JP2002338204A - 高純度水素製造設備 - Google Patents
高純度水素製造設備Info
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】高純度水素を効率的に得ることができる水素製
造設備を提供する。 【解決手段】触媒存在下、メタノールの改質反応により
水素を製造する水素製造設備であって、原料であるメタ
ノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、蒸発したメタ
ノール・水を触媒と接触させ、改質反応を行う改質器、
反応生成ガスを接触させ水素を分離する水素分離膜を有
する水素分離器、および分離した水素を吸蔵後、放出さ
せて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有する水素吸蔵ユ
ニットを含むことを特徴とする高純度水素製造設備。
造設備を提供する。 【解決手段】触媒存在下、メタノールの改質反応により
水素を製造する水素製造設備であって、原料であるメタ
ノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、蒸発したメタ
ノール・水を触媒と接触させ、改質反応を行う改質器、
反応生成ガスを接触させ水素を分離する水素分離膜を有
する水素分離器、および分離した水素を吸蔵後、放出さ
せて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有する水素吸蔵ユ
ニットを含むことを特徴とする高純度水素製造設備。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタノール改質反
応を利用して、効率良く高純度水素を製造する設備に関
する。
応を利用して、効率良く高純度水素を製造する設備に関
する。
【０００２】
【従来の技術】水素ガスは、石油精製工業での改質、脱
硫用、化学工業での各種合成、水添用等、多くの産業分
野で使用されており、最近では電子産業、食品工業、燃
料電池用等の新規分野での利用が加わり、その使用分野
が増大している。メタノールを原料とする水素ガスの製
造は、原料のメタノールの輸送および貯蔵が容易である
こと、比較的低い温度で反応が容易に行われること等か
ら、最近では水素を消費する装置に隣接してメタノール
改質装置を設置し、無人化運転を行うことが検討されて
いる。このメタノール改質用反応器には通常、多管式熱
交換器が用いられ、反応管の内部に触媒を充填して外部
より燃焼ガス、熱媒油および水蒸気などで加熱する方式
が採られているが、できるだけ小型の装置で効率良く反
応を行うために、例えば特開昭61-286204号公報、特開
昭62-160134号公報、特開昭63-166701号公報等にはプレ
ート型熱交換器を用いることが記載されており、特開昭
63-25201号公報にはスパイラル型熱交換器を用いること
が記載されている。
硫用、化学工業での各種合成、水添用等、多くの産業分
野で使用されており、最近では電子産業、食品工業、燃
料電池用等の新規分野での利用が加わり、その使用分野
が増大している。メタノールを原料とする水素ガスの製
造は、原料のメタノールの輸送および貯蔵が容易である
こと、比較的低い温度で反応が容易に行われること等か
ら、最近では水素を消費する装置に隣接してメタノール
改質装置を設置し、無人化運転を行うことが検討されて
いる。このメタノール改質用反応器には通常、多管式熱
交換器が用いられ、反応管の内部に触媒を充填して外部
より燃焼ガス、熱媒油および水蒸気などで加熱する方式
が採られているが、できるだけ小型の装置で効率良く反
応を行うために、例えば特開昭61-286204号公報、特開
昭62-160134号公報、特開昭63-166701号公報等にはプレ
ート型熱交換器を用いることが記載されており、特開昭
63-25201号公報にはスパイラル型熱交換器を用いること
が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述のメタノール改質
反応で得られた水素は更に精製して高純度化される。通
常、精製装置としては、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsor
ption）が用いられているが、不純物の吸着除去という
システムであるため、過負荷となった場合の不純物リー
クの問題がある。また、装置構造も複雑である。一方、
Ｐｄ膜を利用した精製装置もあるが、製品水素ガスの圧
力が低くなるため、コンプレッサー等を使用して昇圧す
る必要がある。また、膜が破損した場合には、改質ガス
