水素充填装置及び水素充填方法
【課題】水素充填時における水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に充填できる水素充填装置及び水素充填方法を提供する。
【解決手段】水素充填装置１０は、高圧水素貯蔵タンク１２から水素が充填される水素タンク１４へ略大気温度の水素を供給する第１水素供給管路１８と、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ冷却されている水素を供給する第２水素供給管路２０と、水素タンク１４内の温度を測定するタンク内温度測定手段４２とを備え、水素タンク１４内の温度変化に応じて、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが制御手段３８により切換制御される。
【解決手段】水素充填装置１０は、高圧水素貯蔵タンク１２から水素が充填される水素タンク１４へ略大気温度の水素を供給する第１水素供給管路１８と、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ冷却されている水素を供給する第２水素供給管路２０と、水素タンク１４内の温度を測定するタンク内温度測定手段４２とを備え、水素タンク１４内の温度変化に応じて、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが制御手段３８により切換制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を貯蔵する水素タンクに水素を充填するための水素充填装置及び水素充填方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池においては、燃料としての水素は、例えば高圧で水素タンクに貯蔵されて、前記燃料電池の近傍に配置される。このような水素タンクの水素充填量が低下した場合には、前記水素タンクは、該水素タンクよりも高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵タンクに接続されて水素が充填補充される。
【０００３】
ところで、上記のように、高圧の水素を高圧水素貯蔵タンクから水素タンクに充填する場合には、充填される側の水素タンク内で水素が発熱することが知られており、水素充填終了直後の水素タンク内温度は外気温度よりも高く、例えば、＋７０℃以上となる。このような場合、水素充填終了直後の水素タンク内の水素圧力は、上記のような温度上昇後の高温状態での圧力となっている。その後、水素タンク内の温度が大気温度程度まで低下すると、当該水素タンク内の水素圧力も水素充填終了直後に比べて低下することになる。これにより、上記のような温度上昇が生じる場合には、水素タンクへの水素充填量が不足するという問題があった。
【０００４】
上記のような水素充填時における水素タンク内の温度上昇を抑制する方法として、特許文献１には、圧力ステージを複数段に異ならせた複数の高圧水素貯蔵タンクから、車両に搭載された水素タンクに水素を供給するための供給管路に、その内部を流れる水素を冷却するための冷却手段を設けることが記載されており、さらに、水素タンク内の温度をモニターしながら検出温度をフィードバックし、当該検出温度に応じて冷却手段により水素を冷却しながら水素タンクに充填することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６９３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、水素の供給管路に冷却手段を設け、水素タンク内の温度をモニターしながら検出温度を冷却手段にフィードバックしてから水素の冷却を開始するように構成されており、水素タンク内の冷却が必要とされてから、該水素タンクへ十分に冷却された水素が充填されるまでには相当な時間を要する。また、上記冷却された水素の充填により、水素タンク内の温度が過度に低下した場合には冷却手段を停止させ、その後、大気温度まで復帰した水素を水素タンク内へ充填する必要があり、水素タンク内に大気温度の水素が充填されるまでにも相当な時間を要する。すなわち、上記従来技術では、水素充填時における水素タンク内の温度上昇及び下降に対する充填水素温度の応答性が低く、水素タンク内の温度変化に迅速に対応した水素充填を行うことができないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を該水素タンクへ迅速に充填できると共に、水素充填終了直後の水素タンク内を略大気温度とすることが可能で、該水素タンクへの水素充填量を十分に確保できる水素充填装置及び水素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】
本発明の水素充填装置は、水素タンクへ水素を充填する水素充填装置であって、第１の水素貯蔵源からの第１の温度の水素と、第２の水素貯蔵源からの前記第１の温度より低い第２の温度の水素とを切換えて前記水素タンクへ供給する切換手段と、前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、水素タンクに対して、第１の温度の水素と第２の温度の水素とを切換えて供給し、当該水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給することができ、該水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１０】
また、前記第２の水素貯蔵源の水素を冷却可能に構成される冷却手段を備えると、第２の水素貯蔵源の水素を十分に冷却した状態で、前記水素タンクへ充填することができる。
【００１１】
また、本発明の水素充填装置は、高圧水素貯蔵源と、該高圧水素貯蔵源から水素が充填される水素タンクへ、第１の温度の水素を供給する第１の水素供給管路と、前記高圧水素貯蔵源から前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度の水素を供給する第２の水素供給管路と、前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とを選択的に切換え可能な切換手段と、前記温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、水素タンクに対して、第１の水素供給管路と第２の水素供給管路から、当該水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給することができ、前記水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１３】
また、前記第２の水素供給管路には、該第２の水素供給管路内の水素を冷却可能に構成される冷却手段を設け、前記第２の水素供給管路の、前記冷却手段よりも前記水素タンク側は、断熱手段により断熱するとよい。このようにすれば、第２の水素供給管路内の水素が十分に冷却された状態で水素タンクへ供給される。
【００１４】
なお、前記切換手段が、前記第１の水素供給管路に設けられる第１のバルブと、前記第２の水素供給管路における前記冷却手段の出口側に設けられる第２のバルブとを含む場合に、前記制御手段は、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブの開閉を制御すると、簡単な構成により、本発明に係る水素充填装置が実現できる。
【００１５】
さらにまた、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、前記水素タンクに接続される側の端部で連結され、該端部における前記第１の水素供給管路の出口と、前記第２の水素供給管路の出口とは、同一の出口であるとよい。また、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、被覆材により一体化されていることが好ましい。このような構成によれば、水素充填時の水素供給管路の取り回しが容易になり、作業性が向上する。
【００１６】
本発明の水素充填方法は、水素タンクに水素を充填する水素充填方法であって、前記水素タンクへ、第１の温度で水素を供給し、前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度で水素を供給し、前記水素タンクへの水素充填時、温度測定手段により前記水素タンク内の温度を測定し、該測定された温度に応じて、前記第１の温度の水素と前記第２の温度の水素の供給を切換えて、前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする。
【００１７】
このような方法によれば、水素タンクに対して、第１の温度の水素と第２の温度の水素とを切換えて供給し、水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給しながら水素充填を行うことができ、水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１８】
また、前記水素タンク内の温度が所定の温度より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、前記水素タンク内の温度が所定の温度より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ水素を充填することが好ましい。このようにすれば、水素タンク内を所定の温度付近に維持しながら水素充填を行うことができ、水素タンクへ所望量の水素を充填できる。
【００１９】
