JP6473345B2 - 水素製造装置及び水素製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素製造装置及び水素製造方法に関する。
従来、燃料電池車や家庭用燃料電池へ供給する水素を製造するための水素製造装置が提案されている。例えば、下記特許文献１には、このような水素製造装置の一例が示されている。
特許文献１に開示された水素製造装置は、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素ガスからなる原料ガスを脱硫器で脱硫した後、その原料ガスを改質器によって水蒸気と改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスを生成し、その生成した改質ガスからＣＯ２除去器でＣＯ２を除去し、その後、ＣＯ変成器による変成反応によってＣＯを除去した後、さらにＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）精製装置によりＣＯを除去して高純度水素を取り出すという構成を備えている。そして、この特許文献１には、高温の改質ガスからＣＯ２を除去するのに好ましいＣＯ２除去器の例として、改質ガスの温度付近の高温でＣＯ２を吸収可能な酸化物セラミックスからなる固体吸収剤を用いて改質ガスからその固体吸収剤にＣＯ２を吸収させて除去する除去器が示されている。
特開２００２−２５５５１０号公報
近年、地球温暖化等を防止するため、水素製造過程において改質ガスから除去したＣＯ２を大気へ放出せずに回収して地中等へ貯蔵する技術の研究開発が進められている。しかしながら、上記特許文献１に開示された水素製造装置では、ＣＯ２除去器の吸収剤に吸収されたＣＯ２を回収するために大きなエネルギを投入することが必要となる。
具体的に、吸収剤に吸収されたＣＯ２を回収するためには、一般的に、吸収剤を加熱してその吸収剤にＣＯ２を放出させるが、この際、吸収剤がＣＯ２を吸収したときの吸収反応の反応温度よりも高い温度まで吸収剤を加熱する必要がある。このため、大きなエネルギを投入する必要がある。特に、上記特許文献１のように、高温でＣＯ２を吸収可能な固体吸収剤を用いて高温の改質ガスから固体吸収剤にＣＯ２を吸収させる場合には、固体吸収剤からＣＯ２を放出させるために固体吸収剤を非常に高温まで加熱する必要があり、その結果、非常に大きなエネルギを投入する必要がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水素の製造に付随して行うＣＯ２の分離回収のために投入するエネルギを低減可能な水素製造装置及び水素製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明による水素製造装置は、炭化水素と水蒸気を改質反応させてＣＯと水素を生成する改質器と、前記改質反応を進行させるために前記改質器を加熱する加熱装置と、前記改質器により生成されたＣＯ及び水素を含む改質ガス中のＣＯを水蒸気と変成反応させて水素とＣＯ２を生成する変成器と、前記変成反応により生成された水素及びＣＯ２を含む変成ガスから水素を分離して取り出す水素分離装置と、前記水素分離装置によって前記変成ガスから水素が分離された後の残りのガスであるオフガスからＣＯ２を分離して取り出すＣＯ２分離装置と、前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を回収する熱回収装置と、前記熱回収装置により回収された熱を前記ＣＯ２分離装置へ供給する熱供給装置と、を備え、前記ＣＯ２分離装置は、ＣＯ２を吸収又は吸着する捕捉剤により前記オフガス中のＣＯ２を捕捉する捕捉部と、ＣＯ２を捕捉した後の前記捕捉剤である捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出すためにその捕捉後捕捉剤を前記熱供給装置から供給される熱を利用して加熱する加熱部とを有する。
この水素製造装置では、熱回収装置が改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、改質器を加熱する加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を回収し、熱供給装置が熱回収装置により回収された熱をＣＯ２分離装置へ供給し、ＣＯ２分離装置の捕捉部が、水素分離後のオフガス中のＣＯ２を捕捉剤により捕捉し、ＣＯ２分離装置の加熱部が、ＣＯ２を捕捉した捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出すためにその捕捉後捕捉剤を熱供給装置から供給される熱を利用して加熱する。このため、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を利用して、捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させることができる。このため、捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出すために新たに投入するエネルギを節約できる。従って、この水素製造装置では、水素の製造に付随して行うＣＯ２の分離回収のために投入するエネルギを低減することができる。
前記水素製造装置において、前記熱回収装置は、前記加熱装置からの排熱を回収する排熱回収部を有することが好ましい。
改質器を加熱する加熱装置からの排熱は一般的には廃棄されているが、この構成によれば、その廃棄されている排熱を回収し、その回収した排熱を熱供給装置にＣＯ２分離装置へ供給させて加熱部による捕捉後捕捉剤の加熱のために有効利用することができる。このため、エネルギコストをより低減できる。
前記水素製造装置において、前記熱回収装置は、回収した熱を蓄える蓄熱部を有し、前記熱供給装置は、前記蓄熱部に蓄えられた熱を前記加熱部へ供給することが好ましい。
この構成によれば、例えば水素の製造量が急増し、それに起因してＣＯ２分離装置において捕捉後捕捉剤にＣＯ２を放出させる単位時間の処理量が急増して、加熱部による捕捉後捕捉剤の加熱に要する熱量が急増した場合でも、蓄熱部に蓄えた熱で必要な熱量の急増に対応することができる。
前記水素製造装置において、前記熱回収装置は、前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を熱媒体に吸収させる熱吸収処理部を有し、前記熱供給装置は、熱を吸収した熱媒体を前記加熱部へ供給する熱媒供給装置を有し、前記加熱部は、前記捕捉後捕捉剤に前記熱媒供給装置から供給された熱媒体の熱を付与することによりその捕捉後捕捉剤を加熱することが好ましい。
この構成では、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を吸収した熱媒体を加熱部へ供給することによって加熱部に熱を供給するため、例えば、熱供給装置が改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を熱伝導によって加熱部へ供給するものに比べて、加熱部への熱供給の過程で失われる熱量を低減できる。すなわち、伝熱部材を通じて熱伝導で加熱部へ熱を供給する場合には、熱伝導の過程で伝熱部材から比較的多くの熱量が失われるが、本構成のように熱を吸収した熱媒体自体を加熱部へ供給することによって、失われる熱量を抑制することができる。
この場合において、前記捕捉剤は、前記オフガスからＣＯ２を吸収可能な吸収液であり、前記捕捉部は、吸収液に前記オフガス中のＣＯ２を吸収させる吸収処理部であり、前記捕捉後捕捉剤は、前記吸収処理部でＣＯ ２ を吸収した後の吸収液である吸収後吸収液であり、前記ＣＯ２分離装置は、前記吸収後吸収液を流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ２を放出させる放出流路が設けられた放出部をさらに有し、前記加熱部は、前記熱媒供給装置から供給された熱媒体が前記放出流路に流通する吸収後吸収液と熱交換するようにその熱媒体を流通させる熱媒流路を有し、前記放出流路及び前記熱媒流路は、共にマイクロチャネルであって、１つの流路構造体内において当該放出流路を流通する前記吸収後吸収液と当該熱媒流路を流通する前記熱媒体とが互いに熱交換するように隣接して配置されていることが好ましい。
