JP2013242113A - 液体水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体水素貯槽から発生するボイルオフガスを、その冷熱エネルギーを有効に活用しつつ液化させ、液体水素として再利用することを可能にする手段を提供する。
【解決手段】液体水素製造装置ＨＳは、循環水素を冷媒とする冷凍サイクル部Ｒと、高圧の原料水素を冷凍サイクル部Ｒにより冷却しジュールトムソン弁１２で断熱膨張させて液体水素を生成する液体水素生成部Ｐとを備えている。冷凍サイクル部Ｒと液体水素生成部Ｐとにわたって、第１、第２熱交換器Ｅ１、Ｅ２が設けられている。液体水素製造装置ＨＳは、液体水素輸送船１６の液体水素貯槽で発生したボイルオフガスを再液化して液体水素を生成するボイルオフガス処理機構を備えている。ボイルオフガスは、非常に低温の循環水素が流れる部位において水素循環通路１に導入され、これにより生じる余剰の循環水素は、循環水素が常温の状態にある部位から原料水素通路１１に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体水素輸送船等の液体水素貯槽で発生するボイルオフガスを再液化して再利用するボイルオフガス処理機構を備えた液体水素製造装置に関するものである。

従来、水素は、化学工業、石油精製工業、製鉄工業などの技術分野において、原料や還元剤などとして幅広く用いられている。一方、世界的な二酸化炭素排出量の削減政策や原油等の化石燃料の持続的な騰貴などに起因して、近年、種々の技術分野で、水素の燃料ないしはエネルギー源としての利用が期待されている。具体的には、自動車用の内燃機関や発電機用のタービンなどの燃料としての利用が種々目論まれている。そして、水素は、炭化水素の水蒸気改質や水の電気分解等により製造されているが、褐炭等の低品位炭を主原料として水素を製造する水素製造システムによっても製造可能である。

ところで、例えば低品位炭を主原料として水素を製造する場合、水素製造システムは、通常、低品位炭の生産地の近傍に設置される。他方、水素の需要地は主に都市部等の人口密集地であり、低品位炭の生産地から離れているため、水素製造システムで製造された水素をこれらの需要地に輸送する必要がある。

ここで、海洋を隔てて水素を需要地に輸送する場合は、通常、水素製造システムで製造された水素を水素液化設備により冷却し液化させて液体水素貯蔵タンクに貯蔵した後、適宜に液体水素の形態で需要地に輸送するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。そして、液体水素の海上輸送には、一般に、極低温の液体水素を保冷しつつ貯蔵する液体水素貯槽を備えた液体水素輸送船が用いられる。

特開２００５−２４１２３２号公報

液体水素輸送船により液体水素を水素の需要地に継続的に輸送する場合、まず水素液化装置ないしは液体水素貯蔵タンクの所在地の近傍の港（以下「積荷港」という。）で、液体水素貯蔵タンクから液体水素輸送船の液体水素貯槽に液体水素が充填される。そして、液体水素輸送船が海洋を航行して水素の需要地の近傍の港（以下「揚荷港」という。）に到着した後、液体水素輸送船の液体水素貯槽から揚荷港の近傍の液体水素貯蔵タンクに液体水素が供給される。この後、液体水素輸送船は、液体水素貯槽に適量（例えば、液体水素貯槽の体積の数ｖｏｌ％）の保冷用の液体水素を残して、揚荷港から積荷港に帰還する。

そして、積荷港では、再び、液体水素貯蔵タンクから液体水素輸送船の液体水素貯槽に液体水素が充填されるが、このとき、揚荷港から積荷港への帰還の航海中及び積荷港での停泊中における貯槽外部からの入熱により液体水素輸送船の液体水素貯槽内の温度が上昇している。とくに、液体水素貯槽の上部の温度は、液体水素の飽和温度よりも高くなっている。このため、液体水素貯槽に液体水素を充填する際に、液体水素貯槽内の温度と充填される液体水素の温度の差により液体水素が気化して大量のボイルオフガスが発生する。この場合、液体水素輸送船の停泊期間は１〜数日と比較的短いため、大量のボイルオフガスを短期間で処理する必要がある。

