JP6995989B2 - ガス充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス充填方法に関する。より詳しくは、圧縮ガスの供給源と移動体に搭載されたタンクとを配管で接続し、移動体のタンクにガスを充填するガス充填方法に関する。

燃料電池車両は、含酸素の空気と燃料ガスである水素ガスとを燃料電池に供給し、これによって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。近年、このような燃料電池を、動力を発生するためのエネルギー源として利用した燃料電池車両の実用化が進められている。燃料電池で発電するには水素ガスが必要となるが、近年の燃料電池車両では、高圧タンクや吸蔵合金を備えた水素タンク内に予め十分な量の水素ガスを貯蔵しておき、走行にはタンク内の水素ガスを利用するものが主流となっている。また、これに合わせて、水素ステーションにおいてタンク内にできるだけ多くの量の水素ガスを速やかに充填する充填技術に関する研究も盛んに進められている。

水素ガスはタンク内において圧縮によって発熱する。このため近年では、水素ガスの充填中におけるタンク内の温度上昇を抑制するため、水素ガスの流路に設けられたプレクーラによって水素ガスを例えば－４０℃程度まで冷却する技術が主流となっている。このようにプレクーラで水素ガスの温度を低下させることにより、タンク内における水素ガスの温度の上昇も抑制できるため、その分だけ速やかに水素ガスを充填することができる。

例えば非特許文献１には、充填中における昇圧率を所定の数式に基づいて可変させながら水素ガスを充填する充填方法が示されている。非特許文献１に記載の充填方法では、昇圧率を定めるための数式を、水素ガスの流路のうちプレクーラの下流側に設けられた温度センサの検出値に質量平均処理を施すことによって得られる温度パラメータの多項式で表現するとともに、温度パラメータの各次数の係数の値を、マップに基づいて決定する（非特許文献１参照）。また非特許文献１に記載の充填方法では、このようなマップを複数準備しておき、これら複数のマップの中からタンク容量及びタンクの初期圧に応じた適切なマップを選択し、この選択されたマップによって上記複数の係数の値を決定する。

判田 圭、Ｓｔｅｖｅ Ｍａｔｈｉｓｏｎ、ＦＣＶ用ＭＣ ｆｏｒｍｕｌａ 水素充填方式の開発、自動車技術会 ２０１５年秋季大会学術講演会講演予稿集

ところで水素ガスの充填時には、水素ステーションの蓄圧器と車両の水素タンクとを接続する配管内を水素ガスが流れるため、少なからず圧力損失が発生し、その分タンク内における水素ガスの温度も上昇する。このため上記充填方法において昇圧率を決定するために用いられるマップは、このような圧力損失の存在を見込んで構築されている。また充填時に実際に生じる圧力損失は、ステーション側の配管の形状、車両側の配管の形状、及び配管に挿入されているダストフィルタの状態等の様々な要因によって変化する。しかしながら従来の充填方法では、水素ガスの充填時に実際に生じる圧力損失を推定していないため、上記のように昇圧率を決定する際に用いられる複数のマップは、想定される大きさのうち最も大きな圧力損失が生じる場合を想定して構築されたものが用いられる。

このように従来の充填方法では最悪を想定した圧損設定となっているため、充填時間やプレクーラの設定温度等において無駄が生じる。すなわち、実際よりも大きく圧力損失を大きく見積もると、必要以上に充填速度を低下させてしまい、水素タンクを満充填にするまでに時間がかかる場合がある。また圧力損失として最悪を想定して構築されたマップを用いることは、圧力損失によるガスの温度上昇が最も高くなる場合を想定すること、すなわち余分な温度マージンを設定することと等価であるが、これはすなわちプレクーラの設定温度を高くできる余地があることを意味する。

本発明は、充填時間やプレクーラの設定温度等における無駄が少なくなるように、最適化された充填条件の下でガスを充填できるガス充填方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るガス充填方法は、圧縮ガスの供給源（例えば、後述の蓄圧器９１）と、前記供給源と移動体（例えば、後述の車両Ｍ）に搭載されたタンク（例えば、後述の水素タンク３１）とを接続する配管（例えば、後述のステーション配管９３、及び車両配管３９等）と、前記配管に設けられた制御弁（例えば、後述の流量制御弁９５）、圧力センサ（例えば、後述のステーション圧力センサ７３）、及び流量センサ（例えば、後述の流量センサ７１）と、所定の充填条件の下で前記制御弁を操作し前記配管を流れるガスの流量を制御する制御装置（例えば、後述のステーションＥＣＵ８）と、を備えるガス充填システム（例えば、後述の水素充填システムＳ）によって、前記供給源から前記タンクにガスを充填する方法であって、ガスの充填を開始した後、前記配管内におけるガスの流量が減少した際における前記圧力センサの検出値を用いることにより前記配管で生じる圧力損失と相関のある圧力損失パラメータ（例えば、後述の圧力損失係数ｋ_０）の値を算出する圧力損失パラメータ算出工程（例えば、後述の図４のＳ４の処理）と、前記充填条件を前記圧力損失パラメータの値に基づいて定められる条件に変更してガスの充填を継続する充填条件変更工程（例えば、後述の図４のＳ５及びＳ６の処理）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記制御装置は、予め定められた複数の充填制御マップ（例えば、後述の充填制御マップＭ１１，…，Ｍｉｊ）の中から選択した充填制御マップによって規定される充填条件の下で前記制御弁を操作し、前記充填条件変更工程では、前記制御装置において選択されている充填制御マップを、前記複数の充填制御マップのうち前記圧力損失パラメータの値に基づいて定められるものに切り替えることが好ましい。

