(57)【要約】【課題】水素製造効率を向上させる水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置１０Ａでは、水素精製器１６において、改質ガスが、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離される。不純物を含んだオフガスは、オフガス路Ｐ７へ送出され、改質ガスと合流して、再度水素精製器１６へ供給されて再精製される。【選択図】図１
2020079173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、
前記オフガス路へ送出された前記オフガスを直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、
を備えた水素製造装置。
【請求項２】
前記改質器は、可燃ガスを燃焼させる燃焼部を有し、
前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記燃焼部へ供給する燃焼ガス供給部、を有する、
請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスを前記原料と合流させる、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質器と前記水素精製器との間の流路には、前記改質ガスを昇圧する圧縮機が設けられ、
前記再精製用オフガス供給部は、前記圧縮機よりも上流側かつ前記改質器よりも下流側で前記オフガスを前記改質ガスと合流させている、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素分離部を含んで構成され、
前記二酸化炭素分離部で二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素分離後オフガスが前記水素精製器へ供給される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を改質装置で改質ガスに改質した後、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置へ供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の水素製造装置では、都市ガスと共に改質水を改質器へ供給し、水蒸気改質により水素を含む改質ガスを生成し、当該改質ガスを水素精製器で精製することにより、純度の高い製品水素を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−８８４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１では、改質ガスを水素精製器で精製した時に排出される不純物を含むオフガスを、改質器のバーナに供給して燃料として利用している。現状、オフガスには水素ガスが含まれており、この水素ガスが多いと、原料に対して製造できる製品水素水の割合が低くなり、水素製造効率が低下する。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、水素製造効率を向上させる水素製造装置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】
【０００６】
請求項１に係る水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、前記オフガス路へ送出された前記オフガスを直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、を備えている。
【０００７】
請求項１に係る水素製造装置は、改質器と水素精製器を備えている。水素精製器で分離されオフガス路へ送出された不純物を含むオフガスは、再精製用オフガス供給部により水素精製器へ供給される。再精製用オフガス供給部による水素精製器へのオフガスの供給は、直接供給でもよいし、他の装置などを通過して処理された後の間接供給でもよい。水素精製器において、オフガスを水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離することにより、オフガスから製品水素を得ることができる。これにより、水素製造効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に係る水素製造装置は、前記改質器は、可燃ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記燃焼部へ供給する燃焼ガス供給部、を有する。
【０００９】
請求項２に係る水素製造装置によれば、オフガスを改質器の燃焼部へ供給することにより、改質器の熱源として用いることができる。
【００１０】
請求項３に係る水素製造装置は、前記再精製用オフガス供給部が、前記オフガスを前記原料と合流させる。
【００１１】
請求項３に係る水素製造装置では、オフガスが原料と合流される。オフガスと原料との合流は、改質器より合流側であってもよいし、改質器内であってもよい。このように、オフガスを原料と合流させることにより、オフガスに含まれている未改質の原料ガスを改質器で改質することができる。
【００１２】
請求項４に係る水素製造装置は、前記改質器と前記水素精製器との間の流路には、前記改質ガスを昇圧する圧縮機が設けられ、前記再精製用オフガス供給部は、前記圧縮機よりも上流側かつ前記改質器よりも下流側で前記オフガスを前記改質ガスと合流させている。
【００１３】
請求項４に係る水素製造装置では、圧縮機よりも上流側でオフガスが改質ガスと合流するので、水素精製器における精製処理に適した昇圧をオフガスに施すことができる。
【００１４】
請求項５に係る水素製造装置は、前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素分離部を含んで構成され、前記二酸化炭素分離部で二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素分離後オフガスが前記水素精製器へ供給される。
