JP2009510352A - タンクに加圧ガスを充填する方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

タンクに加圧ガスを充填する方法、特には、自動車のタンクに水素を充填する方法であって、直接に又は少なくとも１つの緩衝容器を介して前記タンクに充填するために第１ガス供給源からのガスを圧縮する工程を含み、圧縮工程が作動流体からのエネルギーを使用して行われ、前記圧縮ガスと前記作動流体（４）との熱交換の工程を具備したことを特徴とする方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タンクに加圧ガスを充填する、特には車両燃料タンクに水素を充填する方法及びデバイスに関する。

本発明は、より詳細には、加圧ガスによるタンクの充填であって、第１ガス供給源からのガスを圧縮して、直接に又は少なくとも１つの緩衝容器を介してタンクに充填する工程を含み、この圧縮工程が作動流体のエネルギーを使用することによって行われる充填に関する。

特に、ガスが高圧（例えば、５００ｂａｒ又は７００ｂａｒ又はそれよりも高圧）にて貯蔵されることが必要な場合、加圧ガスでのタンクの充填を管理する多くの工業的な制約がある。

高圧での気体の水素の貯蔵は、この水素を自動車両において使用する場合に特に重要である。加えて、この適用では特に、タンクが充填され得る相対速度が重要な因子である。これは、水素で動く燃料電池又は内燃機関を備えた車両に搭載された水素タンクの充填が長くとも数分で完了可能であることを必要とするからである。ガスの急な加圧はそれを昇温させ、この加熱がタンクを構成する材料に不適合となり得るので、充填は用心して制御される必要がある。

この問題を解決するために、１つの知られている解決策は、冷却プラントを充填ステーションに備え付けることである。この解決策は、広大で、特に電力消費の面で高価なインフラを必要とする。他の解決策は、タンク内のガスの温度に応じて、充填速度を制御することである。しかしながら、この解決策は、タンクに充填するのにかかる時間を長引かせるという不都合がある。

従来技術の上述の不都合な点の全て又は幾つかを解消することが、本発明の目的である。

これらの目的のために、本発明に従う方法は、上記の序文にて挙げられたこれの包括的な定義に従う他の点において、圧縮ガスと作動流体との熱交換の工程を含むことを本質的には特徴としている。

更に、本発明は、以下の特徴の１つ以上を有し得る：
−熱交換工程は、ガスを圧縮するのに使用される前の作動流体を及び／又はガスを圧縮するのに使用されない作動流体を使用して行われる、
−圧縮ガスと作動流体との熱交換の工程は、キャリア又は蓄冷体を介して間接的に行われる、
−この方法は、第１供給源からのガスを圧縮し、少なくとも１つの緩衝容器に前記圧縮ガスを供給する途中の充填工程を含み、且つ、作動流体とキャリア又は蓄熱体との熱交換の途中の工程を含み、この途中の熱交換工程が途中の充填工程の間に又はその間の殆ど全ての時間に亘って行われる、
−この方法は、少なくとも１つの緩衝容器からタンクに充填する工程を含み、且つ、加圧ガスが容器から出ていった後及び加圧ガスがタンクに入る前の、キャリア又は蓄熱体と加圧ガスとの熱交換の工程を含んでいる。

また、本発明は、前述の特徴の何れか１つにおいて挙げられたような方法を実施するための、タンクに加圧ガスを充填するデバイス、特には、車両燃料タンクに水素を充填するデバイスであって、第１圧力にあるガスの少なくとも１つの供給源と、作動流体によって動かされ、特に第１ガス供給源からのガスを圧縮することが可能な圧縮手段と、ガス圧縮手段に供給し且つこれを制御する作動流体の供給源とを具備しており、圧縮ガスと作動流体との熱交換を行うことが可能な熱交換手段を具備したことを特徴とするデバイスにも関する。

