高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法与流程

本发明涉及高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法，该高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统被适用于用来将作为燃料电池机动车等的氢机动车(以下有时简称为“氢机动车”)的燃料的氢气从氢气供给源向氢机动车的燃料罐进行充填的、氢充填设备(以下有时称作“氢站”)的最终充填部中的预冷器机能等的温度下降系统技术。

背景技术：

被用作氢机动车的燃料的氢气，当在被设于充填氢气的路径中的膨胀阀等的部分从高压进行绝热膨胀(等焓膨胀)时，其性状导致在比逆转温度(－58℃)高的区域的膨胀，因此，因焦耳汤姆逊效应而具有膨胀后的温度上升的性质。

因此，在氢站中，当把成为氢机动车的燃料的氢气从氢气供给源向氢机动车的燃料罐充填时，氢气的温度在设于充填氢气的路径中的膨胀阀等的部分上升。

氢气的膨胀比越大，此氢气的温度的上升越显著，因此，伴随着在氢站来自氢气供给源的供给气体的高压化，例如，供给气体的压力(供给源的罐压)为45→70MPa(G)，进而，为82MPa(G)的高压化,自身温度上升量进一步变大。

作为一例，在图1中表示当将氢气从作为供给源的罐压70MPa(G)、30℃进行单级膨胀时各2次压中的自身温度变化的一例。

另一方面，现在开始普及的燃料电池车，由于燃料罐的材质要求的温度限制，和燃料电池本体元件的运行温度的限制，氢充填时的最高温度上限为85℃。

而且，由上述氢的性质，如果不采取任何手段直接进行氢气充填，则会发生氢充填时的温度超过最高温度上限85℃，燃料罐的材质造成的温度限制、燃料电池本体元件的运行温度的限制，进而，伴随充填后的冷却的压力下降等问题，因此，提出了在充填氢气的路径中配置热交换器等的冷却构件，一边用此冷却构件将氢气冷却一边向氢机动车充填的方法，并已实用化(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2004－116619号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在此，在图2中表示现有的一般的70MPa(G)的氢站的构成图(资料来源为“NEDO氢能量白皮书“)。

此氢站具备：接受氢气的压缩机单元构成的压缩机设备1、对从压缩机设备1送来的氢气进行蓄压的蓄压器单元构成的氢蓄压设备2、设置在用来将来自氢蓄压设备2的氢气向氢机动车的燃料罐6充填的路径中的膨胀阀3及氢气预冷器4，和借助预冷器4进行氢气的冷却的氢预冷系统5，进而，在氢预冷系统5中具备由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、蓄能器等构成的冷冻机设备7，和由盐水(日文：ブライン)罐、1次盐水泵、2次泵等构成的盐水回路8。

而且，此氢站，现场型氢站和非现场型氢站的两者都将接受的氢用压缩机设备1压缩成中间压(图例中为40MPa(G))、高压(图例中为82MPa(G))，在各个压力下在氢蓄压设备2的蓄压单元内以压缩气体的形态进行保持。

当将这些氢气向作为需求侧的车载燃料罐6充填时，通过借助膨胀阀3的膨胀来进行，但是，届时会伴随氢气自身的温度上升，因此，通过作为外部设备的氢预冷系统5冷却到－40℃。

在现有技术中，此氢预冷系统5将氟利昂冷媒等的通常的冷冻机设备7，和在－40℃附近工作的盐水回路8组合来构成，因此构成复杂，而且，还需要冷冻机用冷媒压缩机、1次盐水泵、2次盐水泵等多个旋转机器。

