JP2022159161A - 圧縮水素とチルドアンモニアとの熱交換を含む、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセス - Google Patents

圧縮水素とチルドアンモニアとの熱交換を含む、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセス Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮水素とチルドアンモニアとの熱交換を含む、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスを提供すること。【解決手段】本発明は、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスに関するものであり、該プロセスは、アンモニアクラッキングユニットにおいてアンモニアを水素および窒素に分解することと、アンモニアクラッキングユニットからの水素を圧縮することと、１台以上の分配ユニットを備える水素補給ユニットにおいて車両のタンクに圧縮水素を分配することであって、チルドアンモニアを使用して、チルドアンモニアが加熱されるような圧縮水素とチルドアンモニアとの間の熱交換によって、車両のタンクに分配する前に圧縮水素を冷却する、分配することと、アンモニアクラッキングユニットに加熱されたアンモニアを移送することと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスに関するものであり、該プロセスは、アンモニアクラッキングユニットにおいてアンモニアを水素および窒素に分解することと、アンモニア分解ユニットからの水素を圧縮することと、１台以上の分配ユニットを備える水素補給ステーションにおいて、車両のタンクに、および前記プロセスを行うためのシステムに圧縮水素を分配することと、を含む。
水素補給ステーションにおいて水素駆動車両に補給するためのいくつかの構成およびシステムは、当該技術分野で既知である。例えば、ＵＳ２００４／１６３７３１（Ａ１）は、内蔵型モバイルガス補給ステーションを開示している。
水素は、圧縮された状態で、さらには液体水素で供給することによって、または水素がステーションで、またはその近くで分解される水素を含む化学「キャリア」によって、そのようなステーションに送達することができる。
例えば、ＵＳ２００９／３０４５７４（Ａ１）は、水素補給ステーションが液体アンモニアを受容して、触媒クラッキングによって該アンモニアから水素が生成されるプロセスおよび構成を記載している。そのように生成された水素は、次いで、圧縮されて、充填ドックに送給される。
車両に補給する、および／または圧縮水素貯蔵容器に充填する際に、容器の温度制限を破ることなく、時間効率的な方法で、それぞれの圧縮水素受容器に充填することが望ましい。例えば、水素駆動車両は、車両燃料タンクの場合は典型的に８５℃である受容容器の温度制限を破ることなく、３分以内に公称７００バールまで充填されることを前提としている。同時に、水素の温度が－４０℃以下に下がらず、一方で、充填プロセス中に燃料タンクに進入しないことが必要である。
アンモニアを水素および窒素に分解し、その後に水素を圧縮することによって圧縮水素が得られる場合、その温度は、通常、車両のタンクに補給するには高過ぎるので、圧縮水素は、補給を達成することができる前に冷却しなければならない。
一般に、圧縮水素を冷却するための既知のシステムは、２つの主カテゴリ、すなわち、機械冷凍システムまたは液体水素源システムに分類され、ここで、液体水素は、プロセスの異なる部分からの間接熱伝達を介して、または水素を所望の分配温度を超えて加温しないことを介して、分配するための冷却を提供する。
補給するための水素を得るためにアンモニアクラッキングを使用するプロセスでは、通常、液体水素を利用することができないので、従来、圧縮水素を冷却するための唯一の選択肢は機械冷凍である。しかしながら、これは、冷凍機器のための投資コスト、およびその動作中の電力消費を伴う。
