特開 2024-131550 水素供給システム及びその運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131550

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】水素供給システム及びその運転方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 4/00 20060101AFI20240920BHJP

   C01B 3/26 20060101ALI20240920BHJP

   B01J 7/00 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

B01J4/00 102

C01B3/26

B01J7/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041885

(22)【出願日】2023-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003285

【氏名又は名称】千代田化工建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川上 円

(72)【発明者】

【氏名】河合 裕教

(72)【発明者】

【氏名】岡田 将尭

(72)【発明者】

【氏名】仁平 雅之

(72)【発明者】

【氏名】小日山 輝泉

【テーマコード（参考）】

4G068

4G140

【Ｆターム（参考）】

4G068AA01

4G068AB01

4G068AC20

4G068AF12

4G068AF36

4G068DA10

4G068DB17

4G068DD01

4G068DD11

4G068DD15

4G140DA02

4G140DA03

4G140DC03

(57)【要約】

【課題】 水素ガスの供給量を迅速に変化させることができる水素生成システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】 水素供給システム１は、液体の水素キャリアを気化する気化器３と、気化器において気化された水素キャリアの供給を受け、水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器４と、気化器の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を制御する制御装置３０とを有する。制御装置は、水素キャリアの加熱量を調節することによって気化器の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を調節してもよい。水素供給システム１は、脱水素反応器の出口に接続され、第１気化器を通過するメイン通路Ｌ６と、メイン通路に接続され、第１気化器を迂回するバイパス通路Ｌ７と、メイン通路及びバイパス通路の少なくとも一方に設けられた第１流量制御弁Ｖ６とを更に有する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素供給システムであって、
液体の水素キャリアを気化する気化器と、
前記気化器において気化された前記水素キャリアの供給を受け、前記水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器と、
前記気化器の出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を制御する制御装置とを有する水素供給システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記水素キャリアの加熱量を調節することによって前記気化器の前記出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を調節する請求項１に記載の水素供給システム。

【請求項3】

前記気化器は、第１気化器と、前記第１気化器と異なる熱源を有する第２気化器とを有する請求項２に記載の水素供給システム。

【請求項4】

前記脱水素反応器の前記出口に接続され、前記第１気化器を通過するメイン通路と、
前記メイン通路に接続され、前記第１気化器を迂回するバイパス通路と、
前記メイン通路及び前記バイパス通路の少なくとも一方に設けられた第１流量制御弁とを更に有し、
前記第１気化器は、前記脱水素反応器の前記出口から流出した流体を熱源とする請求項３に記載の水素供給システム。

【請求項5】

前記第２気化器には、前記脱水素反応器を加熱するための熱源が供給される請求項３に記載の水素供給システム。

【請求項6】

前記気化器に供給する液体の前記水素キャリアの流量を制御する第２流量制御弁と、
前記気化器内の前記水素キャリアの液位を検出する液位センサとを有し、
前記第２流量制御弁は、前記気化器内の液体の前記水素キャリアの液位が一定になるように制御される請求項２に記載の水素供給システム。

【請求項7】

水素供給システムの運転方法であって、
前記水素供給システムは、
水素キャリアを気化する気化器と、
前記気化器において気化された前記水素キャリアの供給を受け、前記水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器とを有し、
前記運転方法は、前記脱水素反応器の出口を流れる水素の流量を調節するために、前記気化器の出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を調節する水素供給システムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素供給システム及びその運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、有機ハイドライドを原料として水素ガスを製造する水素供給システムを開示している。水素供給システムは、有機ハイドライドを気化する気化器と、気化された有機ハイドライドの脱水素反応を行う脱水素反応器と、脱水素反応によって生成した有機物から水素ガスを分離する気液分離装置とを有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７１９８０４８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水素供給システムにガスタービン発電機等の水素使用装置を接続し、水素供給システムが生成した水素を水素使用装置が使用する場合、水素使用装置の要求水素ガス流量に応じて水素供給システムは水素ガスの生成量を変動させる必要がある。しかし、水素供給システムでは、原料である有機ハイドライドを気化するのに遅れが生ずるため、原料の供給量を制御しても水素ガスの供給量を迅速に変化させることができないという問題がある。

【0005】

本発明は、以上の背景を鑑み、水素ガスの供給量を迅速に変化させることができる水素生成システム及びその運転方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、水素供給システム（１）であって、液体の水素キャリアを気化する気化器（３）と、前記気化器において気化された前記水素キャリアの供給を受け、前記水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器（４）と、前記気化器の出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を制御する制御装置（３０）とを有する。

【0007】

この態様によれば、気化器の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を制御することによって、脱水素反応器に供給する気体の水素キャリアの流量を迅速に調節することができる。これにより、脱水素反応器における水素ガスの生成量を迅速に変化させることができる。すなわち、水素ガスの供給量を迅速に変化させることができる水素生成システムを提供することができる。

【0008】

上記の態様において、前記制御装置は、前記水素キャリアの加熱量を調節することによって前記気化器の前記出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を調節してもよい。

【0009】

この態様によれば、気化器における水素キャリアの加熱量を調節することによって、気化器の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を迅速に調節することができる。

【0010】

上記の態様において、前記気化器は、第１気化器（３Ａ）と、前記第１気化器と異なる熱源を有する第２気化器（３Ｂ）とを有してもよい。

【0011】

この態様によれば、熱源が異なる第１気化器及び第２気化器を使用して水素キャリアを気化させるため、仮に第１気化器及び第２気化器の一方の熱源が不足したとしても、第１気化器及び第２気化器の他方によって水素キャリアを迅速に気化させることができる。

