JP6764384B2 - 水素製造装置 - Google Patents

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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、原料炭化水素を水蒸気改質装置で改質ガスに改質した後、圧縮機で改質ガスを圧縮し、PSA(Pressure Swing Adsorption)装置へ供給して水素精製するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の水素製造装置では、製造する水素量の増減に関わりなく、圧縮機で加圧される改質ガスの量を一定とするスピルバック構成が開示されている。すなわち、圧縮機の吐出側から圧縮機の吸引側へ改質ガスを戻す配管に流量調整弁を設け、圧縮機の吸引側圧力を一定に維持する構成が開示されている。このような構成を設けることにより、圧縮機で特に調整を行うことなく、製造する水素の量に応じた量の改質ガスが水素精製機に送出される。
特許4210809号
ところで、水素精製機における精製処理を効率的に行うため、改質ガスから水を除去することが行われる。この場合、前述のスピルバック構成と組み合わせた効率化が求められる。本発明の課題は、改質器より送出された改質ガスから水を除去しつつ、効率的に圧縮機を運転することである。
請求項1に係る水素製造装置は、炭化水素原料を水蒸気改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記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、前記改質器の下流側且つ前記圧縮機の上流側で前記改質ガスから水を分離する昇圧前水分離部と、前記圧縮機の下流側且つ前記水素精製器の上流側で前記改質ガスから水を分離する昇圧後水分離部と、前記昇圧後水分離部の下流側且つ前記水素精製器の上流側に一端が接続され、前記改質器の下流側且つ前記圧縮機の上流側に他端が接続され、前記圧縮機で圧縮された前記改質ガスの一部を前記圧縮機の上流側へ戻す圧縮ガス戻し路と、前記圧縮ガス戻し路に設けられ、前記改質器から送出される改質ガスの流量に応じて前記圧縮ガス戻し路を流通する前記改質ガスの流量を調整する流量調整部と、を備えている。
請求項1に係る水素製造装置では、改質器で改質された改質ガスは、昇圧前水分離部で水が分離され、圧縮機へ送られて圧縮される。圧縮された改質ガスは、昇圧後水分離部で水が分離され、水素精製器へ送られて水素が精製される。圧縮された改質ガスの一部は、圧縮ガス戻し路を通って圧縮機の上流側へ戻される。圧縮戻し路を流通する前記改質ガスの流量は、圧縮機へ供給される改質ガスの流量に応じて、流量調整部によって調整されている。これにより、圧縮機での圧縮に供される改質ガスの量には増減がなく、圧縮機の出力調整を行う必要はないが、水素精製器へ供給される改質ガス量を増減させることができる。本発明では、圧縮機の下流側且つ水素精製器の上流側において昇圧後水分離部で水が分離されるので、圧縮ガス戻し路を通って圧縮機へ戻される改質ガスから水が除去されている。したがって、圧縮機で圧縮する改質ガス中の水が低減され、圧縮機で効率よく改質ガスを圧縮することができる。
請求項2に係る水素製造装置は、前記圧縮ガス戻し路の他端の下流側、且つ前記圧縮機の上流側に、第1バッファタンクが設けられている。
請求項2に係る水素製造装置によれば、第1バッファタンクが設けられているので、改質器から送出された改質ガスと圧縮ガス戻し路により圧縮機へ戻された改質ガスとが合流した後のガス流れについて圧力変動が抑制され、圧縮機を効率よく運転することができる。
請求項3に係る水素製造装置は、前記圧縮ガス戻し路の一端の上流側、且つ前記圧縮機の下流側に、第2バッファタンクが設けられている。
請求項3に係る水素製造装置によれば、第2バッファタンクが設けられているので、圧縮機で圧縮された改質ガスについて圧力変動が抑制され、圧縮ガス戻し路における流量調整を安定して行うことができると共に、水素精製器での水素精製を効率的に行うことができる。
請求項4に係る水素製造装置は、前記昇圧前水分離部及び前記昇圧後水分離部で分離された水の少なくとも一方を改質水として前記改質器へ戻す水戻し路、をさらに備えている。
請求項4に係る水素製造装置によれば、改質ガス中に含まれる水を再利用することができ、新たに外部から改質器へ供給する水の量を少なくすることができる。
本発明の水素製造装置では、改質ガスを含む改質器より送出されたガスから水を除去しつつ、効率的に圧縮機を運転することができる。
本実施形態に係る水素製造装置を示した概略構成図である。 本実施形態に係る水素製造装置の多重筒型改質器を示した断面図である。
本発明の実施形態に係る水素製造装置の一例を図1、図2に従って説明する。
