JP3521360B2 - 液体水素の製造方法及び装置 - Google Patents

液体水素の製造方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液体水素の製造方法及
び装置に関し、詳しくは、圧縮機で圧縮した水素ガスを
熱交換器で冷却しながらオルソ−パラ変換を行い、ジュ
ールトムソン膨張させて液体水素を製造する方法及び装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、液体水素を製造する方式として、ヘリウムの寒冷を
利用したヘリウムブライトン方式と、水素自体から寒冷
を得るクロード方式とが知られている。前記ヘリウムブ
ライトン方式は、ヘリウムガスを圧縮後、膨張タービン
で断熱膨張させて寒冷を発生させ、この寒冷により水素
を冷却し、ジュールトムソン膨張によって液体水素を生
成させるもので、クロード方式は、圧縮した水素ガスを
膨張タービンで断熱膨張させて得た寒冷と、ジュールト
ムソン膨張によって発生した寒冷とを利用して水素を冷
却し、ジュールトムソン膨張によって液体水素を生成す
るものである。
【０００３】このような液体水素の製造において、水素
の臨界圧力は、ヘリウムに比べて非常に高い約１３気圧
であり、また、比熱が最大となる圧力も約１５気圧付近
で、その値もヘリウム等に比べて著しく大きくなる。こ
のような水素の特性から、原料水素ガスの供給圧力は、
２０〜４０気圧とするのが一般的である。また、水素を
液化するに際しては、冷却過程でオルソ−パラ変換を行
ってパラ水素に変換する必要がある。
【０００４】しかし、従来の液化法では、オルソ−パラ
変換を必要とする水素の冷却液化系統において、ジュー
ルトムソン膨張による寒冷の発生に頼るだけで、水素ガ
スの高い供給圧力の効果的な利用がなされておらず、そ
の結果、リサイクル側の流量が多くなり、圧縮動力及び
電力費の増加につながっていた。
【０００５】一方、特公平３−１９４７１号公報に記載
された水素の液化方法では、水素の冷却液化系統に濃密
流体エクスパンダーを設けて水素を液化することが記載
されている。しかし、この濃密流体エクスパンダーにお
ける入口側の水素は超臨界状態であるが、出口側は気液
二層流である。ところが、このような気液二層流用の膨
張タービンは、タービンの構造上、破損し易く、実用装
置には一般的でなく採用し難い。さらに、気液二層流
は、一般に、状態が不安定であり、熱交換器等の構成機
器の設計，製作に困難を伴う場合が多い。
【０００６】そこで本発明は、冷却液化系統に供給され
る水素が有する高い圧力を有効に利用し、効率良く、経
済的に液体水素を製造することができる方法及び装置を
提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の液体水素の製造方法は、臨界圧力以上に
圧縮した水素ガスを冷却後、膨張させて液化する液体水
素の製造方法であって、水素の冷却液化系統に設けた膨
張タービンに前記水素ガスを導入して臨界圧力以上の圧
力に膨張させて導出し、該膨脹タービン導出後の水素ガ
スを断熱オルソ−パラ変換することを特徴としている。
【０００８】また、本発明の液体水素の製造装置は、臨
界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却後、膨張させて液
化する液体水素の製造装置であって、水素の冷却液化系
統に、前記水素ガスを臨界圧力以上の圧力に膨張させる
膨張タービンを設けるとともに、該膨張タービンの出口
に膨張後の水素ガスを断熱オルソ−パラ変換する断熱オ
ルソ−パラ変換器を設けたことを特徴としている。
【０００９】
【作 用】上記構成によれば、冷却液化系統に供給され
た水素の高い圧力を、膨張タービンで寒冷として取出す
ことができる。このとき、膨張タービン出口側の圧力
（吐出圧力）を臨界圧力以上に保つことにより、気液二
層流にはならないので、安定した状態で水素を取出すこ
とができ、膨張タービン等の機器の設計，製作も容易に
行うことができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を、図面に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。図１は、本発明方法を適用
