JPWO2004033955A1 - 燃料充てん装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスとして、水素ガスまたは圧縮天然ガスを自動車に供給する際、設定圧力の通りに作動する過充てん防止弁を備えた燃料充てん装置を提供する。【解決手段】燃料ガス流路２１と、弁体３０によって燃料ガス流路２１を開閉する弁部２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて弁体３０を変位させる弁体変位手段２３と、この弁体変位手段２３の温度を調整する温度調整部２４とを備えてた過充てん防止弁２０を設ける。このような燃料充てん装置１によれば、燃料ガスの温度と過充てん防止弁２０の作動温度との差が大きい場合でも、温度調整部２４により弁体変位手段２３の温度が設定温度範囲に維持される。従って、過充てん防止弁２０が設定圧力の通りに確実に作動するようになる。このような燃料充てん装置１においては、燃料ガス供給経路３に、燃料ガスを冷却する熱交換器を設けることができる。

Description

本発明は、自動車に水素ガスまたは圧縮天然ガスを燃料ガスとして充てんする燃料充てん装置および方法に関するものである。

次世代の自動車として、圧縮天然ガスを燃料として用いる圧縮天然ガス自動車や、水素ガスを燃料として用いる水素ガス自動車の開発が進められている。これらの自動車は、炭酸ガス、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の排出量が少ないという特長がある。
これらの自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、その燃料である圧縮天然ガスまたは水素ガスを充てんする燃料充てん装置（ディスペンサー）を備えた供給基地まで走行し、この燃料充てん装置から圧縮天然ガスまたは水素ガスを補給することとなる（例えば、非特許文献１参照）。
なお、以下、圧縮天然ガスと水素ガスを総称して燃料ガスとする。
従来の自動車用の燃料充てん装置としては、例えば、高圧の燃料ガスの供給源となる蓄圧器に接続されている燃料ガス供給経路と、この蓄ガス器から供給される燃料ガスの供給量を調整する流量調整弁と、燃料ガスの流量を測定し積算する積算流量計と、充てん終了時に燃料ガスの供給を止める遮断弁と、燃料ガスの圧力が設定圧力を越えたときに閉止される構造の過充てん防止弁とを備えたものが用いられている。
図１４は、従来の過充てん防止弁の一例を示す概略断面図である。
この過充てん防止弁１２０は、燃料ガス流路１２１と、弁体１３０によって燃料ガス流路１２１を開閉する弁部１２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて前記弁体１３０を変位させる弁体変位手段１２３とを備えている（非特許文献２参照）。
なお、弁体変位手段１２３は、本実施の形態においてはスプリングであり、以下、スプリング１２３として説明する。
燃料ガス流路１２１は、燃料ガス供給経路３に接続されている。
弁部１２２は、弁体１３０を有する弁棒１３１と、この弁棒１３１が摺動可能に収容された摺動孔１３２を有する弁箱１３３を備えている。
摺動孔１３２は、燃料ガス流路１２１と連通している。弁体１３０は、摺動孔１３２に形成された弁室１３４に相当する位置に形成されている。
スプリング１２３は、スプリング収納部１４０に収納されており、このスプリング収納部１４０内部に反力を取り、ボール１４１を介してピストン１４２を弁部１２２の方向に付勢している。
ピストン１４２は、ピストン収納部１４３に収納されている。
ピストン１４２は、弁棒１３１の一端に固定されており、ピストン１４２と弁棒１３１とは一体となって動くようになっている。
ピストン収納部１４３には、過充てん防止弁１２０の二次側の燃料ガス供給経路３から分岐された分岐経路１４４が接続されている。この分岐経路１４４を通して、二次側の燃料ガス供給経路３内の燃料ガスが、ピストン収納部１４３内のピストン１４２と弁部１２２の間に供給されるようになっている。
この過充てん防止弁１２０は、次のように動作する。
二次側の燃料ガス供給経路３からピストン収納部１４３のピストン１４２の下面側に流入したガスの圧力、すなわち、二次側のガス圧が設定圧力を下回るときには、弁棒１３１がスプリング１２３の弾性力により図５における下方に移動し、弁体１３０と燃料ガス流路１２１の内壁との間に隙間が生じる。これにより、燃料ガス流路１２１が開き、燃料ガスが一次側の燃料ガス供給経路３から二次側の燃料ガス供給経路３に流れるようになる。
二次側のガス圧が設定圧力になると、このガス圧により、ピストン１４２がスプリング１２３を押し縮めるように移動し、弁体１３０が燃料ガス流路１２１の内壁に当接することにより、燃料ガス流路１２１が閉止される。これにより、一次側の燃料ガス供給経路３から二次側の燃料ガス供給経路３への燃料ガスの流れが止められるようになる。
このように、過充てん防止弁１２０は、二次側のガス圧と、スプリング１２３の弾性力のバランスにより、燃料ガス流路１２１の開閉を切り換える構成となっている。換言すれば、過充てん防止弁１２０が開閉切換を行う設定圧力は、スプリング１２３の弾性力により決定される。
圧縮天然ガス用の燃料充てん装置としては、非特許文献１に記載されたものがある。この文献には、天然ガスの供給流量を調整する弁である過充てん防止装置を備えた燃料充てん装置（ディスペンサーユニット）が開示されている。
社団法人日本ガス協会、「圧縮天然ガススタンド安全技術指針」、平成１０年４月、ｐ４４ シールテック株式会社、「高圧用レギュレータ」、１９９６年６月２日

ところが、一般的なガスは、弁などの細い流路を通過するとき、ジュールトムソン効果によりガス温度が変化する性質を有している。
具体的には、圧縮天然ガスは、他の高圧ガス（不活性ガス、酸素ガス等）と同様に、圧縮状態（例えば圧力２０ＭＰａ）から断熱膨張させると、ガス温度は著しく低下する。また、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などを通過する際に温度が上昇する。
このため、過充てん防止弁１２０が、該過充てん防止弁１２０内を通過する燃料ガスにより、加熱または冷却されると、スプリング１２３が加熱または冷却され、そのばね定数が変化し、その結果、過充てん防止弁１２０が、正しい設定圧力で作動しないことがあるという問題があった。
次に自動車の燃料タンクとしては、軽量化のために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる容器が使用されている。ＦＲＰ容器は、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定されており、その規定値は一般に約８５℃である。
上述のように圧縮天然ガスは、他の高圧ガス（不活性ガス、酸素ガス等）と同様に、圧縮状態（例えば圧力３５ＭＰａ）から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。そのため圧縮天然ガスは、細孔やスリットを備えた機器、例えば機器弁、逆止弁、カプラーを通過する際に、温度が低下する。
このため、天然ガスを燃料タンクに充てんする際には、ガス温度の上昇が起こりにくいことから、タンク温度を管理することなく、容易にかつ短時間で充てんを行うことができる。
一方、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇する。さらに、燃料タンクに充てんする際に、断熱圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が極めて高くなりやすい。ＦＲＰからなる燃料タンクは使用温度に上限があるため、水素ガスの充てんを行うに際しては厳重な温度管理が要求され、また、充てん速度を高めることが難しい。
そのため水素自動車では、燃料タンクの温度が設計温度を越えないようにすることを目的として、燃料タンクの温度を直接測定しながら充てんを行う方法が提案されている。
具体的には、自動車の燃料タンクに温度端子（温度センサ）を設けておき、燃料充てん用配管を自動車の燃料タンクに接続するとともに、温度測定用の配線を上記温度端子に接続し、検出したタンク温度に基づいてガス供給流量を調整しつつ燃料充てんを行う方法が提案されている。
しかしながら、この充てん方法では、燃料充てん用配管とは別に、温度測定用の配線を自動車に接続する必要があり、操作に手間がかかる問題がある。
