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特表2024-530575液化ガス貯蔵のためのボイルオフ管理を伴う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】2024-08-23
(54)【発明の名称】液化ガス貯蔵のためのボイルオフ管理を伴うシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
F17C 13/00 20060101AFI20240816BHJP
F23K 5/00 20060101ALI20240816BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20240816BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20240816BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240816BHJP
【ＦＩ】
F17C13/00 302A
F23K5/00 307Z
H01M8/0606
H01M8/04 Z
H01M8/04 J
H01M8/10 101
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024500625
(86)(22)【出願日】2022-06-08
(85)【翻訳文提出日】2024-03-01
(86)【国際出願番号】 CN2022097666
(87)【国際公開番号】W WO2023279907
(87)【国際公開日】2023-01-12
(31)【優先権主張番号】17/371,370
(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】リ，シアンミン
(72)【発明者】
【氏名】ク，アンソニー
(72)【発明者】
【氏名】ステイジャー，ジェラド アレン
(72)【発明者】
【氏名】ラムテケ，アシュウィン
【テーマコード（参考）】
3E172
3K068
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
3E172AA03
3E172AA06
3E172AB01
3E172BD03
3E172BD05
3E172EA35
3E172EB03
3E172EB10
3E172HA04
3E172HA05
3E172HA08
3E172HA13
3K068AA02
3K068AA05
3K068AB12
3K068CB01
5H126BB06
5H127AA06
5H127AB04
5H127AC15
5H127BA02
5H127BA22
5H127FF20
(57)【要約】
液化燃料貯蔵のためのボイルオフ管理を有するシステムおよび方法が提供される。このシステムは、液化燃料を貯蔵するためのクライオタンクと、液化燃料の第１の流れを供給および圧縮するためのポンプと、液化燃料の第１の流れに冷却デューティを提供するための熱交換器と、熱交換器の後の液化燃料の第１の流れを液相および気相を含む多相流に膨張させるための膨張弁とを含む。多相流は、クライオタンクからの第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する。システムは、多相流中の液相と気相とを分離するための液体蒸気スプリッタをさらに含む。液相はクライオタンクに戻される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
その中に液化燃料を貯蔵するように構成されたクライオタンクと、前記クライオタンクと流体的に結合され、液化燃料の第１の流れを増加した圧力に圧縮しながら前記クライオタンクから前記液化燃料の前記第１の流れを提供するように構成されたポンプと、
前記ポンプと結合され、前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れに冷却デューティを提供するように構成された熱交換器と、
前記熱交換器からの前記液化燃料の前記第１の流れを、液相及び気相を含む多相流れに膨張させるように構成された膨張弁であって、前記多相流れは、前記クライオタンクからの前記第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する、膨張弁と、
前記膨張弁に流体的に結合され、前記多相流れ中の前記液相と前記気相とを分離するように構成された液体蒸気スプリッタであって、前記液相が前記クライオタンクに戻されるように構成されている、液体蒸気スプリッタと、を備える、システム。
【請求項2】
前記液化燃料が水素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ポンプが、前記クライオタンクの内部に配置された１つ以上の浸漬液体ポンプを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記熱交換器および前記膨張弁と結合され、前記熱交換器からの前記液化燃料の前記第１の流れを等エントロピー的に膨張させるように構成された膨張機タービンをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記膨張弁がジュール－トムソン弁である、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記クライオタンクに流体的に結合され、前記液相を前記クライオタンクに戻すように構成されたインターロックチャンバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記液体蒸気スプリッタは、前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れに追加の冷却デューティを提供するために、前記気相を前記熱交換器に提供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8】
前記クライオタンクは、前記クライオタンクのヘッドスペースから前記熱交換器に前記液化燃料の気相を提供して、前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れに追加の冷却デューティを提供するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記熱交換器に結合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から前記気体を受け取り、設備に冷却デューティを提供するように構成される、冷凍ユニットと、前記熱交換器から前記気体を受け取り、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、の少なくとも一方または両方をさらに備える、請求項８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が、前記電力を生成するための１つまたは複数の燃料電池を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記クライオタンクから前記液化燃料の第２の流れを受け取り、それを気体燃料または液体燃料の形態で受容燃料タンクに分配するように構成されたディスペンサを備える燃料補給ステーションをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
クライオタンクの内部に格納されるように液化燃料を供給する工程と、前記クライオタンクと流体的に結合されたポンプを通して、前記液化燃料の第１の流れを、前記液化燃料の前記第１の流れを増加した圧力に圧縮しながら、前記クライオタンクからポンプで送り出す工程と、
前記ポンプに連結された熱交換器を通して前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れを冷却する工程と、
前記熱交換器からの前記液化燃料の前記第１の流れを、膨張弁を通して多相流に膨張させる工程であって、前記多相流は、液相および気相を含み、前記クライオタンクからの前記第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する、工程と、
前記多相流中の前記液相と前記気相とを、前記膨張弁に流体的に結合された液体蒸気スプリッタを通して分離する工程と、
前記液体蒸気スプリッタから前記クライオタンクに前記液相を戻す工程と、を包含する、方法。
