JP6198677B2 - Hydrogen supply system - Google Patents
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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。 The present invention relates to a hydrogen supply system that supplies hydrogen.
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含有ガスを得る脱水素反応器(脱水素反応部)と、脱水素反応器で得られた水素含有ガスを気液分離する気液分離器(気液分離部)と、気液分離した水素含有ガスを精製する水素精製器(水素精製部)と、を備える。
As a conventional hydrogen supply system, for example, one disclosed in
ところで、上述したような水素供給システムでは、水素精製部として、水素含有ガスから脱水素生成物を膜分離法又は温度スイング吸着法(TSA法)によって除去し、精製ガスを得るものが用いられる場合がある。この場合、水素含有ガスの脱水素生成物を除去する上で水素精製部を加熱することが要されるところ、例えば水素精製部への効率的な熱供給を可能にし、熱効率を向上させることが望まれる。 By the way, in the hydrogen supply system as described above, a hydrogen purification unit is used that removes a dehydrogenated product from a hydrogen-containing gas by a membrane separation method or a temperature swing adsorption method (TSA method) to obtain a purified gas. There is. In this case, it is necessary to heat the hydrogen purification unit in order to remove the dehydrogenation product of the hydrogen-containing gas. For example, it is possible to efficiently supply heat to the hydrogen purification unit and improve the thermal efficiency. desired.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱効率を向上させることが可能な水素供給システムを提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the hydrogen supply system which can improve thermal efficiency.
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脱水素反応部と、燃焼ガスを発生させて脱水素反応部に熱を供給する熱供給部と、脱水素反応部で得られた水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、気液分離部で気液分離した水素含有ガスから脱水素生成物を、膜分離法又は温度スイング吸着法によって除去し、精製ガスを得る水素精製部と、水素精製部で得られた精製ガスを昇圧させる昇圧部と、熱供給部で発生させた燃焼ガス、脱水素反応部で得られた水素含有ガス、及び昇圧部で昇圧させた精製ガスの少なくとも何れかを加熱用ガスとして流通させることにより、水素精製部を加熱する加熱部と、を備える。 A hydrogen supply system according to the present invention is a hydrogen supply system that supplies hydrogen, and includes a dehydrogenation reaction unit that obtains a hydrogen-containing gas by dehydrogenating a raw material, and a dehydrogenation reaction unit that generates combustion gas. A heat supply part for supplying heat to the gas, a gas-liquid separation part for gas-liquid separation of the hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction part, and a dehydrogenation product from the hydrogen-containing gas separated in the gas-liquid separation part A hydrogen purification unit that is removed by a membrane separation method or a temperature swing adsorption method to obtain a purified gas, a pressure-up unit that pressurizes the purified gas obtained in the hydrogen purification unit, a combustion gas generated in the heat supply unit, and dehydrogenation A heating unit that heats the hydrogen purification unit by circulating at least one of the hydrogen-containing gas obtained in the reaction unit and the purified gas that has been pressurized in the pressure unit as a heating gas.
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脱水素反応部と、燃焼ガスを発生させて脱水素反応部に熱を供給する熱供給部と、脱水素反応部で得られた水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、気液分離部で気液分離した水素含有ガスから脱水素生成物を、膜分離法又は温度スイング吸着法によって除去し、精製ガスを得る水素精製部と、水素精製部で得られた精製ガスを昇圧させる昇圧部と、熱供給部で発生させた燃焼ガス及び昇圧部で昇圧させた精製ガスの少なくとも何れかを加熱用ガスとして流通させることにより、水素精製部に供給される水素含有ガスを加熱する加熱部と、を備える。
A hydrogen supply system according to the present invention is a hydrogen supply system that supplies hydrogen, and includes a dehydrogenation reaction unit that obtains a hydrogen-containing gas by dehydrogenating a raw material, and a dehydrogenation reaction unit that generates combustion gas. A heat supply part for supplying heat to the gas, a gas-liquid separation part for gas-liquid separation of the hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction part, and a dehydrogenation product from the hydrogen-containing gas separated in the gas-liquid separation part A hydrogen purification unit that is removed by a membrane separation method or a temperature swing adsorption method to obtain a purified gas, a pressure-up unit that pressurizes the purified gas obtained in the hydrogen purification unit, and a combustion gas and a pressure-up unit generated in the heat supply unit And a heating unit that heats the hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen purification unit by circulating at least one of the purified gas boosted in
これら水素供給システムでは、加熱部により加熱用ガス(熱供給部で発生させた燃焼ガス、脱水素反応部で得られた水素含有ガス、及び昇圧部で昇圧させた精製ガスの少なくとも何れか)が流通され、水素精製部又は水素精製部への水素含有ガスが加熱される。よって、水素精製部において脱水素生成物を除去するに際し、必要な熱を効率的に供給することができ、熱効率を向上させることが可能となる。 In these hydrogen supply systems, a heating gas (at least one of a combustion gas generated in the heat supply unit, a hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction unit, and a purified gas boosted in the pressurization unit) is generated by the heating unit. The hydrogen-containing gas is supplied to the hydrogen purification section or the hydrogen purification section. Therefore, when removing the dehydrogenation product in the hydrogen purification section, it is possible to efficiently supply the necessary heat and improve the thermal efficiency.