他の特定の特徴に従うと：
−少なくとも１つの緩衝容器は、一方では、圧縮手段によって圧縮ガスを供給されることが可能であり、他方では、タンクに圧縮ガスを供給することが可能であり、このデバイスは、タンクに接続されて前記圧縮手段から直接にもたらされるか又は緩衝容器からもたらされる何れか一方の圧縮ガスを選択的にこのタンクへと配送するように意図された接続手段を具備しており、熱交換手段は、圧縮手段から又は緩衝容器からの圧縮ガスを提供され得るように接続手段の上流に位置している、
−熱交換手段は、キャリア又は蓄冷体を介して、圧縮ガスと作動流体との間接的な熱交換を行うことが可能である、
−熱交換手段は、グリコール水又はアルミニウムなどの蓄冷体を具備した熱交換器を具備している、
−圧縮手段は作動流体が気体である気圧力学式であって、作動流体は液体状態で供給源内に貯蔵され、このデバイスは、作動流体を、それを圧縮手段へと配送する前に、それが供給源から出ていく際にその沸点より高く加熱することが可能である加熱手段を具備している、
−作動流体をそれが供給源から出ていく際に加熱する手段は、圧縮ガスと作動流体との熱交換を行うことが可能な熱交換手段を具備している、
−作動流体をそれが供給源から出ていく際に加熱する手段は、作動流体と、より高温の流体、例えば空気との熱交換を行うことが可能な追加の熱交換手段を具備している、
−作動流体をそれが供給源から出ていく際に加熱する手段は、圧縮ガス／作動流体熱交換手段と直列に位置した追加の熱交換手段を具備している、
−このデバイスは、作動流体をそれの供給源からガス圧縮手段へと運ぶ手段を具備しており、この運ぶ手段は、作動流体に、それが供給源から出ていく際に、圧縮ガス／作動流体熱交換手段及び／又は追加の熱交換手段を選択的に通過させることが可能な選択的分流手段を具備している、
−第１圧力にあるガスの供給源は、ガスを貯蔵及び／又は発生するシステムを具備しており、このシステムは、固定されたステーション又は可動ステーションに設置されている、
−このデバイスは、２つの異なる圧力にて圧縮ガスを貯蔵するように意図された少なくとも２つの緩衝容器を具備している。

他の特定の特徴及び利点は、図面を参照しながら示される以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
−図１は、本発明に従う充填デバイスの或る例の構造及び動作を例示している模式図であり、
−図２乃至７は、図１の充填デバイスの使用の或る例における６つの各工程を模式的に例示している。

デバイスは、ガスのための３つのタンク又は容器１、２、３を具備している。第１容器１は、例えば、２００ｂａｒ（又は３００ｂａｒ又は他の圧力）の圧力にあるシリンダー内の水素の供給源であり、水素供給源として働く。第１容器１は、例えば、タンク１１、１２に供給するように意図された水素の主供給源である。例えば、第１容器１は、製造の場にて水素が充填されるように意図されたタンクである。もちろん、第１容器１は、固定されていても良いし、及び／又は、電気分解型又は天然ガス改質プロセス型の固定式又は移動式の水素製造ユニットに結合されていても良い。

第２容器２及び第３容器３は、例えば、複数の相を均一にする従来のカスケードを用いる充填の間に使用される、緩衝タンク又は緩衝シリンダーの集合体である。例えば、第２の２は、約４５０ｂａｒの圧力にて水素を貯蔵するように意図されても良く、一方、第３容器３は約８５０ｂａｒの圧力にて水素を貯蔵する。

各容器１、２、３の出口は、各安全ベント２１、２２、２３に接続されており、これらベントは、ガスが大気へと排出されることを許容し得る。各容器１、２、３の出口は、それ独自のそれぞれの圧力センサ３１、３２、３３を具備している。

