(57)【要約】【課題】  従来の「液／液供給」および「ガス／ガス供給」に代わる、全く新規な水素ガスの供給方法および該方法に用いる液化水素輸送車を提供する。【解決手段】  工場１０で生産された液化水素を液化水素輸送車２０に積載して使用先３０に搬送する工程と、使用先３０において、液化水素輸送車２０にて液化水素を加圧・気化して使用先の貯蔵容器３１に充填する工程とからなり、「加圧・気化」とは、「液化水素を加圧してから気化すること」、「液化水素を気化してから加圧すること」、「液化水素の気化と加圧とを同時に行うこと」のいずれかであって、液化水素輸送車２０には、搬送貯槽２１と、該搬送貯槽内の液化水素の加圧・気化手段とを備え、更に、前記加圧・気化手段の後段に、水素ガスの温度調整手段を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工場で生産された液化水素を液化水素輸送車に積載して使用先に搬送する工程と、使用先において、液化水素輸送車にて液化水素を加圧・気化して使用先の貯蔵容器に充填する工程とからなる水素ガスの供給方法。
【請求項２】
搬送貯槽と、該搬送貯槽内の液化水素の加圧・気化手段とを備えた液化水素輸送車。
【請求項３】
前記加圧・気化手段の後段に、水素ガスの温度調整手段を設けた請求項２記載の液化水素輸送車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスの供給方法および液化水素輸送車に関する。なお、以下の説明において、「水素」とは物性上の水素を意味し、気体、液体等の任意の状態を示す総称であり、「水素ガス」とは気体状態の水素を意味し、「液化水素」とは液化状態の水素を意味する。また、「液化水素輸送車」を「液水車」と略称する。
【背景技術】
【０００２】
水素は石油産業、化学産業の原料として、また、半導体産業、ガラス産業、金属産業などの雰囲気ガスとして、更には水素自動車の燃料として各種の分野で使用されている。
水素は石油精製、製鉄、ソーダ工業からの副生ガスとして、また、天然ガスなどの改質により生産される。工場で最初に得られる水素は不純物を含むので、精製され不純物のない水素としてから出荷される。
【０００３】
現在、水素ガスは次の２通りの方法で使用先に供給される。
供給方法１（ガス／ガス供給）・・・高圧容器に水素ガスを充填して使用先に搬送して使用先に置き、帰路は、使用先にある空の高圧容器を積載して工場に戻り、以下これを繰り返す方法である。要するに、水素ガスのまま搬送、納入するもので、以下これを「ガス／ガス供給」という。この場合、水素ガスは２００気圧（２０ＭＰａ）の圧力で高圧容器に充填されるのが一般的である。
【０００４】
供給方法２（液／液供給）・・・水素ガスを工場内で液化して液化水素とし、液化水素を液水車の搬送貯槽に充填して使用先に搬送し、使用先にて液化水素を使用先の貯蔵容器に移充填した後、工場に戻り、以下これを繰り返す方法である。要するに、液化水素のまま搬送、納入するもので、以下これを「液／液供給」という。
【０００５】
この「液／液供給」は、液化水素が低温なので圧力は２気圧程度で済み、しかも水素ガスを液化して液化ガスにすると、体積が大幅に減少するので「ガス／ガス供給」に比べ、一度に多量に搬送できる。例えば、水素の場合、２００気圧の圧力で高圧容器に充填する「ガス／ガス供給」に比べ、「液／液供給」では同一容積で約５倍を充填できるので、一度に約５倍の水素を搬送・供給できるメリットがある。この「液／液供給」は大量輸送に適するので、酸素、窒素、アルゴンなどの工業ガスの供給においては長年に亘り多用されている。
【０００６】
「ガス／ガス供給」は、前記したように「液／液供給」に比べ、一度の搬送量が少ない点で不利であるが、高圧容器への充填圧力を高め、例えば、現状２００気圧の充填圧力を４００気圧にすれば輸送量を単純に２倍にできる。しかし、高圧容器も相応の高圧に耐える機械的強度が必要となり、現状では容器の肉厚を増やす必要があることから、容器の重量が２倍以上になってしまい、車の積載重量制限を考慮すると大幅な増加は困難である。
なお、容器の素材として、現状の鋼鉄製とは異なる、より機械的強度が高くかつ軽い素材を用いた軽量高圧容器も開発されているが、実用に耐える安全なものは存在しないのが
実情である。
なお、本発明に関わる先行技術に関する文献は承知していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、「液／液供給」は大量輸送に適し、かつ、低圧での輸送が可能なので、酸素、窒素などの工業ガスの供給で一般的であるが、液化酸素、液化窒素とは異なり、液化水素の場合には単純に適用できない。
