JP7181080B2 - 水素製造装置 - Google Patents

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。

特許文献１には、改質器に水蒸気と原料炭化水素を供給して水蒸気改質することにより改質ガスを生成する水素製造装置が記載されている。

特開２００１－２６１３０６号公報

ところで、改質器の外部で水蒸気を発生させる場合には、外部から供給された熱媒によって水を加熱することが考えられる。また、改質器で生成された改質ガスは、水素精製器に供給されることより製品水素と不純物に分離され、製品水素が精製される。この場合にも、水素精製器に供給される改質ガスの流量を削減して水素精製器の負荷を低減するために改質ガスを冷却して水を分離することが考えられる。この改質ガスの冷却を外部から供給された冷媒で行うことが考えられる。

このように、水から水蒸気を発生させるための熱媒、改質ガスを冷却するための冷媒をそれぞれ外部から供給する構成にすると、水素製造装置の構造が複雑になると共に装置全体の熱効率の点でも改善の余地がある。

本発明の課題は、簡単な構成で装置全体の熱効率を向上させた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、炭化水素と水とが原料として供給され、加熱されることにより前記炭化水素を改質して水素を主成分と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、前記改質ガスを昇圧する昇圧手段と、前記改質器と前記昇圧手段とを連通し、前記改質器から前記昇圧手段に前記改質ガスが供給される第１改質ガス流路と、前記昇圧手段と接続され、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を精製する水素精製器と、前記第１改質ガス流路上に設けられ、前記改質器に原料として供給される水と前記改質ガスとが熱交換される熱交換器と、前記第１改質ガス流路上で前記熱交換器の下流側に設けられ、前記改質ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷媒循環型の他の熱交換器と、を備える。

この水素製造装置では、改質器と昇圧手段を連通する第１改質ガス流路上に改質器に原料として供給される水（以下、「改質用水」という）と改質器で生成された改質ガスとが熱交換される熱交換器が設けられている。

したがって、改質用水は、熱交換器において改質ガスとの熱交換により加熱された後、改質器に供給される。この結果、改質器において改質用水を加熱して改質ガスを生成するために必要な加熱量が低減される。すなわち、水素製造装置の熱効率が向上する。

また、昇圧手段に供給する前の改質ガスが改質用水と熱交換されることで冷却され、改質ガス中の水蒸気を凝縮することができる。すなわち、昇圧手段に供給される改質ガスから水蒸気を削減して、昇圧手段に供給される改質ガス流量を抑制することで昇圧手段の負荷を低減することができる。

さらに、水素製造装置では、装置内部の改質用水と改質ガスを熱交換することにより、改質用水を加熱し、改質ガスを冷却している。この改質用水の加熱及び改質ガスの冷却をそれぞれ外部からの熱媒、冷媒で行う場合と比較すると、水素製造装置の熱効率が高い。

また、水素製造装置は、第１改質ガス流路に改質用水と熱交換する熱交換器を設けているだけなので、上記のように外部からの熱媒、冷媒を用いる場合と比較して簡単な構成で済む。
この水素製造装置では、第１改質ガス流路において熱交換器の下流側に、改質ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる他の熱交換器が配設されているため、改質ガスから確実に水を除去することができる。また、冷媒循環型の他の熱交換器は、熱交換器で冷却された改質ガスを冷却しているので、冷却負荷が軽減され、小型化することができる。

請求項１記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、簡単な構成で装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項１記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、改質ガス又は燃焼排ガスから水蒸気を確実に除去することができる。

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実施形態に係る多重筒型改質器を示した断面図である。 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３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。 本発明の第５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６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及び図２を参照して説明する。

〈水素製造装置〉
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。

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、さらに都市ガスを供給するための原料供給管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。したがって、バーナー２６には、都市ガスに空気が混合された気体が、供給される構成である。

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。なお、ガス排出管２８が「燃焼排ガス流路」に相当する。

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。

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で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（水性シフト反応）、改質ガス中の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（例えば空気）、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。

