JP2007269526A - 水素精製装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガス貯蔵タンクの小容量化を図るとともに、圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用して、たとえ外気温度の高い夏季などにおいても、高純度の水素ガスを精製することのできる水素精製装置とその運転方法。
【解決手段】複数の吸着塔１，２，３において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置とその運転方法であって、水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃが、その内部に水素吸蔵合金を収容して吸着塔１，２，３の外周部に接するように設けられている水素精製装置と、水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃ内の水素ガスを洗浄工程において洗浄用水素ガスとして使用する運転方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置とその運転方法に関する。

このような水素精製装置は、例えば、１３Ａなどの都市ガスを原料として改質、変成された水素リッチガスから高純度の水素ガスを連続的に精製し、その精製した水素ガスを水素ガス貯蔵タンク内に貯蔵しておき、需要に応じて供給するもので、従来の水素精製装置では、水素ガス貯蔵タンクが吸着塔とは無関係に別個に設けられて、精製した水素ガスをガス状態のままで貯蔵するように構成されていた。そして、洗浄工程においては、その水素ガス貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスが洗浄用水素ガスとして使用されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９９９９４号公報

従来の水素精製装置では、水素ガス貯蔵タンクが高純度の水素ガスをガス状態のままで貯蔵していたので、どうしても大容量の水素ガス貯蔵タンクが必要となり、また、通常、吸着塔が外気に曝されているため、外気温度の高い夏季などでは吸着塔自体の温度が高くなって、精製される水素ガスの純度が低下するという問題があった。
すなわち、吸着剤が水素リッチガス中の不純物を吸着する吸着工程は発熱を伴うため、高温下では吸着剤の吸着能が低下することになり、外気温度の高い夏季などでは不純物の吸着が所望どおりに行われず、精製される水素ガスの純度が低下するおそれがあった。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、水素ガス貯蔵タンクの小容量化を図るとともに、圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用して、たとえ外気温度の高い夏季などにおいても、高純度の水素ガスを精製することのできる水素精製装置とその運転方法を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置であって、前記水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容して前記吸着塔の外周部に接するように設けられているところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、水素リッチガスから精製した水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容しているので、精製した水素ガスは水素吸蔵合金に吸蔵されて貯蔵される。したがって、ガス状態のままで貯蔵していた従来に比して、水素ガス貯蔵タンクの容量を小さくしてコンパクト化が可能となる。
そして、その水素ガス貯蔵タンクが、吸着塔の外周部に接するように設けられているので、吸着工程が終了した後の均圧工程において、吸着塔内に残存している水素ガスをその吸着塔の外周部に接している水素ガス貯蔵タンクに供給して貯蔵し、その貯蔵した水素ガスを吸着工程の際に放出することによって、圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用した合理的な運転が可能となる。

すなわち、水素吸蔵合金は、低温下において水素ガスを吸蔵し、高温下において水素ガスを放出する。それに対して、吸着塔の方は、吸着工程では昇圧により温度が高くなり、吸着工程終了後の均圧工程では減圧により温度が低下する。
したがって、均圧工程にある吸着塔内の残存水素ガスをその外周部に接している水素ガス貯蔵タンクに供給すれば、温度が低下した吸着塔によって水素ガス貯蔵タンクが冷やされるので、水素ガスは水素吸蔵合金に確実に吸蔵される。
そして、吸着工程では吸着塔の温度が高くなるので、その外周部に接している水素ガス貯蔵タンクは加温され、水素ガスは水素吸蔵合金から確実に放出されるとともに、吸着塔の方は冷やされることになり、吸着剤による不純物の吸着が確実に行われる。
その結果、圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用して、たとえ外気温度の高い夏季などにおいても、高純度の水素ガスを精製することができる。

本発明の第２の特徴構成は、上述の水素精製装置において、前記吸着塔の外周部の壁体が、前記水素ガス貯蔵タンクの壁体の一部を兼用しているところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、吸着塔の外周部の壁体が、その外周部に接する水素ガス貯蔵タンクの壁体の一部を兼用しているので、吸着塔と水素ガス貯蔵タンクとの間の熱の伝達は非常に迅速に無駄なく行われる。
その結果、第１の特徴構成に関連して言及した作用効果が顕著となり、より一層高純度の水素ガスを確実に精製することができる。

