DE112010005543T5

DE112010005543T5 - System für Wasserstoff-Beladung

Info

Publication number: DE112010005543T5
Application number: DE201011005543
Authority: DE
Inventors: Kenji Komiya; Kumiko Nishizawa; Daigoro Mori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: DE112010005543T8; JPWO2011138826A1; CN102884359A; US20120291902A1; US8714183B2; DE112010005543B4; WO2011138826A1; JP5327382B2; CN102884359B

Abstract

Ein System für eine Wasserstoff-Beladung besitzt eine Drosselblende (120), welche als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer zwischen einem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss (20) und einem Wasserstofftank (52) mit einem größeren Wärmestromwert vorgesehen ist. An der Seite eines Wasserstofftanks (50) mit einem kleinen Wärmestromwert ist keine Drosselblende vorgesehen. Die Drosselblende (120) besitzt eine Funktion des Erhöhens des Kanal-Widerstandes. Mit dem Vorstehenden ist es möglich, dass zunächst der Wasserstofftank (50) mit einem kleineren Wärmestromwert in dem voll beladenen Zustand vorliegt, und dass danach der Wasserstofftank (52) mit einem größeren Wärmestromwert in dem voll beladenen Zustand vorliegt. Alternativ kann ein Sperrventil mit einem Öffnungsdruck ΔP2 als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer an der Seite des Wasserstofftanks (52) mit größerem Wärmestrom vorgesehen sein und ein Sperrventil mit einem Öffnungsdruck ΔP1 kann als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer an der Seite des Wasserstofftanks (50) mit kleinerem Wärmestrom vorgesehen sein, wobei ΔP2 > ΔP1.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Wasserstoff-Beladung und insbesondere ein System für eine Wasserstoff-Beladung zum Beladen einer Mehrzahl von Wasserstofftanks mit Wasserstoff von einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung.
Stand der Technik
Ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, welche Wasserstoffgas als Brenngas verwendet, verursacht, dass ein Brennstofftank mit Wasserstoffgas zu beladen ist und fährt, während das Wasserstoffgas verbraucht wird. Daher muss das Fahrzeug an einer Wasserstoff-Zuführstation oder dergleichen anhalten, um den Wasserstofftank mit Wasserstoffgas zu beladen, wenn das Wasserstoffgas in dem Wasserstofftank zur Neige geht.
Patentdokument 1 beschreibt beispielsweise, dass als eine Wasserstoff-Zuführstation die Zuführung von einem Wasserstoff-Zuführtank basierend auf dem maximalen Arbeitsdruck eines auf einem Fahrzeug montierten Wasserstofftanks, welchem Wasserstoffgas zugeführt werden soll, unter Verwendung einer Tank-Spezifikations-Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des höchsten Arbeitsdruckes des auf einem Fahrzeug montierten Wasserstofftanks gesteuert wird. Bei dem Vorstehenden unterscheidet sich die Gestalt eines Masse-Adapters zum Verbinden mit einem Masse-Anschluss, welcher bei einem Fahrzeug vorgesehen ist, von dieser eines fahrzeugseitigen Masse-Anschlusses in Abhängigkeit des höchsten Arbeitsdruckes eines auf einem Fahrzeug montierten Wasserstofftanks und dies ist als eine Tank-Spezifikations-Ermittlungseinrichtung beschrieben.
Patentdokument 2 stellt heraus, dass obwohl das Montieren einer Mehrzahl von Tanks mit unterschiedlichen Wärmeableitungs-Charakteristiken auf einem Fahrzeug dahingehend effizienter ist als das Montieren eines einzelnen Tanks, dass entsprechende Charakteristiken verwendet werden können, es nicht möglich ist, ein effizientes Beladen auszuführen, wenn das Beladen der entsprechenden Tanks zu dem gleichen Zeitpunkt beginnt, da die Gastemperaturen der entsprechenden Tanks durch unterschiedliche Beträge zunehmen, und folglich sind die Tanks in der Beladungs-Effizienz uneinheitlich. Unter Betrachtung des Vorstehenden wird als ein Gas-Brennstoff-Beladungs-Verfahren beschrieben, dass Beladungs-Leitungen mit entsprechenden Gas-Brennstoff-Beladungsanschlüssen einer Mehrzahl von Tanks mit unterschiedlichen Wärmeableitungs-Charakteristiken verbunden sind und dass eine Beladungs-Kanal-Umschalteinrichtung bei einem Fahrzeug vorgesehen ist, so dass die Gas-Brennstoff-Beladung bei einem Tank mit einer höheren Wärmeableitungs-Charakteristik beginnt.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2005-69327
Patentdokument 2: JP 2005-155869

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Wie in Patentdokument 2 beschrieben ist, kann eine Mehrzahl von Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Gestaltungen montiert sein, um den Einbauraum in einem Fahrzeug bestmöglich zu nutzen. In solch einem Fall ist es wünschenswert, dass sämtliche Tanks in einem gleichmäßig beladenen Zustand angeordnet sind.
Bei Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Gestaltungen und/oder Materialien kann die Temperatur mit unterschiedlichen Raten ansteigen, wenn die Tanks mit Wasserstoff beladen bzw. gefüllt werden. Daher können, obwohl Wasserstoff von einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung in zwei oder mehrere Wasserstofftanks mit dem gleichen Druck geladen wird, unterschiedliche Beladungs-Raten realisiert werden, da sich die Dichte des Wasserstoffgases ungeachtet des gleichen Beladungs-Druckes mit der Temperatur unterscheidet. Beispielsweise kann es vorkommen, dass während ein Wasserstofftank voll beladen ist, ein weiterer Wasserstofftank dies nicht ist. Wenn bei der Mehrzahl von Tanks Tanks vorliegen, welche nicht voll beladen sind, wird der zur Verwendung verfügbare Betrag von Brenngas kleiner und entsprechend wird die Entfernung, über welche ein elektrisches Fahrzeug fahren kann, kürzer. Gemäß Patentdokument 2 wird in solch einem Fall die Reihenfolge des Beladens unter Berücksichtigung der Verwendung einer Beladungs-Kanal-Umschalteinrichtung ermittelt. Dies resultiert jedoch in einer komplizierten Vorrichtung und erfordert eine zusätzliche Beladungszeit für das Umschalten.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Beladen von Wasserstoff vorzusehen, welches in der Lage ist, zwischen einer Mehrzahl von Wasserstofftanks gleichmäßig zu beladen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zur Wasserstoff-Beladung vorzusehen, welches in der Lage ist, eine Mehrzahl von Wasserstofftanks zu besitzen, welche sich alle in dem voll beladenen Zustand befinden. Die nachstehend beschriebenen Einrichtungen bzw. Mittel tragen dazu bei, wenigstens einen dieser Vorteile zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Mittel zum Lösen des Problems
Ein System für eine Wasserstoff-Beladung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Zuführkanäle zum Verbinden einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung mit entsprechenden Wasserstofftanks; und einen Strömungs-Durchflussbegrenzer zum Erhöhen eines Kanal-Widerstandes des Zuführkanals, welche mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, so dass dieser größer als ein Kanal-Widerstand des Zuführkanals ist, welcher mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist, oder zum Erhöhen eines Druckverlustes des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, so dass dieser größer als ein Druckverlust des Zuführkanals ist, welcher mit dem Wasserstofftank mit kleineren Wärmestrom verbunden ist, auf.
