JP7529539B2 - 水素充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素充填装置に関する。

燃料電池車両は、水素を貯蔵するための水素タンクを備える。特許文献１には、このような車両の水素タンクに水素を充填する水素充填装置が開示されている。水素充填装置には、安全性等の観点から水素を車両に充填する際の単位時間当たりの充填流量に上限として最大流量閾値が定められている。充填流量が最大流量閾値を超えると、水素充填装置は自身に異常があると判断し、水素の充填を中断し、水素充填装置を停止する。

特開２０１１－１６３５３４号公報

ところで、水素充填装置が複数の水素タンクを備える車両に水素を充填する場合、まず圧力の低い水素タンクに水素が充填される。このとき、水素が充填される水素タンクの容積は、圧力の低い水素タンクの容積とみなすことができる。水素の充填に伴い、水素タンク間の圧力差がなくなると、水素は、複数の水素タンクに充填される。水素が充填される水素タンクが複数になることで、水素の充填対象となる水素タンクの容積が増加したとみなすことができる。これにより、水素の充填流量が一時的に急増し、最大流量閾値を超えることがある。そのため、水素充填装置に異常がないにも関わらず異常があると誤診され、水素充填装置が停止するおそれがある。

上記課題を解決する水素充填装置は、車両に搭載される複数の水素タンクに水素の充填を行う水素充填装置であって、前記水素充填装置は、前記水素の充填流量を計測する流量計測部と、前記水素の充填圧力を計測する圧力計測部と、前記水素の充填温度を計測する温度計測部と、前記水素タンクの全体の容積を取得する取得部と、前記水素の充填流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記充填を開始するときの充填流量である初期流量で前記充填を行う充填部と、前記充填流量が最大流量閾値を超過したときに、前記初期流量より小さい検査流量で前記充填を行う検査部と、前記検査流量で前記充填を行った場合の前記充填圧力の変化量が前記全体の容積に基づいて定められる許容範囲に含まれるときに前記充填を継続する継続部と、を備える。

これによれば、充填流量が最大流量閾値を超えた場合、初期流量より小さい検査流量で検査時間の間、水素の充填を行う。検査流量で充填を行った後の圧力の変化量が、ある１つの水素タンクの容積ではなく複数の水素タンク全体の容積に基づいて定められる許容範囲に含まれる場合に、充填流量の増加が疑似的な容積変化に起因するものであることを判断することができる。したがって、誤診による水素充填装置の停止を抑制することができる。

上記水素充填装置では、前記許容範囲は、前記充填温度に基づいて定められていてもよい。
これによれば、変化量の充填温度に対する依存性を考慮した上で、充填流量の増加が疑似的な容積変化に起因するものであるか否かの判断をすることが可能となる。したがって、より精度よく、誤診によって水素充填装置が停止することを抑制することができる。

上記水素充填装置では、前記継続部は、前記変化量が前記許容範囲に含まれる場合にさらに前記充填流量の変動幅が所定の流量偏差内に含まれるときに前記充填を継続してもよい。

これによれば、充填流量の変動幅が所定の流量偏差内に含まれないとき、例えば、流量計測部の異常等により充填流量Ｑが安定しないときには水素の充填を中止し、充填流量の変動幅が所定の流量偏差内に含まれるときには水素の充填を継続する。したがって、検査流量での検査後に水素の充填を行うに際し、より安定した充填流量で水素の充填を行うことができる。

上記水素充填装置では、前記充填流量は、質量流量であってもよい。
これによれば、充填温度や充填圧力によって変化する体積流量に比べて、より定量的に充填流量を測定することができる。したがって、より精度よく、誤診によって水素充填装置が停止することを抑制することができる。

上記水素充填装置では、前記制御部は、前記充填流量が前記最大流量閾値を超過したときに、前記検査流量で前記充填を行う前に前記充填を停止する一時停止部を備えてもよい。

これによれば、制御部が水素の充填を中止できるか否かを確認することで、水素の流路上に設けられた機器の故障等の有無を検査することができる。したがって、水素充填装置に水素漏れ等の異常が発生している場合に迅速に水素の充填を中止することができる。

本発明によれば、誤診による水素充填装置の停止を抑制することができる。

水素充填システムの全体概略図。 水素充填の制御シーケンス図。 リークチェックモードにおける制御シーケンス図。

以下、水素充填システムに適用される水素充填装置の一実施形態について図１～図３に従って説明する。
図１に示すように、水素充填システム１００は、車両１０と、車両１０に水素を充填する水素充填装置２０と、を備える。

