(57)【要約】【課題】エネルギー利用効率の向上や設備簡素化を図る水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置は、燃料ガスと原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統１０４と、原料供給系統１０４から導入された混合蒸気を水蒸気製造利用施設１０１で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器１０３とを有し、改質器１０３は、混合蒸気を導入する複数の反応管１１１と、反応管１１１内に設けられ混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒１１５と、シェル１１２内に貯溜され反応管１１１の外表面と接液する熱媒体油１１３と、熱媒体油１１３中に浸漬し水蒸気製造利用施設１０１で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油１１３を加熱する蒸気管１１４とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、この原料供給系統から導入された混合蒸気を水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を有する水素製造装置であって、
前記改質器は、前記混合蒸気を導入する複数の反応管と、この反応管内に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
燃料ガス及び原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、原料供給系統から導入された混合蒸気を前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を有する水素製造装置であって、
前記改質器は、前記混合蒸気が導入される複数の外管及びこの外管内に設けられ生成された水素が流れる内管を含む二重管を形成する反応管と、この外管と内管と間に形成された環状隙間に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記外管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備することを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
前記原料供給系統は、前記熱媒体油を貯溜する熱媒体油貯槽タンクと、この熱媒体油に浸漬し前記燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、前記熱媒体油に浸漬し原料水を加熱して蒸発させる原料水蒸発器と、前記熱媒体油に浸漬し前記燃料ガス及び原料水蒸気を導入して混合蒸気を生成する混合部と、前記熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された水蒸気の一部を分岐して導入してこの熱媒体油を加熱する燃料加熱用蒸気管と、を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記蒸気管は、前記複数の反応管又は外管の間に設置される第１の蒸気管と、前記貯溜されている熱媒体油の下層部に設置される第２の蒸気管と、を具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記反応管及び蒸気管の外表面に共有して設けられた伝熱促進のためのプレートフィンを具備すること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記外管及び蒸気管の外表面に共有して設けられた伝熱促進のためのプレートフィンを具備すること、を特徴とする請求項２記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記反応管又は外管並びに第１の蒸気管の外表面に共有して設けられた伝熱促進のためのプレートフィンを具備すること、を特徴とする請求項４記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記プレートフィンは、前記熱媒体油が流れる流路孔又は切り欠き流路部を設けて構成されていること、を特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項９】
水蒸気製造利用施設と、燃料ガスと原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、この原料供給系統から導入された混合蒸気を前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を用いて水素を製造する水素製造方法において、
前記混合蒸気を導入する複数の反応管と、この反応管内に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備する前記改質器を用いて水素を製造することを特徴とする水素製造方法。
【請求項１０】
水蒸気製造利用施設と、燃料ガス及び原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、前記原料供給系統から導入された混合蒸気を前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を用いて水素を製造する水素製造方法において、
前記混合蒸気が導入される外管及びこの外管内に設けられ生成された水素が流れる内管を含む二重管を形成する反応管と、この外管と内管と間に形成された環状隙間に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記外管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備する前記改質器を用いて水素を製造することを特徴とする水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設の発電プラント等の水蒸気を一部流用して水素製造プラントの加熱源として水素を製造する水素製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電力産業分野において、化石燃料枯渇に対応する省エネルギー化、ＣＯ２やＮＯｘの濃度増加に伴う環境保全等の観点から燃料の多様化が研究開発されており、その一つとして水素ガス利用技術がある。
【０００３】
この水素ガスの利用技術として、例えば、燃料電池発電システムや水素燃焼発電プラントがある。前者は、水素等の燃料と酸素に代表される酸化剤との電気化学反応で直接電気エネルギーを発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、後者は、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させ高温の水蒸気を発生させ、発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機を駆動して発電を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
上述のように、前者、後者共にＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２などの環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させない極めてクリーンなエネルギーを利用できる見地から、２１世紀の新エネルギー推進政策の一環として研究開発の成果が注目されている。
【０００５】
