JP2016196977A - 水素液化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水素ガスを冷却して液体水素を生成する水素液化装置において、メンテナンス性を向上させることができるようにする。【解決手段】水素液化装置１は、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器４についてそれぞれ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器４の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁４２、４３が設けられ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器４とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁４２との間に不活性ガス供給通路Ｌ４が接続され、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器４とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁４３との間に不活性ガス排出通路Ｌ５が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを冷却して液体水素を生成する水素液化装置に関する。
従来から、水素は、宇宙分野のロケット燃料や半導体分野の還元剤などとして使用されており、近年では、自動車分野の燃料として水素の利用が進められている。水素は液化することで常温・常圧の水素ガスの約８００分の一の体積になることから、水素を利用する場合、水素を液化して液体水素として貯蔵及び輸送することが行われている。
この水素を液化する装置として、原料水素ガス供給源から供給される水素ガスを流通させる原料水素ガス通路に、水素ガスを冷却する複数の熱交換器と、複数の熱交換器によって冷却された水素ガスをジュール−トムソン(等エンタルピー)膨張させて液体水素を生成する膨張弁（ジュール−トムソン弁）とを備えた水素液化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１３−２４２１１３号公報
前記特許文献１に記載されるような水素液化装置では一般に、原料水素ガス通路に設けられた熱交換器や膨張弁などの複数の水素液化構成機器の１つをメンテナンスする場合、水素ガスは可燃性ガスであるので、水素液化装置全体を停止させて原料水素ガス通路に水素ガスに代えてメンテナンスガスとしての不活性ガスを供給し、複数の水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換した後に１つの水素液化構成機器をメンテナンスすることが行われる。
しかしながら、１つの水素液化構成機器をメンテナンスする場合に、複数の水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換させることは、不活性ガスの供給量が多くなってメンテナンスコストを増大させると共に、水素ガスを不活性ガスで置換する作業時間が長くなってメンテナンス時間が長くなることとなる。また、不活性ガスを水素ガスで置換する復旧作業の作業時間も長くなることからメンテナンス時間がさらに長くなることとなる。
また、水素液化装置では、不純物を吸着除去する吸着塔が備えられているが、極低温で長時間運転が行われると、酸素や窒素などの不純物の一部が固体となって水素液化構成機器に付着する場合がある。例えば、熱交換器などに不純物が付着すると熱交換性能の低下を引き起こし、フィルタ、バルブあるいは計器などに不純物が付着して詰まると水素ガスの流量低下や動作不良を引き起こし得る。
これに対し、付着した不純物の沸点以上の温度に水素液化構成機器を昇温することで不純物を気体として除去することができ、水素液化装置では一般に、常温の水素ガスを供給することにより不純物を昇温して気体として除去することが行われている。
しかしながら、付着した不純物を除去するために１つの水素液化構成機器をメンテナンスする場合に、複数の水素液化構成機器内の低温の水素ガスを常温の水素ガスで置換させることは、常温の水素ガスの供給量が多くなってメンテナンスコストを増大させると共に、常温の水素ガスで置換する作業時間が長くなってメンテナンス時間が長くなることとなる。また、常温の水素ガスを低温の水素ガスで置換する復旧作業の作業時間も長くなってメンテナンス時間がさらに長くなることとなる。
また、水素の液化効率を向上させるために原料水素ガス通路に酸化鉄などの触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器が備えられた水素液化装置では、オルソ−パラ変換器の触媒を定期的に活性化させてメンテナンスすることが行われるが、その場合、オルソ−パラ変換器を含む複数の水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換した後にオルソ−パラ変換器の触媒を、高温の水素ガスなどの触媒活性化用ガスを供給して活性化させることが行われる。
かかる場合においても、複数の水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換させることは、不活性ガスの供給量が多くなってメンテナンスコストを増大させると共に、水素ガスを不活性ガスで置換する作業時間が長くなってメンテナンス時間が長くなることとなる。また、不活性ガスを水素ガスで置換する復旧作業の作業時間も長くなってメンテナンス時間がさらに長くなることとなる。
そこで、本発明は、水素ガスを冷却して液体水素を生成する水素液化装置において、メンテナンス性を向上させることができるようにすることを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る水素液化装置は、次のように構成したことを特徴とする。
