JP2020079171A - 水素製造装置、及び水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】生成された水を簡易に処理することができる水素製造装置及び水素製造システムを提供する。【解決手段】水素製造装置１０Ａは、多重筒型改質器１２から送出される改質ガスから水を分離する昇圧前水分離部３０と、圧縮機１４よりも下流側で改質ガスから水を分離する昇圧後水分離部３２を備えている。多重筒型改質器１２内の燃焼部２１から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部３４を有している。昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、燃焼排ガス水分離部３４からの水を貯留する水タンク４０は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造装置、及び水素製造システムに関する。

従来、水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を改質装置で改質ガスに改質した後、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置へ供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の水素製造装置では、改質ガスから水蒸気を減少させるために、改質ガスを冷却して除湿するチラーが用いられている。このように、改質ガスに含まれている水蒸気を除去することにより、その後の工程である水素精製において、改質ガス中の水蒸気が減少し、効率よく水素精製することができる。

特開２０１７−８８４９０号公報

このように、改質ガスから水を除去した場合、除去された水の処理（貯留、排水、再利用等）をどのように行うかが問題となる。また、水素製造装置において、改質ガス以外にも水が生成されれば当該水についても処理する必要がある。このような水処理は、簡易に行うことが求められる。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、生成された水を簡易に処理することができる水素製造装置及び水素製造システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る水素製造装置は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記燃焼部からの熱を熱源として原料を改質し、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から送出される改質ガスから水を分離する改質ガス水分離部と、前記改質ガス水分離部での水分離後の前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部と、前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置され、前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部からの水を貯留する水タンクと、を備えている。

請求項１に係る水素製造装置では、改質ガス水分離部によって改質器から送出されるガスから水が分離され、燃焼排ガス水分離部によって燃焼部から排出される燃焼排ガスから水が分離される。改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部で分離された水は、水タンクに貯留される。水タンクは、改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置されているので、改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部から水タンクへ、水を自重により送出させることができる。したがって、ポンプなどを使用することなく、簡易に水を水タンクへ送出させることができ、簡易に水処理を行うことができる。

請求項２に係る水素製造装置は、前記改質器と前記水素精製器の間に、前記改質ガスを圧縮する圧縮機、を備え、前記改質ガス水分離部は、前記圧縮機よりも上流側に配置された昇圧前水分離部及び前記圧縮機よりも下流側に配置された昇圧後水分離部を有している。

請求項２に係る水素製造装置では、圧縮機の上流側と下流側の両方で改質ガスから水を分離するので、水素精製器へ供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、水素精製器による精製効率を高くすることができる。また、水素精製器のサイズを小型化することもできる。

請求項３に係る水素製造装置は、前記燃焼排ガス水分離部において水を前記水タンクへ送出する水送出口は、前記改質ガス水分離部において水を前記水タンクへ送出する水送出口よりも鉛直方向上側に配置されている。

請求項３に係る水素製造装置では、燃焼排ガス水分離部の水送出口が改質ガス水分離部の水送出口よりも鉛直方向上側に配置されているので、水送出口から水タンクまでの高低差を大きくすることができる。したがって、比較的、分離される水量の多い燃焼排ガス水分離部からの水をスムーズに水タンクへ送出することができる。

請求項４に係る水素製造装置は、前記燃焼排ガス水分離部から前記水タンクへ水を送出する燃焼排ガス水配管は、前記改質ガス水分離部から前記水タンクへ水を送出する改質ガス水配管よりも内径が大きい。

請求項４に係る水素製造装置では、燃焼排ガス水配管が改質ガス水配管よりも内径が大きいので、比較的、分離される水量の多い燃焼排ガス水分離部からの水をスムーズに水タンクへ送出することができる。

請求項５に係る水素製造装置は、前記水タンクから前記改質器へ改質水を供給する水供給路、を備えている。

請求項５に係る水素製造装置では、水タンクから改質器へ分離した水が改質水として戻される。したがって、改質器から排出される水を有効に利用して、新たに外部から供給する水の量を少なくすることができる。

請求項６に係る水素製造システムは、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記燃焼部からの熱を熱源として原料を改質し、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から送出される改質ガスから水を分離する改質ガス水分離部と、前記改質ガス水分離部での水分離後の前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部と、を有する、複数の水素製造装置と、前記複数の水素製造装置の各々の前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置され、前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部からの水を貯留する、複数の水素製造装置よりも少ない数の水タンクと、を備えている。

