JP6944349B2 - 水素発生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、天然ガス等の炭化水素系ガスと水および空気（または酸素）を原料とし、化学工場や水素ステーション等の水素利用設備に供給する水素を発生する水素発生装置に関するものである。
化石燃料に替わるエネルギー源の有力候補の一つとして水素が注目されている。水素は、天然ガス等の炭化水素系ガスに、水および空気（または酸素）を添加して改質することにより製造することができる。上記炭化水素系ガスとしては、天然ガスだけでなく、プロパンガス，ガソリン，ナフサ，灯油等のその他化石燃料、メタノール等のアルコール、バイオガス等を用いることができる。このような水素の製造には、炭化水素系ガスの移送など、現状既に構築されているインフラを利用し、水素を必要とする場所で上記の原料を改質して水素を発生させることが行われている。
このような水素発生装置は、原料ガスを改質器で改質して水素リッチな改質ガスを生成し、水素精製部において製品水素を単離するものが多く稼働しており、化学工場などの産業設備や水素ステーションにおいて利用されている。
水素のエネルギー利用と水素需要が拡大するに従い、水素発生装置の高効率化が求められている。特に、高温高圧条件で運転される改質器の熱効率を向上させることは、装置全体のコスト低減と装置の高効率化に大きく寄与する。
このような水素発生装置に関する先行技術文献として、本出願人は下記の特許文献１および２を把握している。
〔特許文献１〕
特許文献１には、つぎの記載があり、水素製造装置の多重筒型改質器が開示されている。
［００２４］
図２に示されるように、各多重筒型改質器１２は、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。
［００２５］
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。
［００２６］
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。
［００２７］
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、その供給量は、図１に示したように、原料供給管３３に設けられた制御バルブ３３ａによって制御される。また、予熱流路３２には、図２に示したように、改質用水供給管３４（図１では図示省略）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。
［００３１］
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。
特許文献１には、つぎの記載があり、水素製造装置の多重筒型改質器が開示されている。
［００２４］
図２に示されるように、各多重筒型改質器１２は、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。
［００２５］
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。
［００２６］
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。
［００２７］
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、その供給量は、図１に示したように、原料供給管３３に設けられた制御バルブ３３ａによって制御される。また、予熱流路３２には、図２に示したように、改質用水供給管３４（図１では図示省略）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。
［００３１］
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。
〔特許文献２〕
特許文献２には、つぎの記載があり、水素ステーション用水素製造システムが開示されている。
［請求項１］
水素ステーション内で原料ガスを改質して燃料電池車の燃料となる水素を製造するようになる水素ステーション用水素製造システムにおいて、
燃焼器を備えると共に、水蒸気改質反応を行う水蒸気改質反応部、ＣＯシフト反応を行うＣＯシフト反応部、水蒸気を発生する蒸気発生部を一体的に備え、水蒸気改質反応部における水蒸気改質反応とＣＯシフト反応部におけるＣＯシフト反応によって原料ガスから水素を作り出して改質ガスに改質する複合型改質器を設け、
この複合型改質器の下流側に、改質ガスから水素を分離精製する水素ＰＳＡ装置を設けたことを特徴とする水素ステーション用水素製造システム。
［００４１］
次に、複合型改質器における原料ガスから水素を作り出して改質ガスに改質する点及びその構造について述べる。
［００４２］
まず、複合型改質器１としては、図２、図３に示すように、上部に縦向き円筒状の第一円筒体２１と、下部に第一円筒体２１より大径となる縦向き円筒状の第二円筒体２２とからなることにより全体形状を段付きの略円筒状にし、この第一円筒体２１と第二円筒体２２の周囲全体すべてを高性能特殊断熱材２３にて覆う。
［００４９］
また、第一円筒体２１にあっては、その上部に原料ガス流入口２６を設け、混合器１３より供給された水蒸気と混合した原料ガスを流入する。さらに、上部に改質ガス排出口２７を設け、当該複合型改質器１の下流側に原料ガスから水素を作り出して改質した改質ガスを排出する。
［００５２］
また、第二円筒体２２にあっては、円形状の室内空間において、その側方に環状の断熱筒５５を設け、この断熱筒５５はその一部を開口する。そして、室内空間における側方部の特殊断熱壁２５と断熱筒５５の間に環状の空間を形成し、この環状の空間に蒸気発生部６を備える。この蒸気発生部６は、パイプ５６を螺旋状に配置し、このパイプ５６内に純水を通すことにより、室内空間内の中心上部に設けたバーナー室５２の燃焼によって純水から水蒸気に変換し、これにより、水蒸気を発生させるものである。そして、この蒸気発生部６で発生した水蒸気を当該複合型改質器１の上流側に設けた混合器１３に供給し、ここで原料ガスに混合する。
特許文献２には、つぎの記載があり、水素ステーション用水素製造システムが開示されている。
［請求項１］
水素ステーション内で原料ガスを改質して燃料電池車の燃料となる水素を製造するようになる水素ステーション用水素製造システムにおいて、
燃焼器を備えると共に、水蒸気改質反応を行う水蒸気改質反応部、ＣＯシフト反応を行うＣＯシフト反応部、水蒸気を発生する蒸気発生部を一体的に備え、水蒸気改質反応部における水蒸気改質反応とＣＯシフト反応部におけるＣＯシフト反応によって原料ガスから水素を作り出して改質ガスに改質する複合型改質器を設け、
この複合型改質器の下流側に、改質ガスから水素を分離精製する水素ＰＳＡ装置を設けたことを特徴とする水素ステーション用水素製造システム。
［００４１］
次に、複合型改質器における原料ガスから水素を作り出して改質ガスに改質する点及びその構造について述べる。
［００４２］
まず、複合型改質器１としては、図２、図３に示すように、上部に縦向き円筒状の第一円筒体２１と、下部に第一円筒体２１より大径となる縦向き円筒状の第二円筒体２２とからなることにより全体形状を段付きの略円筒状にし、この第一円筒体２１と第二円筒体２２の周囲全体すべてを高性能特殊断熱材２３にて覆う。
［００４９］
また、第一円筒体２１にあっては、その上部に原料ガス流入口２６を設け、混合器１３より供給された水蒸気と混合した原料ガスを流入する。さらに、上部に改質ガス排出口２７を設け、当該複合型改質器１の下流側に原料ガスから水素を作り出して改質した改質ガスを排出する。
［００５２］
また、第二円筒体２２にあっては、円形状の室内空間において、その側方に環状の断熱筒５５を設け、この断熱筒５５はその一部を開口する。そして、室内空間における側方部の特殊断熱壁２５と断熱筒５５の間に環状の空間を形成し、この環状の空間に蒸気発生部６を備える。この蒸気発生部６は、パイプ５６を螺旋状に配置し、このパイプ５６内に純水を通すことにより、室内空間内の中心上部に設けたバーナー室５２の燃焼によって純水から水蒸気に変換し、これにより、水蒸気を発生させるものである。そして、この蒸気発生部６で発生した水蒸気を当該複合型改質器１の上流側に設けた混合器１３に供給し、ここで原料ガスに混合する。
〔特許文献１の課題〕
上記特許文献１では、中央にバーナー２６を有する多重筒型改質器１において、バーナー２６の周囲に螺旋部材３５を内蔵する予熱流路３２を設けている。つまり、バーナー２６の周囲に設けた予熱流路３２で水を気化する。このため、上記予熱流路３２の周辺の温度が下がって温度ばらつきが生じ、その分だけ改質器の熱効率は良くない。また、高温条件となる多重筒型改質器１内に、複雑な螺旋構造を有する予熱流路３２が設けられている。このような構造体を作るは煩雑で、製作に伴うコストが高くなり、メンテナンス性が極めて悪い。
上記特許文献１では、中央にバーナー２６を有する多重筒型改質器１において、バーナー２６の周囲に螺旋部材３５を内蔵する予熱流路３２を設けている。つまり、バーナー２６の周囲に設けた予熱流路３２で水を気化する。このため、上記予熱流路３２の周辺の温度が下がって温度ばらつきが生じ、その分だけ改質器の熱効率は良くない。また、高温条件となる多重筒型改質器１内に、複雑な螺旋構造を有する予熱流路３２が設けられている。このような構造体を作るは煩雑で、製作に伴うコストが高くなり、メンテナンス性が極めて悪い。
さらに、上記特許文献１では、上記多重筒型改質器１は、バーナー２６を有した燃焼室２５が中央に配置され、その外側に改質触媒層３６、さらにその外側に改質ガス流路４３が配置されている。この構造では、改質触媒層３６の内側に燃焼排ガスが、外側に改質ガスが存在する。上記改質触媒層３６での改質反応は吸熱反応である。このため、上記改質触媒層３６では、内側の燃焼室２５よりも外側の改質ガス流路４３への放熱が大きくなると考えられる。従って、改質触媒層３５の内側と外側で温度差が生じ、その分だけ改質効率が低下する問題がある。
加えて、特許文献１では、［００３１］に言及されているように、ＣＯ除去触媒層４７で酸化剤ガスがを用いられている。ＣＯ除去触媒層４７は、下記の式（１）で表される改質反応で発生するＣＯを除去するものである。
このように、酸化剤ガスを使用する装置では、酸化剤ガス供給管４６を設ける必要があるなど、装置の構造が複雑になって設備費用が高くなるうえ、酸化剤ガスの分だけランニングコストも増加してしまう。また、不純物が増加することから後段の水素精製部の負担が増加することが予想される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２・・・式（１）
このように、酸化剤ガスを使用する装置では、酸化剤ガス供給管４６を設ける必要があるなど、装置の構造が複雑になって設備費用が高くなるうえ、酸化剤ガスの分だけランニングコストも増加してしまう。また、不純物が増加することから後段の水素精製部の負担が増加することが予想される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２・・・式（１）
また、特許文献１では、多重筒型改質器１２を複数用いていることから、多重筒型改質器１２ごとに、都市ガスやスチームの流量調節弁が必要である。このため、制御が複雑になり、機器コストも高くなってしまう。
