JP2015017023A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変成部３３と無機水素分離膜３４とが一体型の変成分離ユニット３０で構成した水素製造装置において、無機水素分離膜３４の寿命を向上できる技術を提供する。【解決手段】変成部３３に供給される改質ガスを冷却する冷却部５を備え、冷却部５の冷却量を調整して変成部３３の温度を所定の基準温度に制御する変成温度制御手段５１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、原料である原燃料ガスと水蒸気を高温下で反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、その改質部からの改質ガスを変成触媒に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を変成させて除去する変成部と、その変成部からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜を備え、前記変成部と前記無機水素分離膜とが、前記無機水素分離膜の上流側面に前記変成触媒を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニットで構成された水素製造装置に関する。

燃料電池などに供給する高純度水素を製造する水素製造装置として、変成部と無機水素分離膜とが、無機水素分離膜の上流側面に変成触媒を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニットで構成されたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
この種の変成分離ユニットは、筐体内を上流側と下流側とに分離する姿勢で無機水素分離膜を配置し、その上流側に変成触媒を充填して構成されている。
そして、かかる水素製造装置では、改質部で生成された水素リッチで高温の改質ガスが、冷却されることなく高温のまま変成分離ユニットに供給されて、無機水素分離膜の上流側面に隣接配置された変成触媒に接触することで、当該改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。更に、その改質ガスに含まれている多くの水素が選択的に無機水素分離膜を透過することで、当該透過した水素が高純度水素として取り出される。一方、無機水素分離膜を透過しなかった水素を含むオフガスは、改質部を加熱するバーナ用の燃料として供給される。

無機水素分離膜を利用して改質ガスから水素を膜分離する水素製造装置として、変成部に供給される改質ガスを冷却水との熱交換により冷却する冷却部を設けたものが知られている（例えば特許文献２を参照）。
かかる冷却部を通過した冷却水は、改質部での改質反応に必要な水蒸気として、改質部に供給される原燃料ガスに供給されるので、その冷却水の流量は、改質部へ供給すべき水蒸気の量、即ち改質部への原燃料ガスの供給量に比例する量に制御される。よって、原燃料ガスの供給量が変化すると、冷却水の流量も変化して、冷却部の冷却量が変化する。結果、変成部に供給される改質ガスの温度は、変成部の温度に関係なく、原燃料ガスの供給量の変化に応じて変動することになる。

特開２００４−１４８１３８号公報（図１、図３等） 特開平０６−２８３１８９号公報（図５等）

上記のように変成部と無機水素分離膜とが一体型の変成分離ユニットで構成した従来の水素製造装置では、変成部に供給される改質ガスの温度が、改質部で排出された高温の状態のままであったり、変成部の温度とは関係なく変動したりするので、無機水素分離膜において水素脆化や熱損傷が進行して寿命が短くなるという問題があった。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、変成部と無機水素分離膜とが一体型の変成分離ユニットで構成した水素製造装置において、無機水素分離膜の寿命を向上できる技術を提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係る水素製造装置は、
原料である原燃料ガスと水蒸気を高温下で反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、その改質部からの改質ガスを変成触媒に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を変成させて除去する変成部と、その変成部からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜を備え、
前記変成部と前記無機水素分離膜とが、前記無機水素分離膜の上流側面に前記変成触媒を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニットで構成された水素製造装置であって、 その特徴構成は、
前記変成部に供給される改質ガスを冷却する冷却部を備え、
前記冷却部の冷却量を調整して前記変成部の温度を所定の基準温度に制御する変成温度制御手段を備えた点にある。

本特徴構成によれば、変成部と無機水素分離膜とが一体型の変成分離ユニットで構成した場合でも、変成部に供給される改質ガスが冷却部により冷却されると共に、変成温度制御手段により、その冷却部の冷却量が調整されて、変成部の温度が所定の基準温度に制御されることになる。よって、その基準温度を、変成部による変成反応を維持し得る温度であって、無機水素分離膜の水素脆化と熱損傷を防止できる温度に設定して、無機水素分離膜の寿命を向上することができる。
具体的には、起動直後においては、変成部の温度が基準温度を下回ることが抑制されるので、低温状態の無機水素分離膜に水素が接触することにより発生する無機水素分離膜の水素脆化が抑制されることになる。
また、定常運転時においては、変成部の温度が基準温度を上回ることが抑制されるので、比較的高温の改質ガスが無機水素分離膜に隣接配置された変成触媒に供給され発熱反応である変成反応が行われることにより発生する無機水素分離膜の熱損傷が抑制されることになる。
従って、本発明により、変成部と無機水素分離膜とが一体型の変成分離ユニットで構成した水素製造装置において、無機水素分離膜の寿命を向上できる技術を提供することができる。

