JP2023550729A - 方法及び搬送装置 - Google Patents

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ヴェレンホーファー、アントン
ミュラー、エファ
フェルビンガー、シュテファン
ツァッハ、クリスチアン
ツェンツ、ハラルド
ヴェレンホーファー、カトリン
ナベール、ハケミ
クライナー、ユリア
トネファ、ペトヤ
ドスト、カイ
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Abstract

本発明は、貯蔵容器（５）から負荷（４）へ寒剤（Ｈ２）を搬送するための方法であって、ａ）寒剤（Ｈ２）を貯蔵容器（５）から調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に導入する工程（Ｓ１）であって、寒剤（Ｈ２）が、寒剤の静水圧のみに起因して貯蔵容器（５）から調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内に流れる、導入する工程（Ｓ１）と、ｂ）調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に収容された寒剤（Ｈ２）をその超臨界状態にする工程（Ｓ２）と、ｃ）寒剤（Ｈ２）を調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）から負荷（４）に排出する工程（Ｓ３）と、を含み、調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に収容された寒剤（Ｈ２）が、工程ｃ）の間超臨界状態に保たれる、方法に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、寒剤を搬送するための方法及び寒剤を搬送するための搬送装置に関する。
液体水素用の貯蔵容器は、本出願人の社内ノウハウによれば、貯蔵容器内で圧力を上昇させることを可能にする圧力上昇気化器を有することができ、それによって、気体水素を、約６ｂａｒａの安定した供給圧力で、例えば、燃料電池の形態の負荷に利用することができる。海洋地域におけるこのような貯蔵容器の動作中、海の状態に起因する自然な動きによって、燃料電池に必要な供給圧力を一定に保つことができるように貯蔵容器内の動作条件を安定に保つことは非常に困難である。
本出願人は、水素がほぼ無圧力で貯蔵容器内に貯蔵される社内の従来技術も認識している。この場合、水素は、極低温ポンプを使用して搬送され、前述の供給圧力で燃料電池に供給される。しかしながら、このような極低温ポンプは可動部品を有しており、この可動部品は、ある程度の保守作業が必要になり、したがって動作停止時間をもたらす可能性がある。更に、社内の調査結果によれば、必要な供給圧力を達成するために、燃料電池の上流で水素を気化させ、次いでそれを圧縮することも可能である。しかしながら、これはエネルギー使用の観点から好ましくない。
こうした背景から、本発明の目的は、寒剤を搬送するための改善された方法を提供することである。
したがって、貯蔵容器から負荷に寒剤を搬送する方法が提案される。この方法は、ａ）貯蔵容器から調整タンクに寒剤を導入する工程であって、寒剤の静水圧のみに起因して寒剤が貯蔵容器から調整タンクに流れる、導入する工程と、ｂ）調整タンクに収容された寒剤をその超臨界状態にする工程と、ｃ）寒剤を調整タンクから負荷に排出する工程であって、調整タンクに収容された寒剤が工程ｃ）の間、超臨界状態に保たれる、排出する工程とを含む。
調整タンク内に収容された寒剤は超臨界状態に保たれ、したがって相境界が存在しないので、例えば、高波の場合に調整タンクが移動しても、調整タンク内の温度分布に悪影響を及ぼさない。更に、貯蔵容器は可能な限り低い圧力で運転することができる。これによって、寒剤の保持時間が延長する。
寒剤は、好ましくは水素である。したがって、「寒剤」及び「水素」という用語は、所望に応じて交換可能である。しかしながら、原則として、寒剤は、任意の他の寒剤であってもよい。極低温流体若しくは液体、又は略して寒剤の例としては、例えば、液体ヘリウム、液体窒素、又は液体酸素がある。したがって、「寒剤」は、特に液体として理解されるべきである。寒剤は、気化して気相に変換することもできる。気化後、寒剤は気体であるか、又は気体状若しくは気化寒剤と称され得る。
負荷は、燃料電池であることが好ましい。この場合、「燃料電池」は、連続供給される燃料、この場合は水素と、酸化剤、この場合は酸素との化学反応エネルギーを、電気エネルギーに変換するガルバニ電池を意味すると理解される。寒剤は、規定された供給圧力で、特に気体の形態で負荷自体に供給される。このことは、寒剤が負荷の前又は負荷の上流で気化されることを意味する。例えば、寒剤は、６ｂａｒａの供給圧力及び１０～２５℃の温度で負荷に供給される。
気体領域及び下にある液体領域は、寒剤充填操作の後又は最中に貯蔵容器内に形成される。気体領域と液体領域との間に相境界ができる。したがって、寒剤は、貯蔵容器に入った後、異なる凝集状態の２つの相、すなわち、液相及び気相を有することが好ましい。液相は、気相に移行することができ、逆もまた同様である。純粋な液体充填操作も可能である。
