JP3197096B2 - Hydrogen production equipment - Google Patents

Hydrogen production equipment

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JP3197096B2
JP3197096B2 JP05586393A JP5586393A JP3197096B2 JP 3197096 B2 JP3197096 B2 JP 3197096B2 JP 05586393 A JP05586393 A JP 05586393A JP 5586393 A JP5586393 A JP 5586393A JP 3197096 B2 JP3197096 B2 JP 3197096B2
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は炭化水素又はメタノール
と水蒸気との混合ガスから水蒸気改質反応により水素を
製造する装置に関し、更に詳細には固体高分子燃料電池
(ポリマー燃料電池)に使用できるような高純度の水素
を低い反応温度で得ることのできる工業的規模の水素製
造装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for producing hydrogen from a hydrocarbon or a mixed gas of methanol and steam by a steam reforming reaction, and more particularly to an apparatus for use in a solid polymer fuel cell (polymer fuel cell). The present invention relates to an industrial-scale hydrogen production apparatus capable of obtaining such high-purity hydrogen at a low reaction temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池、特に固体高分子燃料電池に使
用する水素はCOの含有率が10ppm以下であること
が好ましい。従って、水蒸気改質反応を利用してナフ
サ、天然ガス、都市ガスなどより得た水素はそのままで
は水素純度が低くて燃料電池には不適当であるから、従
来は水蒸気改質反応で得た水素を更に一酸化炭素変成器
及び水素精製器に通して精製して水素純度を所望の値に
していた。しかし、高純度水素を製造するための上記プ
ロセスは製造工程が複雑で、その工程には高温高圧の装
置を必要とし、しかも多量の高温熱エネルギーを消費す
るので高純度水素の製造コストが高く、燃料電池用水素
として実用化するには経済的でなかった。
2. Description of the Related Art Hydrogen used in fuel cells, particularly solid polymer fuel cells, preferably has a CO content of 10 ppm or less. Therefore, hydrogen obtained from naphtha, natural gas, city gas, etc. using a steam reforming reaction is unsuitable for a fuel cell because of its low hydrogen purity as it is. Was further purified by passing through a carbon monoxide converter and a hydrogen purifier to adjust the hydrogen purity to a desired value. However, the above-described process for producing high-purity hydrogen involves complicated production steps, requires high-temperature and high-pressure equipment, and consumes a large amount of high-temperature heat energy. It was not economical to put it to practical use as hydrogen for fuel cells.

【0003】そこで、特開昭61−17401号公報を
初めとする文献に開示されているように、選択的に水素
を透過する透過膜を使用して高純度の水素を得ようとす
る提案がなされてきた。例えば、前掲の公開公報はCH
4 /H2 Oリホーミング反応において、又は水性ガスの
発生反応において、500〜1,000℃の温度の反応
空間から選択的な水素透過性の仕切り壁を通して生成水
素を連続的に分離する方法及び装置を開示し、高純度の
水素を分離できると説明している。また、前掲公報を含
めて公知文献は例えば図7に原理図を示すような実験室
規模の水素製造装置を開示している。図7の従来の水素
製造装置において、90は反応管、92は改質触媒層、
94は水素透過管であり、炭化水素と水蒸気の混合ガス
は下方の矢印Xから導入され、改質触媒層92で改質さ
れて水素ガスを生成し、この水素ガスは水素透過管94
を透過して上方の矢印Yから流出し、水素除去後の改質
ガスは矢印Zから流出する。
Therefore, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-17401 and others, there has been a proposal to obtain high-purity hydrogen using a permeable membrane that selectively transmits hydrogen. It has been done. For example, the above publication is CH
A method for continuously separating product hydrogen from a reaction space at a temperature of 500 to 1,000 ° C. through a selective hydrogen permeable partition wall in a 4 / H 2 O reforming reaction or a water gas generation reaction; An apparatus is disclosed which states that high purity hydrogen can be separated. In addition, known documents including the above-mentioned publications disclose a laboratory-scale hydrogen production apparatus as shown in a principle diagram in FIG. 7, for example. In the conventional hydrogen production apparatus of FIG. 7, 90 is a reaction tube, 92 is a reforming catalyst layer,
Reference numeral 94 denotes a hydrogen permeation pipe. A mixed gas of hydrocarbon and water vapor is introduced from a lower arrow X and reformed by a reforming catalyst layer 92 to generate hydrogen gas.
, And flows out from the arrow Y above, and the reformed gas after hydrogen removal flows out from the arrow Z.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、公知文献はか
かる実験室規模の装置を工業的規模の装置にスケールア
ップする手法、手段については殆ど開示していない。換
言すれば、水素透過性の仕切り壁を通して生成水素を連
続的に分離する方法を工業的規模の技術として実際面で
如何に利用するか、あるいはかかる実験室規模の装置を
工業的規模の大型水素製造装置に如何に拡大するかにつ
いては未だ確立されていない技術である。
However, the known literature hardly discloses a method or means for scaling up such a laboratory scale apparatus to an industrial scale apparatus. In other words, how to use the method of continuously separating the produced hydrogen through the hydrogen-permeable partition wall as an industrial-scale technique in practical terms, or use such a laboratory-scale apparatus as a large-scale industrial-scale hydrogen It is a technology that has not yet been established as to how to expand the manufacturing equipment.

【0005】ところで、実験室規模の技術を工業的規模
の大型水素製造装置にスケールアップするには種々の技
術的問題を克服し、水素製造装置としての経済性を確立
する必要がある。例えば、図7に示すような改質触媒層
中に水素透過管を備えた反応管を多数並列に並べ、それ
ぞれの入口、出口をヘッダで連結して多管式の反応装置
を構成することも大型化の一つの手法である。しかし、
かかる装置は大型で複雑な構成となるため、装置操作
性、制御性が悪く熱効率も低い装置となり、かつ建設す
るには多量の材料を必要とし製作性も不良であるため、
コスト高の競争力のない装置となる。同じように、水素
透過性膜を有す分離手段の構成、あるいは反応領域を加
熱する加熱手段の構成をどのようにするかなどのエンジ
ニアリングの問題は装置のスケールアップ上で極めて重
要な問題であるが、具体的な例は示されていない。
By the way, in order to scale up a laboratory-scale technology to a large-scale industrial-scale hydrogen production apparatus, it is necessary to overcome various technical problems and to establish economical efficiency as a hydrogen production apparatus. For example, a multi-tube reactor may be constructed by arranging a large number of reaction tubes provided with hydrogen permeable tubes in a reforming catalyst layer as shown in FIG. 7 and connecting their respective inlets and outlets with headers. This is one method of increasing the size. But,
Since such a device has a large and complicated configuration, the device has poor operability, poor controllability and low thermal efficiency, and requires a large amount of material for construction and is poor in manufacturability.
It is a costly and uncompetitive device. Similarly, engineering issues such as the configuration of the separation means having a hydrogen permeable membrane or the configuration of the heating means for heating the reaction area are extremely important issues in scaling up the apparatus. However, no specific example is shown.