本発明に係る水素供給システムにおいて、加熱部は、水素精製部を覆うように設けられ、加熱用ガスを流通させて水素精製部を加熱するジャケット部又は螺旋管部を有していてもよい。この場合、水素精製部が、ジャケット部又は螺旋管部によって直接的に加熱されることになる。 In the hydrogen supply system according to the present invention, the heating section may be provided so as to cover the hydrogen purification section, and may have a jacket section or a helical tube section that circulates a heating gas and heats the hydrogen purification section. In this case, the hydrogen purification unit is directly heated by the jacket unit or the helical tube unit.
本発明に係る水素供給システムは、脱水素反応部へ供給される原料、及び水素精製部から脱水素反応部へ供給されるオフガスの少なくとも一方に、精製ガスの熱を移動させる熱交換部をさらに備えていてもよい。この場合、熱効率をさらに向上させることができる。 The hydrogen supply system according to the present invention further includes a heat exchange unit that moves heat of the purified gas to at least one of a raw material supplied to the dehydrogenation reaction unit and an off-gas supplied from the hydrogen purification unit to the dehydrogenation reaction unit. You may have. In this case, the thermal efficiency can be further improved.
本発明によれば、熱効率を向上できる水素供給システムを提供可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the hydrogen supply system which can improve thermal efficiency.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態の水素供給システムに係る構成を示すブロック図である。本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(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(FCV)や水素エンジン車に水素を供給することができる。なお、メタンを主成分とした天然ガスやプロパンを主成分としたLPG、あるいはガソリン、ナフサ、灯油、軽油といった液体炭化水素原料から水素を製造する場合にも適用可能である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration according to the hydrogen supply system of the first embodiment. The
本実施形態では、水素供給システム100として、FCV10に高純度水素を供給する水素ステーションを例として説明を行う。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(脱水素反応部)3、気液分離器(気液分離部)4、トルエンタンク5、水素精製器(水素精製部)6、圧縮機(昇圧部)7、蓄圧器8、ディスペンサ9、熱源(熱供給部)11及び冷熱源12,13を備えている。また、水素供給システム100は、ラインL1〜L9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と少量の副生成物及び不純物も存在するが、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。
In the present embodiment, the
ラインL1〜L9は、MCH、トルエン、水素含有ガス、オフガス、または高純度水素が通過する流路である。ラインL1は、後述の熱交換器(熱交換部)15Aを介してMCHタンク1と気化器2とを接続する。ラインL2は、気化器2と脱水素反応器3とを接続する。ラインL3は、脱水素反応器3と気液分離器4とを接続する。このラインL3は後述のジャケット部(加熱部)21を通過しており、ラインL3を流れる水素含有ガスの熱が当該ジャケット部21にて水素精製器6へ伝達される。ラインL4は、気液分離器4と水素精製器6とを接続する。ラインL5は、気液分離器4とトルエンタンク5とを接続する。
Lines L1 to L9 are flow paths through which MCH, toluene, hydrogen-containing gas, off-gas, or high-purity hydrogen passes. Line L1 connects
ラインL6は、水素精製器6と圧縮機7とを接続する。このラインL6は後述の熱交換器15Aを通過しており、ラインL6を流れる高純度水素(精製ガス)の熱が当該熱交換器15AにてMCHへ伝達される。ラインL7は、水素精製器6と気化器2とを接続する。ラインL7は、水素精製器6から排出されるオフガスを脱水素反応器3よりも上流側へ還流させるリサイクルラインとして機能する。以下の説明においては、ラインL7を「リサイクルラインL7」と称して説明する。ラインL8は、圧縮機7と蓄圧器8とを接続する。ラインL9は、蓄圧器8とディスペンサ9とを接続する。
The line L6 connects the
