JP2017137926A - 移動式水素ステーション - Google Patents
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Abstract
【課題】水素ガスを水素ガス使用設備に充填することが可能で、小型化、省エネ化を実現し、移動可能な移動式水素ステーションを提供する。【解決手段】水素ガスを所定の圧力で水素ガス使用設備に供給する差圧充填方式による水素ガス充填装置であって、水素ガスを圧縮した状態で蓄える水素ガス蓄圧器と、水素ガス蓄圧器へ水素ガスを充填する蓄ガス器ユニットと、水素ガス蓄圧器に蓄えられた水素ガスを定量吐出して水素ガス使用設備へ充填するディスペンサーとから構成される。水素ガス蓄圧器、蓄ガス器ユニットおよびディスペンサーは、牽引車による牽引が可能なトレーラの台座部に搭載される。ディスペンサーは、移動可能でありトレーラの台座部から分離取外し自在であってもよいし、トレーラの台座部に固定されていてもよい。トレーラの台座部を覆うハウジングには、換気用の通気孔およびメインバルブ操作扉が設けられる。【選択図】図３
Description
本発明は、水素ガス使用設備に所定の圧力で高純度水素を供給する水素ガス充填システムに関するもので、特に、燃料電池自動車や燃料電池フォークリフト等の小型移動体などの高圧水素ガスの水素ガス使用設備に、高圧水素ガスを供給する移動式の水素ステーションに関するものである。
近年、エネルギーの自給率を高め、環境改善のためのクリーンなエネルギー源として、水素を利用した燃料電池自動車などが急速に実用化されている。燃料電池自動車の普及には、水素供給インフラとなる水素ステーションの整備が不可欠である。
しかしながら、水素ステーションが普及する以前には、小規模な充填設備や水素ガス欠時の緊急用充填設備が不可欠である。その際、十分な保安距離を有した充填設備の設置場所が非常に限定されており、従来の設計思想で小規模の水素ステーションを設計した場合、設備コストが高価になることが予想される。
しかしながら、水素ステーションが普及する以前には、小規模な充填設備や水素ガス欠時の緊急用充填設備が不可欠である。その際、十分な保安距離を有した充填設備の設置場所が非常に限定されており、従来の設計思想で小規模の水素ステーションを設計した場合、設備コストが高価になることが予想される。
従来の水素ステーションの場合、コンプレッサー（圧縮機）を用いて、蓄圧器に高圧水素ガスを予め充填させて、蓄圧器から燃料電池自動車に水素ガスを充填している（例えば、特許文献１を参照）。
通常、従来の水素ステーションに用いられる蓄圧器は、水素ガスを高圧で貯蔵するため、多くの本数が必要になる。また、従来の水素ステーションでは、水素ガスを圧縮する圧縮機が必要になる。さらに、燃料電池自動車に高圧の水素ガスを充填する場合において、直接燃料タンクに供給すると、高圧ガスの温度を安全性の基準温度８０℃以下にすることが困難となるため、燃料タンクに供給する前に冷却が必要で、そのための冷却設備（プレクーラ）を設けることから、水素ガス充填装置の大型化は避けられない。しかし、水素ステーションあるいは各種プロセスにおける設置場所には厳しい制限があり、こうした条件下での水素ガス充填装置の大型化は大きな課題である。
さらに、近年では、多様な場所での水素ガス供給の必要性が高まっており、移動可能な水素ステーションの存在が求められている。
通常、従来の水素ステーションに用いられる蓄圧器は、水素ガスを高圧で貯蔵するため、多くの本数が必要になる。また、従来の水素ステーションでは、水素ガスを圧縮する圧縮機が必要になる。さらに、燃料電池自動車に高圧の水素ガスを充填する場合において、直接燃料タンクに供給すると、高圧ガスの温度を安全性の基準温度８０℃以下にすることが困難となるため、燃料タンクに供給する前に冷却が必要で、そのための冷却設備（プレクーラ）を設けることから、水素ガス充填装置の大型化は避けられない。しかし、水素ステーションあるいは各種プロセスにおける設置場所には厳しい制限があり、こうした条件下での水素ガス充填装置の大型化は大きな課題である。
さらに、近年では、多様な場所での水素ガス供給の必要性が高まっており、移動可能な水素ステーションの存在が求められている。
上記状況に鑑みて、本発明は、比較的単純な構成で、水素ガスを水素ガス使用設備に充填することが可能で、小型化、省エネ化を実現する移動式の水素ステーションを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の移動式水素ステーションは、水素ガスを所定の圧力で水素ガス使用設備に供給する差圧充填方式による水素ガス充填装置であって、水素ガスを圧縮した状態で蓄える水素ガス蓄圧器と、水素ガス蓄圧器へ水素ガスを充填する蓄ガス器ユニットと、水素ガス蓄圧器に蓄えられた水素ガスを定量吐出して水素ガス使用設備へ充填するディスペンサーとから成り、水素ガス蓄圧器，蓄ガス器ユニットおよびディスペンサーは、牽引車による牽引が可能なトレーラに搭載され、ディスペンサーは、トレーラから取外し可能な構成である。
水素ガス蓄圧器，蓄ガス器ユニットおよびディスペンサーから構成されるコンパクトな構成であり、他の牽引車に引かれるトレーラにこれらの装置を搭載して容易に移動させることができる。また、ディスペンサーは、トレーラから取外し可能な構造であるため、ディスペンサーを取り外して、トレーラを移動させることも可能である。
水素ガス蓄圧器，蓄ガス器ユニットおよびディスペンサーから構成されるコンパクトな構成であり、他の牽引車に引かれるトレーラにこれらの装置を搭載して容易に移動させることができる。また、ディスペンサーは、トレーラから取外し可能な構造であるため、ディスペンサーを取り外して、トレーラを移動させることも可能である。
また、本発明の移動式水素ステーションにおいて、トレーラは、台座部を覆うハウジングを有し、ハウジングには、換気用の通気孔および水素ガス蓄圧器のメインバルブを手動で開閉するためのメインバルブ操作扉が設けられ、メインバルブ操作扉は、ハウジングを台座部に設置した状態において、手動でのメインバルブの開閉を可能とする位置に設けられることが好ましい。換気用の通気孔が設けられることで、ガス漏れ等の際にハウジング内に水素ガスが充満することを防止できる。また、ハウジングを台座部に設置した状態において水素ガス蓄圧器のメインバルブを開閉できることにより、水素ガス蓄圧器の使用時の利便性を高める。
ハウジング内にガスセンサを設け、換気用の通気孔の開閉をガスセンサからの信号により自動制御で行うものでもよい。
ハウジング内にガスセンサを設け、換気用の通気孔の開閉をガスセンサからの信号により自動制御で行うものでもよい。
本発明の移動式水素ステーションにおける上記台座部に、更に燃料電池ユニットが搭載され、水素ガス蓄圧器の残留水素ガスの圧力が所定閾値以下の低圧に達した場合、残留水素ガスが燃料電池ユニットに供給され、燃料電池ユニットが水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いられることであってもよい。
従来は、水素ガスボンベ内に残留する水素ガスの圧力が０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧状態になると、不要なガスボンベとして回収されていた。しかし、０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧の水素ガスであっても、燃料電池ユニットに供給する水素ガスに用いることは可能である。そこで、残留水素ガスの圧力が０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧のガスボンベを回収せずに、残留水素ガスを燃料電池ユニットに供給するガスボンベとして使用し、残留する低圧（０．０５〜１ＭＰａ）の水素ガスを燃料電池ユニットに使用する。そして、燃料電池ユニットを水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いることで、水素ガス充填装置の省エネ化を実現するのである。
従来は、水素ガスボンベ内に残留する水素ガスの圧力が０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧状態になると、不要なガスボンベとして回収されていた。しかし、０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧の水素ガスであっても、燃料電池ユニットに供給する水素ガスに用いることは可能である。そこで、残留水素ガスの圧力が０．０５〜１ＭＰａ程度の低圧のガスボンベを回収せずに、残留水素ガスを燃料電池ユニットに供給するガスボンベとして使用し、残留する低圧（０．０５〜１ＭＰａ）の水素ガスを燃料電池ユニットに使用する。そして、燃料電池ユニットを水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いることで、水素ガス充填装置の省エネ化を実現するのである。
