特開 2024-94817 水素プラント

(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】P2024094817

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】水素プラント

(51)【国際特許分類】

   F25J 1/00 20060101AFI20240703BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

F25J1/00 C

C01B3/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022211632

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100127797

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 晴洋

(72)【発明者】

【氏名】木村 雄大

【テーマコード（参考）】

4D047

4G140

【Ｆターム（参考）】

4D047AA02

4D047BA07

4D047BA09

4D047CA17

4G140AB01

(57)【要約】

【課題】複数の水素液化装置から各々液化水素を取り出す個別配管を一つの集合管に集約する構成を備える水素プラントにおいて、前記集合管において液化水素と気体水素との混合を抑制する。
【解決手段】水素プラントＨＰ１は、水素ガスを液化水素に変換する第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂと、水素流路として第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂがそれぞれ具備する第１個別配管２１Ａおよび第２個別配管２１Ｂと、第１個別配管２１Ａおよび第２個別配管２１Ｂの下流端を一つに合流させる合流部Ｃと、合流部Ｃより下流の集合管２２と、を含む合流配管２０と、第１個別配管２１Ａおよび第２個別配管２１Ｂのそれぞれから分岐され、気相または気液二相の水素流を取り出す第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスを液化水素に変換する複数の水素液化装置と、
水素流路として前記複数の水素液化装置のそれぞれが具備する個別配管と、
各水素液化装置の前記個別配管の下流端を一つに合流させる合流部と、前記合流部より下流の集合管と、を含む合流配管と、
前記複数の個別配管のそれぞれから分岐され、気相または気液二相の水素流を取り出す複数の分岐配管と、
を備える水素プラント。

【請求項2】

請求項１に記載の水素プラントにおいて、
前記複数の分岐配管の下流端に配置され、前記水素流を受け入れる回収タンクをさらに備える、水素プラント。

【請求項3】

請求項２に記載の水素プラントにおいて、
前記回収タンクは、受け入れた水素流の液体分を気化させる熱交換並びに減圧機能を備える、水素プラント。

【請求項4】

請求項２または３に記載の水素プラントにおいて、
前記回収タンクから水素ガスを前記水素液化装置の上流端に戻す還流配管をさらに備える、水素プラント。

【請求項5】

請求項２または３に記載の水素プラントにおいて、
前記回収タンクから水素ガスを、他の水素ガス利用設備へ導く再利用配管をさらに備える、水素プラント。

【請求項6】

請求項１～３のいずれか１項に記載の水素プラントにおいて、
前記水素液化装置内の前記個別配管における水素流の温度に基づいて、前記水素液化装置の下流側の水素流の流動先を、前記集合管または前記分岐配管のいずれかに切り替える切り替え装置をさらに備える、水素プラント。

【請求項7】

請求項１～３のいずれか１項に記載の水素プラントにおいて、
前記水素液化装置は、原料水素ガスを冷却する冷却器と、当該冷却器で冷却された水素ガスを膨張させて液化する膨張弁と、を含み、
前記分岐配管は、前記膨張弁の出口と前記合流部との間において前記個別配管から分岐されている、水素プラント。

【請求項8】

請求項１～３のいずれか１項に記載の水素プラントにおいて、
前記水素液化装置は、原料水素ガスを冷却する冷却器と、当該冷却器で冷却された水素ガスを膨張させて液化する膨張弁と、を含み、
前記分岐配管は、前記冷却器と前記膨張弁との間において前記個別配管から分岐されている、水素プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素ガスを液体水素に変換する水素液化装置を含む水素プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

大規模な液化水素の生産・出荷基地等においては、化石燃料の改質や水の電気分解で製造した水素ガスを水素液化装置で液化水素に変換し、当該液化水素を液化水素貯蔵タンクで一時的に貯蔵する水素プラントが構築される。前記タンク内の液化水素は、需要地へ向かう水素運搬船やローリーなどのキャリアに払い出される（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－２４０６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

大量の液化水素の生産が求められる場合、複数の水素液化装置がパラレルに設置されることになる。この場合、各水素液化装置から生産した液化水素を取り出す個別配管を一つの集合管に集約した上で、一つ又は複数の液化水素貯蔵タンクへ導くことが望ましい。