した液体水素製造装置の一実施例を示すもので、この液
体水素製造装置は、原料水素供給経路１１に連続する水
素冷却液化系統２１に、原料水素ガスを冷却するための
複数の熱交換器３１，３２，３３，３４と、各冷却段階
に応じて水素のオルソ−パラ変換を行うための複数のオ
ルソ−パラ変換器４１，４２，４３，４４，４５，４６
と、水素ガスを断熱膨張させる膨張タービン５１と、水
素ガスをジュールトムソン膨張させて過冷状態の液体水
素を生成するジュールトムソン弁（ＪＴ弁）６１と、原
料水素ガスを冷却するための液体窒素溜７１と、ＪＴ弁
６１で生成した気液二層流状態の水素を凝縮し、冷却
し、オルソ−パラ変換を行うための液体水素溜８１とが
設けられるとともに、この水素冷却液化系統２１から分
岐した水素を利用して寒冷を発生させるための設備とし
て、２台の膨張タービン５２，５３と、前記液体水素溜
８１の液体水素を発生させるためのＪＴ弁６２と、膨張
タービン５２，５３及び液体水素溜８１から寒冷源とし
て循環する水素を圧縮して原料水素に合流させるための
直列に接続された低圧用及び高圧用の２台の循環圧縮機
９１，９２とにより構成されている。
【００１１】図示しない圧縮機により臨界圧力以上の所
定の圧力、例えば３０気圧まで圧縮されて原料水素供給
経路１１から供給される原料水素ガスは、循環圧縮機９
１，９２で圧縮された循環水素ガスと合流して水素冷却
液化系統２１に導入され、最初に、第１の熱交換器３１
で、後述の戻り水素及び液体窒素溜７１からの低温窒素
ガスと熱交換を行い、液体窒素温度程度（約８０Ｋ）ま
で冷却される。第１の熱交換器３１を導出した水素ガス
は、ここで循環用の水素ガスが経路２２に分岐し、残り
の水素ガスは、液体窒素溜７１内に設けられた第１のオ
ルソ−パラ変換器４１に導入され、液体窒素温度に応じ
たオルソ−パラ変換が行われる。
【００１２】上記オルソ−パラ変換器４１を導出した水
素ガスは、第２，第３の熱交換器３２，３３に設けたオ
ルソ−パラ変換器４２，４３の通路を通り、戻り水素に
より更に冷却されるとともに、冷却温度に応じて連続オ
ルソ−パラ変換が行われる。
【００１３】第３の熱交換器３３を導出した超臨界圧力
状態の水素ガスは、膨張タービン５１に導入され、ここ
で臨界圧力の約１３気圧付近まで断熱膨張して寒冷を発
生する。膨張後の超臨界状態の水素ガスは、断熱オルソ
−パラ変換器４４で断熱オルソ−パラ変換した後、熱交
換器３４のオルソ−パラ変換器４５の通路で更に冷却さ
れるとともに連続オルソ−パラ変換され、ＪＴ弁６１で
約１．２気圧までジュールトムソン膨張を行い、気液二
層混合状態の水素が生成する。
【００１４】生成した気液二層混合状態の液体水素は、
液体水素溜８１で更に冷却され、液体水素溜８１内に設
けられたオルソ−パラ変換器４６で更にオルソ−パラ変
換した後、液体水素採取経路１２から製品液体水素とし
て取出される。
【００１５】一方、第１の熱交換器３１を導出して経路
２２に分岐した水素ガスは、更にその一部が経路２３に
分岐して膨張タービン５２に導入され、約４気圧まで断
熱膨張して寒冷を発生する。また、第２の熱交換器３２
の出口で更に一部の水素ガスが経路２４に分岐し、膨張
タービン５３に導入されて約４気圧まで断熱膨張し、寒
冷を発生する。膨張タービン５２，５３で寒冷を発生し
た水素ガスは、熱交換器を逆方向に戻って寒冷を原料水
素ガスに与えた後、循環圧縮機９２に吸引されて圧縮さ
れ、原料水素供給経路１１からの原料水素ガスと合流す
る。
【００１６】また、経路２２から熱交換器３２，３３，
３４を経た水素ガスは、ＪＴ弁６２で約１．１気圧まで
ジュールトムソン膨張を行い、気液二層流となって液体
水素溜８１内に流入する。液体水素溜８１内の飽和水素
ガスは、経路２５に導出されて熱交換器３４，３３，３
２，３１を順次戻り、寒冷を原料水素ガスに与えた後、
循環圧縮機９１，９２で圧縮されて循環する。
【００１７】なお、熱交換器３２，３３，３４に設けた
オルソ−パラ変換器４２，４３，４５は、熱交換器通路
内にオルソ−パラ変換触媒を充填したものである。ま
た、液体窒素溜７１には、経路７２から液体窒素が供給
