JP5789257B2 - 水素分配システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素を分配するためのシステム及びその方法に関する。

近年、水素等の代替エネルギー源、又は、エネルギー担体の開発に大いに興味が注がれている。水素を燃料源として使用する自動車及び他の車両が開発されているが、規模又は費用に関してガソリン燃料補給所に匹敵できる、これらの車両に燃料を再補給するための方法は未だ開発されていない。ガソリン燃料補給所は非常に簡易で、典型的には、ガソリンを貯蔵するためのタンク、及び、１つ又は複数のポンプだけからなる。これまでに水素燃料補給のために開発された選択肢は、高価で、あまりに大型で、過剰な保守を必要とする。

開発された一選択肢は、燃料補給所の水素ガスの貯蔵、及び、水素の圧力を、典型的には３００から７００バールである、燃料補給するために必要な圧力まで上昇させるために使用される１つ又は複数の大型の圧縮機を提供する（特許文献１）。

この選択肢は、高いエネルギー使用量だけでなく、圧縮機システムのサイズ及び設計によって、広い設置面積を有する。
開発された他の一選択肢は、燃料補給所での液体水素の貯蔵を提供する。液体水素は、極低温ポンプによって、より高い圧力に揚げられ、次いで、それは、燃料補給のために使用される水素ガスに気化される（特許文献２）。これらの両方、及び、当業者に知られた他の選択肢は、車両への燃料補給で使用される水素の圧力を上昇させるための機械的圧縮又はポンピングを必要とする。

特表２００９−５１０３５２号 特表２０１０−５１０４６３号

適切な水素分配システムを提供するために、本システムは、より一層簡易で、より安価であり、必要とする空間をより少なくしなくてはならない。加えて、水素燃料補給所をガソリン供給所に代替して存続可能にするために、保守要求及びエネルギー使用は削減されなくてはならない。

本発明は、３０ケルビン未満の温度で液体水素を貯蔵するための、入口と出口とを有する供給容器と、連続的に稼働される第一及び第二のフラッシュドラムであって、第一及び第二のフラッシュドラムの各々は、入口と出口とを有し、第一のフラッシュドラムは液体水素で充填されて水素ガスを提供するように加熱されることができ、水素ガスは、圧力が第一の圧力を下回るまで第一のフラッシュドラムから排出されることができ、第二のフラッシュドラムは液体水素で充填されて、第一のフラッシュドラムが第一の圧力よりも低い圧力で水素ガスを提供する間、第一の圧力で又は第一の圧力を上回る圧力で水素ガスを提供するように加熱されることができる、第一及び第二のフラッシュドラムと、３００バールを超える圧力で水素ガスを分配するための、入口と出口とを有する分配器とを備え、供給容器出口が第一及び第二のフラッシュドラムの各々の入口と流体連通し、第一及び第二のフラッシュドラムの各々の出口が分配器入口と流体連通し、供給容器出口と分配器出口との間に圧縮装置が存在しない、水素分配システムを提供する。

本発明はまた、３０ケルビン未満の温度で供給容器内に液体水素源を貯蔵するステップと、第一のフラッシュドラムへ供給容器内の液体水素の一部を移送するステップと、供給容器内の液体水素の一部を第二のフラッシュドラムへ移送するステップと、第一のフラッシュドラムを充分に熱して液体水素の少なくとも一部を水素ガスに変換するステップと、第一のフラッシュドラムから分配器へ水素ガスを移送するステップと、第一のフラッシュドラムからの水素ガスの圧力が第一の圧力を下回ったとき、第二のフラッシュドラムを充分に熱して、液体水素の少なくとも一部を水素ガスに変換するステップと、第二のフラッシュドラムから分配器へ水素ガスを移送するステップと、圧縮装置が使用されずに、３００バールを超える圧力で分配器から車両へ水素ガスを移送するステップとを備える、車両へ水素ガスを提供する方法を提供する。

