JP2014073922A - 水素供給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 脱水素反応を行う反応器を大きくすることなく、当該反応器の耐久性を向上する。
【解決手段】 脱水素反応器3に供給するオフガスラインGL1が、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を脱水素反応器3へ供給することで、脱水素反応を水素共存下で行うことを可能とする。また、オフガスは、脱水素反応器3からの水素含有ガスのうち、水素精製器8で脱水素生成物を除去できなかったガスである。従って、オフガスラインGL1が当該オフガスを脱水素反応器3へ供給し、再び水素精製器8で脱水素生成物の除去を可能とすることで、水素精製器8での除去効率が低い場合であっても、脱水素反応器3を大きくすることなく、目的量の水素を得ることができる。以上により、脱水素反応を行う反応器を大きくすることなく、当該反応器の耐久性を向上させることができる。
【選択図】図1
【解決手段】 脱水素反応器3に供給するオフガスラインGL1が、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を脱水素反応器3へ供給することで、脱水素反応を水素共存下で行うことを可能とする。また、オフガスは、脱水素反応器3からの水素含有ガスのうち、水素精製器8で脱水素生成物を除去できなかったガスである。従って、オフガスラインGL1が当該オフガスを脱水素反応器3へ供給し、再び水素精製器8で脱水素生成物の除去を可能とすることで、水素精製器8での除去効率が低い場合であっても、脱水素反応器3を大きくすることなく、目的量の水素を得ることができる。以上により、脱水素反応を行う反応器を大きくすることなく、当該反応器の耐久性を向上させることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、水素の供給を行う水素供給システムに関する。
従来の水素供給システムとして、例えば特許文献1に挙げるものが知られている。特許文献1の水素供給システムは、原料の芳香族炭化水素の水素化物を貯蔵するタンクと、当該タンクから供給された原料を脱水素反応させることによって水素を得る反応器と、反応器で得られた水素を精製する精製手段と、反応器を加熱するためのバーナーと、を備えている。精製手段からのオフガスはバーナーに供給され、当該バーナー用の燃料として利用されている。ここで、反応器中の脱水素触媒を水素共存下で使用すると当該脱水素触媒の耐久性が向上することが知られている。このような耐久性向上のため、特許文献1のような水素供給システムを用いて、精製手段で得られた高純度の水素の一部を反応器へ供給することで、反応器での脱水素反応を水素共存下で行う方法が知られている。
しかしながら、精製した水素を反応器に供給する方法では、水素供給システムから得られる高純度の水素が減少するという問題がある。また、精製手段からのオフガスをバーナー用の燃料とするため、反応器での脱水素反応により得られた水素の一部が高純度水素として供給されるのではなく、バーナー用の燃料として消費される。従って、所望の量の高純度水素を供給するためには、精製手段での水素回収率に応じて、反応器を大きくする必要が生じる場合がある。以上により、脱水素反応を行う反応器を大きくすることなく、当該反応器の耐久性を向上することが求められていた。
そこで、本発明は、脱水素反応を行う反応部を大きくすることなく、当該反応部の耐久性を向上することを目的とする。
本発明に係る水素供給システムは、水素の供給を行う水素供給システムであって、原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る反応部と、反応部に熱を供給する熱供給部と、反応部で得られた水素含有ガスから脱水素生成物を吸着によって除去する除去部と、除去部からのオフガスの一部または全部を反応部に供給する第1オフガスラインと、を備えることを特徴とする。
本発明に係る水素供給システムは、除去部からのオフガスの一部または全部を反応部に供給する第1オフガスラインを備えている。第1オフガスラインが、水素を含有しているオフガスを反応部へ供給することで、反応部での脱水素反応を水素共存下で行うことを可能とする。また、オフガスは、反応部からの水素含有ガスのうち、除去部で脱水素生成物を除去できなかったガスである。従って、第1オフガスラインが当該オフガスを反応部へ供給し、再び除去部で脱水素生成物の除去を可能とすることで、除去部での除去効率が低い場合であっても、反応部を大きくすることなく、目的量の水素を得ることができる。以上によって、脱水素反応を行う反応部を大きくすることなく、当該反応部の耐久性を向上させることができる。
