JP7129321B2 - 水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラム - Google Patents

Description

本開示の技術は、水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムに関する。

炭化水素を含む都市ガス等を原料ガスとして、水素を製造する水素製造装置が開発されている（特許文献１参照）。水素製造装置は、主として改質器と一酸化炭素変成器と水素精製装置とで構成される。改質器は、６００℃～７５０℃程度の温度環境下、かつ改質触媒の存在下において、原料ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させ、一酸化炭素と水素とを生成し、改質ガスとして一酸化炭素変成器に出力する。一酸化炭素変成器は、２００℃～４５０℃の温度環境下、かつ変成触媒の存在下において、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応（一酸化炭素変成反応）させ、二酸化炭素と水素とを生成し、変成ガスとして水素精製装置に出力する。

水素精製装置は、変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧、例えば常圧まで減圧して不純物を吸着剤層から脱着させる脱着工程とを繰り返す圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置）である。ＰＳＡ装置は、一酸化炭素変成器からの変成ガスを、水素と、不純物を成分とするオフガスとに分離する。ここで、ＰＳＡ装置において、変成ガスからオフガスと分離することで精製された水素は、製品水素と呼ばれる。

改質器は、器内に充填された水蒸気改質反応用の改質触媒を上記温度に加熱するためのバーナを有している。バーナの燃料は、例えば原料ガスと同じ都市ガスであり、燃焼用の空気とともにバーナに供給される。

また、ＰＳＡ装置で製品水素に精製したときに出るオフガスも、燃料となる炭化水素や水素を含んでいるため、バーナの燃料として用いられる。具体的には特許文献１に記載されているように、ＰＳＡ装置とバーナとの間に、オフガスを貯留するオフガスタンクを設ける。そして、オフガスタンクを通じてオフガスをバーナに供給する。オフガスタンクとバーナとの間にはバルブが設けられており、このバルブを開閉制御することで、バーナへのオフガスの供給と供給停止とが切り替えられる。

特開２０１６－１２４７５９号公報

オフガスの発生量は一定ではなく変動する。オフガスの発生量が変動すると、オフガスタンク内の圧力も変動する。このため、オフガスタンク内の圧力が、バーナにオフガスを安定して供給することができる下限値よりも低くなってしまうことがあった。その場合は、オフガスタンクからバーナにオフガスを安定して供給することができなくなり、結果として製品水素の精製量が低下してしまう。

本開示の技術は、製品水素の精製量の低下を抑制することが可能な水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の水素製造装置は、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部とを備える。

前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力スイング吸着装置で精製される前記製品水素の要求品質を満たす範囲で、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記吸着工程の時間を短くする制御を行うことが好ましい。

前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記改質器への前記原料ガスの供給量を増やす制御を行うことが好ましい。

前記オフガスタンクと前記バーナとの間に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの動作を制御して、前記バーナに供給される前記オフガスの流量を設定値に保つ制御をする流量制御部とを備えることが好ましい。

前記改質器内の温度を測定する温度センサを備え、前記流量制御部は、前記温度センサで測定された前記温度に応じて前記設定値を変更することが好ましい。

前記設定値は、前記圧力スイング吸着装置の前記製品水素の精製量が規定量以上となる値であることが好ましい。

前記圧力センサで測定された前記圧力が上限値以上の場合に、前記オフガスタンク内の前記オフガスを外部に排出するベント機構を備えることが好ましい。

本開示の水素製造装置の作動方法は、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動方法であって、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得ステップと、前記取得ステップにおいて取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御ステップとを備える。

本開示の水素製造装置の作動プログラムは、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動プログラムであって、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部として、コンピュータを機能させるプログラムである。

本開示の技術によれば、製品水素の精製量の低下を抑制することが可能な水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムを提供することができる。

水素製造装置を示す図である。 制御部のブロック図である。 回復制御部によるオフガスタンク内の圧力の制御の様子を示す図である。 オフガスタンク内の圧力に応じた、ＰＳＡ装置の吸着工程の時間を変更する回復制御を示す図である。 流量制御部による流量制御バルブの動作制御の様子を示す図である。 改質器温度－設定値テーブルを示す図である。 オフガスタンク内の圧力に応じた、改質器兼一酸化炭素変成器への原料ガスの供給量を変更する回復制御を示す図である。

