JP5463124B2 - Hydrogen production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、高純度の水素が得られる水素製造装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus capable of obtaining high-purity hydrogen.
従来から、水素製造装置では、炭化水素などの原料ガスと水蒸気とからなる混合ガスを供給し、この混合ガスから水蒸気改質反応によって主に水素と二酸化炭素を生成し、その後、水素を選択的に分離して回収している(例えば、特許文献1)。 Conventionally, in a hydrogen production apparatus, a mixed gas composed of a raw material gas such as hydrocarbon and steam is supplied, and mainly hydrogen and carbon dioxide are generated from the mixed gas by a steam reforming reaction, and then hydrogen is selectively used. (For example, patent document 1).
図8は、従来の水素製造システムの全体を示した模式図である。
図8に示すように、従来の水素製造システム20は、水素分離型のリフォーマ21を備えている。このリフォーマ21には、ボイラ22で生成された水蒸気と炭化水素とからなる混合ガスがボイラライン23を介して供給されるようになっている。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the entire conventional hydrogen production system.
As shown in FIG. 8, the conventional
図8に示すように、リフォーマ21は、燃焼部24と、改質触媒が充填された触媒層25と、水素のみを透過する金属膜26とを備えている。この構成においては、リフォーマ21に供給された混合ガスが、触媒層25における水蒸気改質反応によって水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素となる。この際、これらのガスの中の水素のみが金属膜26を通して透過部27に分離される。そして、透過部27に溜まった水素は、高純度の水素としてリフォーマ21から排出される。なお、リフォーマ21から排出された水素は、高温であるため後段の熱交換器28を通して冷却されるようになっている。また、リフォーマ21から排出された燃焼排ガスの一部は、循環ブロワ29を介してリフォーマ21に戻されるようになっている。
As shown in FIG. 8, the
図9は、従来のリフォーマ(水素製造装置)の概略正面図である。
図9に示すように、リフォーマ21は、反応管ユニット31を備えている。反応管ユニット31は、複数の角型筒状の反応管32を備えており、これら反応管32は、一定の間隔をおいて並列に配置されている。また、反応管32には、水蒸気改質反応を行うための触媒層(図示せず)と、水素のみを透過する金属膜33と、混合ガスを供給するための原料供給管34と、水素を取り出す水素抜出管(図示せず)とが組み込まれている。また、リフォーマ21の一端部には、反応管ユニット31に燃焼ガスを送るための加熱部35が設けられ、リフォーマの他端部には、原料供給及び水素回収用のヘッダ部36が設けられている。このヘッダ部36には、原料供給管と連結する第1連結パイプ37と、水素抜出管等と連結する第2連結パイプ38とが設けられている。
FIG. 9 is a schematic front view of a conventional reformer (hydrogen production apparatus).
As shown in FIG. 9, the
しかしながら、上述の従来の構成では、反応管の中で水蒸気改質反応と水素分離とを同時に行うため、反応管の中に触媒層と金属膜の両方を組み込まなければならず、反応管の構成が複雑になる。特に、金属膜に不良があった場合、反応管を分解するのに手間がかかり、製造時やメンテナンス時の負担が大きくなってしまうという問題があった。
加えて、上述の従来の構成では、反応管を角型筒状で形成しているので、円筒状の管に比べて溶接箇所が多くなり、反応管を製造する際の工数が多く、製造コストが高くなるという問題があった。
However, in the above-described conventional configuration, since the steam reforming reaction and the hydrogen separation are simultaneously performed in the reaction tube, both the catalyst layer and the metal film must be incorporated in the reaction tube. Becomes complicated. In particular, when there is a defect in the metal film, it takes time to disassemble the reaction tube, and there is a problem that the burden at the time of manufacturing and maintenance becomes large.
