JP6179273B2 - 燃料ガス充填装置 - Google Patents
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Description
従来の燃料ガス充填装置は、大容量の燃料ガス容器を想定した圧力上昇率または流量で燃料ガスを充填するようになっている。このため、小容量の燃料ガス容器に対しては急速に燃料ガスを充填してしまい、この場合、燃料ガス容器の温度が急激に上昇し、規定温度を超えてしまうおそれがある。
この燃料ガス充填装置は、燃料ガス容器の容器内圧力が最終目標圧力に到達した場合に燃料ガスの充填を一時停止するとともに、燃料ガス容器の放熱に伴って容器内圧力が所定の充填再開圧力まで低下した場合に燃料ガスの充填を再開し、この一時停止と再開を繰り返しながら燃料ガスの充填を間欠的に行うようにしている。
まず、構成について説明する。図1、図2において、燃料ガス充填装置12は、車両13の燃料ガス容器40に燃料ガス(例えば水素ガス)を充填するものであり、例えば水素ステーションなどに設置されている。車両13は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池とモータ、または、燃料ガスを用いて運転される内燃機関の何れかを備えており、電動機または内燃機関を動力源として走行するようになっている。このように、燃料ガス充填装置12は、燃料ガス使用装置としての車両13とともに、燃料ガス充填システム11を構成している。
ガス供給源21は、不図示の圧縮器と蓄圧器とを備えており、圧縮機により燃料ガスを所定圧力まで圧縮するとともに、圧縮された燃料ガスを蓄圧器に蓄えるようになっている。
充填ノズル22は、車両13側の後述するレセプタクル42に気密に接続可能に構成されており、レセプタクル42と接続されたときに、燃料ガス充填装置12から車両13への燃料ガスの充填流路を形成するようになっている。
燃料ガス流路23は、ガス供給源21から充填ノズル22に向かって、遮断弁30と、流量調節弁26と、流量計27と、プレクーラ28と、を備えており、遮断弁30および流量調節弁26を通過してプレクーラ28により予備冷却された燃料ガスを充填ノズル22に導くようになっている。また、燃料ガス流路23は、遮断弁30および流量調節弁26の開閉を間接的に制御するパイロット弁14、15を備えている。
流量調節弁26はパイロット弁15を有しており、このパイロット弁15から供給される窒素ガスの圧力により開状態と閉状態の間で駆動されるようになっている。流量調節弁26は、その開度に応じて燃料ガスの流量を調整するようになっている。
パイロット弁14、15は、電気により開閉する電磁弁等から構成されており、不図示の窒素ガスタンクに貯留された高圧の窒素ガスを遮断弁30および流量調節弁26にそれぞれ供給し、窒素ガスの圧力により燃料ガス遮断弁30および流量調節弁26をそれぞれ開閉させるようになっている。
このように、本実施形態では、パイロット弁14、15を介して遮断弁30および流量調節弁26の開閉が間接的に制御されるガス作動パイロット方式を採用している。これにより、遮断弁30および流量調節弁26が制御可能な燃料ガスの流量範囲を大きくすることを可能としている。なお、遮断弁30および流量調節弁26は、パイロット弁14により間接的に制御されない方式、すなわち直動式の弁であってもよく、この場合は弁構造を小型化することができる。
外気温度検出部33は、外気温度を検出し、検出した外気温度を制御装置34に出力するようになっている。
流量計27は、燃料ガス流路23を通過する燃料ガスの流量を計測するようになっている。この流量計27は、流量調節弁26の下流側に設けられている。
温度検出部29は、プレクーラ28の下流側の燃料ガスの温度を検出し、検出した温度を制御装置34に出力するようになっている。
圧力検出部35は、燃料ガス流路23におけるプレクーラ28と充填ノズル22の間の圧力を検出し、検出した圧力を制御装置34に出力するようになっている。ここで、遮断弁30および流量調節弁26が閉弁している状態では、圧力検出部35が検出する圧力は、燃料ガス容器40の容器内圧力と等しいものとなる。このため、圧力検出部35は、燃料ガス容器40の容器内圧力を検出することが可能である。
