特許 6707368 副生水素利用システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6707368

(24)【登録日】2020年5月22日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】副生水素利用システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20200601BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20200601BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20200601BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20200601BHJP

   F22B 1/18 20060101ALI20200601BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/0606

   H01M8/04 J

   H01M8/00 Z

   H01M8/10

   F22B1/18 Z

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-40252(P2016-40252)

(22)【出願日】2016年3月2日

(65)【公開番号】特開2017-157442(P2017-157442A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2018年9月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】羽田 貴英

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 慶

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２０８４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３８４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０１４５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０７３４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３０８５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８８９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０１０４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０６９９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−００６４２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

Ｆ２２Ｂ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスが副次的に生成される生産設備と、
前記生産設備で生成された前記水素ガスが供給されて発電する固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池での発電により発生した温水、前記水素ガス以外の燃料及び前記生産設備で生成された前記水素ガスが供給され、前記燃料及び前記水素ガスを燃焼させて前記温水を加熱する燃焼設備と、
分岐点を有し、前記生産設備で生産された前記水素ガスの一部を前記固体高分子型燃料電池に供給し、前記生産設備で生産された前記水素ガスの残りを前記燃焼設備に供給する副生水素供給経路と、
を備え、
前記固体高分子型燃料電池及び前記燃焼設備が、以下の式（１）又は式（１）’及び式（２）〜式（４）を満たす副生水素利用システム。
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（ＢＯＷ_ｔｅｍｐ−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）’
ＰＥ_ｏｕｔ＝Ｈ２_ＰＥ×ＰＥ_η・・・（２）
ＢＯ_ｏｕｔ＝（Ｈ２_ＢＯ＋ＴＧ_ＢＯ）×Ｂ_η・・・（３）
Ｈ２_{ｔｏｔａｌ}＝Ｈ２_ＰＥ＋Ｈ２_ＢＯ・・・（４）
（式（１）〜式（４）及び式（１）’中、ＰＥ_ｏｕｔは固体高分子型燃料電池の温水出力（Ｗ）、Ｔ_ＰＥは固体高分子型燃料電池の運転時間（秒）、ＰＥＷ_ｔｅｍｐは固体高分子型燃料電池にて得られる温水の温度（℃）、Ｗ_ｔｅｍｐは固体高分子型燃料電池に供給される水の温度（℃）、ＢＯ_ｏｕｔは燃焼設備の出力（Ｗ）、Ｔ_ＢＯは燃焼設備の運転時間（秒）、ＢＯＷ_ｔｅｍｐは燃焼設備にて得られる加熱された温水の温度（℃）、Ｈ２_ＰＥは固体高分子型燃料電池への水素供給熱量（Ｊ）、ＰＥ_ηは固体高分子型燃料電池の温水回収効率（％）、Ｈ２_ＢＯは燃焼設備への水素供給熱量（Ｊ）、ＴＧ_ＢＯは燃焼設備への燃料供給熱量、Ｂ_ηは燃焼設備のエネルギー変換効率（％）、及びＨ２_{ｔｏｔａｌ}は総水素供給熱量（Ｊ）を表す。）

【請求項2】

前記固体高分子型燃料電池及び前記燃焼設備が、以下の式（１）’’及び前記式（２）〜前記式（４）を満たす請求項１に記載の副生水素利用システム。
ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］＝ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ／［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］・・・（１）’’

【請求項3】

前記固体高分子型燃料電池での発電により生じた電力及び前記燃焼設備にて前記温水が加熱されて生じた熱、は前記生産設備に供給される請求項１又は請求項２に記載の副生水素利用システム。

【請求項4】

前記生産設備から供給された前記水素ガスを予め精製する精製装置をさらに備え、
前記固体高分子型燃料電池は、前記精製装置で精製された水素ガスを反応させて発電する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の副生水素利用システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、副生水素利用システムに関する。

