WO2024029605A1 - 水素ガス冷却装置、ディスペンサ - Google Patents

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WO2024029605A1
WO2024029605A1 PCT/JP2023/028474 JP2023028474W WO2024029605A1 WO 2024029605 A1 WO2024029605 A1 WO 2024029605A1 JP 2023028474 W JP2023028474 W JP 2023028474W WO 2024029605 A1 WO2024029605 A1 WO 2024029605A1
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hydrogen gas
hydrogen
gas
path
liquid
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PCT/JP2023/028474
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純 吉田
竜平 山本
強 高橋
Original Assignee
トキコシステムソリューションズ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C5/00—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures
    • F17C5/06—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with compressed gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C7/00—Methods or apparatus for discharging liquefied, solidified, or compressed gases from pressure vessels, not covered by another subclass
    • F17C7/02—Discharging liquefied gases
    • F17C7/04—Discharging liquefied gases with change of state, e.g. vaporisation

Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen gas cooling device and the like.
  • Patent Document 1 For example, a technique is known that suppresses energy consumption when pressurizing and filling an object with hydrogen gas (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 liquid hydrogen is supplied into a pressurized container, heat is applied to the pressurized container to increase the internal pressure, and the cold heat obtained by the internal pressure increase is used to pre-cool the hydrogen gas. ing. Therefore, since it is necessary to apply heat, there is room for improvement from the viewpoint of energy saving.
  • a gas-liquid separation unit to which liquid hydrogen is transferred from the storage device and which separates hydrogen gas and liquid hydrogen generated during or after the transfer; a first path for sending hydrogen gas from the gas-liquid separation section to the low pressure side of the compression device; a second path through which hydrogen gas compressed by the compression device is supplied toward the object to be filled; a first heat exchange section that performs heat exchange between the hydrogen gas in the first path and the hydrogen gas in the second path; A hydrogen gas cooling device is provided.
  • a dispenser that fills a target with hydrogen gas, Equipped with the above-mentioned hydrogen gas cooling device, A dispenser is provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first example of a hydrogen gas filling system. It is a figure which shows the 2nd example of a hydrogen gas filling system. It is a figure which shows the 3rd example of a hydrogen gas filling system.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the structure of a gas-liquid separator and a heating coil.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first example of a hydrogen gas filling system 1.
  • the hydrogen gas filling system 1 includes a liquid hydrogen storage tank 100, a liquid hydrogen line 200, a dispenser 300, a low pressure hydrogen gas line 400, a hydrogen gas compression equipment 500, and a high pressure hydrogen gas storage equipment 600. and a high pressure hydrogen gas line 700.
  • the liquid hydrogen storage tank 100 receives and stores liquid hydrogen carried by the lorry RL.
  • the liquid hydrogen line 200 connects the liquid hydrogen storage tank 100 and the dispenser 300 and is used to transfer (supply) liquid hydrogen from the liquid hydrogen storage tank 100 to the dispenser 300.
  • the dispenser 300 fills a high-pressure hydrogen gas container to be filled with hydrogen gas supplied from at least one of the hydrogen gas compression equipment 500 and the high-pressure hydrogen gas storage equipment 600.
  • the high-pressure hydrogen gas container to be filled is, for example, the hydrogen tank TNK of the vehicle VCL.
  • the vehicle VCL is, for example, a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell capable of generating electricity using hydrogen gas as fuel.
  • the dispenser 300 generates hydrogen gas from liquid hydrogen supplied from the liquid hydrogen storage tank 100 through the liquid hydrogen line 200 and sends it to the low pressure hydrogen gas line 400.
  • the low-pressure hydrogen gas line 400 connects the dispenser 300 and the hydrogen gas compression equipment 500 and is used to transfer (supply) hydrogen gas from the dispenser 300 to the hydrogen gas compression equipment 500.
  • the hydrogen gas compression equipment 500 compresses hydrogen gas supplied from the dispenser 300 through the low-pressure hydrogen gas line 400. Further, the hydrogen gas compression equipment 500, like a normal hydrogen station, uses hydrogen supplied from a hydrogen gas supply source such as a gas card or an air-temperature evaporator that evaporates and gasifies liquid hydrogen from the liquid hydrogen storage tank 100. It may also be operated to compress gas.
  • a hydrogen gas supply source such as a gas card or an air-temperature evaporator that evaporates and gasifies liquid hydrogen from the liquid hydrogen storage tank 100. It may also be operated to compress gas.
  • Hydrogen gas compression equipment 500 includes a low-pressure hydrogen gas storage tank 510 and a compressor 520.
  • the low pressure hydrogen gas storage tank 510 stores relatively low pressure hydrogen gas supplied from the dispenser 300. Further, the low-pressure hydrogen gas storage tank 510 may be operated like a normal hydrogen station to store hydrogen gas supplied from a gas carder or an air-temperature evaporator.
  • the compressor 520 compresses hydrogen gas supplied from the low-pressure hydrogen gas storage tank 510 to generate hydrogen gas that is pressurized to a relatively high pressure.
  • High-pressure hydrogen gas generated by the hydrogen gas compression equipment 500 (compressor 520) is supplied to at least one of the high-pressure hydrogen gas storage equipment 600 and the dispenser 300.
  • the hydrogen gas compression equipment 500 including the large-scale compressor 520 it is also assumed that high pressure hydrogen gas is supplied to the high pressure hydrogen gas line 700 at the same time as the high pressure hydrogen gas storage equipment 600.
  • the high-pressure hydrogen gas storage equipment 600 stores high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen gas compression equipment 500, and also supplies high-pressure hydrogen gas to the dispenser 300.
  • the high-pressure hydrogen gas storage facility 600 includes a plurality of hydrogen gas storage tanks that have very high pressure resistance and can store high-pressure hydrogen gas.
  • the high-pressure hydrogen gas line 700 is connected to each of the hydrogen gas compression equipment 500 and the high-pressure hydrogen gas storage equipment 600 in a branched manner at one end, and connected to the dispenser 300 at the other end.
  • High pressure hydrogen gas line 700 is used to supply hydrogen gas to dispenser 300 from at least one of hydrogen gas compression equipment 500 and high pressure hydrogen gas storage equipment 600.
  • Dispenser 300 includes a filling hose 301 and a cooling circuit 302.
  • the filling hose 301 is provided so as to extend outward from the casing of the dispenser 300, and a nozzle provided at the tip is connected to a high-pressure hydrogen gas container (hydrogen tank TNK) to be filled, so that high pressure is supplied from the dispenser 300. Supply hydrogen gas to the hydrogen gas container.
  • a high-pressure hydrogen gas container hydrogen tank TNK
  • the cooling circuit 302 pre-cools the hydrogen gas supplied to the high-pressure hydrogen gas container (hydrogen tank TNK) to be filled.
  • the cooling circuit 302 includes paths L1 to L4, a gas-liquid separator 310, an evaporator 320, and a heat exchanger 330.
  • Path L1 supplies liquid hydrogen supplied through liquid hydrogen line 200 to gas-liquid separator 310.
  • An expansion valve L1V is provided on the path L1. Liquid hydrogen supplied from the liquid hydrogen line 200 to the path L1 is expanded by the expansion valve L1V and flows into the gas-liquid separator 310. At this time, for example, a part of the liquid hydrogen is gasified by flashing due to expansion and becomes hydrogen gas, and gas-liquid two-phase hydrogen consisting of hydrogen gas and liquid hydrogen flows into the gas-liquid separator 310.
