JP7269161B2 - 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、水素を製造するための水素製造装置としては、原料炭化水素を改質装置で改質した後、改質ガスをＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）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には、改質装置で改質された改質ガスを、多段圧縮機で圧縮してＰＳＡへ供給できることが記載されている。

特表２００８－５２６６５７

ところで、多段圧縮機で改質ガスを圧縮する場合に、例えば、２段目以降の圧縮部内でガス中の水蒸気が凝縮して水となる場合があり、改良の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、多段の圧縮機でガスを圧縮する場合、２段目以降の圧縮部における水蒸気の凝縮を抑制可能な水素製造装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、複数の前記圧縮部の各々に備えられ外部より供給された冷却水で前記圧縮部を冷却する冷却部と、を備え、１段目の前記圧縮部に備えられた前記冷却部を通過した前記冷却水を、２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する。

請求項１に記載の水素製造装置は、改質器と水素分離器を備えている。改質器では、原料を改質して水素を主成分とした改質ガスが生成される。
改質器で生成された改質ガスは、多段圧縮機に設けられた複数の圧縮部で段階的に圧縮されて水素分離器に送出される。
水素分離器では、改質ガスから水素ガスが分離される。

１段目の圧縮部で改質ガスを圧縮すると、圧縮部内の改質ガスの温度が上昇し、それに伴って１段目の圧縮部の温度が上昇するが、１段目の圧縮部に備えられた冷却部に冷却水を通すことで１段目の圧縮部を冷却し、１段目の圧縮部の温度上昇を抑制することができる。
同様に、２段目以降の圧縮部で改質ガスを圧縮した場合も、圧縮部内の改質ガスの温度が上昇し、それに伴って２段目以降の圧縮部の温度が上昇するが、１段目の圧縮部に備えられた冷却部を通過した冷却水が２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に供給されることで、２段目以降の圧縮部を冷却し、２段目以降の圧縮部の温度上昇を抑制することができる。

請求項１に記載の水素製造装置では、２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に供給される冷却水を１段目の圧縮部の熱で加熱することで、２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に供給される冷却水の温度を、２段目以降の圧縮部に供給される改質ガスの露点温度よりも高めることができる。
これにより、２段目以降の圧縮部において、改質ガスに含まれる水蒸気の凝縮を抑制することができ、水蒸気の凝縮による水の発生を抑制することができる。

請求項２に記載の水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、前記改質器から前記水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられ、前記改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、複数の前記圧縮部の各々に備えられて前記圧縮部を冷却する冷却部と、を備え、前記熱交換器を通過した前記冷却水を前記多段圧縮機の２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する。

請求項２に記載の水素製造装置は、改質器と水素分離器を備えている。改質器では、原料を改質して水素を主成分とした改質ガスが生成される。
改質器で生成された改質ガスは、多段圧縮機に設けられた複数の圧縮部で段階的に圧縮されて水素分離器に送出される。
水素分離器では、改質ガスから水素ガスが分離される。

請求項２に記載の水素製造装置では、改質器から水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられた熱交換器が、改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行うことで、改質ガスを冷却し、熱交換器から排出される冷却水の温度を、熱交換器に流入する前の冷却水の温度よりも高めることができる。

このように、２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に供給する冷却水を熱交換器に通過させることで、該冷却水の温度を、２段目以降の圧縮部に供給される改質ガスの露点温度よりも高めることできる。これにより、２段目以降の圧縮部において、改質ガスに含まれる水蒸気の凝縮を抑制することができ、水蒸気の凝縮による水の発生を抑制することができる。

請求項３に記載の水素製造装置は、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、前記改質器から前記水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられ、前記改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、複数の前記圧縮部の各々に備えられて前記冷却水で前記圧縮部を冷却する冷却部と、を備え、前記熱交換器、及び１段目の前記圧縮部に備えられた前記冷却部を通過した前記冷却水を前記多段圧縮機の２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する。

請求項３に記載の水素製造装置は、改質器と水素分離器を備えている。改質器では、原料を改質して水素を主成分とした改質ガスが生成される。
改質器で生成された改質ガスは、多段圧縮機に設けられた複数の圧縮部で段階的に圧縮されて水素分離器に送出される。
水素分離器では、改質ガスから水素ガスが分離される。

請求項３に記載の水素製造装置では、改質器から水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられた熱交換器が、改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行うことで、改質ガスを冷却し、熱交換器から排出される冷却水の温度を、熱交換器に流入する前の冷却水の温度よりも高めることができる。
また、１段目の圧縮部に備えられた冷却部に冷却水を供給することで、１段目の圧縮部を冷却することができ、１段目の圧縮部に備えられた冷却部を通過した冷却水の温度を、該冷却部に流入する前の冷却水の温度よりも高めることができる。

