水素製造装置
【課題】外膜式円筒型反応管を含む水素製造装置における内挿管と改質触媒兼支持体との間に滞留するオフガスを取り除き、水素回収率を上げる水素製造装置を得る。
【解決手段】原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流れながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなるとを特徴とする水素製造装置。
【解決手段】原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流れながら原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなるとを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し、且つ、生成改質ガスを水素分離膜で精製して高純度の水素を製造する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素の工業的製造方法の一つとして炭化水素ガスの水蒸気改質法がある。水蒸気改質法では、通常、粒状等の改質触媒を充填した改質器が用いられる。水蒸気改質器で得られる改質ガスには主成分である水素のほか、ＣＯ、ＣＯ2等の副生成分や余剰Ｈ2Ｏが含まれている。このため改質ガスを、例えば燃料電池にそのまま用いたのでは電池性能を阻害してしまう。
【０００３】
燃料電池のうちリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）で用いる水素ガス中のＣＯは１％（ｖｏｌ％、以下同じ）程度、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）では１００ｐｐｍ（ｖｏｌｐｐｍ、以下同じ）程度が限度であり、これらを超えると電池性能が著しく劣化する。このため、それら副生成分は燃料電池へ導入する前に除去する必要がある。また、不飽和結合への水素添加用あるいは酸水素炎用の水素は通常ボンベに詰めたものが使用されており、その純度は５Ｎ（＝９９．９９９％）以上が要求されている。
【０００４】
水蒸気改質器による改質ガスの生成と生成した改質ガスの精製とを一つの装置で行えるように一体化した装置としてメンブレンリアクターがある。メンブレンリアクターにおいて、炭化水素ガスは、バーナでの発生熱を加熱源とし、水蒸気による改質反応により改質触媒層で改質されて改質ガスとなる。改質ガス中の水素はＰｄ膜などの水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出される。
【０００５】
従来の触媒一体型モジュールにおいては、原料ガス（炭化水素ガス＋水蒸気）は改質触媒層に平行な流路を流れながら改質触媒層の表面及び改質触媒層中へ流れて改質される。改質ガス中の水素は改質触媒層に続き配置された水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出され、水素以外のガス（未反応の原料ガスを含む）はオフガスとして排出される。
【０００６】
また、改質触媒一体化モジュールは各種の工夫、改良が加えられている。図１〜３はその一例として、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である（特開２００４−１４９３３２号公報）。図１のとおり、円筒型反応管として外膜式円筒型反応管が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１４９３３２号公報
【０００８】
図２〜３に当該外膜式円筒型反応管の構造を示している。図１のように外膜式円筒型反応管を外管内にセットして水素製造装置を構成する。改質触媒兼支持体は、円筒状に構成してもよく、平板状に構成してもよい。図１〜３は、そのうち円筒状に構成した態様で、外膜式円筒型反応管である。この反応管は、例えばＮｉ−ＹＳＺサーメットで構成した円筒状改質触媒兼支持体の外周面にＰｄ膜を形成して構成される。Ｐｄ膜の形成は無電解めっき法などにより行われる。図１のとおり、円筒型反応管の上部及び外管の上部は蓋により塞がれている。
【０００９】
図１〜３のとおり、円筒型反応管内に間隔を置いて内管を配置し、円筒型反応管を囲んで外管が配置されている。外膜式円筒型反応管では、円筒状改質触媒兼支持体の外側すなわち外周面に水素分離膜を配置して構成される。炭化水素ガスの改質には４５０〜６８０℃程度に加熱する必要があり、その加熱のため、例えば外膜式円筒型反応管を囲い、その空間に都市ガス等の燃焼ガスを供給される。
【００１０】
おおよそ、以上のように構成された水素製造装置の作動に際しては、都市ガスをバーナにより空気で燃焼させ、円筒型反応管を昇温する。図１を例に言えば、所定温度に到達後、原料ガス（炭化水素ガス＋水蒸気）を下部から内管に供給し、上部で折返して内管と円筒状改質触媒兼支持体との間に導入する。炭化水素ガスは円筒状改質触媒兼支持体の改質触媒による触媒作用により改質される。
【００１１】
Ｐｄ膜は水素を選択的に透過するため、生成改質ガス中の水素はＰｄ膜を介して選択的に分離され、水素分離膜と外管との間の空隙を経て高純度の水素として取り出される。生成改質ガス中の水素以外の成分、すなわちＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2（Ｐｄ膜で未透過のＨ2）等は内管と円筒型反応管の間を通り、オフガスとして排出される。
【００１２】
このように、触媒一体化モジュールは改質ガスの生成と精製とを一つの装置で行え、かつ触媒を別途必要としないことから原理的には非常に有用である。ところが、内挿管（内管）と改質触媒兼支持体との間には図１、３中Ｓとして示すようにガスが流通できる空間がある。改質触媒兼支持体は多孔質からなるため、ガス透過性はあるが、内挿管と改質触媒兼支持体との間の空間よりも抵抗（ガスの流通抵抗）が大きく、一部のガスは改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出されてしまう。
