知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024112480
(43)【公開日】2024-08-21
(54)【発明の名称】エネルギー利用システム
(51)【国際特許分類】
F25J 1/00 20060101AFI20240814BHJP
F28F 1/12 20060101ALI20240814BHJP
F28F 21/02 20060101ALI20240814BHJP
【ＦＩ】
F25J1/00 D
F28F1/12 G
F28F21/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023017517
(22)【出願日】2023-02-08
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】谷口 洋
【テーマコード（参考）】
4D047
【Ｆターム（参考）】
4D047AA08
4D047AB00
4D047CA06
(57)【要約】
【課題】エネルギー効率を向上させることができるエネルギー利用システムを提供する。
【解決手段】エネルギー利用システムは、液化水素と第１気体とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって第１気体を液化させて液化ガスを生成する液化装置と、液化装置で第１気体と熱交換を行った後の水素ガスと、内部に封入された作動流体とを熱交換させ、水素ガスを昇温するとともに、水素ガスの冷熱によって冷却される熱機関と、を備え、液化装置は、第１気体との熱交換によって、水素ガスを作動流体の沸点以上まで昇温させる。
【選択図】図２
【解決手段】エネルギー利用システムは、液化水素と第１気体とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって第１気体を液化させて液化ガスを生成する液化装置と、液化装置で第１気体と熱交換を行った後の水素ガスと、内部に封入された作動流体とを熱交換させ、水素ガスを昇温するとともに、水素ガスの冷熱によって冷却される熱機関と、を備え、液化装置は、第１気体との熱交換によって、水素ガスを作動流体の沸点以上まで昇温させる。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液化水素と第１気体とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって前記第１気体を液化させて液化ガスを生成する液化装置と、
前記液化装置で前記第１気体と熱交換を行った後の水素ガスと、内部に封入された作動流体とを熱交換させ、水素ガスを昇温するとともに、水素ガスの冷熱によって冷却される熱機関と、
を備え、
前記液化装置は、前記第１気体との熱交換によって、水素ガスを前記作動流体の沸点以上まで昇温させる、エネルギー利用システム。
前記液化装置で前記第１気体と熱交換を行った後の水素ガスと、内部に封入された作動流体とを熱交換させ、水素ガスを昇温するとともに、水素ガスの冷熱によって冷却される熱機関と、
を備え、
前記液化装置は、前記第１気体との熱交換によって、水素ガスを前記作動流体の沸点以上まで昇温させる、エネルギー利用システム。
【請求項2】
前記第１気体および前記作動流体は、ともに空気であり、
前記液化装置は、液化水素と空気とを熱交換させて液化空気を生成する、請求項１に記載のエネルギー利用システム。
前記液化装置は、液化水素と空気とを熱交換させて液化空気を生成する、請求項１に記載のエネルギー利用システム。
【請求項3】
前記熱機関で前記作動流体と熱交換を行った後の水素ガスを燃焼して駆動する水素ガスタービン発電システムをさらに備え、
前記熱機関は、水素ガスの冷熱に加えて前記水素ガスタービン発電システムの排熱を利用する、請求項１又は２に記載のエネルギー利用システム。
前記熱機関は、水素ガスの冷熱に加えて前記水素ガスタービン発電システムの排熱を利用する、請求項１又は２に記載のエネルギー利用システム。
【請求項4】
前記液化装置で生成された液化ガスを貯留するタンクと、
前記タンクに貯留された液化ガスによって駆動するタービン発電機と、
をさらに備える、請求項１又は２に記載のエネルギー利用システム。
前記タンクに貯留された液化ガスによって駆動するタービン発電機と、
をさらに備える、請求項１又は２に記載のエネルギー利用システム。
【請求項5】
前記熱機関は、前記作動流体に熱交換を行わせる領域に、グラフェンにより形成されたフィン構造体を有する、請求項１又は２に記載のエネルギー利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、エネルギー利用システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、水素社会の実現に向けて液化水素を積極的に利用する動きがある。液化水素を利用する施設として、例えば特許文献１に記載の水素供給ステーションが挙げられる。この水素供給ステーションは、液体水素の冷熱を利用して二酸化炭素ガスを効果的に処理する。
