(57)【要約】【課題】水素精製部で精製された精製ガスの水素の純度の低下を抑制することができる。【解決手段】水素供給システム１００では、流路切替部２０が、当該流路切替部２０よりも下流側へガスを流すラインＬ３ｂと、流路切替部２０よりも上流側へガスを流すラインＬ１１との間でガスの流れを切り替えることができる。従って、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行する状態である場合、流路切替部２０は、ガスの流れをラインＬ３ｂに切り替えることによって、外部へ高純度水素を供給するための流れを形成することができる。一方、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行しない状態である場合、流路切替部２０は、ガスの流れをラインＬ１１に切り替えることによって、ガスが下流側へ流れないようにすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素の供給を行う水素供給システムであって、
原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る脱水素反応部と、
前記水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、
前記気液分離部で分離された前記水素含有ガスから前記脱水素生成物を除去し、精製ガスを得る水素精製部と、
少なくとも前記脱水素反応部の下流側に配置され、第１の流路と第２の流路との間でガスの流れを切り替える流路切替部と、を備え、
前記第１の流路は、前記流路切替部よりも下流側へ前記ガスを流し、
前記第２の流路は、前記流路切替部よりも上流側へ前記ガスを流す、水素供給システム。
【請求項２】
前記流路切替部は、前記脱水素反応部と前記気液分離部との間に配置される、請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
前記流路切替部は、前記気液分離部と前記水素精製部との間に配置される、請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項４】
前記流路切替部は、前記水素精製部の下流側に配置される、請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項５】
前記第２の流路は、前記原料を貯蔵する貯蔵部と、前記脱水素反応部との間に前記ガスを還流させる、請求項１〜４の何れか一項に記載の水素供給システム。
【請求項６】
前記第２の流路は、前記水素精製部から排出されるオフガスを前記水素精製部よりも上流側へ還流させるリサイクルラインへ、前記ガスを還流させる、請求項１〜４の何れか一項に記載の水素供給システム。
【請求項７】
前記第２の流路は、前記脱水素反応部、及び前記脱水素反応部へ供給される前記原料の少なくとも一方へ熱を供給する加熱部へ、前記ガスを供給する、請求項１〜４の何れか一項に記載の水素供給システム。
【請求項８】
前記流路切替部は、
当該流路切替部へ流れる前記ガスの水素濃度、前記脱水素反応部の温度、前記脱水素反応部の圧力、及び前記脱水素反応部への加熱量の少なくとも一つに応じて、前記第１の流路への前記ガスの供給量を制御する、請求項１〜７の何れか一項に記載の水素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素の供給を行う水素供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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脱水素反応器と、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精製する水素精製器と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３２６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述の水素供給システムでは、例えば起動時や停止時等の非定常時において、脱水素反応器での脱水素反応が安定的に進行しない場合があった。このように、脱水素反応器における脱水素反応が安定的に進行しない場合、水素発生量が少なくなり、当該脱水素反応器より下流側には、定常時よりも多くの未反応の原料及び脱水素生成物を含むガスが流れる。この場合、水素精製部で精製された精製ガスの水素の純度が低下する可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、水素精製部で精製された精製ガスの水素の純度の低下を抑制することができる水素供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る水素供給システムは、水素の供給を行う水素供給システムであって、原料を脱水素反応させることによって水素含有ガスを得る脱水素反応部と、水素含有ガスから脱水素生成物を分離する気液分離部と、気液分離部で分離された水素含有ガスから脱水素生成物を除去し、精製ガスを得る水素精製部と、少なくとも脱水素反応部の下流側に配置され、第１の流路と第２の流路との間でガスの流れを切り替える流路切替部と、を備え、第１の流路は、流路切替部よりも下流側へ前記ガスを流し、第２の流路は、流路切替部よりも上流側へガスを流す。
【０００７】