【００１３】
すなわち、モジュール先端部では内挿管からモジュール内部に供給される原料ガスの流速が大きく且つ流れが改質触媒兼支持体に垂直であるため、原料ガスが改質触媒兼支持体内に入り込み、水素分離膜に到達し易いので、改質反応および水素透過が起こりやすい。一方、モジュールの根元に近い部分では、主なガス流は改質触媒兼支持体や水素分離膜に平行であるため、先端部に比べて改質触媒兼支持体内や水素分離膜近傍にガスが到達しにくい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し且つ生成改質ガスを高純度に精製する外膜式円筒型反応管を含む水素製造装置で生じる以上の問題を解決するためになされたものであり、内挿管と改質触媒兼支持体との間を流れる一次ガスである原料ガスを改質触媒兼支持体の内部に圧入するようにすることにより、改質触媒兼支持体の内部に滞留するオフガスを効果的に置換し、水素回収率を上げるようにしてなる水素製造装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、（１）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなるとを特徴とする水素製造装置である。
【００１６】
本発明は、（２）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１７】
本発明は、（３）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１８】
本発明は、（４）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔の数を先端部に近い程多くしてなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１９】
本発明は、（５）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することにより、改質反応が活発に進む先端部を増加させてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００２０】
本発明は、（６）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面としてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００２１】
本発明は、（７）原料ガスの流路である中空部と外周に遠心ファンを持ち且つ回転自在に配置された内挿管と、前記内挿管の外周側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、当該折り返し原料ガスを前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を前記遠心ファンにより強制的に前記改質触媒兼支持体に送り込むことで改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、モジュール先端部だけでなく、モジュール全体で改質反応および水素透過が起こりやくなるので、改質効率および水素製造量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いたモジュールからなる水素製造装置を説明する図である。
【図２】図２は、図１に記載の水素製造装置のうち、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を説明する図である。
【図３】図３は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である。
【図４】図４は、本発明（１）の水素製造装置を説明する図である。
【図５】図５は、本発明（２）〜（４）の水素製造装置を説明する図である。
【図６】図６は、本発明（５）の水素製造装置を説明する図である。
【図７】図７は、本発明（６）の水素製造装置を説明する図である。
【図８】図８は、本発明（７）の水素製造装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
改質触媒一体化モジュールは、改質触媒兼支持体または改質触媒層と水素分離膜から構成される高効率な水素製造用のメンブレンリアクターである。そして、より高効率に水素を製造する手段の一つとして、原料ガス（炭化水素ガスと水蒸気との混合ガス）と改質触媒との接触を促進して反応率を向上させる方法がある。
【００２５】
一方、改質触媒一体化モジュールの実使用に際して、改質触媒兼支持体内に内挿管を配置する態様がある。この態様においては、内挿管と改質触媒兼支持体との間には原料ガスが流通できる空間があり、一部の原料ガスは改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出される可能性があった。すなわち、一部の原料ガスは改質触媒兼支持体の改質触媒と接触せず、未反応のままモジュール外部へ排出される可能性があった。
【００２６】
本発明は、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、当該内挿管と改質触媒兼支持体とを間隔を置いて配置してなる改質触媒一体化モジュールにおいて、改質触媒兼支持体に対して原料ガスを良好に供給するようにしてなる改質触媒一体化モジュールからなる水素製造装置の更なる高効率化を達成するものである。
【００２７】
〈改質触媒兼支持体、水素分離膜について〉
