JP5130235B2 - 水素燃料供給法 - Google Patents

Description

本発明は、貯蔵タンクに加圧気体水素の燃料を供給する方法に関する。

特に自動車に搭載された加圧水素用貯蔵タンクの燃料補給には、貯蔵タンクを加圧気体水素で満たすための幾つかの一般的な方法が用いられている。

今のところ、貯蔵タンクを加圧気体水素で満たすことを実現するには大別して三つの異なる方式がある。

その一つは圧力補償方式であり、この場合は、先ず複数の一時貯留用ガスバッファータンクに水素供給源（これは個々にタンクや貯槽又はパイプラインであってよい。）からコンプレッサー又は極低温ポンプにより異なる圧力レベルの水素が充填される。これらのガスバッファータンクから自動車の搭載貯蔵タンクに加圧気体水素を充填する操作は、各ガスバッファータンクと搭載貯蔵タンクとの間で最終補給圧力に達するまでの圧力補償動作により加圧気体水素が搭載貯蔵タンクに充填されるように行われる。

別の一つはブースター方式であり、この場合は水素供給源から所要生産力に応じた水素がコンプレッサーにより自動車の搭載貯蔵タンクに直接充填される。

更に別の一つとして上述の二方式を組み合わせた方法も実用化されている。このような組み合わせ方式を用いた場合は、最初に複数のガスバッファータンクから圧力補償動作により搭載貯蔵タンクに対する部分的な充填が行われ、その後、この貯蔵タンクに対して所要の最終圧力へ向けてブースター方式を用いた充填が行われる。

これらの各方式によって貯蔵タンクに加圧気体水素を充填する方法では、１５℃で７００ｂａｒの圧力まで貯蔵タンクを満たすことができる。しかしながら、この方法には、種々の自動車に搭載されている各貯蔵タンクの満たすべき容量が異なることから、必ずしも不所望の過充填や貯蔵タンクの温度上昇なしに充填作業を行えるとは限らないという問題点が伴う。

本発明の課題は、上述の問題点を解消して不所望の過充填や温度上昇を生じることなく貯蔵タンクに加圧気体水素を充填することができ、しかもエネルギー面で有利な様式に最適化された普遍的水素燃料供給法を明示することであり、更には水素の損失を可能な限り排除することのできる水素燃料供給法を提供することである。

この課題を解決するため、本発明によって貯蔵タンクに加圧気体水素を充填する方法においては、
ａ）水素供給源の貯槽から抜き取った液体水素を予め定められた平均圧力に圧縮してバッファータンクへ一時的に貯留しておき、
ｂ）前記貯槽内で蓄積する沸騰蒸発水素を圧縮して前記バッファータンクへ一時的に貯留しておき、
ｃ）充填操作の第１段階では満たすべき貯蔵タンクと前記バッファータンクとの間の圧力補償動作により前記バッファータンクから前記貯蔵タンクへ加圧気体水素を充填し、
ｄ）次いで充填操作の第２段階では前記バッファータンクからの水素を目標貯蔵圧力に圧縮して前記貯蔵タンクへ補給し、
ｅ）この目標貯蔵圧力への水素の圧縮と前記沸騰蒸発水素の圧縮を一台の圧縮機又は二台の圧縮機で実行する。

実際面で同じ一台の圧縮機を用いてバッファータンクからの水素を目標貯蔵圧力へ圧縮する操作と水素供給源の貯槽からの沸騰蒸発水素を圧縮する操作とを実行できるのは、特に使用する圧縮機が入口及び出口側で共に異なる圧力レベルでの動作に適合可能な場合である。これに該当しない場合やその他の制約がある場合、互いに異なる圧力レベルでの動作に適合した二台の圧縮機を使用しても良い。

本発明による水素燃料供給法において、従属請求項の対象となる有利な実施形態は以下に列挙する特徴を備えている。

即ち、本発明の好適な一実施形態によれば、前記平均圧力は１００〜６００バール、好ましくは２００〜４５０バールの圧力範囲内である。

本発明の別の好適な一実施形態によれば、貯槽から抜き取った液体水素を予め定められた平均圧力に圧縮する操作は極低温ピストンポンプによって実行される。

本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、バッファータンクをその容積の９０％まで、好ましくは８０％まで満たすに等しい量だけの液体水素が圧縮されてバッファータンクへ充填され、それによりバッファータンク内に前記沸騰蒸発水素のための充分な貯留容積が確保される。

本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、前記液体水素は少なくとも一つの真空断熱タンクからなるバッファータンク内に一時的に貯留される。

本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、加圧気体水素で満たされるべき貯蔵タンクは、各種の移動体搭載貯蔵タンク、或いは特に自動車、鉄道車両又は航空機に搭載された貯蔵タンクである。