車両１０は、水素を燃料として駆動する、いわゆる燃料電池車両である。車両１０は、乗用車であっても、フォークリフトやトーイングトラクタのような産業車両であってもよい。車両１０は、２つの水素タンク１１ａ，１１ｂと、レセプタクル１２と、供給路１３と、第１の逆止弁１４ａと、第２の逆止弁１４ｂと、共有逆止弁１４ｃと、を備える。

２つの水素タンク１１ａ，１１ｂは、図示しない燃料電池に燃料としての水素を供給する燃料供給源である。各水素タンク１１ａ，１１ｂは、例えば、３５ＭＰａの水素を貯蔵することができる高圧タンクである。以下の説明では、２つの水素タンク１１ａ，１１ｂをそれぞれ「第１の水素タンク１１ａ」、「第２の水素タンク１１ｂ」と称することがある。

レセプタクル１２は、水素の充填を行う際に水素充填装置２０に接続される供給口である。
供給路１３は、第１の供給路１３ａと、第２の供給路１３ｂと、共有供給路１３ｃと、を備える。共有供給路１３ｃは、レセプタクル１２に接続されている。第１の供給路１３ａ及び第２の供給路１３ｂは、共有供給路１３ｃから分岐している。第１の供給路１３ａは、共有供給路１３ｃと第１の水素タンク１１ａとを接続している。第２の供給路１３ｂは、共有供給路１３ｃと第２の水素タンク１１ｂとを接続している。

第１の逆止弁１４ａは、第１の水素タンク１１ａから共有供給路１３ｃに水素が逆流することを防止するためのものである。第１の逆止弁１４ａは、第１の供給路１３ａに設けられている。第２の逆止弁１４ｂは、第２の水素タンク１１ｂから共有供給路１３ｃに水素が逆流することを防止するためのものである。第２の逆止弁１４ｂは、第２の供給路１３ｂに設けられている。共有逆止弁１４ｃは、第１の供給路１３ａ及び第２の供給路１３ｂからレセプタクル１２に水素が逆流することを防止するためのものである。共有逆止弁１４ｃは、共有供給路１３ｃに設けられている。

水素充填装置２０は、カードル２１と、圧縮機２２と、蓄圧器２３と、流量調整部２４と、流量計測部としてのマスフローメータ２５と、プレクーラ２６と、充填プラグ２７と、圧力計測部２８と、温度計測部２９と、車両センサ３０と、インターロック３１と、制御装置４０と、を備える。

カードル２１は、車両１０に充填する水素の供給源である。
圧縮機２２は、カードル２１から供給される水素を所定の常用圧力まで昇圧するためのものである。圧縮機２２を経由した水素の温度は、圧縮機２２での断熱圧縮によって上昇することがある。

蓄圧器２３は、圧縮機２２によって昇圧された水素を蓄えておくためのものである。蓄圧器２３に蓄えられる水素の圧力は、水素の充填に用いられる水素の圧力の最大値よりも大きい。

流量調整部２４は、蓄圧器２３から供給される水素の流量を調整するためのものである。流量調整部２４には、例えば、伝導弁や電磁弁など電気信号で制御可能な種々の圧力調整弁を用いることができる。流量調整部２４は、図示しない弁機構を操作することにより、蓄圧器２３に蓄えられた水素の圧力を降圧して出力する。

マスフローメータ２５は、流量調整部２４から供給される水素の単位時間当たりの質量流量を計測するためのセンサである。以下の説明では、流量調整部２４から供給される水素の単位時間当たりの質量流量を単に「充填流量Ｑ」と称することがある。

プレクーラ２６は、流量調整部２４及びマスフローメータ２５を介して蓄圧器２３から供給される水素を所定の温度に冷却する熱交換器である。ここで、所定の温度とは、例えば、－２０℃である。プレクーラ２６としては、例えば、隔壁式、中間媒体式、蓄熱式などの種々の伝熱方式の熱交換器を適用することができる。

なお、例えば、水素充填装置２０が産業車両用として用いられる場合、水素充填装置２０は、プレクーラ２６を備えていないことがある。したがって、プレクーラ２６は、水素充填装置２０に設けられていなくてもよい。

充填プラグ２７は、プレクーラ２６を通過した水素を車両１０に充填するための充填口である。充填プラグ２７をレセプタクル１２に接続することで、水素充填装置２０は、充填プラグ２７とレセプタクル１２と供給路１３とを介して、車両１０に搭載される複数の水素タンク１１ａ，１１ｂに水素の充填を行う。