改質触媒兼支持体は、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割を同時に果たすもので、本発明において重要な構成部材である。これにより、炭化水素ガスを改質触媒兼支持体で水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成改質ガスを改質触媒兼支持体に支持した水素分離膜により精製し、高純度の水素を製造する。
【００２８】
改質触媒兼支持体としては、それ自体改質触媒としての機能を有し且つ水素分離膜を支持する機能を有する多孔質材料が用いられる。その例としては、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物の焼結体（＝Ｎｉ−ＹＳＺサーメット）その他、それらの機能を有する多孔質セラミックス、多孔質サーメットなどが挙げられる。
【００２９】
Ｎｉ−ＹＳＺサーメットの場合、例えばＮｉ粒子、ＮｉＯ粒子及びＹＳＺ（＝イットリア安定化ジルコニア）粒子を混合し、混合物を押し出し成形、加圧成形等により成形し、焼成することにより作製される。焼結体中のＮｉ成分の含有量は１０〜７０ｗｔ％の範囲で選定される。この材料は、改質温度＝６００℃、Ｓ／Ｃ比＝３．０の場合、触媒単体として３９％程度のメタン転化率を示し、従来の粒状改質触媒とほぼ同等の改質性能を有している。
【００３０】
水素分離膜としてはＰｄ膜やＰｄ合金膜などの金属膜が用いられる。Ｐｄ合金において、Ｐｄと合金化する金属としてはＡｇ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｙ又はＧｄが挙げられる。金属膜は改質触媒兼支持体に対してめっき法や蒸着法その他適宜の方法により支持される。ここで、多孔質セラミックスの孔径は、金属膜の膜厚等との関係で１０μｍ以下であるのが好ましい。金属膜の膜厚を２０μｍとする場合、多孔質セラミックスの孔径は１０μｍ程度であるのが好ましく、金属膜の膜厚を２０μｍ以下とする場合、これに対応して多孔質セラミックスの孔径は１０μｍ程度以下とするのが好ましい。
【００３１】
改質触媒兼支持体は、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割を同時に果たすので、従来のメンブレンリアクターでは必須である改質触媒層を別途必要としない。このため、構成部材として改質触媒兼支持体を用いる本発明の水素製造装置は、従来の水素製造装置に比べて格段に小型化できる。特に、改質触媒兼支持体は、それ自体改質触媒としての役割を果たし、改質触媒層を別途必要としないので、従来の水素製造装置では生じるところの、粒子状等の改質触媒との接触による水素分離膜の破損の問題を生じない。
【００３２】
内挿管はステンレス鋼やセラミックス等で構成する。図４〜８は本発明の態様を説明する図である。本発明において、改質触媒兼支持体は円筒状に構成する。
【００３３】
〈本発明（１）の水素製造装置の態様〉
図４は、本発明（１）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図４のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流通させる。
【００３４】
ここで、本発明（１）の水素製造装置においては、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間の間隙のうち、前記内挿管への原料ガスの供給口側の外周に壁を配置する。当該壁は、当該供給口側の内挿管と前記改質触媒兼支持体との間の間隙を塞ぐことになり、これにより、モジュール先端部で折り返した原料ガスは、根元部で素通りすることなく、その全部が改質触媒兼支持体側に流入する。
【００３５】
そのように、原料ガスの排出側の流路を遮断することにより、原料ガスの全部を強制的に改質触媒兼支持体に流入させる。改質触媒兼支持体においては、改質触媒による改質反応により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。
【００３６】
〈本発明（２）〜（４）の水素製造装置の態様〉
図５は、本発明（２）〜（４）の水素製造装置の態様を説明する図である。そのうち図５（ａ）は本発明（２）の水素製造装置の態様を説明する図、図５（ａ）と（ｂ）は本発明（３）の水素製造装置の態様を説明する図、図５（ａ）と（ｃ）は本発明（４）の水素製造装置の態様を説明する図である。
【００３７】
〈本発明（２）の水素製造装置の態様〉
図５（ａ）のとおり、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。内挿管の多噴孔の孔を等間隔に配置した場合には、その孔径を先端部に近い程大きく、すなわち根元部へ行く程小さくすることにより、原料ガスがオフガスとして流出してしまうのを防ぎ、その利用を高効率にすることができる。内挿管の多噴孔は、内挿管の内側から外側へ向けて貫通する多数の孔で、原料ガスを内挿管の内側から外側へ向けて噴出させる役割をする孔である。
【００３８】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通して、多噴孔から排出させながら、残部をその流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成する。生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。
【００３９】
〈本発明（３）の水素製造装置の態様〉
本発明（３）においては、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなる。
【００４０】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。本発明（３）では、多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくすることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４１】
〈本発明（４）の水素製造装置の態様〉