In addition, in the above-described conventional configuration, since the reaction tube is formed in a rectangular tube shape, the number of welded portions is larger than that of the cylindrical tube, and the man-hours for manufacturing the reaction tube are large, resulting in a manufacturing cost. There was a problem that became high.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡素な作業で迅速に不具合を有する反応管のみを部分的に交換することができ、製造コストを低減させながら高純度の水素を製造することが可能な水素製造装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and the object thereof is to be able to replace only a reaction tube having a defect quickly with a simple operation, and to reduce the manufacturing cost. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus capable of producing pure hydrogen.
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、改質触媒が充填された複数の反応管と、該複数の反応管を加熱するための加熱部とを備えている燃焼室と、水素のみを透過する金属膜を用いた複数の水素分離管を備えている水素分離室とを備え、前記複数の反応管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の水素分離管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の反応管の中の最上流の反応管が、混合ガスを供給するための原料供給部に連結され、前記複数の水素分離管の中の最下流の水素分離管が、前記混合ガスを排出するオフガス流路に連結され、前記複数の反応管と前記複数の水素分離管とがガス流路を介して連結され、前記最上流の反応管に供給された前記混合ガスが前記反応管と前記水素分離管とを順次循環して前記最下流の水素分離管まで流れるようになっている。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides a combustion chamber provided with a plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst, and a heating unit for heating the plurality of reaction tubes, A hydrogen separation chamber having a plurality of hydrogen separation pipes using a metal membrane that allows only hydrogen to pass through, wherein the plurality of reaction tubes are arranged in parallel from the upstream side to the downstream side, Separation tubes are arranged in parallel from the upstream side to the downstream side, and the most upstream reaction tube among the plurality of reaction tubes is connected to a raw material supply unit for supplying a mixed gas, and the plurality of hydrogen The most downstream hydrogen separation pipe in the separation pipe is connected to an off-gas flow path for discharging the mixed gas, the plurality of reaction tubes and the plurality of hydrogen separation pipes are connected via a gas flow path, The mixed gas supplied to the most upstream reaction tube is the reaction tube and the water. The sequentially circulating the separation tube is made to flow to the most downstream of the hydrogen separation tube.
また、本発明によれば、各反応管の出口は、最上流から数えて同じ順番に位置する水素分離管の入口に連結され、各水素分離管の出口は、前記順番より1つ下流側の反応管の入口に連結されており、前記最上流の反応管に供給された前記混合ガスが前記反応管と前記水素分離管とを1つずつ順次循環して前記最下流の水素分離管まで流れるようになっている。 Further, according to the present invention, the outlet of each reaction tube is connected to the inlet of the hydrogen separation tube located in the same order counting from the most upstream, and the outlet of each hydrogen separation tube is one downstream from the order. It is connected to the inlet of the reaction tube, and the mixed gas supplied to the most upstream reaction tube sequentially circulates through the reaction tube and the hydrogen separation tube one by one and flows to the most downstream hydrogen separation tube. It is like that.
また、本発明によれば、前記燃焼室には、前記加熱部により加熱された燃焼ガスの流量を調節するためのガス流量調節手段が設けられている。 According to the invention, the combustion chamber is provided with gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the combustion gas heated by the heating unit.
また、本発明によれば、前記ガス流量調節手段が、複数のガス通孔を有する区切板であり、該区切板が、前記加熱部と前記複数の反応管との間に配置されており、前記区切板を移動させることにより前記複数の反応管の周囲に流れる前記燃焼ガスの流量が調節できるように構成されている。 Further, according to the present invention, the gas flow rate adjusting means is a partition plate having a plurality of gas passage holes, and the partition plate is disposed between the heating unit and the plurality of reaction tubes, The flow rate of the combustion gas flowing around the plurality of reaction tubes can be adjusted by moving the partition plate.
また、本発明によれば、前記ガス流路には、前記反応管から前記水素分離管へ向かって流れるガスの温度を調節するための冷却器が設けられている。 According to the invention, the gas flow path is provided with a cooler for adjusting the temperature of the gas flowing from the reaction tube toward the hydrogen separation tube.
また、本発明によれば、前記複数の水素分離管の中の下流側の水素分離管は、上流側の水素分離管に比べて前記金属膜の透過面積が大きくなっている。 According to the present invention, the downstream hydrogen separation pipe among the plurality of hydrogen separation pipes has a larger permeation area of the metal membrane than the upstream hydrogen separation pipe.
