WO2023047937A1 - 液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法 - Google Patents

液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法 Download PDF

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WO2023047937A1
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hydrogen
liquid hydrogen
heat exchanger
flow channel
temperature
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慎二 江頭
朝寛 鈴木
慶彦 鶴
涼馬 中森
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株式会社神戸製鋼所
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    • F17C2265/05—Regasification

Definitions

  • the present invention relates to a liquid hydrogen vaporizer and a production method for producing hydrogen.
  • Patent Literature 1 discloses an open-rack vaporizer that vaporizes a low-temperature liquefied gas by exchanging heat between the low-temperature liquefied gas and a heating fluid.
  • this open rack type vaporizer 600 includes heat exchange panels 612, 622 provided with a number of heat transfer tubes 614, 624, and a and a heat source medium supply unit provided with a trough (not shown) of.
  • the liquefied natural gas in the heat transfer tubes 614, 624 is vaporized by exchanging heat between the liquefied natural gas flowing in the heat transfer tubes and the seawater flowing down the outer surfaces of the heat transfer tubes 614, 624.
  • liquid hydrogen As an alternative fuel to liquefied natural gas is being considered for the purpose of reducing carbon dioxide emissions.
  • the liquefied hydrogen is heated to room temperature before being supplied to the power generator.
  • the temperature of liquid hydrogen 253°C
  • the temperature of liquefied natural gas -162°C. Therefore, when liquefied hydrogen is vaporized using an open-rack type vaporizer for liquefied natural gas, the thermal stress generated in the heat transfer tubes tends to increase, and the heated fluid tends to ice on the outer surfaces of the heat transfer tubes. becomes easier.
  • the object of the present invention is to suppress icing on the heat transfer tubes of an open rack heat exchanger while relieving thermal stress in the heat transfer tubes of a liquid hydrogen vaporizer.
  • the liquid hydrogen vaporizer in the present disclosure is a liquid hydrogen vaporizer that generates gaseous or supercritical hydrogen from liquid hydrogen by heat exchange with a heated fluid having a freezing point lower than that of seawater or industrial water.
  • An auxiliary heat exchanger for raising the temperature of liquid hydrogen, a heat transfer tube for flowing hydrogen, and a trough portion for supplying seawater or industrial water to the outer surface of the heat transfer tube, and hydrogen flowing out from the auxiliary heat exchanger is replaced by seawater or an open-rack type main heat exchanger that raises the temperature by exchanging heat with industrial water.
  • a liquid hydrogen vaporizer is a liquid hydrogen vaporizer that generates gaseous or supercritical hydrogen from liquid hydrogen, and includes a heat transfer tube for circulating hydrogen and seawater or industrial water on the outer surface of the heat transfer tube.
  • an open-rack type main heat exchanger having a trough portion for supplying industrial water and raising the temperature of hydrogen in the heat transfer tubes by heat exchange with seawater or industrial water; a main flow path connected to the main heat exchanger;
  • the split flow channel is connected to the main flow channel so that the heated hydrogen flowing through the first split flow channel and the liquid hydrogen flowing through the second split flow channel are merged and flowed into the main flow channel. ing.
  • the magnitude of the heat load of the heating fluid required to raise the temperature of liquid hydrogen in the auxiliary heat exchanger is smaller than the magnitude of the heat load of seawater or industrial water required to raise the temperature of hydrogen in the main heat exchanger.
  • the method for producing hydrogen in the present disclosure is a method for producing gaseous or supercritical hydrogen by raising the temperature of liquid hydrogen.
  • a method of generating hydrogen according to the present disclosure is a method of generating hydrogen in a gaseous or supercritical state by raising the temperature of liquid hydrogen. and a first heating step of raising the temperature of the liquid hydrogen in the first branch channel by heat exchange with a heating fluid in an auxiliary heat exchanger provided on the first branch channel. a merging step in which the hydrogen from the first branch flow channel and the liquid hydrogen from the second branch flow channel are combined and flowed into the main flow channel; and the hydrogen in the main flow channel flows into the heat transfer tubes of the main heat exchanger. and a second heating step of heating the hydrogen in the heat transfer tubes to a predetermined temperature by heat exchange with seawater or industrial water.
  • the magnitude of the heat load of the heating fluid for raising the temperature of liquid hydrogen in the first heating step is smaller than the magnitude of the heat load of seawater or industrial water for raising the temperature of hydrogen in the second heating step.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a liquid hydrogen vaporizer according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of a liquid hydrogen vaporizer according to a modification of the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a liquid hydrogen vaporizer according to a second embodiment
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a liquid hydrogen vaporizer according to a modification of the second embodiment
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a liquid hydrogen vaporizer according to a modification of the second embodiment
  • 1 is a schematic diagram of part of a conventional vaporizer for vaporizing liquefied natural gas
  • the liquid hydrogen vaporization apparatus 100 is an apparatus that uses a first heat source fluid and a second heat source fluid to raise the temperature of liquid hydrogen to generate gaseous or supercritical hydrogen.
  • Liquid hydrogen vaporizer 100 is also simply referred to as "vaporizer 100".
  • the vaporizer 100 as shown in FIG. and a connecting channel 140 to be connected.
  • the auxiliary heat exchanger 110 is an intermediate medium type heat exchanger that heats liquid hydrogen using an intermediate medium M1 that mediates heat exchange between the liquid hydrogen and the first heat source fluid. That is, in the first embodiment, the intermediate medium M1 functions as a heating fluid that raises the temperature of liquid hydrogen. Seawater or industrial water is used as the first heat source fluid. A fluid (for example, propane) having a freezing point lower than the freezing point of seawater or industrial water and a boiling point lower than the temperature of seawater or industrial water is used as the intermediate medium M1.
  • the auxiliary heat exchanger 110 includes an intermediate medium evaporating section E1 that evaporates a liquid intermediate medium M1 by heat exchange with the first heat source fluid, and a hydrogen heating section that vaporizes liquid hydrogen by heat exchange with the gaseous intermediate medium M1. E2 and.
  • the intermediate medium evaporating part E1 and the hydrogen heating part E2 share one hollow casing 112 . Therefore, in the casing 112, the intermediate medium M1 moves back and forth between the intermediate medium evaporating section E1 and the hydrogen heating section E2.
  • the casing 112 has a horizontally elongated shape and includes a pair of side walls 116 and 118 that constitute the casing 112.
  • the liquid intermediate medium M1 is stored in the lower part of the casing 112. As shown in FIG.
  • the intermediate medium evaporating section E1 and the hydrogen heating section E2 do not need to share one casing 112, but have separate casings (not shown), and both casings are connected to each other by a pipe through which the intermediate medium M1 flows. It may be a configuration that is In this case, the hydrogen heating section E2 is not limited to being positioned above the intermediate medium evaporating section E1.
  • the intermediate medium evaporating section E1 includes an inlet chamber 134 adjacent to one side wall 116, an outlet chamber 136 adjacent to the other side wall 118, and a number of heat transfer tubes 132 spanning between the inlet chamber 134 and the outlet chamber 136. , is equipped with Each heat transfer tube 132 extends in one direction and is arranged below the liquid level of the liquid intermediate medium M1 in the casing 112 .
  • the inlet chamber 134 is connected to an introduction pipe (not shown) provided with a pump or the like.
  • a first heat source fluid supplied to the inlet chamber 134 from the outside of the vaporizer 100 flows through the plurality of heat transfer tubes 132 to the outlet chamber 136 .
  • a discharge pipe (not shown) for discharging the first heat source fluid in the outlet chamber 136 from the vaporizer 100 is connected to the outlet chamber 136 .
  • the heat transfer tubes 132 of the intermediate medium evaporator E1 are arranged so as to pass through the liquid intermediate medium M1. Thereby, heat exchange is performed between the first heat source fluid flowing in the heat transfer tube 132 and the liquid intermediate medium M1.
  • the hydrogen heating section E2 includes an inlet chamber 124, an outlet chamber 126, and a large number of heat transfer tubes 122 that connect the inlet chamber 124 and the outlet chamber 126.
