JP7187251B2 - 車載容器への水素ガス充填方法及び水素ステーション - Google Patents

Description

この発明は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両に搭載された車載容器に対して水素ガスを充填するための方法に関する。

車載容器に対する水素ガスの充填は、一般的には、蓄圧器と車載容器との圧力差で充填する差圧充填という方法が取られている。

このとき、水素ステーションの省スペース化、低コスト化のため蓄圧器の容積を小さくしようとすると、蓄圧器の最高圧力(８２ＭＰａ)と車載容器の満タンの圧力が近いことから、車載容器が満タンになる前に蓄圧器と車載容器とが均圧してしまう。このため、差圧充填で不足する分を圧縮機で補充する追い充填を行う方法も採用されている。

しかし、追い充填時に流れる流量は、差圧充填時に流せる流量に比べて小さいため、追い充填の割合が増えると充填時間が長くなる。

そこで、例えば下記特許文献１に開示されているように、カスケード方式による差圧充填が行われている。これは、複数の蓄圧器からなる蓄圧器ユニットとして、車載容器の内圧が低圧状態であるときに水素の充填が可能な低圧バンクと、車載容器の内圧が前記低圧状態よりも高圧状態であるときに水素の充填が可能な高圧バンクを備えて、車載容器に対しては先に低圧バンクから充填したあと、高圧バンクから充填するという方法であり、同じ容積の蓄圧器でも、カスケード方式を採用することで、蓄圧器と車載容器が均圧する圧力を上げることができる。

しかし、前述のように蓄圧器の最高圧力(８２ＭＰａ)と車載容器の満タンの圧力が近いことから、カスケード方式による充填においても、充填の終盤は追い充填が必要である。

また、個々の充填時間の短縮に関連して重要になるのが、次の充填に備えて蓄圧器に対して行う水素ガスの充填、つまり蓄圧である。この蓄圧については、特許文献１には開示されていないが、設定値より圧力が下がった蓄圧器から順に蓄圧してゆくことが行われている。また、圧力の低い蓄圧器から順に、同圧力の蓄圧器が複数あれば同時に蓄圧する方法もある。また、特許文献２には、車載容器への充填中に、充填に使用していない蓄圧器に対して蓄圧を行う方法が開示されている。さらには特許文献３には、入口と出口を別々に有する蓄圧器を用いたものにおいて、蓄圧器からの充填中に、蓄圧器からの充填流量が圧縮機の吐出量より大きい場合に、その蓄圧器に蓄圧する方法が開示されている。

しかし、設定値より圧力が下がった蓄圧器から順に蓄圧したり、圧力の低い蓄圧器から順に蓄圧したりする場合には、顧客を待たせずに役務の提供を行おうとして、蓄圧器の復圧完了前に蓄圧の途中で車載容器への充填を開始すると、追い充填の割合が増えて充填時間がかかることになる。また、特許文献２のような構成では、蓄圧器を余分に設けなければならない。特許文献３の構成では、入口と出口を別々に有する特別な構造の蓄圧器が必要となる。

特開２０１６－１８３６８５号公報 特開２０１６－８４９０２号公報 特許第５７２７４１８号公報

この発明は、圧縮機の能力、蓄圧器の容積等、設備の仕様はそのままで、制御方法により、充填時間と、次の充填開始が可能になるまでの時間の大幅な短縮を図ることを主な目的とする。

充填時間短縮の手段は、蓄圧器に貯蔵した水素ガスを、車載容器に対して充填路から差圧によって充填するに際して、前記充填路に対して水素ガスを圧縮機から送り込んで前記車載容器に対する水素ガスの直充填を行い、前記直充填中に、前記蓄圧器からの差圧による差圧充填を行うことである。

また、次の充填開始が可能となるまでの時間短縮の手段は、充填後の蓄圧の際、より後発の蓄圧器バンクを優先して復圧することである。

この構成では、圧縮機から車載容器に水素ガスを強制的に送り込んで充填する直充填を行いながら、蓄圧器からの差圧充填を行うので、車載容器に対する水素ガスの充填には圧縮機による供給能力と差圧による供給能力が合算されることになる。

この発明によれば、圧縮機による供給能力と差圧による供給能力が合算されるので、蓄圧器と車載容器との均圧を遅らせることができ、その分、充填時間を短縮できる。また、復圧途中で来店した顧客に充填を行っても、充填後半の流量低下を低減できる。この結果、同じ容積の蓄圧器や同程度の能力の圧縮機を備えた水素ステーションに比べて、充填時間の大幅な短縮を実現できる。

