JP2017032122A

JP2017032122A - 水素プレクールシステム

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Publication number: JP2017032122A
Application number: JP2015155687A
Authority: JP
Inventors: 吉田　純; Jun Yoshida; 純吉田; 任行金子; Takayuki Kaneko
Original assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: JP6525262B2

Abstract

【課題】構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にでき、さらに、比較的小流量で収まる充填設備にも適用可能な、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムを提供すること。
【解決手段】水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機１１と、その前後に設けた１次バッファータンク１４及び２次バッファータンク１５とにより水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、水素ステーションにおいて、燃料電池自動車等の水素自動車（以下、単に、「水素自動車」という場合がある。）の燃料となる水素ガスを、水素ガス供給源から水素自動車の燃料タンクに充填するための水素充填設備の付属システムに関し、特に、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムに関するものである。

水素自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガスを充填する経路に設けられている膨張弁等の部分で高圧から断熱膨張（等エンタルピ膨張）すると、その性状から逆転温度（−５８℃）よりも高い領域での膨張になるため、ジュールトムソン効果によって膨張後の温度が上昇するという性質を有している。
したがって、水素ステーションにおいて、水素自動車の燃料となる水素ガスを、水素ガス供給源から水素自動車の燃料タンクに充填する際に、水素ガスを充填する経路に設けられている膨張弁等の部分で、水素ガスの温度が上昇する。

この水素ガスの温度の上昇は、水素ガスの膨張比が大きくなるほど顕著になることから、水素ステーションでの水素ガス供給源からの供給ガスの高圧力化（例えば、４５→７０ＭＰａ（Ｇ）、さらには、８２ＭＰａ（Ｇ）化。）に伴い、さらに自己温度上昇量が大きくなってくる。
一例として、水素ガスを、７０ＭＰａ（Ｇ）、３０℃から一段で膨張させたときの、各２次圧における自己温度変化の一例を図１に示す。

一方、現状で普及が開始された燃料電池車では、燃料タンクの材質による温度制限と、燃料電池本体セルの運用温度の制限から、水素充填時の最高温度上限は８５℃程度とされている。

そして、上記水素の性質から、何の手段も施さずにそのまま水素ガスを充填すると、水素充填時の温度が、最高温度上限の８５℃を越えてしまい、燃料タンクの材質による温度制限や燃料電池本体セルの運用温度の制限、さらには、充填後の冷却に伴う圧力降下等の問題が発生するため、水素ガスを充填する経路に熱交換器等の冷却手段を配置し、この冷却手段で水素ガスを冷却しながら水素自動車に充填する方法が提案され、実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１１６６１９号公報

ここで、図２に、現状の一般的な７０ＭＰａ（Ｇ）の水素ステーションの構成図を示す。
この水素ステーションは、水素ガスを受け入れる圧縮機ユニットからなる圧縮機設備１と、圧縮機設備１から送られてきた水素ガスを蓄圧する蓄圧器ユニットからなる水素蓄圧設備２と、水素蓄圧設備２からの水素ガスを水素自動車の燃料タンク６に充填するための経路に設けられた膨張弁３及び水素ガスプレクーラ４と、プレクーラ４を介して水素ガスの冷却を行う水素プレクールシステム５とを備え、さらに、水素プレクールシステム５には、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、アキュムレータ等からなる冷凍機設備７と、ブラインタンク、１次ブラインポンプ、２次ポンプ等からなるブライン回路８を備えるようにしている。
そして、この水素ステーションは、オンサイト型、オフサイト型の水素ステーションの両者とも、受け入れた水素は圧縮機設備１で中間圧（図例では４０ＭＰａ（Ｇ））や高圧（図例では８２ＭＰａ（Ｇ））まで圧縮され、それぞれの圧力で水素蓄圧設備２の蓄圧ユニット内にて圧縮ガスの形で保持される。
これらの水素ガスを、需要側である車載の燃料タンク６へ充填するには、膨張弁３を介しての膨張により行われるが、その際に水素ガス自身の温度上昇を伴うため、外部設備である水素プレクールシステム５により−４０℃まで冷却される。
現状の技術では、この水素プレクールシステム５は、フロン冷媒等の通常の冷凍機設備７と、−４０℃近辺で動作するブライン回路８とを組み合わせて構成されているため、構成が複雑であり、また、冷凍機用冷媒圧縮機、１次ブラインポンプ、２次ブラインポンプ等の多くの回転機器も必要になる。

