JP2011251916A - 有機ハイドライド脱水素システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電供給機器で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることのできる有機ハイドライド脱水素システムを提供する。
【解決手段】熱電供給機器８は熱を発生させ、当該熱をＭＣＨの脱水素反応に対して供給することができる。これによって、ＭＣＨの脱水素反応による水素の供給が可能となる。一方、熱電供給機器８は電気を発生させ、当該電気を水電解装置１２に対して供給することが可能である。このように熱電供給機器８で発生する電気で更に水素を得る事によって、熱電供給機器８の電気を有効に利用することができる。また、ＭＣＨの脱水素反応による水素のみならず、水電解装置１２による水素も得ることができるため、システム全体としての水素供給量を増加させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機ハイドライドを脱水素する有機ハイドライド脱水素システムに関する。

有機ハイドライドは常温では液体であり、ガソリンと同様な取り扱いを行うことが可能であるため、既存の設備を用いて安価に且つ効率的に輸送できるというメリットがある。しかしながら、脱水素反応が吸熱反応であるため、ステーション内で熱を供給するためのエネルギーが別途必要となってしまい、総合的に見てエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。ここで、従来のステーションとして、ステーション内に熱と電気を発生させることのできる熱電供給機器を設置したものが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。従来のステーションにおいて、熱電供給機器は、高温ガスを脱水素反応器へ供給することによって熱を供給し、発生させた電気をステーション内の機器に供給している。

特開２００４−１９７７０５号公報 特開２００６−２２１８５０号公報

しかしながら、上述のステーションにあっては、熱電供給機器で発生する電気が余剰となってしまい当該電気を有効に用いることができない場合があった。更に、ステーション内で供給することのできる水素の量を増やすために装置規模が大きくなるという問題があった。従って、従来より、熱電供給機器で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることのできる有機ハイドライド脱水素システムが求められていた。

そこで、本発明は、熱電供給機器で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることのできる有機ハイドライド脱水素システムを提供することを課題とする。

本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムは、有機ハイドライドを脱水素する有機ハイドライド脱水素システムであって、熱及び電気を発生させる熱電供給機器と、水を電気分解して水素を発生させる水電解装置と、を備え、熱電供給機器は、有機ハイドライドの脱水素反応に対して熱を供給すると共に、水電解装置に対して電気の供給が可能であることを特徴とする。

本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムにおいて、熱電供給機器は熱を発生させ、当該熱を有機ハイドライドの脱水素反応に対して供給することができる。これによって、有機ハイドライドの脱水素反応による水素の供給が可能となる。一方、熱電供給機器は電気を発生させ、当該電気を水電解装置に対して供給することが可能である。従って、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムは、熱電供給機器で発生した電気をシステム運転に用いると共に、余剰電気を水電解装置に供給して水素を更に得る事ができる。あるいは、熱電供給機器で発生した電気を主に水電解装置に供給して水素を更に得ることができる。このように熱電供給機器で発生する電気で更に水素を得る事によって、熱電供給機器の電気を有効に利用することができる。また、有機ハイドライドの脱水素反応による水素のみならず、水電解装置による水素も得ることができるため、システム全体としての水素供給量を増加させることが可能となる。すなわち、所定の水素供給量を得る場合に、従来のシステムよりも装置規模を小さくすることができる。以上によって、熱電供給機器で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることができる。

また、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムは、有機ハイドライドの脱水素反応による水素、及び水電解装置によって得られる水素を合わせて供給することが好ましい。このように、有機ハイドライドの脱水素反応による水素に対して、水電解装置による水素を追加することによって、有機ハイドライドを脱水素するための機器の負荷が低減される。