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、圧縮機(不図示)によってラインL1を介して気化器2へ供給される。
The
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、リサイクルラインL7を介して水素精製器6から供給されたオフガスと併せて、ラインL2を介して脱水素反応器3へ供給される。
The
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。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11から燃焼ガス(熱媒体)を介して熱が供給される。脱水素反応器3は、脱水素触媒中を流れるMCHと熱源11からの燃焼ガスとの間で熱交換可能な機構を有している。熱源11は、燃焼ガスを発生させて脱水素反応器3に熱を供給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11は、脱水素反応器3を直接加熱するものであってもよく、例えば気化器2やラインL1,L2を加熱することによって脱水素反応器3に供給されるMCHを加熱してもよい。また、熱源11は、脱水素反応器3と、脱水素反応器3へ供給されるMCHの両方を加熱してもよい。例えば、熱源11としてバーナーやエンジンを採用することができる。脱水素反応器3で取り出された水素含有ガスは、ラインL3を介して気液分離器4へ供給される。ラインL3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。
The dehydrogenation reactor 3 is a device that obtains hydrogen by dehydrogenating MCH. That is, the dehydrogenation reactor 3 is a device that extracts hydrogen from MCH by a dehydrogenation reaction using a dehydrogenation catalyst. The organic hydride reaction is a reversible reaction, and the direction of the reaction changes depending on the reaction conditions (temperature, pressure) (restricted by chemical equilibrium). On the other hand, the dehydrogenation reaction is a reaction in which the number of molecules is always increased by an endothermic reaction. Therefore, high temperature and low pressure conditions are advantageous. Since the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, the dehydrogenation reactor 3 is supplied with heat from the
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は、冷熱源12からの冷却媒体によって冷却される。気液分離器4は、気液分離器4中の水素含有ガスと冷熱源12からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源12は気液分離器4を冷却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、冷熱源12としてチラー等の冷却器を採用することができる。気液分離器4で分離されたトルエンは、ラインL5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、ラインL4を介して水素精製器6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。
The gas-
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。
The toluene tank 5 is a tank that stores liquid toluene separated by the gas-
水素精製器6は、脱水素反応器3で得られると共に気液分離器4で気液分離された水素含有ガスから、膜分離法又は温度スイング吸着法(TSA法)によって脱水素生成物(本実施形態ではトルエン)を除去する。本実施形態の水素精製器6は、膜分離法でトルエンを除去する。これにより、水素精製器6は、当該水素含有ガスを精製して高純度水素を得る。得られた高純度水素は、ラインL6へ供給され、水素及び脱水素生成物を含むオフガスは、リサイクルラインL7へ排出される。リサイクルラインL7へ供給されたオフガスは、図示されない圧縮機を介して気化器2へ供給され、ラインL2を介して脱水素反応器3へ供給される。
The
圧縮機7は、水素精製器6で得られた高純度水素を昇圧させ、高圧状態とする。圧縮機7は、例えば、20〜90MPaの圧力で高純度水素を高圧状態とする。圧縮機7は、高純度水素をFCV10へ供給可能とするために高圧状態にした上で、ラインL8を介して蓄圧器8へ供給する。なお、目的とする圧力に応じて、圧縮を行う圧縮ユニットを複数備え、段階的に圧縮を行う構成としてもよい。
The
蓄圧器8は、高純度水素を高圧状態のまま蓄える。蓄圧器8で蓄えられた高純度水素は、ラインL9を介して、ディスペンサ9によってFCV10に供給される。蓄圧器8により、水素供給システム100内にある程度の量の高純度水素を蓄えておくことができるため、FCV10へ水素を安定供給することが可能となる。ただし、蓄圧器8は、水素供給を行うために必須ではないため、省略してもよい。ラインL9を通過する高純度水素は、冷熱源13からの冷却媒体によって冷却される。ラインL9は、当該ラインL9を流れる高純度水素と冷熱源13からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源13はラインL9を流れる高純度水素を冷却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、冷熱源13としてチラー等の冷却器を採用することができる。
