JP3521360B2 - 液体水素の製造方法及び装置 - Google Patents
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Description
び装置に関し、詳しくは、圧縮機で圧縮した水素ガスを
熱交換器で冷却しながらオルソ−パラ変換を行い、ジュ
ールトムソン膨張させて液体水素を製造する方法及び装
置に関する。
ら、液体水素を製造する方式として、ヘリウムの寒冷を
利用したヘリウムブライトン方式と、水素自体から寒冷
を得るクロード方式とが知られている。前記ヘリウムブ
ライトン方式は、ヘリウムガスを圧縮後、膨張タービン
で断熱膨張させて寒冷を発生させ、この寒冷により水素
を冷却し、ジュールトムソン膨張によって液体水素を生
成させるもので、クロード方式は、圧縮した水素ガスを
膨張タービンで断熱膨張させて得た寒冷と、ジュールト
ムソン膨張によって発生した寒冷とを利用して水素を冷
却し、ジュールトムソン膨張によって液体水素を生成す
るものである。
の臨界圧力は、ヘリウムに比べて非常に高い約13気圧
であり、また、比熱が最大となる圧力も約15気圧付近
で、その値もヘリウム等に比べて著しく大きくなる。こ
のような水素の特性から、原料水素ガスの供給圧力は、
20〜40気圧とするのが一般的である。また、水素を
液化するに際しては、冷却過程でオルソ−パラ変換を行
ってパラ水素に変換する必要がある。
変換を必要とする水素の冷却液化系統において、ジュー
ルトムソン膨張による寒冷の発生に頼るだけで、水素ガ
スの高い供給圧力の効果的な利用がなされておらず、そ
の結果、リサイクル側の流量が多くなり、圧縮動力及び
電力費の増加につながっていた。
された水素の液化方法では、水素の冷却液化系統に濃密
流体エクスパンダーを設けて水素を液化することが記載
されている。しかし、この濃密流体エクスパンダーにお
ける入口側の水素は超臨界状態であるが、出口側は気液
二層流である。ところが、このような気液二層流用の膨
張タービンは、タービンの構造上、破損し易く、実用装
置には一般的でなく採用し難い。さらに、気液二層流
は、一般に、状態が不安定であり、熱交換器等の構成機
器の設計,製作に困難を伴う場合が多い。
る水素が有する高い圧力を有効に利用し、効率良く、経
済的に液体水素を製造することができる方法及び装置を
提供することを目的としている。
ため、本発明の液体水素の製造方法は、臨界圧力以上に
圧縮した水素ガスを冷却後、膨張させて液化する液体水
素の製造方法であって、水素の冷却液化系統に設けた膨
張タービンに前記水素ガスを導入して臨界圧力以上の圧
力に膨張させて導出し、該膨脹タービン導出後の水素ガ
スを断熱オルソ−パラ変換することを特徴としている。
界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却後、膨張させて液
化する液体水素の製造装置であって、水素の冷却液化系
統に、前記水素ガスを臨界圧力以上の圧力に膨張させる
膨張タービンを設けるとともに、該膨張タービンの出口
に膨張後の水素ガスを断熱オルソ−パラ変換する断熱オ
ルソ−パラ変換器を設けたことを特徴としている。
た水素の高い圧力を、膨張タービンで寒冷として取出す
ことができる。このとき、膨張タービン出口側の圧力
(吐出圧力)を臨界圧力以上に保つことにより、気液二
層流にはならないので、安定した状態で水素を取出すこ
とができ、膨張タービン等の機器の設計,製作も容易に
行うことができる。
いてさらに詳細に説明する。図1は、本発明方法を適用
した液体水素製造装置の一実施例を示すもので、この液
体水素製造装置は、原料水素供給経路11に連続する水
素冷却液化系統21に、原料水素ガスを冷却するための
複数の熱交換器31,32,33,34と、各冷却段階
に応じて水素のオルソ−パラ変換を行うための複数のオ
ルソ−パラ変換器41,42,43,44,45,46
と、水素ガスを断熱膨張させる膨張タービン51と、水
素ガスをジュールトムソン膨張させて過冷状態の液体水
素を生成するジュールトムソン弁(JT弁)61と、原
料水素ガスを冷却するための液体窒素溜71と、JT弁
61で生成した気液二層流状態の水素を凝縮し、冷却
し、オルソ−パラ変換を行うための液体水素溜81とが
設けられるとともに、この水素冷却液化系統21から分
岐した水素を利用して寒冷を発生させるための設備とし
て、2台の膨張タービン52,53と、前記液体水素溜
81の液体水素を発生させるためのJT弁62と、膨張
タービン52,53及び液体水素溜81から寒冷源とし
て循環する水素を圧縮して原料水素に合流させるための
直列に接続された低圧用及び高圧用の2台の循環圧縮機
91,92とにより構成されている。
定の圧力、例えば30気圧まで圧縮されて原料水素供給
経路11から供給される原料水素ガスは、循環圧縮機9
1,92で圧縮された循環水素ガスと合流して水素冷却
液化系統21に導入され、最初に、第1の熱交換器31
で、後述の戻り水素及び液体窒素溜71からの低温窒素
ガスと熱交換を行い、液体窒素温度程度(約80K)ま
で冷却される。第1の熱交換器31を導出した水素ガス
は、ここで循環用の水素ガスが経路22に分岐し、残り
の水素ガスは、液体窒素溜71内に設けられた第1のオ
ルソ−パラ変換器41に導入され、液体窒素温度に応じ
たオルソ−パラ変換が行われる。
