JP2008267496A - 水素ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の小型化が可能であり、冷却媒体としての液体窒素等の消費量を低減でき、装置の起動時間および終了時間を短縮できる水素ガス冷却装置を得る。
【解決手段】水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する熱交換器１と、この熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンク５を備え、熱交換器は、二重管構造であって、内管３側に水素が流れ、外管２側に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンク５からの液化ガスを供給する液化ガス供給管６が外管２の底部に接続され、外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンク６に戻す戻り管７が設けられ、ヘッドタンク５は、その底部が熱交換器１の頂部を越える上方に位置している水素ガス冷却装置である。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素ガスを冷却して水素自動車等に供給する際に用いられる水素ガス冷却装置に関する。

水素自動車では、水素ガスを燃料タンクに高圧で充填することが要求されるため、水素ガスを燃料タンクに充填する際には、断熱圧縮による温度上昇が起きる。また、水素ガスは一般的なガスと異なり、断熱膨張させるとジュールトムソン効果により温度が上昇する性質が有する。
充填作業の効率を上げるため、水素ガスの供給流量を高く設定する場合には、水素ガスは高温になりやすいため、燃料タンクへの充填に際しては予め水素ガスを−３０℃〜−４０℃程度に冷却する必要がある。

このような用途において水素ガスを冷却する装置としては、特開２００５−８３５６７号公報に提案されたものがある。
この冷却装置は、ブラインなどの冷却媒体を貯留し循環させる冷媒貯槽にコイル状の冷却パイプを浸漬した構造の熱交換器を備えたもので、この冷却パイプに冷却すべき水素を流して冷却するものである。
また、冷却媒体として液体窒素などの液化ガスを冷媒貯槽に供給して貯留するタイプの冷却装置も知られている。

しかしながら、前述の水素ガス冷却装置にあっては、設備全体が大型化すること、冷却媒体としての液体窒素の消費量が多くなること、装置の起動時間および終了時間が長くなることなどの不具合がある。
特開２００５−８３５６７号公報

よって、本発明における課題は、設備の小型化が可能であり、冷却媒体としての液体窒素等の消費量を低減でき、装置の起動時間および終了時間を短縮できる水素ガス冷却装置を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する熱交換器と、この熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクを備え、
前記熱交換器は、二重管構造であって、内管側に水素が流れ、外管側に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が外管の底部に接続され、外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
前記ヘッドタンクは、その底部が前記熱交換器の頂部を越える上方に位置していることを特徴とする水素ガス冷却装置である。

請求項２にかかる発明は、前記戻り管が外管の上下方向の異なる位置に２以上設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素ガス冷却装置である。
請求項３にかかる発明は、前記熱交換器の外管の一部がベローズとなっていることを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス冷却装置である。
請求項４にかかる発明は、前記熱交換器の内管と並列的にバイパス管が設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水素ガス冷却装置である。

本発明によれば、熱交換器内での水素ガスの冷却に伴って外管内の液化ガスが一部蒸発し、全体としての見掛け密度が小さくなることで、上方に自然に移動し、熱交換器とヘッドタンクとの間で液化ガスが自然循環することになり、外管内全体で常時液化ガスが移動して、液化ガス側の境膜伝熱係数が増大し、必要な伝熱面積が小さくなる。このため、熱交換器をコンパクトにできるとともに液化ガス供給のための動力が不要となり、さらには定常状態の熱損失が小さくなって、液化ガスの消費量を削減できる。

二重管構造の熱交換器とすることで、熱交換器の外管と内管との間隔を例えば２０ｍｍ程度まで狭くすることができるので、液化ガスのホールドアップ量（貯留量）を例えば１０〜２０リットル程度まで少なくでき、起動時の液化ガス準備時間、運用終了後に液化ガスを処分する場合の放出、加温時間を短縮できる。
また、外管の一部をベローズとすることで、熱交換器の温度変化に伴う外管、内管の伸縮を吸収することができる。

さらに、液化ガスの戻り管を外管の上下方向に複数位置を変えて設けたものでは、必要に応じて有効伝熱面積を変化させて、熱交換器出口での水素ガスの温度を調整することができる。また、バイパス管を設けて未冷却の水素ガスを冷却後の水素ガスに混合することにより、冷却後の水素ガスの温度を調節することができる。

