JP6882396B2 - 水素製造装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素製造装置及びその制御方法に関する。

従来、原料ガスから不純物を除去して精製ガスに精製するガス精製器としてＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置が知られている。

例えば、水素製造装置では、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装置（水素精製器）へ供給し、改質ガスから不純物を除去して水素ガスに精製している。具体的には、ＰＳＡ装置内にある吸着剤が配置された吸着塔に改質ガスを供給することによって、改質ガス中の不純物を吸着剤に吸着させて分離し、水素ガスに精製する。

特許文献１には、三つの吸着塔を有するＰＳＡ装置を含む水素製造装置が提案されている。このＰＳＡ装置では、出力変動を予測して原料ガスの導入量及び昇圧や均圧等の各工程の所要時間を制御している。

特開２００１−２７９２６７号公報

しかし、ガス使用先のガス使用量（負荷変動）に対応してＰＳＡ装置の各工程を時間制御する場合、ガス使用量（負荷）に対応して細かく時間を設定する必要があり、制御が複雑になる。

特に、水素ガスの使用量が変動した場合には、水素製造装置においてＰＳＡ装置に供給する改質ガスの供給流量を変動させる必要がある。しかしながら、水素製造装置では改質器内の熱収支を維持しつつ改質ガスの供給流量を変更しなくてはならないため、改質ガスの供給流量変更は漸減的になる。したがって、ＰＳＡ装置では、供給される改質ガスの供給流量の漸減的な変化に対応して各工程の時間制御をしなくてはならず、制御が一層複雑になる。

本発明は、全てを時間制御する場合と比較して簡単な制御で、負荷変動に対応して運転制御可能である水素製造装置及びその制御方法を提供することである。

請求項１記載の水素製造装置は、炭化水素を水蒸気改質し、水素ガス使用量に対応した量の改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された改質ガスから不純物を分離して水素ガスに精製するガス精製装置と、を備え、前記ガス精製装置は、前記改質ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記改質ガスから不純物を除去した水素ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、装置の最大負荷で運転される定格運転時には各吸着塔の吸着工程において、前記吸着塔内の圧力を昇圧させ、前記水素ガスを送出するパージカット過程と、前記パージカット過程に続いて行われ前記水素ガスを脱着工程中の吸着塔に供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えると共に、装置の負荷が最大負荷から変動する負荷変動運転時には各吸着塔の吸着工程において前記圧力検出手段で検出された当該吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時に当該吸着塔を前記パージカット過程から前記パージ過程に切り換える制御手段と、を有する。

この水素製造装置では、定格運転時には改質器から圧縮機を介してガス精製装置に所定量の改質ガスを供給する。ガス精製装置では、制御手段によって、定格運転時に各吸着塔の吸着工程において、当該吸着塔内の圧力を昇圧させて水素ガスを送出するパージカット過程と、パージカット過程に続いて行われ脱着工程中の吸着塔に水素ガスを供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えている。すなわち、吸着工程中の各過程を設定時間に基づいて制御している。

一方、水素製造装置の負荷が定格運転時から変更された負荷変動運転時には、改質器から圧縮機を介してガス精製装置に供給される改質ガスの供給流量が変動する。そこで、ガス精製装置では、制御手段によって、吸着工程において吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時にその吸着塔をパージカット過程から前記パージ過程に切り換える。

水素製造装置は、水素ガス使用量に基づいて負荷が変動した場合、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量を変動させることで水素ガスの製造量を調整する。この結果、負荷変動運転時には、各吸着塔に供給される改質ガスの供給流量が変動し、その吸着塔内の圧力の上昇速度が変動する。したがって、パージカット過程の時間を設定することが煩雑又は困難である。なお、「水素ガス使用量」とは、水素製造装置で製造された水素ガスの水素ガス利用者側の使用量を意味する。

特に、改質器では熱収支を維持しつつ改質ガスの生成量を変動させるため、改質ガスの供給流量の変化は漸減的である。したがって、ガス精製装置において、負荷変動運転時にパージカット過程の時間を設定するのは一層煩雑又は困難である。

そこで、この水素製造装置では、負荷変動運転時に各吸着塔の吸着工程におけるパージカット過程からパージ過程への切り換えを圧力で制御することにより、負荷変動時にこの切り換えを時間制御する場合と比較して簡単な制御で行うことができる。

すなわち、この水素製造装置では、定格運転を時間制御すると共に、負荷変動運転時に圧力制御も組み合わせることにより、負荷の変動に拘らず簡単な制御で水素ガスを製造することができる。

請求項２記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記負荷変動運転時において、前記パージ過程の設定時間は当該パージ過程直前の前記パージカット過程の実施時間に基づいて設定されており、前記実施時間が長いほど前記設定時間は長い。

この水素製造装置では、ガス精製装置における負荷変動運転時のパージ過程の設定時間をそのパージ過程直前のパージカット過程の実施時間に基づいて設定している。すなわち、パージカット過程の実施時間が長いほど、パージ過程の設定時間を長く設定している。

ガス精製装置において、パージカット過程の実施時間は負荷変動により変動する。すなわち、負荷が相対的に高い場合には、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量が相対的に大きいため、吸着塔の圧力上昇速度が相対的に高く、相対的に短い時間で閾値圧力に到達する。この結果、パージカット時間が相対的に短くなる。一方、負荷が相対的に低い場合には、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量が相対的に小さいため、吸着塔内における圧力上昇速度が相対的に低く、相対的に長い時間で閾値圧力に到達する。この結果、パージカット時間は相対的に長くなる。

しかしながら、負荷（吸着塔内の圧力上昇速度）の大小に拘らずパージカット終了時の吸着塔の圧力は閾値圧力で一定となるため、その吸着塔内の吸着剤に吸着される不純物量も略一定となる。したがって、パージに必要とされる水素ガス量も略一定となる。

ここで、パージ過程で吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス流量も、負荷が相対的に大きいほど相対的に高い。したがって、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス量が所定量に到達するまでの時間も相対的に短くなる。

一方、パージ過程で吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス流量も、負荷が相対的に小さいほど相対的に低い。したがって、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス量が所定量に到達するまでの時間も相対的に長くなる。

そこで、この水素製造装置では、吸着工程中の吸着塔においてパージ過程直前までのパージカット過程の実施時間に基づいてパージ過程の設定時間を設定する。すなわち、パージカット過程の実施時間が相対的に長いほど相対的に長いパージ過程の設定時間を設定する。これにより、簡単な制御で、負荷変動（吸着塔に対する改質ガス流量変動）に拘らず、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に一定量の水素ガスを供給することができ、その吸着塔の吸着剤から不純物を良好に除去できる。

また、パージカット過程の実施時間（負荷）に対応してバージ過程の設定時間を設定することにより、パージ過程にかける時間が適切となり、水素製造装置の水素ガスの生産性を向上させることができる。

請求項３記載の水素製造装置の制御方法は、炭化水素を水蒸気改質し、水素ガス使用量に対応した量の改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された改質ガスから不純物を分離して水素ガスに精製するガス精製装置と、を備え、前記ガス精製装置は、前記改質ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記改質ガスから不純物を除去した水素ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔を有し、装置の最大負荷で運転される定格運転時には各吸着塔の吸着工程において、前記吸着塔内の圧力を昇圧させ、前記水素ガスを送出するパージカット過程と、前記パージカット過程に続いて行われ前記水素ガスを脱着工程中の吸着塔に供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えると共に、装置の負荷が最大負荷から変動する負荷変動運転時には各吸着塔の吸着工程において当該吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時に当該吸着塔を前記パージカット過程から前記パージ過程に切り換える。