【0003】
また、液化水素は、ガスタービンの駆動にも利用される。この場合、液化水素は、ガスタービンで燃焼される。ただし、液化水素を燃焼させるためには、極低温（融点が約－２５９℃、沸点が約―２５３℃）の液化水素を昇温し、気化させる必要がある。液化水素を気化させるため、液化水素を大気や海水と熱交させる方法が取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１０－２０８９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、液化水素を大気や海水と熱交換させる場合、多量の冷熱が排出されており、エネルギー効率が悪いことが課題とされていた。
【0006】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、エネルギー効率を向上させることができるエネルギー利用システム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】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示に係るエネルギー利用システムは、液化水素と第１気体とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって前記第１気体を液化させて液化ガスを生成する液化装置と、前記液化装置で前記第１気体と熱交換を行った後の水素ガスと、内部に封入された作動流体とを熱交換させ、水素ガスを昇温するとともに、水素ガスの冷熱によって冷却される熱機関と、を備え、前記液化装置は、前記第１気体との熱交換によって、水素ガスを前記作動流体の沸点以上まで昇温させる。
【発明の効果】
【0008】
本開示のエネルギー利用システムによれば、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
（エネルギー利用システムの構成）
以下、本開示の実施形態に係るエネルギー利用システム１００について、図１、図２を参照して説明する。
図１に示すようにエネルギー利用システム１００は、供給源１と、液化水素基地２と、水素ガスタービン発電システム３と、蒸気タービン発電システム１５と、圧縮機４と、フレアスタック５と、リターンガスブロワ６とを備える。エネルギー利用システム１００の各構成は、配管Ｌによって接続され、１つのサイクルが形成されている。配管Ｌには、液管Ｌ１とガス管Ｌ２とがある。
以下、本開示の実施形態に係るエネルギー利用システム１００について、図１、図２を参照して説明する。
図１に示すようにエネルギー利用システム１００は、供給源１と、液化水素基地２と、水素ガスタービン発電システム３と、蒸気タービン発電システム１５と、圧縮機４と、フレアスタック５と、リターンガスブロワ６とを備える。エネルギー利用システム１００の各構成は、配管Ｌによって接続され、１つのサイクルが形成されている。配管Ｌには、液管Ｌ１とガス管Ｌ２とがある。
【0011】
（供給源）
供給源１は、例えば液化水素Ａ１を運搬する液水運搬船１ａである。液水運搬船１ａは、例えば後述する液化水素基地２の近くの湾口等に停泊される。液水運搬船１ａは、例えば海外でＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を利用して生成された液化水素Ａ１を貯留して運搬する。
供給源１は、例えば液化水素Ａ１を運搬する液水運搬船１ａである。液水運搬船１ａは、例えば後述する液化水素基地２の近くの湾口等に停泊される。液水運搬船１ａは、例えば海外でＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を利用して生成された液化水素Ａ１を貯留して運搬する。
【0012】
（液化水素基地）
液化水素基地２は、液水タンク７と、昇圧ポンプ８と、冷熱利用設備９とを備える。
液水タンク７は、供給源１と液管Ｌ１によって接続されている。液水タンク７には、供給源１から供給された液化水素Ａ１が貯留される。液水タンク７は、液管Ｌ１によって昇圧ポンプ８に接続されている。
液化水素基地２は、液水タンク７と、昇圧ポンプ８と、冷熱利用設備９とを備える。
液水タンク７は、供給源１と液管Ｌ１によって接続されている。液水タンク７には、供給源１から供給された液化水素Ａ１が貯留される。液水タンク７は、液管Ｌ１によって昇圧ポンプ８に接続されている。
【0013】
昇圧ポンプ８は、液水タンク７から供給された液化水素Ａ１を昇圧する。昇圧ポンプ８は、液管Ｌ１によって冷熱利用設備９に接続されている。昇圧ポンプ８で昇圧された液化水素Ａ１は、融点付近の約―２５３℃まで昇温されている。
【0014】
（冷熱利用設備）
冷熱利用設備９は、液化水素Ａ１を気化して水素ガスＡ２を生成するとともに、その際に生じる液化水素Ａ１の冷熱を利用するものである。冷熱利用設備９の構成の詳細については、後述する。