〔特許文献２の課題〕
上記特許文献２では、複合型改質器１は、４重管構造の改質反応部を有している。上記４重管構造は、内筒４１，内側中間筒４４，外側中間筒４５，外筒４２から構成されている。上記内筒４１の中央に燃焼器３が配置されている。上記内筒４１と内側中間筒４４のあいだ・外側中間筒４５と外筒４２のあいだに、原料ガスを改質する予備改質部７・水蒸気改質反応部４が配置されている。内側中間筒４４と外側中間筒４５のあいだに、改質ガスをＣＯシフト反応させる高温ＣＯシフト反応触媒層５ｂ・低温ＣＯシフト反応触媒層５ａが配置されている。さらに、上記水蒸気改質反応部４の周囲には、螺旋構造をもつ蒸気発生部６が配置されている。
上記特許文献２では、複合型改質器１は、４重管構造の改質反応部を有している。上記４重管構造は、内筒４１，内側中間筒４４，外側中間筒４５，外筒４２から構成されている。上記内筒４１の中央に燃焼器３が配置されている。上記内筒４１と内側中間筒４４のあいだ・外側中間筒４５と外筒４２のあいだに、原料ガスを改質する予備改質部７・水蒸気改質反応部４が配置されている。内側中間筒４４と外側中間筒４５のあいだに、改質ガスをＣＯシフト反応させる高温ＣＯシフト反応触媒層５ｂ・低温ＣＯシフト反応触媒層５ａが配置されている。さらに、上記水蒸気改質反応部４の周囲には、螺旋構造をもつ蒸気発生部６が配置されている。
このように、上記特許文献２の装置では、水蒸気改質反応部４の周囲に設けた蒸気発生部６で水を気化する。このため、その蒸気発生部６の周辺の温度が下がってしまう。つまり、上記水蒸気改質反応部４は、内側よりも外側の温度が下がって温度ばらつきが生じ、その分だけ改質の熱効率は良くない。また、高温条件となる複合型改質器１内に複雑な螺旋構造を設けるのは煩雑で、製作に伴うコストが高くなり、メンテナンス性が極めて悪い。
しかも、上記の構造では、上記予備改質部７・水蒸気改質反応部４は、中央の燃焼器３に近い側が外側よりも高温になる。このため、中央側に充填された触媒の劣化が進むうえ、外側の触媒に熱を伝えるため、燃焼器３には過剰に燃焼を加え、熱ロスが発生する可能性がある。蒸気発生部６が複合型改質器１の内部にあるため、開放検査が行いにくく、メンテナンス性が極めて悪い。特に、大型機になると、蒸気発生部６の容積が第一種圧力容器となるため、開放検査を毎年実施する必要がある。したがって、メンテナンス性を考慮すると、大型機には適用できないという問題がある。
本発明は、上記問題を解決するため、つぎの目的をもってなされたものである。
改質領域の温度ばらつきが少なく熱効率を向上し、メンテナンス性の良好な水素発生装置を提供する。
改質領域の温度ばらつきが少なく熱効率を向上し、メンテナンス性の良好な水素発生装置を提供する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の水素発生装置は、つぎの構成を採用した。
炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒と、
上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる改質器と、
燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る燃焼室とを備え、
上記改質器のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、
上記改質器に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器が、上記燃焼室の外部に設けられ、
上記改質器は、上記燃焼室の外部に配置される外部領域と、上記燃焼室の内部に配置されて少なくとも上記改質反応を行う改質領域とを有し、
上記外部領域は、上記燃焼室の外部で、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部に通じる上流領域と、改質ガスを排出する排出部に通じる下流領域を有し、それらの周囲が断熱材で覆われており、
上記改質領域は、上記上流領域と上記下流領域のあいだに存在する、上記燃焼室内部のガス反転部を含んで構成されている。
炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒と、
上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる改質器と、
燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る燃焼室とを備え、
上記改質器のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、
上記改質器に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器が、上記燃焼室の外部に設けられ、
上記改質器は、上記燃焼室の外部に配置される外部領域と、上記燃焼室の内部に配置されて少なくとも上記改質反応を行う改質領域とを有し、
上記外部領域は、上記燃焼室の外部で、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部に通じる上流領域と、改質ガスを排出する排出部に通じる下流領域を有し、それらの周囲が断熱材で覆われており、
上記改質領域は、上記上流領域と上記下流領域のあいだに存在する、上記燃焼室内部のガス反転部を含んで構成されている。
請求項２記載の水素発生装置は、請求項１記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。 上記燃焼室は、上記燃料ガスを燃焼させて上記改質領域に燃焼熱を付与するためのバーナを備え、
上記バーナはその火口が、上記燃焼室における上記改質領域側でかつ上記外部領域と反対側の空間に配置されている。
上記バーナはその火口が、上記燃焼室における上記改質領域側でかつ上記外部領域と反対側の空間に配置されている。
請求項３記載の水素発生装置は、請求項２記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記バーナの火口が、上記改質領域に向かって複数設けられている。
上記バーナの火口が、上記改質領域に向かって複数設けられている。
請求項４記載の水素発生装置は、請求項２または３記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記燃焼室は、上記バーナによる燃焼熱を整流する整流部材を備えている。
上記燃焼室は、上記バーナによる燃焼熱を整流する整流部材を備えている。
請求項５記載の水素発生装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記燃焼室における上記外部領域側に、上記燃焼室内の排熱を回収する排熱回収部が配置され、上記排熱回収部で回収した排熱利用して上記水蒸気発生器で水蒸気を発生させる。
上記燃焼室における上記外部領域側に、上記燃焼室内の排熱を回収する排熱回収部が配置され、上記排熱回収部で回収した排熱利用して上記水蒸気発生器で水蒸気を発生させる。
請求項６記載の水素発生装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記外部領域にある上記下流領域に、ＣＯ変成層が設けられている。
上記外部領域にある上記下流領域に、ＣＯ変成層が設けられている。
請求項１記載の水素発生装置は、改質触媒と改質器と燃焼室を備えている。上記改質触媒は、炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する。上記改質器は、上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる。上記燃焼室は、燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る。
本発明は、上記改質器のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、さらに、上記改質器に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器が、上記燃焼室の外部に設けられている。
このように、本発明では、従来の予熱流路や蒸気発生部のような水蒸気発生器が燃焼室の外部に設けられる。このため、複雑な螺旋構造体を高温になる燃焼室に設けなくてよい。したがって、装置の製作に伴うコストが大幅に節減でき、メンテナンス性が格段に改善される。特に、開放検査を毎年実施する必要がある大型機において有利である。しかも、本発明では、上記改質領域は上記燃焼室の内部に配置される。このため、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
さらに、酸化剤ガスを使用しないため、装置の構造を簡素化できて設備費用とランニングコストを抑え、不純物による後段の水素精製ユニットに負担を増大させない。
上記水素発生装置は、上記燃焼室の外部に配置される外部領域と、上記燃焼室の内部に配置されて少なくとも上記改質反応を行う改質領域とを有している。上記外部領域は、上記燃焼室の外部で、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部に通じる上流領域と、改質ガスを排出する排出部に通じる下流領域を有し、それらの周囲が断熱材で覆われている。炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部は温度が下がりやすく、温度が不安定になりやすい。このため、その導入部を上記燃焼室の外部におくことにより、燃焼室の内部に配置した改質領域の温度が安定化する。したがって、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記水素発生装置は、上記改質領域は、上記上流領域と上記下流領域のあいだに存在する、上記燃焼室内部のガス反転部を含んで構成されている。
このため、上記導入部と排出部を設けた外部領域を燃焼室の外部に設け、その反対側の改質領域を燃焼室の内部に配置する構造が無理なく実現できる。また、上記ガス反転部を含む領域を上記改質領域とすることにより、上記改質領域に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
本発明は、上記改質器のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、さらに、上記改質器に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器が、上記燃焼室の外部に設けられている。
このように、本発明では、従来の予熱流路や蒸気発生部のような水蒸気発生器が燃焼室の外部に設けられる。このため、複雑な螺旋構造体を高温になる燃焼室に設けなくてよい。したがって、装置の製作に伴うコストが大幅に節減でき、メンテナンス性が格段に改善される。特に、開放検査を毎年実施する必要がある大型機において有利である。しかも、本発明では、上記改質領域は上記燃焼室の内部に配置される。このため、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
さらに、酸化剤ガスを使用しないため、装置の構造を簡素化できて設備費用とランニングコストを抑え、不純物による後段の水素精製ユニットに負担を増大させない。