水素分配システムの実施形態の図である。

本明細書に説明される発明は、圧縮装置を使用せずに高圧水素ガスを提供する水素分配システムを提供する。本明細書において、圧縮装置は、可動部を有し、且つ、気化物質又は液体の圧力を上昇させるために使用される、極低温ポンプを含む圧縮機及びポンプ等の任意の機械装置として定義される。

液体水素は任意の方法によって準備でき、当業者に知られる任意の方法で補給所に搬送できる。
液体水素は、本質的に極微量の汚染物質又は不純物を含む。その結果、液体水素を気化することによって生成される生成水素ガスもまた比較的純粋である。

本システムの一実施形態は、図１に関連して説明される。図１は水素分配システムを示す。本システムは、液体水素の貯蔵に適した供給容器１００を有する。容器は、液体水素が液体状態を保つのに充分に低い温度を維持するように断熱及び／又は冷却できる。一実施形態において、容器は、分配システム全体にわたって見られるような高圧に耐えるように設計される。他の一実施形態において、容器は、大気圧又は大気圧に近い圧力で機能するように設計される。他の一実施形態において、供給容器１００は地下に配置される。これには、全体の設置面積を少なくする利点がある。

更なる実施形態において、供給容器は、可搬な容器、特にトレーラ、トラック、列車又は他の（自動）推進型の車両上に搭載される容器の形態で提供できる。現場で固定された貯蔵容器を充填する必要性を除くことによって、貯蔵容器内へ液体水素を移送する間に生じるボイルオフ損失が排除される。また、補給所での配達時間が大幅に削減できる。供給容器は、液体水素を充填する入口（図示せず）と、供給ライン１０６と流体連通している出口とを有する。供給ラインは、液体水素を供給容器１００からフラッシュドラム１０２へ移送するために使用される。供給ラインは、典型的に、フラッシュドラムへの液体水素流を制御するための弁１１２又は他の装置を有する。

本システムは、液体水素及び／又は水素ガスの保持に適した１つ又は複数のフラッシュドラム１０２を有する。フラッシュドラムは、内容物の温度が供給容器の温度を超えるように設計される。フラッシュドラムは熱交換器として機能することとなり、実際、それは熱交換器であってよい。液体水素を気化させるのに充分な熱を提供するために、フラッシュドラムは加熱できる。フラッシュドラムは、単独で、又は他の熱源と組み合わせて、環境条件によって加熱できる。本明細書において、環境条件はフラッシュドラムの周囲の環境温度として定義される。

フラッシュドラムは、屋内又は屋外に配置でき、したがって、環境条件は、その配置場所の室温又は外気温となる。断熱材は熱損失を防止、又は、フラッシュドラムと周囲との間の熱交換率を制御するために使用できる。一実施形態において、１つ又は複数のフラッシュドラムが地下に配置される。これにも、全体の設置面積を少なくする利益がある。更に、土は、空気と比較してより良好な熱伝導特性を有するので、フラッシュドラムを地下に配置することによって、フラッシュドラムの加熱を向上させることができる。

気候又は季節的変化のために環境条件が一定ではないために、且つまた、必要に応じて過程を加速するために、フラッシュドラムは、必要な場合に熱を追加して提供するのに使用できる熱源を装備できる。この用途に適切であろう加熱器の例には、電熱器、蒸気加熱器、及び、フラッシュドラム若しくはフラッシュドラム内の液体水素と熱を交換するために、加熱流を使用する熱交換器がある。一実施形態において、フラッシュドラムは熱電加熱器によって強制的に加熱でき、ＬＨ_２と環境との間の温度差は、加熱のための電力を提
供するために利用できる。最も簡易な形態では、これはバンク容器（ｂａｎｋ ｖｅｓｓｅｌ）の外側又は内側の熱電抵抗マットから構成できる。

フラッシュドラムは、供給ライン１０６と流体連通している入口と、分配ライン１０８と流体連通している出口とを有する。分配ラインは、フラッシュドラム１０２から分配器１０４へ水素ガスを移送するために使用される。