冷熱利用設備９は、液化水素Ａ１を気化して水素ガスＡ２を生成するとともに、その際に生じる液化水素Ａ１の冷熱を利用するものである。冷熱利用設備９の構成の詳細については、後述する。
【0015】
（水素ガスタービン発電システム）
水素ガスタービン発電システム３は、ガス管Ｌ２によって冷熱利用設備９と接続されている。水素ガスタービン発電システム３は、水素ガスタービン３ａと、発電機３ｂとを備える。水素ガスタービン３ａは、冷熱利用設備９で生成された水素ガスＡ２を燃焼して駆動する。発電機３ｂは、水素ガスタービン３ａの駆動力によって駆動し、発電する。
水素ガスタービン発電システム３は、ガス管Ｌ２によって冷熱利用設備９と接続されている。水素ガスタービン発電システム３は、水素ガスタービン３ａと、発電機３ｂとを備える。水素ガスタービン３ａは、冷熱利用設備９で生成された水素ガスＡ２を燃焼して駆動する。発電機３ｂは、水素ガスタービン３ａの駆動力によって駆動し、発電する。
【0016】
水素ガスタービン発電システム３からは、多量の熱が排熱される。水素ガスタービン３ａで生じた排熱（約５００℃から６００℃）は、後述するタービン発電機１３や、水素ガスタービン３ａの下流側に設けられた蒸気タービン発電システム１５で利用される。
【0017】
蒸気タービン発電システム１５は、蒸気タービン１５ａと、発電機１５ｂとを備える。蒸気タービン１５ａは、水素ガスタービン３ａの排熱を利用して駆動する。発電機１５ｂは、蒸気タービン１５ａの駆動力によって駆動し、発電する。蒸気タービン発電システム１５の排熱は、後述する熱機関２１で利用される。
【0018】
上述した冷熱利用設備９で生成された水素ガスＡ２の一部は、ガス管Ｌ２によって供給源１に戻される。以下では、供給源１に水素ガスＡ２や燃焼ガスの一部を戻すガス管Ｌ２を、リターン管Ｌ３と称する。このリターン管Ｌ３には、例えば上流側から順に圧縮機４と、フレアスタック５と、リターンガスブロワ６とが配置されている。圧縮機４は、リターン管Ｌ３を流れる水素ガスＡ２を昇圧する。フレアスタック５は、リターン管Ｌ３を流れる余剰ガスを燃焼して無害化し、大気中に放出する。リターンガスブロワ６は、液化水素基地２内から供給源１に水素ガスＡ２を送り、供給源１の気相領域の圧力低下を抑制する。
図示の例では、リターン管Ｌ３は、フレアスタック５とリターンガスブロワ６との間で別のガス管Ｌ２によって液水タンク７の気相領域と接続されている。リターン管Ｌ３に配置されるこれら各種機器、設備はあくまでも一例である。
図示の例では、リターン管Ｌ３は、フレアスタック５とリターンガスブロワ６との間で別のガス管Ｌ２によって液水タンク７の気相領域と接続されている。リターン管Ｌ３に配置されるこれら各種機器、設備はあくまでも一例である。
【0019】
（冷熱利用設備の構成）
続いて、主に図２を参照して冷熱利用設備９の構成について説明する。
冷熱利用設備９は、供給源１から供給される液化水素Ａ１の冷熱を段階的にカスケード利用する。本実施形態の冷熱利用設備９は、第１設備１０と、第２設備２０とを備えた２段構成となっている。
続いて、主に図２を参照して冷熱利用設備９の構成について説明する。
冷熱利用設備９は、供給源１から供給される液化水素Ａ１の冷熱を段階的にカスケード利用する。本実施形態の冷熱利用設備９は、第１設備１０と、第２設備２０とを備えた２段構成となっている。
【0020】
（第１設備）
第１設備１０は、供給源１から供給される液化水素Ａ１の冷熱を利用する。本実施形態の場合、第１設備１０は、液化水素Ａ１の－２５３℃から－１８０℃までの第１温度域の冷熱を利用する。第１設備１０は、液化装置１１と、タンク１２と、タービン発電機１３とを備える。
第１設備１０は、供給源１から供給される液化水素Ａ１の冷熱を利用する。本実施形態の場合、第１設備１０は、液化水素Ａ１の－２５３℃から－１８０℃までの第１温度域の冷熱を利用する。第１設備１０は、液化装置１１と、タンク１２と、タービン発電機１３とを備える。
【0021】
（液化装置）
液化装置１１は、昇圧ポンプ８で昇圧された液化水素Ａ１が供給される。液化装置１１に供給される液化水素Ａ１の温度は、沸点付近の約－２５３℃である。また、液化装置１１には、外部から第１気体Ａ３が供給される。液化装置１１は、液化水素Ａ１と第１気体Ａ３とを熱交換させ、液体水素を気化する。液化装置１１は、第１気体Ａ３との熱交換によって、水素ガスＡ２を後述する作動流体Ａ５の沸点以上まで昇温させる。本実施形態の場合、液化装置１１によって液化水素Ａ１は、－１８０℃程度まで昇温される。これにより、液化水素Ａ１が気化して水素ガスＡ２が生じる。
液化装置１１は、昇圧ポンプ８で昇圧された液化水素Ａ１が供給される。液化装置１１に供給される液化水素Ａ１の温度は、沸点付近の約－２５３℃である。また、液化装置１１には、外部から第１気体Ａ３が供給される。液化装置１１は、液化水素Ａ１と第１気体Ａ３とを熱交換させ、液体水素を気化する。液化装置１１は、第１気体Ａ３との熱交換によって、水素ガスＡ２を後述する作動流体Ａ５の沸点以上まで昇温させる。本実施形態の場合、液化装置１１によって液化水素Ａ１は、－１８０℃程度まで昇温される。これにより、液化水素Ａ１が気化して水素ガスＡ２が生じる。
