JP7704840B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電解的に生成された酸素と水素を分離するための極低温システムにおいて使用するための熱交換器に関する。

最近、化石燃料に取って代わる燃料としての水素の効率的かつ費用対効果の高い製造が著しく活発になっており、その結果、安定して、費用対効果が高く、効率のよい電解技術の需要が指数関数的に増加している。例えば、太陽電池アレイの使用による太陽エネルギーの獲得は、多くの国で重要な電力源となっている。しかし、このようなアレイによる最大発電量は必ずしも需要と一致しないため、エネルギーの貯蔵が必要となる。蓄電池の使用はコストがかかり、比較的非効率であり、またその重量のために、道路及び鉄道車両にとって理想的な解決策ではなく、また充電のための間隔は重大な制限となる。途切れない太陽光と土地の利用可能性とを有するアレイの設置のために適切な場所は、必ずしも電気が必要とされる場所の近くにはないので、エネルギーの貯蔵は、より一層重要な問題となる。

水を水素と酸素に電気分解するためにソーラーアレイなどからの電気を使用することにより、例えば、工業プロセスで使用する酸素と共に、容易に輸送可能な燃料としての水素を製造することができる。これにより、太陽電池アレイを、居住地域から離れた場所であって、強い太陽光を受け、或いは生産には適さない土地に配置することが可能になる。

水素ガス発生のための電気分解システムは、国際公開第２０１４／１７０３３７Ａ１号及びＧＢ２５１５２９２Ａに記載されている。これらは混合気体流を生成し、次いで、混合気体流を、例えば酸素の極低温蒸留によって分離する必要がある。国際公開第２０１５／１１８０７３Ａ１号は、スタック（積層）セルを有し、電解質の流れを使用して気体を別々の流体回路によりそれぞれの脱気ユニットへ運び、生成された水素又は酸素を除去する代替的な構成を開示している。

混合気体流を生成する場合、極低温蒸留システムは、冷却された水素及び酸素流を使用するために、流入する混合気体流の温度を低下させるための熱交換器を必要とする。熱交換器は、以下の特性を必要とする。
１．３つの独立した別々のストリームの提供（ほとんどのものは２ストリームのユニットである）。
２．極低温（約７０Ｋ）での動作性。
３．動作時の耐圧性、真空容器内に収納した状態で内圧５０ｂａｒ（ｇ）以上。
４．流れと流れとの間の最大の熱伝達を確実にするために、全ての流れに乱流を提供する能力。
５．システム内の気体の内部爆発に耐える能力。
６．圧力・熱過渡現象全体を通じて完全に漏れのない状態。
７．製造が比較的簡単。
８．製造コストの低さ。

本発明は、平板なフローガイドプレートと熱伝達プレートとを交互にスタックして形成される複数のセルを含む熱交換器を提供し、各熱伝達プレートは、それを貫通する少なくとも３つの開口を有し、各開口は、熱交換器内の少なくとも３つの流体流路の各１つの一部分を画定し、各フローガイドプレートは、それを貫通すると共に少なくとも２つの流体流路に対応する開口と、それを貫通すると共に、残りの他の流路内の流体を、間にフローガイドプレートが位置する熱伝達プレートの面を渡って案内するように構成されたより大きい開口と、を有し、スタック内の連続するフローガイドプレートは、スタック内の先行するフローガイドプレートとは異なる流体流路の一部を構成する。

セルの少なくともいくつかは、乱流誘発マトリックスをその中に含むことができる。マトリックスは、セル内に溶接又は織物メッシュインサート、又はセルがその間に画定される熱伝達プレートのうちの少なくとも１つの表面上の形成物を含むことができる。

プレートは、ステンレス鋼から適切に形成され、好ましくは、銅ろう付けによって互いに接合される。ステンレス鋼は、銅と同様の線熱膨張係数を有する３１６Ｌステンレス鋼が好適である。プレートは、平面視では概ね長方形であってよいが、他の外形を採用することもできることを理解されたい。

