JP2001031403A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素透過性の仕切り壁の耐久性を向上し、改
質触媒の均一充填を図り、高純度の水素を製造可能とし
た水素製造装置を提供する。 【解決手段】 水素透過性の仕切り壁３４を有する水素
製造装置において、成形した板状の改質触媒１２６を用
いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素製造装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】水素製造装置では、メタンやメタノール
などの炭化水素や含酸素炭化水素からなる原料ガスを、
水蒸気改質反応とＣＯシフト反応によって、主に水素と
二酸化炭素を生成させ、水素を選択的に分離し回収して
いる。従来の水素製造装置の一例を図１３、図１４に示
す。図１３は、軸心を含む平面で切断した水素製造装置
の斜視図であり、図１４は、軸心に直交する平面で切断
した断面図である。図１３に示すように、水素製造装置
１０は、底部１２を閉じた外筒１４と、その内側に順次
配設された中筒１６及び内筒１８とを備えている。外筒
１４、中筒１６および内筒１８とも直立円筒形をなして
いる。そして、これらの筒１４、１６、１８の間に、第
１空間部２０、第２空間部２６、第３空間部３３が形成
されている。

【０００３】中筒１６と内筒１８との間の第２空間部２
６は、環状であり、その上部に予備改質部２５を備え
る。そして、下方には選択的に水素を透過する金属膜を
有する複数の水素透過直方体３４を第２空間部２６と同
心状に配設している。さらに、第２空間部２６内で水素
透過直方体３４が画成する第３空間部３３には各々スイ
ープガス管３８を挿入している。一方、燃焼バーナ４６
が燃料ガス管４８を介して導入された燃料ガスを空気取
り入れ管５０を介して取り入れた空気によって燃焼でき
るようになっている。これによって、水蒸気改質反応に
必要な熱エネルギーを改質触媒を充填した触媒層２６Ａ
に供給して所定温度に維持する。燃焼ガスは、内筒２２
の中空部２２，外筒１４の底部１２と環状底部２４との
間の空間、次いで環状の第１空間部２０を経て燃焼ガス
出口５２から外部に排出される。その間に、触媒層２６
Ａを加熱する。

【０００４】また、軽質炭化水素またはメタノールガス
と水蒸気との混合ガスからなるプロセスフィードガスが
第２空間部２６の上部に設けられたフィードガス入口５
４から導入されて予備改質部２５でプロセスフィードガ
スの一部が水素に転化し、さらに触媒層２６Ａに流入し
て高温下で水素に転化する。生成した水素は、水素透過
直方体３４により選択的に分離、収集され、第３空間部
３３を経由して、その上部に設けられた水素出口５６か
らスイープガスと共に流出する。スイープガスは、装置
上部のスイープガス入口５８から送入されスイープガス
管３８を流下し、次いで下端開口から第３空間部３３に
流入し、水素をスイープしながら透過水素を同伴して上
昇し水素抜出管３９を経由して水素出口５６から流出す
る。スイープガスを流通して水素を押し出すように同伴
流出させることにより、第３空間部３３の透過側の水素
分圧が低く維持される。スイープガスとしては、例えば
水蒸気、Ｎ ２ 等のイナートガスが使用される。一方、触
媒層２６Ａを通過した未反応の原料ガス、生成したＣ
Ｏ、ＣＯ ２ ガスは、触媒層２６Ａの下部に開口を有する
オフガス管６０を経由してオフガス出口６２より系外に
排出される。

【０００５】上記したような水素製造装置１０で使用さ
れる改質触媒は、粒子状のものが一般的である。また、
水素透過性の金属膜は、薄いほど高性能であり、特開平
６−３２１５０３号等で明らかなように厚さは５〜５０
μｍと非常に薄い無孔質薄膜である。このような、従来
の粒子状改質触媒と水素透過性の金属薄膜との組み合わ
せを用いた水素製造装置は、以下の点が指摘されてお
り、高純度の水素を効率良く製造するためには改良が望
まれたいた。

