燃料ガス充填・供給システム
【課題】燃料ガス充填・供給システムにおいて、複数の燃料ガスタンクにそれぞれ逆止弁を用いることなく、逆流防止を行うことを可能にすることである。
【解決手段】水素ガス充填・供給システム１０は、熱流束が大きい水素タンク５０と熱流束が小さい水素タンク５２と、水素タンク５０，５２を並列に接続する水素充填パイプ３０と、水素タンク５０，５２の合流部を一方端として、他方端が燃料電池３４に接続される水素供給パイプ３２と、水素供給パイプ３２の合流部に設けられる逆止弁６０とを備える。逆止弁６０は、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が小さいときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れを阻止し、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れを阻止する。
【解決手段】水素ガス充填・供給システム１０は、熱流束が大きい水素タンク５０と熱流束が小さい水素タンク５２と、水素タンク５０，５２を並列に接続する水素充填パイプ３０と、水素タンク５０，５２の合流部を一方端として、他方端が燃料電池３４に接続される水素供給パイプ３２と、水素供給パイプ３２の合流部に設けられる逆止弁６０とを備える。逆止弁６０は、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が小さいときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れを阻止し、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れを阻止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス充填・供給システムに係り、特に、複数の燃料ガスタンクを備える燃料ガス充填・供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応で発電した電力を取り出すものであるので、燃料供給ラインと酸化剤供給ラインに開閉弁が設けられ、また逆流を防止するための逆止弁が用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムとして、燃料タンク−バルブ−燃料供給ポンプ−バッファタンク−循環ポンプ−燃料入口−燃料電池スタック−燃料出口−燃料供給ポンプとバッファタンクの間とする循環路を形成し、発電終了時に燃料を抜くことができるように、逆止弁を燃料出口と、燃料供給ポンプとバッファタンクの間に配置する構成が開示されている。ここでは、通常の燃料電池運転のときには燃料供給ポンプと循環ポンプとを正回転させ、燃料を燃料供給ポンプで送り込むと共に、逆止弁が開いて燃料出口から燃料を含んで排出される液体を循環ポンプでバッファタンクに回収し、燃料電池の運転停止時には、バルブを閉じ、燃料供給ポンプを停止し、循環ポンプを逆回転させることで、燃料電池スタック内の燃料流路を減圧して、燃料出口から取り込まれる大気中の空気燃料電池スタック内の燃料を燃料入口側に押し出してバッファタンクに回収して液抜きが行われる。
【０００４】
また、特許文献２には、ＤＭＦＣ燃料電池システムとして、高濃度燃料タンクと水タンクからそれぞれ送液ポンプを用いて濃度調整部に高濃度メタノールと水を送り込み、これらの送液量で濃度調整を行うときに、ポンプ停止時の逆流防止のための逆止弁を各送液ポンプの吐出口と濃度調整部との間に設けることが述べられている。ここで、逆止弁にバネ等の付勢手段を用いることで、この付勢手段が順方向に液を流すときには抵抗となり、ある一定の圧力がかかるまで液が流れない状態が続き、一定の圧力を超えて液が流れるようになるが、このような圧力をクラッキング圧力と呼ばれることが述べられている。
【０００５】
また、特許文献３には、それぞれ減圧弁を備える複数のタンクが並列にされたタンク装置において、各減圧弁の２次圧力の設定が僅かにばらつくことによって、タンクから水素ガスを負荷機器に供給する際に、設定値の高い減圧弁を有する水素タンクから先に水素ガスが放出されてしまうことを指摘している。ここでは、各タンク同士を連結する連通路を設けることで、各タンクの圧力差が生じることを防ぐことができると述べられている。また、各タンクから連通路への所定流量以上の流れを防止するため、過剰流量防止バルブとして、圧縮バネと圧力を受ける円柱部分とを含む構成が示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、充填バルブと放出バルブと温度センサと圧力センサとをそれぞれ有する水素タンクが複数並列接続される車両用水素ガス供給装置とにおいて、水素供給時には、各水素タンクの圧力を見て、最も圧力の低い水素タンクの放出バルブのみを開放して、まずこの水素タンクの水素ガスを消費し、規定値の圧力以下になれば、その水素タンクの放出バルブを閉じて、他の水素タンクの放出バルブを全て開放することが述べられている。一方、水素充填時には、各水素タンクの圧力を見て、最も圧力の低い水素タンクの放出バルブのみを開放し、ついでその状態でさらに他の水素タンクの放出バルブを全て開放して、低圧の水素タンクに水素ガスを移送して、他の水素タンクの温度を下げる。移送が終ると、全ての放出バルブを閉じ、次に全ての充填バルブを開けることが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７６２５８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８０８２１号公報
【特許文献３】特開２００５−１２１１７３号公報
【特許文献４】特開２００４−８４８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車両に燃料電池を搭載するときは、燃料タンクも搭載することになる。車両の航続距離を延ばすには、できるだけ大型の燃料タンクが望ましいが、車両の搭載スペースを考えると、複数のしかも形状の異なる燃料タンクを搭載することが生じる。例えば、水素ガスを燃料とする場合には、形状の異なる複数の水素タンクを車両に搭載し、これら複数の水素タンクに水素供給ステーション等において水素ガスを充填し、水素ガスが充填された複数の水素タンクから水素を放出し燃料電池に供給して発電を行い、車両を走行させる。
【０００９】
形状の異なる複数の水素タンクは、その放熱性が異なり、これらを並列接続させて水素ガスを充填すると、充填に伴う温度上昇が水素タンクによって異なる。充填が終って時間が経過すると、この温度差はなくなるが、その代わり、タンク内圧力に差が生じてくる。同様に、並列接続された水素タンクから水素ガスを放出し燃料電池に供給するときも、供給に伴う温度低下が水素タンクによって異なる。これによって生じる温度差も時間が経過するとなくなるが、やはりタンク内圧力の差が生じる。
【００１０】
このときに、水素ガスの充填のときと水素ガスを放出して供給するときとで温度変化が逆方向であるので、充填のときの圧力差の生じ方と、供給のときの圧力差の生じ方が逆になる。つまり、仮に逆流が生じ得るとすると、逆流の方向が充填のときと供給のときとで反対になる。
【００１１】
このように複数の水素タンクに水素ガスを充填し、また複数の水素タンクから水素ガスを放出して燃料電池に供給するときには、複数の水素タンクの間にタンク内圧力差が生じるので、場合によって水素タンク間の逆流が問題となる。そして、逆流が生じ得るときは、上記のように水素ガスの充填のときと供給のときとで逆流の方向が反対になる。このような逆流防止には各水素タンクにそれぞれ逆止弁を用いることが考えられるが、特許文献３に述べられているように、複数の逆止弁を用いると、それらの設定逆止圧の相違により逆流が生じることがある。
【００１２】
本発明の目的は、複数の燃料ガスタンクにそれぞれ逆止弁を用いることなく、逆流防止を行うことができる燃料ガス充填・供給システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムは、単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束が異なる少なくとも２つの燃料ガスタンクと、燃料ガス充填源から分岐部を介して少なくとも２つの燃料ガスタンクを並列に接続する充填流路と、複数の燃料ガスタンクの合流部を一方端として、他方端が負荷装置に接続される供給流路と、供給流路の合流部において、熱流束が異なる２つの燃料ガスタンクの間に設けられる逆止弁であって、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される逆止弁と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムにおいて、逆止弁は、負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定されるクラッキング圧を有することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料ガス充填システムにおいて、複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、燃料ガス充填・供給システムは、供給流路の合流部において、２つの燃料ガスタンクの間に逆止弁が設けられるが、その逆止弁は、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止するものであって、その逆止弁の熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される。
【００１７】
ここで、熱流束の大小は、他の条件が同じであれば、放熱性の大小と同じことを意味する。燃料ガスの充填時には、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方が熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ温度上昇が少ないので、充填後に温度差がなくなったときのタンク内圧の下がり方も少ない。したがって、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方のタンク内圧が熱流束の小さい燃料ガスタンクの内圧よりも高くなる。
【００１８】
これに対し、燃料ガスを放出して供給を行うときには、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方が熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ温度低下が少ないので、その後に温度差がなくなったときのタンク内圧の上がり方も少ない。したがって、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方のタンク内圧が熱流束の小さい燃料ガスタンクの内圧よりも低くなる。
【００１９】
このように、燃料ガス充填後には、熱流束の大きい燃料ガスタンクから熱流束の小さい燃料ガスタンクに向けて圧力差が生じ、逆に燃料ガスを放出して供給するときには、熱流束の小さい燃料ガスタンクから熱流束の大きい燃料ガスタンクに向けて圧力差が生じる。ここで、燃料ガス充填直後のタンク内圧の方が、燃料ガスを放出して供給が行われた後のタンク内圧よりも高圧であるので、圧力差の絶対値としては前者の方が大きい。
【００２０】