【0012】

上記の態様において、前記脱水素反応器の前記出口に接続され、前記第１気化器を通過するメイン通路（Ｌ６）と、前記メイン通路に接続され、前記第１気化器を迂回するバイパス通路（Ｌ７）と、前記メイン通路及び前記バイパス通路の少なくとも一方に設けられた第１流量制御弁（Ｖ６）とを更に有し、前記第１気化器は、前記脱水素反応器の前記出口から流出した流体を熱源としてもよい。

【0013】

この態様によれば、バイパス通路を流れる高温の流体の流量を制御することによって、第１気化器における水素キャリアの加熱量を制御することができる。

【0014】

上記の態様において、前記第２気化器には、前記脱水素反応器を加熱するための熱源が供給されてもよい。

【0015】

この態様によれば、脱水素反応器を加熱する熱源を利用して第２気化器を加熱することができる。

【0016】

上記の態様において、前記気化器に供給する液体の前記水素キャリアの流量を制御する第２流量制御弁（Ｖ１）と、前記気化器内の前記水素キャリアの液位を検出する液位センサ（ＬＶ１）とを有し、前記第２流量制御弁は、前記気化器内の液体の前記水素キャリアの液位が一定になるように制御されてもよい。

【0017】

この態様によれば、気化器内の水素キャリアの液位が一定に制御されているため、水素キャリアの加熱量に応じて水素キャリアの気化量を調節することができる。

【0018】

本発明の他の態様は、水素供給システム（１）の運転方法であって、前記水素供給システムは、水素キャリアを気化する気化器（３）と、前記気化器において気化された前記水素キャリアの供給を受け、前記水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器（４）とを有し、前記脱水素反応器の出口を流れる水素の流量を調節するために、前記気化器の出口を流れる気体の前記水素キャリアの流量を調節するステップを含む。

【0019】

この態様によれば、気化器の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を調節することによって、脱水素反応器に供給する気体の水素キャリアを迅速に調節することができる。これにより、脱水素反応器における水素ガスの生成量を迅速に変化させることができる。

【発明の効果】

【0020】

以上の態様によれば、水素ガスの供給量を迅速に変化させることができる水素生成システム及びその運転方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係る水素供給システムを示す説明図

【図2】制御装置が実行する制御手順を示すフロー図

【図3】要求水素ガス流量に対する、気化器の出口における水素キャリアの質量流量、及びメイン通路の下流端における水素ガスの質量流量を示すグラフ

【図4】要求水素ガス流量に対する、メイン通路の下流端における水素ガスの圧力及びその目標値を示すグラフ

【図5】第１実施形態の変形例に係る水素供給システムを示す説明図

【図6】第２実施形態に係る水素供給システムを示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明に係る水素供給システム及びその運転方法の実施形態について説明する。水素供給システムは、水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成し、生成した水素を水素使用装置に供給する。水素使用装置は、例えば水素ガスタービン、燃料電池、水素内燃機関等であってよい。

【0023】

水素キャリアは、脱水素反応によって水素分子を放出する化合物であり、水素化物ともいう。水素キャリアは、有機ハイドライド、アンモニア、ギ酸等であってよい。有機ハイドライドは、水素化芳香族類を含む。水素化芳香族類は、単環芳香族類の水素化物、２環芳香族類の水素化物、及び３環以上の芳香環を有する化合物の水素化物を含む。水素化芳香族類は、具体的には、メチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）、シクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、テトラリン、デカリン、メチルデカリン、ビフェニル、ジフェニルメチル、ジベンゾトリオール、テトラデカヒドロアントラセンからなる群から選ばれる１種又は２種以上の混合物であるとよい。脱水素化された水素キャリアは、水素化反応によって元の水素を含む水素キャリアに復元する。例えば、メチルシクロヘキサンの脱水素化反応によって水素及びトルエンが生成し、トルエンの水素化反応によってメチルシクロヘキサンが生成される。

【0024】

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る水素供給システム１は、原料容器２と、気化器３と、脱水素反応器４と、気液分離装置５と、水素ガスホルダ６とを有する。各装置は、通路によって接続されている。通路は管によって形成されているとよい。原料容器２は、原料としての水素キャリアを液体の状態で貯留する。原料容器２は、タンクやベッセルであるとよい。

【0025】

気化器３は、液体の水素キャリアを気化する。気化器３は、第１気化器３Ａと、第２気化器３Ｂとを含む。第１気化器３Ａと第２気化器３Ｂとは、互いに並列に配置されている。第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂは、液体の水素キャリアが供給されるドラム１１と、ドラム１１を加熱する熱源（熱媒体）が供給される加熱部１２とを有する。各ドラム１１は、液体の水素キャリアが流入するドラム入口と、ドラム１１内で気化された気体の水素キャリアが流出するドラム出口とを有する。加熱部１２は、ドラム１１内を通過する管やドラム１１の周囲に設けられたジャケットであるとよい。

【0026】

原料容器２は、通路Ｌ１によって第１気化器３Ａのドラム入口に接続され、通路Ｌ２によって第２気化器３Ｂのドラム入口に接続されている。通路Ｌ１には流量制御弁Ｖ１が設けられている。通路Ｌ２には流量制御弁Ｖ２が設けられている。

【0027】

第１気化器３Ａのドラム出口は、通路Ｌ３によって脱水素反応器４の入口に接続されている。第２気化器３Ｂのドラム出口は、通路Ｌ４を介して通路Ｌ３に接続されている。通路Ｌ３には、第１気化器３Ａ側から、通路Ｌ４との接続部、第１加熱器１６、第２加熱器１７が順に設けられている。

