JP2021177088A

JP2021177088A - 液化水素貯留方法および液化水素貯留システム

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Publication number: JP2021177088A
Application number: JP2020082361A
Authority: JP
Inventors: 拓摩上地; Takuma Kamiji; 貴裕山口; Takahiro Yamaguchi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: JP7449161B2

Abstract

【課題】液化水素タンク内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減することができる液化水素貯留方法および液化水素貯留システムを提供する。【解決手段】液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留方法であって、窒素を用いて液化水素タンク内の酸素を除去する酸素除去工程と、酸素が除去された液化水素タンクに液化水素を導入する液化水素導入工程と、を含み、液化水素タンクに液化水素を導入する前に、液化水素タンク内を予め冷却する。【選択図】図２

Description

本発明は、液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留方法および液化水素貯留システムに関する。

液化水素タンクに液化水素を導入する場合には、まず、液化水素タンク内の酸素および水分を除去する工程が必要である。この工程は、液化水素タンク内の酸素濃度を、可燃性の液化水素の燃焼条件よりも十分に下げること、および、液化水素タンク内が、液化水素が導入されることにより低温になった際、液化水素タンクに設けられる各種バルブ、または計器類等に残留水蒸気が凝結し、機能不全を生じないように、液化水素タンク内の露点を十分下げることを目的としている。

従来は、酸素および水分除去の工程の後、液化水素タンクに液化水素を導入しているが、液化水素の導入時において、液化水素タンク内は常温であるため、常温の液化水素タンク内に直接液化水素を導入すると、液化水素の貯留時に液化水素タンクに局部的な熱収縮による亀裂または変形等が生じる恐れがある。このような低温タンクの亀裂または変形等の問題に関し、例えば下記特許文献１には、低温タンクのクールダウン方法として、液化ガスの気化熱で低温タンクを冷却し、気化したガスを排出する工程を設けることが開示されている。

特開昭５４−４０３２７号公報

しかし、上記のような方法を液化水素タンクへの液化水素の導入に適用しても、液化水素の導入開始後も液化水素タンクが十分に冷却されるまでは、液化水素を液化水素タンク内に貯留することができず、外部に排出され、消費されてしまう。

特に、液化水素タンクの容量を大きくしようとすると、液化水素タンク内の冷却のために消費される液化水素の量が増大する。液化水素は、流通量が少なく、単価が高いため、液化水素によって液化水素タンクを冷却する従来の態様は、コストの低減を図ることができない。また、このような液化水素は、可燃性であるため、大気放出量を抑制することが望ましい。

そこで本発明は、液化水素タンク内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減することができる液化水素貯留方法および液化水素貯留システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る液化水素貯留方法は、液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留方法であって、窒素を用いて前記液化水素タンク内の酸素を除去する酸素除去工程と、酸素が除去された前記液化水素タンクに前記液化水素を導入する液化水素導入工程と、を含み、前記液化水素タンクに前記液化水素を導入する前に、前記液化水素タンク内を予め冷却する。

上記方法によれば、液化水素タンクに液化水素を導入する前に液化水素タンク内が予め冷却される。このため、液化水素タンクに液化水素を導入する際、液化水素タンクを冷却するために消費される液化水素の量が低減する。したがって、液化水素タンク内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減することができる。

本発明の他の態様に係る液化水素貯留システムは、液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留システムであって、前記液化水素タンク内の酸素を除去するために前記液化水素タンク内に液化窒素を導入する液化窒素導入部と、前記液化水素タンク内に導入された前記液化窒素を除去するために前記液化水素タンク内に前記液化水素を気化させた低温ガスを導入する低温ガス導入部と、前記液化水素を導入する液化水素導入部と、を備えている。

