(57)【要約】【課題】  水素製造装置及び水素製造方法において、水素透過性能の向上を図ることができ、さらに水素透過管における膜モジュール(水素分離膜)の温度分布の均一化を図ること。【解決手段】  水素を選択的に透過する水素透過管と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって構成される複数のユニットＡ〜Ｄと、ユニットＡ〜Ｄを加熱する加熱部４と、複数のユニットＡ〜Ｄを第１〜第４ガス供給管５ａ〜５ｄで直列に接続して接続順にユニットＡ〜Ｄ内に原料ガスを供給するプロセスガス供給配管系（原料ガス供給手段）５と、複数のユニットＡ〜Ｄの水素透過管から水素を回収する水素抜出管（水素回収手段）６とを備えている。【選択図】図１
2006001816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を選択的に透過する水素透過管と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって構成される複数のユニットと、
前記ユニットを加熱する加熱部と、
前記複数のユニットをガス供給管で直列に接続して接続順に前記ユニット内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
前記複数のユニットの前記水素透過管から水素を回収する水素回収手段とを備えていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記ユニットの接続位置に応じて前記ユニットに加える熱量を調整するユニット温度調整手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記ユニット温度調整手段が、前記複数のユニットの温度を前記ユニット毎に調整可能とされていることを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記ユニット温度調整手段が、前記ユニット毎に前記加熱部を備え前記加熱部毎に加熱量が調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記加熱部が、燃焼ガスを前記複数の反応管の間に供給可能に設置され、
前記ユニット温度調整手段が、前記複数の反応管の間に流通する前記燃焼ガスの流量又は流速を前記ユニット毎に設定可能な燃焼ガス調整手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記原料ガス供給手段が、最初の前記ユニットに前記原料ガスを供給する前記ガス供給管から分岐し前記原料ガスの一部を他の各前記ユニットに供給するバイパス管を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記バイパス管には、前記ユニット毎に前記原料ガスの流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
水素を選択的に透過する水素透過管と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって構成される複数のユニットのうち一つに原料ガスを供給し、該ユニットから抜き出されたオフガスを前記原料ガスとして残りの前記ユニットのうち一つに供給することを全ての前記ユニットに順次連続して行い、
前記複数のユニットを加熱し、発生する水素を前記複数のユニットの前記水素透過管から回収することを特徴とする水素製造方法。
【請求項９】
前記複数のユニットの温度を前記ユニット毎に調整することを特徴とする請求項８に記載の水素製造方法。                                                 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度の水素が得られる水素製造装置及び水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガス、LPGなどの炭化水素を原料として水素を製造する方法として、蒸気改質法が挙げられる。本方式は、質器内で以下の反応
CnH(2n+2)+nH2O→(2n+1)H2+nCO      (1)
CO+H2O←→CO2+H2                  (2)