（３）この場合、前記圧力損失パラメータ算出工程では、下記式（１）に基づいて前記圧力損失パラメータの値を算出することが好ましい。下記式（１）において、“ｋ_０”は前記圧力損失パラメータであり、“ｄＰ_ｌｏｓｓ”はガスの流量が減少する前と後の前記配管内における圧力差であり、“ρ”は前記配管内におけるガスの密度であり、“ｄｍ”は前記配管内におけるガスの質量流量である。

（４）この場合、前記圧力損失パラメータ算出工程では、前記配管内におけるガスの流量が０より大きな流量から０又は０付近まで減少した際における前記圧力センサの検出値を用いることにより前記圧力損失パラメータの値を算出することが好ましい。

（１）本発明のガス充填方法では、所定の充填条件の下でガスの充填を開始した後、配管内におけるガスの流量が減少した際における圧力センサの検出値を用いることによって圧力損失パラメータの値を算出する。本発明ではこのようにガスの流量が減少した際における圧力センサの検出値を用いることにより、圧力損失パラメータの値を精度良く算出できる。また本発明のガス充填方法では、算出した圧力損失パラメータの値に基づいて充填条件を変更し、変更後の充填条件の下でガスの充填を継続する。本発明ではこのように圧力損失パラメータの値に基づいて充填条件を変更することにより、充填時間やプレクーラの設定温度等における無駄が少なくなるように充填条件を最適化し、この最適化された充填条件の下でガスを充填できる。

（２）本発明のガス充填方法で用いる制御装置は、予め定められた複数のマップの中から適した充填制御マップを選択し、さらにこの充填制御マップによって規定される充填条件の下で制御弁を操作し、配管を流れるガスの流量を制御する。また本発明の充填条件変更工程では、制御装置において選択されている充填制御マップを、上述のように算出した圧力損失パラメータの値に基づいて定められる充填制御マップに切り替えることにより、充填条件を変更する。このように本発明では、圧力損失パラメータの値に基づいて充填制御マップを切り替える。このため制御装置に予め規定しておく複数の充填制御マップを、圧力損失パラメータの値に応じて最適化することができるので、実際に発生する圧力損失に応じて充填時間をできるだけ短くし、さらにプレクーラの設定温度を高くすることができる。

（３）本発明のガス充填方法では、ガスの流量が減少する前後の圧力差“ｄＰ_ｌｏｓｓ”と、配管内のガス密度“ρ”と、配管内のガスの質量流量“ｄｍ”とを用いることにより、上記式（１）で定義される圧力損失パラメータ“ｋ_０”の値を算出する。したがって本発明によれば、簡易な演算で圧力損失パラメータの値を算出できる。

（４）本発明のガス充填方法では、配管内におけるガスの流量が０より大きな流量から０又は０付近まで減少した際における圧力センサの検出値を用いることによって、圧力損失パラメータの値を算出する。したがって本発明によれば、圧力損失パラメータの値を精度良く算出でき、ひいては配管の状態に応じた適切な充填制御マップに切り替えることができる。

本発明の一実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムの構成を示す図である。 ステーションＥＣＵによる充填流量制御の制御回路の構成を示す機能ブロック図である。 マップ選択部において充填制御マップを選択する手順を説明するための図である。 水素充填システムにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。 圧力損失係数算出処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 図４のフローチャートによって実現される水素ガスの充填の流れを模式的に示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムＳの構成を示す図である。水素充填システムＳは、圧縮した水素ガスの供給源を有する水素ステーション９と、この水素ステーション９から供給される水素ガスを受容する水素タンクを有する燃料電池車両Ｍ（以下、単に「車両Ｍ」という）と、を組み合わせて構成される。本実施形態に係る水素ガス充填方法は、水素ステーション９から車両Ｍのタンクに水素ガスを充填する方法であり、この水素充填システムＳによって実現される。以下では、始めに車両Ｍ側の構成について説明し、次に水素ステーション９側の構成について説明する。

車両Ｍは、水素ガスを貯留するタンクと、タンクに貯留された水素ガスと空気とを燃料ガスとして発電する燃料電池システム（図示せず）を備え、この燃料電池システムで発電した電力を用いてモータを駆動することで走行する燃料電池自動車である。以下では、車両Ｍを燃料電池自動車とした場合について説明するが、本発明はこれに限らない。本発明は、水素ガスを貯留するタンクを備える移動体であれば、どのようなものにも適用できる。

車両Ｍは、水素ステーション９から供給された水素ガスを貯蔵する水素タンク３１と、この水素タンク３１から延びる車両配管３９と、水素タンク３１に貯蔵された水素ガスによって発電し、発電した電力を利用して走行する燃料電池システム（図示せず）と、水素タンク３１に関するデータ信号を水素ステーション９へ送信する赤外線通信機５と、この赤外線通信機５から送信するデータ信号を生成する通信演算ＥＣＵ６と、を備える。なお以下では、車両Ｍとして赤外線通信機５及び通信演算ＥＣＵ６を備えるものについて説明するが、本発明はこれに限らない。本発明は、赤外線通信機５及び通信演算ＥＣＵ６を備えない車両Ｍにも適用できる。

車両配管３９は、水素ステーション９の後述の充填ノズル９２が篏合するレセプタクル３８と、車両配管３９のうちレセプタクル３８の近傍に設けられ水素タンク３１側からレセプタクル３８へ水素ガスが逆流するのを防止するための逆止弁３６と、を備える。