したがって、本発明の目的は、水素補給ステーションと、補給のために続いてさらに圧縮される水素が生成されるアンモニアクラッキングユニットと、を備えるプロセスおよびシステムを改善すること、およびさらに集積させることであり、これは、ユニット間の相乗効果を利用し、したがって、システム全体のより高い集積度を提供する。具体的には、本発明は、そのようなプロセス／システムにおける現場での機械冷凍の必要性を最小にすることを意図する。
本発明は、アンモニアクラッキングユニットに送達されるチルドアンモニアの冷却能力が、車両のタンクに補給する前に圧縮水素を冷却するために利用される場合に、この目的を達成することができるという知見に基づくものである。
したがって、本発明は、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスを提供するものであり、該プロセスは、アンモニアクラッキングユニットにおいてアンモニアを水素および窒素に分解することと、アンモニアクラッキングユニットからの水素を圧縮することと、１台以上の分配ユニットを備える圧縮水素補給ユニットにおいて車両のタンクに水素を分配することと、を含み、
チルドアンモニアは、典型的には液体状態であり、圧縮水素と、熱交換後にアンモニアクラッキングユニットに移送されるチルドアンモニアとの間の熱交換によって、車両のタンクに分配する前に圧縮水素を冷却するために使用される。
本発明のプロセスは、チルドアンモニアが補給ステーションに送達または貯蔵されるときにその冷却可能性を利用することを可能にし、したがって、現場での機械冷凍を提供する必要性を除去または少なくとも最小にする。さらに、アンモニアは、通常、周囲温度でアンモニアクラッキングユニットに送達されるので、本発明のさらなる利点は、チルドアンモニアが圧縮水素との熱交換によって加熱されることである。本発明のプロセスは、補給ステーションの構成要素のより高い集積度を提供する。
チルドアンモニアは、周囲温度（２１℃であり得る）よりも低い温度、通常は、周囲温度よりも少なくとも５℃低い温度を有するアンモニアとして理解されたい。通常、チルドアンモニアは、液体状態である。
本プロセスの好ましい実施形態では、チルドアンモニアと圧縮水素との間の熱交換は、第１の熱交換器におけるチルドアンモニアと熱交換流体との間の第１の熱交換、および第２の熱交換器における熱交換流体と圧縮水素との間の第２の熱交換によって達成される。
通常、熱伝達流体は、閉じた熱交換流体ループ内を循環し、該ループでは、流体は、好ましくは断熱パイプを通して、通常１台以上のポンプによって、第１の熱交換器から第２の熱交換器に輸送される。
好ましくは、熱交換流体の少なくとも一部は、１台以上の熱交換流体貯蔵タンク（複数可）に貯蔵される。
１台以上の熱流体貯蔵タンクの存在は、互いに独立した第１および第２の熱交換を可能にするので、該熱交換は、例えば、同時に達成する必要はない。例えば、第１の熱交換器から得られる捕捉された冷間熱交換流体は、分配する前に圧縮水素を冷却することが必要になるまで貯蔵され得る。
熱交換流体貯蔵タンク（複数可）は、第１の熱交換器の上流または下流に位置付けることができ、好ましくは、少なくとも１台の貯蔵タンクは、貯蔵されている流体が第１の熱交換後に得られる温度を有するように、第１の熱交換器の下流に位置付けられて存在する。
流体熱交換流体ループ内の１台以上のポンプのうちの少なくとも１台は、第１の熱交換器の下流に、および例えば第１の熱交換器に隣接した、第２の熱交換器の上流に位置付けられ得る。
好ましくは、熱交換流体は、第２の熱交換の後に有する温度で、またはその付近の温度で貯蔵タンクに貯蔵され、および／または第１の熱交換の後に有する温度で、またはその付近の温度で貯蔵される。
第１および／または第２の熱交換は、好ましくは向流である。したがって、第１および／または第２の熱交換器は、向流熱交換器である。