CO+3H2←→CH4+H2O                 (3)
CO2+4H2←→CH4+2H2O                (4)
により水素を製造した後、COシフト反応器により水素純度を上げ、さらにPSA ( Pressure Swing Adsorption ) 吸着槽に導入され、高純度の水素を製造するものであり、従来、一般に行われている方式である。
この従来方式では、改質器の運転温度が800℃と高く耐熱金属を使用する必要があり、また、設置スペースが大きいなどの不都合な点が挙げられる。
【０００３】
一方、PdやPd合金等の水素透過性を有する材料を用いて、膜分離による水素製造方法がある。本法は、水素分離膜を改質器に組込み、水蒸気改質反応で生成した水素を水素分離膜を用いて選択的に分離し、高純度の水素を製造するものである。水蒸気改質反応は、高い原料転化率を得るためには高温にする必要があるが、生成した水素の一部を分離することで反応が促進し、500〜550℃程度の低い温度でも高い転化率を得ることができ、高価な耐熱金属を使用する必要がない。
【０００４】
このような水素分離型改質器として、特許文献１や特許文献２等にその構造が記載されている。
例えば、特許文献１に記載されている従来の水素製造装置は、上部を閉じた外筒と、その内側に順次配設された中筒及び内筒とを備えており、これら中筒及び内筒間に形成される環状空間の上部は閉塞されている。環状空間内には、水素のみを透過する金属膜を有する複数本のメンブレン管が円周方向に一定間隔を置いて挿入配置されていると共に、粒子状あるいは板状に成形した改質触媒が充填されている。また、内筒の内側の空間部は、供給された空気と燃料とを燃焼バーナーによって燃焼させ、高温の燃焼ガスを製造する燃焼室となっている。
これら特許文献に記載の装置では、原料ガスが全ての反応管に均一に供給される構造を採用している。
【０００５】
上記従来の水素製造装置は、構造上、燃焼室が大きくなるため、装置のコンパクト化が困難であると共に、メンブレン管及び改質触媒を収納した環状空間への伝熱が輻射伝熱が主体となり、さらに伝熱面積が小さいために伝熱効率が悪いという不都合があった。また、メンブレン管や改質触媒に不具合が生じた場合に、内筒及び中筒を取り外して全体を交換する必要があった。
【０００６】
そこで、本出願人は、上記従来の装置における実状を鑑みて、特願２００３−１４９１１５号において、コンパクト化及び反応の効率化を図り、不具合を有する反応管のユニットのみを部分的に交換可能な水素製造装置を提案している。
すなわち、この水素製造装置における改質器は、水素分離膜を組み込んだ反応管を複数本用いてユニットを形成し、該ユニットを複数配置して反応器を構成し、燃焼バーナーの燃焼ガスを反応管近傍に供給し反応管で生じる吸熱反応に必要な熱を供給する多管式構造を採用している。
【０００７】
この装置では、それぞれの反応管に供給する原料ガスが、反応管上部に設置したヘッダパイプにより均一に供給される構造としており、一方、反応管から抜き出される水素、未反応ガス等を含むオフガスもそれぞれのヘッダ部で集合され改質器より抜き出される。この装置では、反応管ユニット、燃焼バーナー及びヘッダ部の配置によってコンパクト化が可能になると共に、反応管のユニット化によりユニットのみを交換可能となっている。
【０００８】
【特許文献１】特許第３０３５０３８号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開平７−１０９１０４号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の各水素製造装置では、改質触媒上で反応した水素が水素分離膜で分離されることになるが、全ての反応管に原料ガスを均一に供給しているため、反応管内での原料ガスの線流速が遅く、流れと直交する方向の混合拡散が悪くなってしまう。このため、水素の濃度勾配が発生して、水素透過性能が低下する不都合があった。
【００１０】
さらに、特願２００３−１４９１１５号に係る水素製造装置では、以下の課題が残されている。
この水素製造装置で採用する多管式反応器の構造における反応管外面の燃焼ガス、反応管内面のプロセスガス(原料ガス)の温度分布の模式図を、図１１に示す。この図からわかるように、ガス温度が800℃程度の燃焼ガスが反応管下部より供給され、上部に向かって流れる間に反応管側へ伝熱し温度が下がっていき、反応管上部では550℃程度まで低下する。
