JP2010032053A - 圧縮媒体貯留装置及び車両燃料補給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 制限された総重量の輸送車両で一台につき輸送できるガス状水素等の圧縮媒体の量を増加することのできる貯留装置及びそれを使用して可変繰り返し充填法によりガ圧縮ス状水素燃料を車両に補給する方法を提供する。
【解決手段】 この圧縮媒体貯留装置は、一基のコンテナ(２)と、このコンテナの内部に配置された複数基の貯留容器(１)とを備えている。この貯留装置から、コンテナ(２)内の複数基の貯留容器を少なくとも二群、或いは四群又はそれ以上の群(Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ)に分けてガス状水素を取り出し、しかる後、ガス状水素を燃料補給すべき車両に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば水素などの圧縮媒体を貯えるための貯留装置に関する。

本発明はまた、可変繰り返し充填法によりガス状水素燃料を車両に補給する方法にも関する。ここで、可変繰り返し充填法とは、車両への燃料補給のように毎回の補給量が一定しない複数回の燃料補給を実行する燃料補給ステーションにおける車両への燃料充填法を意味する。

本明細書において、車両とは、圧縮媒体、特に圧縮された水素燃料の補給を受ける陸上車両、航空機、及び船舶を含むあらゆる種類の車両を意味する。また本明細書において、媒体とは、圧縮性流体、特に気相及び気液混合相の流体を意味する。

消費者や顧客の銘々に対する圧縮媒体の供給、例えば水素燃料補給ステーションに対する圧縮されたガス状水素の供給、或いは各顧客に対する種々のタイプの圧縮されたガス状窒素の供給などは、現在のところ、圧縮媒体を圧縮ガスボンベや圧縮流体タンク、或いは所謂高圧トレーラーによって配送することで行われている。特に水素燃料補給ステーションに対する圧縮ガス状水素の供給は比較的コストが集中する作業である。その理由は、輸送前に水素を液化し、この液相状態のまま液化設備から水素燃料補給ステーションまで輸送し、水素燃料補給ステーションにおいては輸送されてきた液化水素を気化し、次いで圧縮するという事実による。水素の生成を直接現場で行うことが望ましいが、合理的な範囲内の努力で実現できる方法は未だ得られていない。

一般に、液化水素は充分に断熱を施した貯留容器内に収容されて輸送されるが、その場合でも周囲から不可避的に侵入する熱によって気化水素の発生が避けられず、その排出ロスに対処する必要がある。

これに代えて、圧縮したガス状水素を高圧ガス専用運搬トラック・トレーラーによって輸送することは可能である。この場合、水素は複数区画の筒状貯留容器に収容されて輸送され、この貯留容器は好ましくはトレーラーの常備搭載容器とされている。トレーラーの貯留容器内における水素の貯留圧力は２００〜３００バールである。この貯留圧力に対応して、この種の高圧ガス専用運搬トレーラーにおける貯留容器の有効内容積は３０００〜５０００Ｎｍ³である。しかしながら、この方式による水素の輸送では、陸送制限重量範囲内の総重量４０トンのトラック・トレーラーで一台につき３００〜５００ｋｇの量の水素しか輸送できないという不都合がある。

本発明の主目的は、前述の問題点を回避して水素等の圧縮媒体を貯留するための一般的な装置を提示することである。また、本発明の別の目的は、可変繰り返し充填法によりガス状水素燃料を車両に補給する一般的な方法を提示することである。

上記目的を解決するため、本発明で提示する圧縮媒体貯留装置は、一基のコンテナと、このコンテナの内部に配置された複数基の貯留容器とを備えていることを特徴とする。

方法発明に関して、上記目的を解決するために本発明で提示する車両燃料補給方法は、上述の本発明による貯留装置から、コンテナ内の複数基の貯留容器を少なくとも二群、或いは四群又はそれ以上の群に分けてガス状水素を取り出し、しかる後、該ガス状水素を燃料補給すべき車両に供給することを特徴とする。