また、本発明に係る水素供給システムにおいて、反応部と除去部との間に設けられ、水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、除去部からのオフガスの一部または全部を気液分離部へ供給する第2オフガスラインと、を更に備えることが好ましい。第2オフガスラインを備えることにより、除去部からのオフガスのうち第1オフガスラインで反応部へ供給されないオフガスを、熱源の燃料として利用するのではなく、気液分離部へ供給することができる。これにより、除去部で回収できずにオフガスに含まれることとなった水素を再度除去部にて回収することが可能となり、水素供給システム全体としての水素回収率を向上させることができる。
また、本発明に係る水素供給システムにおいて、反応部と除去部との間に設けられ、水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、反応部から気液分離部へ向かう水素含有ガスの熱を、第1オフガスラインを通過するオフガスへ供給する熱交換部と、を更に備えることが好ましい。反応部からの水素含有ガスは高温である一方、第1オフガスラインを通過するオフガスは低温であり、脱水素反応が行われる反応部では再び高温にする必要がある。従って、熱交換部を設けることにより、反応部から気液分離部へ向かう水素含有ガスの熱で第1オフガスラインを通過するオフガスを加熱することが可能となり、水素供給システム内の熱利用率を向上させることができる。
ここで、従来のように、除去部にて脱水素生成物が除去された水素を反応部に供給する場合、除去部からの水素の圧力によっては、反応部へ当該水素を供給するための圧縮部が必要となる場合がある。しかしながら、本発明者らは、反応部からの水素含有ガスを除去部へ圧送する際の圧力を高くすることによって、オフガスの圧力を高くすることができるという点に着目し、次のような構成を見出すに至った。すなわち、本発明に係る水素供給システムは、反応部と除去部との間に設けられ、反応部からの水素含有ガスを除去部へ圧送する圧縮部を更に備え、圧縮部は、第1オフガスラインを通過するオフガスを反応部に圧送可能であり、第1オフガスラインを通過するオフガスを反応部に圧送可能な圧縮部は、反応部と除去部との間に設けられた圧縮部のみであることが好ましい。これによって、除去部にて脱水素生成物が除去された水素を反応部に供給するための圧縮部が不要となるのみならず、除去部からのオフガスを反応部へ供給するための圧縮部も不要となる。従って、反応部へ水素を供給するための圧縮部をシステム内に別途設ける必要が無くなる。
本発明によれば、脱水素反応を行う反応部を大きくすることなく、脱水素反応を行う反応部の耐久性を向上できる。
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。
図1は、本発明の第一実施形態に係る水素供給システムの構成を示すブロック図である。第一実施形態に係る水素供給システム100は、有機化合物(常温で液体)を原料とするものである。なお、水素精製の過程では、原料である有機化合物(常温で液体)を脱水素した、脱水素生成物(常温で液体)(有機化合物(常温で液体))が除去される。原料の有機化合物として、例えば、有機ハイドライドが挙げられる。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が好適な例である。また、有機ハイドライドは、芳香族の水素化化合物に限らず、2−プロパノール(水素とアセトンが生成される)の系もある。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タンクローリーなどによって水素供給システム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(なお、芳香族化合物は特に水素含有量の多い好適な例である)。水素供給システム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。
図1に示すように、本実施形態に係る水素供給システム100は、MCHタンク1、気化器2、脱水素反応器(反応部)3、気液分離器(気液分離部)4、トルエンタンク5、水素精製用圧縮機(圧縮部)6、気液分離器7、水素精製器(除去部)8、燃料タンク9、熱源(熱供給部)10、及び第1熱交換部11を備えている。また、水素供給システム100は、物質ラインPL1〜PL6、加熱ラインHL1〜HL4、オフガスライン(第1オフガスライン)GL1、オフガスライン(第2オフガスライン)GL2を備えている。なお、本実施形態では、原料としてMCHを採用し、水素精製の過程で除去される脱水素生成物がトルエンである場合を例として説明する。なお、実際には、トルエンのみならず、未反応のMCHと少量の副生成物も存在するが、本実施形態中では、トルエンに混じって当該トルエンと同じ挙動を示す。従って、以下の説明において、「トルエン」と称して説明するものには、未反応のMCHや副生成物も含むものとする。
物質ラインPL1〜PL6は、MCH、トルエン、水素含有ガス、または高濃度水素が通過するラインである。物質ラインPL1は、MCHタンク1と気化器2とを接続し、物質ラインPL2は、気化器2と脱水素反応器3とを接続し、物質ラインPL3は、脱水素反応器3と気液分離器4とを接続し、物質ラインPL4は、気液分離器4とトルエンタンク5とを接続し、物質ラインPL5は、気液分離器4と水素精製器8とを接続し、物質ラインPL6は、水素精製器8と外部の水素消費装置または水素供給装置(不図示)とを接続する。物質ラインPL5の中途位置には、水素精製用圧縮機6及び気液分離器7が設けられている。