  • a supply pipe (not shown) is connected to the inlet chamber 124 to allow liquid hydrogen to flow in from the outside.
  • the inlet chamber 124 is positioned above the outlet chamber 136 of the intermediate medium evaporator E1, but is not limited to this position.
  • Each heat transfer tube 122 is formed in a substantially U shape, and the outlet chamber 126 is adjacent to the upper side of the inlet chamber 124 . Note that the heat transfer tube 122 does not need to be formed in a U shape, and may be configured by a straight tube, for example.
  • each heat transfer tube 122 is arranged above the liquid surface of the liquid intermediate medium M1 stored in the casing 112 . That is, each heat transfer tube 122 is positioned above the heat transfer tube 132 .
  • the outlet chamber 126 is connected with a connection flow path 140 for allowing hydrogen flowing out of the auxiliary heat exchanger 110 to flow into the main heat exchanger 150 .
  • Heat exchange is performed between the liquid hydrogen in the heat transfer tube 122 and the gaseous intermediate medium M1, and the hydrogen vaporized by the heat exchange with the gaseous intermediate medium M1 flows through the outlet chamber 126 into the connecting flow path 140. do.
  • the intermediate medium M1 liquefied by heat exchange with liquid hydrogen flows down to the intermediate medium evaporator E1 side inside the casing 112 .
  • the liquid hydrogen in the heat transfer tube 122 is heated to a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure by heat exchange with the gaseous intermediate medium M1.
  • the hydrogen heating unit E2 may be configured to heat the liquid hydrogen in the heat transfer tube 122 to a predetermined temperature below the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure.
  • the gaseous or supercritical hydrogen heated in the auxiliary heat exchanger 110 flows into the main heat exchanger 150 through the connecting channel 140 .
  • the main heat exchanger 150 is an open rack heat exchanger that heats hydrogen using seawater or industrial water as the second heat source fluid.
  • the main heat exchanger 150 includes a plurality of heat transfer tube panels 160 and a heat source fluid supply section 170 that supplies the second heat source fluid to each heat transfer tube panel 160 .
  • Each heat transfer tube panel 160 includes a large number of heat transfer tubes 166 (indicated by dashed arrows in FIG. 1) for circulating hydrogen, a lower header 162 connected to the lower end of each heat transfer tube 166, and each heat transfer tube 166. and a top header 164 connected to the top end.
  • These heat transfer tubes 166 extend vertically and are arranged in alignment on a vertical plane.
  • a metal material with high thermal conductivity such as aluminum or an aluminum alloy is used.
  • each lower header 162 The hydrogen that has flowed into each lower header 162 is distributed to multiple heat transfer tubes 166 connected to each lower header 162 . That is, in each heat transfer tube 166, gaseous or supercritical hydrogen flows from bottom to top. Hydrogen from each heat transfer tube 166 joins in each upper header 164 .
  • the heat source fluid supply section 170 includes a trough 171 arranged near the upper ends of the plurality of heat transfer tube panels 160 .
  • a trough 171 is provided for each heat transfer tube panel 160 so as to be adjacent to each heat transfer tube panel 160 .
  • Each trough 171 is elongated in the direction in which the heat transfer tubes 166 are arranged, and has a container shape with an open upper surface.
  • Each trough 171 is connected with a header 172 for introducing the second heat source fluid from the outside. The heat source fluid that has flowed into the trough 171 through the header 172 overflows out of the trough 171 through the opening on the upper surface of the trough 171 .
  • the second heat source medium overflowing from each trough 171 flows down along the outer surface of many heat transfer tubes 166 of each heat transfer tube panel 160 . Thereby, heat exchange is performed between the hydrogen inside the heat transfer tube 166 and the second heat source medium outside the heat transfer tube 166 .
  • hydrogen is heated to room temperature or a predetermined temperature by heat exchange with the second heat source fluid.
  • Hydrogen is discharged from the main heat exchanger 150 through the upper header 164 and supplied to an external hydrogen gas demand destination.
  • the second heat source fluid flowing down along the outer surface of the heat transfer tube 166 is discharged to the outside of the main heat exchanger 150 through an unillustrated drainage channel or the like.
  • the liquid hydrogen is supplied from the external liquid hydrogen supply source to the inlet chamber 124, and the liquid hydrogen is supplied from the external first heat source fluid supply source to the inlet chamber 134 of the intermediate medium evaporation section E1. is supplied with a first heat source fluid (seawater or industrial water).
  • the second heat source fluid is supplied from the external second heat source fluid supply source to the trough 171 of the heat source fluid supply section 170 .
  • the first heat source fluid supplied to the inlet chamber 134 of the intermediate medium evaporator E1 flows through the heat transfer tube 132 to the outlet chamber 136, and then is discharged to the outside. At this time, the first heat source fluid heats the liquid intermediate medium M1 stored in the casing 112 while flowing through the heat transfer tubes 132 . At least part of the liquid intermediate medium M1 is thereby evaporated.
  • the gaseous intermediate medium M1 in the casing 112 heats the liquid hydrogen in the heat transfer tubes 122 to a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure (first heating step).
  • the gaseous intermediate medium M1 of the hydrogen heating section E2 may heat the liquid hydrogen in the heat transfer tube 122 to a predetermined temperature below the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure.
  • the heated gaseous or supercritical hydrogen flows from outlet chamber 126 into connecting channel 140 .
  • the gaseous intermediate medium M1 cooled by the liquid hydrogen inside the heat transfer tube 122 condenses and liquefies, flows down the internal space inside the casing 112, and returns to the intermediate medium evaporating section E1.
  • the gaseous or supercritical hydrogen that has flowed into the connection flow path 140 is supplied through the lower header 162 of the main heat exchanger 150 into the heat transfer tubes 166 .
  • the hydrogen in the heat transfer tube 166 is heated by the second heat source fluid that is supplied from the trough 171 and flows down along the outer surface of the heat transfer tube 166, thereby raising the temperature of the hydrogen in the heat transfer tube 166 to room temperature or a predetermined temperature. (second heating step).
  • the gaseous or supercritical hydrogen heated to room temperature or a predetermined temperature is led out through the upper header 164 to an external hydrogen gas demand destination.
  • the auxiliary heat exchanger 110 for preheating the liquid hydrogen is provided as a pre-stage of the main heat exchanger 150, so that the temperature of the hydrogen flowing into the main heat exchanger 150 is It can be higher than the temperature of hydrogen. Therefore, in the main heat exchanger 150, it is possible to reduce the thermal stress applied to the heat transfer tubes 166 while suppressing the icing on the outer surfaces of the heat transfer tubes 166. Furthermore, by using a fluid having a freezing point lower than that of seawater or industrial water as the intermediate medium M1 of the auxiliary heat exchanger 110, icing on the outer surface of the heat transfer tubes 122 of the auxiliary heat exchanger 110 can be suppressed.
  • auxiliary heat exchanger 110 since liquid hydrogen from the outside is heated in the auxiliary heat exchanger 110, hydrogen having a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure can be introduced into the main heat exchanger 150. Therefore, an existing open rack type vaporizer for vaporizing liquefied natural gas can be utilized as the main heat exchanger 150 of the vaporizer 100 as well. In this case, the introduction cost of the vaporization device 100 can be reduced. In addition, since the auxiliary heat exchanger 110 and the main heat exchanger 150 are separate devices in the vaporization device 100, maintenance of each device can be performed more easily.
  • the auxiliary heat exchanger may not be an intermediate medium heat exchanger, but may be a microchannel heat exchanger in which many fine flow paths are formed.
  • a microchannel heat exchanger is a heat exchanger having a laminated body in which a plurality of first plates and a plurality of second plates are laminated, and a high-temperature flow path formed in the first plate allows a high-temperature A heat exchanger configured to exchange heat between a fluid and a cryogenic fluid flowing through cryogenic channels formed in the second plate.