水素ステーションの概略構成図。 ブロック図。 差圧充填処理のフローチャート。 直充填処理及び蓄圧処理のフローチャート。 Ａバンクからの差圧充填状態を示す説明図。 Ａ供給路を通しての充填状態を示す説明図。 Ｂ供給路を通しての充填状態を示す説明図。 Ｃ供給路を通しての充填状態を示す説明図。 充填処理のタイムチャート。 水素充填の解析図。 比較例の水素充填の解析図。 比較例の水素充填の解析図。 比較例の水素充填の解析図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１に水素ステーション１１の説明図を示す。水素ステーション１１は、主に燃料電池自動車Ｘに搭載された車載容器Ｘａへ水素ガス（ＧＨ２）を充填するためのものであり、車載容器Ｘａへの水素ガス充填方法を実現する。

車載容器Ｘａへの水素ガス充填方法では、水素ガスを高圧状態で貯蔵し、差圧（圧力差）を利用して車載容器Ｘａに充填するとともに、直充填を行う。車載容器Ｘａの充填圧力が８０ＭＰａの場合、水素ガスは８２ＭＰａで貯蔵される。

このための構成として水素ステーション１１は、液化水素を貯留する液化水素貯槽１２と、液化水素を気化させて水素ガスとする気化器１３と、水素ガスを圧縮して送る圧縮機１４と、圧縮機１４で昇圧させた水素ガスを貯蔵する蓄圧器ユニット１５と、蓄圧器ユニット１５から供給された水素ガスを車載容器Ｘａに充填するディスペンサ１６を備えている。

蓄圧器ユニット１５は、複数の蓄圧器５１を備えており、充填速度を高めるために、１個以上の蓄圧器５１で構成されて１個の車載容器Ｘａに対する充填の優先順が付与された複数のバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを備えている。各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃは、圧縮機１４から延びる入口路５２と、ディスペンサ１６に延びる出口路５３の間に備えられる。

３種類のバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃは、充填の優先順位を１番とする「Ａバンク５１Ａ」と、２番とする「Ｂバンク５１Ｂ」と、３番とする「Ｃバンク５１Ｃ」である。ここで、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」は、各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを特定する便宜上の符号であり、特別に意味を持つものではない。たとえば、充填順位１位のバンク５１Ａは、充填初期の低圧領域を担うので、「低圧バンク」とし、そのあとのバンク５１Ｂ，５１Ｃを順に、「中圧バンク」、「高圧バンク」としてもよい。また、各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの優先順位は、前述のように付与されているが、この「付与」とは、そのような優先順位で充填がなされるように特定され、制御されていることの意味である。

各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを構成する蓄圧器５１は１個であっても複数であってもよい。図示例では、各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃをそれぞれ１個の蓄圧器５１で構成している。各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの蓄圧器５１は、いずれも水素ガスを高圧で貯蔵するものであって、前述した例の場合、水素ガスを８２ＭＰａで貯蔵するものとしている。

蓄圧器ユニット１５には、前述のように３つのバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを備えているため、３つの系統の流路が形成されている。これら流路は、蓄圧器５１の内部の水素ガスを、出口路５３を介して放出して車載容器Ｘａに対して充填するとともに、圧縮機１４から入口路５２を介して送り込まれる水素ガスを、各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃから充填を行う流路と各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃへ導けるように構成される。

具体的には、前述の流路として、入口路５２と出口路５３を結ぶ３本の本線５４が設けられ、これら本線５４の中間部からは支線５５が延びて、支線５５の先端に各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの蓄圧器５１が接続されている。

蓄圧器５１をつなげる支線５５と、本線５４のうちの出口路５３側の部分は、車載容器Ｘａに対する水素ガスの充填時に水素ガスが通りディスペンサ１６方向に延びる充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ、換言すれば各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃから延びる充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃである。

また本線５４は、圧縮機１４から延びて充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃに接続される導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ、換言すれば圧縮機１４から送られる水素ガスが通る導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃでもある。

さらに、蓄圧器５１をつなげる支線５５と、本線５４のうちの入口路５２側の部分は、水素ガスを導入して蓄圧器５１に貯蔵するための昇圧路５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃである。