ところで、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントに燃料として供給する水素は、水の電気分解により製造することが提案されている。この水の電気分解による水素製造では、必要なコストの大半が電力である。現在の原子力発電プラントや火力発電プラントでは、熱に交換される核分裂エネルギーや石油、天然ガス等の燃料エネルギーの約５０％程度しか電力に変換されていない。特に、原子力発電プラントでの熱利用効率は３０数％である。このため水の電気分解による水素製造では、エネルギーの利用効率が極めて悪く、コスト高につながるという不具合や不都合があった。
【０００６】
一方、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、低温で水蒸気改質ができるため、水素製造にあたり水素発生源として採用するとコスト的に有利となる。また、メタノール、ジメチルエーテル又はエタノール等は、中小ガス田や炭酸ガス、ＣＯ２含有量の多いガス田のメタンから製造されるためにこの量が比較的多い。このような点に着目して提案されているメタノール改質反応装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
このメタノール改質反応装置は、メタノールと水の混合蒸気を触媒の存在下で熱媒体油により加熱しながら反応を行うものである。改質装置の小型化を図れる技術である。この装置は、Ｕ字型の反応管を設置し、熱媒体油を胴側の上部に供給して下部より抜き出している。外部の加熱器で加熱された上記熱媒体油をポンプで循環しながら反応管を加熱している。また、別の例として、原料蒸発器、改質反応器、電熱加熱器、触媒燃焼器および撹拌器を同一の熱媒体油槽に入れ、撹拌器で撹拌しながら加熱する技術も知られている。
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報
【特許文献２】特開平１１−３６８２０号公報
【特許文献３】特開平３−６０４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来のメタノール改質反応装置においては、メタノールと水の混合蒸気を触媒の存在下で熱媒体油により加熱しながら反応を行うものである。このメタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、低温で水蒸気改質ができるため、水素を製造のときにはコスト的に有利である。
【０００９】
しかし、このメタノール改質反応装置は、上記熱媒体油を加熱し循環するために加熱装置、循環ポンプおよび配管等を外部に設ける必要がある。このメタノール改質反応装置の導入は、メタノール改質反応装置に係る設備を増大化し設置スペースを増加させてしまう、という課題があった。
【００１０】
一方、上記循環ポンプや配管を省略するために、原料蒸発器、改質反応器、電熱加熱器、触媒燃焼器および撹拌器を同一の熱媒体油槽に入れ、撹拌器で撹拌しながら加熱する技術が提案されている。
【００１１】
しかしながら、この場合においても加熱器や触媒燃焼器等の加熱装置および撹拌器などの循環装置が必要であるので、設備を大型化してしまう、という課題があった。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、既設の発電プラント等の水蒸気を一部流用して水素製造プラントの加熱源とすることによりエネルギー利用効率の向上や設備簡素化を図ることができる水素製造装置及び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】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガスと原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、この原料供給系統から導入された混合蒸気を水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を有する水素製造装置であって、前記改質器は、前記混合蒸気を導入する複数の反応管と、この反応管内に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガス及び原料水蒸気を含む混合蒸気を供給する原料供給系統と、原料供給系統から導入された混合蒸気を前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気で加熱し水蒸気改質して水素を生成する改質器と、を有する水素製造装置であって、前記改質器は、前記混合蒸気が導入される複数の外管及びこの外管内に設けられ生成された水素が流れる内管を含む二重管を形成する反応管と、この外管と内管と間に形成された環状隙間に設けられ前記混合蒸気を水蒸気改質して水素生成を促進する触媒と、前記反応管を包含するシェルと、このシェル内に貯溜され前記外管の外表面の少なくとも一部と接液する熱媒体油と、この熱媒体油中に浸漬し前記水蒸気製造利用施設で製造された加熱用水蒸気を導入してこの熱媒体油を加熱する蒸気管と、を具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水素製造装置及び製造方法によれば、既設の発電プラント等の水蒸気を一部流用して水素製造プラントの加熱源とすることによりエネルギー利用効率の向上や設備簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る水素製造装置及び製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。
【００１８】
本図に示すように、水素製造装置は、水蒸気製造利用施設１０１に接続される水素製造プラント１０２として構成される。この水蒸気製造利用施設１０１の蒸気熱エネルギーを利用して、水素製造プラント１０２において燃料を水蒸気改質して水素を生成している。
【００１９】
上記水蒸気製造利用施設１０１は、例えば、発電プラントまたはごみ焼却施設等を例示することができる。この発電プラントは、高圧高温水蒸気を発生させてそのエネルギーで発電機を駆動して発電する施設である。また、特に大型の施設では、ごみ焼却（燃焼）するときに発生する熱を使用するボイラを併設しており、このボイラで製造した水蒸気を、温水プールや暖房等に利用している。これらの発電プラントやごみ焼却施設等においては、使用後の水蒸気は放出されるか凝縮器で水に戻して再利用されている。したがって、これらの施設内で製造し利用される水蒸気は余剰エネルギーを有している場合が多い。
【００２０】
上記水素製造プラント１０２は、改質器１０３と、燃料と水の混合蒸気である原料を供給する原料供給系統１０４と、生成ガス回収系統１０５とを有する。
【００２１】
この原料供給系統１０４は、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の燃料タンクやガス化してかつ予熱する予熱器（図示せず）等を備えた燃料供給装置１０６を有する。また、原料水を貯溜する水タンク、この貯溜された原料水を供給するポンプおよびこの供給された原料水を蒸発する水蒸発器（図示せず）等を備えた原料水蒸気供給装置１０７を設置している。また、この燃料ガスと原料水蒸気を導入して混合蒸気を生成する混合部１０８等が設けられている。さらに、上記生成ガス回収系１０５には、上記混合蒸気が改質されて生成された水素ガスや他の生成ガスを分離回収して水素ガスを精製する装置（図示せず）等が設置されている。
【００２２】
水蒸気製造利用施設１０１と改質器１０３との間には、この水蒸気製造利用施設１０１で製造された水蒸気を一部または全部抽出して改質器１０３を加熱するための蒸気抽出管１０９と、この改質器１０３における加熱を終了した蒸気を戻すための蒸気戻り管１１０が、それぞれ接続されている。
