JP6931580B2

JP6931580B2 - 水素製造装置

Info

Publication number: JP6931580B2
Application number: JP2017180507A
Authority: JP
Inventors: 晃平江口; 雅史大橋; 好孝馬場
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP2019055892A

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、ＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置へ供給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、改質ガスから水蒸気を減少させるために、改質ガスを冷却して除湿するチラーが用いられている。このように、改質ガスに含まれている水蒸気を除去することにより、その後の工程である昇圧において改質ガスの流量が減少し、水素製造装置を稼動させるための動力も小さく抑えることができる。

特開２０１７−８８４９０号公報

このように、改質ガスから水を除去した場合、除去された水の処理が問題となる。本発明の課題は、改質ガスを含む改質器より送出されたガスから除去された水を効果的に利用することである。

請求項１に係る水素製造装置は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、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、前記改質器から送出されるガスから水を分離する水分離部と、前記水分離部で分離された水を改質水として前記改質器へ戻す水戻し路と、外部から前記改質器へ水を供給する外部水供給部と、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、前記改質器と前記水素精製器の間に設けられ、前記改質器で生成された改質ガスを圧縮する圧縮機と、を備え、前記水分離部は、前記圧縮機よりも上流側に配置され前記改質ガスから水を分離する昇圧前水分離部、前記圧縮機よりも下流側に配置され前記改質ガスから水を分離する昇圧後水分離部、及び前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部、を有し、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が、前記燃焼排ガス水分離部で分離された水よりも優先的に前記改質水として前記水戻し路を経て前記改質器へ戻される。

請求項１に係る水素製造装置では、水分離部によって改質器から送出されるガスから水が分離され、分離された水が水戻し路によって改質器へ改質水として戻される。したがって、改質器からの水を有効に利用して、改質水として新たに外部から供給する水の量を少なくすることができる。

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、前記改質器から送出されるガスから水を分離する水分離部と、前記水分離部で分離された水を改質水として前記改質器へ戻す水戻し路と、外部から前記改質器へ水を供給する外部水供給部と、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、を備え、前記水分離部は、前記改質ガスから分離膜によって水を分離する改質ガス水分離部を備えていてもよい。

上記に係る水素製造装置によれば、改質ガスから水を分離するので、水素精製器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、水素精製器による精製効率を高くすることができ、かつ水素精製器のサイズを小型化することができる。

水素製造装置は、前記改質器と前記水素精製器の間に、前記改質器で生成された改質ガスを圧縮する圧縮機、を備えていてもよい。

上記に係る水素製造装置によれば、水素精製器での精製に必要な圧力を、改質ガスに付与することができ、水素精製器で効率よく精製を行うことができる。

水素製造装置は、前記改質ガス水分離部は、前記圧縮機よりも上流側に配置された昇圧前水分離部を備えていてもよい。

上記に係る水素製造装置によれば、圧縮機へ供給される改質ガスに含まれる水が少なくなるので、圧縮機で圧縮する改質ガスの体積が少なくなり、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。

水素製造装置は、前記改質ガス水分離部は、前記圧縮機よりも下流側に配置された昇圧後水分離部を備えていてもよい。

上記に係る水素製造装置によれば、圧縮された改質ガスに含まれる水が少なくなるので、水素精製器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、水素精製器による精製効率を高くすることができ、かつ水素精製器のサイズを小型化することができる。

水素製造装置は、前記改質器は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記水分離部は、該燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部を備えていてもよい。

上記に係る水素製造装置によれば、燃焼排ガスから分離した水を、有効に利用することができる。

請求項２に係る水素製造装置は、前記水戻し路は、互いに並列に配置された複数のポンプを有し、前記複数のポンプのうちの少なくとも１つを作動させて前記水分離部で分離された水を前記改質器へ供給する。

請求項２に係る水素製造装置によれば、複数のポンプの内の一部が故障しても、他のポンプを稼働させることによって、水の供給を継続することができる。

請求項３に係る水素製造装置は、前記水戻し路には、前記水分離部で分離された水の量を検出する水量検出部が設けられ、前記水量検出部で検出された水量に基づいて、前記外部水供給部から前記改質器へ新たに水を供給する。

請求項３に係る水素製造装置によれば、水量検出部で検出された水量に基づいて、改質器へ新たに水を供給するので、再利用水で不足する分量の水を外部から供給することができる。

本発明の水素製造装置では、改質器から送出されたガスから除去された水を効果的に利用することができる。

第１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。第１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。第１実施形態に係る水素製造装置の水分離部及びその周辺を示した構成図である。第２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。第２実施形態に係る水素製造装置の水供給部及びその周辺の構成である。第２実施形態に係る水素製造装置での水供給処理のフローチャートである。第３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。

