JP2018021651A

JP2018021651A - ガス充填システム

Info

Publication number: JP2018021651A
Application number: JP2016155012A
Authority: JP
Inventors: 近藤　俊行; Toshiyuki Kondo; 俊行近藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-02-08
Also published as: US20180038550A1; US11585490B2; CN107687570A; US20200325656A1

Abstract

【課題】コストの大幅な上昇を抑えつつ、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えることなくガスタンクのＳＯＣをより高めることができるガス充填システムを提供する。【解決手段】ガス充填システム１は、ガスタンク３とガスステーション２とを備える。ガスステーション２は、ガス送りライン１１と、ガス戻りライン１２と、ガス送りライン１１及びガス戻りライン１２を介してガスタンク３とガスステーション２との間でガスを循環させるガス循環ポンプ１４と、ガス送りライン１１を介してガスステーション２からガスタンク３に送られるガスを冷却するプレクーラ１８と、を有する。プレクーラ１８によりガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスをガスタンク３とガスステーション２との間で循環させながらガスステーション２からガスタンク３にガスを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス充填システムに関する。

車両などに搭載されたガスタンクに対してガスステーションから高圧のガスを供給し、ガスタンクにガスを充填するガス充填システムが知られている。特許文献１には、昇圧された水素ガスを蓄えておく蓄圧器からの室温程度である水素ガスを、プレクーラで熱交換することによって所定の温度に冷却してからガスタンクに充填する、ガス充填システムが記載されている。充填するガスを冷却することにより、ガスタンクに充填するガス量を増加させている。

特開２０１１−０３３０６８号公報

ところで、燃料電池車両に対する水素ガスの充填方法は、一般的に充填プロトコル規格（ＳＡＥＪ２６０１）に準じた方法により行われる。ガスタンクへのガスの充填中、ガスタンク内においてガスが断熱圧縮されることによる発熱でガスタンク内のガス温度が徐々に上昇する。上記充填プロトコルでは、ガスタンク内のガス温度の上限は８５℃と規定されている。上記充填プロトコルで規定されたガスタンク内のガス温度の上限値（８５℃）を、ガスタンクの耐熱温度（規格上のガスタンクの耐熱温度）としている。充填の際に、ガスの断熱圧縮によってガスタンク内のガスの温度が上昇していく。そのため、ガスの充填において、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えないようにする必要がある。

ガスタンクに充填可能な水素ガス量、すなわち、ガスタンク内の水素ガス密度ρは、容積Ｖのガスタンク内における、水素ガスの圧力をＰ[Ｐａ]、水素ガスの温度をＴ[Ｋ]、水素ガスの質量をＭ[ｋｇ]とすると、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）より、ρ＝Ｍ／Ｖ＝ＭＰ／（ｎＲＴ）で表すことができる。ここで、Ｒは気体定数、ｎは水素ガスのモル数である。ガスタンク内の水素ガス密度ρは、ガスタンク内の圧力Ｐに比例し、ガスタンク内の温度Ｔに反比例する。つまり、ガスタンク内の水素ガス密度ρを高めるためには、充填する水素ガスの圧力をより高くするか、充填する水素ガスの温度をより低くする必要がある。

上述のとおり、特許文献１に記載のガス充填システムは、プレクーラで熱交換することにより充填する水素ガスの温度を低くしてガスタンク内の水素ガス密度ρを高めるものである。しかしながら、特許文献１に記載のガス充填システムにおいて、ガスタンク内の水素ガス密度ρをさらに高めるために充填する水素ガスの温度をより低くしようとすると、プレクーラの冷却能力をより向上させる必要がある。すなわち、プレクーラを、より冷凍能力が高い、高価なものに変更する必要がある。また、プレクーラの冷却能力を向上させると、それに伴い、ガスステーションの各要素において、シール部材などの使用する部材をより低温に耐え得る高価なものに変更する必要がある。このため、ガスステーションの設置コストが大幅に上昇する。

一方、プレクーラの冷却能力を維持したままで、充填する水素ガスの圧力をより高くすることも考えられる。しかしながら、このようにすると、ガスの充填において、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えてしまう。以下、図８を参照して、プレクーラの冷却能力を維持したままで充填する水素ガスの圧力をより高くすると、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えてしまうことのメカニズムについて説明する。

図８は、発明者らが開発したガス充填システムによりガスタンクを充填するときのガスタンク内における水素ガスの圧力と温度との関係を示すグラフである。ここで、プレクーラにより−４０℃に冷却された水素ガスがガスステーションからガスタンクに供給される。グラフの横軸はガスタンク内の水素ガスの温度（単位は℃）、グラフの縦軸はガスタンク内の水素ガスの圧力（単位はＭＰａ）を表す。実線Ｅｄ１はＳＯＣ１００％の等密度線、実線Ｅｄ４はＳＯＣ１３０％の等密度線、を表す。ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）は、ガスタンクの充填率であり、温度が１５℃で圧力がガスタンクの通常動作圧力（ＮＷＰ：ＮｏｒｍａｌＷｏｒｋｉｎｇＰｒｅｓｓｕｒｅ）である時の水素ガス密度を１００％とする。

