JP2018083729A - Hydrogen manufacturing apparatus, hydrogen manufacturing system including the same, and hydrogen manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水の分解により水素を製造する水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus that produces hydrogen by splitting water, a hydrogen production system including the same, and a hydrogen production method.
従来、燃料電池等に供給するための水素を製造する技術として、例えば、炭化水素やアルコールに水蒸気を混合した原料ガスを燃焼ガスによって加熱しつつ、触媒により改質反応を進行させることにより、水素を主成分とするガスを取得する水蒸気改質法が知られている(特許文献1−4照)。 Conventionally, as a technique for producing hydrogen to be supplied to a fuel cell or the like, for example, by heating a raw material gas in which water vapor is mixed with hydrocarbon or alcohol with a combustion gas, a reforming reaction is advanced by a catalyst, There is known a steam reforming method for obtaining a gas containing as a main component (see Patent Documents 1-4).
また、そのような水素製造では、水蒸気改質反応により水素および一酸化炭素からなる合成ガスが生成されるが、さらに、より低温でのシフト反応を進行させることにより、合成ガスにおける一酸化炭素を二酸化炭素に転化するとともに、水素富化が行われる。 Further, in such hydrogen production, a synthesis gas composed of hydrogen and carbon monoxide is generated by the steam reforming reaction, and further, the carbon monoxide in the synthesis gas is reduced by a shift reaction at a lower temperature. As well as being converted to carbon dioxide, hydrogen enrichment is performed.
ところで、上記特許文献1〜4に記載されたような従来技術によれば、水素を主成分とするガスを取得することが可能となるが、取得されたガスには、一酸化炭素や二酸化炭素等の他の成分が比較的多く含まれる。一方、燃料電池等では、そのような低水素純度のガスの使用は装置に悪影響を及ぼすことがあるため、より高純度の水素(例えば、95〜99.9999vol%)を含むガスを使用することが望ましい。
By the way, according to the prior art as described in
しかしながら、より高純度の水素を含むガスを得ようとした場合には、例えば、上記シフト反応により生成された二酸化炭素を化学吸収法により分離する脱炭酸工程およびその脱炭酸されたガス中に残存する微量な一酸化炭素および二酸化炭素を除去するためのメタネーション反応工程や、PSA(Pressure Swing Adsorption)工程、水素を選択的に分離するための膜分離工程等を適宜実施することが必要となる。その場合、水素の製造工程が複雑化するとともに、その製造設備が大型化するという問題がある。 However, when trying to obtain a gas containing hydrogen of higher purity, for example, a decarbonation step of separating carbon dioxide produced by the shift reaction by a chemical absorption method and the remaining in the decarboxylated gas. It is necessary to appropriately implement a methanation reaction step for removing trace amounts of carbon monoxide and carbon dioxide, a PSA (Pressure Swing Adsorption) step, a membrane separation step for selectively separating hydrogen, and the like. . In this case, there is a problem that the hydrogen production process becomes complicated and the production equipment is enlarged.
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、簡易な構成により、水素の純度を向上させたガスを取得可能とする水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法を提供することを主目的とする。 The present invention has been devised in view of such problems of the prior art, and a hydrogen production apparatus capable of obtaining a gas with improved hydrogen purity and a hydrogen production equipped with the same with a simple configuration The main object is to provide a system and a hydrogen production method.
本発明の第1の側面では、水素製造装置に関し、供給された水の分解反応によって生成された水素が流通する第1流路と、前記第1流路に隣接し、前記第1流路において生成された酸素が流通する第2流路とを備え、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第1流路において生成した前記酸素を前記第2流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする。 The first aspect of the present invention relates to a hydrogen production apparatus, a first flow path through which hydrogen generated by a decomposition reaction of supplied water flows, and adjacent to the first flow path, in the first flow path A second channel through which the generated oxygen flows, and at least a part of a partition partitioning the first channel and the second channel has the oxygen generated in the first channel as the second channel. It has oxygen permeability that allows it to selectively permeate through the flow path.
本発明の第1の側面では、第1流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第2流路に選択的に透過させる簡易な構成により、第1流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。なお、第1流路には、未反応の水が水素と共に存在し得るが、その場合でもその水を除去するだけで、水素の純度を向上させたガスを容易に取得することができる。 In the first aspect of the present invention, the purity of hydrogen in the first flow path is achieved by a simple configuration in which oxygen generated in the first flow path is selectively permeated to the second flow path through an oxygen permeable partition. It becomes possible to acquire the gas which improved. In addition, although unreacted water may exist in the 1st flow path with hydrogen, even in that case, the gas which improved the purity of hydrogen can be easily acquired only by removing the water.
本発明の第2の側面では、前記第2流路には、燃料ガスが更に流通し、前記燃料ガスは、前記第2流路において前記酸素によって燃焼することを特徴とする。 In the second aspect of the present invention, fuel gas further flows through the second flow path, and the fuel gas is burned by the oxygen in the second flow path.
