(57)【要約】【課題】再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる液体水素製造設備を提供する。【解決手段】再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスを一時的に貯えるためのバッファタンクと、前記水素ガスを液化して液体水素を生成する水素液化装置と、前記液体水素を貯えるための液体水素貯蔵器と、前記バッファタンクへの前記水素ガスの供給量が不足した場合に、前記液体水素の一部を気化して生成した水素ガスを前記バッファタンクに供給する水素ガス供給装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2020024064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスを一時的に貯えるためのバッファタンクと、
前記水素ガスを液化して液体水素を生成する水素液化装置と、
前記液体水素を貯えるための液体水素貯蔵器と、
前記バッファタンクへの前記水素ガスの供給量が不足した場合に、前記液体水素の一部を気化して生成した水素ガスを前記バッファタンクに供給する水素ガス供給装置と、
を備えることを特徴とする、液体水素製造設備。
【請求項２】
前記水素ガス供給装置は、
前記液体水素を気化して水素ガスを生成する水素気化装置と、
前記液体水素貯蔵器から前記水素気化装置に前記液体水素を供給する液体水素供給ラインと、
前記液体水素供給ライン上に設けられる調節弁と、
を有する、請求項１に記載の液体水素製造設備。
【請求項３】
前記バッファタンクの内圧を検出するための圧力センサと、
前記圧力センサで検出される圧力が予め定められた設定圧力以上となるように前記調節弁を制御する制御装置と、
をさらに備える、請求項２に記載の液体水素製造設備。
【請求項４】
液体窒素を貯えるための液体窒素貯蔵器と、
前記液体窒素貯蔵器から前記水素液化装置に前記液体窒素を供給する液体窒素供給ラインと、
前記水素液化装置から前記水素気化装置に窒素ガスを排出する窒素ガス排出ラインと、
前記水素気化装置から液体窒素を排出し、前記液体窒素供給ラインに合流される液体窒素排出ラインと、
をさらに備え、
前記水素液化装置は、前記液体窒素供給ラインから供給される液体窒素の気化熱を利用して、前記バッファタンクから供給される水素ガスを冷却することで、前記水素ガスを液化して液体水素を生成し、且つ、
前記水素気化装置は、前記窒素ガス排出ラインから排出される窒素ガスと、前記液体水素供給ラインから供給される液体水素とを熱交換させることで、前記窒素ガスを液化するとともに、前記液体水素を気化して水素ガスを生成する、請求項２又は３に記載の液体水素製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体水素製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、原料としての水素ガスを液化することで液体水素を製造する液体水素製造設備が知られている。このような液体水素製造設備が、例えば、特許文献１で提案されている。
【０００３】
特許文献１の液体水素製造設備は、冷媒としての水素ガスを循環させる冷凍サイクル部と、原料としての水素ガスを冷凍サイクル部により冷却したあと、ジュールトムソン弁で断熱膨張させて液体水素を生成する液体水素生成部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２４２１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、原料としての水素ガスを生成する過程で生じる二酸化炭素を抑制するために、再生可能エネルギー（例えば、風力及び太陽光など）を利用して前記水素ガスを生成することが求められている。しかし、再生可能エネルギーは、自然状況に左右され不安定であるため、当該再生可能エネルギーを利用して前記水素ガスを生成した場合、液体水素製造設備への前記水素ガスの供給量が変動してしまう。
【０００６】
ところが、前記水素ガスを液化するプロセスは、このような変動に追従することが困難である。そして、特許文献１には、前記水素ガスの供給量が変動する際の対策について記載がない。
【０００７】
そこで、本発明は、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる、液体水素製造設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明に係る液体水素製造設備は、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスを一時的に貯えるためのバッファタンクと、前記水素ガスを液化して液体水素を生成する水素液化装置と、前記液体水素を貯えるための液体水素貯蔵器と、前記バッファタンクへの前記水素ガスの供給量が不足した場合に、前記液体水素の一部を気化して生成した水素ガスを前記バッファタンクに供給する水素ガス供給装置と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が不足したとき、その不足を水素ガス供給装置から供給される水素ガスで補うことができる。これにより、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる。
【００１０】
例えば、前記水素ガス供給装置は、前記液体水素を気化して水素ガスを生成する水素気化装置と、前記液体水素貯蔵器から前記水素気化装置に前記液体水素を供給する液体水素供給ラインと、前記液体水素供給ライン上に設けられる調節弁と、を有してもよい。