上記水素発生装置は、上記燃焼室の外部に配置される外部領域と、上記燃焼室の内部に配置されて少なくとも上記改質反応を行う改質領域とを有している。上記外部領域は、上記燃焼室の外部で、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部に通じる上流領域と、改質ガスを排出する排出部に通じる下流領域を有し、それらの周囲が断熱材で覆われている。炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部は温度が下がりやすく、温度が不安定になりやすい。このため、その導入部を上記燃焼室の外部におくことにより、燃焼室の内部に配置した改質領域の温度が安定化する。したがって、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記水素発生装置は、上記改質領域は、上記上流領域と上記下流領域のあいだに存在する、上記燃焼室内部のガス反転部を含んで構成されている。
このため、上記導入部と排出部を設けた外部領域を燃焼室の外部に設け、その反対側の改質領域を燃焼室の内部に配置する構造が無理なく実現できる。また、上記ガス反転部を含む領域を上記改質領域とすることにより、上記改質領域に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
請求項２記載の水素発生装置は、上記燃焼室がバーナを備えている。上記バーナは、上記燃料ガスを燃焼させて上記改質領域に燃焼熱を付与する。また、上記バーナはその火口が、上記燃焼室における上記改質領域側でかつ上記外部領域と反対側の空間に配置されている。
このため、上記改質領域に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
このため、上記改質領域に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
請求項３記載の水素発生装置は、上記バーナの火口が、上記改質領域に向かって複数設けられている。
このため、バーナによる燃焼熱を上記改質領域に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
このため、バーナによる燃焼熱を上記改質領域に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
請求項４記載の水素発生装置は、上記燃焼室は、上記バーナによる燃焼熱を整流する整流部材を備えている。
上記整流部材の存在により、バーナによる燃焼熱を上記改質領域に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記整流部材の存在により、バーナによる燃焼熱を上記改質領域に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
請求項５記載の水素発生装置は、上記燃焼室における上記外部領域側に、上記燃焼室内の排熱を回収する排熱回収部が配置されている。また、上記外部領域にある上記下流領域に、ＣＯ変成層が設けられている。
このため、改質領域に対して燃焼熱を付与した後の排熱を効果的に回収できる。回収した排熱は、有効に再利用することができる。
このため、改質領域に対して燃焼熱を付与した後の排熱を効果的に回収できる。回収した排熱は、有効に再利用することができる。
請求項６記載の水素発生装置は、上記外部領域にある上記下流領域に、ＣＯ変成層を設けるようにした。
つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。
◆全体構成
図１は、本発明が適用された実施形態の水素発生装置の全体構成を説明する構成図である。
図１は、本発明が適用された実施形態の水素発生装置の全体構成を説明する構成図である。
この水素発生装置は、炭化水素系ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成し、必要に応じてさらに水素を生成する。
上記炭化水素系ガスとしては、メタン，エタン，プロパン，ブタン等のような飽和炭化水素だけでなく、天然ガス，ガソリン，ナフサ，灯油等のその他化石燃料、バイオガス等の炭化水素を主成分とするガスや、メタノール等のアルコール等を使用することができる。以下の説明では、上記炭化水素系ガスとして天然ガスを使用した例を説明する。
上記水素発生装置は、改質ユニット１と水素精製ユニット２を備えている。上記改質ユニット１は、上記炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する。上記水素精製ユニット２は、上記改質ガスから水素以外の不純分を除去して水素を精製する。
上記改質ユニット１には、炭化水素系ガスを導入する炭化水素導入路４１が接続され、上記炭化水素導入路４１には、水蒸気を導入する水蒸気導入路４２が合流している。上記水蒸気導入路４２は、水蒸気発生器３０を介して純水導入路４３とつながっている。
上記改質ユニット１には、改質ガスを排出する改質ガス路４４が接続されている。上記改質ガス路４４の下流が、上記水素精製ユニット２に接続されている。
上記水素精製ユニット２には、精製された水素を取り出す水素取出路４５が接続されている。また、上記水素精製ユニット２には、オフガスを取り出すオフガス路４７が接続されている。
〔改質ユニット〕
上記改質ユニット１は、改質器１０と燃焼室２０とを備え、上記改質器１０に改質触媒が充填されている。改質器１０，燃焼室２０および改質触媒についての詳細は後述する。
上記改質ユニット１は、改質器１０と燃焼室２０とを備え、上記改質器１０に改質触媒が充填されている。改質器１０，燃焼室２０および改質触媒についての詳細は後述する。
上記改質器１０には、上述したように炭化水素導入路４１が接続され、炭化水素系ガスを改質器１０に導入するようになっている。上記炭化水素導入路４１には、その上流から脱硫器４１Ａ、圧縮機４１Ｂ、流量調節器４１Ｃが設けられている。上記脱硫器４１Ａは炭化水素系ガスから硫黄分を取り除き、上記圧縮機４１Ｂで炭化水素系ガスを昇圧し、上記流量調節器４１Ｃは炭化水素系ガスの流量をコントロールする。
上記炭化水素導入路４１には、上述したように水蒸気導入路４２が合流し、水蒸気を改質器１０に導入するようになっている。上記水蒸気導入路４２には、純水導入路４３に導入された純水が水蒸気となって導入される。上記純水導入路４３は予熱器４４Ａおよび水蒸気発生器３０を経由し、上記水蒸気発生器３０で純水が気化して水蒸気が発生する。
上記改質器１０には、上述したように改質ガス路４４が接続され、高温の改質ガスを排出する。上記改質ガス路４４には、その上流から予熱器４４Ａ、冷却器４４Ｂが設けられている。上記予熱器４４Ａは、改質ガス路４４を流れる改質ガスと、純水導入路４３を流れる純水との熱交換により、上記純水を予熱する。上記冷却器４４Ｂは、冷却水路４４Ｃを流れる冷却水で改質ガスを冷却する。
上記燃焼室２０には、バーナ２１が設けられている。上記バーナ２１で燃料ガスを燃焼させた燃焼熱を上記改質器１０に付与し、改質反応に反応熱を付与するようになっている。
上記バーナ２１には、燃料ガス供給路２１Ａが接続されている。この例では、上記燃料ガス供給路２１Ａは、上記炭化水素導入路４１から分岐しており、燃料ガスとして炭化水素系ガスをバーナ２１に供給する。上記バーナ２１には、空気ブロア２１Ｃから延びる空気供給路２１Ｂが接続されている。上記空気供給路２１Ｂは空気加熱器４６Ａを経由しており、上記バーナ２１に供給する空気をあらかじめ加熱するようになっている。上記バーナ２１には、上述したオフガス路４７が接続され、上記水素精製ユニット２から取り出されたオフガスを上記バーナ２１に供給するようになっている。
上記燃焼室２０には、排ガス路４６が接続されている。上記排ガス路４６から燃焼室２０内の排ガスを取り出し、上記燃焼室２０内の排熱を回収するようになっている。上記排ガス路４６には、その上流側から水蒸気発生器３０、空気加熱器４６Ａが設けられている。上記水蒸気発生器３０では、上記燃焼室２０から取り出した排ガスによって純水導入路４３を流れてきた純水を加熱し、上記純水を気化させて水蒸気を発生する。上記空気加熱器４６Ａでは、上記排ガスによって上記空気供給路２１Ｂを流れるガスを加熱する。
〔水素精製ユニット〕
上記水素精製ユニット２は、複数（この例では４つ）の吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有するＰＶＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置である。上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄには、改質ガス内の不純分を吸着する吸着材が充填されている。
上記水素精製ユニット２は、複数（この例では４つ）の吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有するＰＶＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置である。上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄには、改質ガス内の不純分を吸着する吸着材が充填されている。
上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの低純度側には、上記改質器１０から排出された改質ガスが流れる上記改質ガス路４４が接続される。上記改質ガス路４４には、上述した冷却器４４Ｂの下流に、気液分離器４４Ｄが設けられている。上記気液分離器４４Ｄは、原料の一部として導入した水蒸気に由来する水分を除去する。上記気液分離器４４Ｄで除去された水分はドレン管４４Ｅから排出される。
上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの高純度側には、精製された水素を取り出す水素取出路４５が接続される。上記水素取出路４５には、フレアスタックを排出するフレアスタック路４５Ａが分岐している。
上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの低純度側には、オフガス路４７が接続されている。上記オフガス路４７には、その上流側から真空ポンプ４７Ａ、オフガスホルダ４７Ｂが設けられている。上記真空ポンプ４７Ａは、上記各吸着槽２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを減圧する事により、吸着材に吸着された不純分を脱着して吸着材を再生する。上記オフガスホルダ４７Ｂは、吸着材から脱着された不純分を含むガスを一時的に貯留する。上記オフガス路４７の下流は上述したバーナ２１に接続されている。上記オフガスホルダ４７Ｂから出たオフガスは、燃料ガスの一部としてバーナ２１で燃焼される。
◆第１形態
図２および図３は、上記水素発生装置の第１形態における、上記改質ユニット１の詳細を説明する図である。図２は、改質ユニット１の縦断面に周辺機器の構成を付記している。図３は、改質器１０の横断面にバーナ２１の火口２２を付記している。
