水素ガスの充填方法及び充填装置
【課題】水素ガスの冷却手段の簡素化を図るとともに、充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる水素ガスの充填方法を提供する。
【解決手段】水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、冷却手段により冷却された水素ガスを、充填経路を通して供給先容器に充填した後に、冷却されていない水素ガスを、充填経路を通して供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法を採用する。
【解決手段】水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、冷却手段により冷却された水素ガスを、充填経路を通して供給先容器に充填した後に、冷却されていない水素ガスを、充填経路を通して供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスの充填方法及び充填装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題への関心の高まりにより、二酸化炭素排出量の少ない次世代自動車の開発が進められている。なかでも、燃料電池自動車は、二酸化炭素を排出せず、究極のエコカーとして注目されている。
【０００３】
また、燃料電池自動車のような水素自動車等（以下、単に燃料電池自動車と記す）には、燃料として水素ガスを利用している。そして、燃料電池自動車に燃料を補給する際には、燃料電池自動車に搭載された燃料タンクに、水素ガス充填用の燃料補給装置から高圧の水素ガスを充填する必要がある。
【０００４】
ところで、燃料電池自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガスが流れる経路に設けられている各種弁や流量計等の部分で断熱膨張すると、ジュールトムソン効果によって温度が上昇するという性質を有している。したがって、燃料タンクへの水素ガスの充填中において、ジュールトムソン効果と充填に伴う断熱圧縮とによって燃料タンク内の水素ガスの温度が上昇してしまう。このように、水素ガスの温度が上昇すると、複合容器からなる燃料タンクの耐熱温度（８５℃）を超えてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、上記問題を解決するために、水素ガスが流れる経路に熱交換器等の冷却手段を配置し、この冷却手段で水素ガスを所定の温度以下に冷却しながら燃料電池自動車の燃料タンクに充填する装置及び方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
具体的には、図５に示すように、特許文献１に記載された充填装置１０１は、図示略の水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮機１０２で昇圧し、充填経路１０３を通して燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填するものであり、充填経路１０３の途中には水素ガスを冷却するための冷却手段１０７が設けられている。
【０００７】
この冷却手段１０７は、冷媒通路１０７ａ内に水素ガスの流路を挿入したシェル＆チューブ式熱交換器であり、水素ガスを冷媒通路１０７ａに供給される冷媒で冷却するように形成されている。また、冷却手段１７には、熱交換器１０７ｃに冷媒を循環させる循環経路１０７ｂが設けられている。
【０００８】
そして、特許文献１に記載された充填方法は、上記充填装置１０１に設けられた冷却手段１０７によって水素ガスを冷却しながら燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填する構成とされている。これにより、複合容器からなる燃料タンク１０４ａの耐熱温度（８５℃）を超えることなく、水素ガスを充填可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１６６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、熱交換器１０７ｃ等を有する冷却手段１０７で水素ガスを冷却しながら燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填しようとすると、水素ガスを所定の温度以下に冷却するために熱交換器１０７ａや１０７ｃのサイズが大型化（例えば、二重管式熱交換器の場合には配管長が長くなる）するという課題があった。また、冷却手段１０７として冷却能力が高いものを使用する必要があり、設備費が上昇するという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、水素ガスの冷却手段の簡素化を図るとともに、充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる水素ガスの充填方法及び充填装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、本願の発明者が鋭意研究した結果、圧縮された水素ガスを供給先の容器に充填する際、水素ガスの温度は充填を開始した直後に急上昇するが、その上昇幅は徐々に小さくなる傾向を示すため、充填の初期のみ冷却された水素ガスを供給することにより、それ以降は冷却を行なわなくても供給先の容器内の水素ガスの温度上昇を抑制可能であることを見出し、本発明を創案するに至った。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、
前記冷却手段により冷却された水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であり、前記冷却手段により冷却された水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されて当該ガス冷却容器に貯留されたものであることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項３に記載の発明は、前記ガス冷却容器を、前記供給先容器よりも高圧とし、前記ガス冷却容器と前記供給先容器との圧力差を利用して、前記ガス冷却容器により冷却された前記水素ガスを、当該ガス冷却容器から当該供給先容器に充填することを特徴とする請求項２に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されるとともに当該ガス冷却容器に貯留される第１の冷却水素ガスと、前記ガス冷却容器を通過する際に冷却される第２の冷却水素ガスと、からなり、前記第１の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填し、前記第２の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項５に記載の発明は、当該供給先容器内の圧力が、充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを充填することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項６に記載の発明は、圧縮された水素ガスを１以上の蓄圧器に一時的に貯留し、前記蓄圧器と前記ガス冷却容器との圧力差を利用して、当該蓄圧器から当該ガス冷却容器に前記水素ガスを間欠的に充填することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して前記蓄圧器に貯留し、当該蓄圧器から前記ガス冷却容器に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して前記第１の冷却水素ガスとし、当該第１の冷却水素ガスを当該ガス冷却容器に貯留する第１のステップと、
