JP2006083018A

JP2006083018A - 水素製造装置

Info

Publication number: JP2006083018A
Application number: JP2004269880A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kodama; 裕児玉; Hisashi Karasutani; 尚志烏谷
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】一旦停止された水素供給を再開するとき、新たな圧縮機を設けることなしに、短時間で、水素供給を再開する。
【解決手段】原料ガスを圧縮するガス圧縮機２と、ガス圧縮機２で圧縮された原料ガスを改質する水蒸気改質器７と、水蒸気改質器７に接続された水素精製装置１２と、水素精製装置１２に接続された生成水素配管１３に介装された遠隔操作弁１８と、原料ガス配管６と水蒸気改質器７のバーナ８を接続するバーナ燃料ライン３に介装された遠隔操作弁１９と、遠隔操作弁１８よりも上流側の生成水素配管１３に遠隔操作弁１７を介装した燃焼ガス配管１５で接続された燃焼器１６と、遠隔操作弁１８よりも上流側の生成水素配管１３と遠隔操作弁１９よりも下流側のバーナ燃料ライン３を接続する遠隔操作弁３１を介装したバーナ行水素配管３０と、を含んで水素製造装置を構成し、前記各遠隔操作弁を、水素供給先からの供給要求に基づいて開閉制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素に富んだ改質ガスを生成する水素製造装置に係り、特に燃料電池車等に水素を充填する高圧水素充填設備へ水素を供給するのに適した水素製造装置に関する。

従来、炭化系水素系燃料を原料とし、触媒を用いた水蒸気改質によって水素を製造する水素製造装置が知られている。このような水素製造装置では、製造した水素を例えば高圧水素充填設備などの供給先に供給するが、水素供給先の都合で一時的に水素の供給を中断する場合、例えば高圧水素充填設備側でタンクが一杯になったとき、水素の供給を一時停止せざるを得ない。しかし、このような場合、水素製造設備を完全に停止してしまうと、再起動して安定に水素を製造できる状態に触媒層の温度条件を回復するまでに非常に時間がかかるため、供給先から水素供給の再開を要求されたとき、供給が追いつかなくなるおそれがある。そこで、水素製造装置は、短時間で水素の供給を再開できるように、待機運転を行って水素の製造を継続し、製造した水素は燃焼器で燃焼処分することが考えられるが、この方法では、待機運転中の原料ガスや、触媒層を加熱するバーナの燃料が無駄になる。この点、特許文献１に、待機運転に際し、生成した改質ガスを触媒層を加熱するバーナの燃料に利用する方法が提案されている。特許文献１に記載された水素発生装置は、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により水素リッチなガスに改質する内部に触媒層昇温のためのバーナを備えた改質器と、この改質ガスを加圧する改質ガス圧縮機と、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と、前記改質器に原燃料ガス及び水蒸気を供給する原燃料ガス供給ライン及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及びスチーム流量制御弁とを備えて構成されている。

改質器に供給される原燃料ガス、例えば都市ガスには、移送途中の原燃料ガス供給ラインにおいて、スチーム供給ラインで供給される水蒸気が合流混合される。改質器に導入された原燃料ガスおよび水蒸気は、改質器に内蔵された触媒層でバーナ燃焼ガスにより昇温され、水素を多く含む改質ガスを発生する。この改質ガスには不純物が含まれるため、改質ガス圧縮機で加圧、圧縮されたのち、圧力スイング吸着装置に導入され、純度を高められる。精製され純度を高められた水素は水素製造設備に接続された供給先、例えば高圧水素充填設備に移送される。高圧水素充填設備では、水素は４０ＭＰａ程度の高圧でタンク内に貯蔵され、ディスペンサにより燃料電池車等に供給される。

水素供給先の都合で一時的に水素の供給を中断する場合、例えば高圧水素充填設備側でタンクが一杯になって水素受入ができなくなった場合、改質ガス圧縮機と圧力スイング吸着装置は運転を停止するが、改質器については、供給の再開を求められたときに短時間で供給を再開できるように、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、触媒層の温度を改質反応温度に維持する待機運転を行うようになっている。

