JP2023045007A

JP2023045007A - 液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法

Info

Publication number: JP2023045007A
Application number: JP2021153176A
Authority: JP
Inventors: 慎二江頭; Shinji Egashira; 朝寛鈴木; Tomohiro Suzuki; 慶彦鶴; Norihiko Tsuru; 涼馬中森; Ryoma Nakamori
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-04-03
Also published as: KR20240058904A; WO2023047937A1; CN117999453A; EP4386300A1

Abstract

【課題】オープンラック式の熱交換器の伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管への着氷を抑制する液体水素気化装置を提供する。
【解決手段】液体水素気化装置１００は、液体水素から常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する。液体水素気化装置１００は、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器１１０と、水素を流す伝熱管１６６と伝熱管１６６の外表面に海水又は工業用水を流下させるトラフ１７１とを有するオープンラック式の主熱交換器１５０と、を備えている。主熱交換器１５０は、補助熱交換器１１０から流出した水素を、海水又は工業用水との熱交換により昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法に関する。

従来、天然ガスを燃料として用いる火力発電所等において、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の低温液化ガスを加熱流体である海水を用いて気化させるオープンラック式のガス気化装置（ＯＲＶ）が知られている。特許文献１には、低温液化ガスと加熱流体とを熱交換させることにより低温液化ガスを気化させるオープンラック式の気化装置が開示されている。このオープンラック式の気化装置は、多数の伝熱管が設けられた熱交換パネルと、伝熱管の外表面に海水を供給するためのトラフが設けられた熱源媒体供給部とを有している。特許文献１の気化装置では、伝熱管の外表面を流下する海水との熱交換によって、伝熱管内を流れる液化天然ガスを気化させている。

特開２０１７－４０２９６号公報

火力発電所等において、二酸化炭素の排出削減を目的として、液化天然ガスの代替燃料として液体水素を用いることが考えられている。この場合、液体水素は液化天然ガスと同様に、常温まで加熱された上で発電装置に供給される。しかし、液体水素の温度（－２５３℃）は液化天然ガスの温度（－１６２℃）よりも低い。このため、液化天然ガス用のオープンラック式の気化装置を用いて液体水素を気化させた場合、伝熱管に加わる熱応力が増加し易くなるとともに伝熱管の外表面における加熱流体の着氷が生じ易くなる。

本発明は、液体水素気化装置において、オープンラック式の熱交換器の伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管への着氷を抑制することを目的とする。

本開示における液体水素気化装置は、液体水素から常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、水素を流す伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し前記補助熱交換器から流出した水素を海水又は工業用水との熱交換により昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、を備える。

このように構成された液体水素気化装置では、主熱交換器の前段として液体水素を予熱する補助熱交換器が設けられているので、液体水素の温度よりも高い温度の水素を主熱交換器に流入できる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器の加熱流体として、水の凝固点よりも低い凝固点を有する流体が用いられているので、加熱流体が凝固し難くなるため、補助熱交換器における着氷を抑制できる。

前記補助熱交換器は、前記加熱流体としての中間媒体が用いられ、前記中間媒体を介して液体水素と外部から供給される熱源流体との間で熱交換を行う中間媒体式の熱交換器であってもよい。前記補助熱交換器は、前記熱源流体との熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を気化させる中間媒体蒸発部と、液体水素を流す伝熱管が設けられていてもよく、前記気化した中間媒体との熱交換によって伝熱管内の液体水素を昇温させる水素加熱部と、を備えていてもよい。

この態様では、主熱交換器の前段の補助熱交換器として、加熱媒体を中間媒体として用いた中間媒体式の熱交換器が用いられる。この場合、中間媒体を加熱して蒸発させる熱源流体として海水又は工業用水を用いることが可能となる。

液体水素気化装置は、前記主熱交換器につながる主流路と、外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路とを含む前記分流流路と、をさらに備えていてもよい。前記補助熱交換器は、前記第１流路上に設けられていてもよく、前記分流流路は、前記第１分流流路に流入して補助熱交換器により昇温した水素と、前記第２分流流路に流入した液体水素と、を合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっていてもよい。