前記充填経路と前記供給先容器とを接続し、前記ガス冷却容器に貯留された前記第１の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第２のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させながら冷却して前記第２の冷却水素ガスとし、前記供給先容器の圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記第２の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第３のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させないで前記供給先容器に充填して当該供給先容器の充填を完了し、前記充填経路と前記供給先容器との接続を解除する第４のステップと、を備えることを特徴とする請求項６に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮した水素ガスを供給先容器に充填する充填経路とを備えた水素ガスの充填装置であって、
前記充填経路に設けられた冷却手段と、
前記冷却手段を迂回するバイパス経路と、を備えることを特徴とする水素ガスの充填装置である。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であることを特徴とする請求項８に記載の水素ガスの充填装置である。
請求項１０に記載の発明は、前記圧縮機で圧縮した水素ガスを一時的に貯留する１以上の蓄圧器を備え、前記蓄圧器が、前記ガス冷却容器より上流側の充填経路に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の水素ガスの充填装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素ガスの充填方法によれば、供給先容器への充填開始直後のみ、冷却された水素ガスを供給することで充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。また、供給先容器へ供給する水素ガスは、充填開始直後のみ冷却すればよいため、水素ガスの冷却手段の小型化、簡素化を図ることができる。
さらに、水素ガスの冷却手段として、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器を用いる場合には、充填操作間の待機時間中に水素ガスを冷却するとともに貯留しておけるので、冷媒を冷却する冷凍機も小型化、簡素化することができる。
【００２０】
本発明の水素ガスの充填装置によれば、充填経路に設けられた冷却手段と、冷却手段を迂回するバイパス経路とを備えているため、充填開始直後に冷却された水素ガスを供給した後にバイパス経路に切り替えることにより、冷却されていない水素ガスを供給先容器に供給することができる。これにより、水素ガスの冷却手段の小型化、簡素化を図ることができる。したがって、水素ガスの冷却手段の簡素化を図るとともに、充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を適用した一実施形態を示す水素ガスの充填装置の系統図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法におけるガス冷却容器への水素ガスの充填方法を説明するための図であり、充填時間とガス冷却容器内の圧力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法における充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。
【図４】冷却された水素ガスを用いない水素ガスの供給方法における、充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。
【図５】水素ガスの冷却手段を備えた従来の水素ガスの充填装置の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法について、これに用いる水素ガスの充填装置とともに、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２３】
先ず、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填装置（以下、単に「充填装置」という）の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の充填装置１は、水素ガス供給源（図示略）から供給される水素ガスを圧縮機２で昇圧し、充填経路３を通して燃料電池自動車４の燃料タンク（供給先容器）４ａに充填するものである。また、充填経路３の途中には、圧縮後の水素ガスを一時的に貯留する蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃからなる蓄圧器ユニット５と、この蓄圧器５を迂回するバイパス経路６と、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器（冷却手段）７と、このガス冷却容器７を迂回するバイパス経路８とが設けられている。
【００２４】
さらに、充填経路３の終端部には、充填装置１から燃料電池自動車４に水素ガスを供給するフレキシブルホース等の連絡管９の一端が接続されている。そして、連絡管９の他端には、燃料電池自動車４の充填口に接続するカプラー（図示略）が設けられている。
【００２５】
本実施形態の水素ガス供給源は、通常、２０〜４０ＭＰａの水素ガスが充填されている水素カードルや水素トレーラーである。また、図１に示すように、燃料電池自動車４は、水素ガスを７０ＭＰａまで充填可能な燃料タンク４ａを備えている。なお、７０ＭＰａ以上の高圧水素ガスが流れる充填経路３等の配管や機器には、高圧対応のものが使用されている。
【００２６】
圧縮機２は、図１に示すように、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへそれぞれ充填するために設けられている。圧縮機２としては、特に限定されるものではなく、例えば、ピストン式、ダイアフラム式等の公知のものを適用することができる。
【００２７】
蓄圧器ユニット５は、供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａにおける充填圧力よりも高圧とした水素ガスを一時的に貯留するために、ガス冷却容器７よりも上流側の充填経路３に設けられている。
【００２８】
この蓄圧器ユニット５は、１以上の蓄圧器を組み合わせて構成されている。本実施形態では、図１に示すように、例えば、３個の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃから構成されている。各蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにおける圧力は、少なくともいずれか一つが上記燃料タンク４ａの充填圧力よりも高く設けられていれば特に限定されるものではなく、各蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにおける圧力を同一としても良いし、異なる圧力としても良い。具体的には、例えば、蓄圧器５ａを３５ＭＰａ、蓄圧器５ｂを７０ＭＰａ、蓄圧器５ｃを８５ＭＰａと、異なる圧力に設定してもよい。なお、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、鋼製容器、複合容器等を適用することができる。
【００２９】
ガス冷却容器７は、蓄圧器ユニット５から供給される高圧の水素ガスを予め冷却し、貯留するためのものである。ガス冷却容器７は、水素ガスを貯留するための断熱容器７ａと、この断熱容器７ａ内部に配置された冷却配管７ｂとから構成されている。
【００３０】
断熱容器７ａの容積は、供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａが充填圧力の６０％まで充填されたと仮定したときの水素ガス量を、上記充填圧力の６０％の圧力において貯留可能な容積以下とすることが好ましい。ここで、断熱容器７ａの容積を、上記充填圧力の６０％の圧力における貯留可能な容積よりも大きくすると、充填装置１全体の大型化を招くために好ましくない。具体的には、例えば１６０Ｌの上記燃料タンク４ａに充填圧力７０ＭＰａで充填する場合には、断熱容器７ａの容積は約３０Ｌ程度とすることができる。
【００３１】
冷却配管７ｂは、その内部に例えばエチレングリコール等の冷媒が流通されており、熱交換の伝熱面積を増加させるためにコイル状等の屈曲構造や、スターフィン状等のフィン付配管とされている。また、冷却配管７ｂは、図１に示すように冷媒を冷却するための冷凍機７ｃと接続されている。なお、冷媒として液体窒素等の低温液化ガスを利用してもよく、その場合には上記冷凍機７ｃは不要である。
【００３２】