このように、２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に供給する冷却水を熱交換器と、１段目の圧縮部に備えられた冷却部に通過させることで、該冷却水の温度を、２段目以降の圧縮部に供給される改質ガスの露点温度よりも高めることできる。これにより、２段目以降の圧縮部において、改質ガスに含まれる水蒸気の凝縮を抑制することができ、水蒸気の凝縮による水の発生を抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水素製造装置において、前記熱交換器は、１段目の前記圧縮部に流入する前の前記改質ガスと前記冷却水との熱交換、及び２段目以降の前記圧縮部から前記水素分離器に供給される前記改質ガスと前記冷却水との熱交換の少なくとも一方を行う。

請求項４に記載の水素製造装置では、熱交換器は、１段目の圧縮部に流入する前の改質ガスと冷却水との熱交換、及び２段目以降の圧縮部から水素分離器に供給される改質ガスと冷却水との熱交換の少なくとも一方を行うことで、冷却水の温度を高めることができる。これにより、２段目以降の圧縮部において、改質ガスに含まれる水蒸気の凝縮を抑制することができ、水蒸気の凝縮による水の発生を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項２～請求項４の何れか１項に記載の水素製造装置において、１段目の前記圧縮部で圧縮された前記改質ガスを２段目以降の前記圧縮部に供給する前記改質ガス供給路に、前記改質ガスと外部より供給されて前記熱交換器を通過していない前記冷却水との間で熱交換を行う１段圧縮済み改質ガス用熱交換器が設けられている。

請求項５に記載の水素製造装置では、２段目以降の圧縮部に供給する改質ガスを、１段圧縮済み改質ガス用熱交換器で、外部より供給されて他の熱交換器を通過していない冷却水との間で熱交換を行う。このため、２段目以降の圧縮部に供給する改質ガスを、効率的に冷却することができ、他の熱交換器を通過させて温まった冷却水との間で熱交換を行った改質ガスよりも低温の改質ガスを、２段目以降の圧縮部に供給することができる。

本発明によれば、水素製造装置において、２段目以降の圧縮部における水蒸気の凝縮を抑制することができる。

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冷却水の経路、及び改質ガスの経路を示した経路図である。 第２実施形態に係る水素製造装置の冷却水の経路、及び改質ガスの経路を示した経路図である。 第３実施形態に係る水素製造装置の冷却水の経路、及び改質ガスの経路を示した経路図である。 第４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乃至図３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、脱硫器６０、改質器１２、圧縮機１４、水素精製器１６、及び、オフガスタンク１８を備えている。また、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４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、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。なお、図１では、水素製造装置１０Ａの構成を概略的に示しており、水素製造装置１０Ａは、他の構成を含んでいてもよい。

（脱硫器）
脱硫器６０は、原料ガス中の硫黄分を除去するものである。
脱硫器６０の出口側には、脱硫後の都市ガスを送出する、原料供給管Ｐ１が接続されている。原料供給管Ｐ１は、原料分岐管Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂに分岐されている。原料分岐管Ｐ１Ａは、後述する燃焼部２８と接続され、原料分岐管Ｐ１Ｂは、改質器１２と接続されている。なお、燃焼部２８に供給する原料ガスは必要に応じて脱硫すればよく、脱硫していない原料ガスを燃焼部２８に直接供給してもよい。

（改質器）
改質器１２は、脱硫後の都市ガスと改質用の水とを混合しつつ加熱し、混合ガスを発生させる予熱流路２２と、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Ｇ１を生成する改質触媒層２４とを備える。また、改質反応の熱源となる燃焼部２８を備える。改質ガスＧ１には、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、メタンが含まれている。また、改質器１２は、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、水素と二酸化炭素とに変換するＣＯ変成触媒層２６を備える。改質ガスＧ２では、改質ガスＧ１に比べ、一酸化炭素が低減される。改質器１２としては、筒状の部材を同心円状に配置して構成される多重筒型改質器等を用いることができる。

改質器１２の予熱流路２２には、脱硫器６０から都市ガスを供給するための原料分岐管Ｐ１Ｂ、及び、改質水を供給するための改質水供給管Ｐ９が接続されている。予熱流路２２には、原料分岐管Ｐ１Ｂから都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質水が供給される。都市ガス及び改質水は、予熱流路２２を流れ、燃焼部２８からの熱により加熱され、水が気化され、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。

予熱流路２２を経た混合ガスは、改質触媒層２４へ供給される。改質触媒層２４には、都市ガスを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するための触媒が設けられている。予熱流路２２にて生成された混合ガスは、改質触媒層２４で燃焼部２８からの熱により加熱され、水蒸気改質反応、二酸化炭素改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。

