JP6814061B2 - 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、内部に設けられた例えばロータとケーシングやピストンとケーシング等の摺接部分に水を噴射して潤滑及び液封する水噴射式空気圧縮装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この水噴射式空気圧縮装置では、油を用いて潤滑を行う場合と比較して、水の分離が容易である点、後段のプロセスに影響が少ない点、ガス体を冷却でき効率が向上する点が利点として挙げられるが、腐食などを防止する為の水質管理が難しいという課題があった。

一方、ガスを圧縮する圧縮装置としては、ガスに含まれた水分を分離器で分離した後、圧縮システムで圧縮する装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−０４５９４８号公報 特開２０１２−２４１７１９号公報

しかしながら、このような圧縮装置を水素製造装置に適用すると、圧縮システムの上流に、ガスに含まれた水分を分離する分離器を設けなければならない。

また、圧縮装置として、水噴射式空気圧縮装置を採用した場合、圧縮装置の摺接部分に水を噴射する噴射機構が必要となる。

これらから、システムが複雑化するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、構成の簡素化を図ることが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、改質ガスを生成する改質器と、該改質器の下流に設けられ、当該改質器で生成された改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水を内部の摺動部分のシール材として用いる圧縮機と、を備えている。

すなわち、改質器で生成された改質ガスには、水蒸気が含まれており、この改質ガスが、圧縮機へ送られる。圧縮機では、改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水が得られる。そして、この凝縮水が、圧縮機内部の摺動部分の隙間に入り込むことによって、シール材として利用される。

このため、改質器からの改質ガスをそのまま用いることで、改質ガスに含まれた水蒸気を凝縮水として利用することができる。そして、この凝縮水を内部の摺動部分のシール材及び潤滑剤として用いることができる。これにより、摺接部分に水を噴射する噴射機構や水循環の系統がなくても、水噴射式の圧縮機と同等の効果が得られる。

また、この凝縮水は、改質ガスに含まれた水蒸気から得られる。このため、その純度が高く、乾燥しても析出物を生じない。さらに、水道水をシール材として用いる場合と比較して、内部の腐食などを防止する為の水質管理が不要となる。

そして、改質ガスに含まれた水蒸気を有効利用するため、圧縮機の上流に改質ガスに含まれた水分を分離するための熱交換器等が不要となる。さらに、圧縮機の上流で改質ガス中に凝縮水が生じてしまっても構わないため、凝縮防止のための配管断熱が不要となる。

これらによって、水素製造装置の構成の簡素化が可能となる。

第一態様では、前記圧縮機は、前記改質ガスの入側より出側でガス圧を高め、前記出側で前記改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して前記凝縮水を得る。

すなわち、この圧縮機では入側より出側のガス圧が高められ、出側で改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が得られる。このとき、出側のガス圧は、入側のガス圧より高い。

このため、出側で得られた凝縮水は、内部機構の摺動部分に生ずる隙間を介して入側へ戻される。これにより、凝縮水を摺動部分の隙間に充填することができ、この凝縮水をシール材として用いることで隙間を液封することができる。

第三態様では、前記改質器の改質ガス出口と前記圧縮機のガス入口とが配管で直接接続されている。

すなわち、改質器と圧縮機とは、配管で直接接続されるので、改質器と圧縮機との間に別装置が設けられる場合と比較して、圧損が抑制される。

第四態様では、前記圧縮機を起動してから該圧縮機のロータを目標回転数で作動した状態で当該圧縮機の出側のガス圧が規定のガス圧になるまで前記圧縮機のロータを前記目標回転数より高い回転数で作動する起動時回転制御手段を備えている。

すなわち、圧縮機を作動して目標のガス圧を得るためには、下流側の装置との関係に基づいて、ロータの通常の回転速度が自ずと定まる。しかし、圧縮機起動時には、内部の摺動部分の隙間にシール材としての凝縮水が充填されておらず、ロータの回転数を目標回転数に維持しても、目標のガス圧が得られない。

