特表 2024-524599 燃料補給およびバックアップ発電のためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-05

(54)【発明の名称】燃料補給およびバックアップ発電のためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   F17C 9/04 20060101AFI20240628BHJP

   F17C 13/00 20060101ALI20240628BHJP

【ＦＩ】

F17C9/04

F17C13/00 302A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500619

(86)(22)【出願日】2022-06-08

(85)【翻訳文提出日】2024-02-06

(86)【国際出願番号】 CN2022097667

(87)【国際公開番号】W WO2023279908

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】17/371,175

(32)【優先日】2021-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524007882

【氏名又は名称】チャイナ エナジー インベストメント コーポレーション リミテッド

(71)【出願人】

【識別番号】524008421

【氏名又は名称】ナショナル インスティテュート オブ クリーン－アンド－ロー－カーボン エナジー

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】ク，アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】リ，シアンミン

(72)【発明者】

【氏名】ラムテケ，アシュウィン

(72)【発明者】

【氏名】ステイジャー，ジェラド アレン

【テーマコード（参考）】

3E172

【Ｆターム（参考）】

3E172AA03

3E172AA05

3E172AA06

3E172AB01

3E172BA01

3E172BA06

3E172BD03

3E172BD05

3E172DA90

3E172EA02

3E172EA35

3E172EB02

3E172EB03

3E172GA11

3E172HA08

3E172KA03

(57)【要約】

水素燃料補給ステーションのようなシステムおよび方法が提供される。このシステムは、液相および気相を有する液体燃料を貯蔵するためのクライオタンクと、クライオタンクから液相の液体燃料の第１の流れを供給するためのポンプと、第１の流れの少なくとも一部を気体燃料に変換するための熱交換器と、気体燃料の少なくとも一部を受入燃料タンクに分配するためのディスペンサと、熱交換器と一体化された冷凍ユニットと、バックアップ電力ユニットとを含む。冷凍ユニットと熱交換器は互いに熱交換し、冷凍ユニットは、冷却が必要とされる環境の設備に冷却能力を供給する。バックアップ電力ユニットは、気相または液相またはその両方の液体燃料の第２の流れを使用することによって電力を生成する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体燃料をその中に貯蔵するように構成されたクライオタンクであって、前記液体燃料は液相および気相を含む、クライオタンクと、
前記クライオタンクと流体的に接続され、前記クライオタンクから前記液相の前記液体燃料の第１の流れを供給するように構成されたポンプと、
前記ポンプと接続され、前記液相における前記液体燃料の前記第１の流れの少なくとも一部を気体燃料に変換するように構成された熱交換器と、
前記気体燃料の少なくとも一部を受入燃料タンクに分配するように構成されたディスペンサと、
前記熱交換器と一体化された冷凍ユニットであって、前記冷凍ユニットは、前記熱交換器に熱負荷を供給するように構成され、前記熱交換器は前記冷凍ユニットに冷却負荷を供給するように構成される、冷凍ユニットと、
前記クライオタンクから前記気相または前記液相またはその両方の液体燃料の第２の流れを受け取り、電力を生成するように構成されたバックアップ電力ユニットと、を含む、システム。

【請求項2】

前記液体燃料は水素を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ポンプは、前記クライオタンクの内部に配置され、前記液相における前記液体燃料の前記第１の流れを圧縮するように構成された浸漬型液体ポンプである、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記ポンプと前記熱交換器との間に配置され、前記液体燃料の前記第１の流れを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成されたスプリッタをさらに備え、
前記熱交換器は、前記第１の部分を前記気体燃料に変換するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記気体燃料と前記第２の部分とを組み合わせて、分配される圧縮気体燃料または液体燃料を形成するように構成されたミキサをさらに備える、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記気体燃料は、２５ＭＰａから９０ＭＰａまでの範囲の圧力、および－５０℃から周囲温度までの範囲の温度を有する圧縮水素である、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記バックアップ電力ユニットは、１日に前記クライオタンク内の前記液体燃料の総貯蔵容量の３０重量％未満を受け取るように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記バックアップ電力ユニットは、１日に前記クライオタンク内の前記液体燃料の総貯蔵容量の２０重量％以下を受け取るように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記バックアップ電力ユニットは、前記電力をデータセンターに供給するように構成され、
前記冷凍ユニットは、前記データセンターに冷却能力を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記バックアップ電力ユニットは、前記液体燃料の前記第２の流れから前記気相または前記液相、またはその両方で前記電力を生成するための１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記バックアップ電力ユニットは、前記熱交換器から前記気体燃料の少なくとも一部をさらに受け取って前記電力を生成するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記クライオタンクと流体的に接続された液化装置と、前記液化装置と流体的に接続された製造ユニットとをさらに備え、
前記液化装置は、前記製造ユニット内で生産されたガスを前記液体燃料まで圧縮するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記製造ユニットは、水から水素ガスを生成するための少なくとも１つの電解装置を備え、
前記少なくとも１つの電解装置または前記液化装置またはその両方は、少なくとも部分的に太陽光発電または風力発電によって電力供給されるように構成される、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

クライオタンクの内部に貯蔵された液体燃料を供給する工程であって、前記液体燃料は液相および気相を含む、工程と、
前記液相の前記液体燃料の第１の流れを、前記クライオタンクから、前記クライオタンクと流体的に接続されたポンプを通して圧送する工程と、
前記液相の前記液体燃料の前記第１の流れの少なくとも一部を、前記ポンプと接続された熱交換器を通して気体燃料に変換する工程と、
前記気体燃料の少なくとも一部を受入燃料タンクに分配する工程と、
前記熱交換器と一体化した冷凍ユニットから、冷却が必要な設備に冷却能力を供給する工程と、
前記クライオタンクからの前記気相または前記液相またはその両方の前記液体燃料の第２の流れを使用して、バックアップ電力ユニットで電力を生成する工程と、を含む、方法。

【請求項15】

前記液体燃料は水素を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記液相における前記液体燃料の前記第１の流れは、前記クライオタンクの内部に配置された浸漬型液体ポンプを使用して前記液体燃料を圧縮する工程によって、前記クライオタンクから圧送される、請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記冷凍ユニットから前記熱交換器に熱負荷を供給する工程と、前記熱交換器から前記冷凍ユニットに冷却負荷を供給する工程とをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記液体燃料の前記第１の流れを第１の部分と第２の部分とにさらに分割する工程であって、
前記第１の部分は、前記熱交換器を通過する、請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

分配される圧縮気体燃料または液体燃料を形成するために、前記気体燃料と前記第２の部分とを組み合わせる工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記クライオタンク内の前記液体燃料の総貯蔵容量の３０重量％未満が、バックアップ電力が必要とされる１日に前記バックアップ電力ユニットに供給される、請求項１４に記載の方法。

【請求項21】

前記バックアップ電力ユニットからデータセンターに電力が供給され、前記冷凍ユニットからの前記冷却能力が、前記データセンターを冷却するために使用される、請求項１４に記載の方法。

【請求項22】

前記電力は、前記バックアップ電力ユニット内の１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを介して生成される、請求項１４に記載の方法。

【請求項23】

前記電力を生成するために、前記熱交換器から前記バックアップ電力ユニットに前記気体燃料の少なくとも一部を供給する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記クライオタンク内の前記液体燃料は、前記クライオタンクと流体的に接続された液化装置から供給され、
記液化装置は、製造ユニット内で生成されたガスを前記液体燃料まで圧縮するように構成される、請求項１４に記載の方法。

【請求項25】

前記製造ユニットは、水から水素ガスを生成するための少なくとも１つの電解装置を備え、
前記少なくとも１つの電解装置または前記液化装置またはその両方は、少なくとも部分的に太陽光発電または風力発電によって電力供給される、請求項２４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の詳細な説明】

【0001】

〔技術分野〕
本開示は、概して、液体燃料または加圧ガスを貯蔵、移送、または分配するための方法およびシステムに関する。より詳細には、開示される主題は、水素を貯蔵および燃料補給するためのシステムまたは燃料補給ステーションおよび方法に関する。