本発明による圧縮媒体貯留装置並びに可変繰り返し充填法によるガス状水素燃料を車両に補給する方法の更に有利な実施形態の特徴を挙げれば以下の通りである。

本発明の一実施形態による貯留装置では、一基のコンテナ内に少なくとも九基の貯留容器が配置され、この少なくとも九基の貯留容器が好ましくは四群（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に分けられている。ここで、「四群に分けられている」と言うことは、これら少なくとも九基の貯留容器は、一基のコンテナ内で四つの異なる圧力レベルの貯留ができるように互いに流路で接続されていることを意味するものと理解すべきである。

本発明の別の実施形態による貯留装置では、コンテナと各貯留容器との一方又は双方が防火断熱構造を備えている。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、各貯留容器が少なくとも部分的にカーボンファイバー材で構成されている。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、各貯留容器が圧力１０００バールまでの圧縮媒体を収容するように構成されている。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、コンテナが少なくとも一つのガスセンサー又はコンテナ内換気手段を備えている。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、コンテナが輸送車両、特にコンテナ輸送用の特装貨物自動車又は鉄道車両で輸送されるように構成されている。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、コンテナが設置用の支持脚を備え、この支持脚は高さ調節可能に構成されていると共に、コンテナ輸送車両に本来的に装備されている油圧サスペンションにより車両の荷台が下げられた後、輸送車両をコンテナの下から退避させることができるようにコンテナ長手方向両端部で車両の外側方へ引き出すことができるように構成されていることが好ましい。

本発明の更に別の実施形態による貯留装置では、コンテナがその設置場所、例えば水素燃料補給ステーションにおける接地電位との等電位化を果たすための導体接続手段を備えている。

本発明の好適な実施形態による車両燃料補給方法では、ガス状水素を、燃料補給すべき車両に供給される前に膨張タービンで膨張する。

この場合、ガス状水素の膨張に応じて膨張タービンから取り出される軸動力及び寒冷能力を燃料補給プロセスで有効利用してもよい。

本発明の別の好適な実施形態による車両燃料補給方法では、燃料補給すべき車両に供給される水素が本発明による貯留装置から取り出された後に中間的に貯留される。

本発明による貯留装置は一基のコンテナからなり、その内部には複数基の貯留容器が配置されている。これらの貯留容器は好ましくは筒状容器である。現在のカーボンファイバー技術によれば、このような筒状貯留容器は極めて軽量に実現可能である。各貯留容器の重量を従来技術に比べて軽量とすることができるので、総重量４０トンの運搬用車両一台につき貯留水素の積載重量を２１００ｋｇに増加することが可能である。

圧力７００バール及び温度１５℃でガス状水素を燃料補給に用いようとする場合、本発明による貯留装置には約９００バールの圧力に圧縮されたガス状水素を貯留すると有利である。一基又は複数基の本発明による貯留装置を陸送用トラック・トレーラーに積載した場合、係る貯留圧力にて約２１００ｋｇの水素を総重量４０トンのトラック・トレーラーで輸送することができる。

本発明による圧縮媒体貯留装置、特に圧縮されたガス状水素を貯留するための貯留装置について、その有利な幾つかの形態を図１及び図２に示す例示的な実施形態により詳述すれば以下の通りである。

本発明の一実施形態による圧縮媒体貯留装置を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態による圧縮媒体貯留装置を輸送車両に搭載した状態を示す模式側面図である。 本発明による圧縮媒体貯留装置を用いた車両燃料補給システムの概略構成を示す系統図である。

図１は、本発明の一実施形態による圧縮媒体貯留装置を実際の寸法に比例しない尺度で示した模式断面図である。この貯留装置は一基のコンテナ２からなり、このコンテナは内部全面に防火断熱構造の内張３を備えている。図１に示す実施形態では、コンテナ２の内部に九基の貯留容器１が配置されている。コンテナ２が全面防火断熱構造の内張を備えていることにより、例えば水素燃料補給ステーションに設置した場合にコンテナ周囲の安全間隙距離を最小値に短縮することが可能である。