図８に示すように、ガスタンクを空の状態（状態Ａ３）からＳＯＣ１００％まで充填する場合、ガスタンク内における水素ガスの圧力及び水素ガスの温度は、状態Ａ３から状態Ｂ３へと破線Ｌ２１のように推移する。充填完了時の状態（状態Ｂ３）において、ガスタンク内における水素ガスの圧力は８７．５ＭＰａである。このとき、ガスタンク内における水素ガスの温度は、ガスタンクの耐熱温度である８５℃になる。

これに対し、ガスタンクを、空の状態（状態Ａ３）からＳＯＣ１３０％まで充填する場合、ガスタンク内における水素ガスの圧力及び水素ガスの温度は状態Ａ３から状態Ｃ３へと破線Ｌ２２のように推移する。充填完了時の状態（状態Ｃ３）において、ガスタンク内における水素ガスの圧力は、状態Ｂ３の８７．５ＭＰａよりも高い１３０ＭＰａ超である。このため、状態Ｃ３では、状態Ｂ３と比べてガスタンク内のガスがより断熱圧縮される。これにより、状態Ｃ３では、ガスタンク内における水素ガスの温度は、ガスタンクの耐熱温度（８５℃）よりも高い１００℃超になる。すなわち、ガスタンクをＳＯＣ１３０％まで充填する場合、プレクーラの冷却能力をＳＯＣ１００％まで充填する場合と同じにすると、充填完了時のガスタンク内における水素ガスの温度はガスタンクの耐熱温度である８５℃を超えてしまう。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、コストの大幅な上昇を抑えつつ、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えることなくガスタンクのＳＯＣをより高めることができるガス充填システムを提供することを目的とする。

本発明は、ガスタンクと、前記ガスタンクにガスを供給するガスステーションと、を備えるガス充填システムであって、前記ガスステーションは、前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを送るためのガス送りラインと、前記ガスタンク内のガスを前記ガスステーションに戻すためのガス戻りラインと、前記ガス送りライン及び前記ガス戻りラインを介して前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間でガスを循環させるガス循環ポンプと、前記ガス送りラインを介して前記ガスステーションから前記ガスタンクに送られるガスを冷却するガス冷却部と、を有し、前記ガス冷却部により前記ガスタンクの耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスを前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間で循環させながら前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを供給するものである。
ガスタンクへのガスの充填において、ガス冷却部によりガスタンクの耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスを、ガス循環ポンプによりガスタンクとガスステーションとの間で循環させながらガスステーションからガスタンクにガスを供給することにより、ガスタンク内のガスがガスタンクの耐熱温度よりも低い温度に冷却される。これにより、充填中にガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えることがない。さらに、充填中にガスを循環させる場合、ガスタンクからガスステーションへと戻されたガスはガス冷却部により冷却されることにより圧力が下がるが、冷却によってガスの圧力が低下した分、ガスステーションからガスタンクにガスをさらに補給できる。これにより、充填中にガスを循環させない場合に対してガスタンクのＳＯＣをより高めることができる。

さらに、前記ガスタンク内のガスの温度が所定の温度まで上昇した後に、前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間で前記ガス冷却部によりガスを循環させながら前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを供給するものである。
ガスの充填において、最初からガスタンクとガスステーションとの間でガスを循環させると、ガスを循環させない場合と比べてガスの充填に要する時間がかかる。このため、ガスタンク内のガス温度が所定の温度（例えば、ガスタンクの耐圧温度）に達するまではガスを循環させずに充填した方が、ガスの充填に要する時間を短縮できる。よって、ガスタンク内のガス温度が所定の温度に達した後に、ガスタンクとガスステーションとの間でガス冷却部によりガスを循環させながらガスステーションからガスタンクにガスを供給することで、ガスの充填に要する時間の増加を抑えつつ、ガスタンクのＳＯＣをより高めることができる。

さらに、前記ガスタンクは車両に搭載され、前記車両は、前記ガスタンクを前記ガス送りラインに接続するためのガス送り側接続口と前記ガスタンクを前記ガス戻りラインに接続するためのガス戻り側接続口とを備え、前記ガス送り側接続口とガス戻り側接続口とは接続部分の形状が異なるものである。
ガス送りラインがガス戻り接続口に誤って接続され、ガス戻りラインがガス送り接続口に誤って接続されるのを防止することができる。

