JP2024004582A - 水素ステーション及び水素ステーション用冷凍機システム - Google Patents

水素ステーション及び水素ステーション用冷凍機システム Download PDF

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亮 ▲高▼田
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Abstract

【課題】液体水素供給配管でのボイルオフガスの発生を抑制することにより高いエネルギー効率を実現することができる水素ステーションを提供する。【解決手段】水素ステーションであって、液体水素貯槽から液体水素ポンプに液体水素を供給するための液体水素供給配管と、冷凍機とを備え、水素ステーションは、冷凍機で発生した冷熱を利用して液体水素供給配管を冷却するように構成される。【選択図】図1

Description

本開示は、水素ステーション及び水素ステーション用冷凍機システムに関する。
特許文献1には、燃料電池自動車等へ水素を充填するための水素ステーションの構成が開示されている。この水素ステーションでは、液体水素貯槽から液体水素供給配管を介して供給された液体水素が液体水素ポンプで昇圧されて蒸発器(気化器)に供給され、蒸発器で発生した高圧の水素ガスが流量制御器を介して燃料電池自動車等へ供給される。
また、特許文献1に記載の水素ステーションでは、燃料電池自動車等へ水素を充填する前に、液体水素供給配管や液体水素ポンプを予め冷却(プレクール)するために液体水素貯槽から液体水素供給配管、液体水素ポンプ及び気化器に液体水素を供給し、気化器からの低温ガスを液体水素貯槽に返送することにより、上記プレクールに起因する水素ガスのロスを低減している。
特許第5707043号公報
特許文献1に記載の水素ステーションでは、液体水素供給配管等のプレクールに起因する水素ガスのロスを低減することができるが、液体水素供給配管等のプレクールのために液体水素供給配管等に供給した液体水素は気化して水素ガス(ボイルオフガス)となるため、このボイルオフガスを燃料電池自動車等へ供給するためにはボイルオフガスを液体水素ポンプとは別の圧縮機で圧縮する必要がある。ボイルオフガスを圧縮機で圧縮する場合、液体水素を液体水素ポンプで圧縮するよりも水素1モル当りの圧縮動力が大きくなりやすく、水素ステーションのエネルギー効率が低下してしまう。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態は、液体水素供給配管でのボイルオフガスの発生を抑制することにより高いエネルギー効率を実現することができる水素ステーション及び水素ステーション用冷凍機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、本開示の少なくとも一実施形態に係る水素ステーションは、
液体水素貯槽から液体水素ポンプに液体水素を供給するための液体水素供給配管と、
冷凍機とを備え、
前記冷凍機で発生した冷熱を利用して前記液体水素供給配管を冷却するように構成される。
上記目的を達成するため、本開示の少なくとも一実施形態に係る水素ステーション用冷凍機システムは、
水素ステーションの液体水素供給配管を冷却するための水素ステーション用冷凍機システムであって、
冷凍機と、
前記冷凍機の冷媒との熱交換によって水素ガスを冷却するように構成された熱交換部と、
前記熱交換部で冷却された前記水素ガスを前記液体水素供給配管に供給するように構成された冷却用水素ガス供給配管と、
前記液体水素供給配管を通った前記水素ガスを回収して前記熱交換部に戻すように構成された冷却用水素ガス回収配管と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、液体水素供給配管でのボイルオフガスの発生を抑制することにより高いエネルギー効率を実現することができる水素ステーション及び水素ステーション用冷凍機システム水素ステーションが提供される。
一実施形態に係る水素ステーション2の概略構成を示す図である。 制御装置23のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 上記冷凍機システム22の構成の一例である冷凍機システム22Aを示す概略図である。 冷凍機システム22Aに適用可能な液体水素供給配管6の断面構成の一例を示す図である。 液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8までの液体水素供給配管6の長さL1と液体水素供給配管部53の長さL2との関係を説明するための図である。 上記冷凍機システム22の構成の一例である冷凍機システム22Bを示す概略図である。 冷凍機システム22Bに適用可能な液体水素供給配管6の断面構成の一例を示す図である。 液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8までの液体水素供給配管6の長さL1と液体水素供給配管6における予冷ライン62が設けられた区間の長さL3との関係を説明するための図である。 水素ステーション2の変形例を示す概略図である。 熱交換部66が冷却用水素ガス回収配管55に設けられる場合を説明するための概略図である。 熱交換部66が配管51に設けられる場合を説明するための概略図である。 冷凍機システム22Aの変形例を説明するための概略図である。 水素ステーション2の他の変形例を示す概略図である。 水素ステーション2の更に他の変形例を示す概略図である。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1は、一実施形態に係る水素ステーション2の概略構成を示す図である。
図1に示すように、水素ステーション2は、液体水素貯槽4、液体水素供給配管6、液体水素ポンプ8、液体水素供給配管10、蒸発器12(加熱器)、水素ガス供給配管14、ディスペンサー16、BOG回収ライン18、圧縮機20(BOG回収装置)、冷凍機システム22及び制御装置23を備える。
液体水素貯槽4は、液体水素を貯蔵するように構成されている。液体水素貯槽4には、例えば水素ローリーや水素トレーラー等の輸送車によって輸送された液体水素が充填されて貯蔵される。
