JP7043031B2 - 充填装置 - Google Patents
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Description
水素ステーションには水素充填装置が設けられており、水素充填装置により、水素ステーションに到着した前記車両の車載タンク内に所定の圧力範囲内で水素を充填している。
ここで、燃料電池車両のタンク内の圧力が最大値の圧力(例えば80MPa)であることはあり得ず、最大値(例えば80MPa)を後方設備に要求した後、要求圧力が直ちに低下(例えば30MPa)する。そのため、水素充填開始直後において、要求圧力が非常に大きく低下(例えば、50MPa降圧)することになり、後方設備に大きな負荷を掛けてしまうという問題点が存在した。
しかし車種によっては、通信充填の際に、タンク内の実際の圧力とは異なる数値を水素充填装置側に発信し、ガス充填開始直後にタンク内の正確な圧力を送信する様に設定されている。その様なタイプでは、最初の要求圧力を燃料電池車両等のタンク内圧力に設定すると、タンク内の実際の圧力がタンク内圧力として通信された数値よりも高圧である場合には水素充填が出来なくなってしまう。
通信充填が確立しているか否かを判定する機能と、
通信充填が確立している場合には、車両側から受信したタンク内圧力よりも所定圧力(例えば5MPa)だけ高圧な圧力を、後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する機能と、
後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了するまで段階的に昇圧する機能を有していることを特徴としている。
ここで、初期圧力は、充填直前の充填ホース内に水素が存在する状態における充填装置(100)の吐出圧であり、充填装置(100)吐出圧力計(12)で計測され、その時点における車両側タンク(21:例えば、燃料電池車両のタンク)内の圧力に対応している。
通信充填が確立しているか否かを判定する機能と、
通信充填が確立していない場合には、最大値(例えば80MPa)の30~60%の圧力(例えば35MPa)を、後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する機能を有しているのが好ましい。
水素充填装置(100)から後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力を、充填するべき気体の流量(質量流量)が所定値(例えば100g/min.)未満である場合には昇圧する機能を有するのが好ましい。
さらに本発明において、前記制御ユニット(10)は、
後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了した後は、測定された車両側タンク内圧力(例えば10MPa)よりも一定圧力だけ高圧に設定する機能を有するのが好ましい。
制御ユニット(10)を備えた充填装置(100)による充填方法において、
前記制御ユニット(10)により、
初期圧力測定が終了したか否かを判断する工程と、
通信充填が確立しているか否かを判定する工程と、
通信充填が確立している場合には、車両側から受信したタンク内圧力よりも所定圧力(例えば5MPa)だけ高圧な圧力を、後方設備(200:燃料ガス供給側:1次側)に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する工程と、
後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了するまでは段階的に昇圧する工程が実行されることを特徴としている。
前記制御ユニット(10)により、
通信充填が確立しているか否かを判定する工程と、
通信充填が確立していない場合には最大値(例えば80MPa)の30~60%の圧力(例えば35MPa)を、後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する工程が実行されるのが好ましい。
前記制御ユニット(10)により、
後方設備(200:燃料ガス供給側)に対して要求する圧力である要求圧力を、充填するべき気体の流量(質量流量)が所定値(例えば100g/min.)未満である場合には昇圧する工程が実行されるのが好ましい。
さらに本発明の充填方法において、
前記制御ユニット(10)により、
後方設備(200)に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了した後は、測定された車両側タンク(21)内圧力よりも一定圧力だけ(例えば10MPa)高圧に設定する工程が実行されるのが好ましい。
単一の燃料ガス(例えば水素)供給系統(1次側の供給系統)が複数の充填系統(例えば、サイドAの充填系統1AとサイドBの充填系統1B)に分岐しており、
複数の充填系統の各々の充填制御を行う制御ユニット(例えば、サイドA制御ユニット10A、サイドB制御ユニット10B)と、各充填系統における制御ユニット同士を仲介する(例えばサイドA制御ユニット10AとサイドB制御ユニット10Bを仲介する)仲介用制御ユニット(10C)を設けることが出来る。
充填している側の制御ユニット(例えばサイドAの制御ユニット10A)は、仲介用制御ユニット(10C)を介して送信された充填開始信号を受信した場合に当該充填している側の充填系統の圧力(例えばサイドAの充填系統1Aを流れる水素ガスの圧力)を減圧する制御信号(例えば、流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号)を発信する機能を有しているのが好ましい。
そして、仲介用制御ユニット(10C)は、充填している側の制御ユニット(例えばサイドAの制御ユニット10A)が圧力を減圧する制御信号を発信してから所定時間(例えば3秒)後に、充填を開始する側の制御ユニット(例えばサイドBの制御ユニット10B)が発信した充填開始信号を燃料ガス供給側(後方設備側:1次側)に発信する機能を有するのが好ましい。
充填を継続している側の制御ユニット(例えばサイドBの制御ユニット10B)は、仲介用制御ユニット(10C)を介して送信された他の充填系統(例えばサイドAの充填系統1A)で充填が終了した旨の制御信号を受信した際に、充填系統の圧力(例えばサイドBの充填系統1Bを流れる水素ガスの圧力)を昇圧する制御信号(例えば、流量調整弁2Bの開度を増加する制御信号)を発信する機能を有しているのが好ましい。