なお、Ａバンク５１Ａから延びる充填路５６Ａを以下、「Ａ充填路５６Ａ」ともいう。以下同様に、Ｂバンク５１Ｂから延びる充填路５６Ｂを「Ｂ充填路５６Ｂ」、Ｃバンク５１Ｃから延びる充填路５６Ｃを「Ｃ充填路５６Ｃ」ともいう。また同様に、圧縮機１４から延びて充填路５６Ａに接続される導入路５７Ａを「Ａ導入路５７Ａ」、前述の導入路５７Ｂを「Ｂ導入路５７Ｂ」、前述の導入路５７Ｃを「Ｃ導入路５７Ｃ」ともいい、前述の昇圧路５８Ａは「Ａ昇圧路５８Ａ」、前述の昇圧路５８Ｂは「Ｂ昇圧路５８Ｂ」、前述の昇圧路５８Ｃは「Ｃ昇圧路５８Ｃ」ともいう。

各本線５４の入口路５２側の部位、つまり導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃの上流部位には、導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃを開閉する開閉弁７１（以下、「導入弁７１」という）と、逆止弁７２と、内部の水素ガス圧力を計測し伝送する圧力計測手段としての圧力計７３が上流側から順に備えられている。圧力計７３は導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃにおける導入弁７１よりも下流側に備えられているので、車載容器Ｘａに対する水素ガスの充填時にはその時の圧力が計測され、非充填時には蓄圧器５１から充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ内の圧力が計測される。

また、各本線５４の出口路５３側の部位、つまり導入路５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ又は充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃの下流側部分には、これらを開閉する開閉弁７５（以下、「充填弁７５」という）と、逆止弁７６が上流側から順に備えられている。出口路５３には、出口路５３を開閉する開閉弁７７（以下、「出口弁７７」という）が備えられている。

蓄圧器ユニット１５を構成する各部と、圧縮機１４と、ディスペンサ１６などは、図２に示したように制御部１８に接続されている。制御部１８は、マイクロコンピュータ等で構成され、駆動制御に必要な情報が記憶される記憶部１８ａや、ディスペンサ１６の入力部１６ａ、ディスペンサ１６のノズル１６ｂ、蓄圧器ユニット１５の圧力計７３、タイマ１８ｂなどからの入力に基づき、あらかじめ記憶されたプログラムに従って蓄圧器ユニット１５の導入弁７１や充填弁７５、出口弁７７などを駆動制御する。

この制御部１８は、特に、図１に仮想線で示したように、充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃに対して水素ガスを圧縮機１４から送り込んで車載容器Ｘａに対して水素ガスを充填する直充填中に、直充填を行っている充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃに接続された蓄圧器５１からの差圧による差圧充填を行う制御をする。この制御に際して、水素ステーション１１では充填の優先順位が付与された３つのバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを有しているので、制御部１８は、車載容器Ｘａに対する水素ガスの充填過程において、充填元となるバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの切り替えを行うとともに、圧縮機１４から送り込む水素ガスの送り先を、バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの切り替えに対応して切り替える。

制御部１８は、充填元となるバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの切り替えを充填弁７５の開閉で行うとともに、圧縮機１４から送り込む水素ガスの送り先を導入弁７１の開閉で切り替える。

また制御部１８は、前述のように差圧充填と直充填を同時に行うため、車載容器Ｘａに対する差圧充填中には、直充填のための圧縮機１４からの水素ガスの送り込みを、充填元となっているバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃに対して優先して行う。一方で、車載容器Ｘａに対する充填を行わない間、つまり非充填時は、充填時の優先順位とは逆の順位でバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃに対する蓄圧・昇圧を行う。

制御部１８による駆動制御を、図３、図４のフローチャートを用いて説明すると、次のとおりである。図３は、車載容器Ｘａに対する差圧充填の流れを示し、図４は車載容器Ｘａに対する直充填及び各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃに対する蓄圧、つまり昇圧の流れを示している。

制御部１８は、図３に示したように、ディスペンサ１６の入力部１６ａ（図２参照）から充填スタートスイッチがＯＮされると（ステップＳ１１）、蓄圧器ユニット１５の出口弁７７を開くとともに（ステップＳ１２）、ディスペンサ１６のノズル１６ｂを介して車載容器Ｘａの初期圧測定や車載容器Ｘａの容積推定などの必要な処理を行い（ステップＳ１３）、充填優先順位の最も高いＡバンク５１Ａの蓄圧器５１から水素を充填すべく、Ａバンク５１Ａを接続している充填路５６Ａの充填弁７５を開く。

これにより、図５に示したように、Ａバンク５１Ａの水素ガスが充填路５６Ａを通ってディスペンサ１６に供給され、車載容器Ｘａへの充填が開始される。

充填は差圧で行われ、原則として充填圧力が充填終了圧力に至るまで行われる。しかし、前述のように各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃには充填の優先順位が付与されており、Ａバンク５１Ａは低圧領域を担うので、Ａバンク５１Ａからの充填は、車載容器Ｘａ内の圧力がある程度上昇するまで行われるように制御される。

