JP2023531232A - 水素冷却のための設備及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、水素を極低温まで冷却するための、特に水素を液化するための設備であって、冷却される水素のための回路（２）であって、水素源に接続される上流端部と、冷却水素収集部材に接続された下流端部とを含む回路（２）を含み、冷却される水素の回路（２）と熱交換する１つ以上の熱交換器（３、４）のセットを含み、１つ以上の熱交換器（３、４）のセットとの熱交換によって冷却するための装置を含み、冷却装置は、水素などの循環ガスの冷却サイクルを有する冷却器（５）、水素回路（２）、１つ以上の交換器（３、４）のセット及び真空断熱コールドボックス（６）内に収容されている冷却装置の少なくとも一部を含み、設備（１）は、コールドボックス（６）内において、少なくとも１つの排出器（８）を含み、少なくとも１つの排出器（８）の吸引入口は、流体容量（１３）の気相に接続され、及び少なくとも１つの排出器（８）のモータ流体吸引入口は、冷却器（５）の加圧循環ガス、１つ以上の熱交換器（３、４）のセットにおいて冷却された水素回路（２）の水素のうちの少なくとも１つに接続される、設備に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、水素の冷却のための設備及び方法に関する。
本発明は、より具体的には、水素を極低温まで冷却するための、特に水素を液化するための設備であって、冷却される水素のための回路であって、水素源に接続されることを意図された上流端部と、冷却及び／又は液化水素を収集するための部材に接続された下流端部とを含む回路を含み、冷却される水素のための回路と熱交換関係にある熱交換器のセットを含み、熱交換器のセットと熱交換関係にある冷却装置を含み、前記冷却装置は、作動回路内の循環ガスに対して冷却サイクルを実行する冷却器を含み、循環ガスは、水素であり、冷却器の作動回路は、循環ガスを圧縮するための部材と、循環ガスを冷却するための部材と、少なくとも１つのタービンを含む、循環ガスを膨張させるための部材と、循環ガスを加温するための部材とを含む、設備に関する。
モビリティ目的の燃料としての水素市場の拡大は、製品を液体の形態で使用するロジスティクスのための大規模な水素液化能力の生成をもたらす。非常に低温の液体水素は、貯蔵及びトラックへの充填の段階において、水素分子だけでなく、これらの低温ガスに含まれる低温エネルギーも回収するように再循環させる必要があるボイルオフガスを生成する。そのために、過冷却された液体を、液化器（貯蔵器又はセミトレーラ）によって生成された液体を受容する容量内に送り込む１つの手段が知られている。
別の解決策は、排出器を使用してボイルオフガスを固定貯蔵器に戻すことである。
固定貯蔵器から到来するボイルオフガスの圧力を高め、このガスを液化器内に注入することを可能にするために、排出器を使用することができる。
排出器は、高圧流（駆動流体）の膨張により、低圧流（引き込まれた吸入流体）を加圧することを可能にする。
冷却される水素流は、駆動流体として使用することができる。しかしながら、冷却される水素の圧力をこのように使用することにより、更に低温の流体を生成するために前記流れを（膨張によって）冷却する可能性を減少させる。
本発明の１つの目的は、上述した従来技術の欠点の全部又は一部を改善することである。
この目的のために、本発明による設備は、他の点では上記の前文で与えられたその一般的な定義に従い、この設備が、少なくとも排出器を含み、排出器の駆動流体入口が、パイプ及びバルブのセットを介して、膨張部材の下流の冷却器の作動回路に接続され、排出器の吸引入口が、液化水素を輸送するための少なくとも１つの移動式タンク、特に水素回路の下流端部によって液化水素で充填されることを意図された液化水素輸送タンクのガスオーバーヘッドに接続されることを意図された端部を有するバルブを備えたパイプのセットに接続され、排出器の出口が、パイプ及びバルブのセットを介して冷却器の作動回路に接続されることを本質的に特徴とする。
更に、本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ以上を有し得る。