【背景技術】

【0002】

稼働している工業プラントには、副次的に水素ガスが生成されるプロセスを経るプラントが数多くある。具体的な例として、ポリエチレンやポリプロピレン等の原料であるエチレン、プロピレン等の化学製品を生産する石油化学プラントでは、一連のプロセスの中で水素が副生し、副生した水素を回収して一部を下流プラントで使用している。また、製鉄所では、石炭を乾留してコークスを得るプロセスで水素が副生し、苛性ソーダを電解生成するソーダ電解プラントでは、苛性ソーダと塩素を得るプロセスで水素が副生する（例えば、非特許文献１〜２参照）。

【0003】

このように副生した水素（副生水素）は、化学合成用の原料として利用されるほか、工業プラント内に設置されたボイラ等の熱源に必要とされる熱用燃料として利用される割合が高い。また、外販用に製造されるボンベへの充填用途にも利用されている。そのため、必ずしも余剰の副生水素が無駄に排出ないし消費されている状況ともいえないのが現状である。

【0004】

一方、近年は、燃料電池を搭載した車両等をはじめ、水素を利用したエネルギー環境が重要視され、整備されつつある状況にあり、水素を効率的にエネルギーに変換することができ、より大きなエネルギーとして利用できれば、水素利用環境におけるエネルギー利用効率が飛躍的に改善されることになる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】「食塩電解工業における副生水素利用の現状」、福岡正雄著、水素エネルギーシステムＶｏｌ．２８，Ｎｏ．１，ｐ．１６〜２２（２００３）

【非特許文献2】「石油・化学業界の既存設備を活用した高純度水素の供給可能性と石油業界の位置付け」、早内義隆、石倉雅裕共著、水素エネルギーシステムＶｏｌ．２８，Ｎｏ．１，ｐ．２３〜２８（２００３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、数ある工業プラントで副生される副生水素の多くは、副生母体であるプラントに併設されている熱源用の燃料として利用されているのが実情である。つまり、副生水素を燃焼用燃料として利用し、熱交換装置を備えた例えばボイラ等において、燃焼熱を水と熱交換し、水蒸気又は温水もしくは熱水の形態で熱エネルギーとして利用している。そのため、水素のエネルギーとしての利用効率は必ずしも高くない。

【0007】

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、副生水素を用いてエネルギーの利用効率が改善された副生水素利用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】

【0008】

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 水素ガスが副次的に生成される生産設備と、前記生産設備で生成された前記水素ガスが供給されて発電する固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池での発電により発生した温水、前記水素ガス以外の燃料及び前記生産設備で生成された前記水素ガスが供給され、前記燃料及び前記水素ガスを燃焼させて前記温水を加熱する燃焼設備と、を備える副生水素利用システム。

【0009】

従来、生産設備で副次的に生成された水素（副生水素）は、化学合成用の原料又は外販用ボンベの充填用ガスとして用いられるほか、多くは、図３に示されるように、工業生産システム４００内に副生水素発生プラント４１０に併設された蒸気ボイラ４２０等の燃焼設備に供給され、熱用燃料として利用されてきた。そのため、余剰水素として廃棄される副生水素こそ少ないものの、エネルギーとしての利用効率の点では必ずしも高いとは言い難い状況にあった。

【0010】

一方、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）では、純度の比較的高い水素の供給が求められることから、水素ガスに対する代替燃料は考え難いところ、ボイラ等の燃焼設備で使用される燃料は、水素から水素以外の燃料に代替が可能である。

【0011】

上記の状況に鑑みて、本形態の副生水素利用システムでは、副次的に生成された副生水素を利用するためのＰＥＦＣを新たに配設し、副生水素をボイラ等の燃焼設備とともにＰＥＦＣに供給する。さらに、燃焼設備に使用する燃料として、副生水素である水素ガスとともに水素ガス以外の燃料（例えば、都市ガス、天然ガス、重油、灯油、軽油等の燃料）を燃焼設備に供給する。