一方、プロセスガスは、反応管上部から原料供給管を流れて反応管下部に約500℃の温度で供給された後、上部方向に向かって流れる。反応管下部には改質触媒が充填されており、吸熱反応が起こるため一旦温度が480℃程度まで下がった後、反応管から加熱されながら反応が進行していき、反応管上部では500〜550℃になる。
【００１１】
水素分離膜の耐久性及び高い水素透過速度を得るためには、できるだけ高温で均一な温度分布とすることが好ましく、実用上550℃付近とすることが好ましい。これ以上の温度になると水素透過速度は大きくなるものの耐久性が低下することになり、逆に温度が低いと水素透過速度が低下し、所望の水素製造量が得られない結果となる。
一方、水素製造装置全体の熱効率の面から見た場合、バーナーに供給する燃焼用空気は、空気比を低く設定する方が好ましいが、燃焼ガス温度は1000℃を超える場合があり、このような高温の燃焼ガスを反応管に供給すると反応管下部の温度が上昇し、水素分離膜の温度も550℃を超える可能がある。そこで、高温の燃焼ガスに曝される部分は断熱材を設置して反応管への入熱を抑制する対策等を施せばよいが、改質器が大型化する可能性があり、水素分離型改質器の特徴であるコンパクト性が損なわれる。また、反応管に供給する燃焼ガス温度を下げるために、バーナー近傍に２次空気を供給し、800℃程度まで温度を下げる方法があるが、この場合、燃焼用空気ブロワの動力増大等により熱効率は低下することになってしまう。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、水素透過性能の向上を図ることができ、さらに水素透過管における膜モジュール(水素分離膜)の温度分布の均一化を図ることができる水素製造装置及び水素製造方法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】
【００１３】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の水素製造装置は、水素を選択的に透過する水素透過管と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって構成される複数のユニットと、ユニットを加熱する加熱部と、複数のユニットをガス供給管で直列に接続して接続順にユニット内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、複数のユニットの水素透過管から水素を回収する水素回収手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の水素製造方法は、水素を選択的に透過する水素透過管と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管によって構成される複数のユニットのうち一つに原料ガスを供給し、該ユニットから抜き出されたオフガスを原料ガスとして残りのユニットのうち一つに供給することを全てのユニットに順次連続して行い、複数のユニットを加熱し、発生する水素を複数のユニットの水素透過管から回収することを特徴とする。
【００１５】
上記の水素製造装置では、複数のユニットをガス供給管で直列に接続して接続順にユニット内に原料ガスを供給し、また上記の水素製造方法では、複数のユニットのうち一つに原料ガスを供給し、該ユニットから抜き出されたオフガスを原料ガスとして残りのユニットのうち一つに供給することを全てのユニットに順次連続して行うので、全てのユニットを並列的に接続して均一に原料ガスを同時供給する場合に比べて、ユニット内での原料ガスの線流速が上昇し、流れと直交する方向において改質触媒上で反応した水素の混合拡散が促進され、水素の濃度勾配が低減されて同一面積での水素製造量を増大させることができる。
【００１６】
本発明の水素製造装置は、ユニットの接続位置に応じてユニットに加える熱量を調整するユニット温度調整手段を備えていることを特徴とする。すなわち、この水素製造装置では、ユニット温度調整手段によって、ユニットの接続位置に応じてユニットに加える熱量を調整することにより、ユニットの接続位置に応じて生じる水素透過管の局所的な温度上昇を防止でき、水素透過管の温度分布を均一化することができる。したがって、ユニットの耐久性が向上すると共に、水素製造量を増大させることができる。
