JP7048321B2 - 水素製造制御装置、方法、及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、水素製造制御装置、水素製造制御方法、及び水素製造制御プログラムに関するものである。詳しくは、水素製造装置の各構成への改質ガスの流入を制御するための水素製造制御装置、水素製造制御方法、及び水素製造制御プログラムに関する。
従来、水素を得るための水素製造装置として、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、水蒸気改質器を出た改質ガスは、冷却器で冷却された後、CO変成器に送られ、CO変成器を出た変成ガスは、冷却され、ドラムなどの脱水機で水分を除去された後、公知の吸着剤を充填したPSA装置に供給される。
特開2001-261306号公報
PSA装置に供給される改質ガスが、PSA装置の定格の水素濃度を満たさない場合、すなわち、水素以外の不純物が多過ぎる場合、PSA装置において、改質ガスに含まれる不純物を十分に吸着することができず、十分な濃度の水素を精製できない可能性があると共に、PSA装置へ過度な負荷がかかるおそれがある。
本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、改質ガスが適切な状態で水素精製器へ流入するように制御することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る水素製造制御装置は、改質器から送出される改質ガスが、前記改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たすか否かを判定する判定部と、前記判定部により、前記改質ガスが前記定格の状態を満たすと判定された場合に、前記改質器から送出される改質ガスが、前記水素精製器側へ流入するように制御する制御部と、を含み、前記判定部は、前記改質器から送出された改質ガスを計測して得られる流量、及び前記改質器内の温度から推定される水素濃度、又は、前記改質器から送出された改質ガスの組成を分析して得られる水素濃度が、予め定めた所定濃度以上の場合に、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定し、前記制御部は、前記水素精製器へ流入する改質ガスの圧力が定格以上となるように制御するように構成される。
本発明に係る水素製造制御装置によれば、判定部が、改質器から送出される改質ガスが、改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たすか否かを判定し、制御部が、判定部により、改質ガスが定格の状態を満たすと判定された場合に、改質器から送出される改質ガスが、水素精製器側へ流入するように制御する。これにより、改質ガスが適切な状態で水素精製器へ流入するように制御することができる。
また、本発明に係る水素製造制御装置の前記判定部は、前記改質器から送出された改質ガスを計測して得られる流量、及び前記改質器内の温度から推定される水素濃度、又は前記改質器から送出された改質ガスの組成を分析して得られる水素濃度が、予め定めた所定濃度以上の場合に、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定する。これにより、不純物を多く含む改質ガスが水素精製器に流入することを防止することができる。前記判定部は、前記流量及び前記改質器内の温度から水素濃度を推定する場合、前記計測して得られる流量と、前記改質器内の温度と、予め特定しておいた、改質ガスの流量及び改質器内の温度と水素濃度との関係とに基づいて、前記改質ガスの水素濃度を推定してよい。
また、本発明に係る水素製造制御装置の前記制御部は、前記改質器と後段の構成とを接続する流路に設けられたバルブの開閉を制御することにより、前記改質器から送出される改質ガスの前記水素精製器側への流入を制御することができる。これにより、水素製造装置に複雑な構成を追加することなく、改質ガスの流れを制御することができる。
また、本発明に係る水素製造制御装置の前記制御部は、前記判定部により、前記改質ガスが前記定格の状態を満たさないと判定された場合、前記改質器から送出された改質ガスを排出するか、又は、前記改質器を駆動するための燃料として前記改質器に戻すように制御する。これにより、定格の状態を満たさない改質ガスが後段の構成へ流入することを防止することができると共に、改質ガスを改質器に戻す場合には、省エネルギーの効果もある。
