JP7129330B2 - 水素製造装置、水素製造方法、及び作動プログラム - Google Patents

Description

本開示の技術は、水素製造装置、水素製造方法、及び作動プログラムに関する。

炭化水素を含む都市ガス又はＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）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、主として改質器と水素精製装置とで構成される。改質器は、改質部と、一酸化炭素変成部と、バーナとを有している。改質部は、約７００～約８００℃程度の温度環境下において、原料ガスと水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させ、原料ガス中の炭化水素を水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する。一酸化炭素変成部（以下、ＣＯ変成器という）は、改質部が出力する第１ガスと水蒸気とを反応させて、第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する。バーナは、改質器内を昇温する。

水素精製装置は、改質ガスの中から、水素以外の成分である不純物を除去して、不純物が除去された水素の一部を抽出して、水素を精製する。また、水素精製装置は、改質ガスから水素を抽出した後の不純物を含む残りのガスをオフガスとして出力する。

オフガスは、バーナの燃料となる炭化水素及び水素を含んでいるため、オフガスはバーナの燃料として使用される。バーナの燃料としては、オフガスに加えて補助燃料が使用される場合もある。補助燃料は、例えば原料ガスと同じ都市ガスである。

特許文献１に記載の水素製造装置においては、バーナの燃料としてオフガスと補助燃料の両方が使用されている。特許文献１においては、水素精製装置とバーナとがオフガス供給路で接続されており、オフガス供給路上には、オフガスを貯留するオフガスタンクが設けられる。また、オフガス供給路と補助燃料供給路とは合流されており、オフガスと補助燃料とが混合されてバーナに供給される。オフガス供給路と補助燃料供給路の合流部には、バルブが設けられており、このバルブの開閉量を制御することで、バーナへのオフガス等の供給量が制御される。

改質器内の温度（改質温度）が目標温度を下回ると、水蒸気改質反応が十分に進まず、改質ガス中の水素濃度が低下してしまう場合がある。そこで、特許文献１においては、バーナへのオフガス等の供給量を制御して、改質器内を目標温度に保つ改質温度制御を行っている（段落「００４９」「００５０」参照）。

特開２００６－０８９３０５号公報

特許文献１においては、上述のとおり、改質温度を制御するために、オフガスタンクの後段のバルブの開度を調節することで、バーナへのオフガス等の供給量を制御している。したがって、特許文献１では、改質温度を上昇させる場合は、オフガスタンクから改質器に供給するオフガス中の各成分の割合は変化させずに、オフガス全体の供給量を増加させている。

しかしながら、オフガス中には、燃料として使用可能な炭化水素及び水素などの燃焼する成分の他に、二酸化炭素などの燃焼しない成分も含まれている。そのため、オフガス全体の供給量を単に増加させただけでは、燃焼する成分と同じ割合で燃焼しない成分も増加してしまうため、次のような問題があった。

すなわち、オフガス中に含まれる燃焼しない成分の割合が多いと、バーナの燃焼効率は低下し、改質温度を上昇させるのに時間がかかる。また、改質温度を上昇させるのに時間がかかると、バーナへのオフガスの供給量を増加させている時間が長くなるため、その分、排ガスの量が増えてしまう。もちろん、オフガスとは別に供給される補助燃料を増加させれば、バーナの燃焼効率は上がるが、補助燃料はバーナの燃焼にのみ消費されるため、オフガスを増加させる場合と比べて無駄が多い。

本開示の技術は、バーナにおける補助燃料の消費量を抑制しつつ、短時間で目標の改質温度へ回復させることが可能で、かつ、バーナの排ガスの排出量も抑制できる水素製造装置、水素製造方法、及び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反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、改質部が出力する第１ガスと水蒸気とを反応させて、第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、改質器を昇温するバーナと、改質器が出力する改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、不純物を含む残りのガスをオフガスとしてバーナに供給する水素精製装置と、水素精製装置が外部に出力すべき水素の出力量を減らして、オフガスをバーナに供給するオフガス供給路に、出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構と、改質器の温度を測定する温度センサと、温度センサが測定した温度が予め設定された下限値未満になった場合に、水素出力量制御機構を制御して、バーナに供給するオフガス中の水素濃度を増加させる制御部と、を備えている。

制御部は、予め設定された上限値と下限値とで規定される目標温度の範囲内に温度がある場合は、オフガス中の水素濃度が、予め設定された基準値未満になるように、出力量制御機構を制御することが好ましい。

水素出力量制御機構は、水素精製装置が出力する水素を貯留するバッファタンクの後段に配置されており、バッファタンク内の水素の一部を、配管を通じて、オフガス供給路に送出することが好ましい。

水素精製装置は、圧力スイング吸着装置であることが好ましい。

バーナに供給される燃料はオフガスのみであってもよい。

バーナに対して、オフガスとは別に補助燃料を供給することが可能であり、補助燃料の供給量を制御する補助燃料供給量制御機構を有していることが好ましい。

制御部が水素濃度を増加させる制御を行う前後において、補助燃料の供給量は一定であることが好ましい。

制御部は、温度が下限値未満になった場合に、オフガス中の水素濃度を増加させる第１制御を行い、かつ、温度が、下限値未満の温度領域において予め設定された閾値未満になった場合には、補助燃料供給量制御機構を制御して、補助燃料を増加させる第２制御を行ってもよい。

オフガス供給路として、第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを有しており、第１オフガス供給路は、オフガスを一時的に貯留するオフガスタンクを経由する供給路であり、第２オフガス供給路は、オフガスタンクをバイパスする供給路であり、さらに、第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを選択的に切り替える切り替え機構を備えていることが好ましい。

改質器へ供給する原料ガスの供給量を制御する原料ガス供給量制御機構を備えており、制御部は、水素出力量制御機構の制御に加えて、原料ガス供給量制御機構も制御して、原料ガスを増加させる制御を行ってもよい。

本開示の水素製造方法は、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、改質部が出力する第１ガスと水蒸気とを反応させて、第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、改質器を昇温するバーナと、改質器が出力する改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、不純物を含む残りのガスをオフガスとしてバーナに供給する水素精製装置と、水素精製装置が外部に出力すべき水素の出力量を減らして、オフガスをバーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構とを備えた水素製造装置を用いた水素製造方法において、温度センサを用いて改質器の温度を測定する温度測定ステップと、温度センサが測定した温度が予め設定された下限値未満になった場合に、水素出力量制御機構を制御して、バーナに供給するオフガス中の水素濃度を増加させる制御を行う制御ステップと、を備えている。

本開示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反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、改質部が出力する第１ガスと水蒸気とを反応させて、第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、改質器を昇温するバーナと、改質器が出力する改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、不純物を含む残りのガスをオフガスとしてバーナに供給する水素精製装置と、水素精製装置が外部に出力すべき水素の出力量を減らして、オフガスをバーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構とを備えた水素製造装置の作動プログラムにおいて、温度センサを用いて改質器の温度を測定する温度測定ステップと、温度センサが測定した温度が予め設定された下限値未満になった場合に、水素出力量制御機構を制御して、バーナに供給するオフガス中の水素濃度を増加させる制御を行う制御ステップと、をコンピュータに実現させる。

