(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化天然ガスを気化して天然ガスを生成する液化天然ガス気化器と、
前記天然ガスから水素ガスを製造する水素ガス製造装置と、
前記水素ガスを冷却して液化する水素液化装置とを備え、
この水素液化装置は、
前記水素ガスを冷却して液体水素を生成するための液体水素生成ラインと、
液体水素を貯留する液体水素貯槽と、
この液体水素貯槽内の水素を冷媒として循環させるための水素循環ラインと、
前記液体水素生成ラインを流れる水素ガスを前記水素循環ラインを流れる水素と熱交換させることにより当該水素ガスを冷却する熱交換器と、
前記水素循環ラインの途中に設けられ、前記熱交換により昇温した水素ガスを圧縮する水素ガス圧縮機と、
前記水素ガス圧縮機の吸込み側に設けられ、当該水素ガス圧縮機に吸い込まれる水素ガスと液化天然ガスとを熱交換させることにより当該水素ガスを当該水素ガス圧縮機の手前側で冷却するとともに前記液化天然ガスを気化させて天然ガスを生成する水素ガス冷却器と、を含むことを特徴とする液体水素の製造システム。
【請求項２】
請求項１記載の液体水素の製造システムにおいて、前記水素ガス製造装置は、天然ガスを改質反応させて水素ガスを含む混合ガスを生成する改質装置と、その混合ガスから水素ガスを精製分離する精製分離装置とを有することを特徴とする液体水素の製造システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の液体水素の製造システムにおいて、前記水素液化装置は、導入される水素ガス中のオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器と、前記オルソ−パラ変換器を液化天然ガスと熱交換させて冷却する変換器冷却部と、を含むことを特徴とする液体水素の製造システム。
【請求項４】
請求項３記載の液体水素の製造システムにおいて、前記変換器冷却部は液化天然ガスを貯留する液化天然ガス貯槽を有し、その液化天然ガスに前記オルソ−パラ変換器が浸漬されていることを特徴とする液体水素の製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガス中から水素ガスを製造してこれを液化することにより液体水素を製造する方法及びシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原料ガスから液体水素を製造するシステムとして図５に示すようなものが知られている。図示の水蒸気改質装置９０は、原料ガス中の炭化水素を水蒸気と触媒にて反応（改質反応）させることにより水素ガスを含む混合ガスを生成する（スチームリフォーミング）。この混合ガスは水素ＰＳＡ装置９２に送られ、同装置９２にて水素ガス以外の成分が吸着除去されることにより高純度の水素ガスが精製分離される。この高純度水素ガスは水素液化装置９４により液化され、製品液体水素として送り出される。
【０００３】
この水素液化装置９４としては、例えば特開平８−１５９６５３号公報に示されるように、水素ガス冷却用の多段熱交換器と、導入される水素ガス中のオルソ水素の少なくとも一部をパラ水素に変換するための触媒と、寒冷発生用の膨張タービンと、冷却された水素ガスを膨張させて液化するＪＴ弁とを備えたものが知られている。ここで、前記触媒でのオルソ−パラ変換反応は発熱反応であるため、当該触媒を冷却するために液体窒素が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記液体水素は産業界において重要なエネルギー源となっているが、この液体水素を製造するために前記従来のシステムでは多大なエネルギーが必要となっている。従って、その運転効率の改善、特に水素ガスの液化効率をいかに向上させるかが大きな課題となっている。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、効率の高い液体水素の製造を可能にする液体水素の製造方法及びシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
近年、液体水素の原料ガスとして天然ガスが注目を集めている。この天然ガスはメタンを主成分とし、また硫黄分をほとんど含まないので、脱硫処理を簡素化あるいは省略できるなどの利点がある。しかし、この天然ガスを得るには、輸送用に液化された液化天然ガスを加温して気化させなければならず、その気化の際、液化天然ガスの保有している冷熱が大量に放出されているのが現状である。そこで、この液化天然ガスが保有する冷熱を有効に利用すれば、水素製造効率の著しい向上が期待できる。