また、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムは、有機ハイドライドの脱水素反応による水素と、水電解装置によって得られる水素を異なる供給先へ供給することが好ましい。このように、有機ハイドライドの脱水素反応による水素の供給先と、水電解装置によって得られる水素の供給先とを分けることによって、水素の用途を分けることができる。すなわち、水電解装置による水素は、有機ハイドライドの脱水素反応による水素に比して不純物が少なく水素精製を行わなくとも燃料電池自動車などに供給することができる一方、脱水素反応による水素は水素精製を行わなくては燃料電池自動車などに供給することができない。両方の水素を合流させて用いる場合、精製が必要な供給先へ水素を供給するために、脱水素反応による水素を精製するための水素精製器を設ける必要が生じてしまう。そこで、家庭用燃料電池システム、業務用燃料電池システム、あるいは水素エンジン自動車などの精製されていない水素を用いることのできる供給先には、精製することなく脱水素反応による水素を供給し、燃料電池自動車などの精製された水素が必要な供給先には、水電解装置による水素を供給する。このように水素の性質に応じて供給先を分けることで、システム内における水素精製器を不要とすることができる。

また、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムは、水素の需要に基づいて水電解装置による水素の供給量を制御する制御手段を更に備えることが好ましい。これによって、需要量に応じた水素を供給することが可能となる。

また、具体的に、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムにおいて、熱電供給機器がＳＯＦＣまたはエンジン発電機である。

また、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムにおいて、具体的には、有機ハイドライドがメチルシクロヘキサンであり、その脱水素化物がトルエンである。

また、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムにおいて、有機ハイドライドに含有される水素は、再生可能エネルギーによる水素であることが好ましい。

本発明によれば、熱電供給機器で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることができる。

本発明の第一実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。 本発明の第三実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。 本発明の第四実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

[第一実施形態]
図１は、本発明の第一実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。有機ハイドライドは、製油所で大量に生産されている水素を芳香族炭化水素と反応させた水素化物である。有機ハイドライドは、ガソリンなどと同様に液体燃料としてローリーなどによって熱電供給型有機ハイドライドステーション（有機ハイドライド脱水素システム）１００へ輸送することができる。本実施形態では有機ハイドライドとして、メチルシクロヘキサン（以下、ＭＣＨと称する）を用いる。その他、有機ハイドライドとしてシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、ジメチルデカリン、エチルデカリンなど芳香物炭化水素の水素化物を適用することができる。熱電供給型有機ハイドライドステーション１００は、燃料電池自動車や水素エンジン車に水素を供給することができる。また、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００は、有機ハイドライド自動車に有機ハイドライドを供給してもよい。また、有機ハイドライドに含有される水素は、風力発電や太陽光発電、水力発電などによる再生可能エネルギーによる水素であることが好ましい。

図１に示すように、本実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００は、脱水素反応器２、水素精製器３、バッファタンク４、水素圧縮機５、蓄圧器６、ディスペンサ７、熱電供給機器８、ＭＣＨ供給装置９、燃料供給装置１０、制御装置１１、水電解装置１２を備えて構成されている。

脱水素反応器２は、脱水素触媒を用いた脱水素反応によってＭＣＨから水素を取り出すと共に、取り出した水素と脱水素化物であるトルエンを分離する機器である。脱水素反応は吸熱反応であるため、脱水素反応器２は熱電供給機器８から高温ガスを介して熱を供給される。脱水素反応器２は、取り出した水素を水素精製器３に供給し、分離されたトルエンを回収する。なお、脱水素反応器２は、熱電供給機器８から熱を供給されるのみならず、別途設けられたバーナーから更に熱を供給されてもよい。

水素精製器３は、脱水素反応器２で取り出された水素を精製する機器である。バッファタンク４は、精製された水素を貯留することのできるタンクである。水素圧縮機５は、バッファタンク４に貯留された水素を圧縮することのできる機器である。水素圧縮機５は、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００の中でも特に多くの電気が必要とされる機器である。蓄圧器６は、水素圧縮機５で圧縮された水素を高圧状態にて貯留しておくことのできる機器である。ディスペンサ７は、蓄圧器６に貯められている水素を燃料電池車などに供給することのできる機器である。