本開示の技術によれば、バーナにおける補助燃料の消費量を抑制しつつ、短時間で目標の改質温度へ回復させることが可能で、かつ、バーナの排ガスの排出量も抑制できる。

第１実施形態に係る水素製造装置の構成を示す図である。 改質温度制御の手順を示すフローチャートである。 通常状態の改質ガス及びオフガスの組成を示す図である。 改質温度を上昇させる場合のオフガス中の水素濃度を示す図である。 改質温度を上昇させる場合の制御メカニズムを説明する図である。 第２実施形態における改質温度制御の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態の水素製造装置の構成を示す図である。 第４実施形態における改質温度制御の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態における改質温度を上昇させる場合のオフガス中の水素濃度を示す図である。 第４実施形態における改質温度を上昇させる場合の制御メカニズムを説明する図である。 制御部をＣＰＵで構成する場合の説明図である。

［第１実施形態］
図１において、水素製造装置１０は、改質器１１と、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置１２と、制御部１３とを備える。改質器１１は、改質部４２とＣＯ変成部４６と、改質器１１を昇温するためのバーナ１７とを有している。

改質器１１は、例えば、直径等のサイズが異なる複数の筒状体で構成された多重筒構造をしている。改質器１１の内部には、複数の筒状体のそれぞれを構成する複数の筒状壁１１Ａ～１１Ｄが配置されている。

内側から１番目の筒状壁１１Ａの内部は、燃焼室２１になっている。バーナ１７は、改質器１１の鉛直方向における上部に取り付けられており、炎が噴出する火口側の一部が燃焼室２１内に進入するように、火口を下向きにした姿勢で配置される。バーナ１７には、主燃料となるオフガスと、都市ガス等の補助燃料と、燃焼に必要な空気とが供給される。

バーナ１７には、後述するＰＳＡ装置１２から出力されるオフガスをバーナ１７に供給するためのオフガス供給路６１を構成する配管が接続されている。オフガス供給路６１上には、オフガスタンク６６と、流量制御部２４とが配置されている。オフガスタンク６６は、後述するようにオフガスを一時的に貯留する貯留部である。流量制御部２４は、オフガスタンク６６からバーナ１７へ供給するオフガスの供給量を制御する。

流量制御部２４は、例えばマスフローコントローラで構成される。マスフローコントローラは、周知のように、流体の流量を計測する流量計と、開度調節により、流体が流れる流路の断面積を変化させるバルブと、ソレノイドなどのバルブを駆動する駆動部と、制御回路とを備えている。流量制御部２４は、制御部１３と電気信号の送受信が可能なように配線で接続されている。流量制御部２４は、制御部１３からの制御信号に基づいて、オフガスの流量を制御する。例えば、流量制御部２４に対しては、制御部１３から制御信号として、オフガスの流量の目標値が送信される。流量制御部２４において、制御回路は、受信した目標値と流量計の計測値とを比較して、計測値が目標値になるように、駆動部を通じてバルブの開度を調節することにより、オフガスの流量を制御する。

また、バーナ１７には、補助燃料をバーナ１７に供給する補助燃料供給路２６を構成する配管が接続されている。補助燃料供給路２６上には、バーナ１７に供給する補助燃料の供給量を制御する流量制御部２７が配置されている。流量制御部２７は、流量制御部２４と同様に、例えばマスフローコントローラで構成される。

流量制御部２７の上流側には、図示しないポンプが設けられている。ポンプは、配管を通じて、都市ガス等の補助燃料の供給源と接続されており、補助燃料をバーナ１７に送り込む。流量制御部２７は、流量制御部２４と同様に、制御部１３の制御の下、適切な量の補助燃料がバーナ１７に供給されるように、ポンプから供給される補助燃料の流量を制御する。

改質器１１において、筒状壁１１Ａとその外側の筒状壁１１Ｂの間は、バーナ１７から排出される排ガスの排ガス流路２８になっている。燃焼室２１の下端において、燃焼室２１と排ガス流路２８は連通しており、排ガスは、燃焼室２１から排ガス流路２８に進入する。排ガスは、排ガス流路２８を通って、排ガスポート２８Ａから改質器１１の外部に排出される。

改質器１１には、原料ガス供給ポート３１と、水供給ポート３２とが設けられている。
原料ガス供給ポート３１及び水供給ポート３２は、改質ガスの原料となる原料ガスと水とをそれぞれ改質器１１に供給するポートである。水は、改質器１１内において水蒸気改質反応を生じさせるために、原料ガスと混合される水蒸気の元になる改質用水である。改質用水としては純水が使用される。

原料ガス供給ポート３１には、原料ガス供給路３３を構成する配管が接続されている。原料ガス供給路３３上には、改質器１１に供給する原料ガスの供給量を制御する流量制御部３４が配置されている。流量制御部３４は、流量制御部２４と同様に、例えばマスフローコントローラで構成される。

流量制御部３４の上流側には、ポンプ３５が設けられている。ポンプ３５は、配管を通じて、都市ガス等の原料ガスの供給源と接続されており、原料ガスを改質器１１に送り込む。流量制御部３４は、流量制御部２４と同様に、制御部１３の制御の下、適切な量の原料ガスが改質器１１に供給されるように、ポンプ３５から供給される原料ガスの流量を制御する。流量制御部３４は、原料ガス供給量制御機構の一例である。

水供給ポート３２には、水供給路３９を構成する配管が接続されている。水供給路３９上には、水タンク３６とポンプ３７とが配置されている。水タンク３６は、改質器１１に供給する水を貯留する。ポンプ３７は、水タンク３６内の水を吸い上げて、改質器１１に供給する。

ポンプ３７は、制御部１３と電気信号の送受信が可能なように配線で接続されている。制御部１３は、ポンプ３７の回転数及び駆動時間を制御することにより、水の供給量を制御する。ポンプ３７は、水の供給量を制御する水供給量制御機構の一例である。なお、ポンプ３７の後段に、流量制御部３４と同様の流量制御部を設けて、それによって水の供給量を制御してもよい。

水タンク３６には、外部からの水を供給する外部水供給部３８が接続されている。外部水供給部３８は、例えば、改質用に用意された純水を供給する供給源である。また、水タンク３６には、外部水供給部３８からの水が貯留される他、後述するように、改質ガスを冷却することにより、改質ガス中に含まれる水蒸気を液化した水が貯留される。

改質器１１において、筒状壁１１Ｂとその外側の筒状壁１１Ｃの間は、第１流路４１となっている。第１流路４１には、上流側において、原料ガス供給ポート３１と水供給ポート３２とが接続されている。第１流路４１の下流側には改質部４２が設けられている。第１流路４１内を流れる水は、バーナ１７による加熱によって気化されて、水蒸気となる。第１流路４１内において、水蒸気と原料ガスとが混合されて、改質部４２に進入する。

改質部４２は、例えばニッケル系触媒等の改質触媒層を有する。改質部４２は、バーナ１７の加熱により、約７００℃～約８００℃に熱せられる。改質部４２は、改質触媒層の存在下で、かつ、約７００℃～約８００℃の温度環境下において、改質触媒層の内部に進入した原料ガスと水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させる。そして、原料ガスを水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを生成して、出力する。

