WO2023095604A1 - 水素用再液化システム - Google Patents

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大祐 仮屋
英一 原田
元彦 西村
勝哉 森本
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen reliquefaction system that reliquefies boil-off gas generated in a liquefied hydrogen tank and returns it to the liquefied hydrogen tank.
  • a re-liquefaction system that re-liquefies the boil-off gas generated in the liquefied hydrogen tank that stores low-temperature liquefied gas.
  • a cryogenic liquefied gas storage system disclosed in Patent Document 1 is known.
  • boil-off gas is first compressed. Then, heat is exchanged between the compressed boil-off gas and the discharged gas. Further, the boil-off gas is reliquefied by expanding the compressed boil-off gas with an expansion valve.
  • the cryogenic liquefied gas storage system of Patent Document 1 compresses and cools the boil-off gas. Furthermore, the boil-off gas is liquefied by expanding the compressed and cooled boil-off gas. Therefore, reliquefaction of boil-off gas by cryogenic liquefied gas storage systems is less efficient.
  • an object of the present invention is to provide a hydrogen reliquefaction system capable of reliquefying boil-off gas with higher efficiency.
  • a hydrogen reliquefaction system of the present invention is a hydrogen reliquefaction system that reliquefies boil-off gas generated in a liquefied hydrogen tank and returns it to the liquefied hydrogen tank, wherein the hydrogen is paid out from the liquefied hydrogen tank to a supply destination.
  • It is a magnetic refrigerator that emits.
  • the present invention has a condensing section provided in the reliquefaction passage and a heat radiating section provided in the discharge passage. Therefore, a magnetic refrigerator having a narrow operating temperature range can be applied to the reliquefaction apparatus by dissipating heat to the delivery passage, which has a much lower temperature than the atmosphere.
  • a magnetic refrigerator can cool the boil-off gas and release heat to hydrogen by switching between demagnetization and excitation.
  • equipment such as a compressor included in a gas refrigerator can be eliminated. Therefore, there is no need to drive a compressor or the like in the reliquefaction device.
  • the reliquefaction apparatus can perform reliquefaction with higher efficiency than a gas-refrigeration type reliquefaction apparatus.
  • the boil-off gas can be reliquefied with higher efficiency.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a reliquefaction system for hydrogen according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a circuit diagram showing a reliquefaction system for hydrogen according to a second embodiment of the present invention
  • reliquefaction systems (hereinafter simply referred to as "reliquefaction systems") 1 and 1A of first and second embodiments according to the present invention will be described with reference to the aforementioned drawings.
  • reliquefaction systems the hydrogen reliquefaction systems (hereinafter simply referred to as "reliquefaction systems") 1 and 1A of first and second embodiments according to the present invention will be described with reference to the aforementioned drawings.
  • the concept of direction used in the following description is used for convenience of explanation, and does not limit the orientation of the configuration of the invention to that direction.
  • the reliquefaction system 1, 1A described below is merely one embodiment of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments, and additions, deletions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
  • a reliquefaction system 1 shown in FIG. 1 is provided in a liquefied hydrogen storage facility that stores liquefied hydrogen.
  • the reliquefaction system 1 comprises a liquefied hydrogen tank 11 .
  • the liquefied hydrogen tank 11 stores liquefied hydrogen, that is, liquefied hydrogen.
  • boil-off gas is generated due to the evaporation of part of the liquefied hydrogen.
  • the reliquefaction system 1 reliquefies the boil-off gas generated in the liquefied hydrogen tank 11 .
  • the reliquefaction system 1 then returns the liquefied hydrogen produced by the reliquefaction to the liquefied hydrogen tank 11 .
  • the reliquefaction system 1 includes a gas delivery passage 12, a reliquefaction passage 13, and a reliquefaction device 14 in addition to the liquefied hydrogen tank 11 described above.
  • the liquefied hydrogen tank 11 is a container for storing liquefied hydrogen as described above. Also, the liquefied hydrogen tank 11 includes a vacuum insulation structure. Note that the liquefied hydrogen tank 11 does not necessarily have to include a vacuum insulation structure. The inside of the liquefied hydrogen tank 11 is maintained at a hydrogen saturation temperature or lower by a vacuum insulation structure. On the other hand, in the liquefied hydrogen tank 11, boil-off gas is generated by part of the liquefied hydrogen evaporating as described above. Therefore, in the liquefied hydrogen tank 11, liquefied hydrogen is stored in the lower space 11a, and boil-off gas is stored in the upper space 11b.
  • the gas delivery passage 12 is a passage through which hydrogen delivered from the liquefied hydrogen tank 11 to a supply destination flows.
  • the discharged hydrogen is boil-off gas (hereinafter referred to as "discharged gas"). More specifically, one end of the gas delivery passage 12 is connected to the liquefied hydrogen tank 11 . In this embodiment, one end of the gas discharge passage 12 is connected to the upper space 11 b of the liquefied hydrogen tank 11 . On the other hand, the other end of the gas discharge passage 12 is connected to the supply destination.
  • the supply destinations are hydrogen consuming equipment such as power generators and hydrogen engines, and facilities equipped with them. However, the destination of supply is not limited to hydrogen consuming equipment and facilities equipped with them.
  • the gas discharge passage 12 includes a heat insulating structure 12a and a compressor 12b.
  • the heat insulation structure 12 a which is an example of the first heat insulation structure, blocks heat input to the boil-off gas flowing through the gas discharge passage 12 . Then, the boil-off gas flowing through the gas delivery passage 12 is maintained at the same cryogenic temperature as the temperature inside the liquefied hydrogen tank (near the saturation temperature of hydrogen in this embodiment).
  • the heat insulation structure 12a is, for example, a vacuum double tube structure.
  • the compressor 12b compresses the payout gas. More specifically, the compressor 12b compresses the boil-off gas at the pressure required at the destination. Then, the compressor 12b sends the paid gas to the payee.
