JP5815778B2 - 圧縮ガスを供給する方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、2013年3月14日付けで同時出願された“Method for Dispensing Compressed Gases”と題する米国特許出願に関連する。
本発明は、圧縮ガス、例えば水素又は別の圧縮ガスを受容タンク、例えば車両燃料タンクへ送る方法に関する。本発明は、本明細書において、水素駆動車両の燃料タンクへの圧縮水素ガス送達に関して論じられているが、当業者には明らかなように、本発明は他の用途にも適用される。例えば、本発明は、燃料として使用するか否かにかかわらず他の圧縮ガスを送るために用いることができ、また圧縮ガスは、車両燃料タンク以外の種々のタイプの受容タンクに送達され得る。
水素圧縮ガスは、多くの場合、チューブ・トレーラーの使用によって供給される。チューブ・トレーラーは供給基地(supply depot)で充填され、圧縮ガス供給ステーションを経由して荷下ろしされ、再充填のために供給基地に戻される。
産業界は、チューブ・トレーラー内の圧縮ガスの圧力をしばしば超える高い圧力で、水素及び他の圧縮ガスを送ることを望んでいる。チューブ・トレーラーからの圧縮ガスをさらに圧縮して圧縮ガス供給ステーションの貯蔵容器へ送ることによって、受容容器に供給するための高圧圧縮ガスにすることができる。
産業界はまた、供給ステーションの貯蔵容器を適切な高い圧力で維持することによって、受容容器がどんなときにも十分な及び／又は所望の充填量の圧縮ガスを得るように、圧縮ガスを受容容器へ適切に供給することを望んでいる。
米国特許第４，３８０，２４２号明細書 米国特許第４，１３９，０１９号明細書
本発明は圧縮ガスを供給する方法を提供する。
下記のような、この方法のいくつかの態様がある。
態様１：
圧縮ガスを供給する方法であって、この方法は、
第１の期間での所望の時間平均供給速度を選択する工程と、
所望の時間平均供給速度に合わすために圧縮機に供給するのに必要とされる圧縮ガスの閾値圧力を計算する工程と、
複数の供給容器のうちの少なくとも１つの供給容器から第１の量の圧縮ガスを引き出し、第１の量の圧縮ガスを、圧縮機を介して、複数の貯蔵容器のうちの所定の貯蔵容器へ送る工程であって、この場合に、複数の供給容器のうちの少なくとも１つの供給容器から引き出されたときの第１の量の圧縮ガスの圧力が、第１の期間の少なくとも９０％にわたって閾値圧力よりも高い、工程と、
複数の貯蔵容器のうちの貯蔵容器から第１の量の圧縮ガスを１つ又は２つ以上の受容容器内へ供給する工程と、
を含む、圧縮ガスを供給する方法。
態様２：
第１の期間の開始時に、圧縮ガスが複数の供給容器のうちの第１の供給容器から引き出され、第１の供給容器の圧縮ガス圧力は、閾値圧力よりも高い圧縮ガス圧力を有する複数の供給容器のいずれかの供給容器のうち最も低い圧力である、態様１に記載の方法。
図１は、圧縮ガス供給システムを示す図である。
下記詳細な説明では好ましい典型的な実施態様を提供するにすぎず、この説明は、本発明の範囲、適用性、又は構成を制限しようとするものではない。むしろ、好ましい典型的な実施態様に関する下記詳細な説明は、本発明の好ましい典型的な実施態様を実施するのを可能にするための説明を当業者に提供する。なお、請求項によって定義される本発明の範囲を逸脱することなしに、エレメントの機能及び配置に種々の変更を加えることができる。
