JP6499365B1 - 水素製造装置の監視制御装置、水素製造装置の監視制御方法、監視制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の水素製造装置を配備した場合に、それぞれの水素製造装置を有効かつ効率的に利用し、かつ、何れかに故障又は劣化が発生した場合でも、安定した水素製造量を確保する。
【解決手段】複数の水素製造装置１０を運転して水素を製造している状態で、何れかの水素製造装置１０が故障によって運転停止した場合、通常、１００％未満の運転稼働率（定格稼働率）で運転している正常な水素製造装置１０を利用して、故障した水素製造装置１０の稼働率分を振り分けて補完することで、水素製造効率は低下する場合があるものの単位時間当たりの水素製造量を確保するようにした。また、各水素製造装置１０の運転情報を常に監視することで、全て正常、故障の発生、故障の増加、故障の減少、故障の解消といった様々な運転状況に応じた運転モード（非定格稼働率での補完運転等）を設定することができ、複数の水素製造装置１０ならではの特有の効果を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素を得るための複数の水素製造装置を一括管理する水素製造装置の監視制御装置、水素製造装置の監視制御方法、監視制御プログラムに関するものである。

水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を水蒸気改質装置で改質ガスに改質した後、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置へ供給する構成がある（特許文献１参照）。

ＰＳＡ装置で精製された水素は、製品として基準を満たした純度の水素であり、言い換えれば、当該基準を満たす能力を持つことが必要である。

ところで、従来の水素製造装置は、基本的には単一のユニットであり、特許文献１に記載のような待機運転期間は水素製造ができない。

なお、参考として、特許文献２には、水素製造装置を有する水素ステーションにおいて、水素製造装置の故障時の車両への水素の充填について記載されている。

特許文献１には、原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱手段により加熱して改質ガスを得る改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるＣＯ変成器と、当該ＣＯ変成器にて処理された後の変成ガスから水素以外の不純物を分離して水素ガスを精製する水素精製部とを設け、前記脱硫器と前記改質器と前記ＣＯ変成器と前記水素精製部とに亘ってガスを流通するガス流通路を設けて、前記ガス流通路に原料ガスを供給して水素精製運転を行う水素製造装置が記載されている。

特許文献２では、オンサイト水素ステーション（水素製造装置有り）には、固定式蓄圧器と、オフサイト水素ステーション（水素製造装置無し）へ搬送する可搬式蓄圧器とを備えているものの、水素製造装置の故障があった場合に、可搬式蓄圧器から車両への水素の配管系統を準備していないことを課題とし、可搬式蓄圧器→固定式蓄圧器の順に、車両への水素充填が可能な配管系統を構築したことが記載されている。

特開２０１６−６７５号公報 特開２０１３−４０６４８号公報

特許文献２において、故障時の対応として、水素製造装置を複数系統装備するという概念の記載はあるものの、水素製造装置が複数台ある場合に主従の関係を持たせているに過ぎないと推測される。

主従の関係とは、例えば、主たる水素製造装置がフル稼働することで要求される水素を製造し、従たる水素製造装置は補助として通常は稼働させず、主たる水素製造装置の故障時等の代替として用いるといった使い道である。

しかしながら、特許文献２を含めた従来技術では、複数の水素製造装置を併設した場合、複数の水素製造装置を連携させた制御形態（例えば、運転能力の配分等）が確立されていない。

本発明は、複数の水素製造装置を配備した場合に、それぞれの水素製造装置を有効かつ効率的に利用することができ、かつ、何れかに故障又は劣化が発生した場合でも、安定した水素製造量を確保することができる水素製造装置の監視制御装置、水素製造装置の監視制御方法、監視制御プログラムを得ることが目的である。

本発明に係る水素製造装置の監視制御装置は、原料ガスと水蒸気とを混合した状態で加熱手段により加熱して改質ガスを得る改質器、及び前記改質器から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器、を各々備えた複数の水素製造装置を対象として、当該複数の水素製造装置の各々の運転中の稼働率を監視する水素製造装置の監視制御装置であって、前記複数の水素製造装置の各々の運転情報を取得する取得部と、前記取得部で取得した運転情報から、運転停止を含む運転能力が低下した状態の水素製造装置を補完対象として特定する特定部と、前記特定部で補完対象として特定した水素製造装置に設定された水素製造量を、他の水素製造装置で補完するように、前記他の水素製造装置の稼働率を設定する設定部と、前記特定部で特定された水素製造装置を除く、他の水素製造装置に対して、前記設定部で設定された稼働率に基づく運転を指示する指示部と、を有している。

本発明によれば、取得部で複数の水素製造装置の各々の運転情報を取得すると、特定部では、この運転情報を解析し、運転停止を含む運転能力が低下した水素製造装置を特定する。設定部では、特定した水素製造装置に設定された水素製造量を、他の水素製造装置で補完するように稼働率を設定（例えば演算）し、指示部において、残りの水素製造装置（特定部で特定された水素製造装置以外の水素製造装置）に対して運転を指示する。なお、本発明において、稼働率とは、装置の最大水素製造（供給）量を分母にし、実際に水素を製造（供給）量を分子にした値をいう。