そこで、大量に発生したボイルオフガスを、水素製造システムから水素液化装置に供給される原料水素に混合して、水素液化装置で再液化して再利用するといった対応が考えられる。しかしながら、ボイルオフガスは非常に低温であるので、単純に水素液化装置の原料として使用すると、常温で原料水素が供給されることを前提として設計されている水素液化装置に不具合が生じるといった問題がある。ここで、ボイルオフガスを常温まで加熱して原料水素に混合すれば、このような不具合は回避できる。しかしながら、このように、非常に低温のボイルオフガスを常温まで加熱した上で、再び水素液化装置で極低温に冷却するのは、ボイルオフガスの冷熱エネルギーを無駄にすることになるので、エネルギー効率の観点からは非常に不合理である。なお、同様の問題は、液体水素輸送船以外の液体水素を輸送する手段に設けられた液体水素貯槽で発生するボイルオフガスについても生じる。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、液体水素を輸送する液体水素輸送船等の輸送手段の液体水素貯槽で発生するボイルオフガスを、その冷熱エネルギーを無駄にすることなく有効に活用して再液化させ、液体水素として再利用することを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る液体水素製造装置は、循環する水素を冷媒とする冷凍サイクル部と、水素ガスから液体水素を生成する液体水素生成部とを備えている。この液体水素製造装置は、液体水素貯槽の内部で発生するボイルオフガスを、冷凍サイクル部の所定の導入箇所に導入するボイルオフガス導入部と、ボイルオフガス導入部から導入されたボイルオフガスに起因する余剰の循環水素を、冷凍サイクル部の所定の排出箇所から液体水素生成部に排出する循環水素排出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施態様によれば、冷凍サイクル部は、循環する水素を圧縮するコンプレッサと、循環する水素を膨張させる膨張機と、コンプレッサと膨張機との間に設けられ、コンプレッサの上流側にある低温側熱交換部とコンプレッサの下流側にある高温側熱交換部とから成る１組以上の熱交換部と、を有する。他方、液体水素生成部は、原料水素供給源から供給された水素ガスを流通させる原料水素通路と、原料水素通路の下流に設けられ、水素ガスを膨張させて液体水素を生成する膨張弁と、冷凍サイクル部の前記１組以上の熱交換部と熱交換して水素ガスを冷却する１以上の水素ガス冷却部とを有している。

ここで、冷凍サイクル部の所定の導入箇所は、膨張機より下流側かつコンプレッサより上流側に位置し、冷凍サイクル部の所定の排出箇所は、コンプレッサの上流側に位置する最初の低温側熱交換部とコンプレッサの下流側に位置する最初の高温側熱交換部との間に位置する。

本発明に係る液体水素製造装置において、冷凍サイクル部の所定の導入箇所は、冷凍サイクル部における循環する水素の温度と液体水素貯槽内で発生するボイルオフガスの温度の差に応じて複数設けられるのが好ましい。また、冷凍サイクル部の所定の排出箇所は、コンプレッサとコンプレッサの下流側に位置する最初の高温側熱交換部との間に位置するのが好ましい。

本発明に係る液体水素製造装置において、膨張機は膨張タービンであるのが好ましい。また、膨張弁はジュールトムソン弁であるのが好ましい。本発明に係る液体水素製造装置において液体水素貯槽としては、例えば液体水素輸送船の液体水素貯槽などが挙げられる。

本発明によれば、例えば液体水素輸送船の液体水素貯槽から排出された非常に低温のボイルオフガスは、冷凍サイクル部の水素循環通路中の循環水素が非常に低温で流れている部位に導入される。この部位では、ボイルオフガスの温度と循環水素の温度の差は比較的小さいので、液体水素製造装置には、非常に低温のボイルオフガスを導入したことによりとくに不具合は生じない。また、非常に低温のボイルオフガスの冷熱エネルギーが無駄にならない。

他方、ボイルオフガスの導入により過剰となる循環水素は、水素循環通路中の循環水素がほぼ常温で流れている部位から、原料水素通路中の原料水素がほぼ常温で流れている部位に排出される。この部位では、循環水素の温度と原料水素の温度の差は比較的小さいので、液体水素製造装置には、余剰の循環水素を原料水素通路に排出したことにより何ら不具合は生じない。また、余剰の循環水素が排出されるので、冷凍サイクル部内の循環水素の量は適正値に維持される。

そして、原料水素通路に排出された余剰の循環水素は、液体水素生成部で再液化して液体水素となる。ここで、液体水素製造装置の動作を全体的にみれば、非常に低温のボイルオフガスが液体水素製造装置に導入される一方、ボイルオフガス導入量に相当する量の液体水素が生成されることになる。したがって、本発明によれば、液体水素製造装置の各部に何ら不具合を生じさせることなく、液体水素製造装置に非常に低温のボイルオフガスを導入して、ボイルオフガスの導入量に相当する液体水素を生成することができる。すなわち、実質的には、液体水素貯槽で発生する非常に低温のボイルオフガスを、その冷熱エネルギーを無駄にすることなく有効に活用して再液化させ、液体水素として再利用することになる。

本発明に係る液体水素製造装置のシステム構成を示す模式図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る液体水素製造装置ＨＳは、循環する水素（以下「循環水素」という。）を冷媒とする冷凍サイクル部Ｒと、水素ガス（以下「原料水素」という。）を冷凍サイクル部Ｒにより冷却した上で断熱膨張させて液体水素を生成する液体水素生成部Ｐとを備えている。