即ち、「液／液供給」では使用先も液化水素の貯蔵容器を備える必要がある。この場合、液化酸素の沸点は−１８３℃、潜熱は７０ｋｃａｌ／Ｎｍ３、液化窒素の沸点は−１９６℃、潜熱は６０ｋｃａｌ／Ｎｍ３であるのに比べ、液化水素の沸点は−２５３℃、潜熱は１０ｋｃａｌ／Ｎｍ３なので、液化水素は極めて気化し易く、液化水素の蒸発による圧力上昇を防止するため、貯蔵容器への外気からの熱侵入を防ぐ特殊な対策や、熱侵入により気化した水素ガスを回収する方法を講じる必要があり、貯蔵容器側の付帯設備が複雑化、高価になってしまう不都合がある。
【０００８】
本発明は、従来の「液／液供給」が液化水素には容易に適用できないことを考慮し、全く新規な水素ガスの供給方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素ガスの供給方法は、工場で生産された液化水素を液化水素輸送車（液水車）に積載して使用先に搬送する工程と、使用先において、液水車にて液化水素を加圧・気化して使用先の貯蔵容器に充填する工程とからなる。なお、前記「加圧・気化」とは、「液化水素を加圧してから気化すること」と、「液化水素を気化してから加圧すること」と、「液化水素の気化と加圧とを同時に行うこと」の３つの方法のうち、いずれかを含むことを意味する。このように、本発明の供給方法は、液化水素にて搬送し、使用先にて水素ガスにて供給するもので、以下「液／ガス供給」と呼ぶこととする。
【００１０】
また、本発明の液水車は前記供給方法を実施するもので、搬送貯槽と、該搬送貯槽内の液化水素の加圧・気化手段とを備えたものであり、更に、前記加圧・気化手段の後段に、水素ガスの温度調整手段を設けたものである。
【００１１】
なお、前記「加圧・気化手段」としては、「搬送貯槽内の液化水素をポンプで昇圧してから蒸発器によって気化させる手段」と、「搬送貯槽内の液化水素を蒸発器によって気化して水素ガスにしてから圧縮機で昇圧させる手段」と、「搬送貯槽内の液化水素の昇圧と気化とを密閉容器内で同時に行わせる手段」のいずれかを含むことを意味する。ここで、「ポンプ」とは、低温の液化水素を液状態のまま昇圧するもの、「圧縮機」とは、蒸発器導出後に、液化水素が水素ガスになってから気体を圧縮するものを指す。
【００１２】
ポンプ、圧縮機としては、使用先の貯蔵容器の貯蔵圧力に応じた圧力まで昇圧可能なものを用い、蒸発器としては、大気との熱交換を行う形式のものが経済的であるが、これに限定されず、別途、温風を吹き付けて加温する形式のものでもよい。また、ポンプの後段に配置される蒸発器は、液化水素がポンプで昇圧されるから高耐圧のものを用いるが、搬送貯槽に直結される蒸発器の場合は搬送貯槽と同程度の耐圧性があればよい。
【００１３】
次に、「搬送貯槽内の液化水素の昇圧と気化とを密閉容器内で同時に行わせる手段」とは、搬送貯槽と密閉容器との間に、液化水素が搬送貯槽から密閉容器のみに流れる逆止弁を設けるとともに、密閉容器に接続される供給管に出口弁を設け、出口弁を開放状態にして搬送貯槽内の液化水素を密閉容器内に導入した後、出口弁を閉塞して密閉容器内の液化水素を自然蒸発させるものである。液化水素の自然蒸発により密閉容器内は高圧となり、水素ガスは搬送貯槽側に戻ろうとするが、前記逆止弁が搬送貯槽側への流れを遮断するので、密閉容器内で液化水素は気化し、密閉容器内は高圧になる。密閉容器内の液化水素のほぼ全量が蒸発しガス水素になったら出口弁を開けてガス水素を使用先の貯蔵容器に充填する。
【００１４】
このように、密閉容器は液化水素を気化する機能を有するので、例えば、外面に大気との熱交換を行わせるフィンを有する構造、または、電熱器などの加熱手段を有する構造とする。また、密閉容器は水素ガスを使用先の貯蔵容器に充填する機能を有するので、使用先の貯蔵容器以上の高圧に耐える構造とし、併せて密閉容器と逆止弁との間も十分な耐圧性能を持たせる。なお、密閉容器は、容器内の水素ガスが使用先の貯蔵容器に充填可能な高圧になるように適宜設計する。
【００１５】
次に、「水素ガスの温度調整手段」とは、水素ガスを貯蔵容器に供給する供給管に流量調整弁と温度計とを設け、温度計によって流量調整弁を制御して供給管内を流れる水素ガスの温度を−３０℃〜３０℃に保持する手段である。
即ち、本発明では、使用先において、液化水素を水素ガスにしてから供給するので、液化水素が極めて低温であることから低温脆性を考慮しなければならないが、一方、水素ガスを使用先の貯蔵容器に圧入するので、充填時の断熱圧縮による高温化を考慮する必要がある。
【００１６】