上記構成によれば、液化水素タンク内の酸素を除去するために液化窒素が導入されることにより、液化水素タンク内を液化窒素で冷却しながら、液化水素タンク内の酸素が除去される。したがって、液化水素を導入する前に、液化水素タンク内が予め冷却されるため、液化水素を導入する際に、液化水素が気化により消費されることが抑制される。さらに、液化窒素を導入することにより酸素が除去された後、液化水素を導入する前に、酸素除去の際に気化した窒素が、低温ガスで除去される。これにより、窒素の除去に液化水素を使用する必要がなくなるため、液化水素の消費を抑えることができる。したがって、液化水素タンク内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減することができる。

本発明によれば、液化水素の消費を抑制しつつ液化水素タンクに液化水素を適切に導入することができる液化水素貯留方法および液化水素貯留システムを提供できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る液化水素貯留システムの概略構成を示す図である。図２は、図１のシステムにおける液化水素導入方法を示すフローチャートである。図３は、図２のフローチャートに従って液化水素タンクに導入される冷媒および液化水素タンクから排出されるガスの流れを示す図である。

以下、図面を参照しながら一実施の形態について説明する。なお、全ての図を通じて、同一のまたは対応する要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る液化水素貯留システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、液化水素貯留システム（以下、貯留システム）１００は、液化水素タンク１の内部空間１３に液化水素（以下では、ＬＨ_２と表記する場合がある）を貯留するシステムである。貯留システム１００は、液化水素を内部空間１３に充填する前に、液化水素タンク１の内部空間１３に存在する酸素および水分を除去し、内部空間１３を冷却する機能を有している。

液化水素タンク１は、断熱性を高めるため、二重殻構造を有している。液化水素タンク１は、外槽１１と、外槽１１に収容されて内部空間１３を形成する内槽１２とを有している。一例として、液化水素タンク１（外槽１１）は球状に形成され、内槽１２も球状に形成される。外槽１１の内面と内槽１２の外面との間には、槽間空間１４が形成される。槽間空間１４は、真空状態に維持され、内部空間１３を液化水素タンク１の外部に対して真空断熱する。

外槽１１および内槽１２は、いずれも耐圧壁で構成されている。例えば、外槽１１は、大気圧と槽間空間１４の圧力との間の差圧に耐えるために内槽１２よりも耐圧性能が高く構成されている。ただし、内槽１２が外槽１１よりも耐圧性能が高く構成されていてもよい。槽間空間１４には、外槽１１の内面と内槽１２の外面とに架け渡される複数のロッド（図示せず）が設けられていてもよい。

貯留システム１００は、液化水素タンク１に液化水素（ＬＨ_２）を導入する液化水素導入部２を備えている。液化水素導入部２は、外部から液化水素を引き込む第１引込口２１と、液化水素タンク１内において、引き込んだ液化水素を吐出する第１吐出口２２と、それらを繋ぐ液化水素導入配管２３を備えている。第１吐出口２２は、液化水素タンク１の内部空間１３の上部に設けられる。液化水素導入配管２３には、液化水素の流通または不通を切り替える第１開閉弁２４が設けられる。

さらに、貯留システム１００は、液化水素タンク１に液化水素を気化させた低温ガス（低温の水素ガス。以下ではＧＨ_２と表記する場合がある）を導入する低温ガス導入部３を備えている。低温ガス導入部３は、第１引込口２１から引き込んだ液化水素を気化させる気化器２５を備えている。本実施の形態において、気化器２５で生成された低温ガスは、第１吐出口２２から液化水素タンク１内に吐出される。これに代えて、低温ガス専用の吐出口が設けられてもよい。気化器２５と第１吐出口２２とは、低温ガス導入配管２６により接続されている。低温ガス導入配管２６には、低温ガスの流通または不通を切り替える第２開閉弁２７が設けられる。