本システムは、自動車又は他の車両へ高圧水素ガス、又は、水素ガスと液体水素との混合物を分配するのに適している分配器１０４を有する。分配器は、水素を提供できる任意のタイプであってよい。分配器は、車両、又は、車両へ水素を提供するために使用される水素タンク、カートリッジ若しくは他の貯蔵容器へ連結できる。分配ライン１０８は、分配器への水素ガス流を制御するための装置を有することができる。代替的に、水素流は分配器自体によって制御できる。

一実施形態において、本システムは、供給容器１００のヘッドへ圧力を提供するために使用される高圧ライン１１０を備える。稼働中、このラインは、供給容器１００からフラッシュドラム１０２への液体水素の移動を補助する圧力を提供するために使用できる。弁１１４は、フラッシュドラム１０２の圧力が供給容器１００へ連通することを可能にするように開口できる。弁１１４は閉鎖でき、供給容器へ圧力を追加して提供する必要が生じた場合に再開口できる。

供給容器１００は、重力が供給容器１００からフラッシュドラム１０２への液体水素流を助勢することを可能にするように、フラッシュドラム１０２より高い位置に配置できる。代替的方法は、移送ポンプの使用、又は、容器間の差圧を利用できる。当業者なら、供給容器１００からフラッシュドラム１０２へ液体水素を移動させるのに充分な力を確保するために必要な、どのような手段でも利用できる。

他の一実施形態において、圧縮機が、供給容器を加圧するために使用できる。小型圧縮機は、供給容器のヘッドの圧力がフラッシュドラムの圧力より高くなるように、高圧ライン１１０と流体連通できる。これは、フラッシュドラムへ液体水素を移動させる力を追加して提供することとなる。圧縮機は、水素ガスの全てを高圧に圧縮するために必要なほど大型のものにはならないであろう。

他の一実施形態において、供給容器は、全てのシステム圧力を取り扱うように設計された、中型及び小型の極低温システムの補給容器（複数可）へ液体水素を提供する。供給容器と補給容器との間の接続は、適切な配管によって対処され、供給容器がシステム圧力に露出されないことを確保するように制御する。それにより、補給容器（複数可）はフラッシュドラム（複数可）へ水素を移送し、フラッシュドラム（複数可）からのシステム圧力及び残余ガスの管理が組み込まれることとなる。

一実施形態において、中間貯蔵器は、フラッシュドラム１０２内で生成される水素ガスを、それが分配器１０４を介して車両へ分配される前に、貯蔵するために使用される。この中間貯蔵器は、水素ガスを貯蔵するための任意の方法を備えることができる。

高圧水素を生成する方法を下記に概説する。上記のように、液体水素は供給容器１００内に受容される。この容器の温度は、水素を液体の形態に保つ温度に維持される。温度は１ケルビンから３０ケルビンの範囲でよく、好ましくは、１５ケルビンから２５ケルビンの範囲である。液体水素のいくらかの部分は供給容器内で気化する場合があるが、この気化を最小化することが望ましい。

液体水素は供給ライン１０６を介してフラッシュドラム１０２へ供給される。弁１１２は、このステップのために開口され、次いで、相応量の液体水素がフラッシュドラムに供給されたときに閉鎖される。

フラッシュドラムの温度は、この容器内で液体水素の少なくとも一部が気化するような温度である。この容器内の液体水素の相当の部分、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７５％、最も好ましくは少なくとも９０％の液体水素が気化することが好ましい。フラッシュドラムは、特定の容積を有する閉鎖容器である。水素ガスの圧力は、フラッシュドラムに供給される液体水素の量に依存する。