さらに、大気温度を測定する大気温度測定手段を用い、前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填してもよい。このようにすれば、水素充填終了後の水素タンク内の温度を略大気温度とすることができ、水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００２０】
さらにまた、前記水素タンクへの水素充填開始時には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填すると、水素充填開始直後における水素タンク内の温度上昇の発生を回避することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を該水素タンクへ迅速に充填できる。また、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度上昇を低減することが可能となり、該水素タンクへの十分な量の水素を充填できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の水素充填方法について、それを実施する水素充填装置との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態としての水素充填装置を示す概略構成図である。水素充填装置１０は、高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵源としての高圧水素貯蔵タンク１２から、該高圧水素貯蔵タンク１２よりも低圧の水素タンク１４へ水素を充填する装置である。ここで、水素タンク１４は、例えば、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池に対して燃料ガスとしての水素を貯蔵及び供給するものであり、高圧で水素を貯蔵するもの、水素の貯蔵と放出が可能な水素吸着剤を収容したもの、又は水素の吸着と放出が可能な水素吸着材、例えば錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン、ゼオライト若しくはメソポーラスシリケート等を収容したもの等、水素の貯蔵が可能なものであればよい。
【００２４】
水素充填装置１０は、水素タンク１４へ充填するための高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵タンク１２と、該高圧水素貯蔵タンク１２からの水素が供給される水素供給管路１６と、該水素供給管路１６が分岐点Ａにて分岐する一方の第１の水素供給管路としての第１水素供給管路１８と、前記分岐する他方の第２の水素供給管路としての第２水素供給管路２０と、該第２水素供給管路２０内の水素を冷却可能に構成される冷却手段２２と、該冷却手段２２により冷却される水素が流通する前記第２水素供給管路２０を断熱するための断熱手段２４とを有する。また、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とは、水素タンクに接続される側の端部である合流点Ｂにて連結され、水素供給管路２６が配設される（図２参照）。すなわち、第１水素供給管路１８の出口と第２水素供給管路２０の出口とは、同一の出口を持つことになる。なお、図１中の参照符号３０は、高圧水素貯蔵タンク１２からの水素供給管路２６と、水素タンク１４とが接続される接続部を示している。
【００２５】
冷却手段２２は、第２水素供給管路２０内の水素を十分に冷却できるものであればよく、本実施形態では、容器２２ａ内が常に液体窒素２２ｂで満たされ、該容器２２ａ内にて第２水素供給管路２０が蛇行することにより、該第２水素供給管路２０内の水素が冷却される。なお、液体窒素２２ｂの替わりに、例えば図示しない冷凍機により冷却手段２２を構成することも可能であり、さらに、液体窒素２２ｂ中に図示しない冷凍機の冷却部を浸漬させて、当該液体窒素２２ｂの気化、所謂ボイルオフを阻止するような構成にすることもできる。
【００２６】
断熱手段２４は、冷却手段２２で冷却された水素の温度上昇を抑制すると共に、該冷却された水素が流通する第２水素供給管路２０の外壁面への着霜や結露を防止するために設けられる。このような断熱手段２４としては、第２水素供給管路２０の外壁面にグラスウール、ロックウール若しくは発泡樹脂材等の所謂断熱材を巻きつけるもの、第２水素供給管路２０を２重管として内側管を水素流通用とすると共に、外側管を真空として断熱するもの、又は前記２重管の外側管内に液体窒素等を流通させるもの等を用いることができる。
【００２７】
また、水素充填装置１０は、水素供給管路１６に配設され高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素の圧力を所定値に低減させるレギュレータ３２と、第１水素供給管路１８に配設され例えば電磁式開閉弁により構成される第１のバルブとしての第１バルブ３４と、第２水素供給管路２０に配設され前記第１バルブ３４と同様に電磁式開閉弁により構成される第２のバルブとしての第２バルブ３６とを有する。そして、第１バルブ３４と第２バルブ３６とは切換手段として、その開閉動作によって、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とを選択的に切換え可能であり、この切換えは、制御手段３８により制御される。すなわち、第１バルブ３４と第２バルブ３６とは制御手段３８と電気的に接続され、該制御手段３８により開閉制御される。なお、制御手段３８は、大気中に配置され、例えば熱電対である大気温度測定手段４０と、水素タンク１４内に配置され、例えば熱電対である温度測定手段としてのタンク内温度測定手段４２とに電気的に接続され、これらの測定温度に応じて、上記のように、第１バルブ３４と第２バルブ３６とを切換制御するものであるが、詳細は後述する。
【００２８】
ここで、本実施形態における接続部３０について、図２を参照して説明する。図２は、接続部３０周辺の拡大概略斜視図である。接続部３０は、高圧水素貯蔵タンク１２と水素タンク１４とが着脱自在に接続される部分である。
【００２９】
水素タンク１４側には、水素タンク１４内へ水素を充填するための供給口４４と、タンク内温度測定手段４２での測定温度を制御手段３８に送信するための導線４６とが設けられる。一方、高圧水素貯蔵タンク１２側には、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが合流点Ｂにて連結された後の水素供給管路２６と、導線４６からの信号を中継して制御手段３８まで送信するための導線４８とが設けられ、これらの周囲が被覆材５０により被覆されている。そして、水素タンク１４側の供給口４４及び導線４６に、高圧水素貯蔵タンク１２側の水素供給管路２６及び導線４８が、夫々一体的に挿入され、着脱自在に接続される。特に、供給口４４と水素供給管路２６とは水素漏れ等が生じないように、カプラー式等の接続構造により確実に接続される。
【００３０】
また、本実施形態の水素充填装置１０では、図１に示すように、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とは、夫々第１バルブ３４及び第２バルブ３６よりも下流側（二次側）で被覆材５０により一体化されている。図３は、このように一体化されている部分である、図１中の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図を示している。図３に示すように、第１水素供給管路１８と、断熱手段２４により断熱されている第２水素供給管路２０とは、被覆材５０により一体化されている。さらに、被覆材５０内側部分での第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０との間隙部分５２には、導線４８が配設されている。
【００３１】
なお、被覆材５０としては、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル及びポリテトラフルオロエチレン等の樹脂性被覆材や、フレキシブルチューブ等が使用可能である。
【００３２】
本実施形態では、上記のように、水素タンク１４と高圧水素貯蔵タンク１２とが、接続部３０にて一箇所で連結されるため、水素タンク１４側に、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とに夫々別個に接続される複数の供給口を設ける必要がなく、水素タンク１４の構造の簡略化を図ることができる。また、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが被覆材５０により一体化されているため、水素タンク１４への水素供給側である高圧水素貯蔵タンク１２側の配管を１本の管として取り扱うことができ、水素充填時の取り回しが容易になり作業性が向上する。
【００３３】
次に、以上のように構成される水素充填装置１０の基本的な動作について説明する。
【００３４】
先ず、接続部３０により、高圧水素貯蔵タンク１２に水素タンク１４が接続される前は、第１バルブ３４及び第２バルブ３６は共に閉じられており、高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素が、レギュレータ３２により所定値に減圧された状態で、第１水素供給管路１８では第１バルブ３４の上流側（一次側）までの区間に、第２水素供給管路２０では第２バルブ３６の上流側（一次側）までの区間に満たされている。このとき、第２水素供給管路２０側に満たされる水素は、冷却手段２２により十分に冷却されている。
【００３５】
次に、接続部３０により、高圧水素貯蔵タンク１２に水素タンク１４が接続されると、第１バルブ３４又は第２バルブ３６のどちらか一方が開かれて、水素タンク１４への水素充填が開始される。以下、先に第２バルブ３６を開く場合と、先に第１バルブ３４を開く場合とに区別して説明する。
【００３６】
