DE112015004382T5

DE112015004382T5 - Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem

Info

Publication number: DE112015004382T5
Application number: DE112015004382.9T
Authority: DE
Inventors: Minoru Nakayasu; Mitsuaki Tanaka
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2016047109A1; JP2016070301A; AU2015323209A1; US20170291486A1; JP6434762B2

Abstract

Ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem (1) enthält einen Tank (2), um Flüssigwasserstoff zu speichern; eine Versorgungsleitung (4), um den Flüssigwasserstoff aus dem Tank (2) zu entnehmen, den Flüssigwasserstoff in ein Wasserstoffgas zu verdampfen und das Wasserstoffgas zu einem Nutzungspunkt (3) zu liefern; und eine Druckbeaufschlagungsleitung (5), um das durch Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks (2) erzeugte Wasserstoffgas unter Verwendung eines Verdichters (59) so zu verdichten, dass ein Druck des Wasserstoffgases erhöht wird, und das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck in einen Gasphasenteil innerhalb des Tanks (2) zu leiten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem, das Flüssigwasserstoff, der in einem Tank oder dergleichen gespeichert ist, als Wasserstoffgas an einen Nutzungspunkt liefert.
Stand der Technik
In den letzten Jahren wurde die Nutzung von Wasserstoffgas als Kraftstoff für Brennkraftmaschinen untersucht. Zum Beispiel wurden in Bezug auf einen Kraftstoff einer Gasturbinenmaschine, die ein Beispiel einer Brennkraftmaschine ist, Studien durchgeführt, um Wasserstoff (Nebenprodukt-Wasserstoff), der sekundär in Produktionsschritten in beispielsweise der Erdölindustrie, Chemiebranche und Eisen- und Stahlindustrie erzeugt wird, zusätzlich zu oder anstelle von Flüssigerdgas (LNG), das ein wichtiger herkömmlicher Kraftstoff ist, zu verwenden.
In einem Fall, in dem Wasserstoff wie oben beschrieben als Kraftstoff verwendet wird, wird Wasserstoff beispielsweise in einem Hochdruckgaszustand von etwa 2 MPa an einen Nutzungspunkt in der Gasturbinenmaschine geliefert. Um den Flüssigwasserstoff, der in dem Tank gespeichert ist, als Hochdruckgas an den Nutzungspunkt zu liefern, gibt es ein Verfahren, bei dem der Flüssigwasserstoff in ein Wasserstoffgas verdampft wird und dann ein Druck des Wasserstoffgases auf einen vorbestimmten Druck erhöht wird, und ein Verfahren, bei dem ein Druck des Flüssigwasserstoffs erhöht wird und dann der Flüssigwasserstoff verdampft wird. Von diesen beiden Verfahren ist das zweite Verfahren vorteilhafter als das erste Verfahren, da ein Energieverbrauch verringert werden kann.
Der normale (Standard-)Siedepunkt des Flüssigwasserstoffs liegt allerdings bei etwa –253 Grad C und der normale Schmelzpunkt des Flüssigwasserstoffs liegt bei wa –259 Grad C. Somit ist der Flüssigwasserstoff eine Flüssigkeit mit extrem niedriger Temperatur (etwa –259 Grad C bis –253 Grad C in einem Normalzustandsdruck). Eine Pumpe, die eine solche Flüssigkeit mit extrem niedriger Temperatur mit einem Druck fördern kann, stabil einen dauerhaften Betrieb durchführen kann und in allgemeine Ausrüstung einbezogen werden kann, wurde bis jetzt noch nicht entwickelt. Unter diesen Umständen wird als ein Verfahren, das den Flüssigwasserstoff ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe unter Druck setzt, ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks durch sich selbst unter Druck gesetzt wird, indem der Flüssigwasserstoff aus dem Tank entnommen wird, der Flüssigwasserstoff in das Wasserstoffgas verdampft wird und dann das Wasserstoffgas in den Tank zurückgeführt wird.
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 eine Wasserstoffgasversorgungsausrüstung, die einen Tank, der in sich den Flüssigwasserstoff speichert, einen Wärmetauscher, der den dem Tank entnommenen Flüssigwasserstoff erwärmt, und einen Verdampfer, der einen Wärmeaustausch zwischen dem zu erwärmenden Flüssigwasserstoff und Luft durchführt, um den Flüssigwasserstoff in das Wasserstoffgas zu verdampfen, enthält und den Flüssigwasserstoff an den Nutzungspunkt liefert. Diese Wasserstoffgasversorgungsausrüstung enthält, um den Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks unter Druck zu setzen, eine Druckbeaufschlagungsleitung, in der der Verdampfer den aus dem Tank entnommenen Flüssigwasserstoff in Wasserstoffgas verdampft, der Wärmetauscher das Wasserstoffgas kühlt und das Wasserstoffgas dann als ein mit Druck beaufschlagtes Gas in den Tank zurückgeführt wird.