为此，在用来在以往的氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统中，存在以下课题：

1)外部独立的氢预冷系统是其自身通过外部电力运转的系统。一般的氢站(300Nm ³/h)约为40kW，氢预冷系统的运行自身造成运行成本上升。

2)冷冻机的冷媒使用氟利昂(替代氟利昂)因此受到法律约束，此预冷器设备自身涉及高压气体治安法的冷冻治安规定，设备、运行中受到制约。

3)由于在站内保有氟利昂、盐水，因此必须采取对氟利昂、盐水的外部泄漏的环境事故的预防对策。

4)氢预冷系统为冷冻回路与盐水回路的2级构成因而复杂，以及存在多个冷媒压缩机、盐水泵等的旋转机，因此产生大量的维修管理劳动。

5)由于是借助盐水的系统，因此，需要从运行起动到正常状态的时间。为此，必须从充填作业的相当长的时间之前将氢预冷系统事先起动，使系统内成为正常状态。

6)使氢站自身的设置空间小型化时，氢预冷系统的专有空间成为其制约。

7)现在的－40℃的温度，对进一步急速地进行氢的充填产生限制。将来，为了进一步缩短充填时间，也可能需要预冷到比现在的－40℃低的温度。

那么，鉴于上述用来在以往的氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统所存在的问题，本发明的申请人此前在日本特愿2015－059323中提出了用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统，该用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统的构成简单、维修管理劳动的负担少，可以降低包含消费电力的成本的运行成本。

此用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统，在使氢气膨胀减压的过程中通过将工作取出到外部的膨胀机进行氢气的温度降低，利用其冷热能量进行氢气的预冷，可以解决上述用来在以往的氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统的所存在的问题，另一方面，却存在以下的课题：

8)必须另行设置将膨胀机中产生的能量取出，进行有效利用的构件。

本发明的目的是，鉴于上述以往的氢站用来在最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统存在的问题，提供一种高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法，该高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的构成简单，可以降低现场施工费用，维修管理劳动负担少，可以使包括消费电力的成本在内的运行成本低廉，进而，不需要另行设置用来将膨胀机中产生的能量取出后在发电机等的外部有效地利用的构件，可以适用于氢站的最终充填部中的预冷器机能等的温度下降系统技术。

用于解决课题的技术手段

为了达成上述目的，本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的特征为，在将被蓄压成高压的氢气向罐进行加压充填时用膨胀涡轮使氢气的焓下降的充填系统中，具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程。

更加具体来说，膨胀涡轮压缩机可以分别在旋转体的转轴的一侧具备进行膨胀作用的叶轮、在另一侧具备进行将通过膨胀取得的旋转能量消费的压缩作用的叶轮。

进而，可以具备轴承而构成，所述轴承为使用供给的氢气的动压式气体轴承方式的轴承。

在此情况下，膨胀涡轮压缩机可以由1台构成。

而且，膨胀涡轮压缩机可以由多台、串联配置地构成。

而且，可以在膨胀涡轮压缩机的膨胀涡轮侧入口部设置冷却器。

而且，可以在膨胀涡轮压缩机的压缩机侧入口部设置冷却器。

为了达成上述目的，本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的控制方法的特征为，在将被蓄压成高压的氢气向罐进行加压充填时用膨胀涡轮使氢气的焓下降的充填系统的控制方法中，具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程并在膨胀涡轮侧入口部具备冷却器，对该冷却器的氢气的出口温度进行控制。

在此情况下，可以对上述冷却器的氢气的出口温度进行检测，对冷却器的寒冷能量的量进行追踪调节，以使该出口温度成为恰当温度。

而且，通过分配将氢气向罐进行加压充填时的充填时间，对冷却器的寒冷能量的量进行追踪调节，从而在各个充填阶段成为最恰当的气体温度。

而且，可以对罐的压力及温度上升进行检测，对冷却器的寒冷能量的量进行追踪调节，从而在各个充填阶段成为最恰当的气体温度。

发明效果

根据本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统，在将被蓄压成高压的氢气向罐进行加压充填时用膨胀涡轮进行氢气的焓下降的充填系统中，具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程，通过膨胀涡轮压缩机最终使氢膨胀，将焓下降(温度下降)后的氢气向调节罐侧进行充填，由此可以提供一种氢预冷系统，其构成简单，维修管理劳动的负担少，使包括消费电力的成本在内的运行成本低廉，例如，可以用于在氢站的最终充填部使氢气的温度下降。

而且，由于具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程，即，通过使用在旋转轴的一侧具备膨胀用叶轮、在另一侧具有压缩用叶轮的膨胀涡轮压缩机，从而，不需要另行设置用来将膨胀机中产生的能量取出后有效利用的构件，进而，利用由膨胀涡轮侧取得的旋转能量在压缩机侧使氢气的压力上升，向膨胀涡轮入口引导，由此，可以使膨胀涡轮的膨胀比与由压缩机升压的量相应地变大，从而取得更大量的热落差(＝寒冷发生量)。

