JP7477953B2

JP7477953B2 - 水素ステーションの気密試験方法

Info

Publication number: JP7477953B2
Application number: JP2019182648A
Authority: JP
Inventors: 眞司永冨
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: JP2021060203A

Description

本発明は、水素ステーションの気密試験方法に関する。

次世代の自動車として、水素ガスを燃料として用いる燃料電池搭載車両（以下、「水素自動車」とも称する。）の開発が進められている。水素自動車は、ＣＯ_２、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ等の排出がなく、水が排出されるだけの環境にやさしい自動車とされている。

水素自動車に燃料を補給する際には、通常のガソリン自動車と同様に、燃料である水素ガスが蓄えられている水素ステーションまで走行し、水素ステーションで水素ガスを補給する。水素自動車の燃料タンクへの水素ガスの充填は、高圧且つ急速での圧縮充填で行う。高圧の可燃性ガスを取り扱うこのようなガス充填システムでは、ガス洩れの抑制が事故防止に非常に重要である。そのため、定期的に気密試験を行う必要がある。特に水素ステーションでの圧縮水素の使用開始時には、蓄圧器、蓄圧器の出口に設けられた出口弁（遮断弁）からディスペンサーに設けられた充填弁（遮断弁）までの配管、及びディスペンサーに設けられた充填弁（遮断弁）から充填ホースの先端カップリングまでの気密試験を、自動制御装置を使用して行うことが義務付けられている。

従来、ガス充填システムの気密試験において、出口弁を開閉したときに、急激な圧力の増加によって圧力がオーバーシュートを起こし、安全弁が動作してしまう問題や、圧力衝撃が加わり、充填ホースが故障する懸念があった。
特許文献１には、ガス管に設けられた流量調整弁と、流量調整弁をバイパスするバイパスラインに設けられた流量絞り弁とを備えるガス充填システムが開示されている。前記ガス充填システムでは、流量調整弁と流量絞り弁によってガス流量を調整することで、気密試験の際にガス管内の圧力が急激に上昇することが抑制される。

特開２００９－３６２１３号公報

しかし、流量調整弁、流量絞り弁、圧力調整弁といった調整弁は高価である。そのため、流量調整弁と流量絞り弁を用いる特許文献１のガス充填システムのように、２つの調整弁を用いて急激な圧力上昇を抑制する方法は、装置の製造費用が高額になる。また、このような調整弁は比較的大型のため、設置スペースを確保する必要もある。

本発明は、製造コストの削減、及び装置の小型化が可能で、ガス充填システムの気密試験における急激な圧力の上昇を抑制できる水素ステーションの気密試験方法を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
［１］水素ガスが充填された蓄圧器と、
前記蓄圧器に接続されたガス配管と、
前記ガス配管の経路に設けられた出口弁と、
前記ガス配管の経路における前記出口弁よりも下流側に設けられた流量調整弁と、を備えるガス充填システムを有する水素ステーションにおいて、ガス漏れの有無を調べる気密試験方法であって、
第１の均圧工程と第２の均圧工程とを含み、
前記第１の均圧工程は、前記出口弁を開く第１の開弁処理と、前記ガス配管における前記出口弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記出口弁を閉じる第１の閉弁処理とを含み、
前記第２の均圧工程は、前記流量調整弁を開く第２の開弁処理と、前記ガス配管における前記流量調整弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記流量調整弁を閉じる第２の閉弁処理とを含み、
前記第１の均圧工程と前記第２の均圧工程をこの順に１回以上行って前記ガス配管内を加圧することを特徴とする水素ステーションの気密試験方法。
［２］前記第２の均圧工程で前記ガス配管の前記流量調整弁よりも下流側が予め設定した所定の圧力を超えた後に行う、第３の均圧工程と第４の均圧工程とをさらに含み、
前記第３の均圧工程は、前記出口弁を開く第３の開弁処理と、前記ガス配管における前記出口弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記出口弁を閉じる第３の閉弁処理とを含み、
前記第４の均圧工程は、前記流量調整弁を前記第２の開弁処理よりも小さい開度で開く第４の開弁処理と、前記ガス配管における前記流量調整弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記流量調整弁を閉じる第４の閉弁処理とを含み、
前記第３の均圧工程と前記第４の均圧工程をこの順に１回以上行って前記ガス配管内を加圧する、［１］に記載の水素ステーションの気密試験方法。
［３］前記第４の均圧工程において、前記ガス配管の前記流量調整弁よりも下流側の圧力に応じて前記流量調整弁の開度を調整する、［２］に記載の水素ステーションの気密試験方法。

