JP2003128401A

JP2003128401A - 水素発生装置とその運転方法

Info

Publication number: JP2003128401A
Application number: JP2001321805A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nishigaki; 英雄西垣
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】改質系に加熱窒素ガスを循環させることなし
に改質器の待機運転を可能とし、起動時間の短縮を図っ
た水素発生装置とその運転方法を提供する。【解決手段】バーナを備える改質器１と、改質ガス圧
縮機５０と、ＰＳＡ５と、原燃料ガス供給ライン１４お
よびスチーム供給ライン１２と、前記各ライン上に設け
た原燃料ガス流量制御弁１６およびスチーム流量制御弁
１３と、前記改質器と改質ガス圧縮機との間に設けた改
質ガス遮断弁４０と、改質器から改質ガス遮断弁に至る
配管の途中から分岐させて前記バーナに改質ガスを供給
するバイパス配管４２と、このバイパス配管上に設けた
バイパス遮断弁４４（もしくはバイパス流量制御弁）と
を備えるものとし、水素発生装置の運転停止に際し、前
記圧縮機とＰＳＡ５の運転を停止した後、改質器１で発
生する水素リッチなガスを前記バーナで燃焼させること
により、改質器１の待機運転を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、天然ガス，ＬＮ
Ｇ，ＬＰＧ，メタノールなどの炭化水素を主成分とする
原燃料ガスと水蒸気（スチーム）とから、水素を製造す
る水素発生装置ならびにその運転方法、特に改質器の待
機運転の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】雰囲気ガスとして水素を用いる工業用装
置や燃料電池発電プラントなどにおいては、水素発生装
置が必要である。従来、水素発生装置の一つとして、天
然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの原料ガスを
水蒸気とともに触媒層を通過させることにより水素リッ
チな改質ガスを生成する改質器と、改質ガスから水素を
分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）とで構成
した水素発生装置が採用されている。

【０００３】図５は、上記従来の水素発生装置の概略シ
ステム系統図を示すものである。装置の構成および動作
について、以下に述べる。水素発生装置は、まず触媒層
を有する改質管１ｂとバーナ１ａとを備えた改質器１
と、改質ガスから水素を分離精製するＰＳＡ５と、ＰＳ
Ａ５において水素を分離除去処理した後のまだ水素を含
む残ガスを前記改質器のバーナ１ａに供給するための残
ガス供給配管６を備える。

【０００４】改質原料ガスは水蒸気とともに、改質原料
ガス導入配管９から改質器１の触媒層に導入され、触媒
による改質反応によって水素リッチなガスに改質され、
ＣＯ変成器１０を経て、図示しない圧縮機により圧縮さ
れた後、ＰＳＡ５により精製され、水素濃度が高められ
る。圧縮機により、通常、０．６〜０．９ＭＰａ（Ｇ）
程度に加圧される。

【０００５】前記改質反応は吸熱反応のため、外部から
熱を供給する必要があり、そのために、バーナの燃焼排
ガスが加熱媒体として利用される。このバーナの燃焼燃
料としては、主に、前記したＰＳＡ５において水素を分
離除去処理した後のまだ水素を含む残ガスが用いられ、
流量制御弁８を介して残ガスが、ＰＳＡ５からバーナ１
ａに供給される。残ガスのみでは、熱量が不十分の場合
には、補助燃料をバーナ用補助燃料配管７から供給して
燃焼させる。また、必要に応じ、改質ガスの一部を燃焼
ガスとして用いる場合もある。バーナ１ａには、空気供
給配管１１から燃焼用空気が供給される。

【０００６】次に、水蒸気および原燃料供給系統につい
て述べる。水蒸気分離器２で気液分離された蒸気は、ス
チーム供給ライン１２に設けたスチーム流量制御弁１３
およびスチーム流量計（または圧力計）２３を経て、エ
ゼクタ４に導入され、原燃料ガス供給ライン１４から天
然ガスなどの原燃料（ガス）を前記水蒸気流のエゼクタ
吸引力により吸引して、原燃料ガスと水蒸気の混合物を
改質器１に導入する。原燃料は改質器における改質反応
により水素リッチなガスに改質される。

