JP7197374B2 - 水素製造システム - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態に係る水素製造システムの一例を図1及び図2を参照して説明する。
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、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と、を備えている。
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。この多重筒型改質器12は、改質器の一例である。
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G2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、水素精製器90のオフガスが流れるオフガス供給管104の上流端とが接続されている。
燃焼排ガス水分離部70には、改質器12の燃焼排ガス流路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。
発電装置102は、酸化物イオン伝導性の固体酸化物形燃料電池(以下、「燃料電池」という場合がある)106を備えている。燃料電池106のセルには、空気極108と、燃料極110と、空気極108と燃料極110とを隔てる電解質膜112と、を有する。図1には、燃料電池106の1つのセルを構成する空気極108、燃料極110と、電解質膜112だけを模式的に記載したが、セルには図示しないセパレータも含んでいる。また、燃料電池106は、複数のセルが積層されることによりスタック(燃料電池スタック)が構成されているものである。以下、図1に基づいて説明するが、「空気極108、燃料極110と接続」とは、複数のセルの各空気極108、各燃料極110と接続されていることを意味する。なお、電解質膜112が電解質に相当する。
次に、水素製造システム100の作用について説明する。
本発明の第2実施形態に係る水素製造システム200について、図3を参照して説明する。第1実施形態と同様の構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、第1実施形態と異なるのはオフガス供給管と発電装置のみなので、当該部分に関する構成、作用のみを説明し、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。
図3に示すように、水素製造システム200は、水素製造装置10と発電装置202とを備えている。
このように、水素製造システム200では、水素精製器90のオフガスOGがオフガス供給管214を介して燃焼用燃料ガス供給管213に供給される。燃焼用燃料ガス供給管213では燃焼用燃料ガスにオフガスOGが混合され、改質器204の燃焼室212に供給される。
(他の例1)
なお、水素製造システム100、200において、改質器12は改質ガスから一酸化炭素を除去するために、CO変成触媒層45、CO選択酸化触媒層47を備える構成としたが、図4に示すように、改質器12からCO選択酸化触媒層47を除きCO変成触媒層45のみとした改質器12Aとすることもできる。
また、図5に示すように、水素製造システム100、200において、改質ガスから一酸化炭素を除去するために、改質器12からCO選択酸化触媒層47を除きCO変成触媒層45のみとすると共に、CO変成触媒層45を拡大した改質器12Bとすることにより、CO変成触媒層45の一酸化炭素処理(除去)能力を改質器12Aよりも増大させることもできる。
さらに、水素精製器90のオフガスOG中の一酸化炭素が発電装置102、202で使用されることを考慮すると、改質器12からCO変成触媒層45、CO選択酸化触媒層47を除去することも考えられる。
第1、第2実施形態に係る水素製造システム100、200では、それぞれ改質器12、12A、12Bを多重筒型改質器としたが、これに限定されるものではない。炭化水素から水素を主成分とする改質ガスに改質可能なものであれば良い。
としたが、プロトン伝導性の固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等のように一酸化炭素を利用して発電する燃料電池であれば良い。また、発電装置は、燃料電池に限定されず、燃料ガスが供給されることによって発電するものであれば良い。例えば、発電装置がガスタービン装置やガスエンジン装置等であっても良い。
12、12A、12B 多重筒型改質器(改質器)
90 水素精製器
100、200 水素製造システム
102、202 発電装置
104、214 オフガス供給管(オフガス導入流路)
106 固体酸化物形燃料電池(燃料電池)
108 空気極
110 燃料極
112 電解質膜(電解質)
212 燃焼室
Claims (3)
- 炭化水素供給源から炭化水素が原料として供給されると共に、前記炭化水素を改質して水素を主成分とし一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素に精製する水素精製器と、を有する水素製造装置と、
燃料ガスが供給されることにより発電する発電装置と、
前記水素製造装置から前記発電装置に前記オフガスを供給するオフガス導入流路と、
を備える水素製造システムであって、
前記発電装置は、燃焼用燃料ガス供給管から燃焼用燃料ガスが供給されると共に前記オフガス導入流路が連通された燃焼室を有する、前記改質器と異なる発電用改質器を備え、
前記オフガスが燃料として前記燃焼室に供給されると共に、前記燃焼室の燃焼排ガスが外気中に排出されることで、前記発電装置で前記オフガスを使用することによって前記オフガスに含有される一酸化炭素を酸化して外気中に排出する、水素製造システム。 - 前記発電装置は、燃料ガスが供給される燃料極と、酸化ガスが供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを隔てる電解質とを有し、一酸化炭素を利用して発電する燃料電池であり、前記オフガス導入流路から前記燃料電池の燃料極に前記オフガスが供給されると共に、前記燃料極の排ガスが外気中に排出される請求項1記載の水素製造システム。
- 前記発電装置で発電された電力を前記水素製造装置に供給する請求項1または請求項2に記載の水素製造システム。
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