【０００６】(1) プロセスガスは、粒子状改質触媒層２
６Ａを流れるが、この場合、流れに垂直方向の混合拡
散、特に金属膜近傍と触媒層２６Ａの中央部とのガスの
混合拡散が促進されにくいため、金属膜近傍に水素の濃
度勾配が生じ、水素透過速度の低下、ひいては反応速度
の低下の原因となっている。 (2) 水素透過性の金属膜が、粒子状改質触媒との接触に
より損傷する可能性がある。 (3) 粒子状改質触媒の直径は１ｍｍ〜１０ｍｍのものが
多く水素透過性の金属膜との隙間に充填する際、粒子の
架橋により均一充填が困難である。充填が不十分であれ
ば改質反応が進行せず、水素製造装置として著しく性能
低下を起こす要因となる。 (4) 粒子状改質触媒の担体は、通常セラミック球である
ため重量が大きくなり起動時間が長い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
対してなされたものであり、水素透過性の仕切り壁の耐
久性を向上し、改質触媒の均一充填を図り、高純度の水
素を製造可能とした水素製造装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る水素製造装置は、水素透過性の仕切り
壁を有する水素製造装置において、成形した板状の改質
触媒を用いたことを特徴とする。上記改質触媒は、好適
には、厚さが０．０５ｍｍ〜１ｍｍのステンレス鋼、炭
素鋼、合金鋼等のメタル上に、Ｎｉ系触媒、Ｒｕ系触媒
等を担持させることによって得ることができる。あるい
は、コージェライト、ムライト、アルミナ、シリカ等の
セラミック製担体上に上記触媒を担持させることによっ
て得ることができる。担持する方法は、公知の方法を用
いることができる。

【０００９】また、上記板状の改質触媒は、水素透過性
の金属膜近傍に設置することが好適である。その際、水
素透過性の金属膜と板状の改質触媒との距離を適切に保
つことが好適である。上記触媒は、水素透過性の金属膜
を構成する水素透過直方体の金属部もしくはスペーサに
溶接等で固定することが好ましい。上記金属膜は、Ｐ
ｄ、Ｐｄ含有合金、Ｎｂ合金、Ｖ合金から成る水素透過
膜と金属多孔材から成る支持板で構成することが好まし
い（特開平８−７３２０１号公報）。また、上記板状触
媒は、ガス流れの上昇方向に対して並行しない凹凸を複
数段設けた形状とし、原料ガスの流れに垂直方向の混合
を促進させ効率良く反応を促進するようにすることが好
ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に添付図面に示した実施の形
態を参照しながら、本発明に係る水素製造装置を説明す
る。本発明に係る水素製造装置の一実施の形態を図１、
図２に示す。図１は、軸心を含む平面で切断した水素製
造装置の斜視図であり、図２は、軸心に直交する平面で
切断した断面図である。図１、図２において、図１３、
図１４と同一要素には同一符号を付している。同一要素
は、図１３、図１４について説明したと同様の機能をは
たす。本実施の形態では、環状の第２空間部２６に配列
した水素透過直方体３４の上に予備改質部２５を設け、
従来と同様に粒子触媒を充填している。なお、図１、図
２は、概念的なものであり、底部１２、外筒１４、中筒
１６、内筒１８、水素透過直方体３４等は、断面肉厚を
省略して便宜的に実線で表わしている。

【００１１】図３に、水素透過直方体３４と板状改質触
媒１２６を拡大して示す。水素透過直方体３４と板状改
質触媒１２６は、図４に示すように各々一つずつを組み
合わせたユニットとして構成し、第２空間部２６に組み
込むことが好適である。図４のユニットで見て、水素透
過直方体３４は、板状触媒１２６に近い内側の壁２８と
隣接するユニットに近い外側の壁３２を備える。これら
は水素透過性の金属膜で構成されている。これら壁３
２、３４は、互いに上下方向の縦壁３５、３６、図１に
示す底壁３７によって第３空間部３３を画成している。
上端の壁面は、水素抜出管３９に接続している。

【００１２】さらに、図４に示すように、このユニット
はスペーサ１２７を備える。図３に示すように、このス
ペーサ１２７は、水素透過直方体３４の長手方向に延長
している。好適には、このスペーサ１２７は、図４に示
すように板状触媒１２６と水素透過直方体３４に溶接等
の固定手段によって固定される。これによって、まず各
ユニットにおいて、図４に示すように、各水素透過直方
体３４と板状触媒１２６との間にスペーサ１２７が介在
するようになる。さらに、外側の壁３２のスペーサ１２
７が、ユニットを第２空間部２６に組み込んだ際、隣接
する板状触媒１２６との間にも介在することとなる。

