特開 2023-164132 液体水素気化システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023164132

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】液体水素気化システム

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20231102BHJP

【ＦＩ】

F25J3/04 103

F25J3/04 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075482

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000110099

【氏名又は名称】トキコシステムソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】吉田 純

(72)【発明者】

【氏名】高橋 強

(72)【発明者】

【氏名】蓮仏 達也

【テーマコード（参考）】

4D047

【Ｆターム（参考）】

4D047AA08

4D047AB02

4D047CA06

4D047DA04

4D047DA14

(57)【要約】

【課題】液体水素から水素ガスを生成する際に、液体水素の冷熱エネルギを有効活用することが可能な技術を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る液体水素気化システム１００は、液体水素と気体空気との間で熱交換を行う熱交換器５１と、熱交換器５１から出力される気液二相の水素を気体と液体に分離する気液分離器５２と、熱交換器５１から出力される液体空気が保持される液体空気ドラム５４と、気液分離器５２で分離される液体水素を用いて、液体空気ドラム５４から蒸発する気体空気を凝縮する凝縮器５３と、液体空気ドラム５４と凝縮器５３との間に設けられ、液体空気ドラム５４から蒸発する気体と凝縮器５３で凝縮され還流する液体との接触により精留を行う精留塔５５と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体水素と気体空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部から出力される気液二相の水素を気体と液体に分離する気液分離部と、
前記第１の熱交換部から出力される液体空気が保持される保持部と、
前記気液分離部で分離される液体水素を用いて、前記保持部から蒸発する気体空気を凝縮する凝縮部と、
前記保持部と前記凝縮部との間に設けられ、前記保持部から蒸発する気体と前記凝縮部で凝縮され還流する液体との接触により精留を行う精留部と、を備える、
液体水素気化システム。

【請求項2】

前記気液分離部から出力される気体水素と、気体空気との間で熱交換を行う第２の熱交換部を備え、
前記第１の熱交換部は、前記第２の熱交換部から出力される気体空気と、液体水素との間で熱交換を行う、
請求項１に記載の液体水素気化システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、液体水素気化システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液体水素を大気との間での熱交換により気化することにより、水素ガスを利用可能に生成する技術が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１３９３７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、液体水素の冷熱エネルギは、大気に散逸される。そのため、省エネルギの観点で改善の余地がある。

【0005】

そこで、上記課題に鑑み、液体水素から水素ガスを生成する際に、液体水素の冷熱エネルギを有効活用することが可能な技術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】

【0006】

上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
液体水素と気体空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部から出力される気液二相の水素を気体と液体に分離する気液分離部と、
前記第１の熱交換部から出力される液体空気が保持される保持部と、
前記気液分離部で分離される液体水素を用いて、前記保持部から蒸発する気体空気を凝縮する凝縮部と、
前記保持部と前記凝縮部との間に設けられ、前記保持部から蒸発する気体と前記凝縮部で凝縮され還流する液体との接触により精留を行う精留部と、を備える、
液体水素気化システムが提供される。

【発明の効果】

【0007】

上述の実施形態によれば、液体水素から水素ガスを生成する際に、液体水素の冷熱エネルギを有効活用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】液体水素気化システムの構成の第１例を示す図である。

【図2】液体水素気化システムの構成の第２例を示す図である。

【図3】水素ガス充填システムの構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

【0010】

［液体水素気化システムの第１例］
図１を参照して、本実施形態に係る液体水素気化システム１００の第１例について説明する。

【0011】

図１は、液体水素気化システム１００の構成の第１例を示す図である。

【0012】

液体水素気化システム１００は、液体水素貯槽１０と、液体水素低圧ポンプ２０と、空気ブロワ３０と、空気ドライヤ４０と、コールドボックス保冷槽５０とを含む。

【0013】

液体水素気化システム１００は、液体水素貯槽１０の液体水素の寒冷（冷熱エネルギ）を有効利用後、液体水素を気化させて、水素ガス（気体水素）として外部に出力する。

【0014】

液体水素貯槽１０は、液体水素を貯留する。

【0015】

液体水素貯槽１０は、管Ｌ１によってコールドボックス保冷槽５０と接続される。これにより、液体水素貯槽１０は、管Ｌ１を通じて、コールドボックス保冷槽５０に液体水素を供給する。管Ｌ１は、断熱構造を有している。