この構成によれば、マイクロチャネルである放出流路に流通する吸収後吸収液とマイクロチャネルである熱媒流路に流通する熱媒体との間での熱交換により、吸収後吸収液と熱媒体の単位流量当たりでの熱交換量を増加させることができる。このため、単位流量当たりの吸収後吸収液に熱媒体から付与する熱量を増加させることができる。その結果、放出部において吸収後吸収液の単位流量当たりでのＣＯ２の放出量を増加させることができ、放出部における吸収後吸収液からのＣＯ２の放出の処理効率を向上することができる。
前記水素製造装置において、前記加熱装置は、前記捕捉剤によってＣＯ２を捕捉されることによりＣＯ２が除去された後のオフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための熱を生成するバーナーを有することが好ましい。
この構成によれば、改質器を加熱するために消費する燃料を節約することができる。
また、本発明による水素製造方法は、炭化水素と水蒸気を加熱しながら改質反応させてＣＯと水素を生成する改質工程と、前記改質工程で生成されたＣＯ及び水素を含む改質ガス中のＣＯを水蒸気と変成反応させて水素とＣＯ２を生成する変成工程と、前記変成工程で生成された水素及びＣＯ２を含む変成ガスから水素を分離して取り出す水素分離工程と、前記改質ガスの熱と、前記変成ガスの熱と、前記改質工程で炭化水素及び水蒸気を加熱するために用いた熱の排熱とのうち少なくとも１つの熱を回収する熱回収工程と、前記水素分離工程によって前記変成ガスから水素が分離された後の残りのガスであるオフガスからＣＯ２を分離して取り出すＣＯ２分離工程と、を備え、前記ＣＯ２分離工程は、ＣＯ２を吸収又は吸着する捕捉剤により前記オフガス中のＣＯ２を捕捉する捕捉工程と、ＣＯ２を捕捉した後の前記捕捉剤である捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出す放出工程と、を含み、前記放出工程は、前記捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させるためにその捕捉後捕捉剤を前記熱回収工程で回収した熱を利用して加熱する加熱工程を有する。
この水素製造方法では、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、改質工程で炭化水素及び水蒸気を加熱するために用いた熱の排熱のうちの少なくとも１つの熱を回収し、その回収した熱を利用して、放出工程中の加熱工程において捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させるためにその捕捉後捕捉剤を加熱する。このため、捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出すために新たに投入するエネルギを節約できる。従って、この水素製造方法では、水素の製造に付随して行うＣＯ２の分離回収のために投入するエネルギを低減することができる。
前記水素製造方法において、前記熱回収工程では、前記改質工程で炭化水素及び水蒸気を加熱するために用いた熱の排熱を回収することが好ましい。
この構成によれば、一般的には廃棄されている前記排熱を回収し、その回収した排熱を加熱工程において捕捉後捕捉剤を加熱するために有効利用することができる。このため、エネルギコストをより低減できる。
前記水素製造方法において、前記熱回収工程は、回収した熱を蓄熱部に蓄える蓄熱工程を含み、前記加熱工程では、前記蓄熱工程で前記蓄熱部に蓄えた熱を利用して前記捕捉後捕捉剤を加熱することが好ましい。
この構成によれば、例えば水素の製造量が急増し、それに起因してＣＯ２分離工程中の放出工程において捕捉後捕捉剤にＣＯ２を放出させる単位時間の処理量が急増して、捕捉後捕捉剤の加熱に要する熱量が急増した場合でも、蓄熱部に蓄えた熱で必要な熱量の急増に対応することができる。
前記水素製造方法において、前記熱回収工程は、前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記排熱のうち少なくとも１つの熱を熱媒体に吸収させる熱吸収工程を含み、前記水素製造方法は、前記熱吸収工程で熱を吸収した熱媒体を前記加熱工程で前記捕捉後捕捉剤を加熱するための加熱部へ供給する熱媒供給工程をさらに備え、前記加熱工程では、前記加熱部に前記熱媒供給工程で供給された熱媒体の熱を前記捕捉後捕捉剤に付与させることにより前記捕捉後捕捉剤を加熱することが好ましい。
この構成では、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を吸収した熱媒体を加熱部へ供給することによって加熱部に熱を供給するため、例えば、熱供給装置が改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を熱伝導によって加熱部へ供給するものに比べて、加熱部に熱を供給する過程で失われる熱量を低減することができる。
この場合において、前記捕捉工程は、前記オフガスからＣＯ２を吸収可能な吸収液を前記捕捉剤として用いて、その吸収液により前記オフガス中のＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収工程を有し、前記捕捉後捕捉剤は、前記ＣＯ ２ 吸収工程でＣＯ ２ を吸収した後の吸収液である吸収後吸収液であり、前記放出工程では、前記吸収後吸収液をマイクロチャネルである放出流路に流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ２を放出させ、前記加熱工程では、前記熱吸収工程で熱を吸収した熱媒体をマイクロチャネルである熱媒流路に流通させながら前記放出流路を流通する吸収後吸収液と熱交換させることによりその吸収後吸収液を加熱し、前記放出工程で用いる前記放出流路と前記加熱工程で用いる前記熱媒流路は、１つの流路構造体内において前記放出流路を流通する吸収後吸収液と前記熱媒流路を流通する熱媒体とが互いに熱交換するように隣接して配置されていることが好ましい。
この構成によれば、マイクロチャネルである放出流路に流通する吸収後吸収液とマイクロチャネルである熱媒流路に流通する熱媒体との間での熱交換により、吸収後吸収液と熱媒体の単位流量当たりでの熱交換量を増加させることができる。このため、単位流量当たりの吸収後吸収液に熱媒体から付与する熱量を増加させることができる。その結果、放出工程において吸収後吸収液の単位流量当たりでのＣＯ２の放出量を増加させることができ、放出工程における吸収後吸収液からのＣＯ２の放出の処理効率を向上することができる。
前記水素製造方法において、前記改質工程は、前記捕捉工程において前記捕捉剤にＣＯ２を捕捉されることによりＣＯ２が除去された後のオフガスを燃焼させて炭化水素と水蒸気を加熱するための熱を生成する熱生成工程を有することが好ましい。
この構成によれば、改質工程において炭化水素と水蒸気を加熱するために消費する燃料を節約することができる。
以上説明したように、本発明の水素製造装置及び水素製造方法によれば、水素の製造に付随して行うＣＯ２の分離回収のために投入するエネルギを低減することができる。
本発明の一実施形態による水素製造装置の模式図である。 図１に示した水素製造装置のＣＯ２分離装置の吸収処理部の概略的な斜視図である。 図２に示した吸収処理部の第１流路構造体を構成する吸収流路基板の一方の板面を示す平面図である。 図３に示した吸収流路基板の反対側の板面を示す平面図である。 図２に示した吸収処理部の第１流路構造体を構成する冷却基板の平面図である。 図１に示した水素製造装置のＣＯ２分離装置の放出処理部の概略的な斜視図である。 図６に示した放出処理部の第２流路構造体を構成する放出流路基板の平面図である。 図６に示した放出処理部の第２流路構造体を構成する熱媒基板の平面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態による水素製造装置１が示されている。水素製造装置１は、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の化石燃料から水素を製造する装置である。
水素製造装置１は、図１に示すように、改質装置２と、変成器６と、水素分離装置８と、オフガスタンク９と、排ガス熱交換器１０と、熱回収装置１１と、熱媒供給装置２１と、ＣＯ２分離装置２２と、を備える。
