水素製造装置
【課題】システム停止時に大気中の水分が分離膜の微細孔に凝縮することによる水素分離性能の低下を低減させつつ、残留ガスを大量に放出することを防止することが可能な水素製造装置及び方法を提供すること。
【解決手段】混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（１２１）を備える分離膜モジュール（１２）と、分離膜モジュールに、混合ガスを供給する混合ガス供給手段（２２１、７２１）と、分離膜モジュールを排気する排気ライン（２３１、２５１）を有する排気手段（７７３、７７１）と、分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段（２４ａ、２４ｂ）と、分離膜モジュールに混合ガスの供給を停止する際に、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段と、を備えた。
【解決手段】混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（１２１）を備える分離膜モジュール（１２）と、分離膜モジュールに、混合ガスを供給する混合ガス供給手段（２２１、７２１）と、分離膜モジュールを排気する排気ライン（２３１、２５１）を有する排気手段（７７３、７７１）と、分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段（２４ａ、２４ｂ）と、分離膜モジュールに混合ガスの供給を停止する際に、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガスから水素を分離する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の石油や石炭といった化石燃料による発電システムでは、化石燃料の燃焼により二酸化炭素等の温室効果のあるガスが大量に放出され、地球全体の環境への影響が大きいことから、なるべく地球環境への影響の少ない方法による発電システムが望まれている。
【０００３】
そこで、化石燃料を使用しない、地球環境や経済性を考慮した水素をエネルギー源とした発電システムが考えられ、水素の製造技術に関する開発が鋭意進められている。その中の一つに、メタンを主成分とする天然ガスを水蒸気改質によって水素と一酸化炭素の合成ガスを得て、さらに水素のみを得るために分離膜を利用する方法が知られている。
【０００４】
水蒸気改質法は、触媒を充填させた反応器において、炭化水素燃料と高温水蒸気を反応させて水素と一酸化炭素を得る方法である。炭化水素燃料としては、メタンを主成分とした天然ガスやメタノール等が多く使用されている。
【化１】
【０００５】
水蒸気改質反応は、上記の反応式に示したように、かなり大きな吸熱反応のため、反応に必要な７５０度から９００度の熱を供給する必要があるが、水素や炭酸ガスなどの生成物を反応域から取り除くことにより、低い温度でも反応するようになる。そこで、分離膜を用いて水素を選択的に除去しつつ通常よりも低い温度で反応を進行させる方法が研究された。分離膜を用いた場合、反応を促進しつつ、得られた水素は高純度であるため、そのまま発電システムや燃料電池で使用することができる。
【特許文献１】特開２００３−１０６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような場合、分離膜としては、アルミナ等の多孔質セラミックス管の外側表面に、微細孔を有する、シリカを主成分とした薄膜をコーティングした、多層構造のものが知られている。このような分離膜は、水分が付着すると、微細孔の緻密化が進行し水素分離性能が劣化してしまう。しかも、分離膜の劣化は、付加逆的な反応であり、分離膜の劣化が生じた場合には、分離膜の交換が必要であった。
【０００７】
また、システム停止時に大気開放等をした場合には、大気中の水分によって分離膜の性能が劣化してしまうという問題があった。さらに、単に他のガスによって反応器の残留ガスをパージすることも考えられるが、大規模発電システムにおいては、残留ガスをパージすることにより、パージガスと水素の混合ガスが大量に大気に放出されることにより、爆発の危険性や、反応によって生成される一酸化炭素ガスも含まれるため、一酸化炭素中毒による窒息等の危険性が存在する。
【０００８】
本発明は、システム停止時に大気中の水分が分離膜の微細孔に凝縮することによる水素分離性能の低下を低減させつつ、残留ガスを大量に放出することを防止することが可能な水素製造装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下のような水素製造装置及び方法を提供する。
【００１０】
（１） 水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であって、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（例えば、分離膜１２１など）を備える分離膜モジュール（例えば、分離膜モジュール１２など）と、前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段（例えば、混合ガス供給ライン２２１、バルブ７２１など）と、前記分離膜モジュールを排気する排気ラインを有する排気手段（例えば、水素排出ライン２５１、排出ライン２３１など）と、前記分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段（例えば、パージガスタンク１３、パージガス供給ライン２４ａ、２４ｂなど）と、前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する際に、前記パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、前記分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段（例えば、制御部７１）と、を備える水素製造装置。
【００１１】
（１）に記載の発明によれば、水素製造装置の制御手段は、混合ガスから水素を分離させる水素分離膜を備える分離膜モジュールへの混合ガスの供給を混合ガス供給手段に停止させる際に、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、分離膜モジュール内を置換させることができる。
【００１２】
このことにより、混合ガスの供給が停止された後でも、分離膜モジュール内がパージガスで充たされた状態となるので、当該分離膜モジュール内に空気等が混入して、大気中の水分により、水素分離膜が劣化する可能性を低くすることが可能となる。
【００１３】
（２）前記制御手段は、前記排気ライン中に設けられた計測手段（例えば、圧力計７６１など）による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する（１）記載の水素製造装置。
【００１４】
（２）に記載の発明によれば、制御手段は、排気ライン中に設けられた計測手段により、計測値が所定の値に達したことに応じて、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させることができる。
【００１５】
このことにより、計測値が所定の値に達したことに応じて、膜モジュール内をパージガスによる置換を開始することができる。このため、例えば、当該計測値を膜モジュール内のガスがある程度排気されたことを示す値とした場合に、膜モジュール内のガスを排気してからパージガスによって置換することが可能となる。
【００１６】
（３）前記水素分離膜は、筒状の形態であり、前記混合ガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給し、前記排気手段は、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する水素排気ライン（例えば、水素排出ライン２５１、２５２など）と、前記水素排気ラインからの排気が開始された後に前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する残留ガス排気ガスライン（例えば、排出ライン２３１など）と、を有し、前記パージガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する、（１）又は（２）に記載の水素製造装置。
【００１７】
（３）に記載の発明によれば、筒状の水素分離膜の内側と外側のガスを排気する排気ラインをそれぞれ設け、パージガス供給手段は当該水素分離膜の内側にパージガスを供給することができる。