第１流路４１において、改質部４２の下流側には、改質器１１内の温度（改質温度）Ｔｆｐを測定する温度センサ４３が設けられている。温度センサ４３は、例えば、熱電対で構成される。

また、第１流路４１は、改質部４２の下流側で第２流路４４と連通している。第２流路４４は、筒状壁１１Ｃとその外側の筒状壁１１Ｄとの間に形成される。第２流路４４には、改質部４２から出力する第１ガスが流入する。第２流路４４には、ＣＯ変成部４６が設けられている。ＣＯ変成部４６は、例えば鉄－クロム系触媒、銅－亜鉛系触媒、白金系等の変成触媒層を有する。ＣＯ変成部４６は、変成触媒層の存在下において、改質部４２が出力する第１ガスと水蒸気とを反応させて、第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素に変成する。そして、ＣＯ変成部４６は、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する。

ＣＯ変成部４６の下流側には、出力ポート４７が設けられている。ＣＯ変成部４６が出力する改質ガスは、出力ポート４７から改質器１１の外部へ出力される。

出力ポート４７は、改質ガスをＰＳＡ装置１２に向けて供給する改質ガス供給路４８を構成する配管に接続されている。改質ガス供給路４８上には、昇圧前分離部５１、バッファタンク５２、圧縮機５３、昇圧後分離部５４、及びバッファタンク５６がこの順で配置されており、これらの各部の間は、改質ガス供給路４８を構成する配管で接続されている。

昇圧前分離部５１は、図示しない熱交換器の冷却水によって、改質ガスを冷却することで、改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、水に戻す。これにより、改質ガスに含まれる水蒸気が改質ガスから分離される。水は、昇圧前分離部５１の底部に貯留される。昇圧前分離部５１は、配管によって水タンク３６に接続されており、昇圧前分離部５１に貯留された水は、水タンク３６に回収される。上述のとおり、水タンク３６に回収された水は、水供給路３９を通じて改質器１１に供給される。

昇圧前分離部５１から出力される改質ガスは、バッファタンク５２を経由して、圧縮機５３に供給される。バッファタンク５２は、圧縮機５３の手前で改質ガスを一時的に貯留することで、圧縮機５３の上流側における改質ガスの流量変動を抑制し、圧縮機５３への改質ガスの供給量を安定させる。

圧縮機５３は、後段のＰＳＡ装置１２に高圧状態の改質ガスを供給するために、バッファタンク５２から供給される改質ガスを圧縮する。圧縮機５３から出力される高圧状態の改質ガスは、昇圧後分離部５４に流入する。昇圧後分離部５４は、昇圧前分離部５１と同様に、改質ガスから水蒸気を分離し、水蒸気が液化した水を底部に貯留する。昇圧後分離部５４も、配管によって水タンク３６に接続されており、貯留された水は、水タンク３６に回収される。上述のとおり、水タンク３６に回収された水は、水供給路３９を通じて改質器１１に供給される。なお、改質ガスに加えて、排ガスに含まれる水蒸気を液化した水を水タンク３６に回収してもよい。

昇圧後分離部５４から出力される改質ガスは、バッファタンク５６を経由して、ＰＳＡ装置１２に供給される。バッファタンク５６は、ＰＳＡ装置１２の手前で改質ガスを一時的に貯留することで、ＰＳＡ装置１２の上流側における改質ガスの流量変動を抑制し、ＰＳＡ装置１２への改質ガスの供給量を安定させる。

ＰＳＡ装置１２は、改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、製品となる水素（以下、製品水素という）を外部に出力する。ＰＳＡ装置１２は、水素を精製する水素精製装置の一例である。ＰＳＡ装置１２は、改質ガスから製品水素を除いた、不純物を主成分として含む残りのガスをオフガスとして出力する。

ＰＳＡ装置１２は、例えば、２つの吸着塔１２Ａ、１２Ｂを有する２塔式である。各吸着塔１２Ａ、１２Ｂ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充填されている。吸着剤において、改質ガス中の各成分（水素及び不純物）の吸着容量（単位吸着剤量当たりの吸着量）は、吸着塔内の圧力が大きいほど差が大きくなる。ＰＳＡ装置１２は、加圧環境下において、水素と不純物の吸着容量の差が大きくなることを利用して、水素よりも吸着されやすい不純物を優先的に吸着剤に吸着させることで、改質ガスから水素を分離して回収する。

各吸着塔１２Ａ、１２Ｂの一端は、不純物が除去された製品水素を一時的に貯留するバッファタンク１２Ｃにつながる配管が接続されており、他端は、バッファタンク５６につながる配管と、オフガス供給路６１を構成する配管とが接続されている。

各吸着塔１２Ａ、１２Ｂは、加圧環境下で、改質ガス中の不純物を吸着剤に吸着させる吸着工程と、常圧まで減圧して不純物を吸着剤から脱着する脱着工程とを繰り返す。各吸着塔１２Ａ、１２Ｂは、一方が吸着工程を実施しているときに、他方が脱着工程を実施するというように、交互に動作する。なお、各吸着塔１２Ａ、１２Ｂが上記のような吸着工程と脱着工程とを交互に実施できるように、各吸着塔１２Ａ、１２Ｂに接続される複数の流路を切り替えるための複数のバルブ（図示せず）が設けられている。

各吸着塔１２Ａ、１２Ｂのうち、吸着工程を実施する吸着塔においては、バッファタンク５６側とバッファタンク１２Ｃ側のそれぞれにつながる流路のバルブが開放される。そして、吸着工程においては、バッファタンク５６から改質ガスが塔内に供給されて、不純物が除去された製品水素がバッファタンク１２Ｃに出力される。バッファタンク１２Ｃ内の製品水素は、バッファタンク１２Ｃから流量制御部６２に流出する。

一方、各吸着塔１２Ａ、１２Ｂのうち、脱着工程を実施する吸着塔においては、バッファタンク１２Ｃにつながる流路のバルブとバッファタンク５６につながる流路のバルブとが閉じられる。そして、オフガス供給路６１につながる流路のバルブのみが開放される。これにより、吸着塔内の圧力が減圧されて、吸着塔内において加圧環境下で吸着剤に吸着されていた不純物がオフガス供給路６１に流出する。

より詳細には、脱着工程においては、吸着工程を実施中の他方の吸着塔が出力する製品水素を、脱着工程途中の吸着塔内に逆流させて、吸着塔内に残留する不純物をオフガス供給路６１に向けてパージするパージ処理が実施される。例えば、一方の吸着塔１２Ｂにおいて脱着工程が実施されているとする。この場合は、吸着塔１２Ｂにおいて、脱着工程の開始時に閉じられていたバッファタンク１２Ｃ側のバルブが開放される。このタイミングでは、他方の吸着塔１２Ａは、吸着工程を実施中であるため、吸着塔１２Ａにおけるバッファタンク１２Ｃ側のバルブも開放されている。そして、この状態では、バッファタンク１２Ｃと、各吸着塔１２Ａ及び１２Ｂとの間に配設される配管１２Ｄを通じて、各吸着塔１２Ａ及び１２Ｂ間が連通する。そのため、吸着塔１２Ａから出力された加圧状態の製品水素の一部が配管１２Ｄを通じて、吸着塔１２Ｂに流入する。

