JP5690332B2 - ２相水素ポンプ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は概して、燃料システムに関するものであり、特に液体水素を水素ガスに変換するシステム及び方法に関するものである。

水素は、排出量が少なく、かつ燃料効率が高いことから、石油系燃料よりも優れた幾つかの利点を提供する。例えば、水素を燃料電池に使用して電気を生成することにより電動モータに給電する場合、副生成物は水である。水素を、タービンエンジンまたはピストンエンジンのような内燃機関内で燃焼させる場合、排ガス排出量は、石油系燃料の燃焼により生じる排出量よりも非常に小さい。水素の燃料としての別の利点は、ジェット燃料のような石油系燃料に比べて、質量当たりのエネルギー密度が非常に大きいことである。例えば、水素の質量当たりのエネルギー含量は、石油系燃料の質量当たりのエネルギー含量の約３倍である。

水素を液体の形態で効率的に貯蔵することにより、必要な貯蔵容積を最小にすることができる。水素を液体の形態で貯蔵するためには、温度を約−４２０°Ｆ以下に維持する必要があるが、水素をガスの形態で貯蔵するために多数のタンクを必要とするのと比べた場合に、液体水素を貯蔵する圧力を低くすると、輸送手段の合計重量を最小にすることができる。

水素に関連して上に述べた利点は、特定の輸送手段に当てはまる。例えば、高高度長時間滞空型（ＨＡＬＥ）無人航空機は、水素を推進剤とする推進システムの利点を生かしている。ＨＡＬＥ無人航空機は、最高６５，０００フィートの高度で運転することができるように設計され、空中に、最長１４日間、またはそれよりも長く滞空することができる。しかしながら、種々の他の輸送手段及びシステムが、水素を石油系燃料の代替燃料とする利点を生かすことができる。

燃料電池、または内燃機関に水素を使用するために、水素をガス状にする必要がある。更に、水素ガスの圧力を高くして、燃料電池または内燃機関の動作条件に適合させる必要がある。液体水素を水素ガスに適切な温度及び圧力で変換する先行技術による方法では、熱交換器及び機械式ポンプを使用する。熱交換器を使用して、液体水素を気化して水素ガスとすることにより、燃料として利用することができる。残念なことに、熱交換器は普通、嵩張る。

ＨＡＬＥ無人航空機のような長時間滞空用途では、機械式ポンプは、長い期間に亘って継続的に作動する機能を備える必要がある。液体水素の温度が極端に低く、かつ水素の粘度が低くなると、機械式ポンプの効率及び信頼性が低くなる。更に詳細には、温度が極端に低いので、機械式ポンプのうち、液体水素に曝される部分には、極めて大きな熱収縮力が作用する虞がある。機械式ポンプの種々の部分の間の熱収縮力の差に対応するために、ポンプの嵌合部品群を、比較的大きい公差で設計し、製造する必要がある。しかしながら、公差を大きくすると、ポンプ効率が低下する虞がある。

更に、機械式ポンプは通常、摩擦を最小にし、かつ摩耗を防止する潤滑剤を必要とする回転部品群を含む。残念なことに、液体水素の粘度が非常に低くなると、潤滑剤として作用する水素の能力が最も低くなる。更に、液体水素の温度が低くなると、ポンプ内で使用することができる適合潤滑剤（例えば、テフロン）の利用可能な種類数が最も少なくなる。

以上の説明から分かるように、液体水素を水素ガスに適切な動作温度及び圧力で変換するシステム及び方法がこの技術分野において必要になっている。この点に関して、液体水素を水素ガスに適切な動作温度及び圧力で変換するシステム及び方法であって、最小点数の可動部品しか必要とせず、かつ水素ガスを継続的に確実に、かつ高い効率で生成することができるシステム及び方法がこの技術分野において必要になっている。

水素燃料に関連する上述の必要性は、詳細には、１つの実施形態において、ポンプハウジング及び加熱機構を備える水素ポンプを提供する本開示により満たされる。前記ポンプハウジングは、液体水素を、例えば供給タンクから延びるハウジング入口を介して流入させるように構成された。前記加熱機構は、前記ポンプハウジング内に収容される前記液体水素を気化して水素ガスを生成するように構成された。

更に、前記加熱機構は、前記水素ガスの圧力を高くして、前記水素ガスが所定の圧力に達するときに、前記水素ガスをハウジング出口から継続的に放出することができるように構成された。前記水素ガスは、前記ポンプハウジング内の前記液体水素が所定の液位を下回るまで前記ハウジング出口から継続的に放出することができ、前記液体水素が所定の液位を下回るときに、前記ハウジング出口を閉じることができる。次に、残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出して、更なる液体水素が前記ポンプハウジング内に新規サイクルの開始時に流入し易くすることができる。

１つの実施形態では、前記水素ポンプは、前記ハウジング入口が、前記ハウジング出口を閉じた後に、かつ前記残留水素ガスを排出する前に、一時的に（すなわち、所定の期間だけ）開くように構成することができる。このように、ポンプハウジング内のより高い圧力の水素ガスは、ポンプハウジングからハウジング入口を通って流出して液体水素と混合することにより、水素ガスの温度を低くする。

前記水素ポンプは、前記ポンプハウジングを前記供給タンクに相互接続する中間セクションを含むことができる。前記中間セクションは、液体水素を収容することができ、かつ前記水素ガスを前記液体水素と混合する場所を提供することができる。前記水素ガスを前記液体水素と混合した後、前記ポンプハウジング内の残留水素ガスを、排出管を通って排出することにより、前記ポンプハウジング内の圧力を下げることができる。前記残留水素ガスを排出することにより、更なる液体水素を前記ハウジング入口に新規サイクルの開始時に流入させることができる。前記排出管は、任意であるが、前記中間セクションを通って引き回すことにより、前記残留水素ガスを前記供給タンクに供給する前に、前記排出管内の前記残留水素ガスの熱を取り出すことができる。熱を前記残留水素ガスから取り出すことにより、前記ポンプハウジング内の前記液体水素の気化に必要な熱量を低減することができる。