熱電供給機器８は、熱と電気を同時に供給することのできる機器であり、例えばＳＯＦＣやエンジン発電機を適用することができる。熱電供給機器８は、例えば、排ガス用の配管を介して脱水素反応器２と接続されている。これによって、熱電供給機器８は、脱水素反応器２に高温ガスを供給することによって、当該脱水素反応器２に熱を供給することができる。また、熱電供給機器８は、発生させた電力を水素圧縮機５、及び熱電供給型有機ハイドライドステーション１００の他の機器に供給することができる。（システム内では水素圧縮機５が特に消費電力が多いので、図においては水素圧縮機５にのみ電気供給の矢印が示される）なお、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００内の各機器は、外部の系統電力から電力を供給されることもできる。また、本実施形態においては、熱電供給機器８は、余剰電気を水電解装置１２へ供給する機能を有している。また、熱電供給機器８は、水素需要量に応じて余剰電気の一部（図中のラインＬ１へ電気を流す）を売電、あるいは蓄電することができる。なお、余剰電気を水電解装置１２へ流すこととしたが、状況に応じて、余剰ではない電気を水電解装置１２へ流してもよい。

ＭＣＨ供給装置９は、脱水素反応器２にＭＣＨを供給することのできる機器であり、ポンプなどによって構成されている。燃料供給装置１０は、熱電供給機器８に対して燃料を供給することのできる機器である。ＭＣＨ供給装置９及び燃料供給装置１０は、運転状況にあわせて供給量を制御することが可能である。

水電解装置１２は、水を電気分解して水素を発生させる機能を有している。水電解装置１２は、熱電供給機器８で発生した電気を用いる。また、水電解装置１２は、発生させた水素を水素圧縮機５へ供給する。これによって、水素圧縮機５にはＭＣＨの脱水素反応による水素と、水電解装置１２での電気分解による水素の両方を貯留することができる。水電解装置１２での電気分解による水素は、ＭＣＨの脱水素反応による水素に比して、不純物が少ない。従って、水電解装置１２は、水素精製器３を介することなく直接、水素を水素圧縮機５へ供給することができる。

制御装置１１は、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００の全体的な制御を行うことのできる装置である。制御装置１１は、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００内の各機器、及び図示されていない機器やセンサのぞれぞれと電気的に接続されており、システム内における入力信号を取得すると共に、各機器に対して制御信号を出力することができる。なお、図１においては制御装置１１と各機器の電気的な接続関係は省略されている。

本実施形態において、制御装置１１は、ステーション内の状況を把握し、ステーション内において必要とされる電気の量、及び必要とされている水素の需要量を取得する機能を有している。例えば、ステーション内における機器がどの程度の電気を必要としているかや、電気自動車に電気を供給するための蓄電器（不図示）の残りの電力を把握することができる。更に、制御装置１１は、熱電供給機器８が脱水素反応器２に供給するのに必要とされる熱量を取得する機能を有している。また、制御装置１１は、ステーション内において必要とされる電気の量に基づいて、熱電供給機器８の運転条件を設定する機能を有している。また、制御装置１１は、設定した運転条件にて熱電供給機器８の運転が行われるように、システム内の機器を制御する機能を有している。更に、制御装置１１は、水素の需要に基づいて水電解装置１２による水素の供給量を制御する機能を有している。すなわち、水素の需要量が多い場合は余剰電気の全て（あるいは多めに）が水電解装置１２へ供給されるように制御する。一方、水素の需要量が少ない場合は、余剰電気の一部（あるいは全て）がラインＬ１を介して売電、蓄電されるように制御する。