さらに、貯留システム１００は、液化水素タンク１に液化窒素（以下、ＬＮ_２と表記する場合がある）を導入する液化窒素導入部４を備えている。液化窒素導入部４は、外部から液化窒素を引き込む第２引込口２８と、液化水素タンク１内において、引き込んだ液化窒素を吐出する第２吐出口２９と、それらを繋ぐ液化窒素導入配管３０とを備えている。第２吐出口２９は、液化水素タンク１の内部空間１３の下部に設けられる。液化窒素導入配管３０には、液化窒素の流通または不通を切り替える第３開閉弁３１が設けられる。

さらに、貯留システム１００は、後述する酸素除去工程において、液化水素タンク１から酸素および窒素ガス（ＧＮ_２）を排出（排気）するための第１排出配管３２を備えている。第１排出配管３２は、一端部が液化水素タンク１の内部空間１３の上部に位置し、他端部が外部に位置するように、配設される。第１排出配管３２には、第１排出配管３２内の酸素濃度を計測する第１計測器（Ｏ_２センサ）３３が設けられる。

さらに、貯留システム１００は、後述する低温ガス導入工程において、液化水素タンク１から窒素ガス（ＧＮ_２）を排出（排気）するための第２排出配管３４を備えている。第２排出配管３４は、一端部が液化水素タンク１の内部空間１３の下部に位置し、他端部が外部に位置するように、配設される。第２排出配管３４には、第２排出配管３４内の水素ガス濃度を計測する第２計測器（Ｈ_２センサ）３５が設けられる。

さらに、貯留システム１００は、後述する液化水素導入工程において、液化水素タンク１から水素ガス（ＧＨ_２）を排出（排気）するための第３排出配管３６を備えている。第３排出配管３６は、一端部が液化水素タンク１の内部空間１３の下部に位置し、他端部が外部に位置するように、配設される。なお、図示していないが、各排出配管３２，３４，３６のそれぞれにも開閉弁が設けられる。また、第２排出配管３４と第３排出配管３６とは、一部の経路が共通の経路となる配管構造としてもよいし、互いに共通の配管としてもよい。

さらに、貯留システム１００は、制御器５を備えている。制御器５は、各計測器３３，３５における計測結果を取得し、その結果に基づいて、各開閉弁２４，２７，３１（および各排出配管３２，３４，３６の各開閉弁）の開閉制御を行う。制御器５は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリおよびＩ／Ｏインターフェース等を有する処理回路として構成される。

図２は、図１のシステムにおける液化水素導入方法を示すフローチャートである。また、図３は、図２のフローチャートに従って液化水素タンクに導入される冷媒および液化水素タンクから排出されるガスの流れを示す図である。図３においては、図１に示す貯留システム１００の各構成のうち、各工程（後述するステップＳ１，Ｓ３，Ｓ５）において導入される冷媒および排出ガスの流通箇所以外の構成は図示を省略している。

本実施の形態における液化水素の貯留方法の開始時点において、液化水素タンク１の内部空間１３は、常温で、空気（酸素、窒素および水蒸気等）が存在している。また、事前に、内部空間１３の露点温度が所定値になるように、内部空間１３の圧力が調整される。

まず、窒素を用いて液化水素タンク１内の酸素を除去する酸素除去工程が行われる（ステップＳ１）。酸素除去工程においては、液化窒素導入部４から液化窒素（ＬＮ_２）が導入されることにより、液化水素タンク１内の酸素（Ｏ_２）および水分が除去（パージ）される。制御器５は、第１開閉弁２４および第２開閉弁２７を閉弁した状態で、第３開閉弁３１を開弁し、液化窒素導入配管３０から液化水素タンク１の内部空間１３に液化窒素を導入する。

酸素除去ステップにおいて液化窒素が導入されることにより、液化水素タンク１の内部空間１３を液化窒素で冷却しながら、液化水素タンク１の内部空間１３の酸素が除去される。内部空間１３の下部から導入された液化窒素および内部空間１３を冷却することにより気化した低温の窒素ガスは、内部空間１３内の残存空気（常温の酸素および窒素）より比重が大きいため、内部空間１３の底部から溜まっていき、残存空気を上方へ押し上げる。そのため、内部空間１３の上部に設けられた第１排出配管３２から残存空気が排出され、効率的な酸素除去が行われる。

