気体充填装置及び気体充填方法
【課題】容器の内容積を本充填の前に推定するのではなく、水素ガスを充填しながら容器内容積の推定を繰り返し行うことで、充填時間を短縮し、かつ質量基準充填に対応できる気体充填装置等を提供すること。
【解決手段】気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した圧力情報及び気体の充填量情報、並びに予め定められた気体温度情報を、容器の充填前の気体量情報と、容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報に代入し、複数の具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて容器の内容積情報を推定する気体充填装置。
【解決手段】気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した圧力情報及び気体の充填量情報、並びに予め定められた気体温度情報を、容器の充填前の気体量情報と、容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報に代入し、複数の具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて容器の内容積情報を推定する気体充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等の気体を容器に充填するための気体充填装置及び気体充填方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガスを燃料とする水素自動車、燃料電池自動車（以下「水素自動車」とする。）の開発が進められており、また、水素自動車の燃料タンク（以下「容器」とする。）に水素ガスを充填する水素スタンドにおいて、短時間で水素ガスを充填する方法が検討されている。水素ガスを短時間で容器に充填すると、容器内の温度が上昇するため水素充填量が少なくなり、結果として、水素自動車の航続距離が短くなることが問題となっている。
【０００３】
そこで、容器内の温度上昇を所定範囲内に抑えつつ最短時間で充填を行う方法として、外気温度と容器初期圧力から充填時の圧力上昇率（単位時間当たりの圧力上昇変化）を決定し、圧力上昇率が一定の範囲内に入るような流量で充填を行う方法（以下「一定昇圧率充填」という。）が提案されている。
その場合、容器内容積と目標圧力上昇率から目標充填流量を求め、流量制御を行う方法と、容器内容積を把握することなく流量制御を行う方法が考えられ、後者については、例えば特許文献１の方法が提案されている。
しかし後者の場合には、後述する「質量基準充填」に対応できないという問題がある。
【０００４】
一方、水素自動車の航続距離を延ばすため、容器内温度に関わらず、充填率１００％まで充填を行う方法（以下「質量基準充填」という。）が提案されている。
ここで、「充填率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）」とは、例えば容器内圧力が７０ＭＰａ、容器内温度が１５℃とするのに必要な水素ガス重量で、実際の水素ガス充填量を除した際の比率をいう。
「質量基準充填」を行う場合、水素スタンド（充填設備）側で容器の内容積を把握する必要があるが、その方法として、水素スタンドと水素自動車間に通信設備を設置し、容器内容積のデータを水素自動車から水素スタンドに与える方法と、通信設備を用いずに、初めに少量のガスを容器に充填し、その間の充填量と圧力上昇幅から容器内容積を推定（充填前の容器内温度は外気温度に等しいと仮定する。）してから本充填を行う方法がある。しかし、前者の場合、設備コストの増加に繋がるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９８４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容器の内容積を把握するため、水素スタンドと水素自動車間に通信設備を設置せず、容器への充填量とその間の圧力上昇幅から容器内容積を推定する方法においては、容器内温度は外気温度に等しいと仮定することから、充填時に容器内温度が上昇すると容積推定精度が低下するため、容器内温度上昇を抑えるため小流量で充填する必要があり、充填に時間がかかるという問題があった。
【０００７】
そこで、容器の内容積を本充填の前に推定するのではなく、水素ガスを充填しながら容器内容積の推定を繰り返し行うことで、充填時間を短縮し、かつ質量基準充填に対応できる気体充填装置及び気体充填方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、本発明によれば、気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を有する気体充填装置であって、前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、前記一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、予め定められた前記気体温度情報を格納する気体温度情報格納部を備え、前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置により達成される。
【０００９】
前記構成によれば、容器の充填前の気体量情報と、容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、一次関数式情報は、容器内の圧力情報、容器に対して充填される気体の充填量情報及び容器内の気体温度情報を含み、一次関数式情報は、これら容器内の圧力情報、気体の充填量情報及び気体温度情報が代入されることで、具体的な一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっている。
すなわち、この一次関数式情報は、容器の充填前の気体量情報と、内容積情報が関連して、つまり、いずれか一方の値が定まれば他方の値も定まる２つの変数情報となっている。
また、この一次関数式情報には、容器内の圧力情報、容器に対して充填される気体の充填量情報及び収容容器内の気体温度情報を含むため、これらの情報が異なる一次関数式情報の傾きは、それぞれ異なることになる。
【００１０】
そこで、前記構成では、気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した容器内の圧力情報及び気体の充填量情報、並びに気体温度情報格納部に格納されている気体温度情報を一次関数式情報に代入し、複数の具体的一次関数式情報を生成する。
そして、このように生成された、複数の具体的一次関数式情報をグラフ等に表すと、一次関数式情報の交点が生じる。
このため、前記構成では、これら複数の具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて収容容器の内容積情報を推定する構成となっている。
【００１１】
このように、前記構成では、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、具体的一次関数式情報を生成し、これらの情報に基づき容器の内容積情報を推定する構成となっている。特に、前記構成では、気体温度情報を所与のものとすることで、気体温度情報を一定して、具体的一次関数式情報を生成でき、この気体温度情報を一定にすることによる推定誤差を、交点情報等で修正する構成となっている。
このため、実際に気体温度情報を一定に保持して、前記基本式情報から容器の内容積情報を推定する場合等に比べて格段に迅速に容器の内容積情報を推定でき、これにより、迅速な気体の充填が可能となる。
【００１２】
好ましくは、複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定した後、前記収容容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を複数回取得し、前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置である。
【００１３】