  • a reliquefaction passage 13 carries the boil-off gas. More specifically, the reliquefaction passage 13 carries boil-off gas to be reliquefied. The reliquefaction passage 13 then returns the reliquefied liquefied hydrogen to the liquefied hydrogen tank 11 . More specifically, both ends of the reliquefaction passage 13 are connected to the liquefied hydrogen tank 11 . Specifically, both ends of the reliquefaction passage 13 are connected to the upper space 11b of the liquefied hydrogen tank 11, respectively. In addition, in this embodiment, one end of the reliquefaction passage 13 is connected to the gas discharge passage 12 . One end of the reliquefaction passage 13 is connected to the upper space 11 b of the liquefied hydrogen tank 11 via the gas discharge passage 12 .
  • the reliquefaction passage 13 includes a heat insulating structure 13a and a blower 13b.
  • the heat insulation structure 13 a which is an example of the second heat insulation structure, blocks heat input to the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 .
  • the boil-off gas flowing through the re-liquefaction passage 13 is maintained at the same cryogenic temperature as the temperature inside the liquefied hydrogen tank (near the saturation temperature of hydrogen in this embodiment).
  • the heat insulation structure 13a is, for example, a vacuum double tube structure.
  • the blower 13b sucks boil-off gas from the liquefied hydrogen tank 11 .
  • the blower 13b sucks part of the boil-off gas guided from the upper space 11b of the liquefied hydrogen tank 11 to the gas discharge passage 12 into the reliquefaction passage 13. Then, the blower 13b feeds downstream from the blower 13b in the reliquefaction passage 13.
  • the reliquefaction device 14 cools the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 .
  • the reliquefaction unit 14 then condenses the boil-off gas into liquefied hydrogen by cooling. More specifically, the reliquefaction device 14 cools the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 to a hydrogen saturation temperature or lower. As a result, at least part of the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 is condensed into liquefied hydrogen.
  • a reliquefaction device 14 having such a function is a magnetic refrigerator.
  • the reliquefaction device 14, which is a magnetic refrigerator will now be described in more detail.
  • the reliquefaction device 14 includes a condensation section 14a and a heat radiation section 14b.
  • the condensation section 14 a is provided in the reliquefaction passage 13 . More specifically, the condensing section 14a is arranged in the reliquefaction passage 13 downstream of the blower 13b. Then, the reliquefaction device 14 cools the boil-off gas via the condensation section 14a by demagnetizing.
  • the heat radiating portion 14 b is provided in the gas discharge passage 12 . More specifically, the heat radiating portion 14b is arranged in the gas delivery passage 12 closer to the supply destination than the reliquefaction passage 13. As shown in FIG. Then, the reliquefying device 14 releases the heat generated when it is excited to hydrogen through the heat radiating portion 14b.
  • the reliquefaction device 14 is configured, for example, as follows.
  • the following example is an example of the configuration of the reliquefaction device 14 . Therefore, the reliquefaction device 14 is not limited to the following configuration. That is, the reliquefying device 14 may be configured so as to cool the boil-off gas by demagnetization as described above and release the heat during excitation to the payout gas.
  • the reliquefying device 14 further includes, for example, a heat medium 14c and a magnetic field generator 14d.
  • the heat medium 14c is made of a magnetic material.
  • the heat medium 14c is cooled by being demagnetized and heated by being excited.
  • the magnetic field generator 14d excites the heat medium 14c by generating a magnetic field around the heat medium 14c. Further, the magnetic field generator 14d demagnetizes the heat medium 14c by extinguishing the magnetic field around the heat medium 14c.
  • the magnetic field generator 14d is, for example, a coil or a permanent magnet.
  • the magnetic field generating section 14d When the magnetic field generating section 14d is a coil, the magnetic field generating section 14d generates or extinguishes a magnetic field around the heat medium 14c by turning on/off the current flowing through the coil. Since the heat medium 14c is cooled by extinguishing the magnetic field, the condenser 14a absorbs heat from the boil-off gas.
  • the heat medium 14c Since the temperature of the heat medium 14c is increased by generating the magnetic field, the heat is released from the heat radiating portion 14b to the dispensed gas together with the previously sucked heat. As a result, heat can be transferred from the condensation portion 14a to the heat dissipation portion 14b via the heat medium 14c. Further, when the magnetic field generator 14d is a permanent magnet, the magnetic field generator 14d can generate or extinguish a magnetic field around the heat medium 14c by moving the permanent magnet toward or away from the heat medium 14c. Thereby, the heat medium 14c is cooled. Then, heat can be transported from the condensing portion 14a to the heat radiating portion 14b via the heat medium 14c.
  • the heat medium 14c is thermally connected to the condensation section 14a when demagnetized. Thereby, the reliquefaction device 14 cools the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 via the condensation section 14a.
  • the heat medium 14c is thermally connected to the heat radiating portion 14b when excited. As a result, the reliquefying device 14 can release heat generated during excitation to the boil-off gas in the gas discharge passage 12 from the heat radiating portion 14b. Then, the heat medium 14c can be cooled through the heat radiating portion 14b. By demagnetizing the cooled heat medium 14c again, the heat medium 14c is further cooled.
  • the boil-off gas By thermally connecting the heat medium 14c to be further cooled to the condenser 14a, the boil-off gas can be cooled via the condenser 14a. Thereby, the boil-off gas is cooled by the condenser 14a. In this way, the reliquefaction device 14 can continue to cool the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 by repeating demagnetization and excitation.
  • the reliquefying device 14 keeps the temperature of the condensation section 14a below the saturation temperature of hydrogen. More specifically, the condensing section 14a is cryogenic, for example, by being thermally connected to a cryogenic boil-off gas. Further, the temperature of the condensing section 14a is below the saturation temperature of hydrogen because the condensing section 14a is cooled by the demagnetization action in the reliquefying device 14 . Therefore, the temperature of the condensation section 14a is lower than the hydrogen saturation temperature corresponding to the internal pressure of the liquefied hydrogen tank 11, that is, the pressure of the boil-off gas. Thereby, the condensation part 14a can condense at least part of the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 into liquefied hydrogen. Note that the temperature of the condensation section 14a is merely an example, and is not limited to this temperature range.