通信演算ＥＣＵ６には、上述の水素タンク３１に関する情報を取得する手段として、タンク内温度センサ４１と、タンク内圧力センサ４２と、が接続されている。タンク内温度センサ４１は、水素タンク３１内の水素ガスの温度を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。タンク内圧力センサ４２は、水素タンク３１内の圧力を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。

通信演算ＥＣＵ６は、上記センサ４１，４２の検出信号をＡ／Ｄ変換するインターフェースや、後述の信号生成処理を実行するＣＰＵや、上記処理の下で決定した態様で赤外線通信機５を駆動する駆動回路や、各種データを記憶する記憶装置等で構成されるマイクロコンピュータである。

通信演算ＥＣＵ６の記憶装置には、後述のデータ信号生成処理の実行に係るプログラムや、車両Ｍが製造された時点で搭載されていた水素タンク３１の容積値を含む固有情報が記録されている。なお水素タンクの容積値の他、例えば、容積値から既知の変換則によって導出される容量や水素タンクの材質等、製造時点で特定できる水素タンク３１に関する情報は、この固有情報に含まれる。

通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば、レセプタクル３８を保護するフューエルリッドが開かれたことを契機として、通信機５から水素ステーション９へ送信される信号を生成する信号生成処理を開始する。また通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば上記ノズルがレセプタクル３８から取り外されることより水素ガスの充填が不可能な状態になったことを契機として、信号生成処理を終了する。

信号生成処理では、水素タンク内の温度の現在の値に相当する温度送信値Ｔ_ＩＲと、水素タンク内の圧力の現在の値に相当する圧力送信値Ｐ_ＩＲと、水素タンクの容積の現在の値に相当する容積送信値Ｖ_ＩＲと、が所定の周期毎に取得され、これら値（Ｔ_ＩＲ，Ｐ_ＩＲ，Ｖ_ＩＲ）に応じたデータ信号を生成する。温度送信値Ｔ_ＩＲは、その時のタンク内温度センサ４１の検出値が用いられる。圧力送信値Ｐ_ＩＲは、その時のタンク内圧力センサ４２の検出値が用いられる。また容積送信値Ｖ_ＩＲは、上述の記憶装置に記録されたものが用いられる。

通信演算ＥＣＵ６の駆動回路は、上記信号生成処理によって生成されたデータ信号及びアボート信号に応じて赤外線通信機５を駆動（点滅）させる。これにより、水素タンク内の状態に関する状態情報（すなわち、温度送信値Ｔ_ＩＲ及び圧力送信値Ｐ_ＩＲ等）並びに固有情報（すなわち、容積送信値Ｖ_ＩＲ等）を含んだデータ信号が水素ステーション９へ送信される。

水素ステーション９は、車両Ｍに供給するための水素ガスが高圧で貯蔵されている蓄圧器９１と、蓄圧器９１から水素ガスを吐出する充填ノズル９２に至るステーション配管９３と、ステーション配管９３に設けられた遮断弁９４及び流量制御弁９５と、これら弁９４，９５を制御するステーションＥＣＵ８と、を備える。

ステーションＥＣＵ８は、コンピュータであり、充填ノズル９２が車両Ｍに設けられたレセプタクル３８に接続された後、所定の充填条件の下で遮断弁９４及び流量制御弁９５を操作することにより、ステーション配管９３を流れる水素ガスの流量を制御し、蓄圧器９１に貯蔵された高圧水素ガスを車両Ｍの水素タンク３１に充填する。

水素充填システムＳでは、充填ノズル９２をレセプタクル３８に接続すると、水素ステーション９を構成する部品であるステーション配管９３と車両Ｍを構成する部品である車両配管３９とによって一本の配管が形成され、これにより車両Ｍに搭載される水素タンク３１と蓄圧器９１とがこの配管によって接続される。

ステーション配管９３のうち流量制御弁９５と充填ノズル９２の間には、水素ガスを冷却するプレクーラ９６が設けられる。このようなプレクーラ９６によって、水素タンク３１に充填される手前の位置で水素ガスを冷却することにより、水素タンク３１内の水素ガスの温度上昇を抑制し、ひいては急速充填が可能となる。

ステーションＥＣＵ８には、水素タンク３１に充填される手前の位置における水素ガスの状態を把握するため、各種センサ７１，７２，７３，７４が接続されている。

流量センサ７１は、ステーション配管９３のうち遮断弁９４と流量制御弁９５との間に設けられ、ステーション配管９３を流れる水素ガスの単位時間当たりの質量、すなわち質量流量に対応した信号をステーションＥＣＵ８に送信する。

ステーション温度センサ７２は、ステーション配管９３のうちプレクーラ９６の下流側に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの温度に対応した信号をステーションＥＣＵ８に送信する。

ステーション圧力センサ７３は、ステーション配管９３のうちプレクーラ９６の下流側に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの圧力に対応した信号をステーションＥＣＵ８に送信する。

大気温度センサ７４は、大気の温度を検出し、検出値に対応した信号をステーションＥＣＵ８に送信する。なお、この大気温度センサ７４によって検出される大気温度は、充填開始時点における車両Ｍの燃料タンク内の水素ガスの温度とみなすことができる場合がある。

充填ノズル９２には、車両Ｍと通信するための赤外線通信機９８が設けられている。赤外線通信機９８は、充填ノズル９２をレセプタクル３８に接続すると、車両Ｍに設けられた赤外線通信機５に対向し、これら通信機９８，５間で赤外線を介したデータ信号の送受信が可能となる。