また、上記台座部に圧縮機が更に設けられ、該圧縮機が移動可能でありトレーラの台座部から分離取外し自在である、或は、圧縮機がトレーラの台座部に固定され、圧縮機が水素ガス蓄圧器に水素ガスを圧縮充填することでもよい。水素ガス蓄圧器の圧力が下がってくると、差圧充填方式による水素ガス充填が困難になる。そこで、圧力が下がってきても、圧縮機を用いて、水素ガスボンベから水素ガス蓄圧器に水素ガスを圧縮充填することにより、差圧充填が継続して行えるようにする。
本発明の移動式水素ステーションにおけるディスペンサーは、水素ガス入力口から水素ガス出力口に至るまでの主系統に配管が無く継手だけで構成されている、或は、主系統の一部に配管が残っている構成で配管数が継手総数の２０％以下であることが好ましい。
これにより小型化を実現し、トレーラへの搭載を容易にすることができる。主系統に配管が無く継手だけで構成されているのが好ましいが、主系統の一部に配管が残っていても構わない。但し、ディスペンサーのコンパクト化を図るために、配管は極力少ない方が良く、主系統の一部に配管が残っている構成であっても、配管数は継手総数の２０％以下、すなわち、継手の個数が１０個の場合、配管は１個または２個にする。
これにより小型化を実現し、トレーラへの搭載を容易にすることができる。主系統に配管が無く継手だけで構成されているのが好ましいが、主系統の一部に配管が残っていても構わない。但し、ディスペンサーのコンパクト化を図るために、配管は極力少ない方が良く、主系統の一部に配管が残っている構成であっても、配管数は継手総数の２０％以下、すなわち、継手の個数が１０個の場合、配管は１個または２個にする。
ここで、継手とは、２つの機械部分をつなぐ部品を言うが、従来、水素ガスが流れる配管とそれらの配管をつなぐ管継手が多く用いられていた。本発明ではディスペンサーのコンパクト化を図るために、できるだけ配管を無くし、或は、一部分のみに配管を用いるようにし、管継手ではなく、直接的に弁と弁、弁と計器、計器とオリフィスを繋ぐ継手部品を用いることにした。この継手部品の構成、すなわち、第１の弁等と第２の弁等を繋ぐ継手部品の構成として、例えば、第１の弁等を繋ぐ第１継手と、第２の弁等を繋ぐ第２継手と、第１継手と第２継手の突き合わせ部を覆い結合させるクランプ部材と、クランプ部材を締め付けるボルトとナットが挙げられる。
本発明の移動式水素ステーションにおける水素ガス蓄圧器は、蓄圧器内部に蓄圧された水素ガスを冷却する冷却手段を備え、差圧充填方式による水素ガス充填装置のプレクーラとして機能するものであることが好ましい。
上記構成によれば、別途プレクーラを設置するよりも、より小型化を図ることができ、トレーラへの搭載を容易にする。
上記構成によれば、別途プレクーラを設置するよりも、より小型化を図ることができ、トレーラへの搭載を容易にする。
本発明の移動式水素ステーションにおける水素ガス蓄圧器は、蓄圧器内の水素ガスの圧力および温度を測定することにより、水素ガス使用設備に充填する水素ガスの流量および充填量を算定するものであることが好ましい。
これによると、コリオリ方式等の高価な流量計を用いることなく充填量を計測できることから、装置全体のコスト削減に貢献できる。圧力計および温度計は、より正確に圧力と温度を測定するために、蓄圧器の中の温度と圧力を測定できるコネクタを設置する。このコネクタには、開閉弁付きと開閉弁無しの場合がある。また、蓄圧器の出口付近に圧力計を設置して水素ガスの圧力を計測し、蓄圧器の外面に温度計を設置することにより蓄圧器の温度を測定することでも良い。あるいは、上述の両方のやり方をそれぞれ行い、圧力計および温度計を設置する場合もある。そして、測定結果に基づいて、水素ガス使用設備に充填する水素ガスの流量および充填量を算定する。
なお、蓄圧器が複数ある場合、各々の蓄圧器内の水素ガスの圧力および温度を測定して、測定された各々の充填量を合算することができる。
これによると、コリオリ方式等の高価な流量計を用いることなく充填量を計測できることから、装置全体のコスト削減に貢献できる。圧力計および温度計は、より正確に圧力と温度を測定するために、蓄圧器の中の温度と圧力を測定できるコネクタを設置する。このコネクタには、開閉弁付きと開閉弁無しの場合がある。また、蓄圧器の出口付近に圧力計を設置して水素ガスの圧力を計測し、蓄圧器の外面に温度計を設置することにより蓄圧器の温度を測定することでも良い。あるいは、上述の両方のやり方をそれぞれ行い、圧力計および温度計を設置する場合もある。そして、測定結果に基づいて、水素ガス使用設備に充填する水素ガスの流量および充填量を算定する。
なお、蓄圧器が複数ある場合、各々の蓄圧器内の水素ガスの圧力および温度を測定して、測定された各々の充填量を合算することができる。
蓄圧器の最終充填量は、充填前の圧力と温度と充填後の圧力と温度から計算した重量の差から計算をする。その際、充填後の蓄圧器内の温度が安定するまで内部温度をモニターする。通常５秒から６０秒程度待った後、安定した温度に基づいて計算する。さらに、より高精度な充填量を求められる場合、蓄圧器から流量制御弁との間の残留水素による計算誤差を補正するために、その部分の容量、残圧と温度から計算した数値を用い補正することにより、より正確な充填量を計算する。
また、算定した流量情報は、水素ガス使用設備に充填する水素ガスの流量制御用に設置した複数のオリフィスの選択や、或はオリフィスの替わりに用いる流量制御弁の制御に利用する。また、水素ガス使用設備の充填量の計算などに利用する。
本発明の移動式水素ステーションにおける水素ガス蓄圧器は、水素吸蔵合金を内蔵しており、水素吸蔵合金を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスを放出し水素ガス圧力を上昇させる加圧手段と、水素吸蔵合金を冷却して水素ガス吸蔵を促し水素ガス圧力を減圧させる減圧手段を備えるものでもよい。
上記構成によれば、比較的単純な構成で、高純度な水素ガスを安全に水素ガス使用設備に充填することができ、小型化、省エネ化、サイレンス化を実現でき、トレーラへの搭載を容易にする。
水素ガス充填装置側の蓄圧器が、水素吸蔵合金を内蔵していることで、水素吸蔵合金に水素ガスを吸着させた後、冷却して、未吸着の不純物を放出し除去して水素ガスを精製でき、水素吸着された水素吸蔵合金を加熱することにより水素ガスを放出して蓄圧器内の水素ガス圧力を上昇できる。すなわち、圧縮機を用いることなく、高圧の水素ガスを蓄圧器内に充填できることになる。その後、蓄圧器内の高圧水素ガスを水素ガス使用設備に充填する。
水素ガス充填装置側の蓄圧器が、水素吸蔵合金を内蔵していることで、水素吸蔵合金に水素ガスを吸着させた後、冷却して、未吸着の不純物を放出し除去して水素ガスを精製でき、水素吸着された水素吸蔵合金を加熱することにより水素ガスを放出して蓄圧器内の水素ガス圧力を上昇できる。すなわち、圧縮機を用いることなく、高圧の水素ガスを蓄圧器内に充填できることになる。その後、蓄圧器内の高圧水素ガスを水素ガス使用設備に充填する。
蓄圧器の周囲には、加熱手段および冷却手段が設けられる。加熱手段は、蓄圧器の周囲を加熱し、蓄圧器に内蔵された水素吸蔵合金を加熱する。そして、水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスを放出させて、蓄圧器内の水素ガス圧力を上昇させる。加熱手段は、蓄圧器内の水素ガスの加圧手段として機能することになる。一方、冷却手段は、蓄圧器の周囲を冷却し、蓄圧器に内蔵された水素吸蔵合金を冷却する。そして、水素吸蔵合金に対して水素ガス吸蔵を促して、蓄圧器内の水素ガス圧力を減圧させる。冷却手段は、蓄圧器内の水素ガスの減圧手段として機能することになる。なお、加熱手段と冷却手段は、一体化されて加熱冷却手段であってもよい。
また、加熱手段は、水素ガス使用設備から出る排熱を用いてもよい。また、冷却手段は、装置が寒冷地に設置される場合は、外気による自然空冷を用いてもよい。水素ガス使用設備に応じて、要求される水素ガスの圧力や供給速度が異なることから、それらの要求を満足できるような温度制御が可能な手段を選ぶようにする。
ここで、水素吸蔵合金には、既に公知のマグネシウム基合金やバナジウム基合金、チタン、マンガン、ジルコニウム、ニッケルなどの遷移元素の基合金、希土類元素、ニオブ、ジルコニウムに対して触媒効果を持つ遷移元素（ニッケル、コバルト、アルミニウムなど）を含む合金、チタン−鉄系の金属間化合物の基合金などを用いることができる。
