(57)【要約】【課題】燃焼部における熱ロスを抑制すると共に、改質器の燃焼部においてオフガスを安定して燃焼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は、多重筒型改質器１２から送出された改質ガスを、水素精製器９０で、可燃成分を含むオフガスと水素とに分離して水素を精製する。水素精製器９０で分離されたオフガスを多重筒型改質器１２の燃焼室２５へ供給する可燃ガス供給管３８を有し、可燃ガス供給管３８に、オフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部８２と、オフガスを一時貯留するガスタンク９４と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料を水蒸気改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質部と、可燃ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、を有する改質器と、
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を、可燃成分を含むオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、
前記水素精製器で分離されたオフガスを前記燃焼部へ供給する可燃ガス供給路と、
前記可燃ガス供給路に設けられ、前記水素精製器で分離されたオフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、
前記可燃ガス供給路に設けられ、前記オフガスを一時貯留するガスタンクと、
を備えた、水素製造装置。
【請求項２】
前記ガスタンクは、前記二酸化炭素分離部よりも下流側に設けられている、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記ガスタンクは、前記二酸化炭素分離部よりも上流側に設けられている、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記二酸化炭素分離部は、二酸化炭素を透過させる分離膜を含んで構成されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記水素精製器は、圧力スイング吸着器を含んで構成されている、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。
【請求項６】
前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素を精製する二酸化炭素精製器、をさらに備えた、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記改質器と前記水素精製器との間に、前記改質ガスを圧縮して前記水素精製器へ供給する圧縮機を備えた、請求項１〜請求項６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、水素製造装置に関し、特に、炭化水素原料を改質して水素を製造する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、原料炭化水素を水蒸気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、ＰＳＡ装置から送出されたオフガスから二酸化炭素を分離膜で分離し、二酸化炭素を回収している。そして、二酸化炭素を分離した後のオフガスを改質器のバーナに供給して燃焼させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４７６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにして、二酸化炭素を分離することにより、オフガス中の不燃成分が減少することから、排ガスとして系外に持ち出される熱が減るため、燃焼部における熱ロスが抑制される。一方、燃焼部においてオフガスの安定した燃焼が求められる。
【０００５】
本発明の課題は、燃焼部における熱ロスを抑制すると共に、燃焼部においてオフガスを安定して燃焼させることが可能な水素製造装置を提供することである。
【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、炭化水素原料を水蒸気改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質部と、可燃ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、を有する改質器と、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を、可燃成分を含むオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器で分離されたオフガスを前記燃焼部へ供給する可燃ガス供給路と、前記可燃ガス供給路に設けられ、前記水素精製器で分離されたオフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、前記可燃ガス供給路に設けられ、前記オフガスを一時貯留するガスタンクと、を備えている。
【０００７】
