JP6352023B2 - 水素供給システム及び水素ステーション - Google Patents
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Description
本発明は、水素供給システム及び水素ステーションに関する。
水素を燃焼として使用する燃料電池自動車の開発が進められている。このような燃料電池自動車の普及を図るためには、燃料電池や車両自体の性能向上とともに、インフラの面においても、水素を燃料電池自動車へ供給可能な水素ステーションを多くの場所に設置することが望まれる。
水素ステーションでは、例えば、液化石油ガス（Liquefied Petroleum Gas：以下、ＬＰＧという）、天然ガス、または有機ハイドライドのいずれか一つから専用の反応装置で水素を取り出し、水素を供給する。例えば、特許文献１には、有機ハイドライドを脱水素反応させることによって水素を得る反応器と、反応器で得られた水素を精製する水素精製装置と、反応器を加熱するための発熱装置を備える水素ステーションが開示されている。
このように、従来の水素ステーションは、いずれか一種類の原料からしか水素を作ることができないため、例えば災害等のトラブルで原料の供給源が断たれた場合、水素の製造及び供給ができなくなってしまうという問題があった。
そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ある種類の原料の供給源が断たれた場合でも水素を安定して供給することを可能とする水素供給システム及び水素ステーションを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る水素供給システムは、
複数種類の原料それぞれを個別に反応させることによって前記複数種類の原料それぞれから水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器内に熱を加える加熱部と、
前記改質器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記改質器内の温度を計測する温度計測部と、
前記改質器内の圧力を計測する圧力計測部と、
前記改質器内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう前記加熱部を制御し、前記改質器内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう前記圧力調整部を制御する制御部と、
を備える。
複数種類の原料それぞれを個別に反応させることによって前記複数種類の原料それぞれから水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器内に熱を加える加熱部と、
前記改質器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記改質器内の温度を計測する温度計測部と、
前記改質器内の圧力を計測する圧力計測部と、
前記改質器内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう前記加熱部を制御し、前記改質器内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう前記圧力調整部を制御する制御部と、
を備える。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記改質器は、水蒸気改質反応により一つ以上の炭化水素原料それぞれから互いに異なる時刻に前記水素含有ガスを生成し、且つ／または前記水蒸気改質反応とは異なる時刻に、脱水素反応により一つ以上の有機ハイドライドそれぞれから互いに異なる時刻に前記水素含有ガスを生成する。
前記改質器は、水蒸気改質反応により一つ以上の炭化水素原料それぞれから互いに異なる時刻に前記水素含有ガスを生成し、且つ／または前記水蒸気改質反応とは異なる時刻に、脱水素反応により一つ以上の有機ハイドライドそれぞれから互いに異なる時刻に前記水素含有ガスを生成する。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記改質器は、一つの触媒を有し、前記一つの触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する。
前記改質器は、一つの触媒を有し、前記一つの触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記改質器は、複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、前記複数の触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する。
前記改質器は、複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、前記複数の触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記制御部は、前記水蒸気改質反応の温度を６００〜９００℃の範囲に制御し、前記水蒸気改質反応の雰囲気の圧力を０．５〜１ＭＰａになるよう制御する。
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記制御部は、前記水蒸気改質反応の温度を６００〜９００℃の範囲に制御し、前記水蒸気改質反応の雰囲気の圧力を０．５〜１ＭＰａになるよう制御する。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記水蒸気改質反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−ルテニウム触媒である。
