JP4072996B2 - 水素製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池や水素自動車のような水素消費機器に対して水素を供給するべく、水素を製造するために利用される水素製造装置（例えば改質器）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に従来の水素製造装置を模式的に示し、図１４に近時用いられている水素分離型改質器を模式的に示している。
【０００３】
図１３に示す従来の水素製造装置は、メタンＣＨ４を主成分とする都市ガスから硫黄成分を脱硫する脱硫器Ａ５と、脱硫された都市ガスを水蒸気Ｈ２Ｏによって改質する改質器Ａ１０と、改質器Ａ１０によって水素Ｈ２成分を多量に含んだ改質ガスを変成によってＣＯを低減させるＣＯ変成器Ａ２０と、ＣＯ変成器Ａ２０からでたガスを吸着によって水素を抽出する水素精製装置Ａ３０と、水素精製装置Ａ３０で水素を抽出された残余のオフガスを蓄えるバッファタンクＡ４０、とで構成され、バッファタンクＡ４０を介して改質器Ａ１０の燃焼器Ａ６に帰還させるようになっている。そしてこの構成の水素製造装置では、水素純度が９９．９９％以上が得られている。
【０００４】
図１４は、水素分離型改質器とよばれる改質器Ａ５０を搭載した水素製造装置で、脱硫器Ａ５からでた都市ガスを水蒸気改質反応で改質して水素Ｈ２成分を多量に含んだ改質ガスにし、その改質ガスをＰｄ合金膜で形成された水素分離管Ａ６０を通して直接に水素を抽出するよう構成されている。図１３に比較して、吸着による水素分離にかえて水素のみを合金膜で通過させて分離させるところが特徴であり、抽出する水素純度は、９９．９９％以上で図１３の水素製造装置と同じである。
この水素分離型改質器を搭載した水素製造装置は、図１３で示す従来の水素製造装置に比較して、コンパクトであり、構成がシンプルで、しかも高効率である、という長所を有している。
【０００５】
図１５は、従来の実施形態を、上記水素分離型改質器１０を主装置とした水素製造装置の全体構成を示している。
原料ガスであるＣＨ４を導く原料ラインＬ１に高圧圧縮機２が連通され、高圧圧縮機２は高圧ラインＬ２を介して水素分離型改質器１０に連通されている。
ラインＬ１から分岐した分岐ラインＬ３が、ボイラ３に連通されている。ボイラ３には、別途、純水を給水する給水ラインＬ４が連通されている。
ボイラ３は、ここで発生したスチームを供給するスチームラインＬ５によって改質器１０に連通されている。
【０００６】
改質器１０は、水蒸気改質反応によって改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４によって帰還させ、また燃焼ガスを外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な燃料を供給する燃焼器６が付設されていて、その燃焼器６には燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１５が連通されている。
【０００７】
しかし、上述したような構成を用いた水素製造では、帰還する高温、高圧（約９ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）のオフガスを、圧力調整弁５を介し常圧に減圧している。そして、この減圧過程によってオフガスの保有していた熱と圧力エネルギは、無駄に放棄されていて、活用されていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、水素製造装置における高温・高圧のオフガスが保有するエネルギを有効に利用することが可能な水素製造装置に関する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、改質ガス中から分離された水素を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装してある。
【００１０】
また本発明によれば、水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、前記燃焼器に導入される空気を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装している。
【００１１】
係る構成を具備する本発明によれば、高圧・高温のオフガスが保有するエネルギを、例えばタービンの様な回収手段で回収する。
また、タービンと共に、或いはタービンに代えて、熱交換器を用いて、例えば、供給空気の加熱に利用するエネルギ回収も可能である。
【００１２】
ここで、原料である都市ガス中に含まれる付臭剤は、通常、改質器の前段に設置された脱硫器（Ａ５）で除去されているので、改質器あるいはエネルギを回収する回収手段（１２Ａ）が硫黄分に起因する被害はすくない。特に硫黄分に起因する硫酸等により、エネルギを回収する手段（例えばタービンのブレードや軸等）に発生する腐食が少ない。
【００１３】
またオフガスは、水素が回収された残留分であるため、水蒸気含有量が少ないので、タービンでエネルギを回収する手段が水分により腐食する被害も減少する。
換言すれば、本発明の改質器によれば、タービンの腐食に対するマージンが高く、したがって耐食性の低い安価な材料でも使用可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の参考例および実施例を説明する。なお、図１５による従来技術の説明における装置と同形態、同機能の装置は、同じ符号を使用する。
図１は、第１参考例のブロック構成を示している。
原料ガスであるＣＨ４を導く原料ラインＬ１に高圧圧縮機２が連通され、高圧圧縮機２は高圧ラインＬ２を介して水素分離型改質器１０に連通されている。
【００１５】
ラインＬ１から分岐した分岐ラインＬ３が、ボイラ３に連通されている。ボイラ３には、別途、純水を給水する給水ラインＬ４が連通されている。
ボイラ３は、ここで発生したスチームを供給するスチームラインＬ５によって改質器１０に連通されている。
【００１６】
改質器１０は、水蒸気改質反応によって改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４Ａによって燃焼器６Ａに帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ａが付設されていて、その燃焼器６Ａには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００１７】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４Ａによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ａの排気入り口に連通され、タービン１２Ａは負荷となる発電機１４に軸１２Ａｊによって連通されている。
排気タービン１２Ａの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ａに連通され、圧力調整弁５Ａは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ａに連通されている。
【００１８】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４Ａによってタービン１２Ａの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ａを駆動して、発電機１４を駆動し発電させる。
【００１９】
タービン１２Ａで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ａに到り、圧力調整弁５Ａによって、燃焼器６Ａが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧して、燃焼器６Ａに供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００２０】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、発電によって電力エネルギとして回収する。
【００２１】
図２は第１実施例のブロック構成を示している。第１参考例と異なる部分を主として説明する。
【００２２】