次に、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法（以下、単に「充填方法」という）の一例として、上記充填装置１の使用例について説明する。
本実施形態の充填方法は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、ガス冷却容器（冷却手段）７を備えた充填経路３を通して供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａに充填する水素ガスの充填方法であり、ガス冷却容器７により冷却された水素ガスを、充填経路３を通して燃料タンク４ａに充填した後に、冷却されていない水素ガスを、充填経路３を通して燃料タンク４ａに充填する方法である。
具体的には、以下に示す第１〜第４ステップから構成される。
【００３３】
（第１のステップ）
本実施形態の充填方法における第１のステップでは、先ず、水素ガス供給源（図示略）から供給される水素ガスを圧縮して蓄圧器ユニット５に貯留する。次に、この蓄圧器ユニット５からガス冷却容器７に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して第１の冷却水素ガスを生成する。そして、この第１の冷却水素ガスをガス冷却容器７に貯留する。
【００３４】
具体的には、図１に示すように、先ず、燃料電池自動車４への水素ガス充填の待機状態において、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を開放するとともにバルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６を閉止して、図示略の水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮機２で昇圧した後に蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ充填する。なお、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの設定圧力がそれぞれ異なる場合には、バルブＶ１〜Ｖ６を適宜切り替えることにより蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへ個別に充填を行う。蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへの高圧水素ガスの貯留完了後、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を閉止する。
【００３５】
次に、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃに貯留した高圧水素ガスをガス冷却容器７に充填する。先ず、バルブＶ４とＶ７を開放し、蓄圧器５ａとガス冷却容器７との圧力差を利用してガス冷却容器７に水素ガスを充填する。これらの圧力差が小さくなったら、バルブＶ４を閉止するとともにバルブＶ５を開放して、蓄圧器５ｂとガス冷却容器７との圧力差を利用してガス冷却容器７に水素ガスを充填する。
【００３６】
ガス冷却容器７が所定の圧力となるまで水素ガスを充填した後、バルブＶ７を閉止してガス冷却容器７内に水素ガスを貯留する。ガス冷却容器７に貯留された圧縮水素ガスは、容器内を通る冷却配管７ｂの冷媒によって冷却される。
この状態で、燃料電池自動車４が充填装置１に接続されるまで待機する。
【００３７】
ここで、本実施形態では、ガス冷却容器７により冷却されるとともにガス冷却容器７に貯留される水素ガスを、第１の冷却水素ガスと称する。そして、ガス冷却容器７内における第１の冷却水素ガスの温度は、例えば、０℃以下、好ましくは−１０℃以下、さらに好ましくは−２０℃以下とすることが好ましい。
【００３８】
また、ガス冷却容器７における第１の冷却水素ガスの圧力は、燃料タンク４ａにおける充填完了時の圧力の６０％以下とすることが好ましい。それより高圧では、ガス冷却容器７の肉厚を厚くする必要があり、ガス冷却容器７がコスト高になるため好ましくない。
【００３９】
また、ガス冷却容器７へ水素ガスを充填することにより圧力が低下した蓄圧器５ａ，５ｂに対しては、この待機時間の間に所定の圧力まで昇圧してもよい。
また、ガス冷却容器７への水素ガスの充填は、蓄圧器ユニット５を迂回するバイパス経路６に設けられたバルブＶ１０を開放することにより、圧縮機２で昇圧した水素ガスを直接ガス冷却容器７へ充填してもよい。
【００４０】
なお、ガス冷却容器７への圧縮水素ガスの充填は、複数の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃを用いてバルブの開閉動作を制御することにより、間欠充填することが望ましい（図２を参照）。水素ガスの供給動作と停止動作とを繰り返すことによりガス冷却容器７内に乱流が発生し、ガス冷却容器７内の水素ガスが撹拌される。このため、別途撹拌手段を設けずとも水素ガスを効率よく冷却することができる。
【００４１】
（第２のステップ）
本実施形態の充填方法における第２のステップでは、充填経路３と供給先容器である燃料タンク４ａとを接続し、ガス冷却容器７に貯留された第１の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
具体的には、図１に示すように、先ず、燃料タンク４ａを搭載した燃料電池自動車４に、充填装置１から伸びる連絡管９の先端のノズルを接続する。次に、バルブＶ９を開放し、ガス冷却容器７と燃料タンク４ａとの圧力差を利用して、ガス冷却容器７内の第１の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
【００４２】
（第３のステップ）
本実施形態の充填方法における第３のステップでは、蓄圧器ユニット５から供給される水素ガスを、ガス冷却容器７を通過させながら冷却して第２の冷却水素ガスを生成する。そして、供給先容器である燃料タンク４ａの圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで上記第２の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。燃料タンク４ａの圧力が上記範囲となるまで第２の冷却水素ガスの充填を実施することにより、水素ガス温度上昇の抑制と冷却手段の簡素化をより確実に両立できる。
【００４３】
具体的には、ガス冷却容器７と燃料タンク４ａとの圧力差が低下したら、燃料タンク４ａ内圧力が充填圧力の例えば６０％である４０ＭＰａに到達するまで、蓄圧器ユニット５を構成するいずれかの蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃ内の圧縮水素ガスをガス冷却容器７に通過させて冷却しながら、燃料タンク４ａに充填する。
【００４４】
ここで、本実施形態では、ガス冷却容器７を通過する際に冷却される水素ガスを、第２の冷却水素ガスと称する。そして、第２の冷却水素ガスの温度は、少なくとも０℃以下、例えば、−１０℃以下とすることが好ましい。
第３のステップでは、例えば、図１に示すように、バルブＶ４及びバルブＶ７を開放して、蓄圧器５ａ内の圧縮水素ガスをガス冷却容器７に通過させて冷却しながら、上記第２の冷却水素ガスを生成し、この第２の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
【００４５】
（第４のステップ）
本実施形態の充填方法における第４のステップでは、蓄圧器ユニット５から供給される水素ガスを、ガス冷却容器７を通過させないで供給先容器である燃料タンク４ａに充填して燃料タンク４ａの充填を完了する。そして、連絡管９（充填経路３）と燃料タンク４ａとの接続を解除する。
【００４６】
具体的には、燃料タンク４ａ内の圧力が４０ＭＰａに到達したら、バルブＶ７を閉止した後にバルブＶ８を開放する。これにより、蓄圧器ユニット５内の外気温の水素ガス、すなわち、ガス冷却容器７により冷却されない水素ガスを、バイパス経路８を介して燃料タンク４ａに充填する。次に、バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６を開閉操作しながら蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃを適宜切り替え、燃料タンク４ａ内圧力が所定の充填圧力（７０ＭＰａ）となった時点で充填を完了する。最後に、充填装置１から伸びる連絡管９の先端のノズルと燃料タンク４ａを搭載した燃料電池自動車４との接続を解除する。
