特開 2025-9143 燃料供給システムおよび船舶

(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】P2025009143

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】燃料供給システムおよび船舶

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20250110BHJP

   B63H 21/38 20060101ALI20250110BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 G

F02M21/02 Z

B63H21/38 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023111940

(22)【出願日】2023-07-07

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンイノベーション基金事業／次世代船舶の開発／水素燃料船の開発」委託研究の研究成果に係る産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】仲尾 進士

(72)【発明者】

【氏名】水谷 好生

(72)【発明者】

【氏名】三好 崇公

(57)【要約】

【課題】余剰の臨界圧力以上の液化水素の減圧によって生じた水素ガスを再液化してポンプに吸入させることができる燃料供給システムを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る燃料供給システム１Ａは、液化水素を貯留するタンク２と、タンク２から液化水素を導出する燃料供給ライン３を含む。燃料供給ライン３には、第１ポンプ４Ａ、撹拌装置５および第２ポンプ４Ｂが設けられている。第２ポンプ４Ｂは、前記液化水素を昇圧して臨界圧力以上とする。また、燃料供給システム１Ａは、第２ポンプ４Ｂの下流側で燃料供給ライン３から分岐して撹拌装置５につながる、減圧弁７１が設けられた還流ライン７を含む。撹拌装置５は、減圧弁７１による減圧によって生じた水素ガスを燃料供給ライン３を流れる液化水素と撹拌することで前記水素ガスを凝縮する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超臨界水素を燃料として内燃機関へ供給する燃料供給システムであって、
液化水素を貯留するタンクと、
前記タンクから液化水素を導出する燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられた第１ポンプと、
前記第１ポンプよりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた撹拌装置と、
前記撹拌装置よりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた、前記液化水素を昇圧して臨界圧力以上とする第２ポンプと、
前記第２ポンプの下流側で前記燃料供給ラインから分岐して前記撹拌装置につながる、減圧弁が設けられた還流ラインと、を備え、
前記撹拌装置は、前記減圧弁による減圧によって生じた水素ガスを前記燃料供給ラインを流れる液化水素と撹拌することで前記水素ガスを凝縮する、燃料供給システム。

【請求項2】

前記減圧弁よりも下流側で前記還流ラインに設けられた気液分離器と、
前記気液分離器と前記タンクとを接続する送液ラインと、
をさらに備える、請求項１に記載の燃料供給システム。

【請求項3】

前記第１ポンプ、前記第２ポンプおよび前記撹拌装置は前記タンク外に配置される、請求項１または２に記載の燃料供給システム。

【請求項4】

前記撹拌装置は前記タンク内に配置され、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプは前記タンク外に配置される、請求項１または２に記載の燃料供給システム。

【請求項5】

前記撹拌装置および前記第１ポンプは前記タンク内に配置され、前記第２ポンプは前記タンク外に配置される、請求項１または２に記載の燃料供給システム。

【請求項6】

請求項１または２に記載の燃料供給システムを備える船舶。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関用の燃料供給システム、および前記燃料供給システムを含む船舶に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、例えば船舶などに搭載される、レシプロエンジンやガスタービンエンジンなどの内燃機関用の燃料供給システムが知られている。例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジン用の燃料供給システムが開示されている。この燃料供給システムは、液化ガスを強制的に気化し、その気化ガスを燃料としてディーゼルエンジンへ供給する。

【0003】

具体的に、特許文献１の燃料供給システムでは、燃料供給ラインを通じてタンクから液化ガスが導出される。燃料供給ラインには、気化ガスがディーゼルエンジンの要求圧力よりも高い圧力となるように液化ガスを昇圧するポンプが設けられているとともに、ポンプよりも下流側に気化器が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－０４９８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１には液化ガスが液化水素であってもよいことが記載されている。液化ガスが液化水素である場合、ポンプによって液化水素がディーゼルエンジンの要求圧力よりも高い圧力となるように昇圧されたときに液化水素が臨界圧力以上となる。なお、ディーゼルエンジン以外の内燃機関へ燃料を供給する場合も、ポンプによって液化水素が内燃機関の要求圧力よりも高い圧力となるように昇圧されたときに液化水素が臨界圧力以上となる。

【0006】

ポンプからは、臨界温度未満の液化水素か、臨界温度以上の超臨界水素が吐出される。いずれの場合も、気化器は加熱器の役割を果たす。特に、ポンプから臨界温度未満の液化水素が吐出される場合、気化器による加熱によって液化水素が超臨界水素となる。