この水素製造装置の制御方法では、定格運転時には改質器から圧縮機を介してガス精製装置に所定量の改質ガスを供給する。ガス精製装置では、制御手段によって、定格運転時に各吸着塔の吸着工程において、当該吸着塔内の圧力を昇圧させて水素ガスを送出するパージカット過程と、パージカット過程に続いて行われ脱着工程中の吸着塔に水素ガスを供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えている。すなわち、吸着工程中の各過程を設定時間に基づいて制御している。

一方、水素製造装置の負荷が定格運転時から変更された負荷変動運転時には、改質器から圧縮機を介してガス精製装置に供給される改質ガスの供給流量が変動する。そこで、ガス精製装置では、制御手段によって、吸着工程において吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時にその吸着塔をパージカット過程から前記パージ過程に切り換える。

水素製造装置は、水素ガス使用量に基づいて負荷が変動した場合、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量を変動させることで水素ガスの製造量を調整する。この結果、負荷変動運転時には、各吸着塔に供給される改質ガスの流量が変動し、吸着塔内の圧力の上昇速度が変動する。したがって、パージカット過程の時間を設定することが煩雑又は困難である。なお、「水素ガス使用量」とは、水素製造装置で製造された水素ガスの水素ガス利用者側の使用量を意味する。

特に、改質器では熱収支を維持しつつ改質ガスの生成量を変動させるため、改質ガスの供給流量の変化は漸減的である。したがって、ガス精製装置において、負荷変動運転時にパージカット過程の時間を設定するのは一層煩雑又は困難である。

そこで、この水素製造装置では、負荷変動運転時に各吸着塔の吸着工程におけるパージカット過程からパージ過程への切り換えを圧力で制御することにより、負荷変動時にこの切り換えを時間制御する場合と比較して簡単な制御で行うことができる。

すなわち、この水素製造装置では、定格運転を時間制御すると共に、負荷変動運転時に圧力制御も組み合わせることにより、負荷の変動に拘らず簡単な制御で水素ガスを製造することができる。

請求項４記載の水素製造装置の制御方法は、請求項３記載の水素製造装置の制御方法において、前記負荷変動運転時において、前記パージ過程の設定時間は当該パージ過程直前の前記パージカット過程の実施時間に基づいて設定されており、前記実施時間が長いほど前記設定時間は長い。

この水素製造装置では、ガス精製装置における負荷変動運転時のパージ過程の設定時間をそのパージ過程直前のパージカット過程の実施時間に基づいて設定している。すなわち、パージカット過程の実施時間が長いほど、パージ過程の設定時間を長く設定している。

ガス精製装置において、パージカット過程の実施時間は、負荷変動により変動する。すなわち、負荷が相対的に高い場合には、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量が相対的に大きいため、吸着塔の圧力上昇速度が相対的に高く、相対的に短い時間で閾値圧力に到達する。この結果、パージカット時間が相対的に短くなる。一方、負荷が相対的に低い場合には、ガス精製装置に対する改質ガスの供給流量が相対的に小さいため、吸着塔内における圧力上昇速度が相対的に低く、相対的に長い時間で閾値圧力に到達する。この結果、パージカット時間は相対的に長くなる。

しかしながら、負荷（吸着塔内の圧力上昇速度）の大小に拘らずパージカット終了時の吸着塔の圧力は閾値圧力で一定となるため、その吸着塔内の吸着剤に吸着される不純物量も略一定となる。したがって、パージに必要とされる水素ガス量も略一定となる。

ここで、パージ過程で吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス流量も、負荷が相対的に大きいほど相対的に高い。したがって、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス量が所定量に到達するまでの時間も相対的に短くなる。

一方、パージ過程で吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス流量も、負荷が相対的に小さいほど相対的に低い。したがって、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス量が所定量に到達するまでの時間も相対的に長くなる。

そこで、この水素製造装置では、吸着工程中の吸着塔においてパージ過程直前までのパージカット過程の実施時間に基づいてパージ過程の設定時間を設定する。すなわち、パージカット過程の実施時間が相対的に長いほど相対的に長いパージ過程の設定時間を設定する。これにより、簡単な制御で、負荷変動（吸着塔に対する改質ガス流量変動）に拘らず、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に一定量の水素ガスを供給することができ、その吸着塔の吸着剤から不純物を良好に除去できる。

また、パージカット過程の実施時間（負荷）に対応してバージ過程の設定時間を設定することにより、パージ過程にかける時間が適切となり、水素製造装置の水素ガスの生産性を向上させることができる。

請求項１、２記載の発明に係る水素製造装置、及び請求項３、４記載の発明に係る水素製造装置の制御方法では、上記構成としたので、全て時間で制御する場合と比較して簡単な制御で水素ガスを製造することができる。

一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。 一実施形態に係るＰＳＡ装置を示した概略構成図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置のハードウェア構成を示したブロック図である。 一実施形態に係るＰＳＡ制御部のハードウェア構成を示したブロック図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転時の電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートと、各吸着塔の内部圧力変化を示す図である。 （Ａ）は、一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転時における各工程と各過程の設定時間を示す図であり、（Ｂ）はパージカット過程の実施時間とパージ過程の設定時間を対応を示した図であり、図（Ｃ）は負荷変動運転時における各工程と各過程の設定時間を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の昇圧過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の水素送出過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置のパージ過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の排気停止過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の均圧工程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置において、吸着塔を切り換えたタイミングにおける電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の負荷変動運転時のパージカット過程の実施時間が相対的に短い場合における電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートと、各吸着塔の内部圧力変化を示す図である。 一実施形態に係るＰＳＡ装置の負荷変動運転時のパージカット過程の実施時間が相対的に長い場合における電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートと、各吸着塔の内部圧力変化を示す図である。

一実施形態に係る水素製造装置及びその制御方法を図１〜図１４を参照して説明する。

〈水素製造装置〉
水素製造装置１０は、図１に示すように、炭化水素（都市ガス）から水蒸気改質した改質ガスを生成する改質器２０と、改質ガスを圧縮する圧縮機３０と、圧縮された改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製するＰＳＡ装置４０と、を備えている。

また、水素製造装置１０は、圧縮機３０の上流側、下流側でそれぞれ改質ガスから水分を分離・除去する昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０と、改質器２０の後述する燃焼排ガスから水分を分離・除去する燃焼排ガス水分離部７０と、を備えている。

なお、この水素製造装置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）
改質器２０は、原料として供給される都市ガスと改質用の水とを混合しつつ加熱し、混合ガスを発生させる予熱流路と、水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素を主成分とする改質ガスＧ１を生成する改質触媒層とを備えている。改質ガスＧ１には、水素、一酸化炭素、水蒸気、メタンが含まれている。

また、改質器２０は、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気とが反応して、水素と二酸化炭素とに変換された改質ガスＧ２を生成する（水性シフト反応が行われる）ＣＯ変成触媒層を備えている。改質ガスＧ２は、改質ガスＧ１に比べて一酸化炭素が低減される構成である。この改質ガスＧ２が、改質ガス排出管２４に送出される構成である。