本発明によれば、コストの大幅な上昇を抑えつつ、ガスタンク内のガスの温度がガスタンクの耐熱温度を超えることなくガスタンクのＳＯＣをより高めることができる。

本実施の形態にかかるガス充填システムの概要構成を示す図である。本実施の形態にかかるガス充填システムの詳細な構成を示す図である。本実施の形態にかかるガス充填システムにおけるガス充填方法について説明する図である。ＳＯＣ１００％の状態からガスタンクとガスステーションとの間で水素ガスを循環させたときのガスタンク内の圧力及びガスタンク内の温度の推移について説明する図である。各ＳＯＣに対する、充填時及び使用時における、ガスタンク内の圧力及び温度についてまとめた一覧表である。実施の形態２にかかるガス充填システムにおけるガス充填方法について説明する図である。実施の形態２にかかるガス充填システムにおけるガス充填方法でＳＯＣ１００％にする場合と、ガス循環をさせないガス充填方法でＳＯＣ１００％にする場合と、のそれぞれにおける、ガスタンク内の圧力及び温度を対比させてまとめた一覧表である。発明者らが開発したガス充填システムによりガスタンクを充填するときのガスタンク内における水素ガスの圧力と温度との関係を示すグラフである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。ここでは、ガス充填システムとして、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に対して、ガスステーションから水素ガスを充填する例を説明する。なお、燃料電池システムは、公知のとおり、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば空気）の電気化学反応によって発電する燃料電池などを備える。

まず、図１を参照して本実施の形態にかかるガス充填システム１の概略構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかるガス充填システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるガス充填システム１は、ガスタンク３とガスタンク３にガスを供給するガスステーション２とを備える。ガスステーション２は、ガス送りライン１１と、ガス戻りライン１２と、ガス送りライン１１及びガス戻りライン１２を介してガスタンク３とガスステーション２との間でガスを循環させるガス循環ポンプ１４と、ガス送りライン１１を介してガスステーション２からガスタンク３に送られるガスを冷却するガス冷却部としてのプレクーラ１８と、を有する。ガス充填システム１において、プレクーラ１８によりガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスをガスタンク３とガスステーション２との間で循環させながらガスステーション２からガスタンク３にガスを供給する。

ガスタンク３へのガスの充填において、プレクーラ１８によりガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスを、ガス循環ポンプ１４によりガスタンク３とガスステーション２との間で循環させながらガスステーション２からガスタンク３にガスを供給することにより、ガスタンク３内のガスがガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却される。これにより、充填中にガスタンク３内のガスの温度がガスタンク３の耐熱温度を超えることがない。さらに、充填中にガスを循環させる場合、ガスタンク３からガスステーション２へと戻されたガスはプレクーラ１８により冷却されることにより圧力が下がるが、冷却によってガスの圧力が低下した分、ガスステーション２からガスタンク３にガスをさらに補給できる。これにより、充填中にガスを循環させない場合に対してガスタンク３のＳＯＣをより高めることができる。

次に、図２を参照して本実施の形態にかかるガス充填システム１のより詳細な構成について説明する。図２は、ガス充填システム１の詳細な構成を示す図である。
図２に示すように、ガス充填システム１は、ガスタンク３と、ガスステーション２と、を備えている。

ガスタンク３は、車両５０に搭載される。ガスタンク３は、燃料電池への燃料ガス供給源であり、水素ガスを貯留可能な高圧タンクである。ガスタンク３内の水素ガスは、図示省略した供給管路を介して燃料電池に供給される。ガスタンク３には、ガスタンク３内の圧力を検出するための圧力センサ５１及びガスタンク３内の温度を検出するための温度センサ５２が設けられている。

ガスステーション２は、ガス送りライン１１と、ガス戻りライン１２と、ガス循環ポンプ１４と、蓄圧器１５と、プレクーラ（ガス冷却部）１８と、を有している。ガス送りライン１１は、ガスステーション２からガスタンク３にガスを送るためのガス流路であり、図２中の一点鎖線で示される。また、ガス戻りライン１２は、ガスタンク３内のガスをガスステーション２に戻すためのガス流路であり、図２中の破線で示される。

ガス循環ポンプ１４は、ガス送りライン１１及びガス戻りライン１２を介してガスタンク３とガスステーション２との間でガスを循環させるためのものである。ガス循環ポンプ１４として、例えば、ブロアファンを用いることができる。蓄圧器１５は、所定の圧力（例えば９５ＭＰａ）まで昇圧された水素ガスを蓄えておくためのもので、ガス送りライン１１に設けられている。蓄圧器１５には、ガス送りライン１１に供給される水素ガスの流量を調節するための流量制御弁４８が設けられている。なお、蓄圧器１５は、蓄圧する圧力が異なる蓄圧タンクを複数備えていてもよい。