この制御は昇圧率を基準にして行われる。昇圧率は上昇した圧力と、その上昇に要した時間から算出される。すなわち、図３に示したステップＳ１４でＡ充填路５６Ａの充填弁７５を開いて、充填圧力が充填終了圧力になる前の段階（ステップＳ１５）で、制御部１８は、昇圧率があらかじめ定められた一定の率を維持していると判断する場合（ステップＳ１６）は、Ａバンク５１Ａからの充填を継続する一方、昇圧率が一定の率を下回る場合には、Ａ充填路５６Ａの充填弁７５を閉じるとともに（ステップＳ１７）、Ｂバンク５１Ｂからの充填路５６Ｂの充填弁７５を開いて（ステップＳ１８）、Ｂバンク５１Ｂからの充填に切り替える。つまり、Ａバンク５１ＡからＢバンク５１Ｂにバンク５１Ａ，５１Ｂの切り替えを行う。

前述のようにＡバンク５１Ａからの車載容器Ｘａへの水素ガスの差圧充填を開始すると、制御部１８は、水素ガスの差圧充填を契機にしてこれと同時に、前述の直充填制御を行う。つまり、Ａバンク５１Ａからの車載容器Ｘａに対する水素ガスの差圧充填で、Ａバンク５１Ａからの充填路５６Ａの圧力が低下するので、充填中に、その充填を行っている充填路５６Ａに対して圧縮機１４からの水素ガスを強制的に送り込む。

具体的には、図４に示したように、制御部１８がＡ充填路５６Ａ、Ｂ充填路５６Ｂ、Ｃ充填路５６Ｃのいずれかがあらかじめ定めた所定値よりも低いと判断した場合（ステップＳ３１）に、制御部１８は、各充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃの圧力とその継続状態に基づいて、次の作業を順に行う。この順序は充填の優先順位とは逆の順位であって、Ｃ、Ｂ、Ａの順序である。

各充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃについて行われる作業は、制御部１８が、蓄圧中か否かを判断し（ステップＳ３２，Ｓ３３，Ｓ３４）、蓄圧中でないと判断した場合には、その充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃの圧力があらかじめ定められた所定値より低い状態が継続しているか否かを判断する（ステップＳ３５，Ｓ３６，Ｓ３７）。継続時間は適宜設定されるが、例えば５秒など、充填中であることが判る短い時間でよい。

充填初期の段階で各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃが満タンであると仮定すると、Ａバンク５１Ａから充填が行われた場合、まず制御部１８は、Ｃバンク５１Ｃへの蓄圧中か否かを判断し（ステップＳ３２）、満タンであるためＯＦＦであるので、次にＣ充填路５６Ｃの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否かを判断する（ステップＳ３５）。前述のようにＣバンク５１Ｃは満タンであるので、制御部１８は継続していないと判定し、Ｂ充填路５６Ｂに関して同様の制御を行い、続いてＡ充填路５６Ａに関して同様の制御を行うことになる。

そして、Ａバンク５１Ａへは蓄圧がなされていないので、制御部１８はステップＳ３４において蓄圧中でないと判定し、次にステップＳ３７で、Ａ充填路５６Ａの圧力が所定値より低い状態が継続しているか判断する。ここでは、Ａ充填路５６Ａを通しての差圧充填中であるので、継続していると判定され、Ａ充填路５６ＡにつながるＡ導入路５７Ａの導入弁７１を開き、その他の導入路５７Ｂ，５７Ｃの導入弁７１を閉じるとともに（ステップＳ３８）、Ｃバンク５１Ｃ及びＢバンク５１Ｂへの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ３９）。

直充填は、Ａ充填路５６Ａの圧力が蓄圧状態を示すあらかじめ設定された所定値より高くなるまで、原則として行われる（ステップＳ４０）。しかし、Ａバンク５１Ａからの充填路５６Ａは充填の最中であるので、所定値になることはなく、前述の工程が繰り返され、図６に破線の矢印で示したように、Ａバンク５１Ａからの充填路５６Ａを通しての充填中は、圧縮機１４から送り出された水素ガスが、Ａ充填路５６Ａに繋がるＡ導入路５７Ａを通ってＡ充填路５６Ａに、圧縮機１４による圧力を以て供給される。

