水素ステーション
【課題】簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供する。
【解決手段】燃料電池自動車２７の内部に搭載される車載水素タンク２８に水素を供給するための水素ステーションであって、駆動機５にて駆動される低圧段側の往復動圧縮機４と、回転数制御可能な駆動機１５にて駆動される高圧段側の往復動圧縮機１５を備え、車載水素タンク２８にはその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９が付設され、温度Ｔｄに基づき、駆動機１５の回転数を制御するよう構成されている。
【解決手段】燃料電池自動車２７の内部に搭載される車載水素タンク２８に水素を供給するための水素ステーションであって、駆動機５にて駆動される低圧段側の往復動圧縮機４と、回転数制御可能な駆動機１５にて駆動される高圧段側の往復動圧縮機１５を備え、車載水素タンク２８にはその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９が付設され、温度Ｔｄに基づき、駆動機１５の回転数を制御するよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車、水素自動車等に水素を供給する水素ステーションに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、自動車の排気ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素酸化物（ＮＯＸ）、浮遊粒子状物質（ＰＭ）などによる地球温暖化、大気汚染の影響が懸念されている。このため、従来のガソリン内燃機関型自動車にかわり、積載された燃料電池で水素と酸素の化学反応に基づく電気エネルギーを利用して駆動する燃料電池自動車（ＦＣＶ）が着目されている。
【０００３】
燃料電池自動車は、上述した二酸化炭素等を排出せず、他の有害物質も排出しない。また、燃料電池自動車は、ガソリン内燃機関型自動車よりもエネルギー効率に優れるなど、ガソリン内燃機関型自動車にない種々の利点を有している。
【０００４】
ところで、燃料電池自動車には、大別すると、水素ステーションから水素を補給するタイプのものと、水素以外の燃料を補給して車載改質器で水素を製造するタイプのものとがあるが、二酸化炭素（ＣＯ２）削減の効果等から、前者のほうが優位であるとみなされている。従って、燃料電池自動車と、それに水素を補給するための水素ステーションの研究、開発が急がれている。
【０００５】
水素ステーションから、水素を補給するタイプの燃料電池自動車の場合には、直接、自動車に積載された水素タンクに高圧に圧縮された水素を補給する。なお、供給元の高圧の気体を供給先の低圧側の状態に移行（すなわち膨張）させる際、圧力差を保ちながらその気体を膨張させた場合には、ジュール・トムソン効果による温度の変化が生じる。
【０００６】
ジュール・トムソン効果による温度の変化は、気体の当初の温度に依存し、その温度が逆転温度以下であれば、温度は低下し、そうでなければ、温度は上昇する。しかしながら、水素の逆転温度は、２１５Ｋ（−５８．１５℃）程度と、他の気体に比してかなり低温であるため、得てして、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇が生じる。
【０００７】
したがって、水素ステーションには、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避するための設備等が必要となる。そして、そのための種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、水素供給源と水素タンクとを接続する接続工程、水素供給源と水素タンクとを結ぶ流路上に備えられた充填速度可変手段により水素タンク内の圧力に応じて水素の充填速度を速める充填工程を有する、水素タンクへの水素急速充填方法（その水素急速充填方法を実現した水素ステーション）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３５５７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、水素ステーションには、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避するための設備等が必要となっている。そのための種々の提案はなされつつあるが、技術の豊富化の観点から、更なる提案が求められている。
【００１０】
ところで、水素ステーションには圧縮機が具備される。その圧縮機には、供給先の水素タンクに多量の水素を補給するために、１００ＭＰａといった非常に高い圧力まで水素を昇圧する能力が求められる。このため、水素ステーション向けの圧縮機には、いわゆる往復動圧縮機（レシプロ圧縮機）の採用が検討されている。なお、往復動圧縮機には、ダイアフラム式圧縮機、ピストン式圧縮機、プランジャー式圧縮機、イオニックコンプレッサなどが知られている。
【００１１】
なお、往復動圧縮機では通常、供給する流体の量を調整するための機構として、「吸込弁アンローダ方式」（シリンダの吸込弁板を押さえつけて開放し，いったん吸込んだガスを吸込側へ逆流させて圧縮仕事を行わないようにして流量を調整する方式）、「クリアランスポケット方式」（シリンダヘッドなどに取付けられたクリアランスポケットを開閉することによって筒隙（クリアランス）容積を変化させる方式）が多く採用されている。
【００１２】
しかしながら、「吸込弁アンローダ方式」も「クリアランスポケット方式」式も段階的な調整となり、圧力の一定制御、あるいは温度の一定制御が難しくなるという課題がある。
【００１３】
なお、上述の方式のうち、「吸込弁アンローダ方式」については、吸込弁アンローダ機構に油圧制御を組合せることによって約２０〜１００％の容量の範囲を無段階に調整できる方式のものが提案されているが、設備が大仰となるなどの課題もある。
【００１４】
そこで、本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする。
【００１６】
このように構成することによって、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００１７】
また、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されても良い。
【００１８】
さらに、前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されても良い。
【００１９】
あるいは、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素タンクの内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されても良い。
【００２０】
また、前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていても良い。
【００２１】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素タンク内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする。
【００２２】
このように構成しても、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００２３】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていても良い。
また、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御する構成に替えて、水素タンクに水素を供給する水素充填流路の内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するようにしても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る水素ステーションの制御における車載水素タンクの内部の温度と高圧段側の往復動圧縮機の駆動機の回転数の相関を概略的に示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る水素ステーションの制御における車載水素タンクの内部の温度と戻し流路に介設された調整弁の開度の相関を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成を示している。この水素ステーション１は、まず、図示しない水素の供給源から、フィルター２の介設された供給流路３を介して、低圧段側の往復動圧縮機４に水素が供給されるよう、構成されている。
【００２８】