ここで使用される“a”及び“an”という冠詞は、明細書及び請求項に記載された本発明の実施態様及び請求項におけるいかなる特徴に適用されるときにも１つ又は２つ以上のものを意味する。“a”及び“an”の使用は、限定が具体的に言及されるのでなければ単一の特徴に意味を限定しない。単数形又は複数形の名詞又は名詞句に先行する冠詞“the”は、具体的な指定された特徴を意味し、これが使用されている文脈に応じて単数又は複数の含意を有し得る。形容詞「“任意の、いずれかの、いかなる〜も(any)”」は、いかなる量であるかとは無関係に、１つ、又はいくつか、又は全てを意味する。第１のものと第２のものとの間に位置する用語「及び／又は(and/or)」は、（１）第１のもの、（２）第２のもの、及び（３）第１のもの及び第２のもの、のうちの１つを意味する。３つ又は４つ以上のものの列挙のうちの最後の２つのものの間に位置する「及び／又は(and/or)」は、この列挙されたもののうちのいずれかの特定の組み合わせを含む、列挙されたもののうちの少なくとも１つを意味する。
本明細書中に使用される用語「複数」は、２つ又は３つ以上を意味する。
他の断りのない限り、本明細書中で使用される全ての圧力値はゲージ圧力である。
特許請求の範囲において、請求項に記載された工程を識別するために文字（例えば（ａ）、（ｂ）及び（ｃ））を使用することがある。これらの文字は、方法工程に言及するのを補助するために使用されるのであって、工程の実施順序が請求項に具体的に記載されていない限り、このような順序を示唆するものではなく、またこれが記載されている場合には、その範囲においてのみ順序を示唆するものとする。
簡単かつ明確にするために、よく知られた装置、回路、及び方法に関する詳細な説明は、不要な詳細によって本発明の記載内容を不明瞭にしないように省かれる。
本発明は圧縮ガスを受容容器に供給する方法に関する。
本明細書中に使用する「圧縮ガス」という用語は、超臨界流体及び加圧ガス（１気圧（絶対圧力）を上回りガスの臨界圧力を下回る圧力、又はガスの臨界温度を下回る温度にあるガス）を含む。圧縮ガスは、単一ガス又はガスの混合物であってよい。圧縮ガスは、水素であってもよい。圧縮ガスは、天然ガスであってもよい。
受容容器は、圧縮ガスを受容するのに適した任意の容器、例えば乗用車、トラック、フォークリフト、又は圧縮ガスを使用する他の車両内の容器とすることができる。
この方法は図面を参照するとよりよく理解することができる。図面はこの方法を実施するのに適した装置を示している。
装置はチューブ・トレーラー１００を含む。チューブ・トレーラーは複数の供給容器１０２，１０４，１０６及び１０８と、連携する弁１１０，１１２，１１４及び１１６とを含む。チューブ・トレーラーは少なくとも２つの容器を含み、また３つ以上の任意の適切な数の供給容器を含むことができる。供給容器１０２は単一の供給容器１０２として示されてはいるが、２つ又は３つ以上の容器を含むチューブ列であってもよい。これらの容器はマニホルドによって接続されており、チューブ列からの流れは弁１１０によって制御される。同様に、供給容器１０４，１０６及び１０８もそれぞれチューブ列とすることができ、各チューブはマニホルドによって接続されており、各チューブ列からの流れは、それぞれの弁１１２，１１４，１１６によって制御される。
圧縮ガスは、チューブ・トレーラー１００によって圧縮ガス供給ステーションへ送ることができる。チューブ・トレーラーは、供給基地で充填され、圧縮ガス供給ステーションを経由して荷下ろしされ、再充填のために供給基地に戻される。
特許文献１、特許文献２、及び米国特許出願第１２／７８５７６１号明細書に記載されているように、多様なチューブ・トレーラーを使用することができる。上記明細書のそれぞれは、その開示内容が本明細書の教示内容と矛盾しない範囲で、参照することによって本明細書中に組み込まれる。
装置はまた、圧力トランスミッタ１２０と、圧力調節弁５０と、圧縮機１２２とを含んでいる。
圧力トランスミッタ１２０、圧力調節弁５０、及び圧縮機は、典型的には、固定位置にある圧縮ガス供給ステーションの部分である。或いは、圧縮ガス供給ステーションは、可動の圧縮ガス供給ステーションであってもよい。圧力トランスミッタ１２０は、或いは、チューブ・トレーラーの一部であってもよい。
圧縮機は、供給用途に適した任意の圧縮機、例えばHydro-pak Inc.のFLEXI-POWER（登録商標）圧縮機とすることができる。適切な圧縮機は、商業的に入手可能であり、当業者であれば、適切な圧縮機を容易に選択することができる。