Ａバンク５１Ａからの充填中に、図３のステップＳ１６において、制御部１８が、昇圧率が維持されていないと判断して、Ａ充填路５６Ａの充填弁７５が閉じられる（ステップＳ１７）と、制御部１８はＢ充填路５６Ｂの充填弁７５を開く（ステップＳ１８）。これによって、Ａ充填路５６Ａを通しての差圧充填及び直充填が終了して、Ｂ充填路５６Ｂを通しての充填に切り替わる。つまり、図７に示したように、Ｂバンク５１Ｂの水素ガスが充填路５６Ｂを通ってディスペンサ１６に供給され、車載容器Ｘａに充填される。

Ｂバンク５１ＢからＢ充填路５６Ｂを通じての充填は、Ａ充填路５６Ａを介しての充填時と同じで、充填は差圧で行われ、原則として充填圧力が充填終了圧力に至るまで行われるが、充填速度を高めるため、Ｂバンク５１Ｂは中圧領域を担う。つまり、Ｂバンク５１Ｂからの充填で車載容器Ｘａ内の圧力がある程度にまで上昇するように昇圧率で制御される。

つまり、ステップＳ１８でＢ充填路５６Ｂの充填弁７５を開いて、充填圧力が充填終了圧力になる前の段階（ステップＳ１９）で、制御部１８は、昇圧率があらかじめ定められた所定の値以上であると判断する場合（ステップＳ２０）は、Ｂバンク５１Ｂからの差圧充填を継続する一方、昇圧率が所定の値を下回る場合には、Ｂ充填路５６Ｂの充填弁７５を閉じて（ステップＳ２１）、Ｃ充填路５６Ｃの充填弁７５を開いて（ステップＳ２２）、Ｃバンク５１Ｃからの充填に切り替える。

Ｂバンク５１Ｂからの差圧充填中も、前述したＡバンク５１Ａからの充填中と同様に、圧縮機１４による水素ガスの直充填がなされる。

つまり、図４に示したように、Ａ充填路５６Ａを通して充填を行っている間は、Ａ充填路５６Ａの圧力は所定値よりも高くならないので、制御部１８は、Ｃバンク５１Ｃが蓄圧中か否か（ステップＳ３２）、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３５）、Ｂバンク５１Ｂが蓄圧中か否か（ステップＳ３３）、Ｂ充填路５６Ｂの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３６）、Ａバンク５１Ａが蓄圧中か否か（ステップＳ３４）、Ａ充填路５６Ａの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３７）、の判断を順に行っており、Ｂ充填路５６Ｂを通しての充填が開始されると、ステップＳ３６の、Ｂ充填路５６Ｂの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否かの判断で、継続していると判断されることになる。

すると制御部１８は、Ｂ充填路５６Ｂに通じるＢ導入路５７Ｂの導入弁７１を開き、その他の充填路５６Ｃ，５６Ａへ接続される導入路５７Ｃ，５７Ａの導入弁７１を閉じる（ステップＳ４１）とともに、Ｃバンク５１Ｃ及びＡバンク５１Ａへの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ４２）。

直充填は、Ｂ充填路５６Ｂの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで、原則として行われる（ステップＳ４３）。しかし、Ｂ充填路５６Ｂは充填の最中であるので、所定値になることはなく、前述の工程が繰り返され、図７に破線の矢印で示したように、Ｂ充填路５６Ｂを通しての差圧充填中は、圧縮機１４から送り出された水素ガスが、Ｂ充填路５６Ｂに繋がるＢ導入路５７Ｂを通ってＢ充填路５６Ｂに、圧縮機１４による圧力を以て供給される。

Ｂバンク５１Ｂからの差圧充填中に、図３のステップＳ２０において、制御部１８が、昇圧率が維持されていないと判断して、Ｂ充填路５６Ｂの充填弁７５が閉じられる（ステップＳ２１）と、制御部１８はＣ充填路５６Ｃの充填弁７５を開く（ステップＳ２２）。これによって、Ｂ充填路５６Ｂを通しての差圧充填及び直充填が終了して、Ｃ充填路５６Ｃを通しての充填に切り替わる。つまり、図８に示したように、Ｃバンク５１Ｃの水素ガスが充填路５６Ｃを通ってディスペンサ１６に供給され、車載容器Ｘａに充填される。

Ｃバンク５１ＣからＣ充填路５６Ｃを通じての充填は、Ａ充填路５６Ａからの充填やＢ充填路５６Ｂからの充填時と同じで、充填は差圧で行われ、Ｃバンク５１Ｃは充填優先順位の最後であり高圧領域を担うので、充填圧力が充填終了圧力に至るまで行われる。つまり、Ｃバンク５１Ｃからの充填で車載容器Ｘａ内の圧力が所定の充填終了圧力以上になるまで行われる。

