KR20210114339A

KR20210114339A - 충전장치

Info

Publication number: KR20210114339A
Application number: KR1020210027810A
Authority: KR
Inventors: 유이치 요시다
Original assignee: 가부시끼가이샤 다쓰노
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-09-23
Also published as: KR102538206B1; EP3879165A1; JP7022396B2; US20210285602A1; JP2021143684A; CN113375043A

Abstract

[과제] 수소충전 시에 단일 수소저장용기를 가능한 한 오랜 시간 사용할 수 있으며, 유량조정밸브의 개도를 소정의 범위 내로 유지할 수 있는 충전장치를 제공한다.
[해결수단] 본 발명의 충전장치(100)는 복수의 수소저장용기(20: 예를 들면, 수소 봄베 또는 수소저장용 탱크)와, 충전호스(8)와 수소저장용기(20)를 연통하는 배관(1)과, 당해 배관(1)에 개장된 유량조정밸브(3)와, 제어유닛(10)을 구비하며, 제어유닛(10)은 충전호스(8)에 연통하는 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0: 요구 압력)을 조정하는 기능을 가진다.

Description

충전장치{FEUL FILLING APPARATUS}

본 발명은 예를 들어 수소가스와 같은 연료가스를 충전하는 충전장치에 관한 것이다.

최근, 연료전지를 탑재한 차량(연료전지 자동차: FCV)의 개발·보급에 따라 수소 스테이션(예를 들어 특허문헌 1 참조)의 설치 개소를 증가하는 것이 중요시되고 있다.

수소 스테이션에는 수소충전장치가 설치되어 있으며, 수소충전장치에 의해 수소 스테이션에 도착한 상기 차량의 탑재 탱크 내에 소정의 압력범위 내에서 수소를 충전하고 있다.

연료전지 차량이 수소 스테이션으로 수소를 충전함에 있어, 종래기술에서는 후방 설비로서 최대 충전압이 다른 복수의 수소저장용기(예를 들어 수소 봄베 혹은 수소 저장용 탱크)를 설치하여 당해 수소저장용기로부터 수소충전장치에 수소를 공급하고 있다. 수소 공급의 결과로 수소저장용기 내의 압력이 강압하여 수소충전장치측에서 요구하는 압력(필요압)보다 저압이 되었을 때에는 필요압보다 고압인 다른 수소 저장 용기로 전환한다. 그리고 압력이 하강된 수소저장용기는 소정의 절차에 따라 교환한다.

이러한 타입의 후방 설비에서는 단일의 수소저장용기를 가능한 한 오랜 시간 사용하는 것이 바람직하며, 다른 수소저장용기로 전환하는 타이밍을 가능한 한 늦추는 것이 효율적이다.

여기서, 수소충전장치의 수소 배관 중에는 유량조정밸브가 설치되어 있으나, 수소 충전에 있어서는 유량조정밸브의 열림량을 크게 변동하는 것보다는 소정의 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.

그러나 수소 충전에 있어서는 수소를 충전해야 하는 용기(예를 들어 연료전지 차량의 수소탱크)의 압력 및 온도를 충전 프로토콜에 따라 소정 범위 내로 유지해야 한다. 그 때문에 유량조정밸브의 개도를 소정의 범위 내로 유지하는 것보다 충전 프로토콜에 따라 충전 압력을 제어하는 것이 우선되어, 단일의 수소저장용기를 가능한 한 오랜 시간 사용하는 것이 어려웠다.

같은 이유로 유량조정밸브의 개도를 소정의 범위 내로 유지하는 것이 곤란했다.

일본 특개2000-166635호 공보

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 수소 충전 시에 단일 수소저장용기를 가능한 한 오랜 시간 사용할 수 있으며, 유량조정밸브의 개도를 소정의 범위 내로 유지할 수 있는 충전장치의 제공을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 충전장치(100)는 복수의 수소저장용기(20: 예를 들어 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크)와, 충전호스(8)와 수소저장용기(20)를 연통하는 배관(1)과, 당해 배관(1)에 마련된 유량조정밸브(3)와, 제어유닛(10)을 구비하고,

제어유닛(10)은 충전호스(8)에 연통하는 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0:요구 압력)을 조정하는 기능과, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 조정하는 기능을 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어유닛(10)은 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 유량조정밸브(3)의 부담이 적은 범위(예를 들어 70~80%)로 조정하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 충전장치(100)에 있어서, 상기 제어유닛(10)은 예를 들어 수소저장용기(20: 예를 들어, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크) 내 압력(P)이 강압하여 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0: 요구 압력: 탱크 전환 임계값)에 근접한 경우에 상기 임계값(P0)을 저하하고, 수소저장용기 내 압력(P)이 상기 임계값(P0)과 같아지는 타이밍을 늦추는 기능을 가지는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 충전장치(100)에 있어서, 상기 제어유닛(10)은 토출압력(P1)과 충전 프로토콜에서의 상한값을 비교하여 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 상한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 감소하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.

혹은, 상기 제어유닛(10)은 토출압력(P1)과 충전 프로토콜의 하한값을 비교하여 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 증가하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.