改質器１０は、水素を放出する水素ラインＬ１１を介してターボ圧縮機１４Ｂの低圧入り口に連通され、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｂによって帰還させ、また、燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｂが付設されていて、その燃焼器６Ｂには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００２３】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｂによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｂの排気入り口に連通され、タービン１２Ｂは負荷となる前記ターボ圧縮機１４Ｂに軸１２Ｂｊによって連通されている。
【００２４】
排気タービン１２Ｂの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ｂに連通され、圧力調整弁５Ｂは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ｂに連通されている。
【００２５】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｂによってタービン１２Ｂの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｂを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｂを駆動し水素を昇圧させる。昇圧した水素は、例えばレシプロ圧縮機によって更に昇圧されてボンベに封入されて使用される。
【００２６】
タービン１２Ｂで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ｂに到り、圧力調整弁５Ｂによって、燃焼室６Ｂが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧して、燃焼室６Ｂへ供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００２７】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、製造した水素を昇圧させて圧力エネルギとして回収する。
【００２８】
図３は第２実施例のブロック構成を示している。前記第１実施例と異なる部分を主として説明する。
【００２９】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｃによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００３０】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｃが付設されていて、その燃焼器６Ｃには燃焼用空気を供給するラインＬ６ｃと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００３１】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｃによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｃの排気入り口に連通され、タービン１２Ｃは負荷となるターボ圧縮機１４Ｃに軸１２Ｃｊによって連通されている。
排気タービン１２Ｃの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ｃに連通され、圧力調整弁５Ｃは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ｃに連通されている。
【００３２】
ターボ圧縮機１４Ｃは、吸気入り口側がラインＬ６によって大気に連通され、高圧出力側が前記ラインＬ６ｃによって燃焼器６Ｃに連通されている。
【００３３】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｃによってタービン１２Ｃの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｃを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｃを駆動し吸入空気を昇圧させる。昇圧した空気は、Ｌ６ｃを介して燃焼器６Ｃに供給される。
【００３４】
タービン１２Ｃで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ｃに到り、圧力調整弁５Ｃによって、燃焼室６Ｃが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧されて、燃焼室６Ｃに供給される。そして、ラインＬ６ｃからの昇圧空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００３５】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、燃焼室６Ｃに供給する空気の昇圧によって圧力エネルギとして回収する。
【００３６】
図４は第２参考例のブロック構成を示している。第２実施例と異なる部分を主として説明する。
【００３７】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｄによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００３８】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｄが付設されていて、その燃焼器６Ｄには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７ｄが連通されている。
【００３９】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｄによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｄの排気入り口に連通され、タービン１２Ｄは負荷となるターボ圧縮機１４Ｄに軸１２Ｄｊによって連通されている。
【００４０】
排気タービン１２Ｄの排気出口は、ラインＬ１６ｄによって圧力調整弁５Ｄに連通され、圧力調整弁５Ｄは前記のようにラインＬ１７ｄによって燃焼器６Ｄに連通されている。
【００４１】
ターボ圧縮機１４Ｄは、吸気入り口側がラインＬ１ｄによって原料ガスのＣＨ４源に連通され、高圧出力側がラインＬ１８を介して高圧圧縮機２Ｄ及びラインＬ２ｄを介して改質器１０に連通されている。
【００４２】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｄによってタービン１２Ｄの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｄを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｄを駆動し原料ガスＣＨ４を昇圧させる。昇圧したＣＨ４は、Ｌ１８を介して高圧圧縮機２Ｄに到り昇圧され、ラインＬ２ｄを介して改質器１０に供給される。
【００４３】
タービン１２Ｄで膨張したオフガスは、ラインＬ１６ｄを介して圧力調整弁５Ｄに到り、圧力調整弁５Ｄにより、燃焼器６Ｄが必要とする圧力（通常は常圧）まで減圧されて、燃焼器６Ｄに供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００４４】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、原料ガスを昇圧させることによって圧力エネルギとして回収し、高圧圧縮機２Ｄの所要エネルギを軽減させる。
【００４５】
図５は第３参考例のブロック構成を示している。図１に示す第１参考例と特に異なる部分を主として説明する。
【００４６】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｈによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００４７】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｈが付設されていて、その燃焼器６Ｈには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１５ｈが連通されている。
