JP4744285B2 - 水素自動車のガスの使用及び補給システム - Google Patents

Description

［発明の詳細な説明］
［発明の分野］
本発明は、自動車に搭載して使用されたり、水素貯蔵及び補給ステーションでより大量に使用されるような複数の高圧貯蔵タンクからの水素ガスの引き出し、及びそれらへの水素ガスの補給を効率的に行うためのシステムに関する。

［発明の背景］
水素を自動車の燃料として使用するとき、補給用の水素燃料貯蔵所インフラストラクチャーも開発しなければならない。一般的に、自動車の燃料電池又は内燃機関に動力を供給するために水素を使用する場合、約５０００ｐｓｉの範囲の最高圧力に維持される搭載燃料タンク内に水素が貯蔵される。燃料電池自動車の場合、燃料電池スタックへの水素導入の利用は約３０ｐｓｉで行われる。燃料電池又は内燃機関を有する自動車に動力を供給するための水素の消費及び搭載燃料タンクからの引き出しは、運転者及び自動車の速度、加速度及び他の動力ニーズのオンデマンド制御を行いたいという自動車運転者の要望と円滑に関係付けなければならない。燃料貯蔵所及び車載タンクのシステム全体のエネルギ効率及びそれらの相関関係の向上が、望ましい目標である。

水素燃料自動車は、水素を車上に貯蔵するために高圧水素貯蔵タンクを使用するであろう。１つの大型タンクよりもむしろ複数の円筒形の小型タンクを使用することが、自動車構造の目的には好ましい。現在のやり方は、必要に応じて、並列の出口関係を有する複数のタンクの各々から等しく水素を同時に引き出すものである。一般的に、すべてのタンク用のソレノイド出口弁が同時に開き、自動車の走行時に水素が消費されるのに伴って、すべてのタンクで圧力が等しく低下する。

水素補給ステーションの構造では、ステーションの個々のタンク内に貯蔵されている大量の加圧水素の複数バンクが存在するカスケード式補充プロセスを使用して車載タンクに水素ガスを補給するための装置及びシステムを用いることができる。（最低圧力の）第１バンクを使用して、自動車内の個別タンクの１つ又は複数と圧力を等しくし、それから次のバンクを使用して、車載タンク内の増加圧力と等しくし、それから次のバンクを順番に、すべてのバンクの圧力が等しくなる、又は車載タンクの補充圧力に達するまで、使用していく。この構造では、補充ステーションの第１バンクが車載タンクより低圧である場合、第１バンクを補充プロセスに使用することができず、その結果、車載タンクの圧力より高圧であるステーションの次のバンクを使用しなければならない。その結果、補給ステーション側の、車載タンクより低圧のバンク内に貯蔵されている水素を自動車燃料供給源の補充に使用することができず、補給ステーションのより高圧の残りのタンクを使用しなければならない。この必要なシーケンスは、より高圧のバンク内の水素を使い尽くすが、より低圧のバンク内の水素を完全に使用することはできない。

水素燃料自動車に水素を満たしたとき、加圧貯蔵タンクは２形態のエネルギ、すなわち水素自体からの化学エネルギと、水素ガスが貯蔵されている高圧に伴う機械及び熱エネルギとを含む。水素ガスが貯蔵されている高圧による機械エネルギは、自動車の走行時に利用されず、このため、水素を高圧で貯蔵することから生じる潜在的な機械エネルギが無駄になる。

［発明の簡単な概要］
本発明の１つの目的は、水素燃料自動車及び燃料貯蔵所のインフラストラクチャーの全エネルギ効率に織り込んだときの水素補給システムにおける機械エネルギ損失を最小限に抑えることである。自動車に水素を補給する毎に、水素を車載タンク内へ圧縮するためにエネルギが必要であり、したがって、本発明の１つの目的は、水素燃料自動車の搭載燃料貯蔵タンクに補給するために必要な圧縮エネルギを最小限に抑えることである。本発明のさらなる目的は、一度に１つのタンクで水素を複数のタンクから引き出し、且つそれらに補給し、それにより、タンクの補給に必要な圧縮エネルギを減少させるシステムを提供することである。

水素ステーションにおいて、複数の自動車を満たすのに使用可能な水素供給量が限られており、且つ水素ステーションが上記の複数バンクカスケード式補充戦略を使用する補給ステーション側において、車載タンクの圧力がステーションのバンク圧力のいずれよりも高いとき、そのステーションのバンクを使用して自動車に補充することができず、且つそれらのバンク内の水素を利用することができない。このため、車載タンクの圧力より高圧のバンクだけが使用され、より高圧のタンクのバンク内の圧力が使い尽くされ、その結果、後続の自動車が満杯まで受け取ることができない状況が生じる。本明細書に記載したシステムを使用して、水素燃料自動車の燃料ニーズに応える補給ステーションの能力を向上させることが、１つの目的である。本発明はまた、貯蔵所からタンクへのエネルギ効率を最大にする目的で複数の高圧貯蔵車載タンクから水素を引き出すシステムも提供する。