Bei dem System für eine Wasserstoff-Beladung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Strömungs-Durchflussbegrenzer vorzugsweise eine Drosselblenden-Durchflussbegrenzer sein, welche bei dem mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbundenen Zuführkanal vorgesehen ist.
Bei dem System für eine Wasserstoff-Beladung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Strömungs-Durchflussbegrenzer vorzugsweise Sperrventile aufweisen, welche bei den entsprechenden Zuführkanälen vorgesehen sind, und ein Öffnungsdruck des Sperrventils, welches bei dem Zuführkanal vorgesehen ist, der mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, kann höher als ein Öffnungsdruck des Sperrventils sein, welches bei dem Zuführkanal vorgesehen ist, der mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist.
Bei dem System für eine Wasserstoff-Beladung gemäß der vorliegenden Erfindung können die Mehrzahl von Wasserstofftanks vorzugsweise auf einem Fahrzeug montierte Brenngastanks sein und der Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom kann im Vergleich mit dem Wasserstofftank mit einem kleineren Wärmestrom ein Tank mit einer größeren Oberfläche pro Volumeneinheit, ein Tank aus Material mit einer größeren Wärmeleitfähigkeits-Rate, oder ein Tank sein, welcher auf einem Fahrzeug bei einer Position montiert ist, welche im Sicherstellen eines größeren Wärmestromes vorteilhaft ist.
Vorteil der Erfindung
Bei der vorstehend beschriebenen Struktur besitzt das System für die Wasserstoff-Beladung einen Strömungs-Durchflussbegrenzer zum Erhöhen des Kanal-Widerstandes des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit dem größeren Wärmestrom verbunden ist, so dass dieser größer als dieser des Wasserstofftanks mit kleinerem Wärmestrom ist, oder zum Erhöhen eines Druckverlustes des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, so dass dieser größer als dieser des Wasserstofftanks mit kleinerem Wärmestrom ist.
Obwohl die Tank-Innentemperatur des Wasserstofftanks ansteigt, während die Wasserstoff-Beladung voranschreitet, wird, da die Temperatur des Wasserstofftanks mit größerem Wärmestrom durch einen kleineren Betrag ansteigt als diese des Wasserstofftanks mit kleinerem Wärmestrom, mit dem erstgenannten eine höhere Beladungs-Rate erreicht als diese mit dem später genannten, wenn die Tanks mit Wasserstoffgas bei dem gleichen Druck beladen werden. Gemäß der vorstehend beschriebenen Struktur wird, wenn für den Zuführkanal, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, ein größerer Kanal-Widerstand eingestellt ist, der Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom zuerst mit Wasserstoff beladen bzw. gefüllt und nachdem der Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom voll mit Wasserstoff beladen ist, so dass kein weiterer Wasserstoff geladen bzw. gefüllt werden soll, wird dann der Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom mit Wasserstoff bis zu einem identischen Ausmaß wie dieses des Wasserstofftanks mit kleinerem Wärmestrom beladen. Somit werden beide Wasserstofftanks in dem voll beladenen Zustand zurückgelassen, wenn die Beladung abgeschlossen ist. Währenddessen, wenn ein größerer Druckverlust für den Zuführkanal eingestellt ist, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, kann der Tank-Innendruck des Wasserstofftanks mit größerem Wärmestrom gesenkt werden. Dies kann die Beladungs-Rate des Wasserstofftanks mit größerem Wärmestrom gleich dieser des Wasserstofftanks mit kleinerem Wärmestrom machen.
Bei dem System für die Wasserstoff-Beladung ist ein Drosselblenden-Durchflussbegrenzer in dem Zuführkanal vorgesehen, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist. Das heißt, unter Verwendung einer einfachen Struktur, wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, den Kanal-Widerstand des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, zu vergrößern.
Bei dem System für die Wasserstoff-Beladung ist ein Sperrventil mit einem höheren Öffnungsdruck bei dem Zuführkanal vorgesehen, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, und ein Sperrventil mit einem niedrigeren Öffnungsdruck ist bei dem Zuführkanal vorgesehen, welcher mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist. Ein Öffnungsdruck eines Sperrventils bezieht sich auf einen Druck, bei welchem ein vorbestimmter konstanter Betrag einer Strömung geschaffen wird, nachdem der Druck ansteigt und das Sperrventil beginnt sich entsprechend zu öffnen. Das heißt, ein hoher Öffnungsdruck bedeutet einen hohen Druck, bei welchem sich das Sperrventil öffnet. Das heißt, ein Sperrventil mit einem höheren Öffnungsdruck resultiert in einem größeren Druckverlust bei dem Sperrventil. Wie vorstehend beschrieben, ist es mit der Anpassung des Öffnungsdruckes eines Sperrventils möglich, einen Druckverlust eines Zuführkanals, welcher mit einem Wasserstofftank verbunden ist, auf einfache Art und Weise einzustellen.