【0005】

しかし、水素液化装置の前記個別配管に、気相または気液二相の水素流が流れることがある。例えば、水素液化装置の起動時においては、当該水素液化装置の冷却系の立ち上がりが不十分なことに起因して、液化水素になる前の水素ガスを含む水素流が前記個別配管を流れることになる。水素液化装置の停止時においても、同様な水素流が生じる。複数の水素液化装置のうち、いずれかを通常運転しつつ、いずれかを起動または停止する運用を行うと、前記集合管において、過冷却度を持った液化水素と気体水素とが混合することが生じ得る。この場合、ハンマリングが発生し、集合管の振動、騒音ないしは損傷を与えてしまうことがある。

【0006】

本開示の目的は、複数の水素液化装置から各々液化水素を取り出す個別配管を一つの集合管に集約する構成を備える水素プラントにおいて、前記集合管において液化水素と気体水素との混合を抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一局面に係る水素プラントは、水素ガスを液化水素に変換する複数の水素液化装置と、水素流路として前記複数の水素液化装置のそれぞれが具備する個別配管と、各水素液化装置の前記個別配管の下流端を一つに合流させる合流部と、前記合流部より下流の集合管と、を含む合流配管と、前記複数の個別配管のそれぞれから分岐され、気相または気液二相の水素流を取り出す複数の分岐配管と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、複数の水素液化装置から各々液化水素を取り出す個別配管を一つの集合管に集約する構成を備える水素プラントにおいて、前記集合管において液化水素と気体水素との混合を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、液化水素を生産する水素プラントの全体構成を簡略的に示すシステム図である。

【図2】図２は、本開示の第１実施形態に係る水素プラントを示すシステム図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る水素プラントを示すシステム図である。

【図4】図４は、第３実施形態に係る水素プラントを示すシステム図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本開示に係る水素プラントの実施形態を詳細に説明する。本開示の水素プラントは、複数台の水素液化装置を用いて水素ガスを液化し液化水素を生産する各種のプラントに適用できる。例えば、大規模な液化水素の生産・出荷基地において原料水素ガスから液化水素を生産するライン、液化水素の生産時やキャリアへの荷役時に発生するボイル・オブ・ガス（以下、ＢＯＧ）を再度液化するライン、液化水素の受け入れ施設での荷役の際に生じるＢＯＧを回収して再度液化するラインなどに、本開示の水素プラントを適用できる。

【0011】

［水素プラントの全体構成］
まず、本開示の水素プラントの前提となる、複数台の水素液化装置を備えるプラントの全体構成を説明する。図１は、液化水素を生産する水素プラントＨＰの全体構成の一例を簡略的に示すシステム図である。水素プラントＨＰは、原料水素ガスを液化して貯蔵し、貯蔵した液化水素をキャリア１５に荷役するプラントである。水素プラントＨＰは、水素ガス供給源１１、バッファタンク１２、液化機１３（水素液化装置）および液化水素貯蔵タンク１４を含み、これら要素が水素流路となる輸送配管２で接続されてなる。また、水素プラントＨＰで発生するＢＯＧの回収系として、図１では簡略的にＢＯＧ供給源１８を示している。

【0012】

水素ガス供給源１１は、液化水素の原料となる水素ガスを生成する。原料水素ガスの生成方法としては、メタン等の炭化水素から水蒸気改質により水素ガスを生成する方法、水の電気分解によって水素ガスを生成する方法を例示できる。バッファタンク１２は、液化機１３へ投入する水素ガスの圧力変動の吸収のため、水素ガスを一時的に貯留する。バッファタンク１２に対して、水素ガス供給源１１およびＢＯＧ供給源１８から水素ガスが供給される。

【0013】

液化機１３は、水素ガスを液化水素に変換する水素液化装置であって、バッファタンク１２から導入される原料水素ガスを冷却および膨張させて液化し、液化水素を生成する。図１では、液化水素の生産能力の増強のため、３台の液化機１３；第１液化機１３Ａ、第２液化機１３Ｂおよび第３液化機１３Ｃが輸送配管２にパラレルに配置されている例を示している。もちろん、２台の液化機または４台以上の液化機をパラレルに輸送配管２へ接続しても良い。

【0014】

第１液化機１３Ａ、第２液化機１３Ｂおよび第３液化機１３Ｃはそれぞれ水素流路として、輸送配管２から並列に分岐された第１個別配管２１Ａ、第２個別配管２１Ｂおよび第３個別配管２１Ｃを備えている。これら個別配管２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの下流端は、合流配管２０により一つの配管に集約されている。合流配管２０は、個別配管２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの下流端を一つに合流させる合流部Ｃと、合流部Ｃよりも下流側の集合管２２とを含む。