図２および図３は、上記水素発生装置の第１形態における、上記改質ユニット１の詳細を説明する図である。図２は、改質ユニット１の縦断面に周辺機器の構成を付記している。図３は、改質器１０の横断面にバーナ２１の火口２２を付記している。
この改質ユニット１は、上述したように、改質器１０と燃焼室２０とを備え、上記改質器１０に改質触媒が充填されている。第１形態は、燃焼室２０に対して１つの改質器１０で構成される。
〔改質器〕
上記改質器１０は、この例では、４重管構造を呈している。外側から第１管１１Ａ、第２管１１Ｂ、第３管１１Ｃ、第４管１１Ｄが同心状に配置されている。上記第１管１１Ａと第４管１１Ｄの下端部は、断面Ｕ字状の底部でつながっている。上記第２管１１Ｂと第３管１１Ｃの下端は、上記断面Ｕ字状の底部とのあいだに隙間を保持している。上記第１管１１Ａと第２管１１Ｂの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第３管１１Ｃと第４管１１Ｄの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第２管１１Ｂと第３管１１Ｃの上端部同士のあいだは開口部になっていて、上記開口部は蓋部材３６で蓋がされている。
上記改質器１０は、この例では、４重管構造を呈している。外側から第１管１１Ａ、第２管１１Ｂ、第３管１１Ｃ、第４管１１Ｄが同心状に配置されている。上記第１管１１Ａと第４管１１Ｄの下端部は、断面Ｕ字状の底部でつながっている。上記第２管１１Ｂと第３管１１Ｃの下端は、上記断面Ｕ字状の底部とのあいだに隙間を保持している。上記第１管１１Ａと第２管１１Ｂの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第３管１１Ｃと第４管１１Ｄの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第２管１１Ｂと第３管１１Ｃの上端部同士のあいだは開口部になっていて、上記開口部は蓋部材３６で蓋がされている。
上記改質器１０は、上部側が上記燃焼室２０の外部に存在する外部領域１３であり、下部側が上記燃焼室２０の内部に存在する改質領域１２である。つまり、上記改質領域１２が、上記外部領域１３の反対側に設けられている。上記外部領域１３の周囲は断熱材層３５で覆われている。
上記燃焼室２０の外部にある外部領域１３には、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部１４と、改質ガスを排出する排出部１５が設けられている。上記導入部１４は、上記第１管１１Ａと第２管１１Ｂの上端部がつながった天井部近傍の上部空間、および上記第３管１１Ｃと第４管１１Ｄの上端部がつながった天井部近傍の上部空間である。上記導入部１４には炭化水素導入路４１が連通し、改質器１０に炭化水素系ガスと水蒸気が導入される。上記排出部１５は、上記第２管１１Ｂと第３管１１Ｃの上端部同士のあいだの開口部である。上記排出部１５には改質ガス路４４が連通し、改質器１０から改質ガスを取り出すようになっている。
上記改質器１０は、上記導入部１４に通じる上流領域１６と、上記排出部１５に通じる下流領域１７とを備えている。上記上流領域１６は、第１管１１Ａと第２管１１Ｂのあいだの通路空間、および第３管１１Ｃと第４管１１Ｄのあいだの通路空間である。上記上流領域１６は、上記導入部１４と連通している。上記下流領域１７は、第２管１１Ｂと第３管１１Ｃのあいだの通路空間である。上記下流領域１７は、上記排出部１５と連通している。
さらに上記改質器１０は、上記上流領域１６と上記下流領域１７のあいだに存在するガス反転部１８を備えている。上記ガス反転部１８は、上記上流領域１６の下端と上記下流領域１７の下端同士が連通する部分である。上記上流領域１６を上から下に流れてきたガスが、ガス反転部１８で反転し、上記下流領域１７を下から上に流れていく。
そして、上記改質領域１２は、上記ガス反転部１８を含んで構成されている。
そして、上記改質領域１２は、上記ガス反転部１８を含んで構成されている。
上記改質器１０に改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる。
より詳しく説明すると、上記改質器１０の内部空間には、伝熱層ｔｒ、予備改質層ｐｒ、改質層ｒｅ、空間層ｓｐ、高温ＣＯ変成層ｈｓ、低温ＣＯ変成層ｌｓが設けられている。上記上流領域１６からガス反転部１８にかけて、上流側から、伝熱層ｔｒ、予備改質層ｐｒ、改質層ｒｅが配置されている。上記下流領域１７には、上流側から、空間層ｓｐ、伝熱層ｔｒ、高温ＣＯ変成層ｈｓ、低温ＣＯ変成層ｌｓが配置されている。伝熱層ｔｒ、予備改質層ｐｒ、改質層ｒｅ、空間層ｓｐ、高温ＣＯ変成層ｈｓ、低温ＣＯ変成層ｌｓのあいだは、ガスを容易に透過するメッシュ等によって仕切ることができる。
上記伝熱層ｔｒは、反応に寄与しない伝熱粒子が充填されている。上記伝熱粒子には、たとえば、アルミナ等を使用することができる。上記伝熱層ｔｒは、原料ガスと改質ガスの伝熱を促進する。
上記予備改質層ｐｒと上記改質層ｒｅは、改質触媒が充填されている。上記改質触媒には、たとえば、Ｒｕ系またはＮｉ系の改質触媒を使用することができる。上記予備改質層ｐｒと上記改質層ｒｅでは、下記の式（２）（メタンの場合）に示す改質反応により、炭化水素をＨ２とＣＯに変換する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・（２）
上記予備改質層ｐｒにおける予備改質温度の範囲は、３５０〜６００℃程度に設定するのが好ましい。上記改質層ｒｅにおける改質温度の範囲は、５００〜９００℃程度に設定するのが好ましい。上記各温度範囲のなかで、予備改質温度よりも改質温度が高くなるように設定される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・（２）
上記予備改質層ｐｒにおける予備改質温度の範囲は、３５０〜６００℃程度に設定するのが好ましい。上記改質層ｒｅにおける改質温度の範囲は、５００〜９００℃程度に設定するのが好ましい。上記各温度範囲のなかで、予備改質温度よりも改質温度が高くなるように設定される。
上記空間層ｓｐは、粒子などが充填されていない空間である。
上記高温ＣＯ変成層ｈｓと上記低温ＣＯ変成層ｌｓは、ＣＯ変成触媒が充填されている。上記ＣＯ変成触媒には、たとえば、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＣｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒を使用することができる。上記高温ＣＯ変成層ｈｓと上記低温ＣＯ変成層ｌｓでは、下記の式（３）に示すＣＯ変成反応により、ＣＯをＨ２に変成する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（３）
上記高温ＣＯ変成層ｈｓにおける高温ＣＯ変成温度の範囲は、２００〜５００℃程度に設定するのが好ましい。上記低温ＣＯ変成層ｌｓにおける低温ＣＯ変成温度の範囲は、１５０〜３００℃程度に設定するのが好ましい。上記各温度範囲のなかで、低温ＣＯ変成温度よりも高温ＣＯ変成温度が高くなるように設定される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（３）
上記高温ＣＯ変成層ｈｓにおける高温ＣＯ変成温度の範囲は、２００〜５００℃程度に設定するのが好ましい。上記低温ＣＯ変成層ｌｓにおける低温ＣＯ変成温度の範囲は、１５０〜３００℃程度に設定するのが好ましい。上記各温度範囲のなかで、低温ＣＯ変成温度よりも高温ＣＯ変成温度が高くなるように設定される。
上記改質器１０では、上記の改質触媒による改質反応およびＣＯ変成触媒によるＣＯ変成反応により、酸素を導入することなく、炭化水素系ガスと水蒸気から水素リッチな改質ガスを得ることができる。
〔燃焼室〕
上記燃焼室２０は、燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る。つまり、上記式（２）の反応は吸熱反応であるため、外部から改質触媒に熱を付与し、反応を連続的に進行させるのである。
上記燃焼室２０は、燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る。つまり、上記式（２）の反応は吸熱反応であるため、外部から改質触媒に熱を付与し、反応を連続的に進行させるのである。
上記燃焼室２０は、耐熱材の壁面で囲われた箱状を呈している。上記燃焼室２０には、天井部を貫通するように改質器１０が配置される。このとき、上記改質器１０の改質領域１２を燃焼室２０の内部に存在させ、外部領域１３を燃焼室２０の外部に存在させるよう、上記改質器１０が配置される。
上記燃焼室２０は、上記燃料ガスを燃焼させて上記改質領域１２に燃焼熱を付与するためのバーナ２１を備えている。この例では、上記バーナ２１は、燃焼室２０の底部に設けられている。上記バーナ２１には、燃料ガス供給路２１Ａおよび空気供給路２１Ｂが接続され、燃焼用の燃料ガスと空気が供給される。上記燃料ガスには炭化水素系ガスを用いることができる。また、上記バーナ２１には、オフガス路４７が接続され、上記燃料ガスにオフガスを合流させるようになっている。
上記バーナ２１はその火口２２が、上記燃焼室２０における上記改質領域１２側でかつ上記外部領域１３と反対側の空間に配置されている。
上記バーナ２１の火口２２は、上記改質領域１２に向かって複数設けられている。
つまり、この例では、バーナ２１の火口２２は、燃焼室２０の底部において上向きになるよう配置されている。この例では上記火口２２は８つ設けられている。そのうち４つの火口２２は、改質器１０の第４管１１Ｄの内側に、ほぼ等間隔で配置されている。のこり４つの火口２２は、改質器１０の第１管１１Ａの外側に、ほぼ等間隔で配置されている。これにより、改質器１０の改質領域１２を８つの火口２２で、できるだけ均一に加熱しうるようになっている。
上記バーナ２１の火口２２は、上記改質領域１２に向かって複数設けられている。
つまり、この例では、バーナ２１の火口２２は、燃焼室２０の底部において上向きになるよう配置されている。この例では上記火口２２は８つ設けられている。そのうち４つの火口２２は、改質器１０の第４管１１Ｄの内側に、ほぼ等間隔で配置されている。のこり４つの火口２２は、改質器１０の第１管１１Ａの外側に、ほぼ等間隔で配置されている。これにより、改質器１０の改質領域１２を８つの火口２２で、できるだけ均一に加熱しうるようになっている。
上記燃焼室２０における上記外部領域１３側に、上記燃焼室２０内の排熱を回収する排熱回収部２４が配置されている。
上記排熱回収部２４は、上記排ガス路４６の入口である。この例では、上記排ガス路４６の入口は、燃焼室２０および改質器１０の中央上部にひとつ、燃焼室２０の上部側面にひとつ、設けられている。
上記排熱回収部２４は、上記排ガス路４６の入口である。この例では、上記排ガス路４６の入口は、燃焼室２０および改質器１０の中央上部にひとつ、燃焼室２０の上部側面にひとつ、設けられている。
〔改質ユニット〕
上記構成の改質器１０と燃焼室２０により、上記改質ユニット１が構成されている。この改質ユニット１では、上記改質器１０のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域１２が、上記燃焼室２０の内部に配置されている。また、この改質ユニット１では、上記改質器１０に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０の外部に設けられている。
