JP6758158B2 - 水素製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素製造装置に関する。

従来、水素を得るための水素製造装置としては、炭化水素原料を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、改質器にて生成された改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−２６１３０６号公報 特開２００３−３３５５０２号公報 特開２０００−２８５９４８号公報 特許第５３７１０１３号公報

特許文献１，２の従来技術は、大規模な水素製造能力の水素製造装置専用に改質器を設計しているため、水素製造装置が大型化する。

また、この特許文献１，２の従来技術では、改質器が一つであるので、要求される水素製造量の変更に対応することが困難であり、しかも、水素消費量の変動時には改質器の反応条件が変動するため、改質ガスの組成が変動してしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、小型化できると共に、要求される水素製造量の変更に容易に対応でき、しかも、改質ガスの組成変動を抑制できる水素製造装置を提供することを目的とする。

第一態様では、複数の多重筒型改質器と、水素精製器とを備える。前記複数の多重筒型改質器は、互いに並列に接続されており、炭化水素原料を改質して水素を主成分とする改質ガスをそれぞれ生成する。前記水素精製器は、前記複数の多重筒型改質器と接続されており、前記複数の多重筒型改質器にて生成された改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する。

この水素製造装置によれば、改質器として、多重筒型改質器を用いているので、装置全体として小型化することができる。

しかも、多重筒型改質器を水素精製器に対して並列に複数備えるので、改質器の台数を調整することにより、要求される水素製造量の変更に容易に対応することができる。

また、供給対象への水素の供給量を変えたい場合には、多重筒型改質器の稼働数を調整すれば良いので、各改質器の反応条件を一定に保つことができ、改質ガスの組成変動を抑えることができる。

第二の態様では、水素の精製量減少後における増産準備の要否を判断する判断手段と、増産準備が必要な場合に実行される抑制手段と、増産準備が不要な場合に実行される停止手段と備えている。水素の精製量減少後における増産準備が必要な場合、抑制手段により多重筒型改質器による改質ガスの生成量を抑制して精製量を減少する。また、水素の精製量減少後での増産準備が不要な場合、停止手段により、一部の多重筒型改質器を停止して精製量を減少する。

この第二の態様の水素製造装置によれば、生産量減少後の水素供給量の変化予測から増産準備が必要な場合には、稼働中の多重筒型改質器の稼働を維持しながら改質ガスの生成量を抑制するので、増産時の追従性を高めることができる。

一方、生産量減少後の水素供給量の変化予測から増産準備が不要な場合には、一部の多重筒型改質器を停止して水素生産量を減少するので、稼働が維持される多重筒型改質器を水素製造効率の高い状態に維持することができる。これにより、全体としての効率低下を抑制することができる。

したがって、水素製造量を減少した際の水素製造効率の向上と、減少後に増産する際の追従性の向上とを両立することができる。

また、多重筒型改質器を用いたので、個々の改質器の起動停止にかかる時間を短くすることができる。

第三の態様では、前記判断手段は、精製量減少後から所定時間内に水素供給量の増大が予測されるか否かに基づいて増産準備の要否を判断する。生産量減少後から所定時間内に水素供給量の増大が予想される場合には増産準備が必要と判断し、所定時間内に水素供給量の増大が予測されない場合には増産準備は不必要と判断する。

この第三の態様の水素製造装置によれば、生産量減少後にすぐに増産が予想される際には、多重筒型改質器による改質ガスの生成量を抑制するので、増産時の追従性を高めることができる。

一方、生産量減少後にしばらくは増産しないと予想される場合は、いずれかの多重筒型改質器を停止して水素の精製量を減少するので、効率の低下を抑制することができる。

本態様により、装置全体として小型化できると共に、要求される水素製造量の変更に容易に対応でき、改質ガスの組成変動を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る水素製造装置の全体構成を示す図である。 図１に示される多重筒型改質器の詳細を示す図である。 同実施形態の動作を示すメインルーチンのフローチャートである。 同実施形態の減産処理の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係る水素製造装置１０は、複数の多重筒型改質器（ＦＰＳ）１２と、圧縮機１４と、水素精製器１６と、水素精製器１６からの水素の供給量を計測する流量計１８とを備える。この水素製造装置１０は、炭化水素原料から水素を製造するものである。本実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられる場合について説明する。