【0015】

液化水素貯蔵タンク１４は、液化機１３で生成された液化水素が導入され、導入された液化水素を保冷しつつ貯蔵する。液化水素貯蔵タンク１４は、図１に示すような球形、もしくは平底円筒形のタンクである。液化水素貯蔵タンク１４としては、液化水素の貯蔵空間を区画する内槽と、この内槽の外側に配置される外槽と、前記内槽と前記外槽との間に配置される保冷層と、を含む多重殻タンクを例示できる。前記内槽と前記外槽との間に中間槽を有する三重殻タンクを用いてもよい。

【0016】

図１では、集合管２２の下流側に、３基の液化水素貯蔵タンク１４；第１貯蔵タンク１４Ａ、第２貯蔵タンク１４Ｂおよび第３貯蔵タンク１４Ｃがパラレルに配置されている例を示している。これらタンクの各上流側には、第１選択弁１６Ａ、第２選択弁１６Ｂおよび第３選択弁１６Ｃがそれぞれ配置されている。３台の液化機１３Ａ～１３Ｃで生産された液化水素は、選択弁１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが適時開閉されることで、３つの貯蔵タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに分配され、貯蔵される。例えば、選択弁１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃのいずれか一つが「開」とされ、残りが「閉」とされることで、集合管２２と貯蔵タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃのいずれか一基とが連通状態とされ、生産された液化水素が送り込まれる。あるいは、選択弁１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃのいずれか二つを「開」とする、もしくは全てを「開」として、３つの貯蔵タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃのうちの二基、もしくは三基全てに同時に液化水素を送り込むようにしても良い。なお、液化水素貯蔵タンク１４は、大型の一基のタンクであっても良いし、４基以上のタンクで構成されても良い。

【0017】

これら貯蔵タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各下流側の配管には、これらタンク内に貯蔵された液化水素を送り出す第１ポンプ１７Ａ、第２ポンプ１７Ｂおよび第３ポンプ１７Ｃがそれぞれ配置されている。ポンプ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの稼働により、貯蔵タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃから液化水素がキャリア１５へ払い出される。キャリア１５は、例えば受け入れ基地へ液化水素を搬送する水素運搬船やローリーである。

【0018】

ＢＯＧ供給源１８は、水素プラントＨＰで発生したＢＯＧを集約し、その再液化のためＢＯＧをバッファタンク１２へ供給する。液化水素貯蔵タンク１４で貯蔵中の液化水素の蒸発により発生するＢＯＧや、液化水素貯蔵タンク１４からキャリア１５への液化水素の荷役時に発生するＢＯＧを集約する機構が、ＢＯＧ供給源１８となる。

【0019】

以上の通り構成された水素プラントＨＰでは、パラレルに設置された第１液化機１３Ａ、第２液化機１３Ｂおよび第３液化機１３Ｃのうち、いずれか１台または２台を通常運転しつつ、２台またはいずれか１台を起動または停止する運用を行うことがある。例えば、液化水素の生産量の調整のため液化機のパラレル運転台数を切り替える場合や、いずれかの液化機の修理もしくはメンテナンスを行う場合などである。

【0020】

この場合、起動または停止を行った液化機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの個別配管２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに、気相または気液二相の水素流、つまり常温の水素ガスや、液化し切れていない気液二相の水素流体が流れることがある。例えば、第１液化機１３Ａが休止状態にあって、第２液化機１３Ｂおよび第３液化機１３Ｃが通常運転を行っている状態を想定する。この状態から第１液化機１３Ａを起動すると、当該第１液化機１３Ａが内蔵する冷却系による原料水素ガスの冷却が不十分なことに起因して、第１個別配管２１Ａには、起動当初は常温の水素ガスが流れ、その後は気液二相の水素流体が流れる。これらの水素流は、合流部Ｃから集合管２２へ送られる。

【0021】

他方で、通常運転を行っている第２液化機１３Ｂの第２個別配管２１と、第３液化機１３Ｃの第３個別配管２１Ｃには、過冷却度を持った液化水素が流れ、合流部Ｃから集合管２２へ送られる。このため、集合管２２では、過冷却度を持った液化水素と水素ガスもしくは気液二相の水素流体とが混合する。この場合、ハンマリングが発生し、集合管２２の振動、騒音ないしは損傷を生じさせることがある。

