JP2023550729A - 方法及び搬送装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、貯蔵容器(5)から負荷(4)へ寒剤(H2)を搬送するための方法であって、a)寒剤(H2)を貯蔵容器(5)から調整タンク(13A、13B)に導入する工程(S1)であって、寒剤(H2)が、寒剤の静水圧のみに起因して貯蔵容器(5)から調整タンク(13A、13B)内に流れる、導入する工程(S1)と、b)調整タンク(13A、13B)に収容された寒剤(H2)をその超臨界状態にする工程(S2)と、c)寒剤(H2)を調整タンク(13A、13B)から負荷(4)に排出する工程(S3)と、を含み、調整タンク(13A、13B)に収容された寒剤(H2)が、工程c)の間超臨界状態に保たれる、方法に関する。【選択図】図2
Description
本発明は、寒剤を搬送するための方法及び寒剤を搬送するための搬送装置に関する。
液体水素用の貯蔵容器は、本出願人の社内ノウハウによれば、貯蔵容器内で圧力を上昇させることを可能にする圧力上昇気化器を有することができ、それによって、気体水素を、約6baraの安定した供給圧力で、例えば、燃料電池の形態の負荷に利用することができる。海洋地域におけるこのような貯蔵容器の動作中、海の状態に起因する自然な動きによって、燃料電池に必要な供給圧力を一定に保つことができるように貯蔵容器内の動作条件を安定に保つことは非常に困難である。
本出願人は、水素がほぼ無圧力で貯蔵容器内に貯蔵される社内の従来技術も認識している。この場合、水素は、極低温ポンプを使用して搬送され、前述の供給圧力で燃料電池に供給される。しかしながら、このような極低温ポンプは可動部品を有しており、この可動部品は、ある程度の保守作業が必要になり、したがって動作停止時間をもたらす可能性がある。更に、社内の調査結果によれば、必要な供給圧力を達成するために、燃料電池の上流で水素を気化させ、次いでそれを圧縮することも可能である。しかしながら、これはエネルギー使用の観点から好ましくない。
こうした背景から、本発明の目的は、寒剤を搬送するための改善された方法を提供することである。
したがって、貯蔵容器から負荷に寒剤を搬送する方法が提案される。この方法は、a)貯蔵容器から調整タンクに寒剤を導入する工程であって、寒剤の静水圧のみに起因して寒剤が貯蔵容器から調整タンクに流れる、導入する工程と、b)調整タンクに収容された寒剤をその超臨界状態にする工程と、c)寒剤を調整タンクから負荷に排出する工程であって、調整タンクに収容された寒剤が工程c)の間、超臨界状態に保たれる、排出する工程とを含む。
調整タンク内に収容された寒剤は超臨界状態に保たれ、したがって相境界が存在しないので、例えば、高波の場合に調整タンクが移動しても、調整タンク内の温度分布に悪影響を及ぼさない。更に、貯蔵容器は可能な限り低い圧力で運転することができる。これによって、寒剤の保持時間が延長する。
寒剤は、好ましくは水素である。したがって、「寒剤」及び「水素」という用語は、所望に応じて交換可能である。しかしながら、原則として、寒剤は、任意の他の寒剤であってもよい。極低温流体若しくは液体、又は略して寒剤の例としては、例えば、液体ヘリウム、液体窒素、又は液体酸素がある。したがって、「寒剤」は、特に液体として理解されるべきである。寒剤は、気化して気相に変換することもできる。気化後、寒剤は気体であるか、又は気体状若しくは気化寒剤と称され得る。
負荷は、燃料電池であることが好ましい。この場合、「燃料電池」は、連続供給される燃料、この場合は水素と、酸化剤、この場合は酸素との化学反応エネルギーを、電気エネルギーに変換するガルバニ電池を意味すると理解される。寒剤は、規定された供給圧力で、特に気体の形態で負荷自体に供給される。このことは、寒剤が負荷の前又は負荷の上流で気化されることを意味する。例えば、寒剤は、6baraの供給圧力及び10~25℃の温度で負荷に供給される。
気体領域及び下にある液体領域は、寒剤充填操作の後又は最中に貯蔵容器内に形成される。気体領域と液体領域との間に相境界ができる。したがって、寒剤は、貯蔵容器に入った後、異なる凝集状態の2つの相、すなわち、液相及び気相を有することが好ましい。液相は、気相に移行することができ、逆もまた同様である。純粋な液体充填操作も可能である。
寒剤を貯蔵容器から調整タンクに導入するために、貯蔵容器と調整タンクとの間に延びるラインが設けられることが好ましい。この場合、貯蔵容器は、好ましくは、重力の方向に対して、調整タンクの上方に配置され、それにより、寒剤は、静圧のみに起因して貯蔵容器から調整タンク内に流れる。
この場合、「静水圧」、「静圧」、「重力圧」又は「重力圧力」は、特に、静止流体、この場合は、寒剤内で、重力又は引力の影響により生じる圧力として理解されるべきである。寒剤が、寒剤の静水圧に起因して、貯蔵容器から調整タンクへ「のみ」、「単に」、又は「だけ」流れる、又は搬送されるということは、特に、寒剤が静水圧によって「排他的に」貯蔵容器から調整タンクへ搬送されることを意味する。したがって、「のみ」、「単に」、「だけ」、又は「排他的に」という用語は、必要に応じて交換可能である。「排他的に」とは、特に、寒剤の静水圧に基づくことを除いて、寒剤の他のタイプの搬送がないことを意味する。「流れ」は、特に「搬送される」と置き換えることができる。