  • auxiliary heat exchanger 210 configured by a microchannel heat exchanger, heat is exchanged between the first heat source fluid, which is a high-temperature fluid, and liquid hydrogen, which is a low-temperature fluid.
  • the first heat source fluid is a heating fluid for heating liquid hydrogen.
  • the first heat source fluid is a fluid (for example, propane) that has a freezing point lower than the freezing point of seawater or industrial water and a boiling point lower than the temperature of seawater or industrial water.
  • the auxiliary heat exchanger 210 includes a stack 212, an inlet header 216 and an outlet header 218 provided on the side of the stack 212, and an inlet header 226 provided on the bottom and an outlet header 226 on the top of the stack 212. 228 and .
  • the high temperature plate is formed with a meandering high temperature flow path 214 (indicated by solid arrows in FIG. 2) from an inlet header 216 to an outlet header 218 .
  • a first heat source fluid supplied from the outside flows through the high temperature flow path 214 from the inlet header 216 toward the outlet header 218 .
  • the cold plate is formed with a plurality of cold channels 224 (indicated by dashed arrows in FIG.
  • Liquid hydrogen supplied from an external liquid hydrogen source flows through a plurality of cryogenic channels 224 from inlet header 226 towards outlet header 228 .
  • heat exchange takes place between the first heat source fluid in the high temperature channel 214 and the liquid hydrogen in the low temperature channel 224 .
  • the liquid hydrogen in the low-temperature channel 224 is heated to a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure, becomes gaseous or supercritical, and flows out from the outlet header 228 to the connecting channel 240 .
  • the first heat source fluid in the low temperature flow path 224 cooled by liquid hydrogen is discharged to the outside through the outlet header 218 .
  • liquid hydrogen in the low temperature flow path 224 may be heated to a predetermined temperature below the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure.
  • the high-temperature flow path 214 is formed to meander and the low-temperature flow path 224 is formed to extend in one direction, but the configuration is not limited to this. Both the high temperature channel 214 and the low temperature channel 224 may meander, or both may be formed in a straight line.
  • the vaporization device 300 As shown in FIG. 3, the vaporization device 300 according to the second embodiment is provided with a branch flow passage 330 for branching the liquid hydrogen upstream of the main heat exchanger 150. This differs from the first embodiment in that the part is preheated by the auxiliary heat exchanger 310 .
  • the vaporization device 300 includes a supply channel 320 through which liquid hydrogen supplied from the outside flows, a branch channel 330 that divides the liquid hydrogen flowing through the supply channel 320, and is connected to the branch channel 330 and the main heat exchanger 150. and a main flow path 340 .
  • the branched flow channel 330 includes a first branched flow channel 332 connected to the supply flow channel 320, a second branched flow channel 334 connected to the supply flow channel 320 and formed by branching from the first branched flow channel 332, contains. Part of the liquid hydrogen that has flowed through the supply channel 320 is branched to the first branch channel 332, and the other part of the liquid hydrogen that has flowed through the supply channel 320 is branched to the second branch channel 334 (dividing step). .
  • a regulating valve 333 capable of controlling the flow rate of liquid hydrogen flowing through the second branched flow path 334 is provided in the second branched flow path 334 .
  • the first branched flow path 332 is provided with an auxiliary heat exchanger 310 that raises the temperature of the liquid hydrogen flowing through the first branched flow path 332 by heat exchange with the first heat source fluid supplied from the outside.
  • the auxiliary heat exchanger 310 includes a number of heat transfer tubes 312 (indicated by dashed arrows in FIG. 3) through which the liquid hydrogen from the first branch flow path 332 flows, and the first heat source fluid flows down the outer peripheral surfaces of the many heat transfer tubes 312. It is an open rack heat exchanger with a trough 314 that allows In the auxiliary heat exchanger 310 , seawater or industrial water is used as the first heat source fluid as in the main heat exchanger 150 .
  • Auxiliary heat exchanger 310 heats the liquid hydrogen in first branch flow path 332 to a predetermined temperature (first heating step).
  • Vaporizer 300 is configured such that the magnitude of the heat load applied to the first heat source fluid to process a unit flow of liquid hydrogen in auxiliary heat exchanger 310 is reduced to It is configured to be smaller than the magnitude of the heat load applied to the second heat source fluid. That is, when the same amount of hydrogen is supplied to each of auxiliary heat exchanger 310 and main heat exchanger 150, the supply flow rate of the first heat source fluid to auxiliary heat exchanger 310 is the same as that of main heat exchanger 150. It is configured to be larger than the supply flow rate of the two heat source fluids.
  • a pump for causing the first heat source fluid to flow into the auxiliary heat exchanger 310 is provided on the inlet side of the first heat source fluid in the auxiliary heat exchanger 310 .
  • this pump a larger flow rate of the first heat source fluid can be supplied to the auxiliary heat exchanger 310, so the heat load applied to the first heat source fluid for processing a unit flow rate of hydrogen in the auxiliary heat exchanger 310 is It's getting smaller. That is, this pump can deliver the first heat source fluid at a larger flow rate than a pump (not shown) that flows the second heat source fluid into the main heat exchanger 150 .
  • the vaporization device 300 is arranged such that the flow rate of the first heat source fluid supplied to the auxiliary heat exchanger 310 is greater than or equal to the flow rate of the second heat source fluid supplied to the main heat exchanger 150. It may be configured to be
  • the hydrogen that has flowed into the first branch flow channel 332 and is heated by the auxiliary heat exchanger 310 and the liquid hydrogen that has flowed into the second branch flow channel 334 flow into the main flow channel 340 and join together (merging step).
  • the hydrogen from the first branch flow channel 332 and the liquid hydrogen from the second branch flow channel 334 join together, so that the temperature in the main flow channel 340 is equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure. is produced.
  • gaseous or supercritical hydrogen having a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure is introduced from the main flow path 340 to the main heat exchanger 150 .
  • Hydrogen having a temperature equal to or lower than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure may be generated by merging the hydrogen from the first branched flow channel 332 and the liquid hydrogen from the second branched flow channel 334 .
  • the hydrogen supplied to the main heat exchanger 150 is heated to a predetermined temperature by heat exchange with the second heat source fluid (second heating step), as in the first embodiment. Hydrogen heated to a predetermined temperature is led out to an external hydrogen gas demand destination.
  • the auxiliary heat exchanger 310 by increasing the amount of supply of the first heat source fluid, compared to the main heat exchanger 150, the magnitude of the heat load applied to the first heat source fluid for processing liquid hydrogen is reduced. become smaller. Therefore, in the auxiliary heat exchanger 310 as well, it is possible to reduce the thermal stress applied to the heat transfer tubes 312 and suppress the icing on the outer surfaces of the heat transfer tubes. Further, as in the first embodiment, since hydrogen having a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure can be introduced into the main heat exchanger 150, an existing open rack type vaporizer for vaporizing liquefied natural gas can be used. can be utilized as the main heat exchanger 150. The temperature of the hydrogen introduced into the main heat exchanger 150 may be a temperature equal to or lower than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure.
  • the auxiliary heat exchanger 410 provided on the first branch flow path 432 is not an open rack type heat exchanger but an intermediate medium type heat exchanger. may be
  • the auxiliary heat exchanger 410 provided in the first branched flow path 432 of the branched flow path 430 is configured substantially the same as the auxiliary heat exchanger 110 in the first embodiment.
  • the auxiliary heat exchanger 410 includes an intermediate medium evaporating section E1 that evaporates the intermediate medium M1 accommodated in the casing by heat exchange with the first heat source fluid, and a first and a hydrogen heating part E2 that heats the liquid hydrogen in the split flow channel 432 .
  • the hydrogen in the first branch channel 432 heated by the auxiliary heat exchanger 410 flows into the main channel 440 and joins the liquid hydrogen from the second branch channel 434 before entering the main heat exchanger 150 .
  • auxiliary heat exchanger 410 of the first branch flow path 432 is not an intermediate medium heat exchanger, but a microchannel heat exchanger similar to the auxiliary heat exchanger 210 described in the modified example of the first embodiment. It may be configured by an exchanger.