本発明（４）においては、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の数を先端部に近い程多くしてなる。一例として、多噴孔の孔径を同じくし、多噴孔の孔数を先端部に近い程多くすることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４２】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。本発明（４）では、多噴孔の数を多くしてなることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４３】
〈本発明（５）の水素製造装置の態様〉
図６は、本発明（５）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図６のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４４】
本発明（５）においては、外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することが重要である。これにより、改質触媒一体化モジュールの長手方向の長さを短くし、改質反応が活発に進む先端部を相対的に増加させてなる水素製造装置である。
【００４５】
〈本発明（６）の水素製造装置の態様〉
図７は、本発明（６）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図７のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４６】
本発明（６）の水素製造装置においては、改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面とすることが重要である。当該凹凸面により、水素製造装置の作動時に原料ガスの渦が発生して、凹凸面表面に圧力変動が生じ、改質触媒兼支持体内への原料ガスの流入および副生成物であるＣＯ2の流出が促進される。
【００４７】
〈本発明（７）の水素製造装置の態様〉
図８は、本発明（７）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図８のとおり、原料ガスの流路である中空部とファンを持ち、回動自在に配置された内挿管と、前記内挿管外周のファン外周に対して間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。図８中、Ｌはモジュールの長さ、ｄはモジュール径（直径）である。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４８】
本発明（７）の水素製造装置においては、内挿管の外周にファンを取付け、外部動力により内挿管を回転させる。その内挿管の回転によって強制的に原料ガスを改質触媒兼支持体に送り込むことで、ガス圧力の低下を防ぎ、且つ、改質触媒兼支持体における広い範囲の改質触媒を有効に用いることができる。この構成、すなわち内挿管の外周にファンを取付け、外部動力により内挿管を回転させる構成は、モジュール長さＬ、モジュール径（直径）ｄを大きくした場合にも有効であり、コスト削減に役立てることができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ 内挿管と改質触媒兼支持体との間のガスが流通できる空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し、且つ、生成改質ガスを水素分離膜で精製して高純度の水素を製造する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素の工業的製造方法の一つとして炭化水素ガスの水蒸気改質法がある。水蒸気改質法では、通常、粒状等の改質触媒を充填した改質器が用いられる。水蒸気改質器で得られる改質ガスには主成分である水素のほか、ＣＯ、ＣＯ2等の副生成分や余剰Ｈ2Ｏが含まれている。このため改質ガスを、例えば燃料電池にそのまま用いたのでは電池性能を阻害してしまう。
【０００３】
燃料電池のうちリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）で用いる水素ガス中のＣＯは１％（ｖｏｌ％、以下同じ）程度、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）では１００ｐｐｍ（ｖｏｌｐｐｍ、以下同じ）程度が限度であり、これらを超えると電池性能が著しく劣化する。このため、それら副生成分は燃料電池へ導入する前に除去する必要がある。また、不飽和結合への水素添加用あるいは酸水素炎用の水素は通常ボンベに詰めたものが使用されており、その純度は５Ｎ（＝９９．９９９％）以上が要求されている。
【０００４】
水蒸気改質器による改質ガスの生成と生成した改質ガスの精製とを一つの装置で行えるように一体化した装置としてメンブレンリアクターがある。メンブレンリアクターにおいて、炭化水素ガスは、バーナでの発生熱を加熱源とし、水蒸気による改質反応により改質触媒層で改質されて改質ガスとなる。改質ガス中の水素はＰｄ膜などの水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出される。
【０００５】
従来の触媒一体型モジュールにおいては、原料ガス（炭化水素ガス＋水蒸気）は改質触媒層に平行な流路を流れながら改質触媒層の表面及び改質触媒層中へ流れて改質される。改質ガス中の水素は改質触媒層に続き配置された水素分離膜により選択的に分離され精製水素として取り出され、水素以外のガス（未反応の原料ガスを含む）はオフガスとして排出される。
【０００６】