さらに、改質器２０には、バーナーが配置された燃焼室２２が設けられており、バーナーに都市ガス又はオフガスが燃料として供給され、燃焼室２２で空気と混合されて燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管２６へ案内される構成である。なお、この燃焼熱によって、水蒸気改質反応が促進される構成である。

改質器２０において生成された改質ガスは、図１に示すように、昇圧前水分離部５０、圧縮機３０、昇圧後水分離部６０、及びＰＳＡ装置４０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、改質器２０、昇圧前水分離部５０、圧縮機３０、昇圧後水分離部６０、及びＰＳＡ装置４０がこの順番で配置されている。

（昇圧前水分離部）
昇圧前水分離部５０には、改質器２０から改質ガスＧ２を流入させる改質ガス排出管２４の下流端が接続されている。昇圧前水分離部５０の底部には水回収管５２が接続され、昇圧前水分離部５０の上部には連絡流路管５４が接続されている。

改質ガス排出管２４上には、チラー５６で冷却された水と改質ガスＧ２とを熱交換する熱交換器ＨＥ１が設けられている。

すなわち、改質ガスＧ２は、昇圧前水分離部５０の上流の改質ガス排出管２４に配置された熱交換器ＨＥ１において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧前水分離部５０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管５２へ送出される構成である。改質ガスＧ２から水が凝縮された後の改質ガスＧ３は、連絡流路管５４へ送出される構成である。

なお、連絡流路管５４上において、昇圧前水分離部５０と圧縮機３０との間には、バッファタンク５８が配設されている。

（圧縮機）
圧縮機３０には、昇圧前水分離部５０からの改質ガスＧ３が流れる連絡流路管５４と、昇圧後水分離部６０へ供給される改質ガスＧ３が圧縮された改質ガスＧ４が流れる連絡流路管３２とが接続されている。圧縮機３０は、昇圧前水分離部５０から供給された改質ガスＧ３を圧縮し、圧縮された改質ガスＧ４を昇圧後水分離部６０へ供給可能とされている。

（昇圧後水分離部）
昇圧後水分離部６０には、圧縮機３０から改質ガスＧ４を流入させる連絡流路管３２の下流端が接続されている。昇圧後水分離部６０の底部には水回収管６２が接続され、昇圧後水分離部６０の上部には連絡流路管６４が接続されている。

連絡流路管３２上には、チラー６６で冷却された水と改質ガスＧ４とを熱交換する熱交換器ＨＥ２が設けられている。

すなわち、改質ガスＧ４は、昇圧後水分離部６０の上流の連絡流路管３２に配置された熱交換器ＨＥ２において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧後水分離部６０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管６２へ送出される構成である。改質ガスＧ４から水が凝縮された後の改質ガスＧ５は、連絡流路管６４へ送出される構成である。

なお、連絡流路管６４上において、昇圧後水分離部６０とＰＳＡ装置４０との間には、バッファタンク６８が配設されている。

（ＰＳＡ装置（概略））
ＰＳＡ装置４０には、昇圧後水分離部６０からの改質ガスＧ５が流れる連絡流路管６４の下流端と、精製された水素（ガス）が送出される水素供給管４２の上流端と、ＰＳＡ装置４０で分離されたオフガスが送出されるオフガス供給管４４の上流端とが接続されている。さらに、ＰＳＡ装置４０には、内部の水素（ガス）圧力が過剰となった場合に、水素製造装置１０の外部に水素を排出するベント管４５の上流端が接続されている。

ＰＳＡ装置４０は、水素精製器として用いられるものである。このＰＳＡ装置４０は、一対の吸着塔を備え、一方の吸着塔で吸着剤に不純物を吸着させる吸着工程を行い、他方の吸着塔で吸着剤に吸着した不純物を脱着させる脱着工程を行い、次に一方の吸着塔で脱着工程、他方の吸着塔で吸着工程を行う。これを周期的に繰り返すことで、改質ガスＧ５を水素と一酸化炭素を含む不純物（オフガスＯＧ）とに連続的に分離して、精製された水素が水素供給管４２に送出される構成である。

一方、オフガス供給管４４は、改質器２０の燃焼室２２に連通している。また、オフガス供給管４４上には、オフガスバッファタンク４６が設けられている。したがって、オフガスＯＧは、オフガスバッファタンク４６を介して改質器２０の燃焼室２２にバーナーの燃料として供給される構成である。

なお、ＰＳＡ装置４０の詳細については、後述する。また、ＰＳＡ装置４０が「ガス精製装置」に相当する。

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部７０には、改質器２０の燃焼室２２から燃焼排ガスを導くガス排出管２６の下流端が接続されている。燃焼排ガス水分離部７０の底部には水回収管７２が接続され、燃焼排ガス水分離部７０の上部にはガス排出管７４が接続されている。

ガス排出管２６上には、チラー７６で冷却された水と燃焼排ガスとを熱交換する熱交換器ＨＥ３が設けられている。

すなわち、燃焼室２２から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス水分離部７０の上流のガス排出管２６に配置された熱交換器ＨＥ３において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、燃焼排ガス水分離部７０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管７２へ送出される構成である。水が凝縮された後の燃焼排ガスは、ガス排出管７４から外気中へ排出される構成である。

水回収管５２、６２、７２の各々の下流端は、改質用水供給管８０に接続されている。改質用水供給管８０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）８２が設けられている。また、改質用水供給管８０には、外部水供給部８４が接続されている。外部水供給部８４から改質用水供給管８０に、例えば純水または市水が供給される構成である。

さらに、改質用水供給管８０には、ポンプＰ１が設けられている。昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０で分離された水、又は外部水供給部８４から供給された水は、ポンプＰ１によって改質器２０へ供給される構成である。

(ＰＳＡ装置（詳細））
ＰＳＡ装置４０の内部構造について図２を参照して詳細に説明する。

図２に示すように、ＰＳＡ装置４０は、それぞれ改質ガスＧ５の不純物を吸着させる吸着剤が内部に配設された第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４と、改質ガスＧ５を精製して製造された製品水素ガスを貯留する水素ガス貯留タンク１０６と、を有する。

ＰＳＡ装置４０において、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の原料ガス（改質ガスＧ５）供給側には、一端が連絡流路管６４に接続される原料ガス供給流路１０８と、原料ガス供給流路１０８の他端から分岐された原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂと、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂにそれぞれ接続される共通流路１１２Ａ、１１２Ｂと、が配設されている。

すなわち、第１吸着塔１０２には、原料ガス供給流路１０８、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、共通流路１１２Ａを介して連絡流路管６４から改質ガスＧ５が供給可能に構成されている。

同様に、第２吸着塔１０４には、原料ガス供給流路１０８、原料ガス供給分岐流路１１０Ｂ、共通流路１１２Ｂを介して連絡流路管６４から改質ガスＧ５が供給可能に構成されている。

また、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂには、それぞれ電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂが配設されており、電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８（連絡流路管６４）とが連通又は遮断される構成である。

ＰＳＡ装置４０において、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４のオフガス排出側には、オフガス供給管４４に一端が接続されたオフガス排出流路１１６と、オフガス排出流路１１６の他端で分岐されたオフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂと、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂがそれぞれ接続される共通流路１１２Ａ、１１２Ｂと、が設けられている。