このような状況の下で、上記構成による逆止弁は、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止するので、燃料ガス充填後の圧力差による逆流が防止される。また、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止するので、燃料ガスを放出して供給するときの圧力差による逆流を防止できる。そして、逆止弁の熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続されるので、逆流を防止しながら、負荷装置である燃料電池へ燃料ガスを供給できる。このように、１つの逆止弁で、２つの燃料ガスタンクの間の逆流を効果的に防止できる。
【００２１】
また、燃料ガス充填・供給システムにおいて、逆止弁のクラッキング圧は、負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定される。これによって、２つの燃料ガスタンクの間において、燃料ガス充填後の逆流と、燃料ガスを放出して供給するときに逆流と、方向の異なる２つの逆流を、１つの逆止弁で効果的に防止できる。
【００２２】
また、燃料ガス充填システムにおいて、複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクである。このように、形状等が異なるのみならず、同じ形状でも搭載位置の相違で熱流束が異なりえるが、これらの場合でも、１つの逆止弁で、２つの燃料ガスタンクの間の逆流を効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムを搭載する車両が水素ガスの充填を受け、その後充填された水素ガスを用いて走行する様子を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムの構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の逆止弁の作用を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填のときの様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填の後の逆止弁の作用を説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、水素ガスを放出して供給するときの様子を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填後の圧力差と、水素ガスを放出して供給するときの圧力差とを比べて説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、水素ガスを放出して供給するときの逆止弁の作用を説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムにおいて、熱流束の異なるタンクの内容をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、燃料ガスを水素ガスとし、燃料ガス充填・供給システムとして、水素ガス充填・供給システムを説明するが、充填と放出のときに温度変化が生じ得る気体燃料であればよく、例えば、ＣＮＧと呼ばれる圧縮天然ガスであってもよい。また、水素ガス充填・供給システムとしては、電気自動車に搭載される形状の異なる２つの水素タンクに水素ガスを充填し、この２つの水素タンクから燃料電池に水素ガスの供給を受ける場合を説明するが、電気自動車に搭載されるものでなくても、複数の水素タンクに水素ガスを充填し、この充填された水素ガスを負荷装置に供給する場合を広く含む。例えば、据え置き型燃料電池の燃料タンクが複数ある場合であってもよい。電気自動車の場合は負荷装置が車両搭載型燃料電池であるが、据え置き型の場合は、負荷装置が据え置き型燃料電池となる。
【００２５】
以下では、水素タンクの数を２つとし、逆止弁を１つとして説明するが、水素タンクの数は３つ以上であっても構わない。この場合には、圧力差が生じ得る２つの水素タンクの間にそれぞれ１つずつ逆止弁が設けられる。複数の水素タンクは、形状の異なる場合に限られず、熱流束の異なる水素タンクであればよい。熱流束の相違は、搭載位置あるいは配置位置によって、各水素タンクの熱流束が異なる場合を含む。
【００２６】
以下で述べる温度、圧力等は、説明のための例示であり、電気自動車の仕様、水素タンクの使用状況、水素充填機の仕様等に応じ、適宜変更が可能である。
【００２７】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２８】
図１は、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０の様子を説明する図である。図１の左側の図は、車両６に搭載された２つの水素タンク５０，５２に水素充填機１２から水素充填が行われる様子を示す図で、右側の図は、その後、充填された水素タンク５０，５２から燃料電池３４が水素ガスの供給を受けて発電し、その電力で車両６が走行する様子を示す図である。
【００２９】
最初に、水素充填が行われる様子を図１の左側の図を用いて説明する。図１の左側の図
には、水素ガス充填・供給システム１０の構成要件に含まれないが、水素充填機１２が設置される水素供給ステーション４と、水素充填の対象となる車両６が図示されている。図１の左側の図には、車両６が水素充填のために水素供給ステーション４に立ち寄って、ちょうど水素充填を受けている様子が示されている。
【００３０】
水素供給ステーション４は、車両６に水素充填サービスを提供するもので、水素充填機１２を備えて、ガソリンスタンドのように、車両６の立ち寄りやすい道路の傍の適当な箇所に設けられる。
【００３１】
車両６は、燃料電池３４を搭載する電気自動車である。燃料電池３４は、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気を供給し、電気化学反応によって発電して電力を取り出す電源装置で、車両６は、燃料電池３４の電力を用いて回転電機を駆動して走行する車両である。酸化ガスは大気を利用するので、特に酸素タンク等を必要としないが、燃料ガスは水素ガスを用いるので、そのために、車両６は、高圧で水素ガスを充填することができる水素タンク５０，５２を搭載している。
【００３２】
水素充填部８は、車両６の車体の後部側面に設けられる蓋付の凹部である。蓋を開けると、水素充填口２０であるレセプタクルが露出する。このレセプタクルは、水素充填機１２から引き出される水素充填チューブ１４の先端の充填先部を気密に差し込むことができる。
【００３３】
水素充填機１２は、上記のように水素供給ステーション４に備えられる燃料ガス充填機で、ここでは高圧の大容量水素タンクである。一例をあげると、約１００ＭＰａの高圧の水素ガスが収容されている。なお、液体水素タンクを備える水素供給ステーション４もあるが、その場合には、気化器を用いて、やはり上記の程度の高圧水素ガスに変換して、水素充填サービスが行われる。したがって、その場合には、液体水素タンクと気化器が、水素充填機１２に相当することになる。水素充填機１２は、安全に確実に水素充填を行うように、充填時の圧力、温度等を監視して、水素供給を制御する充填制御部を備えている。
【００３４】
水素充填チューブ１４は、上記のように、水素充填機１２から引き出される水素導入チューブで、先端に充填先部を有する。充填先部は、車両の水素充填口２０のレセプタクルと協働して、水素ガスが漏れないような組合せ構造を構成する。また、レセプタクルと正常に組合せ構造を構成したことを検出する検出構造と、水素タンク５０，５２からの圧力、温度等の信号を受け取って、水素充填機１２の充填制御部に伝送する信号伝達構造を有している。
【００３５】
ここで、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０は、水素充填部８に設けられる水素充填口２０と、水素充填パイプ３０と、プラグ４６，４８と、水素タンク５０，５２と、水素供給パイプ３２と、逆止弁６０を含んで構成される。
【００３６】
水素充填口２０は、上記のように車両６の水素充填部８に設けられ、水素充填機１２の充填先部を受け入れるレセプタクルを有する部分である。レセプタクルは、水素供給穴を有する他に、上記のように、充填先部と協働して水素ガスが漏れないような組合せ構造を構成し、また、水素タンク５０，５２からの圧力、温度等の信号を充填先部に伝達する信号伝達構造を有している。
【００３７】
水素充填パイプ３０は、車両の水素充填口２０から２つの水素タンク５０，５２へ延びる水素導入管で、水素ガスの充填流路である。水素充填パイプ３０は、一方端が１つの水素充填口２０で、途中に分岐部を有し、他方端が２つの水素タンク５０，５２である分岐付パイプである。すなわち、水素充填口２０から２つの水素タンク５０，５２に同時に並列的に水素充填がされるように、水素充填パイプ３０が設けられる。
【００３８】
水素供給パイプ３２は、２つの水素タンク５０，５２から燃料電池３４へ延びる水素供給管で、水素ガスの供給流路である。水素供給パイプ３２は、一方端が２つの水素タンク５０，５２で、途中に合流部を有し、他方端が燃料電池３４のガス入口部である分岐付パイプである。すなわち、２つの水素タンク５０，５２から燃料電池３４に、同時に並列的に水素供給がされるように、水素供給パイプ３２が設けられる。
【００３９】
プラグ４６，４８は、水素タンク５０，５２に接続口で、水素充填パイプ３０の他方端、水素供給パイプ３２の一方端が互いに分離して設けられる。プラグ４６，４８には、後述するようにタンク内圧力を検出する圧力計、タンク内温度を検出する温度計等が設けられる。圧力計、温度計の検出データは、適当な信号線で、水素充填口２０の信号伝達構造まで伝達される。
【００４０】
水素タンク５０，５２は、車両に搭載される高圧燃料ガスタンクである。水素タンク５０，５２の外形は円筒形で、ライナと呼ばれる容器体の外周を炭素繊維強化プラスチックで周囲を覆って高圧に耐える強度を持たせたものである。タンク内圧は、例えば約７０ＭＰａ程度である。ライナの材質としては、アルミニウム等の金属材料、適当な強度を有するプラスチック材料等を用いることができる。以下では、水素タンク５０，５２は、共にアルミニウム製のライナを用い、その長さも共に同じで、外径のみが相違するものとして、説明を続ける。
【００４１】
図１の例では、車両の後部座席の床下近傍に外径の小さい小型の水素タンク５０が配置され、後部トランクの近傍に外径の大きい大型の水素タンク５２が配置される。配置は、円筒形の長手方向を車両の幅方向に沿うようにして行われる。
【００４２】
このように、水素タンク５０，５２が、その長さが同じで、水素タンク５０の外径が水素タンク５２の外径よりも小さいときは、水素タンク５０の（表面積／体積）が、水素タンク５２の（表面積／体積）よりも大きくなる。したがって、水素タンク５０，５２の材質が同じで、車両搭載位置における放熱性が同じとすると、単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束は、水素タンク５０の方が水素タンク５２よりも大きくなる。つまり、他の条件を同じとして、水素タンク５０の方が水素タンク５２よりも放熱性がよいことになる。
【００４３】