【0012】

これにより、比較的純度の高い副生水素は、ＰＥＦＣに供給されて発電用途として消費されることで、熱エネルギーとしてではなく、電気エネルギーに変換される。ＰＥＦＣでの水素の発電効率は、ボイラ等での水素の蒸気変換効率に比べると高いとは言い難いものの、二次エネルギーである電力から換算される一次エネルギーは２．５倍を超える。そのため、副生水素の一部をＰＥＦＣに供給し、残りを燃焼設備に供給した場合、全ての副生水素を燃焼設備に供給した場合と比較して、二次エネルギーから換算される一次エネルギーに対し、プラント全体のエネルギー効率は大幅に改善され、一定量の副生水素に基づいて得られるエネルギー量を高めることができる。

【0013】

ＰＥＦＣは、常温で起動し、作動温度も低く、かつ、発電効率に優れている観点から、副生水素利用システムのエネルギー効率を効果的に向上させるのに適している。

【0014】

さらに、本形態の副生水素利用システムでは、副生水素がＰＥＦＣに供給されて反応することで、電気エネルギーとともに熱エネルギーが得られる。この熱エネルギーを水と熱交換することで、加熱された水（温水）として取り出すことができる。温水として取り出した熱エネルギーが燃焼設備に供給されることで全体でのエネルギー効率をさらに高めることができる。

【0015】

以上により、本形態の副生水素利用システムでは、副生水素を発電用燃料及び燃焼用燃料として用いることによって、水素のエネルギー価値を高めることが可能となり、エネルギー利用効率が改善される。

【0016】

＜２＞ 前記固体高分子型燃料電池及び前記燃焼設備が、以下の式（１）又は式（１）’及び式（２）〜式（４）を満たす＜１＞に記載の副生水素利用システム。
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（ＢＯＷ_ｔｅｍｐ−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）’
ＰＥ_ｏｕｔ＝Ｈ２_ＰＥ×ＰＥ_η・・・（２）
ＢＯ_ｏｕｔ＝（Ｈ２_ＢＯ＋ＴＧ_ＢＯ）×Ｂ_η・・・（３）
Ｈ２_{ｔｏｔａｌ}＝Ｈ２_ＰＥ＋Ｈ２_ＢＯ・・・（４）
（式（１）〜式（４）中、ＰＥ_ｏｕｔは固体高分子型燃料電池の温水出力（Ｗ）、Ｔ_ＰＥは固体高分子型燃料電池の運転時間（秒）、ＰＥＷ_ｔｅｍｐは固体高分子型燃料電池にて得られる温水の温度（℃）、Ｗ_ｔｅｍｐは固体高分子型燃料電池に供給される水の温度（℃）、ＢＯ_ｏｕｔは燃焼設備の出力（Ｗ）、Ｔ_ＢＯは燃焼設備の運転時間（秒）、ＢＯＷ_ｔｅｍｐは燃焼設備にて得られる加熱された温水の温度（℃）、Ｈ２_ＰＥは固体高分子型燃料電池への水素供給熱量（Ｊ）、ＰＥ_ηは固体高分子型燃料電池の温水回収効率（％）、Ｈ２_ＢＯは燃焼設備への水素供給熱量（Ｊ）、ＴＧ_ＢＯは燃焼設備への燃料供給熱量、Ｂ_ηは燃焼設備のエネルギー変換効率（％）、及びＨ２_{ｔｏｔａｌ}は総水素供給熱量（Ｊ）を表す。）

【0017】

本形態の副生水素利用システムでは、上記式（１）及び式（２）〜式（４）を満たすように固体高分子型燃料電池及び燃焼設備の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣで発生する温水を無駄なく蒸気として得ることが可能である。また、上記式（１）’ 及び式（２）〜式（４）を満たすように固体高分子型燃料電池及び燃焼設備の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣで発生する温水を無駄なくＢＯＷ_ｔｅｍｐ℃の熱水として得ることが可能である。

【0018】

＜３＞ 前記固体高分子型燃料電池及び前記燃焼設備が、以下の式（１）’’及び前記式（２）〜前記式（４）を満たす＜２＞に記載の副生水素利用システム。
ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］＝ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ／［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］・・・（１）’’

