WO2016047109A1 - 水素燃料供給システム - Google Patents

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WO2016047109A1
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田中　秀明
稔 中安
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川崎重工業株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen fuel supply system that supplies liquid hydrogen stored in a tank or the like to a use point as hydrogen gas.
  • liquid hydrogen is a liquid at extremely low temperature (approximately -259 to -253 ° C at standard pressure).
  • a pump capable of pumping such a cryogenic liquid which has a stable and continuous operation and can be introduced into general facilities, is still under development. Therefore, as a method of pressurizing liquid hydrogen without using a liquid hydrogen pump, a method of self-pressurizing liquid hydrogen in the tank by evaporating the liquid hydrogen taken out from the tank and returning it to the tank has been proposed.
  • Patent Document 1 includes a tank that stores liquid hydrogen, a heat exchanger that heats the liquid hydrogen taken out of the tank, and an evaporator that vaporizes the heat of the liquid hydrogen to be heated with air,
  • a hydrogen gas supply facility for supplying hydrogen gas to a use point is shown. In order to pressurize the liquid hydrogen in the tank, this hydrogen gas supply facility vaporizes the liquid hydrogen taken out of the tank with an evaporator, cools the vaporized hydrogen gas with a heat exchanger, and then supplies it as a pressurized gas to the tank.
  • a pressure line configured to return.
  • the pressure increase rate in the tank is determined by the vaporization ability of the evaporator (vaporizer).
  • the hydrogen gas for pressurizing the inside of the tank is vaporized by heat exchange of the liquid hydrogen taken out from the tank with the liquid hydrogen sent to the use point. At the start of supply, it takes a relatively long time for the inside of the tank to rise to a desired pressure.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a liquid fuel without using a liquid hydrogen pump in a hydrogen fuel supply system that supplies liquid hydrogen stored in a tank to a use point as hydrogen gas.
  • the purpose is to quickly increase the pressure in the hydrogen tank.
  • a hydrogen fuel supply system includes a tank that stores liquefied hydrogen, a supply line that takes out and vaporizes the liquefied hydrogen in the tank, and supplies the liquefied hydrogen in the tank to a use point. And a pressurizing line for compressing and pressurizing the gas and sending the pressurized hydrogen gas to the gas phase portion in the tank.
  • the hydrogen fuel supply system since the hydrogen gas pressurized to pressurize the liquid hydrogen in the tank is supplied into the tank, the pressure in the tank can be quickly increased without using the liquid hydrogen pump. .
  • the pressurization line includes a vaporizer that vaporizes the liquefied hydrogen taken out from the tank, a compressor that pressurizes the vaporized hydrogen gas, and heat exchange that cools the pressurized hydrogen gas. It may have a vessel. According to this configuration, since the cooled and pressurized hydrogen gas is sent to the gas phase portion in the tank, the inside of the tank can be pressurized while suppressing the evaporation of liquid hydrogen in the tank.
  • the heat exchanger may be configured to exchange heat between the pressurized hydrogen gas and liquefied hydrogen passing through the supply line. According to this configuration, energy for vaporizing liquefied hydrogen through the supply line can be obtained from the pressurized hydrogen gas, so that the energy of the system can be used effectively.
  • the hydrogen fuel supply system includes a flow meter for detecting a flow rate of hydrogen gas vaporized in the supply line, and the vaporizer is liquid so that a flow rate of the hydrogen gas detected by the flow meter becomes a predetermined flow rate.
  • a control device that adjusts the amount of heat given to hydrogen may be further provided. According to this configuration, in order to obtain a desired hydrogen gas supply amount in the supply line, the vaporization amount of liquid hydrogen can be adjusted in the pressurization line. Further, it is possible to quickly increase the pressure in the tank to a desired pressure.
  • the pressurization line may include a compressor that pressurizes the boil-off gas of liquefied hydrogen taken out from the tank.
  • the tank can be pressurized while suppressing the evaporation of liquid hydrogen in the tank.
  • the pressurization line temporarily stores a boil-off gas boosted by the compressor, and a flow rate control for adjusting a flow rate of the boil-off gas sent from the buffer tank into the tank. And a valve.
  • the pressure in the tank can be controlled by adjusting the amount of the boosted boil-off gas sent to the tank.
  • the pressurization line may further include a heat exchanger for exchanging heat between the boil-off gas pressurized by the compressor and liquefied hydrogen passing through the supply line. According to this configuration, the boil-off gas that has been cooled and pressurized can be sent to the tank.
  • the hydrogen fuel supply system may further include a pre-pressurization line that vaporizes liquid hydrogen taken out from the tank and sends it to the gas phase section in the tank.
  • the preliminary pressurization line may include a heat exchanger for exchanging heat between the boil-off gas pressurized by the compressor in the pressurization line and the liquid hydrogen in the preliminary pressurization line.
  • the use point may be, for example, a combustor of a gas turbine engine.
  • a hydrogen fuel supply system that supplies liquid hydrogen stored in a tank as hydrogen gas to a use point
  • hydrogen gas that has been pressurized to pressurize liquid hydrogen in the tank is supplied into the tank. Therefore, the pressure in the tank can be quickly raised without using the liquid hydrogen pump.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system according to Modification 1 of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system according to Modification 2 of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the hydrogen fuel supply system according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system according to a modification of the third embodiment of the present invention.
  • the hydrogen fuel supply system supplies liquid hydrogen stored in a tank to a use point in the form of hydrogen gas.
  • the use point is, for example, a combustor of a hydrogen gas turbine engine that uses hydrogen or a hydrogen-containing gas as a fuel.
  • a hydrogen fuel supply system 1 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a tank 2 that stores liquid hydrogen as a fuel, a supply line 4 that supplies fuel from the tank 2 to a use point 3, and a tank 2.