The
図2は図1の水素供給システムにおける水素精製器を示す概略斜視図であり、図3は図2の水素精製器の横断面図である。図2に示すように、水素精製器6は、水素精製方法として膜分離法を用いる水素分離装置であり、水素分離膜を備える。この水素精製器6は、所定温度に加熱された水素分離膜(分離膜)に、圧縮機(不図示)によって所定圧力に加圧された水素含有ガスを透過させることによって、脱水素生成物を除去し、高純度水素を得る。水素分離膜を透過しなかった非透過ガスは、水素精製器6のオフガスに該当する。
2 is a schematic perspective view showing a hydrogen purifier in the hydrogen supply system of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the hydrogen purifier of FIG. As shown in FIG. 2, the
具体的には、図3に示すように、水素精製器6は、水素を選択的に透過させる水素分離膜61によって、水素含有ガスに含まれる水素を分離する。水素精製器6は、筒体65の内部に円筒状の水素分離膜61を配置することによって構成されている。外周側の空間(水素分離膜61と筒体65との間の空間)が、水素分離膜61を透過した水素を回収する回収室RCを構成する。水素分離膜61の内側の空間が、水素含有ガスが供給される供給室SPを構成する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the
筒体65における軸線方向一方側の端面は、水素含有ガスを供給室SPへ供給するラインL4と、オフガスを供給室SPから排出するラインL7と、に連通している。筒体65の軸線方向他方側の端面は、回収室RCへ透過された水素含有ガスのラインL6に連通している。水素含有ガスの透過は、供給室SP内の供給圧力と回収室RC内の圧力との圧力差、及び水素分離膜61の化学吸着能によって生じる。なお、水素精製器6の構成は、図2に示されるものに限定されず、あらゆる構成を採用してよい。例えば、複数の円筒状の水素分離膜を筒体65内に有していてもよいし、円筒状ではなく平面状の水素分離膜を用いてもよい。
One end surface in the axial direction of the
水素分離膜61は、水素を選択的に透過させることができれば、特に限定されず、あらゆる種類の水素分離膜を適用できる。例えば、水素分離膜61として、多孔質膜(分子流によって分離するもの、表面拡散流によって分離するもの、毛管凝縮作用によって分離するもの、分子ふるい作用によって分離するものなど)や、非多孔質膜を適用することができる。水素分離膜61として、例えば、金属膜(PbAg系、PdCu系、Nb系等)、ゼオライト膜、無機膜(シリカ膜、カーボン膜等)、高分子膜(ポリイミド膜等)を採用できる。水素分離膜61の使用温度は、ガス分離膜が十分な透過性能および耐久性を発揮するために、例えば100℃〜140℃が好ましい。膜分離による水素精製器6の水素回収率は、70〜90%である。水素精製器6で用いられる膜の「水素/トルエン」の分離係数は、1000以上であることが好ましく、10000以上であることがより好ましい。
The
ここで、本実施形態の水素供給システム100は、水素精製器6を加熱(加温)するジャケット部21を備えている。ジャケット部21は、脱水素反応器3から気液分離器4に供給される高温の水素含有ガスを流通させ、当該水素含有ガスの熱を熱源として水素精製器6を加熱する。ジャケット部21は、水素精製器6を覆うように設けられ、水素精製器6と同軸の円筒状を呈している。換言すると、ジャケット部21は、水素精製器6の筒体65の径方向外側に、当該筒体65を近接して囲うように設けられている。ジャケット部21の内部においては、ラインL3を流通する水素含有ガスが、水素精製器6と熱的に接触するように流通する。
Here, the
ジャケット部21における軸方向の一方側(図示上側)には、ジャケット部21内に水素含有ガスを流入させる流入部21bが設けられている。また、ジャケット部21における軸方向の他方側(図示下側)には、ジャケット部21から水素含有ガスを流出させる流出部21cが設けられている。流入部21b及び流出部21cは、上述のラインL3を構成しており、すなわち、ジャケット部21は、脱水素反応器3と気液分離器4との間のラインL3上に配置される。なお、ジャケット部21からの放熱を抑制するために、ジャケット部21の周囲には断熱材等を設けることが好ましい。
On one side (the upper side in the figure) of the
図1に戻り、水素供給システム100は、上述したように、脱水素反応器3へ供給されるMCHに高純度水素の熱を移動させるものとして、熱交換器15Aを備えている。熱交換器15Aは、ラインL1,L6上に配置されている。熱交換器15Aは、MCHタンク1からのMCHを流通させると共に、水素精製器6からの高純度水素を流通させ、これにより、高純度水素からMCHへ熱を移動させて当該MCHを加熱する。
Returning to FIG. 1, as described above, the
このような本実施形態の水素供給システム100では、ジャケット部21において脱水素反応器3で得られた水素含有ガスを流通させることにより、水素含有ガスの熱を水素精製器6へ移動させ(脱水素反応器3直後の水素含有ガスの熱を回収し)、例えば水素分離膜61が作動温度(100℃〜140℃程度)となるまで、水素精製器6を加熱することができる。よって、水素精製器6においてトルエンを膜分離によって除去するに際し、必要な熱を効率的に供給することができ、熱効率を向上させることが可能となる。特に水素供給システム100では、ジャケット部21により水素精製器6を加熱することから、当該水素分離膜61を直接的且つ効果的に加熱することが可能となる。