まず、本願の請求項１に記載の発明は、水素ガスを冷却して液体水素を生成する水素液化装置であって、原料水素ガス供給源から供給される水素ガスを流通させる原料水素ガス通路と、前記原料水素ガス通路に設けられた水素ガスを圧縮する圧縮機及び水素ガスを冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器を含む複数の水素液化構成機器と、を備え、前記原料水素ガス通路に設けられた少なくとも１つの前記水素液化構成機器についてそれぞれ、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に、メンテナンスガス供給源からメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給するメンテナンスガス供給通路が接続され、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に、前記水素液化構成機器に供給されたメンテナンスガスを排出するメンテナンスガス排出通路が接続されていることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の水素液化装置において、前記冷媒を循環させる冷媒循環通路と、前記冷媒循環通路に設けられた冷媒を膨張させて冷却する膨張機及び冷媒を水素ガスと熱交換させる熱交換器とを含む複数の水素液化構成機器と、を備え、前記冷媒循環通路に設けられた少なくとも１つの前記水素液化構成機器についてそれぞれ、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間に、メンテナンスガス供給源からメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給するメンテナンスガス供給通路が接続され、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間に、前記水素液化構成機器に供給されたメンテナンスガスを排出するメンテナンス排出通路が接続されていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の水素液化装置において、前記原料水素ガス通路に設けられた水素液化構成機器は、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器を含むことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の水素液化装置において、前記触媒を活性化する触媒活性化手段を備え、前記触媒活性化手段は、前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、前記触媒を活性化するように構成されていることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載の水素液化装置において、前記触媒活性化手段は、前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器と該オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に接続され、触媒活性化用ガス供給源から触媒活性化用ガスを前記オルソ−パラ変換器に供給する触媒活性化用ガス供給通路と、前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器と該オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に接続され、前記オルソ−パラ変換器に供給された触媒活性化用ガスを排出する触媒活性化用ガス排出通路とを備えていることを特徴とする。
上記の構成により、本願の請求項１に記載の発明によれば、原料水素ガス通路に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ、原料水素ガス通路における水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、原料水素ガス通路における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間にメンテナンスガス供給通路が接続され、原料水素ガス通路における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間にメンテナンスガス排出通路が接続される。
これにより、原料水素ガス通路に設けられた１つの水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給することができるので、原料水素ガス通路に設けられた他の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させることなく、水素液化構成機器ごとにメンテナンスすることができ、メンテナンス性を向上させることができる。
１つの水素液化構成機器をメンテナンスする場合に、原料水素ガス通路にメンテナンスガスを供給して原料水素ガス通路に設けられた複数の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させる場合に比して、メンテナンスガスの供給量を低下させることができると共に、水素ガスをメンテナンスガスで置換させる作業時間を短縮させることができ、メンテナンス性を向上させることができる。また、メンテナンスガスを水素ガスで置換する復旧作業の作業時間も短縮させることができ、前記効果を有効に得ることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、冷媒循環通路に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ、冷媒循環通路における水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、冷媒循環通路における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間にメンテナンスガス供給通路が接続され、冷媒循環通路における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間にメンテナンスガス排出通路が接続される。
これにより、冷媒循環通路に設けられた１つの水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給することができるので、冷媒循環通路や原料水素ガス通路に設けられた他の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させることなく、冷媒循環通路に設けられた水素液化構成機器ごとにメンテナンスすることができ、メンテナンス性を向上させることができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、原料水素ガス通路に設けられた水素液化構成機器は、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器を含むことにより、オルソ−パラ変換器のみをメンテナンスすることができ、前記効果を有効に得ることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、触媒を活性化する触媒活性化手段が備えられ、触媒活性化手段は、原料水素ガス通路におけるオルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、触媒を活性化するように構成されることにより、オルソ−パラ変換器の触媒の作用が劣化した場合に、オルソ−パラ変換器を除く水素液化構成機器に影響を与えることなく、オルソ−パラ変換器の触媒を活性化させることができる。