  • the liquid hydrogen taken out from the tank 2 is vaporized and returned to the tank 2 to pressurize the inside of the tank 2, and the liquid hydrogen (BOG: boil-off gas) naturally vaporized in the tank 2 is discharged from the tank 2.
  • a control device 9 that controls the operation of the hydrogen fuel supply system 1.
  • the supply line 4 includes a heat exchanger 40, a pipe 41 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the heat exchanger 40, a buffer tank 43, an outlet of the heat exchanger 40, and an inlet of the buffer tank 43.
  • a pipe 42 to be connected and a pipe 44 to connect the outlet of the buffer tank 43 and the use point 3 are provided.
  • the heat exchanger 40 evaporates liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 by exchanging heat between liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 and liquid hydrogen compressed by a compressor 59 described later. is there.
  • the buffer tank 43 is provided to alleviate the pressure fluctuation of the hydrogen gas supplied to the use point 3, and the buffer tank 43 is provided with a safety valve 65 for releasing the hydrogen gas.
  • the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 through the pipe 41 is vaporized by the heat exchanger 40, and the vaporized liquid hydrogen (that is, hydrogen gas) is sent to the buffer tank 43 through the pipe 42.
  • the hydrogen gas temporarily stored in the buffer tank 43 is supplied to the use point 3 through the pipe 44.
  • the BOG pressurization line 7 is provided with a pipe 61 that connects the upper part of the tank 2 and the inlet of the buffer tank 43, and a flow rate control valve 62 provided in the pipe 61.
  • the “upper part of the tank 2” refers to a gas phase part in the tank 2.
  • BOG that is, hydrogen gas
  • This BOG is sent to the buffer tank 43 through the pipe 61 when the flow control valve 62 is opened.
  • the BOG temporarily stored in the buffer tank 43 is supplied to the use point 3 together with the hydrogen gas sent to the buffer tank 43 through the supply line 4.
  • the BOG line 6 functions as a pressure release line for the tank 2.
  • the pressurization line 5 is connected to the vaporizer 50, the pipe 51 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the vaporizer 50, the compressor 59, the outlet of the vaporizer 50 and the inlet of the compressor 59.
  • a pipe 54 to be connected is provided.
  • the compressor 59 is capable of compressing hydrogen gas at an extremely low temperature.
  • the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 through the pipe 51 is vaporized by the vaporizer 50, and the vaporized liquid hydrogen (that is, hydrogen gas) is sent to the compressor 59 through the pipe 52.
  • the hydrogen gas pressurized by the compressor 59 is sent to the heat exchanger 40 through the pipe 53, the pressurized hydrogen gas is cooled by the heat exchanger 40, and the cooled and pressurized hydrogen gas is tanked through the pipe 54. 2 is sent to the top.
  • the liquid hydrogen in the tank 2 is pressurized by the cooled and pressurized hydrogen gas returned to the tank 2.
  • the pressurized hydrogen gas is supplied into the tank 2 in order to pressurize the liquid hydrogen in the tank 2, the inside of the tank 2 can be quickly pressurized without using the liquid hydrogen pump. Moreover, since the energy for vaporizing the liquefied hydrogen sent through the supply line 4 can be obtained from the pressurized hydrogen gas, the energy of the system can be used effectively.
  • the hydrogen gas obtained by vaporizing cryogenic liquid hydrogen in the vaporizer 50 is also at a very low temperature (for example, approximately -253 to -240 ° C. at a normal state pressure).
  • the cryogenic hydrogen gas is compressed by the compressor 59 and the temperature rises somewhat, but is cooled by the heat exchanger 40 and then returned to the tank 2. Since the hydrogen gas thus cooled and pressurized is returned to the tank 2, heat input to the tank 2 can be suppressed. As a result, the amount of BOG generated can be suppressed.
  • the temperature of the hydrogen gas vaporized by the vaporizer 50 is not limited to an extremely low temperature, and the hydrogen gas may be heated by the vaporizer 50 to a temperature corresponding to the allowable temperature range of the compressor 59.
  • the vaporizer 50 is preferably a forced vaporizer provided with a means for controlling the amount of heat given to liquid hydrogen.
  • a forced vaporizer for example, a hot water vaporizer, a cold water vaporizer, or a forced draft vaporizer may be used.
  • a flow meter 49 is provided in the pipe 42 through which hydrogen gas heated and vaporized by the heat exchanger 40 passes, and the flow rate of the hydrogen gas detected by the flow meter 49 is output to the control device 9. .
  • a pressure gauge 91 is provided in the tank 2, and the pressure in the tank 2 detected by the pressure gauge 91 is output to the control device 9.
  • the control device 9 determines that the vaporizer 50 is liquid so that the flow rate of the hydrogen gas in the supply line 4 becomes a predetermined flow rate based on at least one of the detected flow rate of hydrogen gas and the pressure in the tank 2. Adjust the amount of heat given to hydrogen. According to this configuration, in order to obtain a desired hydrogen gas supply amount in the supply line 4, the vaporization amount of liquid hydrogen can be adjusted in the pressurization line 5. Further, as compared with a case where a natural evaporation type vaporizer is employed, the inside of the tank 2 can be quickly increased to a desired pressure, and the inside of the tank 2 can be maintained at a predetermined pressure (for example, 2 MPa). It becomes easy.
  • a predetermined pressure for example, 2 MPa
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system 1A according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a hydrogen fuel supply system 1A ′ according to Modification 1 of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system 1A ′ ′ according to Modification 2 of the second embodiment of the present invention.
  • a hydrogen fuel supply system 1A shown in FIG. 2 includes a tank 2 that stores liquid hydrogen as a fuel, a supply line 4 that supplies fuel from the tank 2 to a use point 3, and liquid hydrogen (vaporized naturally in the tank 2).