【0016】

液体水素低圧ポンプ２０は、管Ｌ１に配置される。具体的には、管Ｌ１は、管Ｌ１１，Ｌ１２を含み、液体水素低圧ポンプ２０は、管Ｌ１１を通じて液体水素貯槽１０と接続され、管Ｌ１２を通じてコールドボックス保冷槽５０と接続される。液体水素低圧ポンプ２０は、管Ｌ１１から液体水素を吸い込み、液体水素を昇圧して管Ｌ１２に吐出する。昇圧された液体水素は、管Ｌ１２を通じて、コールドボックス保冷槽５０に供給される。これにより、液体水素低圧ポンプ２０による昇圧の程度を調整することによって、後述の凝縮器５３での運転圧力、即ち、液体水素側の飽和温度を調整することができる。液体水素低圧ポンプ２０における液体水素の昇圧レベルは、熱交換器５１で温度上昇した水素ガスが、気液分離器５３に対して膨張するときに液化領域にある圧力範囲で行われる。

【0017】

空気ブロワ３０は、液体水素の冷熱エネルギによって後述の如く成分分離される原料となる大気を吸入し昇圧して管Ｌ２に吐出する。

【0018】

空気ドライヤ４０は、管Ｌ２と接続され、管Ｌ２を通じて供給される圧縮空気を除湿し乾燥させる。空気ドライヤ４０により除湿し乾燥された圧縮空気は管Ｌ３に出力され、除湿し乾燥された空気は、管Ｌ３を通じてコールドボックス保冷槽５０に供給される。

【0019】

コールドボックス保冷槽５０は、熱交換器５１と、気液分離器５２と、凝縮器５３と、液体空気ドラム５４と、精留塔５５とを含む。

【0020】

熱交換器５１（第１の熱交換部の一例）は、管Ｌ１２を通じてコールドボックス保冷槽５０に供給される液体水素と、管Ｌ３を通じてコールドボックス保冷槽５０に供給される圧縮空気との間で熱交換を行う。具体的には、管Ｌ１２は、コールドボックス保冷槽５０の内部の入力管ＬＩ１に接続され、入力管ＬＩ１を通じて、熱交換器５１に液体水素が供給される。また、管Ｌ３は、コールドボックス保冷槽５０の内部の入力管ＬＩ２と接続され、入力管ＬＩ２を通じて、熱交換器５１に圧縮空気が供給される。

【0021】

熱交換器５１は、圧縮空気から液体水素に熱エネルギを移動させ、一部が気化された気液二相の水素を中間管ＬＭ１に出力すると共に、液化された空気（液体空気）を中間管ＬＭ２に出力する。

【0022】

気液分離器５２（気液分離部の一例）は、中間管ＬＭ１と接続され、中間管ＬＭ１を通じて供給される気液二相の水素を液体水素と気体の水素（水素ガス）とに分離する。気液分離器５２は、その上部に分離される水素ガスを出力管ＬＯ１に出力する。これにより、出力管ＬＯ１を通じて、コールドボックス保冷槽５０の外部に取り出される水素ガスを所定の用途に利用することができる（例えば、後述の図３参照）。

【0023】

凝縮器５３（凝縮部の一例）は、気液分離器５２の下部に分離される液体水素を利用して、精留塔５５を通じて供給される気体を凝縮させ、精留塔５５に還流させる。

【0024】

液体空気ドラム５４（保持部の一例）は、中間管ＬＭ２と接続され、中間管ＬＭ２を通じて供給される液体空気を保持する。

【0025】

精留塔５５（精留部の一例）は、凝縮器５３と液体空気ドラム５４との間に設けられ、液体空気ドラム５４から蒸発する空気と、凝縮器５３から還流される液体との接触により、液体空気ドラム５４から蒸発する空気の精留を行う。これにより、精留塔５５の最上部には、相対的に沸点が低い成分、具体的には、非常に高い純度の液体窒素が生成することができ、液体空気ドラム５４には、相対的に沸点が高い成分、具体的には、酸素濃度が非常に高い液体空気を蓄積させることができる。

【0026】

精留塔５５の最上部には、出力管ＬＯ２が接続され、液体窒素は、出力管ＬＯ２に出力される。これにより、出力管ＬＯ２を通じて、コールドボックス保冷槽５０の外部に取り出される液体窒素を所定の用途に利用することができる。