【００１３】以上のような構成によって、各ユニットを
第２空間部２６に組み込んだ際、スペーサ１２７によっ
て、各水素透過直方体３４と板状触媒１２６との間を適
切に離間することができる。これによって、金属膜が板
状触媒との接触によって損傷することがない。また、板
状触媒１２６は、従来の粒状触媒のような充填の際の均
一性に関する問題点がない。また、セラミックス球のよ
うに重量が大きくないので取り扱いが便利である。な
お、適切に離間するとは、一般的には、スペーサによっ
て、各水素透過直方体３４と板状触媒１２６との間を、
円周方向で見て一定間隔とすることを意味する。

【００１４】なお、図３、図４においては、説明の便宜
のために、水素透過直方体３４と板状触媒１２６とを直
方体状に示しているが、実際に組み込む際は、図２に示
すように、水素透過直方体３４を断面長方形で、板状の
改質触媒１２６を断面台形で構成するか、水素透過直方
体３４を断面台形で板状の改質触媒１２６を断面長方形
で構成するか、あるいは両者を断面台形で構成し、水素
透過性の金属膜と改質触媒１２６との間隔を適切に保つ
ことができる。

【００１５】プロセスフィードガスは第２環状空間部２
６の上部に設けられたフィードガス入口５４から導入さ
れ、予備改質部２５を経由して水素透過直方体３４の側
壁２８と側壁３０の間に流入する。これによって、板状
の改質触媒１２６として接触し、高温下で水素に転化す
る。板状改質触媒１２６は、図５に示すような波板状の
外形を備えている。流入したプロセスフィードガスは、
図６に示すように上方から流入する。その際、改質触媒
１２６の表面と水素透過直方体３４との間の流路が、図
示のように急拡大急縮小することにより流れに垂直方向
の水素の混合拡散が促進される。このため、効率的に水
素が分離され反応が進行しする。生成した水素は水素直
方体３４により選択的に分離、収集され第３空間部３３
を経由して、その上部に設けられた水素出口５６からス
イープガスと共に流出する。

【００１６】本発明に係る水素製造装置の他の実施の形
態を図７、図８に示す。図７は、軸心を含む平面で切断
した水素製造装置の斜視図であり、図８は、軸心に直交
する平面で切断した断面図である。図７、図８におい
て、図１、図２と同一要素には同一符号を付している。
同一要素は、図１、図２について説明したと同様の機能
をはたす。本実施の形態では、予備改質部２５を内筒１
８の内側に仕切筒１９を設けて構成している。そして、
この仕切筒１９と内筒１８との間に形成される空間に、
粒子触媒を充填し、粒子触媒層１９Ａを構成している。
この実施の形態でも、水素透過直方体３４同士の間は、
従来使用していた粒状触媒に代えて板状の改質触媒１２
６を水素透過直方体３４に添って配列している。この実
施の形態では、粒子触媒層１９Ａを流下して予備改質を
行った後、上昇流の中で改質触媒１２６の作用を受け
る。この実施の形態は、バーナ炎輻射による高温部であ
らかじめプロセスフィードガスの一部を水素に転化し、
その際の吸熱により内筒１８の極部加熱を防止し第２空
間部の温度を均一に保つ利点を有する。

【００１７】さらに他の実施の形態として、図９にスペ
ーサ１２７を円柱としたものを示す。 この実施の形態
は、水素直方体３４の側壁２８と側壁３２の有効な水素
透過面積を増加するという利点を有する。また、水素直
方体３４自体にスペーサ的突起１２８をつけたものを図
１０に示す。この実施の形態は、一体でスペーサを構成
できるので取り付け作業を省略できるという利点を有す
る。なお、図２、８、９、１０は、ユニットの最小単位
である水素透過直方体３４と板状の改質触媒１２６を一
対としているが、第２空間部２６に組込む製作時には、
さらに複数を組み合わすことにより製作を容易にするこ
とが可能である。

【００１８】上記板状の改質触媒１２６の素材は、ステ
ンレス等金属製の表面を触媒化したもの、あるいはコー
ジェライトのように多孔質基材が好適である。改質触媒
１２６の材形は、図５の波板状の形態に限らず、図１
１、図１２に示すように他にも断面凹凸状のものや、四
角柱を連続したものを採用することができる。すなわ
ち、改質触媒表面と水素透過直方体の流路が急拡大急縮
小することにより、効率的に反応が進行すると同時に生
成した水素を選択的に分離、収集することができれば、
本発明に採用することができる。

【００１９】

【発明の効果】上記したところから明かなように、本発
明によれば、水素透過性の仕切り壁の耐久性を向上し、
改質触媒の均一充填を図り、高純度の水素を製造可能と
した水素製造装置が提供される。すなわち、本発明に係
る水素製造装置は、上述の構成により得られる以下の利
点を備えて、高純度の水素を経済的に製造する工業的規
模の水素製造装置を実現している。