先ず、先に第２バルブ３６を開く場合について説明する。この場合、水素タンク１４への水素充填が開始されると、該水素タンク１４内には、冷却手段２２で冷却されている第２水素供給管路２０からの第２の温度としての低温の水素が、断熱手段２４によって、ほとんど温度上昇することなく、冷却されたままの状態で水素タンク１４へ充填される。これにより、次第に水素タンク１４内の温度が低下する。そして、水素タンク１４内の温度が所定の温度以下となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以下となると、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８に切換えられ、これにより、略大気温度の水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。
【００３７】
その後、第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素により水素タンク１４内が所定の温度以上となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以上となると、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第１水素供給管路１８から第２水素供給管路２０に切換えられ、これにより、冷却手段により冷却されている水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が所定の圧力になるまで、上記の手順が繰り返される。
【００３８】
一方、先に第１バルブ３４を開く場合には、水素タンク１４への水素充填が開始されると、該水素タンク１４内には、第１水素供給管路１８からの第１の温度としての略大気温度の水素が充填され、次第に水素タンク１４内の温度が上昇する。そして、水素タンク１４内の温度が所定の温度以上となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以上となると、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第１水素供給管路１８から第２水素供給管路２０に切換えられ、これにより、冷却手段２２で冷却されている第２水素供給管路２０内の水素が、断熱手段２４によって、ほとんど温度上昇することなく、冷却されたままの状態で水素タンク１４へ迅速に充填される。
【００３９】
その後、第２水素供給管路２０からの冷却されている水素により、水素タンク１４内が所定の温度以下となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以下となると、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８に切換えられ、これにより、略大気温度の水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が所定の圧力になるまで、上記の手順が繰り返される。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る水素充填装置１０によれば、水素タンク１４内の温度変化に応じて、第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素の水素タンク１４への充填と、第２水素供給管路２０からの冷却手段２２により冷却されている水素の水素タンク１４への充填とを、迅速に切換えることが可能となる。すなわち、このような迅速な切換えにより、水素タンク１４への水素充填時における水素タンク１４内の温度上昇及び下降を緩和するのに適した温度の水素を、該水素タンクへ即座に充填できると共に、水素充填終了直後の水素タンク１４内を略大気温度とすることが可能となり、水素タンク１４への水素充填量を十分に確保することが可能となる。
【００４１】
次に、上記実施形態に係る水素充填装置１０を用いる水素充填方法について、図４及び図５を参照して説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではないのは当然である。図４及び図５は、本実施形態の水素充填方法による水素充填時における、水素充填時間（分）に対する、水素タンク１４内の温度（℃）及び圧力（ＭＰａ）の変化と、第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉のタイミングとを示す説明図であり、図４は、水素タンク１４への水素充填開始時に第１バルブ３４よりも第２バルブ３６を先に開く場合のもの（以下、第１の水素充填方法とする）であり、図５は、水素タンク１４への水素充填開始時に第１バルブ３４を第２バルブ３６よりも先に開く場合のもの（以下、第２の水素充填方法とする）である。
【００４２】
本実施形態に係る水素充填方法では、高圧水素貯蔵タンク１２内の水素圧力４２ＭＰａの水素をレギュレータ３２で減圧し、水素タンク１４内の水素圧力が３５ＭＰａになるまで充填するものとし、その水素充填時間は約５分である。また、冷却手段２２としては、ステンレス製の容器１８ａ内に約−１９６℃の液体窒素１８ｂを蓄えるものを使用し、断熱手段２４としては、第２水素供給管路２０の外壁面に断熱材としてのグラスウールを巻きつけるものを使用するものとする。
【００４３】
先ず、図４及び図５の横軸に示す水素充填時間（分）における０分より左側、すなわち水素充填開始前には、第１バルブ３４及び第２バルブ３６は、共に閉じられており、高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素が、レギュレータ３２により所定値である３５ＭＰａに減圧されて、第１水素供給管路１８では第１バルブ３４の上流側（一次側）までの区間に、第２水素供給管路２０では第２バルブ３６の上流側（一次側）までの区間に満たされている。このとき、第２水素供給管路２０側に満たされている水素は、冷却手段２２により約−１２０℃に冷却されている。
【００４４】
次に、接続部３０にて、高圧水素貯蔵タンク１２側の水素供給管路２６と、水素タンク１４の供給口４４とが接続されることにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４への水素充填が可能となる。同時に、導線４８と導線４６も接続され、水素タンク１４内に配置されるタンク内温度測定手段４２が制御手段３８に電気的に接続される。
【００４５】
そして、大気温度測定手段４０により測定される大気温度（外気温度）Ｔ１と、タンク内温度測定手段４２により測定される水素タンク１４内の温度Ｔ２の温度情報が、制御手段３８に送信開始され、これらの温度情報は、制御手段３８によりモニタリングされる。さらに、制御手段３８は、水素タンク１４内の温度Ｔ２と、大気温度Ｔ１との差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）を算出し、後述する工程において、該ΔＴの変化に基づいて、第１バルブ３４及び第２バルブ３６を開閉制御することにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８へと迅速に切換制御される。
【００４６】
ところで、通常の水素充填時においては、水素タンク１４内の温度変化に比べて、大気温度の温度変化は微小であるため、大気温度測定手段４０を用いずに、水素タンク１４内の温度変化に応じて、例えば、水素タンク１４内の温度が所定の温度範囲になるように、後述する第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行して、上記のような切換制御を行ってもよい。また、大気温度Ｔ１の替わりに予め設定される目標温度Ｔ３を用い、上記ΔＴの替わりにΔＴ２（ΔＴ２＝Ｔ２−Ｔ３）を用いて、該ΔＴ２が所定の温度範囲になるように、後述する第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行して、上記のような切換制御を行ってもよい。
【００４７】
次に、図４を参照して、本実施形態における第１の水素充填方法について説明する。この場合、水素タンク１４への水素充填開始時に、第１バルブ３４よりも第２バルブ３６が先に開かれ、水素タンク１４内には第２水素供給管路２０からの冷却されている水素が最初に充填される。なお、上記したように、大気温度の水素を水素タンク１４内に充填すると、該水素タンク１４内の温度が大幅に上昇する。そこで、ここで説明する第１の水素充填方法は、水素充填開始直後での上記のような温度上昇の発生を回避するために、先ず最初に、冷却されている水素を水素タンク１４内に充填するものである。
【００４８】
すなわち、先ず、第１バルブ３４を閉じている状態で第２バルブ３６を開き、第２水素供給管路２０内の冷却されている水素を水素タンク１４内に充填開始する。
【００４９】
そして、水素タンク１４内の温度が次第に低下し、水素タンク１４内の温度Ｔ２と大気温度Ｔ１との差であるΔＴが、−１０℃以下となった場合には、制御手段３８により、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれ、即座に大気温度の水素が第１水素供給管路１８から水素タンク１４へ充填開始される。すなわち、制御手段３８により、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８へと迅速に切換制御される。その後、水素タンク１４内の温度が次第に上昇し、ΔＴが、＋１０℃以上となった場合には、制御手段３８により、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれ、即座に第２水素供給管路２０内の冷却されている水素が水素タンク１４へ充填開始される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が３５ＭＰａになるまで、上記の第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御による、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０の選択的な切換制御が繰り返される。