液体水素供給配管6は、液体水素貯槽4と液体水素ポンプ8とを接続しており、液体水素貯槽4に貯蔵された液体水素を液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8に供給するように構成されている。液体水素貯槽4から液体水素供給配管6に供給される液体水素の温度及び圧力は特に限定されないが、例えば概ね-253℃及び0.1MPa程度であってもよい。
液体水素ポンプ8は、液体水素貯槽4から液体水素供給配管6を介して供給された液体水素を昇圧するように構成されている。液体水素ポンプ8から吐出される液体水素の温度及び圧力は特に限定されないが、例えば概ね-220℃及び90MPa程度であってもよい。なお、液体水素ポンプ8を用いて液体水素を昇圧することにより、水素ガスを圧縮機で昇圧する場合と比較して、圧縮動力を低減することができ、水素ステーション2の構成が小型化され、地下置きの場合も有利である。また、液体水素は水素ガスよりも密度が大きいため、大容量化への対応が容易となる。
液体水素供給配管10は、液体水素ポンプ8と蒸発器12とを接続しており、液体水素ポンプ8から吐出された液体水素を蒸発器12に供給するように構成されている。
蒸発器12は、液体水素供給配管10から供給された液体水素を熱交換により蒸発させ、水素ガスを発生させるように構成されている。蒸発器12から液体水素供給配管10に供給される水素ガスの温度及び圧力は特に限定されないが、例えば常温又は常温以下で90MPa程度であってもよい。
水素ガス供給配管14は、蒸発器12とディスペンサー16とを接続しており、蒸発器12で発生した高圧の水素ガスをディスペンサー16に供給するように構成されている。
蒸発器12から水素ガス供給配管14を介してディスペンサー16へ供給された水素ガスは、ディスペンサー16で流量を制御されて燃料電池自動車等の水素受入容器19へ供給される。
BOG回収ライン18は、液体水素貯槽4と水素ガス供給配管14とを接続している。BOG回収ライン18には、BOG回収装置としての圧縮機20が設けられている。BOG回収ライン18は、液体水素貯槽4で気化した水素ガス(ボイルオフガス)を圧縮機20に供給し、圧縮機20で昇圧された水素ガスを水素ガス供給配管14へ供給するように構成されている。BOG回収ライン18は、圧縮機20の上流側において液体水素供給配管6にも接続しており、液体水素供給配管6にボイルオフガスが存在する場合に液体水素供給配管6のボイルオフガスを圧縮機20に供給する。
冷凍機システム22は、液体水素供給配管6を冷却するための冷凍機24を含み、冷凍機24で生成した冷熱を用いて液体水素供給配管6を冷却するように構成されている。
制御装置23は、水素ステーション2の各部を制御するように構成されており、制御装置23の制御内容については後述する。制御装置23は、例えば図2に示すように、プロセッサ72、RAM(Random Access Memory)74、ROM(Read Only Memory)76、HDD (Hard Disk Drive)78、入力I/F80、及び出力I/F82を含み、これらがバス84を介して互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。なお、制御装置23のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されてもよい。また制御装置23は、制御装置23の各機能を実現するプログラムをコンピュータが実行することにより構成される。以下で説明する制御装置23における各機能は、例えばROM76に保持されるプログラムをRAM74にロードしてプロセッサ72で実行するとともに、RAM74やROM76におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
図3は、上記冷凍機システム22の構成の一例である冷凍機システム22Aを示す概略図である。
図3に示す例では、冷凍機システム22Aは、ブレイトン方式の冷凍機24と、水素ガスを循環させるための循環ライン26と、冷凍機24の冷媒との熱交換によって循環ライン26の水素ガスを冷却するように構成された熱交換器28(第1熱交換部)とを含む。
冷凍機24は、タービンユニット30、水冷式熱交換器32、再生熱交換器34及びそれらの間を接続する配管を備える。
タービンユニット30は、モータ40、圧縮機42及び膨張タービン44を備える。圧縮機42と膨張タービン44とはモータ40の回転軸に連結されて同軸上で回転する。圧縮機42の出口側は配管46の一端に接続される。配管46の他端は水冷式熱交換器32の高温側流路の入口に接続される。その高温側流路の出口は配管48の一端に接続される。配管48の他端は再生熱交換器34の高温側流路の入口に接続される。その高温側流路の出口は配管49の一端に接続される。配管49の他端は膨張タービン44の入口に接続される。膨張タービン44の出口は配管50の一端に接続される。配管50の他端は熱交換器28の低温側流路の入口に接続される。その低温側流路の出口は配管51の一端に接続される。配管51の他端は再生熱交換器34の低温側流路の入口に接続される。その低温側流路の出口は配管52の一端に接続される。配管52の他端は圧縮機42の入口に接続される。
このような構成を備えた冷凍機24は、以下のように動作する。冷媒循環系(配管46、48、49、50、51、52を含む経路)には、運転時に温度が最低になる部分の温度よりも露点の低い冷媒(例えば窒素又は空気)が冷凍機24の作動ガスとして充填されている。モータ40が駆動されると、圧縮機42と膨張タービン44が回転する。圧縮機42は、配管52の冷媒を吸い込んで圧縮し、配管46に吐出する。圧縮された冷媒は、水冷式熱交換器32においてより低温の冷却水と熱交換することによって除熱される。除熱された冷媒は、再生熱交換器34において配管51から流入する冷媒と熱交換する。再生熱交換器34から出た冷媒は膨張タービン44において膨張して低温の冷媒となり、配管50に供給される。配管50の冷媒は熱交換器28で循環ライン26を流れる水素ガスとの熱交換を行うことにより該水素ガスを冷却する。熱交換器28から出た冷媒は再生熱交換器34に導入され、配管48から導入された冷媒と熱交換した後、配管52に流入する。