従来技術と比べて、本発明により加圧気体水素を貯蔵タンクへ充填する方法は以下に述べるような数々の利点を備えている。即ち、
・高い処理能力を発揮することができ、
・エネルギー面で有利な極低温圧縮操作を利用でき、
・沸騰蒸発水素の損失を回避することができ、
・小型圧縮機により設備の専有空間を小さくすることができ、
・バッファータンクとしては、高い処理能力のため容積の比較的小さい幾つかのバッファータンクを用意するだけで足り、
・特に極低温ポンプと圧縮機との組み合わせ方式であるため、取出流量と利用理念に関して柔軟性が高く、
・極低温ポンプの故障又は保守時には圧縮機により低流量で充填操作を実行でき、また圧縮機の故障又は保守時には極低温ポンプにより充填操作を実行でき、少なくとも４００バール前後の平均圧力までの充填は実行できるので、システムの冗長性を確保することが可能である。

貯蔵タンクを加圧気体水素で満たすための本発明による水素燃料供給法では、液体水素の供給と準備がそれぞれ必要である。このための液体水素は、典型的には真空断熱タンクからなるバッファータンクに一時的に貯留される。このようにして液体水素供給の準備をすることは、近いうちに計画される水素燃料補給施設における量的なシナリオに対応する最も賢明な対策と考えられるが、その幾つかの理由を列挙すれば以下の通りである。

現在までのところ、必要とする場所で充分な量の水素を提供することのできる水素パイプライン網は存在していない。

必要とする場所で気体水素を貯蔵することは所要空間が巨大となるので不利である。

購入量の変動は、充分に実証されている石油産業のものに適合させた対応する物流理念により最も柔軟な形式で補償できる。

本発明によれば、水素供給源の貯槽から抜き取られた液体水素は今や或る予め定められた平均圧力に圧縮されて一つ又は複数のバッファータンクに一時的に貯留される。この場合、貯槽から抜き取った液体水素の圧縮は極低温ピストンポンプによって実行することが好ましい。現在、４５０バールまでの圧縮圧力に対応可能な極低温ピストンポンプが実用化可能である。ここで、「平均圧力」とは、１００〜６００バール、好ましくは２００〜４５０バールの圧力範囲内の圧力を意味する。この圧縮の大部分が本発明による方法を用いて液相状態の水素によりエネルギー面で有利な様式で実行される。このような液相での圧縮に要するエネルギー需要は気体水素の圧縮に要するエネルギー需要のたかだか２０％に過ぎない。

このようにして液相状態で圧縮された水素は一つ又は複数のバッファータンクに一時的に貯留される。ここで、種々の異なる圧力レベルの複数のバッファータンクを準備することは、所謂「銀行制度方式」と称することができる。

有利には、個々のバッファータンクをその容積の９０％まで、好ましくは８０％まで満たすに等しい量だけの液体水素が圧縮されて各バッファータンクへ充填される。これにより、圧縮後の沸騰蒸発水素も同じバッファータンクへ確実に充填することが可能となる。

所謂沸騰蒸発の挙動は、一基以上の貯槽やポンプ等からなるあらゆる極低温システムについて考慮する必要がある。これは、周囲環境から極低温システムに進入する熱により液体水素が沸騰蒸発することを意味する。気体の熱膨張は極めて大きいため、液体水素の沸騰蒸発により極低温システム内で圧力上昇が生じる。これを回避するには、この気体、即ち沸騰蒸発水素をシステム外部に排出する必要があるので、通常は排気筒を介して大気へ通じる管路を貯槽に付設し、内圧が或る圧力に達したときには該管路を介して貯槽内の沸騰蒸発水素を排気するようにする。しかしながら、この方式では貯槽内の水素の沸騰蒸発分が利用されずに失われてしまうことになる。

本発明によれば、今や貯槽内で蓄積する沸騰蒸発水素も圧縮されて同じ一つ又は複数のバッファータンクに一時的に貯留される。この圧縮に必要な圧縮機は、貯槽の内圧が調整可能に予め設定された或る圧力値に達したときに自動的に沸騰蒸発水素を圧縮するように構成されていることが好ましい。

移動体搭載貯蔵タンクを加圧気体水素で満たすには、本発明に従って先ず充填の第１段階として充填対象の貯蔵タンクとバッファータンクとの間で圧力補償方式による加圧気体水素の充填操作が実行される。前述の銀行制度方式を採用する場合、通常は互いに圧力レベルの異なる三つのバッファータンクを準備し、低圧バッファータンクから中圧バッファータンク、そして高圧バッファータンクへと順次連続的に切り替えながら搭載貯蔵タンクへ水素が充填される。

充填対象の貯蔵タンクには負のジュール・トムソン効果及び水素の断熱圧縮による温度上昇が生じる虞があるが、これを回避するために加圧気体水素はバッファータンクから貯蔵タンクへ供給される直前に−４０℃前後の温度に予備冷却される。この冷却は能動的冷却システムによって行うことが好ましい。更に、通常は加圧気体水素の通過流量も制御され、一つ又は複数のバッファータンクと充填対象の搭載貯蔵タンクとの圧力差が過大となって加圧気体水素の通過流量が最大質量流量を超えることがないように制限される。