【００５０】
次に、図５を参照して、本実施形態における第２の水素充填方法について説明する。この場合、水素タンク１４への充填開始時に、上記第１の水素充填方法とは反対に、第１バルブ３４が第２バルブ３６よりも先に開かれ、水素タンク１４内には第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素が最初に充填される。本第２の水素充填方法は、上記第１の水素充填方法で説明したような、水素充填開始直後の温度上昇の発生を回避することは困難となるが、大気温度が低い冬場や寒冷地等での水素充填時において、水素タンク１４が非常に冷えている場合等では有効である。なお、本第２の水素充填方法では、上記のように、水素タンク１４への水素充填開始時のバルブ制御が反対である以外は、上記第１の水素充填方法と同様であるので、以下、詳細な説明は省略する。
【００５１】
すなわち、先ず、第２バルブ３６を閉じている状態で第１バルブ３４を開き、第１水素供給管路１８内の略大気温度の水素を水素タンク１４内に充填開始する。その後は、上記第１の水素充填方法と同様に、ΔＴが、−１０℃以下又は＋１０℃以上となった場合に、制御手段３８により、第１バルブ３４及び第２バルブ３６が開閉制御され、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とで迅速に切換制御される。
【００５２】
以上のように、本実施形態に係る水素充填方法によれば、水素タンク１４内の温度Ｔ２と、大気温度Ｔ１との差ΔＴの変化に基づいて、第１バルブ３４及び第２バルブ３６を開閉制御することにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とで迅速に切換制御され、水素タンク１４内の温度変化が抑制される。また、水素充填終了直後の水素タンク１４内を略大気温度とすることができ、該水素タンク１４への水素充填量が十分に確保される。例えば、上記第１及び第２の水素充填方法によれば、水素タンク１４内の温度Ｔ２と大気温度Ｔ１との差ΔＴが、所定の温度範囲である、−１０℃〜＋１０℃となるように制御することにより、水素充填終了直後の水素タンク１４内の水素圧力は、当該水素充填時での大気温度における水素圧力３５ＭＰａに対して９７％以上、すなわち３４ＭＰａ以上を確保することができる。
【００５３】
以上、上記実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
【００５４】
例えば、上記実施形態における第１及び第２の水素充填方法は、大気温度測定手段４０により測定される大気温度（外気温度）に応じて適用することができ、大気温度が所定温度より低い場合には、上記第２の水素充填方法を実行し、それ以外の場合には、上記第１の水素充填方法を実行するように、切換えながら用いることもできる。
【００５５】
また、上記のように、大気温度Ｔ１の替わりに、予め設定される目標温度Ｔ３を用い、上記ΔＴの替わりにΔＴ２（ΔＴ２＝Ｔ２−Ｔ３）を用いて、該ΔＴ２が所定の温度範囲になるように、第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行し、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０との切換制御を行う水素充填方法では、例えば、商業的に水素タンク１４への水素充填が行われるような図示しない水素充填ステーション等において、上記目標温度Ｔ３を一律に規定しておくことにより、夏場や冬場等の大気温度の変化に関係なく、水素タンク１４内へ一定量の水素を充填することが可能となる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、第１水素供給管路１８が大気温度の水素を水素タンク１４へ供給する第１の水素貯蔵源として、第２水素供給管路２０が低温の水素を水素タンク１４へ供給する第２の水素貯蔵源として機能するので、例えば、高圧水素貯蔵タンク１２を複数用意して、そのうちの１個を第１の水素貯蔵源として、他の１個を第２の水素貯蔵源として機能するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る水素充填装置を示す概略構成図である。
【図２】前記実施形態に係る接続部の周辺部の拡大概略斜視図である。
【図３】図１中の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る水素充填方法による水素充填時において、第２バルブを最初に開く場合における、水素充填時間に対する、水素タンク内の温度及び圧力の変化と、充填時での第１バルブと第２バルブの開閉タイミングとを示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る水素充填方法による水素充填時において、第１バルブを最初に開く場合における、水素充填時間に対する、水素タンク内の温度及び圧力の変化と、充填時での第１バルブと第２バルブの開閉タイミングとを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…水素充填装置 １２…高圧水素貯蔵タンク
１４…水素タンク １６、２６…水素供給管路
１８…第１水素供給管路 ２０…第２水素供給管路
２２…冷却手段 ２４…断熱手段
３０…接続部 ３２…レギュレータ
３４…第１バルブ ３６…第２バルブ
３８…制御手段 ４０…大気温度測定手段
４２…タンク内温度測定手段 ４４…供給口
４６、４８…導線 ５０…被覆材
５２…間隙部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を貯蔵する水素タンクに水素を充填するための水素充填装置及び水素充填方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池においては、燃料としての水素は、例えば高圧で水素タンクに貯蔵されて、前記燃料電池の近傍に配置される。このような水素タンクの水素充填量が低下した場合には、前記水素タンクは、該水素タンクよりも高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵タンクに接続されて水素が充填補充される。
【０００３】
ところで、上記のように、高圧の水素を高圧水素貯蔵タンクから水素タンクに充填する場合には、充填される側の水素タンク内で水素が発熱することが知られており、水素充填終了直後の水素タンク内温度は外気温度よりも高く、例えば、＋７０℃以上となる。このような場合、水素充填終了直後の水素タンク内の水素圧力は、上記のような温度上昇後の高温状態での圧力となっている。その後、水素タンク内の温度が大気温度程度まで低下すると、当該水素タンク内の水素圧力も水素充填終了直後に比べて低下することになる。これにより、上記のような温度上昇が生じる場合には、水素タンクへの水素充填量が不足するという問題があった。
【０００４】
上記のような水素充填時における水素タンク内の温度上昇を抑制する方法として、特許文献１には、圧力ステージを複数段に異ならせた複数の高圧水素貯蔵タンクから、車両に搭載された水素タンクに水素を供給するための供給管路に、その内部を流れる水素を冷却するための冷却手段を設けることが記載されており、さらに、水素タンク内の温度をモニターしながら検出温度をフィードバックし、当該検出温度に応じて冷却手段により水素を冷却しながら水素タンクに充填することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６９３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、水素の供給管路に冷却手段を設け、水素タンク内の温度をモニターしながら検出温度を冷却手段にフィードバックしてから水素の冷却を開始するように構成されており、水素タンク内の冷却が必要とされてから、該水素タンクへ十分に冷却された水素が充填されるまでには相当な時間を要する。また、上記冷却された水素の充填により、水素タンク内の温度が過度に低下した場合には冷却手段を停止させ、その後、大気温度まで復帰した水素を水素タンク内へ充填する必要があり、水素タンク内に大気温度の水素が充填されるまでにも相当な時間を要する。すなわち、上記従来技術では、水素充填時における水素タンク内の温度上昇及び下降に対する充填水素温度の応答性が低く、水素タンク内の温度変化に迅速に対応した水素充填を行うことができないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を該水素タンクへ迅速に充填できると共に、水素充填終了直後の水素タンク内を略大気温度とすることが可能で、該水素タンクへの水素充填量を十分に確保できる水素充填装置及び水素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】
本発明の水素充填装置は、水素タンクへ水素を充填する水素充填装置であって、第１の水素貯蔵源からの第１の温度の水素と、第２の水素貯蔵源からの前記第１の温度より低い第２の温度の水素とを切換えて前記水素タンクへ供給する切換手段と、前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、水素タンクに対して、第１の温度の水素と第２の温度の水素とを切換えて供給し、当該水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給することができ、該水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１０】