本発明による貯留装置の有利な一実施形態によれば、九基の貯留容器１は四群に分けられている。ここで、「四群に分けられている」と言うことは、一基のコンテナ内で四つの異なる圧力レベルの貯留ができるように九基の貯留容器が互いに流路接続されていることを意味するものと理解すべきである。勿論、これに代えて、九基よりも少ないか、或いは多い数の貯留容器を設けたり、或いは四つよりも少ないか、或いは多い圧力レベルの貯留を行うようにすることも可能である。図１において、個々の貯留容器１にはその属する群がＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示されている。Ａ群とＢ群にはそれぞれ三基ずつの貯留容器が属し、Ｃ群には二基の貯留容器が属し、Ｄ群には一基の貯留容器が属しており、同じ群に属する貯留容器同士は互いの内部が流路で連通されている。

一般的に装備されている防火断熱構造３に加えて、適用可能な場合はガスセンサや換気手段、即ちコンテナ内部を換気するための換気装置や通気装置を設けてもよい。これらを設置しておくことにより、このような貯留装置の設置や運転に際して、貯留装置、即ちコンテナ２の周囲の防護領域を監視する必要がなくなる。

コンテナ２は、ＩＳＯ規格コンテナの標準寸法に準じて例えば長さ５ｍ、幅２.５ｍ、高さ２.５ｍの外形寸法とすることが好ましい。この寸法でコンテナ２の内部を見掛け上ほぼ完全に満たすように九基の貯留容器１を配置した場合、個々の貯留容器に貯留圧力９００バールで約７００ｋｇの圧縮されたガス状水素を収容することが可能である。

図２に示すように、二基以上の貯留装置、即ちコンテナ２が輸送車両４に積載できることが好ましい。図２では、コンテナ２内に配置された貯留容器１が破線で示されている。

本発明による貯留装置を更に発展させて、個々の貯留装置、即ちコンテナ２を所謂移動式コンテナとして構成することは好ましいことである。このためには、個々の貯留装置、即ちコンテナ２が自身の総重量を支えることのできる設置用の支持脚を少なくとも下部四隅に備えていなければならず、これらの支持脚は、コンテナが車両に積載された状態で車両の外側方へ引き出すことが可能なアウトリガー状の高さ調節可能な支持脚構造であることが好ましい。これにより、クレーンを使用することなくコンテナ輸送車両４自体でコンテナの積み込み及び積み卸しを行うことが可能となる。コンテナ輸送車両に積載された状態のコンテナ長手方向両端部で下部四隅の支持脚を車両の外側方へ引き出して垂下させ、必要に応じて支持脚の高さ（垂下長）を調節し、コンテナ輸送車両に本来的に装備されている油圧サスペンションにより車両の荷台を下げると、コンテナ２が設置場所の基礎上に支持脚で支持されて設置が果たされ、その後、支持脚で基礎上に支えられたコンテナ２の下から輸送車両を退避させることができる。逆の手順でコンテナ２を輸送車両４に積み込むことができるのは述べるまでもないが、これは移動式コンテナの原則でもある。

本発明による貯留装置において、ガス状圧縮水素の充填用機器類と取出用機器類は、いずれもコンテナ２の前端面と後端面の双方に集約して配備されていることが好ましい。

前述の通り、コンテナ２内に配置された九基の貯留容器１は、可変繰り返し充填法により各貯留容器１を空にすると共に燃料補給すべき車両にガス状圧縮水素を充填するため、特に複数の群に分けられている。この方法は、一般的な燃料補給法に比べて動力の消費が極めて少ない。

以上に述べた本発明による貯留装置は、圧縮水素の輸送や貯留（中間貯留）に好適であるが、圧縮水素に限らず、その他の媒体（圧縮性媒体）にも同様に適用可能であることは述べるまでもない。

本発明に従って圧縮されたガス状水素を車両に燃料補給する方法を図３に示す実施形態により詳述すれば以下の通りである。

図３は、既に図１で説明した本発明による貯留装置を用いた燃料補給システムを示しており、貯留装置は、コンテナ２とその内部に配置した九基の貯留容器１とからなる。図１で既に説明したように、これらの貯留容器１は四群Ａ〜Ｄに分けられている。