【００４８】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｈによってエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｈの放熱部２１ｈに連通され、圧力調整弁５Ｈを介装したラインＬ１５ｈによって燃焼器６Ｈに連通されている。
【００４９】
熱交換器２０Ｈの受熱部２２ｈは、熱負荷の例えば給湯加熱器２１Ｈを介装した熱媒を輸送するラインＬｈ４に連通されている。
【００５０】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｈによって熱交換器２０Ｈの放熱部２１ｈで放熱し、圧力調整弁５Ｈによって燃焼器６Ｈが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧されて、燃焼器６Ｈに供給される。
熱交換器２０Ｈで受熱部２２ｈから受熱した熱媒は、給湯加熱器２１Ｈで放熱する。
【００５１】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高温エネルギを熱エネルギとして回収し、有効利用する。
【００５２】
図６は第４参考例のブロック構成を示している。第３参考例と異なる部分を主として説明する。
【００５３】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｇによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００５４】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｇが付設されていて、その燃焼器６Ｇには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１６ｇが連通されている。
【００５５】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｇによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｇの高圧入り口側に連通され、タービン１２Ｇの低圧出口側はラインＬ１５ｇを介して第２のエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｇの放熱部２１ｇに連通され、放熱部２１ｇはラインＬ１６ｇによって燃焼器６Ｇに連通されている。
【００５６】
熱交換器２０Ｇの受熱部２２ｇは、熱負荷の例えば給湯加熱器２１Ｇを介装した熱媒を輸送するラインＬｇ４に連通されている。
タービン１２Ｇは、負荷となる例えば発電機１４Ｇに軸１２Ｇｊによって連通されている。
【００５７】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｇによって排気タービン１２Ｇに到り膨張してタービン１２Ｇを駆動し、発電機１４を駆動して高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
【００５８】
ついで、高温のオフガスは熱交換器２０Ｇで放熱部２１ｇによって放熱して燃焼器６Ｇに供給される。
熱交換器２０Ｇで受熱部２２ｇから受熱した熱媒は、給湯加熱器２１Ｇで放熱して熱エネルギとして回収する。
【００５９】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高温エネルギを熱エネルギとして回収し、高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｇに供給する必要がない。
【００６０】
図７は第５参考例のブロック構成を示している。第４参考例と異なる部分を主として説明する。
【００６１】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｅによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００６２】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｅが付設されていて、その燃焼器６Ｅには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７ｅが連通されている。
【００６３】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｅによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｅの高圧入り口側に連通され、タービン１２Ｅの低圧出口側はラインＬ１２ｅを介して第２のエネルギ回収手段の排気タービン１３Ｅ２の高圧入り口側に連通され、タービン１３Ｅ２の低圧出口側はラインＬ１７ｅを介して燃焼器６Ｅに連通されている。
【００６４】
タービン１２Ｅは、負荷となる例えば発電機１４Ｅ１に軸１２Ｅｊによって連通されている。
タービン１３Ｅ２は、負荷となる例えば発電機１４Ｅ２に軸１３Ｅｊによって連通されている。
【００６５】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｅによって排気タービン１２Ｅに到り膨張してタービン１２Ｅを駆動し、発電機１４Ｅ１を駆動して高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
【００６６】
ついで、まだ圧力を有するオフガスは、ラインＬ１２ｅによって排気タービン１３Ｅ２に到り膨張してタービン１３Ｅ２を駆動し、発電機１４Ｅ２を駆動して圧力エネルギを電気エネルギとして回収する。特に、２つの負荷の電気エネルギの特性が異なる場合に好適である。
【００６７】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｅに供給する必要がない。
【００６８】
図８は第６参考例のブロック構成を示している。第５参考例と異なる部分を主として説明する。
【００６９】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｊによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００７０】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｊが付設されていて、その燃焼器６Ｊには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ６ｊが連通されている。
【００７１】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｊによって分岐部Ｂｊに連通され、分岐部Ｂｊで分岐された一方はラインＬｊ１によって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２ｊ１の高圧入り口側に連通され、分岐部Ｂｊで分岐された他方はラインＬｊ２によって第２のエネルギ回収手段の排気タービン１２ｊ２の高圧入り口側に連通されている。
【００７２】
タービン１２ｊ１の低圧出口側は、ラインＬｊ３を介して合流部Ｇｊに連通され、タービン１２ｊ２の低圧出口側は、ラインＬｊ４を介して合流部Ｇｊに連通されている。
合流部Ｇｊは、ラインＬ６ｊによって燃焼器６Ｊに連通されている。
【００７３】
タービン１２ｊ１は、負荷となる例えば発電機１４Ｊ１に軸１２ｊａによって連通されている。
タービン１２ｊ２は、負荷となる例えば発電機１４Ｊ２に軸１２ｊｂによって連通されている。
発電機１４Ｊ１と１４Ｊ２は、同じ発電容量であっても、異なる発電容量であってもよく、必要によって分岐部Ｂｊでエネルギ配分すればよい。
【００７４】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｊによって合流部Ｂｊに到り、分岐した一方はタービン１２ｊ１に到って膨張してタービン１２ｊ１を駆動し、発電機１４Ｊ１を駆動して発電する。合流部Ｂｊで分岐した他方はタービン１２ｊ２に到って膨張してタービン１２ｊ２を駆動し、発電機１４Ｊ２を駆動して発電する
【００７５】
このようにして、オフガスの保有する高圧エネルギを、並列に分岐してそれぞれが発電し電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｊに供給する必要がない。
