DE102016105390A1 - Wasserstoff-Vorkühlsystem - Google Patents

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DE102016105390A1
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Jun Yoshida
Takayuki Kaneko
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Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
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Abstract

Angeben eines Vorkühlsystems zur Temperaturerniedrigung von Wasserstoffgas an einer abschließenden Wasserstoffeinfüllstelle einer Wasserstoffstation, das einfach aufgebaut ist, bei dem die Instandhaltungsarbeiten und Steuerungsvorgänge gering sind und das die Betriebskosten einschließlich der Kosten des Energieverbrauchs verringern kann. Vorkühlen von Wasserstoffgas durch Temperaturerniedrigung des Wasserstoffgases mit Hilfe eines Expanders 11 in einem Expandierungs- und Komprimierungsprozess des Wasserstoffgases und durch Nutzung seiner Kälteenergie.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wasserstoffsystem und insbesondere ein Anschlusssystem einer Wasserstofffüllanlage zum Befüllen eines Treibstofftanks eines Wasserstofffahrzeugs wie eines Brennstoffzellenfahrzeugs (im Folgenden als Wasserstofffahrzeug bezeichnet) mit Wasserstoffgas als Brennstoff aus einer Wasserstoffgasversorgungsquelle und genauer auf ein Vorkühlsystem, das zum Erniedrigen der Temperatur des Wasserstoffgases an einer abschließenden Fülleinheit einer Wasserstoffstation eingesetzt wird.
  • [Stand der Technik]
  • Das als Treibstoff für ein Wasserstofffahrzeug verwendete Wasserstoffgas wird aufgrund seiner Eigenschaften, wenn es ausgehend von einer hohen Temperatur adiabatisch expandiert wird (isenthalpische Expansion), im Bereich eines Expansionsventils oder dergleichen, das in einem Pfad zur Befüllung mit Wasserstoffgas angeordnet ist, in einem im Vergleich zur Umkehrtemperatur (–58°C) höheren Bereich expandiert und ist daher dadurch gekennzeichnet, dass es aufgrund des Joule-Thompson-Effekts vor der Expansion eine höhere Temperatur aufweist.
  • Daher steigt die Temperatur des Wasserstoffgases, wenn an einer Wasserstoffstation ein Treibstofftank eines Wasserstofffahrzeugs mit Wasserstoffgas als Treibstoff für das Wasserstofffahrzeugs aus einer Wasserstofffüllanlage befüllt wird, im Bereich des Expansionsventils oder dergleichen an, das in einem Pfad zur Befüllung mit Wasserstoffgas angeordnet ist.
  • Der Temperaturanstieg des Wasserstoffgases ist ausgeprägter, wenn das Expansionsverhältnis des Wasserstoffgases größer ist, und mit zunehmender Erhöhung des Füllgasdrucks aus der Wasserstoffgasquelle der Wasserstoffstation (beispielsweise von 45 auf 70 MPa (G) oder 82 MPa (G)) ist der Grad des eigenen Temperaturanstiegs viel höher.
  • Wenn das Wasserstoffgas beispielsweise einmal von 70 MPa (G) 30°C ausgehend expandiert wird, ist ein Beispiel für die Eigentemperaturänderung bei dem jeweiligen Sekundärdruck in 1 dargestellt.
  • Bei dem derzeit entwickelten Brennstoffzellenfahrzeug ist andererseits die Maximaltemperatur bei der Wasserstoffgasbefüllung aufgrund von Temperaturbeschränkungen durch das Material des Treibstofftanks und Betriebstemperaturbeschränkungen des Brennstoffzellenhauptkörpers auf etwa 85°C begrenzt.
  • Aufgrund der Eigenschaften des Wasserstoffs überschreitet die Temperatur zudem beim direkten Befüllen mit Wasserstoffgas, ohne dass eine Hilfseinrichtung installiert ist, zum Zeitpunkt des Befüllens mit Wasserstoff den maximalen oberen Temperaturgrenzwert von 85°C, was zu diversen Problemen führt, wie Temperaturbeschränkungen aufgrund des Materials des Treibstofftanks, Betriebstemperaturbeschränkungen des Hauptkörpers der Brennstoffzelle und Absenkung des Drucks aufgrund der Abkühlung nach dem Befüllen, sodass verschiedene Verfahren vorgeschlagen und umgesetzt wurden, beispielsweise ein Wärmetauscher oder eine andere Kühleinrichtung, die an einer Strecke zum Befüllen mit Wasserstoffgas angeordnet sind, sowie ein Befüllen eines Wasserstoffgasfahrzeugs mit Wasserstoffgas unter gleichzeitigem Kühlen mit dieser Kühleinrichtung (siehe hierzu beispielsweise Patentdokument 1)
  • [Patentschrift des Standes der Technik]
  • [Patentdokument]
    • [Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2004-116619
  • [Kurzbeschreibung der Erfindung]
  • [Von der Erfindung zu lösende Problemstellungen]
  • 2 zeigt hier eine Konfiguration einer gegenwärtigen allgemeinen Wasserstoffstation mit 70 MPa (G).