【0002】

〔背景技術〕
多くの自動車は、現在、化石燃料を有する内燃機関によって動力供給されている。供給の制限および石油由来燃料の燃焼に伴う環境への悪影響のために、水素のような代替的な環境に優しい燃料によって動力を供給される車両が現在開発されている。燃料電池は、水素燃料を空気などの酸化剤と電気化学的に反応させることによって、自動車用の電力を生成するために使用することができる。他の水素駆動車両は、水素の燃焼によって動力を供給することができる。燃料電池車両（ＦＣＶ）および他の水素駆動車両への水素の燃料供給または燃料補給は、ガソリンのような石油ベースの燃料を車両に加えることとは異なる課題を提示する。

【0003】

〔発明の概要〕
本開示は、バックアップ電力および冷却能力も提供しながら燃料補給するためのシステムおよび方法を提供する。例えば、システムは、水素燃料補給ステーションである。

【0004】

いくつかの実施形態によれば、そのようなシステムは、液相および気相を含む液体燃料をその中に貯蔵するように構成されたクライオタンクと、クライオタンクと流体的に接続され、クライオタンクから液相における液体燃料の第１の流れを提供またはポンプするように構成されたポンプと、熱交換器と、ディスペンサとを備える。熱交換器は、ポンプと接続され、液相の液体燃料の第１の流れの少なくとも一部を気体燃料に変換するように構成される。ディスペンサは、気体燃料の少なくとも一部を、受入燃料タンク、例えば、車両内の搭載燃料タンクに分配するように構成される。システムは、熱交換器と一体化された冷凍ユニットと、バックアップ電力ユニットとをさらに備える。冷凍ユニットは熱交換器に熱負荷を提供するように構成され、熱交換器は冷凍ユニットに冷却負荷を提供するように構成される。冷凍ユニットは、冷却が必要とされる設備または環境に冷却能力を供給するように構成される。バックアップ電力ユニットは、クライオタンクから気相または液相またはその両方の液体燃料の第２の流れを受け取り、電力を生成するように構成される。

【0005】

いくつかの実施形態では、液体燃料は水素を含む。システムは、水素燃料補給ステーションである。ポンプは、クライオタンクの内部に配置され、液相における液体燃料の第１の流れを圧縮するように構成された浸漬型液体ポンプである。

【0006】

いくつかの実施形態では、システムは、ポンプと熱交換器との間に配置することができるスプリッタをさらに備える。スプリッタは、液体燃料の第１の流れを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される。熱交換器は、第１の部分を気体燃料に変換するように構成される。システムはまた、気体燃料と第２の部分とを組み合わせて、分配される圧縮気体燃料を形成するように構成されたミキサを備える。いくつかの実施形態では、分配される気体燃料または燃料は、２５ＭＰａから９０ＭＰａまでの範囲の圧力、および－５０℃から周囲温度までの範囲の温度を有する圧縮水素である。

【0007】

いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニットは、バックアップ電力が必要とされる１日に、クライオタンク内の液体燃料の総貯蔵容量の３０重量％未満を受け取るように構成される。バックアップ電力ユニットはデータセンターに電力を供給するように構成され、冷凍ユニットはデータセンターに冷却能力を供給するように構成される。

【0008】

いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニットは、気相（またはボイルオフ燃料と呼ばれる）または液相、またはその両方の液体燃料の第２の流れから電力を生成するための１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを備える。バックアップ電力ユニットはまた、電力を生成するために、熱交換器から気体燃料の少なくとも一部をさらに受け取るように構成され得る。内燃機関は、熱サイクルを用いて発電する。燃焼エンジンの好適な例としては往復エンジン、ガスタービンまたはマイクロタービンが挙げられるが、これらに限定されない。

【0009】

いくつかの実施形態では、システムは、クライオタンクと流体的に接続された液化装置をさらに備える。製造ユニットは、液化装置と流体的に接続されてもよい。液化装置は、製造ユニットで生成されたガスを液体燃料まで圧縮する。製造ユニットは、水から水素ガスを製造するための少なくとも１つの電解装置を備える。少なくとも１つの電解装置または液化装置またはその両方は、少なくとも部分的に太陽光発電または風力発電によって電力供給されるように構成されてもよい。製造ユニットの代わりに、液化装置またはクライオタンクは、液体水素分配ネットワークと一体化されてもよく、液体水素は貯蔵容器から燃料補給ステーションまたは使用場所、例えば工業生産（例えば、鉄鋼生産）のために輸送される。

【0010】

別の態様では、本開示はまた、方法を提供する。このような方法は、バックアップ電力および冷却能力も提供しながら、燃料補給のために使用される。本方法は、クライオタンクの内部に貯蔵された液相および気相を有する液体燃料を供給することと、クライオタンクと流体的に接続されたポンプを通してクライオタンクから液相における液体燃料の第１の流れを圧送することと、ポンプと接続された熱交換器を通して液相における液体燃料の第１の流れの少なくとも一部を気体燃料に変換することと、気体燃料の少なくとも一部を受入燃料タンクに分配することとを含む。本方法は、熱交換器と一体化された冷凍ユニットから、冷却が必要な設備に冷却能力を供給することと、クライオタンクからの気相または液相、またはその両方の液体燃料の第２の流れを使用して、バックアップ電力ユニットを使用して電力を生成することとをさらに含む。

【0011】

いくつかの実施形態では、液体燃料は、水素を含むか、または水素である。液相の液体燃料の第１の流れは、クライオタンクの内部に配置された浸漬型液体ポンプを使用して液体燃料を圧縮することによって、クライオタンクから汲み出される。本方法は、冷凍ユニットから熱交換器に熱負荷を供給することと、熱交換器から冷凍ユニットに冷却負荷を供給することとをさらに含むことができる。

【0012】

いくつかの実施形態では、本方法は、液体燃料の第１の流れを第１の部分と第２の部分とに分割することをさらに含む。第１の部分は、熱交換器を通過する。本方法は、気体燃料と第２の部分とを組み合わせて、分配される圧縮気体燃料を形成することをさらに含む。

【0013】

いくつかの実施形態では、クライオタンク内の液体燃料の総貯蔵容量の３０重量％未満が、バックアップ電力が必要とされる１日にバックアップ電力ユニットに供給される。バックアップ電力ユニットで発電された電力はバックアップ電力ユニットからデータセンター等の設備に供給され、冷凍ユニットからの冷却能力はデータセンター等の設備の冷却に用いられる。バックアップ電源は断続的に供給される。冷却負荷は、定期的に毎日供給することができる。

【0014】

いくつかの実施形態では、電力は、バックアップ電力ユニット内の１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを介して生成される。本方法は、電力を生成するために、熱交換器からバックアップ電力ユニットに気体燃料の少なくとも一部を供給することをさらに含むことができる。

【0015】

いくつかの実施形態では、クライオタンク内の液体燃料は、クライオタンクと流体的に接続された液化装置から供給される。液化装置は、製造ユニットで生成されたガスを液体燃料まで圧縮する。例えば、製造ユニットは、水から水素ガスを製造するための少なくとも１つの電解装置を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電解装置または液化装置またはその両方は、少なくとも部分的に太陽光発電または風力発電によって電力供給される。

【0016】

本開示において提供されるシステムおよび方法は、本明細書に記載される多くの利点を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、本開示は、車両に燃料補給するための水素燃料補給ステーションを提供する一方で、例えば、データセンターにバックアップ電力および冷却能力も提供する。スタンドアロンストレージオプションと比較して、本開示におけるシステムは、データセンターのためのバックアップ電力を生成するために使用される水素ボイルオフの損失を大幅に低減する。熱交換器または気化器からの過剰な冷却負荷は、効率的かつ生産的に利用される。このシステムははるかに高い冷却能力を提供し、一方、熱交換器は、冷凍ユニットと一体化されると、はるかに効果的に使用される。

【0017】

本開示は添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的な慣行によれば、図面の様々な特徴は、必ずしも縮尺通りではないことが強調される。それどころか、明瞭にするために、様々な構造体の寸法は任意に拡大または縮小されている。同様の参照番号は、明細書および図面を通して同様の特徴を示す。