逆止弁６０は、後述するように、水素供給パイプ３２の合流部において、２つの水素タンク５０，５２の間に設けられる気体弁であって、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が小さいときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れを阻止し、かつ、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧ＰCRよりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れを阻止する機能を有する。逆止弁６０の両端のうち、水素タンク５０側の接続部に水素供給パイプ３２の一方端が接続される。すなわち、燃料電池３４と、逆止弁６０の水素タンク５０側の接続部とが接続される。
【００４４】
水素充填は、図１の左側の図に示されるように、車両６の水素充填部８を開けて、水素充填口２０を露出させ、そのレセプタクルに水素充填機１２の充填先部を差し込み、水素充填チューブ１４を介して水素充填機１２から水素ガスを流すことで行われる。水素充填の間、水素タンク５０，５２のタンク内圧とタンク温度が水素充填機１２の制御部にデータとして送られ、これらを監視しながら、目標とするタンク内圧となったときに、水素充填機１２からの水素ガスの流れが止められて、水素充填が終了する。
【００４５】
水素充填が終了すると、水素充填パイプ３０に設けられる開閉弁が閉じられ、水素充填チューブ１４の充填先部が水素充填口２０のレセプタクルから取り外され、水素充填部８が閉じられる。なお、開閉弁の代わりに、充填用逆止弁を用いることもできる。この後は、図１の右側の図に示されるように、車両６は、燃料電池３４の発電によって走行を行うことができる。
【００４６】
すなわち、水素タンク５０，５２には十分な水素ガスが充填されているので、車両６に搭載された燃料電池制御装置の制御の下で、燃料電池３４に対する要求出力に応じて、水素タンク５０，５２から燃料電池３４に水素ガスが供給される。これによって燃料電池３４は、大気から酸化ガスとしての空気を取り込み、水素ガスを燃料ガスとして、電気化学反応によって発電を行い、発電された電力で車両６に搭載された回転電機が駆動される。回転電機は、車両６の駆動輪に接続される駆動軸を回転させるので、これによって車両６は走行を行うことができる。図１の右側の図は、その燃料電池３４の発電電力によって車両６が走行する様子を示す図である。
【００４７】
図２は、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０の構成を説明する図である。図２において、開閉弁２２は、水素充填パイプ３０の途中に設けられ、水素充填を行うときに開き、水素充填が終了したときに閉じられる弁である。上記のように、開閉弁２２に代えて、充填用逆止弁を用いてもよい。その場合には、水素充填口２０が大気圧になると、自動的に水素タンク５０，５２から水素充填口２０側への逆流が防止されるような向きに充填用逆止弁が配置される。
【００４８】
分岐部２４は、水素充填パイプ３０を、水素充填口２０から各水素タンク５０，５２に分岐させる部材である。分岐部２４としては、Ｔ字型継手を用いることができる。なお、分岐部２４のところに圧力計を設け、水素充填口２０から供給される水素ガスの圧力を検出するものとしてもよい。
【００４９】
温度計３６は、水素タンク５０のタンク内温度θ1を検出し、温度計３８は、水素タンク５２のタンク内温度θ2を検出する温度検出手段である。圧力計４０は、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1を検出し、圧力計４２は、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2を検出する圧力検出手段である。充填時には、温度計３６，３８の検出データと、圧力計４０，４２の検出データとは、水素充填口２０の信号伝達構造を経由して、水素充填機１２の充填制御部に伝送される。水素ガスの充填は、これらの信号を用い、各水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2と、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2を監視しながら行われる。
【００５０】
水素供給パイプ３２は、水素充填パイプ３０と同様に、燃料電池３４側は１つのパイプで、水素タンク５０，５２の側で２つに分岐する分岐付パイプである。水素供給パイプ３２は、水素タンク５０，５２の側から供給される水素ガスを合流させて一本化して燃料電池３４の側に供給するので、分岐するところは、合流部としての機能を有する。
【００５１】
逆止弁６０は、上記のように、水素供給パイプ３２の合流部において、２つの水素タンク５０，５２の間に設けられる気体弁である。逆止弁６０は、模式的に説明すると、両端に一方側開口部と他方側開口部とを有する筒部の中に、可動部と、可動部を筒部の他方側の開口部に付勢させる付勢手段を有する構造を有する。図２では、可動部がボール６２で示され、付勢手段がバネ６４として模式的に示されている。逆止弁６０の一方側開口部は水素タンク５０側に、他方側開口部は水素タンク５２側に、それぞれ水素供給パイプ３２を介して接続される。そして、逆止弁６０の一方側開口部と、水素タンク５０との間の合流点から水素供給パイプ３２が延ばされて、燃料電池３４に接続される。
【００５２】
逆止弁６０のバネ６４は、いわゆるクラッキング圧ＰCRを逆止弁６０に与える機能を有する。クラッキング圧とは、逆止弁６０にバネ６４の付勢手段を用いることで、この付勢手段が順方向に気体を流すときには抵抗となり、ある一定の圧力がかかるまで気体が流れない状態が続き、一定の圧力を超えて気体が流れるようになるが、このような圧力をさす。図２の例でいえば、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きくても、その差圧がクラッキング圧ＰCRよりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れが生じない。
【００５３】
図３に、クラッキング圧ＰCRを有する逆止弁６０の作用を示す。図３の横軸は、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2との間の圧力差ΔＰ12で、縦軸は、逆止弁６０において水素タンク５０側から水素タンク５２側に流れる水素ガスの流量Ｑ12である。図３では、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1より高いときの圧力差ΔＰ21と、逆止弁６０において水素タンク５２側から水素タンク５０側に水素ガスが流れるときの流量Ｑ21も示されているが、ΔＰ21＝−ΔＰ12であり、Ｑ21＝−Ｑ12である。
【００５４】
図３に示されるように、ΔＰ12＞０のときは、Ｑ12＝０である。つまり、水素タンク５０の圧力Ｐ1よりも水素タンク５２の圧力Ｐ2が小さく、ΔＰ12＞０のときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れＱ12が阻止される。
【００５５】
また、図３に示されるように、０≦ΔＰ21＜ＰCRのときもＱ21＝０である。ΔＰ21≧ＰCRのときに、Ｑ21≧０となる。つまり、水素タンク５０の圧力Ｐ1よりも水素タンク５２の圧力Ｐ2が大きいがクラッキング圧ＰCRよりも小さい間である０≦ΔＰ21＜ＰCRのときも、水素タンク５２から水素タンク５０への流れＱ21が阻止される。
【００５６】
上記構成の作用、特に逆止弁６０の作用を、図４から図８を用いて詳細に説明する。図４と図５は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが充填されるときの逆止弁６０の作用を説明する図で、図６から図８は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが放出されて燃料電池３４に供給されるときにおける逆止弁６０の作用を説明する図である。
【００５７】
図４は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが充填されるときの水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2の時間変化と、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の時間変化とを対応付けて示す図である。横軸には時間が、縦軸にはタンク内圧力Ｐとタンク内温度θとがとられている。
【００５８】
時間ｔC0は、充填開始時、時間ｔC1は充填終了時、時間ｔC2は充填終了時の後放置して水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2の間の温度差がほとんどなくなった時である。
【００５９】
時間ｔC0において、タンク内温度θ1，θ2は初期温度θ0である。初期温度θ0は、例えば室温である。タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は初期圧力Ｐ0である。初期圧力Ｐ0は、例えば大気圧である。
【００６０】
水素ガスの充填が水素タンク５０，５２に同時並行的に行われると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は同じ圧力を維持しながら時間経過と共に上昇する。タンク内温度θ1，θ2も、水素充填機１２から水素タンク５０，５２に至る経路で水素ガスが減圧され、そのために外気から吸熱するので、充填と共に温度が上昇する。その温度上昇は、水素タンク５０，５２の熱流束の値の違いで差が生じる。図１に関連して説明したように、水素タンク５０の熱流束の値は水素タンク５２の熱流束の値より大きいので、水素タンク５０の方が水素タンク５２に比べ放熱性がよく、したがって、水素タンク５０の温度上昇の程度が水素タンク５２の温度上昇の程度よりも小さい。
【００６１】
したがって、充填終了時の時間ｔC1において、タンク内圧力はＰ1＝Ｐ2＝ＰCであるが、タンク内温度は、Δθ21＝θ2−θ1が生じる。一例をあげると、ｔC0からｔC1を数分とし、ＰCを約７０ＭＰａとして、Δθ21は、約１０℃程度となることがある。
【００６２】
このように、短時間で水素充填を行うと、充填終了時間ｔC1においてタンク内温度差Δθ21＝θ2−θ1が生じるが、そのまま放置することで、水素タンク５０，５２が環境温度に応じて放熱し、このタンク内温度差Δθ21＝θ2−θ1は次第に小さくなる。図４では、時間ｔC2でΔθ21がほぼゼロとなるものとして示されている。時間ｔC2と時間ｔC1の間は、一例をあげると、２０分から３０分の程度である。
【００６３】
このように、タンク内温度が低下すると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2も低下する。タンク内温度θ1，θ2との関係は、水素タンク５０，５２は閉ざされた空間であるので、圧力をＰ、体積をＶ、温度をＴ、気体定数をｎＲとして、いわゆるＰＶ＝ｎＲＴの関係で与えられる。したがって、図４に示されるように、温度低下が大きいθ2に対応するＰ2の低下の方が、温度低下が小さいθ1に対応するＰ1の低下よりも大きい。つまり、時間ｔC2においては、タンク内圧力Ｐ1の方がタンク内圧力Ｐ2よりも大きく、圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じる。
【００６４】