【００７６】
図９は第７参考例のブロック構成を示している。第６参考例と異なる部分を主として説明する。
【００７７】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｆによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００７８】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｆが付設されていて、その燃焼器６Ｆには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ６ｆが連通されている。
【００７９】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｆによって分岐部Ｂｆに連通され、分岐部Ｂｆで分岐された一方はラインＬ１ｆによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｆの高圧入り口側に連通されている。タービン１２Ｆの低圧出口側は、ラインＬ３ｆによって合流部Ｇ１に連通されている。
タービン１２Ｆは、負荷となる例えば発電機１４Ｆに軸１２Ｆｊによって連通されている。
【００８０】
分岐部Ｂｆで分岐された他方は、圧力調整弁５Ｆを介装したラインＬｆ２によって第２のエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｆの放熱部２１ｆに連通され、放熱部２１ｆからさらにラインＬ５ｆによって合流部Ｇ１に連通されている。
【００８１】
熱交換器２０Ｆの受熱部２２ｆは、熱負荷の例えば給湯加熱器２４を介装した熱媒を輸送するラインＬ４ｆに連通されている。
合流部Ｇ１は、ラインＬ６ｆによって燃焼器６Ｆに連通されている。
【００８２】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｆによって分岐部Ｂｆに到り、分岐した一方はタービン１２Ｆに到って膨張してタービン１２Ｆを駆動し、発電機１４Ｆを駆動して発電する。合流部Ｂｆで分岐したオフガスの他方は、圧力調整弁５Ｆで減圧して熱交換器２０Ｆで放熱し、合流部Ｇ１でタービン１２Ｆを経由したオフガスと同圧で合流して燃焼器６Ｆに供給される。
【００８３】
このようにして、オフガスの保有する高圧エネルギを、タービン１２Ｆによって電気エネルギとして回収し、高温エネルギを熱交換器２０Ｆによって熱エネルギとして回収する。
【００８４】
図１〜図９で示す各実施例や参考例における改質器は、水素分離型改質器であるが、図１３で示した改質器Ａ１０、ＣＯ変成器Ａ２０、水素精製装置Ａ３０で構成される従来方式の水素製造装置においても、水素精製装置Ａ３０と改質器Ａ１０間のオフガス流路にエネルギ回収手段を適用できる。
係る構成が、図１０の第１変形例及び図１１の第２変形例で示されている。
【００８５】
図１０において、改質器Ａ１０で発生した水素を多量に含む改質ガスは、ＣＯ変成器Ａ２０でＣＯを低減されて水素精製装置Ａ３０に供給される。図１０の第１０実施形態では、水素精製装置Ａ３０は圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）が用いられており、水素以外の成分、水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを吸着剤に吸着して、水素を高圧（７Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程度）で取り出している。
ＰＳＡタイプの水素精製装置Ａ３０のオフガスは、水素精製装置Ａ３０の吸着剤に吸着した水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを脱着して、ラインＬ１４Ｇを流過させる。その際に、ラインＬ１４Ｇを流れるオフガスが保有する運動エネルギにより、タービン１２Ｇを回転し発電機１４Ｇで発電せしめるのである。
【００８６】
水素精製装置Ａ３０からオフガスホルダー３５間の圧力は、７Ｋｇ／ｃｍ２Ｇよりも減圧するが、タービン１２Ｇを駆動するには十分である。
また、オフガスが保有するエネルギを活用する手段として、図１０では単一のタービン１２Ｇが示されているが、複数のタービンでも良い。
【００８７】
図１１で示す本発明の第２変形例では、図１０の第１変形例が圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を用いた水素精製装置Ａ３０を有しているのに対して、膜分離方式の水素精製装置Ａ３０Ｆを備えている。
膜分離方式の水素精製装置Ａ３０Ｆは、水素分離型改質器と同様に、高純度水素ガスの圧力は常圧で、オフガスは高圧・高温となる。そのため、オフガスのラインＬ１４Ｈ、Ｌ１６、Ｌ１７にはオフガスホルダーではなく、減圧弁５Ｋが介装されている。
その他の構成、変形例、作用効果については、図１０の第１変形例と同様であり、さらにタービンに代えて熱交換器を用い、或いはタービンと熱交換器とを組み合せて用いてもよい。
【００８８】
図１２は本発明の第３変形例を示している。
図１〜図９の実施例および参考例では、水素分離型改質器を備えているが、図１２の第３変形例では、水素分離型ＣＯ変成器（水素分離型一酸化炭素変成器）Ａ２０Ｌを備えている。水素分離型ＣＯ変成器Ａ２０Ｌから吐出される高純度水素ガスの圧力は常圧であり、オフガスは高圧・高温であるため、タービン１２Ｉ、発電機１４Ｉでオフガスが保有するエネルギを有効利用している。
【００８９】
ここで、図１２において、オフガスが保有するエネルギを利用する機器は単一のタービンに限定されるものではない。複数のタービン、単一或いは複数の熱交換器、タービンと熱交換器の組み合わせ等であっても良い。
その他の構成及び作用効果については、図１〜図９の実施例および参考例と同様である。
【００９０】
なお、エネルギ回収手段の特にオフガスが流過する排気タービンの腐食は、改質器に入る前に都市ガスが脱硫器Ａ５で脱硫されていることで、被害が予防されている。
【００９１】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図１０の圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による水素精製装置Ａ３０を用いた場合や、図１１の膜分離方式による水素精製装置Ａ３０Ｆを用いた場合や、図１２の水素分離型ＣＯ変成器Ａ２０Ｌを用いた場合の何れにおいても、オフガスが保有するエネルギを回収する回収手段を、図１〜図９で示す様な構成とすることが可能である。
また、ここでは、原料をメタンやメタンを主成分とする都市ガスとして説明したが、原料をこれらに限定するものではなく、メタノール、ナフサ等の炭化水素類を原料として用いることも可能である。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列記する。
（１） 本発明によれば、水蒸気改質され水素が分離されたオフガスの保有する高温、高圧のエネルギを熱エネルギ、電気エネルギで回収することができる。
（２） エネルギ回収手段にタービンを使用する場合には、原料ガスの脱硫により腐食が有効に予防できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１参考例を示すブロック構成図。
【図２】 本発明の第１実施例を示すブロック構成図。
【図３】 本発明の第２実施例を示すブロック構成図。
【図４】 本発明の第２参考例を示すブロック構成図。
【図５】 本発明の第３参考例を示すブロック構成図。
【図６】 本発明の第４参考例を示すブロック構成図。
【図７】 本発明の第５参考例を示すブロック構成図。
【図８】 本発明の第６参考例を示すブロック構成図。
【図９】 本発明の第７参考例を示すブロック構成図。
【図１０】 本発明の第１変形例を示すブロック図。
【図１１】 本発明の第２変形例を示すブロック図。
【図１２】 本発明の第３変形例を示すブロック図。
【図１３】 従来の改質器を示す模式図。
【図１４】 水素分離型改質器を示す模式図。
【図１５】 図１４をブロック構成で示した図。
【符号の説明】
２・・・高圧圧縮機
３・・・ボイラ
５Ａ・・圧力調整弁
６・・・燃焼器
１０・・水素分離型改質器
１４・・発電機