が製品ガス中にリークすることになる。本発明の目的
は、高純度水素を効率的に得ることができる水素製造設
備を提供することである。
反応で得られた水素は更に精製して高純度化される。通
常、精製装置としては、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsor
ption）が用いられているが、不純物の吸着除去という
システムであるため、過負荷となった場合の不純物リー
クの問題がある。また、装置構造も複雑である。一方、
Ｐｄ膜を利用した精製装置もあるが、製品水素ガスの圧
力が低くなるため、コンプレッサー等を使用して昇圧す
る必要がある。また、膜が破損した場合には、改質ガス
が製品ガス中にリークすることになる。本発明の目的
は、高純度水素を効率的に得ることができる水素製造設
備を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明者等は上記の如き課
題を有する水素製造設備について鋭意検討した結果、メ
タノール水溶液を原料として改質反応を行い、得られた
水素を水素分離膜および水素吸蔵材料を使用して精製す
ることで効率良く高純度水素が得られ、且つコンプレッ
サー等の加圧装置が不要であることを見出し、本発明に
到達した。即ち本発明は、触媒存在下、メタノールの改
質反応により水素を製造する水素製造設備であって、原
料であるメタノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、
蒸発したメタノール・水を触媒と接触させ、改質反応を
行う改質器、反応生成ガスを接触させ水素を分離する水
素分離膜を有する水素分離器、および分離した水素を吸
蔵後、放出させて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有す
る水素吸蔵ユニットを含むことを特徴とする高純度水素
製造設備に関するものである。
題を有する水素製造設備について鋭意検討した結果、メ
タノール水溶液を原料として改質反応を行い、得られた
水素を水素分離膜および水素吸蔵材料を使用して精製す
ることで効率良く高純度水素が得られ、且つコンプレッ
サー等の加圧装置が不要であることを見出し、本発明に
到達した。即ち本発明は、触媒存在下、メタノールの改
質反応により水素を製造する水素製造設備であって、原
料であるメタノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、
蒸発したメタノール・水を触媒と接触させ、改質反応を
行う改質器、反応生成ガスを接触させ水素を分離する水
素分離膜を有する水素分離器、および分離した水素を吸
蔵後、放出させて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有す
る水素吸蔵ユニットを含むことを特徴とする高純度水素
製造設備に関するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の水素製造設備は、原料で
あるメタノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、蒸発
したメタノール・水を触媒と接触させ、改質反応を行う
改質器、反応生成ガスを接触させ水素を分離する水素分
離膜を有する水素分離器、および分離した水素を吸蔵
後、放出させて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有する
水素吸蔵ユニットを含む。本発明の高純度水素製造設備
の構成例を図１に示す。
あるメタノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、蒸発
したメタノール・水を触媒と接触させ、改質反応を行う
改質器、反応生成ガスを接触させ水素を分離する水素分
離膜を有する水素分離器、および分離した水素を吸蔵
後、放出させて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有する
水素吸蔵ユニットを含む。本発明の高純度水素製造設備
の構成例を図１に示す。
【０００６】メタノール改質反応は、原料であるメタノ
ールおよび水を加熱・蒸発させ、触媒と接触させ、次式
に示される反応を進行させ、水素を発生させる。この反
応が吸熱反応であるため、加熱して反応を促進させるこ
とで効率的な反応を行うことができる。 ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ ＝ ＣＯ2＋ ２Ｈ2 （１） ＣＯ2 ＋ Ｈ2 ＝ ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ （２）