圧力計測部２８は、車両１０に充填される水素の圧力Ｐを計測するための圧力センサである。以下では、車両１０に充填される水素の圧力Ｐを「充填圧力Ｐ」と称することがある。圧力計測部２８として、例えば、ゲージ圧力計や圧力発信器など任意の圧力計が用いられる。圧力計測部２８は、プレクーラ２６と充填プラグ２７の間に設けられている。

温度計測部２９は、プレクーラ２６から充填プラグ２７に供給される水素の温度Ｔを計測するための温度センサである。以下では、車両１０に充填される水素の温度Ｔを「充填温度Ｔ」と称することがある。温度計測部２９としては、サーミスタ、熱電対、抵抗温度計などの種々の温度計が用いられる。温度計測部２９は、プレクーラ２６と充填プラグ２７の間に設けられている。なお、温度計測部２９は、水素の流路内に直接設けられていても、水素の流路の外に設けられていてもよい。要は、温度計測部２９は、流路内の水素と熱交換するように構成されていればよい。

車両センサ３０は、車両１０を識別するためのセンサである。車両センサ３０は、例えば、車両１０を撮影するビジョンセンサである。他にも、車両センサ３０は、車両１０と対応付けられた識別カードから車両１０の識別情報を読み取るカードリーダーなどの読取装置であってもよい。要は、車両センサ３０は、何かしらの方法で水素を充填しようとする車両１０を識別することができるものであればよい。

インターロック３１は、水素充填装置２０に異常が発生した場合に水素の充填を中止し、水素充填装置２０を停止するための安全装置である。インターロック３１は、水素充填装置２０が備える各部材にそれぞれ設けられていてもよいし、各部材を繋ぐ水素の流路に設けられていてもよい。

制御装置４０は、プロセッサと、記憶部と、を備える。プロセッサとしては、例えば、CPU（Central Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）、又はDSP（Digital Signal Processor）が用いられる。記憶部は、RAM（Random access memory）及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部は、処理をプロセッサに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御装置４０は、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）やFPGA（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御装置４０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

制御装置４０は、最大流量閾値Ｑｍａｘを記憶している。最大流量閾値Ｑｍａｘは、水素充填装置２０に許容されている単位時間当たりの最大の充填流量である。最大流量閾値Ｑｍａｘは、例えば、６［ｇ／ｍｉｎ］である。

制御装置４０は、車両１０に関する情報と当該車両１０に搭載される水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂとの対応関係を記憶している。なお、この説明における車両１０は、１種類に限らず、２種類以上であってもよい。制御装置４０は、車両センサ３０の検出結果、例えば、ビジョンセンサが撮影した画像データやカードリーダーから取得した識別情報から、車両１０に搭載されている各水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを特定する。

具体例として、車両センサ３０がビジョンセンサの場合、制御装置４０は、車両センサ３０が撮影した画像を画像データとして取得する。画像データは、車両１０の外観やナンバープレートなどの車両１０の特徴点を含む。制御装置４０は、予め記憶部に記憶された車両情報を参照することで、画像データに含まれている車両１０の車種等を特定する。車両情報は、車両１０に搭載されている水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを含む。車両１０の特定には、例えば、車両情報を教師データとする機械学習が用いられるが、機械学習のアルゴリズムは特に限定されず、ｋ近傍法、ロジスティック回帰、サポートベクターマシン、ニューラルネットワーク、トピックモデル、混合ガウスモデル等が適宜採用されればよい。制御装置４０は、特定した車両１０の車種等を車両情報と照合することにより、当該車両１０に搭載されている水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを取得する。

車両センサ３０がカードリーダーのような読取装置の場合、車両センサ３０は、識別カード等の識別媒体から識別情報を取得する。識別情報は、車両１０の車種等の情報を含む。制御装置４０は、車両センサ３０から識別情報を取得し、車両情報と識別情報とを照合する。これにより、制御装置４０は、車両１０を特定し、車両１０に搭載されている水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを取得する。なお、識別情報が各水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを含む場合、制御装置４０は、識別情報から直接容積Ｖａ，Ｖｂを取得してもよい。

制御装置４０は、取得した容積Ｖａ，Ｖｂから水素タンク１１ａ，１１ｂの全体の容積Ｖｃを取得する。なお、全体の容積Ｖｃは各水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂの総和である。したがって、車両センサ３０及び制御装置４０は、水素タンク１１ａ，１１ｂの全体の容積Ｖｃを取得する取得部を構成する。なお、制御装置４０が全体の容積Ｖｃを取得することができれば、その取得方法は任意である。

