特表 2023-548010 極低温で水素を製造するためのプラント及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-15

(54)【発明の名称】極低温で水素を製造するためのプラント及び方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 1/00 20060101AFI20231108BHJP

   F25J 1/02 20060101ALI20231108BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20231108BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20231108BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20231108BHJP

   C25B 9/19 20210101ALN20231108BHJP

【ＦＩ】

F25J1/00 C

F25J1/02

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B15/08 302

C25B9/19

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023521460

(86)(22)【出願日】2021-10-07

(85)【翻訳文提出日】2023-04-07

(86)【国際出願番号】 EP2021077673

(87)【国際公開番号】W WO2022096217

(87)【国際公開日】2022-05-12

(31)【優先権主張番号】2011490

(32)【優先日】2020-11-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】バルジョー、ピエール

(72)【発明者】

【氏名】クレスピ、ピエール

【テーマコード（参考）】

4D047

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D047AA02

4D047AB07

4D047BA03

4D047CA06

4D047CA11

4D047CA16

4D047CA19

4D047EA00

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA09

4K021DB31

4K021DC03

(57)【要約】

極低温で水素を製造するためのプラント及び方法であって、電解槽（２）と、冷却されることになる水素回路（３）であって、水素出口に接続された上流端と冷却及び／又は液化水素を収集するための部材（２３）に接続されることになる下流端（２２）とを含む冷却されることになる水素回路（３）とを含み、プラント（１）が、冷却されることになる水素回路（３）と熱交換する熱交換器（４、５、６、７、８）のセットもまた含み、プラント（１）が、熱交換器（４、５、６、７、８）のセットの少なくとも一部と熱交換する少なくとも１つの冷却デバイス（９、１０）を含み、プラント（１）がさらに、酸素出口に接続された上流端と下流端（１１）とを含む酸素回路（９）を含み、酸素回路（１９０）が、酸素ストリームを膨張させるためのシステム（１３）と、膨張した酸素ストリームと冷却されることになる水素回路（３）との間の少なくとも１つの熱交換とを含むプラント及び方法において、酸素回路（１９０）が、酸素ストリーム膨張システム（１３）の上流に配置された少なくとも１つの酸素圧縮器（１２）を含み、酸素ストリーム膨張システム（１３）が膨張タービン（１３）を含むことと、タービン（１３）の上流の酸素ストリームを圧縮するために加圧された酸素ストリームから圧縮器（１２）へ膨張作用を伝達するために、前記膨張タービン（１３）及び前記圧縮器（１２）が同じ回転シャフト（１４）に結合されることとを特徴とする、プラント及び方法。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温で水素、特に液化水素を製造するためのプラントであって、酸素出口と水素出口とが設けられた電解槽（２）と、冷却されることになる水素回路（３）であって、前記水素出口に接続された上流端と冷却及び／又は液化水素を収集するための部材（２３）に接続されることを意図された下流端とを含む冷却されることになる水素回路（３）とを含み、前記プラント（１）が、冷却されることになる前記水素回路（３）と熱交換する熱交換器（４、５、６、７、８）のセットを含み、前記プラント（１）が、熱交換器（４、５、６、７、８）の前記セットの少なくとも一部と熱交換する少なくとも１つの冷却デバイス（９、１０）を含み、前記プラント（１）が、前記酸素出口に接続された上流端と、下流端（１１）とを含む酸素回路（１９０）を含み、前記酸素回路（１９０）が、酸素フロー膨張システム（１３）と、前記膨張した酸素フローと冷却されることになる前記水素回路（３）との間の少なくとも１つの熱交換とを含み、前記酸素回路（１９０）が、前記酸素フロー膨張システム（１３）の上流に配置された少なくとも１つの酸素圧縮器（１２）を含み、前記酸素フロー膨張システム（１３）が膨張タービン（１３）を含む、プラントにおいて、前記タービン（１３）の上流の前記酸素フローを圧縮するために圧力下の前記酸素フローを膨張させる作用を前記圧縮器（１２）に伝達するために、前記膨張タービン（１３）及び前記圧縮器（１２）が同じ回転シャフト（１４）に結合されることを特徴とするプラント。

【請求項2】

同じ回転シャフト（１４）に結合された前記膨張タービン（１３）及び前記圧縮器（１２）を含む組立体が受動的機械システムである、すなわち前記酸素フローの他は前記回転シャフト（１４）を駆動するための動力装置を含まないことを特徴とする、請求項１に記載のプラント。

【請求項3】

同じ回転シャフト（１４）に結合された前記膨張タービン（１３）及び前記圧縮器（１２）を含む前記組立体が能動的機械システムである、すなわち前記回転シャフト（１４）を駆動するための動力装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラント。

