JP2018162193A - 水素製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラーと圧縮機を用いる場合と比して、圧縮機と水素精製器を無くすことで、システムの簡素化と動力を削減することができる水素製造装置を得ることである。【解決手段】改質器が炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する。さらに、分離膜が、改質器から生成された改質ガスから、少なくとも水蒸気を通過させることで分離する。【選択図】図1
Description
本発明は、水素製造装置に関する。
水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を改質装置で改質ガスに改質した後、PSA(Pressure Swing Adsorption)装置へ供給するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、改質後の改質ガスを昇圧してPSA装置へ供給する水素製造装置も知られている(例えば、特許文献2参照)。
従来、水素製造装置には、改質ガスから水蒸気を分離するために、改質ガスを冷却して除湿するためにチラーが用いられている。チラーと圧縮機を稼動させるための動力は大きく、このため、水素製造装置を稼動させるための動力も大きくなっていた。また、他の不純物を除去するために水素精製器を用いていた。例えば、精製される水素が、粗精製水素でよい場合に、水素精製器を用いると水素の純度が必要以上に高くなってしまっていた(高価なものになっていた)。
本発明の課題は、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラーと圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を含む不純物を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することである。
第一態様では、炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から生成された改質ガスから、少なくとも水蒸気を通過させることで分離する分離膜と、を備えることを特徴とする。
この構成によると、分離膜は、改質器によって生成された改質ガスから、水蒸気を通過させることで分離する。このため、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、及び圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を含む不純物を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
第二態様では、前記分離膜は、前記改質ガスから、二酸化炭素を通過させることで分離することを特徴とする。
この構成によると、改質器によって生成された改質ガスから水蒸気を分離する分離膜は、改質ガスから、二酸化炭素を通過させることで分離する。このため、ユーザの求める水素の純度によっては、改質ガスから水素を精製するための水素精製器が不要となる。
第三態様では、前記改質器は、水蒸気改質反応によって炭化水素原料から改質ガスを生成し、前記分離膜によって分離された水蒸気を改質用水として前記改質器に戻す流路管を備えることを特徴とする。
この構成によると、分離膜によって分離された水蒸気は、流路管を流れて改質用水として改質器へ戻される。このように、分離膜によって分離された水蒸気を改質用水として用いることができる。
第四態様では、前記分離膜の水蒸気通過側に流すスイープガスとして、前記改質器に供給される炭化水素原料を用いることを特徴とする。
この構成によると、改質ガスから分離膜を通してスイープガスに微量の水素が入り込むため、炭化水素原料に含まれている硫黄分を水添脱硫によって低減することができる。
第五態様では、前記分離膜の水蒸気通過側に流すスイープガスとして、前記改質器に供給される燃焼用空気を用いることを特徴とする。
この構成によると、水素製造装置に用いられる気体の中で流量が多い燃焼用空気をスイープガスとして用いることで、水蒸気の分離性能が向上し、分離膜の膜面積を小さくすることができる。
本態様では、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラーと圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を含む不純物を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る水素製造装置の一例を図1、図2に従って説明する。
本発明の第1実施形態に係る水素製造装置の一例を図1、図2に従って説明する。
本第1実施形態に係る水素製造装置10は、図1に示されるように、多重筒型改質器12と、分離膜14を有する分離部50と、改質用水を供給する改質用水供給部16と、燃焼用空気を供給する空気供給部18とを備えている。この水素製造装置10は、炭化水素原料から水素を製造するものである。本第1実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられる場合について説明する。
(多重筒型改質器12)
多重筒型改質器12は、図2に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁21、22、23、24を有している。複数の筒状壁21、22、23、24は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁21、22、23、24のうち内側から一番目の筒状壁21の内部には、燃焼室25が形成されており、この燃焼室25の上部には、バーナ26が下向きに配置されている。このバーナ26には、補給管38から都市ガスが燃料として供給される。多重筒型改質器12は、改質器の一例である。さらに、この燃焼室25の上端部には、空気供給部18(図1参照)から燃焼用空気を供給するための空気供給管40が接続されていた。
