JP2016527450A - 水素タンク圧力を求める方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、加圧されたガス状水素をタンク（５）に補給する前に、前記タンク（５）内のタンク圧力（１２）を求める方法であって、前記補給に用いられる水素が液状水素として貯蔵されている貯蔵器（１）が、充填管路（２）と、それに続く前記タンク（５）の逆止弁（４）とを介して前記タンク（５）に接続されている、方法に関している。本発明によれば、ポンプ（３）を用いて前記貯蔵器（１）から水素が前記充填管路（２）内へ圧送され、前記充填管路（２）内で生じている充填管路圧力（１１）が測定され、前記充填管路圧力（１１）がタンク圧力（１２）を上回った場合に、前記逆止弁（４）が開放され、さらに前記タンク圧力（１２）は、前記逆止弁（４）が開放された場合に生じる充填管路圧力（１１）として定められる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の加圧されたガス状水素をタンクに補給する前に、タンク内のタンク圧力を求める方法に関している。
燃料としてガス状水素が補給される車両には、特別な仕様の補給ステーションが必要とされ、この補給ステーションは、比較的高圧の水素（最大８５０ｂａｒ）を車両内のタンクに充填できるように設計されている。このような補給ステーションは、液状水素（−２５３℃）が充填された真空絶縁された低温貯蔵器を備えており、この貯蔵器が、補給ステーションの水素供給のためのリザーバーとして用いられている。但し燃料補給に際しての水素は気相状態であるべきなので、このような補給ステーションでは、通常はガスバッファ貯蔵器が備えられており、このガスバッファ貯蔵器がリザーバーからの水素供給を受けた後で、そこからタンク（例えば水素駆動車のタンク）への燃料補給が行なわれている。
この種の車両の燃料補給の際の環境に対する安全性（爆発の危険性）を保証し、燃料補給プロセスのための標準規格を得るために、複数の自動車メーカーからなるコンソーシアムは標準規格ＳＡＥＪ２６０１を統一させた。この標準規格は、とりわけ安全に係る限界と、車両側の通信なしで車両の燃料補給過程のための性能要求を定めている。このＳＡＥＪ２６０１は、車両のタンク温度を８５℃以上に上昇させることなく、水素駆動車が３分以内で７００バールまで燃料補給されることを定めている。さらにこの標準規格ＳＡＥＪ２６０１は、とりわけ水素ステーションの充填管路が適切に車両タンクに接続されたことを保証するために、タンクへの燃料補給前に、圧力テストと気密性テストが実施されることを定めている。前述の圧力テストでは、最初に充填管路と車両タンクとの間の圧力補償を生じさせるために、充填管路の接続の際にタンクが短時間だけサージ圧力によって開かれ、車両のタンク内の未知の圧力が求められる。その後の充填管路内に供給される圧力は、タンクのタンク圧力に相応する。
前述の圧力テスト及び気密性テストのためのサージ圧力は、通常は高圧下のガスバッファ貯蔵器から直接実施されるので、充填管路内の下流側の構成要素、例えば圧力トランスミッタ、サーモメータ、流量測定器、バルブ及びこれらのネジ込み接続部は、当該サージ圧力（約８５０ｂａｒ）に直接さらされる。さらにそのような圧力テストは、本来の補給過程を開始した際にも、下流側の構成要素内でさらなる圧力ピークを頻繁にもたらす。この圧力ピークは、加圧された残留体積量を充填管路の一部に逆流させる。このような充填管路内での負荷変動は、下流側構成要素の異常に早い摩耗を促進し、それに伴ってこれらの構成要素の寿命も低下する。
従って、本発明の課題は、前述したような従来技術における欠点に鑑み、そのような充填管路内の負荷変動が低減される、タンク内のタンク圧力を求める方法を提供することである。
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載されている本発明の方法によって解決される。
それによれば、水素がポンプを用いて貯蔵器から充填管路へ圧送され、ここで前記充填管路内に生じる充填管路圧力が測定され、前記充填管路圧力がタンク圧力を超えた場合には、逆止弁が開放され、前記タンク圧力は逆止弁が開放された場合に生じる充填管路圧力として定められる。好ましくは、前記ポンプは、低温ポンプであり、このポンプは水素を一定の質量流量で貯蔵器から充填管路内へ圧送し、前記各貯蔵器は、特に真空断熱された低温貯蔵器である。
液状水素は、好ましくは、高圧蒸発器を介して気相状態で圧送される前に、ポンプによって圧縮される。
さらにそのようなポンプは、好適にはピストンポンプとして構成され、これはピストンのストローク毎に、当該ピストンポンプのシリンダ容積に相応する所定の体積分を充填管路内に圧送する。このようにしてほぼ連続的に充填管路内の圧力が増加され、これは充填管路圧力が、逆止弁を押し開けるのに十分となるまで続けられる。
その際には逆止弁を確実に開くために、前記ポンプが充填管路をとりわけ約８５０ｂａｒまで加圧することが保証される。車両のタンクは、最大７００ｂａｒまで、水素を加圧することができる。
充填管路内の圧力は、好ましくは圧力トランスミッタによって検出される。そのため充填管路内の圧力の時間プロフィルは再構築可能である。特に、逆止弁が開いているときには、充填管路圧力はタンク圧力に相応している。従って本発明の変形例では、タンク圧力が充填管路圧力の時間プロフィルに基づいて求められる。