現時点では、複数の水素貯蔵タンクを有する自動車のすべての弁が、制御システムによって同時に開放されて、各タンクが燃料電池スタック又は内燃機関への水素の供給に等しく資することができる。しかしながら、現在の技術は、自動車の貯蔵所からタンクへのエネルギ効率、又は水素補充ステーションでの限られた水素供給の利用を最大にしない。本発明は、水素の圧縮に失われるエネルギを減少させ、その結果、貯蔵所からタンクへの効率を高め、それにより、環境、ステーション提供者及び自動車所有者に恩恵を与える。加えて、本発明は、限られた貯蔵能力を有する水素ステーションでの利用可能な水素量を増加させる。本発明では、車載タンク内の圧力が最低限に抑えられて、水素ステーションの低圧バンク内の水素を使用することができ、その結果、ステーションに貯蔵されている限られた水素をよりうまく利用することができる。
図面を考慮した好適な実施形態の以下の説明で、本発明をより十分に説明する。

［本発明の作用構成］
本発明のシステムは、複数の搭載貯蔵タンクからなるバンク内の、一度に１つのタンクから水素を、締め切り圧力又は閾最低圧力に達するまで、引き出すことにより、水素燃料自動車の補給エネルギ効率を高める。使用中のタンク内で閾締め切り圧力に達したとき、順番に次のタンクが開放され、それにより、次のタンクから燃料電池又はエンジンにガスが流れることができる。このプロセスは、すべての車載タンクに対して繰り返される。自動車／補給ステーションシステム全体において、自動車に水素を補給するとき、タンクに補給するために必要な圧縮エネルギがより少なくなる。本発明は、補充ステーションの限られた水素量をより効果的に利用し、且つ補給後にステーションで（又は直接的に自動車へ）水素を圧縮して最高限度状態に戻すために必要なエネルギを減少させることによって、貯蔵所からタンクへの全エネルギ効率を高めるとともに、水素ステーションのガス利用を増加させる。本発明は、ステーションに高圧水素を保存し、事実上、ステーション側での水素利用を最大にする。ステーションの低圧水素のより多くが車載タンクの補充に使用され、より高圧の水素を保持し、且つステーションでの限られた水素供給を完全に利用する能力が向上するため、本発明を使用したステーションではより多くの自動車に満たすことができる。

［実施形態］
図１は、自動車用の従来技術の水素貯蔵タンクシステムの一例を示す。第１タンク１は、チェック弁入口５及び切り換え式出口７を有する弁Ｖ１を備える。第２タンク２は、チェック弁入口６及び切り換え式出口８を有する弁Ｖ２を備える。第２、第３及び他のタンクＮ及び弁ＶＮも同様に並列に構成される。タンク１及びタンク２は、補給継手又はマニホルド１１及びガス利用継手又はマニホルド１２から延びる導管を介して並列に相互接続される。補給継手又はマニホルド１１は、導管１４を介して補給ノズル１０に相互接続可能である。ガス利用継手又はマニホルド１２は、導管１７及び１８を介して搭載タンク１及び２に相互接続され、これらの導管１７及び１８は、導管１９を介し、且つ高圧レギュレータ３２及び低圧レギュレータ１３を介して自動車燃料電池スタック又はエンジン１９ＦＣに通じている。一般的に、車載タンクは、半球形端部を有する円筒形であり、或る既定温度で約５０００ｐｓｉの最大定格容量の水素ガス量を貯蔵することができる。導管１５及び１６を通る補給モード、及び導管１７及び１８を通る消費モードでは、等しい圧力又は量の水素ガスが、それぞれ各並列タンクに送り込まれ、且つ各並列タンクから引き出される。自動車が始動するとき、燃料電池又はエンジンが動力を発生し始めることができる前に、タンク１の弁Ｖ１の出口７及びタンク２の弁Ｖ２の出口８が開いて、水素が流れることができる。通常、燃料電池スタック又は自動車エンジンに通じる搭載タンクの出口弁がすべて同時に開放されて、各タンクが水素を自動車に等しく供給することができる。水素が消費されると、車載タンクのすべてにおいて圧力が等しく低下する。

反対に、本発明のシステムは、一例では、一度に１つの燃料タンクの出口弁を開いて、単一のタンクの水素が燃料電池スタックへ、そのタンクの圧力が最低閾圧力又は締め切り圧力に達するまで流れることができ、その圧力に達した時点で、次のタンクの出口弁が順番に開き、その時に使用中のタンクの出口弁が閉じられ、それにより、（次の）満杯タンクの水素が燃料電池スタックへ流れる。すべてのタンク内のすべての水素が締め切りレベル又は動作可能閾レベルに引き出されるまで、又は車載タンクに補給されるまで、この順序が繰り返される。

