5.　サブタスク５　水素輸送・貯蔵技術の開発

5.1 大型水素液化設備の開発

5.1.1 研究開発目標

　前年度は水素液化プロセスとして、水素クロードサイクル及びヘリウムブレイトンサイ クルの検討を行った。水素クロードサイクルは、常温圧縮プロセスと低温圧縮プロセスに ついて検討しており、目標に定めた効率40％に対し、低温圧縮プロセスでは下回ることが 分かった。 　前年度検討したプロセスは、リサイクルラインで使用するガスが水素、ヘリウムで、共 に分子量が小さく圧縮するには不利であり、特に遠心式圧縮機では必要となる段数が相当 多くなる。
　そこで、本年度はリサイクルラインのガスに分子量の大きいものを使うプロセスとして 、ネオンブレイトンサイクル、混合冷媒サイクル、ネリウム（ネオンとヘリウムとの混合 ガス）ブレイトンサイクルの検討を実施した。

5.1.2 平成７年度の研究開発成果

5.1.2.1 プロセスの検討条件

　検討条件は昨年度と同じで次の通りである。

　　液化量　　　　　　　　：　300t/日
　　原料水素　　　　　　　：　1.05atm(0.106MPa)
　　液体窒素の原単位　　　：　0.5kWh/Nm³
　　膨張タービン断熱効率　：　85％（動力回収効率90％）
　　圧縮機断熱効率　　　　：　80％
　　オルソ・パラ変換　　　：　連続変換
　　目標プロセス効率　　　：　40％（液体水素原単位約0.9kWh/Nm³）

　尚、膨張タービン、熱交換器等への侵入熱および圧力損失についてはサイクル計算では 考慮していない。

5.1.2.2 プロセスの検討

　ネオンブレイトンサイクルの基本形のプロセスを図５−１−１に示す。本プロセスは、 寒冷として極低温のネオンガスを利用しているが、この他に減圧状態で液化させ潜熱も利 用したプロセス、液体ネオン温度以下の寒冷として水素リサイクルを組み込んだプロセス についても検討を行った。これらの中では、減圧状態で液化させるプロセスの効率が最も 高く47％であり、目標効率40％を充分クリアしている。但し、このプロセスでは圧力を 0.5atmとし、約25Ｋの液温を低動力で得られるよう低温排気ポンプを設置している。
　混合冷媒サイクルは、炭化水素を混合させ密度を高めることを目的としている。プロセ スフローを図５−１−２に示す。本プロセスは、水素クロード二段断熱膨張サイクル（常 温圧縮）をベースにしており、リサイクルラインの水素に炭化水素を次の容量比で混合さ せている。

　　　　　H２ : C₂H₆ : C₃H₈ : C₅H₁₂ = 85 : 6 : 5 : 4

　本プロセスで得られる効率は、純水素の水素クロード常温圧縮プロセスに比べるとプロ セス効率の差で2.4％程度低下することが分かった。また、本プロセスでは炭化水素の分 離が必要であり特に80Kレベルでの最終分離の検討が必要である。
　ネリウムブレイトンサイクルは、図５−１−１に示したネオンブレイトンサイクル基本 形をベースにしている。混合比は１：１を基準としネオンを40〜60％に変化させた場合の 検討も行った。その結果、ネオンブレイトンサイクルに比べプロセス効率は１％程度下が ることが分かった。また、ネオンの比率を40〜60％に変化させても効率に大きな変化は生 じなかった。
　水素液化ラインでは、オルソ・パラ変換を高圧ラインで行っているが、低圧ラインで逆 オルソ・パラ変換を行い効率の改善をネオンブレイトンサイクルと水素クロード常温圧縮 サイクルで検討した。しかし、低圧ラインの水素ガス量が少ない（BOGが少ない）ため、 効率は微増に留まった。 　各プロセスについての検討結果を表５−１−１に示す。

5.1.2.3 要素技術の開発

　重要要素機器では、圧縮機と膨張タービンの検討を水素クロードサイクル、ヘリウムブ レイトンサイクル及びネオンブレイトンサイクルに対して実施した。その結果それぞれプ ロセス検討で仮定した断熱効率に近い値が得られることが分かったが、水素の圧縮機は44 段の段数が必要であり、今後更なる検討を要し、膨張タービンについては今回考慮してい ない低温での侵入熱により、効率が低下するため、今後の要素機器開発により効率向上を 図る必要がある。
　検討結果を表５−１−２、表５−１−３に示す。

5.1.3 今後の進め方及び課題

　本年度の検討でネオンブレイトンサイクル、混合冷媒サイクルでも目標効率40％をクリ アすることが判明した。また、リサイクルラインのガスを混合（ネリウム、混合冷媒）し た場合は、純ガスに比べ効率は減少傾向にあることも判明した。一方、重要要素機器であ る圧縮機は仮定した効率が得られることが分かったが、膨張タービンについては効率向上 のため、更なる開発が必要である。
　今後はプロセスの選定を効率だけではなく、経済性等種々の要因を検討することで行い 、それによって決定したプロセスについて重要要素機器の問題も踏まえて、更に検討を行 う必要がある。