本発明の第３の特徴構成は、上述の水素精製装置において、前記水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられているところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられているので、例えば、ひとつの吸着塔の外周部に接している水素ガス貯蔵タンクからの水素ガスを他の吸着塔の洗浄用水素ガスとして使用することにより、複数の吸着塔と複数の水素ガス貯蔵タンクとの間で水素ガスを合理的に流動させることができ、水素精製装置全体として圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用して、高純度の水素ガスを効率良く精製することができる。

本発明の第４の特徴構成は、複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法であって、前記水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容して前記吸着塔の外周部に接するように設けられ、その水素ガス貯蔵タンク内の水素ガスを前記洗浄工程において洗浄用水素ガスとして使用するところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、水素リッチガスから精製した水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容しているので、第１の特徴構成と同様に、水素ガス貯蔵タンクの容量を小さくしてコンパクト化を図ることができる。
そして、その水素ガス貯蔵タンクが、吸着塔の外周部に接するように設けられているので、第１の特徴構成に関連して言及したように、均圧工程で吸着塔内に残存している水素ガスをその外周部に接している水素ガス貯蔵タンクに供給して貯蔵し、その貯蔵した水素ガスを吸着工程の際に放出することによって、圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用した合理的な運転が可能となり、さらに、その放出した水素ガス貯蔵タンク内の水素ガスを洗浄工程において洗浄用水素ガスとして使用するので、吸着塔の洗浄工程も所望どおりに行われる。

本発明の第５の特徴構成は、上述の水素精製装置の運転方法において、前記水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられ、前記各吸着塔の洗浄工程において他の吸着塔の外周部に接する水素貯蔵タンク内の水素ガスを洗浄用水素ガスとして使用するところにある。

本発明の第５の特徴構成によれば、水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられ、各吸着塔の洗浄工程において他の吸着塔の外周部に接する水素貯蔵タンク内の水素ガスを洗浄用水素ガスとして使用するので、複数の吸着塔と複数の水素ガス貯蔵タンクとの間で水素ガスを合理的に流動させて、水素精製装置全体として圧力スイング吸着法の各工程における温度変化の特性を有効に利用して、高純度の水素ガスを効率良く精製することができる。

本発明の第６の特徴構成は、上述の水素精製装置の運転方法において、前記各吸着塔の均圧工程において吸着塔内の水素ガスをその吸着塔の外周部に接する水素ガス貯蔵タンクに供給して均圧するところにある。

本発明の第６の特徴構成によれば、各吸着塔の均圧工程において吸着塔内の水素ガスをその吸着塔の外周部に接する水素ガス貯蔵タンクに供給して均圧するので、均圧工程で温度が低下した吸着塔により水素ガス貯蔵タンクが冷やされることになり、水素ガスは水素吸蔵合金に確実に吸蔵される。

本発明による水素精製装置とその運転方法について、実施の形態を図面に基づいて説明する。
この水素精製装置は、吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから高純度の水素ガスを精製する圧力スイング吸着法による水素精製装置で、図１に示すように、第１から第３までの３つの吸着塔１，２，３を備え、各吸着塔１，２，３の外周部には、その内部に水素吸蔵合金を収容した水素ガス貯蔵タンクとしての補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃがそれぞれジャケット化されて配置されている。
すなわち、各吸着塔１，２，３の外周部の壁体が、各補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃの壁体の一部を兼用する状態で、各補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃが、各吸着塔１，２，３の外周部に接するように設けられている。

各吸着塔１，２，３は、水素リッチガス供給路５に対してそれぞれ供給用分岐路５ａ，５ｂ，５ｃを介して互いに並列に接続され、各供給用分岐路５ａ，５ｂ，５ｃには、それぞれ供給用電磁弁６ａ，６ｂ，６ｃが設けられている。
水素リッチガス供給路５からは、例えば、１３Ａなどの都市ガスを原料とし、昇圧した都市ガスから硫黄分をｐｐｂレベルにまで除去し、水蒸気改質用の触媒によって水素リッチガスに改質するとともに、変成用の触媒によって水素リッチガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、さらに、余分な水分を除去した後の水素リッチガスが供給される。
その水素リッチガスを精製するため、各吸着塔１，２，３には、加圧下において水素リッチガスから水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着除去して高純度の水素ガスを精製する吸着剤が収容されている。

