JP5057683B2

JP5057683B2 - 水素製造装置

Info

Publication number: JP5057683B2
Application number: JP2006099544A
Authority: JP
Inventors: 昇椿原
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007269593A

Description

本発明は、炭化水素ガスを原料として高純度の水素ガスを生成する水素製造装置に関する。

燃料電池などの燃料として水素ガスを利用するために、炭化水素ガスとしての例えば都市ガスから高純度の水素ガスを生成する水素製造装置が提案され実用に供されている（例えば、特許文献１参照）。この種の水素製造装置は、例えば、図２に示す構成であり、改質装置２、昇圧装置４、水素精製装置６、水素貯蔵タンク８及びオフガス用タンク１０を備えている。改質装置２においては、炭化水素ガスとしての都市ガスと水蒸気とを用いて改質反応が行われて水素リッチガスが生成される。水素リッチガスは第１送給流路１２を介して昇圧装置４に送給され、この昇圧装置４により昇圧される。昇圧された水素リッチガスは第２送給流路１４を通して水素精製装置６に送給され、水素精製装置６にて不純物が除去され、高純度水素ガスが水素貯蔵タンク８に貯蔵され、このようにして水素ガスが精製される。

このような水素製造装置では、第１送給流路１２と第２送給流路１４との間に昇圧装置４をバイパスしてバイパス流路１６が設けられ、このバイパス流路１６に圧力調整弁１８が配設されている。圧力調整弁１８は第２送給流路１４に配設された圧力検知手段２０の検知圧力に基づいて開閉制御され、第２送給流路１４の水素リッチガスの圧力が所定圧力を超えると、圧力調整弁１８が開放されて第２送給流路１４の水素リッチガスの一部がバイパス流路１６を通して第１送給流路１２に戻される。また、第２送給流路１４には流量制御弁２２が配設され、この流量制御弁２２は第２送給流路１４に配設された流量検出手段２４の検出流量に基づいて開閉制御される。

特開２００４−２９９９９５号公報

上述した水素製造装置では、水素精製装置６の精製効率を高めるためには、水素精製装置の流入側圧力を高く保持するのが望ましい。一方、安全上の観点から、第２送給流路１４の水素リッチガスは、圧力調整弁１８によって所定圧力（例えば、０．９８Ｍｐａ）に維持されるように構成されるが、この第２送給流路１４に圧力検出手段２０、流量制御弁２２及び流量検出手段２４が配設されているので、これらが第２送給流路１４を流れる水素リッチガスの抵抗となって圧力損失が生じ、このことに起因して、水素精製装置６の流入側圧力が幾分低下し、水素精製装置６の精製効率が低下するという問題がある。

本発明は、第２送給流路における圧力損失をできる限り少なくし、水素精製装置の精製効率を高めることができる水素製造装置を提供することである。

本発明の請求項１に記載の水素製造装置は、炭化水素ガスを改質反応させて水素リッチガスを生成するための改質装置と、前記改質装置にて改質された水素リッチガスを圧縮して昇圧するための昇圧装置と、昇圧された水素リッチガスに含まれた不純物を除去して高純度水素ガスを生成するための水素精製装置と、精製された高純度水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵タンクと、を備えた水素製造装置であって、
前記昇圧装置をバイパスしてバイパス流路が設けられ、前記バイパス流路の一端側は前記改質装置と前記昇圧装置を接続する第１送給流路に接続され、その他端側は前記昇圧装置と前記水素精製装置とを接続する第２送給流路に接続され、
前記バイパス流路には流量制御弁が設けられ、前記流量制御弁は前記第１送給流路を流れる水素リッチガスの流量及び前記第２送給流路を流れる水素リッチガスの圧力に基づいて開閉制御されることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の水素製造装置では、前記第１送給流路には流量検出手段が設けられ、前記第２送給流路には圧力検出手段が設けられ、前記流量制御弁は、前記流量検出手段及び前記圧力検出手段の検出信号に基づいて開閉制御されることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の水素製造装置によれば、昇圧装置をバイパスしてバイパス流路が設けられ、このバイパス流路に流量制御弁が設けられ、この流量制御弁が第１送給流路を流れる水素リッチガスの流量及び第２送給流路を流れる水素リッチガスの圧力に基づいて開閉制御される。そして、第２送給流路の水素リッチガスの圧力が所定圧力（例えば、０．９８ＭＰａ）を超えると、流量制御弁が開放されて（流量制御弁が開放されているときには、その開度が更に大きくなる）水素リッチガスの一部が第２送給流路からバイパス流路を通して第１送給流路に流れるので、第２送給流路の水素リッチガスの圧力を所定圧力に維持することができる。また、第１送給流路を通して流れる水素リッチガスの流量が所定量より多くなる（又は少なくなる）と、流量制御弁の開度が大きくなり（又は小さくなり）、第２送給流路からバイパス流路を通して第１送給流路に流れる戻り流量が多くなり（又は少なくなり）、これによって水素精製装置に送られる水素リッチガスの送給量が減少（又は増加）する。このような水素製造装置では、従来の水素製造装置に設けられていた圧力調整弁及び流路制御弁をバイパス流路に設けた流量制御弁に置き換えることができ、これによって、第２送給流路における圧力損失を小さくすることができ、その結果、水素精製装置での精製効率を高めることができる。