単に静水圧に起因する貯蔵容器から調整タンクへの寒剤のこの流れ又は搬送は、上述したように、例えば、重力の方向に沿って見たときに、少なくとも部分的に調整タンクの上方又は上に配置されている貯蔵容器によって達成され得る。特に、寒剤が貯蔵容器から排出又は除去される点又は領域は、寒剤が調整タンクに導入又は供給される点又は領域よりも高く又は上方に配置される。
したがって、貯蔵容器から調整タンクに寒剤を搬送するためのポンプは必要とされず、したがって省略することができる。したがって、本方法、特に本方法の工程a)は、「ポンプレス」又は「ポンプフリー」方式で行われる。これは、特に、工程a)において、寒剤が、ポンプなしで貯蔵容器から調整タンクに導入又は搬送されることを意味する。したがって、工程a)は、貯蔵容器から調整タンクへの寒剤のポンプレス導入、のように記載することもできる。ポンプを省略すると、可動部品を省略することができるので、この方法のより高い信頼性につながる。
貯蔵容器から調整タンクに寒剤を導入した後、貯蔵容器と調整タンクとの間に設けられたバルブは、好ましくは閉じられる。「超臨界状態」又は「臨界点」は、寒剤の熱力学的状態として理解されるべきであり、この状態は、液相及び気相の密度の一致によって特徴付けられる。2つの凝集状態間の差は、臨界点では存在しなくなる。すなわち、超臨界状態では相境界が存在しない。
寒剤は、例えば、それを圧力下に置くことによって超臨界状態にすることができる。例えば、熱を調整タンクに導入することができ、それによって、調整タンク内の圧力が上昇する。特に、調整タンク内の圧力は、排他的に熱の導入によって増加される。これは、特に、寒剤が熱のみによって、又は排他的に熱によって超臨界状態にされることを意味する。寒剤は、特に工程c)の間、超臨界状態で連続的に又は着実に保持される。
生成物の除去、この場合、寒剤の除去は、寒剤の超臨界状態で行われる。したがって、調整タンク内の圧力は、その動作中、着実に一定に保たれる。工程c)の間、寒剤は、特に、常に又は絶えず単相状態、すなわち超臨界状態にある。「常に」とは、超臨界状態を離れることが望ましくなく、特に、起こらないか、又は起こり得ないことを意味する。このことは、例えば、工程c)の間、すなわち、寒剤が調整タンクから除去されている間、熱の連続供給によって達成することができる。
工程c)の間、寒剤は、好ましくは、常に超臨界状態に保たれ、それによって、超臨界状態は、寒剤が調整タンクから排出されるときでさえ維持され、その間に、負荷には寒剤が供給される。このことは、特に、工程c)の間、すなわち、調整タンクから寒剤が除去される間、熱が連続的に調整タンクに導入されて、工程c)の間、調整タンク内の圧力を一定に保ち、それによって、寒剤が排出されている間であっても、寒剤は常に超臨界状態のままであることを意味する。調整タンク内の圧力は、維持され、特に一定に保たれ、特に排他的に熱の導入によって維持される。
一実施形態によれば、工程a)の後、調整タンクは、バルブが閉じられることによって、バルブによって貯蔵容器から分離される。
バルブは、好ましくは遮断バルブである。バルブは、開閉バルブであってもよい。これは、バルブが2つの状態、すなわち、開状態及び閉状態にされ得ることを意味する。前述のバルブは、貯蔵容器と調整タンクとの間に設けられたライン内又はライン上に設けられる。
更なる実施形態によれば、調整タンクと負荷との間に設けられたバルブは、工程c)において開かれる。
前述のバルブを介して遮断することができるラインが、同様に、調整タンクと負荷との間に設けられる。バルブは、調整タンクの下流に配置される。
更なる実施形態によれば、工程b)の間に熱が調整タンクに導入され、寒剤を超臨界状態にする。
この目的のために、加熱要素が調整タンク内又は上に設けられてもよい。加熱要素は、例えば、電気加熱要素であり得る。加熱要素はまた、加熱媒体を有してもよく、加熱媒体によって熱が寒剤に導入される。
更なる実施形態によれば、工程c)の間に熱が調整タンクに導入され、寒剤を超臨界状態に保つ。
このことは、調整タンクを空にする間、熱が寒剤に連続的に導入されることを意味する。その結果、調整タンクが空になっている間、超臨界状態を維持することができる。
更なる実施形態によれば、工程c)の間、調整タンク内の寒剤の密度は減少する。
密度が減少している間、寒剤は連続的に超臨界状態に保たれ、負荷に寒剤が供給される。
更なる実施形態によれば、工程c)の間、調整タンク内の圧力は一定に保たれる。
この場合、「一定」とは、±1バールの目標圧力からの偏差を意味し得る。好ましくは、調整タンク内の圧力は14baraに保持される。
更なる実施形態によれば、工程c)は、調整タンク内で所定の温度に到達した後に終了する。