－ 設備は、いくつかの排出器を含み、
－ 設備は、冷却水素で充填されることを目的として、水素回路の下流端部に取り外し可能に接続されるように構成された流体入口を含む少なくとも１つの液化水素タンク輸送タンクを含み、少なくとも１つのタンクは、バルブを備えたパイプのセットを介して排出器（８）の吸引入口に取り外し可能に接続されるように構成されたボイルオフガス出口を含み、
－ 冷却装置は、熱交換器のセットの一部と熱交換関係にある予備冷却部材を含み、
－ 排出器を出る出口流は、１．２５～２ｂａｒａ、好ましくは１．３～１．４５ｂａｒａの圧力であり、
－ 駆動流体の流量は、排出器の出口圧力の関数として制御され、前記流量は、排出器の出口において一定の圧力設定値を維持するように調整され、
－ 冷却器の作動回路は、作動流体が相対的に高圧である作動回路の高温端部と、流体が相対的に低圧である作動回路の相対的に低温の端部との間で直列にいくつかの熱交換器を含み、排出器からの出口流は、低温端部において作動回路内に注入され、
－ 方法は、排出器のための駆動流体として、作動回路からの加圧された作動ガスを使用して、同時にボイルオフガスを複数の移動式液化水素輸送タンクから複数の吸引入口内に引き込むことを含み、排出器からの出口流は、作動回路内に注入される。
本発明は、上記又は下記のいずれか１つの特徴による設備を使用して、水素を極低温まで冷却するための、特に水素を液化するための方法であって、排出器のための駆動流体として、作動回路からの加圧された作動ガスを使用して、ボイルオフガスを移動式液化水素輸送タンクから排出器の吸引入口内に引き込むステップを含み、排出器からの出口流は、作動回路内に注入される、方法にも関する。
他の可能な際立った特徴によれば、
－ 吸い上げられたボイルオフガスは、１．０１３２５～１．５ｂａｒａ、好ましくは１．１５～１．３ｂａｒａの圧力及び温度、水素の飽和温度及び６０Ｋであり、
－ 駆動流体の圧力は、５～１０ｂａｒａ、好ましくは６～７ｂａｒａであり、駆動流体の温度は、２８～３５Ｋ、好ましくは２９．３～３０Ｋであり、
－ 排出器を出る出口流は、作動回路内の最冷点における循環ガスの圧力以上の圧力である。
本発明は、特許請求の範囲内の上記又は下記の特徴の任意の組み合わせを含む任意の冷却装置又は方法にも関し得る。
他の際立った特徴及び利点は、以下を参照して与えられる以下の説明を読むことで明らかになるであろう。
本発明による水素冷却／液化設備の構造及び動作の一例を示す概略及び部分図である。
水素を極低温まで冷却するための、特に水素の液化のための設備１は、冷却される水素のための回路２であって、水素源に接続されることを意図された上流端部２１と、冷却水素を収集するための部材（液体バッファ貯蔵器１７及び／又はタンク１３を充填するためのパイプ）に接続された下流端部２２とを含む回路２を含む。
冷却設備１は、冷却される水素のための回路２と熱交換関係にある熱交換器３、４のセットを含む。設備１は、熱交換器３、４のセットと熱交換関係にある冷却装置を含み、前記冷却装置は、水素からなるか又は水素（及び／若しくは他の適切なガス、例えばヘリウム）を含む循環ガスに対して冷却サイクルを実行する冷却器５を含む。
水素回路２、交換器３、４のセット及び冷却装置（その低温部分）の少なくとも一部は、好ましくは、真空断熱コールドボックス内に収容される。具体的には、使用される温度レベル（例えば、２０Ｋ程度）が与えられると、水素液化及び（超）冷却熱交換器３、４は、包囲された空間内部に真空下（すなわち非常に低い圧力）で設置される。
冷却器５の作動回路は、直列に配置された、循環ガス圧縮部材６と、循環ガス冷却部材３、４と、少なくとも１つのタービンを含む、循環ガス膨張部材７と、循環ガス加温部材４、３とを含む。
圧縮部材６は、例えば、直列の２つの圧縮器を含み、それらの入口は、例えば、異なる圧力レベルである。
交換器３、４のセットは、例えば、直列の２つの熱交換器、例えば作動回路の通路方向に従って作動流体を同時に冷却及び加温する対向流熱交換器を含む。
図示されるように、設備１の冷却装置は、熱交換器３、４のセットの一部、特に圧縮部材６の下流の第１の熱交換器３と熱交換関係にある予備冷却部材１５を含み得る。この予備冷却部材１５は、例えば、別の冷却器を使用することができ、例えば別の作動流体、例えば窒素を使用することができる。例えば、この予備冷却部材１５により、流体を７０～１００Ｋの温度に予備冷却することが可能になる。