図１は、本発明の水素ガス冷却装置の一例を示すものである。図１において、符号１は熱交換器を示す。この熱交換器１は、直管状の外管２とこの外管２の内部に同軸的に設けられた直管状の内管３とからなる二重管構造となっている。
この熱交換器１は、その外管２および内管３の軸線が鉛直方向または鉛直方向から若干斜めに傾いた方向に沿うように立設状態で設置されている。

外管２は、その内側に液化窒素などの冷却媒体として機能する液化ガスを貯えるもので、内径４０〜６０ｍｍ、外径４５〜８０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度のステンレス鋼などからなるものである。この外管２の上部は、長手方向に伸縮が可能なベローズ４となっている。なお、このベローズ４の位置は上部に限られることはなく、外管２のどこでも良い。
外管２の頂部および底部は閉じられている。外管２の外側は図示しない断熱材で被覆されており、液化ガスへの外部からの熱の侵入を防ぐように構成されている。

内管３は、その内部を冷却すべき水素ガスが流れるもので、内径２〜１０ｍｍ、外径１０〜３０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度で、低温水素脆性を考慮した金属材料、例えばＳＵＳ３１６Ｌ等からなるものである。内管３は、外管２の頂部および底部を液密に貫通しており、貫通した上部は出口３ｂと、下部は入口３ａとなっている。

また、符号５は、液化窒素などの液化ガスを貯えるヘッドタンクを示し、このヘッドタンク５は、熱交換器１の頂部よりも上方の位置に配され、熱交換器１の頂部よりも３０〜５０ｃｍ程度上方に置くことが好ましい。
ヘッドタンク５の底部と熱交換器１の外管２の底部とは液化ガス供給管６によって接続されており、ヘッドタンク５から外管２内に液化ガスが高低差によって流下して供給されるようになっている。

ヘッドタンク５には、図示しない液化ガス供給源からの液化ガスが補給される補給管１０が接続され、液面計と液面位調整弁とからなる液面制御機構１１により所定量の液化ガスが常時貯えられるようになっている。
また、ヘッドタンク５には排気管１２が接続され、気化した液化ガスが系外に排出されるようになっている。

熱交換器１の外管２の上下方向の異なる５箇所には、それぞれ戻り管７、７・・が複数本（図面では５本）接続されており、これら戻り管７、７・・は、それぞれに設けられた開閉弁８、８・・を介して戻り母管９に接続され、この戻り母管９はヘッドタンク５に接続されている。
これにより、外管２内の液化ガスが、その一部が気化して生じた泡とともに戻り管７、７・・、開閉弁８、８・・を通り、戻り母管９を上昇してヘッドタンク５に戻るように構成されている。さらに、ヘッドタンク５に戻った液化ガスは、再度液化ガス供給管６に流入して、熱交換器１とヘッドタンク５との間を自然に循環するようになっている。

熱交換器１の内管３の下部の入口３ａには水素ガス流入管１３が接続されており、内管３の上部の出口３ｂには水素ガス流出管１４が接続されている。
水素ガス流入管１３は、冷却すべき水素ガスを熱交換器１の内管３に送り込むもので、流量計１５と流量調整弁１６とからなる流量調整機構が設けられ、内管３に送り込まれる水素ガスの流量を制御するようになっている。

水素ガス流出管１４は、熱交換器１で冷却された水素ガスを外部の水素自動車などに送給するためのもので、その温度を計測する温度計１７と圧力を計測する圧力計１８および圧力発信器１９が設けられている。
温度計１７からの水素ガス温度信号は水素ガス流入管１３に設けられた流量調整弁２０に送られ、水素ガス流出管１４を流れる水素ガスの温度に基づいて熱交換器１の内管３に送り込まれる水素ガスの流量が制御されるように構成されている。

さらに、水素ガス流入管１３と水素ガス流出管１４とを直接結ぶバイパス管２１が設けられている。このバイパス管２１は、熱交換器１の内管３と並列的に接続される形態となっており、水素ガス流入管１３を流れる水素ガスの一部がバイパス管２１を通って直接水素ガス流出管１４に流れるようになっている。
バイパス管２１には、流量調整弁２２が設けられ、この流量調整弁２２は前記温度計１７からの水素ガス温度信号に基づいてその開度が調整されてバイパス管２１を流れる水素ガスの流量が調整されるようになっている。