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池や水素自動車のような水素消費機器に対して水素を供給するべく、水素を製造するために利用される水素製造装置（例えば改質器）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に従来の水素製造装置を模式的に示し、図１４に近時用いられている水素分離型改質器を模式的に示している。
【０００３】
図１３に示す従来の水素製造装置は、メタンＣＨ４を主成分とする都市ガスから硫黄成分を脱硫する脱硫器Ａ５と、脱硫された都市ガスを水蒸気Ｈ２Ｏによって改質する改質器Ａ１０と、改質器Ａ１０によって水素Ｈ２成分を多量に含んだ改質ガスを変成によってＣＯを低減させるＣＯ変成器Ａ２０と、ＣＯ変成器Ａ２０からでたガスを吸着によって水素を抽出する水素精製装置Ａ３０と、水素精製装置Ａ３０で水素を抽出された残余のオフガスを蓄えるバッファタンクＡ４０、とで構成され、バッファタンクＡ４０を介して改質器Ａ１０の燃焼器Ａ６に帰還させるようになっている。そしてこの構成の水素製造装置では、水素純度が９９．９９％以上が得られている。
【０００４】
図１４は、水素分離型改質器とよばれる改質器Ａ５０を搭載した水素製造装置で、脱硫器Ａ５からでた都市ガスを水蒸気改質反応で改質して水素Ｈ２成分を多量に含んだ改質ガスにし、その改質ガスをＰｄ合金膜で形成された水素分離管Ａ６０を通して直接に水素を抽出するよう構成されている。図１３に比較して、吸着による水素分離にかえて水素のみを合金膜で通過させて分離させるところが特徴であり、抽出する水素純度は、９９．９９％以上で図１３の水素製造装置と同じである。
この水素分離型改質器を搭載した水素製造装置は、図１３で示す従来の水素製造装置に比較して、コンパクトであり、構成がシンプルで、しかも高効率である、という長所を有している。
【０００５】
図１５は、従来の実施形態を、上記水素分離型改質器１０を主装置とした水素製造装置の全体構成を示している。
原料ガスであるＣＨ４を導く原料ラインＬ１に高圧圧縮機２が連通され、高圧圧縮機２は高圧ラインＬ２を介して水素分離型改質器１０に連通されている。
ラインＬ１から分岐した分岐ラインＬ３が、ボイラ３に連通されている。ボイラ３には、別途、純水を給水する給水ラインＬ４が連通されている。
ボイラ３は、ここで発生したスチームを供給するスチームラインＬ５によって改質器１０に連通されている。
【０００６】
改質器１０は、水蒸気改質反応によって改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４によって帰還させ、また燃焼ガスを外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な燃料を供給する燃焼器６が付設されていて、その燃焼器６には燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１５が連通されている。
【０００７】
しかし、上述したような構成を用いた水素製造では、帰還する高温、高圧（約９ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）のオフガスを、圧力調整弁５を介し常圧に減圧している。そして、この減圧過程によってオフガスの保有していた熱と圧力エネルギは、無駄に放棄されていて、活用されていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、水素製造装置における高温・高圧のオフガスが保有するエネルギを有効に利用することが可能な水素製造装置に関する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、改質ガス中から分離された水素を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装してある。
【００１０】
また本発明によれば、水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、前記燃焼器に導入される空気を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装している。
【００１１】
係る構成を具備する本発明によれば、高圧・高温のオフガスが保有するエネルギを、例えばタービンの様な回収手段で回収する。
また、タービンと共に、或いはタービンに代えて、熱交換器を用いて、例えば、供給空気の加熱に利用するエネルギ回収も可能である。
【００１２】
ここで、原料である都市ガス中に含まれる付臭剤は、通常、改質器の前段に設置された脱硫器（Ａ５）で除去されているので、改質器あるいはエネルギを回収する回収手段（１２Ａ）が硫黄分に起因する被害はすくない。特に硫黄分に起因する硫酸等により、エネルギを回収する手段（例えばタービンのブレードや軸等）に発生する腐食が少ない。
【００１３】
またオフガスは、水素が回収された残留分であるため、水蒸気含有量が少ないので、タービンでエネルギを回収する手段が水分により腐食する被害も減少する。
換言すれば、本発明の改質器によれば、タービンの腐食に対するマージンが高く、したがって耐食性の低い安価な材料でも使用可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の参考例および実施例を説明する。なお、図１５による従来技術の説明における装置と同形態、同機能の装置は、同じ符号を使用する。
図１は、第１参考例のブロック構成を示している。
原料ガスであるＣＨ４を導く原料ラインＬ１に高圧圧縮機２が連通され、高圧圧縮機２は高圧ラインＬ２を介して水素分離型改質器１０に連通されている。
【００１５】
ラインＬ１から分岐した分岐ラインＬ３が、ボイラ３に連通されている。ボイラ３には、別途、純水を給水する給水ラインＬ４が連通されている。
ボイラ３は、ここで発生したスチームを供給するスチームラインＬ５によって改質器１０に連通されている。
【００１６】
改質器１０は、水蒸気改質反応によって改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４Ａによって燃焼器６Ａに帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ａが付設されていて、その燃焼器６Ａには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００１７】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４Ａによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ａの排気入り口に連通され、タービン１２Ａは負荷となる発電機１４に軸１２Ａｊによって連通されている。
排気タービン１２Ａの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ａに連通され、圧力調整弁５Ａは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ａに連通されている。
【００１８】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４Ａによってタービン１２Ａの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ａを駆動して、発電機１４を駆動し発電させる。
【００１９】
タービン１２Ａで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ａに到り、圧力調整弁５Ａによって、燃焼器６Ａが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧して、燃焼器６Ａに供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００２０】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、発電によって電力エネルギとして回収する。
【００２１】
図２は第１実施例のブロック構成を示している。第１参考例と異なる部分を主として説明する。
【００２２】