【００４７】
これにより、燃料電池自動車４への水素ガス充填を完了して、次の燃料電池自動車が来るまでのあいだ待機状態となる。そして、この待機状態のあいだに再び上記第１のステップを実行する。
【００４８】
ところで、燃料タンク４ａ内に高圧の水素ガスを充填する操作を行なった場合には、燃料タンク内の温度が水素ガスの充填とともに上昇することが知られている。ここで、図４は、冷却された水素ガスを用いない水素ガスの供給方法における、充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。図４に示すように、充填開始直後と蓄圧器の切り替え時に急激な温度上昇を伴う。そのなかでも充填開始直後、つまり空の燃料タンクに水素ガスを充填したときの温度上昇幅が最大となる。このため、冷却された水素ガスを用いない従来の水素ガスの供給方法では、その後の蓄圧器の切り替え時にさらに燃料タンク内の温度が上昇して、最終的には耐熱温度（８５℃）を超えてしまう。
【００４９】
これに対して、本実施形態の充填方法では、第２及び第３のステップにおいて、供給先容器である燃料タンク４ａ内の圧力が、充填完了時の圧力の６０％に到達するまでガス冷却容器７により冷却された第１及び第２の冷却水素ガスを充填する構成となっている。このため、図３に示すように、温度上昇幅が最も大きい充填開始直後の温度上昇幅を低減することができる。これにより、その後の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの切り替え時にさらに燃料タンク４ａ内の温度が上昇しても、充填完了時の圧力に到達した際に耐熱温度（８５℃）を超えることがない。
【００５０】
このように、温度上昇幅が大きい充填開始直後のみ冷却された水素ガスを充填することにより、燃料タンク内の温度上昇を抑制し、燃料タンクの使用上限温度を超えないようにすることができる。このとき、冷却された水素ガスは充填の初期のみ供給すればよいため、水素ガスの冷却に要するエネルギーを、最初から最後まで一定に冷却する従来の充填方法（図５を参照）に比べて減らすことができる。
【００５１】
特に、予め待機時間の間にガス冷却容器７に冷却された水素ガス（第１の冷却水素ガス）を貯留、冷却しておくことにより、従来方法であるシェル−冷媒、チューブ−水素等の熱交換器で水素を冷却する場合に比べて、冷却に必要なエネルギーを抑制することができるとともに、容器自体の大きさを小型化することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の充填装置１によれば、充填経路３に設けられたガス冷却容器７と、このガス冷却容器７を迂回するバイパス経路８とを備えているため、充填開始直後に第１及び第２の冷却水素ガスを供給した後、バイパス経路８に切り替えることにより、冷却されていない水素ガスを蓄圧ユニット５から燃料タンク４ａに供給することができる。これにより、水素ガスのガス冷却容器７を小型化、簡素化することができる。
【００５３】
また、本実施形態の充填方法によれば、燃料タンク４ａへの充填開始直後のみ、冷却された水素ガスである第１及び第２の冷却水素ガスを供給することにより、水素ガスの充填時の燃料タンク４ａ内の温度上昇を抑制することができる。また、燃料タンク４ａへ供給する水素ガスは、充填開始直後に充填する分のみを冷却すればよいため、水素ガスの冷却手段であるガス冷却容器７の小型化、簡素化を図ることができる。
【００５４】
さらに、水素ガスの冷却手段として、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器７を用いているため、充填操作間の待機時間中に水素ガスを冷却するとともに貯留しておけるので、冷媒を冷却する冷凍機７ｃも小型化、簡素化することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…充填装置（水素ガスの充填装置）
２…圧縮機
３…充填経路
４…燃料電池自動車
４ａ…燃料タンク（供給先容器）
５…蓄圧器ユニット
５ａ，５ｂ，５ｃ…蓄圧器
６，８…バイパス経路
７…ガス冷却容器（冷却手段）
７ａ…断熱容器
７ｂ…冷却配管
７ｃ…冷凍機
９…連絡管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスの充填方法及び充填装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題への関心の高まりにより、二酸化炭素排出量の少ない次世代自動車の開発が進められている。なかでも、燃料電池自動車は、二酸化炭素を排出せず、究極のエコカーとして注目されている。
【０００３】
また、燃料電池自動車のような水素自動車等（以下、単に燃料電池自動車と記す）には、燃料として水素ガスを利用している。そして、燃料電池自動車に燃料を補給する際には、燃料電池自動車に搭載された燃料タンクに、水素ガス充填用の燃料補給装置から高圧の水素ガスを充填する必要がある。
【０００４】
ところで、燃料電池自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガスが流れる経路に設けられている各種弁や流量計等の部分で断熱膨張すると、ジュールトムソン効果によって温度が上昇するという性質を有している。したがって、燃料タンクへの水素ガスの充填中において、ジュールトムソン効果と充填に伴う断熱圧縮とによって燃料タンク内の水素ガスの温度が上昇してしまう。このように、水素ガスの温度が上昇すると、複合容器からなる燃料タンクの耐熱温度（８５℃）を超えてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、上記問題を解決するために、水素ガスが流れる経路に熱交換器等の冷却手段を配置し、この冷却手段で水素ガスを所定の温度以下に冷却しながら燃料電池自動車の燃料タンクに充填する装置及び方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
具体的には、図５に示すように、特許文献１に記載された充填装置１０１は、図示略の水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮機１０２で昇圧し、充填経路１０３を通して燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填するものであり、充填経路１０３の途中には水素ガスを冷却するための冷却手段１０７が設けられている。
【０００７】
この冷却手段１０７は、冷媒通路１０７ａ内に水素ガスの流路を挿入したシェル＆チューブ式熱交換器であり、水素ガスを冷媒通路１０７ａに供給される冷媒で冷却するように形成されている。また、冷却手段１７には、熱交換器１０７ｃに冷媒を循環させる循環経路１０７ｂが設けられている。
【０００８】
そして、特許文献１に記載された充填方法は、上記充填装置１０１に設けられた冷却手段１０７によって水素ガスを冷却しながら燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填する構成とされている。これにより、複合容器からなる燃料タンク１０４ａの耐熱温度（８５℃）を超えることなく、水素ガスを充填可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１６６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、熱交換器１０７ｃ等を有する冷却手段１０７で水素ガスを冷却しながら燃料電池自動車１０４の燃料タンク１０４ａに充填しようとすると、水素ガスを所定の温度以下に冷却するために熱交換器１０７ａや１０７ｃのサイズが大型化（例えば、二重管式熱交換器の場合には配管長が長くなる）するという課題があった。また、冷却手段１０７として冷却能力が高いものを使用する必要があり、設備費が上昇するという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、水素ガスの冷却手段の簡素化を図るとともに、充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる水素ガスの充填方法及び充填装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、本願の発明者が鋭意研究した結果、圧縮された水素ガスを供給先の容器に充填する際、水素ガスの温度は充填を開始した直後に急上昇するが、その上昇幅は徐々に小さくなる傾向を示すため、充填の初期のみ冷却された水素ガスを供給することにより、それ以降は冷却を行なわなくても供給先の容器内の水素ガスの温度上昇を抑制可能であることを見出し、本発明を創案するに至った。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、