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に配置されたチラー１１０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。

（チラー）
チラー１１０は、改質ガス排出管４４上に配設される熱交換部１１２と、熱交換部１１２と離間した位置に配設されるラジエータ１１４と、熱交換部１１２とラジエータ１１４との間でチラー水が循環されるチラー水循環流路１１６と、を有している。

チラー水循環流路１１６には、チラー水を循環させるためのポンプ１１８が配設されている。また、ラジエータ１１４には、熱交換部１１２における熱交換により高温となったチラー水を冷却するためのファン１２０が設けられている。

すなわち、チラー１１０は、ラジエータ１１４において冷却されたチラー水がチラー水循環流路１１６を介して熱交換部１１２に供給され、改質ガス排出管４４を流れる改質ガスＧ１と熱交換される（改質ガスＧ１が冷却される）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Ｇ２を圧縮し、昇圧後水分離部６０へ供給可能とされている。なお、圧縮機８０が「昇圧手段」に相当する。

（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に配置されたチラー１３０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。

（チラー）
連絡流路管６６に設けられたチラー１３０は、チラー１１０と同様の構成である。したがって、チラー１３０について簡略に記載し、その詳細な説明は省略する。

チラー１３０は、熱交換部１３２と、ラジエータ１３４と、チラー水循環流路１３６と、ポンプ１３８と、ファン１４０と、を有する。

すなわち、チラー１３０は、ラジエータ１３４において冷却されたチラー水がチラー水循環流路１３６を介して熱交換部１３２に供給され、連絡流路管６６を流れる改質ガスＧ２と熱交換される（改質ガスＧ２が冷却される）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、精製された水素が送出される水素供給管９２の上流端と、水素精製器９０で分離されたオフガスが送出されるオフガス還流管１００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、次に一方の吸着槽で脱着工程、他方の吸着槽で吸着工程を行う。これを周期的に繰り返すことで、改質ガスＧ３を水素と一酸化炭素を含む不純物（オフガスＯＧ）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、水素供給管９２へ送出され、不図示のタンクへ貯留される、あるいは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、オフガス還流管１００を介して改質器１２の燃焼室２５に設けられたバーナー２６に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、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、改質用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から外気中へ排出される構成である。なお、熱交換器ＨＥ３が「熱交換器」に相当する。

（改質用供給管）
水回収管５９、６９、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から改質用水供給管３４に、例えば純水または市水が供給される構成である。

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。

さらに、改質用水供給管３４のポンプＰ１、水処理器３４Ａの下流側、最も改質器１２側に熱交換器ＨＥ３が配設されている。すなわち、熱交換器ＨＥ３において、ガス排出管２８を流れる燃焼排ガスと熱交換されることによって、改質器１２に供給される改質用水が予め加熱される構成である。

〈オフガスタンク〉
水素精製器９０と改質器１２のバーナー２６とを連通するオフガス還流管１００上には、オフガスタンク１０２が設けられている。したがって、水素精製器９０から供給されたオフガスがオフガスタンク１０２に一旦貯留され、流量や組成が平準化された後、改質器１２のバーナー２６に供給される構成である。

（作用）
次に、水素製造装置１０の作用について説明する。

図２に示すように、都市ガスが原料供給管３３から、改質用水が改質用水供給管３４からそれぞれ多重筒型改質器１２の予熱流路３２に供給される。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で改質用水と混合されつつ加熱されて混合ガスとされ、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剤ガス（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。

この際、多重筒型改質器１２の燃焼室２５では、原料分岐管３３Ａと空気分岐管４０Ａから供給された都市ガスと空気とが混合された気体がバーナー２６によって燃焼される。燃焼排ガスは、燃焼室２５から燃焼排ガス流路２７、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。図１に示すように、燃焼排ガスに含まれる水（水蒸気）は、熱交換器ＨＥ３での改質用水と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に水が貯留され、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から外気中へ排出される。