【００２３】
また、上述の改質器１０３は、複数の反応管１１１と、この反応管１１１を包含するシェル１１２を有する。このシェル１１２内には熱媒体油１１３が貯溜されており、熱媒体油１１３は反応管１１１の外表面の少なくとも一部と接液している。この熱媒体油１１３を加熱するために、熱媒体油１１３中には蒸気管１１４が浸漬されている。この蒸気管１１４には、上記蒸気抽出管１０９と蒸気戻り管１１０が接続され、上記水蒸気製造利用施設１０１から抽出した加熱用の蒸気が流れるようになっている。上記反応管１１１内には、例えばＣｕ−Ｚｎ等を合成した触媒１１５が充填されている。
【００２４】
このように形成された本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３へ導入される。この導入された高温水蒸気は、蒸気管１１４内を経由してシェル１１２内に貯溜された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。この加熱した後の水蒸気は、蒸気戻り管１１０を介して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００２５】
一方、原料供給系統１０４の燃料供給装置１０６から供給される燃料、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料供給装置１０６でガス化される。また、原料供給系統１０４の原料水蒸気供給装置１０７に導入された水は原料水蒸気供給装置１０７で蒸気化される。上記エタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気は混合部１０８で混合されて混合蒸気となる。この混合蒸気は、改質器１０３の反応管１１１内に供給される。
【００２６】
この供給された混合蒸気は、反応管１１１内の触媒１１５充填層の空隙部を通過する間に加熱されて改質反応を行って水素ガスを生成する。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、下記の（１）式が示すように、改質反応を行って水素ガスを生成する。
【００２７】
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２                          （１）
このようにして生成された水素ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので生成ガス回収系統１０５で分離され精製されて回収される。
【００２８】
上記（１）式が示す反応は吸熱反応であるので、この改質反応を継続するためには所定の熱量を与え続ける必要がある。上述のように水蒸気製造利用施設１０１の高温水蒸気で加熱された熱媒体油１１３から熱を受けて反応管１１１内の触媒１１５および混合ガスが加熱されるようになっている。熱媒体油として、例えば、バーレルサーム４００（商品名）等の高沸点高温用熱媒体油が使用される。このバーレルサーム４００は、３００℃以上の温度でも使用可能であり、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるために効率よく安定した加熱を可能とする。
【００２９】
なお、上記の蒸気抽出管１０９の系統には、反応生成に必要な温度が不足するときには、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。また、上記改質器１０３の外部の系統には、流量調節用または閉止用等の弁が必要とされるが図示は省略する。
【００３０】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント１０２の改質器１０３に利用することにより、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、さらに利用後の蒸気を再び水蒸気製造利用施設１０１に戻しているので蒸気の持つ熱エネルギーを無駄なく有効に利用できる。かくして、水蒸気製造利用施設１０１のエネルギー効率を一段と向上させることができる。
【００３１】
また、加熱媒体油１１３を使用しているので、効率よく安定した加熱が可能である。さらに、水蒸気製造利用施設１０１で製造される高圧の水蒸気は配管１１４でシェル１１２内に導かれている。このように、圧力境界は配管１１４であるために安全性が高くシェル１１２は高圧仕様の容器とする必要がないので、容器肉厚を少なくし軽量化することができるので使用する金属資源の軽量化を図ることができる。
【００３２】
図２は、本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。本図は、図１の改質器１０３の構成の変形例を示すもので、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３３】
本図に示すように、水素製造装置の改質器１０３は、複数の反応管１１１と、この反応管１１１を包含するシェル１１２を有する。このシェル１１２内には熱媒体油１１３が貯溜されており、熱媒体油１１３は反応管１１１の外表面の少なくとも一部と接液しているこの熱媒体油１１３を加熱するために、熱媒体油１１３中には蒸気管１１４が浸漬されている。
【００３４】
この蒸気管１１４は、上記反応管１１１の間の空間領域に複数設置される第１の蒸気管１１４Ａと、上記シェル１１２内の下部に貯溜されている熱媒体油１１３の下層部に設置される第２の蒸気管１１４Ｂとを有する。
【００３５】
この第１の蒸気管１１４Ａの一端の上流側には上記蒸気抽出管１０９が接続されている。この蒸気抽出管１０９を介して水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を一部または全部抽出して改質器１０３を加熱している。また第２の蒸気管１１４Ｂの一端の上流側にも上記蒸気抽出管１０９が分岐して接続され、水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を改質器１０３に導入している。
【００３６】
この第１の蒸気管１１４Ａの他端の下流側には上記蒸気戻り管１１０が接続され、上記加熱を終了した蒸気が上記水蒸気製造利用施設１０１に戻されるようになっている。また、第２の蒸気管１１４Ａの他端の下流側配管は上記蒸気戻り管１１０に合流して接続され、加熱後の蒸気は上記水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００３７】
本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３へ供給される。この供給された高温水蒸気は、蒸気管１１４Ａを介してシェル１１２内に貯溜された熱媒体油１１３と熱交換し加熱する。この熱媒体油１１３を加熱した水蒸気は、蒸気戻り管１１０を経由して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。さらに、貯溜された熱媒体油１１３の下層部に配置された蒸気管１１４Ｂにも、上記蒸気抽出管１０９から分岐して高温水蒸気が供給される。この供給された高温水蒸気は、上記熱媒体油１１３の下層部を加熱して蒸気戻り管１１０に合流して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００３８】
一方、原料供給系統１０４からエタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気の混合ガスが、改質器１０３に内蔵された反応管１１１内に供給される。この混合ガスは、この反応管１１１内の触媒１１５から形成される充填層の空隙部を通過する間に改質反応を行って水素ガスを生成する。この生成された水素ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので生成ガス回収系１０５において分離および精製されて回収される。