所定の温度は、例えば、-230℃である。所定の温度に達した後、熱は、好ましくは、それ以上調整タンクに導入されない。
更なる実施形態によれば、調整タンクは、負荷の供給圧力が達成されるまで、負荷内に排気することにより減圧される。
供給圧力は、例えば、6baraである。調整タンクが、負荷内に排気することにより減圧されることによって、調整タンクを更に空にすることができる。
更なる実施形態によれば、調整タンクが、供給圧力が達成されると、貯蔵容器内に排気することにより減圧される。
これは、調整タンク内の圧力が供給圧力未満に低下した直後に、寒剤がそれ以上負荷に供給されなくなり、代わりに貯蔵容器に供給されることを意味する。この場合、気体状寒剤は、上方から、すなわち貯蔵容器の気体領域内に、又は側方から若しくは下方から、すなわち貯蔵容器の液体領域内に、のいずれかによって、貯蔵容器内に導入することができる。後者の場合、貯蔵容器内に導入された気体状寒剤の少なくとも部分的な凝縮が可能である。
別の実施形態によれば、第1の調整タンク及び第2の調整タンクは断続的に動作される。
例えば、工程a)は、第1の調整タンクを用いて行われ、一方、工程b)又はc)は、第2の調整タンクを用いて行われる。これにより、寒剤の連続的な流れを負荷に供給することが可能になる。
更に、貯蔵容器から負荷に寒剤を搬送するための搬送装置が提案される。搬送装置は、貯蔵容器と負荷との間に配置された調整タンクを備え、貯蔵容器及び調整タンクは、寒剤の静水圧によってのみ寒剤が貯蔵容器から調整タンクに流れるように配置され、調整タンクは、貯蔵容器から調整タンクに導入された寒剤をその超臨界状態にして負荷に供給し、負荷に供給されている間、調整タンクに収容された寒剤を超臨界状態に保つように構成される。
搬送装置は、貯蔵容器を含むことができる。貯蔵容器は、好ましくは、中心軸又は対称軸に対して回転対称である。したがって、貯蔵容器は、円筒形であることが好ましい。調整タンクもまた円筒形であってもよい。調整タンクはまた、調整容器とも称され得る。調整タンクが、調整タンクに導入された寒剤をその超臨界状態にし、それを負荷手段に供給するように「構成される」ということは、この場合、調整タンクが、超臨界状態に達することができる手段、例えば、加熱要素などを有することを意味する。超臨界状態を維持するために、例えば、上述した加熱要素の形態の手段も設けられる。寒剤を負荷に供給するために、調整タンクは、例えば、ライン及びバルブを有するか、又はライン及びバルブが調整タンクに割り当てられる。寒剤の静水圧力のみ又は寒剤の静水圧力だけに起因する貯蔵容器から調整タンクへの寒剤の流れを達成するために、貯蔵容器は、重力の方向に沿って見たときに、少なくとも部分的に調整タンクよりも高くなるように配置又は位置決めされることが好ましい。
一実施形態によれば、調整タンクは、調整タンクに収容された寒剤に熱を導入して寒剤を超臨界状態にするための加熱要素を備える。
調整タンク内の圧力は、熱の導入によって増加させることができる。その結果、寒剤は超臨界状態となる。
更なる実施形態によれば、搬送装置は、第1の調整タンク及び第2の調整タンクを更に備え、第1の調整タンク及び第2の調整タンクは、断続的に動作可能である。
上述したように、第1の調整タンク及び第2の調整タンクが断続的に動作可能であることによって、寒剤の連続流を負荷に供給することが可能である。好ましくは、上述したように、負荷の前に気化器が配置され、気化器は、負荷に供給される寒剤を気化させ、したがって、例えば、10~25℃の温度で6baraの供給圧力にする。気化器は、例えば、電気気化器であってもよい。気化器はまた、加熱媒体を使用して寒剤を気化させてもよい。
更なる実施形態によれば、調整タンクは、重力の方向に対して、寒剤が重力に起因して貯蔵容器内に自動的に流れるように配置される。
その結果、寒剤が貯蔵容器から調整タンクに導入されるとき、純粋に寒剤の静圧に起因して、調整タンクを貯蔵容器に充填することが可能である。可動部品などを有するポンプを省略することができる。
したがって、方法について説明された実施形態及び特徴は、提案された搬送装置に適用され、逆もまた同様である。
この場合、「a(n)」は、必ずしも厳密に1つの要素に限定するものとして理解されるべきではない。むしろ、2つ、3つ、又はそれ以上などの、いくつかの要素が提供されてもよい。本明細書で使用される任意の他の数値語はまた、厳密に対応する要素数に対する厳密な制限を意味するものとして理解されるべきではない。むしろ、数値の上向き又は下向きの差が可能である。
方法及び/又は搬送装置の更なる可能な実装形態はまた、例示的な実施形態に関して上述された又は後述する特徴又は実施形態の、明示的に言及されていない組み合わせも含む。当業者であればまた、方法及び/又は搬送装置の基本形態のそれぞれに対する改善又は追加としての個別の態様も付け加えるであろう。
方法及び/又は搬送装置の更なる有利な実施形態は、従属請求項、並びに以下に説明する方法及び/又は搬送装置の例示的な実施形態の主題である。更に、方法及び/又は搬送装置を、好ましい実施形態に基づいて添付の図面を参照して、以下により詳細に説明する。