  • Path L2 connects the gas-liquid separator 310 and the low-pressure hydrogen gas line 400, recovers the temperature of the cryogenic hydrogen gas generated in the gas-liquid separator 310 with the heat exchanger 330, and connects the low-pressure hydrogen gas line 400 with the gas-liquid separator 310. used for sending out.
  • Path L2 is configured to pass through heat exchanger 330.
  • the path L2 is provided with a regulating valve L2V that can adjust the pressure inside the gas-liquid separator 310 by adjusting its opening degree.
  • the regulating valve L2V is provided upstream of the heat exchanger 330 (on the gas-liquid separator 310 side) in the path L2.
  • Path L3 connects high-pressure hydrogen gas line 700 and filling hose 301 and is used to send high-pressure hydrogen gas supplied through high-pressure hydrogen gas line 700 to filling hose 301.
  • Path L3 is configured to pass through heat exchanger 330 and evaporator 320 in this order from upstream (high-pressure hydrogen gas line 700 side).
  • the path L3 is provided with an on-off valve L3V whose opening/closing state and degree of opening can be adjusted.
  • the on-off valve L3V is provided upstream of the heat exchanger 330 in the path L3.
  • the on-off valve L3V may be provided downstream of the heat exchanger 330.
  • Path L4 is used to send out liquid hydrogen from the gas-liquid separator 310, circulate it in a thermosiphon system, and evaporate it.
  • the path L4 has one end connected to the lower part of the gas-liquid separator 310 where liquid hydrogen is stored, and the other end connected to the upper part of the gas-liquid separator 310 where hydrogen gas is stored.
  • the gas-liquid separator 310 receives gas-liquid two-phase hydrogen (liquid hydrogen and hydrogen gas) supplied through the path L1, and separates it into liquid hydrogen and hydrogen gas.
  • the hydrogen gas separated by the gas-liquid separator 310 is generated by, for example, the pressure difference (expansion) inside the gas-liquid separator 310 during or after transfer of liquid hydrogen, heat input from the outside, or parahydrogen of orthohydrogen. It is boil-off gas (BOG) generated by the conversion heat during conversion to , and the flash caused by the expansion valve L1V.
  • BOG boil-off gas
  • a control device built into the dispenser 300 or installed externally monitors the liquid level and pressure of the gas-liquid separator 310, and depending on the monitoring results, controls the expansion valve L1V and the adjustment valve L2V. The opening degree is adjusted.
  • the control device controls the gas-liquid separator 310 so that the liquid level height of the gas-liquid separator 310 is below a predetermined standard, and the pressure of the gas-liquid separator 310 is below a predetermined standard.
  • the internal liquid level height and internal pressure can be controlled.
  • the control device controls the temperature of the hydrogen gas to be filled at high pressure by controlling the internal pressure of the gas-liquid separator 310, based on the relationship between the evaporation temperature and pressure of hydrogen.
  • the temperature can be adjusted to a target value (for example, around -40°).
  • a target value for example, around -40°.
  • the pressure in order to control the direction of decreasing the temperature (that is, the direction of decreasing the pressure of the gas-liquid separator 310), the pressure must be higher than the pressure on the receiving side (low-pressure hydrogen gas storage tank 510) of the evaporated gas (low-pressure hydrogen gas). There is a restriction.
  • the gas-liquid separator 310 has a vacuum insulation structure in which an inner tank 311 is covered with an outer tank 312 via a vacuum insulation layer, and hydrogen can be maintained in a liquid state inside the gas-liquid separator 310. (See FIG. 4 below).
  • the inside of the gas-liquid separator 310 can be maintained at a temperature that can hold liquid hydrogen. Therefore, when the dispenser 300 is started next time, there is no need to pre-cool the inside of the gas-liquid separator 310 with the liquid hydrogen supplied from the path L1, and as a result, the cooling energy of the liquid hydrogen due to the pre-cooling of the gas-liquid separator 310 is reduced. Loss can be suppressed.
  • gas-liquid separator 310 is always maintained at a temperature that allows it to maintain a liquid hydrogen state, for example, there is an initial time lag during pre-cooling preparation, etc. for a high-pressure hydrogen gas filling operation that is performed in a batch manner. High-pressure hydrogen gas filling operation can be performed immediately without the need for
  • the evaporator 320 stores liquid hydrogen on the low-temperature side of the path L4, that is, liquid hydrogen from the gas-liquid separator 310, and hydrogen gas on the high-temperature side of the path L3, that is, high-pressure hydrogen gas compressed in the hydrogen gas compression equipment 500. heat exchange between the Thereby, the evaporator 320 can evaporate the liquid hydrogen in the path L4, and can pre-cool the hydrogen gas in the path L3 before filling it into the high-pressure hydrogen gas container to be filled. Further, the evaporator 320 can generate circulation of liquid hydrogen and hydrogen gas in the path L4 by the thermosiphon effect of gas-liquid two-phase hydrogen, and can efficiently evaporate the liquid hydrogen in the path L4. Gas-liquid two-phase hydrogen containing hydrogen gas generated by evaporating liquid hydrogen by the evaporator 320 returns to the gas-liquid separator 310 through the path L4.
  • the heat exchanger 330 combines hydrogen gas on the low-temperature side of route L2, that is, hydrogen gas from the gas-liquid separator 310, and hydrogen gas on the high-temperature side of route L3, that is, high-pressure hydrogen compressed in the hydrogen gas compression equipment 500. Performs heat exchange with gas. Thereby, the heat exchanger 330 can pre-cool the hydrogen gas in the path L3 before filling the high-pressure hydrogen gas container to be filled, at a stage upstream of the evaporator 320. Further, the heat exchanger 330 can recover the hydrogen gas in the path L2 to a temperature range (normal temperature) where it can be sucked into the compressor 520 of the hydrogen gas compression equipment 500.
  • the dispenser 300 can use the evaporator 320 and the heat exchanger 330 to pre-cool the hydrogen gas in two stages before filling it into the high-pressure hydrogen gas container to be filled. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a situation in which the temperature of the hydrogen gas filled under pressure in the hydrogen tank TNK exceeds a predetermined reference temperature (for example, 85° C.).
  • a predetermined reference temperature for example, 85° C.
  • the dispenser 300 can pre-cool the hydrogen gas before filling it into the high-pressure hydrogen gas container to be filled, using the cold energy of the liquid hydrogen supplied from the liquid hydrogen storage tank 100. Therefore, it is possible to further suppress energy consumption for pre-cooling the hydrogen gas when pressurizing and filling the object to be filled (high-pressure hydrogen gas container). Therefore, for example, as in this example, external equipment such as normal pre-cooling refrigeration equipment can be omitted, and energy consumption in external equipment for pre-cooling hydrogen gas can be eliminated.
  • the dispenser 300 can maintain the inside of the gas-liquid separator 310 at a temperature that can hold liquid hydrogen. Therefore, even if the dispenser 300 is operated intermittently, there is a loss of cooling energy due to the interior of the gas-liquid separator 310 being pre-cooled by the liquid hydrogen supplied from the liquid hydrogen storage tank 100, and a waiting time due to pre-cooling. loss can be suppressed.
  • the dispenser 300 generates hydrogen gas from liquid hydrogen by pre-cooling the hydrogen gas before filling it into a high-pressure hydrogen gas container to be filled, using the cold energy of the liquid hydrogen. I can do it. Therefore, the thermal energy of the high-pressure hydrogen gas can be effectively used internally as the energy required for heating when generating hydrogen gas from liquid hydrogen.