【００３９】
上記改質反応は吸熱反応であるので、この改質反応を継続するためには所定の熱量を継続して与え続ける必要がある。このために、上記水蒸気製造利用施設１０１の高温水蒸気で加熱された熱媒体油１１３から熱を受けて反応管１１１内の触媒１１５及び混合ガスが加熱されるようになっている。
【００４０】
一方、熱交換によって蒸気管１１４Ａ内の蒸気は下流側になるほど温度が低くなり、貯溜された熱媒体油１１３の下層部の温度が低くなり温度が低い成層ができるので、改質反応効率が低下する恐れがあった。このために、熱媒体油１１３の下層部に蒸気管１１４Ｂを設けて加熱蒸気を流し下層部を加熱する。この蒸気管１１４Ｂによる加熱によって、熱媒体油１１３の下層部の温度が上昇して熱媒体油の比重が軽くなり自然対流が発生して温度の均一性が保たれる。この熱媒体油として、例えば、バーレルサーム４００（商品名）等の高沸点高温用熱媒体油を使用しているので３００℃以上まで加熱が可能で、熱伝導性もよく、比熱も大きく温度の変動が緩やかである。このために、効率よく安定した加熱が可能である。
【００４１】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント１０２の改質器１０３に利用することにより、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、さらに利用後の蒸気を再び水蒸気製造利用施設１０１に戻しているので蒸気の持つ熱エネルギーを無駄なく有効に利用できる。かくして、水蒸気製造利用施設１０１のエネルギー効率を一段と向上させることができる。
【００４２】
また、上記反応管１１１の間に第１の蒸気管１１４Ａを複数設置するだけでなく、上記貯溜されている熱媒体油１１３の下層部に第２の蒸気管１１４Ｂを設置する。この第２の蒸気管１１４Ｂを設けることにより、熱媒体油１１３の下層部の温度が上昇して熱媒体油１１３の比重が軽くなり自然対流が発生して温度の均一性が保てるので、さらに効率よく安定した加熱が可能となる。
【００４３】
図３は、図２の改質器１０３の変形例の概略構造を示す構造図である。本図は、図２の改質器１０３にプレートフィン１１６を追加して設けたもので、図２と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００４４】
本図に示すように、上記改質器１０３に内蔵された反応管１１１及び蒸気管１１４の外表面の少なくとも一方に又はこの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン１１６が設けられている。ここでは、第１の蒸気管１１４Ａの外表面にプレートフィン１１６を取り付けている。ここでのプレートフィン１１６は、反応管１１１及び蒸気管１１４Ａに共有するプレートフィン３１６を設置した例を示している。また、蒸気管１１４Ｂに別のプレートフィン１１６を設けて伝熱特性を向上することも可能である。
【００４５】
本実施の形態によれば、蒸気管１１４Ａ及び反応管１１１に共有するプレートフィン１１６を設けることにより、伝熱面積の向上による伝熱向上を図り、さらに蒸気管１１４Ａからの熱伝導により伝熱性能を向上させることができる。
【００４６】
図４は、図２の改質器１０３の他の変形例の蒸気管１１４Ａ及びその周辺部を部分拡大して示す構造図である。本図は、図３のプレートフィン１１６に流路孔１１７を追加して設けたもので、図３と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００４７】
本図に示すように、上記改質器１０３に内蔵された反応管１１１及び蒸気管１１４Ａの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン１１６が設けられている。このプレートフィン１１６には、上記熱媒体油１１３が流れる流路孔１１７を設けて構成されている。
【００４８】
本実施の形態によれば、上記プレートフィン１１６に流路孔１１７を設けることにより、改質器１０３内において熱媒体油１１３の加熱と自然循環による流れを促進することができる。このため、熱媒体油１１７の循環ポンプ等の循環装置が不要となるので、水素製造装置が簡素化され安全性の向上を図ることができる。さらに、加熱用の蒸気管及び反応管に共有する伝熱促進用のプレートフィン１１６を設けることにより、水素製造に係る伝熱性能が改善されるので、水素生成効率の向上を図ることができる。
【００４９】
図５は、図２の改質器１０３のさらに他の変形例の蒸気管１１４Ａ及びその周辺部を部分拡大して示す構造図である。本図は、図３のプレートフィン１１６に切り欠き流路部１１８を追加して設けたもので、図３と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００５０】
本図に示すように、上記改質器１０３に内蔵された反応管１１１及び蒸気管１１４Ａの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン１１６が設けられている。このプレートフィン１１６には、上記熱媒体油１１３が流れる切り欠き流路部１１８を設けて構成されている。また、図示しない仕切り板等を設けることにより、熱媒体油１１３の上昇流れと下降流れが干渉しないようにして、熱媒体油１１３の対流を促進することも可能である。
【００５１】
本実施の形態によれば、上記プレートフィン１１６に切り欠き流路部１１８を設けることにより、改質器１０３内において熱媒体油１１７の加熱と自然循環による流れを促進することができる。このため、熱媒体油１１７の循環ポンプ等の循環装置が不要となるので、水素製造装置が簡素化され安全性の向上を図ることができる。さらに、加熱用の蒸気管及び反応管に共有する伝熱促進用のプレートフィン１１６を設けることにより、水素製造に係る伝熱性能が改善されるので、水素生成効率の向上を図ることができる。
【００５２】
図６は、本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。本図は、図１の改質器１０３の構成の変形例を示すもので、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００５３】
本図に示すように、上記改質器１０３は、複数の反応管４１１と、この反応管４１１を包含するシェル４１２を有する。このシェル４１２内には熱媒体油１１３が貯溜されており、熱媒体油１１３は反応管４１１の外表面の少なくとも一部と接液している。この熱媒体油１１３を加熱するために、熱媒体油１１３中には蒸気管４１４が浸漬されている。この蒸気管４１４には、上記蒸気抽出管１０９と蒸気戻り管１１０が接続され、上記水蒸気製造利用施設１０１から抽出した加熱用の蒸気が流れるようになっている。
【００５４】
上記反応管４１１内には、例えばＣｕ−Ｚｎ等を合成した触媒１１５が充填されている。また熱媒体油１１３としては、例えばバーレルサーム４００（商品名）等の高沸点高温用熱媒体油があり、３００℃以上の温度でも使用可能である。
【００５５】
上記反応管４１１はバイオネット型の二重管を構成している。この反応管４１１は、外管４１１Ａと内管４１１Ｂとを有する。この外管４１１Ａは下端部は閉止し、上端部は開口して管板４１９に固定されている。上記内管４１１Ｂは、両端共に開口とし、上端部は管板４２０に固定されている。
【００５６】
上記シェル４１２は、管板４１９及び管板４２０によって３つの部屋４１２Ａ、部屋４１２Ｂ及び部屋４１２Ｃとに区切られている。この部屋４１２Ａ内には、上記熱媒体油１１３が貯溜されている。この熱媒体油１１３には蒸気管４１４が浸漬されている。
【００５７】