［第１実施形態］
図１において、水素製造装置２は、改質器兼一酸化炭素変成器１０と、ＰＳＡ装置１１と、オフガスタンク１２と、流量制御バルブ１３と、制御部１４とを備える。

改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質器と一酸化炭素変成器が一体化されたものである。より具体的には、改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質触媒が充填された内筒と、変成触媒が充填された外筒とを含む４重筒構造である。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、原料ガスが供給される原料ガスポート２０と、水が供給される水ポート２１とを有する。原料ガスは炭化水素を含むガスであり、例えばメタンを主成分とする都市ガスである。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、水ポート２１からの水を水蒸気とする。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、６００℃～７５０℃程度の温度環境下、かつ改質触媒の存在下において、原料ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させる。そして、一酸化炭素と水素とを生成し、改質ガスとする。なお、改質触媒は、例えばニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等である。

また、改質器兼一酸化炭素変成器１０は、２００℃～４５０℃の温度環境下、かつ変成触媒の存在下において、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応（一酸化炭素変成反応）させる。そして、二酸化炭素と水素とを生成し、変成ガスとする。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、変成ガスポート２２を通じて、変成ガスをＰＳＡ装置１１に向けて出力する。なお、変成触媒は、例えば鉄－クロム系触媒、銅－亜鉛系触媒等である。

変成ガスポート２２には、第１除湿器２３および圧縮機２４が接続されている。第１除湿器２３は、変成ガスポート２２からの変成ガスを冷却し、変成ガス中に含まれる水蒸気を凝結して結露させ、水に戻す。こうして第１除湿器２３によって戻された水は、改質器兼一酸化炭素変成器１０の水ポート２１に供給されて再利用される。圧縮機２４は、第１除湿器２３からの除湿後の変成ガスを圧縮して高圧状態とし、ＰＳＡ装置１１に供給する。

改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質触媒を上記温度に加熱するためのバーナ２５を有している。バーナ２５には、燃料ガスと燃焼用の空気が供給される。燃料ガスは、例えば原料ガスと同じ都市ガスである。また、バーナ２５には、詳しくは後述するように、ＰＳＡ装置１１で製品水素に精製したときに出るオフガスも供給される。

改質器兼一酸化炭素変成器１０には、排ガスポート２６が設けられている。排ガスポート２６は、バーナ２５で消費しきれなかった燃料ガスや空気、あるいは水蒸気といった排ガスを外部に排出するためのものである。排ガスには、微量ではあるが一酸化炭素も含まれている。

排ガスポート２６には、第２除湿器２７が接続されている。第２除湿器２７は、第１除湿器２３と同様に、排ガスポート２６からの排ガスを冷却し、排ガス中に含まれる水蒸気を凝結して結露させ、水に戻す。こうして第２除湿器２７によって戻された水は、第１除湿器２３によって戻された水と同じく、改質器兼一酸化炭素変成器１０の水ポート２１に供給されて再利用される。なお、図１では、各除湿器２３、２７によって戻された水のみが水ポート２１に供給されるように描かれているが、実際、水ポート２１には、主に純水が供給される。

改質器兼一酸化炭素変成器１０は、器内の温度、より詳しくはバーナ２５で加熱される改質触媒の温度を測定する温度センサ２８を備えている。温度センサ２８は、例えば、改質触媒が充填された内筒と、変成触媒が充填された外筒との間であって、改質触媒から改質ガスが出される箇所に取り付けられる。温度センサ２８は、測定した温度を制御部１４に出力する。

ＰＳＡ装置１１は、第１吸着塔３０Ａおよび第２吸着塔３０Ｂを有する。各吸着塔３０Ａ、３０Ｂには、例えば、ゼオライト系吸着剤、活性炭、シリカゲル等を組み合わせた吸着剤が、層構造をなして充填されている。

各吸着塔３０Ａ、３０Ｂは、改質器兼一酸化炭素変成器１０からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧、例えば常圧まで減圧して不純物を吸着剤層から脱着させる脱着工程とを繰り返す（図４参照）。また、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂは、一方が吸着工程を実施しているときに他方は脱着工程を実施する、というように、吸着工程と脱着工程を互い違いに実施する（図４参照）。こうした動作により、ＰＳＡ装置１１は、改質器兼一酸化炭素変成器１０からの変成ガスを、製品水素と、不純物を主成分とするオフガスとに分離する。なお、脱着工程における規定圧は、上記の常圧に限らない。

