特許 7635753 高圧ガス貯蔵システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-17

(45)【発行日】2025-02-26

(54)【発明の名称】高圧ガス貯蔵システム

(51)【国際特許分類】

   F17C 5/06 20060101AFI20250218BHJP

   F17C 13/02 20060101ALI20250218BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20250218BHJP

【ＦＩ】

F17C5/06

F17C13/02 301A

H01M8/04 J

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022081433

(22)【出願日】2022-05-18

(65)【公開番号】P2023170008

(43)【公開日】2023-12-01

【審査請求日】2024-01-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荻原 直貴

(72)【発明者】

【氏名】金子 智徳

(72)【発明者】

【氏名】仲田 好宏

【審査官】森本 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０７７８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２２／０１８６８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５３４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１６２１４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ ５／０６

Ｆ１７Ｃ １３／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス充填装置から充填される高圧ガスを貯蔵する高圧ガス貯蔵システムであって、
互いに容積が同じである複数のタンクと、
前記複数のタンクが互いに並列に接続される共通ガス充填路であって、前記複数のタンクに供給される前記高圧ガスが流れる共通ガス充填路と、
を備え、
前記複数のタンクのうち、前記共通ガス充填路において前記高圧ガスが流入する流入口から最も近いタンクを少なくとも含み、前記複数のタンクの総数よりも少ない本数のタンクに、前記タンク内の温度を測定する温度センサが設けられており、
前記複数のタンクのうち、前記流入口から最も遠いタンクに、前記温度センサが設けられている、
高圧ガス貯蔵システム。

【請求項2】

請求項１に記載の高圧ガス貯蔵システムであって、
前記複数のタンクは、それぞれの中心軸が互いに平行となるように並列して配置される、
高圧ガス貯蔵システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の高圧ガス貯蔵システムであって、
前記流入口には、前記ガス充填装置が有する充填ノズルが接続され、
前記温度センサにより測定された温度を示す情報を、前記ガス充填装置に通知するための通信装置を、さらに備える、
高圧ガス貯蔵システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、高圧ガス貯蔵システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池車両には、水素ガス等の高圧ガスを貯蔵するタンクが複数搭載される場合がある。このようなタンクには、ガスステーションから高圧ガスが充填される。その際、各タンクに予め設置されたセンサによって各タンク内に充填されたガスの温度を測定し、また、ガスステーション側において供給されるガスの圧力を測定し、これらの測定値に応じて各タンクへの高圧ガスの充填が完了したか否かを判定する高圧ガス充填方法が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－５３４５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、全てのタンクにセンサを設置すると、高圧ガス貯蔵システムの製造コストが増大するという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］ガス充填装置から充填される高圧ガスを貯蔵する高圧ガス貯蔵システムであって、互いに容積が同じである複数のタンクと、前記複数のタンクが互いに並列に接続される共通ガス充填路であって、前記複数のタンクに供給される前記高圧ガスが流れる共通ガス充填路と、を備え、前記複数のタンクのうち、前記共通ガス充填路において前記高圧ガスが流入する流入口から最も近いタンクを少なくとも含み、前記複数のタンクの総数よりも少ない本数のタンクに、前記タンク内の温度を測定する温度センサが設けられており、
前記複数のタンクのうち、前記流入口から最も遠いタンクに、前記温度センサが設けられている、高圧ガス貯蔵システム。