本実施形態の水素充填装置２０は、一定の圧力上昇率ΔＰ／Δｔで上昇する一定昇圧式の充填方法を採用している。圧力上昇率ΔＰ／Δｔとは、時間Δｔ当たりの充填圧力Ｐの上昇量ΔＰを表す量である。一定昇圧式の充填方法とは、充填圧力が目標圧力に達するまでの間、一定の圧力上昇率ΔＰ／Δｔで上昇するように充填圧力を制御する充填方法である。目標圧力は、例えば３５［ＭＰａ］であり、圧力上昇率ΔＰ／Δｔは、例えば１０［ＭＰａ／ｍｉｎ］である。以下、このような充填方法を「通常充填」と称することがある。充填流量Ｑは圧力上昇率ΔＰ／Δｔにおおむね比例する。そのため、充填流量Ｑは通常充填時にはほぼ一定となる。

制御装置４０は、マスフローメータ２５から充填流量Ｑを、圧力計測部２８から充填圧力Ｐを、温度計測部２９から充填温度Ｔをそれぞれ取得する。また、制御装置４０は、取得した充填圧力Ｐの時間発展から充填圧力Ｐの圧力上昇率ΔＰ／Δｔを算出する。制御装置４０は、取得した充填流量Ｑや圧力上昇率ΔＰ／Δｔが所定の目標値に近づくようにフィードバック制御を行いつつ、流量調整部２４の弁機構を操作する。これにより、制御装置４０は、流量調整部２４から出力される充填圧力Ｐ及び充填流量Ｑを制御する。したがって、制御装置４０は、水素の充填流量Ｑを制御する制御部を備える。なお、制御装置４０は、充填圧力Ｐの制御を通じて、圧力上昇率ΔＰ／Δｔを制御することもできる。

以下、車両１０に水素を充填する場合に制御装置４０が行う制御について、図２に従って説明する。
図２に示すように、制御装置４０は、ステップＳ１１において、通常充填を開始する。通常充填を開始してしばらくすると、圧力上昇率ΔＰ／Δｔが安定する。以下の説明では、このときの圧力上昇率ΔＰ／Δｔに対応する充填流量Ｑを、「初期流量Ｑ０」と称することがある。したがって、制御装置４０は、充填を開始するときの充填流量Ｑである初期流量Ｑ０で充填を行う充填部を含む。次に、制御装置４０は、ステップＳ１２に進み、充填流量Ｑを取得する。次に、制御装置４０は、ステップＳ１３に進み、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超過しているか否かを判定する。制御装置４０は、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘ以下の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１４に進み、通常充填を継続する。

一方、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超過している場合（ＹＥＳの場合）、制御装置４０は、ステップＳ１５に進み、リークチェックモードに移行する。
図３に示すように、リークチェックモードに移行した場合、制御装置４０は、ステップＳ２１に進み、充填流量Ｑが０となるように流量調整部２４の弁機構を閉じる。次に、制御装置４０は、ステップＳ２２に進み、マスフローメータ２５から充填流量Ｑを取得し、充填流量Ｑが０であるか否かを判定する。なお、マスフローメータ２５の精度や外乱などに起因して、充填流量Ｑが０であるにも関わらず、マスフローメータ２５の充填流量Ｑが０にならない場合が生じ得る。このため、制御装置４０は、０より高い閾値を設定し、充填流量Ｑが当該閾値以下になった場合に充填流量Ｑが０になったと判定してもよい。

充填流量Ｑが０でない場合（ＮＯの場合）、制御装置４０は、ステップＳ３１に進み、インターロック３１を作動させる。このとき、流量調整部２４の故障や制御装置４０からの信号の伝達障害等により、流量調整部２４の弁機構が閉じない異常が想定される。

一方、充填流量Ｑが０である場合（ＹＥＳの場合）、制御装置４０は、ステップＳ２３に進み、所定の検査時間Δｔ１の間、検査流量Ｑ１で水素の充填を行う。以下の説明では、検査時間Δｔ１の間、検査流量Ｑ１で行われる水素の充填を、「検査充填」と称することがある。検査流量Ｑ１は、初期流量Ｑ０より小さい。したがって、制御装置４０は、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超過したときに、初期流量Ｑ０より小さい検査流量Ｑ１で充填を行う検査部を含む。また、制御装置４０に含まれる制御部は、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超過したときに、検査流量Ｑ１で充填を行う前に充填を停止する一時停止部を含む。制御装置４０は、検査時間Δｔ１経過前後の充填圧力Ｐの変化量ΔＰ１を算出する。