【００１５】
請求項５に係る水素製造装置では、二酸化炭素分離部によりオフガスから二酸化炭素が分離され、二酸化炭素分離後オフガスが水素精製器へ供給される。二酸化炭素分離後オフガスでは、オフガスよりも水素濃度が高いので、効率よく水素精製器での精製処理を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素製造装置の水素製造効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る水素製造装置を示した概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る水素製造装置の多重筒型改質器を示した断面図である。
【図３】第２実施形態に係る水素製造装置を示した概略構成図である。
【図４】第３実施形態に係る水素製造装置を示した概略構成図である。
【図５】第３実施形態の変形例に係る水素製造装置を示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る水素製造装置の一例を図１、図２に従って説明する。
【００１９】
本実施形態に係る水素製造装置１０Ａは、図１に示されるように、多重筒型改質器１２、圧縮機１４、水素精製器１６、及び、オフガスタンク１８を備えている。また、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４を備えている。この水素製造装置１０Ａは、炭化水素原料から水素を製造するものであり、本実施形態では、炭化水素原料の一例としてメタンを主成分とする都市ガスが用いられる場合について説明する。なお、図１では、水素製造装置１０Ａの構成を概略的に示しており、水素製造装置１０Ａは、他の構成を含んでいてもよい。
【００２０】
（改質器）
多重筒型改質器１２は、図２に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを有している。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのうち内側から一番目の筒状壁２０Ａの内部には、燃焼空間である燃焼部２１が形成されている。一番目の筒状壁２０Ａと二番目の筒状壁２０Ｂとの間には、燃焼排ガス流路２３が形成されている。また、二番目の筒状壁２０Ｂと三番目の筒状壁２０Ｃとの間には、第一流路２４が形成されている。さらに、三番目の筒状壁２０Ｃと四番目の筒状壁２０Ｄとの間には、第二流路２５が形成されている。なお、多重筒型改質器１２は、改質器の一例であり、他の形態の改質器が用いられてもよい。
【００２１】
第一流路２４の上部は、予熱流路２４Ａとして形成されており、予熱流路２４Ａには螺旋部材２４Ｂが設けられている。この螺旋部材２４Ｂにより、予熱流路２４Ａは、螺旋状に形成されている。予熱流路２４Ａの上端部には、原料として都市ガスを供給するための原料供給管Ｐ１、及び、改質水を供給するための改質水供給管Ｐ９が接続されている。予熱流路２４Ａには、原料供給管Ｐ１から都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質水が供給される。都市ガス及び改質水は、予熱流路２４Ａを上側から下側に流れ、二番目の筒状壁２０Ｂを介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される。この予熱流路２４Ａでは、都市ガス及び気相の改質用水（水蒸気）が混合されることにより、混合ガスが生成される。
【００２２】
なお、本実施形態では、原料として都市ガスを用いるが、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。
【００２３】
また、原料供給管Ｐ１には、オフガス管Ｐ７Ａが接続されている。オフガス管Ｐ７Ａは、後述するオフガスタンク１８と接続されており、予熱流路２４Ａに後述するオフガスを供給する。供給されたオフガスは、都市ガス、改質水と混合されて予熱流路２４Ａを流れる。
【００２４】
第一流路２４における予熱流路２４Ａの下側には、改質触媒層２４Ｃが設けられている。改質触媒層２４Ｃには、都市ガスを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するための触媒が設けられている。予熱流路２４Ａにて生成された混合ガスは、改質触媒層２４Ｃへ供給される。改質触媒層２４Ｃでは、混合ガスが燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスにより加熱され、水蒸気改質反応、二酸化炭素改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。
【００２５】
第二流路２５は、第一流路２４の径方向外側に配置されており、第二流路２５の下端部は、第一流路２４の下端部と連通されている。第二流路２５には、予熱流路２４Ａに対応する位置にＣＯ変成触媒層２６及びＣＯ選択酸化触媒層２７が形成されている。ＣＯ変成触媒層２６では、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。
【００２６】
ＣＯ選択酸化触媒層２７は、ＣＯ変成触媒層２６よりも下流側に配置されている。ＣＯ変成触媒層２６とＣＯ選択酸化触媒層２７の間には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂが接続されている。ＣＯ選択酸化触媒層２７では、一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。ＣＯ選択酸化触媒層２７の下流側で第二流路２５の上端部には、改質ガス排出管Ｐ３が接続されている。改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒層２７で一酸化炭素が除去された後、改質ガス排出管Ｐ３から送出される。