第１容器１（水素供給源）の出口は、ライン１０１によって、圧縮機６へと接続されており、後者に、圧縮されるように意図されたガスを供給する。圧縮機６にガスを供給するライン１０１は、直列に据えられた３つのバルブ４１、５１、６１を有している。圧縮機６に入るガスの圧力を測定するために、圧力センサ２６も提供されている。

圧縮機６にガスを供給するライン１０１は、第１容器１を圧縮機の出口ライン３６へと（即ち、圧縮機６内で加圧されたガスを収容するライン３６へと）直接接続している第１分流ライン２０１を具備している。第１バイパスライン２０１は、直列に並んだ第２のバルブ５１及び第３のバルブ６１間の位置で供給ライン１０１に接続されており、安全ベント２０２を有している。

第２の緩衝容器２及び第３の緩衝容器３からの出口は、各々、バルブ５２、５３をそれぞれ介して、第１バイパスライン２０１へと接続されている。第１バルブ２０３は、第１バイパスライン２０１上であって、供給ライン１０１への接続部と第２緩衝容器２の接続部との間に位置している。第２バルブ２０４は、第１バイパスライン２０１上であって、第３緩衝容器２の接続部と、圧縮機６の出口ライン３６への供給ライン１０１の接続部との間に位置している。

圧縮機６の出口ライン３６は、圧縮機６から出ていくガスの圧力を検知する手段９６を具備している。次に、圧縮機の出口ライン３６は、以下でより詳細に説明される熱交換器９を通り抜ける。熱交換器９は、圧縮ガスをそれがタンク１１、１２に入る前に冷却することを許容する。熱交換器９の下流では、圧縮機からの出口ライン３６に、圧縮ガスの温度を検知する手段１０６と、粒子フィルタ４６とが設けられている。フィルタ４６の下流において、出口ライン３６は、２つの並列なライン１３、１４に分けられ、これら各々は、車両の各タンク１１、１２へと接続されることによって、圧縮手段６から直接にもたらされるか又は緩衝容器２、３からもたらされる何れか一方の圧縮ガス（水素）を選択的に前記タンクに供給することができる。代わりとして、例えば、このステーションが単に１つの好ましい圧力にて充填を行うことを許容する場合には、この装置は、接続ライン１３又は１４の一方だけを有していても良い。

各接続ライン１３、１４は、それぞれ、上流から下流（下流側は、充填されるべきタンク１１、１２である）にかけて、第１バルブ１３１、１４１と、次に、手動又は制御式ニードルバルブなどの調節オリフィス１３２、１４２と、圧力センサ１３３、１４３とを具備している。次に、各接続ライン１３、１４は、二重ベントデバイス１３４、１４４（自動安全ベント及びバルブ制御ベント）を具備している。ベントは、必要な場合に、ガス（水素）を循環路から、例えば、大気中へと排出することを許容する。

二重ベントデバイス１３４、１４４の下流において、各ライン１３、１４は、緊急遮断バルブ１３５、１４５と、最後に、タンクの受け入れ手段へと接続されることができるシステム１３６、１４６（例えば、タンク１１、１２の入口オリフィスに接続され得る急速継手で終端したホース（１３６、１４６））とを具備している。各接続ライン１３、１４は、ガスを所定の圧力（例えば、それぞれ、７００ｂａｒ及び３５０ｂａｒ）にて配送するように大きさが調整され得る。

圧縮機６は、好ましくは、気圧力学式圧縮機であり、圧力を１３００ｂａｒ（好ましくは少なくとも８５０ｂａｒ）まで上げることができる。圧縮機６は、従来の方法によって作動ガスを供給され、この作動ガスは、供給ライン１１６を介して圧縮エネルギーを供給し、供給ライン１１６の上流の端は、作動ガスの供給源４０へと接続されている。作動ガスは、例えば、圧縮機６本体の内部にある１つ以上ピストンの変位の動力を与える。