そこで、ロータの回転数とガス圧との関係が安定するまでは、回転数を目標回転数より高い回転数で回転することで、摺動部分の隙間からガス圧が漏れても規定のガス圧を得ることができる。そして、摺動部分の隙間にシール材としての凝縮水が充填されると、回転数とガス圧との関係が安定するので、ロータを目標回転数で回転する通常制御へ移行することができる。

第五態様では、前記圧縮機から改質ガスが送られる水素精製器と、前記圧縮機を停止する際に前記水素精製器を迂回して前記圧縮機からの改質ガスを前記水素精製器の下流側へ通流するバイパス路と、を備えている。

すなわち、圧縮機を停止する際には、圧縮機からの改質ガスを、バイパス路を介して水素精製器の下流側へ流すことができる。これにより、圧縮機からの改質ガスが水素精製器より受ける負荷を解放することができるので、改質ガスに含まれた水蒸気の凝縮が抑制される。また、改質ガスを、圧縮機内を通過させることで、摺動部分の隙間に充填された凝縮水を外部へ排出することができる。

これにより、圧縮機に保持された凝縮水を減少して圧縮機を停止することができる。

第一態様の水素製造装置では、構成の簡素化および、圧縮にかかる動力の低減を図ることができる。

本発明の第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に示した多重筒型改質器の詳細を示す図である。 図１に示したポンプの詳細を示す図である。 多重筒型改質器で生成された改質ガスの組成の円グラフを示す図である。 第一実施形態に係る水素製造装置の動作を示すフローチャートである。 図５に続く動作を示すフローチャートである。 第二実施形態の水素製造装置のポンプの詳細を示す図である。 第三実施形態の水素製造装置のポンプの詳細を示す図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る水素製造装置１０を示す図であり、水素製造装置１０は、改質器の一例である一または複数の多重筒型改質器１２と、圧縮機を構成するポンプ１４と、チラー１５と、水素精製器１６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。
なお、本発明にあっては、改質器の一例である多重筒型改質器１２が一台でも成立するが、本実施形態においては、多重筒型改質器１２を複数設けた場合を例に挙げて説明する。

各多重筒型改質器１２は、互いに並列に接続されている。この多重筒型改質器１２は、ポンプ１４と、チラー１５とを介して水素精製器１６に接続されている。各多重筒型改質器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。各多重筒型改質器１２は、互いに同一の構成とされている。

（多重筒型改質器）
各多重筒型改質器１２は、図２に示すように、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ると共に、改質用水供給管３４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の上端部に設けられた供給口４２ａ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の改質ガス出口の一例である供給口４２ａに接続された改質ガス排出管４４は、図１に示したように、ポンプ１４のガス入力口１４ａに接続されており、改質ガス排出管４４は、断熱材が巻かれない非断熱配管で構成される。これにより、各多重筒型改質器１２の供給口４２ａとポンプ１４のガス入力口１４ａとは、配管の一例である改質ガス排出管４４で直接接続されており、各多重筒型改質器１２にて生成された改質ガスは、ポンプ１４に送られる。

（ポンプ）
ポンプ１４は、各多重筒型改質器１２から送られた改質ガスを下流側へ送出し、改質ガスを水素精製器１６との間で圧縮してガス圧を高める。

このポンプ１４は、改質ガスが入力される入側より出側で改質ガスのガス圧を高め、出側で改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し凝縮水を取得するとともに、凝縮水を内部の摺動部分の隙間のシール材として用いる。

すなわち、ポンプ１４は、図３に示すように、二軸スクリューポンプで構成されている。このポンプ１４のハウジング１００は、ギア室１０２を形成する基端側のギアケーシング１０４と、弁室１０６を形成する先端側の弁室ケーシング１０８とで構成されている。

このハウジング１００内には、第一スクリュー１１０と第二スクリュー１１２とが設けられており、両スクリュー１１０、１１２は、先端側に設けられたスクリュー部１１０ａ、１１２ａが弁室１０６内に配置されている。また、それぞれのスクリュー部１１０ａ、１１２ａから基端側へ延出した軸部１１０ｂ、１１２ｂは、弁室１０６とギア室１０２とを区画する隔壁１１４を挿通しており、各軸部１１０ｂ、１１２ｂの基端側は、ギア室１０２に配置されている。