【0007】

内燃機関での単位時間当たりの超臨界水素の使用量がポンプの吐出流量よりも少ない場合、ポンプから臨界圧力以上の液化水素を吐出させるとともに、余剰の臨界圧力以上の液化水素を減圧して再びポンプに吸入させることが望まれる。しかし、臨界圧力以上の液化水素を減圧すると液化水素の多くが水素ガスとなるため、減圧によって生じた水素ガスを凝縮することが望ましい。

【0008】

そこで、本開示は、余剰の臨界圧力以上の液化水素の減圧によって生じた水素ガスを再液化してポンプに吸入させることができる燃料供給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】

【0009】

本開示は、一つの側面から、超臨界水素を燃料として内燃機関へ供給する燃料供給システムであって、液化水素を貯留するタンクと、前記タンクから液化水素を導出する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに設けられた第１ポンプと、前記第１ポンプよりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた撹拌装置と、前記撹拌装置よりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた、前記液化水素を昇圧して臨界圧力以上とする第２ポンプと、前記第２ポンプの下流側で前記燃料供給ラインから分岐して前記撹拌装置につながる、減圧弁が設けられた還流ラインと、を備え、前記撹拌装置は、前記減圧弁による減圧によって生じた水素ガスを前記燃料供給ラインを流れる液化水素と撹拌することで前記水素ガスを凝縮する、燃料供給システムを提供する。

【0010】

本開示は、別の側面から、上記の燃料供給システムを備える船舶を提供する。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、余剰の臨界圧力以上の液化水素の減圧によって生じた水素ガスを再液化してポンプに吸入させることができる燃料供給システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態に係る再液化装置の概略構成図である。

【図2】変形例の再液化装置の概略構成図である。

【図3】別の変形例の再液化装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１に、一実施形態に係る燃料供給システム１Ａを示す。燃料供給システム１Ａは、超臨界水素を燃料として内燃機関へ供給するものである。例えば、燃料供給システム１Ａは船舶に搭載されてもよいし、陸上の発電設備に組み込まれてもよい。内燃機関は、例えば、レシプロエンジンまたはガスタービンエンジンである。レシプロエンジンは、オットーサイクル、ディーゼルサイクルおよびサバテサイクルのいずれであってもよい。

【0014】

具体的に、燃料供給システム１Ａは、液化水素を貯留するタンク２と、タンク２から液化水素を導出する燃料供給ライン３を含む。タンク２内では液化水素の蒸発によってボイルオフガス（ＢＯＧ）が発生する。

【0015】

本実施形態では、タンク２が、内槽２１と外槽２２を含む二重殻タンクである。内槽２１と外槽２２の間には真空層が形成される。ただし、タンク２は、断熱材で覆われた一重殻タンクであってもよい。また、本実施形態では、タンク２が横向き円筒状である。ただし、タンク２は縦向き円筒状であってもよい。あるいは、タンク２は、球状であってもよいし、略直方体状であってもよい。

【0016】

燃料供給ライン３には、上流側から順に、第１ポンプ４Ａ、撹拌装置５、第２ポンプ４Ｂおよび加熱器６が設けられている。本実施形態では、第１ポンプ４Ａが燃料供給ライン３の上流端よりも下流側で燃料供給ライン３に設けられている。また、本実施形態では、第１ポンプ４Ａがタンク２外に配置されるとともに、真空断熱ポッド１１内に配置されている。真空断熱ポッド１１は、内壁と外壁の間に真空層が形成されたものである。

【0017】

タンク２の内槽２１と第１ポンプ４Ａとは導出路３１によって接続されている。真空断熱ポッド１１の内部は液化水素または水素ガスで満たされる。導出路３１におけるタンク２の外槽２２内に位置する部分は一重管で構成され、外槽２２と真空断熱ポッド１１の内壁または外壁の間の部分は真空断熱二重管で構成され、真空断熱ポッド１１の内壁または外壁内に位置する部分は一重管で構成される。

【0018】

ただし、タンク２の内槽２１と真空断熱ポッド１１とが導出路３１によって接続され、真空断熱ポッド１１の内部が導出路３１を通じてタンク２の内槽２１から導出される液化水素で満たされ、第１ポンプ４Ａが真空断熱ポッド１１内の液化水素を吸入してもよい。この場合、導出路３１および真空断熱ポッド１１の内部が燃料供給ライン３の上流部を構成する。

