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公開番号2025027997
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-28
出願番号2024127608
出願日2024-08-02
発明の名称アンモニア分解による水素製造システムおよび水素製造方法
出願人福州大学,福大紫金チィン能科技股フン有限公司
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類C01B 3/04 20060101AFI20250220BHJP(無機化学)
要約【課題】原料を分解するコストが低く、エネルギー利用率が高く、且つエネルギー消費が少ない、水素を製造するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】アンモニア分解反応による水素製造システム及び水素製造方法を開示し、システムはアンモニア貯蔵装置1と、熱交換装置2と、アンモニア分解反応装置3と、第1の圧縮装置4と、第1の吸着装置5と、を備え、アンモニア貯蔵装置は熱交換装置における低温液体通路を介してアンモニア分解反応装置のガス入口31と連通し、アンモニア分解反応装置のガス出口32は熱交換装置におけるガス通路を介し、且つ第1の圧縮装置を介して第1の吸着装置と連通する。第1の吸着装置は並列に設置された複数の吸着カラム51,52を備え、第1の圧縮装置は同時に複数の吸着カラムの入口と連通し、各吸着カラムの吸着入口と第1の圧縮装置との間に制御弁が設置され、複数の吸着カラムの吸着出口の間は互いに連通する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アンモニア貯蔵装置(１)と、熱交換装置(２)と、アンモニア分解反応装置(３)と、第１の圧縮装置(４)と、第１の吸着装置(５)と、を備えるアンモニア分解反応による水素製造システムであって、
前記アンモニア貯蔵装置(１)の液体排出口は前記熱交換装置(２)における低温液体通路を介して前記アンモニア分解反応装置(３)のガス入口(３１)と連通し、前記アンモニア分解反応装置(３)のガス出口(３２)は前記熱交換装置(２)におけるガス通路を介して前記第１の圧縮装置(４)と連通し、前記アンモニア貯蔵装置(１)から排出された液体アンモニアと前記アンモニア分解反応装置(３)から排出された混合ガスとは前記熱交換装置(２)を介して熱交換を行い、且つ熱交換後のガスを前記第１の圧縮装置(４)に導入し、
前記第１の吸着装置(５)は並列に設置された複数の吸着カラムを備え、前記第１の圧縮装置(４)の出口は同時に並列に設置された複数の吸着カラムの吸着入口と連通し、各前記吸着カラムの吸着入口と前記第１の圧縮装置(４)との間の配管に制御弁が対応して設置され、複数の前記吸着カラムの吸着出口の間は互いに連通し、隣接する２つの前記吸着カラムの吸着出口の間に制御弁が設置され、各前記吸着カラムの吸着入口はさらに配管を介して前記アンモニア分解反応装置(３)のガス入口(３１)と連通し、各前記吸着カラムの吸着入口と前記アンモニア分解反応装置(３)との間の配管に制御弁が設置され、隣接する２つの前記吸着カラムの吸着出口の間に位置する前記制御弁を開く時、前記吸着カラムによって吸着された混合ガスはそのうちの１つの前記吸着カラムの吸着入口を介して前記アンモニア分解反応装置(３)に入ることができることを特徴とするアンモニア分解反応による水素製造システム。
続きを表示（約 4,100 文字）【請求項２】
前記熱交換装置(２)は第１の熱交換器(２１)と、第２の熱交換器(２２)とを備え、前記第１の熱交換器(２１)に第１の低温液体入口(２１１)と、第１の低温液体出口(２１２)と、第１の熱気入口(２１３)と、第１の熱気出口(２１４)とが設けられ、前記第１の低温液体入口(２１１)と前記第１の低温液体出口(２１２)とを連通する一対とし、前記第１の熱気入口(２１３)と前記第１の熱気出口(２１４)とを連通する一対とし、