前記構成によれば、複数の具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて容器の内容積情報を推定した後、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を複数回取得し、容器の内容積情報を推定する構成となっている。
このため、一旦、容器の内容積情報を推定し、気体の迅速な充填を開始した後も容器の内容積情報を推定し、これに基づき内容積情報を修正することができるので、より正確に収容容器の内容積情報を推定することができる。
【００１４】
前記課題は、本発明によれば、気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を用いる気体充填方法であって、前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている、予め定められた前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填方法により達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、容器の内容積を本充填の前に推定するのではなく、水素ガスを充填しながら容器内容積の推定を繰り返し行うことで、充填時間を短縮し、かつ質量基準充填に対応できる気体充填装置及び気体充填方法を提供することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る気体充填装置の第１の実施の形態にかかる例えば、水素ガス充填装置の主な構成等を示す概略図である。
【図２】水素ガス充填装置の主な構成等を示す概略ブロック図である。
【図３】第１の記憶領域の内容を示す概略ブロック図である。
【図４】第２の記憶領域の内容を示す概略ブロック図である。
【図５】水素ガス充填装置の主な動作等を示す概略フローチャートである。
【図６】水素ガス充填装置の主な動作等を示す他の概略フローチャートである。
【図７】各一次関数データの一例を示す概略説明図である。
【図８】容器内の温度が上昇しないよう、小流量で充填を行い、所定の圧力まで上昇後、上昇した圧力幅と充填量から内容積を推定し、それから本充填を行う場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
【図９】本発明を適用した場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
【図１０】温度推定方法の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の好適な実施の形態を添付図面等を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１８】
図１は、本発明に係る気体充填装置の実施の形態にかかる例えば、水素ガス充填装置１の主な構成等を示す概略図である。
図１に示すように、水素ガス充填装置１は、高圧水素を貯蔵する蓄圧器２を有している。この蓄圧器２には、配管３が接続され、この配管３が、充填ホース４に連結される構成となっている。
この充填ホース４は、例えば、水素ガスを燃料とする水素自動車内に配置された容器である例えば、容器５と着脱可能な構成となっている。
また、この配管３には、蓄圧器２からの水素ガスの流量等を調節するための調節弁６が配置されていると共に、配管３内の水素ガスの流量を計測する流量計測部である例えば、流量計７も配置されている。
さらに、この配管３には、配管３内の水素ガスの圧力を計測する圧力計測部である例えば、圧力計８が配置されている。
また、水素ガス充填装置１は、装置外の外気温を計測するための温度計１１を備え、これら調節弁６、流量計７、圧力計８及び温度計１１等を制御等するための制御装置９及び記憶演算装置１０も有している。
【００１９】
本実施の形態の水素ガス充填装置１は、例えば水素スタンド等に配置され、水素ガスを燃料とする水素自動車のタンクである容器５に水素ガスを充填するための装置として用いられる。
【００２０】
図１の制御装置９及び記憶演算装置１０には、コンピュータが配置され、コンピュータには、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク等が、バス等を介して配置されている。
バスは、すべてのデバイスを接続する機能を有し、アドレスやデータパスを有する内部バスである。ＣＰＵは所定のプログラムの処理を行う他、バスに接続されたＲＯＭ等を制御している。ＲＯＭは、各種プログラムや各種情報等を格納している。ＲＡＭは、プログラム処理中のメモリの内容を対比したり、プログラムを実行するためのエリアとしての機能を有する。
【００２１】
図２は、水素ガス充填装置１の主な構成等を示す概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置９及び記憶演算装置１０は、調節弁６、流量計７、圧力計８、温度計１１及び入力装置１２等と接続されていると共に、第１の記憶領域２０や第２の記憶領域４０にも接続されている。
図３は、図２の第１の記憶領域２０の内容を示す概略ブロック図であり、図４は、図２の第２の記憶領域４０の内容を示す概略ブロック図である。
図２等における第１の記憶領域２０及び第２の記憶領域４０は、実際に各データがこのように区分されて格納されていることを示すものではなく、説明の便宜上、区分して示したものである。
図５及び図６は、水素ガス充填装置１の主な動作等を示す概略フローチャートである。
以下、図５及び図６の概略フローチャートに沿って、水素ガス充填装置１の動作等を説明しながら、図３及び図４の第１の記憶領域２０及び第２の記憶領域４０の内容も併せて説明する。
【００２２】
先ず、水素自動車が水素スタンドに水素ガスの補給のため駐車すると、図１の充填ホース４が、水素自動車の容器５に装着され、その他の所定の動作等が実行された後、充填動作が開始される。
先ず、図５のＳＴ１に示すように、データ番号のカウントを開始する。
【００２３】
次いで、ＳＴ２へ進む。ＳＴ２では、図１の温度計１１で計測した外気温度を取り込む。具体的には、図４の外気温度取込プログラム４２が動作し、温度計１１の温度を取り込み、図３の外気温データ２２として登録する。例えば、３０℃である。
次いで、ＳＴ３へ進む。ＳＴ３では、容器５の充填前圧力を計測するため、微小量データに基づき調節弁を微開し、水素ガスを微小量だけ容器５に充填する。
具体的には、図４の調節弁微小開放プログラム４３が動作し、図３の微少量データ２３を参照して、このデータに基づき微少量の水素ガスを容器５に充填する。例えば、５秒間調整弁を微開する、あるいは５０ｇの水素を充填する。
そして、ＳＴ４で微少量充填後の充填量と圧力を取り込む。ここまでは、配管３と容器５の圧力を同圧とし、初期圧力を取り込むための工程である。
【００２４】
次いで、ＳＴ５へ進む。ＳＴ５では、昇圧率決定データに基づき、当該目標昇圧率を決定し、当該昇圧率データとして登録する。具体的には、図４の昇圧率決定プログラム４４が動作し、図３の昇圧率決定データ２４を参照して、当該昇圧率データを決定し、図３の当該昇圧率データ２５として登録する。
ここで、昇圧率決定データ２４は、外気温度と容器５の初期圧力により決定されるデータとなっており、例えば、外気温度が３０℃、容器５の初期圧力が１ＭＰａの場合に、昇圧率は、５ＭＰａ／ｍｉｎと決定される。
したがって、昇圧率決定プログラム４４は、図３の外気温度データ２２と昇圧率決定データ４４を参照して、当該昇圧率を定め、図３の当該昇圧率データ２５に登録する。上記の例では、当該昇圧率を５ＭＰａ／ｍｉｎとして登録する。
【００２５】
次に、ＳＴ６に進む。ＳＴ６では、容器５の暫定容積データ、当該昇圧率データから、目標充填流量及び目標充填量を決定し、目標充填流量データ、目標充填量データに登録する。
具体的には、図４の充填流量決定プログラム４５が動作し、図３の容器の暫定容積データ２６と当該昇圧率データ２５から目標充填流量及び目標充填量を決定し、図３の目標充填流量及び目標充填量データ２７に登録する。
例えば、上述の例では、当該昇圧率データ２５が５ＭＰａ／ｍｉｎで、容器の暫定容積データ２６は、図３から例えば、７５Ｌとなっているため、充填流量決定プログラム４５は、この７５Ｌの容器５に昇圧率５ＭＰａ／ｍｉｎで水素ガスを充填する目標充填流量を、０．２ｋｇ／ｍｉｎとして、登録する。また、目標充填量を３ｋｇとして登録する。