部屋４１２Ｂには、原料供給系１０４から供給される改質原料の混合ガスが充填されている。この部屋４１２Ｂは、混合ガスを複数の反応管４１１を構成する外管４１１Ａに分岐して供給するために混合ガスのマニホールドを形成している。
【００５８】
上記部屋４１２Ｃは、改質反応により生成された水素ガス等の生成ガスが、複数の反応管４１１を構成する複数の内管４１１Ｂを経由して集められる生成ガスのマニホールドになっている。この部屋４１２Ｃに集められた生成ガスは、生成ガス回収系統１０５へ導出され分離精製される。
【００５９】
さらに、上記反応管４１１の外管４１１Ａと内管４１１Ｂとで形成される環状隙間には触媒１１５が充填される。この触媒１１５の充填層は、空隙部を有して上記混合ガスが流れるようになっている。この反応管４１１の環状隙間には、例えばメッシュ等の孔あき受け板４２１が設置されている。この受け板４２１を設けることにより、この反応管４１１の環状隙間の下部領域には触媒非充填部４１１Ｃが形成される。
【００６０】
本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３に導入される。この高温水蒸気は、蒸気管４１４を介してシェル４１２内に貯溜された熱媒体油１１３と熱交換し加熱する。この熱媒体油１１３を加熱した蒸気は、蒸気戻り管１１０を経由して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００６１】
一方、例えば、燃料ガスと原料水蒸気を含む混合ガスが原料供給系統１０４から部屋４１２Ｂ内に供給される。この燃料ガスとして、エタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素ガスが使用される。この部屋４１２Ｂ内に供給された混合ガスは、複数の反応管を構成する外管４１１Ａにそれぞれ分岐して流れる。この外管４１１Ａ内において、この混合ガスは触媒１１５の充填層の空隙部を通過する過程で上記熱媒体油１１３から熱を受ける。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、高温水蒸気によって、上記（１）式が示すように、改質反応を行って水素ガスを生成する。
【００６２】
この改質反応によって生成された生成ガスは、外管４１１Ａの下部でＵターンして内管４１１Ｂを経由して部屋４１２Ｃで収集され、生成ガス回収系統１０５に導出される。  一方、上記触媒１１５の層内においては吸熱反応であるので、この改質反応に必要な熱量を熱媒体油１１３から受ける。
【００６３】
さらに、外管４１１Ａの下部には、吸熱反応を行わない触媒非充填部４１１Ｃが設けられているので、この部分では生成ガスは再加熱される。この再加熱された生成ガスは、内管４１１Ｂを経由して流れるときに熱交換して触媒１１５の層の内側からも加熱することができるので、より多くの熱量を改質反応に与えることができる。このガスは主として水素ガスから成るが二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、生成ガス回収系１０５で分離され精製されて回収される。
【００６４】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラントの改質器に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、さらに利用後は再び水蒸気製造利用施設に戻されるので無駄なく有効に利用できる。このために、水蒸気製造利用施設のエネルギー効率をより一層向上させることができる。また、加熱媒体油を使用して熱交換しているので、さらに効率よく安定した加熱が可能となる。
【００６５】
さらに、水蒸気製造利用施設で製造される高圧水蒸気は配管を介してシェル内に導かれている。このために、圧力境界は配管であるために安全性が高く、シェルは高圧仕様の容器とする必要がなく容器肉厚を少なくして軽量化することができるので使用する金属資源を大幅に軽減することができる。また、熱媒体油による触媒充填層の外側からの加熱及び触媒充填層の内側からの生成ガスの再加熱を組み合わせることにより、改質器の熱交換効率を向上させ、効率のよい水素製造が可能となる。
【００６６】
図７は、本発明の第４の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。本図は、図６の改質器１０３の構成の変形例を示すもので、図６と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００６７】
本図に示すように、水素製造装置の改質器１０３は、複数の反応管４１１と、この反応管４１１を包含するシェル４１２を有する。このシェル４１２内には熱媒体油１１３が貯溜されており、熱媒体油１１３は反応管４１１の外表面の少なくとも一部と接液している。この熱媒体油１１３を加熱するために、熱媒体油１１３中には蒸気管４１４が浸漬されている。
【００６８】
この蒸気管４１４は、上記反応管４１１の間の空間領域に複数設置される第１の蒸気管４１４Ａと、上記シェル４１２内に貯溜されている熱媒体油１１３の下層部に設置される第２の蒸気管４１４Ｂとを有する。
【００６９】
この第１の蒸気管４１４Ａの一端の上流側には上記蒸気抽出管１０９が接続されている。この蒸気抽出管１０９を介して水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を一部または全部抽出して改質器１０３を加熱している。また第２の蒸気管４１４Ｂの一端の上流側にも上記蒸気抽出管１０９が分岐して接続され、水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を改質器１０３に導入している。
【００７０】
この第１の蒸気管４１４Ａの他端の下流側には、上記蒸気戻り管１１０が接続され、上記加熱を終了した蒸気が上記水蒸気製造利用施設１０１に戻されるようになっている。また、第２の蒸気管４１４Ｂの他端の下流側配管は、上記蒸気戻り管１１０に合流して接続され、加熱後の蒸気は上記水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００７１】
本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３へ供給される。この供給された高温水蒸気は、蒸気管４１４Ａを介してシェル４１２内に貯溜された熱媒体油１１３と熱交換し加熱する。この熱媒体油１１３を加熱した水蒸気は、蒸気戻り管１１０を経由して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。さらに、貯溜された熱媒体油１１３の下層部に配置された蒸気管４１４Ｂにも、上記蒸気抽出管１０９から分岐して高温水蒸気が供給される。この供給された高温水蒸気は、上記熱媒体油１１３の下層部を加熱して蒸気戻り管１１０に合流して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００７２】
一方、原料供給系統１０４からエタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気の混合ガスが、改質器１０３に内蔵された反応管４１１を構成する外管４１１Ａ内に供給される。この混合ガスは、この外管４１１Ａ内の触媒１１５から形成される充填層の空隙部を通過する間に改質反応を行って水素ガスを生成する。この改質反応によって生成された生成ガスは、外管４１１Ａの下部でＵターンして内管４１１Ｂを経由して部屋４１２Ｃで収集され、生成ガス回収系統１０５に導出される。この生成された水素ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので生成ガス回収系１０５において分離および精製されて回収される。
【００７３】
