JP2015158225A

JP2015158225A - 液化水素気化システム

Info

Publication number: JP2015158225A
Application number: JP2014032959A
Authority: JP
Inventors: 英吉林; Eikichi Hayashi; 龍雄井本; Tatsuo Imoto; 高広市岡; Takahiro Ichioka; 貴史高木; Takashi Takagi
Original assignee: Teijin Engineering Ltd
Current assignee: Teijin Engineering Ltd
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-09-03

Abstract

【課題】液化水素を効率的に気化させると共に、液化水素を気化する際に発生する冷熱を回収できる液化水素気化システムを提供する。
【解決手段】液化水素を加熱媒体により加熱して気化させる気化器と、気化器から流出した加熱媒体を再び気化器に流入させるための循環流路と、循環流路及び気化器内で加熱媒体を強制的に循環させる強制循環手段と、気化器において液化水素を気化する際に発生した冷熱を回収した加熱媒体が循環流路を介して供給されると共に、冷熱を必要とする冷媒循環系に接続された熱交換器と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化水素を気化するための液化水素気化システムであって、特に液化水素を気化する際に発生する気化熱（冷熱）を回収可能な液化水素気化システムに関する。

昨今、自動車燃料として水素ガスを用いる水素自動車、燃料電池自動車等が実用化されつつある。この水素ガスは、通常、水素ステーションにおいて、液化水素タンクに貯蔵された液化水素を気化器により気化して車載のガスタンクに圧縮して充填することにより自動車に供給される。

従来、液化ガスを気化する気化器として、大気（空気）を利用して液化ガスを気化する空温式気化器が知られている。この空温式気化器は、一般に、複数のフィン付きの伝熱管内に液化ガスを通し、該液化ガスと管外側を対流する空気との間で熱交換を行うことにより液化ガスを気化させる。

しかしながら、この空温式気化器では、伝熱管の表面に空気中の水分が着霜（氷結）し、成長した霜によって伝熱管の表面における伝熱効率が低下して気化器の性能が低下してしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、例えば、性能の低下した気化器を解氷設備により除霜し、この間、予備の気化器に切り替えて運転を継続する技術（例えば特許文献１を参照）、伝熱管が配置されたハウジング内に加熱した空気を強制的に循環させる技術（例えば特許文献２を参照）等が知られている。

特開昭６０−１６８９９４号公報特開平１１−２９４６９４号公報

しかし、これら空温式の従来技術の場合、液化ガスにより冷やされた空気は大気中に解放されており、気化する際に発生した気化熱（冷熱）が有効利用されずに無駄に投棄されていた。

そこで、本発明は、液化水素を効率的に気化させると共に、液化水素を気化する際に発生する冷熱を回収できる液化水素気化システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明は、
液化水素を気化させる液化水素気化システムであって、
前記液化水素を加熱媒体により加熱して気化させる気化器と、
前記気化器から流出した前記加熱媒体を再び前記気化器に流入させるための循環流路と、
前記循環流路及び前記気化器内で前記加熱媒体を強制的に循環させる強制循環手段と、
前記気化器において液化水素を気化する際に発生した冷熱を回収した前記加熱媒体が前記循環流路を介して供給されると共に、冷熱を必要とする冷媒循環系に接続された熱交換器と、を有する
ことを特徴とする。

本発明によれば、液化水素を気化する際に発生した冷熱を加熱媒体により回収し、この加熱媒体は強制循環手段により強制的に循環されるので、伝熱係数が大きく取れるため、気化器の性能を維持することができる。よって、液化水素を効率的に気化させると共に、冷熱を回収することができる。さらに、加熱媒体を循環流路を介して熱交換器に供給するので、回収した冷熱を熱交換器で有効利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液化水素気化システムの構成図である。図１の液化水素気化器の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る液化水素気化システムの構成図である。

以下、図１乃至図３に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る液化水素気化システム１（以下、「システム１」と略記する。）の全体構成を示している。本システム１は、液化水素を気化するための液化水素気化器２（以下、「気化器２」と略記する。）を有する。この気化器２は、ヘリウムを加熱媒体として用いて液化水素を加熱して気化させることで、ヘリウムと液化水素の間で熱交換を行う熱交換器である。