Entgegenhaltungsliste
Patentdokument(e)

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-127813

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der in Patentdokument 1 offengelegten Anordnung wird eine Druckanstiegsgeschwindigkeit in dem Innenteil des Tanks durch die Verdampfungsfähigkeit des Verdampfers geregelt. In Patentdokument 1 wird allerdings das Wasserstoffgas, das zum Beaufschlagen des Innenteils des Tanks mit Druck verwendet wird, durch Durchführen des Wärmeaustauschs zwischen dem dem Tank entnommenen Flüssigwasserstoff und dem Flüssigwasserstoff, der an den Nutzungspunkt geliefert werden soll, erhalten. Aus diesem Grund wird insbesondere dann, wenn eine Kraftstoffversorgung beginnt, eine relativ lange Zeit dafür benötigt, einen Druck in dem Innenteil des Tanks auf einen erwünschten Druck zu erhöhen.
Angesichts der oben beschriebenen Umstände ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druck in dem Innenteil eines Flüssigwasserstofftanks in einem Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem, das in einem Tank gespeicherten Flüssigwasserstoff als Wasserstoffgas an einen Nutzungspunkt liefert, ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell zu erhöhen.
Lösung des Problems
Ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem der vorliegenden Erfindung enthält einen Tank, um Flüssigwasserstoff zu speichern; eine Versorgungsleitung, um den Flüssigwasserstoff aus dem Tank zu entnehmen, den Flüssigwasserstoff in ein Wasserstoffgas zu verdampfen und das Wasserstoffgas an einen Nutzungspunkt zu liefern; und eine Druckbeaufschlagungsleitung, um das durch Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks erzeugte Wasserstoffgas so zu verdichten, dass ein Druck des Wasserstoffgases erhöht wird, und das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck in einen Gasphasenteil innerhalb des Tanks zu leiten.
Gemäß dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann, da das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck an den Innenteil des Tanks geliefert wird, um den Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks mit Druck zu beaufschlagen, der Druck in dem Innenteil des Tanks ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell erhöht werden.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann die Druckbeaufschlagungsleitung enthalten: einen Verdampfer, der den aus dem Tank entnommenen Flüssigwasserstoff in Wasserstoffgas verdampft, einen Verdichter, der einen Druck des Wasserstoffgases erhöht, und einen Wärmetauscher, der das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck kühlt. Gemäß der oben beschriebenen Anordnung kann, da das Wasserstoffgas, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck aufweist, in den Gasphasenteil innerhalb des Tanks geleitet wird, der Innenteil des Tanks mit Druck beaufschlagt werden, während die Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks unterdrückt wird.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann der Wärmetauscher dazu ausgelegt sein, einen Wärmeaustausch zwischen dem Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck und dem Flüssigwasserstoff, der durch die Versorgungsleitung strömt, durchzuführen. Gemäß dieser Anordnung kann Energie des Systems effizient verwendet werden, da Energie, die zum Verdampfen des durch die Versorgungsleitung strömenden Flüssigwasserstoffs verwendet wird, aus dem Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck erhalten werden kann.
Das oben beschriebene Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann ferner einen Durchflussmengenmesser, um eine Durchflussmenge des durch Verdampfung des Flüssigwasserstoffs in der Versorgungsleitung erzeugten Wasserstoffgases zu detektieren, und einen Controller, um Kalorien, die dem Flüssigwasserstoff von dem Verdampfer zugeführt werden sollen, so anzupassen, dass die Durchflussmenge des Wasserstoffgases, die durch den Durchflussmengenmesser detektiert wird, eine vorbestimmte Durchflussmenge erreicht. Gemäß dieser Anordnung wird es möglich, das Ausmaß der Verdampfung des Flüssigwasserstoffs in der Druckbeaufschlagungsleitung anzupassen, um die erwünschte Liefermenge des Wasserstoffgases in der Versorgungsleitung zu erhalten. Zusätzlich kann der Druck in dem Innenteil der Tanks schnell auf einen erwünschten Druck erhöht werden.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann die Druckbeaufschlagungsleitung einen Verdichter enthalten, um einen Druck eines Abdampfgases des Flüssigwasserstoffs, das dem Tank entnommen worden ist, zu erhöhen. Gemäß dieser Anordnung kann, da der Druck des Wasserstoffgases (Abdampfgases) mit einer extrem niedrigen Temperatur, das durch natürliches Verdampfen des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks erzeugt wird, erhöht wird und dann das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck in den Innenteil des Tanks zurückgeführt wird, der Innenteil des Tanks unter Druck gesetzt werden, während die Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks unterdrückt wird.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann die Druckbeaufschlagungsleitung ferner enthalten: einen Puffertank, in dem vorübergehend das Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter erhöht worden ist, gespeichert wird, und ein Durchflussmengensteuerventil, um eine Durchflussmenge des Abdampfgases, das aus dem Puffertank in den Innenteil des Tanks geleitet werden soll, zu steuern. Gemäß dieser Anordnung kann der Druck in dem Innenteil des Tanks durch Anpassen der Menge von Abdampfgas mit dem erhöhten Druck, das in den Tank geleitet werden soll, gesteuert werden.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann die Druckbeaufschlagungsleitung ferner enthalten: einen Wärmetauscher, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter erhöht worden ist, und dem Flüssigwasserstoff, der durch die Versorgungsleitung strömt, durchzuführen. Gemäß dieser Anordnung kann das Abdampfgas, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck aufweist, in den Tank geleitet werden.