  • Diese Wasserstoffstation umfasst eine Kompressoranlage 1 mit einer Kompressoreinheit zum Erhalt von Wasserstoffgas, eine Wasserstoffvorhaltedruckanlage 2 mit einer Wasserstoffdruckspeichereinheit zum Vorhalten und Komprimieren von Wasserstoff aus der Kompressoranlage 1, ein Expansionsventil 3 und einen Wasserstoffgasvorkühler 4, der in einem Pfad zum Befüllen des Treibstofftanks 6 eines Wasserstofffahrzeugs mit Wasserstoffgas aus der Wasserstoffvorhaltedruckanlage 2 angeordnet ist, und ein Vorkühlsystem 5 zum Kühlen des Wasserstoffgases mit Hilfe des Vorkühlers 4, wobei das Vorkühlsystem 5 ferner eine Kältemaschine 7, die einen Kompressor, einen Kondensor, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Akkumulator sowie Anderes umfasst, und einen Solekreislauf 8 umfasst, der einen Soletank, eine primäre Solepumpe, eine sekundäre Solepumpe und Anderes aufweist.
  • In der Wasserstoffstation, d.h. in der Wasserstoffstation unabhängig davon, ob sie vom On-Site-Typ oder vom Off-Site-Typ ist, wird der erhaltene Wasserstoff in der Kompressoranlage 1 einmal auf einen Zwischendruck komprimiert (40 MPa (G) im veranschaulichten Beispiel bzw. 82 MPa (G) im veranschaulichten Beispiel) und wird in der Vorhaltedruckeinheit der Wasserstoffvorhaltedruckanlage 2 in Form von komprimiertem Gas gespeichert.
  • Wenn das Wasserstoffgas an der Empfängerseite in den am Fahrzeug angebrachten Treibstofftank 6 gefüllt wird, wird es durch das Expansionsventil 3 expandiert, wobei es dabei, da der Vorgang mit einem Druckanstieg des Wasserstoffgases einhergeht, zu diesem Zeitpunkt durch das in der externen Einrichtung enthaltenen Vorkühlsystem 5 auf –40°C gekühlt.
  • Bei der bestehenden Technologie handelt es sich bei dem Vorkühlsystem 5 um eine Systemkombination einer gewöhnlichen Kältemaschine 7 mit einem Freon-Kühlmittel oder dergleichen und einem Solekreislauf 8, der in der Nähe von –40°C betrieben wird, wodurch die Konstruktion komplex ist und viele Rotationsmaschinen benötigt werden, beispielsweise ein Kühlkompressor für die Kühlanlage, eine primäre Solepumpe, eine sekundäre Solepumpe und Anderes.
  • Demgemäß gab es viele Probleme bei dem in der abschließenden Füllstufe des herkömmlichen Wasserstoffsystems zum Erniedrigen der Temperatur des Wasserstoffgases verwendeten Vorkühlsystem, unter Anderem:
    • 1) Das extern unabhängige Vorkühlsystem ist ein System, das mit Hilfe externer elektrischer Energie betrieben wird. Bei einer üblichen Wasserstoffstation (300 Nm3/h) handelt es sich um etwa 40 kW, und allein der Betrieb des Vorkühlsystems führt zu einer Erhöhung der laufenden Kosten.
    • 2) Es ist gesetzlich geregelt, da Freon (Freon-Ersatz) als Kältemittel der Kältemaschine verwendet wird, und diese Vorkühleinrichtung unterliegt selbst den Kältetechnik-Sicherheitsvorschriften des Hochdruckgas-Sicherheitsrechts und die Anlage und ihr Betrieb unterliegen Beschränkungen.
    • 3) Wenn Freon oder Sole in einer Station enthalten sind, sind vorbeugende Maßnahmen gegen ökologische Unfälle wegen äußeren Leckagen von Freon oder Sole erforderlich.