すなわち、図３のステップＳ２２でＣ充填路５６Ｃの充填弁７５を開いて、充填圧力が充填終了圧力以上になれば（ステップＳ２３）、充填終了時処理を行う（ステップＳ２４）一方、充填圧力が充填終了圧力より低い場合（ステップＳ２３）であって、昇圧率が維持されているとき（ステップＳ２５）には、充填圧力が充填終了圧力以上になる（ステップＳ２３）まで、充填を継続する。昇圧率が維持されない場合でも、充填圧力が充填終了圧力以上になるまで充填は継続される。

ステップＳ２４の充填終了処理後は、制御部１８は、充填圧力が充填終了圧力以上であることを確認して（ステップＳ２６）、蓄圧器ユニット１５の出口弁７７を閉じるとともに、各充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃの充填弁７５を閉じる（ステップＳ２７）。

Ｃバンク５１Ｃからの差圧充填中も、前述したＡバンク５１Ａから充填中やＢバンク５１Ｂからの充填中と同様に、圧縮機１４による水素ガスの直充填がなされる。

つまり、図４に示したように、Ｂ充填路５６Ｂを通して充填を行っている間は、Ｂ充填路５６Ｂの圧力は所定値よりも高くならないので、制御部１８は、Ｃバンク５１Ｃが蓄圧中か否か（ステップＳ３２）、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３５）、Ｂバンク５１Ｂが蓄圧中か否か（ステップＳ３３）、Ｂ充填路５６Ｂの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３６）、Ａバンク５１Ａが蓄圧中か否か（ステップＳ３４）、Ａ充填路５６Ａの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否か（ステップＳ３７）、の判断を順に行っており、Ｃバンク５１Ｃからの充填が開始されると、ステップＳ３５の、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が所定値より低い状態が継続しているか否かの判断で、継続していると判断されることになる。

すると制御部１８は、Ｃ充填路５６Ｃに通じるＣ導入路５７Ｃの導入弁７１を開き、その他の充填路５６Ｂ，５６Ａへ接続される導入路５７Ｂ，５７Ａの導入弁７１を閉じる（ステップＳ４４）とともに、Ｂバンク５１Ｂ及びＡバンク５１Ａへの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ４２）。

直充填は、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで、原則として行われる（ステップＳ４６）。しかし、Ｃ充填路５６Ｃは充填の最中であるので、すぐに所定値になることはなく、前述の工程が繰り返され、図８に破線の矢印で示したように、Ｃ充填路５６Ｃを通しての差圧充填中は、圧縮機１４から送り出された水素ガスが、Ｃ充填路５６Ｃに繋がるＣ導入路５７Ｃを通ってＣ充填路５６Ｃに、圧縮機１４の圧力を以て供給される。

このようなＣ導入路５７Ｃを通してＣ充填路５６Ｃに水素ガスを送り込む直充填は、前述のように原則として図４のステップＳ４６で、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで行われ、Ｃバンク５１Ｃに対する蓄圧がなされるが、その途中で、Ａ充填路５６Ａからの充填が開始されると、制御部１８がステップＳ３７でＡ充填路５６Ａの圧力が所定値より低い状態が継続していると判断して、Ａ導入路５７Ａを通してＡ充填路５６Ａへ水素ガスを送り込む直充填に切り替わる。

一方、Ｃバンク５１Ｃに対する蓄圧中、つまりＣ昇圧路５８Ｃを通しての昇圧中に、充填の要求がない場合には、Ｃ充填路５６Ｃの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで行われて、Ｃバンク５１Ｃに対する蓄圧が完了するので、制御部１８はＣバンク５１Ｃの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ４７）。

Ｃバンク５１Ｃへの蓄圧が完了すると、制御部１８は、ステップＳ３３、ステップ４３を介して、Ｂ充填路５６Ｂの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで、Ｂ昇圧路５８Ｂを通しての蓄圧を実行させる。Ｂバンク５１Ｂに対する蓄圧の完了後は、制御部１８はＢバンク５１Ｂの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ４８）。

蓄圧の途中において、Ａバンク５１ＡからＡ充填路５６Ａを通しての差圧充填が開始された場合には、制御部１８がＡ導入路５７Ａを通してＡ充填路５６Ａへ水素ガスを送り込む直充填に切り替えることは前述と同様である。

