JP5357465B2 - High purity hydrogen production method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lower-cost method for producing high purity hydrogen which achieves further compacting of a production apparatus while achieving improvement in the energy efficiency of the whole process. <P>SOLUTION: High purity hydrogen F is obtained by pressurizing liquid hydrocarbon fuel A and water B as being liquid, thereafter reforming and converting them with a reformer 1 and a converter 2 to form a high pressure hydrogen-enriched gas D, bringing the high pressure hydrogen-enriched gas D into contact with a copper halide-supporting CO adsorbing agent filled in a CO remover 5 as it is without being subjected to pressure reduction, storing hydrogen in a hydrogen storing material in a hydrogen separation/recover unit 6 as being in a high pressure state, and discharging the stored hydrogen from the storing material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、リン酸形や固体高分子形等のプロトン伝導形燃料電池等に用いられる高純度水素の製造方法に関し、詳しくは、燃料電池のエネルギー(燃料)である水素を製造する際に副生する一酸化炭素や二酸化炭素、水や、未反応のメタンなどを除去し、高純度の水素を効率良く製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing high-purity hydrogen used in proton-conducting fuel cells such as phosphoric acid type and solid polymer type, and more specifically, in the production of hydrogen which is energy (fuel) of a fuel cell. The present invention relates to a method for efficiently producing high-purity hydrogen by removing produced carbon monoxide, carbon dioxide, water, unreacted methane, and the like.

近年、地球環境の改善につながる燃料電池用の燃料として、水素への期待が高まっている。水素は、天然ガス、ナフサ、灯油、メタノールなどの炭化水素含有燃料と水蒸気を金属触媒の存在下で改質・変成した後、精製して得るのが一般的である。変成後のガス(変成ガス)には、水素以外に一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)、メタン(CH)、水(HO)などが含まれており、とくにCOは固体高分子形燃料電池等の低温型燃料電池の電極に吸着して電圧出力を低下させるため、ppmレベルまで除去する必要がある。 In recent years, there is an increasing expectation for hydrogen as a fuel for fuel cells that leads to improvement of the global environment. In general, hydrogen is obtained by reforming and reforming a hydrocarbon-containing fuel such as natural gas, naphtha, kerosene, or methanol and steam in the presence of a metal catalyst. The gas after modification (metamorphic gas) contains carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ), water (H 2 O), etc. in addition to hydrogen. In order to reduce the voltage output by adsorbing to the electrode of a low temperature fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to remove it to the ppm level.

高純度水素を得る代表的な方法としては、水素PSA法が挙げられる。水素PSA法は吸着剤への各ガス成分の吸脱着挙動の違いを利用して分離する方法であり、高圧下で不純物であるCO、CO、CH、HOなどを吸着させ、これらのガスより吸着親和性の低いHのみを回収する方法である。吸着した不純物ガス成分は減圧により脱着させて系外に放出される。本方法による水素PSA装置は複数の吸着塔から構成され、それぞれの吸着塔では吸着工程、均圧工程、減圧工程、パージ工程および昇圧工程を組み合わせた操作が繰り返され、装置全体では連続水素精製装置として機能する(例えば、非特許文献1参照)。上記吸着塔には、吸着剤として活性炭、ゼオライトおよび活性アルミナを単独または積層して充填しており、99.999容積%以上の高純度水素を製造することができる。しかしながら、これらの吸着剤でCOをppmレベルまで除去するためには大量の吸着剤が必要であり、そのために吸着塔が大型化し、さらにHの収率が低下するという問題がある。 A typical method for obtaining high purity hydrogen is a hydrogen PSA method. The hydrogen PSA method is a method of separating by utilizing the difference in adsorption / desorption behavior of each gas component to the adsorbent, and adsorbs impurities such as CO, CO 2 , CH 4 , H 2 O under high pressure. This is a method of recovering only H 2 having a lower adsorption affinity than the above gas. The adsorbed impurity gas component is desorbed by reduced pressure and released out of the system. The hydrogen PSA apparatus according to this method is composed of a plurality of adsorption towers. In each adsorption tower, an operation combining the adsorption process, the pressure equalization process, the pressure reduction process, the purge process and the pressure increase process is repeated. (See, for example, Non-Patent Document 1). The adsorption tower is filled with activated carbon, zeolite and activated alumina as adsorbents alone or in layers, and can produce 99.999% by volume or more of high-purity hydrogen. However, in order to remove CO to the ppm level with these adsorbents, a large amount of adsorbent is required, which causes the problem that the adsorption tower becomes larger and the yield of H 2 is lowered.

また、燃料電池に適合した水素に富む燃料ガスを製造することを目的として、改質・変成後のガスをハロゲン化銅吸着剤に流通させてCOを除去する方法が開示されている(特許文献1参照)。しかしながら、本方法ではCOは除去できるものの、CO等その他のガスを除去することができないため、燃料電池に燃料ガスを供給した場合に発電効率が低下する問題がある。また、長期に燃料ガスを供給した場合、HおよびCO以外のガスが燃料電池の電極に与える影響は現時点で不明であるという課題も残っている。 Further, for the purpose of producing a hydrogen-rich fuel gas suitable for a fuel cell, a method for removing CO by passing the reformed / modified gas through a copper halide adsorbent is disclosed (Patent Literature). 1). However, although this method can remove CO, but cannot remove other gases such as CO 2 , there is a problem that power generation efficiency decreases when fuel gas is supplied to the fuel cell. Also, the case of supplying the long-term fuel gas, the effect of gases other than H 2 and CO are supplied to the electrode of the fuel cell is still another problem that it is unclear at present.

また、COをCO選択酸化触媒にて除去した後に水素PSAを用いてCOやCH、HOを除去する方法も検討されている(非特許文献2参照)。本方法は、水素PSA法における吸着塔が大型化する主原因であるCOをあらかじめ除去するため、吸着塔の小型化につながるが、COを酸化させるために空気を導入する際、CO酸化の等量以上に酸素を供給する必要があるため、COと反応しない酸素はHと反応してHを消費してHの回収効率を低下させるとともに、副次反応としてメタネーションが起こり、PSAで除去しにくいCHが生成することや、同じくPSAで除去しにくい窒素(N)が系内に混入するという問題がある。 Further, a method of removing CO 2 , CH 4 , and H 2 O using hydrogen PSA after removing CO with a CO selective oxidation catalyst has been studied (see Non-Patent Document 2). This method removes CO, which is the main cause of the increase in the size of the adsorption tower in the hydrogen PSA method, leading to downsizing of the adsorption tower. However, when introducing air to oxidize CO, CO oxidation, etc. since it is necessary to supply oxygen or the amount of oxygen which does not react with the CO together reduces the recovery efficiency of H 2 consumed and H 2 react with H 2, methanation occurs as a side reaction, PSA There is a problem that CH 4 that is difficult to remove by the formation of nitrogen and that nitrogen (N 2 ) that is also difficult to remove by PSA is mixed in the system.

