JP2015537170A - 圧力下にある気体の媒体を貯蔵容器に充填する方法及び充填装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力下にある気体の媒体、特に水素を、特に車両タンクとして形成された貯蔵容器に充填する方法であって、貯蔵容器（８）に、タンク供給管路（３０）と、該タンク供給管路（３０）の１つの端部（３０ａ）に設けられた充填カプラ（１９）とを介して、媒体を充填し、このとき貯蔵容器（８）への充填前に、充填カプラ（１９）の上流においてタンク供給管路（３０）の前記端部（３０ａ）に設けられた蓄冷器（７）を、予め確定された運転温度に冷却し、これにより、貯蔵容器（８）への充填の第１段階においてタンク供給管路（３０）を通って流れ、かつそのときに該タンク供給管路（３０）内において特に加熱される媒体を、蓄冷器（７）によって、予め確定された目標温度に冷却し、このとき、前記タンク供給管路（３０）が後から流れる媒体によって冷却された時に、蓄冷器（７）を、貯蔵容器（８）への充填の第２段階において、後から流れる媒体によって再び冷却する。さらに本発明は、相応の充填装置にも関する。

Description

本発明は、圧力下にある気体の媒体を貯蔵容器に充填する方法及び充填装置に関する。

燃料として気体の水素が充填される車両は、比較的高い圧力下にある水素（例えば７００バール）を車両タンク又は接続された貯蔵容器に導入する、特殊に形成された充填ステーションを必要とする。水素で運転される車両のための前記充填ステーションにおける充填作業を管理する、メーカにとって広範な基準を確立するために、特に複数の自動車メーカから成る企業連合が、米国自動車技術会規格 ＳＡＥ Ｊ２６０１を制定した。この規格は、充填ステーションにおける充填作業のための、安全を重視した限界値及び出力要求に関するガイドラインを設定している。このガイドラインでは例えば、水素で運転される車両は、（流入する水素によって貯蔵容器内における急激な圧力上昇に起因して）貯蔵容器（例えば車両タンク）の温度が８５℃を超えて上昇することなしに、３分以内に７００バールに充填されることが定められている。同時に、水素の温度が充填中において貯蔵容器への流入時に−４０℃を下回ることが、望まれる。同様に、充填中における許容温度変化に対する規制基準も存在する。

充填中における特に８５℃の最高許容温度を超えないようにするため、及び同時に−４０℃の水素の制限された予冷却を下回らないようにするために、従って水素は貯蔵容器への充填のために特に一定の時間（例えば２５秒）内に、−４０℃〜−３３℃の比較的狭い温度範囲に温度調整されねばならず、このとき水素の温度は、通常、貯蔵容器に通じるタンクホースへの入口において測定される。

前記充填ステーションにおける可変の管路長さ及び管路における変化する温度状態に基づいて、ポンプにおける水素の一定の温度（例えば−４０℃）を実現することは、従来技術では比較的手間とコストが必要である。このことは特に次のことに起因する。すなわちこの場合、例えば各充填作業は、タンク供給管路温度を一時的に低下させ、かつ充填作業の終了後に、タンク供給管路温度は再度、周囲温度と同じになるからである。従って充填作業の開始時におけるタンク供給管路温度は、先行の充填作業からどれだけ時間が経過しているかによって強く影響を受け、このことはタンク供給管路内を通る水素に対する熱の入力を変化させる。つまりタンク供給管路が過度に加熱されていると、ポンプにおける水素は、維持すべき時間内において−３３℃〜−４０℃の所定の温度範囲に達しないので、充填作業は中断しなくてはならない。

このことを阻止するために、長いタンク供給管路では、タンク供給管路の冷却が必要であるが、このようなタンク供給管路の冷却は、比較的高いコストを要する。

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を改良して、貯蔵容器（例えば車両タンク）に充填する、特に水素である前記媒体を、比較的安価に、許容温度に温度調整することができる方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載された方法によって解決される。