本発明に係る水素製造装置の更なる特徴構成は、
前記冷却部が、前記変成部に供給される改質ガスとの熱交換により水を蒸発させて前記改質部に供給される水蒸気を発生させ、
前記変成温度制御手段が、前記冷却部への給水量を調整する形態で、前記冷却部の冷却量を調整する手段である点にある。

本特徴構成によれば、冷却部において、変成部に供給される改質ガスを、水の蒸発潜熱により効率良く冷却することができる。更に、この冷却部で発生した水蒸気は、改質部に供給されるので、当該水蒸気を原燃料ガスの改質反応に有効利用することができる。
そして、変成温度制御手段では、その冷却部への給水量を調整するという簡単な形態で、冷却部の冷却量を正確に調整することができる。

本発明に係る水素製造装置の更なる特徴構成は、
前記冷却部が、前記改質部に供給される原燃料ガスと前記変成部に供給される改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換器で構成され、
前記冷却部に供給される原燃料ガスに水を添加する上流側水添加部と、前記冷却部から前記改質部に供給される原燃料ガスに水を添加する下流側水添加部とを備え、
前記変成温度制御手段が、前記上流側水添加部への給水量を調整する形態で、前記冷却部の冷却量を調整する手段であり、
前記上流側水添加部と前記下流側水添加部とへの合計の給水量を、前記改質部への原燃料ガスの供給量に基づいて制御する総給水量制御手段を備えた点にある。

本特徴構成によれば、冷却部において、変成部に供給される改質ガスを、原燃料ガスとの熱交換により冷却するのに加えて、上流側水添加部でその原燃料ガスに添加された水の蒸発潜熱により効率良く冷却することができる。更に、この冷却部で発生した水蒸気は、同冷却部で予熱された原燃料ガスと共に改質部に供給されるので、当該水蒸気を原燃料ガスの改質反応に有効利用することができる。
そして、変成温度制御手段では、その冷却部に供給される原燃料ガス中の水分量に相当する上流側水添加部への給水量を調整するという簡単な形態で、冷却部の冷却量を正確に調整することができる。
また、上流側水添加部とは別に、冷却部から改質部に供給される原燃料ガスに水を添加する下流側水添加部が設けられ、更に、総給水量制御手段により、上流側水添加部と下流側水添加部とへの合計の給水量が、改質部への原燃料ガスの供給量に基づいて制御されるので、冷却部の冷却量に影響を与えることなく、原燃料ガスを改質するのに必要な水を改質部に供給することができる。

本発明に係る水素製造装置の更なる特徴構成は、
前記無機水素分離膜が、パラジウム銅合金膜であり、
前記変成触媒が、銅亜鉛系触媒又は鉄亜鉛系触媒であり、
前記変成温度制御手段が、前記基準温度を２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内の温度とする点にある。

本特徴構成によれば、装置の低廉化を図りながら、変成部における反応効率及び無機水素分離膜における分離効率を好適に向上することができる。
即ち、変成部の温度が４００℃以下に維持されるので、それに隣接配置される無機水素分離膜として、耐熱性が低いが安価に入手可能なパラジウム銅合金膜を利用することができる。更に、変成部の温度が２００℃以上に維持されるので、それに隣接配置される無機水素分離膜の分離効率を好適に向上することができる。
また、２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内に温度が維持される変成部に設けられる変成触媒として、銅亜鉛系触媒又は鉄亜鉛系触媒を利用すれば、変成部における反応効率を好適に向上することができる。

本発明に係る水素製造装置の更なる特徴構成は、
前記改質部に供給される原燃料ガスから硫黄分を除去する脱硫部と、
前記冷却部に供給される改質ガスとの熱交換により前記脱硫部に供給される原燃料ガスを予熱する原燃料ガス予熱部を備えた点にある。

本特徴構成によれば、脱硫部が設けられているので、たとえ原燃料ガスに硫黄分が含まれていても、その硫黄分を予め除去した原燃料ガスを改質部に供給することができる。
更に、原燃料ガス予熱部が設けられているので、改質部から排出され冷却部に供給される前の高温の改質ガスとの熱交換により、脱硫部に供給される原燃料ガスを予熱して、脱硫部の温度を脱硫処理に好適な反応温度に維持することができる。

