JP6928486B2 - ガス放出システム - Google Patents

Description

本発明は、液体水素を貯留するタンク内で発生した水素ガスを大気に放出させるガス放出システムに関する。

液体水素を貯留するタンクでは、外部からの入熱により、貯留された液体水素が気化して水素ガス（以下、「蒸発ガス」とも称する。）が発生する。蒸発ガスがタンク上部に溜まっていくと、タンク内部の圧力が上昇することになるため、適宜にタンクから蒸発ガスを排出する必要がある。

例えば特許文献１には、液化水素を供給するための水素ステーションとしても用いられる液体水素貯蔵装置が開示されている。この液体水素貯蔵装置は、液体水素貯蔵タンクと、それに接続された排出管と、排出管に設けられた安全弁とを備えている。タンク内に溜まった蒸発ガスによってタンク内の圧力が所定の圧力を超えると、安全弁が開いて蒸発ガスが排出管を通って外に排出される。特許文献１には、蒸発ガスが水にされてから排出されることが記載されている。

特開２００９−１２７６３２号公報

タンク内の蒸発ガスを水にして排出する代わりに、タンクより高い位置で蒸発ガスをそのまま大気放出させる放出塔を設置しておくことが考えられる。しかし、タンク内で発生した蒸発ガスの温度は極めて低いため、放出塔が一般的な配管である場合に、放出塔の周りでは、空気が冷却されて液体空気が生成される虞がある。極低温の液体空気が生じると、放出塔を耐低温性にするなどの対策が必要になるため、液体空気の生成は抑制されることが望ましい。

そこで、本発明は、タンク内で発生した蒸発ガスを放出する放出塔の周りで液体空気が生成されるのを抑制することができるガス放出システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るガス放出システムは、液体水素を貯留するタンクと、上方へと延びる放出塔であって、その少なくとも上端部に、大気に開口した放出口が設けられた内管、及び前記内管との間に隙間をあけて前記内管の周りを覆う外管からなる二重管構造を有する放出塔と、前記タンク内で前記液体水素が気化した蒸発ガスを前記内管内に導く放出ラインと、前記内管と前記外管の間の前記隙間に、酸素の沸点より高い温度の水素ガス又はヘリウムガスである媒介ガスを供給するガス供給装置と、を備える。

上記の構成によれば、内管と外管の間の隙間に酸素の沸点より高い温度のガスが供給されるため、放出塔における二重管構造の部分の周りでは、液体空気が生成されるのを抑制することができる。更に、内管と外管の間の隙間には、水素ガス又はヘリウムガスである媒介ガスが供給されるため、当該隙間での液体空気の生成も抑制することができる。

上記のガス放出システムにおいて、前記放出塔は、前記放出口から前記蒸発ガスが放出される方向と同方向に前記媒介ガスを放出するように、前記放出口の周りで前記内管と前記外管の間の前記隙間を大気に開口するように構成されてもよい。この構成によれば、放出口から放出される蒸発ガスが、放出口の周りで蒸発ガスが放出される方向と同方向に放出される媒介ガスによりシールドされる。このため、放出口の近傍で液体空気が生成されるのを抑制することができる。

上記のガス放出システムにおいて、前記ガス供給装置は、加熱器と、前記タンクから前記加熱器に前記蒸発ガス又は前記液体水素を供給する第１供給ラインと、前記加熱器から前記内管と前記外管の間の前記隙間に前記媒介ガスを供給する第２供給ラインと、を備えてもよい。この構成によれば、内管と外管の隙間に供給する媒介ガスとして、タンク内の蒸発ガス又はタンクに貯留された液体水素を利用するため、ガス供給装置を簡易な構成で実現できる。

上記のガス放出システムは、前記放出ラインに設けられた開閉弁を備え、前記ガス供給装置は、前記タンク内の圧力が第１設定圧を超えた場合に、前記媒介ガスの供給を開始し、前記開閉弁は、前記タンク内の圧力が、前記第１設定圧より高い第２設定圧以下である場合に閉じており、前記タンク内の圧力が前記第２設定圧を超えた場合に開いてもよい。この構成によれば、内管内に蒸発ガスを導く前に、内管と外管の間の隙間に媒介ガスを供給し始めるため、内管内に蒸発ガスを導き始める際にも、確実に液体空気の生成を抑制することができる。

