JP6618394B2 - Hydrogen utilization system - Google Patents

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Description

本発明は、水素利用システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen utilization system.

近年は、燃料電池を搭載した車両等をはじめ、水素を利用したエネルギー環境が重要視され、整備されつつある状況にある。水素は、例えば、水の電気分解、化石エネルギー又はメタノール改質など様々な手法により製造される。ここで、水素を効率的にエネルギーに変換することができ、より大きなエネルギーとして利用できれば、水素利用環境におけるエネルギー利用効率が飛躍的に改善されることになる。   In recent years, energy environments using hydrogen, such as vehicles equipped with fuel cells, have been emphasized and are being developed. Hydrogen is produced by various techniques such as water electrolysis, fossil energy or methanol reforming. Here, if hydrogen can be efficiently converted into energy and used as a larger energy, the energy utilization efficiency in the hydrogen utilization environment will be dramatically improved.

また、製造された水素は、高圧タンク、液化タンク又は水素貯蔵合金に貯蔵可能であり、有機ハイドライド、メタノールなどに変換して液化することで貯蔵可能となる。   Further, the produced hydrogen can be stored in a high-pressure tank, a liquefaction tank, or a hydrogen storage alloy, and can be stored by converting into an organic hydride, methanol, or the like and liquefying.

上記のように水素を貯蔵してなる燃料水素を製造するシステムとして、例えば、水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置が製造した水素を燃料として用いる燃料形態に変化させて水素燃料を製造する2つ以上の水素燃料製造装置と、前記水素燃料製造装置の製造する燃料形態が2種類以上であることを特徴とする水素燃料製造システムが開示されている(例えば、特許文献1参照)。この水素燃料製造システムでは、需要量に従って、各水素燃料を効率よく生産することが可能となっている。   As a system for producing fuel hydrogen by storing hydrogen as described above, for example, a hydrogen production apparatus for producing hydrogen and a fuel form using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus as fuel are used. Two or more hydrogen fuel production apparatuses to be produced and a hydrogen fuel production system characterized in that there are two or more types of fuel produced by the hydrogen fuel production apparatus (see, for example, Patent Document 1) . In this hydrogen fuel production system, it is possible to efficiently produce each hydrogen fuel according to the demand.

特開2005−350299号公報JP 2005-350299 A

ところで、石油精製工場等には水素を製造するための水素製造装置が設置されており、製造された水素は、各石油留分の水添脱硫に用いられる。ガソリン需要の低下、工場のオフガス利用等の省エネ化に伴って水添脱硫用の水素需要が低下しているため、石油精製工場等に設置されている水素製造装置は、運転時の負荷率が低下している。   By the way, a hydrogen production apparatus for producing hydrogen is installed in an oil refining factory or the like, and the produced hydrogen is used for hydrodesulfurization of each petroleum fraction. The demand for hydrogen for hydrodesulfurization has decreased along with the reduction in gasoline demand and energy savings such as the use of off-gas at factories. It is falling.

通常、水素製造効率は、定格負荷で水素製造装置を運転するときに最も高く、負荷率が低下するとともに水素製造効率も低下する。そのため、水素を製造する際に用いる燃料を有効利用する点から、水素製造効率を高負荷に維持することが好ましい。水素製造効率を高負荷に維持する方法として、水素需要が低下した場合であっても負荷を低下させずに余剰水素を前述のように貯蔵する方式が考えられる。   Normally, the hydrogen production efficiency is highest when the hydrogen production apparatus is operated at the rated load, and the load factor is lowered and the hydrogen production efficiency is also lowered. Therefore, it is preferable to maintain the hydrogen production efficiency at a high load from the viewpoint of effectively using the fuel used when producing hydrogen. As a method for maintaining the hydrogen production efficiency at a high load, a method of storing surplus hydrogen as described above without reducing the load even when the demand for hydrogen decreases can be considered.

しかしながら、一般的な工場では、設置スペース及び在庫コストといった問題から余剰水素を前述のように貯蔵する方式は、現状採用されていない。さらに、余剰水素を単に貯蔵するよりも、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用することが好ましい。   However, in general factories, the method of storing surplus hydrogen as described above is not currently employed because of problems such as installation space and inventory costs. Furthermore, it is preferable to effectively use surplus hydrogen by increasing the utilization efficiency of hydrogen as energy rather than simply storing surplus hydrogen.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用することが可能な水素利用システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a hydrogen utilization system capable of effectively using surplus hydrogen by improving the utilization efficiency of hydrogen as energy.

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
<1> 供給された燃料ガスを用いて水素を製造する水素製造手段と、前記水素製造手段にて製造された水素の少なくとも一部を消費する水素消費手段と、前記水素製造手段にて製造された水素のうち、前記水素消費手段にて消費されない余剰水素が供給されて発電する固体高分子形燃料電池(以下、「PEFC」とも称する。)と、を備え、前記水素製造手段には、一定量の前記燃料ガスが供給され、かつ、前記水素製造手段は定格負荷にて水素製造を行う水素利用システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> Hydrogen production means for producing hydrogen using the supplied fuel gas, hydrogen consumption means for consuming at least part of the hydrogen produced by the hydrogen production means, and produced by the hydrogen production means A solid polymer fuel cell (hereinafter, also referred to as “PEFC”) that generates power by supplying surplus hydrogen that is not consumed by the hydrogen consuming means. A hydrogen utilization system in which an amount of the fuel gas is supplied and the hydrogen production means produces hydrogen at a rated load.

本形態に係る水素利用システムは、製造された水素の少なくとも一部が供給されて消費する水素消費手段、及び水素消費手段にて消費されない余剰水素を用いて発電するPEFCを備えている。そのため、水素消費手段の水素需要量に応じて水素製造手段における運転時の負荷を変動させる必要はなく、水素製造効率の高い定格負荷にて水素の製造を行うことができ、かつ余剰水素を用いてPEFCにて発電を行うことができる。   The hydrogen utilization system according to this embodiment includes a hydrogen consuming unit that supplies and consumes at least a part of the produced hydrogen, and a PEFC that generates electricity using surplus hydrogen that is not consumed by the hydrogen consuming unit. Therefore, it is not necessary to vary the load during operation in the hydrogen production means according to the hydrogen demand of the hydrogen consumption means, hydrogen can be produced at a rated load with high hydrogen production efficiency, and surplus hydrogen is used. Power can be generated with PEFC.

さらに、本形態に係る水素利用システムでは、余剰水素を用いてPEFCにて発電を行っているため、単に余剰水素を貯蔵する場合と比較して、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用することが可能である。   Furthermore, in the hydrogen utilization system according to the present embodiment, surplus hydrogen is used to generate power with PEFC. Therefore, surplus hydrogen can be used by increasing the utilization efficiency of hydrogen as energy compared to the case of simply storing surplus hydrogen. Can be used effectively.