【請求項13】
前記液化燃料が水素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記ポンプが、前記クライオタンクの内部に配置された１つ以上の浸漬液体ポンプを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記熱交換器および前記膨張弁に結合された膨張機タービンを介して、前記熱交換器からの前記液化燃料の前記第１の流れを等エントロピー的に膨張させる工程をさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記膨張弁がジュール－トムソン弁である、請求項１２に記載の方法。
【請求項17】
前記液相は、前記クライオタンクに流体的に結合されたインターロックチャンバを通って前記クライオタンク内に戻される、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記クライオタンクに前記液相を戻す前記工程が、トップフィル処理において前記クライオタンクのヘッドスペース内の気相に前記液相を噴霧する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れに追加の冷却デューティを提供するために、前記液体蒸気スプリッタから前記熱交換器に前記気相を提供する工程をさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
前記ポンプからの前記液化燃料の前記第１の流れに追加の冷却デューティを提供するために、前記クライオタンクのヘッドスペースから前記熱交換器に前記液化燃料の気相を提供する工程をさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項21】
前記熱交換器からの前記気体を利用して、前記熱交換器に接続された冷凍ユニットからそれを必要とする設備に冷却能力を提供する工程と、前記熱交換器からの前記気体を利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、の少なくとも一方または両方をさらに包含する、請求項２０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つまたは複数の燃料電池を介して生成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記電力は前記バックアップ電力ユニットからデータセンタまたは前記ポンプに供給され、前記冷凍ユニットからの前記冷却能力は前記データセンタを冷却するために使用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記クライオタンクからの前記液化燃料の第２の流れを、ディスペンサを含む燃料補給ステーションに供給する工程と、前記液化燃料を、気体燃料または液体燃料の形態で受容燃料タンクに分配する工程と、をさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
（発明の分野）
本開示は、概して、液化ガスまたは燃料を貯蔵、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、開示される主題が水素を貯蔵および／または燃料補給するためのシステムおよび方法に関する。
本開示は、概して、液化ガスまたは燃料を貯蔵、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、開示される主題が水素を貯蔵および／または燃料補給するためのシステムおよび方法に関する。
【0002】
（背景）
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。石油由来燃料の燃焼に伴う供給の制限および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。
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。石油由来燃料の燃焼に伴う供給の制限および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】
燃料電池車両用の水素燃料補給ステーションは、圧縮気体水素として車両に分配される前に、燃料を気体または液体として貯蔵することができる。液体水素などの液化ガスまたは燃料は、環境から断熱された極低温タンク内に貯蔵することができる。しかしながら、タンク内への熱漏れは、液体が環境からの熱漏れを吸収するので、液化ガスを気化させて「ボイルオフ」蒸気を発生させる。タンク内の圧力は、蒸気がタンク内に蓄積し続けるにつれて増加する。余分な蒸気は、タンクを圧力限界の下に保つために、リリーフ弁を通して環境に排出されなければならず、これは、ある程度の液化燃料またはガスの損失を引き起こす。沸騰が最小またはゼロのシステムが必要である。
【0004】
（発明の概要）
本開示は、液化ガスまたは燃料の貯蔵のためのボイルオフ管理を伴うシステムおよび方法を提供する。例えば、液化燃料は、水素を含むかまたは水素であり、システムは、液体水素を貯蔵および／または使用するためのシステムである。
本開示は、液化ガスまたは燃料の貯蔵のためのボイルオフ管理を伴うシステムおよび方法を提供する。例えば、液化燃料は、水素を含むかまたは水素であり、システムは、液体水素を貯蔵および／または使用するためのシステムである。
【0005】
いくつかの実施形態によれば、システムは、その中に液化燃料を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結合されたポンプと、ポンプと結合された熱交換器と、膨張弁と、膨張弁と流体的に結合された液体蒸気スプリッタとを備える。ポンプは液化燃料の第１の流れを高圧に圧縮しながら、クライオタンクから液化燃料の第１の流れを提供またはポンプで吸い上げるように構成される。熱交換器は、ポンプからの液化燃料の第１の流れに冷却デューティを提供するように構成される。膨張弁は、熱交換器からの液化燃料の第１の流れを、液相および気相を含む多相流れに膨張させるように構成される。多相流は、クライオタンクからの第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する。液体蒸気スプリッタは、膨張弁に流体的に結合され、多相流中の液相と気相とを分離するように構成される。液相は、クライオタンク内に戻されるように構成される。
【0006】
いくつかの実施形態において、液化燃料は、水素を含むか、または水素である。ポンプは、クライオタンクの内部に配置され、圧送される液化燃料の第１の流れの圧力を圧縮し、増加させるように構成された、１つまたは複数の浸漬液体ポンプを備える。
【0007】
いくつかの実施形態では、システムが、熱交換器および膨張弁に結合された膨張機タービンをさらに備える。膨張機タービンは、熱交換器からの液化燃料の第１の流れを等エントロピー的に膨張させるように構成される。
【0008】
膨張弁は、いくつかの実施形態ではジュール－トムソン（Ｊ－Ｔ）弁である。システムは、クライオタンクに流体的に結合され、液相をクライオタンクに戻すように構成されたインターロックチャンバをさらに備えてもよい。液相は、液化燃料と混合されるか、またはクライオタンクのヘッドスペースに噴霧されてもよい。気相は、ヘッドスペース内に存在し得る。
【0009】
いくつかの実施形態では、液体蒸気スプリッタが、ポンプからの液化燃料の第１の流れに追加の冷却負荷を提供するために、気相を熱交換器に提供するように構成される。加えて、クライオタンクは、クライオタンクのヘッドスペースから熱交換器に液化燃料の気相を提供して、ポンプからの液化燃料の第１の流れに追加の冷却デューティを提供するように構成されてもよい。システムは、熱交換器に結合された冷凍ユニットおよびバックアップ電力ユニットの少なくとも一方または両方をさらに備えてもよい。冷凍ユニットは熱交換器からガスまたは蒸気相を受け取り、データセンタなどの設備に冷却デューティを提供するように構成される。バックアップ電力ユニットは、熱交換器からガスまたは気相を受け取り、電力を生成するように構成される。バックアップ動力ユニットは、発電のための１つまたは複数の燃料電池または燃焼エンジンを備える。
【0010】
いくつかの実施形態では、システムがディスペンサを備える燃料補給ステーションをさらに備えてもよい。燃料補給ステーションはクライオタンクから液化燃料の第２の流れを受け取り、それを気体燃料または液体燃料の形態で、車両用の車載燃料タンクなどの受容燃料タンクに分配するように構成される。