これにより、例えば、何れかの水素製造装置が故障して運転が停止したような場合、或いは、何れかの水素製造装置が劣化して運転能力が低下した場合でも、要求される水素製造量の製造を維持することができる。

本発明において、前記複数の水素製造装置は、それぞれ運転時の稼働率と水素製造効率との関係を示す特性曲線情報を記憶しており、製造する水素の要求量を、前記特性曲線情報に基づき、稼働可能な水素製造装置に分担することを特徴としている。

例えば、仕様が異なる（水素製造能力が異なる）複数の水素製造装置を併設した場合、要求される水素製造量を水素製造装置数で割って、平均的に分担した場合、例えば、一の水素製造装置では１００％の稼働率を強いられ、他の水素製造装置では５０％の稼働率となる場合があり、結果として水素製造効率が低下する場合がある。

そこで、それぞれの特性曲線によって最適な稼働率（定格稼働率）にチューニングされた状態で各水素製造装置が稼働するように水素製造量を分担させることで、個々の水素製造量が異なっても、結果として水素製造効率が向上する。

本発明において、前記特定部で、補完対象の水素製造装置が特定された場合に、残り水素製造装置の稼働率の設定を、前記特性曲線情報を用いた設定から逸脱しても、製造する水素の要求量を維持又は近づけることを特徴としている。

例えば、１台の水素製造装置が故障した場合、他の水素製造装置をチューニングされた稼働率（例えば、８０％）から逸脱して、フル稼働（１００％）してでも（水素製造効率が低下してでも）、製造する水素の要求量を確保する。

本発明に係る水素製造装置の監視制御方法は、原料ガスと水蒸気とを混合した状態で加熱手段により加熱して改質ガスを得る改質器、及び前記改質器から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器、を各々備えた複数の水素製造装置を対象として、当該複数の水素製造装置の各々の運転中の稼働率を監視する水素製造装置の監視制御方法であって、前記複数の水素製造装置の各々の運転情報を取得し、取得した運転情報から、運転停止を含む運転能力が低下した状態の水素製造装置を補完対象として特定し、前記補完対象として特定した水素製造装置に設定された水素製造量を、他の水素製造装置で補完するように、前記他の水素製造装置の稼働率を設定し、特定された水素製造装置を除く、他の水素製造装置に対して、設定された稼働率に基づく運転を指示する、ことを特徴としている。

本発明において、前記複数の水素製造装置は、それぞれ運転時の稼働率と水素製造効率との関係を示す特性曲線情報を記憶しており、製造する水素の要求量を、前記特性曲線情報に基づき、稼働可能な水素製造装置に分担することを特徴としている。

本発明において、前記補完対象の水素製造装置が特定された場合に、残り水素製造装置の稼働率の設定を、前記特性曲線情報を用いた設定から逸脱しても、製造する水素の要求量を維持又は近づけることを特徴としている。

本発明の監視制御プログラムは、コンピュータを、水素製造装置の監視制御装置として動作させることを特徴としている。

以上本発明によれば、複数の水素製造装置の稼働状態を総合的に監視することができ、何れかの水素製造装置が故障又は劣化して水素製造能力が低下する（無くなる）場合に、他の水素製造装置の水素製造量を制御することができる。

以上説明した如く本発明では、複数の水素製造装置を配備した場合に、それぞれの水素製造装置を有効かつ効率的に利用することができ、かつ、何れかに故障又は劣化が発生した場合でも、安定した水素製造量を確保することができる。

本実施の形態に係る水素製造装置単体の概略構成、並びに複数の水素製造装置を統括管理する監視制御装置との接続状態を示す概略図である。 本実施の形態に係る複数の水素製造装置の運転を監視する監視制御装置の制御ブロック図である。 本実施の形態に係る監視制御装置において、主として水素製造能力が低下した場合の対応制御のための機能ブロック図である。 本実施の形態に係る水素製造装置の運転時の稼働率−水素製造効率特性曲線図である。 本実施の形態に係る水素製造装置のＭＣＵで実行される稼働率制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る監視制御装置で実行される、水素製造装置の運転状態を監視する監視制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態の実施例に係り、複数の水素製造装置による水素製造時の稼働率設定の推移を示す概念図である。

［システム構成］

図１には、本実施の形態に係る複数の水素製造装置１０と、当該複数の水素製造装置１０を一括して監視する監視制御装置１００との接続状態の概略図が示されている。

水素製造装置１０は、それぞれＭＣＵ（マシンコントローラ）１０２を備えており、ネットワーク１０４を介して、監視制御装置１００に接続されている。

ＭＣＵ１０２には、入力系として監視デバイス（温度センサ、圧力センサ、流量センサ等）が接続されると共に、出力系として動作デバイス（バルブ、ポンプ等）が接続されている。ＭＣＵ１０２では、予め水素製造プロセスに基づく制御プログラムが記憶され、水素製造装置１０の運転に際し、監視デバイスからの入力信号に基づいて、動作デバイスの動作を制御することで、水素を製造する。