상술한 수소충전장치(100)를 이용한 본 발명에서의 수소충전방법은, 복수의 수소저장용기(20: 예를 들어, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크)와, 충전호스(8)와 수소저장용기(20)를 연통하는 배관(1)과, 당해 배관(1)에 구비된 유량조정밸브(3)와 제어유닛(10)을 구비한 충전장치(100: 청구항 1의 충전장치)를 이용한 충전방법에 있어서, 충전호스(8)에 연통하는 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0:요구 압력)을 조정하는 공정과, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 조정하는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)는 유량조정밸브(3)의 부담이 적은 범위(예를 들어 70~80%)로 조정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 충전방법에 있어서, 예를 들어 수소저장용기(20: 예를 들어, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크) 내 압력(P)이 하락해서 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0:요구 압력:탱크 전환 임계값)에 근접한 경우에, 상기 임계값(P0)을 저하하여 수소저장용기 내 압력(P)이 상기 임계값(P0)과 같아지는 타이밍을 늦추는 공정을 가지는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 충전방법에 있어서, 토출압력(P1)과 충전 프로토콜에서의 상한값을 비교하는 공정과, 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 상한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 감소시키는 공정을 가지는 것이 바람직하다. 혹은, 토출압력(P1)과 충전 프로토콜에서의 하한값을 비교하는 공정과, 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 증가하는 공정을 가지는 것이 바람직하다.

상술한 구성을 구비하는 본 발명에 따르면, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0: 요구 압력)을 조정하는 기능과, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 조정하는 기능을 가지고 있으므로, 수소저장용기(20: 예를 들면, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크) 내 압력(P)이 강압하여 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0: 요구 압력: 탱크 전환 임계값)에 근접하면, 당해 임계값(PO)을 저하하여, 수소저장용기 내 압력(P0)이 입계값(P0)과 같아지는 타이밍(탱크 전환 임계값(P0)의 특성곡선과, 탱크 내 압력(P)의 특성곡선이 교차하는 타이밍)을, 종래기술에서의 당해 타이밍에 비교하여 지연시켜서, 그 만큼 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 늦출 수 있다.

그러나, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)을 저하시켜, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 늦추는 제어를 실행할 때, 수소충전장치(100)의 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 범위(상한 임계값 및 하한 임계값)에서 벗어나지 않도록 할 필요가 있다.

이에 대하여 본 발명에 의하면, 유량조정밸브 개도(VO)를 적정한 범위 내로 유지함으로써, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)이 저하하면, 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값을 밑돌게 될 가능성이 있는 경우에는, 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 해서 토출압력(P1)을 승압시켜 충전 프로토콜의 하한값을 밑도는 것을 방지할 수 있다.

마찬가지로, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)을 저하시켜 토출압력(P1)이 저하됨으로써 충전 프로토콜의 목표값(PT)에서 이격할 우려가 있는 경우에도 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 하여 토출압력(P1)을 증가시켜 충전 프로토콜의 목표값(PT)에 근접할 수 있다.

또한, 유량조정밸브 개도(VO)를 적정한 범위 내로 유지함으로써 유량조정밸브 개도(VO)가 큰(예를 들어 80% 이상) 경우에, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)이 상승하여도, 유량조정밸브 개도(VO)를 작게 함으로써 토출압력(P1)을 충전 프로토콜의 상한 압력으로부터 멀리 떨어져 낮게 유지할 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0: 요구 압력)을 조정하고, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 조정함으로써 충전 프로토콜에 따라 충전 압력을 제어하면서, 단일의 수소저장용기(20)를 가능한 한 장시간 사용하는 것이 가능하며, 유량조정밸브 개도(VO)를 가장 부담이 적은 범위(예를 들면 70%~80%)로 유지하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 충전장치의 개요를 나타낸 설명도이다.
도 2는 도시한 실시형태에서의 제어유닛을 나타낸 기능 블록도이다.
도 3은 실시형태에서의 각종 파라미터의 개요를 나타낸 특성도이다.
도 4는 실시형태의 각종 파라미터의 개요를 나타낸 도 2와는 다른 특성도이다.
도 5는 실시형태의 각종 파라미터의 개요를 나타낸 도 2, 도 3과는 다른 특성도이다.
도 6은 실시형태의 각종 파라미터의 개요를 나타낸 도 2 내지 도 4와는 다른 특성도이다.
도 7은 실시형태에서의 제어를 나타낸 플로우차트이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 도시한 실시형태에서는 충전해야 할 기체는 수소인 경우를 나타내고 있으나, 그 외의 기체의 충전에도 도시한 실시형태에 관한 충전장치를 적용하는 것이 가능하다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시형태에 관한 수소충전장치의 개요를 설명한다.

도 1에서 전체를 부호 100으로 나타내는 수소충전장치는 수소공급배관(1)과 제어유닛(10)을 구비하고 있다.

수소공급배관(1)의 상류측은 수소가스 공급원인 수소저장용기(20)(예를 들어, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크)에 연결되고, 수소공급배관(1)의 하류측은 충전호스(8) 및 충전노즐(9)에 연통하고 있으며, 충전시에는 차량(30)(연료전지 자동차)의 차량측 탱크(31)에 접속된다. 그리고 수소공급배관(1)에는 유량계(2), 유량조정밸브(3)(압력조정밸브), 냉각유닛(4)(가스관로 냉각유닛), 차단밸브(5)가 도중에 설치되어 있다.

수소저장용기(20)는 복수개(도 1에서는 3개) 설치되어 있으며, 복수개의 수소저장용기(20) 각각의 최대 충전압은 서로 다르다. 차량(30)에 수소충전을 실시한 결과, (수소 공급 중의) 수소저장용기(20) 내의 압력이 강압하여 수소충전장치(100)측에서 요구하는 압력(필요압)보다 저압이 되었을 때는, 필요압보다 고압으로 수소가 충전되고 있는 다른 2개의 수소저장용기(20) 중 어느 한쪽으로 전환한다.