また、請求項５に記載の発明によれば、触媒活性化手段は、原料水素ガス通路におけるオルソ−パラ変換器とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に接続される触媒活性化用ガス供給通路と、原料水素ガス通路におけるオルソ−パラ変換器とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に接続される触媒活性化用ガス排出通路とを備えていることにより、原料水素ガス通路におけるオルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、オルソ−パラ変換器に触媒活性化用ガスを供給して触媒を活性化させることができ、前記効果を有効に得ることができる。
本実施形態に係る水素液化装置の概略構成図である。 本実施形態に係る水素液化装置の液化機の概略構成図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る水素液化装置の概略構成図である。本実施形態に係る水素液化装置１は、原料としての水素ガスを冷却して液体水素を生成するものであり、図１に示すように、原料水素ガス供給源２から供給される水素ガスを流通させる原料水素ガス通路Ｌ１を備えている。
原料水素ガス通路Ｌ１には、水素ガスの流れ方向上流側から下流側に順に複数の水素液化構成機器、具体的には原料水素ガス供給源２から供給される水素ガスを溜めるバッファタンク３、バッファタンク３からの水素ガスを圧縮する原料水素ガス用圧縮機４、及び圧縮機４によって圧縮された水素ガスを冷却して液体水素を生成する液化機５が配設されている。原料水素ガス通路Ｌ１は、液化機５によって生成された液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵タンク６まで延びている。
液化機５では、原料水素ガス通路Ｌ１を流れる水素ガスを冷却するために冷媒が用いられ、水素液化装置１は、液化機５に供給する冷媒を循環させる冷媒循環通路Ｌ２を備えている。液化機５に供給する冷媒としては、原料水素ガス通路Ｌ１から供給される水素ガスが用いられる。
冷媒として用いられる水素ガスは、図１において冷媒循環通路Ｌ２を時計回り方向に循環する。冷媒循環通路Ｌ２には、冷媒水素ガスの流れ方向上流側から下流側に順に複数の水素液化構成機器、具体的には冷媒水素ガスを圧縮する冷媒水素ガス用圧縮機７、及び冷媒水素ガスを用いて原料水素ガスを冷却して液体水素を生成する液化機５が配設されている。
水素液化装置１は、原料水素ガス通路Ｌ１における原料水素ガス供給源２とバッファタンク３との間から分岐して冷媒循環通路Ｌ２に接続する冷媒水素ガス供給通路Ｌ３を備え、原料水素ガス供給源２から供給される水素ガスの一部が冷媒水素ガスとして冷媒循環通路Ｌ２に供給される。冷媒水素ガス供給通路Ｌ３には開閉弁４８が設けられている。
本実施形態では、冷媒循環通路Ｌ２を循環させる冷媒として、原料水素ガス通路Ｌ３から供給される水素ガスを用いているが、ヘリウムガスなどの他の冷媒を供給して用いることも可能である。
図２は、本実施形態に係る水素液化装置の液化機の概略構成図である。図２に示すように、液化機５は、原料水素ガス通路Ｌ１において水素ガスの流れ方向上流側から下流側に順に配設された複数の水素液化構成機器、具体的には、液体窒素供給源３２から開閉弁３３を介して供給された液体窒素を貯留する液体窒素貯槽３１内に設けられて液体窒素を用いて水素ガスを冷却する第１熱交換器１１、水素ガス以外の窒素、酸素、アルゴンなどの不純物を吸着除去する原料水素ガス用吸着塔１２、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させる第１オルソ−パラ変換器１３、水素ガスを冷媒水素ガスとの熱交換によって冷却する第２熱交換器１４、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させる第２オルソ−パラ変換器１５、及び水素ガスをジュールトムソン(等エンタルピー)膨張させて液体水素を生成する膨張弁（ジュール−トムソン弁）１６を備えている。
第１及び第２オルソ−パラ変換器１３、１５では、触媒として酸化鉄が用いられるが、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、活性炭/シリカゲルを主成分とする他の触媒を用いることも可能である。第１及び第２オルソ−パラ変換器１３、１５は、触媒が充填された容器内を原料水素ガスが通過するように構成され、第１及び第２熱交換器１１、１４によって冷却された水素ガスについてオルソ水素からパラ水素へ変換させるようになっている。
液化機５はまた、冷媒循環通路Ｌ２において冷媒水素ガスの流れ方向上流側から下流側に順に配設された複数の水素液化構成機器、具体的には、液体窒素貯槽３１内に設けられて液体窒素を用いて冷媒水素ガスを冷却する第１熱交換器１１、水素ガス以外の窒素、酸素、アルゴンなどの不純物を吸着除去する冷媒水素ガス用吸着塔１７、冷媒水素ガスを断熱膨張させて冷却する膨張タービンなどの膨張機１８、及び冷媒水素ガスを原料水素ガスと熱交換させる第２熱交換器１４を備えている。
第１熱交換器１１は、原料水素ガス通路Ｌ１及び冷媒循環通路Ｌ２に設けられ、液体窒素を用いて原料水素ガス通路Ｌ１を流れる原料水素ガスを冷却する第１原料水素ガス冷却部１１ａと、液体窒素を用いて冷媒循環通路Ｌ２を流れる冷媒水素ガスを冷却する冷媒水素ガス冷却部１１ｂとを備えている。
第２熱交換器１４は、原料水素ガス通路Ｌ１及び冷媒循環通路Ｌ２に設けられ、原料水素ガスを冷媒水素ガスとの熱交換によって冷却する第２原料水素ガス冷却部１４ａと、冷媒水素ガスを原料水素ガスと熱交換させる熱交換部１４ｂとを備えている。
水素液化装置１ではまた、図１に示すように、原料水素ガス通路Ｌ１において、原料水素ガス供給源２、バッファタンク３、原料水素ガス用圧縮機４、液化機５及び液体水素貯蔵タンク６の間にそれぞれ開閉弁４１、４２、４３、４４が設けられている。