ビークルの一実施形態の概略図である。
水素を搬送するための搬送装置の一実施形態の概略図である。
水素の圧力-エンタルピー線図である。
水素を搬送するための方法の一実施形態の概略ブロック図である。 図において、別途指示しない限り、同一又は機能的に等価の要素には、同一の参照符号が付されている。
図1は、ビークル1の一実施形態の高度に簡略化された概略側面図を示している。ビークル1は、例えば、海上船舶、特に、船とすることができる。ビークル1は、海上ビークルと称され得る。特に、ビークル1は、海上旅客フェリーであり得る。代替的に、ビークル1はまた、陸上ビークル又は航空機であり得る。ただし、以下では、ビークル1は船舶であると仮定する。
ビークル1は、浮力のある船体2を備える。ブリッジ3は、船体2に又は船体2の上に設けられる。ビークル1は、好ましくは水素によって動力供給される。この目的のために、ビークル1は、負荷4を有し得る。負荷4は、燃料電池であることが好ましい。この場合、「燃料電池」は、連続供給される燃料、この場合は水素と、酸化剤、この場合は酸素との化学反応エネルギーを、電気エネルギーに変換するガルバニ電池を意味すると理解される。得られた電気エネルギーによって、例えば、電気モータ(図示せず)に電力供給することができ、これが、今度は、例えば、ビークル1を推進するための船のスクリューを駆動する。
負荷4に水素を供給するために、液体水素を貯蔵するための貯蔵容器5が設けられる。負荷4を安定して動作させるには、規定された供給圧力で気体水素を負荷4に供給することが必要である。貯蔵タンク5は、中心軸又は対称軸6に対して回転対称である。貯蔵容器5は、例えば、船体2の内側に、特に、エンジンルーム内に、船橋3上に、又は船体2の甲板上に配置することができ、上記甲板は支持構造7として機能する。
対称軸6は、重力方向gに対して垂直に向けることができる。これは、貯蔵容器5が平らに配置されるか又は水平位置にあることを意味する。したがって、対称軸6は支持構造7に平行である。しかしながら、貯蔵容器5は、直立又は垂直に位置決めすることもできる。この場合、対象軸6は、重力方向gに平行に向けられる。ビークル1が、例えば、水素駆動に変換されたビークルである場合、貯蔵タンク5は、例えば、ビークル1のファネル又はスタック内に配置することもできる。
海洋用途では、海の状態によって引き起こされる貯蔵タンク5に含まれる液体水素の動きを予期しなければならない。水平に配置された円筒状貯蔵容器5の場合、広い領域にわたる液体水素のスロッシングが、液体水素の質量慣性と、貯蔵容器の水平設置に起因して貯蔵容器の円筒状外壁及び端部の両方に存在する貯蔵容器の湾曲とによって促進される。
スワッシングとしても知られるこのスロッシングは、液体水素よりも上の気相の冷却につながり、それによって液体水素より上に形成されたガスクッションの圧力低下につながる。これは、海の現在の状態によっては、負荷4の動作構成要素に利用可能な水素供給圧力に望ましくない影響を与える可能性があり、それによって、負荷4の動作が不安定になる可能性がある。
負荷4に供給圧力を提供するために、液体水素をポンピングするための液冷式液体埋込ポンプを使用することが可能である。しかしながら、このようなポンプは可動部品を有する。加えて、ポンプの間欠動作の場合、ポンプの加熱に起因して液体水素内に気泡が形成される可能性がある。これは、ポンプの誤動作につながる場合がある。代替的に、水素を最初に気化させ、次いで圧縮機を用いて必要な供給圧力にすることができる。しかしながら、これはエネルギー使用の観点から好ましくない。
更に、貯蔵容器5は、供給圧力で直接作動させることもできる。この場合、貯蔵容器5内では、液相と、液相の上に積層された気相との平衡状態が確立される。液体水素の表面張力が低いことに起因して、例えば、貯蔵容器5が上述のようにビークル1に配置されているときに貯蔵容器5が移動すると、液相と気相とが互いに混合され、液体水素がそれによってより温かい気体水素を冷却する。この場合、液体水素の温度と気体水素の温度との間に平衡状態が確立されるまで、供給圧力を維持することは不可能である。
図2は、貯蔵容器5を有することができる搬送装置8の実施形態の概略図を示す。代替的に、貯蔵容器5は、搬送装置8の一部でなくてもよい。搬送装置8は、海の状態又は貯蔵容器5の他の動きとは無関係に、約6baraの一定供給圧力で気体水素H2を連続的に負荷4に供給するように構成されている。
貯蔵タンク5はまた、貯蔵容器とも称され得る。上述のように、貯蔵容器5は、液体水素H2を保持するのに好適である(1baraでの沸点:20.268K=-252.882℃)。したがって、貯蔵容器5はまた、水素貯蔵容器又は水素貯蔵タンクとも称され得る。しかしながら、貯蔵タンク5はまた、他の極低温液体にも使用することができる。極低温流体又は液体、つまり略して寒剤の例は、前述の液体水素H2に加えて、液体ヘリウムHe(1baraにおける沸点:4.222K=-268.928℃)、液体窒素N2(1baraにおける沸点:77.35K=-195.80℃)、又は液体酸素O2(1baraにおける沸点:90.18K=-182.97℃)である。
