水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置
【課題】水素ガスが圧縮機を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填することの可能な水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１２により、圧縮された水素ガスを貯蔵容器３６内に貯蔵し、次いで、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスを導出させて冷却し、次いで、冷却した水素ガスにより、冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却し、次いで、管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した水素ガスを回収容器８２内に回収し、その後、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び貯蔵容器３６を経由することなく、水素自動車１９の燃料タンクに充填する。
【解決手段】圧縮機１２により、圧縮された水素ガスを貯蔵容器３６内に貯蔵し、次いで、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスを導出させて冷却し、次いで、冷却した水素ガスにより、冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却し、次いで、管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した水素ガスを回収容器８２内に回収し、その後、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び貯蔵容器３６を経由することなく、水素自動車１９の燃料タンクに充填する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に関するものであって、より詳しくは、水素自動車の燃料となる水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填する水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車のような水素自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガス供給源から水素自動車に至る管路に設けられた弁等を通過する際、ジュールトムソン効果により温度が上昇すると共に、水素自動車の燃料タンクに高圧に圧縮充填するための圧縮熱によっても温度上昇してしまう。
このように水素ガスの温度が上昇すると、燃料タンクの耐熱温度を超える問題や、充填後の冷却に伴う圧力降下等の問題が発生する。
【０００３】
上記問題を解決可能な従来技術として、特許文献１がある。特許文献１には、冷却手段で冷却した水素ガスを充填管路、循環管路、及び回収管路等を通して回収容器に回収する予冷運転を行うことで、肉厚が厚く、熱容量が多大な配管や機器を水素自動車に水素ガスを充填する前に予め冷却する水素ガス充填方法及び水素ガス充填装置が開示されている。
特許文献１によれば、冷却に使用した水素ガスを回収容器に回収した後、減圧弁を通して圧力を降下させ、再度圧縮機を通して蓄圧器に充填することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３９９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の水素ガス充填方法及び水素ガス充填装置では、一旦圧縮機でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧し、減圧弁を通過することから、該エネルギーを無駄に使用していた。
【０００６】
そこで、本発明は、水素ガスが圧縮機及び減圧弁を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填することの可能な水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置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】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、圧縮機により、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮された前記水素ガスを貯蔵容器内に貯蔵する工程と、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを導出させ、冷却手段により該水素ガスを冷却する工程と、冷却した前記水素ガスにより、前記冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却する工程と、前記管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した前記水素ガスを回収容器内に回収する工程と、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを、前記圧縮機を経由することなく、水素自動車に充填する第１充填工程と、を含むことを特徴とする水素ガス充填方法が提供される。
【０００８】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１充填工程後に、前記冷却手段を介して、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを、前記水素自動車に充填する第２充填工程を有することを特徴とする請求項１記載の水素ガス充填方法が提供される。
【０００９】
また、請求項３に係る発明によれば、前記第１充填工程では、前記冷却手段により、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを冷却した後、冷却された前記水素ガスを前記水素自動車に充填することを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス充填方法が提供される。
【００１０】
また、請求項４に係る発明によれば、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記水素ガスを貯蔵する貯蔵容器と、前記水素ガス供給源、前記貯蔵容器、及び水素自動車と接続され、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する充填管路と、前記圧縮機よりも下流側に位置する前記充填管路に設けられ、前記水素ガスを冷却する冷却手段と、前記貯蔵容器をバイパスするように、両端が前記圧縮機と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路と接続されたバイパス用管路と、前記冷却手段の下流側に位置する前記充填管路から分岐した管路に接続され、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを回収する回収容器と、一端が前記バイパス用管路と接続され、他端が前記充填管路から分岐した管路と接続され、前記バイパス用管路を介して、前記回収容器に回収された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する回収ガス充填管路と、を有することを特徴とする水素ガス充填装置が提供される。
【００１１】
また、請求項５に係る発明によれば、前記充填管路から分岐した管路は、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路から分岐すると共に、前記充填管路から分岐した管路の端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続されていることを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置が提供される。
【００１２】
また、請求項６に係る発明によれば、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端部から分岐し、前記水素ガスを放散する水素放散ラインと、前記充填管路から分岐した管路に替えて、前記水素放散ラインから分岐すると共に、端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続された管路と、を有することを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置が提供される。
【００１３】
また、請求項７に係る発明によれば、前記回収ガス充填管路に、遮断弁を設けたことを特徴とする請求項４ないし６のうち、いずれか１項記載の水素ガス充填装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素ガス充填方法によれば、冷却した水素ガスにより、冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却し、次いで、管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した水素ガスを回収容器内に回収し、その後、回収容器内に回収された水素ガスを、圧縮機を経由することなく、回収容器内の圧力と貯蔵容器内の圧力との差（差圧）により、回収容器で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車（具体的には、燃料タンク）に充填することが可能となる。
【００１５】
