JP2019525097A - ガス量の較正可能な検出のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、補給ステーションでの燃料補給プロセスにおいて、燃料ディスペンサ（３）と、該燃料ディスペンサ（３）に接続された充填ホース（４）と、を介して貯蔵タンク内に移送されたガス状の燃料量を特定する方法および装置に関し、ここでは、補給ステーションの燃料ディスペンサ（３）内に、貯蔵タンクの充填中に放出された燃料量を求める流量計（Ｆ）が設けられている。充填の終了後に充填ホース（４）は放圧され、放圧によって貯蔵タンク内に移送されなかった燃料量が求められ、該燃料量が、流量計（Ｆ）によって求められた量から減算される。

Description

本発明は、補給ステーションでの燃料補給プロセスにおいて、燃料ディスペンサと、該燃料ディスペンサに接続された充填ホースと、を介して貯蔵タンク内に移送されたガス状の燃料量を特定する方法に関し、この場合、補給ステーションの燃料ディスペンサ内には流量計が設けられており、該流量計は、貯蔵タンクの充填中に放出された燃料量を求め、充填の終了後に充填ホースは放圧される。

天然ガス、ＬＰＧまたは水素などのガス状の燃料によって駆動される自動車は、益々多くの自動車製造業者によって発表されている。これらの自動車には、乗用車だけでなく、バス、トラック、フォークリフトも含まれる。圧縮されたガスで動く自動車の数の増加に並行して、補給ステーションの数、特に水素補給ステーションの数も増加しており、これらの水素補給ステーションは、個人客にも頻繁に利用される。特に水素を燃料補給するためには、水素の圧力は天然ガスやＬＰＧよりも高く、水素の温度は天然ガスやＬＰＧよりも低いため、新たな燃料補給プロセスの開発と、別の装置と、が必要である。車両の貯蔵タンクへの制御された安全な充填を保証するために、水素の温度と圧力とは、正確に制御される必要がある。そのため、水素補給ステーションでは、放出すべき水素の温度と圧力とに関する精度への要求が高まっている。

水素補給ステーションの構成要素には、とりわけ、水素を液状および／またはガス状で貯蔵することができる貯蔵装置がある。この場合には、液状での貯蔵が好ましい。なぜなら、貯蔵密度がより高いからである。ただし、これについては液状の水素が低温であるという欠点が伴う。そのため、水素を、周囲温度で貯蔵するが、１０００ｂａｒまでの、特に９１０ｂａｒまでの圧力に圧縮するガス貯蔵器も頻繁に設けられる。

現代の水素自動車は、好ましくは、３５０または７００ｂａｒのガス状の水素を貯蔵するための燃料タンクを有している。燃料タンクに充填すべき水素の温度は、−３３〜−４０℃の間の充填温度を有すべきである。この温度は、様々な基準および標準プロトコルによって規定されている。

このことは、水素を液状で貯蔵する場合においても、ガス状で貯蔵する場合においても、水素を調整するための高価な装置が提供されなければならないことを意味する。それゆえ、水素補給ステーションの構成要素は、通常、付加的に少なくとも１つのポンプ、特に水素を液状で貯蔵する場合のクライオポンプ、複数の熱交換装置、複数の圧力制御弁、特に極低温高圧スロットル弁、ならびに温度制御器、圧力制御器および流量制御器である。水素補給ステーションのさらなる構成要素には、少なくとも１つの燃料ディスペンサがあり、この燃料ディスペンサでは、顧客が補給ノズルおよび対応する充填ホースに手を近づけることができる。燃料ディスペンサは、通常、特に放出を制御し、かつ供給された、つまり、放出された水素を算定（Abrechnung）するための電子装置を付加的に有する。