冷凍サイクル部Ｒは、循環水素を循環して流通させる環状の水素循環通路１を備えている。水素循環通路１内においては、循環水素は、図１中における位置関係において時計回り方向に循環する。なお、以下では便宜上、循環水素の流れ方向に関して上流及び下流を、それぞれ単に「上流」及び「下流」という。そして、水素循環通路１には、コンプレッサ２と、該コンプレッサ２の下流に位置する循環水素冷却器３と、該循環水素冷却器３の下流に位置する膨張タービン４とが介設されている。

コンプレッサ２は、例えば電気モータによって駆動される圧縮機であり、常圧（例えば０．１ＭＰａＡ）で常温（例えば３００Ｋ）の循環水素を断熱圧縮して、高圧（例えば２ＭＰａＡ）かつ高温（例えば７８０Ｋ）の状態にする。循環水素冷却器３は、例えば冷媒として低温の冷却水を用いる熱交換器であり、高圧で高温の循環水素を、その圧力を維持しつつ常温となるよう冷却する。なお、この高圧で常温の循環水素は、膨張タービン４に到達する前に、後で説明する第１熱交換器Ｅ１及び第２熱交換器Ｅ２により、圧力を維持しつつ非常に低温（例えば４０Ｋ）となるよう冷却される。膨張タービン４は、高圧の気体の圧力エネルギーないしは運動エネルギーを機械的エネルギーに変換して取り出すタービンであり、高圧で非常に低温の循環水素によって駆動される一方、循環水素の圧力及び温度を低下させて循環水素の少なくとも一部を液化させ、常圧で極低温（例えば２０Ｋ）の状態にする。なお、膨張タービン４に代えて、循環水素を断熱膨張させるジュールトムソン弁等の膨張機を用いてもよい。

さらに、水素循環通路１には、膨張タービン４より下流かつコンプレッサ２より上流の部位に第１、第２低温側熱交換部５、６が設けられる一方、循環水素冷却器３より下流かつ膨張タービン４より上流の部位に第１、第２高温側熱交換部７、８が設けられている。ここで、第１低温側熱交換部５と第１高温側熱交換部７とは、互いに対応する位置に配置され互いに熱交換する。また、第２低温側熱交換部６と第２高温側熱交換部８とは、互いに対応する位置に配置され互いに熱交換する。なお、第１低温側熱交換部５及び第１高温側熱交換部７は後で説明する第１熱交換器Ｅ１の構成要素であり、第２低温側熱交換部６及び第２高温側熱交換部８は後で説明する第２熱交換器Ｅ２の構成要素である。

液体水素生成部Ｐは、原料水素供給源１０から供給される高圧（例えば２ＭＰａＡ）で常温の原料水素を流通させる原料水素通路１１を備えている。そして、原料水素の流れ方向（図１中に示す位置関係では右向き）に関して原料水素通路１１の下流端にジュールトムソン弁１２が接続されている。さらに、原料水素通路１１には、原料水素の流れ方向に関して上流から順に、第１原料水素冷却部１３と第２原料水素冷却部１４とが介設されている。ここで、第１原料水素冷却部１３と第２原料水素冷却部１４とは、高圧で常温の原料水素を、圧力をほぼ維持しつつ非常に低温（例えば４０Ｋ）の状態に冷却する。また、ジュールトムソン弁１２は、高圧で非常に低温の原料水素を断熱膨張させることによりその圧力及び温度を低下させ、原料水素の少なくとも一部を液化させて液体水素を生成する。なお、ジュールトムソン弁以外の膨張弁を用いて、原料水素を液化させてもよい。第１原料水素冷却部１３は後で説明する第１熱交換器Ｅ１の構成要素であり、第２原料水素冷却部１４は後で説明する第２熱交換器Ｅ２の構成要素である。

液体水素製造装置ＨＳには、冷凍サイクル部Ｒと液体水素生成部Ｐとにわたって、第１低温側熱交換部５と第１高温側熱交換部７と第１原料水素冷却部１３とを構成要素とする第１熱交換器Ｅ１と、第２低温側熱交換部６と第２高温側熱交換部８と第２原料水素冷却部１４とを構成要素とする第２熱交換器Ｅ２とが設けられている。第１熱交換器Ｅ１及び第２熱交換器Ｅ２は、いずれも、水素循環通路１の膨張タービン４より下流かつコンプレッサ２より上流の部位を流れている循環水素によって、水素循環通路１の循環水素冷却器３より下流かつ膨張タービン４より上流の部位を流れている循環水素を冷却するとともに、原料水素通路１１を流れている原料水素を冷却する。