されている。
【００１８】上述のように、水素冷却液化系統２１に、
超臨界圧力状態の水素ガスを超臨界圧力状態に保持した
まま臨界圧力付近まで断熱膨張させる膨張タービン５１
を設けたことにより、原料水素ガスが有する圧力を有効
に利用して寒冷を発生させることができ、原料水素ガス
を冷却するために必要な寒冷量、すなわち、水素冷却液
化系統２１から分岐して膨張タービン５２，５３に向か
う水素ガス及びＪＴ弁６２を経て液体水素溜８１に向か
う水素量を低減することができ、原料水素供給経路１１
から供給される原料水素ガスを効率良く、経済的に液化
することができる。
【００１９】さらに、膨張タービン５１の出口側に断熱
オルソ−パラ変換器４４を設けて断熱オルソ−パラ変換
することにより、後段の熱交換器３４における熱交換を
確実に行うことができる。すなわち、膨張タービン５１
を導出した水素ガスは、膨張タービン５１導入前のパラ
濃度のままであり、このまま後段の熱交換器３４に流入
した場合、パラ濃度が膨張後の温度に対応した平衡パラ
濃度になっていないため、この熱交換器３４での熱交換
に支障を来すことがあるが、膨張タービン５１の出口側
でオルソ−パラ変換を行って平衡パラ濃度とすることに
より、多少の温度上昇はあるものの安定した状態での熱
交換を行うことができる。
【００２０】なお、本明細書においては、膨張機として
近年一般的に使用されている膨張タービンを用いている
が、従来の往復式膨張機を用いることも可能である。ま
た、循環用水素の分岐位置は、上記実施例に限らず、例
えば、第１の熱交換器に導入する前に分岐することもで
きる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水素冷却液化系統に設けた膨張タービンで水素ガスを臨
界圧力付近まで断熱膨張させて寒冷を発生させるので、
水素冷却液化系統に供給される原料水素ガスが有する高
い圧力を寒冷として有効に取出すことができ、効果的に
利用することができる。これにより、プロセスの効率が
向上し、より少ない動力で水素を液化することが可能と
なる。
【００２２】また、断熱膨張後の圧力を臨界圧力以上に
したことにより、不安定な気液二層流となることがな
く、安定した状態の流体となるので、プロセスの設計
上、また、装置の設計，製作上、取扱いが容易であり、
本発明の超臨界タービンを採用することにより、長期間
使用可能な実用装置の製作が可能になる。
【００２３】さらに、膨張タービンの出口で断熱的にオ
ルソ−パラ変換を行うことにより、後段の熱交換器での
熱交換を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１…原料水素供給経路、２１…水素冷却液化系統、３
１，３２，３３，３４…熱交換器、４１，４２，４３，
４４，４５，４６…オルソ−パラ変換器、５１，５２，
５３…膨張タービン、６１，６２…ジュールトムソン弁
（ＪＴ弁）、７１…液体窒素溜、８１…液体水素溜、９
１，９２…循環圧縮機

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 臨界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却
    後、膨張させて液化する液体水素の製造方法であって、
    水素の冷却液化系統に設けた膨張タービンに前記水素ガ
    スを導入して臨界圧力以上の圧力に膨張させて導出し、
    該膨脹タービン導出後の水素ガスを断熱オルソ−パラ変
    換することを特徴とする液体水素の製造方法。
  2. 【請求項２】 臨界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却
    後、膨張させて液化する液体水素の製造装置であって、
    水素の冷却液化系統に、前記水素ガスを臨界圧力以上の
    圧力に膨張させる膨張タービンを設けるとともに、該膨
    張タービンの出口に膨張後の水素ガスを断熱オルソ−パ
    ラ変換するオルソ−パラ変換器を設けたことを特徴とす
    る液体水素の製造装置。
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