本発明の第2の側面では、第1流路から第2流路に透過した酸素が燃料ガスの燃焼に用いられるため、第1流路および第2流路における酸素分圧の差により、第1流路から第2流路への酸素の良好な透過性が実現される。 In the second aspect of the present invention, oxygen permeated from the first flow path to the second flow path is used for combustion of the fuel gas, so that the difference in oxygen partial pressure in the first flow path and the second flow path causes the first Good permeability of oxygen from the first flow path to the second flow path is realized.
本発明の第3の側面では、前記燃料ガスの燃焼熱が、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる前記隔壁を介して前記第1流路に伝導することを特徴とする。 The third aspect of the present invention is characterized in that the combustion heat of the fuel gas is conducted to the first flow path through the partition wall that separates the first flow path and the second flow path.
本発明の第3の側面では、第2流路における燃料ガスの燃焼熱を第1流路における水の分解反応に利用することができるため、水の分解反応のための外部からの熱の供給量を低減することが可能となる。 In the third aspect of the present invention, since the combustion heat of the fuel gas in the second flow path can be used for the water decomposition reaction in the first flow path, the supply of heat from the outside for the water decomposition reaction The amount can be reduced.
本発明の第4の側面では、前記燃料ガスは、一酸化炭素及び水素を含むことを特徴とする。 In the fourth aspect of the present invention, the fuel gas contains carbon monoxide and hydrogen.
本発明の第4の側面では、第2流路における一酸化炭素及び水素の燃焼熱を第1流路における水の分解反応に利用することができる。 In the fourth aspect of the present invention, the combustion heat of carbon monoxide and hydrogen in the second channel can be used for the water decomposition reaction in the first channel.
本発明の第5の側面では、前記第2流路には、外部から導入された酸素または酸素含有ガスが更に流通することを特徴とする。 The fifth aspect of the present invention is characterized in that oxygen or an oxygen-containing gas introduced from the outside further flows through the second flow path.
本発明の第5の側面では、第2流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする(または、熱の供給量をより低減する)ことが可能となる。 In the fifth aspect of the present invention, it is possible to increase the amount of combustion heat of the fuel gas in the second flow path, thereby eliminating the need for external heat supply (or further reducing the amount of heat supply). Is possible.
本発明の第6の側面では、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる前記隔壁には、水分解反応用触媒が担持されていることを特徴とする。 The sixth aspect of the present invention is characterized in that a water splitting reaction catalyst is supported on the partition wall separating the first flow path and the second flow path.
本発明の第6の側面では、第1流路における水の分解反応をより促進させることが可能となる。 In the sixth aspect of the present invention, the water decomposition reaction in the first flow path can be further promoted.
本発明の第7の側面では、前記第1流路は、所定の間隔をおいて配置された2つの平板状の壁によって画定され、前記隔壁は、前記2つの平板状の壁の一方によって構成されることを特徴とする。 In the seventh aspect of the present invention, the first flow path is defined by two flat walls arranged at a predetermined interval, and the partition is constituted by one of the two flat walls. It is characterized by being.
本発明の第7の側面では、平板状の壁を用いた簡易な流路構成により、第1流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。 In the seventh aspect of the present invention, it is possible to obtain a gas with improved hydrogen purity in the first flow path by a simple flow path configuration using a flat wall.
本発明の第8の側面では、前記2つの平板状の壁の他方が、前記隔壁をさらに構成し、前記第2流路は、前記2つの平板状の壁をそれぞれ介して前記第1流路に隣接する2つの流路を含むことを特徴とする。 In the eighth aspect of the present invention, the other of the two flat walls further constitutes the partition wall, and the second flow path passes through the two flat walls, respectively. Including two flow paths adjacent to each other.
本発明の第8の側面では、第1流路から第2流路に酸素を透過させる隔壁の面積(すなわち、酸素の透過領域)をより大きく確保することができ、所望の酸素の透過量を安定して維持することが可能となる。 In the eighth aspect of the present invention, the area of the partition wall that allows oxygen to permeate from the first flow path to the second flow path (that is, the oxygen permeation region) can be secured larger, and a desired oxygen permeation amount can be obtained. It becomes possible to maintain stably.
本発明の第9の側面では、前記第2流路と隣接し、外部から導入された酸素含有ガスが流通する第3流路を更に備え、前記第2流路と前記第3流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第3流路における前記酸素含有ガスに含まれる酸素を前記第2流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする。 In a ninth aspect of the present invention, the apparatus further comprises a third flow channel adjacent to the second flow channel and through which an oxygen-containing gas introduced from the outside flows, and the second flow channel and the third flow channel are provided. At least a part of the partition walls is characterized by having oxygen permeability that selectively allows oxygen contained in the oxygen-containing gas in the third flow path to pass through the second flow path.