  • an auxiliary heat exchanger 510 which is a microchannel heat exchanger, is provided in the first branched flow path 532 of the branched flow path 530 .
  • the liquid hydrogen that has flowed into the split flow channel 530 is heated in the auxiliary heat exchanger 510 by heat exchange with the first heat source fluid.
  • the liquid hydrogen vaporizer in the present disclosure is a liquid hydrogen vaporizer that generates gaseous or supercritical hydrogen from liquid hydrogen, and heats a heated fluid having a freezing point lower than that of seawater or industrial water. It has an auxiliary heat exchanger for raising the temperature of liquid hydrogen by exchange, a heat transfer tube for flowing hydrogen, and a trough portion for supplying seawater or industrial water to the outer surface of the heat transfer tube, and the hydrogen flows out from the auxiliary heat exchanger. and an open rack main heat exchanger for raising the temperature of hydrogen by heat exchange with seawater or industrial water.
  • the auxiliary heat exchanger for preheating the liquid hydrogen is provided as a pre-stage of the main heat exchanger, the hydrogen at a temperature higher than the temperature of the liquid hydrogen is transferred to the main heat exchanger. can flow into Therefore, in the main heat exchanger, it is possible to suppress the icing on the outer surface of the heat transfer tubes while relieving the thermal stress applied to the heat transfer tubes. Furthermore, since a fluid having a freezing point lower than the freezing point of water is used as the heating fluid for the auxiliary heat exchanger, the heating fluid is less likely to freeze, and icing in the auxiliary heat exchanger can be suppressed.
  • the auxiliary heat exchanger uses an intermediate medium as the heating fluid, and is an intermediate medium type heat exchanger that exchanges heat between liquid hydrogen and a heat source fluid supplied from the outside via the intermediate medium. It may be configured by an exchanger.
  • the intermediate medium type heat exchanger is provided with an intermediate medium evaporator that vaporizes at least part of the intermediate medium by heat exchange with the heat source fluid, and a heat transfer tube for flowing liquid hydrogen, and a hydrogen heating unit that raises the temperature of the liquid hydrogen in the heat transfer tubes by heat exchange with the vaporized intermediate medium.
  • an intermediate medium type heat exchanger using a heating medium as an intermediate medium is used as the auxiliary heat exchanger preceding the main heat exchanger.
  • seawater or industrial water can be used as the heat source fluid for heating and evaporating the intermediate medium.
  • the liquid hydrogen vaporizer includes a main flow path connected to the main heat exchanger and a branch flow path for dividing the liquid hydrogen supplied from the outside into which part of the liquid hydrogen supplied from the outside flows. and a second branch channel into which the other part of the liquid hydrogen supplied from the outside flows.
  • the auxiliary heat exchanger may be provided on the first branch flow path.
  • the split flow channel joins the hydrogen that has flowed into the first split flow channel and has been heated by the auxiliary heat exchanger and the liquid hydrogen that has flowed into the second split flow channel, and allows the liquid hydrogen to flow into the main flow channel. , may be connected to the main flow path.
  • the hydrogen split into the first split flow channel and heated by the auxiliary heat exchanger and the liquid hydrogen split into the second split flow channel are combined and flowed into the main flow channel, whereby the main heat is Hydrogen at a higher temperature than liquid hydrogen can flow into the exchanger. Therefore, in the main heat exchanger, it is possible to suppress the icing on the outer surface of the heat transfer tubes while relieving the thermal stress applied to the heat transfer tubes.
  • a liquid hydrogen vaporizer is a liquid hydrogen vaporizer that generates gaseous or supercritical hydrogen from liquid hydrogen, and includes a heat transfer tube for circulating hydrogen and a heat transfer tube on the outer surface of the heat transfer tube.
  • An open-rack type main heat exchanger having a trough portion for supplying seawater or industrial water, and for raising the temperature of hydrogen in the heat transfer tubes by heat exchange with seawater or industrial water, and a main heat exchanger connected to the main heat exchanger.
  • a channel, a first branch channel which is a branch channel for branching the liquid hydrogen supplied from the outside and into which a part of the liquid hydrogen supplied from the outside flows, and the other part of the liquid hydrogen supplied from the outside.
  • the branch flow channel is connected to the main flow channel so that the heated hydrogen flowing through the first branch flow channel and the liquid hydrogen flowing through the second branch flow channel are merged and flowed into the main flow channel.
  • the magnitude of the heat load of the heating fluid required to raise the temperature of liquid hydrogen in the auxiliary heat exchanger is smaller than the magnitude of the heat load of seawater or industrial water required to raise the temperature of hydrogen in the main heat exchanger.
  • the hydrogen split into the first split flow channel and heated by the auxiliary heat exchanger is merged with the liquid hydrogen split into the second split flow channel and flows into the main flow channel.
  • hydrogen having a higher temperature than liquid hydrogen can flow into the main heat exchanger. Therefore, in the main heat exchanger, it is possible to suppress the icing on the outer surface of the heat transfer tubes while relieving the thermal stress applied to the heat transfer tubes.
  • the heat load of the heating fluid in the auxiliary heat exchanger is smaller than the heat load of seawater or industrial water in the main heat exchanger. Can hold ice.
  • the liquid hydrogen vaporizer may be configured to generate hydrogen having a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure by heating the liquid hydrogen in the auxiliary heat exchanger.
  • the liquid hydrogen vaporizer has a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure due to the confluence of the hydrogen from the first branched flow channel and the liquid hydrogen from the second branched flow channel. It may be configured to generate hydrogen.
  • liquid hydrogen is heated by the auxiliary heat exchanger, and hydrogen having a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure is introduced into the main heat exchanger. Therefore, an open rack type vaporizer for vaporizing liquefied natural gas can be utilized as the main heat exchanger. In this case, the introduction cost of the liquid hydrogen vaporizer can be reduced.
  • the method of generating hydrogen in the present disclosure is a method of heating liquid hydrogen to generate gaseous or supercritical hydrogen.
  • the method includes a first heating step of raising the temperature of liquid hydrogen supplied from the outside by heat exchange with a heating fluid having a freezing point lower than that of seawater or industrial water in an auxiliary heat exchanger; a second heating step in which the hydrogen flowing out of the exchanger is allowed to flow into the heat transfer tubes of the main heat exchanger, and the hydrogen in the heat transfer tubes is heated to a predetermined temperature by heat exchange with seawater or industrial water; contains.
  • the method of generating hydrogen in the present disclosure is a method of heating liquid hydrogen to generate gaseous or supercritical hydrogen.
  • the method comprises a flow dividing step of dividing liquid hydrogen supplied from the outside into a first branch flow channel and a second branch flow channel, and an auxiliary heat exchanger provided on the first branch flow channel, wherein a first heating step of raising the temperature of the liquid hydrogen in the first branch flow channel by heat exchange; and a merging step of flowing hydrogen in the main flow path into the heat transfer tube of the main heat exchanger and heat-exchanging with seawater or industrial water to raise the temperature of the hydrogen in the heat transfer tube to a predetermined temperature. and a heating step.
  • the magnitude of the heat load of the heating fluid for raising the temperature of liquid hydrogen in the first heating step is smaller than the magnitude of the heat load of seawater or industrial water for raising the temperature of hydrogen in the second heating step.
  • the fluid obtained by combining the hydrogen and the liquid hydrogen may have a temperature equal to or higher than the boiling point of liquefied natural gas under normal pressure.
  • a liquid hydrogen vaporizer in a liquid hydrogen vaporizer, it is possible to reduce the thermal stress on the heat transfer tubes of an open rack heat exchanger while suppressing icing on the heat transfer tubes.

