JP2014126149A

JP2014126149A - 水素充填装置

Info

Publication number: JP2014126149A
Application number: JP2012283931A
Authority: JP
Inventors: Taketsugu Komiya; 健嗣小宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】充填処理の効率化を図る。
【解決手段】燃料電池に水素を供給するタンクに対して水素を充填する水素充填装置であって、タンクに水素を供給する水素供給部と、タンクと燃料電池との間を接続するガス供給路に設けられている圧力センサによって測定された圧力であって、燃料電池の動作が停止する直前の圧力を、タンク内の圧力として取得する取得手段と、取得された圧力が所定値以下の場合、水素供給部からタンクへの水素の充填を禁止する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素充填装置に関する。

従来から、ガスステーション等に備えられているガス供給装置から燃料電池自動車等のガス充填対象物にガスを供給する際、ガス充填対象物に備えられているタンクに対して効率的にガスを充填するために、タンクの容量や、タンクの温度、圧力、ガス残量などの情報（以降、タンク情報とも呼ぶ）に基づいて充填処理を制御する技術が知られている。

特開２０１２−０７７７８９号公報特開２００５−１５３５８６号公報特開２００６−１１２４９２号公報特開２０１２−５８２０３号公報

ガス充填対象物に複数のタンクが備えられている場合、各タンクの圧力を測定するために、各タンクに直接圧力センサを取り付けることは、コストや効率の観点から好ましくない。そのため、ガスステーションとタンクとの間を接続するガス供給路に圧力センサを設け、当該圧力センサにより測定される圧力値をタンクの圧力として利用するものがある。しかしながら、ガス充填対象物が長期間放置された場合、ガスステーションとタンクとの間を接続するガス供給路からガスが漏洩する、いわゆる圧抜けが生じ、圧力センサにより測定される圧力は低下する。このように、実際のタンクの圧力とは異なる圧力値が充填可否判断に用いられることにより、行われるべき充填処理が禁止されるおそれがある。そのため、充填処理において用いられるタンク情報の精度を向上し、充填処理の効率化を図る技術が望まれている。そのほか、従来のガス充填装置では、その小型化や、低コスト化、省資源化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に水素を供給するタンクに対して前記水素を充填する水素充填装置が提供される。この水素充填装置は、前記タンクに前記水素を供給する水素供給部と、；前記タンクと前記燃料電池との間を接続するガス供給路に設けられている圧力センサによって測定された圧力であって、前記燃料電池の動作が停止する直前の圧力を、前記タンク内の圧力として取得する取得手段と、；前記取得された前記圧力が所定値以下の場合、前記水素供給部から前記タンクへの前記水素の充填を禁止する制御部と、；を備える。この形態の水素充填装置によれば、タンクと燃料電池との間を接続するガス供給路に設けられている圧力センサによって測定された燃料電池の動作が停止する直前の圧力を、タンク内の圧力として取得し、当該取得された圧力を利用して充填処理の可否が判断される。従って、燃料電池およびタンクを備えるガス充填対象物が長期間放置された場合においても、実際のタンクの圧力と誤差の少ない圧力値をタンク内の圧力として利用して充填処理の可否をすることができ、充填処理の効率化を図ることができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素充填装置の製造方法や水素充填装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施例におけるガス供給システムの概略構成を説明するための説明図。第１実施形態における充填処理の制御イメージを示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．ガス供給システムの構成：
図１は、第１実施例におけるガス供給システムの概略構成を説明するための説明図である。ガス供給システム１０は、ガスを充填する対象となる物（以後、「ガス充填対象物」とも呼ぶ）に対してガスを供給するガス供給装置１００と、ガス充填対象物である燃料電池車両２００と、を含んで構成されている。

ガス供給装置１００は、水素ステーション等に設置され、燃料電池車両２００に対して所定の圧力に圧縮した水素ガスを供給する。ガス供給装置１００は、水素供給部１１０と、ノズル１５０と、通信部１６０と、装置制御部１７０と、を備えている。