また、廃シリコン、バイオマス、廃アルミから発生する各種水素含有ガスから水素吸蔵合金を用いて高純度水素を製造する方法も検討されている(非特許文献3参照)。本方法は、水素吸蔵合金に水素含有ガス中の水素のみを選択的に吸蔵させることによって高純度水素を製造することができるものであるが、不純物ガス、特にCOに対する問題が十分に解決されていない。   In addition, a method for producing high-purity hydrogen using hydrogen storage alloys from various hydrogen-containing gases generated from waste silicon, biomass, and waste aluminum has been studied (see Non-Patent Document 3). This method can produce high-purity hydrogen by selectively storing only hydrogen in a hydrogen-containing gas in a hydrogen storage alloy, but the problem with respect to impurity gases, particularly CO, has been sufficiently solved. Absent.

そこで、本発明者らは、炭化水素含有燃料を改質・変成して得た水素リッチガスから、吸着特性が特異的に優れたハロゲン化銅を担持させてなるCO吸着剤にてCOを除去したのち、水素吸蔵材料に水素を選択的に吸蔵させることによって、高純度水素を得る方法を提案した(特許文献2参照)。本方法により、COに対する問題が解決され、高純度の水素を高効率で得ることができるようになり、その結果、製造装置を大幅にコンパクト化でき、低コストで高純度水素が得られるようになった。   Therefore, the present inventors removed CO from a hydrogen-rich gas obtained by reforming and transforming a hydrocarbon-containing fuel with a CO adsorbent that carries copper halide having excellent adsorption characteristics. Later, a method for obtaining high purity hydrogen by selectively storing hydrogen in the hydrogen storage material was proposed (see Patent Document 2). This method solves the problem for CO and makes it possible to obtain high-purity hydrogen with high efficiency. As a result, the production apparatus can be greatly downsized, and high-purity hydrogen can be obtained at low cost. became.

しかしながら、本方法において、製造装置のさらなるコンパクト化を図るためには、水素リッチガスを加圧することにより、CO吸着剤によるCO吸着容量および水素吸蔵材料による水素吸蔵容量を増大させることが好ましい(特許文献2の段落[0038]、図3参照)ものの、水素リッチガスの加圧に要するエネルギーによって、プロセス全体のエネルギー効率が低下する問題があり、この点で改良の余地が残されていた。
竹内雍監修、「最新吸着技術便覧」、株式会社エヌ・ティー・エス、1999年1月、p.86 NEDO平成13年度報告書、新PSA方式による水素製造技術開発、2002年 勝田 正文、ケミカル・エンジニアリング、2005年10月、p.737−744 特開2002−201005号公報 特開2006−342014号公報
However, in this method, in order to further reduce the size of the production apparatus, it is preferable to increase the CO adsorption capacity by the CO adsorbent and the hydrogen storage capacity by the hydrogen storage material by pressurizing the hydrogen rich gas (Patent Document). Although the paragraph [0038] of FIG. 2 (see FIG. 3), there is a problem that the energy efficiency of the whole process is lowered due to the energy required for pressurization of the hydrogen-rich gas, and there remains room for improvement in this respect.
Supervised by Atsushi Takeuchi, "Handbook of latest adsorption technology", NTS Corporation, January 1999, p. 86 NEDO 2001 Report, Development of Hydrogen Production Technology by New PSA Method, 2002 Masafumi Katsuta, Chemical Engineering, October 2005, p. 737-744 JP 2002-201005 A JP 2006-342014 A

そこで本発明の目的は、プロセス全体のエネルギー効率を改善しつつ、製造装置のさらなるコンパクト化を実現しうる、より低コストの高純度水素の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing high-purity hydrogen at a lower cost that can realize further downsizing of the production apparatus while improving the energy efficiency of the entire process.

請求項1に記載の発明は、液体状炭化水素燃料と水からなる液体状改質用原料を液体状のままで所定圧力まで加圧する液体状改質用原料加圧工程と、該加圧された液体状改質用原料を改質し、または改質し変成してCOを含有する水素リッチガスを得る水素リッチガス製造工程と、該COを含有する水素リッチガスを減圧することなくCO吸着剤と接触させてCOを吸着除去しCO除去ガスを得るCO吸着除去工程と、該CO除去ガスを減圧することなく該CO除去ガスに含まれる水素を水素吸蔵材料に吸蔵させる水素吸蔵ステップとこの吸蔵された水素を前記吸蔵材料から放出させる水素放出ステップとを有する水素分離回収工程と、を備えた高純度水素の製造方法であって、前記所定圧力は、前記水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力が絶対圧で0.60133〜5.10133MPa(ゲージ圧で0.5〜5.0MPa)の圧力となるように、該雰囲気圧力より、前記水素リッチガス製造工程と前記CO除去工程における雰囲気ガスの圧力損失分を考慮して高めに設定されたものである(但し、該所定圧力は絶対圧で5.0MPa以上の範囲を除く。)とともに、前記CO吸着剤が、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される1種以上の担体に、ハロゲン化銅(I)および/またはハロゲン化銅(II)を担持させた材料であることを特徴とする高純度水素製造方法である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a liquid reforming raw material pressurizing step for pressurizing a liquid reforming raw material composed of a liquid hydrocarbon fuel and water to a predetermined pressure in a liquid state, and the pressurization. A hydrogen-rich gas production process for reforming or reforming and reforming a liquid reforming raw material to obtain a hydrogen-rich gas containing CO, and contact with a CO adsorbent without depressurizing the hydrogen-rich gas containing CO A CO adsorption / removal step for absorbing and removing CO to obtain a CO removal gas, a hydrogen occlusion step for occluding hydrogen contained in the CO removal gas in the hydrogen occlusion material without reducing the CO removal gas, and the occlusion a method of producing a high-purity hydrogen and a hydrogen separation and recovery step and a hydrogen release step for releasing hydrogen from the storage material, the predetermined pressure is ambient pressure in said hydrogen absorbing step From the atmospheric pressure, the atmospheric gas pressure loss in the hydrogen-rich gas production step and the CO removal step is such that the counter pressure is 0.60133 to 5.1133 MPa (gauge pressure is 0.5 to 5.0 MPa). In addition, the CO adsorbent is silica, alumina, activated carbon, graphite, and polystyrene . However, the predetermined pressure excludes a range of 5.0 MPa or more in absolute pressure. A method for producing high-purity hydrogen, characterized in that it is a material in which copper (I) halide and / or copper (II) halide is supported on one or more carriers selected from the group consisting of resin based resins. .

請求項2に記載の発明は、前記水素吸蔵材料として、水素吸蔵合金、表面処理した水素吸蔵合金、ケミカルハイドライド、カーボンナノチューブ、またはこれらのいずれか2種以上を用いる請求項1に記載の高純度水素製造方法である。   The invention according to claim 2 is the high purity according to claim 1, wherein a hydrogen storage alloy, a surface-treated hydrogen storage alloy, a chemical hydride, a carbon nanotube, or any two or more thereof is used as the hydrogen storage material. This is a hydrogen production method.