次に、本実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００の作用・効果について説明する。

脱水素反応器２での脱水素反応によって取り出された水素は、水素精製器３、バッファタンク４を介して水素圧縮機５へ供給され、当該水素圧縮機５において水電解装置１２からの水素と合流し、蓄圧器６に貯留されてディスペンサ７から外部の供給先へ供給される。水電解装置１２で発生した水素は、水素圧縮機５へ供給され、当該水素圧縮機５において脱水素反応による水素と合流し、蓄圧器６に貯留されてディスペンサ７から外部の供給先へ供給される。

本実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００において、熱電供給機器８は熱を発生させ、当該熱をＭＣＨの脱水素反応に対して供給することができる。これによって、ＭＣＨの脱水素反応による水素の供給が可能となる。一方、熱電供給機器８は電気を発生させ、当該電気を水電解装置１２に対して供給することが可能である。従って、熱電供給型有機ハイドライドステーション１００は、熱電供給機器８で発生した電気をシステム運転に用いると共に、余剰電気を水電解装置１２に供給して水素を更に得る事ができる。このように熱電供給機器８で発生する電気で更に水素を得る事によって、熱電供給機器８の電気を有効に利用することができる。また、ＭＣＨの脱水素反応による水素のみならず、水電解装置１２による水素も得ることができるため、システム全体としての水素供給量を増加させることが可能となる。すなわち、所定の水素供給量を得る場合に、従来のシステムよりも装置規模を小さくすることができる。以上によって、熱電供給機器８で発生する電気を有効に利用すると共に、装置規模を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００は、ＭＣＨの脱水素反応による水素、及び水電解装置１２によって得られる水素を合わせて供給することができる。このように、MCHの脱水素反応による水素に対して、水電解装置１２による水素を追加することによって、MCHを脱水素するための脱水素反応器２の負荷が低減される。

［第二実施形態］
図２は、本発明の第二実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。第二実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション（有機ハイドライド脱水素システム）２００において、熱電供給機器８は、発生させた電気をシステム運転のための機器へは供給せず、発生させた電気の全て（あるいは一部）を水電解装置１２へ供給する。制御装置１１は、水素の需要量に応じて電気の一部をラインＬ１を介して売電、蓄電することができる。第二実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション２００は、その他の構成については、第一実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００と同様である。これによって、第二実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション２００は、熱電供給機器８の電気を用いてより多くの水素を供給することが可能となる。

［第三実施形態］
図３は、本発明の第三実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。第三実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション（有機ハイドライド脱水素システム）３００は、脱水素反応による水素の供給先と、水電解装置１２による水素の供給先が異なっている点で、第一実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション１００と主に相違している。すなわち、脱水素反応による水素と水電解装置１２による水素は途中で合流することなく、互いに独立した供給ラインにて異なる供給先へ供給される。

脱水素反応器２で脱水素反応によって取り出された水素は、バッファタンク４へ貯留され、その後水素圧縮機５で圧縮されて蓄圧器６で貯留され、ディスペンサ７から供給される。このとき、第一実施形態とは異なり、脱水素反応による水素の供給ラインには水素精製器３が設けられていない。また、水素圧縮機５には脱水素反応による水素のみが供給され、水電解装置１２からの水素は供給されない。脱水素反応による水素は、ディスペンサ７を介して、精製されていない水素を供給することのできる供給先ＰＤ１へ供給される。このような供給先ＰＤ１は、例えば、水素エンジン自動車、業務用燃料電池、家庭用燃料電池である。なお業務用燃料電池や家庭用燃料電池へ水素を供給する際は、水素圧縮機５を介さずに、パイプライン（不図示）などを用いて供給することも可能である。

水電解装置１２による水素は、水素圧縮機１３で圧縮された後、蓄圧器１４で貯留され、ディスペンサ１５から供給される。水素圧縮機１３は水素圧縮機５とは別途設けられたものであり、蓄圧器１４は蓄圧器６とは別途設けられたものであり、ディスペンサ１５はディスペンサ７とは別途設けられたものである。水電解装置１２による水素は、ディスペンサ１５を介して、精製されている水素を供給する必要のある供給先ＰＤ２へ供給される。このような供給先ＰＤ２は、例えば、燃料電池自動車である。