【0011】
別の態様では、本開示が方法を提供する。そのような方法はクライオタンク内に貯蔵された液化燃料を提供する工程と、クライオタンクと流体的に結合されたポンプを介して、液化燃料の第１の流れを高圧に圧縮しながら、クライオタンクから液化燃料の第１の流れを圧送する工程とを含む。本方法は、システムからのより低温のガス流（ヘッドスペースガス、またはスプリッタの後の気相ガスのいずれか）と結合され得る熱交換器を通してポンプから液化燃料の第１の流れを冷却する工程と、熱交換器からの液化燃料の第１の流れを、膨張弁を通して多相流に膨張させる工程とをさらに含む。冷却プロセスは、実質的に等圧であり得る。多相流は液相および気相を含み、クライオタンクからの第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する。この方法は、膨張弁に流体的に結合された液体蒸気スプリッタを介して多相流中の液相および気相を分離する工程と、液体蒸気スプリッタからクライオタンクに液相を戻す工程とをさらに含む。
【0012】
いくつかの実施形態において、液化燃料は、水素を含むか、または水素である。ポンプは、クライオタンクの内部に配置された１つ以上の浸漬液体ポンプを備える。本方法は、熱交換器と膨張弁とに結合された膨張機タービンを通して、熱交換器からの液化燃料の第１の流れを等エントロピー的に膨張させる工程をさらに含むことができる。膨張弁は、いくつかの実施形態ではジュール－トムソン弁である。
【0013】
いくつかの実施形態では、液相がクライオタンクに流体的に結合されたインターロックチャンバを通ってクライオタンク内に戻される。液相は、クライオタンク内の液相に供給されるか、またはトップフィル処理においてクライオタンクのヘッドスペース内の気相に噴霧され得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、本方法が、ポンプからの液体化燃料の第１の流れに追加の冷却デューティを提供するために、液体蒸気スプリッタから熱交換器に気相を提供する工程をさらに含む。さらに、本方法は、クライオタンクのヘッドスペースからの液化燃料の気相を熱交換器に供給して、ポンプからの液化燃料の第１の流れに追加の冷却デューティを提供する工程をさらに含むことができる。本方法はさらに、熱交換器からの気相または気相を使用することによって、熱交換器に結合された冷凍ユニットからそれを必要とする設備へ冷却能力を提供する工程と、熱交換器からのガスまたは気相を使用することによって、バックアップ電力ユニットにおいて電力を生成する工程との少なくとも一方または両方を含むことができる。いくつかの実施形態では、電力がバックアップ電力ユニット内の１つまたは複数の燃料電池を介して生成される。バックアップ電力ユニットからの電力は、データセンタまたはポンプに供給されてもよい。冷凍ユニットは冷却が必要とされる設備または環境、例えば、データセンタに冷却能力を提供する。
【0015】
本方法は、クライオタンクからの液化燃料の第２の流れを、ディスペンサを備える燃料補給ステーションに提供する工程と、それを、気体燃料または液体燃料の形態で、受容燃料タンク、例えば、車両内の搭載燃料タンクに分配する工程とをさらに含むことができる。
【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、本開示が水素貯蔵および燃料補給のためのシステムを提供する。本開示におけるシステムは、水素などの液化燃料の損失を最小限にするか、または排除するか、または水素ボイルオフの損失をゼロにする。貯蔵タンク内の液化燃料からの水素ガスまたは蒸気は例えば、ポンプにバックアップ電力を提供し、例えば、データセンタに冷却能力を提供するために使用することもできる。
【0017】
（図面の簡単な説明）
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。
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１はいくつかの実施形態による、液体、蒸気、および超臨界流体の第１の例示的なシステムおよび流路を示すブロック図である。
【0019】
【0020】
図３は、いくつかの実施形態による、液体、蒸気、および超臨界流体の第２の例示的なシステムおよび流路を示すブロック図である。
【0021】
図４は、ジュール－トムソン（Ｊ－Ｔ）膨張および冷却効率後の液体分率に対するヘッドスペースフローの効果を示す。
【0022】
【0023】
図６は、ジュール－トムソン（Ｊ－Ｔ）膨張および９００バールでのポンプ吐出圧力での冷却効率後の液体分率に対するヘッドスペースフローの効果を示す。
【0024】
図７は、いくつかの実施形態による、クライオタンクからの水素を使用して、ボイルオフ管理と下流の発電とを統合した第３の例示的なシステムを示すブロック図である。
【0025】
図８は、いくつかの実施形態による、ボイルオフ管理と、下流の発電と、冷却デューティを提供する冷凍ユニットとを統合した第４の例示的なシステムを示すブロック図である。
【0026】
図９は、いくつかの実施形態による、燃料補給ステーションを備える第５の例示的なシステムを示すブロック図である。
【0027】
図１０は、液体水素燃料補給ステーション（ＬＨＲＳ）の例示的な燃料補給動作中の、クライオタンク内の液体レベル、水素質量流量、およびクライオタンク内のヘッドスペース圧力を示す。
【0028】
【0029】
図１２は、先行技術において報告された発射パッド過冷却システムのために提案された熱力学的冷媒過冷却器（ＴＣＳ）を示す。
【0030】
（詳細な説明）
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「下方」、「上端」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下部」、「上」、「下」、「トップ」、および「底部」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」、「底部」、「上端」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。
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「下方」、「上端」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下部」、「上」、「下」、「トップ」、および「底部」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」、「底部」、「上端」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。
【0031】
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。
【0032】
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、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、または工程が、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列挙されるかどうかにかかわらず、意図される。
【0033】
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。
【0034】
特に明示のない限り、水素などの液化燃料は、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。それは、気体燃料または液体燃料として、車両内の受容タンクに分配することができる。本開示では、用語「燃料補給」および「燃料供給」が互換的に使用される。
【0035】
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に「接続される」、「結合される」、「結合される」、または「接触する」こと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に「直接的に接続される」、「直接的に結合される」、「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。
【0036】