【0022】
一方で、液化装置１１は、液体水素の冷熱によって第１気体Ａ３を液化させて液化ガスＡ４を生成する。本実施形態では、第１気体Ａ３は空気であり、液化装置１１は、液化水素Ａ１と空気とを熱交換させて液化空気を生成する。液化装置１１は、大気から第１気体Ａ３として空気を取り込み、外部から供給される駆動電力によって液化空気を生成する。本実施形態の液化装置１１は、一般的な工業用空気液化装置である。
液化装置１１は、液管Ｌ１によってタンク１２に接続されている。
液化装置１１は、液管Ｌ１によってタンク１２に接続されている。
【0023】
（タンク）
タンク１２は、液化装置１１で生成された液化ガスＡ４を貯留する。タンク１２は、いわゆる断熱タンクであり、生成された液化ガスＡ４を液相の状態で貯留することができる。タンク１２は、タービン発電機１３と接されている。
タンク１２は、液化装置１１で生成された液化ガスＡ４を貯留する。タンク１２は、いわゆる断熱タンクであり、生成された液化ガスＡ４を液相の状態で貯留することができる。タンク１２は、タービン発電機１３と接されている。
【0024】
（タービン発電機）
タービン発電機１３には、タンク１２から液化ガスＡ４が供給される。タービン発電機１３は、タンク１２に貯留された液化ガスＡ４によって駆動する。また、タービン発電機１３は、水素ガスタービン発電システム３に接続されており、水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用することができる。本実施形態では、タービン発電機１３は、液化ガスＡ４を水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用して温めて、その際に生じる膨張圧力によって駆動する。タービン発電機１３の駆動に利用された液化ガスＡ４は気体となり、大気中に排気される。
上述した第１設備１０の下流側には、第２設備２０が設けられている。
タービン発電機１３には、タンク１２から液化ガスＡ４が供給される。タービン発電機１３は、タンク１２に貯留された液化ガスＡ４によって駆動する。また、タービン発電機１３は、水素ガスタービン発電システム３に接続されており、水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用することができる。本実施形態では、タービン発電機１３は、液化ガスＡ４を水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用して温めて、その際に生じる膨張圧力によって駆動する。タービン発電機１３の駆動に利用された液化ガスＡ４は気体となり、大気中に排気される。
上述した第１設備１０の下流側には、第２設備２０が設けられている。
【0025】
（第２設備）
第２設備２０は、第１設備１０で利用された後の冷熱をさらに利用する。本実施形態の場合、第２設備２０は、液化水素Ａ１の－１８０℃から大気温度付近（例えば０℃）までの第２温度域の冷熱を利用する。第２設備２０は、熱機関２１と、再生熱交換器２２とを備える。
第２設備２０は、第１設備１０で利用された後の冷熱をさらに利用する。本実施形態の場合、第２設備２０は、液化水素Ａ１の－１８０℃から大気温度付近（例えば０℃）までの第２温度域の冷熱を利用する。第２設備２０は、熱機関２１と、再生熱交換器２２とを備える。
【0026】
（熱機関）
熱機関２１は、ガス管Ｌ２によって液化装置１１と接続されている。熱機関２１の内部には、作動流体Ａ５が封入されている。本実施形態では、作動流体Ａ５は空気であり、熱機関２１は、液化装置１１で第１気体Ａ３と熱交換を行った後の水素ガスＡ２と、作動流体Ａ５とを熱交換させ、水素ガスＡ２を昇温する。本実施形態の場合、熱機関２１によって、水素ガスＡ２は０℃付近まで昇温される。
熱機関２１は、ガス管Ｌ２によって液化装置１１と接続されている。熱機関２１の内部には、作動流体Ａ５が封入されている。本実施形態では、作動流体Ａ５は空気であり、熱機関２１は、液化装置１１で第１気体Ａ３と熱交換を行った後の水素ガスＡ２と、作動流体Ａ５とを熱交換させ、水素ガスＡ２を昇温する。本実施形態の場合、熱機関２１によって、水素ガスＡ２は０℃付近まで昇温される。
【0027】
一方で、熱機関２１は、水素ガスＡ２の冷熱によって冷却される。すなわち、水素ガスＡ２を熱機関２１の冷却に利用する。これにより、熱機関２１内に封入された作動流体Ａ５が冷却される。また、熱機関２１は、水素ガスＡ２の冷熱に加えて、蒸気タービン発電システム１５を介して水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用する。
【0028】
本実施形態の熱機関２１は、スターリングエンジン２１ａである。熱機関２１は、冷却部２３と、加熱部２４と、フィン構造体２５と、動作部２６とを有する。
【0029】
（冷却部）