一対のエンドプレートが適切に設けられ、その間にプレートのスタックが挟持され、エンドプレートはそれを貫通する流れ接続部を有する。

スタック内のセルは、３つの流路の間で均等に分割される必要はない。例えば、酸素の熱伝導率は水素の熱伝導率よりも小さいため、酸素の還流路を水素のそれよりも長くすることが望ましい場合がある。あるいは、またはさらに、セルの内部配置は、異なる熱伝導率を考慮に入れて変更されてもよい。

スタックの長さに沿って各流路内の熱伝達プレートの面を渡る流れの方向を変えるために、スタックにセルの配向を逆にすることが望ましい場合がある。

本発明の熱交換器は、混合気体流から複数の気体を分離する際に使用できるように、３つ以上の流路を取り扱うように構成することができ、例えば、水の加水分解から生成される水素と酸素の分離装置に使用することができる。

したがって、本発明の別の態様は、混合気体流から水素と酸素とを分離する装置を提供し、当該装置は、絶縁コンテナ内の液体窒素に少なくとも部分的に浸漬された凝縮コイルに接続される混合気体入口と、前記凝縮コイルに接続される液体酸素容器と、前記液体酸素容器からの水素ガス出口と、前記液体酸素容器に接続される酸素流制御バルブと、先行する請求項のいずれかに記載の熱交換器と、を備え、前記混合気体入口は熱交換器の第１の流路に接続され、前記水素ガス出口は熱交換器の第２の流路に接続され、前記酸素流制御バルブは熱交換器の第３の流路に接続される。

熱交換器は、好ましくは、液体窒素容器の上方の真空チャンバ内に取り付けられる。

混合気体流は、電気分解による水の分解によって発生させることができる。
図面により、本発明の実施形態を示す。

本発明による熱交換器で使用される一連のプレートの一例を示す。 図１に示された種類のプレートを組み込んだ完全な熱交換器の斜視図である。 熱交換器への組み立て前の、別の実施形態による一連のプレートの分解図である。 本発明の熱交換器を具体化した気体分離装置の図である。 図１に示されるものに対する代替的な一連のプレートを示す。 図１に示されるものに対する代替的な一連のプレートを示す。

まず図１を参照すると、熱交換器は、２つの一般的なタイプの一連の薄いプレート、すなわちフローガイドプレート１（典型的には厚さ約１．５ｍｍ～２．５ｍｍ）と、熱伝達プレート２（典型的には厚さ約０．５ｍｍ～１．５ｍｍ）とが交互にスタック（積層）されて形成されている。図に示された実施形態では、３つの異なるフローガイドプレート１ａ、１ｂ、１ｃと、３つの異なる熱伝達プレート２ａ、２ｂ、２ｃがあり、それぞれに貫通する開口を有し、各開口が熱交換器を通る３つの流体流路のうちの１つの一部分を形成する。図中、３つの流路に係る開口は、黒、灰、白の円でそれぞれ示されている。図１は、スタック内の１２枚の一連のプレートを示すが、その数はこれに限定されない。典型的な熱交換器は、流量が小さい場合は４８個のセルを含むことができ、より大きなシステムでは最大２００個以上のセルを含むことができる。図示の順序でプレートを見ると（これは説明のためであり、他の構成も可能である）、第１のフローガイドプレート１ａは、丸みを帯びた角部を有する概ね正方形のフレームの形態であり、各プレートは同一の外形を有する。フレームの一縁部は、フレームの一方の角部に第２経路の一部を形成する開口３と、他方の角部に第３流路の一部を形成する開口４を収容するように広げられている。フレーム内の領域５は、矢印によってそれらの間の流れの方向が示される黒い円として示される第１の流路のための離間配置された入口及び出口と整列するように成形されるが、入口及び出口は実際にはプレート１ａの一部を形成しない。

スタック内の次のプレート２ａは、熱伝達プレートであり、貫通する３つの開口３、４、及び６が設けられ、開口３、４はプレートの一縁部に隣接して、プレートがスタックされるとフローガイドプレート１ａの開口３及び４と整列し、他方の開口６は一方側で、第１のフローガイドプレート１ａの領域５内に開口し、熱交換器を通る第１の流路の一部を形成する。

