JP2003028567A - 液体水素の製造方法及びシステム - Google Patents

液体水素の製造方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率の高い液体水素の製造を可能にする。 【解決手段】 液化天然ガスタンク１０の液化天然ガス
が液化天然ガス気化器１２によって気化され、天然ガス
が生成される。水蒸気改質装置１６及び水素ＰＳＡ装置
１８は、前記天然ガスから水素ガスを製造し、この水素
ガスが水素液化装置２０で液化されることにより製品液
体水素が製造される。さらに、液化天然ガスの一部は水
素液化装置２０に直接導入され、同装置２０内の水素と
熱交換することによりその冷却に寄与するとともに気化
して天然ガスとなり、この天然ガスが前記水蒸気改質装
置１６に導入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原料ガス中から水
素ガスを製造してこれを液化することにより液体水素を
製造する方法及びシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、原料ガスから液体水素を製造する
システムとして図５に示すようなものが知られている。
図示の水蒸気改質装置９０は、原料ガス中の炭化水素を
水蒸気と触媒にて反応（改質反応）させることにより水
素ガスを含む混合ガスを生成する（スチームリフォーミ
ング）。この混合ガスは水素ＰＳＡ装置９２に送られ、
同装置９２にて水素ガス以外の成分が吸着除去されるこ
とにより高純度の水素ガスが精製分離される。この高純
度水素ガスは水素液化装置９４により液化され、製品液
体水素として送り出される。
【０００３】この水素液化装置９４としては、例えば特
開平８−１５９６５３号公報に示されるように、水素ガ
ス冷却用の多段熱交換器と、導入される水素ガス中のオ
ルソ水素の少なくとも一部をパラ水素に変換するための
触媒と、寒冷発生用の膨張タービンと、冷却された水素
ガスを膨張させて液化するＪＴ弁とを備えたものが知ら
れている。ここで、前記触媒でのオルソ−パラ変換反応
は発熱反応であるため、当該触媒を冷却するために液体
窒素が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記液体水素は産業界
において重要なエネルギー源となっているが、この液体
水素を製造するために前記従来のシステムでは多大なエ
ネルギーが必要となっている。従って、その運転効率の
改善、特に水素ガスの液化効率をいかに向上させるかが
大きな課題となっている。
【０００５】本発明は、このような事情に鑑み、効率の
高い液体水素の製造を可能にする液体水素の製造方法及
びシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】近年、液体水素の原料ガ
スとして天然ガスが注目を集めている。この天然ガスは
メタンを主成分とし、また硫黄分をほとんど含まないの
で、脱硫処理を簡素化あるいは省略できるなどの利点が
ある。しかし、この天然ガスを得るには、輸送用に液化
された液化天然ガスを加温して気化させなければなら
ず、その気化の際、液化天然ガスの保有している冷熱が
大量に放出されているのが現状である。そこで、この液
化天然ガスが保有する冷熱を有効に利用すれば、水素製
造効率の著しい向上が期待できる。
【０００７】本発明は、このような観点からなされたも
のであり、液化天然ガスを気化して天然ガスを生成する
気化工程と、前記天然ガスから水素ガスを製造する水素
ガス製造工程と、前記水素ガスを冷却し液化する水素液
化工程とを含み、かつ、前記気化工程における少なくと
も一部の液化天然ガスの気化潜熱を前記水素液化工程に
おける水素ガスの冷却に利用することを特徴とする液体
水素の製造方法である。
【０００８】また本発明は、液化天然ガスを気化して天
然ガスを生成する液化天然ガス気化器と、前記天然ガス
から水素ガスを製造する水素ガス製造装置と、前記水素
ガスを冷却して液化する水素液化装置とを備え、かつ、
この水素液化装置には、水素ガスとの熱交換により液化