【００１７】
さらに、本発明の水素製造装置は、ユニット温度調整手段が、複数のユニットの温度をユニット毎に調整可能とされていることが好ましい。
また、本発明の水素製造方法は、複数のユニットの温度をユニット毎に調整することが好ましい。
すなわち、これらの水素製造装置及び水素製造方法では、複数のユニットの温度をユニット毎に調整することにより、より高精度に水素透過管及びユニットの温度分布を均一化することができ、ユニット間の温度差を低減することができる。
【００１８】
本発明の水素製造装置は、ユニット温度調整手段が、ユニット毎に加熱部を備え加熱部毎に加熱量が調整可能であることを特徴とする。すなわち、この水素製造装置では、ユニット毎の加熱部により加熱量が調整できるので、各ユニットでの加熱調整が容易にかつ高精度で可能になり、より水素透過管及びユニットの温度分布を均一化することができる。
【００１９】
本発明の水素製造装置は、加熱部が、燃焼ガスを複数の反応管の間に供給可能に設置され、ユニット温度調整手段が、複数の反応管の間に流通する燃焼ガスの流量又は流速をユニット毎に設定可能な燃焼ガス調整手段を備えていることを特徴とする。すなわち、この水素製造装置では、複数の反応管の間に流通する燃焼ガスの流量又は流速をユニット毎に設定可能であるので、ユニットに応じて供給される燃焼ガス量を調整してユニットへの伝熱量を制御することができる。
【００２０】
本発明の水素製造装置は、原料ガス供給手段が、最初のユニットに原料ガスを供給するガス供給管から分岐し原料ガスの一部を他の各ユニットに供給するバイパス管を備えていることを特徴とする。すなわち、この水素製造装置では、バイパス管を介して下流のユニットに未反応の原料ガスが追加流入されることになり、水蒸気改質反応による吸熱反応を進行させ、水素透過管の温度上昇を低下させることにより、全体として温度分布を均一化させることができる。
【００２１】
また、本発明の水素製造装置は、バイパス管に、ユニット毎に原料ガスの流量を調整する流量調整弁が設けられていることが好ましい。すなわち、この水素製造装置では、バイパス管に設けられた流量調整弁により原料ガスの供給量を調整することにより、各ユニットへの未反応原料ガスの流量をより高精度に制御することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法によれば、複数のユニットをガス供給管で直列に接続して接続順にユニット内に原料ガスを供給し、また上記の水素製造方法では、複数のユニットのうち一つに原料ガスを供給し、該ユニットから抜き出されたオフガスを原料ガスとして残りのユニットのうち一つに供給することを全てのユニットに順次連続して行うので、ユニット内での原料ガスの線流速が上昇し、水素製造量の増大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法の第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。
【００２４】
本実施形態の水素製造装置は、水素分離型改質器であって、図１及び図２に示すように、水素を選択的に透過する水素透過管１と水蒸気改質反応を行う改質触媒とを組み込んだ複数の反応管２によって構成されるユニットＡ〜Ｄと、これらユニットＡ〜Ｄを内部に配置した反応器３と、該反応器３の下方に設けられユニットＡ〜Ｄを加熱する加熱部（ユニット温度調整手段）４と、複数のユニットＡ〜Ｄを第１〜第４ガス供給管５ａ〜５ｄで直列に接続して接続順にユニットＡ〜Ｄ内にプロセスガス（原料ガス：炭化水素又はメタノールガスなどの含酸素炭化水素と水蒸気との混合ガス）を供給するプロセスガス供給配管系（原料ガス供給手段）５と、複数のユニットＡ〜Ｄの水素透過管１から水素を抜き出して回収する水素抜出管（水素回収手段）６とを備えている。
【００２５】
前記反応器３は、内部に前記ユニットＡ〜Ｄが縦横に複数にわたり配置され、上部にはプロセスガス供給配管系５及び水素抜出管６が収納されたヘッダ部７が設けられている。
なお、プロセスガス供給配管系５は、上流端でプロセスガスの供給源（図示略）に接続され、水素抜出管６は、下流端で水素回収系（図示略）に接続されている。