改質装置２は、ＣＮＧ等の化石燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成するものである。改質装置２は、改質器３と、加熱装置４とを有する。
改質器３には、化石燃料と水蒸気が導入される。改質器３は、導入された化石燃料中のＣＨ４（メタン）と水蒸気を互いに改質反応させてＣＯ（一酸化炭素）と水素を生成するものである。この改質反応は、吸熱反応である。改質器３は、生成したＣＯ及び水素と反応し切らなかったＣＨ４及び水蒸気とが含まれる改質ガスを排出する排出部３ａを有する。
加熱装置４は、改質反応を進行させるために改質器３を加熱するものである。加熱装置４には、燃料及び酸素とＣＯ２分離装置２２の後述する吸収処理部２４から排出されるＣＯ２フリーガスとの混合ガスが供給される。加熱装置４は、具体的にはバーナーであり、供給される混合ガスを燃焼させて改質器３を加熱するための熱を生成する。
変成器６は、改質器３により生成されたＣＯ及び水素を含む改質ガス中のＣＯを水蒸気と変成反応させて水素とＣＯ２を生成するものである。具体的に、この変成器６は、改質器３の排出部３ａに繋がっていてその排出部３ａから排出される改質ガスを受け入れる導入部６ａを有する。変成器６は、導入部６ａを通って導入された改質ガス中のＣＯと水蒸気とを互いに変成反応させる。変成器６は、変成反応により生成した水素及びＣＯ２と、反応し切らなかったＣＯ及び水蒸気と、微量のＣＨ４とを含む変成ガスを排出する排出部６ｂを有する。
水素分離装置８は、変成器６における変成反応によって生成された水素及びＣＯ２を含む変成ガスから高純度水素を分離して取り出すものである。水素分離装置８は、変成器６の排出部６ｂに繋がっていてその排出部６ｂから排出される変成ガスを受け入れる導入部８ａと、分離した高純度水素を排出する水素排出部８ｂと、変成ガスから水素を分離した後の残りのガスであるオフガスを排出するオフガス排出部８ｃとを有する。水素分離装置８は、導入された変成ガスから公知のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法により高純度水素を分離する。水素排出部８ｂは、水素の需要側である燃料電池等に配管を介して接続され、この水素排出部８ｂから排出された高純度水素は、配管を通じて燃料電池等へ供給されるようになっている。オフガス排出部８ｃから排出されるオフガスには、ＣＯと、ＣＯ２と、分離し切れなかった水素と、微量のＣＨ４とが含まれる。
オフガスタンク９は、水素分離装置８のオフガス排出部８ｃと配管を介して接続されている。オフガスタンク９には、オフガス排出部８ｃから排出されたオフガスが導入される。オフガスタンク９は、導入されたオフガスを貯留する。
排ガス熱交換器１０は、加熱装置４に繋がる供給路１５及び排気路１６に設けられている。供給路１５は、加熱装置４へ前記混合ガスを供給する流路である。排気路１６は、加熱装置４が前記混合ガスを燃焼させることによって発生する排ガスがその加熱装置４から排出される流路である。排ガス熱交換器１０は、排ガス導入口１０ａと、排ガス排出口１０ｂと、混合ガス導入口１０ｃと、混合ガス排出口１０ｄとを有する。排ガス熱交換器１０は、加熱装置４から排気路１６に排出されて排ガス導入口１０ａを通って当該排ガス熱交換器１０内に導入された高温の排ガスと、混合ガス導入口１０ｃを通って当該排ガス熱交換器１０内に導入された混合ガスとを互いに熱交換させることにより、混合ガスを昇温させる。排ガス排出口１０ｂからは熱交換後の排ガスが排出される。混合ガス排出口１０ｄからは熱交換後の昇温した混合ガスが排出されて供給路１５を通って加熱装置４へ供給されるようになっている。
熱回収装置１１は、改質器３から排出される改質ガスが有する熱と、変成器６から排出される変成ガスが有する熱と、加熱装置４からの排熱の一部とを回収するものである。この熱回収装置１１は、熱吸収処理部１２と、熱媒回収路１９と、熱媒タンク２０とを有する。
熱吸収処理部１２は、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置４からの排熱の一部を熱媒体に吸収させる処理を行うものである。この熱吸収処理部１２は、第１熱交換器１３と、第２熱交換器１４と、第３熱交換器１８とを有する。
第１熱交換器１３は、改質器３から変成器６への改質ガスの供給路に設けられている。第１熱交換器１３は、高温の改質ガスとその改質ガスよりも低温の熱媒体とを互いに熱交換させることにより、改質ガスの温度を変成器６で行われる変成反応の反応温度付近まで降温させるとともに、高温の改質ガスの熱を熱媒体に吸収させるものである。
第１熱交換器１３は、改質器３の排出部３ａに繋がる導入口１３ａと、変成器６の導入部６ａに繋がる排出口１３ｂとを有する。また、第１熱交換器１３には、熱媒体が導入されるようになっている。第１熱交換器１３は、導入口１３ａを通って導入された改質ガスを熱媒体と熱交換させた後、排出口１３ｂから排出させる。第１熱交換器１３は、熱媒排出口１３ｄを有し、この熱媒排出口１３ｄから熱交換後の熱媒体を排出させる。
第２熱交換器１４は、変成器６から水素分離装置８への変成ガスの供給路に設けられている。第２熱交換器１４は、変成ガスとその変成ガスよりも低温の熱媒体とを互いに熱交換させることにより、変成ガスの温度を水素分離装置８で行われる水素の分離に適した温度付近まで降温させるとともに、変成ガスの熱を熱媒体に吸収させるものである。
第２熱交換器１４は、変成器６の排出部６ｂに繋がる導入口１４ａと、水素分離装置８の導入部８ａに繋がる排出口１４ｂとを有する。また、第２熱交換器１４には、熱媒体が導入されるようになっている。第２熱交換器１４は、導入口１４ａを通って導入された変成ガスを熱媒体と熱交換させた後、排出口１４ｂから排出させる。第２熱交換器１４は、熱媒排出口１４ｄを有し、この熱媒排出口１４ｄから熱交換後の熱媒体を排出させる。
第３熱交換器１８は、排気路１６において排ガス熱交換器１０の下流側に設けられている。第３熱交換器１８は、排ガス熱交換器１０で熱交換された後の排ガスとその排ガスよりも低温の熱媒体とを互いに熱交換させることにより、排ガスの熱を熱媒体に吸収させるものである。すなわち、第３熱交換器１８は、加熱装置４によって生成された熱のうち改質器３で改質反応に用いられた熱の残りの熱である排熱の一部を熱媒体に吸収させて回収するものである。この第３熱交換器１８は、本発明における排熱回収部の一例である。
第３熱交換器１８は、排ガス熱交換器１０の排ガス排出口１０ｂに繋がっていてその排ガス排出口１０ｂから排出される排ガスを受け入れる導入口１８ａと、当該第３熱交換器１８で熱交換した後の排ガスを排出させる排出口１８ｂとを有する。また、第３熱交換器１８には、当該第３熱交換器１８に導入される排ガスよりも低温の熱媒体が導入されるようになっている。第３熱交換器１８は、導入口１８ａを通って当該第３熱交換器１８内に導入された排ガスを熱媒体と熱交換させた後、排出口１８ｂから排出させる。第３熱交換器１８は、熱媒排出口１８ｄを有し、この熱媒排出口１８ｄから熱交換後の熱媒体を排出させる。
熱媒回収路１９は、第１〜第３熱交換器１３，１４，１８の熱媒排出口１３ｄ，１４ｄ，１８ｄと熱媒タンク２０とを相互に繋いでいる。熱媒回収路１９は、熱媒排出口１３ｄ，１４ｄ，１８ｄから排出される熱交換後の熱媒体を熱媒タンク２０へ導くものである。
熱媒タンク２０は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４及び第３熱交換器１８で熱交換された後の熱媒体を貯留するものである。換言すれば、熱媒タンク２０は、各熱交換器１３，１４，１８における熱交換によって熱を吸収した熱媒体を貯留することにより、回収した熱を蓄えるものである。この熱媒タンク２０は、本発明における蓄熱部の一例である。
熱媒タンク２０は、第１熱交換器１３の熱媒排出口１３ｄ、第２熱交換器１４の熱媒排出口１４ｄ及び第３熱交換器１８の熱媒排出口１８ｄと配管を介して接続されている。熱媒タンク２０には、各熱媒排出口１３ｄ，１４ｄ，１８ｄから排出された熱交換後の熱媒体が配管を通じて導入される。熱媒タンク２０は、その導入された熱媒体を貯留する。
