(57)【要約】【課題】本発明は、中圧設備がない場所であってもガスの昇圧動力を抑えつつ稼働可能とし、かつ高温にしなくても改質反応を促進できる水素製造装置を提供する。【解決手段】炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する多重筒型改質器１２と、該多重筒型改質器１２の下流側に設けられ当該多重筒型改質器１２から送られた前記改質ガスに含まれる水蒸気を減少させる昇圧前除湿器１３と、該昇圧前除湿器１３の下流側に設けられ当該昇圧前除湿器１３から送られた前記改質ガスを昇圧する昇圧手段１４と、該昇圧手段１４の下流側に設けられ昇圧された前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器１６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する多重筒型改質器と、
該多重筒型改質器の下流側に設けられ当該多重筒型改質器から送られた前記改質ガスに含まれる水蒸気を減少させる昇圧前除湿器と、
該昇圧前除湿器の下流側に設けられ当該昇圧前除湿器から送られた前記改質ガスを昇圧する昇圧手段と、
該昇圧手段の下流側に設けられ昇圧された前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、
を有する水素製造装置。
【請求項２】
前記昇圧手段及び前記水素精製器の間に前記改質ガスに含まれる水蒸気を減少させる昇圧後除湿器を有する請求項１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）。
【０００３】
また、改質後の改質ガスを昇圧してＰＳＡ装置へ供給する水素製造装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２５３０２号公報
【特許文献２】特開２００３−３３５５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１の水素製造装置は、高純度の水素が得られるという有効なものであるが、ＰＳＡ工程の吸着反応に必要な圧力で都市ガスを供給するために、中圧ガス設備がない場所には設置できないという問題がある。また、高圧下で効率よく水蒸気改質反応を進めるために改質触媒の温度を８００℃前後にする必要がある。
【０００６】
また、前述した特許文献２の水素製造装置は、改質ガスを昇圧するが、原料となるガスを昇圧するよりも改質ガスを昇圧する方がガス流量が多く昇圧に必要な動力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、中圧設備がない場所であってもガスの昇圧動力を抑えつつ稼働可能とし、改質器の上流側に昇圧手段があるものと比べて、高温にしなくても改質反応を促進でき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】
【０００８】
第一態様では、炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する多重筒型改質器と、該多重筒型改質器の下流側に設けられ当該多重筒型改質器から送られた前記改質ガスに含まれる水蒸気を減少させる昇圧前除湿器と、該昇圧前除湿器の下流側に設けられ当該昇圧前除湿器から送られた前記改質ガスを昇圧する昇圧手段と、該昇圧手段の下流側に設けられ昇圧された前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、を有する。
【０００９】
すなわち、多重筒型改質器で生成された改質ガスは、含有した水蒸気が昇圧前除湿器で削減され昇圧手段で昇圧された後、水素精製器で不純物と水素とに分離され水素が精製される。
【００１０】
このように、改質ガスを昇圧して水素精製器で精製できるので、中圧ガス設備がない場所であっても水素の精製が可能となる。
【００１１】
このとき、昇圧手段の上流側には、昇圧前除湿器が設けられており、改質ガスに含まれた水蒸気を昇圧前除湿器で減少することで、昇圧手段で昇圧する改質ガスの流量が抑制される。これにより、昇圧する改質ガスの流量が多い場合と比較して、昇圧に必要な動力を抑えることができる。
【００１２】
そして、この昇圧手段は、多重筒型改質器より下流側に設けられている。このため、多重筒型改質器の上流側に昇圧手段があり多重筒型改質器が高圧となる場合と比較して、多重筒型改質器内を高温にしなくても改質反応を促進することができる。
【００１３】
第二態様では、前記昇圧手段及び前記水素精製器の間に前記改質ガスに含まれる水蒸気を減少させる昇圧後除湿器を有する。
【００１４】
すなわち、昇圧手段で昇圧された改質ガスは、含有した水蒸気が昇圧後除湿器によって削減されるので、昇圧後の改質ガス中の水蒸気の結露を抑制することができる。
【００１５】
これにより、結露水による配管腐食を抑制できるとともに、結露水による水素精製器の性能低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本態様では、中圧設備がない場所であってもガスの昇圧動力を抑えつつ稼働可能とし、かつ高温にしなくても改質反応を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素製造装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示される多重筒型改質器の詳細を示す図である。
【図３】多重筒型改質器の背圧と沸点及びメタン転化率との関係を示す図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る水素製造装置の全体構成を示す図であり、（Ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る水素製造装置の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
【００１９】
図１に示されるように、本実施形態に係る水素製造装置１０は、複数の多重筒型改質器１２と、第１チラー１３と、圧縮機１４と、第２チラー１５と、水素精製器１６とを備える。この水素製造装置１０は、炭化水素原料から水素を製造するものである。本実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられる場合について説明する。