  • the dispenser 300 integrates the function of precooling hydrogen gas before filling it into a high-pressure hydrogen gas container to be filled, and the function of generating hydrogen gas from liquid hydrogen, using the cooling circuit 302. I can do it. Therefore, the configuration of the hydrogen gas filling system 1 can be simplified, and as a result, initial costs, running costs, etc. can be suppressed.
  • FIG. 2 is a diagram showing a second example of the hydrogen gas filling system 1.
  • the hydrogen gas filling system 1 includes a liquid hydrogen storage tank 100, a liquid hydrogen line 200, a dispenser 300, a low pressure hydrogen gas line 400, a hydrogen gas compression equipment 500, and a high pressure hydrogen gas storage equipment 600. and a high pressure hydrogen gas line 700.
  • the dispenser 300 includes a filling hose 301 and a cooling circuit 302, similar to the first example described above.
  • the cooling circuit 302 includes paths L1 to L4, a gas-liquid separator 310, an evaporator 320, and a heat exchanger 330, as in the first example described above.
  • the cooling circuit 302 is different from the above-described first example in the path L4.
  • route L4 One end of the route L4 is connected to the lower part of the gas-liquid separator 310 where liquid hydrogen is stored, and the other end is connected to a location downstream of the heat exchanger 330 (on the low-pressure hydrogen gas line 400 side) in the route L2.
  • Path L4 is configured to pass through evaporator 320 and heat exchanger 330 from upstream (gas-liquid separator 310 side) to downstream (path L2 side).
  • the heat exchanger 330 can use hydrogen gas, which is obtained by evaporating liquid hydrogen by the evaporator 320 on the path L4, as the low-temperature side refrigerant. Therefore, for example, even in a situation where the flow rate of hydrogen gas in the path L3 becomes excessive, the temperature of the hydrogen gas in the path L3 can be appropriately lowered.
  • the dispenser 300 can use the hydrogen gas on the path L4 in addition to the hydrogen gas on the path L2 as the refrigerant on the low temperature side of the heat exchanger 330. Therefore, the dispenser 300 can appropriately lower the temperature of the hydrogen gas on the route L3 in accordance with the load fluctuation on the route L2.
  • FIG. 3 is a diagram showing a third example of the hydrogen gas filling system 1.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the structure of the gas-liquid separator 310 and the heating coil 340.
  • the hydrogen gas filling system 1 includes a liquid hydrogen storage tank 100, a liquid hydrogen line 200, a dispenser 300, a low pressure hydrogen gas line 400, a hydrogen gas compression equipment 500, and a high pressure hydrogen gas storage equipment 600. and a high pressure hydrogen gas line 700.
  • the dispenser 300 includes a filling hose 301 and a cooling circuit 302, as in the first and second examples described above.
  • the cooling circuit 302 includes paths L1 to L3, a gas-liquid separator 310, and a heat exchanger 330, as in the first and second examples described above. Furthermore, unlike the first and second examples described above, the cooling circuit 302 includes a path L5 and a heating coil 340, and the evaporator 320 and path L4 are omitted.
  • route L5 One end of the route L5 is connected to a location upstream of the heat exchanger 330 and the on-off valve L3V in the route L3, and the other end is connected to a location downstream of the heat exchanger 330 in the route L3. That is, the route L5 is configured such that the hydrogen gas branches from upstream of the heat exchanger 330 and the on-off valve L3V in the route L3, and joins downstream of the heat exchanger 330 in the route L3.
  • the heating coil 340 is provided in the path L5 and performs heat exchange between the hydrogen gas flowing therein and the liquid hydrogen inside the gas-liquid separator 310. Thereby, the heating coil 340 can evaporate the liquid hydrogen by heating the liquid hydrogen inside the gas-liquid separator 310, and can also lower the temperature of the high-pressure hydrogen gas flowing inside the gas-liquid separator 310. . Therefore, the dispenser 300 can generate hydrogen gas commensurate with the heat input from liquid hydrogen without using the evaporator 320, and also pre-cools the hydrogen gas that joins the path L2 and fills the high-pressure hydrogen gas container. can do.
  • the gas-liquid separator 310 includes an inner tank 311 in which liquid hydrogen and gaseous hydrogen are separated, and an outer tank 312.
  • a vacuum insulation layer SP is provided between the inner tank 311 and the outer tank 312. Thereby, the gas-liquid separator 310 can maintain the inside of the inner tank 311 at a temperature that can hold liquid hydrogen.
  • the heating coil 340 is formed by winding a conduit corresponding to the path L5 into a coil along the outer wall of the cylindrical inner tank 311.
  • the heating coil 340 is installed on the outer wall of the inner tank 311 at a position lower than the height adjusted by normal liquid level control of the liquid hydrogen inside the inner tank 311. Thereby, the heating coil 340 can perform heat exchange between the hydrogen gas on the high temperature side flowing through the inside thereof and the liquid hydrogen on the low temperature side inside the inner tank 311.
  • Path L5 is provided with an adjustment valve L5V that can adjust the flow rate of hydrogen gas branching from path L3 to path L5.
  • the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the path L3 is monitored by a control device built into the dispenser 300 or installed externally, and the opening degree of the regulating valve L5V is adjusted according to the monitoring result. .
  • the control device controls the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the path L3, that is, the temperature of the hydrogen gas filled into the high-pressure hydrogen gas container (hydrogen tank TNK) through the filling hose 301, to fall within a predetermined temperature range.
  • the temperature of the hydrogen gas at the exit of path L3 can be controlled.
  • the predetermined temperature range is, for example, a temperature range based on -40°C.
  • the hydrogen gas at the outlet of the dispenser 300 can be adjusted by adjusting the flow rate on the route L5 side with the regulating valve L5V. temperature can be maintained near a predetermined standard (-40°C).
  • the dispenser 300 can adjust the flow rate of the path L5, in which hydrogen gas is branched from upstream of the heat exchanger 330 in the path L3 and merged downstream of the heat exchanger 330. Therefore, by adjusting the flow rate of the path L5, the dispenser 300 can adjust the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the path L3 and maintain it near the predetermined standard (-40° C.).
  • the dispenser 300 uses the heating coil 340 of the path L5 to perform heat exchange between the hydrogen gas on the high temperature side of the path L5 and the liquid hydrogen on the low temperature side of the gas-liquid separator 310. I can do it. Therefore, the dispenser 300 can lower the temperature of the hydrogen gas in the path L5, and can evaporate the liquid hydrogen in the gas-liquid separator 310. Therefore, the evaporator 320 can be omitted.
  • a regenerator may be provided downstream of the evaporator 320 on the path L3 (for example, near the exit of the path L3).
  • the dispenser 300 suppresses the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the route L3 so as not to drop significantly by, for example, operating the regenerator intermittently (batch-wise), and maintains the temperature near the predetermined standard (-40°C). can be adjusted to maintain
  • the route L5 of the third example described above may be provided.
  • heating coil 340 is omitted.
  • the dispenser 300 adjusts the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the path L3 by adjusting the flow rate of the path L5 using the regulating valve L5V, as in the third example described above, and adjusts the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the path L3 to around the predetermined standard (-40° C.). can be maintained.
  • the hydrogen gas filling system 1 uses an external cold energy source as needed in addition to the cold energy of liquid hydrogen.
  • the hydrogen gas may be pre-cooled by supplementary use of cold energy from (for example, refrigeration equipment, etc.).
  • part or all of the cooling circuit 302 may be provided outside the dispenser 300.
  • the hydrogen gas cooling device includes a gas-liquid separation section, a first path, a second path, and a first heat exchange section.