なお、図１に示す実施形態では、冷凍サイクル部Ｒと液体水素生成部Ｐとにわたって２基の熱交換器Ｅ１、Ｅ２が設けられているだけであるが、かかる熱交換器の設置数は２基に限定されるものではなく、３基以上（例えば、３基、４基、５基……）の熱交換器を設けてもよい。すなわち、熱交換器の設置数は、各熱交換器の伝熱面積その他の熱交換特性に応じて好ましく設定される。

以下、冷凍サイクル部Ｒ又は液体水素生成部Ｐ内を流れる循環水素及び原料水素の熱力学的状態がどのように変化するかを説明する。まず、水素循環通路１内を膨張タービン４からコンプレッサ２へ流れる循環水素の状態変化を説明する。膨張タービン４から流出した少なくとも一部が液化している常圧（例えば０．１ＭＰａＡ）で極低温（例えば２０Ｋ）の循環水素は、第２低温側熱交換部６を流通する際に、第２高温側熱交換部８内を流れている循環水素を冷却するとともに第２原料水素冷却器１４内を流れている原料水素を冷却する。その結果、第２低温側熱交換部６（第２熱交換器Ｅ２）から流出する常圧の循環水素の温度はやや高い温度（例えば８０Ｋ）に上昇する。なお、液化していた循環水素は第２低温側熱交換部６を流通する際に気化する。

第２熱交換器Ｅ２（第２低温側熱交換部６）から流出した循環水素は、さらに第１低温側熱交換部５を流通する際に、第１高温側熱交換部７内を流れている循環水素を冷却するとともに第１原料水素冷却器１３内を流れている原料水素を冷却する。その結果、第１熱交換器Ｅ１（第１低温側熱交換部５）から流出する常圧の循環水素の温度は常温（例えば３００Ｋ）に上昇する。この後、常圧で常温の循環水素は、コンプレッサ２に流入し、コンプレッサ２によって断熱圧縮され、高圧（例えば２ＭＰａＡ）で高温（例えば７８０Ｋ）の状態となる。

次に、水素循環通路１内をコンプレッサ２から膨張タービン４へ流れる循環水素の状態変化を説明する。コンプレッサ２から流出した高圧で高温の気体の循環水素は、まず循環水素冷却器３によって冷却され、常温（例えば３００Ｋ）の状態となる。この高圧で常温の循環水素は、第１高温側熱交換部７を流通する際に、第１低温側熱交換部５内を流れている循環水素により冷却され、非常に低温（例えば８０Ｋ）の状態となる。第１高温側熱交換部７（第１熱交換器Ｅ１）から流出した高圧で非常に低温の循環水素は、第２高温側熱交換部８を流通する際に、第２低温側熱交換部６内を流れている循環水素によって冷却され、さらに低温（例えば４０Ｋ）の状態となる。この後、非常に低温となった高圧の循環水素は、膨張タービン４に流入し、膨張タービン４によって膨張させられ、少なくとも一部が液化している常圧（例えば０．１ＭＰａＡ）で極低温（例えば２０Ｋ）の状態となる。

さらに、原料水素通路１１内を原料水素供給源１０からジュールトムソン弁１２へ流れる原料水素の状態変化を説明する。原料水素供給源１０から供給された高圧（例えば２ＭＰａＡ）で常温（例えば３００Ｋ）の原料水素は、第１原料水素冷却部１３を流通する際に、第１低温側熱交換部５内を流れている循環水素により冷却され、非常に低温（例えば８０Ｋ）の状態となる。第１原料水素冷却部１３（第１熱交換器Ｅ１）から流出した高圧で非常に低温の原料水素は、第２原料水素冷却部１４を流通する際に、第２低温側熱交換部６内を流れている循環水素によって冷却され、さらに低温（例えば４０Ｋ）の状態となる。

この後、非常に低温となった高圧の原料水素は、ジュールトムソン弁１２を通過する際にジュールトムソン膨張させられ、少なくとも一部が液化している常圧（例えば０．１ＭＰａＡ）で極低温（例えば２０Ｋ）の状態となる。ここで、液化した原料水素は、この液体水素製造装置ＨＳの生成物である液体水素であり、液体水素貯蔵タンク１５に貯蔵される。液体水素貯蔵タンク１５に貯蔵されている液体水素は、適宜に、該液体水素製造装置ＨＳの所在地の近傍の港（積荷港）に停泊している液体水素輸送船１６の液体水素貯槽に充填される。

表１に、図１中にａ〜ｋで示す、冷凍サイクル部Ｒ又は液体水素生成部Ｐ内の各部位における循環水素又は原料水素の熱力学的状態をまとめて示す。なお、表１中において「Ｇ」は気体を意味し、「Ｌ」は液体を意味する。