請求項3に記載の発明は、前記水素吸蔵ステップにおける、反応温度は80℃以下、雰囲気圧力はゲージ圧で0.2〜35MPaとする請求項1または2に記載の高純度水素製造方法である。   The invention according to claim 3 is the method for producing high purity hydrogen according to claim 1 or 2, wherein the reaction temperature in the hydrogen storage step is 80 ° C. or less and the atmospheric pressure is 0.2 to 35 MPa in terms of gauge pressure. .

請求項4に記載の発明は、前記水素放出ステップにおける、反応温度は250℃以下、雰囲気圧力は前記水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力より低くする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法である。   The invention according to claim 4 is the high purity according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction temperature in the hydrogen releasing step is 250 ° C. or lower and the atmospheric pressure is lower than the atmospheric pressure in the hydrogen storage step. This is a hydrogen production method.

請求項5に記載の発明は、前記CO吸着除去工程が、COを吸着除去するCO吸着ステップと、前記CO吸着剤を再生するCO吸着剤再生ステップとを有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法である。   The invention according to claim 5 is any one of claims 1 to 4, wherein the CO adsorption removing step includes a CO adsorption step for adsorbing and removing CO, and a CO adsorbent regeneration step for regenerating the CO adsorbent. The high-purity hydrogen production method described in the item.

請求項6に記載の発明は、前記水素吸蔵ステップにおいて前記水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際に発生する熱を、前記CO吸着剤再生ステップにおける前記CO吸着剤の昇温および/または前記水素放出ステップにおける前記水素吸蔵材料の昇温に用いる請求項5に記載の高純度水素製造方法である。   According to a sixth aspect of the present invention, the heat generated when the hydrogen storage material stores hydrogen in the hydrogen storage step is used to increase the temperature of the CO adsorbent and / or release the hydrogen in the CO adsorbent regeneration step. The high-purity hydrogen production method according to claim 5, which is used for raising the temperature of the hydrogen storage material in the step.

請求項7に記載の発明は、前記水素放出ステップにおける反応温度を得るために、前記COを含有する水素リッチガスに含まれる水蒸気の潜熱、この水素リッチガスの顕熱、前記改質を行う工程からの燃焼排ガスの顕熱、前記改質用原料に用いたものとは別の液体状炭化水素燃料の燃焼熱、またはこれらのいずれか2種以上を用いて前記水素吸蔵材料を加熱する請求項5または6に記載の高純度水素製造方法である。 In order to obtain the reaction temperature in the hydrogen releasing step , the invention according to claim 7 includes the latent heat of water vapor contained in the hydrogen-rich gas containing CO, the sensible heat of the hydrogen-rich gas, and the step of performing the reforming. 6. The hydrogen storage material is heated using sensible heat of combustion exhaust gas, combustion heat of a liquid hydrocarbon fuel different from that used for the reforming raw material, or any two or more thereof. 6. The method for producing high-purity hydrogen according to 6.

請求項8に記載の発明は、前記液体状炭化水素燃料が、灯油、メタノール、ガソリンおよびジメチルエーテルよりなる群から選択される1種以上の燃料である請求項1〜7のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法である。   The invention according to claim 8 is the liquid crystal fuel according to any one of claims 1 to 7, wherein the liquid hydrocarbon fuel is at least one fuel selected from the group consisting of kerosene, methanol, gasoline, and dimethyl ether. This is a high-purity hydrogen production method.

本発明によれば、液体状炭化水素燃料と水からなる液体状改質原料を液体状のままで加圧してから改質することで、従来のようにガス状で加圧する場合に比べて大幅に加圧に要するエネルギーが低減し、その結果、プロセス全体のエネルギー効率を改善しつつ、製造装置をさらにコンパクト化でき、より低コストで高純度水素が得られるようになった。   According to the present invention, a liquid reforming raw material composed of a liquid hydrocarbon fuel and water is reformed after being pressurized while being in a liquid state, which is much larger than in the case where gas is pressurized in the conventional manner. As a result, the energy required for pressurization was reduced, and as a result, the energy efficiency of the entire process was improved, and the production apparatus could be made more compact, and high-purity hydrogen could be obtained at a lower cost.

以下、本発明の実施の形態について図1、2のフロー図を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the flowcharts of FIGS.

〔実施形態1〕
実施形態の一例を図1のフロー図に示す。本実施形態では、CO吸着剤の吸着/再生および水素吸蔵材料の水素吸蔵/水素放出の切り替え操作を主として反応圧力の昇降(すなわち、圧力スイング)により行う例を示す。
Embodiment 1
An example of the embodiment is shown in the flowchart of FIG. In the present embodiment, an example is shown in which the switching operation between the adsorption / regeneration of the CO adsorbent and the hydrogen occlusion / hydrogen release of the hydrogen occlusion material is performed mainly by raising and lowering the reaction pressure (that is, pressure swing).

(液体状改質用原料加圧工程)
本発明は、常温で液体状の改質用原料を液体状のままで加圧してから改質を行うことを特徴とする。すなわち、炭化水素燃料としては、灯油、メタノール、ガソリン、メチルエーテル等、またはこれらの2種以上を混合した液体状炭化水素燃料Aを用いる。また、改質剤であるHOとしては、水蒸気でなく水を用いる。
(Liquid reforming raw material pressurization process)
The present invention is characterized in that reforming is performed after pressurizing a liquid reforming raw material in a liquid state at room temperature. That is, as the hydrocarbon fuel, kerosene, methanol, gasoline, methyl ether or the like, or liquid hydrocarbon fuel A in which two or more of these are mixed is used. Moreover, water is used instead of water vapor as H 2 O as a modifier.

そして、このような液体状炭化水素燃料Aと水Bからなる液体状改質用原料Cを、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、プランジャーポンプ等の昇圧機1を用いて加圧し、所定圧力まで昇圧する。該所定圧力は、後段の水素リッチガス製造工程とCO除去工程を経て水素分離回収工程の水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力がゲージ圧(以下、圧力の単位はすべてゲージ圧である。)で0.2〜35MPaの圧力となるように、水素リッチガス製造工程とCO除去工程における雰囲気ガスの圧力損失分を考慮して、上記水素分離回収工程の水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力より少し高めに設定すればよい。   Then, a liquid reforming raw material C composed of such a liquid hydrocarbon fuel A and water B is pressurized using a booster 1 such as a diaphragm pump, a piston pump, a plunger pump, etc., and the pressure is increased to a predetermined pressure. . The predetermined pressure is 0.2 to about the atmospheric pressure in the hydrogen storage step of the hydrogen separation and recovery process through the subsequent hydrogen rich gas production process and the CO removal process, in terms of gauge pressure (hereinafter, the unit of pressure is gauge pressure). In view of the pressure loss of the atmospheric gas in the hydrogen rich gas production process and the CO removal process, the pressure may be set slightly higher than the atmospheric pressure in the hydrogen storage step of the hydrogen separation and recovery process so that the pressure becomes 35 MPa.