本開示の技術上の利点として、水素の気化及びポンプ輸送を組み合わせて、単一の受動的な閉鎖系に、機械式ポンプまたは従来の熱交換器を必要とすることなく取り込むことができることを挙げることができる。受動水素ポンプは、水素ガスを所望の動作温度及び圧力で、効率的かつ確実に生成する手段を提供する。

これまでに説明してきた特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に達成することができる、または以下の記述及び以下の図面を参照しながら理解することができる更なる詳細を含む更に他の実施形態において組み合わせることができる。

本開示のこれらの特徴、及び他の特徴は、同様の参照番号が図面全体を通じて同様の構成要素を指すこれらの図面を参照することにより明らかになる。

図１は、１サイクルの開始時の２相水素ポンプを模式的に示し、供給タンクと、ポンプハウジングに入口バルブを介して流体接続される中間セクションと、を示している。 図２は、入口バルブを開くことにより、ポンプハウジングに液体水素を、ハウジング入口を介して流入させることができる構成の水素ポンプを模式的に示している。 図３は、ポンプハウジングに液体水素を充填し、加熱素子で液体水素を気化して水素ガスにすることにより、流量制御バルブの位置で放出する構成の水素ポンプを模式的に示している。 図４は、ポンプハウジングの液体水素が空になり、入口バルブを開いて、水素ガスを中間セクション内で液体水素と混合させることができる構成の水素ポンプを模式的に示している。 図５は、排出バルブを開いて残留水素ガスをポンプハウジングから排出することにより、ポンプハウジング内の圧力を低くして液体水素をポンプハウジングに流入させることができる構成の水素ポンプを模式的に示している。 図６は、ポンプハウジングに液体水素を充填し、入口バルブ及び排出バルブを閉じて、別のサイクルの開始時に、液体水素が気化して水素ガスになり易くする構成の水素ポンプを模式的に示している。 図７は、水素ガスを液体水素から生成する方法である。 図８は、水素ポンプの１つの実施形態において水素流量が時間とともに変化する様子をプロットしている。 図９は、水素ポンプを搭載することができる輸送手段の１つの実施形態における航空機の斜視図である。

次に、図の提示が、本開示の好適な種々の実施形態を示すために行なわれ、かつ本開示を限定するためには行なわれない種々の図面に示すように、図１には、液体水素１２を水素ガス１４に変換するために使用される場合の水素ポンプ１０の模式図が示される。上に説明したように、水素ガス１４は、内燃機関、燃料電池の場合におけるような、または種々の他の用途の場合におけるような燃料として、限定されることなく、以下に説明される通りに使用することができる。

広義の意味で、水素ポンプ１０は、ポンプハウジング３６と、加熱機構５４と、を備える。ポンプハウジング３６は、液体水素１２を、ハウジング入口３８を介して流入させるように構成することができる。更に詳細には、液体水素１２は、水素を約−４２０°Ｆ以下の温度に保持するために適する極低温供給タンク２０のような供給タンク２０に貯蔵することができる。この点に関して、供給タンク２０は、能動的な絶縁及び／又は受動的な絶縁を行なって、水素を液体状態に保持する極低温供給タンク２０として構成することができる。しかしながら、供給タンク２０は、水素を液体状態に保持する先行技術において公知のいずれかの方法を用いることができる。略球形の容器として図示されているが、供給タンク２０は、限定されることなく、いずれかの適切なサイズ、形状、及び構造にすることができる。

液体水素１２をポンプハウジング３６に流入させると、加熱機構５４は、液体水素１２をポンプハウジング３６内で気化して水素ガス１４にするように構成することができる。更に、加熱機構５４は、ポンプハウジング３６内の水素ガス１４の圧力を、水素ポンプ１０の下流に位置する部品による使用に適する値にまで高くするように構成することができる。例えば、内燃機関の場合、水素ポンプ１０は、液体水素１２を、約−１０°Ｆ〜２５０°Ｆの温度範囲で、かつ約６０〜１００ｐｓｉａの圧力範囲で生成するように構成することができる。しかしながら、水素ポンプ１０は、水素ガス１４を、多岐に亘る用途において使用されるいずれかの温度及び圧力で供給するように構成することができる。

図１には、ポンプハウジング３６に供給管２６を介して流体接続される供給タンク２０が示される。ポンプハウジング３６はハウジング入口３８を含むことができ、このハウジング入口３８に、入口バルブ３０を流体接続することができる。入口バルブ３０は、開閉作動することにより、液体水素１２をポンプハウジング３６に流入させる、および／または水素ガス１４をポンプハウジング３６から流出させることができるので、水素ガス１４を液体水素１２と、以下に更に詳細に説明する態様で混合することができる。

図４を簡単に参照するに、水素ポンプ１０は更に、入口バルブ３０と供給タンク２０との間の供給管２６に配置される中間セクション２８を含むことができる。以下に更に詳細に説明するように、中間セクション２８は、ポンプハウジング３６からの水素ガス１４を液体水素１２と混合して、水素ガス１４の温度を低くする場所を提供することができる。更に、中間セクション２８は、残留水素ガス３４を収容する排出管７４を引き回すときに通過する場所を提供することができ、排出管７４を引き回すことにより、これについても以下に説明されるように、残留水素ガス３４を供給タンク２０に供給する前に、残留水素ガス３４から熱を取り出す処理が容易になる。

