(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素以外の可燃性ガスと水素とを含む元燃料ガスから水素を分離し、一次側から水素が低減された燃料ガスを取り出すとともに二次側から水素が濃縮されたガスを取り出す水素分離手段と、
前記二次側のガスを減圧する減圧手段と、
前記燃料ガスとして利用する、ガスエンジンであるガス利用手段と、
水素が低減される一次側のガスラインに設けられた水素濃度検出手段と、
を備える水素分離システムであって、
前記減圧手段で前記二次側を減圧しながら、前記元燃料ガスからの水素分離を行うこと、および、
前記水素濃度検出手段の検出結果に応じて、前記減圧手段によるガスの減圧度を制御するように構成されていること
を特徴とする水素分離システム。
【請求項２】
前記元燃料ガス内の水素以外の可燃性ガスとしてメタンを含む、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記水素分離手段が分離膜である、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記水素分離手段に元燃料ガスを供給する供給ラインに、ガスを昇圧させる昇圧手段を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
水素が低減されたガスの水素濃度が５ｍｏｌ％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
水素が濃縮された前記ガスが、水素をさらに濃縮するための分離膜方式もしくはＰＳＡ方式の他の水素分離手段に供給されるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記元燃料ガスが水素ＰＳＡ装置のオフガスである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン等に供給する燃料ガスから水素を分離する水素分離システムに関し、特には、元燃料ガスからエネルギー効率良く水素を分離することが可能な水素分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスエンジンに関して、燃料ガス中の水素濃度が高い場合にはノッキングやバックファイヤーといった問題が生じうることが知られており、例えば特許文献１には、ノッキングの発生を回避するために、ノッキングの発生が予知される場合などに燃料ガス中の水素混合割合を低下させる技術が開示されている。
【０００３】
一方、ガス中の水素を分離除去するための装置としては、例えばＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式や分離膜方式が知られており、こうした分離方式においては、一般に、供給側のガスの圧力と透過側（水素濃縮側）のガスの圧力との圧力差が大きい程、分離性能が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３６１８３１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、供給側のガス（元燃料ガス）の圧力を上昇させることで上記圧力差を得ようとする場合には、後述するように、より多くのエネルギーが必要となり、エネルギー効率の観点から改善の予知が残ることとなる。また、こうした問題は、ガスエンジンに燃料ガスを供給する場合に限定されるものではなく、他のガス利用手段に燃料ガスを供給する場合にも生じうる問題点である。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、元燃料ガスからエネルギー効率良く水素を分離することが可能な水素分離システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の水素分離システムは下記の通りである：
１．水素以外の可燃性ガスと水素とを含む元燃料ガスから水素を分離し、一次側から水素が低減された燃料ガスを取り出すとともに二次側から水素が濃縮されたガスを取り出す水素分離手段と、
前記二次側のガスを減圧する減圧手段と、
前記燃料ガスを利用するガス利用手段と、
を備える水素分離システムであって、
前記減圧手段で前記二次側を減圧しながら、前記元燃料ガスからの水素分離を行うことを特徴とする水素分離システム。
【０００８】
２．前記元燃料ガス内の水素以外の可燃性ガスとしてメタンを含む、上記１のシステム。
【０００９】
３．水素が低減される一次側のガスラインに水素濃度検出手段を有する、上記１または２のシステム。
【００１０】
４．前記水素濃度検出手段の検出結果に応じて、前記減圧手段によるガスの減圧度を制御する、上記３に記載のシステム。
【００１１】
５．前記水素分離手段が分離膜である、上記１〜４のいずれか１つに記載のシステム。
【００１２】
６．前記水素分離手段に元燃料ガスを供給する供給ラインに、ガスを昇圧させる昇圧手段を有している、上記１〜５のいずれか１つに記載のシステム。
【００１３】
７．前記ガス利用手段がガスエンジンまたはバーナーである、上記１〜６のいずれか１つに記載のシステム。
【００１４】
８．水素が低減されたガスの水素濃度が５ｍｏｌ％以下である、上記１〜７のいずれか１つに記載のシステム。