上記構成の改質器１０と燃焼室２０により、上記改質ユニット１が構成されている。この改質ユニット１では、上記改質器１０のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域１２が、上記燃焼室２０の内部に配置されている。また、この改質ユニット１では、上記改質器１０に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０の外部に設けられている。
◆第２形態
図４および図５は、上記水素発生装置の第２形態における、上記改質ユニット１の詳細を説明する図である。図４は、改質ユニット１の縦断面に周辺機器の構成を付記している。図４は、改質器１０Ａの横断面にバーナ２１の火口２２を付記している。
図４および図５は、上記水素発生装置の第２形態における、上記改質ユニット１の詳細を説明する図である。図４は、改質ユニット１の縦断面に周辺機器の構成を付記している。図４は、改質器１０Ａの横断面にバーナ２１の火口２２を付記している。
この改質ユニット１は、基本的には第１形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付して説明を省略している。第１形態では、４重管構造の改質器１０を１つ備えたものを説明したが、第２形態は、燃焼室２０Ａに対して２重管構造の改質器１０Ａを複数備えて構成されている。原料ガスや水蒸気の流量調節弁は、改質器１０Ａの本数にかかわらずそれぞれ１つとする。
〔改質器〕
上記改質器１０Ａは、外側から第１管３１Ａ、第２管３１Ｂが同心状に配置されている。上記第１管３１Ａの下端部は、断面Ｕ字状の底部でふさがっている。上記第２管３１Ｂの下端は、上記断面Ｕ字状の底部とのあいだに隙間を保持している。上記第１管３１Ａと第２管３１Ｂの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第２管３１Ｂの上端部は開口部になっていて、上記開口部は蓋部材３６で蓋がされている。
上記改質器１０Ａは、外側から第１管３１Ａ、第２管３１Ｂが同心状に配置されている。上記第１管３１Ａの下端部は、断面Ｕ字状の底部でふさがっている。上記第２管３１Ｂの下端は、上記断面Ｕ字状の底部とのあいだに隙間を保持している。上記第１管３１Ａと第２管３１Ｂの上端部は、断面箱形の天井部でつながっている。上記第２管３１Ｂの上端部は開口部になっていて、上記開口部は蓋部材３６で蓋がされている。
上記改質器１０Ａは、上部側が上記燃焼室２０Ａの外部に存在する外部領域１３であり、下部側が上記燃焼室２０Ａの内部に存在する改質領域１２である。つまり、上記改質領域１２が、上記外部領域１３の反対側に設けられている。上記外部領域１３の周囲は断熱材層３５で覆われている。
上記燃焼室２０Ａの外部にある外部領域１３には、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部１４と、改質ガスを排出する排出部１５が設けられている。上記導入部１４は、上記第１管３１Ａと第２管３１Ｂの上端部がつながった天井部近傍の上部空間である。上記導入部１４には炭化水素導入路４１が連通し、改質器１０Ａに炭化水素系ガスと水蒸気が導入される。上記排出部１５は、上記第２管３１Ｂの上端部の開口部である。上記排出部１５には改質ガス路４４が連通し、改質器１０Ａから改質ガスを取り出すようになっている。
上記改質器１０Ａは、上記導入部１４に通じる上流領域１６と、上記排出部１５に通じる下流領域１７とを備えている。上記上流領域１６は、第１管１１Ａと第２管１１Ｂのあいだの通路空間である。上記上流領域１６は、上記導入部１４と連通している。上記下流領域１７は、第２管１１Ｂの中空部である通路空間である。上記下流領域１７は、上記排出部１５と連通している。
さらに上記改質器１０Ａは、上記上流領域１６と上記下流領域１７のあいだに存在するガス反転部１８を備えている。上記ガス反転部１８は、上記上流領域１６の下端と上記下流領域１７の下端同士が連通する部分である。上記上流領域１６を上から下に流れてきたガスが、ガス反転部１８で反転し、上記下流領域１７を下から上に流れていく。
そして、上記改質領域１２は、上記ガス反転部１８を含んで構成されている。
そして、上記改質領域１２は、上記ガス反転部１８を含んで構成されている。
図５は、二重管構造の改質器１０Ａの配置を例示したものである。
図５（Ａ）は、同心円状に配置した例である。内側に６つの改質器１０Ａを環状に配置し、その外側に１２の改質器１０Ａを環状に配置している。内側の環状と外側の環状のあいだに火口２２を等間隔に設け、外側の環状のさらに外側に火口２２を等間隔に設けている。
図５（Ｂ）は、同心円状に配置した例である。１８の改質器１０Ａを等間隔で配置した例である。内側の六角状と外側の六角状のあいだに火口２２を等間隔に設け、外側の六角状のさらに外側に火口２２を等間隔に設けている。
図５（Ａ）（Ｂ）において、改質器１０Ａの数は増減させることができる。
図５（Ａ）は、同心円状に配置した例である。内側に６つの改質器１０Ａを環状に配置し、その外側に１２の改質器１０Ａを環状に配置している。内側の環状と外側の環状のあいだに火口２２を等間隔に設け、外側の環状のさらに外側に火口２２を等間隔に設けている。
図５（Ｂ）は、同心円状に配置した例である。１８の改質器１０Ａを等間隔で配置した例である。内側の六角状と外側の六角状のあいだに火口２２を等間隔に設け、外側の六角状のさらに外側に火口２２を等間隔に設けている。
図５（Ａ）（Ｂ）において、改質器１０Ａの数は増減させることができる。
〔燃焼室〕
この燃焼室２０Ａは、上記バーナ２１による燃焼熱を整流する整流部材２３を備えている。この例では、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端と火口２２のあいだの空間に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。
この燃焼室２０Ａは、上記バーナ２１による燃焼熱を整流する整流部材２３を備えている。この例では、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端と火口２２のあいだの空間に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。
また、この燃焼室２０Ａでは、上記排熱回収部２４としての上記排ガス路４６の入口は、燃焼室２０の上部側面にひとつ設けられている。燃焼室２０の中央上部には設けられていない。
〔改質ユニット〕
上記構成の改質器１０Ａと燃焼室２０Ａにより、上記改質ユニット１が構成されている。この改質ユニット１では、上記改質器１０Ａのうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域１２が、上記燃焼室２０Ａの内部に配置されている。また、この改質ユニット１では、上記改質器１０Ａに導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０Ａの外部に設けられている。
上記構成の改質器１０Ａと燃焼室２０Ａにより、上記改質ユニット１が構成されている。この改質ユニット１では、上記改質器１０Ａのうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域１２が、上記燃焼室２０Ａの内部に配置されている。また、この改質ユニット１では、上記改質器１０Ａに導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０Ａの外部に設けられている。
◆変形例
変形例を説明する。以下の変形例は、上記第２形態をベースにしたものを説明するが、上記第１形態をベースにすることもできる。
変形例を説明する。以下の変形例は、上記第２形態をベースにしたものを説明するが、上記第１形態をベースにすることもできる。
〔第１変形例〕
図６は、第１変形例であり、バーナ２１の構成例を示す。
図６（Ａ）は第１例である。この例は、複数のバーナ２１が、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、中心を向くように横向きに配置されている。バーナ２１の数は適宜増減できる。
図６（Ｂ）は第２例である。この例は、複数のバーナ２１が、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、上を向くように縦向きに配置されている。バーナ２１の数は適宜増減できる。図６（Ａ）の態様と併用することもできる。
図６（Ｃ）は第３例である。この例は、ひとつのバーナ２１に複数の火口２２が設けられた例である。このバーナ２１を、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、上を向くように配置する。火口２２の数は適宜増減できる。
図６は、第１変形例であり、バーナ２１の構成例を示す。
図６（Ａ）は第１例である。この例は、複数のバーナ２１が、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、中心を向くように横向きに配置されている。バーナ２１の数は適宜増減できる。
図６（Ｂ）は第２例である。この例は、複数のバーナ２１が、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、上を向くように縦向きに配置されている。バーナ２１の数は適宜増減できる。図６（Ａ）の態様と併用することもできる。
図６（Ｃ）は第３例である。この例は、ひとつのバーナ２１に複数の火口２２が設けられた例である。このバーナ２１を、火口２２が燃焼室２０Ａの底部近傍において、上を向くように配置する。火口２２の数は適宜増減できる。
〔第２変形例〕
図７は、第２変形例であり、整流部材２３の構成例を示す。この例は図６（Ａ）に示したバーナ２１の構成をベースに説明するが、図６（Ｂ）（Ｃ）をベースにすることもできる。
図７（Ａ）は第１例である。この例は、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端と火口２２のあいだの空間に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。上記整流部材２３を複数枚配置することもできる。燃焼ガスの流れを整えて熱効率を向上させる。
図７（Ｂ）は第２例である。この例は、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端より少し上に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。図７（Ａ）の態様と併用することもできる。上記整流部材２３を複数枚配置することもできる。燃焼ガスの流れを整えて熱効率を向上させる。
図７（Ｃ）は第３例である。この例は、上記整流部材２３として邪魔板を使用した例である。この例では、上記邪魔板が改質器１０Ａの周囲に配置され、１つの改質器１０において、上記邪魔板が上下方向に千鳥状に配置されている。燃焼ガスの流れを蛇行させて熱効率を向上させる。
図７（Ｄ）は第４例である。この例は、上記整流部材２３として邪魔板を使用した例である。この例では、上記邪魔板が改質器１０Ａの周囲に配置され、となりあう改質器１０同士のあいだで、上記邪魔板が上下方向に千鳥状に配置されている。燃焼ガスの流れを蛇行させて熱効率を向上させる。
