JP6825126B2 - 高圧ガス貯蔵容器の充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス貯蔵容器の充填方法、この方法の実行に適した高圧ガス貯蔵容器及び対応する高圧ガス貯蔵容器を有する乗物に関する。

燃料電池を備える乗物は、燃料電池の動作に必要な水素を貯蔵する高圧ガス貯蔵容器を有する。高圧ガス貯蔵容器は、ライナを内側に有するＣＦＲＰシェルで通常形成される。このライナは、水素の拡散ブロックとして機能し、８５℃より高い温度から保護する必要がある。このような温度は、充填時に高圧ガス貯蔵容器内でガスが圧縮される場合に生じうる。よって、燃料補給プロセスに対して、ＳＡＥＪ２６０１−１プロトコルが高圧ガス貯蔵容器内のライナ材料の過熱を防ぐために水素を−４０℃まで予冷することを規定している。

従来技術では、特許文献１が吸込管を介して燃料ポンプに送られる液体燃料用の燃料タンクを有する内燃機関の燃料システムを開示している。過剰な燃料は、戻り管を介して燃料タンクに戻るように流れることができ、戻り管路の開口部はノズルとして形成され、過剰な燃料が吸込管の吸込口に直接流れるように向けられている。

特許文献２は、地下空洞内のガスの地下貯蔵を開示しており、ガスは、パイプラインを通して油で満たされた地下空洞内に押し込まれる。この場合、パイプラインに設けられたベンチュリノズルが、ベンチュリノズルを出るときに自由なガスがないように油にガスを溶解させるために使用される。

独国特許出願公開第２８０４５５０号明細書 米国特許第２９３０１９７号明細書

本発明の目的は、ＳＡＥＪ２６０１−１プロトコルに対して改善された高圧ガス貯蔵容器の充填方法を提供することである。本発明の目的は、さらに、上記方法の実行に適した高圧ガス貯蔵容器及び乗物を提供することである。

目的の方法に関する部分は、高圧ガス貯蔵容器をリザーバから充填する充填方法によって達成され、この方法は、ガスをリザーバから取り出し、ガス管路を通して高圧ガス貯蔵容器の内部に設けられたジェットポンプにガスを送り、少なくとも部分的に高圧ガス貯蔵容器の壁の内側に沿ってリング状の流れを形成するステップをそれぞれ含む。

上記の方法は、ジェットポンプの使用によって入口から開始される案内された流れが形成されるという有効な利点をもたらす。この流れは、高圧ガス貯蔵容器の壁に衝突すると、壁の延長部に沿って偏向されて壁に沿った流れ場の形成につながる。流れ場に送られるガスがジェットポンプの吸込媒体ともなるため、これによってリング状の流れが形成される。ジェットポンプに送られるガスは、ジェットポンプ内で大きく加速され、ジェットポンプは、リング状の流れを送る非常に冷却されたジェットガスを放出する。従って、高圧ガス貯蔵容器の壁は、充填時に形成される高温領域から遮蔽され、ライナの過熱を効果的に防止する。ジェットポンプは、可動部材を必要とせず、リング状の流れは自然の力で自動的に停止するため、高圧ガス貯蔵容器の全寿命を通して利点が得られる。

本発明の範囲内において、さらに好ましくは、開口部から流れるガスがリング状の流れを形成するように偏向される球状の衝突面が、ジェットポンプの開口部とは反対側の壁の領域に設けられている。この球状の衝突面は、ジェットポンプの開口部から流出するガスの非対称的な分配が高圧ガス貯蔵容器の内側面全体にわたって発生し、すなわち、冷却ガスが壁面の一部分のみに沿って流れる流れモードが形成されないことを確実にする。

特に好ましくは、ジェットポンプは、ノズル、特にラバルノズルまたはコアンダノズルを有し、このノズルによって、ジェットポンプの反対側の壁に向かって、ガスがジェットガイドによって長手方向軸に平行に加速されるとともに偏向される。ノズルは、推進剤の加速の効果を促進して高め、好ましくは超音速に達する流れを調整する。