进而，在膨胀涡轮侧入口部具备冷却器而使氢气的温度下降到恰当值，从而可以确保罐充填完了时的温度宽裕度，可以用更有效的低膨胀涡轮建立工艺流程。

那么，在此工艺流程中使用的膨胀机，即涡轮，在用与现有的标准的氢充填所(氢站)相符的容量进行设计的情况下，不可避免会成为非常小型且高速的旋转体。在假设将5kg的高压氢气在约3分钟进行充填的系统的情况下，与膨胀涡轮的直径为8～12mm、最大的膨胀比时相当的转速相当于120万转/分。

在此，在本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统中，具体来说，构成为，分别在旋转体的转轴的一侧具备进行膨胀作用的叶轮(涡轮)、在另一侧具备将由膨胀取得的旋转能量消费的进行压缩作用的叶轮(压缩机)。

通过涡轮由氢气的膨胀取出的能量，以涡轮旋转体的高速旋转的形式作为运动能量取出，而为了实现此高速旋转，在膨胀涡轮压缩机采用使用被供给的氢气的动压式气体轴承方式的轴承。

为此，可以把作为旋转能量被取出的“功”因轴承而造成的摩擦损失(轴损失)抑制成极小的值。

从由涡轮取得的旋转能量扣除此轴损失后的量的能量，通过在压缩机侧使工艺流程气体离心升压而被消费，进行旋转平衡。

即，由涡轮取出的旋转能量(涡轮动力)，通过被设于旋转轴的相反侧、按相同转速被驱动的压缩机使工艺流程气体升压而被消费。

通过由此动压式气体轴承方式的轴承构成本发明这样的小型且高速的旋转体的轴承，从而可以保证实现超高速旋转、实现非常少的轴损失。

这样，动力回收不需要进行发电回收或向外部取出的回收，涡轮压缩机可以成为闭合的系统，构成简单，可以降低现场施工费用。

在压缩机侧升压后的工艺流程气体，伴随热力学的压缩产生的压力上升和温度上升。温度的上升，根据需要，通过设置冷却器(空冷或水冷的后冷却器)，例如，被冷却到约20℃附近，作为热量向外部排放。压力上升，相应地归结为涡轮入口中的压力上升，因此，进一步提高涡轮的膨胀比，结果可取得增大寒冷发生量的效果。

本发明中，不把由涡轮取出的动力通过发电机等转换为电力，采用涡轮压缩机在工艺流程内部进行利用的技术理由，可以列举出，非常小型高速旋转的机器，发电机自身小型且高频，有时无法成立，而且工艺流程气体因为氢的关系，从防爆方面考虑的优越性。

而且，通过将膨胀涡轮压缩机由多台、串联配置地构成，从而可以使膨胀涡轮压缩机的涡轮效率以各自的膨胀比率在最大的区域运行，使寒冷发生量具有余量。

而且，通过在膨胀涡轮压缩机的膨胀涡轮侧入口部及/或压缩机侧入口部设置冷却器，可以辅助氢气的温度下降。

附图说明

图1是表示基于使用氢气的膨胀阀的膨胀(阀膨胀)的充填流量及压力以及温度的变化的图表。

图2是表示使用以往的氢预冷系统的氢站的说明图。

图3是表示本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的一个实施例的说明图。

图4是表示本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的变型实施例的说明图。

图5是表示基于使用氢气的膨胀阀的膨胀(阀膨胀)(现有方式)和本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统(实施例)的充填流量及压力的变化的图表。

图6是表示基于使用氢气的膨胀阀的膨胀(阀膨胀)(现有方式)和本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统(实施例)的温度的变化的图表。

图7是表示实施本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的控制方法的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的系统构成的一个实施例的说明图。

图8是表示在膨胀涡轮侧入口部具备冷却器使氢气的温度变化后的情况下的充填完了温度与涡轮效率的关系的图表。

图9是表示实施本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的控制方法的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统的系统构成的一个实施例的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法的实施方式。

