JP2016535215A

JP2016535215A - ガス貯蔵と共に使用するための圧力逃がしの検出

Info

Publication number: JP2016535215A
Application number: JP2016536321A
Authority: JP
Inventors: ゴードン，ブライアン
Original assignee: ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: EP3036472B1; WO2015026621A3; AU2014309186B2; WO2015026621A2; EP3036472A2; KR20160045855A; US9939298B2; CA2922086C; AU2014309186A1; KR102329911B1; ES2673419T3; US20150053274A1; JP6527151B2; CA2922086A1

Abstract

本発明の開示は、加圧ガスを収容する貯蔵タンクに連結された圧力逃がし装置の作動を検出するための方法およびシステムを対象とする。本方法は、貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、該圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および該圧力逃がし装置の復元値の少なくとも１つを包含する、１セットの入力値に基づき、圧力逃がし装置の放出速度を計算することを包含する。本方法はさらに、該貯蔵タンク内の圧力を経時的に監視して差圧の読取り値を計算すること、該経時的な差圧の読取り値を、該圧力逃がし装置の放出速度と比較すること、および該比較の結果に基づき圧力逃がし装置の作動を検出することを包含する。【選択図】なし

Description

[001]本出願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１３年８月２３日付けで出願された米国仮出願第６１／８６９，１１９号の利益を主張する。

[002]本発明の開示は、ガス貯蔵と共に使用するための圧力逃がしの検出を対象とし、より具体的には、圧力逃がし装置の作動の検出および通知を対象とする。

[003]安全で有効なガス貯蔵は、貯蔵装置内のガスを監視する様々な技術を必要とする。いくつかのガスおよび貯蔵システムは、どこでどのようにガスを貯蔵するかに応じて特定の安全装置を必要とする。またガスの使用法も考慮が必要な場合がある。例えば、水素の貯蔵は、輸送用途、据え付けでの用途、および携帯での用途における水素および燃料電池の電力技術の商業化の成功に必要である。「水素経済」の長期的持続可能性は、水素貯蔵の効率、安全性、および費用対効果に大きく依存する。気体の水素は、貯蔵エネルギーの便利で一般的な一形態であり、通常は圧縮されて封じ込められる。有利には、水素を高圧で貯蔵することは、より高いエネルギー密度をもたらす。

[004]水素貯蔵タンクは、４つの区分、すなわちタイプ１、タイプ２、タイプ３、およびタイプ４に分類することができる。各タンクは、構築材料に基づき異なる最大圧力強度を有し、タイプ１は、最も低い圧力に格付けされ、タイプ４は、最も高い圧力に格付けされる。例えば、鋼で作製されたタイプ１のタンクは、約２，９００ｐｓｉの最大圧力の格付けを有し得るし、一方で、プラスチック／炭素繊維で作製されたタイプＩＶのタンクは、９，５００ｐｓｉに等しいかまたはそれより大きい最大圧力の格付けを有し得る。この１０年で、タイプＩＶのタンクは、数々の主要な自動車メーカーによって製造された燃料電池自動車に搭載される水素貯蔵に使用されてきた。

[005]据え付けで、および移動車両で使用するための水素貯蔵タンクは、タンクの過剰な加圧を防ぐように設計された統合された圧力逃がし弁（ＰＲＶ）、および制御要素の故障、火災、または流れの閉塞という事象における支援要素を必要とする。典型的には、これらのＰＲＶは、タンクの用途に応じて米国機械学会（ＡＳＭＥ；American Society of Mechanical Engineers）または運輸省（ＤＯＴ；Department of Transportation）の認定を受けることが必要である。簡便なＰＲＶに関する１つの課題は、過剰な加圧によって引き起こされるＰＲＶ作動の事態において、異常を検出する能力と、制御システムを適切に反応させる能力が欠けることである。作動を検出する制御システムの能力は、具体的な制御システム反応を可能にし、例えば、大量貯蔵システムの場合において、制御システムの反応は、貯蔵システムへの余分な水素供給を防ぐことができる。携帯用途の場合では、制御システムの反応は、燃料の消費を止めて、車両を適切に反応させることができる。加えて、制御システムにより作動を検出する能力は、制御システムから、顧客、使用者、またはサービス要員に通知を送らせることができる。

[006]近年、より知的なＰＲＶが開発されており、これは、ＰＲＶの作動を検出するための統合された近接スイッチを使用したものである。しかしながら、これらのＰＲＶは、より複雑で高価であり、高圧用途では利用できない。現在のところ、利用可能な知的なＰＲＶは、高圧用途（すなわち、５，０００ｐｓｉより高い圧力）に格付けされていない。加えて、これらのＰＲＶは誤った作動をもたらす可能性があるため、信頼度に懸念がある。したがって、高圧で貯蔵されたガス中での圧力逃がしの作動を検出するための、改善されたシステム、装置および方法が求められている。

[007]前述の環境を考慮して、本発明の開示は、加圧ガス貯蔵と共に使用するための、圧力逃がし装置の作動を検出するための新しい方法およびシステムを対象とする。本方法およびシステムは、高圧用途で使用される具体的なガスごとに設定変更が可能である。

[008]本発明の開示の一実施態様は、加圧ガスを収容する貯蔵タンクに連結された圧力逃がし装置の作動を検出する方法を対象とする。本方法は、貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および圧力逃がし装置の復元値の少なくとも１つを包含する、１セットの入力値に基づき、圧力逃がし装置の放出速度を計算することを含む。本方法はさらに、貯蔵タンク内の圧力を経時的に監視して差圧の読取り値を計算すること、差圧の読取り値を、圧力逃がし装置の放出速度と経時的に比較すること、および比較の結果に基づき圧力逃がし装置の作動を検出することを包含する。