【００１１】
前記バッファタンクの内圧を検出するための圧力センサと、前記圧力センサで検出される圧力が予め定められた設定圧力以上となるように前記調節弁を制御する制御装置と、をさらに備えてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が不足してバッファタンクの内圧が低下し得る場合であっても、その不足に追従して前記内圧が設定圧力以上となるように制御することが可能となる。
【００１３】
液体窒素を貯えるための液体窒素貯蔵器と、前記液体窒素貯蔵器から前記水素液化装置に前記液体窒素を供給する液体窒素供給ラインと、前記水素液化装置から前記水素気化装置に窒素ガスを排出する窒素ガス排出ラインと、前記水素気化装置から液体窒素を排出し、前記液体窒素供給ラインに合流される液体窒素排出ラインと、をさらに備え、前記水素液化装置は、前記液体窒素供給ラインから供給される液体窒素の気化熱を利用して、前記バッファタンクから供給される水素ガスを冷却することで、前記水素ガスを液化して液体水素を生成し、且つ、前記水素気化装置は、前記窒素ガス排出ラインから排出される窒素ガスと、前記液体水素供給ラインから供給される液体水素とを熱交換させることで、前記窒素ガスを液化するとともに、前記液体水素を気化して水素ガスを生成してもよい。
【００１４】
上記構成によれば、水素気化装置から排出される液体窒素を水素液化装置で水素ガスを液化するために利用することができるので、極低温状態である液体水素を単純に気化させた場合に生じる比較的大きな冷熱のロスを抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、再生可能エネルギーを利用して生成された水素ガスの供給量が変動しても水素ガスを安定的に液化することができる、液体水素製造設備を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る液体水素製造設備の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る液体水素製造装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１８】
以下の説明及び図面において、化学式の末尾に（Ｇ）が付されている場合、その物質が気体の状態であることを意味する。また、化学式の末尾に（Ｌ）が付されている場合、その物質が液体の状態であることを意味する。
【００１９】
（全体構成）
図１に、本実施形態に係る液体水素製造設備１０を示す。本実施形態に係る液体水素製造設備１０は、再生可能エネルギー（例えば、風力及び太陽光など）を利用して生成された水素ガスＨ２（Ｇ）（以下「原料水素ガスＨ２（Ｇ）」と称する）を一時的に貯えるためのバッファタンク２０と、原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化して液体水素Ｈ２（Ｌ）を生成する水素液化装置３０と、液体水素Ｈ２（Ｌ）を貯えるための液体水素貯蔵器５０と、を備える。また、液体水素製造設備１０は、バッファタンク２０への原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が不足した場合に、液体水素Ｈ２（Ｌ）の一部を気化して生成した水素ガスＨ２（Ｇ）をバッファタンク２０に供給する水素ガス供給装置６０をさらに備える。
【００２０】
（バッファタンク２０）
バッファタンク２０には、その内圧を検出するための圧力センサ６６が設けられる。原料水素ガスＨ２（Ｇ）は、当該バッファタンク２０に一時的に貯えられたあと、第１ガス圧縮機２２で圧縮されたうえで、水素液化装置３０へと供給される。
【００２１】
（水素液化装置３０）
水素液化装置３０は、バッファタンク２０から供給される原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化して液体水素Ｈ２（Ｌ）を生成するために、第１熱交換器３２、第２熱交換器３４、及びジュールトムソン弁３６を有する。
【００２２】
第１熱交換器３２は、バッファタンク２０から供給される原料水素ガスＨ２（Ｇ）と、冷媒としての水素ガスＨ２（Ｇ）（以下「冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）」と称する）とを熱交換させることで、原料水素ガスＨ２（Ｇ）を冷却する。また、第１熱交換器３２は、液体窒素供給ライン２９から供給される液体窒素Ｎ２（Ｌ）の気化熱を利用して、原料水素ガスＨ２（Ｇ）をさらに冷却する。
【００２３】
ここで、液体水素製造設備１０は、液体窒素Ｎ２（Ｌ）を貯えるための液体窒素貯蔵器２４と、液体窒素貯蔵器２４から水素液化装置３０に液体窒素Ｎ２（Ｌ）を供給する液体窒素供給ライン２９と、水素液化装置３０から後述する水素気化装置６１に窒素ガスＮ２（Ｇ）を排出する窒素ガス排出ライン３９と、をさらに備える。また、液体水素製造設備１０は、水素気化装置６１から液体窒素Ｎ２（Ｌ）を排出し、液体窒素供給ライン２９に合流される液体窒素排出ライン６９をさらに備える。
【００２４】
窒素ガス排出ライン３９は、水素液化装置３０と後述する水素気化装置６１とを接続するように設けられる。当該窒素ガス排出ライン３９上には、水素気化装置６１に排出する窒素ガスＮ２（Ｇ）の流量を調節するために窒素ガス調節弁４９が設けられる。また、当該窒素ガス排出ライン３９の窒素ガス調節弁４９よりも水素液化装置３０側には、窒素ガスＮ２（Ｇ）を大気中に放出するベントスタック４８への分岐点が存する。