また、本発明に係る水素製造制御装置の前記制御部は、前記改質器から送出される改質ガスが、前記水素精製器側へ流入するように制御する場合、前記水素精製器へ流入する改質ガスの圧力が定格以上となるように制御することができる。これにより、水素精製器が十分に機能しないような低い圧力の改質ガスが水素精製器に流入することを防止することができる。
また、本発明に係る水素製造制御方法は、コンピュータが、改質器から送出される改質ガスが、前記改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たすか否かを判定し、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定された場合に、前記改質器から送出される改質ガスが、前記水素精製器側へ流入するように制御し、前記定格の状態を満たすか否かの判定において、前記改質器から送出された改質ガスを計測して得られる流量、及び前記改質器内の温度から推定される水素濃度、又は、前記改質器から送出された改質ガスの組成を分析して得られる水素濃度が、予め定めた所定濃度以上の場合に、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定し、前記改質ガスを前記水素精製器側へ流入するように制御する際に、前記水素精製器へ流入する改質ガスの圧力が定格以上となるように制御することを含む処理を実行する方法である。
また、本発明に係る水素製造制御プログラムは、コンピュータを、上記の水素製造制御装置の各部として機能させるためのプログラムである。
本発明の水素製造制御装置、方法、及びプログラムによれば、改質器から送出される改質ガスが、改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たす場合に、改質器から送出される改質ガスが、水素精製器側へ流入するように制御されるため、改質ガスが適切な状態で水素精製器へ流入するように制御することができる。
水素製造制御装置及び水素製造装置の概略構成を示すブロック図である。 水素製造制御装置の機能ブロック図である。 水素製造制御装置として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。 水素製造制御処理の一例を示すフローチャートである。 水素製造制御装置及び水素製造装置の概略構成の他の例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る水素製造制御装置の一例について詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る水素製造制御装置10は、水素製造装置20の各部と信号線22A、22B、22C、22D、22Eで接続されており、水素製造装置20における改質ガスの流れを制御する。
水素製造装置20は、図1に概略的に示すように、改質器24と、昇圧前水分離部26と、圧縮機28と、昇圧後水分離部30と、バッファボリューム32と、PSA(Pressure Swing Adsorption)装置34とを備える。PSA装置34は、本発明の水素精製器の一例である。水素製造装置20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20の構成として、本実施形態に係る水素製造制御装置10による改質ガスの流れの制御を説明するために必要な構成を概略的に示しており、水素製造装置20は、他の構成を含んでいてもよい。
改質器24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24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CO変成触媒層を備える。改質ガスG2では、改質ガスG1に比べ、一酸化炭素が低減される。
改質器24は、流路管36を介して、昇圧前水分離部26と接続されており、改質器24で生成された改質ガスG2は、昇圧前水分離部26へ流入する。
昇圧前水分離部26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26の気体室に流入した改質ガスG2は、液体室の図示しない冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、水が凝縮されて分離される。昇圧前水分離部26は、流路管38を介して、圧縮機28と接続されており、昇圧前水分離部26で、改質ガスG2から水が分離した改質ガスG3は、圧縮機28へ流入する。
