JP7432094B2 - 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。

近年、乗用車用に対する排気規制強化とＣＯ２／燃費規制に伴い、エンジンの排気清浄化と燃費改善の両立が求められている。すべての国々で安全な都市と人間の居住地の建設を強化し、すべての国々で包括的で持続可能な都市建設、及び持続可能な人間の居住地の計画と管理能力を強化している。従って、すべての国々において、安全かつ負担可能で利用し易い持続可能な交通輸送システムをすべての人々に提供し、道路の安全を改善するように求められており、特に公共交通機関を拡大し、大気の質や一般廃棄物の管理に特別な注意を払うことを含め、都市の一人当たりの環境上の悪影響を軽減することが求められている。交通分野では、車両製造業では、環境問題に取り組み、世界全体のエネルギー効率の改善率を向上させる技術を開発することが急務となっている。

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（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔａｔｉｏｎ）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（ｍａｐ）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 SAE J2601-2020, Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles

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。

また、従来のガス充填方法では、水素ステーションが燃料電池車両の燃料電池発電に必要な水素ガス充填する場合、市場における各種最も好ましくない状況を考慮している。例えば、配管温度が相対的に低い場合、水素ステーションのガス充填システムはさらに充填速度がより速いマップを消費者に選択肢として提供することができ、例えば、コールドディスペンサ（ｃｏｌｄ ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）を用いてガスを充填することができる。

各種最も好ましくない状況は同時に存在する可能性があるので、一般的に保留されるマージン（ｍａｒｇｉｎ）（例えば、余分な温度マージンの設定）は、実際よりも多くなる。充填速度が遅くなったり、過度な水素ガス予冷が発生して、いずれも電力消耗上の無駄が生じる。適切な技術を利用することで、安全性に影響することなく、不要なマージン減少させつつ充填速度を向上させるか、プレクーラの設定温度のマージンを緩及びすることができる。

また、従来技術(非特許文献２)では、コールドディスペンサを用いてガスを充填する場合、コールドディスペンサは正確な温度検出の位置を表示しないため、コールドディスペンサの制御をガス充填システムにおいて実際に応用することができない。

以上に鑑み、本発明の目的は、最適化された充填条件の下で充填条件のもとでガスを充填し、充填時間及びプレクーラの消耗電力等の面における無駄を削減できるガス充填方法を提供することにある。

［１］前記目的を達成するために、本発明は、圧縮されたガスを貯蓄する供給源と、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、ガス温度センサ及び流量センサと、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、充填を開始する前に、前記配管の熱容量及び前記ガス温度センサの検出値を用いることにより前記配管で生じる仮圧力損失と相関のある有効熱質量の値を算出する有効熱質量算出工程と、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変化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と、を備えるガス充填方法である。

［２］さらに、本発明では、前記制御装置は、予め定められた複数の充填制御マップ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、さらに、前記充填条件変更工程では、前記制御装置が選択した充填制御マップを、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マップに切り替える。

［３］さらに、本発明では、前記圧力損失パラメータ算出工程では、下記式（１－１）により前記圧力損失パラメータの値を算出する。下記式（１－１）中、“ｋ０”は前記圧力損失パラメータであり、“ｄＰｌｏｓｓ”はガスの流量減少前後の前記配管内の圧力差であり、“ρ”は前記配管内のガスの密度であり、“ｄｍ”は前記配管内のガスの質量流量である。
［数式（１－１）］

［４］さらに、本発明では、前記制御装置は、予め定められた複数の充填制御マップ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、さらに、前記充填条件変更工程では、前記制御装置が選択した充填制御マップを、前記複数の充填制御マップのうち基于前記配管で生じる仮圧力損失と相関のある前記熱質量の値に基づいて定められるマップに切り替える。

［５］さらに、本発明では、前記有効熱質量算出工程では、下記式（１－２）により前記有効熱質量の値を算出する。下記式（１－２）中、“Ｔｔｕｂｅ”は前記ガス温度センサが検測する温度であり、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ＴＨＥ”は熱交換器の温度であり、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ｍｉ”は前記配管の質量であり、“Ｃｐｉ”は前記配管の比熱容量である。ｍi×Cpiは前記配管の熱容量になる。
［数式（１－２）］

