JP7643444B2

JP7643444B2 - 供給ステーション

Info

Publication number: JP7643444B2
Application number: JP2022203950A
Authority: JP
Inventors: 潔木村; 亜弓竹島
Original assignee: Tatsuno Corp
Current assignee: Tatsuno Corp
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2025-03-11
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: JP2024088907A

Description

本発明は、電気自動車への充電と燃料電池車への水素充填の両方に対応することができる供給ステーションに関する。

近年、環境問題に配慮し、内燃エンジンを搭載した自動車に代えて電気自動車や燃料電池車が急速に普及することが見込まれている。しかし、脱エンジンを巡る世界的な潮流の中で、今後、電気自動車又は燃料電池車のいずれが主導権を握るのか明らかではない。このような状況の中で、国は車両の購入補助と供給装置の設置補助等により電気自動車と燃料電池車の両方の普及を支援している。

このような状況下で、本出願人も充填ホース等の取り扱いが容易で、かつ燃料ガスの急速充填が可能でコンパクトなガス充填装置を提案している（特許文献１参照）。この提案も有効であるが、水素ステーションの場合には建設費用及び運営費用が高く、次世代車の普及に伴って必要な供給装置等のインフラ整備の足かせになっている。

また、特許文献２には、電気自動車への充電と、燃料電池車への水素充填とを同時又は個別に実行可能で、電気自動車及び燃料電池車の需要に応じて充電と水素充填と動的に調整することができる供給ステーションが提案されている。

特開２０１４－１０９３５０号公報特表２０２１－５１７５４９号公報

しかし、例えば、次世代車の試乗等を行うイベント会場等においても各車両へ充電や水素充填を行う必要があるが、安全性や設置スペースを考慮すると、上記特許文献に記載の供給ステーション等を常設するのは現実的ではない。

そこで、本発明は、限られたスペースにおいても安全かつ好適に用いることのできる供給ステーションを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は供給ステーションであって、水素タンクと、該水素タンクから燃料電池車へ水素を充填する水素充填機構と、前記水素タンクからの水素を電気に変換して電気自動車へ充電する充電機構とを備え、前記水素充填機構又は／及び充電機構は移動可能であり、前記水素タンクが低圧となり前記燃料電池自動車への水素充填に使用できなくなった場合に、該水素タンクの水素をＦＣモジュール経由で電気に変換して充電することを特徴とする。

本発明によれば、水素充填機構又は／及び充電機構を移動可能としたため、多様な場所での水素充填及び電気充電を可能とし、設置スペースを最小限に抑えることができ、低圧となり前記燃料電池自動車への水素充填に使用できなくなった水素タンク内の水素をＦＣモジュール経由で無駄なく有効利用することができる。

前記供給ステーションにおいて、前記水素充填機構は複数の水素タンクを備え、前記燃料電池車の燃料タンクの初期圧力に応じて前記複数の水素タンクから水素の供給を行うタンクを選択することで、最適な水素タンクより供給可能となり供給効率が向上する。

また、前記充電機構は複数の蓄電池を備え、前記電気自動車の蓄電池の初期電圧に応じて前記複数の蓄電池から充電を行う蓄電池を選択することで、最適な蓄電池より充電可能となり供給効率が向上する。

さらに、前記水素充填機構及び充電機構を構成する電気使用機器を防爆構造エリア内に設置することで、電気回路に発生する火花や熱が水素ガスに点火するなどの事故を防止することができて安全である。

また、前記水素充填機構及び充電機構を構成する電気使用機器へ前記充電機構から給電することで、送電ロスがなく効率的である。

以上のように、本発明によれば、限られたスペースにおいても安全かつ好適に用いることのできる供給ステーションを提供することができる。

本発明に係る供給ステーションの一実施形態を示す全体構成図である。図１の供給ステーションの水素充填動作を示すフローチャートである。図１の供給ステーションの充電動作を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る供給ステーションの一実施の形態を示し、この供給ステーション１は、水素タンク２（２Ａ～２Ｄ）と、水素タンク２から燃料電池車２３へ水素を充填する水素充填機構４と、水素タンク２からの水素を電気に変換して電気自動車２４へ充電する充電機構１３等を備える。これら水素タンク２、水素充填機構４及び充電機構１３はトレーラ２２の台座に固定されている。