図２は、ステーションＥＣＵ８による充填流量制御の制御回路の構成を示す機能ブロック図である。ステーションＥＣＵ８は、車両の水素タンクの状態に応じて目標昇圧率を定めるとともにこの目標昇圧率が実現するように流量制御弁９５を操作する充填流量制御を実行する。図２には、ステーションＥＣＵ８のうち、この充填流量制御の実現に係るモジュール８１～８６のみを図示する。

質量平均温度算出部８１は、ステーション温度センサ７２及び流量センサ７１の検出値に基づいて、プレクーラ９６を経た後の水素ガスの質量平均温度ＭＡＴを算出する。この質量平均温度ＭＡＴは、目標昇圧率設定部８３において目標昇圧率を設定するために用いられる。ところで水素ガスの充填を開始した直後は、ステーション温度センサ７２の検出値が実際にプレクーラ９６から流出するガスの温度に到達するまでに数十秒程度の時間を要する。そこで質量平均温度算出部８１では、充填を開始してから数十秒程度（より具体的には、例えば３０秒）が経過するまでの間は、ステーション温度センサ７２の検出値を用いずに予め設定された値を質量平均温度ＭＡＴとして出力する。

圧力損失係数算出部８２は、水素ガスがステーション配管９３及び車両配管３９を流れる際に、これらステーション配管９３及び車両配管３９（以下、これらをまとめて「接続配管」ともいう）において発生する圧力損失と相関のあるパラメータである圧力損失係数ｋ_０を算出する。ここで圧力損失とは、上記接続配管内を水素ガスが流れている時における接続配管の上流側の所定位置（例えばステーション圧力センサ７３の検出位置）と下流側の所定位置（例えば、水素タンク３１内）との圧力差をいう。

次に、圧力損失係数ｋ_０の定義とその算出方法について説明する。一般的なガスの流路において発生する圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓは、無次元の損失係数ζと、ガス密度ρと、流速νと、を用いることによって下記式（２）に示すように表される。

上記式（２）において、流速νは、一般的な水素ステーション９では測定しない。そこでこの流速νは、流量センサ７１によって測定可能な質量流量ｄｍで書き換えると、下記式（３）によって表される。下記式（３）において、“Ａ”は流路断面積である。

ここで、本実施形態における圧力損失係数ｋ_０は、上記式（２）及び（３）における損失係数ζ及び流路断面積Ａを用いて下記式（４）によって定義される。下記式（４）に示すように、この圧力損失係数ｋ_０の値は、接続配管内に形成される水素ガスの流路の形状によって定まる。

また上記式（２）～（４）から、圧力損失係数ｋ_０は、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓとガス密度ρと質量流量ｄｍとに基づいて下記式（５）によって表される。下記式（５）に示すように、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓは、圧力損失係数ｋ_０が大きくなるほど大きくなる。また下記式（５）において、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓは、接続配管内における水素ガスの流量が減少した際におけるステーション圧力センサ７３の検出値を用いることによって算出可能である。また質量流量ｄｍは、流量センサ７１によって測定可能である。またガス密度ρは、水素ガスの圧力と温度の関数として表すことができるから、ステーション温度センサ７２やステーション圧力センサ７３の検出値に基づいて算出可能である。そこで圧力損失係数算出部８２は、水素ガスの充填を開始した後、接続配管内における水素ガスの流量が減少した際におけるステーション圧力センサ７３の検出値や流量センサ７１の検出値等を用いて、下記式（５）に示す演算を行うことによって、圧力損失係数ｋ_０の値を算出する。

目標昇圧率設定部８３は、質量平均温度算出部８１によって算出される質量平均温度ＭＡＴ、圧力損失係数算出部８２によって算出される圧力損失係数ｋ_０、大気温度センサ７４によって検出される大気温度Ｔ_ａｍｂ、及び水素タンク３１のタンク容積Ｖ等に基づいて、充填中の接続配管内における水素ガスの昇圧率に対する目標に相当する目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定する。より具体的には、目標昇圧率設定部８３は、マップ選択部８３１と、昇圧率算出部８３２と、を用いることによって、目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定する。

マップ選択部８３１の記憶媒体には、複数の充填制御マップが記憶されている。充填制御マップとは、大気温度Ｔ_ａｍｂと、目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定する際に用いられるモデル式（後述の式（６）参照）を特徴付ける複数の係数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の値とを関連付けるものである。すなわち充填制御マップとは、充填流量制御における充填条件を規定するマップである。

図３は、マップ選択部８３１において充填制御マップを選択する手順を説明するための図である。できるだけ速やかに水素タンクを満充填にするための充填条件は、接続されている水素タンクのタンク容積や、接続配管の圧力損失係数の大きさによって異なる。そこで本実施形態では、タンク容積をｉ段階（ｉは、２以上の整数）に分け、さらに圧力損失係数をｊ段階（ｊは、２以上の整数）に分け、これら容積及び圧力損失係数の組み合わせに適したｉ×ｊ枚の充填制御マップＭ１１，Ｍ１２，…，Ｍ１ｊ，Ｍ２１，Ｍ２２，…，Ｍ２ｊ，…，Ｍｉ１，Ｍｉ２，…，Ｍｉｊを予め構築しておき、これらｉ×ｊ枚の充填制御マップをマップ選択部８３１の記憶媒体に記憶させる。