多重筒型改質器12は、図2に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁21、22、23、24を有している。複数の筒状壁21、22、23、24は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁21、22、23、24のうち内側から一番目の筒状壁21の内部には、燃焼室25が形成されており、この燃焼室25の上部には、バーナ26が下向きに配置されている。このバーナ26には、補給管38から都市ガスが燃料として供給される。多重筒型改質器12は、改質器の一例である。さらに、この燃焼室25の上端部には、空気供給部18(図1参照)から燃焼用空気を供給するための空気供給管40が接続されていた。
一番目の筒状壁21と二番目の筒状壁22との間には、燃焼排ガス流路27が形成されている。燃焼排ガス流路27の下端部は、燃焼室25と連通されており、燃焼排ガス流路27の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管28が接続されていた。燃焼室25から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路27を下側から上側に流れ、ガス排出管28を通じて外部に排出される。
また、二番目の筒状壁22と三番目の筒状壁23との間には、第一流路31が形成されている。この第一流路31の上部は、予熱流路32として形成されており、この予熱流路32の上端部には、原料供給管33と、改質用水供給部16(図1参照)から改質用水を供給するための改質用水供給管34とが接続されていた。さらに、二番目の筒状壁22と三番目の筒状壁23との間には、螺旋部材35が設けられており、この螺旋部材35により、予熱流路32は、螺旋状に形成されている。原料供給管33は、流路管の一例である。
予熱流路32には、分離部50(図1参照)を通った都市ガスが原料供給管33から供給され、さらに、改質用水供給部16の改質用水が改質用水供給管34から供給される。都市ガス及び改質用水は、予熱流路32を上側から下側に流れ、二番目の筒状壁22を介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される。この予熱流路32では、都市ガス及び気相の改質用水(水蒸気)が混合されることにより、混合ガスが生成される。
また、第一流路31における予熱流路32の下側には、改質触媒層36が設けられており、予熱流路32にて生成された混合ガスは、改質触媒層36へ供給される。改質触媒層36では、燃焼排ガス流路27を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスが水蒸気改質反応により、水素を主成分とする改質ガスが生成される。
さらに、三番目の筒状壁23と四番目の筒状壁24との間には、第二流路42が形成されている。第二流路42の下端部は、第一流路31の下端部と連通されている。第二流路42の下部は、改質ガス流路43として形成されており、第二流路42の上端部には、改質ガス排出管44が接続されていた。
また、第二流路42における改質ガス流路43よりも上側には、CO変成触媒層45が設けられており、改質触媒層36にて生成された改質ガスは、改質ガス流路43を通過した後、CO変成触媒層45へ供給される。CO変成触媒層45では、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。
さらに、CO変成触媒層45の上側には、酸化剤ガス供給管46が接続されており、第二流路42におけるCO変成触媒層45よりも上側には、CO選択酸化触媒層47が設けられている。酸化剤ガス供給管46を通じて取り入れられた酸化剤ガス、及び、CO変成触媒層45を通過した改質ガスは、CO選択酸化触媒層47へ供給される。CO選択酸化触媒層47では、例えば白金やルテニウム等の貴金属触媒上で一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。CO変成触媒層45及びCO選択酸化触媒層47で一酸化炭素が除去された改質ガスは、改質ガス排出管44を通じて排出される。
多重筒型改質器12にて生成された改質ガスは、図1に示したように、分離膜14を有する分離部50へ供給される。
(分離部50)
分離部50は、図1に示されるように、改質ガスから水蒸気を通過(透過)させる分離膜14と、分離膜14によって仕切られている供給室52及び透過室54とを有している。供給室52には、多重筒型改質器12からの改質ガスが流れる改質ガス排出管44が接続されている。そして、供給室52へ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、分離膜14を通過して供給室52から透過室54へ流れる。水蒸気が分離された改質ガスは、精製された水素として供給室52から排出される。
分離部50は、図1に示されるように、改質ガスから水蒸気を通過(透過)させる分離膜14と、分離膜14によって仕切られている供給室52及び透過室54とを有している。供給室52には、多重筒型改質器12からの改質ガスが流れる改質ガス排出管44が接続されている。そして、供給室52へ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、分離膜14を通過して供給室52から透過室54へ流れる。水蒸気が分離された改質ガスは、精製された水素として供給室52から排出される。
一方、透過室54には、スイープガスとしての都市ガスが流れるガス供給管58と、多重筒型改質器12へ供給される都市ガスが流れる原料供給管33とが接続されている。スイープガスとして透過室54へ供給された都市ガスは、分離膜14を通過した水蒸気を含み、原料供給管33を流れて多重筒型改質器12へ供給される。
水蒸気分離膜としては、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。
(作用)