【請求項4】

前記酸素回路（１９０）が、前記酸素フロー膨張システム（１３）の上流で直列に及び／又は並列に配置されたいくつかの酸素圧縮器（１２）を含み、前記酸素フロー膨張システムが複数の膨張タービン（１３）を含むことと、前記圧縮器（１２）の各々が、少なくとも１つのタービン（１３）が同様に結合される回転シャフト（１４）に結合されることとを特徴とする、請求項１又は３に記載のプラント。

【請求項5】

前記酸素回路（１９０）が、前記酸素フロー膨張システム（１３）の上流で直列に配置されたいくつかの圧縮器（１２）を含み、前記酸素フロー膨張システム（１３）が複数の膨張タービン（１３）を含むことと、前記圧縮器及びタービン（１３）がそれぞれの回転シャフト（１４）に対で結合されることとを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項6】

前記タービン（１４）が前記酸素回路（１９０）において直列に配置され、前記酸素回路（１９０）が、熱交換器（４、５、６、７、８）の前記セットと各タービン（１３）の前記出口の前記酸素フローとの間の熱交換のための別個のそれぞれの部分を含むことを特徴とする、請求項４又は５に記載のプラント。

【請求項7】

前記圧縮器（１２）の少なくとも一部の前記出口に酸素冷却システム（２１）を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載のプラント。

【請求項8】

熱交換器（４、５、６、７、８）の前記セットが、いくつかの熱交換器であって、直列に配置されるとともに、冷却されることになる前記水素回路（３）の上流端と下流端との間で冷却されることになる前記水素回路（３）と熱交換する、いくつかの熱交換器を含むことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項9】

前記プラントが、冷却されることになる前記水素回路（３）と熱交換する第１冷却デバイス（９）と第２冷却デバイス（１０）とを含み、前記第１冷却デバイス（９）が熱交換器（４、５、６、７、８）の前記セットの熱交換器（４、５、６、７）の第１群と熱交換し、前記第２冷却デバイス（１０）が熱交換器（８）の第２群と熱交換し、熱交換器（４、５、６、７）の前記第１群が、冷却されることになる前記水素回路（３）において熱交換器（８）の前記第２群の上流に位置することと、前記第１冷却デバイス（９）が、前記第２冷却デバイス（１０）により実施される前記追加的な冷却の前に前記水素回路（３）の予冷却を確実にするために、前記膨張した酸素フローと冷却されることになる前記水素回路（３）との間の前記熱交換を含むこととを特徴とする請求項８に記載のプラント。

【請求項10】

前記第２冷却デバイス（１０）がサイクルガス冷蔵サイクル冷蔵装置を含み、前記第２冷却デバイス（１０）の前記冷蔵装置が、サイクル回路において直列に配置された、前記第２サイクルガスを圧縮するための機構（１５）、前記第２サイクルガスを冷却するための部材（２４）、前記第２サイクルガスを膨張させるための機構（１６）、及び前記膨張した第２サイクルガスを加熱するための部材（８）を含むことを特徴とする、請求項９に記載のプラント。

【請求項11】

熱交換器（４、５、６、７）の前記第１群の少なくとも一部と熱交換する第３冷却デバイス（１７）を含むことを特徴とする、請求項９又は１１に記載のプラント。

【請求項12】

冷却されることになる前記水素回路（３）が水素フロー膨張システム（１８）を含み、冷却されることになる前記水素回路（３）が前記水素フロー膨張システム（１８）の上流に少なくとも１つの水素圧縮器（１９）を含み、前記水素フロー膨張システム（１８）が膨張タービン（１８）を含むことと、前記タービン（１８）の上流で前記水素フローを圧縮するために圧力下の前記水素フローを膨張させる作用を前記圧縮器（１９）に伝達するために、前記膨張タービン（１８）及び前記圧縮器（１９）が同じ回転シャフト（２０）に結合されることとを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項13】

同じ回転シャフト（２０）に結合された膨張タービン（１８）及び圧縮器（１９）を備えた前記組立体が受動的機械システムである、すなわち前記水素フロー以外の前記回転シャフト（２０）を駆動するための動力装置を含まないことを特徴とする、請求項１２に記載のプラント。

【請求項14】

前記水素回路（３）が、前記水素フロー膨張システム（１８）の上流で直列に及び／又は並列に配置されたいくつかの水素圧縮器（１９）を含み、前記水素フロー膨張システムが、直列に及び／又は並列に配置された複数の膨張タービン（１８）を含むことと、前記圧縮器（１９）の各々が、少なくとも１つのタービン（１８）が同様に結合される回転シャフト（２０）に結合されることとを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のプラント。

【請求項15】

冷却されることになる前記水素回路（３）が、前記水素フロー膨張システム（１８）の上流で直列に配置されたいくつかの圧縮器（１９）を含み、前記水素フロー膨張システムが、直列に配置された複数の膨張タービン（１８）を含むことと、前記圧縮器及びタービン（１８）がそれぞれの回転シャフト（２０）に対で結合されることとを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のプラント。