  • BOG blow-off gas
  • the liquid hydrogen taken out from the tank 2 is vaporized and returned to the tank 2 to return to the tank 2.
  • a control device 9 that controls the operation of the hydrogen fuel supply system 1A.
  • the supply line 4 is provided with a vaporizer 48, a pipe 41 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the vaporizer 48, and a pipe 42 connecting the outlet of the vaporizer 48 and the use point 3. .
  • the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 through the pipe 41 is vaporized by the vaporizer 48, and the vaporized liquid hydrogen is supplied to the use point 3 through the pipe 42.
  • the BOG pressurization line 7 includes a compressor 72, a pipe 71 connecting the upper portion of the tank 2 and the inlet of the compressor 72, a throttle 70 provided in the pipe 71, a buffer tank 74, and a compressor 72.
  • the buffer tank 74 is provided for adjusting the amount of BOG returned to the tank 2, and the buffer tank 74 is provided with a safety valve 67 for releasing BOG.
  • BOG that is, hydrogen gas
  • BOG that is, hydrogen gas
  • the BOG boosted by being compressed by the compressor 72 is sent to the buffer tank 74 through the pipe 73 and is temporarily stored therein.
  • the flow control valve 76 is opened, the boosted BOG stored in the buffer tank 74 is supplied to the upper part of the tank 2 through the pipe 75, and the liquid hydrogen in the tank 2 is pressurized by the boosted BOG. Is done.
  • the control device 9 increases the pressure returned to the tank 2 based on the detected value of the pressure gauge 91 so that the pressure in the tank 2 detected by the pressure gauge 91 provided in the tank 2 becomes a predetermined pressure.
  • the opening degree of the flow control valve 76 is controlled so as to adjust the flow rate of the BOG. In this way, the pressure in the tank 2 can be controlled by adjusting the flow rate of the boosted BOG sent to the tank 2.
  • BOG accumulated in the upper part of the tank 2 is cryogenic hydrogen gas. Therefore, since the ultra-low temperature boosted BOG (hydrogen gas) is returned to the tank 2 as described above, heat input to the tank 2 can be suppressed. As a result, the inside of the tank 2 can be pressurized while suppressing the evaporation of liquid hydrogen in the tank 2. In addition, since the BOG boosted by the compressor 72 is sent into the tank 2, the inside of the liquid hydrogen tank can be quickly pressurized without using the liquid hydrogen pump.
  • the BOG pressurized by the compressor 72 in the BOG pressure line 7 may be cooled and sent to the tank 2.
  • a heat exchanger 40 is provided for exchanging heat between the liquid hydrogen taken out from the tank 2 in the supply line 4 and the BOG pressurized by the compressor 72 in the BOG pressurization line 7. Can do.
  • the liquid hydrogen taken out from the tank 2 in the supply line 4 is vaporized, and the BOG pressurized by the compressor 72 in the BOG pressurization line 7 is cooled.
  • the cooled and pressurized BOG is sent into the tank 2, and the evaporation of liquid hydrogen in the tank 2 can be suppressed.
  • the energy for vaporizing the liquid hydrogen taken out from the tank 2 can be obtained from the BOG boosted by the compressor 72, the energy can be used effectively.
  • the pre-pressurization line 8 includes a vaporizer 84, a pipe 81 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the vaporizer 84, a flow control valve 82 provided in the pipe 81, and an outlet of the vaporizer 84.
  • a pipe 83 that connects the upper part of the tank 2 is provided.
  • the flow control valve 82 is opened when the compressor 72 fails or when the pressure in the tank 2 is insufficient only by supplying BOG from the BOG pressurization line 7. The When the flow control valve 82 is opened, the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 is vaporized by the vaporizer 84 and the vaporized liquid hydrogen (hydrogen gas) is supplied to the upper part of the tank 2.
  • the pipe 83 connected to the outlet of the vaporizer 84 is connected to the upper part of the tank 2, but as shown in FIG. 4, the outlet of the vaporizer 84 and the buffer are connected by the pipe 83.
  • the inlet of the tank 74 may be connected.
  • the hydrogen gas vaporized by the vaporizer 84 is temporarily stored in the buffer tank 74 and supplied to the upper part of the tank 2 together with the BOG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system 1B according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of a hydrogen fuel supply system 1B ′ according to a modification of the third embodiment of the present invention.
  • a hydrogen fuel supply system 1B shown in FIG. 5 includes a tank 2 that stores liquid hydrogen as a fuel, a supply line 4 that supplies fuel from the tank 2 to a use point 3, and liquid hydrogen (vaporized naturally in the tank 2). BOG) is taken out from the tank 2 and returned to the tank 2 to pressurize the inside of the tank 2, and the liquid hydrogen taken out from the tank 2 is vaporized and returned to the tank 2 to pressurize the inside of the tank 2.
  • a pre-pressurization line 8 and a control device 9 for controlling the operation of the hydrogen fuel supply system 1B are provided.
  • the supply line 4 is provided with a vaporizer 48, a pipe 41 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the vaporizer 48, and a pipe 42 connecting the outlet of the vaporizer 48 and the use point 3. .
  • the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 through the pipe 41 is vaporized by the vaporizer 48, and the vaporized liquid hydrogen is supplied to the use point 3 through the pipe 42.
  • the BOG pressurization line 7 includes a compressor 72, a pipe 71 connecting the upper portion of the tank 2 and the inlet of the compressor 72, a throttle 70 provided in the pipe 71, a heat exchanger 77, and heat exchange.
  • a pipe 75 connecting the outlet of the vessel 77 and the upper part of the tank 2 is provided.