此高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统，是把本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统适用于在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统，在将被蓄压成高压的氢气向罐进行加压充填时用膨胀涡轮使氢气的焓下降的充填系统中，具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程。

在此，为了具备在膨胀涡轮部分装入膨胀涡轮压缩机的工艺流程，在本实施例中，可以使用以往，例如，在用来进行冷媒的压缩和膨胀的旋转轴的一侧具备膨胀用叶轮、在其另一侧具备压缩用叶轮的涡轮压缩机(本说明书中称作”膨胀涡轮压缩机”)。

此膨胀涡轮压缩机具备轴承而构成，该轴承是使用供给的氢气的动压式气体轴承方式的轴承(进行径向及轴向两方向的支承的轴承)。

具体来说，如图3所示，如氢站的氢气的最终膨胀机构那样，此氢预冷系统10将氢气源线9与膨胀涡轮压缩机11的回路连续地构成，由膨胀涡轮压缩机11使最终氢气膨胀，将焓降低(温度下降)后的氢气经氢气供给单元13向氢机动车的燃料罐6进行充填。

在此，膨胀涡轮压缩机11具备在旋转轴的一侧具有膨胀用叶轮的膨胀涡轮11a、在另一侧具有压缩用叶轮的压缩机11b，利用由膨胀涡轮11a侧取得的旋转能量通过压缩机11b侧使氢气的压力上升，向膨胀涡轮11a的入口引导(氢气向压缩机11b供给，然后，向膨胀涡轮11a供给)，由此，使膨胀涡轮11a的膨胀比与被压缩机11b升压的量相应地变大，可以取得更加大量的热落差(＝寒冷发生量)。

而且，可以在膨胀涡轮压缩机11的膨胀涡轮11a侧的入口部设置冷却器12。

冷却器12的冷热源12a可以合适地使用水冷方式的或冷机单元方式的。

而且，尽管省略了图示，但是可以将同样的冷却器设置在压缩机11b侧的入口部。在此情况下，可以省略设置在膨胀涡轮11a侧的入口部的冷却器12。

由此，可以对氢气的温度下降进行辅助，通过使氢气的温度下降恰当值，可以确保罐充填完了时的温度宽裕度，能够以效率更低的膨胀涡轮达成工艺流程。

在图5及图6中表示基于使用氢气的膨胀阀的膨胀(阀膨胀)(现有方式)和本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统(实施例)的充填流量及压力以及温度的变化。

通过将本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统用于在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统，从而，可以利用压力差对膨胀涡轮压缩机11进行驱动，由氢气源线9的高压(82MPa)(原压力)的氢气对氢机动车的燃料罐6直接充填膨胀了的氢气。

在此情况下，在充填初期，原压力与燃料罐6的内压之差大，因此，可以采取比较大的膨胀涡轮11a的膨胀比及基于压缩机11b的膨胀比，可以产生更大量的寒冷量。

随着充填的推进，燃料罐6的内压上升，膨胀涡轮压缩机11发生的寒冷量变小，最终可以在85℃以下结束充填。

那么，在图3所示的实施例中，使用1台膨胀涡轮压缩机11，但是如图4所示的变型实施例那样，可以多台串联配置地构成，进而，可以将多台串联地配置的膨胀涡轮压缩机并列配置地构成。

由此，可以使膨胀涡轮压缩机11的涡轮效率按各自的膨胀比率在最大的区域运行，使寒冷发生量具有余量，可以容易地增加设备流量，可以在没有大的预冷冷却器的情况下，构成大型的燃料电池巴士、卡车的充填设备。

那么，在图3所示的实施例(在图4所示的实施例中也同样)中，如图7所示，在膨胀涡轮压缩机11的膨胀涡轮11a侧的入口部设置冷却器12及其控制装置14，对冷却器12的氢气的出口温度进行控制。

通过如此地构成，可以使冷却器12的氢气的出口温度恰当下降，由此，可以使充填完了时的燃料罐6内的温度具有宽裕度。

在图7中，将冷却器12的氢气的出口温度通过控制装置14例如从通常的33℃附近下降到25℃、20℃，从而，如图8所示，相对于充填后的燃料罐6内的温度上升具有余量，而且即使膨胀涡轮效率更低也可以达成工艺流程。即，可以不用新的冷却器使温度下降，而通过对冷却器12的寒冷量进行调节来达到目的温度。