そして、充填装置(100-1)は3台以上設けることが出来る。
そのため、水素充填開始直後において、要求圧力が非常に大きく減圧されてしまうことが防止され、後方設備(200)に大きな負荷を掛けてしまうことも防止される。
その結果、要求圧力が低過ぎて気体が充填されないという事態が防止される。
しかし、水素充填装置の一方で水素を充填している間に他方で水素充填を開始すると、当該充填している側の吐出圧力が変動して、所定の圧力範囲内に保持することが困難になる。
本発明において、単一の燃料ガス(例えば水素)供給系統(1次側の供給系統)が複数の充填系統(例えば、サイドAの充填系統1AとサイドBの充填系統1B)に分岐しており、複数の充填系統の各々の充填制御を行う制御ユニット(例えば、サイドA制御ユニット10A、サイドB制御ユニット10B)と、各充填系統における制御ユニット同士を仲介する(例えばサイドA制御ユニット10AとサイドB制御ユニット10Bを仲介する)仲介用制御ユニット10Cを設けていれば、単一の燃料ガス(例えば水素)供給系統(1次側の供給系統)が複数の充填系統(例えば、サイドAの充填系統1AとサイドBの充填系統1B)に分岐しているため、充填装置内部に水素貯蔵用のボンベやタンクを設けていなくとも、充填対象側(例えば車両側タンク21)との圧力差に対応して、必要な圧力で,燃料ガスを供給することが出来る。そして、単一の充填装置(100-1)で複数の充填対象に対して燃料ガスを供給することが出来る。また各充填系統における制御ユニット(例えばサイドAの制御ユニット10A、サイドBの制御ユニット10B)同士を仲介する仲介用制御ユニット(10C)を設けているので、複数の充填対象に対して燃料ガスを供給する際にも、充填中の吐出圧力を所定の圧力範囲内(上限より低圧で且つ下限よりも高圧)に維持することが出来て、安全に充填することが出来る。
ここで、充填を開始する旨の信号が燃料ガス供給側(1次側)に発信されると、燃料ガス供給側の圧力が上昇してしまう。そのため、充填を開始する旨の信号が燃料ガス供給側に発信されるタイミングと、充填中の充填系統側の圧力(例えばサイドAの充填系統1A側を流れる水素ガスの圧力)を減圧する制御信号を発信するタイミングが同一であると、燃料供給側の圧力の上昇及び充填中の充填系統側の吐出圧上昇が、充填中の充填系統側の減圧よりも早いタイミングで行われ、充填中の充填系統側の吐出圧力が上限を上回ってしまう恐れがある。
しかし、前記仲介用制御ユニット(10C)は、充填している充填系統側の制御ユニット(例えばサイドAの制御ユニット10A)が減圧する制御信号(例えば、流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号)を発信してから所定時間(例えば3秒)後に、充填を開始する制御系統(例えばサイドBの制御ユニット10B)の充填開始信号を燃料ガス供給側(後方設備側:1次側)に発信する機能を有していれば、充填している充填系統側(例えばサイドAの充填系統1A側)の減圧が、燃料供給側の圧力及び充填中の充填系統側の吐出圧が上昇よりも早いタイミングで必ず行われるので、充填中の充填系統側の吐出圧力が上限を上回ることが確実に防止される。
しかし、前記仲介用制御ユニット(10C)が、充填を継続している側の制御ユニット(例えばサイドBの制御ユニット10B)に他の充填系統(例えばサイドAの充填系統1A)で充填が終了した旨の制御信号を送信する機能を有し、充填を継続している側の制御ユニット(例えばサイドBの制御ユニット10B)は、仲介用制御ユニット(10C)を介して他の充填系統(例えばサイドAの充填系統1A)で充填が終了した旨の制御信号を受信した際に、充填系統の圧力を昇圧(例えばサイドBの充填系統1Bを流れる水素ガスの圧力を昇圧)する制御信号(例えば流量調整弁2Bの開度を増加する制御信号)を発信する機能を有していれば、充填を継続している充填系統(例えばサイドBの充填系統1B)の吐出圧が下限を下回ることが防止される。
最初に図1、図2を参照して、本発明の第1実施形態を説明する。
図1において、全体を符号100で表す充填装置は、水素供給配管1、流量計4、流量調整弁2(圧力調整弁)、冷却ユニット6(ガス管路冷却ユニット)、遮断弁3、制御ユニット10を有している。
水素供給配管1の上流側は蓄圧器16を経由して水素ガス供給源200(後方設備、1次側)に接続され、水素供給配管1の下流側は、充填ホース8、充填ノズル9を介して車両20(燃料電池自動車)の車両側タンク21に接続されている(図1は充填時を示している)。流量計4、流量調整弁2、冷却ユニット6、遮断弁3は、水素供給配管1に介装されている。
水素ガス供給源200(後方設備)に貯蔵されている水素は、水素供給配管1により、流量計4、流量調整弁2、冷却ユニット6、遮断弁3を経由し、充填ホース8を流過し、充填ノズル9を介して燃料電池自動車20の車両側タンク21内に供給される。
制御ユニット10は、充填を終了、或いは中止する際に、流量調整弁2、遮断弁3に対して、それぞれ制御信号ラインLo1、Lo2を介して制御信号を送信し、流量調整弁2、遮断弁3を閉鎖する。
車両側タンク21には、車両側タンク21内の圧力を計測する圧力センサ(図示しない)と、車両側タンク21内の温度を計測する温度センサ(図示しない)が設けられており、通信充填が確立している場合には、車両側タンク21内の圧力、温度の情報は、図示しない車両側制御ユニット、コネクタを経由し、計測信号ラインLi2を介して制御ユニット10に送信される。
通信充填が確立している場合には、充填装置100(制御ユニット10)は、車両20側から車両側タンク21の情報(圧力、温度、その他)を取得して、充填装置100側の各構成機器(流量調整弁2、遮断弁3、流量計4、その他)を制御し或いは計測信号を受信して、充填プロトコルに従って適正な圧力範囲で水素ガスを車両側タンク21に供給している(水素充填を行っている)。
また、水素供給配管1には、出口側温度計13(温度センサ)が介装され、出口側温度計13は水素供給配管1内の温度を計測し、その計測結果を、計測信号ラインLi5を介して制御ユニット10に送信する。
上述した様に、制御ユニット10は、充填装置100と車両側タンク21との通信充填システムが確立しているか否かを判定する機能を有している。
後述するように、制御ユニット10が後方設備200(水素ガス供給源、1次側)に対して要求圧力を昇圧するに際して、通信充填システムが確立している場合と、通信充填システムが確立していない場合では制御の態様が異なる。