【0019】

本形態の副生水素利用システムでは、上記式（１）’’及び式（２）〜式（４）を満たすように固体高分子型燃料電池及び燃焼設備の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣで発生する温水を無駄なく蒸気として得ることが可能であり、ＰＥＦＣにて発生する温水を無駄なく使用できる。

【0020】

＜４＞ 前記固体高分子型燃料電池での発電により生じた電力及び前記燃焼設備にて前記温水が加熱されて生じた熱、は前記生産設備に供給される＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の副生水素利用システム。

【0021】

本形態の副生水素利用システムでは、ＰＥＦＣでの発電により得られた電力を生産設備に供給することで、外部の電力系統から生産設備に供給される電力量を削減することができる。また、ＰＥＦＣにて温水として取り出した熱エネルギーが燃焼設備に供給されて生じた熱を生産設備に供給することで、ＰＥＦＣを配置せずに副生水素を燃焼用燃料として用いて生じた熱を生産設備に供給する場合と比較して全体でのエネルギー効率をより高めることができる。

【0022】

＜５＞ 前記生産設備から供給された前記水素ガスを予め精製する精製装置をさらに備え、前記固体高分子型燃料電池は、前記精製装置で精製された水素ガスを反応させて発電する＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の副生水素利用システム。

【0023】

生産設備で副生される副生水素の純度は様々である一方、ＰＥＦＣに供給する水素には高い純度が要求される。本形態の副生水素利用システムでは、ＰＥＦＣに供給される前の副生水素をあらかじめ精製することにより、発電効率を高く維持し、燃料電池の耐久性を維持、改善することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、副生水素を用いてエネルギーの利用効率が改善された副生水素利用システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施形態に係る副生水素利用システムの概略構成を示すシステム構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係る副生水素利用システムの変形例の構成を示すシステム構成図である。

【図3】従来システムの構成を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、本発明の副生水素利用システムの実施形態について具体的に説明する。但し、本発明は、以下に示す実施形態に制限されるものではない。

【0027】

本発明に係る副生水素利用システムの一実施形態を、図１を参照して説明する。本実施形態に係る副生水素利用システム１００は、水素ガスが副次的に生成される副生水素発生プラント３（生産設備）と、水素ガスが供給されて発電するＰＥＦＣ１と、供給された燃料及び水素ガスを燃焼させて温水を加熱する蒸気ボイラ２（燃焼設備）と、を備えている。

【0028】

本実施形態では、副生水素発生プラント３にて生成された副生水素が、ＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２に供給され、ＰＥＦＣ１での発電にて得られた発電電力が副生水素発生プラント３に供給される。また、ＰＥＦＣ１での発電にて得られた温水は、蒸気ボイラ２へ供給され、供給された温水は燃料及び水素ガスの燃焼により加熱されて水蒸気となる。蒸気ボイラ２にて得られた水蒸気は、副生水素発生プラント３に供給されて熱エネルギーとして利用される。

【0029】

これにより、比較的純度の高い副生水素は、ＰＥＦＣに供給されて発電用途として消費されることで、熱エネルギーとしてではなく、電気エネルギーに変換される。ＰＥＦＣでの水素の発電効率は、ボイラ等での水素の蒸気変換効率に比べると高いとは言い難いものの、二次エネルギーである電力から換算される一次エネルギーは２．５倍を超える。そのため、副生水素の一部をＰＥＦＣ１に供給し、残りを蒸気ボイラ２に供給した場合、全ての副生水素を蒸気ボイラ２に供給した場合と比較して、二次エネルギーから換算される一次エネルギーに対し、プラント全体のエネルギー効率は大幅に改善され、一定量の副生水素に基づいて得られるエネルギー量を高めることができる。

【0030】

さらに、本実施形態の副生水素利用システム１００では、副生水素がＰＥＦＣ１に供給されて反応することで、電気エネルギーとともに熱エネルギーが得られる。この熱エネルギーを水と熱交換することで、加熱された水（温水）として取り出すことができる。温水として取り出した熱エネルギーが蒸気ボイラ２に供給されることで全体でのエネルギー効率をさらに高めることができる。