このように、本実施の形態では、初期の段階で水素ガスを容器５内に充填する際は、７５Ｌという比較的内容積が小さい充填容器を想定し、かかる小さい充填容器の内容積のデータを図３の容器の暫定容積データ２６に予め登録している。このため、水素ガスの充填の初期の段階で、実際の昇圧率が、要求された昇圧率を上回り、容器内温度が過剰に上昇することを防止する構成となっている。
【００２６】
次いで、ＳＴ７へ進む。ＳＴ７では、図３の当該目標充填流量及び目標充填量データ２７に基づいて、図１の調節弁６を開き、水素ガスを蓄圧器２から容器５に充填する。具体的には、図４の水素充填プログラム４６が動作し、水素ガスが例えば、目標充填流量０．２ｋｇ／ｍｉｎ、目標充填量３ｋｇで容器５に充填される。
次いでＳＴ８へ進む。ＳＴ８では、実際の充填量が目標充填量、例えば３ｋｇに達していないか判断する。実際の充填量が目標充填量に達していれば充填は終了する。
【００２７】
次いで、ＳＴ９では、実際の圧力が容器５に許容される充填圧力に達していないかを判断する。具体的には、図４の圧力判断プログラム４７が判断する。
ＳＴ１０では、前回の充填量、圧力データ取得時の圧力と現在の圧力を比較し、例えば前回から１ＭＰａ上昇していれば、ＳＴ１１に進む。１ＭＰａ上昇していなければＳＴ７に戻る。
ＳＴ１１では、データ番号を１つ増やし、ＳＴ１２で、そのデータ番号での圧力、充填量を取り込む。
具体的には、図４の圧力充填量データ取得プログラム４１が動作し、取り込んだデータをデータ番号と共に図３の圧力充填量データ２１として登録する。
【００２８】
ＳＴ１３で、データ数が２個以下の場合、ＳＴ７へ戻る。データ数が３個以上の場合、ＳＴ１４へ進む。
【００２９】
ＳＴ１４では、圧力充填量データ２１の各データ番号毎の圧力データ及び充填量データ並びに暫定温度データ３０を基本式に代入し、それぞれを、Ｙ軸を充填開始前の水素量、Ｘ軸を充填容器の内容積とした具体的な一次関数データとする。
具体的には、図４の一次関数生成プログラム４８が動作し、図３の一次関数式情報である例えば、基本式データ２８に図３の圧力充填量データ２１及び図３の気体温度情報である例えば、暫定温度データ３０が代入され、その結果が、具体的一次関数式情報である例えば、各一次関数データ２９として登録される。暫定温度データ３０は、例えば８０度とされる。
なお、第１の記憶領域２０が、一次関数情報格納部や気体温度情報格納部の一例となっている。
このように、基本式データ２８は、容器の充填前の気体量情報と容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報の一例となっている。
【００３０】
ここで、図３の基本式データ２８について説明する。本実施の形態の基本式データ２８は、Ｍ０＝｛Ｐａ（ｂ、ｃ）／ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））・Ｒ・Ｔａ（ｂ、ｃ）｝・Ｖ−Ｍａ（ｂ、ｃ）で表される。
ここで、Ｍ０は、水素ガスを容器５内に充填開始する前の水素量であり、Ｐａ（ｂ、ｃ）は、図１の圧力計８で計測したデータ番号ａ＝０、ｂ＝ｎｍ、ｃ＝ｎにおける容器５内の圧力であり、Ｔａ（ｂ、ｃ）は、データ番号０、ｎｍ、ｎにおける容器５内の温度であり、ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））は、Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ）における水素ガスの圧縮係数であり、Ｒは、気体定数である。
また、Ｖは、容器５の内容積であり、Ｍａ（ｂ、ｃ）は、図１の流量計７で計測したデータ番号０、ｎｍ、ｎにおける水素ガスの充填量である。
尚、データ番号ｎｍは、データ番号０とＮとの中間点にあたり、データ番号Ｎが奇数の場合は、Ｎ／２の値を超える整数の最小値とし、データ番号Ｎが偶数の場合は、Ｎ／２の値とする。
【００３１】
ところで、上述のデータ番号０、ｎｍ、ｎにおける容器５内の水素ガスの状態方程式は、以下のようになる。
Ｐａ（ｂ、ｃ）・Ｖ＝ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））・（Ｍｏ＋Ｍａ（ｂ、ｃ））・Ｒ・Ｔａ（ｂ、ｃ）
そして、この状態方程式を変形したのが、上述の基本式データ２８である。
【００３２】
この基本式データ２８に、Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ）及びＭａ（ｂ、ｃ）の値を代入すれば、Ｙ軸をＭ０（水素ガスを容器５内に充填開始する前の水素量）とし、Ｘ軸をＶ（容器５の内容積）とする具体的な一次関数データとして表すことができる。
この具体的な一次関数データが、図３の各一次関数データ２９となる。
【００３３】
図７は、かかる各一次関数データ２９の一例を示す概略説明図である。図７に示すように、データ番号ａにおける具体的な一次関数データは、記号ａで示す傾きを有するグラフとなる。
この記号ａで示す具体的な一次関数データは、データ番号ａにおける容器５内の圧力Ｐａ、データ番号ａにおける容器５内の温度Ｔａ及びデータ番号ａにおける水素ガスの充填量Ｍａを基本式データ２８に代入した場合のデータである。
また、充填が進行し、データ番号ｂにおける容器５内の圧力Ｐｂ、データ番号ｂにおける容器５内の温度Ｔｂ及びデータ番号ｂにおける水素ガスの充填量Ｍｂを基本式データ２８に代入した場合は、圧力Ｐｂや充填量Ｍｂが、データ番号ａの時点と比べ変化するので、図７の記号ｂで示す傾きを有するグラフとなる。
また、さらに充填が進行し、データ番号ｃにおいては、図７の記号ｃで示す傾きを有するグラフとなる。
ここで、容器５内の温度Ｔａは、充填開始時に取り込んだ外気温度とする。また、Ｔｂ（ｃ）は充填設備側では測定できないため、暫定の温度（例えば８０℃）を用いる。
これら各グラフが、図３の各一次関数データ２９の一例となっている。
【００３４】
ところで、図７で明らかなように、各一次関数データ２９である記号ａ、ｂ、ｃのグラフは、仮に充填開始前の水素量（Ｍ０）の値を定めても、充填容器の内容積（Ｖ）の値が一致しない。
これは、容器５内の温度が、図３に示すように、８０℃と固定されており、実際の温度との相違が生じるためである。
例えば、容器５内の温度が、８０℃より実際は温度が低い場合は、内容積（Ｖ）が実際より大きく推定される。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、後述するように、図７の記号ａのグラフと記号ｂのグラフとの交点であるＶａｂで推定される容器５の内容積、例えば、約９８Ｌをデータとして取得すると共に、記号ａのグラフと記号ｃのグラフの交点であるＶａｃで推定される容器５の内容積、例えば、約９７Ｌをデータとして取得する。
次にこれらの２つのデータの中間である９７．５Ｌを容器５の内容積とする。
【００３６】
本実施の形態では、このような処理を行うが、この処理を図６のＳＴ１５以下で詳細に説明する。
ＳＴ１５では、各一次関数データ２９のうち、データ番号０の一次関数データとデータ番号ｎｍの一次関数データの交点における容器の内容積データをＶ１交点データとして登録する。
具体的には、図４のＶ１交点データ生成プログラム４９が動作し、データ番号０の一次関数データ、例えば、図７では記号ａのグラフと、データ番号ｎｍの一次関数データ、例えば、図７では記号ｂのグラフの交点、例えば、図７ではＶａｂにおける容器の内容積データである９８Ｌを、図３の各交点データ３１のＶ１交点データとして登録する。
【００３７】
また、ＳＴ１６では、各一次関数データ２９のうち、データ番号０の一次関数データとデータ番号ｎの一次関数データの交点における容器の内容積データをＶ２交点データとして登録する。
具体的には、図４のＶ２交点データ生成プログラム５２が動作し、データ番号０の一次関数データ、例えば、図７では記号ａのグラフと、データ番号ｎの一次関数データ、例えば、図７では記号ｃのグラフの交点、例えば、図７ではＶａｃにおける容器の内容積データである９７Ｌを、図３の各交点データ３１のＶ２交点データとして登録する。
【００３８】
次いで、ＳＴ１７に進む。ＳＴ１７では、Ｖ１交点データとＶ２交点データとの中間データを、新しい容器内容積データとして登録する。具体的には、図４の容器内容積データ生成プログラム５０が動作し、図３の各交点データ３１に登録されているＶ１交点データ及びＶ２交点データを参照し、これらの中間データを容器内容積データ３２として登録する。