[009]別の実施態様において、圧力逃がし装置の放出速度の計算は、圧力逃がし装置に関するチョーク流れの方程式に基づく。別の実施態様において、経時的な差圧の読取り値を計算することは繰り返され、差圧の値は経時的に平均化される。別の実施態様において、本方法は、圧力逃がし装置の作動の検出後にシステム警報を作動させることをさらに含む。

[010]別の実施態様において、比較の結果に基づき圧力逃がし装置の作動を検出することは、経時的な差圧の読取り値が、圧力逃がし装置の放出速度より大きいかまたはそれに等しいときを確認することを含む。別の実施態様において、圧力逃がし装置の放出速度を計算することは、通常運転中に加圧ガスが放出するように設計された調整装置の位置を考慮に入れることをさらに含む。

[011]本発明の開示の別の実施態様は、加圧ガスを収容する貯蔵タンクに連結された圧力逃がし装置の作動を検出するための制御装置を対象とする。制御装置は、圧力変換器からの圧力の読取り値の入力を受信し、経時的な差圧の読取り値を計算し、経時的な差圧の読取り値を、１セットの入力値に基づき決定された圧力逃がし装置の放出速度と比較するように設計されたプロセッサーを含み、比較に基づいて、制御装置は、圧力逃がし装置の作動が起こっているかどうかを検出し、ここで圧力変換器は、圧力逃がし装置の上流に位置し、貯蔵タンク内の圧力は、約１０，０００ｐｓｉより大きい。別の実施態様において、制御装置は、グラフィカルユーザーインターフェース、メモリデバイス、および動力源をさらに含む。別の実施態様において、１セットの入力値は、貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および圧力逃がし装置の復元値の少なくとも１つを包含する。

[012]本発明の開示の別の実施態様は、圧力逃がしを検出するように設計されたシステムを対象とする。本システムは、ガスを収容するように設計された少なくとも１つの貯蔵タンク、ガスの圧力を読み取るように設計された圧力変換器、通常運転中のガスの放出を制御するように設計された圧力調整装置、作動してガスを放出させて、貯蔵タンクの過剰な加圧を防ぐように設計された圧力逃がし装置、および圧力変換器からの圧力の読取り値を受け、経時的な差圧の読取り値を計算し、経時的な差圧の読取り値を、１セットの入力値に基づき決定された圧力逃がし装置の放出速度と比較するように設計された制御装置であり、比較に基づいて、制御装置は、圧力逃がし装置が作動しているかどうかを検出する、制御装置を含む。

[013]別の実施態様において、制御装置は、プロセッサー、グラフィカルユーザーインターフェース、メモリデバイス、および動力源をさらに含む。別の実施態様において、１セットの入力値は、貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および圧力逃がし装置の復元値を包含する。別の実施態様において、圧力逃がし装置の放出速度の計算は、圧力逃がし装置に関するチョーク流れの方程式に基づく。別の実施態様において、経時的な差圧の読取り値を計算することは繰り返され、その結果は経時的に平均化される。別の実施態様において、制御装置はさらに、圧力逃がし装置の作動の検出後にシステム警報を作動させるように設計されており、システム警報は、少なくとも適切な要員またはシステムに応答するよう通知を提供するように設計されている。別の実施態様において、圧力逃がし装置の放出速度を計算するときに、制御装置は、通常運転中に加圧ガスを放出させるように設計された調整装置の位置を考慮に入れるように設計されている。別の実施態様において、圧力逃がし装置のオリフィスの断面積は、圧力調整装置のオリフィスの断面積より大きい。

[014]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないことが理解されると予想される。

[015]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、これらは本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。

[016]図１は、例示的な実施態様に係る貯蔵システムの一部の概略図である。 [017]図２は、例示的な実施態様に係る圧力逃がし装置の一部の概略図である。 [018]図３は、例示的な実施態様に係る制御ロジックに関する流れ図である。

[019]以下、本発明の開示の本発明の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。本発明の開示の方法およびシステムは、水素貯蔵に関して説明されるが、様々な種類の加圧貯蔵システムで採用できることが理解される。例えば、天然ガス、窒素、一酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、塩素、酸素、および他の類似のガスの加圧ガス貯蔵である。

[020]図１は、例示的な実施態様に係る貯蔵タンクシステム１００の一部を示す。貯蔵タンクシステム１００は、貯蔵タンク１１０、流入口通路１２０、流出口通路１３０、調整装置１４０、圧力逃がし装置１５０（ＰＲＤ）、圧力変換器１６０、制御装置１７０、および排気通路１８０を含んでいてもよい。

[021]貯蔵タンク１１０は、ガス１１１を受け入れ、貯蔵し、および放出させるように設計されていてもよい。ガス１１１としては、エネルギー源、例えば水素ガスまたは天然ガスなどを挙げることができる。貯蔵タンク１１０は、金属（例えば鋼またはアルミニウム）、プラスチック、複合材料、炭素繊維、または他の材料で形成されていてもよい。貯蔵タンク１１０は、約５，０００ｐｓｉ、１０，０００ｐｓｉまたは１５，０００ｐｓｉおよびそれより高い最大圧力強度を有していてもよい。貯蔵タンク１１０は、約１リットル、２リットル、５リットル、１０リットル、５０リットル、１００リットル、１，０００リットル、１０，０００、または５０，０００リットルおよびそれより大きい体積を有していてもよい。貯蔵タンク１１０は、単一のチャンバーで形成されていてもよいし、または複数のチャンバーで形成されていてもよい（示されていない）。複数のチャンバーは、弁で隔てられていてもよいし、または流体連通していてもよい。複数のタンク内で、ガスは、異なる圧力で貯蔵されていてもよい。例えば、低圧貯蔵タンク、中圧貯蔵タンク、および高圧貯蔵タンクが存在していてもよい。例えば、工業用途の場合、低圧から高圧の範囲は、約５００ｐｓｉから約６，５００ｐｓｉであってもよく、自動車用途の場合、低圧から高圧の範囲は、約２，０００ｐｓｉから約１５，０００ｐｓｉであってもよい。