請求項６に係る水素製造システムでは、各々の水素製造装置において、改質ガス水分離部によって改質器から送出されるガスから水が分離され、燃焼排ガス水分離部によって燃焼部から排出される燃焼排ガスから水が分離される。改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部で分離された水は、水タンクに貯留される。水タンクは、改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置されているので、改質ガス水分離部及び燃焼排ガス水分離部から水タンクへ、水を自重により送出させることができる。したがって、ポンプなどを使用することなく、簡易に水を水タンクへ送出させることができ、簡易に水処理を行うことができる。

また、複数の水素製造装置よりも少ない数の水タンクを設け、複数の水素製造装置において共通の水タンクとすることにより、個々の水素製造装置の構成及び水素製造システムを簡易な構成にすることができる。

本発明によれば、水素製造装置で生成された水を簡易に処理することができる。

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。 第１実施形態に係る水素製造装置の多重筒型改質器を示した断面図である。 第２実施形態に係る水素製造システムの全体構成図である。 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。

＜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、図２に従って説明する。

本実施形態に係る水素製造装置１０Ａは、図１に示されるように、多重筒型改質器１２、圧縮機１４、水素精製器１６、及び、オフガスタンク１８を備えている。また、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４を備えている。この水素製造装置１０Ａ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。なお、図１では、水素製造装置１０Ａの構成を概略的に示しており、水素製造装置１０Ａは、他の構成を含んでいてもよい。

（改質器）
多重筒型改質器１２は、図２に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを有している。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのうち内側から一番目の筒状壁２０Ａの内部には、燃焼空間である燃焼部２１が形成されている。一番目の筒状壁２０Ａと二番目の筒状壁２０Ｂとの間には、燃焼排ガス流路２３が形成されている。また、二番目の筒状壁２０Ｂと三番目の筒状壁２０Ｃとの間には、第一流路２４が形成されている。さらに、三番目の筒状壁２０Ｃと四番目の筒状壁２０Ｄとの間には、第二流路２５が形成されている。なお、多重筒型改質器１２は、改質器の一例であり、他の形態の改質器が用いられてもよい。

第一流路２４の上部は、予熱流路２４Ａとして形成されており、予熱流路２４Ａには螺旋部材２４Ｂが設けられている。この螺旋部材２４Ｂにより、予熱流路２４Ａは、螺旋状に形成されている。予熱流路２４Ａの上端部には、原料として都市ガスを供給するための原料供給管Ｐ１、及び、改質水を供給するための改質水供給管Ｐ９が接続されている。予熱流路２４Ａには、原料供給管Ｐ１から都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質水が供給される。都市ガス及び改質水は、予熱流路２４Ａを上側から下側に流れ、二番目の筒状壁２０Ｂを介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される。この予熱流路２４Ａ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。

なお、本実施形態では、原料として都市ガスを用いるが、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。

第一流路２４における予熱流路２４Ａの下側には、改質触媒層２４Ｃが設けられている。改質触媒層２４Ｃには、都市ガスを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するための触媒が設けられている。予熱流路２４Ａにて生成された混合ガスは、改質触媒層２４Ｃへ供給される。改質触媒層２４Ｃでは、混合ガスが燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスにより加熱され、水蒸気改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。

第二流路２５は、第一流路２４の径方向外側に配置されており、第二流路２５の下端部は、第一流路２４の下端部と連通されている。第二流路２５には、予熱流路２４Ａに対応する位置にＣＯ変成触媒層２６及びＣＯ選択酸化触媒層２７が形成されている。ＣＯ変成触媒層２６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。

ＣＯ選択酸化触媒層２７は、ＣＯ変成触媒層２６よりも下流側に配置されている。ＣＯ変成触媒層２６とＣＯ選択酸化触媒層２７の間には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂが接続されている。ＣＯ選択酸化触媒層２７では、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２７の下流側で第二流路２５の上端部には、改質ガス排出管Ｐ３が接続されている。改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒層４７で一酸化炭素が除去された後、改質ガス排出管Ｐ３から送出される。

なお、本実施形態では、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けたが、ＣＯ選択酸化触媒層２７は必須ではなく、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けない構成とすることもできる。この場合には、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂも不要となる。

