JP5327382B2 - 水素充填システム - Google Patents

Description

本発明は、水素充填システムに係り、特に水素充填機から複数の水素タンクに水素ガスを充填する水素充填システムに関する。

水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池を搭載する車両は、水素タンクに水素ガスを充填し、その水素ガスを消費しながら走行する。したがって、水素タンクに水素ガスが不足すると、水素供給ステーション等に立ち寄って水素タンクに水素ガスを充填する必要がある。

例えば、特許文献１には、水素供給ステーションとして、車載用水素貯蔵タンクの最高使用圧力を検出するタンク仕様検出手段を用いて、水素ガスが供給されるタンクの最高使用圧力に応じて、水素供給タンクからの供給を制御することが述べられている。ここでは、車両に設けられたアース端子に接続するアースアダプタについてその形状と車両側のアース端子とが車載用水素貯蔵タンクの最高仕様圧力に応じて異なるものとして、これをタンク仕様検出手段とすることが開示されている。

また、特許文献２には、車両内に単一のタンクを搭載するよりも放熱特性の異なる複数のタンクを搭載した方がそれぞれの特性を活かすことができる点で効率的である反面、それぞれのタンクに一斉に充填を開始すると、各タンクのガス温度上昇量が異なるため、タンク間のガスの充填効率が不均一となり効率的な充填が行えないことを指摘している。そこで、ガス燃料充填方法として、放熱特性の異なる複数のタンクのガス燃料充填口にそれぞれ充填配管を接続し、放熱特性の高いタンクからガス燃料の充填を行うように充填流路切替手段を車両内に有することが述べられている。

特開２００５−６９３２７号公報 特開２００５−１５５８６９号公報

特許文献２に述べられているように、車両の搭載スペースの有効利用からは、形状の異なる複数の水素タンクを搭載することがある。その場合に、いずれのタンクにも均等な充填状態とすることが好ましい。

ところで、形状や材質が異なる水素タンクの場合は、水素充填の際の温度上昇が異なることがあり、１つの水素充填機から同じ圧力で複数の水素タンクに水素ガスを供給しても、温度が異なると、同じ圧力でも水素ガスの密度が異なることから、充填率に差が生じることになる。例えば、１つの水素タンクは満充填状態になったにもかかわらず、他の水素タンクが満充填状態にならないことが生じる。複数の水素タンクなかで満充填ができない水素タンクがあると、利用できる燃料ガスの量が少なくなるので、電気自動車の航続距離が低下する。特許文献２では、このような場合に、充填流路切替手段を用いて、充填の順番を工夫しているが、装置が複雑になるうえ、切替のために充填時間が余計にかかる。

本発明の目的は、複数の水素タンクに均等な充填を行うことを可能とする水素充填システムを提供することである。他の目的は、複数の水素タンクのいずれも満充填状態とすることを可能とする水素充填システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る水素充填システムは、タンク表面積の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複数の水素タンクに水素ガスを充填する水素充填システムであって、水素充填機と各水素タンクとをそれぞれ接続する各供給路と、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗よりも増大させ、または、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の圧力損失を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の圧力損失よりも増大させる流れ制限部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る水素充填システムにおいて、流れ制限部は、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路に設けられるオリフィス絞りであることが好ましい。

また、本発明に係る水素充填システムにおいて、流れ制限部は、各供給路に設けられる逆止弁であって、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路に設けられる逆止弁のクラッキング圧が、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路に設けられる逆止弁のクラッキング圧よりも高いことが好ましい。

また、本発明に係る水素充填システムにおいて、複数の水素タンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい水素タンクは、熱流束の小さい水素タンクに比べ、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。
さらに、本発明に係る別の態様の水素充填システムは、単位体積当り表面積が異なる複 数の水素タンクに水素ガスを充填する水素充填システムであって、水素充填機と各水素タ ンクとをそれぞれ接続する各供給路と、単位体積当り表面積が大きいために同じ充填時間 内でタンク内温度が上昇しにくい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を、単位体積 当り表面積が小さい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗よりも増大させる流れ制限 部と、を備える。

上記構成により、水素充填システムは、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗よりも増大させ、または、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の圧力損失を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の圧力損失よりも増大させる流れ制限部を備える。