プレクーラ１８は、熱交換により、ガス送りライン１１を介してガスステーション２からガスタンク３に送られるガスをガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却する。プレクーラ１８による熱交換の形式としては、隔壁式、中間媒体式及び蓄熱式のいずれも用いることができ、構造としては公知のものを適用することができる。図２に示す例では、プレクーラ１８による熱交換の形式は、プレクール熱交換器３２と冷凍機３１との間で冷媒を循環させ、プレクール熱交換器３２において水素ガスと冷媒との間で熱交換を行う、中間媒体式である。

ガスステーション２は、ガスタンク３に対してガス充填を行う際にユーザが充填操作を行うためのディスペンサー（充填器）４０をさらに備えている。また、ガスステーション２は、ガスステーション２からガスタンク３へのガスの充填を制御する制御部２０をさらに備えている。

ディスペンサー４０は、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの流量を調整する流量制御弁４４と、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの流量を計測する流量計４３と、を備えている。なお、ガスステーション２において、ディスペンサー４０以外の部分をガスステーション本体３０とする。流量制御弁４４は、電気的に駆動される弁であり、駆動源として、例えば、ステップモータを備える。流量制御弁４４は、制御部２０からの指令に従って、ステップモータにより弁開度が変更されることで、水素ガスの流量を調整する。これにより、ガスタンク３への水素ガスの充填流量が制御される。この制御された充填流量が流量計４３によって計測され、その計測結果を受けて所望の充填流量となるように、制御部２０は、流量制御弁４４をフィードバック制御する。

制御部２０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。なお、図２では、制御部２０はディスペンサー４０に設けられているが、これに限るものでなく、ガスステーション本体３０に設けられてもよい。また、制御部２０は、ガスステーション２ではなく、車両５０に設けられてもよい。

上述した、プレクーラ１８のプレクール熱交換器３２は、水素ガスがガスタンク３に充填される直前の位置で冷却されるように、ディスペンサー４０に設置されるのが好ましい。ガス送りライン１１には、プレクーラ１８のガス流れ方向下流の位置において、ガスステーション２からガスタンク３への水素ガスの供給・停止を切り替えするための主止弁４７が設けられている。また、ガス送りライン１１には、プレクーラ１８のガス流れ方向下流の位置において、ガスタンク３に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４１と、ガスタンク３に供給される水素ガスの温度を検出する温度センサ４２が設けられている。

ガス送りライン１１の一部は、ガス送り用ホースとしてディスペンサー４０から延出している。また、ガス戻りライン１２の一部は、ガス戻り用ホースとしてディスペンサー４０から延出している。ガス送り用ホースの先端にはガス送り側ノズル４５が設けられ、ガス戻り用ホースの先端にはガス戻り側ノズル４６が設けられている。

車両５０には、ガスタンク３をガス送りライン１１に接続するためのガス送り側レセプタクル（ガス送り側接続口）５３と、ガス戻り側レセプタクル（ガス戻り側接続口）５４と、が設けられている。すなわち、ガス送り側レセプタクル５３はガス送り側ノズル４５と結合し、ガス戻り側レセプタクル５４はガス戻り側ノズル４６と結合する。接続作業を簡便にするため、ガス送り側レセプタクル５３及びガス戻り側レセプタクル５４は、車両５０における同一のフューエルリッド内に設けられるのが好ましい。また、ガス送り側ノズル４５がガス戻り側レセプタクル５４に誤って結合され、ガス戻り側ノズル４６がガス送り側レセプタクル５３に誤って結合されるのを防止するため、ガス送り側レセプタクル５３とガス戻り側レセプタクル５４とは接続部分の形状を異なるものにするのが好ましい。

ガス送り側レセプタクル５３とガスタンク３とを接続する充填管路５５には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁５６が設けられる。また、ガスタンク３とガス戻り側レセプタクル５４とを接続する還流管路５７には、ガスの排出を停止する主止弁５８及び減圧弁５９が設けられる。減圧弁５９は、ガスタンク３からガス戻りライン１２に排出されるガスの圧力が所定の圧力（例えば８７．５ＭＰａ）よりも高い場合に、所定の圧力まで減圧するためのものである。

次に、図３を参照して、本実施の形態にかかるガス充填システム１におけるガス充填方法について説明する。なお、以下の説明では図２についても適宜参照する。図３は、ガス充填システム１におけるガス充填方法について説明する図である。ここで、グラフの横軸はガスタンク３内の水素ガスの温度（単位は℃）、グラフの縦軸はガスタンク３内の水素ガスの圧力（単位はＭＰａ）を表す。実線Ｅｄ１はＳＯＣ１００％の等密度線、実線Ｅｄ２はＳＯＣ１２０％の等密度線、実線Ｅｄ３はＳＯＣ１２５％の等密度線、実線Ｅｄ４はＳＯＣ１３０％の等密度線、を表す。