また、水素ガスは、空気中での爆発下限界濃度が４ｖｏｌ％、爆発上限界濃度が７５ｖｏｌ％であることから、漏れなどが生じると大変危険であるため、一般に水素ガス用の燃料充てん装置に使用される部品は、ＪＩＳ Ｃ ０９３１に規定される耐圧防爆構造を適用する。このため、水素ガス用の燃料充てん装置の製造や維持管理には多額の費用が掛かり、高価になるとともに、当該装置が大型化するという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、水素ガスまたは圧縮天然ガスを自動車に供給する際、設定圧力に応じて確実に作動することができる過充てん防止弁を備えた燃料充てん装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、比較的単純な構成で、水素ガスの急速充てんを安全に行うことが可能な燃料充てん装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、燃料電池を動力源とする水素ガス自動車等の燃料タンクの温度を確実に低く抑えることができ、かつ簡単な操作で燃料充てんを行うことができる燃料充てん装置および方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明は、自動車に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路に過充てん防止弁を設けた燃料充てん装置であって、
前記過充てん防止弁は、燃料ガス流路と、弁体によって前記燃料ガス流路を開閉する弁部と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて前記弁体を変位させる弁体変位手段と、この弁体変位手段の温度を調整する温度調整部とを備えていることを特徴とする燃料充てん装置を提供する。
このような燃料充てん装置によれば、燃料ガスの温度と過充てん防止弁の作動温度との差が大きい場合でも、温度調整部により弁体変位手段の温度を設定温度範囲に維持することができる。従って、過充てん防止弁が設定圧力の通りに確実に作動するようになる。
過充てん防止弁の作動温度は、一般には常温として決められていることから、温度調整部による弁体変位手段の温度調整は、該弁対変位手段の温度が常温付近を維持するように行うことが好ましい。
このような燃料充てん装置においては、燃料ガス供給経路に、燃料ガスを冷却する熱交換器を設けることができる。これにより、温度調整部による温度調整に必要なエネルギーをほとんど増大させることなく、燃料ガスを冷却することができる。
この場合、前記温度調整部は、前記熱交換器に供給される冷媒を用いて、前記弁体変位手段を冷却することができるようになっていることが好ましい。これにより、温度調整部への冷媒の供給が実施しやすくなる。
本発明は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充填する燃料充てん装置であって、水素ガスを冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料充てん装置を提供する。
これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
さらに本発明は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっていることを特徴とする燃料充てん装置を提供する。
液体不活性ガスとしては、液体窒素、液体アルゴンなどが例示される。
前記熱交換器としては、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部と備えたものを用いることができる。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、この流量調整弁を経た水素ガスを冷却する冷却手段とを備えた構成とすることができる。
本発明の燃料充てん装置は、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものである構成とすることができる。
本発明の燃料充てん方法は、水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに、燃料充てん装置を用いて水素ガスを充てんする方法であって、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、水素ガスを冷却する冷却手段とを備え、流量調整弁を経た水素ガスを、冷却手段を用いて冷却した後に燃料タンクに充てんすることを特徴とする。
本発明では、燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、温度履歴データベースが、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含み、この燃料充てん装置を用いて充てんを行う方法を採用することができる。

本発明の第１の実施の形態の燃料充てん装置を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態の燃料充てん装置に適用可能な過充てん防止弁の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の燃料充てん装置を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態の燃料充てん装置に適用可能な過充てん防止弁の一例を示す断面図である。 本発明の燃料充てん装置の第３の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の燃料充てん装置の第４の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の燃料充てん装置の第５の実施の形態の要部を示す概略構成図である。 本発明の燃料充てん装置の第６の実施形態を示す概略構成図である。 本発明の燃料充てん装置の第７の実施形態を示す概略構成図である。 図９に示す燃料充てん装置の制御手段を示すブロック図である。 本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。 本発明の燃料充てん方法の一例の手順を説明する説明図である。 本発明の燃料充てん方法の他の例を説明するフローチャートである。 従来の燃料充てん装置に用いられている過充てん防止弁の一例を示す断面図である。

以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
以下の説明では、水素ガスと圧縮天然ガスとのいずれか一方または両方のことを「燃料ガス」といい、水素ガス自動車と圧縮天然ガス自動車とを総称して「自動車」という。
第１の実施の形態
図１は、本発明の燃料充てん装置の第１の実施の形態を示す概略構成図である。図２は、図１に示す燃料充てん装置に適用することができる過充てん防止弁の一例を示す断面図である。
図１に示す燃料充てん装置１は、貯留タンク２からの燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路３と、燃料ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、燃料ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、充てん終了時に燃料ガス供給経路３を閉止するための遮断弁Ｖ２と、この遮断弁Ｖ２が故障した場合に燃料ガス供給経路３を閉止して過充てんを防止するための過充てん防止弁２０と、燃料ガスを冷却する熱交換器４と、自動車１２に充てんされる燃料ガスの圧力を検出する圧力計５とを備えている。
ここで、燃料ガスとしては、ジュールトムソン効果により温度が上昇しやすい水素ガスを用いて説明する。
熱交換器４は、過充てん防止弁２０の二次側に設けられており、図示しない冷媒供給手段により該熱交換器４に供給された冷媒により、燃料ガスを冷却することができるようになっている。また、熱交換器４と過充てん防止弁２０との間には、熱交換器４に供給された冷媒の一部を過充てん防止弁２０に供給するための冷媒流路６が設けられている。
上記冷媒としては、化学的に不活性であって、事故や故障などにより熱交換器４外に漏れたとしても、燃料ガスと反応して発火したり爆発したりすることがないものが好適に用いられる。具体的には、エチレングリコール、ジクロロメタン、メタノール、液体窒素、液体アルゴンなどが例示される。
燃料ガス供給経路３の端部には、フレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。この連絡管１１の他端は、自動車１２の燃料タンク１３に接続された燃料ガス供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。燃料ガス供給経路１４には、逆止弁Ｖ３が設けられている。燃料タンク１３内の燃料ガスの外部への漏出は、この逆止弁Ｖ３により、防止されるようになっている。