水素充填に伴って水素タンク内の温度が上昇するが、熱流束の大きい水素タンクの方が熱流束の小さい水素タンクよりも温度上昇が少ない。そのために、同じ圧力で水素ガスを充填すると、熱流束の大きい水素タンクの方が熱流束の小さい水素タンクよりも充填率が高くなる。上記構成によれば、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を大きくする場合には、熱流束の小さい水素タンクに先に水素ガスが充填され、それが満充填になってそれ以上水素ガスが充填されなくなった後で、熱流束の小さい水素タンクと同じ状態になるまで熱流束の大きい水素タンクに充填が行われる。したがって、充填が終了したときには、いずれの水素タンクも満充填となる。また、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の圧力損失を大きくする場合には、タンク内圧力について、熱流束の大きい水素タンクの方を低くできるので、熱流束の小さい水素タンクと同じ充填率とすることができる。

また、水素充填システムにおいて、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路にオリフィス絞りを設ける。このように簡単な構成で熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を大きくすることができる。

また、水素充填システムにおいて、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路にクラッキング圧の高い逆止弁を設け、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路にクラッキング圧の低い逆止弁を設ける。逆止弁のクラッキング圧とは、圧力が上昇して逆止弁が開き始めてある一定の流れの量が認められるようになる圧力であるので、クラッキング圧が高いということは、逆止弁が開く圧力が高いということである。つまり、クラッキング圧の高い逆止弁の方が、逆止弁における圧力損失が大きくなる。このように、逆止弁のクラッキング圧の調整で、水素タンクに接続される供給路の圧力損失を簡単に設定できる。

また、水素充填システムにおいて、複数の水素タンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、熱流束の大きい水素タンクは、熱流束の小さい水素タンクに比べ、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、車両に複数の水素タンクが搭載されると、その（表面積／体積）の相違、構成材料の相違、車両搭載位置によって、複数の水素タンクの間で、その熱流束に相違ができる。その相違に従い、熱流束の大きい水素タンクには高温の水素ガス流を供給し、熱流束の小さい水素タンクには低温の水素ガス流を供給することで、複数の水素タンクに、均等に充填を行うことが可能になる。

本発明に係る実施の形態の水素充填システムを用いて電気自動車に搭載された２つの水素タンクに水素充填を行う様子を説明する図である。 比較のために、従来技術における水素充填システムを説明する図である。 従来技術における水素充填において、タンク内温度の上昇の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の水素充填システムにおいて、流れ制限部として、熱流束の大きい水素タンク側にオリフィスを設ける様子を説明する図である。 図４の場合において、タンク内温度の上昇の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の水素充填システムにおいて、流れ制限部として、クラッキング圧の異なる逆止弁を設ける様子を説明する図である。 図６の場合において、タンク内温度の上昇の様子を説明する図である。 図６の場合において、タンク内圧力の上昇の様子を説明する図である。 図４において、これとは異なる構成の２つの水素タンクを用いる場合の様子を説明する図である。 図６において、これとは異なる構成の２つの水素タンクを用いる場合の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の水素充填システムにおいて、熱流束の異なるタンクの内容をまとめた図である。

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、水素充填システムとして、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す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、水素充填機から複数の水素タンクに水素ガスを充填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。水素タンクの数は３つ以上であっても構わない。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。

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。

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。

図１は、水素充填システム１０を用いて、電気自動車６に搭載された２つの水素タンク５０，５２に水素充填機１２から水素充填を行う様子を説明する図である。図１には、水素充填システム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電気自動車６が図示されている。図１は、電気自動車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。

水素供給ステーション４は、電気自動車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、車両の立ち寄りやすい道路の傍の適当な箇所に設けられる。

電気自動車６は、図示されていない燃料電池を搭載する車両である。燃料電池は、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、電気自動車６は、そ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、電気自動車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を搭載している。

水素充填部８は、電気自動車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供給チューブ１４の先端の充填先部を気密に差し込むことができる。

水素充填システム１０は、水素充填機１２と、上記の水素供給チューブ１４と、水素充填口２０と、水素供給パイプ３０，３２と、プラグ４６，４８と、水素タンク５０，５２とを含んで構成される。ここでは、水素充填口２０から水素タンクに至る水素供給経路の途中に、後述する流れ制限部が設けられるところに特徴がある。流れ制限部は、図１では図示されていない。

水素充填機１２は、上記のように水素供給ステーション４に備えられるもので、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。

水素供給チューブ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。

水素充填口２０は、上記のように車両に設けられ、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。

水素供給パイプ３０，３２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ある。水素供給パイプ３０，３２は、一方端が１つの水素充填口２０で、他方端が２つの水素タンク５０，５２の接続部材に設けられるプラグ４６，４８であるパイプである。すなわち、２つの水素タンク５０，５２は、同時に並列的に水素充填がされるように、水素供給パイプ３０，３２が設けられる。