【００２７】
なお、本実施形態では、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けたが、ＣＯ選択酸化触媒層２７は必須ではなく、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けない構成とすることもできる。この場合には、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂも不要となる。
【００２８】
燃焼部２１の上部には、バーナ２２が下向きに配置されている。バーナ２２には、オフガス管Ｐ７が接続されており、後述するオフガスがオフガス管Ｐ７から燃料として供給される。さらに、この燃焼部２１の上端部には、燃焼用空気を供給するための空気供給管Ｐ２が接続されている。バーナ２２には、さらに原料供給管Ｐ１から分岐された原料分岐管Ｐ１Ａが接続されている。原料分岐管Ｐ１Ａには、空気供給管Ｐ２から分岐された空気分岐管Ｐ２Ａが接続されている。バーナ２２には、都市ガスに空気が混合された気体が、オフガスとは別に供給される。燃焼用のオフガスと都市ガスは、いずれか一方、または両方が、必要に応じて供給される。
【００２９】
燃焼排ガス流路２３は、燃焼部２１の径方向外側に形成され、燃焼排ガス流路２３の下端部は、燃焼部２１と連通されている。燃焼排ガス流路２３の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管Ｐ１０が接続されている。ガス排出管Ｐ１０は、多重筒型改質器１２の上端面に接続されている。燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２３を下側から上側に流れ、ガス排出管Ｐ１０を通じて多重筒型改質器１２の外に排出される。
【００３０】
多重筒型改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、図１に示したように、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６をこの順番で流れる。つまり、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に、多重筒型改質器１２、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６がこの順番で配置されている。
【００３１】
（昇圧前分離部）
昇圧前水分離部３０は、上部が気体室３０Ａとされ、下部が液体室３０Ｂとされている。気体室３０Ａには、改質ガス排出管Ｐ３の下流端が接続されている。また、気体室３０Ａには、連絡流路管Ｐ４の上流端が接続されている。液体室３０Ｂの底部には水送出口３０Ｃが形成されており、水送出口３０Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ａが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧前水分離部３０の上流に配置された熱交換器ＨＥ１において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３０Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａへ送出される。
【００３２】
（圧縮機）
圧縮機１４には、昇圧前水分離部３０からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ４と、昇圧後水分離部３２へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ５とが接続されている。圧縮機１４は、昇圧前水分離部３０から供給された改質ガスを圧縮して昇圧し、昇圧後水分離部３２へ供給する。
【００３３】
（昇圧後分離部）
昇圧後水分離部３２は、上部が気体室３２Ａとされ、下部が液体室３２Ｂとされている。気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ５の下流端が接続されている。また、気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ６の上流端が接続されている。液体室３２Ｂの底部には水送出口３２Ｃが形成されており、水送出口３２Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ｂが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧後水分離部３２の上流に配置された熱交換器ＨＥ２において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３２Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂへ送出される。
【００３４】
昇圧後水分離部３２よりも下流側、水素精製器１６よりも上流側には、バッファタンク３６が設けられている。バッファタンク３６は、昇圧後水分離部３２から供給される改質ガスを蓄積する。バッファタンク３６で一旦蓄積された改質ガスは、水素精製器１６へ送出される。
【００３５】
（水素精製器）
水素精製器１６には、昇圧後水分離部３２からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ６の下流端が接続されている。水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ装置が使用される。この水素精製器１６により改質ガスを不純物と水素とに分離することで、水素が精製される。水素精製器１６には、水素供給配管Ｐ１１が接続されており、精製された水素は水素供給配管Ｐ１１へ送出され、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。
【００３６】
