特許 7750168 水素充填装置

(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】2025-09-29

(45)【発行日】2025-10-07

(54)【発明の名称】水素充填装置

(51)【国際特許分類】

   F17C 7/00 20060101AFI20250930BHJP

【ＦＩ】

F17C7/00 B

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022071813

(22)【出願日】2022-04-25

(65)【公開番号】P2023161426

(43)【公開日】2023-11-07

【審査請求日】2024-06-12

(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】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】遠畑 良和

【審査官】▲高▼木 直史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－０７１２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第７０３８８８５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０２０－１０６３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５４５９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１４６０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－０８８２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許発明第００６３４２０４（ＤＥ，Ｃ１）

【文献】米国特許第０３８９８８５３（ＵＳ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第０４４１７１０６（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２００９－０６３１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２８６１８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ １／００－１３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスタンクに水素を充填する水素充填装置であり、
液体水素を蓄えている液体水素タンクと、
前記液体水素タンク内の前記液体水素を液体の状態のまま一時的に蓄える貯留槽と、
前記貯留槽の液体水素を液体のまま前記水素ガスタンクへ流す液体水素供給管と、
前記液体水素タンクから前記貯留槽への前記液体水素の流れを止める第１バルブと、
前記貯留槽内のガスを排出する第２バルブと、
前記貯留槽から前記水素ガスタンクへの前記液体水素の流れを止める第３バルブと、
前記貯留槽内の前記液体水素が液体のまま移送される補助タンクと、
前記補助タンク内で気化した前記液体水素を別の水素ガスタンクへ供給するガス供給管と、
コントローラと、
を備えており、
前記補助タンクは、
外タンクと、
前記外タンクの内面に断熱材を介して支持されている水素容器であって、当該水素容器の内と外を連通する開口を有しており、前記貯留槽から供給される前記液体水素を受ける水素容器と、
を備えており、
前記コントローラは、
前記第３バルブを閉じ、前記第１バルブと前記第２バルブを開いて前記貯留槽へ前記液体水素を注入する第１ステップと、
前記貯留槽に所定量の液体水素が溜まったら前記第１バルブと前記第２バルブを閉じる第２ステップと、
前記貯留槽の内圧が所定の水素押出圧に達したら前記第３バルブを開いて前記水素ガスタンクへ前記液体水素を注入する第３ステップと、
を実行し、
前記水素押出圧は、前記水素ガスタンクの内圧よりも高く、
前記所定量は、前記水素ガスタンクに水素ガスをフル充填したときの水素量と、前記第１ステップを実行前の前記水素ガスタンクの残留水素量との差分に相当する水素量である、水素充填装置。

【請求項2】

前記補助タンクは前記内面に対して前記水素容器を支持する支持部材を備えており、
前記支持部材は、
伸縮機構と、
一端が前記内面に固定されており、他端が前記伸縮機構の一端に固定されているボールジョイントと、
一端が前記断熱材に固定されており、他端が前記伸縮機構の他端に連結されているユニバーサルジョイントと、
を備えており、
前記断熱材が前記水素容器に固定されている、
請求項１に記載の水素充填装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、水素ガスタンクへ水素を充填する水素充填装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池など、水素ガスを用いるデバイスには水素を貯蔵する水素タンクが必要である。液体水素を貯蔵する液体水素タンクは高価である上、水素ガスを用いるデバイスに水素ガスを供給するには、液体水素タンクのほかに液体水素ポンプや気化器が必要となり、システム全体のコストが嵩む。一方、水素ガスを蓄える水素ガスタンクを用いる場合、水素ガスタンクに供給する高圧水素ガスを準備するのに時間を要する。例えば特許文献１に、水素ガスをタンクに充填する装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３１２３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

コストの点では先に述べたように水素ガスを使うデバイスに付随するタンクは水素ガスタンクであることが望ましい。一方、先に述べたように、水素ガスステーションで高圧水素ガスを準備するには時間を要する。本明細書は、水素ガスタンクに水素を充填する装置であって、高圧水素ガスの準備を不要にする技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書は、水素ガスタンクへ水素を充填する水素充填装置を開示する。水素充填装置は、液体水素タンク、貯留槽、液体水素供給管、第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ、及び、コントローラを備える。液体水素タンクは、液体水素を蓄えている。貯留槽は、液体水素タンク内の液体水素を液体のまま一時的に蓄える。液体水素供給管は、貯留槽の液体水素を液体のまま水素ガスタンクへ流す。第１バルブは、液体水素タンクから貯留槽への液体水素の流れを止める。第２バルブは、貯留槽内のガスを排出する。第３バルブは、貯留槽から水素ガスタンクへの液体水素の流れを止める。

