JP7082939B2

JP7082939B2 - 水素製造装置

Info

Publication number: JP7082939B2
Application number: JP2018234777A
Authority: JP
Inventors: 晃平江口; 拓人櫛; 広基飯沼
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2020093963A

Description

本発明は、水素製造装置に関し、特に、炭化水素原料を改質して水素を製造する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（水素精製器）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、ＰＳＡ装置から送出されたオフガスを水蒸気改質装置に燃料として戻すことで、水素製造装置全体の熱効率を向上させている。

特開２００３－３３５５０２号公報

しかし、ＰＳＡ装置から水蒸気改質装置に供給されるオフガス流量は、定常時でも周期的な変動があるため、この点で改善の余地がある。

また、ＰＳＡ装置から水蒸気改質装置に供給されるオフガス流量を平準化するために、オフガス供給流路上にオフガス（バッファ）タンクを設けることが提案されている。

一般的に、ＰＳＡ装置では上流側の圧縮機の圧力を高く、オフガス出口側の圧力を低くするほど、製造される水素の水素純度が向上する。しかし、オフガス出口側の圧力が低すぎると、オフガス供給流路上にオフガスタンクを設けていても水蒸気改質装置に安定した流量のオフガスを供給することが困難になるという課題があった。

本発明の課題は、水素精製器のオフガス出口側の圧力が低くても安定した流量のオフガスを改質器に供給する水素製造装置を提供することである。

請求項１記載の水素製造装置は、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部と、可燃ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、を有する改質器と、前記改質器よりも下流側に設けられ、前記改質器から送出された改質ガスを、可燃成分を含むオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器で分離されたオフガスを前記燃焼部へ供給するオフガス供給流路と、前記オフガス供給流路上に並列に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記燃焼部に供給する複数のオフガスタンクと、前記オフガスタンクのそれぞれと前記水素精製器とを連通又は遮断させる第１切換手段と、前記オフガスタンクのそれぞれと前記燃焼部とを連通又は遮断させる第２切換手段と、を備える。

この水素製造装置では、改質器の改質部で改質された改質ガスが水素精製器で可燃成分を含むオフガスと水素とに分離される。オフガスは、オフガス供給流路を経て改質器の燃焼部へ供給され、燃焼に供される。

このオフガス供給流路上には、複数のオフガスタンクが並列で設けられている。また、各オフガスタンクと水素精製器とをそれぞれ連通又は遮断させる第１切換手段と、各オフガスタンクと改質器の燃焼部とをそれぞれ連通又は遮断させる第２切換手段とが設けられている。

ここで、オフガス供給流路に並列に配設された複数のうちの一部のオフガスタンクは、第１切換手段によって水素精製器と連通し、第２切換手段によって改質器の燃焼部と遮断することができる。したがって、水素精製器から送出されたオフガスが複数のうちの一部のオフガスタンクに貯留される。

また、複数のうちの他の一部のオフガスタンクは、第１切換手段によって水素精製器と遮断され、第２切換手段によって改質器の燃焼部と連通される。したがって、オフガスタンクに貯留されたオフガスを改質器の燃焼部に安定的に供給することができる。

このように、水素精製器から送出されたオフガスは複数のうちの一部のオフガスタンクに貯留されると共に、複数のうちの他の一部のオフガスタンクから改質器の燃焼部に貯留されたオフガスが供給される。したがって、水素精製器出口側の圧力が低い場合であっても、改質器の燃焼部に安定的にオフガスを供給することができる。

特に、この第１切換手段及び第２切換手段の切換を水素精製器の吸着工程・脱着工程の切換タイミングに同期させることで、オフガスタンクに貯留されるオフガスの組成、容量が一定となり、改質器の燃焼部に一層安定的にオフガスを供給することができる。

請求項２記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記水素製造装置は、前記第１切換手段と前記第２切換手段にそれぞれ、所定時間間隔で連通及び遮断する前記オフガスタンクを切り換えさせる制御手段をさらに備え、前記制御手段は、前記第１切換手段に複数のうちの一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを連通させ、複数のうちの他の一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを遮断させると共に、前記第２切換手段に前記他の一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを連通させ、前記一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを遮断させる。

この水素製造装置では、制御手段が所定時間間隔で第１切換手段、第２切換手段の切換タイミングを制御することにより、複数のうちの一部のオフガスタンクに水素精製器から送出されたオフガスを貯留し、複数のうちの他の一部のオフガスタンクから改質器にオフガスが供給される。