【０００７】前記水蒸気分離器２内の水は、ポンプ３２
により水加熱器３１に送られ、加熱により発生したスチ
ームは水蒸気分離器に還流され、これらの循環回路全体
で水蒸気発生装置が構成される。水蒸気分離器２の下方
からは、水供給源３５から補給水が供給され、水加熱器
３１には、蒸気供給源３６から水加熱用の蒸気が供給さ
れる。この蒸気供給経路には、蒸気流量制御弁３３が設
けられ、水蒸気分離器内の圧力が略一定となるように蒸
気流量が調節される。

【０００８】原燃料ガス供給ライン１４は、原燃料供給
源１５とエゼクタ４との間に、原燃料ガス流量計２６、
原燃料ガス流量制御弁１６および脱硫器１７を有し、原
燃料ガス流量制御弁１６により水素負荷に応じて燃料ガ
ス供給量が調節される。都市ガスなどの原燃料は腐臭剤
としてイオウ成分を含んでいるので、これを除去するた
めに、脱硫器１７が設けられている。

【０００９】原燃料ガスの一部は、原燃料ガス供給ライ
ン１４から分岐して、前述のようにバーナ用補助燃料配
管７から改質器用バーナ１ａに供給される。

【００１０】ところで、前述のように、原燃料ガス流量
制御弁１６により水素負荷に応じて燃料ガス供給量が調
節されるが、原燃料ガスを増減するときは、スチーム流
量も増減する必要がある。スチ−ム流量は、原燃料ガス
組成によって予め設定したＳ／Ｃ（原燃料ガス中の炭素
原子に対するスチームのモル数比）となるように決めら
れる。図５における調節器２０は、予め設定したＳ／Ｃ
となるように、要求水素負荷に応じて、前記原燃料ガス
流量制御弁１６およびスチーム流量制御弁１３の開度を
調節する機能を有する。なお、上記Ｓ／Ｃは通常、都市
ガスやＬＰＧの場合には２．５〜４．０、メタノールの
場合には１．３〜２．０程度の範囲に設定される。

【００１１】図３は、前記図５に示したシステム系統図
を、この発明の説明の便宜上、簡略化して示した図で、
図５に示す部材と同一機能部材には、同一番号を付し
て、詳細説明を省略する。図３に基づき、改質器の待機
運転や図５で説明しなかったシステム上の補足事項等に
つき、以下に述べる。

【００１２】図３において、改質用水蒸気の発生系統
は、単に蒸気源３０として示し、改質ガス圧縮機５０を
追加して示す。図３においては、改質器1をほぼ大気圧
で運転し、ＰＳＡ５に投入する改質ガスを、改質ガス圧
縮機５０で加圧する方式を記載したが、原燃料を加圧し
て高圧の水蒸気とともに改質器1に供給し、改質器1を加
圧状態で運転する方式としても良い。この場合には改質
ガス圧縮機５０は不要になるが、原燃料を加圧する手段
が必要となる。

【００１３】改質ガス圧縮機５０で加圧された改質ガス
をＰＳＡ５に供給するが、このＰＳＡ５においては、複
数の容器に活性炭やゼオライト等の吸着剤を充填し、圧
力を変動させることで、特定のガス種を吸着分離する。
ＰＳＡ５においては、その運転条件,性能によって違いは
あるが、投入された水素に対して概略６５〜７５％が分
離精製されて利用される。残余の水素および他の成分は
下流に排出される。下流に排出される残余のガスは水素,
メタン,一酸化炭素の可燃成分を多量に含んでいる。

【００１４】一方、改質器1における水蒸気改質反応は吸
熱反応であり、その熱源としてこれら吸着残余のガス
を、前述のようにバーナー１ａで燃焼させて用いる。本
発明の対象とする待機運転は、改質ガス圧縮機５０およ
びＰＳＡ５が停止していて、改質器１のみを運転してい
る状態であり、その燃焼燃料にＰＳＡからの戻りガスを
使用しないので、図５に示した戻りガス配管系統は、図
３においては、記載を省略している。

【００１５】次に、待機運転について述べる。前記図３
に示すような従来装置は、通常、待機運転は不可能であ
り、夜間や週末等の水素需要がなくなる場合には、改質
器１，改質ガス圧縮機５０およびＰＳＡ５を含む水素発
生装置全体を停止させるのが一般的である。しかしなが
ら、比較的大容量の水素発生装置の場合には、改質器用
のバーナ１ａで原燃料を燃焼させて、その燃焼熱を熱源
として、改質管１ｂの系統に窒素ガスを循環させて改質
器１を高温に保つ待機運転を行なっていた。