Das oben beschriebene Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann ferner eine Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung enthalten, um den Flüssigwasserstoff, der aus dem Tank entnommen worden ist, in Wasserstoffgas zu verdampfen und das Wasserstoffgas in den Gasphasenteil innerhalb des Tanks zu leiten. In diesem Fall kann die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung einen Wärmetauscher enthalten, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter in der Druckbeaufschlagungsleitung erhöht worden ist, und dem Flüssigwasserstoff in der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung durchführt. Gemäß dieser Anordnung kann der Innenteil des Tanks beispielsweise in einem Fall, in dem ein Ausfall in dem Verdichter auftritt, oder einem Fall, in dem der Druck in dem Innenteil des Tanks sogar nach der Lieferung des Abdampfgases aus der Druckbeaufschlagungsleitung noch ausreichend ist, oder einem Fall, in dem der Druck in dem Innenteil des Tanks schnell erhöht werden muss, durch die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung unter Druck gesetzt werden.
In dem oben beschriebenen Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem kann der Nutzungspunkt beispielsweise eine Brennkammer einer Gasturbinenmaschine sein.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem, das den in dem Tank gespeicherten Flüssigwasserstoff als Wasserstoffgas zu dem Nutzungspunkt liefert, das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck zu dem Innenteil des Tanks geliefert, um den Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks mit Druck zu beaufschlagen. Daher kann der Druck in dem Innenteil des Tanks ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell erhöht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß einem abgewandelten Beispiel 1 von Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß einem abgewandelten Beispiel 2 von Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems gemäß einem abgewandelten Beispiel von Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem der vorliegenden Erfindung ist dazu ausgelegt, den in einem Tank gespeicherten Flüssigwasserstoff in ein Wasserstoffgas umzuwandeln und das Wasserstoffgas an einen Nutzungspunkt zu liefern. Der Nutzungspunkt ist beispielsweise eine Brennkammer (ein Brenner) einer Wasserstoff-Gasturbinenmaschine, die Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Kraftstoff verwendet. Nachstehend werden Ausführungsform 1 bis Ausführungsform 3 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Ausführungsform 1]
Wie in 1 beschrieben enthält ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung einen Tank 2, der in sich den Flüssigwasserstoff als Kraftstoff speichert, eine Versorgungsleitung 4, die den Kraftstoff aus dem Tank 2 zu einem Nutzungspunkt 3 liefert, eine Druckbeaufschlagungsleitung 5, die den Innenteil des Tanks 2 durch Verdampfen des Flüssigwasserstoffs, der dem Tank 2 entnommen worden ist, in ein Wasserstoffgas unter Druck setzt, eine BOG-Leitung 6, die aus dem Tank 2 das Wasserstoffgas (BOG: Abdampfgas), das durch natürliches Verdampfen des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 erzeugt wird, ablässt, und einen Controller 9, der den Betrieb des Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1 steuert.
Die Versorgungleitung 4 ist mit einem Wärmetauscher 40, einem Rohr 41, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit einem Einlass (Eingang) des Wärmetauschers 40 verbindet, einem Puffertank 43, einem Rohr 42, das einen Auslass (Ausgang) des Wärmetauschers 40 mit einem Einlass des Puffertanks 43 verbindet, und einem Rohr 44, das einen Auslass des Puffertanks 43 mit dem Nutzungspunkt 3 verbindet, versehen. Der Wärmetauscher 40 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem Flüssigwasserstoff, der aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, und dem Flüssigwasserstoff, der durch einen Verdichter 59 verdichtet worden ist, was später beschrieben wird, durch, um den Flüssigwasserstoff, der aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, zu verdampfen. Der Puffertank 43 dient dazu, eine Druckänderung in dem Wasserstoffgas, das an den Nutzungspunkt 3 geliefert werden soll, zu verringern. Der Puffertank 43 ist mit einem Entlastungsventil 65, das das Wasserstoffgas freisetzt, versehen.
In der Versorgungsleitung 4, die die oben beschriebene Anordnung aufweist, wird der dem unteren Abschnitt des Tanks 2 durch das Rohr 41 entnommene Flüssigwasserstoff durch den Wärmetauscher 40 verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (d. h. das Wasserstoffgas) wird durch das Rohr 42 zu dem Puffertank 43 geleitet. Dieses Wasserstoffgas wird vorübergehend in dem Puffertank 43 gespeichert und dann durch das Rohr 44 an den Nutzungspunkt 3 geliefert.