図2で後述するように、制御ユニット10は、初期圧力測定の段階で、必要に応じて当該要求圧力を徐々に昇圧する制御を実行する機能を有している。図2で後述する例では、要求圧力は、「受信したタンク内圧力+5MPa」→「受信したタンク内圧力+15MPa」→「要求圧力80MPa」の様に昇圧される。
要求圧力を徐々に高める制御は、水素流量(質量流量)に基づいて実行される。すなわち、車両側タンク21内の圧力測定が終了するまでの期間であって、通信充填システムが確立している場合、制御ユニット10は、流量計4からの流量計測値に基づき、充填するべき水素流量(質量流量)が所定値(例えば100g/min.)未満であれば、後方設備200(水素ガス供給側)に対して要求圧力を段階的に昇圧する。その詳細については、図2を参照して後述する。
なお、初期圧力測定が終了したか否かは、従来公知の方法により実行される。
通信充填システムが確立していない場合も、初期圧力測定の過程で、制御ユニット10は、必要に応じて要求圧力を徐々に高める制御を実行する機能を有している。例えば、要求圧力を、「35MPa」→「50MPa」→「80MPa」と昇圧する。
要求圧力を徐々に高める制御は、通信充填システムが確立している場合と同様に、水素流量(質量流量)を基準に実行される。すなわち、車両側タンク21内の圧力測定が終了するまでの期間であって、通信充填システムが確立していない場合、制御ユニット10は、流量計4からの流量計測値に基づき、充填するべき水素流量(質量流量)が所定値(例えば100g/min.)未満であれば、後方設備200に対して要求圧力を段階的に昇圧する。
また、水素充填装置100には表示装置15が設けられており、制御ユニット10から制御信号ラインLo4を介して送信させる制御信号を取得し、各種パラメータ(その時点で車両に充填された水素質量、その他)を表示する機能を有している。
図2において、ステップS1では、吐出圧力計12により初期圧力の測定を開始する。そしてステップS2に進む。
ステップS2では、車両通信充填が確立しているか否か(制御ユニット10が車両側タンク21内の圧力、温度を受信しているか否か)を判断する。この判断は、制御ユニット10により実行される。
車両通信充填が確立している場合(ステップS2が「Yes」)はステップS3に進み、車両通信充填が確立していない場合(ステップS2が「No」)はステップS10に進む。
そして、ステップS4に進む。
それと共に、ステップS4では、水素流量(質量流量)が例えば100g/min.(所定値)未満であるか否かを判断する。係る判断は、制御ユニット10が流量計4の計測結果を取得して実行する。
要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しておらず、且つ、充填するべき水素流量(質量流量)が100g/min.(所定値)未満である場合(ステップS4が「Yes」)は、ステップS5に進む。
一方、要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しているか、或いは、充填するべき水素流量(質量流量)が100g/min.(所定値)未満でない場合(ステップS4が「No」)は、ステップS8に進む。
それと共に、充填するべき水素流量(質量流量)が例えば100g/min.未満であるか否かを判断する。
要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しておらず、且つ、充填するべき水素流量が100g/min.未満である場合(ステップS6が「Yes」)は、ステップS7に進む。
一方、要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しているか、或いは、充填するべき水素流量が100g/min.未満でない場合(ステップS6が「No」)は、ステップS8に進む。
ステップS8では、初期圧力の測定を終了し、ステップS9に進む。
ステップS9では、後方設備200への要求圧力を、測定された初期圧力よりも例えば10MPa(一定圧力)だけ高圧に設定する。そしてステップS18へ進む。
ステップS10では、後方設備200への要求圧力を、例えば35MPaに設定する。ここで、35MPaは、最大値(例えば80MPa)の30~60%の範囲の圧力の一例として設定されている。
そしてステップS11で進む。
要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しておらず、且つ、充填するべき水素流量(質量流量)が100g/min.未満である場合(ステップS11が「Yes」)は、ステップS12に進む。
一方、要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しているか、或いは、充填するべき水素流量(質量流量)が100g/min.(所定値)未満でない場合(ステップS11が「No」)は、ステップS15に進む。
そしてステップS13に進む。
要求圧力設定から5秒経過した時点で初期圧力の測定が終了しておらず、且つ、充填するべき水素質量流量が100g/min.未満である場合(ステップS13が「Yes」)は、ステップS14に進む。
一方、要求圧力設定から5秒後の時点で初期圧力の測定が終了しているか、或いは、充填するべき水素質量流量が100g/min.未満ではない場合(ステップS13が「No」)は、ステップS15に進む。
ステップS10~ステップS14において、要求圧力を必要に応じて徐々に高圧にすることにより、確実に車両側タンク21内に水素ガスを充填することが出来る様になる。
ステップS16では、後方設備200に対する要求圧力を、測定された初期圧力よりも例えば10MPa(一定圧力)だけ高圧に設定する。そしてステップS17に進む。
ステップS17では、車両側タンク21の容量を推定する処理(例えば、車両側タンク21の質量容量が2~10kgの範囲内であるか或いは10kgを超えているかを判断する処理)を実行する。ステップS17では通信充填が確立していないため、係る処理が必要である。
タンク容量推定処理を実行したならば、ステップS18に進む。
ステップS18では、充填制御を実行する。充填制御の具体的な制御手順については、第2実施形態に関する図7のフローチャートを参照して後述する。