前記第２の熱交換器(２２)に第２の冷気入口(２２１)と、第２の冷気出口(２２２)と、第２の熱気入口(２２３)と、第２の熱気出口(２２４)とが設けられ、前記第２の冷気入口(２２１)と前記第２の冷気出口(２２２)とを連通する一対とし、前記第２の熱気入口(２２３)と前記第２の熱気出口(２２４)とを連通する一対とし、
前記アンモニア貯蔵装置(１)の液体排出口は順次前記第１の低温液体入口(２１１)と、前記第１の低温液体出口(２１２)と、前記第２の冷気入口(２２１)と、前記第２の冷気出口(２２２)とを介して前記アンモニア分解反応装置(３)のガス入口(３１)と連通し、前記アンモニア分解反応装置(３)におけるガス出口(３２)は順次前記第２の熱気入口(２２３)と、前記第２の熱気出口(２２４)と、前記第１の熱気入口(２１３)と、前記第１の熱気出口(２１４)と、を介して前記第１の圧縮装置(４)の入口と連通することを特徴とする請求項１に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項３】
前記第１の吸着装置(５)と前記アンモニア分解反応装置(３)のガス入口との間の配管にさらに第２の圧縮装置(６)が設置され、
前記第１の低温液体出口(２１２)と前記第２の冷気入口(２２１)との間の配管に調整弁(２３)が設けられ、
前記第２の熱気出口(２２４)と前記第１の熱気入口(２１３)との間の配管にさらに空冷装置(２４)が設けられることを特徴とする請求項２に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項４】
前記第１の圧縮装置(４)の入口端と、前記第１の圧縮装置(４)の出口端と、前記第２の圧縮装置(６)の入口端と、前記第２の圧縮装置(６)の出口端と、にいずれもバッファタンク(７１)が設置されることを特徴とする請求項３に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項５】
前記第１の吸着装置(５)は並列に設置された第１の吸着カラム(５１)と、第２の吸着カラム(５２)と、前記第１の吸着装置(５)の吸着入口と前記第１の吸着装置(５)の吸着出口に設置された第１の制御弁(ａ)と、第２の制御弁(ｂ)と、第３の制御弁(ｃ)と、第４の制御弁(ｄ)と、第５の制御弁(ｅ)と、第６の制御弁(ｆ)と、第７の制御弁(ｇ)と、を備え、前記第１の吸着カラム(５１)に第１の吸着入口(５１１)と、第１の吸着出口(５１２)とが設けられ、前記第２の吸着カラム(５２)に第２の吸着入口(５２１)と、第２の吸着出口(５２２)とが設けられ、前記第１の吸着入口(５１１)と前記第２の吸着入口(５２１)との間に第１の配管(５３)が設置され、前記第１の吸着出口(５１２)と前記第２の吸着出口(５２２)とは第２の配管(５４)を介して連通し、前記第１の配管(５３)の下方に第３の配管(５５)が並列に接続され、前記第１の吸着出口(５１２)に第４の配管(５６)が設置され、前記第２の吸着出口(５２２)に第５の配管(５７)が設置され、
前記第１の圧縮装置(４)と前記第１の吸着入口(５１１)との間に前記第１の制御弁(ａ)が設置され、前記第１の圧縮装置(４)と前記第２の吸着入口(５２１)との間に前記第３の制御弁(ｃ)が設置され、前記第２の配管(５４)に前記第５の制御弁(ｅ)が設置され、前記第４の配管(５６)に前記第２の制御弁(ｂ)が設置され、前記第５の配管(５７)に前記第４の制御弁(ｄ)が設置され、前記第１の吸着入口(５１１)と前記アンモニア分解反応装置(３)との間に前記第６の制御弁(ｆ)が設置され、前記第２の吸着入口(５２１)と前記アンモニア分解反応装置(３)との間に前記第７の制御弁(ｇ)が設置されることを特徴とする請求項１に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項６】