ールおよび水を加熱・蒸発させ、触媒と接触させ、次式
に示される反応を進行させ、水素を発生させる。この反
応が吸熱反応であるため、加熱して反応を促進させるこ
とで効率的な反応を行うことができる。 ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ ＝ ＣＯ2＋ ２Ｈ2 （１） ＣＯ2 ＋ Ｈ2 ＝ ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ （２）
【０００７】本発明では、メタノール水溶液を原料とす
る。メタノール水溶液はメタノール濃度が４５〜６５重
量％、好ましくは５５〜６０重量％の範囲である。この
メタノール・水を蒸発器に供給し、加熱・蒸発させる。
この蒸発器の形式は特に限定されないが、例えばシェル
アンドチューブ型の熱交換器を使用することができる。
メタノール・水を加熱・蒸発させる方法は特に制限され
ないが、シェルアンドチューブ型の熱交換器の場合、シ
ェル側に燃焼触媒を充填し、後述する水素分離器からの
オフガスを燃焼させ、メタノール・水の加熱・蒸発に利
用することができる。
る。メタノール水溶液はメタノール濃度が４５〜６５重
量％、好ましくは５５〜６０重量％の範囲である。この
メタノール・水を蒸発器に供給し、加熱・蒸発させる。
この蒸発器の形式は特に限定されないが、例えばシェル
アンドチューブ型の熱交換器を使用することができる。
メタノール・水を加熱・蒸発させる方法は特に制限され
ないが、シェルアンドチューブ型の熱交換器の場合、シ
ェル側に燃焼触媒を充填し、後述する水素分離器からの
オフガスを燃焼させ、メタノール・水の加熱・蒸発に利
用することができる。
【０００８】本発明の改質器の形式は、触媒層を保持で
き、反応温度を保つよう加熱できる構造であれば特に制
限されない。例えば、Ｕ字型反応管や直管式反応器を用
いることができる。本発明で使用する触媒としては種々
のメタノール改質用触媒を使用できる。本発明のメタノ
ール改質反応は、２５０〜３００℃の温度で実施され
る。
き、反応温度を保つよう加熱できる構造であれば特に制
限されない。例えば、Ｕ字型反応管や直管式反応器を用
いることができる。本発明で使用する触媒としては種々
のメタノール改質用触媒を使用できる。本発明のメタノ
ール改質反応は、２５０〜３００℃の温度で実施され
る。
【０００９】本発明の水素分離器は選択的に水素を透過
させる水素分離膜を有する。本発明で用いる水素分離膜
は、ＰｄやＰｄ合金等の水素透過性金属膜であり、厚さ
は数〜５０μｍ程度である。改質反応での生成ガスを３
５０〜４５０℃の温度で水素分離膜に接触させ、水素を
選択的に通過させる。これより高い温度では、水素分離
膜の寿命が短くなるので好ましくない。また、これより
低い温度では分離効率が低下する。
させる水素分離膜を有する。本発明で用いる水素分離膜
は、ＰｄやＰｄ合金等の水素透過性金属膜であり、厚さ
は数〜５０μｍ程度である。改質反応での生成ガスを３
５０〜４５０℃の温度で水素分離膜に接触させ、水素を
選択的に通過させる。これより高い温度では、水素分離
膜の寿命が短くなるので好ましくない。また、これより
低い温度では分離効率が低下する。
【００１０】反応生成ガスから水素を分離した後のオフ
ガスは触媒燃焼させ、高温ガス（燃焼オフガス）として
熱利用ができる。例えば、オフガスを蒸発器のシェル側
に充填した燃焼触媒により燃焼させ、その熱を利用し
て、原料のメタノール・水を加熱・蒸発させることがで
きる。更にまだ比較的高温の燃焼オフガスを水素分離器
改質器に順次送り加熱に利用し、最終的に水素吸蔵ユニ
ットでの水素ガスの昇温（昇圧）に使用することができ
る。本発明では、設備内の熱バランスをとることで、外
部からの熱供給をほとんど無い状態にすることができ
る。
ガスは触媒燃焼させ、高温ガス（燃焼オフガス）として
熱利用ができる。例えば、オフガスを蒸発器のシェル側
に充填した燃焼触媒により燃焼させ、その熱を利用し
て、原料のメタノール・水を加熱・蒸発させることがで
きる。更にまだ比較的高温の燃焼オフガスを水素分離器
改質器に順次送り加熱に利用し、最終的に水素吸蔵ユニ
ットでの水素ガスの昇温（昇圧）に使用することができ
る。本発明では、設備内の熱バランスをとることで、外
部からの熱供給をほとんど無い状態にすることができ
る。
【００１１】分離した水素は水素吸蔵材料に一旦吸蔵さ
せた後、放出させる。水素吸蔵材料には、純水素のみが
吸蔵されるので、この吸蔵・放出により、水素ガスの更
なる精製ができる。また、水素分離膜が破損した場合で