図５は、このような圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じても、逆止弁６０の作用によって、水素タンク５０から水素タンク５２へ水素ガスが流れない様子を説明する図である。すなわち、逆止弁６０は、水素タンク５０側の圧力Ｐ1が水素タンク５２側の圧力Ｐ2より高いときは、ボール６２が水素タンク５２側の他方側開口部を閉じるように働く。この作用は逆止弁６０の通常の機能である。これによって、水素タンク５０側から水素タンク５２側への流れが阻止される。そのことは、図３で述べたように、ΔＰ12＞０のときにＱ12＝０であることと同じことである。
【００６５】
次に、図６は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが放出されて燃料電池３４に供給されるときの水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2の時間変化と、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の時間変化とを対応付けて示す図である。図４と同様に、横軸には時間が、縦軸にはタンク内圧力Ｐとタンク内温度θとがとられている。
【００６６】
時間ｔS0は、供給開始時、時間ｔS1はかなり供給が行われて一段落した時、時間ｔS2はその後放置して水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2の間の温度差がほとんどなくなった時である。
【００６７】
時間ｔS0において、タンク内温度θ1，θ2は供給初期温度θS0である。初期温度θS0は、例えば図４の時間ｔC2のときの温度である。タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は初期圧力ＰS0である。初期圧力ＰS0は、例えば、図４の時間ｔC2のときのタンク内圧力である。図４で説明したように、Ｐ1とＰ2とは異なる圧力であるが、その差は、約７０ＭＰａであるＰS0に比べれば小さいので、ここでは、同じとして示されている。
【００６８】
水素ガスが水素タンク５０，５２から同時並行的に放出されて燃料電池３４に供給されると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は同じ圧力を維持しながら時間経過と共に低下する。タンク内温度θ1，θ2も、それと共に低下する。その温度低下は、水素タンク５０，５２の熱流束の値の違いで差が生じる。図１に関連して説明したように、水素タンク５０の熱流束の値は水素タンク５２の熱流束の値より大きいので、水素タンク５０の方が水素タンク５２に比べ環境温度に対する順応性がよく、したがって、水素タンク５０の温度低下の程度が水素タンク５２の温度低下の程度よりも小さい。
【００６９】
したがって、燃料電池３４に対する供給が一段落した時間ｔS1において、タンク内圧力はＰ1＝Ｐ2＝ＰS1であるが、タンク内温度は、Δθ12＝θ1−θ2が生じる。一例をあげると、ｔS0からｔS1を数時間とし、ＰS1を約７ＭＰａとして、Δθ21は、約１０℃程度となることがある。
【００７０】
このように、水素ガスの放出によって燃料電池３４に供給が行われると、供給が一段落した時間ｔS1においてタンク内温度差Δθ12＝θ1−θ2が生じるが、そのまま放置することで、水素タンク５０，５２が環境温度に応じて吸熱し、このタンク内温度差Δθ12＝θ1−θ2は次第に小さくなる。図６では、時間ｔS2でΔθ12がほぼゼロとなるものとして示されている。時間ｔS2と時間ｔS1の間は、一例をあげると、２０分から３０分の程度である。
【００７１】
このように、タンク内温度が上昇すると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2も上昇する。図４に関連して説明したように、タンク内温度θ1，θ2との関係は、いわゆるＰＶ＝ｎＲＴの関係で与えられる。したがって、図６に示されるように、温度上昇が大きいθ2に対応するＰ2の上昇の方が、温度上昇が小さいθ1に対応するＰ1の上昇よりも大きい。つまり、時間ｔS2においては、タンク内圧力Ｐ2の方がタンク内圧力Ｐ1よりも大きく、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じる。
【００７２】
このように、図４でも図６でも、差圧が生じるが、その差圧の符号が逆である。すなわち、図４の水素充填のときは、圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じるが、図６の水素供給のときは、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じる。ところで、図４の時間ｔC1において充填終了のときのタンク内圧力ＰCは、例えば、約７０ＭＰａであるのに対し、図６の時間ｔS1において供給が一段落したときのタンク内圧力ＰS1は、例えば、約７ＭＰａ程度で、ＰCに比べればかなり低い。したがって、図６の水素供給のときに生じる圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1は、図４の水素充填のときに生じる圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2よりもかなり小さい。
【００７３】
図７に、その一例を示す。図７の第１象限の横軸は、時間ｔC1における水素タンク５２のタンク内温度θ2と水素タンク５０のタンク内温度θ1との間の温度差であるΔθ21で、縦軸は、時間ｔC2における水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の間の圧力差ΔＰ12である。ここに示されるように、例えば、時間ｔC1における温度差Δθ21＝１０℃とすると、時間ｔC2における圧力差ΔＰ12＝１．８ＭＰａである。
【００７４】
一方、図７の第３象限の横軸は、時間ｔS1における水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2との間の温度差であるΔθ12で、縦軸は、時間ｔS2における水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2と水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1の間の圧力差ΔＰ21である。ここに示されるように、例えば、時間ｔS1における温度差Δθ12を第１象限のΔθ21＝１０℃と同じとすると、時間ｔS2における圧力差ΔＰ21＝０．１ＭＰａと、先ほどのΔＰ12＝１．８ＭＰａに比べかなり小さい。
【００７５】
そこで、このΔＰ21＝０．１ＭＰａを、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRよりも小さく設定することで、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1より高くても、水素タンク５２から水素タンク５０への水素ガスの流れを阻止することができる。
【００７６】
図８は、このような圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じても、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRの作用によって、水素タンク５２から水素タンク５０へ水素ガスが流れない様子を説明する図である。すなわち、逆止弁６０は、バネ６４によって、ボール６２が水素タンク５０側から水素タンク５２側へ押し付けられている。この付勢力に相当する圧力がクラッキング圧ＰCRであるので、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1がＰCRよりも小さいときは、ボール６２が水素タンク５２側の開口部を閉じている。
【００７７】
したがって、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力より高くても、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRの作用によって、水素タンク５２側から水素タンク５０側への水素ガスの流れが阻止される。そのことは、図３で述べたように、０≦ΔＰ21＜ＰCRのときにＱ21＝０であることと同じことである。
【００７８】
このように、時間ｔS2におけるΔＰ21に応じて逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRを設定することで、１つの逆止弁６０で、方向の異なる水素ガスの流れを共に阻止することができる。すなわち、複数の水素タンク５０，５２にそれぞれ逆止弁を用いることなく、１つの逆止弁６０によって、複数の水素タンク５０，５２の間の逆流防止を行うことができる。
【００７９】
上記のように、水素タンク５０，５１は、形状が異なることで、熱流束が異なる。これ以外の要素でも、複数の水素タンクの間で熱流束が異なることがある。図９は、熱流束の値の異なる水素タンクの内容をまとめた図である。熱流束の値が相違するものとしては、上記のように、水素タンクの（表面積／体積）の相違がある。図９でまとめたように、（表面積／体積）が大きい方が、熱流束の値が大きい。また、水素タンクの材質の相違でも熱流束の値が相違する。例えば、ライナがアルミニウムと樹脂では、前者の方が、熱伝導率が大きく、熱流束の値が大きい。ライナの厚さの差でも熱流束が相違する。ライナの厚さが薄くなると、熱流束の値が大きくなる。
【００８０】
形状が同一で、材質も同一の複数の水素タンクの間でも、その他に、車両における搭載位置によって、水素タンクの内部の水素ガスからライナに向かう熱流束の値が異なってくる。例えば、車両の走行風を受ける位置に搭載される水素タンクと、密閉空間に搭載される水素タンクとは、前者の方が、放熱性がよく、熱流束の値が大きくなる。このように、図９にまとめたように、放熱に有利な位置に搭載される水素タンクの方が、熱流束の値が大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムは、車両に搭載される燃料ガスタンクの充填・供給に利用できる。
【符号の説明】
【００８２】
４ 水素供給ステーション、６ 車両、８ 水素充填部、１０ 水素ガス充填・供給システム、１２ 水素充填機、１４ 水素充填チューブ、２０ 水素充填口、２２ 開閉弁、２４ 分岐部、３０ 水素充填パイプ、３２ 水素供給パイプ、３４ 燃料電池、３６ 温度計、４０，４２ 圧力計、４６，４８ プラグ、５０，５２ 水素タンク、６０ 逆止弁、６２ ボール、６４ バネ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス充填・供給システムに係り、特に、複数の燃料ガスタンクを備える燃料ガス充填・供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応で発電した電力を取り出すものであるので、燃料供給ラインと酸化剤供給ラインに開閉弁が設けられ、また逆流を防止するための逆止弁が用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムとして、燃料タンク−バルブ−燃料供給ポンプ−バッファタンク−循環ポンプ−燃料入口−燃料電池スタック−燃料出口−燃料供給ポンプとバッファタンクの間とする循環路を形成し、発電終了時に燃料を抜くことができるように、逆止弁を燃料出口と、燃料供給ポンプとバッファタンクの間に配置する構成が開示されている。ここでは、通常の燃料電池運転のときには燃料供給ポンプと循環ポンプとを正回転させ、燃料を燃料供給ポンプで送り込むと共に、逆止弁が開いて燃料出口から燃料を含んで排出される液体を循環ポンプでバッファタンクに回収し、燃料電池の運転停止時には、バルブを閉じ、燃料供給ポンプを停止し、循環ポンプを逆回転させることで、燃料電池スタック内の燃料流路を減圧して、燃料出口から取り込まれる大気中の空気燃料電池スタック内の燃料を燃料入口側に押し出してバッファタンクに回収して液抜きが行われる。