加熱ラインHL1〜HL4は、燃料または加熱用高温ガスが通過するラインである。加熱ラインHL1は、燃料タンク9と熱源10とを接続し、加熱ラインHL2は、熱源10と脱水素反応器3とを接続し、加熱ラインHL3は、脱水素反応器3と気化器2とを接続し、加熱ラインHL4は、気化器2と図示されない外部機器(例えば、排ガス処理器や、熱を回収して利用する機器など)とを接続する。
オフガスラインGL1は、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を、気化器2を介して脱水素反応器3へ供給するラインである。オフガスラインGL1は、水素精製器8と気化器2とを接続する。オフガスラインGL2は、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を気液分離器4へ供給するラインである。オフガスラインGL2は、オフガスラインGL1の中途位置と気液分離器4とを接続する。
MCHタンク1は、原料となるMCHを貯留するタンクである。外部からタンクローリーなどで輸送されたMCHは、MCHタンク1にて貯留される。MCHタンク1に貯留されているMCHは、ポンプ(不図示)によって物質ラインPL1を介して気化器2へ供給される。
気化器2は、インジェクタなどを介してMCHタンク1から供給されたMCHを気化する機器である。気化されたMCHは、オフガスラインGL1を介して水素精製器8から供給されたオフガスと併せて、物質ラインPL2を介して脱水素反応器3へ供給される。
脱水素反応器3は、MCHを脱水素反応させることによって水素を得る機器である。すなわち、脱水素反応器3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機器である。有機ハイドライドの反応は可逆反応であり、反応条件(温度、圧力)によって反応の方向が変わる(化学平衡の制約を受ける)。一方、脱水素反応は、常に吸熱反応で分子数が増える反応である。従って、高温、低圧の条件が有利である。よって、脱水素反応器3を高圧とするための圧縮機が不要となっている。脱水素反応は吸熱反応であるため、脱水素反応器3は熱源10から加熱用高温ガスを介して熱を供給される。脱水素反応器3は、脱水素触媒中を流れるMCHと熱源10からの加熱用高温ガスとの間で熱交換可能な機構を有している。脱水素反応器3で取り出された水素含有ガスは、物質ラインPL3を介して気液分離器4へ供給される。物質ラインPL3の水素含有ガスは、液体であるトルエンを混合物として含んだ状態で、気液分離器4へ供給される。
気液分離器4は、水素含有ガスからトルエンを分離するタンクである。気液分離器4は、混合物としてトルエンを含む水素含有ガスを貯留することによって、気体である水素と液体であるトルエンとを気液分離する。気液分離器4で分離されたトルエンは、物質ラインPL4を介してトルエンタンク5へ供給される。気液分離器4で分離された水素含有ガスは、水素精製用圧縮機6で圧送されることにより、物質ラインPL5を介して気液分離器7へ供給され、更に水素精製器8へ供給される。なお、水素含有ガスを冷やすと当該ガスの一部(トルエン)は液化し、気液分離器4,7によって、液化しないガス(水素)と分離することができる。ガスを低温とした方が、分離の効率は良くなり、圧力を上げると更に、トルエンの液化が進むため好ましい。
トルエンタンク5は、気液分離器4で分離された液体のトルエンを貯留するタンクである。トルエンタンク5に貯留されたトルエンは、回収して利用することが可能である。
水素精製用圧縮機6は、気液分離器4で分離された水素含有ガスを所定の圧力で水素精製器8へ圧送する。本実施形態に係る水素精製器8は、吸着によって水素含有ガスからトルエンを除去するタイプのものである。このタイプの除去方法として、PSA(Pressure swing adsorption)法やTSA(Temperature swing adsorption)法がある。水素精製用圧縮機6は、水素精製器8の除去方法、目標とする水素回収率及び触媒の耐久性などに応じて、水素含有ガスに加える圧力を調整する。具体的には、水素精製用圧縮機6は、水素精製器8がPSA法を採用する場合には0.2〜5.0MPa、水素精製器8がTSA法を採用する場合には0.1〜0.5MPaにて、水素含有ガスを圧送する。なお、オフガス圧は、0.1〜3.0MPa程度である。圧力が上昇するとトルエンの一部が液化するため気液分離器7を設置し、その気液分離器7により水素精製器8手前で水素含有ガスとトルエンの気液分離を行う。
水素精製器8は、脱水素反応器3で得られると共に気液分離器4,7で気液分離された水素含有ガスからトルエンを吸着によって除去する。これによって、水素精製器8は、当該水素含有ガスを精製して高純度の水素ガスを得る。水素精製器8は、トルエンを吸着する吸着剤を格納した格納搭(以下、吸着塔と称する)を複数備えている。