  • the temperature of the heat radiating section 14b is higher than the temperature of the condensing section 14a. More specifically, heat generated during excitation is radiated from the heat radiating portion 14b, so the temperature of the heat radiating portion 14b is higher than the temperature of the condensing portion 14a.
  • the discharged gas from which the heat radiating portion 14b releases heat is kept at an extremely low temperature because the gas discharging passage 12 in which the heat radiating portion 14b is provided includes the heat insulating structure 12a.
  • the heat radiation part 14b has a cryogenic temperature of 20K or more and 70K or less in this embodiment.
  • the temperature difference between the heat radiating portion 14b and the condensing portion 14a can be 50K or less.
  • the temperature of the condensation portion 14a can be lowered to less than the saturation temperature when the condensation portion 14a is cooled by demagnetization after releasing the heat of the heat radiation portion 14b to the discharge gas. That is, the temperature difference between the heat radiating portion 14b and the condensing portion 14a can be kept within the operating range of the magnetic refrigerator.
  • the reliquefaction device 14 cools the condensation part 14a by demagnetization. Then, the reliquefying device 14 releases the heat generated during the excitation to the dispensed gas through the heat radiating portion 14b. As a result, the temperature of the condensation section 14a is maintained at the hydrogen saturation temperature, which is 30K or lower in the present embodiment. At least a portion of the boil-off gas passing through the recondenser 14 is then condensed into liquefied hydrogen. Also, the condensed liquefied hydrogen is returned to the liquefied hydrogen tank 11 through the reliquefaction passage 13 together with the remaining boil-off gas. In this manner, the reliquefaction system 1 reliquefies the boil-off gas generated in the liquefied hydrogen tank 11 and returns it to the liquefied hydrogen tank 11 (see arrow C in FIG. 1).
  • the reliquefaction system 1 of this embodiment includes a condensation section 14 a provided in the reliquefaction passage 13 and a heat radiation section 14 b provided in the gas discharge passage 12 . Therefore, a magnetic refrigerator having a narrow operating temperature range can be applied to the reliquefying device 14 by dissipating heat to the gas discharge passage 12 whose temperature is much lower than that of the atmosphere.
  • the magnetic refrigerator can cool the boil-off gas and radiate heat to the discharge gas by switching between demagnetization and excitation.
  • equipment such as a compressor included in the gas refrigerator can be eliminated.
  • the reliquefaction device 14 can perform reliquefaction with higher efficiency than a gas refrigeration type reliquefaction device.
  • equipment such as a compressor can be eliminated, the size of the reliquefying device 14 can be reduced.
  • the heat radiating section 14b dissipates heat from the dispensed gas dispensed from the liquefied hydrogen tank 11 in the same manner as the boil-off gas to be reliquefied. Therefore, the temperature difference between the condensing portion 14a and the heat radiating portion 14b can be reduced. As a result, it is possible to prevent the configuration of the reliquefying device 14 from becoming complicated. More specifically, when the temperature difference between the condensation section 14a and the heat radiation section 14b is large, it is necessary to provide a large number of refrigerators between the condensation section 14a and the heat radiation section 14b. become.
  • the reliquefying device 14 can be configured with, for example, one magnetic refrigerator. Therefore, complication of the configuration of the reliquefaction device 14 can be further suppressed. However, it cannot be denied that the reliquefaction unit 14 includes a plurality of magnetic refrigerators.
  • the reliquefaction passage 13 is formed so as to branch off from the gas delivery passage 12 .
  • the heat radiating portion 14 b is arranged on the supply destination side (that is, downstream) from the portion where the reliquefaction passage 13 connects with the gas delivery passage 12 . Therefore, the boil-off gas to be re-liquefied can be guided to the re-liquefaction passage 13 without passing through the heat radiation portion 14b. Therefore, the re-liquefied boil-off gas does not absorb the heat emitted from the heat radiating portion 14b.
  • the boil-off gas at a lower temperature can flow through the reliquefaction passage 13 compared to the case where the heat radiating portion 14b is arranged on the upstream side of the reliquefaction passage 13 . Therefore, the temperature of the boil-off gas flowing through the reliquefaction passage 13 can be kept low. As a result, the temperature to be lowered during reliquefaction can be reduced.
  • the gas discharge passage 12 and the reliquefaction passage 13 have the heat insulating structures 12a and 13a, respectively, so that the hydrogen and the boil-off gas are kept at extremely low temperatures and guided to the heat radiating portion 14b and the condensing portion 14a. be able to.
  • the boil-off gas can be re-liquefied by setting the temperature of the condensation section 14a below the saturation temperature of hydrogen. Further, by making the heat radiating portion 14b higher than the condensing portion 14a and keeping the temperature difference between the heat radiating portion 14b and the condensing portion 14a at 40K or less, the temperature difference can be kept within the operating range of the magnetic refrigerator. As a result, it is possible to prevent the configuration of the reliquefying device 14 from becoming complicated.
  • the reliquefaction system 1A of the second embodiment is similar in configuration to the reliquefaction system 1 of the first embodiment. Therefore, with regard to the configuration of the reliquefaction system 1A of the second embodiment, mainly the points that differ from the reliquefaction system 1 of the first embodiment will be described, and the same configurations will be assigned the same reference numerals, and description thereof will be omitted. be.
  • a reliquefaction system 1A of the second embodiment includes a liquefied hydrogen tank 11, a liquid discharge passage 12A, a reliquefaction passage 13, and a reliquefaction device 14.
  • the liquid dispensing passage 12A is a passage through which hydrogen dispensed from the liquefied hydrogen tank 11 flows.
  • the discharged hydrogen is liquefied hydrogen (hereinafter referred to as "discharge liquid").
  • one end of the liquid discharge passage 12A is connected to the liquefied hydrogen tank 11.