燃焼部２１の上部には、バーナ２２が下向きに配置されている。バーナ２２には、オフガス管Ｐ７が接続されており、後述するオフガスがオフガス管Ｐ７から燃料として供給される。さらに、この燃焼部２１の上端部には、燃焼用空気を供給するための空気供給管Ｐ２が接続されている。バーナ２２には、さらに原料供給管Ｐ１から分岐された原料分岐管Ｐ１Ａが接続されている。原料分岐管Ｐ１Ａには、空気供給管Ｐ２から分岐された空気分岐管Ｐ２Ａが接続されている。バーナ２２には、都市ガスに空気が混合された気体が、オフガスとは別に供給される。燃焼用のオフガスと都市ガスは、いずれか一方、または両方が、必要に応じて供給される。

燃焼排ガス流路２３は、燃焼部２１の径方向外側に形成され、燃焼排ガス流路２３の下端部は、燃焼部２１と連通されている。燃焼排ガス流路２３の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管Ｐ１０が接続されている。ガス排出管Ｐ１０は、多重筒型改質器１２の上端面に接続されている。燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２３を下側から上側に流れ、ガス排出管Ｐ１０を通じて多重筒型改質器１２の外に排出される。

多重筒型改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、図１に示したように、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６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３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６がこの順番で配置されている。

（昇圧前分離部）
昇圧前水分離部３０は、上部が気体室３０Ａとされ、下部が液体室３０Ｂとされている。気体室３０Ａには、改質ガス排出管Ｐ３の下流端が接続されている。また、気体室３０Ａには、連絡流路管Ｐ４の上流端が接続されている。液体室３０Ｂの底部には水送出口３０Ｃが形成されており、水送出口３０Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ａが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧前水分離部３０の上流に配置された熱交換器ＨＥ１において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３０Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａへ送出される。

（圧縮機）
圧縮機１４には、昇圧前水分離部３０からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ４と、昇圧後水分離部３２へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ５とが接続されている。圧縮機１４は、昇圧前水分離部３０から供給された改質ガスを圧縮して昇圧し、昇圧後水分離部３２へ供給する。

（昇圧後分離部）
昇圧後水分離部３２は、上部が気体室３２Ａとされ、下部が液体室３２Ｂとされている。気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ５の下流端が接続されている。また、気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ６の上流端が接続されている。液体室３２Ｂの底部には水送出口３２Ｃが形成されており、水送出口３２Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ｂが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧後水分離部３２の上流に配置された熱交換器ＨＥ２において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３２Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂへ送出される。

昇圧後水分離部３２よりも下流側、水素精製器１６よりも上流側には、バッファタンク３６が設けられている。バッファタンク３６は、昇圧後水分離部３２から供給される改質ガスを蓄積する。バッファタンク３６で一旦蓄積された改質ガスは、水素精製器１６へ送出される。

（水素精製器）
水素精製器１６には、昇圧後水分離部３２からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ６の下流端が接続されている。水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ装置が使用される。この水素精製器１６により改質ガスを不純物と水素とに分離することで、水素が精製される。水素精製器１６には、水素供給配管Ｐ１１が接続されており、精製された水素は水素供給配管Ｐ１１へ送出され、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。

水素精製器１６には、オフガス管Ｐ７の上流端が接続されている。オフガス管Ｐ７の下流端は、多重筒型改質器１２のバーナ２２と接続されている。水素精製器１６からは、水素精製により分離されたオフガスが、オフガス管Ｐ７へ送出される。オフガス管Ｐ７には、オフガスタンク１８が設けられている。オフガスは、オフガスタンク１８に一時貯留され、オフガス管Ｐ７を流れて燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２２（図２参照）へ供給される。

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部３４は、上部が気体室３４Ａとされ、下部が液体室３４Ｂとされている。気体室３４Ａには、ガス排出管Ｐ１０の下流端が接続されている。また、気体室３４Ａには、外部排出管Ｐ１２が接続されている。液体室３４Ｂ底部には、水送出口３４Ｃが形成されており、水送出口３４Ｃに燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃが接続されている。燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも大容量とされている。なお、燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも底面積を大きくすることにより容量を大きくすることが好ましい。

また、燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも鉛直方向上側に配置されている。ここで、「燃焼排ガス水分離部３４が昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも鉛直方向上側に配置されている」とは、液体室３４Ｂの底部が、液体室３０Ｂの底部、及び液体室３２Ｂの底部よりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。なお、液体室３４Ｂの底部は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２の上端よりも鉛直方向上側に配置されていることが好ましい。

