JP6830819B2 - 水素製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水素精製器から導出される水素含有ガスを燃焼器に供給して熱エネルギー源として用いる場合、水素精製器の水素回収率を考慮して水素製造装置全体のエネルギー効率（システム効率）を高めることができる水素製造装置に関する。本発明では、水素精製器からは、水素濃度が高い製品水素（第２水素含有物）と、製品水素より水素濃度が低い第１水素含有物（非透過ガス、オフガス）が導出されるものとする。
従来から、有機ハイドライドの一種である芳香族炭化水素の水素化物を加熱して水素と脱水素物質とに分解する脱水素反応器によって生成された脱水素反応物を水素精製器によって水素を精製する水素ステーションなどの水素製造装置が知られている。
ここで、特許文献１には、脱水素反応器を用いて有機ハイドライドを水素と脱水素反応物とに分解する水素製造装置が記載されている。脱水素反応器から導出される反応後ガスの中には、水素以外に不純物が含まれるため、冷却凝縮によって凝縮性物質を除去して水素の純度を高めるようにしている。なお、水素精製器からの非透過ガスは、脱水素反応器の後段に導入されている。
一方、特許文献２には、水素精製器から導出される水素を含むオフガスを脱水素反応器に供給するものが記載されている。なお、特許文献２には、水素精製器からのオフガスをバーナー用の燃料として用いることも記載されている。
ところで、従来の水素製造装置では、水素精製器などから導出される水素含有ガスを、脱水素反応器を加熱するバーナーなどの燃焼器に供給し、水素製造装置全体のエネルギー効率（または、システム効率）を高めるようにしている。
しかしながら、単に水素含有ガスを燃焼器に供給しても水素製造装置全体のエネルギー効率が高まるとは限らない。
また、図３に示す従来の水素製造装置では、水素精製器３０の水素回収率を調整し、そこから全体のエネルギー効率を調整することができた。例えば、図４は、水素精製器３０の水素回収率に対する水素製造装置１の全体エネルギー効率の変化を示す図である。なお、水素回収率は、水素精製器３０に導入される脱水素反応物Ｖ３０に対して精製した水素Ｖ３１の量を百分率で示したものである。図４では、水素回収率８０％、８５％、９０％、９２％、９４％、９５％のときの全体エネルギー効率をそれぞれ点ＰＰ１〜ＰＰ６としてプロットし、近似曲線ＬＬを描いたものである。図４に示すように、全体エネルギーシステム効率は、水素回収率９４％の時、最大値をとる。したがって、全体エネルギー効率を最大にしたい場合は、水素精製器３０は、水素回収率９４％に設定するとよい。しかし、水素製造装置の運転中に水素精製器３０の水素回収率の設定変更が困難な場合があり、水素精製器３０以外で調整する手段が必要だった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水素精製器から導出される第１水素含有物などの水素含有ガスを燃焼器に供給して熱エネルギー源として用いる場合、水素精製器の水素回収率を考慮して水素製造装置全体のシステム効率を高めることができる水素製造装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる水素製造装置は、有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解する脱水素触媒を有する脱水素反応器と、前記水素および前記脱水素物質を含んでなる脱水素反応物から水素を精製する水素精製器と、前記脱水素反応器及び前記脱水素反応器に導入される前記有機ハイドライドを加熱する加熱器に熱を供給する熱媒体を加熱する熱媒ボイラと、前記水素精製器から精製された製品水素以外のガスである第１水素含有物を前記熱媒ボイラに導く供給ラインと、を備えた水素製造装置において、前記水素精製器の水素回収率が固定である場合、前記水素製造装置全体の水素製造に関する全体エネルギー効率の水素回収率依存性をもとに、前記全体エネルギー効率が最も高くなるように、前記水素精製器の前段から脱水素反応物ガスを前記第１水素含有物に混合し、前記脱水素反応物ガスの混合量を調整して水素回収率を制御することを特徴とする。