図２Ａは、本発明の自動車水素貯蔵タンクシステムを示し、タンク２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎを順次相互接続且つ制御することができ、水素の引き出し及び補充を個々のタンク圧力によって決まる制御順序で進めることができる。タンク２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎは、それぞれ弁Ｖ２０ａ、Ｖ２０ｂ、Ｖ２０ｃ・・・Ｖ２０ｎを有し、その各々はそれぞれ、補給用の制御可能な入口２１、２３、２５・・・と、ガスを燃料電池又はエンジンが必要とするときに使用される制御可能な出口２２、２４、２６・・・とを有する。補給モードでは、継手又はマニホルド３０が、補給ステーションの燃料供給源に相互接続可能な補給ノズル１０に相互接続して、導管３０ａ、３０ｂ及び３０ｃ内のガス流が弁２１、２３及び２５を通ってタンク２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎに順番に補給することができる。動作モードでは、弁２１、２３及び２５が閉鎖されて、弁２２、２４、２６・・・がそれぞれ切り換えられて開くとき、タンク２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・・２０ｎから順番に引き出され、それにより、導管３１ａ、３１ｂ及び３１ｃ内のガスを順番に、燃料電池スタックを有する例では、導管１９を通って第１圧力レギュレータ３２（圧力を約５０００ｐｓｉの最大値から低下させ、ガスが消費されるのに伴って、ほぼ均一の１００ｐｓｉレベルまで低下させる）及び第２圧力レギュレータ１３（圧力を約１００ｐｓｉから約３０ｐｓｉまで低下させて維持する）に、最終的には、適当な所定の動作圧力で燃料電池スタック１９ＦＣに流すことができる。車載燃料電池スタックの一構造例では、最低残留タンク（又は締め切り又は動作閾最小）圧力が約１５０ｐｓｉであり、この圧力で、タンクに対応した制御可能な出口弁が閉じる。好ましくは、タンクの出口弁が閉じる前に、次に続くタンクの出口弁を開放し、それにより、燃料電池への水素の供給が中断されないようにする。本出願で言及するように、システム内では自動チェック弁以外にも、他の方法で制御可能な弁をソレノイド又は他のアクチュエータ手段によって操作してもよい。

図２Ｂの例に示されているように、各タンク２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの選択可能又は制御可能な入口弁２１、２３及び２５と選択可能又は制御可能な出口弁２２、２４及び２６は、制御手段、論理回路又はＣＰＵ５０と、自動車制御システム１００と、タンク又はそれらの入口及び出口管路に関連した圧力及び／又は温度又は他の感知手段とに動作可能に相互接続されてもよい。代替又は補助制御システムとして、それぞれタンクと補給管路（refilling line）及び水素燃料電池スタック又はエンジンとの間に配置されたマニホルド４０及び４１は、複数の制御可能な弁を有してもよい。補給管路から続く入口マニホルド４０では、制御可能弁は、各タンクの入口に対応した弁４０Ｖａ、４０Ｖｂ及び４０Ｖｃを含む。出口マニホルドは、それぞれ対応のタンクの出口に接続された制御可能な弁４１Ｖａ、４１Ｖｂ及び４１Ｖｃを有する。マニホルド弁を手段５０で制御し、それにより、水素を補給管路から１つの選択されたタンクへ、又は選択されたタンクから燃料電池又はエンジンへ、或る特定の状況においてその選択されたタンク又は管路内で適切な締め切り圧力又は閾圧力又は温度又は他のパラメータに達するまで、流すことができる。図示のように、出口マニホルド４１には、車載タンク２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの出口２２、２４及び２６に相互接続され、且つ手段５０に相互接続された別体のマニホルド弁切り換え手段５５によって制御される、複数の選択可能又は制御可能な弁４１Ｖａ、４１Ｖｂ及び４１Ｖｃを設けてもよい。本発明の原理に従った具体的な制御構成及びパラメータや、弁位置及びシステムは、自動車構造全体の考慮に基づくことが好ましい。たとえば、マニホルド弁システムで十分であれば、タンクの弁は必要ないであろうし、あるいは、タンク弁及びマニホルド弁の両方を設けてもよい。別の例では、タンク及び／又は管路の圧力及び温度又は他のパラメータを監視するために、圧力、温度及び他のセンサ５１を設けてもよく、また、本発明の原理に従った自動車動作の途中の加圧水素燃料の補給及び消費用のタンク又はマニホルド弁システムの動作プロトコルに関連した決定因子として、圧力及び温度又は他のパラメータの大きさを適当な制御手段に入力してもよい。

