JP2014073923A - 水素精製システム及び水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素供給システム全体の小型化を図ることができる水素精製システム及び水素供給システムを提供する。
【解決手段】 水素精製システム１２０は、水素含有ガスを高圧状態にする圧縮機２１及び水素含有ガスを冷却状態にする冷却器２３を備える。水素含有ガスは、圧縮機２１で高圧状態とされた後に、冷却器２３で冷却状態とされることにより、システム外部の供給先であるＦＣＶ３０へ供給可能な状態となる。更に、気液分離器２４は、圧縮機２１による高圧状態と冷却器２３による冷却状態の少なくともいずれかの状態である水素含有ガスを気液分離することで、水素含有ガスの純度を高めることができる。これにより、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができ、システム全体の小型化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素含有ガスから水素を精製する水素精製システム、及び水素の供給を行う水素供給システムに関する。

従来の水素供給システムとして、例えば特許文献１に挙げるものが知られている。特許文献１の水素供給システムは、原料の芳香族炭化水素の水素化物を貯蔵するタンクと、当該タンクから供給された原料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気液分離する気液分離器と、気液分離された水素を膜分離によって精製する精製手段と、を備える。ここで、水素供給システムにおいて水素を精製する方法として、特許文献１に示すような水素分離膜を用いる方法のほか、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）やＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いる方法などが知られている。

特開２００６−２３２６０７号公報

このように、従来の水素供給システムは、気液分離された水素を更に高純度とするための、水素分離膜、ＰＳＡ、ＴＳＡなどを用いた水素精製部が必要となる。また、例えば燃料電池車（ＦＣＶ）などに精製された水素を供給するために、水素を高圧状態とするための圧縮部や、水素を冷却状態とするための冷却部などが必要となる場合がある。ここで、近年、水素の利用が広まることにより、水素供給システムを更に小型にすることが要求されていた。

そこで、本発明は、水素供給システム全体の小型化を図ることができる水素精製システム及び水素供給システムを提供することを目的とする。

本発明に係る水素精製システムは、水素生成システムで生成された水素含有ガスから水素を精製する水素精製システムであって、水素含有ガスを高圧状態にする圧縮部と、水素含有ガスを冷却状態にする冷却部と、圧縮部の下流側で圧縮部と接続されると共に冷却部を通過し、水素含有ガスを流す第１流路と、高圧状態と冷却状態の少なくともいずれかの状態である水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、を備えることを特徴とする。

精製された水素をシステム外部の供給先へ供給するとき、当該水素を高圧状態とした後に、冷却状態として供給することが必要となる。一方、精製前の水素含有ガスを高温状態と冷却状態の少なくともいずれかの状態とした場合、効率よく気液分離を行うことが可能となり、水素含有ガスの水素の純度を高めることができる。ここで、本発明に係る水素精製システムは、水素含有ガスを高圧状態にする圧縮部と、水素含有ガスを冷却状態にする冷却部と、圧縮部の下流側で圧縮部と接続されると共に冷却部を通過し、水素含有ガスを流す第１流路を備える。従って、第１流路を流れる水素含有ガスは、圧縮部で高圧状態とされた後に、冷却部で冷却状態とされることにより、システム外部の供給先へ供給可能な状態となる。更に、気液分離部は、圧縮部による高圧状態と冷却部による冷却状態の少なくともいずれかの状態である水素含有ガスを気液分離することで、当該水素含有ガスの純度を高めることができる。従って、本発明に係る水素精製システムによれば、水素供給のために必要となる圧縮部及び冷却部とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができる。以上により、システム全体の小型化を図ることができる。

本発明に係る水素精製システムにおいて、気液分離部は、第1流路上であって、冷却部の内部又は冷却部よりも下流側に設けられ、高圧状態及び冷却状態である水素含有ガスを気液分離することが好ましい。このような構成とすることにより、圧縮部及び冷却部を通過して高圧状態及び冷却状態とされた水素含有ガスを気液分離部で効率よく気液分離することができる。従って、本発明に係る水素精製システムによれば、水素供給のために必要となる圧縮部及び冷却部とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができる。以上により、システム全体の小型化を図ることができる。