【0031】

以上により、本実施形態の副生水素利用システム１００では、副生水素を発電用燃料及び燃焼用燃料として用いることによって、水素のエネルギー価値を高めることが可能となり、エネルギー利用効率が改善される。
以下、副生水素利用システム１００の各構成について説明する。

【0032】

副生水素発生プラント３は、一部の生産プロセスで水素が副次的に生成されてくる設備であれば、特に制限されない。副生水素発生プラント３は、エネルギーの改善効率が高まる点から、水素生成量の多いプラントが好ましい。

【0033】

副生水素発生プラントの例としては、エチレン、プロピレン等の化学製品を生産する石油化学プラント、製鉄所、苛性ソーダを電解生成するソーダ電解プラントなどが挙げられる。

【0034】

蒸気ボイラ２は、副生水素発生プラント３内の被加熱部を加熱する際に必要な熱を賄うための燃焼装置である。蒸気ボイラ２には、副生水素発生プラント３にて生成された副生水素を供給するための副生水素供給経路１１、ＰＥＦＣ１での発電により得られた温水を供給するための温水供給経路１２及び燃焼用燃料として都市ガスを供給するためのガス供給経路１３が接続されている。なお、都市ガスは、外部施設（図示せず）よりガス供給経路１３を通じて蒸気ボイラ２に供給される。

【0035】

本実施形態では、副生水素発生プラント３にて生成された副生水素の一部が副生水素供給経路１１を通じてＰＥＦＣ１に供給され、残りの副生水素が燃料として副生水素供給経路１１を通じて蒸気ボイラ２に供給される。

【0036】

副生水素発生プラント３より供給された副生水素及び外部施設より供給された都市ガスが燃焼されることで熱が生成し、生成熱はＰＥＦＣ１より供給された温水との熱交換により水蒸気として取り出される。取り出された水蒸気は、蒸気ボイラ２と副生水素発生プラント３との間を繋ぐ水蒸気供給経路１４を通じて副生水素発生プラント３へ供給される。これにより、ＰＥＦＣを配置せずに副生水素を燃焼用燃料として用いて生じた熱をボイラ等の生産設備に供給する場合と比較して全体でのエネルギー効率をより高めることができる。

【0037】

水素ガス以外の燃焼用燃料としては、前述の都市ガスに限定されず、他にもＬＰガス、天然ガス、消化ガス、重油、灯油、軽油等の燃料が挙げられる。

【0038】

なお、水蒸気とは、気体の状態になっている水、及びこれが空気中で凝結して細かい水滴となったものを包含する意味である。

【0039】

本実施形態では、燃焼設備として蒸気ボイラを備えた態様を示したが、蒸気ボイラのほか、ガスタービン等を用いてもよい。なお、蒸気ボイラなどの燃焼設備としては、燃焼により得られた熱を温水と熱交換して水蒸気とするもののほか、燃焼により得られた熱を温水と熱交換して温水をより温度の高い熱水とするものであってもよい。

【0040】

固体高分子型燃料電池であるＰＥＦＣ１は、副生水素供給経路１１によって副生水素発生プラント３と連通されている。副生水素発生プラント３で生成された副生水素は、副生水素供給経路１１を通じて、ＰＥＦＣ１のアノード側に供給される。

【0041】

ＰＥＦＣ１は、一般に、高分子電解質膜をアノード極（燃料極）及びカソード極（酸素極）で挟んだセルを更にセパレータで挟んだ構造を有する。ＰＥＦＣ１のアノード側に水素が供給されたとき、以下の反応（ａ）に示すように、水素イオンが生成される。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（ａ）

【0042】

ＰＥＦＣ１にて、生成された水素イオンは高分子電解質膜を通じてカソード側へ移動し、以下の反応（ｂ）に示すように、カソード側で水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応が生じ、発電する。
１/２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（ｂ）