水素精製器8の除去方法として、PSA法を採用する場合について説明する。PSA法で用いられる吸着剤は、高圧下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、低圧下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。PSA法は、吸着剤のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を高圧にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着剤に吸着させて除去し、高純度水素を得る。吸着により吸着塔内の吸着剤の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を低圧にすることにより、吸着剤に吸着したトルエンを脱着し、当該脱着されたトルエンを水素精製用圧縮機6からの水素含有ガスで吸着塔内から除去することで、吸着剤の吸着機能を再生する(このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器8からのオフガスに該当する)。吸着塔内の圧力の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたバルブを閉めるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着剤の吸着機能が低下した吸着塔については、減圧により吸着剤を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、加圧により水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着剤に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての触媒再生が完了したら、当該吸着塔については、加圧によりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、減圧により吸着剤の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム100全体として、連続的に高純度水素とオフガスを得ることができる。水素精製器8がPSA法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約70〜90%である。
水素精製器8の除去方法として、TSA法を採用する場合について説明する。TSA法で用いられる吸着剤は、常温下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、高温下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。TSA法は、吸着剤のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を常温にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着剤に吸着させて除去し、高純度水素を得る。吸着により吸着塔内の吸着剤の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を高温にすることにより、吸着剤に吸着したトルエンを脱着し、当該脱着されたトルエンを水素精製用圧縮機6からの水素含有ガスで吸着塔内から除去することで、吸着剤の吸着機能を再生する(このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器8からのオフガスに該当する)。吸着塔内の温度の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたヒータのON/OFFを切り替えるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着剤の吸着機能が低下した吸着塔については、高温にすることにより吸着剤を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、常温に保つことにより水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着剤に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての触媒再生が完了したら、当該吸着塔については、吸着塔内を常温に保つことによりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、吸着塔内を高温にすることにより吸着剤の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム100全体として、連続的に高純度水素とオフガスを得ることができる。水素精製器8がTSA法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約80〜90%である。