  • one end of the liquid dispensing passage 12A is connected to the lower space 11a of the liquefied hydrogen tank 11 .
  • the other end of the liquid dispensing passage 12A is connected to the supply destination.
  • the liquid dispensing passage 12A includes a heat insulating structure 12a and a pump 12c. The pump 12c sends out the dispensed liquid guided from the liquefied hydrogen tank 11 to the supply destination side in the liquid dispensation passage 12A.
  • the liquid discharge passage 12A has a heat exchanger (not shown).
  • the liquid dispensing passage 12A vaporizes the dispensing liquid by applying heat to the dispensing liquid with a heat exchanger. Then, the facility equipped with the reliquefaction system 1A supplies the vaporized hydrogen gas to the supply destination (see arrow D in FIG. 2).
  • both ends of the reliquefaction passage 13A are connected to the liquefied hydrogen tank 11. Specifically, both ends of the reliquefaction passage 13 are connected to the upper space 11b of the liquefied hydrogen tank 11, respectively.
  • the reliquefaction passage 13A is directly connected to the upper space 11b of the liquefied hydrogen tank 11, but the gas is liquefied through the unillustrated gas discharge passage 12, similar to the reliquefaction passage 13 of the first embodiment. It may be connected to the hydrogen tank 11 .
  • the reliquefaction passage 13A also includes a blower 13b.
  • the condensation section 14a is provided in the reliquefaction passage 13A, and the heat radiation section 14b is provided in the liquid discharge passage 12A.
  • the heat radiating portion 14b is arranged on the supply destination side of the pump 12c in the liquid dispensing passage 12A. More specifically, the heat radiating portion 14b is arranged upstream of a heat exchanger (not shown) in the liquid dispensing passage 12A.
  • the re-liquefaction system 1A when the pump 12c of the liquid dispensing passage 12A operates, the dispensing liquid is dispensed from the liquefied hydrogen tank 11 to the liquid dispensing passage 12A (see arrow D in FIG. 2). Also, in the reliquefaction passage 13A, the boil-off gas is sent to the reliquefaction device 14 by the blower 13b (see arrow E in FIG. 2). In the reliquefying device 14, the condensing portion 14a is cooled by demagnetization, and the heat generated during the excitation is released to the dispensed liquid via the heat radiating portion 14b.
  • the heat radiating section 14b radiates heat to the liquefied hydrogen at a lower temperature than the boil-off gas. Therefore, it is possible to reduce the temperature difference between the condenser portion 14a and the heat radiation portion 14b, thereby suppressing the complication of the configuration of the magnetic refrigerator.
  • the reliquefaction system 1A of the second embodiment has the same effects as the reliquefaction system 1 of the first embodiment.