以下に、水素製造装置１０の詳細な構成を説明するが、図１に示す複数の水素製造装置１０は同一構成であるため、その内の１つの水素製造装置１０の構成を説明し、その他の水素製造装置１０の構成の説明は省略する。また、以下で説明する水素製造装置１０の構成は一例であり、水素を製造する機能を有するのであれば、全てが同一の水素製造装置１０である必要はなく、仕様、型式、デザイン等の一部又は全部が異なる水素製造装置が混在していてもよい。

［水素製造装置１０の詳細な構成］

図１に示される如く、水素製造装置１０は、改質器１２と、昇圧前水分離部（ドレンタンク）１４と、圧縮機１６と、昇圧後水分離部（ドレンタンク）１８と、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置２０とを備える。

ＰＳＡ装置２０は、本発明の水素精製器の一例である。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。

（改質器１２）

改質器１２は、同心円上に異なる径寸法で多重に配置された複数の筒状壁で仕切られた複数の空間を有しており（多重円筒形状）、本実施の形態では、４層の空間が形成され、内側の２層が下端部で連通し、外側の２層が上端で連通している。

空間は、内側から順に、燃焼室、燃焼排ガス流路、予熱流路、及び改質ガス流路とされている。なお、本実施の形態の多重円筒形状の改質器の構造は一例であり、当該構造が限定されるものではない。

燃焼室にはバーナが配置され、都市ガス又はオフガスが燃料として供給され、燃焼室で空気と混合されて燃焼し、燃焼排ガスが燃焼排ガス流路へ案内され、予熱流路に流入される原料としての都市ガスと、改質用の水とが予熱され、混合ガスが生成される。

予熱流路には、上流側に螺旋部材が設けられ、下流側に改質触媒層が設けられている。混合ガスは、螺旋部材によって螺旋状に移動して燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスからの熱を受け、その後、改質触媒層において水蒸気改質反応することによって、水素を成分とする改質ガスＧ１が生成される。

改質ガスは、最外層の空間である改質ガス流路を通過するときに、ＣＯ変成触媒層（及び必要に応じてＣＯ選択酸化触媒層）を通過することで、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とが反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減された改質ガスＧ２として排出される。

改質器１２は、流路管２２を介して、昇圧前水分離部（ドレンタンク）１４と接続されている。改質器１２から流出する改質ガスＧ２は、熱交換部（ＨＥ）２４において、液体室（チラー）２６の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、昇圧前水分離部１４へ流入する。

昇圧前水分離部１４は、上部が気体室とされ、下部が液体室とされている。昇圧前水分離部１４の気体室に流入した改質ガスＧ２は、水が凝縮されて分離され、貯留される。

貯留された水は、水回収管１５へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

昇圧前水分離部１４は、流路管２８を介して、圧縮機１６と接続されている。昇圧前水分離部１４において、改質ガスＧ２から水が分離した改質ガスＧ３は、圧縮機１６へ流入される。なお、流路管２８には、バッファタンク３０が介在されており、改質ガスＧ３は、このバッファタンク３０で圧力（例えば、大気圧）が安定された状態で圧縮機１６へ流入される。

圧縮機１６は、昇圧前水分離部１４から供給された改質ガスＧ３を図示しないポンプで圧縮する。なお、圧縮機１６は、例えば、公共の水（市水３２）によって冷却されるようになっている。

圧縮機１６は、流路管３４を介して、昇圧後水分離部（ドレンタンク）１８と接続されている。圧縮機１６で圧縮された改質ガスＧ４は、熱交換部（ＨＥ）３６において、液体室（チラー）３８の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、昇圧後水分離部１８へ流入する。

昇圧後水分離部１８は、上部が気体室とされ、下部が液体室とされている。昇圧後水分離部１８の気体室に流入する改質ガスＧ４は、水が凝縮されて分離され、貯留される。

貯留された水は、水回収管１９へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

昇圧後水分離部１８は、流路管４０を介して、バッファタンク４２と接続されており、昇圧後水分離部１８で改質ガスＧ４から水が分離した改質ガスＧ５は、バッファタンク４２へ流入する。

バッファタンク４２は、昇圧後水分離部１８から供給される改質ガスＧ５を蓄積する。バッファタンク４２は、流路管４４を介して、ＰＳＡ装置２０と接続されており、バッファタンク４２で一旦蓄積されて一定の圧力とされた改質ガスＧ５は、ＰＳＡ装置２０へ流入する。