【0028】

第１加熱器１６及び第２加熱器１７は、通路Ｌ３を流れる気体の水素キャリアを加熱する。第１加熱器１６及び第２加熱器１７は、高温の熱媒体が供給される熱交換器や、燃料の燃焼熱によって加熱するボイラであってよい。通路Ｌ３には、第１加熱器１６及び第２加熱器１７の少なくとも一方を迂回するバイパス通路Ｌ５が設けられている。本実施形態では、第１加熱器１６には、第１加熱器１６に供給される熱媒体の流量を制御する流量制御弁Ｖ３が設けられている。また、第２加熱器１７には、バイパス通路Ｌ５が第２加熱器１７と並列に接続されている。第２加熱器１７には、例えば、他の加熱炉の排熱が供給されるとよい。他の加熱炉は、例えば、脱水素反応器４を加熱するために使用されるホットオイルを加熱するホットオイル加熱炉であるとよい。バイパス通路Ｌ５には、バイパス通路Ｌ５を流れる気体の水素キャリアの流量を調節する流量制御弁Ｖ４が設けられている。

【0029】

脱水素反応器４は、連続操作を行う管型反応器であり、内部に脱水素触媒が充填されている。脱水素触媒は、例えばアルミナ担体に白金を担持させた白金担持アルミナ触媒であるとよい。アルミナ担体は、例えば、表面積が１５０ｍ^２／ｇ以上、細孔容積が０．４０ｃｍ^３／ｇ以上、平均細孔径が４０Å以上３００Å以下、及び全細孔容積に対して平均細孔径±３０Å以下の細孔が占める割合が６０％以上であるとよい。白金の含有量は、例えば白金元素として０．０５以上５．０ｗｔ％以下であるとよい。脱水素触媒は、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を更に含んでもよい。

【0030】

脱水素反応器４の入口には、通路Ｌ３が接続され、気化され、かつ加熱された水素キャリアが供給される。脱水素反応器４は、水素キャリアの脱水素反応によって水素を生成する。水素キャリアは、脱水素反応器４内において、脱水素触媒の作用による脱水素反応によって脱水素化され、水素ガスを放出する。水素キャリアがメチルシクロヘキサンである場合、脱水素反応によって、トルエンと水素が生成される。脱水素反応は、吸熱反応であるため、高温下で反応が促進される。脱水素反応器４には熱媒体が供給され、脱水素反応器４中の水素キャリアは熱媒体と熱交換し、加熱される。熱媒体は、例えばホットオイルであるとよい。脱水素反応器４内の温度は、２５０℃以上３５０℃以下に維持されるとよい。

【0031】

脱水素反応器４の出口には、未反応の水素キャリアガスと、水素ガスと、脱水素化された水素キャリアガスとを含む混合流体が流れる。脱水素反応器４の出口には、メイン通路Ｌ６が接続されている。メイン通路Ｌ６の下流端は、水素を使用する水素使用装置２０に接続されている。

【0032】

メイン通路Ｌ６には、第１気化器３Ａ、気液分離装置５、圧縮機２１、冷却器２２と、メイン流量制御弁Ｖ５とが設けられている。気液分離装置５は、メイン通路Ｌ６を流れる混合流体から水素ガスを分離する。気液分離装置５は、第１気液分離装置５Ａ及び第２気液分離装置５Ｂを含む。圧縮機２１は、メイン通路Ｌ６を流れる混合流体及び水素ガスを圧縮する。圧縮機２１は、第１圧縮機２１Ａ、第２圧縮機２１Ｂ、及び第３圧縮機２１Ｃを含む。冷却器２２は、メイン通路Ｌ６を流れる混合流体及び水素ガスを冷却する。冷却器２２は、第１冷却器２２Ａ、第２冷却器２２Ｂ、第３冷却器２２Ｃ、及び第４冷却器２２Ｄを含む。第１気化器３Ａ、第１冷却器２２Ａ、第１気液分離装置５Ａ、第１圧縮機２１Ａ、第２冷却器２２Ｂ、第２気液分離装置５Ｂ、第２圧縮機２１Ｂ、第３冷却器２２Ｃ、第３圧縮機２１Ｃ、第４冷却器２２Ｄ、メイン流量制御弁Ｖ５は、記載の順序で上流側から順にメイン通路Ｌ６に配置されている。

【0033】

メイン通路Ｌ６は、第１気化器３Ａを通過している。これにより、脱水素反応器４の出口から流出した混合流体は、第１気化器３Ａの加熱部１２を通過し、第１気化器３Ａを加熱する。すなわち、第１気化器３Ａは、脱水素反応器４の出口から流出した流体を熱源とする。第１気化器３Ａの加熱部１２に供給される混合流体の温度は、例えば２００℃以上３５０℃以下であるとよい。混合流体は、第１気化器３Ａに熱を供給することによって冷却される。

【0034】

メイン通路Ｌ６には、第１気化器３Ａを迂回するバイパス通路Ｌ７が接続されている。バイパス通路Ｌ７の上流端はメイン通路Ｌ６における脱水素反応器４と第１気化器３Ａとの間の部分に接続され、バイパス通路Ｌ７の下流端はメイン通路Ｌ６における第１気化器３Ａと第１冷却器２２Ａとの間の部分に接続されている。メイン通路Ｌ６及びバイパス通路Ｌ７の少なくとも一方にはバイパス流量制御弁Ｖ６が設けられている。バイパス流量制御弁Ｖ６は、第１気化器３Ａに供給される混合流体の流量を調節する。バイパス通路Ｌ７を流れる高温の混合流体の流量を制御することによって、第１気化器３Ａにおける水素キャリアの加熱量を制御することができる。バイパス流量制御弁Ｖ６は、第１気化器３Ａを構成する要素の１つである。本実施形態では、バイパス流量制御弁Ｖ６はバイパス通路Ｌ７に設けられている。他の実施形態では、バイパス流量制御弁Ｖ６は、メイン通路Ｌ６とバイパス通路Ｌ７との接続部に設けられた三方弁であってもよい。