オフガスは、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んでいる。また、オフガスは、水素を含んでいる。このように、オフガスは、燃料となる炭化水素や水素を含んでいるため、バーナ２５に供給されてバーナの燃料として用いられる。

オフガスタンク１２は、第１オフガス供給路３１によりＰＳＡ装置１１と、第２オフガス供給路３２によりバーナ２５と、それぞれ接続されている。オフガスタンク１２には、第１オフガス供給路３１を介して、ＰＳＡ装置１１からオフガスが供給される。オフガスタンク１２は、供給されたオフガスを貯留する。オフガスタンク１２に貯留されたオフガスは、第２オフガス供給路３２を介してバーナ２５に供給される。

第１オフガス供給路３１には、開閉バルブ３３が設けられている。開閉バルブ３３は、全開、全閉の２つの状態を切り替え可能である。

第２オフガス供給路３２には、流量制御バルブ１３が設けられている。流量制御バルブ１３は、流量計に流量制御機能をもたせたいわゆるマスフローコントローラであり、オフガスの流量の測定と開度の調整が可能である。例えば全開を１０、全閉を０とした場合に、０～１０の間で、０．１刻みで開度の調整が可能である。

オフガスタンク１２には、内部の圧力を測定する圧力センサ４０が取り付けられている。圧力センサ４０は、測定した圧力を制御部１４に出力する。

また、オフガスタンク１２には、内部のオフガスを外部に排出するベント機構４５が接続されている。ベント機構４５は、オフガスを排出するためのオフガス排出路４６と、オフガス排出路４６に設けられた開閉バルブ４７と、オフガスを焼却して無害化するフレアスタック４８とで構成される。開閉バルブ４７は、開閉バルブ３３と同じく、全開、全閉の２つの状態を切り替え可能である。なお、フレアスタック４８の代わりに三元触媒コンバータを設けて、オフガスを無害化してもよい。

制御部１４は、ＰＳＡ装置１１、圧縮機２４、バーナ２５、開閉バルブ３３、４７、流量制御バルブ１３といった水素製造装置２の各部の動作を制御する。具体的には、制御部１４は、ＰＳＡ装置１１の各吸着塔３０Ａ、３０Ｂによる吸着工程と脱着工程の動作およびその実施タイミングを制御する（図４参照）。また、制御部１４は、圧縮機２４の送出圧力、バーナ２５の点火、消火動作等を制御する。また、制御部１４は、ＰＳＡ装置１１の各吸着塔３０Ａ、３０Ｂからオフガスが発生しているときは開閉バルブ３３を全開状態とし、オフガスが発生していないときは開閉バルブ３３を全閉状態とする。

図２において、記憶部５０には、作動プログラム５１が記憶されている。記憶部５０は、例えばハードディスクドライブである。作動プログラム５１は、本開示の技術に係る「水素製造装置の作動プログラム」の一例である。制御部１４は、作動プログラム５１を実行することで、図示しない作業メモリ等と協働して、第１取得部５５、回復制御部５６、第２取得部５７、および流量制御部５８として機能する。すなわち、制御部１４は、本開示の技術に係る「コンピュータ」の一例である。

第１取得部５５は、圧力センサ４０からオフガスタンク１２内の圧力を取得する。すなわち、第１取得部５５は、本開示の技術に係る「取得部」の一例である。また、この第１取得部５５において圧力を取得するステップが、本開示の技術に係る「取得ステップ」の一例である。第１取得部５５は、取得した圧力を回復制御部５６に出力する。

図３のステップＳＴ－Ａに示すように、回復制御部５６は、取得部５５において取得した圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力を下限値以上に回復させる制御（以下、回復制御）を行う。なお、ステップＳＴ－Ａは、本開示の技術に係る「回復制御ステップ」の一例である。

また、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値を下回っている場合は、開閉バルブ４７を全閉状態とする。一方、図３のステップＳＴ－Ｂに示すように、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値以上の場合、開閉バルブ４７を全開状態とし、オフガスタンク１２内のオフガスをベント機構４５に排出し、圧力を上限値よりも低くする。なお、開閉バルブ４７を全開状態から全閉状態に戻す時間は、オフガスタンク１２内の圧力が上限値よりも低くなるために十分な時間である。