実施形態に係る水素製造装置の概略構成図

本発明に係る水素製造装置の実施形態について、図１に基づいて説明する。
図１に示す水素製造装置は、例えば、原料である原燃料ガスとして天然ガス系都市ガス１３Ａを使用して高純度の水素を製造するものであり、詳細については後述するが、原燃料ガスと水蒸気を高温下で反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質部２１を有する改質器２０と、その改質部２１からの改質ガスを変成触媒３５に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を変成させて除去する変成部３３と、その変成部３３からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜３４などを備え、更に、この変成部３３と無機水素分離膜３４とが、無機水素分離膜３４の上流側面に変成触媒３５を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニット３０で構成されている。

原燃料ガスは、０．１ＭＰａあるいはそれ以上の圧力で供給され、コンプレッサ１により０．９８ＭＰａ程度にまで昇圧された後に、第１配管Ｌ１に供給される。尚、この第１配管Ｌ１には、原燃料ガスの供給量を検知する流量センサ１６が設けられている。
この第１配管Ｌ１を通流する昇圧後の原燃料ガスは、第１熱交換器２（原燃料ガス予熱部の一例）で予熱された後に、第２配管Ｌ２に供給せれる。
かかる第１熱交換器２では、後述する改質部２１から第７配管Ｌ７に排出された高温の改質ガスとの熱交換により、第１配管Ｌ１から供給された原燃料ガスが予熱され、その予熱後の原燃料ガスが第２配管Ｌ２に供給される。

第２配管Ｌ２を通流する予熱後の原燃料ガスは、脱硫器３（脱硫部の一例）により脱硫処理が施された後に、第３配管Ｌ３に供給される。
この脱硫器３では、原燃料ガスから硫黄分がｐｐｂレベルにまで除去され、その硫黄分除去後の原燃料ガスが、第３配管Ｌ３に供給される。
第３配管Ｌ３を通流する脱硫処理後の硫黄分除去後の原燃料ガスは、上流側水添加部４により純水が添加された後に、第４配管Ｌ４に供給される。
この上流側水添加部４は、原燃料ガスに対して純水を噴霧するスプレーノズルで構成されており、その霧状の純水を含んだ原燃料ガスが第４配管Ｌ４を通流することになる。また、この上流側水添加部４へは、水ポンプ７及び流量調整弁８を介して純水が供給される。

第４配管Ｌ４を通流し霧状の純水を含む原燃料ガスは、第２熱交換器５（冷却部の一例）で加熱された後に、第５配管Ｌ５に供給される。
この第２熱交換器５では、第１熱交換器２から第８配管Ｌ８に排出された比較的高温の改質ガスとの熱交換器により、第４配管Ｌ４から供給された原燃料ガスが加熱され、その加熱後の原燃料ガスが第５配管Ｌ５に供給される。
更に、第２熱交換器５では、第４配管Ｌ４から供給された原燃料ガスに含まれる霧状の純水が、第８配管Ｌ８から供給された比較的高温の改質ガスとの熱交換により蒸発して水蒸気が発生し、その水蒸気が第５配管Ｌ５に排出される原燃料ガスに含まれることになる。

第５配管Ｌ５を通流し水蒸気を含む原燃料ガスは、改質器２０に設けられた下流側水添加部２３により純水が添加された後に、第６配管Ｌ６に供給される。
この下流側水添加部２３は、上流側水添加部４と同様に、原燃料ガスに対して純水を噴霧するスプレーノズルで構成されており、その霧状の純水を含んだ原燃料ガスが第６配管Ｌ６を通流することになる。また、この下流側水添加部２３へは、水ポンプ７及び開閉弁９を介して純水が供給される。

改質器２０では、第６配管Ｌ６から原燃料ガスが供給される改質部２１がバーナ２２の燃焼により７５０℃程度の高温に維持され、その改質部２１において、０．８５ＭＰａ程度の圧力下で、水蒸気改質用の改質触媒により、原燃料ガスが水蒸気と反応して水素リッチな改質ガスに改質され、その改質後の改質ガスが第７配管Ｌ７に供給される。尚、第７配管Ｌ７には、改質部２１から排出された高温の改質ガスの温度を検知する温度センサ１７が設けられている。また、改質部２１において、原燃料ガスに含まれる水蒸気は、改質反応に利用されるのに加えて、改質触媒に対するカーボンの付着を抑制することにも利用される。
また、第６配管Ｌ６には、バーナ２２の燃焼により高温に維持される伝熱管からなる加熱部２４が設けられている。よって、第６配管Ｌ６を通流する原燃料ガスは、この加熱部２４により比較的高温に加熱され、更に、その原燃料ガスに含まれる霧状の純水が蒸発して水蒸気とされる。