天然ガスを気化する熱交換部が設けられ、この熱交換部
により前記水素ガスの冷却が行われるとともに、当該熱
交換部で生成された天然ガスが前記水素ガス製造装置に
導入されるように構成されていることを特徴とする液体
水素の製造システムである。
【０００９】以上の構成によれば、液化天然ガスを気化
して天然ガスを生成するにあたり、その気化潜熱が水素
液化工程での水素ガスの冷却に利用されるので、液化天
然ガスの気化と水素ガスの液化の双方を効率良く行うこ
とができ、システム全体での水素製造効率を飛躍的に高
めることができる。
【００１０】前記水素製造システムの水素ガス製造装置
は、液化天然ガスの気化により得られる天然ガスから結
果的に高純度の水素ガスを製造できるものであればよ
く、例えば、天然ガスを改質反応させて水素ガスを含む
混合ガスを生成する改質装置と、その混合ガスから水素
ガスを精製分離する精製分離装置とを有するものが好適
である。
【００１１】また、前記水素液化装置に設けられる熱交
換部は、液化天然ガスの気化潜熱によって水素ガスを直
接冷却するものであってもよいし、水素液化装置に設け
られる設備や熱媒体を冷却することによって水素ガスを
間接的に冷却するものでもよい。例えば、前記水素液化
装置が、導入される水素ガス中のオルソ水素をパラ水素
に変換させるオルソ−パラ変換器を備えるものである場
合、そのオルソ−パラ変換反応は発熱反応であるので、
前記熱交換部として、前記オルソ−パラ変換器を液化天
然ガスと熱交換させて冷却する変換器冷却部を含むよう
にしてもよい。
【００１２】この構成によれば、液化天然ガスの気化潜
熱を利用してオルソ−パラ変換器を冷却することによ
り、水素ガスのオルソ−パラ変換を促進してその液化効
率を高めることができる。
【００１３】より具体的に、前記変換器冷却部が液化天
然ガスを貯留する液化天然ガス貯槽を有し、その液化天
然ガスに前記オルソ−パラ変換器が浸漬されている構成
によれば、効率の高い変換器の冷却ができる。
【００１４】一方、前記水素液化装置が水素ガス圧縮機
を備える場合、前記熱交換部として、前記水素ガス圧縮
機に吸い込まれる水素ガスを液化天然ガスと熱交換させ
て冷却する水素ガス冷却器を含むのがきわめて有効であ
る。この構成によれば、前記水素ガスの冷却によって圧
縮機の吸込み体積を減らすことにより、当該圧縮機の必
要動力を減らして装置全体の運転効率を高めることがで
きる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を図
１〜図４に基づいて説明する。
【００１６】図１は、本発明にかかる液体水素製造シス
テムの一例を示したものである。図において、液化天然
ガス（以下、「ＬＮＧ」と称する）タンク１０内には例
えば輸送船で運び込まれたＬＮＧが貯留されており、こ
のＬＮＧがＬＮＧ気化器１２で気化することにより、天
然ガス（以下、「ＮＧ」と称する。）が生成される。こ
のＮＧの一部は発電所や燃料需要先へ送られ、残りのＮ
Ｇが水素原料として用いられる。
【００１７】具体的に、前記ＮＧは基本的に水蒸気改質
装置１６へ導入される。この水蒸気改質装置１６は、触
媒を収容する触媒室と、前記ＮＧの一部を燃料とするバ
ーナとを備え、このバーナの放射熱により前記触媒室内
が加熱された状態で同室内に前記ＮＧと水蒸気とが導入
されることにより改質反応が起こり、改質ガスが生成さ
れるようにしたものである（スチームリフォーミン
グ）。この改質ガスは、前記水蒸気改質装置１６に付設
されるガスボイラやＣＯ変成器を通り、水素ガスに富む
混合ガスとして後続の水素ＰＳＡ装置１８に送られる。
この水素ＰＳＡ装置１８では、前記混合ガス中の水素以
外の成分が吸着除去され、これにより高純度の水素ガス
が分離精製される。
【００１８】これらスチームリフォーミング及び水素Ｐ
ＳＡを用いた高純度水素ガスの精製については周知であ
り、種々の公知手段が適用可能である（例えば特開２０
００−３２７３０７号公報や特開平９−３０９７０３号
公報参照）。また、水素ガスを生成するための改質プロ
セスは前記スチームリフォーミングに限らず、その他の