ここで、上記水素分離回収工程の水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力を0.2〜35MPaとしたのは以下の理由による。すなわち、0.2MPa以下では水素分離回収工程において水素貯蔵材料から水素を放出させるために必要な熱量が増加し、エネルギー効率が低下する一方、35MPaを超えると液体状炭化水素燃料を加圧するために必要なエネルギーが過大になり、やはりエネルギー効率が低下するためである。より好ましくは0.5〜5.0MPaである。   Here, the reason why the atmospheric pressure in the hydrogen storage step of the hydrogen separation and recovery process is set to 0.2 to 35 MPa is as follows. That is, when the pressure is 0.2 MPa or less, the amount of heat necessary for releasing hydrogen from the hydrogen storage material in the hydrogen separation and recovery process increases and energy efficiency decreases. On the other hand, when the pressure exceeds 35 MPa, the liquid hydrocarbon fuel is pressurized. This is because the required energy becomes excessive and the energy efficiency is lowered. More preferably, it is 0.5-5.0 MPa.

(水素リッチガス製造工程)
COを含有する水素リッチガスとしての変成ガスDを製造するための水素リッチガス製造工程には、例えば通常用いられる水蒸気改質器2と変成器3との組合せを用いればよい。改質器2に加圧状態にある液体状改質用原料Cを供給し、改質触媒にて改質反応を促進してHおよびCOを主成分とする改質ガスとした後、変成器3においてこの改質ガスにさらに水蒸気を添加して変成しHを主成分とする(水素リッチな)高圧の変成ガスDを生成する。この高圧の変成ガスD中には、Hの他、約15容量%(以下、単に「%」と表示する。)のCO、少量のCH、HOなどとともに、0.5%程度のCOが残留している。
(Hydrogen rich gas production process)
In the hydrogen rich gas production process for producing the modified gas D as the hydrogen rich gas containing CO, for example, a combination of the steam reformer 2 and the transformer 3 that are usually used may be used. The reformer 2 is supplied with a liquid reforming raw material C in a pressurized state, promotes a reforming reaction with a reforming catalyst to be a reformed gas mainly composed of H 2 and CO, and then is transformed. In the vessel 3, the reformed gas is further transformed by adding steam to produce a high-pressure transformed gas D containing H 2 as a main component (rich in hydrogen). In this high-pressure modified gas D, in addition to H 2 , about 15% by volume (hereinafter simply referred to as “%”) CO 2 , a small amount of CH 4 , H 2 O, etc., 0.5% Some degree of CO remains.

(CO吸着除去工程)
本実施形態のCO吸着除去工程には、CO吸着剤を充填したCO吸着塔2基(5a,5b)からなるCO除去器5を用いる。以下、CO吸着除去ステップとCO吸着剤再生ステップに分けて説明し、さらにそれらのステップの切り替え操作について説明を行う。
(CO adsorption removal process)
In the CO adsorption removal process of the present embodiment, a CO remover 5 comprising two CO adsorption towers (5a, 5b) filled with a CO adsorbent is used. Hereinafter, the CO adsorption removal step and the CO adsorbent regeneration step will be described separately, and the switching operation of those steps will be described.

[CO吸着除去ステップ]:上記水素リッチガス製造工程で得られた高圧の変成ガスDを、減圧操作することなく、そのままCO吸着剤を充填したCO除去器5を通過させ、変成ガスD中のCOを選択的に除去する。減圧操作を行わないのは、CO吸着剤によるCO吸着反応は圧力が高いほど促進されるためである。   [CO adsorption removal step]: The high-pressure modified gas D obtained in the hydrogen-rich gas production process is passed through the CO remover 5 filled with the CO adsorbent as it is without depressurization, and the CO in the modified gas D Is selectively removed. The reason why the pressure reduction operation is not performed is that the CO adsorption reaction by the CO adsorbent is promoted as the pressure increases.

CO吸着剤としては、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される1種以上の担体に、ハロゲン化銅(I)またはハロゲン化銅(II)を担持させた材料を用いる。このようなハロゲン化銅を担持させたCO吸着剤は、ゼオライトモレキュラーシーブス、カーボンモレキュラーシーブス、活性炭、または活性アルミナといった従来の吸着剤に比べ数倍〜十数倍の吸着性能を発揮するため、CO除去器5が大幅に小型化できる。   As the CO adsorbent, a material in which copper (I) halide or copper (II) halide is supported on one or more carriers selected from the group consisting of silica, alumina, activated carbon, graphite, and polystyrene resin. Use. Since the CO adsorbent carrying such a copper halide exhibits adsorption performance several to tens of times that of conventional adsorbents such as zeolite molecular sieves, carbon molecular sieves, activated carbon, or activated alumina. The remover 5 can be greatly downsized.

また、CO吸着剤によるCO吸着反応は温度が低いほど促進されるため、高温の変成ガスDを冷却するためにCO除去器5の上流側に熱交換器4を設け、冷却後の変成ガスDの温度を80℃以下、さらには60℃以に低下させ、本ステップにおける反応温度をこれらの温度範囲とするのが好ましい。   Further, since the CO adsorption reaction by the CO adsorbent is promoted as the temperature is lower, the heat exchanger 4 is provided upstream of the CO remover 5 in order to cool the high temperature modified gas D, and the modified gas D after cooling is provided. It is preferable to lower the temperature of the reaction to 80 ° C. or less, and further to 60 ° C. or less, and to set the reaction temperature in this step within these temperature ranges.

CO吸着除去後のCO除去ガスEのCO濃度は、次工程の水素吸蔵材料の被毒を抑制するため、100ppm以下、さらには10ppm以下とするのが好ましい。   The CO concentration of the CO removal gas E after CO adsorption removal is preferably 100 ppm or less, and more preferably 10 ppm or less, in order to suppress poisoning of the hydrogen storage material in the next step.

[CO吸着剤再生ステップ]:CO吸着剤の吸着性能を維持するために、CO吸着除去ステップにおいて所定の時間経過後に、ないしはCO除去器5の出口側のCO濃度が所定の濃度まで上昇(破過)したときにCO吸着剤を再生する必要がある。CO吸着剤の再生は、吸着サイトに吸着したCOを脱離させるため、上記CO吸着除去ステップにおける雰囲気圧力より低い圧力、好ましくは常圧以下に減圧することにより行う。   [CO adsorbent regeneration step]: In order to maintain the adsorption performance of the CO adsorbent, the CO concentration on the outlet side of the CO remover 5 increases to a predetermined concentration after the predetermined time elapses in the CO adsorption removal step (breakdown). It is necessary to regenerate the CO adsorbent. The regeneration of the CO adsorbent is performed by reducing the pressure below the atmospheric pressure in the CO adsorption removal step, preferably below the atmospheric pressure, in order to desorb CO adsorbed at the adsorption site.

この脱離したCOを再吸着させないで効率良く除去するために、キャリアガスとしてCOを実質的に含まないガスを流通させつつ、上記減圧操作を行ってもよい。   In order to efficiently remove the desorbed CO without re-adsorption, the above depressurization operation may be performed while circulating a gas substantially free of CO as a carrier gas.