【0018】

〔図面の簡単な説明〕
図１は、いくつかの実施形態による、バックアップ発電機および冷凍ユニットを備える水素燃料補給ステーションなどの第１の例示的なシステムを示すブロック図である。

【0019】

図２は、いくつかの実施形態による、データセンターにバックアップ電力を供給するためのバックアップ発電機と、データセンターに冷却負荷を供給する冷凍ユニットとを備える水素燃料補給ステーションなどの第２の例示的なシステムを示すブロック図である。

【0020】

図３は、いくつかの実施形態による、バックアップ電力をデータセンターに供給するためのバックアップ発電機と、データセンターに冷却負荷を供給する冷凍ユニットと、水素製造ユニットと、液化装置とを備える水素燃料補給ステーションなどの第３の例示的なシステムを示すブロック図である。

【0021】

図４Ａは、いくつかの実施形態による、水素などの液体燃料を分配する工程と、バックアップ電力を供給する工程と、および冷却負荷を供給する工程とを含む例示的な方法を示すフローチャートである。

【0022】

図４Ｂは、図４Ａの例示的な方法に含まれ得るいくつかの工程を示すフローチャートである。
〔発明を実施するための形態〕

【0023】

例示的な実施形態のこの説明は添付の図面と関連して読まれることが意図されており、添付の図面は、記載された説明全体の一部とみなされるべきである。本明細書では「低い（ｌｏｗｅｒ）」、「高い（ｕｐｐｅｒ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「上方（ｕｐ）」、「下方（ｄｏｗｎ）」、「上端（ｔｏｐ）」、および「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」などの相対的用語、ならびにそれらの派生語（たとえば、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ）」、「下方（ｄｏｗｎｗａｒｄｌｙ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄｌｙ）」など）はそのとき説明されているような、または議論中の図面に示されているような方位を指すと解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明の利便性ものであり、装置が特定の方位で構築または操作されることを必要としない。「接続された」および「相互接続された」などの取り付け、カップリングなどに関する用語は明示的に別段の記載がない限り、構造が、直接的または間接的に介在構造を介して、ならびに３０の可動または剛性の取り付けまたは関係の両方を介して、互いに固定または取り付けられる関係を指す。

【0024】

以下の説明の目的のために、以下に説明される実施形態は、代替的な変形および実施形態を想定し得ることを理解されたい。また、本明細書に記載される特定の物品、組成物、および／またはプロセスは例示的なものであり、限定するものと見なされるべきではないことも理解されたい。

【0025】

本開示において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数形の言及を含み、特定の数値への言及は文脈が明らかに沿わないことを示さない限り、少なくともその特定の値を含む。値が、先行詞「約」の使用によって近似として表される場合、特定の値は別の実施形態を形成することが理解されよう。本明細書で使用するとき、「約Ｘ」（式中、Ｘは数値である）は、好ましくは列挙された値の±１０％を指す。例えば、「約８」という語句は、好ましくは両端を含む７．２～８．８の値を指す。存在する場合、全ての温度範囲は包括的であり、組み合わせ可能である。例えば、「１～５」の範囲が温度範囲されている場合、温度範囲された範囲は、「１～４」、「１～３」、「１～２」、「１～２および４～５」、「１～３および５」、「２～５」などの範囲を含むものと解釈されるべきである。加えて、選択肢のリストが肯定的に提供される場合、そのようなリストは選択肢のいずれかが、例えば、特許請求の範囲における否定的限定によって除外され得ることを意味すると解釈され得る。例えば、「１～５」の範囲が列挙される場合、列挙された範囲は１、２、３、４、または５のいずれかが否定的に除外される状況を含むものと解釈され得、したがって、「１～５」の列挙は「１および３～５、ただし２は含まれない」と解釈され得るか、または単に「２は含まれない」と解釈され得る。本明細書に積極的に列挙される任意の構成要素、要素、属性、または工程は、そのような構成要素、要素、属性、または工程が代替として列挙されるかどうか、またはそれらが単独で記載されるかどうかにかかわらず、特許請求の範囲において明示的に除外され得ることが意図される。

【0026】

特に明記しない限り、本明細書で使用される「実質的に同じ」などの「実質的に」という用語は適切な範囲の変動、例えば、パラメータの±１０％または±１５％の変動を有するパラメータを包含すると理解される。いくつかの実施形態では、変動の範囲は±１０％以内である。

【0027】

本明細書に記載のシステムおよび方法は、水素などの液体燃料の直接充填燃料補給に適用可能であり得る。特に明示のない限り、本明細書で行われる「直接充填（ｄｉｒｅｃｔ－ｆｉｌｌ）」（または「直接（ｄｉｒｅｃｔ）」）への言及は、燃料補給ステーションの貯蔵タンクから車両の貯蔵タンクへの燃料供給または燃料補給プロセスの連続的な動作を指すものと理解される。例えば、直接充填システムまたはプロセスにおいて、液体水素は、貯蔵タンクから取り出され、気化され、車両内の受入タンクに直接分配され得る。液体状態からの気体水素は、受入タンクに連続的に流入する。水素は、車両内の受入タンク内に圧縮ガスの形態で貯蔵される。「直接充填」および「直接」という用語は、燃料供給または燃料補給プロセスに関して互換的に使用される。既存の技術では中間カスケード貯蔵工程があり、そこでは圧縮されたガス状水素が、蒸発後であるが車両の受入タンクに分配される前に、貯蔵される。

【0028】

特に明示のない限り、水素などの液体燃料は、貯蔵タンクに貯蔵され、液体形態のポンプを使用して汲み出される。液体燃料は、熱交換器において気化されて気体燃料となる。ポンプと熱交換器との間の燃料は、超臨界状態であってもよい。気体燃料の少なくとも一部は、車両内の受入タンク内に分配される。本開示では、用語「燃料供給（ｆｕｅｌｉｎｇ）」および「燃料補給（ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ）」が互換的に使用される。

【0029】

本明細書で使用されるとき、要素または構成要素が別の要素または構成要素「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、「に結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」、「と結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ）」、または「に接触する（ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」を形成するものとして説明されるとき、それは、特定の要素または構成要素に直接接続されるか、直接結合されるか、直接接触するか、または介在する要素または構成要素が特定の要素または構成要素に接続されるか、結合されるか、または接触することができる。要素または構成要素が別の要素「直接的に接続される」、「に直接的に結合される」、「と直接的に結合される」、または「直接的に接触する」と言及されるとき、介在する要素または構成要素は存在しない。

【0030】

本明細書で使用するとき、用語「に熱的に接続される」または「と熱的に接続される」は、構成要素が構成要素間で熱を伝達することができるように、構成要素が直接または介在構成要素を介して接続され、構成要素が互いに直接接触してもよく、または介在構成要素が構成要素に接触してもよいことを理解されたい。本明細書で使用される場合、本明細書で使用される「に流体的に接続される」または「と流体的に接続される」という用語は、構成要素が管またはラインと接続され、構成要素を通る気体または液体の流れを有するように構成されることを理解されたい。本明細書で使用するとき、本明細書で使用する「電子的に接続される」または「電気的に接続される」という用語は、有線または無線接続を使用する電気接続を包含すると理解される。

【0031】

本明細書で使用される「周囲温度」という用語は周囲状態の温度、例えば、２０～２２℃の室温として理解される。

【0032】

米国特許第６，７５３，１０５号は、燃料を供給するための液体水素などの極低温媒体のためのリザーバと、リザーバから燃料を受け取るように接続された少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを冷却するための冷却回路と、リザーバから燃料電池ユニットに提供された極低温媒体を加熱するための少なくとも１つの第１の熱交換器を含む加熱回路とを含む燃料電池システムを開示している。燃料電池からの廃熱は、極低温媒体を気化させるために熱交換器にエネルギーを供給するために使用される。このシステムは燃料電池の廃熱を熱交換器と一体化することにより、システムのサイズおよび重量が低減されるモバイルアプリケーションに適している。