原料水素ガス通路Ｌ１にはまた、バッファタンク３と開閉弁４１との間にメンテナンスガス供給源としての不活性ガス供給源２１からメンテナンスガスとしての不活性ガスをバッファタンク３に供給するメンテナンスガス供給通路としての不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁７１を備えて接続され、圧縮機４と開閉弁４２との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを圧縮機４に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁７３を備えて接続され、液化機５と開閉弁４３との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを液化機５に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁７５を備えて接続されている。
原料水素ガス通路Ｌ１にはさらに、バッファタンク３と開閉弁４２との間にバッファタンク３に供給された不活性ガスを排出するメンテナンスガス排出通路としての不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁７２を備えて接続され、圧縮機４と開閉弁４３との間に圧縮機４に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁７４を備えて接続され、液化機５と開閉弁４４との間に液化機５に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁７６を備えて接続され、不活性ガス排出通路Ｌ５は、ベントライン２２に接続されている。
液化機５については、図２に示すように、原料水素ガス通路Ｌ１において、第１熱交換器１１、原料水素ガス用吸着塔１２、第１オルソ−パラ変換器１３、第２熱交換器１４、第２オルソ−パラ変換器１５、膨張弁１６の間にそれぞれ開閉弁５２、５３、５４、５５、５６が設けられている。
原料水素ガス通路Ｌ１にはまた、熱交換器１１と開閉弁４３との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを熱交換器１１に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁８１を備えて接続され、吸着塔１２と開閉弁５２との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを吸着塔１２に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁８３を備えて接続され、オルソ−パラ変換器１３と開閉弁５３との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスをオルソ−パラ変換器１３に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁８５を備えて接続され、熱交換器１４と開閉弁５４との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを熱交換器１４に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁８７を備えて接続され、オルソ−パラ変換器１５と開閉弁５５との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスをオルソ−パラ変換器１５に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁８９を備えて接続されている。
さらに、原料水素ガス通路Ｌ１には、熱交換器１１と開閉弁５２との間に熱交換器１１に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁８２を備えて接続され、吸着塔１２と開閉弁５３との間に吸着塔１２に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁８４を備えて接続され、オルソ−パラ変換器１３と開閉弁５４との間にオルソ−パラ変換器１３に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁８６を備えて接続され、熱交換器１４と開閉弁５５との間に熱交換器１４に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁８８を備えて接続され、オルソ−パラ変換器１５と開閉弁５６との間にオルソ−パラ変換器１５に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁９０を備えて接続され、不活性ガス排出通路Ｌ５は、ベントライン２２に接続されている。
液体水素貯蔵タンク６については、原料水素ガス通路Ｌ１における液体水素貯蔵タンク６と開閉弁４４との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを液体水素貯蔵タンク６に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁７７を備えて接続され、液体水素貯蔵タンク６に該液体水素貯蔵タンク６に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁７８を備えて接続され、不活性ガス排出通路Ｌ５は、ベントライン２２に接続されている。
このように、水素液化装置１では、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた水素液化構成機器についてそれぞれ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に不活性ガス供給通路が接続され、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に不活性ガス排出通路が接続されている。
水素液化装置１ではまた、図１に示すように、冷媒循環通路Ｌ２において、冷媒水素ガス用圧縮機７、液化機５、冷媒水素ガス用圧縮機７の間にそれぞれ開閉弁４６、４７、４５が設けられている。
冷媒循環通路Ｌ２にはまた、圧縮機７と開閉弁４５との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを圧縮機７に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁７９を備えて接続され、圧縮機７と開閉弁４６との間に圧縮機７に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁８０を備えて接続されている。