当該方法によれば、圧力下にある気体の媒体、特に水素を、貯蔵容器に充填する本発明に係る方法では、貯蔵容器に、タンク供給管路と、該タンク供給管路の１つの端部に設けられた充填カプラとを介して、前記媒体を充填し、このとき貯蔵容器への充填前に、充填カプラの上流においてタンク供給管路の前記端部に設けられた（媒体を冷却する）蓄冷器を、予め確定された運転温度に冷却し、これにより、貯蔵容器への充填の第１段階においてタンク供給管路を通って流れ、かつそのときに該タンク供給管路内において特に加熱される媒体を、蓄冷器によって、予め確定された目標温度に冷却し、このとき、タンク供給管路が後から流れる媒体によって冷却された時に、蓄冷器を、貯蔵容器への充填の第２段階において、後から流れる媒体によって再び冷却する。

蓄冷器に追加的に伝達される冷却能力は、つまり、蓄冷器及び接続管路（タンク供給管路）の絶縁に関連した損失出力よりも幾分大きい値に相当するだけである。

好ましくは、蓄冷器は、特に充填動作の経過中にも、好ましくは−４０℃の運転温度に温度調整される。貯蔵容器に導入される媒体は、好ましくは、蓄冷器によって、−４０℃〜−３３℃の範囲における目標温度に温度調整される。蓄冷器の蓄冷体（Kaeltevorrat）は、このとき例えば、媒体／水素の質量流が例えば５０秒〜９０秒の時間内において＋４０℃から−４０℃に温度調整され得るように、設計することができる。

さらに蓄冷器は、いわば「温度を平滑化するように」作用するという利点を提供する。従って（例えばバイパス機能又はこれに類した機能による）温度調整は、極めて低い温度をも調整することができるので、大幅に簡単になる。例えば本発明に係る方法では、−４０℃を下回る低い温度への媒体の温度の変化は、回避される。それというのは、蓄冷器は、過冷却された（つまり−４０℃よりも低温に温度調整された）媒体を相応に加熱するので、貯蔵容器内に流入する媒体の温度は再び前記目標温度範囲内に位置することになるからである。

本発明に係る方法の別の変化態様によれば、蓄冷器を、貯蔵容器への充填前に冷却回路を介して決定された運転温度に冷却し、冷却回路は、蓄冷器の上流側においてタンク供給管路に設けられた、冷却機の別の蓄冷器に連結されており、これによって冷却回路は、蓄冷器から熱を奪い、該蓄冷器を冷却する。前記冷却機もしくは別の蓄冷器は、タンク供給管路もしくはポンプ管路への流入時に媒体を冷却するために働く。

さらに前記本発明の課題は、請求項４の特徴部に記載された、圧力下にある気体の媒体（例えば水素）を、貯蔵容器（例えば車両タンク）に充填する充填装置によって解決される。

本発明に係る充填装置によれば、蓄冷器は、充填カプラの上流側においてタンク供給管路の１つの端部に設けられている。つまり充填装置は、特に、蓄冷器から貯蔵容器への媒体の通路が、（別の蓄冷器から充填カプラへの）前記タンク供給管路に比べて短くなるように配置された、蓄冷器を有している。

このとき蓄冷器は、好ましくは、タンク供給管路のタンクホースの上流側に配置されていて、該タンクホースの自由端部に前記充填カプラが設けられており、この充填カプラを介してタンクホースは貯蔵容器に接続可能であるので、前記媒体を、タンクホースを介して貯蔵容器に導入することができる。蓄冷器は、好ましくは、離脱カプラの直前に配置されており、該離脱カプラは、（例えば車両が充填カプラを連結された状態でポンプから離れる場合に）引張りによってタンク供給管路の残留部からのタンクホースの分離を可能にする。離脱カプラの直前における蓄冷器の配置というのは、このとき特に、媒体が蓄冷器から離脱カプラにもしくは貯蔵容器内に到るまでに、タンク供給管路の全長に比べて可能な限り短い距離を進む、ということを意味する。これによって、媒体が貯蔵容器に注入される前に、媒体の温度は、蓄冷器を起点として外部の影響に基づいて僅かな範囲においてしか変化し得ないことが保証される。

蓄冷器は、好ましくは、特にアルミニウムである金属製のボディを有しており、このボディは、タンク供給管路の一部（端部）を取り囲んでいる、もしくはタンク供給管路の前記部分を形成しており、これによって、蓄冷器のボディを貫流する媒体の熱は、この（冷却された）ボディに伝達される。このボディは、好ましくは、内部を冷媒が循環する冷却回路を用いて冷却される。

