JP6199083B2 - 水素ガス充填設備および水素ガス充填方法 - Google Patents
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Description
水素ガス貯留手段と、
前記水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段と、
前記熱交換手段の水素ガス供給ラインを通過した水素ガスを、受入容器に充填するディスペンサーとを少なくとも備えてなり、
前記冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、前記水素ガス供給ラインと前記冷却源流通ラインとの熱交換を行い前記水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却することを特徴とするものである。
水素ガス貯留手段から導かれた水素ガスを、冷却源と冷媒を介して間接熱交換して冷却する工程と、
前記冷却された水素ガスを、受入容器に充填する工程とを含んでなり、
前記水素ガスの冷却工程を、前記冷媒を、固−液二相が混在した状態におきながら行うことを特徴とするものである。
本発明による水素ガス供給装置および方法は、水素ガスを必要とする装置、器具における水素ガスの受入容器に、水素ガスを安全かつ効率的に充填することを可能にするものである。本発明の好ましい一つの態様によれば、本発明は、水素ガスを燃料とする車両、例えば燃料電池車の水素タンクへの水素ガスの充填に用いられる。すなわち、本発明による装置および方法は、好ましくは水素ガスステーションに設置され、実施される。
本発明において冷媒は、一定の融点を示す物質を第一に意味する。さらに、本発明の一つの態様において、冷媒として蓄冷剤を用いる。本明細書において、蓄冷剤とは、有機化合物および/または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の混合物を意味する。一般的に蓄冷剤は冷却して凍結・凝固して使用するが、本発明にあっては、蓄冷剤を完全に凝固させず、固−液二相が混在した状態におく。完全に凍結・凝固した蓄冷剤を水素ガスの冷却に用いると、その熱交換条件によっては、水素ガスが蓄冷剤の融点以下の温度に冷却されてしまうが、本発明にあっては、上記の通り、蓄冷剤を固−液二相が混在した状態において用いるため、融点以下の温度に水素ガスは冷却されない。
本発明にあっては、水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、この水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段において、冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、水素ガス供給ラインと冷却源流通ラインとの熱交換を行い、これにより水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却する。ここで、冷媒を固−液二相が混在した状態におく制御は、冷媒を冷却し、固−液二相が混在した状態においた後、冷媒の融解潜熱により水素ガスから熱エネルギーを奪い水素ガスを冷却する結果としての熱エネルギーの入りと、凝固潜熱により冷却源に熱エネルギーを与えるエネルギーの出とを均衡させることにより実現される。
本発明による水素ガス供給装置および方法を、図面を用いて説明する。図1は、本発明による水素ガス供給装置、特に水素ガスを燃料とする車両に水素ガスを供給する水素ガスステーションとしての装置の説明図である。図中、水素ガス供給装置10は、水素ガス貯留手段11と、熱交換手段12と、車両の水素ガス受入容器に水素ガスを充填するディスペンサー13とを備える。水素ガス貯留手段11には、液化水素貯蔵手段14aから液化水素がバルブ15aを介して気化器16に導入され、気化された水素ガスが、バルブ15bを経て圧縮機17にて供給される。この態様にあっては、ボイルオフした水素ガスの回収ライン14bがバルブ14cを介して設けられてなる。
図5に記載の熱交換器20に、融点−10℃の蓄冷剤を充填して、以下の試験を行った。ここで、熱交換器20は、縦12cm、横50cm、高さ12cmの大きさであり、縦方向に図6(a)に示されるとおりの水素ガス供給ライン用および冷却源流通ライン用水素流通管を配置した。すなわち、中央に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管として直径1/4インチの管31を置き、その周囲に冷却源流通ラインの液化窒素が通る管として直径3/8インチの管32を4本おいた構成とした。これとは別に、図6(b)に記載のように、逆に、中央に冷却源流通ラインの液化窒素が通る管として直径3/4インチの管33を置き、その周囲に水素ガス供給ラインの水素ガスが通る管として直径1/4インチの管34を4本おいた構成の熱交換器も用意した。
図6(a)に示される構造を有した図5の熱交換器20に、液化窒素および水素ガスを流入させて、水素ガス供給ラインの水素ガスの入口と出口の温度を測定した。水素ガス供給ラインの水素ガス流量は200L/分とし、冷却源流通ラインの液化窒素は蓄冷剤21がほぼ−10℃の温度となり、固−液二相が混在した状態になるよう流量を調整した。