すなわち、第１吸着塔１０２から排出されたオフガスは、共通流路１１２Ａ、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、オフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４に送出可能に構成されている。

同様に、第２吸着塔１０４から排出されたオフガスは、共通流路１１２Ｂ、オフガス排出分岐流路１１８Ｂ、オフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４に送出可能に構成されている。

なお、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂには、それぞれ電磁開閉弁１２０Ａ、１２０Ｂが配設されており、電磁開閉弁１２０Ａ、１２０Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４とオフガス排出流路１１６（オフガス供給管４４）とが連通又は遮断される構成である。

さらに、共通流路１１２Ａと共通流路１１２Ｂは、連絡流路１２２で接続されている。

したがって、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４は、共通流路１１２Ａ、連絡流路１２２、共通流路１１２Ｂを介して連通されている。

なお、連絡流路１２２上には、一対の電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂが配設されており、一対の電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが連通又は遮断される構成である。

第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の精製ガス（製品水素ガス）の送出側には、水素ガス貯留タンク１０６に一端が接続された製品水素ガス送出流路１２６と、製品水素ガス送出流路１２６の他端が接続される製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａ、１２８Ｂと、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａと第１吸着塔１０２とを連通させる共通流路１３０Ａと、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ｂと第２吸着塔１０４とを連通させる共通流路１３０Ｂと、が設けられている。

なお、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａ、１２８Ｂ上には、それぞれ電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂが配設されており、電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４と水素ガス貯留タンク１０６とが連通又は遮断される構成である。

また、共通流路１３０Ａ、１３０Ｂ間には、両者を接続する連絡流路１３４が設けられている。連絡流路１３４の略中央には、局部的に縮径されたオリフィス１３６が設けられている。また、連絡流路１３４においてオリフィス１３６の両側には、それぞれ電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂが配設されている。

したがって、電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが共通流路１３０Ａ、連絡流路１３４（オリフィス１３６）、共通流路１３０Ｂを介して連通又は遮断される構成である。

また、連絡流路１３４において電磁開閉弁１３８Ａよりも共通流路１３０Ａ側と電磁開閉弁１３８Ｂよりも共通流路１３０Ｂ側とを連通させた連絡流路１４０が設けられており、連絡流路１４０上にも一対の電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが配設されている。

したがって、電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが連絡流路１４０を介して（オリフィス１３６を介さずに）連通又は遮断される構成である。

水素ガス貯留タンク１０６の下流側には、製品水素ガス供給流路１４４の一端が接続されており、製品水素ガス供給流路１４４の他端が水素供給管４２に接続されている。

製品水素ガス供給流路１４４上には、上流側からプレッシャーレギュレータ１４８、マスフロコントローラ１５０、電磁開閉弁１５２が配設されている。なお、マスフロコントローラ１５０は省略しても良い。

プレッシャーレギュレータ１４８は、製品水素ガスを所定の圧力に調整して水素ガス利用者側に供給するものである。

マスフロコントローラ１５０は、製品水素ガスの流量を調整するものである。

電磁開閉弁１５２は、水素ガス貯留タンク１０６と水素供給管４２とを連通又は遮断させるものである。すなわち、製品水素ガスを水素ガス利用者側に供給可能又は供給不能（遮断）とするものである。

なお、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８の上流側から分岐して、ＰＳＡ装置４０の外部のベント管４５に接続されるベント流路１５４が設けられている。ベント流路１５４には、所定圧力以上の場合のみ開放される逆止（リリーフ）弁１５６が設けられている。

したがって、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８の上流側の圧力が過剰となった場合に逆止弁１５６が開放され、製品水素ガスがベント流路１５４からベント管４５を介して水素製造装置１０の外部に排出される構成である。

原料ガス供給流路１０８、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４、製品水素ガス供給流路１４４には、それぞれ圧力センサ１６０、１６２、１６４、１６６が配設されている。圧力センサ１６２、１６４が圧力検出手段に相当する。

原料ガス供給流路１０８に配設された圧力センサ１６０によってＰＳＡ装置４０に供給された原料ガス、すなわち改質ガスＧ５の圧力が検出される構成である。

また、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４にそれぞれ配設された圧力センサ１６２、１６４によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の内部圧力がそれぞれ検出される構成である。

さらに、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８とマスフロコントローラ１５０との間に配設された圧力センサ１６６によってＰＳＡ装置４０から供給される製品水素ガスの圧力が検出される構成
である。

（制御部）
ＰＳＡ装置４０は、ＰＳＡ制御部１７０を有している。ＰＳＡ制御部１７０は、図３に示すように、電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２４Ａ、１２４Ｂ、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３８Ａ、１３８Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂ、１５２（以下、「電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２」という）、及び圧力センサ１６０、１６２、１６４、１６６と図示しない信号線で接続されており、後述する制御プログラムに沿って圧力センサ１６２、１６４の検出値等に基づいて各電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２を開閉制御するものである。

なお、ＰＳＡ制御部１７０及び電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２が「制御手段」に相当する。

次に、ＰＳＡ制御部１７０のハードウェア構成について説明する。

図４に示すように、ＰＳＡ制御部１７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：プロセッサ）１７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１７４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１７６、ストレージ１７８、及びインタフェース１８０を含んで構成されている。各構成は、バス１８２を介して相互に通信可能に接続されている。

ＣＰＵ１７２は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４又はストレージ１７８からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１７６を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４又はストレージ１７８に記録されているプログラムに従って、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

ＲＯＭ１７４は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ１７６は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ１７８は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データが格納されている。例えば、後述する定格運転制御プログラムや負荷変動運転制御プログラムがストレージ１７８に格納されている。また、負荷変動運転時に、後述するパージカット時間ｔｐｃに基づいてパージ時間ｔｐを決定するためのテーブル（図６（Ｂ）参照）がストレージ１７８に格納されている。

インタフェース１８０は、ＰＳＡ制御部１７０が他の機器と接続するためのインタフェースである。

（作用）
次に、水素製造装置１０及びＰＳＡ装置４０の作用について説明する。先ず、水素製造装置１０の作用について説明する。

図１に示すように、水素製造装置１０の改質器２０へ供給された都市ガスは、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、燃焼室２２の燃焼排ガスからの熱を受け、水蒸気改質反応によって混合ガスから水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。この改質ガスＧ１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Ｇ１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た改質ガスＧ２は、改質ガス排出管２４へ送出される。

この際、改質器２０の燃焼室２２では、供給された都市ガス又はオフガスと空気とが混合された気体がバーナーによって燃焼される。燃焼排ガスは、燃焼室２２からガス排出管２６を介して燃焼排ガス水分離部７０へ供給される。図１に示すように、燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ３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７０に貯留され、水回収管７２へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、ガス排出管７４から外気中へ排出される。

一方、図１に示すように、改質ガスＧ２は、改質ガス排出管２４を経て、昇圧前水分離部５０へ供給される。昇圧前水分離部５０では、熱交換器ＨＥ１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５２へ送出される。改質ガスＧ２から水が分離された改質ガスＧ３は、連絡流路管５４からバッファタンク５８を介して圧縮機３０へ供給され、圧縮機３０によって圧縮される。

改質ガスＧ３が圧縮された改質ガスＧ４は、連絡流路管３２から昇圧後水分離部６０へ供給される。昇圧後水分離部６０では、熱交換器ＨＥ２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６２へ送出される。改質ガスＧ４から水が分離された改質ガスＧ５は、連絡流路管６４からバッファタンク６８を介してＰＳＡ装置４０へ供給される。