手段、例えば酸素を用いた酸化リフォーミング法（部分
酸化法）の適用も可能である。
【００１９】以上のようにして精製された高純度水素ガ
スは、水素液化装置２０にて液化され、製品液体水素と
して出荷される。さらに、このシステムの特徴として、
前記ＬＮＧタンク１０から送出されるＬＮＧの一部がＬ
ＮＧ気化器１２を経由せずに直接水素液化装置２０に導
入され、この水素液化装置２０で気化してその気化潜熱
により同装置２０内での水素ガスの冷却に寄与した後、
ＮＧとして水蒸気改質装置１６に導入されるようになっ
ている。
【００２０】図２は、前記水素液化装置２０の具体的構
成例を示したものである。図示の水素液化装置２０は、
図２に示すような液体水素生成ライン２１Ａ及び水素循
環ライン２１Ｂを有している。
【００２１】前記液体水素生成ライン２１Ａに導入され
た高純度水素ガスは、第１段熱交換器ＨＸ１で予冷され
た後、適当な触媒を収容する高温側オルソ−パラ変換器
２３に導入され、ここで前記水素ガス中のオルソ水素の
一部がパラ水素に変換される。これにより、水素ガス中
のパラ水素濃度が例えば２５％から５０％に上昇する。
【００２２】このオルソ−パラ変換は発熱反応であるた
め、オルソ−パラ変換器２３の冷却が必要となるが、こ
の装置の第１の特徴として、前記変換器２３の冷却にＬ
ＮＧの気化潜熱が利用されている。
【００２３】具体的に、図示の水素液化装置２０は、変
換器冷却部としてＬＮＧ貯槽２２を具備し、このＬＮＧ
貯槽２２内に上述のＬＮＧタンク１０から適宜補給され
るＬＮＧが貯められるとともに、そのＬＮＧ内に前記オ
ルソ−パラ変換器２３が浸漬されるように構成されてお
り、このオルソ−パラ変換器２３での発熱はＬＮＧ貯槽
２２内のＬＮＧの気化潜熱によって吸収される。換言す
れば、オルソ−パラ変換器２３の発熱によってＬＮＧの
気化が促進され、これにより前記ＬＮＧ気化器時にとは
別にＮＧの生成が行われる。発生したＮＧは第１段熱交
換器ＨＸ１を通って導入水素ガス等と熱交換した後に前
記図１に示した水蒸気改質装置１６へ原料として導入さ
れる。
【００２４】前記オルソ−パラ変換器２３でオルソ水素
濃度が高められた水素ガスは、熱交換器ＨＸ２，ＨＸ
３，ＨＸ４を通ることによりさらに冷却された後、ＪＴ
弁２４Ａで断熱膨張（ジュール−トムソン効果を伴う膨
張）をして液化する。この液体水素は、液体水素貯槽２
７内の液体水素中に浸漬された熱交換器２５Ａを通って
低温側オルソ−パラ変換器２６内に導入され、この変換
器２６内で液体水素中に残存するオルソ水素のほぼ全て
がパラ水素に変換される。このようにしてパラ水素濃度
がほぼ１００％となった液体水素は、さらに液体水素貯
槽２７内の熱交換器２５Ｂを通り、製品としてシステム
外へ送り出される。
【００２５】前記液体水素貯槽２７内の水素は、前記製
品液体水素とは別に、冷媒として水素循環ライン２１Ｂ
を循環する。具体的には、前記液体水素貯槽２７内から
多段熱交換器を熱交換器ＨＸ４，ＨＸ３，ＨＸ２，ＨＸ
１の順に逆行して昇温し、低圧側水素ガス圧縮機Ｃ２及
び高圧側水素ガス圧縮機Ｃ１で圧縮された後、熱交換器
ＨＸ１、前記ＬＮＧ貯槽２２内に設けられた熱交換器２
８、熱交換器ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４を順に通って冷却
され、さらにＪＴ弁２４Ｂで断熱膨張（ジュール−トム
ソン効果を伴う膨張）をして液化した後に液体水素貯槽
２７内に還元される。また、熱交換器２８を出た水素ガ
スの一部は膨張タービンＴ１，Ｔ２へ送られ、両膨張タ
ービンＴ１，Ｔ２で断熱膨張することにより寒冷を発生
させた後、低圧側水素ガス圧縮機Ｃ２の吐出側へ戻され
る。
【００２６】さらに、この装置の第２の特徴として、各
水素ガス圧縮機Ｃ１，Ｃ２の吸込み側には、各圧縮機よ
りも手前側で水素ガスを冷却するための水素ガス冷却器
２８が設けられている。これらの水素ガス冷却器２８
は、前記ＬＮＧタンク１０から供給されるＬＮＧと水素
ガスとを熱交換させるものであり、その熱交換により、
前記ＬＮＧが気化してＮＧが生成されると同時に、その
気化潜熱を利用して循環水素ガスの冷却が行われる。こ
