JP5839546B2 - 水素ステーション - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池自動車、水素自動車等に水素を直接充填する水素ステーションに関するものである。
昨今、自動車の排気ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素酸化物（ＮＯＸ）、浮遊粒子状物質（ＰＭ）などによる地球温暖化、大気汚染の影響が懸念されている。このため、従来のガソリン内燃機関型自動車にかわり、積載された燃料電池で水素と酸素の化学反応に基づく電気エネルギーを利用して駆動する燃料電池自動車（ＦＣＶ）が着目されている。
燃料電池自動車は、上述した二酸化炭素等を排出せず、他の有害物質も排出しない。また、燃料電池自動車は、ガソリン内燃機関型自動車よりもエネルギー効率に優れるなど、ガソリン内燃機関型自動車にない種々の利点を有している。
ところで、燃料電池自動車には、大別すると、水素ステーションから水素を補給するタイプのものと、水素以外の燃料を補給して車載改質器で水素を製造するタイプのものとがあるが、二酸化炭素（ＣＯ２）削減の効果等から、前者のほうが優位であるとみなされている。従って、燃料電池自動車と、それに水素を補給するための水素ステーションの研究、開発が急がれている。
水素ステーションから、水素を補給するタイプの燃料電池自動車の場合には、直接、自動車に積載された水素タンクに高圧に圧縮された水素を補給する。なお、供給元の高圧の気体を供給先の低圧側の状態に移行（すなわち膨張）させる際、圧力差を保ちながらその気体を膨張させた場合には、ジュール・トムソン効果による温度の変化が生じる。
ジュール・トムソン効果による温度の変化は、気体の当初の温度に依存し、その温度が逆転温度以下であれば、温度は低下し、そうでなければ、温度は上昇する。しかしながら、水素の逆転温度は、２１５Ｋ（−５８．１５℃）程度と、他の気体に比してかなり低温であるため、得てして、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇が生じる。
従って、水素ステーションには、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避するための設備等が必要となる。そして、そのための種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、水素供給源と水素タンクとを接続する接続工程、水素供給源と水素タンクとを結ぶ流路上に備えられた充填速度可変手段により水素タンク内の圧力に応じて水素の充填速度を速める充填工程を有する、水素タンクへの水素急速充填方法（その水素急速充填方法を実現した水素ステーション）が開示されている。
特開２００１−３５５７９５号公報
しかしながら、燃料電池自動車への水素充填を行なうたびに、水素ステーションに備えられた高圧段側圧縮機を起動する必要があるため、起動に要する時間だけ余計な充填時間を要する。
従って、本発明の目的は、燃料電池自動車、水素自動車等に水素を直接充填する水素ステーションにおいて、高圧段側圧縮機を起動する時間的ロスを最小化可能な水素ステーションを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る水素ステーションが採用した手段は、
自動車に搭載される水素タンクに水素を直接充填するための水素ステーションにおいて、
供給された水素を複数段に圧縮する複数の圧縮機と、自動車の水素ステーションへの接近または到着を検知するセンサが備えられる一方、
前記複数の圧縮機が中間流路で接続されてなり、
前記複数段の圧縮機のうち少なくとも最高圧段側圧縮機に接続された前記中間流路以降に備えられた機器を起動準備手段とすると共に、
前記センサからの信号によって当該起動準備手段を始動させる始動手段が備えられ、前記起動準備手段が、前記最高圧段側圧縮機の潤滑油を回収して循環冷却する潤滑油冷却ユニットを含み、更に、圧縮された水素を複数段に冷却する複数の水素冷却ユニットのうち、少なくとも自動車に水素充填する直前の水素冷却ユニットを含んだ構成であり、