これにより、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車に充填する際、圧縮機でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧させたり、減圧弁に水素ガスを通過させたりすることがなくなる。
【００１６】
したがって、水素ガスが圧縮機及び減圧弁を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填することができる。
【００１７】
また、回収容器を貯蔵容器として利用することが可能となるので、貯蔵容器を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車の連続充填台数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
図１を参照するに、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０は、水素ガス供給源１１と、圧縮機１２と、充填管路１４と、第１の接続部１６と、第２の接続部１８Ａと、第３の接続部１８Ｂと、フレキシブルホース２１と、手動弁２３，２８，３５，４７，８５と、自動弁２４，２９，３８，４５，４８，６４，７７，７９と、減圧弁２６，７３と、圧力計２７，３９，５１，５６，７５，８４と、逆止弁３２，４２，６９と、貯蔵容器用分岐ライン３４と、複数の貯蔵容器３６と、バイパス用管路４４と、流量調整弁５３，６７と、積算流量計５４，６８と、安全弁５７と、冷却手段５９と、循環管路６２と、接続口６５と、遮断弁７２，９２と、温度計７６と、水素放散ライン７８と、回収管路８１と、回収容器８２と、回収ガス充填管路９１と、を有する。
【００２０】
水素ガス供給源１１は、充填管路１４の一端１４Ａと接続されており、充填管路１４の一部を介して、圧縮機１２と接続されている。水素ガス供給源１１は、水素ガスを圧縮機１２に供給する。
水素ガス供給源１１としては、例えば、１９．６ＭＰａ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等を用いることができる。
【００２１】
圧縮機１２は、水素ガス供給源１１から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮した水素ガスを圧縮機１２の吐出側（出口側）に位置する充填管路１４に吐出する。
充填管路１４は、他端１４Ｂ（終端）が第１の接続部１６と接続されている。充填管路１４は、水素ガスを輸送可能な状態で、水素ガス供給源１１、貯蔵容器３６、及び水素自動車１９と接続されている。
充填管路１４は、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガス、及び回収容器８２内に回収された水素ガスを、水素自動車１９の燃料タンクに充填するための管路である。
【００２２】
第１の接続部１６は、充填管路１４の他端１４Ｂ（終端）に設けられている。第１の接続部１６は、フレキシブルホース２１の一端に設けられた第２の接続部１８Ａと継手により接続されている。
【００２３】
フレキシブルホース２１の他端には、水素自動車１９の燃料タンクと接続される第３の接続部１８Ｂが設けられている。第３の接続部１８Ｂとしては、例えば、カプラのメス側（ソケット）を用いることができ、水素自動車１９に設けられたカプラのオス側（プラグ）と着脱可能とされる。水素自動車１９の燃料タンクとしては、例えば、７０ＭＰａまで水素ガスを充填可能なタンクを用いることができる。
【００２４】
また、７０ＭＰａ以上の高圧水素ガスが流れる管路及び該管路に設けられた機器には、高圧対応のものが使用されている。
具体的には、例えば、外径１２．７ｍｍの管路（配管）の場合、肉厚が４．８ｍｍのものが使用することができる。また、外径９．５３ｍｍの管路（配管）の場合、肉厚が３．７ｍｍのものが使用することができる。
【００２５】
手動弁２３は、水素ガス供給源１１の吐出側（出口側）に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁２４は、圧縮機１２の入口側に位置する充填管路１４に設けられている。減圧弁２６は、手動弁２３と自動弁２４との間に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２６】
圧力計２７は、手動弁２３と減圧弁２６との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で、充填管路１４と接続されている。
手動弁２８は、圧縮機１２の吐出側に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁２９は、手動弁２８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。逆止弁３２は、自動弁２９の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２７】
貯蔵容器用分岐ライン３４は、逆止弁３２の下流側に位置する充填管路１４から分岐している。また、貯蔵容器用分岐ライン３４の端部側は、３つのラインに分岐されている。分岐された各ラインは、手動弁３５を介して、それぞれ１つの貯蔵容器３６と接続されている。
【００２８】
自動弁３８は、貯蔵容器用分岐ライン３４の分岐位置よりも下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計３９は、貯蔵容器用分岐ライン３４の分岐位置と自動弁３８との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
逆止弁４２は、自動弁３８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２９】
バイパス用管路４４は、自動弁２９，３８、逆止弁３２，４２、及び複数の貯蔵容器３６をバイパスするように、両端が圧縮機１２と冷却手段５９との間に位置する充填管路１４と接続されている。自動弁４５は、バイパス用管路４４に設けられている。
【００３０】
手動弁４７は、逆止弁４２の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁４８は、手動弁４７の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計５１は、手動弁４７と自動弁４８との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
【００３１】
流量調整弁５３は、自動弁４８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。積算流量計５４は、流量調整弁５３の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計５６は、流量調整弁５３と積算流量計５４との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
安全弁５７は、流量調整弁５３と積算流量計５４との間に位置する充填管路１４から分岐したラインに設けられている。
【００３２】
冷却手段５９（冷却機）は、積算流量計５４の下流側（圧縮機１２の配設位置よりも下流側）に位置する充填管路１４に設けられている。
冷却手段５９は、冷媒通路５９Ａ内に水素ガス流通管５９Ｂを挿入したシェル＆チューブ式熱交換器であって、水素ガス流通管５９Ｂを流れる水素ガスを、冷媒通路５９Ａに供給される冷媒で冷却する構成とされている。
また、冷却手段５９には、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も可能であり、この場合、熱交換器に冷媒を循環させる循環管路を接続するとよい。
【００３３】
また、冷却手段５９として、空気を冷媒とするプレートフィン式熱交換器を用いてもよい。さらに、液体窒素やフロン等の冷媒で水素ガスを直接冷却してもよいし、液体窒素や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を設けてもよい。
【００３４】
循環管路６２は、冷却手段５９の下流側に位置する充填管路１４（言い換えれば、冷却手段５９と第１の接続部１６との間に位置する充填管路１４）から分岐しており、その端６２Ａが水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４（具体的には、自動弁２４と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４）と接続されている。
【００３５】
循環管路６２には、循環管路６２の分岐位置から循環管路６２の端６２Ａに向かう方向に対して、自動弁６４と、接続口６５と、流量調整弁６７と、積算流量計６８と、逆止弁６９と、遮断弁７２と、減圧弁７３と、がこの順で設けられている。
【００３６】
循環管路６２の分岐位置から充填管路１４の他端１４Ｂの間に位置する充填管路１４には、圧力計７５と、水素自動車１９に充填する水素ガスの温度を測定する温度計７６と、自動弁７７と、がこの順で設けられている。
【００３７】
水素放散ライン７８は、第１の接続部１６と自動弁７７との間に位置する充填管路１４（言い換えれば、水素自動車１９と接続される側の充填管路１４の端部）から分岐している。水素放散ライン７８は、水素ガスを放散するためのラインである。水素放散ライン７８には、自動弁７９が設けられている。
【００３８】
回収管路８１は、逆止弁６９と遮断弁７２との間に位置する循環管路６２から分岐されており、端部が回収容器８２と接続されている。
回収容器８２は、循環管路６２及び回収管路８１を介して、冷却手段５９よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却した水素ガス（冷却手段５９により冷却された水素ガス）を回収するための容器である。
回収管路８１には、回収管路８１の分岐位置から回収容器８２に向かう方向に対して、圧力計８４と、手動弁８５と、がこの順で設けられている。
【００３９】