循環ライン26は、液体水素供給配管6の一部の区間である液体水素供給配管部53と、熱交換器28における水素ガスの出口(高温側流路の出口)と液体水素供給配管部53とを接続する冷却用水素ガス供給配管54と、熱交換器28における水素ガスの入口(高温側流路の入口)と液体水素供給配管部53とを接続する冷却用水素ガス回収配管55と、を含む。図示する例では、冷却用水素ガス回収配管55は、液体水素供給配管6と冷却用水素ガス供給配管54とが接続する位置よりも液体水素供給配管6の下流側にて液体水素供給配管6に接続する。冷却用水素ガス供給配管54は、熱交換器28で冷却された水素ガスを液体水素供給配管部53に供給する。冷却用水素ガス回収配管55は、液体水素供給配管部53を通った水素ガス(冷却用水素ガス供給配管54から液体水素供給配管部53に供給された水素ガス)を回収して、熱交換器28に戻すように構成される。このように、循環ライン26は、冷却用水素ガス供給配管54、液体水素供給配管部53、冷却用水素ガス回収配管55及び熱交換器28の高温側流路(水素ガス側流路)によって構成される。
図示する例では、冷凍機システム22Aは、循環ライン26内で水素ガスを循環させるための水素ブロア56(送風機)を備えており、水素ブロア56は冷却用水素ガス供給配管54に設けられている。また、冷凍機システム22Aは、冷却用水素ガス供給配管54に設けられた冷却用水素ガス供給バルブ58と、冷却用水素ガス回収配管55に設けられた冷却用水素ガス回収バルブ59とを更に備える。また、上記水素ステーション2は、液体水素供給配管6における冷却用水素ガス供給配管54が接続する位置よりも上流側に設けられた液体水素供給バルブ60を更に備える。
上記水素ステーション2では、制御装置23は、液体水素ポンプ8の運転を開始する前に、液体水素供給配管6及び液体水素ポンプ8を予め冷却(プレクール)するためのプレクールモードを実行する。
制御装置23は、プレクールモードにおいて、液体水素供給バルブ60を閉弁状態に制御するとともに冷却用水素ガス供給バルブ58及び冷却用水素ガス回収バルブ59の各々を開弁状態に制御する。また、制御装置23は、プレクールモードにおいて、液体水素ポンプ8の運転を停止した状態でモータ40及び水素ブロア56を運転させる。これにより、液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8への液体水素の供給を停止した状態で、液体水素供給配管6に残存する水素ガスを水素ブロア56によって循環ライン26に循環させることができる。これにより、熱交換器28で冷凍機24の冷媒との熱交換によって冷却された低温の水素ガスが循環ライン26を循環するため、液体水素供給配管6を冷却することができる。なお、液体水素ポンプ8には逆流防止のための逆止弁9が設けられており、プレクールモードにおける逆止弁9の前後差圧が逆止弁9の最低作動差圧(逆止弁9が開く前後差圧の閾値)よりも小さいため、プレクールモードでは液体水素供給配管6から液体水素供給配管10へ水素ガスが流れないようになっている。
制御装置23は、プレクールモードを実行して液体水素供給配管6のプレクールが完了した後に、通常運転モードを実行する。制御装置23は、通常運転モードにおいて、水素ブロア56の運転を停止し、冷却用水素ガス供給バルブ58及び冷却用水素ガス回収バルブ59の各々を閉弁状態に制御する。また、制御装置23は、通常運転モードにおいて、液体水素供給バルブ60を開弁状態に制御し、液体水素ポンプ8を運転させる。これにより、液体水素貯槽4から液体水素供給配管6を介して液体水素ポンプ8に液体水素を供給することができ、液体水素供給配管6から冷却用水素ガス供給配管54及び冷却用水素ガス回収配管55へ液体水素が流入することを防ぐことができる。
以上に説明したように、上記水素ステーション2では、液体水素ポンプ8を運転する前に、冷凍機24で発生した冷熱を利用して液体水素供給配管6を冷却(プレクール)することができるため、液体水素供給配管6のプレクールのために液体水素貯槽4から液体水素供給配管6に液体水素を流す従来のプレクールの方法と比較して、液体水素供給配管6での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
また、液体水素供給配管6のプレクールを行う際に、液体水素供給配管6に残存する水素ガスを循環ライン26で循環させることにより、該水素ガスを熱交換器28で冷凍機24の冷媒を用いて冷却し、冷却した水素ガスを液体水素供給配管6に流して液体水素供給配管6を冷却することができる。このため、例えば、液体水素供給配管6のプレクールのために冷凍機24の冷媒を液体水素供給配管6の中に供給する場合と比較して、液体水素供給配管6の下流側に冷凍機24の冷媒が影響を及ぼすことを回避することができる。
幾つかの実施形態では、図3に示した液体水素供給配管6は、例えば図4に示すように、液体水素を送るための内管63(液体水素ライン)と、内管63を覆う外管64とを含む2重管構造となっていてもよく、内管63と外管64の間の空間が断熱層としての真空層となっていてもよい。この場合、冷却用水素ガス供給配管54は水素ガスを内管63に供給するように液体水素供給配管6に接続し、冷却用水素ガス回収配管55は、水素ガスを内管63から回収するように液体水素供給配管6に接続する。このように、図3及び図4に示す構成によれば、水素ガスが循環可能な循環ライン26を設けたことにより、後述する図6及び図7の構成と比較して、液体水素供給配管6の構造を簡素化することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図5に示すように、液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8までの液体水素供給配管6の長さをL1、液体水素供給配管部53の長さをL2とすると、上記冷凍機システム22AはL2/L1>0.5を満たしていてもよく、より好ましくはL2/L1>0.7を満たしていてもよく、更により好ましくはL2/L1>0.8を満たしていてもよい。これにより、液体水素供給配管6のプレクールを行う際に、液体水素供給配管6における水素ガスによって冷却される区間の長さ(液体水素供給配管部53の長さ)を大きくとることができ、液体水素供給配管6を効率的に冷却することができる。このため、液体水素供給配管6におけるボイルオフガスの発生を抑制しつつ液体水素供給配管6を効果的に冷却することができる。なお、液体水素供給配管部53の長さとは、液体水素供給配管6における冷却用水素ガス供給配管54が接続する位置から冷却用水素ガス回収配管55が接続する位置までの長さを意味する。