Eine BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 ist mit einem Rohr 61, das den oberen Abschnitt des Tanks 2 mit dem Einlass des Puffertanks 43 verbindet, und einem Durchflussmengensteuerventil 62, das in dem Rohr 61 vorgesehen ist, versehen. Der "obere Abschnitt des Tanks 2" bezieht sich auf einen Gasphasenteil innerhalb des Tanks 2.
In dem oberen Abschnitt innerhalb des Tanks 2 wird BOG (d. h. das Wasserstoffgas), das durch Verdampfen des Flüssigwasserstoffs aufgrund von externer natürlicher Wärme oder dergleichen erzeugt wird, gesammelt. Das BOG wird durch Öffnen des Durchflussmengensteuerventils 62 durch das Rohr 43 zu dem Puffertank 43 geleitet. Das BOG wird vorübergehend in dem Puffertank 43 gespeichert und dann zusammen mit dem Wasserstoffgas, das durch die Versorgungsleitung 4 zu dem Puffertank 43 geleitet worden ist, zu dem Nutzungspunkt 3 geliefert. Somit fungiert die BOG-Leitung 6 als eine Druckentlastungsleitung des Tanks 2.
Die Druckbeaufschlagungsleitung 5 ist mit einem Verdampfer 50, einem Rohr 51, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit einem Einlass des Verdampfers 50 verbindet, dem Verdichter 59, einem Rohr 52, das einen Auslass des Verdampfers 50 mit einem Einlass des Verdichters 59 verbindet, dem Wärmetauscher 40, einem Rohr 53, das einen Auslass des Verdichters 59 mit einem Einlass des Wärmetauschers 40 verbindet, und einem Rohr 54, das einen Auslass des Wärmetauschers 40 mit dem oberen Abschnitt (nämlich dem Gasphasenteil) des Tanks 2 verbindet, versehen.
In der Druckbeaufschlagungsleitung 5, die die oben beschriebene Anordnung aufweist, wird der dem unteren Abschnitt des Tanks 2 durch das Rohr 51 entnommene Flüssigwasserstoff durch den Verdampfer 50 verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (d. h. das Wasserstoffgas) wird durch das Rohr 52 zu dem Verdichter 59 geleitet. Dann wird das Wasserstoffgas durch den Verdichter 59 verdichtet und dabei wird sein Druck erhöht. Dann wird das Wasserstoffgas durch das Rohr 53 zu dem Wärmetauscher 40 geleitet. Dann wird das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck durch den Wärmetauscher 40 gekühlt. Das Wasserstoffgas, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck aufweist, wird durch das Rohr 54 zu dem oberen Abschnitt des Tanks 2 geleitet. Das Wasserstoffgas, das gekühlt worden ist, den erhöhten Druck aufweist und in den Tank 2 zurückgeführt worden ist, beaufschlagt den Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks 2 mit Druck.
Wie oben beschrieben wird das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck zu dem Innenteil des Tanks 2 geliefert, um den Flüssigwasserstoff innerhalb des Tanks 2 mit Druck zu beaufschlagen. Daher kann der Druck in dem Innenteil des Tanks 2 ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell erhöht werden. Zusätzlich kann, da die Energie, die zum Verdampfen des Flüssigwasserstoffs verwendet wird, der durch die Versorgungsleitung 4 geleitet worden ist, aus dem Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck erhalten werden kann, die Energie des Systems effizient genutzt werden.
Das durch das Verdampfen des Flüssigwasserstoffs, der eine extrem niedrige Temperatur aufweist, in dem Verdampfer 50 erzeugte Wasserstoffgas weist ebenfalls die extrem niedrige Temperatur (z. B. etwa –253 Grad C bis –240 Grad C in einem Normaldruckzustand) auf. Dieses Wasserstoffgas mit einer extrem niedrigen Temperatur wird durch den Verdichter 59 verdichtet und seine Temperatur wird in einem gewissen Ausmaß erhöht. Dieses Wasserstoffgas wird durch den Wärmetauscher 40 gekühlt und dann in den Tank 2 zurückgeführt. Da das Wasserstoffgas, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck aufweist, auf diese Weise in den Tank 2 zurückgeführt wird, kann ein Wärmeeintrag in den Tank 2 unterdrückt werden. Als Ergebnis kann das Ausmaß der BOG-Erzeugung unterdrückt werden. Es ist zu beachten, dass die Temperatur des Wasserstoffgases, das durch Verdampfen in dem Verdampfer 50 erzeugt wird, nicht auf die extrem niedrige Temperatur beschränkt ist und das Wasserstoffgas durch den Verdampfer 50 auf eine Temperatur in einem zulässigen Temperaturbereich des Verdichters 59 erwärmt werden kann.