    • 4) Die Struktur des Vorkühlsystems ist komplex, da sie aus zwei Kreisläufen besteht, einem Kühlkreislauf und einem Solekreislauf, wobei das System mehrere rotierende Maschinen umfasst, wie einen Kühlkompressor und eine Solepumpe, und es sind viele Instandhaltungsarbeiten und Steuerungsvorgänge erforderlich.
    • 5) Da in dem System Sole verwendet wird, dauert es eine gewisse Zeit, bis sich ein stationärer Zustand eingestellt hat. Daher muss das Vorkühlsystem vorab deutlich vor der Befüllung gestartet werden, um das System in einem stationären Zustand zu halten.
    • 6) Bei einer Verkleinerung des Bauraums der Wasserstoffstation stellt der Platzbedarf des Vorkühlsystems eine Begrenzung dar.
    • 7) Bei der vorliegenden Temperatur von –40°C ergeben sich weitere Beschränkungen in Bezug auf eine schnelle Wasserstoffbefüllung. In der Zukunft ist zur weiteren Verkürzung der Füllzeit eine Vorkühlung unter die aktuelle Temperatur von –40°C erforderlich
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Probleme des Vorkühlsystems, das zur Erniedrigung der Temperatur des Wasserstoffgases an der abschließenden Einfüllstelle der herkömmlichen Wasserstoffstation eingesetzt wird. Daher besteht ihre Hauptaufgabe darin, ein Vorkühlsystem anzugeben, das zur Erniedrigung der Temperatur des Wasserstoffgases an der abschließenden Einfüllstelle der Wasserstoffstation eingesetzt wird, das einfach aufgebaut wird, bei dem die Instandhaltungsarbeiten und Steuerungsvorgänge gering sind und mit dem die Betriebskosten einschließlich der Kosten des Energieverbrauchs gesenkt werden können.
  • [Mittel zur Lösung der Aufgabenstellung]
  • Zur Lösung der Aufgabenstellung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoffvorkühlsystem um ein Wasserstoffvorkühlsystem in einer Wasserstoffbefüllungsanlage zum Befüllen eines Tanks mit unter hohem Druck vorgehaltenen Wasserstoffgas durch Druckdifferenzexpansion über ein Gegenseitenventil, bei dem das Wasserstoffgas durch Temperaturerniedrigung des Wasserstoffgases durch eine Expansionsmaschine in einem Expandierungs- und Dekomprimierungsprozess und durch Nutzung seiner Kälteenergie vorgekühlt wird.
  • Diesbezüglich wird die Expansionsmaschine durch Verwendung einer Wasserstoffturbine, eines mechanischen Kolbenexpanders, eines Drehkolbenexpanders oder eines Expanders von Scrolltyp oder beliebigen Kombinationen dieser Maschinen verwirklicht.
  • [Wirkungen der Erfindungen]
  • In einem Wasserstoffvorkühlsystem einer Wasserstoffbefüllungsanlage zum Befüllen eines Tanks mit unter hohem Druck vorgehaltenen Wasserstoffgas durch Druckdifferenzexpansion über ein Gegenseitenventil wird die Temperatur des Wasserstoffgases gemäß dem erfindungsgemäßen Wasserstoffvorkühlsystem in einem Expandierungs- und Komprimierungsprozess durch Expander und insbesondere beispielsweise durch eine Wasserstoffturbine, einen mechanischen Kolbenexpander, einen Drehkolbenexpander oder einen Expander von Scrolltyp oder deren Kombinationen erniedrigt und das Wasserstoffgas wird unter Ausnutzung der Kälteenergie vorgekühlt, sodass es möglich ist, ein Vorkühlsystem anzugeben, das zur Temperaturerniedrigung des Wasserstoffgases an der abschließenden Einfüllstelle des Wasserstoffsystems eingesetzt wird, dessen Aufbau einfach ist, bei dem die Instandhaltungsarbeiten und Steuerungsvorgänge gering sind, bei dem die Betriebskosten einschließlich der Kosten des Energieverbrauchs niedriger sind und bei dem die Temperatur des Wasserstoffgases gesenkt wird.
  • [Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
  • 1 zeigt in einer graphischen Darstellung ein Beispiel eines Temperaturanstiegs durch Expansion unter Verwendung eines Expansionsventils für das Wasserstoffgas (Ventilexpansion) und Expansion unter Verwendung einer Wasserstoffturbine (Turbinenexpansion).
  • 2 zeigt in einem erklärenden Diagramm eine Wasserstoffstation unter Verwendung eines herkömmlichen Wasserstoffvorkühlsystems.
