(57)【要約】  本発明は、殊に液体貯蔵器（１）、クライオポンプ（２）、熱交換器（６）、気体貯蔵器（１１）および混合個所（７）を含む充填ステーションでの水素出口温度を調整する方法に関する。本方法では、混合個所（７）での温度が−３０℃〜−４５℃となるように、冷間水素流と熱間水素流とが混合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
殊に液体貯蔵器（１）、クライオポンプ（２）、熱交換器（６）、気体貯蔵器（１１）および混合個所（７）を含む充填ステーションでの、水素出口温度を調整する方法において、
前記混合個所（７）での温度が−３０℃〜−４５℃となるように、冷間水素流と熱間水素流とを混合することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記混合個所（７）での温度は、−３３℃〜−４０℃である、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
冷間ガス流は、−２４３℃〜−２０３℃または−２０３℃〜−８０℃の温度を有する、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
熱間ガス流は、特に−２０℃〜＋４０℃の周囲温度を有する、
請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
前記クライオポンプ（２）の下流の水素流は、２０ｂａｒ〜１５００ｂａｒの圧力、好ましくは３５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒの圧力、特に７００ｂａｒ〜９００ｂａｒの圧力を有する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
水素流の圧力、特に熱間水素流の圧力を、前記気体貯蔵器（１１）の下流に配置された圧力レギュレータ（１２）によって設定する、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記気体貯蔵器（１１）内の水素は、５００ｂａｒから２０００ｂａｒまでの圧力、特に８００ｂａｒから１０００ｂａｒまでの圧力で貯蔵される、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記クライオポンプ（２）によって圧送される水素の量を、ピストンの周波数によって制御する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
熱交換器において水素を加熱する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、殊に液体貯蔵器、クライオポンプ、熱交換器、気体貯蔵器および混合個所を含む充填ステーションでの水素出口温度を調整する方法に関する。
【０００２】
天然ガス、ＬＰＧまたは水素などの気体燃料によって駆動される自動車を提供する車両メーカがますます増えている。こうした自動車には、乗用車だけでなく、バス、トラックおよびフォークリフトも含まれる。しかしこれまで、タンクステーション、特に水素タンクステーションの広域をカバーするネットワークは存在していない。
【０００３】
水素駆動の車両用の水素タンクステーションまたは充填ステーションの普及度が低い理由は、その経済性が低いことである。水素駆動の車両がこれまであまり存在していないため、水素タンクステーションは利潤をもたらさないことが多いのである。
【０００４】
水素タンクステーションの要素は、殊に、水素を液体形態および／または気体形態で貯蔵可能な貯蔵装置である。貯蔵密度がより高いため、液体での貯蔵が好ましい。しかし、ここには、液体水素の低温という問題がある。このため、しばしば、水素を周囲温度のもとで、ただし１０００ｂａｒまでの圧力、特に９１０ｂａｒまでの圧力で圧縮して貯蔵する気体貯蔵器も設けられる。
【０００５】
現行の水素車両には、好ましくは３５０ｂａｒまたは７００ｂａｒの気体水素を貯蔵する燃料タンクが設けられている。
【０００６】
当該燃料タンクに充填される水素の温度は、−３３℃〜−４０℃の充填温度でなければならない。
【０００７】
このことは、水素を液体で貯蔵する場合も気体で貯蔵する場合も、水素のコンディショニングに複雑な装置を用意しなければならないことを意味する。なぜなら、水素は冷却または加熱が必要であるからである。
【０００８】