改質触媒層２４で生成された改質ガスＧ１は、ＣＯ変成触媒層２６へ送出される。ＣＯ変成触媒層２６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。なお、ＣＯ変成触媒層２６よりも下流に、更に一酸化炭素を除去するためのＣＯ選択酸化触媒層を設けてもよい。ＣＯ変成触媒層２６、またはＣＯ変成触媒層２６及びＣＯ選択酸化触媒層を経た改質ガスＧ２は、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

燃焼部２８には、オフガス管Ｐ７が接続されており、後述するオフガスがオフガス管Ｐ７から燃料として供給される。さらに、この燃焼部２８の上端部には、燃焼用空気を供給するための空気供給管Ｐ２が接続されている。また、燃焼部２８には、さらに原料供給管Ｐ１から分岐された原料分岐管Ｐ１Ａが接続されている。原料分岐管Ｐ１Ａには、空気供給管Ｐ２から分岐された空気分岐管Ｐ２Ａが接続されている。燃焼部２８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。

燃焼部２８からの燃焼排ガスは、改質器１２内での熱交換のための流路（不図示）へ送出される。熱交換後の燃焼排ガスは、改質器１２の外のガス排出管Ｐ１０へ排出される。

改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、図１に示すように、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６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、改質器１２、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６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３０は、上部が気体室３０Ａとされ、下部が液体室３０Ｂとされている。気体室３０Ａには、改質ガス排出管Ｐ３の下流端が接続されている。また、気体室３０Ａには、連絡流路管Ｐ４の上流端が接続されている。液体室３０Ｂの底部には、改質ガス水配管Ｐ８Ａが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧前水分離部３０の上流に配置された熱交換器ＨＥ１において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３０Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａへ送出される。
なお、昇圧前水分離部３０において、改質ガス中の水分がある程度除去され、残りの水分は、後述する昇圧後水分離部３２で除去することができる。

（圧縮機）
圧縮機１４は、昇圧前水分離部３０から供給された改質ガスを多段で圧縮して昇圧し、昇圧後水分離部３２へ供給する。本実施形態の圧縮機１４は、所謂２段圧縮機と呼ばれるものであり、昇圧前水分離部３０からの改質ガスを圧縮する低圧側圧縮部１４Ａと、低圧側圧縮部１４Ａで圧縮された改質ガスを更に圧縮する高圧側圧縮部１４Ｂとを備えている。

本実施形態の低圧側圧縮部１４Ａ、及び高圧側圧縮部１４Ｂには、一例として、レシプロ式のコンプレッサを用いることができるが、ロータリー式等の他の形式のコンプレッサを用いてもよい。
低圧側圧縮部１４Ａには、低圧側圧縮部１４Ａを冷却するための低圧側冷却部１５Ａが隣接して設けられており、高圧側圧縮部１４Ｂには、高圧側圧縮部１４Ｂを冷却するための高圧側冷却部１５Ｂが隣接して設けられている。

低圧側圧縮部１４Ａのガス流入部には、昇圧前水分離部３０からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ４が接続されている。
低圧側圧縮部１４Ａのガス流出部と高圧側圧縮部１４Ｂのガス流入部とは、低圧側圧縮部１４Ａで圧縮された改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ１５で接続されている。

高圧側圧縮部１４Ｂのガス流出部には、昇圧後水分離部３２へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ５が接続されている。

圧縮機１４の低圧側圧縮部１４Ａよりも上流側、昇圧前水分離部３０よりも下流側には、バッファタンク３５が設けられている。バッファタンク３５は、昇圧前水分離部３０から供給される改質ガスを蓄積する。バッファタンク３５で一旦蓄積された改質ガスが、圧縮機１４の低圧側圧縮部１４Ａへ送出される。また、バッファタンク３５には、後述する、濃度測定後水素ガス排出管Ｐ１４（図２参照）が接続されている。

(冷却水の経路)
図１、及び図２に示すように、水素製造装置１０Ａには、改質ガスを冷却する熱交換器ＨＥ１、熱交換器ＨＥ２、及び熱交換器ＨＥ３と、燃焼ガスを冷却する熱交換器ＨＥ４とが設けられている。これらの熱交換器ＨＥ１、熱交換器ＨＥ２、熱交換器ＨＥ３、熱交換器ＨＥ４には、一例として、水素製造装置１０Ａの外部に設けられた冷却水供給源７０から冷却水が供給され、改質ガス、及び燃焼ガスの冷却に用いた冷却水は、水素製造装置１０Ａの外部に設けられた排水設備７２へ排出される。
なお、冷却水供給源７０は、一例として、上水道（市水）を上げることができるが、改質ガス、及び燃焼ガスを冷却できる冷却水を供給できるものであれば、工業用の冷却水を供給する設備等であってもよい。
排水設備７２は、一例として、下水道を上げることができるが、下水道以外であってもよい。工業用の冷却水を供給する設備から冷却水が供給された場合、使用済みの冷却水は、工業用の冷却水を供給する設備に戻してもよい。また、使用済みの冷却水は、クーリングタワー等で冷却し、再利用してもよい。