次に、制御装置４０は、ステップＳ２４に進み、予想変化量ΔＰ２を算出する。予想変化量ΔＰ２とは、ステップＳ２３において水素が複数の水素タンク１１ａ，１１ｂにともに充填されていると仮定した場合に、式（１）から予想される充填圧力Ｐの上昇量である。

式（１）は、複数の水素タンク１１ａ，１１ｂの両方に水素が充填されていると仮定した場合の気体の状態方程式から導出される。Ｋは、気体の状態方程式から求められる定数である。検査時間Δｔ１及び検査流量Ｑ１は、予め制御装置４０に設定されている値を用いる。したがって、予想変化量ΔＰ２は、全体の容積Ｖｃ及び充填温度Ｔに基づき定められる。なお、充填温度Ｔは、温度計測部２９の測定値である。

次に、制御装置４０は、ステップＳ２５に進み、変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれているか否かを判定する。

式（２）は、予想変化量ΔＰ２を真値とした所定の相対誤差の範囲に変化量ΔＰ１が含まれているか否かを表す。αは、許容する相対誤差を表すパラメータである。αは、０より大きく１より小さい定数であり、試験等により予め定められている。したがって、式（２）の範囲は、全体の容積Ｖｃ及び充填温度Ｔに基づき定められる。

変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれない場合（ＮＯの場合）、制御装置４０は、ステップＳ３１に進み、インターロック３１を作動させる。この場合、水素の流路中での水素漏れ等の異常が想定される。したがって、式（２）の範囲は変化量ΔＰ１の許容範囲を示す。上述したように、式（２）の範囲は全体の容積Ｖｃ及び充填温度Ｔに基づき定められるため、許容範囲としての式（２）は、充填温度Ｔに基づいて定められると言える。

一方、変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれる場合（ＹＥＳの場合）、制御装置４０は、ステップＳ２６に進み、さらに一定時間Δｔ２の間、安定検査流量Ｑ２で水素を充填する。本実施形態では、安定検査流量Ｑ２は検査流量Ｑ１と等しい。

次に、制御装置４０は、ステップＳ２７に進み、一定時間Δｔ２の間、安定検査流量Ｑ２を基準とする充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が所定の流量偏差ρ以下か否かを判定する。所定の流量偏差ρは、例えば、試験等により予め定められている定数である。これにより、制御装置４０は、水素充填装置２０が安定した圧力上昇率ΔＰ／Δｔで水素の充填を行うことができるか否かを判定する。

充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が流量偏差ρより大きい場合（ＮＯの場合）、制御装置４０は、ステップＳ３１に進み、インターロック３１を作動させる。このとき、制御装置４０から流量調整部２４への信号の異常やマスフローメータ２５等の計測器の異常が想定される。

一方、充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が流量偏差ρ以下の場合（ＹＥＳの場合）、制御装置４０は、ステップＳ２８に進み、リークチェックモードを終了し、通常充填を再開する。したがって、制御装置４０は、検査流量Ｑ１で水素の充填を行った場合の充填圧力Ｐの変化量ΔＰ１が全体の容積Ｖｃに基づいて定められる許容範囲としての式（２）に含まれるときに充填を継続する継続部を含む。

そして、制御装置４０に含まれる当該継続部は、変化量ΔＰ１が許容範囲としての式（２）に含まれる場合にさらに充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が所定の流量偏差ρ内に含まれるときに充填を継続するものであると言える。

以下、本実施形態の作用について説明する。以下では、第１の水素タンク１１ａの圧力が第２の水素タンク１１ｂの圧力より低い場合について説明する。また、以下の説明では、通常充填を開始する前の水素タンク１１ａ，１１ｂの圧力をそれぞれ「充填前圧力Ｐａ０，Ｐｂ０」と称することがある。

