JP7132789B2 - 液体水素製造設備 - Google Patents

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Description

本発明は、液体水素製造設備に関する。
従来から、原料としての水素ガスを液化することで液体水素を製造する液体水素製造設備が知られている。このような液体水素製造設備が、例えば、特許文献1で提案されている。
特許文献1の液体水素製造設備は、冷媒としての水素ガスを循環させる冷凍サイクル部と、原料としての水素ガスを冷凍サイクル部により冷却したあと、ジュールトムソン弁で断熱膨張させて液体水素を生成する液体水素生成部と、を備えている。
特開2013-242113号公報
ところで、原料としての水素ガスを生成する過程で生じる二酸化炭素を抑制するために、再生可能エネルギー(例えば、風力及び太陽光など)を利用して前記水素ガスを生成することが求められている。しかし、再生可能エネルギーは、自然状況に左右され不安定であるため、当該再生可能エネルギーを利用して前記水素ガスを生成した場合、液体水素製造設備への前記水素ガスの供給量が変動してしまう。
ところが、前記水素ガスを液化するプロセスは、このような変動に追従することが困難である。そして、特許文献1には、前記水素ガスの供給量が変動する際の対策について記載がない。
そこで、本発明は、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる、液体水素製造設備を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る液体水素製造設備は、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスを一時的に貯えるためのバッファタンクと、前記水素ガスを液化して液体水素を生成する水素液化装置と、前記液体水素を貯えるための液体水素貯蔵器と、前記バッファタンクへの前記水素ガスの供給量が不足した場合に、前記液体水素の一部を気化して生成した水素ガスを前記バッファタンクに供給する水素ガス供給装置と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が不足したとき、その不足を水素ガス供給装置から供給される水素ガスで補うことができる。これにより、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる。
例えば、前記水素ガス供給装置は、前記液体水素を気化して水素ガスを生成する水素気化装置と、前記液体水素貯蔵器から前記水素気化装置に前記液体水素を供給する液体水素供給ラインと、前記液体水素供給ライン上に設けられる調節弁と、を有してもよい。
前記バッファタンクの内圧を検出するための圧力センサと、前記圧力センサで検出される圧力が予め定められた設定圧力以上となるように前記調節弁を制御する制御装置と、をさらに備えてもよい。
上記構成によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が不足してバッファタンクの内圧が低下し得る場合であっても、その不足に追従して前記内圧が設定圧力以上となるように制御することが可能となる。
液体窒素を貯えるための液体窒素貯蔵器と、前記液体窒素貯蔵器から前記水素液化装置に前記液体窒素を供給する液体窒素供給ラインと、前記水素液化装置から前記水素気化装置に窒素ガスを排出する窒素ガス排出ラインと、前記水素気化装置から液体窒素を排出し、前記液体窒素供給ラインに合流される液体窒素排出ラインと、をさらに備え、前記水素液化装置は、前記液体窒素供給ラインから供給される液体窒素の気化熱を利用して、前記バッファタンクから供給される水素ガスを冷却することで、前記水素ガスを液化して液体水素を生成し、且つ、前記水素気化装置は、前記窒素ガス排出ラインから排出される窒素ガスと、前記液体水素供給ラインから供給される液体水素とを熱交換させることで、前記窒素ガスを液化するとともに、前記液体水素を気化して水素ガスを生成してもよい。
上記構成によれば、水素気化装置から排出される液体窒素を水素液化装置で水素ガスを液化するために利用することができるので、極低温状態である液体水素を単純に気化させた場合に生じる比較的大きな冷熱のロスを抑制することが可能となる。
本発明によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる、液体水素製造設備を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る液体水素製造設備の概略構成図である。