特に、第１切換手段、第２切換手段の切換タイミング(所定時間)を水素精製器の吸着工程・脱着工程の切換タイミングに同期させることで、オフガスタンクに一旦貯留されるオフガスの容量や組成を一定にすることができ、オフガスの組成・流量（圧力）を一層平準化した上で改質器の燃焼部に安定的に供給することができる。

請求項３記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記水素製造装置は、前記オフガス供給流路における前記水素精製器の出口側の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出された圧力に基づいて前記第１切換手段と前記第２切換手段に連通及び遮断する前記オフガスタンクを切り換えさせる制御手段と、をさらに備え、前記制御手段は前記第１切換手段に複数のうちの一方の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを連通させ、複数のうちの他方の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを遮断させると共に、前記第２切換手段に前記他方のオフガスタンクと前記燃焼部とを連通させ、前記一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを遮断させる。

この水素製造装置では、制御手段が、水素精製器のオフガス出口側の圧力に基づいて水素精製器の吸着工程・脱着工程の切換タイミングを検出し、この切換タイミングに同期させて第１切換手段、第２切換手段の切換を行う。

これにより、オフガスタンクに一旦貯留されるオフガスの容量や組成を一定にし、オフガスの組成・流量（圧力）を平準化した上で改質器の燃焼部に安定的に供給することができる。

請求項１～３に記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたため、水素精製器のオフガス出口側の圧力が低くても安定した流量のオフガスを改質器に供給することができる。

本発明の第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。本発明の第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。本発明の第１実施形態に係る水素製造装置の制御部を示したブロック図である。本発明の第１実施形態に係る水素製造装置におけるオフガス流れ状態を示す図であり、（Ａ）は第１オフガスタンクが貯留状態、第２オフガスタンクが供給状態であり、（Ｂ）は第２オフガスタンクが貯留状態、第１オフガスタンクが供給状態である。本発明の第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。本発明の第２実施形態に係る水素製造装置の制御部を示したブロック図である。

［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５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に示すように、炭化水素（都市ガス）から水蒸気改質した改質ガスを生成する多重筒型改質器（以下、「改質器」という場合がある）１２と、改質ガスを圧縮する圧縮機８０と、圧縮された改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製する水素精製器９０と、を備えている。また、水素製造装置１０は、圧縮機８０の上流側、下流側でそれぞれ改質ガスから水分を分離・除去する昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０と、を備えると共に、改質器１２の後述する燃焼排ガスから水分を分離・除去する燃焼排ガス水分離部７０を備えている。

なお、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、本実施形態では、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に示すように、多重に配置された複数の筒状壁２１、２２、２３、２４（以下、「筒状壁２１～２４」という場合がある）を有している。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、バーナー２６が下向きに配置されている。このバーナー２６には、可燃ガス供給管３８から水素精製器９０のオフガスが燃料として供給可能とされている。この多重筒型改質器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、外部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。バーナー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。バーナー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、必要に応じて供給可能とされている。なお、バーナー２６が燃焼部に相当する。

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を通じて燃焼排ガス水分離部７０へ送出される構成である。

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１流路３１が形成されている。この第１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から供給可能とされ、さらに、改質用水が改質用水供給管３４から供給可能とされている。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構成である。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構成である。

また、第１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へ供給される構成である。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、混合ガスが水蒸気改質反応することによって、水素を主成分とする改質ガスが生成される構成である。

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２流路４２が形成されている。第２流路４２の下端部は、第１流路３１の下端部と連通されている。第２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２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２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へ供給される構成である。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、一酸化炭素が低減可能とされている。

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２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へ供給される構成である。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、一酸化炭素が除去可能とされている。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構成である。なお、ＣＯ選択酸化触媒層４７は、必須ではなく設けない構成とすることもできる。

多重筒型改質器１２において生成された改質ガスは、図１に示すように、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。

（昇圧前水分離部）
昇圧前水分離部５０には、多重筒型改質器１２から改質ガスＧ１を流入させる改質ガス排出管４４の下流端が接続されている。昇圧前水分離部５０の底部には水回収管５９が接続され、昇圧前水分離部５０の上部には連絡流路管５６が接続されている。改質ガスＧ１は、昇圧前水分離部５０の上流の改質ガス排出管４４に配置された熱交換器ＨＥ１において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧前水分離部５０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管５９へ送出される構成である。水が凝縮された後の改質ガスＧ２は、連絡流路管５６へ送出される構成である。