作動ガス４は、好ましくは、冷却された状態で供給源４０内部に貯蔵されている窒素である。好ましくは、窒素は、液体の状態（極低温窒素）で供給タンク４０内に貯蔵されている。液体窒素４は、それの供給タンク４０から、例えば浸漬管などを用いて取り出される。窒素供給源４０の出口の位置で、供給ライン１１６は、２つの並列なライン７、８を有する部分を持つ。

第１ライン８は、第１熱交換器９を具備している。第２ライン７は、前記熱交換器９を回避し、第１ライン８と第２熱交換器１６の上流にて合流している。

第１ライン８において直列している第１交換器９及び第２交換器１６は、供給源４０から出ていく流体を加熱してガスを得るように意図されている。作動ガスを例えばバルブを介して抜くのを許容するデバイス１８が、２つの交換器９、１６の下流に提供されている。

ガスは、例えば三方弁５６によって、第１ライン８と第２ライン７との間に送られる。第２交換器１６の下流において、供給ライン１１６は、圧縮機６へ向けて通る作動ガスの温度を検知する手段６６と、圧縮機６への作動ガスの供給を遮断する（且つそれによって圧縮機を停止する）ように及び作動ガスの流量を調節する（且つそれにより圧縮スループットを調節する）ようにそれぞれ意図された直列に並んだ２つのバルブ７６、８６とを具備している。

第１ライン８における第１交換器９は、圧縮機６の出口ライン３６上に位置している交換器９を構成する。これは、第１交換器９が、作動流体４（窒素）と、圧縮機６から出ていくか又は容器１、２若しくは３から出ていく圧縮ガスとの熱交換を許容することを意味している。このようにして、第１交換器９は、より冷たい作動流体との熱交換を生じさせることによって圧縮ガスを冷却することを可能とする。典型的には、圧縮機６から出ていく圧縮ガスの温度は、約１２０℃である。容器１、２又は３から出ていくガスの温度は周囲温度とほぼ等しく、一方、供給源から出ていく作動流体の温度は約−１９６℃である。

作動流体と圧縮ガスとのこの熱交換は、特には、供給源４から出ていく作動流体４をそれを蒸発させることを目的として加熱し得るか、又は、交換器９の、例えば、アルミニウムの塊及び／又はグリコール水からなる冷却機能５を冷却し得る。

好ましくは、第１交換器９は、圧縮ガスと作動流体４との熱交換を、間接的に、すなわち、キャリア又は蓄冷体（言い換えれば、「フリゴリー」アキュムレータ）を介して行う。例えば、熱交換器９は、この目的のために、グリコール水、アルミニウムの塊又は他の等価な手段などの蓄冷体５を具備している。蓄冷体５は、好ましくは、１つのタンク１１、１２の少なくとも１回の充填の間、それの温度がおおよそ一定となるように、大きさが調整されている。

熱交換器９は、有利には、交換器９内部の流体及び／又は「フリゴリー」アキュムレータの温度を検知するセンサ１９を具備しても良い。

第２ライン９の第２交換器１６は、例えば外部の空気との熱交換によって、供給源４０から出ていく流体の加熱を提供してガスを得て、このガスが圧縮機６において作動流体として使用され得るようにも意図されている。

このようにして、供給ライン１１６上でのバルブ５６、１８の適切な制御は、供給源４０から出ていく流体を、それが、第１ラインの交換器１６において加熱されて圧縮機において作動流体として使用され得るように、及び、場合によっては、交換器９内で加熱され得るように選択的に分流し、それによって、蓄冷器５の温度を調節することを可能とする。同様に、これらバルブ５６、１８は、このライン１１６において加熱されるガスの圧縮機６及び／又は（ベントデバイス１８を介して）外部に送られる割合を制御することを可能にする。このように、このデバイスは、作動流体４／圧縮ガス交換器９の熱出力及び前記作動流体の加熱を、それが圧縮機６において使用され得るように調節すること、及び、これを独立して行うことを可能とする。