低圧段側の圧縮機から供給された水素を一旦、貯留する複数の中間蓄圧器を有し、
前記中間流路が、前記複数の中間蓄圧器の水素が合流する合流点を有し、
前記起動準備手段が、前記合流点と前記最高圧段側圧縮機との間の前記中間流路の部分に介設された開閉弁を含み、
前記センサの信号がコントローラに送信された場合には、このコントローラは前記開閉弁を開弁することを特徴とするものである。
本発明の請求項２に係る水素ステーションが採用した手段は、請求項１に記載の水素ステーションにおいて、前記センサが、光学センサ、重量センサ及び磁気センサのうちの何れか一つ以上から選択されてなることを特徴とするものである。
本発明の請求項１に係る水素ステーションによれば、
自動車に搭載される水素タンクに水素を直接充填するための水素ステーションにおいて、
供給された水素を複数段に圧縮する複数の圧縮機と、自動車の水素ステーションへの接近または到着を検知するセンサが備えられる一方、
前記複数の圧縮機が中間流路で接続されてなり、
前記複数段の圧縮機のうち少なくとも最高圧段側圧縮機に接続された前記中間流路以降に備えられた機器を起動準備手段とすると共に、
前記センサからの信号によって当該起動準備手段を始動させる始動手段が備えられ、前記起動準備手段が、前記最高圧段側圧縮機の潤滑油を回収して循環冷却する潤滑油冷却ユニットを含み、更に、圧縮された水素を複数段に冷却する複数の水素冷却ユニットのうち、少なくとも自動車に水素充填する直前の水素冷却ユニットを含んだ構成であり、
低圧段側の圧縮機から供給された水素を一旦、貯留する複数の中間蓄圧器を有し、
前記中間流路が、前記複数の中間蓄圧器の水素が合流する合流点を有し、
前記起動準備手段が、前記合流点と前記最高圧段側圧縮機との間の前記中間流路の部分に介設された開閉弁を含み、
前記センサの信号がコントローラに送信された場合には、このコントローラは前記開閉弁を開弁するので、水素充填を開始する旨指示を受けてから水素充填を開始するまでの時間、ひいては充填終了するまでの時間が従来技術よりも短縮される。また、自動車への水素充填を開始する旨の指示を受けてから最高圧段側圧縮機の起動が即、水素充填を開始可能なため、最高圧段側圧縮機の起動による時間的ロスを最小化し得る。さらに、自動車への水素充填を開始する旨の指示を受けてから最高圧段側圧縮機によって圧縮される充填直前の高圧水素の冷却が即可能なため、前記水素冷却ユニットの起動による時間的ロスを最小化し得る。
また更に、本発明の請求項２に係る水素ステーションによれば、前記センサが、光学センサ、重量センサ及び磁気センサのうちの何れか一つ以上から選択されてなるので、自動車の水素ステーションへの接近または到着を正確に検知可能となる。
本発明の実施の形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す概略構成図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水素ステーション１の構成を概略的に示す概略構成図である。
この水素ステーション１は、燃料電池自動車（以下、単に自動車とも称す。）に搭載される水素タンクに水素を直接充填するため設置される固定設備であって、先ず図示しない水素の供給源から、フィルター２の介設された供給流路３を介して、低圧段側の往復動圧縮機４に水素が供給されるように構成されている。この低圧段側の往復動圧縮機４には駆動機（電動機等）５が接続されており、この駆動機５の回転によって往復動圧縮機４は駆動される。
往復動圧縮機４と後述の往復動圧縮機１４とは中間流路６で接続されている。そして、往復動圧縮機４で圧縮された水素は、中間流路６に吐出される。このときの往復動圧縮機４の吐出側の圧力は例えば４０ＭＰａに制御される。中間流路６には、圧縮されて高温となった水素を冷却するための水素クーラ７が介設されている。そして、中間流路６は分岐点６ａにて、２つの流路に分岐されている。分岐点６ａにて分岐された中間流路６の一方は開閉弁８、分岐点６ｂを介して、第１の中間圧蓄圧器９に達する。また、分岐点６ａにて分岐された中間流路６の他方は開閉弁１０、分岐点６ｃを介して、第２の中間圧蓄圧器１１に達する。