（ＰＳＡ装置２０）

ＰＳＡ装置２０では、改質ガスＧ５を、圧力制御によって、不純物（可燃ガスを含むオフガス）と水素とに分離する（水素精製）。精製された水素は、水素供給配管４６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。

なお、参考として、水素供給配管４６に送られた後の製品水素の搬送形態としては、以下の形態を挙げることができる。

（１）高圧ガス

例えば、水素の利用先が燃料電池自動車の場合には、最終的に、７０Ｍｐａ以上に昇圧する必要があるため、許容される高圧ガスでの輸送は有効である。

（２）液体水素

水素は、−２３５℃で液化し、体積が１／８００となるため、輸送に適している。

（３）有機ハイドライド

水素をトルエン等の有機物に化合させて有機ハイドライドの形で輸送（又は貯蔵）することで、体積を通常のガスに比べて１／６００程度とすることができる。

（４）パイプライン

都市ガスと同様にパイプラインで郵送することができる。

図１に示される如く、ＰＳＡ装置２０で分離された水素以外のオフガスは、可燃ガス供給管４８を流れて燃料として改質器１２の燃焼室に設けられたバーナへ供給される。

すなわち、可燃ガス供給管４８には、オフガスバッファタンク５０が設けられている。オフガスバッファタンク５０には、ＰＳＡ装置２０から可燃ガス供給管４８を介してオフガスが流入され、蓄積される。オフガスバッファタンク５０の上流側及び下流側には開閉弁５０Ａ、５０Ｂが取り付けられ、オフガスバッファタンク５０へのオフガスの流入及び流出が制御される。

また、オフガスバッファタンク５０の下流側には、流量調整部５２が設けられている。この流量調整部５２は、オフガスバッファタンク５０に蓄積されたオフガスを改質器１２へ供給する流量を調整する。

オフガスバッファタンク５０の容量は、ＰＳＡ装置２０から送出されるオフガス量とバーナへ供給するオフガス量のバランスや、オフガスバッファタンク５０内の圧力等を考慮して、設定されている

一方、改質器１２の燃焼室で燃焼した後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路からガス排出管５４に案内され、熱交換部（ＨＥ）５６において、液体室（チラー）５８の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、燃焼排ガス水分離部（ドレンタンク）６０へ流入し、水が貯留され、排ガスが排気管６２から外部へ排出される。

貯留された水は、水回収管６４へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

なお、各所に設置した熱交換部２４、３６、及び５６で適用されるチラー２６、３８、及び５８は単一構成として、冷媒を共有するようにしてもよい。

［監視制御装置１００の構成］

図２は、本実施の形態に係る複数の水素製造装置１０を一括して監視するための監視制御装置１００の制御ブロック図である。

監視制御装置１００は、マイクロコンピュータ１０６を備えている。マイクロコンピュータ１０６は、ＣＰＵ１０６Ａ、ＲＡＭ１０６Ｂ、ＲＯＭ１０６Ｃ、入出力部（Ｉ／Ｏ）１０６Ｄ、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス１０６Ｅを有している。

ＲＯＭ１０６Ｃには、本実施の形態に係る水素製造装置１０の運転状態を監視する監視制御プログラムが記憶されており、ＣＰＵ１０６Ａによって当該監視制御プログラムが実行Ｓされる。

Ｉ／Ｏ１０６Ｄは、Ｉ／Ｆ１０８を介してネットワーク１０４と接続されている。また、Ｉ／Ｏ１０６Ｄには、入力デバイス１１０（キーボードやマウス等）及び出力デバイス１１２（モニタやプリンタ等）が接続されている。

さらに、Ｉ／Ｏ１０６Ｄには、大規模記憶装置としてのハードディスク１１４が接続され、前記監視制御プログラムの実行中に取得したデータ等が蓄積されるようになっている。なお、大規模記憶装置はハードディスクに限らず、着脱可能なＵＳＢやＳＤ等の他の記憶装置であってもよく、併設されていてもよい。また、前記監視制御プログラムは、ＲＯＭ１０６Ｃ以外の大規模記憶装置に記憶されていてもよい。

図３（Ａ）は、監視制御装置１００で実行される監視制御の各機能をブロック化した機能ブロック図である。なお、各ブロックは、ＣＰＵ１０６Ａで実行される監視制御プログラムに基づく監視制御を機能別に分類したものであり、監視制御装置１００のハード構成を限定するものではない。

図３（Ａ）に示される如く、送受信部１２０は、Ｉ／Ｆ１０８を介してネットワーク１０４に接続され、ネットワーク１０４に接続された複数の水素製造装置１０のＭＣＵ１０２から情報を受信、或いは情報を送信する。

なお、ＭＣＵ１０２では、水素製造装置１０の以下の動作を制御する。

（動作制御１） 水素製造装置１０の運転開始指示を受けて、ウォームアップ処理後に、各水素製造装置１０に設定された定格稼働率（図４の稼働率−水素製造効率特性曲線参照）を取り込んで、定格稼働率で運転を実行する運転開始制御