圧力調節弁５０は、圧縮機への入力圧力が圧縮機の最大許容入力圧力を超えないことを確実にするために使用される。圧力調節弁は、使用者によって設定され得る設定点圧力を有している。入力圧力が変動する間、圧力調節弁は圧力を維持して弁を設定点圧力のままにしようとする。圧力調節弁への入力圧力が設定点圧力を下回る場合には、圧力調節弁は全開位置に動くので、圧力調節弁からの出力圧力は入力圧力とほぼ同じになる。
チューブ・トレーラーが供給基地から供給ステーションに最初に到着したときには、複数の供給容器１０２，１０４，１０６及び１０８は、フル容量であり、また圧縮機の最大許容圧力よりも著しく高い圧力、例えば約５０ＭＰａであるはずである。圧縮機の最大許容圧力は、選択された圧縮機に依存し、例えば約２０ＭＰａを僅かに上回ることができる。この場合、圧力調節弁５０に対する設定点圧力を２０ＭＰａに設定することができる。
装置はまた複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６を含む。複数の貯蔵容器は少なくとも２つの貯蔵容器を含み、また３つ以上の任意の適切な数の貯蔵容器を含んでもよい。貯蔵容器１３２は単一の貯蔵容器１３２として示されてはいるが、２つ又は３つ以上の容器を含むチューブ列であってもよい。これらの容器はマニホルドによって接続されており、チューブ列への流れは弁１２６によって、また、チューブ列からの流れは弁１３８によって制御される。同様に、貯蔵容器１３４も、マニホルドによって接続されたチューブの群とすることができ、チューブ列への流れは弁１２８によって、また、チューブ列からの流れは弁１４０によって制御される。貯蔵容器１３６も、マニホルドによって接続されたチューブの群とすることができ、チューブ列への流れは弁１３０によって、また、チューブ列からの流れは弁１４２によって制御される。
供給容器１０２，１０４，１０６及び１０８から来た圧縮ガスは、圧力調節弁５０を通って圧縮機１２２へ移動する。圧縮ガスがそれぞれの供給容器から送られるときに、供給容器のそれぞれの容器内の圧力を圧力トランスミッタ１２０によって監視することができる。或いは、供給容器のそれぞれの容器内の圧力を、それぞれの供給容器に取り付けられた別々の圧力トランスミッタによって監視することができる。圧縮機１２２からの吐出圧力は圧力トランスミッタ１２４によって監視することができる。圧縮ガスは複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６のうちの所定の貯蔵容器に送られる。
複数の貯蔵容器は米国特許出願１３／１６２７３９号明細書（参照することにより本明細書中に組み込まれる）に記載された方法に従って充填することができる。
複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６は、弁１２６，１２８及び１３０を使用して選択的に充填することができる。複数の貯蔵容器のそれぞれの容器内の圧力は、貯蔵容器１３２，１３４及び１３６のそれぞれの容器内の圧力トランスミッタ(図示せず）によって、或いは充填弁が開いているときはいつでも圧力トランスミッタ１２４によって圧縮機の吐出圧力で圧力を記録することによって、或いは、供給装置のカスケード弁１３８，１４０又は１４２のうちの１つが開かれているときはいつでも圧力トランスミッタ１４４によって供給装置の供給圧力を監視することによって、監視することができる。
圧縮ガスは、典型的には周知のカスケード技術を用いて、複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６から導管１４８を通って受容容器（図示せず）へ送られる。ここでは圧縮ガスは、より低い圧縮ガス圧力を有する貯蔵容器から引き出され、続いて、より高い圧縮ガス圧力を有する貯蔵容器から引き出される。