  • 3 zeigt in einem erklärenden Diagramm eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserstoffvorkühlsystems.
  • 4 zeigt in einem erklärenden Diagramm eine modifizierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserstoffvorkühlsystems.
  • [Beste Ausführungsform der Erfindung]
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffvorkühlsystems unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Bei dem Wasserstoffvorkühlsystem handelt es sich um ein Vorkühlsystem, das zur Temperaturerniedrigung von Wasserstoffgas an einer abschließenden Einfüllstelle der Wasserstoffstation verwendet wird, d.h. in einem Wasserstoffvorkühlsystem, das in einer Wasserstoffbefüllungseinrichtung zum Befüllen eines Tanks mit unter hohem Druck vorgehaltenen Wasserstoffgas durch Druckdifferenzexpansion über ein Gegenseitenventil installiert ist, wobei die Temperatur des Wasserstoffgases in einem Expandierungs- und Komprimierungsprozess des Wasserstoffgases durch einen Expander erniedrigt wird, und das Wasserstoffgas wird vorgekühlt, indem die Temperatur des Wasserstoffgases durch eine Expansionsmaschine in einem Expandierungs- und Dekomprimierungsprozess vorgekühlt wird, wobei das Wasserstoffgas unter Ausnutzung seiner Kälteenergie vorgekühlt wird.
  • Wie in dem finalen Wasserstoffgas-Expansionsmechanismus einer in 3 gezeigten Wasserstoffstation wird insbesondere ein Teil des Gases aus der Wasserstoffgasversorgungsleitung abgezweigt und einem Expansionsturbinenkreislauf zugeführt.
  • In der Expansionsturbine wird der Wasserstoff expandiert, die Temperatur des Wasserstoffgases wird erniedrigt und das Wasserstoffgas wird anschließend wieder beigemischt. Alternativ wird das Gas erforderlichenfalls auf einen Zwischendruck expandiert und beigemischt und das Betanken erfolgt mit einer abschließenden Expansion und das Befüllen findet mit einem finalen kleinen Expansionsverhältnis statt.
  • In 3 wird das unter hohem Druck befindliche Wasserstoffgas, das in einem Zustand hohen Drucks abgezweigt wurde, über ein Turbineneinlassventil in den Wasserstofftank geleitet, wobei die durch die Wasserstoffturbine bewirkte Expansion stets zu einem Temperaturabfall führt (siehe hierzu 1, wobei 1 ein Berechnungsbeispiel ist, und die Auslasstemperatur in einem breiten Bereich eingestellt werden kann, indem die Einlassbedingungen der Expansionsturbine und das Expansionsverhältnis und Anderes eingestellt werden), wobei die Temperatur am Auslass der Turbine geringer ist als am Einlass.
  • Nach der Expansion wird das Gas dem normal expandierten Gas beigemischt und auf eine optimale Temperatur eingestellt und schließlich kontinuierlich mit einem niedrigen Expansionsverhältnis in den Tank gefüllt.
  • Der Druck an der gegenüberliegenden Befüllungsseite und der Temperaturstatus werden daher durch Sensoren erfasst und es wird eine Regelung eingesetzt, um eine optimale Mischtemperatur zu erhalten. Durch diese Temperatursteuerung wird die Turbineneinlasstemperatur gesteuert und der Durchfluss des Turbinenkreislaufs wird geändert, wodurch der Temperaturerniedrigungsbereich und eine geeignete Temperatur nach dem Mischen erreicht werden.
  • Wie in 4 dargestellt kann ferner ein Temperaturerniedrigungskreislauf durch eine Expansionsturbine bereitgestellt werden, indem Wasserstoffgas aus einer Druckspeichereinrichtung entnommen wird.
  • Der Expander kann daher herkömmliche Expander umfassen, wie beispielsweise einzeln oder in Kombination Wasserstoffturbinen 11, 21 (siehe beispielsweise offengelegte japanische Patentanmeldung 2003-106108 , 2012-206909 ), mechanische Kolbenexpander (siehe beispielsweise offengelegte japanische Patentanmeldung Sho61-262558 ), Drehkolbenexpander (siehe beispielsweise offengelegte japanische Patentanmeldung 2007-9755 ), Expander von Scrolltyp (siehe beispielsweise internationale Patentanmeldung WO2012/164609 ).