【０００４】
また、特許文献２には、ＤＭＦＣ燃料電池システムとして、高濃度燃料タンクと水タンクからそれぞれ送液ポンプを用いて濃度調整部に高濃度メタノールと水を送り込み、これらの送液量で濃度調整を行うときに、ポンプ停止時の逆流防止のための逆止弁を各送液ポンプの吐出口と濃度調整部との間に設けることが述べられている。ここで、逆止弁にバネ等の付勢手段を用いることで、この付勢手段が順方向に液を流すときには抵抗となり、ある一定の圧力がかかるまで液が流れない状態が続き、一定の圧力を超えて液が流れるようになるが、このような圧力をクラッキング圧力と呼ばれることが述べられている。
【０００５】
また、特許文献３には、それぞれ減圧弁を備える複数のタンクが並列にされたタンク装置において、各減圧弁の２次圧力の設定が僅かにばらつくことによって、タンクから水素ガスを負荷機器に供給する際に、設定値の高い減圧弁を有する水素タンクから先に水素ガスが放出されてしまうことを指摘している。ここでは、各タンク同士を連結する連通路を設けることで、各タンクの圧力差が生じることを防ぐことができると述べられている。また、各タンクから連通路への所定流量以上の流れを防止するため、過剰流量防止バルブとして、圧縮バネと圧力を受ける円柱部分とを含む構成が示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、充填バルブと放出バルブと温度センサと圧力センサとをそれぞれ有する水素タンクが複数並列接続される車両用水素ガス供給装置とにおいて、水素供給時には、各水素タンクの圧力を見て、最も圧力の低い水素タンクの放出バルブのみを開放して、まずこの水素タンクの水素ガスを消費し、規定値の圧力以下になれば、その水素タンクの放出バルブを閉じて、他の水素タンクの放出バルブを全て開放することが述べられている。一方、水素充填時には、各水素タンクの圧力を見て、最も圧力の低い水素タンクの放出バルブのみを開放し、ついでその状態でさらに他の水素タンクの放出バルブを全て開放して、低圧の水素タンクに水素ガスを移送して、他の水素タンクの温度を下げる。移送が終ると、全ての放出バルブを閉じ、次に全ての充填バルブを開けることが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７６２５８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８０８２１号公報
【特許文献３】特開２００５−１２１１７３号公報
【特許文献４】特開２００４−８４８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車両に燃料電池を搭載するときは、燃料タンクも搭載することになる。車両の航続距離を延ばすには、できるだけ大型の燃料タンクが望ましいが、車両の搭載スペースを考えると、複数のしかも形状の異なる燃料タンクを搭載することが生じる。例えば、水素ガスを燃料とする場合には、形状の異なる複数の水素タンクを車両に搭載し、これら複数の水素タンクに水素供給ステーション等において水素ガスを充填し、水素ガスが充填された複数の水素タンクから水素を放出し燃料電池に供給して発電を行い、車両を走行させる。
【０００９】
形状の異なる複数の水素タンクは、その放熱性が異なり、これらを並列接続させて水素ガスを充填すると、充填に伴う温度上昇が水素タンクによって異なる。充填が終って時間が経過すると、この温度差はなくなるが、その代わり、タンク内圧力に差が生じてくる。同様に、並列接続された水素タンクから水素ガスを放出し燃料電池に供給するときも、供給に伴う温度低下が水素タンクによって異なる。これによって生じる温度差も時間が経過するとなくなるが、やはりタンク内圧力の差が生じる。
【００１０】
このときに、水素ガスの充填のときと水素ガスを放出して供給するときとで温度変化が逆方向であるので、充填のときの圧力差の生じ方と、供給のときの圧力差の生じ方が逆になる。つまり、仮に逆流が生じ得るとすると、逆流の方向が充填のときと供給のときとで反対になる。
【００１１】
このように複数の水素タンクに水素ガスを充填し、また複数の水素タンクから水素ガスを放出して燃料電池に供給するときには、複数の水素タンクの間にタンク内圧力差が生じるので、場合によって水素タンク間の逆流が問題となる。そして、逆流が生じ得るときは、上記のように水素ガスの充填のときと供給のときとで逆流の方向が反対になる。このような逆流防止には各水素タンクにそれぞれ逆止弁を用いることが考えられるが、特許文献３に述べられているように、複数の逆止弁を用いると、それらの設定逆止圧の相違により逆流が生じることがある。
【００１２】
本発明の目的は、複数の燃料ガスタンクにそれぞれ逆止弁を用いることなく、逆流防止を行うことができる燃料ガス充填・供給システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムは、単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束が異なる少なくとも２つの燃料ガスタンクと、燃料ガス充填源から分岐部を介して少なくとも２つの燃料ガスタンクを並列に接続する充填流路と、複数の燃料ガスタンクの合流部を一方端として、他方端が負荷装置に接続される供給流路と、供給流路の合流部において、熱流束が異なる２つの燃料ガスタンクの間に設けられる逆止弁であって、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される逆止弁と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムにおいて、逆止弁は、負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定されるクラッキング圧を有することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料ガス充填システムにおいて、複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、燃料ガス充填・供給システムは、供給流路の合流部において、２つの燃料ガスタンクの間に逆止弁が設けられるが、その逆止弁は、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止するものであって、その逆止弁の熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される。
【００１７】
ここで、熱流束の大小は、他の条件が同じであれば、放熱性の大小と同じことを意味する。燃料ガスの充填時には、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方が熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ温度上昇が少ないので、充填後に温度差がなくなったときのタンク内圧の下がり方も少ない。したがって、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方のタンク内圧が熱流束の小さい燃料ガスタンクの内圧よりも高くなる。
【００１８】
これに対し、燃料ガスを放出して供給を行うときには、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方が熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ温度低下が少ないので、その後に温度差がなくなったときのタンク内圧の上がり方も少ない。したがって、熱流束の大きい燃料ガスタンクの方のタンク内圧が熱流束の小さい燃料ガスタンクの内圧よりも低くなる。
【００１９】
このように、燃料ガス充填後には、熱流束の大きい燃料ガスタンクから熱流束の小さい燃料ガスタンクに向けて圧力差が生じ、逆に燃料ガスを放出して供給するときには、熱流束の小さい燃料ガスタンクから熱流束の大きい燃料ガスタンクに向けて圧力差が生じる。ここで、燃料ガス充填直後のタンク内圧の方が、燃料ガスを放出して供給が行われた後のタンク内圧よりも高圧であるので、圧力差の絶対値としては前者の方が大きい。
【００２０】
このような状況の下で、上記構成による逆止弁は、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止するので、燃料ガス充填後の圧力差による逆流が防止される。また、熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止するので、燃料ガスを放出して供給するときの圧力差による逆流を防止できる。そして、逆止弁の熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続されるので、逆流を防止しながら、負荷装置である燃料電池へ燃料ガスを供給できる。このように、１つの逆止弁で、２つの燃料ガスタンクの間の逆流を効果的に防止できる。
【００２１】
また、燃料ガス充填・供給システムにおいて、逆止弁のクラッキング圧は、負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定される。これによって、２つの燃料ガスタンクの間において、燃料ガス充填後の逆流と、燃料ガスを放出して供給するときに逆流と、方向の異なる２つの逆流を、１つの逆止弁で効果的に防止できる。
【００２２】
また、燃料ガス充填システムにおいて、複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクである。このように、形状等が異なるのみならず、同じ形状でも搭載位置の相違で熱流束が異なりえるが、これらの場合でも、１つの逆止弁で、２つの燃料ガスタンクの間の逆流を効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムを搭載する車両が水素ガスの充填を受け、その後充填された水素ガスを用いて走行する様子を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムの構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の逆止弁の作用を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填のときの様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填の後の逆止弁の作用を説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、水素ガスを放出して供給するときの様子を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、水素ガス充填後の圧力差と、水素ガスを放出して供給するときの圧力差とを比べて説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、水素ガスを放出して供給するときの逆止弁の作用を説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態の水素ガス充填・供給システムにおいて、熱流束の異なるタンクの内容をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、燃料ガスを水素ガスとし、燃料ガス充填・供給システムとして、水素ガス充填・供給システムを説明するが、充填と放出のときに温度変化が生じ得る気体燃料であればよく、例えば、ＣＮＧと呼ばれる圧縮天然ガスであってもよい。また、水素ガス充填・供給システムとしては、電気自動車に搭載される形状の異なる２つの水素タンクに水素ガスを充填し、この２つの水素タンクから燃料電池に水素ガスの供給を受ける場合を説明するが、電気自動車に搭載されるものでなくても、複数の水素タンクに水素ガスを充填し、この充填された水素ガスを負荷装置に供給する場合を広く含む。例えば、据え置き型燃料電池の燃料タンクが複数ある場合であってもよい。電気自動車の場合は負荷装置が車両搭載型燃料電池であるが、据え置き型の場合は、負荷装置が据え置き型燃料電池となる。