本発明によれば、タンク内で発生した蒸発ガスを放出する放出塔の周りで液体空気が生成されるのを抑制することができるガス放出システムを提供することができる。

（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るガス放出システムを備えた液体水素運搬船の概略側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す液体水素運搬船の概略平面図である。 図１に示す液体水素運搬船が備えるガス放出システムの概略構成図である。 （Ａ）は、変形例に係る液体水素運搬船の概略側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す液体水素運搬船の概略側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るガス放出システムを図面に基づいて説明する。

図１（Ａ）は、一実施形態に係るガス放出システムを備えた液体水素運搬船１の概略側面図であり、図１（Ｂ）は、液体水素運搬船１の概略平面図である。液体水素運搬船１の船体２には、図１に破線で示すように、水素ガスを液化した液体水素を貯留するタンク３が設けられている。

タンク３の上部は、船体２の上甲板２ａより上方に突出しており、上甲板２ａに設けられたタンクカバー２ｂに覆われている。図面では、船体２に設けられたタンク３を１つだけ示すが、船体２には複数個のタンク３が例えば船長方向に並ぶように設けられていてもよい。図１に示すように、上甲板２ａの船長方向後部には、航海中に操船を行うための船橋４が設けられている。

また、上甲板２ａの船長方向中央部には、上甲板２ａから上方へと延びる放出塔５が設けられている。放出塔５は、タンク３内で液体水素が気化した蒸発ガスを大気に放出する。本実施形態では、放出塔５は、鉛直方向に延びる略Ｉ字状であり、放出塔５の上端部には、上向きに大気に開口した放出口６が設けられている。タンク３から放出塔５の下端部に導かれた蒸発ガスは、放出塔５内を上昇し、放出口６から放出される。

図２は、液体水素運搬船１が備えるガス放出システム１０の概略構成図である。ガス放出システム１０は、タンク３内で発生した蒸発ガスによってタンク３内の圧力が予め設定した許容圧Ｐａ（本発明の「第２設定圧」）を超えるような万一の場合に、タンク３内の余分な蒸発ガスを放出塔５を通じて大気に放出するシステムである。なお、図２では、図の簡略化のため、放出塔５全体を示さず、放出塔５の上端部のみ示す。

ガス放出システム１０は、上述したタンク３及び放出塔５を備える他、液体水素が気化した蒸発ガスをタンク３から放出塔５に導く放出ライン１１と、放出ライン１１に設けられた第１開閉弁１２と、タンク３内の圧力Ｐを計測する圧力計１３と、第１開閉弁１２を制御する制御装置１４とを備える。

圧力計１３により計測された圧力値は、制御装置１４に送られる。制御装置１４は、圧力計１３から受け取った圧力値に応じて、第１開閉弁１２の開閉を行う。具体的には、圧力計１３により計測された圧力Ｐが許容圧Ｐａ以下である場合、第１開閉弁１２は閉じた状態にある。圧力計１３により計測された圧力Ｐが許容圧Ｐａを超えると、制御装置１４は、第１開閉弁１２を開く。これにより、タンク３内の蒸発ガスが放出ライン１１を通じて放出塔５に導かれ、タンク３内の圧力は下がる。

第１開閉弁１２が開かれた結果、圧力計１３により計測された圧力Ｐが許容圧Ｐａ又はそれより低い所定の圧力を下回ると、制御装置１４は第１開閉弁１２を閉じる。

但し、第１開閉弁１２は、電気式の弁でなくてもよく、機械式の弁でもよい。例えば、第１開閉弁１２は、タンク３内の圧力Ｐが許容圧Ｐａを超えた場合に流通を許可するばね式安全弁であってもよい。