  • the hydrogen gas cooling device is, for example, the cooling circuit 302 described above.
  • the gas-liquid separator is, for example, the above-mentioned gas-liquid separator 310.
  • the first route is, for example, the above-mentioned route L2.
  • the second route is, for example, the above-mentioned route L3.
  • the first heat exchange section is, for example, the heat exchanger 330 described above.
  • the gas-liquid separation unit receives liquid hydrogen from the storage device and separates hydrogen gas and liquid hydrogen generated during or after the transfer.
  • the storage device is, for example, the liquid hydrogen storage tank 100 described above.
  • the first path sends hydrogen gas from the gas-liquid separation section to the low-pressure side of the compression device.
  • the compression device is, for example, the hydrogen gas compression equipment 500 described above.
  • hydrogen gas compressed by the compression device is supplied toward the object to be filled.
  • the object to be filled is, for example, the hydrogen tank TNK of the vehicle VCL described above.
  • the first heat exchange section performs heat exchange between the hydrogen gas in the first path and the hydrogen gas in the second path.
  • the hydrogen gas cooling device can pre-cool the hydrogen gas to be filled into the object to be filled, using the cold energy of the liquid hydrogen (boil-off gas) supplied from the storage device. Therefore, for example, there is no need to install and operate refrigeration equipment for pre-cooling, and it is possible to further suppress energy consumption when pressurizing and filling an object with hydrogen gas.
  • hydrogen gas can be Pre-cooling of hydrogen gas can be done immediately at the timing of gas filling operation.
  • Patent Document 1 it is necessary to start an operation to internally increase the pressure of liquid hydrogen in a pressurized container at the timing of high-pressure hydrogen gas filling operation, and until a steady state is reached, the hydrogen gas It is possible to prevent a situation where a waiting time is required for the filling operation. Therefore, an immediate pre-cooling operation can be realized in any intermittent operation of the hydrogen gas filling system.
  • the hydrogen gas cooling device may include a third path and a second heat exchange section.
  • the third route is, for example, the above-mentioned route L4.
  • the second heat exchange section is, for example, the evaporator 320 described above.
  • the third path sends out liquid hydrogen from the gas-liquid separation section.
  • the second heat exchange section performs heat exchange between the liquid hydrogen in the third path and the hydrogen gas downstream of the first heat exchange section in the second path.
  • the hydrogen gas cooling device can evaporate the liquid hydrogen in the third path and cool the hydrogen gas in the second path using the second heat exchanger. Therefore, the hydrogen gas cooling device can pre-cool (pre-cool) the hydrogen gas to be filled into the object to be filled, using the cold energy when evaporating the liquid hydrogen supplied from the storage device.
  • the third path may be configured to return hydrogen gas from which liquid hydrogen has been evaporated by the second heat exchanger to the gas-liquid separator.
  • the hydrogen gas cooling device can supply hydrogen gas generated by evaporation of liquid hydrogen to the compression device via the gas-liquid separator.
  • the liquid hydrogen sent out from the gas-liquid separation section passes through the second heat exchange section and the first heat exchange section in order, and the hydrogen gas obtained by vaporizing the liquid hydrogen passes through the second heat exchange section and the first heat exchange section in this order. It may be configured to merge with the second path.