図３に示すように、まず、ガスタンク３が空の状態（状態Ａ１）からＳＯＣ１００％の状態（状態Ｂ１）になるまでは、ガスタンク３とガスステーション２との間で水素ガスを循環させずにガス充填を行う。すなわち、ガス送りライン１１の主止弁４７を開き、プレクーラ１８により−４０℃の温度に冷却された高圧の水素ガスがガスステーション２からガスタンク３に供給される。その際、還流管路５７の主止弁５８は閉じたままにしてガスタンク３内の水素ガスをガスステーション２に戻さない。これにより、ガスタンク３内における水素ガスの圧力及び水素ガスの温度は破線Ｌ１に示すように推移する。すなわち、ガスタンク３内のガス温度は上述したガスの断熱圧縮により外気温（ここでは１５℃）からガスタンク３の耐熱温度である８５℃まで上昇し、ガスタンク内のガス圧力は０ＭＰａから所定の圧力（ここでは８７．５ＭＰａ）まで上昇する。

次に、ガスタンク３とガスステーション２との間でプレクーラ１８により冷却された水素ガスを循環させながらガスステーション２からガスタンク３に水素ガスを供給する。すなわち、温度センサ５２により検出されたガスタンク３内の水素ガスの温度がガスタンク３の耐熱温度まで上昇した後に、制御部２０が還流管路５７の主止弁５８を開き、ガス循環ポンプ１４によりガスタンク３とガスステーション２との間で水素ガスを循環させる。ガスタンク３とガスステーション２との間で循環する水素ガスはプレクーラ１８により冷却される。ガスタンク３からガスステーション２へと戻された水素ガスは、プレクーラ１８でガスタンク３の耐熱温度である８５℃以下の温度に冷却されることによって圧力が下がる。このため、制御部２０は、圧力センサ５１により検出されたガスタンク３内の水素ガスの圧力が所定の圧力（ここでは８７．５ＭＰａ）に維持されるように、流量制御弁４８を制御し、蓄圧器１５から水素ガスを補給する。すなわち、ガスタンク３内において、蓄圧器１５から補給された分だけ水素ガス量が増加する。

ガスタンク３のＳＯＣを１００％から１２０％に高める場合、状態Ｂ１から破線Ｌ２とＳＯＣ１２０％の等密度線Ｅｄ２とが交わる状態Ｃ１まで、すなわち、ガスタンク３内の水素ガスの温度が８５℃から約０℃になるまで、水素ガスの循環を継続する必要がある。この場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスはプレクーラ１８により０℃の温度に冷却される必要がある。

ガスタンク３のＳＯＣを１００％から１２５％に高める場合、状態Ｂ１から実線Ｌ２とＳＯＣ１２５％の等密度線Ｅｄ３とが交わる状態Ｄ１まで、すなわち、ガスタンク３内の水素ガスの温度が８５℃から−２０℃になるまで、水素ガスの循環を継続する必要がある。この場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスはプレクーラ１８により−２０℃の温度に冷却される必要がある。

ガスタンク３のＳＯＣを１００％から１３０％に高める場合、状態Ｂ１から実線Ｌ２とＳＯＣ１３０％の等密度線Ｅｄ４とが交わる状態Ｅ１まで、すなわち、ガスタンク３内の水素ガスの温度が８５℃から−３５℃になるまで、水素ガスの循環を継続する必要がある。この場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスはプレクーラ１８により−３５℃の温度に冷却される必要がある。

図４は、ＳＯＣ１００％の状態からガスタンク３とガスステーション２との間で水素ガスを循環させたときのガスタンク内の圧力及びガスタンク内の温度の推移について説明する図である。図４中において、グラフの横軸は時間（単位は秒）を表す。また、破線はガスタンク３のＳＯＣ（縦軸の単位は％）、一点鎖線はガスタンク３内の水素ガスの圧力（縦軸の単位はＭＰａ）、実線は水素ガスの循環流量（縦軸の単位はｇ／秒）、二点鎖線はガスタンク３内の水素ガスの温度（縦軸の単位は℃）、をそれぞれ示す。

図４に示すように、ガスタンク３とガスステーション２との間を循環する水素ガスの流量は一定の値（６０ｇ／秒）に維持する。また、上述したように、蓄圧器１５から水素ガスを補給することで、ガスタンク３内の水素ガスの圧力は所定の圧力である８７．５ＭＰａに維持される。ガスタンク３内の水素ガスの温度Ｔｔａｎｋはガスタンク３の耐熱温度である８５℃から徐々に低下する。図３を参照して説明したように、ガスタンク３内の水素ガスの温度Ｔｔａｎｋは、約０℃になったときにガスタンク３のＳＯＣが１２０％に、約−２０℃になったときにガスタンク３のＳＯＣが１２５％に、約−３５℃になったときにガスタンク３のＳＯＣが１３０％に到達する。