図２に示すように、過充てん防止弁２０は、燃料ガス流路２１と、弁体３０によって燃料ガス流路２１を開閉する弁部２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて前記弁体３０を変位させる弁体変位手段２３と、この弁体変位手段２３の温度を調整する温度調整部２４とを備えている。
なお、弁体変位手段２３は、本実施の形態においてはスプリングであり、以下、スプリング２３として説明する。
燃料ガス流路２１は、燃料ガス供給経路３に接続されている。
弁部２２は、弁体３０を有する弁棒３１と、この弁棒３１が摺動可能に収容された摺動孔３２を有する弁箱３３を備えている。
摺動孔３２は、燃料ガス流路２１と連通している。弁体３０は、摺動孔３２に形成された弁室３４に相当する位置に形成されている。
スプリング２３は、スプリング収納部４０に収納されており、このスプリング収納部４０内部に反力を取り、ボール４１を介してピストン４２を弁部２２の方向（図２における下方）に付勢している。
ピストン４２は、ピストン収納部４３に収納されている。ピストン４２は、弁棒３１の一端に固定されており、ピストン４２と弁棒３１とは一体となって動くようになっている。
ピストン収納部４３には、過充てん防止弁２０の二次側の燃料ガス供給経路３から分岐された分岐経路４４が接続されている。この分岐経路４４を通して、二次側の燃料ガス供給経路３内の燃料ガスが、ピストン収納部４３内のピストン４２と弁部２２の間に供給されるようになっている。
温度調整部２４は、スプリング２３の温度を検出する温度センサ５０と、スプリング２３を冷却する熱交換部５１と、この熱交換部５１に冷媒流路６により供給される冷媒の流量を制御する制御弁５２と、熱交換部５１から冷媒を排出する冷媒導出経路５３と、温度センサ５０の出力信号により、制御弁５２の開閉を行う制御部５４とを備えている。
この温度調整部２４は、温度センサ５０の検出値が予め設定された設定温度範囲を上回ったときに制御弁５２を開き、設定温度範囲を下回ったときに制御弁５２を閉じるように制御することにより、スプリング２３の温度を所定の設定温度範囲に維持することができるように構成することができる。
次に、過充てん防止弁２０の動作の一例について詳しく説明する。
なお、この過充てん防止弁２０において、弁部２２およびスプリング２３は、図５に示した従来の過充てん防止弁１２０と同様に動作するので、この動作については、説明を省略する。
温度センサ５０の検出値が予め設定された設定温度範囲を上回ると、制御部５４によって制御弁５２が開かれ、冷媒流路６を通して冷媒が熱交換部５１に供給される。これにより、スプリング収納部４０およびスプリング２３が冷却される。
スプリングが冷却されて、温度センサ５０の検出値が上記設定温度範囲を下回ると、制御部５４によって制御弁５２が閉じられ、冷媒導出経路５３を通して冷媒が熱交換部５１から排出される。これにより、スプリングの冷却が終了される。
このようにして、スプリング２３の温度が上記設定温度範囲に維持されると、スプリング２３のばね定数が一定に維持される。その結果、燃料ガス流路２１の開閉の切換が起こる二次側のガス圧が、燃料ガスの温度や外気温などが変化したとしても、一定に維持される。つまり、過充てん防止弁２０が、設定圧力の通りに確実に作動するようになる。
以上説明したように、本実施の形態の燃料充てん装置１は、上述のように、過充てん防止弁２０が、燃料ガス流路２１と、弁体３０によって燃料ガス流路２１を開閉する弁部２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて弁体３０を変位させるスプリング２３と、このスプリング２３の温度を調整する温度調整部２４とを備えているので、温度調整部２４によりスプリング２３の温度が常に所定の設定温度範囲に維持され、過充てん防止弁２０が設定圧力の通りに確実に作動するようになる。このため、過充てん防止弁２０が設定圧力から著しくずれた圧力で作動するなどの不都合が防止される。従って、設定どおりの充てん圧力で充てんすることができる。
また、燃料ガス供給経路３に、燃料ガスを冷却する熱交換器４が設けられているので、温度調整部２４による温度調整に必要なエネルギーをほとんど増大させることなく、燃料ガスを冷却することができる。その結果、水素ガスのように、燃料充てん装置内で温度が上昇しやすい気体でも、燃料ガスの充てん前温度を下げ、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができる。これにより、燃料ガスの充てん速度を高め、短時間で充てんを行うことができる。
さらに、温度調整部２４は、熱交換器４に供給される冷媒を用いて、スプリング２３を冷却することができるので、温度調整部２４への冷媒供給源を熱交換器４への冷媒供給源と別に用意する必要がなくなり、燃料充てん装置１の構成を簡略化することができる。
第２の実施の形態
図３は、本発明の燃料充てん装置の第２の実施の形態を示す概略構成図である。図４は、図３に示す燃料充てん装置に適用することができる過充てん防止弁の一例を示す断面図である。この第２の実施の形態は、ジュールトムソン効果により温度が下がる圧縮天然ガス等に好適である。
図３に示す燃料充てん装置６０は、熱交換器４が設けられておらず、過充てん防止弁６１が図４に示す構成のものであることを除いて、第１の実施の形態の燃料充てん装置１と同様の構成を備えている。
過充てん防止弁６１は、燃料ガス流路２１と、弁体３０によって燃料ガス流路２１を開閉する弁部２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて弁体３０を変位させるスプリング２３と、このスプリング２３の温度を調整する温度調整部６２とを備えている。
温度調整部６２は、スプリング２３の温度を検出する温度センサ６３と、スプリング２３を加熱するヒータ６４と、ヒータ６４に電力を供給する電線６５に設けられたスイッチ６６と、温度センサ６３の検出値に基づいて、スイッチ６６を操作することによってヒータ６４への電力供給および停止を制御する制御部６７とを備えている。
この温度調整部６２は、温度センサ６３の検出値が予め設定された設定温度範囲を下回ったときにスイッチ６６を操作することによってヒータ６４に電力を供給し、設定温度範囲に達したときにスイッチ６６を操作することによってヒータ６４への電力供給を停止するように制御することにより、スプリング２３の温度を所定の設定温度範囲に維持することができるように構成することができる。
本実施の形態の燃料充てん装置６０は、上述のように、過充てん防止弁２０が、燃料ガス流路２１と、弁体３０によって燃料ガス流路２１を開閉する弁部２２と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて弁体３０を変位させるスプリング２３と、このスプリング２３の温度を調整する温度調整部６２とを備えているので、温度調整部６２によりスプリング２３の温度が常に所定の設定温度範囲に維持され、過充てん防止弁２０が設定圧力の通りに確実に作動するようになる。このため、過充てん防止弁２０が設定圧力から著しくずれた圧力で作動するなどの不都合が防止される。従って、圧縮天然ガスのように、燃料充てん装置内で温度が低下しやすい燃料ガスの場合でも、設定どおりの充てん圧力で充てんできる。
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施の形態のみに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、温度調整部として、弁体変位手段の温度を上昇させるヒータと、弁体変位手段の温度を低下させる熱交換器との両方を備え、温度センサの検出値が予め設定された設定温度範囲を上回ったときに熱交換器を作動させて弁体変位手段を冷却し、前記設定温度範囲を下回ったときにヒータを作動させて弁体変位手段を加熱するように制御することにより、スプリングの温度を所定の設定温度範囲に維持することができるようになっているものを用いることができる。
これにより、例えば、燃料充てん装置が設置される環境の温度変動が激しい場合でも、弁体変位手段の温度が所定の設定温度範囲により確実に維持されるようになる。このため、過充てん防止弁が設定圧力から著しくずれた圧力で作動するなどの不都合が防止される。
熱交換器は過充てん防止弁の一次側に設けることもできる。
第３の実施の形態