本発明に係る水素製造装置によれば、改質触媒が充填された複数の反応管と、該複数の反応管を加熱するための加熱部とを備えている燃焼室と、水素のみを透過する金属膜を用いた複数の水素分離管を備えている水素分離室とを備え、前記複数の反応管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の水素分離管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の反応管の中の最上流の反応管が、混合ガスを供給するための原料供給部に連結され、前記複数の水素分離管の中の最下流の水素分離管が、前記混合ガスを排出するオフガス流路に連結され、前記複数の反応管と前記複数の水素分離管とがガス流路を介して連結され、前記最上流の反応管に供給された前記混合ガスが前記反応管と前記水素分離管とを順次循環して前記最下流の水素分離管まで流れるようになっているので、水蒸気改質反応を行う部分と水素の分離を行う部分とが別々の部屋に配置されることになり、反応管の構造がより簡略化される。したがって、反応管を製造する際の工数が低減されることになるので、製造コストを抑えることができる。また、製造時やメンテナンス時において、簡素な作業で迅速に不具合を有する管のみを部分的に交換することができる。 According to the hydrogen production apparatus of the present invention, a combustion chamber including a plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst, and a heating unit for heating the plurality of reaction tubes, and only hydrogen is permeated. A hydrogen separation chamber having a plurality of hydrogen separation tubes using a metal membrane, wherein the plurality of reaction tubes are arranged in parallel from the upstream side toward the downstream side, and the plurality of hydrogen separation tubes are upstream Arranged in parallel from the side toward the downstream side, and the most upstream reaction tube in the plurality of reaction tubes is connected to a raw material supply unit for supplying a mixed gas, and in the plurality of hydrogen separation tubes A most downstream hydrogen separation pipe is connected to an off-gas flow path for discharging the mixed gas, and the plurality of reaction pipes and the plurality of hydrogen separation pipes are connected via a gas flow path, and the most upstream reaction pipe The mixed gas supplied to the reactor sequentially circulates through the reaction tube and the hydrogen separation tube. Thus, the portion that performs the steam reforming reaction and the portion that separates hydrogen are arranged in separate rooms, so that the structure of the reaction tube is as follows. Simplified. Therefore, since the man-hour at the time of manufacturing the reaction tube is reduced, the manufacturing cost can be suppressed. In addition, at the time of manufacturing and maintenance, only a tube having a defect can be exchanged partly by a simple operation.
また、本発明に係る水素製造装置によれば、各反応管の出口は、最上流から数えて同じ順番に位置する水素分離管の入口に連結され、各水素分離管の出口は、前記順番より1つ下流側の反応管の入口に連結されており、前記最上流の反応管に供給された前記混合ガスが前記反応管と前記水素分離管とを1つずつ順次循環して前記最下流の水素分離管まで流れるようになっているので、混合ガスに対する反応管の距離をかせいで水素の取得率をより高めることができる。 Further, according to the hydrogen production apparatus of the present invention, the outlet of each reaction tube is connected to the inlet of the hydrogen separation tube located in the same order counting from the most upstream, and the outlet of each hydrogen separation tube is The mixed gas supplied to the most upstream reaction tube is sequentially circulated through the reaction tube and the hydrogen separation tube one by one sequentially, and is connected to the inlet of the downstream reaction tube. Since it flows to the hydrogen separation tube, the hydrogen acquisition rate can be further increased by increasing the distance of the reaction tube to the mixed gas.
また、本発明に係る水素製造装置によれば、前記燃焼室には、前記加熱部により加熱された燃焼ガスの流量を調節するためのガス流量調節手段が設けられているので、燃焼室内の反応管の温度を適切な温度に維持することができる。 In the hydrogen production apparatus according to the present invention, the combustion chamber is provided with gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the combustion gas heated by the heating unit. The tube temperature can be maintained at an appropriate temperature.