図6は、上記冷凍機システム22の構成の一例である冷凍機システム22Bを示す概略図である。図6に示す構成において、図3に示した冷凍機システム22Aの各構成と共通の符号は、特記しない限り図3に示した冷凍機システム22Aの各構成と同様の構成を示すものとし、説明を省略する。
図6に示す冷凍機システム22Bは、循環ライン26を備えておらず、液体水素供給配管6の一部の区間に沿って設けられた予冷ライン62を冷凍機システム22Bの冷凍機24が含む点で冷凍機システム22Aと異なる。
図6に示す構成では、膨張タービン44の出口は配管50の一端に接続される。配管50の他端は予冷ライン62の入口に接続される。予冷ライン62の出口は配管51の一端に接続される。配管51の他端は再生熱交換器34の低温側流路の入口に接続される。
冷凍機システム22Bでは、膨張タービン44を出た低温の冷媒(窒素又は空気)を配管50を介して予冷ライン62に供給し、予冷ライン62に低温の冷媒を流すことによって液体水素供給配管6を冷却することができる。
図6に示す構成では、制御装置23は、液体水素ポンプ8の運転を開始する前に、液体水素供給配管6及び液体水素ポンプ8を予め冷却(プレクール)するためのプレクールモードを実行する。
制御装置23は、プレクールモードにおいて、液体水素供給バルブ60を閉弁状態に制御する。また、制御装置23は、プレクールモードにおいて、液体水素ポンプ8の運転を停止した状態でモータ40を駆動させる。これにより、液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8への液体水素の供給を停止した状態で、冷凍機24の低温の冷媒を予冷ライン62に流して液体水素供給配管6を冷却することができる。
また、制御装置23は、プレクールモードを実行して液体水素供給配管6のプレクールが完了した後に、通常運転モードを実行する。制御装置は、通常運転モードにおいて、液体水素供給バルブ60を開弁状態に制御し、液体水素ポンプ8を運転させる。これにより、液体水素貯槽4から液体水素供給配管6を介して液体水素ポンプ8に液体水素を供給することができる。
上記冷凍機システム22Bを備える水素ステーション2によれば、液体水素ポンプ8を運転する前に、冷凍機24で発生した冷熱を利用して液体水素供給配管6を冷却(プレクール)することができるため、液体水素供給配管6のプレクールのために液体水素貯槽4から液体水素供給配管6に液体水素を流す従来のプレクールの方法と比較して、液体水素供給配管6での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
また、図3に示す構成と比較して、水素ガスの循環ライン26等を設ける必要が無いため、液体水素供給配管6のプレクールを行うための設備の大型化を抑制することができる。また、例えば、液体水素供給配管6のプレクールのために冷凍機24の冷媒を液体水素供給配管6の中に供給する場合と比較して、液体水素供給配管6の下流側に冷凍機24の冷媒が影響を及ぼすことを回避することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図7に示すように、液体水素供給配管6は液体水素を送るための内管63(液体水素ライン)と、内管63を覆う外管64とを含んでおり、内管63と外管64の間の空間が断熱層としての真空層となっていてもよい。この場合、予冷ライン62は、外管64の内側に内管63に沿って内管63に隣接して設けられる。予冷ライン62は、例えば内管63の周りを巻くように内管63の外周面に沿って螺旋状に設けられてもよいし、内管63と平行に延在するように内管63に沿って設けられてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図8に示すように、液体水素貯槽4から液体水素ポンプ8までの液体水素供給配管6の長さをL1、液体水素供給配管6における予冷ライン62が設けられた区間の長さをL3とすると、上記冷凍機システム22Aは、L3/L1>0.5を満たしていてもよく、より好ましくはL3/L1>0.7を満たしていてもよく、更により好ましくはL3/L1>0.8を満たしていてもよい。これにより、液体水素供給配管6のプレクールを行う際に、液体水素供給配管6における予冷ライン62によって冷却される区間の長さを大きくとることができ、液体水素供給配管6を効率的に冷却することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図9に示すように、水素ステーション2は、水素ガス供給配管14を流れる水素ガスを熱交換により冷却するように構成された熱交換部66を更に備えていてもよい。この熱交換部66は、例えば図10に示すように、冷却用水素ガス回収配管55(図3参照)に設けられていてもよく、この場合、熱交換部66は、例えば冷却用水素ガス回収配管55の一部の区間を水素ガス供給配管14に巻き付けることによって構成されてもよい。これにより、上記プレクールモードにおいて液体水素供給配管部53(図3参照)から回収した低温の水素ガスを用いて水素ガス供給配管14を流れる水素ガスを冷却することができる。
また、他の実施形態では、例えば図11に示すように、熱交換部66は、配管51(図3又は図6参照)に設けられていてもよく、この場合、熱交換部66は、例えば配管51の一部の区間を水素ガス供給配管14に巻き付けることによって構成されてもよい。これにより、熱交換器28(図3参照)の低温側流路を出た冷媒又は予冷ライン62(図6参照)を出た冷媒を用いて水素ガス供給配管14を流れる水素ガスを冷却することができる。これにより、ディスペンサー16に供給される水素ガスを冷却することができるため、ディスペンサー16から燃料電池自動車等の水素受入容器19に水素を供給する際に水素受入容器19の圧力上昇を抑制することができ、水素受入容器19への水素の充填速度を高めることができる。