この態様では、第１分流流路に分流して補助熱交換器により昇温させた水素と、第２分流流路に分流した液体水素とを合流させて主流路に流入させることにより、主熱交換器に液体水素よりも高温の水素を流入させることができる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。

液体水素気化装置は、液体水素から常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であり、水素を流通させる伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し海水又は工業用水との熱交換により水素を昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、前記主熱交換器につながる主流路と、外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路とを含む前記分流流路と、前記第１分流流路上に配置されており前記第１分流流路を流れる液体水素を加熱流体との熱交換により昇温させる補助熱交換器と、を備えていてもよい。前記分流流路は、前記第１分流流路を流れる前記昇温した水素と、前記第２分流流路を流れる液体水素とを合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっており、前記補助熱交換器において液体水素の昇温に要する加熱流体の熱負荷の大きさは、前記主熱交換器において水素の昇温に要する海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さくてもよい。

このように構成された液体水素気化装置では、第１分流流路に分流して補助熱交換器により昇温した水素を、第２分流流路に分流した液体水素と合流させて主流路に流入させることにより、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器に流入させることができる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器における加熱流体の熱負荷は主熱交換器における海水又は工業用水の熱負荷よりも小さいため、補助熱交換器においても、熱交換によって生じる着氷を抑制できる。

液体水素気化装置は、前記補助熱交換器における液体水素の加熱により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されていてもよい。液体水素気化装置はさらに、前記第１分流流路からの水素と前記第２分流流路からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されていてもよい。

この態様では、補助熱交換器により液体水素が加熱されて、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が主熱交換器に導入される。このため、液化天然ガスを気化するためのオープンラック式気化器を主熱交換器として活用できる。この場合、液体水素気化装置の導入コストを削減できる。

本開示における水素を生成する生成方法は、液体水素を昇温させて常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法である。補助熱交換器において、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換により、外部から供給された液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記補助熱交換器から流出した水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含んでいてもよい。

前記第１加熱工程において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を生成してもよい。

本開示における水素を生成する生成方法は、液体水素を昇温させて常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法である。外部から供給された液体水素を第１分流流路と第２分流流路に分流させる分流工程と、前記第１分流流路上に設けられた補助熱交換器において、加熱流体との熱交換によって前記第１分流流路の液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記第１分流流路からの水素と、前記第２分流流路からの液体水素とを合流させて主流路に流す合流工程と、前記主流路の水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含んでいてもよい。第１加熱工程における液体水素を昇温させるための加熱流体の熱負荷の大きさが、前記第２加熱工程における水素を昇温させるための海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さくてもよい。

前記合流工程において、前記水素と前記液体水素とを合流させた流体が常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有していてもよい。

本開示によれば、液体水素気化装置において、オープンラック式の熱交換器の伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管への着氷を抑制できる。

第１実施形態に係る液体水素気化装置の概略の構成図である。第１実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略の構成図である。第２実施形態に係る液体水素気化装置の概略の構成図である。第２実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略の構成図である。第２実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略の構成図である。液化天然ガスを気化するための気化装置の一部の概略の構成図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

第１実施形態に係る液体水素気化装置１００は、第１熱源流体及び第２熱源流体を用いて、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置である。液体水素気化装置１００は、単に「気化装置１００」とも称する。気化装置１００は、図１に示すように、補助熱交換器１１０と、補助熱交換器１１０の下流側に配置された主熱交換器１５０と、補助熱交換器１１０及び主熱交換器１５０を接続する接続流路１４０とを備えている。

補助熱交換器１１０は、液体水素と第１熱源流体との間で熱交換を媒介する中間媒体Ｍ１を用いて、液体水素を加熱する中間媒体式の熱交換器である。すなわち、第１実施形態では、中間媒体Ｍ１が液体水素を昇温させる加熱流体として機能する。第１熱源流体には、海水又は工業用水が用いられる。中間媒体Ｍ１には、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有し且つ海水又は工業用水の温度より低い沸点を有する流体（例えば、プロパン）が用いられる。