また、前記第２の水素貯蔵源の水素を冷却可能に構成される冷却手段を備えると、第２の水素貯蔵源の水素を十分に冷却した状態で、前記水素タンクへ充填することができる。
【００１１】
また、本発明の水素充填装置は、高圧水素貯蔵源と、該高圧水素貯蔵源から水素が充填される水素タンクへ、第１の温度の水素を供給する第１の水素供給管路と、前記高圧水素貯蔵源から前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度の水素を供給する第２の水素供給管路と、前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とを選択的に切換え可能な切換手段と、前記温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、水素タンクに対して、第１の水素供給管路と第２の水素供給管路から、当該水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給することができ、前記水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１３】
また、前記第２の水素供給管路には、該第２の水素供給管路内の水素を冷却可能に構成される冷却手段を設け、前記第２の水素供給管路の、前記冷却手段よりも前記水素タンク側は、断熱手段により断熱するとよい。このようにすれば、第２の水素供給管路内の水素が十分に冷却された状態で水素タンクへ供給される。
【００１４】
なお、前記切換手段が、前記第１の水素供給管路に設けられる第１のバルブと、前記第２の水素供給管路における前記冷却手段の出口側に設けられる第２のバルブとを含む場合に、前記制御手段は、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブの開閉を制御すると、簡単な構成により、本発明に係る水素充填装置が実現できる。
【００１５】
さらにまた、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、前記水素タンクに接続される側の端部で連結され、該端部における前記第１の水素供給管路の出口と、前記第２の水素供給管路の出口とは、同一の出口であるとよい。また、前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、被覆材により一体化されていることが好ましい。このような構成によれば、水素充填時の水素供給管路の取り回しが容易になり、作業性が向上する。
【００１６】
本発明の水素充填方法は、水素タンクに水素を充填する水素充填方法であって、前記水素タンクへ、第１の温度で水素を供給し、前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度で水素を供給し、前記水素タンクへの水素充填時、温度測定手段により前記水素タンク内の温度を測定し、該測定された温度に応じて、前記第１の温度の水素と前記第２の温度の水素の供給を切換えて、前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする。
【００１７】
このような方法によれば、水素タンクに対して、第１の温度の水素と第２の温度の水素とを切換えて供給し、水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を迅速に供給しながら水素充填を行うことができ、水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００１８】
また、前記水素タンク内の温度が所定の温度より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、前記水素タンク内の温度が所定の温度より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ水素を充填することが好ましい。このようにすれば、水素タンク内を所定の温度付近に維持しながら水素充填を行うことができ、水素タンクへ所望量の水素を充填できる。
【００１９】
さらに、大気温度を測定する大気温度測定手段を用い、前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填してもよい。このようにすれば、水素充填終了後の水素タンク内の温度を略大気温度とすることができ、水素タンクへの水素充填量を十分に確保することができる。
【００２０】
さらにまた、前記水素タンクへの水素充填開始時には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填すると、水素充填開始直後における水素タンク内の温度上昇の発生を回避することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度変化を抑制するのに適した温度の水素を該水素タンクへ迅速に充填できる。また、水素タンクへの水素充填時における水素タンク内の温度上昇を低減することが可能となり、該水素タンクへの十分な量の水素を充填できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の水素充填方法について、それを実施する水素充填装置との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態としての水素充填装置を示す概略構成図である。水素充填装置１０は、高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵源としての高圧水素貯蔵タンク１２から、該高圧水素貯蔵タンク１２よりも低圧の水素タンク１４へ水素を充填する装置である。ここで、水素タンク１４は、例えば、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池に対して燃料ガスとしての水素を貯蔵及び供給するものであり、高圧で水素を貯蔵するもの、水素の貯蔵と放出が可能な水素吸着剤を収容したもの、又は水素の吸着と放出が可能な水素吸着材、例えば錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン、ゼオライト若しくはメソポーラスシリケート等を収容したもの等、水素の貯蔵が可能なものであればよい。
【００２４】
水素充填装置１０は、水素タンク１４へ充填するための高圧の水素が貯蔵されている高圧水素貯蔵タンク１２と、該高圧水素貯蔵タンク１２からの水素が供給される水素供給管路１６と、該水素供給管路１６が分岐点Ａにて分岐する一方の第１の水素供給管路としての第１水素供給管路１８と、前記分岐する他方の第２の水素供給管路としての第２水素供給管路２０と、該第２水素供給管路２０内の水素を冷却可能に構成される冷却手段２２と、該冷却手段２２により冷却される水素が流通する前記第２水素供給管路２０を断熱するための断熱手段２４とを有する。また、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とは、水素タンクに接続される側の端部である合流点Ｂにて連結され、水素供給管路２６が配設される（図２参照）。すなわち、第１水素供給管路１８の出口と第２水素供給管路２０の出口とは、同一の出口を持つことになる。なお、図１中の参照符号３０は、高圧水素貯蔵タンク１２からの水素供給管路２６と、水素タンク１４とが接続される接続部を示している。
【００２５】
冷却手段２２は、第２水素供給管路２０内の水素を十分に冷却できるものであればよく、本実施形態では、容器２２ａ内が常に液体窒素２２ｂで満たされ、該容器２２ａ内にて第２水素供給管路２０が蛇行することにより、該第２水素供給管路２０内の水素が冷却される。なお、液体窒素２２ｂの替わりに、例えば図示しない冷凍機により冷却手段２２を構成することも可能であり、さらに、液体窒素２２ｂ中に図示しない冷凍機の冷却部を浸漬させて、当該液体窒素２２ｂの気化、所謂ボイルオフを阻止するような構成にすることもできる。
【００２６】
断熱手段２４は、冷却手段２２で冷却された水素の温度上昇を抑制すると共に、該冷却された水素が流通する第２水素供給管路２０の外壁面への着霜や結露を防止するために設けられる。このような断熱手段２４としては、第２水素供給管路２０の外壁面にグラスウール、ロックウール若しくは発泡樹脂材等の所謂断熱材を巻きつけるもの、第２水素供給管路２０を２重管として内側管を水素流通用とすると共に、外側管を真空として断熱するもの、又は前記２重管の外側管内に液体窒素等を流通させるもの等を用いることができる。
【００２７】
また、水素充填装置１０は、水素供給管路１６に配設され高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素の圧力を所定値に低減させるレギュレータ３２と、第１水素供給管路１８に配設され例えば電磁式開閉弁により構成される第１のバルブとしての第１バルブ３４と、第２水素供給管路２０に配設され前記第１バルブ３４と同様に電磁式開閉弁により構成される第２のバルブとしての第２バルブ３６とを有する。そして、第１バルブ３４と第２バルブ３６とは切換手段として、その開閉動作によって、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とを選択的に切換え可能であり、この切換えは、制御手段３８により制御される。すなわち、第１バルブ３４と第２バルブ３６とは制御手段３８と電気的に接続され、該制御手段３８により開閉制御される。なお、制御手段３８は、大気中に配置され、例えば熱電対である大気温度測定手段４０と、水素タンク１４内に配置され、例えば熱電対である温度測定手段としてのタンク内温度測定手段４２とに電気的に接続され、これらの測定温度に応じて、上記のように、第１バルブ３４と第２バルブ３６とを切換制御するものであるが、詳細は後述する。