図７は、第２変形例であり、整流部材２３の構成例を示す。この例は図６（Ａ）に示したバーナ２１の構成をベースに説明するが、図６（Ｂ）（Ｃ）をベースにすることもできる。
図７（Ａ）は第１例である。この例は、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端と火口２２のあいだの空間に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。上記整流部材２３を複数枚配置することもできる。燃焼ガスの流れを整えて熱効率を向上させる。
図７（Ｂ）は第２例である。この例は、上記整流部材２３は、改質器１０Ａの下端より少し上に、横向きに配置されている。上記整流部材２３としては、たとえばパンチングメタルを使用することができる。図７（Ａ）の態様と併用することもできる。上記整流部材２３を複数枚配置することもできる。燃焼ガスの流れを整えて熱効率を向上させる。
図７（Ｃ）は第３例である。この例は、上記整流部材２３として邪魔板を使用した例である。この例では、上記邪魔板が改質器１０Ａの周囲に配置され、１つの改質器１０において、上記邪魔板が上下方向に千鳥状に配置されている。燃焼ガスの流れを蛇行させて熱効率を向上させる。
図７（Ｄ）は第４例である。この例は、上記整流部材２３として邪魔板を使用した例である。この例では、上記邪魔板が改質器１０Ａの周囲に配置され、となりあう改質器１０同士のあいだで、上記邪魔板が上下方向に千鳥状に配置されている。燃焼ガスの流れを蛇行させて熱効率を向上させる。
〔第３変形例〕
図８は、第３変形例であり、排熱回収部２４の構成例を示す。
図８（Ａ）は第１例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部の左右側面にそれぞれ１つずつ設けられている。
図８（Ｂ）は第２例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部の中央に１つ設けられている。
図８（Ｃ）は第３例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部側面から延びる排気ダクト３８の入口として設けられている。上記入口は、燃焼室２０Ａ内の上部中央に開口している。一方、燃焼室２０Ａの底部中央に邪魔棒３７が立っている。上記邪魔棒３７の上端部が上記入口に対面することにより、上記入口に熱流が直接侵入するのを制限している。これにより、底部中央からの燃焼ガスが排熱回収部２４にショートカットするのを防いでいる。
図８（Ｄ）は第４例である。この例は、燃焼室２０Ａの底部中央からの排気ダクト３８が、燃焼室２０Ａの上部中央に入口が開口している。
図８は、第３変形例であり、排熱回収部２４の構成例を示す。
図８（Ａ）は第１例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部の左右側面にそれぞれ１つずつ設けられている。
図８（Ｂ）は第２例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部の中央に１つ設けられている。
図８（Ｃ）は第３例である。この例は、排熱回収部２４は、燃焼室２０Ａの上部側面から延びる排気ダクト３８の入口として設けられている。上記入口は、燃焼室２０Ａ内の上部中央に開口している。一方、燃焼室２０Ａの底部中央に邪魔棒３７が立っている。上記邪魔棒３７の上端部が上記入口に対面することにより、上記入口に熱流が直接侵入するのを制限している。これにより、底部中央からの燃焼ガスが排熱回収部２４にショートカットするのを防いでいる。
図８（Ｄ）は第４例である。この例は、燃焼室２０Ａの底部中央からの排気ダクト３８が、燃焼室２０Ａの上部中央に入口が開口している。
〔第４変形例〕
図９は、第４変形例であり、燃焼室２０の構成例を示す図である。
この例では、燃焼室２０Ｂは、耐熱材の壁面で囲われた箱状を呈している。上記燃焼室２０Ｂには、天井部を貫通するように複数の改質器１０Ａが配置される。このとき、上記改質器１０Ａの改質領域１２を燃焼室２０Ｂの内部に存在させ、外部領域１３を燃焼室２０Ｂの外部に存在させるよう、上記各改質器１０Ａが配置されている。
図９は、第４変形例であり、燃焼室２０の構成例を示す図である。
この例では、燃焼室２０Ｂは、耐熱材の壁面で囲われた箱状を呈している。上記燃焼室２０Ｂには、天井部を貫通するように複数の改質器１０Ａが配置される。このとき、上記改質器１０Ａの改質領域１２を燃焼室２０Ｂの内部に存在させ、外部領域１３を燃焼室２０Ｂの外部に存在させるよう、上記各改質器１０Ａが配置されている。
この状態で、上記燃焼室２０Ｂは、上記改質器１０Ａの外部領域１３の周囲を覆う高さまで炉壁が延長されている。そして、上記延長された炉壁の内側に断熱材３５Ａが充填され、上記外部領域１３の周囲が断熱材３５Ａで覆われている。
このような構成により、外部領域１３の断熱性が高くなり、無駄な熱放散を防止し、熱効率を向上できる。
それ以外は上記第２形態と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第２形態と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第５変形例〕
図１０は、第５変形例であり、改質器１０の構成例を示す図である。
この例では、改質器１０Ｂにおいて、第２管３１Ｂが上方に延長されている。上記第２管３１Ｂは上部が蓋部材３６よりも上側に突出している。そして、低温ＣＯ変成層ｌｓが上記突出した領域にわたって設けられている。
図１０は、第５変形例であり、改質器１０の構成例を示す図である。
この例では、改質器１０Ｂにおいて、第２管３１Ｂが上方に延長されている。上記第２管３１Ｂは上部が蓋部材３６よりも上側に突出している。そして、低温ＣＯ変成層ｌｓが上記突出した領域にわたって設けられている。
このような構成により、低温ＣＯ変成層ｌｓからの熱放散が促進され、高温ＣＯ変成層ｈｓと低温ＣＯ変成層ｌｓの温度差をつけやすく、低温ＣＯ変成層ｌｓの温度制御を行いやすい。
それ以外は上記第４変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第４変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第６変形例〕
図１１は、第６変形例であり、低温ＣＯ変成器を外付けした構成例を示す図である。
この例では、改質器１０Ａの第２管３１Ｂ内に、低温ＣＯ変成層ｌｓが設けられていない。低温ＣＯ変成層ｌｓに替えて、低温ＣＯ変成器５１が外付けされた構成になっている。つまり、改質器１０Ａに接続された改質ガス路４４に低温ＣＯ変成器５１が設けられている。また、上記改質ガス路４４には、改質器１０Ａと低温ＣＯ変成器５１の間に、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却するための熱交換器５２が設けられている。
図１１は、第６変形例であり、低温ＣＯ変成器を外付けした構成例を示す図である。
この例では、改質器１０Ａの第２管３１Ｂ内に、低温ＣＯ変成層ｌｓが設けられていない。低温ＣＯ変成層ｌｓに替えて、低温ＣＯ変成器５１が外付けされた構成になっている。つまり、改質器１０Ａに接続された改質ガス路４４に低温ＣＯ変成器５１が設けられている。また、上記改質ガス路４４には、改質器１０Ａと低温ＣＯ変成器５１の間に、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却するための熱交換器５２が設けられている。
このような構成により、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを確実に冷却し、高温ＣＯ変成層ｈｓと低温ＣＯ変成層ｌｓの温度差をつけやすく、低温ＣＯ変成層ｌｓの温度制御を行いやすい。
それ以外は上記第４変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第４変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第７変形例〕
図１２は、第７変形例であり、水蒸気発生ユニットを備えた構成例を示す図である。
この例では、水蒸気発生器３０に替えて、水蒸気発生ユニット６０が設けられている。
図１２は、第７変形例であり、水蒸気発生ユニットを備えた構成例を示す図である。
この例では、水蒸気発生器３０に替えて、水蒸気発生ユニット６０が設けられている。
上記水蒸気発生ユニット６０は、スチームドラム６１と、気化器６２と、スチーム加熱器６３と、純水ヒータ６４とを備えて構成されている。上記水蒸気発生ユニット６０では、主として上記燃焼室２０Ａから取り出した排ガスによって純水導入路４３を流れてきた純水を加熱し、上記純水を気化させて水蒸気を発生する。
上記スチームドラム６１は、純水導入路４３の下流端に接続され、予熱器４４Ａで予熱された純水が導入される。上記スチームドラム６１に導入された純水は、上記気化器６２を途中に有する循環路６５で循環される。
上記気化器６２は、循環路６５を循環する純水を加熱する。上記気化器６２は、排ガス路４６から分岐した第２排ガス路４６Ｂが経由しており、上記第２排ガス路４６Ｂを通過する排ガスの熱で純水を加熱する。第２排ガス路４６Ｂの下流端は、上記排ガス路４６の下流側に合流する。上記気化器６２では、スチームと液が混合状態となるまで純水を加熱する。
上記スチーム加熱器６３は、上記スチームドラム６１の上部と連通しており、上記スチームドラム６１内に貯留したスチームと液の混合物からスチームが導入される。上記スチーム加熱器６３は、排ガス路４６が経由しており、上記排ガス路４６を通過する排ガスの熱でスチームを加熱する。上記スチーム加熱器６３で加熱されたスチームは炭化水素導入路４１に合流される。
上記純水ヒータ６４は、上記スチームドラム６１内の液温が下がったときに液を加熱する。上記純水ヒータ６４の加熱熱源には、電気などを利用することができる。
上記排ガス路４６と第２排ガス路４６Ｂには、それぞれ流量コントローラ６６Ａ，６６Ｂが設けられ、上記排ガス路４６に流す排ガスと第２排ガス路４６Ｂに流す排ガスの流量比を制御する。これにより、スチーム加熱器６３から炭化水素導入路４１に合流させるスチームの温度が一定になるように制御する。
つまり、改質器１０Ａでの改質反応は吸熱反応であるため、水素の発生量が少なくなると、改質反応への吸熱が少なくなって排ガスの温度が上がる。一方、水素の発生量が多くなると、改質反応への吸熱が多くなって排ガスの温度が下がる。そこで、排ガスの温度が上がると第２排ガス路４６Ｂに流す排ガスの流量を増やし、排ガスの温度が下がると第２排ガス路４６Ｂに流す排ガスの流量を減らす。これにより、排ガス路４６を通ってスチーム加熱器６３を経由する排ガスの量が一定し、スチーム加熱器６３から炭化水素導入路４１に合流させるスチームの温度を一定にできる。
水素の発生量が多い状態が続いて排ガスの温度が下がり、第２排ガス路４６Ｂに流す排ガスの流量の少ない状態が続いたときは、上記水蒸気発生ユニット６０全体の熱量が不足する。そうすると、上記スチームドラム６１内の液温が下がるため、上記純水ヒータ６４を稼働して、上記スチームドラム６１内の液を加熱する。