プラグ４６，４８は、上記のように、水素タンク５０，５２における接続部材に設けられるガス入口である。なお、水素タンク５０，５２に設けられる接続部材には、水素充填のためのプラグ４６，４８の他に、図示されていない燃料電池への燃料ガス供給のためにガス出口用プラグ、切替弁が設けられ、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。

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として、説明を続ける。

図１の例では、車両の後部トランクの近傍に外径の大きい大型の水素タンク５０が配置され、後部座席の床下近傍に外径の小さい小型の水素タンク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。

図１には図示されていないが、流れ制限部として、オリフィスが水素充填口２０から熱流束の大きい水素タンク５２に至る経路の途中に設けられる。オリフィスは熱流束の小さい水素タンク５０の側には設けられない。流れ制限部としてのオリフィスは、流路抵抗を増大させる機能を有し、ここでは、水素充填機１２から水素充填口２０を経由して水素タンク５２に供給される水素ガスの流れを制限する絞り装置である。

また、流れ制限部として、クラッキング圧の異なる逆止弁を、水素充填口２０から水素タンク５０，５２に至る経路の途中にそれぞれ設けるものとしてもよい。逆止弁のクラッキング圧とは、圧力が上昇して逆止弁が開き始めてある一定の流れの量が認められるようになる圧力のことであるので、クラッキング圧によって、逆止弁における圧力損失が相違する。ここでは、熱流束の大きい水素タンク５２側にクラッキング圧が大きく、圧力損失の大きい逆止弁を設け、熱流束の小さい水素タンク５０側にクラッキング圧が小さく、圧力損失の小さい逆止弁を設ける。

流れ制限部の内容の説明には、従来技術の水素充填の内容と比較することがよい。そこで、仮に、図１の構成において従来技術の水素充填方法を用いたとすると、どのようなものであるかを、まず説明する。その後に、オリフィスや逆止弁等の分離機構を用いる水素充填システム１０の詳細な説明を行う。図２は、図１の水素充填システム１０において、分離機構を設けないときの車両内の構成要素の様子を示す図である。

図２において、分岐部２２は、水素充填口２０から各水素タンク５０，５２用の水素供給パイプ３０，３２に分岐させる部材である。分岐部２２としては、Ｔ字型継手を用いることができる。圧力計２４は、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圧力検出手段である。

開閉弁３４，３６は、各水素供給パイプ３０，３２と各水素タンク５０，５２とを接続するガス流路の経路の中間に設けられる開閉バルブである。水素充填を行わないときは、開閉弁３４，３６は閉状態とされ、水素充填を行うときは開閉弁３４，３６が開状態とされる。通常の水素充填作業においては、２つの開閉弁３４，３６の開閉は、同時に行われる。すなわち、水素充填は、各水素タンク５０，５２に対し同時並行的に行われる。開閉弁３４，３６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の充填制御部からの制御信号によって開閉作動が行われる。水素充填口２０の構造によっては、開閉弁３４，３６を省略することもできる。

圧力計３８，４０は、各水素タンク５０，５２の充填圧力を検出する圧力検出手段である。圧力計３８，４０は、各水素タンク５０，５２のガス出入口のすぐ近くに設けられるので、実質的には、各水素タンク５０，５２のタンク内圧力を検出することになる。

温度計４２，４４は、各水素タンク５０，５２のタンク内温度を検出する温度検出手段である。圧力計３８，４０の検出データと、温度計４２，４４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のタンク内圧力と、タンク内温度を監視しながら行われる。

このように、外径の異なる水素タンク５０，５２を用いて、水素充填口２０から同時並行的に水素充填が行われると、各水素タンク５０，５２のタンク内圧力は、互いに同じ値を維持しながら充填が進行すると共に上昇する。それと共にタンク内温度も上昇する。

充填と共にタンク内温度が上昇するのは、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ためである。例えば、水素充填機１２から室温で高圧水素ガスが吐出されるとして、充填が行われる各水素タンク５０，５２のタンク内の温度は、約１００℃程度まで上昇する。

タンク内温度の上昇の程度は、各水素タンク５０，５２の熱流束の相違によって異なってくる。熱流束とは、単位面積を流れる熱流量の大きさで、Ｗ／ｃｍ ² の次元を有する量である。水素タンクの場合、中に充填された水素ガスからライナに向かう熱流束が大きいと放熱性がよいことになるので、熱流束は、通常の場合は放熱性を示すものとして扱うことができる。すなわち、放熱性がよいことは、大きな熱流束の値を有することである。