【0022】

３台の液化機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが通常運転を行っている状態から、第１液化機１３Ａだけを停止させる場合にも、同様の事象が生じる。第１液化機１３Ａを停止させると、当該第１液化機１３Ａの前記冷却系が冷却能力を徐々に失うことにより、気液二相の水素流体もしくは水素ガスが第１個別配管２１Ａを流れる。一方、第２個別配管２１および第３個別配管２１Ｃには、過冷却度を持った液化水素が流れ続ける。従って、集合管２２では、過冷却度を持った液化水素と水素ガスもしくは気液二相の水素流体とが混合してしまう。個別配管２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに排気弁を取り付け、液化機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの起動または停止を行う場合に、気体水素を廃棄することも考えられる。しかし、液化機１３の立ち上げもしくは立ち下げには数日を要することもあり、監視負担や廃棄ロスが大きくなる。このような問題を解決する本開示の実施形態を以下に示す。

【0023】

［第１実施形態］
図２は、本開示の第１実施形態に係る水素プラントＨＰ１を示すシステム図である。図２では、図１に示した水素プラントＨＰの一部である、第１液化機１３Ａおよび第１個別配管２１Ａと、第２液化機１３Ｂおよび第２個別配管２１Ｂと、合流配管２０とが示されている。これらに加えて水素プラントＨＰ１は、第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂと、４つのバルブ（切り替え装置）；第１バルブ４１、第２バルブ４２、第３バルブ４３および第４バルブ４４と、フラッシュタンク５（回収タンク）とを含む。

【0024】

第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂは、水素ガスを熱交換により冷却する冷却器３１と、当該冷却器３１による冷却後の水素ガスを膨張させて液化する膨張弁３２とを含む。本実施形態では、膨張弁３２としてジュールトムソン弁を例示する。冷却器３１は、例えば、コンプレッサや膨張タービン等を用いた冷凍サイクルによって、水素等の作動媒体を極低温化する冷凍サイクル部と、当該冷凍サイクル部を冷熱源とした熱交換により原料水素ガスを液化直前の状態まで冷却する熱交換部と、を含む。膨張弁３２は、冷却器３１から導出された高圧の原料水素ガスを受け入れてジュールトムソン膨張、つまり等エンタルピー膨張させる。これにより、原料水素ガスが液化され、極低温の液化水素が生成される。第１個別配管２１Ａおよび第２個別配管２１Ｂは、それぞれの冷却器３１と膨張弁３２を経由し、合流配管２０の合流部Ｃへ至っている。本実施形態では、水素ガスをジュールトムソン膨張させる膨張弁３２を備える液化機３を例示しているが、水素ガスを膨張させ原料水素ガスを液化することが可能である限りにおいて、膨張弁３２に代替する他の膨張手段を採用できる。例えば、前記膨張手段としてタービン等を用いることができる。

【0025】

第１分岐配管２３Ａは第１個別配管２１Ａから、第２分岐配管２３Ｂは第２個別配管２１Ｂから、気相または気液二相の水素流を取り出すための配管である。第１分岐配管２３Ａは第１個別配管２１Ａの第１分岐部Ｂ１において分岐され、第２分岐配管２３Ｂは第２個別配管２１Ｂの第２分岐部Ｂ２において分岐されている。第１分岐部Ｂ１および第２分岐部Ｂ２は、それぞれの膨張弁３２の出口と合流部Ｃとの間に配置されている。３台以上の液化機が存在する場合は、それらの個別配管に対しても分岐配管が取り付けられる。

【0026】

フラッシュタンク５は、複数の分岐配管；第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂの下流端に配置され、複数の分岐配管から水素流を受け入れる回収タンクである。フラッシュタンク５の配置により、第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂによって取り出された水素ガスまたは気液二相の水素流体を一時的に収容できる。従って、分岐配管２３Ａ、２３Ｂにて個別配管２１Ａ、２１Ｂから回収した水素流体の再利用が図り易くなる。なお、フラッシュタンク５に代えて、回収した水素流体を燃焼させる設備、あるいは回収した水素流体を無害化する設備などを配置しても良い。

【0027】

フラッシュタンク５は、貯蔵タンク４よりもサイズの小さい耐圧性の単殻タンクである。フラッシュタンク５は、その内部に前記水素流に含まれる液体分を気化させる熱交換機能を有する気化装置５１を備えている。気化装置５１は、例えば液化水素を微粒化しつつ噴射することで周囲の気体と熱交換させると共に、導入される液化水素の圧力を減圧する圧力差を発生させることで、液化水素を水素ガスに変換する。当該気化によって生成された水素ガスは、フラッシュタンク５内に貯留され、必要に応じて水素ガスを再利用する設備へ送ガスされる。