図７の例によれば、Ｖ１交点データが９８ＬでＶ２交点データが９７Ｌであるため、中間データは９７．５Ｌなり、この９７．５Ｌが容器内容積データ３２として登録されることになる。これは、図４の容器内容積判断プログラム５１が動作して判断される。
交点データは１つでも内容積を推定できるが、推定精度を上げるため、本実施の形態では、２つの交点から容器内容積データ３２を求めるようになっている。
ＳＴ１８では、求められた容器内容積データ３２に基づき、目標充填流量、目標充填量を決定し、新しい目標充填流量、目標充填量データとして登録する。
【００３９】
次いでＳＴ７に戻る。最初は、容器５を最小タンクの７５Ｌとみなし、０．２ｋｇ／ｍｉｎの流量となるように、図１の調節弁６を開いていたが、その後、ＳＴ１８で、当該容器５が９７．５Ｌであると推定された場合は、目標充填流量は０．３ｋｇ／ｍｉｎ、目標充填量は、４ｋｇとなる。
【００４０】
本推定方法に対して、基本式データ２８の容器５内の温度を実際に変化させない、すなわち、温度が一定になるように水素ガスを充填し、この状態における容器５の圧力や充填量を計測し、これに基づき容器５の内容積を推定する方法も考えられる。
しかし、この場合は、温度を一定にするため、水素ガスの充填を少なくせざるをえず、容積推定のための充填に時間がかかるという欠点がある。
これに対して、本実施の形態では、容器５内の耐熱性能により容器内の温度を所定上限値（例えば８５℃）以内に制御する必要はあるが、繰り返し内容積の推定を行い、所定上限値を超えない最適な充填流量に調整して水素ガスを充填できるので、温度が一定になるように水素ガスを小流量で充填する必要がなく、はじめから所定の流量で充填を開始できるので、迅速に充填をすることができるという特長がある。
【００４１】
図８は、容器５内の温度が上昇しないよう、小流量で充填を行い、所定の圧力まで上昇後、上昇した圧力幅と充填量から内容積を推定し、それから本充填を行う場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
図９は、本発明を適用した場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。双方共、容器５の内容積を１５０Ｌとし、タンク内の温度を仮定して充填圧力を計算したものである。
図９に示すように本発明を適用した場合の充填完了時間が約９２０秒に対し、従来法を適用した図８の充填完了時間は約１１５０秒であることから、大幅に水素ガスの充填が短縮されていることが分かる。
【００４２】
なお、上述の実施の形態では、容器内容積が予め把握できない場合を対象としているが、上述の実施の形態と異なり、予め容器の内容積情報が与えられている場合、又は上述の実施の形態で容器の内容積情報を取得した後においては、一次関数式情報により、容器内の温度を推定することができる。
具体的な推定方法は、上述の実施の形態で用いた図面等を部分的に参照して説明する。図５に基づき以下にて説明する。
【００４３】
先ず、この温度推定方法では、図５のＳＴ２と同様に、取り込んだ外気温データ２２を充填前の容器内温度Ｔ０とする。
次にＳＴ３と同様に、水素ガスを微小量だけ容器５に充填する。
次にＳＴ４で取り込んだ圧力を充填前の容器内圧力Ｐ０とする。
【００４４】
但し、本温度推定方法では、予め容器の内容積データが与えられている点が異なる。このため、この与えられている容器の内容積Ｖより、容器内の気体の状態方程式は Ｐ０・Ｖ＝ｆｚ（Ｐ０，Ｔ０）・Ｍ０・Ｒ・Ｔ０ となり、充填前の容器内の水素量Ｍ０を求めることができる。
図１０は、温度推定方法の一例を示すグラフである。図１０の記号ｈで示す部分が、この求められた実際の充填前水素量Ｍ０を示すグラフである。
【００４５】
次に充填を開始し、充填を行いながら、充填量、充填圧力を制御装置に取り込む。例えば時刻ｘにおける充填量をＭａ、充填圧力をＰａとする。
ここで基本式データ２８ Ｍ０＝｛Ｐａ／ｆｚ（Ｐａ、Ｔａ）・Ｒ・Ｔａ｝・Ｖ−Ｍａ において、Ｐａ、Ｖ、Ｍａを右辺に代入すると、右辺はＴａのみの関数となる。従ってこの時刻ａにおける関数を、Ｔａ（容器内温度）をＸ軸に、左辺のＭ０（充填開始前水素量）をＹ軸に取ると、図１０の記号ｅのグラフとなる。
その後の時刻ｙで、同様に基本式データ２８でＴａの関数を求めると、そのグラフは図１０の記号ｆとなる。さらに、その後の時刻ｚで、同様に基本式データ２８でＴａの関数を求めると、そのグラフは図１０の記号ｇとなる。
【００４６】
そして、各時刻ｘ乃至時刻ｚと、図１０の充填前の容器内の水素量Ｍ０をＹ軸としたグラフ（ｈ）との交点のＸ軸の値が時刻ｘ等において推定される容器内温度Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚとなる。
【００４７】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されない。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・水素ガス充填装置、２・・・蓄圧器、３・・・配管、４・・・充填ホース、５・・・容器、６・・・調節弁、７・・・流量計、８・・・圧力計、９・・・制御装置、１０・・・記憶演算装置、１１・・・温度計、１２・・・入力装置、２０・・・第１の記憶領域、２１・・・圧力充填量データ、２２・・・外気温データ、２３・・・微少量データ、２４・・・昇圧率決定データ、２５・・・当該昇圧率データ、２６・・・容器の暫定容積データ、２７・・・目標充填流量及び目標充填量データ、２８・・・基本式データ、２９・・・各一次関数データ、３０・・・暫定温度データ、３１・・・各交点データ、３２・・・容器内容積データ、４０・・・第２の記録領域、４１・・・圧力充填量データ取得プログラム、４２・・・外気温度取込プログラム、４３・・・調節弁微小開放プログラム、４４・・・昇圧率決定プログラム、４５・・・充填流量決定プログラム、４６・・・水素充填プログラム、４７・・・圧力判断プログラム、４８・・・一次関数生成プログラム、４９・・・Ｖ１交点データ生成プログラム、５０・・・容器内容積データ生成プログラム、５１・・・容器内容積判断プログラム、５２・・・Ｖ２交点データ生成プログラム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等の気体を容器に充填するための気体充填装置及び気体充填方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガスを燃料とする水素自動車、燃料電池自動車（以下「水素自動車」とする。）の開発が進められており、また、水素自動車の燃料タンク（以下「容器」とする。）に水素ガスを充填する水素スタンドにおいて、短時間で水素ガスを充填する方法が検討されている。水素ガスを短時間で容器に充填すると、容器内の温度が上昇するため水素充填量が少なくなり、結果として、水素自動車の航続距離が短くなることが問題となっている。
【０００３】
そこで、容器内の温度上昇を所定範囲内に抑えつつ最短時間で充填を行う方法として、外気温度と容器初期圧力から充填時の圧力上昇率（単位時間当たりの圧力上昇変化）を決定し、圧力上昇率が一定の範囲内に入るような流量で充填を行う方法（以下「一定昇圧率充填」という。）が提案されている。
その場合、容器内容積と目標圧力上昇率から目標充填流量を求め、流量制御を行う方法と、容器内容積を把握することなく流量制御を行う方法が考えられ、後者については、例えば特許文献１の方法が提案されている。
しかし後者の場合には、後述する「質量基準充填」に対応できないという問題がある。
【０００４】
一方、水素自動車の航続距離を延ばすため、容器内温度に関わらず、充填率１００％まで充填を行う方法（以下「質量基準充填」という。）が提案されている。
ここで、「充填率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）」とは、例えば容器内圧力が７０ＭＰａ、容器内温度が１５℃とするのに必要な水素ガス重量で、実際の水素ガス充填量を除した際の比率をいう。