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Abstract

液体水素気化装置は、液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する。液体水素気化装置は、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、水素を流す伝熱管と伝熱管の外表面に海水又は工業用水を流下させるトラフとを有するオープンラック式の主熱交換器と、を備えている。主熱交換器は、補助熱交換器から流出した水素を、海水又は工業用水との熱交換により昇温させる。

Description

液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法
　本発明は、液体水素気化装置及び水素を生成する生成方法に関する。
　従来、天然ガスを燃料として用いる火力発電所等において、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の低温液化ガスを加熱流体である海水を用いて気化させるオープンラック式のガス気化装置（ＯＲＶ）が知られている。特許文献１には、低温液化ガスと加熱流体とを熱交換させることにより低温液化ガスを気化させるオープンラック式の気化装置が開示されている。図６に示すように、このオープンラック式の気化装置６００は、多数の伝熱管６１４，６２４が設けられた熱交換パネル６１２，６２２と、伝熱管６１４，６２４の外表面に海水を供給するためのトラフ（図示省略）が設けられた熱源媒体供給部と、を有している。この気化装置では、伝熱管内を流れる液化天然ガスを、伝熱管６１４，６２４の外表面を流下する海水と熱交換させることによって、伝熱管６１４，６２４内の液化天然ガスを気化させる。
　火力発電所等において、二酸化炭素の排出削減を目的として、液化天然ガスの代替燃料として液体水素を用いることが考えられている。この場合、液体水素は液化天然ガスと同様に、常温まで加熱された上で発電装置に供給される。しかし、液体水素の温度（－２５３℃）は液化天然ガスの温度（－１６２℃）よりも低い。このため、液化天然ガス用のオープンラック式の気化装置を用いて液体水素を気化させた場合、伝熱管で生ずる熱応力が大きくなり易くなるとともに伝熱管の外表面における加熱流体の着氷が生じ易くなる。
特開２０１７－４０２９６号公報
　本発明の目的は、液体水素気化装置において、オープンラック式の熱交換器の伝熱管での熱応力を緩和しつつ伝熱管への着氷を抑制することである。
　本開示における液体水素気化装置は、液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、水素を流す伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し前記補助熱交換器から流出した水素を海水又は工業用水との熱交換により昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、を備える。
　本開示における液体水素気化装置は、液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、水素を流通させるための伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し海水又は工業用水との熱交換により前記伝熱管内の水素を昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、前記主熱交換器につながる主流路と、外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路とを含む前記分流流路と、前記第１分流流路上に配置されており前記第１分流流路を流れる液体水素を加熱流体との熱交換により昇温させる補助熱交換器と、を備える。前記分流流路は、前記第１分流流路を流れる前記昇温した水素と、前記第２分流流路を流れる液体水素とを合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっている。前記補助熱交換器において液体水素の昇温に要する加熱流体の熱負荷の大きさは、前記主熱交換器において水素の昇温に要する海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい。
　本開示における水素を生成する方法は、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する方法であって、補助熱交換器において、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換により、外部から供給された液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記補助熱交換器から流出した水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含んでいる。
　本開示における水素を生成する方法は、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する方法であって、外部から供給された液体水素を第１分流流路と第２分流流路に分流させる分流工程と、前記第１分流流路上に設けられた補助熱交換器において、加熱流体との熱交換によって前記第１分流流路の液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記第１分流流路からの水素と、前記第２分流流路からの液体水素とを合流させて主流路に流す合流工程と、前記主流路の水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含んでいる。第１加熱工程における液体水素を昇温させるための加熱流体の熱負荷の大きさは、前記第２加熱工程における水素を昇温させるための海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい。
第１実施形態に係る液体水素気化装置の概略図である。 第１実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略図である。 第２実施形態に係る液体水素気化装置の概略図である。 第２実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略図である。 第２実施形態の変形例に係る液体水素気化装置の概略図である。 液化天然ガスを気化するための従来の気化装置の一部の概略図である。
実施形態
　以下、添付図面を参照しながら、実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
　（第１実施形態）
　第１実施形態に係る液体水素気化装置１００は、第１熱源流体及び第２熱源流体を用いて、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する装置である。液体水素気化装置１００は、単に「気化装置１００」とも称する。気化装置１００は、図１に示すように、補助熱交換器１１０と、補助熱交換器１１０の下流側に配置された主熱交換器１５０と、補助熱交換器１１０及び主熱交換器１５０を接続する接続流路１４０とを備えている。
　補助熱交換器１１０は、液体水素と第１熱源流体との間で熱交換を媒介する中間媒体Ｍ１を用いて、液体水素を加熱する中間媒体式の熱交換器によって構成されている。すなわち、第１実施形態では、中間媒体Ｍ１が液体水素を昇温させる加熱流体として機能する。第１熱源流体には、海水又は工業用水が用いられる。中間媒体Ｍ１には、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有し且つ海水又は工業用水の温度より低い沸点を有する流体（例えば、プロパン）が用いられる。
　補助熱交換器１１０は、第１熱源流体との熱交換により液状の中間媒体Ｍ１を蒸発させる中間媒体蒸発部Ｅ１と、ガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により液体水素を気化させる水素加熱部Ｅ２と、を備えている。中間媒体蒸発部Ｅ１と水素加熱部Ｅ２は、１つの中空状のケーシング１１２を共有している。このため、ケーシング１１２内において、中間媒体Ｍ１が中間媒体蒸発部Ｅ１と水素加熱部Ｅ２との間で行き来する。ケーシング１１２は、水平方向に長い形状であり、ケーシング１１２を構成する一対の側壁１１６，１１８を含んでおり、ケーシング１１２の下部には液状の中間媒体Ｍ１が貯溜されている。なお、中間媒体蒸発部Ｅ１と水素加熱部Ｅ２は、１つのケーシング１１２を共有している必要はなく、別個のケーシング（図示省略）を有するとともに、両ケーシングが中間媒体Ｍ１が流れる管によって互いに接続された構成であってもよい。この場合、水素加熱部Ｅ２は中間媒体蒸発部Ｅ１の上方に位置している構成に限られない。
　中間媒体蒸発部Ｅ１は、一方の側壁１１６に隣接する入口室１３４と、他方の側壁１１８に隣接する出口室１３６と、入口室１３４と出口室１３６間に架け渡された多数の伝熱管１３２と、を備えている。各伝熱管１３２は一方向に延びており、ケーシング１１２内の液状の中間媒体Ｍ１の液面よりも下方に配置されている。入口室１３４には、ポンプ等が設けられた図略の導入管が接続されている。気化装置１００の外部から入口室１３４に供給された第１熱源流体が、複数の伝熱管１３２を通じて、出口室１３６に流れる。出口室１３６には、出口室１３６内の第１熱源流体を気化装置１００から排出する図略の排出管が接続されている。
　中間媒体蒸発部Ｅ１の伝熱管１３２は、液状の中間媒体Ｍ１内を通過するように配置されている。これにより、伝熱管１３２内を流れる第１熱源流体と液状の中間媒体Ｍ１との間で熱交換が行われる。
　水素加熱部Ｅ２は、入口室１２４と、出口室１２６と、入口室１２４と出口室１２６とを連通する多数の伝熱管１２２と、を備えている。入口室１２４には、外部から液体水素を流入させる図略の供給管が接続されている。入口室１２４は、中間媒体蒸発部Ｅ１の出口室１３６の上方に位置しているが、この位置に限られない。各伝熱管１２２は略Ｕ字状に形成されており、出口室１２６は、入口室１２４の上側に隣接している。なお、伝熱管１２２はＵ字状に形成されている必要はなく、例えば直管によって構成されていてもよい。この場合、入口室１２４及び出口室１２６は、上下方向に隣接するのではなく、一方が対向する側壁１１６，１１８の一方に隣接し、他方が対向する側壁１１６，１１８の他方に隣接するように配置される。各伝熱管１２２は、ケーシング１１２内に貯溜されている液状の中間媒体Ｍ１の液面よりも上方に配置されている。つまり、各伝熱管１２２は、伝熱管１３２よりも上方に位置している。