  • the reliquefaction systems 1 and 1A of the first and second embodiments are provided in liquefied hydrogen storage facilities, but the reliquefaction systems 1 and 1A are not necessarily limited to liquefied hydrogen storage facilities.
  • the reliquefaction system 1, 1A may be provided in a vehicle such as a ship or vehicle, or may be provided in other equipment.
  • the heat radiating section 14b is arranged on the supply destination side of the reliquefaction passage 13 in the gas delivery passage 12 .
  • the heat radiating portion 14b may be arranged on the liquefied hydrogen tank 11 side of the reliquefaction passage 13 in the gas discharge passage 12 .
  • the heat radiating section 14b is arranged downstream of the pump 12c and upstream of the heat exchanger (not shown) in the liquid discharge passage 12A.
  • the radiator 14b may be arranged upstream of the pump 12c.
  • the reliquefaction device 14 which is a magnetic refrigerator, does not necessarily have to be configured as described above.
  • the reliquefying device 14 is demagnetized to cool the boil-off gas via the condensation section 14a and release the heat generated during excitation to the dispensed gas or the dispensed liquid via the heat radiation section 14b.

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Abstract

水素用再液化システムは、液化水素タンク内で発生したボイルオフガスを再液化して液化水素タンクに戻すものであって、液化水素タンクから供給先に払出す水素が流れる払出通路と、ボイルオフガスが流れる再液化通路と、再液化通路を流れるボイルオフガスを冷却することによってボイルオフガスを凝縮する再液化装置と、を備え、再液化装置は、再液化通路に設けられる凝縮部と、払出通路に設けられる放熱部とを含み、消磁することによって凝縮部を介してボイルオフガスを冷却し且つ励磁する際の熱を放熱部を介して水素に放出する磁気冷凍機であるものである。

Description

水素用再液化システム
　本発明は、液化水素タンク内で発生したボイルオフガスを再液化して液化水素タンクに戻す水素用再液化システムに関する。
　低温の液化ガスを貯留する液化水素タンク内で発生するボイルオフガスを再液化する再液化システムがある。再液化システムの一例として、例えば特許文献１の低温液化ガス貯留システムが知られている。特許文献１の低温液化ガス貯留システムでは、まずボイルオフガスが圧縮される。そして、圧縮したボイルオフガスと払出されるガスとの間で熱交換させる。更に、圧縮したボイルオフガスを膨張弁によって膨張させることによってボイルオフガスが再液化される。
特開２００５―２７３６８１号公報
　特許文献１の低温液化ガス貯留システムでは、ボイルオフガスを圧縮及び冷却する。更に、圧縮及び冷却されたボイルオフガスを膨張することによって、ボイルオフガスを液化させる。それ故、低温液化ガス貯留システムによるボイルオフガスの再液化では、効率が低い。
　そこで本発明は、より高い効率でボイルオフガスを再液化することができる水素用再液化システムを提供することを目的としている。
　本発明の水素用再液化システムは、液化水素タンク内で発生したボイルオフガスを再液化して前記液化水素タンクに戻す水素用再液化システムであって、前記液化水素タンクから供給先に払出す水素が流れる払出通路と、ボイルオフガスが流れる再液化通路と、前記再液化通路を流れるボイルオフガスを冷却することによってボイルオフガスを凝縮する再液化装置と、を備え、前記再液化装置は、前記再液化通路に設けられる凝縮部と、前記払出通路に設けられる放熱部とを含み、消磁することによって前記凝縮部を介してボイルオフガスを冷却し且つ励磁する際の熱を前記放熱部を介して水素に放出する磁気冷凍機である。
　本発明に従えば、再液化通路に設けられる凝縮部と払出通路に設けられる放熱部とを有している。それ故、大気に比べて極めて温度が低い払出通路に対して放熱を行うことによって作動温度範囲が狭い磁気冷凍機を再液化装置に適用することができる。磁気冷凍機は、消磁及び励磁を切換えることによってボイルオフガスを冷却すると共に水素に放熱することができる。このような磁気冷凍機を再液化装置に用いると、気体式冷凍機に含まれる圧縮機等の機器をなくすことができる。それ故、再液化装置では圧縮機等を駆動する必要がない。これにより、再液化装置は、気体冷凍式の再液化装置に比べて高効率で再液化を行うことができる。
　本発明によれば、より高い効率でボイルオフガスを再液化することができる。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の第１実施形態に係る水素用再液化システムを示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る水素用再液化システムを示す回路図である。
　以下、本発明に係る第１及び第２実施形態の水素用再液化システム（以下、単に「再液化システム」という）１，１Ａについて前述する図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明する再液化システム１，１Ａは、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。
　［第１実施形態］
　＜再液化システム＞