前記アンモニア分解反応による水素製造システムはバッファ装置(７)と、第２の吸着装置(８)と、をさらに備え、前記第２の吸着装置(８)は並列に設置された複数の吸着カラムを備え、前記第１の吸着装置(５)における吸着カラムの吸着出口は前記バッファ装置(７)の一端と連通し、前記バッファ装置(７)の他端は前記第２の吸着装置(８)における前記吸着カラムの吸着入口と連通することを特徴とする請求項１に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項７】
前記第２の吸着装置(８)は並列に設置された第３の吸着カラム(８１)と、第４の吸着カラム(８２)と、前記第２の吸着装置(８)の吸着入口と前記第２の吸着装置(８)の吸着出口に設置された第８の制御弁(ｈ)と、第９の制御弁(ｉ)と、第１０の制御弁(ｊ)と、第１１の制御弁(ｋ)と、第１２の制御弁(ｍ)と、第１３の制御弁(ｎ)と、第１４の制御弁(ｐ)とを備え、前記第３の吸着カラム(８１)に第３の吸着入口(８１１)と、第３の吸着出口(８１２)とが設けられ、前記第４の吸着カラム(８２)に第４の吸着入口(８２１)と、第４の吸着出口(８２２)と、が設けられ、前記第３の吸着入口(８１１)と前記第４の吸着入口(８２１)との間に第６の配管(８３)が設置され、前記第３の吸着出口(８１２)と前記第４の吸着出口(８２２)とは第７の配管(８４)を介して連通し、前記第６の配管(８３)の下方に第８の配管(８５)が並列に接続され、前記第３の吸着出口(８１２)に第９の配管(８６)が連通し、前記第４の吸着出口(８２２)に第１０の配管(８７)が連通し、
前記第６の配管(８３)の前記第３の吸着カラム(８１)に近接する位置に前記第１３の制御弁(ｎ)が設置され、前記第６の配管(８３)の前記第４の吸着カラム(８２)に近接する位置に前記第１４の制御弁(ｐ)が設置され、前記バッファ装置(７)と前記第３の吸着入口(８１１)との間に前記第８の制御弁(ｈ)が設置され、前記バッファ装置(７)と前記第４の吸着入口(８２１)との間に前記第１０の制御弁(ｊ)が設置され、前記第７の配管(８４)に前記第１２の制御弁(ｍ)が設置され、前記第９の配管(８６)に前記第９の制御弁(ｊ)が設置され、前記第１０の配管(８７)に前記第１１の制御弁(ｋ)が設置されることを特徴とする請求項６に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項８】
前記アンモニア分解反応による水素製造システムは燃焼装置(９)をさらに備え、前記第３の吸着カラム(８１)の前記第３の吸着入口(８１１)と、前記第４の吸着カラム(８２)の前記第４の吸着入口(８２１)とは、それぞれ前記燃焼装置(９)の入口と連通し、前記燃焼装置(９)の出口は前記アンモニア分解反応装置(３)と連通することを特徴とする請求項７に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項９】
前記アンモニア分解反応による水素製造システムは水素燃料電池(１０)をさらに備え、前記第１の吸着装置(５)の吸着出口は前記水素燃料電池(１０)と連通し、前記水素燃料電池(１０)の出口端は前記燃焼装置(９)の入口と連通し、前記燃焼装置(９)の出口は前記アンモニア分解反応装置(３)と連通することに特徴とする請求項８に記載のアンモニア分解反応による水素製造システム。
【請求項１０】
アンモニア分解反応による水素製造システムを応用する水素製造方法であって、
以下のステップを含むことである、即ち、
液体アンモニアを熱交換装置(２)に導入し、前記液体アンモニアを５５０℃以上に加熱するステップＳ１と、