「質量基準充填」を行う場合、水素スタンド（充填設備）側で容器の内容積を把握する必要があるが、その方法として、水素スタンドと水素自動車間に通信設備を設置し、容器内容積のデータを水素自動車から水素スタンドに与える方法と、通信設備を用いずに、初めに少量のガスを容器に充填し、その間の充填量と圧力上昇幅から容器内容積を推定（充填前の容器内温度は外気温度に等しいと仮定する。）してから本充填を行う方法がある。しかし、前者の場合、設備コストの増加に繋がるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９８４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容器の内容積を把握するため、水素スタンドと水素自動車間に通信設備を設置せず、容器への充填量とその間の圧力上昇幅から容器内容積を推定する方法においては、容器内温度は外気温度に等しいと仮定することから、充填時に容器内温度が上昇すると容積推定精度が低下するため、容器内温度上昇を抑えるため小流量で充填する必要があり、充填に時間がかかるという問題があった。
【０００７】
そこで、容器の内容積を本充填の前に推定するのではなく、水素ガスを充填しながら容器内容積の推定を繰り返し行うことで、充填時間を短縮し、かつ質量基準充填に対応できる気体充填装置及び気体充填方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、本発明によれば、気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を有する気体充填装置であって、前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、前記一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、予め定められた前記気体温度情報を格納する気体温度情報格納部を備え、前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置により達成される。
【０００９】
前記構成によれば、容器の充填前の気体量情報と、容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、一次関数式情報は、容器内の圧力情報、容器に対して充填される気体の充填量情報及び容器内の気体温度情報を含み、一次関数式情報は、これら容器内の圧力情報、気体の充填量情報及び気体温度情報が代入されることで、具体的な一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっている。
すなわち、この一次関数式情報は、容器の充填前の気体量情報と、内容積情報が関連して、つまり、いずれか一方の値が定まれば他方の値も定まる２つの変数情報となっている。
また、この一次関数式情報には、容器内の圧力情報、容器に対して充填される気体の充填量情報及び収容容器内の気体温度情報を含むため、これらの情報が異なる一次関数式情報の傾きは、それぞれ異なることになる。
【００１０】
そこで、前記構成では、気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した容器内の圧力情報及び気体の充填量情報、並びに気体温度情報格納部に格納されている気体温度情報を一次関数式情報に代入し、複数の具体的一次関数式情報を生成する。
そして、このように生成された、複数の具体的一次関数式情報をグラフ等に表すと、一次関数式情報の交点が生じる。
このため、前記構成では、これら複数の具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて収容容器の内容積情報を推定する構成となっている。
【００１１】
このように、前記構成では、所定の圧力が上昇するごとに、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を、それぞれ圧力計測部及び流量計測部を用いて、複数回取得し、具体的一次関数式情報を生成し、これらの情報に基づき容器の内容積情報を推定する構成となっている。特に、前記構成では、気体温度情報を所与のものとすることで、気体温度情報を一定して、具体的一次関数式情報を生成でき、この気体温度情報を一定にすることによる推定誤差を、交点情報等で修正する構成となっている。
このため、実際に気体温度情報を一定に保持して、前記基本式情報から容器の内容積情報を推定する場合等に比べて格段に迅速に容器の内容積情報を推定でき、これにより、迅速な気体の充填が可能となる。
【００１２】
好ましくは、複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定した後、前記収容容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を複数回取得し、前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置である。
【００１３】
前記構成によれば、複数の具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて容器の内容積情報を推定した後、容器内の圧力情報及び気体の充填量情報を複数回取得し、容器の内容積情報を推定する構成となっている。
このため、一旦、容器の内容積情報を推定し、気体の迅速な充填を開始した後も容器の内容積情報を推定し、これに基づき内容積情報を修正することができるので、より正確に収容容器の内容積情報を推定することができる。
【００１４】
前記課題は、本発明によれば、気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を用いる気体充填方法であって、前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている、予め定められた前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填方法により達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、容器の内容積を本充填の前に推定するのではなく、水素ガスを充填しながら容器内容積の推定を繰り返し行うことで、充填時間を短縮し、かつ質量基準充填に対応できる気体充填装置及び気体充填方法を提供することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る気体充填装置の第１の実施の形態にかかる例えば、水素ガス充填装置の主な構成等を示す概略図である。
【図２】水素ガス充填装置の主な構成等を示す概略ブロック図である。
【図３】第１の記憶領域の内容を示す概略ブロック図である。
【図４】第２の記憶領域の内容を示す概略ブロック図である。
【図５】水素ガス充填装置の主な動作等を示す概略フローチャートである。
【図６】水素ガス充填装置の主な動作等を示す他の概略フローチャートである。
【図７】各一次関数データの一例を示す概略説明図である。
【図８】容器内の温度が上昇しないよう、小流量で充填を行い、所定の圧力まで上昇後、上昇した圧力幅と充填量から内容積を推定し、それから本充填を行う場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
【図９】本発明を適用した場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
【図１０】温度推定方法の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の好適な実施の形態を添付図面等を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１８】
図１は、本発明に係る気体充填装置の実施の形態にかかる例えば、水素ガス充填装置１の主な構成等を示す概略図である。
図１に示すように、水素ガス充填装置１は、高圧水素を貯蔵する蓄圧器２を有している。この蓄圧器２には、配管３が接続され、この配管３が、充填ホース４に連結される構成となっている。
この充填ホース４は、例えば、水素ガスを燃料とする水素自動車内に配置された容器である例えば、容器５と着脱可能な構成となっている。
また、この配管３には、蓄圧器２からの水素ガスの流量等を調節するための調節弁６が配置されていると共に、配管３内の水素ガスの流量を計測する流量計測部である例えば、流量計７も配置されている。