フローガイドプレート１ｂは、スタック内の第３のプレートとされ、前段の熱伝達プレート２ａの開口３、６と整列する開口３、６を収容するために縁部が幅広とされたフレーム状とされている。フレームによって取り囲まれた空間領域７は、熱伝達プレート２ａの開口４と連通し、気体がプレートの面を渡って、先行する熱伝達プレートの開口４から正方形の反対側の角に隣接して位置する次の熱伝達プレート２ｂの開口４へ流れることを可能にする。

第３のフローガイドプレート１ｃは、フレームの一方側の中心にフレーム内に侵入するように位置する開口６と、フレームの反対側の角部であって、それに対応して幅が広くされた角部にある開口４と、を有するフレームの形状とされている。フレーム内の空間領域８は、先行する熱伝達プレート２ｂの開口３と、第３の熱伝達プレート２ｃの反対側の角部にある開口３と連通しており、この熱伝達プレート２ｃは、第３のフローガイドプレート１ｃの開口６に対応する開口６と、これと反対側の２つの角部にある開口３、４とを有している。

次の６つのプレートで同じ一連のフローガイドプレート１及び熱伝達プレート２が繰り返されるが、これらのプレートは、熱伝達プレートの面を渡る流れ方向が最初の６つのプレートに対して逆になるように反転される。次の６枚のプレートは最初の６枚のパターンに戻り、このパターンがスタック全体にわたって繰り返される。したがって、この特定の構成では、フローガイドプレートの３つの異なる設計と熱伝達プレートの３つの異なる設計のみを製造する必要があることが分かるであろう。

気体の流量に応じて、熱交換器スタック内のセルの数を実質的に変えることができる。

図２は、２つのエンドプレート２０と２１の間に組み立てられたプレートのスタックを示し、エンドプレート間に整列ピン２２が延出してプレートを整列状態に保持し、ねじ付きタイロッド２３とナット２４とがアセンブリを挟持する。また、各エンドプレート２０、２１には、交換器内の３つの流路を外部の気体流路管に接続するための接続栓２５、２６、２７が設けられている。

この設計の熱交換器は、熱サイクル中に蓄積し、熱交換器の長さ全体にわたって勾配が生じ得る応力を回避するために、非常に類似した線熱膨張係数を有する材料を使用する。そのために、熱交換器は、３１６Ｌのステンレス鋼部品を用いて全体を構成し、その構成部品間に高温の銅ろう付け接合を施している。３１６Ｌステンレススチールと銅とは、いずれも線熱膨張率が約１６×１０^－６ｍｍ／℃であり、これらの用途での協働使用に適している。

ユニットが水素製造システムに要求される圧力で作動するためには、熱交換器は適切な壁厚で構成されなければならない。この要件は、気体輸送システム内の任意の点での爆発に耐え、爆発に関連する半径外側方向の力に抵抗する必要性によって、より一層大きくなる。

同様に、このユニットは、このような条件下での線形セル間分離力に耐えるように設計されなければならない。これは、ユニットの各接合部において、相当な厚さのエンドプレート及びタイロッドによって補助された、相当面積の高信頼性ろう付けインタフェースを必要とする。また、各フローガイドプレートと各熱伝達プレートとの間には、最終的にユニットを接合する高温真空ろう付け工程において、ステンレス鋼板同士の高強度接合を形成する銅箔が予め形成されている。

各気体通路の各端部のコネクタは、上述の圧力及び圧力スパイクに故障なく耐えることが必要とされる。これは即ち、熱交換器のエンドプレートと各コネクタとの接合部の完全性を同様に高くする必要がある。このようなコネクタは、嵌合技術に依存して、構造がねじ式であっても管状であってもよい。

熱伝達を改善するために、セルは、気体が自由に流れることができる一方でより大きな乱流を生じさせる金属製のマトリックスを有してもよい。これは、溶接又は織物メッシュ形態であってもよく、又はセルプレートの外面に直接組み付けられてもよい。図３に示されるように、形成されたインサート３０は、溶接又は織り構造とすることができるステンレス鋼メッシュから作製される。あるいは、熱伝達プレートは、同じ結果を得るために、プレス又はスタンピングによって組み付けられて形成される形態を有してもよい。

これらのインサートの機能は３つある。
ａ．インサートは、それらの外形を横切って通過する気体の乱流を生成し、それによって熱エネルギー伝達の潜在能力を増加させる。
ｂ．インサートは、熱伝達を改善するために気体に対する追加の表面積を提供する。
ｃ．インサートは、セル間に著しい差圧がある場合に、熱伝達プレートの変形に対する抵抗を提供する。