なお、熱交換部66における水素ガス又は冷媒の流れの方向は、例えば図10に示すように水素ガス供給配管14の水素ガスの流れの向きに対して順方向であってもよいし、図11に示すように水素ガス供給配管14の水素ガスの流れの向きに対して逆方向であってもよい。例えば図11に示すように熱交換部66における低温側流路の水素ガス又は冷媒の流れの方向を、水素ガス供給配管14の水素ガスの流れの向きに対して逆方向とすることにより、水素ガス供給配管14の水素ガスを効率的に冷却することができる。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、冷凍機24としてブレイトン方式の冷凍機を例示したが、冷凍機の方式は特に限定されず、例えば吸収式冷凍機等であってもよい。
また、例えば図12に部分的に示すように、上記冷凍機システム22Aにおいて、冷却用水素ガス回収配管55の一端が液体水素ポンプ8における逆止弁9の上流側に接続され、冷却用水素ガス回収配管55の他端が熱交換器28(図3参照)の高温側流路の入口(水素ガスの入口)に接続されてもよい。これにより、上記プレクールモードにおいて、冷却用水素ガス供給配管54から液体水素供給配管6に供給された水素ガスは、液体水素ポンプ8を通って冷却用水素ガス回収配管55により回収され、熱交換器28の高温側流路の入口に戻される。このため、冷凍機24で発生した冷熱を利用して液体水素供給配管6及び液体水素ポンプ8を効果的に冷却することができる。
また、例えば図3に示す構成において、水素ブロア56は、冷却用水素ガス供給配管54ではなく冷却用水素ガス回収配管55に設けられていてもよい。
また、例えば図3に示す構成において、液体水素供給配管部53は、液体水素供給配管6の少なくとも一部の区間であればよく、液体水素供給配管6の全部の区間であってもよい。また、例えば図6に示す構成において、予冷ライン62は、液体水素供給配管6の少なくとも一部の区間に沿って設けられていればよく、液体水素供給配管6の少なくとも一部の区間に沿って設けられていてもよい。
幾つかの実施形態では、図9及び図10を用いて説明した水素ステーション2に図3に示す冷凍機システム22を適用する場合には、例えば図13に示すように、第1バイパスライン85、第2バイパスライン86及びバルブ87,88,89,90,91,92を更に備えていてもよい。
この場合、第1バイパスライン85は、冷却用水素ガス供給配管54における液体水素供給配管部53の上流側の位置と、冷却用水素ガス回収配管55における液体水素供給配管部53の下流側の位置とを接続する。第2バイパスライン86は、冷却用水素ガス回収配管55における第1バイパスライン85の接続位置と熱交換部66との間の位置と、冷却用水素ガス回収配管55における熱交換部66の下流側の位置とを接続する。バルブ87は第1バイパスライン85に設けられ、バルブ88は第2バイパスライン86に設けられる。バルブ89は、冷却用水素ガス供給配管54における第1バイパスライン85に接続する位置と液体水素供給配管部53との間に設けられる。バルブ90は、冷却用水素ガス回収配管55における第1バイパスライン85に接続する位置と液体水素供給配管部53との間に設けられる。バルブ91は、冷却用水素ガス回収配管55における熱交換部66の上流側で且つ第2バイパスライン86に接続する位置よりも下流側の位置に設けられる。バルブ92は、冷却用水素ガス回収配管55における熱交換部66の下流側で且つ第2バイパスライン86に接続する位置よりも上流側の位置に設けられる。
図13に示す構成によれば、液体水素供給配管6の冷却と水素ガス供給配管14の冷却とを必要に応じて同時に又は個別に冷却することができる。例えばバルブ87,91,92を閉じてバルブ88,89,90を開くことにより、水素ガス供給配管14の冷却を行わずに液体水素供給配管6の冷却のみを行うことができる。また、バルブ87,91,92を開いてバルブ88,89,90を閉じることにより、液体水素供給配管6の冷却を行わずに水素ガス供給配管14の冷却のみを行うことができる。
幾つかの実施形態では、図9及び図11を用いて説明した水素ステーション2に図6に示す冷凍機システム22を適用する場合には、例えば図14に示すように、第1バイパスライン93、第2バイパスライン94及びバルブ95,96,97,98,99,100を更に備えていてもよい。
この場合、第1バイパスライン93は、配管50における予冷ライン62の上流側の位置と配管51における予冷ライン62の下流側の位置とを接続する。第2バイパスライン94は、配管51における第1バイパスライン85の接続位置と熱交換部66との間の位置と、配管51における熱交換部66の下流側の位置とを接続する。バルブ95は第1バイパスライン93に設けられ、バルブ96は第2バイパスライン94に設けられる。バルブ97は、配管50における第1バイパスライン93に接続する位置と予冷ライン62との間に設けられる。バルブ98は、配管51における第1バイパスライン93に接続する位置と予冷ライン62との間に設けられる。バルブ99は、配管51における熱交換部66の上流側で且つ第2バイパスライン86に接続する位置よりも下流側の位置に設けられる。バルブ100は、配管51における熱交換部66の下流側で且つ第2バイパスライン94に接続する位置よりも上流側の位置に設けられる。
図14に示す構成によれば、液体水素供給配管6の冷却と水素ガス供給配管14の冷却とを必要に応じて同時に又は個別に冷却することができる。例えばバルブ95,99,100を閉じてバルブ96,97,98を開くことにより、水素ガス供給配管14の冷却を行わずに液体水素供給配管6の冷却のみを行うことができる。また、バルブ95,99,100を開いてバルブ96,97,98を閉じることにより、液体水素供給配管6の冷却を行わずに水素ガス供給配管14の冷却のみを行うことができる。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
(1)本開示の少なくとも一実施形態に係る水素ステーション(例えば上述の水素ステーション2)は、
液体水素貯槽(例えば上述の液体水素貯槽4)から液体水素ポンプ(例えば上述の液体水素ポンプ8)に液体水素を供給するための液体水素供給配管(例えば上述の液体水素供給配管6)と、
冷凍機(例えば上述の冷凍機24)とを備え、
前記冷凍機で発生した冷熱を利用して前記液体水素供給配管を冷却するように構成される。