（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から供給された改質ガスを圧縮し、昇圧後水分離部６０へ供給可能とされている。

（昇圧後水分離部）
昇圧後水分離部６０には、圧縮機８０から改質ガスＧ２を流入させる連絡流路管６６の下流端が接続されている。昇圧後水分離部６０の底部には水回収管６９が接続され、昇圧後水分離部６０の上部には連絡流路管６８が接続されている。改質ガスＧ２は、昇圧後水分離部６０の上流の連絡流路管６６に配置された熱交換器ＨＥ２において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧後水分離部６０の下部に水（液相）が貯留可能されている。当該水（液相）は、水回収管６９へ送出される構成である。水が凝縮された後の改質ガスＧ３は、連絡流路管６８へ送出される構成である。

（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可燃ガス供給管３８の上流端とが接続されている。

水素精製器９０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では、一対の吸着槽を備え、一方の吸着槽で吸着剤に不純物を吸着させる吸着工程を行い、他方の吸着槽で吸着剤に吸着した不純物を脱着させる脱着工程を行い、次に一方の吸着層で脱着工程、他方の吸着層で吸着工程を行う。これを周期的に繰り返すことで、改質ガスＧ３を可燃ガスを含む不純物と水素とに連続的に分離して、水素が精製される構成である。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出可能とされている。

水素精製器９０のオフガスは、可燃ガス供給管３８から燃料として多重筒型改質器１２のバーナー２６（図２参照）へ供給可能とされている。

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部７０には、燃焼排ガス流路２７から燃焼排ガスを導くガス排出管２８の下流端が接続されている。燃焼排ガス水分離部７０の底部には水回収管７８が接続され、燃焼排ガス水分離部７０の上部にはガス排出管７６が接続されている。燃焼室２５から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス水分離部７０の上流のガス排出管２８に配置された熱交換器ＨＥ３において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、燃焼排ガス水分離部７０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管７８へ送出される構成である。水が凝縮された後の燃焼排ガスは、ガス排出管７６から外部へ排出される構成である。

水回収管５９、水回収管６９、水回収管７８の各々の下流端は、改質用水供給管３４に接続されている。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、改質用水供給管３４には、外部水供給部１７が接続されている。外部水供給部１７からは、例えば純水または市水が供給される。

また、改質用水供給管３４には、ポンプＰ１が設けられている。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、又は外部水供給部１７から供給された水は、ポンプＰ１によって多重筒型改質器１２へ供給される構成である。

（オフガスタンク）
可燃ガス供給管３８は、図１に示すように、途中で第１可燃ガス供給管１００と第２可燃ガス供給管１０２とに分岐されている。第１可燃ガス供給管１００と第２可燃ガス供給管１０２は、下流側で再び合流している。また、可燃ガス供給管３８において、第１可燃ガス供給管１００と第２可燃ガス供給管１０２よりも上流側を上流側可燃ガス供給管１０４とし、下流側を下流側可燃ガス供給管１０６とする。なお、可燃ガス供給管３８が「オフガス供給流路」に相当する。

この第１可燃ガス供給管１００には、第１オフガスタンク１０８が配設されており、第１オフガスタンク１０８の上流側と下流側にはそれぞれ第１開閉弁１１０と、第２開閉弁１１２が設けられている。すなわち、第１開閉弁１１０や第２開閉弁１１２を開閉することにより、水素精製器９０から第１オフガスタンク１０８にオフガスを供給したり、第１オフガスタンク１０８から改質器１２のバーナー２６にオフガスを供給可能に構成されている。

第２可燃ガス供給管１０２にも、同様に第２オフガスタンク１１４が配設されており、第１オフガスタンク１１４の上流側と下流側にはそれぞれ第３開閉弁１１６と、第４開閉弁１１８が設けられている。すなわち、第３開閉弁１１６や第４開閉弁１１８を開閉することにより、水素精製器９０から第２オフガスタンク１１４にオフガスを供給したり、第２オフガスタンク１１４から改質器１２のバーナー２６にオフガスを供給可能に構成されている。

なお、これらの第１開閉弁１１０、第２開閉弁１１２、第３開閉弁１１６、第４開閉弁１１８（以下、「第１～第４開閉弁１１０～１１８」という場合がある）は、制御部１２０（図３参照）により開閉制御される構成である。