また、改質触媒一体化モジュールは各種の工夫、改良が加えられている。図１〜３はその一例として、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である（特開２００４−１４９３３２号公報）。図１のとおり、円筒型反応管として外膜式円筒型反応管が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１４９３３２号公報
【０００８】
図２〜３に当該外膜式円筒型反応管の構造を示している。図１のように外膜式円筒型反応管を外管内にセットして水素製造装置を構成する。改質触媒兼支持体は、円筒状に構成してもよく、平板状に構成してもよい。図１〜３は、そのうち円筒状に構成した態様で、外膜式円筒型反応管である。この反応管は、例えばＮｉ−ＹＳＺサーメットで構成した円筒状改質触媒兼支持体の外周面にＰｄ膜を形成して構成される。Ｐｄ膜の形成は無電解めっき法などにより行われる。図１のとおり、円筒型反応管の上部及び外管の上部は蓋により塞がれている。
【０００９】
図１〜３のとおり、円筒型反応管内に間隔を置いて内管を配置し、円筒型反応管を囲んで外管が配置されている。外膜式円筒型反応管では、円筒状改質触媒兼支持体の外側すなわち外周面に水素分離膜を配置して構成される。炭化水素ガスの改質には４５０〜６８０℃程度に加熱する必要があり、その加熱のため、例えば外膜式円筒型反応管を囲い、その空間に都市ガス等の燃焼ガスを供給される。
【００１０】
おおよそ、以上のように構成された水素製造装置の作動に際しては、都市ガスをバーナにより空気で燃焼させ、円筒型反応管を昇温する。図１を例に言えば、所定温度に到達後、原料ガス（炭化水素ガス＋水蒸気）を下部から内管に供給し、上部で折返して内管と円筒状改質触媒兼支持体との間に導入する。炭化水素ガスは円筒状改質触媒兼支持体の改質触媒による触媒作用により改質される。
【００１１】
Ｐｄ膜は水素を選択的に透過するため、生成改質ガス中の水素はＰｄ膜を介して選択的に分離され、水素分離膜と外管との間の空隙を経て高純度の水素として取り出される。生成改質ガス中の水素以外の成分、すなわちＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2（Ｐｄ膜で未透過のＨ2）等は内管と円筒型反応管の間を通り、オフガスとして排出される。
【００１２】
このように、触媒一体化モジュールは改質ガスの生成と精製とを一つの装置で行え、かつ触媒を別途必要としないことから原理的には非常に有用である。ところが、内挿管（内管）と改質触媒兼支持体との間には図１、３中Ｓとして示すようにガスが流通できる空間がある。改質触媒兼支持体は多孔質からなるため、ガス透過性はあるが、内挿管と改質触媒兼支持体との間の空間よりも抵抗（ガスの流通抵抗）が大きく、一部のガスは改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出されてしまう。
【００１３】
すなわち、モジュール先端部では内挿管からモジュール内部に供給される原料ガスの流速が大きく且つ流れが改質触媒兼支持体に垂直であるため、原料ガスが改質触媒兼支持体内に入り込み、水素分離膜に到達し易いので、改質反応および水素透過が起こりやすい。一方、モジュールの根元に近い部分では、主なガス流は改質触媒兼支持体や水素分離膜に平行であるため、先端部に比べて改質触媒兼支持体内や水素分離膜近傍にガスが到達しにくい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質により改質ガスを生成し且つ生成改質ガスを高純度に精製する外膜式円筒型反応管を含む水素製造装置で生じる以上の問題を解決するためになされたものであり、内挿管と改質触媒兼支持体との間を流れる一次ガスである原料ガスを改質触媒兼支持体の内部に圧入するようにすることにより、改質触媒兼支持体の内部に滞留するオフガスを効果的に置換し、水素回収率を上げるようにしてなる水素製造装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、（１）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなるとを特徴とする水素製造装置である。
【００１６】
本発明は、（２）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１７】
本発明は、（３）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１８】
本発明は、（４）原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔の数を先端部に近い程多くしてなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１９】
本発明は、（５）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することにより、改質反応が活発に進む先端部を増加させてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００２０】
本発明は、（６）原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面としてなることを特徴とする水素製造装置である。
【００２１】
本発明は、（７）原料ガスの流路である中空部と外周に遠心ファンを持ち且つ回転自在に配置された内挿管と、前記内挿管の外周側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、当該折り返し原料ガスを前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を前記遠心ファンにより強制的に前記改質触媒兼支持体に送り込むことで改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、モジュール先端部だけでなく、モジュール全体で改質反応および水素透過が起こりやくなるので、改質効率および水素製造量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いたモジュールからなる水素製造装置を説明する図である。