　図１に示す再液化システム１は、液化水素を貯蔵する液化水素貯蔵設備に備わっている。再液化システム１は、液化水素タンク１１を備えている。液化水素タンク１１は、液化した水素、即ち液化水素を貯蔵している。また、液化水素タンク１１では、液化水素の一部が蒸発することによってボイルオフガスが発生している。再液化システム１は、液化水素タンク１１内で発生するボイルオフガスを再液化する。そして、再液化システム１は、再液化によって生成された液化水素を液化水素タンク１１に戻す。更に詳細に説明すると、再液化システム１は、前述する液化水素タンク１１に加えて、ガス払出通路１２と、再液化通路１３と、再液化装置１４と、を備えている。
　＜液化水素タンク＞
　液化水素タンク１１は、前述の通り液化水素を貯蔵する容器である。また、液化水素タンク１１は、真空断熱構造を含んでいる。なお、液化水素タンク１１は、必ずしも真空断熱構造を含む必要はない。そして、液化水素タンク１１内は、真空断熱構造によって水素の飽和温度以下に維持されている。他方、液化水素タンク１１内では、前述の通り液化水素の一部が蒸発することによってボイルオフガスが発生している。それ故、液化水素タンク１１内では、下側空間１１ａに液化水素が貯留され、上側空間１１ｂにボイルオフガスが溜まっている。
　＜払出通路＞
　ガス払出通路１２は、液化水素タンク１１から供給先に払出す水素が流れる通路である。本実施形態において、払出される水素は、ボイルオフガス（以下、「払出ガス」という）である。更に詳細に説明すると、ガス払出通路１２の一端は、液化水素タンク１１に繋がっている。本実施形態において、ガス払出通路１２の一端は、液化水素タンク１１の上側空間１１ｂに繋がっている。他方、ガス払出通路１２の他端は、供給先に繋がっている。そして供給先は、発電機器及び水素エンジン等の水素消費機器、並びにそれらを備える設備である。但し、供給先は、水素消費機器、並びにそれらを備える設備に限定されない。
　また、ガス払出通路１２は、断熱構造１２ａ及び圧縮機１２ｂを含んでいる。第１断熱構造の一例である断熱構造１２ａは、ガス払出通路１２を流れるボイルオフガスに対する入熱を遮断する。そして、ガス払出通路１２を流れるボイルオフガスが液化水素タンク内の温度と同じく極低温（本実施形態において、水素の飽和温度付近）に維持される。断熱構造１２ａは、例えば真空二重管構造である。圧縮機１２ｂは、払出ガスを圧縮する。より詳細に説明すると、圧縮機１２ｂは、供給先で要求される圧力にてボイルオフガスを圧縮する。そして、圧縮機１２ｂは、払出ガスを払出先に送る。
　＜再液化通路＞
　再液化通路１３は、ボイルオフガスを流す。更に詳細に説明すると、再液化通路１３は、再液化するボイルオフガスを流す。そして、再液化通路１３は、再液化した液化水素を液化水素タンク１１に戻す。より詳細に説明すると、再液化通路１３の両端は、液化水素タンク１１に繋がっている。具体的に説明すると、再液化通路１３の両端は、共に液化水素タンク１１の上側空間１１ｂに夫々繋がっている。なお、本実施形態において、再液化通路１３の一端は、ガス払出通路１２に接続されている。そして、再液化通路１３の一端は、ガス払出通路１２を介して液化水素タンク１１の上側空間１１ｂに接続されている。
　また、再液化通路１３は、断熱構造１３ａ及びブロア１３ｂを含んでいる。第２断熱構造の一例である断熱構造１３ａは、再液化通路１３を流れるボイルオフガスに対する入熱を遮断する。そして、再液化通路１３を流れるボイルオフガスが液化水素タンク内の温度と同じく極低温（本実施形態において、水素の飽和温度付近）に維持される。断熱構造１３ａは、例えば真空二重管構造である。ブロア１３ｂは、液化水素タンク１１のボイルオフガスを吸い込む。より詳細に説明すると、ブロア１３ｂは、液化水素タンク１１の上側空間１１ｂからガス払出通路１２に導かれたボイルオフガスの一部を再液化通路１３に吸い込む。そして、ブロア１３ｂは、再液化通路１３においてブロア１３ｂより下流側に送る。
　＜再液化装置＞
　再液化装置１４は、再液化通路１３を流れるボイルオフガスを冷却する。そして、再液化装置１４は、冷却することによってボイルオフガスを液化水素に凝縮する。より詳細には、再液化装置１４は、再液化通路１３を流れるボイルオフガスを水素の飽和温度以下まで冷却する。これにより、再液化通路１３を流れるボイルオフガスの少なくとも一部が液化水素に凝縮される。このような機能を有する再液化装置１４は、磁気冷凍機である。以下、磁気冷凍機である再液化装置１４について更に詳細に説明する。
　再液化装置１４は、凝縮部１４ａと、放熱部１４ｂと、を含んでいる。凝縮部１４ａは、再液化通路１３に設けられている。より詳細に説明すると、凝縮部１４ａは、再液化通路１３において、ブロア１３ｂの下流側に配置されている。そして、再液化装置１４は、消磁することによって凝縮部１４ａを介してボイルオフガスを冷却する。また、放熱部１４ｂは、ガス払出通路１２に設けられている。より詳細に説明すると、放熱部１４ｂは、ガス払出通路１２において再液化通路１３より供給先側に配置されている。そして、そして、再液化装置１４は、励磁する際の熱を放熱部１４ｂを介して水素に放出する。
　更に詳しく説明すると、再液化装置１４は、例えば以下のように構成されている。なお、以下の例は、再液化装置１４の構成の一例である。従って、再液化装置１４は、以下のように構成されていることに限定されない。即ち、再液化装置１４は、前述のように消磁によってボイルオフガスを冷却し、且つ励磁時の熱を払出ガスに放出可能な構成であればよい。再液化装置１４は、例えば、熱媒体１４ｃと、磁界発生部１４ｄとを更に含んでいる。熱媒体１４ｃは、磁性材料から成る。熱媒体１４ｃは、消磁されることによって冷却され、励磁されることによって発熱する。磁界発生部１４ｄは、熱媒体１４ｃの周りに磁界を発生させることによって熱媒体１４ｃを励磁させる。また、磁界発生部１４ｄは、熱媒体１４ｃの周りの磁界を消すことによって熱媒体１４ｃを消磁させる。磁界発生部１４ｄは、例えばコイル又は永久磁石である。磁界発生部１４ｄがコイルである場合、磁界発生部１４ｄは、コイルに流す電流をオン・オフすることによって熱媒体１４ｃの周りに磁界を発生させたり消したりする。そして、磁界を消すことによって熱媒体１４ｃが冷却されるので、凝縮部１４ａがボイルオフガスから熱を吸収する。そして、磁界を発生させることによって熱媒体１４ｃが昇温するので、その熱を先に吸い込んだ熱と共に放熱部１４ｂから払出ガスに放出する。これにより、凝縮部１４ａから放熱部１４ｂに熱媒体１４ｃを介して熱を輸送することができる。また、磁界発生部１４ｄが永久磁石の場合、磁界発生部１４ｄは、永久磁石を熱媒体１４ｃに近づけたり離したりすることによって熱媒体１４ｃの周りに磁界を発生させたり消したりすることができる。これにより、熱媒体１４ｃが冷却される。そして、凝縮部１４ａから放熱部１４ｂに熱媒体１４ｃを介して熱を輸送することができる。