このため、従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムにおいては、以下の課題があった。
１）外部独立した水素プレクールシステムはそれ自体が外部電力で稼働するシステムである。一般的な水素ステーション（３００Ｎｍ^３／ｈ）で約４０ｋＷとなっており、水素プレクールシステムの運用自体が運転コストを上昇させる。
２）冷凍機の冷媒にフロン（代替えフロン）を使用するため法的な扱いを受け、このプレクーラ設備自体が高圧ガス保安法の冷凍保安則にかかり、設備や運用において制約を受ける。
３）フロンやブラインをステーション内に保有することは、フロンやブラインの外部漏えいに対する環境事故の予防対策が必要になる。
４）水素プレクールシステムが、冷凍回路とブライン回路の２段構成で複雑であることや、冷媒圧縮機やブラインポンプ等の回転機が複数存在するため、多くの保守管理役務が生じる。
５）ブラインを介したシステムのため、運転起動から定常状態になるまで時間を要する。このため、充填作業のかなり前から水素プレクールシステムを事前起動、系内を定常状態にしておく必要がある。
６）水素ステーション自体の設置スペースを小型化する際に、水素プレクールシステムの専有スペースがその制約となる。
７）現状の−４０℃という温度では、さらなる水素の急速充填に制限が出てくる。将来において、さらに充填時間を短くするためには、現状の−４０℃よりも低い温度に予冷が必要となる可能性もある。

ところで、上記従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムの有する問題点に鑑み、本件出願人は、先に、特願２０１５−０５９３２３において、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムを提案している。

この水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムは、上記従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムの有する問題点を解消することができるものである反面、以下の課題があった。
８）膨張機を用いた水素プレクールシステムにおいて、例えば、燃料電池車１台に充填する設備においては、比較的小流量で収まる場合が多く、その場合、膨張機を水素タービンで構成したときに、非常に小型のマイクロタービンクラスになる場合がある。このマイクロタービンでは、汎用の水素タービンに対してコストダウン効果や信頼性確保の観点からは困難性が出てくる。

本発明は、上記従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムの有する問題点に鑑み、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にでき、さらに、比較的小流量で収まる充填設備にも適用可能な、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水素プレクールシステムは、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機と、その前後に設けた１次バッファータンク及び２次バッファータンクとにより水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする。

この場合において、前記１次バッファータンクと２次バッファータンクとを膨張機を介さずに接続する２次バイパスラインを設けることができる。

また、２次バッファータンクの内部に、水素ガス源ラインから１次バイパス膨張弁によって直接膨張させた水素ガスを需要側へ供給する１次バイパスラインの熱交換器を設けることができる。

また、前記膨張機に、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用することができる。

本発明の水素プレクールシステムによれば、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、膨張減圧する過程で膨張機と、その前後に設けた１次バッファータンク及び２次バッファータンクとにより、具体的には、例えば、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用して、水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにすることにより、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にできる水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムを提供することができる。
そして、膨張機の前後に１次バッファータンク及び２次バッファータンクを設け、さらに、前記１次バッファータンクと２次バッファータンクとを膨張機を介さずに接続する２次バイパスラインを設けるようにしたり、２次バッファータンクの内部に、水素ガス源ラインから１次バイパス膨張弁によって直接膨張させた水素ガスを需要側へ供給する１次バイパスラインの熱交換器を設けるようにすることにより、充填側の燃料電池車１台分で設計された小流量の膨張機、例えば、マイクロタービンでなく、比較的大きな汎用の水素タービン等の膨張機を活用することができる。そして、その際に余った２次バッファータンク内の寒冷は、高圧の水素ガスからの弁膨張水素ガスに与えて有効に利用することで、効率的な水素プレクールシステムを提供することができる。

水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）と水素タービンを用いた膨張（タービン膨張）による温度上昇の一例を示すグラフである。従来の水素プレクールシステムを用いた水素ステーションの説明図である。本発明の水素プレクールシステムの一実施例を示す説明図である。同要部を示す説明図である。

以下、本発明の水素プレクールシステムの実施の形態を、図面に基づいて説明する。

この水素プレクールシステムは、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムであって、高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機と、その前後に設けた１次バッファータンク及び２次バッファータンクとにより水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うようにしたものである。