また、COの脱離反応は吸着反応とは逆に温度が高いほど促進されるため、CO吸着剤再生ステップにおける反応温度は、上記CO吸着除去ステップにおける反応温度より高くしてもよい。   In addition, since the CO desorption reaction is accelerated as the temperature increases, the reaction temperature in the CO adsorbent regeneration step may be higher than the reaction temperature in the CO adsorption removal step.

このような条件を満足させるため、上記キャリアガスとして用いるCOを実質的に含まないガスとしては、例えば、後述の水素分離回収装置6で吸蔵されなかったオフガスGの一部G’を利用し、これを上述の熱交換器4で変成ガス(水素リッチガス)Dと熱交換し加熱して使用すればよい。ただし、250℃を超えて加熱すると、吸着剤に担持した活性種が不可逆的なダメージを受け、CO吸着剤の性能が低下するため250℃以下とする。とくに推奨される温度範囲は80〜150℃である。   In order to satisfy such conditions, as the gas that does not substantially contain CO used as the carrier gas, for example, a part G ′ of the off-gas G that has not been occluded by the hydrogen separation and recovery device 6 described later is used. This may be used by exchanging heat with the modified gas (hydrogen-rich gas) D in the heat exchanger 4 described above and heating. However, when heated above 250 ° C., the active species carried on the adsorbent is irreversibly damaged, and the performance of the CO adsorbent is lowered. A particularly recommended temperature range is 80-150 ° C.

そして、このCO吸着剤を再生した後のガスG’’は、COを高濃度に含むため、例えば改質器2の加熱用燃料Hの一部と代替して有効利用するとよい。   The gas G ″ after the regeneration of the CO adsorbent contains CO at a high concentration, so that it can be effectively used instead of a part of the heating fuel H of the reformer 2, for example.

[CO吸着除去ステップとCO吸着剤再生ステップとの切り替え操作]:それぞれのCO吸着塔5a,5bにつき、上記CO吸着除去ステップとCO吸着剤再生ステップとを交互に切り替える必要があるが、連続的に高純度水素を製造するためには(すなわち、連続的にCO除去ガスEを得るためには)、2塔のうち常にいずれか1塔(本例では5a)をCO吸着除去ステップとしておき、他の1塔(本例では5b)をCO吸着剤再生ステップとするのがよい。   [Switching operation between CO adsorption removal step and CO adsorbent regeneration step]: It is necessary to alternately switch the CO adsorption removal step and the CO adsorbent regeneration step for each of the CO adsorption towers 5a and 5b. In order to produce high-purity hydrogen (that is, in order to obtain CO removal gas E continuously), one of the two towers (5a in this example) is always set as the CO adsorption removal step. Another tower (5b in this example) is preferably used as the CO adsorbent regeneration step.

(水素分離回収工程)
本発明の水素分離回収工程には、水素吸蔵材料を充填した水素吸蔵材料容器2個(6a,6b)からなる水素分離回収装置6を用いる。以下、水素吸蔵ステップと水素放出ステップに分けて説明し、それらのステップの切り替え操作について説明する。
(Hydrogen separation and recovery process)
In the hydrogen separation / recovery process of the present invention, a hydrogen separation / recovery device 6 comprising two hydrogen storage material containers (6a, 6b) filled with a hydrogen storage material is used. Hereinafter, the hydrogen storage step and the hydrogen release step will be described separately, and the switching operation of these steps will be described.

[水素吸蔵ステップ]:上記CO吸着除去工程で得られた高圧のCO除去ガスEを、減圧操作することなく、そのまま水素吸蔵材料を充填した水素分離回収装置を通過させ、CO除去ガスE中のHを選択的に吸蔵する。減圧操作を行わないのは、上記CO吸着剤によるCO吸着反応と同様、水素吸蔵材料による水素吸収反応は圧力が高いほど促進されるためである。上記液体状改質用原料加圧工程の説明中で述べたように、本ステップにおける雰囲気圧力は、0.2〜35MPa、さらには0.5〜5.0MPaとするのが好ましい。 [Hydrogen storage step]: The high-pressure CO removal gas E obtained in the CO adsorption removal step is passed through the hydrogen separation and recovery device 6 filled with the hydrogen storage material without being decompressed, and the CO removal gas E Of H 2 selectively. The reason why the depressurization operation is not performed is that the hydrogen absorption reaction by the hydrogen storage material is accelerated as the pressure increases, as in the CO adsorption reaction by the CO adsorbent. As described in the description of the liquid reforming raw material pressurizing step, the atmospheric pressure in this step is preferably 0.2 to 35 MPa, more preferably 0.5 to 5.0 MPa.

水素吸蔵材料としては、水素吸蔵合金が適しており、さらに水素吸蔵合金に表面処理を施したものは、COによる被毒を十分に抑制しうるためより好ましい。水素吸蔵合金の表面処理としては、COやHO、COに対して耐久性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばフッ化処理、無電解メッキ処理、樹脂コーティング処理等が挙げられる。 As the hydrogen storage material, a hydrogen storage alloy is suitable, and a material obtained by subjecting the hydrogen storage alloy to surface treatment is more preferable because poisoning by CO can be sufficiently suppressed. The surface treatment of the hydrogen storage alloy is not particularly limited as long as it has durability against CO 2 , H 2 O, and CO. For example, fluorination treatment, electroless plating treatment, resin coating treatment Etc.

また、水素吸蔵材料による水素吸収反応は温度が低いほど促進されるため、前工程から排出されたCO除去ガスEを必要により水冷ジャケット等で冷却して導入してもよい。本ステップにおける反応温度は、80℃以下、さらには60℃以下とするのが好ましい。   Further, since the hydrogen absorption reaction by the hydrogen storage material is promoted as the temperature is lower, the CO removal gas E discharged from the previous step may be introduced by cooling with a water cooling jacket or the like, if necessary. The reaction temperature in this step is preferably 80 ° C. or lower, more preferably 60 ° C. or lower.

そして、水素吸蔵材料に吸収されなかったH以外のガス(CO、CH、HOなど)はオフガスFとして必要により洗浄したのち系外に排出すればよい。 Gases other than H 2 (CO 2 , CH 4 , H 2 O, etc.) that have not been absorbed by the hydrogen storage material may be washed out as off-gas F and discharged outside the system as necessary.

[水素放出ステップ]:水素を吸蔵した水素吸蔵材料から水素を放出させる反応は、水素吸収反応とは逆に圧力が低いほど促進されるため、水素放出ステップにおける雰囲気圧力は、上記水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力より低くする。   [Hydrogen desorption step]: Since the reaction for desorbing hydrogen from the hydrogen occlusion material that occludes hydrogen is promoted as the pressure is lower, the atmospheric pressure in the hydrogen desorption step is the same as in the hydrogen occlusion step. Lower than atmospheric pressure.