また、本発明にかかる水素製造装置は、有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解する脱水素触媒を有する脱水素反応器と、前記水素および前記脱水素物質を含んでなる脱水素反応物から水素を精製する水素精製器と、前記脱水素反応器及び前記脱水素反応器に導入される前記有機ハイドライドを加熱する加熱器に熱を供給する熱媒体を加熱する熱媒ボイラと、前記水素精製器から精製された製品水素以外のガスである第１水素含有物を前記熱媒ボイラに導く供給ラインと、を備えた水素製造装置において、前記水素精製器の水素回収率が固定である場合、前記水素製造装置全体の水素製造に関する全体エネルギー効率の水素回収率依存性をもとに、前記全体エネルギー効率が最も高くなるように、前記第１水素含有物に対し、前記水素精製器の後段から前記製品水素を混合し、前記製品水素の混合量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、水素製造装置全体のシステム効率を高めることができる。
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態である水素製造装置１の構成を示す回路図である。この水素製造装置１は、脱水素反応により有機ハイドライドから水素を製造する装置であり、例えば燃料電池自動車や水素エンジン車などに水素を供給する水素ステーションに採用されるものである。図１に示すように、水素製造装置１は、脱水素反応系１Ａと水素精製系１Ｂとを有する。脱水素反応系１Ａは、脱水素反応器１０によって有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解し、当該水素および当該脱水素物質と分解されなかった未分解反応物とを含む脱水素反応物を出力する。水素精製系１Ｂは、脱水素反応系１Ａから導出された脱水素反応物から水素精製器３０によって水素を分離して外部出力する。
図１は、本発明の実施の形態である水素製造装置１の構成を示す回路図である。この水素製造装置１は、脱水素反応により有機ハイドライドから水素を製造する装置であり、例えば燃料電池自動車や水素エンジン車などに水素を供給する水素ステーションに採用されるものである。図１に示すように、水素製造装置１は、脱水素反応系１Ａと水素精製系１Ｂとを有する。脱水素反応系１Ａは、脱水素反応器１０によって有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解し、当該水素および当該脱水素物質と分解されなかった未分解反応物とを含む脱水素反応物を出力する。水素精製系１Ｂは、脱水素反応系１Ａから導出された脱水素反応物から水素精製器３０によって水素を分離して外部出力する。
有機ハイドライドは、不飽和結合を有する有機化合物の水素化物であり、脱水素触媒を用いて、水素と脱水素物質（不飽和結合を有する有機化合物）とを含む脱水素反応物に分解することができる。有機ハイドライドは、常温常圧下で液体状のものが好ましく、このようなものを採用する場合、ガソリンなどと同様に液体燃料としてローリーなどによって水素ステーションなどの水素製造装置１へ輸送することができる。本実施の形態では、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）を用いて説明するが、これには限られない。なお、不飽和結合を有する有機化合物とは、二重結合あるいは三重結合を分子内に一つ以上有し、常温常圧下で液状である有機化合物である。二重結合としては、炭素−炭素二重結合（Ｃ＝Ｃ）、炭素−窒素二重結合（Ｃ＝Ｎ）、炭素−酸素二重結合（Ｃ＝Ｏ）、窒素−酸素二重結合（Ｎ＝Ｏ）が例示される。三重結合としては、炭素−炭素三重結合、炭素−窒素三重結合が例示される。不飽和結合を有する有機化合物としては、貯蔵性および輸送性の観点から、常温常圧下で液体状の有機化合物であることが好ましい。