図４は、回復制御部５６による回復制御の具体例を示したものである。すなわち、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合は、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間をＴ１とする。また、脱着工程の時間も同じくＴ１とする。対して、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を、Ｔ１よりも短いＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）とする。また、脱着工程の時間も同じくＴ２とする。つまり、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力が下限値以上の場合よりも、吸着工程の時間を短くする制御を行う。Ｔ１は例えば２分であり、Ｔ２は例えば１分５５秒である。なお、吸着工程の前には昇圧工程が、脱着工程の前には減圧工程が、それぞれ実施される。

こうして吸着工程および脱着工程の時間を短くする（吸着工程および脱着工程のサイクルを早くする）と、ＰＳＡ装置１１の製品水素の純度は低下する。このため、回復制御部５６は、ＰＳＡ装置１１の製品水素の要求品質を満たす範囲で、吸着工程の時間を短くする。

ここで、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合の吸着工程および脱着工程の時間Ｔ１は、製品水素の要求品質を満たすために十分に余裕をもった値が設定されている。このため、時間Ｔ２をある程度短くしても、製品水素が要求品質から外れてしまう懸念はない。

図２において、第２取得部５７は、温度センサ２８から改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度を取得する。第２取得部５７は、取得した温度を流量制御部５８に出力する。

流量制御部５８は、流量制御バルブ１３からのオフガスの流量の測定値に基づいて流量制御バルブ１３の動作を制御して、バーナ２５に供給されるオフガスの流量を設定値に保つ制御をする。加えて、流量制御部５８は、温度センサ２８で測定された温度に応じて設定値を変更する。ここで設定値は、製品水素の精製量が規定量以上となる値である。

図５は、流量制御部５８による流量制御バルブ１３の動作制御の様子を示す。ステップＳＴ－Ｃに示すように、流量制御バルブ１３からのオフガスの流量の測定値（実線で示す）が設定値（破線で示す）を下回った場合、流量制御部５８は、流量制御バルブ１３の開度を上げる。一方、ステップＳＴ－Ｄに示すように、測定値が設定値を上回った場合、流量制御部５８は、流量制御バルブ１３の開度を下げる。

図６は、温度センサ２８で測定された温度（改質器温度）に対する設定値を記憶した改質器温度－設定値テーブル６０の例である。すなわち、改質器温度が定格温度の場合の設定値（正規化して１とする）から、改質器温度が定格温度からずれた量（＋１０、－１０等）に応じて、設定値が僅かずつ変更されている。流量制御部５８は、こうした改質器温度－設定値テーブル６０にしたがって設定値を変更する。なお、実際の設定値の変更量は、改質器温度が定格温度から１０℃下がった場合に、改質器温度が定格温度の場合の設定値よりも１Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）増やすといった程度である。

次に、上記構成による作用について説明する。まず、改質器兼一酸化炭素変成器１０に、原料ガスポート２０を介して原料ガスが、水ポート２１を介して水が、それぞれ供給される。改質器兼一酸化炭素変成器１０内に充填された改質触媒は、バーナ２５によって、６００℃～７５０℃程度に加熱されている。水ポート２１からの水は水蒸気とされる。原料ガスと水蒸気とは、改質触媒の存在下において反応し、改質ガスとされる。改質ガスは、さらに変成触媒の存在下において水蒸気と反応し、変成ガスとされる。

変成ガスは、変成ガスポート２２を通じてＰＳＡ装置１１に向けて出力される。変成ガスポート２２から出力された変成ガスは、第１除湿器２３において除湿された後、圧縮機２４において高圧状態とされ、ＰＳＡ装置１１に供給される。

図４で示したように、ＰＳＡ装置１１では、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂによって、吸着工程と脱着工程が繰り返しかつ互い違いに実施される。これにより、変成ガスが製品水素とオフガスとに分離される。

ＰＳＡ装置１１からのオフガスは、第１オフガス供給路３１を通ってオフガスタンク１２に至り、オフガスタンク１２に貯留される。オフガスタンク１２に貯留されたオフガスは、第２オフガス供給路３２を通ってバーナ２５に供給される。