マップ選択部８３１は、水素タンク３１の容積Ｖ及び圧力損失係数ｋ_０の値を取得するとともに、上記ｉ×ｊ枚の充填制御マップの中からこれら容積Ｖ及び圧力損失係数ｋ_０の値に応じたものを選択し、選択した充填制御マップを昇圧率算出部８３２に送信する。ところで圧力損失係数が大きくなると、接続配管で発生する圧力損失も大きくなり、配管内における水素ガスの温度上昇も大きくなる。したがってマップ選択部８３１は、圧力損失係数算出部８２において算出される圧力損失係数ｋ_０の値が大きくなるほど、圧力損失による温度上昇が抑制されるように充填速度の遅いマップを選択する。

以上のようにマップ選択部８３１では、適切な充填制御マップを選択するためには、水素タンク３１の容積Ｖの値と圧力損失係数ｋ_０の値とが必要となっている。このうち水素タンク３１の容積Ｖの値は、例えば車両Ｍの赤外線通信機５から送信される容積送信値Ｖ_ＩＲを利用することにより、充填開始直後から直ちにマップ選択部８３１において取得できる。これに対し圧力損失係数ｋ_０の値は、上述のように水素ガスの充填を開始した後、接続配管を流れる水素ガスの流量が一時的に減少する期間を利用して算出される。したがってマップ選択部８３１は、充填を開始してからある程度の時間が経過した後でなければ圧力損失係数ｋ_０の値を取得することができない。

そこでマップ選択部８３１は、充填開始直後であって圧力損失係数ｋ_０の値を未取得でる場合には、上述のように赤外線通信を利用して取得した水素タンク３１の容積Ｖの値と、予め定められた圧力損失係数ｋ_０の値と、充填制御マップを選択する。なおこの際、マップ選択部８３１は、圧力損失係数ｋ_０の値として、実際の値よりも大きめに見積もられた値、より具体的には例えば、使用中のステーションにおいて想定される範囲の中で最も大きい値を仮定して、水素タンク３１の容積Ｖの値に応じた充填制御マップを仮マップとして選択し、この仮マップの下で充填を行う。

その後マップ選択部８３１は、圧力損失係数ｋ_０の値を取得できた場合には、圧力損失係数ｋ_０の値の大きさに応じた充填制御マップを本マップとして選択し、この本マップの下で充填を継続する。これにより、できるだけ速やかに水素タンク３１を満充填にできるよう、実際の圧力損失に応じた適切な充填制御マップを選択できる。

昇圧率算出部８３２は、質量平均温度ＭＡＴと、大気温度Ｔ_ａｍｂと、マップ選択部８３１によって選択された充填制御マップとを用い、下記式（６）に示す演算を行うことによって、所定の充填開始時刻ｔ_ｉｎｉから所定の充填終了予定時刻までの時間に相当する充填時間ｔ_{ｆｉｎａｌ}を算出する。

上記式（６）において、４つの係数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の値は、それぞれ大気温度センサ７４によって検出される大気温度Ｔ_ａｍｂに基づいて、マップ選択部８３１によって選択された充填制御マップを検索することによって算出される。また昇圧率算出部８３２は、充填開始時刻ｔ_ｉｎｉから上記充填時間ｔ_{ｆｉｎａｌ}後に水素タンク３１が満充填になるように目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定する。

目標充填圧算出部８４は、目標昇圧率設定部８３によって設定された目標昇圧率ΔＰ_ＳＴとステーション圧力センサ７３の検出値Ｐ_ＳＴ（以下、「充填圧」ともいう）とを用いることによって、所定時間後の充填圧の目標値に相当する目標充填圧Ｐ_ＴＲＧＴを算出する。

フィードバック制御器８５は、既知のフィードバック制御則に基づいて、充填圧Ｐ_ＳＴが目標充填圧Ｐ_ＴＲＧＴになるような流量制御弁の指示開度を決定し、これを流量制御弁９５の駆動装置（図示せず）に入力する。駆動装置は、この指示開度を実現するように流量制御弁９５の開度を調整する。これにより、目標昇圧率設定部８３によって設定された目標昇圧率ΔＰ_ＳＴが実現されるように、水素タンク３１に水素ガスが充填される。

充填完了判断部８６は、水素ガスの充填が完了したか否かを判断し、充填が完了したと判断した場合には、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にする。より具体的には、充填完了判断部８６は、ステーション圧力センサ７３によって検出される充填圧Ｐ_ＳＴが、所定の完了閾値を超えた場合には、水素タンク３１は満充填に達したと判断し、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にする。

次に、以上のような水素充填システムＳにおいて、水素ガスを水素タンク３１に充填する具体的な手順を説明する。
図４は、水素充填システムＳにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。この処理は、水素ステーション９の充填ノズル９２が車両Ｍのレセプタクル３８に接続され、水素ガスの充填が可能な状態になったことに応じて開始する。

Ｓ１では、始めにステーションＥＣＵ８は、スタートアップ充填を実行する。より具体的には、ステーション配管９３に設けられた流量制御弁９５を締め切ったまま、その上流側に設けられた遮断弁９４を開き、流量制御弁９５より上流側に設けられたステーション圧力センサ７３の検出値が所定値を示すまでステーション配管９３内を昇圧した後、遮断弁９４を閉じる。これによりステーション配管９３内のうち流量制御弁９５から遮断弁９４までの間の貯蔵区間内には、圧力に応じた量の水素ガスが充填される。次に、遮断弁９４を閉じたまま流量制御弁９５を開く。これにより、上記貯蔵区間内で圧縮された水素ガスは、水素タンク３１内へ一気に流れ込み、水素タンク３１内とステーション配管９３内とが均一化される。またＳ１では、上記のようにスタートアップ充填を実行するとともに、このスタートアップ充填を開始した時刻を、上述の目標昇圧率設定部８３において充填時間ｔ_{ｆｉｎａｌ}を決定する際に必要となる充填開始時刻ｔ_ｉｎｉとして設定するが、本発明はこれに限らない。