＜第１実施形態＞
本発明の第１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１０Ａ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、及び、燃焼排ガス水分離部７０を備えている。この水素製造装置１０Ａ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。

（圧縮機）
圧縮機８０には、昇圧前水分離部５０からの改質ガスＧ１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。

（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。

（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、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、３個のポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３が、並列に配置されている。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Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３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１０Ａ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を流れて水素精製器９０へ供給される。

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。

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Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３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１０Ａ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による精製効率を高くすることができる。即ち、精製する改質ガスの体積が減少することで、水素精製器９０での処理量を少なくすることができる。これにより、水素精製器９０のサイズの小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３が並列に配置されているので、ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ２の内の２個までが故障しても、他のポンプを駆動させることにより、水素製造装置１０Ａを停止させることなく運転を継続させることができる。また、例えば定格のポンプ駆動からの出力を落として、水素製造量に合わせた水の供給量の調整を行う場合に、複数のポンプで調整を行うことにより、出力調整が行いやすくなる。

本実施形態では、ポンプを複数設けたが、必ずしも複数のポンプを設ける必要はなく、１つのみ設けてもよい。

なお、本実施形態では、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の３箇所で水の分離を行い、分離された水をすべて改質水として再利用したが、必ずしも３箇所で分離された水のすべてを再利用する必要はない。３箇所の内のいずれか１箇所、または２箇所のみの水を再利用してもよい。

また、本実施形態では、圧縮機８０を備えた水素製造装置について説明したが、本発明は、圧縮機８０を備えていない水素製造装置に適用してもよいし、圧縮機が多重筒型改質器１２よりも上流側に配置された水素製造装置に適用してもよい。この場合には、改質ガスについての水分離部は１つになる。

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。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の水素製造装置１０Ｂは、改質用水供給部３０が分割されている点が第１実施形態と異なっている。

図４に示されるように、本実施形態の改質用水供給部３０は、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、及び第３水供給部３０Ｃに仕切られている。第１水供給部３０Ａには、水回収管５９の下流端が接続され、第２水供給部３０Ｂには、水回収管６９の下流端が接続され、第３水供給部３０Ｃには、水回収管７８の下流端が接続される。改質用水供給管３４のポンプＰ１〜Ｐ３よりも上流端は、第１水供給管３４Ａと第３水供給管３４Ｃとに分岐されている。第１水供給管３４Ａは、第１水供給部３０Ａに接続され、第３水供給管３４Ｃは、第３水供給部３０Ｃに接続されている。

第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃの出口には、図５に示されるように、各々第１バルブ３５Ａ、第２バルブ３５Ｂ、第３バルブ３５Ｃが設けられている。第１バルブ３５Ａ、第２バルブ３５Ｂ、第３バルブ３５Ｃは、開閉バルブで構成されており、制御部８６と接続され、制御部８６によって開閉が制御される。

制御部８６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含んで構成されており、多重筒型改質器１２、水量検出部８４、外部水供給部１７と接続されている。制御部８６により、水素製造装置１０Ｂの運転が制御されている。

水量検出部８４は、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃの各々と接続され、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃへ流入された水量を検出する。水量検出部８４は、検出された各々の水量を制御部８６へ出力する。

制御部８６では、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、第１水供給部３０Ａ及び第２水供給部３０Ｂの水が、第３水供給部３０Ｃの水よりも優先的に多重筒型改質器１２へ送出されるように、第１バルブ３５Ａ、第２バルブ３５Ｂ、第３バルブ３５Ｃを制御する。また、多重筒型改質器１２での改質に必要な改質水の量に対して、第３水供給部３０Ｃの水量が所定時間の間（例えば１分間）に所定の割合を超えないように、第３バルブ３５Ｃ及び外部水供給部１７から送出される水量を制御する。

（作用）
次に、水素製造装置１０Ｂの作用について説明する。

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、燃焼排ガス水分離部７０、水素精製器９０の駆動については、第１実施形態と同様に行われる。

水量検出部８４では、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃへ流入された水量を検出し、制御部８６へ検出値を出力する。制御部８６では、図６に示す水供給処理が実行される。