冷却部２３は、ガス管Ｌ２によって液化装置１１と接続されている。冷却部２３には、液化装置１１から水素ガスＡ２が供給される。冷却部２３は、冷却室２３ａと、冷却ピストン２３ｂとを有する。冷却室２３ａは、冷却ピストン２３ｂによって蓋をされ、内部に作動流体Ａ５が封入されている。冷却部２３は、冷却室２３ａ内の作動流体Ａ５と水素ガスＡ２とで熱交換を行い、水素ガスＡ２の冷熱により作動流体Ａ５を冷却する。これにより、冷却室２３ａ内の作動流体Ａ５が凝縮し、冷却ピストン２３ｂが移動する。
冷却部２３は、ガス管Ｌ２によって液化装置１１と接続されている。冷却部２３には、液化装置１１から水素ガスＡ２が供給される。冷却部２３は、冷却室２３ａと、冷却ピストン２３ｂとを有する。冷却室２３ａは、冷却ピストン２３ｂによって蓋をされ、内部に作動流体Ａ５が封入されている。冷却部２３は、冷却室２３ａ内の作動流体Ａ５と水素ガスＡ２とで熱交換を行い、水素ガスＡ２の冷熱により作動流体Ａ５を冷却する。これにより、冷却室２３ａ内の作動流体Ａ５が凝縮し、冷却ピストン２３ｂが移動する。
【0030】
（加熱部）
加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５と接続されている。加熱部２４には、蒸気タービン発電システム１５から排熱が供給される。蒸気タービン発電システム１５は、水素ガスタービン３ａの排熱によって駆動する蒸気タービン１５ａの排熱（約２００℃）を加熱部２４に供給する。すなわち、本実施形態では、加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５を介して、水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用することになる。加熱部２４は、加熱室２４ａと、加熱ピストン２４ｂとを有する。加熱室２４ａは、加熱ピストン２４ｂによって蓋をされ、内部に作動流体Ａ５が封入されている。加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５からの排熱により加熱室２４ａ内の作動流体Ａ５を加熱する。これにより、加熱室２４ａ内の作動流体Ａ５が膨張し、加熱ピストン２４ｂが移動する。また、加熱室２４ａは冷却室２３ａと接続され、作動流体Ａ５は、冷却室２３ａと加熱室２４ａとの間で流動することができる。この作動流体Ａ５の流動により、冷却ピストン２３ｂと加熱ピストン２４ｂとが動き、熱機関２１が駆動する。
加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５と接続されている。加熱部２４には、蒸気タービン発電システム１５から排熱が供給される。蒸気タービン発電システム１５は、水素ガスタービン３ａの排熱によって駆動する蒸気タービン１５ａの排熱（約２００℃）を加熱部２４に供給する。すなわち、本実施形態では、加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５を介して、水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用することになる。加熱部２４は、加熱室２４ａと、加熱ピストン２４ｂとを有する。加熱室２４ａは、加熱ピストン２４ｂによって蓋をされ、内部に作動流体Ａ５が封入されている。加熱部２４は、蒸気タービン発電システム１５からの排熱により加熱室２４ａ内の作動流体Ａ５を加熱する。これにより、加熱室２４ａ内の作動流体Ａ５が膨張し、加熱ピストン２４ｂが移動する。また、加熱室２４ａは冷却室２３ａと接続され、作動流体Ａ５は、冷却室２３ａと加熱室２４ａとの間で流動することができる。この作動流体Ａ５の流動により、冷却ピストン２３ｂと加熱ピストン２４ｂとが動き、熱機関２１が駆動する。
【0031】
（フィン構造体）
フィン構造体２５は、熱機関２１の作動流体Ａ５に熱交換を行わせる領域に設けられている。フィン構造体２５は、熱機関２１の熱交換を行う表面積（以下、この表面積を伝熱面積と称する。）を増大し、熱機関２１の伝熱性能を向上させる。フィン構造体２５は、グラフェンにより形成されている。
本実施形態では、フィン構造体２５は、冷却部２３と加熱部２４とにそれぞれ設けられている。冷却部２３のフィン構造体２５を冷却側フィン構造体２５ａと称し、加熱部２４のフィン構造体２５を加熱側フィン構造体２５ｂと称する。
フィン構造体２５は、熱機関２１の作動流体Ａ５に熱交換を行わせる領域に設けられている。フィン構造体２５は、熱機関２１の熱交換を行う表面積（以下、この表面積を伝熱面積と称する。）を増大し、熱機関２１の伝熱性能を向上させる。フィン構造体２５は、グラフェンにより形成されている。
本実施形態では、フィン構造体２５は、冷却部２３と加熱部２４とにそれぞれ設けられている。冷却部２３のフィン構造体２５を冷却側フィン構造体２５ａと称し、加熱部２４のフィン構造体２５を加熱側フィン構造体２５ｂと称する。
【0032】
