JP2014152933A - 圧力下にあるガス状の媒体、特に水素を貯蔵容器に充填する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却システムの効率が高められ、補給過程後の貯蔵容器内の温度および圧力のより良好な測定が可能となる方法を提供する。
【解決手段】圧力下にあるガス状の媒体を貯蔵容器３内にタンク供給管路９を介して導入し、その際、貯蔵容器３内に導入される媒体のエンタルピまたはエンタルピに比例する量が、設定されたエンタルピ間隔Ｉ内で変動するかまたは一定であるように、貯蔵容器３内への流入時の媒体の温度および貯蔵容器３内の圧力を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力下にあるガス状の媒体、特に水素を貯蔵容器に補給（充填）する方法に関する。

燃料としてガス状の水素を車両に補給するためには、補給のために必要となる技術的なかつ安全性に関して重要な要求を満たした特殊に形成された補給ステーション、つまり、充填スタンドが必要となる。たとえば、水素を、これに対して設計された貯蔵容器（たとえば車両タンク）内に３分以内で導入し、７００ｂａｒの圧力にもたらすことが提案されていてよい。その際、貯蔵容器内の温度は８５℃を超えて上昇せず、水素の温度は−４０℃未満に低下しない。

補給過程の開始前には、大抵、（たとえば規格ＳＡＥ２６０１に相応して）耐圧・漏れ試験が実施される。この耐圧・漏れ試験時には、貯蔵容器内の圧力が検知され、接続されたタンク供給管路もしくは貯蔵容器の漏れが検査される。その後、本来の補給が開始される。その際には、大抵、ランプ調整器によって、貯蔵容器への補給のための圧力ランプが調整される。このような補給では、特に貯蔵容器が補給過程の開始時に比較的空である場合、補給過程後の正確な圧力および正確な温度を比較的不正確にしか検知することができない。水素が前記ランプにおいて８５℃を上回る温度をとらないようにするためには（貯蔵容器内の圧力上昇によって温度も上昇する）、水素が、規定された期間内に−３３℃〜−４０℃の温度範囲へ冷却されなければならない。このために必要となる冷却システムには、比較的多くの構成スペースとエネルギとが必要になる。このことは、充填スタンドにおける要求に応じて、冷却システムのコストならびに損傷しやすさにマイナスの影響を与えてしまう。

このような冷却システムは、前記圧力ランプの推移時に水素によって連続的に通流されるので、充填スタンドで水素の所望の冷却を達成するためには、このような冷却システムが、比較的高い温度減少を伴って作業しなければならない。このことは、この冷却システムのエネルギ消費に不利な影響を与える。

したがって、これらのことを元にして、本発明の課題は、冷却システムの効率が高められ、補給過程後の貯蔵容器内の温度および圧力のより良好な測定が可能となる方法を提供することである。

この課題を解決するために、本発明に係る方法では、圧力下にあるガス状の媒体、特に水素を貯蔵容器に補給する方法において、前記媒体を貯蔵容器内にタンク供給管路を介して導入し、その際、貯蔵容器内に導入される前記媒体のエンタルピまたは該エンタルピに比例する量が、設定されたエンタルピ間隔内で変動するかまたは一定であるように、貯蔵容器内への流入時の前記媒体の温度および貯蔵容器内の圧力を制御する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記媒体の補給時のエンタルピの相対的な変動率が、２０％よりも小さく、特に１０％よりも小さく、好ましくは５％よりも小さく、特に好ましくは１％よりも小さい。

本発明に係る方法の好ましい態様では、貯蔵容器内に導入される前記媒体のエンタルピまたは該エンタルピに比例する前記量が、前記エンタルピ間隔内で交互に、特に周期的に変動するように、貯蔵容器内への流入時の前記媒体の温度および貯蔵容器内の圧力を制御する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、タンク供給管路の、熱交換器により冷却可能な容積を前記媒体で予め充填し、これによって、熱交換器内に形成される圧力を、貯蔵容器内に形成される圧力よりも大きくし、前記容積内にある前記媒体を熱交換器によって冷却し、前記容積内にある前記媒体を、前記容積の下流側に設けられた絞りを介して膨張させて貯蔵容器内に流出させ、これによって、貯蔵容器内の前記媒体の圧力および温度を上昇させると共に貯蔵容器内の前記媒体のエンタルピを上昇させ、前記膨張によって、まだ前記容積内にある前記媒体の温度を低下させ、これによって、前記容積から貯蔵容器内に引き続き流れる前記媒体により、貯蔵容器内にある前記媒体を冷却しかつ貯蔵容器内の前記媒体のエンタルピを再び低下させる。