水素燃料自動車が水素ガス用の複数の高圧搭載貯蔵タンクを有する場合、システムは、車載タンクの補給に必要な圧縮エネルギを減少させる。各車載タンクは、マニホルドを介して補給管路に接続可能な入口弁を有し、入口弁は、補給管路からの加圧水素を１つ又は複数の搭載タンクに、その１つ又は複数の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、流入させることができ、その１つ又は複数の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達した時点で、補給管路からの水素は、次の１つ又は複数の搭載タンクに、その次の１つ又は複数の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、流入する。この順序は、すべてのタンクが満たされるまで、すべての車載タンクに対して繰り返される。

例示では、タンク内の圧力の所定レベルは、補給管路内で使用可能な最高圧力にほぼ対応するであろう。各搭載タンクの入口弁は、タンク内の圧力が補給管路内の圧力に等しいときに逆流を防止する圧力感知チェック弁にすることができ、タンク内の圧力が補給管路内の圧力に等しくなるまで、タンクは最低圧力から最高圧力の順に満たされる。同様に、適当な制御手段によって操作される制御可能なソレノイド弁が補給を制御してもよい。

タンクの入口が制御可能な弁を備えている補給プロセスの一例では、第１タンクの入口弁の閉鎖を、次のタンクの入口弁の開放の前、開放と同時、又は開放の後に選択的に行うことができる。各タンク又は弁又は管路内の圧力センサは、弁を開閉する制御機構と動作可能に相互接続されることができ、その制御機構は、搭載プログラマブル論理回路、搭載ＣＰＵ又は同等手段を有する。自動車が３つ以上のタンクを有する場合、２つ以上のタンクの入口を互いに並列に対にして、１つとして制御してもよい。

車載タンクの補給において、本発明は、複数の搭載タンクの補給に必要な圧縮エネルギを減少させるためのシステムを提供する。タンクの入口が、自動的に閉じて逆流を防止するチェック弁を備え、且つ補給管路が各タンクの入口に同時に接続する一例では、タンクのチェック弁が水素を最低圧力の第１搭載タンクに流入させることができる。補給プロセスの開始時には、複数の搭載タンクが異なった圧力レベルにあるため、水素ガスは当然ながら、最初に最低圧力のタンクに、それが次に高いタンクの圧力に達するまで流れ、それに達した時点で、水素ガスは第１タンク及び第２タンクの両方に同時に流入し始めるであろう。タンク圧力が、補給管路から使用可能な最高圧力に達するまで、このプロセスが進行し続けるであろう。使用可能な補給管路圧力が、すべての搭載タンクの圧力より高い場合、補給プロセスが終了する前に、定格タンク容量に達するか、又は使用可能な補給管路圧力に達するまで、水素がすべての搭載タンクに同時に流入しているであろう。このため、自動車に補給するとき、水素は当然ながら、ステーションの低圧貯蔵部を利用して、最初に最低圧力のタンクに流れる。この補充順序を生じるために特に必要なことは何もなく、複数の車載タンクは当然ながら、最初に最低圧力タンクが満たされ、そのプロセスが繰り返されて、使用可能な補給管路圧力より低い圧力のすべてのタンクが同時に満たされて終了する。

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ２つのタンクを有する２台の自動車での加圧搭載水素ガス燃料の使用をタンク圧力で測定した前後比較グラフを示し、自動車「Ａ」は従来技術のシステムを使用し、自動車「Ｂ」は本発明のシステムを使用している。両方の自動車は満杯状態で始動し、自動車燃料容量の５０％走行した後で比較する。図３Ａ及び図３Ｂは、一例として２つの燃料タンクを使用して、従来技術「Ａ」と比べて本発明「Ｂ」を使用することによって得られる利点を示す。図３Ａに示されているように、両方の自動車は１００％補充状態で始動する。従来技術の例では、燃料が消費されるとき、両方のタンクの出口弁が同時に開くが、本発明を示す例では、燃料が消費されるとき、一方のタンクの出口弁だけが開き、圧力最低閾値に達するまで、そのタンクから引き出される。図３Ｂは、各自動車の全燃料消費量が同じ５０％である、易しく言い換えると、全自動車燃料供給部が半分満たされるか、半分空であるかのいずれかである状況で、燃料容量によって決定される自動車範囲（vehicle range：車両航続距離）の半分を走行した後の両方の自動車のタンク内の圧力を示す。自動車ＡのタンクＡ１及びＡ２はそれぞれ５０％である一方、自動車ＢのタンクＢ１及びＢ２ではそれぞれ、使い尽くされている、すなわち低圧動作可能閾値に達しているタンク（Ｂ１）と、満杯の１００％のタンク（Ｂ２）とになる。両方のタンクの両方のバルブが同時に開いているとき、各タンクの圧力及びガス利用量は同一である。本発明を適用すると、図３Ｂに示されたシナリオには、個々のタンクの弁が１つの時系列において１つのタンクで開くとき、第１タンクで、そのタンク内の圧力が動作可能閾値に達するまで、タンク圧力及びガス利用が行われ、且つ他のタンクは満杯に補充されているままであることが示されている。