【０００７】
本発明は、このような観点からなされたものであり、液化天然ガスを気化して天然ガスを生成する液化天然ガス気化器と、前記天然ガスから水素ガスを製造する水素ガス製造装置と、前記水素ガスを冷却して液化する水素液化装置とを備え、この水素液化装置は、前記水素ガスを冷却して液体水素を生成するための液体水素生成ラインと、液体水素を貯留する液体水素貯槽と、この液体水素貯槽内の水素を冷媒として循環させるための水素循環ラインと、前記液体水素生成ラインを流れる水素ガスを前記水素循環ラインを流れる水素と熱交換させることにより当該水素ガスを冷却する熱交換器と、前記水素循環ラインの途中に設けられ、前記熱交換により昇温した水素ガスを圧縮する水素ガス圧縮機と、前記水素ガス圧縮機の吸込み側に設けられ、当該水素ガス圧縮機に吸い込まれる水素ガスと液化天然ガスとを熱交換させることにより当該水素ガスを当該水素ガス圧縮機の手前側で冷却するとともに前記液化天然ガスを気化させて天然ガスを生成する水素ガス冷却器と、を含む液体水素の製造システムである。
【０００８】
このシステムによれば、液化天然ガスを気化して天然ガスを生成するにあたり、その気化潜熱が水素液化工程での水素ガスの冷却に利用されるので、液化天然ガスの気化と水素ガスの液化の双方を効率良く行うことができ、システム全体での水素製造効率を飛躍的に高めることができる。
【０００９】
しかも、前記水素液化装置は、液体水素貯槽内の水素を冷媒として循環させるための水素循環ラインの途中に設けられる水素ガス圧縮機と、この水素ガス圧縮機に吸い込まれる水素ガスと液化天然ガスとを熱交換させることにより前記水素ガスを冷却するとともに前記液化天然ガスを気化させて天然ガスを生成する水素ガス冷却器とを含むので、前記水素ガスの冷却によって圧縮機の吸込み体積を減らすことにより、当該圧縮機の必要動力を減らして装置全体の運転効率を高めることができる。
【００１０】
前記水素製造システムの水素ガス製造装置は、液化天然ガスの気化により得られる天然ガスから結果的に高純度の水素ガスを製造できるものであればよく、例えば、天然ガスを改質反応させて水素ガスを含む混合ガスを生成する改質装置と、その混合ガスから水素ガスを精製分離する精製分離装置とを有するものが好適である。
【００１１】
また、前記水素液化装置に設けられる熱交換部は、液化天然ガスの気化潜熱によって水素ガスを直接冷却するものであってもよいし、水素液化装置に設けられる設備や熱媒体を冷却することによって水素ガスを間接的に冷却するものでもよい。例えば、前記水素液化装置が、導入される水素ガス中のオルソ水素をパラ水素に変換させるオルソ−パラ変換器を備えるものである場合、そのオルソ−パラ変換反応は発熱反応であるので、前記熱交換部として、前記オルソ−パラ変換器を液化天然ガスと熱交換させて冷却する変換器冷却部を含むようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、液化天然ガスの気化潜熱を利用してオルソ−パラ変換器を冷却することにより、水素ガスのオルソ−パラ変換を促進してその液化効率を高めることができる。
【００１３】
より具体的に、前記変換器冷却部が液化天然ガスを貯留する液化天然ガス貯槽を有し、その液化天然ガスに前記オルソ−パラ変換器が浸漬されている構成によれば、効率の高い変換器の冷却ができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明にかかる液体水素製造システムの一例を示したものである。図において、液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」と称する）タンク１０内には例えば輸送船で運び込まれたＬＮＧが貯留されており、このＬＮＧがＬＮＧ気化器１２で気化することにより、天然ガス（以下、「ＮＧ」と称する。）が生成される。このＮＧの一部は発電所や燃料需要先へ送られ、残りのＮＧが水素原料として用いられる。
【００１６】
具体的に、前記ＮＧは基本的に水蒸気改質装置１６へ導入される。この水蒸気改質装置１６は、触媒を収容する触媒室と、前記ＮＧの一部を燃料とするバーナとを備え、このバーナの放射熱により前記触媒室内が加熱された状態で同室内に前記ＮＧと水蒸気とが導入されることにより改質反応が起こり、改質ガスが生成されるようにしたものである（スチームリフォーミング）。この改質ガスは、前記水蒸気改質装置１６に付設されるガスボイラやＣＯ変成器を通り、水素ガスに富む混合ガスとして後続の水素ＰＳＡ装置１８に送られる。この水素ＰＳＡ装置１８では、前記混合ガス中の水素以外の成分が吸着除去され、これにより高純度の水素ガスが分離精製される。