本実施形態に係る水素製造装置10は、図1に示されるように、多重筒型改質器12、空気供給部18、改質用水供給部30、圧縮機80、水素精製器90を備えている。また、昇圧前水分離部50、昇圧後水分離部60、燃焼排ガス水分離部70、第1バッファタンク88、及び第2バッファタンク86を備えている。さらに、圧縮ガス戻し路100、及び流量調整部102を備えている。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り、第1実施形態では、炭化水素原料の一例としてメタンを主成分とする都市ガスが用いられる場合について説明する。
(多重筒型改質器)
多重筒型改質器12は、図2に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁21、22、23、24を有している。複数の筒状壁21、22、23、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、22、23、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。このバーナ26には、補給管38から水素精製器90のオフガスが燃料として供給される。多重筒型改質器12は、改質器の一例である。さらに、この燃焼室25の上端部には、空気供給部18(図1参照)から燃焼用空気を供給するための空気供給管40が接続されている。バーナ26には、さらに都市ガスが原料供給管33から分岐された原料分岐管33Aが接続されている。原料分岐管33Aには、空気供給管40から分岐された空気分岐管40Aが接続されている。バーナ26には、都市ガスに空気が混合された気体が、オフガスとは別に供給される。燃焼用のオフガスと都市ガスは、いずれか一方、または両方が、必要に応じて供給される。
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、ガスを排出するためのガス排出管28が接続されている。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。
また、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、都市ガスを供給するための原料供給管33と、改質用水供給部30(図1参照)から改質用水を供給するための改質用水供給管34とが接続されている。さらに、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。原料供給管33は、流路管の一例である。
予熱流路32には、都市ガスが原料供給管33から供給され、さらに、後述する改質用水供給部30の改質用水が改質用水供給管34から供給される。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、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。
また、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へ供給される。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反応によって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。
さらに、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。
また、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へ供給される。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。
さらに、CO変成触媒層45の上側には、酸化剤ガス供給管46が接続されており、第二流路42におけるCO変成触媒層45よりも上側には、CO選択酸化触媒層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選択酸化触媒層47へ供給される。CO選択酸化触媒層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選択酸化触媒層47で一酸化炭素が低減された改質ガスG1は、改質ガス排出管44を通じて排出される。
多重筒型改質器12にて生成された改質ガスは、図1に示したように、昇圧前水分離部50、圧縮機80、昇圧後水分離部60、及び水素精製器90をこの順番で流れる。つまり、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に、多重筒型改質器12、昇圧前水分離部50、圧縮機80、昇圧後水分離部60、及び水素精製器90がこの順番で配置されている。
(昇圧前分離部)
昇圧前水分離部50は、図3に示されるように、上部が気体室52とされ、下部が液体室54とされている。気体室52には、改質ガス排出管44の下流端が接続されている。また、気体室52には、連絡流路管56の上流端が接続されている。液体室54の底部には、水回収管59が接続されている。改質ガスG1は、昇圧前水分離部50の上流に配置された熱交換器HE1での冷却水との熱交換による冷却によって水が凝縮されて分離される。分離された水は、液体室54を経て水回収管59へ送出される。