【0028】

第１バルブ４１、第２バルブ４２、第３バルブ４３および第４バルブ４４は、配管を開閉可能なバルブであり、個別配管２１Ａ、２１Ｂの下流側における水素流の流動先を、集合管２２または分岐配管２３Ａ、２３Ｂのいずれかに切り替えるために配置されている。第１バルブ４１は、第１分岐部Ｂ１と合流配管２０の合流部Ｃとの間において、第１個別配管２１Ａに取り付けられている。第２バルブ４２は、第２分岐部Ｂ２と合流部Ｃとの間において、第２個別配管２１Ｂに取り付けられている。第３バルブ４３は第１分岐配管２３Ａに、第４バルブ４４は第２分岐配管２３Ｂに、それぞれ取り付けられている。

【0029】

第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂが液化水素を生産する通常運転を行っているとき、第１バルブ４１および第２バルブ４２が開弁される一方、分岐配管２３Ａ、２３Ｂの第３バルブ４３および第４バルブ４４が閉弁される。すなわち、通常運転時は、膨張弁３２よりも下流側の個別配管２１Ａ、２１Ｂのいずれにも過冷却度を持った液化水素が流れる。このため、個別配管２１Ａ、２１Ｂを各々流れる水素流同士を下流側で合流させても差し支えないので、第１バルブ４１および第２バルブ４２を開弁して前記水素流を合流配管２０へ流す。合流配管２０へ導かれた液化水素は、液化水素貯蔵タンク１４で貯蔵される。

【0030】

これに対し、第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂのいずれか一方が通常運転を行いつつ、他方が起動または停止を行う場合には、第１～第４バルブ４１～４４の開閉状態が変更される。例えば、第１液化機１３Ａが通常運転状態で、第２液化機１３Ｂが立ち上げ起動に向かう状態または立ち下げ停止に向かう状態である場合を想定する。この場合、第２個別配管２１Ｂに気体水素が流れることになる。従って、第２バルブ４２を閉弁する一方、第４バルブ４４が開弁される。なお、第１バルブ４１は開弁、第３バルブ４３は閉弁の状態が維持される。

【0031】

このようなバルブ操作により、第２個別配管２１Ｂの気体水素は、第２分岐配管２３Ｂを通してフラッシュタンク５に回収される。他方、第１個別配管２１Ａからは液化水素が、集合管２２を通して液化水素貯蔵タンク１４へ送られる。従って、第２個別配管２１Ｂを流れる気体水素と、第１個別配管２１Ａを流れる液化水素とが、集合管２２で混合されることを回避できる。

【0032】

第２液化機１３Ｂが通常運転状態で、第１液化機１３Ａが起動または停止される場合は、第１液化機１３Ａ用の第１バルブ４１が閉弁、第３バルブ４３が開弁とされ、第２液化機１３Ｂ用の第２バルブ４２は開弁、第４バルブ４４は閉弁とされる。また、第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂのいずれもが起動または停止状態とされる場合、第１バルブ４１および第２バルブ４２が閉弁される一方、分岐配管２３Ａ、２３Ｂの第３バルブ４３および第４バルブ４４が開弁される。これにより、気体水素を液化水素貯蔵タンク１４へ向かわせず、また廃棄することなく、フラッシュタンク５で回収することができる。

【0033】

第１バルブ４１、第２バルブ４２、第３バルブ４３および第４バルブ４４を自動弁とし、これらバルブを図略のコントローラで開閉制御させることが望ましい。例えば、第１～第４バルブ４１～４４の開閉切り替えを、液化機１３Ａ、１３Ｂ内の個別配管２１Ａ、２１Ｂ内における水素流の温度、例えば膨張弁３２の出口側における水素流の温度に基づいて、前記コントローラに実行させることができる。個別配管２１Ａ、２１Ｂの水素流の温度が、いずれも液化水素に対応する温度であれば、前記コントローラは第１バルブ４１および第２バルブ４２を開弁とし、第３バルブ４３および第４バルブ４４を閉弁とする。個別配管２１Ａ、２１Ｂのいずれかの水素流の温度が、液化水素の温度に至っていない場合は、前記コントローラは第３バルブ４３または第４バルブ４４を開弁して水素流をフラッシュタンク５へ逃がす。

【0034】

以上説明した第１実施形態の水素プラントＨＰ１によれば、第１、第２個別配管２１Ａ、２１Ｂのそれぞれから分岐される第１、第２分岐配管２３Ａ、２３Ｂにより、完全な液化に至っていない気相または気液二相の水素流を取り出すことができる。つまり、気相または気液二相の水素流を、個別配管２１Ａ、２１Ｂの合流部Ｃに至る前に、それぞれの個別配管２１Ａ、２１Ｂから取り出すことが可能となる。従って、パラレルに設置された複数の液化機１３のうちの一部の液化機１３を起動または停止させる場合に、過冷却度を持った液化水素と気体水素とが合流配管２０において混合することを抑制できる。従って、合流配管２０におけるハンマリングの発生を回避できる。