ギア室１０２に配置された各スクリュー１１０、１１２の軸部１１０ｂ、１１２ｂは、ギア室１０２に設けられた第一ベアリング１１６ａ、１１６ｂと第二ベアリング１１８ａ、１１８ｂとによって回転自在に支持されている。各スクリュー部１１０ａ、１１０ｂより先端側へ延出した軸部１１０ｂ、１１２ｂの部位は、弁室１０６に設けられた第三ベアリング１２０ａ、１２０ｂによって回転自在に支持されている。各ベアリング１１６ａ、１１６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１２０ａ、１２０ｂは、潤滑油を有する内部と外部との隙間を無くした密閉構造とされている。

ギア室１０２に配置された両軸部１１０ｂ、１１２ｂには、互いに噛合するギア１２２ａ、１２２ｂが第一ベアリング１１６ａ、１１６ｂ及び第二ベアリング１１８ａ、１１８ｂによる支持位置の間に設けられている。第一スクリュー１１０の軸部１１０ｂは、第二スクリュー１１２の軸部１１２ｂより長く、その基端部は、ギアケーシング１０４から延出するとともに、モータＭの駆動軸に接続される接続部１１０ｃを構成する。

各スクリュー１１０、１１２のスクリュー部１１０ａ、１１２ａは、螺旋状の羽根１１０ｄ、１１２ｄで構成されており、第一スクリュー１１０の羽根１１０ｄの間に第二スクリュー１１２の羽根１１２ｄが配置されている。各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁は、弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと接するように構成されている。弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁とは、各スクリュー１１０、１１２が回転駆動された際に摺動する摺動部分を構成する。

各スクリュー部１１０ａ、１１２ａで隔成された弁室１０６の基端側には、入力室１０６ａが形成されており、各スクリュー部１１０ａ、１１２ａの先端側には、出力室１０６ｂが形成されている。弁室ケーシング１０８には、入力室１０６ａと連通する入力ポート１２４が設けられており、この入力ポート１２４には、図１に示したように、各多重筒型改質器１２に接続された改質ガス排出管４４が接続される。

また、図３に示したように、弁室ケーシング１０８の先端面１０８ｂの中央部には、先端側へ突出する円筒状の出力ポート１２６が設けられており、出力ポート１２６は、出力室１０６ｂと連通する。この出力ポート１２６は、図１に示したように、出力管１２８及び出力管１２８が接続されたチラー１５を介して水素精製器１６に接続されている。

これにより、図３に示したように、ギアケーシング１０４から延出した第一スクリュー１１０の軸部１１０ｂをモータＭで回転駆動することで、ギア１２２ａ、１２２ｂで連結された第二スクリュー１１２が第一スクリュー１１０と共に回転する。すると、入力ポート１２４から入力室１０６ａに送られた改質ガスが、両スクリュー１１０、１１２の羽根１１０ｄ、１１２ｄによって出力室１０６ｂへ送られ、出力ポート１２６からチラー１５を介して水素精製器１６へ供給される。

このとき、両スクリュー１１０、１１２によって送出される改質ガスは、水素精製器１６による負荷に応じて、改質ガスの出側である出力室１０６ｂの内圧が入側である入力室１０６ａの内圧より高くなる。これにより、改質ガス中に含まれる水蒸気が出力室１０６ｂで凝縮され、凝縮水が得られる。

図４は、各多重筒型改質器１２からポンプ１４へ供給される改質ガスの組成を円グラフで示した図であり、改質ガスには、１３％の水蒸気が含まれている。各多重筒型改質器１２から供給された改質ガスの温度は、約７０℃ であり、露点は約５０℃である。この改質ガスを、ポンプ１４によって０．８ＭＰａまで圧縮すると、改質ガスの温度が７０℃のままでも、水蒸気のうち７０％は凝縮する。これは、例えば５ｍ^３／ｈクラスの水素製造装置１０の場合、約１５ｃｃ／ｍｉｎの凝縮水が得られることとなる。