このため、改質器から改質ガス圧縮機に改質ガスを導く配管に改質ガス遮断弁を設けるとともに、改質ガス遮断弁と改質器の間の前記配管に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を設け、このバイパス配管にバイパス遮断弁を設けてある。そして、待機運転に際しては、原燃料ガス流量及びスチーム流量を、改質器の運転温度、すなわち触媒層の温度を所定の温度に維持する最小限の流量に制御するようになっている。

特開２００３−１２８４０１号公報（第４頁、図１、図４）

上記特許文献１記載の技術では、水素の供給を停止する際に、改質器と改質器下流側に配置された改質ガス圧縮機を接続する配管に介装された改質ガス遮断弁を閉止し、改質ガスを改質器のバーナに送り込んでバーナの燃料にする構成である。しかし、前記改質ガス遮断弁を閉止すると、改質ガスを改質器のバーナに送り込む駆動力が確保できない。即ち、改質ガス圧縮機は改質ガス遮断弁の下流側に設けられており、改質ガス遮断弁が閉止された状態で改質ガス遮断弁の上流側からバーナに供給されるガスは、改質ガス圧縮機で加圧されていない。したがって、バイパス配管に圧縮機を設け、改質ガスを加圧して、バーナに送り込む駆動力を付与する必要がある。

また、上記特許文献１記載の技術では、改質器から出た改質ガスを圧力スイング吸着装置、すなわち水素精製装置を通過させることなく、改質器のバーナへ供給する構成である。水素精製装置を通っていない改質ガスには水分を含んでおり、改質器のバーナで燃焼し難い傾向にある。

本発明の課題は、水素供給が一旦停止されたのち供給を再開するとき、短時間で、かつ、新たな圧縮機を設けることなしに、水素供給を再開できるようにすることである。

上記課題は、原料ガスを圧縮するガス圧縮機と、バーナを備え、前記ガス圧縮機出側に原料ガス配管で接続された水蒸気改質器と、前記水蒸気改質器出側に生成ガス配管で接続された水素精製装置と、前記水素精製装置出側に接続され、水素精製装置で精製された水素ガスが導出される生成水素配管と、前記生成水素配管に介装された第１の遠隔操作弁と、前記原料ガス配管と前記バーナを接続するバーナ燃料ラインと、前記バーナ燃料ラインに介装された第２の遠隔操作弁と、前記第１の遠隔操作弁よりも上流側の前記生成水素配管に燃焼ガス配管で接続された燃焼器と、前記燃焼ガス配管に介装された第３の遠隔操作弁と、前記第１の遠隔操作弁よりも上流側の生成水素配管と前記第２の遠隔操作弁よりも下流側の前記バーナ燃料ラインを接続するバーナ行水素配管と、前記バーナ行水素配管に介装された第４の遠隔操作弁と、を含んで構成され、前記第１、第２、第３、及び第４の遠隔操作弁は、水素供給先から出力される水素供給指令信号及び水素供給停止指令信号に基づいて開閉制御されるものである水素製造装置により、達成される。

少なくとも前記第２の遠隔操作弁は開度制御可能に構成されていることが望ましい。

上記構成の水素製造装置は、生成した水素を消費者あるいは貯蔵設備に供給するものであり、供給先、例えば高圧水素充填設備から水素供給停止指令がでたら、第１、第２、第４の遠隔操作弁の開閉状態を予め設定された開閉状態に変化させ、水蒸気改質器で生成し高圧水素充填設備側に移送していた水素を、水蒸気改質器バーナで燃焼する。生成した水素を高圧水素充填設備に供給しているときにバーナ燃料としてバーナに供給されていた燃料ガス、例えば都市ガス量は、バーナへの水素供給に伴い、低減される。

水蒸気改質器に供給する水素生成用原料ガス量を、水素を消費者あるいは貯蔵設備に供給する供給指令が出たら短時間で供給を開始するのに最低限必要な状態に水蒸気改質器を維持しておくだけの水素生成用原料ガス量まで低減した待機運転にすることにより、供給先に水素を供給しない期間の原料ガス消費量を低減することができる。

また、水蒸気改質器に供給する原料ガスは、ガス圧縮機で圧縮され加圧されているから、待機運転時に、水素精製装置を出た生成水素を水蒸気改質器のバーナに供給する駆動力が得られる。