特に個人客にとってアクセス可能である水素補給ステーションは、放出された水素量の測定の精度に関して厳しい条件が課せられている。顧客も事業者も、放出された水素量に関する正確な情報を必要とする。これまでに実現された水素補給ステーションは、しばしばパイロット施設として設計されてきたか、あるいは唯一の大口顧客にしかアクセスできないものである。充填中に放出された水素の温度および量の不正確さは許容され、温度と圧力値はしばしば推定され、そしてリスクは高い安全係数の考慮によって最小化されてきた。しかしながらこのことは、水素が燃料として個人客の領域により広く普及する場合には、もはや受け入れられない。

放出された水素量の特定の問題は、とりわけ、流量、温度および圧力に対する測定装置が、水素補給ステーションの燃料ディスペンサ内に設置されていることによって生じる。現下では、放出された水素量は、通常、流量計、例えばコリオス流量計を介して求められる。この目的のために、制御を介して、燃料補給持続時間、およびそこからこの間に放出された水素量が求められる。

この場合は、燃料ディスペンサと車両タンクとの間の充填ホース内に存在し、燃料補給過程の終了に基づいてもはやタンク内に移送されない水素量も検出される。換言すれば、燃料補給過程の終了後に水素供給を中断させる遮断弁の下流側の充填ホース内に依然として存在し、燃料補給カップリングまたは補給ノズル内の閉鎖機構によって周囲への漏れが防止される水素量である。充填ホースは、液状の燃料のための従来の補給ステーションと同様に、燃料補給カップリングを有する可撓性ホースであり、この場合、特に燃料ディスペンサ内または燃料ディスペンサ上に存在する充填ホースの部分も、固定ホースまたは導管として構成されてもよい。本願では、充填ホースの概念は、遮断弁もしくは流量計と、補給ノズルと、の間の全容積を代表するのに用いられる。

水素の高圧や低温に耐え得るように目下実現可能な流量計の構造形態に基づき、当該流量計を、車両タンクと流量計との間の距離の短縮のためにホース内または燃料補給カップリング内に統合させることは不可能である。

車両タンクにもはや移送できなくなった水素量は、流量計によってすでに検出されており、放出された量として算定される。

燃料補給プロセスの終了後は、補給ノズル内の閉鎖機構またはシール部分と、燃料ディスペンサ内の遮断弁と、が閉鎖される。これによって、充填ホースは燃料補給プロセスの終了後に高圧下にある。それゆえ、燃料補給カップリングが自動車から取り外し可能になる前に、このホースは放圧されなければならない。このことは、一方では安全上の理由から、他方では充填ホースの柔軟性を再び取り戻すためにも必要である。安全上の理由から、燃料補給カップリングは圧力下で結合解除することは通常不可能である。また高圧下にあるホースは、その柔軟性が失われており、取り扱いは困難である。しかしながら、燃料補給を可能な限り簡単に構成するためには、燃料補給の前後において充填ホースの柔軟性を保証する必要があり、これによって、充填プロセスの開始前に所期のようにホースを、車両に配向させて、貯蔵タンクに接続させることができ、さらに燃料補給の終了後は当該ホースを再び所定のホルダに戻すことができる。

このような状況下では、測定されたガス量と算出されたガス量との間には常に偏差が生じるので、供給されたガス量の正確な算定は不可能である。完全な燃料補給の仮定の下で、燃料補給基準から予め設定された温度と圧力値とを介して、放圧下の燃料量を推定することは可能であるが、そのような推定も不正確である。そのため、顧客も事業者も不利益を被る。さらに、この方法による算定装置の較正は、前述した精度で実施することはできない。

それゆえ、本発明が基礎とする課題は、ガス状の燃料の正確な測定ひいては正確な算定が行われる方法の提供にある。

この課題は、方法の態様では、放圧によって貯蔵タンク内に移送されなかった燃料量が求められ、この燃料量が、流量計によって求められた量から減算されることによって解決される。

装置態様では、補給ステーションでの燃料補給プロセス中に放出されたガス状の燃料量を特定する装置であって、燃料ディスペンサ内に設置され、該燃料ディスペンサに接続された充填ホースと接続される装置は、前記課題を解決するために、充填ホースが接続された流量計と、充填ホースから分岐されかつ放圧弁を有する導管と、を含んでいる。