水素充填機構４は、充填する水素の流路を切り換えるための第１切換手段５と、コンプレッサー６と、蓄圧機７と、充電機９と、脱圧弁１０とを備える。電気使用機器としてのコンプレッサー６と蓄圧機７は、電気回路に発生する火花や熱が水素ガスに点火するなどの事故を防止するため防爆構造エリア８に配置される。

充電機構１３は、減圧弁１１と、バッファータンク１２と、ＦＣモジュール１４と、充電回路を切り換えるための第２切換手段１７と、ＤＣ－ＡＣ変換器１９と、蓄電池２０（２０Ａ～２０Ｃ）と、充電器２１とを備える。バッファータンク１２には、減圧弁１１を介して１ＭＰａ程度の水素が貯留される。電気使用機器としてのＦＣモジュール１４、第２切換手段（１７）、ＤＣ－ＡＣ変換器１９及び蓄電池２０は、水素ガスに起因する事故を防止するため防爆構造エリア１８に配置される。

制御装置３は、充填に用いる水素タンクを選択するための水素タンク選択判断手段３ａと、充電に用いる蓄電池を選択するための蓄電池選択判断手段３ｂと、コンプレッサー６を駆動するためのコンプレッサー駆動手段３ｃと、充填する水素の流路を切り換えるための第１切換手段５に指令を送る第１切換手段３ｄと、各水素タンク２（２Ａ～２Ｄ）と第１切換手段５又は減圧弁１１との間の各バルブを開閉するためのバルブ駆動手段３ｅと、充電回路を切り換えるための第２切換手段１７に指令を送る第２切換手段３ｆと、ＦＣモジュール１４を駆動するためのＦＣモジュール駆動手段３ｇと、外部電源２６（例えば太陽光パネル、風力発電、商用電源）を駆動するための外部電源駆動手段３ｈとを備える。

充填機９とＦＣモジュール１４の間には、ＦＣモジュール１４を冷却するための冷却塔１５と、急速充填する際に水素を冷却する冷凍機１６が配置される。

充電機構１３は、災害等で停電した場合に備え、ＤＣ－ＡＣ変換器１９を経由して非常用電源（家庭用又は商用の電気機器２５に使用する電源等）に充電可能である。

次に、上記構成を有する供給ステーション１の動作について図面を参照しながら説明する。まず、水素充填機構４を用いて燃料電池車２３に水素を充填する動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。尚、水素タンク２（２Ａ～２Ｄ）のタンク内の圧力は、水素タンク２Ａが例えば８２ＭＰａ、２Ｂが例えば５０ＭＰａ、２Ｃが例えば３０ＭＰａ、２Ｄが例えば１０ＭＰａであるものとする。また、図２のルートが分岐するステップにおいては、下方向がＹｅｓ、横方向がＮｏに対応する。

充填機９のステップＳ１において、充填ノズルが燃料電池車２３の車載タンクの充填口に接続されたか否かを判断し、接続されている場合には（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、燃料電池車２３の車載タンク内の圧力が入力されたか否かを判断し（ステップＳ２）、入力された場合には（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、入力された初期圧力を制御装置３に出力する。

制御装置３は、充填機９から初期圧力の入力があると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、入力された初期圧力に基づいて水素タンク２Ａ～２Ｄのいずれかを選択する。例えば、初期圧力が２０ＭＰａの場合には、それを超える圧力で最も低い圧力である３０ＭＰａの水素タンク２Ｃを選択する。