図6(b)に示される構造を有した図5の熱交換器20を4個用意し、水素ガス供給ラインについてこれらを直列に連結し、水素ガスを熱交換器4段を連続して通すことでこれを冷却する装置を構成した。この装置の冷却源流通ラインに液化窒素を通し、蓄冷剤21がほぼ−10℃の温度となり、固−液二相が混在した状態になるよう、液化水素の流量を調整した。その後、水素ガス供給ラインに水素ガスを供給し、水素ガス供給ラインの水素ガスの入口と出口の温度を測定した。ここで、水素ガス供給ラインの水素ガス流量を200L/分とした。その結果、4段目の熱交換器20の出口において、−5℃から−10℃の範囲にある水素ガスを25分間にわたり供給することができた。
Claims (15)
- 水素ガス供給装置であって、
水素ガス貯留手段と、
前記水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段と、
前記熱交換手段の水素ガス供給ラインを通過した水素ガスを、受入容器に充填するディスペンサーとを少なくとも備えてなり、
前記冷媒の温度を測定し、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して前記冷媒を固−液二相が混在した状態におきながら、前記水素ガス供給ラインと前記冷却源流通ラインとの熱交換を行い前記水素ガス供給ラインの水素ガスを冷却することを特徴とする、水素ガス供給装置。 - 前記冷媒が、有機化合物および/または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の蓄冷剤である、請求項1に記載の水素ガス供給装置。
- 前記ディスペンサーから提供される水素ガスの温度が、所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御される、請求項1または2に記載の水素ガス供給装置。
- 前記冷媒の融点が、前記下限温度と同一である、請求項3に記載の水素ガス供給装置。
- 前記冷却源流通ラインに、液化水素、液化天然ガス、液化窒素、液化水素のボイルオフガス、ブライン、フロンガス、炭酸ガスから選択される冷却源が導入される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
- 前記冷媒の温度の測定が、前記熱交換手段に設けられた複数の温度センサーにより行われる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
- 前記水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を測定し、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、前記水素ガス供給ラインを通過した水素ガスの温度を前記所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
- 前記ディスペンサーより水素ガスが充填される前記受容容器が、水素を燃料とする車両に搭載された水素タンクである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の水素ガス供給装置。
- 水素ガス供給方法であって、
水素ガス貯留手段から導かれた水素ガスを、冷却源と冷媒を介して間接熱交換して冷却する工程と、
前記冷却された水素ガスを、受入容器に充填する工程とを含んでなり、
前記水素ガスの冷却工程を、前記冷媒を、固−液二相が混在した状態におきながら行う方法であって、
前記冷媒の温度を測定し、その温度が所定の温度を上回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を大きくし、その温度が所定の温度を下回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を小さくし、または導入を止め、前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を制御して、前記冷媒を固−液二相が混在した状態におくことを特徴とする、水素ガス供給方法。 - 前記冷媒が、有機化合物および/または無機化合物を含んだ液状またはゲル状の蓄冷剤である、請求項9に記載の水素ガス供給方法。
- 前記間接熱交換が、水素ガス貯留手段から水素ガスが導かれる水素ガス供給ラインと、該水素ガス供給ラインと冷媒を介して間接熱交換を行う冷却源流通ラインとを備えた熱交換手段において行われ、
前記水素ガス供給ラインを通過し冷却された水素ガスの温度を測定し、その温度が所定の温度を上回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を大きくし、その温度が所定の温度を下回ったならば前記冷却源流通ラインの冷却源の導入量を小さくし、または導入を止め、
これにより、提供される水素ガスの温度が、所定の上限温度と下限温度との間にあるよう制御する、請求項9または10に記載の方法。 - 前記冷媒の融点が、前記下限温度と同一である、請求項11に記載の水素ガス供給方法。
- 前記冷媒の温度の測定が、前記熱交換手段に設けられた複数の温度センサーにより行われる、請求項9〜12のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
- 冷却された水素が、ディスペンサーを介して、水素を燃料とする車両に搭載された水素タンクに充填される、請求項9〜13のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
- 前記冷却源が、液化水素、液化天然ガス、液化窒素、液化水素のボイルオフガス、ブライン、フロンガス、炭酸ガスから選択されるものである、請求項9〜14のいずれか一項に記載の水素ガス供給方法。
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