本発明の移動式水素ステーションにおいて、水素ガス使用設備に供給する水素量を制御する流量制御手段は、オリフィスによる円形管路の絞り機構であることが好ましい。また異なる充填圧の蓄圧器から水素ガス使用設備に水素ガスを供給できるように、異なる径のオリフィスを並列に設けることが好ましい。水素量を制御する流量制御手段として、オリフィスを用いることで、設備がシンプルになり、簡便に水素ガスの流量を制御できる。
本発明の移動式水素ステーションにおけるディスペンサーは、ディスペンサー内の制御用機器に使う窒素を供給する小型の制御用窒素供給容器を備える。この小型の制御用窒素供給容器（Ｎ２ヘッダー）は、ディスペンサー外部に設けられる窒素ボンベであって、制御用窒素供給容器よりも大容量の窒素ボンベから窒素を定期的もしくは窒素圧力が低下した場合に充填できるものである。
Ｎ２ヘッダーをディスペンサー内に設けることにより、ディスペンサーの小型化を可能にしている。Ｎ２ヘッダーは、ディスペンサー内の制御用機器（エア作動弁等）に使う窒素を供給するものであり、ディスペンサー外部の窒素ボンベから窒素を定期的に充填することにより、ディスペンサー内に窒素ボンベ等のスペースの確保が不要となり、ディスペンサーの小型化を実現するのである。Ｎ２ヘッダーには、窒素を容易に充填するためにクイックカプラが設けられており、窒素圧力が低下した際に迅速に窒素充填を可能にしている。
なお、Ｎ２ヘッダーに用いる窒素は、窒素以外にもアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスでも代用可能である。また、制御用として用いるのではなく、計装用のみとして用いる場合は、空気でも代用可能である。
Ｎ２ヘッダーをディスペンサー内に設けることにより、ディスペンサーの小型化を可能にしている。Ｎ２ヘッダーは、ディスペンサー内の制御用機器（エア作動弁等）に使う窒素を供給するものであり、ディスペンサー外部の窒素ボンベから窒素を定期的に充填することにより、ディスペンサー内に窒素ボンベ等のスペースの確保が不要となり、ディスペンサーの小型化を実現するのである。Ｎ２ヘッダーには、窒素を容易に充填するためにクイックカプラが設けられており、窒素圧力が低下した際に迅速に窒素充填を可能にしている。
なお、Ｎ２ヘッダーに用いる窒素は、窒素以外にもアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスでも代用可能である。また、制御用として用いるのではなく、計装用のみとして用いる場合は、空気でも代用可能である。
本発明の移動式水素ステーションにおける蓄ガス器ユニットには、水素ガス使用設備からガスを抜き出すためのガス抜きコネクタが設けられたことが好ましい。例えば、水素ガス使用設備が燃料電池自動車（ＦＣＶ）である場合、自動車検査登録の際に自動車から水素ガスを抜き取る必要がある。そこで、蓄ガス器ユニットにガス抜きコネクタを設け、必要に応じて水素ガス使用設備から、水素ガスを抜き取ることを可能にしたものである。
本発明の移動式水素ステーションにおける水素ガス蓄圧器とディスペンサーの間には、水素ガスを等エンタルピー断熱膨張させる断熱膨張用チャンバーが設けられ、水素ガス蓄圧器に蓄圧された水素ガスが断熱膨張用チャンバーに移動することにより、水素ガスが膨張して平均分子間距離が大きくなり、ファンデルワールス引力に起因するポテンシャルエネルギーを増加させた分だけ分子の平均運動エネルギーが減少し、水素ガスの温度を降下させることが好ましい。断熱膨張用チャンバーが設けられることにより、水素ガス蓄圧器からディスペンサーへと水素ガスが送られる際に、水素ガスを予め冷却することができ、水素ガス使用設備への充填時における急激な温度上昇を抑制するためのプレクーラとして断熱膨張用チャンバーを利用することができる。
本発明の移動式水素ステーションにおけるディスペンサーから出力した水素ガスを水素ガス使用設備に充填する際に水素ガスの流れを表示するインジケータが設けられ、インジケータは、水素ガスの流路を横貫する方向に移動可能な状態で配置されたピストンである。
第１の観点のピストンは、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備える。第１の観点のピストンにおいて、第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積より小さく、第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられている。
第１の観点のピストンは、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備える。第１の観点のピストンにおいて、第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積より小さく、第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられている。
そして、第１の受圧端面が水素ガス充填装置側、第２の受圧端面が水素ガス使用設備側になるようにピストンが配置される。
充填中には、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動する。一方、充填完了時には、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンが水素ガス充填装置側に移動する。これによって、外部から見える表示が変化する。
充填中には、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動する。一方、充填完了時には、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンが水素ガス充填装置側に移動する。これによって、外部から見える表示が変化する。
これは、充填中における高圧側（水素ステーション側）と低圧側（水素使用設備）の圧力差を利用し、インジケータとなるピストンが機械的かつ自動的に動作するようにしたものである。
このようなインジケータが設けられることにより、水素ステーションからＦＣＶ等の水素使用設備に水素ガスを充填する際、水素ガスが充填中であるのか、或は、充填完了しているのかを可視化することができる。また、コンパクトな装置であるため、移動式水素ステーションのコンパクト化にも貢献する。上記の構成は、オリフィスを用いる場合に特に有効である。
インジケータは、外部から見える表示が変化するものであれば良く、例えば、表示ラインが見え隠れしたり、表示窓が設けられたりするものであっても良い。
このようなインジケータが設けられることにより、水素ステーションからＦＣＶ等の水素使用設備に水素ガスを充填する際、水素ガスが充填中であるのか、或は、充填完了しているのかを可視化することができる。また、コンパクトな装置であるため、移動式水素ステーションのコンパクト化にも貢献する。上記の構成は、オリフィスを用いる場合に特に有効である。
インジケータは、外部から見える表示が変化するものであれば良く、例えば、表示ラインが見え隠れしたり、表示窓が設けられたりするものであっても良い。
また、本発明の移動式水素ステーションにおけるディスペンサーから出力した水素ガスを水素ガス使用設備に充填する際に水素ガスの流れを表示するインジケータが設けられ、インジケータは、水素ガスの流路を横貫する方向に移動可能な状態で配置されたピストンである。
第２の観点のピストンは、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備える。第２の観点のピストンにおいて、第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積と等しく、第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられている。
第２の観点のピストンは、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備える。第２の観点のピストンにおいて、第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積と等しく、第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられている。
そして、第１の受圧端面が水素ガス充填装置側、第２の受圧端面が水素ガス使用設備側に配置される。
充填中には、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動する。一方、充填完了時には、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンに取付けられた弾性体の弾性力により、ピストンが水素ガス充填装置側に移動する。これによって、外部から見える表示が変化する。