また、本発明に係る水素製造装置によれば、前記ガス流量調節手段が、複数のガス通孔を有する区切板であり、該区切板が、前記加熱部と前記複数の反応管との間に配置されており、前記区切板を移動させることにより前記複数の反応管の周囲に流れる前記燃焼ガスの流量が調節できるように構成されているので、より簡易な構成で燃焼室内の燃焼ガスの流量を調節することができる。 Moreover, according to the hydrogen production apparatus according to the present invention, the gas flow rate adjusting means is a partition plate having a plurality of gas through holes, and the partition plate is disposed between the heating unit and the plurality of reaction tubes. Since the flow rate of the combustion gas flowing around the plurality of reaction tubes can be adjusted by moving the partition plate, the flow rate of the combustion gas in the combustion chamber with a simpler configuration Can be adjusted.
また、本発明に係る水素製造装置によれば、前記ガス流路には、前記反応管から前記水素分離管へ向かって流れるガスの温度を調節するための冷却器が設けられているので、水素分離管に流れるガスの温度を冷却することができ、高温による金属膜の劣化を防ぐことができる。 In the hydrogen production apparatus according to the present invention, the gas flow path is provided with a cooler for adjusting the temperature of the gas flowing from the reaction tube toward the hydrogen separation tube. The temperature of the gas flowing through the separation tube can be cooled, and deterioration of the metal film due to high temperature can be prevented.
また、本発明に係る水素製造装置によれば、前記複数の水素分離管の中の下流側の水素分離管は、上流側の水素分離管に比べて前記金属膜の透過面積が大きくなっている。水素の分圧は、本発明の水素製造装置において下流にいくほど低くなるため、水素分離管における水素の透過速度が低下しまう可能性があるが、下流側の金属膜の透過面積を増やすことにより効果的に水素を分離することができる。 Further, according to the hydrogen production apparatus of the present invention, the downstream hydrogen separation pipe among the plurality of hydrogen separation pipes has a larger permeation area of the metal membrane than the upstream hydrogen separation pipe. . Since the hydrogen partial pressure becomes lower as it goes downstream in the hydrogen production apparatus of the present invention, there is a possibility that the hydrogen permeation rate in the hydrogen separation pipe may decrease, but by increasing the permeation area of the downstream metal membrane Hydrogen can be effectively separated.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る水素製造装置を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る水素製造装置の概略側面図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic side view of a hydrogen production apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、第1実施形態に係る水素製造装置1は、複数の反応管2A,2B,2C,2Dが配置された燃焼室3と、複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dが配置された水素分離室5とを備えている。
複数の反応管2A,2B,2C,2Dは、燃焼室3内において上流側から下流側に向かって並列に配置されている。また、複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dも、水素分離室5内において上流側から下流側に向かって並列に配置されている。
As shown in FIG. 1, the
The plurality of