充填に用いる水素タンクが選択されると（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御装置３は、第１切換手段５によって流路をＬ２に切り換えると共に、水素タンク２Ｃからの充填を可能とするために該当するバルブを開き、充填準備が完了した旨を知らせる信号を充填機９に出力する。

充填機９は、制御装置３から充填準備信号が入力され（ステップＳ４；Ｙｅｓ）スタートスイッチ（ＳＷ）が押圧されると（ステップＳ５）、水素タンク２Ｃから燃料電池車２３の車載タンクに水素が充填され、車載タンクの圧力が充填圧力に達すると（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、制御装置３にタンクの切換え信号を出力する（ステップＳ７）。

制御装置３は、充填機９からタンクの切換え信号の入力があると（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、充填に用いる水素タンクを水素タンク２Ｂ（その後さらに２Ａ）に切り換えるか、コンプレッサー６を作動させ（ステップＳ１５）、第１切換手段５によって流路をＬ２に維持するか、Ｌ１に切り換えると共に、充填を可能とするために該当するバルブを開く。燃料電池車２３の車載タンクへの水素充填は、基本的には水素タンク２（２Ａ～２Ｄ）と車載タンクの差圧で充填し、水素タンク２を切り換えて充填するが、満充填圧力の８０ＭＰａにする際にコンプレッサー６で昇圧して充填を完了する。

充填機９は、車載タンクの圧力が所定の圧力に達すると（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、充填終了信号を制御装置３に出力し（ステップＳ９）、動作を終了する。制御装置３は、充填機９から充填終了信号が入力されると（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、充填のために開いていた各バルブを閉じ、脱圧弁１０を開く（ステップＳ１８）。その後、時間ｔ１が経過すると（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、脱圧弁１０を閉じるための信号を出力し（ステップＳ２０）、動作を終了する。

次に、充電器２１を用いて電気自動車２４に充電する動作について、図１及び図３を参照しながら説明する。尚、蓄電池２０（２０Ａ～２０Ｃ）の蓄電量は、蓄電池２０Ａが例えば６０ｋＷｈ、蓄電池２０Ｂが例えば４０ｋＷｈ、蓄電池２０Ｃが例えば２０ｋＷｈであるものとする。また、図３のルートが分岐するステップにおいては、下方向がＹｅｓ、横方向がＮｏに対応する。

充電器２１のステップＳ２１において、充電カプラが電気自動車２４の充電コネクタに接続されたか否かを判断し、接続されている場合には（ステップＳ２１；Ｙｅｓ）、制御装置３にその旨を知らせる信号を出力する（ステップＳ２２）。次に、車載バッテリーの電圧の入力があると（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、制御装置３に初期電圧を出力する（ステップＳ２４）。

制御装置３は、充電器２１から充電カプラが接続された旨を知らせる信号の入力があると（ステップＳ３１；Ｙｅｓ）、充電カプラをロックし（ステップＳ３２）、初期電圧の入力があると（ステップＳ３３；Ｙｅｓ）、充電に用いる蓄電池２０Ａ～２０Ｃのいずれかを選択する（ステップＳ３４）。例えば、初期電圧より高い電圧で充電することができる蓄電池２０Ｂを選択する。

充電に用いる蓄電池が選択されると（ステップＳ３４；Ｙｅｓ）、第２切換手段１７によって充電回路を急速充電を行うＬ３に切換え、充電器２１に電力を供給し、充電準備が完了した旨を知らせる信号を充電器２１に出力する（ステップＳ３５）。

充電器２１は、制御装置３から充電準備信号が入力され（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）スタートスイッチ（ＳＷ）が押圧されると（ステップＳ２６）、蓄電池２０Ｂから電気自動車２４の車載バッテリーに充電される。車載バッテリーが充填電圧に達すると（ステップＳ２７；Ｙｅｓ）、充電器２１は制御装置３に蓄電池の切換え信号を出力する（ステップＳ２８）。