Ｓ２では、ステーションＥＣＵ８は、赤外線通信を利用して水素タンク３１の容積Ｖの値を取得するとともに、予め定められたｉ×ｊ枚の充填制御マップの中からこの容積Ｖの値に応じた仮マップを選択する。上述のように適切なマップを選択するためには、容積Ｖの値に加えて圧力損失係数ｋ_０の値も必要となる。しかしながらこの時点では、ステーションＥＣＵ８は、圧力損失係数ｋ_０の値を取得できない。そこでステーションＥＣＵ８は、上述のように圧力損失係数ｋ_０の値として、実際の値よりも大きめに見積もられた値、より具体的には例えば、使用中のステーションにおいて想定される範囲の中で最も大きい値を仮定するとともに、水素タンク３１の容積Ｖの値に応じた充填制御マップを仮マップとして選択し、昇圧率算出部８３２に送信する。

Ｓ３では、ステーションＥＣＵ８は、Ｓ２において仮マップとして選択した充填制御マップの下で本充填を開始する。より具体的には、Ｓ２で選択した仮マップの下で目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定するとともに、この目標昇圧率ΔＰ_ＳＴが実現するように水素ガスを充填する。なおＳ３において本充填を開始してから数十秒程度（例えば、３０秒）が経過するまでの間は、上記のようにステーション温度センサの検出値を用いることができない。このため、充填を開始してから上記時間が経過するまでの間、目標昇圧率設定部８３は、予め定められた質量平均温度ＭＡＴに基づいて充填制御マップを検索することによって充填時間ｔ_{ｆｉｎａｌ}、ひいては目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを決定する。

Ｓ４では、ステーションＥＣＵ８は、圧力損失係数ｋ_０の値を算出する圧力損失係数算出処理を実行した後、Ｓ５に移る。

図５は、圧力損失係数算出処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
始めにＳ４１では、ステーションＥＣＵ８は、ステーション圧力センサ７３、ステーション温度センサ７２、及び流量センサ７１を用いることにより、後述のＳ４２において水素ガスの充填を停止する直前の接続配管内における圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ）、温度Ｔ_ＳＴ（ｉ）、及び流量ｄｍ（ｉ）の値を取得し、Ｓ４２に移る。

Ｓ４２では、ステーションＥＣＵ８は、充填漏れの有無を確認するリークチェックを行うため、水素ガスの充填を一時的に停止し、Ｓ４３に移る。より具体的には、ステーションＥＣＵ８は、遮断弁９４を全閉にすることによって、水素ガスの充填を一時的に停止する。なお以下では、圧力損失係数ｋ_０の値を算出する際には、水素ガスの充填を一時的に停止する場合、すなわち接続配管内における水素ガスの流量を０まで減少させる場合について説明するが、本発明はこれに限らない。このＳ４２では、水素ガスの充填を完全に停止させずにしてもよい。すなわち、水素ガスの流量を０付近まで減少させるようにしてもよい。

Ｓ４３では、ステーションＥＣＵ８は、Ｓ４２において水素ガスの充填を停止してから所定の測定待ち時間（例えば、３秒程度）が経過した後、ステーションＥＣＵ８は、ステーション圧力センサ７３、ステーション温度センサ７２、及び流量センサ７１を用いることにより、充填停止から所定の待ち時間経過後の接続配管内における圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）の値を取得し、Ｓ４４に移る。

Ｓ４４では、ステーションＥＣＵ８は、上述のように接続配管内における水素ガスの流量が０より大きな流量から０まで減少させる前後において取得した圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ），Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）、温度Ｔ_ＳＴ（ｉ）、及び流量ｄｍ（ｉ）の値と、上記式（５）とを用いることによって、圧力損失係数ｋ_０の値を算出し、Ｓ４５に移る。

より具体的には、上記式（５）における圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓの値については、下記式（７－１）に示すように、充填停止後の圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）から停止前の圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ）を減算することによって算出する。また上記式（５）におけるガス密度ρの値については、圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ），Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）及び温度Ｔ_ＳＴ（ｉ）の値を、圧力ｘ、温度ｙの関数である密度関数ρ［ｘ，ｙ］に入力することによって算出される値が用いられる。より具体的には、下記式（７－２）に示すように、流量が減少する前の圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ）と流量が減少した後の圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）との平均値を用いることによってガス密度ρの値を算出する。

Ｓ４５では、ステーションＥＣＵ８は、充填漏れの有無を確認するリークチェックを実行した後、図４のＳ５に移る。

図４に戻り、Ｓ５では、ステーションＥＣＵ８は、複数の充填制御マップの中から、Ｓ４で算出した圧力損失係数ｋ_０の値に応じたものを本マップとして選択し、Ｓ６に移る。上述のようにＳ２では、ステーションＥＣＵ８は、水素タンク３１の容積Ｖの値に応じたｊ枚の充填制御マップ（Ｍｋ１，…，Ｍｋｊ）（“ｋ”は、１からｉまでの何れかの整数）のうち、圧力損失が最大となるもの、すなわち充填制御マップＭｋｊを仮マップとして選択する。そこでＳ５では、ステーションＥＣＵ８は、上記ｊ枚の充填制御マップ（Ｍｋ１，…，Ｍｋｊ）のうち、圧力損失係数ｋ_０の値に応じたものを本マップとして選択する。これにより。接続配管の圧力損失に応じた適切な充填制御マップが選択される。