【００１８】
このことにより、水素分離膜の内側と外側に排気ラインを設け、分離膜の内側にパージガスを供給するので、水素と他のガスを別々に排気することができ、かつ分離膜の内側にパージガスを供給することによって、劣化しやすい分離膜から優先的にパージをすることができる。また、パージガスの種類が分離膜を透過できるものであるときは、パージガス供給ラインが１系統ですむため、接続部が少なくてすみ、接続部からのリークの可能性を低減することができる。
【００１９】
（４）前記パージガス供給手段は、前記水素分離膜の内側と外側に前記パージガスを供給する、（３）に記載の水素製造装置。
【００２０】
（４）に記載の発明によれば、水素分離膜の内側と外側にパージガスを供給することができる。このことにより、パージガスの種類が水素分離膜を透過できない場合に、膜モジュール内を全体にわたってパージガスで置換することが可能となる。
【００２１】
（５） 前記パージガスは、不活性ガスである、（１）から（４）のいずれかに記載の水素製造装置。
【００２２】
（５）に記載の発明によれば、パージガスは不活性ガスであるので、パージガスの供給中に残留ガスや水素分離膜の反応を抑えることが可能となる。
【００２３】
（６） 前記不活性ガスは、ヘリウムである、（５）に記載の水素製造装置。
【００２４】
（６）に記載の発明によると、不活性ガスがヘリウムである。ヘリウムは、標準状態で単原子として存在し、水素よりも小さいため、水素分離膜を通過することができるので、パージガスとして使用することで、水素分離膜の内側も外側にも効率的にパージすることができる。また、例えば、内側若しくは外側のみにヘリウムを供給するだけでも水素分離膜モジュールをパージすることが可能となり、パージガス供給ラインを１系統にすることもできる。
【００２５】
（７） 水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置の運転方法であって、前記水素製造装置は、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（例えば、分離膜１２１など）を備える分離膜モジュール（例えば、分離膜モジュール１２など）を備え、前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する工程と、前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する工程（例えば、ステップＳ１１０など）と、前記供給を停止する際に、前記分離膜モジュールにパージガスを供給して、前記分離膜モジュールに残留するガスの置換をする工程（例えば、ステップＳ１３０、ステップＳ１５０など）と、前記残留するガスを排気ラインに排気する工程（例えば、ステップＳ１２０、ステップＳ１４０など）と、を含む前記水素製造装置の運転方法。
【００２６】
（７）に記載の発明によれば、（１）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２７】
（８） 前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する工程（例えば、ステップＳ１１０、Ｓ１２０など）と、を含む（７）記載の水素製造装置の運転方法。
【００２８】
（８）に記載の発明によれば、（２）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２９】
（９） 筒状の前記水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給する工程と、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する工程（例えば、ステップＳ１２０）と、前記水素の排気が開始された後に、前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する工程（例えば、ステップＳ１４０）と、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する工程（例えば、ステップＳ１３０）と、を含む（７）又は（８）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３０】
（９）に記載の発明によれば、（３）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３１】
（１０） 前記パージガスを前記水素分離膜の内側と外側に供給する工程を含む、（９）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３２】
（１０）に記載の発明によれば、（４）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３３】
（１１） 前記パージガスは、不活性ガスである、（７）から（１０）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３４】
（１１）に記載の発明によれば、（５）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３５】
（１２） 前記不活性ガスは、ヘリウムである、（１１）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３６】
（１２）に記載の発明によれば、（６）と同様の効果を奏することが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、システム停止時に大気中の水分が分離膜の微細孔に凝縮することによる水素分離性能の低下を低減させつつ、残留ガスを大量に放出することを防止することが可能な水素製造装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。
【００３９】
図１は、本発明の好適な実施形態の一例における、水素製造装置の概略を示したブロック図である。
【００４０】
水素製造装置７は、水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素を生成し、分離膜によって水素を選択的に取り出す水素製造部１と、メタンを主成分とする天然ガスを供給する原料タンク２、水蒸気を発生させる水蒸気発生部３、水蒸気発生部３に水を供給する水タンク４、水素製造部１から排気される一酸化炭素等の排気ガスを処理する排気ガス処理部５、で構成され、水素製造部１から得られた水素は、水素をエネルギーとして発電する発電システム６に供給される。
【００４１】
水素製造部１は、水蒸気改質反応部１１及び分離膜モジュール１２で構成される。具体的には、例えば、図２に示される。
【００４２】
図２は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造部１の概念図である。この図に示すように、水素製造部１は、筒状の金属製のチャンバ２１によって覆われており、分離膜１２１を備えた多孔質支持体１２２とで構成される分離膜モジュール１２と、改質触媒１１１と、から構成されている。また、別に、チャンバ２１には、主成分とした天然ガスと水蒸気の混合ガスを当該水素製造部１に供給する混合ガス供給ライン２２、排出ライン２３、チャンバ２１内をパージするためのパージガス供給ライン２４ａ、２４ｂ、水素を排出する水素排出ライン２５が設けられている。さらに、チャンバ２１の外側には、ヒータモジュール７５（後述、図３参照）が備えられており、チャンバ２１の内部の温度をコントロールすることができる。尚、改質触媒１１１は、多孔質支持体１２２とチャンバ２１との空間２６に充填される。
【００４３】
分離膜モジュール１２は、多孔質支持体１２２の表面部に形成されたセラミック膜（分離膜１２１）で構成される。多孔質支持体１２２は、筒型に形成されており、その内表面にセラミック膜が形成されている。本実施例においては、多孔質支持体１２２は、直管状で示されているが、Ｕ字状や渦状、波状等の形態であってよい。セラミック膜は、ガス透過率及びガス選択透過性が相互に異なる少なくとも二つの部分があり、多孔質支持体の表面上に、所定の方向に沿って配列するようにしてもよく、また、層状に重なるようにしてもよい。
【００４４】
チャンバ２１内は、ヒータモジュール７５で加熱された状態である。多孔質支持体１２２は、急激な温度変化による熱衝撃によって、割れ等が発生し、破壊される恐れがあるため、加熱する際には、急激に加熱せずに、一定の昇温速度で昇温することが望ましい。また、加熱する間は、室温により生じた水分による劣化を防ぐために、パージガス供給ライン２４ａ、２４ｂよりパージガスを供給することが望ましい。
