率を、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値以下で、かつ、当該温度の測定値が所定温度値より大きい場合の圧力上昇率より大きくなるように設定して、残ガス圧及び温度の測定値に基づいて設定された圧力上昇率となるように前記被充填タンクへガスを充填させる制御装置と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、被充填タンク内の温度上昇を抑えた上で、ガス充填時間を短縮させて効率良くガスを充填することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図３に基いて詳細に説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態に係るガス充填装置を示すシステム系統図である。図１に示されるように、本発明の実施の形態に係るガス充填装置１０は、例えば自動車の燃料タンク（被充填タンク）１２に圧縮したガス（本実施の形態では、水素ガス）を充填するガス供給ステーションなどに設置されている。

本発明の実施の形態に係るガス充填装置１０において特徴とするところは、燃料タンク１２内の残ガス圧を測定する圧力センサー３０と、燃料タンク１２内の温度（推定）を測定する温度センサー２８と、圧力センサー３０からの残ガス圧の測定値及び温度センサー２８からの温度の測定値によりガス充填時における燃料タンク１２内の圧力上昇率を設定する制御装置１６とを備えたことである。

さらに、本発明の実施の形態に係るガス充填装置１０を図１に基いて説明する。
本ガス充填装置１０は、高圧に圧縮されたガスを貯蔵するガス貯蔵部１４と、ガス貯蔵部１４からのガスを燃料タンク１２に充填するためのディスペンサユニット１５と、ディスペンサユニット１５の各機器を制御する制御装置１６とから概略構成されている。
ガス貯蔵部１４は、圧力源として可変ガス蓄圧器６２と高圧ガス蓄圧器６４とを備えている。可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４にはコンプレッサ７０より供給された高圧のガスが貯蔵される。また、可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４は、燃料タンク１２の目標充填圧力よりも高圧のガスが蓄圧されるまでコンプレッサ７０によりガスが供給されるようになっている。

これら可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４は、コンプレッサ７０により圧縮されたガスを蓄圧する容器であり、コンプレッサ７０の吐出口に連通されたガス供給管路７１、７５を介して圧縮されたガスが供給される。ガス供給管路７１、７５には、夫々電磁弁からなる開閉弁７２、７６と、該開閉弁７２、７６への逆流を防止する逆止弁７４、７８とが設けられている。可変ガス蓄圧器６２から下流側のガス供給管路６７には、元弁６６と、該元弁６６への逆流を防止する逆止弁６９とが設けられており、高圧ガス蓄圧器６４から下流側のガス供給管路６５には元弁６８が設けられている。
また、コンプレッサ７０は、多段圧縮方式の圧縮機であり、吸い込み管路７９を介してガスを貯蔵するガスタンク或いはガスを生成する水素生成設備に連通する中圧配管８０に連通されている。
そして、コンプレッサ７０により圧縮されたガスは、開閉弁７２、７６のうち開弁された方のガス供給管路７１または７５を介して可変ガス蓄圧器６２または高圧ガス蓄圧器６４の何れかに供給される。

そして、充填開始当初は、可変ガス蓄圧器６２の元弁６６が開弁されて燃料タンク１２へのガス充填が行われる。その後、充填中の流量や制御弁の開度等による蓄圧器の切り替え条件（例えば、制御弁の弁開度が最大となったにもかかわらず充填中の流量が所定流量以下に低下したという条件）が成立すると、燃料タンク１２へガス充填する際に使用されるガス蓄圧器を可変ガス蓄圧器６２から高圧ガス蓄圧器６４に切り替えて充填する。
このように、燃料タンク１２へのガスの供給元を、今までのガスの供給に伴ってガスの圧力が低下してきた可変ガス蓄圧器６２から高圧ガス蓄圧器６４に切り換えることにより、可変ガス蓄圧器６２のガスのみを用いて目標圧力に達するまでガス充填を行う方法に比べてその充填時間を短縮することができるようになっている。

ディスペンサユニット１５には、ガス貯蔵部１４に連通されたガス供給管路１８が設けられている。また、ガス供給管路１８の下流端にはディスペンサユニット１５の外部に延びる充填ホース４４が緊急離脱カップリング４２を介して接続されている。充填ホース４４の先端には、燃料タンク１２の充填口１２ａに連結される充填ノズル４６が設けられている。燃料タンク１２と充填口１２ａとの間には、充填口１２ａへの逆流を防止する逆止弁１３が設けられている。

