(57)【要約】【課題】  液化効率が高く、軽量で低コストな装置構成で大量の液体流を獲得でき、等エンタルピー膨張を実現することのできる気体再液化方法を提供する。【解決手段】  貯蔵容器からの気体流を熱交換で加温してから圧縮し、冷却後に膨張させて再液化させる。貯蔵容器からの気体流全量（１、２）のうちの一部の部分流（４）のみを圧縮（Ｖ）以降の工程に付す。貯蔵容器からの気体流全量（１、２）のうち、圧縮以降の工程に付されない部分流（３）は、燃料電池やスターリングエンジンによるエネルギー変換プロセス、直接蒸気発生プロセス、蒸気プロセス又はガスタービンプロセスに供し、或いは貯蔵する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵容器内に生じる気相を再液化するために再液化すべき気体流を貯蔵容器から取り出し、該気体流自体の熱交換で加温してから圧縮し、次いで冷却後に膨張させて再液化させる気体再液化方法において、貯蔵容器から取り出された気体流全量（１、２）のうち、一部の部分流（４）のみを圧縮（Ｖ）以降の工程に付して再液化することを特徴とする気体再液化方法。
【請求項２】
貯蔵容器から取り出された気体流全量（１、２）のうち、圧縮以降の工程に付されない部分流（３）をエネルギー変換プロセス、特に燃料電池やスターリングエンジンによるエネルギー変換プロセス、直接蒸気発生プロセス、蒸気プロセス及び／又はガスタービンプロセスに供し、或いは貯蔵することを特徴とする請求項１に記載の気体再液化方法。
【請求項３】
貯蔵容器から取り出された気体流（１）を、該気体流の圧縮後の部分流（５、６）との熱交換で加温することを特徴とする請求項１又は２に記載の気体再液化方法。
【請求項４】
エネルギー変換プロセスで獲得されるエネルギーを、貯蔵容器から取り出された気体流の圧縮のための圧縮機の駆動に用いることを特徴とする請求項２又は３に記載の気体再液化方法。
【請求項５】
再液化すべき気体流が水素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体再液化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵容器内に生じる気相を再液化するための方法に関し、特に再液化すべき気体流を貯蔵容器から取り出し、該気体流自体の熱交換で加温してから圧縮し、次いで冷却後に膨張させて再液化させる気体再液化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冒頭に述べた気体再液化方法は、低温気体媒体、例えば液体水素等の貯蔵時に利用されている。個々の利用事例において選択される貯蔵容器の構造にかかわりなく、貯蔵された媒体への熱の浸入で媒体が蒸発気化することは避けられない。蒸発する気体媒体が貯蔵容器から放出されるのを防止する必要がある場合、即ち貯蔵容器の内圧を容器の圧力設計に応じて特定圧力値以下に保つ必要がある場合は、生成する気相を再液化するための対策装置を付設することが必要である。
【０００３】
現状の技術で可能な気体再液化方法は、主に熱交換器、圧縮機、周囲空気による冷却器及び膨張装置からなるシステムを用いる方法である。例えば液体水素の貯蔵に関してこのような再液化方法を利用する場合を想定すると、蒸発する水素を水素貯蔵容器から取り出す際には水素の温度は選択された貯蔵圧力に対応する沸点に達しており、これは貯蔵圧力が３ｂａｒとすると２４Ｋである。
【０００４】
取り出された気体水素は先ず熱交換器内に送られ、後述のように圧縮された水素流との熱交換によって加温される。この熱交換に際しては、取り出された水素流と圧縮高圧水素流との間でエネルギー交換が起きる。両者の質量流量は同じあり、従ってエネルギー交換は１：１の比で行うことができるだけである。この場合、選択した熱交換器にとって必要な温度差と圧力依存性とを考慮する必要があるが、一般には貯蔵容器内の支配的温度によって適正なエネルギー交換条件を達成することはできない。
【０００５】
熱交換器の下流側に設けられる圧縮機は加温された水素流を所要のプロセス圧力へと圧縮する。その際に発生する熱は圧縮機の下流側に設けられる周囲空気への放熱用の冷却器を介して排出される。圧縮された水素流は約１３〜１００ｂａｒの圧力下にあるが、これよりも高い圧力も基本的に実現可能である。この圧縮水素流は冷却器で冷却された後、再び前記熱交換器に通され、熱交換器の内部で前記貯蔵容器から取り出された加温されるべき水素流との熱交換により更に冷却される。このようにして冷却された水素流は、次に膨張装置、例えば膨張タービンによって貯蔵容器における所要の貯蔵圧力に膨張され、この膨張時に液化される。この膨張装置は等エントロピー膨張を実現可能とするタイプのものであり、これにより、圧縮された水素流の少なくとも一部が再液化する。