【００１６】図４は、上記のような待機運転を行なう従
来の水素発生装置のシステム系統図を示し、図４におけ
る図３と同一部材には、同一番号を付してある。図４に
おいて、改質ガス遮断弁４０を閉じて改質器１と改質ガ
ス圧縮機５０との間を遮断し、改質ガスのパイパス遮断
弁４４ａを開く。この状態で、不活性ガスとしての窒素
ガスは、図示しない窒素ガス供給源からパイパス系に導
入され、循環ブロワ４６によって改質管系を循環する。
また、原燃料を改質器バーナ１ａで燃焼させて改質器反
応管１ｂを加熱し、その中を通流する窒素ガスを加熱す
ることにより、改質器１を高温に保持する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記図３または図４に
示すような従来の水素発生装置においては、下記のよう
な問題があった。

【００１８】前記改質器における改質反応温度は、原燃
料の種類に応じた最適温度がある。例えば、メタンを主
成分とする都市ガス（１３Ａ）やプロパンを主成分とす
るＬＰＧの場合は、その最適温度は７００〜８００℃で
あり、メタノールの場合は、２５０〜３００℃である。

【００１９】そこで、図３の装置のように、一時的に改
質装置を停止した場合、高温の改質反応温度まで昇温さ
せるのに時間を要し、再起動に３〜４時間を要する問題
があった。また、起動停止を繰り返した場合、改質器の
反応管に使用されている耐熱材料の、熱応力による金属
疲労が進行し、耐熱材料の寿命が小となり、改質器の耐
用年数を減ずる問題があった。

【００２０】さらに、大容量の水素発生装置において主
に採用されていた前記図４の装置のように、改質系に窒
素ガスを循環させながら改質器バーナの燃焼熱により改
質系を高温に保持する方式の場合には、窒素ガスを循環
させる配管系統およびブロワが必要となり、また、この
方式の場合、改質系内の窒素ガスを一旦水素リッチなガ
スに置換した後でなければ、改質ガスをＰＳＡに導入す
ることができないので、高純度水素を供給できるまでの
準備時間が必要となる問題があった。

【００２１】この発明は、これらの問題点を解消するた
めになされたもので、この発明の課題は、改質系に加熱
窒素ガスを循環させることなしに改質器の待機運転を可
能とし、起動時間の短縮を図った水素発生装置とその運
転方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明においては、天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，
メタノールなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガス
を、触媒の存在下で水蒸気（スチーム）により水素リッ
チなガスに改質する、バーナを備える改質器と、この改
質ガスを加圧する圧縮機と、加圧改質ガスから水素を分
離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、前記改
質器に原燃料ガスおよび水蒸気を供給する原燃料ガス供
給ラインおよびスチーム供給ラインと、前記各ラインに
設けた原燃料ガス流量制御弁およびスチーム流量制御弁
とを備える水素発生装置の運転方法において、水素発生
装置の運転停止に際し、前記圧縮機とＰＳＡの運転を停
止した後、前記改質器で発生する水素リッチなガスを前
記バーナで燃焼させることにより、改質器の待機運転を
行う（請求項１の発明）。

【００２３】上記により、改質系に加熱窒素ガスを循環
させることなしに、改質器で発生する水素リッチなガス
のバーナにおける燃焼によって、改質器の温度保持が可
能となり、水素発生装置の再起動の際の立ち上げ時間を
短縮できる。

【００２４】前記請求項１の発明の実施態様としては、
下記が好適である。即ち、請求項１に記載の運転方法に
おいて、前記待機運転中の改質器は、原燃料ガス流量お
よびスチーム流量を、改質器の運転温度を所定の温度に
維持する最少限の流量に制御して運転する（請求項２の
発明）。これにより、省エネ運転が可能となり経済的な
待機運転ができる。

【００２５】さらに、後に詳述するように、待機運転中
の圧力変動を防止し、振動や騒音を抑制した安全な待機
運転を行なう観点から、下記請求構３の発明が好まし
い。即ち、請求項２に記載の運転方法において、前記待
機運転中の改質器出口圧力を所定の変動範囲に維持する
ように、前記バーナで燃焼させる水素リッチなガス流量
を制御して運転する。