寒剤を貯蔵容器から調整タンクに導入するために、貯蔵容器と調整タンクとの間に延びるラインが設けられることが好ましい。この場合、貯蔵容器は、好ましくは、重力の方向に対して、調整タンクの上方に配置され、それにより、寒剤は、静圧のみに起因して貯蔵容器から調整タンク内に流れる。
この場合、「静水圧」、「静圧」、「重力圧」又は「重力圧力」は、特に、静止流体、この場合は、寒剤内で、重力又は引力の影響により生じる圧力として理解されるべきである。寒剤が、寒剤の静水圧に起因して、貯蔵容器から調整タンクへ「のみ」、「単に」、又は「だけ」流れる、又は搬送されるということは、特に、寒剤が静水圧によって「排他的に」貯蔵容器から調整タンクへ搬送されることを意味する。したがって、「のみ」、「単に」、「だけ」、又は「排他的に」という用語は、必要に応じて交換可能である。「排他的に」とは、特に、寒剤の静水圧に基づくことを除いて、寒剤の他のタイプの搬送がないことを意味する。「流れ」は、特に「搬送される」と置き換えることができる。
単に静水圧に起因する貯蔵容器から調整タンクへの寒剤のこの流れ又は搬送は、上述したように、例えば、重力の方向に沿って見たときに、少なくとも部分的に調整タンクの上方又は上に配置されている貯蔵容器によって達成され得る。特に、寒剤が貯蔵容器から排出又は除去される点又は領域は、寒剤が調整タンクに導入又は供給される点又は領域よりも高く又は上方に配置される。
したがって、貯蔵容器から調整タンクに寒剤を搬送するためのポンプは必要とされず、したがって省略することができる。したがって、本方法、特に本方法の工程ａ）は、「ポンプレス」又は「ポンプフリー」方式で行われる。これは、特に、工程ａ）において、寒剤が、ポンプなしで貯蔵容器から調整タンクに導入又は搬送されることを意味する。したがって、工程ａ）は、貯蔵容器から調整タンクへの寒剤のポンプレス導入、のように記載することもできる。ポンプを省略すると、可動部品を省略することができるので、この方法のより高い信頼性につながる。
貯蔵容器から調整タンクに寒剤を導入した後、貯蔵容器と調整タンクとの間に設けられたバルブは、好ましくは閉じられる。「超臨界状態」又は「臨界点」は、寒剤の熱力学的状態として理解されるべきであり、この状態は、液相及び気相の密度の一致によって特徴付けられる。２つの凝集状態間の差は、臨界点では存在しなくなる。すなわち、超臨界状態では相境界が存在しない。
寒剤は、例えば、それを圧力下に置くことによって超臨界状態にすることができる。例えば、熱を調整タンクに導入することができ、それによって、調整タンク内の圧力が上昇する。特に、調整タンク内の圧力は、排他的に熱の導入によって増加される。これは、特に、寒剤が熱のみによって、又は排他的に熱によって超臨界状態にされることを意味する。寒剤は、特に工程ｃ）の間、超臨界状態で連続的に又は着実に保持される。
生成物の除去、この場合、寒剤の除去は、寒剤の超臨界状態で行われる。したがって、調整タンク内の圧力は、その動作中、着実に一定に保たれる。工程ｃ）の間、寒剤は、特に、常に又は絶えず単相状態、すなわち超臨界状態にある。「常に」とは、超臨界状態を離れることが望ましくなく、特に、起こらないか、又は起こり得ないことを意味する。このことは、例えば、工程ｃ）の間、すなわち、寒剤が調整タンクから除去されている間、熱の連続供給によって達成することができる。
工程ｃ）の間、寒剤は、好ましくは、常に超臨界状態に保たれ、それによって、超臨界状態は、寒剤が調整タンクから排出されるときでさえ維持され、その間に、負荷には寒剤が供給される。このことは、特に、工程ｃ）の間、すなわち、調整タンクから寒剤が除去される間、熱が連続的に調整タンクに導入されて、工程ｃ）の間、調整タンク内の圧力を一定に保ち、それによって、寒剤が排出されている間であっても、寒剤は常に超臨界状態のままであることを意味する。調整タンク内の圧力は、維持され、特に一定に保たれ、特に排他的に熱の導入によって維持される。
一実施形態によれば、工程ａ）の後、調整タンクは、バルブが閉じられることによって、バルブによって貯蔵容器から分離される。
バルブは、好ましくは遮断バルブである。バルブは、開閉バルブであってもよい。これは、バルブが２つの状態、すなわち、開状態及び閉状態にされ得ることを意味する。前述のバルブは、貯蔵容器と調整タンクとの間に設けられたライン内又はライン上に設けられる。
更なる実施形態によれば、調整タンクと負荷との間に設けられたバルブは、工程ｃ）において開かれる。
前述のバルブを介して遮断することができるラインが、同様に、調整タンクと負荷との間に設けられる。バルブは、調整タンクの下流に配置される。
更なる実施形態によれば、工程ｂ）の間に熱が調整タンクに導入され、寒剤を超臨界状態にする。
この目的のために、加熱要素が調整タンク内又は上に設けられてもよい。加熱要素は、例えば、電気加熱要素であり得る。加熱要素はまた、加熱媒体を有してもよく、加熱媒体によって熱が寒剤に導入される。
更なる実施形態によれば、工程ｃ）の間に熱が調整タンクに導入され、寒剤を超臨界状態に保つ。
このことは、調整タンクを空にする間、熱が寒剤に連続的に導入されることを意味する。その結果、調整タンクが空になっている間、超臨界状態を維持することができる。
更なる実施形態によれば、工程ｃ）の間、調整タンク内の寒剤の密度は減少する。
密度が減少している間、寒剤は連続的に超臨界状態に保たれ、負荷に寒剤が供給される。
更なる実施形態によれば、工程ｃ）の間、調整タンク内の圧力は一定に保たれる。