前記改質反応は吸熱反応であるので、この改質反応を継続するためには所定の熱量を継続して与え続ける必要がある。このために、上記水蒸気製造利用施設１０１の高温水蒸気で加熱された熱媒体油１１３から熱を受けて反応管４１１を構成する外管４１１Ａ内の触媒１１５及び混合ガスが加熱されるようになっている。
【００７４】
一方、熱交換によって蒸気管４１４Ａ内の蒸気は下流側になるほど温度が低くなり、貯溜された熱媒体油１１３の下層部の温度が低くなり温度が低い成層ができるので改質反応効率が低下する恐れがあった。このために、熱媒体油１１３の下層部に蒸気管４１４Ｂを設けて加熱蒸気を流し下層部を加熱する。この蒸気管４１４Ｂによる加熱によって、熱媒体油１１３の下層部の温度が上昇して熱媒体油の比重が軽くなり自然対流が発生して温度の均一性が保たれる。この熱媒体油として、例えば、バーレルサーム４００（商品名）等の高沸点高温用熱媒体油を使用しているので３００℃以上まで加熱が可能で、熱伝導性もよく、比熱も大きく温度の変動が緩やかであるために、効率よく安定した加熱が可能である。
【００７５】
このように形成された本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を通って改質器１０３へ導入される。この導入された高温水蒸気は、蒸気管４１４Ａを経由してシェル４１２内に貯溜された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。この加熱後の蒸気は、蒸気戻り管１１０を介して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００７６】
さらに、貯溜された熱媒体油１１３の下層部に配置された蒸気管４１４Ｂにも蒸気抽出管１０９から分岐された高温水蒸気が導入されている。この導入された高温水蒸気は、熱媒体油１１３の下層部を加熱して蒸気戻り管１１０に合流して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【００７７】
一方、原料供給系１０４より供給される燃料、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素ガスと原料水蒸気の混合ガスは、部屋４１２Ｂ内に供給される。この供給された混合ガスは、複数の反応管４１１を構成する外管４１１Ａにそれぞれに分流して導入される。この導入された混合ガスは、触媒１１５の充填層の空隙部を通過するうちに上記熱媒体油１１３から熱を受けて加熱される。
【００７８】
例えば、蒸気燃料がジメチルエーテルのときは、高温水蒸気によって、上記（１）式が示すように改質反応を行って水素ガスを生成する。この生成された生成ガスは、外管４１１Ａの下部でＵターンして内管４１１Ｂを介して部屋４１２Ｃに収集され生成ガス回収系統１０５に導出される。
【００７９】
上記触媒１１５の充填層における改質反応は吸熱反応であるので、この反応に必要な熱量を熱媒体油１１３から受ける。さらに、外管４１１Ａの下部には吸熱反応を行わない触媒非充填部４１１Ｃを設けているので、この部分において生成ガスが再加熱される。この再加熱された生成ガスは、上記内管４１１Ｂ内を流れるときに上記触媒１１５の充填層の内側からも加熱されるので、より多くの熱量を改質反応部に与えることができる。この生成ガスは主として水素ガスから成るが二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、生成ガス回収系１０５で分離および精製されて回収される。
【００８０】
一方、熱交換によって蒸気管４１４Ａ内の蒸気は、下流側になるほど温度が低くなり、熱媒体油１１３の下層部の温度が低くなり改質反応効率が低下する恐れがあった。このために、この熱媒体油１１３の下層部に蒸気管４１４Ｂを配設することにより、加熱蒸気を下層部に流して加熱する。この下層部の温度を上昇させることにより、熱媒体油１１３の比重が軽くなり自然対流を促進させ温度の均一性が保たれる。
【００８１】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント１０２の改質器１０３に利用することにより、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、さらに利用後の蒸気を再び水蒸気製造利用施設１０１に戻しているので蒸気の持つ熱エネルギーを無駄なく有効に利用できる。かくして、水蒸気製造利用施設１０１のエネルギー効率を一段と向上させることができる。
【００８２】
また、上記外管４１１Ａの間に第１の蒸気管４１４Ａを複数設置するだけでなく、上記貯溜されている熱媒体油１１３の下層部に第２の蒸気管４１４Ｂを設置する。この第２の蒸気管４１４Ｂを設けることにより、熱媒体油１１３の下層部の温度が上昇して熱媒体油１１３の比重が軽くなり自然対流が促進され温度の均一性が保てるので、さらに効率よく安定した加熱が可能となる。
【００８３】
図８は、図７の改質器１０３の変形例の概略構造を示す構造図である。本図は、図７の改質器１０３にプレートフィン６１６を追加して設けたもので、図７と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００８４】
本図に示すように、上記改質器１０３に内蔵された反応管４１１を構成する外管４１１Ａ及び蒸気管４１４Ａの外表面の少なくとも一方に又はこの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン６１６が設けられている。ここでは、第１の蒸気管４１４Ａの外表面にプレートフィン６１６を取り付けている。また、このプレートフィン６１６は、外管４１１Ａ及び蒸気管４１４Ａに共有するプレートフィン６１６を設置した例を示している。また、蒸気管４１４Ｂに別のプレートフィン６１６を設けて伝熱特性を向上することも可能である。
【００８５】
本実施の形態によれば、外管４１１Ａ及び蒸気管４１４Ａに共有するプレートフィン６１６を設けることにより、伝熱面積の向上による伝熱向上を図り、さらに蒸気管４１４Ａからの熱伝導により伝熱性能を向上させることができる。
【００８６】
図９は、図７の改質器１０３の他の変形例の蒸気管４１４Ａ及びその周辺部を部分拡大して示す構造図である。本図は、図８のプレートフィン６１６に流路孔６１７を追加して設けたもので、図８と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００８７】
本図に示すように、上記反応管４１１を構成する外管４１１Ａ及び第１の蒸気管４１４Ａの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン６１６が設けられている。このプレートフィン６１６には、上記熱媒体油１１３の自然対流が損なわれないようにするために流路孔６１７が設けられている。
【００８８】
本実施の形態によれば、上記プレートフィン６１６に流路孔６１７を設けることにより、改質器１０３内において熱媒体油１１３の加熱と自然循環による流れを促進することができる。このため、熱媒体油１１３の循環ポンプ等の循環装置が不要となるので、水素製造装置が簡素化され安全性の向上を図ることができる。さらに、加熱用の蒸気管及び反応管に共有する伝熱促進用のプレートフィン６１６を設けることにより、水素製造に係る伝熱性能が改善されるので、水素生成効率の向上を図ることができる。
【００８９】
図１０は、図７の改質器のさらに他の変形例の蒸気管及びその周辺部を部分拡大して示す構造図である。本図は、図８のプレートフィン６１６に切り欠き流路部６１８を追加して設けたもので、図８と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００９０】