また、第１オフガスタンク１０８、第２オフガスタンク１１４（以下、「第１、第２オフガスタンク１０８、１１４」という場合がある）の容量は、水素精製器９０から送出されるオフガス量とバーナー２６へ供給するオフガス量のバランスや、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４の圧力等を考慮して、設定されている。

なお、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４が「オフガスタンク」に相当する。また、第１開閉弁１１０、第３開閉弁１１６が「第１切換手段」に相当する。さらに、第２開閉弁１１２、第４開閉弁１１８が「第２切換手段」に相当する。また、制御部１２０が「制御手段」に相当する。

（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から多重筒型改質器１２へ供給される。図２に示すように、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、水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素を主成分とする改質ガスが生成される。

この改質ガスは、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。

図１に示すように、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へ供給される。昇圧前水分離部５０では、熱交換器ＨＥ１での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管５９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から圧縮機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から昇圧後水分離部６０へ供給される。昇圧後水分離部６０では、熱交換器ＨＥ２での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管６９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から水素精製器９０へ供給される。

水素精製器９０では、改質ガスＧ３が水素と不純物であるオフガスとに分離され、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。

水素精製器９０では、圧力スイング方式が採用されており、一対の吸着槽の一方の吸着槽では吸着剤に水素以外の不純物が吸着される吸着工程が行われ、他方の吸着槽では吸着剤に吸着された不純物が脱着される脱着工程が行われる。続いて、一方の吸着層で脱着工程が行われ、他方の吸着層で吸着工程が行われる。この吸着工程と脱着工程とがそれぞれの吸着槽で一定周期で繰り返されることにより、水素精製器９０では、連続的に水素が精製されると共に、周期的に組成、流量（圧力）を変動させながらオフガスが送出されている。

制御部１２０では、この水素精製器９０の吸着工程、脱着工程の切換周期に同期させてすなわち、一定周期で第１～第４開閉弁１１０～１１８の開閉を切り換えている。

具体的には、図４（Ａ）に示すように、水素精製器９０の一方の吸着槽で吸着工程が開始され、他方の吸着槽で脱着工程が開始されたタイミングで、制御部１２０が第１開閉弁１１０と第４開閉弁１１８を開弁させると共に、第２開閉弁１１２と第３開閉弁１１６とを閉弁させる。

この結果、水素精製器９０から上流側可燃ガス供給管１０４、第１可燃ガス供給管１００を介して第１オフガスタンク１０８にオフガスが供給され、貯留される。

また、第２オフガスタンク１１４から第２可燃ガス供給管１０２、下流側可燃ガス供給管１０６を介して改質器１２のバーナー２６に貯留されていたオフガスが燃料として供給される。

一方、図４（Ｂ）に示すように、水素精製器９０において一方の吸着槽で脱着工程が開始され、他方の吸着槽で吸着工程が開始されたタイミングで、制御部１２０が第２開閉弁１１２と第３開閉弁１１６を開弁させると共に、第１開閉弁１１０と第４開閉弁１１８を閉弁させる。

この結果、水素精製器９０から上流側可燃ガス供給管１０４、第２可燃ガス供給管１０２を介して第２オフガスタンク１１４にオフガスが供給され、貯留される。

また、第１オフガスタンク１０８から第１可燃ガス供給管１００、下流側可燃ガス供給管１０６を介して改質器１２のバーナー２６に貯留されたオフガスが燃料として供給される。

このように、制御部１２０による第１～第４開閉弁１１０～１１８の開閉制御が行われることにより、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４の一方に水素精製器９０から送出されたオフガスが一旦貯留されると共に、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４の他方から改質器１２のバーナー２６に貯留されたオフガスが供給される。

したがって、水素精製器９０の吸着工程・脱着工程の切換による水素精製器９０の出口側におけるオフガスの組成・流量（圧力）変動に拘らず、平準化された流量（圧力）のオフガスが改質器１２のバーナー２６に供給される。

多重筒型改質器１２の燃焼室２５では、バーナー２６によって第１、第２オフガスタンク１０８、１１４から供給されたオフガスが燃焼される。燃焼排ガスは、燃焼室２５からガス排出管２８を介して燃焼排ガス水分離部７０へ供給される。燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ３での熱交換により冷却されて凝縮され、燃焼排ガス水分離部７０に貯留され、水回収管７８へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、ガス排出管７６から外部へ排出される。