【0035】

第２気化器３Ｂは、第１気化器３Ａと異なる熱源を有する。本実施形態では、第２気化器３Ｂには、脱水素反応器４を加熱するための熱源、すなわちホットオイルが供給される。これにより、脱水素反応器４を加熱する熱源を利用して第２気化器３Ｂを加熱することができる。第２気化器３Ｂには、ホットオイルの流量を制御するための流量制御弁Ｖ７が設けられている。

【0036】

第１冷却器２２Ａは、第１気化器３Ａを通過した混合流体を水素キャリアの露点以下、かつ脱水素化された水素キャリアの露点以下に冷却する。これにより、混合流体中の水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアが凝縮する。これにより、混合流体は、液体の水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアと、水素ガスとを含む。第１冷却器２２Ａは、水を冷媒とした熱交換器であるとよい。

【0037】

第１気液分離装置５Ａは、第１冷却器２２Ａにおいて冷却された混合流体を、水素ガスと、液体の水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアとに分離する。第１気液分離装置５Ａは、ノックアウトドラムであるとよい。水素ガスは、第１気液分離装置５Ａの気体出口からメイン通路Ｌ６の下流側に流れる。液体の水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアは、第１気液分離装置５Ａの液体出口から回収される。

【0038】

第１気液分離装置５Ａの気体出口から流出した水素ガスは、第１圧縮機２１Ａにおいて圧縮され、第２冷却器２２Ｂにおいて冷却される。これにより、水素ガス中に残留した水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアが凝縮する。第２冷却器２２Ｂを通過した水素ガスは、第２気液分離装置５Ｂにおいて、凝縮した水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアが分離される。第２気液分離装置５Ｂは第１気液分離装置５Ａと同様であってよい。水素ガスは、第２気液分離装置５Ｂの気体出口からメイン通路Ｌ６の下流側に流れる。液体の水素キャリア及び脱水素化された水素キャリアは、第２気液分離装置５Ｂの液体出口から回収される。

【0039】

第２気液分離装置５Ｂを通過した水素ガスは、第２圧縮機２１Ｂにおいて圧縮され、その後に第３冷却器２２Ｃにおいて冷却される。水素ガスは第３冷却器２２Ｃによって冷却されることによって、体積が減少するため、その後の圧縮が容易になる。第３冷却器２２Ｃを通過した水素ガスは、第３圧縮機２１Ｃにおいて圧縮され、その後に第４冷却器２２Ｄにおいて冷却される。

【0040】

メイン流量制御弁Ｖ５は、メイン通路Ｌ６の下流端に設けられ、水素使用装置２０に供給する水素ガスの流量を調節する。

【0041】

水素ガスホルダ６は、メイン通路Ｌ６における気液分離装置５よりも下流側の部分に、メイン通路Ｌ６に対して分岐した第１接続通路Ｌ８を介して接続されている。水素ガスホルダ６は、加圧された水素ガスを受容可能な圧力容器である。本実施形態では、第１接続通路Ｌ８は、メイン通路Ｌ６における第４冷却器２２Ｄとメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分に接続されている。これにより、第１圧縮機２１Ａ、第２圧縮機２１Ｂ、及び第３圧縮機２１Ｃは、メイン通路Ｌ６における第１気液分離装置５Ａと第１接続通路Ｌ８の接続部との間の部分に設けられている。

【0042】

また、水素ガスホルダ６は、第２接続通路Ｌ９によって、メイン通路Ｌ６における第１気液分離装置５Ａと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分に接続されている。本実施形地では、第２接続通路Ｌ９は、メイン通路Ｌ６における第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分に接続されている。

【0043】

第１接続通路Ｌ８には、メイン通路Ｌ６から水素ガスホルダ６に流れる水素ガスの流量を制御する流入流量制御弁Ｖ８が設けられている。第２接続通路Ｌ９には、水素ガスホルダ６からメイン通路Ｌ６に流れる水素ガスの流量を制御する戻し流量制御弁Ｖ９が設けられている。

【0044】

メイン通路Ｌ６における第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分と、メイン通路Ｌ６における第１気液分離装置５Ａと第１圧縮機２１Ａとの間の部分とは、戻し通路Ｌ１０によって接続されている。戻し通路Ｌ１０には、流量制御弁Ｖ１０が設けられている。

【0045】

メイン通路Ｌ６における第４冷却器２２Ｄと第１接続通路Ｌ８の間の部分と、メイン通路Ｌ６における第３冷却器２２Ｃと第３圧縮機２１Ｃとの間の部分とは、戻し通路Ｌ１１によって接続されている。戻し通路Ｌ１１には、流量制御弁Ｖ１１が設けられている。

【0046】

通路Ｌ３における通路Ｌ４の接続部と第１加熱器１６との間の部分には、その部分を流れる流体の流量を測定する流量センサＦ１が設けられている。メイン通路Ｌ６における第１接続通路Ｌ８の接続部とメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分には、その部分を流れる流体の流量を測定する流量センサＦ２が設けられている。通路Ｌ３における第２加熱器１７と脱水素反応器４との間の部分には、その部分を流れる流体の温度、すなわち水素キャリアの脱水素反応器４の入口における温度を測定する温度センサＴ１が設けられている。