一方、図１に示すように、改質器１２から送出された所定品質の改質ガス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、チラー１１０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、チラー１３０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。

なお、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からそれぞれ水回収管５９、６９、７８に送出された水は、改質用水供給管３４に戻される。ポンプＰ１の駆動により、改質用水供給管３４から多重筒型改質器１２に改質用水として供給される。

この際、改質用水供給管３４上に設けられた熱交換器ＨＥ３において、改質用水はガス排出管２８を流れる燃焼排ガスと熱交換されることによって加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給される。

一方、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では吸着剤に水素以外の不純物が吸着され、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ている。水素精製器９０では、この吸着工程と脱着工程をそれぞれの吸着槽で一定の周期で繰り返すことにより、改質ガスＧ３から連続的に水素と不純物が分離されて水素が精製される。

水素精製器９０で精製された製品としての水素は水素供給管９２へ送出され、不図示のタンクへ貯留される、あるいは水素供給ラインへ送られる。

一方、水素精製器９０から排出されたオフガスＯＧは、オフガス還流管１００を介して改質器１２に供給される。すなわち、オフガス還流管１００上に設けられたオフガスタンク１０２に一旦貯留された後、改質器１２のバーナー２６に供給される。

このように、水素製造装置１０では、改質器１２で加熱されるため改質器１２に供給される前に加熱することが望ましい改質用水と、外気中に排出されるため安全性を高めるために冷却することが必要な燃焼排ガスを熱交換させている。

したがって、水素製造装置１０は、この改質用水の加熱及び燃焼排ガスの冷却をそれぞれ外部からの熱媒、冷媒で行う場合と比較すると、熱効率が高い（向上している）。

特に、改質器１２に供給される改質用水が、改質器１２に供給される前に熱交換器ＨＥ３で加熱されている。したがって、改質器１２の予熱流路３２で改質用水を気化させ都市ガスとの混合ガスにさせるために必要な加熱量を低減することができる。すなわち、水素製造装置１０の熱効率を向上させることができる。

また、水素製造装置１０では、熱交換器ＨＥ３における改質用水との熱交換により燃焼排ガスが冷却される。この結果、ガス排出管２８を流れる燃焼排ガスから水蒸気を凝縮して水を取り出すことができると共に、ガス排出管７６から外気中に排出される燃焼排ガスを十分に冷却させ、安全性を高めることができる。なお、燃焼排ガス水分離部７０で分離された水は、改質用水供給管３４を介して改質器１２に供給されることにより改質用水として再利用される。

さらに、水素製造装置１０は、ガス排出管２８に改質用水と熱交換する熱交換器ＨＥ３を設けているだけなので、上記のように外部からの熱媒、冷媒を用いる場合と比較して簡単な構成で済む。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る水素製造装置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、水素製造装置２００は、第１実施形態の水素製造装置１０のチラー１１０を改質ガスと改質用水とが熱交換される熱交換器ＨＥ１に変更すると共に、熱交換器ＨＥ３をチラー１５０に変更した点のみ異なるので、当該部分に関する構成及び作用のみを説明し、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。

（構成）
図３に示すように、水素製造装置２００では、改質用水供給管３４を改質ガス排出管４４と交差させ、交差位置に熱交換器ＨＥ１が設けられている。すなわち、熱交換器ＨＥ１において、改質用水と改質ガスＧ１が熱交換されることにより、改質用水が加熱されると共に改質ガスＧ１が冷却される構成である。なお、熱交換器ＨＥ１が「熱交換器」に相当する。また、改質ガス排出管４４、連絡流路管５６が「第１改質ガス流路」に相当する。

また、図３に示すように、ガス排出管２８には、チラー１５０が配設されている。チラー１５０は、チラー１１０と同様の構成である。したがって、チラー１５０について簡略に記載し、その詳細な説明は省略する。