さらに、ガス管路を通してガスを送ることは、予冷なしに行われる。つまり、高圧ガス貯蔵容器の充填は、かなり少ないエネルギ及び充填ステーションの複雑さが減少した状態で可能となる。代わりに、ガス管路を通してガスを送ることは、予冷の程度に対応するまたは予冷の関数として圧力上昇を伴って、予冷を用いて行われてもよく、これにより、高圧ガス貯蔵容器は指示エネルギ使用量でより迅速に充填可能となり、燃料補給プロセスはよりユーザフレンドリーとなる。

目的の装置に関連する部分は、高圧ガス貯蔵容器によって達成され、この高圧ガス貯蔵容器は、熱に弱い層を内側に有し、かつシェルと層を貫通する入口開口部を有するシェルを備え、入口開口部にはガス管路が恒久的または取外し可能に接続可能となっており、入口開口部に設けられたジェットポンプがシェルの内部に配置され、ジェットポンプは、該ジェットポンプの反対側のシェルの壁上に案内される流れを形成するように位置決めされ、この流れは偏向されて熱に弱い層に沿って流れるリング状の流れが形成される。

上記の高圧ガス貯蔵容器は、ジェットポンプが内部に一体に設けられていることを特徴とし、このジェットポンプは、固有の特性によって非常に冷却されたガスジェットを提供し、このガスジェットは、高圧ガス貯蔵容器にすでに貯蔵されたガス内に消散せずに、熱に弱い層の能動的な冷却及び高圧ガス貯蔵容器内の高温領域からの遮蔽に使用される。入口開口部とガス管路との間の取外し可能でかつ再接続可能な接続部は、それぞれ可逆である。

ジェットポンプが、ジェットノズルとしてラバルノズルまたはコアンダノズルを有し、混合室が、方向づけられたガスの放出のためのジェットガイドとして設計されていることが有利であることが立証されている。

好ましくは、シェルは、熱に弱い層として内側ライナを有するＦＲＰシェルとして形成され、ジェットポンプ、特にラバルノズルまたはコアンダノズルの反対側の壁の領域においてボス上に設けられた球状の衝突面を有する。この場合、ＦＲＰシェルは、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されたシェルである。特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）及び鋼繊維強化プラスチック（ＳＦＲＰ）が適していると考えられる。

球状の衝突面としてボスを使用することは、ＦＲＰシェルの形成時により複雑な三次元設計のために労力を費やさずに、従来の方法で形成されたＦＲＰシェルにボスによって球状の衝突面を設けることができる。

ジェットポンプ、特にラバルノズルまたはコアンダノズルと混合室が、シェルの長手方向軸に平行に並んでおり、混合室の長さが、シェルの長手方向長さの５％〜５０％、好ましくは２５％〜３５％であることが適している。リング状の流れを駆動する力が過圧と真空により混合室の長さによって分かれた二つのセクタにおいて提供されるため、この設計はリング状の流れの形成および維持を促進する。

燃料電池と上記の高圧ガス貯蔵容器を有する乗物は、水素ベースのエネルギ方式においてエネルギ消費の低下を支援する。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、請求項、以下の好適実施例及び図面によって得られる。

高圧ガス貯蔵容器のジェットポンプを含む長手方向断面を示す概略図である。

図１は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されたシェル５を含む高圧ガス貯蔵容器の概略図である。８５℃を超える加熱を回避する必要がある熱に弱い層を形成するライナ４は、ＦＲＰシェルの壁の内側に設けられている。図の左側には、高圧ガス貯蔵容器に入口開口部１が設けられており、入口開口部１は、恒久的あるいは取外し可能にガス管路に接続可能となっている。入口開口部１には、ラバルノズルまたはコアンダノズル２であるノズルによって構成されるジェットポンプと、ジェットガイドとして設計された混合室３と、が設けられており、ノズル２と混合室３は、シェル５の長手方向軸と平行に並んでおり、混合室３の長さは、シェル５の長手方向長さの約３分の１である。ボス６上の球状衝突面が、ノズル２とは反対側の壁の領域に設けられている。