このように、他の吸着塔１２Ａが出力した製品水素を吸着塔１２Ｂに逆流させることにより、吸着塔１２Ｂ内に残留する不純物がオフガス供給路６１に向けてパージされる。パージ処理が終了した吸着塔は、バッファタンク１２Ｃ側のバルブが閉じられた状態で、吸着工程への準備段階として改質ガスの供給によって加圧が開始される。そして、予め設定された圧力まで加圧された後、バッファタンク１２Ｃ側のバルブが開放されて吸着工程に移行する。

バッファタンク１２Ｃの後段には、流量制御部６２が設けられている。流量制御部６２は、製品水素の出力量を制御する。流量制御部６２は、例えば、流量制御部２４と同様のマスフローコントローラで構成される。流量制御部６２も、制御部１３と電気信号の送受信が可能なように配線で接続されている。流量制御部６２は、制御部１３から出力量制御信号を受信して、受信した出力量制御信号に基づいて、製品水素の出力量を制御する。

流量制御部６２には、製品水素を外部に出力する排出路６３を構成する配管と、製品水素の一部をオフガス供給路６１に戻す戻し流路６４を構成する配管とが接続されている。流量制御部６２が外部に出力すべき製品水素の出力量を減らすと、戻し流路６４の配管を通じて、出力量の減少分に相当する製品水素がオフガス供給路６１に送出される。

このように、流量制御部６２と戻し流路６４は、ＰＳＡ装置１２が外部に出力すべき製品水素の出力量を減らして、出力量の減少分をオフガス供給路６１に送出することが可能な水素出力量制御機構の一例である。

オフガス供給路６１は、ＰＳＡ装置１２から出力されるオフガスをバーナ１７に供給する供給路である。オフガス供給路６１上には、流量制御部２４の前段に、オフガスタンク６６が配置されている。オフガスタンク６６は、ＰＳＡ装置１２から出力されるオフガスを一時的に貯留し、バーナ１７の上流側におけるオフガスの流量変動を抑制し、バーナ１７に供給されるオフガスの供給量を安定させる。

制御部１３は、各流量制御部、ポンプ、圧縮機５３、ＰＳＡ装置１２などの各部を含む水素製造装置１０の全体を統括的に制御する。制御部１３は、例えばマイクロコンピュータなどで構成される。制御部１３は、改質器１１の温度を制御する改質温度制御機能を有している。

具体的には、制御部１３は、温度センサ４３から改質温度Ｔｆｐを取得する。制御部１３は、取得した改質温度Ｔｆｐに基づいて、改質温度Ｔｆｐが予め設定された目標温度の範囲（目標範囲）ＲＧ（図３参照）内に収まるように、改質温度Ｔｆｐを制御する。目標範囲ＲＧは、予め設定された上限値と下限値ＴＬ（図２及び図４）で規定される。上限値は、例えば約７００℃であり、下限値ＴＬは例えば６５０℃である。

改質温度Ｔｆｐの制御は、バーナ１７へ供給するオフガスの水素濃度を制御することにより行われる。制御部１３は、流量制御部６２に対して、出力量制御信号を送信し、製品水素の出力量を制御することにより、オフガスの水素濃度を制御する。

改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧを下回ると、水蒸気改質反応が十分に進まず、改質器１１において生成される改質ガス中の不純物の濃度が高くなるといった問題がある。そのため、制御部１３は、改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧの下限値ＴＬを下回った場合は、バーナ１７に供給するオフガスの水素濃度を増加させる制御を行って、改質温度Ｔｆｐを目標範囲ＲＧに復帰させる。

ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガスの供給量が一定の場合には、製品水素の出力量とオフガス中の水素濃度とは、一方を増やすと他方が減るというトレードオフの関係にある。すなわち、オフガス中の水素濃度が増えると、その分、製品水素の出力量は減る。改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧ内にある通常状態においては、外部への製品水素の出力量が予め設定された出力量以上確保されるように、制御部１３は、流量制御部６２を制御する。その結果として、通常状態においては、オフガス中の水素濃度が予め設定された基準値未満になるように制御される。

また、本例において、バーナ１７にはオフガスとは別に補助燃料が供給される。制御部１３は、改質温度Ｔｆｐを上昇させるために、オフガス中の水素濃度を増加させる制御を行うが、その制御の前後において、補助燃料の供給量を変化させない。すなわち、オフガス中の水素濃度を増加させる制御の前後において、補助燃料の供給量は一定であり、制御部１３は、改質温度Ｔｆｐを上昇させるために、補助燃料の供給量を増加させる制御は行なわない。

以下、上記構成による作用について、図２から図４を参照しながら説明する。図２は、制御部１３が行う改質温度Ｔｆｐの制御手順を示すフローチャートである。図３は、改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧ内にある通常状態におけるオフガスの水素濃度を説明する説明図である。図４は、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満の場合におけるオフガスの水素濃度を説明する説明図である。

水素製造装置１０が稼働中は、改質器１１に原料ガスと水が供給される。改質器１１は、バーナ１７によって、改質温度Ｔｆｐが約７００℃～約８００℃程度になるように加熱される。この温度環境下で、改質部４２において、原料ガスと水の水蒸気改質反応が生じて、第１ガスが生成され、ＣＯ変成部４６において、第１ガスと水蒸気とが反応して、第２ガスが生成される。この第２ガスが改質ガスとして、改質器１１の出力ポート４７から改質ガス供給路４８に出力される。

改質ガス供給路４８において、改質ガスは、昇圧前分離部５１において水蒸気が分離され、圧縮機５３によって高圧状態にされる。さらに、改質ガスは、昇圧後分離部５４において水蒸気が分離された後、ＰＳＡ装置１２に供給される。ＰＳＡ装置１２において、改質ガスから不純物が分離されて、製品水素が出力される。一方、改質ガスのうち、製品水素として出力されない残りのガスは、オフガスとして、オフガス供給路６１に送出されて、バーナ１７に供給される。

図２に示すように、制御部１３は、水素製造装置１０が稼働している間、改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧに維持されるように改質温度制御を実行する。

ステップＳ１０１０において、制御部１３は、温度センサ４３から受信する改質温度Ｔｆｐに基づいて、改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧの下限値ＴＬ未満であるか否かを判定する。改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ以上であり、目標範囲ＲＧに収まっている場合は（ステップＳ１０１０でＮ）、制御部１３は、ステップＳ１０３０に進む。

ステップＳ１０３０においては、制御部１３は、終了条件を満たすか否かを判定して、終了条件を満たしている場合（ステップＳ１０３０でＹ）は、水素製造装置１０の稼働を終了する。終了条件とは、例えば、水素製造装置１０の稼働を終了する指示がオペレータによって入力されたこと、水素製造装置１０において異常事態が生じて、強制終了される状態になったことなどである。終了条件を満たしていない場合（ステップＳ１０３０でＮ）は、制御部１３は、ステップＳ１０１０に戻る。