チラー１５０は、熱交換部１５２と、ラジエータ１５４と、チラー水循環流路１５６と、ポンプ１５８と、ファン１６０とを有する。

すなわち、ラジエータ１５４において冷却されたチラー水がチラー水循環流路１５６を介して熱交換部１５２に供給され、ガス排出管２８を流れる燃焼排ガスと熱交換される（燃焼排ガスが冷却される）構成である。

（作用）
水素製造装置２００では、改質器１２で生成された改質ガスＧ１が熱交換器ＨＥ１における改質用水との熱交換により冷却される。この結果、昇圧前水分離部５０で改質ガスＧ１から凝縮された水が分離される。

また、改質用水供給管３４では、改質用水が熱交換器ＨＥ１において改質ガスＧ１との熱交換により加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給されて加熱されることにより、都市ガスとの混合ガスとされる。

このように、水素製造装置２００では、改質器１２で加熱されるため改質器１２に供給される前に加熱されることが望ましい改質用水と、水を除去するために冷却することが必要な改質ガスＧ１とを熱交換させている。

したがって、水素製造装置２００は、この改質用水の加熱及び燃焼排ガスの冷却をそれぞれ外部からの熱媒、冷媒で行う場合と比較すると、熱効率が高い（向上している）。

特に、改質用水が、改質器１２に供給される前に熱交換器ＨＥ１で加熱されている。したがって、改質器１２の予熱流路３２で改質用水を気化させ都市ガスとの混合ガスとさせるために必要な加熱量を低減することができる。すなわち、水素製造装置２００の熱効率を向上させることができる。

また、水素製造装置２００では、熱交換器ＨＥ１における改質用水との熱交換により改質ガスＧ１が冷却される。この結果、昇圧前水分離部５０で改質ガスＧ１から十分な量の水を除去でき、圧縮機８０に供給される改質ガスＧ２の流量を削減することができる。したがって、圧縮機８０の負荷を低減させることができる。また、昇圧前水分離部５０で分離された水が改質用水供給管３４を介して改質器１２に供給されることにより改質用水として再利用することができる。

さらに、水素製造装置２００では、改質ガス排出管４４に改質用水と熱交換する熱交換器ＨＥ１を設けているだけなので、上記のように外部からの熱媒、冷媒を用いる場合と比較して簡単な構成で済む。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る水素製造装置３００について、図４を参照して説明する。第１、第２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、水素製造装置３００は、水素製造装置１０のチラー１３０を改質ガスと改質用水とが熱交換される熱交換器ＨＥ２に変更した点のみ異なるので、当該部分に関する構成及び作用のみを説明し、第１、第２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。

（構成）
図４に示すように、水素製造装置３００では、改質用水供給管３４を連絡流路管６６と交差させ、交差位置に熱交換器ＨＥ２が設けられている。すなわち、熱交換器ＨＥ２において、改質用水と改質ガスＧ２が熱交換されることにより、改質用水が加熱されると共に改質ガスＧ２が冷却される構成である。なお、熱交換器ＨＥ２が「熱交換器」に相当する。また、連絡流路管６６、６８が「第２改質ガス流路」に相当する。

（作用）
水素製造装置３００では、改質器１２で生成され、昇圧前水分離部５０で水が分離され、圧縮機８０で圧縮された改質ガスＧ２が、熱交換器ＨＥ２で改質用水との熱交換により冷却される。この結果、昇圧後水分離部６０で改質ガスＧ２から凝縮された水が分離される。

また、改質用水供給管３４では、改質用水が熱交換器ＨＥ２において改質ガスＧ２との熱交換により加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給されて加熱されることにより、都市ガスとの混合ガスとされる。

このように、水素製造装置３００では、改質器１２で加熱されるため改質器１２に供給される前に加熱されることが望ましい改質用水と、水を除去するために冷却することが必要な改質ガスＧ２とを熱交換させている。

