JP4476272B2

JP4476272B2 - 水素製造装置及び水素製造方法

Info

Publication number: JP4476272B2
Application number: JP2006318689A
Authority: JP
Inventors: 晋也立花; 一登小林; 芳正藤本; 幸男田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2008133143A

Description

本発明は、都市ガス等の炭化水素とスチームとを原料として水素を製造する水素製造装置及び水素製造方法に関する。

都市ガスなどの炭化水素とスチームとを原料として水素を生成する水素製造装置の開発が進められており、水素を得る方法の一つとして水素製造用反応管内の改質触媒上で水蒸気改質反応とＣＯシフト反応により水素（Ｈ₂）を生成し、生成された水素（Ｈ₂）のみを回収することで、高純度の水素（Ｈ₂）を製造する水素製造装置が用いられている。

従来の水素製造装置の一例として、従来の水素製造装置を図５に示す。図５は、従来の水素製造装置の構成（左）と水素製造用反応管内でのガス温度と触媒の活性状態（右）を示す図である。図５中左側図に示すように、従来の水素製造装置１００は、水素製造装置本体１００ａ内に水素製造用反応管１０１と、燃焼室１０２とを有してなるものである。前記水素製造用反応管１０１は、都市ガス等の炭化水素からなる原料ガスＧに水蒸気発生装置１０３から供給されるスチーム１０４を混合した混合ガス１０５を前記水素製造用反応管１０１内に供給する原料ガス供給管１０６と、前記水素製造用反応管１０１内に送給された前記混合ガス１０５中の前記原料ガスＧを予備改質する予備改質触媒が充填された予備改質触媒部１０７と、前記原料ガスＧ中の炭化水素や含酸素炭化水素を改質触媒部１０８において転化して水素（Ｈ₂）を生成し、生成された水素（Ｈ₂）のみが通過可能な水素分離膜１０９ａを有する水素分離膜モジュール１０９と、前記水素分離膜１０９ａを通過した水素（Ｈ₂）を回収する水素抜出し管１１０と、未反応の前記原料ガスＧやオフガス１１１を回収するオフガス排出管１１２とからなる。また、前記燃焼室１０２には、前記燃焼室１０２に供給される燃焼ガス中の炭化水素又は含酸素炭化水素を燃焼するバーナー１１３が設けられている。

このバーナー１１３によって、燃焼された高温の燃焼ガスは前記水素製造用反応管１０１を通過する時、前記水素製造用反応管１００の外壁に接触し、前記水素製造用反応管１０１を加熱することにより、改質触媒部１０８が前記原料ガスＧ中の炭化水素を改質するのに適正な温度としている。

また、前記水素製造用反応管１０１内に送給された前記混合ガス１０５は、前記水素製造用反応管１０１内の前記燃焼室１０２側に設けた前記予備改質触媒部１０７で、予め、前記原料ガスＧ中のメタンやメタノールなどの炭化水素の一部を予備改質して水素に転化し、前記予備改質触媒部１０７の上部側に設置している前記水素分離膜１０９ａの入口の水素分圧を上昇させる。そして、前記改質触媒部１０８によって前記原料ガスＧ中の炭化水素を水蒸気改質反応とＣＯシフト反応により、主に水素と二酸化炭素を生成し、前記水素分離膜１０９ａから生成された水素（Ｈ₂）を選択的に分離し有効に回収している。

また、前記水素分離膜モジュール１０９の温度は、改質触媒部１０８及び予備改質触媒部１０７の触媒の寿命及び水素透過性能の面から５００〜５５０℃に制御することが好ましい。高温になりやすい前記水素製造用反応管１０１の前記燃焼室１０２側の温度は、水蒸気改質反応による吸熱で温度を下げることができるため、水素分離膜モジュール１０９の局部加熱を抑制し、前記水素製造用反応管１０１内の温度を均一に保持し、前記水素製造用反応管１０１の耐熱性向上を図るようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３４５９２６号公報

ここで、前記予備改質触媒部１０７出口の前記原料ガスＧの組成は、ほぼガス温度における平衡組成に達している。

例えば、図５中右側図に示すように、前記予備改質触媒部１０７の出口ではガス温度が例えば５５０℃の時に平衡組成に達している。そして、水蒸気改質反応の進行により更に改質反応が進行し、吸熱により温度が低下する。そのため、前記水素分離膜１０９ａの入口部分において水蒸気改質反応による吸熱により十分な吸熱量が得られるようにするためには、前記水素分離膜１０９ａの入口部での前記原料ガスＧのガス温度は、５５０℃以下、好ましくは５００〜５３０℃に制御する必要がある。