補助熱交換器１１０は、第１熱源流体との熱交換により中間媒体Ｍ１を蒸発させる中間媒体蒸発部Ｅ１と、中間媒体蒸発部Ｅ１の上方に配置されており、中間媒体Ｍ１との熱交換により液体水素を気化させる水素加熱部Ｅ２と、を備えている。中間媒体蒸発部Ｅ１と水素加熱部Ｅ２は、１つの中空状のケーシング１１２を共有している。ケーシング１１２は水平方向に長い形状であり、ケーシング１１２を構成する一対の側壁１１６，１１８を含んでおり、ケーシング１１２の下部には液状の中間媒体Ｍ１が貯溜されている。

中間媒体蒸発部Ｅ１は、一方の側壁１１６に隣接する入口室１３４と、他方の側壁１１８に隣接する出口室１３６と、入口室１３４と出口室１３６間に架け渡された多数の伝熱管１３２と、を備えている。各伝熱管１３２は一方向に延びて形成されており、ケーシング１１２内の液状の中間媒体Ｍ１の液面よりも下方に配置されている。入口室１３４には、ポンプ等が設けられた図略の導入管が接続されており、気化装置１００の外部から入口室１３４に供給された第１熱源流体が、複数の伝熱管１３２を通じて、出口室１３６に流れるように構成されている。出口室１３６には、第１熱源流体を気化装置１００から排出する図略の排出管が接続されている。

中間媒体蒸発部Ｅ１では、伝熱管１３２が液状の中間媒体Ｍ１内を通過するように配置されている。すなわち、伝熱管１３２内を流れる第１熱源流体と液状の中間媒体Ｍ１とは熱交換可能である。さらに、ケーシング１１２内の中間媒体蒸発部Ｅ１側の内部空間と、ケーシング１１２内の水素加熱部Ｅ２側の内部空間とが連通しており、中間媒体蒸発部Ｅ１側の内部空間で気化したガス状の中間媒体Ｍ１が、水素加熱部Ｅ２側の内部空間に流入可能である。

水素加熱部Ｅ２は、中間媒体蒸発部Ｅ１の出口室１３６の上方に形成された入口室１２４と、入口室１２４の上側に隣接するように形成された出口室１２６と、入口室１２４と出口室１２６とを連通する多数の伝熱管１２２と、を備えている。入口室１２４には、外部から液体水素を流入させる図略の供給管が接続されている。各伝熱管１２２は略Ｕ字状に形成されており、ケーシング１１２内の下部に貯溜されている液状の中間媒体Ｍ１の液面よりも上方に配置されている。出口室１２６には、補助熱交換器１１０から流出した水素を主熱交換器１５０に流入させるための接続流路１４０が接続されている。

水素加熱部Ｅ２では、液体水素を流通させる伝熱管１２２が、ケーシング１１２内における中間媒体Ｍ１の液面よりも上方の空間を通過するように配置されている。すなわち、伝熱管１２２内の液体水素とガス状の中間媒体Ｍ１とは水素加熱部Ｅ２において熱交換可能である。ガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により気化した水素は、出口室１２６を通じて接続流路１４０に流出する。液体水素との熱交換により液化した中間媒体Ｍ１は、ケーシング１１２内の中間媒体蒸発部Ｅ１側に流れ落ちる。

水素加熱部Ｅ２はさらに、ガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで昇温するように構成されている。なお、水素加熱部Ｅ２は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで昇温するように構成されていてもよい。補助熱交換器１１０において加熱されたガス状又は超臨界状態の水素は、接続流路１４０を通じて、主熱交換器１５０に流入する。

主熱交換器１５０は、水素を流通させた伝熱管１６６の外表面に第２熱源流体である海水又は工業用水を流下させて、伝熱管内の水素を加熱するオープンラック式の熱交換器である。主熱交換器１５０は、複数の伝熱管パネル１６０と、各伝熱管パネル１６０に第２熱源流体を供給する熱源流体供給部１７０と、を備えている。

各伝熱管パネル１６０は、水素を流通させる多数の伝熱管１６６（図１における破線矢印）と、各伝熱管１６６の下端部に接続された下部ヘッダ１６２と、各伝熱管１６６の上端部に接続された上部ヘッダ１６４と、を有する。１つの伝熱管パネル１６０には、例えば数十本の伝熱管１６６が配置されている。これらの伝熱管１６６は、上下方向に延びており且つ垂直平面上に整列して配置されている。各伝熱管１６６の材料には、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導率の高い金属材料が用いられる。