本発明の第9の側面では、第2流路に流通する酸素量の増大により、燃焼ガス量(すなわち、燃焼熱量)を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする(または、熱の供給量をより低減する)ことが可能となる。 In the ninth aspect of the present invention, since the amount of combustion gas (that is, the amount of combustion heat) can be increased by increasing the amount of oxygen flowing through the second flow path, it is not necessary to supply heat from the outside ( Alternatively, the amount of heat supply can be further reduced).
本発明の第10の側面では、前記第2流路と前記第3流路とを隔てる前記隔壁は、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる前記隔壁と所定の間隔をおいて配置された更なる平板状の壁からなることを特徴とする。 In the tenth aspect of the present invention, the partition that separates the second flow path and the third flow path is spaced apart from the partition that separates the first flow path and the second flow path. It consists of a further flat plate-like wall arranged.
本発明の第10の側面では、平板状の壁を用いた簡易な流路構成により、第1流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。 In the tenth aspect of the present invention, it is possible to obtain a gas with improved hydrogen purity in the first flow path by a simple flow path configuration using a flat wall.
本発明の第11の側面では、前記第2流路には、前記酸素をパージするための不活性ガスが流通する。 In an eleventh aspect of the present invention, an inert gas for purging the oxygen flows through the second flow path.
本発明の第11の側面では、第1流路から第2流路に透過した酸素が不活性ガスによってパージされるため、第1流路および第2流路における酸素分圧の差により、第1流路から第2流路への酸素の良好な透過性が実現される。 In the eleventh aspect of the present invention, oxygen permeated from the first flow path to the second flow path is purged by the inert gas, so that the difference in oxygen partial pressure in the first flow path and the second flow path causes the first Good permeability of oxygen from the first flow path to the second flow path is realized.
本発明の第12の側面では、前記第2流路が減圧されていることを特徴とする。 In a twelfth aspect of the present invention, the second flow path is decompressed.
本発明の第12の側面では、第2流路の減圧によって第1流路から第2流路に透過した酸素が減少するため、第1流路および第2流路における酸素分圧の差により、第1流路から第2流路への酸素の良好な透過性が実現される。 In the twelfth aspect of the present invention, since the oxygen permeated from the first flow path to the second flow path is reduced by the decompression of the second flow path, the difference in oxygen partial pressure between the first flow path and the second flow path A good oxygen permeability from the first channel to the second channel is realized.
本発明の第13の側面では、水素製造システムに関し、上記第1から第14の側面いずれかに係る前記水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された水素が供給される水素利用装置とを備えることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the present invention relates to a hydrogen production system, comprising: the hydrogen production apparatus according to any one of the first to fourteenth aspects; and a hydrogen utilization apparatus to which hydrogen produced by the hydrogen production apparatus is supplied. It is characterized by providing.
本発明の第13の側面では、第1流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第2流路に選択的に透過させる簡易な構成により、水素利用装置(例えば、燃料電池)に対して第1流路において水素の純度を向上させたガスを供給することが可能となる。 In a thirteenth aspect of the present invention, a hydrogen utilization device (for example, a fuel cell) is configured with a simple configuration that selectively transmits oxygen generated in the first flow path to the second flow path through the oxygen permeable partition wall. ), It is possible to supply a gas with improved hydrogen purity in the first flow path.
本発明の第14の側面では、供給された水の分解反応によって生成された水素を第1流路に流通させる工程と、前記第1流路に隣接する第2流路に、前記分解反応によって生成された酸素を流通させる工程とを含み、前記第2流路に酸素を流通させる工程には、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁を介して前記分解反応によって生成された前記酸素を前記第2流路に選択的に透過させる工程が含まれることを特徴とする。 In the fourteenth aspect of the present invention, the step of circulating hydrogen generated by the decomposition reaction of the supplied water to the first channel and the second channel adjacent to the first channel by the decomposition reaction And the step of circulating oxygen in the second flow path is generated by the decomposition reaction through a partition wall that separates the first flow path and the second flow path. And a step of selectively permeating the oxygen into the second flow path.
本発明の第15の側面では、第1流路で生成された酸素を酸素透過性の隔壁を介して第2流路に選択的に透過させる簡易な構成により、第1流路において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。 In the fifteenth aspect of the present invention, the purity of hydrogen in the first flow path is achieved by a simple configuration that selectively transmits oxygen generated in the first flow path to the second flow path through the oxygen permeable partition. It becomes possible to acquire the gas which improved.
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の水蒸気改質により生成されたガスが含まれることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the fuel gas includes a gas generated by steam reforming of a hydrocarbon fuel.
