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KR20140088224A - 가스 공급 방법 및 가스 공급 장치 - Google Patents

가스 공급 방법 및 가스 공급 장치 Download PDF

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KR20140088224A
KR20140088224A KR1020147016483A KR20147016483A KR20140088224A KR 20140088224 A KR20140088224 A KR 20140088224A KR 1020147016483 A KR1020147016483 A KR 1020147016483A KR 20147016483 A KR20147016483 A KR 20147016483A KR 20140088224 A KR20140088224 A KR 20140088224A
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compressor
tank
gas
accumulator
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KR1020147016483A
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Inventor
겐지 나구라
히토시 다카기
Original Assignee
가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

압축기를 소형화하면서 축압기의 설계압을 낮게 할 수 있는 가스 충전 장치(1)는, 압축기(4)와 축압기(5)를 구비하고, 미리 탱크(3)의 용적에 따라 충전 압력과 목표 유량의 관계를 결정하고, 충전 압력을 검출하여 목표 유량을 결정하고, 목표 유량에 따라 탱크(3) 내에 공급되는 가스의 유량을 제어하고, 목표 유량이 압축기(4)의 최대 토출량 이하인 경우에는, 압축기(4)로부터만 탱크(3)에 가스를 공급하고, 목표 유량이 최대 토출량보다도 많은 경우에는, 압축기(4) 및 축압기(5)로부터 탱크(3)에 가스를 공급한다.

Description

가스 공급 방법 및 가스 공급 장치{GAS SUPPLY METHOD AND GAS SUPPLY EQUIPMENT}
본 발명은, 탱크로의 가스 공급 방법 및 가스 공급 장치에 관한 것이다.
요즘, 자동차의 배기 가스에 포함되는 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOX), 부유 입자상 물질(PM) 등에 의한 지구 온난화, 대기 오염의 영향이 염려되고 있다. 이로 인해, 종래의 가솔린 내연 기관형 자동차 대신에, 적재된 연료 전지에서 수소와 산소의 화학 반응에 기초한 전기 에너지를 이용하여 구동하는 연료 전지 자동차(FCV)로의 관심이 높아지고 있다.
연료 전지 자동차는 상술한 이산화탄소를 배출하지 않고, 다른 유해 물질도 배출하지 않는다. 또한, 연료 전지 자동차는, 가솔린 내연 기관형 자동차보다도 에너지 효율이 우수하다는 등의, 가솔린 내연 기관형 자동차에 없는 다양한 이점을 갖고 있다.
그런데, 연료 전지 자동차에는, 크게 구별하면 수소 스테이션으로부터 수소를 보급하는 타입의 것과, 수소 이외의 연료를 보급하여 차량 탑재 개질기로 수소를 제조하는 타입의 것이 있지만, 이산화탄소(CO2) 삭감의 효과 등으로부터 전자 쪽이 우위에 있다고 간주되고 있다. 따라서, 연료 전지 자동차와, 여기에 수소를 보급하기 위한 수소 스테이션의 연구, 개발이 서둘러지고 있다.
특허문헌 1에 개시된 충전 시스템 스테이션은, 2개의 완충 용기와, 컴프레서를 구비한다. 완충 용기 및 컴프레서는 각각, 차량의 탱크에 접속되는 공급 라인에 접속되어 있다. 탱크에 가스를 충전할 때에는, 공급 라인을 통해 완충 용기 및 컴프레서의 각각으로부터 가스의 공급이 동시에 행해진다.
또한, 특허문헌 2에는, 탱크에 가스를 충전할 때, 먼저 순간적으로 가압 가스를 취입하여, 탱크의 내압을 측정하고, 탱크의 압력 상승 속도를 제어하면서 가스를 충전하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공표 제2010-534308호 공보 일본 특허 공표 제2010-520977호 공보
그런데, 압축기만을 이용하여 탱크에 가스를 충전하고자 하면, 압축기로부터 탱크에 공급되는 가스의 유량을 확보할 필요가 있기 때문에 압축기가 대형화되어 버린다. 또한, 축압기만을 이용하여 탱크에 가스를 충전하고자 하면, 고압의 가스를 축압기 내에 저류할 필요가 있기 때문에 축압기의 설계압이 높아져 버린다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 압축기를 소형화하면서 축압기의 설계압을 낮게 할 수 있는 가스 충전 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 압축기와, 상기 압축기와 병렬로 배치되며, 상기 압축기가 압축한 가스를 저류 가능한 축압기를 사용하여 탱크에 가스를 공급하는 가스 공급 방법은, 상기 압축기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하기 전에, 상기 탱크에 공급되는 가스의 압력인 충전 압력과 상기 탱크에 공급되는 가스의 유량의 목표값인 목표 유량의 관계를 결정하는 유량 결정 공정과, 상기 충전 압력을 검출하여 상기 목표 유량을 결정하고, 당해 목표 유량에 따라 상기 탱크 내에 공급되는 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 공정을 포함하고, 상기 유량 제어 공정에 있어서, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량 이하인 경우에는, 상기 압축기로부터만 상기 탱크에 가스를 공급하고, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 많은 경우에는, 상기 압축기 및 상기 축압기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하는 방법으로 한다.