冷却水供給源７０には、配管Ｐ１６の一端が接続されており、配管Ｐ１６の他端には、分岐部を介して配管Ｐ１８の一端、配管Ｐ２０の一端、及び配管Ｐ２２の一端が接続されている。
配管Ｐ１８の中間部には、熱交換器ＨＥ４が設けられている。
配管Ｐ２０の中間部には、熱交換器ＨＥ３が設けられている。

配管Ｐ２２の他端は、圧縮機１４の低圧側冷却部１５Ａの冷却水流入部に接続されている。配管Ｐ２２の中間部には、冷却水供給源７０側に熱交換器ＨＥ２が設けられ、低圧側冷却部１５Ａ側に熱交換器ＨＥ１が設けられており、冷却水は、熱交換器ＨＥ２、熱交換器ＨＥ１の順に流れる。

圧縮機１４の低圧側冷却部１５Ａの冷却水排出部には配管Ｐ２４の一端が接続され、配管Ｐ２４の他端は、圧縮機１４の高圧側冷却部１５Ｂの冷却水流入部に接続されており、低圧側冷却部１５Ａからの冷却水が高圧側冷却部１５Ｂに流入する。

高圧側冷却部１５Ｂの冷却水排出部には、配管Ｐ２６の一端が接続されている。
配管Ｐ１８の他端、配管Ｐ２０の他端、及び配管Ｐ２６の他端は、配管Ｐ２８の一端に接続されており、配管Ｐ２８の他端が排水設備７２に接続されている。

（昇圧後分離部）
昇圧後水分離部３２は、上部が気体室３２Ａとされ、下部が液体室３２Ｂとされている。気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ５の下流端が接続されている。また、気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ６の上流端が接続されている。液体室３２Ｂの底部には、改質ガス水配管Ｐ８Ｂが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧後水分離部３２の上流に配置された熱交換器ＨＥ２において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３２Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂへ送出される。

昇圧後水分離部３２よりも下流側、水素精製器１６よりも上流側には、バッファタンク３６が設けられている。バッファタンク３６は、昇圧後水分離部３２から供給される改質ガスを蓄積する。バッファタンク３６で一旦蓄積された改質ガスは、水素精製器１６へ送出される。

（水素精製器）
水素分離器としての水素精製器１６には、昇圧後水分離部３２から送出された改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ６の下流端が接続されている。水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ装置が使用される。この水素精製器１６により改質ガスが水素ガス（製品水素ガス）と水素以外の不純物を含むオフガスに分離される。水素精製器１６には、製品水素配管Ｐ１１が接続されており、精製された製品水素ガスは製品水素配管Ｐ１１へ送出される。オフガスは、後述するオフガス管Ｐ７へ送出される。

製品水素配管Ｐ１１は、製品水素タンク５０と接続されている。

水素精製器１６のオフガスを排出する側には、オフガス管Ｐ７の上流端が接続されている。オフガス管Ｐ７の下流端は、改質器１２の燃焼部２８と接続されている。水素精製器１６からは、水素精製により分離されたオフガスが、オフガス管Ｐ７へ送出される。オフガス管Ｐ７には、オフガスタンク１８が設けられている。オフガスは、オフガスタンク１８に一時貯留される。

オフガスタンク１８の出口側に接続されたオフガス管Ｐ７は、改質器１２の燃焼部２８と接続されており、オフガス管Ｐ７を流れるオフガスは、燃焼部２８へ供給される。

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部３４は、上部が気体室３４Ａとされ、下部が液体室３４Ｂとされている。気体室３４Ａには、ガス排出管Ｐ１０の下流端が接続されている。また、気体室３４Ａには、外部排出管Ｐ１２が接続されている。液体室３４Ｂ底部には、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃが接続されている。

燃焼排ガスは、燃焼部２８からガス排出管Ｐ１０へ送出される。燃焼排ガス中の水蒸気は、燃焼排ガス水分離部３４の上流に配置された熱交換器ＨＥ４において冷却されることによって凝縮される。凝縮により燃焼排ガスから分離された水は、液体室３４Ｂに貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃ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Ｐ１２から外部へ排出される。

水素製造装置１０Ａの底部には、水タンク４０が配置されている。水タンク４０には、水流入口４０Ａが形成されており、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂ、及び燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃは、合流後に水流入口４０Ａと接続されている。合流後の配管を水流入管Ｐ８と称する。水流入管Ｐ８の内径は、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径よりも大径とされている。

