JP2017150660A - 高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡易で、現地工事費用を低減でき、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、膨張機において発生するエネルギを取り出し、発電機等の外部に有効利用する手段を別途設ける必要がない、水素ステーションの最終充填部におけるプレクーラ機能等の温度降下システム技術に適用できる高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムを提供すること。【解決手段】高圧に蓄圧された水素ガスをタンク６へ加圧充填する際に、膨張タービンを用いて水素ガスのエンタルピ降下を行う充填システムにおいて、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサ１１を組み込むプロセスを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、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（以下、「水素ステーション」という場合がある。）の最終充填部におけるプレクーラ機能等の温度降下システム技術に適用される高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填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、供給ガスの圧力（供給源のタンク圧）が、４５→７０ＭＰａ（Ｇ）、さらには、８２ＭＰａ（Ｇ）と高圧力化するのに伴って、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、供給源のタンク圧である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℃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（出典「ＮＥＤＯ水素エネルギー白書」）。
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洩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、水素ガスを膨張減圧する過程で外部に仕事を取り出す膨張機により水素ガスの温度低下を行い、その冷熱エネルギを利用して水素ガスの予冷を行うものであり、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）膨張機において発生するエネルギを取り出し、有効利用する手段を別途設ける必要がある。

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、現地工事費用を低減でき、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、膨張機において発生するエネルギを取り出し、発電機等の外部に有効利用する手段を別途設ける必要がない、水素ステーションの最終充填部におけるプレクーラ機能等の温度降下システム技術に適用できる高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填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、本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムは、高圧に蓄圧された水素ガスをタンクへ加圧充填する際に、膨張タービンを用いて水素ガスのエンタルピ降下を行う充填システムにおいて、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備えたことを特徴とする。
より具体的には、膨張タービン・コンプレッサは、回転体のロータ軸の一方側に膨張作用を行うインペラを、他方側に、膨張により得られた回転エネルギを消費する圧縮作用を行うインペラを、それぞれ備えて構成することができる。
さらに、供給される水素ガスを用いた動圧式ガス軸受方式の軸受を備えて構成することができる。

この場合において、膨張タービン・コンプレッサを１台で構成することができる。

また、膨張タービン・コンプレッサを複数台、直列に配置して構成することができる。

また、膨張タービン・コンプレッサの膨張タービン側入口部に冷却器を設けることができる。

また、膨張タービン・コンプレッサのコンプレッサ側入口部に冷却器を設けることができる。

本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムによれば、高圧に蓄圧された水素ガスをタンクへ加圧充填する際に、膨張タービンを用いて水素ガスのエンタルピ降下を行う充填システムにおいて、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備え、膨張タービン・コンプレッサにて最終的に水素を膨張させて、エンタルピを低下（温度降下）させた水素ガスを調節タンク側へ充填する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、例えば、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、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備えること、すなわち、回転軸の一方側に膨張用インペラ、他方側に圧縮用インペラを有する膨張タービン・コンプレッサを用いることにより、膨張機において発生するエネルギを取り出し、有効利用する手段を別途設ける必要がなく、さらに、膨張タービン側にて得られた回転エネルギを利用してコンプレッサ側にて水素ガスの圧力を上昇させて、膨張タービン入口へ導かれるようにすることによって、コンプレッサで昇圧された分、膨張タービンの膨張比が大きくなり、より多くの熱落差（＝寒冷発生量）を得るようにすることができる。
ところで、このプロセスに使用する膨張機、すなわち、タービンは、現在の標準的な水素充填所（水素ステーション）に見合う容量で設計した場合、非常に小型で高速な回転体となることが避けられない。仮に５ｋｇの高圧水素ガスを約３分で充填するシステムの場合、膨張タービンの直径は８〜１２ｍｍ、最大の膨張比時に相当する回転数は１２０万回転／分に相当する。
そこで、本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムにおいては、具体的には、回転体のロータ軸の一方側に膨張作用を行うインペラ（タービン）を、他方側に、膨張により得られた回転エネルギを消費する圧縮作用を行うインペラ（コンプレッサ）を、それぞれ備えて構成する。
タービンによる水素ガスの膨張により取り出されたエネルギは、タービン回転体の高速回転という形で運動エネルギとして取り出されるが、この高速回転を実現するため、膨張タービン・コンプレッサには、供給される水素ガスを用いた動圧式ガス軸受方式の軸受を採用する。
このため、回転エネルギとして取り出された「仕事」は、軸受による摩擦損失（軸損失）が極めて小さい値に抑制されたものとすることができる。
タービンで得られた回転エネルギからこの軸損失を差し引いた量のエネルギがコンプレッサ側にてプロセスガスを遠心昇圧することで消費され、回転がバランスする。
すなわち、タービンにより取り出された回転エネルギ（タービン動力）は、回転軸の反対側に設けられ、同じ回転数で駆動されるコンプレッサにて、プロセスガスの昇圧することで消費される。
この動圧式ガス軸受方式の軸受で、本発明のような小型で高速な回転体の軸受を構成することで、超高速回転の実現と、非常に少ない軸損失の実現を担保することができる。
このようにして、動力回収を発電回収や、外部へ取り出しての回収を行わず、タービン・コンプレッサとしてクローズしたシステムとすることができ、構成が簡易で、現地工事費用を低減できる。
コンプレッサ側で昇圧されたプロセスガスは、熱力学的な圧縮により圧力上昇と温度上昇を伴う。温度の上昇は、必要に応じて、冷却器（空冷又は水冷のアフタークーラ）を設けることにより、例えば、約２０℃近辺に冷却され、熱として外部に捨てられる。圧力上昇は、その分タービン入口における圧力上昇に帰結するため、タービンでの膨張比をさらに高め、結果として寒冷発生量を増大させる効果を奏する。
本発明において、タービンで取り出した動力を、発電機等で電力に変換せずに、タービン・コンプレッサを採用しプロセス内部で利用するとした技術的な理由は、あまりに小型高速回転の機器は、発電機自体が小型かつ高周波となり成立しないことがあり、また、プロセスガスが水素の関係上、防爆の観点からの優位性が挙げられる。