も、製品水素ガスへの影響を極小にできる。本発明で用
いる水素吸蔵材料としては、希土類系合金、チタン系合
金、ジルコニウム系合金、マグネシウム系合金、バナジ
ウム系合金、カルシウム系合金等の水素吸蔵合金が挙げ
られる。また、カーボンナノチューブ等の水素吸蔵材料
も利用できる。吸蔵の際には、冷却水等で水素吸蔵材料
を１０〜２０℃に冷却する。一方、放出時には５０〜１
００℃に加熱する。この時の加熱媒体として、前述の燃
焼オフガスが好適に利用できる。この加熱により、吸蔵
材料から水素を放出させるのみでなく、加圧もできるの
で、コンプレッサー等の加圧装置を別途設ける必要はな
い。このように加熱・冷却操作を繰り返すため、水素吸
蔵材料を複数系列備えた水素吸蔵ユニットを使用するこ
とにより効率的に水素吸蔵・放出ができる。例えば３系
列を備えることにより、図２〜図１０に示すサイクルに
より、連続的、且つ効率的に水素吸蔵・放出ができる。
せた後、放出させる。水素吸蔵材料には、純水素のみが
吸蔵されるので、この吸蔵・放出により、水素ガスの更
なる精製ができる。また、水素分離膜が破損した場合で
も、製品水素ガスへの影響を極小にできる。本発明で用
いる水素吸蔵材料としては、希土類系合金、チタン系合
金、ジルコニウム系合金、マグネシウム系合金、バナジ
ウム系合金、カルシウム系合金等の水素吸蔵合金が挙げ
られる。また、カーボンナノチューブ等の水素吸蔵材料
も利用できる。吸蔵の際には、冷却水等で水素吸蔵材料
を１０〜２０℃に冷却する。一方、放出時には５０〜１
００℃に加熱する。この時の加熱媒体として、前述の燃
焼オフガスが好適に利用できる。この加熱により、吸蔵
材料から水素を放出させるのみでなく、加圧もできるの
で、コンプレッサー等の加圧装置を別途設ける必要はな
い。このように加熱・冷却操作を繰り返すため、水素吸
蔵材料を複数系列備えた水素吸蔵ユニットを使用するこ
とにより効率的に水素吸蔵・放出ができる。例えば３系
列を備えることにより、図２〜図１０に示すサイクルに
より、連続的、且つ効率的に水素吸蔵・放出ができる。
【００１２】
【実施例】次に実施例により本発明を更に具体的に説明
する。但し本発明はこの実施例により制限されるもので
はない。
する。但し本発明はこの実施例により制限されるもので
はない。
【００１３】実施例１ 図１の構成の水素製造設備を使用した。５８重量％メタ
ノール水溶液を約３００℃に維持した蒸発器に１３．３
ｋｇ／Ｈｒで供給し、メタノール・水を加熱蒸発させ、
約３００℃に維持した改質器でメタノール改質反応を行
った。反応生成ガスを約４００℃に維持したＰｄ膜に接
触させ、透過した水素ガスを希土類系水素吸蔵合金で吸
蔵・放出した。この時、水素吸蔵合金部は１０℃（吸
蔵）〜８０℃（放出）で制御した。Ｐｄ膜出口にて、圧
力０．０１ＭＰａＧ、純度９９．９９９容積％以上の水
素ガスが１０．２Ｎｍ3／Ｈｒで得られた。また、水素
吸蔵合金部出口にて、圧力０．９ＭＰａＧ、純度９９．
９９９９容積％以上の水素ガスが１０．０Ｎｍ3／Ｈｒ
で得られた。
ノール水溶液を約３００℃に維持した蒸発器に１３．３
ｋｇ／Ｈｒで供給し、メタノール・水を加熱蒸発させ、
約３００℃に維持した改質器でメタノール改質反応を行
った。反応生成ガスを約４００℃に維持したＰｄ膜に接
触させ、透過した水素ガスを希土類系水素吸蔵合金で吸
蔵・放出した。この時、水素吸蔵合金部は１０℃（吸
蔵）〜８０℃（放出）で制御した。Ｐｄ膜出口にて、圧
力０．０１ＭＰａＧ、純度９９．９９９容積％以上の水
素ガスが１０．２Ｎｍ3／Ｈｒで得られた。また、水素
吸蔵合金部出口にて、圧力０．９ＭＰａＧ、純度９９．
９９９９容積％以上の水素ガスが１０．０Ｎｍ3／Ｈｒ
で得られた。
【００１４】
【発明の効果】本発明の水素製造設備を使用することに
より、高純度の水素を効率的に得ることができる。従っ
て、本発明の工業的意義は大きい。
より、高純度の水素を効率的に得ることができる。従っ
て、本発明の工業的意義は大きい。
【図１】本発明の高純度水素製造設備の構成例である。
【図２】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図３】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図４】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図５】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図６】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図７】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図８】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図９】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一例