【００４５】
そして、天然ガスと水蒸気の混合ガスが混合ガス供給ライン２２から供給されると、混合ガスは、空間２６に充填された改質触媒１１１によって、水蒸気改質反応が行われる。水蒸気改質反応によって生成された水素と一酸化炭素は、さらに、分離膜１２１によって水素のみを選択的に分離され、水素は水素排出管２５により発電システム６に供給され、一酸化炭素は排出ライン２３により排出される。
【００４６】
図３は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体の概念図である。
【００４７】
水素製造装置７は、バス８０によって接続された、水素製造装置７を制御する制御部７１、各ガス配管に備えられるバルブ７２の圧力を制御するバルブ制御部７３、ヒータ７４の温度を制御するヒータモジュール７５、配管にかかる圧力を測定する圧力センサ７６、装置の停止時にポンプ７７を駆動させてチャンバ２１内に残留するガスを排気させるポンプ制御部７８、チャンバ２１内の温度を測定する温度センサ７９を有する。また、発電システム６と連動するために、発電システム６と通信回線で接続可能であってよい。
【００４８】
バルブ７２は、配管を通過するガスの流量及び／又は圧力を制御するものであり、又はストップバルブであってもよく、必要に応じて使用される。そして、制御部７１からの指令に従って、バルブ制御部７３により、電子制御される。そして、バルブ７２の数は複数でもよく、数は任意であってよい。
【００４９】
ポンプ７７は、チャンバ２１内に残留するガスを排気するためのものであり、真空ポンプが望ましいが、通常の排気用ポンプであってもよい。また、真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、分子拡散ポンプ、ロータリーポンプ、イオンポンプ等、規模や排気量に応じて任意のポンプを選択可能である。また、複数のポンプを組み合わせてより高真空を得るようにしてもよい。
【００５０】
制御部７１は、情報の演算や処理を行なう、いわゆるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備えたコンピュータであって、メモリに記憶される処理プログラムに従って、水素製造装置７全体の制御を行なう。各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよいし、また、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。そして、制御部７１は、メモリに記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、各種のハードウェアと協働し、本発明に係る各種機能を実現している。
【００５１】
具体的には、例えば、制御部７１は以下のような制御を行なう。図４は、本発明の実施形態の一例に係る、制御部７１が行なう処理のフローを示した図である。また、図５は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造システムの全体を示す概略図である。以下に、図４及び図５を参照して説明する。
【００５２】
図５において、システムが定常状態であるときは、以下の状態である。原料タンク２からメタンを主成分とする天然ガスが供給され、水蒸気発生部３は、水タンク４から供給される水から水蒸気を発生させる。そして、天然ガスと水蒸気との混合ガスが混合ガス供給ライン２２１を通って水素製造部１に供給する。このとき、バルブ７２１は、流路の開閉を行なうことにより、混合ガスの圧力及び流量を制御することになる。制御部７１は、このバルブ７２１を制御するバルブ制御部７３に信号を送信し、バルブ制御部７３は、バルブ７２１を動作させて混合ガスの供給を行う。
【００５３】
一方で、パージガスは供給されない。具体的には、例えば、パージガスを供給するパージガスタンク１３に連通するパージガス供給ライン２４ａ及び２４ｂは、パージガスバルブ７２２、７２３を閉じていることによって閉塞状態となっている。尚、パージガス供給ライン２４ａは、分離膜モジュール１２の内側にパージガスを供給するラインであり、パージガス供給ライン２４ｂは、分離膜モジュール１２の外側（すなわち、空間２６に充填された改質触媒１１１部分）にパージガスを供給するラインである。パージガス供給ラインを２系統備えることにより、パージガスが分離膜を通過できない種類のガスであっても、効率よく内部をパージすることが可能となる。また、パージガスの種類が分離膜と通過できるガスである場合には、パージガス供給ラインは１系統であってもよい。
【００５４】
水素製造部１は、チャンバ２１の外側に配置されるヒータモジュール７５により、加熱されている。そして、混合ガス供給ライン２２１から供給された混合ガスは、水素製造部１内の空間２６に導入される。そして、充填されている改質触媒１１１によって起こされる水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。
【００５５】
さらに、分離膜１２１により、水素が選択的に分離され、分離された水素は、水素排出ライン２５１により、水素分離膜モジュール１２から排出される。排出された水素は、例えば、図５に示すように、水素排出ライン２５１を発電システム６に接続することにより、発電システム６に供給するようにしてもよい。供給する場合は、水素排出ライン２５１の途中にあるバルブ７２４は開いた状態である。また、水素製造部１からバルブ７２４の間で分岐され、システムを停止する際に水素製造部１内の水素を処理するための水素処理部７７２に排出する水素排出ライン２５２にあるバルブ７２６は閉じた状態となっている。すなわち、分離膜モジュール１２から排出された水素は、水素排出ライン２５１、２５２において、バルブ７２４のみが開いており、発電システム６に供給する状態となっている。
【００５６】
システムを停止させる際には、まず、制御部７１は、発電システム６から発電停止の旨の信号を受信すると（ステップＳ１００）、天然ガスと水蒸気との混合ガスの供給を停止する（ステップＳ１１０）。具体的には、例えば、制御部７１は、水蒸気発生部３における水蒸気の生成を停止させ、バルブ７２１を閉塞状態にして、原料タンク２からの天然ガスの供給を停止させる。さらに、制御部７１は、発電システム６に水素の供給を停止させるため、水素排出ライン２５１のバルブ７２４を閉じる。このとき、分離膜モジュール１２の劣化を防ぐために、制御部７１は、パージガスバルブ７２２、７２３を開けさせて少量のパージガスを供給するようにしてもよい。パージガスを供給しない場合には、制御部７１は、パージガスバルブ７２２、７２３を閉じた状態に制御する。
【００５７】
次に、制御部７１は、水素を排出する。具体的には、例えば、水素排出ライン２５２にあるバルブ７２６を開けた状態にすると共に、水素を強制的に排出するためにポンプ７７１を稼動させて、分離膜モジュール１２内の圧力を低下させ、水素を排出する。水素排出ライン２５２は、分離膜モジュール１２内のみに接続されているが、分離膜１２１は水素のみを通過させるので、分離膜モジュール１２内の圧力を低下させることで、改質触媒１１１に残存する水素も同時に引き込むことにより、水素のみを選択的に排出することができる。
【００５８】
そして、排出された水素は、水素処理部７７２に導入される。この水素処理部７７２は、水素を安全にシステム外に放出するためのものである。例えば、酸素と反応させて水として放出させることが考えられる。水とした場合には、再度、水タンク４に還流させて再利用できるようにしてもよい。また、パージガスを分離膜モジュール１２内に供給しないでステップＳ１２０の処理を行なう場合には、排出される水素は、高純度であるので、水素を貯蔵する貯蔵タンク（図示せず）を設けて、貯蔵タンクに排出するようにしてもよい。
【００５９】
制御部７１は、水素排出ライン２５２のバルブ７２６の下流からポンプ７７１の間にある圧力計７６１の測定値が所定の値となったことに応じて、パージガスバルブ７２２を開放して分離膜モジュール１２の内側のパージを開始する（ステップＳ１３０）。
【００６０】