好ましくは、貯蔵タンク内に移送されなかった、充填ホース内の燃料量は、充填ホース内の水素の密度を求めるために、燃料補給プロセスの終了後でかつ放圧前に、充填ホース内のそれぞれの温度値と圧力とを求め、充填ホースの容積は既知であり、これによって、充填終了後に充填ホース内に残留している放出された燃料量が求められることによって求められる。

放圧したガス状の燃料の密度ρ_ｅは、特に、当業者に既知の状態方程式を介して算出される。この目的のために必要なパラメーターの温度と圧力とは、充填終了後でかつ充填ホースの放圧前に求められる。

式：Ｍ_ｅ＝ρ_ｅ・Ｖ_ｅを介して、放圧されたガス状の燃料量Ｍ_ｅが算出される。放圧された充填ホースの容積Ｖ_ｅは既知である。充填ホースの容積は、つまり遮断弁もしくは後からの位置決めに応じて下流側の流量計と、補給ノズルと、の間のすべてのアクセス可能な領域は、好ましくは０．２〜１Ｌの間の容量を含む。

まだ充填ホース内に存在するガス状の燃料質量は、導管の幾何形状、圧力および温度に依存しており、０．１〜１００ｇ、ただし特に１〜２５ｇであり得る。この質量は、放圧の際に、好ましくは排気筒を介して周囲に放出されるかまたは別個の容器に収集される。

他の好ましい実施形態では、貯蔵タンク内に移送されなかった、充填ホース内の燃料量は、充填ホース内の燃料の密度を求めるために、燃料補給プロセスの終了後でかつ放圧前に、充填ホース内の温度値を求め、予め設定された圧力値を使用し、充填ホースの容積は既知であり、これによって、充填終了後に充填ホース内に残留している放出された燃料量が求められることによって求められる。予め設定された圧力値は、好ましくは車両タンクの最大圧力である。この計算では、貯蔵タンクは常に完全に充填されることが前提とされる。それゆえ、偏差は僅かとなり、較正方法に応じて、許容可能であってもよい。

他の好ましい実施形態では、貯蔵タンク内に移送されなかった、充填ホース内の燃料量は、充填ホース内の燃料の密度を求めるために、燃料補給プロセスの終了後でかつ放圧前に、充填ホース内の圧力値を求め、予め設定された温度値を使用し、充填ホース内の容積は既知であり、これによって、充填終了後に充填ホース内に残留している放出された燃料量が求められることによって求められる。好ましくは、標準化された燃料補給法に従って燃料補給されるので、燃料に対して狭い温度範囲が想定されている。それゆえ、この種の実施形態では、当該の温度範囲内に存在する確定された温度値として用いることができる温度値が可能である。これによって、想定された較正精度に応じて、発生した偏差は許容され得る。

ガス状の燃料は、好ましくは水素である。しかしながら、本発明の他の実施形態では、天然ガス、ＬＰＧまたはその他のガスにおける使用も可能であろう。

好ましくは、流量計はコリオリ流量計または差圧流量計である。使用される流量計の測定原理に応じて、質量流量が検出されるか、またはインパルスが検出される。

好ましい方法および好ましい装置では、温度値および圧力値を求めるセンサが充填ホース内にまたは充填ホースに接して設けられている。

好ましくは充填ホース内の充填中の圧力は、０〜８７５ｂａｒの間、特に３５０〜８１０ｂａｒの間にある。放圧後の充填ホース内の圧力は、０〜２ｂａｒの間にある。

すべての装置構成要素ならびに制御および算定ユニットは、特にそれらが操作から保護されるように構成することができる。これによって、外部から補給ステーションの制御または算定が不所望に操作され得ることが防止される。