【0006】

コントローラは、次の３ステップを実行することができる。第１ステップ：第３バルブを閉じ、第１バルブと第２バルブを開いて貯留槽へ液体水素を注入する。第２ステップ：貯留槽に所定量の液体水素が溜まったら第１バルブと第２バルブを閉じる。第３ステップ：貯留槽の内圧が所定の水素押出圧に達したら第３バルブを開いて水素ガスタンクへ液体水素を注入する。ここで、水素押出圧は、水素ガスタンクの内圧よりも高い。所定量は、水素ガスタンクに水素ガスをフル充填したときの水素量と、第１ステップを実行前の水素ガスタンクの残留水素量との差分に相当する水素量である。

【0007】

第３ステップの処理が実行されると、貯留槽と水素ガスタンクの内圧差により、貯留槽の液体水素が水素ガスタンクへ押し出される。液体水素は水素ガスタンク内で気化する。こうして、水素ガスタンクに水素ガスが充填される。本明細書が開示する水素充填装置は、水素を液体の状態で水素ガスタンクに注入し、水素ガスタンク内で液体水素を気化させる。本明細書が開示する水素充填装置は、予め高圧の液体水素ガスを準備することなく、水素ガスタンクに水素ガスを充填することができる。

【0009】

液体水素を液体のまま一時保管する貯留槽の好適な一例は、外タンクと水素容器を備える。水素容器は外タンクの内面に断熱材を介して支持される。水素容器は、当該水素容器の内と外を連通する開口を有しており、液体水素タンクから供給される液体水素を受ける。

【0010】

上記した水素充填装置は、貯留槽と第３バルブのセットを複数セット備えていてもよい。複数の車両に同時に水素を充填することができる。

【0011】

本明細書が開示する水素充填装置は、貯留槽内の液体水素が液体のまま移送される補助タンクと、ガス供給管を備えていてもよい。ガス供給管は、補助タンク内で気化した液体水素を別の水素ガスタンクへ供給する。そして、補助タンクは、外タンクと、外タンク内に配置されている水素容器を備える。水素容器は、外タンクの内面に断熱材を介して支持されている。水素容器は、その内と外を連通する開口を有しており、貯留槽から供給される液体水素を受ける。水素容器に入った液体水素は外タンクの中で気化する。この補助タンクから別の水素ガスタンクへ水素ガスを供給することができるようになる。

【0012】

外タンク内で水素容器を支持する支持部材も、本明細書が開示する技術の一つである。支持部材は、伸縮機構、ボールジョイント、ユニバーサルジョイント、断熱材を備える。ボールジョイントの一端が外タンクの内面に固定されており、他端が伸縮機構の一端に固定されている。ユニバーサルジョイントの一端が断熱材に固定されており、他端が伸縮機構の他端に連結されている。断熱材が水素容器に固定されている。支持部材は、外タンクの内面に固定された一端に対して反対側の他端が揺動可能である。この支持部材は、外タンク内での水素容器の変形や揺れを許容する。また、支持部材は、外タンクが変形しても水素容器をしっかりと支持することができる。

【0013】

本明細書が開示する技術は、前述した水素充填装置と前述した水素ガスタンクを含んでいる水素充填システムに具現化されてもよい。水素ガスタンクは、外タンクと水素容器を備える。水素容器は、外タンクの内面に断熱材を介して支持されている。水素容器は、その内と外を連通する開口を有しており、貯留槽から供給される液体水素を受ける。水素容器に入った液体水素は外タンクの中で気化する。そのような水素ガスタンクが、前述した水素充填装置に適している。

【0014】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施例の水素充填装置を含む水素充填システムのブロック図である。

【図2】第２実施例の水素充填装置を含む水素充填システムのブロック図である。

【図3】一例の水素ガスタンクの断面図である。

【図4】変形例の水素ガスタンクの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の水素充填装置１００を説明する。図１に、水素充填装置１００と、水素充填装置１００から水素の供給を受ける水素ガスタンク２００のブロック図を示す。水素ガスタンク２００は、水素充填装置１００に好適なタンクであり、水素充填装置１００と水素ガスタンク２００は、水素充填システム１０を構成する。

【0017】

水素ガスタンク２００は、燃料電池車９００に搭載されている。燃料電池車９００は燃料電池スタック９０１を備えており、燃料電池スタック９０１は、水素ガスタンク２００から水素ガスの供給を受けて動作する。

【0018】

水素充填装置１００は、液体水素タンク１０１、貯留槽１１０、補助タンク１４０、蓄圧タンク１４６、排ガスタンク１５０を備えている。タンクや槽は、バルブ付きの管で連結されている。