なお、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０からそれぞれ水回収管５２、６２、７２に送出された水は、改質用水供給管８０に戻される。ポンプＰ１の駆動により、改質用水供給管８０から改質器２０に改質水として供給される。

ＰＳＡ装置４０では、圧力スイング方式が採用されており、一対の吸着塔の一方では吸着剤に水素以外の不純物が吸着され、他方の吸着塔では吸着剤に吸着された不純物が脱着されている。ＰＳＡ装置４０では、この吸着工程と脱着工程をそれぞれの吸着塔で一定の周期で繰り返すことにより、改質ガスＧ５から連続的に水素と不純物が分離されて水素が精製される。

続いて、ＰＳＡ装置４０の具体的動作について図５〜図１４を参照して説明する。

図５は、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の工程と、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉タイミングを記載したタイミングチャートと、その際の第１吸着塔１０２、１０４内の圧力変化（実線が第１吸着塔１０２内の圧力（圧力センサ１６２の検出値）、破線が第２吸着塔１０４内の圧力（圧力センサ１６４の検出値））を示したものである。図１３及び図１４も同様である。

（定格運転時）
先ず、ＰＳＡ装置４０の定格運転について図５〜図１２を参照して説明する。この場合には、ＰＳＡ制御部１７０は、定格運転制御プログラムをストレージ１７８から読み出し、実行することにより、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉制御を行うものである。

ここで、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４における吸着工程(吸着工程内の昇圧過程、水素送出過程、パージ過程、排気停止過程の各過程)、均圧工程、脱着工程、均圧工程の切り換えは、それぞれの設定時間によって基本的に制御されている。定格運転時の各工程、各過程の設定時間を図６（Ａ）に示す。なお、吸着工程における昇圧過程、水素送出過程をまとめたものをパージカット過程という場合がある。

但し、後述するように、吸着塔内部の圧力が吸着工程の設定時間内に第１閾値圧力Ｔｈ１に到達した場合には、次工程に切り換えられる構成である。

なお、水素製造装置１０の改質器２０及び圧縮機３０は連続的に運転され、改質器２０で製造され、圧縮機３０で圧縮された改質ガスＧ５が連続的にＰＳＡ装置４０に供給されている。

第１吸着塔１０２が吸着工程、第２吸着塔１０４が脱着工程で開始される状態から説明する。なお、各電磁開閉弁の開閉は、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号によって制御されている。

図５及び図７に示すように、先ず、時刻Ｔ０において、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号により電磁開閉弁１１４Ａが開弁され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第１吸着塔１０２に改質ガスＧ５が供給される。この際、第１吸着塔１０２の下流側に位置する電磁開閉弁１３２Ａ、１３８Ａ、１４２Ａは全て閉弁している。この結果、第１吸着塔１０２内の圧力が上昇する（昇圧過程）。

なお、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉がＰＳＡ制御部１７０からの制御信号に基づいて行われることは明らかであるため、以下の各電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉については「ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号により」の記述を省略する。

また、時刻Ｔ０において、電磁開閉弁１２０Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４がオフガス排出流路１１６と連通される。これにより、第２吸着塔１０４からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスＯＧが排出される。

なお、図７において、ＰＳＡ装置４０の各流路のうち太線で記載されている部分が、ガスが流れている部分である。また、図７において、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２が黒塗りで示されている場合は閉弁状態を表し、白抜きで示されている場合は開弁状態を表す。以下、他の図でも同様である。

次に、図５及び図８に示すように、時刻Ｔ０から設定時間ｔ１経過後の時刻Ｔ１で電磁開閉弁１３２Ａを開弁する。換言すれば、第１吸着塔１０２内の圧力が十分に上昇し、吸着剤が不純物を十分に吸着して第１吸着塔１０２から所定の純度の水素ガスが送出可能となるように、設定時間ｔ１が設定されている。これにより、第１吸着塔１０２と水素ガス貯留タンク１０６とを連通させ、第１吸着塔１０２で精製された精製水素ガスを水素ガス貯留タンク１０６に供給する（水素送出過程）。

なお、ＰＳＡ装置４０の定格運転中は、電磁開閉弁１５２は常時開弁されており、水素ガス貯留タンク１０６から送出された製品水素ガスは、プレッシャーレギュレータ１４８で所定圧力とされ、マスフロコントローラ１５０で所定流量とされた後、水素供給管４２を介して水素ガス利用者側に供給される。

さらに、図５及び図９に示すように、時刻Ｔ１から設定時間ｔ２経過後の時刻Ｔ２で、電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開弁する。この結果、第１吸着塔１０２及び水素ガス貯留タンク１０６と第２吸着塔１０４とが、オリフィス１３６を介して連通する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６から第２吸着塔１０４に精製された水素ガスが供給され、第２吸着塔１０４内の吸着剤に付着した不純物が水素ガスで除去され、オフガスとしてオフガス排出流路１１６からオフガス供給管４４に排出される（パージ過程）。

また、図５及び図１０に示すように、時刻Ｔ２から設定時間ｔ３経過後の時刻Ｔ３で、電磁開閉弁１２０Ｂが閉弁される。すなわち、第２吸着塔１０４とオフガス排出流路１１６との連通が遮断される。これにより、第２吸着塔１０４では、オリフィス１３６から水素ガスが供給される一方、オフガスの排出が停止されるため、内部の圧力が上昇する（排気停止過程）。

さらに、図５及び図１１に示すように、時刻Ｔ３から設定時間ｔ４経過後の時刻Ｔ４で電磁開閉弁１１４Ａ、１３２Ａ、１３８Ａ、１３８Ｂが閉弁される。これにより、第１吸着塔１０２が原料ガス供給流路１０８と遮断されると共に、水素ガス貯留タンク１０６及びオリフィス１３６と遮断される。

これにより、第１吸着塔１０２に改質ガスが供給されなくなると共に、第１吸着塔１０２から水素ガス貯留タンク１０６に精製された水素ガスが送出されることも停止される。

また、オリフィス１３６を介した第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４との連通も遮断される。

このタイミングで電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが開弁される。これにより、第１吸着塔１０２の上流側と第２吸着塔１０４の上流側、第１吸着塔１０２の下流側と第２吸着塔１０４の下流側が連通される。

このように、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４がオリフィス１３６を介さずに上流側と下流側で連通されることにより、圧力が均等化される（均圧工程）。

さらに、図５及び図１２に示すように、時刻Ｔ４から設定時間Ｔｓ２経過後の時刻Ｔ５で、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが閉弁され、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４との連通が遮断される。

同時に、電磁開閉弁１１４Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８とが連通され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第２吸着塔１０４に改質ガスＧ５が供給される。

また、電磁開閉弁１２０Ａが開弁され、第１吸着塔１０２とオフガス排出流路１１６とが連通され、第１吸着塔１０２からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスが排出される。

以下、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までのタイミングと同様に、時刻Ｔ５から時刻Ｔ１０までのタイミングで電磁開閉弁の開閉制御が行われることにより、第１吸着塔１０２で脱着工程と均圧工程が行われ、第２吸着塔１０４で吸着工程と均圧工程が行われる。これは、吸着塔を入れ替えただけで動作は同様であるので詳細な説明を省略する。

