JP2024502543A - 水素の分配量を特定するための測定システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、水素分配場所に存在する水素分配部から、測定部を含む受入タンクへの水素分配場所の水素の分配量を特定するための測定システムに関する。測定部は、流量計を有することができ、測定システムは、水素分配部と受入タンクとの間に流体密封接続を確立するように設計されている。さらに、流量計は、能動的な冷却を有する。本発明は、さらに、水素の分配量を特定するための測定方法に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、水素分配場所に存在する水素分配部から受入タンクへの水素分配場所の水素の分配量を特定するための測定システムに関する。この目的のために、測定システムに測定部が設けられる。

水素分配場所は、例えば、水素補給ステーションであることができ、その場合、水素分配部は、対応する充填場所またはポンプ（filling point or pump（Zapfstelle oder -saeule））である。

本発明は、さらに、水素分配場所、特に水素補給ステーションにおいて、水素分配部を用いた受入タンクへの水素の分配量を特定する方法に関する。

自動車の電動化に加えて、エネルギー供給源としての水素の使用は、より環境に優しい方法で移動を実現する別の可能性を表す。電気の使用と比較して、水素の使用は、現在、補給プロセスが電池の充電と比較して著しく速い速度で行われ得るという利点を有し、燃料電池自動車の航続距離は、純粋な電池電気自動車の航続距離よりもかなり大きい。さらに、非常に有毒であることが多い電池の廃棄に関する問題はない。

しかしながら、水素補給ステーションのネットワークは、まだ存在しないか、むしろ、まだ十分な密度で存在していない。水素補給ステーションを運営し建設する場合は、様々な国の要求を遵守しなければならない。例えば、ドイツでは、測定および校正に関する法律により、燃料補給ステーションで示された分配量、すなわち、水素が補給され、それによる分配量が、実際に分配された量に一致するかどうかに関する検証が義務付けらえている。

一般的な補給プロセスは、約２０バールから約７００バールまでの様々な圧力範囲で行われる。このような高さの圧力は、ガソリンやディーゼルなどの液体燃料と同様の補給時間を達成できるように、可能な限り迅速な方法で補給プロセスを行うために提供される。

しかしながら、その結果、タンクに導入された水素は、圧縮される際に加熱される。構造上の理由から、このようなタンクは、最大９０℃までしか耐えられない。燃料補給プロセスの不必要な早期終了を避け、迅速な燃料補給を行うため、水素は、－２０℃から－４０℃の温度範囲になるように冷却される。

必要な較正プロセスのために、重量測定システムが現在本質的に知られている。

この場合、受入タンクは、トレーラーに取り付けられ、一体型高精度計量器を有する。このタンクは、水素分配部によって補給される。その後、１ｋｇから４ｋｇの範囲の重量増加が高精度で確定される。この変数は、校正を行うために、補給ステーションが示す測定変数と比較される。

しかしながら、こうしたシステムの問題点は、非常に繊細で間違いが発生しやすいことである。設置されたタンクは、ほとんどが約４００ｋｇの重量を有し、燃料補給によって追加される水素の重量は１ｋｇから４ｋｇと、ほんのわずかである。計量器には高精度の分解能が必要であるが、タンクが配置されたトレーラーは、環境の影響を非常に受けやすい。トレーラーに作用する風の圧力負荷でさえ、計量器には既に表示されてる。そのため
、理想的には、測定は、良好な気象条件下で、夏季の間にのみ行われ得る。

別の問題は、タンクを空にするときに見られる。信頼性の高い測定を行うために、測定および校正に関する法律は、少なくとも３回の連続測定を義務付けている。しかしながら、水素の急激な膨張は、タンクに損傷を与え、その構造に欠陥を生じさせる可能性があるため、タンクは、比較的ゆっくりとした速度でしか空にすることができない。さらに、膨張した水素は、噴出の間に著しく冷却されるため、タンクに凝縮液が生じる。そして、この凝縮液は、かなりの測定誤差をもたらす。

さらに、排出された水素は、現在、利用されることなく環境中に放出されているのが現状である。このため、水素が安全に排出されることを保証するために、補給ステーションから少なくとも２０メートル離れた場所に具体的に煙突を設置しなければならない。