充填中には、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動する。一方、充填完了時には、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンに取付けられた弾性体の弾性力により、ピストンが水素ガス充填装置側に移動する。これによって、外部から見える表示が変化する。
第２の観点のピストンでは、第１の受圧端面の面積を、第２の受圧端面の面積と等しくすることで、ピストンの形状が簡易となり、製造を容易にし、製造コストを下げることができる。ここで、ピストンに取付けられた弾性体は、充填完了時にその弾性体の弾性力により、ピストンが水素ガス充填装置側に移動するものであれば良く、例えば、スプリングが好適に用いることができる。
本発明の移動式水素ステーションによれば、比較的単純な構成で、水素ガスを水素ガス使用設備に充填でき、小型化、省エネ化を実現すると共に、移動可能で、様々な場所での水素ガス供給を可能にするといった効果がある。
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
図１は、実施例１の移動式水素ステーションのシステム構成図を示している。
図1に示されるように、水素カードル２は、蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１に接続されており、ディスペンサー１に設けられた充填カプラ１９から水素ガス使用設備（ＦＣＶ）４に水素ガスが充填される。蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３及びディスペンサー１は、トレーラ７上に搭載されている。
蓄ガス器ユニット６には、バルブ（３３，３４）が設けられており、バルブ３４を閉じた状態でバルブ３３を開けることで、水素カードル２から蓄圧器３へ水素ガスを充填することが可能である。また、充填バルブ３３を閉じた状態でバルブ３４を開けることで、蓄圧器３から水素ガス使用設備４へ水素ガスを充填することができる。メインバルブ４６は手動で開閉することが可能であり、閉じておくことで、水素ガスのガス漏れを防止することが可能である。
図1に示されるように、水素カードル２は、蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１に接続されており、ディスペンサー１に設けられた充填カプラ１９から水素ガス使用設備（ＦＣＶ）４に水素ガスが充填される。蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３及びディスペンサー１は、トレーラ７上に搭載されている。
蓄ガス器ユニット６には、バルブ（３３，３４）が設けられており、バルブ３４を閉じた状態でバルブ３３を開けることで、水素カードル２から蓄圧器３へ水素ガスを充填することが可能である。また、充填バルブ３３を閉じた状態でバルブ３４を開けることで、蓄圧器３から水素ガス使用設備４へ水素ガスを充填することができる。メインバルブ４６は手動で開閉することが可能であり、閉じておくことで、水素ガスのガス漏れを防止することが可能である。
図２は、実施例１の移動式水素ステーションの系統ブロック図を示している。
蓄ガス器ユニット６は、水素カードル２に充填されている水素ガスを蓄圧器３に充填する。
蓄ガス器ユニット６は、バルブ（３３，３４）、ストレーナー７６および圧力弁７７から成る。また、図示しないが、蓄ガス器ユニット６にはＮ２ヘッダーが設けられており、蓄ガス器ユニット６の内部に残存する水素ガス等を放出する役割を果たしている。蓄圧器３にはメインバルブ４６が設けられており、水素カードル２からの水素ガスの充填や、水素ガス使用設備４への水素ガスの充填を行う際には、メインバルブ４６を開放して使用する。水素カードル２から蓄圧器３への水素ガスの充填は、バルブ３４を閉じた状態でバルブ３３を開けることによって行う。また、蓄圧器３から水素ガス使用設備４への水素ガスの充填は、バルブ３３を閉じた状態でバルブ３４を開けることによって行う。
蓄圧器３から送られた水素ガスは、ディスペンサー１に設けられた水素ガス入力口１ａから水素ガス出力口１ｂへと送られ、離脱カプラ１８、充填カプラ１９を順に通って、水素ガス使用設備４に充填される。
なお、本実施例では、蓄圧器３には水素吸蔵合金が内蔵されているため、圧縮機３６を設けない構成となっているが、図２に示すように、水素カードル２と蓄ガス器ユニット６の間に圧縮機３６を設けてもよい。
蓄ガス器ユニット６は、水素カードル２に充填されている水素ガスを蓄圧器３に充填する。
蓄ガス器ユニット６は、バルブ（３３，３４）、ストレーナー７６および圧力弁７７から成る。また、図示しないが、蓄ガス器ユニット６にはＮ２ヘッダーが設けられており、蓄ガス器ユニット６の内部に残存する水素ガス等を放出する役割を果たしている。蓄圧器３にはメインバルブ４６が設けられており、水素カードル２からの水素ガスの充填や、水素ガス使用設備４への水素ガスの充填を行う際には、メインバルブ４６を開放して使用する。水素カードル２から蓄圧器３への水素ガスの充填は、バルブ３４を閉じた状態でバルブ３３を開けることによって行う。また、蓄圧器３から水素ガス使用設備４への水素ガスの充填は、バルブ３３を閉じた状態でバルブ３４を開けることによって行う。
蓄圧器３から送られた水素ガスは、ディスペンサー１に設けられた水素ガス入力口１ａから水素ガス出力口１ｂへと送られ、離脱カプラ１８、充填カプラ１９を順に通って、水素ガス使用設備４に充填される。
なお、本実施例では、蓄圧器３には水素吸蔵合金が内蔵されているため、圧縮機３６を設けない構成となっているが、図２に示すように、水素カードル２と蓄ガス器ユニット６の間に圧縮機３６を設けてもよい。
図２において、水素ガス入力口１ａから水素ガス出力口１ｂまで直線で表示される系統は、ディスペンサー１における主系統を示している。
水素ガス入力口１ａは、継手５１を介して、水素１次側圧力計１１と接続されている。水素１次側圧力計１１は、継手５２を介して、遮断弁１２と接続されている。遮断弁１２は、継手５３を介して、ストレーナー１３と接続されている。ストレーナー１３は、継手５４を介して、水素減圧弁１４と接続されている。水素減圧弁１４は、継手５５を介して、オリフィス１５と接続されている。オリフィス１５は、継手５６を介して、逆止弁１６と接続されている。逆止弁１６は、継手５７を介して、水素２次側圧力計１７と接続されている。水素２次側圧力計１７は、継手５８を介して、水素ガス出力口１ｂへと接続されている。
上記のように、ディスペンサー１の主系統においては、配管は無く継手だけで構成されるコンパクトな設計となっている。
水素ガス入力口１ａは、継手５１を介して、水素１次側圧力計１１と接続されている。水素１次側圧力計１１は、継手５２を介して、遮断弁１２と接続されている。遮断弁１２は、継手５３を介して、ストレーナー１３と接続されている。ストレーナー１３は、継手５４を介して、水素減圧弁１４と接続されている。水素減圧弁１４は、継手５５を介して、オリフィス１５と接続されている。オリフィス１５は、継手５６を介して、逆止弁１６と接続されている。逆止弁１６は、継手５７を介して、水素２次側圧力計１７と接続されている。水素２次側圧力計１７は、継手５８を介して、水素ガス出力口１ｂへと接続されている。
上記のように、ディスペンサー１の主系統においては、配管は無く継手だけで構成されるコンパクトな設計となっている。
水素ガス出力口１ｂと水素ガス使用設備４とをつなぐメタルフレキシブルホースには、離脱カプラ１８と充填カプラ１９が設けられ、充填カプラ１９を水素ガス使用設備４に差し込んで水素ガスを充填する。メタルフレキシブルホースの長さは略４ｍである。
次に、ディスペンサー１の補助系統を説明する。
遮断弁１２は、補助系統として、セレクタスイッチ２２と接続されている。同じく、セレクタスイッチ２２は、窒素ヘッダー圧力計２１が接続されたＮ２ヘッダー２０に接続されている。セレクタスイッチ２２は、遮断弁２３へと接続されている。この遮断弁２３は、継手５８と接続されている。継手５８は、手動弁２４と安全弁２５に接続されている。遮断弁２３及び手動弁２４は、排気用オリフィス２６へと接続され、排気用圧力計２７、背圧弁２８、逆止弁２９が順に接続され排気口１ｃへと導かれ、フレームアレスター３０に接続される。安全弁２５は、逆止弁２９へと接続されている。
遮断弁１２は、補助系統として、セレクタスイッチ２２と接続されている。同じく、セレクタスイッチ２２は、窒素ヘッダー圧力計２１が接続されたＮ２ヘッダー２０に接続されている。セレクタスイッチ２２は、遮断弁２３へと接続されている。この遮断弁２３は、継手５８と接続されている。継手５８は、手動弁２４と安全弁２５に接続されている。遮断弁２３及び手動弁２４は、排気用オリフィス２６へと接続され、排気用圧力計２７、背圧弁２８、逆止弁２９が順に接続され排気口１ｃへと導かれ、フレームアレスター３０に接続される。安全弁２５は、逆止弁２９へと接続されている。