第７配管Ｌ７を通流する改質後の改質ガスは、第１熱交換器２で冷却された後に、第８配管Ｌ８に供給される。
この第１熱交換器２では、第１配管Ｌ１から供給された低温の原燃料ガスとの熱交換により、第７配管Ｌ７から供給された７５０℃程度の高温の改質ガスが５５０℃程度に冷却され、その冷却後の改質ガスが第８配管Ｌ８に供給される。

第８配管Ｌ８を通流する比較的高温の改質ガスは、更に第２熱交換器５で冷却された後に、第９配管Ｌ９に供給され、その第９配管Ｌ９に供給された改質ガスが、後述する変成分離ユニット３０の変成部３３に供給される。
この第２熱交換器５では、第４配管Ｌ４から供給された比較的低温で原燃料ガスとの熱交換により、第８配管Ｌ８から供給された５５０℃程度の比較的高温の改質ガスが、所定の基準温度に冷却され、その冷却後の改質ガスが第９配管Ｌ９を介して変成部３３に供給される。尚、この基準温度は、変成部３３による変成反応を維持し得る温度であって、後述する無機水素分離膜３４の水素脆化と熱損傷を防止できる温度に設定されている。
即ち、この第２熱交換器５は、変成部３３に供給される改質ガスを冷却する冷却部として機能することになる。
更に、第２熱交換器５では、変成部３３に供給される改質ガスが、原燃料ガスに含まれる純水の蒸発潜熱により効率良く冷却されることになる。

第９配管Ｌ９を通流する冷却後の改質ガスは、変成分離ユニット３０に供給される。尚、第９配管Ｌ９には、変成部３３に供給される改質ガスの温度を検知する温度センサ１８が設けられている。
この変成分離ユニット３０は、第９配管Ｌ９から供給された改質ガスを変成触媒３５に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させて除去する変成部３３と、その変成部３３からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜３４を備える。
詳しくは、この変成分離ユニット３０は、筒状の筐体３１内の空間を、外側の水素排出部３２と内側の変成部３３とに区画する姿勢で、筒状の無機水素分離膜３４を配置すると共に、その変成部３３に粒状の変成触媒３５を充填して構成されている。即ち、この変成分離ユニット３０は、変成部３３と無機水素分離膜３４とを、無機水素分離膜３４の上流側面に変成触媒３５を隣接配置する形態で、一体型に構成されている。
また、無機水素分離膜３４としては、２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内で水素透過性能を示して改質ガスから高純度水素を効率良く分離可能な金属膜が利用されており、一方、変成触媒３５としては、一酸化炭素と水から二酸化炭素及び水素に変成させるシフト触媒であって、銅亜鉛系触媒又は鉄亜鉛系触媒が利用されている。
よって、第２熱交換器５で冷却され変成部３３に供給される改質ガスの温度である基準温度は、変成触媒３５として２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内に設定されることになる。
尚、無機水素分離膜３４として利用され、２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内で水素透過性能を示す金属膜としては、パラジウム銅合金膜、ニオブ−ニッケル−チタン合金膜、チタン−バナジウム−銀合金膜等を挙げることができるが、他の金属膜を利用しても構わない。

そして、第９配管Ｌ９から変成分離ユニット３０に供給された改質ガスは、先ず、変成部３３に供給される。
この変成部３３では、改質ガスが変成用の変成触媒３５に接触することにより、その改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気が水素と二酸化炭素（ＣＯ₂）に変成される。また、変成部３３において、改質ガスに含まれる水蒸気は、変成触媒３５へのカーボンの付着を抑制することにも利用される。
更に、その変成部３３で変成処理がされた後の改質ガスに含まれている水素が、その変成触媒３５に近接する無機水素分離膜３４を透過した後に水素排出部３２に供給され、この水素排出部３２に供給された水素が高純度水素として第１０配管Ｌ１０に供給され、水冷部１５で冷却水との熱交換により常温に冷却された後に、図示しない水素タンク等に供給される。