［６］さらに、本発明では、前記有効熱質量算出工程では、下記式(１-３)によって前記有効熱質量の値を算出し、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ＴＨＥ”は熱交換器の温度であり、“ｍｉ”は前記配管の質量であり、“Ｃｐｉ”は前記配管の比熱容量であり、“ｍｉ×Cp”は前記配管の熱容量であり、“k0”は、前記圧力損失パラメータである。
［数式１－３］

［７］さらに、本発明では、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。

以上により、本発明のガス充填方法では、ガス充填時に選択できる複数の充填制御マップのうち、圧力損失パラメータの値に基づいて定められるマップに加え、配管の熱質量の値に基づいて定められるマップを選択肢に加えている。配管の熱質量の値を考量し、プレクーラの設定温度のマージンを緩及びすることができるので、プレクーラの電力消耗を低減することができる。また、プレクーラの設定温度のマージンを緩及びするので、配管及び配管のシール部材等の部材の寿命が延び、また配管及びプレクーラをスペックダウンすることで、設備コストを低減することができる。

本発明の上記特徴と利点をより明確で理解しやすいものにするために、以下に実施形態を挙げ、図面を合わせて詳細に説明する。

本発明の一実施形態にかかる水素ガス充填方法が応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。 マップ選択部においてもう１つの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、図面に基づいて本発明及び実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる水素ガス充填方法が応用された水素充填システム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、燃料電池車両であり、水素ガスを貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された水素ガスと空気を燃料ガスとして発電する燃料電池システム（図示せず）を備える。また、前記車両Ｍは、この燃料電池システムによって発電した電力を利用してモータを駆動して走行するものである。以下では、車両Ｍを燃料電池車両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。本発明は、水素ガスを貯蔵するタンクを備える移動体であれば自由に応用できる。

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、上記の水素タンク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ＴＩＲ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ＰＩＲと、水素タンクの容積の現在の値に相当する容積送信値ＶＩＲと、が所定の周期毎に取得され、これら値（ＴＩＲ，ＰＩＲ，ＶＩＲ）に応じたデータ信号を生成する。圧力送信値ＰＩＲ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ＶＩＲは、上記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ＴＩＲ及び圧力送信値ＰＩＲ等）並びに固有情報（すなわち、容積送信値ＶＩＲ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（即ち、熱交換器）９６が設けられる。すなわち、プレクーラ９６は冷媒とステーション配管９３中を流動する水素ガス間の熱交換を促進し、前記プレクーラ９６を利用して、流量制御弁９５を介して減圧された水素ガスを所定の冷却温度（例えば、約－４０°Ｃ）まで冷却する。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７１，７２，７３，７４，７５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（配管温度Ｔｔｕｂｅまたはステーション温度ＴＳＴとすることができる）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。

熱交換器温度センサ７５は、ステーション配管のうちプレクーラ９６の下流側に設けられ、プレクーラ９６の温度を検出し、検出値ＴＨＥに対応した信号をステーションＥＣＵ８に送信する。なお、この熱交換器温度センサ７５によって検出されるプレクーラ９６の温度は、配管９３の有効熱質量を算出するパラメータとすることができる。

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８１～８７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８４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ｋ０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。

以下では、有効熱質量の値（例えば、ガス充填システムの配管系の熱質量の値）Ｈｅａｔｍａｓｓの定義とその算出方法について説明を行う。一般的な水素ステーションの配管システムでは、設計時には、配管の熱質量を可能な限り低減するように設計し、設計された配管の熱質量の固定値を変化しない配管の熱質量の値とする。連続するガス充填の操作の過程で、配管の温度設計は冷却され（コールドディスペンサ（ｃｏｌｄ ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）として）、配管システムが水素ガスに与える熱量は低減されると仮定される。しかしながら、このような状況は刻々と変化する。