In der Druckbeaufschlagungsleitung 5 mit der oben beschriebenen Anordnung ist der Verdampfer 50 wünschenswerterweise ein Zwangsverdampfer, der eine Einrichtung enthält, die die Kalorien steuert, die dem Flüssigwasserstoff zugeführt werden sollen. Als ein solcher Zwangsverdampfer kann beispielsweise ein Heißwasser-Verdampfer, ein Kaltwasser-Verdampfer oder ein Verdampfer mit Zwangsbelüftung verwendet werden. Im obigen Fall ist das Rohr 42, durch das das durch Erhitzen und Verdampfen des Flüssigwasserstoffs in dem Wärmetauscher 40 erzeugte Wasserstoffgas strömt, mit einem Durchflussmengenmesser 49 versehen. Die Durchflussmenge des Wasserstoffgases, die durch den Durchflussmengenmesser 49, wird an den Controller 9 ausgegeben. Der Tank 2 ist mit einem Druckmesser 91 versehen. Ein Druck in dem Innenteil des Tanks 2, der von dem Druckmesser 91 detektiert wird, wird an den Controller 9. Dann steuert der Controller 9 die Kalorien, die dem Flüssigwasserstoff von dem Verdampfer 50 zugeführt werden sollen, basierend auf der detektierten Durchflussmenge des Wasserstoffgases und/oder dem detektierten Druck in dem Innenteil des Tanks 2 derart, dass die Durchflussmenge des Wasserstoffgases, das durch die Versorgungsleitung 4 strömt, eine vorbestimmte Durchflussmenge erreicht. Gemäß dieser Anordnung wird es möglich, das Ausmaß der Verdampfung des Flüssigwasserstoffs in der Druckbeaufschlagungsleitung 5 anzupassen, um die gewünschte Liefermenge des Wasserstoffgases in der Versorgungsleitung 4 zu erhalten. Im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Verdampfer eines Typs mit natürlicher Verdampfung verwendet wird, kann der Innenteil des Tanks 2 schnell auf einen gewünschten Druck gebracht werden und kann leicht auf einem vorbestimmten Druck (z. B. 2 MPa) gehalten werden.
[Ausführungsform 2]
Als Nächstes wird ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem 1A gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 ist ein Blockdiagramm, das die schematische Anordnung des Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1A gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist ein Blockdiagramm, das die schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1A' gemäß dem abgewandelten Beispiel 1 der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist ein Blockdiagramm, das die schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1A'' gemäß dem abgewandelten Beispiel 2 der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 2 gezeigt enthält das Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem 1A den Tank 2, der in sich den Flüssigwasserstoff als Kraftstoff speichert, die Versorgungsleitung 4, die den Kraftstoff aus dem Tank 2 zu dem Nutzungspunkt 3 liefert, eine BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7, die den Innenteil des Tanks 2 durch Entnehmen des Wasserstoffgases (BOG: Abdampfgases), das durch natürliches Verdampfen des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 in das Wasserstoffgas erzeugt wird, und Zurückführen des Wasserstoffgases in den Tank 2 unter Druck setzt, eine Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8, die den Innenteil des Tanks 2 durch Verdampfen des aus dem Tank 2 entnommenen Flüssigwasserstoffs in das Wasserstoffgas und Zurückführen des Wasserstoffgases in den Tank 2 unter Druck setzt, und den Controller 9, der den Betrieb des Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1A steuert.
Die Versorgungsleitung 4 ist mit einem Verdampfer 48, dem Rohr 41, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit einem Einlass des Verdampfers 48 verbindet, und dem Rohr 42, das einen Auslass des Verdampfers 48 mit dem Nutzungspunkt 3 verbindet, versehen. In der Versorgungsleitung 4 mit der oben beschriebenen Anordnung wird der Flüssigwasserstoff, der durch das Rohr 41 aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, durch den Verdampfer 48 verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (das Wasserstoffgas) wird durch das Rohr 42 zu dem Nutzungspunkt 3 geleitet.
Die BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 ist mit einem Verdichter 72, einem Rohr 71, das den oberen Teil des Tanks 2 mit einem Einlass des Verdichters 72 verbindet, einer an dem Rohr 71 vorgesehenen Drossel 70, einem Puffertank 74, einem Rohr 73, das einen Auslass des Verdichters 72 mit einem Einlass des Puffertanks 74 verbindet, einem Rohr 75, das einen Auslass des Puffertanks 74 mit dem oberen Teil des Tanks 2 verbindet, und einem Durchflussmengensteuerventil 76, das in dem Rohr 75 vorgesehen ist, versehen. Der Puffertank 74 dient dazu, die Menge des BOG, die in den Tank 2 zurückgeführt werden soll, anzupassen. Der Puffertank 74 ist mit einem Entlastungsventil 67 versehen, das das BOG freisetzt.