【0019】

液体水素タンク１０１には大量の液体水素が貯蔵されている。液体水素タンク１０１と貯留槽１１０は、液体水素管１２１で連結されている。液体水素管１２１は、液体水素タンク１０１から貯留槽１１０へ液体水素を送る。液体水素管１２１には、第１バルブ１３１が備えらえている。第１バルブ１３１を開くと、液体水素タンク１０１から貯留槽１１０への液体水素が流れる。第１バルブ１３１を閉じると、液体水素タンク１０１から貯留槽１１０への液体水素の流れが止まる。

【0020】

貯留槽１１０には、液体水素タンク１０１から送られた液体水素が液体のまま一時的に蓄えられる。貯留槽１１０は、外タンク１１１と、外タンク１１１の中に配置された水素容器１１２を備えている。水素容器１１２は、断熱材１１３を介して外タンク１１１の内面に支持されている。水素容器１１２は、断熱材１１３と接している部位以外は、何ものにも接していない。水素容器１１２は、外部から断熱されている。水素容器１１２は、上部が開口している容器であり、水素容器１１２の内部と外部は連通している。

【0021】

液体水素管１２１を通じて供給された液体水素は液体のまま水素容器１１２に溜められる。水素容器１１２に溜められた液体水素の一部は気化し、水素ガスとなる。外タンク１１１は所定の上限圧力に耐えられる構造であるが、水素容器１１２は開口を有しているので耐圧性能は要求されない。

【0022】

貯留槽１１０の外タンク１１１には排ガス管１２２が接続している。排ガス管１２２は、排ガスタンク１５０につながっている。排ガス管１２２には、第２バルブ１３２が備えられている。第２バルブ１３２を開くと貯留槽１１０（外タンク１１１）の中のガスが排ガスタンク１５０へ排出される。貯留槽１１０（外タンク１１１）から排出されるガスの主成分は液体水素が気化した水素ガスである。第２バルブ１３２を開くことによって、貯留槽１１０の内部圧力の上昇が抑えられる。貯留槽１１０の内部圧力の上昇を抑えることにより、液体水素タンク１０１から貯留槽１１０への液体水素の供給を低圧で円滑に行うことができる。

【0023】

水素容器１１２の底に液体水素供給管１２３が接続されている。液体水素供給管１２３は、燃料電池車９００の水素ガスタンク２００に接続される。より具体的には、液体水素供給管１２３の先端には水素供給ノズル１３９が備えられており、水素供給ノズル１３９が燃料電池車９００のボディに設けられた水素供給口９０２に接続される。燃料電池車９００のボディの内部では、水素ガスタンク２００の第１管２１１が水素供給口９０２につながっている。貯留槽１１０の液体水素は、水素容器１１２から、液体水素供給管１２３と第１管２１１を通じて水素ガスタンク２００に送られる。

【0024】

液体水素供給管１２３には第３バルブ１３３が備えられている。第３バルブ１３３を閉じると、貯留槽１１０から水素ガスタンク２００への液体水素の流れが止まる。

【0025】

第１バルブ１３１、第２バルブ１３２、第３バルブ１３３はコントローラ１９０によって制御される。コントローラ１９０がバルブ１３１、１３２、１３３を制御することにより、液体水素タンク１０１から燃料電池車９００の水素ガスタンク２００へ液体水素が供給される。液体水素タンク１０１の液体水素は、水素ガスタンク２００の中で気化し、水素ガスタンク２００は最終的に水素ガスで満たされる。

【0026】

コントローラ１９０が実行する水素充填プロセスを説明する。コントローラ１９０は、次に述べる３つのステップを実行可能である。

【0027】

（第１ステップ）コントローラ１９０は、第３バルブ１３３を閉じ、第１バルブ１３１と第２バルブ１３２を開く。第１バルブ１３１を開くと、液体水素タンク１０１から貯留槽１１０へ液体水素が送られる。液体水素は液体水素管１２１を通じて液体水素タンク１０１から貯留槽１１０へ送られる。液体水素管１２１の一端は、貯留槽１１０の中で、水素容器１１２の開口の上方に位置している。

【0028】

先に述べたように、液体水素は、貯留槽１１０の外タンク１１１の中の水素容器１１２に溜まる。水素は液体のまま水素容器１１２に溜まるが、一部の液体水素は気化して水素ガスとなる。水素容器１１２の上部は開いているので、水素ガスは外タンク１１１の中で拡がる。コントローラ１９０が第２バルブ１３２を開いているので、外タンク１１１の水素ガスは排ガス管１２２を通じて排ガスタンク１５０に送られる。なお、第１ステップに先立って、排ガスタンク１５０の内圧は大気圧に設定されている。