熱流束の値は、水素タンクの形状によって異なる。水素タンクの表面積は熱流束が流れる面積となるので、表面積が大きいほど放熱性はよい。相対的に水素タンクの放熱性を比較するには、表面積を体積で除した値を用いることができる。図１，２の例では、水素タンク５０は、水素タンク５２と長さが同じで、外径が大きい。したがって、形状以外の相違点がないとして、大型の水素タンク５０の熱流束は、小型の水素タンク５２の熱流束よりも小さな値となる。分かりやすくいえば、大型の水素タンク５０の方が、小型の水素タンク５２よりも放熱性がよくない。

図３は、熱流束の異なる２つの水素タンク５０，５２に同時並行的に、同じ充填圧力のもとで水素ガスの充填が行われるときの充填時間ｔと各水素タンク５０，５２のタンク内温度の関係を示す図である。図２に示すように、水素タンク５０の温度計４２が検出するタンク内温度をθ₁とし、水素タンク５２の温度計４４が検出するタンク内温度をθ₂として表す。ここで、図２は、分離機構がないときの比較のための従来技術のものであるので、この場合の水素タンク５０のタンク内温度をθ₀₁とし、水素タンク５２のタンク内温度をθ₀₂として表すものとする。

図３に示されるように、熱流束の値の大きい水素タンク５２のタンク内温度θ₀₂は、放熱性がよいのであまり上昇しないのに比べ、熱流束の値の小さい水素タンク５０のタンク内温度θ₀₁は、かなり上昇する。

図２に示すように、水素タンク５０の圧力計３８が検出するタンク内圧力をＰ₁とし、水素タンク５２の圧力計４０が検出するタンク内圧力をＰ₂とすると、水素充填は水素タンク５０，５２で同時並行的に行われるので、Ｐ₁＝Ｐ₂である。このように、タンク内圧力Ｐ₁とＰ₂が同じで、タンク内温度θ₀₁とθ₀₂が相違すると、水素タンク５０，５２内の水素ガスの密度が異なってくる。つまり、同じ充填時間であるのに、水素タンク５０，５２の間で充填率が異なる。水素充填は、タンク内圧力が水素充填機１２からの供給圧力以上にはならないので、タンク内圧力Ｐ₁＝Ｐ₂が水素充填機１２のところの供給圧力から水素タンクまでの圧力損失を差し引いた圧力となると、これ以上充填が進まない。

充填がこれ以上進まないときの充填率のように、充填状態を示す指標を、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）とすると、形状の異なる水素タンク５０，５２の間で、同じ充填時間でＳＯＣが相違してくることになる。図２の例で言えば、熱流束の値の小さい大型の水素タンク５０のＳＯＣは、熱流束の値の大きい小型の水素タンク５２のＳＯＣよりも小さくなる。図２では、水素タンク５０，５２に付された斜線の密度で、このＳＯＣの相違が示されている。なお、ＳＯＣが１００％がいわゆる満充填状態である。

このように、従来技術においては、水素タンクに同時並行的に水素充填を行うと、各水素タンクのそれぞれの熱流束の値に応じて、ＳＯＣが相違してくる。各水素タンクのＳＯＣが相違し、満充填状態とならない水素タンクがあると、全部の水素タンクのＳＯＣが同じの場合に比べ、全体としての利用可能な水素ガスの量が低下する。電気自動車６に搭載される水素タンク５０，５２の場合、車両の航続距離が低下することになる。

次に、流れ制限部を設ける水素充填システム１０の詳細な内容を説明する。図４は、図２に対応する図で、流れ制限部として、オリフィス１２０を設ける水素充填システム１０の車両内の構成要素の様子を示す図である。図２と相違するのは、水素充填口２０と、熱流束の値の大きい水素タンク５２との間にオリフィス１２０が設けられることである。

オリフィス１２０は、上記のように、絞り装置で、具体的には、水素ガスの流路を狭く絞って、その流路の流路抵抗を増大させる機能を有する。オリフィス１２０は、熱流束の値の大きな水素タンク５２の側にのみ設けられ、熱流束の値の小さな水素タンク５０の側には設けられない。したがって、１つの水素充填口２０から同じ条件で水素ガスが供給されても、水素タンク５０の側の水素ガスの流れに対する流路抵抗は、水素タンク５２の側の流路抵抗より小さいので、最初は、水素ガスのほとんどが水素タンク５０の側に流れる。そして、水素タンク５０にこれ以上水素ガスが充填されない満充填状態になると、次に、その水素タンク５０と同じ充填状態まで、水素タンク５２に水素ガスの充填が行われることになる。