その結果、付随する校正作業には３～４日を要し、この間、補給ステーションは、閉鎖される。この点で、このような較正は、１～２年ごとに行われることを考慮しなければならない。

水素補給ステーションの基本設計は、例えば、ＤＥ １１ ２０１１ １０１ ４１７
Ｔ５、ＵＳ ２０１７／２５４４７９ Ａ１、ＵＳ ２０１５／２６７８６５ Ａ１、ＷＯ
２０１９／２３０６５１ Ａ１から知られている。

したがって、本発明は、基本的に、水素分配部から受入タンクへの水素の分配量が測定される、効率的な測定システムおよび測定方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有するシステムおよび請求項１３の特徴を有する測定方法によって達成される。

さらなる有利な実施形態は、従属請求項、明細書、ならびに図およびそれらの説明に記載されている。

本発明によれば、測定部は、水素分配部と受入タンクとの間に配置され得る流量計を有することが提供される。 さらに、測定システムは、水素分配部と受入タンクとの間に流体密封接続（fluid-tight connection（fluiddichte Verbindung））を確立し、水素分配部によって分配された水素を、流量計を通して受入タンクに導くように設計されている。さらに、流量計は、能動冷却を有することが提供される。

本発明の基本的な考え方は、適切なさらなる手段によって、流量計を用いて高精度で水素の分配量を特定することが可能であるという事実に見ることができる。これに関連して、分配前の流量計は、ほとんどが室温またはむしろ環境温度であることを考慮しなければならない。これは、温度が＋５℃から＋４０℃の間であることができることを意味する。既に述べたように、気体の高圧縮水素の温度は、－４０℃までである。その結果、要求される高精度の流量計で測定を行う場合、高いゼロドリフトが発生し、計量および校正に関する法律で要求される測定精度に達することができない。

しかしながら、本発明によれば、流量計を能動的に冷却することにより、この問題を回避できるという認識がなされた。換言すると、測定前に既に流量計を－３０℃から－５０℃の範囲内の温度に冷却する能動冷却が提供され、その結果、高圧縮され冷却された水素
が流量計を通過する際に、流量計において温度変化が生じないか、または実質的に生じない。

したがって、本発明により、測定作業をかなり短時間で、環境温度に比較的左右されずに行うことができる。

本発明によれば、能動冷却が流量計の外部冷却として提供されることが好ましい。特に、このことは、能動冷却が流量計自体の一部ではなく、さらなる部品または設備として追加され得ることを意味することもできる。

基本的に、能動冷却の様々な可能性が考えられる。例えば、このために、ペルチェ素子や古典的なコンプレッサー冷却が用いられ得る。しかしながら、能動冷却は、外部冷却材によって行われることが望ましい。この目的のためには、ドライアイスが特に適している。

水素補給ステーションは、爆発危険区域とみなされ、Ｅｘ－Ｚｏｎｅ１に分類される。これは、そこに存在する全ての機器が、防爆設計でなければならないことを意味する。このことは、外部冷却材、特にエネルギー供給不要の冷却材、例えばドライアイスが特に有利であることを示している。

ドライアイスは、引火性がなく、約－７８℃の温度を有する。一般に、ドライアイスは、それほど高くない価格で調達でき、低温であることを除けば、取り扱いも容易である。そのため、防爆区域（Ｅｘ－Ｚｏｎｅ）や必要な防爆に関して問題はない。ドライアイスは、固体の二酸化炭素 （ＣＯ_２）である。常温では気体であり、そのため蒸発するという利点もある。一般に、他の保冷庫にも適している。

好ましくは、流量計に熱的に接触する収容装置が測定部内に設置されている。このようにして、外部冷却材を収容装置に導入し、最も効率的で簡単な方法で流量計を冷却できる。収容装置は、例えば、桶のような形の設計とすることができる。

この目的のために、例えば、収容装置は、外部からアクセス可能な中空空間として設計され得る。これは、アクセス可能なように対応する蓋を有する単純な小部屋の形で実現できる。蓋を閉じることで、測定が行われている際に、この小部屋を介して流量計に作用する環境の影響をできるだけ少なくすることができる。