本発明のプロセスでは、第１の熱交換において提供される冷却が十分でないために必要とされる場合の、熱交換流体を冷却するための追加的な源として、および／または第１の熱交換器が動作中でない場合のバックアップシステムとして、機械冷凍システムなどの従来の冷凍システムが、熱交換流体の（さらなる）冷却のために存在し得る。
存在する場合は、そのような従来の冷凍システムは、通常、熱交換流体ループに組み込まれる。
本発明のプロセスの一実施形態では、チルドアンモニアは、第１の熱交換前は液体状態であり、第１の熱交換は、液体アンモニアを少なくとも部分的に蒸発させることを含む。
この実施形態では、液体アンモニアの最適相変化温度と水素を冷却するために必要とされる温度との違いを解消するために、追加的な相変化流体が採用され得る。
液体アンモニアの蒸発は、通常、標準圧または準大気圧で達成され、好ましくは準大気圧で達成される。
熱交換流体は、好ましくはＤ－リモネン、ＦＰ４０、水／グリコール混合物、または他の利用可能な熱交換流体である。
チルドアンモニアは、通常、補給ステーションに送達されて、現場でアンモニア貯蔵タンクに貯蔵され、通常、第１の熱交換が達成される前に、－５～－７７℃、好ましくは－１０～－７７℃、より好ましくは－２０～－５０℃、さらにより好ましくは－３０℃などの－２５～－４０℃の温度を有する。
第２の熱交換後の圧縮水素の温度は、車両のタンクに圧縮水素を充填するための所望の温度に応じて選択される。通常、温度は－４５～＋５℃で選択される。例えば、バスのタンクに充填する場合は０℃、また、自動車のタンクに充填する場合は－４０℃の温度が選択され得る。
アンモニアクラッキングユニットから得られる水素は、通常、３０ＭＰａ以上の圧力に圧縮される。
本発明は、上で説明した実施形態のうちの任意の１台において本発明のプロセスを実行するための、水素補給ステーションとしても表され得るシステムにさらに関する。
具体的には、プロセスを行うためのシステムは、アンモニアクラッキングユニットと、アンモニアクラッキングユニットからの水素が圧縮される１台以上の水素圧縮ユニットと、車両のタンクに圧縮水素を分配する役割を果たす１台以上の水素分配ユニットと、を備え、チルドアンモニアと圧縮水素との間で熱を交換するための熱交換手段をさらに備える。
本システムは、通常、圧縮水素が分配される前に貯蔵される、１台以上の水素貯蔵タンクを備える。
本発明はまた、本明細書で説明される実施形態の任意の１つのプロセスおよび／またはシステムを使用して、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスにも関する。
本発明は、添付図面に関連して説明され、図中、同じ数字は、同じ要素を表す。
本発明のプロセスおよび集積されたシステムの一実施形態を示す。
一実施形態では、本発明のプロセスを行うための本発明のシステム（水素補給ステーション）は、アンモニアが水素および窒素に分解されるアンモニアクラッキングユニットと、車両のタンクにアンモニアクラッキングユニットからの水素を補給するための水素補給ユニットと、を備える。補給ユニットはまた、アンモニアクラッキングユニットからの水素が圧縮される１台以上の水素圧縮ユニットと、車両のタンクへと圧縮水素が通過するノズルを各々が備える、車両のタンクに圧縮水素を分配するための１台以上の分配ユニットと、を備える。
本システムは、外部の源からステーションに送達されるチルドアンモニアがさらなる使用のために貯蔵される、アンモニア貯蔵タンクをさらに備える。さらになお、好ましくは向流熱交換器である第１の熱交換器、および同様に好ましくは向流熱交換器である第２の熱交換器が存在する。
２つの熱交換器は、閉じた熱交換流体ループを形成する断熱パイプのパイプシステムを通して流体接続される。このループ内には、熱交換流体のための少なくとも１つの貯蔵タンク、およびループ内で熱交換流体を循環させるための少なくとも１台のポンプがさらに存在する。
第１の熱交換器は、アンモニア貯蔵タンクから、熱交換流体ループ内に存在する熱交換流体と向流で熱交換されるチルドアンモニアを受容するように配置される。