図４は、本発明のシステムの動作論理の一例を示し、「ｎ」は搭載タンクの数（２以上）を表し、「ｚ」は搭載システム内全体におけるタンクの通し番号を表す。水素がタンク「ｚ」から、その閾動作最低（又は他の選択、所定、測定、チェック弁、制御又は締め切り）圧力に達するまで引き出される。この閾値で、タンク「ｚ−１」の弁が開放され、且つタンク「ｚ」のソレノイド弁が遮断される、すなわち、出口弁が閉じられる。同じプロトコルを使用して、搭載水素バンク内の連続したタンクから引き出される。タンクからの引き出しに使用される代替構成、タイミングシーケンス、圧力閾値及び弁制御手段を、補充システムに関して上述するとともに図２Ｂに部分的に示されている同等の代替物から応用してもよい。
各搭載タンクからの水素ガスの引き出しは、出口弁によって制御してもよい。また、該出口弁は、感知された所定レベルで動作可能な圧力感知弁や、アクチュエータによって制御可能な弁であってもよい。タンク「ｚ」の出口弁の閉鎖は、タンク「ｚ−１」の入口弁の開放と同時であってもよい。または、タンク「ｚ−１」の出口弁の開放は、タンク「ｚ」の出口弁の閉鎖の前であってもよい。
図２Ｂでは、論理回路又はＣＰＵに基づいたコントローラが４０で示され、且つ弁制御マニホルドが４１で示されている。マニホルド４１は、固有の圧力制御手段を有してもよいが、ユニット４０によって制御されてもよい。図２Ｂでは、圧力パラメータに基づいてタンクの流れを選択するための制御可能マニホルド４１が示されており、ここでは、タンク２０ａ及び２０ｂに対応した弁又はスイッチ４１Ｖａ及び４１Ｖｂが閉鎖され、且つタンク２０ｃに対応した弁又はスイッチ４１Ｖｃが開いている。
各搭載タンクからの水素ガスの引き出しは、各タンクの出口に対応した切り換え式入口弁を有するマニホルドを介して行われてもよく、また、マニホルド弁は、各タンクの出口に個別に動作可能に相互接続され、それにより、特定タンクからのガスの前記流れは、そのタンクに対応したマニホルド弁が開放しているか、閉鎖しているかによって決められてもよい。
タンク「ｚ」に対応したマニホルド弁の閉鎖は、タンク「ｚ−１」に対応したマニホルド弁の開放と同時に起きてもよい。また、タンク「ｚ−１」に対応したマニホルド弁の開放は、タンク「ｚ」に対応したマニホルド弁の閉鎖の前に起きてもよい。
複数のタンクの各々の出口弁は、タンク内の圧力、又は、圧力及び温度を測定するセンサに動作可能に相互接続され、センサはさらに、感知された圧力、又は、圧力及び温度に応じて弁を開閉する制御機構に相互接続されていてもよい。
マニホルドの入口弁の各々は、マニホルドの入口又は出口及びタンクの１つ又は複数内の圧力、又は、圧力及び温度を測定するセンサに動作可能に相互接続され、センサはさらに、感知された圧力、又は、圧力及び温度に応じて弁を開閉する制御機構に相互接続されていてもよい。

本発明は、補充ステーションで限られた量の水素を利用する際のさらなる恩恵を達成する。図５に示された比較グラフでは、５台の自動車に関係する２つのシナリオ、すなわち（１）水素ステーションで、本発明を使用する５台の自動車に連続的に補給する（又は、同一の自動車に５回補給するか、又は自動車及び補給回数が５になる任意の他の組み合わせ）シナリオ、及び（２）水素ステーションで、従来方法を使用する５台の自動車に連続的に補給するシナリオを評価した。ステーションのバンクの数は４つ（バンク１、バンク２、バンク３、バンク４）であり、各バンクの容積は２００リットルである。自動車側では、１台当たりのタンクの数は２つであり、各タンクの容積は１００リットルである。連続補給の後、本発明のシステムを使用する自動車に補給するステーションのバンク４の圧力が一貫してより高い。自動車補充パーセンテージ（全燃料容量の％）が図６に示されており、ステーションは、本発明「Ｂ」を使用して３台の自動車を１００％の満杯まで補充する（又は３回の補給を行う）ことができるが、従来技術の自動車「Ａ」では１台だけを１００％の満杯まで補充することができる。４回目及び５回目の補充において、本発明は補充量の点で、４回目の補充で従来システムの７４％に対して９５．７％、５回目の補充で従来システムの６５．５％に対して８９．７％であるという大きな利点を達成する。バンク４の圧力は、本発明を使用すると一貫してより高くなる。