図５は、本発明の燃料充てん装置の第３の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１は、水素ガス貯留タンク２からの水素ガスを供給する水素ガス供給経路３と、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、水素ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、水素ガスを冷却する熱交換器４と、水素ガス供給経路３に設けられた遮断弁Ｖ２と、水素ガス自動車１２に充てんされる水素ガスの圧力を検出する圧力計５とが、外装体２０６内に設けられたものである。
外装体２０６は、ステンレス等の金属や、アクリル樹脂などのプラスチック等の剛性材料からなる。外装体２０６は、気密構造とすることが好ましいが、必ずしも厳密な気密構造とする必要はなく、熱交換器４で気化した不活性ガスが、外装体２０６内で陽圧を維持できるように、発生量以上に漏出しないようになっていればよい。
熱交換器４は、ステンレスなどからなる容器２２０と、この容器２２０内に配置された水素ガス流通経路２２１とを備えている。水素ガス流通経路２２１は、水素ガス供給経路３に接続されている。また、容器２２０には、液体不活性ガスタンク（図示略）から液体不活性ガス供給経路２２２を介して液体不活性ガスが供給されるようになっている。また、容器２２０には、外装体２０６内に開口された放出口を有する不活性ガス放出経路２２３が接続されており、この不活性ガス放出経路２２３を介して、該容器２２０内で気化した不活性ガスを外装体２０６内に放出することができるようになっている。
熱交換器４は、液面センサ（図示略）により検出された容器２２０内の液体不活性ガスの液面位置に基づいて、容器２２０内への液体不活性ガスの供給量を制御することができるように構成することが好ましい。この構成により、容器２２０内の液体不活性ガスの量をほぼ一定とすることができる。
また、熱交換器４の水素ガス流通経路２２１は、コイル状に形成したり、外周に放熱板を設けることによって、水素ガスと液体不活性ガスとの熱交換効率を高めるように構成することが好ましい。
液体不活性ガスとしては、常温で気体であり、化学的に不活性であって、水素ガスを希釈することにより、水素ガスの引火や爆発を防止できるものが用いられる。具体的には、液体窒素、液体アルゴンなどが例示されるが、価格や供給の安定性などの観点から、液体窒素が好ましい。
水素ガス供給経路３の端部には、フレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。この連絡管１１の他端は、水素ガス自動車１２の燃料タンク１３に接続された水素ガス供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。
符号Ｖ３は、水素ガス自動車１２の水素ガス供給経路１４に設けられた逆止弁であり、燃料タンク１３内の燃料が外部に漏出するのを防ぐことができるようになっている。
さらに、本実施の形態の燃料充てん装置１は、外装体２０６の内圧を検出する圧力センサ２２４と、外装体２０６内のガスを排気する排気経路２２６に設けられた排気弁２２７と、圧力センサ２２４の検出値に基づいて、排気弁２２７の開閉を制御する制御部２２５とを備えた構成とすることが好ましい。
次に、本実施の形態の燃料充てん装置１を用いて、水素ガス自動車１２に水素ガスを充填する方法について説明する。
まず、水素ガス自動車１２への燃料充てんに先立ち、熱交換器４に液体不活性ガスを供給し、熱交換器４の温度を充分に低下させるとともに、前記液体不活性ガスの気化により発生した不活性ガスを外装体２０６内に放出し、該外装体２０６内の空気を追い出して、外装体２０６内を不活性ガス雰囲気とする。
燃料充てんのため、燃料充てん装置１を訪れた水素ガス自動車１２に、連絡管１１を接続する。次いで、遮断弁Ｖ２を開き、貯留タンク２からの水素ガスを水素ガス供給経路３に導入する。水素ガスの供給流量は、流量調整弁Ｖ１によって適切な値に調整することができる。水素ガスは、特に流量調整弁Ｖ１を通過する際に、ジュールトムソン効果により、温度が上昇する。
流量調整弁Ｖ１を経た水素ガスは、熱交換器４の水素ガス流通経路２２１に導入される。液体不活性ガス供給経路２２２により熱交換器４の容器２２０内に液体不活性ガスが導入され、この液体不活性ガスが、水素ガス流通経路２２１内の水素ガスと熱交換されることにより、水素ガスが冷却される。熱交換器４で冷却された水素ガスは、遮断弁Ｖ２、連絡管１１、水素ガス供給経路１４を通して燃料タンク１３に充てんされる。
また、液体不活性ガスは、水素ガス流通経路２２１内の水素ガスを冷却することにより、その一部が気化する。気化した不活性ガスは、不活性ガス放出経路２２３を通して、外装体２０６内に放出される。
熱交換器４には、気化による減少分に応じて、液体不活性ガスを上記液体不活性ガス供給経路２２２から容器２２０に供給することが好ましい。これにより、容器２２０内の液体不活性ガス量を所定量以上に維持できるとともに、外装体２０６内の不活性ガスの圧力を所定値以上に維持することができる。
圧力センサ２２４によって検出された外装体２０６内圧に基づいて、排気弁２２７の開閉を制御することにより、外装体２０６の内圧を陽圧に維持する。
より具体的には、圧力センサ２２４の検出値が予め設定された設定範囲を下回ると、この検出値に応じた検出信号が制御部２２５に送られ、この検出信号に応じた制御信号が排気弁２２７に送られて、この制御信号に応じて排気弁２２７が閉止する。これにより、熱交換器４から放出された不活性ガスは外装体２０６内に滞留し、外装体２０６の内圧を高めることができる。また、圧力センサ２２４の検出値が上記設定範囲を越えると、この検出値に応じた検出信号が制御部２２５に送られ、この検出信号に応じた制御信号が排気弁２２７に送られて、この制御信号に応じて排気弁２２７が開放され、過剰な不活性ガスが排気される。
このように、本実施の形態の燃料充てん装置１は、水素ガスを液体不活性ガスにより冷却する熱交換器４を備えているので、水素ガスを効果的に冷却することができ、低温の水素ガスを燃料タンク１３に充てんすることができる。このため、流量調整弁Ｖ１を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、熱交換器４により冷却することができ、水素ガスの充てん前温度を下げることができる。従って、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができるので、水素ガスの充てん速度を高め、短時間で充てんを行うことができる。
また、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置１の外装体２０６内に放出することができるように構成されているので、外装体２０６を不活性ガス雰囲気に保ち、外装体２０６内の水素ガスや酸素ガスの濃度を常に低く維持することができる。このため、水素ガスの爆発を未然に防止することができる。
このため、液体不活性ガスの気化により発生した不活性ガスを保護ガスとして、燃料充てん装置１に使用される電気部品をＪＩＳ Ｃ ０９３２に規定されている内圧防爆構造とすることができるので、燃料充てん装置１を耐圧防爆構造とする必要はなくなる。従って、比較的簡単な構造により、安価で安全な燃料充てん装置１を実現することができる。
第４の実施の形態
次に、本発明の燃料充てん装置の第４の実施の形態について説明する。図６は、第４の実施の形態の燃料充てん装置２３０の一例を示す概略構成図である。図６において、図５で用いた符号と同一の符号は、図５の構成と同様のものであることを意味し、説明を省略する。
本実施の形態の燃料充てん装置２３０においては、熱交換器４に供給された液体不活性ガスの一部のみが外装体２０６内に放出されるようになっている。
図６に示すように、熱交換器４には、液体不活性ガスの供給経路２２２と排出経路２３１とが接続されている。また、液体不活性ガス排出経路２３１から配管２３２が分岐しており、この配管２３２には蒸発器２３３が接続されており、この蒸発器２３３には、放出弁２３４を備えた不活性ガス放出経路２３５が接続されている。
蒸発器２３３は、放熱板などにより外装体２０６内のガスとの接触面積を大きくして、外装体２０６内のガスとの熱交換により配管２３２内の液体不活性ガスを温めて気化させる装置である。そして、この蒸発器２３３によって気化した不活性ガスは、不活性ガス放出経路２３５を通って外装体２０６内に放出されるようになっている。
また、放出弁２３４は、所定の開度とすることにより、蒸発器２３３からの液体不活性ガスの放出量を調節できるようになっている。