Bei dem System für die Wasserstoff-Beladung sind die Mehrzahl von Wasserstofftanks auf einem Fahrzeug montierte Brenngastanks und ein Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom ist im Vergleich zu einem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom ein Tank mit einer größeren Oberfläche pro Volumeneinheit, ein Tank aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeits-Rate oder ein Tank, welcher auf einem Fahrzeug bei einer Position montiert ist, welche im Erhöhen des Wärmestromes vorteilhaft ist. Wenn zwei oder mehrere Wasserstofftanks auf einem Fahrzeug montiert sind, wie vorstehend beschrieben ist, wird aufgrund einer Differenz von „Oberfläche/Volumen”, des Materials oder der Einbauposition in einem Fahrzeug eine Differenz des Kraftstoff-Flusses zwischen der Mehrzahl von Wasserstofftanks hervorgerufen. Wenn gemäß der Differenz ein Wasserstoffgas-Strom bei höherer Temperatur zu einem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom geführt wird und ein Wasserstoffgas-Strom bei niedrigerer Temperatur zu einem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom geführt wird ist es möglich, die Mehrzahl von Wasserstofftanks gleichmäßig zu beladen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 ist eine Darstellung, welche das Beladen von zwei auf einem Elektrofahrzeug montierten Wasserstofftanks mit Wasserstoff erläutert, wobei ein System zur Wasserstoff-Beladung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 ist eine Darstellung, welche zum Vergleich ein herkömmliches System für die Wasserstoff-Beladung erläutert;
3 ist ein Diagramm, welches den Anstieg der Tank-Innentemperatur bei der herkömmlichen Wasserstoff-Beladung erläutert;
4 ist eine Darstellung, welche das Vorsehen einer Drosselblende als einen Strömungs-Durchflussbegrenzer an der Seite des Wasserstofftanks mit größerem Wärmestrom bei dem System für die Wasserstoff-Beladung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;
5 ist ein Diagramm, welches den Anstieg der Tank-Innentemperatur bei dem in 4 gezeigten Fall erläutert;
6 ist eine Darstellung, welche das Vorsehen von Sperrventilen mit unterschiedlichen Öffnungsdrücken als Strömungs-Durchflussbegrenzer bei dem System für die Wasserstoff-Beladung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;
7 ist eine Diagramm, welches den Anstieg der Tank-Innentemperatur bei dem in 6 gezeigten Fall erläutert;
8 ist eine Diagramm, welches den Anstieg des Tank-Innendruckes bei dem in 6 gezeigten Fall erläutert;
9 ist eine Darstellung, welche einen Fall erläutert, bei dem zwei Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Strukturen zu den in 4 gezeigten verwendet werden;
10 ist eine Darstellung, welche einen Fall erläutert, bei dem zwei Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Strukturen zu den in 6 gezeigten verwendet werden; und
11 ist eine Darstellung, welche die Details von Tanks mit unterschiedlichen Wärmeströmen bei dem System für die Wasserstoff-Beladung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammenfasst.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Abbildungen beschrieben. Nachfolgend wird ein Fall des Beladens von zwei auf einem Elektrofahrzeug montierten Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Gestaltungen mit Wasserstoff als ein System für die Wasserstoff-Beladung beschrieben. Die vorliegende Erfindung umfasst jedoch ebenso einen Fall, bei dem eine Mehrzahl von Wasserstofftanks, einschließlich einem, welcher nicht auf einem Elektrofahrzeug montiert ist, mit Wasserstoffgas von einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung beladen werden. Beispielsweise ist ein Fall enthalten, welcher eine Mehrzahl von Brennstofftanks einer Brennstoffzelle vom Installationstyp enthält. Die Anzahl von Wasserstofftanks kann drei oder mehr betragen. Die Mehrzahl von Wasserstofftanks ist nicht auf diejenigen mit unterschiedlichen Gestaltungen beschränkt und jegliche Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Wärmeströmen sind anwendbar. Es ist ebenso ein Fall enthalten, bei dem die Differenz des Wärmestromes einer Montage- oder Anordnungsposition jedes Wasserstofftanks zuzuschreiben ist.
Zu beachten ist, dass die Temperatur, der Druck und dergleichen, wie vorstehend erwähnt, lediglich beispielhaft sind und in Abhängigkeit der Spezifikation eines Elektrofahrzeuges, eines Anwendungs-Zustandes eines Wasserstofftanks, der Spezifikation einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung und dergleichen nach Wunsch verändert werden können.
Im Folgenden sind in den Abbildungen gleichen Elementen gleiche Bezugszeichen zugewiesen und auf doppelte Beschreibungen wird verzichtet. In der Beschreibung wird auf ein früher genanntes Bezugszeichen verwiesen, wenn dies notwendig ist.
1 ist eine Darstellung, welche die Wasserstoff-Beladung von einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 in zwei auf einem Elektrofahrzeug 6 montierte Wasserstofftanks 50, 52 unter Verwendung eines Wasserstoff-Beladungssystems 10, erläutert. In 1 ist eine Wasserstoff-Zuführstation 4, wo die Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 installiert ist, und das Elektrofahrzeug 6, welches der Wasserstoff-Beladung unterzogen wird, gezeigt, obwohl diese nicht als Strukturelemente des Wasserstoff-Beladungssystems 10 enthalten sind. 1 zeigt das Elektrofahrzeug 6, welches bei der Wasserstoff-Zuführstation 4 anhält, um mit Wasserstoff beladen zu werden, und mit Wasserstoff beladen wird.
Die Wasserstoff-Zuführstation 4 sieht einen Service zum Beladen des Elektrofahrzeuges 6 mit Wasserstoff vor und besitzt die Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12. Die Wasserstoff-Zuführstation 4 wird ähnlich einer Tankstelle an einem Standort nahe einer Straße errichtet, wodurch ein Fahrzeug anhalten kann.
Das Elektrofahrzeug 6 ist ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, nicht gezeigt, welche darauf montiert ist. Eine Brennstoffzelle ist eine Leistungs-Zuführvorrichtung durch das Zuführen von Wasserstoffgas oder Brennstoffgas und Luft oder oxidierendem Gas, um durch eine elektrochemische Reaktion Leistung zu erzeugen, um elektrische Leistung zu erhalten, und das Elektrofahrzeug 6 ist ein Fahrzeug, welches fährt, während dieses unter Verwendung der elektrischen Leistung eine rotierende elektrische Vorrichtung antreibt. Luft wird als oxidierendes Gas verwendet, somit ist kein Sauerstofftank oder dergleichen notwendig. Jedoch besitzt das Elektrofahrzeug 6 daran montierte Wasserstofftanks, in welche Wasserstoffgas bei hohem Druck gefördert bzw. geladen werden kann, da Wasserstoffgas als Brenngas verwendet wird.
Ein Wasserstoff-Beladungsteil 8 ist ein Aussparungsabschnitt mit einem Deckel und ist an der hinteren Seitenfläche des Körpers des Elektrofahrzeugs 6 ausgebildet. Mit offenem Deckel ist eine Steckdose oder ein Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 freigegeben. In die Steckdose kann das Beladungs-Ende an der Spitze eines Wasserstoff-Zuführschlauches bzw. -rohres 14, welcher von der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 herausgezogen wird, in einer luftdichten Art und Weise eingeführt werden.
Das Wasserstoff-Beladungssystem 10 weist eine Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12, der vorstehend beschriebene Wasserstoff-Zuführschlauch 14, den Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20, Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32, Steckanschlüsse 46, 48 und Wasserstofftanks 50, 52 auf. Zu beachten ist, dass hier das Vorsehen eines später zu beschreibenden Strömungs-Durchflussbegrenzers in der Mitte entlang eines Wasserstoff-Zuführkanals von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zu dem Wasserstofftank ein charakteristisches Merkmal ist. Der Strömungs-Durchflussbegrenzer ist in 1 nicht gezeigt.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 bei der Wasserstoff-Zuführstation 4 vorgesehen und ist ein großer Hochdruck-Wasserstofftank. Als ein Beispiel wird Hochdruck-Wasserstoffgas bei etwa 100 MPa gespeichert. Zu beachten ist, dass eine Wasserstoff-Zuführstation 4 mit einem Tank für flüssigen Wasserstoff ebenso verfügbar ist und in solch einem Fall wird der flüssige Wasserstoff unter Verwendung eines Verdampfers in Hochdruck-Wasserstoffgas bei solch einem Druck, wie vorstehend erwähnt, umgewandelt, bevor dieser bei dem Wasserstoff-Beladungs-Service verwendet wird. In diesem Fall entsprechen der Tank für flüssigen Wasserstoff und der Verdampfer der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12. Um eine sichere und zuverlässige Wasserstoff-Beladung zu erreichen, besitzt die Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 eine Beladungs-Steuerungseinheit zum Überwachen von Druck, Temperatur und dergleichen zum Zeitpunkt der Beladung, um die Wasserstoff-Zuführung zu steuern.