また、本発明に係る水素精製システムにおいて、気液分離部は、第1流路上であって、冷却部よりも上流側に設けられ、高圧状態である水素含有ガスを気液分離する構成としてもよい。このような構成とすることにより、圧縮部を通過して高圧状態とされた水素含有ガスを気液分離部で効率よく気液分離することができる。従って、本発明に係る水素精製システムによれば、水素供給のために必要となる圧縮部及び冷却部とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができる。以上により、システム全体の小型化を図ることができる。

また、本発明に係る水素精製システムにおいて、冷却部を通過すると共に圧縮部の上流側で圧縮部と接続され、水素含有ガスを流す第２流路を更に備え、気液分離部は、第２流路上であって、冷却部の内部又は冷却部よりも下流側に設けられ、冷却状態である水素含有ガスを気液分離する構成としてもよい。このような構成とすることにより、冷却部を通過して冷却状態とされた水素含有ガスを気液分離部で効率よく気液分離することができる。従って、本発明に係る水素精製システムによれば、水素供給のために必要となる圧縮部及び冷却部とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができる。以上により、システム全体の小型化を図ることができる。

また、本発明に係る水素精製システムにおいて、気液分離部からの水素含有ガスから不純物を吸着除去する吸着部を更に備えることが好ましい。高圧状態と冷却状態の少なくともいずれかの状態とされた水素含有ガスを気液分離部で気液分離することにより水素含有ガスの水素の純度を高めることができるが、微量の不純物が残っている場合がある。そこで、微量に残った不純物を吸着除去する吸着部を更に備えることにより、より水素含有ガスの水素の純度を高めることができる。

原料から水素含有ガスを生成する水素生成システムと、水素生成システムで生成された水素含有ガスから水素を精製する上記いずれかの水素精製システムとを備える水素供給システムを構成することができる。本発明に係る水素供給システムによれば、水素供給のために必要となる圧縮部及び冷却部とは別途設けられる水素精製用の専用装置を省略して、または小さくして、水素を精製することができる。以上により、システム全体の小型化を図ることができる。

本発明によれば、水素供給システム全体の小型化を図ることができる水素精製システム及び水素供給システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第一実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムの構成を示すブロック図である。 比較例に係る水素供給システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第三実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明に係る水素精製システム及び水素供給システムの実施形態について詳細に説明する。

［第一実施形態］
まず、第一実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムについて図１を用いて説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る水素精製システム１２０及び水素供給システム１００の構成を示すブロック図である。水素供給システム１００は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成システム１０と、水素生成システム１０で生成された水素含有ガスから水素を精製する水素精製システム１２０とを備える。本実施形態に係る水素生成システム１０は、有機化合物（常温で液体）を原料とする脱水素反応による水素生成方法を用いる場合を例にして説明する。なお、水素精製の過程では、原料である有機化合物（常温で液体）を脱水素した、脱水素生成物（常温で液体）（有機化合物（常温で液体））が除去される。原料の有機化合物として、例えば、有機ハイドライドが挙げられる。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が好適な例である。また、有機ハイドライドは、芳香族の水素化化合物に限らず、２−プロパノール（水素とアセトンが生成される）の系もある。有機ハイドライドは、ガソリンなどと同様に液体燃料としてタンクローリーなどによって水素供給システム１００へ輸送することができる。本実施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）を用いる。その他、有機ハイドライドとしてシクロヘキサン、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芳香物炭化水素の水素化物を適用することができる（なお、芳香族化合物は特に水素含有量の多い好適な例である）。なお、メタンを主成分とした天然ガスやプロパンを主成分としたＬＰＧ、あるいはガソリン、ナフサ、灯油、軽油といった液体炭化水素原料から水素を製造する場合にも適用可能である。

本実施形態では、水素供給システム１００として、ＦＣＶ３０に高純度水素を供給する水素ステーションを例として説明を行う。図１に示すように、水素供給システム１００は、水素生成システム１０、水素精製システム１２０、及びディスペンサ２６とを備える。水素生成システム１０は、ＭＣＨタンク１１、気化器１２、脱水素反応器１３、気液分離器１４、トルエンタンク１５、燃料タンク１６、及び熱源１７とを備える。水素精製システム１２０は、圧縮機（圧縮部）２１、蓄ガス器２２、冷却器（冷却部）２３、気液分離器（気液分離部）２４、及び吸着剤（吸着部）２５とを備える。