冷却側フィン構造体２５ａは、冷却室２３ａの外面に設けられている。冷却側フィン構造体２５ａには、液化装置１１から供給される水素ガスＡ２が供給される。冷却側フィン構造体２５ａによって、水素ガスＡ２と冷却室２３ａ内の作動流体Ａ５との熱交換が促進される。
【0033】
加熱側フィン構造体２５ｂは、加熱室２４ａの外面に設けられている。加熱側フィン構造体２５ｂには、蒸気タービン発電システム１５の排熱を含むガスが供給される。加熱側フィン構造体２５ｂによって、これらのガスと加熱室２４ａ内の作動流体Ａ５との熱交換が促進される。
【0034】
（動作部）
動作部２６は、冷却部２３及び加熱部２４内の作動流体Ａ５の凝縮・膨張によって作動する。本実施形態の動作部２６は発電機である。動作部２６は、冷却部２３の冷却ピストン２３ｂと、加熱部２４の加熱ピストン２４ｂに接続されており、冷却ピストン２３ｂと加熱ピストン２４ｂとが連動することにより動作し、その動力によって発電する。
動作部２６は、冷却部２３及び加熱部２４内の作動流体Ａ５の凝縮・膨張によって作動する。本実施形態の動作部２６は発電機である。動作部２６は、冷却部２３の冷却ピストン２３ｂと、加熱部２４の加熱ピストン２４ｂに接続されており、冷却ピストン２３ｂと加熱ピストン２４ｂとが連動することにより動作し、その動力によって発電する。
【0035】
上述した熱機関２１は、冷却部２３でガス管Ｌ２を介して水素ガスタービン発電システム３と接続されている。熱機関２１で作動流体Ａ５と熱交換を行った後の水素ガスＡ２（約０℃）が、水素ガスタービン発電システム３に向けて送られる。さらに、熱機関２１と水素ガスタービン発電システム３との間には、再生熱交換器２２が設けられている。
【0036】
（再生熱交換器）
再生熱交換器２２は、水素ガスＡ２を大気温度程度まで昇温させる。再生熱交換器２２で昇温された水素ガスＡ２は、水素ガスタービン発電システム３に送られ、水素ガスタービン発電システム３の駆動に利用される。
再生熱交換器２２は、水素ガスＡ２を大気温度程度まで昇温させる。再生熱交換器２２で昇温された水素ガスＡ２は、水素ガスタービン発電システム３に送られ、水素ガスタービン発電システム３の駆動に利用される。
【0037】
（作用効果）
上記構成のエネルギー利用システム１００は、以下の作用効果を奏する。
上記構成のエネルギー利用システム１００は、以下の作用効果を奏する。
【0038】
本実施形態では、エネルギー利用システム１００は、液化装置１１と、熱機関２１と、を備える。液化装置１１は、液化水素Ａ１と第１気体Ａ３とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって第１気体Ａ３を液化させて液化ガスＡ４を生成する。熱機関２１は、液化装置１１で第１気体Ａ３と熱交換を行った後の水素ガスＡ２と、内部に封入された作動流体Ａ５とを熱交換させ、水素ガスＡ２を昇温するとともに、水素ガスＡ２の冷熱によって冷却される。さらに、液化装置１１は、第１気体Ａ３との熱交換によって、水素ガスＡ２を作動流体Ａ５の沸点以上まで昇温させる。
【0039】
これにより、エネルギー利用システム１００は、液化水素Ａ１の冷熱を段階的にカスケード利用して、液化ガスＡ４を生成するとともに、熱機関２１を駆動することができる。よって、液化水素Ａ１の冷熱を効率良く利用し、エネルギー効率を向上させることができる。
【0040】
例えば本実施形態のように熱機関２１が、作動流体Ａ５が内部に封入されたスターリングエンジン２１ａの場合、作動流体Ａ５（本実施形態の場合は空気）が凝縮して熱機関２１の駆動が妨げられることを回避しなければならない。すなわち、空気の融点以下となり、熱機関２１が凍結してしまうことを回避しなければならない。このような事情から、空気の冷却に利用される水素ガスＡ２の温度は、空気の沸点以上に限られる。空気の主成分である酸素と窒素の沸点は、それぞれ約－１８３℃、－１９６℃であるため、空気の沸点は、－１９６℃から－１８３℃の間にある。本実施形態では、液化装置１１によって水素ガスＡ２が空気の沸点以上の－１８０℃に昇温されるため、熱機関２１に供給された水素ガスＡ２が熱機関２１の空気を凝縮させ熱機関２１の駆動を妨げることがない。このように、本実施形態によれば、熱機関２１の駆動を妨げることなく、液化水素Ａ１の冷熱を効率良く利用することができる。
【0041】
本実施形態では、第１気体Ａ３および作動流体Ａ５は、ともに空気であり、液化装置１１は、液化水素Ａ１と空気とを熱交換させて液化空気を生成する。
【0042】
空気は、入手容易な空気である。このため、本実施形態によれば、エネルギー利用システム１００にかかるコストを削減することができる。加えて、液化装置１１にて生成される液化ガスＡ４は、液化空気である。ここで従来のように深冷分離より液化空気を生成する場合、大電力が必要となるが、本実施形態では、本来排気される液化水素Ａ１の冷熱を利用して液化空気を生成することができるため、深冷分離に係る電力代が不要となる。
【0043】