本発明に係る充填装置の好適な態様では、蓄冷器は、タンク供給管路の１つの部分（端部）を取り囲む又はタンク供給管路の前記部分を形成する、金属製のボディ、特にアルミニウム製のボディから形成されていて、蓄冷器によって取り囲まれた管路部分の内部又は蓄冷器によって形成された管路部分の内部に、複数のワイヤ、好ましくは特殊鋼ワイヤが配置されている。

このとき前記管路部分の内径は、例えば１４ｍｍで、この管路部分内に配置された（特殊鋼）ワイヤの直径は、例えば４ｍｍである。設けられるワイヤの数及び／又は直径は、所望の流路もしくは圧力損失に関連する。本発明に係る充填装置のこのような構造形態によって、充填作業の終了後に放圧されるガス体積が減じられ、ひいては放圧段階中における水素の損失を著しく減じることができる。さらに本発明に係る充填装置のこのような構造形態によって、熱交換器の表面積及び蓄冷器の貯蔵質量が増大し、かつ熱伝達係数が高くなる。

本発明の別の好適な態様では、蓄冷器は、該蓄冷器を冷却するために冷却回路を介して、冷却機の別の蓄冷器に接続されており、この別の蓄冷器もまた同様に、好ましくは、蓄冷器の上流側におけるタンク供給管路の１つの部分を取り囲むもしくはタンク供給管路の前記部分を形成する、金属製のボディ、特にアルミニウム製のボディを有しており、これによって、別の蓄冷器のボディを貫流する媒体の熱が、前記（冷却された）ボディに伝達される。このとき、別の蓄冷器のボディは、好ましくは、内部を冷媒が循環する別の冷却回路を用いて冷却される。

本発明に係る方法及び本発明に係る充填装置では、特に、蓄冷器に供給される冷却能力は、主として、散逸過程（例えば環境による蓄冷器及びタンク供給管路への熱導入）によって生ぜしめられる損失出力に相当している。

充填のために使用される媒体は、充填動作の開始時に、最初は比較的温度が高いタンク供給管路を充填作業の経過中に冷却し、ひいては原理的にタンク供給管路のための冷媒としても機能する。蓄冷器は、次いで媒体から、タンク供給管路によってもたらされた熱を奪い、このときそれ自体がある程度の温度に加熱される。つまり蓄冷器に入力される熱総量は、タンク供給管路内への散逸熱入力及び蓄冷器自体への熱入力に相当する。この熱総量は、タンク供給管路の端部における蓄冷器をタンク供給管路の入口における別の蓄冷器に接続する前記冷却回路を介して、補償される。

従って蓄冷器は、本発明に係る方法では、その固有の損失出力及びタンク供給管路の損失出力よりも幾分多くの値だけを吸収できるようになっていればよい。このことは、蓄冷器の、別の蓄冷器に接続された前記冷却回路を介して行われる。

本発明のさらなる詳細及び利点は、以下において１つの実施の形態を示す図面を参照しながら詳説する。

本発明に係る方法を実施する充填装置を概略的に示す図である。

図１には、水素を駆動エネルギとする車両用の充填装置が示されており、この充填装置は、該充填装置に接続可能な、車両の貯蔵容器（車両タンク）８に、気体の水素を充填するために働く。本発明に係る充填装置及び本発明に係る方法は、もちろん、特に圧力下にある気体の他の媒体を、貯蔵容器８に充填するためにも使用することができる。

充填装置は、タンク供給管路３０を有しており、このタンク供給管路３０は、水素をリザーバ（図示せず）から引き出し、タンク供給管路３０の１つの端部３０ａに設けられた充填カプラ１９を介して、貯蔵容器８内にさらに導く。タンク供給管路３０の端部３０ａには、本発明によれば、貯蔵容器８内に導入される水素を冷却する蓄冷器（「Alu Coldfill」）７が設けられている。蓄冷器７は、水素を温度調節するためにアルミニウム製のボディ（ブロック）を有しており、このボディは、タンク供給管路３０の端部３０ａを部分的に取り囲んでいて、これにより貫流する水素から熱を引き出すもしくは水素に熱を供給することができる。