まず、水素生成システム１０について説明する。気化器１２は、ＭＣＨタンク１１から供給された原料であるＭＣＨを気化し、脱水素反応器１３へ供給する。脱水素反応器１３は、脱水素触媒を用いた脱水素反応により、気化器１２から供給されたＭＣＨから水素含有ガスを取り出す。ここで、脱水素反応は吸熱反応であるため、熱源１７は、加熱用高温ガスを介して脱水素反応器１３へ熱を供給する。脱水素反応器１３で取り出された水素含有ガスは、液体であるトルエンを混合物として含んだ状態で気液分離器１４へ供給される。気液分離器１４は、供給された水素含有ガスを気体である水素含有ガスと液体であるトルエンとに気液分離する。気液分離器１４で分離された液体であるトルエンは、トルエンタンク１５に貯留される。一方、気液分離器１４で分離された気体である水素含有ガスは、水素精製システム１２０内の圧縮機２１へ供給される。なお、水素精製システム１２０に供給されるときの水素含有ガスの純度は９０〜９９．５％であり、圧力は常温〜１．０ＭＰａであり、温度は０〜５０℃である。

次に、水素精製システム１２０について、図１及び図２を用いて詳しく説明する。図２は、本発明の第一実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムの構成を示すブロック図である。図２の水素生成システム１０及び水素精製システム１２０は、それぞれ、図１の水素生成システム１０及び水素精製システム１２０と同一のものである。水素精製システム１２０は、水素生成システム１０で生成された水素含有ガスから水素を精製することで、９９．９７％以上の高純度水素を得ることができ、より好ましくは９９．９９％以上の高純度水素を得ることができる。

水素精製システム１２０における水素含有ガスの流れについて説明する。水素生成システム１０から水素精製システム１２０内の圧縮機２１へ供給された水素含有ガスは、第１流路Ｌ１を介して、蓄ガス器２２、冷却器２３、気液分離器２４、吸着剤２５、ディスペンサ２６、ＦＣＶ３０の順に供給される。

第１流路Ｌ１は、圧縮機２１の下流側で当該圧縮機２１と接続されると共に、冷却器２３を通過して、水素含有ガスを流す流路である。第１流路Ｌ１は、圧縮機２１から蓄ガス器２２までのラインＬ１１と、蓄ガス器２２から冷却器２３までのラインＬ１２と、冷却器２３内部を通過するラインＬ１３と、冷却器２３からＦＣＶ３０までのラインＬ１４とを備える。冷却器２３内部を通過するラインＬ１３は、熱交換によって水素含有ガスの冷却が行われる熱交換ラインＬ１５と、当該熱交換ラインＬ１５の下流側で当該熱交換ラインＬ１５と接続されて冷却器２３の外部まで延びる下流側ラインＬ１６とを備える。

圧縮機２１は、水素含有ガスを所定の圧力で圧送する機器である。圧縮機２１は、２０〜９０ＭＰａの圧力で水素含有ガスを高圧状態にする。圧縮機２１は、水素含有ガスを、ＦＣＶ３０へ供給可能であると共に効率よく気液分離を行うことが可能な高圧状態にした上で、ラインＬ１１を介して蓄ガス器２２へ供給する。なお、本実施形態における圧縮機２１は、圧縮を行う圧縮ユニットを二基備える二段構成のものを採用している。ただし、目的とする圧力が得られるのであれば一段構成としてもよい。逆に、目的とする圧力を得るために三段以上の多段構成としてもよい。

蓄ガス器２２は、水素含有ガスを高圧状態のまま蓄えておくための機器である。蓄ガス器２２で蓄えられた水素含有ガスは、ラインＬ１２を介して冷却器２３へと流れる。蓄ガス器２２により、水素精製システム１２０内に、ある程度の量の水素含有ガスを高圧状態のまま蓄えておくことができるため、ＦＣＶ３０へ水素を安定供給することが可能となる。従って、水素精製システム１２０は、蓄ガス器２２を備えることが好ましい。ただし、蓄ガス器２２は、水素精製及び水素供給を行うために必須ではないため、省略してもよい。