この低圧段側の往復動圧縮機４には駆動機５（電動機等）が接続されている。駆動機５の回転によって、この往復動圧縮機４は駆動される。往復動圧縮機４で圧縮された水素は、中間流路６に吐出される。このときの往復動圧縮機４の吐出側の圧力は例えば４０ＭＰａに制御される。中間流路６には、圧縮され、高温となった水素を冷却するためのクーラ７が介設されている。そして、中間流路６は分岐点６ａにて、２つの流路に分岐されている。分岐点６ａにて分岐された中間流路６の一方は開閉弁８、分岐点６ｂを介して、第１の中間圧蓄圧器９に達する。また、分岐点６ａにて分岐された中間流路６の他方は開閉弁１０、分岐点６ｃを介して、第２の中間圧蓄圧器１１に達する。
【００２９】
そして、中間流路６は、第１の中間圧蓄圧器９からは分岐点６ｂと開閉弁１２を介して、また、第２の中間圧蓄圧器１１からは分岐点６ｃと開閉弁１３を介して、合流点６ｄにて合流し、高圧段側の往復動圧縮機１４に達するよう構成されている。
【００３０】
なお、この高圧段側の往復動圧縮機１４には駆動機１５が接続されている。駆動機１５の回転によって、この往復動圧縮機１４は駆動される。駆動機１５は、インバータにて駆動される電動機であって、回転数制御可能な、すなわち任意の回転数によって回転させることの可能なものである。なお、駆動機１５は回転数制御可能なものであれば良く、インバータにて駆動される電動機に限定されるものではない。
【００３１】
第１の中間圧蓄圧器９、第２の中間圧蓄圧器１１は、低圧段側の往復動圧縮機４から供給された水素を一旦、貯留する機能を担っている。
【００３２】
なお、分岐点６ｂと第１の中間圧蓄圧器９との間の中間流路６には、圧力センサ１６が介設されている。また、分岐点６ｃと第２の中間圧蓄圧器１１との間の中間流路６には、圧力センサ１７が介設されている。
【００３３】
開閉弁８は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値より低い場合に開けられる。逆に、開閉弁８は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値以上の場合に閉められる。この開閉弁８の開閉動作（特に閉じる動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第１の中間圧蓄圧器９の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
【００３４】
開閉弁１０も、開閉弁８と同様に、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値より低い場合に開けられる。逆に、開閉弁１０は、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値以上の場合に閉められる。この開閉弁１０の開閉動作（特に閉じる動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第２の中間圧蓄圧器１１の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
【００３５】
更に、開閉弁１２は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値より低い場合に閉められる。逆に、開閉弁１２は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値以上の場合に開けられる。この開閉弁１２の開閉動作によって、高圧段側の往復動圧縮機１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
【００３６】
なお、開閉弁１３は、開閉弁１２と同様に、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値より低い場合に閉められる。逆に、開閉弁１３は、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値以上の場合に開けられる。これの開閉弁１３の開閉動作によっても、高圧段側の往復動圧縮機１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
【００３７】
往復動圧縮機１４で圧縮された水素は、吐出流路１８に吐出される。このときの往復動圧縮機１４の吐出側の圧力は例えば１００ＭＰａに制御される。吐出流路１８には、圧縮され、高温となった水素を冷却するためのクーラ１９が介設されている。
【００３８】
クーラ１９以降の、吐出流路１８には、順に、流量調整弁２０、流量計２１、クーラ２２が介設されている。流量調整弁２０はその下流の流量計２１で検出された流量値に基づき、その開度が制御され、流量調整弁２０を通じる水素の流量を適正に調整する機能を担っている。吐出流路１８の末端に配設されたクーラ２２によって、その上流のクーラ１９で冷却された水素を更に冷却する。たとえば、クーラ１９では１３０℃程度の高温の水素を４０℃程度にまで冷却し、更に、クーラ２２ではその４０℃程度の水素を−４０℃程度にまで冷却する。
【００３９】
このようにして、クーラ２２により冷却され、最終的に温度調整が行なわれた水素は、クーラ２２の出側から燃料電池自動車２７に設けられた後述の充填ノズル２６の入側に至る水素充填流路３４により同燃料電池自動車２７の車載水素タンク２８に供給、充填されることになる。なお、水素充填流路３４におけるクーラ２２の出側直後には遮断弁２３が配設されており、この遮断弁２３は吐出流路１８に設けられた前記流量調整弁２０、流量計２１とともにディスペンサー（充填機）を構成する。
【００４０】
そして、水素充填流路３４の途上（水素ステーション側の最も下流の端部）には、緊急離脱カップラー２４が設けられている。この緊急離脱カップラー２４はこれを介して燃料電池自動車２７側に伸びる充填ホース２５が極めて強い力で引っ張られた場合に離脱し、水素ガスの供給先側（燃料電池自動車２７側）、あるいはそれと反対の水素ガスの供給元側の双方から、高圧の水素ガスが噴出しないよう、構成されてなるものである。
【００４１】
さらに緊急離脱カップラー２４から伸びる充填ホース２５の最も下流の端部には充填ノズル２６が設けられている。充填ノズル２６は、燃料電池自動車２７の図示しないノズル口に接続される。そして、水素ステーション１から供給される水素は、燃料電池自動車２７の内部に搭載される車載水素タンク２８に供給される。
【００４２】
車載水素タンク２８にはその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９が付設されている。なお、この温度センサ２９は、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄを正確に検出するために、その車載水素タンク２８を構成する容器そのものに付設されることが望ましいが、これに限るものではない。例えば、温度センサで検出される温度Ｔｄ’が、上述の温度Ｔｄとほぼ同一か、温度Ｔｄを導出できる値であれば、その温度センサを、上述の温度Ｔｄを直接的、あるいは間接的に検出しうる温度センサ２９として採用できる。具体的には、燃料電池自動車２７の図示しないノズル口から、車載水素タンク２８に至るまでの流路の部分に、図１に示した温度センサ２９ａのようなものを備えても良い。
【００４３】
さらに、クーラ２２の出側から燃料電池自動車２７に設けられた充填ノズル２６の入側に至る水素充填流路３４の任意の位置にその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９を設けても良い。図２はこの具体例を示すもので、水素充填流路３４の遮断弁２３の出側の位置に温度センサ２９が設けられたものである。この場合、水素充填流路３４内の温度Ｔｄは車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄとは異なり、低温となるが、両者の温度には相関があるため水素充填流路３４内の温度から車載水素タンク２８の内部の温度を比較的精度良く推定することが可能である。すなわち、水素充填流路３４内の温度Ｔｄは車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄとは絶対値としては異なるが、互いに相関があるものゆえに、実質的には同様に取り扱うことができる。つまり、以下の説明において「車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄ」との文言は「水素充填流路３４内の温度Ｔｄ」との文言に換言することもできる。また、この例のように、水素ステーション１ｃ側の配管流路に温度センサをディスペンサーの一部として一体的に組み込むことで、燃料電池自動車に個々に温度センサを装備する必要がなく、また燃料電池自動車側から無線（あるいは有線）によってステーション側に温度データを送受信することも不要となる。このため、燃料電池自動車側とステーション側の双方にそれぞれ、温度データを送受信するための送信機・受信機が不要となる。送信機・受信機がないために、送信機・受信機間における（あるいは送信機・受信機内部における）外乱によるデータの通信不調を生じ得ないという利点がある。また、更に、送信機・受信機がないために、その分のコストが少なくて済む利点もある。