【００２５】
第２熱交換器３４は、第１熱交換器３２で冷却された原料水素ガスＨ２（Ｇ）と、冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）とを熱交換させることで、原料水素ガスＨ２（Ｇ）をさらに冷却する。そして、ジュールトムソン弁３６は、第２熱交換器３４で冷却された原料水素ガスＨ２（Ｇ）を膨張させることで、原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化して液体水素Ｈ２（Ｌ）を生成する。当該液体水素Ｈ２（Ｌ）は、液体水素貯蔵器５０へと供給される。
【００２６】
ここで、水素液化装置３０で用いられる冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）について詳細に説明する。冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、第１熱交換器３２で原料水素ガスＨ２（Ｇ）を冷却したあと、第２熱交換器３４に投入される。第２熱交換器３４に投入された冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、水素液化装置３０の外部に設けられた膨張タービン４０で断熱膨張され冷却されたあと、第２熱交換器３４に再び投入されて、第１熱交換器３２で冷却された原料水素ガスＨ２（Ｇ）をさらに冷却する。
【００２７】
冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、上記のように第１熱交換器３２及び第２熱交換器３４で原料水素ガスＨ２（Ｇ）を冷却したあと、水素液化装置３０から排出される。水素液化装置３０から排出された冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、第２ガス圧縮機４２で圧縮されたうえで、水素液化装置３０の外部に設けられた第３熱交換器４４に投入される。第３熱交換器４４は、前記冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）と冷媒としての水Ｈ２Ｏ（Ｌ）とを熱交換させることで、前記冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）を冷却する。冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、このように冷却されたあと、第１熱交換器３２に再び投入される。
【００２８】
冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）は、上記のように第１熱交換器３２、第２熱交換器３４、膨張タービン４０及び第３熱交換器４４を循環することで、原料水素ガスＨ２（Ｇ）を継続して冷却することが可能となる。
【００２９】
なお、第３熱交換器４４で用いられた冷媒としての水Ｈ２Ｏ（Ｌ）は、クーリングタワー４６で冷却されたあと、第３熱交換器４４に再び投入される。このように第３熱交換器４４及びクーリングタワー４６を循環することで、冷媒としての水Ｈ２Ｏ（Ｌ）は、水素液化装置３０から排出される冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）を継続して冷却することが可能なとなる。
【００３０】
（液体水素貯蔵器５０）
液体水素貯蔵器５０は、水素液化装置３０で生成された液体水素Ｈ２（Ｌ）を貯える。液体水素Ｈ２（Ｌ）は、約−２５３°Ｃという極低温状態である。したがって、液体水素貯蔵器５０は、液体水素Ｈ２（Ｌ）が気化することを抑制するために、断熱保冷性能を有する。液体水素貯蔵器５０に貯えられた液体水素Ｈ２（Ｌ）は、出荷設備７０へと送られる。なお、出荷設備７０へと送られた液体水素Ｈ２（Ｌ）は、例えば、船舶及び車両などの搬送体に積み込まれて目的地まで搬送されてもよい。また、液体水素貯蔵器５０に貯えられた液体水素Ｈ２（Ｌ）の一部は、水素ガス供給装置６０へと送られる。
【００３１】
（水素ガス供給装置６０）
水素ガス供給装置６０は、液体水素Ｈ２（Ｌ）を気化して水素ガスＨ２（Ｇ）を生成する水素気化装置６１と、液体水素貯蔵器５０から水素気化装置６１に液体水素Ｈ２（Ｌ）を供給する液体水素供給ライン６２と、液体水素供給ライン６２上に設けられる液体水素調節弁６３（調節弁）と、を有する。
【００３２】
水素気化装置６１は、窒素ガス排出ライン３９から排出される窒素ガスＮ２（Ｇ）と、液体水素供給ライン６２から供給される液体水素Ｈ２（Ｌ）とを熱交換させることで、前記窒素ガスＮ２（Ｇ）を液化するとともに、前記液体水素Ｈ２（Ｌ）を気化して水素ガスＨ２（Ｇ）を生成する。
【００３３】
液体水素Ｈ２（Ｌ）を気化して生成した水素ガスＨ２（Ｇ）をバッファタンク２０に供給するためのライン上には、当該水素ガスＨ２（Ｇ）の温度を検出するための温度センサ６７が設けられる。
【００３４】
（制御装置６５）
液体水素製造設備１０は、圧力センサ６６で検出される圧力（すなわち、バッファタンク２０の内圧）が予め定められた設定圧力以上となるように液体水素調節弁６３を制御する制御装置６５をさらに備える。当該制御装置６５は、温度センサ６７で検出される温度（すなわち、水素気化装置６１からバッファタンク２０に供給される水素ガスＨ２（Ｇ）の温度）が予め定められた設定温度以上となるように窒素ガス調節弁４９を制御する。
【００３５】