スタック内のフローマニホールド（連結管）の配向は、必要とされる場合には、特定の環境でのアセンブリに適応するように変更することができる。この構成のさらなる利点は、流体が気体であろうと液体であろうと、流体から流体への熱伝達率の差に対応するように、所与の気体流におけるセルの数を変えることができることである。

ここで図４を参照すると、本発明の熱交換器を使用する極低温システムの１つの構成は、液体窒素を収容するデュワーフラスコ４０を含む。フラスコ４０は、従来の方法でフラスコ内を低温に維持するためのコールドヘッド（ｃｏｌｅ ｈｅａｄ）４１を備えている。凝縮コイル４２は、その少なくとも大部分が液体窒素に浸漬され、液体酸素用の容器４３に通じている。気体のままである水素は、デュワーフラスコ４０の上方に位置する真空チャンバ４５内に取り付けられた熱交換器４４への第１の入口へと直接導かれる。液体酸素容器４３は、配管４６を介して真空チャンバ４５内のフロー制御バルブ４７と連通し、そこから出た気体の酸素が熱交換器への第２の入口へ導かれるようになっている。電解槽からの混合気体流は、その反対側の端部において交換器の第３の流路に入力される。

このような構成のユニットを真空容器に収納することで、ユニットの一側を室温に近づけ、他側を７０Ｋ～９０Ｋ（－２０３．１５℃～－１８３．１５℃）程度の極低温とした状態で、効率的な熱エネルギーの交換を行うことができる。本発明による熱交換器を備えるシステムの一例を図４に示し、ここでは液体窒素のデュワー瓶をコールドヘッドで冷却状態に維持している。液体窒素（ＬＮ）には、酸素を回収するための容器が浸漬されている。酸素がＬＮから冷却力を得て、コールドヘッドは温度を維持する。

上述の熱交換器は、デュワー瓶の上方の真空チャンバ内に位置し、水素及び酸素流を底部において取り込み、混合気体流を頂部から取り込む。流れがセルからセルへと通過するにつれて、熱エネルギーが伝達され、流入する流れは約７０Ｋ～９０Ｋに冷却され、流出する流れは周囲温度程度に温められ、それによって、デュワー瓶内のＬＮの温度を維持するのに必要な電力を絶対的最小限に低減する。そのため、電解水分解による水素・酸素製造の最初から最後までのプロセスの効率を最適化することができる。

３ストリーム熱交換器の他の設計及び構成を、上記のユニットから導出することができる。決定的な点として、本出願は、前述の基準で動作する熱交換器を極低温システムとの組み合わせで使用することを包含する。

以下の図において、混合気体流は、頂部から熱交換器に入り、それを通過して下方に移動し、混合気体流がセルからセルへと通過する際に冷却される。最後に、ＬＮ内に位置する凝縮コイルが気体流を冷却し、デュワー瓶の底部付近の酸素容器内に収集される酸素の９９％＋の分離を確実にする。

液体酸素は、Ｏ_２容器から、流入気体流と流出気体流との差圧によって押し戻され、液体Ｏ_２流制御バルブを通過し、その後、熱交換器の底部に入る。

同様に、水素流はＯ_２容器の頂部を出て熱交換器を通過する。他の設計の極低温システムを液化プロセスに使用することができるが、効率を最適化するためには３ストリーム熱交換器を必要とする。