したがって、水素製造装置３００は、この改質用水の加熱及び燃焼排ガスの冷却をそれぞれ外部からの熱媒、冷媒で行う場合と比較すると、熱効率が高い（向上している）。

特に、改質器１２に供給される改質用水が、改質器１２に供給される前に熱交換器ＨＥ２で加熱されている。したがって、改質器１２の予熱流路３２で改質用水を気化させ都市ガスとの混合ガスとさせるために必要な加熱量を低減することができる。すなわち、水素製造装置３００の熱効率を向上させることができる。

また、水素製造装置３００では、熱交換器ＨＥ２における改質用水との熱交換により改質ガスＧ２が冷却される。この結果、昇圧後水分離部６０で改質ガスＧ２から十分な量の水を除去でき、水素精製器９０に供給される改質ガスＧ３の流量を削減することができる。したがって、水素精製器９０の負荷を低減させることができる。また、昇圧後水分離部６０で分離された水が改質用水供給管３４を介して改質器１２に供給されることにより改質用水として再利用される。

さらに、水素製造装置３００では、連絡流路管６６に改質用水と熱交換する熱交換器ＨＥ２を設けているだけなので、上記のように外部からの熱媒、冷媒を用いる場合と比較して簡単な構成で済む。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係る水素製造装置４００について、図５を参照して説明する。第２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、水素製造装置４００は、第２実施形態の水素製造装置２００にチラー４０２を追加したものである。

（構成）
図５に示すように、水素製造装置４００は、改質ガス排出管４４上において熱交換器ＨＥ１の下流側に チラー４０２が配設されている。チラー４０２は、チラー１１０と同様の構成である。したがって、チラー４０２について簡略に記載し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、チラー４０２は、熱交換部４０４と、ラジエータ４０６と、チラー水循環流路４０８と、ポンプ４１０と、ファン４１２とが設けられている。

すなわち、ラジエータ４０６において冷却されたチラー水がチラー水循環流路４０８を介して熱交換部４０４に供給され、改質ガス排出管４４を流れる改質ガスＧ１と熱交換される（改質ガスＧ１が冷却される）構成である。なお、チラー４０２が「他の熱交換器」に相当する。

（作用）
水素製造装置４００では、改質器１２で生成された改質ガスＧ１が熱交換器ＨＥ１における改質用水との熱交換により冷却され、さらにチラー４０２の熱交換部４０４においてチラー水との熱交換により冷却される。これらの冷却によって凝縮された水が昇圧前水分離部５０で改質ガスＧ１から分離される。

なお、熱交換により高温となったチラー水は、チラー水循環流路４０８を介してラジエータ４０６に送られ、ファン４１２等によって冷却され、再び熱交換部４０４に戻される。

また、改質用水は、熱交換器ＨＥ１において改質ガスＧ１との熱交換により加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給されて加熱されて気化されることにより、都市ガスとの混合ガスとされる。

このように、水素製造装置４００では、改質ガス排出管４４において、熱交換器ＨＥ１だけでなくチラー４０２で改質ガスＧ１を冷却した後、昇圧前水分離部５０に改質ガスＧ１を供給することで、改質ガスＧ１から水を確実に除去することができる。

また、改質ガス排出管４４に熱交換器ＨＥ１とチラー４０２を配設することにより、改質ガス排出管４４にチラー４０２を単独で配置する場合と比較してチラー４０２の冷却負荷が軽減され、チラー４０２を小型化することができる。

特に、改質ガス排出管４４において、熱交換器ＨＥ１を上流側、チラー４０２を下流側に配置したため、熱交換器ＨＥ１で冷却された後にチラー４０２で改質ガスＧ１を冷却することになる。この結果、チラー４０２の冷却負荷が一層軽減され、チラー４０２を軽量化することができれる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態に係る水素製造装置５００について、図６を参照して説明する。第３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、水素製造装置５００は、第３実施形態の水素製造装置３００にチラー５０２を追加したものである。