各吸着塔１，２，３は、水素ガス排出路７に対してそれぞれ排出用分岐路７ａ，７ｂ，７ｃを介して互いに並列に接続され、各排出用分岐路７ａ，７ｂ，７ｃにそれぞれ排出用電磁弁８ａ，８ｂ，８ｃが設けられ、水素ガス排出路７には高純度の水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンク９が接続されている。
さらに、各吸着塔１，２，３の排出用分岐路７ａ，７ｂ，７ｃには、それぞれ補助排出用分岐路１０ａ，１０ｂ，１０ｃが接続され、各補助排出用分岐路１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ補助排出用電磁弁１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設けられて、それら補助排出用分岐路１０ａ，１０ｂ，１０ｃが補助水素ガス排出路１０に並列に接続されている。そして、各補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃが、補助供給用分岐路１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して補助水素ガス排出路１０に並列に接続され、各補助供給用分岐路１２ａ，１２ｂ，１２ｃにそれぞれ補助供給用電磁弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けられている。

各吸着塔１，２，３は、均圧用分岐路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介して均圧路１４に互いに並列に接続され、各均圧用分岐路１４ａ，１４ｂ，１４ｃにはそれぞれ均圧用電磁弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられている。そして、均圧路１４の端部は、第３吸着塔３における排出用分岐路７ｃとの接続箇所より下流側において水素ガス排出路７に接続され、その接続箇所より上流側の均圧路１４には昇圧・洗浄用電磁弁１５ｄが設けられている。
各吸着塔１，２，３の供給用分岐路５ａ，５ｂ，５ｃには、それぞれオフガス用分岐路１６ａ，１６ｂ，１６ｃが接続され、各オフガス用分岐路１６ａ，１６ｂ，１６ｃにそれぞれオフガス電磁弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられて、それらオフガス用分岐路１６ａ，１６ｂ，１６ｃがオフガス排出路１６に互いに並列に接続され、オフガス排出路１６にオフガスタンク１８が接続されている。

このような構成からなる圧力スイング吸着法による水素精製装置は、制御手段１９による自動制御の下で運転されるのであり、つぎに、その運転方法につき、図２の運転工程図と図３の運転説明図を参照しながら説明する。
水素リッチガス供給路５からの水素リッチガスは、第１〜第３の吸着塔１，２，３のいずれかに供給されて高純度の水素ガスに精製される。
例えば、第１吸着塔１において精製される場合であれば、図３の（イ）に示すように、供給用電磁弁６ａの開弁によって第１吸着塔１に水素リッチガスが供給され、加圧下においてその水素リッチガス中に含まれる水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着剤に吸着させて高純度の水素ガスを精製する吸着工程を実行し、精製された高純度の水素ガスは、排出用電磁弁８ａの開弁に伴って排出用分岐路７ａと水素ガス排出路７を通って水素ガス貯蔵タンク９へ送られて貯蔵される。

この第１吸着塔１における吸着工程実行の際、均圧用電磁弁１５ｂ，１５ｃの開弁に伴って第３吸着塔３内の高純度の水素ガスが第２吸着塔２に供給され、第２吸着塔２において均圧工程が、第３吸着塔３において均圧工程（１）が実行される。
その後、均圧用電磁弁１５ｂ，１５ｃが閉弁されるとともに、図３の（ロ）に示すように、第２吸着塔２においては、排出用電磁弁８ｂの開弁により第１吸着塔１からの高純度の水素ガスが供給されて昇圧工程が実行され、第３吸着塔３においては、補助排出用電磁弁１１ｃと補助供給用電磁弁１３ｃの開弁により第３吸着塔３内の水素ガスが補助水素ガス貯蔵タンク４ｃに供給されて均圧工程（２）が実行される。そして、補助水素ガス貯蔵タンク４ｃに供給された高純度の水素ガスは、水素吸蔵合金に吸蔵されて貯蔵される。