以下、本発明の実施形態に係る液体水素製造装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
以下の説明及び図面において、化学式の末尾に(G)が付されている場合、その物質が気体の状態であることを意味する。また、化学式の末尾に(L)が付されている場合、その物質が液体の状態であることを意味する。
(全体構成)
図1に、本実施形態に係る液体水素製造設備10を示す。本実施形態に係る液体水素製造設備10は、再生可能エネルギー(例えば、風力及び太陽光など)を利用して生成された水素ガスH(G)(以下「原料水素ガスH(G)」と称する)を一時的に貯えるためのバッファタンク20と、原料水素ガスH(G)を液化して液体水素H(L)を生成する水素液化装置30と、液体水素H(L)を貯えるための液体水素貯蔵器50と、を備える。また、液体水素製造設備10は、バッファタンク20への原料水素ガスH(G)の供給量が不足した場合に、液体水素H(L)の一部を気化して生成した水素ガスH(G)をバッファタンク20に供給する水素ガス供給装置60をさらに備える。
(バッファタンク20)
バッファタンク20には、その内圧を検出するための圧力センサ66が設けられる。原料水素ガスH(G)は、当該バッファタンク20に一時的に貯えられたあと、第1ガス圧縮機22で圧縮されたうえで、水素液化装置30へと供給される。
(水素液化装置30)
水素液化装置30は、バッファタンク20から供給される原料水素ガスH(G)を液化して液体水素H(L)を生成するために、第1熱交換器32、第2熱交換器34、及びジュールトムソン弁36を有する。
第1熱交換器32は、バッファタンク20から供給される原料水素ガスH(G)と、冷媒としての水素ガスH(G)(以下「冷媒水素ガスH(G)」と称する)とを熱交換させることで、原料水素ガスH(G)を冷却する。また、第1熱交換器32は、液体窒素供給ライン29から供給される液体窒素N(L)の気化熱を利用して、原料水素ガスH(G)をさらに冷却する。
ここで、液体水素製造設備10は、液体窒素N(L)を貯えるための液体窒素貯蔵器24と、液体窒素貯蔵器24から水素液化装置30に液体窒素N(L)を供給する液体窒素供給ライン29と、水素液化装置30から後述する水素気化装置61に窒素ガスN(G)を排出する窒素ガス排出ライン39と、をさらに備える。また、液体水素製造設備10は、水素気化装置61から液体窒素N(L)を排出し、液体窒素供給ライン29に合流される液体窒素排出ライン69をさらに備える。
窒素ガス排出ライン39は、水素液化装置30と後述する水素気化装置61とを接続するように設けられる。当該窒素ガス排出ライン39上には、水素気化装置61に排出する窒素ガスN(G)の流量を調節するために窒素ガス調節弁49が設けられる。また、当該窒素ガス排出ライン39の窒素ガス調節弁49よりも水素液化装置30側には、窒素ガスN(G)を大気中に放出するベントスタック48への分岐点が存する。
第2熱交換器34は、第1熱交換器32で冷却された原料水素ガスH(G)と、冷媒水素ガスH(G)とを熱交換させることで、原料水素ガスH(G)をさらに冷却する。そして、ジュールトムソン弁36は、第2熱交換器34で冷却された原料水素ガスH(G)を膨張させることで、原料水素ガスH(G)を液化して液体水素H(L)を生成する。当該液体水素H(L)は、液体水素貯蔵器50へと供給される。
ここで、水素液化装置30で用いられる冷媒水素ガスH(G)について詳細に説明する。冷媒水素ガスH(G)は、第1熱交換器32で原料水素ガスH(G)を冷却したあと、第2熱交換器34に投入される。第2熱交換器34に投入された冷媒水素ガスH(G)は、水素液化装置30の外部に設けられた膨張タービン40で断熱膨張され冷却されたあと、第2熱交換器34に再び投入されて、第1熱交換器32で冷却された原料水素ガスH(G)をさらに冷却する。
冷媒水素ガスH(G)は、上記のように第1熱交換器32及び第2熱交換器34で原料水素ガスH(G)を冷却したあと、水素液化装置30から排出される。水素液化装置30から排出された冷媒水素ガスH(G)は、第2ガス圧縮機42で圧縮されたうえで、水素液化装置30の外部に設けられた第3熱交換器44に投入される。第3熱交換器44は、前記冷媒水素ガスH(G)と冷媒としての水HO(L)とを熱交換させることで、前記冷媒水素ガスH(G)を冷却する。冷媒水素ガスH(G)は、このように冷却されたあと、第1熱交換器32に再び投入される。