通常充填時には、水素充填装置２０は、一定の圧力上昇率ΔＰ／Δｔで車両１０に対して水素の充填を行う。充填圧力Ｐが第１の水素タンク１１ａの充填前圧力Ｐａ０より低い場合、第１の逆止弁１４ａは閉じているため、第１の水素タンク１１ａに水素が流入しない。充填圧力Ｐが第１の水素タンク１１ａの充填前圧力以上の所定の圧力Ｐａ１に達すると、第１の逆止弁１４ａが開き、第１の水素タンク１１ａに水素が流入する。一方、このとき、充填圧力Ｐが第２の水素タンク１１ｂの充填前圧力より低いため、第２の逆止弁１４ｂは閉じている。したがって、水素充填装置２０が水素を充填する対象の容積は、両水素タンク１１ａ，１１ｂの全体の容積Ｖｃではなく、第１の水素タンク１１ａの容積Ｖａとみなすことができる。

充填圧力Ｐが第２の水素タンク１１ｂの充填前圧力Ｐｂ０以上の所定の圧力Ｐｂ１に達したとき、第１の逆止弁１４ａに加えて第２の逆止弁１４ｂが開き、第２の水素タンク１１ｂにも水素が流入する。したがって、水素充填装置２０が水素を充填する対象の容積は、２つの水素タンク１１ａ，１１ｂの全体の容積Ｖｃとなる。

このとき、水素充填装置２０が一定の圧力上昇率ΔＰ／Δｔを保ちつつ水素の充填を継続するために、充填流量Ｑが、充填圧力Ｐが第２の水素タンク１１ｂの所定の圧力Ｐｂ１に達する前の充填流量に比べておおよそＶｃ／Ｖａ倍になる。これにより、複数の水素タンク１１ａ，１１ｂを備える車両１０に水素の充填を行う場合、水素充填装置２０が実際には故障等していないにも関わらず、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超えるおそれがある。

仮に、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超えたときに、リークチェックモードに移行することなくインターロック３１が作動する構成を採用した場合を考える。この場合、実際には水素充填装置２０に異常が生じていないにも関わらず、上述した充填流量Ｑの上昇によってインターロック３１が作動するおそれがある。このような誤診によって、インターロック３１を解除するための検査等に多大な労力が必要となる。

これに対し本実施形態では、充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超えた場合に、制御装置４０はリークチェックモードに移行する。リークチェックモードに移行後、制御装置４０は、流量調整部２４を制御することにより水素の充填の中止を試みる。制御装置４０は、流量調整部２４が水素の充填を中止できるか否かを確認することで、流量調整部２４から上流の故障等の有無を検査する。

次に、制御装置４０は、検査充填を行い、検査時間Δｔ１の間の変化量ΔＰ１を計測する。そして、制御装置４０は、当該変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれるかを判定する。言い換えれば、制御装置４０は式（１）及び式（２）に基づき、検査充填前後の変化量ΔＰ１と予想変化量ΔＰ２とを比較する。これにより、制御装置４０は、充填対象の容積が水素タンク１１ａ，１１ｂの全体の容積Ｖｃであるか否かを確認し、流量調整部２４より下流において水素漏れ等の故障の有無を検査する。

次に、制御装置４０は、充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が所定の流量偏差ρ以下か否かを確認する。これにより、制御装置４０は、安定して充填流量で水素の充填ができるか否かを検査する。

このようなリークチェックモードでの検査によって水素充填装置２０に異常がないことが確認された場合、水素充填装置２０は、通常運転を再開する。
本実施形態の効果について説明する。

（１）充填流量Ｑが最大流量閾値Ｑｍａｘを超過した場合に、制御装置４０は、リークチェックモードに移行する。リークチェックモードに移行後、制御装置４０は、検査充填を開始する。変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれるとき、制御装置４０は、所定の条件を満たした場合に通常充填を再開する。式（２）の範囲は、予想変化量ΔＰ２に基づき定められる。また、予想変化量ΔＰ２は、式（１）より全体の容積Ｖｃに基づいて定められる。これにより、計測された変化量ΔＰ１と予想変化量ΔＰ２との相対誤差から、水素の充填対象の容積と全体の容積Ｖｃとの相対誤差を推定することができる。検査流量Ｑ１で充填を行った後の充填圧力Ｐの変化量ΔＰ１が許容範囲に含まれる場合に、充填流量Ｑの増加が疑似的な容積変化に起因するものであることを判断することができるといえる。したがって、このような誤診によって水素充填装置２０が停止することを抑制することができる。

（２）許容範囲としての式（２）は、全体の容積Ｖｃだけでなく充填温度Ｔにも基づいて定められる。これにより、変化量ΔＰ１の充填温度Ｔ依存性を考慮した上で、変化量ΔＰ１と予想変化量ΔＰ２を比較することができる。したがって、より精度よく、誤診によって水素充填装置２０が停止することを抑制することができる。