図３〜５は、実施例１のトレーラの説明図であり、図３は正面図、図４は平面図、図５は右側面図を示している。図３，図５に示すように、トレーラ７は、台座部８およびハウジング９から成り、路面４５上に置かれている。図３において、トレーラ７は、移動時には右から左へとトラクタ等の牽引車により牽引されて移動する。台座部８には、固定部３７，連結器３８，後輪４０およびバンパ４１が設けられ、連結器３８には、前輪３９が設けられている。また、図４，５に示すように、ハウジング９の内部には固定部３７上に蓄圧器３が設置され、台座部８上にディスペンサー１および蓄ガス器ユニット６が設置されている。蓄圧器３と蓄ガス器ユニット６の結合部にはメインバルブ４６が設けられており、メインバルブ４６は手動で開閉可能である。メインバルブ４６を閉めることにより、水素ガスのガス漏れを防止することが可能である。図３〜５に示すように、蓄ガス器ユニット６は、配管が２０％以下であり、残りは継ぎ手だけで構成されるコンパクトな仕様となっている。
また、図示しないが、蓄ガス器ユニット６とディスペンサー１は、フレキシブル配管等で結合されている。
また、図示しないが、蓄ガス器ユニット６とディスペンサー１は、フレキシブル配管等で結合されている。
図６は、実施例１のトレーラの外観正面図を示している。図６に示すように、台座部８にハウジング９を被せた状態では、台座部８上の蓄圧器，ディスペンサーおよび蓄ガス器ユニットは、全てハウジング９によって覆われている。また、台座部８およびハウジング９は、金属板等で形成されている。また、トレーラ７にはバンパ４１が設けられているため、衝撃にも耐えられる構造となっている。ハウジング９には、通気孔（４２ａ，４２ｂ）およびバルブ操作扉４３が設けられている。通気孔４２ａは下向きに設けられており、また、通気孔４２ｂは横向きに設けられているため、雨等の浸入は防止可能な構造である。
図７は、実施例１のトレーラのハウジング取外し時の正面図を示している。図７に示すように、ハウジング９は、台座部８から取外すことが可能である。ハウジング９を取外すことで、ハウジング９内部の点検等を行うことが可能である。また、図示しないが、ハウジング９には、開閉窓が設けられており、ハウジング９を取外すことなくディスペンサーおよび蓄ガス器ユニットを操作することが可能である。フレーム５０は、蓄圧器３を保護するためのものであり、強度の高い素材で形成され、衝撃にも強い構造となっている。
図８は、実施例１のトレーラの外観平面図を示している。図８に示すように、ハウジング９には、蓄ガス器ユニットを操作するための操作扉４９ａと、ディスペンサーを操作するための操作扉４９ｂが設けられている。水素ガスの充填等を行う際は、操作扉（４９ａ，４９ｂ）を開けて蓄ガス器ユニットおよびディスペンサーを操作して行う。これに対して、例えばトレーラ７を移動させる際には、操作扉（４９ａ，４９ｂ）を閉じて移動させる。また、ハウジング９の内部には、水素ガスのガス漏れ発生を検知する水素ガス検知器のセンサが設けられてもよい。
図９は、実施例１のトレーラの外観右側面図を示している。図９に示すように、ハウジング９には、バルブ操作扉４３が設けられており、バルブ操作扉４３を開けて、外部から、内部に設けられたメインバルブを開閉することが可能である。
図１０は、実施例１のトレーラのトラクタへの取付例を示している。図１０に示すように、トレーラ７は、連結器３８を介して、トラクタ４４に連結されている。トラクタ４４を操縦して、トレーラ７を輸送し、到着先で、水素カードルから蓄圧器へ水素ガスを充填し、或は、蓄圧器から水素ガス使用設備へ水素ガスを充填することが可能である。トレーラ７をトラクタ４４に連結した際は、前輪３９は折り畳んで使用する。
実施例１のディスペンサーの外観図と内部構造図を、それぞれ図１１と図１２に示す。それぞれの図において、（１）は正面図、（２）は側面図を示している。
図１１（１）に示されるように、ディスペンサー１の筐体部１０１の前面には扉部１０１ａが設けられ、正面から見て左側面には水素ガス入力口１ａ、右側面には水素ガス出力口１ｂがそれぞれ設けられ、水素ガス出力口１ｂにはフローインジケータ８７が取り付けられている。図１１（２）に示されるように、筐体部１０１の前面上部は斜面となっており、斜面にはパネル部１０１ｃが設けられている。
パネル部１０１ｃには、水素１次側圧力計１１、計装圧力計９１、排気圧力計８８、水素２次側圧力計１７、セレクタスイッチ２２が設けられている。
図１１（１）に示されるように、ディスペンサー１の筐体部１０１の前面には扉部１０１ａが設けられ、正面から見て左側面には水素ガス入力口１ａ、右側面には水素ガス出力口１ｂがそれぞれ設けられ、水素ガス出力口１ｂにはフローインジケータ８７が取り付けられている。図１１（２）に示されるように、筐体部１０１の前面上部は斜面となっており、斜面にはパネル部１０１ｃが設けられている。
パネル部１０１ｃには、水素１次側圧力計１１、計装圧力計９１、排気圧力計８８、水素２次側圧力計１７、セレクタスイッチ２２が設けられている。
実施例１のディスペンサーの主系統および補助系統について、図１２を参照して説明する。
先ず、主系統について説明する。水素ガス入力口１ａは、継手５９を介して、水素１次側圧力計１１と接続されている。水素１次側圧力計１１は、継手６０を介して、エア作動弁８１と接続されている。エア作動弁８１は、継手６１を介して、ストレーナー１３と接続されている。ストレーナー１３は、継手（６２，６３，６４）を介して、水素減圧弁１４と接続されている。水素減圧弁１４は、継手６５を介して、オリフィス８３と接続されている。オリフィス８３は、継手（６６，６７，６８）を介して、逆止弁１６と接続されている。逆止弁１６は、継手（６９，７１）を介して配管９３と接続されている。配管９３は、継手７０を介して、水素２次側圧力計１７と接続されている。水素２次側圧力計１７は、継手７２を介して、フローインジケータ８７と接続され、水素ガス出力口１ｂへと接続されている。
先ず、主系統について説明する。水素ガス入力口１ａは、継手５９を介して、水素１次側圧力計１１と接続されている。水素１次側圧力計１１は、継手６０を介して、エア作動弁８１と接続されている。エア作動弁８１は、継手６１を介して、ストレーナー１３と接続されている。ストレーナー１３は、継手（６２，６３，６４）を介して、水素減圧弁１４と接続されている。水素減圧弁１４は、継手６５を介して、オリフィス８３と接続されている。オリフィス８３は、継手（６６，６７，６８）を介して、逆止弁１６と接続されている。逆止弁１６は、継手（６９，７１）を介して配管９３と接続されている。配管９３は、継手７０を介して、水素２次側圧力計１７と接続されている。水素２次側圧力計１７は、継手７２を介して、フローインジケータ８７と接続され、水素ガス出力口１ｂへと接続されている。
次に、補助系統について説明する。主系統における継手（６９，７１）は、継手７３を介して、エア作動弁８２と接続されている。また、継手（６９，７１）は、継手７４を介して、パージ弁８５とも接続されている。さらに、継手（６９，７１）は、継手７５を介して、安全弁８６とも接続されている。また、エア作動弁８２とパージ弁８５は、オリフィス８４と背圧弁８９を介し、さらに、逆止弁９０を介して、排気口１ｃへと接続されている。また、安全弁８６は、オリフィス８４と背圧弁８９を介さずに、逆止弁９０を介して、排気口１ｃへと接続されている。
このように、ディスペンサーの主系統には一部しか配管は無く、基本的に、弁、計器、オリフィスなどの機器同士は継手のみで接続されている。本実施例のディスペンサーの幅Ｗは５４０ｍｍ、高さＨは６９０ｍｍ、奥行きＤは３３０ｍｍである。
このように、ディスペンサーの主系統には一部しか配管は無く、基本的に、弁、計器、オリフィスなどの機器同士は継手のみで接続されている。本実施例のディスペンサーの幅Ｗは５４０ｍｍ、高さＨは６９０ｍｍ、奥行きＤは３３０ｍｍである。
図１４は、実施例２のトレーラの正面図を示している。図１４に示すように、実施例１とは異なり、トレーラ７の台座部８には後輪（４０ａ，４０ｂ）が設けられている。これにより、より重い重量に耐えることが可能である。そこで、フレーム５０に正面視上６つの蓄圧器３が固定されている。図示しないが、蓄圧器３は奥に向かって３列並べられているため、計１８本の蓄圧器３が設置されている。フレーム５０は、実施例１と同様に、強度の高い素材で形成されており、衝撃にも強い構造となっている。また、蓄圧器３の本数に従って、バルブ操作扉４３も同数設けられている。図１４に示すように、蓄圧器３は、ハウジング外部からでもメインバルブ４６の操作が可能となるように、メインバルブ４６が外側となるように設置されている。このように、トレーラ７の仕様によっては、多数の蓄圧器３を配備することが可能である。