さらに、この配管３には、配管３内の水素ガスの圧力を計測する圧力計測部である例えば、圧力計８が配置されている。
また、水素ガス充填装置１は、装置外の外気温を計測するための温度計１１を備え、これら調節弁６、流量計７、圧力計８及び温度計１１等を制御等するための制御装置９及び記憶演算装置１０も有している。
【００１９】
本実施の形態の水素ガス充填装置１は、例えば水素スタンド等に配置され、水素ガスを燃料とする水素自動車のタンクである容器５に水素ガスを充填するための装置として用いられる。
【００２０】
図１の制御装置９及び記憶演算装置１０には、コンピュータが配置され、コンピュータには、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク等が、バス等を介して配置されている。
バスは、すべてのデバイスを接続する機能を有し、アドレスやデータパスを有する内部バスである。ＣＰＵは所定のプログラムの処理を行う他、バスに接続されたＲＯＭ等を制御している。ＲＯＭは、各種プログラムや各種情報等を格納している。ＲＡＭは、プログラム処理中のメモリの内容を対比したり、プログラムを実行するためのエリアとしての機能を有する。
【００２１】
図２は、水素ガス充填装置１の主な構成等を示す概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置９及び記憶演算装置１０は、調節弁６、流量計７、圧力計８、温度計１１及び入力装置１２等と接続されていると共に、第１の記憶領域２０や第２の記憶領域４０にも接続されている。
図３は、図２の第１の記憶領域２０の内容を示す概略ブロック図であり、図４は、図２の第２の記憶領域４０の内容を示す概略ブロック図である。
図２等における第１の記憶領域２０及び第２の記憶領域４０は、実際に各データがこのように区分されて格納されていることを示すものではなく、説明の便宜上、区分して示したものである。
図５及び図６は、水素ガス充填装置１の主な動作等を示す概略フローチャートである。
以下、図５及び図６の概略フローチャートに沿って、水素ガス充填装置１の動作等を説明しながら、図３及び図４の第１の記憶領域２０及び第２の記憶領域４０の内容も併せて説明する。
【００２２】
先ず、水素自動車が水素スタンドに水素ガスの補給のため駐車すると、図１の充填ホース４が、水素自動車の容器５に装着され、その他の所定の動作等が実行された後、充填動作が開始される。
先ず、図５のＳＴ１に示すように、データ番号のカウントを開始する。
【００２３】
次いで、ＳＴ２へ進む。ＳＴ２では、図１の温度計１１で計測した外気温度を取り込む。具体的には、図４の外気温度取込プログラム４２が動作し、温度計１１の温度を取り込み、図３の外気温データ２２として登録する。例えば、３０℃である。
次いで、ＳＴ３へ進む。ＳＴ３では、容器５の充填前圧力を計測するため、微小量データに基づき調節弁を微開し、水素ガスを微小量だけ容器５に充填する。
具体的には、図４の調節弁微小開放プログラム４３が動作し、図３の微少量データ２３を参照して、このデータに基づき微少量の水素ガスを容器５に充填する。例えば、５秒間調整弁を微開する、あるいは５０ｇの水素を充填する。
そして、ＳＴ４で微少量充填後の充填量と圧力を取り込む。ここまでは、配管３と容器５の圧力を同圧とし、初期圧力を取り込むための工程である。
【００２４】
次いで、ＳＴ５へ進む。ＳＴ５では、昇圧率決定データに基づき、当該目標昇圧率を決定し、当該昇圧率データとして登録する。具体的には、図４の昇圧率決定プログラム４４が動作し、図３の昇圧率決定データ２４を参照して、当該昇圧率データを決定し、図３の当該昇圧率データ２５として登録する。
ここで、昇圧率決定データ２４は、外気温度と容器５の初期圧力により決定されるデータとなっており、例えば、外気温度が３０℃、容器５の初期圧力が１ＭＰａの場合に、昇圧率は、５ＭＰａ／ｍｉｎと決定される。
したがって、昇圧率決定プログラム４４は、図３の外気温度データ２２と昇圧率決定データ４４を参照して、当該昇圧率を定め、図３の当該昇圧率データ２５に登録する。上記の例では、当該昇圧率を５ＭＰａ／ｍｉｎとして登録する。
【００２５】
次に、ＳＴ６に進む。ＳＴ６では、容器５の暫定容積データ、当該昇圧率データから、目標充填流量及び目標充填量を決定し、目標充填流量データ、目標充填量データに登録する。
具体的には、図４の充填流量決定プログラム４５が動作し、図３の容器の暫定容積データ２６と当該昇圧率データ２５から目標充填流量及び目標充填量を決定し、図３の目標充填流量及び目標充填量データ２７に登録する。
例えば、上述の例では、当該昇圧率データ２５が５ＭＰａ／ｍｉｎで、容器の暫定容積データ２６は、図３から例えば、７５Ｌとなっているため、充填流量決定プログラム４５は、この７５Ｌの容器５に昇圧率５ＭＰａ／ｍｉｎで水素ガスを充填する目標充填流量を、０．２ｋｇ／ｍｉｎとして、登録する。また、目標充填量を３ｋｇとして登録する。
このように、本実施の形態では、初期の段階で水素ガスを容器５内に充填する際は、７５Ｌという比較的内容積が小さい充填容器を想定し、かかる小さい充填容器の内容積のデータを図３の容器の暫定容積データ２６に予め登録している。このため、水素ガスの充填の初期の段階で、実際の昇圧率が、要求された昇圧率を上回り、容器内温度が過剰に上昇することを防止する構成となっている。
【００２６】
次いで、ＳＴ７へ進む。ＳＴ７では、図３の当該目標充填流量及び目標充填量データ２７に基づいて、図１の調節弁６を開き、水素ガスを蓄圧器２から容器５に充填する。具体的には、図４の水素充填プログラム４６が動作し、水素ガスが例えば、目標充填流量０．２ｋｇ／ｍｉｎ、目標充填量３ｋｇで容器５に充填される。
次いでＳＴ８へ進む。ＳＴ８では、実際の充填量が目標充填量、例えば３ｋｇに達していないか判断する。実際の充填量が目標充填量に達していれば充填は終了する。
【００２７】
次いで、ＳＴ９では、実際の圧力が容器５に許容される充填圧力に達していないかを判断する。具体的には、図４の圧力判断プログラム４７が判断する。
ＳＴ１０では、前回の充填量、圧力データ取得時の圧力と現在の圧力を比較し、例えば前回から１ＭＰａ上昇していれば、ＳＴ１１に進む。１ＭＰａ上昇していなければＳＴ７に戻る。
ＳＴ１１では、データ番号を１つ増やし、ＳＴ１２で、そのデータ番号での圧力、充填量を取り込む。
具体的には、図４の圧力充填量データ取得プログラム４１が動作し、取り込んだデータをデータ番号と共に図３の圧力充填量データ２１として登録する。
【００２８】
ＳＴ１３で、データ数が２個以下の場合、ＳＴ７へ戻る。データ数が３個以上の場合、ＳＴ１４へ進む。
【００２９】
ＳＴ１４では、圧力充填量データ２１の各データ番号毎の圧力データ及び充填量データ並びに暫定温度データ３０を基本式に代入し、それぞれを、Ｙ軸を充填開始前の水素量、Ｘ軸を充填容器の内容積とした具体的な一次関数データとする。
具体的には、図４の一次関数生成プログラム４８が動作し、図３の一次関数式情報である例えば、基本式データ２８に図３の圧力充填量データ２１及び図３の気体温度情報である例えば、暫定温度データ３０が代入され、その結果が、具体的一次関数式情報である例えば、各一次関数データ２９として登録される。暫定温度データ３０は、例えば８０度とされる。
なお、第１の記憶領域２０が、一次関数情報格納部や気体温度情報格納部の一例となっている。
このように、基本式データ２８は、容器の充填前の気体量情報と容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報の一例となっている。
【００３０】
ここで、図３の基本式データ２８について説明する。本実施の形態の基本式データ２８は、Ｍ０＝｛Ｐａ（ｂ、ｃ）／ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））・Ｒ・Ｔａ（ｂ、ｃ）｝・Ｖ−Ｍａ（ｂ、ｃ）で表される。
ここで、Ｍ０は、水素ガスを容器５内に充填開始する前の水素量であり、Ｐａ（ｂ、ｃ）は、図１の圧力計８で計測したデータ番号ａ＝０、ｂ＝ｎｍ、ｃ＝ｎにおける容器５内の圧力であり、Ｔａ（ｂ、ｃ）は、データ番号０、ｎｍ、ｎにおける容器５内の温度であり、ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））は、Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ）における水素ガスの圧縮係数であり、Ｒは、気体定数である。