また、膨張タービン・コンプレッサを複数台、直列に配置して構成することにより、膨張タービン・コンプレッサのタービン効率をそれぞれの膨張比率で最大の領域にて運転を行い、寒冷発生量に余裕を持たせることができる。

また、膨張タービン・コンプレッサの膨張タービン側入口部及び／又はコンプレッサ側入口部に冷却器を設けることにより、水素ガスの温度降下を補助することができる。

水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）による充填流量及び圧力並びに温度の変化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。 本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムの一実施例を示す説明図である。 本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムの変形実施例を示す説明図である。 水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）（従来方式）と本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム（実施例）による充填流量及び圧力の変化を示すグラフである。 水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）（従来方式）と本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム（実施例）による温度の変化を示すグラフである。

以下、本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムの実施の形態を、図面に基づいて説明する。

この高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムは、本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムを、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適用したものであって、高圧に蓄圧された水素ガスをタンクへ加圧充填する際に、膨張タービンを用いて水素ガスのエンタルピ降下を行う充填システムにおいて、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備えるようにしたものである。

ここで、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備えるために、本実施例においては、従来、例えば、冷媒の圧縮と膨張を行うために汎用されている回転軸の一方側に膨張用インペラ、他方側に圧縮用インペラを有するタービン・コンプレッサ（本明細書において、「膨張タービン・コンプレッサ」という。）を用いることができる。
この膨張タービン・コンプレッサは、供給される水素ガスを用いた動圧式ガス軸受方式の軸受（ラジアル及びスラスト両方向の支承を行う軸受）を備えて構成することができる。

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を、膨張タービン・コンプレッサ１１の回路に接続して構成され、膨張タービン・コンプレッサ１１にて最終的に水素ガスを膨張させて、エンタルピ低下（温度降下）させた水素ガスを、水素ガス供給ユニット１３を介して、水素自動車の燃料タンク６に充填するようにしている。

ここで、膨張タービン・コンプレッサ１１は、回転軸の一方側に膨張用インペラを有する膨張タービン１１ａを、他方側に圧縮用インペラを有するコンプレッサ１１ｂを備えるようにし、膨張タービン１１ａ側にて得られた回転エネルギを利用してコンプレッサ１１ｂ側にて水素ガスの圧力を上昇させて、膨張タービン１１ａの入口へ導かれるようにする（水素ガスは、コンプレッサ１１ｂに供給され、その後、膨張タービン１１ａに供給される。）ことによって、コンプレッサ１１ｂで昇圧された分、膨張タービン１１ａの膨張比が大きくなり、より多くの熱落差（＝寒冷発生量）を得るようにすることができるものとなる。