【００２０】(1)板状改質触媒と水素透過性の金属膜を
構成する水素透過部を組み合わすことにより、水素製造
装置の製作が容易となり、製作コストを低減できる。 (2) このように組み合わせることにより、改質触媒の均
一な充填が可能となり、プロセスフィードガスの偏流に
よる性能低下を防止できる。 (3) スペーサを介することができるので、これにより水
素透過性の金属膜と板状の改質触媒が接触しないため、
水素透過性の金属膜の耐久性を大幅に向上させることが
できる。 (4) この結果、高純度水素を長期に渡り製造する事が可
能である。 (5) 改質触媒重量が小さくなり、短時間で起動が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
ついて、軸心を含む平面で切断した水素製造装置の斜視
図である。

【図２】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
ついて、軸心に直交する平面で切断した断面図である。

【図３】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
ついて、水素透過直方体と板状の改質触媒を組み合わせ
た状態を説明する拡大斜視図である。

【図４】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
ついて、水素透過直方体と板状の改質触媒を組み合わせ
たユニットを説明する平面図である。

【図５】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
用いられる板状の改質触媒の一形態を説明する斜視図で
ある。

【図６】 本発明に係る水素製造装置の一実施の形態に
ついて、水素透過直方体と板状の改質触媒との間のガス
流れを説明する断面図である。

【図７】 本発明に係る水素製造装置の他の実施の形態
について、軸心を含む平面で切断した水素製造装置の斜
視図である。

【図８】 本発明に係る水素製造装置の他の実施の形態
について、軸心に直交する平面で切断した断面図であ
る。

【図９】 本発明に係る水素製造装置のさらに他の実施
の形態について、水素透過直方体と板状の改質触媒を組
み合わせたユニットを説明する平面図である。

【図１０】 本発明に係る水素製造装置のさらに他の実
施の形態について、水素透過直方体と板状の改質触媒を
組み合わせたユニットを説明する平面図である。

【図１１】 本発明に係る水素製造装置に用いられる板
状の改質触媒の他の形態を説明する斜視図である。

【図１２】 本発明に係る水素製造装置に用いられる板
状の改質触媒のさらに他の形態を説明する斜視図であ
る。

【図１３】 従来の水素製造装置の一形態について、軸
心を含む平面で切断した水素製造装置の斜視図である。

【図１４】 従来の水素製造装置の一形態について、軸
心に直交する平面で切断した断面図である。

【符号の説明】

１０ 水素製造装置 １２ 底部 １４ 外筒 １６ 中筒 １８ 内筒 １９ 仕切筒 １９Ａ 粒子触媒層 ２０ 第１空間部 ２２ 中空部 ２４ 環状底部 ２６ 第２空間部 ２６Ａ 触媒層 ２８ 内側の壁 ３２ 外側の壁 ３３ 第３空間部 ３４ 水素透過直方体 ３８ スイープガス管 ３９ 水素抜出管 ４６ 燃焼バーナ ４８ 燃料ガス管 ５０ 空気取り入れ管 ５２ 燃焼ガス出口 ５４ フィードガス入口 ５６ 水素出口 ５８ スイープガス入口 ６０ オフガス管 ６２ オフガス出口 １２６ 板状改質触媒 １２７ スペーサ １２８ スペーサ的突起

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 一登 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 太田 洋州 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京ガス 株式会社内 (72)発明者 白崎 義則 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京ガス 株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB23 EB33 EC08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素透過性の仕切り壁を有する水素製造
   装置において、成形した板状の改質触媒を用いたことを
   特徴とする水素製造装置。
2. 【請求項２】 上記成形した板状の改質触媒を水素透過
   性の金属膜近傍に設置したことを特徴とする請求項１の
   水素製造装置。
3. 【請求項３】 上記水素透過性の金属膜と板状の改質触
   媒の距離を適切に保つこととしたことを特徴とする請求
   項１又は２の水素製造装置。
4. 【請求項４】 上記板状の改質触媒を上記水素透過性の
   金属膜を構成する水素透過直方体の金属部もしくはスペ
   ーサに固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かの水素製造装置。
5. 【請求項５】 板状触媒は、ガス流れの方向に対して並
   行しない凹凸を複数段設けた形状とし、原料ガスの流れ
   に垂直方向の混合を促進させ効率良く反応を促すことを
   特徴とする請求項１〜４のいずれかの水素製造装置。