有利な点として、水素ポンプ１０は、本明細書において開示されるように、受動的な閉鎖系を提供し、この受動的な閉鎖系は、液体水素１２を気化するという要求、及び水素を継続的にポンプ輸送するという要求を組み合わせることにより、水素ガス１４を継続的に供給して、これらには限定されないが、内燃機関、燃料電池、または他のいずれかのシステム、環境、適用形態、アセンブリ、構造、或いは輸送手段におけるように、下流の要素において使用することができる。例えば、水素ポンプ１０は、これらには限定されないが、精油所運転、食物処理、発電所冷却を含む種々の用途及び産業に、原子炉施設に取り入れることができる。更に、水素ポンプ１０は、これらには限定されないが、熱処理、溶接、及び化学合成を含む多岐に亘る製造作業及び他のプロセスに取り入れることができる。

図１に更に示すように、ポンプハウジング３６は１つの実施形態では、垂直セクション４４と連続して形成することができる水平セクション４２を含むことができる。水平セクション４２は、供給タンク２０から流入させることができる液体水素１２を収納する、または収容するように構成することができるので、液体水素１２を水平セクション４２に貯留することができる。この点に関して、水平セクション４２は、液体水素１２を、ハウジング入口３８を介して流入させるように構成することができる。水平セクション４２は、液体水素１２を流入させるいずれかのサイズ、形状、または構造にすることができる。更に、水平セクション４２において、加熱機構５４を使用して液体水素１２を加熱することができる。

垂直セクション４４は、水平セクション４２から上方に向かって延在することができる。図１に示すように、垂直セクション４４は、水平セクション４２の反対側端部群のうちの一方の端部に位置させることができるが、垂直セクション４４は、水平セクション４２に対していずれかの場所に配置することができる。更に、垂直セクション４４は、いずれかのサイズまたは形状になるように構成することができ、これらの図に示すサイズまたは形状に限定されない。垂直セクション４４は、水素ガス１４をポンプハウジング３６の内部に貯蔵することができる場所を提供することができる。

Ｌ字構造として示されているが、ポンプハウジング３６は、液体水素１２の流入、及び液体水素１２の加熱を容易にする任意のサイズ、形状、及び構造にすることができる。更に、ポンプハウジング３６は、気化を容易にし、かつポンプハウジング３６から放出される水素ガス１４の貯蔵を容易にするいずれかの構造にすることができる。この点に関して、ポンプハウジング３６は、ポンプハウジング３６内の水素ガス１４が所定の圧力に達するときに水素ガス１４を、ハウジング出口４０を通って放出するように構成することができる。ポンプハウジング３６のハウジング出口４０は、液体水素１２が所定の液位を下回るときに閉じるように構成することができる。更に、図４に示すように、ポンプハウジング３６は、ハウジング出口４０が閉じた後に、ポンプハウジング３６内に残留する残留水素ガス３４を排出してポンプハウジング３６内の圧力を下げするように動作することができる。このようにして、図５に示すように、かつ以下に更に詳細に説明するように、更なる液体水素１２をポンプハウジング３６に、ハウジング入口３８を通って流入させることができる。

水素ポンプ１０は流量制御バルブ６０を含むことができ、この流量制御バルブ６０は、ハウジング出口４０に流体接続することができる、またはハウジング出口４０と一体的に形成することができる。流量制御バルブ６０は、流量制御バルブ入口６４と、流量制御バルブ出口６６と、を含むことができる。流量制御バルブ入口６４は、ハウジング出口４０に流体接続することができる。流量制御バルブ出口６６は、下流の構成要素に供給導管（図示せず）を介して流体接続することにより、当該下流の構成要素に水素ガス１４を水素ポンプ１０から流入させることができる。流量制御バルブ６０は、チェックバルブ、圧力調整器５８のような適切ないずれかの構造にすることができるか、またはハウジング出口４０の開閉を調整する他のいずれかの適切なバルブ構成または機構にすることができる。流量制御バルブ６０は制御バルブアクチュエータ６２を含むことができ、この制御バルブアクチュエータ６２は、流量制御バルブ６０を開いて、ポンプハウジング３６内の水素ガス１４の圧力が所定値に達すると、水素ガス１４をポンプハウジング３６から放出することができるように構成することができる。更に、流量制御バルブ６０は、水素ガス１４の圧力が所定の圧力を下回るときに、および／またはポンプハウジング３６内の液体水素１２の液位が、図４に示すように、空液位５３のような所定の液位を下回るときに閉じるように構成することができる。

１つの実施形態では、流量制御バルブ６０は、ポンプハウジング３６内の液体水素の検出液位１２に応じて調整することができる。例えば、流量制御バルブ６０または制御バルブアクチュエータ６２は、１つ以上の液位センサ４８に通信可能に接続することができ、これらの液位センサ４８は、ポンプハウジング３６内に取り付けることができるか、またはポンプハウジング３６に組み込むことができ、例えば図１に示すように、水平セクション４２内に取り付けることができる。この点に関して、ポンプハウジング３６は、１つ以上の満タンセンサ５０及び／又は１つ以上の空センサ５２を含むことができる。満タンセンサ５０及び空センサ５２は、図１に示すように、流量制御バルブ６０、入口バルブ３０、及び／又は排出バルブ７０に通信可能に接続することができる。満タンセンサ５０及び空センサ５２は、液体水素１２の液位を検出するように構成されたいずれかの適切な機構として設けることができる。例えば、満タンセンサ５０及び／又は空センサ５２は、光センサ、超音波センサ、または他のいずれかの適切な液位検出装置として設けることができる。