よって、水素タンクステーションの各要素には、ふつう、付加的に、少なくとも１つのポンプ、特に液体での貯蔵の場合のクライオポンプと、複数の熱交換装置と、複数の圧力制御弁、特に低温用の高圧チョーク弁と、温度レギュレータと、圧力レギュレータと、流量レギュレータとが設けられている。水素タンクステーションのさらなる要素としては、顧客がアクセス可能な燃料分配ノズルとこれに対応する充填ホースとを備えた燃料ディスペンサもある。当該燃料ディスペンサは、ふつう、特に水素の送出を調整しかつ計量分配される水素の課金計算を行う付加的な電子装置も有する。
【０００９】
水素タンクステーションに必要な要素が増えるにつれ、投資コストは増大し、また場合によっては運転コストおよびメンテナンスコストも増大する。
【００１０】
したがって、本発明の基礎とする課題は、複雑なシステム技術を使用することなく、定められた圧力変化勾配を維持しながら、燃料ディスペンサでの水素の充填温度を予め定められた温度レベルに保持できる、水素のコンディショニング方法を提供することである。
【００１１】
この課題は、本方法では、混合個所での温度が−３０℃〜−４５℃となるように、冷間水素流と熱間水素流とを混合することによって解決される。特に、混合個所での温度は、−３３℃〜−４０℃である。
【００１２】
これは、特に、第１の部分流すなわち冷間水素流をクライオポンプの下流でガス管路を介して直接に混合個所へ供給することにより達成される。混合個所では、好ましくは、温度センサにより混合ガス流の温度が測定され、このガス流が当該混合個所から別のガス管路を介して燃料ディスペンサへ供給され、そこで受容側タンク、特に車両の燃料タンクまたはガス容器へ送出される。
【００１３】
冷間ガス流は、有利には、−２４３℃〜−２０３℃または−２０３℃〜−８０℃の温度を有する。
【００１４】
また、クライオポンプの下流のディストリビュータでは、第２の部分流が分岐される。当該第２の部分流は、熱交換器を経て加熱され、ガス管路を介して同様に混合個所へ供給される。
【００１５】
第２の部分流は、熱交換器の下流では、熱間水素流と称される。有利には、水素は熱交換器において加熱される。当該熱交換器は、特別の実施形態においては、複数の段を有してもよい。熱間部分流は、有利には、周囲温度、特に−２０℃〜＋４０℃の温度を有する。当該周囲温度は、タンクステーションが設置される地域の外部気象条件に依存する。
【００１６】
有利には、混合個所の熱間部分流の割合は、冷間部分流の割合より大きい。
【００１７】
水素流は、クライオポンプの下流で、好ましくは２０ｂａｒ〜１５００ｂａｒの圧力、好ましくは３５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒの圧力、特に７００ｂａｒ〜９００ｂａｒの圧力を有する。
【００１８】
有利には、水素流の圧力、特に熱間水素流の圧力は、気体貯蔵器の下流に配置された圧力レギュレータによって設定される。
【００１９】
熱交換器の下流では、熱間水素流は選択的にまたは部分的に混合個所へ案内可能であり、または別のガス管路を介して高圧貯蔵器すなわち気体貯蔵器へ供給可能である。気体貯蔵器の下流には圧力レギュレータが配置される。当該圧力レギュレータは、冷間水素流を熱交換器へ案内するガス管路に接続されている。
【００２０】
よって、熱間ガス流は、熱交換器の下流で、好ましくは直接に混合個所へ案内可能である。混合個所にその時点で熱間水素流が全くまたはその一部しか必要でない場合には、他の部分は気体貯蔵器内に貯蔵することができる。なお、熱間水素流が再び必要とされる場合には、圧力レギュレータによって気体貯蔵器からこの熱間水素流が放出され、加熱のために熱交換器へ案内され、その後に混合個所へ供給される。
【００２１】
有利には、気体貯蔵器内の水素は、５００ｂａｒから２０００ｂａｒまでの圧力、特に８００ｂａｒから１０００ｂａｒまでの圧力で貯蔵される。一実施例において、気体貯蔵器内の圧力がガス管路内の圧力よりも高い場合、放出される水素は圧力レギュレータによって圧力低減される。これによりガス流は冷却されるので、熱交換器によって再び加熱される。
【００２２】
気体貯蔵器は、好ましくは、複数のセクションに分割された高圧貯蔵器である。個々のセクションは、有利には相互に独立に利用可能である。さらに、特別の構成バリエーションでは、個々のセクションの貯蔵圧力を異ならせることもできる。
【００２３】