【００２８】
ここで、本実施形態における接続部３０について、図２を参照して説明する。図２は、接続部３０周辺の拡大概略斜視図である。接続部３０は、高圧水素貯蔵タンク１２と水素タンク１４とが着脱自在に接続される部分である。
【００２９】
水素タンク１４側には、水素タンク１４内へ水素を充填するための供給口４４と、タンク内温度測定手段４２での測定温度を制御手段３８に送信するための導線４６とが設けられる。一方、高圧水素貯蔵タンク１２側には、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが合流点Ｂにて連結された後の水素供給管路２６と、導線４６からの信号を中継して制御手段３８まで送信するための導線４８とが設けられ、これらの周囲が被覆材５０により被覆されている。そして、水素タンク１４側の供給口４４及び導線４６に、高圧水素貯蔵タンク１２側の水素供給管路２６及び導線４８が、夫々一体的に挿入され、着脱自在に接続される。特に、供給口４４と水素供給管路２６とは水素漏れ等が生じないように、カプラー式等の接続構造により確実に接続される。
【００３０】
また、本実施形態の水素充填装置１０では、図１に示すように、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とは、夫々第１バルブ３４及び第２バルブ３６よりも下流側（二次側）で被覆材５０により一体化されている。図３は、このように一体化されている部分である、図１中の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図を示している。図３に示すように、第１水素供給管路１８と、断熱手段２４により断熱されている第２水素供給管路２０とは、被覆材５０により一体化されている。さらに、被覆材５０内側部分での第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０との間隙部分５２には、導線４８が配設されている。
【００３１】
なお、被覆材５０としては、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル及びポリテトラフルオロエチレン等の樹脂性被覆材や、フレキシブルチューブ等が使用可能である。
【００３２】
本実施形態では、上記のように、水素タンク１４と高圧水素貯蔵タンク１２とが、接続部３０にて一箇所で連結されるため、水素タンク１４側に、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とに夫々別個に接続される複数の供給口を設ける必要がなく、水素タンク１４の構造の簡略化を図ることができる。また、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とが被覆材５０により一体化されているため、水素タンク１４への水素供給側である高圧水素貯蔵タンク１２側の配管を１本の管として取り扱うことができ、水素充填時の取り回しが容易になり作業性が向上する。
【００３３】
次に、以上のように構成される水素充填装置１０の基本的な動作について説明する。
【００３４】
先ず、接続部３０により、高圧水素貯蔵タンク１２に水素タンク１４が接続される前は、第１バルブ３４及び第２バルブ３６は共に閉じられており、高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素が、レギュレータ３２により所定値に減圧された状態で、第１水素供給管路１８では第１バルブ３４の上流側（一次側）までの区間に、第２水素供給管路２０では第２バルブ３６の上流側（一次側）までの区間に満たされている。このとき、第２水素供給管路２０側に満たされる水素は、冷却手段２２により十分に冷却されている。
【００３５】
次に、接続部３０により、高圧水素貯蔵タンク１２に水素タンク１４が接続されると、第１バルブ３４又は第２バルブ３６のどちらか一方が開かれて、水素タンク１４への水素充填が開始される。以下、先に第２バルブ３６を開く場合と、先に第１バルブ３４を開く場合とに区別して説明する。
【００３６】
先ず、先に第２バルブ３６を開く場合について説明する。この場合、水素タンク１４への水素充填が開始されると、該水素タンク１４内には、冷却手段２２で冷却されている第２水素供給管路２０からの第２の温度としての低温の水素が、断熱手段２４によって、ほとんど温度上昇することなく、冷却されたままの状態で水素タンク１４へ充填される。これにより、次第に水素タンク１４内の温度が低下する。そして、水素タンク１４内の温度が所定の温度以下となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以下となると、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８に切換えられ、これにより、略大気温度の水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。
【００３７】
その後、第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素により水素タンク１４内が所定の温度以上となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以上となると、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第１水素供給管路１８から第２水素供給管路２０に切換えられ、これにより、冷却手段により冷却されている水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が所定の圧力になるまで、上記の手順が繰り返される。
【００３８】
一方、先に第１バルブ３４を開く場合には、水素タンク１４への水素充填が開始されると、該水素タンク１４内には、第１水素供給管路１８からの第１の温度としての略大気温度の水素が充填され、次第に水素タンク１４内の温度が上昇する。そして、水素タンク１４内の温度が所定の温度以上となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以上となると、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第１水素供給管路１８から第２水素供給管路２０に切換えられ、これにより、冷却手段２２で冷却されている第２水素供給管路２０内の水素が、断熱手段２４によって、ほとんど温度上昇することなく、冷却されたままの状態で水素タンク１４へ迅速に充填される。
【００３９】
その後、第２水素供給管路２０からの冷却されている水素により、水素タンク１４内が所定の温度以下となるか、又は水素タンク１４内の温度と大気温度との差が所定の温度範囲以下となると、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれる。そうすると、即座に水素タンク１４への水素供給が第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８に切換えられ、これにより、略大気温度の水素が水素タンク１４へ迅速に充填される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が所定の圧力になるまで、上記の手順が繰り返される。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る水素充填装置１０によれば、水素タンク１４内の温度変化に応じて、第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素の水素タンク１４への充填と、第２水素供給管路２０からの冷却手段２２により冷却されている水素の水素タンク１４への充填とを、迅速に切換えることが可能となる。すなわち、このような迅速な切換えにより、水素タンク１４への水素充填時における水素タンク１４内の温度上昇及び下降を緩和するのに適した温度の水素を、該水素タンクへ即座に充填できると共に、水素充填終了直後の水素タンク１４内を略大気温度とすることが可能となり、水素タンク１４への水素充填量を十分に確保することが可能となる。
【００４１】
次に、上記実施形態に係る水素充填装置１０を用いる水素充填方法について、図４及び図５を参照して説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではないのは当然である。図４及び図５は、本実施形態の水素充填方法による水素充填時における、水素充填時間（分）に対する、水素タンク１４内の温度（℃）及び圧力（ＭＰａ）の変化と、第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉のタイミングとを示す説明図であり、図４は、水素タンク１４への水素充填開始時に第１バルブ３４よりも第２バルブ３６を先に開く場合のもの（以下、第１の水素充填方法とする）であり、図５は、水素タンク１４への水素充填開始時に第１バルブ３４を第２バルブ３６よりも先に開く場合のもの（以下、第２の水素充填方法とする）である。
【００４２】
本実施形態に係る水素充填方法では、高圧水素貯蔵タンク１２内の水素圧力４２ＭＰａの水素をレギュレータ３２で減圧し、水素タンク１４内の水素圧力が３５ＭＰａになるまで充填するものとし、その水素充填時間は約５分である。また、冷却手段２２としては、ステンレス製の容器１８ａ内に約−１９６℃の液体窒素１８ｂを蓄えるものを使用し、断熱手段２４としては、第２水素供給管路２０の外壁面に断熱材としてのグラスウールを巻きつけるものを使用するものとする。
【００４３】