アンモニアガスをアンモニア分解反応装置(３)に導入してアンモニア分解反応を行うステップＳ２と、
分解後の混合ガスを前記アンモニア分解反応装置(３)から排出し、且つ室温まで冷却するステップＳ３と、
冷却後の混合ガスを第１の圧縮装置(４)に導入して圧縮するステップＳ４と、
前記第１の圧縮装置(４)によって圧縮された混合ガスを第１の吸着装置(５)の第１の吸着カラム(５１)に導入し、前記第１の吸着カラム(５１)に前記混合ガスを前記第１の吸着カラム(５１)が飽和状態に達するまで吸着させ、吸着すると同時に前記第１の吸着カラム(５１)内の５～１５%の前記混合ガスを第２の吸着カラム(５２)に通し、前記第２の吸着カラム(５２)をパージするステップＳ５と、
パージが完了した混合ガスを前記第２の吸着カラム(５２)から排出し、且つ前記アンモニア分解反応装置(３)に再導入してアンモニア分解反応を行うステップＳ６と、
前記第１の圧縮装置(４)によって圧縮された前記混合ガスを吸着装置の前記第２の吸着カラム(５２)に導入し、前記第２の吸着カラム(５２)に混合ガスを前記第２の吸着カラム(５２)が飽和状態に達するまで吸着させ、吸着すると同時に前記第２の吸着カラム(５２)内の５～１５%の前記混合ガスを前記第１の吸着カラム(５１)に通し、前記第１の吸着カラム(５１)をパージするステップＳ７と、
パージが完了した混合ガスを前記第１の吸着カラム(５１)から排出し、且つ前記アンモニア分解反応装置(３)に再導入してアンモニア分解反応を行うステップＳ８と、
前記ステップＳ５～Ｓ８は繰り返し行われるステップＳ９と、を含むことを特徴とするアンモニア分解反応による水素製造システムを応用する水素製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリーンエネルギー設備分野に関し、具体的にはアンモニア分解による水素製造システム及び水素製造方法に関するものである。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
水素は供給源が豊富でクリーンなクリーンエネルギーであり、エネルギー密度が大きく、発熱量が高く、蓄積量が豊富で、供給源が広く、転化効率が高い等の特徴を有し、且つ燃焼後に水を生成し、炭素の排出がない。しかし、水素の輸送及び貯蔵は水素エネルギー技術の普及と応用を制限する重要な難題である。アンモニアは無炭素水素リッチキャリアであり、アンモニアの水素貯蔵は高エネルギー密度を有し、貯蔵及び輸送が容易であり、安全性が高く、産業基盤が成熟し、末端が無炭素排出である等の独特な利点を有する。アンモニアを水素貯蔵キャリアとし、エネルギー末端でアンモニア分解反応により現場で水素ガスを製造することができ、水素窒素混合ガス又は高純度水素を直接製造することができる。アンモニアの分解による水素の製造は、「アンモニア－水素」エネルギー技術経路における重要な反応プロセスであり、反応プロセスでは、アンモニアが熱触媒分解によって３：１の体積分率の水素ガスと窒素ガスを生成する。熱力学的平衡の制限により、アンモニア分解後の水素窒素混合ガスに依然として少量の未分解アンモニアが存在し、一般的に吸着によって低濃度アンモニアをｐｐｍレベル又はさらに低いレベルまで除去する必要があり、下流での応用に備える。しかし、長期の使用において、吸着剤は飽和に達してアンモニアを吸着し続けることができず、定期的に脱着再生を行う必要がある。従来技術では、一般的に２本以上の吸着カラムを設置して交互に「吸着-脱着」サイクルを行う必要があり、アンモニア分解による水素製造システムの長期給気を満たす。従来技術の脱着過程において、Ｎ
２
を追加して準備して吸着カラムをパージする必要があるだけでなく、システムの原料コストを増加させる。さらに、吸着されたアンモニアは、依然として不可避的に放出され、処理されないと、依然として大気中に直接放出され、または燃焼によってより高濃度の窒素酸化物(ＮＯ