通信充填システムが確立している場合は、制御ユニット10(充填装置100)から後方設備200への要求圧力を、制御ユニット10が車両側から受信したタンク内圧力よりも例えば5MPa(所定圧力)だけ高圧な圧力に充填当初に設定する。その後、初期圧力測定の過程で、充填するべき水素流量(質量流量)が例えば100g/min.(所定値)未満の場合、要求圧力を例えば「受信したタンク内圧+15MPa」、さらに「80MPa」と徐々に高圧にする制御を実行する。
一方、通信充填システムが確立していない場合、制御ユニット10から後方設備200への要求圧力を例えば35MPaに充填当初に設定する。その後、初期圧力測定の過程で、充填するべき水素流量(質量流量)が例えば100g/min.未満の場合、当該要求圧力を例えば「50MPa」、さらに「80MPa」と、徐々に高圧にする制御を実行する。
係る制御を実行することにより、従来技術のように要求圧力を最大値(例えば80MPa)に固定する必要はなく、それよりも遥かに低い圧力、例えば、車両側から受信したタンク内圧力よりも5MPaだけ高圧な圧力(通信充填システムが確立している場合)或いは35MPa(通信充填システムが確立していない場合)に設定することが出来る。さらには必要に応じて、車両側から受信したタンク内圧力よりも15MPaだけ高圧な圧力(通信充填システムが確立している場合)、或いは50MPa(通信充填システムが確立していない場合)に設定することが出来る。その結果、要求値を最大値よりも遥かに低く設定することが出来る。
そのため、水素充填開始直後において、要求圧力が非常に大きく減圧されることが防止され、後方設備200に大きな負荷を掛けてしまうことも防止される。
また第1実施形態によれば、車両側タンク21内の圧力測定が終了した後は、後方設備200に対して要求圧力を測定された車両側タンク21内圧力よりも例えば10MPa(一定圧力)だけ高圧に設定している。
そのため、その後の充填制御に円滑に移行することが出来る。
図3において、充填装置100-1は図示しない単一の水素供給系統(1次側の供給系統)に接続されており、充填装置100-1の内部には水素貯蔵用のボンベやタンクは設けられていない。
充填装置100-1では複数系統(第2実施形態では2系統)の充填系統(サイドAの充填系統1A及びサイドBの充填系統1B:図4参照)を有しており(或いは、2系統の充填系統に分岐しており)、サイドA及びサイドBは充填装置100-1における表裏両面を構成する。図3の例では、充填装置100-1の表面側(図3(A)側)がサイドAであり、裏面側(図3(B)側)がサイドBである。
図3の充填装置100-1では、両サイド(図3(A)のサイドAと図3(B)のサイドB)に合計3本の充填ノズルが設けられている。ここで、図3における「H70」という表示は70MPa用の充填ノズルを示し、「H35」という表示は35MPa用の充填ノズルを示している。図3の充填装置では、70MPa用の充填ノズルH70が2本、35MPa用の充填ノズルH35が1本設けられている。
図3(A)で示すサイドAには、例えば、70MPa用の充填ノズルH70と35MPa用の充填ノズルH35が設けられている。図示しない1次側の水素供給系統及び充填装置100-1の充填系統1A(図4参照)から、充填ホース4A1を介して充填ノズルH70に水素が供給され、充填ホース4A2を介して充填ノズルH35に水素が供給される。
図3(B)のサイドBには、例えば、70MPa用の充填ノズルH70が1本のみ設けられ、図示しない1次側の水素供給系統から充填装置100-1の充填系統1Bと充填ホース4Bを介して、充填ノズルH70に水素が供給される。
図3(A)のサイドAは操作盤5Aを有し、図3(B)のサイドBは操作盤5Bを有している。なお、図3における符号7A1、7A2、7Bは、それぞれノズル掛けを示している。
明確には図示はされていないが、サイドAの70MPa用の充填ノズルH70と35MPa用の充填ノズルH35によって同時に充填することが出来ない様に構成されており、例えば充填が停止する様に構成されている。換言すると、同一サイド(図3ではサイドA)における2本の充填ノズルにより同時に充填することはできない様に構成されている。
そのため、サイドA、サイドBでは合計2系統で同時に充填することはできるが、サイドAにおける2系統により同時充填することは出来ない。実機では、サイドAの充填中にサイドAの2本目の充填ノズルが外れると、サイドAの2本の充填ノズルで充填しようとしていると判断されて、充填が中止される。
充填装置100-1内では、1次側の供給系統に連通する供給路は分岐箇所B1で2つの充填系統、すなわちサイドAの充填系統1A及びサイドBの充填系統1Bに分岐している。
サイドAの充填系統1Aは、充填時に、充填ノズルH70、H35を介して車両(図示せず)のタンク(図示せず:図4では右側に存在する)に接続される。一方、サイドBの充填系統1Bは、充填時に、充填ノズルH70を介して車両(図示せず)のタンク(図示せず:図4では右側に存在する)に接続される。
サイドBの充填系統1Bは、70MPa用の充填ノズルH70に接続されている。
サイドA及びサイドBにおける充填ノズルH70、H35には、ノズルスイッチSW70、SW35(開始スイッチ)が設けられている。ノズルスイッチSW70、SW35は、それぞれ、充填を開始する際に使用者により「ON」にされる。
図4で明示されている様に、第2実施形態に係る充填装置100-1に水素を供給する1次側の供給系統は1系統のみであるが、当該1系統の1次側の水素供給系統が、充填ノズルに到達するまでの間に単一箇所或いは複数個所(例えば、図4では2箇所の分岐箇所B1、B2)において分岐して、複数の水素充填ノズルH70或いはH35に連通する充填系統を構成している。図3、図4で示す第2実施形態では3本の充填系統を構成する。従来技術に係る充填装置の様に、複数の気体供給源から複数の供給系統を介して充填装置に気体燃料(水素ガス)を供給する訳ではない。
なお、図示の実施形態に係る充填装置100-1は、従来タイプの充填装置とは異なり、車両にCNGガスを供給する用途には用いられない。ただし、CNGガスの供給に図示の実施形態を適用することは可能である。
充填系統1A-1における分岐箇所B2から充填ノズルH70の間の領域には、遮断弁3A1、吐出圧力計PA21、出口側温度計TA1が配置されている。また、充填系統1A-2における分岐箇所B2から充填ノズルH35の間の領域には、遮断弁3A2、吐出圧力計PA22、出口側温度計TA2が配置されている。
サイドBの充填系統1Bにおいて、分岐箇所B1から充填ノズルH70の間の領域には、入口圧力計PB1、流量調整弁2B、冷却ユニット6、遮断弁3B、吐出圧力計PB2、出口側温度計TBが配置されている。