このように、第三実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション３００において、脱水素反応による水素の供給先ＰＤ１と、水電解装置１２によって得られる水素の供給先ＰＤ２とを分けることによって、水素の用途を分けることができる。すなわち、水電解装置１２による水素は、ＭＣＨの脱水素反応による水素に比して不純物が少なく水素精製を行わなくとも燃料電池自動車などに供給することができる一方、脱水素反応による水素は水素精製を行わなくては燃料電池自動車などに供給することができない。両方の水素を合流させて用いる場合、精製が必要な供給先へ水素を供給するために、脱水素反応による水素を精製するための水素精製器３を設ける必要が生じてしまう。そこで、家庭用燃料電池システム、業務用燃料電池システム、あるいは水素エンジン自動車などの精製されていない水素を用いることのできる供給先ＰＤ１には、精製することなく脱水素反応による水素を供給し、燃料電池自動車などの精製された水素が必要な供給先には、水電解装置１２による水素を供給する。このように水素の性質に応じて供給先を分けることで、システム内における水素精製器を不要とすることができる。

［第４実施形態］
図４は、本発明の第四実施形態に係る有機ハイドライド脱水素システムによって構成された熱電供給型有機ハイドライドステーションの構成を示すブロック図である。第四実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション（有機ハイドライド脱水素システム）４００において、熱電供給機器８は、発生させた電気をシステム運転のための機器へは供給せず、発生させた電気の全て（あるいは一部）を水電解装置１２へ供給する。制御装置１１は、水素の需要量に応じて電気の一部をラインＬ１を介して売電、蓄電することができる。第四実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション４００は、その他の構成については、第三実施形態に係る熱電供給型有機ハイドライドステーション３００と同様である。これによって、水電解装置１２による水素の量、すなわち供給先ＰＤ２へ供給することのできる水素を増やすことができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、本発明に係る有機ハイドライド脱水素システムが、熱電供給型有機ハイドライドステーションの全体を構成する場合の例について説明した。しかし、有機ハイドライド脱水素システムは、少なくとも熱電供給機器、及び水素を発生する部分（上述の実施形態では脱水素反応器と水電解装置）で構成されていればよい。

８…熱電供給機器、１１…制御装置（制御手段）、１２…水電解装置、１００，２００，３００，４００…熱電供給型有機ハイドライドステーション（有機ハイドライド脱水素システム）。

Claims (7)

1. 有機ハイドライドを脱水素する有機ハイドライド脱水素システムであって、
   熱及び電気を発生させる熱電供給機器と、
   水を電気分解して水素を発生させる水電解装置と、を備え、
   前記熱電供給機器は、前記有機ハイドライドの脱水素反応に対して熱を供給すると共に、前記水電解装置に対して電気の供給が可能であることを特徴とする有機ハイドライド脱水素システム。
2. 前記有機ハイドライドの脱水素反応による水素、及び前記水電解装置によって得られる水素を合わせて供給することを特徴とする請求項１記載の有機ハイドライド脱水素システム。
3. 前記有機ハイドライドの脱水素反応による水素と、前記水電解装置によって得られる水素を異なる供給先へ供給することを特徴とする請求項１記載の有機ハイドライド脱水素システム。
4. 水素の需要に基づいて前記水電解装置による水素の供給量を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の有機ハイドライド脱水素システム。
5. 前記熱電供給機器がＳＯＦＣまたはエンジン発電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の有機ハイドライド脱水素システム。
6. 前記有機ハイドライドがメチルシクロヘキサンであり、その脱水素化物がトルエンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の有機ハイドライド脱水素システム。
7. 前記有機ハイドライドに含有される水素は、再生可能エネルギーによる水素であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の有機ハイドライド脱水素システム。

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