前記反応管２は、図２から図４に示すように、水平断面が長方形である有底の角型筒状（円筒状でも良い）に形成されており、一対の端板８ａ及び側板８ｂからなるボックス状のユニット枠８内に一定の間隔をおいて並列に設けて収納することにより、１つのユニットＡ〜Ｄを形成するように構成されている。
【００２６】
これらの反応管２には、水素を選択的に透過する金属の水素分離膜９を用いた上記水素透過管１と、水蒸気改質反応を行う改質触媒の成形板触媒（例えば、波板触媒）及び粒状予備触媒と、プロセスガスを供給しまた未反応のプロセスガスや二酸化炭素等のオフガスを排出して次のユニットへ供給する第２〜第４ガス供給管５ｂ〜５ｄ又は系外へ排出するオフガス回収管１１と、製造した製品水素を取り出す水素抜出管６とが組み込まれている。
【００２７】
しかも、成形板触媒は、図示しないが水素分離膜９との間隔を適切に保持して水素透過管１の外側に設けられ、該水素透過管１の全長さ方向に沿って配置されている。また、粒状予備触媒は、加熱部４が配置されている側の水素透過管１の先端側空間部に充填配置されており、加熱部４の高熱にて予めプロセスガスの一部を水素に転化させ、その際の吸熱によって水素透過管１の局部加熱を防止し、内部の温度を均一に保持することに寄与している。
【００２８】
前記プロセスガス供給配管系５は、一端が供給源に接続され他端が最初のユニットＡに接続された第１ガス供給管５ａと、一端がユニットＡに接続され他端が次のユニットＢに接続された第２ガス供給管５ｂと、一端がユニットＢに接続され他端が次のユニットＣに接続された第３ガス供給管５ｃと、一端がユニットＣに接続され他端が次のユニットＤに接続された第４ガス供給管５ｄと、一端がユニットＤに接続され他端が系外へ接続されたオフガス回収管１１とで構成されている。
【００２９】
すなわち、第１ガス供給管５ａによりユニットＡ〜Ｄのうちまず最初の一つのユニットＡにプロセスガスを供給し、第２ガス供給管５ｂにより該ユニットＡから抜き出されたオフガスをプロセスガスとして残りのユニットＢ〜Ｄのうち次に一つのユニットＢに供給することを全てのユニットＢ〜Ｄに順次連続して行うように、各ユニットＡ〜Ｄを直列に接続している。
上記第１〜第４ガス供給管５ａ〜５ｄは、それぞれ各ユニットＡ〜Ｄ内の反応管２内で水素透過管１に沿って配置されている。また、第１〜第４ガス供給管５ａ〜５ｄの他端は、粒状予備触媒の充填個所に開口され、第２〜第４ガス供給管５ｂ〜５ｄ及びオフガス回収管１１の一端は、反応管２の上部に連通して接続されている。
【００３０】
一方、上記隣接する反応管２同士の間、及び反応管２とユニット枠８の端板８ａとの隙間には、図３及び図４に示すように、後述の燃焼室からの燃焼ガスを流す流路を兼ねた複数個の補強部材１２が配設されており、これら補強部材１２によってユニット枠８を含むユニットＡ〜Ｄの強度が増大すると共に、伝熱面積が大きくなるように構成されている。このため、補強部材１２は、水平断面が角型の筒状に形成されている。
【００３１】
前記加熱部４は、反応器３の下方に配された燃焼室１３と、該燃焼室１３の両端に配設された燃焼バーナー１４とで構成されている。これらの燃焼バーナー１４により、供給された空気及び燃料の炭化水素を燃焼させて燃焼ガスを燃焼室１３内で製造し、燃焼ガスが上昇して補強部材１２の内部を流れ、上方位置の反応器３の各ユニットＡ〜Ｄ間に対流して各ユニットＡ〜Ｄを加熱し、吸熱反応を促進するように構成されている。燃焼ガスは、上昇して反応管２を通過した後、側方に設けた燃焼ガス出口（図示略）から外部に排出されるようになっている。
【００３２】
なお、燃焼室１３及び燃焼バーナー１４は、反応器３の下部に一体に設ける必要はなく、別個に設けた燃焼室１３及び燃焼バーナー１４で製造した燃焼ガスを反応器３の下部に導くような構造にしてもよい。また、燃焼バーナー１４としては、ラインバーナー、高流速バーナー等、各種バーナーを使用することが可能である。
【００３３】
次に、上記水素製造装置による水素製造方法を、図１を参照して以下に説明する。
【００３４】