本発明に係る液体水素製造装置ＨＳは、さらに該液体水素製造装置ＨＳの所在地の近傍の港（積荷港）に停泊している液体水素輸送船１６の液体水素貯槽（図示せず）で発生するボイルオフガスを導入する一方、このボイルオフガスを再液化して液体水素を生成するためのボイルオフガス処理機構を備えている。まず、このボイルオフガス処理機構の基本的な構成及び機能を説明する。要するに、本発明に係る液体水素製造装置ＨＳのボイルオフガス処理機構は、冷凍サイクル部の水素循環通路中の循環水素が低温で流れる部位に低温のボイルオフガスを導入する一方、ボイルオフガスの導入により生じた余剰の循環水素を、冷凍サイクル部の水素循環通路中の循環水素が常温で流れる部位から排出し、液体水素生成部の原料水素通路中の原料水素が常温で流れる部位に供給して原料水素と混合することにより、ボイルオフガスを再液化して液体水素として再利用するものである。

ボイルオフガス処理機構は、ボイルオフガス導入部Ｃと循環水素排出部Ｄとを備えている。ここで、ボイルオフガス導入部Ｃは、液体水素輸送船１６の液体水素貯槽で発生する非常に低温のボイルオフガスを、膨張タービン４より下流かつコンプレッサ２より上流の部位で水素循環通路１に導入する。このボイルオフガス導入部Ｃは、後で説明するように、水素循環通路１へのボイルオフガスの導入部位を、ボイルオフガスの導入部位における循環水素の温度とボイルオフガスの温度の差が最小となるよう、ボイルオフガスの温度に応じて切り換える。

他方、循環水素排出部Ｄは、水素循環通路１内の常温の循環水素を、原料水素の流れ方向に関して第１原料水素冷却部１３より上流の原料水素通路１１へ排出し、常温の原料水素に混合する。すなわち、循環水素排出部Ｄは、ボイルオフガスの導入により生じる余剰の循環水素を、第１低温側熱交換部５とコンプレッサ２との間の水素循環通路１、又は循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１から原料水素通路１１へ排出する。なお、図１に示す実施形態では、余剰の循環水素を、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１から原料水素通路１１へ排出するようにしている。

以下、ボイルオフガス処理機構の具体的な構成及び機能を説明する。ボイルオフガス導入部Ｃは、液体水素輸送船１６の液体水素貯槽で発生した常圧（例えば０．１ＭＰａＡ）で非常に低温のボイルオフガスを液体水素製造装置ＨＳにパイプ輸送するボイルオフガス導入通路１７を有している。なお、図示していないが、外部からの入熱によるボイルオフガスの温度の上昇を防止するため、ボイルオフガス導入通路１７の周囲は断熱されている。そして、ボイルオフガスの流れ方向に関してボイルオフガス導入通路１７の下流端には、切換弁１８を介して、第１ボイルオフガス供給通路１９と第２ボイルオフガス供給通路２０とが接続されている。切換弁１８は、ボイルオフガス導入通路１７を、第１ボイルオフガス供給通路１９又は第２ボイルオフガス供給通路２０に択一的に接続し、又はボイルオフガス導入通路１７を閉止する。

ボイルオフガスの流れ方向に関して、第１ボイルオフガス供給通路１９の下流端は第１低温側熱交換部５と第２低温側熱交換部６との間の水素循環通路１に接続される一方、第２ボイルオフガス供給通路２０の下流端は第２低温側熱交換部６と膨張タービン４との間の水素循環通路１に接続されている。したがって、ボイルオフガス導入部Ｃは、切換弁１８の通路接続態様を切り換えることにより、ボイルオフガス導入通路１７内のボイルオフガスを、第１低温側熱交換部５と第２低温側熱交換部６との間の水素循環通路１、又は第２低温側熱交換部６と膨張タービン４との間の水素循環通路１のいずれか一方に択一的に供給することができる。

さらに、ボイルオフガスの流れ方向に関して切換弁１８より上流の部位において、ボイルオフガス導入通路１７には、上流側から順に、ボイルオフガスを下流側に送る圧縮比が非常に低いブロワ２１（又は圧縮機）と、ボイルオフガス導入通路１７内を流れているボイルオフガスの流量を検出する第１流量センサ２２と、ボイルオフガスの温度を検出する温度センサ２３とが設けられている。第１流量センサ２２の検出値及び温度センサ２３の検出値は、後で説明するコントローラ２４に入力される。液体水素輸送船１６の液体水素貯槽で発生するボイルオフガスは常圧であり、またボイルオフガスが供給される部位では水素循環通路１内の循環水素は常圧であるので、圧縮比が非常に低いブロワ２１でボイルオフガスを容易に水素循環通路１に供給することができる。このとき、ボイルオフガスはほとんど圧縮されないので、ボイルオフガスの温度はほとんど変化しない。なお、ボイルオフガスの圧力が、該ボイルオフガスが導入される部位における循環水素の圧力より高い場合は、ブロワ２１は省略してもよい。