熱媒供給装置２１は、熱媒タンク２０に貯留されている熱を吸収した熱媒体をＣＯ２分離装置２２の後述する放出処理部２６の加熱部７３（図６参照）へ供給することによって、熱回収装置１１が回収した熱を加熱部７３へ供給するものである。この熱媒供給装置２１は、本発明における熱供給装置の一例である。熱媒供給装置２１は、具体的には、熱媒供給装置２１は、図１に示すように、熱媒供給配管２７と、ポンプ２８と、流量調節弁２９とを有する。
熱媒供給配管２７は、熱媒タンク２０と放出処理部２６の後述する熱媒供給ヘッダ６４（図６参照）とを繋いでいる。熱媒供給ヘッダ６４の内部空間は、後述するように加熱部７３の熱媒流路７６（図８参照）に繋がっているので、熱媒供給配管２７と熱媒供給ヘッダ６４により、熱媒タンク２０と加熱部７３とが相互に接続されている。熱媒供給配管２７は、熱媒タンク２０に貯留された熱媒体を熱媒供給ヘッダ６４へ導くとともに、その熱媒体を熱媒供給ヘッダ６４を介して加熱部７３の熱媒流路７６へ導く。
ポンプ２８は、熱媒供給配管２７に設けられている。ポンプ２８は、熱媒タンク２０に貯留された熱媒体を熱媒供給配管２７を通じて熱媒供給ヘッダ６４へ送出する。このポンプ２８が熱媒体を送出することにより、熱媒供給配管２７から熱媒供給ヘッダ６４を通じて加熱部７３へ熱媒体が供給されるようになっている。
流量調節弁２９は、熱媒供給配管２７に設けられている。流量調節弁２９は、熱媒供給配管２７においてポンプ２８の吐出側に配置されている。流量調節弁２９は、熱媒供給ヘッダ６４へ送られる熱媒体の流量、すなわち加熱部７３へ送られる熱媒体の流量を調節するものである。この流量調節弁２９によって熱媒体の流量を調節することにより、加熱部７３の熱媒流路７６に流れる熱媒体の流量を調節でき、それによって、後述の放出流路７４を流通する吸収後吸収液へ付与する熱量を調節できるようになっている。
ＣＯ２分離装置２２は、水素分離装置８によって高純度水素を分離された後の前記オフガスからＣＯ２を分離して取り出すための装置である。このＣＯ２分離装置２２は、オフガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させた後、その吸収液を熱媒供給装置２１から供給される熱媒体の熱を利用して加熱することによりその吸収液からＣＯ２を放出させて取り出すように構成されている。なお、吸収液は、ＣＯ２を選択的に吸収可能なものであり、本発明における捕捉剤の一例である。また、吸収液によるオフガス中のＣＯ２の吸収は、本発明における捕捉剤によるオフガス中のＣＯ２の捕捉の一例である。
ＣＯ２分離装置２２は、図１に示すように、吸収処理部２４と、放出処理部２６とを有する。
吸収処理部２４は、オフガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させる吸収処理を行うものであり、マイクロチャネルである吸収流路５０（図３参照）にオフガスと吸収液とを流通させながらそのオフガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させる。この吸収処理部２４は、本発明における捕捉部の一例である。吸収処理部２４は、図２に示すように、第１流路構造体３２と、ガス供給ヘッダ３４と、吸収液供給ヘッダ３６と、分離ヘッダ３８と、冷却水供給ヘッダ４０と、冷却水排出ヘッダ４２とを有する。
第１流路構造体３２は、オフガスと吸収液を流通させながらそのオフガスから吸収液へＣＯ２を吸収させるための多数の吸収流路５０（図３参照）と、吸収流路５０におけるＣＯ２の吸収反応によって生じる反応熱を除熱するための冷却水を流通させる多数の冷却流路５６（図５参照）とを内部に有する。吸収流路５０及び冷却流路５６は、数μｍ〜数ｍｍの微小な流路径を有するマイクロチャネルである。
第１流路構造体３２は、図２に示すように、多数の板が積層されて互いに接合されることによって形成された積層体からなる。第１流路構造体３２を構成する多数の板には、複数の吸収流路基板４４と、複数の冷却基板４５と、複数の封止板４６とが含まれる。第１流路構造体３２では、吸収流路基板４４と冷却基板４５とがそれらの間に封止板４６を挟みながら交互に繰り返し積層されている。
各吸収流路基板４４には、図３に示すように、複数の吸収流路５０が並列に配置された状態で形成される。各吸収流路５０は、図３及び図４に示すように、第１供給流路部５１と、第２供給流路部５２と、合流部５３と、処理流路部５４とを有する。
第１供給流路部５１は、オフガスを合流部５３へ導く流路である。第２供給流路部５２は、吸収液を合流部５３へ導く流路である。合流部５３は、第１供給流路部５１により導かれたオフガスと、第２供給流路部５２により導かれた吸収液とを合流させる部分である。処理流路部５４は、合流部５３に繋がっており、その合流部５３から流入したオフガスと吸収液とを互いに接触した状態で流通させながらそのオフガスから吸収液にＣＯ２を吸収させる流路である。処理流路部５４は、図３に示すような蛇行形状を有する。
各吸収流路基板４４の一方の板面には、各第１供給流路部５１に対応した形状の微細な複数の溝と、各処理流路部５４に対応した形状の微細な複数の溝とが形成されている。当該一方の板面におけるそれらの溝の開口がこの一方の板面に積層された封止板４６（図２参照）によって封止されることにより、各第１供給流路部５１と各処理流路部５４が形成されている。
また、各吸収流路基板４４の前記一方の板面と反対側の板面には、各第２供給流路部５２に対応した形状の微細な複数の溝が形成されている。この反対側の板面におけるそれらの溝の開口がこの反対側の板面に積層された封止板４６（図２参照）によって封止されることにより、各第２供給流路部５２が形成されている。
また、各吸収流路基板４４には、各合流部５３に対応した形状の複数の貫通穴が当該吸収流路基板４４の前記一方の板面から前記反対側の板面へその基板４４を厚み方向に貫通するように形成されており、その貫通穴によって各合流部５３が形成されている。
各第１供給流路部５１は、オフガスを受け入れる第１導入口５１ａをその上流側の端部に有し、各第２供給流路部５２は、吸収液を受け入れる第２導入口５２ａをその上流側の端部に有する。また、各処理流路部５４は、吸収処理後のオフガス及び吸収液を流出させる流出口５４ａをその下流側の末端に有する。各第１導入口５１ａ、各第２導入口５２ａ及び各流出口５４ａは、第１流路構造体３２のそれぞれ対応する側面において開口している。各流出口５４ａから流出する吸収処理後のオフガスは、ＣＯ２が除去されたＣＯ２フリーガスであり、ＣＨ４と水素とＣＯとからなる。また、流出口５４ａから流出する吸収処理後の吸収液は、ＣＯ２を含有する吸収液である。以下、この吸収液のことを吸収後吸収液と称する。なお、吸収後吸収液は、本発明における捕捉後捕捉剤の一例である。
各冷却基板４５には、図５に示すように、複数の冷却流路５６が並列に配置された状態で形成される。各冷却流路５６は、蛇行形状を有する。各冷却基板４５の一方の板面には、各冷却流路５６に対応した形状の微細な複数の溝が形成されている。この一方の板面におけるそれらの溝の開口がこの板面に積層された封止板４６（図２参照）によって封止されることにより、各冷却流路５６が形成されている。第１流路構造体３２では、吸収流路基板４４と冷却基板４５とがそれらの間に封止板４６を挟みながら交互に積層されていることにより、各吸収流路基板４４に形成された複数の吸収流路５０と各冷却基板４５に形成された複数の冷却流路５６とが各板の積層方向において交互に配列されている。前記積層方向において隣り合う吸収流路５０と冷却流路５６は、それらを流れる吸収液と冷却水とが互いに熱交換可能な距離をそれらの間にあけて隣接して配置されている。各冷却流路５６は、冷却水を受け入れる導入口５６ａをその上流側の端部に有し、冷却水を流出させる流出口５６ｂをその下流側の端部に有する。各導入口５６ａ及び各流出口５６ｂは、第１流路構造体３２のそれぞれ対応する側面において開口している。
ガス供給ヘッダ３４（図２参照）は、各吸収流路５０（図３参照）の第１導入口５１ａにオフガスを分配して供給するためのものである。ガス供給ヘッダ３４は、流路構造体３２内の全ての吸収流路５０の第１導入口５１ａを一括して覆うようにその第１導入口５１ａが形成された第１流路構造体３２の側面に取り付けられている。ガス供給ヘッダ３４は、配管を介してオフガスタンク９（図１参照）と接続されており、そのオフガスタンク９に貯留されたオフガスがガス供給ヘッダ３４に供給されるようになっている。