이 방법에 따르면, 주로 압축기에 의해 가스를 공급하지만, 필요로 되는 가스 공급량의 피크시에는 축압기로부터도 가스를 공급하기 때문에 압축기의 용량이 작아도 되고, 압축기를 소형화할 수 있다. 또한, 축압기는 피크시의 보조에만 사용되기 때문에 용량이 작아도 좋고, 설계압을 높게 하지 않아도 되기 때문에 내압을 위해 구조가 복잡화되는 경우도 없다.
또한, 본 발명의 가스 공급 방법에 있어서, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 큰 경우에는, 상기 압축기로부터 상기 탱크에 공급하는 가스의 유량을 일정하게 하고, 상기 축압기로부터 상기 탱크에 공급하는 가스의 유량을 조정하여, 상기 탱크에 공급하는 가스의 총 유량을 상기 목표 유량에 일치시켜도 좋다.
이 방법에 따르면, 압축기의 능력을 최대한으로 이용하기 때문에 축압기의 용량이 커지지 않고, 소형이며 간소한 구조의 축압기를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 탱크에 가스를 공급하는 가스 공급 장치는, 상기 탱크에 공급하는 가스를 압축하는 용량 제어 가능한 압축기와, 상기 압축기와 병렬로 배치되며, 상기 압축기가 압축한 가스를 저류 가능한 축압기와, 상기 축압기로부터 유출되는 가스의 유량을 조절하는 축압기 제어 밸브와, 상기 탱크에 공급되는 가스의 유량을 검출하는 유량계와, 상기 탱크에 공급되는 가스의 압력을 검출하는 충전 압력계와, 상기 압축기의 용량 및 상기 축압기 제어 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치를 갖고, 상기 제어 장치는, 상기 압축기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하기 전에, 상기 탱크에 공급되는 가스의 압력인 충전 압력과 상기 탱크에 공급되는 가스의 유량의 목표값인 목표 유량의 관계를 결정하고, 상기 충전 압력계가 검출한 압력에 기초하여 상기 목표 유량을 결정하고, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량 이하인 경우에는, 상기 축압기 제어 밸브를 폐쇄하여 상기 압축기로부터만 상기 탱크에 가스를 공급시키고, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 많은 경우에는, 상기 축압기 제어 밸브를 개방하여, 상기 압축기 및 상기 축압기로부터 상기 탱크에 가스를 공급시키는 것으로 한다.
이 구성에 따르면, 압축기의 능력을 최대한으로 이용하고, 압축기의 능력을 초과하는 부분만 축압기로 보완하기 때문에, 압축기 및 축압기가 커지지 않는다. 또한, 축압기의 설계압을 높게 할 필요가 없어, 축압기의 구조를 간소화할 수 있다.
또한, 상기 압축기가 그 토출측과 그 흡입측을 도통하는 복귀 라인을 갖고, 그 복귀 라인에 개방도 조정 가능한 용량 조정 밸브가 설치되며, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량에 도달한 것을 용량 조정 밸브가 완전 폐쇄가 된 것에 의해 판정하는 것이어도 좋다. 또한, 상기 압축기가 그 회전수를 제어 가능한 것이며, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량에 도달한 것을 상기 회전수가 최대 회전수가 된 것에 의해 판정하는 것이어도 좋다.
또한, 본 발명의 가스 공급 장치에 있어서, 상기 축압기를 포함하는 복수의 축압기를 구비하고, 상기 복수의 축압기가 서로 병렬로 배열되며, 서로 상이한 압력의 가스를 저류하고, 상기 제어 장치는 상기 충전 압력계가 검출한 압력에 따라 상기 축압기 중 어느 1개로부터 상기 탱크에 가스를 공급시켜도 좋다.
이 구성에 따르면, 각 축압기의 용량을 작게 할 수 있으며, 일부의 축압기만을 고압으로 하면 된다. 또한, 압축기의 용량을 보다 작게 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 가스 공급 장치에 있어서, 상기 압축기는 왕복동 압축기여도 좋고, 연료 전지 자동차에 탑재된 차량 탑재 탱크에 적합한 노즐을 가져도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 필요로 되는 가스 공급량의 피크시에는 압축기를 축압기로 보조하기 때문에, 압축기의 용량이 작아도 좋고, 축압기의 용량도 작아도 좋다. 이로 인해, 압축기를 소형으로 하거나 축압기의 설계압을 낮게 하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태 가스 공급 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 가스 공급 장치에 의한 가스 공급의 흐름도이다.