さらに、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径は、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂの内径よりも大きく設定されている。

燃焼排ガスは、燃焼部２１から燃焼排ガス流路２３を経てガス排出管Ｐ１０へ送出される。燃焼排ガス中の水蒸気は、燃焼排ガス水分離部３４の上流に配置された熱交換器ＨＥ３において冷却されることによって凝縮される。凝縮により燃焼排ガスから分離された水は、液体室３４Ｂに貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃへ送出される。水が分離された後の燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１３から外部へ排出される。

水素製造装置１０Ａの底部には、水タンク４０が配置されている。水タンク４０の天面には、水流入口４０Ａが形成されており、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂ、及び燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃは、合流後に水流入口４０Ａと接続されている。合流後の配管を水流入管Ｐ８と称する。水流入管Ｐ８の内径は、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径よりも大径とされている。

水タンク４０は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４において貯留可能な水の総量よりも大容量とされており、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている。ここで、「水タンク４０が昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている」とは、液体室３０Ｂの底部、液体室３２Ｂの底部、及び液体室３４Ｂの底部が、水タンク４０の水流入口４０Ａよりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。

なお、昇圧後水分離部３２の水送出口３２Ｃから水タンク４０の水流入口４０Ａに至るまでの改質ガス水配管Ｐ８Ｂ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ１は、５°以上であることが好ましい。昇圧前水分離部３０の水送出口３０Ｃから水タンク４０の水流入口４０Ａに至るまでの改質ガス水配管Ｐ８Ａ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ１は、θ２よりも大きいことが好ましく、１０°以上であることが好ましい。昇圧前水分離部３０で分離される水の量は、昇圧後水分離部３２で分離される水の量よりも多く、よりスムーズに水タンク４０へ流すことが求められるためである。

また、燃焼排ガス水分離部３４の水送出口３４Ｃから水タンク４０の水流入口４０Ａに至るまでの燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ３は、θ１、θ２よりも大きいことが好ましく、１５°以上であることが好ましい。燃焼排ガス水分離部３４で分離される水の量は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２で分離される水の量で分離される水の量よりも多く、更にスムーズに水タンク４０へ流すことが求められるためである。

水タンク４０には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９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）４２が設けられている。また、改質水供給管Ｐ９には、ポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動により、水タンク４０に貯留された水が水処理器４２を経て多重筒型改質器１２へ供給される。

なお、水タンク４０に外部からの水を供給して改質水が不足した場合に補うようにしてもよい。

（作用）
次に、水素製造装置１０Ａの作用について説明する。

原料供給管Ｐ１から多重筒型改質器１２へ供給された都市ガスは、予熱流路２４Ａで改質水と混合されつつ加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４Ｃへ供給される。改質触媒層２４Ｃでは、燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスが水蒸気改質され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路２５を通ってＣＯ変成触媒層２６へ供給される。ＣＯ変成触媒層２６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。ＣＯ変成触媒層２６を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂから供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層２７へ供給され、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２７で一酸化炭素が低減された改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３に設けられた熱交換器Ｈ１を経て、昇圧前水分離部３０の気体室３０Ａへ供給される。気体室３０Ａへ供給された改質ガスに含まれる水は、熱交換器Ｈ１での冷却により凝縮されて液体室３０Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａを経て水タンク４０へ送出される。気体室３０Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ４を流れて圧縮機１４へ供給され、圧縮機１４によって圧縮される。

圧縮された改質ガスは、連絡流路管Ｐ６を流れて昇圧後水分離部３２の気体室３２Ａへ供給される。気体室３２Ａへ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器Ｈ２での冷却により凝縮されて液体室３２Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂを経て水タンク４０へ送出される。気体室３２Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ６を流れて水素精製器１６へ供給される。

水素精製器１６では、改質ガスが不純物と水素とに分離され、水素は水素供給配管Ｐ１１へ送出される。送出された水素は、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。一方、改質ガスから分離された水素以外の不純物を含むオフガスは、オフガス管Ｐ７を流れて燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２２へ供給される。

多重筒型改質器１２の燃焼部２１では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管Ｐ１０を介して燃焼排ガス水分離部３４の気体室３４Ａへ供給される。気体室３４Ａへ供給された燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器Ｈ３での冷却により凝縮されて液体室３４Ｂへ貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃを経て水タンク４０へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２を経て外部へ排出される。