改質器１０は、水素を放出する水素ラインＬ１１を介してターボ圧縮機１４Ｂの低圧入り口に連通され、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｂによって帰還させ、また、燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｂが付設されていて、その燃焼器６Ｂには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００２３】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｂによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｂの排気入り口に連通され、タービン１２Ｂは負荷となる前記ターボ圧縮機１４Ｂに軸１２Ｂｊによって連通されている。
【００２４】
排気タービン１２Ｂの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ｂに連通され、圧力調整弁５Ｂは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ｂに連通されている。
【００２５】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｂによってタービン１２Ｂの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｂを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｂを駆動し水素を昇圧させる。昇圧した水素は、例えばレシプロ圧縮機によって更に昇圧されてボンベに封入されて使用される。
【００２６】
タービン１２Ｂで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ｂに到り、圧力調整弁５Ｂによって、燃焼室６Ｂが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧して、燃焼室６Ｂへ供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００２７】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、製造した水素を昇圧させて圧力エネルギとして回収する。
【００２８】
図３は第２実施例のブロック構成を示している。前記第１実施例と異なる部分を主として説明する。
【００２９】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｃによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００３０】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｃが付設されていて、その燃焼器６Ｃには燃焼用空気を供給するラインＬ６ｃと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７が連通されている。
【００３１】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｃによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｃの排気入り口に連通され、タービン１２Ｃは負荷となるターボ圧縮機１４Ｃに軸１２Ｃｊによって連通されている。
排気タービン１２Ｃの排気出口は、ラインＬ１６によって圧力調整弁５Ｃに連通され、圧力調整弁５Ｃは前記のようにラインＬ１７によって燃焼器６Ｃに連通されている。
【００３２】
ターボ圧縮機１４Ｃは、吸気入り口側がラインＬ６によって大気に連通され、高圧出力側が前記ラインＬ６ｃによって燃焼器６Ｃに連通されている。
【００３３】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｃによってタービン１２Ｃの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｃを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｃを駆動し吸入空気を昇圧させる。昇圧した空気は、Ｌ６ｃを介して燃焼器６Ｃに供給される。
【００３４】
タービン１２Ｃで膨張したオフガスは、ラインＬ１６を介して圧力調整弁５Ｃに到り、圧力調整弁５Ｃによって、燃焼室６Ｃが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧されて、燃焼室６Ｃに供給される。そして、ラインＬ６ｃからの昇圧空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００３５】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、燃焼室６Ｃに供給する空気の昇圧によって圧力エネルギとして回収する。
【００３６】
図４は第２参考例のブロック構成を示している。第２実施例と異なる部分を主として説明する。
【００３７】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｄによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００３８】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｄが付設されていて、その燃焼器６Ｄには燃焼用空気を供給するラインＬ６と、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７ｄが連通されている。
【００３９】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｄによってエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｄの排気入り口に連通され、タービン１２Ｄは負荷となるターボ圧縮機１４Ｄに軸１２Ｄｊによって連通されている。
【００４０】
排気タービン１２Ｄの排気出口は、ラインＬ１６ｄによって圧力調整弁５Ｄに連通され、圧力調整弁５Ｄは前記のようにラインＬ１７ｄによって燃焼器６Ｄに連通されている。
【００４１】
ターボ圧縮機１４Ｄは、吸気入り口側がラインＬ１ｄによって原料ガスのＣＨ４源に連通され、高圧出力側がラインＬ１８を介して高圧圧縮機２Ｄ及びラインＬ２ｄを介して改質器１０に連通されている。
【００４２】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｄによってタービン１２Ｄの入り口に入り、膨張によってタービン１２Ｄを駆動して、ターボ圧縮機１４Ｄを駆動し原料ガスＣＨ４を昇圧させる。昇圧したＣＨ４は、Ｌ１８を介して高圧圧縮機２Ｄに到り昇圧され、ラインＬ２ｄを介して改質器１０に供給される。
【００４３】
タービン１２Ｄで膨張したオフガスは、ラインＬ１６ｄを介して圧力調整弁５Ｄに到り、圧力調整弁５Ｄにより、燃焼器６Ｄが必要とする圧力（通常は常圧）まで減圧されて、燃焼器６Ｄに供給される。そして、ラインＬ６からの空気及び燃料ガスと併せて改質器１０へ熱を供給する。
【００４４】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギを、原料ガスを昇圧させることによって圧力エネルギとして回収し、高圧圧縮機２Ｄの所要エネルギを軽減させる。
【００４５】
図５は第３参考例のブロック構成を示している。図１に示す第１参考例と特に異なる部分を主として説明する。
【００４６】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｈによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００４７】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｈが付設されていて、その燃焼器６Ｈには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１５ｈが連通されている。
【００４８】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｈによってエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｈの放熱部２１ｈに連通され、圧力調整弁５Ｈを介装したラインＬ１５ｈによって燃焼器６Ｈに連通されている。
【００４９】
熱交換器２０Ｈの受熱部２２ｈは、熱負荷の例えば給湯加熱器２１Ｈを介装した熱媒を輸送するラインＬｈ４に連通されている。