x
)に変換されて大気中に直接放出される。ＮＨ
３
とＮＯ
x
はいずれも大気中で制御する必要がある汚染物質であり、クリーンで高効率な「アンモニア-水素」変換及び利用を真に実現するために、システムの連続運転過程で生成されたアンモニアガス又は窒素酸化物の排出問題を効果的に制御しなければならない。
【０００３】
中国実用新案ＣＮ２０８３０８４２６Ｕは、底板と、筐体と、第１の吸着カラムと、第２の吸着カラムとを備え、アンモニアを分解して水素を製造する装置を開示し、箱体が底板の上方に配置され、筐体内に遮熱板が設けられ、遮熱板の上方に熱交換器が設けられ、熱交換器と箱体との間にバルブが設置され、熱交換器の一端は箱体を貫通してバルブが設置され、熱交換器の他端は仕切板を貫通して分解炉内部と接続され、分解炉下端にガス管が設置され、ガス管が箱体を貫通して第１の吸着カラムと第２の吸着カラムに接続され、前記第１の吸着装置と前記第２の吸着カラムのモレキュラーシーブが設けられ、前記第１の吸着カラムと前記第２の吸着カラムとの間にバルブを介して接続されている。本発明は熱交換器によって液体アンモニアをアンモニアガスに変換し、その後分解炉によってアンモニアガスを窒素ガスと水素ガスに変換して、アンモニアガスの環境の損害を減少し、その後分解が完了した水素窒素ガスを吸着カラムに入って吸着させ、水素窒素の純度を向上させ、本発明のアンモニア分解による水素製造システムはさらに窒素を用いて吸着カラムをパージする必要があり、且つパージ過程において既に飽和した吸着カラムを取り外す必要があり、システム材料のコストが高くなり、吸着効率が悪く、且つ吸着過程においてさらにアンモニアガスが漏洩して環境を破壊するリスクが存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術不足に対して、本発明はアンモニアを分解して水素を製造するシステム及び水素を製造する方法を提供し、該システムは吸着時にアンモニアガス及び窒素酸化物を排出せず、アンモニアを分解して長期にガスを供給することに適し、原料を分解するコストが低く、エネルギー利用率が高く、且つエネルギー消費が少ない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の技術的解決手段を用いる。
アンモニア貯蔵装置と、熱交換装置と、アンモニア分解反応装置と、第１の圧縮装置と、第１の吸着装置と、を備えるアンモニア分解反応による水素製造システムであって、
前記アンモニア貯蔵装置の液体排出口は前記熱交換装置における低温液体通路を介して前記アンモニア分解反応装置のガス入口と連通し、前記アンモニア分解反応装置のガス出口は前記熱交換装置におけるガス通路を介して前記第１の圧縮装置と連通し、前記アンモニア貯蔵装置から排出された液体アンモニアと前記アンモニア分解反応装置から排出された混合ガスとは前記熱交換装置を介して熱交換を行い、且つ熱交換後のガスを前記第１の圧縮装置に導入し、
前記第１の吸着装置は並列に設置された複数の吸着カラムを備え、前記第１の圧縮装置の出口は同時に並列に設置された複数の吸着カラムの吸着入口と連通し、各前記吸着カラムの吸着入口と前記第１の圧縮装置との間の配管に制御弁が対応して設置され、複数の前記吸着カラムの吸着出口の間は互いに連通し、隣接する２つの前記吸着カラムの吸着出口の間に制御弁が設置され、各前記吸着カラムの吸着入口はさらに配管を介して前記アンモニア分解反応装置のガス入口と連通し、各前記吸着カラムの吸着入口と前記アンモニア分解反応装置との間の配管に制御弁が設置され、隣接する２つの前記吸着カラムの吸着出口の間に位置する制御弁を開く時、前記吸着カラムによって吸着された混合ガスはそのうちの１つの前記吸着カラムの吸着入口を介して前記アンモニア分解反応装置に入ることができる。
【０００６】