<2> 前記水素製造手段にて製造された水素を予め精製する精製装置をさらに備え、前記水素消費手段及び前記固体高分子形燃料電池は、前記精製装置で精製された水素が供給される<1>に記載の水素利用システム。   <2> The apparatus further comprises a purifier that purifies the hydrogen produced by the hydrogen producing means in advance, and the hydrogen consuming means and the polymer electrolyte fuel cell are supplied with hydrogen purified by the purifier < 1> The hydrogen utilization system described in 1>.

PEFCに供給される水素には高い純度が要求され、水添脱硫装置などの水素消費手段に供給される水素についても高い純度が要求される。本形態に係る水素利用システムでは、PEFC及び水素消費手段に供給される前の製造された水素をあらかじめ精製することにより、PEFCでの発電効率を高く維持し、燃料電池の耐久性を維持、改善することができ、水添脱硫装置などの水素消費手段に適した高純度の水素を得ることができる。   High purity is required for hydrogen supplied to PEFC, and high purity is also required for hydrogen supplied to hydrogen consuming means such as hydrodesulfurization equipment. In the hydrogen utilization system according to this embodiment, the hydrogen produced before being supplied to the PEFC and hydrogen consuming means is purified in advance to maintain high power generation efficiency in the PEFC and maintain and improve the durability of the fuel cell. Thus, high-purity hydrogen suitable for hydrogen consuming means such as a hydrodesulfurization apparatus can be obtained.

<3> 前記固体高分子形燃料電池での発電により得られた電力が前記精製装置に供給される<2>に記載の水素利用システム。   <3> The hydrogen utilization system according to <2>, wherein electric power obtained by power generation in the polymer electrolyte fuel cell is supplied to the purifier.

本形態に係る水素利用システムでは、PEFCでの発電により得られた電力を精製装置に供給することで、精製装置にて必要な電力の一部又は全てを賄うことができ、外部の電力系統から精製装置に供給される電力量を削減できる。   In the hydrogen utilization system according to the present embodiment, by supplying the power obtained by the power generation in the PEFC to the refining device, it is possible to cover part or all of the necessary power in the refining device, and from the external power system The amount of power supplied to the refining device can be reduced.

<4> 前記水素製造手段は、前記燃料ガスを改質して水素を製造する<1>〜<3>のいずれか1つに記載の水素利用システム。   <4> The hydrogen utilization system according to any one of <1> to <3>, wherein the hydrogen production means reforms the fuel gas to produce hydrogen.

本形態に係る水素利用システムでは、水素製造手段における燃料ガスの改質反応により水素が効率よく製造される。   In the hydrogen utilization system according to this embodiment, hydrogen is efficiently produced by the reforming reaction of the fuel gas in the hydrogen production means.

本発明によれば、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用することが可能な水素利用システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the utilization efficiency as hydrogen energy can be improved, and the hydrogen utilization system which can utilize surplus hydrogen effectively can be provided.

本発明の実施形態に係る水素利用システムの概略構成を示すシステム構成図である。It is a system configuration figure showing a schematic structure of a hydrogen utilization system concerning an embodiment of the present invention. システム1〜5における一次エネルギー消費量のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the primary energy consumption in systems 1-5.

以下、図面を参照して、本発明の水素利用システムの実施形態について具体的に説明する。但し、本発明は、以下に示す実施形態に制限されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the hydrogen utilization system of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments shown below.

本発明に係る水素利用システムの一実施形態を、図1を参照して説明する。本実施形態に係る水素利用システム100は、都市ガスなどの燃料ガスを用いて水素を製造する水素製造装置1(水素製造手段)と、製造された水素の一部を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置3(水素消費手段)と、水添脱硫装置3にて消費されない余剰水素が供給されて発電するPEFC4(固体高分子形燃料電池)と、を備える。さらに、水素製造装置1には、一定量の燃料ガスが供給され、かつ、水素製造装置1は定格負荷にて水素製造を行う。   An embodiment of a hydrogen utilization system according to the present invention will be described with reference to FIG. The hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment performs hydrogen desulfurization using a hydrogen production apparatus 1 (hydrogen production means) that produces hydrogen using a fuel gas such as city gas and a part of the produced hydrogen. A hydrodesulfurization device 3 (hydrogen consuming means) and a PEFC 4 (solid polymer fuel cell) that generates electricity by supplying surplus hydrogen that is not consumed by the hydrodesulfurization device 3 are provided. Furthermore, a certain amount of fuel gas is supplied to the hydrogen production apparatus 1 and the hydrogen production apparatus 1 performs hydrogen production at a rated load.

本実施形態に係る水素利用システム100は、製造された水素の少なくとも一部が供給されて水添脱硫を行う水添脱硫装置3、及び余剰水素を用いて発電するPEFC4を備えている。そのため、水添脱硫装置3の水素需要量に応じて水素製造装置1における運転時の負荷を変動させる必要はなく、水素製造効率の高い定格負荷にて水素の製造を行うことができ、かつ余剰水素を用いてPEFC4にて発電を行うことができる。   The hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment includes a hydrodesulfurization apparatus 3 that performs hydrodesulfurization by supplying at least a part of the produced hydrogen, and a PEFC 4 that generates power using surplus hydrogen. Therefore, it is not necessary to vary the load during operation in the hydrogen production device 1 according to the hydrogen demand of the hydrodesulfurization device 3, hydrogen can be produced at a rated load with high hydrogen production efficiency, and surplus Electricity can be generated by PEFC4 using hydrogen.

さらに、本実施形態に係る水素利用システム100では、余剰水素を用いてPEFC4にて発電を行っているため、単に余剰水素を貯蔵する場合と比較して、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用することが可能である。   Furthermore, in the hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment, since the surplus hydrogen is used to generate power in the PEFC 4, the utilization efficiency of hydrogen as energy is increased as compared with the case where the surplus hydrogen is simply stored. Surplus hydrogen can be used effectively.

本実施形態に係る水素利用システム100は、水素製造装置1にて製造された水素を予め精製する精製装置2をさらに備えており、水添脱硫装置3及びPEFC4に高純度の水素を供給することができる。
以下、水素利用システム100の各構成について説明する。
The hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment further includes a purification device 2 that purifies hydrogen produced in the hydrogen production device 1 in advance, and supplies high-purity hydrogen to the hydrodesulfurization device 3 and the PEFC 4. Can do.
Hereinafter, each configuration of the hydrogen utilization system 100 will be described.