[022]流入口通路１２０は、ガス１１１が貯蔵タンク１１０に流入するように設計されていてもよい。流入口通路１２０は、単一の流入口または複数の流入口になるように設計されていてもよい。大量貯蔵システムの場合、流入口通路１２０は、ガス発生供給源（示されていない）と流体連通するように設計されていてもよい。例えば、水素貯蔵システムの場合では、流入口通路１２０は、水素圧縮システム（例えば、電気化学的水素圧縮機）、高圧電解槽、または他の類似のガス圧縮機または源と流体連通していてもよい。移動車両用途の場合、流入口通路１２０は、補給ラインの連結部、例えば補給ノズル（示されていない）などを受けるように設計されていてもよい。

[023]流出口通路１３０は、貯蔵タンク１１０からのガス１１１を放出させるように設計されていてもよい。大量貯蔵システム用途の場合、流出口通路１３０は、移動車両内の貯蔵タンクを補給するのに使用される補給用の連結部であってもよい。移動車両用途の場合、流出口通路１３０は、車両のエンジンまたは燃料電池に燃料供給するように設計されていてもよい。また流出口通路１３０は、据え付け式の貯蔵用途の場合では車両の貯蔵タンクに連結されるように設計されていてもよい。他の実施態様において、流出口通路１３０は、流入口通路と流出口通路の両方として作動するように設計されていてもよい。そのような場合において、調整装置１４０周辺の迂廻路（示されていない）は、逆流できるように設計されていてもよいし、逆止弁（示されていない）をライン中に取り付けてもよい。

[024]調整装置１４０は、貯蔵タンク１１０と流出口通路１３０との間に位置していてもよい。調整装置１４０は、ガス１１１の貯蔵タンク１１０からの放出圧力および／または流れを制御するように設計されていてもよい。例えば、調整装置１４０は、制御弁（例えば、ボール弁、バタフライ弁、ニードル弁、仕切り弁、ステム弁またはダイヤフラム弁）の形態をとっていてもよい。調整装置１４０は、オリフィス／開口部を含んでいてもよく、その断面積は、開度（percent open）に基づき変化し得る。

[025]様々な実施態様によれば、調整装置１４０は、完全に閉じて、貯蔵タンク１１０内のガス１１１を流出口通路１３０から隔てるように設計されていてもよい。調整装置１４０は、制御装置１７０と通信するように設計されていてもよい。例えば、制御装置１７０は、調整装置１４０から位置情報（すなわち、開いている、閉じている、開度（percent open）、など）を受信することができる。

[026]図１で示されるように、圧力変換器１６０は、貯蔵タンク１１０と調整装置１４０との間に位置し、その両方と流体連通していてもよい。圧力変換器１６０は、貯蔵タンク１１０内のガス１１１に関連する圧力を読み取るように設計されていてもよい。圧力変換器１６０は、ガス１１１の圧力を連続的または定期的に読み取るように設計されていてもよい。圧力変換器１６０は、制御装置１７０に圧力の読取り値を連続的または間欠的に送信するように設計されていてもよい。

[027]図１で示されるように、圧力変換器１６０の下流は、ＰＲＤ１５０と排気通路１８０とを含む補助ラインであってもよい。ＰＲＤ１５０は、作動している場合（すなわち、開いている場合）、排気通路１８０を通じてガス１１１を放出させ、非作動の場合（すなわち、閉じている場合）、排気通路１８０を貯蔵タンク１１０から隔てるように設計されていてもよい。

[028] 図２で示されるような典型的な実施態様によれば、ＰＲＤ１５０は、本体１５１、オリフィス１５２、ディスク１５３、およびばね１５４を含んでいてもよい。ばね１５４は、ディスク１５３に力を加えてオリフィス１５２を遮断することができる。ばね１５４により加えられた力は、調整することができる。ＰＲＤ１５０は、ガス１１１の圧力が予め決められた圧力限界の設定値を超えたときに、排気通路１８０を通じてガス１１１を放出させることによって貯蔵タンクシステム１００の過剰な加圧を防ぐように設計されていてもよい。

[029]様々な実施態様によれば、オリフィス１５２の断面積は、調整装置１４０のオリフィス／開口部の断面積より大きい。それゆえに、圧力限界の設定値を超えるとき、オリフィス１５２を通じて排気通路１８０に出る流れは、最も流動抵抗の小さい経路でありうる。

[030]様々な実施態様によれば、ガス１１１の圧力が圧力限界の設定値未満に落ちるとき、ばねの力が、ディスク１５３を復元させて、オリフィス１５２を遮断し、ＰＲＤ１５０および排気通路１８０を通るガス１１１の流れを止めることができる。