  • the hydrogen gas cooling device can use hydrogen gas generated by evaporation of liquid hydrogen in the second heat exchange section as a refrigerant on the low temperature side of the first heat exchange section. Therefore, the hydrogen gas cooling device can lower the temperature of the hydrogen gas supplied to the object to be filled to an appropriate temperature in accordance with fluctuations in the flow rate of the hydrogen gas supplied to the object to be filled.
  • the hydrogen gas cooling device may include a fourth path and a third heat exchange section.
  • the fourth route is, for example, the above-mentioned route L5.
  • the third heat exchange section is the heating coil 340 described above.
  • the fourth path is such that the hydrogen gas branches from the second path on the upstream side of the first heat exchange section and joins the second path on the downstream side of the first heat exchange section. It is composed of The third heat exchange section performs heat exchange between the hydrogen gas in the fourth path and the liquid hydrogen in the gas-liquid separation section.
  • the hydrogen gas cooling device can appropriately adjust the temperature of the hydrogen gas to be filled into the object to be filled by adjusting the flow rate of the hydrogen gas that bypasses the fourth path. Further, the hydrogen gas cooling device can evaporate the liquid hydrogen in the gas-liquid separation section by using the thermal energy of the hydrogen gas in the fifth path. Therefore, the hydrogen gas cooling device can omit a dedicated heat exchange section (evaporator) for evaporating liquid hydrogen.
  • evaporator dedicated heat exchange section
  • the dispenser fills the object to be filled with hydrogen gas.
  • the dispenser is, for example, the dispenser 300 described above.
  • the dispenser may also include the hydrogen gas cooling device described above.
  • Hydrogen gas filling system 100 Liquid hydrogen storage tank 200 Liquid hydrogen line 300 Dispenser 301 Filling hose 302 Cooling circuit 310 Gas-liquid separator 311 Inner tank 312 Outer tank 320 Evaporator 330 Heat exchanger 340 Heating coil 400 Low pressure hydrogen gas line 500 Hydrogen gas Compression equipment 510 Low pressure hydrogen gas storage tank 520 Compressor 600 High pressure hydrogen gas storage equipment 700 High pressure hydrogen gas line L1 Path L1V Expansion valve L2 Path L2V Regulating valve L3 Path L3V Opening/closing valve L4 Path L5 Path L5V Regulating valve RL Loli SP Vacuum insulation layer TNK hydrogen tank VCL vehicle

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Abstract

水素ガスを被充填対象に加圧充填する際のエネルギ消費をより抑制することが可能な技術を提供する。一実施形態に係る冷却回路３０２は、液体水素貯槽１００から液体水素が移送され、移送中又は移送後に発生する水素ガスと液体水素とを分離する気液分離器３１０と、気液分離器３１０の水素ガスを水素ガス圧縮設備５００の低圧側に送り出す経路Ｌ２と、被充填対象の水素タンクＴＮＫに向けて、水素ガス圧縮設備５００で圧縮された水素ガスが供給される経路Ｌ３と、経路Ｌ２の水素ガスと経路Ｌ３の水素ガスとの間で熱交換を行う熱交換器３３０と、を備える。

Description

水素ガス冷却装置、ディスペンサ
　本開示は、水素ガス冷却装置等に関する。
　例えば、水素ガスを被充填対象に加圧充填する際のエネルギ消費を抑制する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２０２１－１３９３７５号公報
　しかしながら、上記の特許文献１では、液体水素を加圧容器内に供給し、加圧容器に熱を加えて内部昇圧させることにより、内部昇圧で得られた寒冷熱を水素ガスのプレクールに利用している。そのため、熱を加える必要が生じることから、省エネルギの観点で改善の余地がある。
　そこで、上記課題に鑑み、水素ガスを被充填対象に加圧充填する際のエネルギ消費をより抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
　貯留装置から液体水素が移送され、移送中又は移送後に発生する水素ガスと液体水素とを分離する気液分離部と、
　前記気液分離部の水素ガスを圧縮装置の低圧側に送り出す第１の経路と、
　被充填対象に向けて、前記圧縮装置で圧縮された水素ガスが供給される第２の経路と、
　前記第１の経路の水素ガスと前記第２の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換部と、を備える、
　水素ガス冷却装置が提供される。
　また、本開示の他の実施形態では、
　被充填対象に水素ガスを充填するディスペンサであって、
　上述の水素ガス冷却装置を備える、
　ディスペンサが提供される。
　上述の実施形態によれば、水素ガスを被充填対象に加圧充填する際のエネルギ消費をより抑制することができる。
水素ガス充填システムの第１例を示す図である。 水素ガス充填システムの第２例を示す図である。 水素ガス充填システムの第３例を示す図である。 気液分離器及び加熱コイルの構造の一例を概略的に示す図である。
　以下、図面を参照して実施形態について説明する。
　［水素ガス充填システムの第１例］
　図１を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第１例について説明する。
　図１は、水素ガス充填システム１の第１例を示す図である。
　図１に示すように、水素ガス充填システム１は、液体水素貯槽１００と、液体水素ライン２００と、ディスペンサ３００と、低圧水素ガスライン４００と、水素ガス圧縮設備５００と、高圧水素ガス貯蔵設備６００と、高圧水素ガスライン７００と含む。
　液体水素貯槽１００は、ローリＲＬにより運び込まれる液体水素を受け入れ貯留する。
　液体水素ライン２００は、液体水素貯槽１００とディスペンサ３００との間を接続し、液体水素貯槽１００からディスペンサ３００に液体水素を移送（供給）するために用いられる。
　ディスペンサ３００は、水素ガス圧縮設備５００及び高圧水素ガス貯蔵設備６００の少なくとも一方から供給される水素ガスを被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する。被充填対象の高圧水素ガス容器は、例えば、車両ＶＣＬの水素タンクＴＮＫである。車両ＶＣＬは、例えば、水素ガスを燃料として発電可能な燃料電池を搭載する燃料電池車である。