回収ガス充填管路９１は、一端９１Ａが自動弁４５の上流側に位置するバイパス用管路４４と接続されると共に、他端９１Ｂが回収管路８１の分岐位置に対応する循環管路６２と接続されている。
回収ガス充填管路９１は、バイパス用管路４４を介して、回収容器８２に回収された水素ガスをバイパス用管路４４の下流側に位置する充填管路１４に輸送することで、該水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する。
【００４０】
第１の実施の形態の水素ガス充填装置によれば、水素ガス供給源１１及び貯蔵容器３６と接続され、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスを水素自動車１９に充填する充填管路１４と、貯蔵容器３６をバイパスするように、両端が圧縮機１２の吐出側に位置する充填管路１４と接続されたバイパス用管路４４と、貯蔵容器３６よりも下流側に位置する充填管路１４に設けられ、かつ充填管路１４を流れる水素ガスを冷却する冷却手段５９と、充填管路１４から分岐し、圧縮機１２の下流側に位置する充填管路１４と接続された循環管路６２と、充填管路１４、及び該充填管路１４に設けられた機器を冷却し、かつ循環管路６２を流れる水素ガスを回収する回収容器８２と、一端９１Ａがバイパス用管路４４と接続されると共に、他端９１Ｂが循環管路６２と接続され、バイパス用管路４４を介して、回収容器８２に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する回収ガス充填管路９１と、を有する。
【００４１】
これにより、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び減圧弁７３を経由することなく、回収回路８２内の圧力と貯蔵容器３６内の圧力との差（差圧）により、回収容器８２で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することが可能となる。
【００４２】
したがって、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する際、圧縮機１２でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧したり、圧縮機１２の手前に設けられた減圧弁７３に水素ガスを通過させて減圧させたりすることがなくなる。
【００４３】
よって、水素ガスが圧縮機１２及び減圧弁７３を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することができる。
【００４４】
また、回収容器８２を貯蔵容器３６として利用することが可能となるので、貯蔵容器３６を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車１９の連続充填台数を増加させることができる。
【００４５】
また、減圧弁７３の上流側に遮断弁７２を設けることにより、回収容器８２内の水素ガスで水素自動車１９の燃料タンクを充填させる際、該水素ガスが減圧弁７３及び圧縮機１２を通過することを防止できる。
さらに、回収ガス充填管路９１に遮蔽弁９２を設けることで、回収したい水素ガスがバイパス用管路４４に流れることを防止できる。
【００４６】
なお、各種冷却方法により事前に温度計７６を構成する筐体（図示せず）を充分に冷却することが可能なため、水素自動車１９に充填される水素ガスの温度（充填温度）を正確に測定することができる。
また、温度計７６を第１の接続部１６の近くに配置することにより，燃料タンクへ充填直前の水素ガスの温度をより正確に測定できる。
【００４７】
さらに、貯蔵容器３６から冷却手段５９までをまとめて、或いは、貯蔵容器３６を保冷可能な建屋又はケーシングで囲み、その中を機械式冷凍機で冷却することで、冷却手段５９に供給する水素ガスを冷却してもよい。
【００４８】
また、建屋又はケーシング内を冷却する手段として、液体窒素のような不活性の極低温ガスを用い、建屋又はケーシング内の圧力を大気圧よりも高くしておいてもよい。これにより、建屋又はケーシング内への酸素（大気）の侵入を防止できる。
また、仮に、水素ガスの漏洩が生じたとしても、建屋又はケーシング内の雰囲気を水素の爆発下限界域に維持することが可能であるため、安全性を高めることができる。
加えて、建屋又はケーシング内に水素センサーを設けることにより、漏洩を早期に発見することができる。
【００４９】
また、第１の実施の形態では、一系統のみを例示したが、貯蔵容器３６から第１の接続部１６までの管路を複数系統設けておくことにより、一つの管路で水素自動車１９に水素ガスを充填しているときに、他の管路の予冷運転を行うことが可能となる。これにより、水素自動車１９への水素ガスの充填を連続的に行うことができる。
【００５０】
次に、図１を参照して、第１の実施の形態の水素充填装置１０を用いた水素ガス充填方法について説明する。
【００５１】
始めに、貯蔵容器３６内に所定圧力とされた水素ガスを充填する処理を行う。具体的には、以下の方法により、貯蔵容器３６内に所定圧力とされた水素ガスを充填する。
始めに、手動弁２３、減圧弁２６、及び自動弁２４を介して、水素ガス供給源１１から水素ガスを圧縮機１２に供給する。圧縮機１２では、供給された水素ガスを水素自動車１９の充填圧力以上の所定圧力に昇圧させる。
このとき、貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁３８、バイパス用管路４４に設けられた自動弁４５、回収ガス充填管路９１に設けられた遮断弁９２は閉じられている。
【００５２】
次いで、上記所定圧力とされた水素ガスは、手動弁２８、自動弁２９、及び逆止弁３２を経由して、貯蔵容器用分岐ライン３４に供給され、手動弁３５を通過して貯蔵容器３６内に充填される。
また、貯蔵容器３６内の水素ガスの圧力は、圧力計３９によって測定される。
【００５３】
次いで、遮蔽弁９２が閉じた状態で、充填管路１４を冷却する運転（予冷運転）を行う。具体的には、以下の方法により、予冷運転を行う。
貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁２９を閉じると共に、貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁３８を開くことで、自動弁３８、逆止弁４２、手動弁４７、及び自動弁４８を介して、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスの一部を充填管路１４内に導出させる。
【００５４】
次いで、流量調整弁５３により、導出された水素ガスを所定の流量に調整し、その後、積算流量計５４を介して、所定の流量とされた水素ガスを冷却手段５９の水素ガス流通管５９Ｂに導入させる。
【００５５】
次いで、水素ガス流通管５９Ｂに導入した水素ガスを、冷媒通路５９Ａを流れる冷媒と熱交換させて、水素ガスを所定温度に冷却する。
また、水素ガスを所定温度に冷却する際、水素ガスの冷却温度はできるだけ低温とすることが望ましいため、冷却手段５９の冷却能力を考慮して、流量調整弁５３で水素ガスの流量（流速）を制御するとよい。
【００５６】
このとき、充填管路１４の他端１４Ｂ側（終端側）に設けられた自動弁７７を閉じ、循環管路６２に設けられた自動弁６４を開くことで、冷却手段５９で冷却された水素ガスが充填管路１４から循環管路６２に流れる。
【００５７】
次いで、循環管路６２に流れた水素ガスは、流量調整弁６７、積算流量計６８、及び逆止弁６９を通過し、閉状態となっている減圧弁７３の下流側で回収管路８１に流れる。
その後、回収管路８１に流れた水素ガスは、手動弁８５を通って回収容器８２に回収される。このとき、回収容器８２内の圧力は、徐々に上昇する。
また、回収容器８２に回収された水素ガスの圧力は、圧力計８４によって測定される。
【００５８】
さらに、自動弁６４の下流側に位置する接続口６５に、フレキシブルホース２１に設けられた第３の接続部１８Ｂを接続した状態で、自動弁６４を閉じて自動弁７７を開くことにより、冷却手段５９で冷却された水素ガスを、自動弁７７からフレキシブルホース２１に流すことで、接続口６５を経由して循環管路６２にも冷却された水素ガスを流すことが可能となるので、冷却手段５９の下流側に位置する配管や機器、フレキシブルホース２１、第３の接続部１８Ｂまでも冷却することができる。
【００５９】
このように、冷却手段５９で冷却した水素ガスを、冷却手段５９の吐出側から循環管路６２の分岐位置までの間に位置する充填管路１４の一部、循環管路６２の分岐位置から回収管路８１の分岐位置までの間に位置する循環管路６２の一部、及び回収管路８１を介して、回収容器８２に回収する予冷運転を行うことで、水素自動車１９の燃料タンク内に水素ガスを充填する前に、予め、肉厚が厚く、熱容量が多大な配管（充填管路１４の一部、循環管路６２の一部、回収管路８１等）や該配管に設けられた機器を冷却することができる。
【００６０】
次いで、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び貯蔵容器１５を経由することなく、水素自動車１９の燃料タンクに充填する（第１充填工程）。
具体的には、以下の方法により、第１充填工程の処理を行う。
【００６１】
上記配管や機器を所定温度に冷却した後、自動弁６４を閉じ、フレキシブルホース２１に設けられた第３の接続部１８Ｂを水素自動車１９に接続する。
次いで、遮断弁９２を開き、かつ遮断弁７２を閉じ、回収容器８２の内圧と水素自動車１９の燃料タンクとの圧力差（差圧）により、回収容器８２内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填（差圧充填）する。
このとき、水素ガスは、回収管路８１、回収ガス充填管路９１、回収ガス充填管路９１の接続位置よりも下流側に位置する充填管路１４、冷却手段５９、及びフレキシブルホース２１を介して、燃料タンクに充填される。
【００６２】