こで生成されたＮＧも前記と同様に水蒸気改質装置１６
へ水素原料として送り込まれる。
【００２７】以上説明した方法及びシステムによれば、
ＬＮＧのもつ気化潜熱（実際にはその気化潜熱に加えて
気化後の天然ガスの潜熱）を水素液化装置２０での水素
ガスの冷却に有効利用することにより、前記ＬＮＧの気
化によるＮＧの生成と、水素ガスの液化の双方を、相互
補助するようにして効率良く行うことができ、これによ
りシステム全体の運転効率を飛躍的に高めることができ
る。
【００２８】具体的に、前記図２に示した水素液化装置
２０では、ＬＮＧの気化潜熱を利用して高温側オルソ−
パラ変換器２３を冷却することにより、水素ガスのオル
ソ−パラ変換を促進して水素ガスの液化効率を高めるこ
とが可能となり、従来は前記オルソ−パラ変換器２３の
冷却に必要とされていた液体窒素を不要にすることがで
きる（従来は水素１Nm3あたり0.69Nm3/hの液体窒素を消
費。）。
【００２９】また、各水素ガス圧縮機Ｃ１，Ｃ２に吸い
込まれる水素ガスを当該圧縮機Ｃ１，Ｃ２の手前側で冷
却することにより、両圧縮機Ｃ１，Ｃ２の必要動力を低
減して装置全体の運転効率を高めることができる。
【００３０】例えば、従来の２段膨張タービンの基本サ
イクルでカルノー効率が３６％であったとすると、前記
水素ガス冷却器２８による冷却を実行することにより理
論上カルノー効率を６０％まで向上させることが可能に
なり、約0.6kWh/Nm3の動力の節減が可能になる。さら
に、水素ガスの冷却によってガス密度を高めることによ
り、従来の往復式圧縮機に代え、保守費用が低くて連続
運転時間が長い遠心圧縮機を適用する道も開かれる。
【００３１】なお、図１に示すシステムにおいて、全Ｌ
ＮＧ供給量のうちＬＮＧ気化器１２を経由せずに水素液
化装置２０へ直送するＬＮＧ量の比率は、システム全体
の運転条件等に応じて適宜設定すればよい。
【００３２】また、水素液化装置２０に設けられる熱交
換部は図２の例に限らず、例えば次のような形態の選定
が可能である。
【００３３】・図２に示した装置では、各圧縮機Ｃ１，
Ｃ２のすぐ上流側にそれぞれ水素ガス冷却器２８が設け
られているが、同冷却器２８は図３に示すように圧縮機
Ｃ１，Ｃ２の下流側に設けられていてもよい。前記圧縮
機Ｃ１，Ｃ２を含む水素循環ラインＬ２では低温水素が
循環しているため、結果的に各圧縮機Ｃ１，Ｃ２に吸い
込まれる水素ガスが前記各冷却器２８によって冷却され
ることになる。
【００３４】・図４に示すように各圧縮機Ｃ１，Ｃ２が
複数段にわたって直列に設けられている場合には、各圧
縮機Ｃ１，Ｃ２に対応して複数の水素ガス冷却器２８を
設けるようにしてもよい。
【００３５】・本発明では、前記オルソ−パラ変換器２
３を冷却するためのＬＮＧ貯槽２２と水素ガス冷却器２
８の双方を同時に備えていなくてもよく、いずれか一方
のみを具備するだけでも従来システムに比して運転効率
の向上が可能である。例えば前記図２に示した水素液化
装置２０において、各水素ガス圧縮機２８を省略して
も、同図に示す熱交換器ＨＸ１で循環水素ガスとＬＮＧ
貯槽２２から排出されるＮＧとの熱交換によって循環水
素ガスの冷却が可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上のように本発明は、液化天然ガスを
気化して生成した天然ガスを原料として水素ガスを製造
し、その水素ガスを液化して液体水素を製造するにあた
り、少なくとも一部の液化天然ガスの気化潜熱を水素液
化での水素冷却に利用するようにしたものであるので、
効率の高い液体水素の製造を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる液体水素製造システムの一例を
示す全体構成図である。
【図２】前記水素製造システムに設けられる水素液化装
置の一例を示すフローシートである。
【図３】前記水素液化装置の他の例を示すフローシート
である。
【図４】前記水素液化装置の水素ガス圧縮機が多段連結
された例を示すフローシートである。
【図５】従来の液体水素製造システムの一例を示す全体
構成図である。