制御装置３は、充電器２１から蓄電池の切換え信号の入力があると（ステップＳ３６；Ｙｅｓ）、蓄電池を蓄電池２０Ａに切り換えるか、蓄電池２０Ａの蓄電量が不足する場合には、ＦＣモジュール１４を作動させ（ステップＳ３７）、第２切換手段１７によって充電回路をＬ３又はＬ４に切換え、充電器２１から電気自動車２４に充電する。充電は、初期電圧に応じて蓄電池２０Ａ～２０Ｃを選択して充電し、徐々に蓄電量の多い蓄電池２０に切り換え、満充電にする際にＦＣモジュール１４経由で充電を行う。また、低圧となり水素充填に使用できなくなった水素タンク２の水素をＦＣモジュール１４経由で電気充電として使用することもできる。

充電器２１は、車載バッテリーの電圧が所定の電圧に達すると（ステップＳ２９；Ｙｅｓ）、充電終了信号を制御装置３に出力し（ステップＳ３０）、動作を終了する。制御装置３は、充電器２１から充電終了信号が入力されると（ステップＳ３９；Ｙｅｓ）、充電カプラのロックを解除し（ステップＳ４０）、動作を終了する。

上記実施の形態においては、水素タンク２、水素充填機構４及び充電機構１３をトレーラ２２の台座に固定して移動可能としたが、水素充填機構４又は充電機構１３のいずれか一つをトレーラ２２の台座に固定したり、トレーラ２２以外の移動手段を用いることもできる。

また、水素充填機構４における電気使用機器としてのコンプレッサー６及び蓄圧機７、充電機構１３におけるＦＣモジュール１４、第２切換手段１７及びＤＣ－ＡＣ変換器１９に充電機構１３から給電することで送電ロスがなく、効率的に電気を使用することができる。

さらに、制御装置３から充填機９への充填準備信号が入力されていない場合に、低圧となり水素充填に使用できなくなった水素タンク２内の水素をバッファータンク１２、ＦＣモジュール１４経由で無駄なく有効利用することができる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではない。

１供給ステーション
２（２Ａ～２Ｄ）水素タンク
３制御装置
４水素充填機構
５第１切換手段
６コンプレッサー
７蓄圧機
８防爆構造エリア
９充填機
１０脱圧弁
１１減圧弁
１２バッファータンク
１３充電機構
１４ＦＣモジュール
１５冷却塔
１６冷凍機
１７第２切換手段
１８防爆構造エリア
１９ＤＣ－ＡＣ変換器
２０（２０Ａ～２０Ｃ）蓄電池
２１充電器
２２トレーラ
２３燃料電池車
２４電気自動車
２５電気機器
２６外部電源

Claims

水素タンクと、
該水素タンクから燃料電池車へ水素を充填する水素充填機構と、
前記水素タンクからの水素を電気に変換して電気自動車へ充電する充電機構とを備え、
前記水素充填機構又は／及び充電機構は移動可能であり、
前記水素タンクが低圧となり前記燃料電池自動車への水素充填に使用できなくなった場合に、該水素タンクの水素をＦＣモジュール経由で電気に変換して充電することを特徴とする供給ステーション。
前記水素充填機構は複数の水素タンクを備え、前記燃料電池車の燃料タンクの初期圧力に応じて前記複数の水素タンクから水素の供給を行うタンクを選択することを特徴とする請求項１に記載の供給ステーション。
前記充電機構は複数の蓄電池を備え、前記電気自動車の蓄電池の初期電圧に応じて前記複数の蓄電池から充電を行う蓄電池を選択することを特徴とする請求項１に記載の供給ステーション。
前記水素充填機構及び充電機構を構成する電気使用機器は、防爆構造エリア内に設置されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の供給ステーション。
前記水素充填機構及び充電機構を構成する電気使用機器は、前記充電機構から給電されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の供給ステーション。