【請求項16】

前記タービン（１８）が、冷却されることになる前記水素回路（３）において直列に配置され、冷却されることになる前記水素回路（３）が、熱交換器（４、５、６、７、８）の前記セットと各タービン（１８）の前記出口の前記水素フローとの間の熱交換のための別個のそれぞれの部分を含むことを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のプラント。

【請求項17】

前記水素フロー膨張システム（１８）が、冷却されることになる前記水素回路（３）の、熱交換器（４、５、６、７）の前記第１群と熱交換する部分に位置することを特徴とする、請求項１１～１５のいずれか一項と関連する請求項９～１１のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項18】

前記水素フロー膨張システム（１８）が、冷却されることになる前記水素回路（３）の、熱交換器（８）の前記第２群と熱交換する部分に位置することを特徴とする、請求項１１～１５のいずれか一項と関連する請求項９～１１のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項19】

前記圧縮器（１９）の少なくとも一部の前記出口に水素冷却システム（２２）を含むことを特徴とする、請求項１４～１９のいずれか一項に記載のプラント。

【請求項20】

請求項１～１９のいずれか一項に記載のプラント（１）を使用して極低温で水素、特に液化水素を製造するための方法であって、前記方法が、前記電解槽（２）により、例えば１５～１５０バールの圧力で、水素フローを前記水素回路（３）の上流端に供給するステップ、例えば１５～１５０バールの圧力で、酸素フローを前記酸素回路（１９０）の上流端に供給するステップを含み、前記方法が、前記酸素フローを圧縮し次いで膨張させるステップを含み、前記膨張がシャフト（１４）に結合された少なくとも１つのタービン（１３）により実施され、前記シャフト（１４）が同様に少なくとも１つの圧縮器（１２）に結合され、前記酸素フローの、その膨張前の前記圧縮を確実にし、前記方法が、前記水素フローを冷却するための前記膨張した酸素フローと前記水素フローとの間での熱交換を含む、方法。

【請求項21】

前記方法が、前記水素フローを冷却するために前記水素フローを圧縮し次いで膨張させるステップを含み、前記膨張が、シャフト（２０）に結合された少なくとも１つのタービン（１８）により実施され、前記シャフト（２０）が同様に少なくとも１つの圧縮器に結合され（１９）、前記水素フローの、その膨張前の前記圧縮を確実にすることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温で水素を製造するためのプラント及び方法に関する。

【0002】

本発明はより具体的には、極低温で水素、特に液化水素を製造するためのプラントであって、酸素出口と水素出口とが設けられた電解槽、冷却されることになる水素回路であって、水素出口に接続された上流端と冷却及び／又は液化水素を収集するための部材に接続されることを意図された下流端とを含む冷却されることになる水素回路を含み、プラントが冷却されることになる水素回路と熱交換する熱交換器のセットを含み、プラントが熱交換器のセットの少なくとも一部と熱交換する少なくとも１つの冷却デバイスを含み、プラントが、酸素出口に接続された上流端と下流端とを含む酸素回路を含み、酸素回路が、酸素フロー膨張システムと、膨張した酸素フローと冷却されることになる水素回路との間の少なくとも１つの熱交換とを含むプラントに関する。

【背景技術】

【0003】

水素（水素分子Ｈ２）を製造するための２つの主な方法は、電気分解及び水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）による化学的製造である。

【0004】

電気分解の場合、水分子が分解され、これにより一方では水素が他方では酸素（Ｏ２）が製造される。電気分解技術に関しては、３つの主な種類、すなわち「ＰＥＭ」（プロトン交換膜）、「アルカリ」及び「固体酸化物」がある。

【0005】

これらの技術は、水分子の分解の化学反応のエネルギー性能及び効率の理由から大気圧に近い圧力で最適に動作する。

【0006】

ＰＥＭ技術により、電気分解のエネルギー性能に著しく影響を及ぼすこと無しに高圧で動作することが可能となる。例えば、先行技術において、数メガワットの電力の電解槽は室温で３０絶対圧力で水素と酸素とを製造し得る。

【0007】

例えば文献米国特許第４５３０７４４号明細書又は米国特許第１０３５１９６２号明細書において説明されたが、高圧下で製造された酸素を利用することは、一般的に工業的には行われない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

これらの既知の解決策は、しかしながら、それらがエネルギー効率的でないことから、水素液化プロセスにおいて工業的にはほとんど興味を引くものではない。

【0009】

本発明は、特に高圧で動作する電解槽の場合の、製造された酸素を利用するための革新的なプラント及び方法を提案する。

【0010】

本発明の１つの目的は、上記の先行技術の欠点の全て又は一部を克服することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この目的のために、上記前文において与えられた一般的な定義にさらに従う本発明によるプラントは本質的に、酸素回路が、酸素フロー膨張システムの上流に配置された少なくとも１つの酸素圧縮器を含み、酸素フロー膨張システムが膨張タービンを含み、タービンの上流の酸素フローを圧縮するために圧力下の酸素フローを膨張させる作用を圧縮器に伝達するために、前記膨張タービン及び前記圧縮器が同じ回転シャフトに結合されることを特徴とする。