前記水蒸気改質反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−ルテニウム触媒である。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記複数の燃料は、炭化水素原料を含み、
前記炭化水素原料を脱硫反応させることによって前記炭化水素原料から硫黄分を除去する脱硫部を更に備え、
前記改質器は、前記脱硫反応後の原料を、前記水蒸気改質反応させることによって水素を生成する。
前記複数の燃料は、炭化水素原料を含み、
前記炭化水素原料を脱硫反応させることによって前記炭化水素原料から硫黄分を除去する脱硫部を更に備え、
前記改質器は、前記脱硫反応後の原料を、前記水蒸気改質反応させることによって水素を生成する。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記脱硫反応の温度は２００〜４００℃であり、前記脱硫反応の雰囲気の圧力は０．１〜５ＭＰａである。
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記脱硫反応の温度は２００〜４００℃であり、前記脱硫反応の雰囲気の圧力は０．１〜５ＭＰａである。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記脱硫反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−モリブデン触媒、またはアルミナ担持コバルト−モリブデン触媒である。
前記脱硫反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−モリブデン触媒、またはアルミナ担持コバルト−モリブデン触媒である。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記改質器が前記水蒸気改質反応により生成した水素含有ガスをシフト触媒で水性シフト反応させることによって一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する変性部を更に備える。
前記改質器が前記水蒸気改質反応により生成した水素含有ガスをシフト触媒で水性シフト反応させることによって一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する変性部を更に備える。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記水性シフト反応の温度は２００〜４００℃であり、前記水性シフト反応の雰囲気の圧力は０．１〜０．３ＭＰａである。
前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、
前記水性シフト反応の温度は２００〜４００℃であり、前記水性シフト反応の雰囲気の圧力は０．１〜０．３ＭＰａである。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記水性シフト反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル触媒、またはアルミナ担持銅−亜鉛触媒である。
前記水性シフト反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル触媒、またはアルミナ担持銅−亜鉛触媒である。
本発明の一態様に係る前記水素供給システムにおいて、
前記変性部が生成したシフト改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する精製部を更に備える。
前記変性部が生成したシフト改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する精製部を更に備える。
本発明の一態様に係る水素ステーションは、
上記いずれかの前記水素供給システムを備える。
上記いずれかの前記水素供給システムを備える。
したがって、本発明に係る水素供給システムによれば、複数種類の原料から水素含有ガスを生成することができるので、災害等のトラブルが発生して、複数種類の原料のうちある種類の原料の供給源が断たれた場合でも、他の原料を使って水素を供給できるため、水素を安定して供給することができる。
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成を図１を用いて説明する。
まず、第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成を図１を用いて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成の一例を示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態に係る水素ステーション１は、水素を供給する水素供給システムＳ１と、水素供給システムＳ１と配管で接続された冷却機１１と、冷却機１１と配管を介して接続されたディスペンサ（水素供給手段）１２とを備える。
ここで、冷却機１１は、水素を車両１３へ急速充填する際に水素温度が高くなるため、充填前に水素を予め冷却して水素温度を低くしておくための設備である。冷却機１１は、水素供給システムＳ１から排出された水素を冷却する。例えば、冷却機１１は、水素供給システムＳ１から排出された水素を設定温度（例えば、−４０℃）に冷却し、冷却後の水素をディスペンサ１２へ供給する。