【0019】

第１ポンプ４Ａは、導出路３１を通じてタンク２内の液化水素を吸入する。第１ポンプ４Ａと撹拌装置５とは第１吐出路３２によって接続され、撹拌装置５と第２ポンプ４Ｂとは吸入路３３によって接続されている。また、第２ポンプ４Ｂと加熱器６とは第２吐出路３４によって接続され、加熱器６からは供給路３５が延びている。供給路３５には、内燃機関へ燃料を供給するか否かを切り換える遮断弁が設けられる。

【0020】

本実施形態では、撹拌装置５および第２ポンプ４Ｂがタンク２外に配置されるとともに、撹拌装置５が真空断熱ポッド１２内に配置されている。真空断熱ポッド１２は、内壁と外壁の間に真空層が形成されたものである。例えば、真空断熱ポッド１２の内部は液化水素または水素ガスで満たされる。なお、真空断熱ポッド１２の内部は真空に保たれてもよく、この場合、真空断熱ポッド１２の内壁は無くてもよい。また、撹拌装置５を真空断熱ポッド１２内に配置する代わりに、撹拌装置５の表面を真空断熱構造で覆ってもよい。

【0021】

第１吐出路３２における真空断熱ポッド１１の内壁または外壁内に位置する部分は一重管で構成され、真空断熱ポッド１１の内壁または外壁と真空断熱ポッド１２の内壁または外壁との間の部分は真空断熱二重管で構成され、真空断熱ポッド１２の内壁または外壁内に位置する部分は一重管で構成される。吸入路３３における真空断熱ポッド１２の内壁または外壁内に位置する部分は一重管で構成され、真空断熱ポッド１２の内壁または外壁外に位置する部分は真空断熱二重管で構成される。第２吐出路３４は一重管と真空断熱二重管のどちらで構成されてもよい。供給路３５は一重管で構成される。ただし、燃料供給システム１Ａが船舶に搭載される場合、供給路３５における機関室内に位置する部分は二重管で構成されてもよい。

【0022】

第１ポンプ４Ａは、液化水素をタンク２から撹拌装置５を介して第２ポンプ４Ｂへ送り込む。第２ポンプ４Ｂは、液化水素を内燃機関の要求圧力よりも高い圧力となるように昇圧して臨界圧力以上とする。本実施形態では、第２ポンプ４Ｂの出口温度が臨界温度未満であり、第２ポンプ４Ｂから臨界圧力以上の液化水素が吐出される。例えば、内燃機関がディーゼルサイクルのレシプロエンジンである場合、第２ポンプ４Ｂの出口における液化水素の圧力は２５ＭＰａＧ以上３５ＭＰａＧ以下であり、第２ポンプ４Ｂの出口における液化水素の温度は２０Ｋ以上である。

【0023】

加熱器６は、液化水素を内燃機関の要求温度よりも高い温度となるように加熱する。加熱器６による加熱によって液化水素が超臨界水素となる。例えば、内燃機関がディーゼルサイクルのレシプロエンジンである場合、加熱器６の出口における超臨界水素の温度は２７３Ｋ以上３３３Ｋ以下である。

【0024】

また、燃料供給システム１Ａは、第２ポンプ４Ｂの下流側かつ加熱器６の上流側で燃料供給ライン３から分岐して撹拌装置５につながる還流ライン７を含む。還流ライン７における真空断熱ポッド１２の内壁または外壁外に位置する部分は真空断熱二重管で構成され、真空断熱ポッド１２の内壁または外壁内に位置する部分は一重管で構成される。

【0025】

還流ライン７には、上流側から順に、減圧弁７１および気液分離器７２が設けられている。臨界圧力以上の液化水素は減圧弁７１で減圧されることによって、水素ガス１００％となるか、気液二相流体となる。液化水素が減圧されることによって気液二相流体となる場合、気液分離器７２で水素ガスと液化水素とが分離され、それらが気液分離器７２から流出する。

【0026】

気液分離器７２は送液ライン７３によりタンク２と接続されている。気液分離器７２で分離された液化水素は、送液ライン７３を通じてタンク２へ戻される。

【0027】

送液ライン７３の下流部はタンク２を外部から内部へ貫通している。図例では、送液ライン７３の下流端がタンク２の内槽２１の底近くで開口しているが、送液ライン７３の下流端はタンク２内の液面よりも上方で液化水素をスプレイ噴射可能に構成されてもよい。送液ライン７３におけるタンク２の外槽２２外に位置する部分は真空断熱二重管で構成され、外槽２２内に位置する部分は一重管で構成される。