次いで、回収容器８２の内圧と水素自動車１９の燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、遮断弁９２を閉じ、３つの手動弁３５のうちの１つを開き、自動弁３８を開くことで、手動弁３５を介して、貯蔵容器３６（１本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（１回目の第２充填工程）。
このとき、水素ガスは、貯蔵容器用分岐ライン３４、充填管路１４、冷却手段５９、及び自動弁７７を介して、燃料タンクに充填される。
【００６３】
次いで、貯蔵容器３６の内圧と燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、開いた状態とされた手動弁３５を閉じ、残りの２つの手動弁３５のうちの一方の手動弁３５を開き、一方の手動弁３５と接続された貯蔵容器３６（２本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（２回目の第２充填工程）。
【００６４】
次いで、貯蔵容器３６の内圧と燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、開状態とされた手動弁３５を閉じ、残りの手動弁３５を開き、該手動弁３５と接続された貯蔵容器３６（３本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（３回目の第２充填工程）。
【００６５】
なお、水素自動車１９に水素ガスを充填する際、貯蔵容器３６から冷却手段５９に至る管路に設けられた各種弁や積算流量計５４の部分で断熱膨張し、ジュールトムソン効果によって温度が上昇した水素ガスは冷却手段５９で冷却され、冷却手段５９以降の管路に設けられた弁やフレキシブルホース２１の接続部で断熱膨張しても、これらの管路や弁等があらかじめ十分に冷却されているので、燃料タンクに充填する水素ガスの温度上昇を抑制可能であり、冷却手段５９で冷却された低温の水素ガスを、低温を維持した状態又は必要以上の加温が生じない状態で水素自動車１９の燃料タンクに充填できる。
【００６６】
また、低温の水素ガスが流れる部分の配管や機器は、断熱材等で断熱しておくことが望ましい。また、低温の水素ガスが流れる部分の配管や機器の冷却の程度を確認するため、配管の外面に温度センサーを設け、該温度センサーで測定した温度に応じて冷却手段５９の冷却能力や水素ガスの流速を制御することが望ましい。
さらに、充填待機中に該温度センサーの信号を取り込み、予め設定した温度になるように各弁を自動制御することにより、充填前の待ち時間を短縮できる。
【００６７】
第１の実施の形態の水素充填方法によれば、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び減圧弁７３を経由することなく、回収回路８２内の圧力と貯蔵容器３６内の圧力との差（差圧）により、回収容器８２で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することが可能となる。
【００６８】
したがって、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する際、圧縮機１２でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧したり、圧縮機１２の手前に設けられた減圧弁７３に水素ガスを通過させて減圧させたりすることがなくなる。
【００６９】
よって、水素ガスが圧縮機１２及び減圧弁７３を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することができる。
【００７０】
また、回収容器８２を貯蔵容器３６として利用することが可能となるので、貯蔵容器３６を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車１９の連続充填台数を増加させることができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。図２において、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００７２】
図２を参照するに、第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００は、第１の実施の形態に設けられた循環管路６２の替わりに、水素放散ライン７８の分岐位置と自動弁７９との間に位置する水素放散ライン７８から分岐すると共に、端が水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４と接続された循環管路１０１（管路）を設けたこと以外は、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同様な構成とされている。
【００７３】
第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００によれば、循環管路６２の替わりに、水素放散ライン７８の分岐位置と自動弁７９との間に位置する水素放散ライン７８から分岐すると共に、端が水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４と接続された循環管路１０１を設けることにより、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と比較して、冷却手段５９により冷却された水素ガスが冷却可能な管路及び該管路に設けられた機器の範囲を広げることができる。
【００７４】
また、第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００は、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同様な効果を得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、冷却された水素ガスを回収する回収容器を有し、該回収容器内の水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填する水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０，１００…水素ガス充填装置、１１…水素ガス供給源、１２…圧縮機、１４…充填管路、１４Ａ，９１Ａ…一端、１４Ｂ，９１Ｂ…他端、１６…第１の接続部、１８Ａ…第２の接続部、１８Ｂ…第３の接続部、２１…フレキシブルホース、２３，２８，３５，４７，８５…手動弁、２４，２９，３８，４５，４８，６４，７７，７９…自動弁、２６，７３…減圧弁、２７，３９，５１，５６，７５，８４…圧力計、３２，４２，６９…逆止弁、３４…貯蔵容器用分岐ライン、３６…貯蔵容器、４４…バイパス用管路、５３，６７…流量調整弁、５４，６８…積算流量計、５７…安全弁、５９…冷却手段、５９Ａ…冷媒通路、５９Ｂ…水素ガス流通管、６２，１０１…循環管路、６２Ａ…端、６５…接続口、７２，９２…遮断弁、７６…温度計、７８…水素放散ライン、８１…回収管路、８２…回収容器、９１…回収ガス充填管路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に関するものであって、より詳しくは、水素自動車の燃料となる水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填する水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車のような水素自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガス供給源から水素自動車に至る管路に設けられた弁等を通過する際、ジュールトムソン効果により温度が上昇すると共に、水素自動車の燃料タンクに高圧に圧縮充填するための圧縮熱によっても温度上昇してしまう。
このように水素ガスの温度が上昇すると、燃料タンクの耐熱温度を超える問題や、充填後の冷却に伴う圧力降下等の問題が発生する。
【０００３】
上記問題を解決可能な従来技術として、特許文献１がある。特許文献１には、冷却手段で冷却した水素ガスを充填管路、循環管路、及び回収管路等を通して回収容器に回収する予冷運転を行うことで、肉厚が厚く、熱容量が多大な配管や機器を水素自動車に水素ガスを充填する前に予め冷却する水素ガス充填方法及び水素ガス充填装置が開示されている。
特許文献１によれば、冷却に使用した水素ガスを回収容器に回収した後、減圧弁を通して圧力を降下させ、再度圧縮機を通して蓄圧器に充填することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３９９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の水素ガス充填方法及び水素ガス充填装置では、一旦圧縮機でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧し、減圧弁を通過することから、該エネルギーを無駄に使用していた。
【０００６】
そこで、本発明は、水素ガスが圧縮機及び減圧弁を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填することの可能な水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置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】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、圧縮機により、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮された前記水素ガスを貯蔵容器内に貯蔵する工程と、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを導出させ、冷却手段により該水素ガスを冷却する工程と、冷却した前記水素ガスにより、前記冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却する工程と、前記管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した前記水素ガスを回収容器内に回収する工程と、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを、前記圧縮機を経由することなく、水素自動車に充填する第１充填工程と、を含むことを特徴とする水素ガス充填方法が提供される。