【0047】

メイン通路Ｌ６における第１気液分離装置５Ａと第１圧縮機２１Ａとの間の部分には、その部分の圧力を測定する圧力センサＰ１が設けられている。メイン通路Ｌ６における第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分には、その部分の圧力を測定する圧力センサＰ２が設けられている。メイン通路Ｌ６における第３冷却器２２Ｃと第３圧縮機２１Ｃとの間の部分には、その部分の圧力を測定する圧力センサＰ３が設けられている。メイン通路Ｌ６における第１接続通路Ｌ８の接続部とメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分には、その部分の圧力を測定する圧力センサＰ４が設けられている。水素ガスホルダ６には、水素ガスホルダ６内の圧力を測定する圧力センサＰ５が設けられている。

【0048】

第１気化器３Ａのドラム１１には、内部の液体の水素キャリアの液位を測定する液位センサＬＶ１が設けられている。第２気化器３Ｂのドラム１１には、内部の液体の水素キャリアの液位を測定する液位センサＬＶ２が設けられている。

【0049】

水素供給システム１は、気化器３及びメイン流量制御弁Ｖ５を少なくとも制御する制御装置３０を有する。制御装置３０は、プロセッサ、メモリ、プログラムを記憶する記憶装置を有し、プログラムを実行することによって各種のアプリケーションを実行するコンピュータである。制御装置３０は、単一のユニットによって構成されてもよく、互いに分離した複数のユニットによって構成されてもよい。本実施形態では、制御装置３０は、各弁Ｖ１～Ｖ１１に接続され、各弁Ｖ１～Ｖ１１を制御する。また、制御装置３０は、流量センサＦ１、Ｆ２、温度センサＴ１、圧力センサＰ１～Ｐ５、及び液位センサＬＶ１、ＬＶ２に接続され、これらから信号を受信する。

【0050】

制御装置３０は、温度センサＴ１が取得した水素キャリアの脱水素反応器４の入口における温度に基づいて、流量制御弁Ｖ３、Ｖ４を制御するとよい。制御装置３０は、例えば、流量制御弁Ｖ４を優先的に制御し、流量制御弁Ｖ３を補助的に制御するとよい。制御装置３０は、通常時には流量制御弁Ｖ３を全閉にして第１加熱器１６を停止させ、温度センサＴ１が取得した温度の低下に応じて、流量制御弁Ｖ４の開度を小さくするとよい。これにより、第２加熱器１７を通過する水素キャリアの流量が増加し、水素キャリアの温度が上昇する。そして、制御装置３０は、流量制御弁Ｖ４が全閉となった後に、流量制御弁Ｖ３を開くとよい。これにより、第１加熱器１６に供給される熱媒体の流量が増加し、第１加熱器１６において、水素キャリアの温度が上昇する。

【0051】

制御装置３０は、圧力センサＰ１が取得した圧力、すなわち第１気液分離装置５Ａと第１圧縮機２１Ａとの間の部分の水素ガスの圧力に基づいて、流量制御弁Ｖ１０を制御するとよい。制御装置３０は、圧力センサＰ１の圧力が目標値ＰＴ１になるように、流量制御弁Ｖ１０を制御するとよい。流量制御弁Ｖ１０が開くと、第１圧縮機２１Ａで圧縮された水素ガスは、戻し通路Ｌ１０を介して第１圧縮機２１Ａの上流側に戻り、第１気液分離装置５Ａと第１圧縮機２１Ａとの間の部分の水素ガスの圧力が上昇する。制御装置３０は、圧力センサＰ１の圧力の低下に応じて、流量制御弁Ｖ１０の開度を大きくするとよい。また、制御装置３０は、圧力センサＰ１の圧力の上昇に応じて、流量制御弁Ｖ１０の開度を小さくするとよい。

【0052】

制御装置３０は、圧力センサＰ３が取得した圧力、すなわち第３冷却器２２Ｃと第３圧縮機２１Ｃとの間の部分の水素ガスの圧力に基づいて、流量制御弁Ｖ１１を制御するとよい。制御装置３０は、圧力センサＰ３の圧力が目標値ＰＴ２になるように、流量制御弁Ｖ１１を制御するとよい。目標値ＰＴ２は、目標値ＰＴ１より高い値に設定されている。流量制御弁Ｖ１１が開くと、第３圧縮機２１Ｃで圧縮された水素ガスは、戻し通路Ｌ１１を介して第３圧縮機２１Ｃの上流側に戻り、第３冷却器２２Ｃと第３圧縮機２１Ｃとの間の部分の水素ガスの圧力が上昇する。制御装置３０は、圧力センサＰ３の圧力の低下に応じて、流量制御弁Ｖ１１の開度を大きくするとよい。また、制御装置３０は、圧力センサＰ３の圧力の上昇に応じて、流量制御弁Ｖ１１の開度を小さくするとよい。

【0053】

制御装置３０は、水素使用装置２０が要求する要求水素ガス流量に基づいてメイン流量制御弁Ｖ５の開度を制御する。制御装置３０は、水素使用装置２０と通信し、水素使用装置２０が設定した要求水素ガス流量を取得するとよい。なお、要求水素ガス流量は、水素使用装置２０の運転状態に基づいて、オペレータが手動で制御装置３０に入力してもよい。制御装置３０は、流量センサＦ２によって取得された流量、すなわちメイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの流量と、要求水素ガス流量とに基づいて、流量センサＦ２によって取得された流量が要求水素ガス流量と一致するようにメイン流量制御弁Ｖ５を制御するとよい。