  • the heat exchanger 77 is for exchanging heat between liquid hydrogen and BOG in a pre-pressurization line 8 to be described later. In this heat exchanger 77, the liquid hydrogen in the preliminary pressurization line 8 is heated and vaporized, and the BOG in the BOG pressurization line 7 is cooled.
  • BOG that is, hydrogen gas
  • BOG that is, hydrogen gas
  • the BOG boosted by being compressed by the compressor 72 is sent to the heat exchanger 77 through the pipe 73 and cooled.
  • the cooled and pressurized BOG is supplied to the upper portion of the tank 2 through the pipe 75, and the liquid hydrogen in the tank 2 is pressurized by the pressurized BOG.
  • the control device 9 increases the pressure returned to the tank 2 based on the detected value of the pressure gauge 91 so that the pressure in the tank 2 detected by the pressure gauge 91 provided in the tank 2 becomes a predetermined pressure.
  • the rotational speed of the compressor 72 is controlled so as to adjust the flow rate of the BOG.
  • BOG accumulated in the upper part of the tank 2 is cryogenic hydrogen gas. Therefore, since the ultra-low temperature boosted BOG (hydrogen gas) is returned to the tank 2 as described above, heat input to the tank 2 can be suppressed. As a result, the inside of the tank 2 can be pressurized while suppressing the evaporation of liquid hydrogen in the tank 2. In addition, since the BOG boosted by the compressor 72 is sent into the tank 2, the inside of the liquid hydrogen tank can be quickly pressurized without using the liquid hydrogen pump.
  • a heater 79 is provided in a pipe 71 that connects the upper part of the tank 2 and the inlet of the compressor 72 as shown in FIG.
  • the BOG before being sent to the compressor 72 by the heater 79 may be heated up to the rated temperature range of the compressor 72.
  • a buffer tank and a flow control valve for storing the cooled and compressed BOG may be provided in the pipe 75.
  • a heat exchanger 77 In the preliminary pressurization line 8, a heat exchanger 77, a pipe 81 connecting the bottom of the tank 2 and the inlet of the heat exchanger 77, a flow control valve 82 provided in this pipe, and a heat exchanger 77 A pipe 83 that connects the outlet and the upper part of the tank 2 is provided.
  • the flow control valve 82 In the pre-pressurization line 8 configured as described above, the flow control valve 82 is opened, for example, at the start of fuel supply.
  • the flow control valve 82 When the flow control valve 82 is opened, the liquid hydrogen taken out from the bottom of the tank 2 is heated and vaporized by the heat exchanger 77, and the vaporized liquid hydrogen (hydrogen gas) is supplied to the upper part of the tank 2.
  • the hydrogen gas is sent into the tank 2 through both the pre-pressurization line 8 and the BOG pressurization line 7 to quickly increase the pressure in the tank 2 to a desired pressure. Can do.