Ｂバンク５１Ｂへの蓄圧が完了すると、制御部１８は、ステップＳ３４、ステップ３７を介して、Ａ充填路５６Ａの圧力が蓄圧状態を示す所定値より高くなるまで、Ａ昇圧路５８Ａを通しての蓄圧を実行させる。Ａバンク５１Ａに対する蓄圧の完了後は、制御部１８はＡバンク５１Ａの蓄圧中フラグをＯＦＦにする（ステップＳ４９）。

このように蓄圧は、車載容器Ｘａへの充填が行われていない場合になされ、Ｃ、Ｂ、Ａと、充填の優先順位とは逆の優先順位で行われる。

制御部１８は、以上のようにして、車載容器Ｘａに対する差圧充填及び直充填と、各バンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃに対する蓄圧を行わせる。車載容器Ｘａに対する充填と、各充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃへの補充のタイミングを示すと、図９に示したようになる。

つまり、まず、蓄圧器ユニット１５の出口弁７７を開くと、Ａ充填路５６Ａの充填弁７５が開き、続けてＡ導入路５７Ａの導入弁７１が開く。充填するバンクがＡバンク５１ＡからＢバンク５１Ｂに切り替わり、Ａ充填路５６Ａの充填弁７５が閉じてＢ充填路５６Ｂの充填弁７５が開くと、Ａ導入路５７Ａの導入弁７１が閉じるとともに、Ｂ導入路５７Ｂの導入弁７１が開く。同様に、充填するバンクがＢバンク５１ＢからＣバンク５１Ｃに切り替わり、Ｂ充填路５６Ｂの充填弁７５が閉じてＣ充填路５６Ｃの充填弁７５が開くと、Ｂ導入路５７Ｂの導入弁７１が閉じるとともに、Ｃ導入路５７Ｃの導入弁７１が開く。

制御方法の違いによる充填時間のシミュレーション結果を図１０から図１３に示す。

図１０は、直充填と差圧充填を併用、充填時の優先順位とは逆の順位で蓄圧した場合である。

図１１は、図１０の途中（３００秒目）で蓄圧を切り上げ、２台目への充填を開始した場合である。

図１２は、従来の充填方法、一例として、圧縮機からすべての蓄圧器(バンク)に同時に蓄圧しながら、充填、蓄圧を行った場合である。

図１３は、図１２の途中（３００秒目）で蓄圧を切り上げ、２台目への充填を開始した場合である。

図１０のグラフの横軸は時間で、縦軸は圧力（ＭＰａ）である。太い実線はディスペンサの充填ラインの圧力を表し、実線の破線はＡバンク５１Ａの圧力、実線の一点鎖線はＢバンク５１Ｂの圧力、実線の二点鎖線はＣバンク５１Ｃの圧力を示している。

図１０に示すように、充填は、丸数字＜１＞：「直充填＋Ａバンクからの差圧充填」、丸数字＜２＞：「直充填＋Ｂバンクからの差圧充填」、丸数字＜３＞：「直充填＋Ｃバンクからの差圧充填」、丸数字＜４＞：「直充填」の順に行われる。また蓄圧は充填と逆に、丸数字＜５＞：「Ｃバンク蓄圧」、丸数字＜６＞：「Ｂバンク蓄圧」、丸数字＜７＞：「Ａバンク蓄圧」の順である。

図１１は、図１０と同様の蓄圧途中、３００秒目で蓄圧を中断し、２台目の充填を行った場合で、充填時間は２０４秒となっている。

これに対して、従来の充填方法、一例として、圧縮機からすべての蓄圧器（バンク）に同時に蓄圧しながら、充填、蓄圧を行った場合を図１２に示す。充填開始時に蓄圧器が満タンの場合、充填時間は１８８秒で、図１０の場合に比べて充填時間が６％、長くなっている。

蓄圧は、蓄圧器からすべての蓄圧器（バンク）に同時に蓄圧するが、圧の低いバンクからガスが流入するため、最初はＡバンクのみ、次にＡバンクとＢバンクが均圧してからはＡバンクとＢバンクが、次にＡバンク、Ｂバンク、Ｃバンクが均圧してからは３つのバンクの圧が、上がっていくことになる。

図１３は、図１２と同様の蓄圧途中、３００秒目で蓄圧を中断し、２台目の充填を行った場合で、充填時間は２４２秒であり、図１１に比べて充填時間が１９％、長くなっていることが分かる。