本発明を使用することのさらなる恩恵が、補給後にステーションの（又は直接的に自動車への）水素を圧縮して満杯状態に戻すために必要なエネルギの点で達成される。一例として、２つのタンクを有して２回補充する自動車を使用して、ステーション及び自動車について水素を圧縮して満杯状態に戻すために必要なエネルギを、従来技術のシナリオＡ及び本発明のシナリオＢについて計算し、且つ比較した。各シナリオについて、２回の補充後の圧縮に必要なエネルギを、「理想」圧縮エネルギ用の式、すなわち、

式中、
Ｅ＝理想圧縮エネルギ
Ｖ＝貯蔵タンクの容積
Ｐ_ｆ＝コンプレッサ出口圧力
Ｐ_ｉ＝コンプレッサ入口圧力
Ｃ＝ｋ−１／ｚｋ
ｚ＝圧縮段階の数
ｋ＝Ｃ_ｐ／Ｃ_ｖ
Ｃ_ｐ＝一定圧でのモル熱
Ｃ_ｖ＝定容積でのモル熱
に従って計算した。

２回の補充後の、ステーションバンク内への、又は直接的に自動車タンク内への圧縮に必要なエネルギを、理想ガス、４つの圧縮段階、ガス漏れや摩擦などによる損失なしと仮定して、各シナリオについて計算した。図７Ａ及び図７Ｂは、２回の自動車補充後にすべてのステーションバンク及びすべての自動車タンクをまさに満杯まで満たすために必要な「理想」圧縮エネルギの計算を比較するグラフである。図７Ａに示されている例及び図７Ｂのエネルギ合計１において、コンプレッサは、水素をステーション貯蔵バンク内に圧縮する。図７Ｂのエネルギ合計２は、ステーションが水素を直接的に車載タンク内に圧縮する場合の低速オーバーナイト補充の例を示す。本発明のシステム「Ｂ」の複数のタンクに補給するために必要なエネルギ必要量は、従来技術「Ａ」の複数のタンクに補給するために必要なエネルギ必要量より少ない。

本発明を詳細に記載してきたが、当業者であれば、本説明を与えられれば、本明細書に記載されている発明概念の精神から逸脱しない限り、本発明に修正を加えることができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以上に図示且つ記載した特定及び好適な実施形態に制限されることを意図していない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるものとする。

従来技術の水素燃料タンクシステムを示す図である。 本発明のシステムに従って構成された水素燃料タンクシステムを示す図である。 弁付きタンクへの、又は弁付きタンクからの水素の流れを調整するための制御手段に動作可能に相互接続された水素タンク弁と、代替又は補助構成で、タンクの入口及び出口に相互接続され、且つ車載燃料電池に、又は車載燃料電池から続く制御可能な弁を有する入口マニホルド及び出口マニホルドとを示す図である。 従来技術のシステムを使用する自動車「Ａ」及び本発明のシステムを使用する自動車「Ｂ」での、個別のタンク圧力によって測定した搭載水素ガス燃料の使用量の比較グラフであり、例として満杯補充及び５０％使用状態を示している。 従来技術のシステムを使用する自動車「Ａ」及び本発明のシステムを使用する自動車「Ｂ」での、個別のタンク圧力によって測定した搭載水素ガス燃料の使用の比較グラフであり、例として満杯補充及び５０％使用状態を示している。 本発明のシステムの論理制御の一例のフローチャートである。 従来技術のシステムを使用する自動車「Ａ」及び本発明のシステムを使用する自動車「Ｂ」が一連の連続補充で補給される状況での個別の水素補給ステーションタンク内の圧力によって測定した水素ガス燃料の使用の比較グラフである。 本発明のシステム「Ｂ」を使用して連続補給した後のすべてのタンクの満杯状態（すなわち、自動車の全燃料容量）のパーセントで測定した車載水素貯蔵タンク圧力を、従来技術「Ａ」を使用した連続補給と比較したグラフである。 ２回の自動車補充後に各ステーションバンクをまさに満杯まで満たすために必要な計算「理想」圧縮エネルギの比較グラフである。 ２つのタンクを有する自動車の２回連続した補充に基づいて、ステーションの貯蔵タンクすべての補充及び直接的に両方の車載タンクの補充に必要な計算全圧縮エネルギの比較グラフである。

Claims (18)