本発明の利点は、顧客に対して正確な水素量を算出することができる点にある。さらに補給ステーションの事業者は、どれだけの水素が供給されたかについて、および放圧によりどれだけの水素の損失が生じているかについての正確な情報が得られる。

さらに、提示されている方法によれば、測定された水素量が支払われるべき水素量と一致するので、補給ステーションの規格に準拠した較正が可能である。本発明による方法によれば、特に様々な量に対しても較正を実施することが可能である。このことは、特に、燃料補給前に、受取り側タンクがまだ部分的にしか充填されていなかったかまたは完全な充填が行われていなかった場合に意味がある。

本発明のさらなる実施形態では、充填ホースを放圧させるために使用される弁は、通流方向で流量計の手前に配置されてもよい。充填ホースが燃料補給後に開放されると、ガスは流量計を通って逆流する。そのため、この特定の実施形態では、逆流量を検出し、事前に測定された量から減算することができる。好ましくは、遮断弁、放圧弁および流量計は、測定されていない水素量を極力少なくするために、相互に可及的に短い距離に配置されている。

さらに、本発明の考察の発展形態では、代替的実施形態において、流量計を排気管路内に統合することも可能である。これによって、この流量計を介して放圧された量が特定され、充填ホースの手前の流量計の量から減算される。しかしながら、流量計に対するコストが高いことや水素補給ステーションの採算性が低いことに基づいて、このことは経済的に見てまだ十分ではない。

以下では、図１および図２に概略的に示されている実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。

放圧弁を有するガス状の燃料用の燃料ディスペンサの概略的な構造を示す図である。 ガス状の燃料用の燃料ディスペンサの代替的な概略的な構造を示す図である。

図１は、ガス状の燃料用の補給ステーションの燃料ディスペンサの最も重要な構成要素を概略的に示している。燃料は、図には示されていないポンプおよび／または貯蔵タンクから管１を介して燃料ディスペンサ３に案内される。管１は相応に断熱体２を備えている。断熱体２は、燃料を所望の温度に保つのに用いられる。温度調節は、当業者に公知の方法を介して行われ、それらの方法に応じて補給ステーション内の様々な場所で行うことができる。燃料ディスペンサ３内では、導管１に遮断弁５が配置されている。この遮断弁５は、本発明の図示の変形例では圧力制御器として構成されている。遮断弁５の下流側には流量計Ｆが続き、さらなる下流側には、放圧弁６を有する分岐部が続く。充填ホース４は、燃料ディスペンサの内部では安定した管として構成され、燃料ディスペンサの外部では可撓性ホースとして構成され、図示されていない燃料補給カップリングを含む。遮断弁５と流量計Ｆと放圧弁６との間の距離は、できるだけ狭幅に選択されなければならない。

燃料補給のためには、充填ホース４が、燃料補給カップリングを介して受取り側タンク、つまり通常では車両タンクに接続される。遮断弁５が開放され、ガス状の燃料が流量計Ｆを介して受取り側タンクに案内される。このとき、流量計Ｆは、供給された燃料量を検出する。放圧弁６は閉鎖されている。燃料補給過程の終了後、遮断弁５が閉鎖される。受取り側タンクでも、すでに補給されたガスがタンクから漏れることを防止するために、遮断弁が閉鎖される。

続いて、充填ホース内の温度および圧力が特定され、これによって、密度が算出され、この密度を介して燃料量を算出することができる。温度および圧力の測定後、放圧弁６が開放される。算出された量が、流量計によって求められた量から減算され、補正される量が算定される。これによって、顧客にとっても、事業者にとっても、供給される燃料に対する正確な値が明らかになる。

図２は、代替的な構成を示している。これらのコンポーネントは実質的に同じであるので、改めて説明しない。図１に示されている実施例との違いは、遮断弁５のすぐ下流側に放圧弁６との分岐部が続き、その後に初めて流量計Ｆが続くことにある。それゆえ、燃料補給後に放圧弁６が開放されると、充填ホース内にまだ存在する燃料が、流量計Ｆを通って逆流する。この逆流する量は、流量計の種類に応じて、事前に検出された量から直接減算されるか、または別個に検出されて、計算により減算される。この実施例によっても、実際に供給される燃料量のみが算出される。