【0043】

発電により得られた電力は、電力系統２１を介して副生水素発生プラント３へ供給される。これにより、副生水素発生プラント３を作動する際に必要な外部電力の一部を、ＰＥＦＣ１にて得られた発電電力でまかなうことができ、外部の電力系統から供給される電力量を削減することができる。

【0044】

また、ＰＥＦＣ１では、発電に加えて熱エネルギーが発生する。通常、発生した熱エネルギーを、生成された水と熱交換することで得られる温水の温度は６０℃程度であり、工業用に使用するには温水の温度が低く、有効活用が難しい。一方、本実施形態に係る副生水素利用システム１００では、得られた温水が温水供給経路１２を通じて蒸気ボイラ２に送られ、蒸気ボイラ２にて利用される。これにより、ＰＥＦＣ１から発生した温水を有効利用できる。

【0045】

ＰＥＦＣ１は、上記のように、セパレータ／燃料極／高分子電解質膜／酸素極／セパレータの積層構造を有する単セルを備える燃料電池を指し、必要に応じて、更に、水素を改質生成する改質器を備えた燃料電池であってもよい。

【0046】

さらに、本実施形態に係る副生水素利用システム１００では、ＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２が、以下の式（１）又は式（１）’及び式（２）〜式（４）を満たすことが好ましい。なお、式（１）中、４．１８は水の比熱（Ｊ／（ｇ・Ｋ））であり、２２５８は水の蒸発潜熱（Ｊ／ｇ）を表す。
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）
{ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］}×［（ＢＯＷ_ｔｅｍｐ−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８］≦ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ・・・（１）’
ＰＥ_ｏｕｔ＝Ｈ２_ＰＥ×ＰＥ_η・・・（２）
ＢＯ_ｏｕｔ＝（Ｈ２_ＢＯ＋ＴＧ_ＢＯ）×Ｂ_η・・・（３）
Ｈ２_{ｔｏｔａｌ}＝Ｈ２_ＰＥ＋Ｈ２_ＢＯ・・・（４）
（式（１）〜式（４）中、ＰＥ_ｏｕｔはＰＥＦＣ１の温水出力（Ｗ）、Ｔ_ＰＥはＰＥＦＣ１の運転時間（秒）、ＰＥＷ_ｔｅｍｐはＰＥＦＣ１にて得られる温水の温度（℃）、Ｗ_ｔｅｍｐはＰＥＦＣ１に供給される水の温度（℃）、ＢＯ_ｏｕｔは蒸気ボイラ２の出力（Ｗ）、Ｔ_ＢＯは蒸気ボイラ２の運転時間（秒）、ＢＯＷ_ｔｅｍｐは蒸気ボイラ２にて得られる加熱された温水の温度（℃）、Ｈ２_ＰＥはＰＥＦＣ１への水素供給熱量（Ｊ）、ＰＥ_ηはＰＥＦＣ１の温水回収効率（％）、Ｈ２_ＢＯは蒸気ボイラ２への水素供給熱量（Ｊ）、ＴＧ_ＢＯは蒸気ボイラ２への燃料供給熱量、Ｂ_ηは蒸気ボイラ２の蒸気回収効率（エネルギー変換効率）（％）、及びＨ２_{ｔｏｔａｌ}は総水素供給熱量（Ｊ）を表す。）

【0047】

本実施形態の副生水素利用システム１００では、上記式（１）及び式（２）〜式（４）を満たすようにＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣ１で発生する温水を無駄なく蒸気として得ることが可能である。また、上記式（１）’ 及び式（２）〜式（４）を満たすようにＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣ１で発生する温水を無駄なくＢＯＷ_ｔｅｍｐ℃の熱水として得ることが可能である。

【0048】

より詳細には、上記式（１）中の左辺は、ＰＥＦＣ１で発生する温水を１００℃の蒸気とするために必要な熱量を指しており、上記式（１）中の右辺は、蒸気ボイラ２にて温水が受け取る熱量を指している。ここで、式（１）を満たすことで、ＰＥＦＣ１で発生する温水が無駄なく１００℃以上の蒸気となる。