各下部ヘッダ１６２は、接続流路１４０からの水素を各下部ヘッダ１６２に分配するための図略の供給側マニホールドに接続されている。各下部ヘッダ１６２内に流入した水素はさらに、それぞれの下部ヘッダ１６２に接続された多数の伝熱管１６６に分配される。すなわち、各伝熱管１６６では、ガス状又は超臨界状態の水素が、下から上に向かって流れる。各上部ヘッダ１６４は、各上部ヘッダ１６４からの水素を合流させるための図略の送出側マニホールドに接続されている。

熱源流体供給部１７０は、複数の伝熱管パネル１６０の上端部近傍に配置されており、伝熱管１６６の並ぶ方向に長い形状であり且つ上面が開口した容器状の複数のトラフ１７１を含んでいる。複数のトラフ１７１には、外部から第２熱源流体を流入させるためのヘッダ１７２が接続されている。トラフ１７１では、熱源流体が、トラフ１７１上面の開口からトラフ１７１外にあふれ出すように構成されている。

主熱交換器１５０では、各トラフ１７１からあふれ出た第２熱源媒体が、各伝熱管パネル１６０の多数の伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちるように構成されている。すなわち、伝熱管１６６内の水素と第２熱源媒体とが熱交換可能に構成されている。主熱交換器１５０では、第２熱源流体との熱交換により、常温又は所定の温度まで加熱された水素が、上部ヘッダ１６４及び送出側マニホールドを通じて、外部の水素ガス需要先に向けて導出されるように構成されている。伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちた第２熱源流体は、図略の排水路等により主熱交換器１５０外に排出される。

（運転動作）
液体水素気化装置１００の補助熱交換器１１０では、外部の液体水素供給源から入口室１２４に液体水素が供給されるとともに、外部の第１熱源流体供給源から中間媒体蒸発部Ｅ１の入口室１３４に第１熱源流体である海水又は工業用水が供給される。さらに、主熱交換器１５０では、外部の第２熱源流体供給源から熱源流体供給部１７０のトラフ１７１に第２熱源流体である海水又は工業用水が供給される。

中間媒体蒸発部Ｅ１の入口室１３４に供給された第１熱源流体は、伝熱管１３２を通じて出口室１３６に流れた後、外部に排出される。このとき、第１熱源流体は、ケーシング１１２の下部に貯溜されている液状の中間媒体Ｍ１を加熱し、これにより液状の中間媒体Ｍ１の少なくとも一部が蒸発する。蒸発したガス状の中間媒体Ｍ１は、ケーシング１１２内の水素加熱部Ｅ２側の内部空間に流入する。

水素加熱部Ｅ２の入口室１２４に供給された液体水素は、伝熱管１２２に流入する。このとき、ケーシング１１２内の水素加熱部Ｅ２側の内部空間を流通するガス状の中間媒体Ｍ１は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで加熱する（第１加熱工程）。なお、水素加熱部Ｅ２のガス状の中間媒体Ｍ１は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで加熱してもよい。加熱されたガス状又は超臨界状態の水素は、出口室１２６から接続流路１４０に流れ出る。一方で、伝熱管１２２内の液体水素により冷やさたガス状の中間媒体Ｍ１は、凝縮して液化しケーシング１１２内の中間媒体蒸発部Ｅ１側の内部空間に流れ落ちる。

接続流路１４０に流れ出たガス状又は超臨界状態の水素は、主熱交換器１５０の供給側マニホールドと下部ヘッダ１６２を通じて、伝熱管１６６内に供給される。このとき、トラフ１７１から供給されて伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちる第２熱源流体が、伝熱管１６６内の水素を加熱し、これにより伝熱管１６６内の水素が、常温又は所定の温度まで昇温する（第２加熱工程）。常温又は所定の温度まで昇温したガス状又は超臨界状態の水素は、上部ヘッダ１６４と送出側マニホールドを通じて、外部の水素ガス需要先に向けて導出される。

