JP2005299819A - 低温液化ガス充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 省スペース化に基づき定置用と移動用何れにも対応し得る安価でコンパクトな構造をなし、かつコスト低減化を果たす低温液化ガス充填装置の提供。
【解決手段】 低温液化ガスを貯留する低温液化ガス容器１、低温液化ガス容器１に接続して低温液化ガス容器１内から汲出した低温液化ガスを流出側管端のディスペンサ５から負荷機器３１に直接充填するための液化ガス充填ライン２、低温液化ガス容器１に接続して該容器１内から汲出した低温液化ガスを昇圧処理及び蒸発処理することによって得られる高圧ガスを流出側管端のディスペンサ６から負荷機器３２に充填するための高圧ガス充填ライン３、低温液化ガス容器１から排出するＢＯＧを低温液化ガス充填ライン２の液管及び高圧ガス充填ライン３の未昇圧部液管の少なくとも何れか一方に対し充填運転に先行させる予冷の冷熱として供給するためのクールダウンライン４が移動可能な装荷台２９に搭載されてなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素をエネルギー源とする負荷機器（例えば燃料電池自動車、内燃機関など）に対して水素を効率よく充填することが可能で、定置式と移動式の何れの利用にも対応し得る液化水素ステーションを一例とする低温液化ガス充填装置に関する。

環境負荷低減を目的として燃料電池自動車などの水素を燃料とした自動車の普及が進められている。それらに燃料水素を供給するインフラとして水素ステーションがあるが、形態として各種原料による現地での水素製造（オンサイト方式）及び外部からの輸送（オフサイト方式）等様々な方式がある。

低公害車である燃料電池自動車などの水素自動車は、充填一回当たりの走行距離を延ばす目的で、多量の水素を搭載する必要がある。その搭載方法としては高圧縮水素ガス及び液化水素形態での搭載等があるが、何れの搭載方法にも叶う燃料充填のための基地となるいわゆる液化水素ステーションは普及途上であり、現状では国内に1箇所しか設置されていない。

上記公知となる定置式液化水素ステーションは、現状では導入過程の開発段階にあることから大掛かりな設備の域を脱しておらず、また、圧力、温度の高精度維持管理が必要なことなどの点から巨額の建設コストを要する問題が有る。

ところで、この種の定置式液化水素ステーションでは、燃料電池自動車の車載タンクに水素を充填する際、液化水素が通ずる断熱配管及び昇圧ポンプは液化水素温度域までのクールダウンが必要となるが、この操作の実行により液化水素はボイルオフし、車載タンクへの充填量に関係なく消費される。また、液化水素容器内の液化水素は容器壁を通じての入熱によって使用とは無関係に蒸発し、容器内圧を上昇させるために、圧力保持の点から容器外へのＢＯＧ（ボイルオフガス）の放出が必要となる。このようなことから、液化水素ステーションでは相当量の水素ガスの損失が生じることは避けられないものである。

公知の液化ガス昇圧ポンプにおいて、ＢＯＧの冷熱を利用するものとして例えば特許文献１があるが、これは温度及び流量制御を行うことでバイパス運転及び圧縮機動力を削減することを目的としており、液化ガスの損失を極力少なくしようとして成されたものではない。
特開２０００−２７７９２号公報（特に、特許請求の範囲参照）

燃料電池自動車の利用が広がりつつある現今において、巨額の建設コストが掛かるために普及の足枷となっている従来の定置式液化水素ステーションに替えて、比較的安価で省スペース化が図れて定置用に限らず移動用にも適応可能なコンパクトな構造の中・小容量型液化水素ステーションの実現が希求されているが、前述の通りＢＯＧによるかなりの量の水素ガス損失が避けられないうえ、低容量化・装置簡易化に伴って水素の損失率がより増大するために充填効率が下がる結果となって水素燃料費のアップを招くことが最大の難点とされており、この点の技術的な解決が未だに図れていないために要求される中・小容量型液化水素ステーションが具現化されるに至らないのが実状である。

本発明は、このような時代の要請に応えるべく成されるに至ったものであり、従って本発明の目的は、既存の低温液化ガス容器を利用可能とすることにより設備の簡素化に基づく省スペース化を図り、定置用と移動用のどちらの利用にも十分に対応し得る安価でコンパクトな構造の低温液化ガス充填装置を提供することにある。

また本発明は、設備の簡素化によるＢＯＧ量の増加に対し、当該ＢＯＧの冷熱を活用したクールダウンを行わせ得る高効率充填システムを採用することによって、低温液化ガスの歩留まり向上を果たし得て低温液化ガスコストの低減を図ることを目的とするものである。