第３吸着塔３においては、上述した均圧工程（２）が終了した後、図３の（ハ）に示すように、オフガス電磁弁１７ｃの開弁に伴って減圧工程が実行され、減圧下において吸着剤に吸着された不純物が脱離されて取り除かれ、その不純物を含むオフガスがオフガス用分岐路１６ｃとオフガス排出路１６を通ってオフガスタンク１８に貯蔵される。
その後、第３吸着塔３では、図３の（ニ）に示すように、補助供給用電磁弁１３ａと補助排出用電磁弁１１ｃの開弁により、第１吸着塔１の補助水素ガス貯蔵タンク４ａからの高純度の水素ガスが供給されて洗浄工程（１）が実行され、その後、図３の（ホ）に示すように、補助供給用電磁弁１３ａと補助排出用電磁弁１１ｃが閉弁され、排出用電磁弁８ｃの開弁に伴って第１吸着塔１からの高純度の水素ガスが供給されて洗浄工程（２）が実行される。この洗浄工程（１）、（２）においては、減圧下で吸着剤に吸着された不純物を脱離させて水素ガスで洗浄し、その際に発生したオフガスもオフガスタンク１８に貯蔵される。

その後、第１吸着塔１では、均圧工程（１）（２）、減圧工程、洗浄工程（１）（２）が実行され、減圧工程と洗浄工程（１）（２）時に発生したオフガスがオフガスタンク１８に貯蔵され、そのとき、第２吸着塔２は吸着工程にあり、第３吸着塔３は均圧工程から昇圧工程にある。
その後、第１吸着塔１では、均圧工程、昇圧工程が実行され、第２吸着塔２においては、均圧工程（１）（２）、減圧工程、洗浄工程（１）（２）が実行され、そのとき、第３吸着塔３においては、吸着工程が実行される。
各吸着塔１，２，３において、このような各工程が繰り返し実行されて、水素リッチガスから高純度の水素ガスが連続的に精製されて水素ガス貯蔵タンク９および補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃに貯蔵されるとともに、その一部が洗浄工程における洗浄用水素ガスとして使用され、オフガスタンク１８に貯蔵されたオフガスは、例えば、図外のバーナへ供給されてバーナの燃料に供される。

〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、合計３つの吸着塔１，２，３を備えた水素製造装置を例示して説明したが、吸着塔の塔数は任意であり、２つ以上の吸着塔を備えた水素製造装置であれば適用可能である。
また、複数の吸着塔１，２，３の外周部のそれぞれに水素ガス貯蔵タンクとしての補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃを配置した構成を示したが、例えば、複数の吸着塔１，２，３のうち、特定の吸着塔にのみ補助水素ガス貯蔵タンクを配置して実施することもできる。

（２）先の実施形態では、吸着塔１，２，３の外周部に配置した補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃに加えて、水素ガス貯蔵タンク９を設けた例を示したが、例えば、補助水素ガス貯蔵タンク４ａ，４ｂ，４ｃの容量を大きくすることにより、水素ガス貯蔵タンク９を廃して実施することもできる。
また、水素ガス貯蔵タンク９を設ける場合であれば、その水素ガス貯蔵タンク９に水素吸蔵合金を収容して実施することも、水素吸蔵合金を収容せずに実施することもできる。

水素精製装置を示す概略構成図 水素精製装置の運転状態を示す工程図 水素精製装置の運転状態を示す説明図

符号の説明

１，２，３ 吸着塔
４ａ，４ｂ，４ｃ 水素ガス貯蔵タンク

Claims (6)

1. 複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置であって、
   前記水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容して前記吸着塔の外周部に接するように設けられている水素精製装置。
2. 前記吸着塔の外周部の壁体が、前記水素ガス貯蔵タンクの壁体の一部を兼用している請求項１に記載の水素精製装置。
3. 前記水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられている請求項１または２に記載の水素精製装置。
4. 複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製して水素ガス貯蔵タンクに貯蔵する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法であって、
   前記水素ガス貯蔵タンクが、その内部に水素吸蔵合金を収容して前記吸着塔の外周部に接するように設けられ、その水素ガス貯蔵タンク内の水素ガスを前記洗浄工程において洗浄用水素ガスとして使用する水素精製装置の運転方法。
5. 前記水素ガス貯蔵タンクが少なくとも吸着塔と同じ数だけあって、各吸着塔の外周部にそれぞれ水素ガス貯蔵タンクが接するように設けられ、前記各吸着塔の洗浄工程において他の吸着塔の外周部に接する水素貯蔵タンク内の水素ガスを洗浄用水素ガスとして使用する請求項４に記載の水素精製装置の運転方法。
6. 前記各吸着塔の均圧工程において吸着塔内の水素ガスをその吸着塔の外周部に接する水素ガス貯蔵タンクに供給して均圧する請求項５に記載の水素精製装置の運転方法。

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