この場合、「一定」とは、±１バールの目標圧力からの偏差を意味し得る。好ましくは、調整タンク内の圧力は１４ｂａｒａに保持される。
更なる実施形態によれば、工程ｃ）は、調整タンク内で所定の温度に到達した後に終了する。
所定の温度は、例えば、－２３０℃である。所定の温度に達した後、熱は、好ましくは、それ以上調整タンクに導入されない。
更なる実施形態によれば、調整タンクは、負荷の供給圧力が達成されるまで、負荷内に排気することにより減圧される。
供給圧力は、例えば、６ｂａｒａである。調整タンクが、負荷内に排気することにより減圧されることによって、調整タンクを更に空にすることができる。
更なる実施形態によれば、調整タンクが、供給圧力が達成されると、貯蔵容器内に排気することにより減圧される。
これは、調整タンク内の圧力が供給圧力未満に低下した直後に、寒剤がそれ以上負荷に供給されなくなり、代わりに貯蔵容器に供給されることを意味する。この場合、気体状寒剤は、上方から、すなわち貯蔵容器の気体領域内に、又は側方から若しくは下方から、すなわち貯蔵容器の液体領域内に、のいずれかによって、貯蔵容器内に導入することができる。後者の場合、貯蔵容器内に導入された気体状寒剤の少なくとも部分的な凝縮が可能である。
別の実施形態によれば、第１の調整タンク及び第２の調整タンクは断続的に動作される。
例えば、工程ａ）は、第１の調整タンクを用いて行われ、一方、工程ｂ）又はｃ）は、第２の調整タンクを用いて行われる。これにより、寒剤の連続的な流れを負荷に供給することが可能になる。
更に、貯蔵容器から負荷に寒剤を搬送するための搬送装置が提案される。搬送装置は、貯蔵容器と負荷との間に配置された調整タンクを備え、貯蔵容器及び調整タンクは、寒剤の静水圧によってのみ寒剤が貯蔵容器から調整タンクに流れるように配置され、調整タンクは、貯蔵容器から調整タンクに導入された寒剤をその超臨界状態にして負荷に供給し、負荷に供給されている間、調整タンクに収容された寒剤を超臨界状態に保つように構成される。
搬送装置は、貯蔵容器を含むことができる。貯蔵容器は、好ましくは、中心軸又は対称軸に対して回転対称である。したがって、貯蔵容器は、円筒形であることが好ましい。調整タンクもまた円筒形であってもよい。調整タンクはまた、調整容器とも称され得る。調整タンクが、調整タンクに導入された寒剤をその超臨界状態にし、それを負荷手段に供給するように「構成される」ということは、この場合、調整タンクが、超臨界状態に達することができる手段、例えば、加熱要素などを有することを意味する。超臨界状態を維持するために、例えば、上述した加熱要素の形態の手段も設けられる。寒剤を負荷に供給するために、調整タンクは、例えば、ライン及びバルブを有するか、又はライン及びバルブが調整タンクに割り当てられる。寒剤の静水圧力のみ又は寒剤の静水圧力だけに起因する貯蔵容器から調整タンクへの寒剤の流れを達成するために、貯蔵容器は、重力の方向に沿って見たときに、少なくとも部分的に調整タンクよりも高くなるように配置又は位置決めされることが好ましい。
一実施形態によれば、調整タンクは、調整タンクに収容された寒剤に熱を導入して寒剤を超臨界状態にするための加熱要素を備える。
調整タンク内の圧力は、熱の導入によって増加させることができる。その結果、寒剤は超臨界状態となる。
更なる実施形態によれば、搬送装置は、第１の調整タンク及び第２の調整タンクを更に備え、第１の調整タンク及び第２の調整タンクは、断続的に動作可能である。
上述したように、第１の調整タンク及び第２の調整タンクが断続的に動作可能であることによって、寒剤の連続流を負荷に供給することが可能である。好ましくは、上述したように、負荷の前に気化器が配置され、気化器は、負荷に供給される寒剤を気化させ、したがって、例えば、１０～２５℃の温度で６ｂａｒａの供給圧力にする。気化器は、例えば、電気気化器であってもよい。気化器はまた、加熱媒体を使用して寒剤を気化させてもよい。
更なる実施形態によれば、調整タンクは、重力の方向に対して、寒剤が重力に起因して貯蔵容器内に自動的に流れるように配置される。
その結果、寒剤が貯蔵容器から調整タンクに導入されるとき、純粋に寒剤の静圧に起因して、調整タンクを貯蔵容器に充填することが可能である。可動部品などを有するポンプを省略することができる。
したがって、方法について説明された実施形態及び特徴は、提案された搬送装置に適用され、逆もまた同様である。
この場合、「ａ（ｎ）」は、必ずしも厳密に１つの要素に限定するものとして理解されるべきではない。むしろ、２つ、３つ、又はそれ以上などの、いくつかの要素が提供されてもよい。本明細書で使用される任意の他の数値語はまた、厳密に対応する要素数に対する厳密な制限を意味するものとして理解されるべきではない。むしろ、数値の上向き又は下向きの差が可能である。
方法及び／又は搬送装置の更なる可能な実装形態はまた、例示的な実施形態に関して上述された又は後述する特徴又は実施形態の、明示的に言及されていない組み合わせも含む。当業者であればまた、方法及び／又は搬送装置の基本形態のそれぞれに対する改善又は追加としての個別の態様も付け加えるであろう。
方法及び／又は搬送装置の更なる有利な実施形態は、従属請求項、並びに以下に説明する方法及び／又は搬送装置の例示的な実施形態の主題である。更に、方法及び／又は搬送装置を、好ましい実施形態に基づいて添付の図面を参照して、以下により詳細に説明する。