水素精製器8で得られたオフガスは、オフガスラインGL1またはオフガスラインGL2へ供給される。脱水素反応器3にて必要とされる水素の量に応じて、オフガスラインGL1は、水素精製器8のオフガスの一部または全部を、気化器2を介して脱水素反応部3へ供給する。オフガスの全部を脱水素反応器3へ供給する場合、オフガスラインGL2へはオフガスは流れない。オフガスの一部を脱水素反応器3へ供給する場合、余りのオフガスは、オフガスラインGL2によって気液分離器4へ供給される。または、脱水素反応器3への水素の供給が不要とされ、オフガスラインGL1による水素供給が停止されるタイミングでは、オフガスの全部がオフガスラインGL2によって気液分離器4へ供給される。
また、上述のように、水素精製器8で吸着を行うために、水素精製用圧縮機6は、水素含有ガスを吸着に適した圧力で圧送する。ここで、水素精製用圧縮機6にて、ある程度高い圧力をかけることにより、オフガスラインGL1,GL2には圧縮機を設けず、オフガスラインGL1を通過するオフガスは、水素精製用圧縮機6による圧力のみによって、気化器2及び脱水素反応器3へ供給されることが好ましく、オフガスラインGL2を通過するオフガスは、水素精製用圧縮機6による圧力のみによって、気液分離器4へ供給されることが好ましい。ただし、オフガスライン(例えば、オフガスラインGL1とオフガスラインGL2とが分岐する部分より上流側の位置)に圧縮機を設けてもよい。
燃料タンク9は、熱源10へ供給するための燃料を貯留するタンクである。熱源10は、燃料タンク9から供給された燃料を用いて、脱水素反応器3を加熱するものである。熱源10は、脱水素反応器3を加熱することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、熱源10としてバーナーやエンジンを採用することができ、バーナーで発生させた高温ガスで脱水素反応器3を加熱する構成を採用してもよく、エンジンで発生させた高温の排ガスで脱水素反応器3を加熱する構成を採用してもよい。
第1熱交換部11は、脱水素反応器3から気液分離器4へ向かう水素含有ガスの熱を、オフガスラインGL1を通過するオフガスへ供給する。これにより、脱水素反応器3へ供給されるオフガスは、第1熱交換部11によって加熱される。
水素供給システム100の加熱構造について説明する。まず、熱源10で発生した加熱用高温ガスは、加熱ラインHL2を介して脱水素反応器3へ供給される。加熱用高温ガスは、脱水素反応器3を加熱し、吸熱反応である脱水素反応のための熱を供給する。脱水素反応器3の脱水素反応を行う部分の温度は、250〜450℃とすることが好ましい。脱水素反応器3から排出された加熱用高温ガスは、加熱ラインHL3を介して気化器2へ供給される。加熱用高温ガスは、気化器2を加熱し、MCHを気化させるための熱を供給する。気化器2の気化を行う部分の温度は、100〜300℃とすることが好ましい。気化器2から排出された加熱用高温ガスは、加熱ラインHL4を介して外部機器(不図示)へ供給される。
気液分離を行い易くするために、気液分離器4,7は冷却されることが好ましく、水素精製用圧縮機6も常温下で使用されることが好ましい。従って、脱水素反応器3と気液分離器4との間、すなわち物質ラインPL3には冷却器(不図示)が設けられることが好ましい。また、オフガスラインGL2を通過するオフガスも、当該冷却器で温度を下げてから、気液分離器4へ供給してもよい。
脱水素反応器3から供給される高温の水素含有ガスは、気液分離器4(またはその手前)で温度が下がり、当該温度が下がったオフガスラインGL1を通過するオフガスは、脱水素反応器3へ供給するために再び高温にされる必要がある。従って、第1熱交換部11は、脱水素反応器3から気液分離器4へ向かう水素含有ガスの熱を、オフガスラインGL1を通過するオフガスへ供給することで、熱を有効利用することができる。第1熱交換部11は、脱水素反応器3と気液分離器4との間の物質ラインPL3の中途位置にて熱回収を行う。気液分離器4の手前に冷却器が設けられている場合、脱水素反応器3と冷却器との間で熱回収が行われることが好ましい。第1熱交換部11は、オフガスラインGL1の中途位置(オフガスラインGL1とオフガスラインGL2とが分岐する部分より下流側の位置)にて熱供給を行う。
また、水素供給システム100は、オフガスラインGL2を通過するオフガスの熱を、気液分離器4から水素精製器8へ向かう水素含有ガスへ供給する第2熱交換部12を更に備えていてもよい。水素精製器8としてTSA法を用いる場合、オフガスが暖められているため、このような第2熱交換部12を設けることが好ましい。第2熱交換部12は、オフガスラインGL2を通過するオフガスの熱を、気液分離器4から水素精製器8へ向かう水素含有ガスへ供給することで、熱を有効利用することができる。第2熱交換部12は、オフガスラインGL2の中途位置にて熱回収を行う。気液分離器4の手前に冷却器が設けられている場合、冷却器の手前で熱回収が行われることが好ましい。第2熱交換部12は、気液分離器4と水素精製器8との間(本実施形態では、気液分離器7と水素精製器8との間)の物質ラインPL5の中途位置にて熱供給を行う。