도 1에서 부호 20은 복수개(3개)가 준비된 수소저장용기를 포괄적으로 나타내고 있는데, 본 명세서에서는 단일 수소저장용기에 부호 20을 붙여 표현하는 경우가 있다.

수소저장용기(20)에 저장되어 있는 수소는 수소공급배관(1)을 통해 유량계(2), 유량조정밸브(3), 냉각유닛(4), 차단밸브(5)를 경유하여 충전호스(8) 및 충전노즐(9)을 통해 연료전지 자동차(30)의 차량측 탱크(31)에 공급된다.

도 1에서 제어유닛(10)은 계측신호라인(Si1)을 통해 유량계(2)의 계측결과를 취득하고, 제어신호라인(So1)을 통해 유량조정밸브(3)에 제어신호를 송신한다. 또 제어유닛(10)은 충전을 종료, 혹은 중지할 때에 유량조정밸브(3), 차단밸브(5)에 대하여 각각 제어신호라인(So1, So2)을 통해 제어신호를 송신하고, 유량조정밸브(3), 차단밸브(5)를 폐쇄하는 기능을 가지고 있다.

냉각유닛(4)은 수소 충전시에 충전하는 수소의 온도를 저하시키는 기능을 가지고 있으며, 예를 들면 기존의 열교환장치 타입이 이용된다.

차량측 탱크 내의 압력, 탱크 내 온도, 그 외의 정보는 차량통신충전시스템에 의해 계측신호라인(Si2)을 통하여 제어유닛(10)에 송신된다.

충전장치(100)측에서는 차량측 탱크(31) 내의 압력, 온도, 그외의 정보에 근거하여 유량계(2), 유량조정밸브(3), 차단밸브(5) 등과 필요한 정보 및 신호를 주고 받으며, 예를 들면 차량측 탱크(31) 내부와의 압력차에 대응하여 충전 프로토콜에 따라 수소가스를 차량측 탱크(31)에 공급한다.

도 1에서 수소충전장치(100)의 수소공급배관(1)에는 입구 압력계(11)(입구 압력센서), 토출 압력계(12)(토출 압력센서)가 도중에 설치된다. 입구 압력계(11)는 수소공급배관(1) 내의 수소저장용기(20)측 영역에서의 압력을 계측하여 계측신호라인(Si3)을 통해 계측 결과를 제어유닛(10)에 송신한다. 토출 압력계(12)는 수소공급배관(1) 내의 충전노즐(9)측 영역에서의 압력을 계측하여 계측신호라인(Si4)을 통해 계측 결과를 제어유닛(10)에 송신한다.

수소공급배관(1)에는 출구측 온도계(13)(온도 센서)가 도중에 설치되며, 출구측 온도계(13)는 수소공급배관(1) 내의 온도를 계측하여 계측신호라인(Si5)을 통해 계측 결과를 제어유닛(10)에 송신한다.

제어유닛(10)은 계측신호라인(Si6)을 통해 수소저장용기(20) 내의 압력을 취득한다.

도 1에서 수소충전장치(100)에는 스위치부(14)가 설치되며, 스위치부(14)는 수소충전 개시시에 작동시키는 충전개시 스위치(14A), 수소충전이 종료되어 충전을 정지시킬 시에 작동시키는 충전정지 스위치(14B), 긴급 정지시에 작동시키는 긴급정지 스위치(14C)를 구비하고 있다. 스위치부(14)에서의 각 스위치(14A~14C)의 작동은 입력신호라인(Si7)을 통해 제어유닛(10)에 송신된다.

또, 수소충전장치(100)에는 표시장치가 설치되어 있으며, 제어유닛(10)으로부터 제어신호라인(So3)을 통해 송신시키는 제어신호를 취득하여 각종 파라미터(그 시점에서 차량에 충전된 수소의 질량 등)를 표시하는 기능을 가지고 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 제어유닛(10)을 설명한다.

도 2에서 수소충전장치(100)의 제어유닛(10)은 전체를 점선으로 둘러싸서 나타내고 있으며, 요구 압력 결정블록(10A), 유량조정밸브 개도 결정블록(10B), 기억블록(10C), 기타 제어블록(10D)을 가지고 있다.

요구 압력 결정블록(10A)은 입력측 인터페이스(IF1)를 통해, 수소를 공급하고 있는 수소저장용기(20)의 용기내 압력정보를 취득하여 압력계(12)로부터 토출압력정보를 취득하여 유량조정밸브(3)로부터 개도량의 정보를 취득한다.

유량조정밸브 개도 결정블록(10B)은 수소를 공급하고 있는 수소저장용기(20)의 용기 내 압력정보를 취득하여 압력계(12)로부터 토출압력 정보를 취득하고, 유량조정밸브(3)로부터 유량조정밸브 개도 정보를 취득한다.

기억블록(10C)은 수소충전 제어에 필요한 정보를 보존하는 기능을 가지고 있으며, 필요에 따라 요구 압력 결정블록(10A)과, 유량조정밸브 개도 결정블록(10B)의 요구에 의해 기억된 정보를 제공한다. 기억블록(10C)에는 예를 들어 충전 프로토콜에 따른 토출압력 특성(목표값) 및 허용범위(상한값, 하한값), 수소공급에 따라 탱크 내 압력이 저하된 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(요구 압력), 임계값을 조정할 때의 하강폭 혹은 상승폭, 토출압력을 조정할 때의 유량조정밸브 개도의 조정폭 등이 있다. 또 기억블록(10C)은 요구 압력 결정블록(10A)에 의해 결정된 요구 압력, 유량조정밸브 개도 결정블록(10B)에 의해 결정된 유량조정밸브 개도를 취득하여 보존하는 기능을 가지고 있다.