【００１７】
これらスチームリフォーミング及び水素ＰＳＡを用いた高純度水素ガスの精製については周知であり、種々の公知手段が適用可能である（例えば特開２０００−３２７３０７号公報や特開平９−３０９７０３号公報参照）。また、水素ガスを生成するための改質プロセスは前記スチームリフォーミングに限らず、その他の手段、例えば酸素を用いた酸化リフォーミング法（部分酸化法）の適用も可能である。
【００１８】
以上のようにして精製された高純度水素ガスは、水素液化装置２０にて液化され、製品液体水素として出荷される。さらに、このシステムの特徴として、前記ＬＮＧタンク１０から送出されるＬＮＧの一部がＬＮＧ気化器１２を経由せずに直接水素液化装置２０に導入され、この水素液化装置２０で気化してその気化潜熱により同装置２０内での水素ガスの冷却に寄与した後、ＮＧとして水蒸気改質装置１６に導入されるようになっている。
【００１９】
図２は、前記水素液化装置２０の具体的構成例を示したものである。図示の水素液化装置２０は、図２に示すような液体水素生成ライン２１Ａ及び水素循環ライン２１Ｂを有している。
【００２０】
前記液体水素生成ライン２１Ａに導入された高純度水素ガスは、第１段熱交換器ＨＸ１で予冷された後、適当な触媒を収容する高温側オルソ−パラ変換器２３に導入され、ここで前記水素ガス中のオルソ水素の一部がパラ水素に変換される。これにより、水素ガス中のパラ水素濃度が例えば２５％から５０％に上昇する。
【００２１】
このオルソ−パラ変換は発熱反応であるため、オルソ−パラ変換器２３の冷却が必要となるが、この装置の第１の特徴として、前記変換器２３の冷却にＬＮＧの気化潜熱が利用されている。
【００２２】
具体的に、図示の水素液化装置２０は、変換器冷却部としてＬＮＧ貯槽２２を具備し、このＬＮＧ貯槽２２内に上述のＬＮＧタンク１０から適宜補給されるＬＮＧが貯められるとともに、そのＬＮＧ内に前記オルソ−パラ変換器２３が浸漬されるように構成されており、このオルソ−パラ変換器２３での発熱はＬＮＧ貯槽２２内のＬＮＧの気化潜熱によって吸収される。換言すれば、オルソ−パラ変換器２３の発熱によってＬＮＧの気化が促進され、これにより前記ＬＮＧ気化器時にとは別にＮＧの生成が行われる。発生したＮＧは第１段熱交換器ＨＸ１を通って導入水素ガス等と熱交換した後に前記図１に示した水蒸気改質装置１６へ原料として導入される。
【００２３】
前記オルソ−パラ変換器２３でオルソ水素濃度が高められた水素ガスは、熱交換器ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４を通ることによりさらに冷却された後、ＪＴ弁２４Ａで断熱膨張（ジュール−トムソン効果を伴う膨張）をして液化する。この液体水素は、液体水素貯槽２７内の液体水素中に浸漬された熱交換器２５Ａを通って低温側オルソ−パラ変換器２６内に導入され、この変換器２６内で液体水素中に残存するオルソ水素のほぼ全てがパラ水素に変換される。このようにしてパラ水素濃度がほぼ１００％となった液体水素は、さらに液体水素貯槽２７内の熱交換器２５Ｂを通り、製品としてシステム外へ送り出される。
【００２４】
前記液体水素貯槽２７内の水素は、前記製品液体水素とは別に、冷媒として水素循環ライン２１Ｂを循環する。具体的には、前記液体水素貯槽２７内から多段熱交換器を熱交換器ＨＸ４，ＨＸ３，ＨＸ２，ＨＸ１の順に逆行して昇温し、低圧側水素ガス圧縮機Ｃ２及び高圧側水素ガス圧縮機Ｃ１で圧縮された後、熱交換器ＨＸ１、前記ＬＮＧ貯槽２２内に設けられた熱交換器２８、熱交換器ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４を順に通って冷却され、さらにＪＴ弁２４Ｂで断熱膨張（ジュール−トムソン効果を伴う膨張）をして液化した後に液体水素貯槽２７内に還元される。また、熱交換器２８を出た水素ガスの一部は膨張タービンＴ１，Ｔ２へ送られ、両膨張タービンＴ１，Ｔ２で断熱膨張することにより寒冷を発生させた後、低圧側水素ガス圧縮機Ｃ２の吐出側へ戻される。
【００２５】
さらに、この装置の第２の特徴として、各水素ガス圧縮機Ｃ１，Ｃ２の吸込み側には、各圧縮機よりも手前側で水素ガスを冷却するための水素ガス冷却器２８が設けられている。これらの水素ガス冷却器２８は、前記ＬＮＧタンク１０から供給されるＬＮＧと水素ガスとを熱交換させるものであり、その熱交換により、前記ＬＮＧが気化してＮＧが生成されると同時に、その気化潜熱を利用して循環水素ガスの冷却が行われる。ここで生成されたＮＧも前記と同様に水蒸気改質装置１６へ水素原料として送り込まれる。