[031]図１で示されるように、典型的な実施態様によれば、制御装置１７０は、プロセッサー１７１、メモリデバイス１７２、およびグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）１７３で構成されていてもよい。制御装置１７０は、ＧＵＩ１７３を経由して使用者または操作員からのプログラムされた入力を受信することに加えて、機器（例えばセンサー、弁、制御装置など）からの入力を受信するように設計されていてもよい。制御装置１７０は、設定された間隔で、例えば１秒、０．１秒、０．０１秒、または０．００１秒毎に機器の読取り値を監視するように設計されていてもよい。制御装置１７０および圧力変換器１６０と、調整装置１４０との間の通信は、電流／電圧（例えば、４〜２０ｍＡの信号または１〜１０ＶＤＣの信号）、フィールドバス通信（例えば、ＰＲＯＦＩＢＵＳまたはＭＯＤＢＵＳ）、パルス／周波数プロトコル、Ｗｉ−Ｆｉ、またはブルートゥース（Bluetooth）（登録商標）を使用した制御配線によってなされてもよい。

[032]ＧＵＩ１７３は、使用者が１セットの入力値をプログラムすることを可能にし、ここで１セットの入力値は、貯蔵タンク１１０の体積、圧力逃がしの設定値、ＰＲＤ１５０のオリフィスの大きさ、ガス１１１の密度、およびＰＲＤ１５０の復元値を包含し得る。圧力逃がしの設定値は、システム（すなわち、貯蔵タンク、配管、構成要素など）の最大許容運転圧力に基づいていてもよい。様々な他の実施態様によれば、制御装置１７０は、フィールドバス通信の形態を使用して通信するように設計された情報処理機能を備えた計測機器を使用した装置から１セットの入力値の少なくとも１つまたはそれ以上を直接的に検出するように設計されていてもよい。さらに別の実施態様において、制御装置１７０としては、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）と通信するように設計されたプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）または共通のネットワーク上の他のＰＬＣを挙げることができ、これらの入力の少なくとも一部を、別の制御装置またはＰＬＣからの入力として受信することができる。

[033]典型的な実施態様によれば、圧力逃がし装置の放出速度は、所与のＰＲＤ１５０ごとに計算することができる。チョークしたオリフィス流の計算は、１セットの入力変数から圧力逃がし装置の放出速度を計算するのに使用することができる。

[034]１セットの入力変数は、貯蔵タンク１１０の体積、圧力逃がしの設定値、ＰＲＤ１５０のオリフィスの大きさ、ガス１１１の密度、およびＰＲＤ１５０の復元値を包含し得る。これらの入力に基づき、ＰＲＤ１５０ごとの圧力逃がし装置の放出速度を計算することができる。したがって、ＰＲＤ１５０の有効オリフィスサイズが、調整装置１４０の最大有効オリフィスサイズより大きい場合、通常運転中のｄＰ／ｄｔ（すなわち、調整装置１４０を通る流れ）は、ＰＲＤ１５０放出中の放出速度より小さいと予想される。これは、ＰＲＤ１５０の計算された放出速度を、ＰＲＤ１５０が作動しているかどうかを検出するための制御ロジックにおける警報または設定値として使用することを可能にする。

[035]上述したように、典型的な実施態様によれば、制御装置１７０は、ＰＲＤ１５０の放出速度の値を決定するための計算を実行することができる。他の実施態様によれば、放出速度の値の計算を行うことができ、そしてその値を、入力信号として制御装置１７０に送信してもよいし、または使用者がＧＵＩ１７３を介してプログラムしてもよい。

実施例１
[036]以下の実施例は、圧力逃がし装置の放出速度を計算するのに使用できる方程式およびステップを概説する。以下の実施例に関して、ガスは水素と想定される。以下に示す表１は、計算に使用される単位を特定し、表２は、添え字を特定する。

[037]圧力逃がし装置の放出速度を計算するためのプロセスは、いくつかのセクションで説明することができる。第一のセクションは、計算に関する入力条件（すなわち、容器の初期条件、臨界圧力比、オリフィスの面積）を決定することを含んでいてもよく、第二のセクションは、オリフィスの方程式（すなわち、流出係数、チョーク流れの方程式、および非チョーク流れの方程式）を含んでいてもよく、第三のセクションは、ＰＲＤ放出を動的に解析すること（すなわち、時間＝ｉ後の結果生じる容器圧力を決定すること、時間＝ｉ後のオリフィス条件を決定すること、および繰り返しモデリングすること）を含んでいてもよく、第四のセクションは、ＰＲＤ放出速度の設定値を決定することを含んでいてもよい。最後に、当該計算は、追加のガスの消費者および供給元を考慮に入れることもできる。

初期の容器／貯蔵タンク条件：
[038]初期条件は、容器の圧力逃がしが起こる前の状態と定義することができる。以下の方程式を使用して、初期の容器条件を決定することができる。

容器／貯蔵タンクの体積：
V_vessel=V_cylinder×シリンダーの数 (1)
水素ガスの密度：
[039]水素は理想気体領域の挙動を示さないため、状態方程式から実在気体の密度を計算する必要性がある。例えば、「Revised Standardized Equation of State for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications」、E.W. Lemmon、M.L. Huber、J.W. Leachman、J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 113、341〜350（2008）を参照されたい。この方程式は、理想気体の状態方程式を利用して、所与の圧力および温度条件での圧縮係数を計算することにより実在気体を補正する。

[040]上記の方程式２について、Ｔは貯蔵容器中のガスのケルビン温度であり、Ｐは、ＭＰａでの容器中のガスの圧力である。解析目的の場合、温度は、周囲温度か、または最悪の場合の条件として、圧力逃がし装置の放出温度（すなわち、最も低い運転温度）と仮定することができる。定数ａ_ｉ、Ｂ_ｉ、およびＣ_ｉは、Lemmon、Huber、およびLeachman（2008）で定義されており、以下の表３に示す通りである。