である。
である。
【図１０】本発明の水素吸蔵ユニット操作サイクルの一
例である。
例である。
Claims (4)
- 【請求項１】触媒存在下、メタノールの改質反応により
水素を製造する水素製造設備であって、原料であるメタ
ノール水溶液を加熱・蒸発させる蒸発器、蒸発したメタ
ノール・水を触媒と接触させ、改質反応を行う改質器、
反応生成ガスを接触させ水素を分離する水素分離膜を有
する水素分離器、および分離した水素を吸蔵後、放出さ
せて高純度水素を得る水素吸蔵材料を有する水素吸蔵ユ
ニットを含むことを特徴とする高純度水素製造設備。 - 【請求項２】水素分離膜がＰｄまたはＰｄ合金の水素透
過性金属膜である請求項１に記載の高純度水素製造設
備。 - 【請求項３】水素分離器で水素を分離した後のオフガス
を触媒燃焼し、設備内で熱利用する請求項１に記載の高
純度水素製造設備。 - 【請求項４】水素吸蔵ユニットが、少なくとも３系列の
水素吸蔵材料を有するものである請求項１に記載の高純
度水素製造設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001152011A JP2002338204A (ja) | 2001-05-22 | 2001-05-22 | 高純度水素製造設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001152011A JP2002338204A (ja) | 2001-05-22 | 2001-05-22 | 高純度水素製造設備 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002338204A true JP2002338204A (ja) | 2002-11-27 |
Family
ID=18996750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001152011A Pending JP2002338204A (ja) | 2001-05-22 | 2001-05-22 | 高純度水素製造設備 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002338204A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012254900A (ja) * | 2011-06-09 | 2012-12-27 | Kobe Steel Ltd | 高純度水素精製方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62170728A (ja) * | 1986-01-23 | 1987-07-27 | Hiroshige Konno | 環状形内燃機関 |
| JPS6340703A (ja) * | 1986-08-04 | 1988-02-22 | Japan Steel Works Ltd:The | 水素ガスの精製方法 |
| JPH04121973A (ja) * | 1990-09-11 | 1992-04-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 改質器及びプロトン導電型燃料電池 |
| JPH07330304A (ja) * | 1994-06-08 | 1995-12-19 | Ngk Insulators Ltd | 改質ガスのｃｏ除去方法 |
| JPH10139401A (ja) * | 1996-11-07 | 1998-05-26 | Toyota Motor Corp | 水素製造充填装置および電気自動車 |
| JP2000351607A (ja) * | 1999-06-09 | 2000-12-19 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 水素製造装置 |
-
2001
- 2001-05-22 JP JP2001152011A patent/JP2002338204A/ja active Pending
Patent Citations (6)
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