先ず、図４及び図５の横軸に示す水素充填時間（分）における０分より左側、すなわち水素充填開始前には、第１バルブ３４及び第２バルブ３６は、共に閉じられており、高圧水素貯蔵タンク１２から供給される水素が、レギュレータ３２により所定値である３５ＭＰａに減圧されて、第１水素供給管路１８では第１バルブ３４の上流側（一次側）までの区間に、第２水素供給管路２０では第２バルブ３６の上流側（一次側）までの区間に満たされている。このとき、第２水素供給管路２０側に満たされている水素は、冷却手段２２により約−１２０℃に冷却されている。
【００４４】
次に、接続部３０にて、高圧水素貯蔵タンク１２側の水素供給管路２６と、水素タンク１４の供給口４４とが接続されることにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４への水素充填が可能となる。同時に、導線４８と導線４６も接続され、水素タンク１４内に配置されるタンク内温度測定手段４２が制御手段３８に電気的に接続される。
【００４５】
そして、大気温度測定手段４０により測定される大気温度（外気温度）Ｔ１と、タンク内温度測定手段４２により測定される水素タンク１４内の温度Ｔ２の温度情報が、制御手段３８に送信開始され、これらの温度情報は、制御手段３８によりモニタリングされる。さらに、制御手段３８は、水素タンク１４内の温度Ｔ２と、大気温度Ｔ１との差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）を算出し、後述する工程において、該ΔＴの変化に基づいて、第１バルブ３４及び第２バルブ３６を開閉制御することにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８へと迅速に切換制御される。
【００４６】
ところで、通常の水素充填時においては、水素タンク１４内の温度変化に比べて、大気温度の温度変化は微小であるため、大気温度測定手段４０を用いずに、水素タンク１４内の温度変化に応じて、例えば、水素タンク１４内の温度が所定の温度範囲になるように、後述する第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行して、上記のような切換制御を行ってもよい。また、大気温度Ｔ１の替わりに予め設定される目標温度Ｔ３を用い、上記ΔＴの替わりにΔＴ２（ΔＴ２＝Ｔ２−Ｔ３）を用いて、該ΔＴ２が所定の温度範囲になるように、後述する第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行して、上記のような切換制御を行ってもよい。
【００４７】
次に、図４を参照して、本実施形態における第１の水素充填方法について説明する。この場合、水素タンク１４への水素充填開始時に、第１バルブ３４よりも第２バルブ３６が先に開かれ、水素タンク１４内には第２水素供給管路２０からの冷却されている水素が最初に充填される。なお、上記したように、大気温度の水素を水素タンク１４内に充填すると、該水素タンク１４内の温度が大幅に上昇する。そこで、ここで説明する第１の水素充填方法は、水素充填開始直後での上記のような温度上昇の発生を回避するために、先ず最初に、冷却されている水素を水素タンク１４内に充填するものである。
【００４８】
すなわち、先ず、第１バルブ３４を閉じている状態で第２バルブ３６を開き、第２水素供給管路２０内の冷却されている水素を水素タンク１４内に充填開始する。
【００４９】
そして、水素タンク１４内の温度が次第に低下し、水素タンク１４内の温度Ｔ２と大気温度Ｔ１との差であるΔＴが、−１０℃以下となった場合には、制御手段３８により、第２バルブ３６が閉じられ、同時に第１バルブ３４が開かれ、即座に大気温度の水素が第１水素供給管路１８から水素タンク１４へ充填開始される。すなわち、制御手段３８により、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第２水素供給管路２０から第１水素供給管路１８へと迅速に切換制御される。その後、水素タンク１４内の温度が次第に上昇し、ΔＴが、＋１０℃以上となった場合には、制御手段３８により、第１バルブ３４が閉じられ、同時に第２バルブ３６が開かれ、即座に第２水素供給管路２０内の冷却されている水素が水素タンク１４へ充填開始される。以後は、水素タンク１４の水素圧力が３５ＭＰａになるまで、上記の第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御による、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０の選択的な切換制御が繰り返される。
【００５０】
次に、図５を参照して、本実施形態における第２の水素充填方法について説明する。この場合、水素タンク１４への充填開始時に、上記第１の水素充填方法とは反対に、第１バルブ３４が第２バルブ３６よりも先に開かれ、水素タンク１４内には第１水素供給管路１８からの略大気温度の水素が最初に充填される。本第２の水素充填方法は、上記第１の水素充填方法で説明したような、水素充填開始直後の温度上昇の発生を回避することは困難となるが、大気温度が低い冬場や寒冷地等での水素充填時において、水素タンク１４が非常に冷えている場合等では有効である。なお、本第２の水素充填方法では、上記のように、水素タンク１４への水素充填開始時のバルブ制御が反対である以外は、上記第１の水素充填方法と同様であるので、以下、詳細な説明は省略する。
【００５１】
すなわち、先ず、第２バルブ３６を閉じている状態で第１バルブ３４を開き、第１水素供給管路１８内の略大気温度の水素を水素タンク１４内に充填開始する。その後は、上記第１の水素充填方法と同様に、ΔＴが、−１０℃以下又は＋１０℃以上となった場合に、制御手段３８により、第１バルブ３４及び第２バルブ３６が開閉制御され、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とで迅速に切換制御される。
【００５２】
以上のように、本実施形態に係る水素充填方法によれば、水素タンク１４内の温度Ｔ２と、大気温度Ｔ１との差ΔＴの変化に基づいて、第１バルブ３４及び第２バルブ３６を開閉制御することにより、高圧水素貯蔵タンク１２から水素タンク１４へ供給される水素の流通管路が、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０とで迅速に切換制御され、水素タンク１４内の温度変化が抑制される。また、水素充填終了直後の水素タンク１４内を略大気温度とすることができ、該水素タンク１４への水素充填量が十分に確保される。例えば、上記第１及び第２の水素充填方法によれば、水素タンク１４内の温度Ｔ２と大気温度Ｔ１との差ΔＴが、所定の温度範囲である、−１０℃〜＋１０℃となるように制御することにより、水素充填終了直後の水素タンク１４内の水素圧力は、当該水素充填時での大気温度における水素圧力３５ＭＰａに対して９７％以上、すなわち３４ＭＰａ以上を確保することができる。
【００５３】
以上、上記実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
【００５４】
例えば、上記実施形態における第１及び第２の水素充填方法は、大気温度測定手段４０により測定される大気温度（外気温度）に応じて適用することができ、大気温度が所定温度より低い場合には、上記第２の水素充填方法を実行し、それ以外の場合には、上記第１の水素充填方法を実行するように、切換えながら用いることもできる。
【００５５】
また、上記のように、大気温度Ｔ１の替わりに、予め設定される目標温度Ｔ３を用い、上記ΔＴの替わりにΔＴ２（ΔＴ２＝Ｔ２−Ｔ３）を用いて、該ΔＴ２が所定の温度範囲になるように、第１バルブ３４及び第２バルブ３６の開閉制御を実行し、第１水素供給管路１８と第２水素供給管路２０との切換制御を行う水素充填方法では、例えば、商業的に水素タンク１４への水素充填が行われるような図示しない水素充填ステーション等において、上記目標温度Ｔ３を一律に規定しておくことにより、夏場や冬場等の大気温度の変化に関係なく、水素タンク１４内へ一定量の水素を充填することが可能となる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、第１水素供給管路１８が大気温度の水素を水素タンク１４へ供給する第１の水素貯蔵源として、第２水素供給管路２０が低温の水素を水素タンク１４へ供給する第２の水素貯蔵源として機能するので、例えば、高圧水素貯蔵タンク１２を複数用意して、そのうちの１個を第１の水素貯蔵源として、他の１個を第２の水素貯蔵源として機能するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る水素充填装置を示す概略構成図である。
【図２】前記実施形態に係る接続部の周辺部の拡大概略斜視図である。
【図３】図１中の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る水素充填方法による水素充填時において、第２バルブを最初に開く場合における、水素充填時間に対する、水素タンク内の温度及び圧力の変化と、充填時での第１バルブと第２バルブの開閉タイミングとを示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る水素充填方法による水素充填時において、第１バルブを最初に開く場合における、水素充填時間に対する、水素タンク内の温度及び圧力の変化と、充填時での第１バルブと第２バルブの開閉タイミングとを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…水素充填装置 １２…高圧水素貯蔵タンク
１４…水素タンク １６、２６…水素供給管路
１８…第１水素供給管路 ２０…第２水素供給管路
２２…冷却手段 ２４…断熱手段
３０…接続部 ３２…レギュレータ
３４…第１バルブ ３６…第２バルブ
３８…制御手段 ４０…大気温度測定手段
４２…タンク内温度測定手段 ４４…供給口
４６、４８…導線 ５０…被覆材