液化機５については、図２に示すように、冷媒循環通路Ｌ２において、第１熱交換器１１、冷媒水素ガス用吸着塔１７、膨張機１８、第２熱交換器１４の間にそれぞれ開閉弁５８、５９、６０が設けられている。
冷媒循環通路Ｌ２にはまた、熱交換器１１と開閉弁４６との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを熱交換器１１に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁９１を備えて接続され、吸着塔１７と開閉弁５８との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを吸着塔１７に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁９３を備えて接続され、膨張機１８と開閉弁５９との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを膨張機１８に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁９５を備えて接続され、熱交換器１４と開閉弁６０との間に不活性ガス供給源２１から不活性ガスを熱交換器１４に供給する不活性ガス供給通路Ｌ４が開閉弁９７を備えて接続されている。
さらに、冷媒循環通路Ｌ２には、熱交換器１１と開閉弁５８との間に熱交換器１１に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁９２を備えて接続され、吸着塔１７と開閉弁５９との間に吸着塔１７に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁９４を備えて接続され、膨張機１８と開閉弁６０との間に膨張機１８に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁９６を備えて接続され、熱交換器１４と開閉弁４７との間に熱交換器１４に供給された不活性ガスを排出する不活性ガス排出通路Ｌ５が開閉弁９８を備えて接続され、不活性ガス排出通路Ｌ５は、ベントライン２２に接続されている。
このように、水素液化装置１では、冷媒循環通路Ｌ２に設けられた水素液化構成機器についてもそれぞれ、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間に不活性ガス供給通路が接続され、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間に不活性ガス排出通路が接続されている。
本実施形態では、不活性ガス供給源２１から不活性ガスとしてヘリウムが供給されるようになっているが、不活性ガス供給源２１から窒素などの不活性ガスを供給することも可能である。また、不活性ガス排出通路Ｌ５は、ベントライン２２に接続されているが、大気に不活性ガスを排出するように構成することも可能である。
水素液化装置１にはまた、水素液化装置１に関係する構成を総合的に制御するコントローラ３０が備えられ、コントローラ３０は、原料水素ガス用圧縮機４、液化機５、冷媒水素ガス用圧縮機７等の水素液化構成機器の作動や開閉弁４１〜４８、５２〜５６、５８〜６０、７１〜９８の作動などを制御する。コントローラ３０は、マイクロコンピュータを主要部として構成されている。なお、本実施形態では、開閉弁４１〜４８、５２〜５６、５８〜６０、７１〜９８は、コントローラ３０によって制御される自動弁として構成されているが、手動弁として構成することも可能である。
このようにして構成された水素液化装置１では、液体水素を生成する際、原料水素ガス通路Ｌ１、冷媒循環通路Ｌ２及び冷媒水素ガス供給通路Ｌ３に設けられた開閉弁４１〜４８、５２〜５６、５８〜６０を開状態にすると共に、不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁７１〜９８を閉状態にする。冷媒水素ガス供給通路Ｌ３に設けられた開閉弁４８については、原料水素ガス通路Ｌ１から冷媒循環通路Ｌ２に所定量の水素ガスを供給した後は、
冷媒水素ガス供給通路Ｌ３から冷媒循環通路Ｌ２への入口圧力が所定の圧力になるように調整制御する。
そして、原料水素ガス通路Ｌ１において、原料水素ガス供給源２から供給された水素ガスが、バッファタンク３に一時的に溜められた後に圧縮機４において圧縮され、液化機５において冷却されて液体水素が生成され、生成された液体水素が液体水素貯蔵タンク６に溜められる。
液化機５では、圧縮機４において圧縮された水素ガスが、第１熱交換器１１において冷却され、吸着塔１２において不純物が吸着除去され、オルソ‐パラ変換器１３においてオルソ水素がパラ水素に変換され、第２熱交換器１４においてさらに冷却され、第２オルソ‐パラ変換器１５においてオルソ水素がパラ水素にさらに変換され、膨張弁１６においてジュールトムソン(等エンタルピー)膨張されて液体水素が生成される。
一方、冷媒循環通路Ｌ２では、冷媒水素ガス供給通路Ｌ３から供給された冷媒水素ガスが、圧縮機７において圧縮され、液化機５において冷却された後に原料水素ガスと熱交換される。
液化機５では、圧縮機７において圧縮された冷媒水素ガスが、第１熱交換器１１において冷却され、吸着塔１７において不純物が吸着除去され、膨張機１８において断熱膨張されて冷却され、第２熱交換器１４において原料水素ガスと熱交換されて温められる。第２熱交換器１４において温められた冷媒水素ガスは再び圧縮機７において圧縮される。
水素液化装置１において、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた１つの水素液化構成機器、例えば圧縮機４のみをメンテナンスする場合、圧縮機４の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁４２、４３を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁７３と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁７４を開き、圧縮機４のみに不活性ガスを供給して圧縮機４内の水素ガスを不活性ガスで置換し、その後に圧縮機４のメンテナンスが行われる。