【００４４】
さて、図１（あるいは図２）において、温度センサ２９で検出された温度Ｔｄにかかる信号は水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）側に設けられたコントローラ３０に入力される。コントローラ３０は、温度Ｔｄにかかる信号に基づき、駆動機１５の回転数、ひいては、高圧段側の往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を制御、すなわち往復動圧縮機１４の容量を制御することができるよう、構成されている。
【００４５】
続いて、水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）における制御について、説明する。
上述したように、クーラ１９で冷却された水素は、クーラ２２によって、更に冷却され、たとえば、−４０℃の低温とされる。
【００４６】
ただし、この低温（高圧）の水素には、車載水素タンク２８に供給される際に、上述したジュール・トムソン効果による温度の変化が生じ、その温度は通常、上昇する。一方、通常、金属や樹脂にて形成されたライナーとその外周面に積層された繊維強化樹脂層などから構成される車載水素タンク２８には、許容される上限温度Ｔｔｈが仕様上、あるいは技術基準上、予め定まっている。その上限温度Ｔｔｈは例えば、圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準（ＪＡＲＩ Ｓ ００１）によれば、８５℃である。したがって、車載水素タンク２８に水素が供給される際に、温度の上昇が生じても、その車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが、上限温度Ｔｔｈより更に低温の（上限温度Ｔｔｈより余裕をもった）上限値Ｔｔｈ−Δｔ（Δｔは例えば２０℃）に相当する基準温度（Ｔｂ）を予め設定（Ｔｂは例えば６５℃）し、この基準温度（Ｔｂ）をなるべく超えないように（あるいは、この基準温度（Ｔｂ）を越えることはあっても、その時間が短時間に抑制されるように、更に上限温度Ｔｔｈを超えないように）管理する必要がある。なお、基準温度（Ｔｂ）は、上限温度Ｔｔｈより低い、任意の温度の範囲（Ｔｂ１〜Ｔｂ２）として設定しても勿論かまわないものである。
【００４７】
そして、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）を超える高温の場合は、高圧段側の往復動圧縮機１４の駆動機１５の回転数を減少させ、同往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を減少させ、クーラ１９、２２による冷却効率を相対的に高め、車載水素タンク２８に供給される水素の供給量を減少させるとともにその温度を低下（車載水素タンク２８に水素が供給され、膨張する際の、ジュール・トムソン効果による温度の上昇を抑制）させ、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）になるように制御される。
【００４８】
また、一方で、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが上記基準温度（Ｔｂ）未満の低温の場合は、逆に往復動圧縮機１４の駆動機１５の回転数を増加させる制御が成される。これにより、同往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を増加させ、クーラ１９、２２による冷却効率を相対的に下げて、車載水素タンク２８に供給される水素の供給量を増加させつつも、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）になるように制御される。このように、温度Ｔｄを許容される上限温度Ｔｔｈ以下の基準温度（Ｔｂ）に保持することにより、車載水素タンク２８の高温下での劣化や破損などの恐れもなく、安全を確保した上で、且つ車載水素タンク２８への水素の補給、充填を効率的に実施することができる。
【００４９】
このため、前述のとおり、水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）では、コントローラ３０が、温度Ｔｄにかかる信号に基づき、駆動機１５の回転数、ひいては、高圧段側の往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を制御、すなわち往復動圧縮機１４の容量を制御する。
【００５０】
コントローラ３０は記憶手段を具備している。コントローラ３０は、その記憶手段にて、車載水素タンクの内部の温度Ｔｄと、基準温度Ｔｂ、温度Ｔｄと駆動機１５の回転数Ｒとの関係式や相関データを記憶している。上述の関係式や相関データは、図３（の実線Ａや破線Ｂ）に示すように、また、後述するように、温度Ｔｄが低い値であると、対応する回転数Ｒは高い値となり、逆に、温度Ｔｄが高い値であると、対応する回転数Ｒは低い値となるように構成される。
【００５１】
そして、コントローラ３０は、この記憶された関数式や相関データと、温度センサ２７で検出された温度Ｔｄ及び基準温度Ｔｂに基づいて、駆動機１５の回転数Ｒを決定し、その回転数Ｒによって、駆動機１５、ひいては往復動圧縮機１４を駆動する。すなわち、コントローラ３０は、温度Ｔｄが高くなるに従って、駆動機１５の回転数Ｒが小さくなるよう、制御する。
【００５２】
つまり、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素は十分に冷却されていることとなるので、高い回転数Ｒにて比較的大きな容量にて、往復動圧縮機１４は駆動される。逆に温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより高い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素の冷却は不十分ということになるため、低い回転数Ｒにて容量を減らした状態で、往復動圧縮機１４は駆動される。
【００５３】
このように構成することで簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、車載水素タンク２８への補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００５４】
また、図３では、温度Ｔｄが高くなるにつれて、比例的に回転数Ｒが減少する、すなわち温度Ｔｄが高くなっても、温度Ｔｄの増加分に対する回転数Ｒの減少分の比率が変化しない関係を表した実線Ａと、温度Ｔｄが高くなるにつれて、減少の度合い自体が大きくなるように回転数Ｒが減少する、すなわち温度Ｔｄが高くなると、温度Ｔｄの増加分に対する回転数Ｒの減少分の比率が増大する関係を表した破線Ｂとを示している。
【００５５】
前者（実線Ａ）であれば、駆動機１５の回転数は一定の割合で変更されることになり、急激な回転数の変更が為されないので、安定的な制御を実現できる。また、車載水素タンク２８の内部の温度が上限値Ｔｔｈ−Δｔに達することを極力避けたい場合には、後者（破線Ｂ）のように、温度Ｔｄに対する回転数Ｒの値を定めることが好ましい。
【００５６】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る水素ステーション１ａの構成を示している。この水素ステーション１ａは、上述の第１の実施形態にかかる水素ステーション１とほとんどの構成を共通するものである。ただし、水素ステーション１ａでは、高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５とを接続する駆動軸にフライホイール３１が介設されている。
【００５７】
例えば、駆動機１５がエンジン等で構成されているものである場合、吸入、圧縮、燃焼、排出の各行程の状態を調整（燃料の吸入量の調整など）することで回転数制御が可能である。ただし、上述した各行程ごとに生じる回転数の差によって、滑らかな回転が阻害される恐れがある。ただし、この水素ステーション１ａでは、フライホイール３１を高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５とを接続する駆動軸にフライホイールを介設しているので、上述の各行程ごとの回転数の差が低減され、滑らかな回転が可能となる。
【００５８】
また、このフライホイール３１を備えたことで、高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５の固有振動数を駆動機１５の回転数の制御の範囲に含めないよう調整し、ねじり振動を抑制することができる。したがって、このフライホイール３１を備えた水素ステーション１ａでは、それを備えないもの（水素ステーション１）に比し、駆動機１５の回転数の制御の範囲、ひいては、往復動圧縮機１４の容量の制御の範囲を増大させることができる。