圧力に関して、脱水素反応器3の圧力とオフガスの圧力との間には、PSA法の場合には、「脱水素反応器3の圧力」<「オフガスの圧力」という関係が成り立つように、オフガス圧力を設定する。TSA法の場合には、「脱水素反応器3の圧力」<「オフガスの圧力」という関係が成り立つ。
水素供給システム100内において、必要に応じて調圧手段(調圧弁など)、流量制御手段(流量制御弁など)を設けてもよい。これによって、脱水素反応器3の反応圧と水素精製器8の膜の圧力コントロールを行うことが好ましい。従って、所定の位置に調圧手段及び流量制御手段を設けることが好ましい(ただし、設けなくともよい)。例えば、水素精製器8と気化器2(脱水素反応器3)の間(オフガスラインGL1上)のいずれかの位置に調圧手段及び流量制御手段を設けてもよい。これにより、水素精製器8、脱水素反応器3の圧力、オフガスの流量を最適化、安定化することができる。また、脱水素反応器3と気液分離器4の間(物質ラインPL3上)の何れかの位置に調圧手段及び流量制御手段(ただし、当該部分は調圧手段のみでもよい)を設けてもよい。これにより、脱水素反応器3の圧力を最適化、安定化することができる。なお、気液分離器4と圧縮機6の間(PL5上)に設けてもよい。水素精製器8と気液分離器4の間(オフガスラインGL2上)の何れかの位置に調圧手段及び流量制御手段を設けてもよい。これにより、オフガスラインGL2のオフガス流量を制御することができる。なお、これらの箇所の何れか一箇所に設けてもよく、これらの箇所の内複数箇所に設けてもよく、全ての箇所に設けてもよい。
次に、本実施形態に係る水素供給システム100の作用・効果について説明する。
まず、比較例に係る水素供給システム50について、図2を用いて説明する。比較例に係る水素供給システム50は、水素精製器8で得られた高純度水素の一部を、気化器2を介して脱水素反応器3に供給することにより、水素共存下での脱水素反応を可能とし、脱水素反応器3の耐久性を向上させている。具体的には、水素供給システム50は、物質ラインPL6の中途位置に高純度水素を脱水素反応器3へ供給するための物質ラインPL7を設け、高純度水素を脱水素反応器3へ圧送するための圧縮機57を当該ラインPL7上に備えている。また、水素精製器8からのオフガスは、熱源10の燃料として利用されている。具体的には、水素供給システム50は、水素精製器8からのオフガスを熱源10へ供給するオフガスラインGL3を備えている。
しかしながら、比較例に係る水素供給システム50では、水素精製器8で得られた高純度水素の一部を脱水素反応器3へ供給することによって、本来直ちに供給されるはずの高純度水素の供給量が減少してしまうという問題がある。
また、水素精製器8からのオフガスを熱源10の燃料とするため、脱水素反応器3での脱水素反応により得られた水素の一部が高純度水素として供給されることなく、熱源10の燃料として消費される。従って、水素供給システム50が所望の量の高純度水素を供給するためには、水素精製器8での水素回収率に応じて、脱水素反応器3を大きくする必要が生じる場合がある。すなわち、水素回収率が低いときは、熱源10で消費されてしまう水素量が増えてしまうため、それを補うようにMCHタンク1からのMCHの供給量を増やす必要があり、それに伴って脱水素反応器3での脱水素触媒の量が増え、脱水素反応器3が大きくなる。
さらに、比較例に係る水素供給システム50では、当該高純度水素を脱水素反応器3へ圧送するための圧縮器57が必要となる。
本実施形態に係る水素供給システム100は、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を脱水素反応器3に供給するオフガスラインGL1を備えている。オフガスラインGL1が、水素を含有するオフガスを脱水素反応器3へ供給することにより、水素精製器8で得られた高純度水素の一部を脱水素反応器3へ供給することなく、脱水素反応器3での脱水素反応を水素共存下で行うことを可能とする。
また、オフガスは、脱水素反応器3からの水素含有ガスのうち、水素精製器8でトルエンを除去できなかったガスである。従って、オフガスラインGL1が当該オフガスを脱水素反応器3へ供給することにより、再び水素精製器8でトルエンを除去することが可能となる。これにより、水素供給システム100全体としての水素回収率が上がり、水素精製器8での除去効率が低い場合であっても、水素供給量を補うためにMCHタンク1からのMCHの供給量を増やして脱水素反応器3の脱水素触媒の量を増やす必要がなく、脱水素反応器3を大きくすることなく、目的量の水素を得ることができる。従って、脱水素反応を行う脱水素反応器3を大きくすることなく、脱水素反応器3の耐久性を向上できる。
また、本実施形態に係る水素供給システム100において、脱水素反応器3と水素精製器8との間に設けられ、水素含有ガスからトルエンを分離する気液分離器4と、水素精製器8からのオフガスの一部または全部を気液分離器へ供給するオフガスラインGL2と、を更に備えることによって、オフガスの活用効率を向上させている。すなわち、水素精製器8からのオフガスのうち、オフガスラインGL1を介して脱水素反応器3へ供給されない余りのオフガスを、熱源10の燃料として利用するのではなく、気液分離器4へ供給することにより、水素精製器8で回収できずにオフガスに含まれることとなった水素を再度水素精製器8にて回収することが可能となる。これにより、水素供給システム全体としての水素回収率を向上させることができる。