【0006】一方、燃料電池を実用化するには高純度水
素を低いコストで提供できることが極めて重要であり、
かかる要請に応えて高純度水素を低いコストで製造でき
る工業的規模の水素製造装置を実現することが懸案とな
っていた。上述の問題に鑑み、本発明の目的は選択的な
水素透過性の仕切り壁を透過させて水蒸気改質反応によ
り生成した水素を分離、収集するようにされた実験室規
模の水素製造装置を発展させて、新規な構成の工業的水
素製造装置を提供することである。
[0006] On the other hand, it is extremely important to provide high-purity hydrogen at low cost in order to put a fuel cell into practical use.
In response to such a demand, there has been a pending need to realize an industrial-scale hydrogen production apparatus capable of producing high-purity hydrogen at low cost. In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to develop a laboratory-scale hydrogen production apparatus that is capable of separating and collecting hydrogen generated by a steam reforming reaction through a selective hydrogen-permeable partition wall. It is an object of the present invention to provide an industrial hydrogen production apparatus having a novel configuration.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る水素製造装置は (1)選択的な水素透過性の仕切り壁を透過させて水蒸
気改質反応により生成した水素を分離、収集するように
した水素製造装置において、 底部を閉じた直立外筒と、その内側に直立して順次
多重配設された中筒及び内筒と、並びに内筒の天井壁に
配設された垂下式燃焼バーナとを備えてなり、 外筒と中筒とが画成する第1環状空間部と内筒内側
の内筒中空部とは、それぞれの底部で連通し、更に中筒
と内筒とは下部端縁同士が連結して閉じた環状底部を有
する第2環状空間部を形成してなり、 第2環状空間部には改質触媒を充填した触媒層が形
成され、その触媒層には無機多孔層上に水素透過性の金
属膜を有する外壁と内壁と環状底壁とを備えて第3環状
空間部を画成する2重水素透過筒が第2環状空間部と同
心状にほぼ垂直に配置され、更に下端が開放されたスイ
ープガス管が第3環状空間部に配設されてなり、 第2環状空間部上部から原料ガスを導入して触媒層
を流下させつつ高温下で水素に転化し、生成した水素を
2重水素透過筒を透過させて選択的に分離、収集し、ス
イープガス管の上部から導入したスイープガスに透過水
素を同伴させて第3環状空間部を経由してその上部から
スイープガスと共に流出させるようにしてなることを特
徴とする水素製造装置。 (2)上記(1)に記載の水素製造装置において、 下端が開放された前記スイープガス管に代えて、ヘ
ッダ壁に多数の貫通孔を備えた環状パイプヘッダを前記
2重水素透過筒の環状底壁に沿って配置し、かつスイー
プガス管の下端を環状パイプヘッダに接続してなり、 更に、前記第2環状空間部の触媒層を、前記内筒と
2重水素透過筒の内壁との間の内側触媒層と、前記中筒
と2重水素透過筒の外壁との間の外側触媒層とに区画し
てなり、 内側触媒層の上部から原料ガスを導入して内側触媒
層を流下させ、更に外側触媒層を上昇させつつ高温下で
水素に転化し、生成した水素を2重水素透過筒を透過さ
せて選択的に分離、収集し、第3環状空間部上部から導
入したスイープガスに透過水素を同伴させて環状パイプ
ヘッダの貫通孔を経由してスイープガス管に流入させ、
その上部からスイープガスと共に流出させるようにして
なることを特徴とする水素製造装置。 (3)上記(2)に記載の水素製造装置において、 下端が開放された前記スイープガス管に代えて、前
記2重水素透過筒の第3環状空間部内にほぼ同心状に円
筒状隔壁を下端で水素透過2重筒の環状底壁から離隔し
て配設し、 更に、前記第2環状空間部の触媒層を、前記内筒と
2重水素透過筒の内壁との間の内側触媒層と、前記中筒
と2重水素透過筒の外壁との間の外側触媒層とに区画し
てなり、 内側触媒層の上部から原料ガスを導入して内側触媒
層を流下させ、更に外側触媒層を上昇させつつ高温下で
水素に転化し、生成した水素を2重水素透過筒を透過さ
せて選択的に分離、収集し、2重水素透過筒の外壁と隔
壁との環状空間部上部から導入したスイープガスに透過
水素を同伴させて、隔壁と2重水素透過筒の内壁との環
状空間部の上部からスイープガスと共に流出させるよう
にしてなる、ことを特徴とする水素製造装置。 (4)前記水素透過性の金属膜は、Pdを含む合金、N
iを含む合金又はVを含む合金のいずれかの無孔質薄膜
であることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれ
かに記載の水素製造装置。 (5)上記(1)〜(3)に記載の水素製造装置におい
て、前記スイープガス同伴方式の透過水素収集法に代え
て、水素透過側をポンプにて掃気することによって透過
水素を収集するようにしてなることを特徴とする水素製
造装置。 (6)原料ガスとスイープガスそれぞれの流れ方向が逆
向きに設定されていることを特徴とする上記1〜5のい
ずれかに記載の水素製造装置。である。
Means for Solving the Problems To achieve the above object, a hydrogen production apparatus according to the present invention comprises: (1) hydrogen produced by a steam reforming reaction through a selective hydrogen permeable partition wall; In a hydrogen production apparatus that is separated and collected, an upright outer cylinder with a closed bottom, an inner cylinder and an inner cylinder that are sequentially multiplexed and arranged inside the outer cylinder, and a ceiling wall of the inner cylinder are provided. A first annular space defined by the outer cylinder and the middle cylinder and the inner cylinder hollow inside the inner cylinder communicate with each other at the bottom thereof. A second annular space portion having a closed annular bottom portion is formed by connecting the lower edges to the cylinder, and a catalyst layer filled with a reforming catalyst is formed in the second annular space portion. Includes an outer wall having a hydrogen-permeable metal film on an inorganic porous layer, an inner wall, and an annular bottom wall. A double hydrogen permeable cylinder that defines the third annular space is disposed substantially concentrically and vertically with the second annular space, and a sweep gas pipe having an open lower end is arranged in the third annular space. The raw material gas is introduced from the upper part of the second annular space part, is converted to hydrogen under high temperature while flowing down the catalyst layer, and the generated hydrogen is selectively separated and collected by passing through the deuterium permeable cylinder, and is swept. A hydrogen production apparatus characterized in that a permeated hydrogen accompanies a sweep gas introduced from an upper part of a gas pipe and flows out of the upper part thereof along with the sweep gas through a third annular space. (2) In the hydrogen production apparatus according to the above (1), an annular pipe header having a large number of through holes in a header wall is replaced with an annular pipe header having a large number of through holes in place of the sweep gas pipe having an open lower end. A bottom end of the sweep gas pipe is connected to an annular pipe header, and the catalyst layer of the second annular space is connected to the inner cylinder and an inner wall of a deuterium permeable cylinder. And an outer catalyst layer between the middle cylinder and the outer wall of the deuterium permeable cylinder. A raw material gas is introduced from above the inner catalyst layer to flow down the inner catalyst layer. Further, while raising the outer catalyst layer, it is converted into hydrogen at a high temperature, and the generated hydrogen is selectively separated and collected by passing through a deuterium permeable cylinder, and is converted into a sweep gas introduced from the upper part of the third annular space. Via perforated hole in annular pipe header with permeated hydrogen To flow into the Ipugasu tube,
A hydrogen production apparatus characterized in that it is made to flow out along with a sweep gas from the upper part. (3) In the hydrogen production apparatus according to the above (2), a cylindrical partition is substantially concentrically provided in the third annular space portion of the double hydrogen permeable tube at the lower end instead of the sweep gas pipe having an open lower end. And further disposed apart from the annular bottom wall of the hydrogen permeable double cylinder, and furthermore, the catalyst layer of the second annular space is provided with an inner catalyst layer between the inner cylinder and the inner wall of the double hydrogen permeable cylinder. And an outer catalyst layer between the middle cylinder and the outer wall of the deuterium permeable cylinder. A raw material gas is introduced from above the inner catalyst layer to flow down the inner catalyst layer, and further, the outer catalyst layer is formed. While being raised, it was converted to hydrogen under high temperature, and the generated hydrogen was selectively separated and collected by passing through a deuterium permeable tube, and introduced from the upper part of the annular space between the outer wall and the partition wall of the deuterium permeable tube. The permeated hydrogen accompanies the sweep gas, and the perforated space above the annular space between the partition wall and the inner wall of the deuterium permeable cylinder. It made so as to flow out together with the sweep gas from the hydrogen production apparatus, characterized in that. (4) The hydrogen-permeable metal film is made of an alloy containing Pd, N
The hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the hydrogen production apparatus is a nonporous thin film of any of an alloy containing i and an alloy containing V. (5) In the hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (3), the permeated hydrogen is collected by purging the hydrogen permeation side with a pump instead of the permeated hydrogen collection method of the sweep gas entrainment method. A hydrogen production apparatus characterized in that: (6) The hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (5) above, wherein the flow directions of the raw material gas and the sweep gas are set in opposite directions. It is.