また、蓄圧器３の本数だけではなく、充填量や充填圧力を増減させることも可能である。ここで、例えば、充填圧力は２０〜４０ＭＰａの範囲で増減させることが可能である。
複数の蓄圧器を配備した場合に、水素ガス使用設備へ水素ガスを充填する際は、複数の蓄圧器を同時に使用するのではなく、１つずつ使用して充填を行う。これにより、蓄圧器の高圧の部分を有効に利用することができる。
また、図示しないが、通気孔等の実施例１に示した機構を備えていてもよい。
また、蓄圧器３の本数だけではなく、充填量や充填圧力を増減させることも可能である。ここで、例えば、充填圧力は２０〜４０ＭＰａの範囲で増減させることが可能である。
複数の蓄圧器を配備した場合に、水素ガス使用設備へ水素ガスを充填する際は、複数の蓄圧器を同時に使用するのではなく、１つずつ使用して充填を行う。これにより、蓄圧器の高圧の部分を有効に利用することができる。
また、図示しないが、通気孔等の実施例１に示した機構を備えていてもよい。
図１４は、実施例３の移動式水素ステーションのシステム構成図を示している。
本実施例の移動式水素ステーションにおける水素ガス充填装置は、実施例１の構成に加えて、更に燃料電池ユニット１０および圧縮機３を備えている。水素カードル２の残留水素ガスの圧力が所定閾値以下の低圧（０．０５〜１ＭＰａ）に達した場合、残留水素ガスは、燃料電池ユニット１０に供給される。これにより、燃料電池ユニット１０を水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いることができるのである。ここで、燃料電池ユニット１０への電力供給は、蓄圧器３から供給されるものであってもよい。
圧縮機３６は、燃料電池ユニット１０からの電力供給を受けて、水素カードル２から送られる水素ガスを圧縮して蓄圧器３へ送る。水素カードル２は、トレーラ７上には搭載されないので、トレーラ７が到着した場所で、水素カードル２に接続して使用する。
残留水素ガスを用いて燃料電池ユニット１０で発電された電力は、電源供給ケーブル３５を介して、圧縮機３６だけではなく、ディスペンサー１にも供給される。また、かかる電力により、緊急遮断弁を動かすこともできる。
本実施例の移動式水素ステーションにおける水素ガス充填装置は、実施例１の構成に加えて、更に燃料電池ユニット１０および圧縮機３を備えている。水素カードル２の残留水素ガスの圧力が所定閾値以下の低圧（０．０５〜１ＭＰａ）に達した場合、残留水素ガスは、燃料電池ユニット１０に供給される。これにより、燃料電池ユニット１０を水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いることができるのである。ここで、燃料電池ユニット１０への電力供給は、蓄圧器３から供給されるものであってもよい。
圧縮機３６は、燃料電池ユニット１０からの電力供給を受けて、水素カードル２から送られる水素ガスを圧縮して蓄圧器３へ送る。水素カードル２は、トレーラ７上には搭載されないので、トレーラ７が到着した場所で、水素カードル２に接続して使用する。
残留水素ガスを用いて燃料電池ユニット１０で発電された電力は、電源供給ケーブル３５を介して、圧縮機３６だけではなく、ディスペンサー１にも供給される。また、かかる電力により、緊急遮断弁を動かすこともできる。
ディスペンサーや蓄ガス器ユニットには、表示操作用のタッチパネルと、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）が搭載されてもよい。タッチパネルの表示および操作は、トレーラ上に搭載された燃料電池ユニットからバッテリーに供給された電力を利用して行われる。燃料電池ユニットの構成は、上述の実施例２における場合と同様である。
水素ガス蓄圧器内には温度センサと圧力センサが設けられ、蓄圧器の温度と圧力を計測して、タッチパネル上に水素ガスの充填量を表示できる。
タッチパネル方式を採用することで、ワンタッチで、蓄圧器から水素使用設備へ水素ガスを充填し、充填完了後は自動で停止する、といった自動制御が可能となる。
水素ガス蓄圧器内には温度センサと圧力センサが設けられ、蓄圧器の温度と圧力を計測して、タッチパネル上に水素ガスの充填量を表示できる。
タッチパネル方式を採用することで、ワンタッチで、蓄圧器から水素使用設備へ水素ガスを充填し、充填完了後は自動で停止する、といった自動制御が可能となる。
図１５は、実施例５の移動式水素ステーションのシステム構成図を示している。図１５に示すように、水素カードル２は、蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１に接続されており、ディスペンサー１に設けられた充填カプラ１９から水素ガス使用設備４に水素ガスが充填される。蓄ガス器ユニット６および蓄圧器３は、トレーラ７上に搭載されている。ディスペンサー１はトレーラ７上には搭載されていないが、搭載することも可能な構造である。また、ディスペンサー１はトレーラ７から取外し自在な構造であってもよい。
図１８は、実施例５のトレーラの平面図を示している。図１８に示すように、トレーラ７には、ディスペンサーは搭載されていない。トレーラ７にディスペンサーが搭載されていなくても、水素ガス使用設備への水素ガスの充填場所にディスペンサーが配備されていれば、充填場所で蓄圧器３とディスペンサーを接続して水素ガス使用設備へ水素ガスを充填することは可能である。また、これによりシステムの軽量化が図られ、トレーラ７の移動が容易となる。
図１８は、実施例５のトレーラの平面図を示している。図１８に示すように、トレーラ７には、ディスペンサーは搭載されていない。トレーラ７にディスペンサーが搭載されていなくても、水素ガス使用設備への水素ガスの充填場所にディスペンサーが配備されていれば、充填場所で蓄圧器３とディスペンサーを接続して水素ガス使用設備へ水素ガスを充填することは可能である。また、これによりシステムの軽量化が図られ、トレーラ７の移動が容易となる。
図１６は、実施例６の移動式水素ステーションのシステム構成図を示している。図１６に示すように、水素カードル２は、蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１に接続されている。蓄ガス器ユニット６には、水素ガス使用設備４から水素ガスを抜き取るためのガス抜きコネクタ４７が設けられている。
蓄ガス器ユニット６には、バルブ（３３，３４，４８）が設けられており、バルブ（３４，４８）を閉じた状態でバルブ３３を開けることで、水素カードル２から蓄圧器３へ水素ガスを充填することが可能である。また、充填バルブ（３３，４８）を閉じた状態でバルブ３４を開けることで、蓄圧器３から水素ガス使用設備４へ水素ガスを充填することができる。さらに、充填バルブ（３３，３４）を閉じた状態でバルブ４８を開けることで、水素ガス使用設備４から水素ガスを抜き取ることも可能である。
蓄ガス器ユニット６には、バルブ（３３，３４，４８）が設けられており、バルブ（３４，４８）を閉じた状態でバルブ３３を開けることで、水素カードル２から蓄圧器３へ水素ガスを充填することが可能である。また、充填バルブ（３３，４８）を閉じた状態でバルブ３４を開けることで、蓄圧器３から水素ガス使用設備４へ水素ガスを充填することができる。さらに、充填バルブ（３３，３４）を閉じた状態でバルブ４８を開けることで、水素ガス使用設備４から水素ガスを抜き取ることも可能である。
図１７は、実施例７の移動式水素ステーションのシステム構成図を示している。図１７に示すように、水素カードル２は、蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１に接続されており、ディスペンサー１に設けられた充填カプラ１９から水素ガス使用設備（ＦＣＶ）４に水素ガスが充填される。蓄ガス器ユニット６、蓄圧器３およびディスペンサー１は、トレーラ７上に搭載されている。蓄圧器３とディスペンサー１の間には、水素ガスを等エンタルピー断熱膨張させる断熱膨張用チャンバー４８が設けられている。また、図示しないが、蓄圧器３から断熱膨張用チャンバー４８への入力口にはオリフィスが設けられている。蓄圧器３に蓄圧された水素ガスが断熱膨張用チャンバー４８に移動することにより、水素ガスが膨張して平均分子間距離が大きくなる。その際、内部エネルギーが一定であるので、ファンデルワールス引力に起因するポテンシャルエネルギーが増加すると、その増加分だけ分子の平均運動エネルギーが減少する。すなわち、水素ガスの温度を降下させることになる。そのため、断熱膨張用チャンバー４８は、断熱膨張機能を利用したプレクーラとして利用することができる。蓄圧器３から断熱膨張用チャンバー４８へ送られた水素ガスは、熱膨張により温度が上昇するが、断熱膨張用チャンバー４８に設けられた機構により放熱され、冷却される。このように、断熱膨張用チャンバー４８が設けられることで、水素ガス使用設備４への水素ガス充填時の水素ガスの急激な温度上昇を抑制することができる。
