(57)【要約】【課題】  移動中においても水素分離型リフォーマの反応管の温度を維持し、移動先ごとの時間のロスを解消するようにした車両積載型水素製造システムのための昇温装置を提供することを目的とする。【解決手段】  車両エンジン動力を駆動させることによって起動するヒータ３を備え、上記車両積載型水素製造システムが、水素分離型リフォーマ１を備え、水素分離型リフォーマ１が、反応管部１１、１２を有し、該反応管部１１、１２が、改質触媒を充填した反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部１４と、上記反応管を加熱するために燃焼ガス通路１５とを備え、さらに、上記水素分離型リフォーマ１が、上記反応管部１１、１２を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部１３を有し、上記ヒータ３で得られる熱を利用して上記反応管を予熱する手段を設けた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両積載型水素製造システムのための昇温装置であって、
車両エンジン動力を駆動させることによって起動するヒータを備え、
上記車両積載型水素製造システムが、水素分離型リフォーマを備え、
該水素分離型リフォーマが、反応管部を有し、
該反応管部が、改質触媒を充填した反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部と、上記反応管を加熱するために燃焼ガス通路とを備え、
さらに、上記水素分離型リフォーマが、上記反応管部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部を有し、
上記ヒータで得られる熱を利用して上記反応管を予熱する手段を設けたことを特徴とする車両積載型水素製造システムのための昇温装置。
【請求項２】
上記水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの少なくとも一部を、送風手段を介して循環させて燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻すための燃焼排ガス循環ラインを備え、循環される燃焼排ガスを上記ヒータにより加熱し、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両積載型水素製造システムのための昇温装置。
【請求項３】
上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼部から供給するための送風手段を供え、燃焼部から供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両積載型水素製造システムのための昇温装置。
【請求項４】
上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼排ガスの出口から供給するための送風手段を供え、供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両積載型水素製造システムのための昇温装置。
【請求項５】
上記ヒータによって上記反応管を直接予熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両積載型水素製造システムのための昇温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両積載型水素製造システムのための昇温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素分離型リフォーマを用いた水素製造システムでは、メタンやメタノールなどの炭化水素や炭化水素骨格に酸素を含む置換基を有する化合物にスチームを添加した原料ガスを、改質触媒の存在下で水蒸気改質反応とＣＯシフト反応させることによって、主に水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素のみを水素分離型リフォーマに内蔵された水素分離膜を通して選択的に分離することにより水素を得ることとしている。
【０００３】
このような水素分離型リフォーマは、改質触媒を充填した複数の反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部を備えた多管式反応管部、反応熱を得るための燃焼部を備えている。このような水素分離型リフォーマでは、多管式反応管部の反応管の表面に燃焼ガスを供給し、ホットスポットの発生を防ぐために、対流伝熱によって反応に必要な熱を反応管に加えている。
【０００４】
しかし、このタイプの水素分離型リフォーマは、対流伝熱を利用しているために、いったん停止すると昇温時間に６時間程度を要し、速やかに再起動することができない。
したがって、車両積載型水素製造システム（特許文献１）に応用した場合には、移動先ごとの再起動時間の分だけ稼動効率が悪いこととなってしまうといった欠点があった。
移動中に燃料を供給し、燃焼ガスを発生させて予熱するといった方法も考えられる。しかし、そのような方法は、法規上の制限等があって実施をすることが事実上不可能であった。
【特許文献１】特開２００４−０７９２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、移動中においても水素分離型リフォーマの反応管の温度を維持し、移動先ごとの時間のロスを解消するようにした車両積載型水素製造システムのための昇温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】