不飽和結合を有する有機化合物としては、例えばオレフィン類、ジエン類、アセチレン類、ベンゼン、炭素鎖置換芳香族類、へテロ置換芳香族類、多環芳香族類、シフ塩基類、ヘテロ芳香族類、ヘテロ５員環化合物類、キノン類、ケトン類などが挙げられる。オレフィン類としては、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテン、ノネン、デセン、ウンデセン、ドデセンなどが挙げられる。ジエン類としては、アレン、ブタジエン、ペンタジエン、ヘキサジエン、へブタジエン、オクタジエン、ピペリレン、イソプレンなどが挙げられる。アセチレン類としては、アセチレン、プロピン、ビニルアセチレンなどが挙げられる。炭素鎖置換芳香族類としては、アルキル置換芳香族類などが挙げられる。アルキル置換芳香族類としては、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、クメン、安息香酸などが挙げられる。へテロ置換芳香族類としては、アニソール、ジメトキシベンゼン、フェノール、アニリン、Ｎ、Ｎ−ジメチルアニリンなどが挙げられる。多環芳香族類としては、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、テトラセン、フェナントレン、テトラリン、アズレンなどが挙げられる。シフ塩基類としては、2-aza-hept-1-en-1-yl-cyclohexaneなどが挙げられる。ヘテロ芳香族類としては、ピリジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリンなどが挙げられる。ヘテロ５員環化合物類としては、フラン、チオフェン、ピロール、イミダゾールなどが挙げられる。キノン類としては、ベンゾキノン、ナフトキノンなどが挙げられる。ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトンなどが挙げられる。なお、言うまでもないことであるが、二酸化炭素や一酸化炭素は不飽和結合を有しているが一般に有機化合物とは見なされないので、本実施形態における不飽和結合を有する有機化合物から除外される。
上記の不飽和化合物の中でも、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ナフタレン、メチルナフタレン、テトラリンなど（以下、「ベンゼン等」と記載する。）は、水素化の前後において非水溶性であり、水と相分離可能であるため、生成物としての回収が非常に容易である点において、アセトン等の水溶性の有機化合物よりも好ましい。これらベンゼン等として、純粋な化合物を用いても良いし、複数の化合物の混合物を用いても良い。
［脱水素反応系］
図１に示すように、ローリーなどによって輸送されたＭＣＨは、タンクＴ１内に貯留される。貯留されたＭＣＨは、ポンプＰ１によって吸い上げられる。ポンプＰ１からの吐出流量は、フローコントローラ１００によって制御される。ポンプＰ１から吐出されたＭＣＨ（Ｌ１）は、予熱器１１によって２０〜１２０℃に昇温される。昇温された液状のＭＣＨ（Ｌ２）は、蒸発器１２によって蒸発され、１８０℃の気化されたＭＣＨ（Ｖ１）となる。ＭＣＨ（Ｖ１）は、さらに加熱器１３によって３００℃に昇温され、ＭＣＨ（Ｖ２）として脱水素反応器１０に入力される。