また、制御部７１は、排出ライン２３１のバルブ７２５を開放し、ポンプ７７３を稼動させて、分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気を開始する（ステップＳ１４０）。残留ガスは、主として一酸化炭素が多く含まれており、少量の水素も含まれる可能性があるため、このまま大気に放出せず、排気したガスを排気ガス処理部５に導入して二酸化炭素に改質して回収し、処理を行なう。水素とは別に残留ガスを排出することにより、このままでは排気できない残留ガスを効率的に収集し、処理を行なうことができる。さらに、パージガスが排気ガス処理部５に流入することを少なくすることができ、かつ水素もステップＳ１２０において大部分を別に排気しているので、残留ガス（主として一酸化炭素）の処理に焦点を当てた処理設備を備えればよいことになる。
【００６１】
分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気の終了後、制御部７１は、パージガス供給ライン２４ｂのパージガスバルブ７２３を開放し、分離膜モジュール１２の外側部分のパージを開始する（ステップＳ１５０）。そして常にパージすることにより、発電システム等を大気開放した場合でも、大気がチャンバ２１内に流入することを防ぐことができ、大気中の水分によって劣化する分離膜１２１を保護することができる。
【００６２】
［実施例２］
図６は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造システムの全体を示す第２の概略図である。この形態は、例えば、ヘリウム等のように、使用するパージガスが分離膜１２１を透過できる場合の形態である。そして、チャンバ２１内をパージするパージラインが１系統のみであり、分離膜モジュール１２の内側をパージするべく接続されている。
【００６３】
この形態の場合であっても、定常状態及び発電を停止させる際の処理のフローのステップＳ１００からステップＳ１３０までは先に述べたことと同様である。
【００６４】
この形態の場合に、ステップＳ１４０では、制御部７１は、排出ライン２３１のバルブ７２５を開放し、ポンプ７７３を稼動させて、分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気を開始する。この場合、分離膜モジュール１２の内側に供給されているパージガスは、分離膜モジュール１２を透過することができるので、ポンプ７７３を稼動させておくことにより、分離膜モジュール１２の内側のパージガスが引き出され、同時に分離膜モジュール１２の外側もパージすることができる。ポンプ７７３で引き出すことにより、パージガスがチャンバ２１内に充満するために要する時間と短縮することができる。さらに、パージガスラインを２系統設けることをしなくてもよく、経済的である。
【００６５】
本発明においては、分離膜モジュール１２において、多孔質支持体１２２の内側に分離膜１２１があるとして説明したが、逆の構成であってもよい。すなわち、多孔質支持体１２２の外側に分離膜１２１があってもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定しない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載された効果に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の好適な実施形態の一例における、水素製造装置７の概略を示したブロック図である。
【図２】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造部１の概念図である。
【図３】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体の概念図である。
【図４】本発明の実施形態の一例に係る、制御部７１が行なう処理のフローを示した図である。
【図５】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体を示す概略図である。
【図６】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体を示す第２の概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 水素製造部
２ 原料タンク
３ 水蒸気発生部
４ 水タンク
５ 排気ガス処理部
６ 発電システム
７ 水素製造装置
１１ 水蒸気改質反応部
１２ 分離膜モジュール
１３ パージガスタンク
２１ チャンバ
２２ 混合ガス供給ライン
２４ａ、２４ｂ パージガス供給ライン
２５ 水素排出管
２６ 空間
７１ 制御部
７３ バルブ制御部
７５ ヒータモジュール
７８ ポンプ駆動部
１１１ 改質触媒
１２１ 分離膜
１２２ 多孔質支持体
２２１ 混合ガス供給ライン
２３１ 排出ライン
２５１ 水素排出ライン
２５２ 水素排出ライン
７２１ バルブ
７２２ パージガスバルブ
７２３ パージガスバルブ
７２４ バルブ
７２５ バルブ
７２６ バルブ
７６１ 圧力計
７７１ ポンプ
７７２ 水素処理部
７７３ ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガスから水素を分離する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の石油や石炭といった化石燃料による発電システムでは、化石燃料の燃焼により二酸化炭素等の温室効果のあるガスが大量に放出され、地球全体の環境への影響が大きいことから、なるべく地球環境への影響の少ない方法による発電システムが望まれている。
【０００３】
そこで、化石燃料を使用しない、地球環境や経済性を考慮した水素をエネルギー源とした発電システムが考えられ、水素の製造技術に関する開発が鋭意進められている。その中の一つに、メタンを主成分とする天然ガスを水蒸気改質によって水素と一酸化炭素の合成ガスを得て、さらに水素のみを得るために分離膜を利用する方法が知られている。
【０００４】
水蒸気改質法は、触媒を充填させた反応器において、炭化水素燃料と高温水蒸気を反応させて水素と一酸化炭素を得る方法である。炭化水素燃料としては、メタンを主成分とした天然ガスやメタノール等が多く使用されている。
【化１】
【０００５】
水蒸気改質反応は、上記の反応式に示したように、かなり大きな吸熱反応のため、反応に必要な７５０度から９００度の熱を供給する必要があるが、水素や炭酸ガスなどの生成物を反応域から取り除くことにより、低い温度でも反応するようになる。そこで、分離膜を用いて水素を選択的に除去しつつ通常よりも低い温度で反応を進行させる方法が研究された。分離膜を用いた場合、反応を促進しつつ、得られた水素は高純度であるため、そのまま発電システムや燃料電池で使用することができる。
【特許文献１】特開２００３−１０６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような場合、分離膜としては、アルミナ等の多孔質セラミックス管の外側表面に、微細孔を有する、シリカを主成分とした薄膜をコーティングした、多層構造のものが知られている。このような分離膜は、水分が付着すると、微細孔の緻密化が進行し水素分離性能が劣化してしまう。しかも、分離膜の劣化は、付加逆的な反応であり、分離膜の劣化が生じた場合には、分離膜の交換が必要であった。
【０００７】
また、システム停止時に大気開放等をした場合には、大気中の水分によって分離膜の性能が劣化してしまうという問題があった。さらに、単に他のガスによって反応器の残留ガスをパージすることも考えられるが、大規模発電システムにおいては、残留ガスをパージすることにより、パージガスと水素の混合ガスが大量に大気に放出されることにより、爆発の危険性や、反応によって生成される一酸化炭素ガスも含まれるため、一酸化炭素中毒による窒息等の危険性が存在する。
【０００８】
本発明は、システム停止時に大気中の水分が分離膜の微細孔に凝縮することによる水素分離性能の低下を低減させつつ、残留ガスを大量に放出することを防止することが可能な水素製造装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下のような水素製造装置及び方法を提供する。
【００１０】
（１） 水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であって、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（例えば、分離膜１２１など）を備える分離膜モジュール（例えば、分離膜モジュール１２など）と、前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段（例えば、混合ガス供給ライン２２１、バルブ７２１など）と、前記分離膜モジュールを排気する排気ラインを有する排気手段（例えば、水素排出ライン２５１、排出ライン２３１など）と、前記分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段（例えば、パージガスタンク１３、パージガス供給ライン２４ａ、２４ｂなど）と、前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する際に、前記パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、前記分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段（例えば、制御部７１）と、を備える水素製造装置。