冷却器２３は、水素含有ガスを冷却する機器である。冷却器２３は、熱交換ラインＬ１５を流れる水素含有ガスを―６０〜０℃にまで冷却する。これにより、冷却器２３は、水素含有ガスを、ＦＣＶ３０へ供給可能であると共に効率よく気液分離を行うことが可能な冷却状態にする。なお、当該冷却器２３の冷却温度は、従来の冷却を利用した分離法である深冷分離法での冷却温度よりも高い温度であるが、そのような温度であっても、本実施形態に係るシステム構成を採用することで高純度水素を得ることが可能である。

気液分離器２４は、水素含有ガスを気体である水素含有ガスと液体であるトルエンとに気液分離する。気液分離器２４は、冷却器２３の内部を通過するラインＬ１３上の任意の位置に配置することができる。本実施形態では、気液分離器２４は、ラインＬ１６上であって、熱交換ラインＬ１５の直後に設けられている。これにより、蓄ガス器２２で高圧状態に保たれた水素含有ガスは、ラインＬ１２を介して冷却器２３へ流れ、熱交換ラインＬ１５を通過することにより冷却状態とされてから、気液分離器２４へ供給される。従って、気液分離器２４へ供給された水素含有ガスは、効率よく気液分離を行うことが可能な高圧状態及び冷却状態にされているため、気液分離により水素含有ガスの水素の純度を高めることができる。すなわち、水素及び不純物（トルエン、メタンなど）を含む水素含有ガスが高圧状態となると、常圧下では気体の状態であった不純物が液化することにより、水素含有ガス中の不純物濃度が低下する。また、水素含有ガスが冷却状態となると、常温下では気体の状態であった不純物が液化することにより、水素含有ガス中の不純物濃度が低下する。このように不純物が液化された状態の水素含有ガスを気液分離器２４で気液分離することにより、高純度水素を得ることができる。なお、気液分離器２４は、水素含有ガスを十分に冷却した後に気液分離を行うことができる位置であれば、ラインＬ１３上のどの位置に設けてもよく、ラインＬ１６上の中途位置に設けてもよい。また、熱交換ラインＬ１５の中途位置に設けてもよいが、十分に水素含有ガスを冷却するために、熱交換ラインＬ１５の下流側、すなわちラインＬ１６上に設けることが好ましい。なお、本実施形態では気液分離器２４を冷却器２３の内部であるラインＬ１６上に配置する構成としているが、冷却状態を保つことができるのであれば、冷却器２３の外側であるラインＬ１４上に配置してもよい。その場合、気液分離器２４内の水素含有ガスの温度が上昇しないように、冷却器２３から気液分離器２４までのライン及び気液分離器２４の周囲に断熱材等を設けることが好ましい。

吸着剤２５は、水素含有ガスに含まれる不純物（トルエン、メタンなど）を吸着により除去する吸着剤である。気液分離器２４により気液分離された水素含有ガスは、ラインＬ１６及びラインＬ１４を介して、吸着剤２５へ供給される。ここで、吸着剤２５へ供給された水素含有ガスには、微量の不純物が残っている場合がある。そこで、微量に残った不純物を吸着剤２５が吸着除去することにより、より水素含有ガスの水素の純度を高めることができる。ただし、吸着剤２５を用いずに目的とする純度の水素含有ガスが得られる場合には、吸着剤２５を省略してもよい。

吸着剤２５で不純物を吸着除去することにより得られた水素含有ガスは、ラインＬ１４を介して、ディスペンサ２６を用いてＦＣＶ３０へ供給される。なお、本実施形態では水素供給先として燃料電池車（ＦＣＶ）を想定しているが、水素供給先は、水素の供給を必要とし、水素の供給を受けるための機構を備えたものであれば何でもよく、ＦＣＶに限定されない。

次に、第一実施形態に係る水素精製システム１２０の作用・効果について説明する。

まず、比較例に係る水素供給システム５０の構成について、図３を用いて説明する。比較例に係る水素供給システム５０は、水素生成システム１０、水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、水素精製器４３、圧縮機２１、蓄ガス器２２、及び冷却器２３とを備える。