この点に関して、本発明の好ましい実施形態によれば、前記タンク圧力は、充填管路圧力として定められる。この圧力は、充填管路圧力の時間プロフィルの平坦化の後に占められている圧力である。このことは、特に、逆止弁が開き、ポンプによって加圧すべき体積量が増大する場合に相当する。なぜならタンクは、充填管路に対する付加的な体積量を表すからである。それにより、圧力上昇は、同じポンプ出力のもとで僅かになる。
本発明の変形例によれば、タンク圧力を求めた後で、まず充填管路の気密性テストを実施するために、好ましくは５秒〜２５秒の所定の期間に亘って、さらなる水素がタンク内に圧送されることはない。この場合特に充填管路圧力の一定の時間プロフィルの中で、各期間に亘り充填管路の気密性が推定される。ここでは特に、充填管路が車両のタンクに適切に接続されているか否かが検査され、さらにタンクまでの接続路における漏れが除外されるか否かが検査される。この漏れは、後続の補給過程において著しい水素量の流出につながる。
好ましくは、充填管路の気密性が担保された場合に、タンク圧力が求められたタンクが所定の圧力勾配を伴って水素を補給される。このことは、特に一定の圧力レートで行われる。この圧力レートは、上記の標準規格に従って、周辺温度と車両タンク内の圧力とに依存して選択される。
以下の実施形態の説明では本発明のさらなる詳細及び利点を、図面に基づきを詳細に説明する。
ガス状水素をタンクに充填するための装置の概略図 圧力及び気密性テスト中、及びその後のタンクへの燃料補給中の充填管路内の圧力プロフィルの概略図
発明を実施するための形態
図１には、タンクにガス状水素を充填するための装置が概略図で示されている。この装置は、好ましくは液状水素を貯蔵した貯蔵器１を備えている。この貯蔵器１は、ここではポンプ管路６を介してポンプ３に接続されており、このポンプ３は、充填管路２と、補給すべきタンク５の逆止弁４とを介して、タンク５に接続されている。
図２には、本発明による方法を実施中の、充填管路２内の圧力プロフィル１１が時間軸で概略的に示されている。ここでは、縦軸に充填管路圧力ｐがプロットされ、横軸には、圧力及び気密性テスト中とその後のタンク５への燃料補給中の時間軸ｔが示されている。
まず、ポンプ３を用いた充填管路２の加圧状態を表す圧力上昇７が示される。但し最初はタンク５の逆止弁４を開くのが目的なので比較的僅かである。逆止弁４が、ポンプ３の連続的なポンピング作用によって開くと同時に、より平坦化された圧力上昇８が現れる。なぜなら付加的な容積、詳細にはタンク５内の付加的な容積が加圧されなければならないからである。ここにおいて、タンク５内に生じるタンク圧力１２は、充填管路２内で測定された充填圧力ｐとなる。平坦化された圧力上昇８を検出した後では、気密性テスト９が続けられる。このテスト中は、所定の期間に亘って、更なる水素が、タンク５内に圧送されることはない。充填管路２内の圧力プロフィル９が、理想的に一定のまま保持されるのであれば、タンク５までの充填管路２ないし接続路の気密性が保持されていることが推定される。この気密性テスト９が問題なく終了した場合には、直ちに本来の補給過程が所定の圧力勾配１０を伴って開始される。
１ 貯蔵器
２ 充填管路
３ ポンプ
４ 逆止弁
５ タンク
６ ポンプ管路
７ 充填管路内の圧力上昇
８ 圧力上昇の平坦化
９ 気密性テスト
１０ 圧力勾配
１１ 圧力プロフィル
１２ タンク圧力
Ｐ 充填管路圧力
Ｔ 時間
Ｖ 高圧蒸発器

Claims (6)

  1. 加圧されたガス状水素をタンク（５）に補給する前に、前記タンク（５）内のタンク圧力（１２）を求める方法であって、
    前記補給に使用される水素が液状水素として貯蔵されている貯蔵器（１）が、充填管路（２）と、それに続く前記タンク（５）の逆止弁（４）とを介して前記タンク（５）に接続されている、方法において、
    ポンプ（３）を用いて水素が前記貯蔵器（１）から前記充填管路（２）内へ圧送され、
    その際前記充填管路（２）内で生じている充填管路圧力（１１）を測定し、
    前記充填管路圧力（１１）がタンク圧力（１２）を超えている場合に、前記逆止弁（４）を開放し、
    さらに前記タンク圧力（１２）を、前記逆止弁（４）が開放された場合に生じる充填管路圧力（１１）として定めるようにしたことを特徴とする方法。
  2. 前記液状水素を、前記ポンプ（３）の下流側で、特に高圧蒸発器（Ｖ）を用いてガス状に移行させ、その後ガス状の水素を前記充填管路（２）内に供給する、請求項１記載の方法。
  3. 前記タンク圧力（１２）を、前記充填管路圧力（１１）の時間プロフィルに基づいて求める、請求項１又は２記載の方法。
  4. 前記タンク圧力（１２）を、前記充填管路圧力（１１）の時間プロフィルの平坦化（８）の後で支配的な充填管路圧力（１１）として定める、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
  5. 前記タンク圧力（１２）を求めた後で、前記充填管路（２）の気密性テスト（９）を実施するために、最初は所定の期間に亘ってさらなる水素が前記タンク（５）内へ圧送されず、特に前記充填管路圧力（１１）の一定した時間プロフィルが各期間に亘って現れたときに、前記充填管路（２）の気密性を推定する、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
  6. 前記タンク（５）は、前記求められたタンク圧力（１２）から始めて所定の圧力勾配（１０）で水素を補給する、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
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