【0033】

米国特許出願公開第２０２０／０１５８２８８号は、燃料として水素および天然ガスなどの液化ガスを分配するためのシステムおよび方法を開示している。システム内の熱交換器は最終分配温度を管理するために外部冷却なしで燃料自体のみを使用し、燃料供給ステーションは、ポンプとディスペンサとの間に配置された貯蔵サブシステムを含まない。熱交換器は、液体燃料を加熱するための、水蒸気、ガス、周囲空気、または他の加熱源を使用する気化器、または電気加熱器であり得る。

【0034】

既存の燃料電池システムまたは燃料補給ステーションで使用されるこれらの熱交換器では、これらの熱交換器は冷却負荷を供給しないか、または冷却負荷が環境に失われて無駄になる。

【0035】

データセンターの電力需要を支える既存の技術は、主にディーゼル発電機と、バックアップ電力用のバッテリーと、一次電力用のグリッドからの電力である。データセンターアプリケーションのための水素および燃料電池が議論されてきたが、そのようなアプリケーションは重大な技術的および経済的課題に直面している。２０１９年に、ゴールデン、ＣＯ（米国）の国立再生可能エネルギー研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、Ｇ．Ｓａｕｒらによる、技術報告書Ｎｏ．ＮＲＥＬ／ＴＰ－５４００－７５３５５「データセンター用途のための水素および燃料電池の、プロジェクトミーティング：ワークショップレポート（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｎｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｆｏｒ Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｍｅｅｔｉｎｇ： Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｒｅｐｏｒｔ）」を参照する。例えば、かなりの量の水素貯蔵が必要とされる。大規模な水素インフラの開発が必要である。基礎をなす技術的課題および関連する法外に高いコストは、データセンター用途のための水素燃料電池の使用に対する障壁として識別される。

【0036】

雑誌「Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ： Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ」２０１８年１９号：１４－２８の、Ｃ．Ｎａｄｊａｈｉらによる、「データセンターのための温度管理および革新的な冷却計画の評価（Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｄａｔａ ｃｅｎｔｅｒ）」において、データセンターのための異なる冷却オプションが評価された。有望な冷却技術には、自然冷却、液体冷却、二相技術、および構築包絡線が含まれる。一般的なシステムは冷却負荷を供給するために、周囲空気または吸収式冷却器を使用する。最大冷却能力は－５０℃以下にすることはできない。データセンターの冷却に液体水素は使用されていない。

【0037】

本開示はバックアップ電力および冷却能力も提供する、燃料補給のためのシステムおよび方法を提供する。例えば、システムは、水素燃料補給ステーションである。バックアップ電力および冷却能力の両方は、データセンターのような、それを必要とするサイトまたは施設に供給される。そのようなシステムまたはステーションでは、液体水素などの液体燃料の有意な貯蔵は必要とされない。液体水素の冷却能力は－２００℃にもなり得る。

【0038】

液体水素燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ）と、冷却およびバックアップ電力を必要とする運転（例えば、データセンター）とを組み合わせることは、ＬＨＲＳからの過剰な冷却負荷の生産的な使用の長所を提供し、大気加熱に対するＬＨ_２気化工程の有効性を改善し、バックアップ電力用のＬＨ_２貯蔵専用タンクに関連するボイルオフの制限なしに、長期間にわたってＬＨ_２を貯蔵する効果的な手段を提供する。システムおよび方法はまた、本明細書に記載されるような他の重要な利点を有する。

【0039】

図１～図３では、同様のアイテムは同様の参照番号によって示され、簡潔にするために、先行する図を参照して上で与えられた構造の説明は繰り返さない。図４Ａ～図４Ｂに記載される方法は、図１～図３に記載される例示的な構造を参照して説明される。

【0040】

図１を参照すると、例示的なシステム１００は、クライオタンク１０と、ポンプ４０と、少なくとも１つの熱交換器６０と、少なくとも１つのディスペンサ７２とを備える。例示的なシステムはまた、冷凍ユニット９０、および／またはバックアップ電力ユニット１１０を備える。

【0041】

クライオタンク１０は、その中に液体燃料１２を貯蔵するように構成される。クライオタンク１０は、液体水素などの液体燃料１２を低温および低圧で貯蔵するのに適した断熱タンクであってもよい。液体燃料１２は、液相１４および気相１６（ボイルオフ燃料）を含む。いくつかの実施形態において、液体燃料１２は、水素を含むか、または水素である。本明細書に記載の例示的なシステムは、水素燃料補給ステーションである。

【0042】

ポンプ４０は、クライオタンク１０と流体的に接続され、液相の液体燃料の第１の流れ４２をクライオタンク１０から供給またはポンプで送り出すように構成される。いくつかの実施形態ではポンプ４０は浸漬型液体ポンプであり、これはクライオタンク１０の内部に配置され、液体燃料１２を圧縮し、その圧力を増加させ、液相の液体燃料の第１の流れ４２をクライオタンク１０から送出するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の流れ４２はまた、超臨界状態にある。

【0043】

気化器とも呼ばれる熱交換器６０は、ポンプ１０に接続され、液相の液体燃料の第１の流れ４２の少なくとも一部を気体燃料５４に変換するように構成される。気体燃料５４は、所望の圧力および温度の圧縮ガスとすることができる。

【0044】

ディスペンサ７２は気体燃料５４の少なくとも一部を、受入燃料タンク（図示せず）、例えば、車両内の搭載燃料タンクに分配するように構成される。

【0045】

冷凍ユニット９０は熱交換器６０に熱負荷を提供するように構成され、熱交換器６０は冷凍ユニット９０に冷却負荷を提供するように構成される。冷凍ユニット９０は、冷却が必要とされる施設または環境に冷却能力を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、冷凍ユニットはまた、アキュムレータ８０を含んでもよい。熱交換器６０によって生成される冷却負荷は、冷凍ユニット９０のアキュムレータ８０のための低温源として使用される。アキュムレータ８０は次に、熱交換器６０に熱負荷を提供する。熱負荷のためのアキュムレータ８０は、液体または固体媒体を含むことができる。

【0046】

バックアップ電力ユニット１１０は、クライオタンク１０から気相１６または液相１４またはその両方の液体燃料１２の第２の流れ４６を受け取り、電力を生成するように構成される。

【0047】

いくつかの実施形態では、例示的なシステム１００は、ポンプ４０と熱交換器６０との間に配置することができるスプリッタ５０をさらに備える。スプリッタ５０は、ポンプ４０と流体的に接続される。スプリッタ５０は、液体燃料の第１の流れ４２を第１の部分５１と第２の部分５２とに分割するように構成される。熱交換器６０は第１の部分５１が熱交換器６０を通過する間に、第１の部分５１を気体燃料５４に変換するように構成される。例示的なシステム１００はまた、気体燃料５４と第２の部分５２とを組み合わせて、分配される燃料を形成するように構成されたミキサ７０を備える。分配される燃料は、圧縮された気体燃料または液体燃料であり得る。いくつかの実施形態では、分配される気体燃料または燃料は、２５ＭＰａ～９０ＭＰａの範囲の圧力および－５０℃から周囲温度の範囲の温度を有する圧縮水素である。

【0048】

いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニット１１０が気相（またはボイルオフ燃料と呼ばれる）または液相、またはその両方の液体燃料の第２の流れ４６から電力を生成するための１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを備える。いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニット１１０はまた、任意選択で、熱交換器６０を通過する気体燃料５４の少なくとも一部をさらに受け取って電力を生成するように構成されてもよい。内燃機関は、熱サイクルを用いて発電する。燃焼エンジンの好適な例としては往復エンジン、ガスタービンまたはマイクロタービン、および水素タービンが挙げられるが、これらに限定されない。

【0049】

実施例１として、例示的なシステム１００は、１日当たり１トン（ｔｐｄ：ｔｏｎ ｐｅｒ ｄａｙ）の容量を有する液体水素燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ：ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ）を冷凍ユニット９０およびバックアップ電力ユニット１１０（またはサブシステム）と統合するように設計されている。