【００２５】
以下では、水素タンクの数を２つとし、逆止弁を１つとして説明するが、水素タンクの数は３つ以上であっても構わない。この場合には、圧力差が生じ得る２つの水素タンクの間にそれぞれ１つずつ逆止弁が設けられる。複数の水素タンクは、形状の異なる場合に限られず、熱流束の異なる水素タンクであればよい。熱流束の相違は、搭載位置あるいは配置位置によって、各水素タンクの熱流束が異なる場合を含む。
【００２６】
以下で述べる温度、圧力等は、説明のための例示であり、電気自動車の仕様、水素タンクの使用状況、水素充填機の仕様等に応じ、適宜変更が可能である。
【００２７】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２８】
図１は、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０の様子を説明する図である。図１の左側の図は、車両６に搭載された２つの水素タンク５０，５２に水素充填機１２から水素充填が行われる様子を示す図で、右側の図は、その後、充填された水素タンク５０，５２から燃料電池３４が水素ガスの供給を受けて発電し、その電力で車両６が走行する様子を示す図である。
【００２９】
最初に、水素充填が行われる様子を図１の左側の図を用いて説明する。図１の左側の図
には、水素ガス充填・供給システム１０の構成要件に含まれないが、水素充填機１２が設置される水素供給ステーション４と、水素充填の対象となる車両６が図示されている。図１の左側の図には、車両６が水素充填のために水素供給ステーション４に立ち寄って、ちょうど水素充填を受けている様子が示されている。
【００３０】
水素供給ステーション４は、車両６に水素充填サービスを提供するもので、水素充填機１２を備えて、ガソリンスタンドのように、車両６の立ち寄りやすい道路の傍の適当な箇所に設けられる。
【００３１】
車両６は、燃料電池３４を搭載する電気自動車である。燃料電池３４は、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気を供給し、電気化学反応によって発電して電力を取り出す電源装置で、車両６は、燃料電池３４の電力を用いて回転電機を駆動して走行する車両である。酸化ガスは大気を利用するので、特に酸素タンク等を必要としないが、燃料ガスは水素ガスを用いるので、そのために、車両６は、高圧で水素ガスを充填することができる水素タンク５０，５２を搭載している。
【００３２】
水素充填部８は、車両６の車体の後部側面に設けられる蓋付の凹部である。蓋を開けると、水素充填口２０であるレセプタクルが露出する。このレセプタクルは、水素充填機１２から引き出される水素充填チューブ１４の先端の充填先部を気密に差し込むことができる。
【００３３】
水素充填機１２は、上記のように水素供給ステーション４に備えられる燃料ガス充填機で、ここでは高圧の大容量水素タンクである。一例をあげると、約１００ＭＰａの高圧の水素ガスが収容されている。なお、液体水素タンクを備える水素供給ステーション４もあるが、その場合には、気化器を用いて、やはり上記の程度の高圧水素ガスに変換して、水素充填サービスが行われる。したがって、その場合には、液体水素タンクと気化器が、水素充填機１２に相当することになる。水素充填機１２は、安全に確実に水素充填を行うように、充填時の圧力、温度等を監視して、水素供給を制御する充填制御部を備えている。
【００３４】
水素充填チューブ１４は、上記のように、水素充填機１２から引き出される水素導入チューブで、先端に充填先部を有する。充填先部は、車両の水素充填口２０のレセプタクルと協働して、水素ガスが漏れないような組合せ構造を構成する。また、レセプタクルと正常に組合せ構造を構成したことを検出する検出構造と、水素タンク５０，５２からの圧力、温度等の信号を受け取って、水素充填機１２の充填制御部に伝送する信号伝達構造を有している。
【００３５】
ここで、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０は、水素充填部８に設けられる水素充填口２０と、水素充填パイプ３０と、プラグ４６，４８と、水素タンク５０，５２と、水素供給パイプ３２と、逆止弁６０を含んで構成される。
【００３６】
水素充填口２０は、上記のように車両６の水素充填部８に設けられ、水素充填機１２の充填先部を受け入れるレセプタクルを有する部分である。レセプタクルは、水素供給穴を有する他に、上記のように、充填先部と協働して水素ガスが漏れないような組合せ構造を構成し、また、水素タンク５０，５２からの圧力、温度等の信号を充填先部に伝達する信号伝達構造を有している。
【００３７】
水素充填パイプ３０は、車両の水素充填口２０から２つの水素タンク５０，５２へ延びる水素導入管で、水素ガスの充填流路である。水素充填パイプ３０は、一方端が１つの水素充填口２０で、途中に分岐部を有し、他方端が２つの水素タンク５０，５２である分岐付パイプである。すなわち、水素充填口２０から２つの水素タンク５０，５２に同時に並列的に水素充填がされるように、水素充填パイプ３０が設けられる。
【００３８】
水素供給パイプ３２は、２つの水素タンク５０，５２から燃料電池３４へ延びる水素供給管で、水素ガスの供給流路である。水素供給パイプ３２は、一方端が２つの水素タンク５０，５２で、途中に合流部を有し、他方端が燃料電池３４のガス入口部である分岐付パイプである。すなわち、２つの水素タンク５０，５２から燃料電池３４に、同時に並列的に水素供給がされるように、水素供給パイプ３２が設けられる。
【００３９】
プラグ４６，４８は、水素タンク５０，５２に接続口で、水素充填パイプ３０の他方端、水素供給パイプ３２の一方端が互いに分離して設けられる。プラグ４６，４８には、後述するようにタンク内圧力を検出する圧力計、タンク内温度を検出する温度計等が設けられる。圧力計、温度計の検出データは、適当な信号線で、水素充填口２０の信号伝達構造まで伝達される。
【００４０】
水素タンク５０，５２は、車両に搭載される高圧燃料ガスタンクである。水素タンク５０，５２の外形は円筒形で、ライナと呼ばれる容器体の外周を炭素繊維強化プラスチックで周囲を覆って高圧に耐える強度を持たせたものである。タンク内圧は、例えば約７０ＭＰａ程度である。ライナの材質としては、アルミニウム等の金属材料、適当な強度を有するプラスチック材料等を用いることができる。以下では、水素タンク５０，５２は、共にアルミニウム製のライナを用い、その長さも共に同じで、外径のみが相違するものとして、説明を続ける。
【００４１】
図１の例では、車両の後部座席の床下近傍に外径の小さい小型の水素タンク５０が配置され、後部トランクの近傍に外径の大きい大型の水素タンク５２が配置される。配置は、円筒形の長手方向を車両の幅方向に沿うようにして行われる。
【００４２】
このように、水素タンク５０，５２が、その長さが同じで、水素タンク５０の外径が水素タンク５２の外径よりも小さいときは、水素タンク５０の（表面積／体積）が、水素タンク５２の（表面積／体積）よりも大きくなる。したがって、水素タンク５０，５２の材質が同じで、車両搭載位置における放熱性が同じとすると、単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束は、水素タンク５０の方が水素タンク５２よりも大きくなる。つまり、他の条件を同じとして、水素タンク５０の方が水素タンク５２よりも放熱性がよいことになる。
【００４３】
逆止弁６０は、後述するように、水素供給パイプ３２の合流部において、２つの水素タンク５０，５２の間に設けられる気体弁であって、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が小さいときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れを阻止し、かつ、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧ＰCRよりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れを阻止する機能を有する。逆止弁６０の両端のうち、水素タンク５０側の接続部に水素供給パイプ３２の一方端が接続される。すなわち、燃料電池３４と、逆止弁６０の水素タンク５０側の接続部とが接続される。
【００４４】
水素充填は、図１の左側の図に示されるように、車両６の水素充填部８を開けて、水素充填口２０を露出させ、そのレセプタクルに水素充填機１２の充填先部を差し込み、水素充填チューブ１４を介して水素充填機１２から水素ガスを流すことで行われる。水素充填の間、水素タンク５０，５２のタンク内圧とタンク温度が水素充填機１２の制御部にデータとして送られ、これらを監視しながら、目標とするタンク内圧となったときに、水素充填機１２からの水素ガスの流れが止められて、水素充填が終了する。
【００４５】
水素充填が終了すると、水素充填パイプ３０に設けられる開閉弁が閉じられ、水素充填チューブ１４の充填先部が水素充填口２０のレセプタクルから取り外され、水素充填部８が閉じられる。なお、開閉弁の代わりに、充填用逆止弁を用いることもできる。この後は、図１の右側の図に示されるように、車両６は、燃料電池３４の発電によって走行を行うことができる。
【００４６】
すなわち、水素タンク５０，５２には十分な水素ガスが充填されているので、車両６に搭載された燃料電池制御装置の制御の下で、燃料電池３４に対する要求出力に応じて、水素タンク５０，５２から燃料電池３４に水素ガスが供給される。これによって燃料電池３４は、大気から酸化ガスとしての空気を取り込み、水素ガスを燃料ガスとして、電気化学反応によって発電を行い、発電された電力で車両６に搭載された回転電機が駆動される。回転電機は、車両６の駆動輪に接続される駆動軸を回転させるので、これによって車両６は走行を行うことができる。図１の右側の図は、その燃料電池３４の発電電力によって車両６が走行する様子を示す図である。
【００４７】
図２は、車両６に搭載される水素ガス充填・供給システム１０の構成を説明する図である。図２において、開閉弁２２は、水素充填パイプ３０の途中に設けられ、水素充填を行うときに開き、水素充填が終了したときに閉じられる弁である。上記のように、開閉弁２２に代えて、充填用逆止弁を用いてもよい。その場合には、水素充填口２０が大気圧になると、自動的に水素タンク５０，５２から水素充填口２０側への逆流が防止されるような向きに充填用逆止弁が配置される。