本明細書で使用するとき、用語「thermally coupled to（熱的に結合される）」又は「thermally coupled with（熱的に結合される）」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、構成要素が直接又は介在構成要素を介して結合され、構成要素が互いに直接接触してもよく、又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「fluidly coupled to（に流体的に結合される）」または「fluidly coupled with（に流体的に結合される）」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」又は「電気的に接続される」という用語は、有線又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。
【0037】
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。
【0038】
液化ガスまたは液体水素などの燃料は、極低温タンク内に貯蔵される。これらのタンクへの熱漏れは、液体を気化させ、「ボイルオフ」蒸気を発生させ、タンク内のヘッドスペースガスの圧力を増加させる。時間が経つにつれて、タンク内の圧力の増大はクライオタンクをその圧力限界下に保つために、ヘッドスペース内のガス状水素を通気する必要性をもたらす。通気の代替として、ボイルオフ問題は、熱漏れを相殺するためにタンクに冷却デューティを導入することによって解決することができる。
【0039】
極低温液体水素貯蔵の目標はゼロボイルオフであり、これは、極低温タンクからのガスとしての水素の損失を最小限に抑えるか、または排除し、その結果、運転効率が改善される。
【0040】
水素の大規模貯蔵のための選択肢は、ＪＡｎｄｅｒｓｓｏｎ、ｅｔ ａｌ、「ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，」 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ ４４ （２０１９）： １１９０１－１１９１９に概説されている。ベントされたボイルオフガスはシステムからのその正味の損失を回避するために、液化サイクルの後期段階に注入することができる。しかしながら、貯蔵用のクライオタンクは大規模な液化設備に近接していなければならず、重量計、ベントされたボイルオフガスを収集し、それを液化システムに送達するための対策が講じられなければならない。
【0041】
ＷＵＮｏｔａｒｄｏｎａｔｏ、ｅｔ ａｌ、「Ｚｅｒｏ ｂｏｉｌ－ｏｆｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｄｒｏｇｅ ｔａｎｋｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ，」 ＩＯＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ： Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２７８ （１）、２０１７に記載されているように、液体水素タンクからエネルギーを除去し推進器の状態を制御するために、集積された冷凍及び貯蔵（ＩＲＡＳ）のシステムが使用されていた。タンクに入る熱漏れは、タンクに挿入された熱交換器を有するヘリウムを使用する極低温冷凍機によって除去される。１つの極低温冷凍機は、閉ループヘリウム冷凍システムを使用するブレイトンサイクルユニットであるＬｉｎｄｅ ＬＲ１６２０冷凍機であった。しかしながら、このアプローチは例えば、ゼロボイルオフ動作中の統合システムの温度および圧力制御、埋め込まれた熱交換器を有するクライオタンクの製造における課題、および非定常冷却デューティ要件に適合するためのサイクリング中を含むヘリウムクライオクーラのエネルギー消費など、多くの課題に直面する。
【0042】
Ｄ． ＲＺａｋａｒらは、極低温ループヒートパイプを使用して、生成された蒸気の量を貯蔵タンクから除去し、それを極低温冷却器に輸送し、そこで液体に凝縮して戻し、タンクに戻すことを報告した。ＤＲＺａｋａｒら、「無人航空機に使用するためのゼロボイルオフ車両貯蔵低温ループヒートパイプ」、第１５回国際エネルギー転換技術会議、２０１７を参照されたい。ヒートパイプシステムは、タンクヘッドスペースから抽出された蒸気を再液化するためにクライオクーラを必要とする。
【0043】
しかしながら、クライオクーラを使用するシステムでは、膨張サイクルを使用して３０Ｋ未満の温度で冷却デューティを供給することができる既存のクライオクーラは複雑であり、多段を必要とする。磁気熱量処理に基づく代替的なクロイクーラーは、依然として開発段階にあり、大規模運転のための材料および工学的ブレークスルーを待っている。加えて、クライオクーラが使用される場合、クライオクーラシステムのサイズにも制限がある。複数のシステムを並列に設置することができるが、これは複雑さ、エネルギー使用、および資本コストのために、拡張性に対する課題を提示する。
【0044】
発射台サブクーリングシステムのための熱力学的クライオゲンサブクーラー（ＴＣＳ）の概念が提案された。ＳＭｕｓｔａｆｉ、ｅｔ ａｌ、（２００９、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ）、「Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｓｐａｃｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，」 ＡＩＡＡ ＳＰＡＣＥ ２００９ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ＆ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（２００９）．を参照されたい。理論的等圧冷却プロセスでは、液体水素が、熱交換器を使用して、ジュール－トムソン弁を通して等エンタルピー的に膨張されて、クライオタンクから循環される液体水素をサブクールする。膨張した流れからの水素はタンクに戻されない。
【0045】
しかしながら、そのようなＴＣＳ概念では、冷却の程度が、クライオタンク内の開始圧力および膨張後の最終圧力によって制限される。膨張した水素は、タンクシステムの外部で使用するために圧縮されなければならない。例えば、４段圧縮機が必要である。膨張した水素はどれもクライオタンクに戻されない。これは、タンクの崩壊を防ぐために加えられる低温ヘリウム加圧ガスによって相殺されなければならない圧力の潜在的な低下をもたらす。
【0046】
等エンタルピー膨張前にクライオタンクからの液体流を圧縮する可能性は考慮されていない。
【0047】
本開示は、液化ガスまたは燃料の貯蔵のためのボイルオフ管理を伴うシステムおよび方法を提供する。例えば、液化燃料は、水素を含むかまたは水素であり、システムは、液体水素を貯蔵および／または使用するためのシステムである。
【0048】
いくつかの実施形態では、本開示がタンク内の液体水素の温度より低い温度を有する液体水素の流れを生成するために、圧縮－膨張サイクルを使用して、熱漏れの少なくとも一部をクライオタンク含有液体水素にオフセットするボイルオフ管理システムを提供する。圧縮－膨張サイクルは、クライオタンクから抽出された液体水素の流れと、液体流れを圧縮するための液体水素ポンプと、圧縮された液体水素を冷却するための熱交換器と、初期液体流れよりも低い温度で飽和液体水素を生成するための膨張器と、クライオタンクから元々抽出された液体水素の温度よりも低い温度に冷却された液体水素を送達するための戻り機構とを備える。システムは随意に、水素を使用して電気を生成する発電システムを備え、発電システムはボイルオフガスの一部によって電力供給され、随意に、ポンプを動作させるための電気を提供する。本開示はまた、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。バックアップ電力及び冷却能力の両方は、データセンタのような、それを必要とするサイト又は施設に供給される。
【0049】
図１、図３、および図７～９において、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２、図４、図５～図６、および図１０は、図１、図３、および図７～図９に示されるシステムに関連する例のＴ－Ｓ図および特性を示す。図１１Ａ～図１１Ｃに記載される方法は、図１、図３、および図７～９に記載される例示的な構造を参照して説明される。図１、図３、および図７～９において、円内の数字は、流体の流れおよび異なる流れを表す。異なる段階の同じ流れは、異なる数字を使用してラベル付けされ得る。
