JP2017168269A

JP2017168269A - 水素利用システム

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Publication number: JP2017168269A
Application number: JP2016051541A
Authority: JP
Inventors: 貴英羽田; Takahide Haneda; 達哉中島; Tatsuya Nakajima; 藤田　顕二郎; Kenjiro Fujita; 顕二郎藤田; 小笠原　慶; Kei Ogasawara; 慶小笠原
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP6618394B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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う水素利用システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素利用システムに関する。

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。

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。

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。

特開２００５−３５０２９９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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_２＋２Ｈ^＋＋ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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^３／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^３とし、都市ガスの一次エネルギー換算値を４０．６ＭＪ／Ｎｍ^３とした。

（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^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^３／ｈ）×４０．６（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）≒１３５１４９（ＧＪ／年）

（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^３／ｈと仮定する。水添脱硫用として必要な水素１０００Ｎｍ^３／ｈ及び余剰水素５００Ｎｍ^３／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^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^３／ｈ）×４０．６（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）≒１８９２０９（ＧＪ／年）

ここで、システム２では、５００Ｎｍ^３／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。

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^３／ｈ）×１０．８（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×０．５５×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）＝２６０１７．２（ＧＪ／年）
ＰＥＦＣの発電量（ＭＷ）・・・５００（Ｎｍ^３／ｈ）×１０．８（ＭＪ／Ｎｍ^３）÷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）

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）

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％

（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^３／ｈと仮定する。水添脱硫用として必要な水素１０００Ｎｍ^３／ｈ及び余剰水素５００Ｎｍ^３／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^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^３／ｈ）×４０．６（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）≒１８９２０９（ＧＪ／年）≒１７７４７２（ＧＪ／年）

ここで、システム３では、５００Ｎｍ^３／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。

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％

（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^３／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^３／ｈ及び余剰水素５００Ｎｍ^３／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^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^３／ｈ）×４０．６（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）≒１８９２０９（ＧＪ／年）

ここで、システム４では、５００Ｎｍ^３／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。

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^３／ｈ）×１０．８（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）／０．７５＝６３０７２（ＧＪ／年）

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％

（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^３／ｈと仮定する。水添脱硫用として必要な水素１０００Ｎｍ^３／ｈ及び余剰水素５００Ｎｍ^３／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^３／ｈ）×１０．８（ＭＪ／Ｎｍ^３）／０．８０／４０．６（ＭＪ／Ｎｍ^３）≒４９９（Ｎｍ^３／ｈ）

ここで、システム５では、５００Ｎｍ^３／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。

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^３／ｈ）×１０．８（ＭＪ／Ｎｍ^３）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）×１０^−３（ＧＪ／ＭＪ）／０．８＝５９１３０（ＧＪ／年）

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％

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。

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。

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）
４ＰＥＦＣ（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

Claims

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う水素利用システム。
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。
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。
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。