【００２６】また、前記運転方法を実施するための装置
としては、下記請求項４ないし５の発明が好ましい。即
ち、請求項１に記載の運転方法を実施するための水素発
生装置であって、バーナを備える改質器と、改質ガス圧
縮機と、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、原燃料ガ
ス供給ラインおよびスチーム供給ラインと、前記各ライ
ン上に設けた原燃料ガス流量制御弁およびスチーム流量
制御弁と、前記改質器と改質ガス圧縮機との間に設けた
改質ガス遮断弁と、改質器から改質ガス遮断弁に至る配
管の途中から分岐させて前記バーナに改質ガスを供給す
るバイパス配管と、このバイパス配管上に設けたバイパ
ス遮断弁とを備えるものとする（請求項４の発明）。

【００２７】さらに、請求項４に記載の水素発生装置に
おいて、前記バイパス遮断弁に代えて、バイパス流量制
御弁を備えるものとする（請求項５の発明）。

【００２８】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下にのべる。

【００２９】図１および図２は、この発明に関わる水素
発生装置のそれぞれ異なる実施例を示す概略システム系
統図で、図３および図４に示す系統図と同一機能部材に
は同一番号を付して説明を省略する。

【００３０】図１と図３の相違点は、図１においては、
改質器１と改質ガス圧縮機５０との間に改質ガス遮断弁
４０を設け、改質器１から改質ガス遮断弁４０に至る配
管の途中から分岐させてバーナ１ａに改質ガスを供給す
るバイパス配管４２を設け、このバイパス配管４２上に
バイパス遮断弁４４を設けた点である。

【００３１】また、図２と図１の相違点は、図２におい
ては、図１のバイパス遮断弁４４に代えて、バイパス流
量制御弁４８とバイパス流量計４７とを設けた点であ
る。

【００３２】図１および図２の待機運転は、それぞれ以
下のように行なわれる。

【００３３】まず、図１に示すシステムの待機運転にお
いては、改質ガス遮断弁４０を閉じ、製造した改質ガス
は、改質ガス圧縮機５０に導入せずに、バイパス遮断弁
４４を介して改質器バーナ１ａに投入し、空気ブロワか
ら供給される空気とともに燃焼させて、改質反応に必要
な熱エネルギーを供給する。待機運転で改質器１に供給
される原燃料ガスおよび水蒸気の量は、改質器の運転温
度を所定の温度に維持する最少限の流量とする。

【００３４】なお、図１においては、前記改質器の運転
温度を検出する温度センサや、この温度センサの出力な
いし原燃料ガス流量およびスチーム流量の計測値に基づ
き前記各流量制御弁を制御する制御装置等の図示を省略
している。

【００３５】次に、図２示すシステムの待機運転につい
て述べる。図２においては、図１とは異なり、改質ガス
のバイパス経路にはバイパス流量調節弁４８とバイパス
流量計４７とが設けられ、待機運転の際、改質器バーナ
１ａに供給して燃焼させる改質ガス流量を調節すること
を可能にしている。

【００３６】改質用として投入される原燃料ガスおよび
水蒸気から生成する改質ガス量と、バイパス流量計４７
で計測してバイパス流量調節弁４８に設定される流量と
の間には、誤差があり、その結果として経時的に改質系
の圧力が上昇あるいは降下するという問題が生じる。

【００３７】上記圧力変動が生ずることは、システムの
安全運転上好ましくなく、この問題を解消するために、
改質器の下流からパイパス配管系統を分岐させる部位
に、図示しない圧力計を設け、待機運転における圧力の
設定値に対して、圧力が上昇した場合には改質用原燃料
ガス流量および水蒸気流量を減少させ、逆に圧力が設定
値に対して低下した場合には、改質用原燃料ガス流量お
よび水蒸気流量を増加させることで、改質系の圧力を一
定に保つように制御する。

【００３８】上記図１または図２に示す実施例によれ
ば、遮断弁あるいは調節弁と流量計という簡素な機器の
追加によって、水素製造装置の待機運転が可能となり、
装置の再起動においては、短時間で水素を供給開始可能
となる。例えば、都市ガス（１３Ａ）を燃料とする水素
製造装置により比較実験した結果によれば、装置全体を
停止させ一晩放置した後、翌朝、起動させる場合に、水素
を送出できるまでに要する時間は、従来３〜４時間を要
したのに対して、本発明による待機運転を採用した場合
には、水素を送出できるまでの時間は約２０分となり、大
幅な時間短縮が可能となることが確認された。