【0029】

（第２ステップ）コントローラ１９０は、所定量の液体水素が貯留槽１１０に溜まったら第１バルブ１３１と第２バルブ１３２を閉じる。液体水素タンク１０１からの液体水素の供給が止まり、貯留槽１１０からの水素ガスの排出も止まる。水素容器１１２の液体水素の一部は気化する。液体水素の気化により、外タンク１１１の内部の温度は下がり、圧力は上昇する。外タンク１１１の内部の液体水素と水素ガスが熱平衡に達すると、液体水素の気化が止まる。本実施例では、このときの水素ガスの圧力を水素押出圧と称する。

【0030】

（第３ステップ）コントローラ１９０は、貯留槽１１０の内圧が水素押出圧に達すると、液体水素供給管１２３の第３バルブ１３３を開く。先に述べたように、液体水素供給管１２３の一端は水素容器１１２の底につながっている。なお、水素ガスタンク２００の内圧よりも水素押出圧が高くなるように調整される。第３バルブ１３３を開くと、貯留槽１１０と水素ガスタンク２００の内圧差により、水素容器１１２内の液体水素が液体水素供給管１２３を通じて水素ガスタンク２００へ押し出される。このとき水素は、一部は気化しながら液体のまま、貯留槽１１０から水素ガスタンク２００へ移送される。

【0031】

第２ステップにて液体水素タンク１０１から貯留槽１１０へ送る液体水素の量（前述の「所定量」）について説明する。コントローラ１９０は、第１ステップを実行するのに先立って、水素ガスタンク２００へ充填する水素の量を算出する。水素ガスタンク２００へ充填する水素の量（前述の「所定量」）は、水素ガスタンク２００に水素ガスをフル充填したときの水素量と、第１ステップを実行前の水素ガスタンク２００の残留水素量の差分に相当する。コントローラ１９０は、第１ステップを実行するのに先立って、燃料電池車９００のコントローラと通信し、水素ガスタンク２００のフル充填時の水素量と、現在の残留水素量の情報を得る。あるいは、コントローラ１９０は、燃料電池車９００のコントローラから、水素ガスタンク２００のフル充填時の水素量と、現在の水素ガスタンク２００の内圧と内部温度の情報を得る。コントローラ１９０は、現在の水素ガスタンク２００の内圧と内部温度から、水素ガスタンク２００の残留水素量を推定する。コントローラ１９０は、水素ガスタンク２００のフル充填時に水素量から現在の残水素量を減じて、所定量、すなわち、今回の充填で水素ガスタンク２００へ送る水素の量を決定する。

【0032】

ここで、水素ガスタンク２００の構造について説明する。水素ガスタンク２００は、外タンク２０１と、外タンク２０１の内部に配置された水素容器２０２を備えている。水素容器２０２は、断熱材２０３を介して外タンク２０１の内面に支持されている。水素容器２０２は、断熱材２０３と接している。水素容器２０２は、外部から断熱されている。水素容器２０２は、上部が開口している容器であり、液体水素供給管１２３と液体水素管１２１を通じて供給される液体水素は水素容器２０２に溜められる。外タンク２０１は所定の上限圧力に耐え得る耐圧構造を有しており、水素容器２０２は開口を有しているので耐圧構造は要求されない。

【0033】

液体水素が供給される前の外タンク２０１の内圧はタンク残量によって変化する。水素容器２０２に入れられた液体水素は気化し、外タンク２０１に水素ガスが充満する。水素ガスタンク２００に注入された液体水素は全て気化する。

【0034】

実施例の水素充填システム１０では、水素充填装置１００から水素ガスタンク２００へは液体のまま水素を注入し、水素ガスタンク２００の中で液体水素を気化させ、水素ガスタンク２００を水素ガスで充満させる。この充填方法は、以下の２ステップで実現される。注入ステップ：液体水素を水素ガスタンク２００に注入する。気化ステップ：水素ガスタンク２００の中で液体水素を気化させる。この方法によれば、水素充填装置１００にて大量の高圧水素ガスを準備する必要がない。すなわち、水素充填装置１００は、大量の高圧水素ガスを準備することなく、水素ガスタンク２００に水素ガスを充填することができる。

【0035】

なお、燃料電池車９００は、水素ガスで動作する燃料電池スタック９０１を備えており、水素ガスタンク２００（外タンク２０１）の水素ガスは、第２管２１２を介して燃料電池スタック９０１へ送られる。

【0036】

水素充填装置１００が備えているその他の設備について説明する。貯留槽１１０と補助タンク１４０は液体水素管１２４で接続されている。液体水素管１２４には第４バルブ１３４が備えられている。コントローラ１９０が第４バルブ１３４を開くと、貯留槽１１０の液体水素が液体のまま補助タンク１４０へ流れる。