【０００８】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１充填工程後に、前記冷却手段を介して、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを、前記水素自動車に充填する第２充填工程を有することを特徴とする請求項１記載の水素ガス充填方法が提供される。
【０００９】
また、請求項３に係る発明によれば、前記第１充填工程では、前記冷却手段により、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを冷却した後、冷却された前記水素ガスを前記水素自動車に充填することを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス充填方法が提供される。
【００１０】
また、請求項４に係る発明によれば、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記水素ガスを貯蔵する貯蔵容器と、前記水素ガス供給源、前記貯蔵容器、及び水素自動車と接続され、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する充填管路と、前記圧縮機よりも下流側に位置する前記充填管路に設けられ、前記水素ガスを冷却する冷却手段と、前記貯蔵容器をバイパスするように、両端が前記圧縮機と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路と接続されたバイパス用管路と、前記冷却手段の下流側に位置する前記充填管路から分岐した管路に接続され、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを回収する回収容器と、一端が前記バイパス用管路と接続され、他端が前記充填管路から分岐した管路と接続され、前記バイパス用管路を介して、前記回収容器に回収された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する回収ガス充填管路と、を有することを特徴とする水素ガス充填装置が提供される。
【００１１】
また、請求項５に係る発明によれば、前記充填管路から分岐した管路は、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路から分岐すると共に、前記充填管路から分岐した管路の端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続されていることを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置が提供される。
【００１２】
また、請求項６に係る発明によれば、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端部から分岐し、前記水素ガスを放散する水素放散ラインと、前記充填管路から分岐した管路に替えて、前記水素放散ラインから分岐すると共に、端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続された管路と、を有することを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置が提供される。
【００１３】
また、請求項７に係る発明によれば、前記回収ガス充填管路に、遮断弁を設けたことを特徴とする請求項４ないし６のうち、いずれか１項記載の水素ガス充填装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素ガス充填方法によれば、冷却した水素ガスにより、冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却し、次いで、管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した水素ガスを回収容器内に回収し、その後、回収容器内に回収された水素ガスを、圧縮機を経由することなく、回収容器内の圧力と貯蔵容器内の圧力との差（差圧）により、回収容器で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車（具体的には、燃料タンク）に充填することが可能となる。
【００１５】
これにより、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車に充填する際、圧縮機でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧させたり、減圧弁に水素ガスを通過させたりすることがなくなる。
【００１６】
したがって、水素ガスが圧縮機及び減圧弁を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器内に回収された水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填することができる。
【００１７】
また、回収容器を貯蔵容器として利用することが可能となるので、貯蔵容器を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車の連続充填台数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。
図１を参照するに、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０は、水素ガス供給源１１と、圧縮機１２と、充填管路１４と、第１の接続部１６と、第２の接続部１８Ａと、第３の接続部１８Ｂと、フレキシブルホース２１と、手動弁２３，２８，３５，４７，８５と、自動弁２４，２９，３８，４５，４８，６４，７７，７９と、減圧弁２６，７３と、圧力計２７，３９，５１，５６，７５，８４と、逆止弁３２，４２，６９と、貯蔵容器用分岐ライン３４と、複数の貯蔵容器３６と、バイパス用管路４４と、流量調整弁５３，６７と、積算流量計５４，６８と、安全弁５７と、冷却手段５９と、循環管路６２と、接続口６５と、遮断弁７２，９２と、温度計７６と、水素放散ライン７８と、回収管路８１と、回収容器８２と、回収ガス充填管路９１と、を有する。
【００２０】
水素ガス供給源１１は、充填管路１４の一端１４Ａと接続されており、充填管路１４の一部を介して、圧縮機１２と接続されている。水素ガス供給源１１は、水素ガスを圧縮機１２に供給する。
水素ガス供給源１１としては、例えば、１９．６ＭＰａ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等を用いることができる。
【００２１】
圧縮機１２は、水素ガス供給源１１から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮した水素ガスを圧縮機１２の吐出側（出口側）に位置する充填管路１４に吐出する。
充填管路１４は、他端１４Ｂ（終端）が第１の接続部１６と接続されている。充填管路１４は、水素ガスを輸送可能な状態で、水素ガス供給源１１、貯蔵容器３６、及び水素自動車１９と接続されている。
充填管路１４は、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガス、及び回収容器８２内に回収された水素ガスを、水素自動車１９の燃料タンクに充填するための管路である。
【００２２】
第１の接続部１６は、充填管路１４の他端１４Ｂ（終端）に設けられている。第１の接続部１６は、フレキシブルホース２１の一端に設けられた第２の接続部１８Ａと継手により接続されている。
【００２３】
フレキシブルホース２１の他端には、水素自動車１９の燃料タンクと接続される第３の接続部１８Ｂが設けられている。第３の接続部１８Ｂとしては、例えば、カプラのメス側（ソケット）を用いることができ、水素自動車１９に設けられたカプラのオス側（プラグ）と着脱可能とされる。水素自動車１９の燃料タンクとしては、例えば、７０ＭＰａまで水素ガスを充填可能なタンクを用いることができる。
【００２４】
また、７０ＭＰａ以上の高圧水素ガスが流れる管路及び該管路に設けられた機器には、高圧対応のものが使用されている。
具体的には、例えば、外径１２．７ｍｍの管路（配管）の場合、肉厚が４．８ｍｍのものが使用することができる。また、外径９．５３ｍｍの管路（配管）の場合、肉厚が３．７ｍｍのものが使用することができる。
【００２５】
手動弁２３は、水素ガス供給源１１の吐出側（出口側）に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁２４は、圧縮機１２の入口側に位置する充填管路１４に設けられている。減圧弁２６は、手動弁２３と自動弁２４との間に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２６】
圧力計２７は、手動弁２３と減圧弁２６との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で、充填管路１４と接続されている。
手動弁２８は、圧縮機１２の吐出側に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁２９は、手動弁２８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。逆止弁３２は、自動弁２９の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２７】