　また、ディスペンサ３００は、液体水素ライン２００を通じて液体水素貯槽１００から供給される液体水素から水素ガスを生成し、低圧水素ガスライン４００に送り出す。
　低圧水素ガスライン４００は、ディスペンサ３００と水素ガス圧縮設備５００との間を接続し、ディスペンサ３００から水素ガス圧縮設備５００に水素ガスを移送（供給）するために用いられる。
　水素ガス圧縮設備５００は、低圧水素ガスライン４００を通じてディスペンサ３００から供給される水素ガスを圧縮する。また、水素ガス圧縮設備５００は、通常の水素ステーションのように、ガスカードル、或いは液体水素貯槽１００からの液体水素を蒸発させてガス化させる空温蒸発器等の水素ガス供給元から供給される水素ガス圧縮するように運用されてもよい。
　水素ガス圧縮設備５００は、低圧水素ガス貯蔵タンク５１０と、圧縮機５２０とを含む。
　低圧水素ガス貯蔵タンク５１０は、ディスペンサ３００から供給される、相対的に低い圧力の水素ガスを貯蔵する。また、低圧水素ガス貯蔵タンク５１０は、通常の水素ステーションのように、ガスカードルや空温蒸発器から供給される水素ガスを蓄えられるように運用されてもよい。
　圧縮機５２０は、低圧水素ガス貯蔵タンク５１０から供給される水素ガスを圧縮し、相対的に高い圧力に昇圧された水素ガスを生成する。
　水素ガス圧縮設備５００（圧縮機５２０）で生成される高圧の水素ガスは、高圧水素ガス貯蔵設備６００及びディスペンサ３００の少なくとも一方に供給される。例えば、大規模の圧縮機５２０を備える水素ガス圧縮設備５００では、高圧水素ガス貯蔵設備６００と同時に高圧水素ガスライン７００へ高圧の水素ガスを供給することも想定される。
　高圧水素ガス貯蔵設備６００は、水素ガス圧縮設備５００から供給される高圧の水素ガスを貯蔵すると共に、ディスペンサ３００に高圧の水素ガスを供給する。例えば、高圧水素ガス貯蔵設備６００は、非常に高い耐圧性能を有し、高圧の水素ガスを貯蔵可能な複数の水素ガス貯蔵タンクを含む。
　高圧水素ガスライン７００は、一端が分岐する形で水素ガス圧縮設備５００及び高圧水素ガス貯蔵設備６００のそれぞれと接続され、他端がディスペンサ３００と接続される。高圧水素ガスライン７００は、水素ガス圧縮設備５００及び高圧水素ガス貯蔵設備６００の少なくとも一方からディスペンサ３００に水素ガスを供給するために用いられる。
　ディスペンサ３００は、充填ホース３０１と、冷却回路３０２とを含む。
　充填ホース３０１は、ディスペンサ３００の筐体から外部に延び出すように設けられ、先端に設けられるノズルが被充填対象の高圧水素ガス容器（水素タンクＴＮＫ）と接続されることにより、ディスペンサ３００から高圧水素ガス容器に水素ガスを供給する。
　冷却回路３０２は、被充填対象の高圧水素ガス容器（水素タンクＴＮＫ）に供給される水素ガスを予冷（プレクール）する。
　冷却回路３０２は、経路Ｌ１～Ｌ４と、気液分離器３１０と、蒸発器３２０と、熱交換器３３０とを含む。
　経路Ｌ１は、その一端が液体水素ライン２００と接続され、他端が気液分離器３１０に接続される。経路Ｌ１は、液体水素ライン２００を通じて供給される液体水素を気液分離器３１０に供給する。
　経路Ｌ１には、膨張弁Ｌ１Ｖが設けられる。液体水素ライン２００から経路Ｌ１に供給される液体水素は、膨張弁Ｌ１Ｖにて膨張して気液分離器３１０に流入する。この際、例えば、膨張によるフラッシュによって液体水素の一部がガス化して水素ガスとなり、水素ガス及び液体水素による気液二相の水素が気液分離器３１０に流入する。
　経路Ｌ２は、気液分離器３１０と低圧水素ガスライン４００との間を接続し、気液分離器３１０で発生した極低温の水素ガスを熱交換器３３０で温度回復させ、低圧水素ガスライン４００に送り出すために用いられる。経路Ｌ２は、熱交換器３３０を通過するように構成される。
　経路Ｌ２には、その開度を調整することにより、気液分離器３１０の内部の圧力を調整可能な調整弁Ｌ２Ｖが設けられる。例えば、調整弁Ｌ２Ｖは、経路Ｌ２における熱交換器３３０の上流（気液分離器３１０側）に設けられる。
　経路Ｌ３は、高圧水素ガスライン７００と充填ホース３０１との間を接続し、高圧水素ガスライン７００を通じて供給される高圧の水素ガスを充填ホース３０１に送り出すために用いられる。経路Ｌ３は、上流（高圧水素ガスライン７００側）から熱交換器３３０及び蒸発器３２０の順に通過するように構成される。
　経路Ｌ３には、その開閉状態や開度を調整可能な開閉弁Ｌ３Ｖが設けられる。例えば、開閉弁Ｌ３Ｖは、経路Ｌ３における熱交換器３３０の上流側に設けられる。また、開閉弁Ｌ３Ｖは、熱交換器３３０の下流側に設けられてもよい。開閉弁Ｌ３Ｖが閉状態から開状態に切り換えられることによって、ディスペンサ３００から被充填対象の高圧水素ガス容器（水素タンクＴＮＫ）への高圧の水素ガスの充填が開始される。
　経路Ｌ４は、気液分離器３１０の液体水素を送り出し、サーモサイホン方式で循環させ蒸発させるために用いられる。経路Ｌ４は、一端が気液分離器３１０の液体水素が溜まっている下部に接続され、他端が気液分離器３１０の水素ガスが溜まっている上部に接続される。
　気液分離器３１０は、経路Ｌ１を通じて供給される気液二相の水素（液体水素及び水素ガス）を受け入れて、液体水素と水素ガスとに分離する。気液分離器３１０で分離される水素ガスは、例えば、液体水素の移送中或いは移送後の気液分離器３１０の内部での差圧（膨張）、外部からの入熱、オルト水素のパラ水素への転換時の転換熱、膨張弁Ｌ１Ｖによるフラッシュにより発生するボイルオフガス（ＢＯＧ：Boil of Gas）である。
　例えば、ディスペンサ３００に内蔵される、或いは、外部に設置される制御装置によって、気液分離器３１０の液面レベルや圧力が監視され、その監視結果に応じて、膨張弁Ｌ１Ｖ及び調整弁Ｌ２Ｖの開度が調整される。これにより、制御装置は、気液分離器３１０の液面高さが所定基準以下になるように、且つ、気液分離器３１０の圧力が所定基準以下になるように、気液分離器３１０の内部の液面高さ及び内部の圧力を制御することができる。また、制御装置は、水素の蒸発温度と圧力の関係から、目標とする高圧充填される水素ガスの温度を、気液分離器３１０の内部の圧力を制御することによって、高圧充填される水素ガスの温度を目標値（例えば、－４０°付近）になるように調整することができる。但し、温度を降下させる方向（即ち、気液分離器３１０の圧力を下げる方向）の制御には、蒸発ガス（低圧の水素ガス）の受入側（低圧水素ガス貯蔵タンク５１０）の圧力以上であるという制限がある。
　例えば、気液分離器３１０は、内槽３１１が真空断熱層を介して外槽３１２に覆われる形態の真空断熱構造を有し、気液分離器３１０の内部は、水素が液体状態を維持可能な極低温状態に維持される（後述の図４参照）。これにより、例えば、ディスペンサ３００の停止時に、気液分離器３１０の内部を、液体水素を保持可能な温度状態に維持することができる。そのため、次回のディスペンサ３００の起動時に、経路Ｌ１から供給される液体水素によって気液分離器３１０の内部を予冷する必要がなく、その結果、気液分離器３１０の予冷による液体水素の寒冷エネルギのロスを抑制することができる。また、常時、気液分離器３１０が液体水素の状態を維持可能な温度に維持されているため、例えば、バッチ的に行われる高圧水素ガスの充填運転に対して、予冷準備等の初期のタイムラグを要せずに、即座に高圧水素ガスの充填運転を行うことができる。
　蒸発器３２０は、経路Ｌ４の低温側の液体水素、即ち、気液分離器３１０の液体水素と、経路Ｌ３の高温側の水素ガス、即ち、水素ガス圧縮設備５００で圧縮された高圧の水素ガスとの間で熱交換を行う。これにより、蒸発器３２０は、経路Ｌ４の液体水素を蒸発させることができると共に、経路Ｌ３の水素ガスを被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に予冷することができる。また、蒸発器３２０は、気液二相の水素のサーモサイホン効果によって、経路Ｌ４に液体水素及び水素ガスの循環を発生させ、経路Ｌ４の液体水素を効率的に蒸発させることができる。蒸発器３２０により液体水素が蒸発することにより生成される水素ガスを含む気液二相の水素は、経路Ｌ４を通じて、気液分離器３１０に戻る。
　熱交換器３３０は、経路Ｌ２の低温側の水素ガス、即ち、気液分離器３１０の水素ガスと、経路Ｌ３の高温側の水素ガス、即ち、水素ガス圧縮設備５００で圧縮された高圧の水素ガスとの間で熱交換を行う。これにより、熱交換器３３０は、蒸発器３２０の前段で、経路Ｌ３の水素ガスを被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に予冷することができる。また、熱交換器３３０は、経路Ｌ２の水素ガスを水素ガス圧縮設備５００の圧縮機５２０に吸入可能な温度域（常温）まで回復させることができる。
　このように、本例では、ディスペンサ３００は、蒸発器３２０及び熱交換器３３０を用いて、被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に水素ガスを二段階で予冷することができる。そのため、水素タンクＴＮＫに加圧充填された水素ガスの温度が所定の基準温度（例えば、８５℃）を超えてしまうような事態の発生を抑制することができる。