上記(1)に記載の水素ステーションによれば、液体水素ポンプを運転する前に、冷凍機で発生した冷熱を利用して液体水素供給配管を冷却(プレクール)することができる。このため、液体水素供給配管のプレクールのために液体水素貯槽から液体水素供給配管に液体水素を流す従来のプレクールの方法と比較して、液体水素供給配管での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の水素ステーションにおいて、
前記水素ステーションは、
水素ガスを循環させるための循環ライン(例えば上述の循環ライン26)と、
前記冷凍機の冷媒を用いて前記循環ラインの水素ガスを冷却するように構成された熱交換部(例えば上述の熱交換器28)と、
を備え、
前記循環ラインは、
前記液体水素供給配管の少なくとも一部の区間である液体水素供給配管部(例えば上述の液体水素供給配管部53)と、
前記熱交換部で冷却された前記水素ガスを前記液体水素供給配管部に供給するように構成された冷却用水素ガス供給配管(例えば上述の冷却用水素ガス供給配管54)と、
前記液体水素供給配管部を通った前記水素ガスを回収して前記熱交換部に戻すように構成された冷却用水素ガス回収配管(例えば上述の冷却用水素ガス回収配管55)と、
を含む。
上記(2)に記載の水素ステーションによれば、液体水素供給配管のプレクールを行う際に、液体水素供給配管に残存する水素ガスを循環ラインで循環させることにより、該水素ガスを熱交換部で冷凍機の冷媒を用いて冷却し、冷却した水素ガスを液体水素供給配管に流して液体水素供給配管を冷却することができる。このため、例えば、液体水素供給配管のプレクールのために冷凍機の冷媒を液体水素供給配管の中に供給する場合と比較して、液体水素供給配管の下流側に冷凍機の冷媒が影響を及ぼすことを回避することができる。また、例えば、液体水素供給配管の少なくとも一部の区間に沿って予冷ラインを設けて該予冷ラインに冷凍機の冷媒を流すことによって液体水素供給配管のプレクールを行う場合(後述の(10)の構成)と比較して、液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける必要がない。仮に液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける場合、液体水素供給配管の断熱性を確保するためには液体水素供給配管の構造が複雑化しやすく、高コスト化を招きやすい。これに対し、上記(2)の構成では、液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける必要がないため、液体水素供給配管の構造の複雑化及び高コスト化を抑制することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載の水素ステーションにおいて、
前記冷却用水素ガス供給配管又は前記冷却用水素ガス回収配管に設けられた送風機(例えば上述の水素ブロア56)を含む。
上記(3)に記載の水素ステーションによれば、送風機によって水素ガスを循環ラインで効率的に循環させることができ、液体水素供給配管を効果的に冷却することができる。これにより、液体水素供給配管での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を効果的に抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(2)又は(3)に記載の水素ステーションにおいて、
前記冷却用水素ガス供給配管に設けられた冷却用水素ガス供給バルブ(例えば上述の冷却用水素ガス供給バルブ58)と、
前記冷却用水素ガス回収配管に設けられた冷却用水素ガス回収バルブ(例えば上述の冷却用水素ガス回収バルブ59)と、
を更に備える。
上記(4)に記載の水素ステーションによれば、冷却用水素ガス供給バルブと冷却用水素ガス回収バルブを開弁することにより、循環ラインで低温の水素ガスを循環させて液体水素供給配管のプレクールを行うことができる。また、冷却用水素ガス供給バルブと冷却用水素ガス回収バルブを開弁することにより、液体水素供給配管に液体水素を流す場合に液体水素供給配管から冷却用水素ガス供給配管及び冷却用水素ガス回収配管に液体水素が流入することを防ぐことができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(2)乃至(4)の何れかに記載の水素ステーションにおいて、
前記液体水素供給配管における前記冷却用水素ガス供給配管が接続する位置よりも上流側に設けられた液体水素供給バルブ(例えば上述の液体水素供給バルブ60)を更に備える。
上記(5)に記載の水素ステーションによれば、循環ラインに水素ガスを循環させる際に液体水素供給バルブを閉弁状態に制御することにより、液体水素供給配管でのボイルオフガスの発生を抑制しつつ液体水素供給配管部を低温の水素ガスで冷却することができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(5)に記載の水素ステーションにおいて、
前記液体水素ポンプの運転を開始する前に前記液体水素供給配管を冷却するプレクールモードを実行可能に構成された制御装置(例えば上述の制御装置23)を更に備え、
前記制御装置は、前記プレクールモードにおいて、前記液体水素供給バルブを閉弁状態に制御するとともに前記冷却用水素ガス供給バルブ及び前記冷却用水素ガス回収バルブの各々を開弁状態に制御するように構成される。
上記(6)に記載の水素ステーションによれば、プレクールモードにおいて、液体水素供給バルブを閉弁状態に制御するとともに冷却用水素ガス供給バルブ及び冷却用水素ガス回収バルブの各々を開弁状態に制御することにより、液体水素供給配管でのボイルオフガスの発生を抑制しつつ循環ラインで低温の水素ガスを循環させて液体水素供給配管のプレクールを行うことができる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(6)に記載の水素ステーションにおいて、
前記制御装置は、前記プレクールモードにおいて、前記液体水素ポンプの運転を停止した状態で前記送風機を運転させるように構成される。
上記(7)に記載の水素ステーションによれば、プレクールモードにおいて送風機によって水素ガスを循環ラインで効率的に循環させることができ、液体水素供給配管を効果的に冷却することができる。これにより、液体水素供給配管での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を効果的に抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(2)乃至(7)の何れかに記載の水素ステーションにおいて、