このように構成された気化装置１００では、主熱交換器１５０の前段として液体水素を予熱する補助熱交換器１１０を設けることにより、水素の温度を、液体水素の温度よりも高くして主熱交換器１５０に流入させられる。このため、主熱交換器１５０では、伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器１１０の中間媒体Ｍ１として、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する流体を用いることにより、中間媒体Ｍ１は凝固し難くなるため、補助熱交換器１１０の伝熱管１２２外表面への着氷も抑制できる。

また本実施形態では、外部からの液体水素が補助熱交換器１１０により加熱されて、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を主熱交換器１５０に導入できる。このため、液化天然ガスを気化するための既設のオープンラック式気化器を、気化装置１００の主熱交換器１５０としても活用できる。この場合、気化装置１００の導入コストを削減できる。また、気化装置１００は、補助熱交換器１１０と主熱交換器１５０とが別個の機器として構成されているため、各機器のメンテナンスがより容易に実施できる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例について図２を参照しつつ説明する。第１実施形態の気化装置１００は、補助熱交換器が中間媒体式熱交換器ではなく、マイクロチャネル式の熱交換器により構成されていてもよい。マイクロチャネル式の熱交換器とは、複数の高温プレートと複数の低温プレートとが積層された積層体において、高温流路を流れる高温流体と低温流路を流れる低温流体との間で熱交換させるように構成された熱交換器である。

気化装置１００には、マイクロチャネル式の熱交換器により構成された補助熱交換器２１０が設けられている。補助熱交換器２１０では、高温流体である第１熱源流体と、低温流体である液体水素が熱交換する。第１熱源流体は、液体水素を加熱するための加熱流体である。第１熱源流体には、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有し且つ海水又は工業用水の温度より低い沸点を有する流体（例えば、プロパン）が用いられる。

補助熱交換器２１０は、積層体２１２と、積層体２１２の側面に設けられた入口ヘッダ２１６及び出口ヘッダ２１８と、積層体２１２の下面に設けられた入口ヘッダ２２６及び上面に設けられた出口ヘッダ２２８と、を有する。前記高温プレートには、入口ヘッダ２１６から出口ヘッダ２１８に向けて蛇行するように形成された高温流路２１４（図２における実線矢印）が設けられている。外部から供給された第１熱源流体は、入口ヘッダ２１６から出口ヘッダ２１８に向けて高温流路２１４を流れる。前記低温プレートには、入口ヘッダ２２６から出口ヘッダ２２８に向けて一方向に延びて形成された複数の低温流路２２４（図２における破線矢印）が設けられている。外部の液体水素供給源から供給された液体水素は入口ヘッダ２２６から出口ヘッダ２２８に向けて複数の低温流路２２４を流れる。このとき、高温流路２１４の第１熱源流体と低温流路２２４の液体水素との間で熱交換が行われ、低温流路２２４の液体水素は、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで加熱されてガス状又は超臨界状態となり、出口ヘッダ２２８から接続流路２４０に流れ出る。液体水素により冷やされた低温流路２２４の第１熱源流体は、出口ヘッダ２１８から外部に排出される。なお、低温流路２２４の液体水素は、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで加熱されてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る気化装置３００は、図３に示すように、主熱交換器１５０の前段に液体水素を分流させる分流流路３３０が設けられており、外部から供給された液体水素の一部を補助熱交換器により予熱する点において、第１実施形態とは異なっている。

気化装置３００は、外部から供給された液体水素を流入させる供給流路３２０と、供給流路３２０を流れる液体水素を分流して流す分流流路３３０と、分流流路３３０及び主熱交換器１５０に接続された主流路３４０と、を備えている。分流流路３３０は、供給流路３２０につながる第１分流流路３３２と、供給流路３２０につながるとともに第１分流流路３３２に対して分岐して形成された第２分流流路３３４と、を含んでいる。供給流路３２０の液体水素の一部は第１分流流路３３２に分流され、供給流路３２０の液体水素の他部は第２分流流路３３４に分流される（分流工程）。

第２分流流路３３４には、第２分流流路３３４を流れる液体水素の流量を制御可能な調整弁３３３が設けられている。

第１分流流路３３２には、外部から供給される第１熱源流体との熱交換により第１分流流路３３２を流れる液体水素を昇温させる補助熱交換器３１０が設けられている。補助熱交換器３１０は、第１分流流路３３２からの液体水素を流す多数の伝熱管３１２（図３における破線矢印）と、多数の伝熱管３１２の外周面に第１熱源流体を流下させるトラフ３１４とを有するオープンラック式の熱交換器である。補助熱交換器３１０の第１熱源流体には、主熱交換器１５０と同様に海水又は工業用水が用いられる。補助熱交換器３１０は、第１分流流路３３２の液体水素を所定の温度まで加熱する（第１加熱工程）。