本実施形態では、圧縮機４の上流側及び下流側の開閉弁４２、４３を閉じた状態で、不活性ガス供給通路Ｌ４の開閉弁７３と不活性ガス排出通路Ｌ５の開閉弁７４を開いて不活性ガスを流通させるガスブローによって圧縮機４内の水素ガスを不活性ガスで置換するようにしているが、不活性ガス供給通路Ｌ４の開閉弁７３のみを開いて不活性ガスを供給して圧縮機４内を昇圧し、その後に不活性ガス供給通路Ｌ４の開閉弁７３を閉じてから不活性ガス排出通路Ｌ５の開閉弁７４を開いて不活性ガスを排出して圧縮機４内を脱圧することを、圧縮機４内の水素ガス濃度が規定濃度以下になるまで繰り返す圧力スイングによって圧縮機４内の水素ガスを不活性ガスで置換することも可能である。
圧縮機４のメンテナンス後には、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁７３と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁７４を閉じてから、圧縮機４の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁４２、４３を開き、不活性ガスを水素ガスで置換した後に、定常運転を行うことができる。なお、不活性ガスを水素ガスで置換する復旧作業は、水素ガスを流通させるガスブロー又は昇圧及び脱圧を繰り返す圧力スイングによって行うことができる。
原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた他の水素液化構成機器についても、該水素液化構成機器をメンテナンスする場合、該水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてから、該水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に接続される不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁と、該水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に接続される不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁とを開き、該水素液化構成機器に不活性ガスを供給して該水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換し、その後に該水素液化構成機器のメンテナンスが行われる。
冷媒循環通路Ｌ２に設けられた１つの水素液化構成機器、例えば圧縮機７のみをメンテナンスする場合にも、圧縮機７の冷媒流れ方向上流側及び下流側の開閉弁４５、４６を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁７９と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁８０を開き、圧縮機７のみに不活性ガスを供給して圧縮機７内の水素ガスを不活性ガスで置換し、その後に圧縮機７のメンテナンスが行われる。
圧縮機７のメンテナンス後には、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁７９と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁８０を閉じてから、圧縮機７の冷媒流れ方向上流側及び下流側の開閉弁４５、４６を開き、不活性ガスを水素ガスで置換した後に、定常運転を行うことができる。
冷媒循環通路Ｌ２に設けられた他の水素液化構成機器についても、該水素液化構成機器をメンテナンスする場合、該水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてから、該水素液化構成機器とその冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間に接続される不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁と、該水素液化構成機器とその冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間に接続される不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁とを開き、該水素液化構成機器に不活性ガスを供給して該水素液化構成機器内の水素ガスを不活性ガスで置換し、その後に該水素液化構成機器のメンテナンスが行われる。
また、液体水素貯蔵タンク６をメンテナンスする場合には、液体水素貯蔵タンク６の水素ガス流れ方向上流側の開閉弁４４を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁７７と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁７８を開き、液体水素貯蔵タンク６のみに不活性ガスを供給して液体水素貯蔵タンク６内の水素ガスを不活性ガスで置換し、その後に液体水素貯蔵タンク６のメンテナンスが行われる。
水素液化装置１では、原料水素ガス通路Ｌ１における膨張弁１６の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５が接続されていないが、不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５を接続することも可能である。
また、図１では、不活性ガス供給通路Ｌ４は不活性ガス供給源２１のみに接続されているが、水素液化装置１では、不活性ガス供給通路Ｌ４は、オルソ−パラ変換器１３、１５の触媒を活性化する高温の水素ガスなどの触媒活性化用ガスの供給源と不活性ガス供給源２１とを切り換えて接続するように構成されている。
そして、オルソ−パラ変換器１３の触媒を活性化させる場合、不活性ガス供給通路Ｌ４への接続を不活性ガス供給源２１から触媒活性化用ガス供給源に切り換え、オルソ−パラ変換器１３の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁５３、５４を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁８５と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁８６を開き、オルソ−パラ変換器１３に触媒活性化用ガスを供給して触媒を活性化させる。