水タンク４０は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４において貯留可能な水の総量よりも大容量とされており、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている。ここで、「水タンク４０が昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている」とは、液体室３０Ｂの底部、液体室３２Ｂの底部、及び液体室３４Ｂの底部が、水タンク４０の水流入口４０Ａよりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。

水タンク４０には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９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）４２が設けられている。また、改質水供給管Ｐ９には、ポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動により、水タンク４０に貯留された水が水処理器４２を経て改質器１２へ供給される。改質水供給管Ｐ９の水処理器４２よりも下流側、ポンプ４４よりも上流側には、純水供給管Ｐ１３が接続されている。純水供給管Ｐ１３からは改質器１２へ、改質水供給管Ｐ９を経て、必要に応じ純水が供給される。

（作用）
次に、水素製造装置１０Ａの作用について説明する。
水素製造運転時には、原料供給管Ｐ１から脱硫器６０へ都市ガスが供給される。脱硫器６０の触媒部６２では、都市ガスに含まれる硫黄化合物が除去され、脱硫処理後の都市ガスが、原料供給管Ｐ１へ送出される。

原料供給管Ｐ１から改質器１２へ脱硫処理後の都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質器１２へ改質水が供給される。予熱流路２２で都市ガス、改質水が混合されつつ加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４へ供給される。

改質触媒層２４では、燃焼部２８からの燃焼排ガスにより加熱されて、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。ＣＯ変成触媒層２６へ供給され、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２６を通過した改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３に設けられた熱交換器ＨＥ１を経て、昇圧前水分離部３０の気体室３０Ａへ供給される。気体室３０Ａへ供給された改質ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ１での冷却により凝縮されて液体室３０Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａを経て水タンク４０へ送出される。気体室３０Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ４を流れてバッファタンク３５へ供給される。バッファタンク３５では、改質器１２からの改質ガスを一時貯留して圧力変動を緩和し、当該改質ガスを圧縮機１４の低圧側圧縮部１４Ａへ供給する。

圧縮機１４では、まず最初に、バッファタンク３５から供給された改質ガスが低圧側圧縮部１４Ａで圧縮され、低圧側圧縮部１４Ａで圧縮された改質ガスは、熱交換器ＨＥ３で冷却され、高圧側圧縮部１４Ｂに供給される。高圧側圧縮部１４Ｂでは、低圧側圧縮部１４Ａで圧縮され熱交換器ＨＥ３で冷却された改質ガスが更に圧縮される。

圧縮機１４の高圧側圧縮部１４Ｂで圧縮された改質ガスは、連絡流路管Ｐ５を流れ熱交換器ＨＥ２を経て昇圧後水分離部３２の気体室３２Ａへ供給される。気体室３２Ａへ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ２での冷却により凝縮されて液体室３２Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂを経て水タンク４０へ送出される。気体室３２Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ６を流れて水素精製器１６へ供給される。

水素精製器１６では、改質ガスが水素ガス（製品水素ガス）と、不純物を含むオフガスと、に分離され、製品水素ガスは製品水素配管Ｐ１１へ送出される。製品水素配管Ｐ１１へ送出された製品水素ガスは、製品水素タンク５０に貯留される。

改質ガスから分離された水素以外の不純物を含むオフガスは、オフガス管Ｐ７を流れてオフガスタンク１８へ一時貯留される。オフガスタンク１８からは、オフガスが送出され、当該オフガスは、オフガス管Ｐ７を経て、燃料として改質器１２の燃焼部２８へ供給される。

改質器１２の燃焼部２８では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管Ｐ１０を介して燃焼排ガス水分離部３４の気体室３４Ａへ供給される。気体室３４Ａへ供給された燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ４での冷却により凝縮されて液体室３４Ｂへ貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃを経て水タンク４０へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２を経て外部へ排出される。なお、熱交換器ＨＥ４を通過した後の冷却水は、配管Ｐ２８を介して排水設備７２に排出される。

以下に、冷却水による、改質ガス、及び圧縮機１４の冷却について補足する。
冷却水供給源７０から排出された冷却水は、配管Ｐ１６を通過後、合流部を介して配管Ｐ１８、配管Ｐ２０、及び配管Ｐ２２に供給される。ここで、冷却水供源７０から排出される冷却水の温度は、Ｔ１（°Ｃ）とする。ここで、冷却水供源７０から排出される冷却水の温度は、装置内において最も低い。