圧縮機28は、昇圧前水分離部26から供給された大気圧の改質ガスG3をポンプで圧縮する。圧縮機28は、流路管40を介して、昇圧後水分離部30と接続されており、圧縮機28で圧縮された改質ガスG4は、昇圧後水分離部30へ流入する。
昇圧後水分離部30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30の気体室に流入した改質ガスG4は、液体室の図示しない冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、水が凝縮されて分離される。昇圧後水分離部30は、流路管42を介して、バッファボリューム32と接続されており、昇圧後水分離部30で、改質ガスG4から水が分離した改質ガスG5は、バッファボリューム32へ流入する。
バッファボリューム32は、昇圧後水分離部30から供給される改質ガスG5を蓄積する。バッファボリューム32は、流路管44を介して、PSA装置34と接続されており、バッファボリューム32で一旦蓄積された改質ガスG5は、PSA装置34へ流入する。
PSA装置34は、吸着剤のガスに対する吸着特性の違いを利用して、改質ガスG5を水素と不純物とに分離することで、水素を精製する。
また、改質器24内には温度計46が設けられる。温度計46は、例えば、改質器24内の改質触媒層内部に設けられ、改質触媒層内部の温度を測定する。温度計46は、信号線22Aを介して、水素製造制御装置10と接続されている。
また、バッファボリューム32には、圧力計48が設けられる。圧力計48は、バッファボリューム32内の圧力を測定する。圧力計48は、信号線22Dを介して、水素製造制御装置10と接続されている。
また、昇圧前水分離部26と圧縮機28との間の流路管38からは、排ガス管50が分離している。排ガス管50には、第1バルブ52が設けられている。また、流路管38には、第2バルブ54が設けられている。また、バッファボリューム32とPSA装置34との間の流路管44には、第3バルブ56が設けられている。第1バルブ52は、信号線22Bを介して、水素製造制御装置10と接続され、第2バルブ54は、信号線22Cを介して、水素製造制御装置10と接続され、第3バルブ56は、信号線22Eを介して、水素製造制御装置10と接続されている。
第1バルブ52、第2バルブ54、及び第3バルブ56の各々は、バルブを開閉するための駆動機構を備える。水素製造制御装置10からの制御信号に基づいて、駆動機構が駆動制御され、各バルブの開閉が制御される。
水素製造制御装置10は、機能的には、図2に示すように、判定部12と、制御部14とを含んだ構成で表すことができる。
判定部12は、温度計46で測定された改質器24内部の温度を取得し、取得した温度に基づいて、改質器24から下流側の構成へ向けて流れる改質ガスG2が、PSA装置34における定格の状態を満たすか否かを判定する。
PSA装置34における定格の状態とは、例えば、PSA装置34に流入する改質ガスに含まれる水素の濃度が所定値以上の状態である。PSA装置34に流入する改質ガスに水素以外の不純物が多く含まれる場合には、吸着剤で不純物を十分に吸着することができず、精製される水素の濃度が定格の濃度を満たさないものとなる可能性があると共に、PSA装置34へ過度な負荷がかかるおそれがある。
また、水素製造装置20の起動直後などでは、改質器24の温度が十分に上昇しておらず、改質ガス生成のための反応が十分に進んでいない場合がある。そのような状態で生成された改質ガスは、水素以外の不純物を多く含むものとなっている。
そこで、PSA装置34に流入する改質ガスに含まれる水素の濃度として、PSA装置34が十分に機能する値を、定格の状態を示す所定値(例えば、改質ガスに含まれる水素の割合が70%以上)として定めておく。また、事前の実験などにより、改質器24から送出される改質ガスが、定格の状態を満たすときの改質器24内の温度の範囲を特定して、閾値(例えば、600℃以上)として設定しておく。
判定部12は、温度計46から取得した温度が閾値の温度範囲に含まれる場合には、改質器24から送出される改質ガスG2が、PSA装置34における定格の状態を満たすと判定する。一方、判定部12は、温度計46から取得した温度が閾値の温度範囲外の場合には、改質器24から送出される改質ガスG2が、PSA装置34における定格の状態を満たさないと判定する。判定部12は、判定結果を制御部14に通知する。