　また、本例では、ディスペンサ３００は、液体水素貯槽１００から供給される液体水素の寒冷エネルギを利用して、被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に水素ガスを予冷することができる。そのため、被充填対象（高圧水素ガス容器）に加圧充填する際の水素ガスの予冷のためのエネルギ消費をより抑制することができる。そのため、例えば、本例のように、通常のプレクール用の冷凍設備等の外部設備を省略し、水素ガスの予冷のための外部設備でのエネルギ消費を無くすことがきる。
　また、本例では、ディスペンサ３００は、液体水素を保持可能な温度状態に気液分離器３１０の内部を維持することができる。そのため、ディスペンサ３００が間欠的に稼働される状況であっても、液体水素貯槽１００から供給される液体水素によって気液分離器３１０の内部が予冷されることによる寒冷エネルギのロスや予冷による待ち時間のロスを抑制することができる。
　また、本例では、ディスペンサ３００は、液体水素の寒冷エネルギを利用して、被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に水素ガスを予冷することによって、液体水素から水素ガスを生成することができる。そのため、液体水素から水素ガスを生成する際の加温に要するエネルギとして高圧の水素ガスが有する熱エネルギを内部で有効利用することができる。
　また、本例では、ディスペンサ３００は、冷却回路３０２によって、被充填対象の高圧水素ガス容器に充填する前に水素ガスを予冷する機能と、液体水素から水素ガスを生成する機能とを統合させることができる。そのため、水素ガス充填システム１の構成を簡略化することができ、その結果、初期コストやランニングコスト等を抑制することができる。
　［水素ガス充填システムの第２例］
　次に、図２を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第２例について説明する。
　以下、上述の第１例と同じ或いは対応する構成には同じ符号を付し、上述の第１例と異なる部分を中心に説明する。
　図２は、水素ガス充填システム１の第２例を示す図である。
　図２に示すように、水素ガス充填システム１は、液体水素貯槽１００と、液体水素ライン２００と、ディスペンサ３００と、低圧水素ガスライン４００と、水素ガス圧縮設備５００と、高圧水素ガス貯蔵設備６００と、高圧水素ガスライン７００と含む。
　ディスペンサ３００は、上述の第１例と同様、充填ホース３０１と、冷却回路３０２とを含む。
　冷却回路３０２は、上述の第１例と同様、経路Ｌ１～Ｌ４と、気液分離器３１０と、蒸発器３２０と、熱交換器３３０とを含む。
　本例では、冷却回路３０２は、経路Ｌ４が上述の第１例と異なる。
　経路Ｌ４は、一端が気液分離器３１０の液体水素が溜まっている下部に接続され、他端が経路Ｌ２における熱交換器３３０の下流（低圧水素ガスライン４００側）の箇所に接続される。
　経路Ｌ４は、上流（気液分離器３１０側）から下流（経路Ｌ２側）に向けて、蒸発器３２０及び熱交換器３３０を通過するように構成される。これにより、熱交換器３３０は、低温側の冷媒として、経路Ｌ４の蒸発器３２０により液体水素が蒸発された水素ガスを利用することができる。そのため、例えば、経路Ｌ３の水素ガスの流量が過大になるような状況であっても、経路Ｌ３の水素ガスの温度を適切に低下させることができる。
　このように、本例では、ディスペンサ３００は、熱交換器３３０の低温側の冷媒として、経路Ｌ２の水素ガスに加えて、経路Ｌ４の水素ガスを利用することができる。そのため、ディスペンサ３００は、経路Ｌ２の負荷変動に合わせて、経路Ｌ３の水素ガスの温度を適切に低下させることができる。
　［水素ガス充填システムの第３例］
　次に、図３、図４を参照して、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の第３例について説明する。
　以下、上述の第１例や第２例と同じ或いは対応する構成には同じ符号を付し、上述の第１例や第２例と異なる部分を中心に説明する。
　図３は、水素ガス充填システム１の第３例を示す図である。図４は、気液分離器３１０及び加熱コイル３４０の構造の一例を概略的に示す図である。
　図３に示すように、水素ガス充填システム１は、液体水素貯槽１００と、液体水素ライン２００と、ディスペンサ３００と、低圧水素ガスライン４００と、水素ガス圧縮設備５００と、高圧水素ガス貯蔵設備６００と、高圧水素ガスライン７００と含む。
　ディスペンサ３００は、上述の第１例や第２例と同様、充填ホース３０１と、冷却回路３０２とを含む。
　冷却回路３０２は、上述の第１例や第２例と同様、経路Ｌ１～Ｌ３と、気液分離器３１０と、熱交換器３３０とを含む。また、冷却回路３０２は、上述の第１例や第２例と異なり、経路Ｌ５と、加熱コイル３４０とを含み、蒸発器３２０及び経路Ｌ４が省略される。
　経路Ｌ５は、一端が経路Ｌ３における熱交換器３３０及び開閉弁Ｌ３Ｖの上流の箇所に接続され、他端が経路Ｌ３における熱交換器３３０の下流の箇所に接続される。つまり、経路Ｌ５は、水素ガスが経路Ｌ３における熱交換器３３０及び開閉弁Ｌ３Ｖの上流から分岐し、経路Ｌ３における熱交換器３３０の下流で合流するように構成される。
　加熱コイル３４０は、経路Ｌ５に設けられ、内部に通流する水素ガスと、気液分離器３１０の内部の液体水素との間で熱交換を行う。これにより、加熱コイル３４０は、気液分離器３１０の内部の液体水素を加熱することで液体水素を蒸発させることができる、と共に内部を通流する高圧の水素ガスの温度を降下させることができる。そのため、ディスペンサ３００は、蒸発器３２０を用いずに、液体水素からその入熱に見合った水素ガスを生成することができると共に、経路Ｌ２に合流し高圧水素ガス容器に充填される水素ガスを予冷することができる。
　例えば、図４に示すように、気液分離器３１０は、液体水素及び気体水素が内部で分離される内槽３１１と、外槽３１２とを含む。
　内槽３１１と外槽３１２との間には、真空断熱層ＳＰが設けられる。これにより、気液分離器３１０は、内槽３１１の内部を、液体水素を保持可能な温度状態に維持することができる。
　加熱コイル３４０は、経路Ｌ５に相当する管路が円筒状の内槽３１１の外壁に沿ってコイル状に巻き回されることにより形成される。例えば、加熱コイル３４０は、内槽３１１の外壁において、内槽３１１の内部の液体水素の通常の液面制御で調整される高さよりも低い位置に設置される。これにより、加熱コイル３４０は、その内部を通流する高温側の水素ガスと、内槽３１１の内部の低温側の液体水素との間で熱交換を行うことができる。
　経路Ｌ５には、経路Ｌ３から経路Ｌ５に分岐する水素ガスの流量を調整可能な調整弁Ｌ５Ｖが設けられる。
　例えば、ディスペンサ３００に内蔵される、或いは、外部に設置される制御装置によって、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度が監視され、その監視結果に応じて、調整弁Ｌ５Ｖの開度が調整される。これにより、制御装置は、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度、即ち、充填ホース３０１を通じて高圧水素ガス容器（水素タンクＴＮＫ）に充填される水素ガスの温度が所定の温度範囲に収まるように、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度を制御することができる。所定の温度範囲は、例えば、－４０℃を基準とする温度範囲である。車両ＶＣＬの水素タンクＴＮＫの温度を所定基準（８５℃）以下に抑えるためには、ディスペンサ３００（経路Ｌ３）の出口の温度を－４０℃程度まで下げる必要があるからである。そのため、経路Ｌ３における熱交換器３３０の通過直後の水素ガスの温度が低下し過ぎているような状況でも、経路Ｌ５側の流量を調整弁Ｌ５Ｖで調整することにより、ディスペンサ３００の出口の水素ガスの温度を所定基準（－４０℃）付近に維持することができる。
　このように、本例では、ディスペンサ３００は、経路Ｌ３における熱交換器３３０の上流から水素ガスを分岐させ熱交換器３３０の下流で合流させる経路Ｌ５の流量を調整することができる。そのため、ディスペンサ３００は、経路Ｌ５の流量を調整することにより、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度を調整し、所定基準（－４０℃）付近に維持することができる。
　また、本例では、ディスペンサ３００は、経路Ｌ５の加熱コイル３４０を用いて、経路Ｌ５の高温側の水素ガスと気液分離器３１０の低温側の液体水素との間で熱交換を行わせることができる。そのため、ディスペンサ３００は、経路Ｌ５の水素ガスの温度を低下させることができると共に、気液分離器３１０の液体水素を蒸発させることができる。そのため、蒸発器３２０を省略することができる。
　［水素ガス充填システムの他の例］
　次に、本実施形態に係る水素ガス充填システム１の他の例について説明する。
　上述の実施形態（第１例～第３例）には、適宜変形や変更が加えられてもよい。
　例えば、上述の第１例（図１）や第２例（図２）において、経路Ｌ３の蒸発器３２０の下流（例えば、経路Ｌ３の出口付近）に蓄冷器が設けられてもよい。これにより、ディスペンサ３００は、例えば、蓄冷器を間欠的（バッチ的）に運用することにより、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度を大きく低下しないように抑制し所定基準（－４０℃）付近に維持するように調整することができる。