吸収液供給ヘッダ３６（図２参照）は、各吸収流路５０（図３参照）の第２導入口５２ａに吸収液を分配して供給するためのものである。吸収液供給ヘッダ３６は、流路構造体３２内の全ての吸収流路５０の第２導入口５２ａを一括して覆うようにその第２導入口５２ａが形成された第１流路構造体３２の側面に取り付けられている。吸収液供給ヘッダ３６には、吸収液の供給配管が接続されていて、その供給配管から吸収液供給ヘッダ３６に吸収液が供給されるようになっている。
分離ヘッダ３８（図２参照）は、各流出口５４ａ（図３参照）から流出したＣＯ２フリーガス及び吸収後吸収液を気液分離させるものである。分離ヘッダ３８は、流路構造体３２内の全ての吸収流路５０の流出口５４ａを一括して覆うようにその流出口５４ａが形成された第１流路構造体３２の側面に取り付けられている。分離ヘッダ３８の内部空間には、各流出口５４ａからＣＯ２フリーガス及び吸収後吸収液が排出され、その内部空間においてＣＯ２フリーガスと吸収後吸収液とに比重差によって気液分離する。分離ヘッダ３８の上部には、ガス排出路３９ａ（図１参照）が接続され、分離ヘッダ３８の下部には、吸収液排出路３９ｂ（図１参照）が接続されている。分離ヘッダ３８内で分離されたＣＯ２フリーガスは、ガス排出路３９ａを通じて排出され、分離ヘッダ３８内で分離された吸収後吸収液は、吸収液排出路３９ｂを通じて排出される。ガス排出路３９ａは、加熱装置４へ混合ガスを供給するための供給路１５に繋がっており、ＣＯ２フリーガスをその供給路１５へ導くようになっている。吸収液排出路３９ｂは、放出処理部２６に繋がっており、吸収後吸収液を放出処理部２６へ導く。
冷却水供給ヘッダ４０（図２参照）は、各冷却流路５６（図５参照）の導入口５６ａに冷却水を分配して供給するためのものである。冷却水供給ヘッダ４０は、第１流路構造体３２内の全ての冷却流路５６の導入口５６ａを一括して覆うようにその導入口５６ａが形成された第１流路構造体３２の側面に取り付けられている。冷却水供給ヘッダ４０には、冷却水の供給配管が接続されていて、その供給配管から冷却水供給ヘッダ４０に冷却水が供給されるようになっている。
冷却水排出ヘッダ４２（図２参照）は、第１流路構造体３２内で除熱に使用されて各冷却流路５６（図５参照）の流出口５６ｂから流出する使用済冷却水を受けるものである。冷却水排出ヘッダ４２は、第１流路構造体３２内の全ての冷却流路５６の流出口５６ｂを一括して覆うようにその流出口５６ｂが形成された第１流路構造体３２の側面に取り付けられている。冷却水排出ヘッダ４２には、冷却水の排出配管が接続されていて、冷却水排出ヘッダ４２内に排出された使用済冷却水はその排出配管を通じて排出されるようになっている。
放出処理部２６は、吸収後吸収液からＣＯ２を放出させる放出処理を行うものであり、マイクロチャネルである放出流路７４（図７参照）に吸収後吸収液を流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ２を放出させる。この放出処理部２６は、図６に示すように、第２流路構造体５８と、吸収液導入ヘッダ６０と、吸収液排出ヘッダ６２と、熱媒供給ヘッダ６４と、熱媒排出ヘッダ６６とを有する。
第２流路構造体５８は、放出部７２と、加熱部７３とを有する。放出部７２は、吸収後吸収液を流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ２を放出させる多数の放出流路７４（図７参照）を有するものである。加熱部７３は、吸収後吸収液にＣＯ２を放出させて取り出すためにその吸収後吸収液を熱媒供給装置２１から供給される熱媒体の熱を利用して加熱するものである。この加熱部７３は、熱媒供給装置２１から供給される熱媒体が放出流路７４を流れる吸収後吸収液と熱交換するようにその熱媒体を流通させる多数の熱媒流路７６（図８参照）を有する。以下、第２流路構造体５８の具体的な構造について説明する。
第２流路構造体５８は、図６に示すように、例えばステンレス鋼からなる多数の板が積層されて互いに接合されることによって形成された積層体からなる。第２流路構造体５８を構成する多数の板には、複数の放出流路基板６８と、複数の熱媒基板７０とが含まれる。第２流路構造体５８では、放出流路基板６８と熱媒基板７０とが交互に繰り返し積層されている。
放出部７２は、複数の放出流路基板６８によって形成されている。各放出流路基板６８には、複数の放出流路７４（図７参照）が設けられる。具体的には、図７に示すように、各放出流路基板６８の一方の板面に複数の放出流路７４が並列に配置された状態で形成される。各放出流路７４は、数μｍ〜数ｍｍの微小な流路径を有するマイクロチャネルであり、蛇行形状を有する。
各放出流路基板６８の一方の板面には、各放出流路７４に対応した形状の微細な複数の溝が形成されている。この一方の板面におけるそれらの溝の開口がこの板面に積層された熱媒基板７０によって封止されることにより、各放出流路７４が形成されている。各放出流路７４は、吸収後吸収液を受け入れる導入口７４ａを上流側の端部に有し、当該放出流路７４を流れてＣＯ２を放出した後の吸収液である放出後吸収液を流出させる流出口７４ｂを下流側の端部に有する。各導入口７４ａ及び各流出口７４ｂは、第２流路構造体５８のそれぞれ対応する側面において開口している。
加熱部７３（図６参照）は、複数の熱媒基板７０によって形成されている。各熱媒基板７０には、複数の熱媒流路７６（図８参照）が設けられる。具体的には、図８に示すように、各熱媒基板７０の一方の板面に複数の熱媒流路７６が並列に配置された状態で形成される。熱媒流路７６は、数μｍ〜数ｍｍの微小な流路径を有するマイクロチャネルであり、図８に示すような蛇行形状を有する。
各熱媒基板７０の一方の板面には、各熱媒流路７６に対応した形状の微細な複数の溝が形成されている。この一方の板面におけるそれらの溝の開口がこの板面に積層された放出流路基板６８によって封止されることにより、各熱媒流路７６が形成されている。放出流路基板６８と熱媒基板７０とが交互に積層されていることにより、各放出流路基板６８に形成された複数の放出流路７４と各熱媒基板７０に形成された複数の熱媒流路７６とが各基板の積層方向において交互に配列されている。前記積層方向において隣り合う放出流路７４と熱媒流路７６は、それらを流れる吸収後吸収液と熱媒体とが互いに熱交換可能な間隔で隣接して配置されている。各熱媒流路７６は、熱媒体を受け入れる導入口７６ａを上流側の端部に有し、当該熱媒流路７６を流れた後の熱媒体を流出させる流出口７６ｂを下流側の端部に有する。各導入口７６ａ及び各流出口７６ｂは、第２流路構造体５８のそれぞれ対応する側面において開口している。
吸収液導入ヘッダ６０（図６参照）は、各放出流路７４（図７参照）の導入口７４ａに吸収後吸収液を分配して導入するためのものである。吸収液導入ヘッダ６０は、第２流路構造体５８内の全ての放出流路７４の導入口７４ａを一括して覆うようにその導入口７４ａが形成された第２流路構造体５８の側面に取り付けられている。吸収液導入ヘッダ６０には、吸収液排出路３９ｂ（図１参照）が接続されていて、その吸収液排出路３９ｂから吸収液導入ヘッダ６０に吸収後吸収液が供給されるようになっている。
吸収液排出ヘッダ６２（図６参照）は、各放出流路７４（図７参照）の流出口７４ｂから流出する放出後吸収液及び各放出流路７４で放出されたＣＯ２を受けるものである。吸収液排出ヘッダ６２は、第２流路構造体５８内の全ての放出流路７４の流出口７４ｂを一括して覆うようにその流出口７４ｂが形成された第２流路構造体５８の側面に取り付けられている。吸収液排出ヘッダ６２は、その内部空間に排出された放出後吸収液とＣＯ２を気液分離させる。この点は、前記分離ヘッダ３８と同様である。吸収液排出ヘッダ６２の上部には、ＣＯ２排出路６３ａ（図１参照）が接続され、吸収液排出ヘッダ６２の下部には、吸収液排出路６３ｂが接続されている。吸収液排出ヘッダ６２内で分離されたＣＯ２は、ＣＯ２排出路６３ａを通じて排出され、吸収液排出ヘッダ６２内で分離された放出後吸収液は、吸収液排出路６３ｂを通じて排出される。
熱媒供給ヘッダ６４（図６参照）は、各熱媒流路７６（図８参照）の導入口７６ａに熱媒体を分配して導入するためのものである。熱媒供給ヘッダ６４は、第２流路構造体５８内の全ての熱媒流路７６の導入口７６ａを一括して覆うようにその導入口７６ａが形成された第２流路構造体５８の側面に取り付けられている。熱媒供給ヘッダ６４には、熱媒タンク２０に繋がる熱媒供給配管２７が接続されていて、その熱媒供給配管２７を通じて熱媒タンク２０から熱媒体が熱媒供給ヘッダ６４に熱媒体が供給されるようになっている。