ビークルの一実施形態の概略図である。 水素を搬送するための搬送装置の一実施形態の概略図である。 水素の圧力－エンタルピー線図である。 水素を搬送するための方法の一実施形態の概略ブロック図である。 図において、別途指示しない限り、同一又は機能的に等価の要素には、同一の参照符号が付されている。
図１は、ビークル１の一実施形態の高度に簡略化された概略側面図を示している。ビークル１は、例えば、海上船舶、特に、船とすることができる。ビークル１は、海上ビークルと称され得る。特に、ビークル１は、海上旅客フェリーであり得る。代替的に、ビークル１はまた、陸上ビークル又は航空機であり得る。ただし、以下では、ビークル１は船舶であると仮定する。
ビークル１は、浮力のある船体２を備える。ブリッジ３は、船体２に又は船体２の上に設けられる。ビークル１は、好ましくは水素によって動力供給される。この目的のために、ビークル１は、負荷４を有し得る。負荷４は、燃料電池であることが好ましい。この場合、「燃料電池」は、連続供給される燃料、この場合は水素と、酸化剤、この場合は酸素との化学反応エネルギーを、電気エネルギーに変換するガルバニ電池を意味すると理解される。得られた電気エネルギーによって、例えば、電気モータ（図示せず）に電力供給することができ、これが、今度は、例えば、ビークル１を推進するための船のスクリューを駆動する。
負荷４に水素を供給するために、液体水素を貯蔵するための貯蔵容器５が設けられる。負荷４を安定して動作させるには、規定された供給圧力で気体水素を負荷４に供給することが必要である。貯蔵タンク５は、中心軸又は対称軸６に対して回転対称である。貯蔵容器５は、例えば、船体２の内側に、特に、エンジンルーム内に、船橋３上に、又は船体２の甲板上に配置することができ、上記甲板は支持構造７として機能する。
対称軸６は、重力方向ｇに対して垂直に向けることができる。これは、貯蔵容器５が平らに配置されるか又は水平位置にあることを意味する。したがって、対称軸６は支持構造７に平行である。しかしながら、貯蔵容器５は、直立又は垂直に位置決めすることもできる。この場合、対象軸６は、重力方向ｇに平行に向けられる。ビークル１が、例えば、水素駆動に変換されたビークルである場合、貯蔵タンク５は、例えば、ビークル１のファネル又はスタック内に配置することもできる。
海洋用途では、海の状態によって引き起こされる貯蔵タンク５に含まれる液体水素の動きを予期しなければならない。水平に配置された円筒状貯蔵容器５の場合、広い領域にわたる液体水素のスロッシングが、液体水素の質量慣性と、貯蔵容器の水平設置に起因して貯蔵容器の円筒状外壁及び端部の両方に存在する貯蔵容器の湾曲とによって促進される。
スワッシングとしても知られるこのスロッシングは、液体水素よりも上の気相の冷却につながり、それによって液体水素より上に形成されたガスクッションの圧力低下につながる。これは、海の現在の状態によっては、負荷４の動作構成要素に利用可能な水素供給圧力に望ましくない影響を与える可能性があり、それによって、負荷４の動作が不安定になる可能性がある。
負荷４に供給圧力を提供するために、液体水素をポンピングするための液冷式液体埋込ポンプを使用することが可能である。しかしながら、このようなポンプは可動部品を有する。加えて、ポンプの間欠動作の場合、ポンプの加熱に起因して液体水素内に気泡が形成される可能性がある。これは、ポンプの誤動作につながる場合がある。代替的に、水素を最初に気化させ、次いで圧縮機を用いて必要な供給圧力にすることができる。しかしながら、これはエネルギー使用の観点から好ましくない。
更に、貯蔵容器５は、供給圧力で直接作動させることもできる。この場合、貯蔵容器５内では、液相と、液相の上に積層された気相との平衡状態が確立される。液体水素の表面張力が低いことに起因して、例えば、貯蔵容器５が上述のようにビークル１に配置されているときに貯蔵容器５が移動すると、液相と気相とが互いに混合され、液体水素がそれによってより温かい気体水素を冷却する。この場合、液体水素の温度と気体水素の温度との間に平衡状態が確立されるまで、供給圧力を維持することは不可能である。
図２は、貯蔵容器５を有することができる搬送装置８の実施形態の概略図を示す。代替的に、貯蔵容器５は、搬送装置８の一部でなくてもよい。搬送装置８は、海の状態又は貯蔵容器５の他の動きとは無関係に、約６ｂａｒａの一定供給圧力で気体水素Ｈ２を連続的に負荷４に供給するように構成されている。
貯蔵タンク５はまた、貯蔵容器とも称され得る。上述のように、貯蔵容器５は、液体水素Ｈ２を保持するのに好適である（１ｂａｒａでの沸点：２０．２６８Ｋ＝－２５２．８８２℃）。したがって、貯蔵容器５はまた、水素貯蔵容器又は水素貯蔵タンクとも称され得る。しかしながら、貯蔵タンク５はまた、他の極低温液体にも使用することができる。極低温流体又は液体、つまり略して寒剤の例は、前述の液体水素Ｈ２に加えて、液体ヘリウムＨｅ（１ｂａｒａにおける沸点：４．２２２Ｋ＝－２６８．９２８℃）、液体窒素Ｎ２（１ｂａｒａにおける沸点：７７．３５Ｋ＝－１９５．８０℃）、又は液体酸素Ｏ２（１ｂａｒａにおける沸点：９０．１８Ｋ＝－１８２．９７℃）である。
液体水素Ｈ２は、貯蔵容器５に収容される。水素Ｈ２が二相領域にある限り、気化した水素Ｈ２を有する気体領域９と液体水素Ｈ２を有する液体領域１０とを貯蔵容器５内に設けることができる。したがって、水素Ｈ２は、貯蔵容器５に入った後、異なる凝集状態の２つの相、すなわち液相及び気相を有する。これは、貯蔵容器５内では、液体水素Ｈ２と気体水素Ｈ２との間に相境界１１があることを意味する。