図１に示すように、ローリーなどによって輸送されたＭＣＨは、タンクＴ１内に貯留される。貯留されたＭＣＨは、ポンプＰ１によって吸い上げられる。ポンプＰ１からの吐出流量は、フローコントローラ１００によって制御される。ポンプＰ１から吐出されたＭＣＨ（Ｌ１）は、予熱器１１によって２０〜１２０℃に昇温される。昇温された液状のＭＣＨ（Ｌ２）は、蒸発器１２によって蒸発され、１８０℃の気化されたＭＣＨ（Ｖ１）となる。ＭＣＨ（Ｖ１）は、さらに加熱器１３によって３００℃に昇温され、ＭＣＨ（Ｖ２）として脱水素反応器１０に入力される。
脱水素反応器１０内には、脱水素触媒やＭＣＨ（Ｖ２）を加熱するために、熱媒油などの熱媒体が通る管が配置される。また、脱水素反応器１０内には、脱水素触媒が取り付けられる。ＭＣＨ（Ｖ２）の脱水素反応は吸熱反応であるため、熱媒体としては例えば３５０℃程度のものを用いて、脱水素反応器１０内を通過するＭＣＨ（Ｖ２）の脱水素反応が効率良く行われる３００℃程度に維持できるように脱水素反応器１０内を加熱する。脱水素反応器１０内に導入されたＭＣＨ（Ｖ２）は、水素とトルエンとに分解され、水素とトルエンと未分解のＭＣＨを含む脱水素反応物Ｖ３として３３０℃程度で脱水素反応器１０から導出される。
脱水素反応物Ｖ３は、加熱器１３において、加熱器１３に導入されるＭＣＨ（Ｖ１）と熱交換を行う。熱交換された脱水素反応物Ｖ３は、例えば２１０℃〜２２０℃程度に降温した脱水素反応物Ｖ４となる。この脱水素反応物Ｖ４は、予熱器１１において、予熱器１１に入力されるＭＣＨ（Ｌ１）と熱交換を行う。この予熱器１１において、脱水素反応物Ｖ４とＭＣＨ（Ｌ１）とを熱交換することによって、後段の蒸発器１２での熱交換量を減らすことができる。すなわち、このような構成とすることによって、後述するように、熱媒体を加熱するためのエネルギー消費を抑制することができるため、装置全体のエネルギー効率を高めることができる。この予熱器１１において熱交換されたＭＣＨ（Ｖ５）は、例えば１３０℃〜１４０℃まで降温し、その後、水素精製系１Ｂに導出される。
脱水素反応器１０に導入される熱媒体Ｌ１１は、熱媒ボイラ２１において加熱される。脱水素反応器１０内で吸熱された熱媒体Ｌ１２は、蒸発器１２においてＭＣＨ（Ｌ２）と熱交換してＭＣＨ（Ｌ２）を蒸発させて１８０℃程度まで昇温する。その後、降温した熱媒体Ｌ１３は、ポンプＰ２によって再び熱媒ボイラ２１に入力されて加熱される。本実施形態１において熱媒体は、伝熱効率の観点から熱媒油を採用しているが、これには限られない。なお、熱媒体は、タンクＴ２に貯留され、熱媒体の循環系において熱媒体が不足する場合には当該循環系を構成する管路に熱媒体が補給され、熱媒体が多い場合には当該循環系を構成する管路から引き抜かれる。
熱媒ボイラ２１は、ラインＬＮ１１を流れるＬＰガスＧ１とラインＬＮ１２を流れる空気Ｇ２とが流入し、ＬＰガスＧ１を燃焼することによって熱媒体Ｌ１３を加熱する。なお、ラインＬＮ１１には、水素精製器３０のオフガスＧ３１を供給する供給ラインＬＮ１が接続される。したがって、ＬＰガスＧ１には、オフガスＧ３１が混入される。空気Ｇ２は、ブロア２２によって吸引され、空気予熱器２３によって予熱された後、熱媒ボイラ２１に入力される。熱媒ボイラ２１で燃焼した燃焼ガスＧ３は、空気予熱器２３で空気Ｇ２と熱交換を行った後、燃焼排ガスとして大気に排出される。この空気予熱器２３を用いた空気予熱によってエネルギー効率を高めることができる。なお、熱媒ボイラ２１による熱媒体の加熱制御は、温度コントローラ２００が脱水素反応器１０内の温度を検出し、この検出温度をもとにポンプＰ２による熱媒ボイラ２１への熱媒体流量を調整するとともに、温度コントローラ２０１が検出する脱水素反応器１０に流入する熱媒体Ｌ１１の温度を検出し、この検出温度をもとに、フローコントローラ１０３を介して、熱媒ボイラ２１で燃焼するＬＰガスＧ１の流量を調整することによってなされる。フローコントローラ１０３は、バルブＶＬ１０３の開閉制御を行う。