これによれば、第2流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする(または、熱の供給量をより低減する)ことが可能となる。 According to this, since the combustion heat amount of the fuel gas in the second flow path can be increased, it is possible to eliminate the need for external heat supply (or to further reduce the heat supply amount). .
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の炭酸ガス改質により生成されたガスが含まれることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the fuel gas includes a gas generated by carbon dioxide reforming of a hydrocarbon fuel.
これによれば、第2流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする(または、熱の供給量をより低減する)ことが可能となる。 According to this, since the combustion heat amount of the fuel gas in the second flow path can be increased, it is possible to eliminate the need for external heat supply (or to further reduce the heat supply amount). .
本発明の別の側面では、前記燃料ガスには、炭化水素燃料の部分酸化により生成されたガスが含まれることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the fuel gas includes a gas generated by partial oxidation of a hydrocarbon fuel.
これによれば、第2流路における燃料ガスの燃焼熱量を増大させることができるため、外部からの熱の供給を不要とする(または、熱の供給量をより低減する)ことが可能となる。 According to this, since the combustion heat amount of the fuel gas in the second flow path can be increased, it is possible to eliminate the need for external heat supply (or to further reduce the heat supply amount). .
このように本発明によれば、簡易な構成により、水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。 Thus, according to the present invention, it is possible to obtain a gas with improved hydrogen purity with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係る水素製造システム1の構成図であり、図2は図1に示した水素製造装置2の要部を示す説明図であり、図3、図4、図5、及び図6は、それぞれ図2に示した水素製造装置の第1、第2、第3、及び第4変形例を示す説明図である。なお、図2中に矢印で示す方向は、説明の便宜のためのものであり、実用上の方向を限定するものではない(他の図についても同様)。また、図4以降では、図2に示した水素製造装置2と同様の構造をより簡略化して示してある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a
図1に示すように、水素製造システム1は、水の分解により水素を製造する水素製造装置2と、水素製造装置2に原料としての水を供給する水供給装置3と、水素製造装置2において製造された水素を利用する水素利用装置4とを主として備える。
As shown in FIG. 1, a
ここで、水供給装置3は、公知のポンプ等から構成され、図示しない貯蔵タンク等から水素製造装置2に対して水を供給可能である。また、水素利用装置4は、例えば、水素を燃料とする公知の燃料電池から構成されるが、これに限らず、水素を主成分とするガスを利用可能であれば、他の任意の装置を用いることが可能である。
Here, the
図2に示すように、水素製造装置2は、水及び水の分解反応により生成された水素(H2)が流通する第1流路11と、この第1流路11と隣接し、第1流路において生成された酸素(O2)が流通する第2流路12、13とを有する。また、図示は省略するが、第1流路11および第2流路12、13の左右方向は、当該方向に略垂直に配置された気体透過性を有していない壁(例えば、金属製の部材)によって閉鎖されている。
As shown in FIG. 2, the
第1流路11は、所定の間隔をあけて互いに平行に配置された上下の2つの平板状の壁(隔壁)14、15によって画定される。壁14、15は、酸素を選択的に透過させる酸素透過性を有しており、例えば、公知の酸素透過性のセラミックス膜によって構成することが可能である。
The
そのようなセラミックス膜の詳細については、例えば、Wenping Li, Xuefeng Zhu, Zhongwei Cao, Weiping Wang, Weishen Yang. "Mixed ionic-electronic conducting (MIEC) membranes for hydrogen production from water splitting." International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 8, 2 March 2015, Pages 3452-3461、C.Y. Park, T.H. Lee, S.E. Dorris, U. Balachandran. "Hydrogen production from fossil and renewable sources using an oxygen transport membrane." International Journal of Hydrogen Energy. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, Issue 9, May 2010, Pages 4103-4110、U. (Balu) Balachandran, T.H. Lee, S.E. Dorris. "Hydrogen production by water dissociation using mixed conducting dense ceramic membranes." International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, Issue 4, March 2007, Pages 451-456等を参照されたい。
For details of such ceramic membranes, see, for example, Wenping Li, Xuefeng Zhu, Zhongwei Cao, Weiping Wang, Weishen Yang. "Mixed ionic-electronic conducting (MIEC) membranes for hydrogen production from water splitting." International Journal of Hydrogen Energy. , Volume 40,