【0008】[0008]

【作用】本発明に係る水素製造装置に導入する原料ガス
は天然ガス、ナフサ、都市ガスなどの軽質炭化水素及び
メタノールなどのアルコールに水蒸気を混合したもので
ある。また、本発明で使用する改質触媒は上述の原料ガ
スから水素を水蒸気改質方法により製造する場合に従来
から使用してきたいずれの触媒でも使用することができ
る。
The raw material gas introduced into the hydrogen production apparatus according to the present invention is a mixture of light hydrocarbons such as natural gas, naphtha and city gas, and alcohols such as methanol mixed with water vapor. Further, as the reforming catalyst used in the present invention, any catalyst conventionally used in producing hydrogen from the above-mentioned raw material gas by a steam reforming method can be used.

【0009】本発明の水素製造装置は内筒で竪型の火炉
を形成し、その外側に順次直立の中筒及び外筒の筒状体
を配設した多重筒体で構成されている。更に、第2環状
空間部に改質触媒を充填して触媒層を形成し、触媒層に
2重水素透過筒を配設して反応/分離領域を形成してい
る。好適には、それぞれの筒状体は円筒体であるのがよ
い。このようにすると火炉を中央部に配置した同心多重
円筒体の構成により、半径方向の熱流束分布を均一にし
やすくなり、かつ2重水素透過筒の耐熱温度を超過する
ようなホットスポットの発生を防止できる。
[0009] The hydrogen production apparatus of the present invention is constituted by a multi-cylinder in which a vertical furnace is formed by an inner cylinder, and an upright middle cylinder and an outer cylinder are sequentially disposed outside the furnace. Furthermore, a reforming catalyst is filled in the second annular space to form a catalyst layer, and a double hydrogen permeable cylinder is disposed in the catalyst layer to form a reaction / separation region. Preferably, each tubular body is a cylindrical body. With this configuration, the concentric multi-cylindrical structure in which the furnace is disposed at the center makes it easy to make the heat flux distribution uniform in the radial direction, and prevents the generation of hot spots that exceed the heat resistant temperature of the deuterium permeable cylinder. Can be prevented.

【0010】吸熱反応である水蒸気改質反応を維持する
ために必要な熱は内筒の天井壁に取り付けられた垂下式
燃焼バーナによって供給される。垂下式燃焼バーナは火
炎が下向きになるような形式のバーナであって、従来か
ら使用されてきたものを使用できる。燃焼バーナを垂下
式にして火炉の頂部に取り付けることにより、火炎が上
向きになる直立型燃焼バーナを火炉下部に取り付けた場
合に比べて燃焼バーナの汚れが少なく、従って燃焼バー
ナの清掃に要する入手が軽減され、しかも燃焼バーナの
点検保守自体も容易になる。また、直立型燃焼バーナの
場合には必要となる燃焼バーナの保守点検用空間を火炉
の床下に設ける必要がないので、火炉の高さをその分低
くすることが可能になり、これによって水素製造装置の
コストをそれだけ軽減できる。
The heat required to maintain the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, is supplied by a hanging combustion burner attached to the ceiling wall of the inner cylinder. The dripping combustion burner is a burner of a type in which the flame is directed downward, and a conventionally used burner can be used. By attaching the combustion burner to the top of the furnace in a hanging manner, the combustion burner is less contaminated than when an upright combustion burner with the flame facing upward is installed at the bottom of the furnace, and therefore, the availability required for cleaning the combustion burner is reduced. In addition, the inspection and maintenance of the combustion burner itself is facilitated. In addition, in the case of an upright combustion burner, it is not necessary to provide a space for maintenance and inspection of the combustion burner, which is required below the floor of the furnace, so that the height of the furnace can be reduced accordingly, thereby producing hydrogen. The cost of the device can be reduced accordingly.

【0011】無機多孔層上に水素透過性の金属膜を備え
た水素透過壁からなる反応器は水素のみを選択的に透過
させる所謂メンブレンリアクターと称されるものである
が、本発明で使用する2重水素透過筒は筒状の内壁と外
壁とを有しており、より経済的なメンブレンリアクター
になるように工夫されている。炭化水素の例としてメタ
ンを取り上げて水素透過筒の作用を説明する。メタンの
改質反応は500℃から1,000℃の範囲の反応温度
で次の式に従って進行し化学平衡に達する。
A reactor comprising a hydrogen permeable wall provided with a hydrogen permeable metal film on an inorganic porous layer is a so-called membrane reactor which selectively permeates only hydrogen, and is used in the present invention. The deuterium permeable cylinder has a cylindrical inner wall and an outer wall, and is devised to be a more economical membrane reactor. Taking methane as an example of hydrocarbon, the operation of the hydrogen permeable cylinder will be described. The methane reforming reaction proceeds at a reaction temperature in the range of 500 ° C. to 1,000 ° C. according to the following equation and reaches chemical equilibrium.

【0012】[0012]

【化1】 Embedded image

【0013】ここで、生成物から生成水素を水素透過筒
により選択的に分離して生成物中の水素分圧を低下させ
ると、上式において、更に反応は右側に進み、結果的に
同じ反応温度での転化率が大きくなる。換言すれば、従
来のメタン改質法では反応域の温度を約800℃にする
ことが必要であったが、水素透過筒を使用することによ
り、本発明に係る水素製造装置では、同じ値の転化率を
500〜600℃の温度で達成することができる。な
お、水素透過壁の水素透過性の金属膜の単位面積あたり
の水素透過量QH は非透過側の水素分圧の平方根(P
h)1/2 と透過側の水素分圧の平方根(Pl) 1/2 との
差に比例する。すなわち、QH =k((Ph)1/2
(Pl)1/2 )である。
Here, hydrogen generated from the product is transferred to a hydrogen permeable cylinder.
To reduce the partial pressure of hydrogen in the product
Then, in the above equation, the reaction further proceeds to the right, and consequently
The conversion at the same reaction temperature increases. In other words,
In the next methane reforming method, the temperature of the reaction zone will be about 800 ° C
It was necessary to use a hydrogen permeable cylinder.
In the hydrogen production apparatus according to the present invention,
It can be achieved at a temperature of 500-600C. What
In addition, per unit area of the hydrogen permeable metal membrane of the hydrogen permeable wall
Of hydrogen permeation QHIs the square root of the partial pressure of hydrogen on the non-permeate side (P
h)1/2And the square root of the hydrogen partial pressure on the permeate side (Pl) 1/2With
It is proportional to the difference. That is, QH= K ((Ph)1/2
(Pl)1/2).

【0014】以上のように、水素透過筒で水素を収集し
て化学反応を上記式において右側に移行させることがで
きるので、従来より改質温度が150〜200℃程度低
下する。それにより、熱効率が大幅に向上する。また、
反応温度が低いので、装置には耐熱性の高くない廉価な
材料を使用でき、従って装置のコストを軽減できる。
As described above, since the hydrogen can be collected in the hydrogen permeable column and the chemical reaction can be shifted to the right side in the above equation, the reforming temperature is reduced by about 150 to 200 ° C. as compared with the conventional case. Thereby, the thermal efficiency is greatly improved. Also,
Since the reaction temperature is low, an inexpensive material that does not have high heat resistance can be used for the apparatus, and thus the cost of the apparatus can be reduced.