通信機31は、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しており、この通信インターフェースにより後述する車両13側の通信機54との間で燃料ガスの充填に関する情報を含む各種の情報を送受信するようになっている。
本実施形態では、燃料ガス充填装置12側の通信機31は充填ノズル22に設けられるとともに、車両13側の通信機54はレセプタクル32に設けられており、これにより、充填ノズル22とレセプタクル32とが接続された状態で通信機31と通信機54とが通信をすることが可能となっている。
この制御装置34は、前述したパイロット弁14、15、外気温度検出部33、流量計27、温度検出部29、圧力検出部35、通信機31に電気的に接続されており、燃料ガス充填装置12全体を統括制御するようになっている。
本実施形態では、制御装置34は、外気温度検出部33、流量計27、温度検出部29、圧力検出部35、通信機31から取得した情報に基づいて、パイロット弁14、15を介して遮断弁30および流量調節弁26を開閉し、車両13への燃料ガスの充填を制御するようになっている。制御装置34の詳細な構成および動作については後述する。
レセプタクル42は、燃料ガス充填装置12側の充填ノズル22に気密に接続可能に構成されており、充填ノズル22に接続されたときに燃料ガス充填装置12から車両13への燃料ガスの充填流路を形成するようになっている。
燃料ガス容器40は、充填装置12から充填される燃料ガスを貯留可能な高圧タンクである。燃料ガス容器40には逆止弁58が設けられており、この逆止弁58は燃料ガスの逆流、すなわち燃料ガス容器40からレセプタクル42側への燃料ガスの流れを防止するようになっている。燃料ガス容器40が貯留する燃料ガスは、車両13が備える燃料電池または内燃機関に供給されるようになっている。
充填管路44には充填遮断弁57が設けられており、この充填遮断弁57は、燃料ガスが燃料ガス充填装置12から車両13の燃料ガス容器40に充填されるときに、制御装置56によって開弁されるようになっている。充填遮断弁57は、電気的に開閉が制御される電磁弁として構成されている。なお、充填遮断弁57は、ステップモータを駆動源として開閉されるものであってもよい。
通信機54は、燃料ガス充填装置12側の通信機31との間で赤外線通信等の無線通信が可能な通信インターフェースを有しており、この通信インターフェースにより燃料ガス充填装置12の通信機31との間で各種情報を送受信するようになっている。
制御装置34は、車両13側への燃料ガスの充填に先立って、図3に示す最終目標容器内圧力設定マップを参照して最終目標容器内圧力を設定するとともに、図4に示す容器内圧力増加目標線設定マップを参照して容器内圧力増加目標線を設定するようになっている。最終目標容器内圧力設定マップおよび容器内圧力増加目標線設定マップは、予め実験等により求めた上で制御装置34のROMに記憶されている。
ここで、最終目標容器内圧力は、燃料ガス容器40が満充填状態となって燃料ガスの充填を終了すべき容器内圧力である。また、容器内圧力増加目標線は、燃料ガスを間欠的に充填する際の容器内圧力の目標値を規定する線であり、所定の増加率で経時的に増加するように設定されている。
制御装置34は、容器内圧力が充填停止圧力線以上となった場合に燃料ガスの充填を停止するとともに、容器内圧力が充填再開圧力線以下となった場合に燃料ガスの充填を再開するようになっている。このように制御装置34は充填制御部39を構成している。
制御装置34は、燃料ガス容器40の容量を、通信機31、54を介して取得、または、予備充填を行うことにより取得するようになっている。
具体的には、燃料ガス容器40の容量を通信機31、54を介して取得する場合、制御装置34は、車両13側の制御装置56に予め記憶されている燃料ガス容器40の容量情報を、通信機31と通信機54との通信により取得するようになっている。
また、燃料ガス容器40の容量を予備充填により取得する場合、制御装置34は、予備充填として、遮断弁30と流量調節弁16を所定時間だけ開いた上で、ガス流路23を流れる燃料ガスの流量を検出する。そして、制御装置34は、燃料ガス容器40の容器内圧力の圧力増加量を算出し、この圧力増加量に基づいて燃料ガス容器40の容量を算出するようになっている。このように、制御装置34は容量取得部48を構成している。