【００４８】
分岐部２４は、水素充填パイプ３０を、水素充填口２０から各水素タンク５０，５２に分岐させる部材である。分岐部２４としては、Ｔ字型継手を用いることができる。なお、分岐部２４のところに圧力計を設け、水素充填口２０から供給される水素ガスの圧力を検出するものとしてもよい。
【００４９】
温度計３６は、水素タンク５０のタンク内温度θ1を検出し、温度計３８は、水素タンク５２のタンク内温度θ2を検出する温度検出手段である。圧力計４０は、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1を検出し、圧力計４２は、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2を検出する圧力検出手段である。充填時には、温度計３６，３８の検出データと、圧力計４０，４２の検出データとは、水素充填口２０の信号伝達構造を経由して、水素充填機１２の充填制御部に伝送される。水素ガスの充填は、これらの信号を用い、各水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2と、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2を監視しながら行われる。
【００５０】
水素供給パイプ３２は、水素充填パイプ３０と同様に、燃料電池３４側は１つのパイプで、水素タンク５０，５２の側で２つに分岐する分岐付パイプである。水素供給パイプ３２は、水素タンク５０，５２の側から供給される水素ガスを合流させて一本化して燃料電池３４の側に供給するので、分岐するところは、合流部としての機能を有する。
【００５１】
逆止弁６０は、上記のように、水素供給パイプ３２の合流部において、２つの水素タンク５０，５２の間に設けられる気体弁である。逆止弁６０は、模式的に説明すると、両端に一方側開口部と他方側開口部とを有する筒部の中に、可動部と、可動部を筒部の他方側の開口部に付勢させる付勢手段を有する構造を有する。図２では、可動部がボール６２で示され、付勢手段がバネ６４として模式的に示されている。逆止弁６０の一方側開口部は水素タンク５０側に、他方側開口部は水素タンク５２側に、それぞれ水素供給パイプ３２を介して接続される。そして、逆止弁６０の一方側開口部と、水素タンク５０との間の合流点から水素供給パイプ３２が延ばされて、燃料電池３４に接続される。
【００５２】
逆止弁６０のバネ６４は、いわゆるクラッキング圧ＰCRを逆止弁６０に与える機能を有する。クラッキング圧とは、逆止弁６０にバネ６４の付勢手段を用いることで、この付勢手段が順方向に気体を流すときには抵抗となり、ある一定の圧力がかかるまで気体が流れない状態が続き、一定の圧力を超えて気体が流れるようになるが、このような圧力をさす。図２の例でいえば、水素タンク５０の圧力よりも水素タンク５２の圧力が大きくても、その差圧がクラッキング圧ＰCRよりも小さい間は、水素タンク５２から水素タンク５０への流れが生じない。
【００５３】
図３に、クラッキング圧ＰCRを有する逆止弁６０の作用を示す。図３の横軸は、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2との間の圧力差ΔＰ12で、縦軸は、逆止弁６０において水素タンク５０側から水素タンク５２側に流れる水素ガスの流量Ｑ12である。図３では、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1より高いときの圧力差ΔＰ21と、逆止弁６０において水素タンク５２側から水素タンク５０側に水素ガスが流れるときの流量Ｑ21も示されているが、ΔＰ21＝−ΔＰ12であり、Ｑ21＝−Ｑ12である。
【００５４】
図３に示されるように、ΔＰ12＞０のときは、Ｑ12＝０である。つまり、水素タンク５０の圧力Ｐ1よりも水素タンク５２の圧力Ｐ2が小さく、ΔＰ12＞０のときは、水素タンク５０から水素タンク５２への流れＱ12が阻止される。
【００５５】
また、図３に示されるように、０≦ΔＰ21＜ＰCRのときもＱ21＝０である。ΔＰ21≧ＰCRのときに、Ｑ21≧０となる。つまり、水素タンク５０の圧力Ｐ1よりも水素タンク５２の圧力Ｐ2が大きいがクラッキング圧ＰCRよりも小さい間である０≦ΔＰ21＜ＰCRのときも、水素タンク５２から水素タンク５０への流れＱ21が阻止される。
【００５６】
上記構成の作用、特に逆止弁６０の作用を、図４から図８を用いて詳細に説明する。図４と図５は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが充填されるときの逆止弁６０の作用を説明する図で、図６から図８は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが放出されて燃料電池３４に供給されるときにおける逆止弁６０の作用を説明する図である。
【００５７】
図４は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが充填されるときの水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2の時間変化と、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の時間変化とを対応付けて示す図である。横軸には時間が、縦軸にはタンク内圧力Ｐとタンク内温度θとがとられている。
【００５８】
時間ｔC0は、充填開始時、時間ｔC1は充填終了時、時間ｔC2は充填終了時の後放置して水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2の間の温度差がほとんどなくなった時である。
【００５９】
時間ｔC0において、タンク内温度θ1，θ2は初期温度θ0である。初期温度θ0は、例えば室温である。タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は初期圧力Ｐ0である。初期圧力Ｐ0は、例えば大気圧である。
【００６０】
水素ガスの充填が水素タンク５０，５２に同時並行的に行われると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は同じ圧力を維持しながら時間経過と共に上昇する。タンク内温度θ1，θ2も、水素充填機１２から水素タンク５０，５２に至る経路で水素ガスが減圧され、そのために外気から吸熱するので、充填と共に温度が上昇する。その温度上昇は、水素タンク５０，５２の熱流束の値の違いで差が生じる。図１に関連して説明したように、水素タンク５０の熱流束の値は水素タンク５２の熱流束の値より大きいので、水素タンク５０の方が水素タンク５２に比べ放熱性がよく、したがって、水素タンク５０の温度上昇の程度が水素タンク５２の温度上昇の程度よりも小さい。
【００６１】
したがって、充填終了時の時間ｔC1において、タンク内圧力はＰ1＝Ｐ2＝ＰCであるが、タンク内温度は、Δθ21＝θ2−θ1が生じる。一例をあげると、ｔC0からｔC1を数分とし、ＰCを約７０ＭＰａとして、Δθ21は、約１０℃程度となることがある。
【００６２】
このように、短時間で水素充填を行うと、充填終了時間ｔC1においてタンク内温度差Δθ21＝θ2−θ1が生じるが、そのまま放置することで、水素タンク５０，５２が環境温度に応じて放熱し、このタンク内温度差Δθ21＝θ2−θ1は次第に小さくなる。図４では、時間ｔC2でΔθ21がほぼゼロとなるものとして示されている。時間ｔC2と時間ｔC1の間は、一例をあげると、２０分から３０分の程度である。
【００６３】
このように、タンク内温度が低下すると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2も低下する。タンク内温度θ1，θ2との関係は、水素タンク５０，５２は閉ざされた空間であるので、圧力をＰ、体積をＶ、温度をＴ、気体定数をｎＲとして、いわゆるＰＶ＝ｎＲＴの関係で与えられる。したがって、図４に示されるように、温度低下が大きいθ2に対応するＰ2の低下の方が、温度低下が小さいθ1に対応するＰ1の低下よりも大きい。つまり、時間ｔC2においては、タンク内圧力Ｐ1の方がタンク内圧力Ｐ2よりも大きく、圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じる。
【００６４】
図５は、このような圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じても、逆止弁６０の作用によって、水素タンク５０から水素タンク５２へ水素ガスが流れない様子を説明する図である。すなわち、逆止弁６０は、水素タンク５０側の圧力Ｐ1が水素タンク５２側の圧力Ｐ2より高いときは、ボール６２が水素タンク５２側の他方側開口部を閉じるように働く。この作用は逆止弁６０の通常の機能である。これによって、水素タンク５０側から水素タンク５２側への流れが阻止される。そのことは、図３で述べたように、ΔＰ12＞０のときにＱ12＝０であることと同じことである。
【００６５】
次に、図６は、水素ガス充填・供給システム１０において水素ガスが放出されて燃料電池３４に供給されるときの水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2の時間変化と、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の時間変化とを対応付けて示す図である。図４と同様に、横軸には時間が、縦軸にはタンク内圧力Ｐとタンク内温度θとがとられている。
【００６６】
時間ｔS0は、供給開始時、時間ｔS1はかなり供給が行われて一段落した時、時間ｔS2はその後放置して水素タンク５０，５２のタンク内温度θ1，θ2の間の温度差がほとんどなくなった時である。
【００６７】
時間ｔS0において、タンク内温度θ1，θ2は供給初期温度θS0である。初期温度θS0は、例えば図４の時間ｔC2のときの温度である。タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は初期圧力ＰS0である。初期圧力ＰS0は、例えば、図４の時間ｔC2のときのタンク内圧力である。図４で説明したように、Ｐ1とＰ2とは異なる圧力であるが、その差は、約７０ＭＰａであるＰS0に比べれば小さいので、ここでは、同じとして示されている。
【００６８】
水素ガスが水素タンク５０，５２から同時並行的に放出されて燃料電池３４に供給されると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2は同じ圧力を維持しながら時間経過と共に低下する。タンク内温度θ1，θ2も、それと共に低下する。その温度低下は、水素タンク５０，５２の熱流束の値の違いで差が生じる。図１に関連して説明したように、水素タンク５０の熱流束の値は水素タンク５２の熱流束の値より大きいので、水素タンク５０の方が水素タンク５２に比べ環境温度に対する順応性がよく、したがって、水素タンク５０の温度低下の程度が水素タンク５２の温度低下の程度よりも小さい。
【００６９】
したがって、燃料電池３４に対する供給が一段落した時間ｔS1において、タンク内圧力はＰ1＝Ｐ2＝ＰS1であるが、タンク内温度は、Δθ12＝θ1−θ2が生じる。一例をあげると、ｔS0からｔS1を数時間とし、ＰS1を約７ＭＰａとして、Δθ21は、約１０℃程度となることがある。