【００５９】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る水素ステーション１ｂの構成を示している。この水素ステーション１ａは、上述の第１の実施形態にかかる水素ステーション１とほとんどの構成を共通するものである。ただし、水素ステーション１では、温度Ｔｄに基づき、駆動機１５の回転数を制御するよう、構成されていたのに対し、水素ステーション１ｂでは、温度Ｔｄに基づき、後述の調整弁３２の開度を調整し、後述の戻し流路３３を介して、高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）を調整するよう、構成されている。
【００６０】
水素ステーション１ｂでは、調整弁３２が介設され、クーラ１９の下流の吐出流路１８（高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側）から、合流点６でより下流で且つ往復動圧縮機１４の上流の中間流路６（高圧段側の往復動圧縮機１４の吸い込み側）を接続する戻し流路３３が設けられている。調整弁３２の開度は、コントローラ３０によって、温度Ｔｄに基づき、調整される。
【００６１】
コントローラ３０は、記憶手段にて、前記素タンクの内部の温度Ｔｄと基準温度Ｔｂ、温度Ｔｄと調整弁３２の開度との関係式や相関データを記憶している。上述の関係式や相関データは、図６に示すように、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより低い値であると、対応する調整弁３２の開度は小さい値となり、逆に、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより高い値であると、対応する調整弁３２の開度は大きい値となるように構成される。
【００６２】
そして、コントローラ３０は、この記憶された関数式や相関データと、温度センサ２７にて検出された温度Ｔｄと基準温度Ｔｂに基づいて、調整弁３２の開度を決定し、その調整弁３２の開度によって、戻し流路３３を介して高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）が調整される。すなわち、コントローラ３０は温度Ｔｄが高くなるに従って、調整弁３２の開度も大きくなるよう、制御する。
【００６３】
つまり、温度Ｔｄが低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素は十分に冷却されていることとなるので、調整弁３２の開度を小さくして、戻し量を少なくし、比較的大きな容量にて、往復動圧縮機１４は駆動される。逆に温度Ｔｄが低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素の冷却は不十分とされ、調整弁３２の開度を大きくして、戻し量を大きくし、容量を減らした状態で、往復動圧縮機１４は駆動される。
【００６４】
このように構成することでも、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００６５】
なお、基本的には、各往復動圧縮機で圧縮した水素の全量を車載水素タンク２８に供給するものである水素ステーション１、１ａに対し、水素ステーション１ｂでは、高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ、いったん圧縮した水素の一部を戻すことになるので、動力をロスするデメリットがあるが、回転数制御を必須としないので、回転数制御にかかる構成（インバータ等）を必要とせず、一定速の回転を行う電動機を駆動機１５に採用することができるというメリットがある。
【００６６】
本発明の実施形態の説明において、水素タンクの内部の温度Ｔｄに基づき、往復動圧縮機に設けられた駆動機の回転数や往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）を制御するに当って、予め目標温度である基準温度Ｔｂを設定し、この基準温度Ｔｂと前記温度Ｔｄを比較し、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂに対応、一致あるいは近づくように上記駆動機の回転数や調節弁の開度調整による水素の戻し量を変更、制御する方法について述べたが、本発明はこの基準温度Ｔｂを用いる方法に限定されない。
【００６７】
例えば、この基準温度Ｔｂを設けず、上限温度Ｔｔｈのみを設定して、図３において上限温度Ｔｔｈ（あるいはその上限温度Ｔｔｈより所定温度Δｔ２だけ低い温度Ｔｔｈ−Δｔ２）では駆動機１５の回転数Ｒが仕様上の最低回転数（例えばゼロ）となるように設定し、あるいは図６において上限温度Ｔｔｈ（あるいは温度Ｔｔｈ−Δｔ２）では調整弁３２の開度がその調整弁３２の仕様上の最大の開度となるよう設定し、それら図３あるいは図６と、検出された水素タンクの内部の温度Ｔｄとから、一意的に、駆動機１５の回転数Ｒ、あるいは調整弁３２の開度を決定し、駆動機１５の回転数Ｒ、あるいは調整弁３２の開度の変更を行なう場合等も本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６８】
１，１ａ，１ｂ,１ｃ …水素ステーション
２…フィルター
３…供給流路
４…低圧段側の往復動圧縮機
５…駆動機
６…中間流路
７，１９，２２…クーラ
８，１０，１２，１３…開閉弁
９…第１の中間圧蓄圧器
１１…第２の中間圧蓄圧器
１４…高圧段側の往復動圧縮機
１５…駆動機
１６，１７…圧力センサ
１８…吐出流路
２０…流量調整弁
２１…流量計
２３…遮断弁
２４…緊急離脱カップラー
２５…充填ホース
２６…充填ノズル
２７…燃料電池自動車
２８…車載水素タンク
２９…温度センサ
３０…コントローラ
３１…フライホイール
３２…調整弁
３３…戻し流路
３４…水素充填流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車、水素自動車等に水素を供給する水素ステーションに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、自動車の排気ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素酸化物（ＮＯＸ）、浮遊粒子状物質（ＰＭ）などによる地球温暖化、大気汚染の影響が懸念されている。このため、従来のガソリン内燃機関型自動車にかわり、積載された燃料電池で水素と酸素の化学反応に基づく電気エネルギーを利用して駆動する燃料電池自動車（ＦＣＶ）が着目されている。
【０００３】
燃料電池自動車は、上述した二酸化炭素等を排出せず、他の有害物質も排出しない。また、燃料電池自動車は、ガソリン内燃機関型自動車よりもエネルギー効率に優れるなど、ガソリン内燃機関型自動車にない種々の利点を有している。
【０００４】
ところで、燃料電池自動車には、大別すると、水素ステーションから水素を補給するタイプのものと、水素以外の燃料を補給して車載改質器で水素を製造するタイプのものとがあるが、二酸化炭素（ＣＯ２）削減の効果等から、前者のほうが優位であるとみなされている。従って、燃料電池自動車と、それに水素を補給するための水素ステーションの研究、開発が急がれている。
【０００５】
水素ステーションから、水素を補給するタイプの燃料電池自動車の場合には、直接、自動車に積載された水素タンクに高圧に圧縮された水素を補給する。なお、供給元の高圧の気体を供給先の低圧側の状態に移行（すなわち膨張）させる際、圧力差を保ちながらその気体を膨張させた場合には、ジュール・トムソン効果による温度の変化が生じる。
【０００６】
ジュール・トムソン効果による温度の変化は、気体の当初の温度に依存し、その温度が逆転温度以下であれば、温度は低下し、そうでなければ、温度は上昇する。しかしながら、水素の逆転温度は、２１５Ｋ（−５８．１５℃）程度と、他の気体に比してかなり低温であるため、得てして、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇が生じる。
【０００７】
したがって、水素ステーションには、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避するための設備等が必要となる。そして、そのための種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、水素供給源と水素タンクとを接続する接続工程、水素供給源と水素タンクとを結ぶ流路上に備えられた充填速度可変手段により水素タンク内の圧力に応じて水素の充填速度を速める充填工程を有する、水素タンクへの水素急速充填方法（その水素急速充填方法を実現した水素ステーション）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３５５７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、水素ステーションには、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避するための設備等が必要となっている。そのための種々の提案はなされつつあるが、技術の豊富化の観点から、更なる提案が求められている。