【0037】

補助タンク１４０は、外タンク１４１と水素容器１４２を備えている。水素容器１４２は、外タンク１４１の内部に配置されている。水素容器１４２は、断熱材１４３を介して外タンク１４１の内面に支持されている。水素容器１４２は、断熱材１４３と接している。水素容器１４２は、外部から断熱されている。水素容器１４２は、上部が開口している容器であり、液体水素管１２４を通じて貯留槽１１０から移送される液体水素が水素容器１４２に溜められる。外タンク１４１は所定の上限圧力に耐え得る耐圧構造を有しており、水素容器１４２は開口を有しているので耐圧構造は要求されない。水素容器１４２に入れられた液体水素は気化し、外タンク１４１に高圧の水素ガスが充満する。すなわち、補助タンク１４０は水素ガスタンク２００と同じ構造を有している。例えば、図１に示すように、補助タンク１４０から別の燃料電池車９１０の水素ガスタンク９１１に水素ガスを充填することができる。この場合、補助タンク１４０に注入される液体水素の量は、充填前の水素ガスタンク９１１のフル充填時の水素量と、充填前の水素ガスタンク９１１の残留水素量の差分に相当する。補助タンク１４０に注入された全ての液体水素が気化し、補助タンク１４０には水素ガスが充満する。

【0038】

補助タンク１４０には水素ガス供給管１４４が接続されており、水素ガス供給管１４４にはバルブ１４５が備えられている。水素ガス供給管１４４は、通常の水素ガスタンク９１１に接続可能である。通常の水素ガスタンク９１１は、例えば燃料電池車９１０に搭載されている。補助タンク１４０に水素ガスが充填された後、バルブ１４５を開くと、補助タンク１４０から通常の水素ガスタンク９１１へ高圧の水素ガスが供給される。すなわち、水素充填装置１００の補助タンク１４０は、通常の水素ガスタンク９１１へ高圧の水素ガスを供給することができる。

【0039】

補助タンク１４０の外タンク１４１には、水素ガス管１５１が接続されている。水素ガス管１５１は、排ガスタンク１５０に接続されている。水素ガス管１５１にはポンプ１５２とバルブ１５３が備えられている。先に述べたように、排ガスタンク１５０には水素ガスが蓄えられている。補助タンク１４０（外タンク１４１）の内圧が下がったら、コントローラ１９０は、バルブ１５３を開き、ポンプ１５２を駆動し、排ガスタンク１５０の水素ガスを補助タンク１４０（外タンク１４１）へ送る。ポンプ１５２を駆動することで、外タンク１４１に昇圧された水素ガスが供給され、外タンク１４１の内圧も上昇する。

【0040】

水素ガス管１５１は蓄圧タンク１４６にも接続されている。水素ガス管１５１には、排ガスタンク１５０から蓄圧タンク１４６への水素ガスの供給を止めるバルブ１５４が配置されている。コントローラ１９０は、バルブ１５４を開き、ポンプ１５２を駆動し、排ガスタンク１５０の水素ガスを蓄圧タンク１４６へ送る。ポンプ１５２に動作により、排ガスタンク１５０の水素ガスは、昇圧されて蓄圧タンク１４６へ送られる。バルブ１５４を開き、ポンプ１５２を駆動することで、蓄圧タンク１４６に高圧の水素ガスが充填される。

【0041】

蓄圧タンク１４６にも水素ガス供給管１４７が接続されており、水素ガス供給管１４７にはバルブ１４８が備えられている。水素ガス供給管１４７にも、通常の水素ガスタンク９２１が接続可能である。通常の水素ガスタンク９２１は、燃料電池車９２０に搭載されている。コントローラ１９０がバルブ１４８を開くと、蓄圧タンク１４６から通常の水素ガスタンク９２１へ高圧の水素ガスが供給される。

【0042】

コントローラ１９０は、排ガスタンク１５０の内圧を所定の目標上限圧以下に保つべく、排ガスタンク１５０の内圧が目標上限圧に近づいたらバルブ１５４を開き、ポンプ１５２を駆動し、排ガスタンク１５０の中の水素ガスを蓄圧タンク１４６へ移す。

【0043】

排ガスタンク１５０と液体水素タンク１０１は、水素管１５５で接続されており、水素管１５５には、バルブ１５７が備えられている。液体水素タンク１０１の圧力が所定の閾値圧以上になった場合、コントローラ１９０がバルブ１５７を開き、蒸発水素が排ガスタンク１５０へ流れ込む。

【0044】

貯留槽１１０は、外タンク１１１と、外タンク１１１の中に配置された水素容器１１２を備える。水素容器１１２は上部に開口を有しており、水素容器１１２の内側と外側はつながっている。水素容器１１２は、断熱材１１３で外タンク１１１の内面に支持されている。液体水素を水素ガスタンク２００へ送る液体水素供給管１２３は水素容器１１２の底に接続されている。液体水素タンク１０１の液体水素は、液体のまま貯留槽１１０に一時的に蓄えられ、その後、水素ガスタンク２００へ送られる。この貯留槽１１０は、液体水素を液体のまま一時的に保持するのに好適である。