本発明による上述の高圧ガス貯蔵容器は、ガス管路を通してノズル２に推進剤としてガス、特に水素を供給し、ガスが混合室３の方向にラバルノズルまたはコアンダノズル２から排出され、このガスによって高圧ガス貯蔵容器内にすでに存在するガスが吸い込まれることによって充填することができる。

非常に加速及び冷却されたガスジェットが、長手方向軸に平行な案内された流れとして混合室３から流出し、この流れは、球状衝突面への衝突時に偏向されて、矢印で示すリング状の流れが形成され、この流れは少なくとも部分的に壁に沿って流れる。これにより、壁は高圧ガス貯蔵容器の内部の高温領域７から遮蔽され、８５℃より高い過熱に対して効果的に保護される。

このような高圧ガス貯蔵容器を有する燃料電池を備える乗物は、大がかりな水素の予冷を要することなく燃料補給することができ、充填ステーションの複雑さを低減させて充填プロセスのエネルギ消費量をかなり減少させることができる。あるいは、予冷を維持する場合には、より迅速な燃料補給が可能となる。

１…入口開口部
２…ノズル
３…混合室
４…ライナ
５…シェル
６…ボス
７…高温領域

Claims (8)

1. 貫通する入口開口部（１）を有するシェル（５）を備えた高圧ガス貯蔵容器をリザーバから充填する充填方法であって、
   ガスをリザーバから取り出し、
   前記シェル（５）内に配置された前記入口開口部（１）に設けられたジェットポンプであって、該ジェットポンプの反対側のシェル（５）の壁上に案内される流れを形成するように位置決めされたジェットポンプにガスを送り、
   少なくとも部分的に高圧ガス貯蔵容器の壁の内側に沿って案内されるリング状の流れを形成するステップを備え、
   前記シェル（５）が、前記ジェットポンプの反対側の壁の領域にボス（６）上に設けられた球状の衝突面を有しており、前記開口部から流れるガスが前記リング状の流れを形成するように前記球状の衝突面によって偏向されることを特徴とする充填方法。
2. ジェットポンプは、ノズル（２）としてラバルノズルまたはコアンダノズルを有し、このノズルによって、ノズル（２）の反対側の壁に向かって、ガスがジェットガイドによって該ノズルの軸に平行に加速されるとともに偏向されることを特徴とする請求項１に記載の充填方法。
3. ガス管路を通してガスを送ることは、予冷なしに行われることを特徴とする請求項１または２に記載の充填方法。
4. ガス管路を通してガスを送ることは、予冷の程度に対応する圧力上昇を伴って、予冷を用いて行われることを特徴とする請求項１または２に記載の充填方法。
5. 高圧ガス貯蔵容器であって、熱に弱い層（４）を内側に有し、かつシェル（５）と前記層（４）を貫通する入口開口部（１）を有するシェル（５）を備え、入口開口部にはガス管路が恒久的または取外し可能に接続可能となっている、高圧ガス貯蔵容器において、入口開口部（１）に設けられたジェットポンプがシェル（５）の内部に配置され、ジェットポンプは、該ジェットポンプの反対側のシェル（５）の壁上に案内される流れを形成するように位置決めされ、この流れは偏向されて熱に弱い層（４）に沿って流れるリング状の流れが形成され、
   前記シェル（５）が、熱に弱い層として内側ライナ（４）を有するＦＲＰシェルとして形成され、ジェットポンプの反対側の壁の領域にボス（６）上に設けられた球状の衝突面を有することを特徴とする高圧ガス貯蔵容器。
6. ジェットポンプが、ジェットノズルとしてラバルノズルまたはコアンダノズルを有し、混合室（３）が、方向づけられたガスの放出のためのジェットガイドとして設計されていることを特徴とする請求項５に記載の高圧ガス貯蔵容器。
7. ジェットポンプと混合室（３）は、シェル（５）の長手方向軸に平行に並んでおり、混合室（３）の長さが、シェル（５）の長手方向長さの５％〜５０％であることを特徴とする請求項５または６に記載の高圧ガス貯蔵容器。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の高圧ガス貯蔵容器を特徴とする燃料電池を有する乗物。

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