この凝縮水は、図３に示したように、弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと各スクリュー１１０、１１２の各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁とが摺動する摺動部分の隙間を介して、内圧が高い出力室１０６ｂから内圧が低い入力室１０６ａ側へ移動する。このとき、各スクリュー１１０、１１２の羽根部１１０ｄ、１１２ｄは回転しており、凝縮水は、その遠心力を受けることによって弁室ケーシング１０６の内周面１０８ａに張り付いた状態に維持される。これにより、凝縮水は、摺動部分のシール材として利用され、摺動部分の隙間を液封する。

このポンプ１４からの改質ガスが送られるチラー１５は、図１に示したように、改質ガスを冷却する機能を有し、改質ガスに含まれる水蒸気を冷却時に凝結して結露させ、その結露水をドレンから排出する。これにより、改質ガスから水蒸気を分離し、改質ガスに含まれた水蒸気を減少させる。

チラー１５のドレンから排出された結露水は、改質用水として改質用水供給管３４を介して各多重筒型改質器１２へ供給される。そして、このチラー１５で除湿された改質ガスは、水素精製器１６に送られる。

チラー１５から水素精製器１６への流路１２８ａには、切替弁１３０が設けられており、切替弁１３０の第一出力ポート１３０ａは、水素精製器１６へ接続されている。また、切替弁１３０の第二出力ポート１３０ｂには、バイパス路１３２が接続されており、バイパス路１３２は、水素精製器１６の下流側の流路１３４に接続されている。これにより、バイパス路１３２は、ポンプ１４からチラー１５を介して送られた改質ガスを、水素精製器１６を迂回して、水素精製器１６の下流側へ通流する。なお、このバイパス路１３２は、オフガス路１３６に接続してもよい。

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、オフガス路１３６を介して、多重筒型改質器１２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、補給経路１３８から都市ガスがバーナ２６に供給される。

この水素製造装置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、燃料電池システム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。

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の設置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、水素製造装置１０には、制御部１４０が設けられており、制御部１４０は、マイコンを中心に構成されている。この制御部１４０は、原料供給管３３に設けられたバルブ１４２と、ポンプ１４と、切替弁１３０とに接続されており、バルブ１４２とポンプ１４と切替弁１３０の作動状態を制御する。

図５及び図６は、水素製造装置１０の動作を示すフローチャートであり、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１４０のマイコンが、内蔵したＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作を開始し、水素製造装置１０の始動に伴ってポンプ１４を起動する際には、メインルーチンからポンプ起動処理が呼び出される。

ポンプ起動処理では、ポンプ１４のロータの一例である第一スクリュー１１０及び第二スクリュー１１２の回転速度を示す所定時間当たりの回転数（以下回転数とする）が通常の回転速度である目標回転数となる電圧でモータＭを始動する（Ｓ１）。

この目標回転数は、第一スクリュー１１０及び第二スクリュー１１２の回転数と、ポンプ１４の出側の出力室１０６ｂのガス圧との関係が安定した安定状態において、出力室１０６ｂのガス圧が目標圧となる回転数とする。また、目標圧は、水素精製器１６による水素の精製効率が予め定めた効率より高くなる規定のガス圧とする。

そして、例えば出力室１０６ｂでのガス圧を図示しない圧力計で測定してポンプ１４からの出力圧として入力し（Ｓ２）、入力した出力圧が、目標圧として許容できる規定範囲の下限値より低いか否かを判断する（Ｓ３）。

初期段階において、ポンプ１４において弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと各スクリュー１１０、１１２の各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁とが摺動する摺動部分の隙間には、凝縮水が充填されていない。このため、出力室１０６ｂへ送られた改質ガスの一部は、摺動部分の隙間を介して入力室１０６ａ側へ戻され、各スクリュー１１０、１１２の回転数に対して出力圧が上がらず、出力圧は目標圧を下回る。

このため、出力圧が規定範囲の下限値より低いと判断され（Ｓ３）、モータＭに印加する電圧を上げてモータ回転数を上げ（Ｓ４）、出力圧が規定範囲内になったか否かを判断する（Ｓ５）。出力圧が規定範囲の下限値より低く、出力圧が規定範囲外と判断した際には（Ｓ５）、ステップＳ２へ分岐して、ステップＳ２〜Ｓ５を繰り返し、出力圧を上昇する。これにより、各スクリュー１１０、１１２の回転速度を通常の回転速度より速くし、通常の回転速度を超える領域での回転制御を実行する。