Das Wasserstoff-Zuführschlauch 14 ist ein Wasserstoff-Einführschlauch, welcher, wie vorstehend beschrieben, von der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 herauszuziehen ist, und besitzt ein Beladungs-Ende an der Spitze bzw. dem Ende davon. Das Beladungs-Ende bildet zusammen mit der Steckdose des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 eines Fahrzeugs eine Baugruppenstruktur zum Verhindern einer Leckage von Wasserstoffgas. Der Wasserstoff-Zuführschlauch 14 besitzt eine Erfassungs-Struktur zum Erfassen einer normalen Fertigstellung zusammen mit der Steckdose der Baugruppenstruktur und eine Signal-Übertragungs-Struktur zum Empfangen eines Signals bezüglich Druck, Temperatur usw. der Wasserstofftanks 50, 52 und Senden derselben zu der Beladung-Steuerungseinheit der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12.
Der Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 ist, wie vorstehend beschrieben, bei einem Fahrzeug ausgebildet und besitzt eine Steckdose zum Aufnehmen des Beladung-Endes der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12. Außerdem bildet die Steckdose, welche ein Wasserstoff-Zuführ-Loch besitzt, zusammen mit dem Beladungs-Ende eine Baugruppenstruktur zum Verhindern einer Leckage von Wasserstoffgas, wie vorstehend beschrieben ist, und besitzt eine Signal-Übertragungs-Struktur zum Versenden eines Signals bezüglich Druck, Temperatur usw., welches von den Wasserstofftanks 50, 52 empfangen wird, an das Beladungs-Ende.
Die Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32 sind Wasserstoff-Einführleitungen, welche sich von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 eines Fahrzeugs zu zwei entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 erstrecken. Die Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32 sind Leitungen, von welchen ein Ende der einzelne Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 ist und andere Enden Steckanschlüsse 46, 48 sind, welche bei den Verbindungs-Bauteilen der beiden entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sind. Das heißt, die Wasserstofftanks 50, 52 besitzen die entsprechenden Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32, um eine gleichzeitige, parallele Wasserstoff-Beladung zu erreichen.
Die Steckanschlüsse 46, 48 sind Gas-Einlässe, welche, wie vorstehend beschrieben ist, bei den Verbindungs-Bauteilen der Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sind. Zu beachten ist, dass neben den Steckanschlüssen 46, 48 für die Wasserstoff-Beladung, Gas-Auslass-Steckanschlüsse zum Zuführen von Brenngas zu einer Brennstoffzelle, nicht gezeigt, und Schaltventile bei den Verbindungs-Bauteilen, welche bei den Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sind, vorgesehen sind. Ferner ist ein Druck-Messgerät zum Messen des Tank-Innendrucks, ein Thermometer zum Messen der Tank-Innentemperatur und dergleichen ebenso vorgesehen, wie später beschrieben ist. Daten, welche durch das Druck-Messgerät gemessen werden, und Daten, welche durch das Thermometer gemessen werden, werden durch eine geeignete Signalleitung zu der Signal-Übertragungs-Struktur des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 gesendet.
Die Wasserstoff-Tanks 50, 52 sind Hochdruck-Brenngastanks, welche auf einem Fahrzeug montiert sind. Jeder der Wasserstofftanks 50, 52 besitzt eine säulenartige äußere Gestalt und der äußere Umfang des Gehäuses, als Mantel bezeichnet, davon ist von einem kohlefaserverstärkten Kohlenstoff bedeckt, um eine ausreichende Festigkeit, um einen hohen Druck zu ertragen, sicherzustellen. Der Tank-Innendruck liegt etwa bei 70 MPa. Als Material des Mantels kann ein metallisches Element, wie Aluminium oder dergleichen, ein Kunststoff-Element mit einer geeigneten Festigkeit oder dergleichen verwendet werden. Im Nachstehenden wird angenommen, dass beide Wasserstofftanks 50, 52 einen Aluminium-Mantel verwenden und die gleiche Länge, jedoch unterschiedliche Außendurchmesser besitzen.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein großer Wasserstofftank 50 mit einem großen Außendurchmesser nahe dem hinteren Kofferraum des Fahrzeugs angeordnet und ein kleiner Wasserstofftank 52 mit einem kleinen Außendurchmesser ist nahe unter dem hinteren Sitz-Boden angeordnet. Die Anordnung ist folgendermaßen, dass sich die Längsrichtung der Säulengestalt entlang der Breitenrichtung des Fahrzeugs erstreckt.
Obwohl in 1 nicht gezeigt, ist eine Drosselblende als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer in der Mitte des Kanals von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zu dem Wasserstofftank 52 mit größerem Wärmestrom vorgesehen, während bei der Seite des Wasserstofftanks 50 mit dem kleineren Wärmestrom keine Drosselblende vorgesehen ist. Die Drosselblende, welche als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer dient, besitzt die Funktion des Erhöhens des Kanal-Widerstandes. Die Drosselblende ist hier insbesondere eine Durchflussbeschränkungs-Vorrichtung zum Beschränken der Strömung von Wasserstoffgas, welches von der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 mittels des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 zu dem Wasserstofftank 52 geführt wird.
Alternativ können als Strömungs-Durchflussbegrenzer Sperrventile mit unterschiedlichen Öffnungsdrücken in der Mitte entlang den entsprechenden Kanälen von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zu den entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sein. Der Öffnungsdruck eines Sperrventils ist ein Druck, bei dem eine vorbestimmte konstante Rate einer Strömung geschaffen wird, nachdem der Druck ansteigt und das Sperrventil beginnt sich entsprechend zu öffnen. Ein Druckverlust bei einem Sperrventil unterscheidet sich infolgedessen in Abhängigkeit des Öffnungsdruckes. Hierbei wird ermittelt, dass ein Sperrventil mit einem höheren Öffnungsdruck und einem größeren Druckverlust an der Seite des Wasserstofftanks 52 mit größerem Wärmestrom vorgesehen ist, während ein Sperrventil mit einem niedrigeren Öffnungsdruck und einem kleineren Druckverlust an der Seite des Wasserstofftanks 50 mit kleinerem Wärmestrom vorgesehen ist.