まず、ステップＳ１０で水素の製造量等に基づいて、必要な改質水量データを算出する。次に、ステップＳ１２で、水量検出部８４から、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃへ流入した水量（単位時間当たり）を取得する。ステップＳ１４で、算出した改質水量データ、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃへ流入する水量に基づいて、外部水供給部１７、第１水供給部３０Ａ、第２水供給部３０Ｂ、第３水供給部３０Ｃの各々から送出する水量を算出する。ここでの算出は、第１水供給部３０Ａ及び第２水供給部３０Ｂの水が、第３水供給部３０Ｃの水よりも優先的に多重筒型改質器１２へ送出されるように、かつ、必要な改質水の量に対して、第３水供給部３０Ｃの水量が所定の割合を超えないように行われる。そして、算出された水量に基づいて、ステップＳ１６で、第１バルブ３５Ａ、第２バルブ３５Ｂ、第３バルブ３５Ｃ、及び外部水供給部１７へ、制御信号が送出される。

第１バルブ３５Ａ、第２バルブ３５Ｂ、第３バルブ３５Ｃは、制御信号に基づいて、開閉が制御され、外部水供給部１７は、制御信号に基づいて、純水の送出量が制御される。ステップＳ１８で、所定時間（例えば１分）が経過したかどうかを判断し、所定時間が経過するまで待機する。所定時間が経過すると、ステップＳ２０で、運転終了の指示があったかどうかを判断し。運転終了の指示があった場合には、処理を終了する。運転終了の指示がない場合には、ステップＳ１０へ戻って、上記の処理を繰り返す。

本実施形態の水素製造装置１０Ｂでも、第１実施形態と同様に、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、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と共に、水素精製器９０のサイズの小型化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、圧縮機８０の下流側の昇圧後水分離部６０で分離された圧縮された水を再利用するので、ポンプを介することなく多重筒型改質器１２へ送出することができる。これにより、ポンプで送出する改質水の量を少なくすることができる。

また、第１水供給部３０Ａ及び第２水供給部３０Ｂの水が、第３水供給部３０Ｃの水よりも優先的に多重筒型改質器１２へ送出されるように（回収水の利用優先付け）、かつ、必要な改質水の量に対して、第３水供給部３０Ｃの水量が所定の割合を超えないように（排ガス回収水割合抑制）、改質水の制御が行われるので、改質水中の不純物を少なくすることができる。

なお、本実施形態では、回収水の利用優先付けと、排ガス回収水割合抑制の両方を実施した例について説明したが、いずれか一方のみを実施してもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１、２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の水素製造装置１０Ｃは、図７に示されるように、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０に代えて、昇圧前水分離膜部１５０、昇圧後水分離膜部１６０が設けられている。

昇圧前水分離膜部１５０は、図８に示されるように、改質ガスＧ１から水蒸気を通過（透過）させる分離膜１５１と、分離膜１５１によって仕切られている供給室１５２と透過室１５４とを有している。供給室１５２には、多重筒型改質器１２からの改質ガスが流れる改質ガス排出管４４と、圧縮機８０へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管５６とが接続されている。改質ガス排出管４４を流れて供給室１５２へ供給された改質ガスＧ１に含まれる水蒸気は、分離膜１５１を通過して供給室１５２から透過室１５４へ流れる。水蒸気が分離された改質ガスＧ２は、連絡流路管５６を流れて圧縮機８０へ供給される。

透過室１５４には、スイープガスとしての都市ガスが流れるガス供給管１５８と、多重筒型改質器１２へ供給される都市ガスが流れる原料供給管３３とが接続されている。スイープガスとして透過室１５４へ供給された都市ガスは、分離膜１５１を通過した水蒸気を含み、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。原料供給管３３は、本発明の水戻し路となる。

水蒸気分離膜としては、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。

昇圧後水分離膜部１６０は、改質ガスＧ２から水蒸気を分離する分離膜１６１と、分離膜１６１によって仕切られている供給室１７２と透過室１７４とを有している。供給室１７２には、圧縮機８０からの改質ガスが流れる連絡流路管６６と、水素精製器９０へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管６８とが接続されている。

そして、連絡流路管６６を流れて供給室１７２へ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、分離膜１６１を通過して供給室１７２から透過室１７４へ流れる。水蒸気が分離された改質ガスは、連絡流路管６８を流れて水素精製器９０へ供給される。

透過室１７４には、スイープガスとしての都市ガスが供給されるガス供給管１５８と、多重筒型改質器１２へ供給される都市ガスが流れる原料供給管３３とが接続されている。スイープガスとして透過室１７４へ供給された都市ガスは、分離膜１６１を通過した水蒸気を含み、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。

改質用水供給部３０には、水回収管７８の下流端、及び、外部水供給管１７Ａの下流端が接続されている。改質用水供給部３０には、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Ｐ１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１０Ｃの作用について説明する。