オルソ−パラ変換器１３の触媒を活性化させた後には、不活性ガス供給通路Ｌ４に設けられた開閉弁８５と不活性ガス排出通路Ｌ５に設けられた開閉弁８６を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４への接続を触媒活性化用ガス供給源から不活性ガス供給源２１に切り換え、オルソ−パラ変換器１３の水素流れ方向上流側及び下流側の開閉弁５３、５４を開くことで、定常運転を行うことができる。なお、オルソ−パラ変換器１５の触媒を活性化させる場合についても同様にして行うことができる。
本実施形態では、オルソ−パラ変換器１３の触媒を、高温の水素ガスを用いて活性化させるように構成されているが、窒素やヘリウムなどの触媒活性化用ガスを用いることも可能である。また、触媒活性化用ガス供給源に代えて真空ポンプを接続し、オルソ−パラ変換器１３、１５の触媒を真空引きすることによって活性化させることも可能である。
また、水素液化装置１において、不活性ガス供給通路Ｌ４を、不活性ガス供給源２１及び触媒活性化用ガス供給源に加え、水素液化構成機器に付着した不純物を除去するための常温の水素ガスなどのメンテナンスガスの供給源であるメンテナンスガス供給源と切り換えて接続するように構成することも可能である。
かかる場合、不活性ガス供給通路Ｌ４への接続を前記メンテナンスガス供給源にした状態で、原料水素ガス通路Ｌ１における不純物が付着した水素液化構成機器の上流側及び下流側の開閉弁を閉じてから、不活性ガス供給通路Ｌ４における前記水素液化構成機器の上流側の開閉弁と不活性ガス排出通路Ｌ５における前記水素液化構成機器の下流側の開閉弁を開き、不純物が付着した水素液化構成機器に常温の水素ガスを供給して不純物を昇温して気体として除去する。
そして、不純物を除去した後に、不活性ガス供給通路Ｌ４の前記開閉弁と不活性ガス排出通路Ｌ５の前記開閉弁を閉じてから、原料水素ガス通路Ｌ１における前記水素液化構成機器の上流側及び下流側の開閉弁を開くことで、定常運転を行うことができる。
本実施形態では、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた複数の水素液化構成機器についてそれぞれ不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５が接続されているが、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５を接続するようにしてもよい。
冷媒循環通路Ｌ２に設けられた複数の水素液化構成機器についてもそれぞれ不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５が接続されているが、冷媒循環通路Ｌ２に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５を接続するようにしてもよい。
なお、触媒活性化用ガス供給源、不活性ガス供給通路Ｌ４及び不活性ガス排出通路Ｌ５によって触媒を活性化する触媒活性化手段が構成され、不活性ガス供給通路Ｌ４は、触媒活性化用ガス供給源に接続される場合には触媒活性化用ガス供給通路として機能し、不活性ガス排出通路Ｌ５は、触媒活性化用ガス供給源に接続される場合には触媒活性化用ガス排出通路として機能する。
このように、本実施形態に係る水素液化装置１では、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間にメンテナンスガス供給通路Ｌ４が接続され、原料水素ガス通路Ｌ１における水素液化構成機器とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間にメンテナンスガス排出通路Ｌ５が接続される。
これにより、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた１つの水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給することができるので、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた他の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させることなく、水素液化構成機器ごとにメンテナンスすることができ、メンテナンス性を向上させることができる。
１つの水素液化構成機器をメンテナンスする場合に、原料水素ガス通路Ｌ１にメンテナンスガスを供給して原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた複数の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させる場合に比して、メンテナンスガスの供給量を低下させることができると共に、水素ガスをメンテナンスガスで置換させる作業時間を短縮させることができ、メンテナンス性を向上させることができる。また、メンテナンスガスを水素ガスで置換する復旧作業の作業時間も短縮させることができ、前記効果を有効に得ることができる。
また、冷媒循環通路Ｌ２に設けられた少なくとも１つの水素液化構成機器についてそれぞれ、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間にメンテナンスガス供給通路Ｌ４が接続され、冷媒循環通路Ｌ２における水素液化構成機器とその冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間にメンテナンスガス排出通路Ｌ５が接続される。
これにより、冷媒循環通路Ｌ２に設けられた１つの水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じてメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給することができるので、冷媒循環通路Ｌ２や原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた他の水素液化構成機器内の水素ガスをメンテナンスガスで置換させることなく、冷媒循環通路Ｌ２に設けられた水素液化構成機器ごとにメンテナンスすることができ、メンテナンス性を向上させることができる。
また、原料水素ガス通路Ｌ１に設けられた水素液化構成機器は、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器１３、１５を含むことにより、オルソ−パラ変換器１３、１５のみをメンテナンスすることができる。
また、触媒を活性化する触媒活性化手段が備えられ、該触媒活性化手段は、原料水素ガス通路Ｌ１におけるオルソ−パラ変換器１３、１５の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、触媒を活性化するように構成されることにより、オルソ−パラ変換器１３、１５の触媒の作用が劣化した場合に、オルソ−パラ変換器１３、１５を除く水素液化構成機器に影響を与えることなく、オルソ−パラ変換器１３、１５の触媒を活性化させることができる。