搬送装置８は、搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂを備える。好ましくは、２つの搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂ、すなわち、第１の搬送ユニット１２Ａ及び第２の搬送ユニット１２Ｂが設けられる。１つの搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂのみを設けることも可能である。搬送ユニット１２Ａ，１２Ｂは断続的に動作させることができる。
搬送ユニット１２Ａ，１２Ｂは、同一に構築されている。第１の搬送ユニット１２Ａの構成要素は、図２において文字「Ａ」で示されている。したがって、第２の搬送ユニット１２Ｂの構成要素は、図２において文字「Ｂ」によって示される。以下では、第１の搬送ユニット１２Ａについてのみ説明するが、第１の搬送ユニット１２Ａに関する説明は、第２の搬送ユニット１２Ｂにも適宜転用可能である。
第１の搬送ユニット１２Ａは、水素Ｈ２を収容するのに適した調整タンク１３Ａを備える。調整タンク１３Ａはまた、調整容器とも称され得る。重力方向ｇに対して、調整タンク１３Ａは、貯蔵容器５の下方に配置されている。調整タンク１３Ａは、水素Ｈ２に熱Ｗを導入するための加熱要素１４Ａを有する。ライン１５Ａは、貯蔵容器５から調整タンク１４に通じている。ライン１５Ａは、貯蔵容器５の下側で貯蔵容器５から開口している。これは、ライン１５Ａが相境界１１の下で貯蔵容器５から開口し、それによって、液体水素Ｈ２を調整タンク１３Ａに供給できることを意味する。ライン１６Ａは、ライン１５Ａから調整タンク１３Ａに向かって分岐している。
ライン１５Ａは、ライン１６Ａの上流にバルブＶ１Ａを備える。バルブＶ１Ａは遮断バルブである。バルブＶ１Ａは、オンオフバルブとすることができる。バルブＶ１Ａは耐寒性である。これは、バルブＶ１Ａが、極低温、例えば、－２５２．８８２℃の水素Ｈ２の沸点においてさえ、そのバルブ機能を果たすことを意味する。例えば、バルブＶ１Ａは、ソレノイドバルブ又は遮断バルブであり得る。バルブＶ１Ａは、好ましくは自動的に作動される。ライン１５Ａは、ライン１６Ａの下流にバルブＶ４Ａを備える。バルブＶ１Ａ、Ｖ４Ａは同一に構築することができる。負荷４は、バルブＶ４Ａの下流に位置決めされる。これは、ライン１５Ａが負荷４に通じていることを意味する。
ライン１７Ａは、重力ｇの方向と反対に、調整タンク１３Ａから上向きに延びている。ライン１７Ａはライン１８Ａに開口し、ライン１８Ａは上側で、すなわち相境界１１の上方で貯蔵容器５に開口する。ライン１８Ａは、バルブＶ３Ａを有する。バルブＶ３Ａは、バルブＶ１Ａ、Ｖ４Ａと同一であってもよい。バルブＶ３Ａの上流で、ライン１９Ａがライン１８Ａから分岐し、貯蔵容器５に横方向から開口している。ライン１９Ａは、相境界１１の下で貯蔵容器５に開口している。ライン１７Ａは、バルブＶ２Ａを有する。バルブＶ２Ａは、バルブＶ１Ａ、Ｖ３Ａ、Ｖ４Ａと同一であってもよい。第１の搬送部１２Ａは、更に、圧力制御装置２０Ａ及び温度制御装置２１Ａを備えている。気化器２２は、負荷４の上流に接続される。気化器２２は、電気的に又は熱媒体を用いて水素Ｈ２を気化させることができる。
搬送装置８又は搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂの機能は、図３に示される圧力－エンタルピー線図を参照して以下に説明される。圧力－エンタルピー線図は、横軸に比エンタルピーｈをとり、縦軸に圧力ｐをとった状態図である。図３は、圧力ｐを対数的にスケーリングするｌｏｇ－ｐ－ｈ図を示す。図３において、ａは、水素Ｈ２の気相及び液相が同時に存在する二相領域を示す。純粋な気相は、ｂによって示される。超臨界範囲は、ｃによって示される。純粋な液相は、ｄによって示される。
図３は、臨界点Ｐｃを有する二相線２３を示す。熱力学において、臨界点Ｐｃは、物質、この場合は水素Ｈ２の熱力学的状態であり、液相及び気相の密度の均等化によって特徴付けられる。２つの凝集状態間の差は、臨界点Ｐｃで存在しなくなる。その場合、水素Ｈ２はその超臨界状態にある。臨界点Ｐｃにおいて、水素Ｈ２は、１２．３ｂａｒａの臨界圧ｐｃ及び－２３９．９℃の臨界温度Ｔｃを有する。負荷４の供給圧力ｐ４は、約６ｂａｒａである。
気体水素Ｈ２は、最初に調整タンク１３Ａ内に位置する。調整タンク１３Ａは、低圧システム又は貯蔵容器５のいずれか内に排気することにより減圧することができる。この目的のために、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａは閉じられ、バルブＶ３Ａは開かれる。気体水素Ｈ２は、ライン１７Ａ、１８Ａを介して気体領域９に導入される。代替的に、バルブＶ１Ａ、Ｖ３Ａ、Ｖ４Ａを閉じることもでき、バルブＶ２Ａを開くことができる。この場合、気体水素Ｈ２は、ライン１７Ａ、１９Ａを介して液体領域１０に導入される。次いで、貯蔵容器５内の液体水素Ｈ２は、供給された気体水素Ｈ２を冷却して、それによって、気体水素Ｈ２が少なくとも部分的に凝縮する。