本発明は上述する課題を解決するために、請求項１に記載の発明に関しては、低温液化ガスを貯留する低温液化ガス容器１と、この低温液化ガス容器１に流入側管端を接続して低温液化ガス容器１内から汲出した低温液化ガスを流出側管端に設けられた低温液化ガスディスペンサ５から低温液化ガス負荷機器３１に直接充填するための低温液化ガス充填ライン２と、前記低温液化ガス容器１に流入側管端を接続して低温液化ガス容器１内から汲出した低温液化ガスを昇圧処理及び蒸発処理することによって得られる高圧ガスを流出側管端に設けられた高圧ガスディスペンサ６から高圧ガス負荷機器３２に充填するための高圧ガス充填ライン３と、前記低温液化ガス容器１から排出するＢＯＧを前記低温液化ガス充填ライン２の液管及び前記高圧ガス充填ライン３の未昇圧部液管の少なくとも何れか一方に対し充填運転に先行させる予冷の冷熱として供給するためのクールダウンライン４とを備え、低温液化ガス容器１及び各ライン２、３、４のうち少なくとも低温液化ガス充填ライン２、高圧ガス充填ライン３、クールダウンライン４がトラック荷台等の移動可能な装荷台２９に搭載されてなる構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、既存の低温液化ガス容器を利用することにより、新たに貯留槽等を別途製作する必要は無く、関連機器類を簡素化することからも既設の定置式低温液化ガスステーションよりも建設費、設置費を飛躍的に削減し得る。

また本発明は、ＢＯＧの冷熱を利用するクールダウンラインを設けたことにより、高効率充填が図れて従来方式の低温液化ガスステーションに比して大幅な充填ロス低減を達成することが可能である。

以下に本発明に係る低温液化ガス充填設備について、図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る移動式液化水素ステーションの機器配置概念図であり、図２は、同じく移動式液化水素ステーションのシステムフロー図である。図２において、この液化水素ステーションにおいては、低温液化ガス容器である液化水素容器１と、低温液化ガス充填ラインである液化水素充填ライン２と、高圧ガス充填ラインである高圧水素ガス充填ライン３と、クールダウンライン４とを構成要素部材として備え、更に、容器ガス放出ライン１８を構成部材として備える。

液化水素容器1は、断熱性を有する密閉圧力容器であって、使用量によって選択される容量、例えば数百キログラムの液化水素を充填し得る容量で既存の断熱耐圧容器が用いられる。この液化水素容器１は断熱二重配管の短管から成る液払出し管１０が液相部に臨ませて容器側壁に設けられていて該液払出し管１０の中間部に液払出し弁１７が介設されている。

液化水素充填ライン２は、流入側管端を液払出し管１０の払出し端に分岐接続した所定長さの断熱二重配管、例えば真空断熱二重配管１１と、分岐個所の断熱二重配管１１に介設した切替弁２１と、断熱二重配管１１の流出側管端に取付けられた低温液化ガスディスペンサである液化水素ディスペンサ５と、この液化水素ディスペンサ５の液取出し側に設けられて低温液化ガス負荷機器としての例えば燃料電池自動車における液化水素車載タンク３１に接続するための弁付管継手１５とを備える。

このように構成される液化水素充填ライン２は、液払出し弁１７を開かせた状態で切替弁２１を開側に切替えることにより、液化水素容器１内から圧力差に基づいて汲出した液化水素を、断熱二重配管１１、液化水素ディスペンサ５及び弁付管継手１５を順に経て該弁付管継手１５に接続した低温液化ガス負荷機器３１に直接充填することが可能である。

次に、高圧水素ガス充填ライン３は、流入側管端を液払出し管１０の払出し端に分岐接続した所定長さの断熱二重配管、例えば断熱二重配管１２と、分岐個所の断熱二重配管１２に介設した切替弁２２と、断熱二重配管１２の流出側管端に吸入口を接続した昇圧ポンプ７と、ポンプ出口弁２３が途中に介設されて流入側管端を昇圧ポンプ７の吐出口に接続した高圧液管１３と、該高圧液管１３の流出側管端に入口が接続された蒸発器８と、該蒸発器８の出口に流入側管端を接続した高圧ガス管１４と、該高圧ガス管１４の途中に介設した蓄圧器９と、高圧ガス管１４の流出側管端に取付けられた高圧ガスディスペンサである高圧水素ガスディスペンサ６と、この高圧水素ガスディスペンサ６に設けられて高圧ガス負荷機器としての例えば燃料電池自動車における高圧水素ガス車載タンク３２に接続するための弁付管継手１６とを備える。

このように構成される高圧水素ガス充填ライン３は、液払出し弁１７を開かせた状態で切替弁２２を開側に切替えることにより、液化水素容器１内から昇圧ポンプ7に汲出した液化水素を、該昇圧ポンプ７で昇圧した後、蒸発器８で蒸発処理し高圧水素ガスと成し、更に蓄圧器９にてクッション処理することによって所定圧の高圧水素ガスと成して、この高圧水素ガスを高圧水素ガスディスペンサ６及び弁付管継手１６を順に経て該弁付管継手１６に接続した高圧ガス負荷機器３２に充填することが可能である。