なお、本実施の形態では、熱媒ボイラ２１を用いて熱媒体を加熱し、この加熱された熱媒体によって脱水素反応器１０の加熱を行っている。このような熱媒体を用いた加熱機構を採用すると、例えばバーナーにより直接加熱する加熱機構に比べて、より均一に加熱することができるため、脱水素反応器１０の温度制御をより安定して行うことができる。熱媒体を用いた加熱機構としては、液体状の熱媒体を用いたものには限られず、例えばＬＰガスをバーナーなどによって燃焼した燃焼ガスを直接、脱水素反応器１０内の配管に流入してＭＣＨ（Ｖ２）を加熱するような気体状の熱媒体を用いたものでもよい。また、加熱機構としては、熱媒体を用いたものには限られず、例えばバーナーにより直接加熱する機構を採用しても良い。
また、上述した熱媒ボイラ２１は、ＬＰガスＧ１を燃焼するようにしているが、これに限らず、灯油などの燃料を用いてもよい。ただし、供給ラインＬＮ１を介して第１水素含有物Ｇ３１と混合する場合、気化された状態の灯油に第１水素含有物Ｇ３１を混合することが好ましい。
本実施の形態による脱水素反応系１Ａでは、脱水素反応器１０から出力される脱水素反応物Ｖ３の熱エネルギーを用いて加熱器１３で脱水素反応器１０に流入するＭＣＨ（Ｖ１）を加熱するとともに、蒸発器１２の前段に配置された予熱器１１が、加熱器１３による熱交換後の脱水素反応物Ｖ４の熱エネルギーを用いて、蒸発前の液状のＭＣＨ（Ｌ１）を予熱するようにしている。この結果、蒸発器１２においてＭＣＨ（Ｌ１）の蒸発に消費される熱媒体Ｌ１２の熱エネルギーを減少することができる。この熱媒体Ｌ１２から失われる熱エネルギーの減少は、熱媒ボイラ２１で消費されるエネルギーの減少をもたらし、結果的に装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。
［水素精製系］
一方、予熱器１１を介した脱水素反応物Ｖ５は、水素精製系１Ｂに流入する。脱水素反応物Ｖ５は、冷却器３１で例えば１４０℃から４０℃程度まで冷却され、気液分離器３５によって気液分離される。気液分離器３５で液状物質として分離されず、水素含有量が高い脱水素反応物Ｖ６は、さらに冷却器３２で例えば４０℃から１５℃程度まで冷却され、気液分離器３６によって気液分離される。気液分離器３６で液状物質として分離されず、水素含有量がさらに高まった脱水素反応物Ｖ７は、コンプレッサＰ３によって加圧された脱水素反応物Ｖ３０として水素精製器３０に入力される。なお、コンプレッサＰ３によって加圧された脱水素反応物Ｖ３０は、加圧によって温度上昇するため、水素精製器３０に導入する前に、冷却器３３によって例えば８０℃〜１００℃まで冷却される。
一方、予熱器１１を介した脱水素反応物Ｖ５は、水素精製系１Ｂに流入する。脱水素反応物Ｖ５は、冷却器３１で例えば１４０℃から４０℃程度まで冷却され、気液分離器３５によって気液分離される。気液分離器３５で液状物質として分離されず、水素含有量が高い脱水素反応物Ｖ６は、さらに冷却器３２で例えば４０℃から１５℃程度まで冷却され、気液分離器３６によって気液分離される。気液分離器３６で液状物質として分離されず、水素含有量がさらに高まった脱水素反応物Ｖ７は、コンプレッサＰ３によって加圧された脱水素反応物Ｖ３０として水素精製器３０に入力される。なお、コンプレッサＰ３によって加圧された脱水素反応物Ｖ３０は、加圧によって温度上昇するため、水素精製器３０に導入する前に、冷却器３３によって例えば８０℃〜１００℃まで冷却される。
また、図１に示すように、脱水素反応物Ｖ７は、コンプレッサＰ３の前段から一部を引き抜くことができる。この点が、図３に示す従来の水素製造装置と異なる点である。引き抜かれた脱水素反応物Ｖ７の一部は、供給ラインＬＮ４を介して供給ラインＬＮ１に接続され、供給ラインＬＮ１を介してＬＰガスＧ１と混合する。