この燃料ガス容器容量判定処理では、図7にそのサブルーチンを示すように、制御装置34は、通信機31を介して燃料ガス容器40の容量を表す情報を車両13から受信したか否かを判定する(ステップS21)。
具体的には、制御装置34は、ステップS22で、遮断弁30を開弁するとともに流量調節弁16を所定時間だけ一定の小開度で開いた上で、ガス流路23を流れる燃料ガスの流量を流量計27により検出し(ステップS22)、燃料ガス容器40の容器内圧力の圧力増加量を算出し(ステップS23)、この圧力増加量に基づいて燃料ガス容器40の容量を算出する(ステップS24)。このように、制御装置34は、ステップS22、23、24において、燃料ガスの予備充填を行うことにより燃料ガス容器40の容量を算出している。
なお、ステップS2で燃料ガス容器40が小容量ではないと判定された場合、燃料ガス容器40は大容量のものであるため、制御装置34は、例えば、燃料ガス容器40に対して燃料ガスの充填を連続的に行う。
次いで、制御装置34は、燃料ガス容器40の容器内圧力が充填停止圧力以上であるか否かを判定し(ステップS6)、充填停止圧力以上である場合は、燃料ガスの充填を停止する(ステップS7)。ステップS6では、制御装置34は、燃料ガス容器40の容器内圧力が充填停止圧力以上と判定するまで判定処理を継続する。
ステップS7で燃料ガスの充填を停止した後、制御装置34は、燃料ガス容器40の容器内圧力が充填再開圧力以下であるか否かを判定し(ステップS8)、充填再開圧力以下である場合は、燃料ガスの充填を再開する(ステップS9)。ステップS8では、制御装置34は、燃料ガス容器40の容器内圧力が充填再開圧力以下となるまで判定処理を継続する。
この構成により、燃料ガス容器40に燃料ガスを間欠的に充填しているので、燃料ガスの充填が停止されている間に燃料ガス容器40の温度を低下させることができ、燃料ガス容器40の温度上昇を抑制しながら燃料ガスを充填することができる。このとき、燃料ガス容器40の容器内圧力を容器内圧力増加目標線に沿って増加させているので、燃料ガスの間欠充填毎の容器内圧力の増加量が抑制され、容器内圧力を漸次増加させることができ、燃料ガス容器40の温度上昇を抑制しながら燃料ガスを充填することができる。したがって、本実施形態の燃料ガス充填装置12は、小容量の燃料ガス容器40に燃料ガスを充填する場合であっても、燃料ガス容器40の温度が規定温度を超えてしまうことを防止することができる。
更に、燃料ガス容器の充填状態として容器内圧力を取得しているので、容易に検出可能な容器内圧力に基づいて簡易に燃料ガスの充填を制御することができる。
この構成により、容器内圧力が充填停止圧力線以上となった場合に燃料ガスの充填を停止するとともに、容器内圧力が充填再開圧力線以下となった場合に燃料ガスの充填を再開しているため、燃料ガスの間欠的な充填を簡単な制御で実現することができる。また、容器内圧力増加目標線の低圧側に充填停止圧力線が設定されているので、容器内圧力が充填停止圧力線以上になって燃料ガスの充填を停止した後に、流量調節弁等の応答遅れにより容器内圧力が容器内圧力増加目標線を越えてしまうことがない。このため、燃料ガス容器40の温度が規定温度を超えてしまうことを防止することができる。
この構成により、燃料ガス容器40の容量が予め設定された容量以下である場合は燃料ガスを間欠的に充填し、燃料ガス容器40の容量が予め設定された容量を超える場合は例えば燃料ガスを連続的に充填することができるため、燃料ガス容器40の容量に適した充填方法で燃料ガスを充填することができる。
この構成により、燃料ガス容器40から送られる容量情報、または予備充填により検出した燃料ガスの流量および圧力増加量、の何れかに基づいて燃料ガス容器の正確な容量を取得することができる。
この構成により、最終目標容器内圧力および容器内圧力増加目標線を外気温度と燃料ガスの温度と充填開始前の燃料ガス容器40の初期圧力とに応じた最適値に設定することができるため、燃料ガス容器40の温度が規定温度を超えてしまうことを防止しつつ、燃料ガスの充填を最短時間で終了することができる。