そのことをタンク内温度の変化で示したのが図５である。図５は、図３に対応する図で、横軸が充填時間ｔ、縦軸がタンク内温度θである。図５に示されるように、充填の最初の時期は、流路抵抗の相違により、水素充填口２０から供給される水素ガスのほとんどが水素タンク５０に流れるので、水素タンク５０のタンク内温度θ₁が充填時間ｔと共に上昇する。その上昇の程度は、図３で説明したθ₀₁とほぼ同じである。そして、水素タンク５０に水素ガスが満充填状態に近づくにつれ、次第に水素ガスが水素タンク５０に充填しがたくなる。そのことについては、充填時間ｔが長くなるとタンク内温度θ₁が飽和してくることで示されている。

水素ガスが水素タンク５０に充填しがたくなると、相対的に水素タンク５２への充填が進む。このことが、水素タンク５２のタンク内温度θ₂が充填の初期は低く、水素タンク５０のタンク内温度θ₁が飽和するに従って、次第にθ₂が上昇してくることで示されている。そして、水素タンク５２に水素ガスが次第に充填され、最終的には、水素タンク５０のＳＯＣと水素タンク５２のＳＯＣが同じとなって、いずれの水素タンク５０，５２も満充填状態となる。

このように、熱流束の値の大きい水素タンク５２の側にのみオリフィスを設けることで、最初に熱流束の値の小さい水素タンク５０を満充填状態とし、ついで熱流束の値の大きな水素タンク５２を満充填状態とすることができる。

図６は、流れ制限部として、クラッキング圧の異なる逆止弁を、水素充填口２０から水素タンク５０，５２に至る経路の途中にそれぞれ設ける場合の様子を説明する図である。ここでは、熱流束の大きい水素タンク５２側にクラッキング圧ΔＰ₂を有する逆止弁１３２を設け、熱流束の小さい水素タンク５０側にクラッキング圧ΔＰ₁を有する逆止弁１３０を設ける。ΔＰ₁とΔＰ₂の関係は、ΔＰ₂＞ΔＰ₁と設定される。すなわち、逆止弁１３２の圧力損失の方が、逆止弁１３０の圧力損失より大きい。

逆止弁１３０，１３２を設けないときの水素タンク５０，５２のタンク内圧力をそれぞれＰ₀₁，Ｐ₀₂とすると、同じ水素充填口２０から同時並行的に水素タンク５０，５２に水素ガスが供給されるので、Ｐ₀₁＝Ｐ₀₂である。上記のクラッキング圧を有する逆止弁１３０，１３２を設けると、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ₁は、Ｐ₁＝Ｐ₀₁−ΔＰ₁で、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ₂は、Ｐ₂＝Ｐ₀₂−ΔＰ₂である。ここで、ΔＰ₂＞ΔＰ₁であるので、Ｐ₁＞Ｐ₂となる。

その様子が図７と図８に示される。図７は、図３に対応する図で、横軸が充填時間ｔで、縦軸がタンク内温度θである。水素タンク５０の方の熱流束の値が水素タンク５２の熱流束の値よりも小さいので、水素タンク５０のタンク内温度θ₁の方が水素タンク５２のタンク内温度θ₂よりも高い。したがって、水素タンク５０のタンク内圧力と水素タンク５２のタンク内圧力とが同じのままであれば、これは従来技術の通りであるので、図３で説明したように、水素タンク５０のＳＯＣが水素タンク５２のＳＯＣよりも小さくなることになる。

図８は、タンク内圧力Ｐの様子を示す図で、横軸が充填時間ｔ、縦軸がタンク内圧力Ｐである。上記のように、水素タンク５０のタンク内圧力Ｐ₁は、Ｐ₁＝Ｐ₀₁−ΔＰ₁で、水素タンク５２のタンク内圧力Ｐ₂は、Ｐ₂＝Ｐ₀₂−ΔＰ₂である。ここで、Ｐ₀₁＝Ｐ₀₂で、ΔＰ₂＞ΔＰ₁であるので、Ｐ₁＞Ｐ₂となる。このように、図６の構成によれば、水素タンク５０，５２のタンク内圧力を異ならせることができ、熱流束の大きい水素タンク５２の方のタンク内圧力Ｐ₂を熱流束の小さい水素タンク５０の方のタンク内圧力Ｐ₁より小さくできる。これによって、水素タンク５０のＳＯＣを水素タンク５２のＳＯＣに近づけることができる。そして、ΔＰ₁とΔＰ₂の適切な設定によって、水素タンク５０，５２を満充填状態とすることはできないが、ＳＯＣを同じとすることができる。

