JP7134013B2 - 液体水素製造設備 - Google Patents

Description

本発明は液体水素製造設備に関する。

液体水素製造設備では、水素ガスを－２５３°Ｃ以下に冷却することで液化水素を製造する。そのため、水素ガスを冷却する冷媒として使用可能な物質は、凝固点が非常に低い一部のものに限られる。工業用の液体水素製造設備では、費用面等を考慮して冷却対象と同じ水素を冷媒として用いるのが一般的である（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１３－２４２１１３号公報

水素を冷媒として使用する場合、冷媒水素（冷媒として使用する水素）に不純物が混入していると、その不純物が凍結して機器類に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、冷媒水素としては、純度が非常に高い水素（例えば、水素の割合が99.9999vol％以上）が使用される。なお、このような冷媒水素は、液体水素製造設備に供給される原料水素よりも純度が高い。

ところで、冷媒水素を循環させるリサイクルラインには、圧縮機等の回転機械が設けられており、回転機械のシール部から冷媒水素が漏れてリサイクルラインにおける冷媒水素の総量が減少する。そのため、リサイクルラインには冷媒水素を補充する必要があるが、上記のとおり冷媒水素の純度は原料水素の純度よりも高い。したがって、冷媒として水素を使用する場合、補充用の冷媒水素を保管又は製造するための設備が必要となる。一方で、液体水素製造設備の簡略化の要請もある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、冷媒として水素を用いる液体水素製造設備であって、補充用の冷媒水素を保管又は製造するための設備が不要な液体水素製造設備を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る液体水素製造設備は、原料水素を搬送しつつ液化するフィードラインと、前記フィードラインに設けられ、原料水素を第１純度にまで精製する第１精製装置と、前記フィードラインに設けられ、第１純度にまで精製された原料水素を第１純度よりも純度の高い第２純度にまで精製する第２精製装置と、原料水素を冷却するための冷媒水素を循環させるリサイクルラインと、前記フィードラインの前記第２精製装置よりも下流の部分から原料水素を取り出して前記リサイクルラインへ供給可能な補充ラインと、を備えている。

この構成によれば、補充ラインを介してフィードラインの原料水素を冷媒水素としてリサイクルラインに補充することができる。そのため、補充用の冷媒水素を保管又は製造するための設備は不要である。また、冷媒水素として補充する原料水素は、第２精製装置で精製された純度の高い水素であり、冷媒水素として遜色なく使用することができる。

上記の液体水素製造設備は、前記リサイクルラインの所定位置における内部圧力が所定の下限圧力よりも低くなったとき、前記補充ラインを介して前記フィードラインから前記リサイクルラインへ原料水素を供給する制御を行う補充調整部を備えていてもよい。

リサイクルラインから冷媒水素が漏れたときには、リサイクルラインの内部圧力が低下する。よって、上記の構成では、リサイクルラインの内部圧力が低くなったとき、フィードラインからリサイクルラインに原料水素が供給されることから、リサイクルラインにおける冷媒水素の総量を維持することができる。

また、この構成とは異なり、前記リサイクルラインの冷媒水素を抜き取る抜取ラインと、前記リサイクルラインの冷媒水素の純度が所定の下限純度よりも低くなったとき、前記補充ラインを介して前記フィードラインから前記リサイクルラインへ原料水素を供給するとともに、前記抜取ラインを介して前記リサイクルラインから冷媒水素を抜き取る制御を行う補充調整部と、を備えていてもよい。

この構成によれば、冷媒水素の純度が低くなったとき、比較的純度の高い原料水素をリサイクルラインに供給するとともに、比較的純度の低い冷媒水素を抜き取るため、冷媒水素の純度を維持することができる。

上記の液体水素製造設備は、前記抜取ラインが前記リサイクルラインから抜き取った冷媒水素を前記フィードラインに供給するように構成されていてもよい。

抜取ラインが抜き取った冷媒水素を第１精製装置及び第２精製装置で精製して冷却すれば液化水素を製造することができる。よって、上記のようにリサイクルラインから抜き取った冷媒水素をフィードラインに供給すれば、リサイクルラインの冷媒水素を有効に利用することができる。

上記の構成によれば、補充用の冷媒水素を保管又は製造するための設備が不要な液体水素製造設備を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る液体水素製造設備の概略構成図である。 図２は、第２実施形態に係る液体水素製造設備の概略構成図である。

（第１実施形態）
はじめに、第１実施形態に係る液体水素製造設備１００について説明する。図１は、第１実施形態に係る液体水素製造設備１００の概略構成図である。図１に示すように、液体水素製造設備１００は、フィードライン１０と、第１精製装置２０と、第２精製装置３０と、リサイクルライン４０と、補充ライン５０と、補充調整部６０と、を備えている。以下これらの構成要素について順に説明する。