気化すると水素ガスが３００バールを超え、好ましくは５００バールを超え、より好ましくは７００バールを超える圧力となるように、充分な液体水素がフラッシュドラムに供給される。圧力は、２００バールから１０００バールの範囲でよく、好ましくは３００バールから８００バールの範囲である。用途及び燃料補給される車両の条件によって、本システムは様々な圧力で水素ガスを提供するように調整できる。生成された水素は、本システムでの圧力低下を克服して、車両に燃料補給するのに充分な圧力であることは理解される。

一実施形態において、フラッシュドラム１０２は、第一のフラッシュドラム１０２ａ、第二のフラッシュドラム１０２ｂ，．．．として構成され、これらのフラッシュドラムは、フラッシュドラムのカスケードを構成する。フラッシュドラムのカスケードは、特定の圧力で、すなわち、水素が３５０バールで供給されることを必要とする車両には４５０バールで、水素が７００バールで供給されることを必要とする車両には７００バールで、高圧水素ガスを提供する。代替的に、連続的に稼働されるフラッシュドラムのカスケードが装備される。例えば、第一のフラッシュドラム１０２ａが液体水素で充填され、液体水素の補給が停止する。第一のフラッシュドラム１０２ａは、例えば、７００バールの高圧で気体圧力を提供するために加熱される。水素ガスが第一のフラッシュドラム１０２ａから排出されると、圧力は７００バール未満の圧力まで低下する。このとき、満杯である第二のフラッシュドラム１０２ｂは、この場合には７００バールの高圧水素ガスの補給を引き受け、その一方で、第一のフラッシュドラム１０２ａは、例えば、５００バールの中程度の圧力の水素ガスを提供するために使用される。この過程は、第一のフラッシュドラム１０２ａ又は第二のフラッシュドラム１０２ｂが、それ以上、充分な圧力で水素ガスを提供できなくなるまで継続し、第一のフラッシュドラム１０２ａ又は第二のフラッシュドラム１０２ｂは、再び高圧水素を提供するために液体水素で再充填される。或いは、随意で第三のフラッシュドラム（図示せず）が高圧水素ガスを提供するために使用され、その一方で、第二のフラッシュドラム１０２ｂは、中程度の圧力の水素ガスを提供することを指向され、第一のフラッシュドラム１０２ａは、例えば、３５０バールの低圧の水素ガスを提供することを指向される。この工程は連続的に実行される。圧力増加の段数は、分配の要求に依り、カスケードで装備されるフラッシュドラムの数と同数であることは理解されるだろう。

水素分配工程、及び、加えて車両水素タンクの充填は、多量の熱を生成するので、低温で水素ガスを提供する必要がある。典型的には、水素ガスは、−４０から−２０℃の範囲の温度で分配される。液体水素が低温であるので、本システムは、分配に先だって水素ガスを予備冷却する必要なく、充分に低温の水素ガスを分配するように稼働できる。

一実施形態において、本システムは、極低温の高圧水素ガス、すなわち、極低温圧縮水素、具体的には、３００から５００バール、好ましくは３５０から４００バールの範囲の圧力で、１００から２００ケルビンの範囲の温度の水素ガスを分配することが可能なように稼働される。極低温圧縮水素は、低温のために比較的より高い密度を有し、より多くの水素が車両に搭載して貯蔵されることを可能にし、燃料再補給の時間の短縮を可能にする。

水素ガスは、分配器へ直接移送されるか、又は、水素ガス用の中間貯蔵器へ移送されて
もよい。中間貯蔵器は、様々な圧力で、すなわち、水素が３００、好ましくは３５０バールで供給されることを必要とする車両にはそれぞれ３００、好ましくは４５０バールで、水素が７００バールで供給されることを必要とする車両には７００、好ましくは８５０バールで水素を貯蔵するように設計できる。フラッシュドラムのカスケードについては本明細書で上記に説明されるように、中間貯蔵器は連続的に稼働できる。

本システムは、液体水素、又は、水素ガス及び液体水素の混合物を供給容器から直接分配するための分配器を追加して備えることができる。このようにして、本システムは、様々な燃料再補給の要求に応じるように設計でき、例えば、最大７００バールまでの圧力で液体水素及び水素ガスを車両に燃料再補給することができる。