また、この例は、バーナ２１に供給する燃料を一時的に保持する燃料バッファタンク７１を有している。上記燃料バッファタンク７１には、炭化水素導入路４１から分岐した炭化水素分岐路４１Ｄの下流端と、水素精製ユニット２から出たオフガス路４７の下流端が接続されている。上記燃料バッファタンク７１からバーナ２１に対し、炭化水素とオフガスの混合ガスが供給される。
このような構成により、水素の発生量に変動があっても、炭化水素導入路４１に合流させるスチームの温度を一定にできる。また、バーナ２１の燃料を燃料バッファタンク７１から供給するため、バーナ２１の火力を調節しやすい。
それ以外は上記第２形態と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第２形態と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第８変形例〕
図１３は、第８変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第１構成例を示す図である。
図１３は、第８変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第１構成例を示す図である。
この例は、改質器１０Ａに接続された改質ガス路４４に低温ＣＯ変成器５１が設けられている。また、上記改質ガス路４４には、改質器１０Ａと低温ＣＯ変成器５１の間に、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却するための熱交換器５２が設けられている。
また、燃料バッファタンク７１からバーナ２１に供給する燃料を、一旦上記熱交換器５２を経由させることにより予熱する。つまり、上記熱交換器５２における冷却は、燃料バッファタンク７１からバーナ２１に供給する燃料を予熱するときの熱交換で行う。
このような構成により、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを確実に冷却し、高温ＣＯ変成層ｈｓと低温ＣＯ変成層ｌｓの温度差をつけやすく、低温ＣＯ変成層ｌｓの温度制御を行いやすい。また、バーナ２１に供給する燃料を予熱することにより、熱効率が向上する。
それ以外は上記第７変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第７変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第９変形例〕
図１４は、第９変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第２構成例を示す図である。
図１４は、第９変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第２構成例を示す図である。
この例は、燃料バッファタンク７１からバーナ２１に供給する燃料を予熱する燃料加熱器７２を備えている。したがって上記熱交換器５２は備えていない。上記燃料加熱器７２には、上記水蒸気発生ユニット６０から出た排ガス路４６の下流が経由している。上記燃料を予熱する熱源は、排ガス路４６の下流を流れる排ガスである。
また、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却する熱交換器５２には、空気供給路２１Ｂが経由している。これにより、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却し、バーナ２１に供給する空気を加熱する。
それ以外は上記第８変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第８変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔第１０変形例〕
図１５は、第１０変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第３構成例を示す図である。
図１５は、第１０変形例であり、水蒸気発生ユニット６０を備え、低温ＣＯ変成器５１を外付けした第３構成例を示す図である。
この例は、改質器１０Ａに接続された改質ガス路４４に低温ＣＯ変成器５１が設けられている。また、上記改質ガス路４４には、改質器１０Ａと低温ＣＯ変成器５１の間に、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを冷却するための熱交換器５２が設けられている。
上記熱交換器５２では、水蒸気発生ユニット６０の循環路６５から分岐した分岐路を通過させる。これにより、上記分岐路を流れる液（温水）を加熱し、温水とスチームの混合物にする。上記熱交換器５２を離れた分岐路は、上記水蒸気発生ユニット６０のスチームドラム６１に接続される。上記スチームドラム６１には、上記熱交換器５２で加熱された温水とスチームの混合物が還流することになる。
つまり、水蒸気発生ユニット６０の循環路６５は、３つの分岐路にわかれている。第１は気化器６２に至る分岐路、第２は純水ヒータ６４に至る分岐路、第３は熱交換器５２に至る分岐路である。上記スチームドラム６１内の液面は、所定の高さに制御され、上部のスチームがスチーム加熱器６３に導入され、下部の液体が循環路６５に流れるようになっている。上記スチームドラム６１内の液面制御は、上記スチームドラム６１の設置高さを適正に配置するか、または上記スチームドラム６１内の圧力を適正に制御することにより行うことができる。
このような構成により、高温ＣＯ変成層ｈｓから出たガスを確実に冷却し、高温ＣＯ変成層ｈｓと低温ＣＯ変成層ｌｓの温度差をつけやすく、低温ＣＯ変成層ｌｓの温度制御を行いやすい。また、バーナ２１に供給する燃料を予熱することにより、熱効率が向上する。
また、循環路６５を循環する液の一部を熱交換器５２で加熱してスチームドラム６１に戻すため、スチームドラム６１内の液温が下がりにくい。このため、 水素の発生量が多い状態が続いて排ガスの温度が下がり、第２排ガス路４６Ｂに流す排ガスの流量の少ない状態が続いたとしても、上記水蒸気発生ユニット６０全体の熱量が不足することになりにくい。上記純水ヒータ６４の稼働頻度が少なくなってその分、エネルギーを節減できる。
それ以外は上記第７変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
それ以外は上記第７変形例と同様であり、同様の部分にはおなじ符号を付している。
〔各実施形態の効果〕
以上のように、上記各実施形態の水素発生装置は、改質触媒と改質器１０と燃焼室２０を備えている。上記改質触媒は、炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する。上記改質器２０は、上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる。上記燃焼室２０は、燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る。
上記各実施形態は、上記改質器１０のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室２０の内部に配置され、改質領域１２が、上記燃焼室２０の内部に配置され、さらに、上記改質器２０に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０の外部に設けられている。
このように、上記各実施形態では、従来の予熱流路や蒸気発生部のような水蒸気発生器３０が燃焼室２０の外部に設けられる。このため、複雑な螺旋構造体を高温になる燃焼室２０に設けなくてよい。したがって、装置の製作に伴うコストが大幅に節減でき、メンテナンス性が格段に改善される。特に、開放検査を毎年実施する必要がある大型機において有利である。しかも、上記各実施形態では、上記改質領域１２は上記燃焼室２０の内部に配置される。このため、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
さらに、酸化剤ガスを使用しないため、装置の構造を簡素化できて設備費用とランニングコストを抑え、不純物による後段の水素精製ユニット２に負担を増大させない。
以上のように、上記各実施形態の水素発生装置は、改質触媒と改質器１０と燃焼室２０を備えている。上記改質触媒は、炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する。上記改質器２０は、上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる。上記燃焼室２０は、燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る。
上記各実施形態は、上記改質器１０のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室２０の内部に配置され、改質領域１２が、上記燃焼室２０の内部に配置され、さらに、上記改質器２０に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器３０が、上記燃焼室２０の外部に設けられている。
このように、上記各実施形態では、従来の予熱流路や蒸気発生部のような水蒸気発生器３０が燃焼室２０の外部に設けられる。このため、複雑な螺旋構造体を高温になる燃焼室２０に設けなくてよい。したがって、装置の製作に伴うコストが大幅に節減でき、メンテナンス性が格段に改善される。特に、開放検査を毎年実施する必要がある大型機において有利である。しかも、上記各実施形態では、上記改質領域１２は上記燃焼室２０の内部に配置される。このため、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
さらに、酸化剤ガスを使用しないため、装置の構造を簡素化できて設備費用とランニングコストを抑え、不純物による後段の水素精製ユニット２に負担を増大させない。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記改質器１０は、上記改質領域１２と外部領域１３を有している。上記外部領域１３は、上記燃焼室２０の外部において、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部１４と、改質ガスを排出する排出部１５が設けられている。そして、上記改質領域１２が、上記外部領域１３の反対側に設けられている。
炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部１４は温度が下がりやすく、温度が不安定になりやすい。このため、その導入部１４を上記燃焼室２０の外部におくことにより、燃焼室２０の内部に配置した改質領域１２の温度が安定化する。したがって、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部１４は温度が下がりやすく、温度が不安定になりやすい。このため、その導入部１４を上記燃焼室２０の外部におくことにより、燃焼室２０の内部に配置した改質領域１２の温度が安定化する。したがって、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記改質器１０は、上流領域１６と下流領域１７とガス反転部１８とを備えている。上記上流領域１６は上記導入部１４に通じる、上記下流領域１７は上記排出部１５に通じ、上記ガス反転部１８は上記上流領域１６と上記下流領域１７のあいだに存在する。そして、上記改質領域１２は、上記ガス反転部１８を含んで構成されている。