【0012】

そのようなプラントにより、水素のフローを極低温に予冷却するために、電解槽により生じた酸素を（特に高圧で）効率的に利用することが可能になる。

【0013】

この解決策により、特に、液化されることになる水素の８０～１３０Ｋへの冷却を無くすか、又は減らすことにより、そのようなプラントのための投資コストを減少させることが可能になる。これにより、例えば、先行技術に見られるような窒素圧縮ステーションを備えた液体窒素予冷却システムを減らす又は不要にすることが可能になる。

【0014】

解決策により、そのようなプラントのための対応する運転コストを著しく低下させることが可能になる（例えば比エネルギー、例えばｋＷｈ／ｋｇ単位の液化Ｈ２で３０％減）。

【0015】

さらに、本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ又は複数を含み得る、すなわち、
－ 同じ回転シャフトに結合された膨張タービン及び圧縮器を含む組立体が受動的機械システムである、すなわち酸素フローの他は回転シャフトを駆動するための動力装置を含まない、又は能動的機械システムである、すなわち回転シャフトを駆動するための動力装置を含む、
－ 酸素回路が、酸素フロー膨張システムの上流で直列に及び／又は並列に配置されたいくつかの酸素圧縮器を含み、酸素フロー膨張システムが複数の膨張タービンを含み、圧縮器の各々が、少なくとも１つのタービンが同様に結合される回転シャフトに結合される、
－ 酸素回路が、直列に酸素フロー膨張システムの上流で直列に配置されたいくつかの圧縮器を含み、酸素フロー膨張システムが複数の膨張タービンを含み、圧縮器及びタービンが、それぞれの回転シャフトに対で結合される、
－ タービンが、酸素回路において直列に配置され、酸素回路が、熱交換器のセットと各タービンの出口の酸素フローとの間の熱交換のための別個のそれぞれの部分を含む、
－ プラントが、圧縮器の少なくとも一部の出口に酸素冷却システムを含む、
－ 熱交換器のセットが、いくつかの熱交換器であって、直列に配置されるとともに、冷却されることになる水素回路の上流及び下流端の間で冷却されることになる水素回路と熱交換するいくつかの熱交換器を含む、
－ プラントが、冷却されることになる水素回路と熱交換する第１冷却デバイス及び第２冷却デバイスを含み、第１冷却デバイスが熱交換器のセットの熱交換器の第１群と熱交換し、第２冷却デバイスが熱交換器の第２群と熱交換し、熱交換器の第１群が、冷却されることになる水素回路において熱交換器の第２群の上流に位置し、第１冷却デバイスが、第２冷却デバイスにより実施される追加的な冷却の前に水素回路の予冷却を確実にするために、膨張した酸素フローと冷却されることになる水素回路との間の熱交換を含む、
－ 第２冷却デバイスがサイクルガス冷蔵サイクル冷蔵装置を含み、第２冷却デバイスの冷蔵装置が、サイクル回路において直列に配置された、第２サイクルガスを圧縮するための機構、第２サイクルガスを冷却するための部材、第２サイクルガスを膨張させるための機構、及び膨張した第２サイクルガスを加熱するための部材を含む、
－ プラントが、熱交換器の第１群の少なくとも一部と熱交換する第３冷却デバイスを含む、
－ 冷却されることになる水素回路が水素フロー膨張システムを含み、冷却されることになる水素回路が、水素フロー膨張システムの上流に少なくとも１つの水素圧縮器を含み、水素フロー膨張システムが膨張タービンを含み、タービンの上流で水素フローを圧縮するために圧力下の水素フローを膨張させる作用を圧縮器に伝達するために、前記膨張タービン及び前記圧縮器が同じ回転シャフトに結合される、
－ 同じ回転シャフトに結合された膨張タービン及び圧縮器を備えた組立体が好ましくは受動的機械システムである、すなわち水素フロー以外の回転シャフトを駆動するための動力装置を含まない、
－ 水素回路が、水素フロー膨張システムの上流で直列に及び／又は並列に配置されたいくつかの水素圧縮器を含み、水素フロー膨張システムが直列に及び／又は並列に配置された複数の膨張タービンを含み、圧縮器の各々が、少なくとも１つのタービンが同様に結合される回転シャフトに結合される、
－ 冷却されることになる水素回路が、水素フロー膨張システムの上流で直列に配置されたいくつかの圧縮器を含み、水素フロー膨張システムが直列に配置された複数の膨張タービンを含み、圧縮器及びタービンが、それぞれの回転シャフトに対で結合される、
－ タービンが、冷却されることになる水素回路において直列に配置され、冷却されることになる水素回路が、熱交換器のセットと各タービンの出口の水素フローとの間の熱交換のための別個のそれぞれの部分を含む、
－ 水素フロー膨張システムが、冷却されることになる水素回路の、熱交換器の第１群と熱交換する部分に位置する、
－ 水素フロー膨張システムが、冷却されることになる水素回路の、熱交換器の第２群と熱交換する部分に位置する、
－ プラントが、圧縮器の少なくとも一部の出口に水素冷却システムを含む。