また、膨張タービン・コンプレッサ１１の膨張タービン１１ａ側の入口部に冷却器１２を設けることができる。
冷却器１２の冷熱源１２ａには、水冷方式のものやチラーユニット方式のものを好適に用いることができる。
また、図示は省略するが、同様の冷却器を、コンプレッサ１１ｂ側の入口部に設けることができる。この場合、膨張タービン１１ａ側の入口部に設けた冷却器１２は省略することもできる。
これにより、水素ガスの温度降下を補助することができる。

図５及び図６に、水素ガスの膨張弁を用いた膨張（弁膨張）（従来方式）と本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム（実施例）による充填流量及び圧力並びに温度の変化を示す。

本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムを、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適用することによって、水素ガス源ライン９の高圧（８２ＭＰａ）（元圧）の水素ガスから水素自動車の燃料タンク６に対して、圧力差を利用して膨張タービン・コンプレッサ１１を駆動して、膨張した水素ガスを直接的に充填することができる。
この場合、充填初期においては、元圧と燃料タンク６の内圧の差が大きいことから、膨張タービン１１ａでの膨張比及びコンプレッサ１１ｂによる膨張比が比較的大きく取れるため、より多くの寒冷を発生することができる。
充填が進むにつれて燃料タンク６の内圧は上昇していき、膨張タービン・コンプレッサ１１による発生寒冷は小さくなっていくが、最終的に８５℃以下で充填を終えることができる。

ところで、図３に示す実施例においては、１台の膨張タービン・コンプレッサ１１を用いるようにしたが、図４に示す変形実施例に示すように、複数台、直列に配置して構成するようにしたり、さらに、複数台、直列に配置したものを並列に配置して構成するようにすることができる。
これにより、膨張タービン・コンプレッサ１１のタービン効率をそれぞれの膨張比率で最大の領域にて運転を行い、寒冷発生量に余裕を持たせるようにしたり、容易に設備流量を増加させることができ、大きなプレクール冷却器なしに、大型の燃料電池バスやトラックの充填設備を構成することが可能である。

本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムを、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適用することによって、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、膨張タービン・コンプレッサ自体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、かなり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、膨張タービン・コンプレッサ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、膨張タービン・コンプレッサ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。従来のものに対して体積比率で１０％程度になる。
課題７）については、膨張タービン・コンプレッサを複数台組み合わせたり、最適な流量の膨張タービン・コンプレッサを用いることにより、容易に設備流量を増加させることができ、大きなプレクール冷却器なしに、大型の燃料電池バスやトラックの充填設備を構成することが可能である。
課題８）については、膨張タービン・コンプレッサを用いることにより、膨張機において発生するエネルギを取り出し、有効利用する手段を別途設ける必要がなく、さらに、膨張タービン側にて得られた回転エネルギを利用してコンプレッサ側にて水素ガスの圧力を上昇させて、膨張タービン入口へ導かれるようにすることによって、コンプレッサで昇圧された分、膨張タービンの膨張比が大きくなり、より多くの熱落差（＝寒冷発生量）を得るようにすることができる。

以上、本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムについて、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。

本発明の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システムは、構成が簡易で、現地工事費用を低減でき、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、膨張機において発生するエネルギを取り出し、発電機等の外部に有効利用する手段を別途設ける必要がない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（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 膨張タービン・コンプレッサ
１１ａ 膨張タービン
１１ｂ コンプレッサ
１２ 冷却器
１２ａ 冷熱源
１３ 水素ガス供給ユニット

Claims (7)

1. 高圧に蓄圧された水素ガスをタンクへ加圧充填する際に、膨張タービンを用いて水素ガスのエンタルピ降下を行う充填システムにおいて、膨張タービン部分に膨張タービン・コンプレッサを組み込むプロセスを備えたことを特徴とする高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
2. 膨張タービン・コンプレッサが、回転体のロータ軸の一方側に膨張作用を行うインペラを、他方側に、膨張により得られた回転エネルギを消費する圧縮作用を行うインペラを、それぞれ備えて構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
3. 膨張タービン・コンプレッサが、供給される水素ガスを用いた動圧式ガス軸受方式の軸受を備えて構成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
4. 膨張タービン・コンプレッサを１台で構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
5. 膨張タービン・コンプレッサを複数台、直列に配置して構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
6. 膨張タービン・コンプレッサの膨張タービン側入口部に冷却器を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。
7. 膨張タービン・コンプレッサのコンプレッサ側入口部に冷却器を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の高圧水素の膨張タービン・コンプレッサ式充填システム。

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