蒸発器２３３としては、例えば、常時一定量の液体不活性ガスを気化させて、得られた不活性ガスを外装体２０６内に放出するものを用いてもよい。また、外装体２０６の内圧を測定する圧力計（図示略）からの検出信号に基づいて、この内圧の減少量に応じた量の液体不活性ガスを気化させるように制御されていてもよい。また、蒸発器２３３による不活性ガスの気化量と、排気弁２２７からの不活性ガスの排出量とが釣り合うように、蒸発器２３３と排気弁２２７とを連動して制御するようにすることもできる。
蒸発器２３３による不活性ガスの気化量を充分に多くできる場合には、排気弁２２７を常に一定の開度で開いていても、外気の進入を阻止できるので、排気弁２２７の開閉を外装体２０６の内圧に基づいて制御しなくてもよい。
このような燃料充てん装置２３０によれば、上記第３の実施の形態の燃料充てん装置１と同様に、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを外装体２０６内に放出することができるように構成されているので、外装体２０６を不活性ガス雰囲気に保ち、燃料充てん装置２３０を内圧防爆構造とすることができる。従って、比較的簡単な構造により、安価で安全な燃料充てん装置２３０を実現することができる。
また、液体不活性ガス供給経路２２２から熱交換器４への液体不活性ガスの供給量を増やし、過剰な液体不活性ガスを液体不活性ガス排出経路２３１により排出することができるので、熱交換器４内の液体不活性ガスの流速を高め、液体不活性ガスと水素ガスとの熱交換効率を向上することができる。このため、熱交換器４の冷却能力を向上することができる。
第５の実施の形態
次に、本発明の燃料充てん装置の第５の実施の形態について説明する。図７は、この燃料充てん装置２４０の一例を示す概略構成図である。図７において、図５、６で用いた符号と同一の符号は、図５、６の構成と同様のものであることを意味し、説明を省略する。
この燃料充てん装置２４０においては、熱交換器２４１は、水素ガスを中間媒体Ｍにより冷却する第１熱交換部２４２と、中間媒体Ｍを液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部２４３とを備えている。
第１熱交換部２４２は、中間媒体Ｍを収容する第１容器２４２ａと、この第１容器２４２ａ内に設けられた水素ガス流通経路２４２ｂを備えている。水素ガス流通経路２４２ｂは、水素ガス供給経路３に接続されている。
また、第２熱交換部２４３は、中間媒体Ｍを収容する第２容器２４３ａと、この第２容器２４３ａ内に設けられた液体不活性ガス流通経路２４３ｂを備えている。液体不活性ガス流通経路２４３ｂは、液体不活性ガス供給経路２２２および液体不活性ガス排出経路２３１に接続されている。
第１容器２４２ａと第２容器２４３ａとは、外部に対して気密に設けられている。
中間媒体Ｍとしては、液体不活性ガスによる冷却により液化し、かつ、固化しない性状を示す流体が望ましい。中間媒体Ｍとしては例えば、メタノール、ジクロロメタン、フロリナートなどを用いることができる。中間媒体Ｍは、第１容器２４２ａおよび第２容器２４３ａ内で、気液平衡下におかれている。
第１容器２４２ａの上部と、第２容器２４３ａの下部とは、第１連絡経路２４４によって接続されている。また、第２容器２４３ａの上部と、第１容器２４２ａの上部とは、第２連絡経路２４５によって接続されている。
これにより、熱交換器２４１は、第１連絡経路２４４を介して、第２容器２４３ａ内の液状の中間媒体Ｍを第１容器２４２ａ内に導入し、この第２連絡経路２４５を介して、第１容器２４２ａ内の気体の中間媒体Ｍを第２容器２４３ａ内に導入することができるようになっている。
熱交換器２４１内の中間媒体Ｍは、第１容器２４２ａと第２容器２４３ａの間を、第１および第２の連絡経路２４４、２４５を介して循環するようになっている。
より具体的には、中間媒体Ｍは、第２容器２４３ａにおいて、液体不活性ガス流通経路２４３ｂを流れる液体不活性ガスにより冷却され、第１連絡経路２４４を介して第１容器２４２ａに移動し、そこで水素ガス流通経路２４２ｂ内を流れる水素ガスを冷却するようになっている。水素ガスから得た熱により気化した中間媒体Ｍは、第２連絡経路２４５を介して第２容器２４３ａに移動し、そこで液体不活性ガス流通経路２４３ｂを流れる液体不活性ガスにより冷却されて、再度液化される。
この熱交換器２４１には、中間媒体Ｍの気相の圧力を測定する圧力指示調節計２４６が設けられており、この圧力指示調節計２４６は、水素ガスの冷却により中間媒体Ｍが気化し、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値以上になると、液体不活性ガス供給経路２２２に設けられた調節弁２４７を開き、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値未満になると、調節弁２４７を閉じるように制御するものである。
これにより、中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値以上になると、液体不活性ガス流通経路２４３ｂに液体不活性ガスを流し、中間媒体Ｍを冷却してその気相の圧力を低下させる。中間媒体Ｍの気相の圧力が規定値未満になると、調整弁２４７を閉じて液体不活性ガスの流通を停止して、中間媒体Ｍの冷却をやめる。
これにより、中間媒体Ｍの気相の圧力を所定の範囲内に維持することができる。すなわち、気液平衡下にある中間媒体Ｍの温度を所定の範囲内に維持することができる。
このような燃料充てん装置２４０によれば、中間媒体Ｍが入れられた熱交換器２４１に液体不活性ガスを供給し、この液体不活性ガスにより中間媒体Ｍを冷却して、その温度を所定の範囲内に調整し、この中間媒体Ｍを用いて水素ガスを冷却することができるので、水素ガスの冷却温度の調節を精度よく行うことができる。
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施の形態のみに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上記実施例では、熱交換器４を外装体２０６内に設置した例により説明を行ったが、これに限定されず、熱交換器４を外装体２０６外に設置することもできる。この場合は、熱交換により気化した不活性ガスを外装体２０６内に導入することにより同様の効果を得ることができる。
また例えば、外装体２０６に酸素濃度計や水素濃度計を取り付け、外装体２０６内の酸素や水素の濃度を監視するようにしてもよい。この場合、これらのガス濃度計の検出値に基づいて、液体不活性ガス供給経路２２２の流量や、蒸発器２３３の気化量、排気弁２２７の開閉などを制御し、酸素や水素の濃度が高まる前に液体不活性ガスの供給量を増やし、この不活性ガスにより酸素や水素を希釈して排出するようにすれば、安全性を一層向上することができる。
第６の実施の形態
図８は、本発明の燃料充てん装置の第６の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１は、水素ガス貯留タンク２からの水素ガスを供給する供給経路３と、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁Ｖ１と、水素ガスの流量を測定し積算する積算流量計Ｆ１と、供給経路３に設けられた遮断弁Ｖ２と、水素ガスを冷却する熱交換器４（冷却手段）とを備えている。
流量調整弁Ｖ１の一次側（水素ガス流れ方向の上流側）および二次側（下流側）の供給経路３には、それぞれ水素ガス温度を検出する第１および第２温度計１６、１７が設けられている。
熱交換器４の二次側の供給経路３には、充てんされる水素ガスの温度を検出する充てんガス温度計１８（充てんガス温度検出手段）と、充てんされる水素ガスの圧力を検出する圧力計１９（圧力検出手段）とが設けられている。
熱交換器４は、水素ガスを流通させる水素ガス流通管４ａを備え、水素ガス流通管４ａ内の水素ガスを、冷媒を用いて冷却することができるようになっている。
熱交換器４としては、エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を用いることができる。この場合には、熱交換器４に冷媒を循環させる循環経路を接続する。また、空気を冷媒とするプレートフィン式熱交換器を用いることもできる。
また、液体窒素、フロン等の冷媒により水素ガスを直接冷却したり、液体窒素、フロン等で別の冷媒を冷却し、該冷媒で水素ガスを冷却する熱交換器等を使用しても良い。
なお、これらの構成機器は必ずしも燃料充てん装置内に納める必要はなく、例えば流量調整弁を水素ガス貯留タンク２に近い場所に別置きとすると、流量調整弁を通過して温度上昇した水素ガスが、熱交換器に到るまでに空冷され、熱交換器での冷却エネルギーを省力化することができる。