また、生成された液化空気には様々な用途がある。例えば液化空気は、外部に売却することも可能であり、精製して原料ガスとして利用することも可能である。例えば、生成した液化空気を液体酸素と液体窒素に分離して産業利用することもできる。また、液化空気は、液化空気ロケット推進へ利用することも可能である。このように、生成した液化空気を利用することにより、全体としてコストを削減することができる。
【0044】
本実施形態では、エネルギー利用システム１００は、熱機関２１で作動流体Ａ５と熱交換を行った後の水素ガスＡ２を燃焼して駆動する水素ガスタービン発電システム３をさらに備える。熱機関２１は、水素ガスＡ２の冷熱に加えて水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用する。
【0045】
このように、本実施形態によれば、熱機関２１は、本来廃棄されるはずの水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用して駆動することができる。これにより、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
さらに、本実施形態では、熱機関２１は、蒸気タービン発電システム１５を介して水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用する。これにより、水素ガスタービン３ａの排熱（約５００℃から６００℃）を蒸気タービン１５ａの駆動に利用してから、蒸気タービン１５ａの排熱（約２００℃）として、熱機関２１に導くことができる。これにより、水素ガスタービン発電システム３の排熱を、熱機関２１の駆動に適した温度まで下げてから熱機関２１に導くことができる。したがって、水素ガスタービン発電システム３の排熱を、蒸気タービン発電システム１５と熱機関２１との２段階で利用することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
また、約２００℃の排熱は、本実施形態のような熱機関２１における低温側水素に対する高温側熱源として有効であるので、熱機関２１を効率良く駆動することができる。
さらに、本実施形態では、熱機関２１は、蒸気タービン発電システム１５を介して水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用する。これにより、水素ガスタービン３ａの排熱（約５００℃から６００℃）を蒸気タービン１５ａの駆動に利用してから、蒸気タービン１５ａの排熱（約２００℃）として、熱機関２１に導くことができる。これにより、水素ガスタービン発電システム３の排熱を、熱機関２１の駆動に適した温度まで下げてから熱機関２１に導くことができる。したがって、水素ガスタービン発電システム３の排熱を、蒸気タービン発電システム１５と熱機関２１との２段階で利用することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
また、約２００℃の排熱は、本実施形態のような熱機関２１における低温側水素に対する高温側熱源として有効であるので、熱機関２１を効率良く駆動することができる。
【0046】
本実施形態では、エネルギー利用システム１００は、タンク１２と、タービン発電機１３と、をさらに備える。タンク１２は、液化装置１１で生成された液化ガスＡ４を貯留する。タービン発電機１３は、タンク１２に貯留された液化ガスＡ４によって駆動する。
【0047】
これにより、タンク１２に貯留された液化ガスＡ４を利用して発電することができる。このため、発電量が変動した際（例えば太陽光発電において、日照時間が短く発電量が減少した場合等）に、発電量を補うことができる。よって、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【0048】
本実施形態では、熱機関２１は、作動流体Ａ５に熱交換を行わせる領域に、グラフェンにより形成されたフィン構造体２５を有する。
【0049】
グラフェンは、鉄等の金属と比較して、熱伝導率が高い。このため、本実施形態よれば、熱機関２１の伝熱性能を向上させることができる。よって、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【0050】
（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では熱機関２１がスターリングエンジン２１ａであるとしたが、これに限るものではない。熱機関２１は、例えばブレイトンサイクルを利用した機関であってもよい。
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では熱機関２１がスターリングエンジン２１ａであるとしたが、これに限るものではない。熱機関２１は、例えばブレイトンサイクルを利用した機関であってもよい。
【0051】
なお、上記実施形態では第１気体Ａ３及び作動流体Ａ５がともに空気であるとしたが、これに限るものではない。第１気体Ａ３及び作動流体Ａ５は、酸素や窒素、ネオンであってもよい。また。第１気体Ａ３と作動流体Ａ５とは、全く同一である必要はない。
【0052】