１つの実施形態では、満タンセンサ５０は、液体水素１２が満タン液位５１に、ポンプハウジング３６の水平セクション４２内で達する時点を検出することができる。満タンセンサ５０は、満タン液位５１に達したことを表わす信号群を生成することができる。このような信号群は流量制御バルブ６０、入口バルブ３０、排出バルブ７０に供給する、および／または水素ポンプ１０の他のいずれかの作動機構に供給することができる。空センサ５２は、液体水素１２が、ポンプハウジング３６が空であることを示唆することができる空液位５３を下回る時点を検出する、および／または通知するように動作することができる。

水素ポンプ１０は、流量制御バルブ６０とポンプハウジング３６との間に延在する検出線６８を含むことができる。検出線６８は、ハウジング出口４０における水素ガス１４の背圧を表わす信号群を供給するように構成することができる。背圧は、いずれかの適切な検出機構によって、例えば１つ以上の圧力トランスデューサ（図示せず）によって検出することができる。ポンプハウジング３６内の、更に具体的には、ポンプハウジング３６の垂直セクション４４内の水素ガス１４の貯蔵量を検出し、流量制御バルブ６０に検出線６８を介して送信することにより、流量制御バルブ６０をそれに応じて調整することができる。例えば、ポンプハウジング３６内で所定の圧力に達すると、流量制御バルブ６０を開いて水素ガス１４を放出することができる。

１つの実施形態では、流量制御バルブ６０を、ポンプハウジング３６よりも高い上昇位置に、および／またはハウジング出口４０よりも高い上昇位置に位置させる、または配置することにより、水素ガス１４の放出を容易にすることができる。しかしながら、流量制御バルブ６０は、ポンプハウジング３６に対していずれかの上昇位置に位置させることができる。同様に、供給タンク２０は、ハウジング入口３８よりも高い上昇位置に配置することにより、ポンプハウジング３６への液体水素１２の重力輸送を容易にすることができる。しかしながら、図１〜６の模式図は、水素ポンプ１０の１つの配置を表わし、当該配置に代わる配置を、供給タンク２０、ポンプハウジング３６、流量制御バルブ６０、及び水素ポンプ１０に含まれる他の構成要素群の相対位置に関して限定してしまうものとして解釈されるべきではない。例えば、供給タンク２０は、ポンプハウジング３６と同じ上昇位置に位置させることができる。別の構成として、供給タンク２０は、ポンプハウジング３６よりも低い上昇位置に位置させることができる。水素ポンプ１０は、任意であるが、液体水素１２をポンプハウジング３６に押し出す補助ポンプを含むことができる。例えば、水素ポンプ１０は昇圧ポンプ４６を含むことができ、この昇圧ポンプ４６をポンプハウジング３６にハウジング入口３８の位置で流体接続することにより、ポンプハウジング３６に流入する液体水素１２の流量を増やすことができる。

図１に更に示すように、水素ポンプ１０は加熱機構５４を含むことができ、この加熱機構５４は、液体水素１２をポンプハウジング３６内で気化して、水素ガス１４を生成するように構成することができる。加熱機構５４は更に、ポンプハウジング３６内の水素ガス１２の圧力を、液体水素１２及び／又は水素ガス１４を継続的に加熱することにより、上昇させるように構成することができる。１つの実施形態では、加熱機構５４は外部取付け加熱素子を含むことができ、この加熱素子は、ポンプハウジング３６の水平セクション４２の外側部分を少なくとも取り囲むように配置されるか、または外側部分を少なくとも覆う。別の構成として、または外部取付け構造の他に、加熱機構５４は、ポンプハウジング３６の内部に延在する、例えば水平セクション４２及び／又は垂直セクション４４内に１つ以上の箇所にまで延在する１つ以上の加熱素子を含むことができる。

特定の構造に関係なく、加熱機構５４は、液体水素１２の温度を上昇させるように構成することができる。例えば、加熱機構５４は、液体水素１２を徐々に気化して水素ガス１４にするように、または液体水素１２を継続的に気化して水素ガス１４にするように構成することができる。１つの実施形態では、加熱機構５４は、液体水素１２を気化温度にまで間欠的または周期的に加熱するように構成することができる。更に、加熱機構５４は、水素ガス１４の温度及び／又は圧力を、水素ガス１４の供給先の下流の構成要素、例えば内燃機関の動作条件に対応する値にまで上昇させるように構成することができる。

水素ポンプ１０は更に、排出管７４を含むことができ、この排出管７４は、ポンプハウジング３６から延在することにより、水素ガス１４の排出を可能にしている。図１に示す実施形態では、排出管７４は、図４に示すように、ポンプハウジング３６と供給タンク２０との間に延在することにより、残留水素ガス３４を供給タンク２０に排出することができる。例えば、ポンプハウジング３６内の液体水素１２が空になるときのような水素ポンプ１０の作動中の所定の時点では、ポンプハウジング３６内の圧力を下げることにより、液体水素１２を追加して、ポンプハウジング３６内に、別サイクルの開始時に流入させることができることが望ましい。ポンプハウジング３６からの排出を調整するために、排出管７４は、排出バルブアクチュエータ７２に接続される排出バルブ７０を含むことができる。排出バルブアクチュエータ７２は、満タンセンサ５０及び／又は空センサ５２に、またはこれらには限定されないが、入口バルブ３０及び流量制御バルブ６０のような水素ポンプ１０の他の検出部品及び制御部品に通信可能に接続することができる。