本発明に係る水素供給システムでは、流路切替部が、当該流路切替部よりも下流側へガスを流す第１の流路と、流路切替部よりも上流側へガスを流す第２の流路との間でガスの流れを切り替えることができる。従って、脱水素反応部における脱水素反応が安定的に進行する状態である場合、流路切替部は、ガスの流れを第１の流路に切り替えることによって、外部へ高純度水素を供給するための流れを形成することができる。一方、脱水素反応部における脱水素反応が安定的に進行しない状態である場合、流路切替部は、ガスの流れを第２の流路に切り替えることによって、ガスが下流側へ流れないようにすることができる。すなわち、脱水素反応が不十分であることによってガスに脱水素生成物が多く含まれる場合であっても、水素の純度が低い精製ガスが外部に供給されることを抑制できる。以上によって、水素精製部で精製された精製ガスの水素の純度の低下を抑制することができる。
【０００８】
本発明に係る水素供給システムにおいて、流路切替部は、脱水素反応部と気液分離部との間に配置されてよい。これによって、脱水素反応部から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれる場合であっても、流路切替部が、脱水素反応部と気液分離部との間にて、ガスの流れを第２の流路へ切り替えることによって、多くの未反応の原料が気液分離部にて分離されて廃棄されることを抑制することができる。
【０００９】
本発明に係る水素供給システムにおいて、流路切替部は、気液分離部と水素精製部との間に配置されてよい。これによって、脱水素反応部から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれ、気液分離部から排出されるガスに脱水素生成物が規定量より多く含まれる場合であっても、流路切替部が、気液分離部と水素精製部との間にて、ガスの流れを第２の流路へ切り替える。これによって、規定量より多くの脱水素生成物を含むガスが水素精製部へ供給されることを抑制できる。これによって、水素精製部の寿命が低下することを抑制できる。
【００１０】
本発明に係る水素供給システムにおいて、流路切替部は、水素精製部の下流側に配置される。脱水素反応部から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれ、気液分離部から排出されるガスに脱水素生成物が規定量より多く含まれる場合、水素精製部で精製された高純度水素の純度が基準よりも低くなる。この場合、流路切替部が、水素精製部の下流側にて、ガスの流れを第２の流路へ切り替えることによって、純度の低い高純度水素が外部へ供給されることを抑制することができる。
【００１１】
本発明に係る水素供給システムにおいて、第２の流路は、原料を貯蔵する貯蔵部と脱水素反応部との間にガスを還流させてよい。これによって、第２の流路を流れてきたガスを脱水素反応部に供給できる。また、第２の流路は、水素精製部から排出されるオフガスを水素精製部よりも上流側へ還流させるリサイクルラインへガスを還流させてよい。これによって、第２の流路を流れてきたガスをオフガスと共に脱水素反応部へ供給できる。また、第２の流路は、脱水素反応部、及び脱水素反応部へ供給される原料の少なくとも一方へ熱を供給する加熱部へガスを供給してよい。これによって、第２の流路を流れてきたガスを加熱部での燃料として用いることができる。
【００１２】
本発明に係る水素供給システムにおいて、流路切替部は、当該流路切替部へ流れるガスの水素濃度、脱水素反応部の温度、脱水素反応部の圧力、及び脱水素反応部への加熱量の少なくとも一つに応じて、第１の流路へのガスの供給量を制御してよい。これによって、流路切替部は、適切なタイミングで流路の切り替えを行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素精製部で精製された精製ガスの水素の純度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態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。
【図２】図１の水素供給システムの構成を示すブロック図であって、（ａ）は定常時におけるガスの流れを示し、（ｂ）は非定常時におけるガスの流れを示す。
【図３】変形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って、（ａ）は定常時におけるガスの流れを示し、（ｂ）は非定常時におけるガスの流れを示す。
【図４】変形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って、（ａ）は定常時におけるガスの流れを示し、（ｂ）は非定常時におけるガスの流れを示す。
【図５】従来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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態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。本実施形態に係る水素供給システム１００は、有機化合物（常温で液体）を原料とするものである。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（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）。水素供給システム１００は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）や水素エンジン車に水素を供給することができる。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。
【００１７】