改質用水供給管３４からは、ポンプＰ１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、可燃ガス供給管３８上に並列に第１、第２オフガスタンク１０８、１１４を配設し、その上流側と下流側に第１～第４開閉弁１１０～１１８を設けている。したがって、制御部１２０が第１～第４開閉弁１１０～１１８を開閉制御することにより、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４の一方に水素精製器９０からオフガスを供給して貯留させる一方、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４の他方から改質器１２のバーナー２６に貯留されたオフガスを供給することができる。

すなわち、水素精製器９０の吸着・脱着による圧力変動に拘らず、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４から改質器１２のバーナー２６に組成・流量（圧力）が平準化されたオフガスを供給することができる。

特に、水素精製器９０における吸着工程、脱着工程の切換タイミングと同期させて第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換えているため、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４に貯留されるオフガスの組成、容量が一定とされ、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４から改質器１２のバーナー２６に供給されるオフガスの組成・流量（圧力）が一層平準化される。

したがって、圧縮機８０による改質ガスＧ２の圧縮度（水素精製器９０の上流側の改質ガスＧ３の圧力）を高くすると共に水素精製器９０のオフガス出口側の圧力を低くして、その圧力差を大きくしても、改質器１２に供給されるオフガスの組成・流量（圧力）の平準化が維持される。

すなわち、水素精製器９０の上流側の圧力と水素精製器９０のオフガス出口側の圧力差を大きくして製品水素の水素純度を向上させることができると共に、バーナー２６へオフガスを安定して供給することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る水素製造装置について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る水素製造装置２００は、図５に示すように、上流側可燃ガス供給管１０４上に圧力計２０２を配設した点のみが第１実施形態の水素製造装置１０と異なる。また、この異なった点に関する作用についてのみ説明し、第１実施形態と同様の作用効果については詳細な説明を省略する。

圧力計２０２は、図５に示すように、上流側可燃ガス供給管１０４において水素精製器９０のオフガス出口側の圧力を検出し、制御部１２０（図６参照）に出力するものである。この圧力計２０２が「圧力検出手段」に相当する。

このように構成された水素製造装置２００の作用について説明する。
水素製造装置２００の制御部１２０では、圧力計２０２の出力に基づいて水素精製器９０における吸着工程と脱着工程との切換タイミングを検出し、第１～第４開閉弁１１０～１１８の開閉を切り換える。

すなわち、第１開閉弁１１０、第４開閉弁１１８を開弁し、第２開閉弁１１２、第３開閉弁１１６を閉弁する場合（図４（Ａ）参照）と、第２開閉弁１１２、第３開閉弁１１６を開弁し、第１開閉弁１１０、第４開閉弁１１８を閉弁する場合（図４（Ｂ）参照）とを切り換えるものである。

このように、水素製造装置２００では、水素精製器９０の下流側になる上流側可燃ガス供給管１０４の圧力を圧力計２０２で検出し、この圧力変動に基づいて水素精製器９０の吸着工程と脱着工程との切換タイミングを検出しているため、より正確に第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換えることができる。この結果、水素精製器９０の吸着工程・脱着工程の切換による水素精製器９０の出口側の圧力変動に拘らず、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４から改質器１２のバーナー２６に組成・流量（圧力）が平準化されたオフガスが供給され、バーナー２６の安定した燃焼が確保される。

特に、吸着工程・脱着工程に要する時間に変動があった場合でもこれに対応して第１～第４開閉弁１１０～１１８の開閉の切換タイミングを一致させることができる。したがって、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４に貯留されるオフガスの組成、容量を一定に保つことができ、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４から改質器１２のバーナー２６に組成・流量（圧力）が一層平準化されたオフガスが供給される。すなわち、バーナー２６の一層安定した燃焼が確保される。

（その他）
第１、第２実施形態に係る水素製造装置１０、２００は、第１オフガスタンク１０８と第２オフガスタンク１１４を並列に配置したものであったが、これに限定されるものではない。すなわち、３個以上のオフガスタンクを並列に設け、これを切り換えることにより、水素精製器９０の出口側のオフガスの圧力が低くても、改質器１２のバーナー２６に平準化されたオフガスを供給できるものではあれば良い。

また、水素製造装置に３個以上のオフガスタンクを設けた場合、例えば、３個のオフガスタンクを設けた場合に、１個のオフガスタンクに水素精製器９０からオフガスを供給して貯留させ、１個のオフガスタンクから改質器１２に貯留されたオフガスを供給し、１個のオフガスタンクは貯留状態を維持するような制御をしても良い。この３状態を順番に切り換えるように制御しても良いし、貯留状態のガスタンクは切り替え制御されず、改質器へのオフガス供給が不足する場合にのみ改質器１２にオフガスを供給するようにしても良い。