通常、充填の第１段階で一つ又は複数のバッファータンクから搭載貯蔵タンクへの充填が終わった後の貯蔵タンク内の圧力は３５０〜４５０バールに達し、この場合の貯蔵タンク圧力は究極的には一つ又は複数のバッファータンクの充填レベルに依存する。

その後は充填の第２段階に移り、本発明に従って搭載貯蔵タンクに対する目標最終圧力までの充填が行われる。即ち、一つ又は複数のバッファータンクからの水素が目標最終圧力まで圧縮されて搭載貯蔵タンクへ供給される。この充填の第２段階における水素の圧縮は、本発明によれば前述の沸騰蒸発水素の圧縮に供したのと同一の圧縮機によって実行可能である。この方式は、単一の圧縮機で二つの圧縮機の仕事を賄える点で有利である。実際面でこれを可能とするには、二つの機能の自動的な切り替えを作動中の条件の関数として実行するように圧縮機を本発明による方法へ組み込むことが必要である。

ここで、上記二つの機能の動作挙動データは異なるという問題がある。沸騰蒸発水素の圧縮の場合、例えば圧縮機の入口圧力は０〜１２バールであり、圧縮機出力は２０〜１００m³/hで最終圧縮圧力は３００バール前後である。この場合、充填の第２段階で実行される一つ又は複数のバッファータンクからの水素の圧縮では圧縮機の入口圧力は３００バールに達し、圧縮機出力は１２００〜２０００m³/h、最終圧縮圧力は８５℃で８７５バール程度であって、これは１５℃で７００バールの圧力に相当する。

同一の幾何学的圧縮容積（圧縮チャンバー）で１０〜２０倍の入口圧力に応じて通過流量も１０〜２０倍に増加するのであるから、本発明による方法で係る目的に使用する圧縮機は入口側及び出口側が共に低圧レベルと高圧レベルでの動作に適合できるように構成されている必要がある。

本発明に従って貯蔵タンクを加圧気体水素で満たす方法を水素燃料補給設備で実施すると、特に各設備当たりの燃料補給車両の台数が少ない水素燃料自動車普及過渡期において効率的な運用が可能である。即ち、補給対象車両の台数が少ないうちは、水素供給源から抜き取られた液体水素の圧縮に準備されている極低温ピストンポンプを冷却する必要性がさほど多くはない。尚、この場合の「冷却」とは、極低温ピストンポンプを液体水素によって−２５３℃の作動温度に冷却して維持することを意味する。台数が少ないうちは圧縮流量も少ないため、準備されている圧縮機を冷却しなくても、これら少ない台数の車両に水素を補給するには充分である。補給対象車両の台数が増加した場合は、極低温ピストンポンプを冷却して大流量の圧縮を実行すればよい。

Claims (6)

1. 貯蔵タンクに加圧気体水素を充填するに際し、
   ａ）水素供給源の貯槽から抜き取った液体水素を予め定められた平均圧力に圧縮してバッファータンクへ一時的に貯留しておき、
   ｂ）前記貯槽内で蓄積する沸騰蒸発水素を圧縮して前記バッファータンクへ一時的に貯留しておき、
   ｃ）充填操作の第１段階では満たすべき貯蔵タンクと前記バッファータンクとの間の圧力補償動作により前記バッファータンクから前記貯蔵タンクへ加圧気体水素を充填し、
   ｄ）次いで充填操作の第２段階では前記バッファータンクからの水素を目標貯蔵圧力に圧縮して前記貯蔵タンクへ補給し、
   ｅ）この目標貯蔵圧力への水素の圧縮と前記沸騰蒸発水素の圧縮を一台の圧縮機又は二台の圧縮機で実行する、
   ことを特徴とする水素燃料供給法。
2. 前記平均圧力を１００〜６００バール又は２００〜４５０バールの圧力範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の水素燃料供給法。
3. 前記貯槽から抜き取った液体水素を前記平均圧力に圧縮する操作を極低温ピストンポンプによって実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の水素燃料供給法。
4. バッファータンク内に前記沸騰蒸発水素のための充分な貯留容積が確保されるように、バッファータンクをその容積の９０％又はは８０％まで満たすに等しい量だけの液体水素を圧縮してバッファータンクへ充填することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素燃料供給法。
5. 前記液体水素を少なくとも一つの真空断熱タンクからなるバッファータンク内に一時的に貯留することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素燃料供給法。
6. 加圧気体水素で満たされるべき貯蔵タンクが、移動体搭載貯蔵タンク、或いは自動車、鉄道車両又は航空機に搭載された貯蔵タンクであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素燃料供給法。