本発明に係る方法の好ましい態様では、タンク供給管路の、前記熱交換器と別の熱交換器により冷却可能な別の容積を前記媒体で予め充填し、これによって、別の熱交換器内に形成される圧力を、貯蔵容器内に形成される圧力よりも大きくし、前記別の容積内にある前記媒体を別の熱交換器によって冷却し、前記別の容積内にある前記媒体を絞りを介して膨張させて貯蔵容器内に流出させ、これによって、貯蔵容器内の前記媒体の圧力および温度を上昇させると共に貯蔵容器内の前記媒体のエンタルピを上昇させ、膨張によって、まだ前記別の容積内にある前記媒体の温度を低下させ、これによって、前記別の容積から貯蔵容器内に引き続き流れる前記媒体により、貯蔵容器内にある前記媒体を冷却しかつ貯蔵容器内の前記媒体のエンタルピを再び低下させる。

本発明に係る方法の好ましい態様では、一方の前記容積内に予め充填された前記媒体を、前記別の容積内に予め充填された前記媒体に対して時間的にずらして貯蔵容器内に流出させる。

本発明に係る方法の好ましい態様では、貯蔵容器に前記媒体を繰り返し補給するために、一方の前記容積および／または前記別の容積を予め充填し、前記媒体をそれぞれ絞りを介して貯蔵容器内に流出させる。

請求項１によれば、圧力下にあるガス状の媒体、特に水素を、特に車両タンクの形の貯蔵容器に補給（充填）する本発明に係る方法において、前記媒体を貯蔵容器内にタンク供給管路を介して導入し、その際、貯蔵容器内に導入される媒体のエンタルピまたはこのエンタルピに比例する量が、設定されたエンタルピ間隔の範囲内で変動するかまたは理想的には一定であるように、貯蔵容器内への流入時のもしくは流入直前の媒体の温度および貯蔵容器内の圧力を制御することが提案されている。

この場合、エンタルピＨ＝Ｕ＋ｐＶとは、周知の通り、考えられている媒体の内部エネルギＵと、考えられている状態で系により占められる体積Ｖを発生させるために、圧力ｐに抗して行われなければならない仕事ｐＶとの合計である。等エンタルピプロセス、すなわち、一定のエンタルピを有するプロセスには、ｄＨ＝ｄＵ＋Ｖｄｐ＝０が当てはまる。

好適には、本発明に係る方法では、媒体の補給時にエンタルピの相対的な変動率が、２０％よりも小さく、特に１０％よりも小さく、好ましくは５％よりも小さく、特に好ましくは１％よりも小さいことが提案されている。

本発明の別の好適な態様では、貯蔵容器内に導入される媒体のエンタルピまたはこのエンタルピに比例する量が交互に変動するように、特にエンタルピが、好ましくは、いわば周期的に交互に変動するかもしくは一定のエンタルピ値を中心として変動するように、貯蔵容器内への流入時の水素の温度および貯蔵容器内の圧力が、貯蔵容器内への前記媒体の、相応に温度調整された質量流量の導入によって制御されることが提案されている。

好ましくは、本発明に係る方法では、タンク供給管路の、熱交換器により冷却可能な容積に媒体が充填され、これによって、熱交換器内に形成される圧力が、貯蔵容器内に形成される圧力よりも大きくなっており、容積内にある媒体が、熱交換器によって冷却され、これによって、特に媒体の圧縮時に容積内に発生した熱が、熱交換器によって導出され、容積内にある媒体が、容積の下流側に設けられた絞りを介して膨張させられて貯蔵容器内に流出させられ（この過程は「脈動」とも呼ばれる）、これによって、貯蔵容器内の媒体の圧力および温度が上昇し、ひいては、貯蔵容器内の媒体のエンタルピが、ある程度の量だけ上昇し、膨張によって、まだ容積内にある媒体の温度が低下し、これによって、容積から貯蔵容器内に引き続き流れる媒体が、貯蔵容器内にある媒体を冷却しかつ貯蔵容器内の媒体のエンタルピを再び低下させるようになっている。