流量調整弁2A、2Bは、その開度を増減させることにより充填系統1A、1Bを流れる水素ガスの流量を増減し、以て水素ガスの圧力を調整する機能を有している。
冷却ユニット6は充填系統1A、1Bを流れる水素ガスを冷却して降温する機能を有している。ここで冷却ユニット6は既存の熱交換装置タイプのものが用いられるが、2系統の水素充填系統1A、1Bを流れる水素を冷却するので、ハイパワーな冷却ユニットを用いることが好ましい。
また、遮断弁3A1、3A2、3Bは、充填ノズルH70或いはH35により充填を行なう際は開状態とし、充填を終了する際は遮断されて水素ガスの供給を停止する。
出口側温度計TA1、TA2、TBは、それぞれ、充填系統1A-1、1A-2、1Bにおける充填ノズルH70、H35近傍の領域における水素ガスの温度を検出している。
充填系統1A-2における遮断弁3A2の上流側(分岐箇所B2側)には、70MPaの水素圧力を40MPaに絞るためのレギュレーター(図示せず)が設けられている。
サイドA及びサイドB(の操作盤)には、それぞれカードリーダPβが設けられている。カードリーダPβは、充填装置100-1の使用者が挿入する専用カードを読み取る機能を有し、カードリーダPβが専用カードを読み取ったか否かに基づいて、充填装置100-1の使用者が会員か非会員かをチェックすることが出来る。すなわち、カードリーダPβが専用カードを読み取れば充填装置100-1の使用者が会員と判断し、読み取らなければ非会員と判断する。
サイドA制御ユニット10Aは、サイドAの充填系統1Aの構成機器と計測信号ライン、検出信号ライン、制御信号ラインで接続されている。すなわちサイドA制御ユニット10Aは、入口圧力計PA1とは計測信号ラインL1により、流量調整弁2A(圧力調整弁)とは制御信号ラインL2により、遮断弁3A1とは制御信号ラインL3により、吐出圧力計PA21とは計測信号ラインL4により、出口側温度計TA1とは計測信号ラインL5により、ノズルスイッチSW70(開始スイッチ)とは検出信号ラインL6により、それぞれ接続されている。さらに、サイドA制御ユニット10Aは、遮断弁3A2とは制御信号ラインL7により、吐出圧力計PA22とは計測信号ラインL8により、出口側温度計TA2とは計測信号ラインL9により、ノズルスイッチSW35(開始スイッチ)とは検出信号ラインL10により、それぞれ接続されている。なお、各信号ラインL1~L10の各々は、サイドAの制御ユニット10Aとそれぞれ単独で接続されているが、煩雑さを回避するため、図4において、複数の信号ラインが併行する領域については1本の信号ライン1本のみを表示する場合がある。
サイドA制御ユニット10Aと仲介用制御ユニット10Cは、双方向に情報或いは各種信号を伝達可能な信号ラインL17により接続されている。そして、サイドB制御ユニット10Bと仲介用制御ユニット10Cも、双方向の情報或いは各種信号を伝達可能な信号ラインL18により接続されている。
図4では図示していないが、後方設備(水素ガスの1次側の供給系統)にも制御ユニットが設けられており、当該1次側の制御ユニットと、サイドA制御ユニット10A、サイドB制御ユニット10B、仲介用制御ユニット10Cにより、充填装置100-1における充填制御が実行される。
そして充填装置100-1は、複数の車両に対して同時に水素ガスを充填することが出来る。
明確には図示されていないが、水素ガスを充填する車両側のタンクの圧力、温度は、充填を行う際に、通信充填システムにより充填装置100-1側に送信される。
ここで、1次側の供給系統から充填装置100-1に供給される水素の圧力は、サイドAとサイドBの要求充填圧力が高い方に基づいて決定する。例えば、サイドA側に35MPaの水素ガスを供給し、サイドB側に70MPaの水素ガスを供給する場合には、1次側の供給系統の圧力は高圧の70MPaとなる。この場合、サイドAでは量調整弁2Aの開度が調整し(絞り)、供給する水素ガスの圧力が7030MPaから35MPaに降圧する。
サイドA、Bの充填系統1A、1Bの双方で車両のタンクに水素ガスを充填する際に、所定の圧力範囲内で水素を充填する際に、サイドA、Bの制御ユニット10A、10Bと仲介用制御ユニット10Cにより実行される制御について説明する。
そして仲介用制御ユニット10Cは、例えばサイドAの充填系統1Aで充填している間にサイドBの充填系統1Bで充填を開始する場合に、充填中のサイドAの制御ユニット10Aに、サイドBの制御ユニット10Bが発信した充填開始信号を送信する機能を有している。係る機能により、制御ユニット10A、10Bは他方サイドの充填の情報を得ることが出来る。
以下において、図4~図6を参照して、サイドAの充填系統1Aで充填している間に、サイドBの充填系統1Bが充填を開始する場合について説明する。ここで、上述した様に、サイドAにおける充填系統1A-1と充填系統1A-2において同時に充填されることはないので、図4~図6を参照した以下において、分岐箇所B2から分岐する充填系統1A-1、1A-2を「充填系統1A」と包括的に表現する。
そして、仲介用制御ユニット10Cは、充填中のサイドAの制御ユニット10Aが圧力を減圧するための制御信号(流量調整弁2Aへの制御信号)を発信してから所定時間後(例えば3秒後)に、充填を開始するサイドBの制御ユニット10Bが発信した充填開始信号を図示しない後方設備(水素ガスの1次側の供給系統)の制御ユニットに発信する機能を有している。サイドAの水素ガス圧力を減圧する制御信号を発信してからサイドBの充填開始信号を後方設備の制御ユニットに発信するまで、所定時間(例えば3秒)の時間差を設ける理由についても、図5、図6を参照して後述する。
そして、充填を継続しているサイドBの制御ユニット10Bは、仲介用制御ユニット10Cを介して送信された制御信号(サイドAで充填が終了した旨の制御信号)を受信した際に、サイドBの制御ユニット10Bの流量を流れる水素ガスの圧力を上昇するため、流量調整弁2Bの開度を増加して水素ガスの圧力を上昇する制御信号を発信する。
図5において、横軸は経過時間、縦軸は充填される水素ガスの各種圧力或いは弁開度を示しており、サイドA及びサイドBにおける充填の態様を圧力-時間特性により示している。具体的には、充填を開始してから、サイドAの充填系統1A、サイドBの充填系統1Bのそれぞれについて、要求圧力(必要圧力:各充填系統で充填を行うのに必要な圧力)、実際の供給圧力(1次側圧力:図4の入口圧力計PA1、PB1で計測)、吐出圧力(吐出圧力計PA21、PA22、PB2で計測)、圧力許容上限値、圧力許容下限値、流量調整弁(2A、2B)の開度がどの様に変化するのかを示している。