요구 압력 결정블록(10A)은 수소저장용기(20)의 용기 내 압력, 토출압력, 유량조정밸브 개도를 취득함과 동시에, 충전 프로토콜에서의 토출압력 특성, 수소저장용기(20)를 전환하는 임계값(요구 압력)과 그 결정 실적, 임계값을 조정할 때의 임계값의 하강폭, 상승폭 등을 기억블록(10C)으로부터 취득하여 요구 압력(수소저장용기 (20)를 전환하는 임계값)을 결정하는 기능을 가지고 있다.

요구 압력 결정블록(10A)에서 결정된 요구 압력(임계값)은 신호라인을 통해 기억블록(10C) 및 기타 제어블록(10D)에 송신된다.

유량조정밸브 개도 결정블록(10B)은 수소저장용기(20)의 용기 내 압력, 토출압력, 유량조정밸브 개도에 더하여 기억블록(10C)으로부터 충전 프로토콜에서의 토출압력 특성, 토출압력을 조정할 때의 유량조정밸브 개도의 조정폭 등을 취득하여 유량조정밸브 개도를 결정하는 기능을 가지고 있다. 또 유량조정밸브 개도를, 유량조정밸브(3)의 부담이 적은 범위로 조정하는 기능을 가지고 있다.

유량조정밸브개도 결정블록(10B)에서 결정된 유량조정밸브 개도는 기억블록(10C) 및 기타 제어블록(10D)에 송신되고, 출구측 인터페이스(IF2)를 통해 유량조정밸브(3)에 송신된다.

기타 제어블록(10D)은 수소충전장치(100)에서의 수소충전에 필요한 제어를 실행하는 기능블록을 포괄적으로 표현하고 있다.

수소충전장치(100)에서의 수소충전의 구체적인 제어 내용은 도 3 ~ 도 7을 참조하여 후술한다.

그리고 도시한 실시형태에서의 각종 파라메타 혹은 특성에 대해서는 도 3 ~ 도 6을 참조하여 설명한다.

도 3에서 충전 프로토콜의 목표압력 특성(PT)과, 수소저장용기(20)의 용기 내 압력(P)과, 요구 압력(P0)(강압한 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하기 위한 임계값으로서의 압력)과, 충전장치(100)에서의 토출압력(P1)과, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)의 특성이 나타나 있다.

도 3 ~ 도 6에서 가로축은 시간, 세로축은 유량조정밸브(3)의 밸브 개도율(%) 및 압력(MPa)을 나타내고 있다.

도 3을 참조하여 종래기술의 문제점과 도시한 실시형태에서의 제어의 개요를 설명한다.

도 3의 충전 프로토콜에서의 목표압력 특성(PT)은 도 7의 플로우차트에서의 "1초마다의 목표압력"에 상당한다.

수소저장용기(20)의 용기 내 압력(P)은 수소충전이 이루어짐에 따라 서서히 저하(압력 강하)된다. 수소저장용기(20, 탱크)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)(요구 압력: 탱크 전환 임계값)은 수소가 충전됨에 따라 승압한다.

그리고, 수소저장용기(20)의 탱크 내 압력(P)이 수소저장용기의 전환 임계값 (P0)과 같아지게 되면(부호 A의 타이밍), 다른 수소저장용기(20)로 전환된다.

도 3에서 유량조정밸브 개도(VO)의 특성 곡선을 참조하면 명확한 것처럼, 수소충전 초기의 토출압력(P1)이 낮은 영역(B)(도 3의 좌측 영역)에서는 유량조정밸브 개도(VO)를 증가시키는 제어가 실시되고, 유량조정밸브 개도(VO)를 증가한 영역이 부호 C로 나타나 있다. 유량조정밸브 개도(VO)가 증가하여 토출압력(P1)이 증가하고 토출압력(P1)이 목표값 압력 특성(PT)에 도달하면(부호 D), 유량조정밸브 개도(VO)는 변동되지 않고 유지된다(영역 E). 그러나, 유량조정밸브 개도(VO)가 큰 개도가 되어, 영역 F에서 나타내는 것와 같이 토출압력(P1)이 목표압력(PT)에서 고압측으로 벗어나게 된다. 그러한 경우에는 유량조정밸브 개도(VO)를 감소시킬 필요가 있다.

여기서, 종래기술에서는 영역 F로 나타낸 상태가 되더라도, 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)은 변동하지 않으며, 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍은 부호 A의 타이밍에서 변동하지 않는다. 바꿔 말하면, 종래기술에서는 탱크를 전환하는 타이밍을 도 3의 우측(시간이 경과하는 측)으로 이동시켜 단일 수소저장용기(20)에서 가능한 한 오랜 시간에 걸쳐 수소를 계속 공급할 수는 없다.

이에 반해, 도시한 실시형태에서는 수소저장용기(20)의 용기 내 압력(P)이 저하되여 수소저장용기(20) 교환의 타이밍(부호 A)이 다가오면, 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)을 저하시켜(화살표 H), 도 3에서의 1점 쇄선(P0-1)으로 나타낸 특성 곡선으로 좁히고 있다.