まず、燃焼室１３の燃焼バーナー１４によって燃焼ガスを製造し、この燃焼ガスを各ユニットＡ〜Ｄの間及び各反応管２の隙間に流通させることによってユニットＡ〜Ｄの反応管２を加熱する。この高温状態において、プロセスガスを供給源から第１ガス供給管５ａを介してユニットＡへ供給する。この際、プロセスガスは、粒状予備触媒及び成形板触媒の中を流れ、ユニットＡの各反応管２の表面から燃焼ガスの熱により吸熱反応が進行し、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、メタンを含むオフガスを生成する。そして、生成された水素が選択的に水素透過管１の水素分離膜９により分離され、水素分離膜９を透過して水素透過管１の内部に収集されて流れ、水素抜出管６から水素回収系に回収され、純度の高い水素が得られる。
【００３５】
また、粒状予備触媒及び成形板触媒を通過したオフガスは、第２ガス供給管５ｂから次に接続されているユニットＢへと供給される。このユニットＢにおいても、ユニットＡと同様に水素が生成されて回収されると共に、オフガスは、第３ガス供給管５ｃを介して次に接続されているユニットＣへと供給される。さらに、ユニットＣにおいても、ユニットＡ、Ｂと同様に水素が生成されて回収されると共に、オフガスは、第４ガス供給管５ｄを介して最後に接続されているユニットＤへと供給される。そして、ユニットＤにおいても、ユニットＡ〜Ｃと同様に水素が生成されて回収されると共に、オフガスは、オフガス回収管１１を介して系外に排出されることになる。
【００３６】
このように本実施形態では、複数のユニットＡ〜Ｄを第１〜第４ガス供給管５ａ〜５ｄで直列に接続して接続順にユニットＡ〜Ｄ内にプロセスガスを供給するので、全てのユニットＡ〜Ｄを並列的に接続して均一にプロセスガスを同時供給する場合に比べて、ユニットＡ〜Ｄ内でのプロセスガスの線流速が上昇し、流れと直交する方向において改質触媒上で反応した水素の混合拡散が促進され、水素の濃度勾配が低減されて同一面積での水素製造量を増大させることができる。
【００３７】
次に、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法の第２実施形態を、図５及び図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、この点について、後述する第３〜第５実施形態においても同様とする。
【００３８】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、燃焼室１３の両端に燃焼バーナー１４を設けた加熱部４であるのに対し、第２実施形態の水素製造装置では、図５に示すように、ユニットＡ〜Ｄ毎に分割された加熱部（ユニット温度調整手段）２４Ａ〜２４Ｄを有し、ユニットＡ〜Ｄ毎に分割された燃焼室１３Ａ〜１３Ｄの底部に、それぞれ燃焼バーナー（ユニット温度調整手段）１４Ａ〜１４Ｄが設置されてユニットＡ〜Ｄ毎に燃焼調整を行う点である。
【００３９】
反応管２及び水素透過管１を一本とした場合を想定すると、その代表的な温度分布は、図６の（ａ）に示すように、高温の燃焼ガスが流れる部分（ユニットＡ近傍）で水素分離膜の温度分布が550℃を超えるヒートスポットが生じる場合があり、耐久性の面から好ましくない。また、反応管２上部は、燃焼ガス温度の低下に伴い水素分離膜の温度も下がる結果になり、膜性能を有効に発揮させることができない。これに対して、第２実施形態では、各燃焼バーナー１４Ａ〜１４Ｄによって、各ユニットＡ〜Ｄの温度をユニット毎に調整するので、反応管２下部の水素分離膜９の局所的な温度上昇を防止することができる。すなわち、反応管２下部の燃焼室を燃焼室１３Ａ〜１３Ｄに分割し、ユニットＡ〜Ｄの接続位置に応じてユニットＡ〜Ｄに加える熱量を調整することにより、水素分離膜９の温度分布を均一化することができる。
【００４０】
また、本実施形態の水素製造装置では、各燃焼室１３Ａ〜１３Ｄが一対の仕切壁２１、２２で区切られ、上流側の仕切壁２１の上部及び下流側の仕切壁２２の下部には、燃焼ガスが流通可能な開口部２１ａ、２２ａが形成されていると共に、これら開口部２１ａ、２２ａに接続された燃焼ガス流路２３が一対の仕切壁２１、２２の間に設けられている。
したがって、この水素製造装置では、燃焼室１３Ａの燃焼バーナー１４Ａで発生した燃焼ガスが、ユニットＡを通過後、隣の燃焼室１３Ｂに燃焼ガス流路２３を介して供給され、燃焼室１３Ｂの燃焼バーナー１４Ｂで発生した燃焼ガスと混合してユニットＢを通過し、加熱を行う。同様にして、次の燃焼室１３Ｃ、さらに最後の燃焼室１３Ｄにも順次、燃焼ガス流路２３を介して燃焼ガスが供給されると共に、それぞれ燃焼バーナー１４Ｃ、１４Ｄによる燃焼ガスと混合されてユニットＣ及びユニットＤが加熱される。