【0045】

（第２実施例）図２に、第２実施例の水素充填装置１００ａを示す。水素充填装置１００ａと水素ガスタンク２００で水素充填システム１０ａを構成する。図２の水素ガスタンク２００は、図１の水素ガスタンク２００と同じである。

【0046】

第２実施例の水素充填装置１００ａは、貯留槽１１０と第３バルブ１３３のセットを３セット備えている。水素充填装置１００は、貯留槽１１０ａと第３バルブ１３３ａのセット、貯留槽１１０ｂと第３バルブ１３３ｂのセット、貯留槽１１０ｃと第３バルブ１３３ｃのセットを備えている。貯留槽１１０と第３バルブ１３３の３セットは並列に接続されている。以下では、３個の貯留槽１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを区別なく表すときには貯留槽１１０と称する。３個の第３バルブ１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃを区別なく表すときには第３バルブ１３３と称する。

【0047】

水素充填装置１００ａは、燃料電池車に水素を供給する３個の水素供給ノズル１３９ａ、１３９ｂ、１３９ｃを備えている。また、補助バルブ１３３ｄ、１３３ｅを備えている。水素供給ノズル１３９ａ－１３９ｃのそれぞれに燃料電池車の水素ガスタンクをつなぐと、３台の水素ガスタンクに同時に水素を供給することができる。

【0048】

また、水素供給ノズル１３９ａに水素ガスタンクをつなぎ、第３バルブ１３３ｂと補助バルブ１３３ｄを開くと、貯留槽１１０ｂから水素ガスタンクへ水素を供給することができる。さらに、水素供給ノズル１３９ａに水素ガスタンクをつなぎ、第３バルブ１３３ｃと補助バルブ１３３ｄ、１３３ｅを開くと、貯留槽１１０ｃから水素ガスタンクへ水素を供給することができる。このように、３個の貯留槽１１０ａ－１１０ｃのいずれかより、３個の水素供給ノズル１３９ａ－１３９ｃのいずれかに接続された水素ガスタンクへ、水素を供給することができる。

【0049】

コントローラ１９０は、３セットの貯留槽１１０に対して前述した第１ステップと第２ステップの処理を行う。すなわち、第１ステップと第２ステップを実施すると、貯留槽１１０の一つの水素容器１１２に液体水素が溜まる。貯留槽１１０（外タンク１１１）には不図示の圧力センサが備えられており、コントローラ１９０は、貯留槽１１０（外タンク１１１）の内圧を知ることができる。第３ステップにおいて、コントローラ１９０は、貯留槽１１０に対する第３バルブ１３３を開く。

【0050】

貯留槽１１０ａから水素ガスタンク２００へ液体水素が押し出される。貯留槽１１０ａの液体水素が少なくなると、貯留槽１１０ａの内圧が下がる。貯留槽１１０ａの内圧が下がり、貯留槽１１０ａの第３バルブ１３３ａを閉じ水素ガスタンク２００の内圧が上がりその圧力温度から必要圧力を計算し貯留槽１１０ｂの内圧を充填可能な圧力まで上げる。充填可能圧力まで上昇後、コントローラ１９０は、貯留槽１１０ｂの第３バルブ１３３ｂを開く。貯留槽１１０ａに代わって貯留槽１１０ｂから液体水素が水素ガスタンク２００へ送られる。こうして、液体水素を素早く水素ガスタンク２００に注入することができる。

【0051】

コントローラ１９０は、燃料電池車との通信時に充填量を算出し、第１貯留槽１１０ａで不足する場合、算出量に見合う貯留槽に第１ステップと第２ステップを実行する。この内圧は常に設定の圧力差にて充填しその時点で最小の内圧にて実行する。例えば、残圧１０ＭＰａのタンクに７０ＭＰａの充填は不要であり、３０ＭＰａや４０ＭＰａ等、低圧で充填を行う。タンク内圧上昇に合わせ低圧から高圧の順番に貯留槽に移行する。

【0052】

図２では図１の補助タンク１４０と蓄圧タンク１４６の図示を省略したが、第２実施例の水素充填装置１００ａも、第１実施例の水素充填装置１００と同様に、補助タンク１４０や蓄圧タンク１４６を備えていてもよい。

【0053】

水素ガスタンク２００の好適な構造を説明する。図３に、水素ガスタンク２００の模式的断面図を示す。先に述べたように、水素ガスタンク２００は、外タンク２０１と、外タンク２０１の中に配置された水素容器２０２を備えている。水素容器２０２は、断熱材２０３を介して外タンク２０１の内面に支持されている。水素容器２０２は上部に開口２０４を備えており、開口２０４は水素容器２０２の内と外を連通する。