請求項１に係る水素製造装置では、燃焼処理器の改質部で改質された改質ガスが水素精製器で可燃成分を含むオフガスと水素とに分離される。オフガスは、可燃ガス供給路を経て改質器の燃焼部へ供給され、燃焼に供される。可燃ガス供給路には、二酸化炭素分離部が設けられており、オフガスに含まれる二酸化炭素は、二酸化炭素分離部で分離される。したがって、燃焼部への二酸化炭素の供給が抑制され、不燃ガスが燃焼部へ供給される量が減少し、排ガスとして系外に持ち出される熱が減るため、熱ロスを抑制することができる。
【０００８】
また、可燃ガス供給路には、オフガスを一時貯留するガスタンクが設けられているので、水素精製器からのオフガスの時間による組成・流量の変動が平準化され、燃焼部での安定した燃焼に寄与することができる。
【０００９】
請求項２に係る水素製造装置は、前記ガスタンクは、前記二酸化炭素分離部よりも下流側に設けられている。
【００１０】
請求項２に係る水素製造装置では、ガスタンクに一時貯留されるオフガスは、二酸化炭素分離部で二酸化炭素が分離された後のオフガスであるので、オフガスの流量が少なくなり、ガスタンクの容量を小さくすることができる。
【００１１】
請求項３に係る水素製造装置は、前記ガスタンクは、前記二酸化炭素分離部よりも上流側に設けられている。
【００１２】
請求項３に係る水素製造装置では、二酸化炭素分離部で二酸化炭素を分離する前に、オフガスがガスタンクに一時貯留されることにより、オフガスの時間による二酸化炭素の濃度のばらつきが平準化されている。したがって、二酸化炭素分離部での二酸化炭素の分離を、安定して行うことができる。
【００１３】
請求項４に係る水素製造装置は、前記二酸化炭素分離部は、二酸化炭素を透過させる分離膜を含んで構成されている。
【００１４】
請求項４に係る水素製造装置では、分離膜を用いてオフガスからの二酸化炭素の分離を容易に行うことができる。
【００１５】
請求項５に係る水素製造装置は、前記水素精製器は、圧力スイング吸着器を含んで構成されている。
【００１６】
請求項５に係る水素製造装置では、水素の分離に圧力スイング吸着器が用いられる。物質により吸脱着の条件が異なることから、圧力スイング吸着器から送出されるオフガスの組成・流量は時間により大きく変化する。したがって、より効果的に本発明を用いることができる。
【００１７】
請求項６に係る水素製造装置は、前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素を精製する二酸化炭素精製器、をさらに備えている。
【００１８】
請求項６に係る水素製造装置によれば、二酸化炭素精製器を備えているので、高濃度の二酸化炭素を得ることができる。
【００１９】
請求項７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に、前記改質ガスを圧縮して前記水素精製器へ供給する圧縮機を備えている。
【００２０】
請求項７に係る水素製造装置によれば、水素精製装置で必要とされる適切な圧力に改質ガスを圧縮することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水素製造装置では、可燃ガス供給路に二酸化炭素分離部及びガスタンクが設けられているので、燃焼部における熱ロスを抑制すると共に、燃焼部においてオフガスを安定して燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第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】本発明の第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】本発明の第１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。
【図４】本発明の第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５】本発明の第１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。
【図６】本発明の二酸化炭素分離部の周辺の変形例を示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［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。
【００２４】
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、空気供給部１８、圧縮機８０、水素精製器９０、二酸化炭素分離部８２、ガスタンク９４を備えている。また、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、及び、燃焼排ガス水分離部７０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、第１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。
【００２５】
（多重筒型改質器）
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２１、２２、２３、２４を有している。複数の筒状壁２１、２２、２３、２４は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２１、２２、２３、２４のうち内側から一番目の筒状壁２１の内部には、燃焼室２５が形成されており、この燃焼室２５の上部には、バーナ２６が下向きに配置されている。このバーナ２６には、可燃ガス供給管３８から水素精製器９０のオフガスが燃料として供給される。多重筒型改質器１２は、改質器の一例である。さらに、この燃焼室２５の上端部には、空気供給部１８（図１参照）から燃焼用空気を供給するための空気供給管４０が接続されている。バーナ２６には、さらに都市ガスが原料供給管３３から分岐された原料分岐管３３Ａが接続されている。原料分岐管３３Ａには、空気供給管４０から分岐された空気分岐管４０Ａが接続されている。バーナ２６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。