【0015】スイープガスは触媒層を流れる改質ガスに
対して向流に流れる。従って、触媒層出口端近傍では生
成した水素をほぼ完全にスイープして大幅に水素分圧を
低下させるので、スイープガスの導入は触媒層全体での
転化率を上げる効果がある。また、2重水素透過筒内の
スイープガスと触媒層内改質ガスの向流物質移動で生成
水素の回収率を高めることができる。本発明水素製造装
置において使用するスイープガスとしては例えば水蒸気
のほか、窒素、ヘリウムなどのイナートガスをあげるこ
とができる。
The sweep gas flows countercurrent to the reformed gas flowing through the catalyst layer. Therefore, in the vicinity of the outlet end of the catalyst layer, the generated hydrogen is swept almost completely to greatly reduce the hydrogen partial pressure. Therefore, the introduction of the sweep gas has the effect of increasing the conversion rate in the entire catalyst layer. Further, the recovery rate of generated hydrogen can be increased by countercurrent mass transfer of the sweep gas in the double hydrogen permeable cylinder and the reformed gas in the catalyst layer. Examples of the sweep gas used in the hydrogen production apparatus of the present invention include inert gas such as nitrogen and helium in addition to steam.

【0016】前述したように、水素透過管を透過する水
素の量を増大させるには非透過側の水素分圧と透過側の
水素分圧の差を大きくする必要があり、このため透過側
の水素分圧を小さくするためにスイープガスを透過側に
流通させることが有効であるが、このほかに透過側の水
素分圧を下げる手段として透過側をポンプによって吸引
する手段を採用することも有効である。
As described above, in order to increase the amount of hydrogen permeating the hydrogen permeable tube, it is necessary to increase the difference between the hydrogen partial pressure on the non-permeate side and the hydrogen partial pressure on the permeate side. It is effective to flow the sweep gas to the permeate side in order to reduce the hydrogen partial pressure, but it is also effective to adopt a means to suck the permeate side by a pump as a means to reduce the hydrogen partial pressure on the permeate side. It is.

【0017】2重水素透過筒の水素透過性の金属膜は水
素のみを選択的に透過させるので、2重水素透過筒によ
り分離された水素の純度は極めて高く、前述の固体高分
子燃料電池用の水素として最適である。
Since the hydrogen-permeable metal membrane of the double hydrogen permeable cylinder selectively allows only hydrogen to permeate, the purity of the hydrogen separated by the double hydrogen permeable cylinder is extremely high. Most suitable as hydrogen.

【0018】水素透過性の金属膜はその厚さが5〜50
μmであって、無機多孔層上に形成されて、選択的に水
素を透過させることができるものである。その下の無機
多孔層は水素透過性の金属膜を保持するための担体であ
って、厚さが0.1mmから1mmの範囲で多孔性のス
テンレス鋼不織布、セラミックス、ガラスなどから形成
される。更に、その内側には構造強度部材として単層も
しくは複数層から成る金網が配置されている。
The hydrogen-permeable metal film has a thickness of 5 to 50.
μm, formed on the inorganic porous layer and capable of selectively transmitting hydrogen. The underlying inorganic porous layer is a carrier for holding a hydrogen-permeable metal film, and is formed of a porous stainless steel nonwoven fabric, ceramics, glass, or the like in a thickness range of 0.1 mm to 1 mm. Further, a wire mesh composed of a single layer or a plurality of layers is disposed as a structural strength member on the inner side.

【0019】本発明の望ましい実施態様では、水素透過
性の金属膜はPdを含む合金又はVやNiを含む合金の
いずれかの無孔質層であることが好ましい。Pdを含む
合金にはPd・Ag合金、Pd・Y合金、Pd・Ag・
Au合金などをあげることができ、Vを含む合金にはV
・Ni、V・Ni・Coなどを、またNiを含む合金で
はLaNi5 などをあげることができる。また、無孔質
Pd層の製作方法は、例えば米国特許第3155467
号、同第277361号各明細書に開示されている。
In a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen-permeable metal film is preferably a non-porous layer made of an alloy containing Pd or an alloy containing V or Ni. Pd-containing alloys include Pd-Ag alloy, Pd-Y alloy, Pd-Ag-
Au alloys and the like can be given.
· Ni, and the like LaNi 5 is a like V · Ni · Co, also an alloy containing Ni. Further, a method for producing a non-porous Pd layer is described in, for example, US Pat. No. 3,155,467.
And No. 277361.

【0020】[0020]

【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。 (実施例1)図1は本発明に係る水素製造装置の実施例
1の斜視的断面図、図2は図1の水素製造装置の概略横
断面図、図3は図2の矢視X−Xでの2重水素透過円筒
の部分断面図である。図1及び図2に示すように、水素
製造装置10は底部12を有する外筒14と、その内側
に順次同心状に配設された中筒16及び内筒18とを備
えている。この実施例では外筒14、中筒16及び内筒
18とも直立円筒形をなしている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 is a perspective sectional view of Embodiment 1 of a hydrogen production apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen production apparatus of FIG. 1, and FIG. It is a fragmentary sectional view of the deuterium permeable cylinder in X. As shown in FIGS. 1 and 2, the hydrogen production apparatus 10 includes an outer cylinder 14 having a bottom portion 12, and a middle cylinder 16 and an inner cylinder 18 sequentially and concentrically arranged inside the outer cylinder 14. In this embodiment, the outer cylinder 14, the middle cylinder 16 and the inner cylinder 18 also have an upright cylindrical shape.

【0021】外筒14と中筒16とはその筒壁間に第1
環状空間部20を画成し、第1環状空間部20と内筒1
8内側の内筒中空部22とはそれぞれの底部で連通して
いる。中筒16と内筒18とは下部端縁同士が連結して
閉じた環状底部24を形成すると共に筒壁間に第2環状
空間部26を形成している。内筒中空部22、外筒14
の底部12と環状底部24との間の空間、更に第1環状
空間部20からなる連続空間部は燃焼ガスの流路を形成
していて、外筒壁14及び外筒14の底部壁12はそれ
ぞれ耐火煉瓦で構築されている。
The outer cylinder 14 and the middle cylinder 16 are located between the cylinder walls.
An annular space 20 is defined, and the first annular space 20 and the inner cylinder 1 are defined.
The inner cylindrical hollow portion 22 inside the inner portion 8 communicates with each other at the bottom. The lower ends of the middle cylinder 16 and the inner cylinder 18 are connected to form a closed annular bottom 24 and a second annular space 26 is formed between the cylinder walls. Inner cylinder hollow part 22, outer cylinder 14
The space between the bottom portion 12 and the annular bottom portion 24, and the continuous space portion composed of the first annular space portion 20 form a flow path of the combustion gas, and the outer cylinder wall 14 and the bottom wall 12 of the outer cylinder 14 Each is built with firebricks.

【0022】第2環状空間部26には改質触媒Aを充填
した触媒層26(便宜上、第2環状空間部と同じ符号を
付す)が形成されている。更に、その触媒層には無機多
孔層上に水素透過性の金属膜を備えた外壁28と内壁3
0と環状底壁32とからなり、それにより第3環状空間
部33を画成する2重水素透過円筒34が第2環状空間
部26内にそれと同心状に配置されている。図2に示す
ように、2重水素透過円筒34の中にはステンレス鋼製
の多数の円筒形スイープガス管36が2重水素透過円筒
34の第3環状空間部33内周方向にほぼ等しい間隔で
配設されている。
A catalyst layer 26 filled with the reforming catalyst A (for convenience, the same reference numeral as that of the second annular space portion) is formed in the second annular space portion 26. Further, the catalyst layer has an outer wall 28 and a inner wall 3 provided with a hydrogen-permeable metal film on an inorganic porous layer.
A double hydrogen permeable cylinder 34, which is comprised of a zero and an annular bottom wall 32, thereby defining a third annular space 33, is disposed concentrically within the second annular space 26. As shown in FIG. 2, in the deuterium permeable cylinder 34, a number of cylindrical sweep gas pipes 36 made of stainless steel are arranged at substantially equal intervals in the inner circumferential direction of the third annular space 33 of the deuterium permeable cylinder 34. It is arranged in.