Um den Inhalt des Strömungs-Durchflussbegrenzers zu beschreiben, ist ein Vergleich mit dem Inhalt einer herkömmlichen Wasserstoff-Beladung ausreichend. Zunächst wird ein Fall beschrieben, welcher ein herkömmliches Wasserstoff-Beladungs-Verfahren bei der in 1 gezeigten Struktur verwendet, gefolgt von einer detaillierten Beschreibung des Wasserstoff-Beladungssystems 10, welches einen Trennmechanismus, wie eine Drosselblende oder Sperrventile, verwendet. 2 ist eine Darstellung, welche auf einem Fahrzeug montierte Komponenten des Wasserstoff-Beladungssystems 10 mit keinem vorgesehenen Trennmechanismus zeigt.
In 2 ist eine Verzweigung 22 ein Element zum Verzweigen eines Leitung von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 in Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32 der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 und ein T-förmiges Verbindungsstück kann als die Verzweigung 22 verwendet werden. Ein Druck-Messgerät 24 ist eine Druck-Messeinrichtung zum Messen des Druckes von Wasserstoffgas, welches von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zugeführt wird.
Ein-Aus-Ventile bzw. on-off-Ventile 34, 36 sind Ein-Aus-Ventile, welche auf halbem Wege entlang der entsprechenden Gas-Kanäle, welche die Wasserstoff-Zuführleitungen 30, 32 bzw. die Wasserstofftanks 50, 52 verbinden, vorgesehen. Die Ein-Aus-Ventile 34, 36 werden geschlossen gehalten, wenn keine Wasserstoff-Beladung ausgeführt wird, und werden offen gehalten, wenn eine Wasserstoff-Beladung ausgeführt wird. Bei einem normalen Wasserstoff-Beladungs-Vorgang werden die beiden Ein-Aus-Ventile 34, 36 zu dem gleichen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen. Das heißt, die Wasserstoff-Beladung wird bezüglich der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 gleichzeitig, parallel durchgeführt. Die Ein-Aus-Ventile 34, 36 werden im Ansprechen auf ein Steuerungssignal, welches mittels der Signal-Übertragungs-Struktur des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 von der Beladung-Steuerungseinheit der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 übertragen wird, geöffnet oder geschlossen. Zu beachten ist, dass die Ein-Aus-Ventile 34, 36 in Abhängigkeit der Struktur des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 weggelassen werden können.
Druck-Messgeräte 38, 40 sind Druck-Messeinrichtungen zum Messen des Beladungs-Druckes der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52. Die Druck-Messgeräte 38, 40, welche nahe den Gas-Auslässen/-Einlässen der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sind, messen im Wesentlichen den Tank-Innendruck der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52.
Thermometer 42, 44 sind Temperatur-Messeinrichtungen zum Messen der Tank-Innentemperatur der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52. Die gemessenen Daten der Druck-Messgeräte 38, 40 und die gemessenen Daten der Thermometer 42, 44 werden mittels der Signal-Übertragungs-Struktur des Wasserstoff-Beladungs-Anschlusses 20 zu der Beladung-Steuerungseinheit der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 gesendet. Die Wasserstoffgas-Beladung wird durchgeführt, während der innere Tank-Druck und -Temperatur der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 unter Verwendung dieser Signale überwacht werden.
Wenn die Beladung von Wasserstoff von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 unter Verwendung der Wasserstofftanks 50, 52 mit unterschiedlichen Außendurchmesser parallel, gleichzeitig durchgeführt wird, steigt der Tank-Innendruck der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 nach wie vor an, während der gleiche Wert zwischen den beiden aufrechterhalten wird, während die Beladung fortschreitet. Zusätzlich steigt die Tank-Innentemperatur ebenso an.
Wie vorstehend beschrieben steigt die Tank-Innentemperatur an, während die Beladung fortschreitet, da das Wasserstoffgas in dem Kanal von der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 zu den Wasserstofftanks 50, 52 im Druck gesenkt wird bzw. drucklos gemacht wird, und entsprechende Wärme wird von der Außenluft aufgenommen. Beispielsweise steigt die Tank-Innentemperatur der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52, welche beladen werden, unter der Bedingung, dass die Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 Hochdruck-Wasserstoffgas bei Raumtemperatur ausstößt, auf etwa 100°C an.
Ein Ausmaß des Anstiegs der Tank-Innentemperatur variiert in Abhängigkeit einer Differenz des Wärmestroms der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52. Der Wärmestrom ist die Größe eines Wärmestrombetrages pro Einheitsfläche, welcher ein Betrag ist, der als W/cm² ausgedrückt wird. Im Falle eines Wasserstofftanks kann, wenn der Wärmestrom von dem in den Wasserstofftank geladenen Wasserstoffgas zu dem Mantel groß ist, eine gute Wärmeableitungs-Charakteristik sichergestellt werden. Daher kann der Wärmestrom normalerweise in einer Weise betrachtet werden, dass dieser die Wärmeableitung-Charakteristik anzeigt. Das heißt, eine gute Wärmeableitungs-Charakteristik bedeutet einen größeren Wärmestromwert.
Der Wert des Wärmestromes variiert in Abhängigkeit der Gestalt eines Wasserstofftanks. Da die Oberfläche eines Wasserstofftanks ein Bereich ist, wo ein Wärmestrom fließt, führt eine größere Oberfläche zu einer besseren Wärmeableitungs-Charakteristik. Ein relativer Vergleich von Wärmeableitungs-Charakteristiken von Wasserstofftanks kann unter Verwendung eines Wertes durchgeführt werden, welcher durch Dividieren einer Oberfläche durch ein Volumen erhalten wird. Das heißt, je größer der Wert von (Oberfläche/Volumen) ist, desto größer ist der Wert des Wärmestroms. Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel ist die Länge des Wasserstofftanks 50 gleich dieser des Wasserstofftanks 52 und der Außendurchmesser des Wasserstofftanks 50 ist größer als dieser des Wasserstofftanks 52. Daher besitzt der Wärmestrom des größeren Wasserstofftanks 50 unter der Bedingung, dass kein anderer Unterschied als dieser in der Gestalt vorliegt, einen kleineren Wert als dieser des kleineren Wasserstofftanks 52. Mit anderen Worten und zum leichten Verständnis ist der größere Wasserstofftank 50 in der Wärmeableitung-Charakteristik schlechter als der kleinere Wasserstofftank 52.