この気化器２は、その下部に液化水素供給ライン３が接続されると共に、その上部に水素ガス排出ライン４が接続されている。液化水素供給ライン３は、液化水素が貯蔵されるタンク（図示しない）に接続されている。水素ガス排出ライン４は、気化した水素ガスを圧縮する圧縮機（図示しない）または圧縮された水素ガスを貯留するタンク（図示しない）に接続されている。また、気化器２には、該気化器２を介してヘリウムを循環させるためのヘリウム循環流路５（以下、「循環流路５」と略記する。）が環状に接続されている。循環流路５は、ステンレス製の配管から構成され、ヘリウムはその気密性が保たれた管内を流動することができる。

本実施形態の場合、循環流路５の途中には、ヘリウムを循環流路５内で強制的に循環流動させるためのヘリウム循環ファン６（以下、「ファン６」と略記する。）が設けられている。ファン６は、気化器２に所望の流量のヘリウムを送り出すことができる一定の回転数で回転可能ものである。

循環流路５の途中には、上述の気化器２とは別に、液化水素と他の冷媒との間で熱交換するための熱交換器７が設けられている。この熱交換器７は、冷熱を必要とする設備、装置、工程等に他の冷媒を供給するための冷媒供給ライン８と、この冷熱を必要とする設備等からこの他の冷媒を回収する冷媒回収ライン９とが接続されている。これによれば、冷熱を必要とする設備等に、熱交換器７を介して循環される他の冷媒によって液化水素が有する冷熱を供給することができる。

水素ガス排出ライン４には、気化器２によって気化された水素ガスの温度を検出するための温度センサ１０が設けられている。また、循環流路５には、ファン６の下流側に送り出されたヘリウムの一部をファン６の上流側に戻すためのバイパス流路１１が設けられている。このバイパス流路１１の途中には、ヘリウムの流量を調整可能な流量制御バルブ１２が設けられている。流量制御バルブ１２は、温度センサ１０からの検出信号を伝達する信号線１３が接続されており、温度センサ１０から出力された水素ガスの温度に関する信号が入力され、該信号に基づいてヘリウムの流量を制御可能に構成されている。

なお、バイパス流路１１及び流量制御バルブ１２を設ける替わりに、ファン６として、その回転数を制御可能なファンを採用し、温度センサ１０の信号線１３をこのファン６に接続することで、温度センサ１０の温度に基づいて回転数を制御してもよい。

図２は、図１に記載の気化器２の内部構造を示している。気化器２は、竪型の固定管板多管式熱交換器であり、鉛直方向に配置された円筒状のシェル本体２０の内部に、鉛直方向に複数列並んだ伝熱管２１が設けられている。シェル本体２０及び伝熱管２１は、ステンレス製、特に、耐食性に優れたＳＵＳ３１６Ｌで形成されるのが望ましい。シェル本体２０の内部には、その上部及び下部に固定管板２２、２３がそれぞれ溶接により固定されている。伝熱管２１は、その上下端部が固定管板２２、２３によってそれぞれ保持されている。

シェル本体２０は、その底部に液体水素を伝熱管２１内に供給するための液体水素供給口２４が設けられており、該液体水素供給口２４は、固定管板２３の下部チャンネル２５に開口している。また、シェル本体２０はその頭頂部の側壁に気化した水素ガスを伝熱管２１から排出するための水素ガス排出口２６が設けられており、該水素ガス排出口２６は固定管板２２の上部チャンネル２７に開口している。伝熱管２１は全て、その下端が固定管板２３の下部チャンネル２５に開口していると共に、その上端が固定管板２２の上部チャンネル２７に開口しており、下部チャンネル２５と上部チャンネル２７が伝熱管２１を介して連通している。

また、シェル本体２０は、その上方にヘリウムを伝熱管２１の外側に供給するためのへリム供給口２８が設けられており、該ヘリウム供給口２８は固定管板２２のすぐ下の側壁に開口している。また、シェル本体２０はその下方にヘリウムを伝熱管２１の外側から排出するためのヘリウム排出口２９が設けられおり、該ヘリウム供給口２９は固定管板２３のすぐ上の側壁に開口している。