　また、再液化装置１４では、消磁する際に熱媒体１４ｃが凝縮部１４ａに熱的に接続される。これにより、再液化装置１４は、凝縮部１４ａを介して再液化通路１３を流れるボイルオフガスを冷やす。他方、再液化装置１４は、励磁する際に熱媒体１４ｃが放熱部１４ｂに熱的に接続される。これにより、再液化装置１４は、励磁の際に発生する熱を放熱部１４ｂからガス払出通路１２のボイルオフガスに放出することができる。そして、放熱部１４ｂを介して熱媒体１４ｃを冷却することができる。冷却された熱媒体１４ｃを再度消磁することによって、熱媒体１４ｃが更に冷却される。そして、更に冷却される熱媒体１４ｃを凝縮部１４ａに熱的に接続することによって、凝縮部１４ａを介してボイルオフガスを冷やすことができる。これにより、凝縮部１４ａによってボイルオフガスが冷却される。このように、再液化装置１４は、消磁及び励磁を繰り返すことによって、再液化通路１３を流れるボイルオフガスを冷却し続けることができる。
　更に、再液化装置１４は、凝縮部１４ａの温度を水素の飽和温度未満としている。より詳細に説明すると、凝縮部１４ａは、例えば極低温のボイルオフガスに熱的に接続されることによって極低温になっている。更に、凝縮部１４ａの温度は、再液化装置１４における消磁作用によって凝縮部１４ａが冷却されるので、水素の飽和温度未満になっている。従って、凝縮部１４ａの温度は、液化水素タンク１１の内圧、即ちボイルオフガスの圧力に応じた水素の飽和温度未満である。これにより、凝縮部１４ａは、再液化通路１３を流れるボイルオフガスの少なくとも一部を液化水素に凝縮することができる。なお、凝縮部１４ａの温度は、あくまで一例であるので、この温度範囲に限定されるものではない。
　また、再液化装置１４では、放熱部１４ｂの温度が凝縮部１４ａの温度より高い。より詳細に説明すると、励磁する際に発生する熱を放熱部１４ｂから放出するので、放熱部１４ｂの温度が凝縮部１４ａの温度より高い。他方、放熱部１４ｂが熱を放出する払出ガスは、放熱部１４ｂが設けられるガス払出通路１２が断熱構造１２ａを含んでいるので、極低温に保たれている。例えば、放熱部１４ｂは、本実施形態において２０Ｋ以上７０Ｋ以下の極低温となっている。それ故、再液化装置１４では、放熱部１４ｂと凝縮部１４ａとの温度差を５０Ｋ以下にすることができる。これにより、放熱部１４ｂの熱を払出ガスに放出した後、消磁によって凝縮部１４ａを冷却する際、凝縮部１４ａを飽和温度未満まで降温することができる。即ち、放熱部１４ｂと凝縮部１４ａとの温度差を磁気冷凍機の作動範囲内に収めることができる。
　＜再液化システムの動作＞
　再液化システム１では、ガス払出通路１２の圧縮機１２ｂが作動すると、液化水素タンク１１から供給先に払出ガスが払出される（図１の矢付Ａ参照）。また、再液化システム１では、再液化通路１３のブロア１３ｂも作動している。これにより、液化水素タンク１１のボイルオフガスが再液化通路１３にも流れる。より詳細に説明すると、ガス払出通路１２を流れるボイルオフガスの一部がブロア１３ｂによって再液化通路１３に吸入される。更に、ブロア１３ｂは、吸入したボイルオフガスを下流側にある再液化装置１４に送る（図１の矢付Ｂ参照）。
　再液化装置１４は、消磁によって凝縮部１４ａを冷却する。そして、再液化装置１４は、励磁の際に生じた熱を放熱部１４ｂを介して払出ガスに放出する。これにより、凝縮部１４ａの温度が水素の飽和温度、本実施形態では３０Ｋ以下に維持される。そして、再液化装置１４を通るボイルオフガスの少なくとも一部が液化水素に凝縮される。また、凝縮された液化水素は、残ったボイルオフガスと共に再液化通路１３を通って液化水素タンク１１に戻される。このようにして、再液化システム１は、液化水素タンク１１内で発生するボイルオフガスを再液化して液化水素タンク１１に戻す（図１の矢付Ｃ参照）。
　本実施形態の再液化システム１は、再液化通路１３に設けられる凝縮部１４ａとガス払出通路１２に設けられる放熱部１４ｂとを含んでいる。それ故、大気より極めて温度が低いガス払出通路１２に対して放熱を行うことによって作動温度範囲が狭い磁気冷凍機を再液化装置１４に適用することができる。磁気冷凍機は、消磁及び励磁を切換えることによってボイルオフガスを冷却すると共に払出ガスに放熱することができる。このような磁気冷凍機を再液化装置１４に用いることによって、気体式冷凍機に含まれる圧縮機等の機器をなくすことができる。それ故、再液化装置１４では圧縮機等を駆動する必要がないので、再液化装置１４は、気体冷凍式の再液化装置に比べて高い効率で再液化を行うことができる。また、圧縮機等の機器をなくすことができるので、再液化装置１４を小型化することができる。
　また、再液化システム１では、再液化するボイルオフガスと同様に液化水素タンク１１から払出される払出ガスに対して放熱部１４ｂが放熱する。それ故、凝縮部１４ａと放熱部１４ｂとの温度差を小さくすることができる。これにより、再液化装置１４の構成が複雑化することを抑制できる。より詳細に説明すると、凝縮部１４ａと放熱部１４ｂとの温度差が大きい場合、凝縮部１４ａと放熱部１４ｂとの間に多数の冷凍機を設ける必要があるので、再液化装置の構成が複雑になる。凝縮部１４ａと放熱部１４ｂとの温度差が小さい場合、例えば１つの磁気冷凍機で再液化装置１４を構成することができる。それ故、再液化装置１４の構成が複雑化することをより抑制できる。但し、再液化装置１４が複数の磁気冷凍機を含むことは否定されない。
　更に、再液化システム１では、再液化通路１３がガス払出通路１２から分岐するように形成されている。そして、ガス払出通路１２において、放熱部１４ｂは、再液化通路１３がガス払出通路１２と接続する部分より供給先側（即ち、下流側）に配置されている。従って、再液化されるボイルオフガスは、放熱部１４ｂを通ることなく、再液化通路１３に導くことができる。それ故、再液化されるボイルオフガスが放熱部１４ｂで放出される熱を吸収することがない。従って、再液化通路１３の上流側に放熱部１４ｂが配置されている場合に比べて低い温度のボイルオフガスを再液化通路１３に流すことができる。それ故、再液化通路１３に流れるボイルオフガスの温度を低く抑えることができる。これにより、再液化する際に下降させるべき温度を小さくすることができる。
　更に、再液化システム１では、ガス払出通路１２及び再液化通路１３が断熱構造１２ａ，１３ａを夫々有しているので、水素及びボイルオフガスを極低温に保って放熱部１４ｂ及び凝縮部１４ａに導くことができる。そして、凝縮部１４ａの温度を水素の飽和温度未満とすることによってボイルオフガスの再液化をすることができる。また、放熱部１４ｂを凝縮部１４ａより高くし且つ放熱部１４ｂと凝縮部１４ａとの温度差を４０Ｋ以下とすることによって、温度差を磁気冷凍機の作動範囲内に収めることができる。これにより、再液化装置１４の構成が複雑化することを抑制できる。
　＜第２実施形態＞
　第２実施形態の再液化システム１Ａは、第１実施形態の再液化システム１と構成が類似している。従って、第２実施形態の再液化システム１Ａの構成については、主に第１実施形態の再液化システム１と異なる点が説明され、同一の構成については同一の符号を付して説明が省略される。