本実施形態では、水素供給システム１００として、ＦＣＶ１０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、本実施形態に係る水素供給システム１００は、ＭＣＨタンク（貯蔵部）１、気化器２、脱水素反応器（脱水素反応部）３、気液分離器（気液分離部）４、トルエンタンク５、水素精製器（水素精製部）６、圧縮機７、蓄圧器８、ディスペンサ９、熱源（加熱部）１１、冷熱源１２，１３、及び流路切替部２０を備えている。また、水素供給システム１００は、ラインＬ１〜Ｌ９を備えている。なお、本実施形態では、原料としてＭＣＨを採用し、水素精製の過程で除去される脱水素生成物がトルエンである場合を例として説明する。なお、実際には、トルエンのみならず、未反応のＭＣＨと少量の副生成物及び不純物も存在するが、本実施形態中では、トルエンに混じって当該トルエンと同じ挙動を示す。従って、以下の説明において、「トルエン」と称して説明するものには、未反応のＭＣＨや副生成物も含むものとする。
【００１８】
ラインＬ１〜Ｌ９は、ＭＣＨ、トルエン、水素含有ガス、オフガス、または高純度水素が通過する流路である。ラインＬ１は、ＭＣＨタンク１と気化器２とを接続する。ラインＬ２は、気化器２と脱水素反応器３とを接続する。ラインＬ３は、流路切替部２０を介して脱水素反応器３と気液分離器４とを接続する。なお、流路切替部２０の詳細については後述する。ラインＬ４は、気液分離器４と水素精製器６とを接続する。ラインＬ５は、気液分離器４とトルエンタンク５とを接続する。ラインＬ６は、水素精製器６と圧縮機７とを接続する。ラインＬ７は、水素精製器６と気化器２とを接続する。ラインＬ７は、水素精製器６から排出されるオフガスを脱水素反応器３よりも上流側へ還流させるリサイクルラインとして機能する。以下の説明においては、ラインＬ７を「リサイクルラインＬ７」と称して説明する。ラインＬ８は、圧縮機７と蓄圧器８とを接続する。ラインＬ９は、蓄圧器８とディスペンサ９とを接続する。
【００１９】
ＭＣＨタンク１は、原料となるＭＣＨを貯留するタンクである。外部からタンクローリーなどで輸送されたＭＣＨは、ＭＣＨタンク１にて貯留される。ＭＣＨタンク１に貯留されているＭＣＨは、圧縮機（不図示）によってラインＬ１を介して気化器２へ供給される。
【００２０】
気化器２は、インジェクタなどを介してＭＣＨタンク１から供給されたＭＣＨを気化する機器である。気化されたＭＣＨは、リサイクルラインＬ７を介して水素精製器６から供給されたオフガスと併せて、ラインＬ２を介して脱水素反応器３へ供給される。
【００２１】
脱水素反応器３は、ＭＣＨを脱水素反応させることによって水素を得る機器である。すなわち、脱水素反応器３は、脱水素触媒を用いた脱水素反応によってＭＣＨから水素を取り出す機器である。有機ハイドライドの反応は可逆反応であり、反応条件（温度、圧力）によって反応の方向が変わる（化学平衡の制約を受ける）。一方、脱水素反応は、常に吸熱反応で分子数が増える反応である。従って、高温、低圧の条件が有利である。脱水素反応は吸熱反応であるため、脱水素反応器３は熱源１１から熱媒体を介して熱を供給される。脱水素反応器３は、脱水素触媒中を流れるＭＣＨと熱源１１からの熱媒体との間で熱交換可能な機構を有している。熱源１１は、脱水素反応器３を加熱することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、熱源１１は、脱水素反応器３を直接加熱するものであってもよく、例えば気化器２やラインＬ１，Ｌ２を加熱することによって脱水素反応器３に供給されるＭＣＨを加熱してもよい。また、熱源１１は、脱水素反応器３と、脱水素反応器３へ供給されるＭＣＨの両方を加熱してもよい。例えば、熱源１１としてバーナーやエンジンを採用することができる。脱水素反応器３で取り出された水素含有ガスは、ラインＬ３を介して気液分離器４へ供給される。ラインＬ３の水素含有ガスは、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４へ供給される。
【００２２】
気液分離器４は、水素含有ガスからトルエンを分離するタンクである。気液分離器４は、混合物としてトルエンを含む水素含有ガスを貯留することによって、気体である水素と液体であるトルエンとを気液分離する。気液分離器４は、冷熱源１２からの冷却媒体によって冷却される。気液分離器４は、気液分離器４中の水素含有ガスと冷熱源１２からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源１２は気液分離器４を冷却することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、冷熱源１２としてチラー等の冷却器を採用することができる。気液分離器４で分離されたトルエンは、ラインＬ５を介してトルエンタンク５へ供給される。気液分離器４で分離された水素含有ガスは、ラインＬ４を介して水素精製器６へ供給される。なお、水素含有ガスを冷やすと当該ガスの一部（トルエン）は液化し、気液分離器４によって、液化しないガス（水素）と分離することができる。ガスを低温とした方が、分離の効率は良くなり、圧力を上げると更に、トルエンの液化が進む。
【００２３】
トルエンタンク５は、気液分離器４で分離された液体のトルエンを貯留するタンクである。トルエンタンク５に貯留されたトルエンは、回収して利用することが可能である。
【００２４】
水素精製器６は、脱水素反応器３で得られると共に気液分離器４で気液分離された水素含有ガスから、脱水素生成物（本実施形態ではトルエン）を除去する。これによって、水素精製器６は、当該水素含有ガスを精製して高純度水素（精製ガス）を得る。得られた高純度水素は、ラインＬ６へ供給され、水素及び脱水素生成物を含むオフガスは、リサイクルラインＬ７へ排出される。リサイクルラインＬ７へ供給されたオフガスは、図示されない圧縮機を介して気化器２へ供給され、ラインＬ２を介して脱水素反応器３へ供給される。
【００２５】