Abstract

水素燃料供給システム１は、液化水素を貯えたタンク２と、タンク２内の液化水素を取り出して気化し、ユースポイント３へ供給する供給ライン４と、タンク２内の液化水素が気化された水素ガスを圧縮機５９で圧縮して昇圧し、昇圧された水素ガスをタンク２内の気相部へ送る加圧ライン５とを備える。

Description

水素燃料供給システム
　本発明は、タンク等に貯蔵されている液体水素を水素ガスとしてユースポイントへ供給する水素燃料供給システムに関する。
　近年、内燃機関の燃料として水素ガスを利用することが検討されている。例えば、内燃機関の一つであるガスタービンエンジンでは、従来の主要燃料であるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）に加えて又は代えて、石油をはじめとして化学や鉄鋼等の業界でそれぞれの生産工程で副次的に発生する水素（副生水素）を利用することが検討されている。
　上記のように水素が燃料として使用される場合、例えば、ガスタービンエンジンにおいては水素が２ＭＰａ程度の高圧気体の状態でユースポイントへ供給される。タンクに貯蔵されている液体水素を高圧気体としてユースポイントへ供給するために、液体水素を一度気化してから所定の圧力へ昇圧する方法と、液体水素を液体のまま昇圧してから気化する方法とがある。これら２つの方法のうち、後者の方が消費エネルギーを削減できる点で優位である。
　しかしながら、液体水素の標準沸点はおよそ-253℃であり、標準融点はおよそ-259℃であることから、液体水素は極低温（標準状態圧力でおよそ-259～-253℃）の液体である。このような極低温の液体を圧送できるポンプであって、安定的に連続動作し且つ一般設備に導入可能な価格のものは、未だ開発途上である。そこで、液体水素ポンプを使用せずに液体水素を加圧する方法として、タンクから取り出した液体水素を気化してタンクへ戻すことによりタンク内の液体水素を自己加圧する方法が提案されている。
　例えば、特許文献１には、液体水素を貯えたタンクと、タンクから取り出した液体水素を加熱する熱交換器と、加熱する液体水素を空気と熱交換させることにより気化する蒸発器とを備え、水素ガスをユースポイントへ供給する水素ガス供給設備が示されている。この水素ガス供給設備は、タンク内の液体水素を加圧するために、タンクから取り出した液体水素を蒸発器で気化し、気化した水素ガスを熱交換器で冷却してから加圧ガスとしてタンクへ戻すように構成された加圧ラインを備えている。
特開２００９－１２７８１３号公報
　特許文献１の構成によれば、タンク内の圧力上昇速度は蒸発器（気化器）の気化能力に律される。ところが、特許文献１においては、タンク内を加圧するための水素ガスは、タンクから取り出した液体水素をユースポイントへ送られる液体水素と熱交換することにより気化させたものであるため、特に、燃料供給開始時にはタンク内が所望の圧力に上昇するまでに比較的時間がかかる。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、タンクに貯蔵されている液体水素を水素ガスとしてユースポイントへ供給する水素燃料供給システムにおいて、液体水素ポンプを使わずに液体水素タンク内を速やかに昇圧することにある。
　本発明に係る水素燃料供給システムは、液化水素を貯えたタンクと、前記タンク内の液化水素を取り出して気化し、ユースポイントへ供給する供給ラインと、前記タンク内の液化水素が気化された水素ガスを圧縮して昇圧し、昇圧された水素ガスを前記タンク内の気相部へ送る加圧ラインとを備えたことを特徴としている。
　上記水素燃料供給システムによれば、タンク内の液体水素を加圧するために昇圧された水素ガスがタンク内へ供給されるので、液体水素ポンプを使わずにタンク内を速やかに昇圧させることができる。
　上記水素燃料供給システムにおいて、前記加圧ラインが、前記タンクから取り出された液化水素を気化する気化器と、気化された水素ガスを昇圧する圧縮機と、昇圧された水素ガスを冷却する熱交換器とを有するものであってよい。この構成によれば、冷却及び昇圧された水素ガスがタンク内の気相部へ送られるので、タンク内での液体水素の蒸発を抑えつつタンク内を加圧することができる。
　上記水素燃料供給システムにおいて、前記熱交換器が、昇圧された水素ガスと前記供給ラインを通じる液化水素とを熱交換させるように構成されていてよい。この構成によれば、供給ラインを通じる液化水素を気化させるためのエネルギーを昇圧された水素ガスから得ることができるので、システムのエネルギーを有効に利用することができる。
　上記水素燃料供給システムが、前記供給ラインにおいて気化された水素ガスの流量を検出する流量計と、前記流量計で検出された水素ガスの流量が所定の流量となるように、前記気化器が液体水素へ与える熱量を調整する制御装置とを、更に備えていてよい。この構成によれば、供給ラインにおいて所望の水素ガス供給量を得るために、加圧ラインで液体水素の気化量を調整することが可能となる。また、タンク内を所望の圧力まで速やかに昇圧させることが可能となる。
　また、上記水素燃料供給システムにおいて、前記加圧ラインが、前記タンクから取り出された液化水素のボイルオフガスを昇圧する圧縮機を有するものであってよい。この構成によれば、タンク内で自然蒸発した極低温の水素ガス（ボイルオフガス）を昇圧してタンク内へ戻すので、タンク内での液体水素の蒸発を抑えつつタンク内を加圧することができる。
　上記水素燃料供給システムにおいて、前記加圧ラインが、前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスを一時的に蓄えるバッファタンクと、前記バッファタンクから前記タンク内へ送られるボイルオフガスの流量を調整する流量制御弁とを、更に有していてよい。この構成によれば、タンクへ送られる昇圧されたボイルオフガスの量を調整することにより、タンク内の圧力を制御することができる。
　上記水素燃料供給システムにおいて、前記加圧ラインが、前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスと前記供給ラインを通じる液化水素とを熱交換させる熱交換器を更に有していてよい。この構成によれば、冷却且つ昇圧されたボイルオフガスをタンクへ送ることができる。