【0050】

冷凍ユニット９０は、連続的にまたは非連続的に動作することができる。ＬＨＲＳは必ずしも必要ではないが、基準Ｈ_２を分配することができる。ＬＨＲＳが非連続的にＨ_２を分配する場合、冷却負荷は、冷凍ユニット９０によるその後の使用のために蓄積され得る。これは、例えば、使用するまで断熱タンク内に貯蔵される液体（または固体ブロック）を通して、アキュムレータ８０を冷却することによって達成することができる。アキュムレータ８０は、冷却負荷がアキュムレータ８０に供給されるスケジュールとは無関係に、冷凍ユニット９０によって低温シンクとして使用することができる。

【0051】

図１において、クライオタンク１０およびバックアップ電力ユニットまたは生成器１１０からのＨ_２流れ（すなわち、第２の流れ４６）を囲む点線のボックスは、バックアップ電力のための必要に応じた一時的な動作を示す。クライオタンクから抽出されるＨ_２は、気体または液体のいずれであってもよい。両方の場合において、水素は、周囲条件付近まで暖められる必要がある。これは、別個の熱交換器で行うことができ、または熱交換器６０（気化器）に統合することができる。冷却負荷は、通常動作中にＬＨＲＳによって生成される冷却負荷に含まれることができる。あるいは、第２の水素流４６の加熱は、冷凍のための冷却負荷を生成しない方法で行うことができる。いくつかの実施形態では、これはバックアップ電力動作が断続的であり得るので、コストまたはシステムの複雑さを低減するための好ましいオプションである。発電機は、燃料電池、水素によって運転される燃焼エンジン、または水素タービンであり得る。

【0052】

図２を参照すると、例示的なシステム２００が示されている。例示的なシステム２００の構成要素は、データセンター１２０が含まれ、バックアップ電力ユニット１１０がデータセンター１２０に電力を供給するように構成され、冷凍ユニット９０がデータセンター１２０に冷却能力を供給するように構成されることを除いて、例示的なシステム１００の構成要素と同じである。

【0053】

バックアップ電力および冷却能力は他の設備、例えば、分布中心（例えば、ＨＶＡＣまたは冷凍用）にも供給することができる。

【0054】

いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニット１１０は１日にクライオタンク１０内の液体燃料の総貯蔵容量の３０重量％未満（例えば、２０重量％未満、または１０重量％未満）を受け取るように構成される。

【0055】

実施例２として、例示的なシステム２００は、１日当たり１トン（ｔｐｄ：ｔｏｎ ｐｅｒ ｄａｙ）の容量を有する液体水素燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ）をマイクロデータセンターと統合するように設計されている。このシステムは、（３５ＭＰａで）燃料補給する中型車両（ＭＤＶ：ｍｅｄｉｕｍ ｄｕｔｙ ｖｅｈｉｃｌｅ）または大型車両（ＨＤＶ：ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｖｅｈｉｃｌｅ）と、５０ｋＷデータセンターとに対して合計１ｔｐｄを分配する、ＬＨＲＳの統合を含む。１ｔｐｄのサイズは、既存の水素燃料補給ステーションのサイズに匹敵する。例えば、ＭＤＶデリバリーバンは、約１０～２０ｋｇのタンク容量を有する。ＨＤＶ輸送バスは、３０～６０ｋｇのタンク容量を有する。１ｔｐｄステーションは、約５０～１００台の車両のＭＤＶ集団、または約１６～３３台の車両の輸送バス集団にサービスを提供することができる。

【0056】

ＭＤＶバンまたはＨＤＶバスに奉仕するＬＨＲＳは、－４０℃～０℃の範囲の温度で圧縮された水素ガスである予冷充填物を供給する必要がある。予冷は車載車両貯蔵タンクへの充填時に生じる圧縮熱を相殺し、充填を完了するのに必要な時間を短縮する。ＬＨ_２は、クライオタンク１０の圧力に応じて、－２５３℃（２０Ｋ）～－２４３℃（３０Ｋ）の温度である。液体水素燃料補給ステーションは、液体を気化させ、ガスの温度を－４０℃～０℃の範囲に上昇させるのに十分な熱を供給しなければならない。ステーションの運転に必要な潜熱と顕熱の組合せを表１に示す。結果は、ＮＩＳＴ参照流体熱力学および輸送特性データベース（ＲＥＦＰＲＯＰ）のデータを用いて計算した。

【表1】

【0057】

必要な液体水素気化負荷は、液体状態（開始温度）および終点温度に依存する。－４０℃の燃料を供給するＬＨＲＳの場合、必要な熱負荷は３４６３ｋＪ／ｋｇであるが、この負荷は２５℃での周囲温度充填の場合、４３８２ｋＪ／ｋｇに増加する（表１）。逆に、この熱負荷は、データセンターなどの冷却用途と一体化されたときの利用可能な冷却負荷でもある。

【0058】

４０００ｋＪ／ｋｇの例示的な値を用いると、１ｔｐｄステーションから利用可能な総熱冷却負荷は、４ＧＪ／ｄ、すなわち１１１１ｋＷｈｔｈである。エネルギーがアキュムレータ８０に蓄えられ、定常速度で取り出される場合、（０℃以下の温度で）４６．３ｋＷｔｈの冷却電力が定常的に利用可能である。

【0059】

データセンターでの冷却負荷は、その設計に基づいて変化する。冷却負荷の推定値の１つは、総データセンター電力消費の２０～３０％が冷却機器の動作に関連することを示唆する。低温冷却負荷の利用可能性は、ファン、ブロワおよび他の機器を動作させるための電力の必要性に取って代わるものではない。

【0060】

データセンターのサイズとデザインは異なる。例えば、既存の技術を使用して、５０ｋＷのマイクロデータセンターは、いくつかのサーバと、５分間の電力を有するバックアップシステムと、それに続くディーゼル発電機による２４～４８時間の運転とを含むことができる。２０～３０ＭＷサイズのハイパースケールデータセンターは、各々が３０～１００ｋＷの累積電気負荷で機器を動作させるように設計された複数のラックを含むことができる。ハイパースケールデータセンターのバックアップ電力は、ＵＰＳサービスを供給するための短期バッテリー電力と、それに続く最大２０ＭＷスケールのディーゼル発電機を用いて同様に構成される。２０～３０ＭＷスケールでは、４８～７２時間のバックアップ電力を支えるために、この燃料を使用するための発電能力と共に、５５トン～１３０トンのＨ_２の供給が必要である。

【0061】

約５７．９ｋＷｔｈの冷却負荷は、冷凍サイクル内のチラーを交換することによって、データセンター動作の動作を改善することができる。これは、電気負荷の一部を変位させ、データセンターのよりエネルギー効率の良い動作をもたらす。マイクロデータセンターの場合、ＬＨＲＳ冷却は、データセンター全体をサポートすることができる。より大きなデータセンターの場合、ＬＨＲＳ冷却負荷は、単一のラックと一体化することができる。この利点は、ＬＨＲＳおよびデータセンターの相対的なスケールに比例して拡張可能である。

【0062】

冷凍システムまたはユニット９０の場合、性能係数は２～４である。これは、５７．９ｋＷｔｈが、データセンターの電力使用量を１５～２５ｋＷ削減することを意味する。データセンターは電力利用効率（ＰＵＥ：ｐｏｗｅｒ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、ＰＵＥ＝全電力／ＩＴ電力）の観点から省エネルギーをレポートし、このパラメータを可能な限り１に近づけることを目標としている。ＩＴ電力（Ｐｏｗｅｒ．ＩＴ）は、情報テクノロジーに使用される電力を意味する。冷凍ユニット９０の統合は、冷却に必要とされる電力（Ｐ．ｃｏｏｌｉｎｇ：ｐｏｗｅｒ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ）が低減されるにつれて分子（ｎｕｍｅｒａｔｏｒ）を低減するので、ＰＵＥに直接的な利益を有する。５０ｋＷデータセンターの総電力需要の２０％が冷却負荷であれば、ＩＴ電力は４０ｋＷ、Ｐ．ｃｏｏｌｉｎｇは１０ｋＷ、ＰＵＥは１．２５であることを意味する。本明細書で提案される冷却統合では、ＰＵＥはほぼ１．０になることが可能であり、ファンおよび循環ポンプ電力は、データセンターにおける冷却管理に関連する唯一の消費である。