In the
また、本実施形態の水素供給システム100は、熱交換器15Aを備えており、この熱交換器15AによってMCHへ高純度水素の熱を移動させて加熱する(MCHに余熱を与える)ことができる。これにより、水素供給システム100の熱効率をさらに向上させることができる。
Further, the
図4は、図1の水素供給システムの変形例を示すブロック図である。図4に示すように、変形例に係る水素供給システム200は、熱交換器15Aに代えて熱交換器15Bを備える以外は、上記水素供給システム100と同様に構成されている。熱交換器15Bは、水素精製器6から気化器2を介して脱水素反応器3へ供給されるオフガスに高純度水素の熱を移動させる。熱交換器15Bは、ラインL6,L7上に配置されている。
FIG. 4 is a block diagram showing a modification of the hydrogen supply system of FIG. As shown in FIG. 4, the
この熱交換器15Aは、水素精製器6からのオフガスを流通させると共に、水素精製器6からの高純度水素を流通させ、高純度水素からオフガスへ熱を移動させて当該オフガスを加熱する(オフガスに余熱を与える)ことができる。これにより、水素供給システム200においても、その熱効率をさらに向上させることができる。上記において、水素供給システム100,200のジャケット部21を流通する水素含有ガスが、「加熱用ガス」を構成する。
The
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態の説明では、上記第1実施形態と重複する説明は省略し、異なる点について主に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. In the description of the second embodiment, the description overlapping with the first embodiment is omitted, and different points will be mainly described.
図5(a)は、第2実施形態の水素供給システムに係る構成を示すブロック図である。図5(a)中では、本実施形態の水素供給システム300のうち要部のみを示している。図5(a)に示すように、本実施形態の水素供給システム300が上記第1実施形態と異なる点は、ジャケット部21(図1参照)に代えてジャケット部22を備える点である。
FIG. 5A is a block diagram showing a configuration according to the hydrogen supply system of the second embodiment. In FIG. 5A, only the main part of the
ジャケット部22は、熱源11で発生させた高温の燃焼ガスH1を流通させ、当該燃焼ガスH1の熱を熱源として水素精製器6を加熱する。ジャケット部22は、水素含有ガスに代えて燃焼ガスH1が流通する以外は上記ジャケット部21と同様に構成されており、ジャケット部22の内部においては、燃焼ガスH1が水素精製器6と熱的に接触するように流通する。なお、ジャケット部22からの放熱を抑制するために、ジャケット部22の周囲には断熱材等を設けることが好ましい。
The
このような水素供給システム300によれば、ジャケット部22において熱源11からの燃焼ガスH1を流通させることにより、燃焼ガスH1の熱を水素精製器6へ移動させ(燃焼ガスH1の熱を回収し)、水素精製器6を加熱することができる。よって、上記作用効果、すなわち、水素精製器6に必要な熱を効率的に供給して熱効率を向上させるという効果が奏される。
According to such a
図5(b)は、第2実施形態の水素供給システムの変形例を示すブロック図である。図5(b)中では、変形例に係る水素供給システム400のうち要部のみを示している。図5(b)に示すように、変形例に係る水素供給システム400は、ジャケット部22に代えて熱交換器31を備える以外は、上記水素供給システム300と同様に構成されている。熱交換器31は、水素精製器6へ供給される水素含有ガスに熱源11の燃焼ガスH1の熱を移動させる。熱交換器31は、ラインL4上であって燃焼ガスH1が流通する流路上に配置される。
FIG. 5B is a block diagram showing a modification of the hydrogen supply system of the second embodiment. In FIG.5 (b), only the principal part is shown among the
このような水素供給システム400では、水素精製器6に向かう水素含有ガスを熱交換器31に流通させると共に、熱交換器31に熱源11からの燃焼ガスH1を流通させ、燃焼ガスH1の熱を当該水素含有ガスへ移動させ、当該水素含有ガスを加熱することができる。よって、上記作用効果、すなわち、水素精製器6に必要な熱を効率的に供給して熱効率を向上させるという効果が奏される。上記において、水素供給システム300のジャケット部21を流通する燃焼ガスH1及び水素供給システム400の熱交換器31を流通する燃焼ガスH1が、「加熱用ガス」を構成する。
In such a
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態の説明では、上記第1実施形態と重複する説明は省略し、異なる点について主に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. In the description of the third embodiment, the description overlapping with the first embodiment is omitted, and different points will be mainly described.