【0054】

水素ガスタンク２００には、液体水素を水素容器２０２へ導く第１管２１１と、外タンク２０１の中の水素ガスを外部へ導く第２管２１２が備えられている。第１管２１１と第２管２１２は、外タンク２０１の壁を貫通している。先に述べたように、第１管２１１は水素充填装置１００（１００ａ）の液体水素供給管１２３に接続される。第２管２１２は、燃料電池車９００の燃料電池スタック９０１に接続される（図１参照）。図示は省略しているが、第１管２１１と第２管２１２のそれぞれには、流体の流れを止めるバルブが備えられている。

【0055】

水素容器２０２の一端は、支持部材３００を介して外タンク２０１の内面に支持される。支持部材３００の先端に断熱材２０３が備えられており、その断熱材２０３が水素容器２０２に固定される。

【0056】

図３の破線範囲の拡大図（支持部材３００の拡大図）を図３の下に示してある。支持部材３００は、ボールジョイント３１０、スライドロッド３２０、ユニバーサルジョイント３３０、断熱材２０３を備えている。なお、スライドロッド３２０は伸縮機構と呼び替えることができる。

【0057】

図中の座標系のＸ方向が支持部材３００の長手方向に対応し、Ｙ方向とＺ方向は、Ｘ方向（長手方向）に直交する。ボールジョイント３１０は、アウターカップ３１１とインナーボール３１２で構成されている。インナーボール３１２がアウターカップ３１１に嵌合している。インナーボール３１２はアウターカップ３１１に対して３軸（Ｘ軸とＹ軸とＺ軸）の各軸回りに回転することができる。アウターカップ３１１が外タンク２０１の内面に固定されており、インナーボール３１２はスライドロッド３２０に固定されている。別言すれば、ボールジョイント３１０は、その一端が外タンク２０１の内面に固定されており、他端がスライドロッド３２０の一端（伸縮機構の一端）に固定されている。ボールジョイント３１０は、外タンク２０１に対するスライドロッド３２０の三軸各軸まわりの回転を許容する。

【0058】

スライドロッド３２０は、筒状のアウターロッド３２１に棒状のインナーロッド３２２で構成される。アウターロッド３２１にインナーロッド３２２が嵌合しており、インナーロッド３２２はアウターロッド３２１に対してＸ方向に伸縮する。アウターロッド３２１がボールジョイント３１０のインナーボール３１２に固定されており、インナーロッド３２２はユニバーサルジョイント３３０の第１ヨーク３３１に固定されている。スライドロッド３２０は、ボールジョイント３１０のインナーボール３１２に対するユニバーサルジョイント３３０の伸縮を許容する。

【0059】

ユニバーサルジョイント３３０は、第１ヨーク３３１と第２ヨーク３３２が十字軸３３３に連結された構造を有しており、図３の矢印線Ａ、Ｂが示すように、第２ヨーク３３２は第１ヨーク３３１に対して、Ｙ軸に平行な軸とＺ軸に平行な軸の周りに回転可能である。第１ヨーク３３１がスライドロッド３２０のインナーロッド３２２に固定されており、第２ヨーク３３２が断熱材２０３に固定されている。別言すれば、ユニバーサルジョイント３３０の一端が断熱材２０３に固定されており、他端がスライドロッド３２０の他端に連結されている。ユニバーサルジョイント３３０は、スライドロッド３２０のインナーロッド３２２に対する断熱材２０３の２軸（Ｙ軸とＺ軸）周りの回転を許容する。

【0060】

支持部材３００の水素容器２０２の側の他端は、外タンク２０１の側の一端に対して自由に移動／回転ができる。別言すれば、支持部材３００の他端は一端に対して６自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸に沿った移動と各軸周りの回転）を有している。支持部材３００は、外タンク２０１の内部で水素容器２０２の変形や揺れを許容する。また、支持部材３００は、外タンク２０１が変形しても水素容器２０２をしっかりと支持することができる。水素容器２０２は外タンク２０１に対して（および、外部に対して）断熱されている。

【0061】

図４に、変形例の水素ガスタンク２００ａの断面図を示す。水素ガスタンク２００ａは、開口２０４に、逆止弁２０５を備えている点で図３の水素ガスタンク２００と異なる。逆止弁２０５以外は、図４の水素ガスタンク２００ａの構造は図３の水素ガスタンク２００の構造と同じである。