水素精製器６は、採用する水素精製方法によって異なるが、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、水素分離膜を備える水素分離装置であり、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法又はＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法を用いる場合には、不純物を吸着する吸着材を格納する吸着塔を複数備えた吸着除去装置である。
【００２６】
水素精製器６が膜分離を用いる場合について説明する。この方法では、所定温度に加熱された膜に、圧縮機（不図示）によって所定圧力に加圧された水素含有ガスを透過させることによって、脱水素生成物を除去し、高純度の水素ガス（精製ガス）を得ることができる。膜を透過した透過ガスの圧力は、膜を透過する前の圧力と比べて低下する。一方、膜を透過しなかった非透過ガスの圧力は、膜を透過する前の所定圧力と略同一である。このとき、膜を透過しなかった非透過ガスが、水素精製器６のオフガスに該当する。
【００２７】
水素精製器６に適用される膜の種類は特に限定されず、多孔質膜（分子流によって分離するもの、表面拡散流によって分離するもの、毛管凝縮作用によって分離するもの、分子ふるい作用によって分離するものなど）や、非多孔質膜を適用することができる。水素精製器６に適用される膜として、例えば、金属膜（ＰｂＡｇ系、ＰｄＣｕ系、Ｎｂ系など）、ゼオライト膜、無機膜（シリカ膜、カーボン膜など）、高分子膜（ポリイミド膜など）を採用することができる。
【００２８】
膜分離による水素精製器６の水素回収率は、７０〜９０％である。水素精製器６で用いられる膜の「水素／トルエン」の分離係数は、１０００以上であることが好ましく、１００００以上であることがより好ましい。
【００２９】
水素精製器６の除去方法として、ＰＳＡ法を採用する場合について説明する。ＰＳＡ法で用いられる吸着材は、高圧下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、低圧下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。ＰＳＡ法は、吸着材のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を高圧にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去し、高純度の水素ガス（精製ガス）を得る。吸着により吸着塔内の吸着材の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を低圧にすることにより、吸着材に吸着したトルエンを脱着し、併せて除去した精製ガスの一部を逆流させることにより当該脱着されたトルエンを吸着塔内から除去することで、吸着材の吸着機能を再生する（このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器６からのオフガスに該当する）。
【００３０】
吸着塔内の圧力の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたバルブを閉めるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着材の吸着機能が低下した吸着塔については、減圧により吸着材を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、加圧により水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての吸着材再生が完了したら、当該吸着塔については、加圧によりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、減圧により吸着材の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム１００全体として、連続的に高純度水素とオフガスとを得ることができる。水素精製器６がＰＳＡ法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約６０〜９０％である。
【００３１】
水素精製器６の除去方法として、ＴＳＡ法を採用する場合について説明する。ＴＳＡ法で用いられる吸着材は、常温下では水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着し、高温下では吸着したトルエンを脱着する性質を持つ。ＴＳＡ法は、吸着材のこのような性質を利用するものである。すなわち、吸着塔内を常温にすることにより、水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去し、高純度の水素ガス（高純度水素）を得る。吸着により吸着塔内の吸着材の吸着機能が低下した場合には、吸着塔内を高温にすることにより、吸着材に吸着したトルエンを脱着し、併せて除去した高純度水素の一部を逆流させることにより当該脱着されたトルエンを吸着塔内から除去することで、吸着材の吸着機能を再生する（このとき、トルエンを吸着塔内から除去することで排出される少なくとも水素とトルエンを含む水素含有ガスが、水素精製器６からのオフガスに該当する）。
【００３２】