【0054】

メイン通路Ｌ６の圧縮機２１とメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分の圧力を下流側圧力とする。本実施形態では、下流側圧力は、第３圧縮機２１Ｃとメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分の圧力であり、圧力センサＰ４によって取得される。メイン通路Ｌ６の気液分離装置５と圧縮機２１との間の部分の圧力を上流側圧力とする。本実施形態では、上流側圧力は、第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分の圧力であり、圧力センサＰ２によって取得される。

【0055】

制御装置３０は、下流側圧力が第１閾値ＰＴ５以上であるときに、流入流量制御弁Ｖ８を開き、下流側圧力が第１閾値ＰＴ５未満であるときに、流入流量制御弁Ｖ８を閉じる。流入流量制御弁Ｖ８が開くと、水素ガスがメイン通路Ｌ６の第４冷却器２２Ｄとメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分から第１接続通路Ｌ８を通過して水素ガスホルダ６に流れる。これにより、メイン通路Ｌ６の第４冷却器２２Ｄとメイン流量制御弁Ｖ５との間の部分の水素ガスの圧力が低下する。

【0056】

制御装置３０は、上流側圧力が第２閾値ＰＴ６未満であるときに、戻し流量制御弁Ｖ９を開き、上流側圧力が第２閾値ＰＴ６以上であるときに、戻し流量制御弁Ｖ９を閉じる。第２閾値ＰＴ６は、第１閾値ＰＴ５よりも低い値に設定されている。また、第２閾値ＰＴ６は、目標値ＰＴ１より高く、かつ目標値ＰＴ２よりも低い値に設定されている。戻し流量制御弁Ｖ９が開くと、水素ガスが水素ガスホルダ６から第２接続通路Ｌ９を通過して、メイン通路Ｌ６の第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分に流れる。これにより、メイン通路Ｌ６のメイン通路Ｌ６の第２気液分離装置５Ｂと第２圧縮機２１Ｂとの間の部分の水素ガスの圧力が上昇する。

【0057】

制御装置３０は、圧力センサＰ４が取得した圧力、すなわちメイン通路Ｌ６の下流側圧力が第１閾値以上である場合に、制御装置３０は流入流量制御弁Ｖ８を開く。一方、メイン通路Ｌ６の下流側圧力が第１閾値未満である場合に、制御装置３０は流入流量制御弁Ｖ８を閉じる。これにより、メイン通路Ｌ６の下流側圧力が第１閾値ＰＴ５より上昇することが抑制される。

【0058】

制御装置３０は、圧力センサＰ２が取得した圧力、すなわちメイン通路Ｌ６の上流側圧力が第２閾値未満である場合に、戻し流量制御弁Ｖ９を開く。一方、メイン通路Ｌ６の上流側圧力が第２閾値以上である場合に、制御装置３０は戻し流量制御弁Ｖ９を閉じる。これにより、メイン通路Ｌ６の上流側圧力が第２閾値ＰＴ６より低下することが抑制される。

【0059】

制御装置３０は、第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂの出口を流れる気体の水素キャリアの流量を制御する。制御装置３０は、第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂによる水素キャリアの加熱量を調節することによって第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂの出口を流れる気体の水素キャリアの流量を調節する。第１気化器３Ａのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位及び第２気化器３Ｂのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位は、それぞれ一定に維持される。

【0060】

制御装置３０は、液位センサＬＶ１が取得した第１気化器３Ａのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位に基づいて、流量制御弁Ｖ１を制御する。制御装置３０は、液位センサＬＶ１が取得した液位が所定値となるように、流量制御弁Ｖ１を制御するとよい。これにより、第１気化器３Ａのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位が、液体の水素キャリアの気化量に関わらず一定に維持される。

【0061】

同様に、制御装置３０は、液位センサＬＶ２が取得した第２気化器３Ｂのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位に基づいて、流量制御弁Ｖ２を制御する。制御装置３０は、液位センサＬＶ２が取得した液位が所定値となるように、流量制御弁Ｖ２を制御するとよい。これにより、第２気化器３Ｂのドラム１１内の液体の水素キャリアの液位が、液体の水素キャリアの気化量に関わらず一定に維持される。第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂ内の水素キャリアの液位が一定に制御されているため、水素キャリアの加熱量に応じて水素キャリアの気化量を調節することができる。

【0062】

制御装置３０は、要求水素ガス流量に基づいて、気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量を調節するべく、気化器３を制御するとよい。気化器３は、第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂを含む。気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量は、第１気化器３Ａの出口を流れる気化された水素キャリアの流量と、第２気化器３Ｂの出口を流れる気化された水素キャリアの流量との合計であり、流量センサＦ１によって取得される。また、制御装置３０は、要求水素ガス流量と水素ガスホルダ６の圧力とに基づいて、気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量を調節するべく、気化器３を制御するとよい。

【0063】

制御装置３０は、要求水素ガス流量が大きいほど気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量が増加するように気化器３を制御すると共に、水素ガスホルダ６の圧力が高いほど気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量が減少するように気化器３を制御するとよい。

【0064】

制御装置３０は、図２に示すフロー図に基づいて、気化器３を制御するとよい。制御装置３０は、最初に、水素使用装置２０と通信し、水素使用装置２０の要求水素ガス流量を取得する（Ｓ１）。次に、制御装置３０は、要求水素ガス流量に基づいて、水素ガスホルダ６の目標圧力ＰＴ７を設定する（Ｓ２）。制御装置３０は、要求水素ガス流量の増加に応じて目標圧力ＰＴ７を低下させる。