3 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer Beladungszeit t und der Tank-Innentemperatur der entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 zeigt, wenn die beiden Wasserstofftanks 50, 52 mit unterschiedlichen Wärmeströmen gleichzeitig, parallel bei dem gleichen Beladungsdruck mit Wasserstoffgas beladen werden. Wie in 2 gezeigt ist, wird die durch das Thermometer 42 des Wasserstofftanks 50 gemessene Tank-Innentemperatur als θ₁ bezeichnet, während diese, welche durch das Thermometer 44 des Wasserstofftanks 52 gemessen wird, als θ₂ bezeichnet wird. Zu beachten ist, dass die Tank-Innentemperatur des Wasserstofftanks 50 als θ₀₁ bezeichnet wird und diese des Wasserstofftanks 52 als θ₀₂ bezeichnet wird, da 2 zum Vergleich eine herkömmliche Gestaltung ohne einen Trennmechanismus betrifft.
Wie in 3 gezeigt ist, steigt die Tank-Innentemperatur θ₀₁ des Wasserstofftanks 50 mit einem kleineren Wärmestromwert beachtlich an, während die Tank-Innentemperatur θ₀₂ des Wasserstofftanks 52 mit einem größeren Wärmestromwert aufgrund der guten Wärmeableitung-Charakteristik nicht stark ansteigt.
Wie in 2 gezeigt, wird unter der Annahme, dass der durch das Druck-Messgerät 38 des Wasserstofftanks 50 gemessene Tank-Innendruck als P₁ bezeichnet wird und dieser, welcher durch das Druck-Messgerät 40 des Wasserstofftanks 52 gemessen wird, als P₂ bezeichnet wird, P₁ = P₂ gehalten, während die Wasserstoff-Beladung gleichzeitig, parallel bezüglich der Wasserstofftanks 50, 52 durchgeführt wird. Wenn die Tank-Innendrücke P₁ und P₂ gleich sind, während die Tank-Innentemperaturen θ₀₁, θ₀₂ unterschiedlich zueinander sind, ist die Dichte des Wasserstoffgases zwischen den Wasserstofftanks 50, 52 infolgedessen unterschiedlich. Das heißt, die Beladungs-Rate unterscheidet sich zwischen den Wasserstofftanks 50, 52, selbst wenn die Beladungzeit gleich ist. Da der Tank-Innendruck den Zuführ-Druck von der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 nicht überschreiten wird, wird die Wasserstoff-Beladung nicht weiter voranschreiten, wenn der Tank-Innendruck P₁ = P₂ gleich einem Druck wird, welcher durch Subtrahieren eines Druckverlustes, der vor dem Erreichen des Wasserstofftanks hervorgerufen wird, von dem Zuführ-Druck bei der Wasserstoff-Beladungsvorrichtung 12 erhalten wird.
Wenn der Beladungs-Zustand durch SOC (State of Charge) angegeben ist, wie eine Beladungs-Rate, wenn die Beladung nicht weiter voranschreitet, ist der SOC folglich in der gleichen Beladungs-Phase zwischen den Wasserstofftanks 50, 52 mit unterschiedlichen Gestaltungen unterschiedlich. Bezüglich dem Beispiel in 2 wird der SOC des größeren Wasserstofftanks 50 mit einem kleineren Wärmestromwert kleiner als dieser des kleineren Wasserstofftanks 52 mit einem größeren Wärmestromwert. Diese Differenz im SOC wird durch die Dichte der bei den Wasserstofftanks 50, 52 gezeichneten diagonalen Linien in 2 ausgedrückt. Zu beachten ist, dass der SOC-Wert von 100% ein sogenannter voll geladener Zustand ist.
Wie vorstehend beschrieben ist, resultiert gewöhnlicherweise ein gleichzeitiges paralleles Durchführen einer Wasserstoff-Beladung bezüglich Wasserstofftanks in Abhängigkeit der Wärmestromwerte der entsprechenden Wasserstofftanks in unterschiedlichen SOC's zwischen den entsprechenden Wasserstofftanks. Wenn aufgrund der unterschiedlichen SOC's der entsprechenden Wasserstofftanks irgendein Wasserstofftank übrig ist, welcher nicht voll beladen ist, ist der zur Verwendung verfügbare Betrag von Wasserstoffgas im Vergleich zu einem Fall, wenn die SOC's aller Wasserstofftanks gleich sind, insgesamt reduziert. Im Falle der Wasserstofftanks 50, 52, welche auf dem Elektrofahrzeug 6 montiert sind, ist die Entfernung, über welche das Fahrzeug fahren kann, reduziert.
Im Nachstehenden wird das Wasserstoff-Beladungssystem 10 mit einem Strömungs-Durchflussbegrenzer detailliert beschrieben. 4 ist eine Darstellung entsprechend 2 und zeigt auf einem Fahrzeug montierte Komponenten des Wasserstoff-Beladungssystems 10 mit einer Drosselblende 120 als ein Strömungs-Durchflussbegrenzer. Der Unterschied zu 2 ist die zwischen dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 und dem Wasserstofftank 52 mit einem größeren Wärmestromwert vorgesehene Drosselblende 120.
Wie vorstehend beschrieben ist die Drosselblende 120 eine Beschränkungs-Vorrichtung insbesondere zum Verengen eines Wasserstoffgas-Kanals, um dadurch den Kanal-Widerstand des Kanals zu erhöhen. Die Drosselblende 120 ist der lediglich auf der Seite des Wasserstofftanks 52 mit einem größeren Wärmestromwert vorgesehen, jedoch nicht auf der Seite des Wasserstofftanks 50 mit einem kleineren Wärmestromwert. Daher wird, wenn Wasserstoffgas von dem einzelnen Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 unter der gleichen Bedingung zugeführt wird, der Kanal-Widerstand für die Wasserstoffgas-Strömung auf der Seite des Wasserstofftanks 50 kleiner als dieser auf der Seite des Wasserstofftanks 52. Dadurch strömt zunächst der Großteil des Wasserstoffgases in den Wasserstofftank 50 und nachdem der Wasserstofftank 50 voll beladen ist, um nicht länger mit Wasserstoffgas beladen zu werden, wird dann der Wasserstofftank 52 zu dem gleichen Beladungszustand wie diesem des Wasserstofftanks 50 mit Wasserstoffgas beladen.
Dies ist in 5 als eine Veränderung der Tank-Innentemperatur gezeigt. 5 ist ein Diagramm entsprechend 3, in welchem die Abszisse einer Beladungszeit t entspricht und die Ordinate der Tank-Innentemperatur θ entspricht. Wie in 5 gezeigt ist, steigt, da während einer Anfangsphase der Beladung aufgrund der Differenz der Kanal-Widerstände der Großteil des von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zugeführten Wasserstoffgases in den Wasserstofftank 50 strömt, die Tank-Innentemperatur θ₁ des Wasserstofftanks 50 im Verlauf der Beladungszeit t an. Ein Ausmaß des Anstiegs ist im Wesentlichen gleich diesem von θ₀₁, welcher mit Bezug auf 3 beschrieben wurde. Da der Wasserstofftank 50 nahe zu dem voll geladenen Zustand von Wasserstoffgas gelangt, wird die Beladung des Wasserstofftanks 50 mit Wasserstoffgas nicht einfach. Dies ist durch die Sättigung der Tank-Innentemperatur θ₁ im Laufe der Beladungszeit t gezeigt.