フィードライン１０は、原料水素を搬送しつつ液化するラインである。フィードライン１０は、常温の原料水素が供給され、供給された原料水素を精製するとともに極低温にまで冷却して液化する。本実施形態では、フィードライン１０の下流に液化水素タンク１１が設置されており、液化した水素（液化水素）はこの液化水素タンク１１に向かって搬送される。

また、フィードライン１０には、圧縮機１２が設けられている。フィードライン１０に供給された原料水素は、この圧縮機１２によって圧縮され、圧縮機１２よりも下流に位置する第１精製装置２０に供給される。

第１精製装置２０は、原料水素を精製する装置である。第１精製装置２０は、フィードライン１０の圧縮機１２よりも下流の部分に位置している。本実施形態の第１精製装置２０は、圧力変動吸着（Pressure Swing Adsorption；ＰＳＡ）法によって、原料水素を第１純度（例えば、水素の割合が99.999vol％以上）にまで精製する。第１純度は後述する第２純度よりも純度が低く、精製純度を第１純度に抑えれば、精製過程における原料水素ロス（廃棄する原料水素の割合）を例えば２０％未満に抑えることができる。

第１精製装置２０により精製された原料水素は第１熱交換器２１によって冷却される。第１熱交換器２１は、フィードライン１０の第１精製装置２０よりも下流の部分に位置するとともに、極低温に維持されたコールドボックス２２の内部に配置されている。なお、前述した圧縮機１２及び第１精製装置２０は、コールドボックス２２の外部に配置されている。

第２精製装置３０は、第１精製装置２０で精製された原料水素をさらに精製する装置である。第２精製装置３０は、フィードライン１０の第１熱交換器２１よりも下流の部分に位置し、コールドボックス２２の内部に配置されている。本実施形態の第２精製装置３０は、熱変動吸着（Thermal Swing Adsorption：ＴＳＡ）法によって、原料水素を第１純度よりも純度の高い第２純度（例えば、水素の割合が99.9999vol%以上）にまで精製する。

また、第２精製装置３０により精製された原料水素は第２熱交換器３１によって冷却される。第２熱交換器３１は、フィードライン１０の第２精製装置３０よりも下流の部分に位置するとともに、コールドボックス２２の内部に配置されている。原料水素は、この第２熱交換器３１を通過することにより、さらに冷却される。

さらに、フィードライン１０の第２精製装置３０よりも下流の部分には膨張弁１３が設けられている。この膨張弁１３はコールドボックス２２の内部に配置されている。原料水素は、この膨張弁１３を通過することにより膨張して温度が沸点以下にまで低下する。これにより原料水素は液化する。液化した原料水素（液化水素）は、上述のとおり液化水素タンク１１に供給されて保管される。

リサイクルライン４０は、原料水素を冷却するための冷媒水素を循環させるラインである。なお、冷媒水素の純度は前述した第１純度よりも高く、第２純度と同程度（例えば、99.9999vol%以上）である。冷媒水素の純度が第２純度と同程度でなければ、冷媒水素に混入する窒素や酸素などの不純物が凍結して、リサイクルライン４０に設けられた各機器に悪影響を及ぼすおそれがある。

リサイクルライン４０には、圧縮機４１、冷却部４２、膨張タービン４３が設けられている。圧縮機４１は、冷媒水素を圧縮して高温高圧の状態にする装置である。圧縮機４１は回転部を有する回転機械であり、回転部と静止部の間に設けられたシール部を介して冷媒水素がリサイクルライン４０の外部へ漏れる。そのため、リサイクルライン４０には、漏れた冷媒水素と同じ量の冷媒水素を補充する必要がある。なお、圧縮機４１及び後述の冷却部４２は、コールドボックス２２の外部に配置されている。

冷却部４２は、冷媒水素を冷却する部分である。圧縮機４１によって圧縮されることで温度が上昇した冷媒水素は、はじめに冷却部４２によって冷却される。冷却部４２では、冷却水を用いて冷媒水素を冷却する。また、冷却部４２を通過した冷媒水素は、コールドボックス２２の内部に配置された第１熱交換器２１及び第２熱交換器３１を通過し、これらによってさらに冷却される。

膨張タービン４３は、圧縮された冷媒水素を膨張させることにより、冷媒水素の温度を低下させる装置である。膨張タービン４３を通過した冷媒水素は極低温となり、第１熱交換器２１及び第２熱交換器３１を通過する。これによって、膨張タービン４３を通過した冷媒水素は、第１熱交換器２１及び第２熱交換器３１を介してフィードライン１０の原料水素及び膨張タービン４３に流入する前の冷媒水素と熱交換してこれらを冷却する。