水素製造装置1は、都市ガスなどの燃料ガスを用いて水素を製造する装置であれば特に限定されず、例えば、燃料ガスを改質して水素を製造する改質器などが挙げられる。   The hydrogen production apparatus 1 is not particularly limited as long as it is an apparatus that produces hydrogen using a fuel gas such as city gas, and examples thereof include a reformer that reforms a fuel gas to produce hydrogen.

燃料ガスとしては、例えば、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス、バイオガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。   Examples of the fuel gas include hydrocarbon gas. Examples of the hydrocarbon gas include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and biogas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, and methane is particularly preferable. The hydrocarbon gas may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, or a gas such as natural gas, city gas, LP gas, or the like.

本実施形態では、図1に示すように、燃料ガスの一例である都市ガスが都市ガス供給経路11を通じて水素製造装置1に供給される。   In this embodiment, as shown in FIG. 1, city gas, which is an example of fuel gas, is supplied to the hydrogen production apparatus 1 through the city gas supply path 11.

水素製造装置1が、改質器である場合、都市ガス(燃料ガス)の改質としては、水蒸気改質、二酸化炭素改質、部分酸化改質、シフト反応改質などが挙げられる。改質器にて水蒸気改質、二酸化炭素改質、及び部分酸化改質を行う場合には、それぞれ水蒸気、二酸化炭素、及び酸素を改質器に供給すればよい。なお、シフト反応改質は、水蒸気改質に付随して起こる反応であり、改質器とともにCO変成器を設けて、CO変成器にてシフト反応改質を行ってもよい。   When the hydrogen production apparatus 1 is a reformer, examples of reforming of city gas (fuel gas) include steam reforming, carbon dioxide reforming, partial oxidation reforming, and shift reaction reforming. When steam reforming, carbon dioxide reforming, and partial oxidation reforming are performed in the reformer, steam, carbon dioxide, and oxygen may be supplied to the reformer, respectively. The shift reaction reforming is a reaction that occurs accompanying steam reforming, and a CO converter may be provided together with the reformer, and the shift reaction reforming may be performed in the CO converter.

本実施形態に係る水素利用システム100では、水素製造装置1には一定量の都市ガスが供給され、かつ、水素製造装置1は定格負荷にて水素製造を行う。そのため、水素消費手段の水素需要量に応じて水素製造手段における運転時の負荷を変動させる必要がなく、水素製造効率の高い定格負荷にて水素の製造を行うことができる。   In the hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment, a certain amount of city gas is supplied to the hydrogen production apparatus 1, and the hydrogen production apparatus 1 performs hydrogen production at a rated load. Therefore, it is not necessary to vary the load during operation of the hydrogen production means according to the hydrogen demand of the hydrogen consumption means, and hydrogen can be produced at a rated load with high hydrogen production efficiency.

水素消費手段の水素需要量に応じて水素製造手段における運転時の負荷を変動させる場合、低負荷のときには水素製造効率が低下するため、水素製造コストが高くなる。一方、水添脱硫装置3(水素消費手段)の水素需要量に関係なく水素製造装置1を定格負荷で効率よく運転することで、負荷を変動させた場合よりも水素製造コストが低下する。   When the load at the time of operation in the hydrogen production means is changed according to the amount of hydrogen demand of the hydrogen consumption means, the hydrogen production efficiency is lowered when the load is low, and the hydrogen production cost is increased. On the other hand, by operating the hydrogen production apparatus 1 efficiently at the rated load regardless of the hydrogen demand of the hydrodesulfurization apparatus 3 (hydrogen consumption means), the hydrogen production cost is lower than when the load is varied.

また、水素製造装置1は水添脱硫装置3の水素需要量に関係なく定格負荷で運転しているため、一定量の都市ガスが都市ガス供給経路11を通じて供給される。したがって、水添脱硫装置3の水素需要量に応じて都市ガスの供給量を調整する必要はない。   In addition, since the hydrogen production apparatus 1 is operated at the rated load regardless of the hydrogen demand of the hydrodesulfurization apparatus 3, a certain amount of city gas is supplied through the city gas supply path 11. Therefore, it is not necessary to adjust the supply amount of city gas according to the hydrogen demand of the hydrodesulfurization apparatus 3.

精製装置2は、水素製造装置1よりも下流側に位置し、水素製造装置1にて製造された水素を予め精製する装置である。水素製造装置1にて製造された水素は、水素供給経路12を通じて精製装置2に供給される。   The purification device 2 is a device that is located downstream of the hydrogen production device 1 and purifies the hydrogen produced by the hydrogen production device 1 in advance. Hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 1 is supplied to the purification apparatus 2 through the hydrogen supply path 12.

水添脱硫装置3及びPEFC4に供給される水素には高い純度が要求される。本実施形態に係る水素利用システム100では、水添脱硫装置3及びPEFC4に供給される前の製造された水素をあらかじめ精製することにより、PEFC4での発電効率を高く維持し、PEFC4の耐久性を維持、改善することができ、水添脱硫装置3での水添脱硫に適した高純度の水素を得ることができる。   High purity is required for the hydrogen supplied to the hydrodesulfurization unit 3 and the PEFC 4. In the hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment, the hydrogen produced in the hydrodesulfurization apparatus 3 and the PEFC 4 before being purified is purified in advance, so that the power generation efficiency in the PEFC 4 is maintained high, and the durability of the PEFC 4 is increased. It can be maintained and improved, and high-purity hydrogen suitable for hydrodesulfurization in the hydrodesulfurization apparatus 3 can be obtained.

水素製造装置1にて製造された水素は、都市ガス中に含まれていた不純物又は水素製造装置1にて製造された不純物を含んでおり、例えば、メタンガス等の炭化水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄等が挙げられる。   The hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 1 includes impurities contained in the city gas or impurities produced by the hydrogen production apparatus 1, for example, hydrocarbon gas such as methane gas, carbon monoxide, Examples include carbon dioxide, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, and the like.

精製装置2は、水素と混合している不純物を除去することができる装置を適宜選択すればよい。精製装置2の具体例としては、圧力変動吸着法(PSA法)を利用して加圧、減圧を繰り返す際のガス成分の着脱によりガス分離を行うPSA(Pressure Swing Adsorption)装置、二酸化炭素を選択的に分離する二酸化炭素分離膜、硫黄を吸着する活性炭もしくは合金粒子等の脱硫剤などが挙げられる。   The purification apparatus 2 may be appropriately selected from an apparatus that can remove impurities mixed with hydrogen. As a specific example of the purification apparatus 2, a pressure swing adsorption (PSA) apparatus that performs gas separation by attaching and detaching gas components when pressure application and pressure reduction are repeated using a pressure fluctuation adsorption method (PSA method), carbon dioxide is selected. And carbon dioxide separation membranes for separation, and desulfurization agents such as activated carbon or alloy particles that adsorb sulfur.