【0023】図3に示すように、2重水素透過円筒34
の外壁28、内壁30及び環状底壁32はそれぞれ内側
に支持部材としてステンレス鋼製のメッシュ38を、そ
の上に水素透過性の金属膜の担体としてステンレス鋼不
織布からなる無機多孔層40を備え、更にその上に水素
透過性の金属膜として無孔質Pd膜42が被覆されてい
る。
As shown in FIG. 3, the double hydrogen permeable cylinder 34
The outer wall 28, the inner wall 30, and the annular bottom wall 32 each have a mesh 38 made of stainless steel as a support member on the inner side, and an inorganic porous layer 40 made of stainless steel nonwoven fabric thereon as a hydrogen-permeable metal film carrier, Further, a non-porous Pd film 42 is coated thereon as a hydrogen-permeable metal film.

【0024】内筒中空部22の頂部を閉塞する天井壁4
4には垂下式燃焼バーナ46が下向きに取り付けられて
いる。該燃焼バーナ46には燃料ガス管48と空気取り
入れ管50とが接続されている。
The ceiling wall 4 for closing the top of the hollow portion 22
4, a hanging combustion burner 46 is attached downward. A fuel gas pipe 48 and an air intake pipe 50 are connected to the combustion burner 46.

【0025】次に、水素製造装置10のプロセス説明を
図1及び図2を参照して行う。垂下式燃焼バーナ46は
燃料ガス管48を介して導入された燃料ガスを空気取り
入れ管50を介して取り入れた空気によって燃焼して、
水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーを触媒層26に供
給して所定の温度に維持する。燃焼ガスは内筒中空部2
2、外筒14の底部12と環状底部24との間の空間、
次いで第1環状空間部20を経て燃焼ガス出口52から
外部に出る。その間に触媒層26を加熱する。
Next, the process of the hydrogen production apparatus 10 will be described with reference to FIGS. The hanging combustion burner 46 burns fuel gas introduced through a fuel gas pipe 48 by air introduced through an air intake pipe 50,
The thermal energy required for the steam reforming reaction is supplied to the catalyst layer 26 and maintained at a predetermined temperature. The combustion gas is the hollow part 2 of the inner cylinder.
2, the space between the bottom 12 of the outer cylinder 14 and the annular bottom 24,
Next, the fuel gas exits from the combustion gas outlet 52 through the first annular space 20. Meanwhile, the catalyst layer 26 is heated.

【0026】軽質炭化水素又はメタノールガスと水蒸気
との混合ガスからなる原料ガスが第2環状空間部26の
上部に設けられた原料ガス入口54から導入されて触媒
層26に流入して高温下で水素に転化する。生成水素は
2重水素透過円筒34により選択的に分離、収集され、
第3環状空間部33を経由してその上部に設けられた水
素出口56からスイープガスと共に流出する。
A source gas comprising a mixture of light hydrocarbon or methanol gas and water vapor is introduced from a source gas inlet 54 provided at the upper part of the second annular space 26, flows into the catalyst layer 26, and is heated under a high temperature. Converts to hydrogen. The generated hydrogen is selectively separated and collected by the deuterium permeable cylinder 34,
The gas flows out along with the sweep gas from a hydrogen outlet 56 provided at an upper portion thereof via the third annular space portion 33.

【0027】スイープガスは装置上部のスイープガス入
口58から送入され、スイープガス管36を流下し、次
いで下端開口から第3環状空間部33に流入し、水素を
スイープしながら生成水素を同伴して上昇し水素出口5
6から流出する。スイープガスをして水素を押し流すよ
うに同伴流出させることにより、水素透過管32の透過
側の水素分圧が低く維持される。スイープガスとしては
例えば水蒸気、イナートガスが使用される。一方、触媒
層26を通過した未反応の原料ガス、生成したCO、C
2 ガスは、触媒層26の下部に開口を有するオフガス
管60を経由してオフガス出口62より系外に流出す
る。
The sweep gas is fed from the sweep gas inlet 58 at the top of the apparatus, flows down the sweep gas pipe 36, flows into the third annular space 33 from the lower end opening, and entrains generated hydrogen while sweeping hydrogen. Rise to hydrogen outlet 5
Outflow from 6. By causing the sweep gas to flow along with the hydrogen so as to flush out the hydrogen, the hydrogen partial pressure on the permeation side of the hydrogen permeation tube 32 is kept low. For example, steam or inert gas is used as the sweep gas. On the other hand, unreacted raw material gas that has passed through the catalyst layer 26, generated CO and C
The O 2 gas flows out of the system from an off gas outlet 62 via an off gas pipe 60 having an opening below the catalyst layer 26.

【0028】(実施例2)図4は本発明に係る実施例2
の水素製造装置110の斜視的断面図、図5は図4に示
す水素製造装置110の横断面図である。実施例1と異
なるところは、次の点である。先ず、第1にはスイープ
ガス管の構造である。この実施例では比較的少ない本数
のスイープガス管36、ここでは4本のスイープガス管
36が2重水素透過円筒34の第3環状空間部33に装
入され、かつ下端部37で2重水素透過円筒34の環状
底壁32に沿って配設された環状パイプヘッダ39に接
続されている。環状パイプヘッダ39にはヘッダ壁を貫
通した多数の貫通孔(図示せず)が設けてある。
(Embodiment 2) FIG. 4 shows Embodiment 2 according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of the hydrogen production apparatus 110 shown in FIG. The differences from the first embodiment are as follows. First, there is a structure of a sweep gas pipe. In this embodiment, a relatively small number of sweep gas pipes 36, in this case four sweep gas pipes 36, are charged into the third annular space 33 of the double hydrogen permeable cylinder 34, and the double hydrogen It is connected to an annular pipe header 39 disposed along the annular bottom wall 32 of the transmission cylinder 34. The annular pipe header 39 is provided with a large number of through holes (not shown) penetrating the header wall.

【0029】第2には触媒層26が内筒18と2重水素
透過円筒34の内壁30とが画成する環状空間部に充填
された内側触媒層27と、中筒16と2重水素透過円筒
34の外壁28とが画成する環状空間部に充填された外
側触媒層29とから構成されている。
Second, an inner catalyst layer 27 in which the catalyst layer 26 is filled in an annular space defined by the inner cylinder 18 and the inner wall 30 of the deuterium permeable cylinder 34, And an outer catalyst layer 29 filled in an annular space defined by the outer wall 28 of the cylinder 34.

【0030】第3には原料ガス(プロセスフィードガ
ス)が内側触媒層27の上部に設けられた原料ガス入口
54から導入されて内側触媒層27に流下し、更に外側
触媒層29を上昇しながら高温下で水素に転化する。生
成水素は2重水素透過円筒34により選択的に分離、収
集されつつスイープガスにスイープされ、同伴されて環
状パイプヘッダ39の貫通孔、スイープガス管36を経
て、その上部に設けられた水素出口56からスイープガ
スと共に流出する。
Third, a raw material gas (process feed gas) is introduced from a raw material gas inlet 54 provided on the upper part of the inner catalyst layer 27, flows down to the inner catalyst layer 27, and further rises in the outer catalyst layer 29. Converts to hydrogen at elevated temperatures. The generated hydrogen is swept into a sweep gas while being selectively separated and collected by a deuterium permeable cylinder 34, is entrained therethrough, passes through a through hole of an annular pipe header 39, a sweep gas pipe 36, and a hydrogen outlet provided at an upper portion thereof It flows out from 56 together with the sweep gas.