도 3은 도 1의 가스 공급 장치에 있어서의 충전 압력과 목표 유량의 관계를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 가스 공급 장치의 개략 구성도이다.
도 5는 도 4의 가스 공급 장치에 있어서의 충전 압력과 목표 유량의 관계를 예시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 공급 장치(1)를 나타낸다. 가스 공급 장치(1)는, 주로 연료 전지 자동차(2)의 차량 탑재 탱크(3) 내에 수소 가스를 공급하기 위한 장치이다. 가스 공급 장치(1)는, 압축기(4)와, 축압기(5)와, 쿨러(6)와, 초기 충전 리저버(7)를 구비한다.
압축기(4)는 왕복동 압축기이며, 압축기 본체(8)와, 압축기 본체(8)를 구동하는 원동기인 모터(9)를 포함한다. 압축기 본체(8)는, 수소 공급원으로부터 수소 가스를 흡입하여 압축하고, 압축한 수소 가스를 공급 라인(10)을 통해 쿨러(6)에 공급한다.
축압기(5)는, 쿨러(6)에 대하여 압축기(4)와 병렬로 배치되며, 공급 라인(10)을 통해 쿨러(6)에 접속되어 있다. 이로 인해, 공급 라인(10)은, 압축기(4)로부터 토출된 수소 가스만이 통과하는 압축기 전용부(10a)와, 축압기(5)에 유입되는 수소 가스 및 축압기(5)로부터 유출되는 수소 가스만이 통과하는 축압기 전용부(10b)와, 압축기(4)로부터의 수소 가스 및 축압기(5)로부터의 수소 가스의 양쪽이 통과하는 공용부(10c)로 이루어진다.
또한, 가스 공급 장치(1)는, 공급 라인(10)의 압축기 전용부(10a)로부터 분기되어 압축기(4)의 흡입 유로에 접속된 복귀 라인(11)을 갖는다. 복귀 라인(11)은 개방도 조정 가능한 용량 조정 밸브(12)가 설치되어 있으며, 압축기 본체(8)의 흡입구와 토출구를 용량 조정 밸브(12)를 통해 접속하고 있다. 이 용량 조정 밸브(12)를 개방함으로써, 압축기 본체(8)로부터 토출된 수소 가스의 일부를 압축기 본체(8)의 흡입구로 복귀시킬 수 있다. 이에 따라, 압축기 본체(8)로부터 토출되는 가스의 유량(압축기(4)의 용량)을 실질적으로 조정할 수 있다.
축압 장치(50)는, 축압기(5)와, 축압기 제어 밸브(13)와, 축압 압력계(14)를 구비한다. 축압기(5)는, 압축기(4)가 토출된 고압의 수소 가스를 저류한다. 축압기(5)의 근방 축압기 전용부(10b)에는, 개방도 조정 가능한 축압기 제어 밸브(13)가 설치되어 있다. 또한, 축압기(5)에는 축압 압력계(14)가 접속되어 있으며, 축압 압력계(14)는 축압기(5) 내의 수소 가스의 압력 Pt를 검출한다.
공급 라인(10)의 공용부(10c)에는, 공급 차단 밸브(15)와 수소 가스의 유량 Fd를 검출하는 유량계(16)가 설치되어 있다. 쿨러(6)와 연료 전지 자동차(2)의 차량 탑재 탱크(3)는, 충전 라인(17) 및 플렉시블 호스(18)로 접속된다. 충전 라인(17)에는 충전 차단 밸브(19)가 설치되어 있으며, 말단에 설치한 긴급 이탈 커플러(20)에 의해 플렉시블 호스(18)와 접속된다. 긴급 이탈 커플러(20)는, 플렉시블 호스(18)의 인장 강도보다도 약한 취약부로서 형성되며, 플렉시블 호스(18)가 인장되어 긴급 이탈 커플러(20)에 큰 장력이 가해지면, 2개의 부위로 분리되어, 충전 라인(17)과 플렉시블 호스(18)가 분리된다. 긴급 이탈 커플러(20)의 상기 2개의 부위에는 차단 밸브가 설치되며, 탱크(3) 및 충전 라인(17)으로부터 수소 가스가 누출되는 것이 방지된다.