本図に示すように、上記反応管４１１を構成する外管４１１Ａ及び第１の蒸気管４１４Ａの外表面に共有して伝熱促進のためのプレートフィン６１６が設けられている。このプレートフィン６１６には、上記熱媒体油１１３が流れる切り欠き流路部６１８を設けて構成されている。また、図示しない仕切り板等を設けることにより、熱媒体油１１３の上昇流れと下降流れが干渉しないようにして、熱媒体油１１３の対流を促進することも可能である。
【００９１】
本実施の形態によれば、上記プレートフィン６１６に切り欠き流路部６１８を設けることにより、改質器１０３内において熱媒体油１１３の加熱と自然循環による流れを促進することができる。このため、熱媒体油１１３の循環ポンプ等の循環装置が不要となるので、水素製造装置が簡素化され安全性の向上を図ることができる。さらに、加熱用の蒸気管及び反応管に共有する伝熱促進用のプレートフィン６１６を設けることにより、水素製造に係る伝熱性能が改善されるので、水素生成効率の向上を図ることができる。
【００９２】
図１１は、本発明の第５の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。本図は、図１の原料供給系統の構成の変形例を示すもので、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００９３】
本図に示すように、水素製造装置は、水蒸気製造利用施設１０１に水素製造プラント１０２を接続して構成される。この水蒸気製造利用施設１０１の蒸気熱エネルギーを利用して、水素製造プラント１０２において燃料を水蒸気改質して水素を生成している。この水蒸気製造利用施設１０１は、例えば、発電プラントまたはごみ焼却施設等がある。
【００９４】
上記水素製造プラント１０２は、改質器１０３と、燃料ガスと原料水蒸気の混合蒸気を供給する原料供給系統７０４と、生成ガス回収系統１０５とを有する。
【００９５】
この原料供給系統７０４は、熱媒体油貯槽タンク７２７と、付属する燃料タンク７２２や原料水供給系統７２４とを有する。この燃料タンク７２２では、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の燃料を貯蔵している。また、原料水供給系統７２４は、原料水を貯蔵する原料水タンクや原料水を供給する給水ポンプ（図示せず）等を備えている。
【００９６】
上記燃料タンク７２２に貯蔵された燃料は、上記熱媒体油貯槽タンク７２７内に設けられた燃料予熱器７２３に導入されガス化して予熱される。また、上記原料水供給系統７２４に貯蔵された原料水は、熱媒体油貯槽タンク７２７内に設けられた原料水蒸発器７２５に供給され蒸発する。この燃料ガスと原料水蒸気は、混合部７２６に導入され混合蒸気となる。この混合蒸気は、配管７２９を経由して改質器１０３に導入される。
【００９７】
また、上記熱媒体油貯槽タンク７２７内には熱媒体油１１３を貯蔵している。この熱媒体油１１３には、前記燃料予熱器７２３、原料水蒸発器７２５及び混合部７２６が浸漬されている。この媒体油貯槽タンク７２７の下部には燃料加熱用蒸気管７２８が設けられている。この燃料加熱用蒸気管７２８も、貯溜された熱媒体油１１３中に浸漬している。
【００９８】
水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を一部抽出して改質器１０３と熱媒体油貯槽タンク７２７内の熱媒体油１１３を加熱するために、水蒸気製造利用施設１０１と改質器１０３との間並びに水蒸気製造利用施設１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に蒸気抽出管１０９が配設されている。また、加熱を終えた蒸気を水蒸気製造利用施設１０１に戻すための蒸気戻り管１１０が、水蒸気製造利用施設１０１と改質器１０３との間並びに水蒸気製造利用施設１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に配設されている。
【００９９】
本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３と熱媒体油貯槽タンク７２７へ分岐して導入される。熱媒体油貯槽タンク７２７に導入された加熱水蒸気は、燃料加熱用蒸気管７２８を介して熱媒体油１１３を加熱する。この加熱を終えた蒸気は、蒸気戻り管１１０を経由して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。
【０１００】
上記熱媒体油貯槽タンク７２７内では、加熱された熱媒体油１１３は燃料予熱器７２３を加熱して燃料が加熱され、水蒸発器７２５が加熱されて原料水蒸気が生成され、更に混合部７２６において燃料ガスと原料水蒸気の混合蒸気が加熱される。熱媒体油１１３は、熱媒体油貯槽タンク７２７内で自然対流によって循環し燃料加熱用蒸気管７２８内を流れる加熱蒸気と熱交換される。
【０１０１】
この加熱された混合ガスは、配管７２９を介して改質器１０３に導入され水素に改質される。また、この加熱された熱媒体油１１３は、熱媒体油貯槽タンク７２７内で自然対流によって循環し燃料加熱用蒸気管７２８内を流れる加熱蒸気と熱交換される。
【０１０２】
上記蒸気抽出管１０９に係る系統は、反応生成に必要な温度が不足するようなときは、不足分を補填する加熱器を設置することも可能である。また、上記改質器１０３の外部の系統には流量調節用または閉止用等の弁が付設されるが省略している。
【０１０３】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気の熱エネルギーを水素製造プラント１０２の改質器１０３に利用できるので水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、かつ利用後は再び水蒸気製造利用施設１０１に戻されるので無駄なく有効に利用できる。このために、水蒸気製造利用施設１０１のエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【０１０４】
また、加熱媒体油１１３を使用しているので効率よく、安定した加熱ができる。さらに、水蒸気製造利用施設１０１で製造される高圧の水蒸気は配管１０９でシェル１１２内に導入されるので、圧力境界は配管１０９であるために安全性が高い。このシェル１１２は高圧仕様の容器とする必要が無く容器肉厚を少なくして軽量化することができるので、使用する金属資源の軽減化を図ることができる。
【０１０５】
また、改質器１０３内では、熱媒体油１１３と自然循環の流れにより加熱を行うことができるので、熱媒体油１１３の循環ポンプなどの循環装置が不要となり、装置が簡素化され安全性の向上を図ることができる。
【０１０６】
さらに、原料供給系統７０４のうち熱源を必要とする燃料予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯槽タンク７２７内に収納して熱媒体油１１３中に浸漬している。このように、水蒸気製造利用施設１０１から抽出した加熱蒸気で一括して加熱しているので、さらなる熱効率向上が可能である。
【０１０７】
図１２は、本発明の第６の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。本図は、図１１の改質器１０３を図６に示す改質器１０３に置き換えたもので、図６や図１１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【０１０８】
本図に示すように、水蒸気製造利用施設１０１に水素製造プラント１０２を接続し、水蒸気製造利用施設１０１の蒸気熱エネルギーを利用し、水素製造プラント１０２において燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。
【０１０９】
上記水素製造プラント１０２は、改質器１０３と、燃料ガスと原料水蒸気の混合蒸気を供給する原料供給系統７０４と、生成ガス回収系統１０５とを有する。
【０１１０】