PSA装置にて吸収した二酸化炭素又は二酸化炭素分離膜にて分離した二酸化炭素を回収してもよい。水素製造装置1が、改質器である場合、定格負荷にて水素製造を行うことで、水素とともに発生する二酸化炭素の量も増加するため、増加した二酸化炭素を回収し、例えば、二酸化炭素改質や化学合成に用いたり、工業用途に用いたりすることが好ましい。   Carbon dioxide absorbed by the PSA device or carbon dioxide separated by the carbon dioxide separation membrane may be recovered. When the hydrogen production apparatus 1 is a reformer, the amount of carbon dioxide generated together with hydrogen is increased by producing hydrogen at a rated load, so that the increased carbon dioxide is recovered. It is preferably used for quality and chemical synthesis, or for industrial use.

また、水素製造装置1は水添脱硫装置3の水素需要量に関係なく定格負荷で運転しているため、一定量の水素が製造され、一定量の水素が精製装置2に供給される。したがって、精製装置2の負荷は一定であり、精製装置2への水素供給量に応じて精製装置2の負荷を変動させる必要はない。   Further, since the hydrogen production apparatus 1 is operated at the rated load regardless of the hydrogen demand of the hydrodesulfurization apparatus 3, a certain amount of hydrogen is produced and a certain amount of hydrogen is supplied to the purification device 2. Therefore, the load of the purification apparatus 2 is constant, and it is not necessary to change the load of the purification apparatus 2 according to the amount of hydrogen supplied to the purification apparatus 2.

精製装置2にて純度が高められた水素は、水素供給経路13を通じて水添脱硫装置3に供給され、水素供給経路14を通じてPEFC4に供給される。   Hydrogen whose purity has been increased by the refining apparatus 2 is supplied to the hydrodesulfurization apparatus 3 through the hydrogen supply path 13 and supplied to the PEFC 4 through the hydrogen supply path 14.

水添脱硫装置3は、水素供給経路13を通じて供給された水素を用いて石油留分の水添脱硫を行うための装置であり、水素製造装置1にて製造された水素を消費する水素消費手段の一例である。水添脱硫を行うことにより、石油留分に含まれる硫黄分を除去することができ、石油留分が高純度に精製され、石油留分供給経路16を通じてシステム外に供給される。石油留分は、石油留分供給経路15を通じて水添脱硫装置3に供給される。   The hydrodesulfurization apparatus 3 is an apparatus for performing hydrodesulfurization of petroleum fractions using hydrogen supplied through the hydrogen supply path 13, and hydrogen consuming means for consuming hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 1. It is an example. By performing hydrodesulfurization, sulfur contained in the petroleum fraction can be removed, and the petroleum fraction is refined to a high purity and supplied to the outside of the system through the petroleum fraction supply path 16. The oil fraction is supplied to the hydrodesulfurization apparatus 3 through the oil fraction supply path 15.

石油留分としては、蒸留装置にて沸点の差にて原油から分離された各留分、例えば、天然ガス、石油ガス、ガソリン、灯油、軽油、重油などが挙げられる。   Examples of petroleum fractions include fractions separated from crude oil by a difference in boiling points in a distillation apparatus, such as natural gas, petroleum gas, gasoline, kerosene, light oil, and heavy oil.

水添脱硫装置3は、例えば、石油留分中に含まれる硫黄分を水素と反応させて硫化水素に転化するための触媒(脱硫触媒)と、転化された硫化水素を吸着して除去する吸着剤(脱硫剤)と、を備える。これにより、硫化カルボニル(COS)、メルカプタン類、ジメチルスルフィド(DMS)などのサルファイド類、チオフェン類等の硫黄分を水素と反応させて硫化水素に転化し、次いで、転化された硫化水素を除去できる。   The hydrodesulfurization apparatus 3 is, for example, a catalyst (desulfurization catalyst) for reacting sulfur contained in a petroleum fraction with hydrogen to convert it into hydrogen sulfide, and an adsorption for absorbing and removing the converted hydrogen sulfide. An agent (desulfurization agent). As a result, sulfur such as carbonyl sulfide (COS), mercaptans, dimethyl sulfide (DMS), and thiophenes can be reacted with hydrogen to be converted into hydrogen sulfide, and then the converted hydrogen sulfide can be removed. .

水素消費手段としては、前述の水添脱硫装置に限定されず、例えば、石油化学製品の製造装置、アンモニア合成装置が挙げられる。   The hydrogen consuming means is not limited to the hydrodesulfurization apparatus described above, and examples thereof include a petrochemical product manufacturing apparatus and an ammonia synthesis apparatus.

本実施形態に係る水素利用システム100では、水添脱硫装置3での水素需要量に応じて水素が水添脱硫装置3に供給され、水添脱硫装置3での水素需要量に応じて生じる余剰水素は、PEFC4に供給される。   In the hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment, hydrogen is supplied to the hydrodesulfurization device 3 according to the hydrogen demand in the hydrodesulfurization device 3, and surplus generated according to the hydrogen demand in the hydrodesulfurization device 3. Hydrogen is supplied to PEFC4.

PEFC4は、水素供給経路14を通じて供給された余剰水素を用いて発電を行う電池である。余剰水素は、水素供給経路14を通じてアノード側に供給される。   The PEFC 4 is a battery that generates power using surplus hydrogen supplied through the hydrogen supply path 14. Surplus hydrogen is supplied to the anode side through the hydrogen supply path 14.

PEFC4は、高分子電解質膜をアノード極(燃料極)及びカソード極(酸素極)で挟んだセルを更にセパレータで挟んだ構造を有する。PEFC4のアノード側に水素が供給されたとき、以下の反応(a)に示すように、水素イオンが生成される。
→2H+2e・・・(a)
The PEFC 4 has a structure in which a cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxygen electrode) is further sandwiched between separators. When hydrogen is supplied to the anode side of the PEFC 4, hydrogen ions are generated as shown in the following reaction (a).
H 2 → 2H + + 2e (a)

PEFC4にて、生成された水素イオンは高分子電解質膜を通じてカソード側へ移動し、以下の反応(b)に示すように、カソード側で水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応が生じ、発電する。
1/2O+2H+e→HO・・・(b)
In PEFC4, the generated hydrogen ions move to the cathode side through the polymer electrolyte membrane, and as shown in the following reaction (b), a reaction occurs in which the hydrogen ions react with oxygen to generate water on the cathode side. ,Generate electricity.
1 / 2O 2 + 2H + + e → H 2 O (b)

PEFC4での発電により得られた電力は、例えば、電力系統21を介して精製装置2に供給される。これにより、精製装置2にて必要な電力の一部又は全てを賄うことができ、外部の電力系統から精製装置2に供給される電力量を削減できる。なお、PEFC4での発電により得られた電力の供給先は、精製装置2に限定されず、例えば、システム外に供給してもよく、蓄電装置を配置して蓄電してもよい。   The electric power obtained by the power generation in the PEFC 4 is supplied to the refining device 2 via the electric power system 21, for example. Thereby, a part or all of electric power required in the refiner | purifier 2 can be covered, and the electric energy supplied to the refiner | purifier 2 from an external electric power grid | system can be reduced. In addition, the supply destination of the electric power obtained by the power generation in the PEFC 4 is not limited to the refining device 2, and may be supplied outside the system, for example, or may be stored by storing a power storage device.