本実施形態では、放出塔５は、その上端から下端にかけて、内管７とその周りを覆う外管８とからなる二重管構造を有する。上述の放出口６は内管７の上端部に設けられている。放出ライン１１を通じてタンク３から内管７の下端部に導かれた蒸発ガスは、内管７内を上昇して放出口６から放出される。外管８は、内管７との間に隙間Ｃをあけて設けられる。また、放出塔５の上端部には、外管８の上端部と内管７の上端部とにより形成された環状の開口部９が設けられている。当該開口部９は、放出口６と同じ方向に大気に開口している。

また、ガス放出システム１０は、内管７と外管８の間の隙間Ｃに、常温の水素ガスを供給するガス供給装置２０を備える。ガス供給装置２０は、外管８の周りで酸素や窒素が液化するのを抑制するための装置である。

即ち、水素の沸点は約−２５３℃であるため、放出ライン１１を通じて放出塔５に導かれる蒸発ガスの温度は、窒素の沸点（約−１９６℃）や酸素の沸点（約−１８３℃）などより低い場合がある。この場合、極低温の蒸発ガスが放出塔を流れる又は放出塔から放出されることによって、放出塔の周りでは、空気が冷却されて、液体空気が生成される虞がある。しかし、本実施形態では、ガス供給装置２０によって、蒸発ガスを導く大気に放出する内管７の周りに、酸素の沸点より温度である常温の水素ガスが供給されるため、放出塔５の周りで液体空気が生成されるのが抑制される。

本実施形態では、ガス供給装置２０は、加熱器２１と、タンク３から加熱器２１に蒸発ガスを供給する第１供給ライン２２と、加熱器２１から内管７と外管８の間の隙間Ｃに水素ガスを供給する第２供給ライン２３とを備える。

ガス供給装置２０の加熱器２１としては、例えばタンク３が空載時に当該タンク３を加温するためのウォームアップ用加熱器が用いられることが、システム全体を簡素化する観点からは望ましい。

本実施形態では、第１供給ライン２２の一端が、タンク３の上部に接続され、第１供給ライン２２の他端が、加熱器２１の入口に接続される。また、第２供給ライン２３の一端が、加熱器２１の出口に接続され、第２供給ライン２３の他端が、放出塔５の下端部、具体的には内管７の下端部と外管８の下端部の間に接続される。

第１供給ライン２２には、第２開閉弁２４が設けられている。第２開閉弁２４が開いている場合、第１供給ライン２２を通じて、タンク３から加熱器２１に蒸発ガスが導かれる。加熱器２１は、導かれた蒸発ガスを加熱して、蒸発ガスの温度を上昇させる。温度が上昇した蒸発ガスは、第２供給ライン２３を通じて放出塔５の隙間Ｃに導かれる。以下、放出ライン１１を通じて内管７内に導かれる蒸発ガスと区別するために、ガス供給装置２０により内管７と外管８の間の隙間Ｃに導かれる蒸発ガスを「媒介ガス」と称する。

ガス供給装置２０は、制御装置１４により制御される。即ち、制御装置１４は、ガス供給装置２０における第２開閉弁２４の開閉や加熱器２１の稼働の開始又は停止を制御する。但し、第２開閉弁２４は、制御装置１４により制御される電気式の弁でなくてもよく、機械式の弁でもよい。

次に、タンク３内のガス圧力が上昇した際のガス放出システム１０の動作について説明する。

制御装置１４には、許容圧Ｐａより低い設定圧（本発明の「第１設定圧」）Ｐｓが予め記憶されている。制御装置１４は、圧力計１３により計測された圧力Ｐが設定圧Ｐｓを超えた場合に、ガス供給装置２０に媒介ガスの供給を開始させる。

具体的には、制御装置１４は、圧力計１３により計測された圧力が設定圧Ｐｓを超えた場合に、加熱器２１の稼働を開始させるとともに、第２開閉弁２４を開く。これにより、内管７と外管８の間の隙間Ｃには、加熱器２１で加熱された媒介ガスが供給される。内管７と外管８の間の隙間Ｃに供給された媒介ガスは、放出塔５の下端部から上昇し、放出塔５の上端部の開口部９から大気に放出される。