気化装置３００では、補助熱交換器３１０において液体水素を処理するために第１熱源流体に加わる熱負荷の大きさが、主熱交換器１５０において液体水素を処理するために第２熱源流体に加わる熱負荷の大きさよりも小さくなるように構成されている。すなわち、補助熱交換器３１０と主熱交換器１５０それぞれにおいて同じ熱量だけ水素が加熱されたとすると、補助熱交換器３１０への第１熱源流体の供給量は、主熱交換器１５０への第２熱源流体の供給量よりも大きい。具体的に、例えば、補助熱交換器３１０における第１熱源流体の入口側には、補助熱交換器３１０への第１熱源流体の流入量を大きくするためのポンプが設けられている。このポンプにより、より大きな流量の第１熱源流体を補助熱交換器３１０に供給することにより、補助熱交換器３１０において第１熱源流体に加わる熱負荷は小さくなっている。

第１分流流路３３２に流入して補助熱交換器３１０により加熱された水素と、第２分流流路３３４に流入した液体水素とは、主流路３４０に流入して合流する（合流工程）。

気化装置３００は、第１分流流路３３２からの水素と、第２分流流路３３４からの液体水素と、を合流させることにより、主流路３４０において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されている。これにより、主流路３４０から主熱交換器１５０には、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有するガス状又は超臨界状態の水素が導入される。なお、第１分流流路３３２からの水素と第２分流流路３３４からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の温度を有する水素が生成されてもよい。

主熱交換器１５０に供給された水素は、第１実施形態と同様に、第２熱源流体との熱交換により、所定の温度まで加熱される（第２加熱工程）。所定の温度まで加熱された水素は外部の水素ガス需要先に向けて導出される。

このように構成された気化装置３００では、第１分流流路３３２に流入して補助熱交換器３１０により昇温した水素を、第２分流流路３３４の液体水素と合流させて主流路３４０に流入させることにより、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器１５０に流入させられる。このため、主熱交換器１５０において、伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。

さらに、補助熱交換器３１０では、第１熱源流体の供給量が大きくすることにより、主熱交換器１５０と比べて、液体水素を処理するために第１熱源流体に加わる熱負荷の大きさが小さくなるように構成されている。このため、補助熱交換器３１０においても、伝熱管３１２に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。また、第１実施形態と同様に、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を主熱交換器１５０に導入できるため、液化天然ガスを気化するための既設のオープンラック式気化器を主熱交換器１５０として活用できる。なお、主熱交換器１５０に導入する水素の温度は、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の温度であってもよい。

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の気化装置３００は、図４に示すように、第１分流流路４３２上に設けられた補助熱交換器４１０は、オープンラック式の熱交換器ではなく中間媒体式の熱交換器によりに構成されていてもよい。

気化装置３００には、分流流路４３０の第１分流流路４３２に設けられた補助熱交換器４１０は、第１実施形態における補助熱交換器１１０とほぼ同様に構成されている。補助熱交換器４１０は、ケーシング内に収容された中間媒体Ｍ１を第１熱源流体との熱交換により蒸発させる中間媒体蒸発部Ｅ１と、蒸発させたガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により第１分流流路４３２の液体水素を加熱する水素加熱部Ｅ２とを有している。補助熱交換器４１０により加熱された第１分流流路４３２の水素は主流路４４０に流入して、第２分流流路４３４からの液体水素と合流した後に、主熱交換器１５０に流入する。

この場合でも、第２実施形態と同様に、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器１５０に流入させられるため、主熱交換器１５０において伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。