一方、分岐された中間流路６は、第１の中間圧蓄圧器９からは分岐点６ｂと開閉弁１２を介して、また、第２の中間圧蓄圧器１１からは分岐点６ｃと開閉弁１３を介して、合流点６ｄにて合流し、高圧段側の往復動圧縮機１４に達するよう構成されている。
尚、この高圧段側の往復動圧縮機１４には駆動機１５が接続されており、この駆動機１５の回転によって往復動圧縮機１４は駆動される。駆動機１５は、図示しないインバータによって回転数を制御可能な電動機であって、物理的に可能な任意の回転数に回転可能なものである。駆動機１５は回転数を制御可能なものであれば良く、インバータにて回転制御される電動機に限定されるものではない。
第１の中間圧蓄圧器９及び第２の中間圧蓄圧器１１は、低圧段側の往復動圧縮機４から供給された水素を一旦、貯留する機能を担っている。尚、分岐点６ｂと第１の中間圧蓄圧器９との間の中間流路６には、圧力センサ１６が介設されている。また、分岐点６ｃと第２の中間圧蓄圧器１１との間の中間流路６には、圧力センサ１７が介設されている。
そして、開閉弁８は、圧力センサ１６における検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値未満の場合に開弁され、逆に、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値以上の場合に閉弁される。この開閉弁８の開閉動作（特に閉動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第１の中間圧蓄圧器９の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
開閉弁１０も、開閉弁８と同様に、圧力センサ１７における検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値未満の場合に開弁され、逆に、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値以上の場合に閉弁される。この開閉弁１０の開閉動作（特に閉動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第２の中間圧蓄圧器１１の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
更に、開閉弁１２は、圧力センサ１６における検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値未満の場合に閉弁され、逆に、圧力センサ１６における検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値以上の場合に開弁される。この開閉弁１２の開閉動作によって、高圧段側の往復動圧縮機（最高圧段側圧縮機）１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
また更に、開閉弁１３は、開閉弁１２と同様に、圧力センサ１７における検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値未満の場合に閉弁され、逆に、圧力センサ１７における検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値以上の場合に開弁される。この開閉弁１３の開閉動作によっても、高圧段側の往復動圧縮機１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
往復動圧縮機１４で圧縮された水素は、吐出流路１８に吐出される。このときの往復動圧縮機１４の吐出側の圧力は、例えば１００ＭＰａに制御される。吐出流路１８には、圧縮され、高温となった水素を冷却するための水素クーラ１９が介設されている。