本発明によれば、製造コストの削減、及び装置の小型化が可能で、ガス充填システムの気密試験における急激な圧力の上昇を抑制できる水素ステーションの気密試験方法を提供できる。

本発明の第１実施形態にかかる水素ステーションのガス充填システムを示した概略図である。本発明の第１実施形態にかかる気密試験方法を示すフローチャートである。気密試験方法における各弁の操作と水素ステーション内の圧力変化とを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［水素ステーション］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる水素ステーションのガス充填システム１を示した図である。
ガス充填システム１は、ガスタンク室２と、自動車へガスを充填するディスペンサー４と、制御装置５と、を備えている。
ガスタンク室２内の各機器及びディスペンサー４内の各機器は、信号線７を介して、制御装置５に接続されている。

ガスタンク室２内には、蓄圧器３が設けられている。この例では蓄圧器３の個数は１個であるが、蓄圧器３は１個には限定されず、２個以上設けてもよい。
蓄圧器３には、水素ガスが高圧（例えば９０ＭＰａ）で貯留されている。

蓄圧器３にはガス配管６が接続されている。ガスタンク室２のガス配管６の経路には出口弁８が設けられている。ガス配管６の出口弁８よりも下流側はディスペンサー４に挿通されている。ガス配管６における出口弁８よりも上流側（図１の左側）には、第１の圧力計９が設けられている。

蓄圧器３が２個以上の場合、ガス配管６は、蓄圧器３の個数に応じて、ガスタンク室２内で分岐し、分岐したガス配管６の経路のそれぞれに第１の圧力計９及び出口弁８が設けられる。

第１の圧力計９及び出口弁８は、それぞれ信号線７により制御装置５に接続されている。制御装置５からの信号線７を通じた制御信号により出口弁８の開閉が制御される。また、第１の圧力計９が検知した圧力信号が信号線７を通じて制御装置５に送られる。

ガス配管６のディスペンサー４内に挿通されている部分の経路には、上流側から流量調整弁１０と充填弁１１がこの順に設けられている。流量調整弁１０は、その開度に応じてガスの流量を調整することができる。
ガス配管６におけるディスペンサー４内の流量調整弁１０よりも上流側（図１の左側）には、第２の圧力計１２が設けられている。

流量調整弁１０、充填弁１１及び第２の圧力計１２は、それぞれ信号線７によって制御装置５に接続されている。制御装置５からの信号線７を通じた制御信号により流量調整弁１０及び充填弁１１の開閉が制御される。また、第２の圧力計１２が検知した圧力信号が信号線７を通じて制御装置５に送られる。

ガス配管６におけるディスペンサー４内の充填弁１１よりも下流側（図１の右側）には、冷却装置１８、第３の圧力計１５、安全弁１６、脱圧弁１７がこの順に設けられている。
ガス配管６におけるディスペンサー４のガスタンク室２と反対側には、充填ホース１３が接続されている。充填ホース１３の先端には、例えば９０ＭＰａ用の先端カップリング１４（車両側のレセプタクルに対するノズル）が設けられている。

安全弁１６は、ガス配管６内が所定値以上に昇圧したときに、ガス配管６内の圧力を逃がし、ガス配管６内の圧力を充填圧力（例えば９０ＭＰａ）以下に保つ弁である。これにより、ガス配管６内の圧力の昇圧に起因する事故を未然に防止できる。

脱圧弁１７は、充填ホース１３の不使用時に充填弁１１よりも下流側のガス圧を大気へ放出するための機器である。これにより、充填ホース１３及び先端カップリング１４が保護される。また、これにより法令などに基づいた、適正な圧力値での運用、例えば車両へ先端カップリングの着脱、が可能となる。
冷却装置１８は、ガスを急速に充填した場合の断熱圧縮による温度上昇を抑制するための装置である。冷却装置１８としては、例えば、プレクーラー等が挙げられる。

冷却装置１８、第３の圧力計１５及び脱圧弁１７は、それぞれ信号線７によって制御装置５に接続されている。制御装置５からの信号線７を通じた制御信号により脱圧弁１７の開閉が制御される。また、第３の圧力計１５が検知した圧力信号が信号線７を通じて制御装置５に送られる。さらに、制御装置５からの信号線７を通じた制御信号により、冷却装置１８が起動又は停止する。