タンク３内の圧力が更に上昇した結果、圧力計１３により計測された圧力Ｐが許容圧Ｐａを超えた場合に、制御装置１４は、第１開閉弁１２を開く。これにより、内管７内には、放出ライン１１を通じてタンク３から蒸発ガスが供給される。内管７内に供給された蒸発ガスは、放出塔５の下端部から上昇し、放出塔５の上端部の放出口６から大気に放出される。

このように、本実施形態では、タンク３内の圧力が許容圧Ｐａを超える前に、言い換えれば放出ライン１１を通じて内管７内に蒸発ガスを導く前に、ガス供給装置２０が内管７と外管８の間の隙間Ｃに媒介ガスを供給し始める。このため、内管７内に蒸発ガスを導き始める際にも確実に液体空気の生成を抑制することができる。

但し、第２開閉弁２４が開かれるタイミングは、第１開閉弁１２が開かれるタイミングと同じであってもよい。また、第１開閉弁１２を開く基準となるタンク３内の圧力は、許容圧Ｐａでなくてもよく、例えば許容圧Ｐａより低い圧力であってもよい。なお、本明細書において、許容圧Ｐａとは、タンク３内のガス圧として許容される上限の圧力又はその近傍の圧力を意味する。

極低温の蒸発ガスが流れる内管７は、ガス供給装置２０により供給された媒介ガスに覆われるため、放出塔５の周りの空気が内管７に触れて冷やされるのが抑制される。また、放出口６を取り囲む開口部９が、放出口６と同じ方向に大気に開口しているため、開口部９からは、放出口６から放出される蒸発ガスと同方向に媒介ガスが放出される。このため、放出口６から放出される蒸発ガスが開口部９から放出される媒介ガスによりシールドされる。このため、放出口６の近傍で液体空気が生成されるのを抑制することができる。

なお、媒介ガスは、放出塔５を上昇するにつれて内管７内を上昇する蒸発ガスに冷やされて温度が低下する。本実施形態では、加熱器２１の出口から出る媒介ガスの温度は、放出塔５内を上昇して開口部９に到達する際（隙間Ｃから放出される際）の媒介ガスの温度が酸素の沸点より低くならないように設定される。

以上説明したように、本実施形態のガス放出システム１０では、内管７と外管８の間の隙間Ｃに酸素の沸点より高い温度のガスが供給されるため、放出塔５の周りでは、液体空気が生成されるのを抑制することができる。

更に、内管７と外管８の間の隙間Ｃには媒介ガスとしての水素ガスが供給されるため、当該隙間Ｃでの液体空気の生成も抑制することができる。

また、本実施形態では、内管７と外管８の隙間に供給する媒介ガスとして、タンク内の蒸発ガスを利用するため、ガス供給装置２０を簡易な構成で実現できる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、タンク３や放出塔５の形状や配置等は、上記実施形態で示されたものに限定されない。例えば、上記実施形態では放出塔５が鉛直方向に延びる略Ｉ字状であったが、図３に示すように、放出塔５は、上甲板２ａから上方に延びる途中で分岐した略Ｙ字状に形成されてもよい。具体的には、図３に示す放出塔５は、上甲板２ａから上方に延びる延伸部５ａと、延伸部５ａの上端から船幅方向両側に分岐してそれぞれ斜め上方に延びる２つの分岐部５ｂを有する。各分岐部５ｂの上端部には、それぞれ大気に開口した放出口６が設けられており、放出塔５における内管７内を上昇した蒸発ガスは、各放出口６から大気に放出される。

また、上記実施形態では、内管７と外管８の間の隙間Ｃに媒介ガスとして常温の水素ガスが供給されたが、隙間Ｃに供給される媒介ガスの温度は、常温でなくてもよく、酸素の沸点より高い温度であればよい。また、媒介ガスは、水素ガスでなくてもよく、沸点が酸素のそれより低いヘリウムガスであってもよい。

また、上記実施形態では、放出塔５がその下端から上端にかけて二重管構造を有する構成であったが、放出塔５がその上端部のみ二重管構造を有する構成であってもよい。この場合、放出塔５における二重管構造の部分の周りでは、液体空気が生成されるのを抑制することができる。