収容装置と流量計との間の熱結合は、様々な方法で実現できる。１つの可能性は、流量計本体の一部で収容装置の壁を形成することである。筐体または流量計本体は、熱伝達が良く、流量計が十分に冷却されるように、ステンレス鋼製の堅牢な設計とするのが得策である。

この流量計の筐体または本体の質量が大きくなると、より長時間かつ集中的な冷却が必要になるが、このことは、測定のプロセスで温度変化がより強く発生しないという利点をもたらす。

流量計としては、様々な流量計を使用できる。例えば、コリオリ流量計、超音波流量計、または臨界ノズルを使用した流量計などである。もちろん、流体、特に気体の測定に適した他の種類の流量計を使用することもできる。

水素分配部と受入タンクとの間に、双方向の赤外線信号を伝送するための接続部が設けられていると有利である。この場合、接続部は、測定部の周囲をバイパスするように案内
することもできるが、測定部自体を通過するように案内することもできる。

欧州で一般的な水素補給ステーションでは、水素分配部、すなわち充填ポンプと、例えば自動車の受入タンクと、の間を赤外線で接続するための接続手段が、補給ホースの内側または上に平行に設けられている。ディスペンサーは、例えば、水素充填ステーションまたは水素充填システムに設置されていてもよく、固定式または可動式であってもよい。ほとんどの場合、この赤外線接続は、ケーブル式であり、水素分配部と受入タンクとの間の双方向通信に役立つ。詳細は後述するが、この接続により、燃料補給パラメーターが調整され、燃料補給プロセスが制御される。しかしながら、無線で接続することもできる。

測定プロセス中に双方向赤外線接続を行うことで、安全な燃料補給が可能となる。１つの可能性は、双方向赤外線信号の接続を、測定部を通過するように導くことである。換言すると、補給ホースは、充填ポンプから測定部に接続され、ケーブル式赤外線接続は、別のケーブルを介して測定部を通り、自動車に配置可能な受入タンクに直接導かれる。一方、測定部からは、第２補給ホースを用いてタンクへの接続が確立される。このようにして、赤外線信号は、受入タンクと水素分配部との間で伝送されることができ、水素は、受入タンクに移送される。

別の実施形態では、赤外線信号の接続は、測定部を通して案内され得る。この目的のため、水素分配部の補給ホースは、測定部に直接接続される。次に、これは、赤外線信号を伝送させる。このため、適切な補給ホースは、測定部と受入タンクとの間を接続させることができ、水素の補給と赤外線信号の伝達との両方を行うことができる。もちろん、無線接続を介在させて、赤外線信号を伝送する解決策も可能である。

有利には、測定システムの測定部は、流量計と、制御および評価部と、を有する。制御および評価部は、実質的に流量計のデータの制御と評価に役立つ。これにより、短い配線接続が可能となり、測定の精度がさらに向上する。

さらに、少なくともデータロガーと測定ディスプレイとを有する別個の表示部を設けることができる。表示部は、測定部と通信接続することができる。基本的に、表示部と測定部とを一体化設計にすることも可能である。

表示部に設けられた測定ディスプレイは、測定結果を出力する役割を果たす。測定および校正に関する法律に準拠した適切な条件を作成するために、全てのデータを記録するデータロガーを追加で提供できる。

さらに、データロガーからデータをダウンロードするためのデータインターフェースや、より上位の場所への無線式のデータ送信手段など、表示部にさらなる評価用電子機器を設けることも可能である。

さらに、本発明は、水素分配場所、特に水素補給ステーションから、水素分配部を用いた受入タンクへの水素の分配量を特定する方法に関する。本発明によれば、先に説明した測定システムが使用される。この方法を行うために、水素分配部と測定部との間、および測定部と受入タンクとの間に流体密封な接続が確立される。この目的のために、水素分配部の通常の分配ホースまたは補給ホースを、対応する接合部分または連結部分を有する測定部に接続できる。

さらに、同様の設計の補給ホースは、測定システムから受入タンクに接続される。測定部の内部には、水素分配部用連結部から受入タンク用連結部への流体密封接続も設けられている。