탱크 전환 임계값(P0)의 특성 곡선을 아래쪽으로 이동시켜 특성 곡선(P0-1)으로 좁힘으로써, 수소저장용기(20)의 용기 내 압력(P)의 특성 곡선이 탱크 전환 임계값(P0-1)의 특성 곡선(아래쪽으로 이동한 특성 곡선)과 교차하는 타이밍은 부호 G로 나타낸 타이밍이 된다. 타이밍 G는 타이밍 A(탱크 전환 임계값(P0)을 아래쪽으로 이동시키지 않는 경우의 전환 타이밍)에 비해 도 3에서 오른쪽 방향(시간 경과측)으로 이동하고 있으며, 부호 I로 나타낸 시간만큼 탱크 전환 타이밍이 늦어지게 되어 그만큼 수소저장용기(20)(탱크)를 오랜 시간 사용할 수 있다.

수소충전 제어에 있어서 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 범위(상한 임계값 및 하한 임계값: 도 3에서는 도시하지 않음)에서 벗어나지 않게 할 필요가 있다. 그러나, 수소충전시에 항상 유량조정밸브 개도를 전개(全開)(개도율 100%)로 하면, 탱크 전환 임계값(P0)을 저하시키는 경우 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값을 밑돌게 될 가능성이 존재한다. 도 4를 참조하여 그러한 가능성에 대해 설명한다.

도 4에서 충전 프로토콜에서 허용되는 압력 범위는 상한 임계값(PTU)과 하한 임계값(PTL) 사이의 범위이다. 도시한 실시형태에서는 예를 들면 상한 임계값(PTU)은 "목표압력 특성 PT+7MPa", 하한 임계값(PTL)은 "목표압력 PT-2.5MPa"로 설정되어 있다.

도 4에서는 유량조정밸브 개도(VO)가 100%에 달한 상태로, 부호 J로 나타낸 타이밍에서 탱크 전환 임계값(P0)을 화살표(K)로 나타낸 것과 같이 도 4의 아래쪽으로 이동시킨(특성 곡선 P0-1) 경우를 나타내고 있다.

탱크 전환 임계값(P0)을 강압하지 않는 경우에는 탱크 전환 타이밍은 특성 곡선(P0)과 특성 곡선(P)의 교점(A)이다. 따라서, 부호 J의 타이밍에서 탱크 전환 임계값(P0)을 특성 곡선(P0-1)으로 나타낸 것과 같이 강압하면, 탱크 전환의 타이밍은 도 4의 부호 L로 나타낸 타이밍이 되며, 타이밍 A와 비교하여 도 4의 우측으로 이동하고 있다.

여기서, 탱크 전환 임계값(P0)이 압력강하하면 토출압력(P1)도 강압하게 되므로 타이밍 J 이후(도 4의 우측 영역)에서는 토출압력(P1)이 강압하여 영역(M)으로 나타낸 것과 같이 충전 프로토콜의 하한값(PTL)에 근접하여 그것을 밑돌게 될 가능성이 있다.

여기서, 유량조정밸브 개도(VO)는 이미 100% 이므로, 유량조정밸브 개도(VO)를 더 크게 하여 토출압력(P1)을 증가하는 제어를 할 수는 없다. 그렇기 때문에, 부호 N 으로 나타낸 타이밍에서 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값(PTL)을 밑돌아 수소 충전이 정지되는 문제가 발생한다.

그러므로, 단일 수소저장용기(20)를 가능한 한 장시간 사용하기(탱크 전환 타이밍을 늦추기) 위해 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)을 저하하는 제어를, 유량조정밸브 개도(VO)가 전개(全開) 혹은 이에 가까운 상태에서 실행하는 것은 곤란하다.

다음으로, 유량조정밸브 개도가 비교적 낮은 상태(예를 들어 유량조정밸브 개도(VO)가 70% 이하인 상태)의 제어에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 단, "70%"라는 밸브 개도는 예시이다.

도 5에서 유량조정밸브 개도(VO)가 70% 근방에 달한 상태에서, 수소저장용기(20)의 탱크 내 압력(P)이 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)에 근접했기 때문에, 부호 O으로 나타낸 타이밍에 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)이 저하한다(화살표 Q: 도 7의 스텝 S3에 상당). 도 5에서는 부호 O로 나타낸 타이밍에 탱크 전환 임계값(P0)을 저하시키지 않은 경우의 특성 곡선(P0)은, 타이밍 O 이후에는 파선으로 나타내고 있다.

탱크 전환 임계값(P0)이 저하됨에 따라, 탱크 전환의 타이밍은 탱크 전환 임계값(P0)을 저하시키지 않은 경우의 타이밍 R에서부터 탱크 전환 임계값(P0)을 저하한 경우의 타이밍 S까지 연장된다.

타이밍 "O" 에서 탱크 전환 임계값(P0)이 저하되었기 때문에, 영역 T로 나타낸 것과 같이 토출압력(P1)은 저하하고, 충전 프로토콜에서의 목표압력 특성(PT)에서 이격하여 충전 프로토콜의 하한 압력에 근접하게 된다(도 5 참조).

그에 대해, 유량조정밸브 개도(VO)의 특성 곡선의 부호 U로 나타낸 영역에서 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 하면(도 7의 스텝 S4에 상당), 토출압력(P1)의 특성 곡선의 영역 V로 나타낸 것과 같이 토출압력(P1)이 승압하여 목표압력 특성(PT)에 근접한다.