上記目的を達成するため、本発明は、車両積載型水素製造システムのための昇温装置であって、車両エンジン動力を駆動させることによって起動するヒータを備え、上記車両積載型水素製造システムが、水素分離型リフォーマを備え、該水素分離型リフォーマが、反応管部を有し、該反応管部が、改質触媒を充填した反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部と、上記反応管を加熱するために燃焼ガス通路とを備え、さらに、上記水素分離型リフォーマが、上記反応管部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部を有し、上記ヒータで得られる熱を利用して上記反応管を予熱する手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、その一実施の形態で、上記水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの少なくとも一部を、送風手段を介して循環させて燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻すための燃焼排ガス循環ラインを備え、循環される燃焼排ガスを上記ヒータにより加熱し、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼部から供給するための送風手段を供え、燃焼部から供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
またさらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼排ガスの出口から供給するための送風手段を供え、供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
またさらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータによって上記反応管を直接予熱するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、移動中においても水素分離型リフォーマの反応管の温度を維持し、移動先ごとの時間のロスを解消するようにした車両積載型水素製造システムのための昇温装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、都市ガスなどの炭化水素と水蒸気を原料として、水蒸気改質反応によって水素を製造するとともに、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を用いて、高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを用いた車両積載型水素製造システムのための昇温装置を提供するものである。原料ガスとしては、都市ガス、メタン、プロパン、灯油、ジメチルエーテル等の炭化水素を原料とする。
本発明の適用の対象となる水素製造システムは、水素分離型リフォーマと、水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部を、送風手段を介して循環させて当該リフォーマに戻すための燃焼排ガス循環ラインとを組み合わせた水素製造システムである。
【００１４】
図１に、本発明に係る昇温装置を含む車両積載型水素製造システムを模式的に示す。
１は水素分離型リフォーマであり、多管式反応管部を構成する各反応管は、改質触媒層１１および水素分離膜１２を有する。リフォーマ１の原料である炭化水素には、スチームを混合して混合ガスとする。混合ガスは、熱交換器１６で予熱されて反応温度付近まで加熱される。予熱した混合ガスは、プロセスガスとして水素分離型リフォーマ１の触媒層１１に導入される。
【００１５】
改質触媒層１１では水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生成する。例えば、原料としてメタンを用いる場合には、以下の反応式によって、水蒸気改質反応が行われる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ  →  ３Ｈ2＋ＣＯ  （吸熱反応）                （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2（発熱反応）                      （２）
通常、この反応は５００℃以上で行われ、水とメタンの炭素Ｃとのモル比であるＳ／Ｃ（ｓｔｅａｍ／ｃａｒｂｏｎ比）が２以上のスチームリッチの条件で行われる。上記（１）の反応は吸熱反応であるため、温度が高いほど、反応が促進される。
一方、上述したように水素分離膜１２は、使用温度を６００℃以下、好ましくは５５０℃以下に抑える必要がある。よって、通常５００〜６００℃の範囲内で触媒反応が行われる。
【００１６】
リフォーマ１で生成したガスのうち、水素ガスだけはパラジウムやパラジウム合金等からなる水素分離膜１２を通して透過部１４に分離される。透過部１４にまった水素ガスは、高純度の水素ガスとして系外に取り出される。
水素を取り出した残りの主に二酸化炭素からなるガスは、オフガスとして回収され、冷却水等で冷却されてから空気とともに燃焼部１３に導入して燃焼させ、水素分離型リフォーマ１の燃料とする。燃焼部１３より水素分離型リフォーマ１に導入される燃焼ガスは、反応管近傍の燃焼排ガス通路１５を通って、触媒層１１へ反応するための熱エネルギーを供給する。
【００１７】
その後、燃焼排ガスはリフォーマ１から出た後に、一部が燃焼排ガスａ循環ラインに送られ、残りの排ガスが熱交換器１６を通してから排出される。循環ラインには、送風手段としてのブロワ１７を設けることで燃焼排ガスを循環させる。循環ラインに送られる燃焼排ガスの割合は、運転条件に合わせて任意に定めることができるが、通常５０容量％以上、好ましくは６０容量％以上、さらに好ましくは７０容量％以上であり、燃焼排ガスの割合を高くするほど後流の熱交換器１６を経た燃焼排ガスの温度は低下する。
燃焼ガスと燃焼排ガスの熱エネルギーによって、多管式反応管部は通常５００〜６００℃の範囲に反応管の全体が加熱されることが好ましい。
【００１８】