（動作制御２） 監視制御装置１００からの指示で運転状態を通常運転又は補完運転に変更する運転変更制御

（動作制御３） 運転終了指示に基づきクールダウン処理後に、水素製造装置１０の運転を終了する運転終了制御

図３（Ａ）に示される如く、送受信部１２０は、運転情報取得部１２２及び運転モード指示部１２４が接続されている。

運転情報取得部１２２は、各ＭＣＵ１０２から水素製造装置１０を識別する識別情報及び各水素製造装置１０の運転状況に関する情報を取得する。

運転情報取得部１２２は、情報解析部１２６に接続されている。情報解析部１２６では、運転情報取得部１２２で取得した情報を解析し、全て正常、故障解消、故障発生、故障増加、故障減少を含む解析情報が生成され、稼働率演算部１２８へ送出されるようになっている。

稼働率演算部１２８では、解析情報（全て正常、故障解消、故障発生、故障増加、故障減少等）に基づいて、これから補完するべき稼働率を演算し、稼働率振り分け部１３０へ通知する。

稼働率振り分け部１３０は、運転モード指示部１２４に対して、各水素製造装置１０毎に通常運転（定格稼働率）又は補完運転（非定格稼働率）で運転するように通知する。運転モード指示部１２４では、送受信部１２０を介して、各水素製造装置１０の識別情報と共に運転状態（通常運転又は補完運転）を指示する情報を送信する。なお、現在運転中のモードと同一の場合は、当該運転中の運転モードが継続される。

図３（Ｂ）は、情報解析部１２６で解析した結果（すなわち、運転状況）によって、運転モード指示部１２４で指示される運転モードとの関係と、その状況例を示す実行パターン図表である。

（実行パターン１）

運転状況が全て正常の場合は、運転モードの指示は通常運転となる。状況例としては、全ての水素製造装置１０で通常運転（定格稼働率）される。

（実行パターン２）

運転状況が故障発生の場合は、運転モードの指示は補完運転となる。状況例としては、全て正常状態から故障又は顕著な劣化が１台に発生した場合、正常装置で補完運転（非定格稼働率ａ）される。

（実行パターン３）

運転状況が故障増加の場合は、運転モードの指示は補完運転となる。状況例としては、補完運転中に、さらに故障又は顕著な劣化が発生した場合、正常装置で補完運転（非定格稼働率ｂ）される。このときの非定格稼働率ｂは非定格稼働率ａよりも高くなる。

（実行パターン４）

運転状況が故障減少の場合は、運転モードの指示は補完運転となる。補完運転中に一部が修復された倍、正常装置で補完運転（非定格稼働率ｃ）される。このときの非定格稼働率ｃは、非定格稼働率ａよりも高く、非定格稼働率ｂよりも低くなる。

（実行パターン５）

運転状況が故障解消の場合は、運転モードは通常運転となる。状況例としては、補完運転中に全ての水素製造装置１０が修復された場合、全ての水素製造装置１０で通常運転（定格稼働率）される。

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

まず、図１に従い、水素製造装置１０による水素製造工程の概略の流れを説明する。

都市ガスは、改質器１２へ供給される。改質器１２へ供給された都市ガスは、改質器１２の予熱流路で改質用の水と混合されつつ加熱され、改質触媒層へ供給される。改質触媒層では、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスの水蒸気改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。当該改質ガスは、改質ガス流路を通ってＣＯ変成触媒層へ供給される。ＣＯ変成触媒層では、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変成触媒層を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管から供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層へ供給され、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選択酸化触媒層で一酸化炭素が低減された改質ガスＧ２は、流路管４４へ送出される。

改質ガスＧ２は、流路管２２を経て、昇圧前水分離部１４へ供給される。昇圧前水分離部１４では、熱交換部２４での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管１５へ送出される。水が分離された改質ガスＧ３は、バッファタンク３０を介して流路管２８を流れ、圧縮機１６へ供給されて、圧縮機１６によって圧縮される。

圧縮された改質ガスＧ４は、流路管３４を流れて昇圧後水分離部１８へ供給される。昇圧後水分離部１８では、熱交換部３６での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管１９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ５は、バッファタンク４２を介して流路管４０を流れてＰＳＡ装置２０へ供給される。

ＰＳＡ装置２０では、圧力制御により、改質ガスＧ５が不純物であるオフガスと水素とに分離され、水素は水素供給配管４６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。

水素以外の不純物を含むオフガスは、可燃ガス供給管４８を経てオフガスバッファタンク５０へ流入される。オフガスバッファタンク５０に貯留されたオフガスは、流量調整部５２で流量調整されて、改質器１２のバーナへ供給される。

改質器１２の燃焼室では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管５４を介して燃焼排ガス水分離部６０へ供給される。燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換部５６で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６０に貯留され、水回収管６４へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、排気管６２を流れて外部へ排出される。