ディスペンサ１２は、冷却機１１が冷却した水素を、水素を燃料として使用する車両１３に供給する。水素供給システムＳ１から排出される際の圧力（例えば、８０ＭＰａ）の方が、車両の燃料タンク（不図示）の圧力（例えば、７０ＭＰａ）よりも高いので、この差圧で、ディスペンサ１２から水素が車両７に供給される。
（水素供給システムＳ１の構成）
続いて、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の構成を図２を用いて、説明する。図２は、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１は、一種類の触媒を有し改質器が、この一種類の触媒により複数の原料それぞれから水素を生成するものである。
続いて、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の構成を図２を用いて、説明する。図２は、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１は、一種類の触媒を有し改質器が、この一種類の触媒により複数の原料それぞれから水素を生成するものである。
図２に示すように水素供給システムＳ１は、操作部ＯＰ、及び制御部ＣＯＮを備える。
操作部ＯＰは、操作者の操作を受け付ける。例えば、操作部ＯＰは、ＬＰＧ、天然ガス、またはＭＣＨのうちいずれかの原料を選択する操作を受け付け、この選択が特定される選択信号を制御部ＣＯＮへ出力する。
制御部ＣＯＮは、水素供給システム全体の制御を行う機能を有しており、例えば電子制御を行うデバイスによって構成されている。ここで、電子制御を行うデバイスは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含んで構成されている。
制御部ＣＯＮは、改質器ＲＦ内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう加熱部ＨＴを制御し、改質器ＲＦ内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう、後述する第４の弁（圧力調整部）Ｂ４を制御する。また、制御部ＣＯＮは、選択信号によって特定される選択に応じて、後述する第１の弁Ｂ１、第２の弁Ｂ２、第３の弁Ｂ３、第５の弁Ｂ５、及び第６の弁Ｂ６を制御する。
更に、図２に示すように水素供給システムＳ１は、ＬＰＧが液体原料として蓄えられたＬＰＧタンクＬＴ、第１の弁Ｂ１、脱硫部ＤＳ、及び第２の弁Ｂ２を備える。
第１の弁Ｂ１は、制御部ＣＯＮの制御に従って、ＬＰＧタンクＬＴから排出されたＬＰＧ、または天然ガスラインＬ１を介して供給された天然ガスのいずれか一方を脱硫部ＤＳへ排出するようにガス流路を切り替える。第１の弁Ｂ１は、電気的に駆動する三方弁であり、例えば、三方電磁弁である。
脱硫部ＤＳは、第１の弁Ｂ１から供給される炭化水素原料を脱硫反応させることによって炭化水素原料から硫黄分を除去する。この硫黄分の除去を脱硫という。本実施形態では、炭化水素原料は一例として、ＬＰＧまたは天然ガスである。脱硫部ＤＳは、脱硫反応の触媒（以下、脱硫触媒という）、ヒータ及び圧力調節弁を備え、ヒータは脱硫触媒を所定の温度範囲に加熱し、圧力調節弁は、脱硫部ＤＳ内の雰囲気の圧力を所定の圧力範囲に調節する。
第２の弁Ｂ２は、制御部ＣＯＮの制御に従って開閉する。第２の弁Ｂ２は、電気的に駆動する弁であり、例えば、電磁弁である。第２の弁Ｂ２が開くと、脱硫後のガス（具体的には、脱硫後のＬＰＧまたは脱硫後の天然ガス）が改質器ＲＦへ供給される。
更に、図２に示すように水素供給システムＳ１は、メチルシクロヘキサン（以下、ＭＣＨという）が液体原料として蓄えられたＭＣＨタンクＭＴ、気化器ＣＢ、及び第３の弁Ｂ３を備える。
ここで、メチルシクロヘキサンは、有機ハイドライドの一種であり、有機ハイドライドは、製油所で大量に生産されている水素を芳香族炭化水素と反応させた水素化物である。ＬＰＧ及び有機ハイドライドは、ガソリンなどと同様に液体原料としてローリーなどによって水素ステーション１へ輸送され、ＭＣＨタンクＭＴに充填される。
気化器ＣＢは、ＭＣＨタンクＭＴから排出されたＭＣＨを気化する。気化されたＭＣＨ（以下、気化ＭＣＨという）は、第３の弁Ｂ３へ供給される。
第３の弁Ｂ３は、制御部ＣＯＮの制御に従って開閉する。第３の弁Ｂ３は、電気的に駆動する弁であり、例えば、電磁弁である。第３の弁Ｂ３が開くと、気化ＭＣＨが改質器ＲＦへ供給される。
更に、図２に示すように水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ、加熱部ＨＴ、第４の弁（圧力調整部）Ｂ４、第５の弁Ｂ５、気液分離部ＧＬＳ、トルエンタンクＴＴ、温度計測部ＴＭ、及び圧力計測部ＰＭを備える。
改質器ＲＦは、複数種類の原料それぞれを個別に反応させることによってこれら複数の原料それぞれから水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器ＲＦは、複数の炭化水素原料それぞれを個別に水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成するか、または複数の有機ハイドライドそれぞれを個別に脱水素反応させて水素含有ガスを生成するか、または炭化水素原料を及び有機ハイドライドそれぞれを個別に反応させて水素含有ガスを生成する。
本実施形態では一例として、複数種類の原料は、炭化水素原料であるＬＰＧ及び天然ガスを含み、有機ハイドライドであるＭＣＨを含む。よって、改質器ＲＦは、ＬＰＧ及び天然ガスそれぞれを個別に水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、ＬＰＧ及び天然ガスとは別にＭＣＨを脱水素反応させて水素含有ガスを生成する。