In der BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 mit der oben beschriebenen Anordnung wird das BOG (d. h. das Wasserstoffgas), das in dem oberen Teil des Tanks 2 gesammelt wird, durch das Rohr 71 zu dem Verdichter 72 geleitet. Das BOG wird durch den Verdichter 72 verdichtet und sein Druck wird erhöht. Dann wird das BOG mit dem erhöhten Druck durch das Rohr 73 zu dem Puffertank 74 geleitet und vorübergehend in dem Puffertank 74 gespeichert. Wenn das Durchflussmengensteuerventil 76 geöffnet ist, wird das BOG, das in dem Puffertank 74 gespeichert ist und den erhöhten Druck aufweist, durch das Rohr 75 zu dem oberen Teil des Tanks 2 geliefert und das BOG mit dem erhöhten Druck beaufschlagt den Flüssigwasserstoff in dem Tank 2 mit Druck. Der Controller 9 steuert den Öffnungsgrad des Durchflussmengensteuerventils 76 auf der Basis eines Detektionswerts des Druckmessers 91, um die Durchflussmenge des BOG mit dem erhöhten Druck, das in den Tank 2 zurückgeführt werden soll, so anzupassen, dass der Druck in dem Innenteil des Tanks 2, der von dem Druckmesser 91 detektiert wird, einen vorbestimmten Druck erreicht. Auf diese Weise kann der Druck in dem Innenteil des Tanks 2 durch Anpassen der Durchflussmenge des BOG mit dem erhöhten Druck, das in den Tank 2 geleitet werden soll, gesteuert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das BOG, das in dem oberen Abschnitt innerhalb des Tanks 2 gesammelt wird, das Wasserstoffgas mit einer extrem niedrigen Temperatur. Da das BOG (Wasserstoffgas) mit der extrem niedrigen Temperatur und dem erhöhten Druck wie oben beschrieben in den Tank 2 zurückgeführt wird, kann der Wärmeeintrag in den Tank 2 unterdrückt werden. Als Ergebnis kann der Innenteil des Tanks 2 unter Druck gesetzt werden, während die Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 unterdrückt wird. Da das BOG mit dem Druck, der durch den Verdichter 72 erhöht worden ist, zudem in den Innenteil des Tanks 2 geleitet wird, kann der Innenteil des Flüssigwasserstofftanks 2 ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell unter Druck gesetzt werden.
Alternativ kann das BOG mit dem Druck, der durch den Verdichter 72 in der BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 erhöht worden ist, gekühlt werden und dann zu dem Tank 2 geleitet werden. In diesem Fall kann beispielsweise wie in 3 gezeigt der Wärmetauscher 40 vorgesehen sein, der einen Wärmeaustausch zwischen dem aus dem Tank 2 entnommenen Flüssigwasserstoff in der Versorgungsleitung 4 und dem BOG mit dem Druck, der durch den Verdichter 72 in der BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 erhöht worden ist, durchführt. In dem Wärmetauscher 40 wird der aus dem Tank 2 entnommene Flüssigwasserstoff in der Versorgungsleitung 4 verdampft und das BOG mit dem Druck, das durch den Verdichter 72 in der BOG-Druckleitung 7 mit Druck beaufschlagt worden ist, wird gekühlt. Auf diese Weise wird das BOG, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck aufweist, in den Innenteil des Tanks 2 geleitet und somit kann die Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 unterdrückt werden. Da ferner die Energie, die verwendet wird, um den aus dem Tank 2 entnommenen Flüssigwasserstoff zu verdampfen, aus dem BOG mit den Druck, der durch den Verdichter 72 erhöht worden ist, erhalten werden kann, kann die Energie effizient genutzt werden.
Die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 ist mit einem Verdampfer 84, einem Rohr 81, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit einem Einlass des Verdampfers 84 verbindet, einem in dem Rohr 81 vorgesehenen Durchflussmengensteuerventil 82 und einem Rohr 83, das einen Auslass des Verdampfers 84 mit dem oberen Teil des Tanks 2 verbindet, versehen. In der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 mit der oben beschriebenen Anordnung wird beispielsweise in einem Fall, in dem ein Ausfall in dem Verdichter 72 auftritt, oder in einem Fall, in dem der Druck in dem Innenteil des Tanks 2 selbst dann noch unzureichend ist, nachdem das BOG aus der BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 zugeführt worden ist, das Durchflussmengensteuerventil 82 geöffnet. Durch Öffnen des Durchflussmengensteuerventils 82 wird der Flüssigwasserstoff, der aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, durch den Verdampfer 84 verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (das Wasserstoffgas) wird dem oberen Teil des Tanks 2 zugeführt.
Obwohl in der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 mit der oben beschriebenen Konfiguration das mit dem Auslass des Verdampfers 84 verbundene Rohr 83 mit dem oberen Teil des Tanks 2 verbunden ist, können der Auslass des Verdampfers 84 und der Einlass des Puffertanks 74 über das Rohr 83 miteinander verbunden sein, wie es in 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird das durch Verdampfen in dem Verdampfer 84 erzeugte Wasserstoffgas vorübergehend in dem Puffertank 74 gespeichert und zusammen mit dem BOG dem oberen Teil des Tanks 2 zugeführt.