排出バルブ７０は、ポンプハウジング３６内の液体水素１２が空液位５３になっている、または空液位５３を下回っていることを示唆する信号を受信すると開くように作動することができる。排出バルブ７０を開くと、残留水素ガス３４をポンプハウジング３６から排出して、例えば図４に示すように、供給タンク２０に送り込むことができる。排出バルブ７０を開くと同時に、入口バルブ３０を開いて、更なる液体水素１２をポンプハウジング３６に容易に流入させることができる。排出バルブ７０は、図３に示すように、液体水素１２が満タン液位５１のような所定の液位にポンプハウジング３６内で達するまで開いたままにすることができる。満タン液位５１に達していることを満タンセンサ５０が検出すると、排出バルブ７０、入口バルブ３０、及び流量制御バルブ６０を閉じて、ポンプハウジング３６を密閉状態にすることにより、液体水素１２の気化、及び水素ガス１４の生成が可能になる。任意であるが、入口バルブ３０を開く前の所定の期間だけ入口バルブ３０を開いて、水素ガス１４をポンプハウジング３６から流出させることができ、この場合、水素ガス１４を液体水素１２と中間セクション２８内で、または供給管２６内で混合することができる。水素ガス１４を液体水素１２と混合することにより、水素ガス１４の温度を下げることができる。

図４に示すように、水素ポンプ１０は熱取出し機構７６を含むことができ、この熱取出し機構７６は、ポンプハウジング３６から排出される残留水素ガス３４から熱を取り出すように構成された。残留水素ガス３４から熱を取り出すことにより、液体水素１２をポンプハウジング３６内で気化するために必要な熱の量を少なくすることができる。１つの実施形態では、熱取出し機構７６は、排出管７４のうちの中間セクション２８を通って延在する部分を含むことができ、この中間セクション２８には液体水素１２を充填することができる。排出管７４のうちの中間セクション２８に位置する部分は、蛇行流路となるように形成するか、または蛇行流路の形状とすることにより、液体水素１２に曝される排出管７４の表面積の大きさを最大にすることができる。しかしながら、熱取出し機構７６は、排出管７４を、中間セクション２８を通るように引き回す構成に限定されず、排出管７４内の残留水素ガス３４から熱を取り出す種々の別の構成を含むことができる。

図１に示すように、１つの実施形態では、水素ポンプ１０は更に、コアレッシングフィルタ５６を含むことができ、このコアレッシングフィルタ５６により、液体水素１２の液滴が排出管７４の内部に形成されるのを防止する。このような液滴は、ポンプハウジング３６内の水素ガス１４に混入する可能性がある。フィルタで濾過しないで放っておくと、液体水素１２の液滴が排出管７４内で捕捉されるようになり、これにより排出管７４が詰まる虞がある。コアレッシングフィルタ５６は、図１〜６に示すように、ポンプハウジング３６内に延在する排出管７４の入口に取り付けることができる。コアレッシングフィルタ５６は、液体水素１２の液滴が排出管７４に流入するのを防止する、または排出管７４内で形成されるのを防止するいずれかの適切な構造にすることができる。例えば、コアレッシングフィルタ５６は、残留ガスを、複数の折れ曲がり部分を有する蛇行流路に押し出して、液滴を、水素ガスが排出管７４に流入する前に水素ガス１４から分離する機構を備えることができる。

水素ポンプ１０の１つの実施形態では、排出管７４は、供給タンク２０で終端することができ、この供給タンク２０は、ディフューザ２４を含むことにより、水素ガス１４を排出管７４から放出するときの流速を遅くすることができる。この点に関して、ディフューザ２４は、液体水素１２の表面の擾乱を防止する、または最小に抑えることができ、この擾乱によって、液体が供給タンク２０内で飛散する虞があり、かつ供給タンク２０の目減り空間２２内で圧力が低下する虞がある、および／またはディフューザ２４の目詰まりが起こる虞がある。ディフューザ２４は、このような飛散を、供給タンク２０内の液体水素１２の表面への直接放出を避けることにより防止することができる。

次に、水素ポンプ１０の動作について、図７の流量チャート、及び図１〜６の模式図を参照しながら説明する。図７は、液体水素１２を気化して水素ガス１４を形成する方法を示している。これらの模式図では、液体水素１２は、水素ポンプ１０の液体断面１６を占めるものとして図示される。水素ガス１４は、水素ポンプ１０のガス断面１８を占めるものとして図示される。当該方法では、液体水素１２を、水素ポンプ１０を通して受動的に、かつ補助ポンプを使用することなくポンプ輸送するが、このようなポンプを組み込むことにより、液体水素１２の流量を増加させることができる。当該方法の工程１５０では、供給タンク２０をポンプハウジング３６に接続する供給管２６の入口バルブ３０を開くことにより、液体水素１２をポンプハウジング３６に１動作サイクルの開始時に流入させることができる。

図１に示すように、供給タンク２０は、供給タンク２０からポンプハウジング３６への液体水素１２の重力輸送を容易にする上昇位置に位置させることができる。しかしながら、液体水素１２をポンプハウジング３６に、機械式ポンプのような別体のポンプ機構を、重力輸送機構に替わる手段として、または重力輸送機構に更に追加される手段として使用して供給してもよい。供給タンク２０からの液体水素１２は、供給管２６を通って流れることができ、中間セクション２８を通過する、および／または満たすことができる。図１から分かるように、工程１５０では、入口バルブ３０をまず、閉じ状態に設定することができる。入口バルブ３０は、図１に示す入口バルブアクチュエータ３２によって調整することができ、この入口バルブアクチュエータ３２は、満タンセンサ５０及び／又は空センサ５２、及び／又は流量制御バルブ６０及び排出バルブ７０のような他の部品に通信可能に接続することができる。