吸着塔内の温度の調整方法は特に限定されないが、例えば、吸着塔毎に備えられたヒータのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるなどの操作により、吸着塔毎に調節することができる。従って、吸着材の吸着機能が低下した吸着塔については、高温にすることにより吸着材を再生させるとともにオフガスを排出する。一方、残りの吸着塔については、常温に保つことにより水素含有ガスに含まれるトルエンを吸着材に吸着させて除去するとともに高純度水素を得る。再生中の吸着塔についての吸着材再生が完了したら、当該吸着塔については、吸着塔内を常温に保つことによりトルエンの除去を開始するとともに高純度水素を得る。一方、トルエンの除去を行っていた吸着塔の全部または一部については、吸着塔内を高温にすることにより吸着材の再生を開始するとともにオフガスを排出する。このように、再生を行う吸着塔とトルエンの除去を行う吸着塔の切り替えを繰り返し行うことで、水素供給システム１００全体として、連続的に高純度水素とオフガスとを得ることができる。水素精製器６がＴＳＡ法を採用する場合の水素回収率は、吸着塔の数によるが、約６０〜９０％である。
【００３３】
圧縮機７は、水素精製器６で得られた高純度水素を高圧状態とする。圧縮機７は、例えば、２０〜９０ＭＰａの圧力で高純度水素を高圧状態とする。圧縮機７は、高純度水素をＦＣＶ１０へ供給可能とするために高圧状態にした上で、ラインＬ８を介して蓄圧器８へ供給する。なお、目的とする圧力に応じて、圧縮を行う圧縮ユニットを複数備え、段階的に圧縮を行う構成としてもよい。
【００３４】
蓄圧器８は、高純度水素を高圧状態のまま蓄える。蓄圧器８で蓄えられた高純度水素は、ラインＬ９を介して、ディスペンサ９によってＦＣＶ１０に供給される。蓄圧器８により、水素供給システム１００内にある程度の量の高純度水素を蓄えておくことができるため、ＦＣＶ１０へ水素を安定供給することが可能となる。ただし、蓄圧器８は、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。ラインＬ９を通過する高純度水素は、冷熱源１３からの冷却媒体によって冷却される。ラインＬ９は、当該ラインＬ９を流れる高純度水素と冷熱源１３からの冷却媒体との間で熱交換可能な機構を有している。冷熱源１３はラインＬ９を流れる高純度水素を冷却することができるものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、冷熱源１３としてチラー等の冷却器を採用することができる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る水素供給システム１００の要部について説明する。水素供給システム１００は、ラインＬ３に流路切替部２０を備えている。流路切替部２０は、少なくとも脱水素反応器３の下流側、具体的には脱水素反応器３と気液分離器４との間に配置される。ここで、ラインＬ３は、脱水素反応器３と流路切替部２０とを接続するラインＬ３ａと、流路切替部２０と気液分離器４とを接続するラインＬ３ｂとを備えている。ここで、ラインＬ３ｂは、流路切替部２０よりも下流側へガス（ここでは脱水素反応器３から排出される水素含有ガス）を流す「第１の流路」に該当する。また、流路切替部２０は、ラインＬ１１（第２の流路）を介してリサイクルラインＬ７と接続される。ラインＬ１１は、流路切替部２０よりも上流側へガスを流す「第２の流路」に該当する。流路切替部２０は、ラインＬ３ｂ（第１の流路）とラインＬ１１（第２の流路）との間でガスの流れを切り替える。なお、リサイクルラインＬ７を流れるオフガスは、高純度水素のように精製ガスとして回収されるものではなく、脱水素反応器３へ流れて脱水素反応が行われる原料と同等と考えることができる。従って、水素精製器６は流路切替部２０よりも下流側の構成要素と見なす一方、リサイクルラインＬ７は流路切替部２０よりも上流側の構成要素と見なすことができる。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、流路切替部２０は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができる定常時において、ガスを流す流路をラインＬ３ｂに切り替える。定常時とは、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行する時であり、規定量の水素発生量を得ることができ、当該脱水素反応器３より下流側に、規定量の脱水素生成物を含むガスが流れる時である。この場合、流路切替部２０が流路をラインＬ３ｂに設定しているため、脱水素反応器３から排出された水素含有ガスは、ラインＬ３ａ及びラインＬ３ｂを流れて、流路切替部２０の下流側に配置される気液分離器４へ供給される。
【００３７】
また、図２（ｂ）に示すように、流路切替部２０は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができない非定常時において、ガスを流す流路をラインＬ１１に切り替える。非定常時とは、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行しない時であり、水素発生量が少なくなり、当該脱水素反応器３より下流側に、定常時よりも多くの脱水素生成物を含むガスが流れる時である。非定常時とは、例えば水素供給システム１００の起動時や、システム停止時や、要求水素量変動時などが挙げられる。この場合、流路切替部２０が流路をラインＬ１１に設定しているため、脱水素反応器３から排出された水素含有ガスは、ラインＬ３ａ、ラインＬ１１及びリサイクルラインＬ７を流れて、流路切替部２０の上流側に配置される気化器２へ供給され、気化されたＭＣＨと共に脱水素反応器３へ供給される。なお、脱水素反応器３の脱水素反応が安定したタイミングで、流路切替部２０は、流路をラインＬ１１からラインＬ３ｂへ切り替えてよい。
【００３８】