前記容器ガス放出ライン１８については、定置式液化水素ステーションにも従来から備えられる安全装置になるものであって、液化水素容器１の気相部に臨ませて容器頂壁に立設されるベントスタックから形成される。この容器ガス放出ライン１８の途中には容器ガス放出弁１９が介設されていて、液化水素容器１内の液化水素が容器壁を通じての入熱によって使用とは無関係に蒸発し容器内圧を上昇させる原因となることから、圧力保持の安全面に鑑みて圧力上昇の際に容器ガス放出弁１９を開放してＢＯＧを容器外に放出させるようになっている。

クールダウンライン４は、前記容器ガス放出ライン１８の途中と液払出し管１０の途中とに亘らせたバイパス状に設けられたガス管路により主要部が構成される。即ち、容器ガス放出弁１９に対して上手側のガス放出管路と液払出し弁１７の下手側の液払出し管１０とに亘らせてガス管を接続するとともに該ガス管途中に冷却弁２０を介設して前記主要部が形成される。さらに、この主要部に関連させて、液化水素充填ライン２側では、液化水素ディスペンサ５の液取出し側に液ライン放出弁２６を介設して備えるベントライン２４が分岐接続され、高圧水素ガス充填ライン３側では、昇圧ポンプ７の吐出口側にガスライン放出弁２７を介設して備えるベントライン２５が分岐接続され、これらによってクールダウンライン４が形成される。

このように構成されるクールダウンライン４は、液払出し弁１７を閉じさせた非充填運転時において、容器ガス放出弁１９を閉じて前記容器ガス放出ライン１８を非作動状態と成すと共に冷却弁２０を開かせ、更に切替弁２１，２２の何れか一方又は双方を開かせ、これに対応して液ライン放出弁２６、ガスライン放出弁２７の何れか一方又は双方を開かせることによってクールダウン作動運転に入らせることが可能である。即ち、液化水素容器１から排出するＢＯＧを液化水素充填ライン２の液管である断熱二重配管１１と高圧水素ガス充填ライン３の未昇圧部液管である断熱二重配管１２の何れか一方又は双方に対し供給して充填運転に先行させる予冷を行わせることができる。

以上システムフローにつき説明してなる本発明の実施の形態に係る移動式液化水素ステーションは、図1に平面略示するように各構成部材をコンパクトにユニット化させてトラック等の自動車の荷台で実現される移動可能な装荷台２９に搭載して、容易に移動させることができるように構成される。尚、図１中、参照符号２８で示す部材は受電設備であって、外部電源を受け容れて各構成部材における電気負荷の作動を行わせるためのものであり、また、図示例のステーションユニットにおいては、自動車における長さ（図1上で横方向長さ）約６ｍ、幅（同じく縦方向）約２ｍの装荷台２９に搭載可能に形成される。

本発明に係る液化水素ステーションにおいて、液化水素が通じる部分は断熱二重配管構造としていて、充填開始時には切替弁２１，２２にて液化水素充填ライン２又は高圧水素ガス充填ライン３に切替えて、この断熱二重配管とガス充填時にはこれに昇圧ポンプ７を加えて液化水素温度域までクールダウンすることが不可欠であることは前述の通りである。尚、この切替弁２１，２２の操作は、手動でも制御装置による自動操作のどちらでも良い。このクールダウンにより、運転時における液化水素のＢＯＧ量は低減する。

また、液化水素容器１内の液化水素は入熱により使用とは関係なく蒸発し、容器内圧を高めるため、圧力保持のため容器ガス放出弁１９を開いて前記容器ガス放出ラインより容器外へのＢＯＧの放出が必要となる。本発明による液化水素ステーションにおいては前述の通り本来放出されているＢＯＧの冷熱を利用して充填運転に先行させる予冷を行わせることができるものであって、断熱二重配管と昇圧ポンプ７にＢＯＧを流し、その冷熱を利用してクールダウンのための液化水素の消費を削減し、全体として充填ロスの低減が図れるものである。

ところで、本発明の実施形態の一例に基づいて、経済面、充填効率面での特徴につき実際に検討してみたところ、下記の通り比較例との対比で明らかな如く顕著な効果があることが判った。

本発明に係る車載タイプの移動用液化水素ステーションは、既存の断熱耐圧容器の利用が可能であることから、建設・設置コストが７０，０００千円で製作できた。一方、従来形式の定置式液化水素ステーションは、液化水素貯槽等大掛かりでかつ特殊な構造であるために建設・設置コストが３００，０００千円と高額を要し、従って、本発明では従来の設備に比較して、１／４弱の低廉なコストで提供できる経済的優位性を有することが明らかである。