また、前記触媒活性化手段は、原料水素ガス通路Ｌ１におけるオルソ−パラ変換器１３、１５とその水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に接続される触媒活性化用ガス供給通路Ｌ４と、原料水素ガス通路Ｌ１におけるオルソ−パラ変換器１３、１５とその水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に接続される触媒活性化用ガス排出通路Ｌ５とを備えていることにより、原料水素ガス通路Ｌ１におけるオルソ−パラ変換器１３、１５の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、オルソ−パラ変換器１３、１５に触媒活性化用ガスを供給して触媒を活性化させることができる。
本実施形態では、水素液化装置１を構成する水素液化構成機器として、バッファタンク３、圧縮機４、７、液化機５、具体的には熱交換器１１、１４、吸着塔１２、１７、オルソ‐パラ変換器１３、１５、膨張機１８、膨張弁１６、及び液体水素貯蔵タンク６が備えられているが、液体窒素貯槽、液体水素貯槽、気化器、フィルタ、ストレーナ、安全弁、放出弁、圧力計、差圧計、温度計及び流量計などの他の水素液化構成機器を備えるようにすることも可能である。かかる水素液化構成機器についてもそれぞれ、不活性ガス供給通路及び不活性ガス排出通路を接続することが可能である。
本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。
以上のように、本発明によれば、水素液化装置においてメンテナンス性を向上させることが可能であるから、水素液化装置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 水素液化装置
２ 原料水素ガス供給源
３ バッファタンク
４、７ 圧縮機
５ 液化機
６ 液体水素貯蔵タンク
１１、１４ 熱交換器
１２、１７ 吸着塔
１３、１５ オルソ−パラ変換器
１６ 膨張弁
１８ 膨張機
２１ 不活性ガス供給源
２２ ベントライン
３０ コントローラ
３１ 液体窒素貯槽
３３ 液体窒素供給源
３３、４１〜４８、５２〜５６、５８〜６０、７１〜９８ 開閉弁
Ｌ１ 原料水素ガス通路
Ｌ２ 冷媒循環通路
Ｌ３ 冷媒水素ガス供給通路
Ｌ４ 不活性ガス供給通路
Ｌ５ 不活性ガス排出通路

Claims (5)

  1. 水素ガスを冷却して液体水素を生成する水素液化装置であって、
    原料水素ガス供給源から供給される水素ガスを流通させる原料水素ガス通路と、
    前記原料水素ガス通路に設けられた水素ガスを圧縮する圧縮機及び水素ガスを冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器を含む複数の水素液化構成機器と、
    を備え、
    前記原料水素ガス通路に設けられた少なくとも１つの前記水素液化構成機器についてそれぞれ、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に、メンテナンスガス供給源からメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給するメンテナンスガス供給通路が接続され、前記原料水素ガス通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に、前記水素液化構成機器に供給されたメンテナンスガスを排出するメンテナンスガス排出通路が接続されている、
    ことを特徴とする水素液化装置。
  2. 前記冷媒を循環させる冷媒循環通路と、
    前記冷媒循環通路に設けられた冷媒を膨張させて冷却する膨張機及び冷媒を水素ガスと熱交換させる熱交換器とを含む複数の水素液化構成機器と、
    を備え、
    前記冷媒循環通路に設けられた少なくとも１つの前記水素液化構成機器についてそれぞれ、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側及び下流側に開閉弁が設けられ、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の冷媒流れ方向上流側の開閉弁との間に、メンテナンスガス供給源からメンテナンスガスを前記水素液化構成機器に供給するメンテナンスガス供給通路が接続され、前記冷媒循環通路における前記水素液化構成機器と該水素液化構成機器の冷媒流れ方向下流側の開閉弁との間に、前記水素液化構成機器に供給されたメンテナンスガスを排出するメンテナンス排出通路が接続されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の水素液化装置。
  3. 前記原料水素ガス通路に設けられた水素液化構成機器は、触媒を用いてオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器を含む、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素液化装置。
  4. 前記触媒を活性化する触媒活性化手段を備え、
    前記触媒活性化手段は、前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側及び下流側の開閉弁を閉じた状態で、前記触媒を活性化するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項３に記載の水素液化装置。
  5. 前記触媒活性化手段は、
    前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器と該オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向上流側の開閉弁との間に接続され、触媒活性化用ガス供給源から触媒活性化用ガスを前記オルソ−パラ変換器に供給する触媒活性化用ガス供給通路と、
    前記原料水素ガス通路における前記オルソ−パラ変換器と該オルソ−パラ変換器の水素ガス流れ方向下流側の開閉弁との間に接続され、前記オルソ−パラ変換器に供給された触媒活性化用ガスを排出する触媒活性化用ガス排出通路とを備えている、
    ことを特徴とする請求項４に記載の水素液化装置。
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