　第２実施形態の再液化システム１Ａは、液化水素タンク１１と、液体払出通路１２Ａと、再液化通路１３と、再液化装置１４と、を備えている。液体払出通路１２Ａは、液化水素タンク１１から供給先に払出す水素が流れる通路である。本実施形態において、払出される水素は、液化水素（以下、「払出液」という）である。
　更に詳細に説明すると、液体払出通路１２Ａの一端は、液化水素タンク１１に繋がっている。本実施形態において、液体払出通路１２Ａの一端は、液化水素タンク１１の下側空間１１ａに繋がっている。他方、液体払出通路１２Ａの他端は、供給先に繋がっている。また液体払出通路１２Ａは、断熱構造１２ａ及びポンプ１２ｃを含んでいる。ポンプ１２ｃは、液体払出通路１２Ａにおいて液化水素タンク１１から導かれる払出液を供給先側に送り出す。なお、液体払出通路１２Ａは、図示しない熱交換器を有している。液体払出通路１２Ａは、熱交換器によって払出液に熱を加えることによって払出液を気化する。そして、再液化システム１Ａを備える設備は、気化した水素ガスを供給先に供給する（図２の矢付Ｄ参照）。
　再液化通路１３Ａでは、再液化通路１３Ａの両端が液化水素タンク１１に接続している。具体的に説明すると、再液化通路１３の両端は、液化水素タンク１１の上側空間１１ｂに夫々繋がっている。なお、図２では、再液化通路１３Ａは、液化水素タンク１１の上側空間１１ｂに直接接続されているが、第１実施形態の再液化通路１３と同様に図示しないガス払出通路１２を介して液化水素タンク１１に接続されてもよい。また、再液化通路１３Ａは、ブロア１３ｂを含んでいる。
　再液化装置１４では、凝縮部１４ａが再液化通路１３Ａに設けられ、また放熱部１４ｂが液体払出通路１２Ａに設けられている。そして、放熱部１４ｂは、液体払出通路１２Ａにおいてポンプ１２ｃより供給先側に配置されている。更に詳細に説明すると、放熱部１４ｂは、液体払出通路１２Ａにおいて熱交換器（図示せず）より上流側に配置されている。
　再液化システム１Ａでは、液体払出通路１２Ａのポンプ１２ｃが作動すると、液化水素タンク１１から液体払出通路１２Ａに払出液が払出される（図２の矢付Ｄ参照）。また、再液化通路１３Ａでは、ブロア１３ｂによってボイルオフガスが再液化装置１４に送られる（図２の矢付Ｅ参照）。再液化装置１４では、消磁によって凝縮部１４ａが冷却され、励磁の際に生じた熱の放熱部１４ｂを介して払出液に放出する。これにより、再液化装置１４を通るボイルオフガスの少なくとも一部が液化水素に凝縮される。そして、凝縮された液化水素は、残ったボイルオフガスと共に再液化通路１３Ａを通って液化水素タンク１１に戻される。このようにして、再液化システム１Ａでは、液化水素タンク１１内で発生するボイルオフガスが再液化されて液化水素タンク１１に戻される（図２の矢付Ｆ参照）。
　本実施形態の再液化システム１Ａでは、ボイルオフガスより低温の液化水素に放熱部１４ｂが放熱する。それ故、凝縮部１４ａと放熱部１４ｂとの温度差を小さくすることができ、磁気冷凍機の構成が複雑化することを抑制できる。
　その他、第２実施形態の再液化システム１Ａは、第１実施形態の再液化システム１と同様の作用効果を奏する。
　＜その他の実施形態＞
　第１及び第２実施形態の再液化システム１，１Ａは、液化水素貯蔵設備に設けられているが、再液化システム１、１Ａが設けられるものは必ずしも液化水素貯蔵設備に限定されない。例えば、再液化システム１、１Ａは、船舶や車両などの乗り物に備わっていてもよく、その他の機器に備わっていてもよい。
　また、第１実施形態の再液化システム１において、放熱部１４ｂは、ガス払出通路１２において再液化通路１３より供給先側に配置されている。しかし、放熱部１４ｂは、ガス払出通路１２において再液化通路１３より液化水素タンク１１側に配置されていてもよい。また、第２実施形態の再液化システム１Ａにおいて、放熱部１４ｂは、液体払出通路１２Ａにおいてポンプ１２ｃの下流側で熱交換器（図示せず）の上流側に配置されている。しかし、放熱部１４ｂは、ポンプ１２ｃの上流側に配置されてもよい。
　また、第１及び第２実施形態の再液化システム１，１Ａでは、磁気冷凍機である再液化装置１４が必ずしも前述のように構成されている必要はない。即ち、再液化装置１４は、消磁することによって凝縮部１４ａを介してボイルオフガスを冷却し且つ励磁する際の熱を放熱部１４ｂを介して払出ガス又は払出液に放出するものであればよい。
　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。従って、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。

Claims (5)

  1. 　液化水素タンク内で発生したボイルオフガスを再液化して前記液化水素タンクに戻す水素用再液化システムであって、
    　前記液化水素タンクから供給先に払出す水素が流れる払出通路と、
    　ボイルオフガスが流れる再液化通路と、
    　前記再液化通路を流れるボイルオフガスを冷却することによってボイルオフガスを凝縮する再液化装置と、を備え、
    　前記再液化装置は、前記再液化通路に設けられる凝縮部と、前記払出通路に設けられる放熱部とを含み、消磁することによって前記凝縮部を介してボイルオフガスを冷却し且つ励磁する際の熱を前記放熱部を介して水素に放出する磁気冷凍機である、水素用再液化システム。
  2. 　前記払出通路は、前記液化水素タンクから前記供給先に払出される水素であるボイルオフガスが流れ、
    　前記磁気冷凍機は、前記放熱部を介して前記払出通路を流れるボイルオフガスに放熱する、請求項１に記載の水素用再液化システム。
  3. 　前記払出通路は、前記液化水素タンクに接続され、
    　前記再液化通路は、前記払出通路を介して前記液化水素タンクに接続され
    　前記再液化装置の前記放熱部は、前記払出通路において前記再液化通路より前記供給先側に配置されている、請求項２に記載の水素用再液化システム。
  4. 　前記払出通路は、前記液化水素タンクから前記供給先に払出される水素である液化水素が流れ、
    　前記再液化装置は、前記放熱部を介して前記払出通路を流れる液化水素に放熱する、請求項１に記載の水素用再液化システム。
  5. 　前記払出通路は、水素への入熱を遮断する第１断熱構造を有し、
    　前記再液化通路は、ボイルオフガスへの入熱を遮断する第２断熱構造を有し、
    　前記再液化装置は、前記凝縮部の温度を水素の飽和温度未満であって３０Ｋ以下とし、前記放熱部の温度を２０Ｋ以上であって前記凝縮部より高くし、前記放熱部と前記凝縮部との温度差を５０Ｋ以下とする、請求項１乃至４の何れか１つに記載の水素用再液化システム。
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