前記水素ステーションには、前記液体水素ポンプから吐出された液体水素を蒸発させるための蒸発器(例えば上述の蒸発器12)と、前記蒸発器で前記液体水素が蒸発することで発生した水素ガスを水素受入容器(例えば上述の水素受入容器19)に供給するためのディスペンサー(例えば上述のディスペンサー16)とを接続する水素ガス供給配管(例えば上述の水素ガス供給配管14)が設けられており、
前記水素ステーションは、前記液体水素供給配管部から回収した前記水素ガス又は前記熱交換部を出た前記冷媒を用いて前記水素ガス供給配管を流れる水素ガスを冷却するように構成された熱交換部(例えば上述の熱交換部66)を更に備える。
上記(8)に記載の水素ステーションによれば、ディスペンサーに供給される水素ガスを冷却することができるため、ディスペンサーから燃料電池自動車等の水素受入容器に水素を供給する際に水素受入容器の圧力上昇を抑制することができ、水素受入容器への水素の充填速度を高めることができる。
(9)幾つかの実施形態では、上記(2)乃至(8)の何れかに記載の水素ステーションにおいて、
前記液体水素貯槽から前記液体水素ポンプまでの前記液体水素供給配管の長さをL1、前記液体水素供給配管部の長さをL2とすると、L2/L1>0.5を満たす。
上記(9)に記載の水素ステーションによれば、液体水素供給配管のプレクールを行う際に、液体水素供給配管における水素ガスによって冷却される区間の長さを大きくとることができ、液体水素供給配管を効率的に冷却することができる。
(10)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の水素ステーションにおいて、
前記冷凍機は、前記液体水素供給配管の少なくとも一部の区間に沿って設けられた予冷ライン(例えば上述の予冷ライン62)を含み、前記予冷ラインに冷媒を流すことによって前記液体水素供給配管を冷却するように構成される。
上記(10)に記載の水素ステーションによれば、上記(2)に記載の構成と比較して、水素ガスの循環ライン等を設ける必要が無いため、液体水素供給配管のプレクールを行うための設備の大型化を抑制することができる。また、例えば、液体水素供給配管のプレクールのために冷凍機の冷媒を液体水素供給配管の中に供給する場合と比較して、液体水素供給配管の下流側に冷凍機の冷媒が影響を及ぼすことを回避することができる。
(11)幾つかの実施形態では、上記(10)に記載の水素ステーションにおいて、
前記液体水素貯槽から前記液体水素ポンプまでの前記液体水素供給配管の長さをL1、前記液体水素供給配管における前記予冷ラインが設けられた区間の長さをL3とすると、L3/L1>0.5を満たす。
上記(11)に記載の水素ステーションによれば、液体水素供給配管のプレクールを行う際に、液体水素供給配管における予冷ラインによって冷却される区間の長さを大きくとることができ、液体水素供給配管を効率的に冷却することができる。
(12)幾つかの実施形態では、上記(10)又は(11)に記載の水素ステーションにおいて、
前記水素ステーションには、前記液体水素ポンプから吐出された液体水素を蒸発させるための蒸発器(例えば上述の蒸発器12)と、前記蒸発器で前記液体水素が蒸発することで発生した水素ガスを水素受入容器(例えば上述の水素受入容器19)に供給するためのディスペンサー(例えば上述のディスペンサー16)とを接続する水素ガス供給配管(例えば上述の水素ガス供給配管14)が設けられており、
前記水素ステーションは、前記予冷ラインを通過した後の前記冷媒を用いて前記水素ガス供給配管を流れる水素ガスを冷却するように構成された熱交換部(例えば上述の熱交換部66)を備える。
上記(12)に記載の水素ステーションによれば、ディスペンサーに供給される水素ガスを冷却することができるため、ディスペンサーから燃料電池自動車等の水素受入容器に水素を供給する際に水素受入容器の圧力上昇を抑制することができ、水素受入容器への水素の充填速度を高めることができる。
(13)本開示の少なくとも一実施形態に係る水素ステーション用冷凍機システム(例えば上述の冷凍機システム22A)は、
水素ステーション(例えば上述の水素ステーション2)の液体水素供給配管(例えば上述の液体水素供給配管6)を冷却するための水素ステーション用冷凍機システムであって、
冷凍機(例えば上述の冷凍機24)と、
前記冷凍機の冷媒との熱交換によって水素ガスを冷却するように構成された第1熱交換部(例えば上述の熱交換器28)と、
前記熱交換部で冷却された前記水素ガスを前記液体水素供給配管に供給するように構成された冷却用水素ガス供給配管(例えば上述の冷却用水素ガス供給配管54)と、
前記液体水素供給配管を通った前記水素ガスを回収して前記熱交換部に戻すように構成された冷却用水素ガス回収配管(例えば上述の冷却用水素ガス回収配管55)
を備える。
上記(13)に記載の水素ステーション用冷凍機システムによれば、液体水素供給配管のプレクールを行う際に、液体水素供給配管に残存する水素ガスを熱交換部で冷凍機の冷媒との熱交換によって冷却し、冷却された水素ガスを冷却用水素ガス供給配管から液体水素供給配管に供給することで、液体水素供給配管を冷却することができる。このため、液体水素供給配管のプレクールのために液体水素貯槽から液体水素供給配管に液体水素を流す従来のプレクールの方法と比較して、液体水素供給配管での液体水素の気化によるボイルオフガスの発生を抑制することができ、水素ステーションの高いエネルギー効率を実現することができる。
また、例えば、液体水素供給配管のプレクールのために冷凍機の冷媒を液体水素供給配管の中に供給する場合と比較して、液体水素供給配管の下流側に冷凍機の冷媒が影響を及ぼすことを回避することができる。また、例えば、液体水素供給配管の少なくとも一部の区間に沿って予冷ラインを設けて該予冷ラインに冷凍機の冷媒を流すことによって液体水素供給配管のプレクールを行う場合(前述の(10)の構成)と比較して、液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける必要がない。仮に液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける場合、液体水素供給配管の断熱性を確保するためには液体水素供給配管の構造が複雑化しやすく、高コスト化を招きやすい。これに対し、上記(13)の構成では、液体水素供給配管に沿って予冷ラインを設ける必要がないため、液体水素供給配管の構造の複雑化及び高コスト化を抑制することができる。