次に、水素製造装置10の作用について説明する。
次に、水素製造装置10の作用について説明する。
都市ガスは、図1に示されるように、ガス供給管58を流れて分離部50の透過室54を通り、原料供給管33を流れて多重筒型改質器12へ供給される。
多重筒型改質器12へ供給された都市ガスは、多重筒型改質器12で改質ガスに生成される。この改質ガスは、改質ガス排出管44を流れて分離部50の供給室52へ供給される。供給室52へ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、分離膜14を通過して供給室52から透過室54へ流れる。そして、スイープガスとして透過室54へ供給された前述の都市ガスは、分離膜14を通過した水蒸気を含み、原料供給管33を流れて多重筒型改質器12へ供給される。
一方、水蒸気が分離された改質ガスは、精製された水素(粗精製水素)として供給室52から排出される。
(まとめ)
以上説明したように、水素製造装置10では、分離膜14を用いることで改質ガスに含まれる水蒸気を分離する。このため、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、及び圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
以上説明したように、水素製造装置10では、分離膜14を用いることで改質ガスに含まれる水蒸気を分離する。このため、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、及び圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
また、ユーザが求める水素の純度が例えば、80〔%〕以下の場合(粗精製水素の場合)には、改質ガスから水素を精製するための水素精製器(例えば、PSA(Pressure Swing Adsorption))が不要となる構成を得ることができる。
また、スイープガスとして透過室54へ供給された都市ガスが、分離膜14を通過した水蒸気を含み、原料供給管33を流れて多重筒型改質器12へ供給される。このため、分離膜14によって分離した水蒸気を、水蒸気改質反応用の水分として利用することができる。さらに、改質ガスから分離膜を通してスイープガスに微量の水素が入り込むため、都市ガスに含まれている硫黄分を水添脱硫によって低減することができる。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る水素製造装置110の一例を図3、図4に従って説明する。なお、第2実施形態については、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
本発明の第2実施形態に係る水素製造装置110の一例を図3、図4に従って説明する。なお、第2実施形態については、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
(構成)
水素製造装置110の多重筒型改質器112の予熱流路32の上端部には、図4に示されるように、原料供給管133が接続されている。原料供給管133から都市ガスが直接、多重筒型改質器112へ供給される。多重筒型改質器112は、改質器の一例である。
水素製造装置110の多重筒型改質器112の予熱流路32の上端部には、図4に示されるように、原料供給管133が接続されている。原料供給管133から都市ガスが直接、多重筒型改質器112へ供給される。多重筒型改質器112は、改質器の一例である。
分離部50の分離膜14は、水蒸気及び二酸化炭素を通過(透過)させることで、改質ガスから水蒸気及び二酸化炭素を分離する。
二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., ’Water vapor and CO2 transport through amine−containing facilitated transport membranes’, Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。
また、二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜として、二酸化炭素分離膜と水蒸気分離膜とを組み合わせてもよい。
二酸化炭素分離膜としては、有機高分子膜(ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜等)、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜(アミン水溶液膜、イオン液体膜等)などが挙げられる。
分離部50の透過室54には、図3に示されるように、空気供給部18からの燃焼用空気が流れる空気輸送管158と、多重筒型改質器112へ供給される燃焼用空気が流れる空気供給管40とが接続されている。スイープガスとして透過室54へ供給された燃焼用空気は、分離膜14を通過した水蒸気及び二酸化炭素を含み、空気供給管40を流れて多重筒型改質器112へ供給される。
(作用)
次に、水素製造装置110の作用について説明する。
次に、水素製造装置110の作用について説明する。
都市ガスは、図3に示されるように、原料供給管133を流れて多重筒型改質器112へ供給される。多重筒型改質器112へ供給された都市ガスは、多重筒型改質器112で改質ガスに生成される。この改質ガスは、改質ガス排出管44を流れて分離部50の供給室52へ供給される。供給室52へ供給された改質ガスに含まれる水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜14を通過して供給室52から透過室54へ流れる。
一方、スイープガスとして空気供給部18から空気輸送管158を流れて分離部50の透過室54に供給された燃焼用空気は、分離膜14を通過した水蒸気及び二酸化炭素を含み、空気供給管40を流れて多重筒型改質器112へ供給される。
(まとめ)