本実施形態において、ガス充填過程では、配管温度センサ７２（即ち、ステーション温度センサ７２）を用いて配管の温度を検出し、すなわち、充填中の流動ガスの温度を検出する。ここで、配管の温度を取得するための配管温度センサ７２は、通常、ガス温度センサとして兼用可能なセンサであってよいため、ガス温度センサ７２とも称する。共用可能なガス温度センサを使用しない場合、異なるセンサ（ガス温度センサ及び配管温度センサ）をそれぞれ最適な位置に設置してもよい。充填完成後、配管内部のガスの温度を検出するが、水素ガスの熱伝導率は高いので、ほぼ配管の温度に等しいものとすることができる。従って、配管温度センサ７２が検出した配管の温度Ｔｔｕｂｅを水素ガスの温度として、前記温度Ｔｔｕｂｅを算出配管の熱質量の値の算出に直接応用することができる。このようにして、その時の実際の熱質量の値はガス充填を開始したばかりのときの配管の温度に基づき算出して求めることができる。

また、熱交換器温度センサ７５によりプレクーラ９６の温度ＴＨＥを検出して、今後流動するガスの温度の予測値とすることもできる。このようにして、ガス温度センサ７２が検測する配管温度Ｔｔｕｂｅ、熱交換器温度センサ７５が検測する熱交換器温度ＴＨＥ、大気温度Ｔａｍｂをパラメータとして、配管システムの有効熱質量の値を算出する。

つまり、充填を開始する前に、配管の熱容量及びガス温度センサの検出値、大気温度検出値及び熱交換温度センサの検出値を用いることにより、配管で生じる仮圧力損失と相関のある有効熱質量の値を算出する。

このようにして、ガスを充填するとき、充填条件変更工程では，可将制御装置が選択した充填制御マップを、複数の充填制御マップのうち配管で生じる仮圧力損失と相関のある値（すなわち、配管の有効熱質量の値）により規定されるマップに切り替えることができる。

このほか、配管システムは、異なる寸法形状規格等により構成される。ガス充填終了後、配管システムのこれら配管の温度は刻々と変化する。多くの種類の配管の温度検出についていえば、実際の温度検出は容易ではない。したがって、配管温度センサ７２が検測する配管温度Ｔｔｕｂｅを配管システムを示す温度とするために、配管システム中のその他の配管が設けられる断熱材の構造等を前もって調整することで、その他の構成要素の温度がいずれも配管温度Ｔｔｕｂｅよりも小さくなるようにすることができる。

あるいは、温度センサについて、ガスの温度を直接検出するのではなく、ガスの温度と相関のある部分の温度（例えば、供ガス流通の配管の温度、及び／またはプレクーラ９６においてガスを冷却する冷媒の温度）を検出してもよい。

下記式（１）中、“Ｔｔｕｂｅ”は前記配管温度センサが検測する温度であり、ガス温度センサ７２を用いて検出することができ、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、大気温度センサ７４を用いて検出することができ、“ＴＨＥ”は熱交換器の温度であり、熱交換器温度センサ７５を用いて検出することができ、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ｍｉ”は前記配管の質量（ｍａｓｓ）であり、配管の規格により取得することができ、“Ｃｐｉ”は前記配管の比熱容量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｅａｔ ｃａｐａｃｉｔｙ）であり、“ｍｉ×Cp”は前記配管の熱容量であり、配管の規格（例えば、配管の製造に使用する材料）により取得することができ、下記式（１）に示されるとおりである。ここで、各部材の温度が不均一である場合、この方法を使用せず、例えば、実際に測定した熱容量の値を採用してもよい。従って、有効熱質量算出部８３は、水素ガスの充填を開始した後、配管に接続されるガス温度センサ７２、大気温度センサ７４及び熱交換器温度センサ７５水素の検出値等を用いて、下記式（１）で示される演算を行うことにより、有効熱質量Ｈｅａｔ ｍａｓｓの値を算出する。
［数式１］

以下では、圧力損失係数ｋ０の定義とその算出方法について説明を行う。これは一例であり、他の適切な算出方法を用いてもよい。一般的なガスの流路において発生する圧力損失ｄＰｌｏｓｓ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。
［数式２］

上記式（２）において、流速ｖ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。
［数式３］

ここで、本実施形態における圧力損失係数ｋ０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。下記式（４）は、圧力損失係数ｋ０の値を計算する一例に過ぎず、本発明は、この計算方法に限定するものではない。
［数式４］

さらに、上記式（２）～（４）から、圧力損失係数ｋ０は、圧力損失ｄＰｌｏｓｓとガス密度ρ及と質量流量ｄｍとに基づいて下記式（５）によって示される。下記式（５）に示すように、圧力損失ｄＰｌｏｓｓは、圧力損失係数ｋ０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ｄＰｌｏｓｓ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ｋ０の値を算出する。
［数式５］