【0049】

次に、上記式（１）’中の左辺は、ＰＥＦＣ１で発生する温水をＢＯＷ_ｔｅｍｐ℃の熱水まで昇温するために必要な熱量を指しており、上記式（１）中の右辺は、蒸気ボイラ２にて温水が受け取る熱量を指している。ここで、式（１）’を満たすことで、ＰＥＦＣ１で発生する温水がＢＯＷ_ｔｅｍｐ以上の温度の熱水となるまで蒸気ボイラ２にて加熱される。

【0050】

また、本実施形態に係る副生水素利用システム１００では、ＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２が、以下の式（１）’’及び式（２）〜式（４）を満たすことがより好ましい。
ＰＥ_ｏｕｔ×Ｔ_ＰＥ／［（ＰＥＷ_ｔｅｍｐ−Ｗ_ｔｅｍｐ）×４．１８］＝ＢＯ_ｏｕｔ×Ｔ_ＢＯ／［（１００−ＰＥＷ_ｔｅｍｐ）×４．１８＋２２５８］・・・（１）’’

【0051】

本実施形態の副生水素利用システム１００では、上記式（１）’’及び式（２）〜式（４）を満たすようにＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２の各条件を調整することにより、ＰＥＦＣ１で発生する温水を無駄なく蒸気（１００℃の蒸気）として得ることが可能であり、ＰＥＦＣ１にて発生する温水を無駄なく使用できる。

【0052】

より詳細には、上記式（１）’’中の左辺は、ＰＥＦＣ１にて発生する温水量を表し、上記式（１）’’中の右辺は、蒸気ボイラ２に供給される給水量を表す。使用するＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２における出力、回収効率及び運転時間に応じて、ＰＥＦＣ１にて発生する温水量と蒸気ボイラ２に供給される給水量とがバランスするように、ＰＥＦＣ１及び蒸気ボイラ２への水素供給熱量並びに蒸気ボイラ２への水素以外の燃料供給熱量を設定すればよい。

【0053】

次に、本実施形態に係る副生水素利用システム１００において、水素のエネルギー価値を見積もったシミュレーション結果を従来システムと対比して以下に示す。従来システムは、燃焼設備として蒸気ボイラを用いた場合を例に挙げて示す。

【0054】

水素のエネルギー価値とは、エネルギーとしての利用価値のことであり、水素ガスをエネルギー源として利用する際に実際に得られるエネルギーの大きさのことを指す。例えば、システムに導入する水素ガス（一次エネルギー）の量ａを使用して得られる二次エネルギーが、ａ（等倍）のままの使用法と、２ａとなる使用法とでは、実質的なエネルギー量が異なり、同量の水素（一次エネルギー）でも、後者はエネルギーとしての利用価値が２倍高いといえる。

【0055】

まず、ＰＥＦＣと蒸気ボイラとに副生水素を供給した場合（本実施形態に係る副生水素利用システム１００）における水素の一次エネルギーとしての価値と、蒸気ボイラのみに副生水素を供給した場合における水素の一次エネルギーとしての価値と、を対比する。

【0056】

ＰＥＦＣの発電効率、蒸気ボイラの蒸気回収効率をそれぞれ５５％、９５％と仮定し、蒸気及び電力の一次エネルギー換算値（単位：ギガジュール［ＧＪ］）をそれぞれ以下の表１に示す値と仮定する。一次エネルギー換算値は、いずれも日本ガス協会の公開値（「電気の使用に係るＣＯ_２排出係数を考える ＣＯ_２削減対策の評価に用いる電気のＣＯ_２排出係数について ＜２０１０年施行温対法対応版＞ 」一般社団法人日本ガス協会）である。なお、電力の一次エネルギー換算値（9.63GJ/MWh）は、昼間の9.97GJ/MWhと夜間の9.28GJ/MWhの平均値である。

