(57)【要約】【課題】水素分離器による水素分離処理及び製品水素の供給処理に必要なエネルギーを削減し、かつ水素製造装置全体をコンパクトにすることができる水素製造装置及び水素製造方法を提供すること。【解決手段】ＭＣＨ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１０と、脱水素反応器１０によって生成された脱水素反応物から水素を分離する水素分離器３０と、水素分離器３０の前段に位置し、水素分離器３０における水素分離により生じる差圧と水素分離器３０によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで脱水素反応物Ｖ３０を昇圧するコンプレッサＰ３と、を備える。【選択図】図１
2016000677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ハイドライド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と、
前記脱水素反応器によって生成された脱水素反応物から水素を分離する水素分離器と、
前記水素分離器の前段に位置し、前記水素分離器における水素分離により生じる差圧と前記水素分離器によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで前記脱水素反応物を昇圧するコンプレッサと、を備えることを特徴とする、水素製造装置。
【請求項２】
前記脱水素反応器における前記有機ハイドライドの加熱を熱媒体により行うことを特徴とする、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記脱水素反応器から排出される熱媒体によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする、請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記脱水素反応器から排出される熱媒体によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを蒸発させる蒸発器を更に備えたことを特徴とする、請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記脱水素反応物によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記蒸発器の前段に位置し、前記脱水素反応物によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする、請求項４に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記水素分離器から出力される非透過ガスを前記脱水素反応器に入力することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記非透過ガスの前記脱水素反応器への入力は、当該脱水素反応器における有機ハイドライドの入力側に行うことを特徴とする、請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記非透過ガスの前記脱水素反応器への入力は、前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドと混合してから行うことを特徴とする、請求項８に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
有機ハイドライドを加熱して水素と脱水素物質とに分解し、前記水素および前記脱水素物質を含む脱水素反応物を生成する脱水素反応物生成工程と、
前記脱水素反応物から水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程の前に行われ、前記水素分離工程における水素分離により生じる差圧と前記水素分離工程によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで前記脱水素反応物を昇圧する昇圧工程と、を含むことを特徴とする、水素製造方法。
【請求項１１】
前記脱水素反応物生成工程における前記有機ハイドライドの加熱を熱媒体により行うことを特徴とする、請求項１０に記載の水素製造方法。
【請求項１２】
前記脱水素反応物生成工程を経た熱媒体によって前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする、請求項１１に記載の水素製造方法。
【請求項１３】
前記加熱は蒸発するまで行うことを特徴とする、請求項１２に記載の水素製造方法。
【請求項１４】
前記脱水素反応物によって前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする、請求項１０から１３のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項１５】
前記水素分離工程において出力される非透過ガスを前記脱水素反応物生成工程において前記有機ハイドライドの入力側に入力することを特徴とする、請求項１０から１４のいずれかに記載の水素製造方法。
【請求項１６】
前記非透過ガスの入力は、前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドと混合してから行うことを特徴とする、請求項１５に記載の水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離器による水素分離処理及び製品水素の供給処理に必要なエネルギーを削減し、かつ水素製造装置全体をコンパクトにすることができる水素製造装置及び水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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分離器によって水素を分離して出力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。
【０００３】
ここで、特許文献１には、冷却分離手段によって、脱水素反応後の脱水素反応物から水素を分離し、さらに膜分離手段によって水素と非透過ガスとに分離する高純度水素製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１３０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の水素製造装置では、膜分離手段（水素分離器）によって水素と非透過ガスとに分離するために、脱水素反応物を昇圧して水素分離器に供給するコンプレッサを必要としていた。また、水素分離器によって分離された水素は低圧であるため、この水素を製品水素として要求される圧力まで昇圧するコンプレッサをさらに必要としていた。すなわち、従来の水素製造装置では、水素分離器の前段及び後段にそれぞれコンプレッサを設ける必要があり、これらのコンプレッサを個別に駆動するためのエネルギーが必要であった。また、複数のコンプレッサを設けるスペースが必要であった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水素分離器による水素分離処理及び製品水素の供給処理に必要なエネルギーを削減し、かつ水素製造装置全体をコンパクトにすることができる水素製造装置及び水素製造方法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】
【０００７】