前記冷却手段により冷却された水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であり、前記冷却手段により冷却された水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されて当該ガス冷却容器に貯留されたものであることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項３に記載の発明は、前記ガス冷却容器を、前記供給先容器よりも高圧とし、前記ガス冷却容器と前記供給先容器との圧力差を利用して、前記ガス冷却容器により冷却された前記水素ガスを、当該ガス冷却容器から当該供給先容器に充填することを特徴とする請求項２に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されるとともに当該ガス冷却容器に貯留される第１の冷却水素ガスと、前記ガス冷却容器を通過する際に冷却される第２の冷却水素ガスと、からなり、前記第１の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填し、前記第２の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項５に記載の発明は、当該供給先容器内の圧力が、充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを充填することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法である。
請求項６に記載の発明は、圧縮された水素ガスを１以上の蓄圧器に一時的に貯留し、前記蓄圧器と前記ガス冷却容器との圧力差を利用して、当該蓄圧器から当該ガス冷却容器に前記水素ガスを間欠的に充填することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して前記蓄圧器に貯留し、当該蓄圧器から前記ガス冷却容器に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して前記第１の冷却水素ガスとし、当該第１の冷却水素ガスを当該ガス冷却容器に貯留する第１のステップと、
前記充填経路と前記供給先容器とを接続し、前記ガス冷却容器に貯留された前記第１の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第２のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させながら冷却して前記第２の冷却水素ガスとし、前記供給先容器の圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記第２の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第３のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させないで前記供給先容器に充填して当該供給先容器の充填を完了し、前記充填経路と前記供給先容器との接続を解除する第４のステップと、を備えることを特徴とする請求項６に記載の水素ガスの充填方法である。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮した水素ガスを供給先容器に充填する充填経路とを備えた水素ガスの充填装置であって、
前記充填経路に設けられた冷却手段と、
前記冷却手段を迂回するバイパス経路と、を備えることを特徴とする水素ガスの充填装置である。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であることを特徴とする請求項８に記載の水素ガスの充填装置である。
請求項１０に記載の発明は、前記圧縮機で圧縮した水素ガスを一時的に貯留する１以上の蓄圧器を備え、前記蓄圧器が、前記ガス冷却容器より上流側の充填経路に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の水素ガスの充填装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素ガスの充填方法によれば、供給先容器への充填開始直後のみ、冷却された水素ガスを供給することで充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。また、供給先容器へ供給する水素ガスは、充填開始直後のみ冷却すればよいため、水素ガスの冷却手段の小型化、簡素化を図ることができる。
さらに、水素ガスの冷却手段として、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器を用いる場合には、充填操作間の待機時間中に水素ガスを冷却するとともに貯留しておけるので、冷媒を冷却する冷凍機も小型化、簡素化することができる。
【００２０】
本発明の水素ガスの充填装置によれば、充填経路に設けられた冷却手段と、冷却手段を迂回するバイパス経路とを備えているため、充填開始直後に冷却された水素ガスを供給した後にバイパス経路に切り替えることにより、冷却されていない水素ガスを供給先容器に供給することができる。これにより、水素ガスの冷却手段の小型化、簡素化を図ることができる。したがって、水素ガスの冷却手段の簡素化を図るとともに、充填時の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を適用した一実施形態を示す水素ガスの充填装置の系統図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法におけるガス冷却容器への水素ガスの充填方法を説明するための図であり、充填時間とガス冷却容器内の圧力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法における充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。
【図４】冷却された水素ガスを用いない水素ガスの供給方法における、充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。
【図５】水素ガスの冷却手段を備えた従来の水素ガスの充填装置の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法について、これに用いる水素ガスの充填装置とともに、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２３】
先ず、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填装置（以下、単に「充填装置」という）の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の充填装置１は、水素ガス供給源（図示略）から供給される水素ガスを圧縮機２で昇圧し、充填経路３を通して燃料電池自動車４の燃料タンク（供給先容器）４ａに充填するものである。また、充填経路３の途中には、圧縮後の水素ガスを一時的に貯留する蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃからなる蓄圧器ユニット５と、この蓄圧器５を迂回するバイパス経路６と、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器（冷却手段）７と、このガス冷却容器７を迂回するバイパス経路８とが設けられている。
【００２４】
さらに、充填経路３の終端部には、充填装置１から燃料電池自動車４に水素ガスを供給するフレキシブルホース等の連絡管９の一端が接続されている。そして、連絡管９の他端には、燃料電池自動車４の充填口に接続するカプラー（図示略）が設けられている。
【００２５】