　出口室１２６には、補助熱交換器１１０から流出した水素を主熱交換器１５０に流入させるための接続流路１４０が接続されている。
　伝熱管１２２内の液体水素とガス状の中間媒体Ｍ１との間で熱交換が行われ、ガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により気化した水素は、出口室１２６を通じて接続流路１４０に流入する。液体水素との熱交換により液化した中間媒体Ｍ１は、ケーシング１１２内の中間媒体蒸発部Ｅ１側に流れ落ちる。
　水素加熱部Ｅ２において、伝熱管１２２内の液体水素は、ガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで昇温する。なお、水素加熱部Ｅ２は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで昇温するように構成されていてもよい。補助熱交換器１１０において加熱されたガス状又は超臨界状態の水素は、接続流路１４０を通じて、主熱交換器１５０に流入する。
　主熱交換器１５０は、第２熱源流体としての海水又は工業用水を用いて水素を加熱するオープンラック式の熱交換器である。主熱交換器１５０は、複数の伝熱管パネル１６０と、各伝熱管パネル１６０に第２熱源流体を供給する熱源流体供給部１７０と、を備えている。
　各伝熱管パネル１６０は、水素を流通させるための多数の伝熱管１６６（図１において破線矢印で示す）と、各伝熱管１６６の下端部に接続された下部ヘッダ１６２と、各伝熱管１６６の上端部に接続された上部ヘッダ１６４と、を有する。これらの伝熱管１６６は、上下方向に延びており且つ垂直平面上に整列して配置されている。各伝熱管１６６の材料には、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導率の高い金属材料が用いられる。
　各下部ヘッダ１６２内に流入した水素は、それぞれの下部ヘッダ１６２に接続された多数の伝熱管１６６に分配される。すなわち、各伝熱管１６６では、ガス状又は超臨界状態の水素が、下から上に向かって流れる。各上部ヘッダ１６４では、各伝熱管１６６からの水素を合流させる。
　熱源流体供給部１７０は、複数の伝熱管パネル１６０の上端部近傍に配置されたトラフ１７１を含んでいる。トラフ１７１は、各伝熱管パネル１６０に隣接するように、各伝熱管パネル１６０毎に設けられている。各トラフ１７１は、伝熱管１６６の並ぶ方向に長い形状であり且つ上面が開口した容器状である。各トラフ１７１には、外部から第２熱源流体を流入させるためのヘッダ１７２が接続されている。ヘッダ１７２を通してトラフ１７１内に流入した熱源流体は、トラフ１７１上面の開口からトラフ１７１外にあふれ出す。
　主熱交換器１５０では、各トラフ１７１からあふれ出た第２熱源媒体が、各伝熱管パネル１６０の多数の伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちる。これにより、伝熱管１６６内の水素と伝熱管１６６の外側の第２熱源媒体との間で熱交換が行われる。主熱交換器１５０では、第２熱源流体との熱交換により、水素が常温又は所定の温度まで加熱される。水素は、上部ヘッダ１６４を通じて主熱交換器１５０から導出され、外部の水素ガス需要先に向けて供給される。伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちた第２熱源流体は、図略の排水路等により主熱交換器１５０外に排出される。
　（運転動作）
　液体水素気化装置１００の補助熱交換器１１０では、外部の液体水素供給源から入口室１２４に液体水素が供給されるとともに、外部の第１熱源流体供給源から中間媒体蒸発部Ｅ１の入口室１３４に第１熱源流体（海水又は工業用水）が供給される。一方、主熱交換器１５０では、外部の第２熱源流体供給源から熱源流体供給部１７０のトラフ１７１に第２熱源流体（海水又は工業用水）が供給される。
　中間媒体蒸発部Ｅ１の入口室１３４に供給された第１熱源流体は、伝熱管１３２を通じて出口室１３６に流れた後、外部に排出される。このとき、第１熱源流体は、伝熱管１３２を流れつつ、ケーシング１１２に貯溜されている液状の中間媒体Ｍ１を加熱する。これにより液状の中間媒体Ｍ１の少なくとも一部が蒸発する。
　水素加熱部Ｅ２の入口室１２４に供給された液体水素は、伝熱管１２２に流入する。このとき、ケーシング１１２内のガス状の中間媒体Ｍ１は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで加熱する（第１加熱工程）。なお、水素加熱部Ｅ２のガス状の中間媒体Ｍ１は、伝熱管１２２内の液体水素を、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで加熱してもよい。加熱されたガス状又は超臨界状態の水素は、出口室１２６から接続流路１４０に流入する。一方で、伝熱管１２２内の液体水素により冷やさたガス状の中間媒体Ｍ１は、凝縮して液化し、ケーシング１１２内の内部空間を流れ落ち、中間媒体蒸発部Ｅ１に戻る。
　接続流路１４０に流入したガス状又は超臨界状態の水素は、主熱交換器１５０の下部ヘッダ１６２を通じて、伝熱管１６６内に供給される。伝熱管１６６内の水素は、トラフ１７１から供給されて伝熱管１６６の外表面に沿って流れ落ちる第２熱源流体によって加熱され、これにより伝熱管１６６内の水素は、常温又は所定の温度まで昇温する（第２加熱工程）。常温又は所定の温度まで昇温したガス状又は超臨界状態の水素は、上部ヘッダ１６４を通じて、外部の水素ガス需要先に向けて導出される。
　このように構成された気化装置１００では、主熱交換器１５０の前段として液体水素を予熱する補助熱交換器１１０が設けられているため、主熱交換器１５０に流入する水素の温度を、液体水素の温度よりも高くすることができる。このため、主熱交換器１５０では、伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器１１０の中間媒体Ｍ１として、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する流体を用いることにより、補助熱交換器１１０の伝熱管１２２外表面への着氷も抑制できる。
　また本実施形態では、外部からの液体水素が補助熱交換器１１０において加熱されるため、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を主熱交換器１５０に導入できる。このため、液化天然ガスを気化するための既設のオープンラック式気化器を、気化装置１００の主熱交換器１５０としても活用できる。この場合、気化装置１００の導入コストを削減できる。また、気化装置１００は、補助熱交換器１１０と主熱交換器１５０とが別個の機器として構成されているため、各機器のメンテナンスがより容易に実施できる。
　（第１実施形態の変形例）
　第１実施形態の変形例について図２を参照しつつ説明する。第１実施形態の気化装置１００は、補助熱交換器が中間媒体式熱交換器ではなく、多数の微細な流路が形成されたマイクロチャネル式の熱交換器により構成されていてもよい。マイクロチャネル式の熱交換器とは、複数の第１プレートと複数の第２プレートとが積層された積層体を有する熱交換器であって、第１プレートに形成された高温流路を流れる高温流体と、第２プレートに形成された低温流路を流れる低温流体との間で熱交換させるように構成された熱交換器である。
　マイクロチャネル式の熱交換器により構成された補助熱交換器２１０では、高温流体である第１熱源流体と、低温流体である液体水素とが熱交換する。第１熱源流体は、液体水素を加熱するための加熱流体である。第１熱源流体には、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有し且つ海水又は工業用水の温度より低い沸点を有する流体（例えば、プロパン）が用いられる。
　補助熱交換器２１０は、積層体２１２と、積層体２１２の側面に設けられた入口ヘッダ２１６及び出口ヘッダ２１８と、積層体２１２の下面に設けられた入口ヘッダ２２６及び上面に設けられた出口ヘッダ２２８と、を有する。前記高温プレートには、入口ヘッダ２１６から出口ヘッダ２１８に向けて蛇行するように形成された高温流路２１４（図２において実線矢印で示す）が形成されている。外部から供給された第１熱源流体は、入口ヘッダ２１６から出口ヘッダ２１８に向けて高温流路２１４を流れる。前記低温プレートには、入口ヘッダ２２６から出口ヘッダ２２８に向けて一方向に延びて形成された複数の低温流路２２４（図２において破線矢印で示す）が形成されている。外部の液体水素供給源から供給された液体水素は入口ヘッダ２２６から出口ヘッダ２２８に向けて複数の低温流路２２４を流れる。このとき、高温流路２１４の第１熱源流体と低温流路２２４の液体水素との間で熱交換が行われる。これにより、低温流路２２４の液体水素は、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度まで加熱されてガス状又は超臨界状態となり、出口ヘッダ２２８から接続流路２４０に流れ出る。液体水素により冷やされた低温流路２２４の第１熱源流体は、出口ヘッダ２１８から外部に排出される。なお、低温流路２２４の液体水素は、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の所定の温度まで加熱されてもよい。図例では、高温流路２１４が蛇行するように形成され、低温流路２２４が一方向に延びるように形成されているが、この構成に限られない。高温流路２１４及び低温流路２２４の何れもが蛇行していてもよく、あるいは、何れもが直線状に形成されていてもよい。
　（第２実施形態）
　第２実施形態に係る気化装置３００は、図３に示すように、主熱交換器１５０の前段に液体水素を分流させる分流流路３３０が設けられており、外部から供給された液体水素の一部を補助熱交換器３１０により予熱する点において、第１実施形態とは異なっている。
　気化装置３００は、外部から供給された液体水素を流れさせる供給流路３２０と、供給流路３２０を流れる液体水素を分流する分流流路３３０と、分流流路３３０及び主熱交換器１５０に接続された主流路３４０と、を備えている。分流流路３３０は、供給流路３２０につながる第１分流流路３３２と、供給流路３２０につながるとともに第１分流流路３３２に対して分岐して形成された第２分流流路３３４と、を含んでいる。供給流路３２０を流れた液体水素の一部は第１分流流路３３２に分流され、供給流路３２０を流れた液体水素の他部は第２分流流路３３４に分流される（分流工程）。