続いて、調整タンク１３Ａは、ライン１５Ａを介して液体水素Ｈ２で充填される。この目的のために、バルブＶ２Ａ、Ｖ３Ａ、Ｖ４Ａは閉じられ、バルブＶ１Ａは開かれる。貯蔵容器５は、重力方向ｇに対して調整タンク１３Ａの上方に配置されているので、液体水素Ｈ２は、静圧に起因して自動的に調整タンク１３Ａ内に流れる。貯蔵容器５は、液体水素Ｈ２で完全に又は部分的に充填されている。例えば、貯蔵容器５又は調整タンク１３Ａ内の液体水素Ｈ２は、圧力ｐが１ｂａｒａ、温度Ｔが－２５３℃、密度ρが７１ｋｇ／ｍ３である。点Ａは、２相線２３と１バール線２４との交点である。
次いで、調整タンク１３Ａは、バルブＶ１Ａを閉じることによって貯蔵容器５から分離される。バルブＶ２Ａ、Ｖ３Ａ、Ｖ４Ａはまだ閉じている。加熱要素１４Ａによって、熱Ｗが液体水素Ｈ２に導入され、調整タンク１３Ａ内の圧力ｐを上昇させる。このことは、図３において点Ａから点Ｂへの転移によって示されている。点Ｂにおいて、圧力ｐは１４ｂａｒａであり、温度Ｔは－２５１℃であり、密度ρは７１ｋｇ／ｍ３である。すなわち、圧力ｐは臨界圧ｐｃよりも高い。
温度Ｔは、点Ａから点Ｂへの転移において２℃上昇する。調整タンク１３Ａ内の水素Ｈ２は、今や超臨界状態にある。超臨界状態では相境界が存在しないので、例えば、海上での調整タンク１３Ａの移動は悪影響を及ぼさない。Ｂ点においてバルブＶ４Ａが開かれ、水素Ｈ２が負荷４に供給される。水素Ｈ２は、気化器２２を用いて気化され、１０～２５℃の温度Ｔで供給圧力ｐ４にされる。
調整タンク１３Ａの初期充填は、温度Ｔの関数にすぎない。充填レベル測定は省略することができる。前述したように、水素Ｈ２は、バルブＶ４Ａを開くことによって負荷４に排出される。調整タンク１３Ａ内の圧力ｐは、熱Ｗの更なる供給によって１４ｂａｒａの圧力ｐに同時に維持される。充填度は、純粋に温度Ｔの関数である。調整タンク１３Ａを空にし、同時に加熱する間、調整タンク１３Ａ内の水素Ｈ２の密度ρは、調整タンク１３Ａを空にするプロセスを介して着実に減少する。水素Ｈ２は、前と同様に超臨界状態のままである。このことは、調整タンク１３Ａ内の水素Ｈ２が単相であることを意味する。
したがって、調整タンク１３Ａからの水素流量又は水素Ｈ２の流量の優れた変動のない制御が可能である。調整タンク１３Ａが空になると、単相プロセス制御によって調整タンク１３Ａ内に二相気液混合物が生じることはなく、二相気液混合物は、原則として、調整タンク１３Ａ内の圧力降下に起因して生じる。調整タンク１３Ａを空にする間に調整タンク１３Ａ内に気液混合物が形成される場合、これによって負荷４に水素Ｈ２が不連続的に供給される可能性がある。負荷４への水素Ｈ２の不連続的な供給は、調整タンク１３Ａの排出ノズルが、水素Ｈ２の気相に浸漬されているか、又は液相に浸漬されているかに応じて、例えば、生成された液相のスロッシングによって生じる。しかしながら、水素Ｈ２のこの望ましくない不連続な供給は、単相プロセス制御によって確実に回避されるか、又は少なくとも大幅に低減される。
上で説明した純粋に単相のプロセス制御は、図３においてＢから点Ｃへの転移によって示されている。点Ｃにおいて、圧力ｐは１４ｂａｒａであり、温度Ｔは－２３０℃であり、密度ρは９．８ｋｇ／ｍ３である。点Ｂから点Ｃへの転移の間、バルブＶ４Ａは開いたままである。
点Ｂと点Ｃとの間で密度ρの著しい低下が生じるような温度Ｔが選択される。これにより、水素Ｈ２を最大限に使用することが可能になる。点Ｃで到達する温度Ｔは、水素Ｈ２の最大限の使用と貯蔵容器５への熱入力との間の妥協点である。ある温度Ｔに達すると、負荷４への水素Ｈ２の移送が停止される。温度Ｔが維持され、一定の圧力降下が許容され、調整タンク１３Ａを更に空にする。
代替的に、熱Ｗの導入を停止して、超臨界水素Ｈ２の膨張によって調整タンク１３Ａ内の温度Ｔを低下させることができる。これにより、水素Ｈ２を最大限に使用することが可能になる。これは、点Ｃから点Ｄへの転移によって、図３に示される。点Ｄにおいて、水素Ｈ２は、供給圧力ｐ４が６ｂａｒａであり、温度Ｔが－２４２℃であり、及び密度ρが６．２ｋｇ／ｍ３である。点Ｄにおいて、バルブＶ４Ａは閉じられ、水素Ｈ２は、導入部で説明したように、貯蔵容器５内に排気されることにより減圧される。９２％の水素Ｈ２の使用を達成することができる。
既に上述したように、搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂは、断続的に動作させることができ、それによって、例えば、第１の搬送ユニット１２Ａが水素Ｈ２を負荷４に搬送し、一方、第２の搬送ユニット１２Ｂの調整タンク１３Ｂが、例えば、充填される。この断続動作により、必要な供給圧力ｐ４で負荷４に水素Ｈ２を連続的に供給することが可能になる。
搬送装置８又は搬送ユニット１２Ａ、１２Ｂの利点を以下に要約する。貯蔵容器５内の水素Ｈ２は、その平衡状態に保持することができ、水素Ｈ２の長い保持時間をもたらす。単に機械的な理由から、従来の隔壁又は壁を使用してスロッシングを防止すれば十分である。その結果、貯蔵容器５をより容易に構築することができる。これによって、水素Ｈ２に対するより高い吸収能力が得られる。
貯蔵容器５は、１～６ｂａｒａの好適な圧力範囲内で動作させることができる。飽和液体水素Ｈ２の密度ρは、圧力に依存する。貯蔵容器５が可能な限り低い圧力ｐで動作することが望ましい。例えば、密度ρは、圧力ｐが１ｂａｒａのときに７１ｋｇ／ｍ３、圧力ｐが６ｂａｒａのときに６０ｋｇ／ｍ３、圧力ｐが１２ｂａｒａのときに圧２８ｋｇ／ｍ３である。バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂを除いて、搬送装置８は可動部品を有していない。したがって、搬送装置８は、非常に故障しにくい。