貯蔵容器８に水素を充填するために、さらに、タンク供給管路３０の入口には、ランプレギュレータ（Rampenregler）を備えた弁１が設けられており、この弁１の下流側には、別の蓄冷器（「Alu Coldfill」）２が設けられている。この別の蓄冷器２も同様に、アルミニウム製のボディ（ブロック）を有しており、このボディは、タンク供給管路３０の１つの部分３０ｂを取り囲んでいて、この部分３０ｂを通って流れる水素を、熱伝達によって、特に−４０℃の温度に温度調節する。このブロック２はこのとき、冷却回路２０を介して冷却され、この冷却回路２０は別の蓄冷器２と一緒に冷却機を形成している。

タンク供給管路３０の端部３０ａにおける蓄冷器７もまた同様に、冷却回路６を介して冷却され、この冷却回路６は蓄冷器７を別の蓄冷器２に接続しているので、蓄冷器７は別の蓄冷器２を介して冷却される。

前記別の蓄冷器２は、タンク供給管路３０全体の主要な部分を形成する燃料ポンプ管路３を介して、好ましくは空気力作動式の充填弁４（燃料ポンプの入口弁）に接続されている。充填弁４の下流側には、タンク供給管路３０を手動で遮断する手動弁５が設けられ、この手動弁５の下流側にはさらに流量計１３が設けられ、この流量計１３は、タンク供給管路３０内における水素の質量流を測定するために設定されかつ設置されている。

排気管路１４が、流量計１３の下流側においてタンク供給管路３０から分岐しているので、排気管路１４に配置された排気弁１５を介して、水素をコントロールして環境に放出することができる。流量計１３の下流側には、前記蓄冷器７が配置されており、この蓄冷器７には、離脱カプラ１１が（可能な限り短い接続部を介して）接続されており、この離脱カプラ１１は、フレキシブルなタンクホース１０をタンク供給管路３０に解離可能に連結している。さらに蓄冷器７の出口では媒体の温度を、温度センサ１２を用いて検出することができる。タンクホース１０は、さらにその自由端部に設けられた充填カプラ１９を介して、貯蔵容器８に連結可能であるので、気体の水素を、リザーバからタンク供給管路３０を介して、その都度の貯蔵容器８に導入することができる。貯蔵容器８は、通常、貯蔵容器弁９（逆止弁）によって逆流を防止されている。

本発明による方法では、まず、貯蔵容器もしくは車両タンク８への本来の充填の前に、蓄冷器７が、特に−４０℃の、予め確定された運転温度に冷却される。このとき冷却は、蓄冷器７から熱を奪う、つまり蓄冷器７を冷却する冷却回路６を介して行われる。

その後で、充填の第１段階中、特に圧力テスト及びシールテストの後で、弁１におけるランプレギュレータを用いて、好ましくは圧力ランプ（Druckrampe）が作動させられ、その結果水素は、充填弁４の開放時に別の蓄冷器２を介して流され、冷却され、かつ次いで燃料ポンプ管路３もしくはタンク供給管路３０内において加熱され（タンク供給管路３０、特に燃料ポンプ管路３から媒体への熱伝達）、さらなる経過において、温度調整された蓄冷器７を介して貯蔵容器８内に流入する。このとき最初は、蓄冷器７への流入時における媒体（水素）の温度は、蓄冷器７の運転温度よりも高いので、媒体から蓄冷器７への熱伝達が行われ、この熱伝達によって、下流側に配置された貯蔵容器８に流入する媒体の温度は、許容範囲もしくは所望範囲（好ましくは−４０℃〜−３３℃）に比較的早く低下する。

次いで行われる充填の第２段階において、タンク供給管路３０が後から流れる（nachstroemend）水素によって冷却されるや否や、蓄冷器７もまた同様に後から流れる水素によって冷却される。蓄冷器７に追加的に伝達される冷却能力は、つまり、蓄冷器７及び接続管路の絶縁に関連した損失出力よりも幾分大きいだけである。

１ ランプレギュレータを備えた弁
２ 別の蓄冷器（「Alu Coldfill」）
３ 燃料ポンプ管路
４ 充填弁
５ 手動弁
６ 冷却回路
７ 蓄冷器（「Alu Coldfill」）
８ 貯蔵容器
９ 貯蔵容器弁
１０ タンクホース
１１ 離脱カプラ
１２ 温度センサ
１３ 流量計
１４ 排気管路
１５ 排気弁
１９ 充填カプラ
２０ 冷却回路
３０ タンク供給管路
３０ａ 端部
３０ｂ 部分

