JP2013504015A - 貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための装置 - Google Patents

Abstract

貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための方法および装置が記載され、この場合、媒体が、少なくとも１つの高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵され、かつ充填される側の貯蔵タンク内への供給の直前に、規定の温度範囲内にある温度を有している。本発明によれば、媒体の中間貯蔵のために働く前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）が冷却されかつ／または加熱される。したがって、高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）内に中間貯蔵された媒体は、充填される側の貯蔵タンクに媒体が供給される際の温度とほぼ等しい温度で中間貯蔵される。

Description

本発明は、貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための装置であって、
ａ）媒体を液状および／またはガス状の状態で貯蔵するために働く少なくとも１つのリザーバタンクが設けられており、
ｂ）該リザーバタンク内に貯蔵された媒体を圧縮するために働く少なくとも１つのクライオポンプおよび／または少なくとも１つのコンプレッサが設けられており、
ｃ）圧縮された媒体を中間貯蔵するために働く少なくとも１つの高圧貯蔵タンクが設けられており、
ｄ）管路システムが設けられており、該管路システムを介して、媒体が、前記リザーバタンクおよび／または前記高圧貯蔵バタンクから、充填される側の貯蔵タンクに供給されるようになっている
形式の装置に関する。

さらに本発明は、貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための方法であって、該方法は、媒体が少なくとも１つの高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵され、かつ充填される側の貯蔵タンクへの供給の直前に、予め設定された温度範囲内にある温度を有する方法に関する。

貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するためのこのような形式の装置ならびに方法は、本願の出願前には公開されていなかったドイツ連邦共和国特許出願第１０２００９０１９２７５号明細書に基づき知られている。

以下において「車両」とは、圧力下にあるガス状の媒体、特に水素による燃料補給が実現可能となるあらゆる種類の陸上車両、航空機および船舶を意味する。以下において「媒体」とは、とりわけガスおよびガス混合物を意味する。

現在、ほぼ全ての車両メーカにより、エネルギ担体として水素が使用される燃料電池駆動装置または改良された内燃機関を備えた車両がテストされている。このような車両に搭載された、低温の液化された水素の無圧貯蔵の他に、ガス状の水素を最大７００バールの圧力下で貯蔵することがテストされている。

最大７００バールまでの圧力を有するガス状の水素を用いた車両への燃料補給が実現される水素補給ステーションもしくは水素スタンドが既に存在している。複数の車両に相前後してかつ／または同時に燃料補給できるようにするために、たいていの場合には、加圧下にある大量のガス状の水素を、相応する圧力緩衝器内に中間貯蔵しておくような補給方法が使用される。さらに、設置されるべきコンプレッサシステムは、必要な容積流が保証され得るように寸法設定もしくは設計されていなければならない。

現在、水素スタンドに対しては以下の要求が課せられている：室温で７００バールの圧力下での水素５ｋｇによる車両タンクへの燃料補給；充填時間もしくは燃料補給時間は最大１８０秒である；車両タンクは充填中に最大８５℃まで昇温してよい；４５分間内で少なくとも３回の燃料補給および１日当たり１０回の燃料補給が実現され得ることが望ましい。

最新の水素スタンドでは、有利には真空超断熱部（Vakuumsuperisolierung）を備えた、液化水素のための貯蔵タンクを設ける傾向に移行している。これによって、水素スタンドにおける、圧縮されたガス状の水素の貯蔵したい量を減少させることができる。このことは、水素スタンド所要面積ならびに燃料補給過程の安全性に有利に作用する。これらの理由から、この分野で先導的立場にある企業や研究機関の公共の水素スタンドインフラストラクチャへの供給のためには、液体水素の使用が、現在では最も経済的でかつ最もフレキシブルな供給方法であるとみなされている。

ほぼ無圧状態で貯蔵された液状の水素を、最大７００バールの所望の貯蔵圧にまで圧縮できるようにするためには、いわゆる液体ポンプもしくはクライオポンプが設けられる。このようなクライオポンプを用いた水素の圧縮は比較的経済的でかつ廉価である。なぜならば、液体圧送もしくは液体圧縮の場合には、僅かな圧縮作業を実施するだけで済むからである。９００バールの圧力でのクライオポンプを用いた同じ質量流の圧送のために、計算によれば、コンプレッサシステムの比出力の僅か約１０％しか必要とされない。それと同時に、このようなクライオポンプの構成サイズはコンベンショナルなコンプレッサシステムに比べて小さい。