（水素製造制御及び監視制御）

図５は、各水素製造装置１０のＭＣＵ１０２で実行され水素製造制御において、主として運転時の稼働率を設定するための稼働率制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ１５０では、運転開始指示があったか否かを判断し、否定判定された場合は、このルーチンは終了する。また、ステップ１５０で肯定判定されると、ステップ１５２へ移行してウォームアップ処理を実行し、ステップ１５４へ移行する。

ステップ１５４では、図４に示す稼働率−水素製造効率特性曲線から、定格稼働率を取り込み、ステップ１５６へ移行して定格稼働率で運転を開始する。なお、本実施の形態では、全ての水素製造装置１０のチューニングを同一とし、全ての水素製造装置１０の稼働率−水素製造効率特性曲線を図４に示す特性としているため、全ての水素製造装置１０は、通常運転では、稼働率が約８０％（最も水素製造効率がよい範囲）で運転される。但し、稼働率−水素製造効率特性曲線は、各水素製造装置１０でチューニングを異ならせることも可能である。

ここで、水素製造効率とは、燃料ガスの使用量に対する製品水素の取り出し量であり、所謂燃費が最も良い状態で水素を製造することができる稼働率である。

図５に示される如く、ステップ１５６において定格稼働率で運転が開始されると、ステップ１５８へ移行して、監視制御装置１００へ監視を指示する。監視制御装置１００では、この監視指示を受けることで、当該水素製造装置１０を監視対象の範疇とする。監視制御装置１００の監視制御については、後述する（図６参照）。

図５に示される如く、次のステップ１６０では、監視制御装置１００から指示された運転モードを判断する。このステップ１６０で、指示された運転モードが通常運転である場合は、ステップ１６２へ移行して、定格稼働率で運転する。なお、現在の運転モードが通常運転であれば、当該運転を継続し、現在の運転モードが補完運転であれば、当該運転を変更し、ステップ１６６へ移行する。

一方、ステップ１６０で運転モードが補完運転である場合は、ステップ１６４へ移行して、非定格稼働率で運転する。なお、現在の運転モードが補完運転であれば、当該補完運転を継続し、現在の運転モードが通常運転であれば、当該運転を変更し、ステップ１６６へ移行する。但し、補完運転の場合は、設定される非定格稼働率が異なる場合がある（図３（Ｂ）参照）。

ステップ１６６では、運転終了の指示があったか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ１６０へ戻り、上記工程を繰り返す。また、ステップ１６６で肯定判定された場合は、ステップ１６８へ移行して、クールダウン処理を実行し（運転停止を含む）、このルーチンは終了する。

図６は、監視制御装置１００で実行される水素製造装置１０の監視制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ２００では、監視指示のあった水素製造装置１０から運転情報を取得し、次いで、ステップ２０２へ移行して運転中の状態を解析し、ステップ２０４へ移行する。

ステップ２０４では、正常に運転中か否かを判断する。ここで、正常運転とは、定格稼働率で運転している通常運転と、非定格稼働率で運転している補完運転を含み、肯定判定された場合はステップ２０６へ移行する。このステップ２０６での肯定判定は、図３（Ｂ）における実行パターン１、４、及び５に相当する。

一方、ステップ２０４で否定判定、すなわち、故障発生と判断された場合は、ステップ２０８へ移行して、故障対象の装置を特定し、ステップ２１０へ移行する。本実施の形態では、故障による運転停止となった場合に肯定判定される。この否定判定は、図３（Ｂ）における実行パターン２及び３に相当する。

ステップ２１０では、特定された故障対象の稼働率（故障稼働率）を取得する。この場合、通常運転していた水素製造装置１０が故障した場合は、一定の定格稼働率であるが、補完運転していた水素製造装置１０の場合は、それ以前の故障台数によって非定格稼働率が異なるため、このステップ２１０において、故障稼働率として取得し、ステップ２１２へ移行する。

ステップ２１２では、故障稼働率分を補完可能な他の水素製造装置１０に振り分ける。これにより、定格稼働率を逸脱することになる。

次のステップ２１４では、振り分け後の稼働率を補完運転稼働率として設定する。振り分けは、均等振り分けと、部分振り分けとがある。

均等振り分けは、補完可能な全ての水素製造装置１０が一定量ずつ定格稼働率を逸脱することになる。

一方、部分振り分けは、一部の水素製造装置１０のみ定格稼働率を逸脱することになる。この場合、逸脱する稼働率は、均等振り分け時の一定量よりも多くなる。

次のステップ２１６では、一部又は全部の水素製造装置１０に対して、補完運転を指示し、ステップ２１８へ移行する。

ステップ２１８では、監視終了指示があったか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ２００へ移行して、上記工程を繰り返す。また、ステップ２１８で肯定判定された場合は、このルーチンは終了する。

一方、前記ステップ２０４において肯定判定されることで移行したステップ２０６では、補完運転している水素製造装置１０が存在するか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ２１８へ移行する（図３（Ｂ）の実行パターン１に相当）。