【００１５】
９．水素が濃縮された前記ガスが、水素をさらに濃縮するための分離膜方式もしくはＰＳＡ方式の他の水素分離手段に供給されるように構成されている、上記１〜８のいずれか１つに記載のシステム。
【００１６】
１０．前記元燃料ガスが水素ＰＳＡ装置のオフガスである、上記１〜９のいずれか１つに記載のシステム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、元燃料ガスからエネルギー効率良く水素を分離することが可能な水素分離システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態の水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のシステムの構成の一部を変更した例を示す図である。
【図３】第２の実施形態の水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【図４】第３の実施形態の水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【図５Ａ】本発明の他の例による水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】本発明のさらに他の例による水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の別の例による水素分離システムの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１の水素分離システムは、供給ライン２１を介して供給された元燃料ガスから水素を分離する水素分離装置１１と、水素分離装置１１によって水素量が低減された燃料ガスを燃料として利用するガス利用装置１５とを備えている。
【００２１】
供給ライン２１から供給される元燃料ガスとしては、限定されるものではないが、例えば化学プロセスにおいて排出される排ガスや、石炭ガス、石油精製オフガス、天然ガス、改質ガス、またはコークス炉ガス（ＣＯＧ）などを利用することができる。また、元燃料ガスは、不図示の水素ＰＳＡ装置から排出されたオフガスであってもよい。元燃料ガスの供給圧力は大気圧以上であればよいが、元燃料ガスを昇圧させる必要がある場合には、例えば図２に示すように供給ライン２１に昇圧装置１９を設けてもよい。昇圧装置１９としては、ブロアやガス圧縮機などが挙げられる。
【００２２】
水素分離装置１１は、一次側（原料供給側）と二次側（水素濃縮側）との圧力差の大きさに応じて分離性能が変わる分離方式のものであり、例えば、分離膜方式またはＰＳＡ方式のものを利用することができる。これらの水素分離装置では一般に、圧力差が大きいほど分離性能が向上し、より多量の水素が分離されることとなる。
【００２３】
水素分離装置１１からは２本のライン２２ａ、２２ｂが引き出されており、一次側ライン２２ａは水素が分離される側（すなわち水素量が低減された燃料ガスが排出される側）のラインであり、二次側ライン２２ｂは水素が濃縮される側のラインである。一次側ライン２２ａは燃料ガスをガス利用装置１５に供給するように構成され、二次側ライン２２ｂにはガスの減圧装置１３（詳細下記）が設けられている。
【００２４】
水素分離装置１１が分離膜方式の場合、例えば中空糸膜を利用した分離膜モジュールを利用してもよい。この場合、分離膜モジュールは、いわゆるボアフィードタイプとシェルフィードタイプのいずれであっても構わない。ガス分離膜モジュールそのものの構成は従来公知であるが、例えば、数百本から数十万本からなる中空糸膜の束（中空糸束）と、それを収容する容器と、中空糸束の両端部に形成された管板等を備えるものであってもよい。ボアフィードタイプの場合、各中空糸膜の一方の開口部から元燃料ガスが膜内に送り込まれ（膜の内側が一次側）、元燃料ガス中の水素が選択的に膜を透過して透過側（二次側）に導出される。これにより、元燃料ガス中から水素が分離され、水素が分離された燃料ガスが一次側ライン２２ａを介してガス利用装置１５へと供給され、水素が濃縮されたガスが二次側ライン２２ｂを介して取り出される。
【００２５】
中空糸としては、厚みが薄く径が小さいものを利用可能であり、この場合、小型装置でも高膜面積にすることができ分離効率を高めることができる。中空糸は、限定されるものではないが、その膜厚は１０〜５００μｍで外径は５０〜２０００μｍ程度ものであってもよい。ガス分離膜は、均質性でもよく、複合膜や非対称膜などの不均一性でもよく、また微多孔性でも非多孔性でもよい。ガス分離膜は、例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、シリコーン樹脂、セルロース系ポリマーなどのポリマー材料、ゼオライトなどのセラミックス材料などで形成されたものを挙げることができる。ポリイミドで形成されたガス分離膜としては、例えば、芳香族ポリイミド中空糸分離膜が好ましく、芳香族ポリイミド非対称中空糸分離膜がより好ましい。中空糸束の形態としては、平行配列、交叉配列、織物状、スパイラル状などが挙げられる。また中空糸束は略中心部に芯管を備えていてもよいし、中空糸束の外周部にフィルムが巻き付けられていてもよい。また、中空糸束は、円柱状、平板状、角柱状等の形態としてもよい。また、中空糸束は、ストレートの形態に限らず、Ｕ字状に折り曲げた形態、スパイラル状に巻かれた形態などであってもよい。