液体水素H2は、貯蔵容器5に収容される。水素H2が二相領域にある限り、気化した水素H2を有する気体領域9と液体水素H2を有する液体領域10とを貯蔵容器5内に設けることができる。したがって、水素H2は、貯蔵容器5に入った後、異なる凝集状態の2つの相、すなわち液相及び気相を有する。これは、貯蔵容器5内では、液体水素H2と気体水素H2との間に相境界11があることを意味する。
搬送装置8は、搬送ユニット12A、12Bを備える。好ましくは、2つの搬送ユニット12A、12B、すなわち、第1の搬送ユニット12A及び第2の搬送ユニット12Bが設けられる。1つの搬送ユニット12A、12Bのみを設けることも可能である。搬送ユニット12A,12Bは断続的に動作させることができる。
搬送ユニット12A,12Bは、同一に構築されている。第1の搬送ユニット12Aの構成要素は、図2において文字「A」で示されている。したがって、第2の搬送ユニット12Bの構成要素は、図2において文字「B」によって示される。以下では、第1の搬送ユニット12Aについてのみ説明するが、第1の搬送ユニット12Aに関する説明は、第2の搬送ユニット12Bにも適宜転用可能である。
第1の搬送ユニット12Aは、水素H2を収容するのに適した調整タンク13Aを備える。調整タンク13Aはまた、調整容器とも称され得る。重力方向gに対して、調整タンク13Aは、貯蔵容器5の下方に配置されている。調整タンク13Aは、水素H2に熱Wを導入するための加熱要素14Aを有する。ライン15Aは、貯蔵容器5から調整タンク14に通じている。ライン15Aは、貯蔵容器5の下側で貯蔵容器5から開口している。これは、ライン15Aが相境界11の下で貯蔵容器5から開口し、それによって、液体水素H2を調整タンク13Aに供給できることを意味する。ライン16Aは、ライン15Aから調整タンク13Aに向かって分岐している。
ライン15Aは、ライン16Aの上流にバルブV1Aを備える。バルブV1Aは遮断バルブである。バルブV1Aは、オンオフバルブとすることができる。バルブV1Aは耐寒性である。これは、バルブV1Aが、極低温、例えば、-252.882℃の水素H2の沸点においてさえ、そのバルブ機能を果たすことを意味する。例えば、バルブV1Aは、ソレノイドバルブ又は遮断バルブであり得る。バルブV1Aは、好ましくは自動的に作動される。ライン15Aは、ライン16Aの下流にバルブV4Aを備える。バルブV1A、V4Aは同一に構築することができる。負荷4は、バルブV4Aの下流に位置決めされる。これは、ライン15Aが負荷4に通じていることを意味する。
ライン17Aは、重力gの方向と反対に、調整タンク13Aから上向きに延びている。ライン17Aはライン18Aに開口し、ライン18Aは上側で、すなわち相境界11の上方で貯蔵容器5に開口する。ライン18Aは、バルブV3Aを有する。バルブV3Aは、バルブV1A、V4Aと同一であってもよい。バルブV3Aの上流で、ライン19Aがライン18Aから分岐し、貯蔵容器5に横方向から開口している。ライン19Aは、相境界11の下で貯蔵容器5に開口している。ライン17Aは、バルブV2Aを有する。バルブV2Aは、バルブV1A、V3A、V4Aと同一であってもよい。第1の搬送部12Aは、更に、圧力制御装置20A及び温度制御装置21Aを備えている。気化器22は、負荷4の上流に接続される。気化器22は、電気的に又は熱媒体を用いて水素H2を気化させることができる。
搬送装置8又は搬送ユニット12A、12Bの機能は、図3に示される圧力-エンタルピー線図を参照して以下に説明される。圧力-エンタルピー線図は、横軸に比エンタルピーhをとり、縦軸に圧力pをとった状態図である。図3は、圧力pを対数的にスケーリングするlog-p-h図を示す。図3において、aは、水素H2の気相及び液相が同時に存在する二相領域を示す。純粋な気相は、bによって示される。超臨界範囲は、cによって示される。純粋な液相は、dによって示される。
図3は、臨界点Pcを有する二相線23を示す。熱力学において、臨界点Pcは、物質、この場合は水素H2の熱力学的状態であり、液相及び気相の密度の均等化によって特徴付けられる。2つの凝集状態間の差は、臨界点Pcで存在しなくなる。その場合、水素H2はその超臨界状態にある。臨界点Pcにおいて、水素H2は、12.3baraの臨界圧pc及び-239.9℃の臨界温度Tcを有する。負荷4の供給圧力p4は、約6baraである。
気体水素H2は、最初に調整タンク13A内に位置する。調整タンク13Aは、低圧システム又は貯蔵容器5のいずれか内に排気することにより減圧することができる。この目的のために、バルブV1A、V2A、V4Aは閉じられ、バルブV3Aは開かれる。気体水素H2は、ライン17A、18Aを介して気体領域9に導入される。代替的に、バルブV1A、V3A、V4Aを閉じることもでき、バルブV2Aを開くことができる。この場合、気体水素H2は、ライン17A、19Aを介して液体領域10に導入される。次いで、貯蔵容器5内の液体水素H2は、供給された気体水素H2を冷却して、それによって、気体水素H2が少なくとも部分的に凝縮する。