貯留容器１は、各群Ａ〜Ｄ毎に個別の導管ａ〜ｄを介して水素燃料補給ステーションの燃料補給システムに接続可能である。この接続は、好適なワンタッチ継手５により実施することが好ましい。

燃料補給ステーション側では、本発明による貯留装置からの四本の導管ラインａ〜ｄがステーション内の導管ラインａ’〜ｄ’に接続される。この四本の導管ラインａ’〜ｄ’は、それぞれが三系統に分岐し、各系統毎に合流接続されて三本の主系統ライン７、８、９を形成する。述べるまでもないことであるが、安全上の理由から各分岐系統中には個々にバルブ（遮断弁）６を配置する必要がある。

既に述べたように、個々の貯留容器１内にはガス状水素を９００バールまでの貯留圧力で収容可能である。一般的に、車両への水素燃料の補給は、圧力７００バール及び温度１５℃で行われる。燃料補給中の車両側では車載タンク内で水素が最高８５℃まで加温されるので、少なくとも一基の貯留容器１、即ち四群Ａ〜Ｄのうちの少なくとも一つの群で貯留容器１内に８７５バールの恒常的な貯留圧力を維持する必要がある。

水素燃料の補給を受ける際に、車両側の車載タンクの内圧は例えば５０バール程度の低圧になっていることが多い。今、燃料補給を受ける車両の車載タンクは燃料補給ステーションの充填ライン１３に接続され、それにより車載タンクがラインａ、ａ’、７、１１及び１３を介してＡ群の３つの貯留容器１に接続されている。Ａ群と車載タンクとの間の圧力補償が果たされると、次のＢ群、Ｃ群、更にはＤ群へと切り替えられる。

燃料補給プロセスの開始時にＡ群と車載タンクとの間の圧力差が大きいという現象があるため、主系統ライン７中に膨張タービン１０を介装し、水素が燃料補給すべき車両に供給される前に該膨張タービンで膨張させると、該タービンから比較的大きな、場合によっては大きすぎる冷却能力の寒冷流を得ることができる。従って、本発明による方法の更なる発展形態として、この膨張タービン１０で得られる冷却能力を蓄える役目を果たす付加的な寒冷貯留用冷却回路１４を設けてもよい。冷却回路１４により、燃料補給プロセス中に車載タンクへ供給される水素の温度を平均化することができる。冷却回路１４は充填ライン１３に設けられた熱交換器１２に付設され、この熱交換器の二次側で圧縮機と蓄冷器とを経由する冷媒循環回路を形成するものであり、燃料補給プロセス中に亘って熱交換器１２の出口で約−４０℃の水素温度を維持するように構成することが好ましい。

平均的な燃料補給プロセスにおいては、いずれにせよ膨張タービン１０から軸動力と約２４ｋＪ／ｓの寒冷能力を取り出すことが可能である。軸動力は発電機動作でシステムの電力系統に戻すことができ、この目的でタービン１０には発電機１７が連結されている。発電機１７で得られた電力は、好適には圧縮機１５の駆動電力として使用される。

圧縮機１５は主系統ライン内でガス状水素を圧縮するためのものである。例えばＡ群からラインａ、ａ’、９を介して送られてくるガス状水素が圧縮機１５で圧縮され、この圧縮水素がライン８、ｘ’（但しｘ’はｂ’、ｃ’、又はｄ’である）、ｘ（但しｘはｂ、ｃ、又はｄである）を介して他の三群Ｂ、Ｃ、Ｄの少なくとも一つへ導かれる。有利な実施形態では、燃料補給プロセスにおいて常に最低圧力の群の貯留容器からガス状水素がシステムへ放出され、圧縮機１５によって圧縮された水素が次に高い圧力の群の貯留容器に導入される。このように圧縮機１５を一つの主系統ライン中に設けるだけで、本発明による燃料補給方法の動力効率をかなり増加させることができる。圧縮対象の水素が液相で供給される従来の燃料補給方法に比べて、本発明による燃料補給方法が必要とする動力は僅かに１０分の１程度である。