本実施形態の水素ガス供給源は、通常、２０〜４０ＭＰａの水素ガスが充填されている水素カードルや水素トレーラーである。また、図１に示すように、燃料電池自動車４は、水素ガスを７０ＭＰａまで充填可能な燃料タンク４ａを備えている。なお、７０ＭＰａ以上の高圧水素ガスが流れる充填経路３等の配管や機器には、高圧対応のものが使用されている。
【００２６】
圧縮機２は、図１に示すように、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへそれぞれ充填するために設けられている。圧縮機２としては、特に限定されるものではなく、例えば、ピストン式、ダイアフラム式等の公知のものを適用することができる。
【００２７】
蓄圧器ユニット５は、供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａにおける充填圧力よりも高圧とした水素ガスを一時的に貯留するために、ガス冷却容器７よりも上流側の充填経路３に設けられている。
【００２８】
この蓄圧器ユニット５は、１以上の蓄圧器を組み合わせて構成されている。本実施形態では、図１に示すように、例えば、３個の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃから構成されている。各蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにおける圧力は、少なくともいずれか一つが上記燃料タンク４ａの充填圧力よりも高く設けられていれば特に限定されるものではなく、各蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにおける圧力を同一としても良いし、異なる圧力としても良い。具体的には、例えば、蓄圧器５ａを３５ＭＰａ、蓄圧器５ｂを７０ＭＰａ、蓄圧器５ｃを８５ＭＰａと、異なる圧力に設定してもよい。なお、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、鋼製容器、複合容器等を適用することができる。
【００２９】
ガス冷却容器７は、蓄圧器ユニット５から供給される高圧の水素ガスを予め冷却し、貯留するためのものである。ガス冷却容器７は、水素ガスを貯留するための断熱容器７ａと、この断熱容器７ａ内部に配置された冷却配管７ｂとから構成されている。
【００３０】
断熱容器７ａの容積は、供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａが充填圧力の６０％まで充填されたと仮定したときの水素ガス量を、上記充填圧力の６０％の圧力において貯留可能な容積以下とすることが好ましい。ここで、断熱容器７ａの容積を、上記充填圧力の６０％の圧力における貯留可能な容積よりも大きくすると、充填装置１全体の大型化を招くために好ましくない。具体的には、例えば１６０Ｌの上記燃料タンク４ａに充填圧力７０ＭＰａで充填する場合には、断熱容器７ａの容積は約３０Ｌ程度とすることができる。
【００３１】
冷却配管７ｂは、その内部に例えばエチレングリコール等の冷媒が流通されており、熱交換の伝熱面積を増加させるためにコイル状等の屈曲構造や、スターフィン状等のフィン付配管とされている。また、冷却配管７ｂは、図１に示すように冷媒を冷却するための冷凍機７ｃと接続されている。なお、冷媒として液体窒素等の低温液化ガスを利用してもよく、その場合には上記冷凍機７ｃは不要である。
【００３２】
次に、本発明を適用した一実施形態である水素ガスの充填方法（以下、単に「充填方法」という）の一例として、上記充填装置１の使用例について説明する。
本実施形態の充填方法は、水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、ガス冷却容器（冷却手段）７を備えた充填経路３を通して供給先容器である燃料電池自動車４の燃料タンク４ａに充填する水素ガスの充填方法であり、ガス冷却容器７により冷却された水素ガスを、充填経路３を通して燃料タンク４ａに充填した後に、冷却されていない水素ガスを、充填経路３を通して燃料タンク４ａに充填する方法である。
具体的には、以下に示す第１〜第４ステップから構成される。
【００３３】
（第１のステップ）
本実施形態の充填方法における第１のステップでは、先ず、水素ガス供給源（図示略）から供給される水素ガスを圧縮して蓄圧器ユニット５に貯留する。次に、この蓄圧器ユニット５からガス冷却容器７に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して第１の冷却水素ガスを生成する。そして、この第１の冷却水素ガスをガス冷却容器７に貯留する。
【００３４】
具体的には、図１に示すように、先ず、燃料電池自動車４への水素ガス充填の待機状態において、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を開放するとともにバルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６を閉止して、図示略の水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮機２で昇圧した後に蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ充填する。なお、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの設定圧力がそれぞれ異なる場合には、バルブＶ１〜Ｖ６を適宜切り替えることにより蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへ個別に充填を行う。蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃへの高圧水素ガスの貯留完了後、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を閉止する。
【００３５】
次に、蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃに貯留した高圧水素ガスをガス冷却容器７に充填する。先ず、バルブＶ４とＶ７を開放し、蓄圧器５ａとガス冷却容器７との圧力差を利用してガス冷却容器７に水素ガスを充填する。これらの圧力差が小さくなったら、バルブＶ４を閉止するとともにバルブＶ５を開放して、蓄圧器５ｂとガス冷却容器７との圧力差を利用してガス冷却容器７に水素ガスを充填する。
【００３６】
ガス冷却容器７が所定の圧力となるまで水素ガスを充填した後、バルブＶ７を閉止してガス冷却容器７内に水素ガスを貯留する。ガス冷却容器７に貯留された圧縮水素ガスは、容器内を通る冷却配管７ｂの冷媒によって冷却される。
この状態で、燃料電池自動車４が充填装置１に接続されるまで待機する。
【００３７】
ここで、本実施形態では、ガス冷却容器７により冷却されるとともにガス冷却容器７に貯留される水素ガスを、第１の冷却水素ガスと称する。そして、ガス冷却容器７内における第１の冷却水素ガスの温度は、例えば、０℃以下、好ましくは−１０℃以下、さらに好ましくは−２０℃以下とすることが好ましい。
【００３８】
また、ガス冷却容器７における第１の冷却水素ガスの圧力は、燃料タンク４ａにおける充填完了時の圧力の６０％以下とすることが好ましい。それより高圧では、ガス冷却容器７の肉厚を厚くする必要があり、ガス冷却容器７がコスト高になるため好ましくない。
【００３９】
また、ガス冷却容器７へ水素ガスを充填することにより圧力が低下した蓄圧器５ａ，５ｂに対しては、この待機時間の間に所定の圧力まで昇圧してもよい。
また、ガス冷却容器７への水素ガスの充填は、蓄圧器ユニット５を迂回するバイパス経路６に設けられたバルブＶ１０を開放することにより、圧縮機２で昇圧した水素ガスを直接ガス冷却容器７へ充填してもよい。
【００４０】
なお、ガス冷却容器７への圧縮水素ガスの充填は、複数の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃを用いてバルブの開閉動作を制御することにより、間欠充填することが望ましい（図２を参照）。水素ガスの供給動作と停止動作とを繰り返すことによりガス冷却容器７内に乱流が発生し、ガス冷却容器７内の水素ガスが撹拌される。このため、別途撹拌手段を設けずとも水素ガスを効率よく冷却することができる。
【００４１】
（第２のステップ）
本実施形態の充填方法における第２のステップでは、充填経路３と供給先容器である燃料タンク４ａとを接続し、ガス冷却容器７に貯留された第１の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