図1に示すように、複数の反応管2A,2B,2C,2Dのうちの最上流の第1の反応管2Aは、原料となる混合ガスを供給するための原料供給部6に原料供給ライン7を介して連結されている。原料供給部6は、例えば、ボイラ等を備えており、ボイラで生成された水蒸気と炭化水素とからなる混合ガスを第1の反応管2Aに供給するようになっている。また、各反応管2A,2B,2C,2Dには、水蒸気改質反応を行うための改質触媒(例えば、粒状触媒)8が充填されている。この改質触媒8は、混合ガスの一部を水素に転化させ、その際の吸熱によって反応管2A,2B,2C,2Dの局部加熱を防止するようになっている。
As shown in FIG. 1, the most upstream
また、図1に示すように、燃焼室3の下部には、複数の反応管2A,2B,2C,2Dを加熱するための加熱部9が設けられている。この加熱部9は、例えば、並列に配置された複数のラインバーナで構成されている。加熱部9は、供給された空気及び燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、加熱部9の上方に配置された複数の反応管2A,2B,2C,2Dに対して燃焼ガスを送るようになっている。
As shown in FIG. 1, a
また、水素分離管4A,4B,4C,4Dの内部は、水素のみを透過する複数の金属膜10が配置されており、金属膜10で区切られた各領域には、水素を抜き出すための水素抜出管11が接続されている。金属膜10は、例えば、パラジウムやパラジウム合金等で形成されている。
Further, inside the
この実施形態においては、図1に示すように、燃焼室3の複数の反応管2A,2B,2C,2Dと水素分離室5の複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dとは、ガス流路12を介して1つずつ連結されている。各反応管2A,2B,2C,2Dの出口は、最上流から数えて同じ順番に位置にする水素分離管4A,4B,4C,4Dの入口にそれぞれ連結され、各水素分離管4A,4B,4Cの出口は、その順番より1つ下流側の反応管2B,2C,2Dの入口にそれぞれ連結されている。詳細には、反応管2A,2B,2C,2D及び水素分離管4A,4B,4C,4Dは、第1の反応管2A→第1の水素分離管4A→第2の反応管2B→第2の水素分離管4B→第3の反応管2C→第3の水素分離管4C→第4の反応管2D→第4の水素分離管4Dの順に接続されている。
このような構成により、最上流の反応管2Aに供給された混合ガスが反応管と水素分離管とを1つずつ順次循環して最下流の水素分離管4Dまで流れるようになっている。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the plurality of
With such a configuration, the mixed gas supplied to the most
また、図1に示すように、複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dのうちの最下流の第4の水素分離管4Dは、主に二酸化炭素からなるオフガスを排出するオフガス流路13に連結されている。オフガス流路13は、燃焼室5の加熱部9に接続されており、第4の水素分離管4Dから排出されたオフガスが、空気とともに加熱部9に導入され、加熱部9の燃料として使用されるようになっている。
Further, as shown in FIG. 1, the fourth
さらに、図1に示すように、燃焼室3と水素分離室5とは、燃焼ガス流路14により接続されており、加熱部9により生成された燃焼ガスは、反応管2A,2B,2C,2Dを加熱した後に燃焼ガス流路14を介して水素分離室5に流れるようになっている。なお、水素分離室5に流れた燃焼ガスは、水素分離室5内の保温のために使用され、排気管15を介して水素製造装置1の外に排出されるようになっている。
Further, as shown in FIG. 1, the
次に、第1実施形態に係る水素製造装置の動作を、図面を参照しながら説明する。図2は、本発明の第1実施形態に係る水素製造装置の動作の流れを示すブロック図である。 Next, the operation of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram showing a flow of operations of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図2に示すように、第1実施形態に係る水素製造装置1では、ステップS1において、反応管(第1ないし第4の反応管2A,2B,2C,2D)で以下の水蒸気改質反応行い、混合ガスから水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を生成する。
CH4+H2O→3H2+CO (吸熱反応)
CO+H2O→CO2+H2 (発熱反応)
通常、この反応は500℃以上で行われ、水とメタンの炭素Cとモル比であるS/C(steram/carbon比)が2以上のスチームリッチの条件で行われる。
次に、ステップS3において、水素分離管(第1ないし第4の水素分離管4A,4B,4C,4D)で金属膜を用いて水素の分離を行う。金属膜10は、使用温度を600℃以下に抑える必要がある。よって、水蒸気改質反応及び水素分離は500℃〜600℃の範囲で行われる。
以上のステップを反応管及び水素分離管の数だけ繰り返すことになる。すなわち、本実施形態では上述のステップを4回繰り返すことになる。なお、最終的に第4の水素分離管4Dから排出されたオフガスは、オフガス流路13を介して加熱部9に導入されるようになっている。
As shown in FIG. 2, in the
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (exothermic reaction)
Usually, this reaction is performed at 500 ° C. or higher, and is performed under steam rich conditions in which the S / C (steram / carbon ratio), which is a molar ratio of water to methane carbon C, is 2 or more.