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加熱して水素と脱水素物質とに分解する脱水素反応器と、前記脱水素反応器によって生成された脱水素反応物から水素を分離する水素分離器と、前記水素分離器の前段に位置し、前記水素分離器における水素分離により生じる差圧と前記水素分離器によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで前記脱水素反応物を昇圧するコンプレッサと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記脱水素反応器における前記有機ハイドライドの加熱を熱媒体により行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記脱水素反応器から排出される熱媒体によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記脱水素反応器から排出される熱媒体によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを蒸発させる蒸発器を更に備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記脱水素反応物によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記蒸発器の前段に位置し、前記脱水素反応物によって前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記水素分離器から出力される非透過ガスを前記脱水素反応器に入力することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記非透過ガスの前記脱水素反応器への入力は、当該脱水素反応器における有機ハイドライドの入力側に行うことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる水素製造装置は、上記の発明において、前記非透過ガスの前記脱水素反応器への入力は、前記脱水素反応器に入力される前の有機ハイドライドと混合してから行うことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる水素製造方法は、有機ハイドライドを加熱して水素と脱水素物質とに分解し、前記水素および前記脱水素物質を含む脱水素反応物を生成する脱水素反応物生成工程と、前記脱水素反応物から水素を分離する水素分離工程と、前記水素分離工程の前に行われ、前記水素分離工程における水素分離により生じる差圧と前記水素分離工程によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで前記脱水素反応物を昇圧する昇圧工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記脱水素反応物生成工程における前記有機ハイドライドの加熱を熱媒体により行うことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記脱水素反応物生成工程を経た熱媒体によって前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記加熱は蒸発するまで行うことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記脱水素反応物によって前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドを加熱することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記水素分離工程において出力される非透過ガスを前記脱水素反応物生成工程において前記有機ハイドライドの入力側に入力することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかる水素製造方法は、上記の発明において、前記非透過ガスの入力は、前記脱水素反応物生成工程に入る前の有機ハイドライドと混合してから行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、有機ハイドライド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と、前記脱水素反応器によって生成された脱水素反応物から水素を分離する水素分離器と、を備え、前記水素分離器の前段に位置するコンプレッサが、前記水素分離器における水素分離により生じる差圧と前記水素分離器によって分離された水素の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力まで前記脱水素反応物を昇圧するようにしている。この結果、水素分離器の前後に配置されるコンプレッサが集約されて、水素分離器による水素分離処理及び製品水素の供給処理に必要なエネルギーが削減され、かつ水素製造装置全体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である水素製造装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２は、水素分離器の入出力成分流量の関係を示す模式図である。
【図３】図３は、予熱器の有無、及び水素分離器の後段に設けられる従来の製品水素出力専用のコンプレッサの有無によるエネルギー効率の結果を示す図である。
【図４】図４は、脱水素反応物によるメチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）の予熱処理が含まれる脱水素反応処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除して水素分離器の前段のみにコンプレッサを設けた場合の水素分離処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（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と水素分離系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。水素分離系１Ｂは、脱水素反応系１Ａから出力された脱水素反応物から水素分離器３０によって水素を分離して外部出力する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
脱水素反応器１０内には、熱媒油などの熱媒体が通る管が蛇行して配置される。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内に入力された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から出力される。
【００３２】
脱水素反応物Ｖ３は、加熱器１３において、加熱器１３に入力されるＭＣＨ（Ｖ１）と熱交換を行う。熱交換された脱水素反応物Ｖ３は、２１５℃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、１３９℃まで降温し、その後、水素分離系１Ｂに出力される。
【００３３】
脱水素反応器１０に入力される熱媒体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（Ｌ１）と熱交換してＭＣＨ（Ｌ１）を蒸発させて１８０℃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。
【００３４】
熱媒ボイラ２１は、ＬＰガスＧ１と空気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。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（水素分離系）
一方、予熱器１１を介した脱水素反応物Ｖ５は、水素分離系１Ｂに流入する。脱水素反応物Ｖ５は、冷却器３１で１３９℃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ない、水素含有量が高い脱水素反応物Ｖ６は、さらに冷却器３２で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として水素分離器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、水素分離器３０に入力する前に、冷却器３３によって９０℃まで冷却される。
【００３８】
水素分離器３０は、脱水素反応物Ｖ３０から水素を選択的に分離する機能を有するものであり、本実施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から入力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として水素分離器３０に出力する。水素分離器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として外部出力される。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。