[041]圧縮係数が決定されれば、密度は、以下に方程式３として示される理想気体の法則を使用して計算することができる。

[042]方程式３の場合、Ｐは、ＭＰａでの容器内部のガスの圧力であり、Ｚは、方程式２から計算された圧縮係数であり、Ｒは、一般気体定数であり、Ｔは容器内部のガスのケルビン温度である。

[043]以下に示す方程式４を使用して、方程式３からのモル基準の密度を質量基準の密度（キログラム／立方メートル）に変換することができる。

[044]方程式４に関して、水素の分子量は、２．０１５８８ｇ／ｍｏｌに等しい。

初期の容器の質量：
[045]以下に示す方程式５を使用して、初期質量を決定することができる。方程式５は、初期条件における容器中の水素ガスの総質量をキログラム単位で提供する。
m_{vessel initial}=ρ_{initial vessel}×V_vessel (5)
オリフィスの面積：
[046]オリフィスの面積は、開放時の圧力逃がし装置の流出面積を指す場合がある。典型的には、製造元がオリフィスの直径を提供するが、直径が提供されない場合では、流動曲線または装置の速度係数（Ｃｖ）に基づきオリフィスの直径を内挿することができる。この実施例の目的に関して、オリフィスの直径が与えられると仮定すれば、以下の方程式６を使用して、面積を計算することができる。以下の方程式６において、Ａは、平方メートルでのオリフィスの面積であり、Ｒは、当該オリフィス直径の半径である。
Ａ_ori＝πＲ_orifice ^２ (6)
臨界圧力：
[047]臨界圧力は、定常状態挙動を仮定すると、上流の圧力がチョーク流れを引き起こすほど十分に大きい状態である。この方程式は、オリフィスの下流の条件が標準状態に近いと仮定している。以下の方程式７において、流入口圧力は、ｋＰａで示され、ｋは、比熱比（Ｃｐ／Ｃｖ）である。水素は理想気体ではないため、比熱比は、圧力と温度との関数として変化する。参照表を使用して、時間に対する系の状態に基づき正確な値を決定することができる。

オリフィスの方程式：
[048]下流環境が大気条件にあると仮定して圧力逃がし装置を通る実在気体の流れを決定するためのモデルで、オリフィスの方程式を使用することができる。典型的には放出中、圧力逃がし装置を通る流れは、チョーク流れ条件で始まると予想され、次いで場合によってはオリフィスの大きさに応じて非チョーク流れ条件に移行する可能性がある。一般的に、ＡＳＭＥまたはＤＯＴの認定を受けた、火災または流れの閉塞に対応するように設計されているＰＲＤの場合、流れがチョーク条件から脱する前にＰＲＤはレシートすると予想される。

流出係数：
[049]流出係数は、無次元数であり、オリフィスを通る実際の流れと理論上の流れとの関係である。典型的には、この数は、絶対的に、または参照表によって決定することができる。書籍、インターネットなどから、多くの形態の表を得ることができる。典型的には、表は、直径の比とレイノルズ数との関数としての分析を提供する。以下に示す表４は、典型的な表の例である。この分析の場合、流出係数は、０．６０である。

チョーク流れの方程式：
[050]以下に示す方程式８を使用して、チョーク流れ条件におけるキログラム／秒でのオリフィスを通る質量流量を決定することができる。方程式８の場合、流入口圧力は、容器の圧力であり、流入口密度は、容器内部のガスの密度であり、ｋは、比熱比である。

非チョーク流れの方程式：
[051]以下に示す方程式９を使用して、非チョーク条件におけるキログラム／秒でのオリフィスを通る質量流量を決定することができる。方程式９の場合、流入口圧力は、容器の圧力であり、流入口密度は、容器内部のガスの密度であり、流出口圧力は、オリフィスの下流圧力であり、ｋは、比率比である。

チョーク対非チョーク流速の決定：
[052]オリフィスを通る実際の流速は、条件がチョーク条件であるかまたは非チョーク条件であるかに依存している。これは、方程式７で計算された臨界圧力を使用して決定することができる。それに基づき、以下の「条件文（if statement）」を使用して、オリフィスを通る実際の流れを決定することができる。

圧力逃がし装置放出の動解析
[053]ＰＲＤの作動は、容器から除去される質量を時間の関数としてもたらすことができる。この解析に関して、物質収支の基本方程式を使用することができる。

時間＝１秒の場合、方程式は、以下のように表すことができる：

[054]方程式１０および１１の場合、ｄｍは、方程式８、９、および１０に基づき、所与の時間ｉでオリフィスによって除去された質量である。最終的な容器質量が解析されたら、以下の方程式に基づく容器圧力の再計算を行うことができる。

時間＝ｉにおける容器密度の決定：
[055]容器の体積が不変と仮定することができるため、以下の方程式を使用して、時間ｉの後の結果生じる密度を決定することができる。

時間＝ｉ後の結果生じる容器圧力の決定：
[056]時間＝ｉにおける圧力を決定するために、ＮＩＳＴの状態方程式の構成を使用することができ、この方程式は、アメリカ国立標準技術研究所の熱物理学ウェブブック（National Institute of Standards and Technology’s Thermo-physical Web Book）（http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/）からのプロットフィットデータに基づいている。以下の方程式１３に関して、Ｔは、ガスのケルビン温度である（ｔ＝０では初期条件と同じと仮定される）、ｒｈｏは、時間＝ｉにおけるガスの密度であり、Ｐは、ｋＰａでの結果として生じる圧力である。
P = (T^cb×Bb×ρ) + ((Ac+Bc×T+cc×T²+Dc×T³)ρ²) + ((Ad+Bd×T+Cd×T²+Dd×T³)ρ³) (13)
[057]下記表５に示される以下の定数は、方程式１３で使用することができる。