ここで、往復動圧縮機１４には、この圧縮機１４内の潤滑油を回収して循環冷却するために油循環流路３３と、この油循環流路３３に介設された潤滑油ポンプ３４、オイルクーラ３６及びオイルフィルタ３７と、潤滑油ポンプ３４を駆動する駆動機３５とからなる潤滑油冷却ユニット３２が接続されている。そして、後述するコントローラ３０内に収納された始動手段３０ａの始動信号により、潤滑油冷却ユニット３２が始動され、往復動圧縮機１４内の潤滑油が潤滑油冷却ユニット３２に回収され循環しつつ冷却されるように構成されている。
水素クーラ１９より下流側の吐出流路１８には、順に、流量調整弁２０、流量計２１、水素冷却ユニット２２、遮断弁２３が介設されている。流量調整弁２０はその下流の流量計２１で検出された流量値に基づき、その開度が制御され、流量調整弁２０を通じる水素の流量を適正に調整する機能を担っている。尚、流量調整弁２０、流量計２１及び遮断弁２３は、いわゆるディスペンサー（充填機）を構成している。
水素冷却ユニット２２は、水素クーラ４０と冷凍機４１を冷媒配管４２により接続して構成されている。吐出流路１８内の水素は、この冷凍機４１によって冷却された冷媒と、水素クーラ４０内において熱交換するよう構成されている。そして、コントローラ３０内に収納された前記始動手段３０ａの始動信号により、水素冷却ユニット２２における冷凍機４１が始動され、吐出流路１８内の水素が水素クーラ４０内に循環する冷媒により冷却される。
他の水素クーラ７，１９もこの水素クーラ４０と同様、図示しない水素冷却ユニットを構成している。そして、この最終段の水素冷却ユニット２２は、その上流側の水素クーラ１９を含む水素冷却ユニットで冷却された水素を、顧客の自動車に充填する直前に更に冷却する機能を有している。例えば、水素クーラ１９を含む水素冷却ユニットでは、１３０℃程度の高温の水素が４０℃程度にまで冷却され、更に、水素冷却ユニット２２では、その４０℃程度の水素が−４０℃程度にまで冷却される。
そして、吐出流路１８の最も下流の端部には、緊急離脱カップラー２４が設けられている。この緊急離脱カップラー２４は、これを介して燃料電池自動車Ｃ側に伸びる充填ホース２５が極めて強い力で引っ張られた場合に離脱し、水素ガスの供給先側（燃料電池自動車Ｃ側）、あるいはそれと反対の水素ガスの供給元側の双方から、高圧の水素ガスが噴出しないよう構成されてなるものである。
更に、緊急離脱カップラー２４から伸びる充填ホース２５の最も下流の端部には、充填ノズル２６が設けられている。充填ノズル２６は、燃料電池自動車Ｃの図示しないノズル口に接続される。そして、水素ステーション１から供給される水素は、燃料電池自動車Ｃの内部に搭載される車載水素タンク（図示省略）に供給される。
一方、本発明の実施の形態に係る水素ステーション１には、来店（水素ステーションに接近もしくは到着）した顧客の燃料電池自動車Ｃを水素ガスの供給先に誘導するためのレーン（図示省略）が設定されており、このレーンの入口近傍に顧客が乗った自動車Ｃの来店（自動車Ｃの水素ステーションへの接近もしくは到着）を検知するセンサ３１が設置されている。
また、前記二段の圧縮機のうち少なくとも高圧段側の往復動圧縮機（最高圧段側圧縮機）１４に接続された中間流路６以降に備えられた機器、より詳しくは、高圧段側の往復動圧縮機（最高圧段側圧縮機）１４以降に備えられた機器（すなわち、往復動圧縮機（最高圧段側圧縮機）１４に具備されているか、往復動圧縮機（最高圧段側圧縮機）１４より後流側において備えられた機器）である、潤滑油冷却ユニット３２と水素冷却ユニット２２とが、起動準備手段２７として構成されている。それと共に、センサ３１からの信号（以下「来店信号」とも称する）がコントローラ３０に送信され、コントローラ３０内の始動手段３０ａによる始動信号によって前記起動準備手段２７が起動可能に構成されている。
ここで、センサ３１としては、光学センサ、重量センサまたは磁気センサのうちの何れか一つ以上から選択される。例えば、光電管等の光学センサのみでは、検出された来客信号が来客の自動車Ｃか人の通過かが判別し難い場合がある。このような場合、例えば光学センサと重量センサ或いは磁気センサとを併用して、自動車か人かを判別することもできる。