水素精製器１６には、オフガス管Ｐ７の上流端が接続されている。オフガス管Ｐ７の下流端は、多重筒型改質器１２のバーナ２２と接続されている。水素精製器１６からは、水素精製により分離されたオフガスが、オフガス管Ｐ７へ送出される。オフガス管Ｐ７には、オフガスタンク１８が設けられている。オフガスは、オフガスタンク１８に一時貯留される。
【００３７】
オフガスタンク１８の出口側に接続されたオフガス管Ｐ７は、オフガス管Ｐ７Ａ、Ｐ７Ｂに分岐されている。オフガス管Ｐ７Ｂは、多重筒型改質器１２のバーナ２２（図２参照）と接続されており、オフガス管Ｐ７Ｂを流れるオフガスは、バーナ２２へ供給される。
【００３８】
オフガス管Ｐ７Ａは、原料供給管Ｐ１と合流されており、オフガス管Ｐ７Ａを流れるオフガスは、原料と共に予熱流路２４Ａへ供給される。オフガス管Ｐ７Ａには、流量調整弁４８が設けられており、オフガス管Ｐ７からオフガス管Ｐ７Ａへ分岐されるオフガスの流量が調整されている。流量調整弁４８でのオフガス流量の調整は、多重筒型改質器１２内の温度、オフガスタンク１８の内圧力などに応じて行われる。例えば、水素製造装置１０Ａの起動時には、燃焼用のオフガスが必要となるため、オフガス管Ｐ７Ａへ分岐されるオフガスの流量を少なくしたり、ゼロにしたりする制御を行うことができる。また、多重筒型改質器１２内の温度が所定の定常温度よりも高くなった場合には、オフガス管Ｐ７からオフガス管Ｐ７Ａへ分岐されるオフガスの流量を増加させるように制御を行うことができる。なお、オフガス管Ｐ７へ送出されるオフガス流量を一定にすることにより、オフガス管Ｐ７からオフガス管Ｐ７Ａへ分岐されるオフガスの流量増減に伴って、オフガス管Ｐ７Ｂへ分岐されるオフガスの流量も変化する。
【００３９】
（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部３４は、上部が気体室３４Ａとされ、下部が液体室３４Ｂとされている。気体室３４Ａには、ガス排出管Ｐ１０の下流端が接続されている。また、気体室３４Ａには、外部排出管Ｐ１２が接続されている。液体室３４Ｂ底部には、水送出口３４Ｃが形成されており、水送出口３４Ｃに燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃが接続されている。燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも大容量とされている。
【００４０】
また、燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも鉛直方向上側に配置されている。ここで、「燃焼排ガス水分離部３４が昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも鉛直方向上側に配置されている」とは、液体室３４Ｂの底部が、液体室３０Ｂの底部、及び液体室３２Ｂの底部よりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。なお、液体室３４Ｂの底部は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２の上端よりも鉛直方向上側に配置されていることが好ましい。
【００４１】
さらに、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径は、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂの内径よりも大きく設定されている。
【００４２】
燃焼排ガスは、燃焼部２１から燃焼排ガス流路２３を経てガス排出管Ｐ１０へ送出される。燃焼排ガス中の水蒸気は、燃焼排ガス水分離部３４の上流に配置された熱交換器ＨＥ３において冷却されることによって凝縮される。凝縮により燃焼排ガスから分離された水は、液体室３４Ｂに貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃへ送出される。水が分離された後の燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２から外部へ排出される。
【００４３】
水素製造装置１０Ａの底部には、水タンク４０が配置されている。水タンク４０の天面には、水流入口４０Ａが形成されており、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂ、及び燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃは、合流後に水流入口４０Ａと接続されている。合流後の配管を水流入管Ｐ８と称する。水流入管Ｐ８の内径は、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径よりも大径とされている。
【００４４】
水タンク４０は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４において貯留可能な水の総量よりも大容量とされており、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている。ここで、「水タンク４０が昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている」とは、液体室３０Ｂの底部、液体室３２Ｂの底部、及び液体室３４Ｂの底部が、水タンク４０の水流入口４０Ａよりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。
【００４５】
水タンク４０には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９には、溶存イオン成分を除去するための水処理器（イオン交換樹脂）４２が設けられている。また、改質水供給管Ｐ９には、ポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動により、水タンク４０に貯留された水が水処理器４２を経て多重筒型改質器１２へ供給される。改質水供給管Ｐ９の水処理器４２よりも下流側、ポンプ４４よりも上流側には、純水供給管Ｐ１３が接続されている。純水供給管Ｐ１３からは多重筒型改質器１２へ、改質水供給管Ｐ９を経て、必要に応じ純水が供給される。