そのため、図４に示すように、ガスを冷却しながら循環させる時間は、ＳＯＣ１２０％では約１００秒、ＳＯＣ１２５％では約１５０秒、ＳＯＣ１３０％では約２７０秒である。ガス循環をさせずにＳＯＣ１００％まで水素ガスを充填するのに要する時間が約１８０秒であるので、ＳＯＣ１２０％の充填所要時間は約２８０秒（１００秒＋１８０秒）、ＳＯＣ１２５％の充填所要時間は約３３０秒（１５０秒＋１８０秒）、ＳＯＣ１３０％の充填所要時間は約４５０秒（２７０秒＋１８０秒）である。

図５は、各ＳＯＣに対する、充填時及び使用時における、ガスタンク内の圧力及び温度についてまとめた一覧表である。図５に示すように、ガスタンク内のＳＯＣが異なれば、当然ながら使用時（外気温度５０℃での使用を想定）におけるガスタンク３内のガスの最高圧力は変わる。しかしながら、本実施の形態にかかるガス充填システム１では、充填時におけるガスタンク３内のガスの最高圧力は、ＳＯＣ１００％、ＳＯＣ１２０％、ＳＯＣ１２５％、ＳＯＣ１３０％のいずれにおいても所定の圧力である８７．５ＭＰａで変わらない。また、充填時におけるガスタンク３内のガスの最高温度も、ＳＯＣ１００％、ＳＯＣ１２０％、ＳＯＣ１２５％、ＳＯＣ１３０％のいずれにおいてもガスタンク３の耐熱温度である８５℃で変わらない。

ガスタンク３を空の状態からＳＯＣ１００％まで充填する際の、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は、ＳＯＣ１００％、ＳＯＣ１２０％、ＳＯＣ１２５％、ＳＯＣ１３０％のいずれにおいても−４０℃で同じである。このとき、プレクーラ１８の冷却能力は−４０℃である。一方、ガスタンク３とガスステーションとの間で循環させる際の、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は、ＳＯＣ１３０％では−３５℃、ＳＯＣ１２５％では−２０℃、ＳＯＣ１２０％では０℃にする必要がある。いずれにおいてもプレクーラ１８の冷却能力である−４０℃より高い。よって、プレクーラ１８の冷却能力を変更せずにガスタンク３のＳＯＣを、１００％から１２０％、１２５％、１３０％と高めることができる。また、充填に要する時間は、ＳＯＣ１００％、ＳＯＣ１２０％、ＳＯＣ１２５％、ＳＯＣ１３０％のいずれにおいても１０分以内であり、２０〜３０分程度の時間を要する電気自動車の急速充電と比べて十分に競争優位性を維持できる。

以上のように、ガスタンク３へのガスの充填において、プレクーラ１８によりガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスを、ガス循環ポンプ１４によりガスタンク３とガスステーション２との間で循環させながらガスステーション２からガスタンク３にガスを供給することにより、ガスタンク３内のガスがガスタンク３の耐熱温度よりも低い温度に冷却される。これにより、充填中にガスタンク３内のガスの温度がガスタンク３の耐熱温度を超えることがない。さらに、充填中にガスを循環させる場合、ガスタンク３からガスステーション２へと戻されたガスはプレクーラ１８により冷却されることにより圧力が下がるが、冷却によってガスの圧力が低下した分、ガスステーション２からガスタンク３にガスをさらに補給できる。これにより、充填中にガスを循環させない場合に対してガスタンク３のＳＯＣをより高めることができる。

実施の形態２
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態に係るガス充填システムの構成は、実施の形態１において図２を用いて説明したものと同じである。本実施の形態と実施の形態１とでは、ガスタンク３とガスステーション２との間でガスを循環させる直前におけるガスタンク３内の水素ガスの圧力が相違する。

本実施の形態にかかるガス充填システムのガス充填方法について説明する。なお、以下の説明では図２についても適宜参照する。図６は、本実施の形態にかかるガス充填システムのガス充填方法について説明する図である。ここで、グラフの横軸はガスの温度（単位は℃）、グラフの縦軸はガスの圧力（単位はＭＰａ）を表す。実線Ｅｄ１はＳＯＣ１００％の等密度線を表す。図３の破線Ｌ１に示すようにガスを充填する場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は−４０℃である。これに対し、図６の破線Ｌ１１に示すようにガスを充填する場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は−２５℃である。