なお、第１分流流路４３２の補助熱交換器４１０は、中間媒体式の熱交換器ではなく、第１実施形態の変形例で説明した補助熱交換器２１０と同様に、マイクロチャネル式の熱交換器により構成されていてもよい。この場合、図５に示すように、分流流路５３０の第１分流流路５３２には、マイクロチャネル式の熱交換器である補助熱交換器５１０が設けられている。分流流路５３０に流入した液体水素は補助熱交換器５１０において、第１熱源流体との熱交換により加熱される。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００，３００・・・・・・・・液体水素気化装置（気化装置）
１１０，４１０・・・・・・・・補助熱交換器（中間媒体式の熱交換器）
１２２・・・・・・・・・・・・伝熱管（水素加熱部Ｅ２）
１３２・・・・・・・・・・・・伝熱管（中間媒体蒸発部Ｅ１）
１５０・・・・・・・・・・・・主熱交換器
１６６・・・・・・・・・・・・伝熱管（主熱交換器）
１７１・・・・・・・・・・・・トラフ部
２１０，５１０・・・・・・・・補助熱交換器（マイクロチャネル式の熱交換器）
３１０・・・・・・・・・・・・補助熱交換器（オープンラック式の熱交換器）
３３０・・・・・・・・・・・・分流流路
３３２・・・・・・・・・・・・第１分流流路
３３４・・・・・・・・・・・・第２分流流路
３４０・・・・・・・・・・・・主流路
Ｍ１・・・・・・・・・・・・・中間媒体（補助熱交換器）

Claims

液体水素から常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、
海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、
水素を流す伝熱管と、前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し、前記補助熱交換器から流出した水素を海水又は工業用水との熱交換により昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、を備える、液体水素気化装置。
前記補助熱交換器は、
前記加熱流体としての中間媒体が用いられ、前記中間媒体を介して液体水素と外部から供給される熱源流体との間で熱交換を行う中間媒体式の熱交換器であって、
前記熱源流体との熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を気化させる中間媒体蒸発部と、
液体水素を流す伝熱管が設けられており、前記気化した中間媒体との熱交換によって伝熱管内の液体水素を昇温させる水素加熱部と、を備える、請求項１に記載の液体水素気化装置。
前記主熱交換器につながる主流路と、
外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって、前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と、前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路と、を含む前記分流流路と、をさらに備え、
前記補助熱交換器は、前記第１流路上に設けられており、
前記分流流路は、前記第１分流流路に流入して補助熱交換器により昇温した水素と、前記第２分流流路に流入した液体水素と、を合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっている、請求項２に記載の液体水素気化装置。
液体水素から常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、
水素を流通させる伝熱管と、前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し、海水又は工業用水との熱交換により水素を昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、
前記主熱交換器につながる主流路と、
外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって、前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と、前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路と、を含む前記分流流路と、
前記第１分流流路上に配置されており、前記第１分流流路を流れる液体水素を加熱流体との熱交換により昇温させる補助熱交換器と、を備え、
前記分流流路は、前記第１分流流路を流れる前記昇温した水素と、前記第２分流流路を流れる液体水素とを合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっており、
前記補助熱交換器において液体水素の昇温に要する加熱流体の熱負荷の大きさは、前記主熱交換器において水素の昇温に要する海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい、液体水素気化装置。
前記補助熱交換器における液体水素の加熱により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の液体水素気化装置。
前記第１分流流路からの水素と前記第２分流流路からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されている、請求項３又は請求項４に記載の液体水素気化装置。
液体水素を昇温させて常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法であって、
補助熱交換器において、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換により、外部から供給された液体水素を昇温させる第１加熱工程と、
前記補助熱交換器から流出した水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含む、常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
前記第１加熱工程において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を生成する、請求項７に記載の常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
液体水素を昇温させて常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法であって、
外部から供給された液体水素を第１分流流路と第２分流流路に分流させる分流工程と、
前記第１分流流路上に設けられた補助熱交換器において、加熱流体との熱交換によって前記第１分流流路の液体水素を昇温させる第１加熱工程と、
前記第１分流流路からの水素と、前記第２分流流路からの液体水素とを合流させて主流路に流す合流工程と、
前記主流路の水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含み、
第１加熱工程における液体水素を昇温させるための加熱流体の熱負荷の大きさが、前記第２加熱工程における水素を昇温させるための海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい、常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
前記合流工程において、前記水素と前記液体水素とを合流させた流体が常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有している、請求項９に記載の常温のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。