【0028】

撹拌装置５は、気液分離器７２から流出する水素ガスを燃料供給ライン３を流れる液化水素と撹拌することで、水素ガスを凝縮する。なお、撹拌装置５を真空断熱ポッド１２内に配置する代わりに、撹拌装置５の表面を真空断熱構造で覆ってもよい。

【0029】

本実施形態では、燃料供給ライン３の吸入路３３から返送ライン８が分岐しており、返送ライン８はタンク２へつながっている。返送ライン８の下流部はタンク２を外部から内部へ貫通している。図例では、返送ライン８の下流端がタンク２の内槽２１の底近くで開口しているが、返送ライン８の下流端はタンク２内の液面よりも上方で液化水素をスプレイ噴射可能に構成されてもよい。返送ライン８におけるタンク２の外槽２２外に位置する部分は真空断熱二重管で構成され、外槽２２内に位置する部分は一重管で構成される。

【0030】

返送ライン８には流量制御弁８１が設けられている。流量制御弁８１ならびに上述した第１ポンプ４Ａ、第２ポンプ４Ｂおよび減圧弁７１は、制御装置９により制御される。なお、図１では、図面の簡略化のために一部の信号線の作図を省略する。

【0031】

制御装置９に関し、本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、および/または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウエアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウエアである。ハードウエアは、本明細書に開示されているハードウエアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウエアであってもよい。ハードウエアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウエアとソフトウエアの組み合わせであり、ソフトウエアはハードウエアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。

【0032】

制御装置９は、燃料供給ライン３の吸入路３３に設けられた圧力計９１および第２吐出路３４に設けられた圧力計９２と電気的に接続されている。圧力計９１は、第２ポンプ４Ｂに吸入される液化水素の圧力Ｐ１を検出する。圧力計９２は、第２ポンプ４Ｂから吐出される臨界圧力以上の液化水素の圧力Ｐ２を検出する。ただし、圧力計９２は、燃料供給ライン３の供給路３５に設けられて、加熱器６から流出する超臨界水素の圧力を検出してもよい。

【0033】

制御装置９は、圧力計９１で検出される圧力Ｐ１が所定値α以上となるように第１ポンプ４Ａの回転数を制御するとともに、圧力計９２で検出される圧力Ｐ２が所定値β以上となるように第２ポンプ４Ｂの回転数を制御する。第２ポンプ４Ｂの入口圧力の目標値である所定値αは、還流ライン７から送られてくる水素ガスを凝縮できる圧力（飽和圧力以上）である。

【0034】

また、制御装置９は、第１ポンプ４Ａの吐出流量が所定の最小流量未満とならないように流量制御弁８１を制御する。流量制御弁８１は全閉となることが望ましい。ただし、流量制御弁８１が全閉の状態では第１ポンプ４Ａの吐出流量が所定の最小流量未満となる場合には流量制御弁８１を開き、これにより吸入路３３を返送ライン８を通じてタンク２と連通させることによって、第１ポンプ４Ａの吐出流量が所定の最小流量以上になるように制御する。

【0035】

さらに、制御装置９は、圧力計９２で検出される圧力Ｐ２に基づいて減圧弁７１の開度を制御する。より詳しくは、制御装置９は、圧力計９２で検出される圧力Ｐ２が閾値γよりも小さい場合、減圧弁７１を全閉とする。一方、圧力計９２で検出される圧力Ｐ２が閾値γよりも大きい場合、制御装置９は、圧力Ｐ２と閾値γの偏差ΔＰに応じた開度となるように減圧弁７１を開く。これにより、余剰の臨界圧力以上の液化水素が減圧弁７１で減圧されることによって水素ガスが生じ、前記水素ガスが撹拌装置５へ供給されて凝縮される。

【0036】

以上説明した構成の燃料供給システム１Ａでは、余剰の臨界圧力以上の液化水素が減圧弁７１で減圧されることによって生じる水素ガスが第２ポンプ４Ｂの上流側の撹拌装置５で凝縮される。従って、余剰の臨界圧力以上の液化水素の減圧によって生じた水素ガスを再液化して第２ポンプ４Ｂに吸入させることができる。