また、本実施形態に係る改質器ＲＦは、一つの触媒を有し、この一つの触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器ＲＦは、改質反応が行われる改質反応部Ｈを備え、この改質反応部Ｈ内に改質触媒ＣＬが設けられている。そして、改質器ＲＦは、この改質触媒ＣＬによって、ＬＰＧ、天然ガス及びＭＣＨそれぞれを個別に反応させて水素含有ガスを生成する。
加熱部ＨＴは、改質器ＲＦ内に熱を加える。例えば、加熱部ＨＴは、改質器ＲＦ内の改質触媒を加熱し、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。
第４の弁Ｂ４は、制御部ＣＯＮの制御に従って開閉することにより、改質器ＲＦ内の圧力を調節する。第４の弁Ｂ４は、電気的に駆動する弁であり、例えば、電磁弁である。第４の弁Ｂ４が開くと、水素含有ガスが第５の弁Ｂ５へ供給される。
第５の弁Ｂ５は、制御部ＣＯＮの制御に従って、第４の弁Ｂ４を介して流入した水素含有ガスが、気液分離部ＧＬＳまたは第６の弁Ｂ６のいずれか一方に流入するようガス流路を切り替える。第５の弁Ｂ５は、電気的に駆動する三方弁であり、例えば、三方電磁弁である。
気液分離部ＧＬＳは、第５の弁Ｂ５から供給された水素含有ガスを貯留し、気体である水素ガスと液体であるトルエンを分離する。気液分離部ＧＬＳで分離されたトルエンは、トルエンタンクＴＴで回収されて貯留される。気液分離部ＧＬＳで分離された水素ガスは、第６の弁Ｂ６へ排出される。
温度計測部ＴＭは、改質器ＲＦ内の温度を計測し、計測した温度を示す温度信号を制御部ＣＯＮへ出力する。
圧力計測部ＰＭは、改質器ＲＦ内の圧力を計測し、計測した圧力を示す圧力信号を制御部ＣＯＮへ出力する。
更に、図２に示すように水素供給システムＳ１は、第６の弁Ｂ６、変性部ＤＧ、精製部ＰＦ、圧縮器ＣＰ、及び蓄圧器ＲＳを備える。
第６の弁Ｂ６は、制御部ＣＯＮの制御に従って、第５の弁Ｂ５から流入した水素含有ガスが変性部ＤＧに流入し、気液分離部ＧＬＳから流入した水素ガスが精製部ＰＦに流入するようガス流路を切り替える。
変性部ＤＧは、改質器ＲＦが水蒸気改質反応により生成した水素含有ガスをシフト触媒で水性シフト反応させることによって一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する。このシフト改質ガスは、精製部ＰＦへ排出される。
精製部ＰＦは、変性部ＤＧが生成したシフト改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する。例えば、精製部ＰＦは、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法などの吸着法を用いて水素ガスを精製する。これにより、例えば、純度９９．９９９％の水素ガスが得られる。この精製された水素ガスは、圧縮器ＣＰに排出される。
圧縮器ＣＰは、精製部ＰＦが精製した水素ガスを圧縮する。圧縮された水素ガスは、蓄圧器ＲＳに排出される。
蓄圧器ＲＳは、圧縮器ＣＰで圧縮された水素ガスを蓄圧する。
（水素供給システムＳ１の動作）
続いて、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の動作について説明する。
続いて、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の動作について説明する。
制御部ＣＯＮは、以下の制御を常に行うものとする。制御部ＣＯＮは、改質器ＲＦ内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう加熱部ＨＴを制御し、改質器ＲＦ内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう第４の弁Ｂ４を制御する。
これにより、改質器ＲＦ内の圧力及び温度が、ＬＰＧ、天然ガス、及びＭＣＨのいずれもが反応できる圧力及び温度に維持される。
続いて、操作者がＬＰＧを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ１の動作について説明する。
操作部ＯＰは、操作者からＬＰＧを原料に選択する操作を受け付け、この選択が特定される選択信号を制御部ＣＯＮへ出力する。選択信号を受けた制御部ＣＯＮは、この選択信号に応じて、第１の弁Ｂ１、第２の弁Ｂ２、第３の弁Ｂ３、第５の弁Ｂ５、及び第６の弁Ｂ６を制御する。
具体的には、制御部ＣＯＮは、この選択信号からＬＰＧの選択が特定されるため、第１の弁Ｂ１を制御してＬＰＧタンクＬＴと脱硫部ＤＳとの間を開通させ、天然ガスラインＬ１と脱硫部ＤＳとの間を遮断する。
これにより、ＬＰＧがＬＰＧタンクＬＴから脱硫部ＤＳへ流入し、脱硫部ＤＳはＬＰＧから硫黄分を除去し、除去して得た脱硫後のガスを排出する。
また、制御部ＣＯＮは、選択信号からＬＰＧの選択が特定されるため、第２の弁Ｂ２を開くとともに第３の弁Ｂ３を閉じる。これにより、ＭＣＨの改質器ＲＦへの流入が遮断され、脱硫後のガスが脱硫部ＤＳから改質器ＲＦへ流入する。そして改質器ＲＦは、水蒸気改質反応により、脱硫後のガスから水素含有ガスを生成する。
また、制御部ＣＯＮは、選択信号からＬＰＧの選択が特定されるため、第５の弁Ｂ５を制御して、第４の弁Ｂ４と第６の弁Ｂ６との間を開通させるとともに、第６の弁Ｂ６を制御して第５の弁Ｂ５と変性部ＤＧとの間を開通させる。これにより、水素含有ガスが、改質器ＲＦから第４の弁Ｂ４及び第６の弁Ｂ６を通って変性部ＤＧへ流入する。
変性部ＤＧは、水素含有ガスをシフト触媒で水性シフト反応させることによって一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する。このシフト改質ガスは、精製部ＰＦへ排出される。