また、本発明の請求項２に記載の水素製造装置によれば、第１送給流路に流量検出手段が設けられ、第２送給流路に圧力検出手段が設けられるので、これら流量検出手段の検知流量及び圧力検出手段の検知圧力に基づいて流量制御弁を開閉制御することによって、第２送給流路における水素リッチガスの圧力を所定圧力に維持することができるとともに、第２送給流路を通して水素精製装置に送給される水素リッチガスの流量を所定流量に維持することができる。

以下、図１を参照して、本発明に従う水素製造装置の一実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態の水素製造装置を簡略的に示す簡略図である。
図１において、図示の水素製造装置は、炭化水素ガスを改質する改質装置１０２、例えばコンプレッサから構成される昇圧装置１０４、水素リッチガスを精製して高純度水素ガスを生成する水素精製装置１０６と、生成された高純度水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵タンク１０８と、水素精製装置１０６からのオフガスを一時的に貯蔵するためのオフガス貯蔵タンク１１０と、を備えている。

改質装置１０２は燃焼バーナ１１２を備え、この燃焼バーナ１１２の燃焼ガスの熱を利用して改質装置１０２が７５０℃前後の高温に維持される。この改質装置１０２には原料供給流路１１４及び水蒸気供給流路１１６が接続され、この原料供給流路１１４を通して原料である炭化水素ガス、例えば都市ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）が供給されるとともに、水蒸気供給流路１１６を通して水蒸気が供給される。また、原料供給流路１１４から分岐して燃料供給流路１１８が設けられ、原料供給流路１１４を流れる炭化水素ガスの一部が燃料供給流路１１８を通して燃焼バーナ１１２に供給される。改質装置１０２には改質触媒が充填され、炭化水素ガス及び水蒸気が高温状態下で改質反応し、水素成分が多い水素リッチガスが生成される。

改質装置１０２と昇圧装置１０４とは第１送給流路１２０を介して接続され、昇圧装置１０４と水素精製装置１０６とは第２送給流路１２２を介して接続されている。改質装置１０２にて改質された水素リッチガスは第１送給流路１２０を通して昇圧装置１０４に送給され、この昇圧装置１０４にて所定圧力に昇圧された後に第２送給流路１２２を通して水素精製装置１０６に送給される。改質装置１０２にて改質された水素リッチガスは、例えば０．１５ＭＰａ又はそれより幾分高い圧力状態であり、このような圧力状態のものが昇圧装置１０４によって例えば０．９８ＭＰａに昇圧される。

水素精製装置１０６はそれ自体周知のものであり、例えば、活性アルミナ、カーボンモレキュラーシープ（ＣＭＳ）、ゼオライトなどの吸着剤を充填した圧力スイング式の水素精製装置である。この水素精製装置１０６は、加圧下において水素リッチガスからこれに含まれた水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着除去して高純度の水素ガスを精製し、またその吸着した不純物を減圧下において吸着剤から脱着させる。このような水素精製装置１０６としては、例えば、３塔の水素精製部を備え、各水素精製部において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を順に繰り返すことによって、高純度の水素を連続的に精製することができる。

水素精製装置１０６と水素貯蔵タンク１０８とは第３送給流路１２４を介して接続され、この第３送給流路１２４に開閉弁１２６が配設されている。開閉弁１２６が開状態のときには、水素精製装置１０６にて精製された高純度水素ガスが第３送給流路１２４を通して水素貯蔵タンク１０８に送給され、この水素貯蔵タンク１０８に貯蔵される。また、開閉弁１２６が閉状態のときには、水素精製装置１０６と水素貯蔵タンク１０８との連通が遮断され、水素貯蔵タンク１０８に貯蔵された高純度水素ガスが水素精製装置１０６側に流れることはない。尚、水素貯蔵タンク１０８に貯蔵された高純度水素ガスは、需要に応じて水素ガス送出流路１２８を通して送出される。

水素精製装置１０６とオフガスタンク１１０とはオフガス送給流路１３０を介して接続され、このオフガスタンク１１０と燃料供給流路１１８とがオフガス供給流路１３２を介して接続されている。水素精製装置１０６にて生じるオフガスは、オフガス送給流路１３０を通してオフガス貯蔵タンク１１０に一時的に貯えられ、このオフガス貯蔵タンク１１０のオフガスは、オフガス供給流路１３２を通して燃料供給流路１１８に供給され、燃料供給流路１１８を通して供給される炭化水素ガスに混合されて燃焼バーナ１１２に供給され、炭化水素ガスとともに燃焼される。

この水素製造装置には、更に、昇圧装置１０４をバイパスしてバイパス流路１３４が設けられ、その一端側が第１送給流路１２０に接続され、その他端側が第２送給流路１２２に接続されている。このバイパス流路１３４には流量制御弁１３６が設けられ、流量制御弁１３６はコントローラ１３８によって開閉制御されるように構成されている。