ディスペンサユニット１５のガス供給管路１８には、上流側から下流側に順に、１次圧力計２０、流量計２２、ガス供給開閉弁２４、制御弁２６、温度センサー２８、圧力センサー３０、２次圧力計３２、安全弁３４が配設されている。
また、ディスペンサユニット１５には、充填ホース４４先端の充填ノズル４６が燃料タンク１２の充填口１２ａに結合された後操作される充填開始スイッチ５０と、充填を停止する際操作される充填停止スイッチ５２とが設けられている。
ディスペンサユニット１５の制御装置１６には、流量計２２、ガス供給開閉弁２４、制御弁２６、温度センサー２８、圧力センサー３０、メモリ４８、充填開始スイッチ５０、充填停止スイッチ５２、開閉弁７２，７６、元弁６６，６８、が接続されている。また、コンプレッサ７０は図示せぬ制御装置に接続され、可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４内のガスの圧力が所定圧力まで低下した場合に当該制御装置によりの駆動指示に基づき駆動されることにより、可変ガス蓄圧器６２及び高圧ガス蓄圧器６４内の圧力を燃料タンク１２にガスを充填しうる高い圧力に保持する。

圧力センサー３０は、制御弁２６の下流側で制御弁２６を通過したガス圧を測定し、その検出信号を制御装置１６に出力すると共に、ガス充填開始後の充填初期段階で燃料タンク１２内の残ガス圧（充填開始前圧力値）を測定し、その検出信号を制御装置１６に出力する。
温度センサー２８は、ガス供給管路１８の外周部の温度を測定し、この測定された温度から燃料タンク１２内の温度を推定するために設けられたものである。なお、ガス供給管路１８に燃料タンク１２の擬似タンクである温度測定用擬似タンクを連通させ、該温度測定用擬似タンク内に温度センサー２８を配置して、この温度センサー２８により測定された温度から燃料タンク１２内の温度を推定してもよい。また、単に、温度センサー２８を、ディスペンサユニット１５を収容する筐体内に配置して、この温度センサー２８により測定された温度から燃料タンク１２内の温度を推定してもよい。
なお、自動車の燃料タンク１２内に温度センサー２８を配置し、測定された温度をディスペンサユニット１５に伝送するようにしても良い。しかし、このようにすることは実際には難しいため、ディスペンサユニット１５の筐体内において、燃料タンク１２と略同じ環境の温度を測定して燃料タンク１２内の温度を推定している。
なお、ガス充填先が不動の被充填タンクであれば直接被充填タンク内に温度センサー２８を配置した方が良い。

流量計２２は、コリオリ式質量流量計からなり、供給されたガスの流量に応じた信号を制御装置１６に出力する。
ガス供給開閉弁２４は、電磁弁からなり、制御装置１６からの開閉信号のオン、オフにより開弁及び閉弁する。
制御弁２６は、制御装置１６の制御プログラムに基づく指令により任意の弁開度に制御されてガス圧を制御するものである。

制御装置１６のメモリ４８には、ガス充填時、圧力センサー３０により測定された圧力値から得られる圧力上昇率が、予め設定された所定の圧力上昇率に一致するように制御弁２６の弁開度を制御する前記制御プログラム（定圧上昇制御）が格納されている。
さらに、制御装置１６では、充填開始時においては微小流量での燃料タンク１２へのガス充填を行い（定流量充填制御）、流量計２２により計測される積算流量が充填ホース４４内（ガス供給開閉弁２４から下流側のガス供給管路１８を含む）の容量まで満たせるだけの所定量に達した時に圧力センサー３０により測定された圧力（充填初期（充填開始時）の燃料タンク１２内の残ガス圧）と、温度センサー２８により測定された充填初期（充填開始時）の燃料タンク１２内の温度（推定値）とに基いて、後述する制御フローにより、燃料タンク１２内の圧力上昇率を設定する。
また、制御装置１６は、充填開始スイッチ５０、充填停止スイッチ５２からの信号に基き開閉弁７２，７６、元弁６６，６８及びガス供給開閉弁２４を開弁及び閉弁させる。

次に、制御装置１６のガス充填制御フローを図２に基いて説明する。
なお、以下に説明するガス充填制御フローは、特に、ガス充填時の燃料タンク１２内の圧力上昇率を選択する際の制御フローである。
作業員は、ガス充填を受ける自動車が到着すると、自動車をディスペンサユニット１５に誘導し、充填ホース４４先端の充填ノズル４６を燃料タンク１２の充填口１２ａに連結させた後、充填開始スイッチ５０をオンに操作する（ステップＳ１）。