本実施形態の水素製造装置１０Ａでは、水タンク４０が、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されているので、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、燃焼排ガス水分離部３４から、水タンク４０へ、水を自重により送出させることができる。したがって、ポンプなどを使用することなく、簡易に水を水タンク４０へ送出させることができ、簡易に水処理を行うことができる。

なお、本実施形態では、圧縮機１４の下流側に昇圧後水分離部３２を設けたが、昇圧後水分離部３２は、必須ではない。本実施形態のように、昇圧後水分離部３２を設けて、圧縮機１４の上流側と下流側の両方で改質ガスから水を分離すれば、水素精製器１６へ供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、水素精製器１６による精製効率を高くすることができる。また、水素精製器１６のサイズを小型化することもできる。

また、本実施形態では、燃焼排ガス水分離部３４の水送出口３４Ｃが昇圧前水分離部３０の水送出口３０Ｃ及び昇圧後水分離部３２の水送出口３２Ｃよりも鉛直方向上側に配置されているので、水送出口３４Ｃから水タンク４０までの高低差を大きくすることができる。したがって、比較的、分離される水量の多い燃焼排ガス水分離部３４からの水をスムーズに水タンク４０へ送出することができる。

さらに、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径が改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂの内径よりも大きいので、分離される水の量が多い燃焼排ガス水分離部３４からの水をスムーズに水タンク４０へ送出することができる。

また、本実施形態では、水タンク４０で回収した水が多重筒型改質器１２へ改質水として戻されるので、多重筒型改質器１２から排出される水を有効に利用して、新たに外部から供給する水の量を少なくすることができる。

また、本実施形態では、圧縮機１４を備えた水素製造装置について説明したが、本発明は、圧縮機１４を備えていない水素製造装置に適用してもよいし、圧縮機が多重筒型改質器１２よりも上流側に配置された水素製造装置に適用してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の水素製造システム５０は、水素製造装置１０Ｂを複数備えている。水素製造装置１０Ｂは、個々の水素製造装置１０Ｂに水タンク４０が備えられていない点が第１実施形態の水素製造装置１０Ａと異なり、その他の構成は第１実施形態の水素製造装置１０Ａと同様である。

図３に示されるように、本実施形態の水素製造システム５０は、水素製造装置１０Ｂを６台備えている。なお、水素製造装置１０Ｂの台数は、６台に限定されるものではなく、２台〜５台でも、７台以上でもよい。

図４に示されるように、水素製造装置１０Ｂの外部には、水タンク５２が設けられている。水タンク５２は、複数（６台）の水素製造装置１０Ｂで共通とされ、１個の水タンク５２が設置されている。水タンク５２の天面には、複数の水流入口５２Ａが形成されており、各水素製造装置１０Ｂの水流入管Ｐ８が接続されている。水タンク４０は、接続された複数の水素製造装置１０Ｂの昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４において貯留可能な水の総量よりも大容量とされている。また、水タンク５２は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている。ここで、「水タンク５２が昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されている」とは、液体室３０Ｂの底部、液体室３２Ｂの底部、及び液体室３４Ｂの底部が、水タンク５２の水流入口５２Ａよりも鉛直方向上側に配置されていることを意味する。

なお、昇圧後水分離部３２の水送出口３２Ｃから水タンク４０の水流入口５２Ａに至るまでの改質ガス水配管Ｐ８Ｂ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ２Ａは、５°以上であることが好ましい。昇圧前水分離部３０の水送出口３０Ｃから水タンク５２の水流入口５２Ａに至るまでの改質ガス水配管Ｐ８Ａ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ１Ａは、θ２Ａよりも大きいことが好ましく、１０°以上であることが好ましい。昇圧前水分離部３０で分離される水の量は、昇圧後水分離部３２で分離される水の量よりも多く、よりスムーズに水タンク５２へ流すことが求められるためである。

また、燃焼排ガス水分離部３４の水送出口３４Ｃから水タンク５２の水流入口５２Ａに至るまでの燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃ（水流入管Ｐ８を含む）の水平方向に対する平均傾斜角度θ３Ａは、θ１Ａ、θ２Ａよりも大きいことが好ましく、１５°以上であることが好ましい。燃焼排ガス水分離部３４で分離される水の量は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２で分離される水の量で分離される水の量よりも多く、更にスムーズに水タンク４０へ流すことが求められるためである。