　第２分流流路３３４には、第２分流流路３３４を流れる液体水素の流量を制御可能な調整弁３３３が設けられている。
　第１分流流路３３２には、外部から供給される第１熱源流体との熱交換により第１分流流路３３２を流れる液体水素を昇温させる補助熱交換器３１０が設けられている。補助熱交換器３１０は、第１分流流路３３２からの液体水素を流す多数の伝熱管３１２（図３において破線矢印で示す）と、多数の伝熱管３１２の外周面に第１熱源流体を流下させるトラフ３１４とを有するオープンラック式の熱交換器である。補助熱交換器３１０において、第１熱源流体には、主熱交換器１５０と同様に海水又は工業用水が用いられる。補助熱交換器３１０は、第１分流流路３３２の液体水素を所定の温度まで加熱する（第１加熱工程）。
　気化装置３００は、補助熱交換器３１０において単位流量の液体水素を処理するために第１熱源流体に加わる熱負荷の大きさが、主熱交換器１５０において単位流量の液体水素を処理するために第２熱源流体に加わる熱負荷の大きさよりも小さくなるように構成されている。すなわち、補助熱交換器３１０と主熱交換器１５０それぞれにおいて同じ熱量の水素が供給される場合において、補助熱交換器３１０への第１熱源流体の供給流量が、主熱交換器１５０への第２熱源流体の供給流量よりも大きくなるように構成されている。例えば、補助熱交換器３１０における第１熱源流体の入口側には、補助熱交換器３１０へ第１熱源流体を流入させるためのポンプ（図示省略）が設けられている。このポンプにより、より大きな流量の第１熱源流体を補助熱交換器３１０に供給することができるため、補助熱交換器３１０において単位流量の水素を処理するための第１熱源流体に加わる熱負荷は小さくなっている。つまり、このポンプは、主熱交換器１５０に第２熱源流体を流入させる図外のポンプよりも大きな流量で、第１熱源流体を送り出すことができる。なお、気化装置３００は、補助熱交換器３１０に供給される第１熱源流体の流量が、主熱交換器１５０に供給される第２熱源流体の流量よりも大きくなるように又は同等の流量になるように構成されていてもよい。
　第１分流流路３３２に流入して補助熱交換器３１０により加熱された水素と、第２分流流路３３４に流入した液体水素とは、主流路３４０に流入して合流する（合流工程）。
　気化装置３００では、第１分流流路３３２からの水素と、第２分流流路３３４からの液体水素と、が合流することにより、主流路３４０において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成される。これにより、主流路３４０から主熱交換器１５０には、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有するガス状又は超臨界状態の水素が導入される。なお、第１分流流路３３２からの水素と第２分流流路３３４からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の温度を有する水素が生成されてもよい。
　主熱交換器１５０に供給された水素は、第１実施形態と同様に、第２熱源流体との熱交換により、所定の温度まで加熱される（第２加熱工程）。所定の温度まで加熱された水素は外部の水素ガス需要先に向けて導出される。
　このように構成された気化装置３００では、第１分流流路３３２に流入して補助熱交換器３１０により昇温した水素が、第２分流流路３３４の液体水素と合流して主流路３４０に流入する。このため、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器１５０に流入させることができる。このため、主熱交換器１５０において、伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。
　さらに、補助熱交換器３１０では、第１熱源流体の供給量を大きくすることにより、主熱交換器１５０と比べて、液体水素を処理するために第１熱源流体に加わる熱負荷の大きさが小さくなる。このため、補助熱交換器３１０においても、伝熱管３１２に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。また、第１実施形態と同様に、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を主熱交換器１５０に導入できるため、液化天然ガスを気化するための既設のオープンラック式気化器を主熱交換器１５０として活用できる。なお、主熱交換器１５０に導入する水素の温度は、常圧下における液化天然ガスの沸点以下の温度であってもよい。
　（第２実施形態の変形例）
　気化装置３００は、図４に示すように、第１分流流路４３２上に設けられた補助熱交換器４１０が、オープンラック式の熱交換器ではなく中間媒体式の熱交換器によりに構成されていてもよい。
　分流流路４３０の第１分流流路４３２に設けられた補助熱交換器４１０は、第１実施形態における補助熱交換器１１０とほぼ同様に構成されている。補助熱交換器４１０は、ケーシング内に収容された中間媒体Ｍ１を第１熱源流体との熱交換により蒸発させる中間媒体蒸発部Ｅ１と、蒸発したガス状の中間媒体Ｍ１との熱交換により第１分流流路４３２の液体水素を加熱する水素加熱部Ｅ２とを有している。補助熱交換器４１０により加熱された第１分流流路４３２の水素は主流路４４０に流入して、第２分流流路４３４からの液体水素と合流した後に、主熱交換器１５０に流入する。
　この場合でも、第２実施形態と同様に、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器１５０に流入させられるため、主熱交換器１５０において伝熱管１６６に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管１６６外表面への着氷を抑制できる。
　なお、第１分流流路４３２の補助熱交換器４１０は、中間媒体式の熱交換器ではなく、第１実施形態の変形例で説明した補助熱交換器２１０と同様に、マイクロチャネル式の熱交換器により構成されていてもよい。この場合、図５に示すように、分流流路５３０の第１分流流路５３２には、マイクロチャネル式の熱交換器である補助熱交換器５１０が設けられている。分流流路５３０に流入した液体水素は補助熱交換器５１０において、第１熱源流体との熱交換により加熱される。
　今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　ここで、前記実施形態について概説する。
　（１）本開示における液体水素気化装置は、液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、水素を流すための伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し前記補助熱交換器から流出した水素を海水又は工業用水との熱交換により昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、を備える。
　このように構成された液体水素気化装置では、主熱交換器の前段として液体水素を予熱する補助熱交換器が設けられているので、液体水素の温度よりも高い温度の水素を主熱交換器に流入できる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器の加熱流体として、水の凝固点よりも低い凝固点を有する流体が用いられているので、加熱流体が凝固し難くなり、補助熱交換器における着氷を抑制できる。
　（２）前記補助熱交換器は、前記加熱流体としての中間媒体が用いられ、前記中間媒体を介して液体水素と外部から供給される熱源流体との間で熱交換を行う中間媒体式の熱交換器によって構成されていてもよい。この場合、前記中間媒体式の熱交換器は、前記熱源流体との熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を気化させる中間媒体蒸発部と、液体水素を流すための伝熱管が設けられ、前記気化した中間媒体との熱交換によって伝熱管内の液体水素を昇温させる水素加熱部と、を備えていてもよい。
　この態様では、主熱交換器の前段の補助熱交換器として、加熱媒体を中間媒体として用いた中間媒体式の熱交換器が用いられる。この場合、中間媒体を加熱して蒸発させる熱源流体として海水又は工業用水を用いることが可能となる。
　（３）前記液体水素気化装置は、前記主熱交換器につながる主流路と、外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路とを含む前記分流流路と、をさらに備えていてもよい。この場合、前記補助熱交換器は、前記第１分流流路上に設けられていてもよい。前記分流流路は、前記第１分流流路に流入して補助熱交換器により昇温した水素と、前記第２分流流路に流入した液体水素と、を合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっていてもよい。
　この態様では、第１分流流路に分流して補助熱交換器により昇温させた水素と、第２分流流路に分流した液体水素とを合流させて主流路に流入させることにより、主熱交換器に液体水素よりも高温の水素を流入させることができる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。
　（４）本開示における液体水素気化装置は、液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、水素を流通させるための伝熱管と前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し海水又は工業用水との熱交換により前記伝熱管内の水素を昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、前記主熱交換器につながる主流路と、外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路とを含む前記分流流路と、前記第１分流流路上に配置されており前記第１分流流路を流れる液体水素を加熱流体との熱交換により昇温させる補助熱交換器と、を備える。前記分流流路は、前記第１分流流路を流れる前記昇温した水素と前記第２分流流路を流れる液体水素とを合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっている。前記補助熱交換器において液体水素の昇温に要する加熱流体の熱負荷の大きさは、前記主熱交換器において水素の昇温に要する海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい。