熱媒排出ヘッダ６６（図６参照）は、各熱媒流路７６（図８参照）の流出口７６ｂから流出する使用済熱媒体を受けるものである。熱媒排出ヘッダ６６は、第２流路構造体５８内の全ての熱媒流路７６の流出口７６ｂを一括して覆うようにその流出口７６ｂが形成された第２流路構造体５８の側面に取り付けられている。熱媒排出ヘッダ６６には、排出配管６７（図１参照）が接続されている。熱媒排出ヘッダ６６内に排出された使用済熱媒体はその排出配管６７を通じて排出されるようになっている。なお、図示を省略しているが、排出配管６７は、熱媒タンク２０に繋がっている。このため、使用済熱媒体は、排出配管６７を通じて熱媒タンク２０へ導入されるようになっている。
次に、本実施形態による水素製造装置１を用いた水素製造方法について説明する。
まず、改質器３（図１参照）に水蒸気とＣＮＧ等の化石燃料を供給する。また、加熱装置４に燃料と酸素を供給する。加熱装置４は、燃料を燃焼させて熱を生成し、改質器３を加熱する。改質器３では、化石燃料中のＣＨ４が水蒸気と反応してＣＯと水素が生成される改質反応が、加熱装置４から熱が供給されることによって進行する。この改質反応は、加熱装置４からの熱によって約８００℃で行われる。
加熱装置４は、燃料の燃焼によって生じた排ガスを排気路１６へ排出し、排気路１６に排出された排ガスは、排ガス導入口１０ａから排ガス熱交換器１０に導入される。排ガス熱交換器１０では、加熱装置４へ供給される燃料及び酸素を含むガスと当該排ガス熱交換器１０に導入された排ガスとの熱交換が行われる。加熱装置４から排出される排ガスの温度は、１０００℃以上であり、排ガス熱交換器１０では、燃料及び酸素を含むガスがこの排ガスと熱交換することによって昇温する。これにより、加熱装置４での燃料の燃焼効率が向上する。
排ガス熱交換器１０での熱交換後の排ガスは、排ガス排出口１０ｂから排出された後、第３熱交換器１８に導入される。排ガス排出口１０ｂから排出される排ガスの温度は、約１５０℃〜約３００℃である。第３熱交換器１８には、熱媒体として水が供給される。第３熱交換器１８では、導入された排ガスと熱媒体としての水との熱交換が行われる。これにより、熱媒体としての水は、昇温し、熱媒排出口１８ｄから排出される。この排出された熱媒体は、熱媒回収路１９を通って熱媒タンク２０へ導入される。これにより、加熱装置４からの排熱の一部、すなわち排ガスの熱の一部が回収される。
改質器３において前記改質反応により生成されたＣＯ及び水素は、改質器３の排出部３ａから排出される。この時、改質器３で反応し切らなかったＣＨ４及び水蒸気も排出部３ａから排出される。すなわち、ＣＯ、水素、ＣＨ４及び水蒸気を含む改質ガスが排出部３ａから排出される。この排出される改質ガスの温度は、約８００℃である。排出された改質ガスは、導入口１３ａから第１熱交換器１３に導入され、その第１熱交換器１３において熱媒体と熱交換されて約２５０℃まで冷却される。この時、第１熱交換器１３には、熱媒体として水が供給される。熱媒体としての水は、改質ガスとの熱交換によって昇温し、熱湯となって熱媒排出口１３ｄから排出され、熱媒回収路１９を通って熱媒タンク２０へ導入される。これにより、改質ガスの熱が回収される。
第１熱交換器１３で熱交換後の改質ガスは、排出口１３ｂから排出されて変成器６に導入される。変成器６では、導入された改質ガス中のＣＯと水蒸気とが反応してＣＯ２と水素が生成される変成反応が行われる。そして、変成反応により生成されたＣＯ２及び水素と、反応し切らなかったＣＯ及び水蒸気と、微量のＣＨ４とを含む変成ガスが変成器６の排出部６ｂから排出される。前記変成反応の反応温度は約２５０℃であり、排出部６ｂから排出される変成ガスの温度も約２５０℃である。
排出部６ｂから排出された変成ガスは、導入口１４ａから第２熱交換器１４に導入され、その第２熱交換器１４において熱媒体と熱交換されて約４０℃まで冷却される。この時、第２熱交換器１４には、熱媒体として水が供給される。熱媒体としての水は、変成ガスとの熱交換によって昇温し、熱湯となって熱媒排出口１４ｄから排出され、熱媒回収路１９を通って熱媒タンク２０へ導入される。これにより、変成ガスの熱が回収される。
第２熱交換器１４で熱交換後の変成ガスは、排出口１４ｂから排出されて水素分離装置８に導入される。水素分離装置８は、導入された変成ガスからＰＳＡ法により高純度水素を分離する。この水素分離装置８による水素分離は、約４０℃の温度で行われる。そして、水素分離装置８の水素排出部８ｂから分離された高純度水素が排出される。以上のようにして、本実施形態の水素製造方法により高純度水素が製造される。
一方、水素分離装置８のオフガス排出部８ｃからは、水素が分離された後のオフガスが排出される。この排出されるオフガスには、ＣＯと、ＣＯ２と、分離し切れなかった水素と、微量のＣＨ４とが含まれる。排出されたオフガスは、オフガスタンク９に導入されて貯留される。
その後、オフガスタンク９に貯留されたオフガスは、ＣＯ２分離装置２２に導入され、そのＣＯ２分離装置２２においてオフガス中のＣＯ２が分離されて取り出される。具体的に、オフガスは、ＣＯ２分離装置２２の吸収処理部２４のガス供給ヘッダ３４（図２参照）に導入される。ガス供給ヘッダ３４に導入されたオフガスは、各吸収流路５０（図３参照）の第１供給流路部５１に分配されて導入される。また、吸収処理部２４の吸収液供給ヘッダ３６（図２参照）には、吸収液が供給され、その吸収液供給ヘッダ３６から各吸収流路５０の第２供給流路部５２（図３参照）に吸収液が分配されて導入される。この吸収液は、オフガス中のＣＯ２のみを選択的に化学吸収する吸収液である。また、吸収処理部２４の冷却水供給ヘッダ４０（図２参照）には、冷却水が供給され、その冷却水供給ヘッダ４０から各冷却流路５６（図５参照）に冷却水が分配されて導入される。
第１供給流路部５１に導入されたオフガスと第２供給流路部５２に導入された吸収液は、合流部５３（図３参照）で合流し、互いに接触した状態で処理流路部５４を流れながらオフガス中のＣＯ２が吸収液に吸収される吸収反応が行われる。この吸収反応は、発熱反応であるが、冷却流路５６を流れる冷却水と処理流路部５４を流れるオフガス及び吸収液との間での熱交換により、吸収反応で発生する熱が除熱される。この吸収反応により、オフガスからＣＯ２が除去される。
そして、各吸収流路５０の流出口５４ａから分離ヘッダ３８の内部空間へ、ＣＯ２が除去された後のオフガスであるＣＯ２フリーガスと吸収後吸収液とが流出する。分離ヘッダ３８（図２参照）の内部空間に流入したＣＯ２フリーガス及び吸収後吸収液は、比重差により気液分離する。そして、分離したＣＯ２フリーガスが分離ヘッダ３８からガス排出路３９ａ（図１参照）へ排出されるとともに、分離した吸収後吸収液が分離ヘッダ３８から吸収液排出路３９ｂ（図１参照）へ排出される。
ＣＯ２フリーガスは、ＣＨ４と水素とＣＯとからなり、ガス排出路３９ａを通って加熱装置４の供給路１５へ流れる。このＣＯ２フリーガスは、燃料及び酸素を含むガスと合流してそれら燃料及び酸素を含むガスとの混合ガスとなる。混合ガスは、排ガス熱交換器１０において排ガスとの熱交換により昇温した後、加熱装置４へ供給される。加熱装置４は、供給された混合ガスを燃焼させて熱を生成する。すなわち、ＣＯ２フリーガスは、加熱装置４の燃料の一部として用いられる。
吸収液排出路３９ｂに排出された吸収後吸収液は、その吸収液排出路３９ｂから放出処理部２６の吸収液導入ヘッダ６０（図６参照）に導入される。吸収液導入ヘッダ６０に導入された吸収後吸収液は、各放出流路７４（図７参照）に分配されて導入される。
また、ポンプ２８（図１参照）が熱媒供給配管２７を通じて熱媒タンク２０から熱媒体を吸引するとともにその熱媒体を放出処理部２６の熱媒供給ヘッダ６４（図６参照）へ送る。この際、熱媒供給ヘッダ６４へ供給される熱媒体の流量は、流量調節弁２９（図１参照）により設定された流量となる。熱媒タンク２０には、約８０℃の熱媒体が貯留されているため、熱媒供給ヘッダ６４に供給される熱媒体の温度は約８０℃である。熱媒供給ヘッダ６４に供給された熱媒体は、各熱媒流路７６（図８参照）に分配されて導入される。