水素供給部１１０は、ガス流路１０１を介して燃料電池車両２００に水素ガスを供給する。ノズル１５０は、ガス流路１０１の供給ガス流通方向側の端部に設置され、後述する燃料電池車両２００のレセプタクル２２０と係合することにより、ガス流路１０１と燃料電池車両２００の内部のガス流路２０１とを接続する。なお、供給ガスとは、水素供給部１１０から燃料電池車両２００に供給される水素ガスである。

通信部１６０は、赤外線による情報の送受信機能を備え、燃料電池車両２００の通信部２７０と赤外線通信によって情報のやりとりをおこなう。装置制御部１７０は、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ等により構成され、各種の信号の入出力により、ガス供給装置１００の動作全体を制御する。例えば、装置制御部１７０は、通信部１６０が受信した燃料電池車両２００のタンクに関する種々の情報に基づいて、ガスの充填処理の可否を判断し、燃料電池車両２００に対してガスの供給を行うように水素供給部１１０を制御する。通信部１６０は、特許請求の範囲における「取得手段」にあたる。通信部１７０は、特許請求の範囲における「制御部」にあたる。

燃料電池車両２００は、図示しない燃料電池や車輪駆動用のモータを備え、供給された水素ガスと空気（酸素）との電気化学反応によって生じた電力によりモータを駆動させて動力を得る。燃料電池車両２００は、複数のタンク２１０ａ、２１０ｂと、レセプタクル２２０と、開閉弁２３０ａ、２３０ｂと、温度センサ２４０ａ、２４０ｂと、第１圧力センサ２５０と、第２圧力センサ２６０と、通信部２７０と、車両制御部２８０と、を備えている。

タンク２１０ａ、２１０ｂは、圧縮された状態の水素ガスを貯蔵するためのガスボンベであり、略円柱状に形成されたガスを貯蔵するための樹脂容器であるライナ（図示せず）と、ライナの外周面上に形成される炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の補強層（図示せず）と、ライナの両端部に形成された開口部に設置された２つの金属製の口金２１１ａ、２１１ｂ、２１２ａ、２１２ｂと、をそれぞれ備えている。各タンク２１０ａ、２１０ｂにおいて、一方の口金２１１ａ、２１１ｂは、端部がレセプタクル２２０と接続されているガス流路２０１と接続され、他方の口金２１２ａ、２１２ｂは、端部が燃料電池に接続されているガス流路２０２と接続されている。なお、本実施例では、燃料電池車両２００は、タンクを２つ備えた構成として説明するが、燃料電池車両２００が備えるタンクの数は、複数であればよく、３つ以上であってもよい。ガス流路２０２は、特許請求の範囲における「ガス供給路」にあたる。また、各タンク２１０ａとタンク２１０ｂとをまとめて、タンク２１０とも呼ぶ。

開閉弁２３０ａ、２３０ｂは、ガス流路２０１において、各タンク２１０ａ、２１０ｂとレセプタクル２２０との間にそれぞれ配置されている。開閉弁２３０ａが開弁状態のときに、ガス供給装置１００から供給される供給ガスがタンク２１０ａに流入可能な状態となり、開閉弁２３０ｂが開弁状態のときに、供給ガスがタンク２１０ａに流入可能な状態となる。

温度センサ２４０ａは、タンク２１０ａに配置され、タンク２１０ａの内部の温度Ｔａ（Ｋ）を検出する。温度センサ２４０ｂは、タンク２１０ｂに配置され、タンク２１０ｂの内部の温度Ｔｂ（Ｋ）を検出する。第１圧力センサ２５０は、レセプタクル２２０と開閉弁２３０ａ、２３０ｂとの間におけるガス流路２０１の内部の圧力Ｐｍｆ（Ｐａ）を検出する。第２圧力センサ２６０は、ガス流路２０２に配置され、ガス流路２０２の内部の圧力Ｐｍｒ（Ｐａ）を検出する。燃料電池車両２００の燃料電池の動作時、および、停止直後は、ガス流路２０２の内部の圧力Ｐｍｒとタンク２１０との圧力にほぼ差はない。