なお、熱力学における示量性状態量であるエンタルピー(Ｈ)は、 内部エネルギー（Ｕ)、圧力(Ｐ)、体積(Ｖ)を用いて、Ｈ＝Ｕ＋ＰＶ で定義される。水素ガスを、等エンタルピー断熱膨張をさせると、膨張後の気体の温度が変化する。水素の場合、膨張に伴う温度の上昇と下降が入れ替わる温度（逆転温度）は、約−８０℃であり、常温付近であれば、水素ガスの圧力変化に対する温度降下の割合であるジュール−トムソン係数は負の値であり、水素ガスが膨張して圧力が下がると温度が上昇する（ジュール−トムスン効果）。しかし、このジュール−トムソン効果による温度上昇の寄与は僅かであり、断熱膨張により内部エネルギーを失って温度が降下するのが顕著であるため、水素ガスの温度を降下させることになる。
なお、熱力学における示量性状態量であるエンタルピー(Ｈ)は、 内部エネルギー（Ｕ)、圧力(Ｐ)、体積(Ｖ)を用いて、Ｈ＝Ｕ＋ＰＶ で定義される。水素ガスを、等エンタルピー断熱膨張をさせると、膨張後の気体の温度が変化する。水素の場合、膨張に伴う温度の上昇と下降が入れ替わる温度（逆転温度）は、約−８０℃であり、常温付近であれば、水素ガスの圧力変化に対する温度降下の割合であるジュール−トムソン係数は負の値であり、水素ガスが膨張して圧力が下がると温度が上昇する（ジュール−トムスン効果）。しかし、このジュール−トムソン効果による温度上昇の寄与は僅かであり、断熱膨張により内部エネルギーを失って温度が降下するのが顕著であるため、水素ガスの温度を降下させることになる。
図１９は、実施例８の充填カプラの断面図を示している。（１）は充填完了時であり、（２）は充填時のものである。
充填カプラ１９の内筒部１９ａの内部には、ピストン６が配置され、出力側には差込部材１９ｂが設けられ、差込面１９ｃを水素ガス使用設備（ＦＣＶ）４の入力部（図示せず）に差し込んで、水素ガスを充填する構造となっている。ピストン１０６は、水素ガスの流路を横貫する方向、すなわち図１９で示すところの左右に、移動可能な状態で配置されている。
また、ピストン１０６は、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面１０６ａと、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面１０６ｂを備える。ここで、ピストン６における第１の受圧端面１０６ａの面積Ｄ１は、第２の受圧端面１０６ｂの面積Ｄ２より小さく、第１の受圧端面１０６ａから第２の受圧端面１０６ｂにかけて貫通孔１０６ｃが設けられている。
充填カプラ１９の内筒部１９ａの内部には、ピストン６が配置され、出力側には差込部材１９ｂが設けられ、差込面１９ｃを水素ガス使用設備（ＦＣＶ）４の入力部（図示せず）に差し込んで、水素ガスを充填する構造となっている。ピストン１０６は、水素ガスの流路を横貫する方向、すなわち図１９で示すところの左右に、移動可能な状態で配置されている。
また、ピストン１０６は、流路を横貫する方向の水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面１０６ａと、流路を横貫する方向の水素ガス使用設備側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面１０６ｂを備える。ここで、ピストン６における第１の受圧端面１０６ａの面積Ｄ１は、第２の受圧端面１０６ｂの面積Ｄ２より小さく、第１の受圧端面１０６ａから第２の受圧端面１０６ｂにかけて貫通孔１０６ｃが設けられている。
内筒部１９ａには、開口部１９ｅが設けられ、開口部１９ｅには、ピストン１０６の側周面の中央部に取り付けられた接合部材１０７が、ピストン１０６の軸方向と垂直方向に設けられ、接合部材１０７の他端には外筒部１０８が設けられている。このように、外筒部１０８は接合部材１０７を介してピストン１０６と接続されているため、ピストン１０６が右に移動すれば外筒部１０８も右に移動し、ピストン１０６が左に移動すれば外筒部１０８も左に移動する構造となっている。
図２０は、実施例８の充填カプラの外観図を示している。
本実施例では、図２０（１）に示されるように、内筒部１９ａには、表示ライン（１４１，１４２）が、例えば、充填時には青色、充填完了時には赤色が表示されるという形で、色分けされて設けられている。
水素ガス充填中には、図１９（２）に示されるように、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動し、青色の表示ライン１４１が外部から見える状態となり、充填中であることを確認できる。
水素ガス充填完了時には、図１９（１）に示されるように、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンが水素ガス充填装置側に移動することにより、赤色の表示ライン１４２が外部から見える状態となり、充填完了を確認できる。
本実施例では、図２０（１）に示されるように、内筒部１９ａには、表示ライン（１４１，１４２）が、例えば、充填時には青色、充填完了時には赤色が表示されるという形で、色分けされて設けられている。
水素ガス充填中には、図１９（２）に示されるように、高圧側となる水素ガス充填装置側と低圧側となる水素ガス使用設備側の圧力差により、ピストンが水素ガス使用設備側に移動し、青色の表示ライン１４１が外部から見える状態となり、充填中であることを確認できる。
水素ガス充填完了時には、図１９（１）に示されるように、水素ガス充填装置側と水素ガス使用設備側が同圧となり、ピストンが水素ガス充填装置側に移動することにより、赤色の表示ライン１４２が外部から見える状態となり、充填完了を確認できる。
本実施例では図２０（１）のように、外筒部材の外側に位置する所に表示ライン（１４１，１４２）が設けられているが、インジケータは、外部から見える表示が変化するものであれば良く、図２０（２）に示されるように、表示窓１４５の下に表示ライン（１４３，１４４）が設けられるものであっても良い。
本発明は、ＦＣＶなどの水素ステーションや水素燃料電池の水素充填装置に有用である。
１ ディスペンサー
１ａ 水素ガス入力口
１ｂ 水素ガス出力口
１ｃ 排気口
２ 水素カードル
３ 蓄圧器
４ 水素ガス使用設備（ＦＣＶ）
５ａ，５ｂ，３３，３４，４８ バルブ
６ 蓄ガス器ユニット
７ トレーラ
８ 台座部
９ ハウジング
１０ 燃料電池ユニット
１１ 水素１次側圧力計
１２ 遮断弁
１３，７６ ストレーナー
１４ 水素減圧弁
１５ オリフィス
１６ 逆止弁
１７ 水素２次側圧力計
１８ 離脱カプラ
１９ 充填カプラ
２０ Ｎ２ヘッダー
２１ 窒素ヘッダー圧力計
２２ セレクタスイッチ
２３ 遮断弁
２４ 手動弁
２５ 安全弁
２６ 排気用オリフィス
２７ 排気用圧力計
２８ 背圧弁
２９ 逆止弁
３０ フレームアレスター
３５ 電源供給ケーブル
３６ 圧縮機
３７ 固定部
３８ 連結器
３９ 前輪
４０ 後輪
４１ バンパ
４２ 通気孔
４３ バルブ操作扉
４４ トラクタ
４５ 路面
４６ メインバルブ
４７ ガス抜きコネクタ
４８ 断熱膨張用チャンバー
４９ａ，４９ｂ 操作扉
５０ フレーム
５１〜７５ 継手
７７ 圧力弁
８１，８２ エア作動弁
８３，８４ オリフィス
８５ パージ弁
８６ 安全弁
８７ フローインジケータ
８８ 排気圧力計
８９ 背圧弁
９０ 逆止弁
９１ 計装圧力計
９３ 配管
９５ Ｎ２ヘッダー
９７ ベント管
１０１ 筐体部
１０１ａ 扉部
１０１ｂ 取っ手
１０１ｃ パネル部
１０６ ピストン
１０６ａ 第１の受圧端面
１０６ｂ 第２の受圧端面
１０６ｃ 貫通孔
１０７ 接合部材
１０８ 外筒部
１４１，１４２，１４３，１４４ 表示ライン
１４５ 表示窓
１ａ 水素ガス入力口
１ｂ 水素ガス出力口
１ｃ 排気口
２ 水素カードル
３ 蓄圧器
４ 水素ガス使用設備（ＦＣＶ）
５ａ，５ｂ，３３，３４，４８ バルブ
６ 蓄ガス器ユニット
７ トレーラ
８ 台座部
９ ハウジング
１０ 燃料電池ユニット
１１ 水素１次側圧力計
１２ 遮断弁
１３，７６ ストレーナー
１４ 水素減圧弁
１５ オリフィス
１６ 逆止弁
１７ 水素２次側圧力計
１８ 離脱カプラ
１９ 充填カプラ
２０ Ｎ２ヘッダー
２１ 窒素ヘッダー圧力計
２２ セレクタスイッチ
２３ 遮断弁
２４ 手動弁
２５ 安全弁
２６ 排気用オリフィス
２７ 排気用圧力計
２８ 背圧弁
２９ 逆止弁
３０ フレームアレスター
３５ 電源供給ケーブル
３６ 圧縮機
３７ 固定部
３８ 連結器
３９ 前輪
４０ 後輪
４１ バンパ
４２ 通気孔
４３ バルブ操作扉