複数の多重筒型改質器１２は、互いに並列に接続されている。この複数の多重筒型改質器１２は、圧縮機１４を介して水素精製器１６と接続されている。複数の多重筒型改質器１２の台数は、要求される水素製造量等に合せて任意に設定可能である。この複数の多重筒型改質器１２は、互いに同一の構成とされている。

図２に示されるように、各多重筒型改質器１２は、多重に配置された複数の筒状壁２１〜２４を有して構成されている。複数の筒状壁２１〜２４は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２１〜２４のうち内側から一番目の筒状壁２１の内部には、燃焼室２５が形成されており、この燃焼室２５の上部には、バーナ２６が下向きに配置されている。

一番目の筒状壁２１と二番目の筒状壁２２との間には、燃焼排ガス流路２７が形成されている。燃焼排ガス流路２７の下端部は、燃焼室２５と連通されており、燃焼排ガス流路２７の上端部には、ガス排出管２８が設けられている。燃焼室２５から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を下側から上側に流れ、ガス排出管２８を通じて外部に排出される。

二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、第一流路３１が形成されている。この第一流路３１の上部は、予熱流路３２として形成されており、この予熱流路３２の上端部には、原料供給管３３及び改質用水供給管３４が接続されている。二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、螺旋部材３５が設けられており、この螺旋部材３５により、予熱流路３２は、螺旋状に形成されている。

この予熱流路３２には、原料供給管３３から都市ガスが供給され、その供給量は、図１に示したように、原料供給管３３に設けられた制御バルブ３３ａによって制御される。また、予熱流路３２には、図２に示したように、改質用水供給管３４（図１では図示省略）から改質用水が供給される。都市ガス及び改質用水は、予熱流路３２を上側から下側に流れると共に、二番目の筒状壁２２を介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される。この予熱流路３２では、都市ガス及び気相の改質用水（水蒸気）が混合されることにより、混合ガスが生成される。

第一流路３１における予熱流路３２の下側には、改質触媒層３６が設けられており、予熱流路３２にて生成された混合ガスは、改質触媒層３６に供給される。改質触媒層３６では、燃焼排ガス流路２７を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスが水蒸気改質され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。

三番目の筒状壁２３と四番目の筒状壁２４との間には、第二流路４２が形成されている。第二流路４２の下端部は、第一流路３１の下端部と連通されている。第二流路４２の下部は、改質ガス流路４３として形成されており、第二流路４２の上端部には、改質ガス排出管４４が接続されている。

第二流路４２における改質ガス流路４３よりも上側には、ＣＯ変成触媒層４５が設けられており、改質触媒層３６にて生成された改質ガスは、改質ガス流路４３を通過した後、ＣＯ変成触媒層４５に供給される。ＣＯ変成触媒層４５では、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。

ＣＯ変成触媒層４５の上側には、酸化剤ガス供給管４６が設けられており、第二流路４２におけるＣＯ変成触媒層４５よりも上側には、ＣＯ除去触媒層４７が設けられている。酸化剤ガス供給管４６を通じて取り入れられた酸化剤ガス、及び、ＣＯ変成触媒層４５を通過した改質ガスは、ＣＯ除去触媒層４７に供給される。ＣＯ除去触媒層４７では、例えば白金やルテニウム等の貴金属触媒上で一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。ＣＯ変成触媒層４５及びＣＯ除去触媒層４７で一酸化炭素が除去された改質ガスは、改質ガス排出管４４を通じて排出される。

各多重筒型改質器１２にて生成された改質ガスは、図１に示される圧縮機１４に送られ、圧縮機１４で圧縮される。この圧縮機１４にて圧縮された改質ガスは、水素精製器１６に送られる。