この後は、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４を切換ながら、この制御を繰り返していく。

なお、このＰＳＡ装置４０には、図５に示すように、定格運転時の第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の最大圧力値よりも少し高い圧力に第１閾値圧力Ｔｈ１が設定されている。

これは、ＰＳＡ装置４０の定格運転時に、何らかの事情より第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４内の圧力が第１閾値圧力Ｔｈ１よりも高まった場合や、水素ガス貯留タンク１０６の圧力が高まった場合には、逆止弁１５６が開弁されることにより、水素ガス貯留タンク１０６からベント流路１５４、ベント管４５を介して水素製造装置１０の外部に水素が排出される（水素がベントされる）構成とされている。

したがって、ＰＳＡ制御部１７０では、定格運転時時には、吸着工程、脱着工程、均圧工程や各過程の切り換えを設定時間に基づいて行うが、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４内の圧力（圧力センサ１６２、１６４の検出値）が設定時間内に第１閾値圧力Ｔｈ１に到達すると、吸着工程と脱着工程とを直ちに切り換える。これにより、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４内の圧力が第１閾値圧力Ｔｈ１を超えてＰＳＡ装置４０のベント流路１５４からベント管４５を介して水素ガスがベントされることを防止する構成である。本実施形態のように、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を挟んでいる場合には、吸着工程又は脱着工程から均圧工程に直ちに移行する構成である。

なお、「水素製造装置の定格運転」とは、水素製造装置１０の定格（水素製造装置１０の最大水素ガス生産能力＝負荷１００％）運転時に、改質器２０で所定量の改質ガスＧ２を生成し、その改質ガスＧ２が圧縮機３０で圧縮され、所定量の改質ガスＧ５として供給されることにより、ＰＳＡ装置４０の第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の一方が吸着工程を行い、他方が脱着工程を行い、次に一方が脱着工程を行い、他方が吸着工程を行うことを繰り返し行い、改質ガスＧ５を所定純度以上の製品水素ガスに精製する運転のことをいう。本実施形態のように吸着塔（吸着工程と脱着工程）を切り換える際に、均圧工程を挟むものも含む。

（負荷変動運転）
次に、ＰＳＡ装置４０の負荷変動運転について、図６〜図１４を参照して説明する。

水素ガス利用者側の水素ガス使用量が水素製造装置１０の最大水素ガス生産量（負荷１００％）から低下した場合に、水素製造装置１０の図示しない制御部からＰＳＡ制御部１７０に負荷変動信号が入力される。

ＰＳＡ制御部１７０では、負荷変動信号が入力されると、負荷変動運転制御プログラムをストレージ１７８から読み出し、実行することにより、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉制御を行い、負荷変動運転が行われる。

なお、「水素製造装置（ＰＳＡ装置）の負荷変動運転」とは、水素製造装置１０の定格運転（負荷１００％）に対して負荷１００％未満のときの水素製造装置１０の運転をいう。具体的には、負荷に対応した量の改質ガスＧ２を改質器２０で生成し、その改質ガスＧ２が圧縮機３０で圧縮され、所定量の改質ガスＧ５として供給されることにより、ＰＳＡ装置４０の第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の一方が吸着工程を行い、他方が脱着工程を行い、次に一方が脱着工程を行い、他方が吸着工程を行うことを繰り返し行い、改質ガスＧ５を所定純度以上の製品水素ガスに精製する運転のことをいう。なお、「負荷変動運転」には、水素製造装置１０の負荷が１００％未満の場合の運転全て（例えば、負荷５０％の運転と負荷１００％から５０％に移行する間の運転の双方）が該当する。

ＰＳＡ制御部１７０では、負荷変動運転制御プログラムに従って上記定格運転と同様に時間制御を基本として制御する（図６（Ｃ）参照）。ただし、負荷変動運転時には、負荷変動によりＰＳＡ装置４０に供給される改質ガスＧ５の流量が変動し、それにより吸着塔における圧力上昇速度が変化する。

特に、水素製造装置１０の場合には、負荷変動運転時にＰＳＡ装置４０に供給する改質ガスＧ５の流量を変化させることが必要だが、改質器２０では熱収支を維持しつつ改質ガスの送出量を変化させるため、改質ガスＧ５の流量変化が漸減的となる。

このように、改質ガスＧ５の流量が漸減的に変化する場合に、それぞれの供給流量に対応してＰＳＡ装置４０の各工程及び各過程の設定時間を設定することは煩雑であり、制御が複雑になる。

そこで、負荷変動運転時には、改質ガスＧ５の供給流量の変化による各吸着塔１０２、１０４内の圧力上昇速度の変化に対応するために定格運転時の水素送出過程の最大圧力値を第２閾値圧力Ｔｈ２（＜Ｔｈ１）に設定しており、吸着塔内の圧力が第２閾値圧力Ｔｈ２に到達した時にその吸着塔の水素送出過程を終了するように設定されると共に、パージカット過程（昇圧過程+水素送出過程）の実施時間（以下、「パージカット時間」という）に基づいてパージ過程の設定時間（以下、「パージ時間」という）を設定することで、制御の簡易化を図ったものである。なお、第２閾値圧力Ｔｈ２が「閾値圧力」に相当する。

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、負荷変動運転は、水素ガス利用者側の使用量が増大して水素製造装置１０の最大水素ガス生産能力（負荷１００％）に復帰するまで継続される。

なお、水素製造装置１０の改質器２０及び圧縮機３０は連続的に運転され、改質器２０で製造され、圧縮機３０で圧縮された改質ガスＧ５が連続的にＰＳＡ装置４０に供給されている。

本実施形態では、第１吸着塔１０２が吸着工程、第２吸着塔１０４が脱着工程で開始される。なお、各電磁開閉弁の開閉は、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号によって制御されている。

図１３及び図７に示すように、先ず、時刻Ｔ１１において、電磁開閉弁１１４Ａが開弁され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第１吸着塔１０２に改質ガスＧ５が供給される。この際、第１吸着塔１０２の下流側に位置する電磁開閉弁１３２Ａ、１３８Ａ、１４２Ａは全て閉弁している。この結果、第１吸着塔１０２内の圧力が上昇する（昇圧過程）。

また、時刻Ｔ１１において、電磁開閉弁１２０Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４がオフガス排出流路１１６に連通される。これにより、第２吸着塔１０４からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスＯＧが排出される。

次に、図１３及び図８に示すように、時刻Ｔ１１から設定時間ｔ１（図６（Ｃ）参照）経過後の時刻Ｔ１２で電磁開閉弁１３２Ａを開弁する。これにより、第１吸着塔１０２と水素ガス貯留タンク１０６とを連通させ、第１吸着塔１０２で精製された精製水素ガスを水素ガス貯留タンク１０６に供給する（水素送出過程）。

ところで、水素製造装置１０が定格運転から負荷変動運転に移行した場合には、負荷が１００％から低下しているため、定格運転と比較してＰＳＡ装置４０に供給される改質ガスＧ５の流量が低下する。この結果、第１吸着塔１０２の圧力上昇速度が低下する。

続いて、図１３及び図９に示すように、第１吸着塔１０２内の圧力が第２閾値圧力Ｔｈ２に到達した時刻Ｔ１３で電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開放する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６と第２吸着塔１０４とが、オリフィス１３６を介して連通する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６から第２吸着塔１０４に精製された水素ガスが供給され、第２吸着塔１０４内の吸着剤に付着した不純物が水素ガスで除去され、オフガスとしてオフガス排出流路１１６からオフガス供給管４４に排出される（パージ過程）。