【符号の説明】
１０ ＬＮＧタンク １２ ＬＮＧ気化器 １６ 水蒸気改質装置 １８ 水素ＰＳＡ装置（分離精製装置） ２０ 水素液化装置 ２２ ＬＮＧ貯槽（熱交換部） ２３ オルソ−パラ変換器 ２４Ａ，２４Ｂ ＪＴ弁 ２８ 水素ガス冷却器 Ｃ１，Ｃ２ 水素ガス圧縮機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 正幸 大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 株式会 社神戸製鋼所大阪支社内 (72)発明者 新開 光一 大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 株式会 社神戸製鋼所大阪支社内 (72)発明者 中村 亘 大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 株式会 社神戸製鋼所大阪支社内 Ｆターム(参考） 3E073 DB01 4D047 AA02 AB07 BA02 BB07 CA07 DA17 DB05

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化天然ガスを気化して天然ガスを生成
    する気化工程と、前記天然ガスから水素ガスを製造する
    水素ガス製造工程と、前記水素ガスを冷却し液化する水
    素液化工程とを含み、かつ、前記気化工程における少な
    くとも一部の液化天然ガスの気化潜熱を前記水素液化工
    程における水素ガスの冷却に利用することを特徴とする
    液体水素の製造方法。
  2. 【請求項２】 液化天然ガスを気化して天然ガスを生成
    する液化天然ガス気化器と、前記天然ガスから水素ガス
    を製造する水素ガス製造装置と、前記水素ガスを冷却し
    て液化する水素液化装置とを備え、かつ、この水素液化
    装置には、水素ガスとの熱交換により液化天然ガスを気
    化する熱交換部が設けられ、この熱交換部により前記水
    素ガスの冷却が行われるとともに、当該熱交換部で生成
    された天然ガスが前記水素ガス製造装置に導入されるよ
    うに構成されていることを特徴とする液体水素の製造シ
    ステム。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の液体水素の製造システム
    において、前記水素ガス製造装置は、天然ガスを改質反
    応させて水素ガスを含む混合ガスを生成する改質装置
    と、その混合ガスから水素ガスを精製分離する精製分離
    装置とを有することを特徴とする液体水素の製造システ
    ム。
  4. 【請求項４】 請求項２または３記載の液体水素の製造
    システムにおいて、前記水素液化装置は、導入される水
    素ガス中のオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−
    パラ変換器を備え、かつ、前記熱交換部として、前記オ
    ルソ−パラ変換器を液化天然ガスと熱交換させて冷却す
    る変換器冷却部を含むことを特徴とする液体水素の製造
    システム。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の液体水素の製造システム
    において、前記変換器冷却部は液化天然ガスを貯留する
    液化天然ガス貯槽を有し、その液化天然ガスに前記オル
    ソ−パラ変換器が浸漬されていることを特徴とする液体
    水素の製造システム。
  6. 【請求項６】 請求項２〜５のいずれかに記載の液体水
    素の製造システムにおいて、前記水素液化装置は水素ガ
    ス圧縮機を備え、かつ、前記熱交換部として、前記水素
    ガス圧縮機に吸い込まれる水素ガスを液化天然ガスと熱
    交換させて冷却する水素ガス冷却器を含むことを特徴と
    する液体水素の製造システム。
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