出力圧が上昇し規定範囲内となると、ステップＳ３で出力圧が規定範囲の下限値以上と判断されるので、出力圧が規定範囲の上限値を超えているか否かを判断する（Ｓ６）。このとき、出力圧が規定範囲内であれば、出力圧は、規定範囲の上限値以下と判断されるとともに（Ｓ６）、規定範囲内と判断され（Ｓ５）、各スクリュー１１０、１１２の回転数と出力圧との関係が安定しているか否かを判断する（Ｓ７）。

例えばステップＳ５で出力圧が規定範囲内と連続して判断した連続数が予め定めた所定回数以上の場合には、回転数と出力圧との関係が安定していると判断する。一方、連続数が所定回数未満の場合には、回転数と出力圧との関係が安定していないと判断し、ステップＳ２へ分岐して、ステップＳ２〜Ｓ７を繰り返す。

このとき、ポンプ１４により改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されることによって凝縮水が得られ、この改質水が摺動部分の隙間に貯まり始まると、出力圧が上昇する。これにより、ステップＳ６において、出力圧は規定範囲の上限値を超えたと判断され、モータＭに印加する電圧を下げてモータ回転数を下げ（Ｓ８）、ステップＳ２〜Ｓ８を繰り返す。

出力圧が規定範囲内となり（Ｓ５）、各スクリュー１１０、１１２の回転数と出力圧との関係が安定するとともに（Ｓ７）、この安定状態が予め定めた所定時間継続した場合（Ｓ９）、メインルーチンへ戻る。これにより、ポンプ１４を起動してから各スクリュー１１０、１１２を目標回転数で作動した状態で出側である出力室１０６ｂのガス圧が目標圧になるまで各スクリュー１１０、１１２は、目標回転数より高い回転数で作動される。
そして、メインルーチンでは、各スクリュー１１０、１１２の回転数が目的回転数となるようにモータＭを制御し、各スクリュー１１０、１１２の回転速度を通常の回転速度に維持する通常処理を行って出力圧を維持する。

図６は、水素製造装置１０による水素の製造を終了する際にメインルーチンから呼び出されるポンプ１４の停止処理を示すフローチャートである。

ポンプ１４を停止する際にメインルーチンから停止処理が呼び出されると、制御部１４０は、流路１２８ａを水素精製器１６に接続した切替弁１３０を作動し（ＳＢ１）、流路１２８ａをバイパス路１３２に接続する。

すると、ポンプ１４からの改質ガスは、水素精製器１６を迂回して、水素精製器１６の下流側の流路１３４に接続される。これにより、ポンプ１４から送り出される改質ガスが水素精製器１６より受ける負荷を解放し、改質ガスに含まれた水蒸気の凝縮を抑制する。また、改質ガスを、ポンプ１４内を通過させることで、弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと各スクリュー１１０、１１２の各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁とが摺動する摺動部分の隙間に充填された凝縮水を外部へ排出する。

そして、この状態が予め定められた所定時間経過したか否かを判断し（ＳＢ２）、所定時間経過した際には、ポンプ１４のモータＭを停止した後（ＳＢ３）、切替弁１３０を作動して（ＳＢ４）、流路１２８ａを水素精製器１６に接続してメインルーチンへ戻る。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

すなわち、改質器の一例である多重筒型改質器１２で生成された改質ガスには、水蒸気が含まれており、この改質ガスが、ポンプ１４へ送られる。このポンプ１４では、改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され、凝縮水が得られる。そして、この凝縮水が、ポンプ１４の弁室ケーシング１０８の内周面１０８ａと各スクリュー１１０、１１２の各羽根１１０ｄ、１１２ｄの外周縁とが摺動する摺動部分の隙間に入り込むことによって、シール材として利用される。

このため、多重筒型改質器１２からの改質ガスをそのまま用いることで、改質ガスに含まれた水蒸気を凝縮水として利用することができる。そして、この凝縮水を内部の摺動部分のシール材及び潤滑剤として用いることができる。