通常、チルドアンモニアは、－５～－７７℃の温度で飽和液体状態となり、第１の熱交換前の熱交換流体の温度は、自動車の補給の場合は－３５～－４３℃、バスの補給の場合は－１０～－３０℃で飽和液体状態となる。
アンモニアクラッキングユニットからの水素は、アンモニアクラッキングユニットの上流で圧縮されるが、好ましくは、３０ＭＰａ以上の圧力で行われる。水素は、Ｈ３５の補給の場合は４０ＭＰａ以上に、またはＨ７０の補給の場合は９０ＭＰａ以上に加圧される。
補給ユニットは、アンモニアクラッキングユニットから水素が得られた後に圧縮水素が貯蔵される、１台以上の水素貯蔵タンクをさらに備える。
第２の熱交換前の圧縮水素の温度は、通常、周囲温度に近く、通常、米国では－２０℃～４０℃であり、熱交換流体の温度は、自動車の補給の場合は－３５～－４３℃、バスの補給の場合は－１０～－３０℃となる。
第２の熱交換は、通常は－４５～＋５℃である、車両のタンクに分配するための圧縮水素の所望の温度が得られるように達成される。例えば、バスのタンクに充填する場合は０℃、また、自動車のタンクに充填する場合は－４０℃の温度が選択され得る。
図１は、本発明のプロセスおよびシステムの一実施形態を示す。チルドアンモニアは、通常、液体状態であり、外部の源からシステムに送達され、アンモニアクラッキングユニット１に送給されるまでアンモニア貯蔵タンク２に貯蔵される。アンモニアクラッキングユニット１は、ＮＨ3をＮ2およびＨ2に分解し、５～４０バーグの圧力範囲で、最も一般的には７～２０バーグの範囲で動作し得る。
アンモニアクラッキングユニット１からのＨ2は、図１に示される往復Ｈ2圧縮機７などの１台以上の圧縮機の１つ以上の圧縮段に提供されて、Ｈ３５の補給の場合は４０ＭＰａ以上に、またはＨ７０の補給の場合は８０ＭＰａ以上に至るまで加圧される。
次いで、圧縮水素は、弁９によって制御されるＨ2貯蔵タンク８などの水素貯蔵バンクのうちの１台に指向される。車両に充填する準備ができたとき、弁１０が、またはいくつかの水素貯蔵タンクの場合には、適切なカスケード弁が開いて、貯蔵タンク８からのＨ2が、Ｈ2ディスペンサ１１へと流れて、最終的には車両のタンク（図示せず）へと流れることを可能にする。カスケードすることは、当業者によく知られており、例えばＵＳ８，８９９，２７８で第１段から始まり、行１７に記載されている。
本システムは、例えばポンプ（図示せず）によってアンモニア貯蔵タンク２からチルドアンモニアを受容するように配置された、第１の熱交換器３をさらに備える。熱交換後、加熱されたアンモニアは、水素圧縮ユニット１にさらに導かれる。熱交換器３では、アンモニアに対する向流は、アンモニアとの熱交換によって冷却されるＦＰ４０または水／グリコール混合物などの熱交換流体である。
冷却された熱交換流体は、熱交換流体貯蔵タンク５に貯蔵され得、そして必要なときに、ポンプ６によって熱交換器４にさらに圧送して、向流の圧縮水素がそこを通して導かれ、それに応じて、ディスペンサ１１を通して車両のタンクに充填するための所望の温度まで冷却される。
熱交換器３、および独立的に熱交換器４は、シェルアンドチューブ式熱交換器などの任意の共通の熱交換器であり得る。熱交換流体がその中を圧送されるパイプシステムは、環境による熱交換流体の加熱を回避するために熱的に隔離される。
一実施形態では、チルドアンモニアは、液体状態であるので、熱交換器３は、膨張ユニット（図示せず）をさらに備え得、そこでは、熱交換流体との熱交換中に液体アンモニアを部分的または完全に蒸発させて、液体アンモニアの蒸発エンタルピを利用して熱交換流体を冷却する。
例えば、アンモニアクラッキングユニット１によって提供される水素流量が７．５トン／日である場合、１００％の変換と仮定すると、４２．２トン／日のアンモニアが、アンモニアクラッキングユニット１に送達されることになる。液体アンモニアの熱容量が４．７４４ｋＪ／ｋｇ ＮＨ3／Ｋであるとすれば、２０Ｋによる熱交換中に液体アンモニアを加熱することによって、約４００万ｋＪの冷却エネルギーが、圧縮水素の冷却に利用可能である。