【0006】

（１）本開示の一形態によれば、高圧ガス貯蔵システムが提供される。この高圧ガス貯蔵システムは、ガス充填装置から充填される高圧ガスを貯蔵する高圧ガス貯蔵システムであって、互いに容積が同じである複数のタンクと、前記複数のタンクが互いに並列に接続される共通ガス充填路であって、前記複数のタンクに供給される前記高圧ガスが流れる共通ガス充填路と、を備え、前記複数のタンクのうち、前記共通ガス充填路において前記高圧ガスが流入する流入口から最も近いタンクを少なくとも含み、前記複数のタンクの総数よりも少ない本数のタンクに、前記タンク内の温度を測定する温度センサが設けられている。
この形態の高圧ガス貯蔵システムによれば、搭載された複数のタンクの総数よりも少ない数の温度センサを備えるので、全てのタンクに温度センサが設けられている構成に比べて、高圧ガス貯蔵システムの製造コストの増大を抑制できる。加えて、流入口から最も近く高圧ガスの密度が最も高くなるタンクに少なくとも温度センサが設けられているので、かかる温度センサにより測定される温度を監視することにより、高圧ガスの充填率が予め定められた充填率よりも高くなることを抑制できる。
（２）上記実施形態において、前記複数のタンクは、それぞれの中心軸が互いに平行となるように並列して配置されてもよい。
この形態の高圧ガス貯蔵システムによれば、複数のタンクをそれぞれの中心軸が互いに平行となるように並列して配置することにより、タンクの配置に要するスペースを小さくでき、高圧ガス貯蔵システムの配置自由度の低下を抑制できる。
（３）上記実施形態において、前記複数のタンクのうち、前記流入口から最も近いタンクのみに、前記温度センサが設けられてもよい。
この形態の高圧ガス貯蔵システムによれば、流入口から最も近いタンクのみが温度センサを備えるので、高圧ガス貯蔵システムの製造コストの増大をより抑制できる。
（４）上記実施形態において、前記複数のタンクのうち、前記流入口から最も遠いタンクに、前記温度センサを設けられてもよい。
この形態の高圧ガス貯蔵システムによれば、流入口から最も遠く高圧ガスの温度が最も高くなるタンクに温度センサが設けられているので、かかる温度センサにより測定される温度を監視することにより、高圧ガスの温度が過度に高くなることを抑制できる。
（５）上記実施形態において、前記流入口には、前記ガス充填装置が有する充填ノズルが接続され、前記温度センサにより測定された温度を示す情報を、前記ガス充填装置に通知するための通信装置を、さらに備えてもよい。
この形態の高圧ガス貯蔵システムによれば、温度センサにより測定された温度が過度に高くなった場合に、かかる温度情報をガス充填装置へ通知できる。ガス充填装置は、受け取った温度情報を利用して、高圧ガスの供給量の制御および供給停止を行うことができるので、高圧ガス貯蔵システムの安全性の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態の高圧ガス貯蔵システムの構成を示す説明図である。

【図2】タンク内における温度センサの設置位置を示す断面図である。

【図3】第２実施形態の高圧ガス貯蔵システムの構成を示す説明図である。

【図4】他の実施形態の高圧ガス貯蔵システムの構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０は、水素ステーション２０から供給される水素ガスを貯蔵するシステムである。高圧ガス貯蔵システム１０は、例えば、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両に搭載されて、貯蔵した水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして供給する。なお、水素ステーション２０は、本開示における「ガス充填装置」に相当する。

【0009】

水素ステーション２０は、貯蔵タンク２１０と、圧縮機２２０と、送出バルブ２３０と、プレクーラー２４０と、充填ノズル２５０と、受信機２６０と、ステーションコントローラ２７０とを備える。

【0010】

貯蔵タンク２１０は、高圧ガス貯蔵システム１０に供給するための水素ガスを貯蔵している。圧縮機２２０は貯蔵タンク２１０に貯蔵されている水素ガスを圧縮し、水素ガスの昇圧速度を調整する。送出バルブ２３０は、バルブの開閉度を変化させることにより、圧縮機２２０から送出される水素ガスの送出や遮断を行い、水素ガスの送出量の調整および送出停止を行う。プレクーラー２４０は、高圧ガス貯蔵システム１０への水素ガス供給時における水素ガスの過剰な温度上昇を抑制するために、水素ガスを氷点下に冷却する。プレクーラー２４０により冷却された水素ガスは、充填ノズル２５０を通って高圧ガス貯蔵システム１０へ供給される。また、プレクーラー２４０と充填ノズル２５０とをつなぐ配管には、送出される水素ガスの圧力を測定する圧力センサＰが設けられている。圧力センサＰにより取得された圧力情報は、ステーションコントローラ２７０へ送信される。

【0011】

ステーションコントローラ２７０は、ＳＡＥ規格により規定された温度（８５℃）および充填率（１００％）を超えない昇圧速度および送出量となるように、圧縮機２２０および送出バルブ２３０を制御する。また、ステーションコントローラ２７０は、上述した圧力情報に加えて、受信機２６０を介して、後述する、高圧ガス貯蔵システム１０から送られてくる温度情報を取得する。ステーションコントローラ２７０は、これら取得した情報を利用して、高圧ガス貯蔵システム１０における水素の充填率を算出する。ステーションコントローラ２７０は、充填率が予め設定された値に達した場合、送出バルブ２３０を制御して水素ガスの送出を停止する。

【0012】

高圧ガス貯蔵システム１０は、レセプタクル１１０と、マニホールド１２０と、タンク１３１～１４０と、通信充填ＥＣＵ１５０と、発信機１６０とを備える。

【0013】

レセプタクル１１０は充填ノズル２５０と接続し、充填ノズル２５０から供給される水素ガスを高圧ガス貯蔵システム１０へ流入させる。レセプタクル１１０はマニホールド１２０が有する流入口１２１と接続し、レセプタクル１１０からマニホールド１２０へ水素ガスを流入させる。