冷媒水素ガスH(G)は、上記のように第1熱交換器32、第2熱交換器34、膨張タービン40及び第3熱交換器44を循環することで、原料水素ガスH(G)を継続して冷却することが可能となる。
なお、第3熱交換器44で用いられた冷媒としての水HO(L)は、クーリングタワー46で冷却されたあと、第3熱交換器44に再び投入される。このように第3熱交換器44及びクーリングタワー46を循環することで、冷媒としての水HO(L)は、水素液化装置30から排出される冷媒水素ガスH(G)を継続して冷却することが可能なとなる。
(液体水素貯蔵器50)
液体水素貯蔵器50は、水素液化装置30で生成された液体水素H(L)を貯える。液体水素H(L)は、約-253°Cという極低温状態である。したがって、液体水素貯蔵器50は、液体水素H(L)が気化することを抑制するために、断熱保冷性能を有する。液体水素貯蔵器50に貯えられた液体水素H(L)は、出荷設備70へと送られる。なお、出荷設備70へと送られた液体水素H(L)は、例えば、船舶及び車両などの搬送体に積み込まれて目的地まで搬送されてもよい。また、液体水素貯蔵器50に貯えられた液体水素H(L)の一部は、水素ガス供給装置60へと送られる。
(水素ガス供給装置60)
水素ガス供給装置60は、液体水素H(L)を気化して水素ガスH(G)を生成する水素気化装置61と、液体水素貯蔵器50から水素気化装置61に液体水素H(L)を供給する液体水素供給ライン62と、液体水素供給ライン62上に設けられる液体水素調節弁63(調節弁)と、を有する。
水素気化装置61は、窒素ガス排出ライン39から排出される窒素ガスN(G)と、液体水素供給ライン62から供給される液体水素H(L)とを熱交換させることで、前記窒素ガスN(G)を液化するとともに、前記液体水素H(L)を気化して水素ガスH(G)を生成する。
液体水素H(L)を気化して生成した水素ガスH(G)をバッファタンク20に供給するためのライン上には、当該水素ガスH(G)の温度を検出するための温度センサ67が設けられる。
(制御装置65)
液体水素製造設備10は、圧力センサ66で検出される圧力(すなわち、バッファタンク20の内圧)が予め定められた設定圧力以上となるように液体水素調節弁63を制御する制御装置65をさらに備える。当該制御装置65は、温度センサ67で検出される温度(すなわち、水素気化装置61からバッファタンク20に供給される水素ガスH(G)の温度)が予め定められた設定温度以上となるように窒素ガス調節弁49を制御する。
具体的には、再生可能エネルギーを利用して生成された原料水素ガスH(G)の供給量が変動していない通常時において、液体水素調節弁63及び窒素ガス調節弁49は閉じられた状態である。そして、前記原料水素ガスH(G)の供給量が不足してバッファタンク20の内圧が低下し得る場合に、制御装置65は、液体水素調節弁63及び窒素ガス調節弁49を開いた状態にする。そのあと、制御装置65は、圧力センサ66で検出される水素ガスH(G)の圧力が上記設定圧力以上となるように液体水素調節弁63の開度を制御し、且つ、温度センサ67で検出される水素ガスH(G)の温度が上記設定温度以上となるように窒素ガス調節弁49の開度を制御する。
(効果)
本実施形態に係る液体水素製造設備10は、再生可能エネルギーを利用して生成された原料水素ガスH(G)の供給量が不足したとき、その不足を水素ガス供給装置60から供給される水素ガスH(G)で補うことができる。これにより、原料水素ガスH(G)の供給量が変動しても水素ガスH(G)を安定的に液化することができる。
また、液体水素調節弁63(調節弁)と、当該液体水素調節弁63を制御する制御装置65とを備えることで、原料水素ガスH(G)の供給量が不足してバッファタンク20の内圧が低下し得る場合であっても、その不足に追従して前記内圧が設定圧力以上となるように制御することが可能となる。
さらに、水素気化装置61から排出される液体窒素N(L)を水素液化装置30で水素ガスH(G)を液化するために利用することができるので、極低温状態である液体水素H(L)を単純に気化させた場合に生じる比較的大きな冷熱のロスを抑制することが可能となる。
なお、従来から、一般に、再生可能エネルギーを利用して例えば水電解などで原料水素ガスH(G)を製造する水素ガス製造設備と、当該水素ガス製造設備で製造された原料水素ガスH(G)を液化する液体水素製造設備との間にバッファタンクを設けることで、前記原料水素ガスH(G)の供給量が変動した場合に、その変動を吸収することが行われていた。しかし、上記従来からあるバッファタンクは、前記原料水素ガスH(G)の供給量が不足した場合に備えて十分な量の前記原料水素ガスH(G)を貯えるために、そのサイズが比較的大きくなってしまうという問題があった。