時間＝ｉ後のオリフィス条件の決定：
[058]圧力逃がし装置の作動によって引き起こされた貯蔵容器からの質量の損失における結果として圧力が計算されたら、オリフィスの方程式８、９および１０を再度解析して、どれだけの結果としての質量流量が得られるのかを決定することができる。

繰り返しのモデリング：
[059]結果としてのオリフィス条件を解析したら、時間を０に再設定することができ、方程式１１、１２、および１３を使用して繰り返しが行われる。このセットは、容器圧力が圧力逃がし装置の圧力と等しくなるか、または容器が空になるまで繰り返すことができる。

ＰＲＤ放出の設定値の決定：
[060]当該解析が行われたら、時間の関数としての容器圧力の変化の解析がなされる。当該情報に基づき、具体的な圧力逃がし装置のｄＰ／ｄｔ値を決定し、制御システムにプログラムすることができる。

追加の水素消費者または供給の影響に関するモデリング
[061]システムが、追加の消費者（例えば、ディスペンサー、燃料電池、または顧客）または供給源（例えば、水素発生器）を有する場合、時間＝ｉ後の結果生じる容器の質量にこれらの類型を考慮に入れるように、方程式１０を改変する必要があると予想される。

[062]この実施例に関して、全ての消費者の組合せは、圧力逃がし装置内部のオリフィスの最大の質量流量を超えてはならない。そうでなければ、ＰＲＤ放出条件が存在しない場合に、警報が作動してもよい。

[063]図３は、典型的な実施態様に係る制御装置１７０の制御ロジックの一部に関する流れ図を示す。制御ロジックは、ＰＲＤ１５０が作動しているかどうかを検出し、作動している場合、適した通知を提供するように設計されている。制御装置１７０が作動している場合、システムチェックを行い、入力（例えば、機器、弁）が適切に作動していることを確認することができる。システムチェックは、機器からの電圧、電流、ハンドシェイク信号、または他の信号が、予測される範囲内であることを確認することで構成されていてもよい。信号がプログラムされた範囲内ではない場合、図３で示されるように、システム障害がおこる可能性がある。

[064]制御装置１７０がシステムチェックを終えたら、貯蔵タンク１１０の圧力を監視するプロセスを始めることができる。制御装置１７０は、制御ループ時間１に、圧力変換器１６０からの貯蔵タンク１１０圧力の圧力読取り値を記録することができる（３０１）。次いで制御装置１７０は、制御ループ時間２に、貯蔵タンク１１０の圧力を再び記録することができる（３０２）。これらの２つの記録された圧力値は引き算をされて、差圧ｄＰ値を得ることができる。図３で示されるように、制御ループは、繰り返すことができ、制御装置１８０は、時間ｘにわたるこれらのｄＰ値を平均して、結果として移動平均ｄＰ／ｄｔの読取り値を得ることができる。上述したように、通常運転中（すなわち、ガス１１１が調整装置１４０を通って流れる間）、ｄＰ／ｄｔの読取り値は、ＰＲＤ１５０放出の計算された放出速度より小さいと予想される。

[065]図３で示されるように、平均ｄＰ／ｄｔの読取り値は、計算されたＰＲＤ１５０の放出速度と比較することができる。比較機能は、連続的または間欠的に実行することができる。その後、ｄＰ／ｄｔの読取り値が計算された圧力逃がし装置の放出速度より大きくなる場合、システムは障害を発生するかまたは警報を発すると予想される。システムが障害を発生するかまたは警報が発せられたら、即時のシャットダウンを開始させることができる。加えて、シャットダウン中、制御装置１７０は、システムに問題があることを要員に警告するように設計されていてもよく、それにより適切な応答を促すことができる。

[066]他の実施態様において、システムが障害を発生するかまたは警報を発した後、タンクから圧力を安全に開放するように設計された順序で、弁を開閉するかまたは他のシステム構成要素を制御することを、制御装置１７０により確認することができる。加えて、当該順序は、緊急シャットダウン中にガス１１１を受けるように設計されたダンプチャンバー（示されていない）に圧力が流れ出るように設計されていてもよい。ダンプチャンバーは、大気中に排気することができるガス１１１の量を制限することができる。

[067]他の実施態様において、制御装置１７０は、弁の現在の開度位置を示す調整弁１４０から信号を受信するように設計されていてもよい。制御装置１７０は弁の現在の開度位置を使用して、調整弁１４０に関する現在のｄＰ／ｄｔを計算することができる。その後、調整弁１４０に関する現在のｄＰ／ｄｔは、システムが障害を発生する／警報を始動させる圧力逃がし装置の放出速度の設定値の考慮に入れることができる。

[068]例えば、調整弁１４０が著しく絞られ、最小の流れが流出口通路１３０を通じて出る場合、ＰＲＤ１５０の作動は、ほぼ完全に排気通路１８０から流出する結果としての放出速度をもたらすと予想される。結果として、測定されたｄＰ／ｄｔと計算された放出速度とは、ほぼ等しくなり得る。さらに、圧力変換器に関する誤差の許容範囲、計算の端数処理、または計装機器の拡大縮小は、測定されたｄＰ／ｄｔを最終的な制御ロジック比較機能で計算された放出速度より小さくする可能性があり、ＰＲＤ１５０の実際の作動にもかかわらず（すなわち、検出もれ）、システム障害／警報が始動することを防ぐ。それゆえに、調整弁１４０に関する現在のｄＰ／ｄｔを使用することによって、制御装置１７０は、検出もれを防ぐように放出速度の設定値を適切に調整することができる。