【0031】第4にスイープガスは装置上部のスイープ
ガス入口58から送入され、環状空間部33を流下して
水素をスイープしながら同伴し、環状パイプヘッダ39
の貫通孔、スイープガス管36を経て、その上部に設け
られた水素出口56から流出する。
Fourth, the sweep gas is fed from the sweep gas inlet 58 at the upper part of the apparatus, flows down the annular space 33 and entrains while sweeping hydrogen, and the annular pipe header 39.
Through the through-hole and the sweep gas pipe 36, and flows out from the hydrogen outlet 56 provided on the upper part thereof.

【0032】第5に外側触媒層29を通過した未反応の
原料ガス、生成したCO、CO2 ガスは外側触媒層29
の上部に設けられたオフガス出口62より系外に流出す
る。以上の異なる点を除いて、実施例2の水素製造装置
110は実施例1の水素製造装置10と同じ構成であ
る。実施例2の触媒層の高さは実施例1のそれの2倍で
あり、それだけ改質反応にとって有利である。
Fifth, the unreacted raw material gas and the generated CO and CO 2 gases that have passed through the outer catalyst layer 29
Flows out of the system from an off-gas outlet 62 provided at the upper part of the system. Except for the above differences, the hydrogen production apparatus 110 of the second embodiment has the same configuration as the hydrogen production apparatus 10 of the first embodiment. The height of the catalyst layer of Example 2 is twice that of Example 1, which is advantageous for the reforming reaction.

【0033】(実施例3)図6は本発明に係る実施例3
の水素製造装置120の斜視的断面図である。実施例2
と異なるところは、図6に示すようにスイープガス管を
装入する代わりに円筒隔壁41を2重水素透過円筒34
の第3環状空間部33に同心状に配設されていることで
ある。スイープガスは装置上部のスイープガス入口58
から送入され、隔壁41と2重水素透過円筒34の外壁
28との間の環状空間部を流下して水素をスイープしな
がら同伴し、環状空間部の下部から隔壁41と2重水素
透過円筒34の内壁30との間の環状空間部に流入して
上昇し、その上部に設けられた水素出口56から流出す
る。以上の異なる点を除いて、実施例3の水素製造装置
120は実施例2の水素製造装置110と同じ構成であ
る。実施例3は実施例1及び2のスイープガス管に代え
て円筒隔壁41を配設しているので、更に装置の構成が
簡明である。
(Embodiment 3) FIG. 6 shows Embodiment 3 according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective sectional view of the hydrogen production apparatus 120 of FIG. Example 2
6 is different from that shown in FIG. 6 in that a cylindrical partition wall 41 is replaced with a double hydrogen permeable cylinder 34 instead of inserting a sweep gas pipe.
Is arranged concentrically in the third annular space portion 33. The sweep gas is supplied to the sweep gas inlet 58 at the top of the apparatus.
And flows down the annular space between the partition wall 41 and the outer wall 28 of the double hydrogen permeable cylinder 34 to accompany the hydrogen while sweeping the hydrogen. The gas flows into the annular space between the inner wall 34 and the inner wall 30 and rises, and then flows out from the hydrogen outlet 56 provided at the upper portion thereof. Except for the above differences, the hydrogen production apparatus 120 of the third embodiment has the same configuration as the hydrogen production apparatus 110 of the second embodiment. In the third embodiment, since the cylindrical partition wall 41 is provided instead of the sweep gas pipes of the first and second embodiments, the configuration of the apparatus is further simplified.

【0034】以下、本発明の実施の具体例を説明する。 (1)装置構成 図1に示した水素製造装置10として、内筒(内径10
0mm)20、中筒(内径173mm)18、外筒(内
径188mm)14、2重水素透過筒(内径125m
m、外径165mm)34、スイープガス管(外径6m
m)36よりなる有効長600mmの反応器を図1に示
すように構成し、第2環状空間部26の触媒層に前記の
2重水素透過筒34を周方向に等間隔で15本直立配置
した。改質触媒Aとしてはニッケル系触媒(平均粒径2
mmφ)を使用した。なお、火炉の構成は図1に示した
ような垂下式バーナ46のみを配置する方式とし、また
外気への放熱を小さくするため、外筒14の外側は厚さ
200mmのロックウールで保温した。
Hereinafter, specific examples of the embodiment of the present invention will be described. (1) Apparatus Configuration As the hydrogen production apparatus 10 shown in FIG.
0 mm) 20, middle cylinder (inner diameter 173 mm) 18, outer cylinder (inner diameter 188 mm) 14, double hydrogen permeable cylinder (inner diameter 125 m)
m, outer diameter 165mm) 34, sweep gas pipe (outer diameter 6m)
m) A reactor having an effective length of 600 mm consisting of 36 is constructed as shown in FIG. 1, and the above-mentioned double hydrogen permeable cylinders 34 are arranged upright at equal intervals in the circumferential direction in the catalyst layer of the second annular space 26. did. As the reforming catalyst A, a nickel-based catalyst (average particle size 2
mmφ). The configuration of the furnace was such that only the hanging type burner 46 as shown in FIG. 1 was arranged, and the outside of the outer cylinder 14 was kept warm with rock wool having a thickness of 200 mm in order to reduce heat radiation to the outside air.

【0035】(2)操作条件 〇改質側原料ガス(都市ガス13A)供給量:42.8
モル/h 〇改質側原料ガス中のスチーム供給量:1.54kg/
h 〇改質用スチーム/改質側原料ガス(モル比):2.0 〇改質反応温度:560℃ 〇改質反応圧力:6.05kgf/cm2 −abs. 〇スイープガス(スチーム)供給量:1.88kg/h 〇スイープガス圧力:1.25kgf/cm2 −ab
s.
(2) Operating conditions Supply amount of reforming side raw material gas (city gas 13A): 42.8
Mol / h {Steam supply in the reforming-side raw material gas: 1.54 kg /
h {Steam for reforming / reforming raw material gas (molar ratio): 2.0} Reforming reaction temperature: 560 ° C. {Reforming reaction pressure: 6.05 kgf / cm 2 -abs.供給 Sweep gas (steam) supply amount: 1.88 kg / h 〇Sweep gas pressure: 1.25 kgf / cm 2 -ab
s.

【0036】(3)水素生成試験結果 上述の条件下で反応させた結果、スイープガスに同伴さ
れて得られた水素量は164.0モル/hであり、水素
中の不純物としてのCOは1ppm以下であった。ま
た、原料ガス中の炭化水素の転化率は約86%が達成で
きた。これに対して、水素透過量を採用しない従来型の
リフォーマでは操作温度と圧力の関係から化学平衡の壁
があるため、上述の反応温度、圧力では転化率は約25
%にすぎなかった。
(3) Results of hydrogen generation test As a result of the reaction under the above-mentioned conditions, the amount of hydrogen obtained with the sweep gas was 164.0 mol / h, and CO as an impurity in hydrogen contained 1 ppm. It was below. The conversion of hydrocarbons in the raw material gas was about 86%. On the other hand, in the conventional reformer that does not employ the amount of hydrogen permeation, there is a chemical equilibrium wall due to the relationship between the operating temperature and the pressure.
It was only%.