都市ガスは、図７に示されるように、ガス供給管１５８を流れて昇圧前水分離膜部１５０の透過室１５４を通り、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。同様に、都市ガスは、ガス供給管１５８を流れて昇圧後水分離膜部１６０の透過室１７４を通り、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で改質ガスＧ１に改質される。この改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４を流れて昇圧前水分離膜部１５０の供給室１５２へ供給される。供給室１５２へ供給された改質ガスＧ１に含まれる水蒸気は、分離膜１５１を通過して供給室１５２から透過室１５４へ流れる。そして、スイープガスとして透過室１５４へ供給された都市ガスは、分離膜１５１を通過した水蒸気を含み、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。

一方、分離膜１５１によって水蒸気が分離された改質ガスＧ２は、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。そして、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膜部１６０の供給室１７２へ供給される。供給室１７２へ供給された改質ガスＧ２に含まれる水蒸気は、分離膜１６１を通過して供給室１７２から透過室１７４へ流れる。そして、スイープガスとして透過室１７４へ供給された都市ガスは、分離膜１６１を通過した水蒸気を含み、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。

さらに、分離膜１６１によって水蒸気が分離された改質ガスＧ３は、連絡流路管６８を流れて水素精製器９０へ供給される。水素精製器９０へ供給された改質ガスが不純物と水素とに分離されることで、水素が精製され、水素供給配管９２へ送出される。

一方、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へ供給される。

本実施形態では、昇圧後水分離膜部１６０へ供給される改質ガスＧ２は、圧縮機８０によって圧縮されている。このため、分離膜１６１を境に供給室１７２と透過室１７４との間に大きな差圧（水蒸気の分圧差）が生じることで、分離膜１６１を用いて圧縮機８０の上流側だけで水蒸気を分離する場合と比して、効果的に改質ガスＧ２から水蒸気を分離することができる。

また、圧縮機８０へ供給される改質ガスＧ１は、昇圧前水分離膜部１５０によって水蒸気が分離される。圧縮機８０には水蒸気が分離された改質ガスＧ２が供給されるため、水蒸気が分離されていない（水蒸気を含んでいる）改質ガスが圧縮機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、スイープガスとして透過室１５４、１７４へ供給された都市ガスが、分離膜１５１、１６１を通過した水蒸気を含み、原料供給管３３を流れて多重筒型改質器１２へ供給される。このため、分離膜１５１、１６１によって分離した水蒸気を、水蒸気改質反応用の水分として利用することができる。さらに、改質ガスから分離膜１５１、１６１を通してスイープガスに微量の水素が入り込むため、都市ガスに含まれている硫黄分を水添脱硫によって低減することができる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ水素製造装置
１２多重筒型改質器（改質器）
１７外部水供給部
２５燃焼室（燃焼部）
３０改質用水供給部（水戻し路）
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ水供給部（水戻し路）
３３原料供給管（水戻し路）
３４改質用水供給管（水戻し路）
３４Ａ、３４Ｃ水供給管（水戻し路）
５０昇圧前水分離部（改質ガス水分離部、水分離部）
５９、６９、７８水回収管（水戻し路）
６０昇圧後水分離部（改質ガス水分離部、水分離部）
７０燃焼排ガス水分離部（水分離部）
８０圧縮機
８４水量検出部
９０水素精製器
１５０昇圧前水分離膜部（改質ガス水分離部、水分離部）
１６０昇圧後水分離膜部（改質ガス水分離部、水分離部）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ポンプ

Claims

燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、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、
前記改質器から送出されるガスから水を分離する水分離部と、
前記水分離部で分離された水を改質水として前記改質器へ戻す水戻し路と、
外部から前記改質器へ水を供給する外部水供給部と、
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、
前記改質器と前記水素精製器の間に設けられ、前記改質器で生成された改質ガスを圧縮する圧縮機と、
を備え、
前記水分離部は、前記圧縮機よりも上流側に配置され前記改質ガスから水を分離する昇圧前水分離部、前記圧縮機よりも下流側に配置され前記改質ガスから水を分離する昇圧後水分離部、及び前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部、を有し、
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が、前記燃焼排ガス水分離部で分離された水よりも優先的に前記改質水として部へ前記水戻し路を経て前記改質器へ戻される、
水素製造装置。
前記水戻し路は、互いに並列に配置された複数のポンプを有し、前記複数のポンプのうちの少なくとも１つを作動させて前記水分離部で分離された水を前記改質器へ供給する、請求項１に記載の水素製造装置。
前記水戻し路には、前記水分離部で分離された水の量を検出する水量検出部が設けられ、前記水量検出部で検出された水量に基づいて、前記外部水供給部から前記改質器へ新たに水を供給する、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。