また、Ｖは、容器５の内容積であり、Ｍａ（ｂ、ｃ）は、図１の流量計７で計測したデータ番号０、ｎｍ、ｎにおける水素ガスの充填量である。
尚、データ番号ｎｍは、データ番号０とＮとの中間点にあたり、データ番号Ｎが奇数の場合は、Ｎ／２の値を超える整数の最小値とし、データ番号Ｎが偶数の場合は、Ｎ／２の値とする。
【００３１】
ところで、上述のデータ番号０、ｎｍ、ｎにおける容器５内の水素ガスの状態方程式は、以下のようになる。
Ｐａ（ｂ、ｃ）・Ｖ＝ｆｚ（Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ））・（Ｍｏ＋Ｍａ（ｂ、ｃ））・Ｒ・Ｔａ（ｂ、ｃ）
そして、この状態方程式を変形したのが、上述の基本式データ２８である。
【００３２】
この基本式データ２８に、Ｐａ（ｂ、ｃ）、Ｔａ（ｂ、ｃ）及びＭａ（ｂ、ｃ）の値を代入すれば、Ｙ軸をＭ０（水素ガスを容器５内に充填開始する前の水素量）とし、Ｘ軸をＶ（容器５の内容積）とする具体的な一次関数データとして表すことができる。
この具体的な一次関数データが、図３の各一次関数データ２９となる。
【００３３】
図７は、かかる各一次関数データ２９の一例を示す概略説明図である。図７に示すように、データ番号ａにおける具体的な一次関数データは、記号ａで示す傾きを有するグラフとなる。
この記号ａで示す具体的な一次関数データは、データ番号ａにおける容器５内の圧力Ｐａ、データ番号ａにおける容器５内の温度Ｔａ及びデータ番号ａにおける水素ガスの充填量Ｍａを基本式データ２８に代入した場合のデータである。
また、充填が進行し、データ番号ｂにおける容器５内の圧力Ｐｂ、データ番号ｂにおける容器５内の温度Ｔｂ及びデータ番号ｂにおける水素ガスの充填量Ｍｂを基本式データ２８に代入した場合は、圧力Ｐｂや充填量Ｍｂが、データ番号ａの時点と比べ変化するので、図７の記号ｂで示す傾きを有するグラフとなる。
また、さらに充填が進行し、データ番号ｃにおいては、図７の記号ｃで示す傾きを有するグラフとなる。
ここで、容器５内の温度Ｔａは、充填開始時に取り込んだ外気温度とする。また、Ｔｂ（ｃ）は充填設備側では測定できないため、暫定の温度（例えば８０℃）を用いる。
これら各グラフが、図３の各一次関数データ２９の一例となっている。
【００３４】
ところで、図７で明らかなように、各一次関数データ２９である記号ａ、ｂ、ｃのグラフは、仮に充填開始前の水素量（Ｍ０）の値を定めても、充填容器の内容積（Ｖ）の値が一致しない。
これは、容器５内の温度が、図３に示すように、８０℃と固定されており、実際の温度との相違が生じるためである。
例えば、容器５内の温度が、８０℃より実際は温度が低い場合は、内容積（Ｖ）が実際より大きく推定される。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、後述するように、図７の記号ａのグラフと記号ｂのグラフとの交点であるＶａｂで推定される容器５の内容積、例えば、約９８Ｌをデータとして取得すると共に、記号ａのグラフと記号ｃのグラフの交点であるＶａｃで推定される容器５の内容積、例えば、約９７Ｌをデータとして取得する。
次にこれらの２つのデータの中間である９７．５Ｌを容器５の内容積とする。
【００３６】
本実施の形態では、このような処理を行うが、この処理を図６のＳＴ１５以下で詳細に説明する。
ＳＴ１５では、各一次関数データ２９のうち、データ番号０の一次関数データとデータ番号ｎｍの一次関数データの交点における容器の内容積データをＶ１交点データとして登録する。
具体的には、図４のＶ１交点データ生成プログラム４９が動作し、データ番号０の一次関数データ、例えば、図７では記号ａのグラフと、データ番号ｎｍの一次関数データ、例えば、図７では記号ｂのグラフの交点、例えば、図７ではＶａｂにおける容器の内容積データである９８Ｌを、図３の各交点データ３１のＶ１交点データとして登録する。
【００３７】
また、ＳＴ１６では、各一次関数データ２９のうち、データ番号０の一次関数データとデータ番号ｎの一次関数データの交点における容器の内容積データをＶ２交点データとして登録する。
具体的には、図４のＶ２交点データ生成プログラム５２が動作し、データ番号０の一次関数データ、例えば、図７では記号ａのグラフと、データ番号ｎの一次関数データ、例えば、図７では記号ｃのグラフの交点、例えば、図７ではＶａｃにおける容器の内容積データである９７Ｌを、図３の各交点データ３１のＶ２交点データとして登録する。
【００３８】
次いで、ＳＴ１７に進む。ＳＴ１７では、Ｖ１交点データとＶ２交点データとの中間データを、新しい容器内容積データとして登録する。具体的には、図４の容器内容積データ生成プログラム５０が動作し、図３の各交点データ３１に登録されているＶ１交点データ及びＶ２交点データを参照し、これらの中間データを容器内容積データ３２として登録する。
図７の例によれば、Ｖ１交点データが９８ＬでＶ２交点データが９７Ｌであるため、中間データは９７．５Ｌなり、この９７．５Ｌが容器内容積データ３２として登録されることになる。これは、図４の容器内容積判断プログラム５１が動作して判断される。
交点データは１つでも内容積を推定できるが、推定精度を上げるため、本実施の形態では、２つの交点から容器内容積データ３２を求めるようになっている。
ＳＴ１８では、求められた容器内容積データ３２に基づき、目標充填流量、目標充填量を決定し、新しい目標充填流量、目標充填量データとして登録する。
【００３９】
次いでＳＴ７に戻る。最初は、容器５を最小タンクの７５Ｌとみなし、０．２ｋｇ／ｍｉｎの流量となるように、図１の調節弁６を開いていたが、その後、ＳＴ１８で、当該容器５が９７．５Ｌであると推定された場合は、目標充填流量は０．３ｋｇ／ｍｉｎ、目標充填量は、４ｋｇとなる。
【００４０】
本推定方法に対して、基本式データ２８の容器５内の温度を実際に変化させない、すなわち、温度が一定になるように水素ガスを充填し、この状態における容器５の圧力や充填量を計測し、これに基づき容器５の内容積を推定する方法も考えられる。
しかし、この場合は、温度を一定にするため、水素ガスの充填を少なくせざるをえず、容積推定のための充填に時間がかかるという欠点がある。
これに対して、本実施の形態では、容器５内の耐熱性能により容器内の温度を所定上限値（例えば８５℃）以内に制御する必要はあるが、繰り返し内容積の推定を行い、所定上限値を超えない最適な充填流量に調整して水素ガスを充填できるので、温度が一定になるように水素ガスを小流量で充填する必要がなく、はじめから所定の流量で充填を開始できるので、迅速に充填をすることができるという特長がある。
【００４１】
図８は、容器５内の温度が上昇しないよう、小流量で充填を行い、所定の圧力まで上昇後、上昇した圧力幅と充填量から内容積を推定し、それから本充填を行う場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。
図９は、本発明を適用した場合の水素ガスの充填時間を示すグラフの一例である。双方共、容器５の内容積を１５０Ｌとし、タンク内の温度を仮定して充填圧力を計算したものである。
図９に示すように本発明を適用した場合の充填完了時間が約９２０秒に対し、従来法を適用した図８の充填完了時間は約１１５０秒であることから、大幅に水素ガスの充填が短縮されていることが分かる。
【００４２】
なお、上述の実施の形態では、容器内容積が予め把握できない場合を対象としているが、上述の実施の形態と異なり、予め容器の内容積情報が与えられている場合、又は上述の実施の形態で容器の内容積情報を取得した後においては、一次関数式情報により、容器内の温度を推定することができる。
具体的な推定方法は、上述の実施の形態で用いた図面等を部分的に参照して説明する。図５に基づき以下にて説明する。
【００４３】
先ず、この温度推定方法では、図５のＳＴ２と同様に、取り込んだ外気温データ２２を充填前の容器内温度Ｔ０とする。
次にＳＴ３と同様に、水素ガスを微小量だけ容器５に充填する。
次にＳＴ４で取り込んだ圧力を充填前の容器内圧力Ｐ０とする。
【００４４】
但し、本温度推定方法では、予め容器の内容積データが与えられている点が異なる。このため、この与えられている容器の内容積Ｖより、容器内の気体の状態方程式は Ｐ０・Ｖ＝ｆｚ（Ｐ０，Ｔ０）・Ｍ０・Ｒ・Ｔ０ となり、充填前の容器内の水素量Ｍ０を求めることができる。