【0037】上述した実施例1では、原料ガスは第2環
状空間部の上部から触媒層中を下向きに流し、一方スイ
ープガスはスイープガス管の上部から導入し、第3環状
空間部を上向きに流し、その上部から同伴水素と共に取
り出している。また、実施例2では、原料ガスは内側触
媒層の上部から導入し、内側触媒層中を下向きに流し、
更に、外側触媒層中を上昇させ、一方スイープガスは第
3環状空間部上部から導入し下向きに流し、スイープガ
ス管の上部から同伴水素と共に取り出している。更に、
実施例3では、原料ガスは内側触媒層の上部から導入
し、一方スイープガスは2重水素透過管の外壁と隔壁と
の環状空間部上部から導入し下向きに流し、隔壁と2重
水素透過管の内壁との環状空間部上部から同伴水素と共
に取り出しているが、実施例1及び3では、原料ガスと
スイープガスそれぞれの流れ方向を逆向きにすることに
よっても、また、実施例2では、原料ガスとスイープガ
スのそれぞれあるいは一方の流れ方向を逆向きにするこ
とによっても、同様の効果が期待できることは明白であ
る。
In the first embodiment described above, the raw material gas flows downward from the upper part of the second annular space through the catalyst layer, while the sweep gas is introduced from the upper part of the sweep gas pipe and the third annular space flows upward. It is taken out from the upper part together with the accompanying hydrogen. In Example 2, the raw material gas was introduced from above the inner catalyst layer, and flowed downward through the inner catalyst layer.
Further, the sweep gas is raised in the outer catalyst layer, while the sweep gas is introduced from the upper portion of the third annular space, flows downward, and is taken out together with the entrained hydrogen from the upper portion of the sweep gas pipe. Furthermore,
In the third embodiment, the raw material gas is introduced from the upper part of the inner catalyst layer, while the sweep gas is introduced from the upper part of the annular space between the outer wall of the deuterium permeable tube and the partition wall and flows downward. The hydrogen was taken out together with the entrained hydrogen from the upper part of the annular space with the inner wall. In Examples 1 and 3, the flow directions of the raw material gas and the sweep gas were reversed. It is obvious that the same effect can be expected by reversing the flow direction of each and / or one of the gas and the sweep gas.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、以下の利点を備え高純
度の水素を経済的に製造する工業的規模の水素製造装置
を提供することができる。 (a)2重水素透過筒を含めて装置が多重筒体から構成
されているので、構造が簡明かつコンパクトである。従
って、本発明水素製造装置は少ない材料で経済的に建設
できる。 (b)反応管を多数並列配置した多管式の装置に比べて
遙かに軽量であるから熱容量が小さい。従って、装置を
迅速に起動停止することが可能で、かつ装置負荷変更時
の応答性が良好である。 (c)接触層をその両側から加熱するので触媒層がより
均一に加熱できる。また、火炉を中央部に配置した多重
円筒体の構成により半径方向の熱流束分布が均一になり
やすい。従って、2重水素透過筒の耐熱温度を超過する
ようなホットスポットの発生を防止できる。 (d)2重水素透過筒内のスイープガスと触媒層内改質
ガスとの向流物質移動により生成水素の回収率を高める
ことができる。 (e)2重水素透過筒で水素を分離、収集して化学平衡
を生成物の生成に有利に移行させることができるので、
改質温度を従来より150〜200℃程度低下させるこ
とができる。これにより、原料ガスを加熱する熱量を節
減し、熱効率を大幅に向上させることができる。 (f)また、反応温度が低いので、装置には耐熱性の高
くない廉価な材料を使用できる。従って、装置のコスト
を軽減できる。
According to the present invention, it is possible to provide an industrial-scale hydrogen production apparatus having the following advantages and economically producing high-purity hydrogen. (A) Since the apparatus including the deuterium permeable cylinder is composed of multiple cylinders, the structure is simple and compact. Therefore, the hydrogen production apparatus of the present invention can be constructed economically with a small number of materials. (B) The heat capacity is small because it is much lighter than a multi-tube apparatus in which many reaction tubes are arranged in parallel. Therefore, the apparatus can be started and stopped quickly, and the responsiveness at the time of changing the apparatus load is good. (C) Since the contact layer is heated from both sides, the catalyst layer can be more uniformly heated. Further, the heat flux distribution in the radial direction tends to be uniform due to the configuration of the multi-cylindrical body in which the furnace is arranged at the center. Therefore, it is possible to prevent the generation of a hot spot exceeding the heat resistant temperature of the double hydrogen permeable cylinder. (D) Countercurrent mass transfer between the sweep gas in the double hydrogen permeable cylinder and the reformed gas in the catalyst layer can increase the recovery rate of generated hydrogen. (E) Hydrogen can be separated and collected in a deuterium permeation cylinder to shift the chemical equilibrium to the production of the product in an advantageous manner.
The reforming temperature can be lowered by about 150 to 200 ° C. as compared with the related art. Thus, the amount of heat for heating the source gas can be reduced, and the thermal efficiency can be greatly improved. (F) Since the reaction temperature is low, an inexpensive material having high heat resistance can be used for the apparatus. Therefore, the cost of the apparatus can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る水素製造装置の実施例1の斜視的
断面図。
FIG. 1 is a perspective sectional view of a first embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention.

【図2】図1の水素製造装置の模式的横断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen production apparatus of FIG.

【図3】図2の矢視X−Xでの2重水素透過円筒の部分
断面図。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the double hydrogen permeable cylinder taken along line XX in FIG. 2;

【図4】本発明に係る水素製造装置の実施例2の斜視的
断面図。
FIG. 4 is a perspective sectional view of Embodiment 2 of the hydrogen production apparatus according to the present invention.

【図5】図4に示す水素製造装置の模式的横断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen production apparatus shown in FIG.

【図6】本発明に係る水素製造装置の実施例3の斜視的
断面図。
FIG. 6 is a perspective sectional view of a third embodiment of the hydrogen production apparatus according to the present invention.

【図7】従来の水素製造装置の実験室規模の装置の模式
的構造図。
FIG. 7 is a schematic structural view of a laboratory-scale apparatus of a conventional hydrogen production apparatus.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C01B 3/56 C01B 3/56 Z H01M 8/06 H01M 8/06 R (72)発明者 黒田 健之助 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三菱重工業株式会社本社内 (72)発明者 牧原 洋 広島県広島市西区観音新町四丁目6番22 号 三菱重工業株式会社 広島研究所内 (72)発明者 太田 眞輔 広島県広島市西区観音新町四丁目6番22 号 三菱重工業株式会社 広島製作所内 (56)参考文献 特開 昭61−17401(JP,A) 特開 平2−311301(JP,A) 特開 平4−321502(JP,A) 特開 平4−325402(JP,A) 特開 昭63−23733(JP,A) 特開 平2−83208(JP,A) 特開 平2−141403(JP,A) 特開 平6−263402(JP,A) 特開 平6−263403(JP,A) 特開 平6−263405(JP,A) 特公 昭44−13363(JP,B1) 米国特許4981676(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 3/32 - 3/48 B01D 53/22 B01J 8/02 B01J 8/06 301 C01B 3/56 H01M 8/06 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI C01B 3/56 C01B 3/56 Z H01M 8/06 H01M 8/06 R (72) Inventor Kennosuke Kuroda 2-chome Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo No.5-1 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Main Office (72) Inventor Hiroshi Makihara 4-6-22 Kannon Shinmachi, Nishi-ku, Hiroshima City, Hiroshima Prefecture Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Hiroshima Research Laboratory (72) Inventor Shinsuke Ota Kannon, Nishi-ku, Hiroshima City, Hiroshima Prefecture 4-22 Shinmachi, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Hiroshima Works (56) References JP-A-61-17401 (JP, A) JP-A-2-311301 (JP, A) JP-A-4-321502 (JP, A A) JP-A-4-325402 (JP, A) JP-A-63-23733 (JP, A) JP-A-2-83208 (JP, A) JP-A-2-141403 (JP, A) JP-A-6 −263402 (J P, A) JP-A-6-263403 (JP, A) JP-A-6-263405 (JP, A) JP-B-44-13363 (JP, B1) US Patent 4,981,676 (US, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) C01B 3/32-3/48 B01D 53/22 B01J 8/02 B01J 8/06 301 C01B 3/56 H01M 8/06