（３）制御装置４０は、リークチェックモードにおいて、充填流量Ｑの変動幅ΔＱ２が所定の流量偏差ρの範囲に含まれるか否かを確認する。これにより、制御装置４０は、マスフローメータ２５などの計測器や流量調整部２４の異常を検知し、水素の充填を中止することができる。また、リークチェック後に通常充填を行う場合、安定した充填流量Ｑで水素の充填を再開することができる。

（４）流量計測部にマスフローメータ２５を用いることで、充填流量Ｑとして質量流量を採用している。これにより、充填温度Ｔや充填圧力Ｐによって変化する体積流量に比べて、より定量的に充填流量Ｑを測定することができる。したがって、誤診によって水素充填装置２０が停止することをより精度よく抑制することができる。

（５）リークチェックモードに移行後、検査充填を行う前に、制御装置４０は流量調整部２４を制御することにより水素の充填の中止を試みる。これにより、制御装置４０は、流量調整部２４が水素の充填を中止できるか否かを確認し、流量調整部２４から上流の故障等の有無を検査することができる。したがって、水素充填装置２０に水素漏れ等の異常が発生している場合に制御装置４０が迅速にインターロック３１を作動させることができる。

（５）制御装置４０は、マスフローメータ２５、圧力計測部２８、温度計測部２９、車両センサ３０などの、水素充填装置２０に設けられた各センサから取得した値をもとに、リークチェックモードを実行する。これにより、制御装置４０は、車両１０との通信の有無にかかわらず、リークチェックモードを実行することができる。したがって、車両１０との通信装置を設けることによって水素充填装置２０の構成が複雑化することを回避することができる。

○図２及び図３に示した制御シーケンスはあくまで一例に過ぎず、同様の作用効果を示すものであればシーケンス内のステップＳ１１～Ｓ３１の順序や具体的な処理はこれに限られない。また、これらの制御シーケンスは単一の制御装置４０で行われる必要はなく、それぞれ別々の制御装置に機能部として実装されていてもよい。

○全体の容積Ｖｃと予想変化量ΔＰ２との対応関係は、式（１）の形に限られない。例えば、当該対応関係は、ファンデルワールスの状態方程式から導出されるものであってもよいし、水素充填装置２０を試験することで個別に求められたであってもよい。要は、予想変化量ΔＰ２が全体の容積Ｖｃと一意に対応付けられればよい。

○予想変化量ΔＰ２は、ステップＳ２４で計算されなくてもよい。例えば、予想変化量ΔＰ２は、予め制御装置４０に記憶されている規定値を用いてもよい。
○許容範囲は、式（２）の形に限られない。例えば、許容範囲は、絶対誤差に基づいて定められていてもよい。

○充填流量Ｑは、通常充填時に直接制御される必要はない。例えば、充填流量Ｑは、制御装置４０に記憶された圧力上昇率ΔＰ／Δｔとの対応関係をもとに、圧力上昇率ΔＰ／Δｔを制御することで間接的に制御してもよい。

○流量調整部２４は、マスフローメータ２５と別体である必要はなく、一体であってもよい。
○制御装置４０は、水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを取得するときに、車両センサ３０が取得した情報を用いなくてもよい。一例として、制御装置４０が、車両１０に水素の充填を行う時刻と当該車両１０の水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂとの対応関係を予め記憶している場合について説明する。制御装置４０は、当該時刻と現在時刻とを照合することで、水素の充填を行う車両１０に搭載されている水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂを取得してもよい。このとき、車両センサ３０の識別結果と制御装置４０の照合結果とが矛盾する場合、例えば、当該時刻に水素の充填を行う予定の車両と実際に水素の充填を行おうとする車両が異なる場合に、制御装置４０が水素の充填を開始しない構成を採用してもよい。このような構成を採用することにより、車両の運用状況が制御装置４０の記憶している対応関係と異なるという異常を早期に検知し、より安全に水素の充填を行うことができる。

○制御装置４０は、各車両１０に水素を充填する時刻を予め記憶し、当該時刻と現在時刻とを照合することで、水素充填を行う車両１０の水素タンク１１ａ，１１ｂの容積Ｖａ，Ｖｂ又はその全容積Ｖｃを取得してもよい。このとき、車両センサ３０は、設けられていなくてもよい。この場合、取得部は、制御装置４０によって構成される。