【0016】

本発明はまた、先行する特徴のうちの任意の１つによるプラントを使用して極低温で水素、特に液化水素を製造するための方法に関し、方法は、電解槽により、例えば１５～１５０バールの圧力で、水素フローを水素回路の上流端に供給するステップ、例えば１５～１５０バールの圧力で、酸素フローを酸素回路の上流端に供給するステップを含み、方法は、酸素フローを圧縮し次いで膨張させるステップを含み、膨張は、シャフトに結合された少なくとも１つのタービンにより実施され、シャフトは同様に少なくとも１つの圧縮器に結合され、酸素フローの、その膨張前の圧縮を確実にし、方法は、水素フローを冷却するために膨張した酸素フローと水素フローとの間での熱交換を含む。

【0017】

他の可能な特有の特徴によると、
－ 方法が、水素フローを冷却するために水素フローを圧縮し次いで膨張させるステップを含み、膨張が、シャフトに結合された少なくとも１つのタービンにより実施され、シャフトが同様に少なくとも１つの圧縮器に結合され、水素フローの、その膨張前の圧縮を確実にする。

【0018】

本発明はまた、クレームの範囲内の上記又は下記の特徴の組合せを含む任意の代替的デバイス又は方法に関連し得る。

【0019】

他の特有の特徴及び利点は図面を参照して提供された下記の説明を読むことで明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明によるプラントの構造及び動作の第１実施形態を示す概略部分図を示す。

【図2】本発明によるプラントの構造及び動作の第２実施形態を示す概略部分図を示す。

【図3】本発明によるプラントの構造及び動作の第３実施形態を示す概略部分図を示す。

【図4】本発明によるプラントの構造及び動作の第４実施形態を示す概略部分図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図示の水素製造プラント１は、極低温で水素、特に液化水素を製造するためのデバイスである。

【0022】

このプラント１は好ましくは、高圧で動作する「ＰＥＭ」（プロトン交換膜）タイプの、すなわち１５～１５０バール、例えば３０バールに等しい圧力で気体水素及び酸素を製造する電解槽２を含む。

【0023】

電解槽２は酸素出口と水素出口とを有する。

【0024】

プラント１は、冷却されることになる水素回路３（又はパイプ）であって、電解槽２の水素出口に接続される上流端と冷却及び／又は液化水素を取集するための部材（例えば格納及び／又はユーザ用途）に接続されることを意図された下流端２３とを有する水素回路３（又はパイプ）を含む。

【0025】

プラント１は、水素の液化に好ましい温度に到達することを目的として、冷却されることになる水素回路３と熱交換する熱交換器４、５、６、７、８のセットを含む。

【0026】

図示のとおり、少なくとも１つの別個の熱交換器２５が、水素フローを周囲温度に近い温度にするために、（例えば水又は空気などの熱伝達流体との熱交換により）水素フローを冷却するために電解槽の出口に提供されてもよい。電気分解による水素の製造のための電気化学反応は、概して、数十度の温度上昇をもたらす。

【0027】

プラント１はさらに、熱交換器４、５、６、７、８のセットの少なくとも一部と熱交換する少なくとも１つの冷却デバイス９、１０を含む。

【0028】

さらに、プラント１は、電解槽２の酸素出口に接続される上流端と下流端１１とを含む酸素回路１９０（少なくとも１つのパイプ）を含む。下流端は、例えば、酸素を取集及び／又は使用するためのデバイスへ接続され得る。

【0029】

この酸素回路１９０は、酸素フロー膨張システム１３と、膨張した酸素フロー（これはしたがって膨張により冷却される）と冷却されることになる水素回路３との間の少なくとも１つの熱交換とを含む。この熱交換は、特に、水素を、その冷蔵及び／又は液化プロセスにおいて予冷却するために使用され得る。

【0030】

１つの有利な特有の特徴によると、酸素回路１９０は、酸素フロー膨張システム１３の上流に配置された少なくとも１つの酸素圧縮器１２を含む。酸素フロー膨張システム１３は少なくとも１つの膨張タービン１３を含む。前記酸素膨張タービン１３及び前記上流酸素圧縮器１２は、膨張タービン１３の上流の酸素フローを圧縮するために圧力下の酸素フローの膨張の作用を圧縮器１２に伝達するために、同じ回転シャフト１４に結合される。