まず、断熱圧縮による発熱であるが、使用先の貯蔵容器の圧力は常温での圧力を示すので、もしガス水素の充填による発熱を放置すると、高温による膨張のため、早期に所定の充填圧力に達してしまい、充填終了後に、使用先の貯蔵容器の温度が常温になると充填圧力が低下してしまうことがある。この点で、充填中のガス水素を低温で充填し、充填後に、使用先の貯蔵容器の温度が常温になった場合でも所定の充填圧力になっていることが望ましい。
【００１７】
次に、低温脆性の問題であるが、使用先の貯蔵容器の内部は前記のように断熱圧縮による高温化が生ずるのでガス水素が低温で供給されても問題はないが、液水車と使用先の貯蔵容器との連結部が低温脆性により破損する怖れがあり、さらに、使用先の貯蔵容器自体も、断熱圧縮による高温化があるとは言え、一時的にも液化水素が触れるようなことがあると低温脆性による割れなどの深刻な問題が発生する可能性もある。即ち、使用先の貯蔵容器は、通常、水素脆性に対して強いクロム−モリブデン鋼、ステンレス鋼が使用されるが、経済的な観点からクロム−モリブデン鋼が多用されているのが実情である。このクロム−モリブデン鋼は水素脆性に優れているが、約−３０℃程度で機械的強度が大幅に低下する。従って、液水車から使用先の貯蔵容器へガス水素を供給する際は、供給されるガス水素の温度を調整する必要がある。
【００１８】
調整手段としては、供給管の中の温度を測定して液水車側の水素ガス供給弁の開度を調整してガス水素の充填速度を調整したり、搬送貯槽から気化手段への供給量を調整することが考えられる。
以上のように、本発明の液水車によれば、搬送してきた液化水素をガス水素にして使用先の貯蔵容器に充填することができ、しかも安全に充填することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の供給方法「液／ガス供給」によれば、工場から使用先までの区間を液化水素の状態で搬送するから、従来の「ガス／ガス供給」に比べ大量の液化水素を搬送することができ、液化酸素、液化窒素の「液／液供給」と同等の搬送効率を達成することができる。しかも、使用先で液水車の液化水素を使用先の貯蔵容器に納入する際に、液化水素をガス状にして必要な圧力で充填するので、使用先のガス水素用の貯蔵容器をそのまま使用することができ、使用先に設備負担が発生せず極めて経済性が高いものである。
【００２０】
また、本発明の液水車、特に液化水素を加圧してから気化する形式のものでは、使用先のガス水素用の貯蔵容器に水素を供給する際、水素の温度を例えば−３０℃以上に保持することができるので使用先の貯蔵容器に悪影響を与えることがなく、良好に水素を充填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る水素ガスの供給方法を示す全体図で、工場１０で製造された液化水素は供給貯槽１１内に貯蔵される。供給貯槽１１内の液化水素は、ポンプ（図示省略）、チャージホース（図示省略）を介して液水車２０の搬送貯槽２１に移充填される。搬送貯槽２１の圧力は２気圧程度、液化水素の温度は−２５３℃程度である。
【００２２】
液水車２０が移動し、使用先３０に到着したら、搬送貯槽２１の液化水素を気化し水素ガスにしてから貯蔵容器３１に充填する。例えば、搬送貯槽２１−ポンプ２２−蒸発器２３の形式の液水車の場合は、蒸発器２３の出口弁２４と貯蔵容器３１の入口弁３２を供給管２５で接続して供給する。
【００２３】
以下、充填の詳細を図２以下を参照して説明する。
充填方法としては、「液加圧−気化型」、「気化−ガス加圧型」、「気化・加圧併行型」の３種類があるので、以下、順に説明する。
【００２４】
「液加圧−気化型」
この形式は図２に示す液水車のように、搬送貯槽２１内の液化水素をポンプ２２で２００気圧程度に昇圧し、蒸発器２３で気化するもので、液化水素は蒸発器２３内を通過する過程で大気と熱交換し、蒸発器２３を導出する際は、大気温度より少し低い温度となっている。蒸発器２３を導出した水素ガスは出口弁２４、供給管２５を介し、入口弁３２から貯蔵容器３１に充填される。貯蔵容器３１としては、耐圧性の観点から、複数本の容器を集合させたものが一般的である。
【００２５】
以上のように、搬送貯槽２１内の液化水素は水素ガスとして使用先の貯蔵容器３１に充填されるが、充填時の注意事項として、搬送貯槽２１内の液化水素は非常に低温なので、搬送貯槽２１から蒸発器２３に導入する液化水素の量が多過ぎると蒸発器２３では十分な熱交換が行なえず、蒸発器２３の導出口の水素ガスの温度は低温になり、供給管２５と入口弁３２との接続部等が低温脆性を起こしたり、場合によって、水素ガス中に液化水素が混在し貯蔵容器３１が低温脆性を起こす可能性がある。
【００２６】