次に、本発明の実施の形態に係る水素ステーション１における顧客来店前の運転状況、及び顧客の乗った自動車がこの水素ステーション１に来店した際の運転状況について以下説明する。
水素ステーション１は、先ず、図示しない水素供給源からフィルター２が介設された供給流路３を介して、低圧段側の往復動圧縮機４に水素を受け入れる。そして、この往復動圧縮機４に接続された駆動機５を始動して往復動圧縮機４を駆動する。次いで、往復動圧縮機４で圧縮された水素を中間流路６に吐出し、水素クーラ７によって冷却する。
更に、冷却された水素を、中間流路６の分岐点６ａを経て、開弁された開閉弁８及び分岐点６ｂを介して第１の中間圧蓄圧器９に貯留すると共に、開弁された開閉弁１０及び分岐点６ｃを介して第２の中間圧蓄圧器１１にも貯留する。
そして、圧力センサ１６における水素圧の検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値以上になると、開閉弁８を閉弁して第１の中間圧蓄圧器９への水素の貯留を停止する一方、圧力センサ１７における水素圧の検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値以上になると、開閉弁１０も閉弁して第２の中間圧蓄圧器１１への水素の貯留を停止する。
また、圧力センサ１６における検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値以上になると開閉弁１２が開弁される一方、圧力センサ１７における検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値以上になると開閉弁１３が開弁される。そして、第１の中間圧蓄圧器９と第２の中間圧蓄圧器１１の水素は、合流点６ｄにて合流し、始動されていない高圧段側の往復動圧縮機１４、水素クーラ１９を経て、前記ディスペンサー直前の吐出流路１８内で待機している。
そして、顧客の乗った自動車Ｃが、水素ステーション１の水素ガスの供給先に接続するレーン入口に進入すると、センサ３１に自動車Ｃの来店が検知され、この来店信号がコントローラ３０に送信される。すると、コントローラ３０内に収納された始動手段３０ａから始動信号が、潤滑油冷却ユニット３２、更には水素冷却ユニット２２に送信される。
その結果、潤滑油冷却ユニット３２の駆動機３５が始動して、往復動圧縮機１４内の潤滑油を、潤滑油冷却ユニット３２に回収しオイルクーラ３６により冷却し、オイルフィルタ３７にて不純物を除去した後、往復動圧縮機１４内に循環して、往復動圧縮機１４が何時起動しても問題ない潤滑状態に保持する。更に、水素冷却ユニット２２の冷凍機４１が始動して、水素クーラ４０内に十分に冷却された冷媒を循環させ、何時水素充填を開始しても、水素クーラ４０を通して、水素を十分に冷却できる水素冷却ユニット２２の運転状態（例えば、４０℃程度の水素を−４０℃程度にまで冷却できる運転状態）を保持する。そして、顧客の自動車 Ｃに充填する直前の水素を冷却し、何時水素充填を開始しても問題ない水素の冷却状態に保持する。
そして、顧客の自動車Ｃが水素ガス供給先に来て、顧客が水素充填を発注した時点（即ち、自動車Ｃへの水素充填を開始する旨の指示があった時点）で、水素ステーション１の操作員が、高圧段側の往復動圧縮機１４の駆動機１５を起動する。すると、低圧の水素が高圧に圧縮され、高圧水素として吐出流路１８に吐出された後、水素クーラ１９によって冷却される。
次いで、操作員が、充填ホース２５の先端に取り付けられた充填ノズル２６を、燃料電池自動車Ｃの図示しないノズル口に接続した後、遮断弁２３が開弁される。すると、水素ステーション１から、流量調整弁２０を通じる水素が、流量計２１で検出された流量値に基づいて、流量を適正に保持しながら自動車Ｃの内部に搭載された車載水素タンクに供給される。この際、水素冷却ユニット２２は、顧客の水素充填の発注前から始動しているので、充填直前の水素を十分に冷却して即充填可能となる（水素充填を開始する旨指示を受けてから水素充填を開始するまでの時間、ひいては充填終了するまでの時間が従来技術よりも短縮される）。