○制御装置４０は、リークチェックモードにおいてステップＳ２１，Ｓ２２を省略してもよい。具体的には、制御装置４０は、充填流量Ｑを０とすることなく検査流量Ｑ１になるように流量調整部２４を制御してもよい。すなわち、制御装置４０は、一時停止部としての機能を備えていなくてもよい。

○充填流量Ｑは、質量流量に限られない。例えば、充填流量Ｑは、適切な関係式を用いれば、水素の体積流量や流速でもよい。このとき、流量計測部はマスフローメータ２５に限られず、体積流量計や流速計など、適切なセンサを用いればよい。

○制御装置４０は、リークチェックモードにおいてステップＳ２６，Ｓ２７を省略してもよい。具体的には、制御装置４０は、変化量ΔＰ１が式（２）の範囲に含まれていると判断した場合には、安定検査流量Ｑ２での充填、及び、変動幅ΔＱ２が流量偏差ρ以下であるか否かの判定を行うことなく、通常充填を再開してもよい。

○許容範囲は、充填温度Ｔに基づいて定められていなくともよい。例えば、プレクーラ２６に冷却温度を充填温度Ｔに代入することにより、充填温度Ｔを式（１）の定数として取り扱ってもよい。

○水素タンク１１ａ，１１ｂは、最大充填圧力が３５ＭＰａのものを用いる必要はない。水素タンク１１ａ，１１ｂは、例えば、最大充填圧力が７０ＭＰａのものであってもよい。要は、水素タンク１１ａ，１１ｂの最大充填圧力は、任意である。

○プレクーラ２６の冷却温度は、－２０℃に限らず任意である。例えばプレクーラ２６の冷却温度は、－３０℃や－４０℃であってもよい。
○水素タンクの数は、３つ以上であってもよい。この場合、最低圧力の水素タンクを第１の水素タンク１１ａと、第１の水素タンク１１ａの次に圧力の低い水素タンクを第２の水素タンク１１ｂとみなすことで、上記リークチェックモードを実行してもよい。また、複数の最低圧力の水素タンクが存在する場合、制御装置４０は、当該複数の水素タンクを１つの第１の水素タンク１１ａとみなして上記リークチェックモードを実行すればよい。第１の水素タンク１１ａの次に圧力の低い水素タンクが複数存在する場合も同様である。

○水素充填装置２０の水素供給源は、カードル２１に限らず、例えば、メタノールガス等を改質して水素を製造する水素製造装置であってもよいし、これらを併用したものであってもよい。

１０…車両、１１ａ…第１の水素タンク、１１ｂ…第２の水素タンク、２０…水素充填装置、２５…流量計測部としてのマスフローメータ、２８…圧力計測部、２９…温度計測部、４０…制御装置、Ｐ…充填圧力、ΔＰ１…変化量、Ｑ…充填流量、Ｑ０…初期流量、Ｑ１…検査流量、Ｑｍａｘ…最大流量閾値、変動幅…ΔＱ２、Ｔ…充填温度、Ｖｃ…水素タンクの全体の容積、ρ…流量偏差

Claims (5)

1. 車両に搭載される複数の水素タンクに気体の水素の充填を行う水素充填装置であって、
   前記水素充填装置は、
   前記水素の充填流量を計測する流量計測部と、
   前記水素の充填圧力を計測する圧力計測部と、
   前記水素の充填温度を計測する温度計測部と、
   前記水素タンクの全体の容積を取得する取得部と、
   時間当たりの前記充填圧力の上昇量である圧力上昇率が一定となるように前記水素の充填流量を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記充填を開始するときの充填流量である初期流量で前記充填を行う充填部と、
   前記充填流量が最大流量閾値を超過したときに、前記初期流量より小さい検査流量で前記充填を行う検査部と、
   前記検査流量で前記充填を行った場合の前記充填圧力の変化量が前記全体の容積に基づいて定められる許容範囲に含まれるときに前記充填を継続する継続部と、を備える水素充填装置。
2. 前記許容範囲は、前記充填温度に基づいて定められる、請求項１に記載の水素充填装置。
3. 前記継続部は、前記変化量が前記許容範囲に含まれる場合にさらに前記充填流量の変動幅が所定の流量偏差内に含まれるときに前記充填を継続する請求項１又は請求項２に記載の水素充填装置。
4. 前記充填流量は、質量流量であることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の水素充填装置。
5. 前記制御部は、前記充填流量が前記最大流量閾値を超過したときに、前記検査流量で前記充填を行う前に前記充填を停止する一時停止部を備える請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の水素充填装置。