目標昇圧率設定部８４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ｋ０、大気温度センサ７４によって検出される大気温度Ｔａｍｂ、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△ＰＳＴを設定する。より具体的には、目標昇圧率設定部８４は、マップ選択部８４１と、昇圧率算出部８４２と、を用いることによって、目標昇圧率△ＰＳＴを設定する。

マップ選択部８４１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Ｔａｍｂと、目標昇圧率△ＰＳＴ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３Ａは、マップ選択部８４１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８４１の記憶媒体に記憶させる。

図３Ｂは、マップ選択部８４１においてもう１つの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、接続配管の熱容量によって異なる。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及び熱容量をｊ段階（ｊは、２以上の整数）に分け、これら容積、圧力損失係数及び熱容量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８４１の記憶媒体に記憶させる。

図３Ａ及び図３Ｂの異なる箇所は、図３Ａは、接続配管の圧力損失係数に基づくものであり、図３Ｂは、接続配管の圧力損失係数のほかに、接続配管の熱容量も考慮していることである。大型車両にとって、接続配管の圧力損失係数は、水素タンクを十万する充填条件の影響が大きいが、接続配管の熱容量の影響も存在し、無視することができない。

したがって、大型車両に対して、別の実施方式を提示し、上記式（１）に記載の有効熱質量Heat massの値を算出する数式１において、圧力損失係数ｋ０の値も考慮している。圧力損失及び熱容量の両者は、何れも考慮する場合、下記式（１Ａ）に示すようになる。例えば、有効熱質量算出部８３は、水素ガスの充填を開始した後、接続配管のガス温度センサ７２、大気温度センサ７４及び熱交換器温度センサ７５水素の検測値及び圧力損失係数の値等を使用し、下記式（１Ａ）に示す演算を行い、このように、有効熱質量Heat massの値を算出する。
［数式１Ａ］

マップ選択部８４１は、水素タンク３１の容積Ｖ及び圧力損失係数ｋ０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ｋ０の値に応じた充填制御マップを選択し、選択した充填制御マップを昇圧率算出部８４２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ｋ０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８４１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ｋ０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ＶＩＲ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８４１において取得できる。これに対し圧力損失係数ｋ０の値は、上記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８４１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ｋ０の値を取得することができない。

そこでマップ選択部８４１は、充填開始直後であって圧力損失係数ｋ０の値を未取得である場合には、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ｋ０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８４１は、圧力損失係数ｋ０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８４１は、圧力損失係数ｋ０の値を取得できた場合には、圧力損失係数ｋ０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８４２は、質量平均温度ＭＡＴと、大気温度Ｔａｍｂと、マップ選択部８４１によって選択された充填制御マップとを用い、下記式（６）で示される演算を行うことによって、所定の充填開始時刻ｔｉｎｉから所定の充填終了予定時刻までの時間に想到する充填時間ｔｆｉｎａｌを算出する。
［数式６］

上記式（６）において、２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Ｔａｍｂに基づいて、マップ選択部８４１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８４２は、充填開始時刻ｔｉｎｉから上記充填時間ｔｆｉｎａｌ後に水素タンク３１が満充填になるように目標昇圧率△ＰＳＴを設定する。

目標充填圧算出部８５は、目標昇圧率設定部８４によって設定された目標昇圧率△ＰＳＴとステーション圧力センサ７３の検出値ＰＳＴ（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ＰＴＲＧＴを算出する。

フィードバック制御器８６は、既知のフィードバック制御則に基づいて、充填圧ＰＳＴが目標充填圧ＰＴＲＧＴ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８４によって設定された目標昇圧率△ＰＳＴ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８７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８７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ＰＳＴが、所定の完了閾値（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ）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。

以下では、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。

工程Ｓ０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より下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。また工程Ｓ０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８４において充填時間ｔｆｉｎａｌを決定する際に必要となる充填開始時刻ｔｉｎｉとして設定するが、本発明はこれに限らない。