図２で示したように、圧力センサ４０で測定されたオフガスタンク１２内の圧力が、第１取得部５５において取得される（取得ステップ）。そして、図３のステップＳＴ－Ａで示したように、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合は、回復制御部５６により回復制御が行われる（回復制御ステップ）。具体的には図４で示したように、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御が行われる。これにより、単位時間当たりのオフガスの発生量が増加し、オフガスタンク１２内の圧力が下限値以上に回復される。したがって、オフガスタンク１２からバーナ２５にオフガスを安定して供給することができるようになり、結果として製品水素の精製量の低下を抑制することが可能となる。

また、この各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御は、回復制御部５６によって、製品水素の要求品質を満たす範囲で行われる。したがって、要求品質を外れた製品水素が出力されてしまうおそれがない。

ＰＳＡ装置１１のオフガスの発生量は一定ではなく変動する。このため、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることがあった。また、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることがあるのは、オフガスの発生量が変動するという理由に加えて、以下の理由にもよる。すなわち、改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度は、周囲の環境温度の影響を受けて変動する。これに伴い、バーナ２５に供給するオフガスの流量の設定値も、図６で示したように微調整する必要がある。例えば冬期で改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度が下がる場合には、設定値を大きくしてバーナ２５に供給するオフガスの流量を増やし、バーナ２５の燃焼力を高める必要がある。バーナ２５に供給するオフガスの流量を増やした場合、当然ながらその分オフガスタンク１２内のオフガスは減る。この減った分のオフガスが、すぐにはＰＳＡ装置１１から補充されない場合がある。こうした場合に、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなってしまう。さらに、何らかの突発的な外乱によって、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることもある。

本開示の技術は、上記のような理由で下限値よりも低くなったオフガスタンク１２内の圧力を、回復制御、具体的には各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御を行うことで、下限値以上に回復させる、というものである。

さらに、図３で示したように、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値以上の場合、回復制御部５６により開閉バルブ４７が全開状態とされる。これにより、オフガスタンク１２内のオフガスがベント機構４５に排出され、オフガスタンク１２内の圧力が上限値よりも低くされる。したがって、オフガスタンク１２を常に安全な圧力範囲で運用することができる。

図５で示したように、流量制御バルブ１３は、流量制御部５８によって、バーナ２５に供給されるオフガスの流量が設定値に保たれるよう開度が制御される。これにより、バーナ２５に供給されるオフガスの流量が安定化し、バーナ２５の燃焼状態も安定化する。バーナ２５の燃焼状態が安定化すると、改質触媒の温度も安定化し、改質ガス中に含まれる水素の量も安定化する。結果として、ＰＳＡ装置１１による製品水素の精製量の不安定化を抑制することができる。

また、バーナ２５の燃焼状態が安定化すると、改質触媒といったバーナ２５の周囲の金属材料が晒される温度も安定化する。したがって、バーナ２５の燃焼状態が不安定な場合よりも、バーナ２５の周囲の金属材料の熱劣化を低減することができる。

図６で示したように、設定値は、温度センサ２８で測定された改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度に応じて変更される。したがって、周囲の環境温度に左右されることなく、バーナ２５の燃焼状態を安定化させることができる。

なお、図６で示した改質器温度－設定値テーブル６０の代わりに、改質器温度と設定値の関係式を記憶しておく。そして、関係式に温度センサ２８で測定された温度を代入して計算することで、設定値を求めてもよい。

設定値は、ＰＳＡ装置１１の製品水素の精製量が規定量以上となる値とされている。したがって、上記のようにバーナ２５に供給されるオフガスの流量が設定値に保たれる制御がなされれば、ＰＳＡ装置１１において確実に規定量以上の製品水素に精製することができる。

ＰＳＡ装置１１により精製された製品水素は、例えば、鋼板等の金属の光輝焼鈍やガラス製造に利用される。あるいは、燃料電池に供給される。

［第２実施形態］
図７に示す第２実施形態では、回復制御として、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御を行う。

図７に示すように、第２実施形態においては、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合は、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量をＰ１とする。対して、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を、Ｐ１よりも多いＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）とする。つまり、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力が下限値以上の場合よりも、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御を行う。

このように、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やすことでも、単位時間当たりのオフガスの発生量が増加し、圧力を下限値以上に回復させることができる。そして、結果として製品水素の精製量の低下を抑制することが可能となる。