　また、上述の第１例（図１）や第２例（図２）において、上述の第３例の経路Ｌ５が設けられてもよい。この場合、加熱コイル３４０は省略される。これにより、ディスペンサ３００は、上述の第３例と同様、調整弁Ｌ５Ｖによって経路Ｌ５の流量を調整することにより、経路Ｌ３の出口の水素ガスの温度を調整し、所定基準（－４０℃）付近に維持することができる。
　また、上述の実施形態（第１例～第３例）やその変形例において、水素ガス充填システム１（ディスペンサ３００）は、液体水素の寒冷エネルギに加えて、必要に応じて、外部の冷熱源（例えば、冷凍設備等）からの寒冷エネルギを補助的に利用して、水素ガスの予冷を行ってもよい。
　また、上述の実施形態（第１例～第３例）やその変形・変更の例において、冷却回路３０２の一部又は全部がディスペンサ３００の外部に設けられてもよい。
　［作用］
　次に、本実施形態に係る水素ガス冷却装置の作用について説明する。
　本実施形態では、水素ガス冷却装置は、気液分離部と、第１の経路と、第２の経路と、第１の熱交換部と、を備える。水素ガス冷却装置は、例えば、上述の冷却回路３０２である。気液分離部は、例えば、上述の気液分離器３１０である。第１の経路は、例えば、上述の経路Ｌ２である。第２の経路は、例えば、上述の経路Ｌ３である。第１の熱交換部は、例えば、上述の熱交換器３３０である。具体的には、気液分離部は、貯留装置から液体水素が移送され、移送中又は移送後に発生する水素ガスと液体水素とを分離する。貯留装置は、例えば、上述の液体水素貯槽１００である。また、第１の経路は、気液分離部の水素ガスを圧縮装置の低圧側に送り出す。圧縮装置は、例えば、上述の水素ガス圧縮設備５００である。また、第２の経路は、被充填対象に向けて、圧縮装置で圧縮された水素ガスが供給される。被充填対象は、例えば、上述の車両ＶＣＬの水素タンクＴＮＫである。そして、第１の熱交換部は、第１の経路の水素ガスと第２の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う。
　これにより、水素ガス冷却装置は、貯留装置から供給される液体水素（ボイルオフガス）の寒冷エネルギを利用して、被充填対象に充填される水素ガスを予冷（プレクール）することができる。そのため、例えば、プレクール用の冷凍設備を設置し稼働させる必要がなく、水素ガスを被充填対象に加圧充填する際のエネルギ消費をより抑制することができる。また、例えば、断熱構造によって気液分離器の内部を液体水素の状態を維持可能な温度状態に保持することで、被充填対象への水素ガスの充填が間欠的に実施される場合でも、水素ガスの充填運転のタイミングで、水素ガスの予冷に即座に対応することができる。そのため、例えば、上述の特許文献１のように、高圧の水素ガスの充填運転のタイミングで、液体水素を加圧容器で内部昇圧させる動作を開始する必要があり、定常状態になるまで、水素ガスの充填動作に待機時間が必要になるような事態を抑制することができる。よって、水素ガス充填システムのいかなる間欠運転においても、即座のプレクール動作を実現することができる。
　また、本実施形態では、水素ガス冷却装置は、第３の経路と、第２の熱交換部と、を備えてもよい。第３の経路は、例えば、上述の経路Ｌ４である。第２の熱交換部は、例えば、上述の蒸発器３２０である。具体的には、第３の経路は、気液分離部の液体水素を送り出す。そして、第２の熱交換部は、第３の経路の液体水素と、第２の経路における第１の熱交換部の下流側の水素ガスとの間で熱交換を行う。
　これにより、水素ガス冷却装置は、第２の熱交換器を用いて、第３の経路の液体水素を蒸発させることができると共に、第２の経路の水素ガスを冷却することができる。そのため、水素ガス冷却装置は、貯留装置から供給される液体水素を蒸発させる際の寒冷エネルギを利用して、被充填対象に充填される水素ガスを予冷（プレクール）することができる。
　また、本実施形態では、第３の経路は、第２の熱交換部により液体水素が蒸発された水素ガスを気液分離部に戻すように構成されてもよい。
　これにより、水素ガス冷却装置は、液体水素の蒸発により生じる水素ガスを、気液分離器を経由して圧縮装置に供給することができる。
　また、本実施形態では、第３の経路は、気液分離部から送り出される液体水素が第２の熱交換部及び第１の熱交換部の順に通過し、液体水素が気化された水素ガスが第２の経路に合流するように構成されてもよい。
　これにより、水素ガス冷却装置は、第２の熱交換部における液体水素の蒸発により生じる水素ガスを第１の熱交換部の低温側の冷媒として利用することができる。そのため、水素ガス冷却装置は、被充填対象に供給される水素ガスの流量の変動に合わせて、被充填対象に供給される水素ガスを適切な温度に低下させることができる。
　また、本実施形態では、水素ガス冷却装置は、第４の経路と、第３の熱交換部と、を備えてもよい。第４の経路は、例えば、上述の経路Ｌ５である。第３の熱交換部は、上述の加熱コイル３４０である。具体的には、第４の経路は、水素ガスが第１の熱交換部の上流側で第２の経路から分岐し、第１の熱交換部の下流側で第２の経路に合流するように構成される。そして、第３の熱交換部は、第４の経路の水素ガスと、気液分離部の液体水素との間で熱交換を行う。
　これにより、水素ガス冷却装置は、第４の経路を迂回する水素ガスの流量を調整することによって、被充填対象に充填される水素ガスの温度を適切に調整することができる。また、水素ガス冷却装置は、第５の経路の水素ガスの熱エネルギを利用して、気液分離部の液体水素を蒸発させることができる。そのため、水素ガス冷却装置は、液体水素を蒸発させるための専用の熱交換部（蒸発器）を省略することができる。
　また、本実施形態では、ディスペンサは、被充填対象に水素ガスを充填する。ディスペンサは、例えば、上述のディスペンサ３００である。そして、ディスペンサは、上述の水素ガス冷却装置を備えてもよい。
　これにより、ディスペンサに対して、液体水素の寒冷エネルギを利用して被充填対象に充填する水素ガスを冷却する機能を統合することができる。
　以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　最後に、本願は、２０２２年８月５日に出願した日本国特許出願２０２２－１２５９０５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
１　水素ガス充填システム
１００　液体水素貯槽
２００　液体水素ライン
３００　ディスペンサ
３０１　充填ホース
３０２　冷却回路
３１０　気液分離器
３１１　内槽
３１２　外槽
３２０　蒸発器
３３０　熱交換器
３４０　加熱コイル
４００　低圧水素ガスライン
５００　水素ガス圧縮設備
５１０　低圧水素ガス貯蔵タンク
５２０　圧縮機
６００　高圧水素ガス貯蔵設備
７００　高圧水素ガスライン
Ｌ１　経路
Ｌ１Ｖ　膨張弁
Ｌ２　経路
Ｌ２Ｖ　調整弁
Ｌ３　経路
Ｌ３Ｖ　開閉弁
Ｌ４　経路
Ｌ５　経路
Ｌ５Ｖ　調整弁
ＲＬ　ローリ
ＳＰ　真空断熱層
ＴＮＫ　水素タンク
ＶＣＬ　車両

Claims (6)

  1. 　貯留装置から液体水素が移送され、移送中又は移送後に発生する水素ガスと液体水素とを分離する気液分離部と、
    　前記気液分離部の水素ガスを圧縮装置の低圧側に送り出す第１の経路と、
    　被充填対象に向けて、前記圧縮装置で圧縮された水素ガスが供給される第２の経路と、
    　前記第１の経路の水素ガスと前記第２の経路の水素ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換部と、を備える、
    　水素ガス冷却装置。
  2. 　前記気液分離部の液体水素を送り出す第３の経路と、
    　前記第３の経路の液体水素と、前記第２の経路における前記第１の熱交換部の下流側の水素ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換部と、を備える、
    　請求項１に記載の水素ガス冷却装置。
  3. 　前記第３の経路は、前記第２の熱交換部により液体水素が蒸発された水素ガスを前記気液分離部に戻すように構成される、
    　請求項２に記載の水素ガス冷却装置。
  4. 　前記第３の経路は、前記気液分離部から送り出される液体水素が前記第２の熱交換部及び前記第１の熱交換部の順に通過し、液体水素が気化された水素ガスが前記第２の経路に合流するように構成される、
    　請求項２に記載の水素ガス冷却装置。
  5. 　前記第１の熱交換部の上流側で前記第２の経路から分岐し、前記第１の熱交換部の下流側で前記第２の経路に合流する第４の経路と、
    　前記第４の経路の水素ガスと、前記気液分離部の液体水素との間で熱交換を行う第３の熱交換部と、を備える、
    　請求項１に記載の水素ガス冷却装置。
  6. 　前記被充填対象に水素ガスを充填するディスペンサであって、
    　請求項１乃至５の何れか一項に記載の水素ガス冷却装置を備える、
    　ディスペンサ。
PCT/JP2023/028474 2022-08-05 2023-08-03 水素ガス冷却装置、ディスペンサ WO2024029605A1 (ja)

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