また、本発明に係る車載タイプの移動用液化水素ステーションは、放出するＢＯＧの冷熱を利用してクールダウンすることにより、充填量：１００Ｌ／充填、充填ロス：４０Ｌ／充填、払出量（合計）：１４０Ｌ／充填の値となり、充填ロスを低減し得る好結果が得られた。
これに対して、放出するＢＯＧの冷熱利用によるクールダウンは行わない従来技術による車載タイプの移動用液化水素ステーションは、既存の断熱システムのみを利用する関係上からＢＯＧの放出量が多くなって、充填量：１００Ｌ／充填、充填ロス：１００Ｌ／充填、払出量（合計）：２００Ｌ／充填となり、充填ロスが増える結果となった。
上記対比からすれば、本発明は高効率システムの採用により、従来技術の同種の移動用液化水素ステーションと比較して６０％もの充填ロス低減を達成できることが明らかである。
又、従来形式の定置式液化水素ステーションは、放出するＢＯＧの冷熱利用によるクールダウンは行っていないものの、入熱量が少ない構造であるが設置面積の大きい液化水素ポンプ等を設置することが可能であり、従来技術の移動用液化ステーションと比較してＢＯＧの放出量を抑えることが可能で、充填量：１００Ｌ／充填、充填ロス：６０Ｌ／充填、払出量（合計）：１６０Ｌ／充填の結果となっているが、本発明の利用により更なる充填ロス低減が可能となるものである。

なお、図１に示す実施形態では定置した液化水素容器１のある位置へ蒸発器８、蓄圧器２９、受電設備２８等を搭載した装架台２９を横付けして連結する液化水素ステーションについて例示したが、装架台２９に液化水素容器１を搭載して搬送可能にしてもよく、また、受電設備２８を定置式にする等適宜変更してもよい。

移動式液化水素ステーションを例にとり、本発明を説明したが本発明は現状利用していないＢＯＧの冷熱を利用するシステムであり、液化水素に限らず、液化窒素、液化酸素等の低温液化ガス全般に関して適用できるシステムである。

本発明の実施の形態に係る移動式液化水素ステーションの機器配置概念図である。 図1図示の移動式液化水素ステーションのシステムフロー図である。

符号の説明

１…低温液化ガス容器(液化水素容器)
２…低温液化ガス充填ライン(液化水素充填ライン)
３…高圧ガス充填ライン(高圧水素ガス充填ライン)
４…クールダウンライン
５…低温液化ガスディスペンサ（液化水素ディスペンサ）
６…高圧ガスディスペンサ（高圧水素ガスディスペンサ）
７…昇圧ポンプ ８…蒸発器
９…蓄圧器 １０…液払出し管（断熱二重配管）
１１…液化水素供給管（断熱二重配管） １２…昇圧ポンプ供給管（断熱二重配管）
１３…高圧液管 １４…高圧ガス管
１５…弁付管継手（液化水素用継手） １６…弁付管継手（高圧水素ガス用継手）
１７…液払出し弁 １８…容器ガス放出ライン
１９…容器ガス放出弁 ２０…冷却弁
２１…切替弁 ２２…切替弁
２３…ポンプ出口弁 ２４…ベントライン
２５…ベントライン ２６…液ライン放出弁
２７…ガスライン放出弁 ２８…受電設備
２９…装荷台
３１…低温液化ガス負荷機器（液化水素車載タンク）
３２…高圧ガス負荷機器（高圧水素ガス車載タンク）

Claims (1)

1. 低温液化ガスを貯留する低温液化ガス容器（１）と、この低温液化ガス容器（１）に流入側管端を接続して低温液化ガス容器（１）内から汲出した低温液化ガスを流出側管端に設けられた低温液化ガスディスペンサ（５）から低温液化ガス負荷機器（３１）に直接充填するための低温液化ガス充填ライン（２）と、前記低温液化ガス容器（１）に流入側管端を接続して低温液化ガス容器（１）内から汲出した低温液化ガスを昇圧処理及び蒸発処理することによって得られる高圧ガスを流出側管端に設けられた高圧ガスディスペンサ（６）から高圧ガス負荷機器（３２）に充填するための高圧ガス充填ライン（３）と、前記低温液化ガス容器（１）から排出するＢＯＧを前記低温液化ガス充填ライン（２）の液管及び前記高圧ガス充填ライン（３）の未昇圧部液管の少なくとも何れか一方に対し充填運転に先行させる予冷の冷熱として供給するためのクールダウンライン（４）とを備え、低温液化ガス容器（１）及び前記各ライン（２）、（３）、（４）のうち少なくとも低温液化ガス充填ライン（２）、高圧ガス充填ライン（３）、クールダウンライン（４）が移動可能な装荷台（２９）に搭載されてなることを特徴とする低温液化ガス充填装置