　上記水素燃料供給システムが、前記タンク内から取り出された液体水素を気化して前記タンク内の前記気相部へ送る予備加圧ラインを更に備えていてよい。この場合、前記予備加圧ラインが、前記加圧ラインにおいて前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスと前記予備加圧ラインの液体水素と熱交換させる熱交換器を有していてもよい。この構成によれば、圧縮機が故障した場合や、加圧ラインからのボイルオフガスの供給だけではタンク内の圧力が不足する場合、タンク内を速やかに昇圧したい場合などに、予備加圧ラインによってタンク内を加圧することができる。
　上記水素燃料供給システムにおいて、前記ユースポイントは、例えば、ガスタービンエンジンの燃焼器であってよい。
　本発明によれば、タンクに貯蔵されている液体水素を水素ガスとしてユースポイントへ供給する水素燃料供給システムにおいて、タンク内の液体水素を加圧するために昇圧された水素ガスがタンク内へ供給されるので、液体水素ポンプを使わずにタンク内を速やかに昇圧させることができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第２実施形態の変形例１に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の第２実施形態の変形例２に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第３実施形態の変形例に係る水素燃料供給システムの概略構成を示すブロック図である。
　本発明に係る水素燃料供給システムは、タンクに貯蔵されている液体水素を、水素ガスの状態にしてユースポイントへ供給するものである。ユースポイントは、例えば、水素又は水素含有ガスを燃料として使用する水素ガスタービンエンジンの燃焼器である。以下、図面を参照して本発明の第１～３実施形態を説明する。
［第１実施形態］
　図１に示す本発明の第１実施形態に係る水素燃料供給システム１は、燃料である液体水素を貯えたタンク２と、タンク２からユースポイント３へ燃料を供給する供給ライン４と、タンク２から取り出した液体水素を気化してタンク２へ戻すことによりタンク２内を加圧する加圧ライン５と、タンク２内で自然気化した液体水素（ＢＯＧ：ボイルオフガス）をタンク２から排出するＢＯＧライン６と、水素燃料供給システム１の動作を司る制御装置９とを備えている。
　供給ライン４には、熱交換器４０と、タンク２の底部と熱交換器４０の入口とを接続する配管４１と、バッファタンク４３と、熱交換器４０の出口とバッファタンク４３の入口とを接続する配管４２と、バッファタンク４３の出口とユースポイント３とを接続する配管４４とが設けられている。熱交換器４０は、タンク２の底部から取り出した液体水素と、後述する圧縮機５９で圧縮された液体水素とを熱交換させることにより、タンク２の底部から取り出した液体水素を気化させるものである。バッファタンク４３はユースポイント３へ供給される水素ガスの圧力変動を緩和するために設けられたものであり、バッファタンク４３には水素ガスを逃がすための安全弁６５が設けられている。
　上記構成の供給ライン４では、タンク２の底部から配管４１を通じて取り出された液体水素が熱交換器４０で気化され、気化した液体水素（即ち、水素ガス）が配管４２を通じてバッファタンク４３へ送られ、バッファタンク４３で一時的に蓄えられた水素ガスが配管４４を通じてユースポイント３へ供給される。
　ＢＯＧ加圧ライン７には、タンク２の上部とバッファタンク４３の入口とを接続する配管６１と、この配管６１に設けられた流量制御弁６２とが設けられている。ここで、「タンク２の上部」とは、タンク２内のうち気相部を言う。
　タンク２内の上部には外部からの自然入熱などにより液化水素が気化して成るＢＯＧ（即ち、水素ガス）が溜まっている。このＢＯＧは、流量制御弁６２が開放されると配管６１を通じてバッファタンク４３へ送られる。バッファタンク４３で一時的に蓄えられたＢＯＧは、供給ライン４を通じてバッファタンク４３へ送られてきた水素ガスとともに、ユースポイント３へ供給される。このように、ＢＯＧライン６は、タンク２の圧抜きラインとして機能する。
　加圧ライン５には、気化器５０と、タンク２の底部と気化器５０の入口とを接続する配管５１と、圧縮機５９と、気化器５０の出口と圧縮機５９の入口とを接続する配管５２と、熱交換器４０と、圧縮機５９の出口と熱交換器４０の入口とを接続する配管５３と、熱交換器４０の出口とタンク２の上部（即ち、気相部）とを接続する配管５４とが設けられている。望ましくは、圧縮機５９は水素ガスを極低温のまま圧縮できるものが用いられる。
　上記構成の加圧ライン５では、タンク２の底部から配管５１を通じて取り出された液体水素が気化器５０で気化され、気化した液体水素（即ち、水素ガス）が配管５２を通じて圧縮機５９へ送られ、圧縮機５９で圧縮により昇圧された水素ガスが配管５３を通じて熱交換器４０へ送られ、昇圧された水素ガスが熱交換器４０で冷却され、冷却及び昇圧された水素ガスが配管５４を通じてタンク２の上部へ送られる。このようにタンク２へ戻された冷却及び昇圧された水素ガスにより、タンク２内の液体水素が加圧される。
　上記のように、タンク２内の液体水素を加圧するために、昇圧された水素ガスがタンク２内へ供給されるので、液体水素ポンプを使わずにタンク２内を速やかに昇圧させることができる。また、供給ライン４を通じて送られる液化水素を気化させるためのエネルギーを、昇圧された水素ガスから得ることができるので、システムのエネルギーを有効に利用することができる。
　極低温の液体水素が気化器５０で気化されて成る水素ガスもまた極低温（例えば、標準状態圧力でおよそ-253～-240℃）である。この極低温の水素ガスは圧縮機５９で圧縮されて温度が多少上昇するが、熱交換器４０で冷却されてからタンク２内へ戻される。このように冷却及び昇圧された水素ガスがタンク２へ戻されるので、タンク２への入熱を抑えることができる。その結果、ＢＯＧの発生量を抑えることができる。但し、気化器５０で気化された水素ガスの温度は極低温に限定されず、圧縮機５９の許容温度範囲に応じた温度まで水素ガスが気化器５０で加熱されてもよい。
　上記構成の加圧ライン５において、気化器５０は液体水素へ与える熱量を制御する手段を備えた強制気化器であることが望ましい。このような強制気化器として、例えば、温水式気化器、冷水式気化器、又は、強制通風式気化器などが用いられてよい。上記の場合、熱交換器４０で加熱されて気化した水素ガスが通る配管４２には流量計４９が設けられており、流量計４９で検出された水素ガスの流量は制御装置９へ出力される。また、タンク２に圧力計９１が設けられており、圧力計９１で検出されたタンク２内の圧力が制御装置９へ出力される。そして、制御装置９は、検出された水素ガスの流量とタンク２内の圧力との少なくとも一方に基づいて、供給ライン４の水素ガスの流量が所定の流量となるように、気化器５０が液体水素へ与える熱量を調整する。この構成によれば、供給ライン４において所望の水素ガス供給量を得るために、加圧ライン５で液体水素の気化量を調整することが可能となる。また、自然蒸発式の気化器を採用する場合と比較して、タンク２内を所望の圧力まで速やかに昇圧させることが可能となり、タンク２内を所定圧力（例えば、２ＭＰａ）に維持することが容易となる。