なお、水素製造装置2の流路を画定する酸素透過性の壁としては、少なくとも水素製造装置2が稼働する温度、圧力等の環境下において使用可能なものであればよく、上述のセラミックス膜に限らず、他の公知の酸素透過性の部材(実質的に酸素のみを透過させる部材)を用いることが可能である。
The oxygen-permeable wall that defines the flow path of the
また、第2流路12、13は、互いに同一の構造を有しており、第1流路11を画定する2つの平板状の壁14、15の一方と、これに対向する壁16、17の一方とによってそれぞれ画定される。壁16、17は、気体透過性を有しておらず、それぞれ壁14、15に対して所定の間隔をあけて互いに平行に配置される。
The
水素製造工程において、第1流路11では、上流側(図2中の後側)から水(ここでは、蒸気)が流入し、この水が分解反応(H2O→H2+0.5O2)をおこすことにより、水素および酸素が生成される。そこで生成された酸素は、壁14、15を透過(ここでは、酸素イオンとして透過)することにより、第1流路11の上下に位置する第2流路12、13に流入する。一方、第1流路11で生成された水素は、壁14、15を透過することなく、第1流路11の下流側(図2中の前側)から排出される。これにより、第1流路11の下流から水素の純度を向上させたガス(好ましくは、水素を95〜99.9999 vol%含む高純度の水素ガス)が排出され、この排出ガスは、水素製造装置2の製造物として水素利用装置4に送られる。また、第2流路12、13に流入した酸素は、第2流路12、13の下流側から排出される。なお、第1流路11には、未反応の水が水素と共に存在し得るが、その場合でもその水を除去する(例えば、凝縮させる)だけで、水素の純度を向上させたガスを容易に取得することができる。
In the hydrogen production process, in the
このように、水素製造システム1では、第1流路11で生成された酸素を酸素透過性の壁14、15を介して第2流路12、13に選択的に透過させる簡易な構成により、第1流路11において水素の純度を向上させたガスを取得することが可能となる。また、水素製造システム1では、従来技術のように水素精製のための装置を別途準備する必要はなく、コンパクトなシステムを実現できる。
As described above, the
なお、第1流路11を画定する壁14、15については、第1流路11の排出ガスにおいて所望の水素生成量および水素純度を達成可能な限りにおいて、少なくともその一部の領域が酸素透過性を有して(すなわち、壁14、15の一部が酸素透過性のセラミックス膜で形成されて)いればよい。また、水の分解反応(H2O→H2+0.5O2)は、標準反応熱ΔH=242kJの吸熱反応であるため、この反応に必要な熱は、図示しない外部装置(例えば、燃焼装置)から水素製造装置2に対して供給することが可能である。
As for the
また、第1流路11および第2流路12、13ならびにそれらを画定する壁の形状やサイズについては適宜変更が可能である。本実施形態では、図2に示すように、第1流路11の上下を挟み込むように第2流路12、13を配置する構成としたが、例えば、一方の第2流路13を省略した構成も可能である。その場合、第1流路11の下面を画定する壁15は、壁16と同様に気体透過性を有しない部材によって構成されることになる。さらに、ここでは、第1流路11および第2流路12、13におけるガスの流れの方向を同一としたが、それぞれの流路におけるガスが、互いに交差する方向に流れる構成も可能である。
Further, the shape and size of the
また、水素製造装置2では、第1流路11を複数設けた構成も可能である。その場合、例えば、図2に示した構造を基本単位とし、これを上下方向に複数積み重ねた構成とすることができる。或いは、水素製造装置2では、第2流路13を省略した構成において、上述の第1流路11および第2流路12を上下方向に交互に配置した構成とすることもできる。その場合、第2流路12を画定する2つの壁は、ともに第1流路に対する隔壁になるため、これらは、壁14、15と同様に酸素透過性を有する部材でそれぞれ構成されることになる。
Further, the
上記第1実施形態の第1変形例として、例えば図3に示すように、第1流路11および第2流路12は、略同心に配置された複数の管(ここでは、円管)21、22から構成されてもよい。この場合、より小径の管21は、上述の壁14、15と同様に酸素透過性を有する部材で構成され、その内周面は、第1流路11を画定する。また、より大径の管22は、壁16、17と同様に気体透過性を有しない部材によって構成され、その内周面は、小径の管21の外周面と共に第2流路12を画定する。
As a first modification of the first embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the
また、上記第1実施形態の第2変形例として、例えば図4に示すように、第2流路12、13に酸素をパージするための不活性ガス(ここでは、アルゴン(Ar))を流通させる構成も可能である。これにより、第1流路11と第2流路12、13との酸素分圧の差が適正に維持され、第1流路11から第2流路12、13への壁14、15を介した酸素の良好な透過性を実現できる。
As a second modification of the first embodiment, for example, as shown in FIG. 4, an inert gas (in this case, argon (Ar)) for purging oxygen is circulated through the
また、上記第1実施形態の第3変形例として、例えば図5に示すように、第2流路12、13の下流側に接続されるポンプ等からなる吸引装置25を設け、第2流路12、13内のガスを吸引(すなわち、第2流路12、13を減圧)する構成も可能である。これにより、上記第2変形例と同様に、第1流路11から第2流路12、13への壁14、15を介した酸素の良好な透過性を実現できる。
As a third modification of the first embodiment, for example, as shown in FIG. 5, a
また、上記第1実施形態の第4変形例として、例えば図6に示すように、第1流路11を画定する壁(ここでは、壁14、15)に、貴金属や金属酸化物等を含む公知の水分解反応用触媒28を担持させることが可能である。これにより、第1流路における水の分解が促進される。
Further, as a fourth modification of the first embodiment, for example, as shown in FIG. 6, walls (here,
なお、上記第1および第4変形例ならびにそれらと同等の構成については、本実施形態に限らず後述する他の実施形態においても、適宜採用することが可能である。 In addition, about the said 1st and 4th modification and those structures equivalent to them, it is possible to employ | adopt suitably also in other embodiment mentioned later not only in this embodiment.