【００３９】
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、水素分離器３０における水素分離により生じる差圧２００ｋＰａと、水素分離器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、水素分離器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、水素分離器３０による水素分離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。
【００４０】
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の大きい液化物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。
【００４１】
水素分離器３０における膜分離機構の水素分離膜を透過しなかった非透過ガスＧ３１は、脱水素反応器１０の入力側に入力される。本実施形態では、非透過ガスＧ３１の加熱を効果的に行うために、非透過ガスＧ３１は、蒸発器１２と加熱器１３との間の配管内に入力される。この非透過ガスＧ３１には水素分離膜を透過できなかった水素が含まれる。非透過ガスＧ３１内の水素が脱水素反応器１０に入力されると、脱水素反応器１０内の脱水素触媒の劣化を抑制することができる。特に、本実施形態で示すように、非透過ガスＧ３１を脱水素反応器１０の入力側（上流側）から入力することにより、相対的に水素の存在量が少ない当該入力側におけるコーキング現象の発生をより効果的に抑制することができる。
【００４２】
図２は、水素分離器３０の入出力成分流量の関係を示す模式図である。図２に示すように、水素分離器３０に入力される脱水素反応物Ｖ３０は、水素：１６．５ｋｍｏｌ／ｈ、その他：０．２ｋｍｏｌ／ｈの流量配分であり、水素含有量が高い。水素分離器３０によって分離される水素Ｖ３１は、水素：１３．４ｋｍｏｌ／ｈであり、水素分離器３０によって分離されなかった非透過ガスＧ３１は、水素：３．１ｋｍｏｌ／ｈ、その他：０．２ｋｍｏｌ／ｈの流量配分となる。すなわち、非透過ガスＧ３１には、水素分離膜を透過できなかった水素が含まれており、この水素を脱水素反応器１０の入力側に入力することによって、脱水素反応器１０内の脱水素触媒の劣化を抑制することができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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の出力流量が所定流量となるように、バルブを制御する。さらに、フローコントローラ１０２は、非透過ガスＧ３１の流量が所定流量となるように、バルブを制御する。
【００４５】
（エネルギー効率の比較）
上述した実施の形態では、脱水素反応系１Ａの蒸発器１２の前段に予熱器１１を設け、また、水素分離系１Ｂの水素分離器３０の前段に、水素分離器３０における水素分離により生じる差圧と水素分離器３０によって分離された水素Ｖ３１の外部出力の圧力とを合わせた圧力よりも高い圧力に設定されたコンプレッサＰ３を設け、水素分離器３０の後段に製品水素出力専用のコンプレッサを削除することによって、装置全体のエネルギー効率を向上させている。ここでは、具体的なエネルギー効率の結果について説明する。図３は、予熱器１１の有無、及び水素分離器３０の後段に設けられる従来の製品水素出力専用のコンプレッサの有無によるエネルギー効率の結果を示す図である。図３では、予熱器１１を設けず、製品水素出力専用のコンプレッサを設けた従来の構成を比較例とし、予熱器１１を設けず、従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３のみを設けた構成を実施例１とし、予熱器１１を設け、さらに従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３を設けた構成を実施例２としている。
【００４６】
図３に示した結果では、従来の比較例のエネルギー効率が８２％であり、実施例１，２でのエネルギー効率はそれぞれ８３％，８５％であった。なお、エネルギー効率は、低位発熱量基準の値である。この結果から、予熱器１１を設け、さらに従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３を設けた実施例２の構成が比較例に比して最もエネルギー効率を高めることができる。また、従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３を設けた実施例１の構成であっても比較例に比してエネルギー効率を高めることができる。
【００４７】
（脱水素反応処理）
なお、上述した実施の形態では、水素製造装置１の構成を示したが、上述した予熱器１１によるＭＣＨ（Ｌ１）の予熱処理が含まれた脱水素反応処理が行われる水素製造方法であってもよい。図４は、この予熱処理が含まれる脱水素反応処理手順を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、脱水素反応器１０によって分解され、加熱器１３において熱交換されて降温した脱水素反応物Ｖ４の熱エネルギーを用い、液状のＭＣＨ（Ｌ１）は予熱器１１において予熱される（ステップＳ１０１）。その後、この予熱されたＭＣＨ（Ｌ２）は、蒸発器１２において、熱媒体Ｌ１２の熱エネルギーを用いて蒸発する（ステップＳ１０２）。さらに、この蒸発したＭＣＨ（Ｖ１）は加熱器１３において加熱され（ステップＳ１０３）、この加熱されたＭＣＨ（Ｖ２）は脱水素反応器１０に入力される。そして、脱水素反応器１０においてＭＣＨ（Ｖ２）を水素とトルエンとに分解し、当該水素およびトルエンと未分解のＭＣＨを含む脱水素反応物Ｖ３を生成する脱水素反応物生成工程を行う（ステップＳ１０４）。この予熱処理によって、装置全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００４８】
（水素分離処理）
同様に、上述した実施の形態では、水素製造装置１の構成を示したが、上述した従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３を設けた水素分離処理が行われる水素製造方法であってもよい。図５は、従来の製品水素出力専用のコンプレッサを削除してコンプレッサＰ３を設けた場合の水素分離処理手順を示すフローチャートである。図５に示すように、まず、脱水素反応物Ｖ５の冷却による気液分離処理を行う（ステップＳ２０１）。その後、気液分離処理後の高い水素含有量をもつ脱水素反応物Ｖ７を昇圧して水素分離器３０に出力する昇圧工程を行う（ステップＳ２０２）。なお、この昇圧は、上述したように、水素分離器３０における水素分離により生じる差圧２００ｋＰａと、水素分離器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。その後、水素分離器３０に入力した脱水素反応物Ｖ３０の水素分離処理を行い、水素分離された水素Ｖ３１の外部出力及び非透過ガスＧ３１の脱水素反応器１０の入口側への入力を行う、水素分離工程を行う（ステップＳ２０３）。このコンプレッサＰ３を設けた水素分離処理によってエネルギー効率を高めることができるとともに、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  水素製造装置
１Ａ  脱水素反応系
１Ｂ  水素分離系
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  水素分離器
３１，３２，３３，３４  冷却器
３５，３６  気液分離器
１００，１０１，１０２  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  非透過ガス
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３  熱媒体
Ｌ２１，Ｌ２２  液化物
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
【図１】
2016000677.tif 000003
【図２】
2016000677.tif 000004
【図３】
2016000677.tif 000005
【図４】
2016000677.tif 000006
【図５】
2016000677.tif 000007