［水素ステーションの気密試験方法］
本発明の水素ステーションの気密試験方法は、ガス充填システムを有する水素ステーションにおいて、ガス漏れの有無を調べる方法である。以下、本発明の水素ステーションの気密試験方法の一例として、図２及び図３を参照しつつ、ガス充填システム１を用いた気密試験方法について説明する。

本実施形態の水素ステーションの気密試験方法は、下記の第１の均圧工程、第２の均圧工程、第３の均圧工程及び第４の均圧工程を含む。第３の均圧工程と第４の均圧工程は、第２の均圧工程でガス配管６の流量調整弁１０よりも下流側が、予め設定した所定の圧力を超えた後に行う工程である。

第１の均圧工程：出口弁８を開く第１の開弁処理と、ガス配管６における出口弁８の上流側と下流側で均圧が取れてから出口弁８を閉じる第１の閉弁処理とを含む工程。
第２の均圧工程：流量調整弁１０を開く第２の開弁処理と、ガス配管６における流量調整弁１０の上流側と下流側で均圧が取れてから流量調整弁１０を閉じる第２の閉弁処理とを含む工程。

第３の均圧工程：出口弁８を開く第３の開弁処理と、ガス配管６における出口弁８の上流側と下流側で均圧が取れてから出口弁８を閉じる第３の閉弁処理とを含む。
第４の均圧工程：流量調整弁１０を第２の開弁処理よりも小さい開度で開く第４の開弁処理と、ガス配管６における流量調整弁１０の上流側と下流側で均圧が取れてから流量調整弁１０を閉じる第４の閉弁処理とを含む。

なお、「均圧が取れる」とは、ガス配管における基準となる弁の両側で実質的に圧力が等しいことを意味し、例えば、圧力差が±０．５ＭＰａの範囲内の状態である。また後述する「圧力計の測定値が等しくなる」点についても、同様の範囲内である。範囲の表現は、他にも差分の絶対値、例えば｜Ｐ１－Ｐ２｜≦０．５ＭＰａなどでもよい。なお、誤差の範囲は、圧力を測定する計器の性能に依存する場合が多く、例えば圧力計のフルスケールの数％である。

（第１の均圧工程）
出口弁８を開き（ＳＴ１）、ガス配管６における出口弁８の上流側と下流側で均圧が取れるまで、すなわち第１の圧力計９の計測値と第２の圧力計１２の計測値とが等しくなるまで待機する（ＳＴ２の「ＮＯ」のルート）。第１の圧力計９の計測値と第２の圧力計１２の計測値とが等しくなったら（ＳＴ２の「ＹＥＳ」のルート）、出口弁８を閉じる（ＳＴ３）。

（第２の均圧工程）
次いで、流量調整弁１０と充填弁１１とを開く（ＳＴ４）。ガス配管６における流量調整弁１０の上流側と下流側で均圧が取れるまで、すなわち第２の圧力計１２の計測値と第３の圧力計１５の計測値とが等しくなるまで待機する（ＳＴ５の「ＮＯ」のルート）。第２の圧力計１２の計測値と第３の圧力計１５の計測値とが等しくなったら（ＳＴ５の「ＹＥＳ」のルート）、流量調整弁１０及び充填弁１１を閉じる（ＳＴ６）。
なお、先端カップリング１４は予め閉止されている。

第１の均圧工程と第２の均圧工程をこの順に１回以上行ってガス配管内６を加圧する。そして、第２の均圧工程でガス配管６の流量調整弁１０よりも下流側が予め設定した所定の圧力（第１の閾値圧力）を超えたら、第３の均圧工程と第４の均圧工程に進む。

第２の均圧工程で第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第１の閾値圧力を超えた場合は、ＳＴ８に進む（ＳＴ７の「ＹＥＳ」のルート）。第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第１の閾値圧力を超えなかった場合は、ＳＴ１に戻る（ＳＴ７の「ＮＯ」のルート）。

第１の均圧工程と第２の均圧工程の実施回数は、第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第１の閾値圧力を超えるか否かによって決まる。第１の均圧工程と第２の均圧工程を１回ずつ実施したときに第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第１の閾値圧力を超えれば、第１の均圧工程と第２の均圧工程の実施回数は１回とする。第１の均圧工程と第２の均圧工程を１回ずつ実施したときに第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第１の閾値圧力を超えなければ、第１の閾値圧力を超えるまで第１の均圧工程と第２の均圧工程を交互に繰り返す。