なお、負荷変動運転時にパージ過程が開始される時刻Ｔ１３は、定格運転時のパージ過程開始時刻である時刻Ｔ２と比較して遅れている（Ｔ１３−Ｔ１１＞Ｔ２−Ｔ０）。これは、上述のように、負荷変動運転では定格運転と比較して第１吸着塔１０２内の圧力の上昇速度が低いため、第２閾値圧力Ｔｈ２に到達するまでの時間がかかるためである。ここで、水素送出過程に要した実施時間がｔ５（＞ｔ２）である。

この際、ＰＳＡ制御部１７０では、ストレージ１７８に格納されたテーブル（図６（Ｂ）参照）を読み出して、負荷変動運転におけるパージ時間ｔｐをパージカット時間ｔｐｃ（＝ｔ１+ｔ５）に基づいて決定する。

図６（Ｂ）に示すように、テーブルには、図示しないタイマー等によって検出されたパージカット時間ｔｐｃの長さに応じて異なるパージ時間ｔｐが設定されている。具体的には、パージカット時間ｔｐｃの長さに応じて五段階に分け、それぞれに対応するパージ時間ｔｐ１〜ｔｐ５が設定されている。すなわち、パージカット時間ｔｐｃが長い場合ほど、パージ時間ｔｐが長く設定されている。
したがって、ＰＳＡ制御部１７０では、このテーブルを参照して、例えば、パージカット時間ｔｐｃが相対的に最も短いｔａ以上ｔｂ未満の範囲に含まれる場合には、相対的に最も短いパージ時間ｔｐ１が決定される。逆に、パージカット時間ｔｐｃが相対的に最も長いｔｅ以上ｔｆ未満の範囲に含まれる場合には、相対的に最も長いパージ時間ｔｐ５が決定される。

このようにパージ時間ｔｐが決定されるのは、負荷が相対的に高い場合（例えば、水素製造装置１０の最大生産能力の９０％）には吸着工程中の吸着塔に供給される改質ガスの流量が相対的に大きく、この吸着塔内におけるガスの圧力上昇速度が相対的に高い。この結果、この吸着塔内における圧力の第２閾値圧力Ｔｈ２までの到達時間（パージカット時間ｔｐｃ）が相対的に短くなる。また、パージ過程においても、負荷が相対的に高いため、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガスの流量が相対的に高い。この結果、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガスが吸着剤から不純物を除去可能な一定量に到達するまでのパージ時間ｔｐが相対的に短くなるためである。

これに対して、負荷が相対的に低い場合（例えば、最大生産能力の５０％）には吸着工程中の吸着塔に供給される改質ガスの流量が相対的に小さく、この吸着塔内におけるガスの圧力上昇速度が相対的に低い。この結果、この吸着塔内における圧力の第２閾値圧力Ｔｈ２までの到達時間（パージカット時間ｔｐｃ）が相対的に長くなる。また、パージ過程においても、負荷が相対的に低いため、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガスの流量が相対的に低い。この結果、脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガスが吸着剤から不純物を除去可能な一定量に到達するまでのパージ時間ｔｐが相対的に長くなるためである。

図１３に示すように、水素製造装置１０の負荷が９０％の場合には、ＰＳＡ制御部１７０では、パージカット時間ｔｐｃが相対的に最も短いａ以上ｔｂ未満であるため、パージ時間ｔｐを相対的に最も短いｔｐ１に決定する（図６（Ｂ）参照）。

また、ＰＳＡ装置４０の負荷変動運転中は、電磁開閉弁１５２は常時閉弁されており、水素ガス貯留タンク１０６から水素供給管４２を介して水素ガス利用者側に供給されていない。

なお、負荷変動運転時には、定格運転の排気停止過程は省略される。

したがって、図１３及び図１１に示すように、時刻Ｔ１３からパージ時間ｔｐ１経過後の時刻Ｔ１４で電磁開閉弁１１４Ａ、１３２Ａ、１３８Ａ、１３８Ｂが閉弁される。これにより、第１吸着塔１０２が原料ガス供給流路１０８と遮断されると共に、水素ガス貯留タンク１０６及びオリフィス１３６と遮断される。

また、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とのオリフィス１３６を介しての連通も遮断される。

このタイミングで、図１１に示すように、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが開弁される。これにより、第１吸着塔１０２の上流側と第２吸着塔１０４の上流側、第１吸着塔１０２の下流側と第２吸着塔１０４の下流側とが連通される。

このように、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４がオリフィス１３６を介さずに上流側と下流側とで連通されることにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４内の圧力が均等化される（均圧工程）。

さらに、図１３及び図１２に示すように、時刻Ｔ１４から均圧工程の設定時間Ｔｓ２経過後の時刻Ｔ１５で、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが閉弁され、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４との連通が遮断される（均圧工程が終了される）。

同時に、電磁開閉弁１１４Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８とが連通され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第２吸着塔１０４に改質ガスＧ５が供給される。すなわち、第２吸着塔１０４で吸着工程が開始される。

また、電磁開閉弁１２０Ａが開弁され、第１吸着塔１０２とオフガス排出流路１１６とが連通され、第１吸着塔１０２からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスが排出される。すなわち、第１吸着塔１０２で脱着工程が開始される。

以下、時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１５までのタイミングと同様に、時刻Ｔ１５からのタイミング（図１３において、時刻Ｔ１７以降、図示省略。）で電磁開閉弁の開閉制御が行われることにより、第１吸着塔１０２で脱着工程と均圧工程が行われ、第２吸着塔１０４で吸着工程と均圧工程が行われる。これは、吸着塔を入れ替えただけで動作は同様であるので詳細な説明を省略する。

なお、水素製造装置１０の負荷が９０％から７０％に変更された場合には、負荷の低減に伴って水素製造装置１０の改質器２０からＰＳＡ装置４０に供給される改質ガスＧ５の流量が低減される。この結果、吸着工程中の吸着塔、例えば第１吸着塔１０２の圧力上昇速度が低減され、第１吸着塔１０２の圧力が第２閾値Ｔｈ２に到達するまでのパージカット時間ｔｐｃが増大する。例えば、図１４に示すように、吸着塔内の圧力が第２閾値圧力Ｔｈ２に到達した時が時刻Ｔ２２となり、パージカット時間ｔｐｃ（＝Ｔ２２−Ｔ２０＞Ｔ１３−Ｔ１１（図１３参照））が増加してｔｃ以上ｔｄ未満となった場合には、パージ時間ｔｐはｔｐ１よりも長いｔｐ３に決定される（ｔｐ１＜ｔｐ２＜ｔｐ３＜ｔｐ４＜ｔｐ５）（図６（Ｂ）参照）。

このように、水素製造装置１０は、負荷が変更された場合でも脱着工程中の吸着塔、例えば第２吸着塔１０４に一定量の水素ガスを供給でき、吸着剤から不純物を脱着させることができると共に、パージ時間ｔｐを負荷に応じて適切に決定することで効率的に水素を生産することができる。

（効果）
このように、ＰＳＡ装置４０では、定格運転時に設定時間に基づいて各工程（吸着工程、脱着工程、均圧工程）や各過程（昇圧過程、水素送出過程、パージ過程、排気停止過程）等を切り換えることにより、簡単な制御で所定の純度の水素を製造することができる。