図６に示すように、まず、ガスタンク３が空の状態（状態Ａ２）から圧力６０ＭＰａの状態（状態Ｂ２）になるまでは、ガス送りライン１１を介してガスステーション２からガスタンク３に水素ガスを供給するのみで、ガスタンク３からガスステーション２にはガスを戻さない。すなわち、ガス送りライン１１の主止弁４７を開いてガスステーション２からガスタンク３内に水素ガスを供給するが、還流管路５７の主止弁５８は閉じたままにしてガスタンク３内の水素ガスをガスステーション２に戻さないようにする。これにより、ガスタンク３内における水素ガスの圧力及び水素ガスの温度は破線Ｌ１１に示すように推移する。すなわち、ガスタンク３内のガス圧力は０ＭＰａから６０ＭＰａまで上昇し、ガスタンク３内のガス温度は上述したガスの断熱圧縮により外気温（ここでは１５℃）からガスタンク３の耐熱温度である８５℃まで上昇する。状態Ｂ２におけるガスタンク３内の圧力（６０ＭＰａ）は、図３の破線Ｌ１に示す、ガス循環をさせずにガスタンク３をＳＯＣ１００％まで充填したときの状態Ｂ１における圧力（８７．５ＭＰａ）よりも低い。

次に、ガスタンク３とガスステーション２との間でプレクーラ１８により冷却された水素ガスを循環させながらガスステーション２からガスタンク３に水素ガスを供給する。すなわち、温度センサ５２により検出されたガスタンク３内の水素ガスの温度がガスタンク３の耐熱温度まで上昇した後に、制御部２０が還流管路５７の主止弁５８を開き、ガス循環ポンプ１４によりガスタンク３とガスステーション２との間で水素ガスを循環させる。ガスタンク３とガスステーション２との間で循環する水素ガスはプレクーラ１８により冷却される。ガスタンク３からガスステーション２へと戻された水素ガスは、プレクーラ１８でガスタンク３の耐熱温度である８５℃以下の温度に冷却されることによって圧力が下がる。このため、制御部２０は、圧力センサ５１により検出されたガスタンク３内の水素ガスの圧力が所定の圧力（ここでは６０ＭＰａ）に維持されるように、流量制御弁４８を制御し、蓄圧器１５から水素ガスを補給する。すなわち、ガスタンク３内において、蓄圧器１５から補給された分だけ水素ガス量が増加する。実線Ｌ１２とＳＯＣ１００％の等密度線Ｅｄ１になるまで、すなわち、ガスタンク３内の水素ガス温度が−２５℃になるまで、水素ガスの循環を継続すれば、ガスタンク３のＳＯＣは１００％になる。よって、ガスタンク３とガスステーション２との間で水素ガスを循環させている間、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度を−２５℃にする必要がある。

図７は、本実施の形態にかかるガス充填システムでＳＯＣ１００％にする場合と、比較例にかかるガス充填方法でＳＯＣ１００％にする場合と、のそれぞれにおける、ガスタンク内の圧力及び温度を対比させてまとめた一覧表である。ここで、比較例にかかるガス充填方法とは、ガス循環をさせないガス充填方法である。比較例にかかるガス充填方法でＳＯＣ１００％にする場合、ガス充填中におけるガスタンク内の温度及び圧力は、図３の破線Ｌ１に示すように推移する。

図７に示すように、充填時におけるガスタンク３内のガスの最高温度は、本実施の形態にかかるガス充填システム、比較例にかかるガス充填方法、のいずれも８５℃で変わらない。一方、充填時におけるガスタンク３内のガスの最高圧力は、比較例にかかるガス充填方法では８７．５ＭＰａで、本実施の形態にかかるガス充填システムでは８７．５ＭＰａよりも低い６０ＭＰａである。よって、本実施の形態にかかるガス充填システムでガスタンク３をＳＯＣ１００％まで充填する場合には、比較例にかかるガス充填方法でガスタンク３をＳＯＣ１００％まで充填する場合に対し、ガスステーション２における各要素をより耐圧の低いものに変更することができる。これにより、ガスステーションの設置コストをより抑えることができる。

比較例にかかるガス充填方法でＳＯＣ１００％まで充填する場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は−４０℃である。このとき、プレクーラ１８の冷却能力は−４０℃である。一方、本実施の形態にかかるガス充填システムでＳＯＣ１００％まで充填する場合、ガスステーション２からガスタンク３に供給される水素ガスの冷却温度は−２５℃である。このとき、プレクーラ１８の冷却能力は−２５℃である。つまり、本実施の形態にかかるガス充填システムでＳＯＣ１００％まで充填する場合には、比較例にかかるガス充填方法でＳＯＣ１００％まで充填する場合に対し、プレクーラ１８を冷却能力がより低いものに変更することができる。これにより、ガスステーションの設置コストをより抑えることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。ガス輸送車におけるタンク内のガス（例えば２０〜４５ＭＰａ）を所定の圧力（例えば８２〜９５ＭＰａ）まで昇圧してガスステーションの蓄圧器に供給するために圧縮機を用いるが、この圧縮機をガス充填システムにおけるガス循環ポンプとして併用してもよい。また、上記実施の形態において、ガスタンクの耐熱温度は、充填プロトコルで規定されたガスタンク内のガス温度の上限値（８５℃）としているが、力を受けない状態でガスタンクが変形変質等の劣化をしないでその機能または物性を維持できる温度としてもよい。