Wenn die Beladung des Wasserstofftanks 50 mit Wasserstoffgas verhältnismäßig schwierig wird, läuft die Beladung des Wasserstofftanks 52 ab. Dies ist durch die niedrige Tank-Innentemperatur θ₂ des Wasserstofftanks 52 während einer Anfangsphase der Beladung und dem nachfolgenden allmählichen Anstieg von θ₂, während die Tank-Innentemperatur θ₁ des Wasserstofftanks 50 in einen gesättigten Zustand gelangt, gezeigt. Der Wasserstofftank 52 wird mit Wasserstoffgas allmählich hin zu einem endgültigen Ausmaß beladen und entsprechend wird der SOC des Wasserstofftanks 50 gleich diesem des Wasserstofftanks 52 und beide Wasserstofftanks 50, 52 werden in dem voll geladenen Zustand zurückgelassen.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist es möglich, wenn eine Drosselblende lediglich auf der Seite des Wasserstofftanks 52 mit einem größeren Wärmestromwert vorgesehen ist, dass zunächst der Wasserstofftank 50 mit einem kleineren Wärmestromwert in einen voll beladenen Zustand gelangt, und dann der Wasserstofftank 52 mit einem größeren Wärmestromwert in den voll beladenen Zustand gelangt.
6 ist eine Darstellung zum Erläutern eines Falles, bei dem Sperrventile mit unterschiedlichen Öffnungdrücken als Strömung-Durchflussbegrenzer in der Mitte entlang der entsprechenden Kanäle von dem Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 zu den entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 vorgesehen sind. Bei dem Vorstehenden ist ein Sperrventil 132 mit einem Öffnungsdruck ΔP₂ auf der Seite des Wasserstofftanks 52 mit größerem Wärmestrom vorgesehen und ein Sperrventil 130 mit einem Öffnungsdruck ΔP₁ ist auf der Seite des Wasserstofftanks 50 mit kleinerem Wärmestrom vorgesehen. Die Beziehung zwischen ΔP₁ und ΔP₂ ist auf ΔP₂ > ΔP₁ eingestellt. Das heißt, ein Druckverlust bei dem Sperrventil 132 ist größer als dieser bei dem Sperrventil 130.
Unter der Annahme, dass die entsprechenden Tank-Innendrücke der Wasserstofftanks 50, 52 mit keinen vorgesehenen Sperrventilen 130, 132 als P₀₁ bzw. P₀₂ bezeichnet werden, wird P₀₁ = P₀₂ gehalten, da Wasserstoffgas gleichzeitig von dem gleichen Wasserstoff-Beladungs-Anschluss 20 parallel zu den entsprechenden Wasserstofftanks 50, 52 geführt wird. Wenn die Sperrventile 130, 132 mit den vorstehend beschriebenen entsprechenden Öffnungdrücken vorgesehen sind, wird der Tank-Innendruck P₁ des Wasserstofftanks 50 als P₁ = P₀₁ – ΔP₁ bezeichnet und der Tank-Innendruck P₂ des Wasserstofftanks 52 wird als P₂ = P₀₂ – Δ_P2 bezeichnet. Im Vorstehenden gilt, da ΔP₂ > ΔP₁, infolgedessen P₁ > P₂.
Dies ist in den 7 und 8 gezeigt. 7 ist ein Diagramm entsprechend 3, bei welchem die Abszisse eine Beladungszeit t ist und die Ordinate die Tank-Innentemperatur θ ist. Da der Wärmestromwert des Wasserstofftanks 50 kleiner ist als dieser des Wasserstofftanks 52, ist die Tank-Innentemperatur θ des Wasserstofftanks 50 höher als die Tank-Innentemperatur θ₂ des Wasserstofftanks 52. Daher wird, wenn der Tank-Innendruck des Wasserstofftanks 50 gleich diesem des Wasserstofftanks 52 ist, in gleicher Weise zu einem Fall des Standes der Technik, der SOC des Wasserstofftanks 50 kleiner als dieser des Wasserstofftanks 52, wie mit Bezug auf 3 beschrieben ist.
8 ist ein Diagramm, welches den Tank-Innendruck P zeigt, bei welchem die Abszisse eine Beladungszeit t ist und die Ordinate der Tank-Innendruck 13 ist. Wie vorstehend beschrieben ist, wird der Tank-Innendruck P₂ des Wasserstofftanks 52 als P₂ = P₀₂ – ΔP₂ ausgedrückt, da an der Tank-Innendruck P₁ des Wasserstofftanks 50 als P₁ = P₀₁ – ΔP₁ ausgedrückt wird. Zu beachten ist, da P₀₁ = P₀₂ und ΔP₂ > ΔP₁ gehalten werden, infolgedessen P₁ > P₂ gilt. Wie vorstehend beschrieben ist, kann die in 6 gezeigte Struktur unterschiedliche Tank-Innendrücke zwischen den Wasserstofftanks 50 und 52 einstellen, so dass der Tank-Innendruck 132 des Wasserstofftanks 52 mit größerem Wärmestrom kleiner ist als der Tank-Innendruck P₁ des Wasserstofftanks 50 mit kleinerem Wärmestrom. Mit dem Vorstehenden ist es möglich, dass der SOC des Wasserstofftanks 50 nahe dem SOC des Wasserstofftanks 52 ist. Dann ist es möglich, wenn ΔP₁ und ΔP₂ geeignet eingestellt sind, dass der gleiche SOC für die Wasserstofftanks 50, 52 vorliegt, obwohl die Wasserstofftanks 50, 52 nicht voll beladen werden können.
Zu beachten ist, dass vorstehend die Wasserstofftanks 50, 52 mit unterschiedlichen Gestaltungen beschrieben sind, der Wärmestromwert jedoch ebenso unterschiedlich wird, wenn das Material der Wasserstofftanks unterschiedlich ist, selbst wenn die Gestaltungen davon gleich sind. 9 zeigt das Wasserstoff-Beladungssystem 10 mit der Drosselblende 120 als einen Strömungs-Durchflussbegrenzer, bei welchem die beiden Wasserstofftanks 52, 54 die gleiche Länge und den gleichen Außendurchmesser, jedoch Mantel aus unterschiedlichen Materialien besitzen. Um den Vergleich mit 4 zu vereinfachen, wird hier ermittelt, dass der Wasserstofftank 52 einen Aluminium-Mantel verwendet, während der Wasserstofftank 54 einen Harz-Mantel verwendet. In 9 ist der Wasserstofftank 54 zur Unterscheidung von dem Wasserstofftank 52 durch eine Doppellinie dargestellt.