上記では、形状の異なる水素タンク５０，５２について説明したが、水素タンクの材質が異なれば、形状が同じでも熱流束の値が相違する。図９は、流れ制限部としてオリフィス１２０を備える水素充填システム１０において、円筒形状の長さも外径も同じであるが、ライナ材質が異なる２つの水素タンク５２，５４を用いる場合を示してある。図４と比較しやすいように、ここでは、水素タンク５２がアルミニウムライナを用いるもの、水素タンク５４が樹脂ライナを用いるものとした。図９では、水素タンク５４を二重外形線で示し、水素タンク５２と区別できるようにしてある。

この場合、水素タンク５４の方が水素タンク５２よりも熱流束の値が小さい。そして、オリフィス１２０は熱流束の値の大きい水素タンク５２の側にのみ設けられる。したがって、この構成でも、図４、図５で説明したのと同じ作用効果を奏し、水素タンク５２，５４のＳＯＣを同じとし、いずれも満充填とすることができる。

図１０は、流れ制限部として、クラッキング圧の異なる逆止弁１３０，１３２を備える水素充填システム１０において、円筒形状の長さも外径も同じであるが、アルミニウムライナの水素タンク５２と、樹脂ライナの水素タンク５４を用いる場合である。

この場合も水素タンク５４の方が水素タンク５２よりも熱流束の値が小さい。そして、熱流束の小さい水素タンク５４側にクラッキング圧ΔＰ₁を有する逆止弁１３０が設けられ、熱流束の大きい水素タンク５２側にクラッキング圧ΔＰ₂を有する逆止弁１３２を設けられる。したがって、この構成でも、図６から図８で説明したのと同じ作用効果を奏し、水素タンク５２，５４のＳＯＣを同じとすることができる。

図１１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、図２、図４、図６で説明したように、水素タンクの（表面積／体積）の相違がある。図１１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。図９、図１０で説明したように、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。

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１１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。

本発明に係る水素充填システムは、複数の水素タンクに水素ガスを並列的に充填するシステムに利用できる。

４ 水素供給ステーション、６ 電気自動車、８ 水素充填部、１０ 水素充填システム、１２ 水素充填機、１４ 水素供給チューブ、２０ 水素充填口、２２ 分岐部、２４，３８，４０ 圧力計、３０，３２ 水素供給パイプ、３４，３６ 開閉弁、４２，４４，４８ 温度計、４６，４８ プラグ、５０，５２，５４ 水素タンク、１２０ オリフィス、１３０，１３２ 逆止弁。

Claims (5)

1. タンク表面積の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複数の水素タンクに水素ガスを充填する水素充填システムであって、
   水素充填機と各水素タンクとをそれぞれ接続する各供給路と、
   熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の流路抵抗よりも増大させ、または、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路の圧力損失を、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路の圧力損失よりも増大させる流れ制限部と、
   を備えることを特徴とする水素充填システム。
2. 請求項１に記載の水素充填システムにおいて、
   流れ制限部は、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路に設けられるオリフィス絞りであることを特徴とする水素充填システム。
3. 請求項１に記載の水素充填システムにおいて、
   流れ制限部は、各供給路に設けられる逆止弁であって、熱流束の大きい水素タンクに接続される供給路に設けられる逆止弁のクラッキング圧が、熱流束の小さい水素タンクに接続される供給路に設けられる逆止弁のクラッキング圧よりも高いことを特徴とする水素充填システム。
4. 請求項１に記載の水素充填システムにおいて、
   複数の水素タンクは車両に搭載される燃料ガスタンクであり、
   熱流束の大きい水素タンクは、熱流束の小さい水素タンクに比べ、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水素充填システム。
5. 単位体積当り表面積が異なる複数の水素タンクに水素ガスを充填する水素充填システム であって、
   水素充填機と各水素タンクとをそれぞれ接続する各供給路と、
   単位体積当り表面積が大きいために同じ充填時間内でタンク内温度が上昇しにくい水素 タンクに接続される供給路の流路抵抗を、単位体積当り表面積が小さい水素タンクに接続 される供給路の流路抵抗よりも増大させる流れ制限部と、
   を備えることを特徴とする水素充填システム。

Images