図5では、通信充填が確立している場合が示されており、車両側から受信したタンク内圧力よりも例えば5MPa(所定圧力)だけ高圧な圧力が要求圧力として設定される。そして、水素充填が良好に行われない場合には(初期測定が終了せず且つ水素ガス流量が100g/min未満の場合:図2を参照)、要求圧力は車両側から受信したタンク内圧力よりも例えば15MPaだけ高圧な要求圧力に設定される。さらに、それでも水素充填が良好に行われない場合には、要求圧力は例えば最大値80MPaに設定される。
初期圧力の測定を終了した後は、要求圧力を測定されたタンク内圧力よりも例えば10MPaだけ高圧な圧力とする。
図5においては、符号(1)の段階でサイドAの充填系統1Aにおける要求圧力(必要圧力)は、例えば35MPaに設定されている。
図5において、符号(1)の段階で供給圧力を35MPaにする際は、供給圧力を示す特性線と要求圧力(必要圧力)を示す特性線とが重複しており、要求圧力を示す特性線である実線のみが表示されている。なお、図5において通信充填が確立していない場合には、図2を参照して上述した制御に従って、符号(1)の段階でサイドAの充填系統1Aにおける要求圧力が設定される。
その後、水素ガスを充填すると、符号(3)で示す様に要求圧力(必要圧力)に従って供給圧力が漸増し、それに対応してサイドAの吐出圧力も漸増して、水素ガスが充填される。この際、当該吐出圧力は圧力許容上限値と圧力許容下限値の間の範囲となる様に充填制御される。なお、符号(4)の段階で圧力値(流量調整弁2Aの開度)が変動するが、これは漏れチェックの制御に関する挙動であり、図示の実施形態とは無関係であるため説明は省略する。
サイドAの充填に際して、充填系統1Aの流量調整弁2Aが開閉制御され、圧力が昇圧する様に漸増される。流量調整弁の開度に関する指標の表示は省略する。
ここで、サイドAの供給圧力が80MPaまで上昇すると充填系統1Aの吐出圧力も上昇し、圧力許容上限値を超えてしまう恐れがある。そのため、符号(β)で示す様に、サイドAの流量調整弁2Aの開度を絞って、充填系統1Aの圧力(吐出圧力)を降圧させる。以て、符号(5)の段階で供給圧力が80MPaまで急上昇しても、サイドAの吐出圧力が圧力許容上限値を超えない様にせしめている。
この様な制御を実行するため、サイドAの制御ユニット10A(図4)とサイドBの制御ユニット10B(図4)とで情報のやり取りが必要となり、仲介用制御ユニット10C(図4)を介した信号或いは情報の授受が必要となる。
図5と同様な特性図である図6においては、図5のサイドA充填開始から符号(5)で示す段階までを示しているが、図6では、サイドBにおける充填要求信号と、サイドAの充填系統1Aの流量調整弁2A(圧力調整弁)の制御信号が同時に発信された場合の特性を示している。図5の符号(5)で示す段階は、図6では符号「5-1」で示している。
図6において、サイドBにおける充填要求と、サイドAの流量調整弁2Aの制御信号(開度を減少して水素ガスの圧力を減圧する制御信号)が同時に発信されると、符号5-1で示す領域では、符号(α)で示す様に供給圧力(1次側圧力)が上昇して、符号γで示す様に充填系統1Aの吐出圧力(サイドAの吐出圧力)が上昇する。ここで、サイドAの流量調整弁2Aの制御信号が発信されてから流量調整弁2Aの開度を減少して水素ガスの圧力を減圧するまでの時間よりも、サイドBにおける充填要求信号が発信されてからサイドAの吐出圧力が上昇するまでの時間の方が短い。そのため、図6における領域5-1では、符号(α)で示す供給圧力の上昇により、符号γで示す充填系統1Aの吐出圧力が圧力許容上限を越えてしまう。
吐出圧力(符号γ)が圧力許容上限を越えると、サイドA制御ユニット10Aは「エラー発生」と判断し、充填系統1Aの流量調整弁2Aを強制的に全閉とし、サイドAの充填系統1Aにおける水素充填が強制的に終了されてしまう。
当該遅延させる制御は図5の符号(6)で示す領域で実行される。すなわち、サイドBにおける充填要求の情報送信のタイミングは、流量調整弁2Aの制御信号のタイミングより所定時間t(例えば3秒)だけ遅延しており、流量調整弁2Aの開度が減少した後、所定時間tだけ遅れ、サイドBの充填要求に基づいてサイドBの要求圧力が立ち上がり、その結果、供給圧力が80MPaまで増加している。
ここで、サイドAの流量調整弁2Aの開度は既に減少しているため、供給圧力が80MPaまで増加しても流量調整弁2Aの開度は小さく、水素ガス圧力も既に減圧されているため、図5の符号(5)、(6)で示す領域では充填系統1Aの吐出圧力が圧力許容上限を越えてしまうことはない。
発明者によるシミュレーション及び実機を用いた実験では、流量調整弁2Aへの制御信号送信から流量調整弁2Aの開度が絞られるまでの時間は1~2秒であり、流量調整弁2Aへの制御信号送信から3秒あれば、1次側供給圧力の上昇(α)によりサイドAの吐出圧力が上昇する以前の段階で確実に流量調整弁2Aの開度が減少し、水素ガスの圧力を減圧することが出来る。
図5では示されていないが、仮に、サイドB側で水素充填要求信号が発信されるタイミング(α)が、図5で示すよりも早い段階(図5における左側端部近傍の領域)であれば、サイドBの要求圧力は、図2を参照して上述した制御に従って、80MPaより低圧の値に設定される。その場合、サイドAの吐出圧力は低圧であるため、サイドBにおける充填要求の情報送信のタイミングをサイドAにおける流量調整弁2Aの制御信号のタイミングより所定時間t(例えば3秒)だけ遅延させる制御を行う必要はない。
仮に、供給圧力上昇のタイミング(α)が、図5で示すよりも初期(図5では左側の領域)であれば、車両側タンク側の圧力は低圧であり、供給圧力も低圧であるため、流量調整弁2Aの開度が絞られると、吐出圧力も減圧すると推定される。
サイドAの充填系統1Aの充填が終了すると、1次側供給圧力は、サイドBの充填系統1Bを充填するのに必要な差圧(要求圧力)となる。そのため、段階(8)以前は、サイドAの要求圧力(必要圧力)の方がサイドBの要求圧力よりも高圧であり、供給圧力は80MPa以上であるのに対して、符号(8)の時点では符号(ε)で示す様に、サイドBの充填系統1Bの要求圧力に対応して供給圧力が降圧している。そして充填が終了したサイドAの吐出圧力は、ゼロに降圧している。