  • Mittel zum Energieentzug durch den Expander können die folgenden Verfahren umfassen:
    • 1) Kontrolle durch Bremslüfter (Umwandlung in Wärme durch wassergekühlte Kühlanlage)
    • 2) Energieerzeugungskontrolle durch Integrieren eines Stromgenerators
    • 3) Prozesswasserstoffdruckerhöhung durch Booster.
  • Dieses Wasserstoffvorkühlsystem entspricht dem oben erläuterten Prinzip und löst die Probleme des Vorkühlsystems, das zur Temperaturerniedrigung des Wasserstoffgases an der abschließenden Einfüllstelle einer herkömmlichen Wasserstoffstation eingesetzt wird, wie folgt.
    • Problem 1) Zum Betrieb von Expandern wie einer Wasserstoffexpansionsturbine ist keine externe elektrische Energieversorgung erforderlich und zum Betrieb ist im Vergleich zum herkömmlichen Vorkühlsystem (Stromkosten) so gut wie kein elektrischer Strom nötig.
    • Problem 2) Es wird kein Kältemittel verwendet und unabhängig davon weist das System auf der Kühlseite keine Beschickung auf. Die Wasserstoffstation selbst kann innerhalb der Hochdruckgas-Sicherheitsvorschriften betrieben werden.
    • Problem 3) Es werden kein Freon-Kältemittel oder Sole verwendet und es besteht keine Gefahr für einen Umweltunfall.
    • Problem 4) Der Aufbau des Systems ist einfach und es werden nicht nur Betriebskosten, sondern auch Wartungskosten werden in erheblichem Maße eingespart.
    • Problem 5) Die Temperatur wird gleich beim Start eines Expanders wie einer Expansionsturbine erniedrigt und in dem System ist die Zeitkonstante klein. Die Zeit vor dem Start ist sehr kurz.
    • Problem 6) Es ist nur die Kühlbox eines Expanders wie einer Expansionsturbine erforderlich und demnach ist die Raumersparnis erheblich.
    • Problem 7) Die Temperatur kann durch den Expander wie eine Expansionsturbine auf nahezu –100°C erniedrigt werden und es ist eine schnellere Befüllung möglich.
  • Das erfindungsgemäße Wasserstoffvorkühlsystem wird hier unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform erläutert, die Erfindung ist jedoch nicht auf den in dieser Ausführungsform beschriebenen Aufbau beschränkt, der Aufbau kann innerhalb des Umfangs des erläuterten Beispiels geeignet modifiziert oder abgeändert werden.
  • [Gewerbliche Anwendbarkeit]
  • Das erfindungsgemäße Vorkühlsystem in einfach aufgebaut, die Instandhaltungsarbeiten und Steuerungsvorgänge sind gering und die Betriebskosten einschließlich der Kosten des Energieverbrauchs sind niedrig, wodurch es vorzugsweise zur Temperaturerniedrigung von Wasserstoffgas an einer abschließenden Einfüllstelle der Wasserstoffstation bei einem Vorkühlsystem eingesetzt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kompressoranlage
    2
    Wasserstoffvorhaltedruckanlage
    3
    Expansionsventil
    4
    Vorkühler
    5
    Vorkühlsystem
    6
    Treibstofftank
    7
    Kältemaschine
    8
    Solekreislauf
    10
    Vorkühlsystem
    11
    Wasserstoffturbine (Expander)
    12
    erstes Expansionsventil
    13
    zweites Expansionsventil
    20
    Vorkühlsystem
    21
    Wasserstoffturbine (Expander)
    22
    erstes Expansionsventil
    23
    Vorkühler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2004-116619 [0008]
    • JP 2003-106108 [0031]
    • JP 2012-206909 [0031]
    • JP 61-262558 [0031]
    • JP 2007-9755 [0031]
    • WO 2012/164609 [0031]

Claims (2)

  1. Wasserstoffvorkühlsystem zum Vorkühlen von Wasserstoffgas, um das Wasserstoffgas durch Temperaturerniedrigung des Wasserstoffgases mit Hilfe eines Expanders in einem Expandierungs- und Dekomprimierungsprozess des Wasserstoffgases vorzukühlen, und unter Nutzung seiner Kälteenergie zum Befüllen eines Tanks mit bei hohem Druck komprimiertem Wasserstoffgas durch Druckdifferenzexpansion über ein Gegenseitenventil in einem Wasserstoffvorkühlsystem einer Wasserstoffbefüllungsanlage.
  2. Wasserstoffvorkühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Expander aus einer Wasserstoffturbine, einem mechanischen Kolbenexpander, einem Drehkolbenexpander oder einem Expander von Scrolltyp oder anderen besteht.
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