また、ステップ２０６で肯定判定された場合は、ステップ２２０へ移行して、修復が完了した水素製造装置１０が存在するか否かを判断し、否定判定された場合は、運転状態に変更がないと判断し、ステップ２１８へ移行する。

一方、ステップ２２０で肯定判定された場合は、今まで故障して運転停止状態であった水素製造装置１０が修復され運転可能となったと判断し（図３（Ｂ）の実行パターン４又は５）、ステップ２２２へ移行する。ステップ２２２では、修復が完了した水素製造装置１０に対して、再開運転初期として通常運転を指示し、ステップ２２４へ移行する。

ステップ２２４では、故障している装置が依然として存在するか否かを判断し、否定判定された場合は、補完運転の必要がないので、ステップ２１８へ移行する。

また、ステップ２２４で肯定判定された場合は、ステップ２２６へ移行して、依然として故障している水素製造装置１０の稼働率（故障稼働率）を再取得し、ステップ２１２へ移行する。

以上説明したように本実施の形態では、複数の水素製造装置１０を運転して水素を製造している状態で、何れかの水素製造装置１０が故障によって運転停止した場合、通常、１００％未満の運転稼働率（定格稼働率）で運転している正常な水素製造装置１０を利用して、故障した水素製造装置１０の稼働率分を振り分けて補完することで、水素製造効率は低下するものの、単位時間当たりの水素製造量を確保するようにした。また、各水素製造装置１０の運転情報を常に監視することで、全て正常、故障の発生、故障の増加、故障の減少、故障の解消といった様々な運転状況に応じた運転モード（非定格稼働率での補完運転等）を設定することができ、複数の水素製造装置１０ならではの特有の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、複数の水素製造装置１０のＭＣＵ１０２と、ネットワーク１０４を介して監視制御装置１００を接続し、監視制御装置１００で一括して複数の水素製造装置１０の運転状況の監視を行うようにしたが、何れかのＭＣＵ１０２に監視制御装置１００としての機能を持たせるようにしてもよい。また、各ＭＣＵ１０２が、自身の水素製造装置１０の運転状況を監視し、互いのＭＣＵ１０２同士で通信しあって補完運転を行うようにしてもよい。

図７は、本実施の形態に係る水素監視制御において、各水素製造装置（図７では、装置Ａ〜装置Ｅ５台の水素製造装置１０）での稼働率を制御する実施例である。図７（Ａ）で示す状態は、全ての装置Ａ〜装置Ｅが正常に運転している状態である。すなわち、定格稼働率（ここでは、８０％）で運転している。

図７（Ｂ）に示す状態は、故障が発生し、故障が装置Ｅであることを特定した状態である。この故障した装置Ｅの水素製造量を補うため、他の装置Ａ〜装置Ｄの稼働率として補完稼働率を設定する。ここでは、装置Ａ〜装置Ｄの補完稼働率を１００％とし、一律２０ポイントアップすることで、装置Ｅの稼働率（８０％）を補完するように設定した。

図７（Ｃ）に示す状態は、装置Ａ〜装置Ｄを補完稼働率（ここでは、１００％）で運転した状態である。装置Ａ〜装置Ｄは定格稼働率ではないので、所謂燃費（原料ガスの使用量に対する製品水素の取り出し量）が低下する場合もあるが、単位時間当たりの目標水素製造量を確保することができる。

なお、本実施の形態では、改質器１２とＰＳＡ装置（水素精製器）２０とを各々備えた水素製造装置１０として、１台の改質器１２と１台のＰＳＡ装置２０とを備えた構成としたが、単一の水素製造装置１０に、複数台の改質器１２、及び複数台のＰＳＡ装置２０を搭載するようにしてもよい。また、改質器１２とＰＳＡ装置２０の数は、一対一の関係である必要はなく、互いに異なる台数であってもよい。

すなわち、本実施の形態の一例として示した図７の装置Ａ〜装置Ｅは、何れも図１に示す構成（１台の改質器１２と１台のＰＳＡ装置２０）を前提としている。

その変形例として、装置Ａは２台の改質器１２と３台のＰＳＡ装置２０を搭載し、装置Ｂ〜装置Ｅは１台の改質器１２と１台のＰＳＡ装置を搭載する構成であってもよいし、他の変形例として、装置Ａは２台の改質器１２と３台のＰＳＡ装置２０を搭載し、装置Ｂ〜装置Ｅは１台の改質器１２と２台のＰＳＡ装置２０を搭載する構成であってもよい。

また、搭載する改質器１２の個々の能力や、ＰＳＡ装置２０の個々の能力は、同一でもよいし、異なっていてもよい。

例えば、搭載する改質器１２及びＰＳＡ装置２０の台数がそれぞれ異なっている場合、複数の装置間で最終的な水素製造量（水素製造能力）が異なる可能性があるが、搭載する改質器１２及びＰＳＡ装置２０の台数がそれぞれ異なっていても、複数の装置間で最終的な水素製造量（水素製造能力）が同一であるケースを含む。