本発明に係る方法の別の変化態様では、タンク供給管路の、前記熱交換器と別の熱交換器により冷却可能な別の容積が、媒体で予め充填され、これによって、前述したように、別の熱交換器内に形成される圧力が、貯蔵容器内に形成される圧力よりも大きくなっており、別の容積内にある媒体が、別の熱交換器によって冷却され、これによって、特に媒体の圧縮時に別の容積内に発生した熱が、別の熱交換器によって導出され、別の容積内にある媒体が、別の容積の下流側に設けられた絞りを介して膨張させられて貯蔵容器内に流出させられ、これによって、貯蔵容器内の媒体の圧力および温度が上昇し、ひいては、貯蔵容器内の媒体のエンタルピが上昇し、膨張によって、まだ別の容積内にある媒体の温度が低下し、これによって、別の容積から貯蔵容器内に引き続き流れる媒体が、貯蔵容器内にある媒体を冷却しかつ貯蔵容器内の媒体のエンタルピを再び低下させるようになっていることが提案されている。

好適には、一方の容積内に予め充填された媒体が、別の容積内に予め充填された媒体に対して時間的にずらされて貯蔵容器内に流出させられる。

このプロセス、つまり、１つ以上の容積を予め充填するプロセスおよび媒体を絞りを介して貯蔵容器内に流出させるプロセスは、貯蔵容器に、好適には繰り返し補給するために実施され、これによって、エンタルピが、主として、前記エンタルピ間隔内で交互に変動するかもしくは振れ動く。

１つ以上の熱交換器は、好適には、金属、特にアルミニウムから成るそれぞれ１つのサーモブロックを有している（いわゆる「Alu Cold Fill」）。このサーモブロックは、タンク供給管路の一区分もしくは前記各容積を取り囲んでいるかもしくは形成している。前記サーモブロックは、好ましくは、たとえば冷媒が内部で循環している冷却回路によって冷却される。

さらに、前記絞りは、少なくとも１つの熱交換器内の前記脈動が改善されるかもしくはエンタルピ間隔が縮められるように制御することができる。言い換えると、これによって、充填プロセスが、理想的な等エンタルピプロセスに近づけられる。本発明に係る方法は、当然ながら、固定の絞りによって実施されてもよい。

結果的に、本発明に係る方法によって、充填過程の最終温度もしくは媒体の最終温度を等エンタルピ充填の算出によって一層良好に測定することができる。つまり、従来利用されているポリトロープ充填が等エンタルピ充填に置き換えられる。特に臨界的な範囲（空の車両タンクへの充填）では、等エントロピ充填の代わりに、等エンタルピ充填に基づき、精度を大幅に向上させることができる。

さらに、エンタルピに関連した少なくとも１つの熱交換器内の脈動によって、冷凍性能が付加的に向上させられる。これによって、冷媒の間のより僅かな温度落差で作業を行うことができる。

本発明の更なる詳細および利点は、図面に基づく以下の実施の形態によって詳しく説明してある。

貯蔵容器（たとえば車両タンク）に水素を理想的には等エンタルピで補給するための補給装置の概略図である。 貯蔵容器（たとえば車両タンク）に水素を本発明により補給する際の貯蔵容器内の水素の温度およびエンタルピの変化の一例を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、タンク供給管路９に接続可能な車両タンクの形の貯蔵容器３に燃料を補給（充填）するための補給装置１が示してある。本実施の形態では、水素が、圧縮機１０と、この圧縮機１０の下流側に配置された調整可能な弁５とを介して第１の熱交換器４内に案内され、この熱交換器４が、タンク供給管路９の一区分もしくは公知の容積９１を冷却する。熱交換器４は、好適にはサーモブロックによって形成される。このサーモブロックは、タンク供給管路９の前述した容積９１を取り囲んでいるかもしくは形成していて、冷却回路によって冷却される。サーモブロックは、好ましくはアルミニウムから成っている（いわゆる「Alu Cold Fill」）。水素は熱交換器４によって規定の温度に冷却される。この熱交換器４の下流側には、特に調整可能な絞り６の上流側の水素の圧力もしくは温度を検知する圧力センサ７１および温度センサ７２が設けられている。絞り６の下流側には、貯蔵容器３内に案内される水素の質量流量を検出するために働く質量流量測定ユニット１１が配置されている。さらに、この質量流量測定ユニット１１の下流側では、タンク供給管路９に別の圧力センサ８１および別の温度センサ８２が設けられている。両センサ８１，８２によって、貯蔵容器３内の圧力ならびに貯蔵容器３内に導入される水素の温度が検出可能となる。特に補給がほぼ等エンタルピで行われるようにする、すなわち、補給時に、水素のエンタルピが、設定されたエンタルピ間隔Ｉの範囲内で変動するようにするためには、水素の質量流量、圧力および温度はどのように状態調整されていなければならないのかということが、センサ７１，７２，８１，８２もしくはユニット１１の測定値から求められる。