【0050】
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２０と、ポンプ４０と、熱交換器６０と、膨張弁８０と、液体蒸気スプリッタ９０とを備える。システムは、膨張機タービン７０をさらに備えることができる。クライオタンク２０は、その中に液化燃料１４を貯蔵するように構成される。
【0051】
クライオタンク２０は、液体水素などの液化燃料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。いくつかの実施形態において、液化燃料１４は、水素を含むか、または水素である。クライオタンク２０は、液化燃料１４の気相１６（ボイルオフ）が存在し得るヘッドスペース２２を含み得る。
【0052】
ポンプ４０は、クライオタンク２０と流体的に結合され、液化燃料１４の第１の流れ１を高圧に圧縮しながら、クライオタンク２０から液化燃料１４の第１の流れ１を提供又はポンプするように構成される。ポンプ４０は、クライオタンク２０の内部に配置され、圧送される液化燃料の流れを圧縮し圧力を増加させるように構成された１つ以上の液中液体ポンプを備える。ポンプ４０から排出される液化燃料の流れ（２と表示）は、超臨界状態であってもよい。
【0053】
熱交換器６０は、ポンプ４０に結合され、ポンプ４０からの液化燃料の流れ２に冷却デューティを提供するように構成される。冷却された流れは、３と表示され、超臨界状態であってもよい。
【0054】
膨張機タービン７０は、熱交換器６０及び膨張弁８０に連結されている。膨張機タービン７０は、熱交換器６０からの液化燃料の流れ３を等エントロピー的に膨張させる一方で、より低い温度で排気口流れ（４と表示）を生成するように構成される。
【0055】
膨張弁８０は、熱交換器６０または膨張機タービン７０からの液化燃料の流れを、液相７および気相６を含む多相流れ５に膨張させるように構成される。膨張弁は、いくつかの実施形態ではジュール－トムソン（Ｊ－Ｔ）弁である。液体は、Ｊ－Ｔバルブまたはプラグを通して押し出され、その温度は低下する。多相流５は、混合相の液－蒸気流であり、クライオタンク２０からの第１の流れ１の初期温度よりも低い温度を有する。
【0056】
液体蒸気スプリッタ９０は、膨張弁８０に流体的に結合され、多相流５中の液相７と気相６とを分離するように構成される。液相７は、クライオタンク２０内に戻されるように構成される。そのような戻された液相７は、液体水素などの液化燃料のボイルオフを最小限に抑えるかまたは排除するために、冷却デューティをクライオタンク２０に提供する。
【0057】
例示的なシステム１００は、クライオタンク２０に流体的に結合され、液相７をクライオタンク２０に戻すように構成されたインターロックチャンバ９４をさらに備えることができる。インターロックチャンバ９４は少なくとも２つのポートを含むことができ、これらのポートは、より高い圧力で低圧の液体をクライオタンク２０内に送出することができるように、順番に開くことができる。インターロックチャンバ９４は、また、クライオタンク２０内の圧力を、冷却された液体（液相７）の圧力よりも低くなるように低下させる動作と組み合わされた逆止弁を含むことができる。液相７は、液化燃料１４と混合されてもよく、またはクライオタンク２０のヘッドスペース２２に噴霧されて、ヘッドスペース２２に存在し得る気相１６と混合されてもよい。
【0058】
液体蒸気スプリッタ９０からの気相６は、ポンプ４０からの液化燃料１４の圧縮された流れ２に追加の冷却負荷を提供するために、熱交換器６０に提供されてもよい。熱交換器６０を通過した後の気相６は、ガス流８としてラベル付けされる。
【0059】
実施例１として、例示的なシステム１００は、液体水素の圧力を４５０バールに増加させる等エントロピー圧縮のための液中液体ポンプを有するように設計されている。図２は、ボイルオフ管理を伴う例示的なシステム１００を通って進むときの水素の熱力学的状態を示すＴ－Ｓ図である。Ｔ－Ｓ線図において、横軸に平行な線は等温処理を表し、縦軸に平行な線は等エントロピー処理を表す。
【0060】
図２において、水素のプロセスおよび状態は、ポンプ４０による等エントロピー圧縮（１から２までの水素の状態）、熱交換器６０による冷却（２から３まで）、膨張機タービン７０による液体膨張（３から４まで）、Ｊ－Ｔバルブなどの膨張弁８０による多相流への膨張（４から５まで）、およびスプリッタ９０による分離（５から６および７まで）を含む。状態２および３の水素流は超臨界（ＳＣ）である。熱交換器６０における気相の６から８への変化は、冷却プロセス（２から３）における追加の冷却を提供する。
【0061】
各点における流れの状態を表１に列挙する。
【0062】
【表1】
【0063】
実施例１の熱力学的サイクルでは、水素の液体流１がクライオタンク２０から抽出される。この実施例では、タンク圧力は５バールであり、温度は２７Ｋであり、流れ１は飽和液体である。ポンプは、温度が４７．４Ｋである間、液体水素流を４５０ｂａｒに等エントロピー圧縮する。水素流２は超臨界である。このような超臨界水素流は、より低温のガス（気相６）と熱交換されて、その温度を４３．０Ｋに冷却する。冷却された超臨界流３は、タービン出口での二相流を回避するために、タービンを通して７０～３０バール（ａ）等エントロピー膨張される。温度は２７．３Ｋである。ジュール－トンプソンバルブを使用して、流れ４を膨張させて、多相飽和液体－飽和蒸気流５を生成する。この実施例では、多相流５が１バールおよび２０．３Ｋである。エンタルピーバランスに基づいて、流れは、７７．６％の液体および２２．４％の蒸気を含む。分離後、それは飽和液体７および飽和蒸気６となり、その両方は１バール（ａ）である。蒸気６は、ポンプ（上記）を出る超臨界水素流を冷却するために使用される。蒸気流は、超臨界水素流を４７Ｋから４３Ｋに冷却する。次いで、蒸気流は、３８．２Ｋでボイルオフ管理システムを出る。蒸気流は４４．０４ｋＪのエネルギーを失った。
【0064】
２０Ｋおよび１バールの液体流７をタンクに戻す。インターロックチャンバは、５バールでタンクに液体を戻すための圧力差を管理するために使用される。水槽に送給される正味の冷房負荷は、６８ｋＪ／ｋｇ Ｈ２である。実測電力量７２０ｋＪｅ／ｋｇ Ｈ２ポンプ（０．２ｋＷｈ／ｋｇ）を用いた場合、エネルギー効率は９．５％であった。このエネルギー効率は、１％未満の効率に対応する同様の温度範囲でワットのオーダーの冷却電力を供給するためにキロワットの電力を引き出すことができるクライオクーラシステムに好都合に匹敵する。
【0065】
図３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のための構成要素は、クライオタンク２０がクライオタンク２０のヘッドスペース２２から熱交換器６０までの液化燃料１４の気相１６を提供して、ポンプ４０からの液化燃料の第１の流れ（すなわち、流れ２）に追加の冷却負荷を提供するように構成され得ることを除いて、例示的なシステム１００の構成要素と同じである。
【0066】
実施例２として、例示的なシステム２００は、ヘッドスペースガス９（蒸気１６がクライオタンク２０を出た後、流れ９になる）を追加の冷却剤として、Ｐ２００Ｈポンプを用いて４５０バールに設計されている。圧縮ガスの冷却は、クライオタンク圧で飽和したヘッドスペース蒸気９（実施例２では５バール）とＪ－Ｔフラッシュガス（実施例２では流れ６、１バールの飽和蒸気）の混合物を用いて行われる。得られた混合物を、１バールおよび２１．１Ｋで流れ１０とする。理想的には２ステッププロセスがより少ないエクセルギー破壊で熱力学的により効率的であり、より暖かいヘッドスペースガス（流れ９）が最初にポンプ吐出（流れ２）を冷却し、次いで、より冷たいＪ－Ｔフラッシュガス（流れ６）がポンプ吐出をさらに冷却するが、そのような２ステッププロセスはより複雑であり、潜在的によりコストがかかる。代わりに、混合流１０は、ポンプ吐出を冷却するために使用される。
【0067】