さらに、液体アンモニアの蒸発が使用される実施形態では、３４．１５℃でのアンモニア蒸発エンタルピが２３．５ｋＪ／ｍｏｌ ＮＨ3であると仮定し、ここでもアンモニア流を４２．２トン／日と仮定すると、アンモニアの完全な蒸発によって利用可能な冷却エネルギーは、約５８３０万ｋＪ／日である。
冷却エネルギーは、熱交換流体を冷却するために使用され得、次に、圧縮水素を冷却するために使用される。ここでも、例えば、冷却される水素流量を７．５トン／日、水素の熱容量が１４ｋＪ／ｋｇ Ｈ2／Ｋであると仮定すると、該水素を２５℃から－４０℃まで冷却するには、約６８２万５千ｋＪの冷却エネルギーが必要であり、これは、部分的または完全に、熱交換器３内の熱交換流体へのアンモニア冷却エネルギーによって提供することができる。

Claims (14)

  1. 車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセスであって、アンモニアクラッキングユニットにおいてアンモニアを水素および窒素に分解することと、前記アンモニアクラッキングユニットからの前記水素を圧縮することと、１台以上の分配ユニットを備える水素補給ユニットにおいて、前記車両のタンクに前記圧縮水素を分配することと、を含み、
    チルドアンモニアが、前記圧縮水素と、熱交換後に前記アンモニアクラッキングユニットに移送される前記チルドアンモニアとの間の熱交換によって、前記車両のタンクに分配する前に前記圧縮水素を冷却するために使用される、プロセス。
  2. 前記チルドアンモニアと前記圧縮水素との間の前記熱交換は、第１の熱交換器における前記チルドアンモニアと熱交換流体との間の第１の熱交換、および第２の熱交換器における前記熱交換流体と前記圧縮水素との第２の熱交換によって達成される、請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記熱交換流体の少なくとも一部が、熱交換流体貯蔵タンクに貯蔵される、請求項２に記載のプロセス。
  4. 前記熱交換流体が、前記第２の熱交換の後に有する温度付近の温度で前記貯蔵タンクに貯蔵され、および／または前記第１の熱交換の後に有する温度付近の温度で貯蔵される、請求項３に記載のプロセス。
  5. 前記第１および／または前記第２の熱交換が、向流である、請求項１に記載のプロセス。
  6. 従来の冷凍システムが、前記熱交換流体をさらに冷却するために使用される、請求項１に記載のプロセス。
  7. 前記チルドアンモニアが、液体状態であり、前記第１の熱交換が、前記液体アンモニアを少なくとも部分的に蒸発させることを含む、請求項１に記載のプロセス。
  8. 前記液体アンモニアの最適相変化温度と水素を冷却するために必要とされる温度との違いを解消するために、追加的な相変化流体が採用される、請求項７に記載のプロセス。
  9. アンモニアの蒸発が、準大気圧で達成される、請求項７に記載のプロセス。
  10. 前記熱交換流体が、Ｄ－リモネン、ＦＰ４０、または水／グリコール混合物である、請求項１に記載のプロセス。
  11. 前記熱交換前の前記液体アンモニアが、－５～－７７℃、好ましくは－２５～－７７℃の温度を有する、請求項１に記載のプロセス。
  12. 熱交換後の圧縮水素の温度が、－４５～＋５℃であり、例えば、バスのタンクに充填する場合は０℃、また、自動車のタンクに充填する場合は－３３～－４０℃である、請求項１に記載のプロセス。
  13. 請求項１に記載のプロセスを行うためのシステムであって、アンモニアクラッキングユニットと、１台以上の水素圧縮ユニットと、１台以上の水素分配ユニットと、を備え、チルドアンモニアと圧縮水素との間で熱を交換するための熱交換手段をさらに備える、システム。
  14. 請求項１に記載のプロセスおよび／またはシステムを使用して、車両のタンクに圧縮水素を補給するためのプロセス。
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