さらに、待機運転時に水蒸気改質器のバーナに供給されるのは、水素精製装置を出た生成水素であるから、水分が除去されたものであり、バーナでの安定した燃焼が可能である。

本発明によれば、水素供給が一旦停止されたのち供給を再開するとき、短時間で、かつ、新たな圧縮機を設けることなしに、水素供給を再開できる。また、待機運転状態における改質器バーナの燃焼が不安定になることもない。

本発明の実施の形態に係る水素製造装置を、図１を参照して説明する。図示の水素製造装置は、原料ガスとなる都市ガスを圧縮するガス圧縮機２と、ガス圧縮機２の吸い込み側に接続されて都市ガスを供給する都市ガス配管１と、バーナ８を備え、ガス圧縮機２出側に原料ガス配管６で接続された水蒸気改質器７と、水蒸気改質器７出側に生成ガス配管１１で接続された水素精製装置（ＣＯ転化器を含む）１２と、水素精製装置１２出側に接続され、水素精製装置１２で精製された水素ガスが導出される生成水素配管１３と、生成水素配管１３に介装された第１の遠隔操作弁１８と、前記原料ガス配管６に水蒸気配管５で接続されたボイラ４と、水蒸気配管５の接続位置よりも上流側の原料ガス配管６と前記バーナ８を接続するバーナ燃料ライン３と、バーナ燃料ライン３に介装された第２の遠隔操作弁１９と、前記バーナ８に空気配管１０で接続されたブロワ９と、前記遠隔操作弁１８よりも上流側の生成水素配管１３に燃焼ガス配管１５で接続された燃焼器１６と、前記燃焼ガス配管１５に介装された第３の遠隔操作弁１７と、前記燃焼ガス配管１５の接続位置よりも上流側の生成水素配管１３と前記遠隔操作弁１９よりも下流側のバーナ燃料ライン３を接続するバーナ行水素配管３０と、バーナ行水素配管３０に介装された第４の遠隔操作弁３１と、を含んで構成されている。

なお、本実施の形態では、原料ガスとして都市ガスを使用するが、炭化水素系ガスであれば、必ずしも都市ガスに限られるものではない。

前記生成水素配管１３の下流端は高圧水素充填設備１４に接続され、前記第１の遠隔操作弁１８，第２の遠隔操作弁１９，第３の遠隔操作弁１７，第４の遠隔操作弁３１は、高圧水素充填設備１４から出力される信号により開度制御されるようになっている。なお、第１の遠隔操作弁１８，第３の遠隔操作弁１７，第４の遠隔操作弁３１は、全閉或いは全開の状態で運用されるから、必ずしも開度調整可能なものでなくともよい。但し、第２の遠隔操作弁１９は、待機運転時に中間開度で運用されるから、開度調整可能なものとする。

高圧水素充填設備１４へ水素供給する際、すなわち、高圧水素充填設備１４から水素供給指令を示す信号が出力されているときは、第１の遠隔操作弁１８が開、第３の遠隔操作弁１７が閉、第４の遠隔操作弁３１が閉、第２の遠隔操作弁１９が開状態にある。高圧水素充填設備１４から供給停止指令を示す信号が出されると、第４の遠隔操作弁３１が全開され、第１の遠隔操作弁１８が全閉される。第４の遠隔操作弁３１を通過した水素による燃焼によりバーナ燃料が過剰になるため、第２の遠隔操作弁１９が開度調整されてバーナ８に供給される都市ガス量が低減される。

この状態で待機運転が行われ、高圧水素充填設備１４から供給指令が出たら、第４の遠隔操作弁３１が全閉されるとともに第３の遠隔操作弁１７が開かれ、水素精製装置１２から送り出される水素は燃焼器１６へ排出される。同時に第２の遠隔操作弁１９の開度が１００％所定量に戻され、水素精製装置１２出口の水素純度が所定の純度に達したら、第１の遠隔操作弁１８が開かれて第３の遠隔操作弁１７が全閉され、水素精製装置１２から送り出される水素は高圧水素充填設備１４側に移送される。

バーナ８に供給する生成ガス取り出し位置、すなわちバーナ行水素配管３０の上流端接続位置を水素精製装置１２出口の生成水素配管１３としているので、ガス圧縮機２により、駆動力は確保されている。