ガスの充填において、最初からガスタンクとガスステーションとの間でガスを循環させるようにしてもよい。しかしながら、ガスの充填において、最初からガスタンクとガスステーションとの間でガスを循環させると、ガスを循環させない場合と比べてガスの充填に要する時間がかかる。なぜなら、ガスの充填において、ガスを循環させる場合とガスを循環させない場合とでガスの流量が同じであるとすると、ガスを循環させる場合には、ガスタンクに一度充填したガスを流出させるので、その分、ガスを循環させない場合と比べてガスの充填が遅くなるからである。このため、上記実施の形態のように、ガスタンク内のガスの温度が所定の温度（ガスタンクの耐圧温度）に達するまではガスを循環させずに充填した方が、ガスの充填に要する時間を短縮できる。例えば、ガスを循環させずに充填したときにＳＯＣ１００％でガスタンク内のガスの温度が所定の温度（ガスタンクの耐圧温度）に達するとする。ＳＯＣの目標値がＳＯＣ１３０％であるとすると、ＳＯＣが１００％に達した状態からガスを循環させて目標とするＳＯＣ１３０％まで高める場合、ガスの循環によって上昇させなければならないＳＯＣの差分は３０％（１３０％−１００％）である。これに対し、ＳＯＣが１００％に達していない状態からガスを循環させて目標とするＳＯＣ１３０％まで高める場合、ガスの循環によって上昇させなければならないＳＯＣの差分は３０％よりも大きくなる。つまり、ＳＯＣが１００％に達した状態からガスを循環させて目標とするＳＯＣ１３０％まで高める場合の方が、ＳＯＣが１００％に達していない状態からガスを循環させて目標とするＳＯＣ１３０％まで高める場合よりも、ガスの循環によって増加させなければならないＳＯＣの差分が少なくて済むので、ガスの充填に要する時間を短縮できる。よって、ガスタンク内のガスの、温度が所定の温度まで上昇した後に、ガスタンクとガスステーションとの間でガス冷却部によりガスを循環させながらガスステーションからガスタンクにガスを供給する方がより好ましい。

１ガス充填システム
２ガスステーション
３ガスタンク
１１ガス送りライン
１２ガス戻りライン
１４ガス循環ポンプ
１５蓄圧器
１８プレクーラ
２０制御部
３０ガスステーション本体
３１冷凍機
３２プレクール熱交換器
４０ディスペンサー
４１、５１圧力センサ
４２、５２温度センサ
４３流量計
４４流量制御弁
４５ガス送り側ノズル
４６ガス戻り側ノズル
４７、５８主止弁
４８流量制御弁
５０車両
５０外気温度
５３ガス送り側レセプタクル
５４ガス戻り側レセプタクル
５５充填管路
５６逆止弁
５７還流管路
５９減圧弁

Claims

ガスタンクと、前記ガスタンクにガスを供給するガスステーションと、を備えるガス充填システムであって、
前記ガスステーションは、
前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを送るためのガス送りラインと、
前記ガスタンク内のガスを前記ガスステーションに戻すためのガス戻りラインと、
前記ガス送りライン及び前記ガス戻りラインを介して前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間でガスを循環させるガス循環ポンプと、
前記ガス送りラインを介して前記ガスステーションから前記ガスタンクに送られるガスを冷却するガス冷却部と、を有し、
前記ガス冷却部により前記ガスタンクの耐熱温度よりも低い温度に冷却されたガスを前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間で循環させながら前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを供給する、
ガス充填システム。
前記ガスタンク内のガスの温度が所定の温度まで上昇した後に、前記ガスタンクと前記ガスステーションとの間で前記ガス冷却部によりガスを循環させながら前記ガスステーションから前記ガスタンクにガスを供給する、請求項１に記載のガス充填システム。
前記ガスタンクは車両に搭載され、
前記車両は、前記ガスタンクを前記ガス送りラインに接続するためのガス送り側接続口と前記ガスタンクを前記ガス戻りラインに接続するためのガス戻り側接続口とを備え、前記ガス送り側接続口とガス戻り側接続口とは接続部分の形状が異なる、請求項１または２に記載のガス充填システム。