第一実施形態に係る水素供給システム１００と比較例に係る水素供給システム５０との主な相違点について説明する。

比較例に係る水素供給システム５０は、水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３を備える一方で、第一実施形態に係る水素精製システム１２０が備える気液分離器２４及び吸着剤２５を備えていない。水素精製器４３は、採用する水素精製方法により異なるが、具体的には、水素精製方法として膜分離を用いる場合には、水素分離膜であり、ＰＳＡやＴＳＡを用いる場合には、不純物を吸着する吸着剤を格納する吸着塔を複数備えた吸着除去装置である。

上述のように、比較例に係る水素供給システム５０は、水素精製方法として、水素分離膜、ＰＳＡ、ＴＳＡなどの従来の水素精製方法を用いるため、専用装置である水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３が必要となる。その一方で、水素供給システム５０は、精製された高純度水素をＦＣＶ３０に供給するために、圧縮機２１、蓄ガス器２２、冷却器２３も必要となる。このように、比較例に係る水素供給システム５０は、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３に加えて、水素精製のためだけに必要となる専用装置が別途設けられている。これにより、当該専用装置の分、システム全体が大きくなる。

一方、第一実施形態に係る水素精製システム１２０は、上述のように、ＦＣＶ３０へ水素を供給するために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３により水素含有ガスを高圧状態及び冷却状態にした上で、気液分離器２４で効率よく気液分離することができる。すなわち、本実施形態における圧縮機２１及び冷却器２３は、ＦＣＶ３０への水素供給を行う装置としての機能に加え、水素精製を行う装置としての機能も兼ねることができる（なお、比較例に係る水素供給システム５０における圧縮機２１及び冷却器２３は、ＦＣＶ３０への水素供給を行う装置としてのみ機能している）。これにより、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３とは別途設けられる水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３を省略して、水素を精製することができる。以上により、水素供給システム１００全体の小型化を図ることができる。

また、水素供給システム１００において、気液分離器２４と併せて吸着剤２５を設けることによって、気液分離器２４を単体で用いる場合よりも、ＦＣＶ３０へ供給することができる高純度水素が得やすくなる。

水素生成システム１０と、上記のような水素精製システム１２０とを備える水素供給システム１００を構成することにより、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３とは別途設けられる水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３を省略して水素を精製することができる。以上により、水素供給システム全体の小型化を図ることができる。

なお、水素供給システム１００は、上述したように、比較例に係る水素供給システム５０が有さない気液分離器２４及び吸着剤２５を備えるが、これらは水素精製器４３などの水素精製用の専用装置と比較して小規模のものであるため、水素供給システム全体としては、比較例に係る水素供給システム５０よりも小型化することができる。

第一実施形態に係る水素精製システム１２０を用いて水素精製する場合の各条件についての一例を以下に挙げる。

［第一実施形態の実施例］
水素生成システム１０内において、３０℃、０．１８ＭＰａＧで気液分離された後の水素含有ガスの組成例は、「水素：トルエン：ＭＣＨ：メタン＝９８：１．８：０．２：０．０５」程度である。まず、この水素含有ガスを圧縮機２１で７０ＭＰａまで圧縮し、トルエン＋ＭＣＨの濃度を１２０ｐｐｍ程度まで低減する。次に、冷却器２３で水素含有ガスを−４０℃まで冷却し、トルエン＋ＭＣＨの濃度を１ｐｐｍ程度まで低減する。最後に、気液分離器２４での気液分離により液体であるトルエンを分離し、残った微量トルエンとメタンを吸着剤２５で除去することにより、トルエン＋ＭＣＨの濃度を０．２８ｐｐｍ以下にする。これにより得られた高純度水素を、ディスペンサ２６を用いてＦＣＶ３０へ供給する。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムについて図４を用いて説明する。図４は、本発明の第二実施形態に係る水素精製システム２２０及び水素供給システム２００の構成を示すブロック図である。図４の水素生成システム１０は、図１から図３までの水素生成システム１０と同一のものである。