また、バーナ８に供給する生成ガス取り出し位置、すなわちバーナ行水素配管３０の上流端接続位置を水素精製装置１２出口の生成水素配管１３としているので、バーナ８に燃料として供給されるガスは、水素精製装置１２で改質ガス中の水分が低減されている生成ガスである。したがって、バーナ８上流側でバーナ燃料ライン３にバーナ行水素配管３０を接続し、バーナ行水素配管３０で送られてきたガスを燃料（都市ガス）と同一のバーナ８において燃焼させても燃焼性に問題が生じない。

図１に示す実施の形態において、待機運転状態のバーナ行き都市ガス量を１００％負荷状態より低減することにより、都市ガス使用量の経済性が向上する。例えば、１００％状態に短時間で移行できる待機運転状態として４０％負荷運転で支障ない。

図２に、本実施の形態における都市ガス使用量を概念的に示す。図３に、待機運転時、製造された水素を燃焼器で燃焼させる場合の都市ガス使用量を概念的に示す。高圧水素充填設備１４に水素を供給しないが供給要求があった場合に速やかに水素の供給を開始できる状態、すなわち待機運転状態を４０％負荷とした場合、図３に示す場合に比べ、水素生成用都市ガス量を約６０％、バーナ用都市ガス量を約３０％、それぞれ低減することができる。本実施の形態によれば、待機運転状態においても水蒸気改質器７により改質反応を常時継続していることになり、弁切替・昇温時間のみで水素供給を開始することができる。

本実施の形態によれば、圧縮機を追加することなく待機運転を実施することが可能であるとともに、待機運転状態での炭化水素系燃料の消費量を低減することが可能になった。また、水素精製装置へ通気しながら待機運転をしているため、水素供給先が供給再開要求してきた際の、水素供給再開にかかる時間を短縮することができるとともに、水素精製装置で精製された水素を水蒸気改質器のバーナへ供給しているから、バーナの燃焼が不安定になることがない。

本発明の実施の形態に係る水素製造装置の要部構成を示す系統図である。本発明の実施の形態に係る都市ガス消費量を概念的に示す説明図である。待機運転時、生成したガスを燃焼器で燃焼する従来設備構成での都市ガス消費量を概念的に示す説明図である。

符号の説明

１都市ガス配管
２ガス圧縮機
３バーナ燃料ライン
４ボイラ
５水蒸気配管
６原料ガス配管
７水蒸気改質器
８バーナ
９ブロワ
１０空気配管
１１生成ガス配管
１２水素精製装置(ＣＯ転化器を含む)
１３生成水素配管
１４高圧水素充填設備
１５燃焼ガス配管
１６燃焼器
１７第３の遠隔操作弁
１８第１の遠隔操作弁
１９第２の遠隔操作弁
３０バーナ行水素配管
３１第４の遠隔操作弁

Claims

原料ガスを圧縮するガス圧縮機と、昇温用のバーナを備え、前記ガス圧縮機出側に原料ガス配管で接続された水蒸気改質器と、前記水蒸気改質器出側に生成ガス配管で接続された水素精製装置と、前記水素精製装置出側に接続され、水素精製装置で精製された水素ガスが導出される生成水素配管と、前記生成水素配管に介装された第１の遠隔操作弁と、前記原料ガス配管と前記バーナを接続するバーナ燃料ラインと、前記バーナ燃料ラインに介装された第２の遠隔操作弁と、前記第１の遠隔操作弁よりも上流側の前記生成水素配管に燃焼ガス配管で接続された燃焼器と、前記燃焼ガス配管に介装された第３の遠隔操作弁と、前記第１の遠隔操作弁よりも上流側の生成水素配管と前記第２の遠隔操作弁よりも下流側の前記バーナ燃料ラインを接続するバーナ行水素配管と、前記バーナ行水素配管に介装された第４の遠隔操作弁と、を含んで構成され、前記第１、第２、第３、及び第４の遠隔操作弁は、水素供給先から出力される水素供給指令信号及び水素供給停止指令信号に基づいて開閉制御されるものである水素製造装置。
請求項１記載の水素製造装置において、少なくとも前記第２の遠隔操作弁は開度制御可能に構成されていることを特徴とする水素製造装置。