この予備冷却後、水素冷却器５は、回路２の目標温度（水素が液化する温度）まで追加冷却を実行する。
冷却器５の作動回路は、作動流体に対して、相対的に低圧の部分（概略図では下から上向きに上昇）と、相対的により高圧の部分（概略図では上から下向きに下降）とを有する熱力学的サイクルを課す。特に、作動流体（水素）は、冷気を生成するために、膨張部材の少なくとも１つのタービン内で膨張を受ける。
設備１は、少なくとも１つの排出器８を含み、その駆動流体入口は、パイプ９及びバルブ１０（特に分離バルブ）を介して、膨張部材７の下流、特に膨張タービンの下流の冷却器５の作動回路に接続される。
排出器８の吸引入口は、バルブ１２（特に分離バルブ）を備えたパイプ１１のセットに接続され、少なくとも１つの移動式液化水素輸送タンク１３のガスオーバーヘッドに接続され得る端部を有する。
特に、吸引入口は、設備１の冷却水素回路２の下流端部２２によって液体水素で充填されることを意図された液化水素輸送タンク１３のガスオーバーヘッドに流体的に接続され得る。
排出器８の出口は、その一部について、パイプ１４及びバルブ１７のセットを介して、そこに再注入されるように冷却器の作動回路に接続される。
冷却（特に液化）水素を供給する回路２にまさに接続されたタンク１３から引き込まれるガス（ボイルオフガス）の流れは、例えば、１．０１３２５～１．５ｂａｒａ、好ましくは１．１５～１．３ｂａｒａ（例えば、タンク１３の出口における圧力）であり得る。このガスの温度は、飽和温度～６０Ｋに含まれ得る。
加圧のために使用される排出器８の駆動ガスの流れは、水素ベースの冷却サイクルの作動ガスの一部である。この駆動ガスは、好ましくは、いくつかの交換器を通過し、膨張部材の少なくとも１つのタービン７によって膨張されるガスである。
理想的には、排出器８を駆動するための駆動流として使用されるこのガスは、最後のタービンの出口（作動回路内に直列に複数のタービンが存在する場合）及び／又は回路の最冷出口（回路内に並列に複数のタービン７が存在する場合）から取り出される。
この駆動ガスの圧力は、例えば、５～１０ｂａｒａ、好ましくは６～７ｂａｒａである。この駆動ガスの温度は、例えば、２８～３５Ｋ、好ましくは２９．３～３０Ｋであり得る。
排出器８を出るガス流は、排出器の性能並びに吸引入口流及び駆動ガス流の特性に依存する。
従来、冷却サイクルを使用する冷却器では、循環ガス（作動ガス）を熱力学的サイクルにかけ、そこでサイクル内の位置に従って温度及び圧力条件を判定する。特に、循環流体は、サイクル内の最冷端部として知られている端部において、判定された対応する圧力条件において、相対的にサイクル内の最冷温度である温度に達する。
好ましくは、排出器を出るガス流の圧力は、再循環（注入）されるように、冷却サイクルの作動流体の低圧流の（作動回路内の）その最冷点における圧力に少なくとも等しい。この圧力は、例えば、１．２５～２ｂａｒａ、好ましくは１．３～１．４５ｂａｒａであり得る。
これが意味することは、排出器を出ると、流れが、サイクルの最冷端部における循環ガスのこの圧力よりも高い圧力を有することである。
それを達成するために、タービン７の出口から到来して、排出器８を通過する駆動流の流量は、排出器８を出る流れの圧力条件の関数として制御することができる。流量は、特に、圧力設定点が一定であり、且つ冷却サイクルにおける作動流体の低圧流の圧力よりもわずかに高くなるように調整することができる。
当然のことながら、１つ又は複数の排出器８の流量は、設備の冷却水素回路の下流端部２２において使用及び充填されるタンク１３（トレーラ）の数に依存する。
排出器８からの出口流は、設備の液化器のコールドボックスに入り、液化器の冷却サイクルの作動流体の低圧流と混合される必要がある。図示されるように、排出器８からのこの出口流は、作動流体が圧縮部材６に戻る前に（低圧力圧縮器６の入口に対してウォーミングアップを行う交換器４、３を通過する前に）、好ましくは作動回路内に注入される。