【００２０】
複数の多重筒型改質器１２は、互いに並列に接続されている。この複数の多重筒型改質器１２は、昇圧前除湿器の一例である第１チラー１３と、昇圧手段の一例である圧縮機１４と、昇圧後除湿器の一例である第２チラー１５とを介して水素精製器１６に接続されている。複数の多重筒型改質器１２の台数は、要求される水素製造量等に合せて任意に設定可能である。この複数の多重筒型改質器１２は、互いに同一の構成とされている。
【００２１】
図２に示されるように、各多重筒型改質器１２は、多重に配置された複数の筒状壁２１〜２４を有して構成されている。複数の筒状壁２１〜２４は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２１〜２４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。
【００２２】
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、ガス排出管２８が設けられている。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を通じて外部に排出される。
【００２３】
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、原料供給管３３及び改質用水供給管３４（図１では図示省略）が接続されている。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。
【００２４】
この予熱流路３２には、原料供給管３３から都市ガスが供給されると共に、改質用水供給管３４から改質用水が供給される。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ると共に、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。
【００２５】
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に供給される。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され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。
【００２６】
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。
【００２７】
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に供給される。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。
【００２８】
ＣＯ変成触媒層４５の上側には、酸化剤ガス供給管４６が設けられており、第二流路４２におけるＣＯ変成触媒層４５よりも上側には、ＣＯ除去触媒層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除去触媒層４７に供給される。ＣＯ除去触媒層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除去触媒層４７で一酸化炭素が除去された改質ガスは、改質ガス排出管４４を通じて排出される。
【００２９】
各多重筒型改質器１２にて生成された改質ガスは、図１に示したように、第１チラー１３に送られる。第１チラー１３は、各多重筒型改質器１２から送られた改質ガスを冷却する機能を有し、改質ガスに含まれた水蒸気を冷却時に凝結して結露させ、その結露水をドレンから排出することで、改質ガスから水蒸気を分離する。これにより、改質ガスに含まれた水蒸気を減少させる。
【００３０】
第１チラー１３で除湿された改質ガスは、圧縮機１４に送られる。圧縮機１４は、第１チラー１３から送られた改質ガスをポンプで圧縮し、改質ガスの圧力を高めて送り出す。
【００３１】
圧縮機１４からの改質ガスは、第２チラー１５に送られる。第２チラー１５は、圧縮機１４から送られた改質ガスを冷却する機能を有し、改質ガスに含まれる水蒸気を冷却時に凝結して結露させ、その結露水をドレンから排出することで、改質ガスから水蒸気を分離する。これにより、改質ガスに含まれた水蒸気を減少させる。第２チラー１３で除湿された改質ガスは、水素精製器１６に送られる。
なお、本実施形態では、第１チラー１３や第２チラー１５を用いて改質ガスに含まれた水蒸気を減少したが、これに限定されるものではない。例えば、水蒸気分離膜を利用して改質ガスに含まれた水蒸気を分離して減少させてもよい。シリカゲルのような吸湿剤を利用して改質ガスに含まれた水蒸気を減少させてもよい。
【００３２】
水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置が使用されている。この水素精製器１６では、改質ガスが不純物と水素とに分離され、水素が精製される。水素精製器１６からのオフガスには、不純物が含まれ、このオフガスは、上述のバーナ２６（図２参照）の燃料として利用される。このバーナ２６に供給される燃料が足りない場合には、バーナ２６に図示しない補給経路から都市ガスが供給される。
【００３３】
以上の水素製造装置１０は、例えば、燃料電池システムに適用され、水素製造装置１０で製造された水素は、供給量測定部２０を介して燃料電池システム中の燃料電池に供給され、燃料電池による発電に利用される。
【００３４】
この水素製造装置１０において、例えば、燃料電池システムのスペック（定格出力）に対応して要求される水素製造量が変わる場合には、多重筒型改質器１２の設置台数を調整することにより対応可能である。また、燃料電池の負荷変動に対応して燃料電池への水素の供給量を変えたい場合には、多重筒型改質器１２の稼働数を調整することにより対応可能である。
【００３５】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３６】