貯蔵容器用分岐ライン３４は、逆止弁３２の下流側に位置する充填管路１４から分岐している。また、貯蔵容器用分岐ライン３４の端部側は、３つのラインに分岐されている。分岐された各ラインは、手動弁３５を介して、それぞれ１つの貯蔵容器３６と接続されている。
【００２８】
自動弁３８は、貯蔵容器用分岐ライン３４の分岐位置よりも下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計３９は、貯蔵容器用分岐ライン３４の分岐位置と自動弁３８との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
逆止弁４２は、自動弁３８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
【００２９】
バイパス用管路４４は、自動弁２９，３８、逆止弁３２，４２、及び複数の貯蔵容器３６をバイパスするように、両端が圧縮機１２と冷却手段５９との間に位置する充填管路１４と接続されている。自動弁４５は、バイパス用管路４４に設けられている。
【００３０】
手動弁４７は、逆止弁４２の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。自動弁４８は、手動弁４７の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計５１は、手動弁４７と自動弁４８との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
【００３１】
流量調整弁５３は、自動弁４８の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。積算流量計５４は、流量調整弁５３の下流側に位置する充填管路１４に設けられている。
圧力計５６は、流量調整弁５３と積算流量計５４との間に位置する充填管路１４を流れる水素ガスの圧力を測定可能な状態で充填管路１４と接続されている。
安全弁５７は、流量調整弁５３と積算流量計５４との間に位置する充填管路１４から分岐したラインに設けられている。
【００３２】
冷却手段５９（冷却機）は、積算流量計５４の下流側（圧縮機１２の配設位置よりも下流側）に位置する充填管路１４に設けられている。
冷却手段５９は、冷媒通路５９Ａ内に水素ガス流通管５９Ｂを挿入したシェル＆チューブ式熱交換器であって、水素ガス流通管５９Ｂを流れる水素ガスを、冷媒通路５９Ａに供給される冷媒で冷却する構成とされている。
また、冷却手段５９には、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も可能であり、この場合、熱交換器に冷媒を循環させる循環管路を接続するとよい。
【００３３】
また、冷却手段５９として、空気を冷媒とするプレートフィン式熱交換器を用いてもよい。さらに、液体窒素やフロン等の冷媒で水素ガスを直接冷却してもよいし、液体窒素や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を設けてもよい。
【００３４】
循環管路６２は、冷却手段５９の下流側に位置する充填管路１４（言い換えれば、冷却手段５９と第１の接続部１６との間に位置する充填管路１４）から分岐しており、その端６２Ａが水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４（具体的には、自動弁２４と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４）と接続されている。
【００３５】
循環管路６２には、循環管路６２の分岐位置から循環管路６２の端６２Ａに向かう方向に対して、自動弁６４と、接続口６５と、流量調整弁６７と、積算流量計６８と、逆止弁６９と、遮断弁７２と、減圧弁７３と、がこの順で設けられている。
【００３６】
循環管路６２の分岐位置から充填管路１４の他端１４Ｂの間に位置する充填管路１４には、圧力計７５と、水素自動車１９に充填する水素ガスの温度を測定する温度計７６と、自動弁７７と、がこの順で設けられている。
【００３７】
水素放散ライン７８は、第１の接続部１６と自動弁７７との間に位置する充填管路１４（言い換えれば、水素自動車１９と接続される側の充填管路１４の端部）から分岐している。水素放散ライン７８は、水素ガスを放散するためのラインである。水素放散ライン７８には、自動弁７９が設けられている。
【００３８】
回収管路８１は、逆止弁６９と遮断弁７２との間に位置する循環管路６２から分岐されており、端部が回収容器８２と接続されている。
回収容器８２は、循環管路６２及び回収管路８１を介して、冷却手段５９よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却した水素ガス（冷却手段５９により冷却された水素ガス）を回収するための容器である。
回収管路８１には、回収管路８１の分岐位置から回収容器８２に向かう方向に対して、圧力計８４と、手動弁８５と、がこの順で設けられている。
【００３９】
回収ガス充填管路９１は、一端９１Ａが自動弁４５の上流側に位置するバイパス用管路４４と接続されると共に、他端９１Ｂが回収管路８１の分岐位置に対応する循環管路６２と接続されている。
回収ガス充填管路９１は、バイパス用管路４４を介して、回収容器８２に回収された水素ガスをバイパス用管路４４の下流側に位置する充填管路１４に輸送することで、該水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する。
【００４０】
第１の実施の形態の水素ガス充填装置によれば、水素ガス供給源１１及び貯蔵容器３６と接続され、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスを水素自動車１９に充填する充填管路１４と、貯蔵容器３６をバイパスするように、両端が圧縮機１２の吐出側に位置する充填管路１４と接続されたバイパス用管路４４と、貯蔵容器３６よりも下流側に位置する充填管路１４に設けられ、かつ充填管路１４を流れる水素ガスを冷却する冷却手段５９と、充填管路１４から分岐し、圧縮機１２の下流側に位置する充填管路１４と接続された循環管路６２と、充填管路１４、及び該充填管路１４に設けられた機器を冷却し、かつ循環管路６２を流れる水素ガスを回収する回収容器８２と、一端９１Ａがバイパス用管路４４と接続されると共に、他端９１Ｂが循環管路６２と接続され、バイパス用管路４４を介して、回収容器８２に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する回収ガス充填管路９１と、を有する。
【００４１】
これにより、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び減圧弁７３を経由することなく、回収回路８２内の圧力と貯蔵容器３６内の圧力との差（差圧）により、回収容器８２で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することが可能となる。
【００４２】
したがって、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する際、圧縮機１２でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧したり、圧縮機１２の手前に設けられた減圧弁７３に水素ガスを通過させて減圧させたりすることがなくなる。
【００４３】
よって、水素ガスが圧縮機１２及び減圧弁７３を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することができる。
【００４４】
また、回収容器８２を貯蔵容器３６として利用することが可能となるので、貯蔵容器３６を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車１９の連続充填台数を増加させることができる。
【００４５】
また、減圧弁７３の上流側に遮断弁７２を設けることにより、回収容器８２内の水素ガスで水素自動車１９の燃料タンクを充填させる際、該水素ガスが減圧弁７３及び圧縮機１２を通過することを防止できる。
さらに、回収ガス充填管路９１に遮蔽弁９２を設けることで、回収したい水素ガスがバイパス用管路４４に流れることを防止できる。
【００４６】
なお、各種冷却方法により事前に温度計７６を構成する筐体（図示せず）を充分に冷却することが可能なため、水素自動車１９に充填される水素ガスの温度（充填温度）を正確に測定することができる。
また、温度計７６を第１の接続部１６の近くに配置することにより，燃料タンクへ充填直前の水素ガスの温度をより正確に測定できる。
【００４７】
さらに、貯蔵容器３６から冷却手段５９までをまとめて、或いは、貯蔵容器３６を保冷可能な建屋又はケーシングで囲み、その中を機械式冷凍機で冷却することで、冷却手段５９に供給する水素ガスを冷却してもよい。
【００４８】
また、建屋又はケーシング内を冷却する手段として、液体窒素のような不活性の極低温ガスを用い、建屋又はケーシング内の圧力を大気圧よりも高くしておいてもよい。これにより、建屋又はケーシング内への酸素（大気）の侵入を防止できる。
また、仮に、水素ガスの漏洩が生じたとしても、建屋又はケーシング内の雰囲気を水素の爆発下限界域に維持することが可能であるため、安全性を高めることができる。
加えて、建屋又はケーシング内に水素センサーを設けることにより、漏洩を早期に発見することができる。
【００４９】
また、第１の実施の形態では、一系統のみを例示したが、貯蔵容器３６から第１の接続部１６までの管路を複数系統設けておくことにより、一つの管路で水素自動車１９に水素ガスを充填しているときに、他の管路の予冷運転を行うことが可能となる。これにより、水素自動車１９への水素ガスの充填を連続的に行うことができる。
【００５０】
次に、図１を参照して、第１の実施の形態の水素充填装置１０を用いた水素ガス充填方法について説明する。
【００５１】