（構成）
水素製造装置５００は、図６に示すように、連絡流路管６６上において熱交換器ＨＥ２の下流側にチラー５０２が配置されたものである。チラー５０２は、チラー１１０と同様の構成である。したがって、チラー５０２について簡略に記載し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、チラー５０２は、熱交換部５０４と、ラジエータ５０６と、チラー水循環流路５０８と、ポンプ５１０と、ファン５１２と、を有している。

すなわち、チラー５０２は、ラジエータ５０６において冷却されたチラー水がチラー水循環流路５０８を介して熱交換部５０４に供給され、連絡流路管６６を流れる改質ガスＧ２と熱交換される（改質ガスＧ２が冷却される）構成である。なお、チラー５０２が「他の熱交換器」に相当する。

（作用）
水素製造装置５００では、圧縮機８０で圧縮された 改質ガスＧ２が熱交換器ＨＥ２における改質用水との熱交換により冷却され、さらにチラー５０２の熱交換部５０４においてチラー水との熱交換により冷却される。これらの冷却により凝縮された水が昇圧後水分離部６０で改質ガスＧ２から分離される。

なお、熱交換により高温となったチラー水は、チラー水循環流路５０８を介してラジエータ５０６に送られ、ファン５１２等によって冷却され、再び熱交換部５０４に戻される。

また、改質用水供給管３４では、熱交換器ＨＥ２において改質ガスＧ２との熱交換により加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給されて加熱されることにより、都市ガスとの混合ガスとされる。

このように、水素製造装置５００では、連絡流路管６６において、熱交換器ＨＥ２だけでなくチラー５０２で改質ガスＧ２を冷却した後、昇圧後水分離部６０に改質ガスＧ２を供給することで、改質ガスＧ２から水を確実に除去することができる。

また、連絡流路管６６に熱交換器ＨＥ２とチラー５０２を配設することにより、連絡流路管６６にチラー５０２を単独で配置する場合と比較してチラー５０２の冷却負荷が軽減され、チラー５０２を小型化することができる。

特に、連絡流路管６６において、熱交換器ＨＥ２を上流側、チラー５０２を下流側に配置したため、熱交換器ＨＥ２で冷却された後にチラー５０２で改質ガスＧ２を冷却することができる。この結果、チラー５０２の冷却負荷が一層軽減され、チラー５０２を軽量化することができれる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態に係る水素製造装置６００について、図７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、水素製造装置６００は、第１実施形態の水素製造装置１０にチラー６０２を追加したものである。

（構成）
図７に示すように、水素製造装置６００は、ガス排出管２８上において熱交換器ＨＥ３の下流側に チラー６０２が配設されている。チラー６０２は、チラー１５０と同様の構成である。したがって、チラー６０２について簡略に記載し、その詳細な説明は省略する。

図７に示すように、チラー６０２は、熱交換部６０４と、ラジエータ６０６と、チラー水循環流路６０８と、ポンプ６１０と、ファン６１２とが設けられている。

すなわち、ラジエータ６０６において冷却されたチラー水がチラー水循環流路６０８を介して熱交換部６０４に供給され、ガス排出管２８を流れる燃焼排ガスと熱交換される（燃焼排ガスが冷却される）構成である。なお、チラー６０２が「他の熱交換器」に相当する。

（作用）
水素製造装置６００では、改質器１２から供給された燃焼排ガスが熱交換器ＨＥ３における改質用水との熱交換により冷却され、さらにチラー６０２の熱交換部６０４においてチラー水との熱交換により冷却される。これらの冷却によって凝縮された水が燃焼排ガス水分離部７０で燃焼排ガスから分離される。

なお、熱交換により高温となったチラー水は、チラー水循環流路６０８を介してラジエータ６０６に送られ、ファン６１２等によって冷却され、再び熱交換部６０４に戻される。

また、改質用水は、熱交換器ＨＥ３において燃焼排ガスとの熱交換により加熱された後、改質器１２の予熱流路３２に供給されて加熱されて気化されることにより、都市ガスとの混合ガスとされる。