【0014】

マニホールド１２０は、内部に共通ガス充填路１２２を有する。共通ガス充填路１２２の一方の端部は流入口１２１と接続されており、流入口１２１から流入した水素ガスは共通ガス充填路１２２内を流れる。共通ガス充填路１２２の他方の端部は複数に分岐しており、分岐した各端部において、共通ガス充填路１２２はタンク１３１～１４０と接続されている。このように、タンク１３１～１４０は、レセプタクル１１０とマニホールド１２０とを介して水素ステーション２０と接続され、水素ガスを供給される。

【0015】

タンク１３１～１４０は、タンク１３１から順に、各タンク１３１と共通ガス充填路１２２との接続部Ｊ１～Ｊ１０と流入口１２１との距離が遠くなるように配置されている。また、各タンク１３１～１４０は、それぞれの中心軸が互いに平行となるように並列して配置されている。

【0016】

タンク１３１～１４０はそれぞれ、ＳＡＥＪ２６０１により規定されている仕様に従うように製造されている。本実施形態では、タンク１３１～１４０はそれぞれ、直径１００ｍｍ、長さ１８００ｍｍの同一の外形形状を有し、その容積は互いに同じである。このような形状のタンク１３１～１４０を並列して配置した高圧ガス貯蔵システム１０の外形形状は、一般に電気自動車に搭載されるバッテリーと同程度の大きさであるので、高圧ガス貯蔵システム１０の配置自由度の低下が抑制される。これにより、従来、燃料電池自動車専用に設計されていた車体形状を、電気自動車と共用可能に設計することが可能になる。

【0017】

本実施形態では、タンク１３１～１４０のうち、流入口１２１に最も近いタンク１３１のみが温度センサＴ１を備える。図２は、タンク１３１内における温度センサＴ１の設置位置を示す断面図である。本実施形態では、図２に示すように、温度センサＴ１は、タンク１３１の内部において接続部Ｊ１に対向する端部に設置されている。

【0018】

温度センサＴ１は、タンク１３１内の温度を測定する。温度センサＴ１は、測定したタンク１３１内の温度情報を通信充填ＥＣＵ１５０に送信する。通信充填ＥＣＵ１５０は、受信した温度情報を、発信機１６０を介して水素ステーション２０へ送信する。また、温度センサＴ１が過度な温度上昇を検知した場合には、通信充填ＥＣＵ１５０は、水素ガスの供給停止を要求するアボート信号を水素ステーション２０へ発信してもよい。本実施形態では、発信機１６０と上述の受信機２６０とは、赤外線通信装置として構成されている。なお、発信機１６０と受信機２６０とはこれに限定されるものではなく、例えば、互いに信号線により接続された通信装置として構成されていてもよい。

【0019】

本実施形態では、タンク１３１は流入口１２１から最も近いため、タンク１３１へ流入する水素ガスの流速は、他のタンク１３２～１４０へ流入する水素ガスに比べて速い。圧損は流速が速いほど大きくなるので、タンク１３１への水素ガスの充填圧力は、他のタンク１３２～１４０へ供給される水素ガスの充填圧力に比べて小さくなる。水素ガスは、タンクに供給される際に断熱圧縮されることによりガス温度が上昇する。充填圧力が小さいほど断熱圧縮による温度上昇の度合いは小さくなるので、タンク１３１へ供給される水素ガスの温度は、他のタンク１３２～１４０へ供給される水素ガスの温度に比べて低くなる。このため、タンク１３１へ供給される水素ガスの密度は、他のタンク１３２～１４０へ供給される水素ガスの密度に比べて高くなる。したがって、タンク１３１における水素ガスの充填率が規定の充填率を超えていなければ、他のタンク１３２～１４０においても規定の充填率を超えていないといえる。そのため、少なくともタンク１３１に温度センサＴ１を設けて温度を監視することにより、高圧ガス貯蔵システム１０全体において、水素ガスの充填率が予め定められた充填率よりも高くなることを抑制できる。

【0020】

以上説明した高圧ガス貯蔵システム１０によれば、タンク１３１のみが温度センサＴ１を備えるので、タンク１３１～１４０のすべてに温度センサが設けられている構成に比べて、高圧ガス貯蔵システム１０の製造コストの増大を抑制できる。加えて、流入口１２１から最も近く水素ガスの密度が最も高くなるタンク１３１に温度センサＴ１が設けられているので、温度センサＴ１により測定される温度を監視することにより、水素ガスの充填率が予め定められた充填率よりも高くなることを抑制できる。

【0021】

また、タンク１３１～１４０をそれぞれの中心軸が互いに平行となるように並列して配置することにより、タンク１３１～１４０の配置に要するスペースを小さくでき、高圧ガス貯蔵システム１０の配置自由度の低下を抑制できる。