段階(8)以降は、供給圧力はサイドBの要求圧力に基づいて設定されるため、サイドBの流量調整弁2Bの開度は段階(8)以前ほど絞る必要が無くなる。ここで、段階(8)以降において、流量調整弁2Bの開度を段階(8)以前と同様な小さな開度を維持していると(いわゆる「絞った」状態を維持していると)、充填系統1Bの吐出圧力が許容下限値を下回ってしまう恐れが生じる。
係る制御の結果、図5の符号(9)で示す様に、サイドAの充填が終了した後(符号(8)の後)に、サイドBの流量調整弁2Bの開度は、段階(9)以前に比較して急増している。そのため、段階(8)以降において、サイドBの吐出圧力が許容下限値を下回ってしまうことは防止される。
図5の符号(10)で示す段階では、充填系統1Bの充填に必要な圧力に従って供給圧力は時間経過に応じて増加し、サイドBの吐出圧力も増加する。
なお、図5で示す水素ガス充填では、吐出圧力は圧力許容上限値と圧力許容下限値の間の範囲となる様に制御される。
図7において、ステップS21では、充填装置100-1で充填対象である車両のタンクに充填を行うか否かを判断する。
ステップS21で「充填を行う」場合(ステップS21が「Yes」)はステップS22に進み、充填を行わない場合(ステップS21が「No」のループ)はステップS21に戻る。
ステップS22では、充填装置100-1の使用者が専用カード(POSカード)を操作盤のカードリーダPβ(図4)に挿入し、カードリーダPβがPOSカードを読み取ったか否か、すなわち使用者のカードが会員用の専用カードであるか否かを判断する。
ステップS22で「POSカードを読み取った」場合(ステップS22が「Yes」)はステップS23に進み、POSカードを読み取らない場合(ステップS22が「No」)はステップS24に進む。
一方、ステップS24では充填は許可しない。ただし、会員以外にも重点を許可するように設定することも可能であり、その場合はステップS22でPOSカードを読み取らない場合(ステップS22が「No」)は図示しない後方設備に「非会員の充填」である旨の情報を伝達し、ステップS23に進む。
ステップS25では、充填が許可された使用者は充填ノズル(図4のH70、H35)をノズル掛け7A1、7A2、7Bから外す。ここで、ステップS23において充填が許可され、且つ、充填ノズルH70、H35がノズル掛け7A1、7A2、7Bから外されるという条件が揃った場合のみ、ノズルの開始SWが有効となる。
ステップS26では、図示しないメーターのゼロリセットが行われ、充填可能なノズルの充填開始スイッチ(ノズルスイッチ:図4のSW70、SW35)が点滅する。
ステップS27では、使用者は使用するノズルの開始スイッチを押し下げて、「ON」の状態にする。
ステップS28では、サイドBの充填を開始するに際しサイドA(充填を開始するサイドではない他方のサイド)が充填中であるか否かを判断する。当該判断は、サイドAの制御ユニット10Aが充填制御を実行している旨の信号を仲介用制御ユニット10C(図4)に伝達しているか否かにより行われる。
ステップS28が「他方のサイド(サイドA)が充填中」の場合(ステップS28が「Yes」)はステップS29に進み、「他方のサイド(サイドA)は充填中でない」場合(ステップS28が「No」)はステップS31に進む。
次のステップS30では、ステップS29でサイドAの流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号を発信してから3秒(図5の所定時間t)経過してから、サイドBの充填系統1Bの充填開始信号(充填要求信号)を発信する。
ステップS29、ステップS30の制御では、ステップS29において、仲介用制御ユニット10Cは、制御ユニット10Bから取得したサイドBの充填開始の情報(充填要求)をサイドAの制御ユニット10Aに送信し、サイドAの制御ユニット10Aは流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号を発信する。そして、制御ユニット10Aが流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号を発信(ステップS29)してから3秒後に、仲介用制御ユニット10CはサイドBの充填開始信号を燃料ガス供給側の制御ユニットに送信する(ステップS30)。
ステップS29、ステップS30の制御を実行することにより、サイドAの流量調整弁2Aの開度が絞られサイドAの吐出圧力が減圧された後、サイドBの充填要求に対応して供給圧力が急増(図5、図6の例では80MPaまで増加)するため、充填系統1Aの吐出圧力が圧力許容上限を越えてしまう事態が防止される(図5の符号(5)、(6)を参照)。
ステップS32では、サイドAの充填系統1Aで充填が開始されるか否かを判断する。ステップS32において、サイドAの充填が開始されるか否かは制御ユニット10Aが判断し、当該判断は仲介用制御ユニット10Cに伝達される。
ステップS32において、「サイドAで充填が開始される」場合(ステップS32が「Yes」)はステップS33に進み、「サイドAで充填は開始されない」場合(ステップS32が「No」)はステップS35に進む。
ステップS34では、ステップS33でサイドBの制御ユニット10Bが流量調整弁2Bの開度を減少する制御信号を発信してから3秒(所定時間t:図5)経過後に、仲介用制御ユニット10Cは、サイドAの充填要求信号を後方設備の制御ユニットに発信する。そしてステップS36に進む。
ステップS33、ステップS34の制御を実行することにより、サイドBの流量調整弁2Bの開度が絞られて充填系統1Bを流過する水素ガスの圧力を減圧したから3秒経過してから、サイドAの充填要求が後方設備の制御ユニットに発信されるので、供給圧力が上昇(図5、図6の例では80MPaまで上昇)した際には、充填系統1Bを流過する水素ガスの圧力を減圧されており、充填系統1Bの吐出圧力が圧力許容上限を越えてしまう事態は防止される。
ステップS35が、「充填終了」である場合(ステップS35が「Yes」)はサイドBの充填制御を終了する。「充填を終了しない」場合(ステップS35が「No」)はステップS32に戻る。
ステップS36において、「サイドAで充填が終了した」場合(ステップS36が「Yes」)はステップS37に進み、「サイドAで充填が終了しない」場合(ステップS36が「No」)はステップS38に進む。