一方、無機水素分離膜３４を透過しなかった水素が含まれる改質ガスはオフガスとして、改質ガスが供給される側とは反対側の端部に接続された第１１配管Ｌ１１に供給される。この第１１配管Ｌ１１へのオフガスの供給量は流量調整弁１０により調整され、このオフガスの供給量の調整に応じて、第１０配管Ｌ１０への高純度水素の供給量及び濃度が変化する。
第１１配管Ｌ１１を通流するオフガスは、第３熱交換器１１で冷却された後に、第１２配管Ｌ１２に供給され、更に水冷部１２で冷却水との熱交換により冷却された後に、第１３配管Ｌ１３を介して気水分離器１３に供給される。
そして、この水冷部１２においてオフガスに含まれている水蒸気が凝縮し、気水分離器１３においてその液相の水分がドレンとして分離される。
また、気水分離器１３で水分が分離された水素を含む気相のオフガスは、減圧弁１４で減圧された後に第１４配管Ｌ１４に供給される。
この第１４配管Ｌ１４を通流するオフガスは、第３熱交換器１１で加熱された後に、第１５配管Ｌ１５に供給され、この第１５配管Ｌ１５を通流するオフガスは、原燃料ガスと共に、改質器２０のバーナ２２へ燃料として供給される。

第３熱交換器１１では、変成分離ユニット３０から第１１配管Ｌ１１に供給された比較的高温のオフガスと、バーナ２２へ供給される前のオフガスとの間で熱交換が行われることで、前者のオフガスが冷却され、後者のオフガスが加熱される。
水冷部１２におけるオフガスの冷却効率を向上し、一方バーナ２２におけるオフガスの燃焼効率を向上することができる。

本実施形態に係る水素製造装置には、当該水素制御装置に設けられた補機を制御することにより、後述する変成温度制御手段５１、総給水量制御手段５２、及び、オフガス量制御手段５３等の各種手段として機能する制御装置５０が設けられている。
以下、この制御装置５０が機能する各種手段について説明を加える。

制御装置５０が機能する変成温度制御手段５１は、変成部３３に供給される改質ガスを冷却する冷却部として機能する第２熱交換器５の冷却量を調整して、変成部３３の温度を所定の基準温度に制御する。
具体的に、この変成温度制御手段５１は、流量調整弁８の開度を調整することで上流側水添加部４への給水量を調整する形態で、第２熱交換器５の冷却量を調整する手段として構成されている。即ち、上流側水添加部４への給水量を変化させると、第４配管Ｌ４から第２熱交換器５に供給される原燃料ガスに含まれる水分量が変化し、第２熱交換器５における水の蒸発量が変化し、第２熱交換器５において改質ガスから奪うことができる蒸発潜熱量が変化し、結果、第２熱交換器５における改質ガスに対する冷却量が変化することになる。
そして、変成温度制御手段５１は、変成部３３に供給される改質ガスの温度を温度センサ１８で検知し、その検知した改質ガスの温度が基準温度に維持されるように、流量調整弁８の開度を調整して上流側水添加部４への給水量を調整する。
すると、変成部３３には第２熱交換器５において基準温度に冷却された改質ガスが供給されることになり、変成部３３の温度が基準温度に維持されることになる。
そして、この基準温度は、変成部３３による変成反応を維持し得る温度であり、無機水素分離膜３４の水素脆化と熱損傷を防止できる温度に設定されているので、無機水素分離膜３４の寿命が向上されることになる。

制御装置５０が機能する総給水量制御手段５２は、上流側水添加部４と下流側水添加部２３とへの合計の給水量を、改質部２１への原燃料ガスの供給量に基づいて制御するように構成されている。
具体的に、総給水量制御手段５２は、流量センサ１６で検知される原燃料ガスの供給量から、原燃料ガスの全てを改質部２１で改質反応させるのに必要な水分量を求める。
そして、水ポンプ７の吐水量を、その求めた必要水分量に設定するべく、水ポンプ７の運転を制御する。
すると、水ポンプ７が供給される必要水分量の純水のうち、一部が上述した流量調整弁８を介して上流側水添加部４に供給されることになるが、残部が開閉弁９を介して下流側水添加部２３に供給されることになる。結果、その必要水分量の純水の全てを改質部２１に供給される原燃料ガスに供給して、改質反応に利用することができる。
よって、上流側水添加部４への純水の供給量は、その改質反応に必要な水分量に影響を受けることなく、上述した変成温度制御手段５１により調整される第２熱交換器５の冷却量に応じて調整することができるようになる。