さらに、本実施形態に係る水素供給システム100では、水素精製用圧縮機6によって高い圧力をかけることにより、オフガスラインGL1,GL2には圧縮機を設けず、オフガスラインGL1,GL2を通過するオフガスを、水素精製用圧縮機6による圧力のみによって、脱水素反応器3へ供給することが望ましい。これにより、比較例に係る水素供給システム50が備えている圧縮機57を省略できることに加え、当該圧縮機57に対応する圧縮機を設ける必要も無くすことができる。以上により、水素共存下での脱水素反応のために水素を脱水素反応器3へ供給する場合であっても、そのための専用の圧縮機をシステム内に設ける必要を無くすことができる。
ただし、水素精製器8がPSA法を採用する場合には、水素精製用圧縮機6の圧力を高くすると(すなわち、オフガス圧を高くすると)、低圧下にてトルエンの脱着を行う再生中の吸着剤の再生効率が低下し、その結果、水素精製器8の水素回収率が低下する場合がある。しかしながら、オフガスを水素精製用圧縮機6による圧力のみによって、脱水素反応器3へ供給する構成とした場合、水素回収率の若干の低下を伴うとしても、システム内から圧縮機を一つ省略できるという大きなメリットを得ることができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、オフガスラインGL2を省略した形態としてもよいし、熱交換部11,12を省略した形態としてもよい。水素供給システム内の熱効率を高めるためには、熱交換部11,12を備えることが好ましいが、熱交換部11,12以外の部分で熱交換する構成としても、水素供給システム内の熱効率を高めることができる。
上述した実施形態に係る水素供給システムは、どのような用途に用いられてもよく、例えば、水素ステーションに適用してもよい。すなわち、水素精製器よりも下流側に、水素を蓄積すると共に、外部の水素消費装置(燃料電池自動車や水素自動車など)に対して水素を供給する水素供給装置(圧縮部や冷却器や貯留タンクやディスペンサなどを含む)を接続することで、水素ステーションとして利用してよい。その他、水素精製器よりも下流側に水素消費装置(電力発生装置など)を接続することで、直接的に水素消費装置に水素を供給してもよい。例えば、分散電源(例えば、家庭用電源や非常用電源など)のための水素供給システムとして利用してもよい。
100…水素供給システム、1…MCHタンク、2…気化器、3…脱水素反応器(反応部)、4…気液分離器(気液分離部)、5…トルエンタンク、6…水素精製用圧縮機(圧縮部)、7…気液分離器、8…水素精製器(除去部)、9…燃料タンク、10…熱源(熱供給部)、PL1〜PL6…物質ライン、HL1〜HL4…加熱ライン、GL1〜GL2…オフガスライン。
Claims (6)
- 水素の供給を行う水素供給システムであって、
原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る反応部と、
前記反応部に熱を供給する熱供給部と、
前記反応部で得られた前記水素含有ガスから脱水素生成物を吸着によって除去する除去部と、
前記除去部からのオフガスの一部または全部を前記反応部に供給する第1オフガスラインと、を備えることを特徴とする水素供給システム。 - 前記反応部と前記除去部との間に設けられ、前記水素含有ガスから前記脱水素生成物を分離する気液分離部と、
前記除去部からの前記オフガスの一部または全部を前記気液分離部へ供給する第2オフガスラインと、を更に備えることを特徴とする請求項1記載の水素供給システム。 - 前記反応部と前記除去部との間に設けられ、前記水素含有ガスから前記脱水素生成物を分離する気液分離部と、
前記反応部から前記気液分離部へ向かう前記水素含有ガスの熱を、前記除去部から前記第1オフガスラインを通過する前記オフガスへ供給する熱交換部と、を更に備えることを特徴とする請求項1または2記載の水素供給システム。 - 前記反応部と前記除去部との間に設けられ、前記反応部からの前記水素含有ガスを前記除去部へ圧送する圧縮部を更に備え、
前記圧縮部は、前記第1オフガスラインを通過する前記オフガスを前記反応部に圧送可能であり、
前記第1オフガスラインを通過する前記オフガスを前記反応部に圧送可能な圧縮部は、前記反応部と前記除去部との間に設けられた前記圧縮部のみであることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項記載の水素供給システム。 - 外部の水素消費装置に対して水素を供給する水素供給装置に接続された、請求項1〜4の何れか一項記載の水素供給システム。
- 水素消費装置と接続された、請求項1〜4の何れか一項記載の水素供給システム。
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