各多重筒型改質器１２で生成された改質ガスは、昇圧前除湿器を構成する第１チラー１３によって含有する水蒸気が削減された後、昇圧手段を構成する圧縮機１４で昇圧される。そして、圧縮機１４で昇圧された改質ガスは、昇圧後除湿器を構成する第２チラー１５によって含有する水蒸気が削減された後、水素精製器１６で不純物と水素とに分離され水素が精製される。
【００３７】
このように、改質ガスを圧縮機１４で昇圧して水素精製器１６で精製できるので、中圧ガス設備がない場所であっても水素の精製が可能となる。これにより、中圧ガス設備がない場所での設置が可能となり、設置の自由度が高まる。
【００３８】
このとき、圧縮機１４の上流側には、第１チラー１３が設けられており、改質ガスに含まれた水蒸気を第１チラー１３で減少することで、圧縮機１４で昇圧する改質ガスの流量が抑制される。これにより、昇圧する改質ガスの流量が多い場合と比較して、昇圧に必要な動力を抑えることができ、圧縮機１４を駆動するポンプの消費電力を抑制することができる。
【００３９】
また、圧縮機１４の内部や昇圧後の改質ガス中の水蒸気の結露を抑制することができる。これにより、結露水による圧縮機１４の故障や、配管の腐食、水素精製器１６での性能低下を抑制することができる。
【００４０】
この圧縮機１４は、多重筒型改質器１２より下流側に設けられている。このため、多重筒型改質器１２への供給圧が高く多重筒型改質器１２が高圧となる構成上、改質反応を進めるために多重筒型改質器１２内を高温に保つ必要がある場合と比較して、多重筒型改質器１２内を高温にしなくても改質反応を促進することができる。
【００４１】
図３は、スチーム−カーボン比（Ｓ／Ｃ）が３．０のときの多重筒型改質器１２から送り出される改質ガスの背圧と、多重筒型改質器１２内での沸点及びメタン転化率との関係を示す図であり、背圧を低く維持できれば、沸点が低くなり、都市ガスの主成分であるメタンの転化率が向上する。メタン転化率とは、原料の炭化水素成分中の炭素原子がＣＯまたはＣＯ２に改質される割合をいう。
【００４２】
本実施形態では、多重筒型改質器１２への供給圧は上昇しないので（背圧＝０ｋＰａ）、沸点が１００℃ 程度となり、多重筒型改質器１２で使用する触謀を１００℃程度に冷却することができる。ここで、一酸化炭素選択酸化（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）触媒は、１５０℃以下での使用が望ましいとされている。これにより、高いメタン転化率を維持でき、改質の転化率を高めることができる。
【００４３】
このように、本実施形態の水素製造装置１０にあっては、中圧設備がない場所であっても改質ガスの昇圧動力を抑えつつ稼働可能とし、かつ多重筒型改質器１２を高温にしなくても改質反応を促進することができる。
【００４４】
さらに、多重筒型改質器１２への供給圧を高めないので、多重筒型改質器１２の耐圧を上げる必要がなく、耐熱性も上げる必要が無い。よって、多重筒型改質器１２の製造コストを抑えることができ、装置全体を低コスト化し、経済性を向上することができる。また、改質ガスの露点が高いので、多重筒型改質器１２内部で結露も抑制することができる。
【００４５】
そして、圧縮機１４と水素精製器１６との間には第２チラー１５が設けられており、圧縮機１４からの改質ガスに含まれた水蒸気を第２チラー１５によって削減できる。このため、昇圧後の改質ガス中の水蒸気の結露を抑制することができる。
【００４６】
これにより、結露水による配管腐食を抑制できるとともに、結露水による水素精製器１６の性能低下を抑制することができる。
【００４７】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
【００４８】
上記実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられているが、メタンを主成分とする都市ガス以外の炭化水素原料、例えば、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスや、炭化水素系液体が用いられても良い。
【００４９】
また、都市ガス以外の炭化水素原料が用いられる場合に、多重筒型改質器１２は、上記以外の構造（使用される炭化水素原料に適した構造）に変更されても良い。
【００５０】
また、上記実施形態では、水素精製器１６として、ＰＳＡ装置が使用されているが、例えば水素分離膜を有する水素精製装置などが使用されても良い。
【００５１】
また、本実施形態に係る水素製造装置１０は、燃料電池システムに好適に用いられるが、燃料電池システム以外の機器やシステムに用いられても良い。
【００５２】
そして、本実施形態では、複数の多重筒型改質器１２を並列に接続した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第２実施形態を示した図４（Ａ）や、第３実施形態を示した図４（Ｂ）のように、多重筒型改質器１２は単数であっても良いし、複数で直列に接続しても良い。
【００５３】
また、改質ガスに含まれる水蒸気を減少させるチラーは、図４（Ａ）に示したように、圧縮機１４の上流側に設けられた第１チラー１３のみで構成してもよい。あるいは、図４（Ｂ）に示したように、圧縮機１４の上流側に第１チラー１３を設け、圧縮機１４の下流側に第２チラー１５を設けてもよい。さらに、水蒸気を減少するために、水蒸気分離膜や吸湿剤を利用してもよい。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…水素製造装置、１２…多重筒型改質器、１３…第１チラー（昇圧前除湿器）、１４…圧縮機（昇圧手段）、１５…第２チラー（昇圧後除湿器）、１６…水素精製器、１７…水素製造部、２１〜２４…筒状壁、２５…燃焼室、２６…バーナ、２７…燃焼排ガス流路、２８…ガス排出管、３１…第一流路、３２…予熱流路、３３…原料供給管、３４…改質用水供給管、３５…螺旋部材、３６…改質触媒層、４２…第二流路、４３…改質ガス流路、４４…改質ガス排出管、４５…ＣＯ変成触媒層、４６…酸化剤ガス供給管、４７…ＣＯ除去触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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