1. 高圧水素ガス貯蔵搭載タンクに接続している管路から該タンクへの補給と排出を調整するための補給及び排出システムであって、
   （１）自動車の各タンクは、マニホルドを介して該管路に接続可能であり、且つ該管路からの加圧水素が１つ以上の搭載タンクに流れ込み、あるいは、１つ以上の搭載タンクから流出し、
   （２）各タンクに対応し、該タンクと該管路との間に配置された圧力感知チェック弁を備え、
   （ａ）該タンクは、該タンクの定格容量に達するまで、最低圧力のタンクから最高圧力のタンクの順に補給され、該満たされたタンクに対応する該チェック弁は閉じられ、次の１つ以上の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、該管路からの加圧水素は、該次の１つ以上の搭載タンクに流れ、すべてのタンクが同一の所定圧力に補給されるまで、すべてのタンクに対してこのシーケンスを繰り返して該搭載タンクは補給され、
   （ｂ）最高圧力のタンクから最低圧力のタンクの順に、排出されるタンクに対応する各チェックバルブが閉じられると水素ガスは次の１つ以上の搭載タンク内から水素ガスが流れることによって、該タンクは排出され、すべてのタンクに対してこのシーケンスを繰り返して該搭載タンクは排出される、
   システム。
2. 制御可能且つ開閉可能な弁が、該タンクの入口と該補給管路との間に動作可能に配置され、該１つ以上の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、該補給管路からの加圧水素が１つ以上の搭載タンクに流れ込み、該１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達したとき、第１タンクの該弁は次のタンクの該弁の開放後に閉鎖され、該補給管路からの水素は該次の１つ以上の搭載タンクに流れ、該次の１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達するまで、該次の１つ以上の搭載タンクを満たし、すべてのタンクが所定圧力を満たすまで、すべてのタンクに対してこのシーケンスを繰り返す、
   請求項１に記載のシステム。
3. 制御可能且つ開閉可能な弁が該タンクの入口と該補給管路との間に動作可能に配置され、該１つ以上の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、該補給管路からの加圧水素が１つ以上の搭載タンクに流れ込み、
   該１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達したとき、次のタンクの該弁は直前に補給が完了したタンクの該弁の閉鎖とほぼ同時に開き、該補給管路からの水素は該次の１つ以上の搭載タンクに流れ、該次の１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達するまで、該次の１つ以上の搭載タンクを満たし、
   すべてのタンクが所定圧力を満たすまで、すべてのタンクに対して前記のシーケンスを繰り返す、
   請求項１に記載のシステム。
4. （ａ）前記各タンクの入口と前記補給管路との間に動作可能に配置された、制御可能且つ開閉可能な弁と、
   （ｂ）該複数のタンクのそれぞれは、該タンクの圧力と温度を測定するセンサと操作可能に相互接続し、該センサは、該タンク内で測定された所定の圧力と温度のときに、該タンクに関連する該弁を開閉する制御機構と、
   を有し、
   （ｃ）１つ以上の搭載タンク内の圧力が所定レベルに達するまで、該補給管路からの加圧水素が該１つ以上の搭載タンクに流れ込み、該制御機構は該補給管路の流れを次のタンクへ切り替え、
   （ｄ）該１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達したとき、該補給管路からの水素は該次の１つ以上の搭載タンクに流れ、該次の１つ以上のタンク内の該圧力が所定レベルに達するまで、該次の１つ以上の搭載タンクを満たし、
   （ｅ）すべてのタンクが所定圧力を満たすまで、すべてのタンクに対して前記のシーケンスを繰り返す、
   請求項１に記載のシステム。
5. 「ｎ」が搭載タンクの数を表し、「ｚ」が搭載された一連のタンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、閾圧力に達するまで水素ガスがタンク「ｚ」から排出され、タンク「ｚ−１」の入口弁の開放と同時にタンク「ｚ」の該出口弁は閉鎖され、且つ該水素タンク内の次に続くタンク「ｚ−１」から閾圧力に達するまで排出され、同じステップが連続した各搭載タンクで繰り返される、という手順に従って水素が該複数の搭載タンクから排出されること、によって各タンクからの前記排出が行われることを特徴とする、
   請求項１に記載のシステム。
6. 各前記弁は所定の圧力において作動し、前記複数の搭載タンクから排出された水素によって前記自動車に動力を与える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記出口弁はアクチュエータによって制御可能な弁であって、前記複数の搭載タンクから排出された水素によって前記自動車に動力を与える、請求項５に記載のシステム。
8. 「ｎ」が搭載タンクの数を表し、「ｚ」が搭載された一連のタンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、閾圧力に達するまで水素ガスがタンク「ｚ」から排出され、タンク「ｚ−１」の該出口弁はタンク「ｚ」の該出口弁が閉鎖する前に開放され、且つ該水素タンク内の次に続くタンク「ｚ−１」から閾圧力に達するまで排出され、同じステップが連続した各搭載タンクで繰り返される、という手順に従って、「ｎ」個の搭載タンクから水素が排出される、請求項１に記載のシステム。