【0027】

液体空気ドラム５４には、出力管ＬＯ３が接続され、酸素濃度が非常に高い液体空気を出力管ＬＯ３に出力する。これにより、出力管ＬＯ３を通じて、コールドボックス保冷槽５０の外部に取り出される、酸素濃度が非常に高い液体空気を所定の用途に利用することができる。

【0028】

このように、本例では、液体水素気化システム１００は、液体水素を空気との熱交換により気化させる際に、液体水素の冷熱エネルギを利用して、液体空気との熱交換により液化された空気を液体窒素と酸素濃度が非常に高い液体空気とに分離することができる。

【0029】

［液体水素気化システムの第２例］
次に、図２を参照して、本実施形態に係る液体水素気化システム１００の第２例について説明する。

【0030】

以下、上述の第１例と異なる内容を中心に説明を行い、上述の第１例と同じ或いは対応する内容の説明を簡略化或いは省略する場合がある。

【0031】

図２は、液体水素気化システム１００の構成の第２例を示す図である。

【0032】

液体水素気化システム１００は、上述の第１例と同様、熱交換器５１と、気液分離器５２と、凝縮器５３と、液体空気ドラム５４と、精留塔５５とを含む。また、液体水素気化システム１００は、上述の第１例と異なり、熱交換器５６を含む。

【0033】

気液分離器５２は、中間管ＬＭ３と接続され、その上部に分離される水素ガスを中間管ＬＭ３に出力する。

【0034】

熱交換器５６（第２の熱交換部の一例）は、入力管ＬＩ２を通じて供給される圧縮空気と、中間管ＬＭ３を通じて供給される水素ガスとの間で熱交換を行い、水素ガスを出力管ＬＯ１に出力すると共に、圧縮空気を中間管ＬＭ４に出力する。これにより、水素ガスの温度を更に回復（上昇）させた状態で、コールドボックス保冷槽５０の外部に水素ガスを取り出すことができる。

【0035】

熱交換器５１は、中間管ＬＭ４と接続され、中間管ＬＭ４を通じて供給される圧縮空気と、入力管ＬＩ１を通じて供給される液体水素との間で熱交換を行う。

【0036】

このように、本例では、液体水素気化システム１００は、水素ガスを圧縮空気と熱交換させることにより、より高い温度の水素ガスを外部に出力することができる。

【0037】

［液体水素気化システムの適用例］
次に、図３を参照して、液体水素気化システム１００の適用例について説明する。

【0038】

図３は、液体水素気化システム１００の適用例を示す図である。具体的には、図３は、水素ガス充填システム１の一例を示す図である。

【0039】

尚、図３では、液体水素気化システム１００の液体水素低圧ポンプ２０、空気ブロワ３０、空気ドライヤ４０等の一部の構成の図示が省略されている。

【0040】

図３に示すように、水素ガス充填システム１は、液体水素気化システム１００と、水素ガス圧縮部２００と、高圧水素ガス貯蔵部３００と、ディスペンサ４００とを含む。

【0041】

液体水素気化システム１００は、ローリＲＬにより運び込まれる液体水素を液体水素貯槽１０に受け入れ、液体水素貯槽１０の液体水素からコールドボックス保冷槽５０で水素ガスを生成し出力する。

【0042】

水素ガス圧縮部２００は、低圧水素ガス貯蔵タンク２１０と、圧縮機２２０とを含む。

【0043】

低圧水素ガス貯蔵タンク２１０は、液体水素気化システム１００から出力される、相対的に低い圧力の水素ガスを貯蔵する。

【0044】

圧縮機２２０は、低圧水素ガス貯蔵タンク２１０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出力する。

【0045】

水素ガス圧縮部２００（圧縮機２２０）から出力される高圧の水素ガスは、高圧水素ガス貯蔵部３００及びディスペンサ４００の少なくとも一方に供給される。

【0046】

高圧水素ガス貯蔵部３００は、水素ガス圧縮部２００から出力される高圧の水素ガスを貯蔵すると共に、ディスペンサ４００に高圧の水素ガスを供給する。例えば、高圧水素ガス貯蔵部３００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。