流路切替部２０は、ラインＬ３ａから流れてきたガスの全量をラインＬ１１に流している状態から、ガスの一部をラインＬ１１に流すと共に一部をラインＬ３ｂへ流す状態にしてよく、ガスの全量をラインＬ３ｂへ流す状態にするように制御してよい。このとき、流路切替部２０は、当該流路切替部２０へ流れるガスの水素濃度、脱水素反応器３の温度、脱水素反応器３の圧力、脱水素反応器３への加熱量の少なくとも一つに応じて、ラインＬ３ａへのガスの供給量を制御してよい。すなわち、これらのパラメータに基づいて、水素供給システム１００が非定常状態から定常状態へ切り替わったと判定でき、定常状態から非定常状態へ切り替わったと判定できる。水素濃度に応じてラインＬ３ｂのガスの供給量を制御する場合、流路切替部２０は、水素濃度が所定の閾値よりも低い状態ではラインＬ１１へガスを全量流してよい。また、流路切替部２０は、水素濃度が高くになるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を増加させ、あるいは、水素濃度が低くなるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を減少させてよい。流路切替部２０は、水素濃度が所定の閾値よりも高くなった状態ではラインＬ３ｂへガスを全量流してよい。脱水素反応器３の温度に応じてラインＬ３ｂのガスの供給量を制御する場合、流路切替部２０は、脱水素反応器３の温度が所定の閾値よりも低い状態ではラインＬ１１へガスを全量流してよい。また、流路切替部２０は、脱水素反応器３の温度が高くになるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を増加させ、あるいは、脱水素反応器３の温度が低くなるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を減少させてよい。流路切替部２０は、脱水素反応器３の温度が所定の閾値よりも高くなった状態ではラインＬ３ｂへガスを全量流してよい。脱水素反応器３の圧力に応じてラインＬ３ｂのガスの供給量を制御する場合、流路切替部２０は、脱水素反応器３の圧力が所定の閾値よりも低い状態ではラインＬ１１へガスを全量流してよい。また、流路切替部２０は、脱水素反応器３の圧力が高くになるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を増加させ、あるいは、脱水素反応器３の圧力が低くなるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を減少させてよい。流路切替部２０は、脱水素反応器３の圧力が所定の閾値よりも高くなった状態ではラインＬ３ｂへガスを全量流してよい。脱水素反応器３への加熱量に応じてラインＬ３ｂのガスの供給量を制御する場合、流路切替部２０は、熱源１１による加熱量が所定の閾値よりも低い状態ではラインＬ１１へガスを全量流してよい。また、流路切替部２０は、加熱量が高くになるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を増加させ、あるいは、加熱料が低くなるに従ってラインＬ３ｂへの供給量を減少させてよい。流路切替部２０は、加熱量が所定の閾値よりも高くなった状態ではラインＬ３ｂへガスを全量流してよい。
【００３９】
次に、本実施形態に係る水素供給システム１００の作用・効果について説明する。
【００４０】
まず、図５を参照して従来の水素供給システム５０について説明する。水素供給システム５０は、本実施形態に係る水素供給システム１００のように流路切替部２０を備えていない。このような水素供給システム５０では、例えば起動時や停止時等の非定常時において、脱水素反応器３での脱水素反応が安定的に進行しない場合があった。このように、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行しない場合、水素発生量が少なくなり、当該脱水素反応器３より下流側には、定常時よりも多くの未反応の原料及び脱水素生成物を含むガスが流れる。この場合、水素精製器６で精製された高純度水素（精製ガス）の水素の純度が低下する可能性がある。
【００４１】
本実施形態に係る水素供給システム１００では、流路切替部２０が、当該流路切替部２０よりも下流側へガスを流すラインＬ３ｂと、流路切替部２０よりも上流側へガスを流すラインＬ１１との間でガスの流れを切り替えることができる。従って、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行する状態である場合、図２（ａ）に示すように流路切替部２０は、ガスの流れをラインＬ３ｂに切り替えることによって、外部へ高純度水素を供給するための流れを形成することができる。一方、脱水素反応器３における脱水素反応が安定的に進行しない状態である場合、図２（ｂ）に示すように、流路切替部２０は、ガスの流れをラインＬ１１に切り替えることによって、ガスが下流側へ流れないようにすることができる。すなわち、脱水素反応が不十分であることによってガスに未反応の原料及び脱水素生成物が多く含まれる場合であっても、当該ガスの影響によって水素の純度が低い精製ガスが外部に供給されることを抑制できる。以上によって、水素精製器６で精製された精製ガスの水素の純度の低下を抑制することができる。
【００４２】
従来の水素供給システム５０では、非定常時には脱水素反応器３から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれる場合がある。この場合、気液分離器４の液相中に未反応の材料が含まれることによって、当該原料がトルエンタンク５で回収されて破棄されることがある。一方、本実施形態に係る水素供給システム１００において、流路切替部２０は、脱水素反応器３と気液分離器４との間に配置されている。これによって、脱水素反応器３から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれる場合であっても、流路切替部２０が、脱水素反応器３と気液分離器４との間にて、ガスの流れをラインＬ１１へ切り替えることによって、多くの未反応の原料が気液分離器４にて分離されて廃棄されることを抑制することができる。