【００１１】
（１）に記載の発明によれば、水素製造装置の制御手段は、混合ガスから水素を分離させる水素分離膜を備える分離膜モジュールへの混合ガスの供給を混合ガス供給手段に停止させる際に、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、分離膜モジュール内を置換させることができる。
【００１２】
このことにより、混合ガスの供給が停止された後でも、分離膜モジュール内がパージガスで充たされた状態となるので、当該分離膜モジュール内に空気等が混入して、大気中の水分により、水素分離膜が劣化する可能性を低くすることが可能となる。
【００１３】
（２）前記制御手段は、前記排気ライン中に設けられた計測手段（例えば、圧力計７６１など）による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する（１）記載の水素製造装置。
【００１４】
（２）に記載の発明によれば、制御手段は、排気ライン中に設けられた計測手段により、計測値が所定の値に達したことに応じて、パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させることができる。
【００１５】
このことにより、計測値が所定の値に達したことに応じて、膜モジュール内をパージガスによる置換を開始することができる。このため、例えば、当該計測値を膜モジュール内のガスがある程度排気されたことを示す値とした場合に、膜モジュール内のガスを排気してからパージガスによって置換することが可能となる。
【００１６】
（３）前記水素分離膜は、筒状の形態であり、前記混合ガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給し、前記排気手段は、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する水素排気ライン（例えば、水素排出ライン２５１、２５２など）と、前記水素排気ラインからの排気が開始された後に前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する残留ガス排気ガスライン（例えば、排出ライン２３１など）と、を有し、前記パージガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する、（１）又は（２）に記載の水素製造装置。
【００１７】
（３）に記載の発明によれば、筒状の水素分離膜の内側と外側のガスを排気する排気ラインをそれぞれ設け、パージガス供給手段は当該水素分離膜の内側にパージガスを供給することができる。
【００１８】
このことにより、水素分離膜の内側と外側に排気ラインを設け、分離膜の内側にパージガスを供給するので、水素と他のガスを別々に排気することができ、かつ分離膜の内側にパージガスを供給することによって、劣化しやすい分離膜から優先的にパージをすることができる。また、パージガスの種類が分離膜を透過できるものであるときは、パージガス供給ラインが１系統ですむため、接続部が少なくてすみ、接続部からのリークの可能性を低減することができる。
【００１９】
（４）前記パージガス供給手段は、前記水素分離膜の内側と外側に前記パージガスを供給する、（３）に記載の水素製造装置。
【００２０】
（４）に記載の発明によれば、水素分離膜の内側と外側にパージガスを供給することができる。このことにより、パージガスの種類が水素分離膜を透過できない場合に、膜モジュール内を全体にわたってパージガスで置換することが可能となる。
【００２１】
（５） 前記パージガスは、不活性ガスである、（１）から（４）のいずれかに記載の水素製造装置。
【００２２】
（５）に記載の発明によれば、パージガスは不活性ガスであるので、パージガスの供給中に残留ガスや水素分離膜の反応を抑えることが可能となる。
【００２３】
（６） 前記不活性ガスは、ヘリウムである、（５）に記載の水素製造装置。
【００２４】
（６）に記載の発明によると、不活性ガスがヘリウムである。ヘリウムは、標準状態で単原子として存在し、水素よりも小さいため、水素分離膜を通過することができるので、パージガスとして使用することで、水素分離膜の内側も外側にも効率的にパージすることができる。また、例えば、内側若しくは外側のみにヘリウムを供給するだけでも水素分離膜モジュールをパージすることが可能となり、パージガス供給ラインを１系統にすることもできる。
【００２５】
（７） 水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置の運転方法であって、前記水素製造装置は、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜（例えば、分離膜１２１など）を備える分離膜モジュール（例えば、分離膜モジュール１２など）を備え、前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する工程と、前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する工程（例えば、ステップＳ１１０など）と、前記供給を停止する際に、前記分離膜モジュールにパージガスを供給して、前記分離膜モジュールに残留するガスの置換をする工程（例えば、ステップＳ１３０、ステップＳ１５０など）と、前記残留するガスを排気ラインに排気する工程（例えば、ステップＳ１２０、ステップＳ１４０など）と、を含む前記水素製造装置の運転方法。
【００２６】
（７）に記載の発明によれば、（１）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２７】
（８） 前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する工程（例えば、ステップＳ１１０、Ｓ１２０など）と、を含む（７）記載の水素製造装置の運転方法。
【００２８】
（８）に記載の発明によれば、（２）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２９】
（９） 筒状の前記水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給する工程と、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する工程（例えば、ステップＳ１２０）と、前記水素の排気が開始された後に、前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する工程（例えば、ステップＳ１４０）と、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する工程（例えば、ステップＳ１３０）と、を含む（７）又は（８）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３０】
（９）に記載の発明によれば、（３）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３１】
（１０） 前記パージガスを前記水素分離膜の内側と外側に供給する工程を含む、（９）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３２】
（１０）に記載の発明によれば、（４）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３３】
（１１） 前記パージガスは、不活性ガスである、（７）から（１０）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３４】
（１１）に記載の発明によれば、（５）と同様の効果を奏することが可能となる。
【００３５】
（１２） 前記不活性ガスは、ヘリウムである、（１１）に記載の水素製造装置の運転方法。
【００３６】