또한, 충전 라인(17)의 충전 차단 밸브(19)와 커플러(20)의 사이로부터는, 초기 충전 리저버(7)에 접속하는 초기 충전 라인(21)이 분기되어 있다. 또한, 충전 라인(17)에는, 차량 탑재 탱크(3) 내의 압력과 동일시 할 수 있는 수소 가스의 충전 압력 Pd를 검출하는 충전 압력계(22)가 설치되어 있다. 초기 충전 라인(21)에는, 초기 충전 개폐 밸브(23)가 설치되어 있다. 플렉시블 호스(18)의 선단에는, 연료 전지 자동차(2)의 차량 탑재 탱크(3)에 적합한 노즐(24)이 설치되어 있다.
또한, 가스 공급 장치(1)은, 외기 온도 Ta를 검출하는 온도계(25)와, 축압 압력계(14), 유량계(16), 충전 압력계(22) 및 온도계(25)의 검출 신호가 입력되는 제어 장치(26)를 갖는다. 제어 장치(26)는, 압축기(4) 및 쿨러(6)의 기동 및 정지를 제어함과 함께, 용량 조정 밸브(12), 축압기 제어 밸브(13), 공급 차단 밸브(15), 충전 차단 밸브(19), 초기 충전 개폐 밸브(23)의 개폐를 제어한다.
본 실시 형태에 있어서, 탱크(3)에 수소 가스를 충전할 때에는 미리 축압 장치(50)의 축압기(5)에 고압의 수소 가스를 충전하여 둘 필요가 있다. 축압기(5)로의 수소 가스의 충전은, 공급 차단 밸브(15)를 폐쇄하고, 축압기 제어 밸브(13)를 개방한 상태에서 압축기(8)을 운전하여 수소 공급원으로부터 공급되는 수소 가스를 압축하고, 압축된 수소 가스를 축압 장치(50)의 축압기(5)에 공급함으로써 행한다. 압력계(14)에 의해 검출되는 압력이 소정의 압력값에 도달하면, 축압기 제어 밸브(13)를 폐쇄하고, 축압기(5)로의 수소 가스의 충전을 종료한다.
도 2는, 탱크(2)에 수소 가스를 충전하는 흐름을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에서는, 스텝 S1 내지 스텝 S3이 목표 유량 Qs(Pd)를 결정하기 위해 필요한 유량 결정 공정이다. 그리고, 스텝 S4 내지 스텝 S10이 차량 탑재 탱크(3)에 공급하는 수소 가스의 유량을 조정하는 유량 제어 공정이다. 가스 공급 장치(1)는 수소 가스의 충전시에, 우선, 스텝 S1에 있어서 충전 차단 밸브(19)가 폐쇄된 상태에서 초기 충전 개폐 밸브(23)를 소정의 단시간만 개방하고, 초기 충전 리저버(7)로부터 고압의 수소 가스를 순간적으로 탱크(3)에 공급한다(「펄스 충전」이라고 부름).
그리고, 스텝 S2에 있어서, 제어 장치(26)에 의해 펄스 충전시에 취득된, 온도계(25)가 검출한 외기 온도 Ta, 충전 압력계(22)가 검출한 충전 압력 Pd의 상승률에 기초하여, 기지의 방법에 의해 차량 탑재 탱크(3)의 용적 추정값이 구해진다.
이어서, 스텝 S3에 있어서, 도출된 차량 탑재 탱크(3)의 용적, 충전 압력계(22)에 의해 검출된 압력, 온도계(25)에 의해 검출된 외기 온도에 따라, SAE 규격 J2601에 기초하여 압력 상승률과 최종 단계에 있어서의 압력값이 도출되고, 또한, 공급될 예정의 수소 가스의 압력에 대한 목표 유량 Qs의 관계가 결정된다. 상술한 바와 같이, 이 가스 공급 장치(1)에서는 충전 압력계(22)가 검출한 충전 압력 Pd를 차량 탑재 탱크(3)의 내부 압력으로서 취급하고 있기 때문에, 목표 유량 Qs는 충전 압력 Pd로부터 일의적으로 결정되는 값으로서, Qs(Pd)와 같이 나타낼 수 있다.
도 3에, 목표 유량 Qs(Pd)의 일례를 도시한다. 목표 유량 Qs(Pd)는, 충전 개시시부터 서서히 증가하여 가고, 충전 종료시를 향해 서서히 감소하도록 결정되며, 목표 유량 Qs(Pd)의 최대 유량 Q2는, 차량 탑재 탱크(3)의 용적에 따라 정해진다. 즉, 목표 유량 Qs(Pd)는, 차량 탑재 탱크(3)의 압력(충전 압력 Pd)의 수소 가스 충전 개시시의 압력을 P0, 최종적으로 충전하고자 하는 압력을 P2, 그들 사이의 압력을 P1로 하면, Qs(P0)=Qs(P2)=0, Qs(P1)=Q2가 되는 곡선을 그린다. 이와 같이 수소 가스의 유량을 조정함으로써, 차량 탑재 탱크(3) 내의 급격한 온도 상승을 억제하면서, 수소 가스를 빠르게 충전할 수 있다.