(第1バッファタンク)
第1バッファタンク88は、連絡流路管56の昇圧前水分離部50の下流側、且つ圧縮機80の上流側に設けられている。第1バッファタンク88は、内部に所定量の改質ガスG2を一時貯留するための空間を有しており、改質ガスG2及び圧縮ガス戻し流路100により戻された改質ガスの圧力の脈動を抑制する。第1バッファタンク88には、第1バッファタンク88内の圧力を検出する圧力センサ88Aが設けられている。
(圧縮機)
圧縮機80には、昇圧前水分離部50からの改質ガスG2が流れる連絡流路管56と、昇圧後水分離部60へ供給される改質ガスG2が流れる連絡流路管66とが接続されている。圧縮機80は、昇圧前水分離部50から供給された大気圧の改質ガスをポンプで圧縮し、昇圧後水分離部60へ供給する。
(昇圧後分離部)
昇圧後水分離部60は、上部が気体室62とされ、下部が液体室64とされている。気体室62には、連絡流路管66の下流端が接続されている。また、気体室62には、連絡流路管68の上流端が接続されている。液体室64の底部には、水回収管69が接続されている。改質ガスG2は、昇圧後水分離部60の上流に配置された熱交換器HE2での冷却水との熱交換による冷却によって水が凝縮されて分離される。分離された水は、液体室64を経て水回収管69へ送出される。
(第2バッファタンク)
第2バッファタンク86は、連絡流路管68の昇圧後水分離部60の下流側、且つ水素精製器90の上流側に設けられている。第2バッファタンク86は、内部に所定量の改質ガスG3を一時貯留するための空間を有しており、圧縮機80から送出された改質ガスG3の圧力の脈動を抑制する。
(水素精製器)
水素精製器90には、昇圧後水分離部60からの改質ガスG3が流れる連絡流路管68の下流端と、多重筒型改質器12へ供給される水素精製器90のオフガスが流れる補給管38の上流端とが接続されている。水素精製器90には、一例として、PSA装置が使用されている。この水素精製器90が改質ガスを不純物と水素とに分離することで、水素が精製される。精製された水素は、水素供給配管92へ送出され、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。
水素精製器90のオフガスは、補給管38を流れて燃料として多重筒型改質器12のバーナ26(図2参照)へ供給される。
(圧縮ガス戻し流路)
圧縮ガス戻し路100は、他端100Aが、連絡流路管56の第1バッファタンク88の上流側、且つ昇圧前水分離部50の下流側に接続されている。また、圧縮ガス戻し路100は、一端100Bが連絡流路管68の第2バッファタンク86の下流側、且つ水素精製器90の上流側に接続されている。
(流量調整部)
圧縮ガス戻し路100には、流量調整部102が設けられている。流量調整部102は、開度の調整が可能なバルブで構成されており、圧力センサ88Aと接続されている。流量調整部102は、圧力センサ88Aで検出された第1バッファタンク88内の圧力に基づいて、当該第1バッファタンク88内の圧力が一定になるように、開度を変えることにより圧縮ガス戻し路100を流通する改質ガスの流量を調整する。
(燃焼排ガス分離部)
燃焼排ガス水分離部70は、上部が気体室72とされ、下部が液体室74とされている。気体室72には、ガス排出管28の下流端が接続されている。また、気体室72には、外部排出管76が接続されている。液体室74の底部には、水回収管78が接続されている。燃焼室25からは、燃焼排ガスが排出され、燃焼排ガスは、燃焼排ガス水分離部70の上流に配置された熱交換器HE3での冷却水との熱交換による冷却によって水が凝縮されて分離される。分離された水は、液体室74を経て水回収管78へ送出される。水が分離された後の燃焼排ガスは、外部排出管76から外部へ排出される。
(改質用水供給部)
改質用水供給部30には、水回収管59、水回収管69、水回収管78の各々の下流端が接続されている。また、改質用水供給部30には、改質用水供給管34の上流端が接続されている。改質用水供給管34には、溶存イオン成分を除去するための水処理器(イオン交換樹脂)34Aが設けられている。また、改質用水供給部30には、外部水供給管17Aを介して外部水供給部17が接続されている。外部水供給部17から改質用水供給部30へは、外部水供給管17Aを介して外部の水供給源から、例えば純水または市水が供給される。市水を使用する場合、外部から供給する水が減るので、水処理器34Aの負荷が減り、水処理器34Aの長寿命化または小サイズ化を図ることができる。
改質用水供給部30には、水量検出部84が接続されている。水量検出部84としては、一例として液位センサを用いることができる。また、水量検出部84は、外部水供給部17と接続されている。水量検出部84は、改質用水供給部30へ流入された水量(単位時間当たり)を検出し、当該検出した水量及び多重筒型改質器12での改質に必要な改質水の量に基づいて、外部から供給が必要な水量を算出し、当該算出された水量が外部水供給部17から送出されるように外部水供給部17を制御する。