本開示の技術は、上述の種々の実施形態や種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。例えば、第１実施形態の吸着工程の時間を短くする制御と、第２実施形態の改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御とを複合して実施してもよい。また、上記実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用し得ることはもちろんである。例えば、改質器と一酸化炭素変成器は別体でもよい。吸着塔は２塔に限らず、３塔でも４塔でもよい。また、圧縮機２４とＰＳＡ装置１１との間に除湿器を設けてもよい。また、第２除湿器２７は設けなくてもよい。また、ベント機構４５には、フレアスタック４８や三元触媒コンバータを設けなくてもよい。さらに、原料ガスおよび燃料ガスは、プロパン等を主成分とするＬＰ（Liquefied Petroleum）ガスでもよいし、重質ナフサでもよい。

２ 水素製造装置
１０ 改質器兼一酸化炭素変成器
１１ ＰＳＡ装置（圧力スイング吸着装置）
１２ オフガスタンク
１３ 流量制御バルブ
１４ 制御部
２０ 原料ガスポート
２１ 水ポート
２２ 変成ガスポート
２３ 第１除湿器
２４ 圧縮機
２５ バーナ
２６ 排ガスポート
２７ 第２除湿器
２８ 温度センサ
３０Ａ 第１吸着塔
３０Ｂ 第２吸着塔
３１ 第１オフガス供給路
３２ 第２オフガス供給路
３３ 開閉バルブ
４０ 圧力センサ
４５ ベント機構
４６ オフガス排出路
４７ 開閉バルブ
４８ フレアスタック
５０ 記憶部
５１ 作動プログラム（水素製造装置の作動プログラム）
５５ 第１取得部（取得部）
５６ 回復制御部
５７ 第２取得部
５８ 流量制御部
６０ 改質器温度－設定値テーブル
ＳＴ－Ａ、ＳＴ－Ｂ、ＳＴ－Ｃ、ＳＴ－Ｄ ステップ
Ｔ１ 圧力センサで測定された圧力が下限値以上の場合の吸着工程および脱着工程の時間
Ｔ２ 圧力センサで測定された圧力が下限値よりも低くなった場合の吸着工程および脱着工程の時間
Ｐ１ 圧力センサで測定された圧力が下限値以上の場合の改質器兼一酸化炭素変成器への原料ガスの供給量
Ｐ２ 圧力センサで測定された圧力が下限値よりも低くなった場合の改質器兼一酸化炭素変成器への原料ガスの供給量

Claims (9)

1. 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、
   前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、
   前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、
   前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、
   前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサと、
   前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、
   前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御であって、前記圧力スイング吸着装置による単位時間当たりの前記オフガスの発生量を増加させる回復制御を行う回復制御部とを備える水素製造装置。
2. 前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記吸着工程の時間を短くする制御を行う請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記改質器への前記原料ガスの供給量を増やす制御を行う請求項１または２に記載の水素製造装置。
4. 前記オフガスタンクと前記バーナとの間に設けられた流量制御バルブと、
   前記流量制御バルブの動作を制御して、前記バーナに供給される前記オフガスの流量を設定値に保つ制御をする流量制御部とを備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
5. 前記改質器内の温度を測定する温度センサを備え、
   前記流量制御部は、前記温度センサで測定された前記温度に応じて前記設定値を変更する請求項４に記載の水素製造装置。
6. 前記設定値は、前記圧力スイング吸着装置の前記製品水素の精製量が規定量以上となる値である請求項４または５に記載の水素製造装置。
7. 前記圧力センサで測定された前記圧力が上限値以上の場合に、前記オフガスタンク内の前記オフガスを外部に排出するベント機構を備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水素製造装置。
8. 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動方法であって、
   前記圧力センサから前記圧力を取得する取得ステップと、
   前記取得ステップにおいて取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御であって、前記圧力スイング吸着装置による単位時間当たりの前記オフガスの発生量を増加させる回復制御を行う回復制御ステップとを備える水素製造装置の作動方法。
9. 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、規定圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンク内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動プログラムであって、
   前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、
   前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御であって、前記圧力スイング吸着装置による単位時間当たりの前記オフガスの発生量を増加させる回復制御を行う回復制御部として、
   コンピュータを機能させる水素製造装置の作動プログラム。

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