続いて、調整タンク13Aは、ライン15Aを介して液体水素H2で充填される。この目的のために、バルブV2A、V3A、V4Aは閉じられ、バルブV1Aは開かれる。貯蔵容器5は、重力方向gに対して調整タンク13Aの上方に配置されているので、液体水素H2は、静圧に起因して自動的に調整タンク13A内に流れる。貯蔵容器5は、液体水素H2で完全に又は部分的に充填されている。例えば、貯蔵容器5又は調整タンク13A内の液体水素H2は、圧力pが1bara、温度Tが-253℃、密度ρが71kg/m3である。点Aは、2相線23と1バール線24との交点である。
次いで、調整タンク13Aは、バルブV1Aを閉じることによって貯蔵容器5から分離される。バルブV2A、V3A、V4Aはまだ閉じている。加熱要素14Aによって、熱Wが液体水素H2に導入され、調整タンク13A内の圧力pを上昇させる。このことは、図3において点Aから点Bへの転移によって示されている。点Bにおいて、圧力pは14baraであり、温度Tは-251℃であり、密度ρは71kg/m3である。すなわち、圧力pは臨界圧pcよりも高い。
温度Tは、点Aから点Bへの転移において2℃上昇する。調整タンク13A内の水素H2は、今や超臨界状態にある。超臨界状態では相境界が存在しないので、例えば、海上での調整タンク13Aの移動は悪影響を及ぼさない。B点においてバルブV4Aが開かれ、水素H2が負荷4に供給される。水素H2は、気化器22を用いて気化され、10~25℃の温度Tで供給圧力p4にされる。
調整タンク13Aの初期充填は、温度Tの関数にすぎない。充填レベル測定は省略することができる。前述したように、水素H2は、バルブV4Aを開くことによって負荷4に排出される。調整タンク13A内の圧力pは、熱Wの更なる供給によって14baraの圧力pに同時に維持される。充填度は、純粋に温度Tの関数である。調整タンク13Aを空にし、同時に加熱する間、調整タンク13A内の水素H2の密度ρは、調整タンク13Aを空にするプロセスを介して着実に減少する。水素H2は、前と同様に超臨界状態のままである。このことは、調整タンク13A内の水素H2が単相であることを意味する。
したがって、調整タンク13Aからの水素流量又は水素H2の流量の優れた変動のない制御が可能である。調整タンク13Aが空になると、単相プロセス制御によって調整タンク13A内に二相気液混合物が生じることはなく、二相気液混合物は、原則として、調整タンク13A内の圧力降下に起因して生じる。調整タンク13Aを空にする間に調整タンク13A内に気液混合物が形成される場合、これによって負荷4に水素H2が不連続的に供給される可能性がある。負荷4への水素H2の不連続的な供給は、調整タンク13Aの排出ノズルが、水素H2の気相に浸漬されているか、又は液相に浸漬されているかに応じて、例えば、生成された液相のスロッシングによって生じる。しかしながら、水素H2のこの望ましくない不連続な供給は、単相プロセス制御によって確実に回避されるか、又は少なくとも大幅に低減される。
上で説明した純粋に単相のプロセス制御は、図3においてBから点Cへの転移によって示されている。点Cにおいて、圧力pは14baraであり、温度Tは-230℃であり、密度ρは9.8kg/m3である。点Bから点Cへの転移の間、バルブV4Aは開いたままである。
点Bと点Cとの間で密度ρの著しい低下が生じるような温度Tが選択される。これにより、水素H2を最大限に使用することが可能になる。点Cで到達する温度Tは、水素H2の最大限の使用と貯蔵容器5への熱入力との間の妥協点である。ある温度Tに達すると、負荷4への水素H2の移送が停止される。温度Tが維持され、一定の圧力降下が許容され、調整タンク13Aを更に空にする。
代替的に、熱Wの導入を停止して、超臨界水素H2の膨張によって調整タンク13A内の温度Tを低下させることができる。これにより、水素H2を最大限に使用することが可能になる。これは、点Cから点Dへの転移によって、図3に示される。点Dにおいて、水素H2は、供給圧力p4が6baraであり、温度Tが-242℃であり、及び密度ρが6.2kg/m3である。点Dにおいて、バルブV4Aは閉じられ、水素H2は、導入部で説明したように、貯蔵容器5内に排気されることにより減圧される。92%の水素H2の使用を達成することができる。
既に上述したように、搬送ユニット12A、12Bは、断続的に動作させることができ、それによって、例えば、第1の搬送ユニット12Aが水素H2を負荷4に搬送し、一方、第2の搬送ユニット12Bの調整タンク13Bが、例えば、充填される。この断続動作により、必要な供給圧力p4で負荷4に水素H2を連続的に供給することが可能になる。
搬送装置8又は搬送ユニット12A、12Bの利点を以下に要約する。貯蔵容器5内の水素H2は、その平衡状態に保持することができ、水素H2の長い保持時間をもたらす。単に機械的な理由から、従来の隔壁又は壁を使用してスロッシングを防止すれば十分である。その結果、貯蔵容器5をより容易に構築することができる。これによって、水素H2に対するより高い吸収能力が得られる。