【0022】

また、高圧ガス貯蔵システム１０は発信機１６０を備えるので、温度センサＴ１により測定された温度が過度に高くなった場合に、かかる温度情報を水素ステーション２０へ通知できる。水素ステーション２０は、受け取った温度情報を利用して、水素ガスの供給量の制御や供給停止を実行できるので、高圧ガス貯蔵システム１０の安全性の低下を抑制できる。

【0023】

Ｂ．第２実施形態
図３は、第２実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ａの概略構成を示す説明図である。図３に示すように、第２実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ａは、タンク１３１に設置された温度センサＴ１に加えてタンク１４０に温度センサＴ２を備える点で、第１実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０とは異なる。なお、第２実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ａのその他の構成は、第１実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0024】

温度センサＴ２は、図２に示すタンク１３１内における温度センサＴ１の設置位置と同様に、タンク１４０の内部において接続部Ｊ１０に対向する端部に配置されている。温度センサＴ２は、タンク１４０内の温度を測定する。温度センサＴ２により測定された温度情報は、温度センサＴ１により測定された温度情報と同様に、通信充填ＥＣＵ１５０および発信機１６０を介して、水素ステーション２０へ送信される。

【0025】

図３に示すように、タンク１４０は流入口１２１から最も遠いため、タンク１４０へ流入する水素ガスの流速は、他のタンク１３１～１３９へ流入する水素ガスに比べて遅い。そのため圧損が小さくなり、タンク１４０への水素ガスの充填圧力は、他のタンク１３１～１３９へ供給される水素ガスの充填圧力に比べて大きくなる。充填圧力が大きいほど断熱圧縮による温度上昇の度合いは大きくなるので、タンク１４０へ供給される水素ガスの温度は、他のタンク１３１～１３９へ供給される水素ガスの温度に比べて高くなる。したがって、タンク１４０内の温度が規定の温度を超えていなければ、他のタンク１３１～１３９内の温度も規定の温度を超えていないといえる。そのため、タンク１４０に温度センサＴ２を設けて温度を監視することにより、高圧ガス貯蔵システム１０Ａ全体において、水素ガスの温度が過度に高くなることを抑制できる。

【0026】

以上説明した第２実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ａによれば、第１実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０と同様の効果を奏する。加えて、流入口１２１から最も遠く水素ガスの温度が最も高くなるタンク１４０に温度センサＴ２が設けられているので、温度センサＴ２により測定される温度を監視することにより、水素ガスの温度が過度に高くなることを抑制できる。

【0027】

Ｃ．他の実施形態
（Ｃ１）上記第１実施形態において、高圧ガス貯蔵システム１０は、温度センサを１つのみ備えるが、本開示はこれに限定されない。高圧ガス貯蔵システム１０において、少なくともタンク１３１を含み、タンク１３１～１４０の総数よりも少ない任意の本数のタンクに温度センサが設けられてもよい。かかる形態においても、タンク１３１～１４０のすべてに温度センサを設置する場合に比べて、高圧ガス貯蔵システム１０の製造コストの増大を抑制できる。

【0028】

（Ｃ２）上記実施形態において、タンク１３１～１４０は、タンク１３１から順に、流入口１２１から共通ガス充填路１２２との接続部Ｊ１～Ｊ１０までの距離が遠くなるように、並列して配置されているが、本開示はこれに限定されない。図４は、他の実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ｂの概略構成を示す説明図である。図４に示すように、高圧ガス貯蔵システム１０Ｂにおいて、タンク１３１～１４０は、流入口１２１Ｂに対して対称的に配置されてもよい。かかる構成でおいても、流入口１２１Ｂから最も近いタンク１３５とタンク１３６との少なくともいずれかのタンク１３１に温度センサＴ１を設置することにより、第１実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０と同様の効果を奏する。図４に示す例では、タンク１３６が温度センサＴ１を備える。また、流入口１２１Ｂから最も遠いタンク１３１とタンク１４０との少なくともいずれかのタンク１３１に温度センサＴ２を設置することにより、第２実施形態の高圧ガス貯蔵システム１０Ａと同様の効果を奏する。図４に示す例では、タンク１３１が温度センサＴ２を備える。

【0029】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0030】

１０、１０Ａ、１０Ｂ…高圧ガス貯蔵システム、２０…水素ステーション、１１０…レセプタクル、１２０…マニホールド、１２１…流入口、１２２…共通ガス充填路、１３１～１４０…タンク、１５０…通信充填ＥＣＵ、１６０…発信機、２１０…貯蔵タンク、２２０…圧縮機、２３０…送出バルブ、２４０…プレクーラー、２５０…充填ノズル、２６０…受信機、２７０…ステーションコントローラ、Ｊ１～Ｊ１０…接続部、Ｐ…圧力センサ、Ｔ１、Ｔ２…温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】