[069]ＰＲＤ１５０の作動は、様々な環境の結果であり得る。例えば、制御要素の故障、火災、流れの閉塞、または流入口の過剰な流れは、いずれも過剰な加圧の状態を引き起こす可能性がある。制御装置１７０は、適切な人員またはシステムを検出して、それらに信号または通知を送信するように設計されていてもよい。例えば、制御装置１７０は、商業的な貯蔵用途において、検出の際に火災報知器に信号を送信するように設計されていてもよく、それで適切な緊急要員が応答することができる。さらに別の実施態様において、制御装置１７０は、主要な水素貯蔵システム内で圧力逃がし装置の作動を検出した際に、緊急シャットダウンを始動させて、補助的な水素貯蔵システムへの切り替えを開始させるように設計されていてもよい。

[070]上述したような貯蔵タンクシステム１００および制御方法は、多くの用途で使用することができる。例えば、本システムおよび方法は、加圧ガス（例えば、水素または圧縮された天然ガス）の大量貯蔵基地に使用することができる。大量貯蔵は、移動車両用の補給ステーションであってもよい。さらに別の用途例は、車両中の水素燃焼機関またはプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と共に使用される、搭載型水素貯蔵容器であってもよい。

[071]他の実施態様において、上述したようなシステムおよび方法は、貯蔵タンクと下流および上流の構成要素との間のラインの破断を検出するのに使用することができる。他の実施態様において、上述したようなシステムおよび方法は、流体を受け入れ、貯蔵し放出させるシステムで使用することができ、ここで流体は、圧縮可能な流体である。

[072]他の実施態様において、上述したような圧力逃がし装置１５０の代わりに、破裂板を利用してもよい。圧力逃がし装置の他の形態も本発明の開示と共に利用することができることが予期される。

[073]他の実施態様において、貯蔵タンクシステムは、複数の貯蔵タンクおよび複数の圧力逃がし装置および対応する圧力伝送器を包含していてもよい。圧力逃がし装置および圧力伝送器は、制御要素の破損により過剰な加圧の影響を受けやすい位置に位置していてもよい。複数の圧力逃がし装置を利用するシステムにおいて、単一の制御装置を使用してもよいし、または複数の制御装置を使用してもよいし、複数の制御装置は通信するように設計されていてもよい。

実施例２
[074]上述したようなシステムおよび方法は、据え付け式の大量貯蔵タンクシステムで利用することができる。本実施例の貯蔵タンクシステムは、水素を受け、貯蔵し、分配するように設計されていてもよい。貯蔵タンクシステムは、３つの貯蔵タンクを含んでいてもよく、ここで第一の貯蔵タンクは、高圧タンクであり、第二の貯蔵タンクは、中圧タンクであり、第三の貯蔵タンクは、低圧タンクである。貯蔵タンクシステムは、圧力伝送器（ＰＴ_Ｈ、ＰＴ_Ｍ、またはＰＴ_Ｌ）および圧力逃がし装置（ＰＲＤ）をさらに含んでいてもよい。貯蔵タンクシステムは、圧力伝送器のそれぞれの圧力を監視するように設計された制御装置をさらに含んでいてもよい。制御装置は、各制御装置からの２００ｍｓ間隔での圧力の読取り値をサンプリングするように設計されていてもよい。サンプリングと平行して、制御装置は、１０秒間にわたるＰＴ_Ｈ、ＰＴ_Ｍ、またはＰＴ_Ｌに関する圧力変化の移動平均を計算するように設計されていてもよい。回転平均の計算は、各圧力伝送器のそれぞれにつき以下に示す方程式を利用して実行することができる。行列に列挙した多数の値は、２００ｍｓのポーリング速度で１０秒の期間に記録され計算されると予想される値の総数を完全に表示したものではない。総数は、少数の代表的なものに単純化されている。

[075]高圧タンクの場合の計算−ＰＴ_Ｈ

[076]平均変化速度（ｄＰ）は、以下の方程式によって計算することができる。

[077]平均dP=平均(P1_Calc,P2_Calc,P3_Calc,P4_Calc,P5_Calc) (17)
[078]経時的な平均変化速度ｄＰ／ｄｔは、以下の方程式を使用して計算することができる。

[079]dP/dt=平均dP×60 (18)
[080]上記の計算は、高圧タンクに関して上記で示したように、各貯蔵タンクの圧力伝送器につき同時に実行することができる。

[081]次いで制御装置は、３つの貯蔵タンクの圧力伝送器につき３つのｄＰ／ｄｔ値の最小値を採用し、これを、ＰＲＤのモデルに基づきプログラム可能な変数であるＰＲＤ放出速度と比較することができる。最小のｄＰ／ｄｔ値がＰＲＤ放出速度より大きい場合、制御装置は、ＰＲＤの作動を提示する警報を始動させることができる。制御装置は、異なるタンクの充填状態に関係なく、計算と比較を連続的に実行することができる。

[082]代替の実施態様において、本システムは、各貯蔵タンク（ＰＲＤ_Ｈ、ＰＲＤ_Ｍ、またはＰＲＤ_Ｌ）につき圧力逃がし装置を利用することができる。それゆえに、各貯蔵タンクのｄＰ／ｄｔ決定において上述したような計算を実行することができる。しかしながら、３つのタンクの最小値を採用する代わりに、各値を、対応する貯蔵タンクのＰＲＤ放出速度と比較してもよい。これは、各貯蔵タンクにつき異なる設定値を有する異なるＰＲＤの使用を可能にする。