ステップＳ１０１０において、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ以上の場合（ステップＳ１０１０でＮ）には、オフガスの水素濃度は、図３に示すように制御される。

図３に示すように、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガスの組成は、例えば、改質ガス中に含まれる水素（Ｈ_２）の割合が８０％で、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む不純物の割合が２０％である。こうした組成の改質ガスがＰＳＡ装置１２に供給されて、ＰＳＡ装置１２において、改質ガス中から製品水素が抽出されて出力される。改質温度Ｔｆｐが目標範囲ＲＧ内の場合を通常状態とすると、通常状態において改質ガスに含まれる水素のうち、外部に出力される製品水素の出力割合は、例えば、７０％に設定される。この出力割合は、流量制御部６２を制御することにより設定される。製品水素の出力割合が７０％であるため、残りの製品水素はオフガスに含まれる。

製品水素の出力割合である７０％とは、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガス全体ではなく、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガス中の水素の量を１００％とした場合の値である。すなわち、図３の例に示すように、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガス中の水素の割合が８０％の場合は、８０％の水素の量を１００％とした場合の割合である。そのため、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガス全体を１００％とした場合の出力割合に換算すると、８０％×０．７＝５６％となる。

したがって、通常状態の場合は、ＰＳＡ装置１２に供給される改質ガスの量を１００％とすると、そのうち外部に出力される製品水素の出力量が５６％で、水素と不純物を含んだオフガスの量が４４％となる。４４％のオフガスに含まれる不純物の割合は２０％であり、残りの２４％が水素である。したがって、本例では、通常状態におけるオフガス中の水素濃度は、２４／４４＝５４．５％である。

このように、制御部１３は、通常状態においては、製品水素の出力量が標準値の５６％に維持されるように、流量制御部６２に対して出力量制御信号を送信する。その結果、通常状態におけるオフガス中の水素濃度は５４．５％となる。

一方、図２に示すステップＳ１０１０において、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になったと判定した場合は、制御部１３は、ステップＳ１０２０に進み、製品水素の出力量を減らす制御を行う。これにより、オフガス中の水素濃度を増加させる。

具体的には、図４に示すように、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になった場合は、制御部１３は、流量制御部６２に対して、製品水素の出力量を標準値よりも減らすように出力量制御信号を送信する。これにより、流量制御部６２における製品水素の出力量が減り、出力量の減少分が戻し流路６４を介してオフガス供給路６１に送出される。

図４に示す例では、制御部１３は、流量制御部６２における製品水素の出力割合を、通常状態の７０％から６０％に減少させる。これにより、製品水素の出力量が、通常状態の５６％から４８％（８０×０．６）に減少する。この製品水素の減少分はオフガスに含まれるため、オフガス全体の量が増加するとともに、オフガス中の水素濃度が増加する。

図４の例では、製品水素の出力量が、通常状態の５６％から４８％に減少するので、水素と不純物を含んだオフガス全体の量は５２％に増加する。また、５２％のオフガスに含まれる不純物の割合は、通常状態と同じ２０％であり、残りの水素の割合が、通常状態の２４％から３２％に増加する。したがって、図４の例では、オフガス中の水素濃度が、３２／５２＝６１．５％となる。通常状態は５４．５％なので、オフガス中の水素濃度も増加している。このように、オフガス全体の量が増加することに加えて、オフガス中の水素濃度が増加する。オフガス中の水素濃度が増加すると、オフガス中の燃焼する成分の割合が増加するため、バーナ１７の発熱量が増加して、改質器１１の改質温度Ｔｆｐが上昇する。

図５は、図１の構成図に、改質温度Ｔｆｐの制御メカニズムの説明を追加して、以上の改質温度制御を要約的に示した図である。図５に示すように、まず、（１）に示すように、改質器１１において改質温度Ｔｆｐが低下して、下限値ＴＬ未満になる。この場合、制御部１３は、（２）に示すように、製品水素の出力量を減らす制御を行う。そうすると、（３）に示すように、オフガス中の水素濃度が増えて、（４）に示すように、バーナ１７の発熱量が増加する。これにより、（５）に示すように、改質温度Ｔｆｐが上昇する。

改質温度Ｔｆｐを上昇させる制御は、オフガス中の水素濃度を変化させずに、単にオフガス全体の量を増加させることによっても可能である。しかし、実施形態に係る水素製造装置１０のように、オフガスの水素濃度を増加させると、バーナ１７の単位時間当たりの発熱量が増加するため、オフガスの水素濃度を変化させずに行う制御と比較して、短時間で改質温度Ｔｆｐを上昇させることができる。このため、改質温度Ｔｆｐを目標範囲ＲＧに短時間で回復させることができる。

また、短時間で目標範囲ＲＧへ回復させることができるため、バーナ１７の排ガスの増加も抑制できる。また、上記例では、バーナ１７にオフガスとは別に補助燃料を使用しているが、その場合においても、改質温度Ｔｆｐの制御のために補助燃料を増加させていない。改質温度Ｔｆｐの制御のために、補助燃料の無駄な消費を抑制できる。

なお、本例において、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になった場合の制御のみ説明したが、改質温度Ｔｆｐが上限値を超えた場合においては、例えば、次のような制御が行われる。

１つは、図４に示す例と反対に、製品水素の出力量を通常状態よりも増やすことにより、オフガス全体の量を減らし、かつ、オフガス中の水素濃度を減らす制御がある。例えば、図３に示すように、通常状態の製品水素の出力割合（改質ガス中の水素全体の中から製品水素を抽出する割合）が７０％の場合は、これを８０％に増やすといった制御である。オフガス中の水素濃度が減ると、バーナ１７の発熱量が減り、改質温度Ｔｆｐは低下する。

もう１つは、上記実施形態で示したように、バーナ１７にオフガスとは別に補助燃料を使用する場合は、補助燃料の供給量を減らす制御がある。制御部１３は、流量制御部２７を制御して、バーナ１７への補助燃料の供給量を減らす。補助燃料の供給量が減ると、バーナ１７の発熱量が減り、改質温度Ｔｆｐは低下する。

また、上記実施形態では、バーナ１７にオフガスとは別に補助燃料を使用する例で説明したが、補助燃料を使用することなく、オフガスのみでバーナ１７を燃焼させてもよい。こうすれば、補助燃料が不要となるため、水素製造装置１０のエネルギー効率がより向上する。また、補助燃料を使用しない場合は、改質温度Ｔｆｐを上昇させるために補助燃料を増やすといった制御はできない。そのような場合に、オフガス中の水素濃度を増加させることにより改質温度Ｔｆｐを制御する本発明は、特に有用である。

また、上記実施形態では、製品水素の水素出力量制御機構の一例である流量制御部６２は、ＰＳＡ装置１２が出力する製品水素を貯留するバッファタンク１２Ｃの後段に配置されている。そして、バッファタンク１２Ｃ内の製品水素の一部を、配管で構成される戻し流路６４を通じて、オフガス供給路６１に戻している。そのため、水素出力量制御機構が簡単な構成で済む。