【0063】

加えて、１日当たり１トン（ｔｐｄ）の容量を有するそのような燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ）もまた、マイクロデータセンター１２０のためのバックアップ電力ユニット１１０と一体化される。データセンターのバックアップ電力需要は、データセンターのサイズによって異なる。例えば、発電に必要とされる液体水素の場合、５０ｋＷのマイクロデータセンターは、７５ｋｇ／日、２～３日／年、最大約３００ｋｇ／年、を必要とする。２０～３０ＭＷのデータセンターは、２～３日間３０ｔｐｄを必要とし、最大約１００ｔ／年を必要とする。スタンドアロン貯蔵タンクが使用される場合、スタンドアロンタンクは、生産的に使用される水素が、負担不可能なほどの高いコストベースを有する点までボイルオフ損失を被ることになるため、ＬＨ_２貯蔵のコストは法外なものになる。

【0064】

本明細書に記載のシステムおよび方法を使用して、１ｔｐｄ燃料補給ステーションは、毎日の運転に対応するタンクを有する必要がある。数日に相当するタンク容量は、設計上の慣行である。１８，０００ガロンのタンクには約４０００ｋｇのＨ_２を入れることができる。５０ｋＷデータセンターでバックアップ電力動作のためにこのサイズのタンクからＬＨ_２を引き出すことは、使用増加分を１日の使用量の１％未満にさせる。１ｔｐｄステーションは、データセンターラックがＨ_２によって電力供給され得るので、待機発電装置を必要としない燃料電池対応データセンターにおいて特に、より大きなバックアップ動作をサポートすることができる。大規模データセンター内のいくつかのラックのためのバックアップ電力は、このステーションを使用して収容することができる。本開示における統合は、バックアップ動作のためのスタンドアロンタンクよりも、Ｈ_２の生産的使用において利点を提供する。ボイルオフ損失値は、バックアップ電力のための待機時間ではなく、燃料補給用途に関連する。

【0065】

図３を参照すると、例示的なシステム３００が示されている。例示的なシステム３００は、製造ユニット１３０および液化装置１４０が含まれることを除いて、例示的なシステム２００と同じである。

【0066】

いくつかの実施形態では、例示的なシステム３００はクライオタンク１０と流体的に接続された液化装置１４０をさらに備える。製造ユニット１３０は、液化装置１４０と流体的に接続されてよい。液化装置１４０は、製造ユニット１３０で生成されたガスを液体燃料１２に圧縮するように構成されている。製造ユニット１３０は、水から水素ガスを生産するための少なくとも１つの電解装置を備える。少なくとも１つの電解装置または液化装置またはその両方は、少なくとも部分的に太陽光発電または風力発電１５０によって電力供給されるように構成されてもよい。製造ユニット１３０の代わりに、液化装置１４０またはクライオタンク１０は、液体水素分配ネットワークと一体化されてもよく、液体水素は貯蔵容器から燃料補給ステーションまたは使用場所、例えば工業生産（例えば、鉄鋼生産）のために輸送される。

【0067】

実施例３として、例示的なシステム３００が設計されている。８ｔｐｄのＬＨＲＳを有する液化サイトは、冷却およびバックアップ電力のためにハイパースケールデータセンターと統合される。ＬＨＲＳは上流水素製造液化システム（すなわち、製造ユニット１３０および液化装置１４０）およびデータセンター１２０と統合される。データセンター１２０は、冷凍ユニット９０およびバックアップ電力ユニット１１０の両方に接続される。

【0068】

実施例２と比較して、例示的なシステム３００または実施例３は、より大きなスケールで動作する。クライオタンクは、１００トン以上の液体Ｈ_２を保持することができる。上流のＨ_２生成および液化は３０ｔｐｄスケールで生じ、ＬＨＲＳは８ｔｐｄスケールで車両燃料補給のためにＨ_２を分配し、データセンターは３７０ｋＷｔｈスケールでの冷凍負荷および２０ＭＷスケールでのバックアップ電力を使用する。

【0069】

そのようなシステムにおける統合は、相乗的利益を提供する。追加の特徴が含まれてもよい。例えば、Ｈ_２生産は、再生可能エネルギー（３０ｔｐｄに必要とされる約６０ＭＷ）によって発電される電解装置を使用して、３０ｔｐｄスケールで実施することができる。複数の３０ｔｐｄ設備での液化は、このスケールで運転できる。電気分解および液化によって生成されたＨ_２を使用する、８ｔｐｄスケールのＬＨＲＳは、例示的なシステム３００を使用して実施することができる。このスケールは、クラス８のトラック燃料補給デポのために想定される。

【0070】

例示的なシステム３００は水素由来のバックアップ電力の潜在的な必要性とともに、２０ＭＷスケールのハイパースケールデータセンターに使用することができる。例示的なシステム３００では、データセンター１２０がプライム電力のためにＨ_２で動作するように構成され得る。バックアップＨ_２燃料供給は、液化装置供給クライオタンクから得ることができる。プライム電力Ｈ_２燃料供給は、液化装置１４０によって生成されるバックアップ発電のためのＬＨ_２供給とは独立して生成されてもよい。バックアップ電源用の燃料は必要に応じて一時的な使用のためにＬＨ_２として貯蔵されるが、ＬＨ_２の毎日の使用は燃料補給用途のためである。ＬＨ_２は経時的にクライオタンク１０に蓄積され、クライオタンクのサイズは蓄積されたＬＨ_２をバックアップ電力として一時的な使用することを可能にする。この構成は、バックアップ燃料として貯蔵されるＬＨ_２の厳しいボイルオフ損失値の従来技術における制限を克服する。

【0071】

クライオタンク１０のサイズは、バックアップ電力要件に基づいて決定することができる。いくつかの実施形態では、バックアップ発電のための第２の流れ４６の流れは、クライオタンク１０内の全水素の２０％または１０％未満である。いくつかの実施形態では、クライオタンク１０のサイズは４トン未満のＬＨ_２（１８，０００ｇａｌ）であり、規制基準に適合する。いくつかの実施形態では、クライオタンクのサイズは９９トンＬＨ_２を超える。大型タンクは、液化装置の場所に設置することができる。

【0072】

いくつかの実施形態によれば、本開示は、冷凍およびバックアップ電力のための統合システムを有する水素燃料補給ステーションであるシステムを提供する。システムまたはステーションは、液体水素（ＬＨ_２）を含むクライオタンク１０と、クライオタンク１０からのＬＨ_２の流れを圧縮するように構成された液体ポンプ４０と、液体ポンプ４０からの圧縮水素出力を気化するように構成された熱交換器６０と、ミキサ７０と、ディスペンサ７２と、冷凍ユニット９０とを備える。ミキサ７０は、熱交換器６０からの気化水素出力を、クライオタンク１０からのＬＨ_２流れと組み合わせて、２５～９０ＭＰａの圧力および－５０℃から周囲温度までの間の温度を有する圧縮水素流れを生成するように構成される。ディスペンサ７２は、圧力範囲３５～７０ＭＰａ（両端値を含む）および－４０℃から周囲温度の範囲の温度で、ミキサ７０から搭載水素貯蔵タンクに圧縮水素流れを送達することができる。冷凍ユニット９０は熱交換器６０と一体化されて、ＬＨ_２流れに熱負荷を提供し、－４０℃と周囲温度との間の温度で冷却負荷を冷凍ユニット９０に提供する。システムまたはステーションはまた、クライオタンク１０からの水素によって電力供給され得るバックアップ電力ユニット１１０を含む。バックアップ電力ユニットの１日の水素使用量は、クライオタンク１０の全容量の３０％未満である。任意選択的に、冷凍ユニット９０はデータセンターに冷却能力を供給し、冷却負荷は、データセンターによって使用される１日の冷却負荷の少なくとも１０％である。任意選択的に、バックアップ電力ユニット１１０は、バックアップ電力をデータセンター１２０に供給する。