図２には、貯蔵容器３内に導入される水素の、温度センサ８１により測定された温度Ｔの定性的な温度変化Ｖと、貯蔵容器３内に充填される水素のエンタルピＨの定性的な変化Ｖ’とに基づき、上述した本発明に係る充填過程が例示してある。図２では、縦軸に温度ＴもしくはエンタルピＨが任意の単位でとってあり、横軸に時間ｔがとってある。貯蔵容器３内の温度Ｔの周期的な上昇は、貯蔵容器３に補給される水素の圧力の変化によって生じる。比較のために、直線によって、仮の平均的な温度変化が表してある。

貯蔵容器３への補給のためには、規定された量の水素が、弁５を介して熱交換器４の容積９１内に送られ、そこで、初期温度に予冷（プレクール）される。絞り６によって、容積９１内の水素の初期圧は貯蔵容器３の初期圧を上回っている。その後、絞り６を介して、水素が貯蔵容器３内に案内され、これによって、貯蔵容器３内に、規定された温度上昇Ｔ１が生じる。その結果、エンタルピの上昇Ｈ１が生じる。貯蔵容器３内に流入する水素によって、熱交換器４の容積９１内の水素の圧力が減少しかつ温度が低下する。このことは、熱交換器４もしくは容積９１から絞り６を介して貯蔵容器３内への、より低い圧力でのより低温の水素の後流れに繋がり、これによって、貯蔵容器３内の水素の温度Ｔ２とエンタルピＨ２とが再び低下する。この過程は、エンタルピが、設定されたエンタルピ間隔Ｉ内で変動するように制御される。

弁５を介して熱交換器４の容積９１へ更に圧力を供給すると、熱交換器４内が再び増圧しかつ昇温する（昇温は主に増圧によって生じる）。熱交換器４は水素から、圧縮に起因して生じた熱を即座に奪い取り、これによって、水素が冷却される。熱交換器４において生じるこの温度を起点として、水素が絞り６を介して貯蔵タンク３内に案内される。これは、今度は高められた圧力条件下で、再度の貯蔵容器３内の温度の上昇Ｔ３と、これに相俟った貯蔵タンク３内のエンタルピ上昇Ｈ３とに繋がる。熱交換器４もしくは容積９１から流出した水素と、これに相俟った減圧とによって、まだ容積９１内にある水素が冷却される。これにより、再び熱交換器４から貯蔵容器３内へより低温の水素が後続して流れる（Ｔ４参照）。この方法は、所望の圧力もしくは所望の温度Ｔｎに到達するまで繰り返され、これによって、補給過程の終了時に、貯蔵容器３内に、規定された圧力および規定された温度Ｔｎが形成される。この方法において重要なことは、特に貯蔵容器３内のエンタルピが、このような補給による補給過程の途中、理想的には一定のままであるかもしくは前述した間隔の範囲内で変動するということである。

変動間隔Ｉを可能な限り小さく保つためには、貯蔵容器３内への水素の絞り作用を絞り６を介して可変に行う、すなわち、水素の質量流量を絞り６によって調整することが有利である。変動間隔Ｉを縮めかつ本発明に係る方法をより迅速に実施するための更なる手段は、並列に接続された別の熱交換器の使用である。この別の熱交換器は、好ましくは熱交換器４に対して非同期的に運転される。すなわち、一方の熱交換器４の上述した後充填周期、冷却周期および流出周期が、別の熱交換器では時間的にずらされて生じる。

貯蔵容器３内への入熱を監視することができるようにするためには、特に貯蔵容器３内への質量流量を検出することが必要となる。このことは、特に質量流量測定機器１１によって行われる。温度変化Ｖおよびエンタルピ変化Ｖ’の分布は、実際の運転では、特に丸みを帯びて調和のとれた（たとえば正弦状の）変動によって示すことができる。

熱交換器４の容積９１内、場合によっては、別の熱交換器内の前述した圧力低下による水素の冷却は、水素の冷却に付加的に寄与する。このことは、特に一定の圧力ランプまたは質量ランプを設定している公知先行技術に比べて、貯蔵容器３へのエネルギ節約的な補給を保証している。なお、この場合には、熱交換器４内、場合によっては、別の熱交換器内の圧力低下による温度低下が各容積９１によって決定されていることに注意しなければならない。つまり、容積９１が小さければ小さいほど、温度低下がますます大きくなる。