【図２】図２は、図１に記載の水素製造装置のうち、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を説明する図である。
【図３】図３は、改質触媒兼支持体の表面に水素分離膜を配した外膜式円筒型反応管を用いた水素製造装置を説明する図である。
【図４】図４は、本発明（１）の水素製造装置を説明する図である。
【図５】図５は、本発明（２）〜（４）の水素製造装置を説明する図である。
【図６】図６は、本発明（５）の水素製造装置を説明する図である。
【図７】図７は、本発明（６）の水素製造装置を説明する図である。
【図８】図８は、本発明（７）の水素製造装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
改質触媒一体化モジュールは、改質触媒兼支持体または改質触媒層と水素分離膜から構成される高効率な水素製造用のメンブレンリアクターである。そして、より高効率に水素を製造する手段の一つとして、原料ガス（炭化水素ガスと水蒸気との混合ガス）と改質触媒との接触を促進して反応率を向上させる方法がある。
【００２５】
一方、改質触媒一体化モジュールの実使用に際して、改質触媒兼支持体内に内挿管を配置する態様がある。この態様においては、内挿管と改質触媒兼支持体との間には原料ガスが流通できる空間があり、一部の原料ガスは改質触媒兼支持体を通過せずにモジュール外部へ排出される可能性があった。すなわち、一部の原料ガスは改質触媒兼支持体の改質触媒と接触せず、未反応のままモジュール外部へ排出される可能性があった。
【００２６】
本発明は、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、当該内挿管と改質触媒兼支持体とを間隔を置いて配置してなる改質触媒一体化モジュールにおいて、改質触媒兼支持体に対して原料ガスを良好に供給するようにしてなる改質触媒一体化モジュールからなる水素製造装置の更なる高効率化を達成するものである。
【００２７】
〈改質触媒兼支持体、水素分離膜について〉
改質触媒兼支持体は、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割を同時に果たすもので、本発明において重要な構成部材である。これにより、炭化水素ガスを改質触媒兼支持体で水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成改質ガスを改質触媒兼支持体に支持した水素分離膜により精製し、高純度の水素を製造する。
【００２８】
改質触媒兼支持体としては、それ自体改質触媒としての機能を有し且つ水素分離膜を支持する機能を有する多孔質材料が用いられる。その例としては、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物の焼結体（＝Ｎｉ−ＹＳＺサーメット）その他、それらの機能を有する多孔質セラミックス、多孔質サーメットなどが挙げられる。
【００２９】
Ｎｉ−ＹＳＺサーメットの場合、例えばＮｉ粒子、ＮｉＯ粒子及びＹＳＺ（＝イットリア安定化ジルコニア）粒子を混合し、混合物を押し出し成形、加圧成形等により成形し、焼成することにより作製される。焼結体中のＮｉ成分の含有量は１０〜７０ｗｔ％の範囲で選定される。この材料は、改質温度＝６００℃、Ｓ／Ｃ比＝３．０の場合、触媒単体として３９％程度のメタン転化率を示し、従来の粒状改質触媒とほぼ同等の改質性能を有している。
【００３０】
水素分離膜としてはＰｄ膜やＰｄ合金膜などの金属膜が用いられる。Ｐｄ合金において、Ｐｄと合金化する金属としてはＡｇ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｙ又はＧｄが挙げられる。金属膜は改質触媒兼支持体に対してめっき法や蒸着法その他適宜の方法により支持される。ここで、多孔質セラミックスの孔径は、金属膜の膜厚等との関係で１０μｍ以下であるのが好ましい。金属膜の膜厚を２０μｍとする場合、多孔質セラミックスの孔径は１０μｍ程度であるのが好ましく、金属膜の膜厚を２０μｍ以下とする場合、これに対応して多孔質セラミックスの孔径は１０μｍ程度以下とするのが好ましい。
【００３１】
改質触媒兼支持体は、改質触媒としての役割と水素分離膜を支持する役割を同時に果たすので、従来のメンブレンリアクターでは必須である改質触媒層を別途必要としない。このため、構成部材として改質触媒兼支持体を用いる本発明の水素製造装置は、従来の水素製造装置に比べて格段に小型化できる。特に、改質触媒兼支持体は、それ自体改質触媒としての役割を果たし、改質触媒層を別途必要としないので、従来の水素製造装置では生じるところの、粒子状等の改質触媒との接触による水素分離膜の破損の問題を生じない。
【００３２】
内挿管はステンレス鋼やセラミックス等で構成する。図４〜８は本発明の態様を説明する図である。本発明において、改質触媒兼支持体は円筒状に構成する。
【００３３】
〈本発明（１）の水素製造装置の態様〉
図４は、本発明（１）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図４のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流通させる。
【００３４】
ここで、本発明（１）の水素製造装置においては、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間の間隙のうち、前記内挿管への原料ガスの供給口側の外周に壁を配置する。当該壁は、当該供給口側の内挿管と前記改質触媒兼支持体との間の間隙を塞ぐことになり、これにより、モジュール先端部で折り返した原料ガスは、根元部で素通りすることなく、その全部が改質触媒兼支持体側に流入する。