【0073】

図４Ａを参照すると、例示的な方法４００が示されている。このような方法はバックアップ電力および冷却能力も提供しながら、燃料補給のために使用される。図４Ｂは、例示的な方法４００に含まれ得るいくつかの工程を示す。

【0074】

図４Ａの工程４０２において、液体燃料１２がクライオタンク１０の内部に提供される。液体燃料１２は、液相１４および気相１６を含む。いくつかの実施形態では、液体燃料が水素を含むか、または水素である。

【0075】

いくつかの実施形態では、クライオタンク内の液体燃料１２がクライオタンク１０と流体的に接続された液化装置１４０から提供される。液化装置１４０は、製造ユニット１３０で生成されたガスを液体燃料１０に圧縮する。例えば、製造ユニット１３０は、水から水素ガスを製造するための少なくとも１つの電解装置を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電解装置または液化装置１４０またはその両方が少なくとも部分的に、例えば、少なくとも５０％、太陽光発電または風力発電によって動力供給される。

【0076】

工程４０４において、液体燃料１２の第１の流れ４２は、クライオタンク１０から、クライオタンク１０と流体的に接続されたポンプ４０を通って圧送される。液体燃料１２の第１の流れ４２は、超臨界状態であってもよい。いくつかの実施形態では、ポンプは、クライオタンク１０の内部に配置された浸漬型液体ポンプである。液体燃料１２の第１の流れ４２は、液体燃料１２を、浸漬型液体ポンプを用いて圧縮することによって、クライオタンク１０から汲み出される。

【0077】

工程４０６において、液体燃料１２の第１の流れ４２の少なくとも一部は、熱交換器６０を介して気体燃料５４に変換される。熱交換器６０は、液体燃料の第１の流れ４２と熱的に接続される。

【0078】

工程４０８では、気体燃料５４の少なくとも一部は、車載車両貯蔵タンクなどの受入燃料タンクに分配される。ミキサ７０に関して本明細書に記載されるように、分配される燃料は、圧縮された気体燃料または液体燃料であり得る。大型車両、軽量車両、およびレールの場合、燃料は圧縮気体燃料として分配される。液体タンクおよびサイロ圧縮タンクの場合、燃料は液体として分配される。

【0079】

工程４１０において、冷却能力が熱交換器６０と一体化された冷凍ユニット９０から、それを必要とする施設に提供される。冷却能力は、冷たい気体または流体などの冷却媒体の形態で提供されてもよい。冷凍ユニット９０は、熱交換器６０と熱的に接続することができる。冷凍ユニット９０と熱交換器６０とは、互いに熱交換してもよい。工程４１０のプロセスは、図４Ｂの工程４１２および４１４を含むことができる。工程４１２では、液体燃料を気化させるために、熱負荷が冷凍ユニット９０から熱交換器６０に提供される。工程４１４において、冷却負荷が熱交換器６０から冷凍ユニット９０に提供される。上述のように、冷凍ユニット９０は、アキュムレータ８０を含むことができる。冷凍ユニット９０は液体または超臨界状態の液体燃料を気体燃料５４に変換するために熱交換器に熱負荷を提供するように構成され、熱交換器９０はデータセンターなどの施設を冷却するために冷凍ユニット９０に冷却負荷を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、冷凍ユニット９０は、データセンターの冷却負荷の少なくとも１０％、例えば、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、または７０％を満たす冷却能力を提供する。

【0080】

図４Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、例示的な方法４００は工程４１６および４１８をさらに含む。工程４１６において、スプリッタ５０を介して、液体燃料１２の第１の流れ４２は、第１の部分５１と第２の部分５２とに分離される。第１の部分５１は熱交換器６０（すなわち、気化器）を通過する。工程４１８において、気体燃料５４および第２の部分５２は、ミキサ７０内で組み合わされて、分配される燃料を形成する。分配される燃料は、圧縮された気体燃料または分配される液体燃料とすることができる。いくつかの実施形態では、分配される燃料は、２５ＭＰａ～９０ＭＰａの圧力および－５０℃から周囲温度までの温度を有する圧縮Ｈ_２流れである。ディスペンサ７２は、３５ＭＰａ～７０ＭＰａ（両端を含む）の圧力および－４０℃から周囲温度までの温度で、ミキサ７０から車載水素貯蔵タンクに圧縮Ｈ_２流れを送達することができる。熱交換器６０から冷凍ユニット９０への冷却負荷は、－５０℃から周囲温度までの温度である。

【0081】

再び図４Ａを参照すると、工程４２０において、電力は、液体燃料１２の第２の流れ４６を使用してバックアップ電力ユニット１１０において生成される。第２の流れ４６は、クライオタンク１０からの気相または液相またはその両方であってもよい。いくつかの実施形態では熱交換器６０を通過し、冷却のために使用された後、気体燃料５４の少なくとも一部は、電力を生成するためにバックアップ電力ユニット１１０にも供給され得る。いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニット１１０内の１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを通して生成される。燃焼エンジンの好適な例としては往復エンジン、およびガスタービンまたはマイクロタービンが挙げられるが、これらに限定されない。

【0082】

いくつかの実施形態では、クライオタンク１０内の液体燃料１２の総貯蔵容量の３０重量％未満が、バックアップ電力が必要とされるとき、１日の間にわたってバックアップ電力ユニット１１０に提供される。例えば、クライオタンク１０内に貯蔵された液体燃料１２の２０重量％または１０重量％未満が、バックアップ電力が必要とされるときに、１日の間にバックアップ発電のために使用される。いくつかの実施形態では、バックアップ電力ユニット１１０で生成された電力は、データセンター１２０に提供される。バックアップ電力ユニット１１０で生成された電力は、追加の電力が必要な場合、冷凍ユニット９０、ポンプ４０、熱交換器６０、およびディスペンサ７２などのシステム内の他の構成要素に供給することもできる。冷凍ユニット９０からの冷却能力は、データセンター１２０を冷却するために使用される。

【0083】

本システムおよび方法では、燃料補給プロセスが定期的に実行されてもよい。冷却負荷は、燃料補給ステーションから定期的に生成することができる。バックアップ電力は、一時的に生成されてもよい。

【0084】

いくつかの実施形態では、本開示で提供されるシステムは、各工程における方法の工程および燃料量を制御するための、または各構成要素を通過するための、１つ以上の制御ユニットまたは中央ユニット（図１～図３には図示せず）をさらに備え得る。制御ユニットは、システム内の関連する構成要素と電子的に接続されてもよい。例えば、燃料の第１の流れ４２、第２の流れ４６、第１の部分５１および第２の部分５２のそれぞれの量を制御することができる。混合のための気体燃料５４および第２の部分５２の量および比率も制御することができる。制御ユニットは、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のプロセッサによって実行される１つ以上のプログラムでエンコードされた少なくとも１つの有形の非一時的機械可読媒体とを備え得る。制御ユニットは車両への燃料補給、データセンターの冷却、およびバックアップ電力の補給のための動作を制御するように、各構成要素と調整するように構成される。

【0085】

本明細書で説明される方法およびシステムは、それらの処理を実施するためのコンピュータ実装処理および装置の形態で、少なくとも部分的に実施され得る。開示された方法はまた、コンピュータプログラムコードでエンコードされた有形の非一時的機械可読記憶媒体の形態で少なくとも部分的に具現化され得る。媒体はたとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＢＤ－ＲＯＭ、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、または任意の他の非一時的機械可読記憶媒体、またはこれらの媒体の任意の組合せを含むことができ、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、コンピュータによって実行されるとき、コンピュータは、方法を実施するための装置になる。本方法はまた、コンピュータが本方法を実施するための装置になるように、コンピュータプログラムコードがロードおよび／または実行されるコンピュータの形態で少なくとも部分的に具現化されてもよい。汎用プロセッサ上に実装されるとき、コンピュータプログラムコードセグメントは、特定の論理回路を作成するようにプロセッサを構成する。本方法は代替的に、本方法を実行するための特定用途向け集積回路で形成されたデジタル信号プロセッサにおいて少なくとも部分的に具現化され得る。コンピュータまたは制御ユニットは、クラウドベースのシステムを使用して遠隔操作されてもよい。