補充ライン５０は、フィードライン１０とリサイクルライン４０を連結するラインである。補充ライン５０は、コールドボックス２２の内部に配置されている。補充ライン５０の一端は、フィードライン１０の第２精製装置３０と第２熱交換器３１の間に接続されている。また、補充ライン５０の他端は、リサイクルライン４０の膨張タービン４３よりも下流であって第１熱交換器２１と第２熱交換器３１の間に接続されている。そのため、補充ライン５０は、フィードライン１０の第２精製装置３０よりも下流の部分から原料水素を取り出し、取り出した原料水素をリサイクルライン４０へ供給することができる。

補充調整部６０は、フィードライン１０からリサイクルライン４０へ供給する原料水素の供給量（補充量）を調整する部分である。本実施形態の補充調整部６０は、いわゆる圧力指示調節計（Pressure Indication Controller；ＰＩＣ）であって、圧力測定部６１と、補充量調整弁６２と、を有している。圧力測定部６１は、リサイクルライン４０の第１熱交換器２１よりも下流であって圧縮機４１よりも上流の部分に設置されており、この設置位置におけるリサイクルライン４０の内部圧力を測定する。ただし、圧力測定部６１の設置位置は上記の位置に限定されない。また、補充量調整弁６２は、補充ライン５０に設けられている。

補充調整部６０は、圧力測定部６１で測定したリサイクルライン４０の内部圧力が所定の下限圧力よりも低くなったとき、補充量調整弁６２を開放又は補充量調整弁６２の開度を大きくする制御を行う。これにより、補充ライン５０を介してフィードライン１０からリサイクルライン４０へ原料水素が供給される。補充調整部６０はこのような制御を行うため、リサイクルライン４０から冷媒水素が漏れてリサイクルライン４０の内部圧力が低下したときには、リサイクルライン４０に補充用の冷媒水素として原料水素が供給される。その結果、リサイクルライン４０における冷媒水素の総量を維持することができる。

しかも、リサイクルライン４０に供給される原料水素は、第２精製装置３０を通過した純度の高いものである。そのため、リサイクルライン４０に供給される原料水素は冷媒水素として遜色なく使用することができる。以上のとおり、本実施形態に係る液体水素製造設備１００では、補充用の冷媒水素を保管又は製造するための設備が不要であることから、液体水素製造設備１００を簡略化することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る液体水素製造設備２００について説明する。図２は、第２実施形態に係る液体水素製造設備２００の概略構成図である。なお、図２で示す構成要素のうち、図１で示す構成要素と同一又は対応するものには同じ符号を付している。以下では、本実施形態に係る液体水素製造設備２００について第１実施形態に係る液体水素製造設備１００と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態に係る液体水素製造設備２００では、リサイクルライン４０から冷媒水素が漏れないように封止ガスを用いて圧縮機４１のシール部を封止している。封止ガスとしては、窒素ガスなどを用いることができる。また、本実施形態に係る液体水素製造設備２００は、リサイクルライン４０に接続された抜取ライン７０を備えている。さらに、本実施形態の補充調整部６０は、第１実施形態の補充調整部６０と構成が異なる。これら以外の点については、本実施形態に係る液体水素製造設備２００は、第１実施形態に係る液体水素製造設備１００と基本的に同じ構成を備えている。

前述のとおり、第１実施形態では冷媒水素が漏れた分だけ冷媒水素と同等の純度の原料水素をリサイクルライン４０に供給（補充）している。そのため、リサイクルライン４０における冷媒水素の純度は一定であった。これに対し、本実施形態では、リサイクルライン４０の圧縮機４１から冷媒水素が漏れないように、シール部の外側を圧力の高い封止ガスで満たしている。そのため、封止ガスが圧縮機４１のシール部を介してリサイクルライン４０に流入する可能性がある。液体水素製造設備２００では、これについての対策が施されている。

液体水素製造設備２００は、リサイクルライン４０に接続された抜取ライン７０を備えている。本実施形態の抜取ライン７０は、リサイクルライン４０の冷却部４２の下流であって第１熱交換器２１の上流の部分に接続されている。また、抜取ライン７０はコールドボックス２２の外部に配置されている。抜取ライン７０は、リサイクルライン４０との接続位置からリサイクルライン４０の冷媒水素を抜き取る。本実施形態では、リサイクルライン４０から抜き取った冷媒水素をフィードライン１０の第１精製装置２０よりも上流（具体的には圧縮機１２よりも上流）の部分に供給している。

本実施形態の補充調整部６０は、圧力測定部６１と、補充量調整弁６２と、ガス分析部６３と、抜取量調整弁６４と、を備えている。第１実施形態の場合と同様に、圧力測定部６１は、リサイクルライン４０の第１熱交換器２１よりも下流であって圧縮機４１よりも上流の部分に設置されており、この設置位置におけるリサイクルライン４０の内部圧力を測定する。また、補充量調整弁６２は、補充ライン５０に設けられている。