また、水素吸収反応とは逆に温度が高いほど促進されるため、水素放出ステップにおける反応温度は、上記水素吸蔵ステップにおける反応温度より高くしてもよい。このような条件を満足させるため、例えば改質器の燃焼排ガスの顕熱を利用し、熱交換器を用いて間接的に水素吸蔵材料を昇温するようにすればよい。なお、改質器2の燃焼排ガスJの顕熱のみでは水素吸蔵材料を十分に昇温できない場合は、不足分を燃料電池の排熱(水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際に発生する熱)や改質用燃料を活用することもできる。ただし、250℃を超えて加熱すると、吸蔵時との温度差が大きくなるため、サイクル熱応力によって水素吸蔵材料が微粉化する。また、加熱温度を高くすると熱損失が増大するなどの理由により水素吸蔵材料の性能が低下するため250℃以下とするのがよい。とくに推奨される温度範囲は常温〜200℃である。 In contrast to the hydrogen absorption reaction, the higher the temperature, the more accelerated the reaction. Therefore, the reaction temperature in the hydrogen release step may be higher than the reaction temperature in the hydrogen storage step. In order to satisfy such conditions, for example, the sensible heat of the combustion exhaust gas J of the reformer may be used to indirectly raise the temperature of the hydrogen storage material using the heat exchanger 4 . In addition, when the temperature of the hydrogen storage material cannot be sufficiently raised only by the sensible heat of the combustion exhaust gas J of the reformer 2, the shortage is exhausted from the fuel cell (heat generated when the hydrogen storage material stores hydrogen). It is also possible to utilize fuel for reforming. However, if the temperature exceeds 250 ° C., the temperature difference from the time of occlusion increases, and the hydrogen occlusion material is pulverized by cycle thermal stress. Further, when the heating temperature is increased, the performance of the hydrogen storage material is lowered due to an increase in heat loss, and therefore, the temperature is preferably set to 250 ° C. or lower. The particularly recommended temperature range is from room temperature to 200 ° C.

[水素吸蔵ステップと水素放出ステップとの切り替え操作]:それぞれの水素吸蔵材料容器6a,6bにつき、上記水素吸蔵ステップと水素放出ステップとを交互に切り替える必要があるが、常に1個の水素吸蔵材料容器(本例では6a)は水素吸蔵ステップとし、他の水素吸蔵材料容器(本例では6b)は水素放出ステップとするのがよい。これにより、高純度水素Fを後段の燃料電池等に連続して供給することが可能となるため、高純度水素をいったん貯蔵しておくためのバッファタンクを省略ないし小型化できる。   [Switching operation between hydrogen storage step and hydrogen release step]: For each of the hydrogen storage material containers 6a and 6b, it is necessary to alternately switch between the hydrogen storage step and the hydrogen release step, but one hydrogen storage material is always provided. The container (6a in this example) is preferably a hydrogen storage step, and the other hydrogen storage material container (6b in this example) is preferably a hydrogen release step. As a result, the high purity hydrogen F can be continuously supplied to the subsequent fuel cell or the like, so that the buffer tank for temporarily storing the high purity hydrogen can be omitted or downsized.

〔実施形態2〕
別の実施形態を図2のフロー図に示す。上記実施形態1では、水素リッチガス製造工程として改質器1と変成器2を組み合わせたものを例示したが、本実施形態2では、変成器2を省略し、改質器1のみを使用してCO濃度が約15%の改質ガスを水素リッチガスDとして用い、これをCO吸着除去器5に流通させる。水素リッチガスD中のCO濃度が高くなるのでCO除去器5の負荷は高くなるものの、CO吸着剤は特性上CO分圧が高いほど高容量にCOを吸着できるため、CO吸着塔はさほど拡大する必要がない。したがって、変成器2の省略による水素リッチガス製造工程の大幅なコンパクト化の効果の方が大きいため、より高効率のプロセスを構築することが可能となる。
[Embodiment 2]
Another embodiment is shown in the flow diagram of FIG. In the first embodiment, the combination of the reformer 1 and the transformer 2 is exemplified as the hydrogen rich gas production process. However, in the second embodiment, the transformer 2 is omitted and only the reformer 1 is used. A reformed gas having a CO concentration of about 15% is used as the hydrogen rich gas D, and this is circulated through the CO adsorption remover 5. Since the CO concentration in the hydrogen-rich gas D increases, the load on the CO remover 5 increases, but the CO adsorbent can adsorb CO at a higher capacity as the CO partial pressure is higher due to its characteristics, so the CO adsorption tower expands much. There is no need. Therefore, since the effect of greatly reducing the size of the hydrogen-rich gas production process by omitting the transformer 2 is greater, it is possible to construct a more efficient process.

(変形例)
上記実施形態1,2では、CO吸着除去工程として2塔のCO吸着塔5a,5bを交互に切り替えて用いる例を示したが、3塔以上のCO吸着塔を順次切り替えて用いてもよい。
(Modification)
In the first and second embodiments, an example is shown in which the two CO adsorption towers 5a and 5b are alternately switched as the CO adsorption removal step. However, three or more CO adsorption towers may be sequentially switched and used.

また、上記実施形態1、2では、水素分離回収工程として2個の水素吸蔵材料容器6a,6bを交互に切り替えて用いる例を示したが、3個以上の水素吸蔵材料容器を順次切り替えて用いてもよい。また、単一の水素吸蔵材料容器とバッファタンクを組み合わせて、バッファタンクから後段の燃料電池等に連続的に高純度水素を供給しつつ、単一の水素吸蔵材料容器中の水素吸蔵材料により水素の吸蔵と放出とを繰り返しながら、放出時のみバッファタンクに水素を溜めるようにしてもよい。   Moreover, in the said Embodiment 1, 2, although the example which uses two hydrogen storage material containers 6a and 6b by switching alternately as a hydrogen separation-and-recovery process was shown, it switches and uses three or more hydrogen storage material containers sequentially. May be. In addition, a single hydrogen storage material container and a buffer tank are combined, and high purity hydrogen is continuously supplied from the buffer tank to a subsequent fuel cell or the like, while hydrogen is stored by the hydrogen storage material in the single hydrogen storage material container. It is also possible to store hydrogen in the buffer tank only during the release while repeating the occlusion and release.

また、上記実施形態1、2では、水素吸蔵材料として、水素吸蔵合金、表面処理した水素吸蔵合金を例示したが、ケミカルハイドライド、カーボンナノチューブ、またはこれらのいずれか2種以上を用いてもよい。   In the first and second embodiments, the hydrogen storage material and the surface-treated hydrogen storage alloy are exemplified as the hydrogen storage material. However, chemical hydride, carbon nanotube, or any two or more of these may be used.

また、上記実施形態1、2では、CO吸着剤の再生に用いるCOを実質的に含まないガスとして水素分離回収装置6からのオフガスGを例示したが、水素分離回収装置6からの高純度水素F、改質器2の加熱用燃料H、またはこれらのいずれか2種以上を混合して用いてもよい。   In the first and second embodiments, the off-gas G from the hydrogen separation / recovery device 6 is exemplified as a gas substantially free of CO used for regeneration of the CO adsorbent. However, the high purity hydrogen from the hydrogen separation / recovery device 6 is exemplified. F, the heating fuel H for the reformer 2, or any two or more of these may be mixed and used.