工程Ｓ１では、ステーションＥＣＵ８は、有効熱質量算出部８３により有効熱質量Ｈｅａｔ ｍａｓｓ（図２ではＨＭ）の値を算出する有効熱質量算出処理を実行した後、工程Ｓ２に移り、適切なマップを選択する。

工程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ｋ０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ｋ０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ｋ０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８４２に送信する。

工程Ｓ３では、ステーションＥＣＵ８は、工程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△ＰＳＴを設定するとともに、この目標昇圧率△ＰＳＴ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、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８４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ｔｆｉｎａｌ、ひいては目標昇圧率△ＰＳＴを決定する。

工程Ｓ４では、ステーションＥＣＵ８は、圧力損失係数ｋ０の値を算出する圧力損失係数算出処理を実行した後、工程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。

始めに工程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、後述の工程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ＰＳＴ（ｉ）、温度ＴＳＴ（ｉ）及び流量ｄｍ（ｉ）の値を取得し、工程Ｓ４２に移る。

工程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、工程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ｋ０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。この工程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。

工程Ｓ４３では、ステーションＥＣＵ８は、工程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、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ＰＳＴ（ｉ＋ｎ）の値を取得し、工程Ｓ４４に移る。

工程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ＰＳＴ（ｉ）、ＰＳＴ（ｉ＋ｎ）、温度Ｔｓｔ（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ｋ０の値を算出し、工程Ｓ４５に移る。

より具体的には、上記式（５）における圧力損失ｄＰｌｏｓｓ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ＰＳＴ（ｉ＋ｎ）で停止前の圧力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ＰＳＴ（ｉ）、ＰＳＴ（ｉ＋ｎ）及び温度Ｔｓｔ（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ＰＳＴ（ｉ）と流量が減少した後の圧力ＰＳＴ（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。
［数式７］

工程Ｓ４５では、ステーションＥＣＵ８は、必要に応じて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の工程Ｓ５に移る。

図４に戻り、工程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、工程Ｓ４で算出した圧力損失係数ｋ０の値に応じたマップを正式マップとして選択し、工程Ｓ６に移る。上述のように工程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マップ、すなわち充填制御マップＭｋｊを仮マップとして選択する。そこで工程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ｋ０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。

工程Ｓ６では、ステーションＥＣＵ８は、工程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、工程Ｓ５で選択した本マップの下で目標昇圧率△ＰＳＴを設定するとともに、この目標昇圧率△ＰＳＴが実現するように水素ガスを充填する。

工程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である場合には工程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の工程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ｔｉｎｉ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△ＰＳＴ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ｔｉｎｉ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ｔｉｎｉ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ＰＳＴ（ｉ）、流量ｄｍ（ｉ）及び温度ＴＳＴ（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ＰＳＴ（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ＰＳＴ（ｉ）、ＰＳＴ（ｉ＋ｎ）、温度Ｔｓｔ（ｉ）及び流量ｄｍ（ｉ）を用いることによって、圧力損失係数ｋ０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ｋ０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、充填を開始する前に、且つ仮マップを選択する前において、ガス温度センサ７２により検出された配管温度及び配管の既存の設定値（配管の質量及び比熱容量等）を用いて、配管で生じる仮圧力損失と相関のある有効熱質量Ｈｅａｔ ｍａｓｓの値を算出する。水素ガス充填方法では、このように配管システムの有効熱質量を考量し、充填制御マップを変更して、適切な仮マップを選択し、仮マップの下で本充填の工程を行う。これにより、プレクーラの電力消耗を低減することができる。また、プレクーラの設定温度のマージンを緩和できることから、配管及び配管のシール等部材の寿命を延ばすことができ、配管及びプレクーラのスペックダウンとすることで、設備コストを低減することもできる。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ｋ０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ｋ０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ｋ０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ｋ０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ｋ０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ｋ０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ｋ０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ｄＰｌｏｓｓ、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ｋ０の値を算出する。従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ｋ０の値を算出できる。

（４）水素ガス充填方法では、接続配管内の水素ガスの流量が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ｋ０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ｋ０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ｄＰｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ０の値を算出する場合について説明したが、圧力損失ｄＰｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ０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ｄＰｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ０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あるいは減少させた後に増加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ｄＰｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ０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ｄＰｌｏｓｓや圧力損失係数ｋ０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ｋ０、及び大気温度Ｔａｍｂ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Ｔａｍｂ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。