다음으로 도 6을 참조하여 유량조정밸브 개도가 80%를 초과한 경우의 제어에 대해 설명한다. 단, "80%"라는 밸브 개도는 예시이다.

도 6에서 유량조정밸브 개도(VO)의 특성 곡선에서의 영역 W에서는 유량조정밸브 개도(VO)가 80%를 초과하고 있으며, 토출압력(P1)은 영역 X로 나타낸 바와 같이 승압하여 충전 프로토콜에서의 상한 압력(PTU)에 근접하고 있다.

영역 W에서 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)도 타이밍 Y에서 승압하면(화살표 Y1: 도 7의 스텝 S7에 상당), 토출압력(P1)도 영역 X에서 승압한다. 영역 X에서의 토출압력(P1)의 승압은, 유량조정밸브 개도(VO)의 증가 및 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)의 승압의 양쪽(雙方)에 근거한다.

영역 X에서 토출압력(P1)이 승압하여 상한 압력(PTU)에 근접하기 때문에 영역 Z에서 유량조정밸브 개도(VO)를 작게 하고, 영역 X1로 나타낸 것과 같이 토출압력(P1)을 강압시켜 상한 압력(PTU)으로부터 이격되어 있다(도 7의 스텝 S8에 상당).

도 6에서 탱크 전환 임계값(P0)(요구 압력)을 타이밍 Y에서 승압시키는 것은 유량조정밸브 개도(VO)가 80%를 초과하고 있는 상태에서는 이미 충전작업이 진행되고 있어, 충전 대상(예를 들면 연료전지 자동차의 연료용기)의 압력도 고압으로 되어 있을 것으로 상정되기 때문이다.

그 때문에, 압력이 저하된 수소저장용기(20)를 계속 사용할 필요성이 부족하여, 새로운 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 뒤로 미룰 필요도 없기 때문이다.

도시한 실시형태의 제어에 대하여 주로 도 7을 참조하여 설명한다. 수소충전에 있어서 충전개시 때에는 유량조정밸브 개도(VO)는 제로(VO=0)이며, 그 후, 유량조정밸브 개도(VO)를 증가시켜 예를 들면 VO=70~80% 범위로 조정하고 있다.

도 3 ~ 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 유량조정밸브 개도(VO)가 80%를 초과하면 유량조정밸브 개도(VO)에 의해 토출압력(P1)을 승압하는 것이 어려워지게 되므로, 유량조정밸브 개도(VO)가 80%를 초과한 경우에는 유량조정밸브 개도(VO)가 80% 이하인 경우와 다른 제어가 필요하게 된다.

그 때문에, 도 7에서는 유량조정밸브 개도(VO)가 70% 미만인 경우, VO=70~80%인 경우, 유량조정밸브 개도(VO)가 80%를 초과한 경우(충전 후기), 유량조정밸브 개도(VO)가 70~80%인 경우로 나누어 제어하고 있다.

도 7에서 스텝 S1에서는 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)가 70% 미만인지 아닌지를 판단한다. 스텝 S1에서 유량조정밸브 개도(VO)가 70% 미만인 경우(스텝 S1이 "Yes")는 스텝 S2로 진행되고, 유량조정밸브 개도(VO)가 70% 미만이 아닌 경우(스텝 S1이 "No")에는 스텝 S5로 진행된다.

스텝 S2(VO가 70% 미만)에서는 요구 압력(P0)(탱크 전환 임계값)이 "1초마다 의 목표압력＋5MPa"보다 큰가 아닌가를 판단한다.

여기서, "1초마다의 목표압력"은 도 3∼도 6에서의 충전 프로토콜의 목표압력(PT)이다. 또, 요구 압력(P0)(탱크 전환 임계값)은 충전개시 때에는 "요구 압력 (P0)=1초마다의 목표압력＋10MPa"로 설정되어 있다.

도시한 실시형태에서는 요구 압력(P0)은 "1초마다의 목표압력＋5MPa" ~ "1초마다의 목표압력＋10MPa" 사이로 제어한다. 또한, 요구 압력(P0)은 충전 사양, 조건에 따라 상술한 것 이외의 수치로 설정할 수도 있다.

스텝 S2에서 요구 압력(P0)이 "1초마다의 목표압력＋5MPa"보다 큰 경우(스텝 S2가 "Yes")에는 스텝 S3으로 진행되고, 요구 압력(P0)이 "1초마다의 목표압력 +5MPa"보다 크지 않은 경우(스텝 S2가 "No")에는 제어를 종료하고(끝) 소정의 제어 사이클 후, 다시 제어를 개시한다(시작).

또 스텝 S2에서 시작시(충전개시시)의 요구 압력(P0)(탱크 전환 임계값)은 "1초마다의 목표압력＋10MPa"이며, "1초마다의 목표압력＋5MPa"보다 고압이다. 그 때문에 충전개시 직후에는 스텝 S2는 "Yes"가 된다.

스텝 S3(요구 압력(P0)이 "1초마다의 목표압력＋5MPa"보다 큰)에서는 제어유닛(10)의 요구 압력 결정블록(10A)에 의해 요구 압력(P0)을 1MPa 저하시킨다. 요구 압력을 저하시킴으로써 수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 늦출 수 있다.

도시한 실시형태에서는 요구 압력(P0)을 필요에 따라 (1MPa씩) 감압하는 제어를 실행하고 있다. 단, 감압량은 1MPa로 한정할 필요는 없다.