水素製造装置1を定格負荷で運転させ、発生した余剰水素をPEFC4での発電に用いているため、安価な電力を確保することができる。   Since the hydrogen production apparatus 1 is operated at a rated load and the generated surplus hydrogen is used for power generation in the PEFC 4, inexpensive electric power can be secured.

さらに、水素がPEFC4に供給されて反応することで、電気エネルギーとともに熱エネルギーが得られる。この熱エネルギーを水と熱交換することで、加熱された水(温水)として取り出すことができる。発生する温水は、60℃程度と比較的低く、工業的に使用することは困難であるが、例えば、蒸気ボイラ等の燃焼設備に供給したり、バイナリー発電に用いたりすることができる。   Furthermore, hydrogen is supplied to PEFC 4 and reacts to obtain thermal energy as well as electrical energy. By exchanging this thermal energy with water, it can be taken out as heated water (hot water). The generated hot water is relatively low at about 60 ° C. and is difficult to use industrially. For example, it can be supplied to a combustion facility such as a steam boiler or used for binary power generation.

発生する温水を蒸気ボイラ等の燃焼設備に供給することで、温水が燃焼により得られた熱と熱交換して水蒸気となり、温水の熱エネルギーの有効活用により、エネルギー効率を高めることができる。また、水より沸点の低い液体、例えば、ペンタン、イソブタン等の有機物質、代替フロン、又はアンモニアと水との混合液を加熱蒸発させ、その蒸気でタービンを回すバイナリー発電を行うことで、比較的低温の温水を有効利用することができる。   By supplying the generated warm water to a combustion facility such as a steam boiler, the warm water exchanges heat with the heat obtained by the combustion to become steam, and the energy efficiency can be improved by effectively using the thermal energy of the warm water. In addition, by performing binary power generation that heats and evaporates a liquid having a lower boiling point than water, for example, an organic substance such as pentane and isobutane, alternative chlorofluorocarbon, or a mixture of ammonia and water, and rotates the turbine with the steam, Low temperature hot water can be used effectively.

水添脱硫装置3での水素需要量に応じて生じる余剰水素は、全てPEFC4に供給される構成であってもよく、高圧タンク、液化タンク、水素貯蔵合金などに一部貯蔵される構成であってもよい。   The surplus hydrogen generated according to the amount of hydrogen demand in the hydrodesulfurization device 3 may be supplied to the PEFC 4, or may be partially stored in a high-pressure tank, a liquefaction tank, a hydrogen storage alloy, or the like. May be.

次に、本実施形態に係る水素利用システム100において、一次エネルギー消費量(換算値)を見積もったシミュレーション結果を従来システムと対比して以下に示す。従来システムとしてシステム1、システム4、5を例に挙げ、本発明の一実施形態に係る水素利用システムとしてシステム2、3を例に挙げて説明する。   Next, in the hydrogen utilization system 100 according to the present embodiment, a simulation result for estimating the primary energy consumption (converted value) is shown below in comparison with the conventional system. The system 1 and the systems 4 and 5 will be exemplified as conventional systems, and the systems 2 and 3 will be described as examples of the hydrogen utilization system according to an embodiment of the present invention.

まず、システム1〜5では、水素を製造するための燃料ガスとして都市ガスを用い、水添脱硫用として必要な水素の量を1000Nm/hと仮定した。また、水素の一次エネルギー換算値を10.8MJ/Nmとし、都市ガスの一次エネルギー換算値を40.6MJ/Nmとした。 First, in systems 1 to 5, it was assumed that city gas was used as a fuel gas for producing hydrogen, and the amount of hydrogen required for hydrodesulfurization was 1000 Nm 3 / h. Moreover, the primary energy conversion value of hydrogen was 10.8 MJ / Nm 3, and the primary energy conversion value of city gas was 40.6 MJ / Nm 3 .

(システム1)
システム1として、都市ガスが供給されて水素を製造する水素製造装置、及び製造された水素を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置を備えるシステムについて検討する。システム1では、水添脱硫用として必要な水素を過不足なく製造し、定格負荷よりも低い負荷で水素製造装置を運転する。このとき、水素製造装置における水素製造効率を0.7(70%)と仮定すると、水添脱硫用として必要な水素を過不足なく製造するために必要な都市ガスの量は以下のように算出される。
1000(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)/0.7/40.6(MJ/Nm)≒380(Nm/h)
(System 1)
As a system 1, a system including a hydrogen production apparatus that supplies city gas to produce hydrogen and a hydrodesulfurization apparatus that performs hydrodesulfurization using the produced hydrogen will be considered. In the system 1, hydrogen necessary for hydrodesulfurization is produced without excess and deficiency, and the hydrogen production apparatus is operated at a load lower than the rated load. At this time, assuming that the hydrogen production efficiency in the hydrogen production apparatus is 0.7 (70%), the amount of city gas necessary for producing hydrogen necessary for hydrodesulfurization without excess or deficiency is calculated as follows: Is done.
1000 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) /0.7/40.6 (MJ / Nm 3) ≒ 380 (Nm 3 / h)

以上により、システム1における年間の一次エネルギー消費量(換算値)は、以下のように算出される。
380(Nm/h)×40.6(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)≒135149(GJ/年)
As described above, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 1 is calculated as follows.
380 (Nm 3 /h)×40.6(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) ≒ 135149 (GJ / year)