好ましくは、前記熱交換装置は第１の熱交換器と、第２の熱交換器とを備え、前記第１の熱交換器に第１の低温液体入口と、第１の低温液体出口と、第１の熱気入口と、第１の熱気出口とが設けられ、前記第１の低温液体入口と第１の低温液体出口とを連通する一対とし、前記第１の熱気入口と第１の熱気出口とを連通する一対とし、
前記第２の熱交換器に第２の冷気入口と、第２の冷気出口と、第２の熱気入口と、第２の熱気出口とが設けられ、前記第２の冷気入口と第２の冷気出口とを連通する一対とし、前記第２の熱気入口と第２の熱気出口とを連通する一対とし、
前記アンモニア貯蔵装置の液体排出口は順次前記第１の低温液体入口と、第１の低温液体出口と、第２の冷気入口と、第２の冷気出口とを介して前記アンモニア分解反応装置のガス入口と連通し、前記アンモニア分解反応装置におけるガス出口は順次第２の熱気入口と、第２の熱気出口と、第１の熱気入口と、第１の熱気出口と、を介して前記第１の圧縮装置の入口と連通する。前記第１の熱交換器は前記第２の熱交換器から排出されたガスと前記アンモニア貯蔵装置から排出されたガスに対して熱交換を行い、且つ熱交換後のガスを前記第１の熱交換器から排出することができる。前記第２の熱交換器は前記第１の熱交換器から排出されたガスを前記アンモニア分解反応装置に導入し、且つ前記第１の熱交換器から排出されたガスと前記アンモニア分解反応装置から排出されたガスに対して熱交換を行い、且つ熱交換後のガスを再び前記第１の熱交換器に導入することができる。
【０００７】
前記第１の吸着装置と前記アンモニア分解反応装置(３)のガス入口との間の配管にさらに第２の圧縮装置が設置され、
前記第１の低温液体出口と前記第２の冷気入口との間の配管に調整弁が設けられ、
前記第２の熱気出口と前記第１の熱気入口との間の配管にさらに空冷装置が設けられる。
【０００８】
前記第１の圧縮装置の入口端と、前記第１の圧縮装置の出口端と、前記第２の圧縮装置の入口端と、前記第２の圧縮装置の出口端と、にいずれもバッファタンクが設置される。
【０００９】
好ましくは、前記第１の吸着装置は並列に設置された第１の吸着カラムと、第２の吸着カラムと、前記第１の吸着装置の吸着入口と、前記第１の吸着装置の吸着出口に設置された第１の制御弁と、第２の制御弁と、第３の制御弁と、第４の制御弁と、第５の制御弁と、第６の制御弁と、第７の制御弁と、を備え、前記第１の吸着カラムに第１の吸着入口と、第１の吸着出口とが設けられ、前記第２の吸着カラムに第２の吸着入口と、第２の吸着出口とが設けられ、前記第１の吸着入口と前記第２の吸着入口との間に第１の配管が設置され、前記第１の吸着出口と前記第２の吸着出口とは第２の配管を介して連通し、前記第１の配管の下方に第３の配管が並列に接続され、前記第１の吸着出口に第４の配管が設置され、前記第２の吸着出口に第５の配管が設置され、
前記第１の圧縮装置と前記第１の吸着入口との間に前記第１の制御弁が設置され、前記第１の圧縮装置と前記第２の吸着入口との間に前記第３の制御弁が設置され、前記第２の配管に前記第５の制御弁が設置され、前記第４の配管に前記第２の制御弁が設置され、前記第５の配管に第４の制御弁が設置され、前記第１の吸着入口と前記アンモニア分解反応装置との間に第６の制御弁が設置され、前記第２の吸着入口と前記アンモニア分解反応装置との間に第７の制御弁が設置される。
【００１０】
前記アンモニア分解による水素製造システムはバッファ装置と、第２の吸着装置と、をさらに備え、前記第２の吸着装置は並列に設置された複数の吸着カラムを備え、前記第１の吸着装置における吸着カラムの吸着出口は前記バッファ装置の一端と連通し、前記バッファ装置の他端は第２の吸着装置における吸着カラムの吸着入口と連通する。
（【００１１】以降は省略されています）

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