調整タンク１３Ａ、１３Ｂ内の水素Ｈ２は、平衡状態に保つことができる。スロッシングを防止するための壁又は隔壁は、調整タンク１３Ａ、１３Ｂが０．８＊ｐｃ未満、好ましくは０．９＊ｐｃ未満の圧力ｐで動作する場合にのみ必要とされる。水素Ｈ２は、単相媒体として調整タンク１３Ａ、１３Ｂから除去することができる。搬送装置８は、負荷４の動作を妨害する可能性がある気相と液相との間の相転移が起こり得ないので、例えば、荒海などの過酷な条件下でも使用することができる。
水素Ｈ２を単相媒体として調整タンク１３Ａ、１３Ｂから除去することができるので、負荷４の安定した干渉のない動作が可能である。例えば、負荷４への供給が停止される点Ｃに停止温度を設定することができるので、調整タンク１３Ａ、１３Ｂの充填レベル制御を省略することができる。加熱要素１４Ａ、１４Ｂを使用して、単純な圧力－温度制御スキームが可能である。気体水素Ｈ２をライン１９Ａ、１９Ｂを介して液体水素Ｈ２に直接導入することが可能であるので、貯蔵容器５内で平衡状態を迅速に達成することができる。
図４は、搬送装置８を使用して水素Ｈ２を搬送するための方法の実施形態の概略的なブロック図を示す。工程Ｓ１において、水素Ｈ２が貯蔵容器５から調整タンク１３Ａ、１３Ｂに導入される。この目的のために、バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂは開かれる。バルブＶ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂは閉じられる。水素Ｈ２は、貯蔵容器５に収容された水素Ｈ２の静圧に起因して調整タンク１３Ａ，１３Ｂに導入される。この目的のために、貯蔵容器５は、重力ｇの方向に対して、調整タンク１３Ａ、１３Ｂの上方に配置される。
工程Ｓ２では、調整タンク１３Ａ，１３Ｂに収容された水素Ｈ２を超臨界状態にする。この目的のために、バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂは閉じられる。加熱要素１４Ａ、１４Ｂによって、熱Ｗが調整タンク１３Ａ、１３Ｂに導入される。調整タンク１３Ａ、１３Ｂ内の圧力ｐは、超臨界状態に達するまで上昇する。
工程Ｓ３において、水素Ｈ２は、調整タンク１３Ａ、１３Ｂから負荷４に導かれ、調整タンク１３Ａ、１３Ｂに収容された水素Ｈ２は、工程Ｓ３の間、超臨界状態に保たれる。この目的のために、工程Ｓ３の間、熱Ｗが調整タンク１３Ａ、１３Ｂに連続的に導入される。バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂは開いている。
例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明を様々な方法で修正することができる。
１ ビークル
２ 船体
３ 船橋
４ 負荷
５ 貯蔵タンク
６ 対称軸
７ 支持構造
８ 搬送装置
９ 気体領域
１０ 液体領域
１１ 相境界
１２Ａ 搬送ユニット
１２Ｂ 搬送ユニット
１３Ａ 調整タンク
１３Ｂ 調整タンク
１４Ａ 加熱要素
１４Ｂ 加熱要素
１５Ａ ライン
１５Ｂ ライン
１６Ａ ライン
１６Ｂ ライン
１７Ａ ライン
１７Ｂ ライン
１８Ａ ライン
１８Ｂ ライン
１９Ａ ライン
１９Ｂ ライン
２０Ａ 圧力制御装置
２０Ｂ 圧力制御装置
２１Ａ 温度制御装置
２１Ｂ 温度制御装置
２２ 気化器
２３ 二相線
２４ １バール線
ａ 二相領域
Ａ 点
ｂ 気相
Ｂ 点
ｃ 超臨界範囲
Ｃ 点
ｄ 液相
Ｄ 点
ｈ エンタルピー
Ｈ２ 水素／寒剤
ｐ 圧力
ｐｃ 臨界圧力
Ｐｃ 臨界点
ｐ４ 供給圧力
Ｓ１ 工程
Ｓ２ 工程
Ｓ３ 工程
Ｔ 温度
Ｔｃ 臨界温度
Ｖ１Ａ バルブ
Ｖ１Ｂ バルブ
Ｖ２Ａ バルブ
Ｖ２Ｂ バルブ
Ｖ３Ａ バルブ
Ｖ３Ｂ バルブ
Ｖ４Ａ バルブ
Ｖ４Ｂ バルブ
Ｗ 熱
ρ 密度

Claims (15)

  1. 貯蔵容器（５）から負荷（４）に寒剤（Ｈ２）を搬送するための方法であって
    ａ）前記貯蔵容器（５）から調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内に前記寒剤（Ｈ２）を導入する工程（Ｓ１）であって、前記寒剤（Ｈ２）が、前記寒剤の静水圧のみに起因して前記貯蔵容器（５）から前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内に流れる、導入する工程と
    ｂ）前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に収容された前記寒剤（Ｈ２）をその超臨界状態にする工程（Ｓ２）と
    ｃ）前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）から前記負荷（４）に前記寒剤（Ｈ２）を排出する工程（Ｓ３）であって、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に収容された前記寒剤（Ｈ２）が、工程ｃ）の間、前記超臨界状態に保たれる、排出する工程（Ｓ３）と、を有する、方法。