【００２６】
一番目の筒状壁２１と二番目の筒状壁２２との間には、燃焼排ガス流路２７が形成されている。燃焼排ガス流路２７の下端部は、燃焼室２５と連通されており、燃焼排ガス流路２７の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管２８が接続されている。燃焼室２５から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を下側から上側に流れ、ガス排出管２８を通じて後述する燃焼排ガス水分離部７０へ送出される。
【００２７】
また、二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、第一流路３１が形成されている。この第一流路３１の上部は、予熱流路３２として形成されており、この予熱流路３２の上端部には、都市ガスを供給するための原料供給管３３と、改質用水供給部３０（図１参照）から改質用水を供給するための改質用水供給管３４とが接続されている。さらに、二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、螺旋部材３５が設けられており、この螺旋部材３５により、予熱流路３２は、螺旋状に形成されている。原料供給管３３は、流路管の一例である。
【００２８】
予熱流路３２には、都市ガスが原料供給管３３から供給され、さらに、改質用水が改質用水供給管３４から供給される。都市ガス及び改質用水は、予熱流路３２を上側から下側に流れ、二番目の筒状壁２２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３２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。
【００２９】
また、第一流路３１における予熱流路３２の下側には、改質触媒層３６が設けられており、予熱流路３２にて生成された混合ガスは、改質触媒層３６へ供給される。改質触媒層３６では、燃焼排ガス流路２７を流れる燃焼排ガスからの熱を受け、混合ガスが水蒸気改質反応することによって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。
【００３０】
さらに、三番目の筒状壁２３と四番目の筒状壁２４との間には、第二流路４２が形成されている。第二流路４２の下端部は、第一流路３１の下端部と連通されている。第二流路４２の下部は、改質ガス流路４３として形成されており、第二流路４２の上端部には、改質ガス排出管４４が接続されている。
【００３１】
また、第二流路４２における改質ガス流路４３よりも上側には、ＣＯ変成触媒層４５が設けられており、改質触媒層３６にて生成された改質ガスは、改質ガス流路４３を通過した後、ＣＯ変成触媒層４５へ供給される。ＣＯ変成触媒層４５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。
【００３２】
さらに、ＣＯ変成触媒層４５の上側には、酸化剤ガス供給管４６が接続されており、第二流路４２におけるＣＯ変成触媒層４５よりも上側には、ＣＯ選択酸化触媒層４７が設けられている。酸化剤ガス供給管４６を通じて取り入れられた酸化剤ガス、及び、ＣＯ変成触媒層４５を通過した改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒層４７へ供給される。ＣＯ選択酸化触媒層４７では、例えば白金やルテニウム等の貴金属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変成触媒層４５及びＣＯ選択酸化触媒層４７で一酸化炭素が低減された改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４を通じて排出される。なお、ＣＯ選択酸化触媒層４７は、必須ではなく設けない構成とすることもできる。
【００３３】
多重筒型改質器１２にて生成された改質ガスは、図１に示したように、昇圧前水分離部５０、圧縮機８０、昇圧後水分離部６０、及び水素精製器９０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５０、圧縮機８０、昇圧後水分離部６０、及び水素精製器９０がこの順番で配置されている。
【００３４】
（昇圧前分離部）
昇圧前水分離部５０には、多重筒型改質器１２から改質ガスＧ１を流入させる改質ガス排出管４４の下流端が接続されている。昇圧前水分離部５０の底部には水回収管５９が接続され、昇圧前水分離部５０の上部には連絡流路管５６が接続されている。改質ガスＧ１は、昇圧前水分離部５０の上流の改質ガス排出管４４に配置された熱交換器ＨＥ１において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧前水分離部５０の下部に水（液相）が貯留される。当該水（液相）は、水回収管５９へ送出される。水が凝縮された後の改質ガスＧ１は、連絡流路管５６へ送出される。
【００３５】
（圧縮機）
圧縮機８０には、昇圧前水分離部５０からの改質ガスＧ１が流れる連絡流路管５６と、昇圧後水分離部６０へ供給される改質ガスＧ２が流れる連絡流路管６６とが接続されている。圧縮機８０は、昇圧前水分離部５０から供給された大気圧の改質ガスを圧縮し、昇圧後水分離部６０へ供給する。