シェル本体２０の内部には、複数枚のバッフルプレート３０がスペーサ（図示しない）によって上下方向に間隔を開けて保持されている。各バッフルプレート３０は、その一端に平坦部３１を有する切欠き円板状部材であり、伝熱管２１を支持すると共に、シェル本体２０の内部空間３２をその上下方向に部分的に仕切っている。そのため、バッフルプレート３０によって仕切られた上下に隣接する内部空間３２は、バッフルプレート３０の平坦部３１とシェル本体２０の内壁面との間の隙間３３を介して互いに連通している。さらに、各バッフルプレート３０は、上方から順に、その平坦部３１が水平方向の一端側と他端側に交互に配置されている。そのため、ヘリウム供給口２８から供給されたヘリウムは、水平方向の一端側と他端側に交互に設けられた隙間３３を介して、シェル本体２０内を蛇行しながら下方に流れることができる。

気化器２には、伝熱管２１及び上下部チャンネル２５、２７の内圧が所定値を越えた際に安全のため水素ガスを外部に排出させるための安全弁（図示しない）が設けられている。伝熱管２１の熱収縮によりシェル本体２０の胴部にかかる応力を逃がすための伸縮継手を適宜設けてもよい。また、気化器２は、固定管板式に限らず、固定管板２２の替わりに、伝熱管２１の熱膨張に応じてシェル本体２０内を上下方向に動くことのできる遊動管板を備えた遊動管板式の気化器でもよい。

次に、第１の実施形態に係る液化水素気化システム１による作用について説明する。

まず、ファン６によってシェル本体２０の上方にあるヘリウム供給口２８からシェル本体２０の内部空間３２に供給されたヘリウムは、複数の伝熱管２１の周囲を略水平方向に流れ、バッフルプレート３０とシェル本体２０との隙間３３を反転しながら下方の内部空間３２に流れる。これを繰り返して流れることで、ヘリウムは、シェル本体２０の内部を蛇行しながら下方に流れて、最後にシェル本体２０の下方にあるヘリウム排出口２９を介して気化器２から排出される。

このとき、液化水素供給ライン３からシェル本体２０の下部にある液化水素供給口２４を介して供給された液化水素は、固定管板２３の下部チャンネル２５に流入し、該下部チャンネル２５に開口した複数の伝熱管２１の中へ分岐して流入する。伝熱管２１内を流れる液化水素は、伝熱管２１の外側のヘリウムによって加熱され、伝熱管２１の途中で水素ガスに気化する。

伝熱管２１の外側を流れるヘリウムは、上述のように気化器２内を蛇行しながら下方へ流れるが、気化器２全体として見ると下方へ流れている。これに対して、液化水素は伝熱管２１内を上方へ流れるので、これらヘリウムと液化水素の流れ方向は、全体として見ると、互いに逆向きである、いわゆる向流となっている。したがって、ヘリウムは、気化器２内を下方に流れるに従って液化水素の冷熱により温度が下降し、逆に、液化水素は、気化器２内を上方に流れるに従ってヘリウムの加熱により温度が上昇する。

これにより、ヘリウムと液化水素が同じ向きに流れる並流の場合と比べると、気化器２の上下端におけるヘリウムと液化水素の温度差が小さくなる。この温度差は、周辺の伝熱管２１等の部材に熱応力が発生する要因となるが、この温度差が小さいので、伝熱管２１に加わる熱応力も小さくなる。

また、仮に、伝熱管が水平方向に配置されている場合、伝熱管の底部を液化水素が流れ、その上部を水素ガスが流れるので、伝熱管の上下で温度差が発生し、伝熱管の液面付近で軸方向に大きな熱応力が発生する。液化水素が気化して液化水素の液面が下がると、この熱応力がより大きくなるので、伝熱管の引張強度を超えてしまうおそれがある。これに対して、本実施形態のように伝熱管２１が鉛直方向に配置されている場合、液面の位置が変化しても、伝熱管２１に加わる熱応力は大きくならない。したがって、本実施形態によれば、熱応力によって伝熱管２１等が損傷するのを防止することができる。

また、ヘリウムがバッフルプレート３０に沿って流れる際、伝熱管２１に対して略直角方向に流れる。そのため、伝熱管２１表面での流速が早くなり、伝熱管２１を介したヘリウムへの伝熱効率が向上する。