また、判定部12は、圧力計48で測定されたバッファボリューム32内の圧力を取得し、取得した圧力が、PSA装置34へ流入する改質ガスの圧力の定格以上か否かを判定する。PSA装置34へ流入した改質ガスの圧力が低い場合、吸着剤への不純物の吸着が十分に行われない場合がある。
そこで、判定部12は、PSA装置34において、不純物が吸着剤に吸着するために十分な改質ガスの圧力を予め閾値として設定しておき、上述のように、この閾値と、圧力計48から取得した圧力とを比較して、バッファボリューム32内の圧力が閾値以上か否かを判定する。判定部12は、判定結果を制御部14に通知する。
制御部14は、改質器24から送出された改質ガスG2がPSA装置34へ流入しない状態で水素製造装置20を起動するための制御信号を、水素製造装置の各部に送信する。具体的には、制御部14は、第1バルブ52を開くための制御信号を第1バルブ52へ送信し、第2バルブ54を閉じるための制御信号を第2バルブ54へ送信し、第3バルブ56を閉じるための制御信号を第3バルブ56へ送信した後、水素製造装置20を起動させる。これにより、制御部14は、水素製造装置20の起動直後に、改質器24から送出された改質ガスG2が後段の構成側へ流入しないように制御する。
また、制御部14は、判定部12から通知された改質器24の温度についての判定結果が、定格の状態を満たさないことを示すものである間は、各バルブの開閉を制御することなく、改質器24から送出された改質ガスG2が後段の構成側へ流入しない状態を維持する。これにより、改質器24から送出された改質ガスG2は、昇圧前水分離部26を経て改質ガスG3となった後、排ガス管50から排出される。したがって、不純物が多く含まれる改質ガスG5がPSA装置34へ流入することを防ぐことができる。
一方、制御部14は、判定部12から、改質器24の温度が定格の状態を満たすことを示す判定結果が通知された場合、改質器24から送出された改質ガスG2が後段の構成側へ流入するように制御する。具体的には、制御部14は、第2バルブ54を開くための制御信号を第2バルブ54へ送信した後、第1バルブ52を閉じるための制御信号を第1バルブ52へ送信する。これにより、改質器24から送出された改質ガスG2は、昇圧前水分離部26を経て改質ガスG3となり、流路管38から圧縮機28へ流入する。この段階では、第3バルブ56が閉じた状態であるため、改質ガスG5はPSA装置34へ流入しない。
さらに、制御部14は、判定部12から通知されたバッファボリューム32の圧力についての判定結果が、定格の圧力未満であることを示すものである間は、第3バルブ56の開閉を制御することなく、昇圧後水分離部30から送出された改質ガスG5がPSA装置34へ流入しない状態を維持する。これにより、昇圧後水分離部30から送出された改質ガスG5は、バッファボリューム32に蓄積される。したがって、低い圧力の改質ガスG5がPSA装置34へ流入することを防ぐことができる。
一方、制御部14は、判定部12から、バッファボリューム32の圧力が定格以上であることを示す判定結果が通知された場合、バッファボリューム32からPSA装置34へ改質ガスG5が流入するように制御する。具体的には、制御部14は、第3バルブ56を開くための制御信号を第3バルブ56へ送信する。これにより、水素濃度及び圧力がPSA装置34の定格を満たす改質ガスG5がPSA装置34へ流入することになる。
水素製造制御装置10は、図3に示すようなコンピュータ60で実現することができる。コンピュータ60は、CPU62と、水素製造制御処理を実行するためのプログラムが記憶されたROM64と、一時記憶領域としてのRAM66と、入出力インターフェース(I/F)68とを含む。入出力I/F68には、信号線22A~22Eを介して、温度計46、圧力計48、第1バルブ52、第2バルブ54、及び第3バルブ56が接続される。
次に、本実施形態に係る水素製造制御装置10の作用について説明する。水素製造装置20の起動が指示されると、水素製造制御装置10において、図4に示す水素製造制御処理が実行される。なお、水素製造制御処理は、本発明の水素製造制御方法の一例である。
ステップS12で、制御部14が、第1バルブ52を開くための制御信号を第1バルブ52へ送信し、第2バルブ54を閉じるための制御信号を第2バルブ54へ送信し、第3バルブ56を閉じるための制御信号を第3バルブ56へ送信した後、水素製造装置20を起動させる。
次に、ステップS14で、判定部12が、温度計46で測定された改質器24内の温度を取得する。