図２に示すように、工程１５２では、入口バルブアクチュエータ３２によって入口バルブ３０を開くことにより、液体水素１２が供給タンク２０から中間セクション２８に流れ込んで、液体水素１２がポンプハウジング３６内に流入可能となる。入口バルブ３０は、液体水素１２が、図２に示す満タン液位５１のような所定の液位にポンプハウジング３６内で達するまで開位置に保持することができる。満タン液位５１は、満タンセンサ５０によって、または別の適切な検出機構によって検出することができる。

図３に示すように、工程１５４では、入口バルブ３０を、液体水素１２が、満タン液位５１のような所定の液位に達するときに閉じることができる。ポンプハウジング３６は、ポンプハウジング３６からの流出をほとんど無くすように密閉されることが好ましい。例えば、ポンプハウジング３６は、入口バルブ３０、流量制御バルブ６０、及び排出バルブ７０を閉位置に保持することにより密閉することができる。工程１５６では、ポンプハウジング３６内で、加熱機構５４を使用して液体水素１２を加熱することにより、液体水素１２の温度を上昇させて、液体水素１２を気化させ、液体水素１２から水素ガス１４を発生させる。ポンプハウジング３６の密閉は、液体水素１２が気化して水素ガス１４になる前に行なって、水素ガス１４がポンプハウジング３６から放出される、または漏れ出すのを防止することができる。液体水素１２の加熱では、水平セクション４２及び／又は垂直セクション４４の外側を加熱することができる。更に、液体水素１２の加熱では、これらには限定されないが、ポンプハウジング３６の外側を取り囲むように延在する加熱素子を含むいずれかの適切な手段により、および／または１つ以上のプローブを水平セクション４２内に取り付けて、これらのプローブを液体水素１２内で引き回すことにより、液体水素１２を直接または間接的に加熱することができる。

図３から分かるように、ポンプハウジング３６は、液体水素１２を水平セクション４２に収容し、水素ガス１４を垂直セクション４４に収容することができるが、水素ガス１４で、水平セクション４２の一部を満たしてもよい、または逆に、液体水素１２で垂直セクション４４の一部を満たしてもよい。１つの実施形態では、ポンプハウジング３６はＬ字形構造を形成することができ、このＬ字形構造によって、水素ガス１４を垂直セクション４４内に均一に貯蔵することができ、かつ更に、加圧水素ガス１４を容易に、垂直セクション４４からハウジング出口４０及び／又は流量制御バルブ６０を通るように均一に流出させることができる。水平セクション４２を水平な姿勢にすることにより、液体水素１２がポンプハウジング３６に流入するときに液体水素１２を容易に貯留することができる。この点に関して、水平セクション４２は、１つ以上のハウジング入口３８を含むことができ、かつハウジング入口３８を１つしか含まないように図示される特定の構造に限定されない。

図３に更に示すように、工程１５８では、ポンプハウジング３６内の水素ガス１４が所定の圧力に達すると、流量制御バルブ６０を開くことができる。流量制御バルブ６０を開くと、水素ガス１４をポンプハウジング３６から放出して、下流の構成要素に供給することができる。水素ガス１４は、加熱機構５４により液体水素を加熱することにより継続的に生成される。この点に関して、所定の圧力値での水素ガス１４の生成は、水素ガス１４が所定の圧力に保持されるように流量制御バルブ６０を開位置に保持した状態で継続することができる。

液体水素１２の加熱は、継続して行なう、間欠的に行なう、および／または必要に応じて行なうことにより、水素ガス１４を生成することができる。更に、水素ガス１４を供給することができる供給先の下流のシステムが必要とする条件によって、液体水素１２、および／または水素ガス１４を加熱することができる。１つの実施形態では、加熱は、ポンプハウジング３６内の液体水素１２が、図１〜６に示す空センサ５２により検出されるように、所定の液位を下回るまで継続することができる。

図４に示すように、液体水素１２が空液位５３を下回ると、工程１６０では、流量制御バルブ６０を閉じる。ポンプハウジング３６は、残留水素ガス３４を水平セクション４２及び／又は垂直セクション４４に収容することができる。工程１６２では、入口バルブ３０を開くことができ、この場合、ポンプハウジング３６内の圧力が相対的に高いので、残留水素ガス３４または水素ガス１４がハウジング入口３８を通って、供給管２６及び／又は中間セクション２８に逆流する。ハウジング入口３８を通って逆流すると、工程１６４において、水素ガス１４が液体水素１２に衝突し、液体水素１２と混合する。このように混合することによって、水素ガス１４の温度を、液体水素１２の温度に略等しい温度に下げることができる。

図５に示すように、工程１６６では、排出バルブ７０を開いて、ポンプハウジング３６内に残留する残留水素ガス３４を排出してポンプハウジング３６内の圧力を下げる。排出管７４は、ポンプハウジング３６を供給タンク２０に接続することができるので、残留水素ガス３４が排出管７４を通って流れ、排出バルブ７０が開くと供給タンク２０に放出される。工程１６８では、排出管７４内の水素ガス１４から、排出管７４の一部を、中間セクション２８を通るように引き回すことにより熱を取り出すことができる。しかしながら、熱は、残留水素ガス３４から、別の機構を使用して取り出してもよい。例えば、排出管７４は、水素ポンプ１０のうち、液体水素１２を収容するいずれかのセクションを通るように引き回すことにより、残留水素ガス３４に含まれる熱を、当該残留水素ガスを供給タンク２０に放出する前に取り出すことができる。

図５に更に示すように、当該方法は更に、ポンプハウジング３６内の残留水素ガス３４に混入する可能性のある液滴を、水素ガス１４が排出管７４に流入する前に除去する工程を含むことができる。この点に関して、上に説明したコアレッシングフィルタ ５６を用いて、液滴が排出管７４に流入するのを防止することができ、液滴が排出管７４に流入すると、排出管７４が目詰まりを起こす虞がある。図５から分かるように、入口バルブ３０を、排出バルブ７０が開くときに開くことにより、更なる液体水素１２がポンプハウジング３６に流入すると同時に、水素ガス１４を供給タンク２０に排出することができる。