１ 燃料用の管
２ 断熱体
３ 燃料ディスペンサ
４ 充填ホース
５ 遮断弁
６ 放圧弁
Ｆ 流量計

Claims (10)

1. 補給ステーションでの燃料補給プロセスにおいて、燃料ディスペンサ（３）と、前記燃料ディスペンサ（３）に接続された充填ホース（４）と、を介して貯蔵タンク内に移送されたガス状の燃料量を特定する方法であって、
   −前記補給ステーションの前記燃料ディスペンサ（３）内には、前記貯蔵タンクの充填中に放出された燃料量を求める流量計（Ｆ）が設けられており、
   −充填の終了後に前記充填ホース（４）が放圧される、方法において、
   −放圧によって前記貯蔵タンク内に移送されなかった燃料量が求められ、前記燃料量が、前記流量計（Ｆ）によって求められた量から減算されることを特徴とする、
   方法。
2. 前記貯蔵タンク内に移送されなかった前記充填ホース（４）内の燃料量は、
   −前記燃料補給プロセスの終了後で前記放圧前に、前記充填ホース（４）内の温度値（Ｔ）と圧力（ｐ）とをそれぞれ求めて、前記充填ホース（４）内の燃料の密度（ρ）を求め、
   −前記充填ホース（４）の容積（Ｖ）は、既知であり、
   −これによって、充填の終了後に前記充填ホース（４）内に残留している前記放出された燃料量（Ｍ）を求める、
   ことによって求められる、
   請求項１記載の方法。
3. 前記貯蔵タンク内に移送されなかった前記充填ホース（４）内の燃料量は、
   −前記燃料補給プロセスの終了後で前記放圧前に、前記充填ホース（４）内の温度値（Ｔ）を求め、予め設定された圧力値を使用して、前記充填ホース（４）内の燃料の密度（ρ）を求め、
   −前記充填ホース（４）の容積（Ｖ）は、既知であり、
   −これによって、充填の終了後に前記充填ホース（４）内に残留している前記放出された燃料量（Ｍ）を求める、
   ことによって求められる、
   請求項１記載の方法。
4. 前記貯蔵タンク内に移送されなかった前記充填ホース（４）内の燃料量は、
   −前記燃料補給プロセスの終了後で前記放圧前に、前記充填ホース（４）内の圧力値（Ｄ）を求め、予め設定された温度値（Ｔ）を使用して、前記充填ホース（４）内の燃料の密度（ρ）を求め、
   −前記充填ホース（４）の容積（Ｖ）は、既知であり、
   −これによって、充填の終了後に前記充填ホース（４）内に残留している前記放出された燃料量（Ｍ）を求める、
   ことによって求められる、
   請求項１記載の方法。
5. 前記ガス状の燃料は、好ましくは水素である、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記流量計（Ｆ）は、コリオリ流量計または差圧流量計である、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記充填ホース（４）内の充填中の圧力は、０〜７１０ｂａｒ、特に３５０〜７００ｂａｒである、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記放圧後の前記充填ホース（４）内の圧力は、０〜２ｂａｒである、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 補給ステーションでの燃料補給プロセス中に放出されたガス状の燃料量を特定する装置であって、燃料ディスペンサ（３）内に設置されていて、前記燃料ディスペンサ（３）に接続された充填ホース（４）に接続されている装置において、
   前記装置は、前記充填ホース（４）が接続された流量計（Ｆ）を含み、
   前記充填ホース（４）から、放圧弁（６）を有する導管が分岐していることを特徴とする、
   装置。
10. 前記充填ホース内にまたは前記充填ホースに接して、圧力および温度を測定するセンサが設けられている、
    請求項９記載の装置。

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