酸素の除去が完了した状態（酸素濃度が所定の第１基準値未満となった状態）で、内部空間１３は、導入された液化窒素がその内部空間１３との熱交換（冷却）によって気化することによって生じた低温の窒素ガス（ＧＮ_２）雰囲気となる。この際、内部空間１３の温度は、窒素の沸点よりある程度高い第１予冷温度（例えば約−１８０℃）となる。

制御器５は、第１計測器３３で計測される酸素濃度（Ｏ_２濃度）が第１基準値未満となったかどうかを判定する（ステップＳ２）。第１基準値は、内部空間１３における酸素濃度が液化水素の燃焼条件よりも十分に低いときの値に設定される。なお、第１基準値を設定するための燃焼条件は、内部空間１３において予め設定された露点温度に応じて定められる。

第１計測器３３で計測される酸素濃度が第１基準値未満となった場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、次の工程に遷移する。次の工程は、液化水素タンク１の内部空間１３における低温の窒素ガスを除去する窒素除去工程である。窒素除去工程においては、液化水素（ＬＨ_２）を気化させた低温ガス（低温水素ガス：ＧＨ_２）が低温ガス導入部３から液化水素タンク１内に導入されることにより、液化水素タンク１の内部空間１３の窒素ガス（ＧＮ_２）が除去（パージ）される（ステップＳ３）。

制御器５は、酸素除去工程における状態から第３開閉弁３１を閉弁する一方、第２開閉弁２７を開弁し、低温ガス導入配管２６から液化水素タンク１の内部空間１３に低温ガスを導入する。気化器２５は、第１引込口２１から導入された液化水素（ＬＨ_２）を気化し、所定温度の低温ガス（ＧＨ_２）として生成する。

低温ガスの温度は、酸素除去工程終了時の温度（本実施の形態においては−１８０℃）を含む所定範囲内の温度である。例えば、低温ガスの温度は、−１８０±１０℃に設定される。これにより、酸素除去時の温度とその後の窒素除去時の温度との差が小さくなるため、液化水素タンク１内の冷却状態を維持しつつ窒素の液化または固化を防止することができる。

低温ガスは、内部空間１３の上部に設けられた第１吐出口２２から噴霧される。内部空間１３の上部から導入された低温ガス（ＧＨ_２）は、内部空間１３内の残存窒素（ＧＮ_２）より比重が小さいため、内部空間１３の上部に溜まっていき、残存窒素を下方へ押し下げる。そのため、内部空間１３の下部に設けられた第２排出配管３４から残存窒素が排出され、効率的な窒素除去が行われる。

窒素の除去が完了した状態（水素濃度が所定の第２基準値より高くなった状態）で、内部空間１３は、その内部空間１３に導入された低温ガス（ＧＨ_２）雰囲気となる。この際、内部空間１３の温度は、低温ガスの導入温度と同等あるいはこれよりある程度高い第２予冷温度（例えば約−１８０℃〜−１６０℃）となる。

制御器５は、第２計測器３５で計測される水素濃度（Ｈ_２濃度）が第２基準値より高くなったかどうかを判定する（ステップＳ４）。第２基準値は、内部空間１３における窒素濃度が十分に低いときの値に設定される。

第２計測器３５で計測される水素濃度が第２基準値より高くなった場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、次の工程に遷移する。次の工程は、酸素および窒素が除去された液化水素タンク１の内部空間１３に液化水素（ＬＨ_２）を導入する液化水素導入工程である。液化水素導入工程においては、液化水素（液化水素：ＬＨ_２）が液化水素導入部２から液化水素タンク１内に導入されることにより、液化水素タンク１の内部空間１３の低温ガス（ＧＨ_２）を除去しつつ、内部空間１３に液化水素が貯留される（ステップＳ５）。