なお、上記実施形態では冷熱利用設備９が第１設備１０と第２設備２０とを備えた２段構成である場合について説明したが、これに限られない。冷熱利用設備９は、３段以上に構成されていてもよい。また例えば、第１設備１０をさらに複数段に分けてもよく、第２設備２０をさらに複数段に分けてもよい。
【0053】
なお、上記実施形態では、水素ガスタービン発電システム３よりも下流側に蒸気タービン発電システム１５が設けられている場合について説明したが、蒸気タービン発電システム１５は必ずしも設けられていなくてもよい。この場合、水素ガスタービン発電システム３の排熱（約５００℃から６００℃）は、熱機関２１に直接供給される。
【0054】
＜付記＞
各実施形態に記載のエネルギー利用システム１００は、例えば以下のように把握される。
各実施形態に記載のエネルギー利用システム１００は、例えば以下のように把握される。
【0055】
（１）第１の態様に係るエネルギー利用システム１００は、液化水素Ａ１と第１気体Ａ３とを熱交換させ、液体水素を気化するとともに、液体水素の冷熱によって前記第１気体Ａ３を液化させて液化ガスＡ４を生成する液化装置１１と、前記液化装置１１で前記第１気体Ａ３と熱交換を行った後の水素ガスＡ２と、内部に封入された作動流体Ａ５とを熱交換させ、水素ガスＡ２を昇温するとともに、水素ガスＡ２の冷熱によって冷却される熱機関２１と、を備え、前記液化装置１１は、前記第１気体Ａ３との熱交換によって、水素ガスＡ２を前記作動流体Ａ５の沸点以上まで昇温させる。
【0056】
これにより、エネルギー利用システム１００は、液化水素Ａ１の冷熱を段階的にカスケード利用して、液化ガスＡ４を生成するとともに、熱機関２１を駆動することができる。
【0057】
（２）第２の態様のエネルギー利用システム１００は、（１）の態様に係るエネルギー利用システム１００であって、前記第１気体Ａ３および前記作動流体Ａ５は、ともに空気であり、前記液化装置１１は、液化水素Ａ１と空気とを熱交換させて液化空気を生成してもよい。
【0058】
空気は、入手容易な空気である。このため、本態様によれば、エネルギー利用システム１００にかかるコストを削減することができる。加えて、液化装置１１にて生成される液化ガスＡ４は、液化空気である。液化空気は、外部に売却することも可能であり、精製して原料ガスとして利用することも可能である。このため、生成した液化空気を利用することにより、全体としてコストを削減することができる。
【0059】
（３）第３の態様のエネルギー利用システム１００は、（１）又は（２）の態様に係るエネルギー利用システム１００であって、前記熱機関２１で前記作動流体Ａ５と熱交換を行った後の水素ガスＡ２を燃焼して駆動する水素ガスタービン発電システム３をさらに備え、前記熱機関２１は、水素ガスＡ２の冷熱に加えて前記水素ガスタービン発電システム３の排熱を利用してもよい。
【0060】
これにより、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【0061】
（４）第４の態様のエネルギー利用システム１００は、（１）から（３）のいずれか１つの態様に係るエネルギー利用システム１００であって、前記液化装置１１で生成された液化ガスＡ４を貯留するタンク１２と、前記タンク１２に貯留された液化ガスＡ４によって駆動するタービン発電機１３と、をさらに備えてもよい。
【0062】
これにより、タンク１２に貯留された液化ガスＡ４を利用して発電することができる。このため、発電量が変動した場合に、発電量を補うことができる。
【0063】
（５）第５の態様のエネルギー利用システム１００は、（１）から（４）のいずれか１つの態様に係るエネルギー利用システム１００であって、前記熱機関２１は、前記作動流体Ａ５に熱交換を行わせる領域に、グラフェンにより形成されたフィン構造体２５を有してもよい。
【0064】
グラフェンは、鉄等の金属と比較して、熱伝導率が高い。このため、本態様よれば、熱機関２１の伝熱性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【0065】
１…供給源、１ａ…液水運搬船、２…液化水素基地、３…水素ガスタービン発電システム、３ａ…水素ガスタービン、３ｂ…発電機、４…圧縮機、５…フレアスタック、６…リターンガスブロワ、７…液水タンク、８…昇圧ポンプ、９…冷熱利用設備、１０…第１設備、１１…液化装置、１２…タンク、１３…タービン発電機、１５…蒸気タービン発電システム、１５ａ…蒸気タービン、１５ｂ…発電機、２０…第２設備、２１…熱機関、２１ａ…スターリングエンジン、２２…再生熱交換器、２３…冷却部、２３ａ…冷却室、２３ｂ…冷却ピストン、２４…加熱部、２４ａ…加熱室、２４ｂ…加熱ピストン、２５…フィン構造体、２５ａ…冷却側フィン構造体、２５ｂ…加熱側フィン構造体、２６…動作部、１００…エネルギー利用システム、Ａ１…液化水素、Ａ２…水素ガス、Ａ３…第１気体、Ａ４…液化ガス、Ａ５…作動流体、Ｌ…配管、Ｌ１…液管、Ｌ２…ガス管、Ｌ３…リターン管
【図1】
【図2】