Ｓ６では、ステーションＥＣＵ８は、Ｓ５において本マップとして選択した充填制御マップの下で本充填を再開する。より具体的には、Ｓ５で選択した本マップの下で目標昇圧率ΔＰ_ＳＴを設定するとともに、この目標昇圧率ΔＰ_ＳＴが実現するように水素ガスを充填する。

Ｓ７では、ステーションＥＣＵ８は、水素ガスの充填が完了したか否か、すなわち水素タンク３１は満充填に達したか否かを判定する。ステーションＥＣＵ８は、Ｓ７における判定結果がＮＯである場合にはＳ６に戻り本充填を継続し、ＹＥＳである場合には水素ガスの充填を終了する。

図６は、図４のフローチャートによって実現される水素ガスの充填の流れを模式的に示すタイムチャートである。図６において、実線はステーション圧力センサ７３によって検出される圧力の時間変化を示し、破線は水素タンク３１内の圧力の時間変化を示し、一点鎖線は流量センサ７１によって検出される流量の時間変化を示す。

始めにステーションＥＣＵ８は、時刻ｔ０～ｔ１においてスタートアップ充填（図４のＳ１参照）を実行するとともに、このプレショット充填を開始した時刻ｔ０を充填開始時刻ｔ_ｉｎｉとして設定する。また時刻ｔ１では、ステーションＥＣＵ８は、水素タンク３１の容積Ｖの値に基づいて仮マップを選択し、この時刻ｔ１～ｔ３までの間において仮マップの下で本充填を行う。これにより、仮マップによって設定される目標昇圧率ΔＰ_ＳＴの下で接続配管における圧力が上昇する。なお接続配管内では圧力損失が発生することから、時刻ｔ１からｔ３まで水素ガスが流れている間、接続配管のうちステーション圧力センサ７３の検出位置における圧力（図６において実線で示す部分）は、これより下流側の水素タンク内における圧力（図６において破線で示す部分）よりも高い。なお以下では、プレショット充填を開始した時刻ｔ０を充填開始時刻ｔ_ｉｎｉとする場合について説明するが、本発明はこれに限らない。スタートアップ充填が終わった後、仮マップの下で本充填を開始する時刻ｔ１を充填開始時刻ｔ_ｉｎｉとして設定してもよい。

その後ステーションＥＣＵ８は、時刻ｔ２において、水素ガスの充填を一時的に停止する直前の接続配管内における圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ）、流量ｄｍ（ｉ）、及び温度Ｔ_ＳＴ（ｉ）の値を取得した後、時刻ｔ３において、リークチェックを実行するために水素ガスの充填を一時的に停止する。その後時刻ｔ４では、ステーションＥＣＵ８は、測定待ち時間が経過したことに応じて再び接続配管内における圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）の値を取得する。またステーションＥＣＵ８は、時刻ｔ３において水素ガスの充填を一時的に停止する前後において取得された圧力Ｐ_ＳＴ（ｉ），Ｐ_ＳＴ（ｉ＋ｎ）、温度Ｔ_ＳＴ（ｉ）、及び流量ｄｍ（ｉ）を用いることによって、圧力損失係数ｋ_０の値を算出する。

その後時刻ｔ５では、ステーションＥＣＵ８は、時刻ｔ２～ｔ５の間の圧力損失係数算出処理によって算出された圧力損失係数ｋ_０の値に基づいて充填制御マップを本マップとして再度選択し、この本マップの下で本充填を再開する。これにより、充填制御マップが、その時の接続配管の状態に応じた適切なマップに切り替えられる。

本実施形態に係る水素ガス充填方法によれば、以下の効果を奏する。
（１）水素ガス充填方法では、仮マップの下で水素ガスの充填を開始した後、接続配管内における水素ガスの流量が減少した際におけるステーション圧力センサ７３の検出値を用いることによって圧力損失係数ｋ_０の値を算出する。水素ガス充填方法ではこのように水素ガスの流量が減少した際におけるステーション圧力センサ７３の検出値を用いることにより、圧力損失係数ｋ_０の値を精度良く算出できる。また水素ガス充填方法では、算出した圧力損失係数ｋ_０の値に基づいて充填制御マップを変更し、変更後の充填制御マップの下で水素ガスの充填を継続する。水素ガス充填方法ではこのように圧力損失係数ｋ_０の値に基づいて充填制御マップを変更することにより、充填時間やプレクーラ９６の設定温度等における無駄が少なくなるように充填制御マップを最適化し、この最適化された充填制御マップの下でガスを充填できる。

（２）水素ガス充填方法で用いるステーションＥＣＵ８は、予め定められた複数のマップＭ１１，…，Ｍｉｊの中から適した充填制御マップを選択し、さらにこの充填制御マップによって規定される充填条件の下で流量制御弁９５を操作し、接続配管を流れる水素ガスの流量を制御する。また水素ガス充填方法では、ステーションＥＣＵ８において仮マップとして選択されている充填制御マップを、上述のように算出した圧力損失係数ｋ_０の値に基づいて定められる充填制御マップに切り替えることにより、充填条件を変更する。このように水素ガス充填方法では、圧力損失係数ｋ_０の値に基づいて充填制御マップを切り替える。このためステーションＥＣＵ８に予め規定しておく複数の充填制御マップを、圧力損失係数ｋ_０の値に応じて最適化することができるので、実際に発生する圧力損失に応じて充填時間をできるだけ短くし、さらにプレクーラ９６の設定温度を高くすることができる。