図５、図６に示されるセルの構成では、４つの内部が異なって形成されたフローガイドプレート５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄと、３つの熱伝達プレート５１ａ、５１ｂ、５１ｃ（各４セル群で１つを２回使用）が採用されている。混合気体流は黒色のポート及び矢印で表され、酸素流は灰色のポート及び矢印で表され、水素は白色のポートで表される。図６は、一群のセルを形成する一連のプレートを示し、熱伝達プレート５１は、図の左側に配置されるフローガイドプレート５０の上に配置され、次の列の最初のものは、前の列の最後のもののすぐ上に配置される。各フローガイドプレートは、フレーム内に織物メッシュインサート５２と、フレームを貫通して別々の流路を画定する開口５３、５４、５５とを有するフレームの形態である。そのため、フローガイドプレート５０ａは、酸素流路の一部を構成する開口５３と、水素流路の一部を構成する開口５４と、を有し、フレーム内の領域は、隣接する熱伝達プレート５１ａの面を渡って混合気体流の流れを導くようになっている。熱伝達プレート５０ａは、貫通する３つの開口５３、５４、５５を有し、中央の開口５５は混合気体流を受け、この混合気体流は、次の２つのプレート５０ｂ、５１ｂの整列した開口５５を通過した後、一連の次のフローガイドプレート５０ａによって画定される空間に入り、混合気体流がその空間を逆方向に渡って流れるように第１のフローガイドプレートに対して９０°回転される。同様に、酸素流は、フローガイドプレート５０ｂによって画定されたセルを通過して流れ、次いでフローガイドプレート５０ｄを反対方向に渡って流れる。図６から分かるように、このように定義された一連の８つのセルでは、酸素流は混合気体流と熱交換し、一方、水素はその熱エネルギーを伝達することなく単に開口５４を通って流れる。したがって、熱交換器全体として、酸素が通過するセルよりも水素が通過するセルが少なく、水素よりも熱伝導率の低い酸素流からの熱交換が水素の熱交換と均衡するように、セルのグループを構成することができる。

Claims (11)

1. 電解的に生成された混合気体流から酸素及び水素を分離する極低温システムであって、
   前記極低温システムにおいて使用されるよう構成され、前記混合気体流と酸素及び水素との間の熱交換を行うよう構成された熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、
   平板なフローガイドプレートと熱伝達プレートとが交互に配置されたスタックにより形成される複数のセルを備え、
   各熱伝達プレートは、当該熱伝達プレートを貫通する少なくとも３つの開口を有し、各開口は、熱交換器内の少なくとも３つの流体流路の各１つの一部分を画定し、
   各フローガイドプレートは、当該フローガイドプレートを貫通すると共に少なくとも２つの流体流路に対応する開口と、当該フローガイドプレートを貫通すると共に、残りの他の流路内の流体を、間に当該フローガイドプレートが位置する熱伝達プレートの面を渡って案内するように構成されたより大きい開口と、を有し、
   スタック内の連続するフローガイドプレートは、スタック内の先行するフローガイドプレートとは異なる流体流路の一部を構成する、
   極低温システム。
2. 前記熱交換器は、前記平板なフローガイドプレートと前記熱伝達プレートとが交互に配置されたスタックを、タイロッドにより挟持する一対のエンドプレートを更に備える、請求項１に記載の極低温システム。
3. 前記タイロッドが、ねじ付きタイロッドであり、前記平板なフローガイドプレートと前記熱伝達プレートとが交互に配置されたスタックが、前記ねじ付きタイロッドとナットとにより挟持される、請求項２に記載の極低温システム。
4. 前記熱交換器は、前記エンドプレート間に延出し、各プレートを整列状態に保持する整列ピンを更に備える、請求項２又は請求項３に記載の極低温システム。
5. 前記エンドプレートは、当該エンドプレートを貫通する流れ接続部を有する、請求項２～４のいずれか一項に記載の極低温システム。
6. 前記熱交換器は、前記エンドプレートの各々に設けられ、前記熱交換器内の３つの流体流路を外部の気体流路管に接続するための接続栓を更に備える、請求項５に記載の極低温システム。
7. 前記スタック内の前記セルが、前記３つの流体流路の間で均等に分割されていない、請求項１～６のいずれか一項に記載の極低温システム。
8. 前記３つの流体流路は、１つの混合気体流路と、１つの水素流路と、１つの酸素流路と、を含み、前記混合気体流路及び前記酸素流路は、前記水素流路よりも長い、請求項１～７のいずれか一項に記載の極低温システム。
9. 前記流路のそれぞれにおける前記熱伝達プレートの面を渡る流れの方向が、前記スタックの長さに沿って変化する、請求項１～８のいずれか一項に記載の極低温システム。
10. 酸素流路に接続された液体酸素容器を備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の極低温システム。
11. 混合気体流路に接続された電解槽を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の極低温システム。