【００３５】
そのように、原料ガスの排出側の流路を遮断することにより、原料ガスの全部を強制的に改質触媒兼支持体に流入させる。改質触媒兼支持体においては、改質触媒による改質反応により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。
【００３６】
〈本発明（２）〜（４）の水素製造装置の態様〉
図５は、本発明（２）〜（４）の水素製造装置の態様を説明する図である。そのうち図５（ａ）は本発明（２）の水素製造装置の態様を説明する図、図５（ａ）と（ｂ）は本発明（３）の水素製造装置の態様を説明する図、図５（ａ）と（ｃ）は本発明（４）の水素製造装置の態様を説明する図である。
【００３７】
〈本発明（２）の水素製造装置の態様〉
図５（ａ）のとおり、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。内挿管の多噴孔の孔を等間隔に配置した場合には、その孔径を先端部に近い程大きく、すなわち根元部へ行く程小さくすることにより、原料ガスがオフガスとして流出してしまうのを防ぎ、その利用を高効率にすることができる。内挿管の多噴孔は、内挿管の内側から外側へ向けて貫通する多数の孔で、原料ガスを内挿管の内側から外側へ向けて噴出させる役割をする孔である。
【００３８】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通して、多噴孔から排出させながら、残部をその流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成する。生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。
【００３９】
〈本発明（３）の水素製造装置の態様〉
本発明（３）においては、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなる。
【００４０】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。本発明（３）では、多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくすることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４１】
〈本発明（４）の水素製造装置の態様〉
本発明（４）においては、原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、且つ、前記内挿管の前記多噴孔の数を先端部に近い程多くしてなる。一例として、多噴孔の孔径を同じくし、多噴孔の孔数を先端部に近い程多くすることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４２】
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造する。本発明（４）では、多噴孔の数を多くしてなることにより、原料ガスがより均等に改質され、オフガスとして未反応のまま流出するのを防ぐことができる。
【００４３】
〈本発明（５）の水素製造装置の態様〉
図６は、本発明（５）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図６のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４４】
本発明（５）においては、外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することが重要である。これにより、改質触媒一体化モジュールの長手方向の長さを短くし、改質反応が活発に進む先端部を相対的に増加させてなる水素製造装置である。
【００４５】
〈本発明（６）の水素製造装置の態様〉
図７は、本発明（６）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図７のとおり、原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４６】
本発明（６）の水素製造装置においては、改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面とすることが重要である。当該凹凸面により、水素製造装置の作動時に原料ガスの渦が発生して、凹凸面表面に圧力変動が生じ、改質触媒兼支持体内への原料ガスの流入および副生成物であるＣＯ2の流出が促進される。
【００４７】
〈本発明（７）の水素製造装置の態様〉
図８は、本発明（７）の水素製造装置の態様を説明する図である。
図８のとおり、原料ガスの流路である中空部とファンを持ち、回動自在に配置された内挿管と、前記内挿管外周のファン外周に対して間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置し、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置する。図８中、Ｌはモジュールの長さ、ｄはモジュール径（直径）である。そして、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒作用により原料ガスから改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置である。
【００４８】