次に、ステップS16で、判定部12が、取得した改質器24内の温度が、PSA装置34の定格の状態を満たす温度として予め定めた閾値の温度範囲内か否かを判定する。取得した温度が閾値の温度範囲内の場合には、判定部12が、改質器24内の温度が定格の状態を満たすことを示す判定結果を制御部14に通知し、ステップS18へ移行する。一方、取得した温度が閾値の温度範囲外の場合には、ステップS14に戻る。
ステップS18では、制御部14が、第2バルブ54を開くための制御信号を第2バルブ54へ送信し、次のステップS20で、制御部14が、第1バルブ52を閉じるための制御信号を第1バルブ52へ送信する。
次に、ステップS22で、判定部12が、圧力計48で測定されたバッファボリューム32内の圧力を取得する。
次に、ステップS24で、判定部12が、取得した圧力が、PSA装置34の定格の圧力として予め定めた閾値以上か否かを判定する。取得した圧力が閾値以上の場合には、判定部12が、バッファボリューム32内の圧力が定格以上であることを示す判定結果を制御部14に通知し、ステップS26へ移行する。一方、取得した圧力が閾値未満の場合には、ステップS22に戻る。
ステップS26では、制御部14が、第3バルブ56を開くための制御信号を第3バルブ56へ送信し、水素製造制御処理は終了する。
以上説明したように、本実施形態に係る水素製造制御装置は、改質器内の温度が、PSA装置における定格の状態を満たす温度範囲の場合に、改質器から送出される改質ガスがPSA装置側へ流入するように制御する。これにより、改質ガスが適切な状態でPSA装置へ流入するように制御することができる。
なお、上記の水素製造制御処理では、水素製造装置20の起動時の処理として説明したが、これに限定されない。温度計46の測定値を常時監視し、改質器24から送出された改質ガスがPSA装置34側へ流入するように制御されている状態において、判定部12により、改質器24内の温度が定格の状態を満たさないと判定された際に、改質器24から送出された改質ガスがPSA装置34側へ流入しないように制御してもよい。これにより、改質器24の異常などにより、不純物を多く含む改質ガスが改質器24から送出されてしまった場合などにも、不適切な状態の改質ガスがPSA装置へ流入することを防止することができる。
同様に、圧力計48の測定値を常時監視し、バッファボリューム32からPSA装置34へ改質ガスが流入している状態で、判定部12により、バッファボリューム32の圧力が閾値以下になったことが判定された際に、バッファボリューム32からPSA装置34へ改質ガスが流入しないように制御してもよい。これにより、改質器24からバッファボリューム32に至る改質ガスの流路のいずれかの箇所において異常が生じた場合にも、圧力の低い改質ガスがPSA装置34に流入することを防止することができる。
また、第1バルブ52及び第2バルブ54の位置は、上記実施形態で説明した位置に限定されない。改質器24から送出された改質ガスのPSA装置34への流入を制御できればよく、改質器24とPSA装置34との間のいずれかの箇所とすることができる。
また、上記実施形態では、改質器24から送出された改質ガスをPSA装置34側に流入させないように制御する場合、排ガス管50から改質ガスを排出する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図5に示すように、流路管38から分離した流路管250を改質器24に接続し、改質ガスを改質器24に供給し、改質器24を駆動するための燃料として利用するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、改質器24内の温度に基づいて、改質器24から送出される改質ガスの状態が、PSA装置34における定格の状態か否かを判定する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図5に示すように、第1バルブ52及び第2バルブ54の上流に、改質ガスの組成を分析する分析装置246を設け、この分析装置246の分析結果から得られる改質ガスの水素濃度に基づいて判定してもよい。また、第1バルブ52及び第2バルブ54の上流に、改質ガスの流量を測定する流量計を設けて、流量計で測定された改質ガスの流量と、改質器内に設けられた温度計で測定された温度と、予め実験などにより特定しておいた、改質ガスの流量及び改質器内の温度と水素濃度との関係とに基づいて、改質ガスの水素濃度を推定し、推定結果に基づいて判定してもよい。