したがって、好ましくは、混合（注入）は、作動回路の最後の交換器４の冷却端部（サーモサイフォン交換器が存在する場合にはその上方、サーモサイフォンが存在しない場合には最後の直列交換器４内）において実行される。これが意味することは、タンク１３に回収されたボイルオフガスが、この時点では、固定貯蔵器１６から到来し得るボイルオフガス（該当する場合）及びサーモサイフォンの出口から到来するガス（該当する場合）と作動回路内で混合されることである。
液体で充填される移動式タンク１３によって供給されるボイルオフガスは、充填されたトレーラ１３の存在に関連しているため、断続的である。したがって、図示されるように、好ましくは、分離バルブ１０、１２、１７のセットを使用して、１つ又は複数の排出器８を、液化器８及びトレーラ１３を充填するために使用されるパイプから分離することができる必要がある。ボイルオフガスを回収しない場合、これらのバルブを閉鎖する必要がある。
設備内では、複数のタンク１３を同時に充填することができる。これは、回収されるボイルオフガスの流量が大きく変動し得ることを意味する。しかしながら、排出器８は、広範囲の流量にわたって最適には機能しない（排出器の入口流量の変動の許容範囲は、約７５％～１００％である）。
したがって、図示されるように、設備１内の複数（特に２つ以上）の排出器８をそれぞれのバルブと並列に配置及び接続することができる。排出器８の推奨される数は、好ましくは、低圧ボイルオフガス（このタンク又はこれらのタンク１３がライン２２を介して貯蔵器１６から液体を受容するときに生じるもの）を同時に生成することができるタンク１３の最大数である。具体的には、これらの低圧ガスを生成することなく、トラックが設備１に受容され得、低圧ガスは、結合されるプロセスにあるか、又は（排出器の使用を必要としない高圧ボイルオフガスを生成する）減圧段階にあり得る。例えば、２つ若しくは４つの排出器又は設備に応じて他の任意の数の排出器が設けられ得る。
各排出器８に対して、対応するバルブのセットは、任意の所与の時点でボイルオフガスを生成するタンク１３の数に従い、独立して開放位置又は閉鎖位置に配置することができる必要がある。概略図では、単一のタンク１３が接続され、設備は、２つの排出器８を含み、そのうちの１つが分離され（黒で示されているバルブは、閉鎖されている）、１つのみが使用中である（白で示されているバルブは、開放されている）。
この解決策により、大量のボイルオフガス流を再循環させることが可能になり、その低温の恩恵を受ける。駆動ガスとして冷却される回路２の水素流を使用する現在の解決策と比較して、この解決策は、より有利な用途（例えば、液体タービンでの膨張）のためにこの水素流の膨張を節約することを可能にする。
加えて、本発明は、回収されたボイルオフガスが設備１の供給原料と組み合わされるときに再び精製されることになるため、不純物が貯蔵装置１３に送られるリスクを低減することを可能にする。

Claims (12)

  1. 水素を極低温まで冷却するための、特に水素を液化するための設備であって、冷却される水素のための回路（２）であって、水素源に接続されることを意図された上流端部（２１）と、前記冷却及び／又は液化水素を収集するための部材に接続された下流端部（２２）とを含む回路（２）を含み、冷却される水素のための前記回路（２）と熱交換関係にある熱交換器（３、４）のセットを含み、前記熱交換器（３、４）のセットと熱交換関係にある冷却装置を含み、前記冷却装置は、作動回路内の循環ガスに対して冷却サイクルを実行する冷却器（５）を含み、前記循環ガスは、水素であり、前記冷却器（５）の前記作動回路は、前記循環ガスを圧縮するための部材（６）と、前記循環ガスを冷却するための部材（３、４）と、少なくとも１つのタービンを含む、前記循環ガスを膨張させるための部材（７）と、前記循環ガスを加温するための部材（４、３）とを含み、前記設備（１）は、少なくとも排出器（８）を含み、前記排出器（８）の駆動流体入口開口は、パイプ（９）及びバルブ（１０）のセットを介して、前記膨張部材（７）の下流の前記冷却器（５）の前記作動回路に接続され、前記排出器（８）の吸引口は、液化水素を輸送するための少なくとも１つの移動式タンク（１３）、特に前記水素回路（２）の前記下流端部（２２）によって液化水素で充填されることを意図された液化水素輸送タンク（１３）のガスオーバーヘッドに接続されることを意図された端部を有するバルブ（１２）を備えたパイプ（１１）のセットに接続され、前記排出器（８）の出口は、パイプ（１４）及びバルブ（１６）のセットを介して前記冷却器の前記作動回路に接続される、設備。