【００４３】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
例えば、上述の実施形態では、流路切替部２０でガスの流れの切り替えが行われる第２の流路（ラインＬ１１）は、リサイクルラインＬ７へガスを還流するものであった。しかし、第２の流路は、流路切替部２０の上流側へガスを流すものであれば、特に構成は限定されない。例えば、第２の流路は、気化器２と脱水素反応器３との間のラインＬ２へガスを供給してよい。また、第２の流路は、ＭＣＨタンク１と気化器２との間のラインＬ１へガスを供給してよい。あるいは、第２の流路は、ＭＣＨタンク１、気化器２、脱水素反応器３へ直接ガスを供給してよい。また、「流路切替部の上流側」とは、原料やガスの流れにおける上流側を示しているのみならず、エネルギーの流れにおける上流側も示している。具体的には、熱源１１によって供給されたエネルギーは、脱水素反応器３、流路切替部２０、気液分離器４へ流れてゆく。従って、第２の流路は、エネルギーの流れにおける上流側の構成要素である熱源１１へガスを流してもよい。ただし、第２の流路が流路切替部２０自身に接続されているラインＬ３ａにガスを供給するものである場合、ガスは循環することなく流れが止まってしまう。従って、流路切替部２０に直接接続されているラインＬ３ａは、ガスの循環の観点から見た場合、実質的に流路切替部２０の一部と見ることができる。すなわち、ここでの「流路切替部の上流側」には、流路切替部２０に直接接続されているラインＬ３ａは含まれず、少なくとも流路切替部２０の直前の構成要素である脱水素反応器３、又は当該脱水素反応器３より上流側の部分を示すものとする。
【００４５】
また、流路切替部の配置も特に限定されず、脱水素反応器３の下流側に配置されていれば特に構成は限定されない。すなわち、流路切替部は、脱水素反応器３、気液分離器４、及び水素精製器６の少なくとも一つから排出されるガスを、再循環させるものである。ここでの再循環とは、ガスを流路切替部よりも上流側へ戻すことであり、ガスのまま再循環してもよく、熱源１１に戻す場合は熱に変換されてエネルギーという形で再循環する。
【００４６】
例えば、図３に示すような水素供給システム２００を採用してもよい。水素供給システム２００において、流路切替部２１は、気液分離器４と水素精製器６との間に配置されている。ここで、ラインＬ４は、気液分離器４と流路切替部２１とを接続するラインＬ４ａと、流路切替部２１と水素精製器６とを接続するラインＬ４ｂとを備えている。ここで、ラインＬ４ｂは、流路切替部２１よりも下流側へガス（ここでは気液分離器４から排出される水素含有ガス）を流す「第１の流路」に該当する。また、流路切替部２１は、ラインＬ１２（第２の流路）を介してラインＬ２と接続される。ラインＬ１２は、流路切替部２１よりも上流側へガスを流す「第２の流路」に該当する。流路切替部２１は、ラインＬ４ｂ（第１の流路）とラインＬ１２（第２の流路）との間でガスの流れを切り替える。図３（ａ）に示すように、流路切替部２１は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができる定常時において、ガスを流す流路をラインＬ４ｂに切り替える。この場合、流路切替部２１が流路をラインＬ４ｂに設定しているため、気液分離器４から排出された水素含有ガスは、ラインＬ４ａ及びラインＬ４ｂを流れて、流路切替部２１の下流側に配置される水素精製器６へ供給される。また、図３（ｂ）に示すように、流路切替部２１は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができない非定常時において、ガスを流す流路をラインＬ１２に切り替える。この場合、流路切替部２１が流路をラインＬ１２に設定しているため、気液分離器４から排出された水素含有ガスは、ラインＬ４ａ、ラインＬ１２及びラインＬ２を流れて、流路切替部２１の上流側に配置される脱水素反応器３へ供給され、気化されたＭＣＨと共に脱水素反応器３へ供給される。なお、脱水素反応器３の脱水素反応が安定したタイミングで、流路切替部２１は、流路をラインＬ１２からラインＬ４ｂへ切り替えてよい。
【００４７】
ここで、図５に示す従来の水素供給システム５０においては、脱水素反応器３から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれ、気液分離器４から排出されるガスに脱水素生成物が規定量より多く含まれる場合、水素精製器６への負荷が大きくなることによって、当該水素精製器６の寿命が低下する可能性があった。一方、本実施形態に係る水素供給システム２００においては、脱水素反応器３から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれ、気液分離器４から排出されるガスに脱水素生成物が規定量より多く含まれる場合であっても、流路切替部２１が、気液分離器４と水素精製器６との間にて、ガスの流れをラインＬ１２へ切り替える。これによって、規定量より多くの脱水素生成物を含むガスが水素精製器６へ供給されることを抑制できる。これによって、水素精製器６の寿命が低下することを抑制できる。
【００４８】