【００４６】
（作用）
次に、水素製造装置１０Ａの作用について説明する。
【００４７】
水素製造運転時には、原料供給管Ｐ１から多重筒型改質器１２へ、都市ガス及び改質水が供給される。また、流量調整弁４８により調整された量のオフガスがオフガス管Ｐ７Ａから多重筒型改質器１２へ供給される。予熱流路２４Ａで都市ガス、改質水、及びオフガスが混合されつつ加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４Ｃへ供給される。
【００４８】
改質触媒層２４Ｃでは、燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスが水蒸気改質され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。改質ガスには、オフガス中の水素ガスも含まれている。改質ガスは、改質ガス流路２５を通ってＣＯ変成触媒層２６へ供給される。ＣＯ変成触媒層２６では、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。ＣＯ変成触媒層２６を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂから供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層２７へ供給され、触媒上で一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。ＣＯ選択酸化触媒層２７で一酸化炭素が低減された改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。
【００４９】
改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３に設けられた熱交換器Ｈ１を経て、昇圧前水分離部３０の気体室３０Ａへ供給される。気体室３０Ａへ供給された改質ガスに含まれる水は、熱交換器Ｈ１での冷却により凝縮されて液体室３０Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａを経て水タンク４０へ送出される。気体室３０Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ４を流れて圧縮機１４へ供給され、圧縮機１４によって圧縮される。
【００５０】
圧縮された改質ガスは、連絡流路管Ｐ６を流れ熱交換器Ｈ２を経て昇圧後水分離部３２の気体室３２Ａへ供給される。気体室３２Ａへ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器Ｈ２での冷却により凝縮されて液体室３２Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂを経て水タンク４０へ送出される。気体室３２Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ６を流れて水素精製器１６へ供給される。
【００５１】
水素精製器１６では、改質ガスが水素ガスと、不純物を含むオフガスと、に分離され、水素ガスは水素供給配管Ｐ１１へ送出される。送出された水素ガスは、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。
【００５２】
一方、改質ガスから分離された水素以外の不純物を含むオフガスは、オフガス管Ｐ７を流れてオフガスタンク１８へ一時貯留される。オフガスタンク１８から送出されたオフガスは、オフガス管Ｐ７Ａ、Ｐ７Ｂで分岐され、オフガス管Ｐ７Ａを流れるオフガスは、多重筒型改質器１２の予熱流路２４Ａへ供給される。オフガス管Ｐ７Ｂを流れるオフガスは、燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２２へ供給される。
【００５３】
多重筒型改質器１２の燃焼部２１では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管Ｐ１０を介して燃焼排ガス水分離部３４の気体室３４Ａへ供給される。気体室３４Ａへ供給された燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器Ｈ３での冷却により凝縮されて液体室３４Ｂへ貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃを経て水タンク４０へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２を経て外部へ排出される。
【００５４】
予熱流路２４Ａへ供給されたオフガスは、都市ガス、改質水と混合されて加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４Ｃへ供給され、前述のように、改質される。
【００５５】
本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、水素精製器１６から送出された不純物を含むオフガスの一部を、多重筒型改質器１２の改質触媒層２４Ｃよりも上流側へ供給するので、オフガスに含まれる未改質の原料を再度改質して水素を得ることができる。また、オフガスに含まれる水素ガスは、多重筒型改質器１２で改質された改質ガスと共に、再度、水素精製器１６へ送出されて精製されるので、オフガスから製品水素を得ることができ、水素製造効率を向上させることができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、オフガスを燃焼部２１で燃焼させて、改質に必要な熱を得たが、使用可能な排熱等があれば、当該排熱を改質の熱源としてもよいし、他の熱源を用いてもよい。