(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態に係る水素製造システム1の構成図であり、図8は図1に示した水素製造装置2の要部を示す説明図である。図7および図8では、上述の第1実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第2実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第1実施形態(その変形例を含む)と同様として詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of the
図7に示すように、第2実施形態に係る水素製造システム1では、水素製造装置2に燃料ガス(ここでは、メタンを主成分とする天然ガス)を供給する燃料供給装置30と、水素製造装置2において発生した二酸化炭素(CO2)を回収するCO2回収装置31とを更に備えた点において第1実施形態の場合とは異なる。
As shown in FIG. 7, in the
図8に示すように、第2実施形態に係る水素製造装置2では、燃料供給装置30からメタン(CH4)を主成分とする天然ガスが第2流路12、13にそれぞれ流入する。第2流路12、13のメタンは、第1流路11から壁14、15を透過して第2流路12、13に流入する酸素によって燃焼(0.25CH4+0.5O2→0.25CO2+0.5H2O)する。前述の水分解で生成した酸素(0.5O2)を用いた前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔH=−200kJ(298.15K、0.1MPa)の発熱反応であり、この燃焼熱は壁14、15を介して第1流路11に伝導する。
As shown in FIG. 8, in the
この第2流路12、13からの燃焼熱の熱量(200kJ)により、第1流路11における水の分解反応に必要な熱量(242kJ)の一部を補うことが可能となり、水の分解反応のための外部装置からの熱の供給量を低減することが可能となる。
The amount of heat (200 kJ) of combustion heat from the
また、第2流路12、13の下流側(図8中の前側)から排出される燃焼ガスに含まれる二酸化炭素は、水と分離された後に公知のCO2回収装置31に送られて回収される。
Further, carbon dioxide contained in the combustion gas discharged from the downstream side (the front side in FIG. 8) of the
なお、水素製造システム1の燃料ガスとしては、天然ガスに限らず、LPG(Liquefied Petroleum Gas)、軽油、ガソリン等の炭化水素やアルコールを含む燃料を用いることができる。
Note that the fuel gas of the
(第3実施形態)
図9は本発明の第3実施形態に係る水素製造システム1の構成図であり、図10は図1に示した水素製造装置2の要部を示す説明図であり、図11は図10に示した水素製造装置の変形例を示す説明図である。図9〜図11では、上述の第1及び第2実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第3実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第1または第2実施形態(それらの変形例を含む)と同様として詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a configuration diagram of the
図9に示すように、第3実施形態に係る水素製造システム1では、水素製造装置2に空気(酸素含有ガス)を供給する空気供給装置41を更に備えた点において第2実施形態の場合とは異なる。
As shown in FIG. 9, the
また、図10に示すように、第3実施形態に係る水素製造装置2では、壁16、17にそれぞれ隣接し、空気供給装置41から導入された空気(Air)が流通する第3流路43、44を更に備えた点において第2実施形態の場合とは異なる。
As shown in FIG. 10, in the
第3流路43、44は、互いに同一の構造を有しており、第2流路12、13を画定する2つの平板状の壁16、17の一方と、これに対向する壁46、47の一方とによってそれぞれ画定される。本実施形態では、壁16、17は、第1実施形態における壁14、15と同様に酸素透過性を有する部材から構成され、また、壁46、47は、第1実施形態における壁16、17と同様に気体透過性を有しておらず、それぞれ壁16、17に対して所定の間隔をあけて互いに平行に配置される。なお、図示は省略するが、第3流路43、44の左右方向(図10の紙面に垂直な方向)は、第1実施形態における第1流路11および第2流路12、13の場合と同様に閉鎖されている。
The
第3流路43、44では、上流側(図10中の後側)から空気が流入し、この空気に含まれる酸素は、壁16、17を透過(ここでは、酸素イオンとして透過)して上下に配置された第2流路12、13にそれぞれ流入する。
In the
第2流路12、13には、第2実施形態の場合と同様に、メタン(CH4)を主成分とする天然ガスがそれぞれ流入し、このメタンは、第1流路11からの酸素に加えて、第3流路43、44からの酸素によって燃焼(0.3CH4+0.6O2→0.3CO2+0.6H2O)する。前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔH=−242kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁14、15を介して第1流路11に伝導する。
Similarly to the case of the second embodiment, natural gas mainly containing methane (CH 4 ) flows into the
これにより、第2流路12、13に流入させる燃焼ガス量(すなわち、燃焼熱量)を増大させることができ、第2流路12、13からの燃焼熱の熱量(242kJ)により、第1流路11における水の分解に必要な熱量(242kJ)の略全てを補うことが可能となる。その結果、水素製造装置2への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
As a result, the amount of combustion gas (that is, the amount of combustion heat) flowing into the
このように、第3流路43、44から酸素のみを第2流路12、13に流入させることにより、第2流路12、13の燃焼ガスに窒素が残留することを回避することができ、二酸化炭素を容易に回収することができるという利点がある。ただし、空気の代替として、第3流路43、44に酸素または酸素含有ガスを流入させる構成も可能である。
In this way, by allowing only oxygen to flow into the
上記第3実施形態の変形例として、例えば図11に示すように、第3流路43、44を省略し、第2流路12、13に、天然ガス(メタン)を燃焼に用いる酸素(例えば、上記第3実施形態において第3流路43、44を流れる酸素と同量の酸素)または酸素含有ガスを供給する構成も可能である。この場合、第2流路12、13のメタンは、天然ガスに混合された酸素に加えて、第1流路11からの酸素によって燃焼(0.3CH4+0.6O2→0.3CO2+0.6H2O)する。前記化学式におけるメタンの燃焼は、反応熱ΔH=−242kJの発熱反応であり、第1流路11における水の分解に必要な熱量(242kJ)の略全てを補うことが可能となる。これにより、上記第3実施形態と同様の効果が期待できる。