しかしながら、実際の前記水素製造装置１００の運転では、前記水素製造用反応管１０１毎に温度や流量にばらつきがあり、前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱により前記混合ガス１０５のガス温度が例えば５５０℃を超える場合も発生し、前記水素製造用反応管１０１の下部の前記予備改質触媒部１０７の異常な発熱を防止することができず、予備改質触媒及び前記改質触媒部１０８の触媒が失活し易く、劣化を防止することができない、という問題がある。

また、前記バーナー１１３からの輻射伝熱等により予備改質触媒部１０７の予備改質触媒層の活性が低下した場合、前記水素製造用反応管１０１から前記予備改質触媒を抜き出して新規に交換することが容易ではない、という問題もある。

本発明は、前記問題に鑑み、水素製造用反応管への直接の輻射熱を抑止し、簡易な構成とした水素製造装置及び水素製造方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部を内部に有し、前記原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであり、前記燃焼部が、前記水素製造用反応管内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第２の発明は、水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部を内部に有し、前記原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであり、前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第３の発明は、水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部と、前記水素製造用反応管の外側に設けられ、前記原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部とからなるものであり、前記燃焼部が、前記水素製造装置本体内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第４の発明は、水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部と、前記水素製造用反応管の外側に設けられ、前記原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部とからなるものであり、前記燃焼部が、前記水素製造装置本体内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記燃焼部から前記スチーム発生部に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパーを有してなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れか一つにおいて、前記水素製造用反応管が、前記原料ガスを水素に改質する改質触媒部と、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜モジュールとからなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。

第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れか一つの水素製造装置を用いて水素の製造を行なうことを特徴とする水素製造方法にある。

本発明によれば、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に前記スチーム発生部を設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。また、前記水素製造装置本体内でスチームを発生させると共に、前記水素製造用反応管内の前記原料ガスＧを加熱することができるため、装置を簡易な構成としコンパクトとすることができると共に、供給される前記原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、装置の熱効率を改善することができる。

また、前記スチーム発生部及び前記燃焼部を前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。また、前記水素製造装置本体内でスチームを発生させると共に、前記水素製造用反応管内の前記原料ガスＧを加熱することができるため、装置を簡易な構成としコンパクトとすることができると共に、供給される前記原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、装置の熱効率を改善することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例１に係る水素製造装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る水素製造装置１０Ａは、水素製造装置本体１００ａ内に設けられ、原料ガスＧを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部１０７を内部に有し、前記原料ガスＧを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管１０１と、前記水素製造装置本体１００ａに設けられ、前記水素製造用反応管１０１を加熱するバーナー１１３と、前記水素製造装置本体１００ａ内に設けられ、前記原料ガスＧに供給するためのスチーム１１を発生するスチーム発生部１２とからなるものであり、前記バーナー１１３が、前記水素製造用反応管１０１内に配される前記予備改質触媒部１０７と対向して設けられ、前記スチーム発生部１２が、前記水素製造用反応管１０１と前記バーナー１１３との間に設けられてなるものである。
また、前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３は、前記水素製造用反応管１０１の下方の燃焼室１０２に設けられている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ａは、前記スチーム発生部１２において発生した前記スチーム１１を前記原料ガスＧと混合した前記混合ガス１０５を前記水素製造用反応管１０１に送給する。そして、前記水素製造用反応管１０１内の前記予備改質触媒部１０７で、例えば５００〜５５０℃の所定の温度で、予め、前記原料ガスＧ中の炭化水素の一部を予備改質して水素に転化する。その後、例えば図５に示すような前記改質触媒部１０８を用いて水素を生成し、生成された水素（Ｈ₂）のみを選択的に回収するようにしている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ａのように、前記水素製造用反応管１０１内の下方に前記予備改質触媒部１０７を設けている場合、前記バーナー１１３は前記水素製造用反応管１０１内に配される前記予備改質触媒部１０７と対向する向きである前記水素製造用反応管１０１の下方に設けられるようにしている。この時、前記水素製造用反応管１０１と前記バーナー１１３との間に前記スチーム発生部１２を設けることにより、前記水素製造用反応管１０１の下方への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管１０１内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、予備改質触媒の劣化を防止することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ａは、図５に示すような従来の水素製造装置１００のように、水蒸気発生装置１０３でスチーム１０４を発生させるためのボイラを設ける必要はなく、前記燃焼室１０２内の前記バーナー１１３のみにより、前記スチーム１１を発生させると共に、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５を加熱することができる。このため、本実施例に係る水素製造装置１０Ａは、装置をコンパクト化することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ａでは、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記スチーム１１となる前記水１３を加熱するための前記燃焼室１０２は一つで足り、前記バーナー１１３で前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３をまとめて加熱することができる。よって、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３を効率良く加熱することができるため、装置全体の熱効率を改善することができる。