【００７０】
このように、水素ガスの放出によって燃料電池３４に供給が行われると、供給が一段落した時間ｔS1においてタンク内温度差Δθ12＝θ1−θ2が生じるが、そのまま放置することで、水素タンク５０，５２が環境温度に応じて吸熱し、このタンク内温度差Δθ12＝θ1−θ2は次第に小さくなる。図６では、時間ｔS2でΔθ12がほぼゼロとなるものとして示されている。時間ｔS2と時間ｔS1の間は、一例をあげると、２０分から３０分の程度である。
【００７１】
このように、タンク内温度が上昇すると、タンク内圧力Ｐ1，Ｐ2も上昇する。図４に関連して説明したように、タンク内温度θ1，θ2との関係は、いわゆるＰＶ＝ｎＲＴの関係で与えられる。したがって、図６に示されるように、温度上昇が大きいθ2に対応するＰ2の上昇の方が、温度上昇が小さいθ1に対応するＰ1の上昇よりも大きい。つまり、時間ｔS2においては、タンク内圧力Ｐ2の方がタンク内圧力Ｐ1よりも大きく、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じる。
【００７２】
このように、図４でも図６でも、差圧が生じるが、その差圧の符号が逆である。すなわち、図４の水素充填のときは、圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2が生じるが、図６の水素供給のときは、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じる。ところで、図４の時間ｔC1において充填終了のときのタンク内圧力ＰCは、例えば、約７０ＭＰａであるのに対し、図６の時間ｔS1において供給が一段落したときのタンク内圧力ＰS1は、例えば、約７ＭＰａ程度で、ＰCに比べればかなり低い。したがって、図６の水素供給のときに生じる圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1は、図４の水素充填のときに生じる圧力差ΔＰ12＝Ｐ1−Ｐ2よりもかなり小さい。
【００７３】
図７に、その一例を示す。図７の第１象限の横軸は、時間ｔC1における水素タンク５２のタンク内温度θ2と水素タンク５０のタンク内温度θ1との間の温度差であるΔθ21で、縦軸は、時間ｔC2における水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1と水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2の間の圧力差ΔＰ12である。ここに示されるように、例えば、時間ｔC1における温度差Δθ21＝１０℃とすると、時間ｔC2における圧力差ΔＰ12＝１．８ＭＰａである。
【００７４】
一方、図７の第３象限の横軸は、時間ｔS1における水素タンク５０のタンク内温度θ1と水素タンク５２のタンク内温度θ2との間の温度差であるΔθ12で、縦軸は、時間ｔS2における水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2と水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1の間の圧力差ΔＰ21である。ここに示されるように、例えば、時間ｔS1における温度差Δθ12を第１象限のΔθ21＝１０℃と同じとすると、時間ｔS2における圧力差ΔＰ21＝０．１ＭＰａと、先ほどのΔＰ12＝１．８ＭＰａに比べかなり小さい。
【００７５】
そこで、このΔＰ21＝０．１ＭＰａを、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRよりも小さく設定することで、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ1より高くても、水素タンク５２から水素タンク５０への水素ガスの流れを阻止することができる。
【００７６】
図８は、このような圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1が生じても、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRの作用によって、水素タンク５２から水素タンク５０へ水素ガスが流れない様子を説明する図である。すなわち、逆止弁６０は、バネ６４によって、ボール６２が水素タンク５０側から水素タンク５２側へ押し付けられている。この付勢力に相当する圧力がクラッキング圧ＰCRであるので、圧力差ΔＰ21＝Ｐ2−Ｐ1がＰCRよりも小さいときは、ボール６２が水素タンク５２側の開口部を閉じている。
【００７７】
したがって、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ2が水素タンク５０のタンク内圧力より高くても、逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRの作用によって、水素タンク５２側から水素タンク５０側への水素ガスの流れが阻止される。そのことは、図３で述べたように、０≦ΔＰ21＜ＰCRのときにＱ21＝０であることと同じことである。
【００７８】
このように、時間ｔS2におけるΔＰ21に応じて逆止弁６０のクラッキング圧ＰCRを設定することで、１つの逆止弁６０で、方向の異なる水素ガスの流れを共に阻止することができる。すなわち、複数の水素タンク５０，５２にそれぞれ逆止弁を用いることなく、１つの逆止弁６０によって、複数の水素タンク５０，５２の間の逆流防止を行うことができる。
【００７９】
上記のように、水素タンク５０，５１は、形状が異なることで、熱流束が異なる。これ以外の要素でも、複数の水素タンクの間で熱流束が異なることがある。図９は、熱流束の値の異なる水素タンクの内容をまとめた図である。熱流束の値が相違するものとしては、上記のように、水素タンクの（表面積／体積）の相違がある。図９でまとめたように、（表面積／体積）が大きい方が、熱流束の値が大きい。また、水素タンクの材質の相違でも熱流束の値が相違する。例えば、ライナがアルミニウムと樹脂では、前者の方が、熱伝導率が大きく、熱流束の値が大きい。ライナの厚さの差でも熱流束が相違する。ライナの厚さが薄くなると、熱流束の値が大きくなる。
【００８０】
形状が同一で、材質も同一の複数の水素タンクの間でも、その他に、車両における搭載位置によって、水素タンクの内部の水素ガスからライナに向かう熱流束の値が異なってくる。例えば、車両の走行風を受ける位置に搭載される水素タンクと、密閉空間に搭載される水素タンクとは、前者の方が、放熱性がよく、熱流束の値が大きくなる。このように、図９にまとめたように、放熱に有利な位置に搭載される水素タンクの方が、熱流束の値が大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る燃料ガス充填・供給システムは、車両に搭載される燃料ガスタンクの充填・供給に利用できる。
【符号の説明】
【００８２】
４ 水素供給ステーション、６ 車両、８ 水素充填部、１０ 水素ガス充填・供給システム、１２ 水素充填機、１４ 水素充填チューブ、２０ 水素充填口、２２ 開閉弁、２４ 分岐部、３０ 水素充填パイプ、３２ 水素供給パイプ、３４ 燃料電池、３６ 温度計、４０，４２ 圧力計、４６，４８ プラグ、５０，５２ 水素タンク、６０ 逆止弁、６２ ボール、６４ バネ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束が異なる少なくとも２つの燃料ガスタンクと、
燃料ガス充填源から分岐部を介して少なくとも２つの燃料ガスタンクを並列に接続する充填流路と、
複数の燃料ガスタンクの合流部を一方端として、他方端が負荷装置に接続される供給流路と、
供給流路の合流部において、熱流束が異なる２つの燃料ガスタンクの間に設けられる逆止弁であって、
熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、
熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される逆止弁と、
を備えることを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料ガス充填・供給システムにおいて、
逆止弁は、
負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定されるクラッキング圧を有することを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料ガス充填システムにおいて、
複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、
熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクであることを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【請求項１】
単位面積を流れる熱流量の大きさである熱流束が異なる少なくとも２つの燃料ガスタンクと、
燃料ガス充填源から分岐部を介して少なくとも２つの燃料ガスタンクを並列に接続する充填流路と、
複数の燃料ガスタンクの合流部を一方端として、他方端が負荷装置に接続される供給流路と、
供給流路の合流部において、熱流束が異なる２つの燃料ガスタンクの間に設けられる逆止弁であって、
熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が小さいときは、熱流束が大きい燃料ガスタンクから熱流束が小さい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、かつ、
熱流束が大きい燃料ガスタンクの圧力よりも熱流束が小さい燃料ガスタンクの圧力が大きいが予め定めたクラッキング圧よりも小さい間は、熱流束が小さい燃料ガスタンクから熱流束が大きい燃料ガスタンクへの流れを阻止し、熱流束の大きい燃料ガスタンク側の接続部に供給流路の一方端が接続される逆止弁と、
を備えることを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料ガス充填・供給システムにおいて、
逆止弁は、
負荷装置に燃料ガスを供給したときに、熱流束の小さい燃料ガスタンクのタンク内圧力と、熱流束の大きい燃料ガスタンクのタンク内圧力との差である供給時差圧に基いて設定されるクラッキング圧を有することを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料ガス充填システムにおいて、
複数の燃料ガスタンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、
熱流束の大きい燃料ガスタンクは、熱流束の小さい燃料ガスタンクに比べ、単位体積当り表面積が大きいタンク、または、構成材料の熱伝導率が大きいタンク、または、車両の搭載位置が熱流束を大きくすることについて有利なタンクであることを特徴とする燃料ガス充填・供給システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４１９４０（Ｐ２０１１−２４１９４０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６１８７（Ｐ２０１０−１１６１８７）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]