【００４１】
この際、水素分離膜９の局所的な温度上昇が懸念されるユニットＡでは、燃焼バーナー１４Ａの燃焼ガス量を調節して、例えば一段の燃焼バーナーの場合に比べて８５％の燃焼ガス量に設定すると共に、他の燃焼バーナー１４Ｂ〜１４Ｄの燃焼ガス量は、５％に設定しておくことで、図６の（ｂ）に示すように、各ユニットＡ〜Ｄで温度分布の均一化を図ることができる。
本実施形態のように、ユニットＡ〜Ｄ毎に燃焼室１３Ａ〜１３Ｄ及び燃焼バーナー１４Ａ〜１４Ｄを設置することが好ましいが、ユニット一つおきにこれらを設けたり、ユニットＣのみ燃焼バーナーを設置しない等の設定でも構わない。なお、燃焼バーナーの設置数を多くし、各位置での燃焼調整を行うほど、水素分離膜９の温度分布を均一化させることができる。
【００４２】
次に、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法の第３実施形態及び第４実施形態を、図７及び図８を参照しながら説明する。
【００４３】
第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、ユニットＡ〜Ｄ毎に燃焼室１３Ａ〜１３Ｄ及び燃焼バーナー１４Ａ〜１４Ｄを設置しているのに対し、第３実施形態の水素製造装置では、図７に示すように、燃焼バーナー１４は第１実施形態と同様に一対のみとし、複数の反応管２の間に流通する燃焼ガスの流量又は流速をユニットＡ〜Ｄ毎に設定可能にするために、反応管２の間の下部開口部（ユニット温度調整手段）２Ａ〜２Ｄにおける開口面積をユニットＡ〜Ｄ毎に個別に設定している点である。
【００４４】
すなわち、第３実施形態では、ユニットＡの反応管Ａ1、Ａ2の隙間における下部開口部２Ａを最大の開口面積に設定し、ユニットＢからＤの接続順に漸次、下部開口部２Ｂ〜２Ｄの開口面積を狭く絞ることにより、燃焼ガス流路の圧損を増大させて各ユニットＡ〜Ｄに供給される燃焼ガス量を調整している。
このように第３実施形態では、複数の反応管２の間に流通する燃焼ガスの流量又は流速をユニットＡ〜Ｄ毎に下部開口部２Ａ〜２Ｄの開口面積で設定してあるので、ユニットＡ〜Ｄに応じて供給される燃焼ガス量を調整してユニットＡ〜Ｄへの伝熱量を制御することができる。したがって、第２実施形態のように、複数の燃焼バーナー１４Ａ〜１４Ｄを設置したことにより、制御点数が増えてしまうという不都合がなく、燃焼バーナー１４を増やさずに、反応管２間を流れる燃焼ガス流路内の圧損を調整することで、水素分離膜９の温度分布を均一化させることができる。
【００４５】
第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、複数の反応管２の間に流通する燃焼ガスの流量又は流速を下部開口部２Ａ〜２Ｄの絞り状態で設定しているのに対し、第４実施形態の水素製造装置では、図８に示すように、反応管２の間の下部開口部に燃焼ガスの流量を可変調整する燃焼ガス流量調整弁４２Ａ〜４２ＤをユニットＡ〜Ｄ毎に設けている点である。
【００４６】
すなわち、第４実施形態では、ユニットＡの反応管Ａ1、Ａ2の隙間における下部開口部を燃焼ガス流量調整弁４２Ａで最大の開口面積に設定すると共に、ユニットＢからＤの接続順に漸次、下部開口部の開口面積を各燃焼ガス流量調整弁４２Ｂ〜４２Ｄで狭く絞ることにより、燃焼ガス流路の圧損を増大させて各ユニットＡ〜Ｄに供給される燃焼ガス量を調整している。
したがって、第４実施形態では、燃焼ガス流量調整弁４２Ａ〜４２Ｄにより反応管２の間に供給される燃焼ガス量を可変調整することにより、運転状況等に応じて各ユニットＡ〜Ｄへの燃焼ガス流量を微調整して、より高精度に水素分離膜９の温度分布を均一化することができる。
【００４７】
次に、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法の第５実施形態を、図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００４８】