【００１０】
ところで、水素ステーションには圧縮機が具備される。その圧縮機には、供給先の水素タンクに多量の水素を補給するために、１００ＭＰａといった非常に高い圧力まで水素を昇圧する能力が求められる。このため、水素ステーション向けの圧縮機には、いわゆる往復動圧縮機（レシプロ圧縮機）の採用が検討されている。なお、往復動圧縮機には、ダイアフラム式圧縮機、ピストン式圧縮機、プランジャー式圧縮機、イオニックコンプレッサなどが知られている。
【００１１】
なお、往復動圧縮機では通常、供給する流体の量を調整するための機構として、「吸込弁アンローダ方式」（シリンダの吸込弁板を押さえつけて開放し，いったん吸込んだガスを吸込側へ逆流させて圧縮仕事を行わないようにして流量を調整する方式）、「クリアランスポケット方式」（シリンダヘッドなどに取付けられたクリアランスポケットを開閉することによって筒隙（クリアランス）容積を変化させる方式）が多く採用されている。
【００１２】
しかしながら、「吸込弁アンローダ方式」も「クリアランスポケット方式」式も段階的な調整となり、圧力の一定制御、あるいは温度の一定制御が難しくなるという課題がある。
【００１３】
なお、上述の方式のうち、「吸込弁アンローダ方式」については、吸込弁アンローダ機構に油圧制御を組合せることによって約２０〜１００％の容量の範囲を無段階に調整できる方式のものが提案されているが、設備が大仰となるなどの課題もある。
【００１４】
そこで、本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする。
【００１６】
このように構成することによって、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００１７】
また、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されても良い。
【００１８】
さらに、前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されても良い。
【００１９】
あるいは、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素タンクの内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されても良い。
【００２０】
また、前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていても良い。
【００２１】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素タンク内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする。
【００２２】
このように構成しても、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００２３】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていても良い。
また、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御する構成に替えて、水素タンクに水素を供給する水素充填流路の内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するようにしても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る水素ステーションの制御における車載水素タンクの内部の温度と高圧段側の往復動圧縮機の駆動機の回転数の相関を概略的に示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る水素ステーションの構成を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る水素ステーションの制御における車載水素タンクの内部の温度と戻し流路に介設された調整弁の開度の相関を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成を示している。この水素ステーション１は、まず、図示しない水素の供給源から、フィルター２の介設された供給流路３を介して、低圧段側の往復動圧縮機４に水素が供給されるよう、構成されている。
【００２８】
この低圧段側の往復動圧縮機４には駆動機５（電動機等）が接続されている。駆動機５の回転によって、この往復動圧縮機４は駆動される。往復動圧縮機４で圧縮された水素は、中間流路６に吐出される。このときの往復動圧縮機４の吐出側の圧力は例えば４０ＭＰａに制御される。中間流路６には、圧縮され、高温となった水素を冷却するためのクーラ７が介設されている。そして、中間流路６は分岐点６ａにて、２つの流路に分岐されている。分岐点６ａにて分岐された中間流路６の一方は開閉弁８、分岐点６ｂを介して、第１の中間圧蓄圧器９に達する。また、分岐点６ａにて分岐された中間流路６の他方は開閉弁１０、分岐点６ｃを介して、第２の中間圧蓄圧器１１に達する。
【００２９】
そして、中間流路６は、第１の中間圧蓄圧器９からは分岐点６ｂと開閉弁１２を介して、また、第２の中間圧蓄圧器１１からは分岐点６ｃと開閉弁１３を介して、合流点６ｄにて合流し、高圧段側の往復動圧縮機１４に達するよう構成されている。
【００３０】
なお、この高圧段側の往復動圧縮機１４には駆動機１５が接続されている。駆動機１５の回転によって、この往復動圧縮機１４は駆動される。駆動機１５は、インバータにて駆動される電動機であって、回転数制御可能な、すなわち任意の回転数によって回転させることの可能なものである。なお、駆動機１５は回転数制御可能なものであれば良く、インバータにて駆動される電動機に限定されるものではない。
【００３１】
第１の中間圧蓄圧器９、第２の中間圧蓄圧器１１は、低圧段側の往復動圧縮機４から供給された水素を一旦、貯留する機能を担っている。
【００３２】
なお、分岐点６ｂと第１の中間圧蓄圧器９との間の中間流路６には、圧力センサ１６が介設されている。また、分岐点６ｃと第２の中間圧蓄圧器１１との間の中間流路６には、圧力センサ１７が介設されている。
【００３３】
開閉弁８は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値より低い場合に開けられる。逆に、開閉弁８は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第１の閾値以上の場合に閉められる。この開閉弁８の開閉動作（特に閉じる動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第１の中間圧蓄圧器９の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
【００３４】
開閉弁１０も、開閉弁８と同様に、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値より低い場合に開けられる。逆に、開閉弁１０は、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第２の閾値以上の場合に閉められる。この開閉弁１０の開閉動作（特に閉じる動作）によって、低圧段側の往復動圧縮機４から供給される水素の量が過多となり、第２の中間圧蓄圧器１１の内圧が上昇しすぎるのを防止している。
【００３５】
更に、開閉弁１２は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値より低い場合に閉められる。逆に、開閉弁１２は、圧力センサ１６での検出圧力Ｐ１が予め設定された第３の閾値以上の場合に開けられる。この開閉弁１２の開閉動作によって、高圧段側の往復動圧縮機１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
【００３６】
なお、開閉弁１３は、開閉弁１２と同様に、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値より低い場合に閉められる。逆に、開閉弁１３は、圧力センサ１７での検出圧力Ｐ２が予め設定された第４の閾値以上の場合に開けられる。これの開閉弁１３の開閉動作によっても、高圧段側の往復動圧縮機１４へ供給される水素の圧力が極端に低くなることを防止している。
【００３７】
往復動圧縮機１４で圧縮された水素は、吐出流路１８に吐出される。このときの往復動圧縮機１４の吐出側の圧力は例えば１００ＭＰａに制御される。吐出流路１８には、圧縮され、高温となった水素を冷却するためのクーラ１９が介設されている。
【００３８】
クーラ１９以降の、吐出流路１８には、順に、流量調整弁２０、流量計２１、クーラ２２が介設されている。流量調整弁２０はその下流の流量計２１で検出された流量値に基づき、その開度が制御され、流量調整弁２０を通じる水素の流量を適正に調整する機能を担っている。吐出流路１８の末端に配設されたクーラ２２によって、その上流のクーラ１９で冷却された水素を更に冷却する。たとえば、クーラ１９では１３０℃程度の高温の水素を４０℃程度にまで冷却し、更に、クーラ２２ではその４０℃程度の水素を−４０℃程度にまで冷却する。