具体的には、図１に示すように、先ず、燃料タンク４ａを搭載した燃料電池自動車４に、充填装置１から伸びる連絡管９の先端のノズルを接続する。次に、バルブＶ９を開放し、ガス冷却容器７と燃料タンク４ａとの圧力差を利用して、ガス冷却容器７内の第１の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
【００４２】
（第３のステップ）
本実施形態の充填方法における第３のステップでは、蓄圧器ユニット５から供給される水素ガスを、ガス冷却容器７を通過させながら冷却して第２の冷却水素ガスを生成する。そして、供給先容器である燃料タンク４ａの圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで上記第２の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。燃料タンク４ａの圧力が上記範囲となるまで第２の冷却水素ガスの充填を実施することにより、水素ガス温度上昇の抑制と冷却手段の簡素化をより確実に両立できる。
【００４３】
具体的には、ガス冷却容器７と燃料タンク４ａとの圧力差が低下したら、燃料タンク４ａ内圧力が充填圧力の例えば６０％である４０ＭＰａに到達するまで、蓄圧器ユニット５を構成するいずれかの蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃ内の圧縮水素ガスをガス冷却容器７に通過させて冷却しながら、燃料タンク４ａに充填する。
【００４４】
ここで、本実施形態では、ガス冷却容器７を通過する際に冷却される水素ガスを、第２の冷却水素ガスと称する。そして、第２の冷却水素ガスの温度は、少なくとも０℃以下、例えば、−１０℃以下とすることが好ましい。
第３のステップでは、例えば、図１に示すように、バルブＶ４及びバルブＶ７を開放して、蓄圧器５ａ内の圧縮水素ガスをガス冷却容器７に通過させて冷却しながら、上記第２の冷却水素ガスを生成し、この第２の冷却水素ガスを燃料タンク４ａに充填する。
【００４５】
（第４のステップ）
本実施形態の充填方法における第４のステップでは、蓄圧器ユニット５から供給される水素ガスを、ガス冷却容器７を通過させないで供給先容器である燃料タンク４ａに充填して燃料タンク４ａの充填を完了する。そして、連絡管９（充填経路３）と燃料タンク４ａとの接続を解除する。
【００４６】
具体的には、燃料タンク４ａ内の圧力が４０ＭＰａに到達したら、バルブＶ７を閉止した後にバルブＶ８を開放する。これにより、蓄圧器ユニット５内の外気温の水素ガス、すなわち、ガス冷却容器７により冷却されない水素ガスを、バイパス経路８を介して燃料タンク４ａに充填する。次に、バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ６を開閉操作しながら蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃを適宜切り替え、燃料タンク４ａ内圧力が所定の充填圧力（７０ＭＰａ）となった時点で充填を完了する。最後に、充填装置１から伸びる連絡管９の先端のノズルと燃料タンク４ａを搭載した燃料電池自動車４との接続を解除する。
【００４７】
これにより、燃料電池自動車４への水素ガス充填を完了して、次の燃料電池自動車が来るまでのあいだ待機状態となる。そして、この待機状態のあいだに再び上記第１のステップを実行する。
【００４８】
ところで、燃料タンク４ａ内に高圧の水素ガスを充填する操作を行なった場合には、燃料タンク内の温度が水素ガスの充填とともに上昇することが知られている。ここで、図４は、冷却された水素ガスを用いない水素ガスの供給方法における、充填時間と供給先容器内の温度との関係を示す図である。図４に示すように、充填開始直後と蓄圧器の切り替え時に急激な温度上昇を伴う。そのなかでも充填開始直後、つまり空の燃料タンクに水素ガスを充填したときの温度上昇幅が最大となる。このため、冷却された水素ガスを用いない従来の水素ガスの供給方法では、その後の蓄圧器の切り替え時にさらに燃料タンク内の温度が上昇して、最終的には耐熱温度（８５℃）を超えてしまう。
【００４９】
これに対して、本実施形態の充填方法では、第２及び第３のステップにおいて、供給先容器である燃料タンク４ａ内の圧力が、充填完了時の圧力の６０％に到達するまでガス冷却容器７により冷却された第１及び第２の冷却水素ガスを充填する構成となっている。このため、図３に示すように、温度上昇幅が最も大きい充填開始直後の温度上昇幅を低減することができる。これにより、その後の蓄圧器５ａ，５ｂ，５ｃの切り替え時にさらに燃料タンク４ａ内の温度が上昇しても、充填完了時の圧力に到達した際に耐熱温度（８５℃）を超えることがない。
【００５０】
このように、温度上昇幅が大きい充填開始直後のみ冷却された水素ガスを充填することにより、燃料タンク内の温度上昇を抑制し、燃料タンクの使用上限温度を超えないようにすることができる。このとき、冷却された水素ガスは充填の初期のみ供給すればよいため、水素ガスの冷却に要するエネルギーを、最初から最後まで一定に冷却する従来の充填方法（図５を参照）に比べて減らすことができる。
【００５１】
特に、予め待機時間の間にガス冷却容器７に冷却された水素ガス（第１の冷却水素ガス）を貯留、冷却しておくことにより、従来方法であるシェル−冷媒、チューブ−水素等の熱交換器で水素を冷却する場合に比べて、冷却に必要なエネルギーを抑制することができるとともに、容器自体の大きさを小型化することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の充填装置１によれば、充填経路３に設けられたガス冷却容器７と、このガス冷却容器７を迂回するバイパス経路８とを備えているため、充填開始直後に第１及び第２の冷却水素ガスを供給した後、バイパス経路８に切り替えることにより、冷却されていない水素ガスを蓄圧ユニット５から燃料タンク４ａに供給することができる。これにより、水素ガスのガス冷却容器７を小型化、簡素化することができる。
【００５３】
また、本実施形態の充填方法によれば、燃料タンク４ａへの充填開始直後のみ、冷却された水素ガスである第１及び第２の冷却水素ガスを供給することにより、水素ガスの充填時の燃料タンク４ａ内の温度上昇を抑制することができる。また、燃料タンク４ａへ供給する水素ガスは、充填開始直後に充填する分のみを冷却すればよいため、水素ガスの冷却手段であるガス冷却容器７の小型化、簡素化を図ることができる。
【００５４】
さらに、水素ガスの冷却手段として、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器７を用いているため、充填操作間の待機時間中に水素ガスを冷却するとともに貯留しておけるので、冷媒を冷却する冷凍機７ｃも小型化、簡素化することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…充填装置（水素ガスの充填装置）
２…圧縮機
３…充填経路
４…燃料電池自動車
４ａ…燃料タンク（供給先容器）
５…蓄圧器ユニット
５ａ，５ｂ，５ｃ…蓄圧器
６，８…バイパス経路
７…ガス冷却容器（冷却手段）
７ａ…断熱容器
７ｂ…冷却配管
７ｃ…冷凍機
９…連絡管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、
前記冷却手段により冷却された水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法。
【請求項２】
前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であり、
前記冷却手段により冷却された水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されて当該ガス冷却容器に貯留されたものであることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項３】
前記ガス冷却容器を、前記供給先容器よりも高圧とし、
前記ガス冷却容器と前記供給先容器との圧力差を利用して、前記ガス冷却容器により冷却された前記水素ガスを、当該ガス冷却容器から当該供給先容器に充填することを特徴とする請求項２に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項４】
前記冷却手段により冷却された前記水素ガスが、
前記ガス冷却容器により冷却されるとともに当該ガス冷却容器に貯留される第１の冷却水素ガスと、