その後、水素は、流体密封接続を介して、水素分配部から測定システムの流量計を介し受入タンクに移送される。このプロセスでは、測定システムの流量計は、水素分配部用連結部と受入タンクとの間の接続部に配置される。

本発明の意味において、流体は、気体でも液体でもあり得るが、以下では、気体としての水素の例を、より詳細に説明する。

水素が水素分配部から受入タンクへ分配される際に、流量計を通る水素の流れの中で、流量計を通る流量が特定される。先に述べた温度ドリフトとそれに伴う精度の問題を排除するため、流量計は、水素分配部から受入タンクへの水素の移送開始前に積極的に冷却される。本発明の構想において、移送開始前とは、補給プロセスが開始される前に流量計が動作温度になるように、冷却が適時に開始されることを意味する。

流量計は、収容空間内に導入された冷却材、特にドライアイスで冷却されると有利である。既に述べたように、ドライアイスは、比較的費用効率がよく、取り扱いが容易な材料であり、防爆領域でも問題なく使用できる。

ここでは、特に水素に関して本発明を説明した。しかしながら、それは、特に冷却された方法で移送される場合に、任意の他の流体の分配量の高精度特定のために使用されることもできる。

本発明は、例示的な実施形態および模式的な図面によって、以下により詳細に説明される。

水素補給ステーションにおける典型的な充填プロセスを説明するための図。 本発明に係る測定システムの簡略図。

図１には、水素補給ステーションにおける標準的な充填プロセスを説明するための図が示されている。

ここでは、３つの異なる曲線Ｋ_１、Ｋ_２、およびＫ_３が経時的に示されている。曲線Ｋ_１は、受入タンク内または受入タンクにおける圧力に関する。Ｋ_２は、分配場所と受容タンクとの間の接続ホースを通る質量流量を示す。Ｋ_３は、補給プロセス中の補給ホース内の温度を示す。

図１では、補給プロセス中の時刻が横座標にプロットされている。左側の縦座標には、曲線Ｋ_３について質量流量がｇ／ｓで示されている。右側の縦座標には、同じ分解能で、曲線Ｋ_１については圧力がｂａｒで示され、曲線Ｋ_３については温度が℃で示されている。

以下では、補給プロセスを原理的に説明する。時刻ｔ_０において、補給ホースは、水素分配部、すなわち充填ポンプと受入タンクとの間に接続される。時刻ｔ_１において、高圧パルスは、補給ステーションのシステムを介して、閉じられたホースシステムに導入されるが、これは、短い時間しか続かない。次に、圧力を維持できるか否かを試験する。これは、接続が流体密封であるか否かを確実にし、検証するのに役立つ。その後、時刻ｔ_２において、補給が開始される。

標準として、欧州における水素補給ステーションは、３つの異なるタンク、すなわち、約２００バールまでの低圧タンク、約６００バールまでの中圧タンク、および７００バールから８００バールの間の充填量を有する高圧タンクを有する。時刻ｔ_３において、補給ステーションによって、プロセスが最初に開始された低圧タンクからの充填がもはや十分に速い速度で行われず、中圧タンクへの切り替えが行われることが決定される。時刻ｔ_４において、中圧タンクに対して同じ決定が行われ、高圧タンクへの切り替えが行われる。時刻ｔ_５において、自動車のタンクが最大許容圧力となるので、補給プロセスが完了する。水素補給ステーションの他の実施形態は、蒸発および圧縮された極低温液体水素を使用し、極低温液体水素は、自動車への補給のための高度に圧縮された水素と同様のプロセスで使用される。

以下でより詳細に説明され、図２に模式的に示される本発明に係る測定システムによって、補給プロセス中の質量流量を高精度で特定できる。

図２では、左側に、例えば補給ステーションの形態で、水素分配場所６０が最初に設けられる。これは、水素分配部６１を有し、それに連結部品６２が設けられている。図の右側には、自動車７０が示されており、自動車７０内には、受入タンク７１が配置され、受入タンク７１は、連結部品７２を有している。