この実施形態では、第１送給流路１２０には流量検出手段１４０が設けられ（具体的には、バイパス流路１３４の一端側の接続部位よりも上流側に設けられる）、また第２送給流路１２２には圧力検出手段１４２が設けられ（具体的には、バイパス流路１３４の他端側の接続部位よりも下流側に設けられる）、流量検出手段１４０及び圧力検出手段１４２からの検出信号がコントローラ１３８に送給され、コントローラ１３８は流量検出手段１４０の検知流量及び圧力検出手段１４２の検知圧力に基づいて流量制御弁を開閉制御する。

この水素製造装置において、流量制御弁１３６の開閉制御は、次の通りにして行われる。例えば、昇圧装置１０４にて昇圧されて第２送給流路１２２を流れる水素リッチガスの圧力が所定圧力（例えば、０．９８ＭＰａ）を超えると、圧力検出手段１４２からの検出信号に基づいてコントローラ１３８は開信号を生成し、この開信号に基づいて流量制御弁１３６を開放する。例えば、流量制御弁１３６が閉状態のときには、この開信号に基づいて開放され、また流量制御弁がある開度のときには、この開度より幾分大きい開度となる。このように開放されると、第２送給流路１２２を流れる水素リッチガスの一部がバイパス流路１３４を通して第１送給流路１２０に流れ、これによって、第２送給流路１２２の水素リッチガスの圧力が下がり、第２送給流路１２２の水素リッチガスの圧力を所定圧力に維持し、所定圧力を超える圧力上昇を防止することができる。

また、第１送給流路１２０を通して流れる水素リッチガスの流量が所定量より多くなる（又は少なくなる）と、流量検出手段１４０からの検出信号に基づいてコントローラ１３８は開信号（又は閉信号）を生成し、この開信号（又は閉信号）に基づいて流量制御弁１３６の開度が大きくなり（又は小さくなり）、第２送給流路１２２からバイパス流路１３４を通して第１送給流路１２０に戻る水素リッチガスの流量が多くなり（又は少なくなり）、これによって水素精製装置１０６に送られる水素リッチガスの送給量が減少（又は増加）し、水素精製装置１０６に送給される水素リッチガスの流量を所定流量に維持することができる。

上述した水素製造装置では、バイパス流路１３４に流量制御弁１３６を設け、この流量制御弁１３６を流量検出手段１４０及び圧力検出手段１４２によって開閉制御することによって、水素精製装置１０６に送給される水素リッチガスの流量及び圧力を所望の通りに制御することができる。

また、このような水素製造装置では、図１と従来の水素製造装置を示す図２とを対比することによって容易に理解される如く、従来の水素製造装置においてバイパス流路に設けられていた圧力調整弁と第２送給流路に設けられていた流量制御弁とを、バイパス流路１３４に設けた流量制御弁１３６に置き換えることができ、これによって、従来存在していた第２送給流路の流量制御弁及びこれに関連する部材を省略することができる。従って、第２送給流路１２２における圧力損失を小さくすることができ、その結果、水素精製装置の流入側における水素リッチガスの圧力を高く維持でき、これによって、水素精製装置の精製効率を高めることができる。

以上、本発明に従う水素製造装置の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

上述した実施形態では、特に図示していないが、昇圧装置１０４と水素精製装置１０６との間に、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素ガスに変成するための一酸化炭素変成装置を設けるようにしてもよい。

第１の実施形態の水素製造装置を簡略的に示す簡略図。従来の水素製造装置を簡略的に示す図。

符号の説明

１０２改質装置
１０４昇圧装置
１０６水素精製装置
１０８水素貯蔵タンク
１２０第１送給流路
１２２第２送給流路
１３４バイパス流路
１３６流量制御弁
１３８コントローラ
１４０流量検出手段
１４２圧力検出手段

Claims

炭化水素ガスを改質反応させて水素リッチガスを生成するための改質装置と、前記改質装置にて改質された水素リッチガスを圧縮して昇圧するための昇圧装置と、昇圧された水素リッチガスに含まれた不純物を除去して高純度水素ガスを生成するための水素精製装置と、精製された高純度水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵タンクと、を備えた水素製造装置であって、
前記昇圧装置をバイパスしてバイパス流路が設けられ、前記バイパス流路の一端側は前記改質装置と前記昇圧装置を接続する第１送給流路に接続され、その他端側は前記昇圧装置と前記水素精製装置とを接続する第２送給流路に接続され、
前記バイパス流路には流量制御弁が設けられ、前記流量制御弁は前記第１送給流路を流れる水素リッチガスの流量及び前記第２送給流路を流れる水素リッチガスの圧力に基づいて開閉制御されることを特徴とする水素製造装置。
前記第１送給流路には流量検出手段が設けられ、前記第２送給流路には圧力検出手段が設けられ、前記流量制御弁は、前記流量検出手段及び前記圧力検出手段の検出信号に基づいて開閉制御されることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。