上記水素製造プラント１０２における改質器１０３は、複数の反応管４１１と、この反応管４１１を包含するシェル４１２を有する。このシェル４１２内には、熱媒体油１１３が貯溜されている。この熱媒体油１１３を加熱するために、熱媒体油１１３中には蒸気管４１４が浸漬されている。
【０１１１】
上記反応管４１１はバイオネット型の二重管を構成している。この反応管４１１は、外管４１１Ａと内管４１１Ｂとを有する。この外管４１１Ａは下端部は閉止し、上端部は開口して管板４１９に固定されている。上記内管４１１Ｂは、両端共に開口とし、上端部は管板４２０に固定されている。
【０１１２】
上記反応管４１１を構成する外管４１１Ａ内には、例えばＣｕ−Ｚｎ等を合成した触媒１１５が充填されている。また熱媒体油１１３としては、例えばバーレルサーム４００（商品名）等の高沸点高温用熱媒体油があり、３００℃以上の温度でも使用可能である。
【０１１３】
上記水素製造プラント１０２における原料供給系統７０４は、熱媒体油貯槽タンク７２７と、付属する燃料タンク７２２や原料水供給系統７２４とを有する。この燃料タンク７２２では、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の燃料を貯蔵している。また、原料水供給系統７２４は、原料水を貯蔵する原料水タンクや原料水を供給する給水ポンプ（図示せず）等を備えている。
【０１１４】
上記燃料タンク７２２に貯蔵された燃料は、上記熱媒体油貯槽タンク７２７内に設けられた燃料予熱器７２３に導入されガス化して予熱される。また、上記原料水供給系統７２４に貯蔵された原料水は、熱媒体油貯槽タンク７２７内に設けられた水蒸発器７２５に供給され蒸発する。この燃料ガスと原料水蒸気は、混合部７２６に導入され混合蒸気となる。この混合蒸気は、配管７２９を経由して改質器１０３に導入される。
【０１１５】
上記媒体油貯槽タンク７２７は熱媒体油１１３を貯蔵している。この熱媒体油１１３には、前記燃料予熱器７２３、水蒸発器７２５及び混合部７２６が浸漬している。上記媒体油貯槽タンク７２７の下部には、燃料加熱用蒸気管７２８が設けられている。この燃料加熱用蒸気管７２８も貯溜された熱媒体油１１３に浸漬している。
【０１１６】
水蒸気製造利用施設１０１で製造された高温水蒸気を一部抽出して改質器１０３と熱媒体油貯槽タンク７２７内の熱媒体油１１３を加熱するために、水蒸気製造利用施設１０１と改質器１０３との間並びに水蒸気製造利用施設１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に蒸気抽出管１０９が配設されている。また、加熱を終えた蒸気を水蒸気製造利用施設１０１に戻すための蒸気戻り管１１０が、水蒸気製造利用施設１０１と改質器１０３との間並びに水蒸気製造利用施設１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に配設されている。
【０１１７】
本実施の形態において、水蒸気製造利用施設１０１から分岐して抽出した高温水蒸気は、蒸気抽出管１０９を経由して改質器１０３と熱媒体油貯槽タンク７２７へ分岐して供給される。この熱媒体油貯槽タンク７２７に供給された加熱用水蒸気は、燃料加熱用蒸気管７２８を介して熱媒体油１１３を加熱する。この加熱を終了した蒸気は、蒸気戻り管１１０を経由して水蒸気製造利用施設１０１に戻される。この熱媒体油貯槽タンク７２７内では、加熱された熱媒体油１１３は燃料予熱器７２３を加熱することにより燃料ガスが加熱され、水蒸発器７２５が加熱されて原料水蒸気が生成され、さらに混合部７２６において燃料ガスと原料水蒸気の混合ガスが加熱さる。この加熱された混合ガスは、上記改質器１０３に導出され水素の改質に用いられる。同時に、熱媒体油貯槽タンク７２７内の熱媒体油１１３は、自然対流によって循環して燃料加熱用蒸気管７２８内を流れる加熱蒸気と熱交換される。
【０１１８】
なお、上記改質器１０３として、図２に示すように、反応管１１１の間の空間領域に複数設置される第１の蒸気管１１４Ａと、上記シェル１１２内に貯溜されている熱媒体油１１３の下層部に設置される第２の蒸気管１１４Ｂとに分離して構成された蒸気管１１４を設けてもよい。また、図３に示すように、また、反応管１１１及び蒸気管１１４Ａに共有するプレートフィン１１６を設置することもできる。
【０１１９】
本実施の形態によれば、水蒸気製造利用施設１０１から発生した蒸気は、熱エネルギーとして水素製造プラント１０２の改質器１０３で利用できる。この蒸気は、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用でき、更に利用後は再び水蒸気製造利用施設１０１に戻されるので無駄なく有効に利用できる。このため、水蒸気製造利用施設１０１のエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【０１２０】
また、加熱媒体油１１３を使用しているので効率よく、安定した加熱ができる。さらに、水蒸気製造利用施設で製造される高圧の水蒸気は配管でシェル内に導かれており、圧力境界は配管であるために安全性が高く、シェルは高圧仕様の容器とする必要が無く容器肉厚を少なくして軽量化することができるので使用する金属資源の省資源化を図ることができる。さらに、熱媒体油１１３による触媒充填層の外側からの加熱と、触媒非充填部で再加熱された生成ガスによる触媒１１５の充填層の内側からの加熱によって熱交換効率が向上して効率の高い水素製造が可能となる。
【０１２１】
また、原料供給系統７０４のうち、熱源を必要とする燃料予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯槽タンク７２７内に収納して熱媒体油１１３中に浸漬しているので、水蒸気製造利用施設１０１から抽出した加熱蒸気で一括して加熱するのでさらに熱効率向上が可能になる。
【０１２２】
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で本発明の各実施例を組み合わせて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図３】図２の改質器の変形例の概略構造を示す構造図。
【図４】図２の改質器の他の変形例の蒸気管及びその周辺部を部分拡大して示す構造図。
【図５】図２の改質器のさらに他の変形例の蒸気管及びその周辺部を部分拡大して示す構造図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図８】図７の改質器の変形例の概略構造を示す構造図。
【図９】図７の改質器の他の変形例の蒸気管及びその周辺部を部分拡大して示す構造図。
【図１０】図７の改質器のさらに他の変形例の蒸気管及びその周辺部を部分拡大して示す構造図。
【図１１】本発明の第５の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１…水蒸気製造利用施設、１０２…水素製造プラント、１０３…改質器、１０４、７０４…原料供給系統、１０９…蒸気抽出管、１１０…蒸気戻り管、１１１、４１１…反応管、１１２、４１２…シェル、１１３…熱媒体油、１１４、４１４…蒸気管、１１４Ａ…第１の蒸気管、１１４Ｂ…第２の蒸気管、１１５…触媒、１１６…流路孔、１１７…切り欠き流路部、３１６…プレートフィン、３１７…流路孔、３１８…切り欠き流路、７２３…燃料予熱器、７２５…原料水蒸発器、７２６…混合部、７２７…熱媒体油貯槽タンク、７２８…燃料加熱用蒸気管。
【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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【図１２】
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