本発明（７）の水素製造装置においては、内挿管の外周にファンを取付け、外部動力により内挿管を回転させる。その内挿管の回転によって強制的に原料ガスを改質触媒兼支持体に送り込むことで、ガス圧力の低下を防ぎ、且つ、改質触媒兼支持体における広い範囲の改質触媒を有効に用いることができる。この構成、すなわち内挿管の外周にファンを取付け、外部動力により内挿管を回転させる構成は、モジュール長さＬ、モジュール径（直径）ｄを大きくした場合にも有効であり、コスト削減に役立てることができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ 内挿管と改質触媒兼支持体との間のガスが流通できる空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水素製造装置において、前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項４】
請求項２に記載の水素製造装置において、前記多噴孔の数を先端部に近い程多くしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することにより、改質反応が活発に進む先端部を増加させてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項６】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなるモジュールからなる水素製造装置であって、
改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面としてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
原料ガスの流路である中空部と外周に遠心ファンを持ち且つ回転自在に配置された内挿管と、前記内挿管の外周側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、当該折り返し原料ガスを前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を前記遠心ファンにより強制的に前記改質触媒兼支持体に送り込むことで改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなるモジュールからなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項１】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返して前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、原料ガス排出側の流路を遮断することにより原料ガスを強制的に改質触媒兼支持体に流入させるようにしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
原料ガスの流路である中空部を持ち且つ多噴孔を備えた内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置してなり、
原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水素製造装置において、前記多噴孔の孔径を先端部に近い程大きくしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項４】
請求項２に記載の水素製造装置において、前記多噴孔の数を先端部に近い程多くしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間に流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなる水素製造装置であって、
外周面に水素分離膜を配置した改質触媒兼支持体の長さを短くし且つ直列に接続することにより、改質反応が活発に進む先端部を増加させてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項６】
原料ガスの流路である中空部を持つ内挿管と、前記内挿管の外周面側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を流しながら前記改質触媒兼支持体の改質触媒により改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなるモジュールからなる水素製造装置であって、
改質触媒兼支持体の内周面を凹凸面としてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
原料ガスの流路である中空部と外周に遠心ファンを持ち且つ回転自在に配置された内挿管と、前記内挿管の外周側に間隔を置いて改質触媒兼支持体を配置するとともに、前記改質触媒兼支持体の外周面に水素分離膜を配置し、原料ガスを前記内挿管の中空部に通し、その流れ方向の先端部で折り返し、当該折り返し原料ガスを前記内挿管と前記改質触媒兼支持体との間を前記遠心ファンにより強制的に前記改質触媒兼支持体に送り込むことで改質ガスを生成し、生成改質ガスを水素分離膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなるモジュールからなることを特徴とする水素製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１９５３５０（Ｐ２０１１−１９５３５０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６１５６１（Ｐ２０１０−６１５６１）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 水素製造機器要素技術に関する研究開発 水素分離型リフォーマーの高耐久化・低コスト化研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 水素製造機器要素技術に関する研究開発 水素分離型リフォーマーの高耐久化・低コスト化研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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