As a modification of the third embodiment, for example, as shown in FIG. 11, the
(第4実施形態)
図12は本発明の第4実施形態に係る水素製造システム1の構成図であり、図13は図1に示した水素製造装置2の要部を示す説明図であり、図14及び図15は、それぞれ図13に示した水素製造装置の第1及び第2変形例を示す説明図である。図12〜図15では、上述の第1〜第3実施形態と同様の構成要素に同一の符号を付している。また、第4実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については、上述の第1から第3実施形態(それらの変形例を含む)のいずれかと同様として詳細な説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is a configuration diagram of the
図12に示すように、第4実施形態に係る水素製造システム1では、空気供給装置41が省略され、また、燃料供給装置30と水素製造装置2との間に燃料ガスを改質する改質装置51を更に備えた点において第3実施形態の場合とは異なる。
As shown in FIG. 12, in the
改質装置51では、燃料ガス(ここでは、天然ガス)の水蒸気改質(0.25CH4+0.25H2O→0.25CO+0.75H2)により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスが生成され、この改質ガスは、水素製造装置2に送られて第2流路12、13に流入する。
In the
図13に示すように、第4実施形態に係る水素製造装置2では、第2流路12、13に流入した一酸化炭素および水素を含む改質ガスは、第1流路11から壁14、15を透過して第2流路12、13に流入する酸素によって燃焼(0.25CO+0.75H2+0.5O2→0.25CO2+0.75H2O)する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔH=−252kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁14、15を介して第1流路11に伝導する。
As shown in FIG. 13, in the
この第2流路12、13からの燃焼熱の熱量(252kJ)により、第1流路11における水の分解に必要な熱量(242kJ)の略全てを補うことが可能となる。その結果、第3実施形態の場合と同様に、水素製造装置2への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。なお、第2流路12、13の下流側から排出される水は、改質装置51および第1流路11の上流側に循環することができる。
The amount of heat (252 kJ) of the combustion heat from the
また、上記改質装置51の第1変形例として、燃料ガス(ここでは、天然ガス)の炭酸ガス改質(0.25CH4+0.25CO2→0.5CO+0.5H2)により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスを生成する構成とすることも可能である。
Further, as a first modification of the
これにより、図14に示すように、第2流路12、13に流入した改質ガスは、第1流路11から壁14、15を透過して第2流路12、13に流入する酸素によって燃焼(0.5CO+0.5H2+0.5O2→0.5CO2+0.5H2O)する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔH=−263kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁14、15を介して第1流路11に伝導する。
Thereby, as shown in FIG. 14, the reformed gas that has flowed into the
この第2流路12、13からの燃焼熱の熱量(263kJ)により、第1流路11における水の分解に必要な熱量(242kJ)の略全てを補うことが可能となる。その結果、第3実施形態の場合と同様に、水素製造装置2への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
The amount of combustion heat (263 kJ) from the
また、上記改質装置51の第2変形例として、燃料ガス(ここでは、天然ガス)の部分酸化(0.25CH4+0.125O2→0.25CO+0.5H2)により、一酸化炭素および水素を含むより高カロリーの改質ガスを生成する構成とすることも可能である。
Further, as a second modification of the
これにより、図15に示すように、第2流路12、13に流入した改質ガスは、第1流路11から壁14、15を透過して第2流路12、13に流入する酸素によって燃焼(0.33CO+0.67H2+0.5O2→0.33CO2+0.67H2O)する。前記化学式における改質ガスの燃焼は、反応熱ΔH=−256kJの発熱反応であり、この燃焼熱は壁14、15を介して第1流路11に伝導する。
As a result, as shown in FIG. 15, the reformed gas that has flowed into the
この第2流路12、13からの燃焼熱の熱量(256kJ)により、第1流路11における水の分解に必要な熱量(242kJ)の略全てを補うことが可能となる。その結果、第3実施形態の場合と同様に、水素製造装置2への外部装置からの熱の供給を不要とすることが可能となる。
With the amount of heat of combustion heat (256 kJ) from the
以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。なお、上述の実施形態に示した本発明に係る水素製造装置及びこれを備えた水素製造システム並びに水素製造方法の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on specific embodiment, these embodiment is an illustration to the last, Comprising: This invention is not limited by these embodiment. Note that the components of the hydrogen production apparatus according to the present invention, the hydrogen production system including the hydrogen production system, and the hydrogen production method shown in the above-described embodiments are not necessarily essential, and at least as long as they do not depart from the scope of the present invention. It is possible to make selections as appropriate.