また、上記実施形態1,2では、上記CO吸着ステップにおける反応温度を得るために、変成ガス(水素リッチガス)Dの顕熱を用いる例を示したが、変成ガス(水素リッチガス)Dに含まれる水蒸気の潜熱、改質器2(改質を行う工程から)の燃焼排ガスの顕熱、またはこれらのいずれか2種以上を用いてもよい。   Further, in the first and second embodiments, the example in which the sensible heat of the modified gas (hydrogen rich gas) D is used to obtain the reaction temperature in the CO adsorption step has been described, but it is included in the modified gas (hydrogen rich gas) D. The latent heat of water vapor, the sensible heat of the combustion exhaust gas from the reformer 2 (from the reforming step), or any two or more of these may be used.

また、上記実施形態1、2では、液体状炭化水素燃料Aと水Bを混合して一緒に昇圧する例を示したが、混合せずに別個に昇圧するようにしてもよい。   In the first and second embodiments, the liquid hydrocarbon fuel A and the water B are mixed and boosted together. However, the pressure may be increased separately without mixing.

本発明の効果を確認するため、定常プロセスシミュレーション計算によって検討を行った。   In order to confirm the effect of the present invention, examination was performed by steady process simulation calculation.

(発明例)
上記実施形態2で説明した、水素リッチガス製造工程として変成器を省略し改質器のみを用いるプロセスを検討対象とした。プロセスフローを図3に示す。
(Invention example)
The process of omitting the transformer and using only the reformer as the hydrogen rich gas production process described in the second embodiment was considered. The process flow is shown in FIG.

(比較例1)
上記発明例と異なり、昇圧機を改質器の前段でなく後段に設置し、改質器で得られた改質ガスを該昇圧機によって昇圧するプロセスを検討対象とした。プロセスフローを図4に示す。
(Comparative Example 1)
Unlike the above invention example, a process in which a booster was installed not at the front stage but at the rear stage of the reformer and the reformed gas obtained by the reformer was boosted by the booster was studied. The process flow is shown in FIG.

(比較例2)
上記発明例および比較例1と異なり、昇圧機を用いない常圧プロセスを検討対象とした。プロセスフローを図5に示す。
(Comparative Example 2)
Unlike the above invention example and comparative example 1, an atmospheric pressure process not using a booster was considered. The process flow is shown in FIG.

〔シミュレーション計算の前提条件〕
・液体状炭化水素燃料:メタノール
・燃料流量:10.008g−mol/h
・改質温度:250℃
・改質器スチーム/カーボン比(S/C):2.0
・改質器バーナー燃焼熱の利用効率:90%
・水素貯蔵材料による水素精製効率:90%
・CO吸着剤:塩化銅(I)担持アルミナ
・CO吸着剤の吸着温度:40℃
・CO吸着剤の再生温度:90℃
・昇圧機の動力効率:50%(発明例、比較例1)
・CO除去・水素分離操作圧力:0.9MPa(発明例、比較例1)、0.12MPa(比較例2)
[Prerequisites for simulation calculation]
-Liquid hydrocarbon fuel: methanol-Fuel flow rate: 10.008 g-mol / h
・ Reforming temperature: 250 ℃
-Reformer steam / carbon ratio (S / C): 2.0
・ Utilization efficiency of reformer burner combustion heat: 90%
・ Hydrogen purification efficiency with hydrogen storage materials: 90%
・ CO adsorbent: Copper (I) chloride supported alumina ・ Adsorption temperature of CO adsorbent: 40 ° C.
・ Regeneration temperature of CO adsorbent: 90 ° C
・ Power efficiency of booster: 50% (Invention example, Comparative example 1)
CO removal / hydrogen separation operating pressure: 0.9 MPa (invention example, comparative example 1), 0.12 MPa (comparative example 2)

〔計算結果〕
計算結果を下記表1に示す。なお、プロセス全体のエネルギー効率は下記式(1)で定義する。熱量は高位発熱量(HHV)基準とした。
〔Calculation result〕
The calculation results are shown in Table 1 below. The energy efficiency of the entire process is defined by the following formula (1). The amount of heat was based on the higher heating value (HHV).

[プロセス全体のエネルギー効率(%)]=[精製した高純度水素の熱量]/([改質原料用メタノールの熱量]+[バーナー燃料用メタノールの熱量]+[昇圧機の動力])×100 …式(1)   [Energy efficiency of entire process (%)] = [calorie of purified high-purity hydrogen] / ([calorie of methanol for reforming raw material] + [calorie of methanol for burner fuel] + [power of booster]) × 100 ... Formula (1)

下記表1に示すように、発明例は、比較例1と比べると、昇圧機の動力が大幅に低減しており、プロセス全体の熱エネルギー効率は82.1%から88.5%へと6.4ポイントもの向上効果が認められる。   As shown in Table 1 below, in the inventive example, the power of the booster is greatly reduced as compared with Comparative Example 1, and the thermal energy efficiency of the entire process is increased from 82.1% to 88.5%. An improvement effect of 4 points is recognized.

また、発明例は、比較例2と比べても、昇圧機の動力を余分に必要とするものの、その昇圧に要するエネルギーはわずかであり、むしろプロセス高圧化による必要CO吸着剤量の低減に伴ってCO吸着剤を再生するための加熱に要する燃料が削減される効果の方が大きく、その結果として、プロセス全体の熱エネルギー効率は85.4%から88.5%へと3.1ポイントの向上効果が認められる。   In addition, although the inventive example requires extra booster power compared to Comparative Example 2, the energy required for the boosting is very small. Therefore, the effect of reducing the fuel required for heating to regenerate the CO adsorbent is greater, and as a result, the thermal energy efficiency of the entire process is increased from 85.4% to 88.5% by 3.1 points. Improvement effect is recognized.

以上の結果から、本発明により、プロセス全体のエネルギー効率を改善しつつ、製造装置のさらなるコンパクト化を実現しうることが確認できた。

Figure 0005357465
From the above results, it was confirmed that the present invention can realize further downsizing of the manufacturing apparatus while improving the energy efficiency of the entire process.
Figure 0005357465

実施形態1に係る高純度水素製造プロセスを示すフロー図である。1 is a flowchart showing a high-purity hydrogen production process according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る高純度水素製造プロセスを示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart showing a high-purity hydrogen production process according to Embodiment 2. 発明例の高純度水素製造プロセスを示すフロー図である。It is a flowchart which shows the high-purity hydrogen production process of the example of an invention. 比較例1の高純度水素製造プロセスを示すフロー図である。6 is a flowchart showing a high-purity hydrogen production process of Comparative Example 1. FIG. 比較例2の高純度水素製造プロセスを示すフロー図である。6 is a flowchart showing a high-purity hydrogen production process of Comparative Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…昇圧機
2…改質器
3…変成器
4…熱交換器
5…CO除去器
5a,5b…CO吸着塔
6…水素分離回収装置
6a,6b…水素吸蔵材料容器
A…液体状炭化水素燃料
B…水
C…液体状改質原料
D…COを含有する水素リッチガス
E…CO除去ガス
F…高純度水素
G…オフガス
H…改質器加熱用燃料
J…改質器の燃焼排ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Booster 2 ... Reformer 3 ... Transformer 4 ... Heat exchanger 5 ... CO remover 5a, 5b ... CO adsorption tower 6 ... Hydrogen separation collection | recovery apparatus 6a, 6b ... Hydrogen storage material container A ... Liquid hydrocarbon Fuel B ... Water C ... Liquid reforming raw material D ... Hydrogen-rich gas E containing CO ... CO removal gas F ... High purity hydrogen G ... Off-gas H ... Fuel for heating reformer J ... Combustion exhaust gas of reformer