【００２６】
ガス利用装置１５は、炭化水素系の燃料ガスを用いるものであればどのようなものであってもよく、一例としてガスエンジンやバーナーなどが挙げられる。ガスエンジンとしては、例えば発電用に用いられるものであってもよい。
【００２７】
減圧装置１３は、二次側のガスを減圧する機能を有するものであればどのようなものであってもよく、具体的には、ブロア、エゼクターや真空ポンプなどを利用してもよい。また、減圧性能は、二次側のガスを０．５〜１気圧、好ましくは０．６〜０．９５気圧、さらに好ましくは０．７〜０．９気圧程度減圧するものであることが望ましい。減圧装置１３としては、単にオン／オフが切り替えられるもの、減圧レベルを複数段階で変更可能なもの、および無段階的に任意の減圧レベルを設定できるもののいずれであってもよい。
【００２８】
上述のように構成された本実施形態の水素分離システムの動作について、以下、説明する。
【００２９】
この水素分離システムにおいては、供給ライン２１を介して元燃料ガスを水素分離装置１１に供給しつつ、減圧装置１３を駆動させて二次側を減圧させながら水素分離を行う。一例として、減圧装置１３の駆動を開始して所定時間経過後、二次側ライン２２ｂ内が十分に減圧された状態で、元燃料ガスの供給を開始するようにしてもよい。
【００３０】
減圧装置１３によって二次側を減圧することにより水素分離装置１１の供給側と二次側との圧力差が生じ、これにより水素分離が開始され、一次側ライン２２ａから燃料ガスが取り出され、二次側ライン２２ｂから濃縮された水素ガスが取り出される。燃料ガスの水素濃度は適宜変更可能であるが、好ましくは１０ｍｏｌ％以下、より好ましくは５ｍｏｌ％以下、さらに好ましくは２ｍｏｌ％以下であってもよい。
【００３１】
仮に減圧装置１３がない場合、元燃料ガス全体を昇圧させて水素分離装置１１に供給する必要があるが、この場合、水素分離装置１１での水素分離は問題なく行われるものの、同装置１１から取り出される一次側の燃料ガスが必要以上に高圧となり、場合によっては、一次側の燃料ガスの圧力を下げるプロセスが別途必要になるおそれもある。これに対して本実施形態の構成によれば、二次側を減圧装置１３で減圧することで水素分離装置の圧力差を確保するものであるため（図２の構成においては供給側の昇圧装置１９を併用してもよい）、元燃料ガスを過度に昇圧させる必要がなく、無駄なエネルギー消費を抑え、効率的に水素分離を実施することが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の構成は、元燃料ガスを昇圧させることなく水素分離を行うこともできるので、圧力が比較的低い元燃料ガスを用いる場合に特に好適である。
【００３３】
［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態の水素分離システムの構成を模式的に示す図である。図３では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１、図２と同一の符号が付されている。
【００３４】
図３のシステムは、上記実施形態と同様、水素分離装置１１、減圧装置１３、およびガス利用装置１５を備え、さらに、一次側ライン２２ａに燃料ガス中の水素濃度を検出するための水素濃度センサ１６が設けられている。水素濃度センサ１６としては、ガス中の水素濃度（水素量）を検出できるものであればどのような方式のものであってよい。
【００３５】
図３のシステムは、コントローラ３０を備えており、このコントローラ３０は水素濃度センサ１６による検出結果に基づいて、減圧装置１３の動作を調整するように構成されている。すなわち、コントローラ３０は、水素濃度センサ１６の検出結果に基き、燃料ガス中の水素濃度が所定の上限値を超えているか否かの判定を行い、超えていると判定した場合には、減圧装置１３の出力を高めて減圧度を増加させる制御を行う。これにより、二次側の減圧度が増加（圧力が低下）して水素分離装置１１の圧力差がより大きくなり、その結果、元燃料ガスからより多くの水素が分離される。これにより、一次側から取り出される燃料ガス中の水素量を低減させることができる。
【００３６】
上記動作を終了するトリガは特に限定されるものではなく、例えば、一定時間経過後に減圧装置１３が通常時運転に戻るように構成されていてもよい。あるいは、水素濃度センサ１６の検出結果を利用して燃料ガス中の水素濃度が所定の範囲内まで下がったと判定した場合に、減圧装置１３が通常運転に戻るように構成されていてもよい。
【００３７】
本実施形態の構成によれば、水素濃度センサ１６によって燃焼ガス内の水素濃度を検出し、その検出結果に基づいて減圧装置１３による減圧度を調整することが可能である。したがって、第１の実施形態の作用効果に加え、ガス利用装置１５に供給される燃料ガス中の水素濃度をより正確に制御することが可能となる。
【００３８】
［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態の水素分離システムの構成を模式的に示す図である。図４では、上記実施形態と同一機能の構造部には図１〜図３と同一の符号が付されている。