図４に示されるように、Ｊ－Ｔフラッシュガスに対するヘッドスペースガスの量を変化させることによって、様々な量の冷却効率を達成することができる。図４は、Ｊ－Ｔ膨張および冷却効率後の液体分率に対するヘッドスペースフローの影響を示す。ヘッドスペースの質量流量はポンプ吐出流量に対する比率であり、冷却効率は、ポンプエネルギー消費（０．２ｋＷｈ／ｋｇ）に対して１バールでのＪ－Ｔフラッシュ液体の冷却力である。図４中の略語「ｌｉｑ」および「ｅｆｆ」は、それぞれ「液体」および「効率」を表す。より高いヘッドスペースガスフローは、液体分率および冷却効率を増加させるが、液体分率が１００％に近づくにつれて、リターン作用を減少させる。最良の投資リターンは、曲線の最も急な部分にあるので、ポンプ吐出流１ｋｇ当たりヘッドスペースガス０．５ｋｇである。この条件を用いたＴ－Ｓ図を図５に示し、実施例２における流れの熱力学的状態を示す。流れの状態も表２に列挙されている。
【0068】
【表2】
【0069】
実施例３のように、例示的なシステム２００は、また、ヘッドスペース冷却を伴う９００バールまでの等エントロピーポンピングを用いて設計されている。実施例２はヘッドスペースガスを使用することが冷却効率を改善し、したがって、ヘッドスペースガスフローが特別な場合ではないことを実証する。実施例３では、例示的なシステム２００が、流れ２が９００バールに圧縮されている間に使用される。
【0070】
図６は、９００バールでのポンプ吐出圧力でのＪ－Ｔ膨張および冷却効率後の液体分率に対するヘッドスペースフローの影響を示す。９００バールのポンピングには０．４ｋＷｈ／ｋｇのポンピングエネルギーが使用される。
【0071】
実施例３ではポンプ４０が公称等エントロピーであり、流れ２は、ポンプの出口圧力がより高いので、実施例１よりも高い温度にある。加えて、冷却デューティは、ヘッドスペースガス（流れ９）と、Ｊ－Ｔ膨張後に生成される飽和蒸気（流れ６）との組み合わせを使用して提供される。実施例１と比較して、流れ２をより高い圧力に圧縮すると、ヘッドスペースガス冷却を行わなくても、Ｊ－Ｔ膨張後の液体の割合がより高くなる（０．８３６対０．７７６）。冷却負荷は増加するが、ポンピングに必要な電気エネルギーは４５０バール～０．４ｋＷｈ／ｋｇの２倍である。さらに、Ｊ－Ｔ膨張後の少量の蒸気は、流れ２の冷却の大部分がＪ－Ｔフラッシュガス（流れ６）を用いて達成されることを意味する。
【0072】
表３は、ポンプ吐出（流れ２）フロー１ｋｇ当たり０．２ｋｇのヘッドスペースガスフローを有する、実施例３の流れおよび熱力学的状態を示す。
【0073】
【表3】
【0074】
図７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、例示的なシステム３００がバックアップ電力１２０をさらに含むことを除いて、例示的なシステム２００と同じである。例示的なシステム３００は、ボイルオフ管理システムと下流の発電ユニットとの統合を示す。バックアップ電力ユニットは熱交換器６０からガス８を受け取り、電力を生成するように構成される。バックアップ電力ユニット１２０は、発電のための１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを備える。排気１１は、水蒸気であってもよい。任意選択的に、１つまたは複数の燃焼エンジンをバックアップ電力ユニット１２０内で使用して、熱サイクルを通して電気を生成することができる。燃焼エンジンの好適な例としては往復エンジン、ガスタービン又はマイクロタービン、及び水素タービンが挙げられるが、これらに限定されない。
【0075】
実施例４として、例示的なシステム３００もまた、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池またはセルを使用する４５０バールのポンプ放電および発電を用いて設計されている。この実施形態は、クライオタンク２０からのＨ２を使用して、ボイルオフマネジメントシステムを後続の発電と統合することを含む。この実施例は、２０ｋＷｈ／ｋｇのＨ２蒸気がＰＥＭ燃料電池に供給される、電力を生成するためのＰＥＭ燃料電池を有するバックアップ電力ユニット１２０の使用を示す。ここでは、クライオタンク２０から引き出された０．２ｋＷｈ／ｋｇ Ｈ２に相当する、ポンプ４０に電力を供給するために、ＰＥＭシステムによって生成される電力の一部が使用される。
【0076】
図８を参照すると、例示的なシステム４００が示されている。例示的なシステム４００は、例示的なシステム４００がバックアップ電力１２０と、熱交換器６０に結合された冷凍ユニット１２２とをさらに備えることを除いて、例示的なシステム２００と同じである。例示的なシステム４００は、ボイルオフ管理システムと、データセンタ冷却のための下流の発電ユニットおよび冷凍ユニットとの統合を示す。冷凍ユニット１２２は、熱交換器６０からガス８を受け取り、データセンタなどの設備１２４に冷却デューティを提供するように構成される。バックアップ電力ユニット１２０は、冷凍機１２２に結合することができ、熱交換器６０および／または冷凍機１２２から水素ガスを受け取り、電力を生成するように構成される。バックアップ電力ユニット１２０は、発電のための１つ以上の燃料電池または燃焼エンジンを備える。
【0077】
実施例５として、例示的なシステム４００も設計されている。例示の目的のために、ポンプ吐出圧力は４５０バールに設定され、ポンプ吐出流量に対するヘッドスペースガス質量流量の比率は０．５に設定される。この事例では、ボイルオフマネジメントシステムを、クライオタンク２０からのＨ２を用いた後続の生成と統合し、蒸気Ｈ２流から抽出された追加の冷却デューティを用いて生成に使用する（例えば、ガス８からガス１２へ）。図８には、データセンタなどの設備１２４内の冷却負荷との任意の統合が示されている。
【0078】
実施例５は、熱交換器６０を使用して、圧縮液体Ｈ２流れと交換した後であるが、ＰＥＭ燃料電池発電ユニットなどのバックアップ電力ユニット１２０に入る前に、蒸気Ｈ２流れから冷房負荷を抽出することを示す。冷却デューティは、データセンタに冷却デューティを提供するために使用される。冷却負荷は、温度が０℃未満のコールドシンクを必要とするあらゆるプロセスでも使用できる。実施例５では、クライオタンクは５バールであり、熱交換器からの蒸気の出射温度は３３．８Ｋであり、流れを－２０Ｃに上昇させる際の冷房ポテンシャルは約１．０ｋＷｈ．ｔｈ／ｋｇ Ｈ２である。
【0079】
図９を参照すると、例示的なシステム５００が示されている。例示的なシステム５００は、例示的なシステム５００がディスペンサを含む燃料補給ステーション１４０をさらに備えることを除いて、例示的なシステム１００と同じである。例示的なシステム５００は、燃料電池車両用の水素燃料補給ステーションとボイルオフ管理システムとの統合を示す。燃料補給ステーション１４０は、クライオタンク２０から液化燃料１４の第２の流れ１３を受け取り、それを気体燃料または液体燃料の形態で、車両用の車載燃料タンクなどの受容燃料タンクに分配するように構成される。燃料補給ステーション１４０は、また、液化燃料１４をクライオタンク２０から分配される気体燃料に変換するための追加の熱交換器を含むことができる。
【0080】
実施例６として、例示的なシステム５００も設計されている。そのようなシステムでは、ボイルオフ管理システムが燃料電池車両用の水素燃料補給ステーション（ＨＲＳ）と統合される。燃料補給ステーション１４０では、ポンプ４０からの圧縮液体Ｈ２を使用して、最終的に、予冷却された圧縮気体充填物または圧縮液体水素を、水素燃料電池車両用の車載Ｈ２貯蔵タンクに送達する。
【0081】
ＨＲＳとの統合に加えて、実施例６における特徴は、冷却された液体の戻りである。インターロックを使用するのではなく、冷却された液体７は、逆止弁を有するチャンバ９４内に貯蔵される。ポンプ４０は、また、燃料補給のために水素を供給するためにも使用される。いくつかの状態（例えば、高流量運転）では、クライオタンク２０内の圧力が降下する。ＨＲＳの動作サイクル中、システムがクライオタンク２０内への静的熱漏れに関連するボイルオフのために燃料を分配しないとき、シロタンク２０内の圧力は増加する。ＨＲＳ動作中、燃料の除去は、圧力を低下させる可能性がある。この実施例では、クライオタンクの圧力が冷却された液体７の圧力未満に低下すると、逆止弁を通ってクライオタンク２０に流れ込むことができる。
【0082】
図１０は、ＬＨＲＳ燃料供給動作中のクライオタンク内のヘッドスペース圧力を示す。３台のバスをバックトゥーバックして給油する間、圧力は６．３バールから５．５バールに低下する。図１０では、クライオタンク内の液体レベル、水素質量流量（ｋｇ／ｈｒ）、およびクライオタンク内のヘッドスペース圧力（バール（ｇ））がそれぞれ、上部、中間、および下部パネルに示されている。曲線は、試験システムデータベースから生成した。３つのバックトゥーバック充填の各々は約１２分間継続し、約４０ｋｇの水素を分配し、クライオタンクのヘッドスペース圧力を０．５バール以上低下させた。しかし、充填間のアイドル時間中に、クライオタンク二相系が平衡化し、静的な熱漏れがクリープインすることにつれて、ヘッドスペース圧力は約０．２バール回復した。図１０の結果はポンプにおいて達成することが困難であり得る、上述のような圧力降下の証拠を提供し、また、より温かい液体フドロゲンを再燃料挿入操作によってポンプアウトすることによって、より冷たい液体流をクライオタンクに戻す動的方法を支持する。