（３）水素ガス充填方法では、水素ガスの流量が減少する前後の圧力差ｄＰ_ｌｏｓｓと、配管内のガス密度ρと、接続配管内のガスの質量流量ｄｍとを用いることにより、上記式（５）で定義される圧力損失係数ｋ_０の値を算出する。したがって水素ガス充填方法によれば、簡易な演算で圧力損失係数ｋ_０の値を算出できる。

（４）水素ガス充填方法では、接続配管内における水素ガスの流量が０より大きな流量から０又は０付近まで減少した際におけるステーション圧力センサ７３の検出値を用いることによって、圧力損失係数ｋ_０の値を算出する。したがって水素ガス充填方法によれば、圧力損失係数ｋ_０の値を精度良く算出でき、ひいては接続配管の状態に応じた適切な充填制御マップに切り替えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば上記実施形態では、水素ガスの充填を開始した後、リークチェックを実行するために水素ガスの充填を一時的に停止する機会を利用して圧力損失係数算出処理（図５参照）を実行し、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ_０の値を算出する場合について説明したが、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ_０の値を算出するタイミングはこれに限らない。これら圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ_０の値を算出するタイミングは、水素ガスの充填を開始した後において、接続配管内における水素ガスの流量を一時的に減少させる時期であれば、理由を問わずどのような時期であってもよい。

例えば、上記リークチェック処理は、法規によって義務付けられていない国も存在する。このような国では、水素ガスの充填中にリークチェックが行われない場合もあることから、圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ_０の値を算出する機会を逸してしまう場合がある。しかしながらリークチェック処理が義務付けられていない場合であっても、例えば、本充填中に水素ステーション９側の水素タンクを交換するために、一時的に水素ガスの充填を停止する場合がある。したがってこのような場合には、水素ステーション９側のタンク交換の実行時を利用して圧力損失ｄＰ_ｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ_０の値を算出してもよい。

また例えば上記実施形態では、タンク容積Ｖ、圧力損失係数ｋ_０、及び大気温度Ｔ_ａｍｂの値と、４つの係数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の値とを、図３に例示するような複数の充填制御マップによって関連付けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。タンク容積Ｖ、圧力損失係数ｋ_０、及び大気温度Ｔ_ａｍｂの値と、４つの係数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の値とは、マップ以外の手段、より具体的には、数式やニューラルネットワーク等を利用して関連付けてもよい。

Ｓ…水素充填システム
Ｍ…車両（移動体）
３１…水素タンク（タンク）
７１…流量センサ
７２…ステーション温度センサ
７３…ステーション圧力センサ（圧力センサ）
７４…大気温度センサ
８…ステーションＥＣＵ
８３…目標昇圧率設定部
８３１…マップ選択部
８３２…昇圧率算出部
９…水素ステーション
９１…蓄圧器（供給源）
９３…ステーション配管（配管）
９４…遮断弁
９５…流量制御弁（制御弁）
９６…プレクーラ

Claims (4)

1. 圧縮ガスの供給源と、
   前記供給源と移動体に搭載されたタンクとを接続する配管と、
   前記配管に設けられた制御弁、圧力センサ、及び流量センサと、
   前記タンクの容積及び前記配管で生じる圧力損失と相関のある圧力損失パラメータによって分けられた複数の充填制御マップを記憶する記憶媒体を有し、前記複数の充填制御マップの中から選択された充填制御マップによって規定される充填条件の下で前記制御弁を操作し前記配管を流れるガスの流量を制御する制御装置と、を備えるガス充填システムによって、前記供給源から前記タンクにガスを充填するガス充填方法であって、
   前記タンクの容積値を取得するとともに、前記複数の充填制御マップの中から前記容積値に応じた充填制御マップを仮マップとして選択し、当該仮マップの下でガスの充填を開始する充填開始工程と、
   前記仮マップの下でのガスの充填を開始した後、前記配管内におけるガスの流量が減少した際における前記圧力センサの検出値を用いることにより前記圧力損失パラメータの値を算出する圧力損失パラメータ算出工程と、
   前記充填条件を前記仮マップによって規定される条件から、前記容積値及び前記圧力損失パラメータの値に応じた充填制御マップである本マップに基づいて定められる条件に変更してガスの充填を継続する充填条件変更工程と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
2. 前記充填開始工程では、前記容積地に応じた複数の充填制御マップのうち前記圧力損失パラメータの値が最大のものを前記仮マップとして選択することを特徴とする請求項１に記載のガス充填方法。
3. 前記圧力損失パラメータ算出工程では、下記式（１）に基づいて前記圧力損失パラメータの値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス充填方法。
   下記式（１）において、“ｋ_０”は前記圧力損失パラメータであり、“ｄＰ_ｌｏｓｓ”はガスの流量が減少する前と後の前記配管内における圧力差であり、“ρ”は前記配管内におけるガスの密度であり、“ｄｍ”は前記配管内におけるガスの質量流量である。
   

   
4. 前記圧力損失パラメータ算出工程では、前記配管内におけるガスの流量が０より大きな流量から０又は０付近まで減少した際における前記圧力センサの検出値を用いることにより前記圧力損失パラメータの値を算出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のガス充填方法。

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