水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置が使用されている。この水素精製器１６では、改質ガスが不純物と水素とに分離され、水素が精製される。水素精製器１６からのオフガスには、不純物が含まれ、このオフガスは、上述のバーナ２６（図２参照）の燃料として利用される。このバーナ２６に供給される燃料が足りない場合には、バーナ２６に図示しない補給経路から都市ガスが供給される。

このバーナ２６へのガスの供給経路には、図１に示したように、制御バルブ２６ａが設けられ、バーナ２６へのガスの供給量を制御できるように構成されている。

以上の水素製造装置１０は、例えば、燃料電池システムに適用され、水素製造装置１０で製造された水素は、流量計１８を介して燃料電池システム中の燃料電池に供給され、燃料電池による発電に利用される。

この水素製造装置１０において、例えば、燃料電池システムのスペック（定格出力）に対応して要求される水素製造量が変わる場合には、多重筒型改質器１２の台数を調整することにより対応可能である。また、燃料電池の負荷変動に対応して燃料電池への水素の供給量を変えたい場合には、多重筒型改質器１２の稼働数を調整することにより対応可能である。

そして、この水素製造装置１０には、判断手段、抑制手段、及び停止手段を構成する制御部６０が設けられており、制御部６０には、各制御バルブ部２６ａ、３３ａ及び流量計１８が接続されている。これにより、制御部６０は、流量計１８で計測した流量を入力するとともに、各制御バルブ部２６ａ、３３ａの開度を制御する。

この制御部６０は、ＲＯＭ及びＲＡＭを内蔵したマイコンを中心に構成されており、マイコンがＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作することで制御部６０が動作し、水素製造装置１０を制御する。

図３は、制御部６０の動作を示すフローチャートであり、精製する水素量の制御に関する部分が示されている。このフローチャートに従って水素製造装置１０の動作を説明する。

すなわち、制御部６０が動作を開始すると流量計１８から流量を入力し（Ｓ１）、この流量を日時に関連付けてＲＡＭ等の記憶手段に運転履歴として記憶する（Ｓ２）。これにより、水素供給量の時間的変化を水素供給実績として記録する。なお、初期段階では、予め定められた標準的な水素供給量のデータが水素供給実績として記憶されているものとする。

そして、水素の製造量を変更する必要があるか否かを判断する（Ｓ３）。その具体的方法としては、現在入力した水素の現在流量と前回入力した水素の前回流量との流量差が予め定められた許容範囲を超えたか否かによって判断する。流量差が許容範囲内にある場合には、ステップＳ１へ分岐して各ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返す一方、流量差が許容範囲外の場合には、次ステップＳ４へ移行する。

ステップＳ４では、現在流量が前回流量より減少しているか否かを判断する（Ｓ４）。このとき、現在流量が前回流量より増加している場合には、増産処理で各制御バルブ２６ａ、３３ａを開制御するなどして多重筒型改質器１２からの改質ガスを増加して水素の増産を開始し（Ｓ５）、ステップＳ１へ移行する。また、ステップＳ４において、現在流量が前回流量より減少している場合には、減産処理を実行した後（Ｓ６）、ステップＳ１へ移行する。

この減産処理では、図４に示すように、記憶手段に記憶された運転履歴を読み出して本日の運転パターンを予測する（ＳＢ１）。すなわち、運転履歴には、過去の水素供給実績が蓄積されており、この運転履歴から例えば本日と同じ月の同じ日に最も近い同じ曜日のデータを抽出する。そして、このデータから現在時刻と同時刻以降の供給量の変化を読み出して、本日の予想運転パターンとする。

この予想運転パターンに基づいて、水素の精製量を減少した後における水素使用量の増減の変化を予測し、増産準備の要否を判断する（ＳＢ２）。増産準備の要否の判断条件としては、精製量の減少を開始した時点から所定時間内に水素供給量が規定量以上増加すると予測されるか否かに基づいて判断する。

所定時間は、多重筒型改質器１２を停止して稼働を再開した際に改質ガスの生成量が最大生成量の３０％まで回復するまでの時間に基づいて定めるものとする。また、規定量は、多重筒型改質器１２単体による改質ガスの生成量の調整可能範囲や、各多重筒型改質器１２の稼働状況に基づいて定めるものとする。