【0031】

同じ回転シャフト１４に結合された膨張タービン１３及び圧縮器１２を含む組立体は好ましくは受動的機械システムであり、すなわち酸素フロー以外に回転シャフト１４を駆動するための動力装置を含まない。したがって、膨張タービン１３は同じシャフト１４に結合された圧縮器１２により機械的に制動される。当然のことながら、これは限定するものではなく、したがって、（適切な場合にプラントの効率を向上させるために）動力装置であって、そのシャフトがタービン及び圧縮器に結合された動力装置を備えたシステムを提供することが予想され得る。

【0032】

この作用の伝達は、「ターボブースティング」を生じ、「ターボブースティング」はしたがって、作動流体が電解槽２により予め製造された酸素である１つ又は複数の極低温膨張タービン１３を一体化することからなる。これらのタービンを制動するためのシステムは、同じシャフト１４に結合された１つ又は複数の圧縮器１２である。これにより、周囲温度で上流のフローブースターとしてこの気体フローを膨張させる作用を注入することが可能になる。

【0033】

図示のとおり、生じたこの冷熱エネルギーを水素フローに伝達するために、冷却された酸素が冷熱エネルギー／熱エネルギーを冷却されることになる水素と交換することを可能にするために１つ又は複数の交換器４、５、６、７に主水素フローから独立した特定の通路を一体化することが可能である。

【0034】

水素冷蔵／液化システムの熱交換器４、５、６、７の配列における膨張した酸素フローの一体化により、特に、その体積を減らすことが可能になる。同一の装置における熱交換ラインを共有することによりコストもまた低減する。さらに、水素及び酸素を同じ装置に接触させるリスクを冒さないように、典型的には不活性の中間熱伝達流体、ヘリウム、窒素、アルゴンなどを使用することが可能になる。

【0035】

エネルギー消費無しに提供されるこの冷熱により、水素をその標的温度へ（例えば、以下でより詳細に説明されるとおり第２冷却デバイス１０を介して）冷却するために入力されることになる作用を減少させることが可能になる。

【0036】

例えば、水素は例えば約２０Ｋの標的温度に冷却される。この目的のために、水素フローは電解槽の出口での温度から２２０～９０Ｋの、及び例えば約１００Ｋの温度に予冷され得る。

【0037】

膨張前（圧縮器１２の下流で）、酸素は例えば、例えば工業用水など冷熱源を有する圧縮ステージ間の（次いで終わりでの）冷却のための交換器のおかげで、１５～１５０バールの圧力に及び周囲温度に近い温度にさせられ得る。この予冷却の全て又は一部は、上述のとおり膨張した酸素を介して実施され得る。

【0038】

［図１］に示されるとおり、プラント１は、熱交換器４、５、６、７の少なくとも一部と熱交換する第３冷却デバイス１７を含み得る。この第３冷却デバイス１７は、同様に水素予冷却の一部を確実にするために熱交換器４、５、６、７に供給する冷却流体ループ（例えば逆流して循環する液体窒素）を含み得る。

【0039】

上述のとおり酸素を介して実施される予冷却により、特に、そのような冷却流体（例えば液体窒素又はガス混合サイクルなどを伴う）の消費を減少させる（特に半分にする）ことが可能になり得る。

【0040】

発明者らは、特に、２５トンの３００Ｋから８５Ｋへ冷却されるべき水素を毎日製造するプラントについて過圧の酸素圧力のこの利用により、液体窒素の消費を約４５％節約する（液体窒素を製造するために消費される電気エネルギーの節約）ことが可能になることを究明した。

【0041】

当然、この利点は、別の予冷却デバイス（例えば窒素サイクル冷却器）の使用の場合に依然として有効である。

【0042】

電解槽２の出口での酸素フローの圧力がおよそ７０バールである場合、水素フローの予冷却の機能について、約５０～７０％の運転コストの節約を達成することができる。

【0043】

図示のとおり、酸素回路１９０は、酸素フロー膨張システム１３の上流で直列に配置されたいくつかの酸素圧縮器１２を含み得る。酸素フロー膨張システムは複数の膨張タービン１３を含み、圧縮器１２の各々は、少なくとも１つのタービン１３が同様に結合される回転シャフト１４に結合される。

【0044】

例えば、これらの要素の全て又は一部は、ｎ個のタービンと同じシャフトの両側に取り付けられたｎ個の圧縮器とを有する（例えば単一の）ターボ機械に一体化され得る。

【0045】

図示の非限定的な例において、酸素回路１９０は、下流で直列に配置された膨張タービン１３と同じ数の上流で直列に配置された圧縮器１２を含み、圧縮器及びタービン１３はそれぞれの回転シャフト１４に対して対で結合される。例えば、第１タービン（上流）は第１圧縮器（上流）と結合され、第２タービンは第２圧縮器と結合されるなどである。