これにより、水循環の系統がなくても水噴射式の圧縮機と同様の効果を得ることがきる。具体的には、ポンプ１４の摺動部分を油で潤滑する場合と比較して、改質ガスから生ずる凝縮水と油との分離が不要となり、後段のプロセスへの影響も少なく、改質ガスを冷却し水素の精製効率を向上することができる。

また、この凝縮水は、改質ガスに含まれた水蒸気から得られるため、その純度が高く、乾燥しても析出物が生じない。さらに、水道水をシール材として用いる場合と比較して、内部の腐食などを防止する為の水質管理が不要となる。

そして、改質ガスに含まれた水蒸気を有効利用するため、ポンプ１４の上流に改質ガスに含まれた水分を分離するための熱交換器等が不要となる。さらに、圧縮機の一例であるポンプ１４の上流で改質ガス中に凝縮水が生じてしまっても構わないため、凝縮防止のための配管断熱が不要となる。

これらによって、水素製造装置１０の構成の簡素化および、圧縮にかかる動力の低減を図ることができる。
動力の低減について詳説すると、摺動部分に水を噴射する為の水噴射構造が無いポンプの場合、液封ができないので圧縮した改質ガスの漏れが多く、改質ガス圧縮のための余計な動力を要する。また、摺動部分に水を噴射する為の水噴射構造を備えたポンプであっても、高圧部への水の噴射を要するため、水噴射用のポンプが必要となり、水噴射ポンプを駆動するための余計な動力が必要となる。本実施形態では、これらの余計な動力が不要になるため、圧縮にかかる動力を低減することができる。

そして、このポンプ１４では、入側の入力室１０６ａより出側の出力室１０６ｂで改質ガスのガス圧が高められ、出力室１０６ｂで改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が得られる。このとき、出力室１０６ｂのガス圧は、入力室１０６ａ側のガス圧より高い。

このため、出力室１０６ｂで得られた凝縮水を内部機構の摺動部分に生ずる隙間を介して入力室１０６ａ側へ戻すことができる。これにより、凝縮水を摺動部分の隙間に充填することができ、隙間を漏れなく液封することができる。

また、多重筒型改質器１２とポンプ１４とは、改質ガス排出管４４で直接接続されている。このため、多重筒型改質器１２とポンプ１４との間に別装置が設けられる場合と比較して、圧損を抑制することができる。

そして、ポンプ１４を作動して改質ガスの出力圧を目標圧にするためには、下流側の装置の一例である水素精製器１６との関係に基づいて、ロータの一例である各スクリュー１１０、１１２の目標回転数が自ずと定まる。しかし、ポンプ１４起動時には、内部の摺動部分の隙間にシール材としての凝縮水が充填されておらず、各スクリュー１１０、１１２の回転数を目標回転数に維持しても出力圧を目標圧にすることができない。

そこで、各スクリュー１１０、１１２の回転数と改質ガスの出力圧との関係が安定するまでは、回転数が目標回転数を超える領域での回転制御を可能とすることで、各スクリュー１１０、１１２を、目標回転数を超える回転数で回転することができる。これにより、摺動部分の隙間から改質ガスの一部が入側へ漏れても、出力圧を目標圧に近づけることができ、水素精製器１６での精製効率の低下を抑制することができる。そして、摺動部分の隙間にシール材としての凝縮水が充填されると、回転数と出力圧との関係が安定するので、通常制御へ移行することができる。

一方、ポンプ１４を停止する際には、ポンプ１４からの改質ガスを、バイパス路１３２を介して水素精製器１６の下流側の流路１３４へ流すことができる。これにより、ポンプ１４からの改質ガスが水素精製器１６より受ける負荷を解放することができるので、改質ガスに含まれた水蒸気の凝縮が抑制される。また、改質ガスを、ポンプ内を通過させることで、摺動部分の隙間に充填された凝縮水を外部へ排出することができる。