好ましくは、圧縮ガスの冷却は、それの温度を−４５℃乃至周囲温度の間に保つように調節（dimensionne）される。

このように、作動流体（この実施形態では窒素）は、ガス（この例では水素）を冷却するのに使用されて、この加熱されたガスは、少なくとも１つの圧縮機６を稼動させるのに使用され得る。

図２乃至７を参照しながら以下でより詳細に説明されるように、交換器９における作動流体からの冷たさの移動は、好ましくは、容器２、３に充填する段階の間に行われる。

事案を簡単にするために、図２乃至７には、図１のデバイスの幾つかの構成部材のみが示されている。図１を参照しながら上で説明されたものと同じ要素は、同じ参照番号が付されており、再度詳細には説明されない。

更に、第１容器１は、可動のステーション（例えばセミトレーラーなど）における水素供給源の形態で示されている。

図２は、工程Ａを示しており、この間、車両Ｖのタンクに、圧力を均一にすることによって、第１容器１（例えば、２００ｂａｒの圧力にある）内に貯蔵されているガス（水素）が供給される。

工程Ｂ（図３）の間、例えば工程Ａの均一化後、車両Ｖのタンクに、圧力を均一にすることによって、第２容器２（例えば４５０乃至４８０ｂａｒの圧力にある）内に貯蔵されているガスが供給される。

工程Ｃ（図４）の間、例えば工程Ｂの均一化の後、車両Ｖのタンクに、圧力を均一にすることによって、第３容器３（例えば約８５０ｂａｒの圧力にある）内に貯蔵されているガスが供給される。

工程Ｄ（図５）の間、例えば工程Ｃの均一化と共に、車両Ｖのタンクに圧縮機６から直接取り出した所定の圧力にある圧縮ガスを供給することによって、追加充填が行われても良い。この任意の追加充填の間、圧縮機６に、第３容器からのガスが供給されても良い。

図２乃至７に示されているように、工程Ａ乃至Ｅのうちの全て又は幾つかの間、車両Ｖのタンクに入る前に、圧縮ガスは、水素／作動流体交換器９において冷却されても良い。

工程Ｅ（図６）の間、第２容器２に、第１容器１から取り出されたガスを使用して、圧縮機６によりガスが補充されても良い。

工程Ｆ（図７）の間、第３容器３にも、第１容器１から取り出されたガスを使用して、圧縮機６によりガスが補充されても良い。

好ましくは、工程Ｅ及びＦの間、極低温窒素（作動流体）が、交換器９の蓄冷体５（グリコール水の浴又はアルミニウム）を冷却するのに使用される。蓄冷体５は、例えば、−４５℃乃至周囲温度の温度範囲内にて断熱される。蒸発すると、窒素は、圧縮機６において作動流体（又は動力流体）として働くように使用され得る。このように、作動流体４は、冷却機能及びエネルギー運搬機能を有している。

工程Ａ乃至Ｄの間、圧縮水素は、冷却された交換器９を通り抜ける。

それゆえに、交換器９は：
−予め、上述した工程Ｅ及びＦの間に、
−又は、圧縮ガスがそれを流れるのと同時に（工程Ａ乃至Ｄ）、供給ライン１１６、第２ライン８、作動流体ベントバルブ１８を開放することにより、
−又は、予め及び同時に（工程Ａ乃至Ｆ）
冷却され得る。

構造は単純なのだが、本発明が多くの利点を示すということは、容易に理解されるであろう。特に、ガスを圧縮及び冷却するのに必要なエネルギーが、同一の流体によって供給される。加えて、本発明に従うと、電気駆動の冷却ユニットを提供する必要がないので、強力な電力供給源は避けられ得る。また、本発明に従うデバイスは、非常にコンパクトな蓄冷体５を有している。

水素供給源１は、電気分解装置及び／又は改質器型の低圧供給源でもあり得る。この場合、工程Ａ及びバルブ２０３は必要ない。

記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。 記載なし。

Claims (10)