  2. 工程ａ）の後に、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）が、バルブ（Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ）が閉じられることによって、前記バルブ（Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ）を介して前記貯蔵容器（５）から分離される、請求項１に記載の方法。
  3. 工程ｃ）において、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）と前記負荷（４）との間に設けられたバルブ（Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂ）が開かれる、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 工程ｂ）の間、熱（Ｗ）が前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に導入されて、前記寒剤（Ｈ２）を前記超臨界状態にする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 工程ｃ）の間、熱（Ｗ）が前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）に導入されて、前記寒剤（Ｈ２）を前記超臨界状態に保つ、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 工程ｃ）の間、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内の前記寒剤（Ｈ２）の密度（ρ）が減少する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 工程ｃ）の間、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内の圧力（ｐ）が一定に保たれる、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 工程ｃ）が、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内で所定の温度（Ｔ）が達成された後に終了される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）が、前記負荷（４）の供給圧力（ｐ４）が達されるまで、前記負荷（４）内に排気することにより減圧される、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）が、前記供給圧力（ｐ４）が達成されると、前記貯蔵容器（５）内に排気することにより減圧される、請求項９に記載の方法。
  11. 第１の調整タンク（１３Ａ）及び第２の調整タンク（１３Ｂ）が断続的に動作させられる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 貯蔵容器（５）から負荷（４）に寒剤（Ｈ２）を搬送するための搬送装置（８）であって、前記貯蔵容器（５）と前記負荷（４）との間に配置された調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）を有し、前記貯蔵容器（５）及び前記調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）が、前記寒剤の静水圧のみに起因して前記寒剤（Ｈ２）が前記貯蔵容器（５）から前記調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）内に流れるように配置され、前記調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）が、前記貯蔵容器（５）から前記調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）に導入された前記寒剤（Ｈ２）をその超臨界状態にし、超臨界状態にされた前記寒剤（Ｈ２）を前記負荷（４）に供給し、前記負荷（４）に前記寒剤（Ｈ２）が供給されている間、前記調整タンク（１３Ａ，１３Ｂ）内に収容された前記寒剤（Ｈ２）を前記超臨界状態に保つように構成されている、搬送装置。
  13. 前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）が、前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）内に収容された前記寒剤（Ｈ２）に熱（Ｗ）を導入して前記寒剤（Ｈ２）を前記超臨界状態にするための加熱要素（１４Ａ、１４Ｂ）を備える、請求項１２に記載の搬送装置。
  14. 第１の調整タンク（１３Ａ）及び第２の調整タンク（１３Ｂ）を更に備え、前記第１の調整タンク（１３Ａ）及び前記第２の調整タンク（１３Ｂ）が断続的に動作可能である、請求項１２又は１３に記載の搬送装置。
  15. 前記調整タンク（１３Ａ、１３Ｂ）は、重力（ｇ）の方向に対して、前記寒剤（Ｈ２）が重力に起因して前記貯蔵容器（５）内に自動的に流れるように配置されている、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の搬送装置。
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