(システム2)
システム2として、都市ガスが供給されて水素を製造する水素製造装置、製造された水素を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置及び余剰水素を用いて発電を行うPEFCを備えるシステムについて検討する。本システムでは、システム1よりも高い負荷である定格負荷にて水素製造装置を運転する。定格負荷運転時の水素製造装置における水素製造効率を0.75(75%)と仮定し、余剰水素の量を500Nm/hと仮定する。水添脱硫用として必要な水素1000Nm/h及び余剰水素500Nm/hを製造するために必要な都市ガスの量は以下のように算出される。
1500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)/0.75/40.6(MJ/Nm)≒532(Nm/h)
(System 2)
As a system 2, a system including a hydrogen production apparatus that supplies hydrogen by supplying city gas, a hydrodesulfurization apparatus that performs hydrodesulfurization using the produced hydrogen, and a PEFC that generates power using surplus hydrogen will be studied. . In this system, the hydrogen production apparatus is operated at a rated load that is a load higher than that of the system 1. The hydrogen production efficiency in the hydrogen production apparatus during the rated load operation is assumed to be 0.75 (75%), and the amount of surplus hydrogen is assumed to be 500 Nm 3 / h. The amount of natural gas needed to produce the required hydrogen 1000 Nm 3 / h and excess hydrogen 500 Nm 3 / h for the hydrodesulfurization is calculated as follows.
1500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) /0.75/40.6 (MJ / Nm 3) ≒ 532 (Nm 3 / h)

以上により、システム2における年間の一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)は、以下のように算出される。
532(Nm/h)×40.6(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)≒189209(GJ/年)
As described above, the annual primary energy consumption (city gas consumption) in the system 2 is calculated as follows.
532 (Nm 3 /h)×40.6(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) ≒ 189209 (GJ / year)

ここで、システム2では、500Nm/hの余剰水素を製造し、かつ余剰水素をPEFCに供給して発電を行っている。そのため、システム2における年間の一次エネルギー消費量(換算値)は、一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)から発生した電力の一次エネルギー量(換算値)を差し引く必要がある。 Here, in system 2, surplus hydrogen of 500 Nm 3 / h is produced, and surplus hydrogen is supplied to PEFC to generate power. Therefore, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 2 needs to subtract the primary energy amount (converted value) of the generated power from the primary energy consumption (city gas consumption).

PEFCの発電効率(LHV)を0.55(55%)とし、電力の一次エネルギー換算値を9.63GJ/MWhとする。このとき、PEFCの発電量(GJ/年、MW、MWh/年)は以下の通りである。
PEFCの発電量(GJ/年)・・・500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×0.55×10−3(GJ/MJ)=26017.2(GJ/年)
PEFCの発電量(MW)・・・500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)÷3600(秒/h)×0.55=0.825(MW)
PEFCの発電量(MWh/年)・・・0.825(MW)×24(h/日)×365(日/年)≒7227(MWh/年)
The power generation efficiency (LHV) of PEFC is 0.55 (55%), and the primary energy conversion value of electric power is 9.63 GJ / MWh. At this time, the power generation amount of PEFC (GJ / year, MW, MWh / year) is as follows.
PEFC power generation (GJ / year): 500 (Nm 3 /h)×10.8 (MJ / Nm 3 ) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 0.55 × 10 − 3 (GJ / MJ) = 26017.2 (GJ / year)
PEFC power generation (MW) ... 500 (Nm 3 /h)×10.8 (MJ / Nm 3 ) ÷ 3600 (seconds / h) × 0.55 = 0.825 (MW)
PEFC power generation (MWh / year): 0.825 (MW) x 24 (h / day) x 365 (day / year) ≒ 7227 (MWh / year)

算出したPEFCの発電量(MWh/年)に基づき、発生した電力の一次エネルギー(換算値)は以下のようにして算出される。
7227(MWh/年)×9.63(GJ/MWh)≒69596(GJ/年)
Based on the calculated power generation amount (MWh / year) of PEFC, the primary energy (converted value) of the generated power is calculated as follows.
7227 (MWh / year) × 9.63 (GJ / MWh) ≈69596 (GJ / year)

以上により、システム2における年間の一次エネルギー消費量(換算値)及びシステム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率は、以下のようにして算出される。
年間の一次エネルギー消費量(換算値)・・・189209(GJ/年)−69596(GJ/年)=119612(GJ/年)
システム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率・・・[135149(GJ/年)−119612(GJ/年)]/135149(GJ/年)≒11.5%
As described above, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 2 and the reduction rate of the primary energy consumption (converted value) for the system 1 are calculated as follows.
Annual primary energy consumption (converted value) 189209 (GJ / year) -69596 (GJ / year) = 119612 (GJ / year)
Reduction rate of primary energy consumption (converted value) with respect to system 1 [135149 (GJ / year) -119612 (GJ / year)] / 135149 (GJ / year) ≈11.5%

(システム3)
システム3として、都市ガスが供給されて水素を製造する水素製造装置、製造された水素を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置及び余剰水素を用いて発電を行うPEFCを備えるシステムについて検討する。本システムでは、システム1よりも高い負荷である定格負荷にて水素製造装置を運転し、かつ定格負荷運転時の水素製造効率をシステム2よりも高い0.80(80%)と仮定し、余剰水素の量を500Nm/hと仮定する。水添脱硫用として必要な水素1000Nm/h及び余剰水素500Nm/hを製造するために必要な都市ガスの量は以下のように算出される。
1500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)/0.80/40.6(MJ/Nm)≒499(Nm/h)
(System 3)
As a system 3, a system including a hydrogen production apparatus that produces hydrogen by supplying city gas, a hydrodesulfurization apparatus that performs hydrodesulfurization using the produced hydrogen, and a PEFC that generates power using surplus hydrogen will be studied. . In this system, it is assumed that the hydrogen production device is operated at a rated load, which is a higher load than system 1, and the hydrogen production efficiency during rated load operation is 0.80 (80%) higher than that of system 2, and surplus The amount of hydrogen is assumed to be 500 Nm 3 / h. The amount of natural gas needed to produce the required hydrogen 1000 Nm 3 / h and excess hydrogen 500 Nm 3 / h for the hydrodesulfurization is calculated as follows.
1500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) /0.80/40.6 (MJ / Nm 3) ≒ 499 (Nm 3 / h)

以上により、システム3における年間の一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)は、以下のように算出される。
499(Nm/h)×40.6(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)≒189209(GJ/年)≒177472(GJ/年)
As described above, the annual primary energy consumption (city gas consumption) in the system 3 is calculated as follows.
499 (Nm 3 /h)×40.6(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) ≒ 189209 (GJ / year) ≒ 177472 ( GJ / year)

ここで、システム3では、500Nm/hの余剰水素を製造し、かつ余剰水素をPEFCに供給して発電を行っている。そのため、システム2同様、システム3における年間の一次エネルギー消費量(換算値)は、一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)から発生した電力の一次エネルギー量(換算値)を差し引く必要がある。システム2同様、PEFCの発電効率(LHV)を0.55(55%)とし、電力の一次エネルギー換算値を9.63GJ/MWhとする。このとき、PEFCの発電量(GJ/年、MW、MWh/年)はシステム2と同様に、26017.2(GJ/年)、0.825(MW)、7227(MWh/年)となり、算出したPEFCの発電量(MWh/年)に基づき、発生した電力の一次エネルギー(換算値)はシステム2と同様に69596(GJ/年)となる。 Here, in the system 3, surplus hydrogen of 500 Nm 3 / h is produced, and surplus hydrogen is supplied to the PEFC to generate power. Therefore, like the system 2, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 3 needs to subtract the primary energy amount (converted value) of the generated electric power from the primary energy consumption (city gas consumption). As in system 2, the power generation efficiency (LHV) of PEFC is 0.55 (55%), and the primary energy conversion value of power is 9.63 GJ / MWh. At this time, the power generation amount of PEFC (GJ / year, MW, MWh / year) is 26017.2 (GJ / year), 0.825 (MW), 7227 (MWh / year), as in the case of system 2, and is calculated. Based on the generated power (MWh / year) of the PEFC, the primary energy (converted value) of the generated electric power is 69596 (GJ / year) as in the system 2.