さらに、クライオポンプによって圧縮された水素流は手間をかけて冷却する必要がない。なぜならば、クライオポンプの出口における温度が比較的低いからである。すなわち、クライオポンプの出口における温度は約５０Ｋである。車両タンクの過熱を回避するためには、７００バールの圧力にまで圧縮された水素が、車両タンク内への供給の直前に−４０℃の温度にまで前冷却（プレクール）されるか、もしくは加熱されなければならない。また、車両タンク規格に基づき、−４０℃よりも低い温度も同じく許容され得ない。したがって、車両タンクに供給されるべき水素流は、約−３８〜−４０℃の比較的狭い温度範囲に状態調節されなければならない。

前記ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００９０１９２７５号明細書に基づき、圧力下にあるガス状の媒体、特に圧力下にあるガス状の水素を用いて車両に燃料補給するための方法が公知である。この公知の方法では、車両タンクに供給されるべき媒体が、サーモブロック（Thermoblock）によって、規定の温度範囲内にある温度にまで冷却されかつ／または加熱される。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の、貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための装置ならびに方法を改良して、前で説明した従来の手段に伴う欠点が回避されるような装置ならびに方法を提供することである。

この課題を解決するために、本発明の装置の構成では、貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための装置であって、
ａ）媒体を液状および／またはガス状の状態で貯蔵するために働く少なくとも１つのリザーバタンクが設けられており、
ｂ）該リザーバタンク内に貯蔵された媒体を圧縮するために働く少なくとも１つのクライオポンプおよび／または少なくとも１つのコンプレッサが設けられており、
ｃ）圧縮された媒体を中間貯蔵するために働く少なくとも１つの高圧貯蔵タンクが設けられており、
ｄ）管路システムが設けられており、該管路システムを介して、媒体が、前記リザーバタンクおよび／または前記高圧貯蔵タンクから、充填される側の貯蔵容器に供給されるようになっている
形式の装置において、前記高圧貯蔵タンクに冷却および／または加熱のための手段が対応配置されているようにした。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の方法では、貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための方法であって、該方法は、媒体が、少なくとも１つの高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵され、かつ充填される側の貯蔵タンクへの供給の直前に、規定の温度範囲内にある温度を有する方法において、媒体の中間貯蔵のために働く前記高圧貯蔵タンクを冷却しかつ／または加熱するようにした。

本発明によれば、高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵された媒体は、充填される側の貯蔵タンクに媒体が供給される際の温度とほぼ等しい温度で中間貯蔵される。

「充填される側の貯蔵タンクに媒体が供給される際の温度とほぼ等しい温度で中間貯蔵される」とは、貯蔵温度と充填温度（つまり充填プラグもしくはノズルに生ぜしめられる温度である）との差が、１０Ｋよりも多くなく、有利には５Ｋよりも多くないことを意味する。

貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための本発明による装置ならびに本発明による方法の別の有利な実施態様は以下の点により特徴付けられている。
−高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵された媒体は、この媒体が、充填される側の貯蔵タンクに供給される際の温度とほぼ等しい温度で中間貯蔵され、
−前記高圧貯蔵タンクの冷却および／または加熱のための手段は、前記高圧貯蔵タンクを取り囲む容器もしくはタンクとして形成されており、該タンク内に冷却液が内蔵されており、
−前記タンクの内部に、冷却液を循環させるために働く循環ポンプが配置されており、
−該冷却液として、グリコール・水混合物、冷却オイルおよび／またはギ酸カリウム溶液が使用され、しかも冷却液には防食添加剤が添加されていてよく、
−管路システムが、少なくとも部分的に冷却媒体によって冷却される場合には、冷却媒体として前記冷却液が使用され、
−前記高圧貯蔵タンクの冷却および／または加熱のための手段が、個々の高圧貯蔵タンクに対応配置された冷却装置および／または加熱装置として構成されており、
−クライオポンプおよび／またはコンプレッサに少なくとも１つの熱交換器が後置されており、すなわちクライオポンプおよび／またはコンプレッサの下流側に少なくとも１つの熱交換器が接続されており、該熱交換器が、有利には空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されており、
−コンプレッサに少なくとも１つの熱交換器が前置されており、すなわちコンプレッサの上流側に少なくとも１つの熱交換器が接続されており、該熱交換器が、有利には空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されており、
−管路システムの、前記冷却液の内部に配置されている少なくとも１つの部分範囲が、熱交換器として構成されている。

以下に、図１〜図３につき、貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための本発明による装置および本発明による方法の実施形態を詳しく説明する。