【0057】

【表1】

【0058】

上記表１の条件下、供給する水素ガスの量をエネルギー換算で１００ギガジュール（ＧＪ）と仮定する。また、ＰＥＦＣと蒸気ボイラとに副生水素を供給する際、ＰＥＦＣに供給する副生水素と、蒸気ボイラに供給する副生水素のモル比を１：１、すなわち、同量の副生水素をＰＥＦＣ及び蒸気ボイラに供給すると仮定する。

【0059】

このとき、ＰＥＦＣと蒸気ボイラとに副生水素を供給した場合及び蒸気ボイラのみに副生水素を供給した場合において、二次エネルギー、及び二次エネルギーから換算した一次エネルギーの値はそれぞれ以下のようになる。
ＰＥＦＣ＋蒸気ボイラでの二次エネルギーの値・・・１００ＧＪ×０．５×０．５５＋１００ＧＪ×０．５×０．４０＋１００ＧＪ×０．５×０．９５＝９５ＧＪ
ＰＥＦＣ＋蒸気ボイラでの一次エネルギーの換算値・・・（１００ＧＪ×０．５×０．５５）×２．６７ＧＪ／ＧＪ＋（１００ＧＪ×０．５×０．４０）／（９５／１００）＋（１００ＧＪ×０．５×０．９５）×１．０２ＧＪ／ＧＪ＝１４３ＧＪ
蒸気ボイラのみでの二次エネルギーの値・・・１００ＧＪ×０．９５＝９５ＧＪ
蒸気ボイラのみでの一次エネルギーの換算値・・・１００ＧＪ×０．９５×１．０２ＧＪ／ＧＪ＝９６．９ＧＪ

【0060】

【表2】

【0061】

単体での水素ガスの利用効率は、ＰＥＦＣ及びボイラを利用する場合と蒸気ボイラのみを利用する場合とで同じであるが、表２に示されるように、同量の水素から得られる二次エネルギーより換算される一次エネルギーを対比すると、ＰＥＦＣ及びボイラを利用した場合の一次エネルギーは、蒸気ボイラのみを利用した場合の一次エネルギーに比べて約１．５倍高いことがわかる。したがって、プラント全体でのエネルギー効率が飛躍的に改善されることが推測される。

【0062】

（変形例）
次に、上記実施形態の変形例を示す。変形例を図２に示す。なお、図２に示す変形例では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0063】

変形例は、図２に示す副生水素利用システム２００のように、副生水素発生プラント３とＰＥＦＣ１とを連通する副生水素供給経路１１に、副生水素を精製するための精製装置４が取り付けられている。

【0064】

供給された副生水素の純度が低い場合、精製装置４で不純物が取り除かれ、高純度の副生水素がＰＥＦＣ１に供給される。これにより、ＰＥＦＣ１の発電効率及び耐用年数を維持、向上させることができる。

【0065】

副生水素中の不純物としては、メタンガス等の炭化水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄等が挙げられる。

【0066】

精製装置４は、水素ガス中に混入している不純物を除去することができる装置を適宜選択すればよい。精製装置４の具体例としては、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して加圧、減圧を繰り返す際のガス成分の着脱によりガス分離を行うＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置、二酸化炭素を選択的に分離する二酸化炭素分離膜、硫黄を吸着する活性炭もしくは合金粒子等の脱硫剤などが挙げられる。

【0067】

精製装置４は、図２に示されるように副生水素供給経路１１の分岐点よりも下流のＰＥＦＣ１側に配置されていてもよく、副生水素供給経路１１の分岐点よりも上流に配置されていてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本開示の水素利用システムは、エチレン、プロピレン等の化学製品を生産する石油化学プラント、製鉄所、ソーダ電解プラント等の、副次的に水素ガスが生成されるプロセスを有する工業プラントにおいて好適である。

【符号の説明】

【0069】

１ ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）
２ 蒸気ボイラ（燃焼設備）
３ 副生水素発生プラント（生産設備）
４ 精製装置
１１ 副生水素供給経路
１２ 温水供給経路
１３ 都市ガス供給経路
１４ 水蒸気供給経路
２１ 電力系統
１００、２００ 副生水素利用システム

【図1】

【図2】

【図3】