【0035】

［第２実施形態］
第２実施形態では、第１実施形態の水素プラントＨＰ１に、フラッシュタンク５に回収した水素ガスの利用態様を追加した水素プラントＨＰ２を例示する。図３は、第２実施形態に係る水素プラントＨＰ２を示すシステム図である。水素プラントＨＰ２は、上述した第１実施形態の水素プラントＨＰ１に加え、フラッシュタンク５の下流側に配設された還流配管２４および再利用配管２５を備えている。ここでは、先の水素プラントＨＰ１に相当する部分については、説明を省く。なお、還流配管２４は、図１に示したＢＯＧ供給源１８の一例でもある。

【0036】

還流配管２４は、フラッシュタンク５と第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂの上流端とを繋ぐ配管である。還流配管２４は、フラッシュタンク５に回収された水素ガスを第１液化機１３Ａおよび第２液化機１３Ｂの上流端へ戻す役目を果たす。還流配管２４には、第５バルブ４５および圧縮機５２が配置されている。再利用配管２５は、還流配管２４の第３分岐部Ｂ３から分岐され、水素ガス利用設備５３へ至る配管である。再利用配管２５は、フラッシュタンク５に回収された水素ガスを水素ガス利用設備５３へ導く。再利用配管２５には、第６バルブ４６が配置されている。

【0037】

第５バルブ４５は、第３分岐部Ｂ３と圧縮機５２との間において還流配管２４に配置され、当該還流配管２４を開閉するバルブである。圧縮機５２は、フラッシュタンク５に貯留された水素ガスを、還流配管２４を通して液化機１３Ａ、１３Ｂの上流端に向けて圧送する。圧縮機５２よりも下流側において還流配管２４には、第１分岐還流配管２４１および第２分岐還流配管２４２が分岐する第４分岐部Ｂ４が設けられている。

【0038】

第１分岐還流配管２４１は、第４分岐部Ｂ４と第１液化機１３Ａ用の第１個別配管２１Ａに設けられた第１還流部Ｃ１とを繋いでいる。第１還流部Ｃ１は、第１液化機１３Ａよりも上流側において第１個別配管２１Ａに設定された配管合流部である。第２分岐還流配管２４２は、第４分岐部Ｂ４と第２液化機１３Ｂ用の第２個別配管２１Ｂに設けられた第２還流部Ｃ２とを繋いでいる。第２還流部Ｃ２は、第２液化機１３Ｂよりも上流側において第２個別配管２１Ｂに設定された配管合流部である。なお、第１還流部Ｃ１および第２還流部Ｃ２を、図１に示すバッファタンク１２とすることが望ましい。バッファタンク１２を介在させることで、還流される水素ガス量の時間変動や圧力変動を緩衝できる。

【0039】

第６バルブ４６は、再利用配管２５を開閉するバルブである。必要に応じて、再利用配管２５にも、水素ガスを水素ガス利用設備５３へ向けて圧送する圧縮機が配置される。水素ガス利用設備５３は、水素ガスをエネルギー源として利用する各種の設備であり、例えば水素ガスを燃料とする発電タービンを備える発電所、水素ガスを燃料とするボイラー等を有する工場などである。水素ガス利用設備５３は、図１に示した液化水素貯蔵タンク１４からキャリア１５へ向かう輸送配管を、荷役前に液化水素を流通できる温度まで予備冷却する設備であってもよい。

【0040】

第５バルブ４５および第６バルブ４６の開閉操作により、フラッシュタンク５に貯留されている水素ガスの供給先を、還流配管２４または再利用配管２５のいずれかに切り替えることができる。もちろん、第５バルブ４５および第６バルブ４６の双方を開弁状態とし、還流配管２４および再利用配管２５へ送ガスすることも可能である。例えば、フラッシュタンク５内の水素ガス温度に応じて、水素ガスの供給先を還流配管２４または再利用配管２５のいずれかに切り替えるようにしても良い。

【0041】

還流配管２４を選択的に使用する場合、第５バルブ４５が開弁され、第６バルブ４６が閉弁される。この状態で圧縮機５２が駆動されると、フラッシュタンク５内の水素ガスを液化機１３Ａ、１３Ｂの上流端へ戻す循環経路が形成される。