（１２）に記載の発明によれば、（６）と同様の効果を奏することが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、システム停止時に大気中の水分が分離膜の微細孔に凝縮することによる水素分離性能の低下を低減させつつ、残留ガスを大量に放出することを防止することが可能な水素製造装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。
【００３９】
図１は、本発明の好適な実施形態の一例における、水素製造装置の概略を示したブロック図である。
【００４０】
水素製造装置７は、水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素を生成し、分離膜によって水素を選択的に取り出す水素製造部１と、メタンを主成分とする天然ガスを供給する原料タンク２、水蒸気を発生させる水蒸気発生部３、水蒸気発生部３に水を供給する水タンク４、水素製造部１から排気される一酸化炭素等の排気ガスを処理する排気ガス処理部５、で構成され、水素製造部１から得られた水素は、水素をエネルギーとして発電する発電システム６に供給される。
【００４１】
水素製造部１は、水蒸気改質反応部１１及び分離膜モジュール１２で構成される。具体的には、例えば、図２に示される。
【００４２】
図２は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造部１の概念図である。この図に示すように、水素製造部１は、筒状の金属製のチャンバ２１によって覆われており、分離膜１２１を備えた多孔質支持体１２２とで構成される分離膜モジュール１２と、改質触媒１１１と、から構成されている。また、別に、チャンバ２１には、主成分とした天然ガスと水蒸気の混合ガスを当該水素製造部１に供給する混合ガス供給ライン２２、排出ライン２３、チャンバ２１内をパージするためのパージガス供給ライン２４ａ、２４ｂ、水素を排出する水素排出ライン２５が設けられている。さらに、チャンバ２１の外側には、ヒータモジュール７５（後述、図３参照）が備えられており、チャンバ２１の内部の温度をコントロールすることができる。尚、改質触媒１１１は、多孔質支持体１２２とチャンバ２１との空間２６に充填される。
【００４３】
分離膜モジュール１２は、多孔質支持体１２２の表面部に形成されたセラミック膜（分離膜１２１）で構成される。多孔質支持体１２２は、筒型に形成されており、その内表面にセラミック膜が形成されている。本実施例においては、多孔質支持体１２２は、直管状で示されているが、Ｕ字状や渦状、波状等の形態であってよい。セラミック膜は、ガス透過率及びガス選択透過性が相互に異なる少なくとも二つの部分があり、多孔質支持体の表面上に、所定の方向に沿って配列するようにしてもよく、また、層状に重なるようにしてもよい。
【００４４】
チャンバ２１内は、ヒータモジュール７５で加熱された状態である。多孔質支持体１２２は、急激な温度変化による熱衝撃によって、割れ等が発生し、破壊される恐れがあるため、加熱する際には、急激に加熱せずに、一定の昇温速度で昇温することが望ましい。また、加熱する間は、室温により生じた水分による劣化を防ぐために、パージガス供給ライン２４ａ、２４ｂよりパージガスを供給することが望ましい。
【００４５】
そして、天然ガスと水蒸気の混合ガスが混合ガス供給ライン２２から供給されると、混合ガスは、空間２６に充填された改質触媒１１１によって、水蒸気改質反応が行われる。水蒸気改質反応によって生成された水素と一酸化炭素は、さらに、分離膜１２１によって水素のみを選択的に分離され、水素は水素排出管２５により発電システム６に供給され、一酸化炭素は排出ライン２３により排出される。
【００４６】
図３は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体の概念図である。
【００４７】
水素製造装置７は、バス８０によって接続された、水素製造装置７を制御する制御部７１、各ガス配管に備えられるバルブ７２の圧力を制御するバルブ制御部７３、ヒータ７４の温度を制御するヒータモジュール７５、配管にかかる圧力を測定する圧力センサ７６、装置の停止時にポンプ７７を駆動させてチャンバ２１内に残留するガスを排気させるポンプ制御部７８、チャンバ２１内の温度を測定する温度センサ７９を有する。また、発電システム６と連動するために、発電システム６と通信回線で接続可能であってよい。
【００４８】
バルブ７２は、配管を通過するガスの流量及び／又は圧力を制御するものであり、又はストップバルブであってもよく、必要に応じて使用される。そして、制御部７１からの指令に従って、バルブ制御部７３により、電子制御される。そして、バルブ７２の数は複数でもよく、数は任意であってよい。
【００４９】
ポンプ７７は、チャンバ２１内に残留するガスを排気するためのものであり、真空ポンプが望ましいが、通常の排気用ポンプであってもよい。また、真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、分子拡散ポンプ、ロータリーポンプ、イオンポンプ等、規模や排気量に応じて任意のポンプを選択可能である。また、複数のポンプを組み合わせてより高真空を得るようにしてもよい。
【００５０】
制御部７１は、情報の演算や処理を行なう、いわゆるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備えたコンピュータであって、メモリに記憶される処理プログラムに従って、水素製造装置７全体の制御を行なう。各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよいし、また、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。そして、制御部７１は、メモリに記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、各種のハードウェアと協働し、本発明に係る各種機能を実現している。
【００５１】
具体的には、例えば、制御部７１は以下のような制御を行なう。図４は、本発明の実施形態の一例に係る、制御部７１が行なう処理のフローを示した図である。また、図５は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造システムの全体を示す概略図である。以下に、図４及び図５を参照して説明する。
【００５２】
図５において、システムが定常状態であるときは、以下の状態である。原料タンク２からメタンを主成分とする天然ガスが供給され、水蒸気発生部３は、水タンク４から供給される水から水蒸気を発生させる。そして、天然ガスと水蒸気との混合ガスが混合ガス供給ライン２２１を通って水素製造部１に供給する。このとき、バルブ７２１は、流路の開閉を行なうことにより、混合ガスの圧力及び流量を制御することになる。制御部７１は、このバルブ７２１を制御するバルブ制御部７３に信号を送信し、バルブ制御部７３は、バルブ７２１を動作させて混合ガスの供給を行う。
【００５３】
一方で、パージガスは供給されない。具体的には、例えば、パージガスを供給するパージガスタンク１３に連通するパージガス供給ライン２４ａ及び２４ｂは、パージガスバルブ７２２、７２３を閉じていることによって閉塞状態となっている。尚、パージガス供給ライン２４ａは、分離膜モジュール１２の内側にパージガスを供給するラインであり、パージガス供給ライン２４ｂは、分離膜モジュール１２の外側（すなわち、空間２６に充填された改質触媒１１１部分）にパージガスを供給するラインである。パージガス供給ラインを２系統備えることにより、パージガスが分離膜を通過できない種類のガスであっても、効率よく内部をパージすることが可能となる。また、パージガスの種類が分離膜と通過できるガスである場合には、パージガス供給ラインは１系統であってもよい。
【００５４】
水素製造部１は、チャンバ２１の外側に配置されるヒータモジュール７５により、加熱されている。そして、混合ガス供給ライン２２１から供給された混合ガスは、水素製造部１内の空間２６に導入される。そして、充填されている改質触媒１１１によって起こされる水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。
【００５５】