【００５７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施形態の水素製造装置１０Ｂは、図３に示されるように、オフガス管Ｐ７から分岐されたオフガス管Ｐ７Ａが連絡流路管Ｐ４と接続されている。本実施形態において、オフガス管Ｐ７Ａの接続以外の構成については、第１実施形態と同様である。
【００５９】
オフガス管Ｐ７Ａの下流端は、連絡流路管Ｐ４に合流接続されており、流量調整弁４８で流量が調整されたオフガスは、多重筒型改質器１２の下流側、かつ圧縮機１４の上流側に供給される。
【００６０】
（作用）
次に、水素製造装置１０Ｂの作用について説明する。
【００６１】
水素製造運転時には、原料供給管Ｐ１から多重筒型改質器１２へ、都市ガス及び改質水が供給され、第１実施形態と同様に、原料の水蒸気改質が行われる。なお、本実施形態では、混合ガスにオフガスは含まれない。
【００６２】
多重筒型改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、熱交換器Ｈ１、昇圧前水分離部３０を経て、オフガスと合流され、圧縮機１４へ供給される。オフガス及び改質ガスは、圧縮機１４で圧縮され、第１実施形態と同様に、昇圧後水分離部３２を経て水素精製器１６へ供給される。そして、水素精製器１６で、改質ガスが水素ガスと、不純物を含むオフガスとに分離される。
【００６３】
オフガスは、オフガス管Ｐ７を流れてオフガスタンク１８へ一時貯留される。オフガスタンク１８から送出されたオフガスは、オフガス管Ｐ７Ａ、Ｐ７Ｂで分岐される。オフガス管Ｐ７Ｂへ分流されたオフガスは、多重筒型改質器１２のバーナ２２へ供給される。オフガス管Ｐ７Ａへ分流されたオフガスは、連絡流路管Ｐ４で改質ガスと合流し、前述のように、改質ガスと共に水素精製器１６へ供給され、精製される。
【００６４】
本実施形態の水素製造装置１０Ｂでは、水素精製器１６から送出された不純物を含むオフガスの一部を、多重筒型改質器１２よりも下流側、かつ圧縮機１４よりも上流側へ供給するので、水素精製器１６における精製処理に適した昇圧をオフガスに施すことができる。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の水素製造装置１０Ｃは、図４に示されるように、オフガス管Ｐ７から分岐されたオフガス管Ｐ７Ａに、二酸化炭素分離装置５４が設けられている。本実施形態では、二酸化炭素分離装置５４及びその接続以外の構成については、第２実施形態と同様である。
【００６７】
オフガス管Ｐ７から分離されたオフガス管Ｐ７Ａの流量調整弁４８よりも下流側には、二酸化炭素分離装置５４が接続されている。二酸化炭素分離装置５４は、オフガスから二酸化炭素ガスを分離する。二酸化炭素分離装置５４としては、二酸化炭素分離膜等を用いることができる。分離された二酸化炭素ガスは、二酸化炭素管Ｐ１４へ送出される。二酸化炭素管Ｐ１４は、回収やその他の用途等のため、水素製造装置１０Ｃの系外へ展開する。オフガス管Ｐ７Ｂと合流されている。二酸化炭素ガスが分離された後のオフガス（分岐オフガス）は、二酸化炭素分離装置５４から合流管Ｐ１５を経て連絡流路管Ｐ４と合流されている。
【００６８】
（作用）
次に、水素製造装置１０Ｃの作用について説明する。
【００６９】
水素製造運転時には、原料供給管Ｐ１から多重筒型改質器１２へ、都市ガス及び改質水が供給され、第１実施形態と同様に、原料の水蒸気改質が行われる。本実施形態では、混合ガスにオフガスは含まれない。
【００７０】
多重筒型改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、熱交換器Ｈ１、昇圧前水分離部３０を経て、オフガスと合流され、圧縮機１４へ供給される。オフガス及び改質ガスは、圧縮機１４で圧縮され、第１実施形態と同様に、昇圧後水分離部３２を経て水素精製器１６へ供給される。そして、水素精製器１６で、改質ガスが水素ガスと、不純物を含むオフガスとに分離される。
【００７１】
オフガスは、オフガス管Ｐ７を流れてオフガスタンク１８へ一時貯留される。オフガスタンク１８から送出されたオフガスは、オフガス管Ｐ７Ａ、Ｐ７Ｂで分岐される。オフガス管Ｐ７Ｂへ分流されたオフガスは、多重筒型改質器１２のバーナ２２へ供給される。
【００７２】
オフガス管Ｐ７Ａへ分流されたオフガスは、二酸化炭素分離装置５４で二酸化炭素が分離される。分離された二酸化炭素は、二酸化炭素管Ｐ１４へ送出され、回収やその他の用途等のため、水素製造装置１０Ｃの系外へ展開される。これにより、分離した二酸化炭素を有効に利用でき、省エネルギー性の高いシステムとすることができる。二酸化炭素が分離された後の分岐オフガスは、二酸化炭素分離装置５４から合流管Ｐ１５へ送出され、連絡流路管Ｐ４で改質ガスと合流する。そして、前述のように、改質ガスと共に水素精製器１６へ供給され、精製される。
【００７３】
本実施形態の水素製造装置１０Ｃでは、水素精製器１６から送出された不純物を含むオフガスについて、二酸化炭素を分離した後の分岐オフガスを、多重筒型改質器１２よりも下流側、かつ圧縮機１４よりも上流側へ供給する。したがって、二酸化炭素を分離する前のオフガスよりも高い水素濃度のガスを改質ガスと合流させて、水素精製器１６へ供給することができ、水素精製器１６において効率的に水素精製を行うことができる。
【００７４】
なお、本実施形態の合流管Ｐ１５は、図５に示す水素精製装置１０Ｄのように、原料供給管Ｐ１と合流させてもよい。この場合には、分岐オフガスに含まれる未改質原料を、再度改質して水素ガスを得ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  水素製造装置
１２   多重筒型改質器（改質器）
１４   圧縮機
１６   水素精製器
１８   オフガスタンク
２１   燃焼部
５４   二酸化炭素分離装置（二酸化炭素分離部）
Ｐ７   オフガス管（オフガス路）
Ｐ７Ａ オフガス管（再精製用オフガス供給部）
Ｐ７Ｂ オフガス管（燃焼ガス供給部）
Ｐ１１ 水素供給配管（水素ガス路）