また、上記実施形態では、放出塔５は、放出口６から蒸発ガスが放出される方向と同方向に隙間Ｃから媒介ガスを放出するように構成されていたが、放出塔５は、放出口６から蒸発ガスが放出される方向と異なる方向（例えば放出塔５の径方向内方又は外方）に隙間Ｃから媒介ガスを放出するように構成されてもよい。

また、上記実施形態では、放出塔５は、放出口６の周りに内管７と外管８の間の隙間Ｃを大気に開口する開口部９を有していたが、放出塔５は、隙間Ｃを大気に開口する開口部を有していなくてもよい。この場合、放出塔５の上端部まで上昇した媒介ガスを、放出塔５に別途設けられた配管を通じてガス供給装置２０に戻してもよい。

また、上記実施形態では、第１供給ライン２２がタンク３から加熱器２１に蒸発ガスを供給したが、第１供給ライン２２は、タンク３から加熱器２１に液体水素を供給してもよい。この場合、加熱器２１は、液体水素を気化させる気化器と、当該気化器で生成されたガスの温度を上昇させるための加温器を含む。

また、ガス供給装置２０は、放出塔５の隙間Ｃに供給する媒介ガスとして、タンク３内の蒸発ガスを加熱して利用したが、液体水素運搬船１に設けられた別のタンク又は装置から媒介ガスを放出塔５の隙間Ｃに供給してもよい。

また、本発明に係るガス放出システムは、液体水素運搬船に適用したものに限定されず、陸上設備にも適用可能である。即ち、ガス放出システムが備えるタンク及び放出塔は、陸上に設置されていてもよい。本発明に係るガス放出システムを陸上設備に適用する場合、当該ガス放出システムは、液体水素を貯留するタンクとは別に、媒介ガスを貯留するガスタンクをガス供給装置の一部として備えてもよく、当該ガスタンクから放出塔の内管と外管の間の隙間に供給してもよい。このガスタンクは、例えば液体水素を貯留するタンクで発生した蒸発ガスを貯留するバッファタンクであってもよい。

１ ：液体水素運搬船
３ ：タンク
５ ：放出塔
６ ：放出口
７ ：内管
８ ：外管
１０ ：ガス放出システム
１１ ：放出ライン
１２ ：第１開閉弁（開閉弁）
１３ ：圧力計
１４ ：制御装置
２０ ：ガス供給装置
２１ ：加熱器
２２ ：第１供給ライン
２３ ：第２供給ライン
Ｃ ：隙間
Ｐａ ：許容圧（第２設定圧）
Ｐｓ ：設定圧（第１設定圧）

Claims (4)

1. 船体又は陸上設備に設けられたガス放出システムであって、
   液体水素を貯留するタンクと、
   上方へと延びる放出塔であって、その少なくとも上端部に、大気に開口した放出口が設けられた内管、及び前記内管との間に隙間をあけて前記内管の周りを覆う外管からなる二重管構造を有する放出塔と、
   前記タンク内で前記液体水素が気化した蒸発ガスを前記内管内に導く放出ラインと、
   前記内管と前記外管の間の前記隙間に、酸素の沸点より高い温度の水素ガス又はヘリウムガスである媒介ガスを供給するガス供給装置と、を備える、ガス放出システム。
2. 前記放出塔は、前記放出口から前記蒸発ガスが放出される方向と同方向に前記媒介ガスを放出するように、前記放出口の周りで前記内管と前記外管の間の前記隙間を大気に開口するように構成された、請求項１に記載のガス放出システム。
3. 前記ガス供給装置は、加熱器と、前記タンクから前記加熱器に前記蒸発ガス又は前記液体水素を供給する第１供給ラインと、前記加熱器から前記内管と前記外管の間の前記隙間に前記媒介ガスを供給する第２供給ラインと、を備える、請求項１又は２に記載のガス放出システム。
4. 前記放出ラインに設けられた開閉弁を備え、
   前記ガス供給装置は、前記タンク内の圧力が第１設定圧を超えた場合に、前記媒介ガスの供給を開始し、前記開閉弁は、前記タンク内の圧力が、前記第１設定圧より高い第２設定圧以下である場合に閉じており、前記タンク内の圧力が前記第２設定圧を超えた場合に開く、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス放出システム。
   

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