５２…間隙部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクへ水素を充填する水素充填装置であって、
第１の水素貯蔵源からの第１の温度の水素と、第２の水素貯蔵源からの前記第１の温度より低い第２の温度の水素とを切換えて前記水素タンクへ供給する切換手段と、
前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素充填装置において、
前記第２の水素貯蔵源の水素を冷却可能に構成される冷却手段を備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項３】
高圧水素貯蔵源と、
該高圧水素貯蔵源から水素が充填される水素タンクへ、第１の温度の水素を供給する第１の水素供給管路と、
前記高圧水素貯蔵源から前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度の水素を供給する第２の水素供給管路と、
前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とを選択的に切換え可能な切換手段と、
前記温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素充填装置において、
前記第２の水素供給管路には、該第２の水素供給管路内の水素を冷却可能に構成される冷却手段が設けられ、
前記第２の水素供給管路の、前記冷却手段よりも前記水素タンク側は、断熱手段により断熱されていることを特徴とする水素充填装置。
【請求項５】
請求項４記載の水素充填装置において、
前記切換手段は、前記第１の水素供給管路に設けられる第１のバルブと、前記第２の水素供給管路における前記冷却手段の出口側に設けられる第２のバルブとを含み、
前記制御手段は、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブの開閉を制御することを特徴とする水素充填装置。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の水素充填装置において、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、前記水素タンクに接続される側の端部で連結され、該端部における前記第１の水素供給管路の出口と、前記第２の水素供給管路の出口とは、同一の出口であることを特徴とする水素充填装置。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれか１項に記載の水素充填装置において、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、被覆材により一体化されていることを特徴とする水素充填装置。
【請求項８】
水素タンクに水素を充填する水素充填方法であって、
前記水素タンクへ、第１の温度で水素を供給し、
前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度で水素を供給し、
前記水素タンクへの水素充填時、温度測定手段により前記水素タンク内の温度を測定し、該測定された温度に応じて、前記第１の温度の水素と前記第２の温度の水素の供給を切換えて、前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項９】
請求項８記載の水素充填方法において、
前記水素タンク内の温度が所定の温度より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、
前記水素タンク内の温度が所定の温度より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項１０】
請求項８記載の水素充填方法において、
大気温度を測定する大気温度測定手段を用い、
前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、
前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の水素充填方法において、
前記水素タンクへの水素充填開始時には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項１】
水素タンクへ水素を充填する水素充填装置であって、
第１の水素貯蔵源からの第１の温度の水素と、第２の水素貯蔵源からの前記第１の温度より低い第２の温度の水素とを切換えて前記水素タンクへ供給する切換手段と、
前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素充填装置において、
前記第２の水素貯蔵源の水素を冷却可能に構成される冷却手段を備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項３】
高圧水素貯蔵源と、
該高圧水素貯蔵源から水素が充填される水素タンクへ、第１の温度の水素を供給する第１の水素供給管路と、
前記高圧水素貯蔵源から前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度の水素を供給する第２の水素供給管路と、
前記水素タンク内の温度を測定する温度測定手段と、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とを選択的に切換え可能な切換手段と、
前記温度測定手段により測定される前記水素タンク内の温度に応じて、前記切換手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素充填装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素充填装置において、
前記第２の水素供給管路には、該第２の水素供給管路内の水素を冷却可能に構成される冷却手段が設けられ、
前記第２の水素供給管路の、前記冷却手段よりも前記水素タンク側は、断熱手段により断熱されていることを特徴とする水素充填装置。
【請求項５】
請求項４記載の水素充填装置において、
前記切換手段は、前記第１の水素供給管路に設けられる第１のバルブと、前記第２の水素供給管路における前記冷却手段の出口側に設けられる第２のバルブとを含み、
前記制御手段は、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブの開閉を制御することを特徴とする水素充填装置。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の水素充填装置において、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、前記水素タンクに接続される側の端部で連結され、該端部における前記第１の水素供給管路の出口と、前記第２の水素供給管路の出口とは、同一の出口であることを特徴とする水素充填装置。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれか１項に記載の水素充填装置において、
前記第１の水素供給管路と前記第２の水素供給管路とは、被覆材により一体化されていることを特徴とする水素充填装置。
【請求項８】
水素タンクに水素を充填する水素充填方法であって、
前記水素タンクへ、第１の温度で水素を供給し、
前記水素タンクへ、前記第１の温度より低い第２の温度で水素を供給し、
前記水素タンクへの水素充填時、温度測定手段により前記水素タンク内の温度を測定し、該測定された温度に応じて、前記第１の温度の水素と前記第２の温度の水素の供給を切換えて、前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項９】
請求項８記載の水素充填方法において、
前記水素タンク内の温度が所定の温度より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、
前記水素タンク内の温度が所定の温度より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ水素を充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項１０】
請求項８記載の水素充填方法において、
大気温度を測定する大気温度測定手段を用い、
前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より低い場合には、前記第１の温度の水素を前記水素タンクへ充填し、
前記水素タンク内の温度と前記大気温度との差が所定の温度範囲より高い場合には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填することを特徴とする水素充填方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の水素充填方法において、
前記水素タンクへの水素充填開始時には、前記第２の温度の水素を前記水素タンクへ充填することを特徴とする水素充填方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１４７００５（Ｐ２００７−１４７００５Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４４２９０（Ｐ２００５−３４４２９０）
【出願日】平成１７年１１月２９日（２００５．１１．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２９日（２００５．１１．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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