【0047】

ディスペンサ４００は、水素ガス圧縮部２００及び高圧水素ガス貯蔵部３００の少なくとも一方から供給される高圧の水素ガスを車両ＶＣＬの水素タンクＴＮＫに充填する。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。

【0048】

ディスペンサ４００は、プレクーラ４１０を含む。

【0049】

プレクーラ４１０は、水素ガス圧縮部２００及び高圧水素ガス貯蔵部３００の少なくとも一方から供給される高圧の水素ガスを、水素タンクＴＮＫへの充填前に冷却し、冷却された高圧の水素ガスを水素タンクＴＮＫに向けて出力する。これにより、水素タンクＴＮＫの温度を所定基準以下に抑制することができる。

【0050】

プレクーラ４１０は、冷却部４１１と、冷凍機４１２とを含む。

【0051】

冷却部４１１は、水素ガス圧縮部２００及び高圧水素ガス貯蔵部３００の少なくとも一方から供給される高圧の水素ガスを冷却する。

【0052】

冷凍機４１２は、冷却部４１１に水素ガスを冷却するための冷熱エネルギを供給する。

【0053】

尚、液体水素気化システム１００から出力される水素ガスをディスペンサ４００にバイパスさせる経路を設けて、ディスペンサ４００から水素タンクＴＮＫに充填される水素ガスに対して、液体水素気化システム１００から出力される水素ガスが直接混合されてもよい。これにより、液体水素気化システム１００から出力される、極低温の水素ガスによって、ディスペンサ４００から水素タンクＴＮＫに充填される水素ガスの温度を低下させることができる。この場合、プレクーラ４１０は省略されてもよい。

【0054】

このように、液体水素気化システム１００を水素ガス充填システム１に適用することができる。

【0055】

［作用］
次に、本実施形態に係る液体水素気化システム１００の作用について説明する。

【0056】

本実施形態では、液体水素気化システム１００は、熱交換器５１と、気液分離器５２と、液体空気ドラム５４と、凝縮器５３と、精留塔５５と、を備える。具体的には、熱交換器５１は、液体水素と気体空気との間で熱交換を行う。また、気液分離器５２は、熱交換器５１から出力される気液二相の水素を気体と液体に分離する。また、液体空気ドラム５４には、熱交換器５１から出力される液体空気が保持される。また、凝縮器５３は、気液分離器５２で分離される液体水素を用いて、液体空気ドラム５４から蒸発する気体空気を凝縮する。そして、精留塔５５は、液体空気ドラム５４と凝縮器５３との間に設けられ、液体空気ドラム５４から蒸発する気体と凝縮器５３で凝縮され還流する液体との接触により精留を行う。

【0057】

これにより、液体水素気化システム１００は、気液分離器５２で分離される液体水素の冷熱エネルギを利用して、液体空気を純度の高い液体窒素と酸素濃度の高い液体空気とに
分離し外部に供給することができる。そのため、液体水素気化システム１００は、液体水素から水素ガスを生成する際に、液体水素の冷熱エネルギを有効活用することができる。

【0058】

また、本実施形態では、液体水素気化システム１００は、気液分離器５２から出力される気体水素（水素ガス）と、気体空気との間で熱交換を行う第２の熱交換部を備えてもよい。そして、熱交換器５１は、熱交換器５６から出力される気体空気と、液体水素との間で熱交換を行ってもよい。

【0059】

これにより、液体水素気化システム１００は、水素ガスの温度をより高い状態で外部に出力することができる。

【0060】

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。

【符号の説明】

【0061】

１ 水素ガス充填システム
１０ 液体水素貯槽
２０ ポンプ
３０ ブロワ
４０ ドライヤ
５０ コールドボックス保冷槽
５１ 熱交換器
５２ 気液分離器
５３ 凝縮器
５４ 液体空気ドラム
５５ 精留塔
５６ 熱交換器
１００ 液体水素気化システム
２００ 水素ガス圧縮部
２１０ 低圧水素ガス貯蔵タンク
２２０ 圧縮機
３００ 高圧水素ガス貯蔵部
４００ ディスペンサ
４１０ プレクーラ
４１１ 冷却部
４１２ 冷凍機
ＬＩ１，ＬＩ２ 入力管
ＬＯ１～ＬＯ３ 出力管
ＲＬ ローリ
ＴＮＫ 水素タンク
ＶＣＬ 車両

【図1】

【図2】

【図3】