【００２６】
以上説明した方法及びシステムによれば、ＬＮＧのもつ気化潜熱（実際にはその気化潜熱に加えて気化後の天然ガスの潜熱）を水素液化装置２０での水素ガスの冷却に有効利用することにより、前記ＬＮＧの気化によるＮＧの生成と、水素ガスの液化の双方を、相互補助するようにして効率良く行うことができ、これによりシステム全体の運転効率を飛躍的に高めることができる。
【００２７】
具体的に、前記図２に示した水素液化装置２０では、ＬＮＧの気化潜熱を利用して高温側オルソ−パラ変換器２３を冷却することにより、水素ガスのオルソ−パラ変換を促進して水素ガスの液化効率を高めることが可能となり、従来は前記オルソ−パラ変換器２３の冷却に必要とされていた液体窒素を不要にすることができる（従来は水素１Ｎｍ３あたり０．６９Ｎｍ３／ｈの液体窒素を消費。）。
【００２８】
また、各水素ガス圧縮機Ｃ１，Ｃ２に吸い込まれる水素ガスを当該圧縮機Ｃ１，Ｃ２の手前側で冷却することにより、両圧縮機Ｃ１，Ｃ２の必要動力を低減して装置全体の運転効率を高めることができる。
【００２９】
例えば、従来の２段膨張タービンの基本サイクルでカルノー効率が３６％であったとすると、前記水素ガス冷却器２８による冷却を実行することにより理論上カルノー効率を６０％まで向上させることが可能になり、約０．６ｋＷｈ／Ｎｍ３の動力の節減が可能になる。さらに、水素ガスの冷却によってガス密度を高めることにより、従来の往復式圧縮機に代え、保守費用が低くて連続運転時間が長い遠心圧縮機を適用する道も開かれる。
【００３０】
なお、図１に示すシステムにおいて、全ＬＮＧ供給量のうちＬＮＧ気化器１２を経由せずに水素液化装置２０へ直送するＬＮＧ量の比率は、システム全体の運転条件等に応じて適宜設定すればよい。
【００３１】
また、水素液化装置２０に設けられる熱交換部は図２の例に限らず、例えば次のような形態の選定が可能である。
【００３２】
・図４に示すように各圧縮機Ｃ１，Ｃ２が複数段にわたって直列に設けられている場合には、各圧縮機Ｃ１，Ｃ２に対応して複数の水素ガス冷却器２８を設けるようにしてもよい。
【００３３】
・本発明では、前記オルソ−パラ変換器２３を冷却するためのＬＮＧ貯槽２２と水素ガス冷却器２８の双方を同時に備えていなくてもよく、後者のみを具備するだけでも従来システムに比して運転効率の向上が可能である。
【００３４】
なお、図３は本発明の実施の形態とは別の参考例を示すものであり、この例では水素ガス冷却器２８が圧縮機Ｃ１，Ｃ２の下流側に設けられている。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明は、液化天然ガスを気化して生成した天然ガスを原料として水素ガスを製造し、その水素ガスを液化して液体水素を製造するにあたり、少なくとも一部の液化天然ガスの気化潜熱を水素液化での水素冷却に利用するようにしたものであるので、効率の高い液体水素の製造を実現できる効果がある。さらに、水素循環ラインの途中に設けられる水素ガス圧縮機に吸い込まれる水素ガスと液化天然ガスとを熱交換させることにより当該水素ガスを当該水素ガス圧縮機の手前側で冷却するとともに前記液化天然ガスを気化させて天然ガスを生成する水素ガス冷却器を含むので、前記水素ガスの冷却によって圧縮機の吸込み体積を減らすことにより、当該圧縮機の必要動力を減らして装置全体の運転効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる液体水素製造システムの一例を示す全体構成図である。
【図２】  前記水素製造システムに設けられる水素液化装置の一例を示すフローシートである。
【図３】  前記水素液化装置の他の例であって本発明とは別の例を示すフローシートである。
【図４】  前記水素液化装置の水素ガス圧縮機が多段連結された例を示すフローシートである。
【図５】  従来の液体水素製造システムの一例を示す全体構成図である。
【符号の説明】
１０  ＬＮＧタンク
１２  ＬＮＧ気化器
１６  水蒸気改質装置
１８  水素ＰＳＡ装置（分離精製装置）
２０  水素液化装置
２２  ＬＮＧ貯槽（熱交換部）
２３  オルソ−パラ変換器
２４Ａ，２４Ｂ  ＪＴ弁
２８  水素ガス冷却器
Ｃ１，Ｃ２  水素ガス圧縮機
【図１】
0004429552.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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