素ガスは、第2,第3の熱交換器32,33に設けたオ
ルソ−パラ変換器42,43の通路を通り、戻り水素に
より更に冷却されるとともに、冷却温度に応じて連続オ
ルソ−パラ変換が行われる。
状態の水素ガスは、膨張タービン51に導入され、ここ
で臨界圧力の約13気圧付近まで断熱膨張して寒冷を発
生する。膨張後の超臨界状態の水素ガスは、断熱オルソ
−パラ変換器44で断熱オルソ−パラ変換した後、熱交
換器34のオルソ−パラ変換器45の通路で更に冷却さ
れるとともに連続オルソ−パラ変換され、JT弁61で
約1.2気圧までジュールトムソン膨張を行い、気液二
層混合状態の水素が生成する。
液体水素溜81で更に冷却され、液体水素溜81内に設
けられたオルソ−パラ変換器46で更にオルソ−パラ変
換した後、液体水素採取経路12から製品液体水素とし
て取出される。
22に分岐した水素ガスは、更にその一部が経路23に
分岐して膨張タービン52に導入され、約4気圧まで断
熱膨張して寒冷を発生する。また、第2の熱交換器32
の出口で更に一部の水素ガスが経路24に分岐し、膨張
タービン53に導入されて約4気圧まで断熱膨張し、寒
冷を発生する。膨張タービン52,53で寒冷を発生し
た水素ガスは、熱交換器を逆方向に戻って寒冷を原料水
素ガスに与えた後、循環圧縮機92に吸引されて圧縮さ
れ、原料水素供給経路11からの原料水素ガスと合流す
る。
34を経た水素ガスは、JT弁62で約1.1気圧まで
ジュールトムソン膨張を行い、気液二層流となって液体
水素溜81内に流入する。液体水素溜81内の飽和水素
ガスは、経路25に導出されて熱交換器34,33,3
2,31を順次戻り、寒冷を原料水素ガスに与えた後、
循環圧縮機91,92で圧縮されて循環する。
オルソ−パラ変換器42,43,45は、熱交換器通路
内にオルソ−パラ変換触媒を充填したものである。ま
た、液体窒素溜71には、経路72から液体窒素が供給
されている。
超臨界圧力状態の水素ガスを超臨界圧力状態に保持した
まま臨界圧力付近まで断熱膨張させる膨張タービン51
を設けたことにより、原料水素ガスが有する圧力を有効
に利用して寒冷を発生させることができ、原料水素ガス
を冷却するために必要な寒冷量、すなわち、水素冷却液
化系統21から分岐して膨張タービン52,53に向か
う水素ガス及びJT弁62を経て液体水素溜81に向か
う水素量を低減することができ、原料水素供給経路11
から供給される原料水素ガスを効率良く、経済的に液化
することができる。
オルソ−パラ変換器44を設けて断熱オルソ−パラ変換
することにより、後段の熱交換器34における熱交換を
確実に行うことができる。すなわち、膨張タービン51
を導出した水素ガスは、膨張タービン51導入前のパラ
濃度のままであり、このまま後段の熱交換器34に流入
した場合、パラ濃度が膨張後の温度に対応した平衡パラ
濃度になっていないため、この熱交換器34での熱交換
に支障を来すことがあるが、膨張タービン51の出口側
でオルソ−パラ変換を行って平衡パラ濃度とすることに
より、多少の温度上昇はあるものの安定した状態での熱
交換を行うことができる。
近年一般的に使用されている膨張タービンを用いている
が、従来の往復式膨張機を用いることも可能である。ま
た、循環用水素の分岐位置は、上記実施例に限らず、例
えば、第1の熱交換器に導入する前に分岐することもで
きる。
水素冷却液化系統に設けた膨張タービンで水素ガスを臨
界圧力付近まで断熱膨張させて寒冷を発生させるので、
水素冷却液化系統に供給される原料水素ガスが有する高
い圧力を寒冷として有効に取出すことができ、効果的に
利用することができる。これにより、プロセスの効率が
向上し、より少ない動力で水素を液化することが可能と
なる。
したことにより、不安定な気液二層流となることがな
く、安定した状態の流体となるので、プロセスの設計
上、また、装置の設計,製作上、取扱いが容易であり、
本発明の超臨界タービンを採用することにより、長期間
使用可能な実用装置の製作が可能になる。
ルソ−パラ変換を行うことにより、後段の熱交換器での
熱交換を効率よく行うことができる。
1,32,33,34…熱交換器、41,42,43,
44,45,46…オルソ−パラ変換器、51,52,
53…膨張タービン、61,62…ジュールトムソン弁
(JT弁)、71…液体窒素溜、81…液体水素溜、9
1,92…循環圧縮機
Claims (2)
- 【請求項1】 臨界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却
後、膨張させて液化する液体水素の製造方法であって、
水素の冷却液化系統に設けた膨張タービンに前記水素ガ
スを導入して臨界圧力以上の圧力に膨張させて導出し、
該膨脹タービン導出後の水素ガスを断熱オルソ−パラ変
換することを特徴とする液体水素の製造方法。 - 【請求項2】 臨界圧力以上に圧縮した水素ガスを冷却
後、膨張させて液化する液体水素の製造装置であって、
水素の冷却液化系統に、前記水素ガスを臨界圧力以上の
圧力に膨張させる膨張タービンを設けるとともに、該膨
張タービンの出口に膨張後の水素ガスを断熱オルソ−パ
ラ変換するオルソ−パラ変換器を設けたことを特徴とす
る液体水素の製造装置。
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