制御器５は、窒素除去工程における状態から第２開閉弁２７を閉弁する一方、第１開閉弁２４を開弁し、液化水素導入配管２３から液化水素タンク１の内部空間１３に液化水素（ＬＨ_２）を導入する。

液化水素は、内部空間１３の上部に設けられた第１吐出口２２から噴霧される。内部空間１３の上部から導入された液化水素（ＬＨ_２）は、内部空間１３内を、液化水素が貯留可能な温度（液化水素の沸点の温度、すなわち、−２５２．６℃）近傍の液化水素貯留温度までさらに冷却する。前工程の残存ガス（ＧＨ_２）は、第３排出配管３６から排出される。

内部空間１３が、液化水素が貯留可能な温度近傍まで冷却されることにより、液化水素が気化することなく内部空間１３内に貯留される。

上記方法によれば、液化水素タンク１に液化水素を導入する前に、液化水素タンク１内が予め冷却される。このため、液化水素タンク１に液化水素を導入する際、液化水素タンク１を冷却するために消費される液化水素の量が低減する。したがって、液化水素タンク１内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減することができる。また、上記方法によれば、液化水素タンク１内が段階的に冷却されるため、液化水素タンク１の局部的な熱収縮をより生じ難くさせることができる。

また、上記方法によれば、酸素除去工程において、液化窒素により液化水素タンク１内が予め冷却されるため、液化水素を導入する際に、液化水素が気化により消費されることが抑制される。液化水素タンク１内を、常温から液化窒素の沸点に近い第１予冷温度まで冷却するために、液化窒素を用いることで、常温から第１予冷温度までの冷却に液化水素または低温ガスを用いる場合に比べて、冷却効率（冷媒の製造コストを含む）をより高くすることができる。

さらに、上記方法によれば、酸素除去工程において液化窒素が導入された後、さらに、酸素除去の際に気化した窒素が低温ガスで除去される。液化水素を導入する前に、液化水素を気化させた低温ガスを導入するため、低温ガスによる冷却後、液化水素タンク１内の冷却剤を別途除去する工程は不要となる。また、低温ガスを導入することにより、酸素除去工程で酸素を除去するために用いられる窒素を低温ガスにより除去することができる。これにより、窒素の除去に液化水素を使用する必要がなくなるため、液化水素の消費を抑えることができる。

さらに、従来のように、液化水素タンク１内の酸素を除去するために常温の窒素を導入し、その後、液化水素を導入して窒素を除去する場合では、液化水素タンク１内に充満している窒素の一部が急速に冷却されて窒素が局部的に固化または液化する恐れがある。窒素が液化水素タンク１内で固化または液化すると、固化または液化した窒素が生じた箇所で液化水素タンク１の局部的な熱収縮が生じ易くなる。これに対し、上記方法によれば、液化水素タンク１内の酸素を除去するために液体窒素を導入するため、低温ガスが導入される段階の液化水素タンク１内には低温の窒素ガスが充満していることになる。このため、低温ガスの導入による窒素の急冷を抑制し、窒素が局部的に固化または液化することを防止することができる。

従来方法のように、液化水素（ＬＨ_２）を用いて液化水素タンク１の内部空間１３を常温の状態から冷却する場合、液化水素貯留温度まで冷却するのに必要な液化水素量は、内部空間１３の容積が大きくなるほど増大する。一方、本実施の形態によれば、液化水素貯留温度まで冷却するのに必要な液化水素量は、例えば従来方法の１／５程度に抑えられると考えられる。

なお、本実施の形態においては、窒素の必要量が従来方法に対して増大するが、液化水素（ＬＨ_２）の製造コストおよび維持管理コストに比べれば、窒素（特に液化窒素）の導入コストの方が低く、システム全体として低コスト化を実現することができる。