Next, in step S3, hydrogen is separated using a metal membrane in a hydrogen separation pipe (first to fourth
The above steps are repeated for the number of reaction tubes and hydrogen separation tubes. That is, in the present embodiment, the above steps are repeated four times. The off gas finally discharged from the fourth
この第1実施形態に係る水素製造装置1によれば、改質触媒8が充填された複数の反応管2A,2B,2C,2Dと、複数の反応管2A,2B,2C,2Dを加熱するための加熱部9とを備えている燃焼室3と、水素のみを透過する金属膜10を用いた複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dを備えている水素分離室5とを備え、複数の反応管2A,2B,2C,2Dの中の第1の反応管2Aが、原料となるガスを供給するための原料供給部6に連結され、複数の反応管2A,2B,2C,2Dと複数の水素分離管4A,4B,4C,4Dとが、ガス流路12を介して1本ずつ交互に連結されており、原料供給部6から供給されたガスが、反応管2A,2B,2C,2Dと水素分離管4A,4B,4C,4Dとを交互に循環するように構成されているので、水蒸気改質反応を行う部分と水素の分離を行う部分とが別々の部屋に配置されることになり、反応管の構造がより簡略化される。したがって、反応管2A,2B,2C,2Dを製造する際の工数が低減されることになるので、製造コストを抑えることができる。また、製造時やメンテナンス時において、簡素な作業で迅速に不具合を有する管のみを部分的に交換することができる。
According to the
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係る水素製造装置を、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る水素製造装置の概略側面図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a hydrogen production apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic side view of a hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention. In addition, about the part similar to what was demonstrated by embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
この第2実施形態においては、図3に示すように、燃焼室3には、加熱部9により加熱された燃焼ガスの流量を調節するための区切板16が設けられている。区切板16は、複数のガス通孔16aを有しており、加熱部9と複数の反応管2A,2B,2C,2Dとの間において水平方向に沿って配置されている。このような構成から、本実施形態においては、燃焼室3の加熱部9で燃焼ガスが生成されると、燃焼ガスは、区切板16のガス通孔16aを通って複数の反応管2A,2B,2C,2Dの周囲に流れるようになっている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the
また、図3に示すように、区切板16は、区切板16を上下方向に移動させるように構成された駆動手段17(例えば、アクチュエータなど)を備えている。に連結されており、上下方向に移動可能に構成されている。一方、燃焼室3には、複数の反応管2A,2B,2C,2Dの近傍に温度センサ18が設けられおり、この温度センサ18は、燃焼室3内の温度を調節するための温度制御手段19に接続されている。この温度制御手段19は、駆動手段17に接続されており、温度センサ18で温度を検知すると、駆動手段17を作動させることにより区切板16を上下方向に移動させるようになっている。
As shown in FIG. 3, the
例えば、温度センサ18で検知された温度が適切な温度よりも高い場合、温度制御手段19は、区切板16を上方向に移動させて、複数の反応管2A,2B,2C,2Dの周囲を囲む燃焼ガスの容量が小さくする。これにより、反応管2A,2B,2C,2Dの温度を下げることができる。
一方、温度センサ18で検知された温度が適切な温度よりも低い場合、温度制御手段19は、区切板16を下方向に移動させて、複数の反応管2A,2B,2C,2Dの周囲を囲む燃焼ガスの容量を大きくする。これにより、反応管2A,2B,2C,2Dの温度を上げることができる。
このように、本実施形態においては、区切板16を上下方向に移動させることにより複数の反応管2A,2B,2C,2Dの周囲に流れる燃焼ガスの流量が調節できるように構成されている。
For example, when the temperature detected by the
On the other hand, when the temperature detected by the
Thus, in this embodiment, it is comprised so that the flow volume of the combustion gas which flows around
この第2実施形態に係る水素製造装置によれば、燃焼室3内の反応管2A,2B,2C,2Dの温度を適切な温度に維持することができる。しかも、本実施形態によれば、区切板16という簡易な構成で燃料ガスの流量を調節できるので、水素製造装置1の全体のコストを抑えつつ、反応管2A,2B,2C,2Dの温度を適切な温度に維持することができる。
According to the hydrogen production apparatus according to the second embodiment, the temperature of the
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態に係る水素製造装置を、図面を参照しながら説明する。図4は、本発明の第3実施形態に係る水素製造装置の概略側面図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a hydrogen production apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic side view of a hydrogen production apparatus according to the third embodiment of the present invention. In addition, about the part similar to what was demonstrated by embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