[083]実施例に関して上述したように、ｄＰ／ｄｔを計算し、その値をＰＲＤの放出速度と比較する方法は、ただ１つのタンクまたは複数のタンクを有する貯蔵タンクシステムと共に利用できる。加えて、同じ方法が、携帯式の用途、例えば自動車での搭載型の水素貯蔵のために設計された貯蔵タンクシステムに利用することができる。

[084]様々な実施態様によれば、上述したようなシステムおよび方法は、ガスを高圧で貯蔵する貯蔵タンクシステムで利用することができる。貯蔵タンク内のガスの圧力を、約５，０００ｐｓｉ、約６，５００ｐｓｉ、約７，５００ｐｓｉ、約１０，０００ｐｓｉ、約１２，５００ｐｓｉ、または約１５，０００ｐｓｉより大きい圧力に圧縮することができる。

[085]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書に記載の本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。

１００貯蔵タンクシステム
１１０貯蔵タンク
１１１ガス
１２０流入口通路
１３０流出口通路
１４０調整装置、調整弁
１５０圧力逃がし装置（ＰＲＤ）
１５１本体
１５２オリフィス
１５３ディスク
１５４ばね
１６０圧力変換器
１７０制御装置
１７１プロセッサー
１７２メモリデバイス
１７３グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）
１８０排気通路

Claims

加圧ガスを収容する貯蔵タンクに連結された圧力逃がし装置の作動を検出する方法であって、
貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、該圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および該圧力逃がし装置の復元値の少なくとも１つを包含する、１セットの入力値に基づき、圧力逃がし装置の放出速度を計算すること；
該貯蔵タンク内の圧力を経時的に監視して差圧の読取り値を計算すること；
経時的な該差圧の読取り値を、該圧力逃がし装置の放出速度と比較すること；および
該比較の結果に基づき圧力逃がし装置の作動を検出すること
を含む、上記方法。
前記圧力逃がし装置の放出速度の計算が、前記圧力逃がし装置に関するチョーク流れの方程式に基づいている、請求項１に記載の方法。
前記経時的な差圧の読取り値を計算することが繰り返され、前記差圧の値が経時的に平均化される、請求項１に記載の方法。
前記圧力逃がし装置の作動の検出後にシステム警報を作動させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記比較の結果に基づき前記圧力逃がし装置の作動を検出することが、前記経時的な差圧の読取り値が、前記圧力逃がし装置の放出速度より大きいかまたはそれに等しいときを確認することを含む、請求項１に記載の方法。
前記圧力逃がし装置の放出速度を計算することは、通常運転中に前記加圧ガスを放出するように設計された調整装置の位置を考慮に入れることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
加圧ガスを収容する貯蔵タンクに連結された圧力逃がし装置の作動を検出するための制御装置であって、該制御装置は、圧力変換器からの経時的な圧力の読取り値の複数の入力を受信し、経時的な差圧の読取り値を計算し、該経時的な差圧の読取り値を、１セットの入力値に基づき決定された圧力逃がし装置の放出速度と比較するように設計されたプロセッサーを含み、該比較に基づいて、該制御装置は、圧力逃がし装置の作動が起こっているかどうかを検出し、
ここで該圧力変換器は、該圧力逃がし装置の上流に位置し、該貯蔵タンク内の圧力は、約６，５００ｐｓｉより大きい、上記制御装置。
グラフィカルユーザーインターフェース、メモリデバイス、および動力源をさらに含む、請求項７に記載の制御装置。
前記１セットの入力値が、貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、前記圧力逃がし装置のオリフィスの大きさ、ガス密度、および前記圧力逃がし装置の復元値の少なくとも１つを包含する、請求項８に記載の制御装置。
圧力逃がしを検出するように設計されたシステムであって、
ガスを収容するように設計された少なくとも１つの貯蔵タンク；
該ガスの圧力を読み取るように設計された圧力変換器；
通常運転中の該ガスの放出を制御するように設計された圧力調整装置；
作動して該ガスを放出して、少なくとも該貯蔵タンクの過剰な加圧を防ぐように設計された圧力逃がし装置；および
該圧力変換器からの経時的な圧力の読取り値を受信し、経時的な差圧の読取り値を計算し、該経時的な差圧の読取り値を、１セットの入力値に基づき決定された圧力逃がし装置の放出速度と比較するように設計された制御装置であり、該比較に基づいて、該制御装置は、該圧力逃がし装置が作動しているかどうかを検出する、制御装置
を含む、上記システム。
前記制御装置が、プロセッサー、グラフィカルユーザーインターフェース、メモリデバイス、および動力源をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
前記１セットの入力値が、前記貯蔵タンクの体積、圧力逃がしの設定値、該圧力逃がし装置のオリフィスの大きさガス密度、および該圧力逃がし装置の復元値を包含する、請求項１０に記載のシステム。
前記圧力逃がし装置の放出速度の計算が、前記圧力逃がし装置に関するチョーク流れの方程式に基づいている、請求項１０に記載のシステム。
前記経時的な差圧の読取り値を計算することが繰り返され、その結果が経時的に平均化される、請求項１０に記載のシステム。
前記制御装置がさらに、前記圧力逃がし装置の作動の検出後にシステム警報を作動させるように設計されており、該システム警報は、少なくとも適切な要員またはシステムに応答するよう通知を提供するように設計されている、請求項１０に記載のシステム。
前記圧力逃がし装置のオリフィスの断面積が、前記圧力調整装置の断面積より大きい、請求項１０に記載のシステム。
圧力逃がし装置の放出速度を計算するときに、前記制御装置が、通常運転中に加圧ガスを放出するように設計された調整装置の位置を考慮に入れるように設計されている、請求項１０に記載のシステム。