また、負荷変動運転時には、負荷変動運転制御プログラムに従って定格運転（定格運転制御プログラム）と異なる運転を行うことにより、以下の効果がある。

１．負荷変動運転において、吸着工程におけるパージカット過程の終了時を吸着工程中の吸着塔、例えば第１吸着塔１０２内の圧力が第２閾値圧力Ｔｈ２に到達した時に設定することによって、負荷変動による改質ガスＧ５の流量変動に基づく吸着塔内の圧力上昇速度の変化に対応して個別にパージカット過程（昇圧過程+水素送出過程）の時間を設定する必要がなくなり、ＰＳＡ装置４０の制御が簡略化される。

２．ＰＳＡ装置４０では、負荷変動運転時のパージ時間ｔｐをそのパージ過程直前のパージカット時間ｔｐｃに基づいて設定している。すなわち、パージカット時間ｔｐｃが長いほど、パージ時間ｔｐを長く設定している。これにより、水素製造装置１０は簡単な制御で、負荷変動（吸着塔に対する改質ガス流量変動）に拘らず、一定量の水素ガスを脱着工程中の吸着塔に供給することができ、その吸着塔の吸着剤から不純物を良好に除去できる。

また、パージカット時間に対応した適切なパージ時間を設定することにより、水素製造装置１０の水素ガスの生産性を向上させることができる。

さらに、図６（Ｂ）に示すように、パージカット時間ｔｐｃに応じて五段階にパージ時間ｔｐを設定したため、負荷変動に応じて脱着工程中の吸着塔に供給される水素ガス量を適切に管理することができ、無駄なく、かつ適切に吸着剤から不純物を除去できる。

特に、水素製造装置１０の負荷変動時、例えば、定格運転（負荷１００％）から負荷５０％に移行した場合、改質器２０は熱収支を取りながら改質ガスの供給量を減少させるため、漸減的に供給量を変化させることになる。この場合でもＰＳＡ装置４０では、五段階に設定されたパージ時間によって細かく対応でき、吸着剤から不純物を効率的に除去すると共に、パージ時間を適切に設定できる。

また、負荷変動運転時には、定格運転時の排気停止過程を省略しているため、制御が一層簡略化される。

さらに、ＰＳＡ装置４０は、各吸着塔を外部と遮断した後に電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂを開弁することで、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とをそれぞれ上流側、下流側で連通させて均圧化している。これにより、相対的に圧力が低い脱着工程側の吸着塔内の圧力を上昇させ、当該吸着塔の吸着剤に付着した不純物の拡散が抑制される。すなわち、ＰＳＡ装置４０の負荷変動運転時に吸着剤に付着した不純物を除去して所定の純度の製品水素ガスを精製するまでの時間を短縮することができる。

（その他）

本実施形態のＰＳＡ装置４０では、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を入れているが、均圧工程がないものでも良い。この場合には、負荷変動運転時に吸着工程のパージ過程終了後に、直ちに脱着工程に切り換えられる。

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０は、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の２つの吸着塔を有する構成であったが、３以上の吸着塔を有するものでも良い。

さらに、本実施形態のＰＳＡ装置４０は、負荷変動運転プログラムと定格運転プログラムを別プログラムとしたが、単一の運転プログラムで、例えば、負荷変動運転時のサブルーチンを有する
ものでも良い。

また、本実施形態では負荷変動運転時に、パージカット時間ｔｐｃの長さに応じて五段階のパージ時間ｔｐを設定したが、もっと細かく設定しても良いし、より少なく設定しても良い。あるいは、負荷変動運転時に、所定の関係式に基づいてパージカット時間ｔｐｃからパージ時間ｔｐを求める構成でも良い。この場合でもパージカット時間ｔｐｃが長いほど、パージ時間ｔｐが長くなるように設定されていれば良い。

さらに、本実施形態では、負荷変動運転においてパージカット時間ｔｐｃが長いほどパージ時間ｔｐが長くなるように設定したが、これに限定されるものではない。パージカット過程（水素送出過程）が設定圧力で終了されるように設定され、パージ過程が設定時間で制御されるように構成されていれば良い。すなわち、負荷変動運転時に、パージカット過程が圧力で制御され、パージ過程が時間で制御されるものであれば良い。

また、ＰＳＡ装置４０が均圧工程中にＰＳＡ制御部１７０で圧力センサ１６０の圧力をモニタリングすることにより、圧力センサ１６０で検出された圧力が閾値圧力以上となった場合に連絡流路管６４から水素製造装置１０の外部に改質ガスをベントする構成としても良い。

１０ 水素製造装置
２０ 改質器
３０ 圧縮機
４０ ＰＳＡ装置（ガス精製装置）
１０２ 第１吸着塔
１０４ 第２吸着塔
１１４Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１１４Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１２０Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１２０Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１２４Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１２４Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１３２Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１３２Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１３８Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１３８Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１４２Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１４２Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１５２ 電磁開閉弁（制御手段）
１６２ 圧力センサ（圧力検出手段）
１６４ 圧力センサ（圧力検出手段）
１７０ ＰＳＡ制御部（制御手段）

Claims (4)

1. 炭化水素を水蒸気改質し、水素ガス使用量に対応した量の改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された改質ガスから不純物を分離して水素ガスに精製するガス精製装置と、
   を備え、
   前記ガス精製装置は、前記改質ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記改質ガスから不純物を除去した水素ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、
   各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と
   装置の最大負荷で運転される定格運転時には各吸着塔の吸着工程において、前記吸着塔内の圧力を昇圧させ、前記水素ガスを送出するパージカット過程と、前記パージカット過程に続いて行われ前記水素ガスを脱着工程中の吸着塔に供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えると共に、装置の負荷が最大負荷から変動する負荷変動運転時には各吸着塔の吸着工程において前記圧力検出手段で検出された当該吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時に当該吸着塔を前記パージカット過程から前記パージ過程に切り換える制御手段と、
   を有する水素製造装置。
2. 前記負荷変動運転時において、前記パージ過程の設定時間は当該パージ過程直前の前記パージカット過程の実施時間に基づいて設定されており、前記実施時間が長いほど前記設定時間は長い請求項１記載の水素製造装置。
3. 炭化水素を水蒸気改質し、水素ガス使用量に対応した量の改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された改質ガスから不純物を分離して水素ガスに精製するガス精製装置と、
   を備え、
   前記ガス精製装置は、前記改質ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記改質ガスから不純物を除去した水素ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔を有し、
   装置の最大負荷で運転される定格運転時には各吸着塔の吸着工程において、前記吸着塔内の圧力を昇圧させ、前記水素ガスを送出するパージカット過程と、前記パージカット過程に続いて行われ前記水素ガスを脱着工程中の吸着塔に供給するパージ過程と、を設定時間に基づいて切り換えると共に、装置の負荷が最大負荷から変動する負荷変動運転時には各吸着塔の吸着工程において当該吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した時に当該吸着塔を前記パージカット過程から前記パージ過程に切り換える水素製造装置の制御方法。
4. 前記負荷変動運転時において、前記パージ過程の設定時間は当該パージ過程直前の前記パージカット過程の実施時間に基づいて設定されており、前記実施時間が長いほど前記設定時間は長い請求項３記載の水素製造装置の制御方法。

Images