このステップ（ＳＢ２）において、精製量減少後から所定時間内に水素供給量が規定量以上増加しないとの予測から増産準備が不要と判断した際には、水素の供給量に応じた微調整を行いながら、いずれかの多重筒型改質器１２を停止し（ＳＢ３）、メインルーチンへ戻る。

具体的には、停止対象とする多重筒型改質器１２に接続された制御バルブ２６ａ、３３ａを全閉して停止させる。このとき、水素の生成量が必要量を大幅に下回らないように残りの多重筒型改質器１２に接続された制御バルブ２６ａ、３３ａの開度を調整して生成量を増加し、水素供給量の微調整を行う。

また、ステップ（ＳＢ２）において、精製量減少後から所定時間内に水素供給量が規定量以上増加するとの予測から増産準備が必要と判断した際には、稼働中の多重筒型改質器１２は停止せず、多重筒型改質器１２による改質ガスの生成量を抑制して（ＳＢ４）、メインルーチンへ戻る。

具体的には、各多重筒型改質器１２に接続された制御バルブ２６ａ、３３ａの絞り量を調整して改質ガスの生成量を抑制し、水素精製器１６による水素精製量を目標値まで減少する。このとき、生成量の抑制は、稼働中のすべての多重筒型改質器１２に対して行っても良いし、いずれかの多重筒型改質器１２に対して行っても良く、減産量に応じた適切な方法が用いられる。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、本実施形態に係る水素製造装置１０では、改質器として、多重筒型改質器１２を用いているので、全体として小型化することができる。

また、多重筒型改質器１２では、予熱部、改質部、ＣＯ変成部、ＣＯ除去部が一体化されているので、配管が少なく水素製造装置１０のシステム化が容易となる。

さらに、改質器として、上記の通り配管が少なくコストダウン化が容易な多重筒型改質器１２を用いているため、水素製造装置１０を低コスト化することができる。

また、多重筒型改質器１２を水素精製器１６に対して並列に複数備えるので、例えば燃料電池システムのスペック（定格出力）に対応して要求される水素製造量が変わる場合には、多重筒型改質器１２の設置台数を調整することにより、要求される水素製造量の変更に容易に対応することができる。これにより、多重筒型改質器１２の大型化などの設計変更の必要性を無くすことができる。

また、例えば燃料電池の負荷変動に対応して燃料電池への水素の供給量を変えたい場合には、多重筒型改質器１２の稼働数を調整すれば良いので、各改質器の反応条件を一定に保つことができ、改質ガスの組成変動を抑えることができる。

また、複数の多重筒型改質器１２を１台ずつ輪番でメンテナンスを行うような運用をすることで、多重筒型改質器１２のメンテナンス時及び故障時もシステムを継続運転することができる。

そして、供給する水素量の減少に伴って水素の生産量を減少する際に生産量減少後の水素供給量の変化予測から増産準備が必要な場合には、多重筒型改質器１２は停止せず改質ガスの生成量を抑制する。

ここで、多重筒型改質器１２を一旦停止すると、稼働を再開しても例えば改質触媒層３６が所定温度に達し改質ガスの生成量がほぼ正常に回復するまでに時間を要する。そこで、多重筒型改質器１２を停止せず改質ガスの生成量を抑制することで、増産開始時の追従性を高めることができる。

一方、生産量減少後の水素供給量の変化予測から増産準備が不要な場合には、いずれかの多重筒型改質器１２を停止して生産量を減少する。このため、稼働中の多重筒型改質器１２を水素製造効率の高い状態に維持することができ、水素製造装置１０に全体としての効率低下を抑制することができる。