通常の動作では、水素分配場所６１または連結部品６２と、受入タンク７１またはその連結部品７２と、の間に分配ホースを用いて直接流体密封接続が確立される。しかしながら、水素分配部６１によって分配される水素の量の較正または追加の検証が提供されるために、本発明に係る測定システム１が挿入される。

本発明に係る測定システム１は、２つの主要な構成要素からなる。これは、一方は測定部１０であり、他方は表示部２０である。

測定部１０には、対応する制御および評価部１９を有する流量計１２が設けられている。さらに、２つの連結部品１１，１６が設けられている。２つの連結部品１１，１６の間には、流量計１２を通って案内される流体密封接続が設けられる。この接続部には、温度計１３および圧力計１４が追加的に配置されている。例示的な実施形態では、表示部２０は、データロガー２２および測定ディスプレイ２４を有する。データロガー２２および測定ディスプレイ２４の両方は、温度計１３および圧力計１４と同様に、制御および評価部１９と通信接続されている。これらの接続は、図１においてのみ概略的に示されている。

分配量の測定を行うために、本発明によれば、水素分配部６１またはそのコネクター６２と測定部１０の連結部品１１との間、および測定部１０の連結部品１６と受入タンク７１の連結部品７２との間に、流体密封接続が確立される。ここで、水素は、水素分配部６１を介して受入タンク７１に流入され得る。このために、図１を参照して前述した方法が適用される。

水素が高度に圧縮され、最初に空のタンク７１に充填されるという事実により、水素は、受入タンク７１内で再び加熱される。しかしながら、タンクは、特に自動車７０において、約＋８０℃の温度までしか許容されないので、この加熱は、大幅に低減または防止されなければならない。このため、水素分配部６１を介して水素分配場所６０から分配された水素は、冷却されて送出される。この結果、流体密封接続において、水素は、－１０℃～－３０℃の範囲の温度で分配される。

しかしながら、この場合には、非常に広い温度範囲をカバーしなければならないので、流量計１２の測定精度に問題が生じる。それゆえ、較正測定に、もはや許容できないゼロ
ドリフトが発生する。

したがって、本発明によれば、流量計１２を能動的に冷却することが提案される。本発明によれば、この目的のために、外部からアクセス可能な容器１５が測定部１０に設けられている。図１では、ドライアイスなどの外部冷却材３０が、この容器１５内に簡略化された方法で設けられている。収容装置１５は、流量計１２の領域で終端し、例えば流量計１２と共通の壁１７を有するように構成されている。このようにして、熱的な接触がもたらされ、流量計１２を冷却できる。

例えば、ドライアイスが冷却材３０として使用される場合、比較的容易に調達することができ、費用効率が高いという利点を提供する。ドライアイスは、不活性であるので、補給ステーションの爆発保護領域においても使用できる。

そのような測定の間に特定されたデータ、一方では流量に関する制御および評価部１９のデータ、他方では温度計１３および圧力計１４の任意に提供されるデータは、表示部２０に渡され、そこでデータロガー２２に記憶されるとともに、対応する測定ディスプレイ２４に表示される。

水素分配部６１と受入タンク７１との間の通信を可能にするために、ケーブル式設計であり得る赤外線接続のための規格に従って準備がなされる。この赤外線接続を介して、受入タンク７１と水素補給部６１との間で、補給状態等の情報が交換される。

この通信の継続を可能にするために、本発明によって２つの選択肢が提案される。これらの両方は、図２に示されているが、通常、両方の選択肢が同時に使用されることはない。

一方では、赤外線接続は、赤外線接続４１によって示されるように、測定システム１を通過して導かれ得る。この場合、測定システム１は、赤外線伝送路からいかなる情報も取得しない。他方では、測定システム１を能動的に介在させることができる。この目的のために、図２にも描かれている２つの赤外線接続４２が設けられている。

これは、情報が測定部１０を通過し、おそらくそこで読み取られることができ、または追加的に評価されることもできるという効果を有する。

本発明に係るシステムの利点は、これによって、標準的な補給プロセスよりも大幅に多くの時間を必要としない高精度測定を行うことができるという事実にある。

測定および較正に関する法律によれば、少なくとも２つから４つの補給プロセスが提供され、これは、補給ステーションにおける通常の補給プロセスと同様に、本発明に係るシステムにおいて容易に行うことができる。これは、既知のシステムと比較して、著しい時間の利点をもたらす。