【0065】

次に、制御装置３０は、要求水素ガス流量と、圧力センサＰ５によって取得される水素ガスホルダ６の圧力とに基づいて、気化器３の目標出口流量である目標気化原料流量を設定する（Ｓ３）。制御装置３０は、例えば、要求水素ガス流量に係数を乗じることによって目標気化原料流量を算出するとよい。このとき、制御装置３０は、水素ガスホルダ６の圧力に基づいて係数を変更するとよい。制御装置３０は、水素ガスホルダ６の圧力から水素ガスホルダ６の目標圧力ＰＴ７を減算した値の増加に応じて係数を小さくするとよい。また、制御装置３０は、水素ガスホルダ６の圧力から水素ガスホルダ６の目標圧力ＰＴ７を減算した値の低下に応じて係数を大きくするとよい。他の例では、制御装置３０は、要求水素ガス流量と、水素ガスホルダ６の圧力と、目標気化原料流量との関係が規定されたマップを使用して、要求水素ガス流量及び水素ガスホルダ６の圧力に基づいて、目標気化原料流量を設定してもよい。

【0066】

次に、制御装置３０は、流量センサＦ１によって取得される、気化器３の出口流量が、目標気化原料流量未満であるか否かを判定する（Ｓ４）。気化器３の出口流量が、目標気化原料流量未満である場合（Ｓ４の判定結果がＹｅｓ）、制御装置３０は第１気化器３Ａのバイパス流量制御弁Ｖ６が全閉であるか否かを判定する（Ｓ５）。バイパス流量制御弁Ｖ６が全閉である場合、熱源としての混合ガスは全て第１気化器３Ａに供給される。そのため、バイパス流量制御弁Ｖ６の制御によって第１気化器３Ａの加熱量を更に増加させることができない。

【0067】

バイパス流量制御弁Ｖ６が全閉である場合（Ｓ５の判定結果がＹｅｓ）、制御装置３０は、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が目標気化原料流量と一致するように、第２気化器３Ｂの流量制御弁Ｖ７を制御する（Ｓ６）。流量制御弁Ｖ７の開度が大きくなると第２気化器３Ｂに供給される熱源が増加する。これにより、第２気化器３Ｂにおいて気化される水素キャリアが増加し、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が増加する。

【0068】

バイパス流量制御弁Ｖ６が全閉でない場合（Ｓ５の判定結果がＮｏ）、制御装置３０は、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が目標気化原料流量と一致するように、第１気化器３Ａのバイパス流量制御弁Ｖ６を制御する（Ｓ７）。バイパス流量制御弁Ｖ６の開度が小さくなると第１気化器３Ａに供給される熱源が増加する。これにより、第１気化器３Ａにおいて気化される水素キャリアが増加し、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が増加する。

【0069】

気化器３の出口流量が、目標気化原料流量未満でない場合（Ｓ４の判定結果がＮｏ）、制御装置３０は第２気化器３Ｂの流量制御弁Ｖ７が全閉であるか否かを判定する（Ｓ８）。流量制御弁Ｖ７が全閉である場合、流量制御弁Ｖ７の制御によって第２気化器３Ｂの加熱量を更に低下させることができない。

【0070】

流量制御弁Ｖ７が全閉である場合（Ｓ８の判定結果がＹｅｓ）、制御装置３０は、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が目標気化原料流量と一致するように、第１気化器３Ａのバイパス流量制御弁Ｖ６を制御する（Ｓ９）。

【0071】

流量制御弁Ｖ７が全閉でない場合（Ｓ８の判定結果がＮｏ）、制御装置３０は、流量センサＦ１によって取得される気化器３の出口流量が目標気化原料流量と一致するように、第２気化器３Ｂの流量制御弁Ｖ７を制御する（Ｓ１０）。

【0072】

上記の制御装置３０の制御手順から、水素供給システム１の運転方法は以下のように表すことができる。水素供給システム１の運転方法は、脱水素反応器４の出口を流れる水素の流量を調節するために、気化器３の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を調節するステップを含む。また、水素供給システム１の運転方法は、水素使用装置２０が要求する要求水素ガス流量に基づいてメイン流量制御弁Ｖ５の開度を制御すると共に、要求水素ガス流量と水素ガスホルダ６の圧力とに基づいて、気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量を調節するべく気化器３を制御するステップを含む。

【0073】

上記の水素供給システム１によれば、気化器３の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を制御することによって、脱水素反応器４に供給する気体の水素キャリアの流量を迅速に調節することができる。これにより、脱水素反応器４において生成される水素の流量を迅速に変化させることができる。すなわち、水素ガスの供給量を迅速に変化させることができる水素生成システムを提供することができる。

【0074】

水素供給システム１は、気化器３における水素キャリアの加熱量を調節することによって、気化器３の出口を流れる気体の水素キャリアの流量を迅速に調節することができる。気化器３における水素キャリアの加熱量は、熱源の気化器３への供給量を変化させることによって調節することができる。

【0075】

水素供給システム１は、熱源が異なる第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂを使用して水素キャリアを気化させるため、仮に第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂの一方の熱源が不足したとしても、第１気化器３Ａ及び第２気化器３Ｂの他方によって水素キャリアを迅速に気化させることができる。

【0076】

水素供給システム１では、水素ガスホルダ６がメイン通路Ｌ６の下流部に設けられているため、要求水素ガス流量の変動に対応して水素ガス供給量を迅速に変化させることができる。また、水素ガスホルダ６がメイン通路Ｌ６から分岐した位置に設けられているため、水素ガスホルダ６を小型化することができる。特に、水素ガスホルダ６が第２圧縮機２１Ｂ及び第３圧縮機２１Ｃに対して並列に配置されているため、水素ガスホルダ６を小型化することができる。