そして、制御装置１６では、ステップＳ２において、充填初期（充填開始時）に、温度センサー２８によりガス供給管路１８の温度が測定されて、燃料タンク１２内の温度を推定する。
次に、ステップＳ３において、測定温度（燃料タンク１２内の推定温度）がＴａ（例えば２５℃）以下であるか否かが判定される。その判定がＹＥＳであれば、ステップＳ４に進み、ＮＯであればステップＳ９に進む。
次に、ステップＳ４において、充填開始スイッチ５０のオン操作に基いて、ガス供給開閉弁２４を開動作して定流量充填制御（微小流量での燃料タンク１２へのガス充填制御）を行い、その後、ステップＳ５において、積算流量が充填ホース４４内（ガス供給開閉弁２４から下流側のガス供給管路１８を含む）の容量まで満たせるだけの所定量（流量計２２にて測定）となるまで取り込み、圧力センサー３０により充填開始圧力値を測定する。なお、この所定量の積算流量が計測された際に圧力センサー３０により測定された圧力値（充填開始圧力値）が燃料タンク１２内の残ガス圧に相当する。
次に、ステップＳ６において、燃料タンク１２内の残ガス圧がＰａ（例えば３５ＭＰａ）以下であるか否かが判定される。その判定がＹＥＳであれば、ステップＳ７に進み第１圧力上昇率が選択され、該第１圧力上昇率により燃料タンク１２へ定圧上昇充填が行われる。一方、その判定がＮＯであれば、ステップＳ８に進み第２圧力上昇率が選択され、該第２圧力上昇率により燃料タンク１２へ定圧上昇充填が行われる。

また、前記ステップＳ３において、その判定がＮＯであり、ステップＳ９に進んだ場合には、ステップＳ９において、ステップＳ４と同様に、充填開始スイッチ５０のオン操作に基いて、ガス供給開閉弁２４を開動作して定流量充填制御を行い、その後、ステップＳ１０において、ステップＳ５と同様に、積算流量が充填ホース４４内（ガス供給開閉弁２４から下流側のガス供給管路１８を含む）の容量まで満たせるだけの所定量となるまで取り込み、圧力センサー３０により充填開始圧力値（燃料タンク１２内の残ガス圧）を取り込む。
次に、ステップＳ１１において、ステップＳ６と同様に、燃料タンク１２内の残ガス圧がＰａ（例えば３５ＭＰａ）以下であるか否かが判定される。その判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１２に進み第３圧力上昇率が選択され、該第３圧力上昇率により燃料タンクへ定圧上昇充填が行われ、一方、その判定がＮＯであれば、ステップＳ１３に進み第４圧力上昇率が選択され、該第４圧力上昇率により燃料タンク１２へ定圧上昇充填が行われる。

その後、第１圧力上昇率、第２圧力上昇率、第３圧力上昇率または第４圧力上昇率の何れかで定圧上昇充填が行われた後は、タンク残容量が算出され、その結果により、定圧上昇充填、一段閉制御充填及び定流量充填等が行われた後、ステップＳ１４において、燃料タンク１２が満タンガス圧に充填された否かが判定され、その判定がＹＥＳの場合にはガスの充填が終了し（ステップＳ１５）、その判定がＮＯであれば、所定の圧力上昇率により再び定圧上昇充填が行われる。
なお、上述した第１圧力上昇率、第２圧力上昇率、第３圧力上昇率及び第４圧力上昇率の大小関係は、例えば、第３圧力上昇率＜第１圧力上昇率＜第４圧力上昇率＜第２圧力上昇率で設定される。

このように、充填初期（充填開始時）の段階において、例えば、燃料タンク１２内の温度が高く、燃料タンク１２内の残ガス圧が低い場合に、ガス充填時間の短縮のために高めの圧力上昇率を採用すると、温度上昇（最大値）が大きくなり好ましくないために、低めの圧力上昇率（例えば第３圧力上昇率）を採用することにより、ある程度ガス充填時間は必要となるが温度上昇は緩和されることになる。一方、燃料タンク１２内の温度が低く、燃料タンク１２内の残ガス圧が高い場合には、ガス充填時間の短縮のために高めの圧力上昇率（例えば第２圧力上昇率）を採用しても、図３に示すような水素ガスの時間に対する温度特性により、温度上昇が緩和されるので、温度上昇（最大値）を抑えた上でガス充填時間を短縮することができる。