このように、水素製造装置６００では、ガス排出管２８において、熱交換器ＨＥ３だけでなくチラー６０２で燃焼排ガスを冷却した後、燃焼排ガス水分離部７０に燃焼排ガスを供給することで、燃焼排ガスから水を確実に除去することができる。

また、ガス排出管２８に熱交換器ＨＥ３とチラー６０２を配設することにより、ガス排出管２８にチラー６０２を単独で配置する場合と比較してチラー６０２の冷却負荷が軽減され、チラー６０２を小型化することができる。

特に、ガス排出管２８において、熱交換器ＨＥ３を上流側、チラー６０２を下流側に配置したため、熱交換器ＨＥ３で冷却された後にチラー６０２で燃焼排ガスを冷却することになる。この結果、チラー６０２の冷却負荷が一層軽減され、チラー６０２を軽量化することができれる。

［その他］
水素製造装置１０、２００、３００、４００、５００、６００（以下、「水素製造装置１０～６００」という）では、それぞれ改質器１２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。都市ガス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。

また、水素製造装置１０～６００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、改質ガスＧ３から水素を精製できるものであれば、これに限定するものではない。

さらに、水素製造装置２００では、改質ガス排出管４４に熱交換器ＨＥ１を設けたが、連絡流路管５６に熱交換器ＨＥ１を設けても良い。この場合には、連絡流路管５６の熱交換器ＨＥ１の下流側に水分離部を設けることが望ましい。

同様に、水素製造装置３００は、連絡流路管６６に熱交換器ＨＥ２を設けたが、連絡流路管６８に熱交換器ＨＥ２を設けても良い。この場合には、連絡流路管６８の熱交換器ＨＥ２の下流側に水分離部を設けることが望ましい。

さらに、水素製造装置４００、５００では、それぞれ改質ガス排出管４４、連絡流路管６６に換えて連絡流路管５６、６８に熱交換器ＨＥ１とチラー４０２、熱交換器ＨＥ２とチラー５０２を配置しても良い。この場合にも、連絡流路管５６、６８において、それぞれチラー４０２、５０２の下流側に水分離部を設けることが望ましい。

また、水素製造装置１０～６００に記載されたチラー１１０、１３０、１５０はチラー以外の他の熱交換器でも良い。例えば、水素製造装置の外部から水を供給することにより改質ガスや燃焼排ガスを冷却させる熱交換器でも良い。

１０、２００、３００、４００、５００、６００ 水素製造装置
１２ 多重筒型改質器（改質器）
２５ 燃焼室
２８ ガス排出管（燃焼排ガス流路）
４４ 改質ガス排出管（第１改質ガス流路）
５６ 連絡流路管（第１改質ガス流路）
８０ 圧縮機（昇圧手段）
９０ 水素精製器
６６ 連絡流路管（第２改質ガス流路）
６８ 連絡流路管（第２改質ガス流路）
４０２ チラー（他の熱交換器）
５０２ チラー（他の熱交換器）
６０２ チラー（他の熱交換器）
ＨＥ１ 熱交換器（熱交換器）
ＨＥ２ 熱交換器（熱交換器）
ＨＥ３ 熱交換器（熱交換器）

Claims (1)

1. 炭化水素と水とが原料として供給され、加熱されることにより前記炭化水素を改質して水素を主成分と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、前記改質ガスを昇圧する昇圧手段と、
   前記改質器と前記昇圧手段とを連通し、前記改質器から前記昇圧手段に前記改質ガスが供給される第１改質ガス流路と、
   前記昇圧手段と接続され、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を精製する水素精製器と、
   前記第１改質ガス流路上に設けられ、前記改質器に原料として供給される水と前記改質ガスとが熱交換される熱交換器と、
   前記第１改質ガス流路上で前記熱交換器の下流側に設けられ、前記改質ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷媒循環型の他の熱交換器と、
   を備える水素製造装置。

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