　このように構成された液体水素気化装置では、第１分流流路に分流して補助熱交換器により昇温した水素を、第２分流流路に分流した液体水素と合流させて主流路に流入させる。これにより、液体水素よりも高温の水素を主熱交換器に流入させることができる。このため、主熱交換器において、伝熱管に加わる熱応力を緩和しつつ伝熱管外表面への着氷を抑制できる。さらに、補助熱交換器における加熱流体の熱負荷は主熱交換器における海水又は工業用水の熱負荷よりも小さいため、液体水素が導入される補助熱交換器においても、熱応力を緩和しつつ着氷を抑制できる。
　（５）前記液体水素気化装置は、前記補助熱交換器における液体水素の加熱により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されていてもよい。（６）また、前記液体水素気化装置は、前記第１分流流路からの水素と前記第２分流流路からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されていてもよい。
　これらの態様では、補助熱交換器により液体水素が加熱されて、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が主熱交換器に導入される。このため、液化天然ガスを気化するためのオープンラック式気化器を主熱交換器として活用できる。この場合、液体水素気化装置の導入コストを削減できる。
　（７）本開示における水素を生成する方法は、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する方法である。当該方法は、補助熱交換器において、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換により、外部から供給された液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記補助熱交換器から流出した水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含んでいる。
　（８）前記第１加熱工程において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を生成してもよい。
　（９）本開示における水素を生成する方法は、液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する方法である。当該方法は、外部から供給された液体水素を第１分流流路と第２分流流路に分流させる分流工程と、前記第１分流流路上に設けられた補助熱交換器において、加熱流体との熱交換によって前記第１分流流路の液体水素を昇温させる第１加熱工程と、前記第１分流流路からの水素と、前記第２分流流路からの液体水素とを合流させて主流路に流す合流工程と、前記主流路の水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含む。前記第１加熱工程における液体水素を昇温させるための加熱流体の熱負荷の大きさは、前記第２加熱工程における水素を昇温させるための海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい。
　（１０）前記合流工程において、前記水素と前記液体水素とを合流させた流体が常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有していてもよい。
　本開示によれば、液体水素気化装置において、オープンラック式の熱交換器の伝熱管での熱応力を緩和しつつ伝熱管への着氷を抑制できる。

Claims (10)

  1. 　液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、
    　海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換によって液体水素を昇温させる補助熱交換器と、
    　水素を流すための伝熱管と、前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し、前記補助熱交換器から流出した水素を海水又は工業用水との熱交換により昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、を備える、液体水素気化装置。
  2. 　前記補助熱交換器は、前記加熱流体としての中間媒体が用いられ、前記中間媒体を介して液体水素と外部から供給される熱源流体との間で熱交換を行う中間媒体式の熱交換器によって構成されており、
    　前記中間媒体式の熱交換器は、
    　前記熱源流体との熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を気化させる中間媒体蒸発部と、
    　液体水素を流すための伝熱管が設けられており、前記気化した中間媒体との熱交換によって伝熱管内の液体水素を昇温させる水素加熱部と、を備える、請求項１に記載の液体水素気化装置。
  3. 　前記主熱交換器につながる主流路と、
    　外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって、前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と、前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路と、を含む前記分流流路と、をさらに備え、
    　前記補助熱交換器は、前記第１分流流路上に設けられており、
    　前記分流流路は、前記第１分流流路に流入して前記補助熱交換器により昇温した水素と、前記第２分流流路に流入した液体水素と、を合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっている、請求項２に記載の液体水素気化装置。
  4. 　液体水素からガス状又は超臨界状態の水素を生成する液体水素気化装置であって、
    　水素を流通させるための伝熱管と、前記伝熱管の外表面に海水又は工業用水を供給するトラフ部とを有し、海水又は工業用水との熱交換により前記伝熱管内の水素を昇温させるオープンラック式の主熱交換器と、
    　前記主熱交換器につながる主流路と、
    　外部から供給された液体水素を分流させる分流流路であって、前記外部から供給された液体水素の一部を流入させる第１分流流路と、前記外部から供給された液体水素の他部を流入させる第２分流流路と、を含む前記分流流路と、
    　前記第１分流流路上に配置されており、前記第１分流流路を流れる液体水素を加熱流体との熱交換により昇温させる補助熱交換器と、を備え、
    　前記分流流路は、前記第１分流流路を流れる前記昇温した水素と、前記第２分流流路を流れる液体水素とを合流させて前記主流路に流入させるように、前記主流路につながっており、
    　前記補助熱交換器において液体水素の昇温に要する加熱流体の熱負荷の大きさは、前記主熱交換器において水素の昇温に要する海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい、液体水素気化装置。
  5. 　前記補助熱交換器における液体水素の加熱により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の液体水素気化装置。
  6. 　前記第１分流流路からの水素と前記第２分流流路からの液体水素との合流により、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素が生成されるように構成されている、請求項３又は請求項４に記載の液体水素気化装置。
  7. 　液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法であって、
    　補助熱交換器において、海水又は工業用水の凝固点よりも低い凝固点を有する加熱流体との熱交換により、外部から供給された液体水素を昇温させる第１加熱工程と、
    　前記補助熱交換器から流出した水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含む、ガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
  8. 　前記第１加熱工程において、常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有する水素を生成する、請求項７に記載のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
  9. 　液体水素を昇温させてガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法であって、
    　外部から供給された液体水素を第１分流流路と第２分流流路に分流させる分流工程と、
    　前記第１分流流路上に設けられた補助熱交換器において、加熱流体との熱交換によって前記第１分流流路の液体水素を昇温させる第１加熱工程と、
    　前記第１分流流路からの水素と、前記第２分流流路からの液体水素とを合流させて主流路に流す合流工程と、
    　前記主流路の水素を主熱交換器の伝熱管に流入させて、海水又は工業用水との熱交換により、前記伝熱管内の水素を所定の温度まで昇温させる第２加熱工程と、を含み、
    　前記第１加熱工程における液体水素を昇温させるための加熱流体の熱負荷の大きさが、前記第２加熱工程における水素を昇温させるための海水又は工業用水の熱負荷の大きさよりも小さい、ガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
  10. 　前記合流工程において、前記水素と前記液体水素とを合流させた流体が常圧下における液化天然ガスの沸点以上の温度を有している、請求項９に記載のガス状又は超臨界状態の水素を生成する生成方法。
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