供給経路３の端部には、燃料充てん装置１からの水素ガスを水素自動車１２に供給するフレキシブルホースなどの連絡管１１の一端が接続されている。
連絡管１１の他端は、水素自動車１２内の供給経路１４に、カプラー（図示略）を介して接続することができるようになっている。
符号Ｖ３は、水素自動車１２の供給経路１４に設けられた逆止弁であり、燃料タンク１３内の燃料が外部に漏出するのを防ぐことができるようになっている。
次に、燃料充てん装置１を用いて、水素自動車１２の燃料タンク１３に水素ガスを充填する方法について説明する。
燃料充てんのため燃料充てん装置１を訪れた水素自動車１２に、連絡管１１を接続する。
次いで、遮断弁Ｖ２を開き、貯留タンク２からの水素ガスを供給経路３に導入する。この水素ガスの供給流量は、流量調整弁Ｖ１によって適切な値に調整することができる。
水素ガスは、流量調整弁Ｖ１を通過する際に、ジュールトムソン効果により温度が上昇する。
熱交換器４において、水素ガスは冷媒により冷却される。熱交換器４としてチラー冷却器を用いる場合には、水素ガスは冷媒であるエチレングリコールにより冷却される。
熱交換器４で冷却された水素ガスは、連絡管１１、供給経路１４を通して燃料タンク１３に充てんされる。
燃料充てん装置１は、水素ガスを冷却する熱交換器４を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンク１３に充てんすることができる。
このため、流量調整弁Ｖ１を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンク１３の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンク１３の温度を確実に設定温度以下に維持することができる。
また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンク１３の温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
第７の実施の形態
図９は、本発明の燃料充てん装置の第７の実施形態を示すものである。
ここに示す燃料充てん装置１０は、水素ガスの供給量を制御する制御手段１５を備えている点で図８に示す燃料充てん装置１と異なる。
図１０に示すように、制御手段１５は、温度履歴データベース３２１が格納された記憶部３２２と、流量調整弁Ｖ１の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部３２３と、検出値や演算結果を表示する表示部３２４と、設定値などを入力する入力部３２５とを有する。
温度履歴データベース３２１は、充てん前の燃料タンク１３内の温度Ｔ１（充てん前タンク内温度）と、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度Ｔ２（充てんガス温度）と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含む。
すなわち、温度履歴データベース３２１は、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αとを、それぞれ所定の値に設定して実際に燃料タンクへの燃料充てん試験を行い、その際の燃料タンク内の温度変化を調べた結果を含むものである。
なお、この燃料充てん試験では、タンク内圧力がゼロから設計圧力（例えば３５ＭＰａ）となるまで燃料充てんを行うのが好ましい。燃料タンクとしては、水素自動車に標準的に用いられる、１５０リットル容量の燃料タンクを使用するのが好ましい。
温度履歴データベース３２１は、キーボードなどの入力手段を使用して任意に入力および更新が可能である。
充てん前タンク内温度Ｔ１とは、燃料を充てんする前の燃料タンク１３内の温度である。充てん前タンク内温度Ｔ１は、通常、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられる。
水素自動車１２の使用が想定できる環境中の気温を−４０〜５０℃の範囲に想定する場合には、充てん前タンク内温度Ｔ１も−４０〜５０℃の範囲であると考えることができる。
充てんガス温度Ｔ２は、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度であり、熱交換器４の冷却能力や設定に応じて定めることができる。
例えば５０ｗｔ％エチレングリコールを冷媒とするチラー冷却器を熱交換器４として用いる場合には、充てんガス温度Ｔ２は、最低冷却温度である−２０℃を下限とし、上限を１０℃とする範囲に想定することができる。
流量調整弁Ｖ１の開放速度αは、貯留タンク２の圧力に基づき所定の時間内にどの程度開度を大きくするかを示すものである。
例えば弁座に形成された開口部を塞ぐ弁体と、これに接続されたスピンドルを備えた流量調整弁Ｖ１では、所定時間に、開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離を、開放速度αとすることができる。スピンドルの移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表すことができる。開放速度αの具体例としては、３０秒間あたりのスピンドル移動距離（％）を挙げることができる。
なお、本発明では、流量調整弁の開放速度に代えて、流量調整弁の開度を使用することもできる。
すなわち、本発明でいう「流量調整弁の開度」とは、開度を大きくする速度である開放速度であってもよいし、開度そのものであってもよい。
なお、貯留タンク２は、複数でもよく、低圧の貯留タンクから高圧側に順次切り換えて充てんする方法にも適用できる。
次に、図９〜図１２を参照して、燃料充てん装置１０を用いた場合を例として、本発明の燃料充てん方法の第７の実施形態を説明する。
温度履歴データベース３２１には、あらかじめ、燃料充てん装置１０が設置された地域の過去における気温を、時期や時刻ごとに入力しておく。
なお、温度履歴データベース３２１には、燃料充てん装置１０の設置場所が限定されないようにするため、燃料充てん装置１０の設置が想定されるすべての地域における気温データを入力しておくことができる。
ここに示す充てん方法では、制御部３２３において、以下の（１）〜（３）に示す演算処理を行い、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを決定する。
（１）充てん前タンク内温度Ｔ１の予測
水素ガスを水素自動車１２に充てんする時点での気温を、温度履歴データベース３２１内の過去の気温データから予測する。
気温の予測は、過去の同時期（同日）および同時刻における気温や、充てん時の天候などに基づいて行うことができる。
貯留タンク２が燃料充てん装置１０の近くに設置されている場合には、貯留タンク２内の温度は、燃料充てん装置１０付近の気温に応じたものとなるため、貯留タンク２内の温度に基づいて気温を予測してもよい。例えば充てん時の気温は貯留タンク２内温度とほぼ同じであると考えることができる。この場合には、貯留タンク２に温度計（温度検出手段）を設置し、検出値に基づく検出信号を制御部３２３に入力できるようにすればよい。
なお、充てん時の気温は、気温計（気温検出手段）を用いて直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部３２３に入力できるようにすればよい。
充てん前タンク内温度Ｔ１は、水素自動車１２が走行する環境における気温の影響を受けると考えられるため、上記予測または測定された気温に基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を予測することができる。例えば充てん前タンク内温度Ｔ１は、上記気温とほぼ同じであると考えることができる。
図１１に示す例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、−４０〜５０℃の範囲で、１０℃ごとに９段階が想定されている。
この例では、充てん前タンク内温度Ｔ１は、９段階の想定温度のうち、２０℃であると予測されている。
充てん時の気温予測値が上記９段階の想定温度のいずれにも該当しない場合には、上記９段階の想定温度のなかから予測値に最も近い値（好ましくは予測値よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てん前タンク内温度Ｔ１とすればよい。
また、予測値の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てん前タンク内温度Ｔ１を決定してもよい。
（２）充てんガス温度Ｔ２の設定
熱交換器４の設定等に基づいて、燃料タンク１３に充てんする水素ガスの温度を定める。