以上により、システム3における年間の一次エネルギー消費量(換算値)及びシステム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率は、以下のようにして算出される。
年間の一次エネルギー消費量(換算値)・・・177472(GJ/年)−69596(GJ/年)=107876(GJ/年)
システム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率・・・[135149(GJ/年)−107876(GJ/年)]/135149(GJ/年)≒20.2%
As described above, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 3 and the reduction rate of the primary energy consumption (converted value) for the system 1 are calculated as follows.
Annual primary energy consumption (converted value) 177472 (GJ / year) -69596 (GJ / year) = 107876 (GJ / year)
Reduction rate of primary energy consumption (converted value) for system 1 [135149 (GJ / year) -107876 (GJ / year)] / 135149 (GJ / year) ≈20.2%

(システム4)
次に、システム4として、都市ガスが供給されて水素を製造する水素製造装置、製造された水素を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置及び余剰水素を貯蔵する貯蔵タンクを備えるシステムについて検討する。本システムでは、システム1よりも高い負荷で水素製造装置を運転し、本システムでは、システム1よりも高い負荷である定格負荷にて水素製造装置を運転する。このとき、水素製造装置における水素製造効率を0.75(75%)と仮定し、余剰水素の量を500Nm/hと仮定する。システム2と同様、水添脱硫用として必要な水素1000Nm/h及び余剰水素500Nm/hを製造するために必要な都市ガスの量は以下のように算出される。
1500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)/0.75/40.6(MJ/Nm)≒532(Nm/h)
(System 4)
Next, as a system 4, a system including a hydrogen production apparatus that supplies hydrogen by supplying city gas, a hydrodesulfurization apparatus that performs hydrodesulfurization using the produced hydrogen, and a storage tank that stores surplus hydrogen is studied. To do. In this system, the hydrogen production apparatus is operated at a load higher than that of the system 1, and in this system, the hydrogen production apparatus is operated at a rated load that is a load higher than that of the system 1. At this time, the hydrogen production efficiency in the hydrogen production apparatus is assumed to be 0.75 (75%), and the amount of surplus hydrogen is assumed to be 500 Nm 3 / h. Similar to system 2, the amount of the city gas required to produce the required hydrogen 1000 Nm 3 / h and excess hydrogen 500 Nm 3 / h for the hydrodesulfurization is calculated as follows.
1500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) /0.75/40.6 (MJ / Nm 3) ≒ 532 (Nm 3 / h)

以上により、システム4における年間の一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)は、以下のように算出される。
532(Nm/h)×40.6(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)≒189209(GJ/年)
As described above, the annual primary energy consumption (city gas consumption) in the system 4 is calculated as follows.
532 (Nm 3 /h)×40.6(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) ≒ 189209 (GJ / year)

ここで、システム4では、500Nm/hの余剰水素を製造し、かつ余剰水素を貯蔵タンクにて貯蔵している。そのため、システム4における年間の一次エネルギー消費量(換算値)は、一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)から貯蔵している水素の一次エネルギー量(水素貯蔵量)を差し引く必要がある。 Here, in the system 4, surplus hydrogen of 500 Nm 3 / h is produced, and surplus hydrogen is stored in a storage tank. Therefore, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 4 needs to subtract the primary energy amount (hydrogen storage amount) of hydrogen stored from the primary energy consumption (city gas consumption amount).

貯蔵している水素の一次エネルギー(水素貯蔵量)は以下のようにして算出される。
500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)/0.75=63072(GJ/年)
The primary energy (hydrogen storage amount) of hydrogen stored is calculated as follows.
500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) /0.75=63072 (GJ / year )

以上により、システム4における年間の一次エネルギー消費量(換算値)及びシステム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率は、以下のようにして算出される。
年間の一次エネルギー消費量(換算値)・・・189209(GJ/年)−63072(GJ/年)=126137(GJ/年)
システム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率・・・[135149(GJ/年)−126137(GJ/年)]/135149(GJ/年)≒6.7%
As described above, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 4 and the reduction rate of the primary energy consumption (converted value) for the system 1 are calculated as follows.
Annual primary energy consumption (converted value) ... 189209 (GJ / year) -63072 (GJ / year) = 126137 (GJ / year)
Reduction rate of primary energy consumption (converted value) with respect to the system 1 [135149 (GJ / year) -126137 (GJ / year)] / 135149 (GJ / year) ≈6.7%

(システム5)
次に、システム5として、都市ガスが供給されて水素を製造する水素製造装置、製造された水素を用いて水添脱硫を行う水添脱硫装置及び余剰水素を貯蔵する貯蔵タンクを備えるシステムについて検討する。本システムでは、システム1よりも高い負荷である定格負荷にて水素製造装置を運転し、かつ定格負荷における水素製造効率をシステム2よりも高い0.80(80%)と仮定し、余剰水素の量を500Nm/hと仮定する。水添脱硫用として必要な水素1000Nm/h及び余剰水素500Nm/hを製造するために必要な都市ガスの量は以下のように算出される。
1500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)/0.80/40.6(MJ/Nm)≒499(Nm/h)
(System 5)
Next, as a system 5, a hydrogen production apparatus that supplies city gas to produce hydrogen, a hydrodesulfurization apparatus that performs hydrodesulfurization using the produced hydrogen, and a storage tank that stores surplus hydrogen are studied. To do. In this system, it is assumed that the hydrogen production apparatus is operated at a rated load, which is a higher load than system 1, and that the hydrogen production efficiency at the rated load is 0.80 (80%) higher than that of system 2, The amount is assumed to be 500 Nm 3 / h. The amount of natural gas needed to produce the required hydrogen 1000 Nm 3 / h and excess hydrogen 500 Nm 3 / h for the hydrodesulfurization is calculated as follows.
1500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) /0.80/40.6 (MJ / Nm 3) ≒ 499 (Nm 3 / h)

以上により、システム3における年間の一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)は、以下のように算出される。
499(Nm/h)×40.6(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)≒189209(GJ/年)≒177472(GJ/年)
As described above, the annual primary energy consumption (city gas consumption) in the system 3 is calculated as follows.
499 (Nm 3 /h)×40.6(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) ≒ 189209 (GJ / year) ≒ 177472 ( GJ / year)

ここで、システム5では、500Nm/hの余剰水素を製造し、かつ余剰水素を貯蔵タンクにて貯蔵している。そのため、システム5における年間の一次エネルギー消費量(換算値)は、一次エネルギー消費量(都市ガス消費量)から貯蔵している水素の一次エネルギー量(水素貯蔵量)を差し引く必要がある。 Here, in the system 5, surplus hydrogen of 500 Nm 3 / h is produced, and surplus hydrogen is stored in a storage tank. Therefore, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 5 needs to subtract the primary energy amount (hydrogen storage amount) of hydrogen stored from the primary energy consumption (city gas consumption amount).