圧縮ガスは、供給容器からバイパス弁１５０を介して直接に受容容器へ送られてもよい。この場合、圧縮ガスは調節弁５０、圧縮機１２２、及び複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６のいずれかを通されることはない。供給容器のうちのいずれかの容器内の圧縮ガスが受容容器よりも高圧である場合に、圧縮ガスは圧縮機を迂回することができる。
供給容器から貯蔵容器への流れ、及び貯蔵容器から受容容器への流れを制御するための弁の動作は、コントローラ１１８によって制御される。コントローラ１１８は、任意の適切なコントローラ、例えばコンピュータ、ＰＣＬ、及びこれに類するものとすることができる。コントローラ１１８は圧力トランスミッタ１２０，１２４及び１４４から入力信号を受信することができる。コントローラ１１８は、弁１１０，１１２，１１４，１１６，１２６，１２８，１３０，１３８，１４０及び１４２を開閉するための信号を送信することができる。弁１１０，１１２，１１４，１１６，１２６，１２８，１３０，１３８，１４０及び１４２は、任意の周知の手段、例えば電気作動手段及び空気圧作動手段によって作動させることができる。
受容容器が十分な及び／又は所望の充填量の圧縮ガスを得ることを確実にするためには、供給容器から圧縮機への圧縮ガスの供給圧力が、供給速度要件を満たすのに十分に高くなければならないことを、発明者は認識している。
方法は、第１の期間での所望の時間平均供給速度を選択することを含む。
時間平均供給速度は、指定期間中に供給される総圧縮ガス量（例えばｋｇ単位）をその期間の長さ（例えば時間(hours)単位）で割り算した値である．例えば２時間の期間中に２０ｋｇが供給される場合、結果としての時間平均供給速度は１０ｋｇ／ｈである。
この方法はまた、所望の時間平均供給速度に合わすために圧縮機１２２に供給するのに必要とされる圧縮ガスの閾値圧力を計算することを含む。所望の時間平均供給速度に合わすために圧縮機に供給するのに必要とされる閾値圧力を計算することができる。
圧縮機を通る流量は、最大許容入口吸込圧力までの入口吸込圧力の線形関数、例えばＦ＝Ａ×Ｐsuction＋Ｂによって概算することができる。ここでＦは圧縮機を通る流量であり、Ｐsuctionは入口吸込圧力であり、Ａ及びＢは圧縮機の入口吸込圧力と流量との関係を特徴づけるパラメータである。例えばHydro-pak Inc.のFLEXI-POWER（登録商標）圧縮機の場合、Ａ＝１４．２９６及びＢ＝２６．３７８である。ここで流量はグラムＨ2／分の単位を有し、入口吸込圧力はＭＰａ単位を有する。
流量と入口吸込圧力との関係は、閾値圧力を計算するために書き換えることができる。ここで入口吸込圧力は閾値圧力であり、流量は所望の流量である。この場合Ｐsuction＝（Ｆ−Ｂ）／Ａであり、ここでＰsuctionはＭＰａ単位を有し、ＦはグラムＨ2／分の単位を有する。所望の流量は、中程度の使用期間中の予測平均ステーション利用流量（グラムＨ2／分）である。この等式は、特定のHydro-pak Inc.のFLEXI-POWER（登録商標）圧縮機の性能に基づいている。実際のステーションで使用される実際の圧縮機の流量に適合するように、等式は修正されることになる。
この方法は、複数の供給容器１０２，１０４，１０６及び１０８のうちの少なくとも１つの供給容器から第１の量の圧縮ガスを引き出し、第１の量の圧縮ガスを、圧縮機１２２を介して、複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６のうちの所定の貯蔵容器へ送ることを含む。この方法によれば、少なくとも１つの供給容器から引き出されたときの第１の量の圧縮ガスの圧力は、第１の期間の少なくとも９０％にわたって、計算された閾値圧力よりも高い。第１の量の圧縮ガスが最初に供給容器から引き出されるときには、第１の量のガスは、閾値圧力よりも高い最低圧縮ガス圧力を有する供給容器から引き出すことができる。閾値圧力よりも高い最低圧縮ガス圧力を有する供給容器から圧縮ガスを引き出すことは、供給容器から受容容器へのガスの最大限の移動を可能にするので有利である。