第二実施形態に係る水素精製システム２２０を構成する各構成要素の構成・機能は、図２に示す第一実施形態に係る水素精製システム１２０と同一であるが、気液分離器２４が、第１流路Ｌ１上であって、冷却器２３よりも上流側に設けられ、圧縮機２１による高圧状態であって冷却状態ではない水素含有ガスを気液分離する点において、第一実施形態に係る水素精製システム１２０と主に相違する。以下、当該相違点の具体的な構成について説明する。

第二実施形態に係る水素精製システム２２０は、第一実施形態に係る水素精製システム１２０と同様に、圧縮機２１、蓄ガス器２２、冷却器２３、気液分離器２４、及び吸着剤２５とを備える。ただし、気液分離器２４及び吸着剤２５は、圧縮機２１の下流側であって蓄ガス器２２より上流側のラインＬ１１上に配置される。すなわち、第二実施形態に係る水素精製システム２２０においては、水素生成システム１０から水素精製システム２２０内の圧縮機２１へ供給された水素含有ガスは、第１流路Ｌ１を介して、気液分離器２４、吸着剤２５、蓄ガス器２２、冷却器２３、ディスペンサ２６、ＦＣＶ３０の順に供給される。

第二実施形態に係る水素精製システム２２０は、水素含有ガスを圧縮機２１により高圧状態にした上で、気液分離器２４で効率よく気液分離することができる。これにより、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３とは別途設けられる水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３を省略して、水素を精製することができる。以上により、水素供給システム２００全体の小型化を図ることができる。

なお、圧縮機２１が圧縮ユニットを二基以上備える多段構成である場合には、気液分離器２４を、圧縮機２１の最上流側に位置する圧縮ユニットと圧縮機２１の最下流側に位置する圧縮ユニットとの間に配置してもよい。あるいは、圧縮ユニット同士の間に気液分離器２４を配置し、更に、圧縮機２１自体の下流側にも気液分離器２４を配置してもよい。これらの場合には、圧縮機２１の最上流側に位置する圧縮ユニットが本発明の請求項における「圧縮部」に相当する。また、圧縮ユニット同士を接続する流路は本発明の請求項における「第１流路」に含まれる。

第二実施形態に係る水素精製システム２２０を用いて水素精製する場合の各条件についての一例を以下に挙げる。

［第二実施形態の実施例］
水素生成システム１０内において、３０℃、０．１８ＭＰａＧで気液分離された後の水素含有ガスの組成例は、「水素：トルエン：ＭＣＨ：メタン＝９８：１．８：０．２：０．０５」程度である。まず、この水素含有ガスを圧縮機２１で７０ＭＰａまで圧縮し、トルエン＋ＭＣＨの濃度を１２０ｐｐｍ程度まで低減する。次に、気液分離器２４での気液分離により液体であるトルエンを分離し、残った微量トルエンとメタンを吸着剤２５で除去することにより、トルエン＋ＭＣＨの濃度を１ｐｐｍ程度に低減する。最後に、冷却器２３で水素含有ガスを−４０℃まで冷却し、トルエン＋ＭＣＨの濃度を０．２８ｐｐｍ以下にする。これにより得られた高純度水素を、ディスペンサ２６を用いてＦＣＶ３０へ供給する。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムについて図５を用いて説明する。図５は、本発明の第三実施形態に係る水素精製システム３２０及び水素供給システム３００の構成を示すブロック図である。図５の水素生成システム１０は、図１から図４までの水素生成システム１０と同一のものである。

第三実施形態に係る水素精製システム３２０を構成する各構成要素の構成・機能は、図２に示す第一実施形態に係る水素精製システム１２０と同一であるが、冷却器２３を通過すると共に圧縮機２１の上流側で圧縮機２１と接続される第２流路Ｌ２を備え、気液分離器２４が、第２流路Ｌ２上であって、冷却器２３の内部に設けられ、冷却器２３による冷却状態であって高圧状態ではない水素含有ガスを気液分離する点において、第一実施形態に係る水素精製システム１２０及び第二実施形態に係る水素精製システム２２０と主に相違する。以下、当該相違点の具体的な構成について説明する。