水タンク５２には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９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）５４、及びポンプ５６が設けられている。水処理器（イオン交換樹脂）５４、及びポンプ５６は、各水素製造装置１０Ｂで共通とされている。改質水供給管Ｐ９は、ポンプ５６よりも下流側で各水素製造装置１０Ｂへ向かう個別の水供給路Ｐ９Ａに分岐されている。水供給路Ｐ９Ａには、開閉バルブＶ１が設けられており、各水素製造装置１０Ｂへ供給される水の流量が調整される。

なお、水タンク５２には、外部からの水を補う外部給水路５８が接続されている。また、水タンク５２には、所定の貯留量を超えた場合に水タンク５２から水を外部へ排水する排水路５９が接続されている。

（作用）
次に、水素製造システム５０の作用について説明する。

本実施形態でも、各々の水素製造装置１０Ｂでは、第１実施形態と同様に水素が製造される。各水素製造装置１０Ｂにおいて、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂへ送出された水、及び、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃへ送出された水は、水流入管Ｐ８を経て水タンク５２へ流入する。水タンク５２で回収した水は、各水素製造装置１０Ｂの多重筒型改質器１２へ改質水として戻される。

本実施形態の水素製造システム５０では、複数の水素製造装置１０Ｂについて水タンク５２が共通なので、個々の水素製造装置１０Ｂの構成の簡易化を図ることができると共に、水素製造システム５０全体の簡易化を図ることができる。

なお、本実施形態では、水タンク５２を１個のみ設置したが、水タンク５２の数は、水素製造装置１０Ｂの台数よりも少なければよい。例えば、２個の水タンク５２を設置して、３台の水素製造装置１０Ｂで１個の水タンク５２を共用としてもよい。

また、水素製造システム５０では、水タンク５２が、各々の水素製造装置１０Ｂにおける昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向下側に配置されているので、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、燃焼排ガス水分離部３４から、水タンク５２へ、水を自重により送出させることができる。したがって、ポンプなどを使用することなく、簡易に水を水タンク５２へ送出させることができ、簡易に水処理を行うことができる。

１０Ａ、１０Ｂ 水素製造装置
１２ 多重筒型改質器（改質器）
１６ 水素精製器
２１ 燃焼部
３０ 昇圧前水分離部（改質瓦斯水分離部）
３２ 昇圧後水分離部
３４ 燃焼排ガス水分離部
３０Ｃ、３２Ｃ、３４Ｃ 水送出口
４０ 水タンク
５０ 水素製造システム
５２ 水タンク
Ｐ８ 水流入管
Ｐ８Ａ 改質ガス水配管
Ｐ８Ｂ 改質ガス水配管
Ｐ８Ｃ 燃焼排ガス水配管
Ｐ９ 改質水供給管（水供給路）
Ｐ９Ａ 水供給路

Claims (6)

1. 燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記燃焼部からの熱を熱源として原料を改質し、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から送出される改質ガスから水を分離する改質ガス水分離部と、
   前記改質ガス水分離部での水分離後の前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、
   前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部と、
   前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置され、前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部からの水を貯留する水タンクと、
   を備えた水素製造装置。
2. 前記改質器と前記水素精製器の間に、前記改質ガスを圧縮する圧縮機、を備え、
   前記改質ガス水分離部は、前記圧縮機よりも上流側に配置された昇圧前水分離部及び前記圧縮機よりも下流側に配置された昇圧後水分離部を有している、請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記燃焼排ガス水分離部において水を前記水タンクへ送出する水送出口は、前記改質ガス水分離部において水を前記水タンクへ送出する水送出口よりも鉛直方向上側に配置されている、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
4. 前記燃焼排ガス水分離部から前記水タンクへ水を送出する燃焼排ガス水配管は、前記改質ガス水分離部から前記水タンクへ水を送出する改質ガス水配管よりも内径が大きい、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
5. 前記水タンクから前記改質器へ改質水を供給する水供給路、を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
6. 燃焼ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記燃焼部からの熱を熱源として原料を改質し、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から送出される改質ガスから水を分離する改質ガス水分離部と、
   前記改質ガス水分離部での水分離後の前記改質ガスを不純物と水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、
   前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから水を分離する燃焼排ガス水分離部と、
   を有する、複数の水素製造装置と、
   前記複数の水素製造装置の各々の前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部よりも鉛直方向下側に配置され、前記改質ガス水分離部、及び前記燃焼排ガス水分離部からの水を貯留する水タンクと、
   を備えた水素製造システム。