これにより、ポンプ１４に保持された凝縮水を減少して、ポンプ１４を停止することができ、内部に残留した凝縮水によって生じ得る問題を未然に防止することができる。

なお、本実施形態では、ポンプ１４を二軸スクリューポンプで構成した場合について説明したが、これに限定されるものではない。

（第二実施形態）
このポンプ１４としては、図７に示すように、ケーシング２００内で第一繭型ロータ２０２と第二繭型ロータ２０４とを回転して入力ポート１２４からの改質ガスを出力ポート１２６へ送るルーツポンプで構成してもよい。

このようなポンプ１４であっても、ポンプ１４のケーシング２００の内周面２００ａと各繭型ロータ２０２、２０４の外周縁２０２ａ、２０４ａとが摺動する摺動部分の隙間に凝縮水を充填してシール材として利用することができる。よって、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第三実施形態）
また、ポンプ１４としては、図８に示すように、レシプロポンプで構成しても良い。この場合、入力ポート１２４の逆止弁２１０よりシリンダー２１２に流入した改質ガスを、ロータ２１４にクランク２１６を介して連結されたピストン２１８の往復運動で圧縮し、逆止弁２２０から出力ポート１２６へ送り出すことができる。

このようなポンプ１４であっても、シリンダー２１２の内周面２１２ａとピストン２１８のピストンリング２１８ａとが摺動する摺動部分の隙間に凝縮水を充填してシール材として利用することができ、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

１０ 水素製造装置
１２ 多重筒型改質器
１４ ポンプ
１６ 水素精製器
４４ 改質ガス排出管
１０８ 弁室ケーシング
１０８ａ 内周面
１１０ 第一スクリュー
１１０ｄ 羽根部
１１２ 第二スクリュー
１１２ｄ 羽根
１２４ 入力ポート
１２６ 出力ポート
１３０ 切替弁
１３２ バイパス路
１４０ 制御部
２００ ケーシング
２００ａ 内周面
２０２ 第一繭型ロータ
２０４ 第二繭型ロータ
２１２ シリンダー
２１２ａ 内周面
２１８ ピストン
２１８ａ ピストンリング
Ｍ モータ

Claims (7)

1. 改質ガスを生成する改質器と、
   該改質器の下流に設けられ、当該改質器で生成された改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水を内部の摺動部分のシール材として用いる圧縮機と、
   を備え、
   前記圧縮機は、前記改質ガスの入側より出側でガス圧を高め、前記出側で前記改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して前記凝縮水を得る、
   水素製造装置。
2. 前記改質器の改質ガス出口と前記圧縮機のガス入口とが配管で直接接続されている請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記圧縮機を起動してから該圧縮機のロータを目標回転数で作動した状態で当該圧縮機の出側のガス圧が規定のガス圧になるまで前記圧縮機のロータを前記目標回転数より高い回転数で作動する起動時回転制御手段を備えた請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
4. 前記圧縮機から改質ガスが送られる水素精製器と、
   前記圧縮機を停止する際に前記水素精製器を迂回して前記圧縮機からの改質ガスを前記水素精製器の下流側へ通流するバイパス路と、
   を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素製造装置。
5. 改質ガスを生成する改質器と、
   該改質器の下流に設けられ、当該改質器で生成された改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水を内部の摺動部分のシール材として用いる圧縮機と、
   を備え、
   前記改質器の改質ガス出口と前記圧縮機のガス入口とが配管で直接接続されている、
   水素製造装置。
6. 改質ガスを生成する改質器と、
   該改質器の下流に設けられ、当該改質器で生成された改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水を内部の摺動部分のシール材として用いる圧縮機と、
   前記圧縮機を起動してから該圧縮機のロータを目標回転数で作動した状態で当該圧縮機の出側のガス圧が規定のガス圧になるまで前記圧縮機のロータを前記目標回転数より高い回転数で作動する起動時回転制御手段と、
   を備えた、水素製造装置。
7. 改質ガスを生成する改質器と、
   該改質器の下流に設けられ、当該改質器で生成された改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得た凝縮水を内部の摺動部分のシール材として用いる圧縮機と、
   前記圧縮機から改質ガスが送られる水素精製器と、
   前記圧縮機を停止する際に前記水素精製器を迂回して前記圧縮機からの改質ガスを前記水素精製器の下流側へ通流するバイパス路と、
   を備えた、水素製造装置。