ステップS37において、サイドAの充填が終了した際に、充填系統1Bの流量調整弁2Bも開度が増加し水素ガスの圧力が昇圧するので、図5の符号(9)で示す様に、充填系統1Bの吐出圧力が許容下限値を下回ってしまう事態が防止される。ステップS37が終了したらステップS35に進む。
ステップS38の判断結果が、「充填終了」である場合(ステップS38が「Yes」)はサイドBにおける充填制御を終了する。「充填を終了しない」である場合(ステップS38が「No」)はステップS36に戻る。
またサイドAの制御ユニット10AとサイドBの制御ユニット10Bを仲介する仲介用制御ユニット10Cを設けているので、サイドAの充填系統1AとサイドBの充填系統1Bで同時に水素ガスを充填する際にも、充填中の吐出圧力を所定の圧力範囲内(上限より低圧で且つ下限よりも高圧)に維持することが出来て、安全に充填することが出来る。
それに対して図示の第2実施形態では、仲介用制御ユニット10Cは、充填しているサイドAの制御ユニット10Aに対して、サイドBの制御ユニット10Bが発信したサイドBで充填を開始する旨の制御を送信し、サイドAの制御ユニット10Aは、仲介用制御ユニット10Cを介して送信されたサイドBの充填開始信号を受信した場合にサイドAの流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号を発信して、充填系統1Aを流過する水素ガス圧力を減圧する。そのため、供給圧力が急激に上昇しても、充填中のサイドAの吐出圧力が上限を上回ることが未然に防止される。
それに対して図示の第2実施形態では、仲介用制御ユニット10Cは、充填しているサイドAの制御ユニット10Aが流量調整弁2Aの開度を減少する制御信号を発信してから所定時間(例えば3秒)経過後に、充填を開始するサイドBの制御ユニット10Bからの充填開始信号を後方設備側に発信する機能を有しているので、充填しているサイドAの充填系統1A側の水素ガス圧力の減圧が、供給圧力及び充填中のサイドAの吐出圧力が上昇するよりも早いタイミングで実行されるので、充填中のサイドAの吐出圧力が上限を上回ることが確実に防止される。
しかし図示の第2実施形態では、仲介用制御ユニット10Cが、充填を継続しているサイドBの制御ユニット10BにサイドAの充填が終了した旨の制御信号を送信する。係る制御信号を受信したサイドBの制御ユニット10Bは、充填系統1Bの流量調整弁2Bの開度を増加する制御信号を発信して、サイドBの充填系統1Bの吐出圧を昇圧するので、充填を継続しているサイドBの吐出圧が下限を下回ることが防止される。
例えば、図示の実施形態では、単一の水素ガス(燃料ガス)供給系統において充填装置が1台(ただし充填系統は単一の場合と複数の場合がある)の場合について言及しているが、単一の水素ガス(燃料ガス)供給系統において複数(2台或いは3台以上)の充填装置を設けている場合においても、本発明は適用可能である。この場合、第2実施形態における仲介用制御ユニットを各充填装置に設け、当該複数の仲介用制御ユニットを統括する包括的仲介用制御ユニットを設けることが出来る。
1B・・・サイドBの充填系統
2A、2B・・・流量調整弁(圧力調整弁)
10・・・制御ユニット
10A・・・サイドA制御ユニット
10B・・・サイドB制御ユニット
10C、10F・・・仲介用制御ユニット
10G・・・包括的仲介用制御ユニット
21・・・車両側タンク
100、100-1・・・充填装置
200・・・後方設備(燃料ガス供給側)
Claims (8)
- 制御ユニットを備え、当該制御ユニットは、
通信充填が確立しているか否かを判定する機能と、
通信充填が確立している場合には、車両側から受信したタンク内圧力よりも所定圧力だけ高圧な圧力を、後方設備に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する機能と、
後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了するまで段階的に昇圧する機能を有していることを特徴とする充填装置。 - 前記制御ユニットは、
通信充填が確立しているか否かを判定する機能と、
通信充填が確立していない場合には、最大値の30~60%の圧力を、後方設備に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する機能を有している請求項1の充填装置。 - 前記制御ユニットは、水素充填装置から後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、充填するべき気体の流量が所定値未満である場合には昇圧する機能を有する請求項1、2の何れかの充填装置。
- 前記制御ユニットは、後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了した後は、測定された車両側タンク内圧力よりも一定圧力だけ高圧に設定する機能を有する請求項1~3の何れか1項の充填装置。
- 制御ユニットを備えた充填装置による充填方法において、
前記制御ユニットにより、
初期圧力測定が終了したか否かを判断する工程と、
通信充填が確立しているか否かを判定する工程と、
通信充填が確立している場合には、車両側から受信したタンク内圧力よりも所定圧力だけ高圧な圧力を、後方設備に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する工程と、
後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了するまでは段階的に昇圧する工程が実行されることを特徴とする充填方法。 - 前記制御ユニットにより、
通信充填が確立しているか否かを判定する工程と、
通信充填が確立していない場合には最大値の30~60%の圧力を、後方設備に対して要求する圧力である要求圧力として充填当初に設定する工程が実行される請求項5の充填方法。 - 前記制御ユニットにより、
後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、充填するべき気体の流量が所定値未満である場合には昇圧する工程が実行される請求項5、6の何れかの充填方法。 - 前記制御ユニットにより、
後方設備に対して要求する圧力である要求圧力を、初期圧力測定が終了した後は、測定された車両側タンク内圧力よりも一定圧力だけ高圧に設定する工程が実行される請求項5~7の何れか1項の充填方法。
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