膨張タービン１０と圧縮機１５は、膨張タービン１０から得られる軸動力を直接的に圧縮機１５に伝達できるように共通の回転軸構造に構成することが好ましい。圧縮機１５及び膨張タービン１０には入口と出口を自由流れに連通可能なフリーホイール弁によるバイパスラインを設けておくことが好ましく、それにより各主系統ライン内の圧縮機や膨張タービンの入口と出口を必要に応じて選択的に短絡させることが容易となる。

膨張タービンによる圧縮水素ガスの膨張時には発電機１７から得られる電力が最大となる。この電力は電力系統へ戻すだけで比較的広範な用途の負荷へ供給でき、従って水素燃料補給ステーションの更なるシステム機器への給電や、燃料補給対象車両の燃料電池セル又は電気自動車の充電に有利に利用可能である。

水素燃料補給ステーションの燃料補給システムには付加的な高圧水素貯留容器１６を設けておくことも有利である。この場合、燃料補給すべき車両に供給される水素が燃料補給すべき車両に供給される前に本発明による貯留装置１から水素燃料補給ステーションの燃料補給システムに導入される。付加的な高圧水素貯留容器には、本発明による貯留装置から取り出された水素が燃料補給すべき車両に供給される前に中間的に貯留され、従って本発明による貯留装置、即ちコンテナ２の個々の状態変化に対応して圧縮水素ガスの中間貯留バッファーとして機能する。またこの付加的な高圧水素貯留容器は、燃料補給を受ける車両が本発明による貯留装置内の貯留容器１が全て空になったときでも完璧に燃料補給を受けられるように一時的な予備貯留部としても機能する。

以上に述べた可変繰り返し充填法による燃料補給プロセスによれば、比較的少ないエネルギー入力で本発明による貯留装置の各貯留容器１から圧縮ガス状水素燃料を効率的に車両へ補給することが可能である。

Claims (14)

1. 一基のコンテナ（２）と、このコンテナの内部に配置された複数基の貯留容器（１）とを備えていることを特徴とする圧縮媒体貯留装置。
2. 一基のコンテナ（２）内に少なくとも九基の貯留容器（１）が配置され、この少なくとも九基の貯留容器（１）が好ましくは四群（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に分けられていることを特徴とする請求項１に記載の貯留装置。
3. コンテナ（２）と各貯留容器（１）との一方又は双方が防火断熱構造（３）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯留装置。
4. 各貯留容器（１）が少なくとも部分的にカーボンファイバー材で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯留装置。
5. 各貯留容器（１）が圧力１０００バールまでの圧縮媒体を収容するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の貯留装置。
6. コンテナ（２）が少なくとも一つのガスセンサー又はコンテナ内換気手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の貯留装置。
7. コンテナ（２）がコンテナ輸送用の特装貨物自動車（４）又は鉄道車両で輸送されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の貯留装置。
8. コンテナ（２）が設置用の支持脚を備え、この支持脚が高さ調節可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の貯留装置。
9. コンテナ（２）がその設置場所又は水素燃料補給ステーションにおける接地電位との等電位化を果たすための導体接続手段を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の貯留装置。
10. 貨物自動車又は鉄道車両からなる輸送車両であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の貯留装置を積載できる構造を備えていることを特徴とする輸送車両。
11. 可変繰り返し充填法によりガス状水素燃料を車両に補給する方法であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の貯留装置から、前記コンテナ（２）内の複数基の貯留容器を少なくとも二群、或いは四群又はそれ以上の群（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に分けてガス状水素を取り出し、しかる後、該ガス状水素を燃料補給すべき車両に供給することを特徴とする車両燃料補給方法。
12. ガス状水素を、燃料補給すべき車両に供給される前に膨張タービン（１０）で膨張させることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. ガス状水素の膨張に応じて膨張タービン（１０）から得られる軸動力及び寒冷能力を燃料補給プロセスで利用することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 貯留装置から取り出したガス状水素を燃料補給すべき車両に供給する前に中間貯留容器（１６）に貯留することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。

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