【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。冷却デューティは、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、間欠的な生成されてもよい。
【0084】
図１１Ａを参照すると、本開示はまた、上記で説明され、また、以下で一般的に説明される例示的な方法６００を提供する。
【0085】
ステップ６０２において、液化燃料１４が提供され、クライオタンク２０内に貯蔵される。いくつかの実施形態において、液化燃料１４は、水素を含むか、または水素である。
【0086】
ステップ６０４において、液化燃料の第１の流れ１は、クライオタンク２０からポンプで吸い上げられ、クライオタンク２０と流体的に結合されたポンプ４０を介して、増加した圧力に圧縮される。流れ１および後続の流れは、第１の流れと呼ばれる。ポンプ４０は、クライオタンク２０の内部に配置された１つ以上の浸漬液体ポンプを備えてもよい。
【0087】
ステップ６０６において、ポンプ４０からの液化燃料１４の第１の流れ（すなわち、この段階での流れ２）は、ポンプ４０に結合された熱交換器６０を通して冷却される。冷却プロセスは、実質的に等圧であり得る。
【0088】
ステップ６１０において、熱交換器６０からの液化燃料１４の第１の流れ（すなわち、この段階での流れ３）は、膨張弁８０を通って多相流れ５に膨張される。膨張弁は、いくつかの実施形態ではジュール－トムソン弁である。多相流５は液相７および気相６を含み、クライオタンク２０からの第１の流れの初期温度よりも低い温度を有する。
【0089】
図１１Ｂを参照すると、例示的な方法６００は、ステップ６１０の前にステップ６０８をさらに含むことができる。ステップ６０８において、熱交換器６０からの液化燃料の第１の流れ（すなわち、流れ３）は、熱交換器および膨張弁に結合された膨張機タービン７０を通して等エントロピー的に膨張される。
【0090】
図１１Ａに戻って参照すると、工程６１２において、多相流５中の液相７および気相６は、膨張弁８０に流体的に結合された液体蒸気スプリッタ９０を通して分離される。
【0091】
工程６１４において、液相７は、液体蒸気スプリッタ９０からクライオタンク２０内に戻される。いくつかの実施形態では、液相７がクライオタンクに流体的に結合されたインターロックチャンバ９４を通ってクライオタンク２０内に戻される。液相７は、クライオタンク内の液相に供給することができる。工程６１４は、図１１Ｂの工程６１６を含むことができる。工程６１６において、液相７は、トップフィル処理においてクライオタンク２０のヘッドスペース２２内の気相中に噴霧され得る。
【0092】
いくつかの実施形態では、工程６０４において、ＬＨ２ストリームのストリーム量は単一のポンプを使用して（例えば、Ｐ２００Ｈポンプベースを使用して）最大２８０ｋｇ／ｈである。複数のポンプが使用される場合、各ポンプは、最大２８０ｋｇ／ｈの流量容量を有する。圧送後の水素流の圧力は、約９０ＭＰａまでである。ステップ６０６の後、冷却後の高圧流の温度は、クライオタンクから抽出された液体水素の温度を下限とすることができる。上限は、ポンプ出口圧力に対する等エントロピー圧縮によって達成される理論温度（流れ２の冷却がない場合、Ｔ－Ｓ図上の点２、例えば図５）であってもよい。膨張のための工程６１０の後、液体流６の分率は、０．５～約０．９９９の範囲であってもよい。液体流７は下限値として約２０Ｋの範囲の温度を有し、上限値としてクライオタンクから抽出される液体流の温度よりもわずかに低い温度を有することができる。補助冷却のためのヘッドスペースからのガスは、Ｊ－Ｔ膨張後の飽和蒸気と併せて、０ｋｇ／ｋｇ．ポンピングから１０ｋｇ／ｋｇ．ポンピングまでの範囲の流量を有することができ、ポンプ吐出流量に対するヘッドスペースガス流量の比率としてポンプで吸い上げられる。
【0093】
図１１Ｃおよび図７～図８を参照すると、例示的な方法６００は、工程６２２、６２４、６２６、６２８、および６３０のうちの１つまたは複数をさらに備え得る。工程６２２において、液体蒸気スプリッタ９０からの気相６は、ポンプ４０からの液化燃料の第１の流れ２に追加の冷却負荷を提供するために、熱交換器６０に供給される。
【0094】
工程６２４では、クライオタンク２０のヘッドスペース２２からの液化燃料の気相１６が、ポンプ４０からの液化燃料の第１の流れ２に追加の冷却デューティを提供するために熱交換器６０に供給される。
【0095】
例示は、工程６２６および６２８の一方または両方を含むこともできる。工程６２６において、冷却能力は、熱交換器６０からのガス８を使用することによって、熱交換器に結合された冷凍ユニット１２２から、それを必要とする設備に提供される。冷凍ユニット１２２は、冷却が必要とされる設備または環境に冷却能力を提供する。例えば、冷凍ユニット１２２からの冷却能力は、データセンタを冷却するために使用され得る。バックアップ電力及び冷却能力は、他の設備、例えば分布中心（例えば、ＨＶＡＣ又は冷凍用）に供給することもできる。
【0096】
工程６２８では、熱交換器６０からのガス８を使用することによって、バックアップ電力ユニット１２０内で電力が生成される。いくつかの実施形態では、電力が、バックアップ電力ユニット１２０内の１つまたは複数の燃料電池を通して生成される。任意選択的に、１つまたは複数の燃焼エンジンをバックアップ電力ユニット１２０内で使用して、熱サイクルを通して電気を生成することができる。燃焼エンジンの好適な例としては往復エンジン、ガスタービン又はマイクロタービン、及び水素タービンが挙げられるが、これらに限定されない。バックアップ電源ユニット１２０からの電力は、データセンタまたはポンプ４０に供給されてもよい。
【0097】
図１１Ｃおよび図９を参照すると、工程６３０において、液化燃料の第２の流れ１３が、クライオタンクから、ディスペンサを備える燃料補給ステーションに供給され、次いで、気体燃料または液体燃料の形態で、受容燃料タンク、例えば、車両内の搭載燃料タンクに分配される。
【0098】
図１２を参照すると、Ｍｕｓｔａｆｉらによって提案されたシステム１５０が比較のために示されている。水素（ＴＣ１）などの極低温推進剤は、タンク２１から抽出される。一部は、Ｊ－Ｔバルブ８１を通過して、より低い圧力およびより低い温度で二相混合物（ＴＣ２）に膨張する。ポンプ４１を介して、液体水素の大部分は、同心管交換器６１のシェル内に単相液体として圧送される。二相水素（ＴＣ２）は、同心チューブ熱交換器の中心管に通され、単相水素から熱を抽出する。二相水素は完全に気化し、コンプレッサ７１を通ってフレアスタックに排出され（ＴＣ３）、膨張した水素はタンクに戻されない。４段圧縮機が必要であり、これは、大型で重い機器として識別される。タンクの崩壊を防ぐためにヘリウムガスを加えなければならない。
【0099】
比較として、本開示において提供されるシステムは、少なくとも本明細書に記載されるような差異を有する。例えば、ポンプ４０は、等エンタルピー膨張の前に液体水素の圧力を増加させるために使用される。膨張した水素の一部（例えば、液相７）は、クライオタンク２０に戻される。均圧機構は、液体をクライオタンク２０に戻すために使用される。タンクの完全性を維持するためのヘリウムの申請も排除される。上述のようなコンプレッサ７１の必要性も排除される。
【0100】