1 水素製造システム
2 水素製造装置
3 水供給装置
4 水素利用装置
11 第1流路
12、13 第2流路
14、15 壁
16、17 壁
21、22 管
25 吸引装置
28 水分解反応用触媒
30 燃料供給装置
41 空気供給装置
43、44 第3流路
46、47 壁
51 改質装置
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記第1流路に隣接し、前記第1流路において生成された酸素が流通する第2流路とを備え、
前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第1流路において生成した前記酸素を前記第2流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする水素製造装置。 A first flow path through which hydrogen generated by a decomposition reaction of supplied water flows;
A second channel adjacent to the first channel and through which oxygen generated in the first channel flows;
At least a part of the partition wall that separates the first flow path and the second flow path has oxygen permeability that selectively allows the oxygen generated in the first flow path to permeate the second flow path. Characteristic hydrogen production equipment.
前記燃料ガスは、前記第2流路において前記酸素によって燃焼することを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。 Fuel gas further circulates in the second flow path,
The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the fuel gas is burned by the oxygen in the second flow path.
前記隔壁は、前記2つの平板状の壁の一方によって構成されることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の水素製造装置。 The first flow path is defined by two flat walls arranged at a predetermined interval,
The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the partition wall is configured by one of the two flat walls.
前記第2流路は、前記2つの平板状の壁をそれぞれ介して前記第1流路に隣接する2つの流路を含むことを特徴とする請求項7に記載の水素製造装置。 The other of the two flat walls further constitutes the partition,
The hydrogen production apparatus according to claim 7, wherein the second flow path includes two flow paths that are adjacent to the first flow path through the two flat plate-like walls, respectively.
前記第2流路と隣接し、外部から導入された空気が流通する第3流路を更に備え、
前記第2流路と前記第3流路とを隔てる隔壁の少なくとも一部は、前記第3流路における前記空気に含まれる酸素を前記第2流路に選択的に透過させる酸素透過性を有することを特徴とする請求項2から請求項8のいずれかに記載の水素製造装置。 Further comprising a third channel adjacent to the second channel and through which an oxygen-containing gas introduced from the outside flows, and at least a part of the partition wall separating the second channel and the third channel is An oxygen permeable material that selectively allows oxygen contained in the oxygen-containing gas in the third flow path to pass through the second flow path; adjacent to the second flow path; A flow path,
At least a part of the partition wall that separates the second flow path and the third flow path has oxygen permeability that allows oxygen contained in the air in the third flow path to selectively pass through the second flow path. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 2 to 8, wherein
前記第1流路に隣接する第2流路に、前記分解反応によって生成された酸素を流通させる工程とを含み、
前記第2流路に酸素を流通させる工程には、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁を介して前記分解反応によって生成された前記酸素を前記第2流路に選択的に透過させる工程が含まれることを特徴とする水素製造方法。 Flowing hydrogen produced by the decomposition reaction of the supplied water to the first flow path;
Circulating the oxygen generated by the decomposition reaction in a second channel adjacent to the first channel,
In the step of circulating oxygen in the second flow path, the oxygen generated by the decomposition reaction is selectively transmitted to the second flow path through a partition wall that separates the first flow path and the second flow path. And a method for producing hydrogen, comprising the step of permeating the water.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110844905A (en) * | 2018-08-20 | 2020-02-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | CO realization by using mixed conductor oxygen-permeable membrane reactor2Novel system and method for pre-combustion capture |
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