始めに、貯蔵容器３６内に所定圧力とされた水素ガスを充填する処理を行う。具体的には、以下の方法により、貯蔵容器３６内に所定圧力とされた水素ガスを充填する。
始めに、手動弁２３、減圧弁２６、及び自動弁２４を介して、水素ガス供給源１１から水素ガスを圧縮機１２に供給する。圧縮機１２では、供給された水素ガスを水素自動車１９の充填圧力以上の所定圧力に昇圧させる。
このとき、貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁３８、バイパス用管路４４に設けられた自動弁４５、回収ガス充填管路９１に設けられた遮断弁９２は閉じられている。
【００５２】
次いで、上記所定圧力とされた水素ガスは、手動弁２８、自動弁２９、及び逆止弁３２を経由して、貯蔵容器用分岐ライン３４に供給され、手動弁３５を通過して貯蔵容器３６内に充填される。
また、貯蔵容器３６内の水素ガスの圧力は、圧力計３９によって測定される。
【００５３】
次いで、遮蔽弁９２が閉じた状態で、充填管路１４を冷却する運転（予冷運転）を行う。具体的には、以下の方法により、予冷運転を行う。
貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁２９を閉じると共に、貯蔵容器３６の下流側に設けられた自動弁３８を開くことで、自動弁３８、逆止弁４２、手動弁４７、及び自動弁４８を介して、貯蔵容器３６内に貯蔵された水素ガスの一部を充填管路１４内に導出させる。
【００５４】
次いで、流量調整弁５３により、導出された水素ガスを所定の流量に調整し、その後、積算流量計５４を介して、所定の流量とされた水素ガスを冷却手段５９の水素ガス流通管５９Ｂに導入させる。
【００５５】
次いで、水素ガス流通管５９Ｂに導入した水素ガスを、冷媒通路５９Ａを流れる冷媒と熱交換させて、水素ガスを所定温度に冷却する。
また、水素ガスを所定温度に冷却する際、水素ガスの冷却温度はできるだけ低温とすることが望ましいため、冷却手段５９の冷却能力を考慮して、流量調整弁５３で水素ガスの流量（流速）を制御するとよい。
【００５６】
このとき、充填管路１４の他端１４Ｂ側（終端側）に設けられた自動弁７７を閉じ、循環管路６２に設けられた自動弁６４を開くことで、冷却手段５９で冷却された水素ガスが充填管路１４から循環管路６２に流れる。
【００５７】
次いで、循環管路６２に流れた水素ガスは、流量調整弁６７、積算流量計６８、及び逆止弁６９を通過し、閉状態となっている減圧弁７３の下流側で回収管路８１に流れる。
その後、回収管路８１に流れた水素ガスは、手動弁８５を通って回収容器８２に回収される。このとき、回収容器８２内の圧力は、徐々に上昇する。
また、回収容器８２に回収された水素ガスの圧力は、圧力計８４によって測定される。
【００５８】
さらに、自動弁６４の下流側に位置する接続口６５に、フレキシブルホース２１に設けられた第３の接続部１８Ｂを接続した状態で、自動弁６４を閉じて自動弁７７を開くことにより、冷却手段５９で冷却された水素ガスを、自動弁７７からフレキシブルホース２１に流すことで、接続口６５を経由して循環管路６２にも冷却された水素ガスを流すことが可能となるので、冷却手段５９の下流側に位置する配管や機器、フレキシブルホース２１、第３の接続部１８Ｂまでも冷却することができる。
【００５９】
このように、冷却手段５９で冷却した水素ガスを、冷却手段５９の吐出側から循環管路６２の分岐位置までの間に位置する充填管路１４の一部、循環管路６２の分岐位置から回収管路８１の分岐位置までの間に位置する循環管路６２の一部、及び回収管路８１を介して、回収容器８２に回収する予冷運転を行うことで、水素自動車１９の燃料タンク内に水素ガスを充填する前に、予め、肉厚が厚く、熱容量が多大な配管（充填管路１４の一部、循環管路６２の一部、回収管路８１等）や該配管に設けられた機器を冷却することができる。
【００６０】
次いで、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び貯蔵容器１５を経由することなく、水素自動車１９の燃料タンクに充填する（第１充填工程）。
具体的には、以下の方法により、第１充填工程の処理を行う。
【００６１】
上記配管や機器を所定温度に冷却した後、自動弁６４を閉じ、フレキシブルホース２１に設けられた第３の接続部１８Ｂを水素自動車１９に接続する。
次いで、遮断弁９２を開き、かつ遮断弁７２を閉じ、回収容器８２の内圧と水素自動車１９の燃料タンクとの圧力差（差圧）により、回収容器８２内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填（差圧充填）する。
このとき、水素ガスは、回収管路８１、回収ガス充填管路９１、回収ガス充填管路９１の接続位置よりも下流側に位置する充填管路１４、冷却手段５９、及びフレキシブルホース２１を介して、燃料タンクに充填される。
【００６２】
次いで、回収容器８２の内圧と水素自動車１９の燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、遮断弁９２を閉じ、３つの手動弁３５のうちの１つを開き、自動弁３８を開くことで、手動弁３５を介して、貯蔵容器３６（１本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（１回目の第２充填工程）。
このとき、水素ガスは、貯蔵容器用分岐ライン３４、充填管路１４、冷却手段５９、及び自動弁７７を介して、燃料タンクに充填される。
【００６３】
次いで、貯蔵容器３６の内圧と燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、開いた状態とされた手動弁３５を閉じ、残りの２つの手動弁３５のうちの一方の手動弁３５を開き、一方の手動弁３５と接続された貯蔵容器３６（２本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（２回目の第２充填工程）。
【００６４】
次いで、貯蔵容器３６の内圧と燃料タンクの内圧との差が所定の値よりも減少した際、開状態とされた手動弁３５を閉じ、残りの手動弁３５を開き、該手動弁３５と接続された貯蔵容器３６（３本目の貯蔵容器３６）内に貯蔵された水素ガスを燃料タンクに充填する（３回目の第２充填工程）。
【００６５】
なお、水素自動車１９に水素ガスを充填する際、貯蔵容器３６から冷却手段５９に至る管路に設けられた各種弁や積算流量計５４の部分で断熱膨張し、ジュールトムソン効果によって温度が上昇した水素ガスは冷却手段５９で冷却され、冷却手段５９以降の管路に設けられた弁やフレキシブルホース２１の接続部で断熱膨張しても、これらの管路や弁等があらかじめ十分に冷却されているので、燃料タンクに充填する水素ガスの温度上昇を抑制可能であり、冷却手段５９で冷却された低温の水素ガスを、低温を維持した状態又は必要以上の加温が生じない状態で水素自動車１９の燃料タンクに充填できる。
【００６６】
また、低温の水素ガスが流れる部分の配管や機器は、断熱材等で断熱しておくことが望ましい。また、低温の水素ガスが流れる部分の配管や機器の冷却の程度を確認するため、配管の外面に温度センサーを設け、該温度センサーで測定した温度に応じて冷却手段５９の冷却能力や水素ガスの流速を制御することが望ましい。
さらに、充填待機中に該温度センサーの信号を取り込み、予め設定した温度になるように各弁を自動制御することにより、充填前の待ち時間を短縮できる。
【００６７】
第１の実施の形態の水素充填方法によれば、回収容器８２内に回収された水素ガスを、圧縮機１２及び減圧弁７３を経由することなく、回収回路８２内の圧力と貯蔵容器３６内の圧力との差（差圧）により、回収容器８２で一旦蓄圧した高圧の水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することが可能となる。
【００６８】
したがって、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填する際、圧縮機１２でエネルギーを使用して水素ガスを昇圧したり、圧縮機１２の手前に設けられた減圧弁７３に水素ガスを通過させて減圧させたりすることがなくなる。
【００６９】
よって、水素ガスが圧縮機１２及び減圧弁７３を通過することで発生するエネルギーロスを低減させた上で、回収容器８２内に回収された水素ガスを水素自動車１９の燃料タンクに充填することができる。
【００７０】
また、回収容器８２を貯蔵容器３６として利用することが可能となるので、貯蔵容器３６を増加させたときと同様な効果を得ることができる。具体的には、例えば、水素自動車１９の連続充填台数を増加させることができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る水素ガス充填装置の系統図の概略を示す図である。図２において、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００７２】
図２を参照するに、第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００は、第１の実施の形態に設けられた循環管路６２の替わりに、水素放散ライン７８の分岐位置と自動弁７９との間に位置する水素放散ライン７８から分岐すると共に、端が水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４と接続された循環管路１０１（管路）を設けたこと以外は、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同様な構成とされている。
【００７３】
第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００によれば、循環管路６２の替わりに、水素放散ライン７８の分岐位置と自動弁７９との間に位置する水素放散ライン７８から分岐すると共に、端が水素ガス供給源１１と圧縮機１２との間に位置する充填管路１４と接続された循環管路１０１を設けることにより、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と比較して、冷却手段５９により冷却された水素ガスが冷却可能な管路及び該管路に設けられた機器の範囲を広げることができる。