配管Ｐ２０に供給された冷却水供源７０からの冷却水は、熱交換器ＨＥ３にて圧縮機１４の低圧側圧縮部１４Ａを通過した後の改質ガスとの間で熱交換を行い、該改質ガスの冷却を行う。これにより、低圧側圧縮部１４Ａで圧縮されて昇温した改質ガスが熱交換器ＨＥ３で冷却され、冷却された改質ガスを高圧側圧縮部１４Ｂに供給することができる。なお、熱交換器ＨＥ３には、冷却水供源７０からの冷却水が直に供給されるので、改質ガスを効率的に冷却することができる。熱交換器ＨＥ３を通過した後の冷却水は、配管Ｐ２８を介して排水設備７２に排出される。

次に、配管Ｐ２２に供給された冷却水は、熱交換器ＨＥ２にて、高圧側圧縮部１４Ｂからの改質ガスとの間で熱交換を行い、高圧側圧縮部１４Ｂからの改質ガスを冷却する。これにより、改質ガス中の水蒸気が熱交換器ＨＥ２において冷却されて凝縮され、凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３２Ｂに貯留される。熱交換器ＨＥ２には、冷却水供源７０からの冷却水が直に供給されるので、改質ガスを効率的に冷却することができる。
熱交換器ＨＥ２に装置内において水温の低い冷却水を通す理由は、水分の少ない改質ガスを水素精製器１６に流入させ、水分の少ない水素ガスを製造するためである。

熱交換器ＨＥ２を通過した後の冷却水は、熱交換器ＨＥ１にて改質器１２からの改質ガスとの間で熱交換を行い、改質器１２からの改質ガスを冷却する。これにより、改質ガス中の水蒸気が熱交換器ＨＥ１において冷却されて凝縮され、凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３０Ｂに貯留される。

低圧側圧縮部１４Ａは、改質ガスを圧縮する際に発生する熱で加熱されるが、熱交換器ＨＥ１を通過した冷却水が低圧側冷却部１５Ａに供給されることで低圧側圧縮部１４Ａは冷却される。

低圧側冷却部１５Ａを通過した後の冷却水は、配管Ｐ２４を介して高圧側冷却部１５Ｂに供給される。高圧側圧縮部１４Ｂは、改質ガスを圧縮する際に発生する熱で加熱されるが、低圧側冷却部１５Ａを通過した冷却水が高圧側冷却部１５Ｂに供給されることで高圧側圧縮部１４Ｂは冷却される。

なお、高圧側圧縮部１４Ｂを冷却した後の冷却水は、配管Ｐ２６、及び配管Ｐ２８を介して排水設備７２に排出される。

本実施形態の水素製造装置１０において、圧縮機１４の冷却について補足する。
冷却水供源７０から排出された冷却水は、熱交換器ＨＥ２、熱交換器ＨＥ１、低圧側冷却部１５Ａの順番で加熱されるため、熱交換器ＨＥ２、熱交換器ＨＥ１、低圧側冷却部１５Ａを通過した冷却水は、冷却水供源７０から排出された直後の冷却水（熱交換が行われていない冷却水）よりも温度が高くなっている。

ここで、温度が低い冷却水（一例として、冷却水供源７０から排出された直後の冷却水（Ｔ１°Ｃ））を高圧側冷却部１５Ｂに供給する場合と、相対的に温度が高い冷却水（一例として、熱交換器ＨＥ２、熱交換器ＨＥ１、及び低圧側冷却部１５Ａで加熱された冷却水（Ｔ１＋α°Ｃ）。）を高圧側冷却部１５Ｂに供給する場合とを考えると、温度が低い冷却水を供給された高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂの方が、温度が高い冷却水を供給された高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂよりも低温となる。

そのため、温度が低い冷却水が供給された高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂにおいては、内部に供給された改質ガスの露点温度よりも高圧側圧縮部１４Ｂの温度が低くなり、高圧側圧縮部１４Ｂの改質ガス中の水蒸気が凝縮し易く、水蒸気が凝縮した水が生じやすい。

即ち、高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスの露点をＴ２（°Ｃ）、高圧側冷却部１５Ｂに流入する冷却水の温度をＴ３（°Ｃ）とすると、Ｔ２よりもＴ３の温度が低い場合、高圧側圧縮部１４Ｂの内部で、改質ガス中の水が結露してしまう可能性がある。さらに、高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスは、大気圧よりは昇圧されているため、圧縮機１４の停止時等に、その場所に改質ガスが留まることを想定すると、ガス温度よりもさらに高い温度で凝縮してしまう懸念がある。

本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、冷却水供源７０から排出された直後の冷却水（温度Ｔ１）よりも温度が高い冷却水を高圧側冷却部１５Ｂに供給するので、高圧側冷却部１５Ｂに流入する冷却水の温度Ｔ３を、高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスの露点温度Ｔ２よりも高くすることができる。このため、運転中、及び停止中においても、高圧側圧縮部１４Ｂの内部において、改質ガス中の水蒸気の凝縮が抑制され、高圧側圧縮部１４Ｂの内部で水の発生が抑制される。