次に、精製部ＰＦは、このシフト改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する。これにより、この精製された水素ガスは、圧縮器ＣＰに排出される。
次に、圧縮器ＣＰは、精製部ＰＦが精製した水素ガスを圧縮する。圧縮された水素ガスは、蓄圧器ＲＳに排出される。次に、蓄圧器ＲＳは、圧縮器ＣＰで圧縮された水素ガスを蓄圧する。
次に、操作者が天然ガスを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ１の動作について説明する。
制御部ＣＯＮの処理で、ＬＰＧを原料に選択した場合と異なる点は、第１の弁Ｂ１の制御だけである。すなわち、制御部ＣＯＮは、操作部ＯＰから入力された選択信号から天然ガスの選択が特定されるため、第１の弁Ｂ１を制御して天然ガスラインＬ１と脱硫部ＤＳとの間を開通させ、ＬＰＧタンクＬＴと脱硫部ＤＳとの間を遮断する。これにより、天然ガスが天然ガスラインＬ１から脱硫部ＤＳへ流入する。
次に、脱硫部ＤＳは天然ガスから硫黄分を除去し、除去して得た脱硫後のガスを排出する。第２の弁Ｂ２が制御部ＣＯＮにより開くので、脱硫後のガスが脱硫部ＤＳから改質器ＲＦに流入する。
そして、改質器ＲＦは、水蒸気改質反応により、脱硫後のガスから水素含有ガスを生成する。第４の弁Ｂ４以降の処理は、ＬＰＧの場合と同様であるので、説明を省略する。
次に、操作者がＭＣＨを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ１の動作について説明する。
操作部ＯＰは、操作者からＭＣＨを原料に選択する操作を受け付け、この選択が特定される選択信号を制御部ＣＯＮへ出力する。選択信号を受けた制御部ＣＯＮは、この選択信号に応じて、第２の弁Ｂ２、第３の弁Ｂ３、第５の弁Ｂ５、及び第６の弁Ｂ６を制御する。
具体的には、制御部ＣＯＮは、選択信号からＭＣＨの選択が特定されるため、第２の弁Ｂ２を閉じるとともに第３の弁Ｂ３を開く。
これにより、脱硫後のガスが脱硫部ＤＳから改質器ＲＦへの流入が遮断され、気化ＭＣＨが改質器ＲＦへ流入する。そして改質器ＲＦは、脱水素反応により、気化ＭＣＨから水素含有ガスを生成する。
また、制御部ＣＯＮは、選択信号からＬＰＧの選択が特定されるため、第５の弁を制御して、第４の弁Ｂ４と気液分離部ＧＬＳとの間を開通させる。
これにより、水素含有ガスが、改質器ＲＦから第４の弁Ｂ４及び気液分離部ＧＬＳに流入する。気液分離部ＧＬＳは、水素含有ガスから水素ガスとトルエンを分離する。
また、制御部ＣＯＮは、第６の弁を制御して気液分離部ＧＬＳと変性部ＤＧとの間を遮断し、且つ気液分離部ＧＬＳと精製部ＰＦとの間を開通させることにより、水素ガスが気液分離部ＧＬＳから精製部ＰＦへ流入する。第６の弁より下流の処理は、ＬＰＧの場合と同様であるので、説明を省略する。
以上のように、改質器ＲＦは、一つの触媒を有し、ＬＰＧ、天然ガス、ＭＣＨをこの一つの触媒によって反応させることで、水素含有ガスを生成する。これにより、改質器ＲＦは、一つだけ触媒を有すればよいので、コストを削減することができる。また、改質反応部Ｈを一つ設ければよいので、原料毎に改質反応部を設けるよりも改質器の大きさを小さくすることができる。
ここで、有機ハイドライドの代わりに灯油とし、原料として、ＬＰＧ、天然ガス、及び灯油の３種類を用いた場合、脱硫反応、水蒸気改質反応、及び水性シフト反応における触媒と反応温度条件の組は、以下のようにする。
（脱硫反応における条件）
脱硫反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−モリブデン（Ｎｉ−Ｍｏ）触媒、またはアルミナ担持コバルト−モリブデン（Ｃｏ−Ｍｏ）触媒である。脱硫反応の温度は２００〜４００℃であり、脱硫反応の雰囲気の圧力は０．１〜５ＭＰａである。
脱硫反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−モリブデン（Ｎｉ−Ｍｏ）触媒、またはアルミナ担持コバルト−モリブデン（Ｃｏ−Ｍｏ）触媒である。脱硫反応の温度は２００〜４００℃であり、脱硫反応の雰囲気の圧力は０．１〜５ＭＰａである。
（水蒸気改質反応における条件）
水蒸気改質反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−ルテニウム（Ｎｉ−Ｒｕ）触媒である。水蒸気改質反応の温度は６００〜９００℃であり、水蒸気改質反応の雰囲気の圧力は０．５〜１ＭＰａである。この温度条件及び圧力条件を満たすために、制御部ＣＯＮは、水蒸気改質反応の温度を６００〜９００℃の範囲に制御し、水蒸気改質反応の雰囲気の圧力を０．５〜１ＭＰａになるよう制御する。
水蒸気改質反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−ルテニウム（Ｎｉ−Ｒｕ）触媒である。水蒸気改質反応の温度は６００〜９００℃であり、水蒸気改質反応の雰囲気の圧力は０．５〜１ＭＰａである。この温度条件及び圧力条件を満たすために、制御部ＣＯＮは、水蒸気改質反応の温度を６００〜９００℃の範囲に制御し、水蒸気改質反応の雰囲気の圧力を０．５〜１ＭＰａになるよう制御する。
（水性シフト反応における条件）
水性シフト反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル（Ｎｉ）触媒、またはアルミナ担持銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）触媒である。水性シフト反応の温度は２００〜４００℃であり、水性シフト反応の雰囲気の圧力は０．１〜０．３ＭＰａである。