図6(a)は、第3実施形態の水素供給システムに係る構成を示すブロック図である。図6(a)中では、本実施形態の水素供給システム500のうち要部のみを示している。図6(a)に示すように、本実施形態の水素供給システム500が上記第1実施形態と異なる点は、ジャケット部21(図1参照)に代えてジャケット部23を備える点である。
FIG. 6A is a block diagram showing a configuration according to the hydrogen supply system of the third embodiment. In FIG. 6A, only the main part of the
ジャケット部23は、圧縮機7で昇圧させた高温の高純度水素を流通させ、当該高純度水素の熱を熱源として水素精製器6を加熱する。ジャケット部23は、水素含有ガスに代えて高純度水素が流通する以外は上記ジャケット部21と同様に構成されており、ジャケット部23の内部においては、高純度水素が水素精製器6と熱的に接触するように流通する。なお、ジャケット部23からの放熱を抑制するために、ジャケット部23の周囲には断熱材等を設けることが好ましい。
The
このような水素供給システム500では、ジャケット部23において圧縮機7からの高純度水素を流通させ、高純度水素の熱を水素精製器6へ移動させ(圧縮機7直後の高純度水素の熱を回収し)、水素精製器6を加熱することができる。よって、上記作用効果、すなわち、水素精製器6に必要な熱を効率的に供給して熱効率を向上させるという効果が奏される。
In such a
図6(b)は、第3実施形態の水素供給システムの変形例を示すブロック図である。図6(b)中では、変形例に係る水素供給システム600のうち要部のみを示している。図6(b)に示すように、変形例に係る水素供給システム600は、ジャケット部23に代えて熱交換器32を備える以外は、上記水素供給システム500と同様に構成されている。熱交換器32は、水素精製器6へ供給される水素含有ガスに圧縮機7で昇圧させた高純度水素の熱を移動させる。この熱交換器32は、ラインL4,L8上に配置されている。
FIG.6 (b) is a block diagram which shows the modification of the hydrogen supply system of 3rd Embodiment. In FIG.6 (b), only the principal part is shown among the
このような水素供給システム600では、水素精製器6に向かう水素含有ガスを熱交換器32に流通させると共に、熱交換器32に圧縮機7からの高純度水素を流通させ、高純度水素の熱を当該水素含有ガスへ移動させ、当該水素含有ガスを加熱することができる。よって、上記作用効果、すなわち、水素精製器6に必要な熱を効率的に供給して熱効率を向上させるという効果が奏される。上記において、水素供給システム500のジャケット部23を流通する高純度水素及び水素供給システム600の熱交換器32を流通する高純度水素が、「加熱用ガス」を構成する。
In such a
[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態の説明では、上記第1実施形態と重複する説明は省略し、異なる点について主に説明する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described. In the description of the fourth embodiment, the description overlapping with the first embodiment is omitted, and different points will be mainly described.
図7は、第4実施形態に係る水素供給システムの水素精製器を示す縦断面図である。図7に示すように、本実施形態の水素供給システム700が上記第1実施形態と異なる点は、ジャケット部21(図3参照)に代えて螺旋管部24を備える点である。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a hydrogen purifier of the hydrogen supply system according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 7, the
螺旋管部24は、脱水素反応器3から気液分離器4に供給される水素含有ガスを流通させ、当該水素含有ガスの熱を熱源として水素精製器6を加熱する。螺旋管部24は、水素精製器6を覆うように螺旋状に延びる管形状を有している。換言すると、螺旋管部24は、水素精製器6の筒体65の径方向外側において、当該筒体65に当接して巻き回されながら水素精製器6の軸方向における一端側から他端側に向かって延在している。螺旋管部24においては、ラインL3を流通する水素含有ガスが水素精製器6と熱的に接触するように流通する。なお、螺旋管部24からの放熱を抑制するために、螺旋管部24の周囲には断熱材等を設けることが好ましい。
The
このような水素供給システム700では、螺旋管部24において脱水素反応器3からの水素含有ガスを流通させ、当該水素含有ガスの熱を水素精製器6へ移動させ(当該水素含有ガスの熱を回収し)、水素精製器6を加熱することができる。よって、上記作用効果、すなわち、水素精製器6に必要な熱を効率的に供給して熱効率を向上させるという効果が奏される。
In such a
上記において、螺旋管部24を流通する水素含有ガスが「加熱用ガス」を構成する。なお、上記水素供給システム300,500のそれぞれにおいても、ジャケット部22,23に代えて、本実施形態の螺旋管部24と同様な(水素精製器6を覆うように螺旋状に延びる管形状の)螺旋管部を備えていてもよい。
In the above, the hydrogen-containing gas flowing through the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It changed within the range which does not change the summary described in each claim, or was applied to another thing. May be.