【0062】

逆止弁２０５は、水素容器２０２の内から外へはガスの流れを許容し、逆方向（水素容器２０２の外から内への方向）へはガスの流れを遮断する。逆止弁２０５は、水素容器２０２の外側で開口２０４の縁に貼り付く柔軟金属板でよい。柔軟金属板は、一部が水素容器２０２の外側に固定されている。柔軟金属板のその他の部分は水素容器２０２の開口２０４の縁に接しているのみである。水素容器２０２の内側の圧力が外側の圧力よりも高くなると、逆止弁２０５（柔軟金属板）が水素容器２０２から離れる方向にまくれて水素容器２０２の内から外へガスが流れる。水素容器２０２の外側の圧力が内側の圧力よりも高い場合は、逆止弁２０５（柔軟金属板）は開口２０４の全周で縁に貼り付く。それゆえ、水素容器２０２の外から内へはガスが流れることができない。

【0063】

水素ガスタンク２００／２００ａは、水素容器２０２に注入された液体水素を気化させて外タンク２０１を水素ガスで満たすのに好適なタンクである。水素ガスタンク２００／２００ａは、実施例の水素充填装置１００／１００ａとペアで用いることが好適である。

【0064】

貯留槽１１０においても、図３の支持部材３００で水素容器１１２が外タンク１１１の内面に支持されていてもよい。補助タンク１４０においても、支持部材３００で水素容器１４２が外タンク１４１の内面に支持されていてもよい。

【0065】

貯留槽１１０にヒータを備えることも好適である。ヒータは、液体水素を温める。第２ステップを実行した後、第３ステップを実行する前に、コントローラ１９０は、ヒータを起動して液体水素を温める。ヒータの熱によって液体水素の気化が促進される。外タンク１１１の内部の圧力が任意の圧力に達するまでの時間を短縮することができる。

【0066】

第３ステップを実行した後、コントローラ１９０は、第３バルブ１３３を閉じ、再び第２バルブ１３２を開いて貯留槽１１０の残ガスを排ガスタンク１５０へ排出するようにしてもよい。

【0067】

本明細書が開示する水素タンクの特徴を列記する。本明細書が開示する水素タンクの一態様は、外タンク、水素容器、支持部材、第１管、第２管を備える。水素容器は、外タンクの内部に配置されている容器であって容器の内と外を連通する開口を備えている。支持部材は、外タンクの内面に対して水素容器を支持する。第１管は、外タンクの外から水素容器へ液体水素を導く。第２管は、外タンクの中の水素ガスを外タンクの外へ導く。支持部材は、伸縮機構、ボールジョイント、ユニバーサルジョイントを備える。ボールジョイントの一端が外タンクの内面に固定されており、他端が伸縮機構の一端に固定されている。ユニバーサルジョイントの一端が断熱材に固定されており、他端が伸縮機構の他端に連結されている。断熱材が水素容器に固定されている。

【0068】

本明細書が開示する水素タンクを用いると、水素を液体のままタンクの水素容器に入れることができる。水素容器に入れられた液体の水素は気化し、外タンク内に拡がる。水素をガスのまま充填する従来のタンクと異なり、水素を簡便に充填することができる。

【0069】

支持部材は、外タンクの内面に固定された一端に対して反対側の他端が揺動可能である。この支持部材は、外タンク内での水素容器の変形や揺れを許容する。また、支持部材は、外タンクが変形しても水素容器をしっかりと支持することができる。

【0070】

水素容器の開口に、水素容器の内から外へのガス流を許容し逆方向のガス流を遮断する逆止弁が備えられているとよい。

【0071】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0072】

１０、１０ａ：水素充填システム １００、１００ａ：水素充填装置 １０１：液体水素タンク １１０、１１０ａ－１１０ｃ：貯留槽 １１１、１４１、２０１：外タンク １１２、１４２、２０２：水素容器 １１３、１４３、２０３：断熱材 １２１、１２４：液体水素管 １２２：排ガス管 １２３：液体水素供給管 １３１、１３２、１３３、１３３ａ－１３３ｃ、１３４、１４５、１４８、１５３、１５４、１５７：バルブ １４０：補助タンク １３９、１３９ａ－１３９ｃ：水素供給ノズル １４４：水素ガス供給管 １４６：蓄圧タンク １４７：水素ガス供給管 １５０：排ガスタンク １５１：水素ガス管 １５２：ポンプ １５５：水素管 １９０：コントローラ ２００、２００ａ：水素ガスタンク ２０４：開口 ２０５：逆止弁 ２１１：第１管 ２１２：第２管 ３００：支持部材 ３１０：ボールジョイント ３１１：アウターカップ ３１２：インナーボール ３２０：スライドロッド ３２１：アウターロッド ３２２：インナーロッド ３３０：ユニバーサルジョイント ３３１：第１ヨーク ３３２：第２ヨーク ３３３：十字軸 ９００：燃料電池車 ９０１：燃料電池スタック ９０２：水素供給口 ９１０、９２０：燃料電池車 ９１１、９２１：水素ガスタンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】