なお、流量制御部６２及び戻し流路６４を、ＰＳＡ装置１２の筐体外に配置した例で説明したが、流量制御部６２及び戻し流路６４は、バッファタンク１２Ｃの後段に配置されていればよく、バッファタンク１２Ｃの後段であれば、ＰＳＡ装置１２の筐体内に配置されていてもよい。

また、上記実施形態において、水素精製装置の一例としてＰＳＡ装置１２を使用している。そのため、次のようなメリットがある。ＰＳＡ装置１２は、上記例で示したとおり、脱着工程におけるパージ処理を行う際に、バッファタンク１２Ｃ内の製品水素の一部を吸着塔に逆流させて、逆流させた製品水素を、パージする不純物とともにオフガスとして排出する。そのため、このパージ処理の時間を調整することにより、製品水素の出力量を制御することが可能である。例えば、パージ処理の時間を通常状態よりも長くすれば、バッファタンク１２Ｃ内の製品水素の量が減り、外部への製品水素の出力量が減る。その分、オフガスとして排出される製品水素が増加するため、オフガスの水素濃度は上がる。反対に、パージ処理の時間を通常状態よりも短くすれば、外部への製品水素の出力量が増える。その分、オフガスとして排出される製品水素が減少して、オフガスの水素濃度が下がる。

このように、ＰＳＡ装置１２は、それ自体を、製品水素の出力量を制御する水素出力量制御機構として機能させることも可能である。そのため、水素精製装置としてＰＳＡ装置１２を使用すれば、流量制御部６２及び戻し流路６４を設けなくても、本発明を実現することが可能である。

また、水素精製装置としては、ＰＳＡ装置１２の代わりに、膜分離方式の水素精製装置を使用することも可能である。ただし、上記のとおり、ＰＳＡ装置１２は、水素出力量制御機構を兼用することが可能であるため、ＰＳＡ装置１２を使用するメリットは大きい。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る水素製造装置１０は、図６に示すように、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になった場合において、２段階の制御を行う。第２実施形態に係る水素製造装置１０の構成は、第１実施形態に係る水素製造装置１０と同様であるので、説明を省略する。

図６に示すように、改質温度制御を実行する場合において、制御部１３は、上記例と同様に、ステップＳ１０１０において改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になったかどうかを監視する。改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ以上の場合（ステップＳ１０１０でＮ）は、制御部１３は、ステップＳ１０３０に進み、終了条件を満足しない間は、ステップＳ１０１０に戻って、改質温度Ｔｆｐの監視を続ける。

一方、ステップＳ１０１０において、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満の場合（ステップＳ１０１０でＹ）は、制御部１３は、ステップＳ１０１１に進み、改質温度Ｔｆｐが閾値ＴＨ未満か否かを判定する。閾値ＴＨは、下限値ＴＬ未満の温度領域において予め設定された閾値である。例えば、下限値ＴＬが６５０℃の場合は、閾値ＴＨは６５０℃未満の温度に設定される。

制御部１３は、改質温度Ｔｆｐが閾値ＴＨ以上の場合（ステップＳ１０１１でＮ）は、ステップＳ１０２０に進み、上記例と同様に、製品水素の出力量を減らして、オフガス中の水素濃度を増加させる第１制御を行う。一方、改質温度Ｔｆｐが閾値ＴＨ未満の場合（ステップＳ１０１１でＹ）は、ステップＳ１０２１に進み、補助燃料を増加させる第２制御を行う。補助燃料を増加させる制御は、例えば、流量制御部２７を制御して、補助燃料を増加させることにより行われる。流量制御部２７は、改質器１１に対して供給する補助燃料の供給量を制御する補助燃料供給量制御機構の一例である。

このように、改質温度Ｔｆｐに応じて、第１制御と第２制御の２段階で制御してもよい。オフガスの水素濃度を増やす第１制御を行っても、改質温度Ｔｆｐが回復しない場合は、補助燃料を増やす第２制御により、改質温度Ｔｆｐを回復させることが可能となる。

［第３実施形態］
図７に示す第３実施形態に係る水素製造装置１０は、ＰＳＡ装置１２からオフガスタンク６６を経由することなく、改質器１１にオフガスを供給可能な形態である。第３実施形態に係る水素製造装置１０は、基本的な構成は第１実施形態に係る水素製造装置１０と同様であるので、共通する部分については説明を省略し、相違点のみ説明する。

図７に示すように、第３実施形態に係る水素製造装置１０は、オフガス供給路６１として、第１オフガス供給路６１Ａと、第２オフガス供給路６１Ｂとを有している。第１オフガス供給路６１Ａは、オフガスを一時的に貯留するオフガスタンク６６を経由する供給路であり、第２オフガス供給路６１Ｂは、オフガスタンク６６をバイパスする供給路である。

さらに、オフガスタンク６６の上流側において、オフガス供給路６１が、第１オフガス供給路６１Ａと第２オフガス供給路６１Ｂとに分岐する分岐点にはバルブ７１が設けられている。また、オフガスタンク６６の下流側において、第１オフガス供給路６１Ａと第２オフガス供給路６１Ｂとの合流点にはバルブ７２が設けられている。バルブ７１、７２は、例えば、三方弁である。バルブ７１、７２は、連動して動作して、第１オフガス供給路６１Ａと第２オフガス供給路６１Ｂとを選択的に切り替える切り替え機構を構成する。バルブ７１、７２は、制御部１３によって制御される。

通常は、第１オフガス供給路６１Ａに設定されており、ＰＳＡ装置１２からのオフガスは、オフガスタンク６６を経由して、改質器１１に供給される。第２オフガス供給路６１Ｂは、例えば、より短時間で改質温度Ｔｆｐを回復したい場合に使用される。

すなわち、第１オフガス供給路６１Ａを使用して、ＰＳＡ装置１２から改質器１１にオフガスを供給する場合は、ＰＳＡ装置１２から出力されるオフガス中の水素濃度を増加しても、水素濃度が増加したオフガスは、オフガスタンク６６で一時的に貯留される。また、オフガスタンク６６には、水素濃度が増加する前の通常状態のオフガスも貯留されている。そのため、ＰＳＡ装置１２が出力するオフガス中の水素濃度を増加しても、改質器１１に供給されるオフガスの水素濃度はすぐには増加せず、タイムラグが生じる。

これに対して、第２オフガス供給路６１Ｂを使用して、ＰＳＡ装置１２から改質器１１にオフガスを供給する場合は、ＰＳＡ装置１２から出力されるオフガスは、オフガスタンク６６をバイパスする分、改質器１１に相対的に早く到達する。そのため、ＰＳＡ装置１２から出力されるオフガス中の水素濃度を増加させた場合、第１オフガス供給路６１Ａを使用する場合と比べてタイムラグが少なく、水素濃度が増加したオフガスを改質器１１に短時間で改質器１１に供給することができる。そのため、改質温度Ｔｆｐの回復も早い。このように第３実施形態は、改質温度Ｔｆｐの制御の応答性を上げる必要がある場合に有効である。

［第４実施形態］
図８から図１０に示す第４実施形態に係る水素製造装置１０は、改質温度制御について、上記各実施形態に係る水素製造装置１０における製品水素の出力量の制御に加えて、原料ガス及び水の供給量の制御を追加したものである。第４実施形態に係る水素製造装置１０の構成は、第１実施形態に係る水素製造装置１０と同様であるので、相違点を中心に説明する。