【００３９】

【発明の効果】上記のとおり、この発明の水素発生装置
は、バーナを備える改質器と、改質ガス圧縮機と、圧力
スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、原燃料ガス供給ライン
およびスチーム供給ラインと、前記各ライン上に設けた
原燃料ガス流量制御弁およびスチーム流量制御弁と、前
記改質器と改質ガス圧縮機との間に設けた改質ガス遮断
弁と、改質器から改質ガス遮断弁に至る配管の途中から
分岐させて前記バーナに改質ガスを供給するバイパス配
管と、このバイパス配管上に設けたバイパス遮断弁もし
くはバイパス流量制御弁とを備えるものとし、水素発生
装置の運転停止に際し、前記圧縮機とＰＳＡの運転を停
止した後、前記改質器で発生する水素リッチなガスを前
記バーナで燃焼させることにより、改質器の待機運転を
行うこととしたので、改質系に加熱窒素ガスを循環させ
ることなしに改質器の待機運転を可能とし、従来に比較
して、起動時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わる水素発生装置の概略
システム系統図

【図２】この発明の図１とは異なる実施例に関わる水素
発生装置の概略システム系統図

【図３】従来の水素発生装置の概略システム系統図

【図４】従来の図３とは異なる水素発生装置の概略シス
テム系統図

【図５】従来の水素発生装置の一例のシステム系統図

【符号の説明】

１：改質器、１ａ：バーナ、１ｂ：改質管、５：圧力ス
イング吸着装置（ＰＳＡ）、１２：スチーム供給ライ
ン、１３：スチーム流量制御弁、１４：原燃料ガス供給
ライン、１６：原燃料ガス流量制御弁、３０：蒸気源、
４０：改質ガス遮断弁、４２：バイパス配管、４４：バ
イパス遮断弁、４８：バイパス流量制御弁、５０：改質
ガス圧縮機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノール
などの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを、触媒の存
在下で水蒸気（スチーム）により水素リッチなガスに改
質する、バーナを備える改質器と、この改質ガスを加圧
する圧縮機と、加圧改質ガスから水素を分離精製する圧
力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、前記改質器に原燃料
ガスおよび水蒸気を供給する原燃料ガス供給ラインおよ
びスチーム供給ラインと、前記各ラインに設けた原燃料
ガス流量制御弁およびスチーム流量制御弁とを備える水
素発生装置の運転方法において、水素発生装置の運転停
止に際し、前記圧縮機とＰＳＡの運転を停止した後、前
記改質器で発生する水素リッチなガスを前記バーナで燃
焼させることにより、改質器の待機運転を行うことを特
徴とする水素発生装置の運転方法。
【請求項２】請求項１に記載の運転方法において、前
記待機運転中の改質器は、原燃料ガス流量およびスチー
ム流量を、改質器の運転温度を所定の温度に維持する最
少限の流量に制御して運転することを特徴とする水素発
生装置の運転方法。
【請求項３】請求項２に記載の運転方法において、前
記待機運転中の改質器出口圧力を所定の変動範囲に維持
するように、前記バーナで燃焼させる水素リッチなガス
流量を制御して運転することを特徴とする水素発生装置
の運転方法。
【請求項４】請求項１に記載の運転方法を実施するた
めの水素発生装置であって、バーナを備える改質器と、
改質ガス圧縮機と、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）
と、原燃料ガス供給ラインおよびスチーム供給ライン
と、前記各ライン上に設けた原燃料ガス流量制御弁およ
びスチーム流量制御弁と、前記改質器と改質ガス圧縮機
との間に設けた改質ガス遮断弁と、改質器から改質ガス
遮断弁に至る配管の途中から分岐させて前記バーナに改
質ガスを供給するバイパス配管と、このバイパス配管上
に設けたバイパス遮断弁とを備えることを特徴とする水
素発生装置。
【請求項５】請求項４に記載の水素発生装置におい
て、前記バイパス遮断弁に代えて、バイパス流量制御弁
を備えることを特徴とする水素発生装置。