一方、本実施形態では、水素ガス供給装置60からバッファタンク20に必要に応じて水素ガスH(G)が供給されるので、バッファタンク20に一時的に貯える原料水素ガスH(G)を従来と比較して少なくすることができる。これにより、本実施形態のバッファタンク20は、そのサイズを従来のバッファタンクと比較して小さくすることが可能となる。
(変形例)
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
上記実施形態では、水素液化装置30は、液体窒素N(L)の気化熱、及び冷媒水素ガスH(G)の冷熱を利用し、且つ、ジュールトムソン弁36を用いて、原料水素ガスH(G)を液化する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、水素液化装置30は、液体窒素N(L)の気化熱、若しくは冷媒水素ガスH(G)の冷熱のいずれか一方のみを利用して原料水素ガスH(G)を液化してもよいし、又は、その他の手法で原料水素ガスH(G)を液化してもよい。
上記実施形態では、水素ガス供給装置60は、水素気化装置61で液体水素H(L)を気化して水素ガスH(G)を生成し、当該水素ガスH(G)をバッファタンク20に供給する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、水素ガス供給装置60は、液体水素貯蔵器50内で生じるボイルオフガス(すなわち、水素ガスH(G))をバッファタンク20に供給する供給ラインを有する構造であってもよいし、又は、その他の構造であってもよい。
10 液体水素製造設備
20 バッファタンク
22 第1ガス圧縮機
24 液体窒素貯蔵器
29 液体窒素供給ライン
30 水素液化装置
32 第1熱交換器
34 第2熱交換器
36 ジュールトムソン弁
39 窒素ガス排出ライン
40 膨張タービン
42 第2ガス圧縮機
44 第3熱交換器
46 クーリングタワー
48 ベントスタック
49 窒素ガス調節弁
50 液体水素貯蔵器
60 水素ガス供給装置
61 水素気化装置
62 液体水素供給ライン
63 液体水素調節弁
65 制御装置
66 圧力センサ
67 温度センサ
69 液体窒素排出ライン
70 出荷設備

Claims (4)

  1. 再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスを一時的に貯えるためのバッファタンクと、
    前記水素ガスを液化して液体水素を生成する水素液化装置と、
    前記液体水素を貯えるための液体水素貯蔵器と、
    前記バッファタンクへの前記水素ガスの供給量が不足した場合に、前記液体水素の一部を気化して生成した水素ガスを前記バッファタンクに供給する水素ガス供給装置と、
    を備えることを特徴とする、液体水素製造設備。
  2. 前記水素ガス供給装置は、
    前記液体水素を気化して水素ガスを生成する水素気化装置と、
    前記液体水素貯蔵器から前記水素気化装置に前記液体水素を供給する液体水素供給ラインと、
    前記液体水素供給ライン上に設けられる調節弁と、
    を有する、請求項1に記載の液体水素製造設備。
  3. 前記バッファタンクの内圧を検出するための圧力センサと、
    前記圧力センサで検出される圧力が予め定められた設定圧力以上となるように前記調節弁を制御する制御装置と、
    をさらに備える、請求項2に記載の液体水素製造設備。
  4. 液体窒素を貯えるための液体窒素貯蔵器と、
    前記液体窒素貯蔵器から前記水素液化装置に前記液体窒素を供給する液体窒素供給ラインと、
    前記水素液化装置から前記水素気化装置に窒素ガスを排出する窒素ガス排出ラインと、
    前記水素気化装置から液体窒素を排出し、前記液体窒素供給ラインに合流される液体窒素排出ラインと、
    をさらに備え、
    前記水素液化装置は、前記液体窒素供給ラインから供給される液体窒素の気化熱を利用して、前記バッファタンクから供給される水素ガスを冷却することで、前記水素ガスを液化して液体水素を生成し、且つ、
    前記水素気化装置は、前記窒素ガス排出ラインから排出される窒素ガスと、前記液体水素供給ラインから供給される液体水素とを熱交換させることで、前記窒素ガスを液化するとともに、前記液体水素を気化して水素ガスを生成する、請求項2又は3に記載の液体水素製造設備。
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