【０００６】
この再液化時に液化されなかった気体流部分はその液体部分と一緒に再び貯蔵容器に供給される。通常、再液化プロセスは連続的に運転されるので、この液化しなかった気体部分流は、貯蔵容器の頂部空間に発生している気体流と一緒に導出されて再び再液化プロセスに送られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上述のような従来技術の欠点を解消して貯蔵容器内に生じる気相を効率よく再液化するための冒頭に述べた形式の気体再液化方法、特に液化効率が高く、軽量で低コストな装置構成で大量の液体流を獲得でき、等エンタルピー膨張を実現することのできる気体再液化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために、本発明によれば、再液化すべき気体流を貯蔵容器から取り出し、該気体流自体の熱交換で加温してから圧縮し、次いで冷却後に膨張させて再液化させるに際し、貯蔵容器から取り出された気体流全量のうち、一部の部分流のみを圧縮以降の工程に付して再液化することを特徴とする気体再液化方法を提供するものである。
【０００９】
従来公知の処理方式とは異なり、本発明の方法では実質的な再液化処理を受けるのは貯蔵容器から取り出される気体流全量ではなく、貯蔵容器から取り出される気体流のうちの一部の部分流のみであり、この部分流だけが圧縮され、従って最終的に再液化に供されるものである。
【００１０】
貯蔵容器から取り出される気体流全量のうち圧縮に供されない部分流は、主にエネルギー変換プロセス、特に燃料電池やスターリングエンジンによるエネルギー変換プロセス、直接蒸気発生プロセス、蒸気プロセス及び／又はガスタービンプロセスに供され、或いは貯蔵される。
【００１１】
本発明による気体再液化方法および従属請求項の対象であるその他の諸構成について図示の実施例に基づいて詳述すれば以下の通りである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明による気体再液化方法の一実施形態に係るプロセス工程図であり、図示しない貯蔵容器から取出し管路１を介して導出される気体流は熱交換器Ｅ１に送り込まれている。この熱交換器Ｅ１には後述のように圧縮後の気体流が管路６を介して送り込まれており、従って熱交換器Ｅ１内では、管路１から送り込まれた気体流が管路６からの圧縮後の気体流との熱交換で加温され、この加温された気体流は引き続き管路２を介して熱交換器Ｅ１から導出される。管路２内を流れる加温された気体流全量は本発明に従って管路３と管路４とに分流され、そのうちの管路４を流れる第１部分流のみが単段又は多段圧縮機Ｖで圧縮に付され、他方、管路３へ分岐されて引き出される第２部分流は、既に述べたように主にエネルギー変換プロセス、特に燃料電池やスターリングエンジンによるエネルギー変換プロセス、直接蒸気発生プロセス、蒸気プロセス及び／又はガスタービンプロセスに供され、或いは別の貯蔵容器に貯蔵される。この場合、第２部分流によるエネルギー変換プロセスで獲得されるエネルギーは例えば圧縮機Ｖを駆動するのに有効利用することができる。この処理方式は、本発明による方法を水素燃料自動車に利用する場合に特に有意義である。
【００１３】
圧縮機Ｖで圧縮された第１部分流は１３〜１００ｂａｒの圧力で管路５を介して空冷ユニットＥ２に送られ、周囲空気への放熱で冷却される。このようにして、貯蔵容器から取り出された気体流全量のうちの一部の部分流のみが圧縮され、この圧縮部分流は管路６を介して再び熱交換器Ｅ１に送られ、この熱交換器内において貯蔵容器から取り出された気体流との熱交換で冷却され、次いで管路７を介して絞り装置Ｘに送られる。圧縮部分流が絞り装置Ｘを通過する際には貯蔵容器の所要の設定貯蔵圧力へ向かって減圧される等エンタルピー膨張が起き、この膨張によって圧縮部分流が液化する。液化した部分流は管路８を介して貯蔵容器に送り込まれる。
【００１４】