【００３９】
このようにして、クーラ２２により冷却され、最終的に温度調整が行なわれた水素は、クーラ２２の出側から燃料電池自動車２７に設けられた後述の充填ノズル２６の入側に至る水素充填流路３４により同燃料電池自動車２７の車載水素タンク２８に供給、充填されることになる。なお、水素充填流路３４におけるクーラ２２の出側直後には遮断弁２３が配設されており、この遮断弁２３は吐出流路１８に設けられた前記流量調整弁２０、流量計２１とともにディスペンサー（充填機）を構成する。
【００４０】
そして、水素充填流路３４の途上（水素ステーション側の最も下流の端部）には、緊急離脱カップラー２４が設けられている。この緊急離脱カップラー２４はこれを介して燃料電池自動車２７側に伸びる充填ホース２５が極めて強い力で引っ張られた場合に離脱し、水素ガスの供給先側（燃料電池自動車２７側）、あるいはそれと反対の水素ガスの供給元側の双方から、高圧の水素ガスが噴出しないよう、構成されてなるものである。
【００４１】
さらに緊急離脱カップラー２４から伸びる充填ホース２５の最も下流の端部には充填ノズル２６が設けられている。充填ノズル２６は、燃料電池自動車２７の図示しないノズル口に接続される。そして、水素ステーション１から供給される水素は、燃料電池自動車２７の内部に搭載される車載水素タンク２８に供給される。
【００４２】
車載水素タンク２８にはその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９が付設されている。なお、この温度センサ２９は、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄを正確に検出するために、その車載水素タンク２８を構成する容器そのものに付設されることが望ましいが、これに限るものではない。例えば、温度センサで検出される温度Ｔｄ’が、上述の温度Ｔｄとほぼ同一か、温度Ｔｄを導出できる値であれば、その温度センサを、上述の温度Ｔｄを直接的、あるいは間接的に検出しうる温度センサ２９として採用できる。具体的には、燃料電池自動車２７の図示しないノズル口から、車載水素タンク２８に至るまでの流路の部分に、図１に示した温度センサ２９ａのようなものを備えても良い。
【００４３】
さらに、クーラ２２の出側から燃料電池自動車２７に設けられた充填ノズル２６の入側に至る水素充填流路３４の任意の位置にその内部の温度Ｔｄを検出可能な温度センサ２９を設けても良い。図２はこの具体例を示すもので、水素充填流路３４の遮断弁２３の出側の位置に温度センサ２９が設けられたものである。この場合、水素充填流路３４内の温度Ｔｄは車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄとは異なり、低温となるが、両者の温度には相関があるため水素充填流路３４内の温度から車載水素タンク２８の内部の温度を比較的精度良く推定することが可能である。すなわち、水素充填流路３４内の温度Ｔｄは車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄとは絶対値としては異なるが、互いに相関があるものゆえに、実質的には同様に取り扱うことができる。つまり、以下の説明において「車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄ」との文言は「水素充填流路３４内の温度Ｔｄ」との文言に換言することもできる。また、この例のように、水素ステーション１ｃ側の配管流路に温度センサをディスペンサーの一部として一体的に組み込むことで、燃料電池自動車に個々に温度センサを装備する必要がなく、また燃料電池自動車側から無線（あるいは有線）によってステーション側に温度データを送受信することも不要となる。このため、燃料電池自動車側とステーション側の双方にそれぞれ、温度データを送受信するための送信機・受信機が不要となる。送信機・受信機がないために、送信機・受信機間における（あるいは送信機・受信機内部における）外乱によるデータの通信不調を生じ得ないという利点がある。また、更に、送信機・受信機がないために、その分のコストが少なくて済む利点もある。
【００４４】
さて、図１（あるいは図２）において、温度センサ２９で検出された温度Ｔｄにかかる信号は水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）側に設けられたコントローラ３０に入力される。コントローラ３０は、温度Ｔｄにかかる信号に基づき、駆動機１５の回転数、ひいては、高圧段側の往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を制御、すなわち往復動圧縮機１４の容量を制御することができるよう、構成されている。
【００４５】
続いて、水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）における制御について、説明する。
上述したように、クーラ１９で冷却された水素は、クーラ２２によって、更に冷却され、たとえば、−４０℃の低温とされる。
【００４６】
ただし、この低温（高圧）の水素には、車載水素タンク２８に供給される際に、上述したジュール・トムソン効果による温度の変化が生じ、その温度は通常、上昇する。一方、通常、金属や樹脂にて形成されたライナーとその外周面に積層された繊維強化樹脂層などから構成される車載水素タンク２８には、許容される上限温度Ｔｔｈが仕様上、あるいは技術基準上、予め定まっている。その上限温度Ｔｔｈは例えば、圧縮水素自動車燃料装置用容器の技術基準（ＪＡＲＩ Ｓ ００１）によれば、８５℃である。したがって、車載水素タンク２８に水素が供給される際に、温度の上昇が生じても、その車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが、上限温度Ｔｔｈより更に低温の（上限温度Ｔｔｈより余裕をもった）上限値Ｔｔｈ−Δｔ（Δｔは例えば２０℃）に相当する基準温度（Ｔｂ）を予め設定（Ｔｂは例えば６５℃）し、この基準温度（Ｔｂ）をなるべく超えないように（あるいは、この基準温度（Ｔｂ）を越えることはあっても、その時間が短時間に抑制されるように、更に上限温度Ｔｔｈを超えないように）管理する必要がある。なお、基準温度（Ｔｂ）は、上限温度Ｔｔｈより低い、任意の温度の範囲（Ｔｂ１〜Ｔｂ２）として設定しても勿論かまわないものである。
【００４７】
そして、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）を超える高温の場合は、高圧段側の往復動圧縮機１４の駆動機１５の回転数を減少させ、同往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を減少させ、クーラ１９、２２による冷却効率を相対的に高め、車載水素タンク２８に供給される水素の供給量を減少させるとともにその温度を低下（車載水素タンク２８に水素が供給され、膨張する際の、ジュール・トムソン効果による温度の上昇を抑制）させ、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）になるように制御される。
【００４８】
また、一方で、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが上記基準温度（Ｔｂ）未満の低温の場合は、逆に往復動圧縮機１４の駆動機１５の回転数を増加させる制御が成される。これにより、同往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を増加させ、クーラ１９、２２による冷却効率を相対的に下げて、車載水素タンク２８に供給される水素の供給量を増加させつつも、車載水素タンク２８の内部の温度Ｔｄが基準温度（Ｔｂ）になるように制御される。このように、温度Ｔｄを許容される上限温度Ｔｔｈ以下の基準温度（Ｔｂ）に保持することにより、車載水素タンク２８の高温下での劣化や破損などの恐れもなく、安全を確保した上で、且つ車載水素タンク２８への水素の補給、充填を効率的に実施することができる。
【００４９】
このため、前述のとおり、水素ステーション１（あるいは水素ステーション１ｃ）では、コントローラ３０が、温度Ｔｄにかかる信号に基づき、駆動機１５の回転数、ひいては、高圧段側の往復動圧縮機１４より吐出される水素の流量を制御、すなわち往復動圧縮機１４の容量を制御する。
【００５０】
コントローラ３０は記憶手段を具備している。コントローラ３０は、その記憶手段にて、車載水素タンクの内部の温度Ｔｄと、基準温度Ｔｂ、温度Ｔｄと駆動機１５の回転数Ｒとの関係式や相関データを記憶している。上述の関係式や相関データは、図３（の実線Ａや破線Ｂ）に示すように、また、後述するように、温度Ｔｄが低い値であると、対応する回転数Ｒは高い値となり、逆に、温度Ｔｄが高い値であると、対応する回転数Ｒは低い値となるように構成される。