また、上記実施形態では、水素精製器の一例として、PSA装置を用いる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、改質ガスから水蒸気を通過(透過)させる分離膜と、分離膜によって仕切られている供給室及び透過室とを有する分離器を、水素精製器として用いてもよい。図1又は図5の水素製造装置の構成において、PSA装置の変わりに分離器を用いる場合、バッファボリュームから分離器の供給室へ改質ガスが供給され、改質ガスに含まれる水蒸気は、分離膜を通過して供給室から透過室へ流れる。そして、水蒸気が分離された改質ガスは、精製された水素として供給室から排出される。水素精製器として分離器を用いる場合であっても、上記実施形態と同様に、改質器内の温度や皆朱付から送出される水素濃度、及びバッファボリュームの圧力が、分離器の定格を満たす場合に、改質ガスが分離器に流入するように、改質ガスの流れを制御すればよい。
10 水素製造制御装置
12 判定部
14 制御部
20 水素製造装置
22A、22B、22C、22D、22E 信号線
24 改質器
26 昇圧前水分離部
28 圧縮機
30 昇圧後水分離部
32 バッファボリューム
34 PSA装置
36、38、40、42、44、250 流路管
46 温度計
48 圧力計
50 排ガス管
52 第1バルブ
54 第2バルブ
56 第3バルブ
60 コンピュータ
62 CPU
64 ROM
66 RAM
246 分析装置

Claims (6)

  1. 改質器から送出される改質ガスが、前記改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たすか否かを判定する判定部と、
    前記判定部により、前記改質ガスが前記定格の状態を満たすと判定された場合に、前記改質器から送出される改質ガスが、前記水素精製器側へ流入するように制御する制御部と、を含み、
    前記判定部は、前記改質器から送出された改質ガスを計測して得られる流量、及び前記改質器内の温度から推定される水素濃度、又は、前記改質器から送出された改質ガスの組成を分析して得られる水素濃度が、予め定めた所定濃度以上の場合に、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定し、
    前記制御部は、前記水素精製器へ流入する改質ガスの圧力が定格以上となるように制御する
    素製造制御装置。
  2. 前記判定部は、前記流量及び前記改質器内の温度から水素濃度を推定する場合、前記計測して得られる流量と、前記改質器内の温度と、予め特定しておいた、改質ガスの流量及び改質器内の温度と水素濃度との関係とに基づいて、前記改質ガスの水素濃度を推定する請求項1に記載の水素製造制御装置。
  3. 前記制御部は、前記改質器と後段の構成とを接続する流路に設けられたバルブの開閉を制御することにより、前記改質器から送出される改質ガスの前記水素精製器側への流入を制御する請求項1又は請求項2に記載の水素製造制御装置。
  4. 前記制御部は、前記判定部により、前記改質ガスが前記定格の状態を満たさないと判定された場合、前記改質器から送出された改質ガスを排出するか、又は、前記改質器を駆動するための燃料として前記改質器に戻すように制御する請求項1~請求項のいずれか1項に記載の水素製造制御装置。
  5. コンピュータが、
    改質器から送出される改質ガスが、前記改質器の下流側に設けられた水素精製器における定格の状態を満たすか否かを判定し、
    前記改質ガスが前記定格の状態を満たすと判定された場合に、前記改質器から送出される改質ガスが、前記水素精製器側へ流入するように制御し、
    前記定格の状態を満たすか否かの判定において、前記改質器から送出された改質ガスを計測して得られる流量、及び前記改質器内の温度から推定される水素濃度、又は、前記改質器から送出された改質ガスの組成を分析して得られる水素濃度が、予め定めた所定濃度以上の場合に、前記改質ガスが、前記定格の状態を満たすと判定し、
    前記改質ガスを前記水素精製器側へ流入するように制御する際に、前記水素精製器へ流入する改質ガスの圧力が定格以上となるように制御する
    ことを含む処理を実行する水素製造制御方法。
  6. コンピュータを、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の水素製造制御装置の各部として機能させるための水素製造制御プログラム。
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