すなわち、３個以上のオフガスタンクが並列配置された場合には、最低２個のオフガスタンクが上述のように切り換えられれば、所定の作用を達成することができる。

さらに、オフガスタンクを水素精製器９０又は改質器１２（のバーナー２６）と選択的に連通する切換制御は、所定時間間隔や水素精製器９０の出口側圧力変動に基づいて自動的に行うものとしたが、他の手段によって自動的に切換制御しても良いし、運転員が手動で行っても良い。

また、第１、第２実施形態に係る水素製造装置１０、２００では、水素精製器９０がＰＳＡ装置である場合について説明したが、オフガスに流量（圧力）変動や組成変動を生じさせる水素精製器であれば、これに限定するものではない。

第１実施形態に係る水素製造装置１０では、水素精製器９０の吸着工程と脱着工程との切換周期に同期させて第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換え、第２実施形態の水素製造装置２００では水素精製器９０のオフガス出口側の圧力変動に基づいて第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換えたが、これに限定するものではない。水素精製器９０のオフガス出口側に複数のオフガスタンクを並列に設け、そのうちの一部に水素精製器９０からオフガスを供給して貯留させ、他の一部から改質器１２のバーナー２６にオフガスを供給することを繰り返して切り換えることにより、流量・組成が平準化されたオフガスがバーナー２６に供給されるものであれば良い。

また、第１実施形態に係る水素製造装置１０では、水素精製器９０の吸着工程、脱着工程の切換周期に同期させて第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換えたが、吸着工程、脱着工程の切換周期の整数倍の周期に同期させて第１～第４開閉弁１１０～１１８を切り換えても良い。

なお、一連に係る実施形態の水素製造装置１０、２００は、第１、第２オフガスタンク１０８、１１４と水素精製器９０、改質器１２とを選択的に連通させるために、第１～第４開閉弁１１０～１１８を設けたが、これに限定されるものではない。例えば、上流側可燃ガス供給管１０４、下流側可燃ガス供給管１０６の分岐位置に三方弁を設けても良い。

１０、２００、水素製造装置
１２多重筒型改質器（改質器）
２６バーナー（燃焼部）
３６改質触媒層（改質部）
３８可燃ガス供給管（オフガス供給流路）
９０水素精製器
１０８第１オフガスタンク（オフガスタンク）
１１０第１開閉弁（第１切換手段）
１１２第２開閉弁（第２切換手段）
１１４第２オフガスタンク（オフガスタンク）
１１６第３開閉弁（第１切換手段）
１１８第４開閉弁（第２切換手段）
１２０制御部（制御手段）

Claims

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部と、可燃ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、を有する改質器と、
前記改質器よりも下流側に設けられ、前記改質器から送出された改質ガスを、水素と可燃成分を含むオフガスとに分離して水素を精製する水素精製器と、
前記水素精製器で分離されたオフガスを前記燃焼部へ供給するオフガス供給流路と、
前記オフガス供給流路上に並列に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記燃焼部に供給する複数のオフガスタンクと、
前記オフガスタンクのそれぞれと前記水素精製器とを連通又は遮断させる第１切換手段と、
前記オフガスタンクのそれぞれと前記燃焼部とを連通又は遮断させる第２切換手段と、
を備える水素製造装置。
前記水素製造装置は、前記第１切換手段と前記第２切換手段にそれぞれ、所定時間間隔で連通及び遮断する前記オフガスタンクを切り換えさせる制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１切換手段に複数のうちの一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを連通させ、複数のうちの他の一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを遮断させると共に、前記第２切換手段に前記他の一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを連通させ、前記一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを遮断させる請求項１に記載の水素製造装置。
前記水素製造装置は、前記オフガス供給流路における前記水素精製器の出口側の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段で検出された圧力に基づいて前記第１切換手段と前記第２切換手段に連通及び遮断する前記オフガスタンクを切り換えさせる制御手段と、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１切換手段に複数のうちの一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを連通させ、複数のうちの他の一部の前記オフガスタンクと前記水素精製器とを遮断させると共に、前記第２切換手段に前記他の一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを連通させ、前記一部のオフガスタンクと前記燃焼部とを遮断させる請求項１に記載の水素製造装置。