改質用水供給管34には、ポンプPが設けられている。改質用水供給部30には、昇圧前水分離部50、昇圧後水分離部60、燃焼排ガス水分離部70で分離された水が流入され、当該水は、ポンプPによって多重筒型改質器12へ供給される。
(作用)
次に、水素製造装置10の作用について説明する。
都市ガスは、原料供給管33を流れて多重筒型改質器12へ供給される。多重筒型改質器12へ供給された都市ガスは、多重筒型改質器12の予熱流路32で改質用の水と混合されつつ加熱され、改質触媒層36へ供給される。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反応によって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。当該改質ガスは、改質ガス流路43を通ってCO変成触媒層45へ供給される。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。
さらに、CO変成触媒層45を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管46から供給される酸化ガス(空気)と共にCO選択酸化触媒層47へ供給され、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選択酸化触媒層47で一酸化炭素が低減された改質ガスG1は、改質ガス排出管44へ送出される。
改質ガスG1は、改質ガス排出管44を経て、昇圧前水分離部50の気体室52へ供給される。気体室52へ供給された改質ガスG1に含まれる水は、凝縮されて液体室54へ貯留され、水回収管59を経て改質用水供給部30へ送出される。水が分離された改質ガスG2は、連絡流路管56を介して第1バッファタンク88へ送られ、第1バッファタンク88内に一時貯留された後、連絡流路管56を流れて圧縮機80へ供給され、圧縮機80によって圧縮される。
圧縮された改質ガスG2は、連絡流路管66を流れて昇圧後水分離部60の気体室62へ供給される。気体室62へ供給された改質ガスG2に含まれる水は、凝縮されて液体室64へ貯留され、水回収管69を経て改質用水供給部30へ送出される。水が分離された改質ガスG3は、連絡流路管68を介して第2バッファタンク86へ送られ、圧力の脈動が抑えられた後、連絡流路管68を流れて水素精製器90へ供給される。また、第2バッファタンク86から送出された改質ガスG3の一部は、圧縮ガス戻し路100へ分岐される。
水素精製器90では、改質ガスG3が不純物と水素とに分離され、水素は水素供給配管92へ送出される。送出された水素は、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。一方、改質ガスG3からの水素以外の不純物を含むオフガスは、補給管38を流れて燃料として多重筒型改質器12のバーナ26へ供給される。
一方、圧縮ガス戻し路100へ流入した改質ガスG3は、一端100Bから流量調整部102を経て他端100Aへ流れ、連絡流路管56で改質ガスG2と合流され、第1バッファタンク88へ送られる。第1バッファタンク88へ送られた改質ガスは、一時貯留されて圧力の脈動が抑えられた後、圧縮機80へ供給される。ここで、圧縮ガス戻し路100では、流量調整部102により、圧縮ガス戻し路100を通過する改質ガスG3の流量が、第1バッファタンク88内の圧力が一定になるように調整されている。したがって、圧縮機80の出力を一定に維持したまま、昇圧前水分離部50から送出される改質ガスG2の量の増減に応じて、水素精製器90へ供給される改質ガスG3の量も増減させることができる。
多重筒型改質器12の燃焼室25では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管28を介して燃焼排ガス水分離部70の気体室72へ供給される。気体室72へ供給された燃焼排ガスに含まれる水は、凝縮されて液体室74へ貯留され、水回収管78を経て改質用水供給部30へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管76を流れて外部へ排出される。
水量検出部84は、改質用水供給部30への流入水量を検出する。外部水供給部17は、水量検出部84で検出された水量及び必要な改質水の量に基づいて、新たに外部から供給が必要な水量分の純水を、改質用水供給部30へ供給する。
改質用水供給部30からは、ポンプPの駆動により改質水が多重筒型改質器12へ供給される。
本実施形態の水素製造装置10では、昇圧前水分離部50、昇圧後水分離部60によって改質ガスから水が分離され、燃焼排ガス水分離部70によって燃焼排ガスから水が分離されて、分離された水が、改質用水供給管34によって多重筒型改質器12へ改質水として戻される。したがって、改質ガスや燃焼排ガスに含まれる水を再利用することができ、改質水として新たに外部(外部水供給部17)から供給する水の量を少なくすることができる。