さらに、分離膜１２１により、水素が選択的に分離され、分離された水素は、水素排出ライン２５１により、水素分離膜モジュール１２から排出される。排出された水素は、例えば、図５に示すように、水素排出ライン２５１を発電システム６に接続することにより、発電システム６に供給するようにしてもよい。供給する場合は、水素排出ライン２５１の途中にあるバルブ７２４は開いた状態である。また、水素製造部１からバルブ７２４の間で分岐され、システムを停止する際に水素製造部１内の水素を処理するための水素処理部７７２に排出する水素排出ライン２５２にあるバルブ７２６は閉じた状態となっている。すなわち、分離膜モジュール１２から排出された水素は、水素排出ライン２５１、２５２において、バルブ７２４のみが開いており、発電システム６に供給する状態となっている。
【００５６】
システムを停止させる際には、まず、制御部７１は、発電システム６から発電停止の旨の信号を受信すると（ステップＳ１００）、天然ガスと水蒸気との混合ガスの供給を停止する（ステップＳ１１０）。具体的には、例えば、制御部７１は、水蒸気発生部３における水蒸気の生成を停止させ、バルブ７２１を閉塞状態にして、原料タンク２からの天然ガスの供給を停止させる。さらに、制御部７１は、発電システム６に水素の供給を停止させるため、水素排出ライン２５１のバルブ７２４を閉じる。このとき、分離膜モジュール１２の劣化を防ぐために、制御部７１は、パージガスバルブ７２２、７２３を開けさせて少量のパージガスを供給するようにしてもよい。パージガスを供給しない場合には、制御部７１は、パージガスバルブ７２２、７２３を閉じた状態に制御する。
【００５７】
次に、制御部７１は、水素を排出する。具体的には、例えば、水素排出ライン２５２にあるバルブ７２６を開けた状態にすると共に、水素を強制的に排出するためにポンプ７７１を稼動させて、分離膜モジュール１２内の圧力を低下させ、水素を排出する。水素排出ライン２５２は、分離膜モジュール１２内のみに接続されているが、分離膜１２１は水素のみを通過させるので、分離膜モジュール１２内の圧力を低下させることで、改質触媒１１１に残存する水素も同時に引き込むことにより、水素のみを選択的に排出することができる。
【００５８】
そして、排出された水素は、水素処理部７７２に導入される。この水素処理部７７２は、水素を安全にシステム外に放出するためのものである。例えば、酸素と反応させて水として放出させることが考えられる。水とした場合には、再度、水タンク４に還流させて再利用できるようにしてもよい。また、パージガスを分離膜モジュール１２内に供給しないでステップＳ１２０の処理を行なう場合には、排出される水素は、高純度であるので、水素を貯蔵する貯蔵タンク（図示せず）を設けて、貯蔵タンクに排出するようにしてもよい。
【００５９】
制御部７１は、水素排出ライン２５２のバルブ７２６の下流からポンプ７７１の間にある圧力計７６１の測定値が所定の値となったことに応じて、パージガスバルブ７２２を開放して分離膜モジュール１２の内側のパージを開始する（ステップＳ１３０）。
【００６０】
また、制御部７１は、排出ライン２３１のバルブ７２５を開放し、ポンプ７７３を稼動させて、分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気を開始する（ステップＳ１４０）。残留ガスは、主として一酸化炭素が多く含まれており、少量の水素も含まれる可能性があるため、このまま大気に放出せず、排気したガスを排気ガス処理部５に導入して二酸化炭素に改質して回収し、処理を行なう。水素とは別に残留ガスを排出することにより、このままでは排気できない残留ガスを効率的に収集し、処理を行なうことができる。さらに、パージガスが排気ガス処理部５に流入することを少なくすることができ、かつ水素もステップＳ１２０において大部分を別に排気しているので、残留ガス（主として一酸化炭素）の処理に焦点を当てた処理設備を備えればよいことになる。
【００６１】
分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気の終了後、制御部７１は、パージガス供給ライン２４ｂのパージガスバルブ７２３を開放し、分離膜モジュール１２の外側部分のパージを開始する（ステップＳ１５０）。そして常にパージすることにより、発電システム等を大気開放した場合でも、大気がチャンバ２１内に流入することを防ぐことができ、大気中の水分によって劣化する分離膜１２１を保護することができる。
【００６２】
［実施例２］
図６は、本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造システムの全体を示す第２の概略図である。この形態は、例えば、ヘリウム等のように、使用するパージガスが分離膜１２１を透過できる場合の形態である。そして、チャンバ２１内をパージするパージラインが１系統のみであり、分離膜モジュール１２の内側をパージするべく接続されている。
【００６３】
この形態の場合であっても、定常状態及び発電を停止させる際の処理のフローのステップＳ１００からステップＳ１３０までは先に述べたことと同様である。
【００６４】
この形態の場合に、ステップＳ１４０では、制御部７１は、排出ライン２３１のバルブ７２５を開放し、ポンプ７７３を稼動させて、分離膜モジュール１２の外側に残る残留ガスの排気を開始する。この場合、分離膜モジュール１２の内側に供給されているパージガスは、分離膜モジュール１２を透過することができるので、ポンプ７７３を稼動させておくことにより、分離膜モジュール１２の内側のパージガスが引き出され、同時に分離膜モジュール１２の外側もパージすることができる。ポンプ７７３で引き出すことにより、パージガスがチャンバ２１内に充満するために要する時間と短縮することができる。さらに、パージガスラインを２系統設けることをしなくてもよく、経済的である。
【００６５】
本発明においては、分離膜モジュール１２において、多孔質支持体１２２の内側に分離膜１２１があるとして説明したが、逆の構成であってもよい。すなわち、多孔質支持体１２２の外側に分離膜１２１があってもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定しない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載された効果に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の好適な実施形態の一例における、水素製造装置７の概略を示したブロック図である。
【図２】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造部１の概念図である。
【図３】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体の概念図である。
【図４】本発明の実施形態の一例に係る、制御部７１が行なう処理のフローを示した図である。
【図５】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体を示す概略図である。
【図６】本発明の好適な実施形態の一例に係る、水素製造装置７の全体を示す第２の概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 水素製造部
２ 原料タンク
３ 水蒸気発生部
４ 水タンク
５ 排気ガス処理部
６ 発電システム
７ 水素製造装置
１１ 水蒸気改質反応部
１２ 分離膜モジュール
１３ パージガスタンク
２１ チャンバ
２２ 混合ガス供給ライン
２４ａ、２４ｂ パージガス供給ライン
２５ 水素排出管
２６ 空間
７１ 制御部
７３ バルブ制御部
７５ ヒータモジュール
７８ ポンプ駆動部
１１１ 改質触媒
１２１ 分離膜
１２２ 多孔質支持体
２２１ 混合ガス供給ライン
２３１ 排出ライン
２５１ 水素排出ライン
２５２ 水素排出ライン
７２１ バルブ
７２２ パージガスバルブ
７２３ パージガスバルブ
７２４ バルブ
７２５ バルブ
７２６ バルブ
７６１ 圧力計
７７１ ポンプ
７７２ 水素処理部
７７３ ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であって、
前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜を備える分離膜モジュールと、
前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
前記分離膜モジュールを排気する排気ラインを有する排気手段と、
前記分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する際に、前記パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、前記分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段と、を備える水素製造装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記水素分離膜は、筒状の形態であり、