貯蔵容器5は、1~6baraの好適な圧力範囲内で動作させることができる。飽和液体水素H2の密度ρは、圧力に依存する。貯蔵容器5が可能な限り低い圧力pで動作することが望ましい。例えば、密度ρは、圧力pが1baraのときに71kg/m3、圧力pが6baraのときに60kg/m3、圧力pが12baraのときに圧28kg/m3である。バルブV1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4Bを除いて、搬送装置8は可動部品を有していない。したがって、搬送装置8は、非常に故障しにくい。
調整タンク13A、13B内の水素H2は、平衡状態に保つことができる。スロッシングを防止するための壁又は隔壁は、調整タンク13A、13Bが0.8*pc未満、好ましくは0.9*pc未満の圧力pで動作する場合にのみ必要とされる。水素H2は、単相媒体として調整タンク13A、13Bから除去することができる。搬送装置8は、負荷4の動作を妨害する可能性がある気相と液相との間の相転移が起こり得ないので、例えば、荒海などの過酷な条件下でも使用することができる。
水素H2を単相媒体として調整タンク13A、13Bから除去することができるので、負荷4の安定した干渉のない動作が可能である。例えば、負荷4への供給が停止される点Cに停止温度を設定することができるので、調整タンク13A、13Bの充填レベル制御を省略することができる。加熱要素14A、14Bを使用して、単純な圧力-温度制御スキームが可能である。気体水素H2をライン19A、19Bを介して液体水素H2に直接導入することが可能であるので、貯蔵容器5内で平衡状態を迅速に達成することができる。
図4は、搬送装置8を使用して水素H2を搬送するための方法の実施形態の概略的なブロック図を示す。工程S1において、水素H2が貯蔵容器5から調整タンク13A、13Bに導入される。この目的のために、バルブV1A、V1Bは開かれる。バルブV2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4Bは閉じられる。水素H2は、貯蔵容器5に収容された水素H2の静圧に起因して調整タンク13A,13Bに導入される。この目的のために、貯蔵容器5は、重力gの方向に対して、調整タンク13A、13Bの上方に配置される。
工程S2では、調整タンク13A,13Bに収容された水素H2を超臨界状態にする。この目的のために、バルブV1A、V1Bは閉じられる。加熱要素14A、14Bによって、熱Wが調整タンク13A、13Bに導入される。調整タンク13A、13B内の圧力pは、超臨界状態に達するまで上昇する。
工程S3において、水素H2は、調整タンク13A、13Bから負荷4に導かれ、調整タンク13A、13Bに収容された水素H2は、工程S3の間、超臨界状態に保たれる。この目的のために、工程S3の間、熱Wが調整タンク13A、13Bに連続的に導入される。バルブV1A、V1Bは開いている。
例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明を様々な方法で修正することができる。
1 ビークル
2 船体
3 船橋
4 負荷
5 貯蔵タンク
6 対称軸
7 支持構造
8 搬送装置
9 気体領域
10 液体領域
11 相境界
12A 搬送ユニット
12B 搬送ユニット
13A 調整タンク
13B 調整タンク
14A 加熱要素
14B 加熱要素
15A ライン
15B ライン
16A ライン
16B ライン
17A ライン
17B ライン
18A ライン
18B ライン
19A ライン
19B ライン
20A 圧力制御装置
20B 圧力制御装置
21A 温度制御装置
21B 温度制御装置
22 気化器
23 二相線
24 1バール線
a 二相領域
A 点
b 気相
B 点
c 超臨界範囲
C 点
d 液相
D 点
h エンタルピー
H2 水素/寒剤
p 圧力
pc 臨界圧力
Pc 臨界点
p4 供給圧力
S1 工程
S2 工程
S3 工程
T 温度
Tc 臨界温度
V1A バルブ
V1B バルブ
V2A バルブ
V2B バルブ
V3A バルブ
V3B バルブ
V4A バルブ
V4B バルブ
W 熱
ρ 密度
2 船体
3 船橋
4 負荷
5 貯蔵タンク
6 対称軸
7 支持構造
8 搬送装置
9 気体領域
10 液体領域
11 相境界
12A 搬送ユニット
12B 搬送ユニット
13A 調整タンク
13B 調整タンク
14A 加熱要素
14B 加熱要素
15A ライン
15B ライン
16A ライン
16B ライン
17A ライン
17B ライン
18A ライン
18B ライン
19A ライン
19B ライン
20A 圧力制御装置
20B 圧力制御装置
21A 温度制御装置
21B 温度制御装置
22 気化器
23 二相線
24 1バール線
a 二相領域
A 点
b 気相
B 点
c 超臨界範囲
C 点
d 液相