第５実施形態と第４実施形態と異なる点は、第４実施形態では、燃焼ガス流量調整弁４２Ａ〜４２Ｄにより各ユニットＡ〜Ｄにおける燃焼ガス流量を制御して水素分離膜９の温度分布の均一化を図っているのに対し、第５実施形態の水素製造装置では、図９に示すように、プロセスガス供給配管系５が、最初のユニットＡにプロセスガスを供給する第１ガス供給管５ａから分岐しプロセスガスの一部を他の各ユニットＢ〜Ｄに供給するバイパス管（ユニット温度調整手段）５１を備えている点である。
また、このバイパス管５１は、ユニットＢ〜Ｄ毎に分岐した分岐管５１Ｂ〜５１Ｄにプロセスガスの流量を調整するプロセスガス流量調整弁５２Ｂ〜５２Ｄが設けられている。
【００４９】
例えば、図１０の（ａ）に示すように、各ユニットＢ〜Ｄへのプロセスガスのバイパスを行わない場合、水素分離膜９の局所的な温度上昇は、ユニットＡではなく、ユニットＤの方が発生しやすい。これは、ユニットＡには、未反応のプロセスガスが流入し、水蒸気改質反応による吸熱が起こり、反応管２壁面からの伝熱が律速となりやすいが、下流のユニットＣ、Ｄになるほど水素分圧が低下するために水素分離量が低下し、反応の進行度合いが鈍くなり、反応管２壁面からの伝熱によりプロセスガス温度が上昇する結果となりやすい。
【００５０】
しかしながら、第５実施形態では、プロセスガスの一部をバイパスさせるバイパス管５１を設け、後段のユニットＢ〜Ｄに未反応のプロセスガスを追加供給することで、図１０の（ｂ）に示すように、吸熱反応を進行させて、後段のユニットＣ、Ｄにおける水素分離膜９の温度上昇を低下させることができる。
なお、各ユニットＢ〜Ｄにバイパス管５１を経て供給されるプロセスガス量は、水素分離膜９のピーク温度で調節すればよく、例えば、ユニットを上流側の第１ユニット及び下流側の第２ユニットに２分割した場合、バイパス管を介して第２ユニットに供給するプロセスガス量は、第１ユニットの１０〜３０％程度となる。
【００５１】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００５２】
例えば、上記各実施形態では、４つのユニットＡ〜Ｄを直列に接続したが、４つ以外の複数のユニットを直列接続しても構わない。
また、上記第４実施形態では、反応管２の隙間に流通する燃焼ガスの流量又は流速を、反応管２や燃焼室１３内などに設置した温度センサーによる温度に基づいて、制御するようにしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る第１実施形態の水素製造装置を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態の水素製造装置において、ユニットを示す断面図である。
【図３】第１実施形態の水素製造装置において、ユニットをヘッダ部を取り外した状態で示す上面図である。
【図４】第１実施形態の水素製造装置において、ユニットをヘッダ部を取り付けた状態で示す上面図である。
【図５】第２実施形態の水素製造装置を示す概略構成図である。
【図６】反応管及び水素分離膜を１本に想定した場合及び第２実施形態の水素製造装置の場合における水素分離膜の温度分布を示すグラフである。
【図７】第３実施形態の水素製造装置を示す概略構成図である。
【図８】第４実施形態の水素製造装置を示す概略構成図である。
【図９】第５実施形態の水素製造装置を示す概略構成図である。
【図１０】バイパス管を設けなかった場合及び設けた場合における各ユニットでの温度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る従来例において、反応管外面の燃焼ガス及び反応管内面のプロセスガスの温度分布を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…水素透過管、２…反応管、Ａ〜Ｄ…ユニット、４、２４Ａ〜２４Ｄ…加熱部（ユニット温度調整手段）、５ａ〜５ｄ…第１〜第４ガス供給管、５…プロセスガス供給配管系（原料ガス供給手段）、６…水素抜出管（水素回収手段）、５１…バイパス管（ユニット温度調整手段）、５２Ｂ〜５２Ｄ…プロセスガス流量調整弁（ユニット温度調整手段）、２Ａ〜２Ｄ…下部開口部（ユニット温度調整手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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