このように、直充填と差圧充填を同時に行うと、車載容器Ｘａに入る水素ガスには差圧による供給能力と、圧縮機１４により強制的に送り込まれる供給能力が合算されるため、蓄圧器と車載容器との均圧を遅らせることができ、その分、充填時間を短縮できる。換言すれば、同じ充填能力で比べた場合、蓄圧器５１や圧縮機１４の小型化、省スペース化を図ることができ、ひいては水素ステーション１１の小型化、廉価化を実現できる。

しかも、充填も補充も充填弁７５や導入弁７１の切り替えで行えるので、構成を簡素にできる。

さらに、車載容器Ｘａに対する充填中は、圧縮機１４からの水素ガスの送り込みを、充填元となっているバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの充填路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃに対して優先して行う一方で、車載容器Ｘａに対する充填を行わない間は、優先順位とは逆の順位でバンク５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃに対する蓄圧を行うので、充填工程のあとの方で用いられるバンク５１Ｂ，５１Ｃを満タンに近い状態にして次の充填に備えることができるので、短時間での充填の確実性を高められる。

また、蓄圧器は必要とするバンク数に応じて備えればよく、充填準備の蓄圧を行うために余分に設ける必要はないので、この点からも小型化等に資することになる。そのうえ、入口と出口を別々に有する特別な構造の蓄圧器を備える必要もないので、この点からも廉価化等に資することになる。

１１…水素ステーション
１４…圧縮機
１５…蓄圧器ユニット
１６…ディスペンサ
１８…制御部
５１…蓄圧器
５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ…バンク
５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ…充填路
５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ…導入路
７１…導入弁
７３…圧力計
７５…充填弁
Ｘａ…車載容器

Claims (4)

1. 蓄圧器に貯蔵した水素ガスを、車載容器に対して充填路から差圧によって充填する車載容器への水素ガス充填方法であって、
   前記蓄圧器を複数備えた蓄圧器ユニットを設け、
   前記蓄圧器ユニットには、１個以上の前記蓄圧器で構成されて１個の前記車載容器に対する充填の優先順位が付与された複数のバンクを備え、
   前記充填路に対して水素ガスを圧縮機から送り込んで前記車載容器に対する水素ガスの直充填を行い、
   前記直充填中に、前記蓄圧器からの差圧による差圧充填を行い、
   前記車載容器に対する水素ガスの充填過程において、充填元となる前記バンクの切り替えを行うとともに、
   前記圧縮機から送り込む水素ガスの送り先を、前記バンクの切り替えに対応して切り替え先のバンクの前記充填路に切り替える
   車載容器への水素ガス充填方法。
2. 前記車載容器に対する充填中には、前記圧縮機からの水素ガスの送り込みを、充填元となっている前記バンクの前記充填路に対して優先して行う一方、
   前記車載容器に対する充填を行わない間は、前記優先順位とは逆の順位で前記バンクに対する蓄圧を行う
   請求項１に記載の車載容器への水素ガス充填方法。
3. 水素ガスを貯蔵する蓄圧器と、前記蓄圧器に対して水素ガスを送り込む圧縮機と、前記蓄圧器に貯蔵された水素ガスが供給されて差圧によって車載容器に対する充填を行うディスペンサを備えた水素ステーションであって、
   前記蓄圧器を複数備えた蓄圧器ユニットを設け、
   前記蓄圧器ユニットには、１個以上の前記蓄圧器で構成されて１個の前記車載容器に対する充填の優先順位が付与された複数のバンクを備えるとともに、
   前記各バンクから延びる充填路に備えられた充填弁と、
   前記圧縮機から延びて前記充填路に接続される導入路と、
   前記導入路に設けられた導入弁と、
   前記導入路における前記導入弁よりも下流側に備えられた圧力計測手段を備え、
   前記ディスペンサ方向に延びる前記充填路に対して水素ガスを前記圧縮機から送り込んで前記車載容器に対して水素ガスを充填する直充填を行うとともに、前記直充填中に前記蓄圧器からの差圧による差圧充填を行う制御部を備え、
   前記制御部が、前記車載容器に対する水素ガスの充填過程において、充填元となる前記バンクの切り替えを前記充填弁の開閉で行うとともに、
   前記圧縮機から送り込む水素ガスの送り先を、前記バンクの切り替えに対応して前記導入弁の開閉で切り替え先のバンクの前記充填路に切り替える制御を行う
   水素ステーション。
4. 前記制御部が、前記車載容器に対する充填を行わない非充填時に、前記優先順位とは逆の順位で前記バンクに対する蓄圧を行う
   請求項３に記載の水素ステーション。
   

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