貯蔵している水素の一次エネルギー(水素貯蔵量)は以下のようにして算出される。
500(Nm/h)×10.8(MJ/Nm)×24(h/日)×365(日/年)×10−3(GJ/MJ)/0.8=59130(GJ/年)
The primary energy (hydrogen storage amount) of hydrogen stored is calculated as follows.
500 (Nm 3 /h)×10.8(MJ/Nm 3) × 24 (h / day) × 365 (day / year) × 10 -3 (GJ / MJ ) /0.8=59130 (GJ / year )

以上により、システム5における年間の一次エネルギー消費量(換算値)及びシステム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率は、以下のようにして算出される。
年間の一次エネルギー消費量(換算値)・・・177472(GJ/年)−59130(GJ/年)=118342(GJ/年)
システム1に対する一次エネルギー消費量(換算値)の削減率・・・[135149(GJ/年)−118342(GJ/年)]/135149(GJ/年)≒12.4%
As described above, the annual primary energy consumption (converted value) in the system 5 and the reduction rate of the primary energy consumption (converted value) for the system 1 are calculated as follows.
Annual primary energy consumption (converted value) 177472 (GJ / year) -59130 (GJ / year) = 118342 (GJ / year)
Reduction rate of primary energy consumption (converted value) for system 1 [135149 (GJ / year) -118342 (GJ / year)] / 135149 (GJ / year) ≈12.4%

上記システム1〜5におけるシミュレーション結果をまとめると以下の表1及び図2の通りである。   The simulation results in the above systems 1 to 5 are summarized as shown in Table 1 and FIG.

各システム1〜5について一次エネルギー消費量(換算値)を比較すると、PEFCを備えるシステム2(水素製造効率75%)では、余剰水素を貯蔵するシステム4(水素製造効率75%)よりも値が低く、一次エネルギー消費量が低下していた。また、PEFCを備えるシステム3(水素製造効率80%)についても、余剰水素を貯蔵するシステム5(水素製造効率80%)よりも値が低く、一次エネルギー消費量が低下していた。そのため、システム2、3では、水素のエネルギーとしての利用効率を高めて余剰水素を有効利用していることが示された。   Comparing the primary energy consumption (converted value) for each of the systems 1 to 5, the system 2 (hydrogen production efficiency 75%) with PEFC has a value higher than the system 4 (hydrogen production efficiency 75%) that stores surplus hydrogen. The primary energy consumption was low. Also, the system 3 (PE production efficiency 80%) equipped with PEFC has a lower value than the system 5 (hydrogen production efficiency 80%) that stores surplus hydrogen, and the primary energy consumption has been reduced. Therefore, in systems 2 and 3, it was shown that the utilization efficiency of hydrogen as energy is increased and surplus hydrogen is effectively utilized.

1 水素製造装置(水素製造手段)
2 精製装置
3 水添脱硫装置(水素消費手段)
4 PEFC(固体高分子形燃料電池)
11 都市ガス供給経路
12、13、14 水素供給経路
15、16 石油留分供給経路
21 電力系統
100 水素利用システム
1 Hydrogen production equipment (hydrogen production means)
2 Refining equipment 3 Hydrodesulfurization equipment (hydrogen consumption means)
4 PEFC (Polymer Fuel Cell)
11 City gas supply path 12, 13, 14 Hydrogen supply path 15, 16 Petroleum fraction supply path 21 Electric power system 100 Hydrogen utilization system

Claims (4)

供給された燃料ガスを用いて水素を製造する水素製造手段と、
前記水素製造手段にて製造された水素の少なくとも一部を消費する水素消費手段と、
前記水素製造手段にて製造された水素のうち、前記水素消費手段にて消費されない余剰水素が供給されて発電する固体高分子形燃料電池と、
を備え、
前記水素製造手段には、一定量の前記燃料ガスが供給され、かつ、前記水素製造手段は定格負荷にて水素製造を行い、
前記水素消費手段は、水添脱硫装置、石油化学製品の製造装置又はアンモニア合成装置であり、
前記水素消費手段及び前記固体高分子形燃料電池は前記水素製造手段の下流に位置する水素利用システム。
Hydrogen production means for producing hydrogen using the supplied fuel gas;
Hydrogen consuming means for consuming at least part of the hydrogen produced by the hydrogen producing means;
Of the hydrogen produced by the hydrogen production means, a solid polymer fuel cell that generates power by supplying surplus hydrogen that is not consumed by the hydrogen consumption means;
With
The said hydrogen production means, a certain amount of the fuel gas is supplied, and the hydrogen production means have lines of hydrogen production at rated load,
The hydrogen consumption means is a hydrodesulfurization apparatus, a petrochemical product manufacturing apparatus or an ammonia synthesis apparatus,
The hydrogen consumption system and the polymer electrolyte fuel cell are a hydrogen utilization system located downstream of the hydrogen production means .
前記水素製造手段にて製造された水素を予め精製する精製装置をさらに備え、前記水素消費手段及び前記固体高分子形燃料電池は、前記精製装置で精製された水素が供給される請求項1に記載の水素利用システム。   2. The apparatus according to claim 1, further comprising a refining device that purifies the hydrogen produced by the hydrogen producing unit in advance, wherein the hydrogen consuming unit and the polymer electrolyte fuel cell are supplied with hydrogen purified by the refining device. The hydrogen utilization system described. 前記固体高分子形燃料電池での発電により得られた電力が前記精製装置に供給される請求項2に記載の水素利用システム。   The hydrogen utilization system according to claim 2, wherein electric power obtained by power generation in the polymer electrolyte fuel cell is supplied to the purifier. 前記水素製造手段は、前記燃料ガスを改質して水素を製造する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の水素利用システム。   The hydrogen utilization system according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen production means reforms the fuel gas to produce hydrogen.
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