第三実施形態に係る水素精製システム３２０は、第一実施形態に係る水素精製システム１２０及び第二実施形態に係る水素精製システム２２０と同様に、圧縮機２１、蓄ガス器２２、冷却器２３、気液分離器２４、及び吸着剤２５とを備える。ただし、冷却器２３を通過すると共に圧縮機２１の上流側で圧縮機２１と接続され水素含有ガスを流す第２流路Ｌ２を更に備える。

ここで、第２流路Ｌ２は、水素生成システム１０から冷却器２３までのラインＬ２１と、冷却器２３内部を通過するラインＬ２２と、冷却器２３から圧縮機２１までのラインＬ２３とを備える。冷却器２３内部を通過するラインＬ２２は、熱交換によって水素含有ガスの冷却が行われる熱交換ラインＬ２４と、当該熱交換ラインＬ２４の下流側で当該熱交換ラインＬ２４と接続されて冷却器２３の外部まで延びる下流側ラインＬ２５とを備える。

第三実施形態に係る水素精製システム３２０では、気液分離器２４がラインＬ２５上に、吸着剤２５がラインＬ２３上に配置される。すなわち、第三実施形態に係る水素精製システム３２０においては、水素生成システム１０から供給された水素含有ガスは、第２流路Ｌ２を介して、冷却器２３、気液分離器２４、吸着剤２５、圧縮機２１の順に供給され、さらに圧縮機２１からは、第１流路Ｌ１を介して、蓄ガス器２２、冷却器２３、ディスペンサ２６、ＦＣＶ３０の順に供給される。なお、第一実施形態に係る気液分離器２４と同様に、第三実施形態に係る気液分離器２４も、水素含有ガスを十分に冷却した後に気液分離を行うことができる位置であれば、ラインＬ２２上のどの位置に設けてもよく、冷却状態を保つことができるのであれば、冷却器２３の外側であるラインＬ２３上に配置してもよい。

なお、本実施形態では、蓄ガス器２２からの水素含有ガスを、第１流路Ｌ１上の熱交換ラインＬ１５を介して再度冷却器２３で冷却することにより、ＦＣＶ３０へ供給可能な状態としているが、水素含有ガスを気液分離器２４により気液分離する前に通過させる冷却器とディスペンサ２６へ供給する直前に通過させる冷却器とを別機器としてもよい。ただし、システム規模の小型化及び設備コストの観点から、本実施形態のように同一の冷却器２３を共有する構成とするのが好ましい。

第三実施形態に係る水素精製システム３２０は、水素含有ガスを冷却器２３により冷却状態にした上で、気液分離器２４で効率よく気液分離することができる。これにより、水素供給のために必要となる圧縮機２１及び冷却器２３とは別途設けられる水素精製用圧縮機４１、水素精製用気液分離器４２、及び水素精製器４３を省略して、水素を精製することができる。以上により、水素供給システム３００全体の小型化を図ることができる。特に、第三実施形態に係る水素精製システム３２０は、圧縮機２１よりも上流側で高純度水素を得ることができるため、圧縮機２１（及びそれより下流の機器）に対する負荷を低減することができる。

第三実施形態に係る水素精製システム３２０を用いて水素精製する場合の各条件についての一例を以下に挙げる。

［第三実施形態の実施例］
水素生成システム１０内において、３０℃、０．１８ＭＰａＧで気液分離された後の水素含有ガスの組成例は、「水素：トルエン：ＭＣＨ：メタン＝９８：１．８：０．２：０．０５」程度である。まず、この水素含有ガスを冷却器２３で−４０℃まで冷却し、トルエン＋ＭＣＨの濃度を１３０ｐｐｍ程度まで低減する。次に、気液分離器２４による気液分離により液体であるトルエンを分離し、残った微量トルエンとメタンを吸着剤２５で除去することにより、トルエン＋ＭＣＨの濃度を０．２８ｐｐｍ程度に低減する。これにより得られた高純度水素を、ディスペンサ２６を用いてＦＣＶ３０へ供給する。