1. タンク（１１、１２）に加圧ガスを充填する方法、特には、車両の燃料タンクに水素を充填する方法であって、第１ガス供給源（１）からのガスを圧縮して、直接に又は少なくとも１つの緩衝容器（２、３）を介して前記タンクに充填する工程を含み、前記圧縮工程は作動流体（４）のエネルギーを使用することによって行われ、前記圧縮ガスと前記作動流体（４）との熱交換の工程を含んだことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記熱交換工程は、前記ガスを圧縮するのに使用される前の作動流体（４）及び／又は前記ガスを圧縮するのに使用されない作動流体（４）を使用して行われることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、前記圧縮ガスと前記作動流体（４）との前記熱交換の工程は、キャリア又は蓄冷体（５）を介して間接的に行われることを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法であって、前記第１供給源（１）からの前記ガスを圧縮し、少なくとも１つの緩衝容器（２、３）に前記圧縮ガスを供給する途中の充填工程を含んだことと、前記作動流体（４）と前記キャリア又は蓄熱体（５）との熱交換の途中の工程を含み、前記途中の熱交換工程が前記途中の充填工程の間に又はその間の殆ど全ての時間に亘って行われることとを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法であって、少なくとも１つの緩衝容器（２、３）から前記タンクに充填する工程を含んだことと、前記加圧ガスが前記容器（２、３）から出ていった後及び前記加圧ガスが前記タンク（１１、１２）に入る前の、前記キャリア又は蓄熱体（５）と前記加圧ガスとの熱交換の工程を含んだこととを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項記載の方法を実施するための、タンクに加圧ガスを充填する、特には、車両燃料タンクに水素を充填するデバイスであって、第１圧力にあるガスの少なくとも１つの供給源（１）と、作動流体（４）によって動かされ、特に前記第１ガス供給源（１）からの前記ガスを圧縮することが可能な圧縮手段（６）と、前記ガス圧縮手段（６）に供給し且つこれを制御する作動流体（４）の供給源（４０）とを具備し、前記圧縮ガスと前記作動流体（４）との熱交換を行うことが可能な熱交換手段（９、５）を具備したことを特徴とするデバイス。
7. 請求項６記載の充填デバイスであって、一方では、前記圧縮手段（６）によって圧縮ガスを供給されることが可能であり、他方では、タンク（１１、１２）に圧縮ガスを供給することが可能な少なくとも１つの緩衝容器（２、３）を具備し、タンク（１１、１２）に接続されて前記圧縮手段（６）から直接にもたらされるか又は緩衝容器（２、３）からもたらされる何れか一方の圧縮ガスを選択的に前記タンクに配送するように意図された接続手段（１３、１４）を具備したことと、前記熱交換手段（９、５）は、前記圧縮手段（６）から又は前記緩衝容器（２、３）からの圧縮ガスを提供され得るように、前記接続手段（１３、１４）の上流に位置していることとを特徴とするデバイス。
8. 請求項６又は７記載の充填デバイスであって、前記熱交換手段（９、５）は、キャリア又は蓄冷体（５）を介して、前記圧縮ガスと前記作動流体（４）との間接的な熱交換を行うことが可能であることを特徴とする充填デバイス。
9. 請求項７記載の充填デバイスであって、前記熱交換手段（９、５）が、グリコール水又はアルミニウムなどの蓄冷体（５）を具備した熱交換器を具備していることを特徴とする充填デバイス。
10. 請求項６乃至９の何れか１項記載の充填デバイスであって、前記圧縮手段（６）は前記作動流体（４）が気体の状態にある気圧力学式であって、前記作動流体（４）は液体の状態で前記供給源（４０）内に貯蔵されることと、前記作動流体（４）を、それを前記圧縮手段（６）へと配送する前に、それが前記供給源（４０）から出ていく際にその沸点よりも高く加熱することが可能である加熱手段（１５、１６、９）を具備したこととを特徴とする充填デバイス。

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