この第3実施形態においては、図4に示すように、ガス流路12には、ガスの温度を調節するための冷却器20が設けられている。ここで、冷却器20は、ガスが反応管2A,2B,2C,2Dから水素分離管4A,4B,4C,4Dへ向かって流れるようなガス流路12に配置されている。この冷却器20は、例えば、冷却水を用いた熱交換器であり、水素分離管4A,4B,4C,4Dに供給されるガスの温度を500〜570℃の範囲に調節するようになっている。
In the third embodiment, as shown in FIG. 4, the
次に、第3実施形態に係る水素製造装置の動作を、図面を参照しながら説明する。図5は、本発明の第3実施形態に係る水素製造装置の動作の流れを示すブロック図である。
図3に示すように、第3実施形態に係る水素製造装置1では、ステップS1において、反応管(第1ないし第4の反応管2A,2B,2C,2D)で水蒸気改質反応行い、混合ガスから水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を生成する。この反応における温度及びS/Cは第1実施形態と同じである。なお、この際、水蒸気改質反応後のガス(水素、一酸化炭素及び二酸化炭素)の温度は、区切板16を上下に移動させることにより600℃以下に抑えられる。
次に、ステップS2において、冷却器20において反応管2A,2B,2C,2Dから排出されたガスを500〜570℃の範囲に調節する。
そして、ステップS3において、水素分離管(第1ないし第4の水素分離管4A,4B,4C,4D)で金属膜10を用いて水素の分離を行う。
以上のステップを反応管及び水素分離管の数だけ繰り返すことになる。すなわち、本実施形態では上述のステップを4回繰り返すことになる。なお、最終的に第4の水素分離管4Dから排出されたオフガスは、オフガス流路13を介して加熱部9に導入されるようになっている。
Next, the operation of the hydrogen production apparatus according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a block diagram showing a flow of operations of the hydrogen production apparatus according to the third embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, in the
Next, in step S2, the gas discharged from the
In step S3, hydrogen separation is performed using the
The above steps are repeated for the number of reaction tubes and hydrogen separation tubes. That is, in the present embodiment, the above steps are repeated four times. The off gas finally discharged from the fourth
この第3実施形態に係る水素製造装置によれば、ガス流路12には、反応管2A,2B,2C,2Dから水素分離管4A,4B,4C,4Dへ向かって流れるガスの温度を調節するための冷却器20が設けられているので、水素分離管4A,4B,4C,4Dに流れるガスの温度を冷却することができ、高温による金属膜10の劣化を防ぐことができる。
さらに、この第3実施形態に係る水素製造装置によれば、ガスの温度を冷却器20を用いて調節することができるので、従来の構成(図8)のように循環ブロアを設ける必要がなく、水素製造装置1の構成をより簡素化することができる。
According to the hydrogen production apparatus according to the third embodiment, the temperature of the gas flowing from the
Furthermore, according to the hydrogen production apparatus according to the third embodiment, since the gas temperature can be adjusted using the cooler 20, there is no need to provide a circulation blower as in the conventional configuration (FIG. 8). In addition, the configuration of the
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態に係る水素製造装置を、図面を参照しながら説明する。図6は、本発明の第4実施形態に係る水素製造装置を上方から見た概略図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a hydrogen production apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a schematic view of a hydrogen production apparatus according to the fourth embodiment of the present invention as viewed from above. In addition, about the part similar to what was demonstrated by embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
この第4実施形態においては、図6に示すように、燃焼室3に反応管が9本設けられ、水素分離室5に水素分離管が9本設けられた構成となっている。そして、複数の反応管2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2H,2Iと複数の水素分離管4A,4B,4C,4D,4E,4F,4G,4H,4Iとが、ガス流路12を介して1本ずつ交互に連結されている。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 6, the