その後、気化した水素ガスは、複数の伝熱管２１の上端開口部から固定管板２２の上方の上部チャンネル２７に流入して合流し、該上部チャンネル２７から液化水素排出口２６を介して気化器２から排出され、水素ガス排出ライン４を介して圧縮機、ガスタンク等へ流れる。

ヘリウム排出口２９を介して気化器２から排出されたヘリウムは、循環流路５によって熱交換器７まで流れる。熱交換器７において、ヘリウムと他の冷媒との間で熱交換される。このとき、他の冷媒は、冷媒供給ライン８によって、例えば、水素ガス圧縮時の発熱を除去する冷熱供給システム、車載タンク充填時の水素冷却装置等に供給され、この冷熱が有効利用される。利用後の冷媒は、冷媒回収ライン９によって回収され再び熱交換器７に戻される。

その後、熱交換器７から出たヘリウムは、循環流路５に沿ってファン６に流れる。ファン６は、ヘリウムを所定流量で下流側に送り出す。送り出されたヘリウムは、その一部がヘリウム供給口２８を介して気化器２に供給され、残りがバイパス流路１１に流れる。バイパス流路１１を流れるヘリウムは、流量制御バルブ１２によって所定流量に制御されてファン６の上流側に戻される。

このとき、水素ガスの温度が所定温度未満になると、流量制御バルブ１２を制御してバイパス流路１１を流れるヘリウムの流量を減少させることで、ファン６から気化器２に流入するヘリウムの流量を増加させる。これによって、気化器２における液化水素の加熱を強めて水素ガスの温度を上げることができる。

反対に、水素ガスの温度が所定温度以上になると、流量制御バルブ１２を制御してバイパス流路１１を流れるヘリウムの流量を増加させることで、ファン６から気化器２に流入するヘリウムの流量を減少させる。これによって、気化器２における液化水素の加熱を弱めて水素ガスの温度を下げることができる。

以上、第１の実施形態によれば、ヘリウムはファン６により強制的に循環されるので、伝熱係数が大きく取れるため、気化器２の性能を維持することができる。よって、液化水素を効率的に気化させることができる。

また、第１の実施形態によれば、気化器２において、液化水素を気化する際に発生した冷熱をヘリウムにより回収し、該ヘリウムをファン６によって循環流路５を介して熱交換器７に供給することで、回収した冷熱を有効利用することができる。

また、第１の実施形態によれば、伝熱管２１を鉛直方向に配置すると共に、液化水素とヘリウムの流れ方向を向流とすることで、熱応力の発生要因となる温度差を極力小さくすることができる。そのため、伝熱管２１等の熱応力による損傷を防止し、システム１全体の信頼性を向上することができる。

また、第１の実施形態によれば、加熱媒体として水素よりも凝固点が低いヘリウムを用いるので、液化水素とヘリウムの熱交換の際にヘリウムが凍結しない。そのため、最小限の伝熱面積で液化水素を効率的に気化させることができる。

さらに、第１の実施形態によれば、加熱媒体であるヘリウムの流量を制御することで、水素ガスの温度を所望の範囲に制御することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る液化水素気化システム１０１の全体構成を示している。なお、第１の実施形態の構成と同様の機能を有する構成については、図３に同じ符号を付し、以下では詳細な説明を省略する。

第２の実施形態が第１の実施形態と相違する点は、加熱媒体と該加熱媒体を強制循環させる手段のみである。具体的には、第２の実施形態の場合、例えば窒素等、気化器２での冷却によって液化し得る加熱媒体をヘリウムの替わりに用いると共に、液化水素気化システム１０１には、気化器２の下流側に液化した加熱媒体を強制循環させるためのポンプ１０６が設けられている。

第２の実施形態によれば、上述のような第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第２の実施形態によれば、加熱媒体が運転条件等により、液化水素と熱交換した後で仮に液化した場合にも、気化器２の下流側に設置されているポンプ１０６によって液化した加熱媒体を熱交換器７に供給することができる。

上述の第１の実施形態について、当該発明者は、以下の条件で実証実験を行った。

具体的には、気化器２の伝熱面積が６．４ｍ^２、ファン６の流量が３ｍ^３／ｍｉｎ、熱交換器７の伝熱面積が１３ｍ^２なる条件で実験を行った。また、気化器２に供給される液化水素は、液化水素供給口２４付近での温度が−２５３℃であり、流量が７．２Ｋｇ／Ｈｒである。また、ヘリウムは、流量２６Ｋｇ／Ｈｒで強制循環させた。