  2. いくつかの排出器（８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の設備。
  3. 冷却水素で充填されることを目的として、前記水素回路（２）の前記下流端部（２２）に取り外し可能に接続されるように構成された流体入口を含む少なくとも１つの液化水素タンク輸送タンク（１３）を含み、前記少なくとも１つのタンク（１３）は、バルブを備えた前記パイプ（１１）のセットを介して前記排出器（８）の前記吸引入口に取り外し可能に接続されるように構成されたボイルオフガス出口を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の設備。
  4. 前記冷却装置は、前記熱交換器（３、４）のセットの一部と前記熱交換関係にある予備冷却部材（１５）を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の設備。
  5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の設備を使用して、水素を極低温まで冷却するための、特に水素を液化するための方法であって、前記排出器（８）のための駆動流体として、前記作動回路からの加圧された作動ガスを使用して、ボイルオフガスを移動式液化水素輸送タンク（１３）から前記排出器（８）の前記吸引入口内に引き込むステップを含み、前記排出器（８）からの出口流は、前記作動回路内に注入される、方法。
  6. 前記吸い上げられたボイルオフガスは、１．０１３２５～１．５ｂａｒａ、好ましくは１．１５～１．３ｂａｒａの圧力及び前記水素の飽和温度～６０Ｋの温度であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記駆動流体の圧力は、５～１０ｂａｒａ、好ましくは６～７ｂａｒａであり、前記駆動流体の温度は、２８～３５Ｋ、好ましくは２９．３～３０Ｋであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
  8. 前記排出器（８）を出る前記出口流は、前記作動回路の最冷点における前記循環ガスの圧力以上の圧力であることを特徴とする、請求項５～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記排出器（８）を出る前記出口流は、１．２５～２ｂａｒａ、好ましくは１．３～１．４５ｂａｒａの圧力であることを特徴とする、請求項５～８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 駆動流体の流量は、前記排出器（８）の出口圧力の関数として制御され、前記流量は、前記排出器（８）の前記出口において一定の圧力設定値を維持するように調整されることを特徴とする、請求項５～９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記冷却器（５）の前記作動回路は、前記作動流体が相対的に高圧である前記作動回路の高温端部と、前記流体が相対的に低圧である前記作動回路の相対的に低温の端部との間で直列にいくつかの熱交換器（３、４）を含み、前記排出器（８）からの前記出口流は、前記低温端部において前記作動回路内に注入されることを特徴とする、請求項５～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記排出器（８）のための駆動流体として、前記作動回路からの加圧された作動ガスを使用して、同時にボイルオフガスを複数の移動式液化水素輸送タンク（１３）から複数の（８）の前記吸引入口内に引き込むことを含み、前記排出器（８）からの前記出口流は、前記作動回路内に注入されることを特徴とする、請求項５～１１のいずれか一項に記載の方法。

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