Claims (9)

1. 圧力下にある気体の媒体、特に水素を、特に車両タンクとして形成された貯蔵容器に充填する方法であって、前記貯蔵容器（８）に、タンク供給管路（３０）と、該タンク供給管路（３０）の１つの端部（３０ａ）に設けられた充填カプラ（１９）とを介して、前記媒体を充填し、このとき前記貯蔵容器（８）への充填前に、前記充填カプラ（１９）の上流において前記タンク供給管路（３０）の前記端部（３０ａ）に設けられた、前記媒体を冷却する蓄冷器（７）を、予め確定された運転温度に冷却し、これにより、前記貯蔵容器（８）への充填の第１段階において前記タンク供給管路（３０）を通って流れ、かつそのときに該タンク供給管路（３０）内において特に加熱される媒体を、前記蓄冷器（７）によって、予め確定された目標温度に冷却し、このとき、前記タンク供給管路（３０）が後から流れる媒体によって冷却された時に、前記蓄冷器（７）を、前記貯蔵容器（８）への充填の第２段階において、後から流れる媒体によって再び冷却することを特徴とする、圧力下にある気体の媒体を貯蔵容器に充填する方法。
2. 前記蓄冷器（７）は前記運転温度時に、前記充填の第１段階において前記蓄冷器（７）によって−４０℃〜−３３℃の範囲における目標温度に前記媒体を冷却する蓄冷体を有する、請求項１記載の方法。
3. 前記蓄冷器（７）を、前記貯蔵容器（８）への充填前に冷却回路（６）を介して前記運転温度に冷却し、前記冷却回路（６）は、前記蓄冷器（７）の上流側においてタンク供給管路（３０）に設けられた別の蓄冷器（２）に連結されている、請求項１又は２記載の方法。
4. 特に請求項１から３までのいずれか１項記載の方法において使用するための、圧力下にある気体の媒体、特に水素を、特に車両タンクとして形成された貯蔵容器に充填する充填装置であって、
   タンク供給管路（３０）であって、該タンク供給管路（３０）の１つの端部（３０ａ）に設けられた充填カプラ（１９）を介して、前記貯蔵容器（８）への充填のために該貯蔵容器（８）に接続可能なタンク供給管路（３０）と、
   熱伝達によって、前記貯蔵容器（８）に充填される前記媒体を冷却又は加熱するように形成された蓄冷器（７）と、を備えた充填装置において、
   前記蓄冷器（７）は、前記充填カプラ（１９）の上流側において前記タンク供給管路（３０）の前記端部（３０ａ）に設けられていることを特徴とする、圧力下にある気体の媒体を貯蔵容器に充填する充填装置。
5. 前記蓄冷器（７）は、前記タンク供給管路（３０）のタンクホース（１０）の上流側に配置されていて、このとき該タンクホース（１０）の自由端部に前記充填カプラ（１９）が設けられている、請求項４記載の充填装置。
6. 前記蓄冷器（７）は、前記タンク供給管路（３０）の離脱カプラ（１１）の上流側において、特に該離脱カプラ（１１）の直前に配置されており、該離脱カプラ（１１）は、引張りによって前記タンク供給管路（３０）から前記タンクホース（１０）を分離するために形成されている、請求項５記載の充填装置。
7. 前記蓄冷器（７）は、該蓄冷器（７）を冷却するために冷却回路（６）を介して別の蓄冷器（２）に接続されている、請求項４から６までのいずれか１項記載の充填装置。
8. 前記別の蓄冷器（２）は、前記タンク供給管路（３０）の、前記蓄冷器（７）の上流側における部分（３０ｂ）を冷却するために形成されている、請求項７記載の充填装置。
9. 前記蓄冷器（７）は、前記タンク供給管路の１つの部分（端部）を取り囲む又は前記タンク供給管路の前記部分を形成する、金属製のボディ、特にアルミニウム製のボディから形成されていて、前記蓄冷器（７）によって取り囲まれた前記管路部分の内部又は前記蓄冷器（７）によって形成された管路部分の内部に、複数のワイヤ、好ましくは特殊鋼ワイヤが配置されている、請求項４から８までのいずれか１項記載の充填装置。

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