循環ラインに送られた燃焼排ガスは、リフォーマの導入口（導入ライン）から再びリフォーマ１に戻る。この際、リフォーマ１の燃焼部１３から導入される燃焼ガスと、循環再利用する燃焼排ガスとの割合は、運転条件やシステムの構成によって任意に定めることができるが、燃焼部１３の極めて近傍に排ガス導入口を設けている場合には、一次空気による燃焼ガス：燃焼排ガス＝１：１〜１０、好ましくは１：２〜８、例えば１：５で用いることができる。
図１のシステムでは、燃焼部１３であるバーナで燃焼させた高温の燃焼ガスを、リフォーマ１を出た燃焼排ガスの一部を用いて希釈し、温度を下げてから多管式反応管部（１１、１２）に供給するため、リフォーマ１内の温度分布が均一化して安定する。
【００１９】
ここでさらに、図１の実施の形態は、加熱器２を備える。加熱器２は、本発明の特徴部分を構成し、図１の実施の形態における昇温装置を構成する。加熱器２は、ヒータ３によって燃焼排ガスを加熱する作用を発揮することができる。また、図１の実施の形態は、ダンパ４を備えている。
図１の実施の形態では、リフォーマ１が本来の水素製造を中止し、車両が移動状態にあるときに、昇温装置が稼動する。
車両が移動中においては、原料の炭化水素の供給、スチームの供給は行われない。ダンパ４が閉成され、ブロワ１７が燃焼排ガス循環ラインを通して燃焼排ガスを循環させる。ここで、加熱器３のヒータ３が燃焼排ガスを加熱し、５００℃以上（ただし、６００℃以下）に保つ。燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路１５を通って反応管を加熱する。これによって、車両が移動中であっても反応管を予熱することができる。したがって、起動時の時間のロスを避けることができる。ヒータ３は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。
【００２０】
次に、図２に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置が好適に適用される水素分離型リフォーマ１をより詳細に示す。図２（ａ）は、側面からみた断面図であり、（ｂ）は、同じリフォーマを前面からみた断面を示す図である。
【００２１】
本リフォーマ１では、複数の反応管２０に、改質触媒が充填されるとともに水素分離膜で区切られた水素透過部が設けられており、多管式反応管部を形成している。反応管２０の近傍には、反応管を加熱するための燃焼ガス通路２４が備えられている。リフォーマ１の下部に設けられたラインバーナ２２（燃焼部）からは、その上部の多管式反応管部内の反応管に燃焼ガスが送られる。同時に、リフォーマ１下部には、ラインバーナ２２の近傍に、一列おきに燃焼排ガス導入口を有する二次空気導入ライン２１が備えられている。なお、燃焼部１３に設置するバーナはラインバーナに限定されるものではなく、例えば高流速バーナやフラットフレームバーナなどの各種バーナを使用することができる。
【００２２】
図１について説明したように、二次空気導入ライン２１から図１の加熱器２で加熱された燃焼排ガスが導入され、車両が移動中の場合には、図１のダンパ４のようなダンパを閉成することにより、高温（５００℃以上）の燃焼排ガスが循環し、反応管２０が予熱される。
【００２３】
一方、図２のリフォーマでは、多管式反応管部の下部に仕切板２５が設けられている。
この仕切板２５の下部は、燃焼排ガス混合部となる。この燃焼排ガス混合部では、燃焼部（ラインバーナ）２２から出る燃焼ガスが、多管式反応管部に至る前に、燃焼排ガス導入口２１から供給される燃焼排ガスと混合される。これによって、上部の反応管を通る混合ガス温度は均一化され、高温の燃焼ガスが直接反応管２０に到達するのを確実に回避することができる。そして、触媒層を満遍なく、反応温度に加熱して、反応管２０全体で反応を進行させることができる。
【００２４】
なお、図１について説明した昇温装置は、この図２の水素分離型リフォーマ１に限られるものではなく、要するに燃焼排ガスの循環ラインを備えるものであれば、適用の対象となる。
【００２５】
次に、図３に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ１は、図２よりもより、概念的に図示されている。図１、図２と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ１でも、水素製造中は、バーナ３１で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管２０を加熱することができる。また、反応管２０の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部１３に導入できるような構成となっている。
この実施の形態は、ブロア３２を備え、外気を、加熱器３３を経て燃焼部１３に、外気（燃焼排ガス）導入口３４から導入することができるように構成されている。
【００２６】
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ブロワ３２で外気が加熱器３３を経由して供給される。加熱器３３のヒータ３５は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。外気は、５００℃以上（ただし、６００℃以下）に加熱され、燃焼部１３から上昇し、燃焼ガス通路２４を通りながら反応管２０を加熱し、燃焼排ガス流路３６を通って、燃焼排ガス出口３７から排出される。これによって、反応管２０が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。なお、燃焼ガス通路２４は、ここでは、反応管２０同士の間の通路を示している。
さらに、燃焼排ガス出口３７から排出される外気をブロワ３２へ供給し再循環させることで、加熱器３３の負荷を軽減でき、効率的に反応管２０を予熱させることができる。また、本実施の形態を図１に示す燃焼排ガス循環ラインと組み合わせることもできる。すなわち、図１に示す燃焼排ガス循環ラインのブロワ１７と加熱器２の間に外気を供給するブロワ３２を組み込んだもの、あるいは単にブロワ１７に外気を取り込めるようにしたものでもよい。そうすれば、ブロワ３２、加熱器３３、ヒータ３５が省略でき、さらに効率よく反応管２０を予熱できる好ましい形態となる。