例えば上述した実施形態では、膜分離法を採用した水素分離装置を水素精製器6として用いたが、以下に説明するように、TSA法によって水素含有ガスから脱水素生成物を除去する水素分離装置を水素精製器6として用いてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the hydrogen separation apparatus employing the membrane separation method is used as the
TSA法で用いられる吸着材は、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、吸着材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材に吸着させて除去し、高純度の水素ガス(高純度水素)を得る。吸着により吸着塔内の吸着材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、吸着材に吸着したトルエンを脱着し、併せて除去した高純度水素の一部を逆流させることにより当該脱着されたトルエンを吸着塔内から除去することで、吸着材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6からのオフガスに該当する)。 The adsorbent used in the TSA method has the property of adsorbing toluene contained in the hydrogen-containing gas at room temperature and desorbing the adsorbed toluene at high temperature. The TSA method utilizes such properties of the adsorbent. That is, by setting the inside of the adsorption tower to room temperature, toluene contained in the hydrogen-containing gas is adsorbed and removed by the adsorbent to obtain high-purity hydrogen gas (high-purity hydrogen). If the adsorption function of the adsorbent in the adsorption tower is reduced due to adsorption, the toluene adsorbed on the adsorbent is desorbed by raising the temperature in the adsorption tower, and a part of the high-purity hydrogen that has been removed is backflowed. By removing the desorbed toluene from the adsorption tower, the adsorption function of the adsorbent is regenerated (at this time, at least hydrogen and hydrogen containing toluene discharged by removing toluene from the adsorption tower) The contained gas corresponds to the off-gas from the hydrogen purifier 6).
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、吸着材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材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材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吸着材再生が完了したら、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又は一部については、吸着塔内を高温にすることにより吸着材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とを得ることができる。水素精製器6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60〜90%である。
The method for adjusting the temperature in the adsorption tower is not particularly limited. For example, the temperature can be adjusted for each adsorption tower by an operation such as switching ON / OFF of a heater provided for each adsorption tower. Therefore, for the adsorption tower in which the adsorption function of the adsorbent is lowered, the adsorbent is regenerated and the off-gas is discharged by raising the temperature. On the other hand, with respect to the remaining adsorption towers, toluene contained in the hydrogen-containing gas is removed by adsorbing the adsorbent by maintaining the temperature at room temperature. When the adsorbent regeneration for the adsorption tower being regenerated is completed, the removal of toluene is started and high purity hydrogen is obtained for the adsorption tower by keeping the inside of the adsorption tower at room temperature. On the other hand, for all or part of the adsorption tower from which toluene has been removed, regeneration of the adsorbent is started and the off-gas is discharged by raising the temperature in the adsorption tower. Thus, by repeatedly switching the adsorption tower for regeneration and the adsorption tower for removing toluene, the
上述した実施形態の各構成は、上記構成に限定されるものではなく、水素供給システム100,200,300,400,500,600,700を互いに組み合わせるように構成してもよい。例えば、上記水素供給システム100,200において、ジャケット部21に熱源11の燃焼ガスH1及び圧縮機7直後の高純度ガスの少なくとも一方をさらに流通させ、燃焼ガスH1及び圧縮機7直後の高純度ガスの少なくとも一方の熱を水素精製器6へ移動させてもよい。また例えば、上記水素供給システム400において、熱交換器31に圧縮機7直後の高純度ガスをさらに流通させ、高純度ガスの熱を水素精製器6に供給される水素含有ガスへ移動させてもよい。
Each structure of embodiment mentioned above is not limited to the said structure, You may comprise so that the hydrogen supply system 100,200,300,400,500,600,700 may mutually be combined. For example, in the
上述した実施形態において、水素精製器6におけるガスの流れの向きは特に限定されるものではない。例えば、上記水素精製器6では、ラインL4からの水素含有ガスが径方向内側から流入し、高純度水素が径方向外側を通ってラインL6へ流出したが、これとはガスの流れの向きが逆であってもよく、すなわち、ラインL4からの水素含有ガスが径方向外側から流入し、高純度水素が径方向内側を通ってラインL6へ流出してもよい。また、ジャケット部21,22,23及び螺旋管部24における構造や加熱用ガスの流れの向きも特に限定されず、水素精製器6を覆うように設けられると共に加熱用ガスを流通させて当該水素精製器6を加熱するものであればよい。