図１１に示す例では、充てんされる水素ガスの温度は、熱交換器４の設定に応じて−１０〜１０℃の範囲で５℃ごとに５段階が想定されている。
この例は、熱交換器４のフル稼働させた場合に関するものであり、充てんガス温度Ｔ２は、５段階の温度のうち、最低冷却温度である−１０℃とされている。
実際に充てんされる水素ガスの温度（実際の充てん温度）が上記５段階の温度のいずれにも該当しない場合には、上記５段階の温度のなかから実際の充てん温度に最も近い値（好ましくは実際の充てん温度よりも高く、かつ最も近い値）を選択し、これを充てんガス温度Ｔ２とすればよい。また、実際の充てん温度の前後の想定温度に関するデータに基づいて、データを補完し、この補完データに基づいて充てんガス温度Ｔ２を決定してもよい。
なお、充てんガス温度Ｔ２は、充てんガス温度計１８によって直接測定してもよい。この場合には、検出値に基づく検出信号を制御部３２３に入力できるようにすればよい。
（３）流量調整弁Ｖ１の開放速度αの設定
図１１に示す例では、開放速度αは次の３段階が想定されている。
α１：３０秒間で１００％開放
α２：３０秒間で７５％開放
α３：３０秒間で５０％開放
開放速度αは、３０秒間に、流量調整弁Ｖ１の開口部が塞がれた状態（開度ゼロ）から、開度が大きくなる方向へスピンドルが移動した距離で表されている。スピンドル移動距離は、スピンドルの全移動距離に対する百分率で表されている。
図１２は、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃であるときに、開放速度をα１〜α３のうちいずれか設定した場合における、充てん時の燃料タンク１３内の温度の経時変化を示すものである。
図示例においては、燃料タンク１３の設計温度は８５℃とされているため、タンク内温度を８５℃以下にする必要がある。
図１２（ａ）に示すように、開放速度をα１とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃を越えてしまう。
図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に示すように、開放速度をα２またはα３とした場合には、充てん時のタンク内温度が設計温度８５℃以下となる。
開放速度をα２とした場合とα３とした場合とを比較すると、より高い開放速度α２の方が充てん速度を高くすることができるため、開放速度α２が選択される。
制御部３２３において、上記（１）〜（３）が行われ、流量調整弁Ｖ１の開放速度α２が選択されると、開放速度α２に応じた制御信号が流量調整弁Ｖ１に向けて送出される。流量調整弁Ｖ１では、この制御信号に基づいて、開度が開放速度α２で大きくなる。
これによって、流量調整弁Ｖ１の開度に応じた流量の水素ガスが、貯留タンク２から供給経路３、連絡管１１を通して水素自動車１２の燃料タンク１３に充てんされる。
充てん時の燃料タンク１３内の温度は、図１２（ｂ）に示したものに近い経時変化を示すため、タンク内温度は設計温度以下に保たれる。
なお、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示す温度変化データは、充てん開始時のタンク内圧力をゼロとした場合のものである。
通常、燃料充てんのため燃料充てん装置１０を訪れる水素自動車１２は、燃料タンク１３内の水素ガス量はゼロでなく、燃料タンク１３内に水素ガスが残留していると考えられる。この場合には、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合に比べ、新たに充てんできる燃料の量が少なくなることから、充てん時の温度上昇幅は低く抑えられることになる。
従って、充てん開始時のタンク内圧力がゼロである場合（図１２（ａ）〜図１２（ｃ））に基づいて開放速度αを設定しても安全上の問題は生じない。
上記燃料充てん装置１０では、温度履歴データベース３２１を格納した記憶部３２２を有する制御手段１５を備えているので、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
従って、燃料タンク１３の温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。
なお、燃料タンク１３への燃料充てん量（タンク１３の設計圧力に対する充てん圧力）が１００％未満である場合（例えば充てん量５０％である場合）には、次に示す充てん方法が可能である。
水素自動車１２の供給経路１４には逆止弁Ｖ３が設けられているため、供給する水素ガス圧力が燃料タンク１３内の圧力より大きくなったときにはじめて水素ガスが供給される。
従って、水素ガス充てん開始時の水素ガス圧力（充てん開始圧力）は、燃料タンク１３内の圧力（残留ガス圧力）とほぼ等しいことになり、この圧力は、圧力計９によって検出することができる。
あらかじめ、温度履歴データベース３２１に、充てん開始時圧力ごとの充てん時のタンク内温度変化のデータを用意しておくことによって、タンク内の水素ガス量が、目的とする充てん量に達するまでの時間を予測することができる。
すなわち、温度Ｔ１、Ｔ２と、開放速度αと、充てん開始時圧力と、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、上記目的充てん量に達するまでの時間内で設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択することができる。
これによって、燃料タンク１３の温度を確実に低く維持し、かつ充てん操作を容易にすることができる。
次に、図１３を参照して、本発明の燃料充てん方法の他の例を説明する。
この充てん方法では、充てん時間を極力短くすることを目的とする「急速充てん」と、タンク温度低く抑え、かつ充てん量を多くすることを目的とする「量充てん」のうちいずれかを選択できる。
まず、急速充てんについて説明する。
急速充てんでは、上記第７の実施形態の方法と同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度変化との関係に関するデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度を選択する。
例えば、図１２に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、最も大きな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα２を選択することができる。
なお、熱交換器４の冷却能力が充分大きく、流量調整弁Ｖ１の開度を最大としてもタンク内温度が設計温度を越えない場合には、常に最も大きな流量調整弁Ｖ１の開度が選択されるようにしてもよい。
次に、量充てんについて説明する。
まず、急速充てんと同様にして、充てん前タンク内温度Ｔ１、充てんガス温度Ｔ２を決定する。
量充てんでは、急速充てんと異なり、流量調整弁Ｖ１の開放速度αを選択するに際して、設計温度を越えない範囲で最も高い開放速度αではなく、比較的低い開放速度αを選択する。
例えば、図１２に示すように、充てん前タンク内温度Ｔ１が２０℃であり、充てんガス温度Ｔ２が−１０℃である場合には、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、比較的小さな流量調整弁Ｖ１の開放速度であるα３を選択することができる。
この方法では、急速充てんに比べ、充てんに要する時間は長くなるが、充てん速度が低くなるため、タンク内温度を低く抑えることができる。
従って、水素ガス充てん量を多くすることが可能となる。
急速充てんは、タンク内の残留水素ガス量が多く、充てんするべき水素ガス量が少ない場合に用いるのが好ましい。充てん量が少ない場合には充てん速度が速くてもタンク内の温度上昇幅が小さくなるためである。
量充てんは、タンク内の残留水素ガス量が少なく、充てんするべき水素ガス量が多い場合に用いるのが好ましい。充てん量が多い場合には、タンク内の温度が上昇しやすいためである。
急速充てんと量充てんとの選択は、利用者側（水素自動車１２の利用者側）が行ってもよいし、従業員側（燃料充てん装置１の取扱者側）が行ってもよい。
また、利用者が多い繁忙時期には、急速充てんを選択して利用者あたりの充てん時間を短くするのが好ましい。これによって、利用者数を多くすることができる。
一方、利用者が少ない閑散時期には、量充てんを選択し、利用者あたりの充てん量を多くするのが好ましい。
また、外気温が低い場合には、熱交換器４を使用せずに十分な水素ガス冷却が可能となることがある。このため、外気温に応じて熱交換器４の使用および不使用を選択することができるようにすれば、エネルギー消費を最小限に抑えることができ、コスト面で有利となる。