［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態に係る水素燃料供給システム１Ａを説明する。図２は本発明の第２実施形態に係る水素燃料供給システム１Ａの概略構成を示すブロック図であり、図３は本発明の第２実施形態の変形例１に係る水素燃料供給システム１Ａ’の概略構成を示すブロック図であり、図３は本発明の第２実施形態の変形例２に係る水素燃料供給システム１Ａ’ ’の概略構成を示すブロック図である。
　図２に示される水素燃料供給システム１Ａは、燃料である液体水素を貯えたタンク２と、タンク２からユースポイント３へ燃料を供給する供給ライン４と、タンク２内で自然気化した液体水素（ＢＯＧ：ボイルオフガス）をタンク２から取り出してタンク２へ戻すことによりタンク２内を加圧するＢＯＧ加圧ライン７と、タンク２から取り出した液体水素を気化してタンク２へ戻すことによりタンク２内を加圧する予備加圧ライン８と、水素燃料供給システム１Ａの動作を司る制御装置９とを備えている。
　供給ライン４には、気化器４８と、タンク２の底部と気化器４８の入口とを接続する配管４１と、気化器４８の出口とユースポイント３とを接続する配管４２とが設けられている。上記構成の供給ライン４では、タンク２の底部から配管４１を通じて取り出された液体水素が気化器４８で気化され、気化した液体水素は配管４２を通じてユースポイント３へ供給される。
　ＢＯＧ加圧ライン７には、圧縮機７２と、タンク２の上部と圧縮機７２の入口とを接続する配管７１と、この配管７１に設けられた絞り７０と、バッファタンク７４と、圧縮機７２の出口とバッファタンク７４の入口とを接続する配管７３と、バッファタンク７４の出口とタンク２の上部とを接続する配管７５と、この配管７５に設けられた流量制御弁７６とが設けられている。バッファタンク７４は、タンク２へ戻されるＢＯＧの量を調整するために設けられたものであり、バッファタンク７４にはＢＯＧを逃がすための安全弁６７が設けられている。
　上記構成のＢＯＧ加圧ライン７では、タンク２内の上部に溜まっているＢＯＧ（即ち、水素ガス）が、配管７１を通じて圧縮機７２へ送られる。圧縮機７２で圧縮されることにより昇圧されたＢＯＧは、配管７３を通じてバッファタンク７４へ送られ、ここで一時的に蓄えられる。そして、流量制御弁７６が開放されると、バッファタンク７４に蓄えられた昇圧されたＢＯＧが配管７５を通じてタンク２の上部へ供給され、この昇圧されたＢＯＧによりタンク２内の液体水素が加圧される。ここで、タンク２に設けられた圧力計９１で検出されるタンク２内の圧力が所定圧力となるように、制御装置９は圧力計９１の検出値に基づいてタンク２内へ戻される昇圧されたＢＯＧの流量を調整するように流量制御弁７６の開度を制御する。このようにして、タンク２へ送られる昇圧されたＢＯＧの流量を調整することにより、タンク２内の圧力を制御することが可能である。
　本実施形態において、タンク２内の上部に溜まっているＢＯＧは、極低温の水素ガスである。よって、上記のように極低温の昇圧されたＢＯＧ（水素ガス）がタンク２へ戻されるので、タンク２への入熱を抑えることができる。その結果、タンク２内の液体水素の蒸発を抑えつつ、タンク２内を加圧することができる。そのうえ、圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧがタンク２内へ送られるので、液体水素ポンプを使わずに液体水素タンク内を速やかに加圧することができる。
　なお、ＢＯＧ加圧ライン７において圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧを、冷却してからタンク２へ送るようにしてもよい。この場合、例えば図３に示すように、供給ライン４においてタンク２から取り出した液体水素と、ＢＯＧ加圧ライン７において圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧとを熱交換させる熱交換器４０を設けることができる。熱交換器４０では、供給ライン４においてタンク２から取り出した液体水素は気化され、ＢＯＧ加圧ライン７において圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧは冷却される。これにより、冷却且つ昇圧されたＢＯＧがタンク２内へ送られることとなり、タンク２内での液体水素の蒸発を抑えることができる。更に、タンク２から取り出した液体水素を気化するエネルギーを圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧから得ることができるので、エネルギーを有効利用することができる。
　予備加圧ライン８には、気化器８４と、タンク２の底部と気化器８４の入口とを接続する配管８１と、この配管８１に設けられた流量制御弁８２と、気化器８４の出口とタンク２の上部とを接続する配管８３とが設けられている。上記構成の予備加圧ライン８では、圧縮機７２が故障した場合や、ＢＯＧ加圧ライン７からのＢＯＧの供給だけではタンク２内の圧力が不足する場合などに、流量制御弁８２が開放される。流量制御弁８２が開放されると、タンク２の底部から取り出された液体水素が気化器８４で気化されて、気化した液体水素（水素ガス）がタンク２の上部へ供給される。
　なお、上記予備加圧ライン８では、気化器８４の出口と接続された配管８３はタンク２の上部と接続されているが、図４に示すように、配管８３により気化器８４の出口とバッファタンク７４の入口とが接続されていてもよい。この場合、気化器８４で気化された水素ガスは、バッファタンク７４に一時的に蓄えられて、ＢＯＧと共にタンク２の上部へ供給される。
［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態に係る水素燃料供給システム１Ｂを説明する。図５は本発明の第３実施形態に係る水素燃料供給システム１Ｂの概略構成を示すブロック図、図６は本発明の第３実施形態の変形例に係る水素燃料供給システム１Ｂ’の概略構成を示すブロック図である。