【0046】

当然のことながら、本発明は、ターボブースターのみを含むこの構成に限定されるものではない、このタイプのターボブースターと、追加的に、１つ又は複数の従来のタービンとを提供することが可能である。

【0047】

当然のことながら、いくつかの圧縮器又はタービンは、タービンの（又はそれぞれ圧縮器の）別のホイールが同様に結合されるシャフトに結合されなくてもよい。換言すると、タービン（又は圧縮器）の全てが必ずしも圧縮器と同じシャフトに結合されなくてもよく、逆もまた同様である。同様に、３つ以上のホイール（圧縮器及び／又はタービン）が同じシャフトに結合されてもよい。

【0048】

好ましくは、酸素冷却システム２１が、圧縮器１２の少なくとも一部の出口に提供される。例えば、各圧縮ステージの等温効率を向上させるために、冷却器（流体、例えば空気又は水と交換する冷却交換器）が各圧縮器の出口に挿入され得る。

【0049】

熱交換器４、５、６、７、８のセットはしたがって、好ましくは、いくつかの熱交換器であって、直列に配置されるとともに冷却されることになる水素回路３の上流及び下流端の間で冷却されることになる水素回路３と熱交換するいくつかの熱交換器を含む。

【0050】

さらに、好ましくは、直列なタービン１３を出た後で、酸素フローはそれぞれ、上流から下流へ直列の熱交換器４、５、６、７を通過する。この交換器の通過は、したがって、各膨張ステージ後の酸素フローの冷却又は加熱を生じる（酸素フローの圧力条件及び関連する交換器４、５、６、７の温度に依存して冷却又は加熱）。具体的には、タービンの末端での酸素フローの圧力の低下が比較的大きいとき、出口に位置する熱交換器４、５、６、７との熱交換は（水素フロー冷蔵サイクルの熱力学的最適化を目的として）フローを加熱する傾向があるのに対して、圧力の低下が比較的低い場合に、出口に位置する熱交換器４、５、６、７の通過はフローを冷却する傾向がある（図１に示されるとおり）。

【0051】

水素のこの予冷却は、冷却されることになる水素回路３と熱交換する第２冷却デバイス１０により回路３の下流で完了し得る。

【0052】

図示のとおり、例えば、前述の第１冷却デバイス９（膨張した酸素）は、熱交換器４、５、６、７のセットの熱交換器４、５、６、７の第１上流群と熱交換している状態で置かれる。

【0053】

第２冷却デバイス１０はそれ自体、熱交換器８の第２下流群（ここでは単一の熱交換器により表されているが直列及び／又は並列ないくつかの熱交換器が予想され得る）と熱交換した状態で配置され得る。

【0054】

水素回路３を８０～１００Ｋなどの温度へ予冷却した後で、第２冷却デバイス１０は、例えば約２０Ｋの温度までの水素の追加的な冷却を提供してそれを液化する。

【0055】

模式的に示されるとおり、第２冷却デバイス１０は、水素の最終冷却のためのデバイス１０の効率を向上させるために（例えば水素又はヘリウム、又はネオン、又は３つのうちの最適な組合せを含む）サイクルガス冷蔵サイクル冷蔵装置を含み得る。従来は、第２冷却デバイス１０のこの冷蔵装置は、サイクル回路において直列に配置された、第２サイクルガスを圧縮するための機構１５（１つ又は複数の圧縮器）、第２サイクルガスを冷却するための部材２４（例えば熱交換器）、第２サイクルガスを膨張させるための機構１６（タービン及び／又は膨張バルブ）並びに膨張した第２サイクルガスを加熱するための部材８（熱交換器及び特に、冷却されることになる水素フローと熱交換する熱交換器）を含み得る。

【0056】

［図２］は、［図１］のものとは、冷却されることになる水素フローの圧力を利用するためのシステムを追加的に含むという点で本質的に異なる、別の可能な実施形態を示す。簡潔さのために、同じ要素は再び説明されることはなく、同じ参照符号で示される（後続の実施形態についても同様である）。

【0057】

図示のとおり、［図２］のプラントにおいて、冷却されることになる水素回路３は水素フロー膨張システム１８と、水素フロー膨張システム１８の上流の少なくとも１つの水素圧縮器１９とを含む。酸素についての上記と同様に、水素フロー膨張システム１８は少なくとも１つの水素フロー膨張タービン１８を含み、前記膨張タービン１８及び前記圧縮器１９は、タービン１８の上流の水素フローを圧縮するために圧力下の水素フローを膨張させる作用を圧縮器１９に伝達するために、同じ回転シャフト２０に結合される。同じ回転シャフト２０に結合された膨張タービン１８及び圧縮器１９を備えた組立体は好ましくは受動的機械システムであり、すなわち、水素フロー以外の回転シャフト２０を駆動するための動力装置を含まない。