本システム及び該方法は、クライオタンク２０内に貯蔵された液体Ｈ２に冷却デューティを供給するために、単一段階の圧縮工程を使用することによって、エネルギー消費、システムの複雑さ、及び制御の課題に対処する。システムは、独自の方法で動作する。例えば、液体水素流は、クライオタンク２０に貯蔵された液体水素から抽出される。液体流１は、理論的に等方性の圧縮プロセスにおいて、クライオタンク２０内の液体水素と名目上同じエントロピーにある液中液体ポンプ４０を使用して、少なくとも１００バールまで圧縮される。圧縮された（液体／超臨界）流れ２は、Ｊ－Ｔ膨張からのガス６とのほぼ一定の圧力での熱交換によって冷却される。任意選択的に、クライオタンク２０のヘッドスペース２２からの蒸気９は、追加の冷却デューティを提供するために使用される。クライオタンクのヘッドスペースからの蒸気９およびガス６のいずれも、熱交換後にタンクに戻されず、これらを組み合わせることができる。冷却された（超臨界）流れは最初に膨張タービンを用いて（等エントロピー的に）中間圧力（例えば、３０バール）まで膨張されて、二相形成を回避し、続いて、ジュール・トンプソン（Ｊ－Ｔ）絞りプロセスが、液体がクライオタンクから抽出されて、クライオタンク２０内の液体の温度よりも低い温度で飽和ガス６および液体流れ７を生成する圧力以下の圧力で、二相混合物まで膨張する。冷却された液体流７は、クライオタンクに戻され、その結果、タンクへの正味の冷却負荷が導入される。液体を送達するための機構は、インターロックチャンバ９４の使用、または正味の圧力を膨張した液体流の圧力に低下させる速度で、槽からＨ２を引き出す再燃料挿入操作を介してクライオタンク２０の圧力を低下させることを含む。本明細書に記載されるように、冷却デューティを提供した後、水素蒸気またはガスを使用して、電力を生成することもできる。
【0101】
ポンプ吐出圧力、等圧冷却処理の終了温度、タービン膨張処理の終了圧力、およびＪ－Ｔ膨張処理の最終圧力を変更することによって、さらなる最適化が可能である。ポンプ吐出圧力、タービン膨張処理の冷却能力、および等圧冷却処理の終了温度は、相互連結され、最適化の機会を提示する。例えば、図４は、異なる出口圧力に圧縮された、異なる入口温度および圧力条件で、飽和液体水素上で動作する浸漬液体ポンプを使用する圧縮のシミュレーション結果を示す。出口温度は、入口条件および出口圧力の関数であり、理想的な等温または等エントロピー圧縮処理によって課される熱力学的限界によって拘束される。換言すれば、温度の下限は入口温度であり、温度の上限は、水素特性を使用する等エントロピー圧縮処理を仮定する熱力学的関係を使用して計算される。
【0102】
本明細書に記載のシステムは上流液化システムと統合することもでき、ボイルオフ管理システムは、液化プロセスの製品を貯蔵するために使用されるクライオタンクと統合される。システムの上流構成要素は、液化器と、水を水素および酸素に変換するための電解装置などの水素生成ユニットとを含むことができる。液化装置および水素生成ユニットの少なくとも一方または両方は、風力または太陽光発電によって動力を供給することができる。
【0103】
本明細書に記載される装置はまた、貯蔵容器からのＬＨ２が以下のもの、すなわち、大型車両（ＨＤＶ）、軽量車両（ＬＤＶ）、鉄道などの地上車両輸送用の水素燃料補給ステーション、鉄鋼製造プロセスの一部としてＨ２が使用される産業現場、金属製造プロセスの一部としてＨ２が使用される産業現場、および電力および熱を提供するために燃焼プロセスにおいてＨ２が使用される産業現場のうちの１つまたは複数に輸送される、分配網と統合することができる。
【0104】
液中液体ポンプを使用して、液体流を圧縮して、等温および等エントロピー限界によって制限される最終温度および圧力を達成することを可能にする。既存の技術では、外部ポンプが使用され、冷却（追加のボイルオフ損失値をもたらす）を必要とする。しかしながら、水中ポンプは、本明細書に記載される圧縮－膨張サイクルの実際的な実施を可能にする。例えば、図４は、等エントロピー限界に近づく水中液体ポンプの応答曲線を示す。
【0105】
冷却された液体水素はクライオタンクに戻され、したがって、ボイルオフ損失値は低減されるか、または最小化される。リターン機構はエアロックに類似するインターロックチャンバを含み、液体は入り、クライオタンクと均等化され、チャンバは、閉じられ、低圧に戻され、より多くの液体が入れられる。リターン機構はクライオタンク内の動的動作プロセスを使用することができ、クライオタンク内の圧力を低下させるのに十分な速さで自動車燃料補給用のＨ２を分配するためにポンプが使用される。冷却された液は、Ｈ２分注によりクライオタンクが圧力降下したときにクライオタンクに戻される。次いで、熱漏れがボイルオフをもたらすにつれて、圧力は再び上昇する。
【0106】
本システムおよび方法は、また、以下のようなさらなる利益を提供する。例えば、そのような単純化されたプロセスでは、液中液体ポンプおよび単一段ループが使用され、クライオクーラは必要とされない。
【0107】
システムおよび方法は、エネルギー効率を提供する。３０Ｋ未満の温度での冷却デューティの供給は、困難でエネルギー集約的なプロセスである。ポンプのエネルギー消費を０．２ｋＷｈ．ｅ／ｋｇと仮定すると、６８ｋＪ／ｋｇの冷却デューティが生成される（実施例１参照）。その冷却負荷は、約０．１５ｋｇの水素を液体に縮合する（縮合の水素潜熱は４５４ｋＪ／ｋｇである）。換言すれば、１ｋｇの液体を生成するためには、１．３ｋＷｈ．ｅ／ｋｇの入力が必要である。参考までに、完全液化法は理論的には３．９ｋＷｈ．ｅ／ｋｇを必要とし、実際には液体Ｈ２を生成するのに１２ｋＷｈ／ｋｇ程度であるが、このエネルギーの大部分はＨ２を沸点まで冷やし、パラオルト転移のためのエネルギーを供給するのに使用される。液体水素は公称１００％パラ－Ｈ２であるので、この方法は液化処理中に気体Ｈ２を冷却するときに顕著となり得るオルト－パラ遷移に関連するエネルギーペナルティを回避する。
【0108】
システムおよび方法は、また、制御性を提供する。冷却デューティは、水中ポンプを作動させることによって送達することができ、ポンプ流量によって制御することができる。ポンプは、水中に沈められ、槽内の液体Ｈ２と熱平衡状態にあるので、ポンプの始動に関連するボイルオフはない。
【0109】
システムおよび方法は、また、スケーラビリティを提供する。水中ポンプは、２８５ｋｇ／ｈｒ重量計で実証されている。実施例の目的のために、２４０ｋｇ／ｈｒのポンプベースを本明細書に記載のシステムで使用した。これは、１台のポンプでｋＷスケールのクーリングデューティを実現できることを意味する。多数のポンプを使用して、大きなクライオタンクの冷却負荷を増大させることができる。
【0110】
システムおよび方法は、液体水素燃料補給ステーションにも適合する。液体ポンプを使用して燃料を車両に供給する液体水素燃料補給ステーションとの統合は、冷却された液体をボイルオフ管理システムからクライオタンクに戻すことを可能にする１つの機構である。加えて、流体を送達するための液体タンクの使用は、ボイルオフ管理を超える付加価値活動のための液体ポンプの利用を増加させる。この統合は単純化された設計の利点を増幅し、また、液体ポンプの利用を増加させることによってシステムの経済的価値を改善する。
【0111】
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、本開示が水素貯蔵および燃料補給のためのシステムを提供する。本開示におけるシステムは、水素などの液化燃料の損失を最小限にするか、または排除するか、または水素ボイルオフの損失をゼロにする。貯蔵タンク内の液化燃料からの水素ガスまたは蒸気は、例えば、ポンプにバックアップ電力を提供し、例えば、データセンタに冷却能力を提供するために使用することもできる。
【0112】
いくつかの実施形態では、本開示で提供されるシステムが、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つまたは複数の制御ユニットまたは中央ユニット（図１、図３、および図７～図９には示されていない）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。制御ユニットは、１つまたは複数のプロセッサと、１つまたは複数のプロセッサによって実行される１つまたは複数のプログラムで符号化された少なくとも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、貯蔵中のボイルオフの管理、車両への燃料補給、データセンタの冷却、およびバックアップ電力の供給などの動作を制御するように、各構成要素と協調するように構成される。
【0113】
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符号化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。
【0114】
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異体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】
【0115】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【国際調査報告】