水性シフト反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル（Ｎｉ）触媒、またはアルミナ担持銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）触媒である。水性シフト反応の温度は２００〜４００℃であり、水性シフト反応の雰囲気の圧力は０．１〜０．３ＭＰａである。
上述した温度及び圧力の下限は、反応が活性化する活性点を超える温度及び圧力である。また、温度及び圧力の上限は、これより大きくなった場合に、反応が進みにくくなる温度及び圧力である。
なお、上述した脱硫反応、水蒸気改質反応、及び水性シフト反応における触媒と反応温度条件の組は、水素の素となる複数の原料が、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油の三種類のときだけに限らず、水素の素となる複数の原料が、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含むときにも適用可能である。
以上のように、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１は、複数種類の原料それぞれを互いに異なる時刻に反応させることによって複数の原料それぞれから水素含有ガスを生成する改質器ＲＦを備える。更に、水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ内に熱を加える加熱部ＨＴを備える。更に、水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ内の圧力を調節する第４の弁（圧力調整部）Ｂ４を備える。更に、水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ内の温度を計測する温度計測部ＴＭを備える。更に、水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ内の圧力を計測する圧力計測部ＰＭを備える。更に、水素供給システムＳ１は、改質器ＲＦ内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう加熱部ＨＴを制御し、改質器ＲＦ内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう第４の弁（圧力調整部）Ｂ４を制御する制御部ＣＯＮを備える（図２参照）。
このような水素供給システムＳ１によれば、複数種類の原料から水素含有ガスを生成することができる。従って、災害等のトラブルが発生して、複数種類の原料のうちある種類の原料の供給源が断たれた場合でも、他の原料を使って水素を供給できるため、水素を安定して供給することができる。
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１において、改質器が、一つの触媒を有し、一つの触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成した。一方、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２においては、改質器が、複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、複数の触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成する。
まず、第２の実施形態に係る水素ステーション１の構成を図３を用いて説明する。
続いて、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１において、改質器が、一つの触媒を有し、一つの触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成した。一方、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２においては、改質器が、複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、複数の触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成する。
まず、第２の実施形態に係る水素ステーション１の構成を図３を用いて説明する。
図３は、第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成の一例を示す図である。
図３に示すように、第２の実施形態に係る水素ステーション２の構成は、第１の実施形態に係る水素ステーション１の構成に対して、水素供給システムＳ１が水素供給システムＳ２に変更されたものになっている。なお、図３において図１の要素と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。
続いて、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２の構成を図４を用いて説明する。
図４は、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２の構成の一例を示す図である。
図４に示すように、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２の構成は、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１の構成に対して、第２の弁Ｂ２が第２の弁Ｂ２ｂに、改質器ＲＦが改質器ＲＦｂに変更されたものになっている。なお、図４において図２の要素と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。