図６に示すように、工程１７０では、ポンプハウジング３６に液体水素１２を、新規サイクルの開始時に充填することができる。液体水素１２は、ハウジング入口３８に流入し、残留水素ガス３４または水素ガス１４を移動させて、水素ガス１４をポンプハウジング３６から、排出管７４を通るように押し出すことができる。液体水素１２はポンプハウジング３６に、入口バルブ３０が開位置になると流入することができる。入口バルブ３０は、ポンプハウジング３６内の液体水素１２の液位が、満タンセンサ５０により通知される満タン液位のような所定の液位に達するまで開いたままにすることができる。ポンプハウジング３６は、入口バルブ３０、排出バルブ７０、及び流量制御バルブ６０を、加熱機構５４から熱が液体水素１２に加わっている状態で閉じることにより密閉することができる。上述の工程群は、供給タンク２０内の液体水素１２が空になるまで継続的に繰り返すことができる、または上記操作は、もっと早い時期に終了させることができる。

図７には、水素ポンプ１０の１つの実施形態を試験している間に測定される水素ガス１４の流量が時間とともに変化する様子を表わすプロットが示されている。このプロットは、水素ガス１４の予測流量（すなわち、予測平均ｍｄｏｔ）を示す水平線を含む。水素ポンプ１０の１つの実施形態を試験したところ、約１２０秒の動作時間中に水素の質量流量が毎時約８〜１４ポンドの範囲で変化した。プロットの左側の曲線で示されるように、流量の初期増加は、動作開始時の液体水素１２の温度成層化現象に関連付けられる。この曲線は、液体水素１２がポンプハウジング３６内で沸騰蒸発することによる液体水素１２の気化を表わしている。プロットの右側の曲線で示される流量の減少は、円筒形のポンプハウジング３６内の液体水素の表面積が減少することに起因する沸騰蒸発中のポンプハウジング３６内の液体水素１２の表面積の減少に関連付けることができる。

図８には、高高度長時間滞空型（すなわち、ＨＡＬＥ）無人航空機１００のような航空機１００が示されており、この航空機に水素ポンプ１０を搭載することができる。図から分かるように、航空機１００は、翼１０４及び尾部１０６を備える胴体１０２を有する従来の構造を含むことができる。航空機１００は、１つ以上の推進ユニット１０８を含むことができ、これらの推進ユニット１０８は、これらには限定されないが、水素ポンプ１０で生成される水素ガス１４を燃焼させるタービン式及び／又はピストン式のいずれかの内燃機関を含む種々の構造にすることができる。

水素ポンプ１０は、図８に示す航空機１００に組み込むことができる実施形態として示され、記載されるが、水素ポンプ１０及び方法は、いずれかのシステム、サブシステム、アセンブリ、サブアセンブリ、構造に組み込むことができ、海上船舶、陸上車、飛行体、及び／又は宇宙船を含む輸送手段に組み込むことができることに注目されたい。更に、水素ポンプ１０は、いずれかの用途に搭載することができ、上に示したいずれかの産業、動作、またはプロセスにおいて使用することができる。有利な点として、水素ポンプ１０及び方法は、水素を確実に、かつ高い効率で気化し、ポンプ輸送して、いずれかの下流の構成要素によって使用されるようにする受動的な閉鎖系を提供する。