【0042】

既述の通り、液化機１３Ａ、１３Ｂの起動によって原料水素ガスの液化処理が開始されても、前記起動から所定期間の間は、冷却器３１の冷却性能が十分に機能しない。このため、膨張弁３２から導出される水素流が、水素ガスもしくは気液二相の水素流体となり得る。液化機１３Ａ、１３Ｂの停止時にも冷却器３１の冷却性能が低下するので同様である。第１実施形態で説明した通り、個別配管２１Ａ、２１Ｂを流れる水素ガスもしくは気液二相の水素流体はフラッシュタンク５に回収され、その液体分は気化装置５１で気化されて水素ガスに変換される。圧縮機５２の駆動により、フラッシュタンク５内の水素ガスは還流配管２４および第１、第２分岐還流配管２４１、２４２を経て、液化機１３Ａ、１３Ｂの上流側の個別配管２１Ａ、２１Ｂへ還流される。還流された水素ガスは、液化機１３Ａ、１３Ｂによって再液化される。すなわち、液化機１３Ａ、１３Ｂの起動時や停止時に生じる液化不十分の水素を再利用して、液化水素を生産することができる。

【0043】

再利用配管２５を選択的に使用する場合、第５バルブ４５が閉弁され、第６バルブ４６が開弁される。このバルブ操作により、フラッシュタンク５内の水素ガスは、再利用配管２５を通して水素ガス利用設備５３へ送ガス可能な状態となる。これにより、液化機１３Ａ、１３Ｂの起動時や停止時に生じる液化不十分の水素流体をフラッシュタンク５で水素ガスに変換した上で、水素ガス利用設備５３で再利用するラインを構築できる。

【0044】

［第３実施形態］
図４は、第３実施形態に係る水素プラントＨＰ３を示すシステム図である。第１実施形態の水素プラントＨＰ１と、本実施形態の水素プラントＨＰ３とが相違する点は、第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂの分岐位置である。第１分岐配管２３Ａは、第１液化機１３Ａ内の冷却器３１と膨張弁３２との間に設定された第１分岐部Ｂ１において、第１個別配管２１Ａから分岐している。第２分岐配管２３Ｂは、第２液化機１３Ｂ内の冷却器３１と膨張弁３２との間に設定された第２分岐部Ｂ２において、第２個別配管２１Ｂから分岐している。

【0045】

液化機１３Ａ、１３Ｂにおいては、膨張弁３２の通過が原料水素ガスの液化の最終工程となる。換言すると、膨張弁３２を通過させなければ、原料水素ガスの液化を抑止できる。第３実施形態の水素プラントＨＰ３によれば、冷却が不十分な原料水素ガスを、膨張弁３２を通過する前に個別配管２１Ａ、２１Ｂから取り出せる。このため、気液二相の水素流が発生する量を最小化でき、第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂに、気液二相の水素流を流さずに済む。一般に、配管に気液二相流体を流すと、当該配管がダメージを受けたり、振動が発生したりするが、これらの問題を水素プラントＨＰ３の構成とすることで回避できる。

【0046】

なお、第１分岐配管２３Ａおよび第２分岐配管２３Ｂの下流端とフラッシュタンク５との間には、減圧弁３３が配置されている。水素プラントＨＰ３では、液化機１３Ａ、１３Ｂの起動時または停止時に膨張弁３２を経由していない原料水素ガスが個別配管２１Ａ、２１Ｂから取り出される。つまり、膨張弁３２で減圧されていない水素ガスが取り出される。高圧の水素ガスをフラッシュタンク５へ導入する場合、当該フラッシュタンク５に耐圧構造を付与せねばならず、コストアップを招来する。しかし、減圧弁３３を配置することで、低圧の水素ガスをフラッシュタンク５へ導入できるので、当該フラッシュタンク５の耐圧要請は軽減される。

【0047】

［本開示のまとめ］
以上説明した具体的実施形態には、以下の構成を有する開示が含まれている。

【0048】

本開示の第１の態様に係る水素プラントは、水素ガスを液化水素に変換する複数の水素液化装置と、水素流路として前記複数の水素液化装置のそれぞれが具備する個別配管と、各水素液化装置の前記個別配管の下流端を一つに合流させる合流部と、前記合流部より下流の集合管と、を含む合流配管と、前記複数の個別配管のそれぞれから分岐され、気相または気液二相の水素流を取り出す複数の分岐配管と、を備える。