【００７４】
また、第２の実施の形態の水素ガス充填装置１００は、第１の実施の形態の水素ガス充填装置１０と同様な効果を得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、冷却された水素ガスを回収する回収容器を有し、該回収容器内の水素ガスを水素自動車の燃料タンクに充填する水素ガス充填方法、及び水素ガス充填装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０，１００…水素ガス充填装置、１１…水素ガス供給源、１２…圧縮機、１４…充填管路、１４Ａ，９１Ａ…一端、１４Ｂ，９１Ｂ…他端、１６…第１の接続部、１８Ａ…第２の接続部、１８Ｂ…第３の接続部、２１…フレキシブルホース、２３，２８，３５，４７，８５…手動弁、２４，２９，３８，４５，４８，６４，７７，７９…自動弁、２６，７３…減圧弁、２７，３９，５１，５６，７５，８４…圧力計、３２，４２，６９…逆止弁、３４…貯蔵容器用分岐ライン、３６…貯蔵容器、４４…バイパス用管路、５３，６７…流量調整弁、５４，６８…積算流量計、５７…安全弁、５９…冷却手段、５９Ａ…冷媒通路、５９Ｂ…水素ガス流通管、６２，１０１…循環管路、６２Ａ…端、６５…接続口、７２，９２…遮断弁、７６…温度計、７８…水素放散ライン、８１…回収管路、８２…回収容器、９１…回収ガス充填管路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機により、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮された前記水素ガスを貯蔵容器内に貯蔵する工程と、
前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを導出させ、冷却手段により該水素ガスを冷却する工程と、
冷却した前記水素ガスにより、前記冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却する工程と、
前記管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した前記水素ガスを回収容器内に回収する工程と、
前記回収容器内に回収された前記水素ガスを、前記圧縮機を経由することなく、水素自動車に充填する第１充填工程と、
を含むことを特徴とする水素ガス充填方法。
【請求項２】
前記第１充填工程後に、前記冷却手段を介して、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを、前記水素自動車に充填する第２充填工程を有することを特徴とする請求項１記載の水素ガス充填方法。
【請求項３】
前記第１充填工程では、前記冷却手段により、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを冷却した後、冷却された前記水素ガスを前記水素自動車に充填することを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス充填方法。
【請求項４】
水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された前記水素ガスを貯蔵する貯蔵容器と、
前記水素ガス供給源、前記貯蔵容器、及び水素自動車と接続され、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する充填管路と、
前記圧縮機よりも下流側に位置する前記充填管路に設けられ、前記水素ガスを冷却する冷却手段と、
前記貯蔵容器をバイパスするように、両端が前記圧縮機と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路と接続されたバイパス用管路と、
前記冷却手段の下流側に位置する前記充填管路から分岐した管路に接続され、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを回収する回収容器と、
一端が前記バイパス用管路と接続され、他端が前記充填管路から分岐した管路と接続され、前記バイパス用管路を介して、前記回収容器に回収された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する回収ガス充填管路と、
を有することを特徴とする水素ガス充填装置。
【請求項５】
前記充填管路から分岐した管路は、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路から分岐すると共に、前記充填管路から分岐した管路の端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続されていることを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置。
【請求項６】
前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端部から分岐し、前記水素ガスを放散する水素放散ラインと、
前記充填管路から分岐した管路に替えて、前記水素放散ラインから分岐すると共に、端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続された管路と、
を有することを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置。
【請求項７】
前記回収ガス充填管路に、遮断弁を設けたことを特徴とする請求項４ないし６のうち、いずれか１項記載の水素ガス充填装置。
【請求項１】
圧縮機により、水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮し、圧縮された前記水素ガスを貯蔵容器内に貯蔵する工程と、
前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを導出させ、冷却手段により該水素ガスを冷却する工程と、
冷却した前記水素ガスにより、前記冷却手段よりも下流側に位置する管路及び該管路に設けられた機器を冷却する工程と、
前記管路及び該管路に設けられた機器の冷却に使用した前記水素ガスを回収容器内に回収する工程と、
前記回収容器内に回収された前記水素ガスを、前記圧縮機を経由することなく、水素自動車に充填する第１充填工程と、
を含むことを特徴とする水素ガス充填方法。
【請求項２】
前記第１充填工程後に、前記冷却手段を介して、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを、前記水素自動車に充填する第２充填工程を有することを特徴とする請求項１記載の水素ガス充填方法。
【請求項３】
前記第１充填工程では、前記冷却手段により、前記回収容器内に回収された前記水素ガスを冷却した後、冷却された前記水素ガスを前記水素自動車に充填することを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス充填方法。
【請求項４】
水素ガス供給源から供給された水素ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された前記水素ガスを貯蔵する貯蔵容器と、
前記水素ガス供給源、前記貯蔵容器、及び水素自動車と接続され、前記貯蔵容器内に貯蔵された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する充填管路と、
前記圧縮機よりも下流側に位置する前記充填管路に設けられ、前記水素ガスを冷却する冷却手段と、
前記貯蔵容器をバイパスするように、両端が前記圧縮機と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路と接続されたバイパス用管路と、
前記冷却手段の下流側に位置する前記充填管路から分岐した管路に接続され、前記冷却手段により冷却された前記水素ガスを回収する回収容器と、
一端が前記バイパス用管路と接続され、他端が前記充填管路から分岐した管路と接続され、前記バイパス用管路を介して、前記回収容器に回収された前記水素ガスを前記水素自動車に充填する回収ガス充填管路と、
を有することを特徴とする水素ガス充填装置。
【請求項５】
前記充填管路から分岐した管路は、前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端と前記冷却手段との間に位置する前記充填管路から分岐すると共に、前記充填管路から分岐した管路の端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続されていることを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置。
【請求項６】
前記水素自動車と接続される側の前記充填管路の端部から分岐し、前記水素ガスを放散する水素放散ラインと、
前記充填管路から分岐した管路に替えて、前記水素放散ラインから分岐すると共に、端が前記水素ガス供給源と前記圧縮機との間に位置する前記充填管路と接続された管路と、
を有することを特徴とする請求項４記載の水素ガス充填装置。
【請求項７】
前記回収ガス充填管路に、遮断弁を設けたことを特徴とする請求項４ないし６のうち、いずれか１項記載の水素ガス充填装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１０８５３７（Ｐ２０１３−１０８５３７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２４７９（Ｐ２０１１−２５２４７９）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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