なお、本発明に係る水素精製システム及び水素供給システムは、上述の第一実施形態から第三実施形態に係る水素精製システム及び水素供給システムに限定されるものではない。例えば、各実施形態についての説明において詳しく述べたように、蓄ガス器２２や吸着剤２５を省略した構成としてもよいし、気液分離器２４を冷却器２３の外部に配置してもよい。また、上述の実施形態では、水素生成システム１０は、脱水素反応によって水素含有ガスを生成していたが、当該方法に限らず、メタンを主成分とした天然ガスやプロパンを主成分としたＬＰＧ、あるいはガソリン、ナフサ、灯油、軽油といった液体炭化水素原料から水素を製造する場合など、あらゆる水素生成方法を採用してもよい。なお、水素精製システム１２０、２２０、３２０による水素精製のみならず、従来のような水素精製器４３を備えることにより、当該水素精製器４３と水素精製システム１２０、２２０、３２０の両方で水素精製を行う構成としてもよい。その場合であっても、水素精製システム１２０、２２０、３２０が水素を精製する機能を備える分、水素精製器４３の装置規模を従来よりも小さくすることができる。

上述した実施形態に係る水素供給システムは、どのような用途に用いられてもよく、例えば、上述の実施形態では、水素ステーションに適用した。すなわち、水素精製システムよりも下流側に、外部の水素消費装置（燃料電池自動車や水素自動車など）に対して水素を供給する水素供給装置（ここではディスペンサ）を接続することで、水素ステーションとして利用してよい。その他、水素精製システムよりも下流側に水素消費装置（電力発生装置など）を接続することで、直接的に水素消費装置に水素を供給してもよい。例えば、分散電源（例えば、家庭用電源や非常用電源など）のための水素供給システムとして利用してもよい。

１０…水素生成システム、１１…ＭＣＨタンク、１２…気化器、１３…脱水素反応器、１４…気液分離器、１５…トルエンタンク、１６…燃料タンク、１７…熱源、２１…圧縮機（圧縮部）、２２…蓄ガス器、２３…冷却器（冷却部）、２４…気液分離器（気液分離部）、２５…吸着剤（吸着部）、２６…ディスペンサ、３０…ＦＣＶ、４１…水素精製用圧縮機、４２…水素精製用気液分離器、４３…水素精製器、１００、２００、３００…水素供給システム、１２０、２２０、３２０…水素精製システム、Ｌ１…第１流路、Ｌ２…第２流路。

Claims (8)

1. 水素生成システムで生成された水素含有ガスから水素を精製する水素精製システムであって、
   前記水素含有ガスを高圧状態にする圧縮部と、
   前記水素含有ガスを冷却状態にする冷却部と、
   前記圧縮部の下流側で前記圧縮部と接続されると共に前記冷却部を通過し、前記水素含有ガスを流す第１流路と、
   前記高圧状態と前記冷却状態の少なくともいずれかの状態である前記水素含有ガスを気液分離する気液分離部と、
   を備えることを特徴とする水素精製システム。
2. 前記気液分離部は、前記第１流路上であって、前記冷却部の内部又は前記冷却部よりも下流側に設けられ、前記高圧状態及び前記冷却状態である前記水素含有ガスを気液分離する請求項１記載の水素精製システム。
3. 前記気液分離部は、前記第１流路上であって、前記冷却部よりも上流側に設けられ、前記高圧状態である前記水素含有ガスを気液分離する請求項１記載の水素精製システム。
4. 前記冷却部を通過すると共に前記圧縮部の上流側で前記圧縮部と接続され、前記水素含有ガスを流す第２流路を更に備え、
   前記気液分離部は、前記第２流路上であって、前記冷却部の内部又は前記冷却部よりも下流側に設けられ、前記冷却状態である前記水素含有ガスを気液分離する請求項１記載の水素精製システム。
5. 前記気液分離部からの前記水素含有ガスから不純物を吸着除去する吸着部を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素精製システム。
6. 水素の供給を行う水素供給システムであって、
   原料から水素含有ガスを生成する水素生成システムと、
   前記水素生成システムで生成された前記水素含有ガスから水素を精製する請求項１〜５のいずれか一項記載の水素精製システムと、
   を備えることを特徴とする水素供給システム。
7. 外部の水素消費装置に対して水素を供給する水素供給装置に接続された、請求項１〜５の何れか一項記載の水素精製システム。
8. 水素消費装置と接続された、請求項１〜５の何れか一項記載の水素精製システム。
   
   

Images