【００３６】
（昇圧後分離部）
昇圧後水分離部６０には、圧縮機８０から改質ガスＧ２を流入させる連絡流通管６６の下流端が接続されている。昇圧後水分離部６０の底部には水回収管６９が接続され、昇圧後水分離部６０の上部には連絡流路管６８が接続されている。改質ガスＧ２は、昇圧後水分離部６０の上流の連絡流通管６６に配置された熱交換器ＨＥ２において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧後水分離部６０の下部に水（液相）が貯留される。当該水（液相）は、水回収管６９へ送出される。水が凝縮された後の改質ガスＧ２は、連絡流路管６８へ送出される。
【００３７】
（水素精製器）
水素精製器９０には、昇圧後水分離部６０からの改質ガスＧ３が流れる連絡流路管６８の下流端と、多重筒型改質器１２へ供給される水素精製器９０のオフガスが流れる可燃ガス供給管３８の上流端とが接続されている。水素精製器９０には、一例として、ＰＳＡ装置が使用されている。この水素精製器９０が改質ガスを可燃ガスを含む不純物と水素とに分離することで、水素が精製される。精製された水素は、水素供給配管９２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。
【００３８】
水素精製器９０のオフガスは、可燃ガス供給路としての可燃ガス供給管３８を流れて燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２６（図２参照）へ供給される。
【００３９】
（燃焼排ガス分離部）
燃焼排ガス水分離部７０には、燃焼排ガス流路２７から燃焼排ガスを導くガス排出管２８の下流端が接続されている。燃焼排ガス水分離部７０の底部には水回収管７８が接続され、燃焼排ガス水分離部７０の上部にはガス排出管７６が接続されている。燃焼室２５から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス水分離部７０の上流のガス排出管２８に配置された熱交換器ＨＥ３において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、燃焼排ガス水分離部７０の下部に水（液相）が貯留される。当該水（液相）は、水回収管７８へ送出される。水が凝縮された後の燃焼排ガスは、ガス排出管７６から外部へ排出される。
【００４０】
水回収管５９、水回収管６９、水回収管７８の各々の下流端は、改質用水供給管３４に接続されている。改質用水供給管３４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）３４Ａが設けられている。また、改質用水供給管３４には、外部水供給部１７が接続されている。外部水供給部１７からは、例えば純水または市水が供給される。
【００４１】
改質用水供給管３４には、ポンプＰ１が設けられている。昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０で分離された水は、ポンプＰ１によって多重筒型改質器１２へ供給される。
【００４２】
（二酸化炭素分離部）
可燃ガス供給管３８には、二酸化炭素分離部８２が設けられている。二酸化炭素分離部８２は、分離膜８４と、分離膜８４によって仕切られた供給室８６及び透過室８８とを有している。供給室８６の上流側には、水素精製器９０からのオフガスを流入させる可燃ガス供給管３８Ａが接続されている。また、供給室８６の下流側には、供給室８６からオフガスを流出させる可燃ガス供給管３８Ｂが接続されている。
なお、可燃ガス供給管３８Ａに、二酸化炭素分離部８２へ向かうオフガスの圧力を上昇させるブロアを設けてもよい。当該ブロアは必須の構成ではない。
【００４３】
透過室８８には、二酸化炭素回収管８８Ａが接続されている。二酸化炭素回収管８８Ａは、二酸化炭素回収タンク８９と接続されている。
【００４４】
分離膜８４としては、二酸化炭素を透過させる機能を有するものを用いている。二酸化炭素を透過する機能を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。
【００４５】
供給室８６へ供給されたオフガスに含まれる二酸化炭素は、分離膜８４を通過して供給室８６から透過室８８へ流れ、二酸化炭素回収管８８Ａへ送出される。二酸化炭素回収管８８Ａには、吸引ポンプＰ２が設けられている。吸引ポンプＰ２により、透過室８８から二酸化炭素が吸引される。二酸化炭素回収管８８Ａは、２分岐され、分岐された一方の枝管８８Ｂは二酸化炭素回収タンク８９へ接続され、他方の枝管８８Ｃは二酸化炭素供給ラインへ接続されている。枝管８８Ｂには、開閉バルブＶ１が設けられ、枝管８８Ｃには開閉バルブＶ２が設けられている。開閉バルブＶ１、Ｖ２を切り替えることにより、二酸化炭素の供給先を切り替えることができる。二酸化炭素が分離された後のオフガスは、可燃ガス供給管３８Ｂへ送出される。
【００４６】
（ガスタンク）
可燃ガス供給管３８の二酸化炭素分離部８２よりも下流側には、ガスタンク９４が設けられている。ガスタンク９４には、二酸化炭素分離部８２からのオフガスを流入させる可燃ガス供給管３８Ｂが接続されると共に、ガスタンク９４からオフガスを送出し、燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２６へ供給する可燃ガス供給管３８Ｃが接続されている。ガスタンク９４の容量は、水素精製器９０から送出されるオフガス量とバーナ２６へ供給するオフガス量のバランスや、ガスタンク９４内の圧力等を考慮して、設定されている。