또한, 도 3에는, 압축기(4)의 최대 토출량 Q1(용량 조정 밸브(12) 완전 폐쇄시의 유량)이 도시되며, 대응하는 충전 압력 Pd의 값을 Pv1 및 Pv2로 하고 있다. 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1이 되는 압력 Pv1 및 Pv2의 값은, 차량 탑재 탱크(3)의 용적 등에 따라 변화된다. 또한, 실제로는, 충전 압력 Pd에 따라 조금 최대 토출량 Q1은 변화되지만, 여기에서는 간단화를 위해 최대 토출량 Q1을 일정한 값으로 한다.
도 2로 되돌아가면, 이어서 스텝 S4에 있어서 공급 차단 밸브(15) 및 충전 차단 밸브(19)가 개방되고, 압축기(4)에 의해 압축된 수소가 압축기(4)로부터 차량 탑재 탱크(3)을 향해 송출된다. 제어 장치(26)는, 유량계(16)에 의해 검출되는 유량 Fd를 스텝 S3에서 결정된 목표 유량 Qs(Pd)에 일치시키도록, 예를 들어 유량 Fd와 목표 유량 Qs(Pd)의 편차를 피드백하는 PID 제어에 의해 용량 제어 밸브(12)의 개방도를 조정한다.
구체적으로는, 실측한 유량 Fd가 그 시점의 충전 압력 Pd에 있어서의 목표 유량 Qs(Pd)보다도 많은 경우에는, 압축기(4)로부터 공급되는 수소 가스의 유량을 감소시키기 위해 용량 조정 밸브(12)의 개방도를 증대시킨다. 반대로, 실제의 유량 Fd가 그 시점의 목표 유량 Qs(Pd)보다도 낮은 경우에는, 압축기(4)로부터 공급되는 수소 가스의 유량을 증가시키기 위해 용량 조정 밸브(12)의 개방도를 감소시킨다.
다음 스텝 S5에 있어서, 목표 유량 Qs(Pd)가 압축기(4)의 최대 토출량 Q1에 도달할 때까지 대기한다. 즉, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1에 도달할 때까지는, 용량 조정 밸브(12)에 의해 용량 조정되는 압축기(4)에 의해서만 차량 탑재 탱크(3)에 수소 가스가 공급된다. 또한, 최대 토출량 Q1은 압축기(4)에 의한 수소 가스의 공급 능력에 따라 임의로 설정되는 것이며, 압축기(4)의 사양서의 값과 동일할 필요는 없다. 또한, 용량 조정 밸브(12)가 완전 폐쇄가 되는 것(용량 조정 밸브(12)에 대하여 제어 장치(26)로부터 완전 폐쇄로 하는 취지의 지령이 발해지는 것)을 가지고, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1에 도달했다고 판단한다.
목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1에 도달하면 스텝 S6으로 진행되어, 축압기 제어 밸브(13)의 개방도 제어를 개시한다. 축압기 제어 밸브(13)를 개방하면, 축압기(5)에 저류되어 있는 수소 가스가 공급 라인(10)에 유입된다. 즉, 여기에서는, 압축기(4)로부터의 수소 가스의 공급과, 축압기(5)로부터의 수소 가스의 공급이 동시에 행해진다. 축압기 제어 밸브(13)의 개방도는 제어 장치(26)에 의해, 예를 들어 PID 제어에 의해 유량계(16)에 의해 검출되는 유량 Fd를 목표 유량 Qs(Pd)에 일치시키도록 조정된다. 이때, 목표 유량 Qs(Pd)은 최대 토출량 Q1 이상이기 때문에, 용량 조정 밸브(12)는 완전 폐쇄로 되어 있으며, 압축기(4)의 토출량은 최대 토출량 Q1을 유지한다. 즉, 유량 Fd의 조정은, 축압기 제어 밸브(13)에만 의존한다.
구체적으로는, 실측한 유량 Fd가 그 시점의 충전 압력 Pd에 있어서의 목표 유량 Qs(Pd)보다도 많은 경우에는, 축압기(5)로부터 공급되는 수소 가스의 유량을 감소시키기 위해 축압기 제어 밸브(13)의 개방도를 감소시킨다. 반대로, 실제의 유량 Fd가 그 시점의 목표 유량 Qs(Pd)보다도 적은 경우에는, 축압기(5)로부터 공급되는 수소 가스의 유량을 증가시키기 위해 축압기 제어 밸브(13)의 개방도를 증대시킨다.