【0086】

本開示において提供されるシステムおよび方法は、本明細書に記載される多くの利点を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、本開示が車両に燃料補給するための水素燃料補給ステーションを提供する一方で、例えば、データセンターにバックアップ電力および冷却能力も提供する。スタンドアロンストレージオプションと比較して、本開示におけるシステムは、データセンターのためのバックアップ電力を生成するために使用される水素ボイルオフに起因する相対損失を大幅に低減する。クライオタンクに貯蔵された液体水素が有効に使用される。熱交換器または気化器からの過剰な冷却負荷は、効率的かつ生産的に利用される。このシステムははるかに高い冷却能力を提供し、一方、熱交換器は、冷凍ユニットと一体化されるときにはるかに効果的に使用される。

【0087】

タンクサイズは、燃料補給操作およびバックアップ電力要件によって決定することができる。ボイルオフはタンク内への熱漏れのために依然として起こり得るが、燃料補給ステーションとのカップリングでは生産的使用に対するボイルオフは非常に低い。実施例示のみのための実施例として、バックアップ電力ユニットのみが使用される場合、タンクは１０トンのＨ_２を保持し、９トンを失って１年間ボイルオフし、バックアップ電力生成における貴重な使用のために１トンのみを残すことができる。上述のシステムおよび方法を使用して、貯蔵タンクは同じサイズであってもよいが、ＬＨ_２は生産目的のために使用される。タンクが毎週再充填されると仮定すると、タンクは年間約５２０トンのＬＨ_２を保持することになる。同量のボイルオフでさえ、少なくとも５１１トンが生産目的のために使用される。さらに、ボイルオフガスが電力を生成するためにより頻繁に使用される場合、ボイルオフロスをさらに低減することができる。

【0088】

本システムおよび方法はまた、以下のような利点を提供する。例えば、液体水素燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ）の動作は、熱交換器６０（気化器）のより効果的な動作によって改善される。アキュムレータ８０によって提供される熱は、熱交換器７０の操作性を改善する。例えば、熱交換器として使用される強制通風気化器は空気からの水分の凍結により、伝熱面上に氷を蓄積することができる。氷層は、熱伝達係数を減少させ、システムを通る空気流を増加させるか、またはＬＨＲＳの制御を調整する必要性をもたらす。冷凍ユニット９０のアキュムレータ８０からの活性熱供給の使用はこの制限を回避し、ＬＨＲＳの動作ウィンドウを拡大する。

【0089】

別の実施例では、システムおよび方法は、ＬＨＲＳ動作中に熱交換器６０からの過剰な冷却負荷の生産的使用を提供する。ＬＨＲＳの通常運転からの過剰な冷却負荷は、生産的冷却目的のために使用される。これは、外部冷却処理からの正味エネルギー需要を減少させる。

【0090】

加えて、システムおよび方法は、ＬＨＲＳ操作およびデータセンター操作のためのクライオタンクボイルオフの効果的な使用を提供する。バックアップ電力ユニット１１０は、クライオタンク１０に蓄えられた水素を利用することができる。クライオタンク１０は、ＬＨＲＳ動作のための大きさで作られている。クライオタンク１０は一般的な慣行に従って、例えば、少なくとも３日間の操作の間、液体水素を含むようなサイズにすることができる。１日当たり１トンの燃料供給能力を有するステーションでは、少なくとも３トンのＬＨ_２の能力を有するクライオタンクが使用される。

【0091】

工業グレードのクライオタンクの典型的なボイルオフ速度は、約１％／日であり、これは、４トン容量（１８，０００ガロンタンク）を有するタンクの場合、約４０ｋｇ／日のボイルオフ損失値を示す。６０％効率の高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は２０ｋＷｈ／ｋｇの割合で発電することができ、したがって、４０ｋｇ／日の毎日のボイルオフフローは、３３ｋＷの平均発電速度を維持することができる。この電力はＬＨＲＳ動作、他のシステム（例えば、冷凍またはバックアップ電力クライアント）との統合からの通常の下流負荷、またはその両方をサポートするために使用され得る。バックアップ電力に対する相対Ｈ_２需要が通常の日需要よりも小さい場合、ＬＨＲＳシステムは、少なくとも１日の間、バックアップ電力生成と並列に動作することができる。

【0092】

バックアップ電力は断続的に、例えば、毎日よりも少ない頻度で供給することができる。バックアップ電力が必要とされるとき、発電のための燃料を供給するために追加のＨ_２を抽出することができる（図１の点線のボックス）。４トン容量タンクの実施例では、限界の３０％は１２００ｋｇのＨ_２に相当し、これは十分な設置燃料電池容量を提供する１．７ＭＷまでの毎日の需要をサポートすることができる。代替的に、クライオタンクからの増分Ｈ_２引き出しは限定されるものではないが、燃焼タービン、マイクロタービン、または往復エンジンを含む他の発電設備を動作させて発電するために使用することができる。正味電力は、電力変換装置の効率に依存する。効率の４０％の４００ｋＷｅ水素マイクロタービンシステムは、所望の出力を生成するために３０ｋｇ／ｈを使用することができた。

【0093】

クライオタンク容量の毎日の３０％の使用の上限は、クライオタンク１０の再充填または一次電力の回復の機会の期間を提供する。データセンターバックアップの場合、２～３日間のバックアップ燃料供給が必要である。延長された停止が予想される場合、貯蔵されたＬＨ_２の使用を最適化するために、再燃料挿入操作またはバックアップ電力動作を１日以上にわたって調整することができる。

【0094】

別の利点として、本システムおよび方法は、独立型貯蔵オプションと比較して、バックアップ電力に使用されるＨ_２のボイルオフ損失値を低減する。バックアップ電力ユニット１１０を有するシステムのための燃料の貯蔵は、ＬＨＲＳ動作に関連する動作損失値を超えてボイルオフ損失値を被らない。バックアップ電力ユニット１１０のためのＬＨ_２の貯蔵は、ＧＳａｕｒらによって公開されているようなバックアップ電力システムの一時的な使用プロファイルに関連する高いボイルオフ損失値によって、当業者によって実用的ではないと考えられる。一時的なバックアップ電力需要では、バックアップ電力ユニット１１０のための燃料の一部がボイルオフとして失われる。需要が低頻度であるほど、より多くの燃料が失われる。ＬＨ_２の主な用途が燃料補給需要であるＬＨＲＳ用のクライオタンク１０との統合は、ＬＨ_２燃料バックアップ電力システムに関連するボイルオフ損失値を低減する。

【0095】

本主題は例示的な実施形態に関して説明されたが、それに限定されない。むしろ、添付の特許請求の範囲は、当業者によってなされ得る他の変形例および実施形態を含むように広く解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0096】

【図1】いくつかの実施形態による、バックアップ発電機および冷凍ユニットを備える水素燃料補給ステーションなどの第１の例示的なシステムを示すブロック図である。

【図2】いくつかの実施形態による、データセンターにバックアップ電力を供給するためのバックアップ発電機と、データセンターに冷却負荷を供給する冷凍ユニットとを備える水素燃料補給ステーションなどの第２の例示的なシステムを示すブロック図である。

【図3】いくつかの実施形態による、バックアップ電力をデータセンターに供給するためのバックアップ発電機と、データセンターに冷却負荷を供給する冷凍ユニットと、水素製造ユニットと、液化装置とを備える水素燃料補給ステーションなどの第３の例示的なシステムを示すブロック図である。

【図4A】いくつかの実施形態による、水素などの液体燃料を分配する工程と、バックアップ電力を供給する工程と、および冷却負荷を供給する工程とを含む例示的な方法を示すフローチャートである。

【図4B】図４Ａの例示的な方法に含まれ得るいくつかの工程を示すフローチャートである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【国際調査報告】