そこで、蒸発器２３の状態を見て、蒸発器２３に多量の霜が付着するようであれば熱交換器の熱交量が減少しているので出口弁２４を閉方向に操作して液化ガス供給量を絞る。または、供給管内のガス温度を直接に検知して出口弁２４を調整しても良い。
【００２７】
一方、貯蔵容器３１内に供給された水素ガスは貯蔵容器３１内で断熱圧縮され温度上昇を起こすので、なるべく低温にするのが良く、通常は出口弁付近の水素ガスの温度を−３０℃から３０℃程度にするのが良い。−３０℃より低温にすると低温脆性の心配があり、一方、３０℃より高温にすると充填時の断熱圧縮による高温化により充填不足となる可能性がある。
【００２８】
上記の温度調整を自動化することも可能で、この例を図３に示すと、出口弁２４と入口弁３２を接続する供給管２５に温度調整手段４０を設ける。温度調整手段４０は、供給管２５に設けた流量調整弁４１と、供給管２５内のガス温度を検知する温度計４２と、温度計４２からの信号に基づいて流量調整弁４１の開度を調整する制御機構からなり、これにより、貯蔵容器３１内に供給する水素ガスの温度を所定の範囲に自動的に調整できる。
【００２９】
なお、流量調整弁４１は出口弁２４を兼ねるようにしてもよく、また、流量調整弁４１を設けずに、温度計４２が所定の範囲内の温度より高温または低温になったときに警告音を発信し、これによって出口弁２４の開度を手動にて開閉調整するようにしても良い。
なお、図２では、蒸発器２３を運転室と搬送貯槽２１との間に配置しているが、蒸発器２３の位置は、液水車の全体的な重量バランスを考慮して決めれば良く、蒸発器２３を搬送貯槽２１の後ろ側（車体末尾）部分に配置しても良い。
【００３０】
「気化−ガス加圧型」
図４に示す形式で、搬送貯槽２１内の液化水素を蒸発器２３内に導入して気化した後、ガス圧縮機２６で圧縮するものである。ガス圧縮機２６は常温のガスを圧縮するものなので、蒸発器２３から導出後の水素ガスの温度が低過ぎることのないように注意する必要がある。その他の注意事項は前記「液加圧−気化型」と同様である。
【００３１】
「気化・加圧併行型」
この形式は図５に示すもので、搬送貯槽２１と出口弁２４との間に順に逆止弁２７、密閉容器２８を設けるものである。使用方法は、出口弁２４を開放すると、搬送貯槽２１からの液化水素が密閉容器２８内に導入され、所定量になったら出口弁２４を閉塞する。逆止弁２７は図中矢印で示すように、液化水素を密閉容器２８側だけに流し逆流はしないようになっているので密閉容器２８内に液化水素が閉じ込められ、この状態で大気の熱侵入により密閉容器２８内の水素は蒸発し、蒸発するに従って密閉容器２８内の水素ガスは高圧になる。密閉容器２８内が所定の高圧になったら出口弁２４を開放し、入口弁３２を開けて水素ガスを貯蔵容器に３１に充填する。本形式では、１回の充填で充填完了となるように設計することが望ましい。
【００３２】
以上の説明において、液水車として車体に搬送貯槽を固定したローリー車の形式にて説明したが、搬送貯槽を備えた可動車を用意し、別途牽引車によって牽引するコンテナ式のものでもよく、更には搬送貯槽を着脱式として、予め工場内で液化水素を充填しておいて、充填済みの搬送貯槽を、加圧・気化手段を備えたトラックの荷台に積載する構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
水素ガスを用いる各種産業分野、例えば、石油産業、化学産業、半導体産業、ガラス産業、金属産業および自動車産業等において、設備負担が発生せず極めて経済性が高い水素ガスの供給方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の水素ガスの供給方法を示す全体図である。
【図２】本発明の液化水素輸送車（液水車）の一例を示す模式図である。
【図３】本発明における「液加圧−気化型」の水素ガス供給装置に設ける温度調整手段の一例を示す概略構成図である。
【図４】本発明における「気化−ガス加圧型」の水素ガス供給装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】本発明における「気化・加圧併行型」の水素ガス供給装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
２０・・・液化水素輸送車、２１・・・搬送貯槽、２２・・・ポンプ、２３・・・蒸発器、２６・・・圧縮機、２７・・・逆止弁、２８・・・密閉容器、３１・・・貯蔵容器、４０・・・温度調整手段、４１・・・流量調整弁、４２・・・温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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