【００３９】
図４のシステムは、水素分離装置１１、減圧装置１３、ガス利用装置１５、および水素濃度センサ１６等を備えている点で上記図３の構成と同様である。ただし、二次側ライン２２ｂの減圧装置１３の上流側に追加ライン２２ｃが接続されており、二次側ライン２２ｂが途中で二股に分岐した状態となっている。追加ライン２２ｃは、減圧装置１３の下流側において二次側ライン２２ｂに再び接続されており、ループ状の構成となっている。追加ライン２２ｃには、コントローラ３０からの制御によって開閉を調整することができる調整バルブ１７が設けられている。調整バルブ１７は、追加ライン２２ｃの開閉を切り替えるものであってもよいし、流路の開度を段階的に切り替えるものであってもよい。このように構成された図４のシステムではいわゆるスピルバック方式でのガス流量の調整が可能となる。
【００４０】
一例として、減圧装置１３の動作は一定としたまま、調整バルブ１７の開閉を調整することによって二次側ライン２２ｂ内の圧力の変更を行うことができる。すなわち、通常動作時においては、減圧装置１３をやや高出力で連続的に動作させ、一方で調整バルブ１７を開ける。これにより、二次側ライン２２ｂの減圧度が緩和され、所定の減圧度となる。
【００４１】
次いで、コントローラ３０が、水素濃度センサ１６の検出結果に基づき燃料ガス中の水素濃度が所定の上限値を超えていると判定した場合には、調整バルブ１７を閉じる制御を行う。これにより、追加ライン２２ｃが閉塞され、２次側ライン２２ｂ内の減圧度が上昇することとなるので、水素分離装置１１で分離される水素量が増加し、その結果、一次側から取り出される燃料ガス中の水素量がより低減される。
【００４２】
上記動作を終了するトリガは特に限定されるものではなく、上記同様、一定時間経過後に調整バルブ１７が開弁状態に戻る構成であってもよいし、あるいは、水素濃度センサ１６の検出結果に基づきコントローラ３０によって調整バルブ１７が開弁状態に戻される構成であってもよい。
【００４３】
システムによっては、減圧装置１３の動作を細かく制御することが困難であったり、効率的でなかったりすることが想定されるが、本実施形態によれば、減圧装置１３は連続的に動作させつつ、調整バルブ１７の方を駆動させることで二次側ライン２２ｂの減圧度を変更することが可能となる。
【００４４】
なお、図４の構成においては、調整バルブ１７および減圧装置１３のいずれか一方のみではなく、それら両方をコントローラ３０で制御するようにしてもよい。
【００４５】
以上、本発明について幾つかの実施形態を例に挙げて説明したが、本発明は上記に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば、図５Ａは、図４の構成において、水素分離装置として分離膜モジュール１１Ａを用いたものを示している。当然ながら、図１〜図４のシステムにおいても分離膜モジュールは使用可能である。
【００４６】
図５Ｂは、基本的には図４、図５Ａの構成と類似するが、分離膜モジュール１１Ａの上流に接続される供給ライン２１に昇圧装置１９が設けられている点で相違する。このように、図２に示したような昇圧装置１９を、図３、図４、図５Ａに示したようなシステムにおいて使用することも可能である。
【００４７】
図６は、図１のシステムの二次側ライン２２ｂにさらに水素分離装置１１−２を追加した例である。このように、１つ目の水素分離装置１１−１を通過して水素が濃縮されたガスが、さらに他の水素分離装置１１−２に供給されるように構成されていてもよい。この水素分離装置１１−２としては、上記同様、分離膜方式のものであってもよいし、ＰＳＡ方式のものであってもよい。また、２つの水素分離装置１１−１、１１−２が同じ方式であってもよいし、１つ目がＰＳＡ方式で２つ目が分離膜方式であってもよいし、逆に、１つ目が分離膜方式で２つ目がＰＳＡ方式であってもよい。
【００４８】
なお、図４、図５Ａ、図５Ｂではスピルバック方式の構成について例示したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、追加ライン２２ｃの末端側が窒素供給源（不図示）に接続され、該ライン２２ｃを介して窒素が供給される構成としてもよい。もっとも、図４、図５Ａ、図５Ｂのような構成によれば、二次側ライン２２ｂの水素ガス濃度の低下を防止できるため、例えば図６のように水素ガスを２つ目の水素分離装置１１−２で利用する場合等に好適である。
【符号の説明】
【００４９】
１１、１１−１、１１−２  水素分離装置
１１Ａ  分離膜モジュール
１３  減圧装置
１５  ガス利用装置
１６  水素濃度センサ
１７  調整バルブ
１９  昇圧装置
２１  供給ライン
２２ａ  一次側ライン
２２ｂ  二次側ライン
２２ｃ  追加ライン
３０  コントローラ
【図１】
0005970860.tif 000002
【図２】
0005970860.tif 000003
【図３】
0005970860.tif 000004
【図４】
0005970860.tif 000005
【図５Ａ】
0005970860.tif 000006
【図５Ｂ】
0005970860.tif 000007
【図６】
0005970860.tif 000008