制御部１３は、改質温度制御において、流量制御部３４の流量を制御することにより、原料ガスの改質器１１への供給量を制御する。また、制御部１３は、原料ガスの供給量を制御する場合において、原料ガスの供給量の制御に合わせて、水の供給量も制御する。制御部１３は、ポンプ３７の回転数及び駆動時間を制御することにより、水の改質器１１への供給量を制御する。

図８に示すように、改質温度制御を実行する場合において、制御部１３は、上記例のステップＳ１０１０と同様のステップＳ２０１０において改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満に低下したかどうかを監視する。改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ以上の場合（ステップＳ２０１０でＮ）は、制御部１３は、上記例のステップＳ１０３０と同様のステップＳ２０５０に進み、終了条件を満足しない間は、ステップＳ２０１０に戻って、改質温度Ｔｆｐの監視を続ける。

一方、ステップＳ２０１０において、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満の場合（ステップＳ２０１０でＹ）は、制御部１３は、ステップＳ２０２０に進み、改質器１１への原料ガスの供給量を増やす。また、制御部１３は、ステップＳ２０３０に進み、改質器１１への水の供給量を増やす。さらに、制御部１３は、ステップＳ２０４０に進み、上記各実施形態と同様に、製品水素の出力量を減らすように制御する。

ステップＳ２０２０からステップＳ２０４０について、具体的には、図９に示すように制御される。図９に示すように、改質温度Ｔｆｐが下限値ＴＬ未満になった場合は、制御部１３は、流量制御部３４とポンプ３７とに対して、原料ガス及び水のそれぞれの供給量を増加させるように供給量制御信号を送信する。制御部１３は、原料ガスの供給量を、例えば、通常状態を基準として１．２倍に増加させる。これに対応して、制御部１３は、改質器１１に供給される原料ガスと水のそれぞれの割合が変化しないように、水の供給量も、１．２倍に増加させる。

原料ガスと水の供給量を増加させることにより、図９に示すように、改質器１１が生成する改質ガスの出力量は、図３に示す通常状態を１００％とすると、１２０％となり、１．２倍に増加する。原料ガスと水の供給量の増加分は同じであるため、改質ガスに含まれる成分の割合も変化しない。

そのため、改質ガスに含まれる水素の量も、改質ガス全体が１２０％に増加するため、通常状態の８０％を基準とすると、１．２倍に増加して、９６％（８０％×１．２）となる。

また、制御部１３は、流量制御部６２の出力割合を、通常状態の６０％から５０％に減少させることにより、製品水素の出力量を、通常状態の５６％から４８％（９６％×０．５）に減少させる。

これにより、製品水素の出力量の減少分に加えて、原料ガスと水の増加による改質ガスの増加分が、戻し流路６４を介してオフガス供給路６１に送出される。

図９の例では、改質ガスは通常状態を基準に１２０％に増加される。この改質ガスから抽出される製品水素の出力量も、通常状態の５６％から４８％に減少するため、水素と不純物を含んだオフガス全体の量は通常状態の４４％から７２％に増加する。７２％のオフガスに含まれる不純物の割合は、通常状態（２０％）の１．２倍の２４％であるので、残りの水素の割合が、通常状態の２４％から４８％に増加する。したがって、図９の例では、オフガス中の水素濃度が、４８／６４＝７５％となる。通常状態は５４．５％なので、オフガス中の水素濃度が増加している。オフガス中の水素濃度が増加すると、オフガス中の燃焼する成分の割合が増加するため、バーナ１７の発熱量が増加して、改質器１１の改質温度Ｔｆｐが上昇する。

図１０は、図１の構成図に、改質温度Ｔｆｐの制御メカニズムの説明を追加して、以上の改質温度制御を要約的に示した図である。図１０に示すように、まず、（１）に示すように、改質器１１において改質温度Ｔｆｐが低下して、下限値ＴＬ未満になる。この場合、制御部１３は、（２）に示すように、原料ガスと水を増やす制御を行う。また、制御部１３は、（３）に示すように、水素出力量も減らす。そうすると、（４）に示すように、オフガス中の水素濃度が増えて、（５）に示すように、バーナ１７の発熱量が増加する。これにより、（６）に示すように、改質器１１の改質温度Ｔｆｐが上昇する。

オフガスの水素濃度を増加させると、バーナ１７の単位時間当たりの発熱量が増加するため、オフガスの水素濃度を変化させずに行う制御と比較して、短時間で改質温度Ｔｆｐを上昇させることができる。このため、改質温度Ｔｆｐを目標範囲ＲＧに短時間で回復させることができる。

しかも、第４実施形態においては、製品水素の出力量の減少に加えて、原料ガスを増加させる制御を行っている。そのため、第１実施形態と比較して、オフガス中の水素濃度をより増加させることができる。そのため、製品水素の出力量を減少させる制御のみを行う場合と比べて、改質温度Ｔｆｐをより短時間で回復させることができる。

上記実施形態は、本発明の一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、図６に示す２段階制御の第２実施形態と図７に示すオフガスをバイパスさせる第３実施形態とを組み合わせることも可能である。また、図６に示す２段階制御の第２実施形態と、図８から１０に示す第４実施形態とを組み合わせて、製品水素の出力量を減らしても、改質温度Ｔｆｐが回復しない場合に、原料ガスを増加させる制御を行うというように、製品水素の出力量と原料ガスの供給量で２段階制御を行ってもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ４３として熱電対を使用し、熱電対を改質器１１内の改質部４２の下流側に配置して改質温度Ｔｆｐを測定しているが、改質器１１の外部、例えば、改質器１１の筐体の外周面に温度センサを設けてもよい。改質器１１の外部に温度センサを設ける場合は、外部の温度センサで測定される外部温度と改質部４２の近くの改質温度Ｔｆｐとの相関関係を予め取得しておき、相関関係に基づいて外部温度から改質温度Ｔｆｐを間接的に測定する。この場合でも、なるべく、改質部４２に近い位置の温度を測定することが好ましいため、外部の温度センサを設ける位置は、例えば、改質部４２の下流側に位置する、改質器１１の底部などが好ましい。

また、本発明は、上記実施形態で示した水素製造装置に加えて、水素製造装置によって実現される水素製造方法、及び水素製造装置において実行される制御をコンピュータによって実現する水素製造装置の作動プログラムにも及ぶ。

本開示の水素製造装置の制御をコンピュータによって実現する場合は、例えば、図１１に示すように、制御部１３は、ハードウェアであるＣＰＵ（Central Processing Unit)１０１と、ソフトウェアである作動プログラム１０４との協働によって実現される。作動プログラム１０４は、データストレージデバイス１０３内に格納されている。メモリ１０２は、ＣＰＵ１０１が処理を実行するためのワークメモリである。ＣＰＵ１０１は、作動プログラム１０４をメモリ１０２にロードして、作動プログラム１０４に記述されたステップを実行する。これにより、図２、図６又は図８に示す処理が実現される。