また、温度履歴データベースには、容量が異なる複数種の燃料タンクに応じた温度データを格納しておき、充てん対象となる燃料タンクの容量に応じた温度データに基づいて流量調整弁Ｖ１の開度を調整するのが好ましい。
なお、上記実施形態の充てん方法では、充てん前タンク内温度Ｔ１と、充てんガス温度Ｔ２と、流量調整弁Ｖ１の開放速度αと、充てん時のタンク内温度との関係を示すデータを取得し、これに基づいて開放速度αを選択するが、本発明の充てん方法はこれに限らず、これらのデータから得られた計算式に基づいて、充てん時のタンク内温度を求めることも可能である。
この場合には、算出されたタンク内温度に基づいて、開放速度αを選択する。
なお、上記実施形態では、流量調整弁の二次側に熱交換器を設けて、水素ガスの冷却を行ったが、各構成機器および配管に冷却機能を付与することで同様の冷却をおこなうこともできる。
また熱交換器は、流量調整弁の二次側に配置したが、流量調整弁を熱交換器の二次側に設けることもできる。この場合には、温度抑制効果は小さくなるが、上記実施形態の方法と同様に、水素ガスの温度抑制および流量調整という効果を得ることができる。
本発明では、流量調整弁を備えていない構成も可能である。
以上第１、２の実施の形態で説明したように、本発明の燃料充てん装置は、燃料ガス流路と、弁体によって前記燃料ガス流路を開閉する弁部と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて前記弁体を変位させる弁体変位手段と、この弁体変位手段の温度を調整する温度調整部とを備えた過充てん防止弁を具備しているので、燃料ガスの温度と過充てん防止弁の作動温度との差が大きい場合でも、温度調整部により弁体変位手段の温度が設定温度範囲に維持される。従って、過充てん防止弁が設定圧力の通りに確実に作動するようになる。特に、連続的に充てんが行われる場合には効果的である。
このような燃料充てん装置においては、燃料ガス供給経路に、燃料ガスを冷却する熱交換器を設けることができる。これにより、温度調整部による温度調整に必要なエネルギーをほとんど増大させることなく、燃料ガスを冷却することができる。
この場合、前記温度調整部は、前記熱交換器に供給される冷媒を用いて、前記弁体変位手段を冷却することができるようになっていることが好ましい。これにより、温度調整部への冷媒の供給が実施しやすくなる。
以上第３、４、５の実施の形態で説明したように、水素ガスを冷却する熱交換器を備えた燃料充てん装置によれば、水素ガスを冷却してから自動車の燃料タンクに充てんすることができる。これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
また、液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっている燃料充てん装置を用いることもできる。
これにより、液体窒素などの液体不活性ガスにより、水素ガスを冷却してから、自動車の燃料タンクに充てんすることができる。これにより、水素ガスの急激な温度上昇を抑制し、水素ガスを急速充てんすることができる。
また、水素ガスの冷却により気化した不活性ガスを、燃料充てん装置内に放出することにより、燃料充てん装置内を不活性ガス雰囲気にし、水素ガスの爆発を防止することができるので、比較的単純な構成で、水素ガスの急速充てんを安全に行うことができるとともに、燃料充てん装置の防爆構造をより簡易なものにし、燃料充てん装置の小型化、低価格化を達成することができる。
さらに、熱交換器として、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部とを備えたものを用いることにより、中間媒体が入れられた第２熱交換部に液体不活性ガスを供給し、この液体不活性ガスにより中間媒体を冷却して一定の温度に制御し、この中間媒体を用いて水素ガスを冷却することができるので、水素ガスの冷却温度の制御を精度よく行うことができる。
以上第６、７の実施の形態で説明したように、本発明の燃料充てん装置は、水素ガスを冷却する熱交換器を備えているので、低温の水素ガスを燃料タンクに充てんすることができる。
このため、流量調整弁を通過する際に水素ガス温度が上昇した場合でも、燃料タンクの温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
従って、燃料タンクの温度を確実に設定温度以下に維持することができる。また、充てん操作の際に燃料タンクの温度を測定する従来の充てん方法に比べ、燃料タンクの温度管理が容易となるため、簡単な操作で燃料充てんを行うことができる。
また、温度履歴データベースを格納した記憶部を有する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを有する構成によって、温度履歴データベース内のデータに基づいて、タンク内温度が設計温度を越えない範囲で、大きな流量調整弁の開度を選択することができる。
従って、燃料タンクの温度を低く維持し、かつ充てん時間を短縮することが可能となる。

Claims (10)

1. 自動車に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路に過充てん防止弁を設けた燃料充てん装置であって、
   前記過充てん防止弁は、燃料ガス流路と、弁体によって前記燃料ガス流路を開閉する弁部と、燃料ガスの充てん圧力に基づいて前記弁体を変位させる弁体変位手段と、この弁体変位手段の温度を調整する温度調整部とを備えていることを特徴とする燃料充てん装置。
2. 燃料ガス供給経路に、燃料ガスを冷却する熱交換器を備えていることを特徴とする請求の範囲１に記載の燃料充てん装置。
3. 前記温度調整部は、前記熱交換器に供給される冷媒を用いて、前記弁体変位手段を冷却することができるようになっていることを特徴とする請求の範囲２に記載の燃料充てん装置。
4. 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充填する燃料充てん装置であって、
   水素ガスを冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料充てん装置
5. 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
   液体不活性ガスを冷媒として水素ガスを冷却する熱交換器を備え、この熱交換器は、水素ガスとの熱交換により液体不活性ガスが気化して得られた不活性ガスを燃料充てん装置内に放出することができるようになっていることを特徴とする燃料充てん装置。
6. 前記熱交換器は、水素ガスを中間媒体により冷却する第１熱交換部と、中間媒体を液体不活性ガスにより冷却する第２熱交換部とを備えていることを特徴とする請求の範囲５に記載の燃料充てん装置。
7. 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに水素ガスを充てんする燃料充てん装置であって、
   水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、この流量調整弁を経た水素ガスを冷却する冷却手段とを備えたことを特徴とする燃料充てん装置。
8. 水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、
   温度履歴データベースは、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものであることを特徴とする請求の範囲８記載の燃料充てん装置。
9. 水素ガスを燃料とする水素ガス自動車の燃料タンクに、燃料充てん装置を用いて水素ガスを充てんする方法であって、
   燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を調整する流量調整弁と、水素ガスを冷却する冷却手段とを備え、
   流量調整弁を経た水素ガスを、冷却手段を用いて冷却した後に燃料タンクに充てんすることを特徴とする燃料充てん方法。
10. 燃料充てん装置が、水素ガスの供給量を制御する制御手段を備え、この制御手段が、温度履歴データベースが格納された記憶部と、温度履歴データベース内のデータに基づいて流量調整弁の開度調節により水素ガス供給流量を制御する制御部とを備え、
    温度履歴データベースは、充てん前の燃料タンク内の温度と、燃料タンクに充てんする水素ガスの温度と、流量調整弁の開度と、充てんの際の燃料タンク内の温度との関係を示すデータを含むものであることを特徴とする請求の範囲１１記載の燃料充てん方法。

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