【００５１】
そして、コントローラ３０は、この記憶された関数式や相関データと、温度センサ２７で検出された温度Ｔｄ及び基準温度Ｔｂに基づいて、駆動機１５の回転数Ｒを決定し、その回転数Ｒによって、駆動機１５、ひいては往復動圧縮機１４を駆動する。すなわち、コントローラ３０は、温度Ｔｄが高くなるに従って、駆動機１５の回転数Ｒが小さくなるよう、制御する。
【００５２】
つまり、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素は十分に冷却されていることとなるので、高い回転数Ｒにて比較的大きな容量にて、往復動圧縮機１４は駆動される。逆に温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより高い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素の冷却は不十分ということになるため、低い回転数Ｒにて容量を減らした状態で、往復動圧縮機１４は駆動される。
【００５３】
このように構成することで簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、車載水素タンク２８への補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００５４】
また、図３では、温度Ｔｄが高くなるにつれて、比例的に回転数Ｒが減少する、すなわち温度Ｔｄが高くなっても、温度Ｔｄの増加分に対する回転数Ｒの減少分の比率が変化しない関係を表した実線Ａと、温度Ｔｄが高くなるにつれて、減少の度合い自体が大きくなるように回転数Ｒが減少する、すなわち温度Ｔｄが高くなると、温度Ｔｄの増加分に対する回転数Ｒの減少分の比率が増大する関係を表した破線Ｂとを示している。
【００５５】
前者（実線Ａ）であれば、駆動機１５の回転数は一定の割合で変更されることになり、急激な回転数の変更が為されないので、安定的な制御を実現できる。また、車載水素タンク２８の内部の温度が上限値Ｔｔｈ−Δｔに達することを極力避けたい場合には、後者（破線Ｂ）のように、温度Ｔｄに対する回転数Ｒの値を定めることが好ましい。
【００５６】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る水素ステーション１ａの構成を示している。この水素ステーション１ａは、上述の第１の実施形態にかかる水素ステーション１とほとんどの構成を共通するものである。ただし、水素ステーション１ａでは、高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５とを接続する駆動軸にフライホイール３１が介設されている。
【００５７】
例えば、駆動機１５がエンジン等で構成されているものである場合、吸入、圧縮、燃焼、排出の各行程の状態を調整（燃料の吸入量の調整など）することで回転数制御が可能である。ただし、上述した各行程ごとに生じる回転数の差によって、滑らかな回転が阻害される恐れがある。ただし、この水素ステーション１ａでは、フライホイール３１を高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５とを接続する駆動軸にフライホイールを介設しているので、上述の各行程ごとの回転数の差が低減され、滑らかな回転が可能となる。
【００５８】
また、このフライホイール３１を備えたことで、高圧段側の往復動圧縮機１４と駆動機１５の固有振動数を駆動機１５の回転数の制御の範囲に含めないよう調整し、ねじり振動を抑制することができる。したがって、このフライホイール３１を備えた水素ステーション１ａでは、それを備えないもの（水素ステーション１）に比し、駆動機１５の回転数の制御の範囲、ひいては、往復動圧縮機１４の容量の制御の範囲を増大させることができる。
【００５９】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る水素ステーション１ｂの構成を示している。この水素ステーション１ａは、上述の第１の実施形態にかかる水素ステーション１とほとんどの構成を共通するものである。ただし、水素ステーション１では、温度Ｔｄに基づき、駆動機１５の回転数を制御するよう、構成されていたのに対し、水素ステーション１ｂでは、温度Ｔｄに基づき、後述の調整弁３２の開度を調整し、後述の戻し流路３３を介して、高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）を調整するよう、構成されている。
【００６０】
水素ステーション１ｂでは、調整弁３２が介設され、クーラ１９の下流の吐出流路１８（高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側）から、合流点６でより下流で且つ往復動圧縮機１４の上流の中間流路６（高圧段側の往復動圧縮機１４の吸い込み側）を接続する戻し流路３３が設けられている。調整弁３２の開度は、コントローラ３０によって、温度Ｔｄに基づき、調整される。
【００６１】
コントローラ３０は、記憶手段にて、前記素タンクの内部の温度Ｔｄと基準温度Ｔｂ、温度Ｔｄと調整弁３２の開度との関係式や相関データを記憶している。上述の関係式や相関データは、図６に示すように、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより低い値であると、対応する調整弁３２の開度は小さい値となり、逆に、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂより高い値であると、対応する調整弁３２の開度は大きい値となるように構成される。
【００６２】
そして、コントローラ３０は、この記憶された関数式や相関データと、温度センサ２７にて検出された温度Ｔｄと基準温度Ｔｂに基づいて、調整弁３２の開度を決定し、その調整弁３２の開度によって、戻し流路３３を介して高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）が調整される。すなわち、コントローラ３０は温度Ｔｄが高くなるに従って、調整弁３２の開度も大きくなるよう、制御する。
【００６３】
つまり、温度Ｔｄが低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素は十分に冷却されていることとなるので、調整弁３２の開度を小さくして、戻し量を少なくし、比較的大きな容量にて、往復動圧縮機１４は駆動される。逆に温度Ｔｄが低い値であると、車載水素タンク２８に供給される水素の冷却は不十分とされ、調整弁３２の開度を大きくして、戻し量を大きくし、容量を減らした状態で、往復動圧縮機１４は駆動される。
【００６４】
このように構成することでも、簡易な構成で、圧力・温度等の管理のしやすい連続的な容量制御を採用したうえで、水素タンクへの補給の際に急激な温度上昇を回避することのできる、水素ステーションを提供することができる。
【００６５】
なお、基本的には、各往復動圧縮機で圧縮した水素の全量を車載水素タンク２８に供給するものである水素ステーション１、１ａに対し、水素ステーション１ｂでは、高圧段側の往復動圧縮機１４の吐出側から吸い込み側へ、いったん圧縮した水素の一部を戻すことになるので、動力をロスするデメリットがあるが、回転数制御を必須としないので、回転数制御にかかる構成（インバータ等）を必要とせず、一定速の回転を行う電動機を駆動機１５に採用することができるというメリットがある。
【００６６】
本発明の実施形態の説明において、水素タンクの内部の温度Ｔｄに基づき、往復動圧縮機に設けられた駆動機の回転数や往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量（戻し量）を制御するに当って、予め目標温度である基準温度Ｔｂを設定し、この基準温度Ｔｂと前記温度Ｔｄを比較し、温度Ｔｄが基準温度Ｔｂに対応、一致あるいは近づくように上記駆動機の回転数や調節弁の開度調整による水素の戻し量を変更、制御する方法について述べたが、本発明はこの基準温度Ｔｂを用いる方法に限定されない。
【００６７】
例えば、この基準温度Ｔｂを設けず、上限温度Ｔｔｈのみを設定して、図３において上限温度Ｔｔｈ（あるいはその上限温度Ｔｔｈより所定温度Δｔ２だけ低い温度Ｔｔｈ−Δｔ２）では駆動機１５の回転数Ｒが仕様上の最低回転数（例えばゼロ）となるように設定し、あるいは図６において上限温度Ｔｔｈ（あるいは温度Ｔｔｈ−Δｔ２）では調整弁３２の開度がその調整弁３２の仕様上の最大の開度となるよう設定し、それら図３あるいは図６と、検出された水素タンクの内部の温度Ｔｄとから、一意的に、駆動機１５の回転数Ｒ、あるいは調整弁３２の開度を決定し、駆動機１５の回転数Ｒ、あるいは調整弁３２の開度の変更を行なう場合等も本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６８】
１，１ａ，１ｂ,１ｃ …水素ステーション
２…フィルター
３…供給流路
４…低圧段側の往復動圧縮機
５…駆動機
６…中間流路
７，１９，２２…クーラ
８，１０，１２，１３…開閉弁