水素精製器３０は、脱水素反応物Ｖ３０から製品水素である水素Ｖ３１と、水素Ｖ３１よりも水素濃度が低い第１水素含有物とに分離する機能を有するものであり、本実施の形態では膜分離機構を用いたものが採用される。膜分離機構に採用される水素分離膜としては、コンプレッサＰ３から導入される圧力に耐え得る（例えば９００ｋＰａ以上の耐圧性がある）膜として、カーボン膜、パラジウム膜、ゼオライト膜などが挙げられるが、耐圧性や小さい差圧での実用化の観点ではカーボン膜およびゼオライト膜が比較的好ましく、中でもカーボン膜が振動に対する機械的強度の観点で特に好ましい。カーボン膜は、分子量の小さい水素を透過させ、トルエンや未分解物質などの相対的に分子量の大きいものを透過させない機能を有している。コンプレッサＰ３は、２００ｋＰａの脱水素反応物Ｖ７を９００ｋＰａまで昇圧した脱水素反応物Ｖ３０として水素精製器３０に出力する。水素精製器３０における水素分離時の差圧は、２００ｋＰａであるため、分離された水素Ｖ３１は、９０℃で７００ｋＰａとなる。水素Ｖ３１は、冷却器３４で、４０℃まで冷却し、フローコントローラ１０１で調整して７００ｋＰａの水素Ｖ３２として外部へ導出される。すなわち、要求された外部圧力及び温度をもつ製品水素として外部に供給される。
また、上述した水素精製器３０は、膜分離方式を用いたものであったが、これに限らず、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）方式の水素分離器であるＰＳＡ装置や、温度スイング吸着（ＴＳＡ：Temperature Swing Adsorption）方式の水素精製器を用いてもよい。
ここで、圧力コントローラ４００は、コンプレッサＰ３が出力する圧力が所定圧となるように制御する。この所定圧は、圧力損失を考慮し、水素精製器３０における水素精製により生じる差圧２００ｋＰａと、水素精製器３０によって分離された水素Ｖ３１の外部出力の圧力７００ｋＰａとを合わせた圧力９００ｋＰａよりも高い圧力にする。コンプレッサＰ３が出力する圧力をこのような所定圧にすることによって、水素精製器３０の後段に従来設けていた、製品水素として必要な圧力に昇圧するための製品水素出力専用のコンプレッサを設ける必要がなくなる。この結果、装置全体をコンパクトにすることができる。また、コンプレッサを分散配置せず、大型のコンプレッサに集約することによって圧力効率を高めることができ、結果的に、水素精製器３０による水素精製処理に必要なエネルギー及び製品水素の供給処理に必要なエネルギーのトータルエネルギーを削減することができる。
なお、気液分離器３５，３６において液状物質として分離されたトルエン含有量が大きく水素が含まれる液化不純物Ｌ２１，Ｌ２２は、タンクＴ３に捕集され、回収トルエンとして用いられる。回収トルエンは、再び水素と反応させることにより水素化物（ＭＣＨ）として繰り返し使用することができる。
水素精製器３０における膜分離機構の水素分離膜を透過しなかった第１水素含有物（オフガス）Ｇ３１は、供給ラインＬＮ１を介してラインＬＮ１１に接続され、ＬＰガスＧ１に混合されて熱媒ボイラ２１に導入される。第１水素含有物Ｇ３１には、水素分離膜を透過できなかった水素が含まれ、少なくともこの水素が燃焼に寄与する。ここで、フローコントローラ１０２は、第１水素含有物Ｇ３１の流量が所定流量となるように、バルブＶＬ１０２を制御する。
なお、図１において、温度コントローラ２０２〜２０４は、冷却器３１〜３３から出力されたガス温度を検出し、各冷却器３１〜３３に流入する冷却水の流量を調整することによって温度制御を行っている。ここで、冷却器３１，３３，３４は、必要冷却能力が小さいため、クーリングタワーを介して自然冷却した冷却水を用いており、冷却器３２は、必要冷却能力が大きいため、チラーを介して強制的に電気冷却した冷却水を用いている。なお、クーリングタワーを有効活用し、冷却器３１，３２による多段冷却を行うことによって強制冷却による電力消費が抑えられるため、装置全体のエネルギー効率を高めることができる。