このように、第１の閾値圧力までは、流量調整弁１０による流量の調整を行わずに、ガス配管６内の昇圧を行う。そのため、第１の閾値圧力は、ガス配管６内への急激な圧力の増加による、安全弁１６の作動や充填ホース１３への圧力衝撃の発生が起こらない範囲で設定する必要がある。
第１の閾値圧力の値は、例えば、蓄圧器３に９０ＭＰａの水素を充填した場合は、７０ＭＰａとすることができる。

（第３の均圧工程）
再び、出口弁８を開き（ＳＴ８）、ガス配管６における出口弁８の上流側と下流側で均圧が取れるまで、すなわち第１の圧力計９の計測値と第２の圧力計１２の計測値とが等しくなるまで待機する（ＳＴ９の「ＮＯ」のルート）。第１の圧力計９の計測値と第２の圧力計１２の計測値とが等しくなったら（ＳＴ９の「ＹＥＳ」のルート）、出口弁８を閉じる（ＳＴ１０）。

（第４の均圧工程）
次いで、充填弁１１を開き（ＳＴ１１）、流量調整弁１０も徐々に開く（ＳＴ１２）。そして、ガス配管６における流量調整弁１０の上流側と下流側で均圧が取れているか、すなわち第２の圧力計１２の計測値と第３の圧力計１５の計測値とが等しいかどうかを確認する（ＳＴ１３）。

第４の均圧工程の第４の開弁処理（ＳＴ１２）では、流量調整弁１０を第２の開弁処理（ＳＴ４）よりも小さい開度で開く。
ＳＴ１２における流量調整弁１０の開度の調整方法としては、例えば、流量調整弁１０を閉の状態から少しずつ開いていき、第３の圧力計１５の計測値がわずかに上昇し始めた際に、流量調整弁１０の操作を停止する方法が挙げられる。この方法では、急激な圧力上昇を抑制しつつ圧力を上昇させることができる。

ＳＴ１２における流量調整弁１０の開度の調整方法の他の例としては、第３の圧力計１５の計測値に対応して、流量調整弁１０を予め設定された開度に調整する方法が挙げられる。本発明では、このように、第４の均圧工程において、ガス配管の流量調整弁よりも下流側の圧力に応じて流量調整弁の開度を調整することが好ましい。この方法では、急激な圧力上昇を抑制しつつ迅速に圧力を上昇させることができる。

第３の圧力計１５の計測値が第１の閾値圧力を超えた後は、ガス配管６内は高圧のガスが充填されているため、流量調整弁１０の開度を調整して徐々に昇圧を行う。これにより、圧力のオーバーシュートの発生による安全弁１６の作動や、充填ホース１３への圧力衝撃の発生を防ぐことができる。

ガス配管６における流量調整弁１０の上流側と下流側で均圧が取れるまで、すなわち第２の圧力計１２の計測値と第３の圧力計１５の計測値とが等しくなるまで待機する（ＳＴ１３の「ＮＯ」のルート）。第２の圧力計１２の計測値と第３の圧力計１５の計測値とが等しくなったら（ＳＴ１３の「ＹＥＳ」のルート）、この時の第３の圧力計１５の計測値が、予め設定された第２の閾値圧力を超えているかどうかを確認する（ＳＴ１４）。

この時の第３の圧力計１５の計測値が、予め設定された第２の閾値圧力を超えなかった場合は（ＳＴ１４の「ＮＯ」のルート）、充填弁１１及び流量調整弁１０を閉じ（ＳＴ１５）、ＳＴ８に戻る。この時の第３の圧力計１５の計測値が、予め設定された第２の閾値圧力を超えた場合は（ＳＴ１４の「ＹＥＳ」のルート）、充填弁１１を閉じる（ＳＴ１６）。

このように、第３の均圧工程と第４の均圧工程をこの順に１回以上行ってガス配管６内を加圧する。
第２の閾値圧力の値は、例えば、蓄圧器３に９０ＭＰａの水素を充填した場合は、７５ＭＰａとすることができる。
なお、図３における蓄圧器３の圧力は一定に見えるが、ガス配管６及び充填ホース１３内の圧力が第２の閾値圧力以上になるまで、蓄圧器３に蓄圧されたガスをガス配管６及び充填ホース１３内に移送するので、そのボリュームに応じて、若干低下する。