【００４７】
（作用）
次に、水素製造装置１０Ａの作用について説明する。
【００４８】
都市ガスは、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。多重筒型改質器１２へ供給された都市ガスは、多重筒型改質器１２の予熱流路３２で改質用の水と混合されつつ加熱され、改質触媒層３６へ供給される。改質触媒層３６では、燃焼排ガス流路２７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。当該改質ガスは、改質ガス流路４３を通ってＣＯ変成触媒層４５へ供給される。ＣＯ変成触媒層４５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。
【００４９】
さらに、ＣＯ変成触媒層４５を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管４６から供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層４７へ供給され、貴金属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４７で一酸化炭素が低減された改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４へ送出される。
【００５０】
改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４を経て、昇圧前水分離部５０へ供給される。昇圧前水分離部５０では、熱交換器ＨＥ１での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管５９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ２は、連絡流路管５６を流れて圧縮機８０へ供給され、圧縮機８０によって圧縮される。
【００５１】
圧縮された改質ガスＧ２は、連絡流路管６６を流れて昇圧後水分離部６０へ供給される。昇圧後水分離部６０では、熱交換器ＨＥ２での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管６９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ３は、連絡流路管６８を流れて水素精製器９０へ供給される。
【００５２】
水素精製器９０では、改質ガスＧ３が不純物であるオフガスと水素とに分離され、水素は水素供給配管９２へ送出される。送出された水素は、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。
【００５３】
水素以外の不純物を含むオフガスは、可燃ガス供給管３８Ａを経て二酸化炭素分離部８２の供給室８６へ流入される。透過室８８側の圧力は、吸引ポンプＰ２の作動により減圧され、供給室８６へ供給されたオフガスに含まれる二酸化炭素は、分離膜８４を通過して供給室８６から透過室８８へ流れる。開閉バルブＶ１が開放され開閉バルブＶ２が閉鎖されている場合には、二酸化炭素は、透過室８８から二酸化炭素回収管８８Ａ、枝管８８Ｂを経て二酸化炭素回収タンク８９に回収される。開閉バルブＶ１が閉鎖され開閉バルブＶ２が開放されている場合には、二酸化炭素は、透過室８８から二酸化炭素回収管８８Ａ、枝管８８Ｃを経て、二酸化炭素供給ラインへ供給される。供給室８６からは、二酸化炭素が分離された後のオフガスが、可燃ガス供給管３８Ｂへ送出される。
【００５４】
可燃ガス供給管３８Ｂへ送出されたオフガスは、ガスタンク９４に流入し一時貯留される。そして、可燃ガス供給管３８Ｃへ送出され、多重筒型改質器１２のバーナ２６へ供給される。
【００５５】
多重筒型改質器１２の燃焼室２５では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管２８を介して燃焼排ガス水分離部７０へ供給される。燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ３での熱交換により冷却されて凝縮され、燃焼排ガス水分離部７０に貯留され、水回収管７８へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、ガス排出管７６を流れて外部へ排出される。
【００５６】
改質用水供給管３４からは、ポンプＰ１の駆動により改質水が多重筒型改質器１２へ供給される。
【００５７】
本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、可燃ガス供給管３８に、二酸化炭素分離部８２が設けられており、オフガスに含まれる二酸化炭素を回収することができる。回収した二酸化炭素は、二酸化炭素回収タンク８９に貯留して使用してもよいし、二酸化炭素が必要とされる二酸化炭素供給ラインへ直接供給してもよい。
【００５８】
また、本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、オフガスから二酸化炭素が分離されるので、燃焼室２５への二酸化炭素の供給が抑制され、不燃ガスが燃焼室２５へ供給される量が減少し、排ガスとして系外に持ち出される熱が減るため、熱ロスを抑制することができる。
【００５９】
また、可燃ガス供給管３８には、オフガスを一時貯留するガスタンク９４が設けられている。したがって、水素精製器９０から送出されるオフガスの時間による組成・流量の変動が平準化され、燃焼室２５での安定した燃焼に寄与することができる。