도 3에 도시한 바와 같이, 목표 유량 Qs(Pd)는 축압기 제어 밸브(13)의 개방도 제어를 개시한 직후에는 충전 압력의 상승에 따라 증대하지만, 충전 압력 Pd가 P1에 도달했을 때에 최댓값 Q2가 되고, 그 후에는 충전 압력 Pd의 상승에 따라 감소한다. 따라서, 다음 스텝 S7에 있어서, 목표 유량 Qs(Pd)가 최댓값 Q2를 거쳐서 압축기(4)의 최대 토출량 Q1까지 감소할 때까지 대기한다. 즉, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1 이하가 될 때까지는, 목표 유량 Qs(Pd)와 최대 토출량 Q1의 차분에 상당하는 양의 수소 가스가 축압기 제어 밸브(13)를 통해 축압기(5)로부터 공급된다.
목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1까지 감소하면 스텝 S8로 진행하여, 축압기 제어 밸브(13)을 폐쇄하고, 그 개방도 제어를 종료한다.
그리고, 스텝 S9에 있어서, 충전 압력 Pd가 충전 종료 압력 P2에 도달할 때까지 대기한다. 이 동안에 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1 이하이기 때문에, 실제의 유량 Fd가 목표 유량 Qs(Pd)로 되도록 제어 장치(26)에 의해 용량 조정 밸브(12)의 개방도가 조정된다.
충전 압력 Pd가 충전 종료 압력 P2에 도달하면, 스텝 S10에 있어서 압축기(4)의 운전을 정지하고, 수소 가스의 공급을 종료한다. 또는, 압축기(4)의 운전을 계속하고, 공급 차단 밸브(15)를 폐쇄하여, 차량 탑재 탱크(3)로의 수소 가스의 공급을 정지하고, 축압기 제어 밸브(13)을 개방하여 축압기(13)에 수소 가스를 공급하는 공정을 개시하여도 좋다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 가스 공급 장치(1)는, 목표 유량 Qs(Pd)가 압축기(4)의 최대 토출량 Q1을 초과하는 경우에만 그 최대 토출량 Q1을 초과하는 분의 수소 가스를 축압기(5)로부터 공급한다. 가스 공급 장치(1)에서는, 압축기만을 갖는 가스 공급 장치에 비해 압축기(4)로부터 공급되는 수소 가스의 최대 토출량을 억제할 수 있어, 압축기(4)를 소형화할 수 있다. 소용량의 압축기(4)를 채용함으로써, 가스 공급 장치(1)을 저렴하게 제공할 수 있다. 압축기(4)만에 의해 고압의 수소 가스가 공급되기 때문에, 축압기(5) 내에 저류되는 수소 가스를 과도하게 고압으로 할 필요가 없어, 축압기(5)의 설계압을 낮게 억제할 수 있다. 그 결과, 축압기(5)의 구조를 간소화할 수 있다. 또한, 주로 압축기(4)를 사용하여 수소 가스를 공급하기 때문에, 축압기(5)의 용량도 작아도 된다.
또한, 상술한 바와 같이, 목표 유량 Qs(Pd)는 차량 탑재 탱크(3)의 용적에 따라서 정해진다. 따라서, 차량 탑재 탱크(3)의 용적이 매우 작은 경우에는, 목표 유량 Qs(Pd)의 최댓값 Q2가 압축기(4)의 최대 토출량 Q1보다도 적은 유량으로 될 가능성이 있다. 이 경우에는, 축압기(5)를 사용하지 않고, 압축기(4)만을 사용하여 수소 가스를 공급하면 된다.
이어서, 도 4에 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 공급 장치(1a)를 도시한다. 본 실시 형태의 설명에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여, 중복된 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 가스 공급 장치(1a)는, 서로 병렬로 배열되어 이루어지는 복수의 축압 장치, 즉 제1 축압 장치(50a)와, 제2 축압 장치(50b)와, 제3 축압 장치(50c)를 구비한다. 제1 축압 장치(50a)는, 제1 축압기(5a)와, 제1 축압기 제어 밸브(13a)와, 축압 압력계(14a)를 갖는다. 제2 축압 장치(50b)는, 제2 축압기(5b)와, 제2 축압기 제어 밸브(13b)와, 축압 압력계(14b)를 갖는다. 제3 축압 장치(50c)는, 제3 축압기(5c)와, 제3 축압기 제어 밸브(13c)와, 축압 압력계(14c)를 갖는다. 제1 축압기(5a), 제2 축압기(5b) 및 제3 축압기(5c)는 서로 병렬로 배열되며, 각각 대응하는 제1 축압기 제어 밸브(13a), 제2 축압기 제어 밸브(13b), 제3 축압기 제어 밸브(13c)를 통해 공급 라인(10)의 축압기 전용부(10b)에 접속되어 있다. 또한, 제1 내지 제3 축압기(5a, 5b, 5c)에는, 대응하는 축압 압력계(14a, 14b, 14c)가 개별적으로 설치된다. 본 실시 형태에 있어서, 제2 축압기(5b)에는 제1 축압기(5a)보다도 고압의 수소 가스가 저류되고, 제3 축압기(5c)에는 제2 축압기(5b)보다도 고압의 수소 가스가 저류된다.