１ 補給装置
３ 貯蔵容器
４ 熱交換器
５ 弁
６ 絞り
７１ 圧力センサ
７２ 温度センサ
８１ 圧力センサ
８２ 温度センサ
９ タンク供給管路
９１ 容積
１０ 圧縮機
１１ 質量流量測定ユニット
Ｈ１，Ｈ３ エンタルピ上昇
Ｈ２ エンタルピ低下
Ｖ 時間的な温度変化
Ｖ’ 時間的なエンタルピ変化
Ｔ１，Ｔ３ 温度上昇
Ｔ２，Ｔ４ 温度低下
Ｉ エンタルピ間隔

Claims (7)

1. 圧力下にあるガス状の媒体、特に水素を貯蔵容器（３）に補給する方法において、前記媒体を貯蔵容器（３）内にタンク供給管路（９）を介して導入し、その際、貯蔵容器（３）内に導入される前記媒体のエンタルピまたは該エンタルピに比例する量が、設定されたエンタルピ間隔（Ｉ）内で変動するかまたは一定であるように、貯蔵容器（３）内への流入時の前記媒体の温度および貯蔵容器（３）内の圧力を制御することを特徴とする、圧力下にあるガス状の媒体を貯蔵容器に補給する方法。
2. 前記媒体の補給時のエンタルピの相対的な変動率が、２０％よりも小さく、特に１０％よりも小さく、好ましくは５％よりも小さく、特に好ましくは１％よりも小さい、請求項１記載の方法。
3. 貯蔵容器（３）内に導入される前記媒体のエンタルピまたは該エンタルピに比例する前記量が、前記エンタルピ間隔（Ｉ）内で、特に周期的に交互に変動するように、貯蔵容器（３）内への流入時の前記媒体の温度および貯蔵容器（３）内の圧力を制御する、請求項１または２記載の方法。
4. タンク供給管路（９）の、熱交換器（４）により冷却可能な容積（９１）を前記媒体で予め充填し、これによって、熱交換器（４）内に形成される圧力を、貯蔵容器（３）内に形成される圧力よりも大きくし、前記容積（９１）内にある前記媒体を熱交換器（４）によって冷却し、前記容積（９１）内にある前記媒体を、前記容積（９１）の下流側に設けられた絞り（６）を介して膨張させて貯蔵容器（３）内に流出させ、これによって、貯蔵容器（３）内の前記媒体の圧力および温度を上昇させると共に貯蔵容器（３）内の前記媒体のエンタルピを上昇させ、前記膨張によって、まだ前記容積（９１）内にある前記媒体の温度を低下させ、これによって、前記容積（９１）から貯蔵容器（３）内に引き続き流れる前記媒体により、貯蔵容器（３）内にある前記媒体を冷却しかつ貯蔵容器（３）内の前記媒体のエンタルピを再び低下させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. タンク供給管路（９）の、前記熱交換器（４）と別の熱交換器により冷却可能な別の容積を前記媒体で予め充填し、これによって、別の熱交換器内に形成される圧力を、貯蔵容器（３）内に形成される圧力よりも大きくし、前記別の容積内にある前記媒体を別の熱交換器によって冷却し、前記別の容積内にある前記媒体を絞り（６）を介して膨張させて貯蔵容器（３）内に流出させ、これによって、貯蔵容器（３）内の前記媒体の圧力および温度を上昇させると共に貯蔵容器（３）内の前記媒体のエンタルピを上昇させ、膨張によって、まだ前記別の容積内にある前記媒体の温度を低下させ、これによって、前記別の容積から貯蔵容器（３）内に引き続き流れる前記媒体により、貯蔵容器（３）内にある前記媒体を冷却しかつ貯蔵容器（３）内の前記媒体のエンタルピを再び低下させる、請求項４記載の方法。
6. 一方の前記容積（９１）内に予め充填された前記媒体を、前記別の容積内に予め充填された前記媒体に対して時間的にずらして貯蔵容器（３）内に流出させる、請求項５記載の方法。
7. 貯蔵容器（３）に前記媒体を繰り返し補給するために、一方の前記容積（９１）および／または前記別の容積（９１）を予め充填し、前記媒体をそれぞれ絞り（６）を介して貯蔵容器（３）内に流出させる、請求項４から６までのいずれか１項記載の方法。