【００６０】
また、本実施形態のガスタンク９４の上流側には、二酸化炭素分離部８２が設けられているので、ガスタンク９４へ流入するオフガスの流量が少なくなる。したがって、ガスタンク９４の容量を小さくすることができる。
【００６１】
また、本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０で分離された水が、改質用水供給管３４を経て多重筒型改質器１２へ改質水として戻される。したがって、改質ガスや燃焼排ガスに含まれる水を再利用することができ、改質水として新たに外部（外部水供給部１７）から供給する水の量を少なくすることができる。なお、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０は、必須ではなく、設けない構成としてもよい。
【００６２】
また、圧縮機８０へ供給される改質ガスＧ２は、昇圧前水分離部５０によって水が分離されるので、水が分離されていない改質ガスＧ１が圧縮機８０へ供給される場合と比して、改質ガスの体積が減少することで、改質ガスを圧縮させるための動力を削減することができる。
【００６３】
また、水素精製器９０へ供給される改質ガスＧ３は、昇圧前水分離部５０によって水が分離されている上に、昇圧後水分離部６０によっても水が分離されるので、水が分離されていない改質ガスＧ２が水素精製器９０へ供給される場合と比して、水素精製器９０による精製効率を高くすることができる。即ち、精製する改質ガスの体積が減少することで、水素精製器９０での処理量を少なくすることができる。これにより、水素精製器９０のサイズの小型化を図ることができる。
【００６４】
なお、本実施形態の水素製造装置１０Ａは、図３に示すように、二酸化炭素分離部８２の透過室８８側に接続された二酸化炭素回収管８８Ａには、吸引ポンプＰ２よりも下流側に二酸化炭素精製器９８を設けてもよい。この場合には、二酸化炭素分離部８２で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素精製器９８で更に不純物が分離され、純度の高い二酸化炭素を二酸化炭素回収タンク８９で回収したり、二酸化炭素供給ラインへ供給したりすることができる。二酸化炭素精製器９８としては、例えば、ＰＳＡ装置を用いることができる。
【００６５】
［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。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
本発明の第２実施形態に係る水素製造装置１０Ｂは、第１実施形態の水素製造装置１０Ａと、二酸化炭素分離部８２とガスタンク９４の配置が異なっている。水素製造装置１０Ｂでは、可燃ガス供給管３８の二酸化炭素分離部８２よりも上流側にガスタンク９４が配置されている。その他の構成は、水素製造装置１０Ａと同様である。
【００６７】
本実施形態の水素製造装置１０Ｂでも、オフガスから二酸化炭素が分離されるので、燃焼室２５への二酸化炭素の供給が抑制され、不燃ガスが燃焼室２５へ供給される量が減少し、排ガスとして系外に持ち出される熱が減るため、熱ロスを抑制することができる。
【００６８】
また、可燃ガス供給管３８に、オフガスを一時貯留するガスタンク９４が設けられているので、水素精製器９０から送出されるオフガスの時間による組成・流量の変動が平準化され、燃焼室２５での安定した燃焼に寄与することができる。
【００６９】
さらに、オフガスは、ガスタンク９４で時間による組成・流量の変動が平準化された後で二酸化炭素分離部８２へ供給されるので、供給室８６へ供給されるオフガスの二酸化炭素濃度が平準化され、安定して二酸化炭素を透過室８８へ流入させることができる。
【００７０】
なお、本実施形態においても、図５に示すように、二酸化炭素分離部８２の透過室８８側に二酸化炭素精製器９８を設けてもよい。
【００７１】
また、第１、第２実施形態では、オフガスタンク９４の上流側または下流側のいずれか一方に二酸化炭素分離部８２を設けたが、オフガスタンク９４の上流側と下流側の両方に二酸化炭素分離部８２を設けてもよい。これにより、上流側の二酸化炭素分離部８２で二酸化炭素を分離してオフガスの下流側への送出量を減少させオフガスタンク９４の容量を小さくすることができる。また、オフガスタンク９４で二酸化炭素の濃度のばらつきが平準化された後に二酸化炭素分離部８２での二酸化炭素の分離を行うことにより、安定して分離を行うことができる。
【００７２】
また、第１、第２実施形態では、二酸化炭素回収管８８Ａに吸引ポンプＰ２により、透過室８８側を減圧して二酸化炭素の分離膜８４透過を促進したが、各種ガスを用いたスイープにより二酸化炭素の分離膜８４透過を促進してもよい。例えば、図６に示されるように、ガス排出管７６を透過室８８の入口側へ接続してスイープガスとして燃焼排ガスを供給し、二酸化炭素と共に燃焼排ガスを外部へ排出してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０Ａ、１０Ｂ、  水素製造装置
１２   多重筒型改質器（改質器）、  ３６   改質触媒層（改質部）
３８   可燃ガス供給管（可燃ガス供給路）
８２   二酸化炭素分離部、  ８４    分離膜
９０   水素精製器
９４   ガスタンク
９８  二酸化炭素精製器
【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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