このように、本実施例によれば、前記水素製造用反応管１０１と前記バーナー１１３との間に前記スチーム発生部１２を設けることにより、前記水素製造用反応管１０１への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記バーナー１１３のみにより、前記スチーム１１を発生させると共に、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができると共に、装置全体の熱効率を改善することができる。

また、本実施例においては、前記水素製造用反応管１０１は、水素を発生させる方法として図５に示すような前記原料ガスＧを水素に改質する前記改質触媒部１０８と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜１０９ａを有する前記水素分離膜モジュール１０９とからなるものを用いることができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素を生成し、生成された水素のみを回収することができる装置であればよい。

また、本実施例においては、原料ガスＧは炭化水素を含有する原料ガスであればよく、都市ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＬＰガス、天然ガス、その他二種類以上の炭化水素の混合物を含有する炭化水素ガスを用いるようにしてもよい。

また、本実施例においては、前記予備改質触媒部１０７が前記水素製造用反応管１０１内の下方に配されてなるものあるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記水素製造用反応管１０１内の側方に配置するようにしてもよい。

本発明による実施例２に係る水素製造装置について、図２を参照して説明する。
図２は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造装置は、実施例１に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図２に示すように、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂは、図１に示す実施例１に係る水素製造装置１０Ａの前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３が、前記水素製造用反応管１０１と隔壁２０を介して前記水素製造用反応管１０１の側方に設けられてなるものである。また、前記バーナー１１３から前記スチーム発生部１２に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパー２１を有してなるものである。
図中、符号２２−１は、前記スチーム発生部１２に供給される燃焼ガスのガス温度を測定する第一の温度計であり、符号２２−２は、前記スチーム発生部１２から放出される燃焼ガスのガス温度を測定する第二の温度計であり、符号２２−３は、前記予備改質触媒部１０７の予備改質触媒での混合ガス１０５のガス温度を測定する第三の温度計を各々図示する。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｂは、実施例１に係る水素製造装置１０Ａと同様に、前記スチーム発生部１２において発生した前記スチーム１１を前記原料ガスＧと混合した前記混合ガス１０５を前記水素製造用反応管１０１に送給する。そして、前記水素製造用反応管１０１内の前記予備改質触媒部１０７で、例えば５００〜５５０℃の所定の温度で、予め、前記原料ガスＧ中の炭化水素の一部を予備改質して水素に転化する。その後、例えば図５に示すような前記改質触媒部１０８を用いて水素を生成し、生成された水素（Ｈ₂）のみを選択的に回収するようにしている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｂは、前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３を前記水素製造用反応管１０１と前記隔壁２０を介して前記水素製造用反応管１０１の側方に設けることにより、前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。このため、前記水素製造用反応管１０１に供給される前記混合ガス１０５のガス温度の上昇を防ぐことができ、前記水素製造用反応管１０１内の触媒の触媒温度を例えば５００〜５５０℃に制御することができる。この結果、前記水素製造用反応管１０１内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、触媒の劣化を防止することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂは、前記燃焼室１２内の前記バーナー１１３から前記スチーム発生部１２に流れる燃焼ガスの流量を制御する前記ダンパー２１を設けることにより、燃焼ガスの流量を制御することができる。このため、前記スチーム発生部１２で発生するガス温度の調整を行なうことで、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度を調整することができる。

このため、例えば前記水１３を供給しても前記スチーム１１の発生量を調整することができない場合や、前記水素製造用反応管１０１の温度が高い場合等には、前記ダンパー２１を開閉し、燃焼ガスの流量を制御することにより、前記スチーム発生部１２から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行ない、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度を調整することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂでは、前記スチーム発生部１２に供給される燃焼ガスのガス温度を測定する第一の温度計２２−１と、前記スチーム発生部１２から放出される燃焼ガスのガス温度を測定する第二の温度計２２−２と、前記予備改質触媒部１０７の予備改質触媒での混合ガス１０５のガス温度を測定する第三の温度計２２−３とを有するようにしている。