在此情况下，最好对冷却器12的氢气的出口温度进行检测，充填初期(最初的20～30秒)设定得较低，随着充填的推进(随着寒冷负荷也减少)规划恰当的寒冷量的产生，使氢气的出口温度与目的温度相仿。

具体来说，将氢气向燃料罐6内进行充填的协议(日文：プロトコル)的控制，通过设置在氢气供给单元13内的控制装置(控制器)来进行。在此情况下，在内部计算与预先指定的充填时间分配相称的最恰当的寒冷量，通过将膨胀涡轮11a的入口温度(冷却器12的出口温度)最恰当地进行控制，可以不进行无用的冷却，能以最小的外部能量进行充填。

而且，可以对燃料罐6内的压力及温度上升进行检测，使氢气的出口温度与目的温度相仿。

具体来说，如图9所示，在氢气供给单元13侧对燃料罐6的现有的压力及温度进行检测，计算直至充填完了为止的最恰当的寒冷量，通过自动控制对膨胀涡轮11a的入口温度(冷却器12的出口温度)最恰当地进行控制，由此可以不进行无用的冷却，可以以最小的外部能量进行充填。

通过把本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统用于用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统，从而，可以如下述那样解决以往的用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统的课题：

对于课题1)，由于膨胀涡轮压缩机自身的运转中不需要外部电力，因此，相对于以往的氢预冷系统的运行成本(电费)，几乎不需要电力。

对于课题2)，由于不存在冷媒，因此，单独成为不涉及冷冻法则的系统。可以在氢站整体的高压气体治安法之内进行应对。

对于课题3)，由于不存在氟利昂冷媒、盐水自身，因此消除了对环境事故的危害。

对于课题4)，由于成为相当简单的系统构成，因此，不仅运行成本降低而且大幅降低了维修成本。

对于课题5)，由于与膨胀涡轮压缩机的起动同时形成温度下降状态，因此系统内的时间常数非常小。事先起动的时间很短。

对于课题6)，由于仅仅膨胀涡轮压缩机的制冷盒(日文：コールドボックス)即可因此可以谋求大幅节省空间。体积比率相对于以往的充填系统为10％左右。

对于课题7)，通过膨胀涡轮压缩机按多台组合，或采用最恰当的流量的膨胀涡轮压缩机，从而可以容易地增加设备流量，不需要大的预冷冷却器，就可以构成大型的燃料电池巴士、卡车的充填设备。

对于课题8)，通过使用膨胀涡轮压缩机，不需要另行设置将膨胀机中产生的能量取出进行有效利用的构件，进而，利用由膨胀涡轮侧取得的旋转能量在压缩机侧使氢气的压力上升，向膨胀涡轮入口引导，由此，可以使膨胀涡轮的膨胀比与压缩机升压的量相当地变大，可以取得更加大量的热落差(＝寒冷发生量)，进而，通过在膨胀涡轮侧入口部具备冷却器而将氢气的温度下降到恰当值，从而可以确保罐充填完了时的温度宽裕度，以效率更低的膨胀涡轮使工艺流程成立。

以上，对本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法，根据其实施例进行了说明，但是本发明不限于上述实施例记载的构成，在不脱离其主旨的范围内可以适当变更其构成。

工业上的可利用性

本发明的高压氢的膨胀涡轮压缩机式充填系统及其控制方法构成简单，可以降低现场施工费用，维修管理劳动的负担少，可以降低包括消费电力成本在内的运行成本，进而，不需要另行设置用来将膨胀机中产生的能量取出后在发电机等的外部有效利用的构件，由于具有这些特性，因此适合于用来在氢站的最终充填部使氢气的温度下降的氢预冷系统的用途。

附图标记说明

1 压缩机设备

2 氢蓄压设备

3 膨胀阀

4 预冷器

5 氢预冷系统

6 燃料罐(罐)

7 冷冻机设备

8 盐水回路

9 氢气源线

10 氢预冷系统

11 膨胀涡轮压缩机

11a 膨胀涡轮

11b 压缩机

12 冷却器

12a 冷热源

13 氢气供给单元