これらにより、水素製造量を減少した際の水素製造効率の向上と、減少後に増産する際の追従性の向上とを両立することができる。

このとき、この水素製造装置１０では、多重筒型改質器１２を用いたので、個々の多重筒型改質器１２の起動停止にかかる時間を短くすることができる。
具体的に説明すると、各触媒３６、４５、４７が別置きの他の改質器に比べ、本実施形態の多重筒型改質器１２は熱容量が小さく、一つのバーナ２６ですべての触媒３６、４５、４７を昇温できる構造のため、個々の多重筒型改質器１２の起動停止にかかる時間を短くすることができる。
また、水素製造装置１０では、起動中に多重筒型改質器１２から発生する未改質ガスを水素精製器１６によって除去できるので、起動時用の未改質ガスバイパス流路が不要であり、低コスト化を図ることができる。

また、精製量減少後から所定時間内に水素供給量の増大が予測されるか否かに基づいて増産準備の要否を判断する。このため、生産量減少後にすぐに増産が予想される際には、多重筒型改質器１２による改質ガスの生成量を抑制して、増産時の追従性を高めることができる。

一方、生産量減少後にしばらくは増産しないと予想される場合は、いずれかの多重筒型改質器１２を停止して生産量を減少するので、水素製造効率の低下を抑制できる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、炭化水素原料の一例として都市ガスが用いられているが、都市ガス以外の炭化水素原料、例えば、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスや、炭化水素系液体が用いられても良い。

また、都市ガス以外の炭化水素原料が用いられる場合に、多重筒型改質器１２は、上記以外の構造（使用される炭化水素原料に適した構造）に変更されても良い。

また、上記実施形態では、水素精製器１６として、ＰＳＡ装置が使用されているが、例えば水素分離膜を有する水素精製装置などが使用されても良い。

また、本実施形態に係る水素製造装置１０は、燃料電池システムに好適に用いられるが、燃料電池システム以外の機器やシステムに用いられても良い。例えば、工業用の熱処理炉などにおいて、炉内を還元雰囲気を保つための還元ガスとして消費される水素を供給する水素製造装置１０として用いても良い。

また、本実施形態では、精製量減少後から所定時間内に水素供給量が規定量以上増加するか否かに基づいて、多重筒型改質器１２を停止するか、多重筒型改質器１２による生成量を抑制するかを選択したが、これに限定されるものではない。例えば精製量減少後に生産量の緩やかな増減が繰り返される場合や、緩やかな増加が継続する場合や、急激に大きく増加する場合など水素供給量の変化に基づいて多重筒型改質器１２の停止又は生成量の抑制を選択的に実行してもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０…水素製造装置、１２…多重筒型改質器、１４…圧縮機、１６…水素精製器、１６…流量計、２１〜２４…筒状壁、２５…燃焼室、２６…バーナ、２７…燃焼排ガス流路、２８…ガス排出管、３１…第一流路、３２…予熱流路、３３…原料供給管、３４…改質用水供給管、３５…螺旋部材、３６…改質触媒層、４２…第二流路、４３…改質ガス流路、４４…改質ガス排出管、４５…ＣＯ変成触媒層、４６…酸化剤ガス供給管、４７…ＣＯ除去触媒層、６０…制御部（判断手段、抑制手段、停止手段）

Claims (2)

1. 互いに並列に接続され、炭化水素原料を改質して水素を主成分とする改質ガスをそれぞれ生成する複数の多重筒型改質器と、
   前記複数の多重筒型改質器と接続され、前記複数の多重筒型改質器にて生成された改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、
   前記水素精製器より下流側へ供給する水素供給量の減少に伴って水素の精製量を減少する際に、過去の水素供給実績から精製量減少後の水素供給量の変化を予測しこの変化に基づいて増産準備の要否を判断する判断手段と、
   該判断手段で増産準備が必要と判断した場合に前記多重筒型改質器による改質ガスの生成量を抑制する抑制手段と、
   前記判断手段で増産準備は不要と判断した場合に一部の前記多重筒型改質器を停止する停止手段と、
   を備える水素製造装置。
2. 前記判断手段は、精製量の減少を開始した時点から所定時間内に水素供給量の増大が予測されるか否かに基づいて増産準備の要否を判断する請求項１記載の水素製造装置。