各放出流路７４（図７参照）に導入された吸収後吸収液は、その放出流路７４を流れながら熱媒流路７６（図８参照）を流れる熱媒体との熱交換によりＣＯ２吸収時の温度よりも高い温度まで加熱され、それによってＣＯ２を放出する。そして、各放出流路７４の流出口７４ｂから吸収液排出ヘッダ６２（図６参照）の内部空間へＣＯ２を放出した後の放出後吸収液と放出されたＣＯ２とが流出する。吸収液排出ヘッダ６２の内部空間に流入した放出後吸収液及びＣＯ２は、比重差により気液分離する。そして、分離したＣＯ２が吸収液排出ヘッダ６２からＣＯ２排出路６３ａ（図１参照）へ排出されるとともに、分離した放出後吸収液が吸収液排出ヘッダ６２から吸収液排出路６３ｂ（図１参照）へ排出される。ＣＯ２排出路６３ａに排出されたＣＯ２は回収される。
以上のようにして、オフガスからのＣＯ２の分離回収を伴う本実施形態の水素製造方法が行われる。
本実施形態では、熱回収装置１１が改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、改質器３を加熱する加熱装置４からの排熱の一部を熱媒体に吸収させることによって回収し、熱媒供給装置２１が、熱を吸収した熱媒体をＣＯ２分離装置２２の放出処理部２６の加熱部７３へ供給する。そして、ＣＯ２分離装置２２の吸収処理部２４において、水素分離後のオフガス中のＣＯ２が吸収液に吸収され、放出処理部２６において、加熱部７３が、ＣＯ２を吸収した後の吸収後吸収液にＣＯ２を放出させて取り出すためにその吸収後吸収液を熱媒供給装置２１から供給される熱媒の熱を利用して加熱する。このため、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置４からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を利用して、吸収後吸収液にＣＯ２を放出させることができる。このため、吸収後吸収液からＣＯ２を放出させて取り出すために新たに投入するエネルギを節約できる。従って、本実施形態では、水素の製造に付随して行うＣＯ２の分離回収のために投入するエネルギを低減することができる。
また、本実施形態では、改質器３による改質反応、変成器６による変成反応、及び、水素分離装置８による高純度水素の分離を経て得られたオフガスからＣＯ２分離装置２２がＣＯ２を分離するため、水素製造過程で生じるガスの温度の調節プロセスを簡素化することができる。すなわち、例えば従来技術のように改質器から変成器への改質ガスの供給路においてＣＯ２除去器で変成ガスからＣＯ２を除去する場合には、ＣＯ２の除去に適した温度が改質反応及び改質反応の両方の反応温度に比べて非常に低いため、改質ガスを一旦降温させてからＣＯ２を除去し、その後、昇温させてから変成器へ供給する必要がある。このため、ガスの温度の調節プロセスが複雑化する。これに対し、本実施形態では、改質反応及び変成反応を経て、さらに水素が分離された後のオフガスからＣＯ２分離装置２２がＣＯ２を除去するため、上記のような複雑な温度の調節プロセスが不要になる。
また、本実施形態では、改質器３を加熱する加熱装置４からの排熱のうち、特に排ガス熱交換器１０により混合ガスの昇温に利用された後の残りの排熱を、第３熱交換器１８において熱媒体に吸収させ、その熱を吸収した熱媒体を放出処理部２６の加熱部７３へ供給して吸収後吸収液の加熱のために利用している。排ガス熱交換器１０により混合ガスの昇温に利用された後の残りの排熱は、約１５０℃〜約３００℃の低質な排熱となり、このような低質な排熱は一般的には廃棄されているが、本実施形態では、この排熱を有効利用しているので、エネルギコストをより低減できる。
また、本実施形態では、第１〜第３熱交換器１３，１４，１８で熱を吸収した熱媒体を熱媒タンク２０に蓄え、その熱媒タンク２０から熱媒供給装置２１が加熱部７３へ熱媒体を供給する。このため、例えば、水素の需要側での水素の需要量が急増してその需要に応えるために水素製造装置１による水素の製造量が急増し、それに起因してＣＯ２分離装置２２において吸収後吸収液からＣＯ２を放出させる単位時間の処理量が急増して、加熱部７３における吸収後吸収液の加熱に要する熱量が急増した場合であっても、熱媒タンク２０に蓄えた熱媒体によって必要な熱量の増大に対応することができる。すなわち、必要な熱量の増大に応じて熱媒供給装置２１に熱媒タンク２０から加熱部７３へ供給する熱媒体の流量を増加させることにより、加熱部７３で必要な熱量の増大に対応することができる。
また、本実施形態では、第１〜第３熱交換器１３，１４，１８で熱を吸収した熱媒体を加熱部７３へ供給することによって、加熱部７３に熱を供給するため、例えば熱伝導によって加熱部へ熱を供給するものに比べて、加熱部７３への熱供給の過程で失われる熱量を低減できる。すなわち、伝熱部材を通じて熱伝導で加熱部へ熱を供給する場合には、熱伝導の過程で伝熱部材から比較的多くの熱量が失われるが、本実施形態のように熱を吸収した熱媒体自体を加熱部７３へ供給することによって、失われる熱量を抑制できる。
また、本実施形態では、放出処理部２６において、マイクロチャネルである放出流路７４を流通する吸収後吸収液とマイクロチャネルである熱媒流路７６を流通する熱媒体との間の熱交換により、吸収後吸収液と熱媒体の単位流量当たりでの熱交換量を増加することができる。このため、単位流量当たりの吸収後吸収液に熱媒体から付与する熱量を増加することができる。その結果、放出流路７４において、吸収後吸収液の単位流量当たりでのＣＯ２の放出量を増加させることができ、吸収後吸収液からのＣＯ２の放出の処理効率を向上することができる。
また、本実施形態では、加熱装置４がＣＯ２分離装置２２によりＣＯ２が除去された後のオフガスであるＣＯ２フリーガスを燃料の一部として燃焼させて改質器３を加熱するための熱を生成するバーナーであるため、改質器３を加熱するために消費する燃料を節約することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。
参考例として、ＣＯ２分離装置２２は、上記実施形態で示した構成のものに必ずしも限定されず、公知のＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）法によりオフガスからＣＯ２を分離して回収するものであってもよい。具体的には、ＣＯ２分離装置は、ＣＯ２を吸着可能な吸着剤と、ＣＯ２を吸着した後の吸着剤を加熱するための加熱部とを備えたものであってもよい。このＣＯ２分離装置では、吸着剤にオフガスを接触させることによりオフガス中のＣＯ２を吸着剤に吸着させ、その後、そのＣＯ２を吸着した吸着剤を加熱部が熱供給装置から供給される熱を利用してＣＯ２吸着時の温度よりも高い温度まで加熱することによりその吸着剤からＣＯ２を放出させて回収するものであってもよい。なお、この参考例における吸着剤は、捕捉剤の一例であり、この吸着剤によるオフガス中のＣＯ２の吸着は、捕捉剤によるオフガス中のＣＯ２の捕捉の一例である。また、ＣＯ２を吸着した後の吸着剤は、捕捉後捕捉剤の一例である。
また、吸収処理部は、マイクロチャネルからなる吸収流路にオフガスと吸収液を流通させながらオフガスから吸収液にＣＯ２を吸収させるものに必ずしも限定されない。例えば、吸収液を上から降らせながらその吸収液にオフガス中のＣＯ２を吸収させる放出塔を放出処理部として用いてもよい。
また、参考例として、放出処理部の放出部は、マイクロチャネルからなる放出流路に吸収後吸収液を流通させながらその吸収後吸収液にＣＯ２を放出させるものに必ずしも限定されない。また、参考例として、放出処理部の加熱部は、マイクロチャネルからなる熱媒流路に熱媒体を流通させながらその熱媒体に放出流路を流通する吸収後吸収液と熱交換させることによりその吸収後吸収液を加熱するものに必ずしも限定されない。
また、参考例として、熱回収装置は、必ずしも上記実施形態における熱回収装置１１に限定されるものではない。参考例として、熱回収装置は、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を熱伝導により回収し、その回収した熱を蓄熱体に蓄えるものであってもよい。この場合、当該参考例による熱供給装置は、上記実施形態の熱媒供給装置２１のように熱媒体を放出処理部２６の加熱部７３へ供給するものではなく、蓄熱体に蓄えられた熱を放出処理部の加熱部へ熱伝導により供給する伝熱部材からなるものであればよい。そして、当該参考例では、放出処理部の流路構造体は、熱媒流路が設けられた加熱部の代わりに、伝熱部材により伝導された熱を保持するとともに放出流路を流通する吸収後吸収液と熱交換可能となるように配置された熱保持材からなる加熱部を有するものであればよい。このような構成であっても、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を利用して吸収後吸収液を加熱し、その吸収後吸収液からＣＯ２を放出させることができる。