また、圧縮機80へ供給される改質ガスG2は、昇圧前水分離部50によって水が分離されるので、水が分離されていない改質ガスG1が圧縮機80へ供給される場合と比して、改質ガスの体積が減少することで、改質ガスを圧縮させるための動力を削減することができる。
また、水素精製器90へ供給される改質ガスG3は、昇圧前水分離部50によって水が分離されている上に、昇圧後水分離部60によっても水が分離されるので、水が分離されていない改質ガスG2が水素精製器90へ供給される場合と比して、水素精製器90へ供給される改質ガスに含まれる不純物が少なくなり、水素精製器90で精製する改質ガスの水素濃度が高くなるため、水素精製器90による精製効率を高くすることができ、かつ水素精製器90のサイズを小型化することができる。
また、本実施形態では、圧縮ガス戻し路100を通って圧縮機80へ戻される改質ガスからは、水が除去されている。したがって、昇圧後水分離部60よりも上流側で分岐した改質ガスを圧縮機80へ戻す場合と比較して、圧縮機80で圧縮する改質ガス中の水が低減され、圧縮機80で効率よく改質ガスを圧縮することができる。
また、本実施形態では、第2バッファタンク86が設けられているので、圧力の脈動が抑えられた後に圧縮ガス戻し路100へ分岐され、流量調整部102による流量調整を安定して行うことができる。また、水素精製器90へ供給される改質ガスG3の圧力の脈動が抑えられているので、水素精製器90での水素精製を効率的に行うことができる。
また、本実施形態では、第1バッファタンク88が設けられているので、改質ガスの圧力の脈動が抑えられた後に圧縮機80へ供給される。したがって、圧縮機80を効率よく運転することができる。
なお、本実施形態では、第2バッファタンク86と水素精製器90の間に圧縮ガス戻し路100の一端100Bを接続したが、昇圧後水分離部60と第2バッファタンク86の間に圧縮ガス戻し路100の一端100Bを接続してもよい。また、本実施形態では、昇圧前水分離部50と第1バッファタンク88の間に圧縮ガス戻し路100の他端100Aを接続したが、多重筒型改質器12〜圧縮機80の間のいずれかに圧縮ガス戻し路100の他端100Aを接続してもよい。
また、本実施形態では、第1バッファタンク88、第バッファタンク86を設けたが、これらのバッファタンクは必ずしも設ける必要はない。また、第1バッファタンク88、第バッファタンク86のいずれか一方のみを設けてもよい。
また、本実施形態では、改質器として、多重筒型改質器12を用い、CO選択酸化触媒層47を設けたが、CO選択酸化触媒層47は必須ではなく、CO選択酸化触媒層47を設けない構成とすることもできる。この場合には、酸化剤ガス供給管46も不要となる。
10 水素製造装置
12 多重筒型改質器(改質器)
34 改質用水供給管(水戻し路)
50 昇圧前水分離部
60 昇圧後水分離部
80 圧縮機
88 第1バッファタンク
86 第2バッファタンク
90 水素精製器
100 圧縮ガス戻し路
102 流量調整部

Claims (4)

  1. 炭化水素原料を水蒸気改質して水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質器で生成された改質ガスを圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された前記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、
    前記改質器の下流側且つ前記圧縮機の上流側で前記改質ガスから水を分離する昇圧前水分離部と、
    前記圧縮機の下流側且つ前記水素精製器の上流側で前記改質ガスから水を分離する昇圧後水分離部と、
    前記昇圧後水分離部の下流側且つ前記水素精製器の上流側に一端が接続され、前記改質器の下流側且つ前記圧縮機の上流側に他端が接続され、前記圧縮機で圧縮された前記改質ガスの一部を前記圧縮機の上流側へ戻す圧縮ガス戻し路と、
    前記圧縮ガス戻し路に設けられ、前記改質器から送出される改質ガスの流量に応じて前記圧縮ガス戻し路を流通する前記改質ガスの流量を調整する流量調整部と、
    を備えた水素製造装置。
  2. 前記圧縮ガス戻し路の他端の下流側、且つ前記圧縮機の上流側に、第1バッファタンクが設けられている、請求項1に記載の水素製造装置。
  3. 前記圧縮ガス戻し路の一端の上流側、且つ前記圧縮機の下流側に、第2バッファタンクが設けられている、請求項1または請求項2に記載の水素製造装置。
  4. 前記昇圧前水分離部及び前記昇圧後水分離部で分離された水の少なくとも一方を改質水として前記改質器へ戻す水戻し路、をさらに備えた、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の水素製造装置。
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