他方、循環水素排出部Ｄは、開閉弁２５を介して、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１と、原料水素の流れ方向に関して第１原料水素冷却部１３より上流の原料水素通路１１とを接続する循環水素排出通路２６を有している。開閉弁２５は、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１を循環水素排出通路２６に接続し、又は水素循環通路１と循環水素排出通路２６との接続を遮断する。

さらに、循環水素排出通路２６には、水素循環通路１から排出される循環水素の流れ方向に関して上流側から順に、排出された循環水素を下流側に送る圧縮機２７と、循環水素排出通路２６内を流れる循環水素の流量を制御する流量制御弁２８と、循環水素排出通路２６内を流れる循環水素の流量を検出する第２流量センサ２９とが設けられている。第２流量センサ２９の検出値はコントローラ２４に入力される。なお、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１内の循環水素と、第１原料水素冷却部１３より上流の原料水素通路１１内の原料水素は、いずれも高圧であるが、圧力は互いにほぼ等しいので、圧縮比が非常に低い圧縮機２７で循環水素を容易に原料水素通路１１に排出することができる。このとき、循環水素はほとんど圧縮されないので、循環水素の温度はほとんど変化しない。なお、この部位における循環水素の圧力が原料水素の圧力より高い場合は、圧縮機２７を省略してもよい。

コントローラ２４は、コンピュータを備えたボイルオフガス処理機構の総合的な制御装置であり、第１流量センサ２２によって検出されるボイルオフガスの流量と、温度センサ２３によって検出されるボイルオフガスの温度と、第２流量センサ２９によって検出される循環水素の流量とを制御情報として、切換弁１８とブロワ２１と開閉弁２５と圧縮機２７と流量制御弁２８とを制御する。以下、コントローラ２４によるボイルオフガス処理機構の制御手法を具体的に説明する。

液体水素輸送船１６が、その液体水素貯槽に適量（例えば、輸送船の液体水素貯槽の体積の数ｖｏｌ％）の保冷用の液体水素を残して、液体水素貯蔵タンク１５の近傍の積荷港に到着して停泊すると、液体水素貯蔵タンク１５から液体水素輸送船１６の液体水素貯槽（以下「輸送船貯槽」という。）に液体水素が充填される。なお、液体水素輸送船１６の停泊期間は、通常、１日ないし数日であると考えられる。このとき、輸送船貯槽の温度、とくに輸送船貯槽の上部の温度は、航行時又は停泊時における貯槽外部からの入熱により、液体水素の飽和温度よりも高くなっている。

このため、輸送船貯槽の温度と充填される液体水素の温度の差により、液体水素の一部が気化し、短期間に大量のボイルオフガスが発生する。一般に、輸送船貯槽で発生するブローオフガスの温度は、液体水素の充填開始時では５０〜８０Ｋである。そして、輸送船貯槽の液体水素の充填率が高くなると、輸送船貯槽は液体水素によって冷却され、輸送船貯槽の温度が徐々に低下するので、ブローオフガスの温度は２０〜５０Ｋとなり、水素の液化温度に近い温度となる。

かくして、コントローラ２４によってブロワ２１が起動され、輸送船貯槽で発生した非常に低温（例えば、２０〜８０Ｋ）のボイルオフガスは、ボイルオフガス導入通路１７を経由して、ほぼその温度を維持しつつ液体水素製造装置ＨＳに導入される。その際、温度センサ２３によって検出されたボイルオフガスの温度が比較的高く５０Ｋ以上であるとき、例えば５０Ｋ以上かつ８０Ｋ以下であるときは、コントローラ２４は、切換弁１８を、ボイルオフガス導入通路１７が第１ボイルオフガス供給通路１９に接続されるように制御する。他方、温度センサ２２によって検出されたボイルオフガスの温度が比較的低く５０未満であるとき、例えば２０Ｋ以上かつ５０Ｋ未満であるときは、コントローラ２４は、切換弁１８を、ボイルオフガス導入通路１７が第２ボイルオフガス供給通路２０に接続されるように制御する。なお、液体水素製造装置ＨＳにボイルオフガスを導入しないときには、コントローラ２４は、ブロワ２１を停止させる一方、切換弁１８を、ボイルオフガス導入通路１７が閉止されるように制御する。

つまり、ボイルオフガスの温度が比較的高温であるとき、例えば５０Ｋ以上かつ８０Ｋ以下であるときには、ボイルオフガスは、第１低温側熱交換部５と第２低温側熱交換部６との間の水素循環通路１内の例えば８０Ｋの循環水素と混合される。他方、ボイルオフガスの温度が比較的低温であるとき、例えば２０Ｋ以上かつ５０Ｋ未満であるときには、ボイルオフガスは、第２低温側熱交換部６と膨張タービン４との間の水素循環通路１内の例えば２０Ｋの循環水素と混合される。このように、水素循環通路１へのボイルオフガスの導入部位は、ボイルオフガスの導入部位における循環水素の温度とボイルオフガスの温度の差が最小となるよう、ボイルオフガスの温度に応じて切り換えられる。このため、水素循環通路１内における循環水素の温度分布にとくには影響を及ぼさない。このように、ボイルオフガスは、輸送船貯槽で発生したときと同様の非常に低温の状態で水素循環通路１に導入されるので、ボイルオフガスの冷熱を無駄にすることがない。