図１０は、温度推定方法の一例を示すグラフである。図１０の記号ｈで示す部分が、この求められた実際の充填前水素量Ｍ０を示すグラフである。
【００４５】
次に充填を開始し、充填を行いながら、充填量、充填圧力を制御装置に取り込む。例えば時刻ｘにおける充填量をＭａ、充填圧力をＰａとする。
ここで基本式データ２８ Ｍ０＝｛Ｐａ／ｆｚ（Ｐａ、Ｔａ）・Ｒ・Ｔａ｝・Ｖ−Ｍａ において、Ｐａ、Ｖ、Ｍａを右辺に代入すると、右辺はＴａのみの関数となる。従ってこの時刻ａにおける関数を、Ｔａ（容器内温度）をＸ軸に、左辺のＭ０（充填開始前水素量）をＹ軸に取ると、図１０の記号ｅのグラフとなる。
その後の時刻ｙで、同様に基本式データ２８でＴａの関数を求めると、そのグラフは図１０の記号ｆとなる。さらに、その後の時刻ｚで、同様に基本式データ２８でＴａの関数を求めると、そのグラフは図１０の記号ｇとなる。
【００４６】
そして、各時刻ｘ乃至時刻ｚと、図１０の充填前の容器内の水素量Ｍ０をＹ軸としたグラフ（ｈ）との交点のＸ軸の値が時刻ｘ等において推定される容器内温度Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚとなる。
【００４７】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されない。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・水素ガス充填装置、２・・・蓄圧器、３・・・配管、４・・・充填ホース、５・・・容器、６・・・調節弁、７・・・流量計、８・・・圧力計、９・・・制御装置、１０・・・記憶演算装置、１１・・・温度計、１２・・・入力装置、２０・・・第１の記憶領域、２１・・・圧力充填量データ、２２・・・外気温データ、２３・・・微少量データ、２４・・・昇圧率決定データ、２５・・・当該昇圧率データ、２６・・・容器の暫定容積データ、２７・・・目標充填流量及び目標充填量データ、２８・・・基本式データ、２９・・・各一次関数データ、３０・・・暫定温度データ、３１・・・各交点データ、３２・・・容器内容積データ、４０・・・第２の記録領域、４１・・・圧力充填量データ取得プログラム、４２・・・外気温度取込プログラム、４３・・・調節弁微小開放プログラム、４４・・・昇圧率決定プログラム、４５・・・充填流量決定プログラム、４６・・・水素充填プログラム、４７・・・圧力判断プログラム、４８・・・一次関数生成プログラム、４９・・・Ｖ１交点データ生成プログラム、５０・・・容器内容積データ生成プログラム、５１・・・容器内容積判断プログラム、５２・・・Ｖ２交点データ生成プログラム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、
前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を有する気体充填装置であって、
前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、
前記一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、
予め定められた前記気体温度情報を格納する気体温度情報格納部を備え、
前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、
これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置。
【請求項２】
複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定した後、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を複数回取得し、前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする請求項１に記載の気体充填装置。
【請求項３】
気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、
前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を用いる気体充填方法であって、
前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、
前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている、予め定められた前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、
これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填方法。
【請求項１】
気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、
前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を有する気体充填装置であって、
前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報を格納する一次関数式情報格納部を有し、
前記一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、
予め定められた前記気体温度情報を格納する気体温度情報格納部を備え、
前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、
これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填装置。
【請求項２】
複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記容器の内容積情報を推定した後、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を複数回取得し、前記容器の内容積情報を推定することを特徴とする請求項１に記載の気体充填装置。
【請求項３】
気体を収容する容器に対して充填される気体の充填量を計測する流量計測部と、
前記容器内の気体の圧力を計測する圧力計測部と、を用いる気体充填方法であって、
前記容器の充填前の気体量情報と、前記容器の内容積情報が、関連して変わる２つの変数情報となっている一次関数式情報は、前記容器内の圧力情報、前記容器に対して充填される気体の充填量情報及び前記容器内の気体温度情報を含み、前記一次関数式情報は、これら前記容器内の圧力情報、前記気体の充填量情報及び前記気体温度情報が代入されることで、具体的な前記一次関数式情報である具体的一次関数式情報として表すことができる構成となっており、
前記気体の充填中に、所定の圧力が上昇するごとに、前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報を、それぞれ前記圧力計測部及び前記流量計測部を用いて、複数回取得し、これら複数回取得した前記容器内の圧力情報及び前記気体の充填量情報、並びに前記気体温度情報格納部に格納されている、予め定められた前記気体温度情報を前記一次関数式情報に代入し、複数の前記具体的一次関数式情報を生成し、
これら複数の前記具体的一次関数式情報の交点情報に基づいて前記収容容器の内容積情報を推定することを特徴とする気体充填方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２２６５５８（Ｐ２０１１−２２６５５８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６９８５（Ｐ２０１０−９６９８５）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００１５８３１２）岩谷産業株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００１５８３１２）岩谷産業株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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