前記第一の温度計２２−１で前記バーナー１１３から供給される燃焼ガスのガス温度を検知することにより、前記ダンパー２１で燃焼ガスの流量を制御するようにしている。そして、前記第二の温度計２２−２で前記スチーム発生部１２から排出される燃焼ガスのガス温度を検知することにより、前記スチーム発生部１２で発生するガス温度を調整するようにしている。そして、前記第三の温度計２２−３で前記水素製造用反応管１０１内入口部でのガス温度を検知することにより、前記水素製造用反応管１０１に供給されるガス温度を調整するようにしている。

よって、前記水素製造用反応管１０１が、例えば前記原料ガスＧを水素に改質する前記改質触媒部１０８と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜１０９ａを有する前記水素分離膜モジュール１０９とからなるものである場合、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度を調整し、前記改質触媒部１０８に用いられる改質触媒の温度を例えば５００〜５５０℃に制御することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂは、前記燃焼室１０２内の前記バーナー１１３のみにより、前記スチーム１１を発生させると共に、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂでは、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記スチーム１１となる前記水１３をまとめて加熱することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３を効率良く加熱することができ、装置全体の熱効率を改善することができる。

このように、本実施例によれば、前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３が、前記水素製造用反応管１０１と前記隔壁２０を介して前記水素製造用反応管１０１の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管１０１への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の触媒の劣化を防止することができる。
また、前記ダンパー２１で前記バーナー１１３から前記スチーム発生部１２に流れる燃焼ガスの流量を制御することにより、燃焼ガスの流量を制御することができるため、前記スチーム発生部１２から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行ない、前記水素製造用反応管１０１内の温度を調整することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｂにおいては、前記予備改質触媒部１０７が前記水素製造用反応管１０１内の下方に配されてなるものあるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記隔壁２０では、前記バーナー１１３からの熱を抑制しきれない場合もあるため、前記予備改質触媒部１０７を前記水素製造用反応管１０１内の側方に配置するようにしてもよい。

また、本実施例において用いられている前記隔壁２０は、前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を防止するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば前記燃焼室１０２内の前記バーナー１１３からの燃焼ガスが流通する連通口を有するようにしても良い。

本発明による実施例３に係る水素製造装置について、図３を参照して説明する。
図３は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造装置は、実施例１に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図３に示すように、本実施例に係る水素製造装置１０Ｃは、図１に示す実施例１に係る水素製造装置１０Ａの前記予備改質触媒部１０７が、前記水素製造用反応管１０１の外側に設けられてなるものである。また、前記水素製造用反応管１０１と前記スチーム発生部１２との間に前記予備改質触媒部１０７を設けるようにしている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｃは、前記スチーム発生部１２において発生した前記スチーム１１を前記原料ガスＧと混合した前記混合ガス１０５を予備改質触媒部１０７において、例えば５００〜５５０℃の所定の温度まで予備改質を行った後、前記水素製造用反応管１０１に所定の温度の前記混合ガス１０５を供給するようにしている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｃのように、前記水素製造用反応管１０１と前記スチーム発生部１２との間に前記予備改質触媒部１０７を設けることにより、前記水素製造用反応管１０１への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管１０１内に配置した改質触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、触媒の劣化を防止することができる。

また、図５に示すような従来の水素製造装置１００では、前記予備改質触媒部１０７において前記原料ガスＧ中のＣＯ₂を分解すると共に、前記水素分離膜モジュール１０９の入口の水素分圧を上昇させ、前記予備改質触媒部１０７の混合ガス出口温度を前記水素分離膜モジュール１０９入口の理想温度である約５５０℃となるように調製している。しかし、本実施例に係る水素製造装置１０Ｃでは、前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱で前記予備改質触媒部１０７の混合ガス１０５の入口温度が高温となって、前記水素製造用反応管１０１内の触媒を失活させることはない。

また、前記予備改質触媒部１０７を前記水素製造用反応管１０１の外側に分離して設けることにより、前記予備改質触媒部１０７の予備改質触媒が失活しても、予備改質触媒を容易に交換することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｃは、図５に示すような従来の水素製造装置１００のように、水蒸気発生装置１０３でスチーム１０４を発生させるためのボイラを設ける必要はなく、前記燃焼室１０２内の前記バーナー１１３のみにより、前記スチーム１１を発生させると共に、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５を加熱することができる。このため、本実施例に係る水素製造装置１０Ｃは、装置をコンパクト化することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｃでは、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記スチーム１１となる前記水１３を加熱するための前記燃焼室１０２は一つで足り、前記バーナー１１３で前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３をまとめて加熱することができる。よって、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３を効率良く加熱することができるため、装置全体の熱効率を改善することができる。