前記ガス冷却容器を通過する際に冷却される第２の冷却水素ガスと、からなり、
前記第１の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填し、
前記第２の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項５】
当該供給先容器内の圧力が、充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを充填することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項６】
圧縮された水素ガスを１以上の蓄圧器に一時的に貯留し、
前記蓄圧器と前記ガス冷却容器との圧力差を利用して、当該蓄圧器から当該ガス冷却容器に前記水素ガスを間欠的に充填することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項７】
前記水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して前記蓄圧器に貯留し、当該蓄圧器から前記ガス冷却容器に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して前記第１の冷却水素ガスとし、当該第１の冷却水素ガスを当該ガス冷却容器に貯留する第１のステップと、
前記充填経路と前記供給先容器とを接続し、前記ガス冷却容器に貯留された前記第１の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第２のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させながら冷却して前記第２の冷却水素ガスとし、前記供給先容器の圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記第２の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第３のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させないで前記供給先容器に充填して当該供給先容器の充填を完了し、前記充填経路と前記供給先容器との接続を解除する第４のステップと、を備えることを特徴とする請求項６に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項８】
水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮した水素ガスを供給先容器に充填する充填経路とを備えた水素ガスの充填装置であって、
前記充填経路に設けられた冷却手段と、
前記冷却手段を迂回するバイパス経路と、を備えることを特徴とする水素ガスの充填装置。
【請求項９】
前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であることを特徴とする請求項８に記載の水素ガスの充填装置。
【請求項１０】
前記圧縮機で圧縮した水素ガスを一時的に貯留する１以上の蓄圧器を備え、
前記蓄圧器が、前記ガス冷却容器より上流側の充填経路に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の水素ガスの充填装置。
【請求項１】
水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮し、冷却手段を備えた充填経路を通して供給先容器に充填する水素ガスの充填方法であって、
前記冷却手段により冷却された水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする水素ガスの充填方法。
【請求項２】
前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であり、
前記冷却手段により冷却された水素ガスが、前記ガス冷却容器により冷却されて当該ガス冷却容器に貯留されたものであることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項３】
前記ガス冷却容器を、前記供給先容器よりも高圧とし、
前記ガス冷却容器と前記供給先容器との圧力差を利用して、前記ガス冷却容器により冷却された前記水素ガスを、当該ガス冷却容器から当該供給先容器に充填することを特徴とする請求項２に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項４】
前記冷却手段により冷却された前記水素ガスが、
前記ガス冷却容器により冷却されるとともに当該ガス冷却容器に貯留される第１の冷却水素ガスと、
前記ガス冷却容器を通過する際に冷却される第２の冷却水素ガスと、からなり、
前記第１の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填し、
前記第２の冷却水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填した後に、
冷却されていない水素ガスを、前記充填経路を通して前記供給先容器に充填することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項５】
当該供給先容器内の圧力が、充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを充填することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項６】
圧縮された水素ガスを１以上の蓄圧器に一時的に貯留し、
前記蓄圧器と前記ガス冷却容器との圧力差を利用して、当該蓄圧器から当該ガス冷却容器に前記水素ガスを間欠的に充填することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項７】
前記水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮して前記蓄圧器に貯留し、当該蓄圧器から前記ガス冷却容器に水素ガスを間欠的に充填しながら冷却して前記第１の冷却水素ガスとし、当該第１の冷却水素ガスを当該ガス冷却容器に貯留する第１のステップと、
前記充填経路と前記供給先容器とを接続し、前記ガス冷却容器に貯留された前記第１の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第２のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させながら冷却して前記第２の冷却水素ガスとし、前記供給先容器の圧力が充填完了時の圧力の３０〜７０％に到達するまで前記第２の冷却水素ガスを当該供給先容器に充填する第３のステップと、
前記蓄圧器から供給される水素ガスを、前記ガス冷却容器を通過させないで前記供給先容器に充填して当該供給先容器の充填を完了し、前記充填経路と前記供給先容器との接続を解除する第４のステップと、を備えることを特徴とする請求項６に記載の水素ガスの充填方法。
【請求項８】
水素ガス供給源から供給される水素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮した水素ガスを供給先容器に充填する充填経路とを備えた水素ガスの充填装置であって、
前記充填経路に設けられた冷却手段と、
前記冷却手段を迂回するバイパス経路と、を備えることを特徴とする水素ガスの充填装置。
【請求項９】
前記冷却手段が、水素ガスの冷却及び貯留が可能なガス冷却容器であることを特徴とする請求項８に記載の水素ガスの充填装置。
【請求項１０】
前記圧縮機で圧縮した水素ガスを一時的に貯留する１以上の蓄圧器を備え、
前記蓄圧器が、前記ガス冷却容器より上流側の充填経路に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の水素ガスの充填装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７４９２５（Ｐ２０１１−７４９２５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２３５９９（Ｐ２００９−２２３５９９）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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