４４ トラクタ
４５ 路面
４６ メインバルブ
４７ ガス抜きコネクタ
４８ 断熱膨張用チャンバー
４９ａ，４９ｂ 操作扉
５０ フレーム
５１〜７５ 継手
７７ 圧力弁
８１，８２ エア作動弁
８３，８４ オリフィス
８５ パージ弁
８６ 安全弁
８７ フローインジケータ
８８ 排気圧力計
８９ 背圧弁
９０ 逆止弁
９１ 計装圧力計
９３ 配管
９５ Ｎ２ヘッダー
９７ ベント管
１０１ 筐体部
１０１ａ 扉部
１０１ｂ 取っ手
１０１ｃ パネル部
１０６ ピストン
１０６ａ 第１の受圧端面
１０６ｂ 第２の受圧端面
１０６ｃ 貫通孔
１０７ 接合部材
１０８ 外筒部
１４１，１４２，１４３，１４４ 表示ライン
１４５ 表示窓
Claims (14)
- 水素ガスを所定の圧力で水素ガス使用設備に供給する差圧充填方式による水素ガス充填装置であって、
水素ガスを圧縮した状態で蓄える水素ガス蓄圧器と、前記水素ガス蓄圧器へ前記水素ガスを充填する蓄ガス器ユニットと、前記水素ガス蓄圧器に蓄えられた前記水素ガスを定量吐出して水素ガス使用設備へ充填するディスペンサーと、から成り、
前記水素ガス蓄圧器，前記蓄ガス器ユニットおよび前記ディスペンサーは、牽引車による牽引が可能なトレーラの台座部に搭載され、前記ディスペンサーが移動可能であり前記トレーラの台座部から分離取外し自在である、或は、前記ディスペンサーが前記トレーラの台座部に固定されていることを特徴とする移動式水素ステーション。 - 前記トレーラは、前記台座部を覆うハウジングを有し、
前記ハウジングには、換気用の通気孔および前記水素ガス蓄圧器のメインバルブを手動で開閉するためのメインバルブ操作扉が設けられ、
前記メインバルブ操作扉は、前記ハウジングを前記台座部に設置した状態において、手動での前記メインバルブの開閉を可能とする位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の移動式水素ステーション。 - 前記台座部に更に燃料電池ユニットが搭載され、
前記水素ガス蓄圧器の残留水素ガスの圧力が所定閾値以下の低圧に達した場合、残留水素ガスが前記燃料電池ユニットに供給され、
前記燃料電池ユニットが前記水素ガス充填装置の非常用電源あるいは節電用電源として用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動式水素ステーション。 - 前記台座部に圧縮機が更に設けられ、該圧縮機が移動可能であり前記トレーラの台座部から分離取外し自在である、或は、前記圧縮機が前記トレーラの台座部に固定され、前記圧縮機が前記水素ガス蓄圧器に前記水素ガスを圧縮充填することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の移動式水素ステーション。
- 前記ディスペンサーは、水素ガス入力口から水素ガス出力口に至るまでの主系統に配管が無く継手だけで構成されている、
或は、
前記主系統の一部に配管が残っている構成で配管数が継手総数の２０％以下である、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記水素ガス蓄圧器は、該蓄圧器内に蓄圧された水素ガスを冷却する冷却手段を備え、差圧充填方式による水素ガス充填装置のプレクーラとして機能し得ることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の移動式水素ステーション。
- 前記水素ガス蓄圧器は、該蓄圧器内に蓄圧された水素ガスの圧力および温度を測定することにより、水素ガス使用設備に充填する水素ガスの流量および充填量を算定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の移動式水素ステーション。
- 前記水素ガス蓄圧器は、水素吸蔵合金を内蔵しており、
水素吸蔵合金を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスを放出し水素ガス圧力を上昇させる加圧手段と、
水素吸蔵合金を冷却して水素ガス吸蔵を促し水素ガス圧力を減圧させる減圧手段を備えることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記ディスペンサーにおいて、
前記水素ガスを定量吐出は、オリフィスによる円形管路の絞り機構を用いて行うことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記ディスペンサーは、ディスペンサー内の制御用機器に使う窒素を供給する制御用窒素供給容器を備え、
制御用窒素供給容器は、ディスペンサー外部に設けられる窒素ボンベであって、制御用窒素供給容器よりも大容量の窒素ボンベから窒素を定期的もしくは窒素圧力が低下した場合に充填する、ことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記蓄ガス器ユニットには、前記水素ガス使用設備からガスを抜き出すためのガス抜きコネクタが設けられたことを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の移動式水素ステーション。
- 前記水素ガス蓄圧器と前記ディスペンサーの間に、水素ガスを等エンタルピー断熱膨張させる断熱膨張用チャンバーが設けられ、
前記水素ガス蓄圧器に蓄圧された水素ガスが、前記断熱膨張用チャンバーに移動することにより、水素ガスが膨張して平均分子間距離が大きくなり、ファンデルワールス引力に起因するポテンシャルエネルギーを増加させた分だけ分子の平均運動エネルギーが減少し、水素ガスの温度を降下させることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記ディスペンサーから出力した水素ガスを水素ガス使用設備に充填する際に水素ガスの流れを表示するインジケータが設けられ、
前記インジケータは、
水素ガスの流路を横貫する方向に移動可能な状態で配置されたピストンであって、前記流路を横貫する方向の前記水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、前記流路を横貫する方向の前記水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備えるピストンを備え、
前記ピストンは、
第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積より小さく、
第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられており、
第１の受圧端面が前記水素ガス充填装置側、第２の受圧端面が前記水素ガス使用設備側に配置され、
充填中には、高圧側となる前記水素ガス充填装置側と低圧側となる前記水素ガス使用設備側の圧力差により、前記ピストンが前記水素ガス使用設備側に移動し、
充填完了時には、前記水素ガス充填装置側と前記水素ガス使用設備側が同圧となり、前記ピストンが前記水素ガス充填装置側に移動することにより、外部から見える表示が変化することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の移動式水素ステーション。 - 前記ディスペンサーから出力した水素ガスを水素ガス使用設備に充填する際に水素ガスの流れを表示するインジケータが設けられ、
前記インジケータは、
水素ガスの流路を横貫する方向に移動可能な状態で配置されたピストンであって、前記流路を横貫する方向の前記水素ガス充填装置側から第１の圧力を受ける第１の受圧端面と、前記流路を横貫する方向の前記水素ガス使用設備の側から第２の圧力を受ける第２の受圧端面を備えるピストンを備え、
前記ピストンは、
第１の受圧端面の面積は、第２の受圧端面の面積と等しく、
第１の受圧端面から第２の受圧端面にかけて貫通孔が設けられており、
第１の受圧端面が前記水素ガス充填装置側、第２の受圧端面が前記水素ガス使用設備側に配置され、
充填中には、高圧側となる前記水素ガス充填装置側と低圧側となる前記水素ガス使用設備側の圧力差により、前記ピストンが前記水素ガス使用設備側に移動し、
充填完了時には、前記水素ガス充填装置側と前記水素ガス使用設備側が同圧となり、前記ピストンに取付けられた弾性体の弾性力により、前記ピストンが前記水素ガス充填装置側に移動することにより、外部から見える表示が変化することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の移動式水素ステーション。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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