このように、本実施例によれば、前記水素製造用反応管１０１と前記水素製造用反応管１０１の下方に設けた前記バーナー１１３との間に前記スチーム発生部１２を設けることにより、前記水素製造用反応管１０１及び前記予備改質触媒部１０７への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記予備改質触媒部１０７を前記水素製造用反応管１０１の外側に分離して設けているため、予備改質触媒を容易に交換することができる。

本発明による実施例４に係る水素製造装置について、図面を参照して説明する。
図４は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造用反応管は、実施例１乃至実施例３に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図４に示すように、本実施例に係る水素製造装置１０Ｄは、図２に示す実施例２に係る水素製造装置１０Ｂの前記予備改質触媒部１０７が、前記水素製造用反応管１０１の外側に設けられてなるものである。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｄは、前記スチーム発生部１２において発生した前記スチーム１１を前記原料ガスＧと混合した前記混合ガス１０５により、前記予備改質触媒部１０７において例えば５００〜５５０℃の所定の温度まで予備改質を行った後、前記水素製造用反応管１０１に所定の温度の前記混合ガス１０５を供給するようにしている。

本実施例に係る水素製造装置１０Ｄのように、前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３が、前記水素製造用反応管１０１と前記隔壁２０を介して前記水素製造用反応管１０１の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管１０１への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管１０１内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｄでは、前記ダンパー２１を設けることにより、例えば前記水１３を供給しても前記スチーム１１の発生量を調整することができない場合、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度が高い場合等には、前記ダンパー２１を開閉し、燃焼ガスの流量を制御することができる。このため、前記スチーム発生部１２から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行なうことで、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度を調整することができる。

よって、前記水素製造用反応管１０１が、例えば前記原料ガスＧを水素に改質する前記改質触媒部１０８と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜１０９ａとを有する前記水素分離膜モジュール１０９とからなるものである場合、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５のガス温度を調整し、前記改質触媒部１０８に用いられる改質触媒の温度を例えば５００〜５５０℃に制御することができる。

ここで、前記水素製造用反応管１０１に、図５に示すような従来の水素製造装置１００の前記水素製造用反応管１０１の前記水素分離膜モジュール１０９が配置されている場合の前記水素分離膜モジュール１０９での反応による温度変化について説明する。

原料ガスに１３Ａガスと前記水素製造用反応管１０１の出口ガス（ＣＨ₄、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ）を用い、１０．６Ｎｍ³／ｈの流量で、Ｓ／Ｃを３ｍｏｌ／ｍｏｌとして、０．８ＭＰａ・Ｇの圧力で行なった。
また、前記予備改質触媒部１０７の出口での前記混合ガス１０５の混合ガス出口温度Ｔ_pを６００℃とし、前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５の混合ガス入口温度Ｔ_mを５５０℃とし、前記混合ガス１０５中のＣＨ₄、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏのそれぞれの熱量を表１に示す。

前記水素分離膜モジュール１０９内の前記改質触媒部１０８での反応は、以下の式（１）の正反応と、式（２）の逆反応とによる平衡反応で行なわれている。また、式（１）の正反応は吸熱反応であり、式（２）の逆反応は発熱反応である。
ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ ・・・（１）
ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ → ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ・・・（２）

前記予備改質触媒部１０７の出口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス出口温度Ｔ_pと、前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス入口温度Ｔ_mとが等しければ、水素（Ｈ₂）が抜けた分、式（１）の正反応である吸熱反応が更に進行することになるため、水素を製造することと共に、前記改質触媒部１０８での前記混合ガス１０５のガス温度を例えば５５０℃を越えないようにすることができる。

また、前記予備改質触媒部１０７の出口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス出口温度Ｔ_pが前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス入口温度Ｔ_mより高い場合には、逆反応である発熱反応が進行し、発熱することになるため、前記水素分離膜モジュール１０９での前記混合ガス１０５のガス温度が上昇することになる。