2 水素ステーション
4 液体水素貯槽
6 液体水素供給配管
8 液体水素ポンプ
10 液体水素供給配管
12 蒸発器
14 水素ガス供給配管
16 ディスペンサー
18 BOG回収ライン
19 水素受入容器
20,42 圧縮機
22,22A,22B 冷凍機システム
23 制御装置
24 冷凍機
26 循環ライン
28 熱交換器(熱交換部又は第1熱交換部)
30 タービンユニット
32 水冷式熱交換器
34 再生熱交換器
40 モータ
44 膨張タービン
46,48,49,50,51,52 配管
53 液体水素供給配管部
54 冷却用水素ガス供給配管
55 冷却用水素ガス回収配管
56 水素ブロア
58 冷却用水素ガス供給バルブ
59 冷却用水素ガス回収バルブ
60 液体水素供給バルブ
62 予冷ライン
63 内管
64 外管
66 熱交換部(第2熱交換部)
72 プロセッサ
74 RAM
76 ROM
78 HDD
80 入力I/F
82 出力I/F
84 バス
85,93 第1バイパスライン
86,94 第2バイパスライン
87,88,89,90,91,92,95,96,97,98,99,100 バルブ

Claims (13)

  1. 液体水素貯槽から液体水素ポンプに液体水素を供給するための液体水素供給配管と、
    冷凍機とを備え、
    前記冷凍機で発生した冷熱を利用して前記液体水素供給配管を冷却するように構成された、水素ステーション。
  2. 前記水素ステーションは、
    水素ガスを循環させるための循環ラインと、
    前記冷凍機の冷媒を用いて前記循環ラインの水素ガスを冷却するように構成された第1熱交換部と、
    を備え、
    前記循環ラインは、
    前記液体水素供給配管の少なくとも一部の区間である液体水素供給配管部と、
    前記第1熱交換部で冷却された前記水素ガスを前記液体水素供給配管部に供給するように構成された冷却用水素ガス供給配管と、
    前記液体水素供給配管部を通った前記水素ガスを回収して前記第1熱交換部に戻すように構成された冷却用水素ガス回収配管と、
    を含む、請求項1に記載の水素ステーション。
  3. 前記冷却用水素ガス供給配管又は前記冷却用水素ガス回収配管に設けられた送風機を含む、請求項2に記載の水素ステーション。
  4. 前記冷却用水素ガス供給配管に設けられた冷却用水素ガス供給バルブと、
    前記冷却用水素ガス回収配管に設けられた冷却用水素ガス回収バルブと、
    を更に備える、請求項3に記載の水素ステーション。
  5. 前記液体水素供給配管における前記冷却用水素ガス供給配管が接続する位置よりも上流側に設けられた液体水素供給バルブを更に備える、請求項4に記載の水素ステーション。
  6. 前記液体水素ポンプの運転を開始する前に前記液体水素供給配管を冷却するプレクールモードを実行可能に構成された制御装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記プレクールモードにおいて、前記液体水素供給バルブを閉弁状態に制御するとともに前記冷却用水素ガス供給バルブ及び前記冷却用水素ガス回収バルブの各々を開弁状態に制御するように構成された、請求項5に記載の水素ステーション。
  7. 前記制御装置は、前記プレクールモードにおいて、前記液体水素ポンプの運転を停止した状態で前記送風機を運転させるように構成された、請求項6に記載の水素ステーション。
  8. 前記水素ステーションには、前記液体水素ポンプから吐出された液体水素を蒸発させるための蒸発器と、前記蒸発器で前記液体水素が蒸発することで発生した水素ガスを水素受入容器に供給するためのディスペンサーとを接続する水素ガス供給配管が設けられており、
    前記水素ステーションは、前記液体水素供給配管部から回収した前記水素ガス又は前記第1熱交換部を出た前記冷媒を用いて前記水素ガス供給配管を流れる水素ガスを冷却するように構成された第2熱交換部を更に備える、請求項2に記載の水素ステーション。
  9. 前記液体水素貯槽から前記液体水素ポンプまでの前記液体水素供給配管の長さをL1、前記液体水素供給配管部の長さをL2とすると、L2/L1>0.5を満たす、請求項2に記載の水素ステーション。
  10. 前記冷凍機は、前記液体水素供給配管の少なくとも一部の区間に沿って設けられた予冷ラインを含み、前記予冷ラインに冷媒を流すことによって前記液体水素供給配管を冷却するように構成された、請求項1に記載の水素ステーション。
  11. 前記液体水素貯槽から前記液体水素ポンプまでの前記液体水素供給配管の長さをL1、前記液体水素供給配管における前記予冷ラインが設けられた区間の長さをL3とすると、L3/L1>0.5を満たす、請求項10に記載の水素ステーション。
  12. 前記水素ステーションには、前記液体水素ポンプから吐出された液体水素を蒸発させるための蒸発器と、前記蒸発器で前記液体水素が蒸発することで発生した水素ガスを水素受入容器に供給するためのディスペンサーとを接続する水素ガス供給配管が設けられており、
    前記水素ステーションは、前記予冷ラインを通過した後の前記冷媒を用いて前記水素ガス供給配管を流れる水素ガスを冷却するように構成された熱交換部を備える、請求項10に記載の水素ステーション。
  13. 水素ステーションの液体水素供給配管を冷却するための水素ステーション用冷凍機システムであって、
    冷凍機と、
    前記冷凍機の冷媒との熱交換によって水素ガスを冷却するように構成された第1熱交換部と、
    前記第1熱交換部で冷却された前記水素ガスを前記液体水素供給配管に供給するように構成された冷却用水素ガス供給配管と、
    前記液体水素供給配管を通った前記水素ガスを回収して前記第1熱交換部に戻すように構成された冷却用水素ガス回収配管と、
    を備える、水素ステーション用冷凍機システム。
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