ボイルオフガスを、輸送船貯槽で発生したときと同様の非常に低温の状態で水素循環通路１に導入した場合は、ボイルオフガスを常温（３００Ｋ）まで加熱して原料水素通路１１に導入する場合に比べて、液体水素製造装置ＨＳのエネルギー効率を大幅に向上させることができる。例えば、ボイルオフガスの流量及び温度を、それぞれ０．５３ｋｇ／ｓ及び２０Ｋとした場合、水素の熱容量は１４．４ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）であるので、下記の式で示すように、およそ２．１ＭＷのエネルギーを低減することができる。ここで、液体水素製造装置ＨＳの消費電力が２０．０ＭＷである場合、約１０．５％程度のエネルギー効率の向上が見込まれる。
14.4[kJ/(kg・K)]×0.53[kg/s]×280[K]＝2130[kJ/s]＝2.1[MW]

熱交換器の数が２基より多い場合は、これに対応してボイルオフガス供給通路を増やすとともに、ボイルオフガス導入通路１７をこれらのボイルオフガス供給通路のいずれか１つと択一的に接続させることができるように構成された切換弁を設け、コントローラ２４によりボイルオフガスの温度に応じて、ボイルオフガスの導入部位における循環水素の温度とボイルオフガスの温度の差が最小となるよう切換弁を制御すればよい。

例えば、熱交換器の数がＮ基（Ｎ≧３）である場合、すなわちＮ個の低温側熱交換部が設けられている場合は、各低温側熱交換部間の水素循環通路１１と、最も上流の低温側熱交換部と膨張タービン４との間の水素循環通路１１とに、合計Ｎ個のボイルオフガス供給通路を接続し、これらを択一的に選択することができる切換弁を設ければよい。なお、熱交換器の数がＮ基（Ｎ≧３）である場合、ボイルオフガス供給通路の数は２以上であればＮ個より少なくてもよい。

前記のようにボイルオフガスが水素循環通路１に導入されると、水素循環通路１内の循環水素はその分だけ過剰となり、余剰の循環水素が生じることになる。そこで、コントローラ２４は、ボイルオフガスが水素循環通路１に導入されているときには、圧縮機２７を起動するとともに、開閉弁２５を、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１と循環水素排出通路２６とが接続されるように制御する。

さらに、コントローラ２４は、第２流量センサ２９によって検出される循環水素の流量が、第１流量センサ２２によって検出されたボイルオフガスの流量と一致するよう流量制御弁２８を制御する。例えば、流量制御弁２８の弁開度を変化させる。これにより、水素循環通路１に導入されたボイルオフガスの量と等しい量の循環水素が、水素循環通路１から原料水素通路１１に排出され、原料水素と混合される。したがって、水素循環通路１内の循環水素の量は適正値に維持される。なお、輸送船貯槽から水素循環通路１へのボイルオフガスの導入が停止されたときには、コントローラ２４は、圧縮機２７を停止させる一方、開閉弁２５を、水素循環通路１と循環水素排出通路２６の接続が遮断されるように制御する。

ここで、循環水素排出通路２６を経由して、水素循環通路１から原料水素通路１１に排出される循環水素は常温であるので、原料水素通路１１内を流れている原料水素の温度を低下させない。したがって、このような循環水素の原料水素通路１１との混合は、常温の原料水素を供給することを前提として設計されている液体水素生成部Ｐないしは液体水素製造装置ＨＳに何ら不具合を生じさせない。

以上、本発明の実施形態に係る液体水素製造装置ＨＳによれば、その構成要素に何ら不具合を生じさせることなく、液体水素製造装置ＨＳに非常に低温のボイルオフガスを導入して、ボイルオフガスの導入量に相当する液体水素を生成することができる。すなわち、実質的には、輸送船貯槽で短期間に大量に発生する非常に低温のボイルオフガスを、その冷熱エネルギーを無駄にすることなく有効に活用して液化させ、液体水素として再利用することができる。

前記のとおり、図１に示す実施形態では、水素循環通路１へのボイルオフガスの導入により生じる余剰の循環水素を、循環水素冷却器３と第１高温側熱交換部７との間の水素循環通路１から、原料水素の流れ方向に関して第１原料水素冷却器１３より上流の原料水素通路１１に排出するようにしている。しかしながら、第１低温側熱交換部５とコンプレッサ２との間の水素循環通路１内の循環水素は常温であるので、水素循環通路１中のこの部位と、原料水素の流れ方向に関して第１原料水素冷却器１３より上流の原料水素通路１１との間を接続する循環水素排出通路を設け、この循環水素排出通路を経由して余剰の循環水素を原料水素通路１１に排出するようにしてもよい。