또한, 본 실시 형태의 가스 공급 장치(1a)는, 압축기(4)의 모터(9)에 인버터(27)로부터 전력이 공급되도록 되어 있다. 제어 장치(26)는, 인버터(27)의 출력 주파수를 변경함으로써 압축기(4)의 토출량을 조정한다.
본 실시예에서도 제1 실시 형태와 마찬가지로 차량 탑재 탱크(3)의 용적을 추정하여 목표 유량 Qs(Pd)를 정하고, 우선 압축기(4)로부터만 차량 탑재 탱크(3)에 수소 가스가 공급된다. 그리고, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1에 도달하면, 우선 제1 축압 제어 밸브(13a)만을 개방도 제어한다. 또한, 최대 토출량 Q1에 대응하는 압축기(4)의 회전수(최고 회전수)에 도달한 것(인버터(27), 나아가서는 압축기(4)의 모터(9)에 대하여 제어 장치(26)로부터 최고 회전수로 회전하는 취지의 지령이 발해지는 것)을 가지고, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1에 도달했다고 판단한다. 그리고, 충전 압력 Pd가 상승하여, 소정의 제1 전환 압력 Ps1에 도달하면, 제1 축압 제어 밸브(13a)를 폐쇄하여 제2 축압 제어 밸브(13b)의 개방도 제어를 개시한다. 그리고, 충전 압력 Pd가 더욱 상승하여, 소정의 제2 전환 압력 Ps2에 도달하면, 제2 축압 제어 밸브(13b)를 폐쇄하여 제3 축압 제어 밸브(13c)의 개방도 제어를 개시한다. 또한, 제1 전환 압력 Ps1 및 제2 전환 압력 Ps2는, 축압기(5a, 5b, 5c)의 압력과 용적에 따라 최적화되는 값이다. 예를 들어, 제1 전환 압력 Ps1을 40MPa로 하고, 제2 전환 압력 Ps2를 60MPa로 한다.
도 5에 목표 유량 Qs(Pd)와 제1 전환 압력 Ps1 및 제2 전환 압력 Ps2와의 관계를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서, 충전 압력 Pd가 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1이 되는 압력 Pv1부터 제1 전환 압력 Ps1까지의 사이에는, 제1 축압기(5a)만이 압축기(4)의 부족분의 수소 가스를 공급한다. 충전 압력 Pd가 제1 전환 압력 Ps1부터 제2 전환 압력 Ps2까지의 사이에는, 제2 축압기(5b)만이 압축기(4)를 보조한다. 그리고, 충전 압력이 Pd가 제2 전환 압력 Ps2부터 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1이 되는 압력 Pv2까지의 사이에는, 제3 축압기(5c)만이 압축기(4)의 보완을 행한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서도, 목표 유량 Qs(Pd)는 차량 탑재 탱크(3)의 용적에 따라 정해지기 때문에, 목표 유량 Qs(Pd)가 최대 토출량 Q1이 되는 압력 Pv1 및 Pv2는 차량 탑재 탱크(3)의 용적에 따라 변화된다. 이로 인해, 압력 Pv1이 제1 전환 압력 Ps1보다 높아지는 경우에는 제1 축압기(5a)를 사용하지 않고, 압력 Pv2가 제2 전환 압력 Ps2보다 낮아지는 경우에는 제3 축압기(5c)를 사용하지 않도록 하면 좋다.
본 실시 형태와 같이, 복수의 축압기(5a, 5b, 5c)를 설치함으로써 각각의 축압기(5a, 5b, 5c)의 용량을 작게 할 수 있다. 또한, 각 축압기(5a, 5b, 5c)의 사용 압력 범위를 상이하게 함으로써, 저압의 축압기(5a, 5b)의 내압을 낮게 하여, 저렴하게 구성할 수 있다. 고압의 축압기(5c)도, 용량이 작아도 되기 때문에 구조가 간단하고 저렴해진다. 또한, 축압기(5a, 5b, 5c)의 압력 변화가 작아지기 때문에 유량 제어의 정밀도가 높아진다. 축압기의 수는 2개여도 4개 이상이어도 좋다.