このため、上記導入部１４と排出部１５を設けた外部領域１３を燃焼室２０の外部に設け、その反対側の改質領域１２を燃焼室２０の内部に配置する構造が無理なく実現できる。また、上記ガス反転部１８を含む領域を上記改質領域１２とすることにより、上記改質領域１２に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
このため、上記導入部１４と排出部１５を設けた外部領域１３を燃焼室２０の外部に設け、その反対側の改質領域１２を燃焼室２０の内部に配置する構造が無理なく実現できる。また、上記ガス反転部１８を含む領域を上記改質領域１２とすることにより、上記改質領域１２に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記燃焼室２０がバーナ２１を備えている。上記バーナ２１は、上記燃料ガスを燃焼させて上記改質領域１２に燃焼熱を付与する。また、上記バーナ２１はその火口２２が、上記燃焼室２０における上記改質領域１２側でかつ上記外部領域１３と反対側の空間に配置されている。
このため、上記改質領域１２に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
このため、上記改質領域１２に対する均一な燃焼熱の付与を行いやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記バーナ２１の火口２２が、上記改質領域１２に向かって複数設けられている。
このため、バーナ２１による燃焼熱を上記改質領域１２に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
このため、バーナ２１による燃焼熱を上記改質領域１２に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記燃焼室２０は、上記バーナ１２による燃焼熱を整流する整流部材２３を備えている。
上記整流部材２３の存在により、バーナ２１による燃焼熱を上記改質領域１２に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記整流部材２３の存在により、バーナ２１による燃焼熱を上記改質領域１２に対して均一に付与しやすい。そして、改質領域１２の温度の均一性を確保でき、温度ばらつきに起因する改質効率の低下を防止できる。
上記各実施形態の水素発生装置は、上記燃焼室２０における上記外部領域１２側に、上記燃焼室２０内の排熱を回収する排熱回収部２４が配置されている。
このため、改質領域１２に対して燃焼熱を付与した後の排熱を効果的に回収できる。回収した排熱は、有効に再利用することができる。
このため、改質領域１２に対して燃焼熱を付与した後の排熱を効果的に回収できる。回収した排熱は、有効に再利用することができる。
上記各実施形態によれば、ＣＯ除去部を設置せず、酸化剤ガスを使用しない構造とすることにより、システムを簡易化し、設備費、ユーティリティ費用を低減できる。また、改質ガスに酸化剤ガスが混入しないため、不純物の濃度が下がり、後段の水素精製ユニット１の負担を軽減できる。
燃焼室２０，２０Ａ内に存在させた改質領域１２では、外周部分がすべて改質触媒が充填された領域となるため、触媒量に対する受熱面積が増加する。これによりバーナ２１で発生した熱を高効率で改質触媒に伝えることができる。
また、バーナ２１を燃焼室２０，２１の下部に適切に位置させた場合には、改質器１０，１０Ａに均等に熱を加え、温度の不均衡による改質触媒の劣化や熱ロスを防ぐ。
水蒸気発生器３０を燃焼室２０，２０Ａの外部に設置したことで、メンテナンス性が向上する。特に第一種圧力容器に該当する大型で開放検査の実施する場合において、メンテナンス費用と期間を大幅に軽減できる。また、燃焼室２０，２０Ａ内の温度に対して低温となる水蒸気発生器３０を燃焼室２０，２０Ａの外部に設置することで、燃焼室２０，２０Ａ内に部分的な低温領域が発生しにくくなる。これにより、改質器１０，１０Ａに熱が伝わりやすくなり、熱効率が悪くならない。
燃焼室２０，２０Ａ内に存在させた改質領域１２では、外周部分がすべて改質触媒が充填された領域となるため、触媒量に対する受熱面積が増加する。これによりバーナ２１で発生した熱を高効率で改質触媒に伝えることができる。
また、バーナ２１を燃焼室２０，２１の下部に適切に位置させた場合には、改質器１０，１０Ａに均等に熱を加え、温度の不均衡による改質触媒の劣化や熱ロスを防ぐ。
水蒸気発生器３０を燃焼室２０，２０Ａの外部に設置したことで、メンテナンス性が向上する。特に第一種圧力容器に該当する大型で開放検査の実施する場合において、メンテナンス費用と期間を大幅に軽減できる。また、燃焼室２０，２０Ａ内の温度に対して低温となる水蒸気発生器３０を燃焼室２０，２０Ａの外部に設置することで、燃焼室２０，２０Ａ内に部分的な低温領域が発生しにくくなる。これにより、改質器１０，１０Ａに熱が伝わりやすくなり、熱効率が悪くならない。
〔その他の変形例〕
本発明は、たとえば、家庭用や自動車用の燃料電池のための水素発生装置に適用できる。それだけでなく、プラント用その他の燃料電池用の水素発生装置にも適用できるし、燃料電池以外の水素ガス利用設備に対して水素ガスを供給するための水素発生装置にも適用することができる。
本発明は、たとえば、家庭用や自動車用の燃料電池のための水素発生装置に適用できる。それだけでなく、プラント用その他の燃料電池用の水素発生装置にも適用できるし、燃料電池以外の水素ガス利用設備に対して水素ガスを供給するための水素発生装置にも適用することができる。
また、以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は図示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。
１：改質ユニット
２：水素精製ユニット
２Ａ：吸着槽
２Ｂ：吸着槽
２Ｃ：吸着槽
２Ｄ：吸着槽
１０：改質器
１０Ａ：改質器
１０Ｂ：改質器
１１Ａ：第１管
１１Ｂ：第２管
１１Ｃ：第３管
１１Ｄ：第４管
１２：改質領域
１３：外部領域
１４：導入部
１５：排出部
１６：上流領域
１７：下流領域
１８：ガス反転部
２０：燃焼室
２０Ａ：燃焼室
２０Ｂ：燃焼室
２１：バーナ
２１Ａ：燃料ガス供給路
２１Ｂ：空気供給路
２１Ｃ：空気ブロア
２２：火口
２３：整流部材
２４：排熱回収部
３０：水蒸気発生器
３１Ａ：第１管
３１Ｂ：第２管
３５：断熱材層
３５Ａ：断熱材
３６：蓋部材
３７：邪魔棒
３８：排気ダクト
４１：炭化水素導入路
４１Ａ：脱硫器
４１Ｂ：圧縮機
４１Ｃ：流量調節器
４１Ｄ：炭化水素分岐路
４２：水蒸気導入路
４３：純水導入路
４４：改質ガス路
４４Ａ：予熱器
４４Ｂ：冷却器
４４Ｃ：冷却水路
４４Ｄ：気液分離器
４４Ｅ：ドレン管
４５：水素取出路
４５Ａ：フレアスタック路
４６：排ガス路
４６Ａ：空気加熱器
４６Ｂ：第２排ガス路
４７：オフガス路
４７Ａ：真空ポンプ
４７Ｂ：オフガスホルダ
５１：低温ＣＯ変成器
５２：熱交換器
６０：水蒸気発生ユニット
６１：スチームドラム
６２：気化器
６３：スチーム加熱器
６４：純水ヒータ
６５：循環路
６６Ａ：流量コントローラ
６６Ｂ：流量コントローラ
７１：燃料バッファタンク
７２：燃料加熱器
２：水素精製ユニット
２Ａ：吸着槽
２Ｂ：吸着槽
２Ｃ：吸着槽
２Ｄ：吸着槽
１０：改質器
１０Ａ：改質器
１０Ｂ：改質器
１１Ａ：第１管
１１Ｂ：第２管
１１Ｃ：第３管
１１Ｄ：第４管
１２：改質領域
１３：外部領域
１４：導入部
１５：排出部
１６：上流領域
１７：下流領域
１８：ガス反転部
２０：燃焼室
２０Ａ：燃焼室
２０Ｂ：燃焼室
２１：バーナ
２１Ａ：燃料ガス供給路
２１Ｂ：空気供給路
２１Ｃ：空気ブロア
２２：火口
２３：整流部材
２４：排熱回収部
３０：水蒸気発生器
３１Ａ：第１管
３１Ｂ：第２管
３５：断熱材層
３５Ａ：断熱材
３６：蓋部材
３７：邪魔棒
３８：排気ダクト
４１：炭化水素導入路
４１Ａ：脱硫器
４１Ｂ：圧縮機
４１Ｃ：流量調節器
４１Ｄ：炭化水素分岐路
４２：水蒸気導入路
４３：純水導入路
４４：改質ガス路
４４Ａ：予熱器
４４Ｂ：冷却器
４４Ｃ：冷却水路
４４Ｄ：気液分離器
４４Ｅ：ドレン管
４５：水素取出路
４５Ａ：フレアスタック路
４６：排ガス路
４６Ａ：空気加熱器
４６Ｂ：第２排ガス路
４７：オフガス路
４７Ａ：真空ポンプ
４７Ｂ：オフガスホルダ
５１：低温ＣＯ変成器
５２：熱交換器
６０：水蒸気発生ユニット
６１：スチームドラム
６２：気化器
６３：スチーム加熱器
６４：純水ヒータ
６５：循環路
６６Ａ：流量コントローラ
６６Ｂ：流量コントローラ
７１：燃料バッファタンク
７２：燃料加熱器
Claims (6)
- 炭化水素系ガスと水蒸気を改質反応させて水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒と、
上記改質触媒が充填されて上記改質反応が行われる改質器と、
燃料ガスを燃焼させて上記改質反応に付与する反応熱を得る燃焼室とを備え、
上記改質器のうち少なくとも上記改質反応を行う改質領域が、上記燃焼室の内部に配置され、
上記改質器に導入する水蒸気を発生させる水蒸気発生器が、上記燃焼室の外部に設けられ、
上記改質器は、上記燃焼室の外部に配置される外部領域と、上記燃焼室の内部に配置されて少なくとも上記改質反応を行う改質領域とを有し、
上記外部領域は、上記燃焼室の外部で、炭化水素系ガスと水蒸気を導入する導入部に通じる上流領域と、改質ガスを排出する排出部に通じる下流領域を有し、それらの周囲が断熱材で覆われており、
上記改質領域は、上記上流領域と上記下流領域のあいだに存在する、上記燃焼室内部のガス反転部を含んで構成されている
ことを特徴とする水素発生装置。 - 上記燃焼室は、上記燃料ガスを燃焼させて上記改質領域に燃焼熱を付与するためのバーナを備え、
上記バーナはその火口が、上記燃焼室における上記改質領域側でかつ上記外部領域と反対側の空間に配置されている
請求項１記載の水素発生装置。 - 上記バーナの火口が、上記改質領域に向かって複数設けられている
請求項２記載の水素発生装置。 - 上記燃焼室は、上記バーナによる燃焼熱を整流する整流部材を備えている
請求項２または３記載の水素発生装置。 - 上記燃焼室における上記外部領域側に、上記燃焼室内の排熱を回収する排熱回収部が配置され、上記排熱回収部で回収した排熱利用して上記水蒸気発生器で水蒸気を発生させる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素発生装置。 - 上記外部領域にある上記下流領域に、ＣＯ変成層が設けられている
請求項１〜５のいずれか一項に記載の水素発生装置。
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| US16/762,413 US11485635B2 (en) | 2017-11-09 | 2018-10-26 | Hydrogen generator |
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