具体的には、図３に示す、水素ステーションの水素ガスの最終膨張機構のように、この水素プレクールシステム１０は、水素ガス源ライン９の一部のガスを分岐し、膨張機、例えば、従来膨張機として汎用されている水素タービン１１の回路を設けて構成される。
水素タービン１１で水素を膨張させ温度低下させた水素ガスを再合流させる。必要に応じ中間的な圧力に膨張させて混合させ、最終的に少ない膨張比でタンクに最終膨張充填させる場合もある。
図３において、高圧の状態で分岐された高圧水素ガスはタービン入口弁を介して水素タービン１１へ供給される、水素タービン１１による膨張は常に温度降下を生じる（図１参照。ここで、図１は計算の一例であり、水素タービン１１の入口条件と膨張比の設定等により出口温度は広い範囲で制御することができる。）ため、タービン出口温度は入口より降下する。
その膨張後のガスを通常膨張させたガスと合流混合させ、最適な温度として最終的に低膨張比でタンクに対して連続充填を行うようにする。
そして、充填の相手側の圧力と温度の状況をセンサで感知して、最適な混合温度にするフィードバック制御をかけて構成する。この温度指令により水素タービン入口弁を制御することにより、タービン回路の流量を変化させることにより温度降下幅さらには混合後の温度を適切な範囲に保つようにする。

そして、この水素プレクールシステム１０は、より具体的には、図４に示すように、高圧の水素ガス源ライン９から、水素ディスペンサ２１を介して、需要側へ水素ガスを充填する。

需要先が低圧の場合には、１次膨張弁１２を介して１次バッファータンク１４へ中間圧ガス膨張させる。１次バッファータンク１４から２次膨張弁１３を介して水素タービン１１にて膨張比の取れる限り膨張させ、２次バッファータンク１５の圧力まで膨張させる。
２次バッファータンク１５は、最終膨張弁２０を介して需要側（水素ディスペンサ２１以降）へ水素ガスを供給するが、充填当初は、水素タービン１１で膨張し、温度降下した水素ガスのうち所定量を最終膨張弁２０から抽気されるため、水素タービン１１の処理流量と最終膨張量との差が２次バッファータンク１５へ徐々に蓄えられていくと同時に、２次バッファータンク１５は、外部断熱された構造となっており、温度降下した水素ガスの寒冷により２次バッファータンク１５自体の温度も降下していく。そのため、最終膨張弁２０での温度上昇が生じても十分に低い水素ガス温度を保持できる。

そして、２次バッファータンク１５の内圧が上昇し、１次バッファータンク１４との差圧が狭まり、水素タービン１１の駆動が停止された後は、１次バッファータンク１４から、２次バイパス膨張弁１８によって水素ガスを直接膨張させ、２次バイパスライン１９を介して、２次バッファータンク１５へ水素ガスの供給を行うことで、需要側へ水素ガスの供給を継続する。
この際、過剰に冷却された２次バッファータンク１５を通過するため、需要側の温度上昇を防止することができる。

さらに、需要側の圧力が上昇していくにつれて、２次バッファータンク１５の圧力では充填が追い付かない場合は、水素ガス源ライン９から、１次バイパス膨張弁１６によって水素ガスを直接膨張させ、１次バイパスライン１７を介して需要側への水素ガスの供給を継続する。この１次バイパスライン１７は、２次バッファータンク１５の内部に設置された熱交換器１７ａを通過するため、２次バッファータンク１５内の寒冷を有効に利用して、水素ガスを温度上昇させることなく、最終圧まで充填が行われる。

これらの各水素ガスの供給は、それぞれの圧力を自動的に監視しながら、常に最適な膨張充填ラインルートや流量を切り替え制御できるようになっている。
一例として、水素ガス源ライン９の圧力は８２０ａｔｍ、１次バッファータンク１４の圧力は４００〜６００ａｔｍ、２次バッファータンク１５の圧力は２０〜６００ａｔｍで、シーケンス的にタービン膨張（充填流量よりも大きな流量で膨張）、寒冷余剰発生及び膨張ルート切り替えを行い、最終充填圧まで需要側を所定時間内に加圧充填していく。

１回の充填の採取段階で２次バッファータンク１５の残圧がある場合は、次の充填のサイクルでは、まず先に２次バッファータンク１５からのガス膨張で充填を開始し、２次バッファータンク１５の圧力が水素タービン１１の駆動に見合う出口圧になった時点で、水素タービン１１を駆動して寒冷を発生させる。

これにより、充填側の燃料電池車１台分で設計された小流量のマイクロタービンでなく、比較的大きな汎用の水素タービン１１を活用することができる。そして、その際に余った２次バッファータンク１５内の寒冷は、高圧の水素ガスからの弁膨張水素ガスに与えて有効に利用することで、効率的な水素プレクールシステムを提供することができる。