具体的には、再生可能エネルギーを利用して生成された原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が変動していない通常時において、液体水素調節弁６３及び窒素ガス調節弁４９は閉じられた状態である。そして、前記原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が不足してバッファタンク２０の内圧が低下し得る場合に、制御装置６５は、液体水素調節弁６３及び窒素ガス調節弁４９を開いた状態にする。そのあと、制御装置６５は、圧力センサ６６で検出される水素ガスＨ２（Ｇ）の圧力が上記設定圧力以上となるように液体水素調節弁６３の開度を制御し、且つ、温度センサ６７で検出される水素ガスＨ２（Ｇ）の温度が上記設定温度以上となるように窒素ガス調節弁４９の開度を制御する。
【００３６】
（効果）
本実施形態に係る液体水素製造設備１０は、再生可能エネルギーを利用して生成された原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が不足したとき、その不足を水素ガス供給装置６０から供給される水素ガスＨ２（Ｇ）で補うことができる。これにより、原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が変動しても水素ガスＨ２（Ｇ）を安定的に液化することができる。
【００３７】
また、液体水素調節弁６３（調節弁）と、当該液体水素調節弁６３を制御する制御装置６５とを備えることで、原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が不足してバッファタンク２０の内圧が低下し得る場合であっても、その不足に追従して前記内圧が設定圧力以上となるように制御することが可能となる。
【００３８】
さらに、水素気化装置６１から排出される液体窒素Ｎ２（Ｌ）を水素液化装置３０で水素ガスＨ２（Ｇ）を液化するために利用することができるので、極低温状態である液体水素Ｈ２（Ｌ）を単純に気化させた場合に生じる比較的大きな冷熱のロスを抑制することが可能となる。
【００３９】
なお、従来から、一般に、再生可能エネルギーを利用して例えば水電解などで原料水素ガスＨ２（Ｇ）を製造する水素ガス製造設備と、当該水素ガス製造設備で製造された原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化する液体水素製造設備との間にバッファタンクを設けることで、前記原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が変動した場合に、その変動を吸収することが行われていた。しかし、上記従来からあるバッファタンクは、前記原料水素ガスＨ２（Ｇ）の供給量が不足した場合に備えて十分な量の前記原料水素ガスＨ２（Ｇ）を貯えるために、そのサイズが比較的大きくなってしまうという問題があった。
【００４０】
一方、本実施形態では、水素ガス供給装置６０からバッファタンク２０に必要に応じて水素ガスＨ２（Ｇ）が供給されるので、バッファタンク２０に一時的に貯える原料水素ガスＨ２（Ｇ）を従来と比較して少なくすることができる。これにより、本実施形態のバッファタンク２０は、そのサイズを従来のバッファタンクと比較して小さくすることが可能となる。
【００４１】
（変形例）
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【００４２】
上記実施形態では、水素液化装置３０は、液体窒素Ｎ２（Ｌ）の気化熱、及び冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）の冷熱を利用し、且つ、ジュールトムソン弁３６を用いて、原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、水素液化装置３０は、液体窒素Ｎ２（Ｌ）の気化熱、若しくは冷媒水素ガスＨ２（Ｇ）の冷熱のいずれか一方のみを利用して原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化してもよいし、又は、その他の手法で原料水素ガスＨ２（Ｇ）を液化してもよい。
【００４３】
上記実施形態では、水素ガス供給装置６０は、水素気化装置６１で液体水素Ｈ２（Ｌ）を気化して水素ガスＨ２（Ｇ）を生成し、当該水素ガスＨ２（Ｇ）をバッファタンク２０に供給する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、水素ガス供給装置６０は、液体水素貯蔵器５０内で生じるボイルオフガス（すなわち、水素ガスＨ２（Ｇ））をバッファタンク２０に供給する供給ラインを有する構造であってもよいし、又は、その他の構造であってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  液体水素製造設備
２０  バッファタンク
２２  第１ガス圧縮機
２４  液体窒素貯蔵器
２９  液体窒素供給ライン
３０  水素液化装置
３２  第１熱交換器
３４  第２熱交換器
３６  ジュールトムソン弁
３９  窒素ガス排出ライン
４０  膨張タービン
４２  第２ガス圧縮機
４４  第３熱交換器
４６  クーリングタワー
４８  ベントスタック
４９  窒素ガス調節弁
５０  液体水素貯蔵器
６０  水素ガス供給装置
６１  水素気化装置
６２  液体水素供給ライン
６３  液体水素調節弁
６５  制御装置
６６  圧力センサ
６７  温度センサ
６９  液体窒素排出ライン
７０  出荷設備
【図１】
2020024064.tif 000003