【0077】

制御装置３０が、要求水素ガス流量に加えて水素ガスホルダ６の圧力を考慮して目標気化原料流量を設定し、目標気化原料流量に基づいて気化器３を制御するため、要求水素ガス流量に応じて水素ガス供給量を適切に変化させることができる。水素ガスホルダ６の圧力が高い場合には水素ガスホルダ６から水素ガスを供給することができるため、脱水素反応器４において生成する水素ガス量を低減することができる。

【0078】

水素ガスホルダ６の圧力から水素ガスホルダ６の目標圧力ＰＴ７を減算した値の増加に応じて、目標気化原料流量を算出するための係数を小さくするため、水素ガスホルダ６の圧力が目標圧力ＰＴ７に対して高いほど、目標気化原料流量が低下する。これにより、上流側圧力を維持するために戻し流量制御弁Ｖ９が開き、水素ガスホルダ６の圧力が目標圧力ＰＴ７に近づく。また、水素ガスホルダ６の圧力が目標圧力ＰＴ７に対して低いほど、目標気化原料流量が増加するため、下流側圧力を維持するために流入流量制御弁Ｖ８が開き、水素ガスホルダ６の圧力が目標圧力ＰＴ７に近づく。また、要求水素ガス流量が急激に増加したときには、要求水素ガス流量の増加に応じて目標圧力ＰＴ７が低下し、水素ガスホルダ６の圧力が目標圧力ＰＴ７に近づくため、目標気化原料流量の急激な増加が抑制される。これにより、気化器３の出口流量（気化原料流量）がオーバーシュートすることが抑制される。

【0079】

図３は、要求水素ガス流量［ｔ／ｈ］に対する、気化器３の出口における水素キャリアの質量流量［ｔ／ｈ］、及びメイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの質量流量［ｔ／ｈ］を示すグラフである。図４は、要求水素ガス流量［ｔ／ｈ］に対する、メイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの圧力［ＭＰａＧ］及びその目標値［ＭＰａＧ］を示すグラフである。図４における要求水素ガス流量［ｔ／ｈ］の変化は、図３と同様である。図３及び図４は、水素キャリアをメチルシクロヘキサンとして、シミュレーションによって得られたものである。気化器３の出口における水素キャリアの質量流量は流量センサＦ１によって取得される値であり、メイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの質量流量は流量センサＦ２によって取得される値である。図３に示すように、要求水素ガス流量の変化に追従して、気化器３の出口における水素キャリアの質量流量及びメイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの質量流量が迅速に変化していることが確認された。図４に示すように、メイン通路Ｌ６の下流端における水素ガスの圧力は、要求水素ガス流量が変化しても、目標値に概ね一致することが確認された。

【0080】

第１実施形態に係る水素供給システム１の変形例として、図５に示すように第２接続通路Ｌ９は、メイン通路Ｌ６における第１気液分離装置５Ａと第１圧縮機２１Ａとの間の部分に接続されてもよい。また、他の例では、第２接続通路Ｌ９は、メイン通路Ｌ６における第３冷却器２２Ｃと第３圧縮機２１Ｃとの間の部分に接続されてもよい。

【0081】

（第２実施形態）
図６に示すように、第２実施形態に係る水素供給システム１００は、第１実施形態に係る水素供給システム１と比較して、水素ガスホルダ６と、第２気化器３Ｂと、これらに関係する要素が省略されている。水素供給システム１００において、水素供給システム１と同一の符号が付された要素は、同様の構成及び機能を有する。

【0082】

水素供給システム１００の制御装置３０は、流量センサＦ２によって取得されるメイン通路Ｌ６の下流端の水素ガスの流量が、水素使用装置２０から取得した要求水素ガス流量に一致するようにメイン流量制御弁Ｖ５を制御する。また、制御装置３０は、圧力センサＰ４によって取得される、メイン通路Ｌ６の下流端の水素ガスの圧力に基づいて、目標気化原料流量を設定し、流量センサＦ１によって取得される、気化器３の出口を流れる気化された水素キャリアの流量が目標気化原料流量と一致するように、バイパス流量制御弁Ｖ６を制御する。目標気化原料流量は、メイン通路Ｌ６の下流端の水素ガスの圧力の低下に応じて、増加するように設定されるとよい。

【0083】

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、第１加熱器１６及び第２加熱器１７の一方は省略されてもよい。また、第２気液分離装置５Ｂは省略されてもよい。第１～第３圧縮機２１Ａ～２１Ｃの１つ又は２つは省略されてもよい。この場合、水素ガスホルダ６はメイン通路Ｌ６に設けられる少なくとも１つの圧縮機２１と並列に接続されるとよい。また、第２～第４冷却器２２Ｂ～２２Ｄの１つ又は２つは省略されてもよい。

【符号の説明】

【0084】

１ ：水素供給システム
３ ：気化器
３Ａ ：第１気化器
３Ｂ ：第２気化器
４ ：脱水素反応器
５ ：気液分離装置
５Ａ ：第１気液分離装置
５Ｂ ：第２気液分離装置
２０ ：水素使用装置
２１ ：圧縮機
２１Ａ ：第１圧縮機
２１Ｂ ：第２圧縮機
２１Ｃ ：第３圧縮機
３０ ：制御装置
Ｆ１、Ｆ２ ：流量センサ
Ｌ６ ：メイン通路
Ｌ７ ：バイパス通路
Ｌ８ ：第１接続通路
Ｌ９ ：第２接続通路
ＬＶ１ ：液位センサ
ＬＶ２ ：液位センサ
Ｐ１－Ｐ５ ：圧力センサ
Ｖ５ ：メイン流量制御弁
Ｖ６ ：バイパス流量制御弁
Ｖ８ ：流入流量制御弁
Ｖ９ ：戻し流量制御弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】