制御装置５０が機能するオフガス量制御手段５３は、流量調整弁１０の開度調整によりバーナ２２へのオフガスの供給量を調整して、改質部２１から排出される改質ガスの温度を所定温度（７５０℃程度）に制御する。
具体的に、このオフガス量制御手段５１は、改質部２１から排出される改質ガスの温度を温度センサ１７で検知し、その検知した改質ガスの温度が所定温度に維持されるように、流量調整弁１０の開度を調整して、バーナ２２へのオフガスの供給量を調整する。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、変成部３３に供給される改質ガスを冷却する冷却部を、当該改質ガスを低温の原燃料ガスとの熱交換により冷却する第２熱交換器５で構成したが、別に、当該改質ガスを別の原燃料ガスとは別の冷媒との熱交換により冷却するように構成しても構わない。
また、この第２熱交換器５に供給される原燃料ガスに水を添加する上流側水添加部４を設けることで、第２熱交換器５における冷却効率を向上するように構成したが、別に、この上流側水添加部４を省略しても構わない。

（２）上記実施形態では、無機水素分離膜３４を、２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内で水素透過性能を示す金属膜としたが、変成部３３の温度において水素透過性能を示すものであれば、別の金属膜を無機水素分離膜３４として利用しても構わない。

（３）上記実施形態では、変成触媒３５を、一酸化炭素を二酸化炭素に変成させて除去する銅亜鉛系触媒又は鉄亜鉛系触媒としたが、かかる変成触媒３５は一酸化炭素を変成させて除去する反応を促進する触媒であれば、特に限定されない。例えば、一酸化炭素をメタンに変成させるメタン化触媒、又は、一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素選択酸化触媒等を変成触媒３５として利用することができる。

本発明は、原料である原燃料ガスと水蒸気を高温下で反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、その改質部からの改質ガスを変成触媒に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を変成させて除去する変成部と、その変成部からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜を備え、前記変成部と前記無機水素分離膜とが、前記無機水素分離膜の上流側面に前記変成触媒を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニットで構成された水素製造装置として好適に利用可能である。

３ ：脱硫器
４ ：上流側水添加部
５ ：第２熱交換器（冷却部）
８ ：流量調整弁
２１ ：改質部
２３ ：下流側水添加部
３０ ：変成分離ユニット
３３ ：変成部
３４ ：無機水素分離膜
３５ ：変成触媒
５１ ：変成温度制御手段
５２ ：総給水量制御手段

Claims (5)

1. 原料である原燃料ガスと水蒸気を高温下で反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、その改質部からの改質ガスを変成触媒に接触させて当該改質ガス中の一酸化炭素を変成させて除去する変成部と、その変成部からの改質ガスから高純度水素を膜分離する無機水素分離膜を備え、
   前記変成部と前記無機水素分離膜とが、前記無機水素分離膜の上流側面に前記変成触媒を隣接配置する形態で、一体型の変成分離ユニットで構成された水素製造装置であって、
   前記変成部に供給される改質ガスを冷却する冷却部を備え、
   前記冷却部の冷却量を調整して前記変成部の温度を所定の基準温度に制御する変成温度制御手段を備えた水素製造装置。
2. 前記冷却部が、前記変成部に供給される改質ガスとの熱交換により水を蒸発させて前記改質部に供給される水蒸気を発生させ、
   前記変成温度制御手段が、前記冷却部への給水量を調整する形態で、前記冷却部の冷却量を調整する手段である請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記冷却部が、前記改質部に供給される原燃料ガスと前記変成部に供給される改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換器で構成され、
   前記冷却部に供給される原燃料ガスに水を添加する上流側水添加部と、前記冷却部から前記改質部に供給される原燃料ガスに水を添加する下流側水添加部とを備え、
   前記変成温度制御手段が、前記上流側水添加部への給水量を調整する形態で、前記冷却部の冷却量を調整する手段であり、
   前記上流側水添加部と前記下流側水添加部とへの合計の給水量を、前記改質部への原燃料ガスの供給量に基づいて制御する総給水量制御手段を備えた請求項１又は２に記載の水素製造装置。
4. 前記無機水素分離膜が、２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内で水素透過性能を示す金属膜であり、
   前記変成触媒が、銅亜鉛系触媒又は鉄亜鉛系触媒であり、
   前記変成温度制御手段が、前記基準温度を２００℃以上且つ４００℃以下の範囲内の温度とする請求項１〜３の何れか１項に記載の水素製造装置。
5. 前記改質部に供給される原燃料ガスから硫黄分を除去する脱硫部と、
   前記冷却部に供給される改質ガスとの熱交換により前記脱硫部に供給される原燃料ガスを予熱する原燃料ガス予熱部を備えた請求項１〜４の何れか１項に記載の水素製造装置。

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