また、気液分離器３５，３６の液化したトルエンの排出は、それぞれレベルコントローラ３０１，３０２によって排出制御される。すなわち、レベルコントローラ３０１，３０２は、それぞれ検出する液面が所定高さ以上となった場合にバルブを開いてトルエンをタンクＴ３に排出する。また、フローコントローラ１０１は、水素Ｖ３２の導出流量が所定流量となるように、バルブを制御する。
［全体エネルギー効率の制御］
図１に示す水素製造装置では、高い全体エネルギー効率を維持したいが、水素精製器３０の水素回収率の設定値がすぐには変更できない場合や、変更したくない場合、すなわち、水素精製器３０の水素回収率の設定値が固定の場合、以下のようにして全体エネルギー効率を制御することができる。図１に示すように、コンプレッサＰ３の前段から脱水素反応物Ｖ７の一部を引き抜き、供給ラインＬＮ４を介して供給ラインＬＮ１に接続される。供給ラインＬＮ４上では、フローコントローラ１０４によってバルブＶＬ１０４の開度制御を行って流量制御が行われる。
図１に示す水素製造装置では、高い全体エネルギー効率を維持したいが、水素精製器３０の水素回収率の設定値がすぐには変更できない場合や、変更したくない場合、すなわち、水素精製器３０の水素回収率の設定値が固定の場合、以下のようにして全体エネルギー効率を制御することができる。図１に示すように、コンプレッサＰ３の前段から脱水素反応物Ｖ７の一部を引き抜き、供給ラインＬＮ４を介して供給ラインＬＮ１に接続される。供給ラインＬＮ４上では、フローコントローラ１０４によってバルブＶＬ１０４の開度制御を行って流量制御が行われる。
水素精製器３０に導入される脱水素反応物Ｖ７の量が減るため、引き抜かれる前の脱水素反応物Ｖ７に対する水素Ｖ３１の量が減り、脱水素反応物Ｖ７との対比でみると水素回収率は減少するが、熱媒ボイラ２１の燃料の消費が減少することにより、全体のエネルギー効率を向上することができる。
また、図２に示すように、水素精製器３０から導出された水素Ｖ３１の一部を、供給ラインＬＮ５を介して引き抜き、これによって実質的な水素回収率を調整してもよい。供給ラインＬＮ５は、供給ラインＬＮ１に接続され、供給ラインＬＮ５上では、フローコントローラ１０５によってバルブＶＬ１０５の開度制御を行って流量を制御する。
本実施の形態では、第１水素含有物Ｇ３１に含まれる水素を熱媒ボイラ２１の燃焼に用いることによって、熱媒ボイラ２１の燃料（ＬＰガスＧ１）を減らすことができ、全体エネルギー効率を向上させることができる。
なお、図１及び図２に示した構成を混在させた構成としてもよい。すなわち、脱水素反応物Ｖ７の一部及び水素Ｖ３１の一部を引き抜く構成としてもよい。
以上により、装置全体の水素製造に関する全体エネルギー効率の水素回収率依存性をもとに、全体エネルギー効率が最も高くなる最適水素回収率となるように水素精製器３０の水素回収率を設定することができる。
また、本実施の形態では、水素回収率の設定を変えずに全体エネルギー効率を制御する場合について述べたが、水素精製器に導入される脱水素反応物V３０の精製時間を調節することで、水素回収率を変更することもできる。
１ 水素製造装置
１Ａ 脱水素反応系
１Ｂ 水素精製系
１０ 脱水素反応器
１１ 予熱器
１２ 蒸発器
１３ 加熱器
２１ 熱媒ボイラ
２２ ブロア
２３ 空気予熱器
３０ 水素精製器
３１，３２，３３，３４ 冷却器
３５，３６ 気液分離器
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ フローコントローラ
２００，２０１，２０２，２０３，２０４ 温度コントローラ
３０１，３０２ レベルコントローラ
４００ 圧力コントローラ
Ｇ１ ＬＰガス
Ｇ２ 空気
Ｇ３１ 第１水素含有物（オフガス）
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３ 熱媒体