【0037】

また、本実施形態では、第１ポンプ４Ａ、第２ポンプ４Ｂおよび撹拌装置５がタンク２外に配置されているので、第１ポンプ４Ａ、第２ポンプ４Ｂおよび撹拌装置５を容易にメンテナンスすることができる。

【0038】

＜変形例＞
本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0039】

例えば、還流ライン７には気液分離器７２が設けられず、送液ライン７３が省略されてもよい。ただし、前記実施形態のような構成であれば、気液分離器７２で分離された液化水素をタンク２へ戻すことができる。また、還流ライン７に気液分離器７２が設けられるか否かに拘わらず、返送ライン８が省略されてもよい。

【0040】

図２に示す変形例の燃料供給システム１Ｂのように、撹拌装置５がタンク２内に配置され、第１ポンプ４Ａおよび第２ポンプ４Ｂがタンク２外に配置されてもよい。この構成によれば、燃料供給システム１Ｂをコンパクト化することができる。

【0041】

また、図３に示す別の変形例の燃料供給システム１Ｃのように、第１ポンプ４Ａおよび撹拌装置５がタンク２内に配置され、第２ポンプ４Ｂがタンク２外に配置されてもよい。なお、本変形例では、第１ポンプ４Ａが燃料供給ライン３の上流端で燃料供給ライン３に設けられている。この構成によれば、燃料供給システム１Ｃを顕著にコンパクト化することができる。

【0042】

図３では、燃料供給ライン３の第１吐出路３２がタンク２の内部から外部へ貫通した後に外部から内部へ貫通しているが、第１吐出路３２の全体がタンク２内に配置されてもよい。

【0043】

＜まとめ＞
第１の態様として、本開示は、一つの側面から、超臨界水素を燃料として内燃機関へ供給する燃料供給システムであって、液化水素を貯留するタンクと、前記タンクから液化水素を導出する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに設けられた第１ポンプと、前記第１ポンプよりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた撹拌装置と、前記撹拌装置よりも下流側で前記燃料供給ラインに設けられた、前記液化水素を昇圧して臨界圧力以上とする第２ポンプと、前記第２ポンプの下流側で前記燃料供給ラインから分岐して前記撹拌装置につながる、減圧弁が設けられた還流ラインと、を備え、前記撹拌装置は、前記減圧弁による減圧によって生じた水素ガスを前記燃料供給ラインを流れる液化水素と撹拌することで前記水素ガスを凝縮する、燃料供給システムを提供する。

【0044】

上記の構成によれば、余剰の臨界圧力以上の液化水素が減圧弁で減圧されることによって生じる水素ガスが第２ポンプの上流側の撹拌装置で凝縮される。従って、余剰の臨界圧力以上の液化水素の減圧によって生じた水素ガスを再液化して第２ポンプに吸入させることができる。

【0045】

第２の態様として、第１の態様において、上記の燃料供給システムは、前記減圧弁よりも下流側で前記還流ラインに設けられた気液分離器と、前記気液分離器と前記タンクとを接続する送液ラインと、をさらに備えてもよい。この構成によれば、気液分離器で分離された液化水素をタンクへ戻すことができる。

【0046】

第３の態様として、第１または第２の態様において、前記第１ポンプ、前記第２ポンプおよび前記撹拌装置は前記タンク外に配置されてもよい。この構成によれば、第１ポンプ、第２ポンプおよび撹拌装置を容易にメンテナンスすることができる。

【0047】

第４の態様として、第１または第２の態様において、前記撹拌装置は前記タンク内に配置され、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプは前記タンク外に配置されてもよい。この構成によれば、燃料供給システムをコンパクト化することができる。

【0048】

第５の態様として、第１または第２の態様において、前記撹拌装置および前記第１ポンプは前記タンク内に配置され、前記第２ポンプは前記タンク外に配置されてもよい。この構成によれば、燃料供給システムを顕著にコンパクト化することができる。

【0049】

第６の態様として、本開示は、別の側面から、第１乃至第５の態様の何れかの燃料供給システムを備える船舶を提供する。

【符号の説明】

【0050】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 燃料供給システム
２ タンク
３ 燃料供給ライン
４Ａ 第１ポンプ
４Ｂ 第２ポンプ
５ 撹拌装置
７ 還流ライン
７１ 減圧弁
７２ 気液分離器
７３ 送液ライン
８ 返送ライン
８１ 流量制御弁

【図1】

【図2】

【図3】