つぎに、このような水素ガス冷却装置の運転方法について説明する。
水素ガス流入管１３から温度０〜４０℃、圧力０〜７０ＭＰａの水素ガスを導入し、その流量を流量調整弁１６により調整して熱交換器１の内管３に送り込む。
一方、ヘッドタンク５から液化窒素などの液化ガスを液化ガス供給管６を介して熱交換器１の外管２内に供給して外管２内に貯める。

熱交換器１の内管３に供給された水素ガスは、内管３内を流れてその壁面に接することで冷却され、水素ガス流出管１４から温度−４０〜−３０℃、圧力０〜７０ＭＰａの冷却水素ガスとして導出され、水素自動車などに供給される。
熱交換器１の外管２内の液化ガスは、水素ガスを冷却することで加熱され、その一部は気化して気泡状となって液化ガス中に混合した状態となる。

この気泡を含む液化ガスは、見掛けの密度が小さいものとなって、外管２内を上昇し、戻り管７、７・・、開閉弁８、８・・を経て、さらに戻り母管９を上昇してヘッドタンク５に戻る。ヘッドタンク５に戻った液化ガスに含まれる気体状の液化ガスはここで分離され、排出管１２から排出され、液化ガスはヘッドタンク５内に貯えられ、再度使用に供される。

この運転操作の際、水素ガス流出管１４を流れる冷却水素ガスの温度を温度計１７によって監視し、目的温度から逸脱した場合には、温度計１７からの制御信号が水素ガス流入管１３に設けられた流量調整弁２０とバイパス管２１に設けられた流量調整弁２２に送信され、流量調整弁２０、２２の開度を調整して水素ガス流入管１３あるいはバイパス管２１を流れる未冷却の水素ガスの流量を変化させて目的の温度の冷却水素ガスが得られるようにする。

また、熱交換器１の外管２に取り付けられた５本の戻り管７、７・・の開閉弁８、８・・のいくつかを開閉することによって、外管２内に貯えられる液化ガスの液面高さを変化させることができる。この液面高さの変化は、内管３と液化ガスとが接触する面積（有効伝熱面積）を変化させることになり、内管３内を流れる水素ガスの冷却度合が変化し、これにより水素ガス流出管１４に流出する冷却水素ガスの温度を調整することができる。

熱交換器１の外管２および内管３は、液化ガスの貯留、排出、水素ガスの流入などによってその温度が変化し、この温度変化に伴って管軸方向の長さがそれぞれ伸縮する。この伸縮は外管２のベローズ４によって吸収される。このため、外管２および内管３の伸縮に起因する熱交換器１の損傷などの不都合が生じることがない。

このような冷却装置にあっては、冷却水素ガスの温度調節を、流量調整弁２０、２２および戻り管７・・・の３つの手段で行うことができるので、水素ガスの流量が大幅に変動しても、常に冷却水素ガスの温度を目的の温度域に保つことができる。

なお、本実施形態では、熱交換器１の外管２に接続される戻り管７は、５本となっているが、これに限定されず、１本以上であればよく、本数が多い方が冷却水素ガスの精密な温度制御が可能となる。

本発明の水素ガス冷却装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・熱交換器、２・・外管、３・・内管、４・・ベローズ、５・・ヘッドタンク、６・・液化ガス供給管、７・・戻り管、８・・開閉弁、９・・戻り母管、２１・・バイパス管

Claims (4)

1. 水素ガスと液化ガスとの間で熱交換を行って水素ガスを冷却する熱交換器と、この熱交換器に供給される液化ガスを貯えるヘッドタンクを備え、
   前記熱交換器は、二重管構造であって、内管側に水素が流れ、外管側に液化ガスが満たされ、二重管の管軸が鉛直方向または斜め方向になるように配され、前記ヘッドタンクからの液化ガスを供給する液化ガス供給管が外管の底部に接続され、外管の底部よりも上方の位置に液化ガスを前記ヘッドタンクに戻す戻り管が設けられ、
   前記ヘッドタンクは、その底部が前記熱交換器の頂部を越える上方に位置していることを特徴とする水素ガス冷却装置。
2. 前記戻り管が外管の上下方向の異なる位置に２以上設けられたことを特徴とする請求項１記載の水素ガス冷却装置。
3. 前記熱交換器の外管の一部がベローズとなっていることを特徴とする請求項１または２記載の水素ガス冷却装置。
4. 前記熱交換器の内管と並列的にバイパス管が設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水素ガス冷却装置。

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