この構成により、燃料ガスの温度が高いほど燃料ガス容器の容器内圧力の増加率が低くなるように燃料ガスの充填が行われるので、燃料ガス容器40の温度が規定値を超えてしまうことを防止することができる。
Claims (6)
- 燃料ガスを燃料ガス容器に充填する燃料ガス充填装置であって、
前記燃料ガスの充填を終了する最終目標容器内圧力まで所定の増加率で経時的に増加する容器内圧力増加目標線を設定する充填状態増加目標線設定部と、
前記燃料ガスの流路または前記燃料ガス容器で検出された前記容器内圧力を取得する充填状態取得部と、
前記燃料ガス容器の容器内圧力が前記容器内圧力増加目標線に沿って増加するように、前記燃料ガス容器に前記燃料ガスを間欠的に充填する充填制御部と、を備え、
前記充填状態増加目標線設定部は、前記容器内圧力増加目標線の低圧側で該容器内圧力増加目標線と並行して増加する充填停止圧力線と、前記充填停止圧力線の低圧側で該充填停止圧力線と並行して増加する充填再開圧力線と、を更に設定し、
前記充填制御部は、前記容器内圧力が前記充填停止圧力線以上となった場合に燃料ガスの充填を停止するとともに、前記容器内圧力が前記充填再開圧力線以下となった場合に燃料ガスの充填を再開することを特徴とする燃料ガス充填装置。 - 燃料ガスを燃料ガス容器に充填する燃料ガス充填装置であって、
前記燃料ガスの充填を終了する最終目標容器内圧力まで所定の増加率で経時的に増加する容器内圧力増加目標線を設定する充填状態増加目標線設定部と、
前記燃料ガスの流路または前記燃料ガス容器で検出された前記容器内圧力を取得する充填状態取得部と、
前記燃料ガス容器の容器内圧力が前記容器内圧力増加目標線に沿って増加するように、前記燃料ガス容器に前記燃料ガスを間欠的に充填する充填制御部と、
前記燃料ガス容器の容量を取得する容量取得部を備え、
前記充填制御部は、前記容量取得部の取得した容量が予め設定された容量以下である場合に、前記燃料ガス容器に前記燃料ガスの間欠的な充填を行うことを特徴とする燃料ガス充填装置。 - 前記容量取得部は、前記燃料ガス容器側から送られる前記燃料ガス容器の容量情報、または予め前記燃料ガス容器に燃料ガスを所定時間だけ予備充填して検出した前記燃料ガスの流量および前記燃料ガス容器の圧力増加量、のいずれかに基づいて、前記燃料ガス容器の容量を取得することを特徴とする請求項2に記載の燃料ガス充填装置。
- 燃料ガスを燃料ガス容器に充填する燃料ガス充填装置であって、
前記燃料ガスの充填を終了する最終目標容器内圧力まで所定の増加率で経時的に増加する容器内圧力増加目標線を設定する充填状態増加目標線設定部と、
前記燃料ガスの流路または前記燃料ガス容器で検出された前記容器内圧力を取得する充填状態取得部と、
前記燃料ガス容器の容器内圧力が前記容器内圧力増加目標線に沿って増加するように、前記燃料ガス容器に前記燃料ガスを間欠的に充填する充填制御部と、
外気温度を検出する外気温度検出部と、
前記燃料ガスの温度を検出する温度検出部と、を備え、
前記充填状態増加目標線設定部は、前記外気温度と前記燃料ガスの温度とに基づいて前記容器内圧力増加目標線を設定するとともに、前記外気温度と前記燃料ガスの温度と充填開始前の前記燃料ガス容器の初期圧力とに基づいて前記最終目標容器内圧力を設定することを特徴とする燃料ガス充填装置。 - 前記充填状態増加目標線設定部は、前記燃料ガスの温度が高いほど前記容器内圧力増加目標線の増加率を低く設定することを特徴とする請求項4に記載の燃料ガス充填装置。
- 前記充填状態増加目標線設定部は、前記容器内圧力増加目標線の低圧側で該容器内圧力増加目標線と並行して増加する充填停止圧力線と、前記充填停止圧力線の低圧側で該充填停止圧力線と並行して増加する充填再開圧力線と、を更に設定し、
前記充填制御部は、前記容器内圧力が前記充填停止圧力線以上となった場合に燃料ガスの充填を停止するとともに、前記容器内圧力が前記充填再開圧力線以下となった場合に燃料ガスの充填を再開することを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の燃料ガス充填装置。
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