本実施の形態に係るガス充填装置１に採用された制御装置１６のガス充填制御フロー（図２の制御フロー）では、燃料タンク１２内の測定温度（推定値）に対して、基準値をＴａの１つに設定して２通りに振り分けて制御しているが、精度を高めるために、基準値をＴａ（例えば１０℃）及びＴｂ（例えば３０℃）の２つに設定して３通り（測定温度＜Ｔａの場合，Ｔａ＜測定温度＜Ｔｂの場合，Ｔｂ＜測定温度の場合）に振り分けて制御してもよい。当然ながら、燃料タンク１２内の残ガス圧に対しても、基準値をＰａ（例えば２０ＭＰａ）及びＰｂ（例えば４０ＭＰａ）の２つに設定して３通り（測定圧力＜Ｐａの場合，Ｐａ＜測定圧力＜Ｐｂの場合，Ｐｂ＜測定圧力の場合）に振り分けて制御してもよい。この形態の場合には採用される圧力上昇率が多数（最大で９個）設定されることになる。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、充填初期（充填開始時）の段階で、圧力センサー３０により燃料タンク１２内の残ガス圧を測定すると共に、温度センサー２８により燃料タンク１２内の温度を測定（推定）し、制御装置１６によりこれら燃料タンク１２内の残ガス圧及び温度の測定値からガス充填時における燃料タンク１２内の圧力上昇率を設定するので、燃料タンク１２内の温度上昇（最大値）を抑えた上で、ガス充填時間を短縮させて効率良くガスを充填することができる。

なお、充填される燃料タンク１２の形状や容量に応じても燃料タンク１２にガス充填を行なっている際の燃料タンク１２内のガスの温度上昇度合いが変わるので、これを考慮して、本実施の形態に係る制御装置１６に、充填される燃料タンク１２の形状や容量に応じた、燃料タンク１２内の残ガス圧及び温度の基準値と、それに伴う圧力上昇率とをそれぞれ設定しておき、燃料タンク１２の形状や容量に応じた圧力上昇率を選択できるようにしてもよい。
また、本実施例のガス充填装置には燃料タンク１２に充填するガスを冷却する冷却器は備えられていないが、当該冷却器が将来的に備えられることを予め想定し、冷却器が備えられた場合における燃料タンク１２内の残ガス圧及び温度の基準値と、それに伴う圧力上昇率とを設定しておき、冷却器が備えられた場合にはそれに対応する圧力上昇率を選択できるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、圧縮ガスとして水素ガスを説明したが、これに限らず、水素ガス以外のガス、例えば、ブタン，プロパンなどのガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を被充填タンクに充填する形態に適用してもよい。
さらに、本実施の形態では、自動車の燃料タンク１２に圧縮されたガスを充填する形態を説明したが、これに限らず、他のタンクや容器等に圧縮されたガスを充填する際にも適用することができ、また、本ガス充填装置１のディスペンサユニット１５を、他の場所に給送するための管路の途中に設置してもよい。

図１は、本発明の実施の形態に係るガス充填装置を示すシステム系統図である。 図２は、図１の制御装置のガス充填制御フローを示す図である。 図３は、水素ガスを対象にした時間に対する圧力特性及び温度特性を示す図である。

符号の説明

１０ ガス充填装置，１２ 燃料タンク（被充填タンク），１５ ディスペンサユニット，１６ 制御装置，２８ 温度センサー，３０ 圧力センサー

Claims (2)

1. 圧縮されたガスを被充填タンクへ充填する際に、該被充填タンクへのガスの充填開始時における前記被充填タンク内のガスの残ガス圧と温度とを測定し、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値より大きく、かつ、当該温度の測定値が所定温度値以下の場合の圧力上昇率を、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値以下で、かつ、当該温度の測定値が所定温度値より大きい場合の圧力上昇率より大きくなるように設定して、残ガス圧及び温度の測定値に基づいて設定された圧力上昇率となるように前記被充填タンクへガスを充填することを特徴とするガス充填方法。
2. 圧縮されたガスを被充填タンクへ充填するガス充填装置であって、
   該ガス充填装置は、前記被充填タンク内の残ガス圧を測定する圧力センサーと、
   前記被充填タンク内の温度を測定する温度センサーと、
   前記被充填タンクへのガスの充填開始時における、前記圧力センサーからの残ガス圧の測定値が所定圧力値より大きく、かつ、前記温度センサーからの温度の測定値が所定温度値以下の場合の圧力上昇率を、当該残ガス圧の測定値が所定圧力値以下で、かつ、当該温度の測定値が所定温度値より大きい場合の圧力上昇率より大きくなるように設定して、残ガス圧及び温度の測定値に基づいて設定された圧力上昇率となるように前記被充填タンクへガスを充填させる制御装置と、
   を備えていることを特徴とするガス充填装置。

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