この条件で実験を行った結果、気化器２の水素ガス排出口２６付近での水素ガスの温度は−１０℃となり、ヘリウムは、気化器２のヘリウム供給口２８付近での温度が０℃、ヘリウム排出口２９付近での温度が−１５０℃であった。その後、気化器２から循環流路５を介して熱交換器７に供給されたヘリウムは、熱交換器７の入口付近での温度が−１５０℃であり、熱交換器７で他の冷媒に冷熱を供給した後、熱交換器７の出口付近での温度が０℃であった。

したがって、液化水素とヘリウムの温度差は、最大で１０３℃、最小で１０℃であった。また、強制循環されたヘリウムによって液化水素の冷熱６５００Ｋｃａｌ／Ｈｒを回収することができた。実験後、伝熱管２１等には熱応力による損傷は一切見られなかった。

なお、これら実施形態では、強制循環させたヘリウムを熱交換器７に供給することで、ヘリウムによって回収された冷熱を熱交換器７を介して冷熱を必要とする設備等に間接的に供給したが、熱交換器７を設けずにヘリウムをこのような設備等に直接供給してもよい。

また、これら実施形態では、加熱媒体として、水素よりも凝固点の低いヘリウムを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、凝固点及び沸点が十分に低い水素、酸素、窒素、これらの混合物、或いは、混合冷媒等を使用することもできる。このようなヘリウム以外の加熱媒体を用いる場合、気化器２内に十分な流量の加熱媒体を強制循環させることで、加熱媒体の凍結を防止することができる。

以上のように、本発明によれば、例えば、水素を燃料とする自動車に水素ガスを供給する水素ステーション等において、気化した水素ガスの圧縮時に発生する熱を除去するために、または車載タンクに充填時に水素ガスを冷却するために、本システムで回収した冷熱を有効利用することができるので、水素供給設備の製造産業分野において好適に利用される可能性がある。

１液化水素気化システム
２液化水素気化器（気化器）
５循環流路
６ファン（強制循環手段）
７熱交換器
２１伝熱管
１０１液化水素気化システム
１０６ポンプ（強制循環手段）

Claims

液化水素を気化させる液化水素気化システムにおいて、
前記液化水素を加熱媒体により加熱して気化させる気化器と、
前記気化器から流出した前記加熱媒体を再び前記気化器に流入させるための循環流路と、
前記循環流路及び前記気化器内で前記加熱媒体を強制的に循環させる強制循環手段と、
前記気化器において液化水素を気化する際に発生した冷熱を回収した前記加熱媒体が前記循環流路を介して供給されると共に、冷熱を必要とする冷媒循環系に接続された熱交換器と、を有する
ことを特徴とする液化水素気化システム。
液化水素を気化させる液化水素気化システムにおいて、
前記液化水素を加熱媒体により加熱して気化させる気化器と、
前記気化器から流出した前記加熱媒体を再び前記気化器に流入させるための循環流路と、
前記循環流路及び前記気化器内で前記加熱媒体を強制的に循環させる強制循環手段と、を有し、
前記気化器において液化水素を気化する際に発生した冷熱を加熱媒体により回収し、該加熱媒体を前記循環流路を介して冷熱を利用する装置に供給する
ことを特徴とする液化水素気化システム。
液化水素を気化させる液化水素気化システムにおいて、
前記液化水素を加熱媒体により加熱して気化させる気化器と、
前記気化器から流出した前記加熱媒体を再び前記気化器に流入させるための循環流路と、
前記循環流路及び前記気化器内で前記加熱媒体を強制的に循環させる強制循環手段と、を有し、
前記気化器において鉛直方向に配置された複数の伝熱管を有し、前記伝熱管の内部を流れる液化水素の流動方向と前記伝熱管の周囲を流れる加熱媒体の流動方向とが互いに向流である
ことを特徴とする液化水素気化システム。
前記加熱媒体として、水素より凝固点が低いヘリウム、または、凝固点及び沸点が十分に低い水素、酸素、窒素、これらの混合物、或いは、混合冷媒等を用いる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液化水素気化システム。