本発明の１実施形態を示す概略図である。 本発明の別の実施形態を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態を示す概略図である。

図１には、液化された水素のためのリザーバタンクＳが示されている。このリザーバタンクＳは、水素１０〜２００ｍ^３の貯蔵容積を有している。液化された水素のためのこのような貯蔵タンクは公知先行技術により十分に知られている。水素充填ステーションもしくは水素スタンドの枠内で、このようなリザーバタンクは有利には、燃料補給したい車両によって乗り越え可能となるように地下に配置されている。

さらに、クライオポンプＶならびにコンプレッサＶ′が設けられている。クライオポンプＶには、有利には真空（超）断熱されて形成されている管路１を介して、リザーバタンクＳから液状の水素が供給される。実際に使用されるクライオポンプＶは特に車両の燃料補給時に存在する要求に合わせて調整されている。クライオポンプＶは、約１バールの液体水素を２段階の圧縮プロセスで９００バールにまで圧縮することを可能にする。

管路１′を介して、リザーバタンクＳからガス状の水素を取り出して、コンプレッサもしくはコンプレッサユニットＶ′によって１００〜７００バールの圧力にまで圧縮することができる。

リザーバタンクＳに対して付加的に、複数の高圧貯蔵タンクＡ，Ｂが設けられている。実際にはこれらの高圧貯蔵タンクＡ，Ｂは通常、少なくとも３つの互いに異なる圧力範囲をカバーする貯蔵ベンチにまとめられている。すなわち、高圧貯蔵タンクＡは、たとえば４００〜７００バールの貯蔵圧に合わせて設計されており、高圧貯蔵タンクＢは、３００〜５００バールの貯蔵圧に合わせて設計されている。そして、たいていの場合、たとえば５０〜４００バールの貯蔵圧に合わせて設計されている別の貯蔵タンクが設けられている。しかし、単に１つまたは２つの貯蔵ベンチ、あるいはまた単に１つまたは２つの高圧貯蔵タンクしか設けない方法も実現可能である。

本発明によれば、高圧貯蔵タンクＡ，Ｂに、高圧貯蔵タンクの冷却および／または加熱のための手段が対応配置されている。図示の実施形態の場合では、この冷却および／または加熱のための手段が、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂを取り囲む容器もしくはタンク６として形成されており、この容器もしくはタンク６内には、冷却液７が内蔵されている。この冷却液は、たとえばグリコール・水混合物または使用目的のために適した冷却オイルである。オプショナル（選択的）に設けることのできるポンプＰは、冷却液７を循環させるために働く。図示されていない冷却システムに作用接続されている熱交換器Ｅを用いて、冷却液７に熱を供給するか、または冷却液７から熱を取り出すことができる。しかし、高圧貯蔵タンクの冷却および／または加熱のための手段は、個々の高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに対応した冷却装置および／または加熱装置として形成されていてもよい。

前記システムは、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂ内に中間貯蔵された媒体が、充填される側の貯蔵タンク（図面を見易くするために図示しない）に管路３；４，５を介して供給される際の温度にほぼ等しい温度で中間貯蔵されるように設計されていなければならない。すなわち、引渡し点（充填プラグ、ノズル等）において−２０℃または−４０℃の温度が要求される場合、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂ内での媒体の貯蔵は、やはりこの温度で行われることが望ましい。この場合、貯蔵温度と送出温度との間の温度差は、一桁の範囲内で許容可能であると思われる。

燃料補給過程の開始時では、まず管路区分３；４，５を介して、圧縮された水素が、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂから、燃料補給される側の貯蔵タンクへ流れる。高圧貯蔵タンクＡ／Ｂが空にされるやいなや、管路区分１，２，５を介して、クライオポンプＶによって９００バールまでの圧力に圧縮された水素が車両タンクに供給される。媒体もしくは水素が、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂから、充填される側の貯蔵タンク内へオーバフローする間、水素は膨張させられ、そしてこのときに発生する膨張寒冷が冷却液７の冷却のために利用され得ることが特に有利である。

高圧貯蔵タンクＡ／Ｂが空にされると、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂには、クライオポンプＶおよび／またはコンプレッサＶ′によって媒体が新たに充填される。高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに媒体をクライオポンプＶによって充填する場合には、圧縮された媒体が、管路区分２ならびに管路区分３および／または管路区分４を介して高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに供給される。管路区分２には、２つの熱交換器Ｅ１，Ｅ２を設けることができる。この場合、流れ方向で見て一番目の第１の熱交換器Ｅ１は、通風機を有するか、または有しない空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されていると有利であり、二番目の第２の熱交換器Ｅ２は冷却液７内に配置されている。この第２の熱交換器Ｅ２は管型熱交換器として構成されていると有利である。この第２の熱交換器Ｅ２では、所望の貯蔵温度への温度補償が行われる。前記熱交換器Ｅ１，Ｅ２と同様に、管路区分２′にも２つの熱交換器Ｅ３，Ｅ４が設けられていてよい。