１０ 水素製造装置
１１ 改質器
１１Ａ 筒状壁
１１Ｂ 筒状壁
１１Ｃ 筒状壁
１１Ｄ 筒状壁
１２ ＰＳＡ装置
１２Ａ、１２Ｂ 吸着塔
１２Ｃ バッファタンク
１２Ｄ 配管
１３ 制御部
１７ バーナ
２１ 燃焼室
２４、２７、３４ 流量制御部
２６ 補助燃料供給路
２８ 排ガス流路
２８Ａ 排ガスポート
３１ 原料ガス供給ポート
３２ 水供給ポート
３３ 原料ガス供給路
３５、３７ ポンプ
３６ 水タンク
３８ 外部水供給部
３９ 水供給路
４１ 第１流路
４２ 改質部
４３ 温度センサ
４４ 第２流路
４６ ＣＯ変成部
４７ 出力ポート
４８ 改質ガス供給路
５１ 昇圧前分離部
５２、５６ バッファタンク
５３ 圧縮機
５４ 昇圧後分離部
６１ オフガス供給路
６１Ａ 第１オフガス供給路
６１Ｂ 第２オフガス供給路
６２ 流量制御部
６４ 戻し流路
６３ 排出路
６６ オフガスタンク
７１ バルブ
７２ バルブ
１０１ ＣＰＵ
１０２ メモリ
１０３ データストレージデバイス
１０４ 作動プログラム
ＲＧ 目標範囲
ＴＨ 閾値
ＴＬ 下限値
Ｔｆｐ 改質温度

Claims (13)

1. 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、前記改質部が出力する前記第１ガスと水蒸気とを反応させて、前記第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、
   前記改質器を昇温するバーナと、
   前記改質器が出力する前記改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、前記不純物を含む残りのガスをオフガスとして前記バーナに供給する水素精製装置と、
   前記水素精製装置が前記外部に出力すべき水素の出力量を減らして、前記オフガスを前記バーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構と、
   前記改質器の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサが測定した前記温度が予め設定された下限値未満になった場合に、前記水素出力量制御機構を制御して、前記バーナに供給する前記オフガス中の水素濃度を増加させる制御部と、
   を備えている水素製造装置。
2. 前記制御部は、予め設定された上限値と前記下限値とで規定される目標温度の範囲内に前記温度がある場合は、前記オフガス中の水素濃度が、予め設定された基準値未満になるように、前記水素出力量制御機構を制御する請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記水素出力量制御機構は、水素精製装置が出力する水素を貯留するバッファタンクの後段に配置されており、前記バッファタンク内の水素の一部を、配管を通じて、前記オフガス供給路に送出する請求項１又は２に記載の水素製造装置。
4. 前記水素精製装置は、圧力スイング吸着装置である請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
5. 前記バーナに供給される燃料は前記オフガスのみである請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
6. 前記バーナに対して、前記オフガスとは別に補助燃料を供給することが可能であり、
   前記補助燃料の供給量を制御する補助燃料供給量制御機構を有している請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
7. 前記制御部が前記水素濃度を増加させる制御を行う前後において、前記補助燃料の供給量は一定である請求項６に記載の水素製造装置。
8. 前記制御部は、前記温度が前記下限値未満になった場合に、前記オフガス中の水素濃度を増加させる第１制御を行い、
   かつ、前記温度が、前記下限値未満の温度領域において予め設定された閾値未満になった場合には、前記補助燃料供給量制御機構を制御して、前記補助燃料を増加させる第２制御を行う請求項６に記載の水素製造装置。
9. 前記オフガス供給路として、第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを有しており、
   前記第１オフガス供給路は、前記オフガスを一時的に貯留するオフガスタンクを経由する供給路であり、前記第２オフガス供給路は、前記オフガスタンクをバイパスする供給路であり、
   さらに、前記第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを選択的に切り替える切り替え機構を備えている請求項１から８のいずれか１項に記載の水素製造装置。
10. 前記改質器へ供給する前記原料ガスの供給量を制御する原料ガス供給量制御機構を備えており、
    前記制御部は、前記水素出力量制御機構の制御に加えて、前記原料ガス供給量制御機構も制御して、前記原料ガスを増加させる制御を行う請求項１から９のいずれか１項に記載の水素製造装置。
11. 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反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、前記改質部が出力する前記第１ガスと水蒸気とを反応させて、前記第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、前記改質器を昇温するバーナと、前記改質器が出力する前記改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、前記不純物を含む残りのガスをオフガスとして前記バーナに供給する水素精製装置と、前記水素精製装置が前記外部に出力すべき水素の出力量を減らして、前記オフガスを前記バーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構とを備えた水素製造装置を用いた水素製造方法において、温度センサを用いて前記改質器の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度センサが測定した前記温度が予め設定された下限値未満になった場合に、前記水素出力量制御機構を制御して、前記バーナに供給する前記オフガス中の水素濃度を増加させる制御を行う制御ステップと、
    を備えている水素製造方法。
12. 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反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、前記改質部が出力する前記第１ガスと水蒸気とを反応させて、前記第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、前記改質器を昇温するバーナと、前記改質器が出力する前記改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、前記不純物を含む残りのガスをオフガスとして前記バーナに供給する水素精製装置と、前記水素精製装置が前記外部に出力すべき水素の出力量を減らして、前記オフガスを前記バーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分の水素を、前記水素精製装置を非通過で送出することが可能な水素出力量制御機構とを備えた水素製造装置の作動プログラムにおいて、温度センサを用いて前記改質器の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度センサが測定した前記温度が予め設定された下限値未満になった場合に、前記水素出力量制御機構を制御して、前記バーナに供給する前記オフガス中の水素濃度を増加させる制御を行う制御ステップと、
    をコンピュータに実現させる作動プログラム。
13. 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを反応させることにより、水素と一酸化炭素とに改質して、水素と一酸化炭素とを含む第１ガスを出力する改質部と、前記改質部が出力する前記第１ガスと水蒸気とを反応させて、前記第１ガス中の一酸化炭素の一部を、水素と二酸化炭素とに変成して、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第２ガスを改質ガスとして出力する一酸化炭素変成部とを有する改質器と、
    前記改質器を昇温するバーナと、
    前記改質器が出力する前記改質ガスから水素以外の成分である不純物を除去して、水素を外部に出力する水素精製装置であって、前記不純物を含む残りのガスをオフガスとして前記バーナに供給する水素精製装置と、
    前記水素精製装置が前記外部に出力すべき水素の出力量を減らして、前記オフガスを前記バーナに供給するオフガス供給路に、前記出力量の減少分を送出することが可能な水素出力量制御機構と、
    前記改質器の温度を測定する温度センサと、
    前記温度センサが測定した前記温度が予め設定された下限値未満になった場合に、前記水素出力量制御機構を制御して、前記バーナに供給する前記オフガス中の水素濃度を増加させる制御部と、
    を備え、
    前記オフガス供給路として、第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを有しており、
    前記第１オフガス供給路は、前記オフガスを一時的に貯留するオフガスタンクを経由する供給路であり、前記第２オフガス供給路は、前記オフガスタンクをバイパスする供給路であり、
    さらに、前記第１オフガス供給路と第２オフガス供給路とを選択的に切り替える切り替え機構を備えている水素製造装置。

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