１００ 供給容器
１０２ フラッシュドラム
１０４ 分配器
１０６ 供給ライン
１０８ 分配ライン
１１０ 高圧ライン
１１２ 弁
１１４ 弁

Claims (15)

1. ａ．３０ケルビン未満の温度で液体水素を貯蔵するための、入口と出口とを有する供給容器と、
   ｂ．連続的に稼働される第一及び第二のフラッシュドラムであって、前記第一及び第二のフラッシュドラムの各々は、入口と出口とを有し、前記第一のフラッシュドラムは液体水素で充填されて水素ガスを提供するように加熱されることができ、水素ガスは、圧力が第一の圧力を下回るまで前記第一のフラッシュドラムから排出されることができ、前記第二のフラッシュドラムは液体水素で充填されて、前記第一のフラッシュドラムが前記第一の圧力よりも低い圧力で水素ガスを提供する間、前記第一の圧力で又は前記第一の圧力を上回る圧力で水素ガスを提供するように加熱されることができる、第一及び第二のフラッシュドラムと、
   ｃ．３００バールを超える圧力で水素ガスを分配するための、入口と出口とを有する分配器と
   を備え、
   前記供給容器の出口が前記第一及び第二のフラッシュドラムの各々の入口と流体連通し、前記第一及び第二のフラッシュドラムの各々の出口が前記分配器の入口と流体連通し、前記供給容器の出口と前記分配器の出口との間に圧縮装置が存在しない、
   水素分配システム。
2. 前記第一及び第二のフラッシュドラム及び前記供給容器の頂部と流体連通している追加のラインを更に備える、請求項１に記載のシステム。
3. 液体水素流が重力によって助勢されるように前記供給容器が配置される、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記分配器が、７００バールを超える圧力で水素を分配することに適している、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記供給容器が断熱されて、前記容器内の温度を３０ケルビン未満に維持する、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記第一及び第二のフラッシュドラムが２００ケルビンを超える温度まで加熱される、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記第一及び第二のフラッシュドラムが周囲条件への露出によって加熱される、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記第一及び第二のフラッシュドラムが周囲条件への露出によって提供されるものよりもより強い熱流束を提供する熱源によって加熱される、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 液体水素を分配するための追加の分配器を更に備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 水素ガスを貯蔵するための中間貯蔵器を更に備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記第一及び第二のフラッシュドラムが熱交換器である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. ａ．３０ケルビン未満の温度で供給容器内に液体水素源を貯蔵するステップと、
    ｂ．第一のフラッシュドラムへ前記供給容器内の液体水素の一部を移送するステップと、
    ｃ．前記供給容器内の液体水素の一部を第二のフラッシュドラムへ移送するステップと、
    ｄ．前記第一のフラッシュドラムを充分に熱して、前記液体水素の少なくとも一部を水素ガスに変換するステップと、
    ｅ．前記第一のフラッシュドラムから分配器へ前記水素ガスを移送するステップと、
    ｆ．前記第一のフラッシュドラムからの水素ガスの圧力が第一の圧力を下回ったとき、前記第二のフラッシュドラムを充分に熱して、前記液体水素の少なくとも一部を水素ガスに変換するステップと、
    ｇ．前記第二のフラッシュドラムから前記分配器へ前記水素ガスを移送するステップと、
    ｈ．圧縮装置が使用されずに、３００バールを超える圧力で前記分配器から車両へ水素ガスを移送するステップと
    を備える、車両へ水素ガスを提供する方法。
13. 前記水素ガスが、７００バールを超える圧力で前記分配器から移送される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第一及び第二のフラッシュドラムへの熱が、周囲温度への前記第一及び第二のフラッシュドラムの露出のみによって提供される、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記分配器へ前記水素ガスを移送する前に、前記水素ガスの少なくとも一部を貯蔵容器へ移送するステップを更に備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。

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