従来技術による再液化方法とは異なり、本発明による再液化方法では膨張タービンは省略することができる。膨張タービンに代わるのが遙かに低コストな例えば膨張弁等の絞り装置Ｘである。但し、本発明においても従来と同様に膨張タービンを使用することは基本的に可能である。
【００１５】
本発明によれば、熱交換器Ｅ１から出てくる加温された気体流全量のうちの一部の部分流のみが管路４を介して圧縮機Ｖへ送られ、残りの加温部分流は圧縮機Ｖの上流側で分流されて管路４から系外へ導出される。従って圧縮されるのは貯蔵容器から取り出された気体流全量のうちのの一部のみであり、これが圧縮後に熱交換器Ｅ１内で冷却されるので、熱交換器Ｅ１内での質量流量比は、従来技術における熱交換器Ｅ１内での質量流量比が１である場合に比べて変化している。これに伴い、熱交換器Ｅ１内では、圧縮後の比較的小さな質量流量の気体流から、貯蔵容器から引き出される比較的大きな質量流量の気体流に対して特異的に多量の熱エネルギーを伝達することができる。この熱交換の「限界」は、選択されるべき熱交換器と、貯蔵容器から引き出される気体流の入口温度とに依存する。但し、本発明ではこの質量流量比は圧縮機Ｖの上流側で系外へ取り出す気体流の流量調整により調節可能であり、圧縮機Ｖに送らずに管路３から系外へ取り出す分流の流量を多くするほど、熱交換器Ｅ１での質量流比を一層大きくすることができる。
【００１６】
本発明による再液化方法では、技術の方法で使用されているのと同様の圧縮機と空冷ユニットを利用可能である。その他の点では、境界条件を同一とすると、本発明による方法における圧縮機の要求動力は、通過流量が圧縮前に取り出される部分流の質量流量分だけ少なくなっているので、相応して低減する。
【００１７】
従来技術による再液化方法では充分に大量の液体部分の獲得を可能とするような等エンタルピー膨張が実現可能でないのに対して、本発明による気体再液化方法では今やこれが可能である。
【００１８】
このため、本発明による方法は総合的な液化効率の向上が可能であり、単純な絞りの通過で膨張させた後に大量の液体部分流を獲得でき、等エンタルピー膨張を実現することが可能である。また本発明による方法は経済的であるので必ずしも大量の質量流量を必要としない。更に従来必要であった膨張タービンを省くこともできるので、システムの設計コストも減少する利点がある。
【００１９】
特に水素燃料自動車の分野では、比較的小さな貯蔵容積を有する（液体水素用）貯蔵容器が利用される。この比較的小さな貯蔵容積から相対的に僅かな蒸発損失、従って相対的に僅かな質量流量が帰結する。このように僅かな質量流量の再液化には従来の再液化方法は適していない。
【００２０】
従って、本発明による方法は特に水素燃料自動車の分野で応用するのに適している。というのも、一方では質量流量が僅かな場合にも効率的に作動し、他方では従来の方法よりも総重量がかなり軽い装置構成で実現できるからである。装置重量の低減は、従来必要であった膨張タービンが省略できることと、本発明による処理方式で達成される効率向上のゆえに回路内に通さねばならない質量流量が少なくなり、そのことから圧縮機、熱交換器等の構成要素の構造寸法の低減の結果から帰結する事実に照らして明らかである。
【００２１】
水素燃料駆動車両の分野で従来より生じている問題点として、液体水素貯蔵容器からの不可避的な蒸発損失が理由で係る車両の運転可能時間は現在のところ最大２週間程度に限定されていることが挙げられる。水素燃料自動車の燃料貯蔵系統に本発明の方法を適用すると、特に圧縮機の上流側で系外に分流される気体流を例えば燃料電池に供給し、燃料電池で得られる電気エネルギーを圧縮機の駆動に用いれば、従来に比して遙かに長い運転可能時間を達成することができよう。
【００２２】
加えて、本発明による方法は上述以外の他の如何なる応用分野、例えば水素燃料補給ステーションにおける液体水素貯蔵容器系統においても有利な形態で実施できることは述べるまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による気体再液化方法の一実施形態に係るプロセス工程図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：取出し管路
２：管路（加温後の気体流全量）
３：管路（第２の部分流）
４：管路（第１の部分流）
５：管路（圧縮後の部分流）
６：管路
７：管路
８：管路
Ｅ１：熱交換器
Ｅ２：空冷ユニット
Ｖ：圧縮機
Ｘ：絞り装置
【図１】
2005221223.tif 000003