[Ausführungsform 3]
Als Nächstes wird ein Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem 1B gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5 ist ein Blockdiagramm, das die schematische Anordnung des Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1B gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 ist ein Blockdiagramm, das die schematische Anordnung eines Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1B' gemäß dem abgewandelten Beispiel der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 5 gezeigt enthält das Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem 1B den Tank 2, der in sich den Flüssigwasserstoff als Kraftstoff speichert, die Versorgungsleitung 4, die den Kraftstoff aus dem Tank 2 zu dem Nutzungspunkt 3 liefert, die BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7, die den Innenteil des Tanks 2 durch Entnehmen des Wasserstoffgases (BOG), das durch natürliches Verdampfen des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 erzeugt wird, und Zurückführen des Wasserstoffgases in den Tank 2 unter Druck setzt, die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8, die den Innenteil des Tank 2 durch Verdampfen des aus dem Tank 2 entnommenen Flüssigwasserstoffs in das Wasserstoffgas und Zurückführen des Wasserstoffgases in den Tank 2 unter Druck setzt, und den Controller 9, der den Betrieb des Wasserstoffkraftstoffversorgungssystems 1B steuert.
Die Versorgungsleitung 4 ist mit dem Verdampfer 48, dem Rohr 41, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit dem Einlass des Verdampfers 48 verbindet, und dem Rohr 42, das den Auslass des Verdampfers 48 mit dem Nutzungspunkt 3 verbindet, versehen. In der Versorgungsleitung 4 mit der oben beschriebenen Anordnung wird der Flüssigwasserstoff, der durch das Rohr 41 aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, durch den Verdampfer 48 verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (das Wasserstoffgas) wird durch das Rohr 42 zu dem Nutzungspunkt 3 geleitet.
Die BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 ist mit dem Verdichter 72, dem Rohr 71, das den oberen Teil des Tanks 2 mit dem Einlass des Verdichters 72 verbindet, der an dem Rohr 71 vorgesehenen Drossel 70, einem Wärmetauscher 77 und einem Rohr 75, das einen Auslass des Wärmetauschers 77 mit dem oberen Teil des Tanks 2 verbindet, versehen. Der Wärmetauscher 77 ist dazu ausgelegt, einen Wärmeaustausch zwischen dem BOG und dem Flüssigwasserstoff in der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 durchzuführen, die später beschrieben ist. In dem Wärmetauscher 77 wird der Flüssigwasserstoff in der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 erwärmt und verdampft und das BOG in der BOG-Druckleitung 7 gekühlt.
In der BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 mit der oben beschriebenen Anordnung wird das BOG (d. h. das Wasserstoffgas), das in dem oberen Teil des Tanks 2 gesammelt wird, durch das Rohr 71 zu dem Verdichter 72 geleitet. Das BOG wird durch den Verdichter 72 verdichtet und damit wird sein Druck erhöht. Dann wird das BOG mit dem erhöhten Druck durch das Rohr 73 zu dem Wärmetauscher 77 geleitet und darin gekühlt. Dann wird das BOG, das gekühlt worden ist und den erhöhten Druck hat, durch das Rohr 75 dem oberen Teil des Tanks 2 zugeführt. Das BOG mit dem erhöhten Druck beaufschlagt den Flüssigwasserstoff in dem Tank 2 mit Druck. Der Controller 9 steuert die Drehzahl des Verdichters 72 auf der Grundlage eines Detektionswertes des Druckmessers 91, der an dem Tank 2 angebracht ist, um die Durchflussmenge des BOG mit dem erhöhten Druck, das in den Tank 2 zurückgeführt werden soll, so anzupassen, dass ein Druck in dem Innenteil des Tanks 2, der von dem Druckmesser 91 detektiert wird, einen vorbestimmten Druck erreicht.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das BOG, das in dem oberen Teil des Tanks 2 gesammelt wird, das Wasserstoffgas mit einer extrem niedrigen Temperatur. Da das BOG (das Wasserstoffgas) mit der extrem niedrigen Temperatur und dem erhöhten Druck wie oben beschrieben in den Tank 2 zurückgeführt wird, kann der Wärmeeintrag in den Tank 2 unterdrückt werden. Infolgedessen kann der Innenteil des Tanks 2 unter Druck gesetzt werden, während die Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks 2 unterdrückt wird. Da das BOG mit dem Druck, der durch den Verdichter 72 erhöht worden ist, zu dem Tank 2 geleitet wird, kann zudem der Innenteil des Flüssigwasserstofftanks ohne Verwendung einer Flüssigwasserstoffpumpe schnell unter Druck gesetzt werden.
In einem Fall, in dem die Temperatur des BOG niedriger als ein Nenntemperaturbereich des Verdichters 72, kann wie in 6 gezeigt das Rohr 71, das den oberen Teil des Tanks 2 mit dem Einlass des Verdichters 72 verbindet, mit einer Heizvorrichtung 79 versehen sein, um das BOG bis zu einem Wert in dem Nenntemperaturbereich des Verdichters 72 zu erwärmen, bevor das BOG zu dem Verdichter 72 geleitet wird. Ferner kann gemäß Ausführungsform 2 wie oben beschrieben das Rohr 75 mit dem Puffertank, der in sich das BOG speichert, das gekühlt und verdichtet worden ist, und dem Durchflussmengensteuerventil versehen sein.