　図５に示される水素燃料供給システム１Ｂは、燃料である液体水素を貯えたタンク２と、タンク２からユースポイント３へ燃料を供給する供給ライン４と、タンク２内で自然気化した液体水素（ＢＯＧ）をタンク２から取り出してタンク２へ戻すことによりタンク２内を加圧するＢＯＧ加圧ライン７と、タンク２から取り出した液体水素を気化してタンク２へ戻すことによりタンク２内を加圧する予備加圧ライン８と、水素燃料供給システム１Ｂの動作を司る制御装置９とを備えている。
　供給ライン４には、気化器４８と、タンク２の底部と気化器４８の入口とを接続する配管４１と、気化器４８の出口とユースポイント３とを接続する配管４２とが設けられている。上記構成の供給ライン４では、タンク２の底部から配管４１を通じて取り出された液体水素が気化器４８で気化され、気化した液体水素は配管４２を通じてユースポイント３へ供給される。
　ＢＯＧ加圧ライン７には、圧縮機７２と、タンク２の上部と圧縮機７２の入口とを接続する配管７１と、この配管７１に設けられた絞り７０と、熱交換器７７と、熱交換器７７の出口とタンク２の上部とを接続する配管７５とが設けられている。熱交換器７７は、後述する予備加圧ライン８の液体水素とＢＯＧとを熱交換させるためのものである。この熱交換器７７において、予備加圧ライン８の液体水素が加熱されて気化し、ＢＯＧ加圧ライン７のＢＯＧが冷却される。
　上記構成のＢＯＧ加圧ライン７では、タンク２内の上部に溜まっているＢＯＧ（即ち、水素ガス）が、配管７１を通じて圧縮機７２へ送られる。圧縮機７２で圧縮されることにより昇圧されたＢＯＧは、配管７３を通じて熱交換器７７へ送られ、冷却される。そして、冷却且つ昇圧されたＢＯＧが配管７５を通じてタンク２の上部へ供給され、この昇圧されたＢＯＧによりタンク２内の液体水素が加圧される。ここで、タンク２に設けられた圧力計９１で検出されるタンク２内の圧力が所定圧力となるように、制御装置９は圧力計９１の検出値に基づいてタンク２内へ戻される昇圧されたＢＯＧの流量を調整するように圧縮機７２の回転数を制御する。
　本実施形態において、タンク２内の上部に溜まっているＢＯＧは、極低温の水素ガスである。よって、上記のように極低温の昇圧されたＢＯＧ（水素ガス）がタンク２へ戻されるので、タンク２への入熱を抑えることができる。その結果、タンク２内の液体水素の蒸発を抑えつつ、タンク２内を加圧することができる。そのうえ、圧縮機７２で昇圧されたＢＯＧがタンク２内へ送られるので、液体水素ポンプを使わずに液体水素タンク内を速やかに加圧することができる。
　なお、圧縮機７２の定格温度範囲よりもＢＯＧの温度が低い場合には、図６に示すように、タンク２の上部と圧縮機７２の入口とを接続する配管７１に加熱器７９を設けて、この加熱器７９で圧縮機７２へ送られる前のＢＯＧを圧縮機７２の定格温度範囲内まで昇温してもよい。また、前述の第２実施形態に倣って、配管７５に冷却及び圧縮されたＢＯＧを蓄えるバッファタンクと流量制御弁とを設けてもよい。
　予備加圧ライン８には、熱交換器７７と、タンク２の底部と熱交換器７７の入口とを接続する配管８１と、この配管に設けられた流量制御弁８２と、熱交換器７７の出口とタンク２の上部とを接続する配管８３とが設けられている。上記構成の予備加圧ライン８では、燃料供給開始時などに、流量制御弁８２が開放される。流量制御弁８２が開放されると、タンク２の底部から取り出された液体水素が熱交換器７７で加熱されて気化し、気化した液体水素（水素ガス）がタンク２の上部へ供給される。このようにして、燃料供給開始時などにおいて、予備加圧ライン８及びＢＯＧ加圧ライン７の双方でタンク２内へ水素ガスを送ることにより、タンク２内を所望の圧力まで速やかに昇圧させることができる。
１，１Ａ，１Ｂ　水素燃料供給システム
２　タンク
３　ユースポイント
４　供給ライン
　４０　熱交換器
　４８　気化器
　４９　流量計
５　加圧ライン
　５０　気化器
　５９　圧縮機
６　ＢＯＧライン
７　ＢＯＧ加圧ライン
　７２　圧縮機
　７４　バッファタンク　７６　流量制御弁
　７７　熱交換器
　７９　加熱器
８　予備加圧ライン
　８２　流量制御弁
　８４　気化器

Claims (10)

  1. 　液化水素を貯えたタンクと、
    　前記タンク内の液化水素を取り出して気化し、ユースポイントへ供給する供給ラインと、
    　前記タンク内の液化水素が気化された水素ガスを圧縮して昇圧し、昇圧された水素ガスを前記タンク内の気相部へ送る加圧ラインとを備える、
    　水素燃料供給システム。
  2. 　前記加圧ラインが、前記タンクから取り出された液化水素を気化する気化器と、気化された水素ガスを昇圧する圧縮機と、昇圧された水素ガスを冷却する熱交換器とを有する、請求項１に記載の水素燃料供給システム。
  3. 　前記熱交換器が、昇圧された水素ガスと前記供給ラインを通じる液化水素とを熱交換させるように構成されている、請求項２に記載の水素燃料供給システム。
  4. 　前記供給ラインにおいて気化された水素ガスの流量を検出する流量計と、
    　前記流量計で検出された水素ガスの流量が所定の流量となるように、前記気化器が液体水素へ与える熱量を調整する制御装置とを、更に備える請求項２又は３に記載の水素燃料供給システム。
  5. 　前記加圧ラインが、前記タンクから取り出された液化水素のボイルオフガスを昇圧する圧縮機を有する、請求項１に記載の水素燃料供給システム。
  6. 　前記加圧ラインが、前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスを一時的に蓄えるバッファタンクと、前記バッファタンクから前記タンク内へ送られるボイルオフガスの流量を調整する流量制御弁とを、更に有する、請求項５に記載の水素燃料供給システム。
  7. 　前記加圧ラインが、前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスと前記供給ラインを通じる液化水素とを熱交換させる熱交換器を更に有する、請求項５又は６に記載の水素燃料供給システム。
  8. 　前記タンク内から取り出された液体水素を気化して前記タンク内の前記気相部へ送る予備加圧ラインを更に備える、請求項５～７のいずれか一項に記載の水素燃料供給システム。
  9. 　前記予備加圧ラインが、前記加圧ラインにおいて前記圧縮機で昇圧されたボイルオフガスと前記予備加圧ラインの液体水素と熱交換させる熱交換器を有する、請求項８に記載の水素燃料供給システム。
  10. 　前記ユースポイントが、ガスタービンエンジンの燃焼器である、請求項１～９のいずれか一項に記載の水素燃料供給システム。
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