【００５０】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｈによって熱交換器２０Ｈの放熱部２１ｈで放熱し、圧力調整弁５Ｈによって燃焼器６Ｈが必要とする圧力（通常は常圧）に減圧されて、燃焼器６Ｈに供給される。
熱交換器２０Ｈで受熱部２２ｈから受熱した熱媒は、給湯加熱器２１Ｈで放熱する。
【００５１】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高温エネルギを熱エネルギとして回収し、有効利用する。
【００５２】
図６は第４参考例のブロック構成を示している。第３参考例と異なる部分を主として説明する。
【００５３】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｇによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００５４】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｇが付設されていて、その燃焼器６Ｇには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、熱エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１６ｇが連通されている。
【００５５】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｇによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｇの高圧入り口側に連通され、タービン１２Ｇの低圧出口側はラインＬ１５ｇを介して第２のエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｇの放熱部２１ｇに連通され、放熱部２１ｇはラインＬ１６ｇによって燃焼器６Ｇに連通されている。
【００５６】
熱交換器２０Ｇの受熱部２２ｇは、熱負荷の例えば給湯加熱器２１Ｇを介装した熱媒を輸送するラインＬｇ４に連通されている。
タービン１２Ｇは、負荷となる例えば発電機１４Ｇに軸１２Ｇｊによって連通されている。
【００５７】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｇによって排気タービン１２Ｇに到り膨張してタービン１２Ｇを駆動し、発電機１４を駆動して高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
【００５８】
ついで、高温のオフガスは熱交換器２０Ｇで放熱部２１ｇによって放熱して燃焼器６Ｇに供給される。
熱交換器２０Ｇで受熱部２２ｇから受熱した熱媒は、給湯加熱器２１Ｇで放熱して熱エネルギとして回収する。
【００５９】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高温エネルギを熱エネルギとして回収し、高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｇに供給する必要がない。
【００６０】
図７は第５参考例のブロック構成を示している。第４参考例と異なる部分を主として説明する。
【００６１】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｅによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００６２】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｅが付設されていて、その燃焼器６Ｅには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ１７ｅが連通されている。
【００６３】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｅによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｅの高圧入り口側に連通され、タービン１２Ｅの低圧出口側はラインＬ１２ｅを介して第２のエネルギ回収手段の排気タービン１３Ｅ２の高圧入り口側に連通され、タービン１３Ｅ２の低圧出口側はラインＬ１７ｅを介して燃焼器６Ｅに連通されている。
【００６４】
タービン１２Ｅは、負荷となる例えば発電機１４Ｅ１に軸１２Ｅｊによって連通されている。
タービン１３Ｅ２は、負荷となる例えば発電機１４Ｅ２に軸１３Ｅｊによって連通されている。
【００６５】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｅによって排気タービン１２Ｅに到り膨張してタービン１２Ｅを駆動し、発電機１４Ｅ１を駆動して高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
【００６６】
ついで、まだ圧力を有するオフガスは、ラインＬ１２ｅによって排気タービン１３Ｅ２に到り膨張してタービン１３Ｅ２を駆動し、発電機１４Ｅ２を駆動して圧力エネルギを電気エネルギとして回収する。特に、２つの負荷の電気エネルギの特性が異なる場合に好適である。
【００６７】
このようにして、高温、高圧のオフガスの保有していたエネルギのうちの高圧エネルギを電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｅに供給する必要がない。
【００６８】
図８は第６参考例のブロック構成を示している。第５参考例と異なる部分を主として説明する。
【００６９】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｊによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００７０】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｊが付設されていて、その燃焼器６Ｊには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ６ｊが連通されている。
【００７１】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｊによって分岐部Ｂｊに連通され、分岐部Ｂｊで分岐された一方はラインＬｊ１によって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２ｊ１の高圧入り口側に連通され、分岐部Ｂｊで分岐された他方はラインＬｊ２によって第２のエネルギ回収手段の排気タービン１２ｊ２の高圧入り口側に連通されている。
【００７２】
タービン１２ｊ１の低圧出口側は、ラインＬｊ３を介して合流部Ｇｊに連通され、タービン１２ｊ２の低圧出口側は、ラインＬｊ４を介して合流部Ｇｊに連通されている。
合流部Ｇｊは、ラインＬ６ｊによって燃焼器６Ｊに連通されている。
【００７３】
タービン１２ｊ１は、負荷となる例えば発電機１４Ｊ１に軸１２ｊａによって連通されている。
タービン１２ｊ２は、負荷となる例えば発電機１４Ｊ２に軸１２ｊｂによって連通されている。
発電機１４Ｊ１と１４Ｊ２は、同じ発電容量であっても、異なる発電容量であってもよく、必要によって分岐部Ｂｊでエネルギ配分すればよい。
【００７４】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｊによって合流部Ｂｊに到り、分岐した一方はタービン１２ｊ１に到って膨張してタービン１２ｊ１を駆動し、発電機１４Ｊ１を駆動して発電する。合流部Ｂｊで分岐した他方はタービン１２ｊ２に到って膨張してタービン１２ｊ２を駆動し、発電機１４Ｊ２を駆動して発電する
【００７５】
このようにして、オフガスの保有する高圧エネルギを、並列に分岐してそれぞれが発電し電気エネルギとして回収する。
本実施形態では、オフガスの圧力が常圧まで利用されるので、オフガスを減圧して燃焼器６Ｊに供給する必要がない。
【００７６】
図９は第７参考例のブロック構成を示している。第６参考例と異なる部分を主として説明する。
【００７７】
改質器１０は、改質された改質ガス中の水素をラインＬ１１を介して外部に出力し、また、水素を分離されたオフガスをラインＬ１４ｆによって帰還させ、また燃焼ガスをラインＬ１２によって外部に放出するようになっている。