この場合、第１低温側熱交換部５とコンプレッサ２の間の水素循環通路１内の循環水素は常圧である一方、原料水素通路１１内の原料水素は高圧であるので、循環水素排出通路に、常圧の循環水素を原料水素と同様の高圧状態に加圧するコンプレッサと、このコンプレッサの断熱圧縮により高温（例えば７８０Ｋ）となる循環水素を冷却する冷却器とを設ける必要がある。なお、この場合も、図１に示す液体水素製造装置ＨＳと同様に、開閉弁と流量制御弁と流量センサとを設ける必要がある。

以上のように、本発明に係る液体水素製造装置は、例えば褐炭等の低品位炭を主原料として生成された水素を原料として液体水素を製造する装置として有用であり、とくに液体水素を液体水素輸送船で需要地に輸送する場合において、液体水素輸送船の液体水素貯槽に液体水素を充填する際に発生するボイルオフガスを再液化させて再利用するのに適している。

ＨＳ 液体水素製造装置、Ｒ 冷凍サイクル部、Ｐ 液体水素生成部、Ｅ１ 第１熱交換器、Ｅ２ 第２熱交換器、Ｃ ボイルオフガス導入部、Ｄ 循環水素排出部、１ 水素循環通路、２ コンプレッサ、３ 循環水素冷却器、４ 膨張タービン、５ 第１低温側熱交換部、６ 第２低温側熱交換部、７ 第１高温側熱交換部、８ 第２高温側熱交換部、１０ 原料水素供給源、１１ 原料水素通路、１２ ジュールトムソン弁、１３ 第１原料水素冷却部、１４ 第２原料水素冷却部、１５ 液体水素貯蔵タンク、１６ 液体水素輸送船、１７ ボイルオフガス導入通路、１８ 切換弁、１９ 第１ボイルオフガス供給通路、２０ 第２ボイルオフガス供給通路、２１ ブロワ、２２ 第１流量センサ、２３ 温度センサ、２４ コントローラ、２５ 開閉弁、２６ 循環水素排出通路、２７ 圧縮機、２８ 流量制御弁、２９ 第２流量センサ。

Claims (7)

1. 循環する水素を冷媒とする冷凍サイクル部と、水素ガスから液体水素を生成する液体水素生成部とを備える液体水素製造装置であって、
   液体水素貯槽の内部で発生するボイルオフガスを、冷凍サイクル部の所定の導入箇所に導入するボイルオフガス導入部と、
   前記ボイルオフガス導入部から導入されたボイルオフガスに起因する余剰の循環水素を、冷凍サイクル部の所定の排出箇所から液体水素生成部に排出する循環水素排出部と、を備えることを特徴とする液体水素製造装置。
2. 前記冷凍サイクル部は、
   前記循環する水素を圧縮するコンプレッサと、
   前記循環する水素を膨張させる膨張機と、
   前記コンプレッサと前記膨張機との間に設けられ、前記コンプレッサの上流側にある低温側熱交換部と前記コンプレッサの下流側にある高温側熱交換部とから成る１組以上の熱交換部と、を有し、
   前記液体水素生成部は、
   原料水素供給源から供給された水素ガスを流通させる原料水素通路と、
   前記原料水素通路の下流に設けられ、水素ガスを膨張させて液体水素を生成する膨張弁と、
   前記冷凍サイクル部の前記１組以上の熱交換部と熱交換して水素ガスを冷却する１以上の水素ガス冷却部と、を有し、
   前記冷凍サイクル部の所定の導入箇所は、前記膨張機より下流側かつ前記コンプレッサより上流側に位置し、
   前記冷凍サイクル部の所定の排出箇所は、前記コンプレッサの上流側に位置する最初の低温側熱交換部と前記コンプレッサの下流側に位置する最初の高温側熱交換部との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の液体水素製造装置。
3. 前記冷凍サイクル部の所定の導入箇所は、前記冷凍サイクル部における循環する水素の温度と前記液体水素貯槽内で発生するボイルオフガスの温度の差に応じて複数設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の液体水素製造装置。
4. 前記冷凍サイクル部の所定の排出箇所は、前記コンプレッサと前記コンプレッサの下流側に位置する最初の高温側熱交換部との間に位置することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の液体水素製造装置。
5. 前記膨張機は、膨張タービンであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の液体水素製造装置。
6. 前記膨張弁は、ジュールトムソン弁であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の液体水素製造装置。
7. 前記液体水素貯槽は、液体水素輸送船の液体水素貯槽であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の液体水素製造装置。

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