第３の均圧工程と第４の均圧工程の実施回数は、第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第２の閾値圧力を超えるか否かによって決まる。第３の均圧工程と第４の均圧工程を１回ずつ実施したときに第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第２の閾値圧力を超えれば、第３の均圧工程と第４の均圧工程の実施回数は１回となる。第３の均圧工程と第４の均圧工程を１回ずつ実施したときに第３の圧力計１５の計測値が予め設定された第２の閾値圧力を超えなければ、第２の閾値圧力を超えるまで第３の均圧工程と第４の均圧工程を交互に２回以上実施する。

以上の操作（ＳＴ１～ＳＴ１６）により、ガス配管６及び充填ホース１３内の圧力を第２の閾値圧力以上にした後、所定の時間、ガス漏れが発生していないかの確認を行う。ガス漏れがなければ異常なしとして気密試験を終了する。

以上説明したように、本発明の水素ステーションの気密試験方法においては、ガス配管に設けた出口弁と流量調整弁を用いて、それらの開閉を交互に繰り返することで、ガス配管内の圧力を徐々に高める。これにより、気密試験における急激な圧力の上昇を抑制できるため、圧力がオーバーシュートを起こすことによる安全弁の動作や、圧力衝撃の発生による充填ホースの故障を抑制できる。特に、第１の均圧工程と第２の均圧工程を実施した後、流量調整弁の開度を調整しながら行う第３の均圧工程と第４の均圧工程を実施すことで、急激な圧力の上昇をより安定して抑制することができる。
また、本発明では、気密試験における圧力の調整に出口弁と流量調整弁を用いており、調整弁が１つで済むため、ガス充填システム及びそれを備える水素ステーションの製造コストを削減でき、また装置の小型化も可能である。

なお、本発明の技術範囲は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
本発明は、出口弁及び流量調整弁を備えるガス充填システム１以外のガス充填システムを有する水素ステーションにおいてガス漏れの有無を調べる気密試験方法であってもよい。具体的には、例えば、冷却装置１８が備えられていないガス充填システムを有する水素ステーションにおいてガス漏れの有無を調べる気密試験方法であってあってもよい。
本発明の本発明の水素ステーションの気密試験方法は、第３の均圧工程と第４の均圧工程を含まない方法であってもよい。

１…ガス充填システム、２…ガスタンク室、３…蓄圧器、４…ディスペンサー、５…制御装置、６…ガス配管、７…信号線、８…出口弁、９…第１の圧力計、１０…流量調整弁、１１…充填弁、１２…第２の圧力計、１３…充填ホース、１４…先端カップリング、１５…第３の圧力計、１６…安全弁、１７…脱圧弁、１８…冷却装置。

Claims

水素ガスが充填された蓄圧器と、
前記蓄圧器に接続されたガス配管と、
前記ガス配管の経路に設けられた出口弁と、
前記ガス配管の経路における前記出口弁よりも下流側に設けられた流量調整弁と、を備えるガス充填システムを有する水素ステーションにおいて、ガス漏れの有無を調べる気密試験方法であって、
第１の均圧工程と第２の均圧工程とを含み、
前記第１の均圧工程は、前記出口弁を開く第１の開弁処理と、前記ガス配管における前記出口弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記出口弁を閉じる第１の閉弁処理とを含み、
前記第２の均圧工程は、前記流量調整弁を開く第２の開弁処理と、前記ガス配管における前記流量調整弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記流量調整弁を閉じる第２の閉弁処理とを含み、
前記第１の均圧工程と前記第２の均圧工程をこの順に１回以上行って前記ガス配管内を加圧することを特徴とする水素ステーションの気密試験方法。
前記第２の均圧工程で前記ガス配管の前記流量調整弁よりも下流側が予め設定した所定の圧力を超えた後に行う、第３の均圧工程と第４の均圧工程とをさらに含み、
前記第３の均圧工程は、前記出口弁を開く第３の開弁処理と、前記ガス配管における前記出口弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記出口弁を閉じる第３の閉弁処理とを含み、
前記第４の均圧工程は、前記流量調整弁を前記第２の開弁処理よりも小さい開度で開く第４の開弁処理と、前記ガス配管における前記流量調整弁の上流側と下流側で均圧が取れてから前記流量調整弁を閉じる第４の閉弁処理とを含み、
前記第３の均圧工程と前記第４の均圧工程をこの順に１回以上行って前記ガス配管内を加圧する、請求項１に記載の水素ステーションの気密試験方法。
前記第４の均圧工程において、前記ガス配管の前記流量調整弁よりも下流側の圧力に応じて前記流量調整弁の開度を調整する、請求項２に記載の水素ステーションの気密試験方法。