熱交換器Ｅ１および／または熱交換器Ｅ３は特に、高圧貯蔵タンクＡ／Ｂの充填時に冷却液７と圧縮された媒体との間での不十分な熱伝達に基づき、十分なエネルギ量もしくは熱が、貯蔵された媒体へ伝達され得ない場合に設けられていることが望ましい。このような場合、熱交換器Ｅ１および／または熱交換器Ｅ３が、所要の熱のこのような供給を保証しなければならない。

コンプレッサＶ′は通常、最大４５０バールの圧力範囲に合わせて設計されており、クライオポンプＶは現在、媒体を最大９００バールにまで圧縮する。このような互いに異なる圧力範囲に基づき、クライオポンプＶとコンプレッサＶ′とは実際には互いに異なる高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに媒体を充填する。それゆえに、図示の実施形態では、コンプレッサＶ′によって圧縮された媒体は、管路区分２′，３を介して高圧貯蔵タンクＡにしか供給されない。破線で示した管路２′′を介して、コンプレッサＶ′によって圧縮された媒体を、同じく高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに供給することができる。

図２に示した実施形態は、いわゆる「温間圧縮（warme Kompression）」しか実現されない点で、図１に示した実施形態とは異なっている。管路１および／または管路１′を介してリザーバタンクＳから取り出された水素は、コンプレッサもしくは圧縮ユニットＶ′に前置された、つまり圧縮ユニットＶ′の上流側に配置された熱交換器Ｅ１′内で加熱される。この熱交換器Ｅ１′は空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されていると有利である。管路１；１′内の水素の流出温度が、リザーバタンクＳの貯蔵温度に相当しており、つまり約２１〜５０Ｋであり、それに対して、コンプレッサＶ′の入口における温度は約−２０〜−３０℃である。コンプレッサＶ′の圧縮作業は圧縮された媒体の軽度の加熱をもたらすので、コンプレッサＶ′の流出温度は約１０〜１５０℃である。

圧縮された媒体は、コンプレッサＶ′に後置された、つまりコンプレッサＶ′の下流側に配置された熱交換器Ｅ１′′内で冷却され、有利には既に、たとえば−２０℃または−４０℃の所望の貯蔵温度にまで冷却される。熱交換器Ｅ１′′は熱交換器Ｅ１′と熱伝達結合されていると有利である。必要に応じて、熱交換器Ｅ２において、正確な所望の貯蔵温度への補償調整が行われる。図２に示した方法に対して択一的に、圧縮したい媒体もしくは圧縮された媒体は、熱伝達結合された熱交換器Ｅ１′およびＥ１′′を並流または向流の形で通流することもできる。

図３に示した実施形態では、圧縮したい媒体の貯蔵がリザーバタンクＳ′において、有利には圧力ガスアキュムレータ内で行われる。この圧力ガスアキュムレータは媒体をガス状の状態で貯蔵するために適している。管路１を介してリザーバタンクＳ′から取り出された水素は、コンプレッサもしくはコンプレッサユニットＶ′において所望の圧力に圧縮される。コンプレッサＶ′の圧縮作業は、圧縮された媒体の軽度の加熱をもたらすので、媒体のコンプレッサ流出温度は約１０〜１５０℃である。

熱交換器Ｅ１０において、圧縮された水素はほぼ周辺温度にまで、または周辺温度よりも約１０〜２０℃高い温度にまで冷却される。熱交換器Ｅ１０は通常、空気・水熱交換器として構成されている。後置された熱交換器Ｅ１１において、冷凍設備Ｘを使用して、圧縮された水素の、所望の貯蔵温度への冷却が行われる。こうして冷却された水素は熱交換器Ｅ１０，Ｅ１１を通過した後に、管路２３を介して高圧貯蔵タンクＡ／Ｂに供給される。

冷凍設備Ｘは寒剤管路３０，３１を介して熱交換器Ｅ１１に接続されている。オプショナルに（選択的に）、冷凍設備Ｘは管路３２と熱交換器Ｅ１２とを介して冷却液７に熱を供給するか、もしくは冷却液７から熱を導出することができる。

貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための本発明による装置ならびに本発明による方法は、充填される側の貯蔵タンクに供給されるべき媒体を、任意のいかなる時点でも予冷却時間もしくは予運転時間なしに、所望の温度もしくは所要の温度で提供することを可能にする。それに対して、公知先行技術に挙げられる方法では、圧力増大手段、たとえばクライオポンプが作動している場合にしか所望の低い温度が提供されていない。これまで、必要とされる媒体質量流は各燃料補給過程において、所要の温度にまで加熱または冷却されていたが、しかしこのことは、短時間で要求に応えることができるようにするためには、かなりの過剰容量を用意しなければならないという必要性を生ぜしめる。

念のため付言しておくと、貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための本発明による装置も、本発明による方法も、水素車両への燃料補給だけでなく、多数の使用事例において使用され得る。特に本発明は、圧縮された媒体が、要求された温度範囲内でかつ比較的短い充填時間内で、充填される側の貯蔵タンクへ移送されることが望まれる場合には常に利点を有している。

Claims (10)

1. 貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための装置であって、
   ａ）媒体を液状および／またはガス状の状態で貯蔵するために働く少なくとも１つのリザーバタンク（Ｓ，Ｓ′）が設けられており、
   ｂ）該リザーバタンク（Ｓ，Ｓ′）内に貯蔵された媒体を圧縮するために働く少なくとも１つのクライオポンプ（Ｖ）および／または少なくとも１つのコンプレッサ（Ｖ′）が設けられており、
   ｃ）圧縮された媒体を中間貯蔵するために働く少なくとも１つの高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）が設けられており、
   ｄ）管路システム（１，１′，２，２′，２′′，３，４，５，２１，２２，２３）が設けられており、該管路システムを介して、媒体が、前記リザーバタンク（Ｓ，Ｓ′）および／または前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）から、充填される側の貯蔵タンクに供給されるようになっている
   形式の装置において、前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）に冷却および／または加熱のための手段が対応配置されていることを特徴とする、貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための装置。
2. 前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）の冷却および／または加熱のための手段が、前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）を取り囲むタンク（６）として形成されており、該タンク（６）内に冷却液（７）が内蔵されており、該冷却液（７）として、有利にはグリコール・水混合物、冷却オイルおよび／またはギ酸カリウム溶液が使用され、しかも冷却液（７）に有利には防食添加剤が添加されている、請求項１記載の装置。
3. 前記タンク（６）の内部に、冷却液（７）を循環させるために働く循環ポンプ（Ｐ）が配置されている、請求項２記載の装置。
4. 管路システム（１，１′，２，２′，２′′，３，４，５，２１，２２，２３）が、少なくとも部分的に冷却媒体によって冷却されるようになっており、冷却媒体として前記冷却液（７）が使用される、請求項２または３記載の装置。
5. 前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）の冷却および／または加熱のための手段が、個々の高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）に対応配置された冷却装置および／または加熱装置として構成されている、請求項１記載の装置。
6. クライオポンプ（Ｖ）および／またはコンプレッサ（Ｖ′）の下流側に少なくとも１つの熱交換器（Ｅ１，Ｅ１′′，Ｅ３，Ｅ１０，Ｅ１１）が接続されており、該熱交換器が、有利には空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. コンプレッサ（Ｖ′）の上流側に少なくとも１つの熱交換器（Ｅ１′）が接続されており、該熱交換器（Ｅ１′）が、有利には空気熱交換器および／または電気ヒータとして構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 管路システム（１，１′，２，２′，２′′，３，４，５，２１，２２，２３）の、前記冷却液（７）の内部に配置されている少なくとも１つの部分範囲が、熱交換器（Ｅ２，Ｅ４）として構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 貯蔵タンク、特に車両に設けられた貯蔵タンクに、圧縮された媒体、特に圧縮された水素を充填するための方法であって、該方法は、媒体が、少なくとも１つの高圧貯蔵タンク内に中間貯蔵され、かつ充填される側の貯蔵タンクへの供給の直前に、規定の温度範囲内にある温度を有する方法において、媒体の中間貯蔵のために働く前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）を冷却しかつ／または加熱することを特徴とする、貯蔵タンクに、圧縮された媒体を充填するための方法。
10. 前記高圧貯蔵タンク（Ａ，Ｂ）内に中間貯蔵された媒体を、充填される側の貯蔵タンクに媒体が供給される際の温度とほぼ等しい温度で中間貯蔵する、請求項９記載の方法。

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