스텝 S3에 의해 요구 압력(탱크 전환 임계값)이 저하되면, 그에 따라 토출압력(P1)이 저하되어 충전 프로토콜에서의 하한 압력(PTL)(목표압력 PT-2.5MPa)에 가까워질(도 4의 영역 M, 도 5의 영역 T) 우려가 있으므로, 스텝 S4에서 제어유닛(10)의 유량조정밸브 개도 결정블록(10B)에 의해, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도( VO)(유량조정밸브 개도)를 증가하여 토출압력(P1)을 증가시킬 필요가 있다.

스텝 S4에서 유량조정밸브 개도(VO)를 증가시켜 토출압력(P1)을 승압해서 목표압력(PT)에 가깝게 한다(도 5의 영역 V).

스텝 S4의 종료 후, 제어를 종료하고(끝), 소정의 제어 사이클 후에 다시 제어를 개시한다(시작).

스텝 S5(유량조정밸브 개도(VO)가 70% 미만이 아닌 경우)에서는 유량조정밸브 개도(VO)가 80%보다 큰가 아닌가를 판단한다.

스텝 S5에서 유량조정밸브 개도(VO)가 80%보다 큰 경우(스텝 S5가 "Yes")에는 스텝 S6으로 진행하고, 유량조정밸브 개도(VO)가 80%보다 크지 않은 경우(스텝 S5가 "No")에는 스텝 S9로 진행한다.

스텝 S6에서는 요구 압력 P0(탱크 전환 경계값)이 '1초마다 목표압력＋10MPa' 미만인지 여부를 판단한다.

스텝 S6의 판단 결과 요구 압력 P0이 '1초마다 목표압력＋10 MPa' 미만인 경우(스텝 S6가 'Yes')에는 스텝 S7로 진행되며 요구 압력 P0이 '1초마다 목표압력＋10 MPa' 미만이 아닌 경우(스텝 S6가 'No')에는 제어를 완료하고(종료), 소정의 제어 사이클 후 다시 제어를 개시한다(시작).

스텝 S7에서는 제어유닛(10)의 요구 압력 결정블록(10A)에 의해 요구 압력(P0)(탱크 전환 임계값)을 1MPa 증가시킨다.

유량조정밸브 개도(VO)가 큰 경우에(예를 들어 유량조정밸브 개도(VO)>80%), 요구 압력(P0)을 강압하여 토출압력(P1)이 강압되면, 유량조정밸브는 전개 혹은 그에 가까운 상태이므로, 도 4에서 상술한 바와 같이 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 하여 토출압력(P1)을 증가하는 것이 불충분하게 될 가능성이 있다. 그 때문에, 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한 압력(PTL)에 도달하여 수소충전이 정지될 우려가 있다.

여기서, 유량조정밸브 개도(VO)가 큰 상태에서는 이미 충전작업이 진행되고 있으며, 충전 대상(예를 들면, 연료전지 자동차의 연료용기)의 압력도 고압으로 되어 있을 것으로 상정된다. 그 때문에, 압력이 저하된 수소저장용기(20)를 계속 사용할 필요성이 적어, 새로운 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 뒤로 미룰 필요도 없다.

그 때문에, 스텝 S7에서는 요구 압력(P0)(탱크 전환 임계값)을 승압한다. 단, 요구 압력(P0)의 승압량을 1MPa 이외의 수치로 할 수도 있다.

스텝 S7에서 요구 압력(P0)이 증가하면 토출압력(P1)이 상승하여 충전 프로토콜에서의 상한 압력(PTU)에 가까워질 우려가 있으므로(도 6의 영역 X) 유량조정밸브 개도(VO)를 작게 하여 토출압력(P1)을 충전 프로토콜의 상한 압력(PTU)으로부터 멀리 떨어져 낮게 유지할 필요가 있다. 그 때문에 스텝 S8에서 유량조정밸브 개도(VO)를 감소시키고 토출압력(P1)을 강압하여 목표압력(PT)에 근접시킨다(도 6의 영역 X1). 그리고 유량조정밸브 개도(VO)를 감소시킴으로써 유량조정밸브 개도가 80%를 초과하는 상태로부터 유량조정밸브 개도(VO)를 70%~80%의 범위에 가깝게 할 수 있다. 스텝 S8은 유량조정밸브 개도 결정블록(10B)에 의해 실행된다.

스텝 S8의 종료 후, 제어를 종료하고(끝) 소정의 제어 사이클 후에 다시 제어를 개시한다(시작).

도 7에서 스텝 S9(VO가 70~80%인 경우)에서는 요구 압력(P0)을 저하시키거나 증가시키지 않고 현상값으로 유지한다(요구 압력 가산값 현상 유지). 상술한 바와 같이 유량조정밸브 개도(VO)가 70%~80%의 범위인 경우, 유량조정밸브(3)의 부담은 가장 적고, 유량조정밸브 개도(VO)를 70%~80% 범위로 유지하면 안정적인 충전이 이루어진다.

스텝 S9의 종료 후, 제어를 종료하고(끝), 소정의 제어 사이클 후에 다시 제어를 개시한다(시작).

도 7에서 수소충전이 종료된 경우에는 제어 사이클이 경과해도 제어는 개시되지 않는다.