In diesem Fall ist der Wärmestromwert des Wasserstofftanks 54 kleiner als dieser des Wasserstofftanks 52. Die Drosselblende 120 ist lediglich an der Seite des Wasserstofftanks 52 mit einem größeren Wärmestromwert vorgesehen. Daher kann diese Struktur ebenso den gleichen Effekt erzielen wie diesen, welcher mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben wurde, und zwar das Sicherstellen des gleichen SOC für beide Wasserstofftanks 52, 54 und volle Beladung der Wasserstofftanks 52, 54.
10 betrifft einen Fall, bei dem die beiden Wasserstofftanks 52, 54 in dem Wasserstoff-Beladungssystem 10 mit Sperrventilen 130, 132 mit unterschiedlichen Öffnungsdrücken als Strömungs-Durchflussbegrenzer die gleiche Länge und den gleichen Außendurchmesser besitzen, jedoch der Wasserstofftank 52 einen Aluminium-Mantel besitzt und der Wasserstofftank 54 einen Harz-Mantel besitzt.
Auch in diesem Fall ist in der Wärmestromwert des Wasserstofftanks 54 kleiner als dieser des Wasserstofftanks 52. Das Sperrventil 130 mit einem Öffnungsdruck ΔP₁ ist an der Seite des Wasserstofftanks 54 mit kleinerem Wärmestrom vorgesehen, während das Sperrventil 132 mit einem Öffnungsdruck ΔP₂ an der Seite des Wasserstofftanks 52 mit größerem Wärmestrom vorgesehen ist. Daher kann diese Struktur ebenso den gleichen Effekt erzielen, wie diesen, welcher mit Bezug auf die 6 bis 8 beschrieben wurde, und zwar, das Sicherstellen des gleichen SOC für die Wasserstofftanks 52, 54.
11 ist eine Darstellung, welche Details der Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Wärmestromwerten zusammenfasst. Die Differenz des Wärmestromwertes ist der Differenz (Oberfläche/Volumen) der Wasserstofftanks zuzuschreiben, wie mit Bezug auf die 2, 4 und 6 beschrieben ist. Wie in 11 zusammengefasst, ist der Wärmestromwert umso größer, je größer (Oberfläche/Volumen) ist. Zusätzlich resultieren unterschiedliche Materialien der Wasserstofftanks ebenso in unterschiedlichen Wärmestromwerten. Wie mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben ist, besitzt bei einem Aluminium-Mantel und einem Hartz-Mantel der erstgenannte eine größere Warmeleitfähigkeits-Rate und daher einen größeren Wärmestromwert.
Selbst zwischen einer Mehrzahl von Wasserstofftanks mit der gleichen Gestalt und aus identischem Material werden die Werte der Wärmeströme von dem Wasserstoffgas in den entsprechenden Wasserstofftanks zu den entsprechenden Mänteln aufgrund der Positionen auf einem Fahrzeug, wo die Wasserstofftanks montiert sind, unterschiedlich. Beispielsweise besitzt bei einem Wasserstofftank, welcher bei einer dem Wind ausgesetzten Position in einem Fahrzeug montiert ist, während das Fahrzeug fährt, und einem Wasserstofftank, welcher bei einer Position in einem luftdichten Raum montiert ist, der erstgenannte eine bessere Wärmeableitungs-Charakteristik und daher einen höheren Wärmestromwert. Wie vorstehend beschrieben und in 11 zusammengefasst ist, besitzt ein Wasserstofftank, welcher bei einer bezüglich der Wärmeableitung vorteilhaften Position montiert ist, einen höheren Wärmestromwert.
Industrielle Anwendbarkeit
Ein System für eine Wasserstoff-Beladung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein System zum parallelen Beladen einer Mehrzahl von Wasserstofftanks mit Wasserstoffgas verwendet werden.
Beschreibung der Bezugszeichen
4 Wasserstoff-Zuführstation, 6 Elektrofahrzeug, 8 Wasserstoff-Beladungsteil, 10 System für Wasserstoff-Beladung, 12 Wasserstoff-Beladungsvorrichtung, 14 Wasserstoff-Zuführschlauch, 20 Wasserstoff-Beladungs-Anschluss, 22 Verzweigung, 24, 38, 40 Druck-Messgerät, 30, 32 Wasserstoff-Zuführleitung, 34, 36 Ein-Aus-Ventil, 42, 44, 48 Thermometer, 46, 48 Steckanschluss, 50, 52, 54 Wasserstofftank, 120 Drosselblende, 130, 132 Sperrventil.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-69327 [0005]
JP 2005-155869 [0005]

Claims

System für Wasserstoff-Beladung zum Beladen einer Mehrzahl von Wasserstofftanks mit unterschiedlichen Wärmeströmen mit Wasserstoffgas, wobei der Wärmestrom eine Größe eines Wärmestrombetrages pro Flächeneinheit ist, aufweisend: Zuführkanäle zum Verbinden einer Wasserstoff-Beladungsvorrichtung mit den entsprechenden Wasserstofftanks; und einen Strömungs-Durchflussbegrenzer zum Erhöhen eines Kanal-Widerstandes des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, dass dieser größer als ein Kanal-Widerstand des Zuführkanals ist, welcher mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist, oder zum Erhöhen eines Druckverlustes des Zuführkanals, welcher mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, dass dieser größer als ein Druckverlust des Zuführkanals ist, welcher mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist.
System für Wasserstoff-Beladung nach Anspruch 1, wobei der Strömungs-Durchflussbegrenzer ein Drosselblenden-Durchflussbegrenzer ist, welcher bei dem mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbundenen Zuführkanal vorgesehen ist.
System für Wasserstoff-Beladung nach Anspruch 1, wobei der Strömungs-Durchflussbegrenzer Sperrventile aufweist, welche bei den entsprechenden Zuführkanälen vorgesehen sind, und ein Öffnungsdruck des Sperrventils, welches bei dem Zuführkanal vorgesehen ist, der mit dem Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom verbunden ist, höher als ein Öffnungsdruck des Sperrventils ist, welches bei dem Zuführkanal vorgesehen ist, der mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom verbunden ist.
System für Wasserstoff-Beladung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Wasserstofftanks auf einem Fahrzeug montierte Brenngastanks sind, und der Wasserstofftank mit größerem Wärmestrom im Vergleich mit dem Wasserstofftank mit kleinerem Wärmestrom ein Tank mit einer größeren Oberfläche pro Volumeneinheit, ein Tank aus Material mit einer größeren Wärmeleitfähigkeits-Rate oder ein Tank ist, welcher auf einem Fahrzeug bei einer Position montiert ist, welche im Sicherstellen eines größeren Wärmestromes vorteilhaft ist.