以上をまとめ、本発明のガス充填方法において、ガス充填システムでは、既存の制御のみにおいて、既存の構成要素及び部材（例えば、既存の配管及び熱交換器及び温度センサ等）のパラメータを用いて、既存の制御装置により、配管システムの有効熱質量の値を算出し、配管の熱質量の値を考量するので、仮マップを選択する工程では、配管の有効熱質量の値に基づいて定められるマップを選択して、ガスの充填をすることができるので、プレクーラの電力消耗を低減することができる。また、プレクーラの設定温度のマージンを緩和できることから、配管及び配管のシール等部材の寿命を延ばすことができ、配管及びプレクーラのスペックダウンとすることで、設備コストを低減することもできる。

最後に説明すべきこととして、以上の実施形態は、本発明の技術案の説明に用いるのみであって、それに限定するものではない。前記実施形態を参照して本発明に対して詳細な説明を行っているが、当業者であれば、当然理解できるように、前記実施形態に記載の技術案については依然として修正、或いは一部又は全部の技術特徴に対する均等の置き換えを行うことができるものであり、但し、これら修正又は置き換えは、対応する技術案の本質を本発明の実施例の技術案の範囲から離脱させるものではない。

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。

Ｓ：水素充填システム
Ｍ：車両（移動体）
８：ステーションＥＣＵ
９：水素ステーション
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（ガス温度センサ）（配管温度センサ）
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
７５：熱交換器温度センサ
８１：質量平均温度算出部
８２：圧力損失係数算出部
８３：有効熱質量算出部
８４：目標昇圧率設定部
８４１：マップ選択部
８４２：昇圧率算出部
８５：目標充填圧算出部
８６：フィードバック制御器
８７：充填完成判断部
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 (7)

1. 圧縮されたガスを貯蓄する供給源と、
   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、ガス温度センサ及び流量センサと、
   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、
   充填を開始する前に、前記配管の熱容量及び前記ガス温度センサの検出値を用いることにより、前記配管で生じる仮圧力損失と相関のある有効熱質量の値を算出する有効熱質量算出工程と、
   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変化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と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
2. 前記制御装置は、予め定められた複数の充填制御マップ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、
   さらに、前記充填条件変更工程では、前記制御装置が選択した充填制御マップを、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マップに切り替え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（１－１）により前記圧力損失パラメータの値を算出し、
   下記式（１－１）中、“ｋ０”は前記圧力損失パラメータであり、“ｄＰｌｏｓｓ”はガスの流量減少前後の前記配管内の圧力差であり、“ρ”は前記配管内のガスの密度であり、“ｄｍ”は前記配管内のガスの質量流量であることを特徴とする、請求項１に記載のガス充填方法。
   ［数式１－１］
   
4. 前記制御装置は、予め定められた複数の充填制御マップ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、
   さらに、前記充填条件変更工程では、前記制御装置が選択した充填制御マップを、前記複数の充填制御マップのうち前記配管で生じる仮圧力損失と相関のある前記熱質量の値に基づいて定められるマップに切り替えることを特徴とする、請求項１に記載のガス充填方法。
5. 前記有効熱質量算出工程では、下記式（１－２）により前記有効熱質量の値を算出し、
   下記式（１－２）中、“Ｔｔｕｂｅ”は前記ガス温度センサが検測する温度であり、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ＴＨＥ”は熱交換器の温度であり、“ｍｉ”は前記配管の質量であり、“Ｃｐｉ”は前記配管の比熱容量であり、“ｍｉ×Cp”は前記配管の熱容量であることを特徴とする、請求項１に記載のガス充填方法。
   ［数式１－２］
   
6. 前記有効熱質量算出工程では、下記式(１-３)によって前記有効熱質量の値を算出し、“Ｔａｍｂ”は大気温度であり、“ＴＨＥ”は熱交換器の温度であり、“ｍｉ”は前記配管の質量であり、“Ｃｐｉ”は前記配管の比熱容量であり、“ｍｉ×Cp”は前記配管の熱容量であり、“k0”は、前記圧力損失パラメータであることを特徴とする、請求項５に記載のガス充填方法。
   ［数式１－３］
   
7. 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６の何れかに記載のガス充填方法。