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 選択的な水素透過性の仕切り壁を透過さ
せて水蒸気改質反応により生成した水素を分離、収集す
るようにした水素製造装置において、 底部を閉じた直立外筒と、その内側に直立して順次
多重配設された中筒及び内筒と、並びに内筒の天井壁に
配設された垂下式燃焼バーナとを備えてなり、 外筒と中筒とが画成する第1環状空間部と内筒内側
の内筒中空部とは、それぞれの底部で連通し、更に中筒
と内筒とは下部端縁同士が連結して閉じた環状底部を有
する第2環状空間部を形成してなり、 第2環状空間部には改質触媒を充填した触媒層が形
成され、その触媒層には無機多孔層上に水素透過性の金
属膜を有する外壁と内壁と環状底壁とを備えて第3環状
空間部を画成する2重水素透過筒が第2環状空間部と同
心状にほぼ垂直に配置され、更に下端が開放されたスイ
ープガス管が第3環状空間部に配設されてなり、 第2環状空間部上部から原料ガスを導入して触媒層
を流下させつつ高温下で水素に転化し、生成した水素を
2重水素透過筒を透過させて選択的に分離、収集し、ス
イープガス管の上部から導入したスイープガスに透過水
素を同伴させて第3環状空間部を経由してその上部から
スイープガスと共に流出させるようにしてなることを特
徴とする水素製造装置。
1. A hydrogen production apparatus for separating and collecting hydrogen generated by a steam reforming reaction through a selective hydrogen permeable partition wall, comprising: an upright outer cylinder having a closed bottom; A first cylinder in which an outer cylinder and a middle cylinder are defined, comprising a middle cylinder and an inner cylinder, which are sequentially multiplexed and arranged vertically, and a hanging combustion burner arranged on a ceiling wall of the inner cylinder. The annular space portion and the inner cylinder hollow portion inside the inner cylinder communicate with each other at their respective bottoms, and the middle cylinder and the inner cylinder further include a second annular space portion having a closed annular bottom portion in which lower edges are connected to each other and closed. A catalyst layer filled with a reforming catalyst is formed in the second annular space. The catalyst layer has an outer wall having a hydrogen-permeable metal film on an inorganic porous layer, an inner wall, and an annular bottom wall. A deuterium permeable cylinder defining a third annular space portion is disposed substantially concentrically with the second annular space portion and substantially vertically. And a sweep gas pipe having a lower end opened is disposed in the third annular space, and a raw material gas is introduced from the upper part of the second annular space to flow down the catalyst layer and convert it to hydrogen at a high temperature. Then, the generated hydrogen is selectively separated and collected by passing through the deuterium permeable tube, and the permeated hydrogen is accompanied by the permeated hydrogen to the sweep gas introduced from the upper part of the sweep gas pipe, and the hydrogen is passed through the third annular space. An apparatus for producing hydrogen, wherein the apparatus is caused to flow out along with a sweep gas from an upper portion.
【請求項2】 請求項1に記載の水素製造装置におい
て、 下端が開放された前記スイープガス管に代えて、ヘ
ッダ壁に多数の貫通孔を備えた環状パイプヘッダを前記
2重水素透過筒の環状底壁に沿って配置し、かつスイー
プガス管の下端を環状パイプヘッダに接続してなり、 更に、前記第2環状空間部の触媒層を、前記内筒と
2重水素透過筒の内壁との間の内側触媒層と、前記中筒
と2重水素透過筒の外壁との間の外側触媒層とに区画し
てなり、 内側触媒層の上部から原料ガスを導入して内側触媒
層を流下させ、更に外側触媒層を上昇させつつ高温下で
水素に転化し、生成した水素を2重水素透過筒を透過さ
せて選択的に分離、収集し、第3環状空間部上部から導
入したスイープガスに透過水素を同伴させて環状パイプ
ヘッダの貫通孔を経由してスイープガス管に流入させ、
その上部からスイープガスと共に流出させるようにして
なることを特徴とする水素製造装置。
2. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein an annular pipe header having a plurality of through holes in a header wall is provided in place of the sweep gas pipe having an open lower end. It is arranged along the annular bottom wall, and the lower end of the sweep gas pipe is connected to the annular pipe header. Further, the catalyst layer of the second annular space is connected to the inner cylinder and the inner wall of the double hydrogen permeable cylinder. And an outer catalyst layer between the middle cylinder and the outer wall of the deuterium permeable cylinder. A raw material gas is introduced from above the inner catalyst layer to flow down the inner catalyst layer. Then, while raising the outer catalyst layer, it is converted to hydrogen under high temperature, and the generated hydrogen is selectively separated and collected by passing through a deuterium permeable cylinder, and the sweep gas introduced from the upper part of the third annular space portion Through the through hole of the annular pipe header with permeated hydrogen And let it flow into the sweep gas pipe,
A hydrogen production apparatus characterized in that it is made to flow out along with a sweep gas from the upper part.
【請求項3】 請求項1に記載の水素製造装置におい
て、 下端が開放された前記スイープガス管に代えて、前
記2重水素透過筒の第3環状空間部内にほぼ同心状に円
筒状隔壁を下端で水素透過2重筒の環状底壁から離隔し
て配設し、 更に、前記第2環状空間部の触媒層を、前記内筒と
2重水素透過筒の内壁との間の内側触媒層と、前記中筒
と2重水素透過筒の外壁との間の外側触媒層とに区画し
てなり、 内側触媒層の上部から原料ガスを導入して内側触媒
層を流下させ、更に外側触媒層を上昇させつつ高温下で
水素に転化し、生成した水素を2重水素透過筒を透過さ
せて選択的に分離、収集し、2重水素透過筒の外壁と隔
壁との環状空間部上部から導入したスイープガスに透過
水素を同伴させて、隔壁と2重水素透過筒の内壁との環
状空間部の上部からスイープガスと共に流出させるよう
にしてなる、ことを特徴とする水素製造装置。
3. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein a cylindrical partition wall is disposed substantially concentrically in the third annular space of the double hydrogen permeable cylinder in place of the sweep gas pipe whose lower end is open. The lower end is disposed apart from the annular bottom wall of the hydrogen permeable double cylinder, and the catalyst layer of the second annular space is further provided with an inner catalyst layer between the inner cylinder and the inner wall of the double hydrogen permeable cylinder. And an outer catalyst layer between the middle cylinder and the outer wall of the deuterium permeable cylinder. A raw material gas is introduced from above the inner catalyst layer to flow down the inner catalyst layer. Is converted to hydrogen under high temperature while the hydrogen is raised, and the generated hydrogen is selectively separated and collected by passing through the deuterium permeable tube, and introduced from the upper part of the annular space between the outer wall and the partition wall of the deuterium permeable tube. The permeated hydrogen is entrained in the swept gas and the annular space between the partition and the inner wall of the deuterium permeable cylinder Characterized in that it is caused to flow out together with a sweep gas from an upper portion of the hydrogen production device.
【請求項4】 前記水素透過性の金属膜は、Pdを含む
合金、Niを含む合金又はVを含む合金のいずれかの無
孔質薄膜であることを特徴とする請求項1から3のいず
れかに記載の水素製造装置。
4. The hydrogen-permeable metal film is a non-porous thin film of any one of an alloy containing Pd, an alloy containing Ni and an alloy containing V. A hydrogen production apparatus according to any one of the above.
【請求項5】 請求項1〜3に記載の水素製造装置にお
いて、前記スイープガス同伴方式の透過水素収集法に代
えて、水素透過側をポンプにて掃気することによって透
過水素を収集するようにしてなることを特徴とする水素
製造装置。
5. The hydrogen producing apparatus according to claim 1, wherein the permeated hydrogen is collected by purging the hydrogen permeable side with a pump instead of the permeated hydrogen collecting method of the sweep gas entrainment method. A hydrogen production apparatus, comprising:
【請求項6】 原料ガスとスイープガスそれぞれの流れ
方向が逆向きに設定されていることを特徴とする請求項
1〜5のいずれかに記載の水素製造装置。
6. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the flow directions of the raw material gas and the sweep gas are set in opposite directions.
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