閾値圧力よりも高い圧縮ガス圧力を有する供給容器から圧縮ガスを引き出すことは、複数の貯蔵容器１３２，１３４及び１３６のうちの少なくとも１つの貯蔵容器が、予定の受容容器に、所望の充填量の圧縮ガスを供給するのに十分な圧力の圧縮ガスを有することを、確実にする。
この方法は、当該貯蔵容器から第１の量の圧縮ガスを１つ又は２つ以上の受容容器（図示せず）内へ供給することを含む。
第１の量の圧縮ガスが第１の量の圧縮ガスを受容する貯蔵容器へ送られた後ならいつでも、第１の量の圧縮ガスを１つ又は２つ以上の受容容器へ供給することができる。第１の量の圧縮ガスを貯蔵容器から受容容器へ供給することは、第１の量の圧縮ガスを供給容器から貯蔵容器へ送るのと同時であってもよいが、しかし典型的には、第１の量の圧縮ガスを供給容器から貯蔵容器へ送るのに続いて行われる。
実施例
この例における水素燃料補給ステーションは、フル充填時に５２ＭＰａの圧力を有する４つの２０００リットル供給容器を有する。このステーションは、それぞれがフル充填時に９０ＭＰａの圧力を有する３４０リットルの３つの貯蔵容器を有し、各貯蔵容器は圧力が５０ＭＰａに低下するまで使用することができる。
供給容器を運搬するトレーラーが供給基地から最初に到着したときには、４つ全ての源容器内の圧力は５２ＭＰａである。圧縮機が源容器からガスを引き出し、圧縮水素ガスを貯蔵容器へ移動するのに伴って、源容器内のガス圧力は低下する。
供給容器のうちの第１の容器内の圧力が２０ＭＰａ（圧縮機の最大入口吸込圧力及び圧力調節弁の設定点圧力）未満に低下するまで、圧縮機は供給容器の第１の容器から水素を引き出す。少なくとも１つの供給容器内の圧力が３〜２０ＭＰａになったときには、圧縮機は、予測平均ステーション供給速度に応じて特定の供給容器から水素を引き出すことになる。例えば、ステーションが１時間当たり１台の車両に充填し、この場合車両の水素容量が５ｋｇであると予測される場合、閾値圧力は４ＭＰａとなる。ステーションが１時間当たり３台の車両に充填し、各車両の水素容量が５ｋｇであると予測される場合、閾値圧力は１５．６ＭＰａとなる。
このプロトコルは、顧客利用率に遅れをとらないようにしつつ、供給容器を最大限に活用するのを可能にする。

Claims (2)

  1. 圧縮ガスを供給する方法であって、前記方法が、
    第１の期間での所望の時間平均供給速度を選択する工程と、
    前記所望の時間平均供給速度に合わすために、圧縮機に供給するのに必要とされる前記圧縮ガスの閾値圧力を計算する工程と、
    複数の供給容器のうちの少なくとも１つの供給容器から第１の量の圧縮ガスを引き出し、前記第１の量の圧縮ガスを、前記圧縮機を介して、複数の貯蔵容器のうちの１つの貯蔵容器へ送る工程であって、
    前記第１の量の圧縮ガスを、前記複数の供給容器のうちの少なくとも１つの供給容器から前記複数の貯蔵容器のうちの１つの貯蔵容器へ送る工程が、前記複数の供給容器のうちの前記少なくとも１つの供給容器から引き出されたときの前記第１の量の圧縮ガスの圧力が、前記第１の期間の少なくとも９０％にわたって閾値圧力よりも高くなるように、コントローラによって制御される工程と、
    前記複数の貯蔵容器のうちの前記１つの貯蔵容器から前記第１の量の圧縮ガスを１つ又は２つ以上の受容容器内へ供給する工程と、
    を含む、圧縮ガスを供給する方法。
  2. 前記第１の期間の開始時に、前記圧縮ガスが、前記複数の供給容器のうちの第１の供給容器から引き出され、この場合、前記第１の供給容器の圧縮ガス圧力が、前記閾値圧力よりも高い圧縮ガス圧力を有する前記複数の供給容器のいずれかの供給容器のうち最も低い圧力である、請求項１に記載の方法。
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