以上説明したように、水素製造装置110では、分離膜14を用いることで改質ガスに含まれる水蒸気を分離する。このため、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、及び圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を含む不純物を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
以上説明したように、水素製造装置110では、分離膜14を用いることで改質ガスに含まれる水蒸気を分離する。このため、改質ガスに含まれる水蒸気を分離するためにチラー、及び圧縮機を用いる場合と比して、水素製造装置を稼動させるための動力を削減し、かつ、改質ガスに含まれる水蒸気を含む不純物を分離するためにチラー、圧縮機、及び水素精製器を用いる場合と比して、システムを簡素化することができる。
また、水素製造装置110では、分離膜14を用いることで改質ガスに含まれる二酸化炭素を分離する。このため、ユーザが求める水素の純度が例えば、99〔%〕以下の場合(粗精製水素の場合)には、改質ガスから水素を精製するための水素精製器(例えば、PSAが不要となる構成を得ることができる。
また、スイープガスとして、多重筒型改質器112へ供給される燃焼用空気を用いている。このように、水素製造装置110に用いられる気体の中で流量が多い燃焼用空気をスイープガスとして用いることで、水蒸気及び二酸化炭素の分離性能が向上し、分離膜14の膜面積を小さくすることができる。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、分離膜14は、改質ガスから二酸化炭素も分離したが、二酸化炭素を分離しなくてもよい。この場合には、改質ガスから二酸化炭素を分離することで奏する作用は奏しない。
また、上記実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられているが、メタンを主成分とする都市ガス以外の炭化水素原料、例えば、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスや、炭化水素系液体が用いられても良い。
また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、都市ガス以外の炭化水素原料が用いられる場合に、多重筒型改質器12、112は、上記以外の構造(使用される炭化水素原料に適した構造)に変更されても良い。
また、上記実施形態では、水素製造装置10、110は、1個の多重筒型改質器12、112を備えたが、水素製造装置が複数個の多重筒型改質器12、112を備えてもよい。
また、本実施形態に係る水素製造装置10、110は、燃料電池システムに好適に用いられるが、燃料電池システム以外の機器やシステムに用いられても良い。
10 水素製造装置
12 多重筒型改質器(改質器の一例)
14 分離膜
33 原料供給管(流路管の一例)
50 分離部
110 水素製造装置
112 多重筒型改質器(改質器の一例)
12 多重筒型改質器(改質器の一例)
14 分離膜
33 原料供給管(流路管の一例)
50 分離部
110 水素製造装置
112 多重筒型改質器(改質器の一例)
Claims (5)
- 炭化水素原料を改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器から生成された改質ガスから、少なくとも水蒸気を通過させることで分離する分離膜と、
を備える水素製造装置。 - 前記分離膜は、前記改質ガスから、二酸化炭素を通過させることで分離する請求項1に記載の水素製造装置。
- 前記改質器は、水蒸気改質反応によって炭化水素原料から改質ガスを生成し、
前記分離膜によって分離された水蒸気を改質用水として前記改質器に戻す流路管を備える請求項1に記載の水素製造装置。 - 前記分離膜の水蒸気通過側に流すスイープガスとして、前記改質器に供給される炭化水素原料を用いる請求項1から3の何れか1項に記載の水素製造装置。
- 前記分離膜の水蒸気通過側に流すスイープガスとして、前記改質器に供給される燃焼用空気を用いる請求項1から3の何れか1項に記載の水素製造装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017061273A JP2018162193A (ja) | 2017-03-27 | 2017-03-27 | 水素製造装置 |
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JP2017061273A JP2018162193A (ja) | 2017-03-27 | 2017-03-27 | 水素製造装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2004535351A (ja) * | 2001-07-20 | 2004-11-25 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 燃料電池改質器用の水蒸気転移装置 |
JP2006305463A (ja) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ガス分離装置およびガス分離方法 |
WO2012086836A1 (ja) * | 2010-12-24 | 2012-06-28 | 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ | ガス分離装置、メンブレンリアクター、水素製造装置 |
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2017
- 2017-03-27 JP JP2017061273A patent/JP2018162193A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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