Ｐ１５ 合流管（再精製用オフガス供給部）
【図１】
2020079173.tif 000003
【図２】
2020079173.tif 000004
【図３】
2020079173.tif 000005
【図４】
2020079173.tif 000006
【図５】
2020079173.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月29日(2019.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
請求項１に係る水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、前記改質器と前記水素精製器との間の流路に設けられ、前記改質ガスを昇圧する圧縮機と、
前記圧縮機よりも上流側かつ前記改質器よりも下流側に設けられ、前記改質器から送出された改質ガスから水を分離する水分離部と、前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記圧縮機よりも上流側かつ前記水分離部よりも下流側で前記改質ガスと合流させて直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、を備えている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
請求項３に係る水素製造装置は、前記改質器は、可燃ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記燃焼部へ供給する燃焼ガス供給部、を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
請求項３に係る水素製造装置によれば、オフガスを改質器の燃焼部へ供給することにより、改質器の熱源として用いることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項４に係る水素製造装置では、オフガスが原料と合流される。オフガスと原料との合流は、改質器より合流側であってもよいし、改質器内であってもよい。このように、オフガスを原料と合流させることにより、オフガスに含まれている未改質の原料ガスを改質器で改質することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
請求項１に係る水素製造装置は、前記改質器と前記水素精製器との間の流路には、前記改質ガスを昇圧する圧縮機が設けられ、前記再精製用オフガス供給部は、前記圧縮機よりも上流側かつ前記改質器よりも下流側で前記オフガスを前記改質ガスと合流させている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
請求項１に係る水素製造装置では、圧縮機よりも上流側でオフガスが改質ガスと合流するので、水素精製器における精製処理に適した昇圧をオフガスに施すことができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項２に係る水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、前記オフガス路へ送出された前記オフガスを直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、を備え、前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素分離部を含んで構成され、前記二酸化炭素分離部で二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素分離後オフガスが前記水素精製器へ供給される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項２に係る水素製造装置では、二酸化炭素分離部によりオフガスから二酸化炭素が分離され、二酸化炭素分離後オフガスが水素精製器へ供給される。二酸化炭素分離後オフガスでは、オフガスよりも水素濃度が高いので、効率よく水素精製器での精製処理を行うことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、
前記改質器と前記水素精製器との間の流路に設けられ、前記改質ガスを昇圧する圧縮機と、
前記圧縮機よりも上流側かつ前記改質器よりも下流側に設けられ、前記改質器から送出された改質ガスから水を分離する水分離部と、
前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記圧縮機よりも上流側かつ前記水分離部よりも下流側で前記改質ガスと合流させて直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、
を備えた水素製造装置。
【請求項２】
原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを、水素ガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス路へ送出すると共に、前記水素ガスを水素ガス路へ送出する水素精製器と、
前記オフガス路へ送出された前記オフガスを直接または間接的に前記水素精製器へ供給する再精製用オフガス供給部と、
を備え、
前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素分離部を含んで構成され、
前記二酸化炭素分離部で二酸化炭素が分離された後の二酸化炭素分離後オフガスが前記水素精製器へ供給される、
水素製造装置。
【請求項３】
前記改質器は、可燃ガスを燃焼させる燃焼部を有し、
前記オフガス路へ送出された前記オフガスを前記燃焼部へ供給する燃焼ガス供給部、を有する、
請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記再精製用オフガス供給部は、前記オフガスを前記原料と合流させる、請求項２に記載の水素製造装置。