D 点
h エンタルピー
H2 水素/寒剤
p 圧力
pc 臨界圧力
Pc 臨界点
p4 供給圧力
S1 工程
S2 工程
S3 工程
T 温度
Tc 臨界温度
V1A バルブ
V1B バルブ
V2A バルブ
V2B バルブ
V3A バルブ
V3B バルブ
V4A バルブ
V4B バルブ
W 熱
ρ 密度
Claims (15)
- 貯蔵容器(5)から負荷(4)に寒剤(H2)を搬送するための方法であって
a)前記貯蔵容器(5)から調整タンク(13A、13B)内に前記寒剤(H2)を導入する工程(S1)であって、前記寒剤(H2)が、前記寒剤の静水圧のみに起因して前記貯蔵容器(5)から前記調整タンク(13A、13B)内に流れる、導入する工程と
b)前記調整タンク(13A、13B)に収容された前記寒剤(H2)をその超臨界状態にする工程(S2)と
c)前記調整タンク(13A、13B)から前記負荷(4)に前記寒剤(H2)を排出する工程(S3)であって、前記調整タンク(13A、13B)に収容された前記寒剤(H2)が、工程c)の間、前記超臨界状態に保たれる、排出する工程(S3)と、を有する、方法。 - 工程a)の後に、前記調整タンク(13A、13B)が、バルブ(V1A、V1B)が閉じられることによって、前記バルブ(V1A、V1B)を介して前記貯蔵容器(5)から分離される、請求項1に記載の方法。
- 工程c)において、前記調整タンク(13A、13B)と前記負荷(4)との間に設けられたバルブ(V4A、V4B)が開かれる、請求項1又は2に記載の方法。
- 工程b)の間、熱(W)が前記調整タンク(13A、13B)に導入されて、前記寒剤(H2)を前記超臨界状態にする、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 工程c)の間、熱(W)が前記調整タンク(13A、13B)に導入されて、前記寒剤(H2)を前記超臨界状態に保つ、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 工程c)の間、前記調整タンク(13A、13B)内の前記寒剤(H2)の密度(ρ)が減少する、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 工程c)の間、前記調整タンク(13A、13B)内の圧力(p)が一定に保たれる、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 工程c)が、前記調整タンク(13A、13B)内で所定の温度(T)が達成された後に終了される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記調整タンク(13A、13B)が、前記負荷(4)の供給圧力(p4)が達されるまで、前記負荷(4)内に排気することにより減圧される、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記調整タンク(13A、13B)が、前記供給圧力(p4)が達成されると、前記貯蔵容器(5)内に排気することにより減圧される、請求項9に記載の方法。
- 第1の調整タンク(13A)及び第2の調整タンク(13B)が断続的に動作させられる、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
- 貯蔵容器(5)から負荷(4)に寒剤(H2)を搬送するための搬送装置(8)であって、前記貯蔵容器(5)と前記負荷(4)との間に配置された調整タンク(13A,13B)を有し、前記貯蔵容器(5)及び前記調整タンク(13A,13B)が、前記寒剤の静水圧のみに起因して前記寒剤(H2)が前記貯蔵容器(5)から前記調整タンク(13A,13B)内に流れるように配置され、前記調整タンク(13A,13B)が、前記貯蔵容器(5)から前記調整タンク(13A,13B)に導入された前記寒剤(H2)をその超臨界状態にし、超臨界状態にされた前記寒剤(H2)を前記負荷(4)に供給し、前記負荷(4)に前記寒剤(H2)が供給されている間、前記調整タンク(13A,13B)内に収容された前記寒剤(H2)を前記超臨界状態に保つように構成されている、搬送装置。
- 前記調整タンク(13A、13B)が、前記調整タンク(13A、13B)内に収容された前記寒剤(H2)に熱(W)を導入して前記寒剤(H2)を前記超臨界状態にするための加熱要素(14A、14B)を備える、請求項12に記載の搬送装置。
- 第1の調整タンク(13A)及び第2の調整タンク(13B)を更に備え、前記第1の調整タンク(13A)及び前記第2の調整タンク(13B)が断続的に動作可能である、請求項12又は13に記載の搬送装置。
- 前記調整タンク(13A、13B)は、重力(g)の方向に対して、前記寒剤(H2)が重力に起因して前記貯蔵容器(5)内に自動的に流れるように配置されている、請求項12~14のいずれか一項に記載の搬送装置。
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