改質器ＲＦｂは、原料それぞれに応じた触媒を有し、原料それぞれに応じた触媒によって原料それぞれから水素含有ガスを生成する。
ここで、改質器ＲＦｂは、例えば、図４に示すように改質反応部Ｈ１、改質反応部Ｈ１に設けられた第１の改質触媒ＣＬ１、改質反応部Ｈ２、改質反応部Ｈ２に設けられた第２の改質触媒ＣＬ２、改質反応部Ｈ３、及び改質反応部Ｈ３に設けられた第３の改質触媒ＣＬ３を備える。
第１の改質触媒ＣＬ１は、ＬＰＧに応じた触媒で、第２の改質触媒ＣＬ２は天然ガスに応じた触媒で、第３の改質触媒ＣＬ３は、ＭＣＨに応じた触媒である。
第２の弁Ｂ２ｂは、制御部ＣＯＮの制御に従って、脱硫部ＤＳから排出された脱硫後のガスを改質反応部Ｈ１、改質反応部Ｈ２のいずれか一方に流入するようにガス流路を切り替える。第２の弁Ｂ２ｂは、電気的に駆動する三方弁であり、例えば、三方電磁弁である。
続いて、第２の実施形態に係る水素供給システムＳ２の動作のうち、第１の実施形態に係る水素供給システムＳ１と異なる点について以下説明する。
まず、操作者がＬＰＧを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ２の動作について説明する。第２の弁Ｂ２ｂより上流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
第２の弁Ｂ２ｂは、制御部ＣＯＮの制御に従って、脱硫部ＤＳから排出された脱硫後のガスを改質反応部Ｈ１へ流入するようにガス流路を切り替える。これにより、脱硫後のガスが改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ１に流入する。
次に、改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ１は、第１の改質触媒を用いて脱硫後のガスを水蒸気改質反応させることで水素含有ガスを生成する。そして、この生成された水素含有ガスが第４の弁Ｂ４に供給される。改質器ＲＦｂより下流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、操作者が天然ガスを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ２の動作について説明する。第２の弁Ｂ２ｂより上流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
第２の弁Ｂ２ｂは、制御部ＣＯＮの制御に従って、脱硫部ＤＳから排出された脱硫後のガスを改質反応部Ｈ２へ流入するようにガス流路を切り替える。これにより、脱硫後のガスが改質反応部Ｈ２に流入する。
次に、脱硫後のガスが改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ２に流入する。改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ２は、第２の改質触媒を用いて脱硫後のガスを水蒸気改質反応させることで水素含有ガスを生成する。そして、この生成された水素含有ガスが第４の弁Ｂ４に供給される。改質器ＲＦｂより下流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、操作者がＭＣＨを原料に選択する操作を操作部ＯＰに対して行った場合の水素供給システムＳ２の動作について説明する。改質器ＲＦｂより上流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、気化ＭＣＨが改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ３に流入する。改質器ＲＦｂの改質反応部Ｈ３は、第３の改質触媒を用いて気化ＭＣＨを脱水素反応させることで水素含有ガスを生成する。そして、この生成された水素含有ガスが第４の弁Ｂ４に供給される。改質器ＲＦｂより下流の処理は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
以上のように、第２の実施形態に係る改質器ＲＦｂは、複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、複数の触媒を用いて複数種類の原料それぞれを反応させて水素含有ガスを生成する。これにより、原料それぞれに応じて最適な触媒を用いることができるので、反応効率を向上させることができる。すなわち、水素の製造効率を向上させることができる。
（各実施形態の変形例）
なお、各実施形態では、原料としてＬＰＧ、天然ガス、ＭＣＨを用いたが、これに限ったものではない。原料は、２種類でもよく、ＬＰＧ、天然ガス、ＭＣＨのうちから選択された２種類の原料のどの組み合わせでもよい。また、原料は４種類以上であってもよい。このように原料は、少なくとも複数種類であればよい。
なお、各実施形態では、原料としてＬＰＧ、天然ガス、ＭＣＨを用いたが、これに限ったものではない。原料は、２種類でもよく、ＬＰＧ、天然ガス、ＭＣＨのうちから選択された２種類の原料のどの組み合わせでもよい。また、原料は４種類以上であってもよい。このように原料は、少なくとも複数種類であればよい。
また、各実施形態では、炭化水素原料を２種類、且つ有機ハイドライドを１種類用いたが、炭化水素原料を１種類で有機ハイドライドを２種類用いてもよい。また、炭化水素原料だけを複数種類用いてもよいし、有機ハイドライドだけを複数種類用いてもよい。
また、各実施形態において、炭化水素原料は、ＬＰＧ及び天然ガスに限らず、ナフサまたは灯油等であってもよい。有機ハイドライドは、ＭＣＨに限らず、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の芳香物炭化水素の水素化物であってもよい。
なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。
１、２ 水素ステーション
Ｓ１、Ｓ２ 水素供給システム
ＯＰ 操作部
ＣＯＮ 制御部
ＬＴ ＬＰＧタンク
Ｂ１ 第１の弁
ＤＳ 脱硫部
Ｂ２、Ｂ２ｂ 第２の弁
ＭＴ ＭＣＨタンク
ＣＢ 気化器
Ｂ３ 第３の弁
ＲＦ、ＲＦｂ 改質器
Ｈ 改質反応部
ＣＬ 改質触媒
ＨＴ 加熱部
Ｂ４ 第４の弁（圧力調整部）
Ｂ５ 第５の弁
ＧＬＳ 気液分離部
ＴＴ トルエンタンク
ＴＭ 温度計測部
ＰＭ 圧力計測部
Ｂ６ 第６の弁
ＤＧ 変性部
ＰＦ 精製部
ＣＰ 圧縮器
ＲＳ 蓄圧器
Ｈ１ 改質反応部
Ｈ２ 改質反応部
Ｈ３ 改質反応部
ＣＬ１ 第１の改質触媒
ＣＬ２ 第２の改質触媒
ＣＬ３ 第３の改質触媒
Ｓ１、Ｓ２ 水素供給システム
ＯＰ 操作部
ＣＯＮ 制御部
ＬＴ ＬＰＧタンク
Ｂ１ 第１の弁
ＤＳ 脱硫部
Ｂ２、Ｂ２ｂ 第２の弁
ＭＴ ＭＣＨタンク
ＣＢ 気化器
Ｂ３ 第３の弁
ＲＦ、ＲＦｂ 改質器
Ｈ 改質反応部
ＣＬ 改質触媒
ＨＴ 加熱部
Ｂ４ 第４の弁（圧力調整部）
Ｂ５ 第５の弁
ＧＬＳ 気液分離部
ＴＴ トルエンタンク
ＴＭ 温度計測部
ＰＭ 圧力計測部
Ｂ６ 第６の弁
ＤＧ 変性部
ＰＦ 精製部
ＣＰ 圧縮器
ＲＳ 蓄圧器
Ｈ１ 改質反応部
Ｈ２ 改質反応部
Ｈ３ 改質反応部
ＣＬ１ 第１の改質触媒
ＣＬ２ 第２の改質触媒
ＣＬ３ 第３の改質触媒
Claims (12)
- 炭化水素原料を脱硫反応させることによって炭化水素原料から硫黄分を除去する脱硫部と、
原料を気化する気化器と、
複数種類の原料それぞれを個別に反応させることによって前記複数種類の原料それぞれから水素含有ガスを生成する反応器と、
前記反応器内に熱を加える加熱部と、
前記反応器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記反応器内の温度を計測する温度計測部と、
前記反応器内の圧力を計測する圧力計測部と、
前記反応器内の温度が予め設定された温度範囲内になるよう前記加熱部を制御し、前記反応器内の圧力が予め設定された圧力範囲内になるよう前記圧力調節部を制御する制御部と、
前記反応器が水蒸気改質反応により生成した水素含有ガスをシフト触媒で水性シフト反応させることによって一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する変性部と、
を備え、
前記複数の原料は、炭化水素原料を含み、
前記制御部は、気化された原料の前記気化器から前記反応器への流入を遮断して脱硫後の炭化水素原料を前記脱硫部から前記反応器へ流入させ、または、脱硫後の炭化水素原料の前記脱硫部から前記反応器への流入を遮断して気化された原料を前記気化器から前記反応器へ流入させ、
前記反応器は、複数種類の原料それぞれを互いに異なる時刻に反応させることによって複数の原料それぞれから水素含有ガスを生成する水素供給システム。 - 前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、 前記水性シフト反応の温度は２００〜４００℃であり、前記水性シフト反応の雰囲気の圧力は０．１〜０．３ＭＰａである
請求項１に記載の水素供給システム。 - 前記反応器は、一つの触媒を有し、前記一つの触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する
請求項１または２に記載の水素供給システム。 - 前記反応器は、前記複数種類の原料それぞれに対して決められた複数の触媒を有し、前記複数の触媒を用いて前記複数種類の原料それぞれを反応させて前記水素含有ガスを生成する
請求項１または２に記載の水素供給システム。 - 前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、 前記制御部は、前記水蒸気改質反応の温度を６００〜９００℃の範囲に制御し、前記水蒸気改質反応の雰囲気の圧力を０．５〜１ＭＰａになるよう制御する
請求項１から４のいずれか一項に記載の水素供給システム。 - 前記水蒸気改質反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−ルテニウム触媒である
請求項５に記載の水素供給システム。 - 前記反応器は、前記脱硫反応後の原料を、前記水蒸気改質反応させることによって水素を生成する
請求項１から６のいずれか一項に記載の水素供給システム。 - 前記複数の原料は、液化石油ガス、天然ガス、及び灯油のうち少なくとも二つを含み、 前記脱硫反応の温度は２００〜４００℃であり、前記脱硫反応の雰囲気の圧力は０．１〜５ＭＰａである
請求項７に記載の水素供給システム。 - 前記脱硫反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル−モリブデン触媒、またはアルミナ担持コバルト−モリブデン触媒である
請求項８に記載の水素供給システム。 - 前記水性シフト反応の触媒は、アルミナ担持ニッケル触媒、またはアルミナ担持銅−亜鉛触媒である
請求項１から９のいずれか一項に記載の水素供給システム。 - 前記変性部が生成したシフト改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する精製部を更に備える
請求項１から１０のいずれか一項に記載の水素供給システム。 - 請求項１から１１のいずれか一項に記載の水素供給システムを備える水素ステーション。
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