水素タンクステーションのクライオポンプは、好ましくは、ピストンポンプである。有利には、クライオポンプによって圧送される水素の量が、ピストンの周波数によって制御される。特に、クライオポンプにより、混合個所での温度調整に必要な冷間水素流の量を正確に圧送することができる。
【００２４】
好ましい実施例では、ガス流の混合個所での出口温度を−３３℃〜−４０℃とし、このガス流が３５０ｂａｒから９００ｂａｒまでの圧力を有さなければならない。この場合、当該ガス流は、有利には圧力センサ、温度センサおよび流量センサまたはレギュレータが取り付けられた燃料ディスペンサを介して車両へ送出される。
【００２５】
混合個所で熱間ガス流と冷間ガス流とを混合可能であることにより、温度を最適に調整可能である。有利には一部の部分流のみが加熱されることにより、いっそう小さく寸法設計可能な唯一の熱交換器しか必要ない。このため投資コストおよび運転コストが節約される。
【００２６】
特別な実施例として熱交換器において冷間ガス流が必要とされる場合も同様に、この熱交換器を小さく寸法設計可能である。また、複数の熱交換器を相互に独立に駆動することもでき、タンクステーションの運転または稼働に合わせて適応化可能である。
【００２７】
圧力レギュレータにより、熱間ガス流が、クライオポンプによって直接に圧縮された冷間ガス流と同じ圧力レベルに近似または等化し、２つのガス流が混合個所において所望の温度レベルの達成に適した比で混合可能となることを保証できる。このために、温度センサが、有利にはクライオポンプの駆動部に接続される。混合個所ならびにクライオポンプ下流のディストリビュータ位置とクライオポンプとの間のガス管路には、有利には、温度調整のための付加的な弁およびレギュレータは必要ない。
【００２８】
水素は、有利には、液体形態でタンクステーションの貯蔵タンク内に貯蔵される。なお、貯蔵タンクは、好ましくは直接にクライオポンプに接続される。
【００２９】
以下に、本発明を、図１に概略的に示す実施例に即して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の方法の好ましい構成を示す図である。
【００３１】
図１には、本発明の方法の好ましい構成が示されている。水素は、液体で液体貯蔵器１内に貯蔵されている。クライオポンプ２を介して、液体水素が液体貯蔵器１から取り出され、必要に応じてそのまま圧送されるかまたは圧縮されて圧送される。ディストリビュータ３では、クライオポンプ２からのガス流がガス管路４および／またはガス管路５へ分配される。クライオポンプ２からのガス流は、ガス管路４を通り、直接に混合個所７に案内される。クライオポンプ２から出たガス流は、−２２３℃〜−２１０℃の温度を有し、９００ｂａｒの圧力がかかっている。ガス管路５は、熱交換器６およびガス管路８を介して混合個所７へ通じている。ガス管路５では、熱交換器の下流で、ガス管路８から、ガス管路９が分岐している。ガス管路９は、閉止弁１０を介して気体貯蔵器１１に通じている。気体貯蔵器１１は、相互に分離可能な複数の貯蔵タンクに分割された高圧貯蔵器である。気体貯蔵器１１では、熱交換器６を経て加熱された水素ガスが、５００ｂａｒから１０００ｂａｒまでの圧力、および−２０℃から４０℃までの温度で貯蔵される。圧力レギュレータ１２を介して、ガスを再びガス管路５へ供給し、熱交換器６およびガス管路８を介して同様に混合個所７へ供給することができる。混合個所７では、温度センサＴにより温度が測定される。温度センサＴは、データ接続線路を介してクライオポンプ２の駆動ユニットＭに接続されている。混合個所７で測定された温度により、車両の貯蔵タンクへ水素を計量分配する際の温度が設定される。当該温度は、−３３℃〜−４０℃でなければならない。当該温度を調整するために、混合個所において、クライオポンプからの直接の冷間流と、ガス管路５を経てガス管路８から到来する熱間流とが混合される。混合個所７からは、ガス管路１３が、車両の貯蔵タンク内に水素を充填するための燃料ディスペンサ１４および充填ホース１５へ通じている。
【符号の説明】
【００３２】
１  液体貯蔵器
２  クライオポンプ
３  ディストリビュータ
４，５，８，９，１３  ガス管路
６  熱交換器
７  混合個所
１０  閉止弁
１１  気体貯蔵器
１２  圧力レギュレータ
１４  燃料ディスペンサ
１５  充填ホース
【図１】
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【国際調査報告】
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