なお、図３に示す水素供給システム２００では、流路切替部２１でガスの流れの切り替えが行われる第２の流路（ラインＬ１２）は、ラインＬ２へガスを還流するものであった。しかし、第２の流路は、流路切替部２１の上流側へガスを流すものであれば、特に構成は限定されない。例えば、第２の流路は、リサイクルラインＬ７へガスを供給してよい。また、第２の流路は、ＭＣＨタンク１と気化器２との間のラインＬ１へガスを供給してよい。また、第２の流路は、脱水素反応器３と気液分離器４との間のラインＬ３へガスを供給してよい。あるいは、第２の流路は、ＭＣＨタンク１、気化器２、脱水素反応器３、気液分離器４へ直接ガスを供給してよい。第２の流路は、エネルギーの流れにおける上流側の構成要素である熱源１１へガスを流してもよい。ただし、第２の流路が流路切替部２１自身に接続されているラインＬ４ａにガスを供給するものである場合、ガスは循環することなく流れが止まってしまう。従って、流路切替部２１に直接接続されているラインＬ４ａは、ガスの循環の観点から見た場合、実質的に流路切替部２１の一部と見ることができる。すなわち、ここでの「流路切替部の上流側」には、流路切替部２１に直接接続されているラインＬ４ａは含まれず、少なくとも流路切替部２１の直前の構成要素である気液分離器４、又は当該気液分離器４より上流側の部分を示すものとする。
【００４９】
例えば、図４に示すような水素供給システム３００を採用してもよい。水素供給システム３００において、流路切替部２２は、水素精製器６の下流側に配置されている。ここで、ラインＬ６は、水素精製器６と流路切替部２２とを接続するラインＬ６ａと、流路切替部２２と圧縮機７（図１参照）とを接続するラインＬ６ｂとを備えている。ここで、ラインＬ６ｂは、流路切替部２２よりも下流側へガス（ここでは水素精製器６から排出される精製ガス）を流す「第１の流路」に該当する。また、流路切替部２２は、ラインＬ１３（第２の流路）を介して熱源１１と接続される。ラインＬ１３は、流路切替部２２よりも上流側へガスを流す「第２の流路」に該当する。流路切替部２２は、ラインＬ６ｂ（第１の流路）とラインＬ１３（第２の流路）との間でガスの流れを切り替える。図４（ａ）に示すように、流路切替部２２は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができる定常時において、ガスを流す流路をラインＬ６ｂに切り替える。この場合、流路切替部２２が流路をラインＬ６ｂに設定しているため、水素精製器６から排出された精製ガスは、ラインＬ６ａ及びラインＬ６ｂを流れて、流路切替部２２の下流側に配置される圧縮機７（図１参照）へ供給される。また、図４（ｂ）に示すように、流路切替部２２は、脱水素反応器３において脱水素反応を安定的に行うことができない非定常時において、ガスを流す流路をラインＬ１３に切り替える。この場合、流路切替部２２が流路をラインＬ１３に設定しているため、水素精製器６から排出された精製ガスは、ラインＬ６ａ、ラインＬ１３を流れて、流路切替部２２の（エネルギーの流れにおける）上流側に配置される熱源１１へ供給され、熱源１１にて熱を発生するための原料として消費される。なお、脱水素反応器３の脱水素反応が安定したタイミングで、流路切替部２２は、流路をラインＬ１３からラインＬ６ｂへ切り替えてよい。
【００５０】
ここで、図５に示す従来の水素供給システム５０においては、脱水素反応器３から排出されるガスに規定量より多くの未反応の原料が含まれる場合、気液分離器４から排出されるガスに脱水素生成物が規定量より多く含まれる。これによって、水素精製器６への負荷が大きくなることによって、当該水素精製器６の寿命が低下する可能性があった。一方、本実施形態に係る水素供給システム３００においては、水素精製器６で精製された高純度水素の純度が基準よりも低い場合、流路切替部２２が、水素精製器６の下流側にて、ガスの流れをラインＬ１３へ切り替えることによって、水素の純度の低い精製ガスが外部へ供給されることを抑制することができる。
【００５１】
なお、図４に示す水素供給システム３００では、流路切替部２２でガスの流れの切り替えが行われる第２の流路（ラインＬ１３）は、熱源１１へガスを供給するものであった。しかし、第２の流路は、流路切替部２２の上流側へガスを流すものであれば、特に構成は限定されない。例えば、第２の流路は、リサイクルラインＬ７へガスを供給してよい。また、第２の流路は、ＭＣＨタンク１と気化器２との間のラインＬ１へガスを供給してよい。また、第２の流路は、気化器２と脱水素反応器３との間のラインＬ２へガスを供給してよい。また、第２の流路は、脱水素反応器３と気液分離器４との間のラインＬ３へガスを供給してよい。また、第２の流路は、気液分離器４と水素精製器６との間のラインＬ４へガスを供給してよい。あるいは、第２の流路は、ＭＣＨタンク１、気化器２、脱水素反応器３、気液分離器４、水素精製器６へ直接ガスを供給してよい。ただし、第２の流路が流路切替部２２自身に接続されているラインＬ６ａにガスを供給するものである場合、ガスは循環することなく流れが止まってしまう。従って、流路切替部２２に直接接続されているラインＬ６ａは、ガスの循環の観点から見た場合、実質的に流路切替部２２の一部と見ることができる。すなわち、ここでの「流路切替部の上流側」には、流路切替部２２に直接接続されているラインＬ６ａは含まれず、少なくとも流路切替部２２の直前の構成要素である水素精製器６、又は当該水素精製器６より上流側の部分を示すものとする。
【符号の説明】
【００５２】
１…ＭＣＨタンク（貯蔵部）、２…気化器、３…脱水素反応器（脱水素反応部）、４…気液分離器（気液分離部）、５…トルエンタンク、６…水素精製器（水素精製部）、７…圧縮機、８…蓄圧器、９…ディスペンサ、１１…熱源（加熱部）、１２，１３…冷熱源、２０，２１，２２…流路切替部、Ｌ３ｂ，Ｌ４ｂ，Ｌ６ｂ…ライン（第１の流路）、Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３…ライン（第２の流路）、１００，２００，３００…水素供給システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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