さらに、ガス分析部６３は、リサイクルライン４０の冷却部４２よりも下流であって第１熱交換器２１よりも上流の部分に配置されており、この設置位置における冷媒水素の成分の割合、すなわち冷媒水素の純度を測定することができる。ただし、ガス分析部６３の設置位置は上記の位置に限定されない。また、抜取量調整弁６４は、抜取ライン７０に設けられている。

本実施形態の補充調整部６０は、ガス分析部６３で測定したリサイクルライン４０の冷媒水素の純度が所定の下限純度よりも低くなったとき、補充量調整弁６２を開放又は補充量調整弁６２の開度を大きくする。これにより、補充ライン５０を介してフィードライン１０からリサイクルライン４０へ原料水素が供給される。このようにリサイクルライン４０へ原料水素が供給されると、リサイクルライン４０における冷媒水素の総量が増加するため、圧力測定部６１で測定したリサイクルライン４０の内部圧力が所定の上限圧力よりも高くなる。このとき、補充調整部６０は、抜取量調整弁６４を開放又は抜取量調整弁６４の開度を大きくする。これにより、抜取ライン７０を介してリサイクルライン４０から所定量の冷媒水素が抜き取られる。

以上のとおり、本実施形態では、リサイクルライン４０に不純物が流入して冷媒水素の純度が低下した場合、純度の高い原料水素をリサイクルライン４０に供給するとともに、純度が低下した冷媒水素をリサイクルライン４０から抜き取る。これにより、リサイクルライン４０における冷媒水素の純度が上昇し、当該純度を下限純度以上に維持することができる。

なお、本実施形態の抜取ライン７０は、リサイクルライン４０から抜き出した冷媒水素を廃棄するのではなく、フィードライン１０へ供給している。そのため、リサイクルライン４０から抜き出した触媒水素は、第１精製装置２０及び第２精製装置３０で精製されるとともに冷却されることで、液化水素が製造される。よって、本実施形態取によれば、取り出した冷媒水素を廃棄することなく有効に利用することができる。

また、第２実施形態の補充調整部６０は、ガス分析部６３の測定結果に基づいて補充量調整弁６２を制御し、圧力測定部６１の測定結果に基づいて抜取量調整弁６４を制御している。しかしながら、補充調整部６０は、このような制御に代えて、ガス分析部６３の測定結果に基づいて抜取量調整弁６４を制御し、圧力測定部６１の測定結果に基づいて補充量調整弁６２を制御するようにしてもよい。つまり、冷媒水素の純度が低下したときには、はじめに原料水素をリサイクルライン４０に供給するのではなく、はじめに純度の低下した冷媒水素を抜き出し、これに伴ってリサイクルライン４０の内部圧力が低下したところで原料水素をリサイクルライン４０に供給してもよい。この制御であっても同様の効果を得ることができる。

１０ フィードライン
１１ 液化水素タンク
２０ 第１精製装置
３０ 第２精製装置
４０ リサイクルライン
５０ 補充ライン
６０ 充填調整部
７０ 抜取ライン
１００、２００ 液体水素製造設備

Claims (4)

1. 原料水素を搬送しつつ液化するフィードラインと、
   前記フィードラインに設けられ、原料水素を第１純度にまで精製する第１精製装置と、
   前記フィードラインに設けられ、第１純度にまで精製された原料水素を第１純度よりも純度の高い第２純度にまで精製する第２精製装置と、
   原料水素を冷却するための冷媒水素を循環させるリサイクルラインと、
   前記フィードラインの前記第２精製装置よりも下流の部分から原料水素を取り出して前記リサイクルラインへ供給可能な補充ラインと、を備えた液体水素製造設備。
2. 前記リサイクルラインの所定位置における内部圧力が所定の下限圧力よりも低くなったとき、前記補充ラインを介して前記フィードラインから前記リサイクルラインへ原料水素を供給する制御を行う補充調整部を備える、請求項１に記載の液体水素製造設備。
3. 前記リサイクルラインの冷媒水素を抜き取る抜取ラインと、
   前記リサイクルラインの冷媒水素の純度が所定の下限純度よりも低くなったとき、前記補充ラインを介して前記フィードラインから前記リサイクルラインへ原料水素を供給するとともに、前記抜取ラインを介して前記リサイクルラインから冷媒水素を抜き取る制御を行う補充調整部と、を備える、請求項１に記載の液体水素製造設備。
4. 前記抜取ラインは前記リサイクルラインから抜き取った冷媒水素を前記フィードラインの第１精製装置よりも上流の部分に供給するように構成されている、請求項３に記載の液体水素製造設備。

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