【００２７】
さらに、図４に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ１は、図２よりもより、概念的に図示されている。図１、図２と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ１でも、水素製造中は、バーナ３１で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管２０を加熱することができる。また、反応管２０の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部１３に導入できるような構成となっている。
この実施の形態は、ブロア４２を備え、外気を、加熱器４３を経て、本来の燃焼排ガス出口４４から導入することができるように構成されている。
【００２８】
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ブロワ４２で外気が加熱器３３を経由して供給される。加熱器４３のヒータ４５は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。外気は、５００℃以上（ただし、６００℃以下）に加熱され、燃焼排ガス出口４４から導入され、燃焼排ガス流路３６を通って、燃焼ガス通路２４を通りながら反応管２０を加熱しながら下降する。そして、燃焼排ガス流路３６を通って、燃焼排ガス導入口３４から排出される。これによって、反応管２０が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。さらに、燃焼排ガス導入口３４から排出される外気をブロワ４２へ供給し再循環させることで、加熱器４３の負荷を軽減でき、効率的に反応管２０を予熱させることができる。
【００２９】
またさらに、図５に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ１は、図２と同様な構成である。図１、図２と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ１でも、水素製造中は、ラインバーナ２２で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管２０を加熱することができる。また、反応管２０の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部１３に導入できるような構成となっている。
この実施の形態では、各反応管２０を加熱するためのヒータ５１が各反応管２０に巻回されている。
【００３０】
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ヒータ５１によって直接反応管２０を加熱し、反応管２０を５００℃以上（ただし、６００℃以下）に加熱する。ヒータ５１は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。これによって、反応管２０が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。
【００３１】
なお、図１、図３、図４、図５について説明した実施の形態では、車両移動中の走行エンジンによって得られる余剰電力をもっぱら活用でき、発電にあたって特段の追加施設伴わない利点を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置が適用された車両積載型水素製造システムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の車両積載型水素製造システムに採用される水素分離型リフォーマの一実施の形態を説明する図であり、（ａ）は、側面からみた断面図であり、（ｂ）は、同じリフォーマを前面からみた断面を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置について、他の実施の形態を説明する概念図である。
【図４】図４は、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置について、さらに他の実施の形態を説明する概念図である。
【図５】図５は、図２について説明した水素分離型リフォーマに適用した、本発明に係る昇温装置について、他の実施の形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００３３】
１          水素分離型リフォーマ
２          加熱器
３          ヒータ
４          ダンパ
１１        改質触媒層
１２        水素分離膜
１３        燃焼部
１４        透過部
１５        燃焼排ガス通路
１６        熱交換器
１７        ブロワ
２０        反応管
２１        二次空気導入ライン
２２        ラインバーナ
２４        燃焼排ガス通路
３１        バーナ
３２        ブロア
３３        加熱器
３４        外気（燃焼排ガス）導入口
３５        ヒータ
３６        燃焼排ガス流路
３７        燃焼排ガス出口
４２        ブロア
４３        加熱器
４４        燃焼排ガス出口
４５、５１  ヒータ
【図１】
2006097526.tif 000003
【図２】
2006097526.tif 000004
【図３】
2006097526.tif 000005
【図４】
2006097526.tif 000006
【図５】
2006097526.tif 000007