Die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 ist mit einem Wärmetauscher 77, dem Rohr 81, das den unteren Abschnitt des Tanks 2 mit einem Einlass des Wärmetauschers 77 verbindet, dem in dem Rohr 81 vorgesehenen Durchflussmengensteuerventil 82 und dem Rohr 83, das einen Auslass des Wärmetauschers 77 mit dem oberen Teil des Tanks 2 verbindet, versehen. In der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 mit der oben beschriebenen Anordnung wird beispielsweise dann, wenn die Zufuhr des Kraftstoffs beginnt, das Durchflussmengensteuerventil 82 geöffnet. Durch Öffnen des Durchflussmengensteuerventils 82 wird der Flüssigwasserstoff, der aus dem unteren Abschnitt des Tanks 2 entnommen worden ist, durch den Wärmetauscher 77 erwärmt und verdampft und der verdampfte Flüssigwasserstoff (das Wasserstoffgas) wird dem oberen Teil des Tanks 2 zugeführt. Auf diese Weise wird beispielsweise dann, wenn die Zufuhr des Kraftstoffs beginnt, das Wasserstoffgas über die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung 8 und die BOG-Druckbeaufschlagungsleitung 7 in den Tank 2 geleitet. Dies ermöglicht es, den Innenteil des Tanks 2 schnell auf einen gewünschten Druck zu bringen.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B: Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem
2: Tank
3: Nutzungspunkt
4: Versorgungsleitung
40: Wärmetauscher
48: Verdampfer
49: Durchflussmesser
5: Druckbeaufschlagungsleitung
50: Verdampfer
59: Verdichter
6: BOG-Leitung
7: BOG-Druckbeaufschlagungsleitung
72: Verdichter
74: Pufferbehälter
76: Durchflussmengensteuerventil
77: Wärmetauscher
79: Heizvorrichtung
8: Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung
82: Durchflussmengensteuerventil
84: Verdampfer

Claims

Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem, das enthält: einen Tank, um Flüssigwasserstoff zu speichern; eine Versorgungsleitung, um den Flüssigwasserstoff aus dem Tank zu entnehmen, den Flüssigwasserstoff in ein Wasserstoffgas zu verdampfen und das Wasserstoffgas zu einem Nutzungspunkt zu liefern; und eine Druckbeaufschlagungsleitung, um das durch Verdampfung des Flüssigwasserstoffs innerhalb des Tanks erzeugte Wasserstoffgas so zu verdichten, dass der Druck des Wasserstoffgases erhöht wird, und um das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck in einen Gasphasenteil innerhalb des Tanks zu leiten.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die Druckbeaufschlagungsleitung enthält: einen Verdampfer, um den aus dem Tank entnommenen Flüssigwasserstoff in das Wasserstoffgas zu verdampfen, einen Verdichter, um den Druck des Wasserstoffgases zu erhöhen, und einen Wärmetauscher, um das Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck zu kühlen.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2, wobei der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, einen Wärmeaustausch zwischen dem Wasserstoffgas mit dem erhöhten Druck und dem Flüssigwasserstoff, der durch die Versorgungsleitung strömt, durchzuführen.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2 oder 3, das ferner enthält: einen Durchflussmengenmesser, der eine Durchflussmenge des durch Verdampfung in der Versorgungsleitung erzeugten Wasserstoffgases detektiert, und einen Controller, um Kalorien, die dem Flüssigwasserstoff von dem Verdampfer zugeführt werden sollen, so anzupassen, dass die Durchflussmenge des Wasserstoffgases, die durch den Durchflussmengenmesser detektiert wird, eine vorbestimmte Durchflussmenge erreicht.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die Druckbeaufschlagungsleitung einen Verdichter enthält, um den Druck eines Abdampfgases des Flüssigwasserstoffs, das dem Tank entnommen worden ist, zu erhöhen.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 5, wobei die Druckbeaufschlagungsleitung ferner enthält: einen Puffertank, um vorübergehend das Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter erhöht worden ist, zu speichern, und ein Durchflussmengensteuerventil, um eine Durchflussmenge des Abdampfgases, das aus dem Puffertank in den Innenteil des Tanks geleitet werden soll, zu steuern.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Druckbeaufschlagungsleitung ferner enthält: einen Wärmetauscher, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter erhöht worden ist, und dem Flüssigwasserstoff, der durch die Versorgungsleitung strömt, durchzuführen.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das ferner enthält: eine Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung, um den Flüssigwasserstoff, der aus dem Tank entnommen worden ist, in Wasserstoffgas zu verdampfen und das Wasserstoffgas in den Gasphasenteil innerhalb des Tanks zu leiten.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 8, wobei die Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung einen Wärmetauscher enthält, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Abdampfgas mit dem Druck, der durch den Verdichter in der Druckbeaufschlagungsleitung erhöht worden ist, und dem Flüssigwasserstoff in der Hilfsdruckbeaufschlagungsleitung durchzuführen.
Wasserstoffkraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Nutzungspunkt ein Brenner einer Gasturbinenmaschine ist.