図7は、第4実施形態に係る水素製造装置の各反応管の入り口におけるガスの濃度を示した図である。図7に示すように、水素の分圧は、下流の反応管ほど(例えば、2B→2C→2D→2E→2F→2G→2H→2Iの順で)小さくなっている。したがって、水素分離管4A,4B,4C,4D,4E,4F,4G,4H,4Iにおける水素の透過速度が下流にいくほど低下しまう可能性がある。この図7の結果を考慮して、この第4実施形態においては、複数の水素分離管の中の下流側の水素分離管は、上流側の水素分離管に比べて金属膜10の透過面積が大きくなっている。例えば、第2の水素分離管4Bは、第1の水素分離管4Aに比べて透過面積が大きくなっている。この場合、例えば、水素分離管4B内において金属膜10を水素分離管4Aに比べて多く積層することにより金属膜10の透過面積を大きく設定することができる。
FIG. 7 is a view showing the gas concentration at the inlet of each reaction tube of the hydrogen production apparatus according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 7, the partial pressure of hydrogen is smaller in the downstream reaction tube (for example, in the order of
この第4実施形態に係る水素製造装置によれば、水素の分圧は、本発明の水素製造装置1において下流にいくほど低くなるため、水素分離管4A,4B,4C,4D,4E,4F,4G,4H,4Iにおける水素の透過速度が低下しまう可能性があるが、下流側の金属膜10の透過面積を増やすことにより効果的に水素を分離することができる。
According to the hydrogen production apparatus according to the fourth embodiment, the hydrogen partial pressure becomes lower in the
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
上述の実施形態では、加熱部9は、燃焼室3の下部に設けているが、下部に一体的に設ける必要はなく、別個に設けた燃焼室で製造した燃焼ガスを反応管2A,2B,2C,2Dに導くようにしてもよい。また、加熱部9は、ラインバーナに限定されるものでなく、高流速バーナ等、各種バーナを使用することが可能である。
In the above-described embodiment, the
1 水素製造装置
2 反応管
3 燃焼室
4 水素分離管
5 水素分離室
6 原料供給部
7 原料供給ライン
8 改質媒体
9 加熱部
10 金属膜
11 水素抜出管
12 ガス流路
13 オフガス流路
14 燃焼ガス流路
15 排気管
16 区切板(ガス流量調節手段)
17 駆動手段
18 温度センサ
19 温度制御手段
20 冷却器
DESCRIPTION OF
17 Drive means 18
Claims (6)
水素のみを透過する金属膜を用いた複数の水素分離管を備えている水素分離室とを備え、
前記複数の反応管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の水素分離管が、上流側から下流側に向かって並列に配置され、前記複数の反応管の中の最上流の反応管が、混合ガスを供給するための原料供給部に連結され、前記複数の水素分離管の中の最下流の水素分離管が、前記混合ガスを排出するオフガス流路に連結され、前記複数の反応管と前記複数の水素分離管とがガス流路を介して連結され、前記最上流の反応管に供給された前記混合ガスが前記反応管と前記水素分離管とを順次循環して前記最下流の水素分離管まで流れるようになっていることを特徴とする水素製造装置。 A combustion chamber provided with a plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst, and a heating unit for heating the plurality of reaction tubes;
A hydrogen separation chamber having a plurality of hydrogen separation pipes using a metal membrane that allows only hydrogen to pass through,
The plurality of reaction tubes are arranged in parallel from the upstream side to the downstream side, and the plurality of hydrogen separation tubes are arranged in parallel from the upstream side to the downstream side, An upstream reaction tube is connected to a raw material supply unit for supplying a mixed gas, and a most downstream hydrogen separation tube among the plurality of hydrogen separation tubes is connected to an off-gas flow path for discharging the mixed gas, The plurality of reaction tubes and the plurality of hydrogen separation tubes are connected through a gas flow path, and the mixed gas supplied to the most upstream reaction tube circulates sequentially through the reaction tube and the hydrogen separation tube. The hydrogen production apparatus is configured to flow to the most downstream hydrogen separation pipe.
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