【００７８】
改質器１０には、水蒸気改質反応を行わせるために必要な熱を供給する燃焼器６Ｆが付設されていて、その燃焼器６Ｆには燃焼用空気を供給する図示しないラインと、エネルギ回収のために帰還させるオフガスを供給するラインＬ６ｆが連通されている。
【００７９】
改質器１０は、水素を分離されたオフガスを排出するラインＬ１４ｆによって分岐部Ｂｆに連通され、分岐部Ｂｆで分岐された一方はラインＬ１ｆによって第１のエネルギ回収手段の排気タービン１２Ｆの高圧入り口側に連通されている。タービン１２Ｆの低圧出口側は、ラインＬ３ｆによって合流部Ｇ１に連通されている。
タービン１２Ｆは、負荷となる例えば発電機１４Ｆに軸１２Ｆｊによって連通されている。
【００８０】
分岐部Ｂｆで分岐された他方は、圧力調整弁５Ｆを介装したラインＬｆ２によって第２のエネルギ回収手段の熱交換器２０Ｆの放熱部２１ｆに連通され、放熱部２１ｆからさらにラインＬ５ｆによって合流部Ｇ１に連通されている。
【００８１】
熱交換器２０Ｆの受熱部２２ｆは、熱負荷の例えば給湯加熱器２４を介装した熱媒を輸送するラインＬ４ｆに連通されている。
合流部Ｇ１は、ラインＬ６ｆによって燃焼器６Ｆに連通されている。
【００８２】
上記構成における、オフガスの作動を説明する。
改質器１０から排出された高温、高圧のオフガスは、ラインＬ１４ｆによって分岐部Ｂｆに到り、分岐した一方はタービン１２Ｆに到って膨張してタービン１２Ｆを駆動し、発電機１４Ｆを駆動して発電する。合流部Ｂｆで分岐したオフガスの他方は、圧力調整弁５Ｆで減圧して熱交換器２０Ｆで放熱し、合流部Ｇ１でタービン１２Ｆを経由したオフガスと同圧で合流して燃焼器６Ｆに供給される。
【００８３】
このようにして、オフガスの保有する高圧エネルギを、タービン１２Ｆによって電気エネルギとして回収し、高温エネルギを熱交換器２０Ｆによって熱エネルギとして回収する。
【００８４】
図１〜図９で示す各実施例や参考例における改質器は、水素分離型改質器であるが、図１３で示した改質器Ａ１０、ＣＯ変成器Ａ２０、水素精製装置Ａ３０で構成される従来方式の水素製造装置においても、水素精製装置Ａ３０と改質器Ａ１０間のオフガス流路にエネルギ回収手段を適用できる。
係る構成が、図１０の第１変形例及び図１１の第２変形例で示されている。
【００８５】
図１０において、改質器Ａ１０で発生した水素を多量に含む改質ガスは、ＣＯ変成器Ａ２０でＣＯを低減されて水素精製装置Ａ３０に供給される。図１０の第１０実施形態では、水素精製装置Ａ３０は圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）が用いられており、水素以外の成分、水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを吸着剤に吸着して、水素を高圧（７Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程度）で取り出している。
ＰＳＡタイプの水素精製装置Ａ３０のオフガスは、水素精製装置Ａ３０の吸着剤に吸着した水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを脱着して、ラインＬ１４Ｇを流過させる。その際に、ラインＬ１４Ｇを流れるオフガスが保有する運動エネルギにより、タービン１２Ｇを回転し発電機１４Ｇで発電せしめるのである。
【００８６】
水素精製装置Ａ３０からオフガスホルダー３５間の圧力は、７Ｋｇ／ｃｍ２Ｇよりも減圧するが、タービン１２Ｇを駆動するには十分である。
また、オフガスが保有するエネルギを活用する手段として、図１０では単一のタービン１２Ｇが示されているが、複数のタービンでも良い。
【００８７】
図１１で示す本発明の第２変形例では、図１０の第１変形例が圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を用いた水素精製装置Ａ３０を有しているのに対して、膜分離方式の水素精製装置Ａ３０Ｆを備えている。
膜分離方式の水素精製装置Ａ３０Ｆは、水素分離型改質器と同様に、高純度水素ガスの圧力は常圧で、オフガスは高圧・高温となる。そのため、オフガスのラインＬ１４Ｈ、Ｌ１６、Ｌ１７にはオフガスホルダーではなく、減圧弁５Ｋが介装されている。
その他の構成、変形例、作用効果については、図１０の第１変形例と同様であり、さらにタービンに代えて熱交換器を用い、或いはタービンと熱交換器とを組み合せて用いてもよい。
【００８８】
図１２は本発明の第３変形例を示している。
図１〜図９の実施例および参考例では、水素分離型改質器を備えているが、図１２の第３変形例では、水素分離型ＣＯ変成器（水素分離型一酸化炭素変成器）Ａ２０Ｌを備えている。水素分離型ＣＯ変成器Ａ２０Ｌから吐出される高純度水素ガスの圧力は常圧であり、オフガスは高圧・高温であるため、タービン１２Ｉ、発電機１４Ｉでオフガスが保有するエネルギを有効利用している。
【００８９】
ここで、図１２において、オフガスが保有するエネルギを利用する機器は単一のタービンに限定されるものではない。複数のタービン、単一或いは複数の熱交換器、タービンと熱交換器の組み合わせ等であっても良い。
その他の構成及び作用効果については、図１〜図９の実施例および参考例と同様である。
【００９０】
なお、エネルギ回収手段の特にオフガスが流過する排気タービンの腐食は、改質器に入る前に都市ガスが脱硫器Ａ５で脱硫されていることで、被害が予防されている。
【００９１】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図１０の圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による水素精製装置Ａ３０を用いた場合や、図１１の膜分離方式による水素精製装置Ａ３０Ｆを用いた場合や、図１２の水素分離型ＣＯ変成器Ａ２０Ｌを用いた場合の何れにおいても、オフガスが保有するエネルギを回収する回収手段を、図１〜図９で示す様な構成とすることが可能である。
また、ここでは、原料をメタンやメタンを主成分とする都市ガスとして説明したが、原料をこれらに限定するものではなく、メタノール、ナフサ等の炭化水素類を原料として用いることも可能である。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列記する。
（１） 本発明によれば、水蒸気改質され水素が分離されたオフガスの保有する高温、高圧のエネルギを熱エネルギ、電気エネルギで回収することができる。
（２） エネルギ回収手段にタービンを使用する場合には、原料ガスの脱硫により腐食が有効に予防できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１参考例を示すブロック構成図。
【図２】 本発明の第１実施例を示すブロック構成図。
【図３】 本発明の第２実施例を示すブロック構成図。
【図４】 本発明の第２参考例を示すブロック構成図。
【図５】 本発明の第３参考例を示すブロック構成図。
【図６】 本発明の第４参考例を示すブロック構成図。
【図７】 本発明の第５参考例を示すブロック構成図。
【図８】 本発明の第６参考例を示すブロック構成図。
【図９】 本発明の第７参考例を示すブロック構成図。
【図１０】 本発明の第１変形例を示すブロック図。
【図１１】 本発明の第２変形例を示すブロック図。
【図１２】 本発明の第３変形例を示すブロック図。
【図１３】 従来の改質器を示す模式図。
【図１４】 水素分離型改質器を示す模式図。
【図１５】 図１４をブロック構成で示した図。
【符号の説明】
２・・・高圧圧縮機
３・・・ボイラ
５Ａ・・圧力調整弁
６・・・燃焼器
１０・・水素分離型改質器
１４・・発電機
Claims (2)
- 水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、改質ガス中から分離された水素を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装したことを特徴とする水素分離型改質器。
- 水素ガスを発生する水素分離型改質器において、水素が分離された高圧のオフガスを燃焼器へ戻すオフガス流路に、当該オフガスが保有する圧力エネルギを回収する回収手段として、前記燃焼器に導入される空気を昇圧するためのターボ圧縮機と軸で連結された排気タービンを介装したことを特徴とする水素分離型改質器。
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