この場合において、膨張機には、従来膨張機として汎用されている、上記の水素タービン１１（例えば、特開２００３−１０６１０８号公報、特開２０１２−２０６９０９号公報参照。）のほか、往復動機械膨張機（例えば、特開昭６１−２６２５５８号公報参照。）、ロータリー式膨張機（例えば、特開２００７−９７５５号公報参照。）及びスクロール式膨張機（例えば、国際公開ＷＯ２０１２／１６４６０９参照。）のいずれか又はこれらを組み合わせて使用することができる。

また、前記膨張機によるエネルギを取り出す手段として、以下の方式を挙げることができる。
１）ブレーキファンによる制動（水冷クーラで熱に変換）
２）発電機を組み込むことによる発電制動
３）昇圧ブロワによるプロセス水素の昇圧

この水素プレクールシステム１０において、高圧の状態で分岐された高圧水素ガスはタービン入口弁を介して水素タービン１１へ供給される、水素タービン１１による膨張は常に温度降下を生じる（図１）のため、タービン出口温度は入口より降下する。その膨張後のガスを通常膨張させたガスと合流混合させ、最適な温度として最終的に低膨張比で２次バッファータンク１５に対して連続充填を行う。

この水素プレクールシステムは、上記原理により、従来の水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムの課題を、以下のとおり解決することができる。
課題１）については、水素タービン等の膨張機の稼働には外部電力を必要としないため、従来の水素プレクールシステムの運転コスト（電気代）に対して、ほとんど電力は必要としない。
課題２）については、冷媒が存在しないので、別個には冷凍則にかからないシステムとなる。水素ステーション全体の高圧ガス保安法のなかで対処することができる。
課題３）については、フロン冷媒やブライン自体が存在しないので、環境事故に対するリスクはなくなる。
課題４）については、シンプルなシステム構成となるため、運転コストのみならず保守コストも大幅に低減できる。
課題５）については、水素タービン等の膨張機の起動と同時に温度降下状態が作れるため、系内の時定数が非常に小さい。事前起動の時間はわずかになる。
課題６）については、水素タービン等の膨張機のコールドボックスのみでよいので大幅な省スペース化が図れる。
課題７）については、水素タービン等の膨張機により、温度は−１００℃近くまでプレクール可能であり、より急速な充填に対応可能である。
課題８）については、汎用の水素タービンを用いてシステム構成と余剰寒冷の利用が可能になり、必要充填流量だけで設計した小流量のマイクロタービンを使用する場合の高コスト、低信頼性、低効率の問題を解決することができる。さらに、バッチ充填の次回充填でも前回の余剰寒冷を先に利用することが可能になる。

以上、本発明の水素プレクールシステムについて、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の水素プレクールシステムは、構成が簡易で、保守管理役務の負担が少なく、消費電力のコストを含む運転コストを低廉にでき、さらに、比較的小流量で収まる充填設備にも適用可能であるという特性を有していることから、水素ステーションの最終充填部において水素ガスの温度を降下させるために用いられる水素プレクールシステムの用途に好適に用いることができる。

１圧縮機設備
２水素蓄圧設備
３膨張弁
４プレクーラ
５水素プレクールシステム
６燃料タンク
７冷凍機設備
８ブライン回路
９水素ガス源ライン
１０水素プレクールシステム
１１水素タービン（膨張機）
１２１次膨張弁
１３２次膨張弁
１４１次バッファータンク
１５２次バッファータンク
１６１次バイパス膨張弁
１７１次バイパスライン
１８２次バイパス膨張弁
１９２次バイパスライン
２０最終膨張弁
２１水素ディスペンサ

Claims

高圧に蓄圧された水素ガスを相手側の弁を介した圧力差膨張によりタンクへ充填する水素充填設備における水素プレクールシステムにおいて、水素ガスを膨張減圧する過程で膨張機と、その前後に設けた１次バッファータンク及び２次バッファータンクとにより水素ガスの温度降下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うことを特徴とする水素プレクールシステム。
前記１次バッファータンクと２次バッファータンクとを膨張機を介さずに接続する２次バイパスラインを設けたことを特徴とする請求項１記載の水素プレクールシステム。
２次バッファータンクの内部に、水素ガス源ラインから１次バイパス膨張弁によって直接膨張させた水素ガスを需要側へ供給する１次バイパスラインの熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の水素プレクールシステム。
前記膨張機に、水素タービン、往復動機械膨張機、ロータリー式膨張機及びスクロール式膨張機のいずれか又はこれらを組み合わせて使用したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の水素プレクールシステム。