Ｌ２１，Ｌ２２ 液化不純物
Ｐ１，Ｐ２ ポンプ
Ｐ３ コンプレッサ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ タンク
Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ３０ 脱水素反応物
Ｖ３１，Ｖ３２ 水素
ＶＬ１０２，ＶＬ１０３，ＶＬ１０４，ＶＬ１０５ バルブ
ＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５ 供給ライン
ＬＮ１１，ＬＮ１２ ライン
１Ａ 脱水素反応系
１Ｂ 水素精製系
１０ 脱水素反応器
１１ 予熱器
１２ 蒸発器
１３ 加熱器
２１ 熱媒ボイラ
２２ ブロア
２３ 空気予熱器
３０ 水素精製器
３１，３２，３３，３４ 冷却器
３５，３６ 気液分離器
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ フローコントローラ
２００，２０１，２０２，２０３，２０４ 温度コントローラ
３０１，３０２ レベルコントローラ
４００ 圧力コントローラ
Ｇ１ ＬＰガス
Ｇ２ 空気
Ｇ３１ 第１水素含有物（オフガス）
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３ 熱媒体
Ｌ２１，Ｌ２２ 液化不純物
Ｐ１，Ｐ２ ポンプ
Ｐ３ コンプレッサ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ タンク
Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ３０ 脱水素反応物
Ｖ３１，Ｖ３２ 水素
ＶＬ１０２，ＶＬ１０３，ＶＬ１０４，ＶＬ１０５ バルブ
ＬＮ１，ＬＮ４，ＬＮ５ 供給ライン
ＬＮ１１，ＬＮ１２ ライン
Claims (2)
- 有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解する脱水素触媒を有する脱水素反応器と、
前記水素および前記脱水素物質を含んでなる脱水素反応物から水素を精製する水素精製器と、
前記脱水素反応器及び前記脱水素反応器に導入される前記有機ハイドライドを加熱する加熱器に熱を供給する熱媒体を加熱する熱媒ボイラと、
前記水素精製器から精製された製品水素以外のガスである第１水素含有物を前記熱媒ボイラに導く供給ラインと、
を備えた水素製造装置において、
前記水素精製器の水素回収率の設定値が固定である場合、前記水素製造装置全体の水素製造に関する全体エネルギー効率の水素回収率依存性をもとに、前記全体エネルギー効率が最も高くなるように、前記水素精製器の前段から脱水素反応物ガスを前記第１水素含有物に混合し、前記脱水素反応物ガスの混合量を調整して水素回収率を制御することを特徴とする水素製造装置。 - 有機ハイドライドを水素と脱水素物質とに分解する脱水素触媒を有する脱水素反応器と、
前記水素および前記脱水素物質を含んでなる脱水素反応物から水素を精製する水素精製器と、
前記脱水素反応器及び前記脱水素反応器に導入される前記有機ハイドライドを加熱する加熱器に熱を供給する熱媒体を加熱する熱媒ボイラと、
前記水素精製器から精製された製品水素以外のガスである第１水素含有物を前記熱媒ボイラに導く供給ラインと、
を備えた水素製造装置において、
前記水素精製器の水素回収率の設定値が固定である場合、前記水素製造装置全体の水素製造に関する全体エネルギー効率の水素回収率依存性をもとに、前記全体エネルギー効率が最も高くなるように、前記第１水素含有物に対し、前記水素精製器の後段から前記製品水素を混合し、前記製品水素の混合量を調整して水素回収率を制御することを特徴とする水素製造装置。
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