また、液化水素タンク１が大型化すればするほど、従来方法では液化水素（ＧＨ_２）の大気放出量が増大し、無視できなくなる。また、液化水素タンク１が大型化すればするほど、従来方法では上述した窒素の固化または液化の問題が顕在化する。これに対し、本実施の形態における導入態様であれば、液化水素タンク１が大型化しても、水素の大気放出量の増大を有効に抑制することができ、また、窒素の固化または液化を防止することができる。したがって、液化水素タンク１を大型化しても、液化水素の消費量の増大を抑制し、かつ、液化水素タンク１内を適切に冷却することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記実施の形態においては、液化窒素導入配管３０、第２排出配管３４および第３排出配管３６がそれぞれ別に設けられているが、これらのうちの少なくとも何れか２つを、共通化してもよい。

また、上記実施の形態においては、窒素除去工程で導入される低温ガス（ＧＨ_２）を、液化水素（ＬＨ_２）を気化器２５で気化して生成しているが、これに限られない。例えば、別の設備等において液化水素を冷媒として使用する場合、その設備において液化水素と冷却対象との熱交換によって生じた低温ガスを、低温ガス導入配管２６から液化水素タンク１の内部空間１３に導入してもよい。

また、上記実施の形態においては、酸素濃度を計測する第１計測器３３が第１排出配管３２内に設けられているが、第１計測器３３は、内部空間１３内に設けられてもよい。同様に、上記実施の形態においては、水素ガス濃度を計測する第２計測器３５が第２排出配管３４内に設けられているが、第２計測器３５は、内部空間１３内に設けられてもよい。

また、上記実施の形態においては、酸素除去工程において、液化窒素（ＬＮ_２）を導入すること、および、窒素除去工程において（液化水素導入工程の前に）、低温ガス（ＧＨ_２）を導入することの両方を実施している態様を例示したが、液化窒素の導入または低温ガスの導入の何れか一方のみを実施してもよい。

また、上記実施の形態においては、球状の液化水素タンク１を例示したが、液化水素タンク１の形状は、円筒状、角型状等、特に限定されない。また、液化水素タンク１のタイプも、例えば、メンブレン方式、自立球方式等、特に限定されない。

本発明は、液化水素タンク内を液化水素が貯留される温度まで冷却する際に、液化水素が気化により消費される量を低減するために有用である。

１液化水素タンク
２液化水素導入部
３低温ガス導入部
４液化窒素導入部
１００液化水素貯留システム

Claims

液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留方法であって、
窒素を用いて前記液化水素タンク内の酸素を除去する酸素除去工程と、
酸素が除去された前記液化水素タンクに前記液化水素を導入する液化水素導入工程と、を含み、
前記液化水素タンクに前記液化水素を導入する前に、前記液化水素タンク内を予め冷却する、液化水素貯留方法。
前記液化水素導入工程において、前記液化水素を導入する前に、前記液化水素を気化させた低温ガスを導入する、請求項１に記載の液化水素貯留方法。
前記酸素除去工程において、液化窒素を導入して前記液化水素タンク内の酸素を除去する、請求項１に記載の液化水素貯留方法。
前記液化水素導入工程において、前記液化水素を導入する前に、前記液化水素を気化させた低温ガスを導入することにより、前記液化水素タンク内の窒素を除去する、請求項３に記載の液化水素貯留方法。
前記低温ガスの温度は、前記酸素除去工程終了時の温度を含む所定範囲内の温度である、請求項４に記載の液化水素貯留方法。
前記液化窒素は、前記液化水素タンクの下部から導入する、請求項３から５の何れかに記載の液化水素貯留方法。
液化水素タンクに液化水素を貯留するための液化水素貯留システムであって、
前記液化水素タンク内の酸素を除去するために前記液化水素タンク内に液化窒素を導入する液化窒素導入部と、
前記液化水素タンク内に導入された前記液化窒素を除去するために前記液化水素タンク内に前記液化水素を気化させた低温ガスを導入する低温ガス導入部と、
前記液化水素を導入する液化水素導入部と、を備えた、液化水素貯留システム。