【0049】

第１の態様によれば、個別配管のそれぞれから分岐される分岐配管により、完全な液化に至っていない気相または気液二相の水素流を取り出すことができる。つまり、気相または気液二相の水素流を、合流部に至る前にそれぞれの個別配管から取り出すことが可能となる。従って、例えば複数の水素液化装置がパラレルに設置された水素プラントにおいて一部の水素液化装置を起動または停止させる場合に、過冷却度を持った液化水素と気体水素とが合流配管において混合することを抑制できる。

【0050】

第２の態様に係る水素プラントは、第１の態様の水素プラントにおいて、前記複数の分岐配管の下流端に配置され、前記水素流を受け入れる回収タンクをさらに備える。

【0051】

第２の態様によれば、分岐配管により取り出した気相または気液二相の水素を、回収タンクに収容することができる。従って、分岐配管から取り出した水素の再利用が図り易くなる。

【0052】

第３の態様に係る水素プラントは、第２の態様の水素プラントにおいて、前記回収タンクは、受け入れた水素流の液体分を気化させる熱交換機能並びに減圧機能を備える。

【0053】

第３の態様によれば、回収タンクに気液二相の状態で水素が回収されたとしても、その液体分を熱交換機能並びに減圧機能により気化させることができる。このため、回収した水素を再利用する際に、水素ガスの状態で回収タンクから再利用先に送ガスできる。

【0054】

第４の態様に係る水素プラントは、第２または第３の態様の水素プラントにおいて、前記回収タンクから水素ガスを前記水素液化装置の上流端に戻す還流配管をさらに備える。

【0055】

第４の態様によれば、分岐配管および回収タンクを経て、還流配管にて水素液化装置の上流端に水素ガスを戻す循環経路が形成される。従って、水素液化装置の起動時や停止時に生じる液化不十分の水素を再利用して、液化水素を生産することができる。

【0056】

第５の態様に係る水素プラントは、第２または第３の態様の水素プラントにおいて、前記回収タンクから水素ガスを、他の水素ガス利用設備へ導く再利用配管をさらに備える。

【0057】

第５の態様によれば、回収タンクに収容した水素ガスを、再利用配管を通して水素ガス利用設備へ送ガスし再利用することができる。

【0058】

第６の態様に係る水素プラントは、第１～第５の態様の水素プラントにおいて、前記水素液化装置内の前記個別配管における水素流の温度に基づいて、前記水素液化装置の下流側の水素流の流動先を、前記集合管または前記分岐配管のいずれかに切り替える切り替え装置をさらに備える。

【0059】

第６の態様によれば、水素流の温度を取得すれば、当該水素流が液化水素であるか、気相または気液二相の水素であるかを判別できる。従って、水素流を的確に前記集合管または前記分岐配管のいずれかへ導くことができる。

【0060】

第７の態様に係る水素プラントは、第１～第６の態様の水素プラントにおいて、前記水素液化装置は、原料水素ガスを冷却する冷却器と、当該冷却器で冷却された水素ガスを膨張させて液化する膨張弁と、を含み、前記分岐配管は、前記膨張弁の出口と前記合流部との間において前記個別配管から分岐されている。

【0061】

第７の態様によれば、膨張弁よりも下流側から分岐配管が個別配管から分岐されるので、水素液化装置の機外に分岐配管の分岐部を設けることが可能となる。従って、分岐配管を簡易に設置でき、既存の水素プラントへの分岐配管の後付けも容易に行える。

【0062】

第８の態様に係る水素プラントは、第１～第６の態様の水素プラントにおいて、前記水素液化装置は、原料水素ガスを冷却する冷却器と、当該冷却器で冷却された水素ガスを膨張させて液化する膨張弁と、を含み、前記分岐配管は、前記冷却器と前記膨張弁との間において前記個別配管から分岐されている。

【0063】

第８の態様によれば、水素ガスを液化する膨張弁を通過する前に、原料水素ガスを個別配管から取り出せる。このため、水素液化装置の起動時または停止時において、気液二相の水素流が発生する量を最小化することができる。

【符号の説明】

【0064】

１３ 液化機（水素液化装置）
１３Ａ、１３Ｂ 第１液化機、第２液化機（水素液化装置）
２ 輸送配管
２０ 合流配管
２１Ａ、２１Ｂ 第１個別配管、第２個別配管（個別配管）
２２ 集合管
２３Ａ、２３Ｂ 第１分岐配管、第２分岐配管（分岐配管）
２４ 還流配管
２５ 再利用配管
３１ 冷却器
３２ 膨張弁
４１、４２、４３、４４ 第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ、第４バルブ（切り替え装置）
５ フラッシュタンク（回収タンク）
Ｃ 合流部
ＨＰ 水素プラント

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】