도시한 실시형태에 의하면 충전장치(100)의 제어유닛(10)은 요구 압력(P0)(수소저장용기(20)를 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값: 탱크 전환 임계값)을 조정하는 기능과, 유량조정밸브 개도(VO)를 조정하는 기능을 가지고 있으며, 수소저장용기(20) 내의 압력(P)이 강압하여 요구 압력(P0)에 근접하면, 임계값(P0)을 저하하여 수소저장용기 내 압력(P)이 요구 압력(P0)과 같아지게 되는 타이밍을 늦추어 수소저장용기(20)의 탱크 내 압력을 유효하게 이용할 수 있다.

또, 요구 압력(P0)을 저하하여 수소저장용기(20)을 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 타이밍을 늦추는 제어를 실행함과 동시에, 유량조정밸브 개도(VO)를 적정한 범위 내로 제어 및 유지함으로써 수소충전장치(100)의 토출압력(P1)이 충전 프로토콜에서의 상한 임계값 및 하한 임계값 사이에서 벗어나지 않도록 할 수 있다.

예를 들어, 요구 압력(P0)을 저하시키면, 토출압력(P1)이 충전 프로토콜의 하한값(PT)를 밑돌게 될 가능성이 있는 경우에는 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 하여 토출압력(P1)을 승압하여 충전 프로토콜의 하한값(PTL)을 밑도는 것을 방지할 수 있다.

또한, 요구 압력(P0)을 저하시켜 토출압력(P1)이 저하되어 충전 프로토콜의 목표값(PT)으로부터 이격될 우려가 있는 경우에는 유량조정밸브 개도(VO)를 크게 해서 토출압력(P1)을 증가시켜 충전 프로토콜의 목표값(PT)에 근접할 수 있다.

게다가, 유량조정밸브 개도(VO)가 큰(예를 들어 80% 이상)인 경우에, 요구 압력(P0)을 상승하고 토출압력(P1)도 승압하여 충전 프로토콜의 상한값(PTU)에 근접하더라도 유량조정밸브 개도(VO)를 작게 함으로써 토출압력(P1)을 충전 프로토콜의 상한값(PTU)으로부터 멀어지게 할 수 있다.

이와 같이, 도시한 실시형태에 의하면 수소저장용기(20)을 다른 수소저장용기(20)로 전환하는 임계값(P0)을 조정하여, 유량조정밸브(3)의 밸브 개도(VO)를 조정함으로써 충전 프로토콜에 따라 충전압력을 제어하면서, 단일 수소저장용기(20)를 가능한 한 긴 시간 동안 사용하는 것이 가능하며, 유량조정밸브 개도(VO)를 가장 부담이 적은 범위(예를 들면 70%~80%)로 유지하는 것이 가능하다.

도시한 실시형태는 어디까지나 예시이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 취지의 기재는 아님을 부기한다.

예를 들어 도시한 실시형태에서는 충전장치에는 충전노즐을 구비한 충전호스가 1개만 설치되어 있으나, 충전호스가 복수개 설치되어 있는 충전장치에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다.

1…배관
3…유량조정밸브
8…충전호스
10…제어유닛
20…수소저장용기(예를 들면, 수소 봄베 혹은 수소저장용 탱크)
100…충전장치
P0…요구 압력(수소저장용기를 다른 수소저장용기로 전환하는 임계값)
VO…유량조정밸브의 밸브 개도

Claims

복수의 수소저장용기와, 충전호스와 수소저장용기를 연통하는 배관과, 상기 배관에 구비된 유량조정밸브와, 제어유닛을 구비하고 있으며,
상기 제어유닛은 충전호스에 연통하는 수소저장용기를 다른 수소저장용기로 전환하는 임계값을 조정하는 기능 및 상기 유량조정밸브의 밸브 개도를 조정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 수소충전장치.
제1항에 있어서,
상기 제어유닛은 상기 임계값을 저하시켜 수소저장용기 내 압력이 상기 임계값과 같아지게 되는 타이밍을 늦추는 기능을 갖는 수소충전장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어유닛은 토출압력과 충전 프로토콜에서의 상한값을 비교하여 토출압력이 충전 프로토콜에서의 상한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브의 밸브 개도를 감소시키는 기능을 갖는 수소충전장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어유닛은 토출압력과 충전 프로토콜에서의 하한값을 비교하여 토출압력이 충전 프로토콜에서의 하한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브의 밸브 개도를 증가시키는 기능을 갖는 수소충전장치.
복수의 수소저장용기와, 충전호스와 수소저장용기를 연통하는 배관과, 상기 배관에 개장된 유량조정밸브와, 제어유닛을 구비한 충전장치를 이용하는 충전방법에 있어서,
상기 충전호스에 연통하는 수소저장용기를 다른 수소저장용기로 전환하는 임계값을 조정하는 공정과,
상기 유량조정밸브의 밸브 개도를 조정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 충전방법.
제5항에 있어서,
상기 임계값을 저하시켜 수소저장용기 내 압력이 상기 임계값과 같아지게 되는 타이밍을 늦추는 공정을 갖는 수소 충전방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
토출압력과 충전 프로토콜에서의 상한값을 비교하는 공정과,
토출압력이 충전 프로토콜의 상한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브의 밸브 개도를 감소시키는 공정을 갖는 수소 충전방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
토출압력과 충전 프로토콜에서의 하한값을 비교하는 공정과,
토출압력이 충전 프로토콜의 하한값에 근접한 경우에는 유량조정밸브의 밸브 개도를 증가시키는 공정을 갖는 수소 충전방법.