In the embodiment described above, the direction of gas flow in the
上述した実施形態では、水素精製器6よりも下流側に水素供給装置(圧縮機7、蓄圧器8及びディスペンサ9等を含む)を接続した水素ステーションとして利用したが、水素精製器6よりも下流側に水素消費装置(電力発生装置等を含む)を接続し、直接的に水素消費装置に水素を供給する水素ステーションとして利用してもよい。また、上述した実施形態は、どのような用途に用いられてもよく、例えば、分散電源(例えば、家庭用電源や非常用電源等)のための水素供給システムとして利用してもよい。
In the above-described embodiment, the hydrogen supply device (including the
3…脱水素反応器(脱水素反応部)、4…気液分離器(気液分離部)、6…水素精製器(水素精製部)、7…圧縮機(昇圧部)、11…熱源(熱供給部)、15A,15B…熱交換器(熱交換部)、21,22,23…ジャケット部(加熱部)、24…螺旋管部(加熱部)、31,32…熱交換器(加熱部)、100,200,300,400,500,600,700…水素供給システム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Dehydrogenation reactor (dehydrogenation reaction part), 4 ... Gas-liquid separator (gas-liquid separation part), 6 ... Hydrogen refiner (hydrogen purification part), 7 ... Compressor (pressurization part), 11 ... Heat source ( Heat supply part), 15A, 15B ... Heat exchanger (heat exchange part) 21, 22, 23 ... Jacket part (heating part), 24 ... Spiral tube part (heating part), 31, 32 ... Heat exchanger (heating) Part), 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 ... hydrogen supply system.
Claims (4)
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脱水素反応部と、
燃焼ガスを発生させて前記脱水素反応部に熱を供給する熱供給部と、
前記脱水素反応部で得られた前記水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、
前記気液分離部で気液分離した前記水素含有ガスから脱水素生成物を、膜分離法又は温度スイング吸着法によって除去し、精製ガスを得る水素精製部と、
前記水素精製部で得られた前記精製ガスを昇圧させる昇圧部と、
前記熱供給部で発生させた燃焼ガス、前記脱水素反応部で得られた前記水素含有ガス、及び前記昇圧部で昇圧させた前記精製ガスの少なくとも何れかを加熱用ガスとして流通させることにより、前記水素精製部を加熱する加熱部と、を備える、水素供給システム。 A hydrogen supply system for supplying hydrogen,
A dehydrogenation reaction section for obtaining a hydrogen-containing gas by dehydrogenating the raw material;
A heat supply unit that generates combustion gas and supplies heat to the dehydrogenation reaction unit;
A gas-liquid separation unit for gas-liquid separation of the hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction unit;
A hydrogen purification unit that removes a dehydrogenated product from the hydrogen-containing gas that has been gas-liquid separated in the gas-liquid separation unit by a membrane separation method or a temperature swing adsorption method to obtain a purified gas;
A pressurizing unit that pressurizes the purified gas obtained in the hydrogen purifying unit;
By circulating at least one of the combustion gas generated in the heat supply unit, the hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction unit, and the purified gas boosted in the boosting unit as a heating gas, A hydrogen supply system comprising: a heating unit that heats the hydrogen purification unit.
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脱水素反応部と、
燃焼ガスを発生させて前記脱水素反応部に熱を供給する熱供給部と、
前記脱水素反応部で得られた前記水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、
前記気液分離部で気液分離した前記水素含有ガスから脱水素生成物を、膜分離法又は温度スイング吸着法によって除去し、精製ガスを得る水素精製部と、
前記水素精製部で得られた前記精製ガスを昇圧させる昇圧部と、
前記熱供給部で発生させた燃焼ガス及び前記昇圧部で昇圧させた前記精製ガスの少なくとも何れかを加熱用ガスとして流通させることにより、前記水素精製部に供給される前記水素含有ガスを加熱する加熱部と、を備える、水素供給システム。 A hydrogen supply system for supplying hydrogen,
A dehydrogenation reaction section for obtaining a hydrogen-containing gas by dehydrogenating the raw material;
A heat supply unit that generates combustion gas and supplies heat to the dehydrogenation reaction unit;
A gas-liquid separation unit for gas-liquid separation of the hydrogen-containing gas obtained in the dehydrogenation reaction unit;
A hydrogen purification unit that removes a dehydrogenated product from the hydrogen-containing gas that has been gas-liquid separated in the gas-liquid separation unit by a membrane separation method or a temperature swing adsorption method to obtain a purified gas;
A pressurizing unit that pressurizes the purified gas obtained in the hydrogen purifying unit;
The hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen purification unit is heated by circulating at least one of the combustion gas generated in the heat supply unit and the purified gas boosted by the boosting unit as a heating gas. A hydrogen supply system comprising: a heating unit.
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