9. 各前記出口弁は所定の圧力において作動し、前記複数の搭載タンクから排出された水素によって前記自動車に動力を与える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記出口弁はアクチュエータによって駆動される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記マニホルドに関連したマニホルド弁を有し、
    該マニホルド弁は、各タンクに個別に動作可能に相互接続され、それにより、ある特定のタンクからのガスの流れは、該タンクに対応した該マニホルド弁が開放しているか閉鎖しているかによって決められ、
    「ｎ」がタンクの数を表し、「ｚ」が一連のタンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、閾圧力に達するまで水素ガスがタンク「ｚ」から排出され、タンク「ｚ−１」に対応する該マニホルド弁の開放と同時にタンク「ｚ」に対応する該マニホルド弁は閉鎖され、同じステップが連続した各タンクで繰り返される、という手順に従って該ｎ個のタンクから水素が排出され、それによって、前記自動車に動力を与えることができる、
    請求項１に記載のシステム。
12. 各タンクはマニホルド弁に関連付けられ、
    「ｎ」がタンクの数を表し、「ｚ」が一連のタンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、閾圧力に達するまで水素ガスがタンク「ｚ」から排出され、タンク「ｚ−１」に対応する該マニホルド弁はタンク「ｚ」に対応する該マニホルド弁が閉鎖する前に開放され、同じステップが連続した各タンクで繰り返される、という手順に従って該ｎ個のタンクから水素が排出される、
    請求項１１に記載のシステム。
13. ｎ個のタンクを有し、
    各タンクからの水素の排出は出口弁によって制御され、
    該各タンクのそれぞれの該出口弁は該タンク内の温度と圧力を測定するセンサと動作可能に相互接続され、該センサは、測定された圧力と温度に基づいて該出口弁を開閉する制御機構と相互接続し、
    「ｎ」がタンクの数を表し、「ｚ」が一連のタンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、水素ガスがタンク「ｚ」から、閾圧力に達するまで排出され、その時点でタンク「ｚ」が遮断され、且つ該タンク内の次に続くタンク「ｚ−１」から、閾圧力に達するまで排出され、同じステップが連続した各タンクで繰り返される、という手順に従って水素が該複数のタンクから排出される、
    請求項１に記載のシステム。
14. 加圧状態の水素ガスを貯蔵するためのｎ個の車載タンクを有し、
    各タンクに対応し、切り換え式であるマニホルド弁を有するマニホルドを含み、
    該マニホルド弁は、各タンクに個別に動作可能に相互接続され、それにより、ある特定のタンクからのガスの流れは、該タンクに対応した該マニホルド弁が開放しているか閉鎖しているかによって決められ、
    各該マニホルド弁は、１つ以上のタンク、タンクの入口、及び、タンクの出口の圧力を測定するセンサと相互接続し、該センサは、該圧力に基づいて該マニホルド弁を開閉する制御機構と相互接続し、
    「ｎ」が車載タンクの数を表し、「ｚ」が一連の車載タンクのうちの１つの車載タンクの通し番号を表す場合、水素ガスがタンク「ｚ」に移動させられ、そして、該複数の車載タンクの内の次に続くタンク「ｚ−１」は水素ガスが補給され、同じステップが連続した各タンクで繰り返される、という手順に従って水素が該複数の搭載タンクに移動させられる、
    請求項１に記載のシステム。
15. 前記タンクは貯蔵所で排出され、前記弁は、補給プロセスの間に閉じることが指定されているときは、排出プロセスの間には開けられ、一方、補給プロセスの間に開けることが指定されているときは、排出プロセスの間には開けられ、
    排出ガスの流れは、開けられている弁を通してタンクに移動する、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。
16. ｎ個のタンクを有し、該タンクは貯蔵所で排出され、
    補給は入口弁によって制御され、
    該各タンクのそれぞれの該入口弁は該タンク内の温度と圧力を測定するセンサと動作可能に相互接続され、該センサは、測定された圧力と温度に基づいて該入口弁を開閉する制御機構と相互接続し、
    「ｎ」が搭載タンクの数を表し、「ｚ」が一連の搭載タンクのうちの１つのタンクの通し番号を表す場合、閾圧力に達するまでタンク「ｚ」から水素ガスが排出され、その時点でタンク「ｚ」からの排出を停止し、且つ該搭載タンク内の次に続くタンク「ｚ−１」から、閾圧力に達するまで排出され、同じステップが連続した各タンクで繰り返される、という手順に従って該１つ以上のタンクから水素が排出される、
    請求項１に記載のシステム。
17. 請求項１３に記載のシステムを有する水素燃料自動車。
18. 各出口弁に関連し、該各出口弁を制御するアクチュエータをさらに有する、請求項１７に記載の水素燃料自動車。

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