제1 실시 형태에서는, 인버터에 의해 압축기 본체(8)로부터의 수소 가스의 토출량이 제어되어도 좋다. 제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 용량 조정 밸브를 사용하여 압축기 본체(8)로부터의 수소 가스의 토출량이 조정되어도 좋다. 상기 실시 형태에서는, 압축기(4)로서 왕복동 압축기가 사용되지만, 이오닉 컴프레서 등 다른 형식의 압축기가 사용되어도 좋다.
1, 1a…가스 공급 장치
3…탱크
4…압축기
5, 5a, 5b, 5c…축압기
7…초기 충전 리저버
12…용량 조정 밸브
13, 13a, 13b, 13c…축압기 제어 밸브
22…충전 압력계
24…노즐
26…제어 장치
27…인버터

Claims (8)

  1. 압축기와, 상기 압축기와 병렬로 배치되며, 상기 압축기가 압축한 가스를 저류 가능한 축압기를 사용하여 탱크에 가스를 공급하는 가스 공급 방법이며,
    상기 압축기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하기 전에, 상기 탱크에 공급되는 가스의 압력인 충전 압력과 상기 탱크에 공급되는 가스의 유량 목표값인 목표 유량의 관계를 결정하는 유량 결정 공정과,
    상기 충전 압력을 검출하여 상기 목표 유량을 결정하고, 당해 목표 유량에 따라 상기 탱크 내에 공급되는 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 공정을 포함하고,
    상기 유량 제어 공정에 있어서, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량 이하인 경우에는, 상기 압축기로부터만 상기 탱크에 가스를 공급하고, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 많은 경우에는, 상기 압축기 및 상기 축압기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 큰 경우에는, 상기 압축기로부터 상기 탱크에 공급하는 가스의 유량을 일정하게 하고, 상기 축압기로부터 상기 탱크에 공급하는 가스의 유량을 조정하여, 상기 탱크에 공급하는 가스의 총 유량을 상기 목표 유량에 일치시키는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 방법.
  3. 탱크에 가스를 공급하는 가스 공급 장치이며,
    상기 탱크에 공급하는 가스를 압축하는 용량 제어 가능한 압축기와,
    상기 압축기와 병렬로 배치되며, 상기 압축기가 압축한 가스를 저류 가능한 축압기와,
    상기 축압기로부터 유출되는 가스의 유량을 조절하는 축압기 제어 밸브와,
    상기 탱크에 공급되는 가스의 유량을 검출하는 유량계와,
    상기 탱크에 공급되는 가스의 압력을 검출하는 충전 압력계와,
    상기 압축기의 용량 및 상기 축압기 제어 밸브의 개방도를 제어하는 제어 장치를 갖고,
    상기 제어 장치는, 상기 압축기로부터 상기 탱크에 가스를 공급하기 전에, 상기 탱크에 공급되는 가스의 압력인 충전 압력과 상기 탱크에 공급되는 가스의 유량의 목표값인 목표 유량의 관계를 결정하고, 상기 충전 압력계가 검출한 압력 에 기초하여 상기 목표 유량을 결정하고, 상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량 이하인 경우에는, 상기 축압기 제어 밸브를 폐쇄하여 상기 압축기로부터만 상기 탱크에 가스를 공급시키고, 상기 목표 유량이 상기 최대 토출량보다도 많은 경우에는, 상기 축압기 제어 밸브를 개방하여, 상기 압축기 및 상기 축압기로부터 상기 탱크에 가스를 공급시키는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압축기는, 그 토출측과 그 흡입측을 도통하는 복귀 라인을 갖고, 해당 복귀 라인에 개방도 조정 가능한 용량 조정 밸브가 설치되며,
    상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량에 도달한 것을 상기 용량 조정 밸브가 완전 폐쇄로 된 것에 의해 판정하는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 압축기는 그 회전수를 제어 가능한 것이며,
    상기 목표 유량이 상기 압축기의 최대 토출량에 도달한 것을 상기 회전수가 최대 회전수로 된 것에 의해 판정하는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 축압기를 포함하는 복수의 축압기를 구비하고,
    상기 복수의 축압기가 서로 병렬로 배열되며, 서로 상이한 압력의 가스를 저류하고,
    상기 제어부는 상기 충전 압력계가 검출한 압력에 따라 상기 축압기 중 어느 1개로부터 상기 탱크에 가스를 공급시키는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 압축기는 왕복동 압축기인 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  8. 제3항에 있어서, 연료 전지 자동차에 탑재된 차량 탑재 탱크에 적합한 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
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