本開示の更に別の変形及び改善は、この技術分野の当業者には明らかである。従って、本明細書において記載され、かつ例示される構成要素群の特定の組み合わせは、本開示の特定の実施形態を表わしているに過ぎず、本開示の思想及び範囲に含まれる別の実施形態またはデバイスを限定するために利用されるべきではない。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
ハウジング入口を介して液体水素を流入させるように構成されたポンプハウジングと、
前記液体水素を気化して水素ガスにし、前記ポンプハウジング内の前記水素ガスの圧力を高めるように構成された加熱機構と
を備え、
前記ポンプハウジングが、前記水素ガスが所定の圧力に達するときにハウジング出口を通って前記水素ガスを放出するように構成されており、
前記ポンプハウジングが、前記ハウジング出口を閉じ、前記ポンプハウジングから残留水素ガスを排出することにより、前記ハウジング入口を通って更なる液体水素が前記ポンプハウジングに流入できるように構成されている、
水素ポンプ。
（態様２）
前記ハウジング入口に接続され、かつ前記液体水素を貯蔵するように構成された供給タンクを更に備える、態様１に記載の水素ポンプ。
（態様３）
前記ハウジング入口に接続され、かつ開くことにより前記液体水素を前記ポンプハウジングに流入させるように動作する入口バルブを更に備え、前記入口バルブが、前記液体水素が前記ポンプハウジング内で満タン液位に達すると閉じるように動作する、態様１に記載の水素ポンプ。
（態様４）
前記入口バルブが、前記液体水素が空液位を下回ると開くように動作する、態様３に記載の水素ポンプ。
（態様５）
前記ポンプハウジングと前記供給タンクとの間に延在して、前記ポンプハウジングから残留水素ガスを排出する排出管を更に備える、態様２に記載の水素ポンプ。
（態様６）
液体水素を貯蔵するように構成された供給タンクと、
前記供給タンクに接続され、かつ前記液体水素を前記供給タンクから流入させるように構成されたポンプハウジングと、
前記供給タンクと前記ポンプハウジングとの間に配置された入口バルブと、
前記液体水素を前記ポンプハウジング内で気化して水素ガスにし、前記水素ガスの圧力を高めるように構成された加熱機構と、
開くことにより、前記ポンプハウジング内の圧力が所定値に達するときに前記ポンプハウジングから前記水素ガスが放出されるように構成された流量制御バルブであって、前記ポンプハウジング内の前記液体水素が空液位を下回ると閉じるように構成された前記流量制御バルブと、
前記ポンプハウジングと前記供給タンクとの間に延在する排出管と、
前記排出管に取り付けられ、かつ前記ポンプハウジングから前記供給タンクに残留水素ガスを排出して、前記ポンプハウジング内の圧力を低下させることにより、前記供給タンクから液体水素を流出させて前記ポンプハウジングに流入させるように構成された排出バルブと
を備える受動水素ポンプ。
（態様７）
前記ポンプハウジングに接続されて、前記ポンプハウジング内の前記液体水素の充填液位を検出するように構成された満タンセンサ及び空センサのうちの少なくとも１つを更に備える、態様６に記載の水素ポンプ。
（態様８）
前記入口バルブと前記供給タンクとの間に配置される中間セクションを更に備え、
前記ポンプハウジングが、前記ポンプハウジング内の前記液体水素が前記空液位を下回って、前記ポンプハウジング内の水素ガスが前記中間セクションに流入して前記液体水素と混合するときに、前記ハウジング入口を開くように構成されている、
態様６に記載の水素ポンプ。
（態様９）
前記排出管から前記供給タンクに放出される水素ガスの速度を低下させるように構成されたディフューザを更に備える、態様６に記載の水素ポンプ。
（態様１０）
水素をポンプ輸送する方法であって、
液体水素をポンプハウジングに流入させる工程と、
前記ポンプハウジング内で前記液体水素を気化して水素ガスにする工程と、
所定の圧力に達するときに、前記水素ガスを前記ポンプハウジングから放出する工程と、
残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出することにより、更なる液体水素を前記ポンプハウジングに流入させる工程と
を含む方法。
（態様１１）
前記液体水素を気化する前に、前記ポンプハウジングを密閉する工程を更に含む、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記液体水素を前記ポンプハウジング内で加熱して、前記ポンプハウジング内の前記水素ガスの圧力を高める工程を更に含む、態様１０に記載の方法。
（態様１３）
前記液体水素を供給タンクから流入させ、残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出する前記工程では：
前記残留水素ガスを供給タンクに排出して前記ポンプハウジング内の圧力を下げることにより、更なる液体水素を前記ポンプハウジングに流入させる、
態様１０に記載の方法。
（態様１４）
前記残留水素ガスを排出する前記工程では、前記残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出する前に、前記残留水素ガスに混入する液体水素の液滴を除去する、態様１０に記載の方法。
（態様１５）
前記ポンプハウジングが、前記供給タンクをハウジング入口に流体接続する中間セクションを含み、前記中間セクションが液体水素を収容するように構成され、前記方法が、
前記ポンプハウジング内の前記液体水素が空液位を下回ることにより、前記ポンプハウジング内の水素ガスが前記中間セクションに流入して、前記液体水素と前記中間セクション内で混合するときに、前記ハウジング入口を開く工程を更に含む、態様１０に記載の方法。

Claims (10)

1. ハウジング入口を介して液体水素を流入させるように構成されたポンプハウジングと、
   前記液体水素を気化して水素ガスにし、前記ポンプハウジング内の前記水素ガスの圧力を高めるように構成された加熱機構と
   を備え、
   前記ポンプハウジングが、前記水素ガスが所定の圧力に達するときにハウジング出口を通って前記水素ガスを放出するように構成されており、
   前記ポンプハウジングが、前記ハウジング出口を閉じ、前記ポンプハウジングから残留水素ガスを排出することにより、前記ハウジング入口を通って更なる液体水素が前記ポンプハウジングに流入できるように構成されている、
   水素ポンプ。
2. 前記ハウジング入口に接続され、かつ前記液体水素を貯蔵するように構成された供給タンクを更に備える、請求項１に記載の水素ポンプ。
3. 前記ハウジング入口に接続され、かつ開くことにより前記液体水素を前記ポンプハウジングに流入させるように動作する入口バルブを更に備え、前記入口バルブが、前記液体水素が前記ポンプハウジング内で満タン液位に達すると閉じるように動作する、請求項１に記載の水素ポンプ。
4. 前記入口バルブが、前記液体水素が空液位を下回ると開くように動作する、請求項３に記載の水素ポンプ。
5. 前記ポンプハウジングと前記供給タンクとの間に延在して、前記ポンプハウジングから残留水素ガスを排出する排出管を更に備える請求項２に記載の水素ポンプ。
6. 水素をポンプ輸送する方法であって、
   液体水素をポンプハウジングに流入させる工程と、
   前記ポンプハウジング内で前記液体水素を気化して水素ガスにする工程と、
   所定の圧力に達するときに、前記水素ガスを前記ポンプハウジングから放出する工程と、
   残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出することにより、更なる液体水素を前記ポンプハウジングに流入させる工程と
   を含む方法。
7. 前記液体水素を気化する前に、前記ポンプハウジングを密閉する工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記液体水素を前記ポンプハウジング内で加熱して、前記ポンプハウジング内の前記水素ガスの圧力を高める工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記液体水素を供給タンクから流入させ、残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出する前記工程では：
   前記残留水素ガスを供給タンクに排出して前記ポンプハウジング内の圧力を下げることにより、更なる液体水素を前記ポンプハウジングに流入させる、
   請求項６に記載の方法。
10. 前記残留水素ガスを排出する前記工程では、前記残留水素ガスを前記ポンプハウジングから排出する前に、前記残留水素ガスに混入する液体水素の液滴を除去する、請求項６に記載の方法。

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