９…第１の中間圧蓄圧器
１１…第２の中間圧蓄圧器
１４…高圧段側の往復動圧縮機
１５…駆動機
１６，１７…圧力センサ
１８…吐出流路
２０…流量調整弁
２１…流量計
２３…遮断弁
２４…緊急離脱カップラー
２５…充填ホース
２６…充填ノズル
２７…燃料電池自動車
２８…車載水素タンク
２９…温度センサ
３０…コントローラ
３１…フライホイール
３２…調整弁
３３…戻し流路
３４…水素充填流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項２】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の水素ステーション。
【請求項３】
前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されてなることを特徴とする請求項２に記載の水素ステーション。
【請求項４】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素タンクの内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されてなることを特徴とする請求項２に記載の水素ステーション。
【請求項５】
前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項６】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素タンク内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項７】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の水素ステーション。
【請求項８】
前記自動車が燃料電池自動車である請求項１乃至７のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項９】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクに水素を供給する水素充填流路の内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項１０】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されてなることを特徴とする請求項９に記載の水素ステーション。
【請求項１１】
前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の水素ステーション。
【請求項１２】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素充填流路の内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の水素ステーション。
【請求項１３】
前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項１４】
自動車に搭載される水素充填流路に水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素充填流路内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項１５】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の水素ステーション。
【請求項１６】
前記自動車が燃料電池自動車である請求項９乃至１５のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項１】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクの内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項２】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の水素ステーション。
【請求項３】
前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されてなることを特徴とする請求項２に記載の水素ステーション。
【請求項４】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素タンクの内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されてなることを特徴とする請求項２に記載の水素ステーション。
【請求項５】
前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項６】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素タンク内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項７】
前記水素タンクの内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素タンクの内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の水素ステーション。
【請求項８】
前記自動車が燃料電池自動車である請求項１乃至７のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項９】
自動車に搭載される水素タンクに水素を供給するための水素ステーションにおいて、回転数制御可能な駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、前記水素タンクに水素を供給する水素充填流路の内部の温度に基づき、前記駆動機の回転数を制御するよう構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項１０】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記駆動機の回転数を減少させ、前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より低い場合には前記駆動機の回転数を増加させて制御するように構成されてなることを特徴とする請求項９に記載の水素ステーション。
【請求項１１】
前記駆動機の回転数の減少の割合または増加の割合が一定になるように構成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の水素ステーション。
【請求項１２】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記水素充填流路の内部の温度と前記基準温度の温度差が大きいほど、前記駆動機の回転数の減少の割合が大きくなるように構成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の水素ステーション。
【請求項１３】
前記往復動圧縮機と前記駆動機とを接続する駆動軸にフライホイールが介設されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の水素ステーション。
【請求項１４】
自動車に搭載される水素充填流路に水素を供給するための水素ステーションにおいて、駆動機にて駆動される往復動圧縮機を備え、調整弁が介設され、前記往復動圧縮機の吐出側から、当該往復動圧縮機の吸い込み側を接続する戻し流路が設けられ、前記水素充填流路内部の温度に基づき、前記調節弁の開度を調整し、前記戻し流路を介して、前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されてなることを特徴とする水素ステーション。
【請求項１５】
前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より高い場合には前記調節弁の開度を大きくし、前記水素充填流路の内部の温度が基準温度より低い場合には前記調節弁の開度を小さくして前記往復動圧縮機の吐出側から吸い込み側へ戻す水素の量を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の水素ステーション。
【請求項１６】
前記自動車が燃料電池自動車である請求項９乃至１５のいずれかに記載の水素ステーション。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３７４３７（Ｐ２０１２−２３７４３７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１９００（Ｐ２０１１−１４１９００）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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