Ｇ１〜Ｇ５ 改質ガス
１０ 水素製造装置
１２ 改質器
１４ 昇圧前水分離部
１５ 水回収管
１６ 圧縮機
１８ 昇圧後水分離部
１９ 水回収管
２０ ＰＳＡ装置（水素精製器）
２２ 流路管
２４ 熱交換部
２６ 液体室
２８ 流路管
３０ バッファタンク
３２ 市水
３４ 流路管
３６ 熱交換部（ＨＥ）
３８ 液体室（チラー）
４０ 流路管
４２ バッファタンク
４４ 流路管
４６ 水素供給配管
４８ 可燃ガス供給管
５０ オフガスバッファタンク
５０Ａ、５０Ｂ 開閉弁
５２ 流量調整部
５４ ガス排出管
５６ 熱交換部（ＨＥ）
５８ 液体室（チラー）
６０ 燃焼排ガス水分離部（ドレンタンク）
６２ 排気管
６４ 水回収管
１００ 監視制御装置
１０２ ＭＣＵ
１０４ ネットワーク
１０６ マイクロコンピュータ
１０６Ａ ＣＰＵ
１０６Ｂ ＲＡＭ
１０６Ｃ ＲＯＭ
１０６Ｄ 入出力部（Ｉ／Ｏ）
１０６Ｅ バス
１０８ Ｉ／Ｆ
１１０ 入力デバイス
１１２ 出力デバイス
１１４ ハードディスク
１２０ 送受信部
１２２ 運転情報取得部（取得部）
１２４ 運転モード指示部（指示部）
１２６ 情報解析部（特定部）
１２８ 稼働率演算部（設定部）
１３０ 稼働率振り分け部（設定部）

Claims (7)

1. 原料ガスと水蒸気とを混合した状態で加熱手段により加熱して改質ガスを得る改質器、及び前記改質器から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器、を各々備えた複数の水素製造装置を対象として、当該複数の水素製造装置の各々の運転中の稼働率を監視する水素製造装置の監視制御装置であって、
   前記複数の水素製造装置の各々の運転情報を取得する取得部と、
   前記取得部で取得した運転情報から、運転停止を含む運転能力が低下した状態の水素製造装置を補完対象として特定する特定部と、
   前記特定部で補完対象として特定した水素製造装置に設定された水素製造量を、他の水素製造装置で補完するように、前記他の水素製造装置の稼働率を設定する設定部と、
   前記特定部で特定された水素製造装置を除く、他の水素製造装置に対して、前記設定部で設定された稼働率に基づく運転を指示する指示部と、
   を有する水素製造装置の監視制御装置。
2. 前記複数の水素製造装置は、それぞれ運転時の稼働率と水素製造効率との関係を示す特性曲線情報を記憶しており、
   製造する水素の要求量を、前記特性曲線情報に基づき、稼働可能な水素製造装置に分担することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置の監視制御装置。
3. 前記特定部で、補完対象の水素製造装置が特定された場合に、残り水素製造装置の稼働率の設定を、前記特性曲線情報を用いた設定から逸脱しても、製造する水素の要求量を維持又は近づけることを特徴とする請求項２記載の水素製造装置の監視制御装置。
4. 原料ガスと水蒸気とを混合した状態で加熱手段により加熱して改質ガスを得る改質器、及び前記改質器から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器、を各々備えた複数の水素製造装置を対象として、当該複数の水素製造装置の各々の運転中の稼働率を監視する水素製造装置の監視制御方法であって、
   前記複数の水素製造装置の各々の運転情報を取得し、
   取得した運転情報から、運転停止を含む運転能力が低下した状態の水素製造装置を補完対象として特定し、
   前記補完対象として特定した水素製造装置に設定された水素製造量を、他の水素製造装置で補完するように、前記他の水素製造装置の稼働率を設定し、
   特定された水素製造装置を除く、他の水素製造装置に対して、設定された稼働率に基づく運転を指示する、
   ことを特徴とする水素製造装置の監視制御方法。
5. 前記複数の水素製造装置は、それぞれ運転時の稼働率と水素製造効率との関係を示す特性曲線情報を記憶しており、
   製造する水素の要求量を、前記特性曲線情報に基づき、稼働可能な水素製造装置に分担することを特徴とする請求項４記載の水素製造装置の監視制御方法。
6. 前記補完対象の水素製造装置が特定された場合に、残り水素製造装置の稼働率の設定を、前記特性曲線情報を用いた設定から逸脱しても、製造する水素の要求量を維持又は近づけることを特徴とする請求項５記載の水素製造装置の監視制御方法。
7. コンピュータを、
   請求項１〜請求項３の何れか１項記載の監視制御装置として動作させる、
   監視制御プログラム。