前記混合ガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給し、
前記排気手段は、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する水素排気ラインと、
前記水素排気ラインからの排気が開始された後に前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する残留ガス排気ガスラインと、を有し、
前記パージガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する、請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記パージガス供給手段は、前記水素分離膜の内側と外側に前記パージガスを供給する、請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記パージガスは、不活性ガスである、請求項１から４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記不活性ガスは、ヘリウムである、請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置の運転方法であって、
前記水素製造装置は、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜を備える分離膜モジュールを備え、
前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する工程と、
前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する工程と、
前記供給を停止する際に、前記分離膜モジュールにパージガスを供給して、前記分離膜モジュールに残留するガスの置換をする工程と、
前記残留するガスを排気ラインに排気する工程と、を含む前記水素製造装置の運転方法。
【請求項８】
前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する工程と、を含む請求項７記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項９】
筒状の前記水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給する工程と、
最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する工程と、
前記水素の排気が開始された後に、前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する工程と、
前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する工程と、を含む請求項７又は８に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１０】
前記パージガスを前記水素分離膜の内側と外側に供給する工程を含む、請求項９に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１１】
前記パージガスは、不活性ガスである、請求項７から１０に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスは、ヘリウムである、請求項１１に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１】
水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であって、
前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜を備える分離膜モジュールと、
前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
前記分離膜モジュールを排気する排気ラインを有する排気手段と、
前記分離膜モジュールを置換するためのパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する際に、前記パージガス供給手段にパージガスの供給を開始させて、前記分離膜モジュールに残留するガスを置換させる制御手段と、を備える水素製造装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記水素分離膜は、筒状の形態であり、
前記混合ガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給し、
前記排気手段は、最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する水素排気ラインと、
前記水素排気ラインからの排気が開始された後に前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する残留ガス排気ガスラインと、を有し、
前記パージガス供給手段は、前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する、請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記パージガス供給手段は、前記水素分離膜の内側と外側に前記パージガスを供給する、請求項３に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記パージガスは、不活性ガスである、請求項１から４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記不活性ガスは、ヘリウムである、請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
水素を含む混合ガスから水素を分離して製造する水素製造装置の運転方法であって、
前記水素製造装置は、前記混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜を備える分離膜モジュールを備え、
前記分離膜モジュールに、前記混合ガスを供給する工程と、
前記分離膜モジュールに前記混合ガスの供給を停止する工程と、
前記供給を停止する際に、前記分離膜モジュールにパージガスを供給して、前記分離膜モジュールに残留するガスの置換をする工程と、
前記残留するガスを排気ラインに排気する工程と、を含む前記水素製造装置の運転方法。
【請求項８】
前記排気ラインに設けられた計測手段による排気ガスの計測値が所定の値に達した場合に、前記置換を開始する工程と、を含む請求項７記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項９】
筒状の前記水素分離膜の内外のうち、一方に混合ガスを供給する工程と、
最初に前記筒状の水素分離膜の内外のうち、他方から水素を排気する工程と、
前記水素の排気が開始された後に、前記筒状の水素分離膜の内外のうちの一方の残留ガスを排気する工程と、
前記筒状の水素分離膜の内外のうち他方から前記パージガスを供給する工程と、を含む請求項７又は８に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１０】
前記パージガスを前記水素分離膜の内側と外側に供給する工程を含む、請求項９に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１１】
前記パージガスは、不活性ガスである、請求項７から１０に記載の水素製造装置の運転方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスは、ヘリウムである、請求項１１に記載の水素製造装置の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２６１９１７（Ｐ２００７−２６１９１７Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９２４５３（Ｐ２００６−９２４５３）
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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