Claims (8)

液体状炭化水素燃料と水からなる液体状改質用原料を液体状のままで所定圧力まで加圧する液体状改質用原料加圧工程と、
該加圧された液体状改質用原料を改質し、または改質し変成してCOを含有する水素リッチガスを得る水素リッチガス製造工程と、
該COを含有する水素リッチガスを減圧することなくCO吸着剤と接触させてCOを吸着除去しCO除去ガスを得るCO吸着除去工程と、
該CO除去ガスを減圧することなく該CO除去ガスに含まれる水素を水素吸蔵材料に吸蔵させる水素吸蔵ステップとこの吸蔵された水素を前記吸蔵材料から放出させる水素放出ステップとを有する水素分離回収工程と、
を備えた高純度水素の製造方法であって、
前記所定圧力は、前記水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力が絶対圧で0.60133〜5.10133MPa(ゲージ圧で0.5〜5.0MPa)の圧力となるように、該雰囲気圧力より、前記水素リッチガス製造工程と前記CO除去工程における雰囲気ガスの圧力損失分を考慮して高めに設定されたものである(但し、該所定圧力は絶対圧で5.0MPa以上の範囲を除く。)とともに、
前記CO吸着剤が、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される1種以上の担体に、ハロゲン化銅(I)および/またはハロゲン化銅(II)を担持させた材料であることを特徴とする高純度水素製造方法。
A liquid reforming raw material pressurizing step of pressurizing a liquid reforming raw material composed of a liquid hydrocarbon fuel and water to a predetermined pressure while being in a liquid state;
A hydrogen-rich gas production process for reforming the pressurized liquid reforming raw material, or reforming and reforming to obtain a hydrogen-rich gas containing CO;
A CO adsorption / removal step in which the hydrogen-rich gas containing CO is brought into contact with a CO adsorbent without depressurization to adsorb and remove CO to obtain a CO removal gas;
A hydrogen separation and recovery process comprising a hydrogen storage step for storing hydrogen contained in the CO removal gas into the hydrogen storage material without reducing the pressure of the CO removal gas, and a hydrogen release step for releasing the stored hydrogen from the storage material. When,
A method for producing high-purity hydrogen comprising:
The predetermined pressure is such that the atmospheric pressure in the hydrogen storage step is 0.60133 to 5.1133 MPa in absolute pressure (0.5 to 5.0 MPa in gauge pressure). It is set higher in consideration of the pressure loss of the atmospheric gas in the manufacturing process and the CO removal process (however, the predetermined pressure excludes the range of 5.0 MPa or more in absolute pressure), and
The CO adsorbent has copper (I) halide and / or copper (II) halide supported on one or more carriers selected from the group consisting of silica, alumina, activated carbon, graphite and polystyrene resin. A high-purity hydrogen production method characterized by being a material.
前記水素吸蔵材料として、水素吸蔵合金、表面処理した水素吸蔵合金、ケミカルハイドライド、カーボンナノチューブ、またはこれらのいずれか2種以上を用いる請求項1に記載の高純度水素製造方法。   The high-purity hydrogen production method according to claim 1, wherein a hydrogen storage alloy, a surface-treated hydrogen storage alloy, a chemical hydride, a carbon nanotube, or any two or more thereof is used as the hydrogen storage material. 前記水素吸蔵ステップにおける、反応温度は80℃以下、雰囲気圧力はゲージ圧で0.2〜35MPaとする請求項1または2に記載の高純度水素製造方法。   The high-purity hydrogen production method according to claim 1 or 2, wherein in the hydrogen storage step, the reaction temperature is 80 ° C or lower and the atmospheric pressure is 0.2 to 35 MPa in terms of gauge pressure. 前記水素放出ステップにおける、反応温度は250℃以下、雰囲気圧力は前記水素吸蔵ステップにおける雰囲気圧力より低くする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法。   The high-purity hydrogen production method according to any one of claims 1 to 3, wherein a reaction temperature in the hydrogen releasing step is 250 ° C or lower and an atmospheric pressure is lower than an atmospheric pressure in the hydrogen storage step. 前記CO吸着除去工程が、COを吸着除去するCO吸着ステップと、前記CO吸着剤を再生するCO吸着剤再生ステップとを有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法。   The high-purity hydrogen production method according to any one of claims 1 to 4, wherein the CO adsorption removal step includes a CO adsorption step for adsorbing and removing CO, and a CO adsorbent regeneration step for regenerating the CO adsorbent. . 前記水素吸蔵ステップにおいて前記水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際に発生する熱を、前記CO吸着剤再生ステップにおける前記CO吸着剤の昇温および/または前記水素放出ステップにおける前記水素吸蔵材料の昇温に用いる請求項5に記載の高純度水素製造方法。   Heat generated when the hydrogen storage material stores hydrogen in the hydrogen storage step is used to increase the temperature of the CO adsorbent in the CO adsorbent regeneration step and / or the temperature increase of the hydrogen storage material in the hydrogen release step. The method for producing high-purity hydrogen according to claim 5, which is used in the method. 前記水素放出ステップにおける反応温度を得るために、前記COを含有する水素リッチガスに含まれる水蒸気の潜熱、この水素リッチガスの顕熱、前記改質を行う工程からの燃焼排ガスの顕熱、前記改質用原料に用いたものとは別の液体状炭化水素燃料の燃焼熱、またはこれらのいずれか2種以上を用いて前記水素吸蔵材料を加熱する請求項5または6に記載の高純度水素製造方法。 In order to obtain the reaction temperature in the hydrogen releasing step, the latent heat of water vapor contained in the hydrogen-rich gas containing CO, the sensible heat of the hydrogen-rich gas, the sensible heat of the combustion exhaust gas from the reforming step, the reforming The method for producing high-purity hydrogen according to claim 5 or 6, wherein the hydrogen storage material is heated using combustion heat of a liquid hydrocarbon fuel different from that used for the raw material, or any two or more thereof. . 前記液体状炭化水素燃料が、灯油、メタノール、ガソリンおよびジメチルエーテルよりなる群から選択される1種以上の燃料である請求項1〜7のいずれか1項に記載の高純度水素製造方法。   The high-purity hydrogen production method according to any one of claims 1 to 7, wherein the liquid hydrocarbon fuel is one or more fuels selected from the group consisting of kerosene, methanol, gasoline, and dimethyl ether.
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