以上説明した通り、本発明の水素ステーションによれば、供給された水素を複数段に圧縮する複数の圧縮機と、顧客の自動車の来店（水素ステーションへの接近または到着）を検知するセンサが備えられる一方、前記複数段の圧縮機のうち少なくとも最高圧段側圧縮機以降に備えられた機器を起動準備手段とすると共に、前記センサからの来店信号によって当該起動準備手段を始動させる始動手段が備えられてなるので、顧客が水素充填の依頼をしてから（自動車への水素充填を開始する旨の指示があってから）充填を開始するまでの時間、ひいては充填終了までの時間が従来技術よりも短縮される。
本発明は上述した実施の形態に限るものではない。例えば、上述の実施の形態では、最高圧段側圧縮機１４以降に備えられた機器３２，２２の双方を起動準備手段２７としたが、機器３２，２２のうちの一方と起動準備手段２７としてもよい。また、最高圧段側圧縮機１４以降において、最高圧段側圧縮機１４以降に備えられた機器３２，２２に準じるような機器が備えられている場合にあっては、その機器を起動準備手段２７に含めても良い。
また、本発明においては、最高圧段側圧縮機１４以降に備えられた機器のみではなく、最高圧段側圧縮機１４に接続された中間流路６以降に備えられた機器を起動準備手段とすることができる。例えば、上述した実施の形態の変形例として、合流点６ｄと最高圧段側圧縮機１４との間の中間流路６に開閉弁（開閉弁αとする）を介設し、この開閉弁αを起動準備手段としてもよい。そして、センサ３１の信号がコントローラ３０に送信された場合には、コントローラ３０は開閉弁αを開弁し、それ以外の場合にはコントローラ３０は開閉弁αを閉弁する制御を行うことが好ましい。
Ｃ…燃料電池自動車
１…水素ステーション
２…フィルター
３…供給流路
４…低圧段側の往復動圧縮機
５…駆動機
６…中間流路， ６ａ，６ｂ，６ｃ…分岐点， ６ｄ…合流点
７，１９，４０…水素クーラ
８，１０，１２，１３…開閉弁
９…第１の中間圧蓄圧器
１１…第２の中間圧蓄圧器
１４…高圧段側の往復動圧縮機
１５…駆動機
１６，１７…圧力センサ
１８…吐出流路
２０…流量調整弁
２１…流量計
２２…水素冷却ユニット
２３…遮断弁
２４…緊急離脱カップラー
２５…充填ホース
２６…充填ノズル
２７…起動準備手段
３０…コントローラ， ３０ａ…始動手段
３１…センサ
３２…潤滑油冷却ユニット
３３…油循環流路
３４…潤滑油ポンプ
３５…駆動機
３６…オイルクーラ
３７…オイルフィルタ
４１…冷凍機
４２…冷媒配管

Claims (2)

  1. 自動車に搭載される水素タンクに水素を直接充填するための水素ステーションにおいて、
    供給された水素を複数段に圧縮する複数の圧縮機と、自動車の水素ステーションへの接近または到着を検知するセンサが備えられる一方、
    前記複数の圧縮機が中間流路で接続されてなり、
    前記複数段の圧縮機のうち少なくとも最高圧段側圧縮機に接続された前記中間流路以降に備えられた機器を起動準備手段とすると共に、
    前記センサからの信号によって当該起動準備手段を始動させる始動手段が備えられ、前記起動準備手段が、前記最高圧段側圧縮機の潤滑油を回収して循環冷却する潤滑油冷却ユニットを含み、更に、圧縮された水素を複数段に冷却する複数の水素冷却ユニットのうち、少なくとも自動車に水素充填する直前の水素冷却ユニットを含んだ構成であり、
    低圧段側の圧縮機から供給された水素を一旦、貯留する複数の中間蓄圧器を有し、
    前記中間流路が、前記複数の中間蓄圧器の水素が合流する合流点を有し、
    前記起動準備手段が、前記合流点と前記最高圧段側圧縮機との間の前記中間流路の部分に介設された開閉弁を含み、
    前記センサの信号がコントローラに送信された場合には、このコントローラは前記開閉弁を開弁することを特徴とする水素ステーション。
  2. 前記センサが、光学センサ、重量センサ及び磁気センサのうちの何れか一つ以上から選択されてなることを特徴とする請求項１に記載の水素ステーション。
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