このようにして、本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、圧縮機１４の高圧側圧縮部１４Ｂにおける水の発生が抑制されるので、圧縮機１４の不具合の発生を抑制し、耐久性を向上させることができ、また、安全性を向上させることができる。

圧縮機１４で生ずる水による不具合とは、一例として、潤滑に使用するグリスが固着したり、金属部材が腐食する等である。

また、本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、冷却水を生成するためのチラーを必要としないため、水素製造装置１０Ａの運転に必要な消費電力を減らすことができ、また、水素製造装置１０Ａの部品点数削減により、小型化、コンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、高圧側圧縮部１４Ｂに供給する改質ガスを、熱交換器ＨＥ３で、冷却水供源７０から供給されて他の熱交換器を通過していない冷却水との間で熱交換を行っているため、高圧側圧縮部１４Ｂに供給する改質ガスを効率的に冷却することができ、他の熱交換器を通過させて温まった冷却水との間で熱交換を行った改質ガスよりも低温の改質ガスを高圧側圧縮部１４Ｂに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。

図３に示すように、本実施形態の水素製造装置１０Ｂでは、第１の実施形態の水素製造装置１０Ａとは、圧縮機１４に供給される冷却水の通過経路が異なっている。
本実施形態の水素製造装置１０Ｂでは、冷却水供源７０から排出された冷却水は、熱交換器ＨＥ１、熱交換器ＨＥ２、低圧側冷却部１５Ａを順に介して高圧側冷却部１５Ｂに供給される。

本実施形態の水素製造装置１０Ｂでは、冷却水供源７０から排出された直後の冷却水よりも温度が高い冷却水を高圧側冷却部１５Ｂに供給するので、該高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂにおいては、第１の実施形態と同様に、高圧側冷却部１５Ｂに流入する冷却水の温度Ｔ３を、高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスの露点温度Ｔ２よりも高くすることができる。これにより、本実施形態の水素製造装置１０Ｂにおいても、高圧側圧縮部１４Ｂの改質ガス中の水蒸気の凝縮が抑制され、水蒸気の凝縮による水の発生が抑制される。

圧縮機１４の低圧側圧縮部１４Ａに供給する改質ガスは、冷却水供源７０から排出された直後の装置内で最も温度が低い冷却水（温度はＴ１（°Ｃ））が供給される熱交換器ＨＥ１で冷却され、低圧側圧縮部１４Ａに供給する改質ガスの露点温度を下げることができる。このため、余分な圧縮をしなければならないガス量が減り、圧縮機１４の負荷を減らすことができる。

＜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。

図４に示すように、本実施形態の水素製造装置１０Ｃでは、第１の実施形態の水素製造装置１０Ａ、及び第２の実施形態の水素製造装置１０Ｂとは、圧縮機１４に供給される冷却水の通過経路が異なっている。

本実施形態の水素製造装置１０Ｃでは、配管Ｐ１８の中間部に熱交換器ＨＥ２が設けられ、配管Ｐ２０の中間部に熱交換器ＨＥ４が設けられ、配管Ｐ２２の中間部に熱交換器ＨＥ３が設けられている。また、熱交換器ＨＥ１は、配管Ｐ１６と配管Ｐ２８とを連通する配管Ｐ３４の中間部に設けられている。

本実施形態では、冷却水供源７０から排出された冷却水は、配管Ｐ２２を通過し、熱交換器ＨＥ３、及び低圧側冷却部１５Ａを介して温度が高められ、高圧側冷却部１５Ｂに供給される。高圧側冷却部１５Ｂに流入する冷却水の温度Ｔ３を、高圧側冷却部１５Ｂに隣接する高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスの露点温度Ｔ２よりも高くすることができる。これにより、本実施形態の水素製造装置１０Ｃにおいても、高圧側圧縮部１４Ｂの改質ガス中の水蒸気の凝縮が抑制され、水蒸気の凝縮による水の発生が抑制される。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。前述した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１０Ｄは、第１の実施形態の水素製造装置１０Ａの変形例である。図５に示すように、本実施形態の水素製造装置１０Ｄでは、低圧側圧縮部１４Ａのガス流出部と高圧側圧縮部１４Ｂのガス流入部とを連結する連絡流路管Ｐ１５において、熱交換器ＨＥ３と高圧側圧縮部１４Ｂとの間に、昇圧後水分離部３２と同様の構成とされた昇圧後水分離部８０が設けられている。