したがって、本発明に係る測定システムおよび本発明に係る方法を用いて、効率的かつ迅速な方法で水素補給ステーションの較正試験測定を行うことが可能である。

Claims (14)

1. 水素分配場所（６０）、特に水素補給ステーションにおいて、そこに存在する充填場所である水素分配部（６１）から受入タンク（７１）への水素の分配量を特定するための測定システム（１）であって、
   前記測定システムは、測定部（１０）を含み、
   前記測定部（１０）は、前記水素分配部（６１）と前記受入タンク（７１）との間に配置され得る流量計（１２）を有し、
   前記測定システム（１）は、前記水素分配部（６１）と前記受入タンク（７１）との間に流体密封接続を確立するように設計され、
   前記測定部は、前記水素分配部（６１）によって分配された水素を、前記流量計（１２）を通して前記受入タンク（７１）に導くように設計され、
   前記流量計（１２）は、能動冷却を有し、前記能動冷却は、前記水素の移送の開始前に、前記移送中に前記流量計内の温度が実質的に変化しないように前記流量計（１２）を冷却するように設計されていることを特徴とする、測定システム（１）。
2. 前記能動冷却は、外部冷却であることを特徴とする、請求項１に記載の測定システム（１）。
3. 前記能動冷却は、外部冷却材（３０）、特にドライアイスによって実現されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定システム（１）。
4. 前記測定部（１０）内に、前記流量計（１２）と熱的に接触する収容装置（１５）が設置されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の測定システム（１）。
5. 前記収容装置（１５）は、外部からアクセス可能な中空空間として設計されていることを特徴とする、請求項４に記載の測定システム（１）。
6. 前記収容装置（１５）の壁は、前記流量計（１２）の本体によって形成されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の測定システム（１）。
7. 前記流量計（１２）は、コリオリ流量計、超音波流量計、または臨界ノズルを用いた流量計として構成されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の測定システム（１）。
8. 前記水素分配部（６１）と前記受入タンク（７１）との間に、有線の双方向赤外線信号を送信するための接続部（４１，４２）が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の測定システム（１）。
9. 前記接続部（４２）は、前記測定部（１０）の周りに案内されることを特徴とする、請求項８に記載の測定システム（１）。
10. 前記接続部（４２）は、前記測定部（１０）を通って案内されることを特徴とする、請求項８に記載の測定システム（１）。
11. 前記測定部（１０）は、前記流量計（１２）と、制御および評価部（１９）と、を有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の測定システム（１）。
12. 少なくともデータロガー（２２）および測定ディスプレイ（２４）を有する表示部（２
    ０）が設けられ、
    前記表示部（２０）は、前記測定部（１０）と通信接続されていることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の測定システム（１）。
13. 充填場所である水素分配部（６１）を備えた水素分配場所（６０）、特に水素補給ステーションにおいて、受入タンク（７１）への水素の分配量を特定するための方法であって、
    請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の測定システム（１）を使用し、
    前記水素分配部（６１）と前記測定部（１０）との間、および前記測定部（１０）と前記受入タンク（７１）との間に、流体密封接続が確立され、
    前記流体密封接続を介して、水素は、前記水素分配部（６１）から前記測定システム（１）の前記流量計（１２）を介して前記受入タンク（７１）に移送され、
    前記流量計（１２）を通る水素の流量は、前記水素分配部（６１）から前記受入タンク（７１）への前記水素の分配中に特定され、
    前記流量計（１２）は、前記水素分配部（６１）から前記受入タンク（７１）への前記水素の前記移送の開始前に、能動的に冷却され、それにより、前記移送中に前記流量計において温度の変化が実質的に生じないことを特徴とする、方法。
14. 前記流量計（１２）は、前記収容空間（１５）内に導入された冷却材（３０）、特にドライアイスによって冷却されることを特徴する、請求項１３に記載の方法。

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