前記水素分離膜モジュール１０９では、表１に示すように、前記予備改質触媒部１０７の出口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス出口温度Ｔ_pが例えば６００℃で、前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス入口温度Ｔ_mが例えば５５０℃の場合、前記混合ガス１０５中に含まれるＣＯ、ＣＯ₂は下記式（３）、式（４）との反応が進行し、ＣＨ₄を生成し、発熱することになる。
ＣＯ＋３Ｈ₂ → ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ −１６４．６３ｋＪ／ｍｏｌ・・・（３）
ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ → ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ −２４１．８２ｋＪ／ｍｏｌ・・・（４）

この時、ＣＯが例えば２３．７１ｍｏｌ／ｈ減少し、ＣＯ₂が例えば２８．９４ｍｏｌ／ｈ減少し、例えば２．６８ｋＷ発熱することになる。この発熱によって、前記混合ガス１０５が加熱されて、前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５のガス温度である前記混合ガス入口温度Ｔ_mが例えば５５０℃を超えることになる。

従って、前記水素分離膜モジュール１０９内の改質触媒部１０８の触媒温度が例えば５５０℃を超えないようにするためには、前記予備改質触媒部１０７の出口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス出口温度Ｔ_pと前記水素分離膜モジュール１０９の入口での前記混合ガス１０５の前記混合ガス入口温度Ｔ_mとが等しくなるようにし、前記ダンパー２１によってバーナー１１３からの燃焼ガスの風量を調整する必要がある。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｄでは、前記予備改質触媒部１０７を前記水素製造用反応管１０１の外側に分離して設けることにより、前記予備改質触媒部１０７の予備改質触媒が失活しても、予備改質触媒を容易に交換することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｄは、前記燃焼室１０２内の前記バーナー１１３のみにより、前記スチーム１１を発生させると共に、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができる。

また、本実施例に係る水素製造装置１０Ｄでは、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記スチーム１１となる前記水１３を一度にまとめて加熱することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の前記混合ガス１０５及び前記水１３を効率良く加熱することができ、装置全体の熱効率を改善することができる。

このように、本実施例によれば、前記スチーム発生部１２及び前記バーナー１１３が、前記水素製造用反応管１０１と隔壁２０を介して前記水素製造用反応管１０１の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管１０１への前記バーナー１１３からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管１０１内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記予備改質触媒部１０７を前記水素製造用反応管１０１の外側に分離して設けているため、予備改質触媒を容易に交換することができる。

以上、本発明の実施例について述べたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

以上のように、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法は、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に前記スチーム発生部を設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができると共に、供給される原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、触媒の耐久性が向上し、簡易な構成でコンパクトとし、熱効率の良い水素製造装置に用いて適している。

また、前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部１０７への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができると共に、供給される原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、触媒の耐久性が向上し、簡易な構成でコンパクトとし、熱効率の良い水素製造装置に用いて適している。

実施例１に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。実施例２に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。実施例３に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。実施例４に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。従来の水素製造装置の構成と水素製造用反応管内の温度と触媒の活性状態を示す図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｄ水素製造装置
１１スチーム
１２スチーム発生部
１３水
２０隔壁
２１ダンパー
２２−１第一の温度計
２２−２第二の温度計
２２−３第三の温度計
Ｇ原料ガス
１００ａ水素製造装置本体
１０１水素製造用反応管
１０２燃焼室
１０５混合ガス
１０７予備改質触媒部
１１３バーナー
Ｔ_m 混合ガス入口温度
Ｔ_p 混合ガス出口温度

Claims

水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部を内部に有し、前記原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、
前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、
前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであり、
前記燃焼部が、前記水素製造用反応管内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、
前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。
水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部を内部に有し、前記原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、
前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、
前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであり、
前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。
水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、
前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、
前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部と、
前記水素製造用反応管の外側に設けられ、前記原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部とからなるものであり、
前記燃焼部が、前記水素製造装置本体内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、
前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。
水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、
前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、
前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部と、
前記水素製造用反応管の外側に設けられ、前記原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部とからなるものであり、
前記燃焼部が、前記水素製造装置本体内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、
前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。
請求項３又は４において、
前記燃焼部から前記スチーム発生部に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパーを有してなるものであることを特徴とする水素製造装置。
請求項１乃至５の何れか一つにおいて、
前記水素製造用反応管が、前記原料ガスを水素に改質する改質触媒部と、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜モジュールとからなるものであることを特徴とする水素製造装置。
請求項１乃至６の何れか一つの水素製造装置を用いて水素の製造を行なうことを特徴とする水素製造方法。