昇圧後水分離部８０は、上部が気体室８０Ａとされ、下部が液体室８０Ｂとされている。気体室８０Ａには、連絡流路管Ｐ１５の下流端が接続されている。また、気体室８０Ａには、連絡流路管Ｐ３０の上流端が接続されている。液体室８０Ｂの底部には、改質ガス水配管Ｐ３２が接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧後水分離部８０の上流に配置された熱交換器ＨＥ３で冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室８０Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ３２を介して水タンク４０へ送出される。

本実施形態の水素製造装置１０Ｄでは、高圧側圧縮部１４Ｂに流入する前の改質ガス中の水分を昇圧後水分離部８０を用いて除去するので、第１の実施形態の水素製造装置１０Ａに比較して、水分の少ない改質ガス、言い換えれば露点温度の低い改質ガスを高圧側圧縮部１４Ｂに供給することができる。なお、その他の作用、効果は、第１の実施形態と同様である。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の一例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。
少なくとも、多段圧縮機の２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に対して、該２段目以降の圧縮部に流入する改質ガスの露点温度よりも高い温度の冷却水を供給できればよい。

上記実施形態では、２段目の高圧側圧縮部１４Ｂに備えられた高圧側冷却部１５Ｂに供給する冷却水は、少なくとも冷却水供源７０から排出された直後の冷却水の温度Ｔ１よりも高く、かつ２段目の高圧側圧縮部１４Ｂに流入する改質ガスの露点温度Ｔ２よりも高くできればよい。冷却水が熱交換器ＨＥ１～３、及び低圧側冷却部１５Ａを通過する順番は、上記実施形態の順番に限定されない。また、高圧側冷却部１５Ｂに供給する冷却水は、が熱交換器ＨＥ１～３、及び低圧側冷却部１５Ａの少なくとも１つを通過させて温めればよい。

上記実施形態の水素製造装置１０Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに用いた圧縮機１４は、２段圧縮機であったが、圧縮機１４は、３以上の圧縮部を備えた多段圧縮機であってもよい。３以上の圧縮部を備えた多段圧縮機では、２段目以降の圧縮部に備えられた冷却部に、熱交換器、１段目の圧縮部に備えられた冷却部の少なくとも１つを通過させて温められた冷却水を供給すればよい。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 水素製造装置
１２ 改質器
１４ 圧縮機（多段圧縮機）
１４Ａ 低圧側圧縮部（圧縮部）
１４Ｂ 高圧側圧縮部（圧縮部）
１５Ａ 低圧側冷却部（冷却部）
１５Ｂ 高圧側冷却部（冷却部）
１６ 水素精製器（水素分離器）
ＨＥ１ 熱交換器
ＨＥ２ 熱交換器
ＨＥ３ １段圧縮済み改質ガス用熱交換器
ＨＥ４ 熱交換器

Claims (5)

1. 原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、
   前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、
   複数の前記圧縮部の各々に備えられ外部より供給された冷却水で前記圧縮部を冷却する冷却部と、
   １段目の前記圧縮部に備えられた前記冷却部を通過した前記冷却水を、２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する冷却水路と、
   を有する水素製造装置。
2. 原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、
   前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、
   前記改質器から前記水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられ、前記改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   複数の前記圧縮部の各々に備えられて前記圧縮部を冷却する冷却部と、
   前記熱交換器を通過した前記冷却水を前記多段圧縮機の２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する冷却水路と、
   を有する水素製造装置。
3. 原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスから水素ガスを分離する水素分離器と、
   前記改質器で生成された前記改質ガスを複数の圧縮部で段階的に圧縮して前記水素分離器に送出する多段圧縮機と、
   前記改質器から前記水素分離器に至る改質ガス供給路に設けられ、前記改質ガスと外部より供給された冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、
   複数の前記圧縮部の各々に備えられて前記冷却水で前記圧縮部を冷却する冷却部と、
   前記熱交換器、及び１段目の前記圧縮部に備えられた前記冷却部を通過した前記冷却水を前記多段圧縮機の２段目以降の前記圧縮部に備えられた前記冷却部に供給する冷却水路と、
   を有する水素製造装置。
4. 前記熱交換器は、１段目の前記圧縮部に流入する前の前記改質ガスと前記冷却水との熱交換、及び２段目以降の前記圧縮部から前記水素分離器に供給される前記改質ガスと前記冷却水との熱交換の少なくとも一方を行う、
   請求項３に記載の水素製造装置。
5. １段目の前記圧縮部で圧縮された前記改質ガスを２段目以降の前記圧縮部に供給する前記改質ガス供給路に、前記改質ガスと外部より供給されて前記熱交換器を通過していない前記冷却水との間で熱交換を行う１段圧縮済み改質ガス用熱交換器が設けられている、請求項２～請求項４の何れか１項に記載の水素製造装置。

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