また、吸収後吸収液からＣＯ２を放出させるために、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱の全てを必ずしも利用しなくてもよい。例えば、改質ガスの熱、変成ガスの熱、及び、加熱装置からの排熱のうちのいずれか１つ又は２つの熱のみを、吸収後吸収液を加熱してその吸収後吸収液からＣＯ２を放出させるために利用してもよい。
また、熱吸収処理部が熱を吸収するために用いる熱媒体は、水以外の液体であってもよい。
１ 水素製造装置
３ 改質器
４ 加熱装置
６ 変成器
８ 水素分離装置
１１ 熱回収装置
１２ 熱吸収処理部
１８ 第３熱交換器（排熱回収部）
２０ 熱媒タンク（蓄熱部）
２１ 熱媒供給装置（熱供給装置）
２２ ＣＯ２分離装置
２４ 吸収処理部（捕捉部）
７２ 放出部
７３ 加熱部
７４ 放出流路
７６ 熱媒流路

Claims (8)

  1. 炭化水素と水蒸気を改質反応させてＣＯと水素を生成する改質器と、
    前記改質反応を進行させるために前記改質器を加熱する加熱装置と、
    前記改質器により生成されたＣＯ及び水素を含む改質ガス中のＣＯを水蒸気と変成反応させて水素とＣＯ２を生成する変成器と、
    前記変成反応により生成された水素及びＣＯ２を含む変成ガスから水素を分離して取り出す水素分離装置と、
    前記水素分離装置によって前記変成ガスから水素が分離された後の残りのガスであるオフガスからＣＯ２を分離して取り出すＣＯ２分離装置と、
    前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記加熱装置からの排熱のうちの少なくとも１つの熱を回収する熱回収装置と、
    前記熱回収装置により回収された熱を前記ＣＯ２分離装置へ供給する熱供給装置と、を備え、
    前記ＣＯ２分離装置は、ＣＯ２を吸収又は吸着する捕捉剤により前記オフガス中のＣＯ２を捕捉する捕捉部と、ＣＯ２を捕捉した後の前記捕捉剤である捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出すためにその捕捉後捕捉剤を前記熱供給装置から供給される熱を利用して加熱する加熱部とを有し、
    前記熱回収装置は、前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記加熱装置からの排熱の少なくとも１つの熱を熱媒体に吸収させる熱吸収処理部を有し、
    前記熱供給装置は、熱を吸収した熱媒体を前記加熱部へ供給する熱媒供給装置を有し、
    前記加熱部は、前記捕捉後捕捉剤に前記熱媒供給装置から供給された熱媒体の熱を付与することによりその捕捉後捕捉剤を加熱し、
    前記捕捉剤は、前記オフガスからＣＯ ２ を吸収可能な吸収液であり、
    前記捕捉部は、吸収液に前記オフガス中のＣＯ ２ を吸収させる吸収処理部であり、
    前記捕捉後捕捉剤は、前記吸収処理部でＣＯ ２ を吸収した後の吸収液である吸収後吸収液であり、
    前記ＣＯ ２ 分離装置は、前記吸収後吸収液を流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ ２ を放出させる放出流路が設けられた放出部をさらに有し、
    前記加熱部は、前記熱媒供給装置から供給された熱媒体が前記放出流路に流通する吸収後吸収液と熱交換するようにその熱媒体を流通させる熱媒流路を有し、
    前記放出流路及び前記熱媒流路は、共にマイクロチャネルであって、１つの流路構造体内において当該放出流路を流通する前記吸収後吸収液と当該熱媒流路を流通する前記熱媒体とが互いに熱交換するように隣接して配置されている、水素製造装置。
  2. 前記熱回収装置は、前記加熱装置からの排熱を回収する排熱回収部を有する、請求項１に記載の水素製造装置。
  3. 前記熱回収装置は、回収した熱を蓄える蓄熱部を有し、
    前記熱供給装置は、前記蓄熱部に蓄えられた熱を前記加熱部へ供給する、請求項１又は２に記載の水素製造装置。
  4. 前記加熱装置は、前記捕捉剤によってＣＯ２を捕捉されることによりＣＯ２が除去された後のオフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための熱を生成するバーナーを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  5. 水素製造方法であって、
    炭化水素と水蒸気を加熱しながら改質反応させてＣＯと水素を生成する改質工程と、
    前記改質工程で生成されたＣＯ及び水素を含む改質ガス中のＣＯを水蒸気と変成反応させて水素とＣＯ２を生成する変成工程と、
    前記変成工程で生成された水素及びＣＯ２を含む変成ガスから水素を分離して取り出す水素分離工程と、
    前記改質ガスの熱と、前記変成ガスの熱と、前記改質工程で炭化水素及び水蒸気を加熱するために用いた熱の排熱とのうち少なくとも１つの熱を回収する熱回収工程と、
    前記水素分離工程によって前記変成ガスから水素が分離された後の残りのガスであるオフガスからＣＯ２を分離して取り出すＣＯ２分離工程と、を備え、
    前記ＣＯ２分離工程は、ＣＯ２を吸収又は吸着する捕捉剤により前記オフガス中のＣＯ２を捕捉する捕捉工程と、ＣＯ２を捕捉した後の前記捕捉剤である捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させて取り出す放出工程と、を含み、
    前記放出工程は、前記捕捉後捕捉剤からＣＯ２を放出させるためにその捕捉後捕捉剤を前記熱回収工程で回収した熱を利用して加熱する加熱工程を有し、
    前記熱回収工程は、前記改質ガスの熱、前記変成ガスの熱、及び、前記排熱のうち少なくとも１つの熱を熱媒体に吸収させる熱吸収工程を含み、
    前記水素製造方法は、前記熱吸収工程で熱を吸収した熱媒体を前記加熱工程で前記捕捉後捕捉剤を加熱するための加熱部へ供給する熱媒供給工程をさらに備え、
    前記加熱工程では、前記加熱部に前記熱媒供給工程で供給された熱媒体の熱を前記捕捉後捕捉剤に付与させることにより前記捕捉後捕捉剤を加熱し、
    前記捕捉工程は、前記オフガスからＣＯ ２ を吸収可能な吸収液を前記捕捉剤として用いて、その吸収液により前記オフガス中のＣＯ ２ を吸収するＣＯ ２ 吸収工程を有し、
    前記捕捉後捕捉剤は、前記ＣＯ ２ 吸収工程でＣＯ ２ を吸収した後の吸収液である吸収後吸収液であり、
    前記放出工程では、前記吸収後吸収液をマイクロチャネルである放出流路に流通させながらその吸収後吸収液からＣＯ ２ を放出させ、
    前記加熱工程では、前記熱吸収工程で熱を吸収した熱媒体をマイクロチャネルである熱媒流路に流通させながら前記放出流路を流通する吸収後吸収液と熱交換させることによりその吸収後吸収液を加熱し、
    前記放出工程で用いる前記放出流路と前記加熱工程で用いる前記熱媒流路は、１つの流路構造体内において前記放出流路を流通する吸収後吸収液と前記熱媒流路を流通する熱媒体とが互いに熱交換するように隣接して配置されている、水素製造方法。
  6. 前記熱回収工程では、前記改質工程で炭化水素及び水蒸気を加熱するために用いた熱の排熱を回収する、請求項５に記載の水素製造方法。
  7. 前記熱回収工程は、回収した熱を蓄熱部に蓄える蓄熱工程を含み、
    前記加熱工程では、前記蓄熱工程で前記蓄熱部に蓄えた熱を利用して前記捕捉後捕捉剤を加熱する、請求項５又は６に記載の水素製造方法。
  8. 前記改質工程は、前記捕捉工程において前記捕捉剤にＣＯ２を捕捉されることによりＣＯ２が除去された後のオフガスを燃焼させて炭化水素と水蒸気を加熱するための熱を生成する熱生成工程を有する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の水素製造方法。
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