【0058】

図示のとおり、水素回路３は好ましくは、水素フロー膨張システム１８の上流で直列に配置されたいくつかの水素圧縮器１９を含む。水素フロー膨張システムは好ましくは同じ数の直列に配置された膨張タービン１８を含み、圧縮器１９の各々は少なくとも１つのタービン１８も同様に結合される回転シャフト２０に結合される。例えば、圧縮器１９及びタービンは、別個のそれぞれの回転シャフト２０上で対で関連付けられる（例えば上流の第１圧縮器１９が上流の第１タービン２０と結合されるなど）。

【0059】

図示のとおり、水素の予冷却を確実にするために、各タービン１８の出口で、膨張した水素フローは任意選択的に、熱交換器４、５、６、７の第１群のそれぞれ上流から下流へ別個の熱交換器を通過し得る。

【0060】

これらの膨張ステージ１８により、水素フローの圧力を利用することが可能になる（中間冷却有り又は無しで）。これにより上述の予冷却を置換又は補完することが可能になる。

【0061】

当然のことながら、水素フローの圧力を膨張させる及び利用するこの方法はこの例に限定されない。したがって、周囲温度から所与の予冷却温度への水素の膨張は、特にコストを低減させるために、例えば体積膨張バルブを介して、径方向膨張のいくつかのステージにおいて又は膨張の単一のステージにおいて実施され得る。

【0062】

［図２］の実施形態において、水素フロー圧縮器１９は、（例えば周囲温度への）予冷却のための交換器４、５、６、７の第１群及び予冷却部におけるタービン（これらの予冷却熱交換器４、５、６、７とのタービン１８の出口での熱交換）の上流に位置する。

【0063】

［図３］の実施形態は、［図２］のそれと、水素フロー圧縮器１９が予冷却交換器４、５、６の第１群の下流及び冷却交換器８の第２群の上流（回路３の、水素が既に予冷却されている部分）に位置するという点で本質的に異なる。換言すると、水素フローの圧縮は予冷却後及び最終冷却前に実施される。これにより、極めて軽いＨ２分子（モル質量約２ｇ／ｍｏｌ）でより高い圧縮比率を得ることが可能になる。さらに、膨張タービン１８は冷却部に挿入される（第２群のこれらの熱交換器８とのタービン１８の出口での熱交換）。

【0064】

実施形態は、第１圧縮器１２の上流の電解槽２を出る酸素フローの冷却２６を提供する（他の実施形態に対して適用されてもよい）任意選択の可能性を示すことにも留意されたい。

【0065】

［図２］の実施形態において、水素フロー圧縮器１９は、予冷却交換器４、５、６、７の第１群及び予冷却部におけるタービン（これらの予冷却熱交換器４、５、６、７とのタービン１８の出口での熱交換）の上流に位置する。

【0066】

［図３］の実施形態は、［図２］のものと、水素フロー圧縮器１９が予冷却交換器４、５、６の第１群の下流及び冷却交換器８の第２群の上流に位置するという点で本質的に異なる。換言すると、水素フローの圧縮は、予冷却後及び冷却前に実施される。さらに、膨張タービン１８は冷却部に挿入される（第２群のこれらの熱交換器８とのタービン１８の出口での熱交換）。

【0067】

この実施形態は、第１圧縮器１２の上流の電解槽２を出る酸素フローの冷却２６を提供する（他の実施形態に対して適用されてもよい）任意選択の可能性を示すことにも留意されたい。

【0068】

［図４］の実施形態は、［図３］のものと、水素フロー圧縮器１９が予冷却交換器の第１群の上流に位置するという点で本質的に異なる。換言すると、水素フローの圧縮は（例えば室温への）予冷却前に実施される一方で、膨張は冷たい冷却部において実施される（予冷却後）。

【0069】

［図４］において模式的に示されるとおり（これは他の実施形態にも当てはまり得る）、第２冷蔵デバイス１０は直列及び／又は平行な１つ又は複数のタービン１６を含み得る。さらに、１つ又は複数の圧縮器１５の上流及び下流のフローは、同じ熱交換器１５０において逆流して熱交換し得る。１つ又は複数のタービンの出口の１つ又は複数のフローは、第２群の１つ又は複数の熱交換器８（点線で示される）において任意選択的に交換し得る。

【0070】

タービンは好ましくは半径流及びラジアル技術タイプのものである。これにより液化プラント全体にわたっての膨張技術のプール化が可能になる。

【0071】

圧縮器は好ましくは遠心式のものである。

【0072】

詳細には図示されない変形形態において、酸素回路１９０は下流で液化酸素を生じ、これは回収される。この目的のために、酸素フローの全て又は一部は、水素フローと交換している交換器４、５、６、７、８とは別個の熱交換器を通過し得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】