通信部２７０は、ガス供給装置１００の通信部１６０と同様に、赤外線による情報の送受信機能を備え、ガス供給装置１００の通信部１６０と赤外線通信によって情報のやりとりをおこなう。車両制御部２８０は、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ等により構成され、各種の信号の入出力により、燃料電池車両２００の動作全体を制御する。本実施例の車両制御部２８０は、タンク２１０ａの内部の温度Ｔａ、タンク２１０ｂの内部の温度Ｔｂ、ガス流路２０１の内部の圧力Ｐｍｆ、および、ガス流路２０２の内部の圧力Ｐｍｒなど、タンクに関する種々の情報を取得し、通信部２７０を介してガス供給装置１００に送信する。

Ａ２．充填処理の禁止：
第１実施形態のガス供給システム１０における充填処理の禁止制御について、図２を参照しつつ説明する。図２は、第１実施形態における充填処理の制御イメージを示す説明図である。制御イメージ３００において、圧力グラフ３０１は第１圧力センサ２５０によって測定される圧力値の経時変化を示している。圧力グラフ３０２は、第２圧力センサ２６０によって測定される圧力値の経時変化を示している。圧力グラフ３０３は、燃料電池車両２００からガス供給装置１００に対して送信される圧力値を示している。温度グラフ３１０は、各タンク２１０のうち最も温度の低いタンクの温度を示している。横軸は、経過時間（ｔ）を示している。縦軸は、温度グラフ３１０については温度Ｔを示しており、温度グラフ３１０以外のグラフについては圧力Ｐを示している。

制御イメージ３００では、燃料電池車両２００は、時刻ｔ０まで放置され、時刻ｔ０において燃料電池車両２００が起動されたことが示されている。燃料電池車両２００が放置されていた放置時間は比較的長期間である。燃料電池車両２００が長期間放置されていた結果、ガス流路２０１、ガス流路２０２の締結部分からの圧抜けにより、制御イメージ３００に示されるように、時刻ｔ０までに、第１圧力センサ２５０によって測定されるガス流路２０１の内部の圧力Ｐｍｆ、および、第２圧力センサ２６０によって測定されるガス流路２０２の内部の圧力Ｐｍｒは徐々に低下する。

制御イメージ３００では、時刻ｔ０において燃料電池車両２００が起動されて走行を開始し、時刻ｔ１において燃料電池車両２００が停止されたことが示されている。燃料電池車両２００の車両制御部２８０は、燃料電池車両２００の停止処理（燃料電池の動作を停止する処理を含む）を開始すると、停止処理が開始される直前に取得された第２圧力センサ２６０の圧力Ｐｍｒ（Ｐ２）を、各タンク２１０内の初期圧力情報として記憶し、リッド（図示省略）が開かれたことをトリガとして、記憶している初期圧力情報を、通信部２７０を介して赤外線通信によりガス供給装置１００に送信する。リッドの開閉検知は、例えば、レセプタクル２２０の近傍にリッドの開閉を検知する開閉センサが備えられており、当該開閉センサの検知結果に基づいて行われても良い。なお、第１実施形態では、時刻ｔ２においてリッドが開かれ、これをトリガとして初期圧力情報の送信が行われているが、時刻ｔ１から所定時間経過した時点においてリッドが開かれたことを検知できない場合、充填処理が行われないと判断してもよい。時刻ｔ１〜ｔ２の経過時間は、例えば、数分としてもよい。

ガス供給装置１００の装置制御部１７０は、通信部１６０を介して各タンク２１０内の初期圧力情報（圧力Ｐｍｒ（Ｐ２））を取得し、当該初期圧力情報（圧力Ｐｍｒ（Ｐ２））が所定値以下であるか否かを判断する。装置制御部１７０は、初期圧力情報（圧力Ｐｍｒ（Ｐ２））が所定値以下の場合、水素供給部１１０から各タンク２１０への水素の充填を禁止する。所定値は、例えば、２Ｍｐａとしてもよい。燃料電池車両２００の各タンク２１０の圧力が所定値以下の場合、初期充填に伴う各タンク２１０内の温度が、断熱膨張のために著しく上昇する傾向にあり、充填処理が行われないことが好ましいからである。

一方、装置制御部１７０は、初期圧力情報（圧力Ｐｍｒ（Ｐ２））が所定値より高い場合、充填可能であると判断して、充填処理を開始する。装置制御部１７０は、燃料電池車両２００から、タンク２１０ａの内部の温度Ｔａおよびタンク２１０ｂの内部の温度Ｔｂを取得し、最も低いタンク温度が、所定温度上昇したか否かを判断する。装置制御部１７０は、タンク温度が所定温度上昇した時点で（時刻ｔ３）、充填処理が正常に開始されたものと判断し、燃料電池車両２００に対して、燃料電池車両２００からガス供給装置１００に対して送信されるタンク２１０の圧力情報を、第２圧力センサ２６０の圧力Ｐｍｒから第１圧力センサ２５０の圧力Ｐｍｆに切り替えるよう指示を送信する。燃料電池車両２００の車両制御部２８０は、圧力Ｐｍｆを各タンク２１０内の圧力として、ガス供給装置１００に対して送信する。すなわち、圧力グラフ３０１と圧力グラフ３０３とが一致する。

以上説明した第１実施形態の水素充填装置であるガス供給装置１００によれば、タンク２１０と燃料電池車両２００との間を接続するガス流路２０２に設けられている圧力センサによって測定された圧力であって、燃料電池の動作が停止する直前の圧力Ｐ２を、タンク２１０内の圧力として取得し、当該取得された圧力Ｐ２を利用して充填処理の可否が判断される。従って、ガス充填対象物である燃料電池車両２００が長期間放置された場合においても、実際のタンク２１０の圧力と誤差の少ない圧力値をタンク２１０内の圧力として利用して充填処理の可否を判断することができ、充填処理の可否判断の精度を向上できる。よって、充填処理の効率化を図ることができる。

Ｂ．変形例：
・変形例１：
上記各実施形態では、燃料電池車両２００の車両制御部２８０は、停止処理を開始すると、停止処理が開始される直前に取得された第２圧力センサ２６０の圧力Ｐｍｒを初期圧力情報としているが、停止処理を開始した時点における圧力Ｐｍｒを取得し、これを初期圧力情報として記憶してもよい。特許請求の範囲における「燃料電池の動作が停止する直前」とは、燃料電池車両２００の動作が完全に停止されるまでの期間を含む。

・変形例２：
上記実施形態では、タンクの温度に関する情報の取得タイミングについて、特に規定されていないが、例えば、車両制御部２８０は、当該温度に関する情報を、断続的にガス供給装置１００に対して送信してもよいし、送信指示を受信した場合にのみ、温度を取得し送信してもよい。また、車両制御部２８０は、タンク２１０ａの内部の温度Ｔａおよびタンク２１０ｂの内部の温度Ｔｂの少なくとも一方をガス供給装置１００に対して送信してもよい。

・変形例３：
第１実施形態では、タンクの温度に基づいて充填が正常に開始されたかを判断しているが、例えば、バッテリにどの程度の電力が残存しているかを示す指標であるＳＯＣが所定値（例えば、１％）以上、上昇したか否かに基づいて、充填が正常に開始されたかを判断してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ガス供給システム
１００…ガス供給装置
１０１…ガス流路
１１０…水素供給部
１５０…ノズル
１６０…通信部
１７０…装置制御部
２００…燃料電池車両
２０１…ガス流路
２０２…ガス流路
２１０ａ…タンク
２１０ｂ…タンク
２１１ａ、２１１ｂ…口金
２１２ａ、２１２ｂ…口金
２２０…レセプタクル
２３０ａ…開閉弁
２３０ｂ…開閉弁
２４０ａ…温度センサ
２４０ｂ…温度センサ
２５０…第１圧力センサ
２６０…第２圧力センサ
２７０…通信部
２８０…車両制御部
３００…制御イメージ
３０１…圧力グラフ
３０２…圧力グラフ
３０３…圧力グラフ
３１０…温度グラフ

Claims

燃料電池に水素を供給するタンクに対して前記水素を充填する水素充填装置であって、
前記タンクに前記水素を供給する水素供給部と、
前記タンクと前記燃料電池との間を接続するガス供給路に設けられている圧力センサによって測定された圧力であって、前記燃料電池の動作が停止する直前の圧力を、前記タンク内の圧力として取得する取得手段と、
前記取得された前記圧力が所定値以下の場合、前記水素供給部から前記タンクへの前記水素の充填を禁止する制御部と、
を備える水素充填装置。